KR101042702B1

KR101042702B1 - 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물

Info

Publication number: KR101042702B1
Application number: KR20110028763A
Authority: KR
Inventors: 김태진; 정택용; 우병용
Original assignee: 김태진; 주식회사 대한폴리머
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2011-06-20

Abstract

본 발명은 동슬래그 잔골재를 불포화폴리에스테르 수지에 충진하여 기존의 폴리머 콘크리트에 비해 제조 단가가 저렴하면서도 일반골재에 비해 뛰어난 물리, 화학적 성능을 가지는 신규한 폴리머 콘크리트 조성물을 제공하고, 맨홀 뿐만 아니라 경계석, 방음벽(판), 욕조, 세면기, 흄관, 토목.건축재 등의 다양한 용도로 활용될 수 있는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머콘크리트 맨홀조성물에 관한 것으로, SiO₂ 함량 90%이상, 입도 5~10mm인 굵은골재 40~50중량부와; 비중 3.4~3.8, 입도 1.2mm 이하의 동슬래그 잔골재 15~25중량부와; 비중 0.8~0.9, 단위용적질량 300~500 kg/m³인 인공경량골재 5~15중량부와; 불포화폴리에스테르 수지 조성물 5~10중량부와; 탄산칼슘분말 15~25중량부와; 수축저감제 1~2중량부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물에 관한 것이다.

Description

동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물{omitted}

본 발명은 굵은골재, 동슬래그 잔골재, 인공경량골재, 불포화폴리에스테르 수지 조성물, 탄산칼슘분말, 수축저감제를 포함하여 구성되는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 맨홀은 노면으로부터 지하로 설치되어 사람이 작업을 할 수 있는 공간을 확보하기 위한 것으로, 설치장소로는 관의 직경, 노선 등이 변경되는 곳, 기점이나 교차점, 길이가 긴 직선부의 중간위치 등에 설치되며, 통풍이나 관거의 연락에도 이용된다.

맨홀 모양은 시공하기가 수월한 원형이 가장 많으며, 이 밖에도 사각형, 타원형 등이 있다. 입구는 테두리가 있는 철제나 콘크리트 받침 위에 보통 지름이 60 cm 정도인 주철 또는 철근콘크리트제인 원형뚜껑을 덮을 수 있는 구조를 갖는다.

본체는 콘크리트 현장 타설이나 공장에서 제품으로 제조하며 안지름은 0.9~1.2 m인 것이 많고, 바닥은 관로의 바닥과 같게 하거나 더 낮게 하여 물의 흐름을 원활하게 만든다.

맨홀은 지중에 매설되어 사용되는데, 맨홀 본체의 하부 양측에 연결관이 일체로 형성되고 본체 상하부에는 플랜지가 형성되며, 본체 상부 중앙에는 뚜껑이 설치된다. 이러한 맨홀은 주로 콘크리트 일체형으로 이루어지며, 콘크리트를 현장 타설하거나 또는 일정 형태로 제작된 콘크리트 기성제품을 사용하여 시공한다.

콘크리트를 현장 타설하는 경우에는 일정형태의 거푸집을 설치하고, 설치된 거푸집 내에 철근을 삽입한 후 콘크리트를 타설해 주어야 하므로 시공이 불편할 뿐 아니라, 콘크리트를 양생시키는데 오랜 시간이 소요되어 공사기간이 길어지는 문제가 있다.

또한, 맨홀을 콘크리트 일체형으로 제작하여 설치하게 되면 자체적인 탄성이 미흡하여 지반의 진동 등에 따른 내구성이 미흡할 뿐만 아니라 콘크리트의 내부로 물이 침투하여 맨홀이 부식되는 등의 문제가 발생된다. 즉, 맨홀의 수명이 단축되는 것이다.

또한 기존 맨홀 구조에서 상판의 경우 대부분 시멘트 콘크리트로 제작되어 내식성, 특히 하수에서 발생되는 황화수소가스에 대해 매우 취약하고, 맨홀 본체와 상판간의 결합구조는 상판의 측면 돌출부가 과도하게 커서 지표층 동결시 그 돌출부의 목걸림 현상으로 상판이 본체로부터 이탈되는 현상이 발생되는 한편, 본체를 높이려 할 경우 연결가능한 구조가 고려되지 않는 문제점 있다.

