KR101263227B1 - Geopolymer Composition having high strength and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라이 애시와 비정질 알루미노실리케이트를 포함하는 고강도 지오폴리머 조성물에 관한 것으로, 플라이 애시 : 알루미노실리케이트의 비율이 80 : 20 ~ 20 : 80인 혼합물에 알칼리 자극제인 개질 액상 규산칼륨을 30~50중량%를 첨가하며, 본 발명의 지오폴리머 조성물은 기존 시멘트보다 휠씬 높은 수준의 초기 및 후기 압축강도를 발휘할 수 있다. 또한 본 발명에서 제안하고자 하는 것은 플라이 애시와 비정질 알루미노실리케이트를 사용하여 강도가 각각 100MPa(3일), 130MPa(28일) 이상을 발현할 수 있는 지오폴리머 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a high-strength geopolymer composition comprising fly ash and amorphous aluminosilicate, wherein the mixture of fly ash: aluminosilicate is 80: 20-20: 80 with modified liquid potassium silicate, which is an alkali stimulant, Adding 50% by weight, the geopolymer composition of the present invention can exhibit a much higher level of initial and later compressive strength than conventional cement. The present invention also proposes a geopolymer composition which can express strength of 100 MPa (3 days) and 130 MPa (28 days) or more using fly ash and amorphous aluminosilicate, respectively.

Description

고강도 지오폴리머 조성물 및 그 제조방법 {Geopolymer Composition having high strength and manufacturing method thereof}High strength geopolymer composition and method for manufacturing same

본 발명은 플라이 애시와 비정질 알루미노 실리케이트가 포함된 고강도 지오폴리머 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a high strength geopolymer composition comprising fly ash and amorphous aluminosilicates and a method of making the same.

플라이 애시 등을 시멘트 대체재로 활용하기 위한 기술은 최근 많이 개발되고 있다. 플라이 애시는 현재 화력발전소 및 열병합발전소로부터 발생되고 있으며, 이러한 플라이 애시는 고비율의 비정질 유리상과 점토와 유사한 화학성분 특성, 구형의 입자 특성으로 우수한 충진성을 발휘하는 분말원료로 가능성이 기대되는 소재이다. 본 발명은 이러한 플라이 애시에 고활성의 고로슬래그 및 메타카올린을 첨가하여 초고강도(100Mpa)의 지오폴리머 조성물을 제공하기 위한 것이다.Recently, technologies for using fly ash as a cement substitute have been developed. Fly ash is currently generated from thermal power plants and cogeneration plants. These fly ash materials are expected to be excellent raw materials for filling with high ratio of amorphous glass phase, clay-like chemical composition and spherical particle characteristics. to be. The present invention is to provide a geopolymer composition of ultra high strength (100Mpa) by the addition of highly active blast furnace slag and metakaolin to such a fly ash.

이 지오폴리머 조성물 제조공정은 기존 시멘트의 제조공정과 달리 에너지 소비량이 작고 대량의 CO2를 방출하지 않는다. 또한 특별한 고에너지를 부여하는 기계적 혼합(밀링)이나 장시간 용출, 고온반응(100℃ 이상)을 필요치 않는 장점이 있다. 본 발명에 의해서 제조된 지오폴리머 조성물은 매우 안정한 부피안정성과 높은 초기 및 후기 압축강도, 우수한 내구성 및 높은 내화성을 발휘한다.Unlike the conventional cement manufacturing process, this geopolymer composition manufacturing process has a low energy consumption and does not emit a large amount of CO 2 . In addition, there is an advantage that does not require mechanical mixing (milling), elution for a long time, high temperature reaction (more than 100 ℃) to give a special high energy. The geopolymer composition prepared by the present invention exhibits very stable volume stability, high initial and late compressive strength, excellent durability and high fire resistance.

본 발명에 따른 지오폴리머 조성물은 이러한 특징에 의해서 내화판넬, 내화패널, 고강도 콘크리트, 고강도 보수몰탈, 인조대리석, 인조암, 건축재, 세라믹 타일, 건물 등을 위한 지오폴리머 몰탈, 콘크리트 및 중금속이 함유된 각종 산업부산물의 고정화의 유용한 결합재로서 활용될 수 있다.Geopolymer composition according to the present invention is a geopolymer mortar, concrete and heavy metals for fireproof panels, fireproof panels, high-strength concrete, high-strength repair mortar, artificial marble, artificial rock, building materials, ceramic tiles, buildings, etc. It can be utilized as a useful binder for immobilization of various industrial by-products.

현재까지 알려진 지오폴리머 제조기술은 주로 순수한 알루미나, 실리카, 산화칼슘 등과 알칼리성 물질로서 규산염 및 수산화염을 활용하였다. 한국특허 제10-0846821호에서는 플라이 애시로부터 지오폴리머 물질을 제조하는 공정을 기재하고 있는데, 이 제조공정은 볼 제분기나 버티컬 롤러 제분기에서 가공하지 않은 플라이 애시 물질을 분쇄하여 제분하는 단계, 이것을 기계적 혼합기에서 조화시켜 섞는 단계, 칼륨 또는 나트륨의 규산염 또는 수산화물과 같은 알칼리성 활성제와 혼합하는 단계, 및 원하는 형태로 성형한 후 60 내지 250℃의 온도범위에서 경화하는 단계로 구성된다. 그러나 이 기술은 발생된 플라이 애시를 그대로 사용하는 것에 비하여 가공처리를 위한 에너지를 소비해야 하며, 성형된 후에도 60~250℃의 온도범위에서 제조되기 때문에 역시 많은 에너지를 소비해야하는 단점이 있다.Geopolymer manufacturing techniques known to date have used silicates and hydroxides as alkaline materials such as pure alumina, silica, calcium oxide and the like. Korean Patent No. 10-0846821 describes a process for preparing a geopolymer material from fly ash, which is a step of grinding and milling raw fly ash material in a ball mill or vertical roller mill, which is mechanically processed. Mixing in a mixer, mixing with an alkaline activator such as silicate or hydroxide of potassium or sodium, and molding into a desired form and curing at a temperature in the range of 60 to 250 ° C. However, this technique requires energy consumption for processing compared to using the generated fly ash as it is, and since it is manufactured in a temperature range of 60 to 250 ° C. after molding, it also has a disadvantage of consuming a lot of energy.

한국특허 제10-0852215호에서는 연탄재의 지오폴리머 반응을 이용한 친환경 에코벽돌 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 연탄 연소 후 발생한 연탄재에 알칼리 자극제로써 수산화 나트륨 수용액을 사용하여 친환경적이며 성능이 뛰어난 에코벽돌 제조 방법으로 제시하고 있으나 이 기술은 고농도의 NaOH를 사용하기 때문에 반응 후의 잔존 Na 이온에 의해서 백화발생이 일어나고 표면에 발생된 백화는 제품의 오염을 초래하는 주요한 인자가 된다. 또한 고농도의 NaOH를 사용하기 때문에 제품의 알칼리도가 높아서 하천이나 인체와 근접한 곳에 시공되는 경우에는 알칼리에 의한 피부 트러블을 일으킬 수가 있어 사용에 한계가 있다.Korean Patent No. 10-0852215 relates to an eco-friendly ecobrick manufacturing method using a geopolymer reaction of briquette materials. More specifically, eco-friendly ecobrick production using sodium hydroxide aqueous solution as an alkaline stimulant to briquettes produced after briquette combustion. However, this technique uses high concentrations of NaOH, so whitening occurs due to remaining Na ions after the reaction, and whitening generated on the surface becomes a major factor that causes product contamination. In addition, since high concentration of NaOH is used, the alkalinity of the product is high, so when it is installed near a river or a human body, it may cause skin trouble by alkali, and thus there is a limit to use.

