KR101134221B1 - 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물에 관한 것으로서, 포틀랜드 시멘트 12~34 중량%와, 재활용 골재 34~52 중량%와, 잔골재로서 직경 5㎜ 미만인 천연골재 8~27 중량%와, 굵은 골재로서 직경 5~25㎜인 천연골재 16~28 중량%와, 입도 2,500~3,000㎠/g인 플라이애쉬 미분말 3~8 중량%와, 입도 4,000~6,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 3~8 중량%와, 폴리카르본산계 유동화제 0.5~1.5 중량%와, AE감수제 0.5~0.8 중량%, 및 수지에멀젼 0.5~0.8 중량%를 함유하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명의 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물은, 점차 고갈되어가는 자연산 골재나 환경오염이나 자연훼손을 발생시키는 인조골재의 대체용으로 매립되어지는 화력발전소 석탄회의 일종인 바텀애쉬와 철거현장에서 발생하는 폐 콘크리트를 사용함으로서 기존제품과 유사하거나 더 높은 압축강도를 나타내는 콘크리트를 제공 할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명이 바텀애쉬와 폐콘크리트로 사용한 친환경 콘크리트 조성물에 의하면, 천연골재의 고갈에 의한 대체효과와 재활용을 장려하는 사회적인 이슈와도 부합하며 폐기물을 건설자원으로 재활용함으로서 환경보존에도 기여하게 된다는 효과를 가지고 있다.
또한, 본 발명이 바텀애쉬와 폐콘크리트로 사용한 친환경 콘크리트 조성물에 의하면, 천연골재의 고갈에 의한 대체효과와 재활용을 장려하는 사회적인 이슈와도 부합하며 폐기물을 건설자원으로 재활용함으로서 환경보존에도 기여하게 된다는 효과를 가지고 있다.
Description
본 발명은 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 잔골재와 굵은 골재를 혼합한 바텀애쉬를 포틀랜드 시멘트에 배합함으로써 내구성, 압축강도, 동결, 융해성이 더 양호하게 유지되도록 한 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물에 관한 것이다.
일반적으로, 석탄 화력발전소에서 부산물로 발생되는 석탄회는 소로(燃燒盧)내에서 석탄의 유기성 가연 성분이 연소된 후에 남는 잔류 광물질로, 연소로의 하부로 배출되는 바텀 애쉬(바닥재 혹은 저회)와 연소가스와 함께 상부로 배출되는 플라이 애쉬(fly ash, 비회)로 구분된다. 이들 석탄회는 연소설비 내에서 포집되는 위치가 다르기 때문에 소결 상태, 밀도, 입자의 크기 등 물성이 다르게 나타나게 된다.
플라이 애쉬는 연소과정에서 생성된 석탄회 중에서 미세한 크기의 입자로 연소가스와 함께 연소로를 통과하여 배출되며, 총 석탄회 발생량의 75～90%를 차지하므로 일반적으로 석탄회라 하면, 이 플라이애쉬를 지칭한다. 플라이 애쉬는 발전설비의 향상에 따라 그 품질도 향상되어 그 재활용율이 1998년에는 32.2%, 1999년도에는 42.5%로 점차 증가하고 있으며, 90%이상이 콘크리트의 혼화재와 시멘트 원료로 활용되고 있다.
한편, 바텀 애쉬란 연소로 내에서 소결에 의해 입자가 형성된 상태에서 보일러 하부로 낙하하여 고형화된 물질을 분쇄기를 사용하여 25㎜이하의 입도로 분쇄시킨 것이다. 일반적으로 분쇄기에 의해 파쇄된 바텀 애쉬는 1～10㎜정도의 입경 범위를 갖고 있으며 클린커 애쉬(clinker ash) 또는 배드 애쉬(bad ash)라고도 한다. 이 바텀 애쉬는 총 석탄회 발생량의 10～15%정도가 발생한다.
통상, 환경보존과 자원의 재활용이 강조되는 시점에서 석탄 화력발전소의 부산물인 이들 석탄회는 발전소에 부가로 설치된 석탄회 처리장(회사장)에서 주로 처리되었다. 과거 국토의 이용률이 높았던 시기에는 회처리가 다소 용이하였으나, 최근 높은 경제 성장률로 인한 급격한 공장부지의 증가와 토지 값 상승으로 발전소 설비 면적의 3～4배를 필요로 하는 회사장을 구하기란 상대적으로 어려워지고 있는 것이 현실이다.
따라서, 플라이 애쉬의 경우는 그 활용방안에 대해 각계 연구소나 학계에서 꾸준한 연구를 수행한 결과, 시멘트 혼화재, 성토재, 토지 개량재, 경량골재 등 다양한 분야에 사용되어 왔으며 특히, 콘크리트의 혼화재와 시멘트 원료로는 사용이 활성화되어 있어 전체 재활용율의 약 90%를 차지하고 있다.
