KR101110731B1 - 폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제 - Google Patents

폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 산업폐기물로 처리되는 폐 비정질 유리분말(TFT-LCD 등)을 고강도 파일의 혼합제로 사용시 다른 원료와 반응하여 구조적으로 치밀한 상태로 변화되어 고성능을 발휘할 수 있으며 제품품질의 안정성 및 장기 강도 등의 내구성이 개선된 고품질의 콘크리트 파일을 생산하기 위한 것이다.
그 구성은 폐 비정질 세라믹스 분말 5 내지 10 중량%와 반응 활성화제 1 내지 2 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제를 제공한다.
폐 비정질 세라믹스 분말, 활성화제, 혼합제

Description

폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제{CEMENT ADMIXTURE}
본 발명은 폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 산업폐기물로 처리되는 폐 비정질(non- crystalline 또는(amorphous) 유리분말(TFT-LCD 등)을 고강도 파일의 혼합제로 사용시 다른 원료와 반응하여 구조적으로 치밀한 상태로 변화되어 고성능을 발휘할 수 있으며 제품품질의 안정성 및 장기 강도 등의 내구성이 개선된 고품질의 콘크리트 파일을 생산하기 위한 것이다.
비정질이란 일반적으로 금속 등은 상온에서 결정구조를 가지며 미세 결정의 집합체라 할 수 있다. 이러한 결정 금속들을 가열하여 액체상태로 만든 후 금속을 105 K/s 이상의 고속으로 급랭하면 고체화 할 때 원자들이 규칙적인 배열을 하지 못하고 무질서한 배열을 보이게 된다. 이러한 상태를 비정질이라 하고 유리 조성물이나 세라믹스 등이 대표적인 비정질 재료이다.
우리나라는 경제적인 급성장에 발맞추어 산업발전도 급격하게 진행되었고 이에 따른 산업폐기물의 양도 기하급수적으로 늘어가는 추세이다. 현재의 대부분의 산업폐기물이 매립되므로 심각한 환경오염과 자원 낭비 현상이 심화되고 있다. 이에 선진국에서는 재활용 산업으로 산업폐기물을 가공 또는 정제하여 자원의 유효성을 높이기 위해 생산 원료 및 연료로 널리 사용되고 있어 환경오염 감소와 원가 절감의 일거양득의 효과를 누리고 있다.
그 중에서도 폐 비정질 세라믹스 미분말을 재활용하여 고강도 파일의 혼합제로 사용하기 위해 많은 연구를 하고 있다. 상기 폐 비정질 세라믹스 미분말 적용사례를 살펴보면, 세라믹스 미분말 치환율은 총 시멘트 양의 3～5 중량% 정도의 수준으로 그 이상 치환 시 초기 강도저하 및 블리딩 현상 등의 문제를 초래하여 5 중량% 이상의 치환이 어려운 실정이다. 이에 더 높은 응결 반응성 향상을 통하여 위와 같은 물성 문제점을 개선하여 많은 양의 폐 애자류, 폐유리, 폐 도자기류와 같은 폐 비정질 세라믹스 미분말을 시멘트 치환제로서 사용하기 위해 여러 가지 방법이 있지만 그 중 치환첨가에 의해 초기의 응결 반응성을 증가시켜 초기강도를 높일 수 있는 반응활성화제의 개발이 요구되고 있다.
이와 같이 일반적인 폐 세라믹스 미분말은 수화하지 않으므로 물리적으로 충진성능 향상과 유동성과 성형성에 영향을 미치지만, 비정질 세라믹스 미분말(소결체)에 경우에는 이보다 더 나아가 포졸란 반응을 일으켜서 수화상을 치밀하게 만들어 내구성과 강도증진에 영향을 미친다. 그러나 콘크리트 파일에 다량의 비정질 세라믹스 혼입시 초기 강도가 중요한 물리적 특성인 콘크리트 파일 내부에서 미반응한 비정질 세라믹스 미분말이 약한 골재로 작용함으로써 물성에 악영향을 미치게 된다.