아울러 맨홀 바닥에 시멘트 모르타르 타설로 형성되는 인버터의 경우도 맨홀하판과의 부착성을 확보할 수 없어 일체화시키기 어렵고, 재질상 하수에서 발생되는 황화수소가스에 대한 내식성이 약하며, 수축으로 인하여 맨홀 본체와 접촉하는 부분에 틈이 발생하여 오수나 이물질이 들어가 2차적인 부식의 원인이 되는 문제점을 갖고 있다.

또한, 맨홀 본체와 접합되는 지관의 경우, 고무패킹, 유리섬유 적층, 무수축 모르타르 충진 등에 의해 그 본체와 접합되나, 모두가 쉽게 박리, 이탈됨에 따라 누수 등 많은 하자를 야기하고 있다.

이와 같이 맨홀 등 건축재료로 사용되는 일반 콘크리트는 철근의 부식 및 중성화, 염해 등에 의해 내구성 저하가 나타나며, 이러한 현상을 예방하기 위해 철근의 표면에 에폭시 수지, 우레탄, 실리콘, 불포화 폴리에스테르 계열 등의 화학 수지로 코팅하거나 페인트 등으로 도장하는 방법이 사용되고 있으나, 내구성, 경제성 및 접착 특성에 문제점이 제기되고 있다.

즉, 건설재료로써 대표적으로 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트 콘크리트는 경제성 및 구조특성상의 장점을 가지고 있으나 결합재가 시멘트 수화물이기 때문에 늦은 경화, 작은 인장강도, 큰 건조수축, 내약품성 취약 등의 단점을 가지고 있다.

이러한 단점을 개선하기 위하여 콘크리트 제조시에 사용하는 결합재로서 시멘트를 전혀 사용하지 않고 열경화성 또는 열가소성 수지와 같은 액상 수지를 사용하여 골재를 결합시킨 폴리머 콘크리트(Polymer Concrete) 등의 폴리머 복합 재료를 사용한다.

즉, 시멘트 대신에 유기 합성 고분자인 열 경화성 수지 혹은 열 가소성 수지를 결합재로 이용한 폴리머 콘크리트 및 모르타르 등의 폴리머 복합 재료는 경화 시간이 대체로 빠르고, 휨 강도, 압축 강도 및 인장 강도 등의 강도 특성 또한 매우 우수하면서, 내약품성, 동결 융해에 대한 저항성, 내마모성, 방수성 등의 성질도 시멘트 콘크리트 및 모르타르 같은 보통 시멘트 제품에 비해 월등히 우수한 장점을 가지고 있어, 방식 라이닝, 보수 재료, 블록맨홀, 흄관, 하수관, 기계기초, 인조 대리석 등에 고기능성 신소재로서 널리 이용되고 있다.

현재까지 개발된 폴리머 콘크리트는 한국특허등록 제394465호에 골재, 충진재 및 결합재 조성물을 포함하는 폴리머 복합 재료에 있어서, 상기 결합재 조성물이 전체 결합재 조성물 중량에 대하여 1 내지 50 중량%의 폐 발포 폴리스티렌, 반응성 용제로서 45 내지 94 중량%의 스티렌 모노머 또는 메틸메타크릴레이트, 가교제로서 4 내지 50 중량%의 트리메틸로프로판 트리메타크릴레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 복합 재료가 제시된 바 있는데, 상기 결합재 조성물 함유 폴리머 복합 재료는 폐기물로 다량 발생되고 있는 폐 발포 폴리스티렌을 이용하기 때문에 고분자 합성 수지를 결합재 성분으로 하는 종래의 폴리머 복합 재료에 비해 제조 원가가 훨씬 저렴하고, 폐기물을 재활용한다는 측면에서 2차 오염을 방지하는 뛰어난 환경 보호 효과를 제공하며, 이를 사용하여 제조한 경화된 복합 재료 또한 휨 강도, 압축 강도 등 물리적 성능면에서 기존의 복합 재료에 상응하는 우수한 성능을 발휘하는 특징이 있지만, 폴리머 함량이 매우 높고, 유기용제를 다량 사용함에 따른 환경적 측면에서 문제점이 있다.

