KR101183535B1 - 나노필러 효과 및 포졸란 반응성을 높인 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물 - Google Patents

나노필러 효과 및 포졸란 반응성을 높인 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 「분말도 3,000~8,000㎠/g의 활성황토 40~70wt%, 소석회 또는 생석회 또는 소석회와 생석회의 혼합물 3~15wt%, 분말도 5,000~10,000㎠/g의 석회석 미분말 5~30wt% 및 실리카 혼합물 20~40wt%로 구성된 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물.」에 관한 것이다.

Description

나노필러 효과 및 포졸란 반응성을 높인 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물{Drying Shrinkage-Reducing type inorganic composite having high pozzolanic reactivity and nano filler effect}
본 발명은 나노필러(Nano Filler) 효과 및 포졸란 반응성을 높인 건조수축저감형 고강도 무기질 조성물에 관한 것으로서 구체적으로는, 활성황토와 석회에 미립자와의 반응에 의해 강도를 증가시켜 주고, 나노필러 효과를 통해 내구성을 증진시켜주는 한편, 건조수축을 저감시켜주는 석회석 미분말과 장기강도 발현에 기여하는 실리카 혼합물을 배합하여 구성된 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물에 관한 것이다.
흙을 기반으로 하는 무기질 조성물을 사용하여 벽돌이나 블록 등을 제조할 경우 일반적으로 흙의 약한 강도를 고강도로 만들어 주는 결합재로서 시멘트가 사용된다. 시멘트는 물과 수화반응을 일으켜 굳어지며 강도를 조성물의 발현시켜 주는 대표적인 무기결합재라고 할 수 있는데, 그 원료의 주성분은 석회석이다. 석회석의 주성분은 CaCO3이고, 이를 소성하는 과정에서 막대한 에너지가 소비된다. 결과적으로 시멘트 제조과정에서 제조량 대비 44wt% 이상의 이산화탄소가 발생하게 되고, 온실가스의 배출이라는 측면에서 환경에 매우 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
한편, 시멘트를 사용하지 않고 흙과 석회를 기반으로 벽돌이나 블록 등을 제조하는 경우에는 강도 면에서는 어느 정도 우수한 효과를 발휘하지만 흙은 입도에 의한 수축이 발생하므로 사용 상에 어려움이 있으며, 그 표면 강도나 인장강도가 낮은 문제점도 있다. 결국 시멘트와 기타 혼화재 없이 무기질 조성물을 이용한 벽돌이나 블록을 제조하는 것은 실질적으로 어려웠다.
이에 따라 고로슬래그 미분말이나 플라이애시 등의 산업부산물을 이용한 무시멘트 결합재에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 한편, 시멘트를 사용하지 않고도 흙기반의 무기질 조성물의 강도 발현, 건조수축 저항성 등과 같은 물성을 향상시키고자 하는 연구도 활발히 이루어지고 있다.
본 발명은 무기질 조성물로서, 시멘트를 결합재로 사용하지 않아 친환경적이면서도 성형 후의 강도 및 건조수축 저항성이 우수한 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 과제의 해결을 위해 본 발명은 「분말도 3,000~8,000㎠/g의 활성황토 40~70wt%, 소석회 또는 생석회 또는 소석회와 생석회의 혼합물 3~15wt%, 분말도 5,000~10,000㎠/g의 석회석 미분말 5~30wt% 및 실리카 혼합물 20~40wt%로 구성된 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물.」을 제공한다.
이때, 상기 활성황토는 800℃ 이상에서 초벌된 폐도자기를 볼밀을 이용하여 5000~10000㎠/g로 분쇄한 분말로 이루어진 것을 특징으로 하거나 클레이(Clay) 및 실트(Silt) 중 어느 한 가지 이상을 30~70wt% 함유하고 있고, 간극비는 0.6~0.95이며, 활성도가 0.3~1인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 석회석 미분말은 CaO를 20~60wt% 포함하고 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 실리카 혼합물은 분말도 3,000~8,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 및 분말도 3,000~8,000㎠/g인 플라이애시 중 어느 한 가지 이상과 분말도 7,000~15,000㎠/g인 실리카흄으로 구성되되, SiO2 함량이 30~70wt%인 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 상기 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물은 상기 소석회 또는 상기 생석회 또는 상기 소석회와 상기 생석회의 혼합물 대비 0.001~0.5중량부의 HCl이 첨가되어 구성될 수 있으며, 나프탈렌계 고축합물염, 멜라민계 축합물, 폴리카르본산계 액상 및 폴리카르본산계 분말 중 어느 한 가지가 상기 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물 100중량부 대비 0.1~5중량부가 첨가될 수도 있다.