또 미반응 비정질 세라믹스 미분말의 반응성을 증가시키기 위하여 적절한 반응 활성화제를 필요로 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 고강도 콘크리트 파일의 품질을 향상시키기 위하여 시멘트 대체재로 각종 혼합제를 첨가하여 물성을 향상시키고자 연구한 폐 비정질 세라믹스 분말(TFT-LCD, 폐 애자류, 폐 도자기류)과 반응 촉진제를 혼합하여 사용함으로써 기존의 PHC 파일에 비하여 물리적 특성인 압축강도와 내구성 면에서 우수한 특성을 나타내도록 함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 폐 비정질 세라믹스 분말의 첨가량을 증가시키기 위하여 반응 활성화제로 사용되는 NaOH, KOH, Ca(OH)2, Na2SiO3 중에서 Ca(OH)2가 가장 적합하며, 활성화제를 1중량% 첨가시 폐 TFT-LCD 유리분말 첨가량을 10중량%까지 증가시킴으로써 물리적 특성 및 내구성을 향상시키고 사회적으로는 자원 유효화, 경제적으로는 원가절감을 하고자 함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 갖는 본 발명의 혼합제에 대한 구성을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 폐 비정질 세라믹스 분말 5 내지 10 중량%와 반응 활성화제 1 내지 2 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 폐 비정질 세라믹스 분말은 TFT-LCD 유리분말, 폐 도자기 분말, 폐 애지 분말 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제를 제공한다.
그리고, 상기의 반응 활성화제는 NaOH, KOH, Ca(OH)2, Na2SiO3 중에서 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제를 제공한다.
본 발명을 통하여 폐 비정질 세라믹스 분말을 활용한 시멘트 콘크리트는 고성능을 발휘할 수 있으며 제품 품질 안정성 및 장기 강도 등의 내구성이 개선된 고품질의 콘크리트 파일을 생산할 수 있다.
경제 산업적 측면에서, PHC 파일은 보통 포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용하고 있으며 고강도를 발휘하기 위해 되도록 많은 양의 시멘트를 사용하고 있다. 하지만, 폐비정질 세라믹스 분말의 경우 사용 시에 톤당 포틀랜드 시멘트를 전량 사용하였을 때와 비교시 톤당 1만 원 정도의 원가 절감 효과가 예상되어 연간 약 1억 원의 원가 절감효과가 기대되고 있다.
또한, 최근 보통 포틀랜드 시멘트의 수입 의존도가 커짐에 따라 국내 시멘트 산업이 위축되고 있으나 보통 포틀랜드 시멘트의 사용량을 줄임으로써 수입대체효과도 기대할 수 있다.
그뿐만 아니라 품질이 우수한 콘크리트 파일을 개발하여 흄관, 벤치플룸, 콘크리트 블록, 전주, 중앙분리대, 도로 경계석등 시멘트 콘크리트의 취약점을 가지고 있는 제품에도 적용가능하다.
이하, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 고안을 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기 위하여, 본 고안의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 설명하기로 한다.
1) 실험 사용 원료
원료는 보통 포틀랜드 시멘트와 삼성코닝에서 TFT-LCD 유리 제조시 발생하는 파유리를 본 공장에서 분쇄한 TFT-LCD 유리분말을 사용하였다. 각 원료의 화학조성 및 분말도는 <표 1>에 나타내었다.
< 표 1: 사용원료의 화학조성 및 분말도 >
Figure 112011069245710-pat00004
2) TFT-LCD 유리분말 첨가량별 압축강도
* 실험 방법
TFT-LCD 유리분말 첨가량을 유리분말 무첨가, 5, 10, 15중량%로 증가시킨 모르타르 압축강도를 측정하였다. 압축강도 시험은 위의 실험과 동일한 모르타르 혼합은 KS L 5109, 압축강도 시험은 KS L 5105에 의거하여 실시하였고, 양생 조건도 실공정과 동일한 상압증기 양생을 실시하였다.