또한, 한국공개특허 특1997-0026979호에는 폐주물사를 골재로 하여 포틀랜드 시멘트, 알루미나 시멘트, 금속 산화물, 마그네슘 화합물, 간수, 인산화합물, 암모늄염과 열경화성 고분자 수지 페놀, 요소, 멜라닌, 아크릴 및 염료, 안료를 선택적으로 구성하여 조성물을 제조하는 방법이 제시되어 있는데, 상기 조성물을 이용하여 경화체 조성시 금속산화물과 금속산화물 경화체를 첨가하여 가용성 규산이 수용되면서 금속 산화물과 화학반응하여 금속 규산염으로 유도하고 경화제로 결합함으로 인하여 규산의 표면 표출이 없고 장기 강도가 좋고 조성된 경화체는 조직이 치밀하여 투수, 흡수성이 없어 내수, 방수 효능이 우수하며 공해성이 없으므로 환경보호에 기여하며, 특히 시멘트 제품으로 구성할 수 없는 다양한 색상을 도출하므로 토목, 건축자재를 제조시 연마된 물체와 같이 표면이 깨끗하고 다양한 색채의 제품을 만들 수 있고, 점차적으로 천연 강모래의 부족으로 인한 골재난 해소에 일익을 할 수 있는 장점이 있으나, 대부분 사용원료가 비싸 경제성 면에서 매우 불리하다.

또한, 등록특허 제10-0750717로에는 공지의 원심력 장치를 통해 주형을 450~550rpm으로 회전시키면서 상기 주형의 내부에 불포화 폴리에스테르 수지와 5~7cm 크기로 절단된 유리섬유를 2:1의 중량비로 하여 상기 주형의 길이방향을 따라 노즐을 이동시키면서 일정 두께를 가지도록 동시에 도포하여 외부 유리 섬유층을 형성시키고, 상기 주형을 350~450rpm으로 회전하면서 상기 주형의 길이방향을 따라 노즐을 이동시키면서 불포화 폴리에스테르 11.9~14.5중량%, 규사 55~65중량%, 탄산칼슘 23~30중량% 및 경화제 0.1~0.5중량%로 이루어지는 폴리머 콘크리트를 상기 외부 유리 섬유층에 일정 두께로 도포하여 고강도 폴리머 콘크리트층을 형성시키며, 상기 주형의 회전속도를 450~550rpm으로 회전시키면서 상기 폴리머 콘크리트층에 불포화 폴리에스테르 수지 및 5~7cm 크기로 절단된 유리섬유를 2:1의 중량비로 주형의 길이방향을 따라 노즐을 이동시키면서 동시에 도포시켜 내부 유리 섬유층을 형성시킨 뒤, 상기 주형을 600~700rpm의 속도로 15~30분 회전시키면서 상기 각 층들을 경화시키는 양생단계를 거쳐 맨홀 벽체를 제조하는 기술이 공지되어 있으나, 이 역시 천연규사를 사용하므로 강도면에서 문제 및 수급상의 문제가 있다.

따라서, 상기와 같이, 현재 사용되고 있는 폴리머 콘크리트 및 모르타르 등의 폴리머 복합 재료는 상기한 바와 같은 여러 가지 장점에도 불구하고 결합재로서 유기 합성 고분자를 사용하므로 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트나 모르타르 제품에 비해 상대적으로 고가의 제조 비용이 투입되어야 하는 문제점이 있으며, 또한, 강모래 등의 천연규사는 SiO2 함량이 상대적으로 낮아 강도 면에서 문제가 있을 뿐 아니라, 날이 갈수록 천연골재의 수급이 어려워지는 상황에서 인조규사를 사용하고 있으나, 인조규사 또한 인조규사도 생산업체가 경영난으로 도산하여 수급상의 문제가 있으므로 충분한 강도유지와 함께 안정적인 수급을 유지할 수 있는 맨홀 제조용 대체 잔골재 개발이 시급한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 폴리머 콘크리트의 문제점을 해결하고, 대체 잔골재로서 현재 환경 폐기물로 발생되고 있는 동슬래그의 새로운 재활용 방안을 제시함과 동시에, 동슬래그 잔골재를 불포화폴리에스테르 수지에 충진하여 기존의 폴리머 콘크리트에 비해 제조 단가가 저렴하면서도 일반골재에 비해 뛰어난 물리, 화학적 성능을 가지는 신규한 폴리머 콘크리트 조성물을 제공하고, 맨홀 뿐만 아니라 경계석, 방음벽(판), 욕조, 세면기, 흄관, 토목.건축재 등의 다양한 용도로 활용될 수 있는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머콘크리트 맨홀조성물을 제공하는 것을 해결하려는 과제로 한다.