한국특허 제10-0807244호는 초고층 및 지하 콘크리트구조물에서 화재에 의한 고온으로 발생하는 단면손실 및 폭발성 폭렬을 방지하여 구조물 주요 부재의 구조안전성 및 차열성을 향상시킨 고내화성 무기결합재의 부정형 조성물, 이 조성물로부터 제작된 정형 내화보드에 관한 것으로, 플라이애쉬 5~20중량%, 메타카올린 5~20중량%, 잔골재 35~70중량%, 알칼리자극제 5~15중량% 및 규산알칼리용액 5~10중량%로 구성되는 특허이며, 한국특허 제10-0759855호는 알칼리 자극제와 플라이 애시를 사용한 비소성 무기 결합재에 관한 것으로, 국내에서 발생·폐기되는 다량의 플라이 애쉬를 재활용하여 시멘트 및 시멘트 2차 제품을 대체할 수 있는 비소성 무기결합재를 제공하는 것이나 이들 특허는 플라이 애시와 메타카올린을 사용하고는 있지만, 사용된 알칼리성 용액의 조성이 이 조성물의 압축강도를 충분히 발휘할 수 있는 조성이 아니기 때문에 압축강도가 28일 재령에도 20MPa 정도에 그치는 단점이 있다. 이러한 낮은 압축강도는 구조물의 보조재로서의 사용은 가능하지만 구조물로서의 사용은 어렵다.Korean Patent No. 10-0807244 discloses an amorphous composition of a high refractory inorganic binder which improves the structural safety and heat shielding properties of main structural members by preventing cross-sectional loss and explosive explosion caused by high temperature due to fire in high-rise and underground concrete structures. The present invention relates to an orthopedic fireproof board manufactured from the composition, wherein the fly ash 5-20 wt%, the metakaolin 5-20 wt%, the fine aggregate 35-70 wt%, the alkaline stimulant 5-15 wt% and the alkali silicate solution 5-10 wt% Korean Patent No. 10-0759855 relates to a non-plastic inorganic binder using an alkali stimulant and fly ash, and replaces cement and cement secondary products by recycling a large amount of fly ash generated and discarded in Korea. To provide non-plastic inorganic binders, but these patents use fly ash and metakaolin, In age 28 days the compressive strength has a drawback stopping to about 20MPa since the property is not a composition which can sufficiently exhibit the compressive strength of the composition. This low compressive strength makes it possible to use the structure as an auxiliary but difficult to use as a structure.

한국특허 제10-0796534호에서는 콘크리트 조성물의 결합재로, 포틀랜드 시멘트 30~60중량%, 고로 슬래그 미분말 30~60중량%, 플라이 애시 10~30중량%로 이루어지는 결합재가 개시되어 있다. 이 기술 역시 고로 슬래그나 플라이 애쉬를 시멘트 대체재로 일부 사용할 뿐이므로 폐자원의 효율적인 재활용 방안은 되지 못하며, 잠열성 혼합물의 구성성분으로 인산수소이나트륨 화합물을 사용하고 있으나 이 화합물을 사용하게 되면 시간의 경과에 따라 백화현상이 발생하게 되는 문제점이 있다.Korean Patent No. 10-0796534 discloses a binder composed of 30 to 60% by weight of Portland cement, 30 to 60% by weight of blast furnace slag powder, and 10 to 30% by weight of fly ash as a binder of the concrete composition. This technology also uses blast furnace slag or fly ash as a substitute for cement, so it is not an efficient way to recycle waste resources. As a result, there is a problem that whitening occurs.

또한 상기 기술들은 공히 압축강도와 유동성이 부족하다는 문제점도 동시에 가지고 있다. 시멘트가 들어가는 조성물은 유동성 부족 때문에 별도의 감수제, 유동화제 등을 첨가하여 문제점을 해소하고 있다.
In addition, the above techniques also have problems of lack of compressive strength and fluidity. Cement-containing compositions solve the problem by adding a separate water reducing agent, a fluidizing agent, etc. due to the lack of fluidity.

본 발명은 상기 선행기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 특히 시멘트의 대체 재료로 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적은 초기 및 후기의 압축강도(100MPa 이상)가 우수한 지오폴리머 조성물을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 플라이 애시의 사용량을 80중량%까지 확대하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 고강도 지오폴리머 조성물을 제공함으로서 다양한 강도를 요구하는 보다 넓은 건자재 및 활용분야의 확대를 위한 것이다.
The present invention aims to solve the problems of the prior arts, and in particular, to provide a substitute material for cement. Another object of the present invention is to provide a geopolymer composition having excellent initial and later compressive strengths (100 MPa or more). Still another object of the present invention is to extend the amount of fly ash to 80% by weight. It is yet another object of the present invention to provide a wider range of construction materials and applications requiring varying strengths by providing high strength geopolymer compositions.

본 발명의 지오폴리머 조성물은 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 무게 비율이 80 : 20 ~ 20 : 80 혼합물에 1~5중량%의 반응 조절제를 첨가하고 혼합된 분말 100중량부에 규산칼륨이 30~80중량%, 가성카리 5~30중량%, 물 15~60중량%로 구성된 개질 액상규산칼륨 30~50중량부를 첨가하는 것으로 구성된다. 표 1에는 분말의 화학성분조성을 나타낸 것이다.
The geopolymer composition of the present invention is a fly ash: amorphous aluminosilicate weight ratio of 80: 20 ~ 20: 80 to 1 to 5% by weight of the reaction regulator is added to the mixed powder 100 parts by weight of potassium silicate 30 ~ It consists of adding 30-50 parts by weight of a modified liquid potassium silicate consisting of 80% by weight, caustic carry 5-30% by weight and water 15-60% by weight. Table 1 shows the chemical composition of the powder.

[표 1][Table 1]

Figure 112010069775201-pat00001

Figure 112010069775201-pat00001

본 발명에 사용되는 플라이 애시는 상기의 발명들에서 사용된 화력발전소의 유연탄 플라이 애시 뿐만 아니라, 활용도가 거의 없는 열병합발전소로부터 발생된 플라이 애시 및 미연탄분이 다량 함유되어 있는 무연탄 플라이 애시를 포함한다.The fly ash used in the present invention includes not only the bituminous coal fly ash of the thermal power plant used in the above inventions, but also anthracite fly ash containing a large amount of fly ash and coal briquettes generated from cogeneration plants with little utility.

기존 시멘트 제조에 활용할 수 없었던 무연탄 플라이 애시나 열병합발전소 플라이 애시도 본 발명에서는 매우 중요한 원료가 된다. 플라이 애시의 종류에 관계없이 사용량이 90중량% 이상일 경우, 플라이 애시의 반응성이 낮아 본 발명에서 목적하는 100MPa의 압축강도 발현이 곤란하고, 28일 양생하여도 53MPa 이하의 낮은 압축강도를 나타낸다.Anthracite fly ash or cogeneration fly ash, which could not be utilized in the existing cement production, is also a very important raw material in the present invention. Regardless of the type of fly ash, when the amount used is 90% by weight or more, it is difficult to express the compressive strength of 100 MPa intended in the present invention because of low reactivity of the fly ash, and shows a low compressive strength of 53 MPa or less even after 28 days of curing.

또한 플라이 애시의 첨가량이 20중량% 미만일 때에는 압축강도는 초고강도 140MPa 이상의 강도를 발현하지만, 표면에 크랙 발생 등에 의한 장기 강도가 낮아지는 문제가 되며, 이를 이용하여 콘크리트 제작하여도 표면 크랙 등에 의한 강도의 불균일성으로 건물의 구조용으로 사용하기에는 바람직하지 않다.In addition, when the addition amount of the fly ash is less than 20% by weight, the compressive strength shows an extremely high strength of 140 MPa or more, but it becomes a problem that the long-term strength due to the occurrence of cracks on the surface is lowered. Due to its heterogeneity, it is not suitable for structural use in buildings.

또한 사용된 플라이 애시의 역할은 지오폴리머 조성물에 있어서 매우 중요한 역할로 작용한다. 플라이 애시는 20㎛ 전후의 입자크기를 갖는 구형의 입자특성으로 입자간의 유동이 용이하고 첨가되는 액상을 작게 흡수하기 때문에 작은 양의 알칼리성 용액의 투입으로도 성형이 가능하여 경제적 측면에서도 경제성이 좋다.The role of the fly ash used also plays a very important role in the geopolymer composition. Fly ash is a spherical particle having a particle size of about 20 μm, which facilitates the flow between particles and absorbs a small amount of the added liquid. Therefore, the fly ash can be molded even with a small amount of alkaline solution, which is economically economical.

