KR101120108B1 - 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리우레탄과 같은 폴리머와 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 중탄 등의 충진제를 시멘트 대신 투수콘크리트의 결합재로 사용하여, 시멘트와 물을 사용하지 않고 폴리머와 충진재를 사용하여 휘어지며 충격에 강하고, 염화칼슘과 같은 염에 의한 피해가 없는 종래의 투수콘크리트보다 물리적, 화학적으로 안정한 구조체를 형성할 수 있는 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물에 관한 것으로, 실적율이 60~70%이고 5mm 이하 크기의 골재를 30% 이하 함유하는 굵은 골재 또는 2.5~5mm 크기의 잔골재, 상기 골재 중량 대비 3~15%의 폴리머, 상기 골재 중량 대비 3~30%의 충진제인 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 중탄, 또는 이들의 혼합물, 및 상기 폴리머 및 충진제("결합재")의 1~5중량%의 안료로 구성된다.
폴리머, 플라이애시, 고로슬래그, 중탄, 투수콘크리트

Description

유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물{Composition for Flexible Permeable Concrete}
본 발명은 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 폴리우레탄과 같은 폴리머와 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 중탄 등의 충진제를 시멘트와 물 대신 투수콘크리트의 결합재로 사용하여, 시멘트와 물을 사용하지 않고 폴리머를 사용하여 휘어지며 충격에 강하고, 염화칼슘과 같은 염에 의한 피해가 없는 종래의 투수콘크리트보다 물리적, 화학적으로 안정한 구조체를 형성할 수 있는 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물에 관한 것이다.
차도, 보도, 자전거도로, 산책로 등에 대한 투수성 포장 및 블록은 기존의 비투수성 포장과는 달리 포장재 자체가 저류 효과 및 배수 기능을 가지므로 하수 부하를 경감하여 홍수 조절 기능을 수행할 수 있어 자연 생태계 보호 및 환경 친화적 도시개발과 정비에 이바지하는 등 여러 가지 유익한 기능을 갖는다.
특히 우천시, 투수성 포장체를 통하여 신속히 빗물이 침투되어 제거됨으로써 물고임 현상, 차량에 의한 물보라 및 물 튀김 현상, 수막 현상으로 인한 미끄럼 현상 등이 감소 및 방지되고, 우천시 불빛의 난반사로 운전자의 눈부심 방지에도 기여함으로써 교통사고를 방지하는데도 도움이 될 것이라는 점이 인식됨에 따라, 투수성 포장의 적용에 대한 수요는 증가 되어 왔으며, 투수성 포장의 구조 및 재료에 대한 연구 및 개발 또한 활발히 진행되어 왔다.
국내에서는 주로 시멘트를 결합재로 사용한 투수콘크리트 기술이 가장 대중적으로 이용되어 왔다. 그러나 이 경우 시멘트 중 가용 성분이 수분과 더불어 콘크리트 표면으로 이동하여 하얀 석출물로서 표면으로 올라오는 백화 현상, 일반 콘크리트보다 수축 팽창율이 크기 때문에 발생되는 균열 현상, 겨울철 염화칼슘의 살포로 인한 골재 분리 또는 포장체의 파손 현상, 및 일반 시멘트 콘크리트에 비해 강도가 떨어지는 등의 문제점이 지적되었다.
따라서 이러한 문제점을 극복하기 위한 여러 가지 시도가 있었으며, 예를 들어, 백화 현상을 방지하기 위해서는 스테아린산, 파라핀 에멀젼과 같은 방수제를 혼합하여 수분의 이동을 억제하거나, 아크릴 에멀젼과 같은 폴리머 혼화제를 사용하여 치밀한 구조를 만들거나, 균열 현상을 방지하기 위해서는 폴리프로필렌 섬유, 폴리비닐알콜 섬유를 보강하는 등의 방법이 시도되었다. 그러나, 효과가 미비하거나, 폴리프로필렌 섬유가 투수콘크리트와 제대로 결착되지 않아 다른 문제점이 제기되었다.
