KR101376296B1

KR101376296B1 - 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량기포콘크리트의 제조방법

Info

Publication number: KR101376296B1
Application number: KR1020120030759A
Authority: KR
Inventors: 추용식; 서성관; 임두혁; 이종규; 송훈; 강대구; 김영곤
Original assignee: (주) 에스와이씨; 한국세라믹기술원
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2014-03-24
Also published as: KR20130108917A

Abstract

본 발명은 경량기포콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량기포콘크리트의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 경량기포콘크리트를 제조함에 있어 알칼리 자극제를 일정량 첨가함으로써 압축강도 및 휨강도 등 기계적 물성이 현저히 개선된 경량기포콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량기포콘크리트의 제조방법에 관한 것으로, 시멘트, 규사 및 생석회를 포함하는 시멘트 혼합물 100중량부에 대하여 알루미늄 분말 0.07 ~ 0.10 중량부, 알칼리 자극제 0.3 ~ 0.6중량부 및 혼합수를 포함하며, 상기 혼합수는 조성물 총중량에 대해 70~80% 수준으로 포함하도록 첨가되어 이루어지는 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물, 이를 이용한 경량기포콘크리트의 제조방법 및 그에 의해 제조된 경량기포콘크리트가 개시된다.

Description

알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량기포콘크리트의 제조방법{ALC composition with alkalies and fabrication method of ALC using this composition}

본 발명은 경량기포콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량기포콘크리트의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 경량기포콘크리트를 제조함에 있어 알칼리 자극제를 일정량 첨가함으로써 압축강도 및 휨강도 등 기계적 물성이 현저히 개선된 경량기포콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량기포콘크리트의 제조방법에 관한 것이다.

대표적 경량기포콘크리트인 ALC (Autoclave Lightweight Concrete)는 오토클레이브에서 고온고압 조건으로 제조한다.

ALC 소재는 대표적 다공성 소재로 다수의 기공을 포함하고 있다. ALC의 기포는 그 크기에 따라 거대기공과 미세기공으로 구분되는데, 이들 기포는 전체 ALC 체적의 70 ~ 80%를 차지하여 소재 자체는 단지 20 ~ 30%에 불과하다. 따라서 이들 기포들로 인해 ALC는 낮은 비중 (0.4~0.7) 특성과 경량성, 단열성, 내화성, 흡음성 (차음성) 등을 발현한다.

그러나 ALC는 취성을 갖으며, 기타 경쟁 제품보다 불량한 강도특성을 발현하는 등 단점도 있다. 이는 발포제에 의한 다수의 거대기공 발생 및 기공들의 병합현상에 따른 결함 형성, 성형숙성과정 중 핸들링 및 자중에 의한 크랙 발생 등이 주요 원인이다. 이러한 현상을 극복하기 위해 다양한 방안들이 실험되고 있다. 그러므로 메트릭스 소재의 성능을 향상시키거나, 혹은 기공을 제어하여 ALC의 기계적 특성을 향상시킬 필요가 있다.

1. 대한민국등록특허공보 제10-0802002호 "섬유보강 경량기포 콘크리트" 2. 대한민국등록특허공보 제10-0653311호 "중유회를 함유하는 경량기포 콘크리트 제조용 조성물, 이를 이용한 ALC의 제조방법" 3. 대한민국공개특허공보 제10-2012-0012615호 "알루미노 실리케이트계 경량기포콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량 기포콘크리트 제품의 제조방법"

본 발명에서는 경량기포콘크리 조성물에 경량기포콘크리트 매트릭스 소재의 균열발생·전파 등에 의한 강도 저하현상을 극복하기 위해 알칼리류를 경량기포콘크리트의 출발원료에 일정중량비로 혼합한 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물을 제공하고, 그 제공되는 경량기포콘크리트 조성물을 이용하여 기계적 물성이 개선된 경량기포콘크리트를 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

상기한 과제를 해결한 본 발명의 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물은 시멘트, 규사 및 생석회를 포함하는 시멘트 혼합물 100중량부에 대하여 알루미늄 분말 0.07 ~ 0.10 중량부, 알칼리 자극제 0.3 ~ 0.6중량부 및 혼합수를 포함하며, 상기 혼합수는 조성물 총중량에 대해 70~80% 수준으로 포함하도록 첨가되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 시멘트 혼합물은 규사 100중량부에 대하여 시멘트 30 ~ 40중량부, 생석회 10 ~ 20중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 시멘트 혼합물을 구성하는 규사는 밀도 1.4 ~ 1.6이고 고형분의 함량 50 ~ 60%를 만족하는 규석슬러리(Sand slury)와, 밀도 1.3 ~ 1.4이고 고형분의 함량 40 ~ 50%를 만족하는 리턴슬러리(Return slury)로 구성되며, 구성비로 샌드슬러리:리턴슬러리는 1:0.4~0.6의 중량비를 가지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 알칼리 자극제는 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 시멘트 혼합물 100중량부에 대하여 멜라민 수지 1.5 ~ 4.0중량부를 더 첨가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 개시되는 본 발명의 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물을 구성하는 각각의 구성물을 배합비에 따라 믹서에 투입하여 혼합한 후, 숙성몰드에 투입하여 숙성시킨 다음 성형하여 그 성형체를 오토클레이브에 장입하여 수열합성반응시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 경량기포콘크리트의 제조방법이 제공되며, 상기 제공되는 제조방법에 의해 제조되며, 압축강도 4.0 ~ 5.5MPa, 휨강도 1.5 ~ 1.9MPa, 절건비중 0.48 ~ 0.54 g/㎤의 기계적 물성을 가지며, A-수 1092 ~ 1451의 품질계수를 만족하는 것을 특징으로 하는 경량기포콘크리트를 제공한다.

