KR101303251B1

KR101303251B1 - 무관수 경량 옥상 녹화블록

Info

Publication number: KR101303251B1
Application number: KR1020120129938A
Authority: KR
Inventors: 박명권; 신정엽; 최정주
Original assignee: (주)그룹한 어소시에이트; (주) 한국그린인프라연구소
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-09-04

Abstract

본 발명은 무관수 경량 옥상 녹화블록 및 이를 이용한 분산형 빗물저류 방법에 관한 것으로, 비시멘트 바인더인 지오폴리머와, 소성된 규조토 골재와, 질석으로 이루어진 녹화블록으로서, 질석을 기준으로 지오폴리머:규조토 골재:질석이 3:2.8:1의 중량비로 이루어지되; 상기 지오폴리머는, 표면적 3,550 ㎠/g, 밀도 2.18g/㎠의 특성을 갖는 플라이애쉬와; 강활성 알카리재인 NaOH 또는 KOH와 알카리반응 활성화재인 소듐실리케이트가 1:2의 중량비로 첨가 혼합된 것이 건비빔되어 구성되며; 상기 소성된 규조토 골재는 입경 3-7mm의 다공질성 경량 골재이고; 상기 질석은 표면이 건조 포화된 상태로 사용되는 것을 특징으로 하는 무관수 경량 옥상 녹화블록을 제공한다.
본 발명에 따르면, 공동건물, 공공건물 및 단독건물의 옥상에 녹화를 통한 도심 열섬화의 방지 및 경량화를 통한 구조체의 하중을 최소화하면서 식물생장에 필요한 관수를 인위적으로 제공하지 않고 우수를 식생블럭내에 담수하여 공극 및 보수재료내 모세관 현상을 통하여 식물 생장에 필요한 용수로 지속적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.

Description

무관수 경량 옥상 녹화블록{ROOFTOP GARDENING BLOCK}

본 발명은 무관수 경량 옥상 녹화블록 및 이를 이용한 분산형 빗물저류 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제올라이트가 함유된 입도 3-7mm의 소성된 골재, 질석 등을 주재로 한 골재와 반응성 재료로서 시멘트 대신 낮은 알카리도를 가지는 지오폴리머를 결합재로하여 식물생장에 영향을 주지 않으면서, 외부에서 식물생장에 필요한 사용수를 인공적으로 가수하지 않고 우수를 이용한 무관수 경량 옥상 녹화블록 및 이를 이용한 분산형 빗물저류 방법에 관한 것이다.

옥상녹화는 건축물 에너지의 상당부분을 좌우하는 상부 슬라브의 단열 보온효과를 부여함으로 인하여 높은 에너지 저감율과 환경적 심미적 측면의 많은 장점을 가지고 있어 다양한 방법의 기술들이 개발되었다.

최근 도시 밀집화 고도화, 자동차 등에 의한 도심공간의 하절기 일반적인 온도는 40℃를 넘게 유지하고 있으며, 이를 저감하기 위하여 시멘트를 이용한 보수성 인터록킹블럭, 아스팔트를 이용한 저소음 포장 등 열섬화방지 포장재 등이 지속적으로 연구 개발되고 있다.

하지만, 상기 기술의 경우 단순히 우수를 다공성 공극에 화학적 보수재를 이용하여 포집후 증발을 통한 열의 발산을 도우며 대부분 골재의 조립율을 통한 투수성의 확보와 보수재를 첨가한 높은 자중의 토목재료 및 시공방법이며 골재 입경에 따라 다소 차이가 있지만 일반적으로 710% 이내의 내부 공극율을 형성하고 있어 식물의 활착에 어려움이 있는 바, 국내외 연구결과에 따르면 녹화블럭의 최소 공극율은 25%로 규정하고 있다.

이러한 종래 기술은 높은 생육토에 의한 건축물 자중의 증가에 따른 한계성, 무기바인더로 사용되는 시멘트의 높은 알카리성에 따른 식생 식물의 고사, 높은 온도에 따른 식물생장에 필용한 사용수의 공급 및 이로 인한 옥상 슬라브층의 누수 및 방근 등의 문제점으로 인하여 활성화되지 못하였다.