본 발명은 SiO₂ 함량 90%이상, 입도 5~10mm인 굵은골재 40~50중량부, 비중 3.4~3.8, 입도 1.2mm 이하의 동슬래그 잔골재 15~25중량부, 비중 0.8~0.9, 단위용적질량 300~500 kg/m³인 인공경량골재 5~15중량부, 불포화폴리에스테르 수지 조성물 5~10중량부, 탄산칼슘분말 15~25중량부, 수축저감제 1~2중량부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 상기 동슬래그 잔골재는 자용로 공법 슬래그(Flash copper smelting process; FCS)와 연속로 공법 슬래그(Continuous copper smelting process; CCS)가 1:1 중량비로 혼합된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 상기 불포화폴리에스테르 수지 조성물은 스티렌 모노머 함량 40~45중량%, 비중 1.1~1.5(25℃), 점도 0.5~10 Poise(25℃), 불휘발분 60~65중량%, 산값 20~40 mgKOH/g, 겔화시간 20~50분인 불포화 폴리에스터 수지 90~99중량%와 메틸에틸케톤퍼옥사이드(Methyl ethyl ketone peroxide) 경화제 1~10중량%로 이루어진 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 상기 탄산칼슘분말은 입도 #325체 통과 60~70%, 함수율 0.1% 이하인 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

또한, 상기 수축저감제는 점도 32.5poise, 불휘발분 30~40중량%인 폴리스티렌 수지인 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.

본 발명에 따른 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물은 동슬래그 잔골재를 불포화폴리에스테르 수지에 충진하여 기존의 폴리머 콘크리트에 비해 제조 단가가 저렴하면서도 우수한 물리, 화학적 성능을 가지며, 맨홀 뿐만 아니라 경계석, 방음벽(판), 욕조, 세면기, 흄관, 토목.건축재 등의 다양한 용도로 활용할 수 있는 특유한 효과가 있다.

본 발명은 SiO₂ 함량 90%이상, 입도 5~10mm인 굵은골재 40~50중량부, 비중 3.4~3.8, 입도 1.2mm 이하의 동슬래그 잔골재 15~25중량부, 비중 0.8~0.9, 단위용적질량 300~500 kg/m³인 인공경량골재 5~15중량부, 불포화폴리에스테르 수지 조성물 5~10중량부, 탄산칼슘분말 15~25중량부, 수축저감제 1~2중량부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 상기 동슬래그 잔골재는 자용로 공법 슬래그(Flash copper smelting process; FCS)와 연속로 공법 슬래그(Continuous copper smelting process; CCS)가 1:1 중량비로 혼합된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 상기 불포화폴리에스테르 수지 조성물은 스티렌 모노머 함량 40~45중량%, 비중 1.1~1.5(25℃), 점도 0.5~10 Poise(25℃), 불휘발분 60~65중량%, 산값 20~40 mgKOH/g, 겔화시간 20~50분인 불포화 폴리에스터 수지 90~99중량%와 메틸에틸케톤퍼옥사이드(Methyl ethyl ketone peroxide) 경화제 1~10중량%로 이루어진 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 상기 탄산칼슘분말은 입도 #325체 통과 60~70%, 함수율 0.1% 이하인 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 상기 수축저감제는 점도 32.5poise, 불휘발분 30~40중량%인 폴리스티렌 수지인 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 통해 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명에 사용하는 굵은 골재는 SiO₂ 함량 90%이상, 입도 5~10mm, 비중 2.43~2.62, 흡수율 0.6~1.2%, 함수율 1% 이하인 것을 사용하고, 일반적으로 콘크리트에 사용되는 강자갈 등 어느 것이나 제한이 없으며, 사용량은 본 발명의 폴리머 콘크리트 총 조성물에 대하여 40~50중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 40중량부 미만의 경우에는 폴리머 수지의 소요량이 증가하는 문제가 있으며, 50중량부 초과의 경우에는 동슬래그 잔골재, 인공경량골재 및 탄산칼슘의 충전율이 감소하여 강도가 저하하는 문제가 있기 때문이다.