또한 결합재로 폴리머 수지를 사용하는 기술도 제시된 바 있으나, 폴리머는 시간이 흐를수록 강도가 높아지는 시멘트 콘크리트와는 달리 시간이 지날수록 자외 선이나 풍수에 의해 강도가 저하되어 외장재로는 사용이 제한되었다.
또, 아스팔트 계열의 투수콘크리트는 소성 변형에 의해 공극이 막히는 단점으로 인하여 사용이 저조하였으나, 최근에는 개질 아스팔트 기술의 발전과 함께 배수성 포장으로 개발되고 있다.
투수성 콘크리트 포장에 관한 종래 기술로서 공지된 것으로는, 물과 시멘트, 잔골재, 굵은 골재, 안료, 혼화제를 혼합하여 투수 계수가 0.1cm/sec 이상이고 일정한 입도 범위에 따라 강도가 100kg/cm2 내지 300kg/cm2 범위인 "유색 투수성 콘크리트"(1989. 7. 10자 국내 특허공개 제89-8402호, 특허 제36315호), 및 조골재와 물 외에 플라이애쉬나 고로수쇄 슬래그를 주경화제로 사용하고, 고강도 조강시멘트를 경화촉진제로 사용하며, 에폭시, 우레탄, 폴리에스테르, 아크릴, 초산비닐수지 중 하나를 이용한 일정량의 수지계 에멀젼으로 구성되어, 폭우 및 포설 후 3일 이내에 35kg/cm2 이상의 휨강도를 발현하여 조기 교통개방 및 통행이 가능케 하는 "투수성 콘크리트"(1999. 12. 6자 국내 특허공개 제99-84143호, 특허 제311988호)가 있다.
폴리머를 결합재로 사용하는 기술은 불포화 폴리에스터 및 에폭시와 같은 폴리머 레진을 바인더로 사용하고, 유색골재와 착색제를 사용하여 칼라폴리머콘크리트 제조방법에 대한 "유색골재를 이용한 칼라폴리머콘크리트의 제조방법"(2006. 1. 26자 국내 특허공개 제06-13451호)이 있다.
본 발명자는 투수콘크리트의 문제점인 백화현상, 제설제인 염화칼슘에 의한 골재분리, 균열 등이 대부분 결합재인 시멘트에 있음을 인지하고, 시멘트의 대체 결합재를 연구한 결과 폴리우레탄과 같은 폴리머에 충진제인 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 중탄, 또는 이들의 혼합물을 일정비율로 혼합 사용하여 본 발명을 완성하게 되었다.
국내에서는 주로 시멘트를 결합재로 사용한 투수콘크리트 기술이 가장 대중적으로 이용되어 왔다. 그러나 이 경우 시멘트 중 가용 성분이 수분과 더불어 콘크리트 표면으로 이동하여 하얀 석출물로서 표면으로 올라오는 백화 현상, 일반 콘크리트보다 수축 팽창율이 크기 때문에 발생되는 균열 현상, 겨울철 염화칼슘의 살포로 인한 골재 분리 또는 포장체의 파손 현상, 및 일반 시멘트 콘크리트에 비해 강도가 떨어지는 등의 문제점이 지적되었다.
따라서 이러한 문제점을 극복하기 위한 여러 가지 시도가 있었으며, 예를 들어, 백화 현상을 방지하기 위해서는 스테아린산, 파라핀 에멀젼과 같은 방수제를 혼합하여 수분의 이동을 억제하거나, 아크릴 에멀젼과 같은 폴리머 혼화제를 사용하여 치밀한 구조를 만들거나, 균열 현상을 방지하기 위해서는 폴리프로필렌 섬유, 폴리비닐알콜 섬유를 보강하는 등의 방법이 시도되었다. 그러나, 효과가 미비하거나, 폴리프로필렌 섬유가 투수콘크리트와 제대로 결착되지 않아 다른 문제점이 제기되었다.
또한 결합재로 폴리머 수지를 사용하는 기술도 제시된 바 있으나, 폴리머는 시간이 흐를수록 강도가 높아지는 시멘트 콘크리트와는 달리 시간이 지날수록 자외선이나 풍수에 의해 강도가 저하되어 외장재로는 사용이 제한되었다.