본 발명에 따라 제공되는 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물은 알칼리를 함유함으로써 경량기포콘크리트의 압축강도, 휨강도 등 기계적 물성이 향상되는 경량기포콘크리트를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 제공되는 경량기포콘크리트는 기계적 물성의 증대 뿐만 아니라, 고품질의 경량기포콘크리트를 제공할 수 있다.

도 1 은 고로시멘트에서의 알칼리 자극 과정의 일례를 도시한 것이다.
도 2 는 본 발명에 따른 알칼리 첨가량에 따른 절건비중의 변화를 도시한 그래프이다.
도 3 은 경량기포콘크리트에 알칼리를 첨가하지 않은 경량기포콘크리트(ALC)의 미세구조를 나타낸 주사전자현미경 사진이다.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따라 알칼리를 첨가한 경량기포콘크리트(ALC)의 미세구조를 나타낸 주사전자현미경 사진이다.
도 5 는 알칼리를 첨가하지 않은 경량기포콘크리트(ALC)와 KOH 0.6%를 첨가한 경량기포콘크리트(ALC)의 XRD패턴을 도시한 그래프이다.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따라 멜라민 수지와 알칼리를 첨가량에 따른 절건비중을 나타낸 그래프이다.
도 7 은 본 발명의 일실시예에 따라 멜라민 수지와 알칼리를 첨가량에 따른 압축강도와 휨강도를 도시한 그래프이다.
도 8 은 본 발명의 일실시예에 따라 멜라민 수지와 KOH를 첨가한 경량기포콘크리트(ALC)의 미세구조를 나타낸 주사전자현미경 사진이다.
도 9 는 본 발명의 일실시예에 따라 멜라민 수지와 KOH를 첨가한 경량기포콘크리트(ALC)의 XRD패턴을 도시한 그래프이다.
도 10 은 본 발명의 일실시예에 사용되는 글라스 파이버(Glass Fiber)와 카본 파이버(Carbon Fiber)의 미세구조를 나타낸 주사전자현미경 사진이다.
도 11 은 본 발명의 일실시예에 따른 글라스 파이버(Glass Fiber)와 카본 파이버(Carbon Fiber)가 첨가된 경량기포콘크리트(ALC)의 SEM사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

첨부도면 도 1 은 고로시멘트에서의 알칼리 자극 과정의 일례를 도시한 것이고, 도 2 는 본 발명에 따른 알칼리 첨가량에 따른 절건비중의 변화를 도시한 그래프이며, 도 3 은 경량기포콘크리트에 알칼리를 첨가하지 않은 경량기포콘크리트(ALC)의 미세구조를 나타낸 주사전자현미경 사진이며, 도 4 는 본 발명의 일실시예에 따라 알칼리를 첨가한 경량기포콘크리트(ALC)의 미세구조를 나타낸 주사전자현미경 사진이며, 도 5 는 알칼리를 첨가하지 않은 경량기포콘크리트(ALC)와 KOH 0.6%를 첨가한 경량기포콘크리트(ALC)의 XRD패턴을 도시한 그래프이며, 도 6 은 본 발명의 일실시예에 따라 멜라민 수지와 알칼리를 첨가량에 따른 절건비중을 나타낸 그래프이며, 도 7 은 본 발명의 일실시예에 따라 멜라민 수지와 알칼리를 첨가량에 따른 압축강도와 휨강도를 도시한 그래프이며, 도 8 은 본 발명의 일실시예에 따라 멜라민 수지와 KOH를 첨가한 경량기포콘크리트(ALC)의 미세구조를 나타낸 주사전자현미경 사진이며, 도 9 는 본 발명의 일실시예에 따라 멜라민 수지와 KOH를 첨가한 경량기포콘크리트(ALC)의 XRD패턴을 도시한 그래프이며, 도 10 은 본 발명의 일실시예에 사용되는 글라스 파이버(Glass Fiber)와 카본 파이버(Carbon Fiber)의 미세구조를 나타낸 주사전자현미경 사진이며, 도 11 은 본 발명의 일실시예에 따른 글라스 파이버(Glass Fiber)와 카본 파이버(Carbon Fiber)가 첨가된 경량기포콘크리트(ALC)의 SEM사진이다.

