KR101386548B1 - 축열 기능이 있는 경량골재의 제조 방법 - Google Patents

축열 기능이 있는 경량골재의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 재료를 구성하는 경량골재의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 상변화 물질을 사용하여 축열기능을 갖는 경량골재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 축열기능을 갖는 경량골재의 제조방법은 상변화 물질을 경량골재에 흡수시키는 단계와, 상기 경량골재를 고분자로 코팅하는 제2공정을 포함한다.

Description

축열 기능이 있는 경량골재의 제조 방법{Method for Preparing Lightweight Aggregate with Fuction of Thermal Storage}
본 발명은 콘크리트 재료를 구성하는 경량골재의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 상변화 물질을 사용하여 축열기능을 갖는 경량골재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
에너지 절감을 위하여 건설 분야에서는 다양한 공법 및 건설자재들이 개발되고 있다. 최근에는 열저장 및 온도조절기능이 있는 상변화 물질(Phase Change Materials)에 대한 연구가 이루어지고 있다.
최근 사용되는 상변화 물질은 선형 구조의 수소화 탄소로 구성된 왁스가 주종을 이루고 있다. 수소화 탄소는 보통 왁스로 불리는데, 왁스의 경우 탄소수에 의하여 상변화 온도가 결정되고 상변화 온도는 통상적으로 용융점에 해당한다. 그러나 이러한 왁스계 상변화 물질은 콘크리트로 구성할 경우 부착성 등이 매우 열악하다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 왁스계 상변화 물질을 캡슐화는 방법 등이 소개되었으나, 상변화 물질을 콘크리트 중에 혼합할 경우 결합력이 작아 압축강도가 낮아지는 단점이 있다. 또한, 콘크리트에 축열 기능을 부여하기 위하여는, 총 콘크리트 부피의 3~10% 정도가 사용되여야 하지만, 상기 부피만큼 콘크리트에 혼합하기는 매우 어렵다.
대한민국 등록특허 제844942호에서는 상변화 물질을 축열 바닥 시스템에 적용하여 난방시 발생하는 열을 저장할 수 있는 축열 바닥재를 제시하고 있고, 대한민국 공개특허 제10-2012-0019497호에서는 상변화 물질을 마이크로 캡슐화하는 방법을 제시하고 있다. 상기 특허는 마이크로 캡슐은 토목 건축 재료의 표면에 부착하여 온도 조절을 하여 에너지를 절감하는 방법을 제시하고 있다.
또한 대한민국 등록특허 제1090526호에서는 상변화 물질을 포함하는 모르터의 조성물을 제시하고 있다. 상기 특허는 상변화 물질인 파라핀 왁스를 모르터에 직접 투입하는 방법을 제시하고 있는데, 이러한 방법은 압축강도에 나쁜 영향을 줄 수 있으며 상변화 물질이 융점에 도달할 경우 모르터의 표면에 용출될 수 있다는 단점이 있다.
콘크리트는 골재, 시멘트, 물, 기타 결합제 및 혼화제로 구성되는 것으로서, 이들 중 가장 큰 부피를 차지하는 것은 골재이다. 골재는 굵은 골재와 잔골재로 분류되어 사용되는데, 입경이 5mm 미만인 것은 잔골재로, 5mm 이상인 것은 굵은 골재로 한다. 경량골재는 굵은 골재의 일종으로써, 콘크리트나 모르타르의 골재 중 보통 골재보다 비중이 가벼운 것을 말한다. 경량골재로는 천연 경량골재, 인공 경량골재, 공업부산물 등이 있다.
본 발명자들은 콘크리트를 구성하는 경량골재에 축열기능을 부여하여 상기한 문제점을 해결할 수 방안을 도출하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 상기의 종래기술의 문제점을 보완하기 위하여 도출된 것으로써, 콘크리크 재료를 구성하는 경량골재에 축열 기능을 부가하면서 콘크리트의 압축강도도 유지할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 축열 기능이 부여된 경량골재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 축열기능을 갖는 경량골재의 제조방법은 융점 이상의 온도로 가열한 상변화 물질을 경량골재에 흡수시키는 제1공정; 및 상기 경량골재를 아크릴, 에폭시수지, 폴리우레탄, EVA, 폴리에스테르로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자로 코팅하는 제2공정을 포함한다.
바람직한 예에서, 상기 제1공정에서 경량골재는 상변화 물질의 가열 온도보다 10~20℃ 높게 가열된 후 상변화 물질에 함침되는 것일 수 있다.