또, 아스팔트 계열의 투수콘크리트는 소성 변형에 의해 공극이 막히는 단점으로 인하여 사용이 저조하였으나, 최근에는 개질 아스팔트 기술의 발전과 함께 배 수성 포장으로 개발되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 위에서 기술한 바와 같이 지금까지의 투수콘크리트가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
즉, 본 발명의 목적은 종래 투수콘크리트의 주결합재로 사용되어 오던 시멘트로 인하여 백화 현상이 발생하는 것을 방지하고, 염화칼슘과 같은 제설제에 의한 피해를 최소화하며, 폴리머 도포에 의한 미끄럼 현상도 방지할 수 있는 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 시멘트를 폴리우레탄과 같은 폴리머와 플라이애시, 고로슬래그 미분말, 중탄, 또는 이들의 혼합물인 충진제를 혼합한 결합재(폴리머+충진제)로 대체하여 물리적, 화학적으로 안정된 투수콘크리트 구조체를 형성하고 내충격성과 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고로슬래그, 플라이애시는 물론 재생 골재, 슬래그 골재와 같은 재활용 자재를 이용하여 유효 자원을 재활용하고, 토르말린이나 맥반석, 황토, 연옥, 숯 등 미분말 상태의 기능성 충진제를 하나 이상 첨가하여 냄새 제거, 물의 정화, 음이온 방출, 원적외선 방출 등의 추가 기능을 갖는 투수콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 투수콘크리트 조성물은 실적율이 60~70%이고 5mm 이하 크기의 골재를 30% 이하 함유하는 굵은 골재, 또는 2.5~5mm의 잔골재; 상기 골재 중량 대비 3~15%의 폴리머; 상기 골재 중량 대비 3~30%의 충진제인 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 중탄, 또는 이들의 혼합물; 및 상기 폴리머 및 충진제(이하 "결합재")의 1~5 중량%의 안료로 구성된다.
본 발명의 투수콘크리트 조성물은 선택적으로, 2~30mm, 바람직하게는 6~20mm의 길이의 섬유보강재를 0.7~1.5kg/m3 포함하거나, 또는 토르말린, 맥반석, 황토, 연옥, 숯 등의 기능성 충진제를 상기 충진제의 3~20 중량% 범위 내에서 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에서 골재는 골재 자체의 강도만 크게 문제되지 않으면 일반 쇄석이나 재생골재, 고로슬래그 골재, 제강슬래그 골재 등 어떤 것을 이용해도 무방하며, 굵은 골재의 5mm 체 통과량이 10% 이하인 경우에는 잔골재를 10% 정도 추가하여 실적율도 높이고, 공극의 크기를 줄여 강도의 저하가 발생되지 않도록 한다.
다공성 콘크리트의 투수성은 잔골재가 없으면 최대로 발휘되지만, 소정의 강도를 발현하기 위해서는 어느 정도의 잔골재가 필요하다. 그러나, 10mm 이하 골재의 경우 잔골재가 30% 이상일 경우에는 결합재의 양과 질기의 조절이 쉽지 않아 공극이 막혀 투수가 되지 않을 수 있으므로 30% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 잔골재가 30%에 가까우면 결합재의 양을 적절히 조절하여 결합재가 흘러내려 공극을 메우는 일이 없도록 한다.
본 발명에서 사용하는 폴리머는 탄성포장재에 사용되는 우레탄바인더를 충진제와 혼합하여 시멘트를 대체할 수 있는 결합재로 사용하고 있으나, 우레탄뿐만 아 니라, 여러 가지 합성수지가 사용이 가능하다. 유연성이 필요한 경우에는 폴리우레탄, 강도가 요구될 때는 폴리에스테르나 에폭시 계통의 폴리머가 사용될 수 있으며, 시멘트 투수콘크리트에 비해 유연성 및 높은 내충격성, 내산성을 갖는다.