* 실험 결과 및 고찰
모르타르 압축강도 결과 1일 강도는 유리분말 무첨가 시편에 비하여 유리분말 첨가한 시편이 높게 측정되었지만, 3일 이후에는 5중량% 첨가 배합시편 만이 더 높은 압축강도 측정결과를 나타냈다. 위와 같은 실험 결과 순수하게 시멘트 배합에 유리분말만을 치환 첨가한 배합에서는 기존의 시멘트 배합보다 우수한 물리적 특성을 나타내기 위해선 유리분말 첨가량이 5중량% 이내로 한정되어 있다. 이에 따라 TFT-LCD 유리분말의 첨가량 증대시키고자 실험을 진행하였다.
3) 활성화제별 압축강도
* 실험 방법
TFT-LCD 유리분말은 비정질의 안정적인 화학반응성을 지니고 있어 물과 접촉시 반응에서도 반응성이 떨어지므로 활성화제를 첨가하여 유리 첨가 배합 시편의 물리적 특성을 증가시키는 실험을 실하였다. 유리 분말은 구성 성분과 비결정질이라는 면에서 고로 슬래그와 유사한 경향을 나타내어 슬래그의 반응성을 증대시키는 활성화제를 이용하여 유리분말의 반응성을 높이고자 하였다. 실험에 사용된 활성화제 종류로는 고로 슬래그의 대표적으로 활성화제로 사용되는 NaOH, KOH, Ca(OH)2, Na2SiO3를 각각 사용하여 압축강도 결과값을 통한 비교분석을 실시하였다.
활성화제별 모르타르 압축강도의 물리적 특성을 평가하기 위하여 TFT-LCD 유리분말을 5중량%씩 치환첨가한 동일한 배합비에 활성화제를 1중량%씩 종류별로 첨가하여 KS L 5105에 의거하여 모르타르 압축강도 측정 시험을 실시하였다.
* 실험 결과 및 고찰
각 활성화제(자극제)별 재령 1, 3, 7일의 압축강도 측정결과 활성화제(자극제)를 첨가한 배합이 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 배합보다 압축강도가 높게 나타났고, 그 중 Ca(OH)2가 가장 높게 나타났다. 그러므로 지금부터 진행되는 활성화제(자극제) 첨가되는 실험은 Ca(OH)2을 사용하여 진행하고자 한다.
Figure 112011069245710-pat00005
< 표 2: TFT-LCD 유리분말 첨가량별 압축강도(모르타르) >
Figure 112009058062431-pat00003
< 표 3: 활성화제별 압축강도(모르타르) >
4) 반응 활성화제(Ca(OH)2) 첨가량별 압축 강도
* 실험 방법
TFT-LCD 유리분말의 첨가량과 반응 활성화제의 첨가량에 따른 모르타르 압축 강도의 물성특성을 평가하여 최적의 유리분말 첨가량 배합에서의 활성화제 첨가량을 도출하기 위한 실험으로 TFT-LCD 유리분말은 0, 5, 10, 15 중량% 첨가량에 대한 활성화제 0, 1, 2, 3 중량% 첨가에 다른 압축강도 시험을 실시하였다. 압축강도 시험의 조건의 위의 실험들과 동일한 조건으로 실시하였다.
* 실험 결과 및 고찰
TFT-LCD 유리분말 첨가량에 따른 활성화제(Ca(OH)2) 첨가량 변화 배합의 모르타르 압축강도 측정 결과를 그림 3-3, 4, 5에 그래프로 나타내었다. 그림 3-3은 TFT-LCD 유리분말 0, 5, 10, 15중량%에 활성화제를 1중량% 첨가 배합한 모르타르 시편의 압축 강도 결과값을 나타내었다. 활성화제를 1중량% 첨가한 모르타르 배합에서는 유리분말을 5중량% 첨가한 배합 시편만이 무첨가한 배합 시편보다 재령 1, 3, 7일에서 모두 높게 측정되었고, TFT-LCD 유리분말 첨가량이 10, 15중량%인 배합 시편의 경우 압축 강도 특성이 낮게 측정되었다.