본 발명의 발명자들은 종래 인공경량골재를 적용한 경량기포콘크리트(이하, 'ALC'라 한다.) 매트릭스 소재의 균열발생·전파 등에 의한 강도 저하현상을 극복하기 위해 알칼리류를 ALC 출발원료에 첨가하는 것을 착안하야 본 발명을 완성하였다.

본 발명과는 차이가 있으나, 슬래그류 등을 수산화칼슘 등의 알칼리 용액 등에 놓아두면 알루미나 규산염의 쇄상(鎖狀) 결합이 절단되어 수화가 시작되고, 천천히 알칼리 이온이 소비된다. 그러나 알칼리 이온의 보급이 중단되고, 일정 농도 이하에서는 반응이 정지한다. 슬래그는 물과 접촉하면 입자 표면에 치밀한 불투성의 피막이 생성되기 때문에 반응을 이어가기 위해서는 알칼리에 의한 피막파괴가 필요하다. 이와 같은 자극작용에는 NaOH, KOH 및 Ca(OH)₂ 의 첨가가 유효하다고 알려져 있다. 특히 Voinovich 및 Dron 등은 상기 자극제에 의해 생성되는 수화물은 토버모라이트와 유사한 칼슘실리케이트라고 하였다. 더불어 가용성 알칼리 화합물이 규산염계 (플라이애쉬, 점토 및 카올린류 등) 또는 칼슘계 광물 (석회, 시멘트 등)과 공존하면 200℃ 이하의 수중에서 혹은 증기양생이나 오토클레이브 처리하에서 고결화한다고 하였다.(도 1 참조) 따라서 본 발명에서도 기초 출발원료와 더불어 알칼리를 추가 첨가하여 수열합성 반응성과 ALC 물성을 검토하였다.

본 발명은 경량기포콘크리트를 제조함에 있어 알칼리 자극제를 일정량 첨가함으로써 압축강도 및 휨강도 등 기계적 물성이 현저히 개선된 경량기포콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량기포콘크리트의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르는 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물은 시멘트, 규사 및 생석회를 포함하는 시멘트 혼합물을 출발물질로 하여 상기 시멘트 혼합물 100중량부에 대하여 알루미늄 분말 0.07 ~ 0.10 중량부, 알칼리 자극제 0.3 ~ 0.6중량부 및 혼합수를 포함하며, 상기 혼합수는 조성물 총중량에 대해 70~80% 수준으로 포함하도록 첨가되어 이루어진다.

이때, 상기 시멘트 혼합물은 규사 100중량부에 대하여 시멘트 30 ~ 40중량부, 생석회 10 ~ 20중량부를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, 상기 시멘트 혼합물을 구성하는 규사는 일정밀도를 가지며, 고형분을 함유하는 슬러리를 사용하며, 상기 슬러리는 규석슬러리(Sand slury)와 리턴슬러리(Return slury)를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

이때 상기 리턴슬러리는 ALC 제조시, 이송 혹은 처리과정 등에서 떨어져 나오는 ALC 조각이나, 오토클레이브 작업 후 불량품으로 판단되는 ALC를 다시 습식 분쇄하여 재활용한 것이다.

보다 바람직하게는 밀도 1.4 ~ 1.6이고 고형분의 함량 50 ~ 60%를 만족하는 규석슬러리(Sand slury)와, 밀도 1.3 ~ 1.4이고 고형분의 함량 40 ~ 50%를 만족하는 리턴슬러리(Return slury)를 사용하며, 그 구성비는 규석슬러리:리턴슬러리는 1:0.4~0.6의 중량비를 가지도록 혼합하여 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따르면, 상기 알칼리 자극제는 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화칼슘으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용한다.

본 발명에 따르면, 상기 시멘트 혼합물 100중량부에 대하여 멜라민 수지 1.5 ~ 4.0중량부를 더 첨가할 수 있으며, 상기 멜라민 수지의 첨가량이 1.5중량부 미만이면, 일정수준 이상의 기계적 물성의 확보가 어렵고, 4.0중량부를 초과할 경우에는 더이상의 기계적 물성의 증대가 이루어지지 않는다.

본 발명에서는 상기 개시되는 본 발명의 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물을 구성하는 각각의 구성물을 배합비에 따라 믹서에 투입하여 혼합한 후, 숙성몰드에 투입하여 숙성시킨 다음 성형하여 그 성형체를 오토클레이브에 장입하여 수열합성반응시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 경량기포콘크리트의 제조방법을 제공한다.

상기 수열합성반응 조건은 크게 한정하지 않으며, 종래의 수열합성 반응 조건과 동일하게 수행되어 질 수 있는 것이다.

또한, 숙성몰드에서의 조건은 종래와 동일하며, 보다 바람직하게는 숙성온도 50℃이상의 온도조건에서 2시간 이상 숙성하는 것이 좋다.