그러나, 폴리머는 충진제 없이 단독으로 쓰일 경우 자외선에 의해 내구성이 저하되는 특성이 있기 때문에 시간이 경과 될수록 내구성이 저하되는 문제가 있다. 따라서 이러한 물성을 개선하기 위해 본 발명에서는 화력 발전소에서 발생되는 플라이애시나 제철공장에서 부산물로 생성되는 고로슬래그 미분말, 중탄, 또는 이들의 혼합물을 충진제로 사용하여 폴리머의 물성을 보강함으로써 원하는 정도의 내구성이 발현되도록 한다.
본 발명은 투수콘크리트 조성물이 최적의 물성을 나타내고 최고의 기능을 달성할 수 있도록 폴리머와 충진제의 적정 사용 비율을 제공하는 것을 특징으로 한다.
즉, 일반 콘크리트의 경우는 시멘트를 플라이애시로 20~35% 치환하면 균열을 억제하고 강도가 증진되는 효과를, 고로슬래그 미분말로 30~50% 치환하면 고강도화가 가능한 것으로 알려져 있으나, 본 발명의 유연성을 갖는 투수콘크리트의 경우는 폴리우레탄 폴리머에 플라이애시나 고로슬래그 미분말, 중탄 충진제가 적정 비율로 들어가 보다 치밀한 구조를 형성하고, 시멘트와 물을 대체한 결합재로써 역할을 하는 것이므로, 플라이애시나 고로슬래그 미분말, 중탄과 같은 충진제를 폴리우레탄 폴리머의 100~200 중량% 범위에서 사용하였을 때 탁월한 내충격성 및 내구성 증진 효과를 나타낸다.
상기 충진제의 사용량이 100% 보다 적은 경우 적정량의 충진제를 사용했을 때와 비교하여 떨어지는 물성을 나타내며, 200%를 초과하여 너무 많이 사용할 경우도 결합재가 골재를 감쌀 정도로 유동성이 좋지 않아 오히려 물성이 저하된다.
충진제의 입자는 작을수록, 즉 비표면적이 높을수록 폴리머와 접촉 면적이 넓어져서 강도 보강 효과를 더욱 촉진할 수 있다. 따라서 충진제는 입자가 작은 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 유연성을 갖는 투수콘크리트의 용도에 따라 휨강도 증진이나 균열 억제 등의 물성 보강을 위하여 섬유보강재를 선택적으로 포함할 수 있다. 섬유보강재로는 탄소 섬유, 유리섬유, PVA섬유, 셀룰로오스 섬유 등 한가지 또는 그 이상을 사용할 수 있다. 섬유보강재는 재질에 따라 차이는 있으나, 길이는 2~30mm, 바람직하게는 6~20mm로 쉽게 분산 가능한 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 투수콘크리트 조성물은 상기 충진제 외에, 토르말린이나 맥반석, 황토, 연옥, 숯 등의 기능성 충진제를 하나 이상 첨가하여 냄새 제거, 물의 정화, 음이온 방출, 원적외선 방출 등의 추가적 기능을 발휘하도록 할 수 있다.
상기 기능성 충진제로서 첨가되는 각 성분들의 역할을 간단히 설명하면 다음과 같다.
토르말린은 지구상에 존재하는 광물 중에서 유일하게 영구적인 전기적 특성을 지니고 있으며, 항산화 작용 및 0.06A의 작은 전류가 흘러 발생하는 음이온과 원적외선 효과에 의해 공기 정화, 물 정화, 냄새 제거, 신진대사 촉진작용 등의 효과가 있다.
맥반석은 무수규산과 산화알루미늄이 주성분이고, 인체 및 살아있는 세포에 꼭 필요한 산화제2철(Fe2O3)이 함유된 것이 특징이며, 40 여종의 미네랄 구성으로 생체의 발육과 생리기능을 조절하여 세포의 활력을 유지하고, 1㎤ 당 3만~15만여개의 많은 공극(다공질)이 있어 강력한 흡착작용, 미네랄 용출, 이온교환 작용, 원적외선을 방사하는 바이오 스톤으로 유해물질 및 중금속을 흡착 분해하며, 부패원인 제거, 신선도 유지기능, 수질조절 등의 기능을 한다.