바람직한 예에서, 상기 제1공정 후에 경량골재를 상변화 물질의 융점 이상의 온도가 유지되는 체망 밸트를 통과시키는 공정을 더 포함할 수 있다.
바람직한 예에서, 상기 경량골재의 기공율은 15 내지 25%인 것일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 방법으로 제조되고 상변화 물질을 포함하는 축열 기능을 갖는 경량골재를 제공한다.
본 발명의 제조방법은 경량골재에 축열 기능을 부여하는 동시에 시멘트와의 부착력을 향상시키고 상변화 물질의 이동을 방지할 수 있다. 그 결과 경량골재에서 상변화 물질에 의한 열 축적량을 효율적으로 개선할 수 있다.
또한 본 발명에서 제조된 경량골재는 경량골재에 함침된 상변화 물질이 하절기와 동절기 내외부로부터 공급되는 열을 축적하게 함으로써, 하절기에는 시원한 환경과 동절기에는 따듯한 환경을 형성하는데 도움을 준다.
이러한 열축적 경량골재를 콘크리트에 사용할 경우 콘크리트의 단위 중량을 감소시켜 구조물을 경량화할 수 있고, 에너지 절감 효과를 가져올 수 있다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
용어 “약”이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, “포함하다” 및 “포함하는”이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 경량골재의 제조방법은 아래의 공정들을 포함한다:
1) 상변화 물질을 경량골재에 함침시키는 제1공정; 및
2) 상변화 물질이 함침된 경량골재를 고분자로 코팅하는 제2공정.
먼저, 제1공정으로서, 상변화 물질을 경량골재에 함침한다. 구체적으로는 상변화 물질을 융점 이상의 온도로 가열한 후, 가열한 경량골재를 함침하고, 이후 5~15분간 방치한다.
상기에서 상변화 물질은 CnH2n +2의 화합물을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 상기에서 n은 10 내지 25이지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 사용할 수 있는 상변화 물질로는 파라핀 왁스를 바람직하게 사용할 수 있다. 또한 상기 상변화 물질은 융점이 20 내지 40℃인 것이 바람직하다.
상기에서 경량골재는 천연 경량골재와 인공 경량골재를 모두 사용할 수 있다. 천연 경량골재로는 화산력, 경석, 용암 등을 사용할 수 있고, 특히 경석을 바람직하게 사용할 수 있다. 인공 경량골재로는 점토, 혈암을 고온으로 소성한 것으로서, 소성할 때에 균질하게 팽창 발포시킨 팽창점토, 팽창혈암이다. 공업부산물로서는 석탄재나 슬래그를 급랭하여 만든 팽창 슬래그도 사용할 수 있다. 다만 흡수율이 작은 천연 골재 보다는 흡수율이 큰 파쇄된 경량골재나 기공율이 약 15% 내지 25%에 달하는 경량골재를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 상변화 물질을 경량골재에 함침하기 위하여, 먼저 상변화 물질을 가열한다. 다음으로 경량골재는 상변화 물질의 가열 온도 이상으로 가열한 후, 상기 상변화 물질에 함침함으로써, 상변화 물질을 경량골재에 흡수시킨다.
상기에서 상변화 물질의 가열온도는 상변화 물질의 융점 이상의 온도인 것이 바람직하며, 특히 35~60℃인 것이 바람직하다. 가열 온도가 60℃ 이상일 경우 파라핀의 증발이나 열분해가 발생할 수 있기 때문에, 가열 온도는 상변화 물질의 융점과 비점, 열분해 온도를 고려하여 설정하여야 한다.
상기에서 경량골재는 상변화 물질에 함침되기 전에 가열되는 것이 바람직하며, 특히 상기 상변화 물질의 가열 온도보다 약 10~20℃가 높게 가열하는 것이 바람직하다. 이는 경량골재의 미세기공을 확장시켜 상변화 물질이 경량골재의 미세기공 사이로 잘 흡수되도록 하기 위함이다.
상기 상변화 물질이 흡수된 경량골재는 상기 상변화 물질의 융점 이상의 온도가 유지되는 체망 밸트를 통과하는 것이 바람직하다. 이는, 경량골재의 기공에 흡수되지 않고 표면에 잔류하는 상변화 물질의 양이 최소가 되도록 하기 위함이다. 상변화 물질이 경량골재의 표면에 많이 존재할 경우, 아래 제2공정의 고분자 코팅공정에서 고분자 사이의 결합이 느슨해지게 된다. 또한 많은 양의 상변화 물질이 경량골재의 표면에 존재할 경우, 콘크리트를 제조할 때 시멘트와의 결합력이 낮아지기 때문에 최종 콘크리트의 압축 강도를 감소시킬 수 있다.