이러한 플라이 애쉬의 활용방법에 대해서는 미국특허공보 US pat. 6,068,131, US pat. 5,936,216, US pat. 5,5456,363, US pat. 5,227,047, US pat. 6,123,813, US pat. 6,074,458, US pat. 6,064,022, US pat. 5,967,331, US pat. 5,944,875, US pat. 5,513,755, US pat. 6,038,987, US pat. 5,976,331, US pat. 5,887,724, US pat. 5,299,692, US pat. 5,868,084, US pat. 5,749,308, US pat. 5,735,403, US pat. 5,555,821, US pat. 5,399,194, 한국 공개특허 1996-033525, 한국공개특허 1997-068549, 한국공개특허 1997-046374, 한국공개특허 1996-027658, 한국공개특허 1996-026663, 한국공개특허 1996-026662, 한국공개특허 1997-000749, 한국공개특허 1996-033525, 한국공개특허 1996-073565, 한국공개특허 1994-000209 및 일본공개특허05-138151 등에 개시되어 있다.
그러나, 바텀 애쉬의 경우는 거의 대부분이 발전소 주변 회사장에 단순 폐기 매립되거나, 내륙 또는 해안 매립지에 플라이 애쉬와 혼합하여 매립되기도 하고, 발전소 주변의 노반 성토재로써 소량 사용되고 있는 실정이다. 따라서, 회처리 용지확보의 어려움은 물론이고, 환경 오염의 문제를 야기하는 주재료로써 이에 대한 처리가 문제로 되고 있다.
또한, 콘크리트 조성물에 발전소 석탄회인 바텀 애쉬를 사용한 기술의 일 예로서 한국공개특허 공보 공개번호 97-074076에는 콘크리트 판넬 제조법으로 전체 골재량의 약 30%를 대체한 예가 개시되어 있으며, 또 한국공개특허 공보공개번호 97-061815에는 열 병합 발전소의 부산물을 이용한 경량건자재 제조방법으로 일부 조성물로 사용한 예가 있으나 대부분 다른 자연산 골재와 병용하였고 그 사용량 역시 제한적이다.
또한, 최근에 개발된 대형 식물 생장이 가능한 녹화용 호안블럭은 토양의 황폐함을 방지할 수 있고 우천시 지반에 스며든 물의 배출을 원할하게 하기 위해 그 구조물이 대형으로 단위 제품 당 다량의 모래와 자갈 등의 골재로 제조되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 잔골재와 굵은 골재를 혼합한 바텀애쉬를 포틀랜드 시멘트에 배합함으로써 내구성, 압축강도, 동결, 융해성이 더 양호하게 유지되도록 한 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물은, 포틀랜드 시멘트 12~34 중량%와, 재활용 골재 34~52 중량%와, 잔골재로서 직경 5㎜ 미만인 천연골재 8~27 중량%와, 굵은 골재로서 직경 5~25㎜인 천연골재 16~28 중량%와, 입도 2,500~3,000㎠/g인 플라이애쉬 미분말 3~8 중량%와, 입도 4,000~6,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 3~8 중량%와, 폴리카르본산계 유동화제 0.5~1.5 중량%와, AE감수제 0.5~0.8 중량%, 및 수지에멀젼 0.5~0.8 중량%를 함유하는 것을 특징으로 한다.
상기 재활용골재는, 100 중량%에 대하여, 잔골재로서 직경 5㎜ 미만인 바텀애쉬 12~45 중량%와, 굵은 골재로서 직경 5~25㎜인 바텀애쉬 20~52 중량%와, 잔골재로서 직경 5㎜ 미만인 폐콘크리트 12~45 중량%와, 굵은 골재로서 직경 5~25㎜인 폐콘크리트 16~28 중량%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물에 의하면, 점차 고갈되어가는 자연산 골재나 환경오염이나 자연훼손을 발생시키는 인조골재의 대체용으로 매립되어지는 화력발전소 석탄회의 일종인 바텀애쉬와 철거현장에서 발생하는 폐 콘크리트를 사용함으로서 기존제품과 유사하거나 더 높은 압축강도를 나타내는 콘크리트를 제공 할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명이 바텀애쉬와 폐콘크리트로 사용한 친환경 콘크리트 조성물에 의하면, 천연골재의 고갈에 의한 대체효과와 재활용을 장려하는 사회적인 이슈와도 부합하며 폐기물을 건설자원으로 재활용함으로써 환경보존에도 기여하게 된다는 효과가 얻어진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물은, 포틀랜드 시멘트 12~34 중량%와, 재활용 골재 34~52 중량%와, 잔골재로서 직경 5㎜ 미만인 천연골재 8~27 중량%와, 굵은 골재로서 직경 5~25㎜인 천연골재 16~28 중량%와, 입도 2,500~3,000㎠/g인 플라이애쉬 미분말 3~8 중량%와, 입도 4,000~6,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 3~8 중량%와, 폴리카르본산계 유동화제 0.5~1.5 중량%와, AE감수제 0.5~0.8 중량%, 및 수지에멀젼 0.5~0.8 중량%를 함유한다.