본 발명에 사용 가능한 비정질 알루미노 실리케이트는 비정질의 유리상이 다량 포함되어 있는 고로슬래그, 메타카올린, 실리카 퓸 등이 가능하며, 더욱 상세하게는 고로슬래그와 메타카올린을 혼합 사용하여 지오폴리머 조성물의 충진성 향상 및 고강도 발현에 적합하도록 하였다.Amorphous aluminosilicates usable in the present invention may be blast furnace slag, metakaolin, silica fume, etc., in which a large amount of the amorphous glass phase is contained, and more particularly, the filling properties of the geopolymer composition using a mixture of blast furnace slag and metakaolin. It was adapted for improvement and high intensity expression.

이것의 사용량에 있어서 20중량% 이하의 경우에는 플라이 애시의 반응성에 의존해야 하기 때문에 강도가 낮으며, 80중량% 이상의 경우에는 고로슬래그의 사용량이 증가하기 때문에 이로부터 발생되는 초기의 급결 및 수화열 발생으로 크랙발생이 우려되며, 발생된 크랙의 확장 및 성장에 의해서 균열로 이어지기 때문에 장기 강도가 저하 등의 문제가 발생한다. 또한 플라이 애시의 첨가량이 낮아지므로 유동성 확보가 어렵고, 재활용성이 떨어지며, 개질 액상 규산칼륨의 사용량도 크게 증가하게 되어 생산가격이 상승하는 문제가 된다.In the case of the use amount of 20% by weight or less, the strength is low because it must be dependent on the reactivity of the fly ash, and in the case of 80% by weight or more, the use of blast furnace slag increases, so that the initial quenching and hydration heat generated therefrom occurs. As a result, there is a concern that cracks are generated, and since cracks are caused by expansion and growth of cracks, long-term strength is lowered. In addition, since the amount of fly ash is lowered, it is difficult to secure fluidity, recyclability is low, and the amount of modified liquid potassium silicate is also greatly increased, resulting in an increase in production price.

본 발명에서는 고로슬래그와 메타카올린을 플라이 애시와의 반응성을 고려하여 SiO2/Al2O3의 몰비 3.5 내지 4.70의 범위로 조절한 것을 사용한다. 가장 좋기로는 SiO2/Al2O3의 질량비가 4.16 전후의 것을 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the blast furnace slag and metakaolin are adjusted in the range of 3.5 to 4.70 molar ratio of SiO 2 / Al 2 O 3 in consideration of the reactivity with fly ash. Most preferably, the mass ratio of SiO 2 / Al 2 O 3 is about 4.16.

고로슬래그는 6,000㎤/g의 브레인 특성이 있는 것으로 사용하는 것이 바람직하다. 100MPa의 고강도를 발현하기 위해서는 반응성이 높은 고브레인을 사용하는 것이 좋다. 이보다 높으면 경제성이 떨어지고 이보다 낮으면 반응성이 낮은 문제가 있다.The blast furnace slag has a brain characteristic of 6,000 cm 3 / g, and is preferably used. In order to express high strength of 100 MPa, it is preferable to use highly reactive high brain. If higher than this, there is a problem of low economic efficiency, if lower than this, there is a problem of low reactivity.

고로슬래그에 메타카올린의 첨가하는 것은 메타카올린의 점토질에 의한 초기 하이드록시기의 흡수가 빠르고 장기적으로 건조되면서 이것이 다시 방출되어 지속적으로 고로슬래그와 플라이 애시의 지오폴리머 반응을 유도하기 때문이다. 또한 초기 빠르게 하이드록시기를 흡수하기 때문에 초기 경화속도가 지연되는 특징도 있다. 또한 플라이 애시나 고로슬래그에 비하여 낮은 활성도(하소온도가 낮음)를 갖지만, 내부에 다량의 비정질이 포함되어 있어 지오폴리머의 주원료로도 활용되고 있어 본 발명에서도 이와 같은 원료적 특징이 기대되는 원료이다. 브레인이 너무 높으면 지오폴리머 반응을 방해하고, 미립자 특성에 의해서 쉽게 균열이 생기기 쉬우며, 6,000㎤/g보다 낮으면 반응성이 떨어지게 되므로 본 발명에서 목적으로 하는 특성을 발현하는 것이 어렵다. 또한 고로슬래그와 유사한 브레인을 사용하는 것이 균일혼합을 위해서도 바람직하다.The addition of metakaolin to blast furnace slag is due to the rapid and long-term drying of the initial hydroxyl groups by the metakaolin clay, which is released again and continuously induces the geopolymer reaction of blast furnace slag and fly ash. In addition, the initial curing speed is also delayed because it rapidly absorbs the hydroxyl group. In addition, it has lower activity (lower calcination temperature) than fly ash or blast furnace slag, but since it contains a large amount of amorphous inside, it is also used as a main raw material for geopolymers. . If the brain is too high, it will interfere with the geopolymer reaction, it is easy to crack due to the particulate properties, and if it is lower than 6,000 cm 3 / g, the reactivity is poor, so it is difficult to express the desired properties in the present invention. It is also preferable to use a blast furnace slag-like brain for homogeneous mixing.

본 발명에서 사용되는 반응 조절제는 개질 액상 규산칼륨과 비정질 알루미노실리케이트의 CaO의 초기 반응을 억제 및 촉진하기 위한 것으로 주석산, 구연산, 말론산, 무수석고, 글루콘산, 글루코헵톤산 등과 같은 유무기산과 NaCl, MgCl2 등의 무기염과 산업부산물인 하수슬러지 소각재, 인산알루미늄폐수, 약품으로 각종 인삼염 등이다.The reaction modifier used in the present invention is to inhibit and promote the initial reaction of CaO of the modified liquid potassium silicate and amorphous aluminosilicate, and organic or inorganic acids such as tartaric acid, citric acid, malonic acid, gypsum, gluconic acid and glucoheptonic acid. Inorganic salts such as NaCl and MgCl 2 and sewage sludge incinerators, industrial phosphate wastewater, aluminum phosphate wastewater, and various kinds of ginseng salts.

이러한 반응 조절제를 상세하게 설명하면, 주석산, 구연산, 말론산, 무수석고, 글루콘산 등은 시멘트나 지오폴리머 시멘트의 초기 반응에 있어서, 페이스트의 알칼리를 낮추는 역할로 작용하는 것이 일반적이며, 주로 주석산이 많이 사용된다. 구연산과 말론산은 지오폴리머의 반응지연제로 사용되는 경우가 많은데, 이는 지오폴리머의 반응분위기가 고알칼리이며, 이것은 시멘트와 유사한 작용기구이기도 하다.Detailed description of such reaction regulators, tartaric acid, citric acid, malonic acid, gypsum, gluconic acid, etc. in the initial reaction of cement or geopolymer cement, generally serves to lower the alkali of the paste, mainly tartaric acid It is used a lot. Citric acid and malonic acid are often used as a reaction retardant of geopolymers, which are highly alkaline and have a mechanism similar to cement.

인산염은 시멘트의 Ca 이온과 P 이온의 결합을 초기에 유도하여 Ca 이온과 실리카의 반응에 의한 C-S-H 겔의 생성을 억제하는 역할로 알칼리 활성시멘트의 지연제로 많이 사용되고 있다. 반면에 하수슬러지 소각재나 인산알루미늄 폐수는 현재 사용된 바가 없는 소재이며, 인산알루미늄 폐수의 경우, 본 발명에는 적합하지 않다. 이는 용액상태로 존재하며, 개질액상 규산칼륨과 접촉시 바로 침전반응을 수반하기 때문에 작업이 곤란한 문제가 있다. 반면에 하수슬러지 소각재는 15% 이상의 P2O5를 함유하고 있으며, 충진성이 매우 뛰어나다. 이와 같은 하수슬러지 소각재와 NaCl의 혼합물을 반응조절제로 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 분말상의 플라이 애시와 비정질의 알루미노실리케이트 혼합물과 건식혼합으로 균일하게 혼합될 수 있다. 하수슬러지 소각재는 하수슬러지를 800℃ 이상으로 열처리하여 소각한 비산재이다.Phosphate is used as a retarder for alkaline activated cement as it induces the binding of Ca ions and P ions in cement to inhibit CSH gel formation by the reaction of Ca ions and silica. On the other hand, sewage sludge incineration or aluminum phosphate wastewater is a material that has not been used at present, and aluminum phosphate wastewater is not suitable for the present invention. It exists in solution, and there is a problem that the operation is difficult because it involves a precipitation reaction upon contact with the modified liquid potassium silicate. Sewage sludge incineration, on the other hand, contains more than 15% P 2 O 5 and has very good filling. It is preferable to use a mixture of such sewage sludge incinerator and NaCl as a reaction regulator. It can be uniformly mixed by dry mixing with powdered fly ash and amorphous aluminosilicate mixture. Sewage sludge incineration ash is a fly ash incinerated by heat treatment of sewage sludge above 800 ℃.