활성화제를 2중량% 첨가시 모르타르 압축강도는 TFT-LCD 유리분말 첨가량 10, 15중량%로 높은 배합비의 모르타르 시편이 무첨가 배합과 5중량% 치환첨가 배합에 비하여 두드러지게 높게 측정되었다.
마지막으로 활성화제를 사용량의 최대치가 사용되는 3중량% 첨가 배합비의 모르타르 압축강도 결과는 그림 3-5에 나타내었고, 활성화제 2중량% 사용 결과 경향과 같이 TFT-LCD 유리분말을 10중량% 첨가한 결과값에서도 TFT-LCD 유리분말을 10중량% 첨가한 배합비가 가장 우수한 압축강도 결과를 나타내었다. 위의 결과를 종합하여 유추하여 볼 때, TFT-LCD 유리분말을 첨가한 배합에서는 반응 활성화제(Ca(OH)2)의 함량이 증가함에 따라 압축강도도 증가하였다. 그러나 활성화제 첨가량이 계속적으로 증가시켜도 반응하는 TFT-LCD 유리분말의 양이 많으면 다량이 미반응하여 압축강도에 악영향을 미치게 된다고 생각된다.
5) TFT-LCD 유리분말 첨가량별 내산성 평가
* 실험 방법
콘크리트 경화체가 특수 환경에 노출될 경우 접촉면에서부터 화학적 작용을 받음으로써 시멘트 경화체를 구성하는 수화생성물이 변질 또는 분해되어 결함능력을 상실한 열화현상이 일어나며 이것을 총칭해 화학적 침식이라 한다. 시멘트 경화체 열화메커니즘은 여러 가지가 있지만 대표적으로 황산염을 들 수 있다. 황산염은 시멘트 수화물과 반응하여 팽창성 수화물을 생성함으로써 팽창압에 의한 콘크리트 경화체를 열화시킨다. 콘크리트 파일은 땅속에 장입되어 건축물의 기초로써 오랜 시간 동안 흙과 접촉되어있다. 황산염 토양 지역의 경우 다른 지역에 비해 황산염의 농도가 높아 콘크리트 파일의 열화에 주의가 요구된다.
Figure 112011069245710-pat00006
< 표 4: TFT-LCD 유리분말 첨가량 변화에 따른 활성화제 1중량% 첨가 >
Figure 112011069245710-pat00007
< 표 5: TFT-LCD 유리분말 첨가량 변화에 따른 활성화제 2중량% 첨가 >
Figure 112011069245710-pat00008
< 표 6: TFT-LCD 유리분말 첨가량 변화에 따른 활성화제 3중량% 첨가 >
이에 따라 TFT-LCD 유리분말 첨가량에 따른 황산염에 대한 저항성 실험을 실시하였다.
실험 방법은 유리분말을 0, 5, 10, 15중량% 치환첨가하였고, 주원료 물질로는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 압축강도 측정 시험법은 위의 실험들과 동일하게 KS L 5105에 의거하여 모르타르 압축 강도를 측정하였고, 양생 조건도 동일한 조건으로 실험을 진행하였다.
탈형 후 5% 황산염에 1, 3, 7일을 침지시키고 외부 관찰 및 중량 변화와 압축 강도 측정을 통하여 황산염 저항성을 알아보았다.
* 실험 결과 및 고찰
5% 황산 수용액 침지에 따른 실험 결과 황산염의 열화 및 반응수화물에 따른 모르타르 시편의 압축강도 결과를 그림 3-6에 나타내었다. TFT-LCD 유리분말을 10, 15중량% 첨가한 배합의 모르타르 시편의 압축강도가 시멘트 시편에 비하여 높은 압축강도를 나타내었다. 이는 유리분말 첨가 배합 시편이 황산 침지시 부피팽창율이 낮아 파괴가 적게 일어나 열화진행속도가 늦어 침지 3일 후부터는 압축강도면에서 우수한 특성을 나타내었다.
6) TFT-LCD 유리분말 첨가시 콘크리트 파일 물성 평가
콘크리트 파일 제조시 TFT-LCD 유리분말을 0, 5, 10, 15중량% 치환첨가시 콘크리트 파일의 압축 강도는 그림 3-7 에 나타내었다.
