KR101322413B1

KR101322413B1 - γ-Ｃ₂Ｓ 클링커를 활용한 친환경 저탄소 시멘트 조성물의 제조방법

Info

Publication number: KR101322413B1
Application number: KR20130004855A
Authority: KR
Inventors: 윤기현; 이형우; 민승의
Original assignee: 한일시멘트 (주)
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2013-10-28

Abstract

본 발명은 γ-C₂S를 활용한 친환경 건조시멘트 모르타르 제조방법 및 이의 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 본 발명의 γ-C₂S 함량이 증가된 시멘트 조성물은 시멘트 조성물 내 γ-C₂S가 대기 중의 이산화탄소와 반응하여 탄산화에 의해 경화하는 중요한 기능성이 있어, 지구 온난화를 야기시키는 이산화탄소를 흡수하므로 친환경 시멘트 조성물로 유용하게 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 제조방법으로 시멘트 조성물 제조 시, 소결 온도가 종래 소결온도보다 낮아 에너지 비용을 포함하는 생산비용이 절감되는 효과가 있다.

Description

γ-Ｃ₂Ｓ 클링커를 활용한 친환경 저탄소 시멘트 조성물의 제조방법{Method for preparing well-being dry cement composition used by γ-C₂S clinker}

본 발명은 γ-Ｃ₂Ｓ 클링커를 활용한 친환경 저탄소 시멘트 조성물의 제조방법에 관한 것이다.

시멘트 및 콘크리트는 1824년 영국에서 포틀랜드 시멘트 제조에 관한 재료로 특허를 받은 이래 180년이 넘는 시간 동안 건설 재료에서 90%에 이를 정도로 건설 생산에 있어서 필수 불가결한 재료이다.

그러나, 시멘트는 1450 ℃의 고온에서 석회석(CaCO₃)을 소성하고, 환원반응 시켜 다량의 이산화탄소를 발생시키면서 제조되고, 1450 ℃의 고온 소성에는 유연탄 등 화석연료가 대량 사용되고 시멘트 클링커의 분쇄 등 중후장대한 설비 가동에 화석연료로 만든 전기에너지가 다량 소모됨에 따라, 시멘트 산업은 전체 산업에서 이산화탄소 배출량의 4.4 %를 차지하는 등 시멘트 톤당 약 1톤의 탄산가스를 배출하는 지구 온난화 가스 배출 산업으로 인식되고 있다. 이에 따라, 우리나라에서는 온실가스를 줄이기 위해서 시멘트의 중간제품인 클링커 생산량을 50% 이상 감축하지 않으면 안 되는 상황에 직면해 있다.

클링커의 구성 광물질은 3CaO·SiO₂(Alite), 2CaO·SiO₂(Belite), 3CaO·Al₂O₃(Aluminate), 4CaO·Al₂O₃Fe₂O₃(Ferrite)로 이루어져 있고, 이들 각각을 C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF로 줄여 표시되는데, 일반적으로 폐기물은 Al₂O₃성분을 비교적 많이 함유하고 있어, 폐기물의 사용량을 증가시킬 수 있으므로 친환경적임을 부정할 수는 없다.

이러한 면에서 시멘트는 환경에 대해서 훼손과 정화의 양면성이 있어, 시멘트 산업은 환경문제와 결부시켜 친환경적 요소와 친환경적에 반하는 문제점에 대한 방안이 요구되고 있는 실정이다.

한편, 클링커 화합물 중 C₂S에는 α, α‘, β, γ의 여러 형태가 존재하며, 이중 포틀랜드 시멘트에 포함되어 있는 것은 β형(혹은 α 및 α’)이 있다. 이들은 모두 수경성을 가지고 있어 장기강도 발현에 기여하지만, γ-C₂S 화합물은 수경성을 갖고 있지 않아, 시멘트 클링커 화합물로는 부적절한 광물로 인식되고 있으나, γ-C₂S 화합물은 자기방위기능을 갖는 대표적인 화합물의 하나로 중성화 억제효과뿐만 아니라, 대기중의 이산화탄소와 반응하여 탄산화에 의해 경화하는 중요한 기능성이 있는 것으로 확인된바 있다.

