KR101287125B1 - 건설오니를 포함한 점토 기와용 조성물 및 이를 이용하여 청회색 기와를 제조하는 방법 - Google Patents

건설오니를 포함한 점토 기와용 조성물 및 이를 이용하여 청회색 기와를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건설오니를 포함한 청회색 점토 기와용 조성물 및 그를 이용하여 기와를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 청회색 점토 기와용 조성물은조성물 총 100 중량%를 기준으로, 점토 55∼89 중량%, 나노분말 고령토 1∼5 중량% 및 건설오니 10∼40 중량%를 포함한다.
또한, 본 발명은, 다음 단계를 포함하는 청회색 기와용 조성물의 제조방법에 관한 것이다:
- 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 점토 55∼89 중량%, 나노분말 고령토 1∼5 중량% 및 건설오니 10∼40 중량%를 포함하는 청회색 기와용 조성물을 진공토련기로 토련한 후 24시간 이상 보온 및 보습하여 기와를 성형하는 단계,
- 성형된 기와를 100∼120℃에서 23∼25 시간 동안 건조하는 단계,
- 1,000∼1,200℃에서 1시간 동안 소성한 후 상온까지 냉각하는 단계, 및
- 920∼980℃에서 1시간 동안 환원 분위기를 유지하는 단계.