이상에서 설명되는 본 발명에서 제공되는 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물을 이용하여 경량기포콘크리크를 제조할 경우, 압축강도 4.0 ~ 5.5MPa, 휨강도 1.5 ~ 1.9MPa, 절건비중 0.48 ~ 0.54 g/㎤의 기계적 물성을 가지며, A-수 1092 ~ 1451의 품질계수를 만족하는 경량기포콘크리트를 제조할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명을 완성하기 위한 바람직한 실험예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 단, 이하에서 설명되는 실험예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 하기 실험예의 조건으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위내에서 얼마든지 변형가능한 것이다.

[실험예 1]

<알칼리 자극제의 ALC소재에 적용>

알칼리 자극제를 ALC 소재에 적용하기 위해 출발원료인 규석, 생석회 및 시멘트를 분말 원료로서 총 100중량부로 가정하고, 여기에 알칼리 자극제의 함량을 출발원료 (분말 기준) 대비 0.3중량부, 0.6중량부 및 0.9중량부 첨가하였다. 이때 기본 배합비는 하기 표 1과 같은 (주)SYC에서 사용하는 현장 배합비로 고정하였다. 발포제는 알루미늄 분말을 0.08중량부 사용하였으며, 조성물 총 혼합수량은 70% 수준을 함유하도록 고정하였다. 배합에 사용된 알칼리 자극제는 순도 98% 이상의 시약급 KOH 및 NaOH를 사용하였다.

(단위 : g)
시멘트	생석회	Sand slurry	Return slurry	알루미늄 분말	혼합수	알칼리 자극제
1060	470	4189	1904	4	450	13.5 (0.3중량부)
1060	470	4189	1904	4	450	27.0 (0.6중량부)
1060	470	4189	1904	4	450	40.5 (0.9중량부)

상기 표 1에서 샌드슬러리의 밀도는 1.45이고, 리턴슬러리의 밀도는 1.37이었다. 상기 샌드슬러리와 리턴슬러리의 밀도값으로 계산한 결과, 규석슬러리의 고형분 함량은 2113g이었고, 리턴슬러리의 고형분 함량은 857g이었다.

상기 리턴슬러리는 규석의 함유가 대부분인 ALC 제조시, 이송 혹은 처리과정 등에서 떨어져 나오는 ALC 조각이나, 오토클레이브 작업 후 불량품으로 판단되는 ALC를 다시 습식 분쇄하여 재활용한 것이다.

따라서, 출발물질의 총질량은 4500g이다.

알칼리 자극제 함량별 ALC 소재의 물성변화를 검토하기 위해 알칼리 자극제를 첨가한 후 성형체 제조 및 수열합성 하였다. 수열합성이 종료된 ALC는 압축강도, 휨강도 및 절건비중 등을 측정하여 물성을 평가하였으며, 그 결과는 도 2 및 표 2와 3에 나타내었다.

도 2에서와 같이 알칼리를 첨가하지 않은 Ref. ALC의 절건비중은 0.48g/㎤이었으며, 알칼리를 첨가한 ALC의 절건비중은 0.48~0.52g/㎤이었다. 알칼리 자극제(KOH와 NaOH 모두에서) 함량이 0.3중량부와 0.6중량부에서는 동일 또는 유사한 절건비중 값을 나타내었으나, 0.9중량부 첨가시에는 절건비중이 소폭 상승하였다.(KOH 0.48→0.48→0.53g/㎤, NaOH 0.48→0.49→0.52g/㎤) 이는 일정량 이상의 알칼리가 첨가될 경우, 본 발명에서는 알칼리 자극제 0.9중량부 첨가 조건에서 슬러리의 응결이 약간 빨라지는 현상이 발생하였다. 이에 따라 슬러리가 충분히 발포팽창되는 시간 이내에 성형체가 일부 응결하여, 팽창에 제한을 받기 때문으로 추정된다. 구체적으로 시멘트 및 생석회의 수화응결 속도가 알칼리 함량의 영향을 크게 받기 때문이다. 더불어 시멘트 클링커 광물들 중 알칼리에 의한 초기 수화 속도는 3CaO·SiO₂보다 3CaO·Al₂O₃가 좀 더 민감하다고 알려져 있다.

Peter C. Hewlett 등은 Na와 K 산화물 첨가량에 따른 시멘트 응결 측정결과, 첨가량이 증가할수록 초결과 종결 모두 짧아지는 결과를 도출하기도 하였다. 이들은 Ref.와 비교하여, K₂O 0.88%가 첨가된 시멘트의 초결은 180분에서 150분으로, 종결은 215분에서 205분으로 짧아진다고 발표하였다. 그러므로 ALC에 첨가될 수 있는 알칼리 함량은 슬러리의 응결에 영향을 미치지 않으며, 또한 절건비중에도 영향을 미치지 않는 0.6% 수준까지 가능할 것으로 판단되었다.