그러나, 대부분의 시멘트 클링커 내에는 γ-C₂S 화합물의 함량이 1-4 %로 매우 적은 문제점이 있어, 지금까지의 이산화탄소 흡수와 관련하여서는 별다른 성과를 이루어내지 못한 상태이다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이산화탄소 흡수량이 우수한 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커를 활용한 친환경 저탄소 시멘트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 시멘트 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 이산화규소(SiO₂)원 : 생석회(CaO)원의 몰비가 0.5-1.5 : 1.5-2이고, 바람직하게는 이산화규소(SiO₂)원 : 생석회(CaO)원의 몰비가 0.6-0.8 : 2인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수량이 우수한 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 (a) 폐주물사, 점토, 규석 및 플라이애쉬로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 93-98 % 의 이산화규소를 포함하는 재료와; 석회슬러지, 석회석, 및 광미로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 52-58 %의 생석회를 포함하는 재료를 0.5-1.5:1.5-2의 몰비로 혼합하는 단계; 및

(b) 상기 단계 (a)의 혼합물을 1300-1350 ℃의 온도로 소결시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄소 시멘트 조성물의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 본 발명의 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커를 활용한 친환경 저탄소 시멘트 조성물은 시멘트 조성물 내 γ-C₂S가 대기 중의 이산화탄소와 반응하여 탄산화에 의해 경화하는 중요한 기능성을 가지고 있어, 지구 온난화를 야기시키는 이산화탄소를 흡수하므로 친환경 시멘트 조성물로 유용하게 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 제조방법으로 시멘트 조성물 제조 시, 소결 온도가 종래(1450 ℃ 이상) 소결 온도보다 낮아 에너지 비용을 포함하는 생산비용이 절감되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 γ-C₂S 단미의 중성화 장치 양생 재령별 XRD 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 γ-C₂S 단미의 중성화 장치 양생 120일 수화물의 정량분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 OPC 중성화 장치 양생 재령별 XRD 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 γ-C₂S 단미 수화물 열분석 결과를 나타내는 도면이다. 이때, 도 4a는 재령 1일, 도 4b는 재령 3일, 도 4c는 재령 7일, 도 4d는 재령 28일째에 측정한 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 γ-C₂S 단미의 중성화장치 양생 재령 120일 수화물 관찰 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 기간양생 압축강도 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 탄산화장치 양생 압축강도 측정결과를 나타내는도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 중성화 깊이 측정 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 이산화규소(SiO₂)원:생석회(CaO)원의 몰비가 0.5-1.5 : 1.5-2이고, 바람직하게는 이산화규소(SiO₂)원 : 생석회(CaO)원의 몰비가 0.6-0.8 : 2인 것을 특징으로 하는 γ-C₂S함량이 증가된 클링커 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 상기 이산화규소(SiO₂)는 폐주물사, 점토, 규석 및 플라이애쉬로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나에 포함되는 화합물이고, 생석회(CaO)는 석회슬러지, 석회석, 및 광미로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나에 포함되는 화합물이다.

또한, 본 발명에 따른 시멘트 조성물은 γ-C₂S 함량이 높은 경우 발생할 수 있는 초기강도가 낮아지는 문제점을 보완하기 위하여 칼슘 설포 알루미네이트(CSA), 고로수재 슬래그, 플라이애쉬, 실리카 흄 및 점토 중에서 하나 이상의 혼합재를 더 포함할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 시멘트 조성물은 γ-C₂S 함량이 높은 경우, 발생할 수 있는 초기강도가 낮아지는 문제점을 보완하기 위하여 시멘트 분말도(Blaine)를 3800-4500(cm²/g)로 상승시키고, 칼슘설포알루미네이트(CSA) 및 석고(Gypsum; CaSO₄·2H₂O)를 6:4-8:2의 중량비로 혼합시킴에 따라, 종래 시멘트와 대비하여 수화활성이 높은 칼슘알루미네이트계 시멘트(CSA+석고)를 10% 정도 치환시킴에 따라, 초기강도가 낮아지는 문제점을 보완할 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 상기 γ-C₂S함량이 증가된 클링커 조성물 내 γ-C₂S 함량은 60-72.06 중량%이다.