한편, 한편, 동슬래그는 동의 용융제련시 부산물로 생성되며, 그 양은 연간 70만톤에 이르며, 시멘트 원료, 샌드블라스트용, 콘크리트 또는 시멘트 2차제품(벽돌, 블록) 등에 사용된다. 동슬래그의 밀도는 일반 천연골재에 비하여 31~44% 정도이며, 이에 따라 단위용적중량도 일반골재에 23~32% 정도 높게 분포하고 있고, 실적률은 일반골재에 비해 3% 정도 낮은 경향이다.

동슬래그의 생성과정을 보면, 동제련 과정중 일차 동광석을 녹여 조동을 만들고 정련과정을 거쳐 전기동을 생산하는데, 일반적으로 동광석은 황화광 정광을 이용하며, 동광석의 성분은 Cu 20~33%, Fe 22~24%, SiO₂ 7~15%, S 26~30%의 비율로 구성되고, Cu, Fe, S의 량이 거의 비슷하다. 이러한 정광을 용제(flux)인 규사(SiO₂)와 혼합하여 고농도의 산소부화공기와 반응시키면 정광중의 S는 산소와 결합하여 가스상태인 SO₂로 연소되고, 이 가스는 포집되어 황산으로 제조된다. 그리고 Fe는 산화물 형태인 FeO로 역시 산화되어 용제인 SiO₂와 만나 슬래그를 형성하고, Cu가 주성분인 매트(matte)의 비중차에 의해 분리 제거된다.

생성된 매트(matte)는 전로공정(converting), 정제로공정(fire refining), 전해정련(electro refining) 등 일련의 정련 과정을 통하여 99.99%의 전기동으로 생산되어 전선제조업체 등으로 공급된다. 제련공정 중에서 매트(matte)와 분리된 동슬래그는 전기로(electric resistance furnace)에서 유가금속 회수를 위한 setting 과정을 거친 후, 고압수에 의해 수쇄된다. 수쇄후의 동슬래그는 입상 상태로 대략 0.3~5mm 정도의 입도분포를 갖게 된다.

또한, 동의 생산공정에 따라 2가지의 동슬래그가 생성되는데, 자용로 공법 슬래그(Flash copper smelting process; FCS)는 건조한 정광을 산소 부화공기와 함께 반사로형의 자용로에 분사시켜 황화정광이 산화성 분위기와 급격한 반응을 일으켜 매트와 슬래그로 분리시키는 방법으로 비교적 입도가 작고 구형이며 고른 반면, 연속로 공법 슬래그(Continuous copper smelting process; CCS)는 건조한 정광과 산소부화공기를 Top Blow Lance로 투입하는 방식을 적용하여 Launder를 통한 용탕의 연속 이동과 자용로 공법의 P-S converter(전로)를 제거하는 공법으로 자용로 공법과는 달리 동광석과 규사 외에 석회석을 투입하며, 자용로 슬래그에 비해 입형이 거칠고 침상형을 지닌다.

동슬래그 골재의 흡수율은 0.20%를 나타내고 있어 일반 잔골재에 비하여도 낮은 흡수율을 가지고 있다. 이는 연속로 슬래그의 결정 형태가 대부분 유리질(glassy state)로 이루어져 있고 표면 또한 기공 및 요철이 없는 상태여서 흡수가 거의 이루어지지 않기 때문이고, 또한 슬래그 생산공정이 수쇄방식을 취하고 있어 골재 표면에 부착되어 있는 점토 덩어리 및 이물질의 함유가 매우 낮다는 것도 한 흡수율이 낮은 원인이 된다.

본 발명에서 사용되는 동슬래그 잔골재는 비중 3.4~3.8, 입도 1.2mm 이하의 것을 사용하는데, 입도 1.2mm 이상의 것을 사용하면 큰 비중으로 인해 재료의 분리현상이 나타날 수 있는 문제점이 있다.