황토는 고령토나 점토보다 찰력이 많은 입자로서 실리카와 알루미나, 철, 마그네슘, 나트륨, 칼륨 등 수많은 무기질이 함유된 미세입자로 살아 숨 쉬는 흙으로서 원적외선을 다량 방사하며, 주요 효능은 공기 정화, 원적외선 방사, 항균 작용, 냄새 제거, 수질 정화 등이 있다.
연옥은 광물학적으로 각섬석의 일종으로 경도가 6~6.5이며 경옥보다 약하고 유백색인 것이 많다. 이는 인체에 가장 유익한 파장대의 천연 원적외선을 발산(방사율 90~100%)하여 신진대사를 돕는다.
본 발명에 의한 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물은 종래 투수콘크리트의 주결합재로 사용되어 오던 시멘트를 사용하지 않음으로써, 백화 현상이 발생하는 것을 방지하고, 염화칼슘과 같은 제설제에 의한 피해를 최소화하며, 폴리머 도포에 의한 미끄럼 현상도 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한 본 발명의 투수콘크리트 조성물은 결합재로서 종래의 시멘트 대신 폴리우레탄과 같은 폴리머와 플라이애시 및/또는 고로슬래그 미분말과 같은 충진제의 혼합재를 사용하여, 일반적인 콘크리트보다 압축강도는 높지 않으나, 물리, 화학적으로 안정된 치밀한 투수콘크리트 구조체를 형성하고 우수한 내구성과 화학적 안정성을 나타낼 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면, 고로슬래그, 플라이애시 뿐만 아니라 재생 골재, 슬래그 골재와 같은 재활용 자재를 이용하여 유효 자원을 재활용할 수 있고, 토르말린이나 맥반석, 황토, 연옥, 숯 등의 기능성 충진제를 하나 이상 첨가하여 냄새 제거, 물의 정화, 음이온 방출, 원적외선 방출 등의 추가 기능을 갖는 투수콘크리트 조성물을 제공할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명을 실시예를 더욱 상세히 설명하며, 본 발명의 내용이 실시예에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로 투수콘크리트에서 많이 사용되는 10mm 골재 100중량부를 사용하고, 폴리머는 1액형 습기경화형 우레탄바인더 수지를 골재 중량의 9%중량부, 충진제는 중탄을 사용하고 골재 중량의 14%중량부, 안료는 결합재의 1%중량부를 계량하여 콘크리트믹서에서 배합하여 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물을 제조하였다.

Claims (6)

  1. 실적율이 60～70％이고, 5mm 이하 크기의 골재를 30％ 이하 함유하는 굵은 골재 또는 2.5～5mm 크기의 잔골재; 상기 굵은 골재 또는 잔골재('굵은 골재 또는 잔골재' 이하 "골재")의 중량 대비 3～15％의 폴리머; 상기 골재 중량 대비 3～30％의 충진제; 및 상기 폴리머 및 충진제('폴리머 및 충진제' 이하 "결합재")의 1～5중량％의 안료로 구성되는 것을 특징으로 하는 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물.
  2. 실적율이 60～70％이고, 5mm 이하 크기의 골재를 30％ 이하 함유하는 굵은 골재 또는 2.5～5mm 크기의 잔골재; 상기 굵은 골재 또는 잔골재('굵은 골재 또는 잔골재' 이하 "골재")의 중량 대비 3～15％의 폴리머; 상기 골재 중량 대비 3～30％의 충진제; 및 상기 폴리머 및 충진제('폴리머 및 충진제' 이하 "결합재")의 1～5중량％의 안료; 2～30mm 길이의 섬유보강재를 0.7～1.5kg/m3 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 충진제는 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 중탄 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하거나, 토르말린, 맥반석, 황토, 연옥 및 숯으로 구성되는 기능성 충진제 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 골재는 일반 쇄석이나 재생골재, 고로 슬래그 골재, 제강 슬래그 골재 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 섬유보강재는 탄소 섬유, 유리섬유, PVA섬유 및 셀룰로오스섬유 중 하나 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 유연성을 갖는 투수콘크리트 조성물.
  6. 삭제
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