반응조절제는 지오폴리머 분말과 액상의 규산칼륨이 접촉할 때 하수슬러지 소각재 내에 존재하는 15% 이상의 P2O5와 NaCl에 의해서 지오폴리머의 겔 타임과 수화시간의 연장하는 효과가 있다. 특히 하수슬러지 소각재 내의 P2O5는 비정질 알루미노실리케이트 분말 내에 포함되어 있는 Ca 이온이 용액상의 개질 액상규산칼륨과 혼합하게 될 때, Ca 이온을 둘러쌓고 P 이온 두 개가 5개의 Ca 이온과 결합하게 되어 초기 인산칼슘의 중간생성물을 형성하며, Ca 이온을 소비함으로써 Si(OH)4과 Ca이온의 접촉을 억제하는 작용을 하게 된다.The reaction modifier has an effect of extending the gel time and the hydration time of the geopolymer by at least 15% of P 2 O 5 and NaCl present in the sewage sludge incinerator when the geopolymer powder is in contact with the liquid potassium silicate. Especially when P 2 O 5 in sewage sludge ash is mixed with Ca ions contained in amorphous aluminosilicate powder with modified liquid potassium silicate in solution, two P ions bind to 5 Ca ions. It forms an intermediate of the initial calcium phosphate, and consumes Ca ions to inhibit the contact between Si (OH) 4 and Ca ions.

또한 NaCl은 지오폴리머의 수화 및 축중합 열을 낮추는 역할로 작용한다. 이러한 것에 의해서 지오폴리머의 초기반응인 Ca 이온과 Si 이온의 반응에 따른 칼슘실리케이트 겔의 생성을 조절함으로써 표면의 경화를 억제하고 내부의 지오폴리머 탈수반응(축중합)에 의한 수분발생, 수분의 성형체 표면으로의 이동시간 확보(수분이 표면으로 이동할 때 성형체의 표면에 크랙이 발생 않는 정도의 잔류유동성)에 의해서 안정한 지오폴리머 성형체를 얻을 수 있게 한다.NaCl also serves to lower the heat of hydration and polycondensation of geopolymers. In this way, the formation of calcium silicate gel according to the reaction of Ca ions and Si ions, which are the initial reactions of the geopolymers, is suppressed and the surface hardening is suppressed. It is possible to obtain a stable geopolymer molded body by securing the movement time to the surface (remaining fluidity such that no crack occurs on the surface of the molded body when water moves to the surface).

반응조절제로는 하수슬러지 소각재와 NaCl을 무게 비로 8.0~9.0 : 1.0~2.0 비율로 혼합한 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 반응조절제의 사용량을 초과하는 경우에는 본 발명에서 목적하는 100MPa의 고강도를 발현하는 것이 곤란하다.As a reaction regulator, it is preferable to use a powder mixed with sewage sludge incinerator and NaCl in a weight ratio of 8.0 to 9.0: 1.0 to 2.0. When the amount of the reaction regulator is exceeded, it is difficult to express the high strength of 100 MPa desired in the present invention.

또한 본 발명에서 되는 개질 액상 규산칼륨은 규산칼륨 30 내지 80중량%와 가성카리 5 내지 30중량% 및 물 15 내지 60중량%의 범위로 구성된다. 규산칼륨은 30 내지 80중량%의 범위로 사용하되, 가장 바람직하게는 50중량%가 좋다. 또한 가성가리는 5 내지 30중량%가 바람직하며, 10중량%가 가장 적절하다. 가성카리의 역할은 pH 상승을 통한 알칼리 자극효과를 촉진하는데 있다. 물의 사용량에 따라서 첨가되는 가성카리와 규산칼륨의 양이 결정되는 바, 물의 사용량은 15 내지 60중량%가 바람직하다. 가장 바람직하게는 30중량%를 첨가하는 것이다.In addition, the modified liquid potassium silicate according to the present invention is composed of 30 to 80% by weight potassium silicate, 5 to 30% by weight caustic and 15 to 60% by weight of water. Potassium silicate is used in the range of 30 to 80% by weight, most preferably 50% by weight. Also caustic is preferably 5 to 30% by weight, most preferably 10% by weight. Caustic carry's role is to promote alkali irritant effect through pH increase. The amount of caustic and potassium silicate added is determined according to the amount of water used, and the amount of water is preferably 15 to 60% by weight. Most preferably 30% by weight is added.

일체 Na2O가 포함된 기존의 알칼리성 물질을 사용하지 않는 것을 필요하다. 본 발명에서 활용하고자 하는 대상 분야는 자연에 노출되어 비와 접촉하거나 대기의 온도변화 및 물속에서 사용되는 것을 목적으로 하기 때문에 해리성이 높은 Na2O의 사용은 바람직하지 않다. 또한 해리성이 높은 Na2O는 수분의 응축이나 증발과정에 포함되어 표면으로 이동되고 공기 중의 CO2가스와 반응하여 Na2CO3와 같은 물질을 발생시켜 백화현상을 일으키며, 이러한 새로운 생성물에 의해서 표면의 균열이 발생하기 때문에 장기안정성이 떨어지는 문제가 있다. 이를 위해서 Na2O의 해리가 낮도록 설계하거나 발수나 방수성이 뛰어난 재료를 사용하여야 하기 때문에 범용적인 활용성이 떨어지게 된다. 본 발명에서 사용되는 규산칼륨과 개질에 사용된 가성카리는 상온경화속도가 낮고 탄산반응이 규산소다에 비하여 떨어지기 때문에 백화가 우려되는 곳에 주로 사용되는 주요한 원료의 하나이다.It is necessary not to use existing alkaline materials with any Na 2 O. The use of Na 2 O in high dissociation properties is not desirable because the object of the present invention is to be exposed to nature to contact with rain or to be used in the air temperature change and in water. In addition, Na 2 O, which is highly dissociable, is included in the condensation or evaporation process of moisture and is transferred to the surface and reacts with CO 2 gas in the air to generate substances such as Na 2 CO 3 , causing whitening. Since cracks on the surface occur, there is a problem of inferior long-term stability. For this purpose, it is necessary to design low dissociation of Na 2 O or to use materials having excellent water repellency or waterproofing properties, thereby decreasing general utility. Potassium silicate used in the present invention and caustic used in the reforming is one of the main raw materials mainly used where whitening is concerned because the rate of curing at room temperature is low and the carbonic acid reaction is lower than that of sodium silicate.

본 발명에 사용된 개질 액상규산칼륨 구성은 각각 규산칼륨 30 내지 80중량%와 가성카리 5 내지 30중량% 및 물 15 내지 60중량%의 범위이며, 각각의 사용량이 이 한정한 범위를 벗어나, 규산칼륨의 경우, 30중량% 이하로 사용되면 지오폴리머 형성에 있어서 시드(seed) 역할로 작용하는 Si(OH)4의 모노머 생성량이 부족하여 초기 및 장기강도를 만족할 수 없으며, 상기 80중량%를 초과하는 경우에는 매우 고농도화 되어 유동성이 크게 감소하며, 몰드에 충진하기 위한 최소한의 흐름성 180mm~230mm를 확보하기 위해서는 과량으로 첨가해야 목표 흐름성을 확보할 수가 있어 원가 상승이 우려된다.The modified liquid potassium silicate composition used in the present invention is in the range of 30 to 80% by weight potassium silicate, 5 to 30% by weight caustic and 15 to 60% by weight of water, respectively, the amount of each of which is out of this limited range, In case of potassium, when used at 30% by weight or less, the amount of monomer production of Si (OH) 4 , which acts as a seed in geopolymer formation, is insufficient, so that initial and long-term strength cannot be satisfied, and exceeds 80% by weight. In this case, the concentration is very high, and the fluidity is greatly reduced. In order to secure the minimum flowability of 180mm to 230mm for filling the mold, it is necessary to add an excessive amount to secure the target flowability.