종래 클링커 조성물 내 γ-C₂S 함량에 비하여 매우 높은 함량으로 제조되었음이 확인되었다(실험예 1 참조). 이에, 종래 γ-C₂S가 대기중의 이산화탄소와 반응하여 탄산화에 의해 경화하는 중요한 기능성이 있는 것으로 확인된바, 본 발명에 따른 γ-C₂S 함량이 증가된(높은) 클링커 조성물은 지구 온난화를 야기시키는 이산화탄소를 흡수하므로 친환경 시멘트 조성물로 유용하게 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 시멘트 조성물은 유동성, 응결, 공기량, 압축강도 등은 플레인(Plain)과 유사하나, 이산화탄소 흡수 및 저감 효과가 우수하므로 바닥용 또는 미장용 시멘트로 유용하게 사용될 수 있다(실험예 4 및 도 4 참조).

또한, 본 발명은 상기 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커 조성물을 포함하는 시멘트 조성물을 제공한다.

이때, 시멘트 조성물 내에 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커 조성물을 20-25%로 치환하는 것이 바람직하다.

상기 범위를 벗어나는 경우, 특히, 시멘트 조성물 내에 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커 조성물이 30% 이상으로 치환되는 경우, 압축강도가 낮아지는 문제점이 발생할 수 있다(실험예 3 참조).

한편, 시멘트 조성물은 시멘트와 모래, 자갈, 세믹스팬(Cemexpan), 석회석 및 플라이애쉬(Fly ash), 증점제 등을 혼합하는 형태로써, 본 발명에 따른 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커 조성물을 혼합하여 제조함으로써, 이산화탄소 흡수율이 우수한 친환경적 시멘트 조성물로 유용하게 사용될 수 있다.

나아가, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 저탄소 시멘트 조성물의 제조방법을 제공한다:

(a) 폐주물사, 점토, 규석 및 플라이애쉬로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 93-98 % 의 이산화규소를 포함하는 재료와; 석회슬러지, 석회석, 및 광미 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 52-58 %의 생석회를 포함하는 재료를 0.5-1.5:1.5-2의 몰비로 혼합하는 단계; 및

(b) 상기 단계 (a)의 혼합물을 1300-1350 ℃의 온도로 소결시켜 γ-C₂S 함량이 60 중량% 이상인 클링커 조성물을 얻는 단계.

본 발명에 따른 시멘트 조성물의 제조방법에 있어서, 상기 단계 (a)는 산업현장에서 폐기물로 버려지는 폐주물사, 점토, 규석 및 플라이애쉬로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 93-98%의 이산화규소를 포함하는 재료와; 석회슬러지, 석회석, 및 광미로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 52-58%의 생석회를 포함하는 재료를 사용함으로써, 자연환경의 보존과 생활환경의 정화에도 적용할 수 있는 친환경적인 제조방법이다.

한편, 본 발명에 따른 단계 (b)의 소결 온도는 본 발명에서 매우 중요한 요인으로서, 1300 ℃ 미만의 온도에서 소결하는 경우, 반응성이 낮아져 SiO₂와 CaO의 반응시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, γ-C₂S 함량이 낮은 클링커를 얻게 되는 문제점이 있고, 1350 ℃ 초과의 온도에서 소결하는 경우, C₃S, β-C₂S, C₃A및 C₄AF의 함량이 증가하고, 특히, β-C₂S 함량이 높아져 이산화탄소 흡수율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 제조방법으로 시멘트 조성물 제조 시, 소결 온도가 종래(1450 ℃ 이상) 소결 온도보다 낮아 에너지 비용을 포함하는 생산비용이 절감되는 효과가 있고, 시멘트 조성물 내에서 공기 중 이산화탄소와 결합력이 우수한 γ-C₂S 함량이 높아 친환경적인 시멘트를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.

하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 설명하는 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> γ-C₂S 함량이 증가된 클링커의 제조-1

재료

시멘트 클링커 광물질 중 하나인 γ-C₂S의 함량이 증가된 클링커 제조를 위해 산업 부산물인 소석회 슬러지를 CaO원으로, 폐주물사를 SiO₂원으로 사용하여 제조하였으며, 시멘트는 당사 출하되는 포장시멘트를 사용하였다. 출발원료인 폐주물사 및 석회슬러지의 화학성분은 하기 표 1에 나타내었고, 시멘트 화학성분 및 물리성능을 나타내는 지표인 OPC(Ordinary Portland Cement)는 하기 표 2에 나타내었다.