또한, 일반적으로 골재의 결합력을 유지하기 위하여 사용되는 무기질 재료인 시멘트는 대표적으로 온실가스를 유발하는 산업으로 전 세계적으로 년간 발생되는 이산화탄소에 약 7%의 발생량을 가진다고 보고되고 있으며, 교토의정서 발효에 따라 2013년까지 그 발생량을 저감하여야 하는 환경에 직면하고 있으며 pH가 12이상인 강 알카리성으로 식물이 생육할 수 있는 조건을 가질 수 없는 단점이 있다.

뿐만 아니라, 최근 지구 온난화의 영향으로 우리나라가 점차 아열대화함에 따라 강우 특성도 변화하게 되었다. 즉. 하절기 장마기간을 중심으로 내리던 연간 강수량의 50%가 내리던 패턴에서 짧은 시간 집중적으로 많은 양의 우수가 내리는 경향으로 변화하고 있으며, 따라서 이러한 우수패턴의 변화로 수방대책이 미흡하여 도심 홍수를 유발하고 있으며 많은 인적 및 재산적 피해가 발생하고 있다.

지금까지 이러한 우수를 처리하기 위한 방법으로는 하수관거의 관경을 확대하여 시공하는 토목적인 방법이 주로 사용되고 있으나 대규모 토목비용의 발생, 공사에 따른 교통통제 등 사회 전반에 영향을 미치고 있어 또 다른 대안이 요구되고 있는 실정이다.

아울러, 시멘트의 수화반응과 비시멘트의 중합반응을 위하여 강알칼리 반응재의 pH는 12이상의 강알칼리로 식물의 착생에 영향을 줄 수밖에 없다. 따라서 블록의 경화 후 pH의 보정은 식물의 조기 활착을 위하여 반드시 필요한 부분이다.

이를 위해, 기존의 경우 점토와 점토의 반응성을 개선하는 화학물질을 이용하여 바인더를 개선하였으나, 이는 제품의 물성이 불균일하거나 중성화에 따른 강도의 저감, 내구성의 감소 등의 문제점이 있기 때문에 식물의 최적 활착이 가능한 지오폴리머의 개발이 필요한 실정이다.

이와 관련하여, 사전 선행기술 조사를 위해 서울산업통상진흥원(서울지식재산센터)에 의뢰한 결과, 2012년 10월 24일자 보고서에 따르면, 관련 기술로 국내공개특허 제2012-0044010호, 국내공개특허 제2012-0053411호, 일본등록특허 제3986071호, 국내등록특허 제0730744호 등이 검색되었으나 관련성이 없는 것으로 확인되었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 기존 녹화블럭에 결합재로 사용하는 시멘트 대신 잠재수경성을 가지는 비산재를 이용하여 반응성 알칼리재 하에서 중합반응을 이용한 비 시멘트성 무기 바인더와 펄라이트, 퍼미큐라이트 등의 경량골재와 규조토를 소성한 입경 3-7mm의 골재를 이용한 무관수 경량 옥상 녹화블록 및 이를 이용한 분산형 빗물저류 방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 비시멘트 바인더인 지오폴리머와, 소성된 규조토 골재와, 질석으로 이루어진 녹화블록으로서, 질석을 기준으로 지오폴리머:규조토 골재:질석이 3:2.8:1의 중량비로 이루어지되; 상기 지오폴리머는, 표면적 3,550 ㎠/g, 밀도 2.18g/㎠의 특성을 갖는 플라이애쉬와; 강활성 알카리재인 NaOH 또는 KOH와 알카리반응 활성화재인 소듐실리케이트가 1:2의 중량비로 첨가 혼합된 것이 건비빔되어 구성되며; 상기 소성된 규조토 골재는 입경 3-7mm의 다공질성 경량 골재이고; 상기 질석은 표면이 건조 포화된 상태로 사용되는 것을 특징으로 하는 무관수 경량 옥상 녹화블록을 제공한다.