또한, 상기 동슬래그 잔골재는 자용로 공법 슬래그(Flash copper smelting process; FCS)와 연속로 공법 슬래그(Continuous copper smelting process; CCS)가 1:1 중량비로 혼합된 것을 사용하는데, 입형이 구형을 취하고 있는 FCS 슬래그의 경우 각형 또는 부정형의 입형을 가진 CCS 슬래그에 비하여 슬럼프가 높게 나타나 유동성 확보 측면에서 유리하지만, 구형으로 인한 결합능이 저하되어 CCS 슬래그에 비해 상대적으로 압축강도가 약화될 수 있는 문제점이 있고, 각형 또는 부정형의 입형을 가진 CCS 슬래그는 결합능이 FCS 슬래그에 비해 높아 압축강도가 증가하는 효과를 가지므로 본 발명에서는 상기 FCS 및CCS 슬래그의 혼합비율을 중량비로 1:1 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 동슬래그 잔골재의 사용량은 15~25중량부 사용하는 것이 바람직한데, 15중량부 미만의 경우에는 폴리머수지의 소요량이 증가하는 문제가 있고, 25중량부 초과의 경우에는 동슬래그의 비중에 의한 중량이 과도하게 되는 단점이 있다.

상기와 같이, 동슬래그를 사용할 경우 버려지는 부산물을 재활용하는 환경적 측면에서 유리할 뿐만 아니라, 경제성이 매우 높고, 또한, 슬래그는 밀도가 일반 천연골재에 비하여 31~44% 정도로 높고, 이에 따른 단위용적중량도 일반골재에 23~32% 정도 높게 분포하고 있기 때문에 압축강도 및 휩강도가 일반골재보다 훨씬 우수한 특성을 활용하여 폴리머 콘크리트 맨홀의 내구성 및 강도를 증진하고, 일반골재에 비해 폴리머 사용이 절감될 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 인공경량골재는 다공질의 구형입자로서 콘크리트구조물의 경량화와 단열 및 흡음에 사용되는 자재로 알려져 있다. 하지만 인공경량골재는 경량화에 필요한 다공성을 지님과 동시에 콘크리트 강도 유지에 필요한 압축강도와 부착력이 우수한 특성을 가지고 있다.

본 발명에서 사용되는 인공경량골재는 폐유리로부터 재생된 것으로서 폐유리는 총 3단계를 거친 분쇄 과정을 거쳐 밀가루와 같은 미립분이 된다. 분쇄 과정을 거친 후 원료에 소량의 발포제를 혼입하는데 이 때 발포제의 혼입률에 따라서 생산되는 인공경량골재의 비중이 결정될 수 있다. 발포제를 혼입하여 원료를 가열하면 먼저 수분이 증발하여 건조상태가되고 700~900℃ 정도에서 소성된다. 이때 발포제의 영향으로 인하여 서로 유기체화 된 원료의 내부에 공극이 생기며 표면이 연화되면서 용융성의 유리질 상의 표면을 형성한다. 소성이 끝난 후 냉각 과정을 거치며 만들어진 인공경량골재를 분급 과정에 의하여 여러 입도를 가진 인공경량골재로 제조하게 된다.

특히, 본 발명에서 사용되는 인공경량골재의 표면건조 포화상태의 비중은 0.8~0.9, 단위용적질량 300~500 kg/m3인 것을 사용하는데, 이는 보통 잔골재의 표면건조 포화상태의 비중 2.5~2.65에 비해 약 30% 정도이며, KS F 2534에서 규정한 구조용 경량골재의 기준인 1,120 kg/m3 의 약 40% 정도로 나타나 구조체의 자중감소에 효과적인 것이다.

본 발명에 사용되는 상기 인공경량골재의 사용량은 5~15중량부를 사용하는 것이 바람직한데, 상기 범위보다 적게 사용하는 경우에는 압축강도 및 자중감소 효과가 저하되며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 인공경량골재의 비표면적 증가로 인한 폴리머가 과다 사용되는 비경제적인 문제점이 있다.