출발원료 화학성분

구 분	SiO ₂	Al ₂ O ₃	Fe ₂ O ₃	CaO	MgO	SO ₃	Ig-Loss	SUM
폐주물사	95.18	0.98	0.72	0.84	0.6	0.21	1.28	99.81
석회슬러지	0.64	0.72	0.56	53.61	0.6	0.08	41.6	97.81

시멘트 화학성분 및 물리성능

구 분	SiO ₂	Al ₂ O ₃	Fe ₂ O ₃	CaO	MgO	SO ₃	Ig - Loss	SUM	SUM	Blaine
OPC	21.4	4.81	3.44	60.11	2.75	2.05	0.72	2.01	97.29	3200

원료 배합 및 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커의 제조

γ-C₂S 함량이 증가된 클링커의 제조는 원재료를 LAB Ball Mill을 사용하여 분쇄 후 C₂S 당량비로 배합 후, 물을 적당량 주수 후, 1-2 cm 크기의 성구를 제작한 후, 실험실 전기로를 1300 ℃로 조작한 후, 1300 ℃에서 30분 동안 정치한 후, 전기로에서 추출하여 급냉시켜 소성하였다. 이때, 승온은 10 ℃/Min의 조건으로 수행되었다.

<실시예 2> γ-C₂S 함량이 증가된 클링커의 제조-2

상기 실시예 1에서 30분 동안 정치한 후, 전기로에서 추출하여 급냉시키는 대신 전기로내에서 서서히 냉각시키는 것을 제외하고는 동일한 방법을 수행하여 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커를 얻었다.

<실시예 3> γ-C₂S 함량이 증가된 클링커의 제조-3

상기 실시예 1에서 반응온도를 1300 ℃로 조절하여 수행하는 대신 1350 ℃로 조절하여 수행하는 것을 제외하고는 동일한 방법을 수행하여 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커를 얻었다.

<실시예 4> γ-C₂S 함량이 증가된 클링커의 제조-4

상기 실시예 3에서 30분 동안 정치한 후, 전기로에서 추출하여 급냉시키는 대신 전기로내에서 서서히 냉각시키는 것을 제외하고는 동일한 방법을 수행하여 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커를 얻었다.

<비교예 1> 클링커의 제조-1

상기 실시예 1에서 반응온도를 1300 ℃로 조절하여 수행하는 대신 1250 ℃로 조절하여 수행하는 것을 제외하고는 동일한 방법을 수행하여 클링커를 얻었다.

<비교예 2> 클링커의 제조-2

상기 비교예 1에서 30분 동안 정치한 후, 전기로에서 추출하여 급냉시키는 대신 전기로 내에서 서서히 냉각시키는 것을 제외하고는 동일한 방법을 수행하여 클링커를 얻었다.

<비교예 3> 클링커의 제조-3

상기 실시예 1에서 반응온도를 1300 ℃로 조절하여 수행하는 대신 1450 ℃로 조절하여 수행하는 것을 제외하고는 동일한 방법을 수행하여 클링커를 얻었다.

< 비교예 4> 클링커의 제조-4

상기 비교예 3에서 30분 동안 정치한 후, 전기로에서 추출하여 급냉시키는 대신 전기로내에서 서서히 냉각시키는 것을 제외하고는 동일한 방법을 수행하여 클링커를 얻었다.

< 실험예 1> γ- C ₂ S 합성 유무 및 정량분석

상기 실시예 1 내지 4에서 얻은 클링커의 γ-C₂S 합성 유무를 확인하고, 정량 분석하기 위하여 Phillips(pw3710, Cu Kα λ=1.541)로 X-선 회절분석을 한 후, Topas Program을 통하여 Rietveld 법으로 정량분석 하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

구분			C₃S	β-C₂S	γ-C₂S
실시예 1	1300 ℃	급냉	14.89	6.14	71.76
실시예 2	1300 ℃	서냉	15.23	5.95	72.06
실시예 3	1350 ℃	급냉	17.47	7.05	62.09
실시예 4	1350 ℃	서냉	17.65	6.79	62.47
비교예 1	1250 ℃	급냉	0.05	49.31	23.79
비교예 2	1250 ℃	서냉	0.14	41.21	28.88
비교예 3	1450 ℃	급냉	21.05	55.83	8.02
비교예 4	1450 ℃	서냉	22.7	56.03	7.08