알칼리 자극제의 함량별 압축강도 및 휨강도 측정 결과를 표 2에 나타내었다. 알칼리 자극제가 첨가된 ALC의 압축강도 및 휨강도는 Ref.보다 상승되는 결과를 도출하였다. NaOH가 0.3중량부 첨가된 ALC의 압축강도는 4.19MPa, 0.6중량부 첨가시 4.80MPa 및 0.9중량부 첨가시 4.81MPa이었다. 또한 KOH가 0.3중량부 첨가시 압축강도는 4.49MPa, 0.6중량부 첨가시 4.92MPa, 0.9중량부 첨가시 5.07MPa이었다. 이는 Ref. 대비 KOH를 첨가한 ALC는 최대 37% (1.37MPa) 까지 상승된 값이다. 또한 NaOH를 첨가한 경우에는 최대 30% (1.11MPa) 까지 상승한 결과이다.

(단위 : MPa)
비고	Ref.	NaOH (g)			KOH (g)
비고	Ref.	13.5	27.0	40.5	13.5	27.0	40.5
압축강도	3.70	4.19	4.80	4.81	4.49	4.92	5.07
휨강도	1.48	1.51	1.73	1.67	1.63	1.84	1.88

또한, NaOH를 사용했을 때보다 KOH를 알칼리 자극제로 사용하였을 때 더 높은 압축강도를 얻을 수 있었는데, 이는 절건비중을 고려한 압축강도의 상대값을 다음 식 1로 계산한 A-수로 비교해 보았을 때, 확연한 차이를 나타냄을 알 수 있다. 이때 A-수는 ALC 제조공정에서 품질관리를 위해 도입한 일종의 품질계수이다.

표 3과 같이 알칼리를 첨가한 ALC의 A-수는 1092부터 1282까지 다양하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 알칼리를 첨가한 ALC의 압축강도 증진효과는 pH가 높은 알칼리성 환경이 형성되어, 수열합성 반응 등을 활성화하였기 때문으로 추정된다.

비고	Ref.	NaOH (g)			KOH (g)
비고	Ref.	13.5	27.0	40.5	13.5	27.0	40.5
A-수	964	1092	1200	1068	1170	1282	1083

알칼리 자극제를 첨가한 ALC의 미세구조 관찰을 위해 주사전자현미경(SM-300, Topcon社, Japan)을 사용하였으며, 관찰 사진을 도 3과 4에 나타내었다. 도 3은 알칼리 자극제를 첨가하지 않은 ALC이고, 도 4는 알칼리 자극제로 KOH 0.6중량부(27.0g)를 첨가한 ALC의 사진이다.

도 3의 미세구조 사진에서와 같이 알칼리 자극제를 첨가하지 않은 ALC의 경우, 주로 lath형과 육각판상형의 토버모라이트가 약 1/2 정도씩 생성되었음을 확인할 수 있었다.

반면 도 4의 KOH를 첨가한 ALC의 주요 결정상은 육각판상의 토버모라이트가 주로 관찰되었으며, 이외에도 lath형의 토버모라이트도 관찰되었다. 또한 KOH를 첨가한 ALC에서 토버모라이트 결정 생성이 더욱 치밀하고, 양호하게 관찰되었다.

상기 결정종류 (Lath형, Plate형) 및 생성상태는 ALC 물성에도 다른 영향을 줄 것으로 생각된다. 즉 좀 더 치밀하게 구성된 육각 판상의 토버모라이트 결정은 lath형 보다 상대적으로 강도 발현에 긍정적 영향을 미칠 것으로 사료되었다.

Ref.와 KOH를 0.6중량부를 첨가하여 제조된 ALC의 XRD 패턴을 도 5에 나타내었다. 본 발명에서 사용한 X-선 회절분석기는 Model 명 D5005D, Siemens社 (독일) 장비이다. 2종의 ALC 모두 약 26.7°의 quartz 주피크와 28.9° 부근의 토버모라이트 주피크를 관찰할 수 있었다.

이때 Ref.에 존재하는 26.7°기준 quartz 피크 강도 (Intensity, count/sec)는 232이며, 28.9°기준 토버모라이트 피크 강도는 95이었다.

그러나 KOH를 0.6중량부 첨가한 ALC에 존재하는 quartz 피크 강도는 178이며, 28.9°기준 토버모라이트 피크 강도는 108이었다.(표 4 참조)

즉, KOH 0.6중량부 첨가시에 quartz 피크 강도는 감소하며, 토버모라이트 피크 강도는 증가하는 경향을 나타내었다. 특히 토버모라이트와 quartz 피크 강도 비교시(T/Q×100), Ref.는 40.9에 불과하였으나, KOH 0.6중량부 ALC는 60.7로 매우 상승된 값을 나타내었다. 이는 상기에서 언급한 바와 같이 KOH가 알칼리 자극반응을 수행(시멘트, 생석회 및 규석 등의 수열합성 반응도 향상)하여, 대표적인 ALC 반응 생성물인 토버모라이트 결정 증가에 기여하기 때문으로 판단하였다.