불포화 폴리에스테르 수지, 즉 UPR은 폴리머결합재의 한종류로서 열경화수지에 속하며 불포화 다가산을 반드시 함유하고 여기에 포화 다가산과 다가 알코올을 병용하여, 탈수 축합반응에 의해 만들어지는 고분자인 불포화 Alkyd Binder를 반응성 비닐 모노머에 희석시킨 액상수지를 총칭하는데, 품질에 따라 다르지만 0.5~10Pa.s의 점도를 가지며, 비중은 1.1~1.5이고 무색투명하지만 착색될 수 있다. 또한 뛰어난 경화성과 양호한 성형성 및 작업성을 가지고 있지만 저온에서는 점도가 급격히 떨어져 작업이 거의 불가능한 단점이 있다.

가장 전통적인 불포화 폴리에스테르 수지는 1몰의 MAn과 2몰의 PAn, 그리고 3몰의 PG를 Polycondensation 반응을 시켜 얻은 Binder와 반응성 Vinyl monomer로 SM을 사용하여 55:45의 혼합비로 희석하여 제조한다. 그리고, 가교 경화후의 물성은 산의 종류와 글리콜의 종류 그리고 그 사용량에 따라 변화한다.

불포화폴리에스테르 수지는 Packed Column, Steam-jacket 및 water Total Condenser 등이 설치된 가열교반 Reactor에서 질소 공급하에서 가열 Polyesterification 반응을 하여 제조하는데, 일반적으로 PAn (Ortho-)을 사용한 Conventional type의 경우 1 스테이지 반응을 하고 반응시간 10~14시간에 반응온도는 150℃~250℃에서 요구 분자량에 따라 공정시간이 다르게 합성하고, IPA를 사용했을 경우 일반적으로 안정적인 이중결합의 분포를 위하여 반응시간 22~32시간, 180~230℃에서 2 스테이지 반응으로 불포화 폴리에스테르 Binder를 제조한 후, 반응성 모노머로 희석하여 제조하며, 가장 일반적인 UPR로서 1.0-2.0 몰의 PAn, 1.0몰의 MAn, 그리고 2.8-2.1 몰의 PG로 합성하여 35~45%의 SM으로 구성되어 있다.

본 발명에서는 스티렌 모노머 함량 40~45중량%, 비중 1.1~1.5(25℃), 점도 0.5~10 Poise(25℃), 불휘발분 60~65중량%, 산값 20~40 mgKOH/g, 겔화시간 20~50분인 불포화 폴리에스터 수지 90~99중량%와 메틸에틸케톤퍼옥사이드(Methyl ethyl ketone peroxide) 경화제 1~10중량%로 이루어진 불포화폴리에스테르 수지 조성물을 사용한다.

상기 스티렌 모노머 반응성희석제 함량이 40중량% 미만인 경우에는 강도는 강해지나 불포화 폴리에스터 수지의 수축으로 균열이 발생되고, 45중량%를 초과하는 경우 과량의 희석제로 인하여 강도가 저하되며, 상기 불포화 폴리에스테르의 점도 0.5~10 Poise(25℃) 범위를 벗어나는 경우 0.5poise 미만이면 혼합골재와 혼합시 비중차이로 인한 재료분리 현상이 발생하고, 10poise를 넘으면 골재와 혼화성이 떨어져 균일한 품질을 구현하기 어려우며, 고점도의 혼합재료로 인해 작업성이 저하된다. 또한, 상기 불포화 폴리에스테르는 겔화시간 20~50분 범위를 벗어나 20분 미만이면 시공성이 떨어지고, 50분을 초과하면 겔화시간이 길어져 역시 작업성이 저하된다.

상기 불포화폴리에스테르 수지조성물의 사용량은 5~10중량부가 바람직한데, 5중량부 미만이면 접착력이 저하되고, 폴리머 콘크리트의 배합작업이 어려우며, 10중량부를 초과하면 수지의 뭉침으로 인한 분리, 수축, 휨 등이 커지고 수지와 골재의 혼합에서의 작업성이 저하되며 고가의 수지를 필요 이상 사용하게 됨에 따라 과도한 경제적 비용을 지출하게 된다.

탄산칼슘은 불포화폴리에스테르 수지의 감량, 점성의 증진, 강도 및 내구성 등의 개선을 위해 사용되는 불활성 물질로서 중질 탄산칼슘(CaCO₃)을 사용하는데, 입도 #325체 통과 60~70%, 함수율 0.1% 이하인 것을 사용하고, 그 사용량은 폴리머 콘크리트 총 조성물에 대하여 15~25중량부로 사용하는 것이 바람직하며, 15중량부 미만의 경우에는 점도의 감소로 인하여 경화시간이 오래 걸리고 폴리머 콘크리트의 부착력이 떨어지며, 25중량부 초과의 경우에는 폴리머콘크리트의 점성이 너무 강해져 폴리머콘크리트의 경화시간이 현저하게 짧아지므로, 작업성이 저하되고, 충분한 충전 및 유동 특성을 가지지 못한다.