동시에 과량의 모노머 생성에 따른 자유 SiO2 생성으로 백화와 같은 문제가 발생하게 된다. 또한 경제성에 맞는 개질 액상을 첨가하게 되면 상대적으로 적은 양이 사용되어야 하기 때문에 유동성 결여로 성형이 어렵고, 급결하는 원인이 되어 성형 작업 자체가 곤란하게 된다. 또한 가성카리는 5중량% 이하로 첨가하게 되면 pH값이 목표로 하는 12.5를 달성할 수 없고, 30중량%를 사용하게 되면, pH값이 >14로 되어 알칼리 자극효과는 상승하나 이로 인한 과량의 알칼리성 양이온과 OH 라디칼은 주변환경에 안 좋은 영향을 미치는 문제가 발생될 수 있다. 또한 비중이 급격하게 상승하며, 경제성도 떨어지는 문제가 있다.At the same time, problems such as whitening occur due to the generation of free SiO 2 due to the formation of excess monomers. In addition, if a modified liquid suitable for economical efficiency is added, a relatively small amount should be used, so that molding is difficult due to lack of fluidity, which causes a quenching, which makes the molding operation itself difficult. In addition, when caustic carri is added below 5% by weight, the pH value cannot achieve the target 12.5, and when 30% by weight is used, the pH value becomes> 14, which increases the alkali irritant effect but causes excessive Alkaline cations and OH radicals can cause problems that adversely affect the environment. In addition, there is a problem that the weight ratio rises sharply, and the economic feasibility decreases.

또한 물의 사용량에 있어서, 15중량% 이하로 사용하면 비중이 높아져 효과적인 유동성 확보를 위해서 많은 양의 개질 액상 규산칼륨을 첨가하여야 하고, 이와 더불어 가격 상승으로 인한 시장경쟁력이 저하하게 된다. 또한 60중량%를 초과하게 되면 유동성 확보와 경제성 등에 있어서는 유리하나 본 발명에서 목표로 하는 높은 강도의 바인더를 제조하는 것이 곤란하고, 특히 건축소재로서 요구되는 압축강도를 발현에 맞는 연소재의 사용량은 매우 낮아지는 문제가 있다.In addition, when the amount of water used is less than 15% by weight, the specific gravity is increased, so that a large amount of modified liquid potassium silicate must be added in order to secure effective fluidity, and the market competitiveness due to the price increase is lowered. In addition, if it exceeds 60% by weight, it is advantageous in securing fluidity and economical efficiency, but it is difficult to manufacture a high strength binder targeted in the present invention, and in particular, the amount of the combustion material suitable for expressing the compressive strength required as a building material is There is a problem of being very low.

또한 본 발명에서 사용되는 개질 액상규산칼륨은 공업용 규산칼륨에 K2O/SiO2의 비율(몰비)이 0.63~1.0이 되도록 조절하여 pH 12.5 이상이 되도록 하여 사용하는 것이 바람직하다. 사용되는 규산칼륨의 K2O/SiO2의 비율이 상기 범위 미만의 경우에는 초기 압축강도가 거의 발현되지 않으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 고비중으로 유동성 결여 및 크랙 발생 등으로 작은 충격에도 부서지는 문제가 발생할 수 있다. 더욱 바람직하게는 K2O/SiO2의 비율은 0.60 내지 0.80의 범위로 조절하여 사용하는 것이다.In addition, the modified liquid potassium silicate used in the present invention is preferably used so that the ratio (molar ratio) of K 2 O / SiO 2 to industrial potassium silicate is 0.63 to 1.0 so as to have a pH of 12.5 or more. When the K 2 O / SiO 2 ratio of potassium silicate used is less than the above-mentioned range, the initial compressive strength is hardly expressed, and when it exceeds the above-mentioned range, it breaks down even at a small impact due to lack of fluidity and crack generation due to high specific gravity. Problems may arise. More preferably, the ratio of K 2 O / SiO 2 is adjusted to be used in the range of 0.60 to 0.80.

K2O/SiO2의 비율이 0.80을 초과하게 되면 최종 제품(28일)의 수체 접촉시 pH값이 12 이상으로 증가하게 되어 시멘트 제품과 동일한 수환경 문제로 친환경적 생태하천 조성사업 등으로의 용도에는 사용이 곤란하게 된다. 이 범위 내로 사용하게 되면 최종 제품의 28일 수체 접촉시의 pH값은 12 이하로 되어 수환경 측면에서 안정한 생태서식지를 형성하는데 이바지할 수 있다.If the ratio of K 2 O / SiO 2 exceeds 0.80, the pH value will increase to 12 or more when the final product (28 days) is in contact with water bodies. It becomes difficult to use. When used within this range, the pH value at the 28-day water contact of the final product may be 12 or less, contributing to the formation of a stable ecological habitat in terms of water environment.

또한 개질 액상 규산칼륨의 사용량은 플라이 애시와 비정질 알루미노실리케이트 및 반응조절제의 혼합물 100중량부에 대하여 30 내지 50중량부 사용하는 것이 바람직하다. 이 범위를 초과하게 되면 목표로 하는 유동성 및 압축강도 확보가 어렵고, 액상과 사용으로 인한 경제성이 결여로 사업성이 떨어지게 된다.In addition, the amount of the modified liquid potassium silicate is preferably used in an amount of 30 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of a mixture of fly ash, amorphous aluminosilicate, and a reaction regulator. If this range is exceeded, it is difficult to secure the target fluidity and compressive strength, and the business feasibility is lowered due to the lack of economy due to liquidity and use.

본 발명의 지오폴리머 조성물의 제조방법은 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 비율이 80 : 20 ~ 20 : 80 혼합하는 단계; 1~5중량%의 반응 조절제를 첨가하여 5분간 고속 믹서하는 단계; 혼합된 분말 100중량부에 대하여 규산칼륨이 30~80중량%, 가성카리 5~30중량%, 물 15~60중량% 로 구성된 개질 액상규산칼륨을 30 내지 50중량부를 첨가하는 것으로 구성된다. 이렇게 얻어진 조성물은 상온~100℃ 온도 범위에서 4~24시간 저온 양생을 하는 것만으로도 재령 3일의 압축강도가 100MPa 이상, 28일 재령에 130MPa 이상을 발휘하는 초고강도 지오폴리머 조성물이다.
Method for producing a geopolymer composition of the present invention comprises the steps of fly ash: amorphous aluminosilicate ratio of 80: 20 ~ 20: 80 mixing; 1-5% by weight of the reaction regulator was added for 5 minutes high speed mixer; It consists of adding 30-50 weight part of modified liquid potassium silicate consisting of 30-80 weight% of potassium silicates, 5-30 weight% of caustic carry, and 15-60 weight% of water with respect to 100 weight part of mixed powders. The composition thus obtained is an ultrahigh strength geopolymer composition which exhibits a compressive strength of 100 MPa or more at 3 days of age and 130 MPa or more at 28 days of age only by performing low temperature curing for 4 to 24 hours in a temperature range of room temperature to 100 ° C.

본 발명의 고강도 지오폴리머 조성물은 시멘트의 사용 없이도 매우 높은 수준의 초기 및 후기 압축강도를 발휘하며, 강도 발현에 악영향을 주는 크랙 발생 및 유동성을 충분히 확보할 수 있다. 이러한 지오폴리머 조성물은 모래, 골재 등과 함께 사용될 수도 있으며, 도로포장재, 건축재료, 보수재 등으로 효과적으로 사용될 수 있다. 또한 세라믹 섬유 및 세라믹 샤모트 등과 혼합하여 내화용 단열재, 내화판넬, 콘크리트 폭열방지 코팅제 등으로 사용할 수 있다.
The high-strength geopolymer composition of the present invention exhibits very high initial and late compressive strengths without the use of cement, and can sufficiently secure crack generation and fluidity which adversely affects the strength development. The geopolymer composition may be used together with sand, aggregate, and the like, and may be effectively used as road paving materials, building materials, repair materials, and the like. In addition, it can be mixed with ceramic fiber and ceramic chamotte, etc., and used as a heat insulation material for fireproof, fireproof panel, and concrete anti-expanding coating.