상기 재활용골재는, 100 중량%에 대하여, 잔골재로서 직경 5㎜ 미만인 바텀애쉬 12~45 중량%와, 굵은 골재로서 직경 5~25㎜인 바텀애쉬 20~52 중량%와, 잔골재로서 직경 5㎜ 미만인 폐콘크리트 12~45 중량%와, 굵은 골재로서 직경 5~25㎜인 폐콘크리트 16~28 중량%을 함유한다.
본 발명의 친환경 콘크리트 블록의 굵은 골재 및 잔골재를 대체재로서 바텀애쉬는, 화력발전소 등의 산업 현장에서 연소 및 소각하는 공정에 의하여 발생되는 것으로서, 입자크기가 100㎛ 이하인 것은 플라이애쉬 미분말이라고 한다.
상기 바텀애쉬는 콘크리트 혼화제, 시멘트 대체재, 성토재, 토지 개량재 및 경량 골재 등의 분야에 사용되는바, 이는 미세한 크기의 플라이애쉬와는 달리 보다 굵은 크기, 즉 잔골재로서 직경 5㎜ 미만인 것과, 굵은 골재로서 직경 5~25㎜인 것이다. 이러한 바텀애쉬는 천연 및 재활용골재의 일부를 대체하거나, 경량 건자재의 제조에 일부를 사용하거나 플라이애쉬, 석고, 탄산칼슘 및 석회 등과 혼합하고 고안 압출하여 벽돌을 생산하는 데 사용된다.
상기 AE감수제란, Air entraining and water reducing agent로서 화학 혼합제의 일종이다. 이는 콘크리트에 섞어서 소정의 슬럼프를 얻는 데 필요한 단위 수량을 감소시키는 동시에 무사한 미세 공기 거품을 넣어 워커빌리티(Workablity) 및 내구성, 내동결 용해성을 향상시키기 위해 사용된다.
본 발명의 바텀애쉬는 잔골재, 즉 직경 2~5㎜인 것과, 굵은 골재, 즉 직경 5~25㎜인 것을 혼합하여 조밀성 즉, 압축강도 및 내구성이 향상될 수 있도록 하였다. 즉 본 발명의 바텀애쉬는 잔골재 12~45 중량%와 굵은 골재 20~52 중량%을 혼합함으로써 압축강도 및 내구성이 향상된다.
본 발명에서 잔골재와 굵은 골재를 혼합하여서 된 바텀애쉬의 화학 조성은 다음 표 1과 같다.
| 성 분 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O | CaO | K2O | MgO |
| 함유율(%) | 50~60 | 20~25 | 8~12 | 3~8 | 3~4 | 1~3 |
본 발명에서 플라이애쉬와 고로슬래그는 포졸란 특성으로 시멘트와 수화반응 시에 안정한 규산염을 생성하여 보강토 블록의 조직을 치밀하게 하고 강도를 증가시킨다.
상기 플라이애쉬 및 고로슬래그의 입도는 브레인 비표면적이 4000～6000 ㎠/g인 것이 바람직한데, 상기 범위보다 작으면 장기강도 증가의 효과가 떨어지고 상기 범위를 초과하면 비표면적 증가를 위한 분쇄비용의 증가로 경제성이 저하되는 단점이 있다. 또한, 플라이애쉬 또는 고로슬래그 미분말의 함량이 2 중량% 미만이면 장기 강도의 증가효과가 거의 없으며, 10 중량%를 초과하면 초기 콘크리트의 강도가 개선되지 않기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 본 발명의 친환경 콘크리트 블록 조성물에는 블록의 유동성을 증진시키기 위하여 폴리카르본산계 유동화제 0.5～1.5 중량%가 더 포함될 수 있다.
이어서, 하기 실시예를 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되지는 않는다.
[실시예]
규격별로 선별한 바텀애쉬 및 일반 포트랜드 시멘트의 함량비를 변화시켰다. 이에 혼합되는 물/시멘트 비가 약 0.4 이하가 되는 친환경 콘크리트 블록 조성물을 제조하였다.