이때, 상기 녹화블록은 기능성 강화를 위해 보조바인더가 더 첨가되는데, 상기 보조바인더는 상기 지오폴리머 100중량부에 대해, 황토 5-10중량부, 무수석고 3-5중량부, 소석회 2-3중량부, 탄산칼슘 3-7중량부인 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 녹화블록은 비중 1.0g/㎤ 이하, 투수계수 1.0mm/sec 이상, 함수율 45% 이상, 압축강도 10N/㎟ 이상을 유지하는 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 옥상의 슬라브 하부에 방수시트를 설치하고, 상기 방수시트 상부에 높이 조절이 가능한 받침대를 설치한 다음, 상기 받침대 상부에 상기 청구항 1에 기재된 녹화블록을 설치하며, 상기 녹화블록의 상부에는 식생식물을 식재하여, 우수 저류공간을 확보한 후 월류되는 우수만을 배수관을 통해 침투조에 연결하여 집중 호우에 따른 우수를 분산처리하도록 한 것을 특징으로 하는 무관수 경량 옥상 녹화블록을 이용한 분산형 빗물저류 방법도 제공한다.

본 발명에 따르면, 공동건물, 공공건물 및 단독건물의 옥상에 녹화를 통한 도심 열섬화의 방지 및 경량화를 통한 구조체의 하중을 최소화하면서 식물생장에 필요한 관수를 인위적으로 제공하지 않고 우수를 식생블럭내에 담수하여 공극 및 보수재료내 모세관 현상을 통하여 식물 생장에 필요한 용수로 지속적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 비관수 옥상 녹화블럭의 경량성을 위하여 보수력 30% 이상의 흡습성이 높은 흡수 및 보수성 재료를 이용하여 경량화 하였으며, 식생의 활착을 용이하게 하기 위하여 블록을 구성하는 바인더를 비 시멘트계 바인더인 지오폴리머를 이용한 것에 특징이 있다.

또한, 본 발명은 무관수 경량 옥상녹화 블록을 시공함에 있어 최근 급격히 문제가 되고 있는 도시홍수를 예방하고자 무관수 경량 옥상녹화블록 하부에 EPDM이나 이와 동등 이상의 성능을 가지는 방수방근처리 후 지지대를 설치하여 저장공간을 갖는 분산형 빗물저류 방법을 제공하는 것에도 주된 특징을 갖는다.

이를 위해, 본 발명에 따른 무관수 경량 옥상녹화 블록을 제조하기 위한 조성물은 비시멘트 바인더인 지오폴리머와, 소성된 규조토 골재와, 질석을 일정한 중량비, 예컨대 질석을 기준으로 3:2.8:1의 중량비로 배합하여 이루어진다.

이를 테면, 질석 1000g을 기준으로 할 때, 지오폴리머 3000g, 소성된 규조토 골재 2800g이 혼,배합되어 옥상녹화 블록 제조용 조성물을 구성하게 되는데, 이러한 중량비를 유지해야 하는 이유는 우수를 흡수하는 흡습성과, 투과배출시키는 투수성의 상관관계를 고려하여 우수의 흡수와 배출이 거의 균등한 범주내로 이루어져야만 옥상녹화 블록을 통해 관수 공급없이 우수만으로 식생식물을 재배할 수 있기 때문이다.

이때, 상기 지오폴리머는 플라이애쉬와 NaOH 및 소듐실리케이트가 일정한 중량비로 혼합된 형태를 갖는다.

이 경우, 상기 플라이애쉬는 SiO₂(55.3 wt% 함유)와 Al₂O₃(25.8 wt% 함유)를 주성분으로 하고, 표면적 3,550 ㎠/g, 밀도 2.18g/㎠의 특성을 갖고; 상기 NaOH는 강활성 알카리재이므로 알카리반응 활성화를 위해 상기 소듐실리케이트(Na₂O=10%, SiO₂=30%, 고형분 40%)는 NaOH 대비 1:2의 중량비로 첨가 혼합되어 비시멘트 바인더인 지오폴리머를 구성하게 된다. 특히, 플라이애쉬와 NaOH 및 소디움실리케이트는 10분간 120rpm의 조건 하에서 건비빔되어 배합되는 것이 바람직하며, 여기에 후술될 소성된 규조토 골재와 팽창된 버미큐라이트(질석)를 첨가 혼합함으로써 투수성 및 생물의 활착성을 높일 수 있는 연속 공극을 형성시킬 수 있게 된다.

이러한 지오폴리머는 알카리 중합반응을 진행하는 기재로 사용된다. 특히, 이오폴리머는 알루미늄계 실리케이트 폴리머(비시멘트계 바인더)로서 이산화탄소 발생량이 적은 반면, 시멘트는 칼슘계 바인더 불용성수화물로서 이산화탄소 발생량이 매우 크다.