구 분	Quartz	토버모라이트	T/Q×100
Ref.	232	95	40.9
KOH 0.6%	178	108	60.7

주) T/Q = 토버모라이트 Intensity/Quartz Intensity

[실험예 2]

<열경화성 수지의 혼합 및 최적화>

본 발명에서는 열경화성 수지와 알칼리류를 소재에 첨가하였을 때 나타나는 ALC 성능 변화를 검토하고자 하였다.

열경화성 수지 첨가 효과에 대하여는, 열경화성 수지는 저분자의 중합체를 가열하면 중합도가 증가하여 큰 힘을 가해도 변형하지 않는 성질을 이용한 것이다. 즉, 저분자 혼합물에서 적당한 점성을 가진 액체를 원료로 하여 열을 가하면 가교 형성이 진행되면서 입체적인 그물모양 구조를 형성하게 된다. 열경화성 수지를 첨가하지 않은 ALC의 경우, 규칙적인 토버모라이트의 생성이 확인되었지만, 주로 lath형으로 형성되어 강도 발현에 불리한 영향을 미치게 된다. 하지만 열경화성 수지를 첨가한 ALC의 경우 기공내의 토버모라이트 사이에 열경화성 수지가 결합하여 하중을 받았을 때 탄성을 발휘하게 되며, 하중을 흡수분산 시키는 가교역할을 하게 된다. 그 결과 열경화성 수지의 혼합은 하기 표 5(열경화성 수지의 함량에 따른 기본 물성)와 같이 압축강도 및 휨강도 증진 효과를 나타낼 수 있다.

비고	멜라민 수지			요소 수지
비고	0중량부	2중량부	4중량부	0중량부	2중량부	4중량부
절건비중(g/cm³)	0.48	0.47	0.46	0.48	0.47	0.46
압축강도(MPa)	3.70	5.06	4.71	3.70	4.97	4.65
휨강도(MPa)	1.48	2.89	2.48	1.48	2.75	2.34

본 발명에서는 상기 표 5와 같은 열경화성 수지의 강도 증진효과를 극대화시키기 위하여, ALC 제조 시 높은 알칼리 환경 (pH 상승)을 조성하여 수열합성 반응 등을 활성화 시키고자 하였다. 알칼리 환경을 조성하기 위한 방법으로는 ALC 매트릭스 소재의 강도 증진방안으로 선행되었던 실험예 1의 알칼리류 (KOH, NaOH)를 첨가하는 방법을 선택하였다.

열경화성 수지의 첨가량 및 종류 선정은 상기 표 6에서 가장 양호한 결과를 얻을 수 있었던 멜라민 수지 2중량부(혼합분말 대비 외할)로 고정하였으며, 하기 표 6에 나타낸 바와 같은 배합설계에 따라 배합하였다. 또한 알칼리 환경 조성을 위한 KOH 및 NaOH의 양은 실험예 1과 동일하게 설정하였다.

(단위 : g)
시멘트	생석회	Sand slurry	Return slurry	알루미늄 분말	혼합수	알칼리 자극제	멜라민수지
1060	470	4189	1904	4	450	13.5 (0.3중량부)	90
1060	470	4189	1904	4	450	27.0 (0.6중량부)	90
1060	470	4189	1904	4	450	40.5 (0.9중량부)	90

상기 표 6에서 사용된 샌드슬러리와 리턴슬러리는 실험예 1과 동일한 것을 사용하였다.

멜라민 수지를 포함한 알칼리 함량별 ALC 소재의 성능 변화를 검토하기 위해 상기 표 6의 배합표와 같이 혼합제조하였다. 수열합성이 종료된 ALC는 기본 물성 측정을 위해 절건비중, 압축강도 및 휨강도 측정을 실시하였고, 기능성 측정을 위해 열전도율, 흡음 성능 시험을 실시하였다.

수열합성이 끝난 ALC는 휨강도 측정을 위해 160×40×40(mm)의 크기로 절단하여 건조기 100℃조건에서 항량이 될 때까지 충분히 건조하였다. 또한 압축강도 측정용 시험체를 동일 조건으로 건조시킨 후 부피비중을 측정하였으며, 그 결과를 표 7 및 도 6에 나타내었다.