필요에 따라서 상기 체망 벨트는 과량의 상변화 물질 제거하도록 진동을 줄 수도 있다. 체망 벨트를 진동시킬 때 진동의 크기나 횟수는 경험적으로 이루어져나 경량골재 표면에 존재하는 상변화 물질이 최소가 되도록 하여야 한다.
다음으로 제2 공정으로서, 상변화 물질이 함침된 경량골재를 고분자로 코팅한다. 상변화 물질은 콘크리트 중에 혼합될 경우 압축강도가 낮아지는 문제점이 있다. 본 발명에서는 이러한 단점을 극복하기 위하여 상변화 물질을 골재의 흡수율 만큼 포함시킨 후 경량골재를 고분자로 코팅하였다. 이 경우 경량골재의 흡수량이 매우 커야하기 때문에 흡수율이 큰 파쇄된 경량골재나 기공율이 약 15% 내지 25%에 달하는 경량골재를 사용하는 것이 바람직하다.
경량골재의 상변화 물질 흡수율은 경량골재의 중량대비 약 15 내지 25중량%인 것이 바람직하다. 이 경우, 콘크리트에서 굵은 골재의 중량비가 약 50중량%이므로, 이론적으로 총 콘크리트 중량 대비 약 7.5 내지 12.5중량% 의 상변화 물질을 포함할 수 있다. 이를 상변화 물질의 열 흡수량으로 계산하면 약 5000Kcal/m3의 열을 축적할 수 있다.
경량골재에 상변화 물질을 함침시키고, 상변화 물질이 함침된 경량골재를 고분자로 코팅한 경우, 시멘트와의 결합력을 향상시켜 콘크리트의 압축강도 하락을 막을 수 있다. 또한 콘크리트 타설시 발생하는 압력에 의한 경량골재의 모세관수의 이동을 억제하여 고압 수송시에도 원활한 타설을 할 수 있다.
상기 고분자는 기계적 특성을 발휘할 수 있는 것으로 사용되는 것이 바람직하다 바람직한 예시로서, 아크릴, 에폭시수지, 폴리우레탄, EVA, 폴리에스테르로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 통상적으로 고분자는 레진이나 에멀전이 바람직하며, 특히 계면활성제가 포함된 레진이 건조 및 경화 속도가 빠르고 사용량이 작아 가장 바람직하다. 상기에서 계면활성제는 통상적으로 비이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 양쪽성 이온성 계면활성제를 바람직하게 사용할 수 있으나, 에멀전을 위해서는 비이온성 계면활성제가 바람직하며 노닐페닐계 계면활성제 등을 보다 바람직하게 사용할 수 있다. 또한 계면활성제의 양은 고분자 중량의 10% 이내가 바람직하다. 이는 계면활성제가 10%를 초과하게 될 경우 용출되어 내수성이 나빠지고, 콘크리트 제조 후에도 용출될 가능성이 있다.
고분자 코팅의 두께는 약 0.1~1mm가 바람직하다. 코팅 두께가 0.1mm 미만인 경우 콘크리트 제조시 코팅이 파괴되기 쉬우며, 1mm를 초과하는 경우 골재 제조시 골재가 서로 엉겨 붙어 코팅된 면의 파괴가 일어나기 쉽고, 과량의 고분자가 사용되어야 하므로 경제적이지 않다.
상기 고분자의 코팅 공정에서 코팅 온도는 상변화 물질의 융점보다 낮은 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다. 만일 코팅 온도가 상변화 물질의 융점보다 높을 경우, 상변화 물질과 코팅되는 고분자가 서로 혼합되어 코팅재료의 기계적 물성이 나빠질 수 있다. 그러므로 상기 제2공정에서는 상변화 물질을 흡수한 후 체망 벨트를 통과한 경량골재를 일정시간 냉각하는 공정이 필요하다. 이를 위하여 차가운 바람을 불어 넣어 냉각하거나 공냉하여 온도를 떨어뜨릴 수 있다.