도 1은 실시예 1, 3, 5, 7에 의하여 얻어진 시편의 전자현미경 사진이고,
도 2는 실시예 1, 3, 5, 7에 의하여 얻어진 시편의 XRD 회절분석 결과를 나타낸 그래프이고,
도 3은 실시예 5와 비교예 3에 의하여 얻어진 시편의 미세구조 내의 화학성분 분석사진이고,
도 4는 실시예 5와 비교예 3에 의하여 얻어진 시편의 외관 사진이고,
도 5는 비교예 5에 의하여 얻어진 시편의 전자현미경 사진이고,
도 6은 비교예 6에 의하여 얻어진 시편의 전자현미경 사진이다.
1 is an electron micrograph of the specimen obtained in Examples 1, 3, 5, 7,
2 is a graph showing the results of XRD diffraction analysis of the specimen obtained in Examples 1, 3, 5, 7,
3 is a chemical composition analysis photograph in the microstructure of the specimen obtained by Example 5 and Comparative Example 3,
4 is an external photograph of specimens obtained by Example 5 and Comparative Example 3;
5 is an electron micrograph of a specimen obtained in Comparative Example 5,
6 is an electron micrograph of a specimen obtained in Comparative Example 6.

본 발명의 실시예는 아래와 같다.
An embodiment of the present invention is as follows.

(( 실시예Example 1) One)

플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트 : 반응조절제(하수 슬러지 소각재 : NaCl = 8.5 : 1.5, 무게 비)의 혼합 비율을 77 : 20 : 3의 혼합물을 100중량부에 K2O/SiO2의 비율을 0.65로 조절한 고형분 함량 45%인 개질액상규산칼륨을 33중량부를 첨가하여 슬러리의 흐름도 180~230mm의 범위가 되도록 제조한 다음, 5×5×5cm의 3연형 큐브몰드에 진동을 가하면서 기포를 제거하여 충진하는 방식으로 성형하고, 이를 상온에서 4시간 동안 유지하여 표면과 내부의 수분증발의 균형을 준 다음, 60℃의 온도에서 8시간 동안 양생시켜, 3, 7, 28일 재령한 후 측정한 시편의 압축강도는 각각 101.7MPa, 115.0MPa, 135.7MPa의 초고강도의 압축강도를 발현하였으며, 28일 재령으로 완성된 시편의 pH값은 10.87을 나타내었다.Fly ash: Amorphous aluminosilicate: Mixing ratio of reaction modifier (sewage sludge incinerator: NaCl = 8.5: 1.5, weight ratio) of 77: 20: 3 mixture to 100 parts by weight of K 2 O / SiO 2 ratio of 0.65 33 parts by weight of the modified liquid potassium silicate having a content of 45% of the solid content adjusted by using the slurry was prepared to be in the range of 180 to 230 mm, and then, bubbles were removed while applying vibration to a 5 × 5 × 5 cm triple cube mold. Molded in a method of filling, which is then maintained at room temperature for 4 hours to balance the surface and internal evaporation of water, and then cured for 8 hours at a temperature of 60 ° C., measured for 3, 7, and 28 days. The compressive strengths of the specimens were 101.7MPa, 115.0MPa and 135.7MPa, respectively. The compressive strengths of the specimens were 10.87 MPa.

실시예 1, 3, 5, 7에 의해서 제조된 시편의 파단면을 전자현미경 사진은 도 1과 같았다. 본 실시예에 의해서 제조된 지오폴리머 조성물의 미세구조는 매우 치밀하게 구성되어 있으며, 내부에 플라이 애시로 예상되는 입자들과 유리질 상이 보이고 있으며, 플라이 애시의 첨가량이 낮은 시편에서는 보다 치밀하였다. 또한 XRD 회절분석 결과는 도 2와 같았다.Electron micrographs of the fracture surfaces of the specimens prepared in Examples 1, 3, 5, and 7 were as shown in FIG. 1. The microstructure of the geopolymer composition prepared by the present example is very dense, the particles are expected to be fly ash and the glassy phase therein, and were more dense in the specimen with the lower amount of fly ash added. In addition, XRD diffraction analysis results were as shown in FIG.

도 2에 나타낸 것으로부터 지오폴리머를 상징하는 20°~35°(2θ) 범위의 둥근 언덕모양의 피크 특성을 확인할 수가 있으며, 플라이 애시의 함량이 높을수록 그 범위와 면적은 큰 것으로 나타났다.As shown in Figure 2 it can be confirmed the peak characteristics of the round hill-shaped peak of 20 ° ~ 35 ° (2θ) symbolizes the geopolymer, the higher the content of the fly ash, the larger the range and area was shown.

미세구조 내의 화학성분 분석결과는 도 3과 같았다. 지오폴리머 조성물의 치밀한 부분의 화학성분 분석결과로부터, 플라이 애시와 비정질알루미노실리케이트의 주요한 성분인 Si, Al, Ca의 피크가 강하게 발달하고 있음을 확인할 수가 있었다. 또한 개질액상규산칼륨의 사용으로부터 K 이온의 피크 역시 강한 값을 발현하였다(표 2).
The chemical component analysis results in the microstructure were as shown in FIG. 3. From the chemical component analysis results of the dense part of the geopolymer composition, it was confirmed that the peaks of Si, Al, and Ca, which are major components of fly ash and amorphous aluminosilicate, were strongly developed. In addition, the peaks of K ions were also expressed from the use of the modified liquid potassium silicate (Table 2).

[표 2][Table 2]

Figure 112010069775201-pat00002

Figure 112010069775201-pat00002

(( 실시예Example 2) 2)

실시예 1과 동일하게 시행하되, 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 혼합비율을 67 : 30으로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 시편의 압축강도는 각각 112.9MPa, 136.3MPa, 145.9MPa을 나타내었다.
The same procedure as in Example 1 was carried out, but the mixing ratio of fly ash: amorphous aluminosilicate was changed to 67:30. As a result, the compressive strengths of 3, 7, and 28-day-old specimens were 112.9 MPa, 136.3 MPa, and 145.9 MPa, respectively.

(( 실시예Example 3) 3)

실시예 1과 동일하게 시행하되, 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 혼합비율을 57 : 40으로 변경하고, 개질액상규산칼륨을 36중량부로 변경하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out, but the mixing ratio of fly ash: amorphous aluminosilicate was changed to 57:40, and the modified liquid potassium silicate was changed to 36 parts by weight.

그 결과 3, 7, 28일 재령 시편의 압축강도는 각각 135.9MPa, 137.7MPa, 149.7MPa을 나타내었다. 28일 재령으로 완성된 시편의 pH값은 10.89를 나타내었다.
As a result, the compressive strengths of 3, 7, and 28-day-old specimens were 135.9 MPa, 137.7 MPa, and 149.7 MPa, respectively. The pH value of the specimens completed at 28 days of age was 10.89.

(( 실시예Example 4) 4)

실시예 1과 동일하게 시행하되, 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 혼합비율을 50 : 47으로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 시편의 압축강도는 각각 145.7MPa, 157.2MPa, 159.3MPa을 나타내었다.
The same procedure as in Example 1 was carried out, but the mixing ratio of fly ash: amorphous aluminosilicate was changed to 50:47. As a result, the compressive strengths of 3, 7, and 28 days old specimens were 145.7 MPa, 157.2 MPa, and 159.3 MPa, respectively.

(( 실시예Example 5) 5)

실시예 1과 동일하게 시행하되, 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 혼합비율을 40 : 57로 변경하고, 개질액상규산칼륨을 38중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 시편의 압축강도는 각각 156.6MPa, 173.5MPa, 178.0MPa을 발현하였다. 28일 재령으로 완성된 시편의 pH값은 11.59를 나타내었다. 본 발명에 의해서 발명된 지오폴리머 조성물 중에서 가장 높은 강도 값을 보이는 시편의 외형 사진을 도 4에 나타내었다(도 3 좌측).
The same procedure as in Example 1 was carried out, but the mixing ratio of fly ash: amorphous aluminosilicate was changed to 40:57, and the modified liquid potassium silicate was changed to 38 parts by weight. As a result, the compressive strengths of 3, 7, and 28-day-old specimens expressed 156.6 MPa, 173.5 MPa, and 178.0 MPa, respectively. The pH value of the specimens completed at 28 days of age was 11.59. The appearance photograph of the specimen showing the highest strength value among the geopolymer compositions invented by the present invention is shown in FIG. 4 (FIG. 3 left).