표 3에 나타낸 바와 같이, 소성결과, 1300 ℃ 서냉의 조건에서 γ-C₂S가 약 72 %로 가장 많이 생성되었으며, 급냉, 서냉의 조건 차이는 미미한 것으로 나타났다. 또한, 1350 ℃는 C₃S 결정으로 다소 진행되어 1300 ℃의 조건보다 γ-C₂S 생성량이 감소한 결과로 나타났으나, 종래 클링커보다 매우 높은 함량으로 제조된 것으로 확인되는 반면, 1250 ℃는 Free lime이 20 %정도 미반응 하여 소성온도 부족으로 보이며, 1450 ℃에서 수행한 경우, C₃S, β-C₂S, C₃A 및 C₄AF의 함량이 증가하고, 특히, β-C₂S 함량이 높은 것으로 확인되었다.

한편, 1100-1450 ℃에서 생성된 α'-C₂S는 냉각되면 신속히 γ-C₂S로 전이되어 더스팅 현상을 일으키는 원인이 된다. 그러나 1350 ℃에서 β-C₂S가 2%가량 늘어난 이유는 일부 불순물(Al₂O₃, Fe₂O₃, Alkali등)을 고용한 α-C₂S가 다소 생성되어 냉각시, β-C₂S로 변화되었기 때문으로 판단된다.

따라서, 본 발명에 따른 방법으로 클링커 제조 시, 이산화탄소 흡수력이 우수한 γ-C₂S의 합성을 증가시킬 수 있으므로 친환경 저탄소 시멘트 조성물에 유용하게 사용될 수 있다.

<실험예 2> γ-C ₂ S의 탄산화 메커니즘 분석

TG-DTA(STA-1500) 열분석기를 사용하였고, SEM(JSM6400)으로 수화물 관찰을 통해 탄산화 반응 및 수화 특성을 관찰 하였다. XRD 측정은 Phillips PW 3710(Cu Kα λ=1.541)로 측정하였다.

결과

(1) γ- C ₂ S 단미 중성화 장치 양생 재령별 XRD 분석 결과

도 1에 나타낸 바와 같이, γ-C₂S 단미의 중성화 장치 양생 재령별 수화물의 XRD 분석 결과를 보면, 재령 1일에서는 탄산칼슘(CaCO₃)을 포함하는 캘사이트(Calcite, 방해석, 삼방정계) 피크가 약간 보이고, 대부분 미반응 γ-C₂S로 존재하는 것으로 나타났으며, 28일 재령에서는 캘사이트, 바테라이트(Vaterite)의 피크와 미반응 γ-C₂S로 나타났다. 한편 120일 재령에서는 1일, 28일 재령에서 나타나지 않았던 아라고나이트(aragonite, 산석, 사방정계) 피크가 큰 비중을 차지하고 있는 것으로 확인되었다. 이는 γ-C₂S와 이산화탄소가 반응하여 탄산화에 의해 생성된 탄산칼슘 결정이 생성된 것으로 판단된다.

따라서, 본 발명에 따른 방법으로 클링커 제조 시, 이산화탄소 흡수력이 우수한 γ-C₂S의 합성 수율을 증가시킬 수 있으므로 친환경 시멘트로 유용하게 사용될 수 있다.

(2) γ- C ₂ S 단미의 중성화 장치 양생 120일 후의 수화물의 정량분석 결과

도 2에 나타낸 바와 같이, γ-C₂S 단미 시료에 물 50% 첨가 후 중성화 장치에서 120일간 양생한 후, XRD 측정하여 Topas 프로그램을 이용하여 정량분석을 한 결과, 아라고나이트는 45.80 %, γ-C₂S는 19.40 %, 캘사이트는 9.3% 및 바테라이트는 4.57 %로 일반적인 시멘트 수화 시, 생기지 않는 아라고나이트와 바테라이트가 50.37%가 생성되었다. 한편, 지금까지 발표된 종래 문헌에 따르면, γ-C₂S 탄산화시, 바테라이트 생성으로 기능성 필러 역할을 하는 것으로 알려진 바 있으나, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조한 결과, 장기 재령(120일 이상)으로 갈수록 바테라이트보다 아라고나이트 및 캘사이트가 많이 생성되는 것으로 확인되었다.