Description

건설오니를 포함한 점토 기와용 조성물 및 이를 이용하여 청회색 기와를 제조하는 방법{Composition for Clay Roofing Tiles Comprising Construction Sludge And Method for Manufacturing the Roofing Tiles Using the Composition}
본 발명은 건설오니를 포함한 청회색 점토 기와용 조성물 및 그를 이용하여 기와를 제조하는 방법에 관한 것이다.
주택 및 건축물의 재건축 등과 더불어 주택사업의 활성화로 불가피하게 발생되는 건설 폐기물로 인해 많은 환경 문제를 일으키고 있다. 이러한 건설 폐기물의 발생량은 앞으로도 기하급수적으로 증가할 것으로 예상된다. 이러한 건설 폐기물 중 건설오니가 약 8%를 차지한다.
종래에는 전통 기와의 색상이 검정색으로 일반화되었으나, 최근에는 주택 문화의 다양한 욕구로 회백색 또는 청회색을 선호하고 있다. 그러나 청회색을 발현하려면 원재료의 선정에 한계가 있고 특히 값 비싼 석회석이나 탄산칼슘을 별도로 첨가해야하는 문제가 있다.
한국특허 제 10-0547021 호는 한식 토기와의 청회색 발현방법에 관한 것으로, 한식 토기와는 점토를 반죽할 때 백토 40∼10 중량% 및 규사 1∼10 중량% 등을 첨가하고 프로판 가스를 5∼10분간 400∼500 mmAq로 미연소상태로 발생시킴으로써 제조된다. 그러나 이 특허에 의해 제조된 기와는 변색이 잘되는 고가의 백토와 규사를 별도로 첨가해야 한다.
또한 한국특허 제 10-0441988 호에서는, 기와 제조시 마찰 및 수납이 용이하도록 돌출 부위를 요철 홈으로 하는 평판 토기와에 대해서 기재하고 있다. 이 특허에서는 토기와용 점토를 선정할 때 표준이 없고 단순하게 철분 성분이 있는 점토를 사용함으로 환원 소성 단계에서 흑색으로 변하게 하는 기능을 갖고 있다. 따라서 이 특허에서는 청회색을 발현할 수 없다.
건설오니는 무기질 오니로서 순환골재를 제조하는 공정에서 최종 부산물로 발생하고, 또 슬라임 등의 굴착공사, 지하 구조물 공사 등의 연약 지반을 안정화시키는 과정에서 발생된다. 그러나 이러한 건설오니는 재활용 비율이 가장 낮고 적절한 처리방법이 개발되지 않아 불법으로 투기되거나 노상 방치되고 있어 앞으로 이로 인한 오염은 더욱 심각한 사회적, 환경적 문제를 야기할 것이다.
또한, 전통 기와의 제조방법은 광산이나 전답에서 점토를 채굴 또는 구입하여 원재료의 분석 및 입도, 성분, 조성물 등의 품질 관리를 하지 않아 기와의 제조공정에서 균열, 브로팅, 변색, 탈색, 치수 변화 등의 문제를 일으키고 있다.
따라서 본 발명자들은 환경문제를 일으키는 건설오니를 사용하고 점토를 특정 조건으로 만들어 균열, 브로팅, 변색, 탈색 및 치수변화 등의 문제점을 개선함과 동시에 청회색을 발현하는 전통 기와를 제조하기 위해 연구를 거듭하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서 본 발명의 목적은 균열, 브로팅, 변색, 탈색 및 치수변화 등의 문제점을 개선함과 동시에 건설오니를 포함한 청회색의 전통 기와용 조성물 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은, 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 점토 55∼89 중량%, 나노분말 고령토 1∼5 중량% 및 건설오니 10∼40 중량%를 포함하는 청회색 기와용 조성물에 의해 달성된다.
본 발명의 또 다른 목적은, 다음 단계를 포함하는 청회색 기와용 조성물의 제조방법에 의해 달성된다:
- 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 점토 55∼89 중량%, 나노분말 고령토 1∼5 중량% 및 건설오니 10∼40 중량%를 포함하는 청회색 기와용 조성물을 진공토련기로 토련한 후 24시간 이상 보온 및 보습하여 기와를 성형하는 단계,
- 성형된 기와를 100∼120℃에서 23∼25 시간 동안 건조하는 단계,
- 1,000∼1,200℃에서 1시간 동안 소성한 후 상온까지 냉각하는 단계, 및
- 920∼980℃에서 1시간 동안 환원 분위기를 유지하는 단계.
본 발명에 따른 기와는 청회색을 발현하는 CaO 성분의 공급원으로 건설오니를 사용하고 그 표면에 나노입자의 고령토가 충전되어 있어, 균열, 브로팅, 변색, 탈색 및 치수변화가 개선되고, 또한 깨끗하고 매끄러운 청회색의 표면층을 갖는다.
도 1은 건설오니 시료 A, B, C 및 D에 대한 X선 회절분석을 나타낸 그래프이다.
도 2는 건설오니 시료 D를 사용하여 제조된 청회색 기와의 조직을 500 배율로 나타낸 전자현미경 사진이다.
도 3은 건설오니 시료 D를 사용하여 제조된 청회색 기와의 조직을 5000 배율 로 나타낸 전자현미경 사진이다.
본 발명의 요지는, 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 점토 55∼89 중량%, 나노분말 고령토 1∼5 중량% 및 건설오니 10∼40 중량%를 포함하는 청회색 기와용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 점토는 경남 산청 오부지역에서 채굴되는 점토로서 철분 함량이 많은 소지 중 하나로 백자토나 청자토에 비해 흙 입자가 조금 거칠은 편이며 산화 소성에서는 많은 효과를 보지 못하지만 환원 소성시 동영토보다 다소 핑크색 반점이 생기기도 한다. 다른 소지와 섞어서 사용을 하면 다완이나 다기류 제작용으로 많이 쓰고 있으며 점토 자체의 질감을 이용한 화분이나 화병 제작용으로 사용된다. 소성 온도는 1200∼1250℃이다.