(( 실시예Example 6) 6)

실시예 1과 동일하게 시행하되, 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 혼합비율을 30 : 67로 변경하고, 개질액상규산칼륨을 39중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 시편의 압축강도는 각각 160.9MPa, 159.0MPa, 177.0MPa을 발현하였다.
In the same manner as in Example 1, the mixing ratio of fly ash: amorphous aluminosilicate was changed to 30: 67, and the modified liquid potassium silicate was changed to 39 parts by weight. As a result, the compressive strengths of 3, 7, and 28-day-old specimens expressed 160.9 MPa, 159.0 MPa, and 177.0 MPa, respectively.

(( 실시예Example 7) 7)

실시예 1과 동일하게 시행하되, 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 혼합비율을 20 : 77로 변경하고, 개질액상규산칼륨을 40중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 시편의 압축강도는 각각 160.9MPa, 159.0MPa, 177.0MPa을 발현하였다. 28일 재령으로 완성된 시편의 pH값은 11.50을 나타내었다.
In the same manner as in Example 1, the mixing ratio of fly ash: amorphous aluminosilicate was changed to 20: 77, and the modified liquid potassium silicate was changed to 40 parts by weight. As a result, the compressive strengths of 3, 7, and 28-day-old specimens expressed 160.9 MPa, 159.0 MPa, and 177.0 MPa, respectively. The pH value of the specimens completed at 28 days of age was 11.50.

(( 비교예Comparative example 1) One)

실시예 1과 동일하게 시행하되, 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 혼합비율을 97 : 0으로 변경하고, 개질액상규산칼륨을 30중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 시편의 압축강도는 각각 18.2 MPa, 23.1MPa, 27.4MPa을 발현하였다. 28일 재령으로 완성된 시편의 pH값은 10.50을 나타내었다.
The same procedure as in Example 1 was carried out, but the mixing ratio of fly ash: amorphous aluminosilicate was changed to 97: 0, and the modified liquid potassium silicate was changed to 30 parts by weight. As a result, the compressive strengths of 3, 7, and 28 days old specimens showed 18.2 MPa, 23.1 MPa, and 27.4 MPa, respectively. The pH value of the specimens completed at 28 days of age was 10.50.

(( 비교예Comparative example 2) 2)

실시예 1과 동일하게 시행하되, 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 혼합비율을 87 : 10으로 변경하고, 개질액상규산칼륨을 32중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 시편의 압축강도는 각각 33.8MPa, 48.7MPa, 53.5MPa을 발현하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out, but the mixing ratio of fly ash: amorphous aluminosilicate was changed to 87:10, and the modified liquid potassium silicate was changed to 32 parts by weight. As a result, the compressive strengths of 3, 7, and 28 days old specimens expressed 33.8 MPa, 48.7 MPa, and 53.5 MPa, respectively.

(( 비교예Comparative example 3) 3)

실시예 1과 동일하게 시행하되, 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 혼합비율을 10 : 87로 변경하고, 개질액상규산칼륨을 44중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 시편의 압축강도는 각각 145.7MPa, 126.4MPa, 109.3MPa를 발현하였다. 28일 재령으로 완성된 시편의 pH값은 11.63을 나타내었다.In the same manner as in Example 1, the mixing ratio of fly ash: amorphous aluminosilicate was changed to 10: 87, and the modified liquid potassium silicate was changed to 44 parts by weight. As a result, the compressive strengths of 3, 7, and 28-day-old specimens expressed 145.7 MPa, 126.4 MPa, and 109.3 MPa, respectively. The pH value of the specimens completed at 28 days of age was 11.63.

이러한 장기강도의 저하는 플라이 애시의 역할이 장기강도 유지를 의미하는 것임과 동시에 고로슬래그와 메타카올린의 고함량에 따른 급격한 반응으로 표면으로의 수분이동과 수화열 발생에 따른 크랙발생 그리고 이것이 성장되어 균열이 발생됨에 따른 것이다. 도 4에 비교예로 제작된 시편의 사진을 나타내었다(도 3 우측).
The decrease in long-term strength means that the role of the fly ash is to maintain the long-term strength, and at the same time, the rapid reaction due to the high content of blast furnace slag and metakaolin causes cracks due to the movement of water to the surface and the heat of hydration, and it grows and cracks. This is due to the occurrence. Figure 4 shows a photograph of the specimen produced as a comparative example (Fig. 3 right).

(( 비교예Comparative example 4) 4)

실시예 1과 동일하게 시행하되, 플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 혼합비율을 5 : 92로 변경하고, 개질액상규산칼륨을 44중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 시편의 압축강도는 각각 149.7MPa, 161.5MPa, 109.0MPa을 발현하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out, but the mixing ratio of fly ash: amorphous aluminosilicate was changed to 5:92, and the modified liquid potassium silicate was changed to 44 parts by weight. As a result, the compressive strengths of 3, 7, and 28-day-old specimens expressed 149.7 MPa, 161.5 MPa, and 109.0 MPa, respectively.

(( 비교예Comparative example 5) 5)

보통 포틀랜드 시멘트 100중량부에 물 30중량부를 첨가하여 슬러리화 한 후, 진동성형기에서 진동 충진 성형하였다. 성형된 시편은 4시간 자연 양생한 후 탈형하여 60℃ 8시간 양생하였다. 양생 완료된 시편을 3, 7, 28일 재령후, 압축강도 특성을 평가하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 시편의 압축강도는 각각 48.1MPa, 57.4MPa, 60.6MPa로 지오폴리머 조성물의 압축강도에 비하여 매우 낮은 값임을 확인할 수가 있다. 또한 28일 재령시편의 수체 접촉 28일 후의 pH값은 13.3을 나타내었다. 도 5에 시멘트의 28일 재령 후의 미세구조 사진을 나타내었다. 사진에서 판상의 입자들 사이에 시멘트 수화물로 예상되는 침상의 입자들이 잘 발달되어 있는 것을 볼 수가 있다. 이는 도 1의 지오폴리머 조성물의 미세구조와 매우 다른 것임을 확인할 수가 있다.
Usually, 30 parts by weight of water is added to 100 parts by weight of Portland cement, followed by slurrying, followed by vibration filling molding in a vibration molding machine. The molded specimens were naturally cured for 4 hours and then demolded and cured at 60 ° C. for 8 hours. After curing, the specimens were cured for 3, 7, 28 days, and the compressive strength characteristics were evaluated. As a result, the compressive strengths of 3, 7, and 28 days old specimens were 48.1 MPa, 57.4 MPa, and 60.6 MPa, respectively, which are very low values compared to the compressive strength of the geopolymer composition. In addition, the pH value after 28 days of water contact of the 28-day age specimen was 13.3. Figure 5 shows a microstructure photograph after 28 days of age of cement. In the picture, the needle-shaped particles, which are expected to be cement hydrates, are well developed between the plate-shaped particles. This can be confirmed that very different from the microstructure of the geopolymer composition of FIG.

[표 3][Table 3]

Figure 112010069775201-pat00003

Figure 112010069775201-pat00003

[표 4][Table 4]

Figure 112010069775201-pat00004

Figure 112010069775201-pat00004

(( 실시예Example 8) 8)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 개질액상규산칼륨의 K2O/SiO2의 몰비를 0.60 으로 변경하였다. 발명조건과 강도측정결과를 표 3과 4에 나타내었다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 136.2MPa, 145.7MPa, 156.2MPa을 발휘하였다.
Embodiment, but the same procedure of 4, and changes the mole ratio of the modified K 2 O / SiO 2 of liquid potassium silicate as 0.60. Invention conditions and strength measurement results are shown in Tables 3 and 4. As a result, after 3, 7, 28 days of age the compressive strength was 136.2MPa, 145.7MPa, 156.2MPa respectively.