(단위 : g/cm³⁾
비고	Ref.	멜라민 2중량부+NaOH			멜라민 2중량부+KOH
비고	Ref.	0.3	0.6	0.9	0.3	0.6	0.9
절건비중	0.47	0.47	0.47	0.49	0.46	0.46	0.49

상기 표 7에서 알 수 있듯이 멜라민 수지 및 알칼리류를 첨가하지 않은 Ref. ALC의 절건비중은 0.47g/cm³이었으며, 알칼리류를 첨가한 ALC의 절건비중은 0.46g/cm³부터 0.49g/cm³까지 나타났다. 또한 알칼리류 첨가량 0.9중량부에서 절건비중이 소폭 상승(NaOH : 0.47→0.47→0.49g/cm³, KOH 0.46→0.46→0.49g/cm³)하는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 절건비중의 상승 요인은 알칼리류 첨가량과 밀접한 관련이 있다고 판단된다. 즉, 멜라민 수지가 첨가된 슬러리에서 일정량 이상의 알칼리류가 추가 첨가될 경우 (본 실험에서는 0.9중량부 이상), 슬러리의 응결이 약간 빨라지는 현상이 발생하였다. 이러한 슬러리의 응결 촉진현상은 슬러리 숙성시의 팽창에 제한을 주며, 이는 최종 ALC의 절건비중을 상승시키는 것으로 판단되었다.

알칼리류 함량에 따른 압축강도 및 휨강도 측정결과를 도 7에 나타내었다. NaOH 및 KOH가 첨가된 ALC의 압축강도는 각각 5.18MPa~5.27MPa, 5.19MPa~5.44MPa로 나타났으며, 이는 알칼리류를 첨가하지 않은 ALC보다 매우 양호한 수치이다. 또한 이러한 결과는 멜라민 수지(2중량부)를 단독으로 첨가했을 때의 압축강도(5.06MPa)보다 약간 상승된 수준을 나타내는 결과이기도 하다.

즉, 알칼리류의 "자극 반응 및 수열합성 반응 활성화"와 멜라민 수지의 가교역할로 인한 하중의 흡수분산 작용이 유기적으로 작용하여 강도 증진이 이루어진 것이라 판단되었다. 하지만 알칼리류가 일정량 (본 실험에서는 0.9중량부) 이상 첨가되면 절건비중 대비 압축강도 값이 양호하지 못하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 절건비중을 고려하여 압축강도의 상대값을 계산한 A-수로 비교한 경우에는 매우 큰 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 상기 A-수는 하기 표 8과 같다.

비고	Ref.	멜라민 2중량부+NaOH			멜라민 2중량부+KOH
비고		0.3	0.6	0.9	0.3	0.6	0.9
A-수	1019	1350		1170	1410	1451	1208

상기 표 8의 A-수 계산 결과를 살펴보면, NaOH 함량이 0.9중량부에서 품질계수(A-수)가 나빠지는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 KOH의 경우는 KOH 함량 0.6중량부에서 가장 높은 ALC 품질계수 (A-수)를 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 상기의 강도 증진효과 및 A-수 증가 원인을 분석하기 위한 미세구조 관찰결과를 도 8(멜라민수지 2중량부 + KOH 0.6중량부 첨가 ALC 미세구조)에 나타내었다.

도 8은 가장 양호한 품질계수를 얻었던 ALC (멜라민수지 2중량부 + KOH 0.6중량부)의 미세구조 관찰결과를 나타낸 주사전자현미경 사진이다.

도 8에서와 같이 멜라민수지와 KOH를 첨가한 ALC의 주요 결정상은 육각판상의 토버모라이트로 관찰되었으며, 토버모라이트 주위에 멜라민 수지(붉은색 화살표 표시부)가 결합되어 있는 것도 관찰되었다. 특히 멜라민 수지는 토버모라이트 입자 사이에 다수 존재하였다. 또한 KOH의 반응 활성화를 통해 치밀 구조의 토버모라이트가 생성되어 있는 것도 확인되었다. 이처럼 멜라민수지와 KOH는 ALC 소재에 혼합되어 가교역할과 반응 활성화 역할을 수행하며, ALC 소재의 강도 증진에 기여하고 있는 것으로 판단되었다.

상기 미세구조 관찰 완료 후 토버모라이트의 형성 및 기타 결정상의 존재 여부 등을 파악하기 위하여, Ref. ALC와 멜라민수지 + KOH를 첨가한 ALC의 XRD Pattern을 분석하였다. 도 9는 Ref., 멜라민수지(2중량부)와 KOH(0.6중량부)를 첨가한 ALC의 XRD Pattern을 나타낸 것이며, 이들 모두에서 토버모라이트와 Quartz 결정들을 관찰할 수 있었다.

그러나 Ref. ALC와 비교하여 멜라민수지와 KOH를 첨가한 ALC에서 quartz 피크가 감소하고, 토버모라이트 피크가 좀 더 성장함을 확인할 수 있었다. 즉 KOH가 알칼리 자극반응을 수행(시멘트, 생석회 및 규석 등의 수열합성 반응도 향상)하여, ALC의 대표적 수열합성 반응생성물인 토버모라이트 결정의 양 및 결정성 증가에 기여하기 때문으로 판단하였다.