(3) OPC 중성화 장치 양생 재령별 XRD 분석 결과

도 3에 나타낸 바와 같이, OPC 중성화 장치 양생 재령별 XRD 분석에서는 캘사이트, 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 미수화 C₃S 및 C₂S 피크가 확인되었다. 이는 상기 도 1의 γ-C₂S 분석 결과에서 나타난 아라고나이트와 바테라이드 피크는 확인되지 않았으므로 이는 γ-C₂S 수화 시 생성된 물질이라고 설명할 수 있다.

(4) γ- C ₂ S 단미 수화물 열분석 결과

도 4에 나타낸 바와 같이, γ-C₂S 중성화장치 양생 열분석 결과, 탄산칼슘(CaCO₃)함량은 재령 1일 0.325 %, 3일 12.12%, 7일 39.02%, 28일 48.98%로 양생기간이 경과될수록 γ-C₂S의 탄산화가 점진적으로 일어나는 것을 알 수 있다.

< 실험예 3> 압축강도 시험 및 중성화

-압축강도 : γ-C₂S 함량이 증가된 클링커를 시멘트 대비 10, 20, 30% 치환하여 KS L 5105에 규정된 시험방법으로 압축강도를 측정하였다.

-중성화 : 몰드 성형 후 1일간 항온항습기에 양생 후, 탈형하여 습도 65%, 온도 22±1 ℃, CO₂ 농도 5%의 조건에서 재령별로 압축강도를 측정하였으며, 중성화 깊이 측정은 페놀프탈레인 1% 지시약으로 측정하였다.

결과

(1) 압축강도 시험결과

도 6에 나타낸 바와 같이, 기건양생의 압축강도 측정결과 OPC 대비 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커의 첨가량만큼 압축강도가 하락하는 것으로 나타났다. 이는 대기 중 이산화탄소 농도가 낮아 γ-C₂S가 충분히 탄산화가 일어나지 못한 결과로 판단된다. 그러나, 도 7에 나타낸 바와 같이, 탄산화 장치 양생 압축강도는 재령 28일부터 OPC와 유사하거나 다소 상회하는 것으로 나타났다. 이는 γ-C₂S의 탄산화에 의해 생성된 탄산칼슘으로 조직이 치밀화된 결과로 판단된다.

따라서, 본 발명에 따른 방법으로 시멘트 제조 시, 시멘트 내 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커를 1-25%로 치환함으로써, 이산화탄소 흡수력이 우수한 γ-C₂S의 합성 수율이 증가되었으므로 친환경 시멘트로 유용하게 사용될 수 있다.

(2) 중성화 깊이

재령 120일 기간 양생 경화체의 테두리 부분이 약간 중성화가 진행된 것으로 보이며, 이는 촉진 탄산화 장치를 사용치 않고 대기 중에서도 기간이 지나면서 중성화가 진행된다는 사실을 설명할 수 있다. 탄산화 장치 내 경화제는 OPC 대비 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커가 치환된 시료가 더 많이 중성화된 것을 확인할 수 있었다.

< 실시예 5> 미장용 시멘트의 제조

본 발명에 따른 실시예 1의 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커를 사용하여 미장용 시멘트를 하기 조건으로 혼합하여 제조하였다.

이때, 저탄소 시멘트는 OPC(85%), CSA(7%), 석고(3%), 실시예 1의 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커(5%)로 구성되어 있으며, 분말도는 4200이다.

여기에서, 증점제는 메틸셀룰로오스계, 스타치계, 공기연행제(AE제), 구아검이 일정량 혼합된 컴파운드 형태로 구성된 물질로, 당업계에서 일반적으로 사용되고 있다.

모래		저탄소 시멘트	슬래그	석회석	증점제	플라이애쉬	합계
S1	S2
55	20	17	2.8	3.18	0.02	2	100

< 실시예 6> 바닥용 시멘트의 제조

본 발명에 따른 실시예 1의 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커를 사용하여 바닥용 시멘트를 하기 조건으로 혼합하여 제조하였다.

이때, 저탄소 시멘트는 OPC(85%), CSA(7%), 석고(3%), 실시예 1의 γ-C₂S 클링커(5%)로 구성되어 있으며, 분말도는 4200이다.