여기에서, 상기 NaOH 대신 KOH를 사용할 수 있는데, 이들은 강알카리 활성재로서 미세분말화된 상태로 사용됨이 바람직하다.

한편, 소성된 규조토 골재는 경량 골재로서, 입경이 3-7mm인 것을 사용함으로써 공극률을 높여 투수성을 좋게 하고, 이에 따라 함수율도 높일 수 있도록 구성된다.

이와 같은 규조토는 비정질(非晶質)의 무정형 함수규산을 주성분으로 하며, 철 화합물 및 화산재 등을 함유한 불순한 원토(原土)에서는 900~950℃ 부근에서 급격히 수축하고, 벽돌형상으로 성형한 소성품(燒成品)은 급열 급랭하면 200~250℃부근에서 크리스토발라이트(cristobalite)의 변태에 수반하는 스포울링에 의해서 파괴되는 친환경성 점토 광물이다.

아울러, 질석(Vermiculite)은 운모와 같은 결정구조를 가지는 단사정계에 속하는 광물로 버미큘라이트라고도 하며, 양이온 교환능력이 크며 가열하면 팽창하고, 무엇보다도 다공질이어서 흡습능력이 좋다.

특히, 본 발명에서는 상기 질석이 표면 건조 포화된 상태로 사용되도록 하여 반응성을 높이도록 구성됨이 바람직하다.

이와 같이, 질석과 규조토는 수를 식생블럭내에 담수하여 공극 및 보수재료내 모세관 현상을 통하여 식물 생장에 필요한 용수로 지속적으로 공급할 수 있도록 하기 위해 필수적으로 배합 구성되어야 하며, 이를 통해 식물생장에 필요한 관수를 인위적으로 제공하지 않고도 우수를 이용하여 식생식물을 생장시킬 수 있어 자연친화적인 옥상 녹화를 실현할 수 있게 된다.

이러한 조성으로 이루어진 조성물은 일정한 틀을 통해 블록 형상으로 양생되고, 탈형됨으로써 옥상 녹화 블록으로 제조될 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 옥상 녹화 블록 조성물을 통해 제조된 녹화 블록은 비중 1.0g/㎤ 이하, 투수계수 1.0mm/sec 이상, 함수율 45% 이상, 압축강도 10N/㎟이상을 유지하게 되어 본 발명이 목적하는 경량화는 물론 보수성이 뛰어나게 된다.

여기에서, "이하"의 표현은 0을 제외한 값으로 0보다 큰 값을 의미하며, "이상"의 표현은 특별히 상한을 정하지 않고, 최소치인 하한만 규정한 것으로 적어도 하한은 만족시켜야 본 발명의 특징이 있는 것이고 상한은 포화상태에 이르면 되기 때문에 특별히 상한을 한정할 필요는 없다.

덧붙여, 기능성 강화를 위해 보조바인더가 더 첨가될 수 있는데, 보조바인더로는 황토, 무수석고, 소석회, 탄산칼슘 등이 될 수 있다.

이 경우, 보조바인더의 첨가량은 비시멘트 무기바인더인 지오폴리머 100중량부에 대해, 황토 5-10중량부, 무수석고 3-5중량부, 소석회 2-3중량부, 탄산칼슘 3-7중량부 더 첨가될 수 있다.

여기에서, 황토는 우수의 흡,투수시 자정작용, 정화작용을 수행하고, 무수석고(Calcium Sulfate Calcined)는 플라이애쉬, 실리케이트 등과 반응하여 초기 유동성 및 응결특성을 높여 강도 향상에 기여하게 된다.

아울러, 소석회(Calcium Hydroxide)는 황토와 유사하게 정화작용과 응집제로 활용되며, 상기 탄산칼슘(Calcium Carbonate)은 시멘트의 주원료로서 본 발명에서는 비시멘트 무기바인더인 지오폴리머를 사용하므로 시멘타이트를 구성할 수 있는 탄산칼슘을 소량 첨가함으로써 결합성, 내구성 등을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명에 따른 블록의 특성 확인을 위해, 본 발명 조성 범주 내에서 500mm×500mm×35mm 크기의 공시체를 만들고, 이에 대한 물리적 시험을 수행할 결과, 표 1과 같이 만족할만한 성과를 얻을 수 있었다.

