KR101234923B1 - 폐석분을 활용한 압출성형용 콘크리트 패널 조성물 및 이로 제조된 압출 성형 패널 - Google Patents

폐석분을 활용한 압출성형용 콘크리트 패널 조성물 및 이로 제조된 압출 성형 패널 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전체 조성물 중량 기준으로 폐석분을 포함하는 반응 원료 60 내지 80 중량%, 충진재 원료 10 내지 20 중량%, 섬유 보강재 원료 5 내지 15 중량%, MC 0.7 내지 5.0중량%를 포함하는 압출 성형 패널용 조성물을 제공하며, 본 발명에 따른 폐석분을 활용한 압출성형용 콘크리트 패널 조성물은 버려지는 폐석분을 활용하여 환경오염을 줄이며 또한 이로 인한 경제적 실리를 취할 수 있을 뿐 아니라, 그에 따른 압출 성형 패널은 압축 강도와 휨 강도를 위시한 여러 가지 물성에서 뛰어난 효과를 나타낸다.

Description

폐석분을 활용한 압출성형용 콘크리트 패널 조성물 및 이로 제조된 압출 성형 패널{Concrete panel composition for compression molding, comprising crushed stone powder, and panel compression-molded therefrom}
본 발명은 폐석분을 활용한 압출 성형용 콘크리트 패널 조성물 및 이로부터 제조된 압출 성형 패널에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 폐석분을 활용하여 경제적이면서 친환경적이고, 물성을 개선시킨 압출 성형 콘크리트 패널을 제조할 수 있는 압출성형용 콘크리트 패널 조성물 및 이로부터 제조된 압출 성형 패널에 관한 것이다.
국내 각 산업분야의 급격한 발달에 따라 자원 소모량은 증가일로에 있으며, 그에 대한 결과로 자원 부족현상은 심화되고 있다. 또한 자원 소모에 따른 각종 산업 부산물은 환경오염 등의 주요 원인이 되고 있다.
즉 자원의 다량 소비에 의하여 한정적인 부족 자원의 감소와 산업 부산물인 폐기물에 의한 환경오염이라는 문제가 대두되고 있어, 폐기물의 재활용은 환경오염 문제를 극소화하고 자원을 재활용할 수 있다는 면에서 최선의 해결 방안이 될 수 있다.
국내 골재 제조업체의 경우 강모래의 고갈과 해사의 채취 제한으로 석분을 사용하여 제조한 부순 모래의 생산량이 매년 증가하고 이와 같이 부순 모래 생산 공정에서 발생되는 산업 부산물인 석분 슬러지의 발생량도 증가하고 있다. 실제, 골재나 석재의 가공시 발생하는 폐석분의 양은 연간 1,500 만톤에 이르며, 이 양의 대부분은 건축, 토목 공사의 성토재, 도로기층재, 복토용 등의 매립재로 활용되고 있다. 이와 같이, 석분은 폐기물 관리법에 의해 사업장 폐기물로 분류할 수 있으며, 재활용 대상이 될 수 있다.
이와 같은 문제점들이 사회적 관심사로 부각되고 일반인들의 의식 향상으로 환경에 대한 관심이 높아지면서 폐기물에 대한 재활용 적용이 시급히 요구되고 있는 실정이다.
이와 관련하여 폐석분을 재활용하는 많은 기술들이 개발되고 있으며, 대한민국 특허출원 제2003-0021843호도 그 중 하나이다. 본 문헌에서는 폐석분을 이용한 인조석의 제조방법에 관한 것으로, 페석분을 활용하여 압출성형 방식이 아닌 몰드를 통한 성형 및 탈형을 통해서 인조석을 제조하는 것이다.
또 다른 문헌 대한민국 특허 제298022호에 보면 석분과 함께 불포화에스테르 수지, 석탄회, 탄산칼슘, 규사를 혼합하고 여기에 경화제를 투입하여 몰딩함으로써 제조하는 인조석 조성물의 제조방법이 개시된 바 있다.
대한민국 특허출원 제1995-059474호에는 규석 광산 부산물과 제지 슬러리 소각화를 주원료로 하는 구조용 인공 경량 골재 및 그 제조방법이 기술되어 있고, 대한민국 특허출원 제2010-0018274호는 건설 폐기물 중간처리업체에서 건설 폐기물을 재활용하는 과정 중에 분류되는 폐콘크리트, 이물질, 토사분 등으로 나눠지는 것 중에서 폐토사의 재활용을 높이기 위한 점토 조성물을 제공하는 것을 개시하고 있다.