<실시예 7> 조적용 시멘트의 제조

본 발명에 따른 실시예 1의 γ-C₂S 함량이 증가된 클링커를 사용하여 조적용 시멘트를 하기 조건으로 혼합하여 제조하였다.

모래			저탄소 시멘트	슬래그	석회석	합계
S1	S2	S3
27	45	10	13.5	3.5	1	100

<실험예 4> 미장용, 바닥용 및 조적용 시멘트의 물성 측정

(1) 압축강도 시험

KS L 5105에 따르되, 시험체 성형이 끝난 직후, 습기함이나 습기실에서 48시간 저장 후 몰드를 제거하고, 다시 습기합이나 습기실에서 5일간 저장하고 이후 28일까지는 온도 18∼25℃, 상대습도 40∼80%인 시험실 내의 대기 중에 저장한 후, 압축강도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.

		7일(Mpa)	28일(Mpa)
미장용	Plain	15.2	22.04
미장용	저탄소 시멘트	16.0	21.81
바닥용	Plain	16.0	29.8
바닥용	저탄소 시멘트	15.6	30.3
조적용	Plain	9.4	13.5
조적용	저탄소 시멘트	9.6	13.6

표 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 저탄소 시멘트를 사용하는 경우, 종래 시멘트와 유사하거나 우수한 압축강도를 나타내는 것으로 확인되었다.

(2) 보수성 시험

KS L 5219의 20(보수성)에 따라 보수성을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다.

	미장용(Wt%)	조적용(Wt%)	바닥용(Wt%)
Plain	78	75	71
저탄소 시멘트	78	74	73

표 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 저탄소 시멘트를 사용하는 경우, 종래 시멘트와 유사하거나 우수한 보수성을 나타내는 것으로 확인되었다.

(3) 공기량 시험

KS L 3136에 따라 공기량을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 9에 나타내었다.

	미장용(Vol%)	조적용(Vol%)	바닥용(Vol%)
Plain	8.4	5.3	6.7
저탄소 시멘트	8.9	5.5	7.8

표 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 저탄소 시멘트를 사용하는 경우, 종래 시멘트와 유사하거나 우수한 공기량을 함유하고 있음이 확인되었다.

(4) 모래 함량 및 최대 크기 측정

모래의 함량 및 최대 크기 시험은 KS L 2502에 따라 측정하였다. 그 결과를 하기 표 10 및 표 11에 나타내었다.

모래의 함량( wt %)

	미장용	조적용	바닥용
Plain	73	75	72
저탄소 시멘트	72	76	73

모래의 최대크기

		미장용	조적용	바닥용
Plain	5.6mm	100	100	100
Plain	6.7mm	100	100	100
저탄소 시멘트	5.6mm	100	100	100
저탄소 시멘트	6.7mm	100	100	100

표 10 및 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 저탄소 시멘트를 사용하는 경우, 종래 시멘트와 유사하게 모래를 함유하고 있으며, 또한, 그 크기 또한, 유사한 것으로 확인되었다.

따라서, 본 발명에 따른 저탄소 시멘트는 종래 시멘트와 같이 압축강도, 보수성, 공기 함유량이 우수하면서, 지구 온난화를 야기시키는 이산화탄소를 흡수하는 효과가 매우 우수하므로 친환경 시멘트 조성물로 유용하게 사용될 수 있다.

Claims

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(a) 폐주물사, 점토, 규석 및 플라이애쉬로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 93-98 % 이산화규소를 포함하는 재료와; 석회슬러지, 석회석, 및 광미로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 52-58%의 생석회를 포함하는 재료를 0.5-1.5:1.5-2의 몰비로 혼합하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)의 혼합물을 1300-1350 ℃의 온도로 소결시킨 후 냉각시켜 γ-C₂S 함량이 60 내지 72.06 중량% 이상인 클링커를 얻는 단계;
(c) 상기 단계 (b)의 클링커를 분말도 3800-4500 cm²/g으로 분쇄하는 단계; 및
(d) 상기 단계 (c)의 분쇄된 클링커 분쇄물 20-25중량%, 설포 알루미네이트(CSA) 및 석고(CaSO₄·2H₂O)가 6:4-8:2의 중량비로 혼합된 혼합물 10 중량% 및 표준포틀랜드시멘트(OPC)를 혼합하는 단계;
를 포함하는 저탄소 시멘트 조성물의 제조방법.
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