시험항목	단 위	공시체	시험규격
1. 비중	g/cm³	0.91	KS F 2701 : 2007
2. 투수계수	mm/sec	1.02	KS F 4419 : 2009
3. 흡수율 (혹은 포화함수율)	%	50	KS F 4004 : 2011
4. 압축강도	N/mm²	1.4	KS F 2459 : 2002
12. 중량	kg/m²	31.8	계산치 (비중 이용)
13. 수소이온농도	pH	9.2

또한, 본 발명에 따른 블록에 경량화 및 무관수 녹화를 위하여 블록 표면에 10mm의 표토를 산포하고 비교적 생명역이 강한 다육종식물(세덤)을 식재하여 경사면에 시공할 경우 우수에 의하여 박층의 식재층이 유실되는 경우가 기존 경량형 옥상블럭에서는 빈번히 발생하였다.

이를 해결할 수 있도록 본 발명에서는 PP 또는 PE재질의 망과 셀을 부착하여 경사면 시공 후 우수에 의해 토사가 유실되는 것을 방지하도록 구성할 수 있다.

더 나아가, 아래에 첨부된 예시 도면에서와 같이, 옥상 녹화블록을 이용하여 빗물 관리형 옥상으로 탈바꿈시킬 수 있다.

즉, 무관수 경량 옥상 녹화블록을 이용한 분산형 빗물저류 방법을 개시할 수 있는데, 최근의 우수 특히 하절기의 우수는 국지성 호우호우로 진행되고 있으며 이에 따라 과거 우수량에 설계된 하수관거의 용량초과, 시간당 처리 속도의 오류 등으로 인하여 유발되는 도심지 홍수를 예방할 수 있는 하나의 방편이 될 수 있다.

[예시 도면]

이러한 도심홍수를 예방하기 위하여 옥상 슬라브에 구조적 안정성을 검토하고 방수층(방수시트)을 형성한 후, 높이 조절이 가능한 받침대(예시도면에서 "지지대")를 설치하고, 받침대 위에 투수성 및 보수성을 가지는 녹화블록(예시도면에서 "500×500×35 그린비즈G블럭")을 설치하여 우수 저류공간을 확보한 후 월류되는 우수만을 배수관을 통해 침투조에 연결하여 집중 호우에 따른 우수를 분산처리할 수 있다.

또한, 상기 녹화블록의 상부에는 식생토를 마련하고, 여기에 식생식물(새덤)을 식재하여 옥상 녹화에 기여할 수도 있다.

Claims

비시멘트 바인더인 지오폴리머와, 소성된 규조토 골재와, 질석으로 이루어진 녹화블록으로서, 질석을 기준으로 지오폴리머:규조토 골재:질석이 3:2.8:1의 중량비로 이루어지되;
상기 지오폴리머는, 표면적 3,550 ㎠/g, 밀도 2.18g/㎠의 특성을 갖는 플라이애쉬와; 강활성 알카리재인 NaOH 또는 KOH와 알카리반응 활성화재인 소듐실리케이트가 1:2의 중량비로 첨가 혼합된 것이 건비빔되어 구성되며;
상기 소성된 규조토 골재는 입경 3-7mm의 다공질성 경량 골재이고;
상기 질석은 표면이 건조 포화된 상태로 사용되는 것을 특징으로 하는 무관수 경량 옥상 녹화블록.
청구항 1에 있어서;
상기 녹화블록은 기능성 강화를 위해 보조바인더가 더 첨가되는데, 상기 보조바인더는 상기 지오폴리머 100중량부에 대해, 황토 5-10중량부, 무수석고 3-5중량부, 소석회 2-3중량부, 탄산칼슘 3-7중량부인 것을 특징으로 하는 무관수 경량 옥상 녹화블록.
청구항 1에 있어서;
상기 녹화블록은 비중 1.0g/㎤ 이하, 투수계수 1.0mm/sec 이상, 함수율 45% 이상, 압축강도 10N/㎟ 이상을 유지하는 것을 특징으로 하는 무관수 경량 옥상 녹화블록.
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