대한민국 특허출원 제2009-0068683호는 석분 슬러지를 저비용으로 용이하게 가공할 수 있는 석분 슬러지 가공방법에 관한 것이다.
이와 같이 폐석분을 이용한 많은 선행기술이 제시되어 있으나, 후술하는 바와 같은 폐석분을 이용하면서도 물성이 개선된, 즉, 압축강도와 휨 강도가 우수한 패널에 관한 기술은 여전히 미흡한 실정이다.
대한민국 특허출원 제2003-0021843호 대한민국 특허등록 제298022호 대한민국 특허출원 제1995-059474호 대한민국 특허출원 제2010-0018274호 대한민국 특허출원 제2009-0068683호
본 발명자들은 선행기술의 문제점을 극복하고자 예의 노력한 결과 폐석분을 압출 성형 콘크리트 패널의 원료로 사용하여 자원의 재활용에 따른 환경 보호와 경제적인 이득뿐 아니라 뛰어난 물성을 나타내는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 일차적인 목적은 휨강도 및 압축강도가 뛰어난 압출 성형 콘크리트 패널 조성물과 이로 제조된 압출 성형 패널을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 순환자원의 활용을 통한 경제성이 뛰어난 압출 성형 콘크리트 패널 조성물과 이로 제조된 압출 성형 패널을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 관점에서 본 발명은 조성물 전체 중량을 기초하여
폐석분을 포함하는 반응원료 60 내지 80중량%;
충진재 원료 10 내지 20중량%;
섬유 원료 5 내지 15중량%; 및
MC 0.7 내지 5.0중량%를 포함하는 압출 성형용 콘크리트 패널 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 압출 성형용 콘크리트 패널 조성물에 있어서, 상기 반응 원료는 폐석분, 시멘트, 실리카분 및 실리카흄을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 반응 원료에 선택적으로 고로 슬래그가 더 포함될 수 있다.
상기 반응 원료에서 반응원료 전체 중량 기준으로 시멘트 40 내지 65 중량%, 실리카분 15 내지 25중량%, 폐석분 5 내지 25중량%, 실리카흄 1 내지 10중량% 및 고로 슬래그 0 내지 20중량%를 포함한다.
본 발명에 따른 압출 성형 패널용 조성물의 충진재 원료는 충진재 원료 전체 중량 기준으로 실리카 샌드 50 내지 75중량% 및 재생 파우더(recycle powder) 25 내지 50중량%을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 압출 성형 패널용 조성물의 섬유 보강재 원료는 섬유 보강재 원료 전체 중량 기준으로 규회석 45 내지 65중량%, 펄프 20 내지 40중량 % 및 폴리프로필렌(PP) 섬유 10 내지 20중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 본 발명은 본 발명의 조성물로 제조한 압출 성형 패널을 제공한다.
본 발명에 따른 폐석분을 활용한 압출성형용 콘크리트 패널 조성물은 버려지는 폐석분을 활용하여 환경오염을 줄이며 또한 이로 인한 경제적 실리를 취할 수 있을 뿐 아니라, 그에 따른 압출 성형 패널은 압축 강도와 휨 강도를 위시한 여러 가지 물성에서 뛰어난 효과를 나타낸다.
본 발명에 따른 압출 성형 패널용 조성물은 조성물 전체 중량을 기초하여 폐석분을 포함하는 반응원료 60 내지 80중량%; 충진재 원료 10 내지 20중량%; 섬유 원료 5 내지 15중량%; 및 MC 0.7 내지 5.0중량%를 포함한다.
본 발명의 압출 성형 패널용 조성물에서, 상기 폐석분을 포함하는 반응 원료를 살펴보면, 반응원료로는 폐석분 이외에 시멘트, 실리카분 및 실리카흄로 이루어진 군에서 일종 이상 선택될 수 있으며, 보조적으로 고로 슬래그도 포함될 수 있다. 이들은 조성물 전체 중량을 기초로 하여 60 내지 80중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하며, 상기 반응 원료가 80중량%를 초과하는 경우, 지나치게 강도가 강해져서 탄성이 약해질 수 있으며, 60중량% 미만으로 사용되는 경우, 강도가 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
상기 반응 원료로는 시멘트, 실리카분, 폐석분 및 실리카흄이 모두 사용되는 것이 바람직하며, 이들의 각각은 반응 원료 전체 중량 기준으로, 시멘트 40 내지 65중량%, 실리카분 15 내지 25중량%, 폐석분 5 내지 25중량%, 실리카흄 1 내지 10 중량% 및 고로 슬래그 0 내지 20중량%의 범위 내에서 포함하는 것이 바람직하다.