본 발명에 따른 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물은 다음과 같은 효과를 제공한다.
1. 시멘트를 결합재로 사용하지 않고서도 블록이나 벽돌 등의 건축자재 성형을 가능하게 해준다.
2. 건축자재의 성형 시 그 내구성 및 건조수축 저항성을 증진시켜 준다.
3. 건축자재의 성형 시 장기강도 발현을 우수하게 해준다.
이하에서는 본 발명에 따른 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물에 관하여 구체적인 배합 시험예를 참조하면서 상세하게 살펴보도록 한다.
본 발명에 따른 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물은 분말도 3,000~8,000㎠/g의 활성황토 40~70wt%, 소석회 또는 생석회 또는 소석회와 생석회의 혼합물 3~15wt%, 분말도 5,000~10,000㎠/g의 석회석 미분말 5~30wt% 및 실리카 혼합물 20~40wt%로 구성된다.
상기 활성황토는 소석회 또는 생석회 또는 소석회와 생석회의 혼합물과의 포졸란 반응이 크게 활성화되도록 만들어진 흙으로서, 상온에서 자연 건조된 원료 황토를 400℃까지 가능한 한 단시간 내에 승온 가열하고, 이를 600~900℃까지 상승시키면서 소성(燒成)하고 이를 다시 상온까지 급냉시키는 과정을 통해 제조할 수 있다. 상기 소성(燒成)과정은 1분 이상 시행하여 황토 내부까지 균일한 온도로 소성되도록 하는 것이 바람직하다.
구체적으로 상기 활성황토는 800℃ 이상에서 초벌된 폐도자기를 볼밀을 이용하여 5000~10000㎠/g로 분쇄한 분말로 이루어진 것을 특징으로 하거나 클레이(Clay) 및 실트(Silt) 중 어느 한 가지 이상을 30~70wt% 함유하고 있고, 간극비는 0.6~0.95이며, 활성도가 0.3~1인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 소석회 또는 생석회 또는 이들의 혼합물은 상기 활성황토와 포졸란 반응을 일으키고 상기 실리카 혼합물의 잠재수경성과 포졸란 반응성을 활성화 시키는 성분이다. 구체적으로 유리질 실리카(SiO2)나 알루미나실리케이트(SiO2?Al2O2) 성분이 수산화칼슘(CaCO3)과 상온에서 서서히 반응하여 불용성의 화합물(C-S-H)을 만들게 된다.
상기 석회석 미분말은 상기 활성황토와 포졸란 반응을 일으키는 한편, 상기 실리카 혼합물의 잠재수경성과 포졸란 반응성을 활성화 시키는 물질이다. 또한 상기 석회석 미분말은 분말도가 5,000~10,000㎠/g로 상당히 높아 조성물의 재령 시 조직을 치밀하게 하고 공극을 줄여주는 나노필러 효과를 일으키고, 공극을 최소화 해줌으로써 전체 조성물의 내구성 및 건조수축 저항성을 높여주는 역할을 한다.
상기 석회석 미분말은 CaO를 20~60wt% 포함하고 있는 것이 바람직한데, CaO의 함량이 지나치게 높은 경우 본 발명에 따른 무기질 조성물이 타설재나 블록 등에 적용될 때 반응을 못한 성분이 표면에 백화현상을 일으키는 등 품질에 좋지 않은 영향을 줄 수 있기 때문이다.
상기 실리카 혼합물은 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 어느 한 가지 이상과 실리카흄으로 구성된 혼합물을 의미한다. 상기 활성황토만으로는 조성물의 충분한 고결화 작용이 어렵기 때문에 시멘트를 결합재로서 활용하는 것이 일반적이지만 본 발명에서는 산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 어느 한 가지 이상과 상기 실리카 흄의 혼합물을 사용한다. 그럼으로써 시멘트를 사용하지 않고도 충분한 강도를 얻을 수 있게 되며, 잠재수경성으로 인해 장기강도 발현면에서 유리한 이점도 확보하게 된다.
상기 고로슬래그 미분말과 플라이애시의 분말도는 3,000~8,000㎠/g인 것이 바람직하며, 상기 실리카흄은 그 분말도가 7,000~15,000㎠/g인 것이 바람직하되, 전체적으로 실리카 혼합물 가운데 SiO2의 함량은 30~70wt%인 것이 바람직하다.
구체적인 배합 시험예를 통해 본 발명에 따른 무기질 조성물의 물성을 살펴본다.