그 점토의 주성분은 다음과 같다: SiO2:45∼55%, Fe2O3:5∼6%, Al2O3:25∼35%, Na2O:8%, CaO3:6%.또한 점토광물(clay mineral) 층상구조(판상 구조)와 매우 작은 입자 크기(0.002)를 가진 수화된 알루미늄 규산염 광물 군의 일종으로 상당량의 철이나 알칼리 금속, 알칼리 토금속을 함유하기도 한다. 점토광물들은 서로 매우 비슷하여 많은 종류들이 X선 회절분석, 전자현미경 또는 시차열분석(示差熱分析)에 의해서만 구별된다.
또한, 본 발명에서 사용되는 고령토는 카올린, 고릉토, 백도토(白陶土:china clay)라고도 한다. 그 주성분은 카올리나이트 Al2O3ㆍSiO2ㆍH2O와 할로이사이트 Al2O3ㆍSiO2ㆍ4H2O이다. 바위 속에 있는 장석, 정장석,소다 회장석 같은 장석류가 탄산 또는 물에 의해 화학적으로 분해되는 풍화에 의해 생성된다. 보통 원성토(原成土)로 된 바위 위에 수 m의 두꺼운 층이 생겨 발달한다. 도자기의 원료로 사용되며 중국의 가오링[高陵]에서 많이 산출되었으므로 고령토라 불리게 되었다. 양질의 고령토는 철분이 포함되지 않기 때문에 연하고 밝은 색을 띄게 되며 얇은 그릇을 만들기에 적당하다. 한국에서는 흔히 백토(白土)라고 하는데, 경남 하동(河東),산청(山淸) 지방에 질이 좋은 백토가 많이 생산된다.
본 발명에서 사용되는 고령토의 주성분은 다음과 같다:
SiO2:45∼55%, Fe2O3:1∼5%, Al2O3:25∼35%, MgO1.5%, Na2O:2%, CaO: 약 1% 고령토의 광물 구성요소로는 석영 60∼70%, 장석과 운모 10∼20%, 탄산염광물 5∼35%, 2∼5%의 실트는 각섬석, 인회석, 흑운모, 석류석, 휘석, 규선석, 전기석, 지르콘 등과 같은 중광물들로서 구성된다.
고령토는 요업원료, 제지, 페인트, 플라스틱, 고무공업 등에서 충전재, 토목, 건축재료, 화학공업에서의 촉매제, 농업분야에서의 비료첨가제, 토양충화제 등 다양하게 사용되고, 최근에는 나노산업 등과 같은 첨단 분야에서도 광범위하게 이용이 확대되는 등 고기능성 소재로서의 중요성이 강조되고 있다.
본 발명에서 사용되는 고령토는 900nm 내지 70nm이하의 크기를 가져야 하며, 이러한 크기의 고령토를 제조하는 방법은 본 발명자의 선 특허 제 10-1193259 호에 기재되어 있는 바와 같이, 고령토 원광을 수평 타입 볼밀로 62 ㎛ 이하의 입자를 갖는 분말의 슬립을 제조한 후, 상기 슬립을 분쇄 미디어로서 볼이 장입된 볼밀링 장치에 넣고 회전부를 19 rpm에서 24시간 회전시키면서 밀링한 다음, 상기 단계에서 제조된 슬립을 어트리션밀기에서 회전부를 800 rpm에서 3시간 회전시키는 1차 어트리션밀링하고, 상기 1차 어트리션밀링 단계에서 밀링된 고령토 슬립을 800 rpm에서 3시간 회전시키는 2차 어트리션 밀링하여 1 ㎛ 분체를 얻은 다음, 상기 2차 어트리션 밀링 단계에서 얻은 분체를 직경 800 rpm에서 3시간 분쇄하는 단계로 이루어져 있다.
본 발명에서 사용되는 건설오니는 조성물 총 100 중량%에 대해 10∼40 중량%를 포함한다. 건설오니의 사용량이 10중량% 미만이면 청회색이 발현되지 않으며, 40 중량%를 초과하면 건조 및 소성 공정에서 균열이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명에서 사용되는 건설오니의 주성분은 다음과 같다: SiO2:45∼55%, Fe2O3:3∼5%, Al2O3:13∼25%, MgO:.0.5∼3.0%, Na2O:1∼2%, CaO:10∼25% 약 1%, TiO2: 1.0%. 이들 성분 중에서 청회색을 발현하는데 가장 중요한 성분은 CaO 인데, 건설오니의 성분 중 10 내지 25%이어야 한다. 함량이 10% 미만이면 청회색이 발현되지 않으며, 40 중량%를 초과하면 건조 및 소성 공정에서 균열이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 따른 청회색 기와용 조성물의 제조방법은 다음 단계를 포함한다:
- 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 점토 55∼89 중량%, 나노분말 고령토 1∼5 중량% 및 건설오니 10∼40 중량%를 포함하는 청회색 기와용 조성물을 진공토련기로 토련한 후 24시간 이상 보온 및 보습하여 기와를 성형하는 단계,
- 성형된 기와를 100∼120℃에서 23∼25 시간 동안 건조하는 단계,
- 1,000∼1,200℃에서 1시간 동안 소성한 후 상온까지 냉각하는 단계, 및
- 920∼980℃에서 1시간 동안 환원 분위기를 유지하는 단계.
본 발명에 따른 청회색 기와용 조성물을 통상의 토련기로 토련한 후, 24 시간 이상 숙성한 조건에서 보온 및 보습하여 기와를 성형한다.
이와 같이 하여 성형된 기와를 100∼120℃에서 23∼25시간 동안 건조하여야 한다. 이 온도와 시간의 범위를 벗어나면 특히 저온에서 수분을 포함하고 25시간을 초과하면 에너지소모가 많아지는 문제점이 발생한다.
상기에서 건조된 기와는 1,000∼1,200℃에서 1시간 동안 소성한 후 상온까지 냉각된다. 이 1,000℃ 미만에서는 소결력이 부족하여 흡수율이 증가하는 문제점이 발생하며, 1,200℃를 초과하면 수축 및 터짐 현상이 발생한다.
최종적으로, 상기와 같이 처리된 기와를 920∼980℃에서 1시간 동안 환원 분위기를 유지하여야 한다. 환원 분위기를 유지하는 것은 5 내지 10분간 미연소 성분을 LPG 가스를 분사시켜 탄소 성분을 토기와에 흡착시키기 위함이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
실시예를 위해 점토, 고령토 및 건설오니 A, B, C 및 D를 채취하여 화학 성분을 분석하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.