수축저감제는 폴리머 콘크리트의 경화 과정에서 발생하는 중합반응에 의해 경화되는 과정에서 체적 수축이 발생하기 때문에 과대한 체적 수축으로 인한 폴리머 콘크리트의 균열을 억제하고 치수 안정성 유지 및 한도 이상의 수축을 제어하기 위하여 사용하는 것으로서 점도 32.5poise, 불휘발분 30~40중량%인 폴리스티렌(polystrene) 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명의 폴리머 콘크리트 총 조성물에 대하여 1~2중량부 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 1중량부 미만의 경우에는 열경화성 수지의 과대한 체적수축이 발생할 문제가 있고, 2중량부 초과의 경우에는 강도 저하의 문제가 있기 때문이다.

[실시예]

다음 표 1과 같은 조성과 함량으로 굵은골재, 동슬래그 잔골재, 인공경량골재, 불포화폴리에스테르 수지 조성물, 탄산칼슘분말, 수축저감제를 교반기가 부착된 혼합기에 투입하여 분당 200 ∼ 800 회전수로 15분간 교반하여 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물을 제조하여 공시체 시험편을 제조하고 24시간 동안 양생한 후, 휨강도 (KS F 2408 : 콘크리트의 휨강도 시험방법) 및 압축강도(KS F 2405 : 콘크리트의 압축강도 시험방법)를 측정하였다.

[비교예]

상기 실시예에서 동슬래그 잔골재 및 인공경량골재 대신에 천연골재를 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 실시하고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

배합비(중량부)

재료	실시예
굵은골재	40
동슬래그 잔골재	20
인공경량골재	10
UPR 수지조성물	6
탄산칼슘분말	22.5
수축저감제(폴리스티렌 수지)	1.5

휨강도 및 압축강도

물성	실시예	비교예
휨강도(MPa)	36.5	25.0
압축강도(MPa)	171.0	150.0

표 2와 같이, 휨강도 및 압축강도 시험 결과 본 발명의 동슬래그를 활용한 폴리머 콘크리트 조성물은 기존의 콘크리트 보다 휨강도 및 압축강도에서 우수한 결과를 나타내었다.

Claims

SiO₂ 함량 90%이상, 입도 5~10mm인 굵은골재 40~50중량부와; 비중 3.4~3.8, 입도 1.2mm 이하의 동슬래그 잔골재 15~25중량부와; 비중 0.8~0.9, 단위용적질량 300~500 kg/m³인 인공경량골재 5~15중량부와; 불포화폴리에스테르 수지 조성물 5~10중량부와; 탄산칼슘분말 15~25중량부와; 수축저감제 1~2중량부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물
제1항에 있어서,
상기 동슬래그 잔골재는 자용로 공법 슬래그(Flash copper smelting process; FCS)와 연속로 공법 슬래그(Continuous copper smelting process; CCS)가 1:1 중량비로 혼합된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물
제1항에 있어서,
상기 불포화폴리에스테르 수지 조성물은 스티렌 모노머 함량 40~45중량%, 비중 1.1~1.5(25℃), 점도 0.5~10 Poise(25℃), 불휘발분 60~65중량%, 산값 20~40 mgKOH/g, 겔화시간 20~50분인 불포화 폴리에스터 수지 90~99중량%와 메틸에틸케톤퍼옥사이드(Methyl ethyl ketone peroxide) 경화제 1~10중량%로 이루어진 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머콘크리트 맨홀 조성물
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제1항에 있어서,
상기 수축저감제는 점도 32.5poise, 불휘발분 30~40중량%인 폴리스티렌 수지인 것을 특징으로 하는 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물
제1항 내지 제3항 및 제5항 중 어느 한 항에 따른 동슬래그 잔골재를 활용한 폴리머 콘크리트 맨홀 조성물을 이용하여 제조된 맨홀