아래의 [표 1]에는 무기질 조성물의 배합에 따른 재령별 압축강도를 측정한 결과가 나타나 있다. 모든 배합번호에서 무기질 조성물 100중량부 대비 물이 35중량부 배합되었다.
배합번호 활성
황토		 석회 석회석
미분말		 실리카
혼합물		 재령별 압축강도(MPa)
3일 7일 28일 56일 91일
1 80 20 1.6 2.1 3 3.5 4.1
2 70 15 15 3.6 5.6 6.9 7.9 9.1
3 70 15 15 4.6 9.6 11 14 15.4
4 70 15 5 10 5.1 8.6 11.4 13.6 14.5
5 70 5 5 20 12.3 21.6 30.5 34.6 36.9
6 60 10 10 20 11.6 22.3 31.3 35.9 39.5
7 60 15 5 20 11.9 23.3 30.6 33.6 37.1
8 50 10 5 35 10.6 19.6 31.7 38.9 41.3
9 50 10 20 20 11 19.9 29.6 35.6 36.6
10 40 10 20 30 10.9 18.9 26.9 31.6 34.6
11 30 10 50 10 5 9.6 13.9 18.6 28.9
또한 아래의 [표 2]에는 무기질 조성물의 배합에 따른 재령별 건조수축도를 측정한 결과가 나타나 있다. 모든 배합번호에서 무기질 조성물 100중량부 대비 물이 35중량부 배합되었다.
배합번호 활성
황토		 석회 석회석
미분말		 실리카
혼합물		 재령별 건조수축도(×10-6)
3일 7일 28일 56일 91일 180일
3 70 15 15 530 860 1180 1360 1420 1500
4 70 15 5 10 310 440 610 790 880 1260
5 70 5 5 20 340 430 520 560 560 580
6 60 10 10 20 330 450 560 620 630 620
7 60 15 5 20 360 440 490 590 660 700
8 50 10 5 35 340 430 520 560 560 580
9 50 10 20 20 330 450 560 620 630 620
10 40 10 20 30 360 520 620 660 695 705
11 30 10 50 10 290 430 490 690 790 1180
위의 [표 1] 및 [표 2]를 살펴보면 배합번호 5 내지 10의 무기질 조성물이 재령별 압축강도 면에서나 재령별 건조수축도 면에서 다른 배합번호의 무기질 조성물들에 비하여 상대적으로 우수한 성능을 발휘하는 것을 확인할 수 있다. 배합번호 1 내지 4의 무기질 조성물은 실리카 혼합물의 양이 부족하여 압축강도의 발현에 문제가 있을 뿐 아니라 석회석 미분말로 인한 조직의 치밀화도 기대할 수 없기 때문에 건조수축 저항성도 약한 것으로 나타났다. 또한 배합번호 11의 경우 과량의 석회석 미분말을 포함함으로써 재령과정에서 반응하지 못한 CaO로 인해 백화현상이 발생하는 문제를 가지고 있으며, 압축강도와 건조수축 저항성 모두 상대적으로 떨어지는 것으로 나타났다.
또한 아래의 [도 1]에는 배합번호 1의 조성물과 배합번호 6의 조성물의 재령일 28일에서의 SEM사진이 나타나 있다.
[도 1]
Figure 112012054972947-pat00001

[도 1]을 살펴보면 본 발명에 따른 무기질 조성물에 해당하는 배합번호 6의 경우 배합번호 1에 비하여 조직이 상당히 치밀하게 구성되어 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이 [표 1], [표 2] 및 [도 1]을 통해 분말도 3,000~8,000㎠/g의 활성황토 40~70wt%, 소석회 또는 생석회 또는 소석회와 생석회의 혼합물 3~15wt%, 분말도 5,000~10,000㎠/g의 석회석 미분말 5~30wt% 및 실리카 혼합물 20~40wt%로 구성되는 경우에 압축강도 및 건조수축 저항성 등이 우수함을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 무기질 조성물은 상기 소석회 또는 상기 생석회 또는 상기 소석회와 상기 생석회의 혼합물 대비 0.001~0.5중량부의 HCl이 첨가되어 구성될 수 있으며, 나프탈렌계 고축합물염, 멜라민계 축합물, 폴리카르본산계 액상 및 폴리카르본산계 분말 중 어느 한 가지가 상기 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물 100중량부 대비 0.1~5wt%가 첨가될 수도 있다.
아래의 [표 3]에는 [표 1] 및 [표 2]의 배합번호 9에 HCl 또는 나프탈렌계 분말형 감수제를 혼합해준 뒤 재령별 압축강도를 측정한 결과가 나타나 있다. 시험번호 1 내지 3에서는 무기질 조성물 100중량부 대비 물을 35중량부 배합하였고, 시험번호의 5의 경우 무기질 조성물 100중량부 대비 물을 32중량부 배합하였으며, 시험번호 6 내지 9의 경우 무기질 조성물 100중량부 대비 물을 20중량부 배합하였다.