화학
성분

(wt%)		 SiO2 Al2O3 Na2O K2O CaO MgO Fe2O3 TiO2 Ig.
loss
점토 49.9 30.5 1.72 0.73 5.07 0.66 2.08 0.22 9.09
고령토 45.0 32.5 0.08 0.66 0.89 1.43 4.75 0.50 14.2
건설오니 A 52.4 25.8 1.6 3.46 11.1 1.4 2.9 0.26 0.36
건설오니 B 52.4 16.5 1.1 2.3 17.5 3.0 4.6 0.62 1.22
건설오니 C 51.2 13.1 1.7 2.3 22.9 2.1 3.9 0.40 1.57
건설오니 D 48.3 13.8 1.3 1.9 24.9 2.5 4.3 0.53 1.51
주) 위 표에서 Ig. loss는 감량 손실(Ignition loss)을 의미한다.
실시예 1
점토 89 kg, 약 900 nm 크기의 나노고령토 1 kg 및 상기에서 채취된 샘플 건설오니A 10 kg을 배합하여 조성물 100 kg을 조제하였다. 상기에서 얻어진 조성물을 진공토련기로 토련한 후 24시간 보온 및 보습하여 기와를 성형하였다.
성형된 기와를 110℃의 건조실에서 24시간 동안 건조한 후, 1,150 ℃에서 1시간 동안 소성한 후 상온까지 자연 방치하여 냉각하였다. 920℃에서 1 시간 동안 환원 분위기 즉, LPG를 분사시켜 탄소 성분을 토기와에 흡착시켜 최종 청회색 기와를 제조하였다.
실시예 2
점토 75 kg, 나노고령토 5 kg 및 상기에서 채취된 샘플 건설오니 B 20 kg을 배합하여 조성물 100 kg을 조제하였다. 상기에서 얻어진 조성물을 진공토련기로 토련한 후 25시간 (어떻게)보온 및 보습하여 기와를 성형하였다.
성형된 기와를 120℃의 건조실에서 24시간 동안 건조한 후, 1,100 ℃에서 1시간 동안 소성한 후 상온까지 자연 방치하여 냉각하였다. 950℃에서 1 시간 동안 LPG를 분사시켜 탄소 성분을 토기와에 흡착시켜 최종 청회색 기와를 제조하였다.
실시예 3
점토 65 kg, 나노고령토 5 kg 및 상기에서 채취된 샘플 건설오니 C 30 kg을 배합하여 조성물 100 kg을 조제하였다. 상기에서 얻어진 조성물을 진공토련기로 토련한 후 24시간 이상 보온 및 보습하여 기와를 성형하였다.
성형된 기와를 115℃의 건조실에서 26시간 동안 건조한 후, 1,000 ℃에서 1시간 동안 소성한 후 상온까지 자연 방치하여 냉각하였다. 980℃에서 1 시간 동안 LPG를 분사시켜 탄소 성분을 토기와에 흡착시켜 환원 분위기를 유지하여 최종 청회색 기와를 제조하였다.
실시예 4
점토 70 kg, 나노고령토 3 kg 및 상기에서 채취된 샘플 건설오니 D 27 kg을 배합하여 조성물 100 kg을 조제하였다. 상기에서 얻어진 조성물을 진공토련기로 토련한 후 24시간 이상 보온 및 보습하여 기와를 성형하였다.
성형된 기와를 110℃의 건조실에서 24시간 동안 건조한 후, 1,000 ℃에서 1시간 동안 소성한 후 상온까지 자연 방치하여 냉각하였다. 970℃에서 1 시간 동안 LPG가스를 분사시켜 탄소 성분을 토기와에 흡착시켜 환원 분위기를 유지하여 최종 청회색 기와를 제조하였다.
실시예 1 내지 4에서 사용된 본 발명에 따른 조성물의 성분비를 표 2에 나타냈다.
실험예
실험 1(성분 분석)
상기 실시예 1∼4에서 얻어진 청회색 기와의 화학성분을 XRF 법에 의해 분석하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.