TFT-LCD 유리분말 무첨가와 5, 10중량% 치환첨가 시에는 7일 강도에서 비슷하고 조금 낮게 압축강도가 측정되었고, 치환율이 15중량%를 넘어서면서 압축강도가 큰 폭으로 감소하였다. 그러므로 압축강도 면에서 기존의 물성보다 더 향상된 물성을 발현하기 위하여 적절한 양의 반응활성화제 첨가가 필요한 실정이다.
Figure 112011069245710-pat00009
< 표 7: TFT-LCD 유리분말 첨가량에 따른 내황산염 평가 >
7) 활성화제(Ca(OH)2를 첨가한 콘크리트 파일
* 실험 방법
TFT-LCD 유리분말 배합에 활성화제 첨가시의 물리적 특성을 평가하기 위하여 활성화를 0, 1, 2중량% 첨가하여 콘크리트 파일 시편의 압축강도를 측정하여 비교 분석하였다. 콘크리트 비빔은 실공정이 아닌 실험적 변수를 줄여서 정확한 실험 경향성을 관찰하기 위하여 콘크리트 팬믹서를 이용하여 혼합하였다.
활성화제로 사용된 Ca(OH)2는 미분말이고 물의 흡수력이 우수하여 다른 분말 원료들과 교반시 응집이 발생하여 콘크리트 비빔에 사용되는 정량의 물에 혼합하여 콘크리트 비빔에 사용하였다. 양생 조건은 실공정 수증양생기를 사용하여 상압고온 양생을 실시하였다.
* 실험 결과 및 고찰
활성화제 첨가 콘크리트 파일 시편 압축강도 실험 결과는 TFT-LCD 유리분말을 동일하게 10중량% 첨가한 배합에서 활성화제 1중량%를 첨가한 배합의 시편이 가장 높은 압축강도를 나타내었고, 활성화제 무첨가 시편의 압축강도에 비하여 1일 강도는 3.2%, 7일 강도는 1.3% 정도의 강도상승률을 나타내었다. 활성화제 2중량% 첨가시 압축강도는 1중량% 첨가한 압축강도와 유사한 강도값을 나타내었고 오히려 7일 강도에서는 소폭의 감소된 측정값을 나타내었다. 활성화제가 탈형강도(초기강도)에서는 압축강도 상승에 영향을 미쳤지만, 7일 강도(중기강도)에는 영향을 미치지 않는 것으로 사료된다. 비빔시 활성화제 무첨가 배합에 비하여 활성화제 첨가 배합은 높은 점성을 나타내었다.
위의 실험 결과로 유추해보면 제품 공정 배합에 활성화제를 1중량% 첨가시 콘크리트 파일의 압축강도 상승 효과가 나타날 것으로 예견된다.
Figure 112011069245710-pat00010
< 표 8: TFT-LCD 유리분말 첨가에 따른 압축강도(콘크리트) >
Figure 112011069245710-pat00011
< 표 9: 반응활성화제 첨가량에 따른 압축강도(콘크리트) >
8) 콘크리트 파일 제품의 물성 평가
본 공장의 실제품인 지름이 400㎝의 제품의 물리적 특성 평가를 공인기관인 한국건자재 시험연구원에 의뢰한 결과표 3-2와 같이 목표치와 KS규격을 상향하는 측정값을 나타내었다.
Figure 112011069245710-pat00012
< 표 10: 콘크리트 파일 제품의 물리적 특성 평가 >

Claims (3)

  1. 폐 비정질 세라믹스 분말 5 내지 10중량%와 반응 활성화제 1 내지 2중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 폐 비정질 세라믹스 분말은 TFT-LCD 유리분말, 폐 도자기 분말, 폐 애지 분말 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 활성화제는 NaOH, KOH, Ca(OH)2, Na2SiO3 중에서 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제.
KR20090089407A 2009-09-22 2009-09-22 폐 비정질 세라믹스 분말이 함유된 고강도 파일 혼합제 KR101110731B1 (ko)

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