상기 시멘트는 주된 반응 원료로서, 일반적인 시멘트일 수 있고, 바람직하게는 포틀랜드 시멘트이다. 시멘트의 바람직한 함량은 반응 원료 전체 중량을 기초하여 40 내지 65중량%이며, 40중량% 미만일 경우 압출 성형 및 강도가 저하되는 문제가 있다. 반면에 65중량%를 넘어서는 경우, 제품의 강도로 인하여 폭렬 및 탄성이 약해지는 경우가 발생한다.
반응 원료의 또 다른 성분인 실리카 분은 이산화규소(SiO2)로 순도가 90% 이상이며, 비표면적이 3,400~4,200㎠/g 정도이다, 시멘트와 오토클레이브 반응을 통해서 제품의 최종 강도 발현을 위한 SiO2의 공급원으로 사용된다. 실리카 분의 바람직한 함량은 반응 원료 전체 중량을 기초하여 15 내지 25중량%이다. 15중량% 미만일 경우 토버모라이트(Tobermorite) 결정 형성을 위한 SiO2 함량이 부족하게 되며, 결국은 제품의 강도가 하락하게 된다.
반응 원료로서 또한 사용될 수 있는 폐석분은 이의 사용을 통해 기존에 사용되는 반응 원료의 양을 대체할 수 있고, 이로써 자원 재활용과 경제적 이익을 얻을 수 있게 된다.
폐석분은 실리카 분의 대체 원료로 사용할 수 있으며, SiO₂순도가 약 55% 이상이며, 비표면적은 실리카 분과 비슷한 3,400~4,200㎠/g 정도인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 폐석분은 반응 원료 전체 중량을 기준으로, 5 내지 25 중량% 사용될 수 있다. 여기서 폐석분의 함량이 5% 미만일 경우 자원 재활용 측면에서 부족하다. 반면에 25중량%를 넘어서는 경우, C/S mol비의 공급원인 실리카 분과 폐석분의 SiO₂ 함량이 부족하여 제품의 강도 발현에 악영향을 가져오게 된다.
또한, 본 발명의 반응 원료 중 하나로서, 실리카흄이 또한 사용될 수 있다. 상기 실리카흄은 금속 실리콘 또는 규소 합금을 제조할 때에 발생하는 부산물이며, 그 형상은 구상(球狀)이고, 화학성분은 거의가 SiO₂이다. 이의 사용은 높은 압축 강도를 수반한다. 또한 점성이 증가하여 슬럼프가 저하되기 때문에 고성능 감수재를 사용하게 되며, 제품의 충격강도가 약해지는 경향이 발생한다.
본 발명의 조성물의 반응 원료로서 실리카흄은 반응 원료 전체 중량을 기초하여 1 내지 10중량% 포함한다. 1 중량% 미만일 경우, 제품의 압축강도가 하락한다. 반면에 10중량%를 넘어서는 경우 제품의 충격강도가 약해지게 된다.
또한 고로 슬래그는 시멘트의 대체 원료로 보조적으로 사용될 수 있는 것으로, 선택적으로 사용될 수 있으며, 따라서, 고로 슬래그의 함량은 반응원료 전체중량을 기초하여 0 내지 20중량%의 범위 내에서 사용될 수 있다. 바람직하게는 5 내지 20중량%의 범위 내에서 사용될 수 있다.
본 발명의 압출 성형 패널용 조성물에서, 충진재 원료는 충진 및 크랙 방지 역할을 하며, 이들의 조성물 전체 중량을 기초하여 10 내지 20중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하며, 10중량% 미만으로 사용되는 경우, 상기 충진 및 크랙 방지 역할이 미비하며, 20중량%를 초과하여 사용되는 경우 제품의 강도 하락 및 흡수율이 높아지게 된다. 상기 충진재 원료로는 실리카 샌드 또는 재생 파우더(recycle powder)가 사용될 수 있으며, 이들이 모두 사용되는 것이 바람직하며, 이들이 모두 사용되는 경우 충진재 원료 중량 기준으로 실리카 샌드 50 내지 75 중량% 및 재생 파우더 25 내지 50중량%의 범위로 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 압출성형 패널용 조성물은 또한 섬유 보강재 원료를 포함한다. 시멘트와 실리카 분을 재료로 하는 압출 성형 제품은 압축강도가 크고 내구성이 우수하나, 취성이 크고 쉽게 깨지기 때문에 휨 응력이나 인장응력에 크게 미약하다는 단점을 가지고 있다. 따라서 이와 같은 단점을 보완하여 보다 우수한 물성을 지니고 다양한 용도에 사용되기 위해서는 강도와 탄성률이 큰 섬유상 물질로 보강이 필요하다.