한편, 열경화성 수지와 알칼리류를 첨가한 ALC 소재의 기능성 시험을 위하여 ALC 시험체의 열전도율 시험을 실시하였다. 그 결과는 표 9에 나타내었다. 소재의 단열 매커니즘은 주로 포논 및 포톤의 영향으로 설명될 수 있으며, 포논(고체 내부의 격자 파동 등을 이루는 에너지 입자) 및 포톤(주로 기체에서 고려되는 특정 값의 에너지와 운동량을 갖는 입자로서 포논에 비해 매우 작은 값으로 일반적으로 무시함)의 전도가 낮아질수록 단열특성이 우수하다고 알려져 있다. 특히 공기는 열용량이 작아 고체보다 낮은 열전도율을 나타내며, 열전도율이 낮은 기체의 경우(예를 들어 기공 내 기체), 열전도(K) 특성은 기체 분자의 농도(C), 분자간의 충돌에 의한 에너지 평형이 성립되는 조건에서의 충돌 간 평균거리 즉 평균자유행로 L 및 기체 분자의 평균 속도(V)에 비례한다. (K=(1/3)CVL) 본 연구에서는 평판열류계법을 적용한 열전도율 시험기를 이용하여 실험을 실시하였고, 열전도율 측정 결과를 표 9에 나타내었다.

멜라민 수지 및 알칼리류를 첨가하지 않은 경우 0.10W/mK, 멜라민수지 2중량부와 NaOH 0.3중량부, 0.6중량부, 0.9중량부 첨가한 경우에는 각각 0.09W/mK, 0.09W/mK, 0.09W/mK를 나타내었다.

멜라민수지 2중량부와 KOH 0.3중량부, 0.6중량부, 0.9중량부를 첨가한 경우에는 0.09W/mK, 0.09W/mK, 0.10W/mK를 나타내었다.

이러한 결과는 ALC 소재에 결합된 멜라민 수지의 단열 특성이 ALC 매트릭스 보다 상대적으로 우수하기 때문으로 생각되었다. 그러나 알칼리류 첨가량이 0.9중량부인 경우에는 열전도율이 소폭 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 측정 시편의 절건비중 증가에 따른 효과로 판단되었다. 일반적으로 멜라민 수지 자체의 열전도율은 0.03W/mK 수준으로 알려져 있으며, 순수 ALC의 열전도율은 0.12W/mK 수준이다. 따라서 단순히 멜라민 수지만을 고려할 경우, 멜라민 수지의 첨가량 증가는 열전도율 감소에 긍정적 영향을 줄 수 있을 것으로 판단되었다.

(단위 : W/mK)
비고	Ref.	멜라민 2중량부+NaOH			멜라민 2중량부+KOH
비고	Ref.	0.3	0.6	0.9	0.3	0.6	0.9
열전도율	0.10	0.09	0.09	0.10	0.09	0.09	0.10

이상의 실험예 들에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물을 사용하여 ALC를 제조할 경우, 압축강도 및 휨강도 등의 기계벅 물성의 향상을 가져오는 것을 알 수 있었다.

Claims

시멘트, 규사 및 생석회를 포함하는 시멘트 혼합물 100중량부에 대하여 알루미늄 분말 0.07 ~ 0.10 중량부, 알칼리 자극제 0.3 ~ 0.6중량부 및 혼합수를 포함하며, 상기 혼합수는 조성물 총중량에 대해 70~80% 수준으로 포함하도록 첨가되고,
상기 시멘트 혼합물은 규사 100중량부에 대하여 시멘트 30 ~ 40중량부, 생석회 10 ~ 20중량부를 포함하여 이루어지고,
상기 시멘트 혼합물을 구성하는 규사는 밀도 1.4 ~ 1.6이고 고형분의 함량 50 ~ 60%를 만족하는 규석슬러리(Sand slury)와, 밀도 1.3 ~ 1.4이고 고형분의 함량 40 ~ 50%를 만족하는 리턴슬러리(Return slury)로 구성되며, 구성비로 샌드슬러리:리턴슬러리는 1:0.4~0.6의 중량비를 가지는 것이며,
상기 알칼리 자극제는 수산화칼륨 또는 수산화칼슘 중 선택되는 어느 하나인 것이며,
상기 시멘트 혼합물 100중량부에 대하여 멜라민 수지 1.5 ~ 4.0중량부를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물.
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청구항 제1항 기재의 알칼리 함유 경량기포콘크리트 조성물을 구성하는 각각의 구성물을 배합비에 따라 믹서에 투입하여 혼합한 후, 숙성몰드에 투입하여 숙성시킨 다음 성형하여 그 성형체를 오토클레이브에 장입하여 수열합성반응시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 경량기포콘크리트의 제조방법.
청구항 제6항의 제조방법에 의해 제조되며, 압축강도 4.0 ~ 5.5MPa, 휨강도 1.5 ~ 1.9MPa, 절건비중 0.48 ~ 0.54 g/㎤의 기계적 물성을 가지며, A-수 1092 ~ 1451의 품질계수를 만족하는 것을 특징으로 하는 경량기포콘크리트.