(( 실시예Example 9) 9)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 개질액상규산칼륨의 K2O/SiO2의 몰비를 0.70, 40중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 136.9MPa, 133.5MPa, 158.7MPa을 발휘하였다.
Embodiment, but the same procedure of 4 was modified to change the molar ratio of K 2 O / SiO 2 of liquid potassium silicate 0.70, 40 parts by weight. As a result, the compressive strengths of 136.9 MPa, 133.5 MPa, and 158.7 MPa were exhibited after 3, 7, and 28 days of age, respectively.

(( 실시예Example 10) 10)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 개질액상규산칼륨의 K2O/SiO2의 몰비를 0.75, 43중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 132.6MPa, 133.1MPa, 156.1MPa을 발휘하였다.
Embodiment, but the same procedure of 4, and changes the mole ratio of the modified K 2 O / SiO 2 of liquid potassium silicate 0.75 and 43 parts by weight. As a result, after 3, 7, 28 days of age, the compressive strength was 132.6MPa, 133.1MPa, 156.1MPa, respectively.

(( 실시예Example 11) 11)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 개질액상규산칼륨의 K2O/SiO2의 몰비를 0.80, 45중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 129.3MPa, 150.3MPa, 157.2MPa을 발휘하였다.
Embodiment, but the same procedure of 4, and changes the mole ratio of the modified K 2 O / SiO 2 of liquid potassium silicate 0.80, 45 parts by weight. As a result, after 3, 7, 28 days of age, the compressive strength was 129.3MPa, 150.3MPa, 157.2MPa, respectively.

(( 실시예Example 12) 12)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 개질액상규산칼륨의 K2O/SiO2의 몰비를 0.90, 47중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 137.5MPa, 149.5MPa, 172.6MPa을 발휘하였다.
Embodiment, but the same procedure of 4, and changes the mole ratio of the modified K 2 O / SiO 2 of liquid potassium silicate 0.90, 47 parts by weight. As a result, after 3, 7, 28 days of age, the compressive strength was 137.5MPa, 149.5MPa, 172.6MPa, respectively.

(( 실시예Example 13) 13)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 개질액상규산칼륨의 K2O/SiO2의 몰비를 1.00, 50중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 146.6MPa, 143.2MPa, 177.5MPa을 발휘하였다.
Embodiment, but the same procedure of 4, and changes the mole ratio of the modified K 2 O / SiO 2 of liquid potassium silicate 1.00, 50 parts by weight. As a result, after 3, 7, 28 days of age, the compressive strength was 146.6MPa, 143.2MPa, 177.5MPa, respectively.

(( 비교예Comparative example 6) 6)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 개질액상규산칼륨의 K2O/SiO2의 몰비를 0.48, 40중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 4.1MPa, 7.1MPa, 18.5MPa을 발휘하였다. 도 6은 제조된 시편의 28일 재령 시편의 미세구조 사진을 나타낸 것이다. 전자현미경 사진에서 보이는 바와 같이 반응에 참여하지 않은 개별적인 입자들이 많이 존재하고 있으며, 미세구조 중앙을 양단하는 큰 크랙이 존재함을 확인할 수가 있다.
Embodiment, but the same procedure of 4 was modified to change the molar ratio of K 2 O / SiO 2 of liquid potassium silicate 0.48, 40 parts by weight. As a result, after 3, 7, 28 days of age the compressive strength was 4.1MPa, 7.1MPa, 18.5MPa respectively. 6 shows a microstructure photograph of a 28-day-old specimen of the prepared specimen. As can be seen from the electron micrographs, there are many individual particles that do not participate in the reaction, and there are large cracks across the center of the microstructure.

(( 비교예Comparative example 7) 7)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 개질액상규산칼륨의 K2O/SiO2의 몰비를 0.56, 40중량부로 변경하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 6.6MPa, 9.6MPa, 19.0MPa을 발휘하였다.
Embodiment, but the same procedure of 4 was modified to change the molar ratio of K 2 O / SiO 2 of liquid potassium silicate 0.56, 40 parts by weight. As a result, the compressive strengths of 6.6 MPa, 9.6 MPa, and 19.0 MPa were achieved after 3, 7, and 28 days of age, respectively.

[표 5][Table 5]

Figure 112010069775201-pat00005

Figure 112010069775201-pat00005

[표 6]TABLE 6

Figure 112010069775201-pat00006

Figure 112010069775201-pat00006

[표 7][Table 7]

Figure 112010069775201-pat00007

Figure 112010069775201-pat00007

[표 8][Table 8]

Figure 112010069775201-pat00008

Figure 112010069775201-pat00008

(( 실시예Example 14) 14)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 개질액상규산칼륨의 K2O/SiO2의 몰비를 0.65로 고정하고, 액상개질 중의 물의 첨가량 20중량%로 변경하여 37중량부를 첨가하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 133.8MPa, 146.1MPa, 164.8MPa을 발휘하였다.
Embodiment, but the same procedure of 4, modified to secure the molar ratio of K 2 O / SiO 2 of liquid potassium silicate to 0.65, and by changing the addition amount to 20% by weight of water in the liquid phase reforming was added 37 parts by weight. As a result, after 3, 7, 28 days of age, the compressive strength was 133.8MPa, 146.1MPa, 164.8MPa, respectively.

(( 실시예Example 15) 15)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 개질액상규산칼륨의 K2O/SiO2의 몰비를 0.65로 고정하고, 액상개질 중의 물의 사용량을 30중량%로 변경하여 35중량부를 첨가하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 143.8MPa, 137.7MPa, 166.7MPa을 발휘하였다.
Embodiment, but the same procedure of 4, modified to secure the molar ratio of K 2 O / SiO 2 of liquid potassium silicate as 0.65, and the amount of water in the liquid was added 35 parts by weight modified by changing to 30% parts by weight. As a result, after 3, 7, 28 days of age the compressive strength was 143.8MPa, 137.7MPa, 166.7MPa respectively.

(( 실시예Example 16) 16)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 개질액상규산칼륨의 K2O/SiO2의 몰비를 0.65로 고정하고, 액상개질 중의 물의 사용량을 55중량%로 변경하여 37중량부를 첨가하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 118.3MPa, 120.5MPa, 129.6MPa을 발휘하였다.
Embodiment, but the same procedure of 4, modified to secure the molar ratio of K 2 O / SiO 2 of liquid potassium silicate as 0.65, and the amount of water in the liquid phase reforming was added to change to 55% parts by weight of 37 wt. As a result, after 3, 7, 28 days of age, the compressive strength was 118.3MPa, 120.5MPa, 129.6MPa respectively.

(( 비교예Comparative example 8) 8)

실시예 16과 동일하게 시행하되, 물의 사용량을 70중량%로 변경하여 37중량부를 첨가하였다. 그 결과 3, 7, 28일 재령 후 압축강도는 각각 76.9MPa, 87.4MPa, 89.3MPa을 발휘하였다.The same procedure as in Example 16 was carried out, except that 37 parts by weight of water was changed to 70% by weight. As a result, the compressive strength of 76.9 MPa, 87.4 MPa, and 89.3 MPa after 3, 7, 28 days of age, respectively.

Claims (5)

플라이 애시 : 비정질 알루미노실리케이트의 무게 비가 80 : 20 ~ 20 : 80가 되도록 혼합하는 단계; 이 혼합물에 하수슬러지 소각재와 NaCl이 무게비로 8.0 ~ 9.0 : 1.0 ~ 2.0 비율로 혼합된 분말상의 반응조절제 1~5중량%를 첨가하여 혼합하는 단계; 반응조절제가 첨가된 혼합 분말 100중량부에 규산칼륨 30~80중량%, 가성카리 5~30중량%, 물 15~60중량%로 구성된 개질 액상규산칼륨 30 내지 50중량부를 첨가하는 단계를 포함하는 초고강도 지오폴리머 조성물의 제조방법.
Fly ash: mixing so that the weight ratio of amorphous aluminosilicate is 80: 20-20: 80; Adding 1 to 5% by weight of a powdery reaction control agent mixed with sewage sludge incinerator and NaCl in a weight ratio of 8.0 to 9.0: 1.0 to 2.0; 30 to 80 parts by weight of modified liquid potassium silicate consisting of 30 to 80% by weight of potassium silicate, 5 to 30% by weight of caustic carry, and 15 to 60% by weight of water to 100 parts by weight of the mixed powder to which the reaction regulator is added. Method for preparing ultra high strength geopolymer composition.
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