본 발명에서 섬유 보강재 원료는 조성물 전체 중량을 기초하여 5 내지 15중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하며, 5중량% 미만으로 사용되는 경우 섬유 보강재 원료로의 역할이 미비할 수 있으며, 15중량%를 초과하여 사용하는 경우, 제품의 강도가 하락할 수 있다.
상기 섬유 보강재 원료로는 규회석(Wollastonite), 크래프트 펄프 또는 폴리프로필렌 섬유가 사용될 수 있으며, 이들이 모두 사용되는 것이 보다 바람직하다. 이들이 모두 사용되는 경우, 규회석은 섬유 보강재 원료 전체 중량을 기초로 45 내지 65중량%, 크래프트 펄프는 20 내지 40중량% 및 폴리프로필렌 섬유는 10 내지 20중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다.
상기 섬유 보강재 원료의 규회석은 특히 열적, 물리적 강도 향상과 부식과 마모를 방지해 주는 역할을 한다. 광물학적으로 높은 백색도, 화학적 내구성, 높은 염기성(PH 9.9), 뛰어난 침상결정(10~15:1), 높은 용융점(1,540℃), 뛰어난 단열성, 낮은 수분함량과 흡유량이 낮은 특성을 보인다. 화학적으로 활성이 낮고 물에 잘 녹지 않는 특성을 가지고 있어 석면 대체 원료로 많이 사용된다.
본 발명에서는, 강도 및 난연 성능 향상을 위하여 섬유 보강재 원료 전체 중량을 기초로 45 내지 65중량%의 규회석을 사용한다. 이때, 규회석 사용량이 45중량% 미만인 경우 사용 시 난연성을 만족하지 못하며, 65중량% 초과하여 사용 시 원가가 상승되는 문제점이 있다.
상기 규회석은 외부 형상이 침상으로 이루어져 강도 보강제의 역할과 함께 난연성능 개선의 기능을 한다. 섬유보강 패널은 난연 1급을 만족하여야 하는데, 시멘트로 이루어진 소지는 열에 의하여 수축하게 되어 균열이 발생하는 문제점이 있다. 그러나, 상기 규회석은 열팽창계수가 낮아 열 변형이 없고 침상으로 이루어져 시멘트와 결합하여 수축을 지탱하며 균열발생을 억제한다.
상기, 크레프트 펄프류는 침엽수계 천연펄프(NBKP), 침엽수계 비표백 크래프트 펄프(NUKP), 활엽수계 비표백 크래프트 펄프(LUKP) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 DDR(Double Disk Refiner)를 사용하여 피프릴화하여 사용하며, 이는 섬유 보강재 원료 전체 중량을 기초하여 20 내지 40 중량% 포함된다. 이때, 크래프트 펄프의 사용량이 20중량% 미만이면 휨강도의 품질을 확보할 수 없으며, 40중량%를 초과하여 사용시는, 압출 저하로 인한 제품 표면 및 평활도가 저하되고, 원재료비가 상승하는 문제가 있다.
본 발명의 압출성형 패널에 적용된 폴리프로필렌 섬유는 보강재로서 제품의 크랙을 방지하며, 내충격성을 향상시키고, 내마모성을 향상시키는 다양한 보강기능을 하게 된다.
상기 폴리프로필렌 섬유는 섬유 보강재 원료 총 중량 기준으로 바람직하게는 10 내지 20중량%로 사용하게 된다. 10중량% 미만일 경우 보강재와 내크랙성 대체물질로서의 역할을 하지 못하면, 반면에 20중량%를 넘어서는 경우, 압출 성능 저하 및 표면 품질이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 압출성형 패널용 조성물에 사용되는 MC는 메틸 셀룰로오스(Methyl Cellulose)로 건축, 페인트, 화학산업, 의약품 등 다양한 산업분야에 핵심적인 첨가제로 사용되는 제품으로 압출 성형 패널 형성의 점도를 향상시키며, 압출을 위한 윤활성을 가진다. 이의 함량은 조성물 전체 중량 기준으로 0.7 내지 5 중량%의 범위 내에서 사용된다. 0.7중량% 이하일 경우 제품의 압출을 통한 제품의 형성에 어려움을 가져온다. 반면에 5.0 중량%를 넘어서는 경우 원가가 크게 상승하여 경제성이 떨어지는 문제점이 생긴다.