또한, 상기 조성물에 추가적으로 폴리카르본산계 유동화제를 소정량 첨가하여 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물을 제조하였다. 이 경우, 상기 폴리카르본산계 유동화제, AE감수제 및 수지에멀젼을 추가로 첨가하여 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물을 제조하고 믹서기에서 혼합하여 일정형상의 몰드에 주입하여 진동시켜 성형한 후 양생하거나 현지 시공시에 현장에 직접 타설하여 양생할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물의 상세한 배합 비율과 압축강도의 측정 결과는 하기 표 2와 같다.
| 배합비(중량%) | 비교예 | 실시예 | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | 4 | |||
| 포틀랜드 시멘트 | 33.5 | 20.5 | 20.5 | 18.5 | 16.5 | 16.5 | 16.5 | ||
| 재활용골재 | 바텀애쉬 | 5㎜미만 | - | 17 | - | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 5~25㎜ | - | 17 | - | 9 | 10 | 11 | 12 | ||
| 폐콘크리트 | 5㎜ 미만 | - | - | 17 | 9 | 10 | 11 | 12 | |
| 5~25㎜ | - | - | 17 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||
| 천연골재 | 5㎜ 미만 | 27 | 14 | 14 | 14 | 12 | 10 | 8 | |
| 5~25㎜ | 28 | 20 | 20 | 22 | 20 | 18 | 16 | ||
| 혼화 제 | 플라이애쉬 미분말 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | |
| 고로슬래그 미분말 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | ||
| 유동화제 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | ||
| AE감수제 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | ||
| 수지에멀젼 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | ||
| 물/시멘트 | 0.4 이하 |
0.4 이하 |
0.4 이하 |
0.4 이하 |
0.4 이하 |
0.4 이하 |
0.4 이하 |
||
| 압축강도(kg/㎠) | 640 | 560 | 450 | 550 | 530 | 560 | 570 | ||
| 흡 수 율(%) | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | ||
기본적으로 흡수율이 증가하면 압축강도는 저하한다고 볼 수 있다.
비교예 1(천연골재)은 기본적인 물성을 비교하기 위하여 천연골재만을 사용한 배합을 진행하였으며, 천연골재를 기준으로 한 압축강도와 흡수율의 변화를 확인한바 28일 재령에서 640㎏f/㎠의 압축강도와 3%의 흡수율을 보여주었다.
그리고, 비교예 2(바텀애쉬골재)는, 바텀애쉬 잔골재를 5㎜미만과 바텀애쉬 굵은 골재 25㎜ 이하를 사용하여 배합하여 진행한 결과, 재령 28일에서 560㎏f/㎠의 압축강도와 흡수율 4%의 결과를 보여주었다.
여기에서 수지에멀젼이 바텀애쉬의 공극성을 코팅하는 역할을 진행하면서 흡수율을 저감시키는 역할을 한 것으로 보여지며, 바텀애쉬의 플라이애쉬의 포졸란 특성이 강도 증가에 역할을 진행한 것으로 보여진다.
또한 감수제가 물/시멘트비를 저하시켜 강도 증가에 기여 했다고 볼 수 있다.
상기 비교예 3(폐콘크리트 골재)은, 폐콘크리트 골재 5㎜ 미만과 25㎜ 이하를 사용하여 배합을 진행하였으며, 28일 재령에서 450㎏f/㎠의 압축강도와 4%의 흡수율을 보여주었다.
압축강도 저하의 원인으로는 폐 콘크리트가 시멘트와의 수화반응에 크게 영향을 주지 않았음을 알 수 있다.
하지만 이와 같은 결과치로 비추어 볼 때 본 발명의 친환경 콘크리트 블록으로서 응용가치가 충분하다.
이상에서와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다할 것이다.
Claims (2)
- 포틀랜드 시멘트 12~34 중량%와,
재활용 골재 34~52 중량%와,
직경 5㎜ 미만인 천연골재 8~27 중량%와,
직경 5~25㎜인 천연골재 16~28 중량%와,
입도 2,500~3,000㎠/g인 플라이애쉬 미분말 3~8 중량%와,
입도 4,000~6,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 3~8 중량%와,
폴리카르본산계 유동화제 0.5~1.5 중량%와,
AE감수제 0.5~0.8 중량%, 및
수지에멀젼 0.5~0.8 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물. - 제 1 항에 있어서,
상기 재활용골재는, 100 중량%에 대하여, 직경 5㎜ 미만인 바텀애쉬 12~45 중량%와,
직경 5~25㎜인 바텀애쉬 20~52 중량%와,
직경 5㎜ 미만인 폐콘크리트 12~45 중량%와,
직경 5~25㎜인 폐콘크리트 16~28 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 바텀애쉬를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물.
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