화학성분
(wt%)		 실시예 SiO2 Al2O3 Na2O K2O CaO MgO Fe2O3 TiO2
1 62.75 18.21 0.85 3.45 4.561 0.86 8.36 0.96
2 65.72 19.83 1.44 3.68 8.14 0.92 6.35 0.92
3 53.89 14.54 0.86 2.78 11.42 0.66 15.19 0.66
4 57.59 14.73 1.09 2.98 2.55 0.52 9.91 0.62
실험 2 (청회색 색도 측정)
본 발명에 따른 실시예 1 내지 4에서 제조된 청회색 기와에 대한 물리적 성질 및 색좌표(CIE) 실험을 KSA 0062에 따라 실시하고 그 결과를 하기 표 3에 나타냈다.
실시예 겉보기 비중 부피 비중 기공율 흡수율 색좌표
1 2.65 2.25 2.20 1.50 N4
2 2.66 2.24 5.40 2.80 N5
3 2.64 2.27 6.30 3.50 N6
4 2.65 2.19 2.10 1.10 N4
위 표 3에서 N은 Neutral Gra의 약자 임.
점토 기와에 대한 KS 품질기준은 길이* 폭에 있어서, 소와가 330*270 mm이고, 중와가 360*300 mm이고, 그리고 대와가 390*330mm이다. 또한 치수기준은 ± 10mm 이다.
또한 KS 품질 기준으로서 흡수율은 9% 이하이고, 강도는 2800 N/mm2 등으로 되어있으나 본 발명에 의해 제조된 기와의 특성은 흡수율이 3.5%, 그리고 부피 비중 2.27 이하 정도로서 KS 기준의 품질의 이상의 품질 및 소비자의 요구하는 청회색의 기와가 안정적인 품질을 확보함으로 우수한 특성을 볼 수 있다. 따라서 건설오니를 사용해도 물질적 특성이 떨어지지 않고, 우수한 청회색을 발현할 수 있다는 것이 확인되었다.
이에 본 발명은 건설오니나 폐콘크리트 슬러지의 다량의 CaO 화학성분이 존재함으로서 정교한 열분해를 통한 활성화나, 수경성 클링커 광물을 활용한 점토 기와의 제조에 매우 고무적인 결과를 얻었다. 건설오니의 입도와 입형이 쉽게 변동되므로 이를 활용한 점토기와의 제조에는 품질관리를 위한 적절한 함량을 10∼40 중량%를 첨가하여 사용함으로서 건설폐기물을 재활용하여 부가가치를 높이게 되었다.
도 2 및 도 3의 사진에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 건설오니를 첨가하여 제조된 기와는 기공이 밀폐되어 있고, 매우 작아 치밀성이 있기 때문에 방수성과 강도 면에서 문제가 없음이 확인되었다.

Claims (7)

  1. 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 점토 55∼89 중량%, 나노분말 고령토 1∼5 중량% 및 건설오니 10∼40 중량%를 포함하고, 나노분말의 입자크기가 900nm 내지 70nm 인 청회색 점토 기와용 조성물에 있어서, 건설오니 중 CaO 성분 함량이 10 내지 25중량%인 것을 특징으로 하는 청회색 점토 기와용 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 조성물 총 100 중량%를 기준으로, 점토 55∼89 중량%, 나노분말 고령토 1∼5 중량% 및 건설오니 10∼40 중량%를 포함하는 청회색 기와용 조성물을 진공토련기로 토련한 후 24시간 이상 보온 및 보습하여 기와를 성형하고, 성형된 기와를 100∼120℃에서 23∼25 시간 동안 건조한 후, 1,000∼1,200℃에서 1시간 동안 소성한 다음 상온까지 냉각하고, 920∼980℃에서 1시간 동안 환원 분위기를 유지하여 청회색 기와용 조성물을 제조하는 방법에 있어서, 건설오니 중 CaO 성분 함량이 10∼25중량%인 것을 특징으로 하는 청회색 점토 기와용 조성물의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
KR1020120149331A 2012-12-20 2012-12-20 건설오니를 포함한 점토 기와용 조성물 및 이를 이용하여 청회색 기와를 제조하는 방법 KR101287125B1 (ko)

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