한편 상기한 성분으로 구성된 압출성형 패널 조성물은 공지의 제조방법에 의해서 제조할 수 있으며, 본 발명에서는 각 성분을 건식 혼합하고, 배합수를 첨가하여 혼합한 다음, 압출기를 통하여 압출성형 패널을 제조하였다. 이 경우, 배합수는 압출 성형 패널 조성물의 중량에 대해 15 내지 50%가 혼합된다. 상기 배합수 함량이 15% 미만에서는 펄프와 충진물 내의 물흡수로 인하여 시멘트 수화에 필요한 수분의 부족으로 강도 저하의 문제가 발생하고 45 중량%를 초과하는 경우에는 과다한 물의 함량으로 성형이 불가능한 문제가 발생하므로 상기한 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하는 바, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 7 및 비교예 1
하기 표1에 제시된 조건과 하기 표 2에 제시된 배합비에 따라 압출 공정을 수행하여 패널을 제조하였다.
공정 단계 내용 비고
혼련 건식 (초) 180~200
습식 (초) 210~240
몰탈 온도 벨트 (℃) 23-27
pug hopper (℃) 21-24
압출기 (℃) 28-32
Pug Amp 148
Aug 진공 (mmHg) 720~740
Amp 200-250
라인 속도 M/min 4.0~5.0
원료 실시 1 실시 2 실시 3 실시 4 비교1
시멘트 48.6 47.0 33.7 33.5 48.0
실리카분 18.0 12.0 18.0 12.0 24.0
폐석분 6.0 12.0 6.0 12.0 -
실리카흄 2.2 3.0 2.5 2.5 2.2
고로 슬래그 - - 14.6 14.9 -
실리카 샌드 10.0 10.3 10.0 10.0 10.0
재생 파우더 4.6 4.6 4.6 4.5 4.6
규회석 5.4 5.9 5.4 5.4 5.0
펄프 3.5 3.0 3.5 3.0 3.5
폴리프로필렌섬유 1.0 1.2 1.0 1.4 1.2
MC 0.7 1.0 0.7 0.8 1.5
합계 100 100 100 100 100
시험예 1
상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1의 조성물에 대하여 다음과 같은 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
물성 KS F4735 실시 1 실시 2 실시 3 실시 4 비교1
겉모양 無 無 無 無 無 無
소재비중 2.0 이하 1.67 1.69 1.70 1.71 1.68
휨강도(N/㎟) 14.0 이상 18.4 17.8 17.2 16.7 16.5
압축강도(N/㎟) - 70.9 71.5 80.5 81.4 79.5
함수율(%) - 7.1 7.0 7.2 7.0 8.7
흡수율(%) 18 이하 14.2 14.0 11.0 10.8 11.0
흡수길이변화율 0.12 이하 0.07 0.08 0.07 0.07 0.07
충격 시험편 관통하지 않을 것 관통 無 관통 無 관통 無 관통 無 관통 無
상기 표3에서 알 수 있는 바와 같이, 폐석분을 사용한 본 발명에 따른 패널은 폐석분을 사용하지 않은 기존의 패널과 비교하여 겉모양, 소재비중, 휨강도, 압축강도, 함수율과, 흡수율에서 전혀 차이가 없는 양호한 패널이며 KS 기준에 만족하는 제품임을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 압출 성형 패널용 조성물로 제조한 패널은 폐석분을 사용한 것으로 기존의 패널과 물성면에서 차이를 구분할 수 없으며, 폐석분의 사용으로 인한 경제적 실리를 취할 수 있는 점에서 산업적 이용성이 있다 할 것이다.

Claims (5)

  1. 전체 조성물 중량 기준으로
    폐석분을 포함하는 반응 원료 60 내지 80 중량%;
    충진재 원료 10 내지 20 중량%;
    섬유 보강재 원료 5 내지 15 중량%;
    메틸 셀룰로오스(MC) 0.7 내지 5.0 중량%를 포함하는 폐석분을 활용한 압출성형용 콘크리트 패널 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응원료로는 반응 원료 전체 중량 기준으로 시멘트 40 내지 65중량%, 실리카 분 15 내지 25중량%, 폐석분 5 내지 25중량% , 실리카흄 1 내지 10중량% 및 고로 슬래그 5 내지 20중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐석분을 활용한 압출성형용 콘크리트 패널 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충진재 원료로는 충진재 원료 전체 중량 기준으로 실리카 샌드 50 내지 75중량% 및 재생 파우더 25 내지 50중량%을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐석분을 활용한 압출성형용 콘크리트 패널 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 섬유 보강재 원료로는 섬유 보강재 원료 전체 중량 기준으로 규회석 45 내지 65중량%, 펄프 20 내지 40중량 % 및 폴리프로필렌(PP) 섬유 10 내지 20중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐석분을 활용한 압출성형용 콘크리트 패널 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항중 어느 하나의 조성물로 제조한 폐석분 압출 성형 패널.







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