시험번호 활성
황토		 석회 석회석
미분말		 실리카 혼합물 HCl 분말형감수제 재령별 압축강도(㎫)
3일 7일 28일 56일 91일
1 50 10 20 20 11 19.9 29.6 35.6 36.6
2 50 10 20 20 0.01 13.6 23.5 30.9 34.5 36.4
3 50 10 20 20 0.5 14 24.9 31 35.9 36.8
4 50 10 20 20 1 3.6 3.6 3.4 3.2 3.6
5 50 10 20 20 0.1 19.6 28.9 34.2 36.8 42.3
6 50 10 20 20 1 24.6 40.2 48.9 53.6 59.6
7 50 10 20 20 3 30.5 49.6 56.6 60.3 63.6
8 50 10 20 20 5 29.6 48.9 53.6 59.9 62.1
9 50 10 20 20 7 30.6 42.6 46.6 49.6 50.3
[표 3]을 살펴보면 시험번호 2와 3의 경우 상대적으로 우수한 압축강도를 보임을 확인할 수 있다. 이는 HCl이 적정량 함유될 경우 CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O, Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + H2O 등의 반응을 통해 CaCl2을 생성하여 조성물의 경화반응의 촉진제로서 기능하기 때문이다. 또한 시험번호 5내지 9의 경우도 상대적으로 우수한 압축강도를 보이는 것을 확인할 수 있는데, 분말형 감수제의 경우 무기질 조성물 대비 물 배합비를 줄여주기 때문이다. 그러나 HCl이 지나치게 많이 첨가된 시험번호 4의 경우 오히려 수화반응이 저하되어 압축강도 발현을 저하시켰으며, 감수제가 지나치게 많이 첨가된 시험번호 9의 경우 균열이 발생하는 문제가 있었다.
위에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 무기질 조성물 대비 0.001~0.5중량부의 HCl이 첨가되거나, 나프탈렌계 고축합물염, 멜라민계 축합물, 폴리카르본산계 액상 및 폴리카르본산계 분말 중 어느 한 가지가 상기 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물 100중량부 대비 0.1~5중량부가 첨가되면 압축강도의 발현 면에서 개선효과를 가져온다.
이상에서 본 발명에 관하여 구체적인 실시예를 들어 설명하였다. 그러나 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위에서 다소간의 수정 및 변형이 가능할 것이므로 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

Claims (7)

  1. 분말도 3,000~8,000㎠/g의 활성황토 40~70wt%, 소석회 또는 생석회 또는 소석회와 생석회의 혼합물 3~15wt%, 분말도 5,000~10,000㎠/g의 석회석 미분말 5~30wt% 및 실리카 혼합물 20~40wt%로 구성되되,
    상기 실리카 혼합물은 분말도 3,000~8,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 및 분말도 3,000~8,000㎠/g인 플라이애시 중 어느 한 가지 이상과 분말도 7,000~15,000㎠/g인 실리카흄으로 구성되고, SiO2 함량이 30~70wt%인 것을 특징으로 하는 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 활성황토는 800℃ 이상에서 초벌된 폐도자기를 볼밀을 이용하여 5000~10000㎠/g로 분쇄한 분말로 이루어진 것을 특징으로 하는 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물.
  3. 제1항에서,
    상기 활성황토는 클레이(Clay) 및 실트(Silt) 중 어느 한 가지 이상을 30~70wt% 함유하고 있고, 간극비는 0.6~0.95이며, 활성도가 0.3~1인 것을 특징으로 하는 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물.
  4. 제1항에서,
    상기 석회석 미분말은 CaO를 20~60wt% 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물.
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 소석회 또는 상기 생석회 또는 상기 소석회와 상기 생석회의 혼합물 대비 0.001~0.5중량부의 HCl이 첨가되어 구성된 것을 특징으로 하는 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물.
  7. 제1항에서,
    나프탈렌계 고축합물염, 멜라민계 축합물, 폴리카르본산계 액상 및 폴리카르본산계 분말 중 어느 한 가지가 상기 활성황토, 상기 소석회 또는 상기 생석회 또는 상기 소석회와 상기 생석회의 혼합물, 상기 석회석 미분말 및 상기 실리카 혼합물로 구성된 조성물 100중량부 대비 0.1~5중량부가 첨가된 것을 특징으로 하는 건조수축 저감형 고강도 무기질 조성물.
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