냉각공정이 완료된 경량골재에 고분자 물질을 분사하여 코팅한다. 고분자 물질로 코팅된 경량골재는 고분자 물질이 완전히 경화될 때까지 믹서 안에서 교반하는 것이 바람직하다. 이는 경량골재가 서로 엉겨 붙는 것을 방지하기 위함이며 통상적으로 사용된 고분자의 경화시까지를 교반시간으로 하지만, 고분자의 특성에 따라 달라질 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 이러한 실시예는 본 발명을 좀더 명확하게 이해하기 위하여 지시되는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 목적으로 제시하는 것은 아니며, 본 발명은 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상의 범위 내에서 정해질 것이다.
[ 실시예 1 내지 3]
표 1과 같은 중량비로 하여 상변화 물질인 파라핀 왁스를 중국의 Dols사에서 제조한 흡수율이 약 20%인 경량골재에 흡수시켰다. 상기 파라핀 왁스는 융점이 각각 22℃(실시예 1), 28℃(실시예 2), 36℃(실시예 3)인 것을 사용하였다. 상기 파라핀 왁스의 열 흡수율은 184kJ/Kg이며 15℃에서의 밀도는 0.88g/cc이다. 상기에서 파라핀 왁스는 40℃로 가열하고, 60℃로 가열한 경량골재를 상기 가열된 파라핀 왁스에 담그고, 경량골재에 왁스가 충분히 흡수되도록 약 10분 방치하였다. 이후 상변화 물질이 충분히 흡수된 경량골재를 진동하는 체망벨트에(진동횟수 3600rpm, 출력 0.15Hp Wx L =1x2m, 온도 40℃)통과시켜 표면의 상변화 물질를 제거하였다. 다음으로 고분자로써 에폭시 주제인 다우케미컬의 DER-331와, 경화제인 에어프로덕츠사의 Anquamin 401를 2:1의 비율(중량비)로 혼합한 후, 골재 중량의 5중량%로 스프레이하여, 경량골재의 표면에 0.1 내지 1mm로 코팅하였다. 이때 경량골재에 고분자가 고르게 잘 도포 되도록 원통형 회전식 교반기를 사용하였다. 코팅이 완료된 후 고분자가 완전히 경화될 때까지 30분간 교반기를 작동하여 경량골재끼리 붙지 않도록 하였다. 경화된 골재는 상온으로 보관하여 본 발명의 경량골재를 제조하였다. 이때 코팅 온도는 바람직하게는 상변화 물질의 융점보다 낮은 것이 좋으며 이보다 높을 경우 냉각기에 의하여 냉각한 후 낮은 온도에서 코팅을 실시하여야 한다. 그렇지 않을 경우 폴리머에 상변화 물질이 나쁜 영향을 주며 시멘트와의 결합력을 나쁘게 할 수 있다.
왁스 경량골재
40 60
사용된 상변화물질의 융점 콘크리트의
압축강도
(Mpa)		 표면온도
(℃)
비교예 - 100 40
실시예 1 22 120 33
실시예 2 28 110 34
실시예 3 36 120 36
표 2는 본 발명에 따른 경량골재(실시예 1 내지 3)와 일반 경량골재(비교예)를 포함하는 콘크리트의 물리적 특성을 비교한 것이다. 제조된 콘크리트의 제조비율은 모두 시멘트를 300Kg을 사용하고 물/콘크리트(W/C)가 50%이며 잔골재율(S/a)가 42%인 콘크리트를 제작한 후 압축강도를 비교하였다. 본 발명의 상변화 물질을 사용하고 고분자로 코팅한 경량골재에서 우수한 압축강도가 획득되었다. 이는 코팅에 의하여 물의 이동이 작아 물의 사용량이 감소되었기 때문으로 생각된다. 또한 상기 콘크리트를 30x30x20cm의 시편으로 제작하여 여기에 적외선 램프 50W에 노출 시킨 후 30분 후의 표면 온도를 측정하였다. 그 결과 상변화 물질이 사용되지 않은 경우(비교예) 표면 온도가 40℃에 도달하였으나, 상변화 물질이 사용된 경우 각각 33℃, 34℃, 36℃로 측정 되어 상변화 물질에 의한 열 흡수 효과가 있는 것으로 평가되었다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 융점 이상의 온도로 가열한 상변화 물질에 상기 상변화 물질의 가열 온도보다 10~20℃ 높게 가열된 경량골재를 함침시켜, 상기 경량골재에 상기 상변화 물질을 흡수시키는 공정;
    상기 상변화 물질을 흡수한 경량골재를 상변화 물질의 융점 이상의 온도로 유지되는 체망 밸트에 통과시키는 공정; 및
    상기 체망 밸트를 통과한 경량골재를 아크릴, 에폭시수지, 폴리우레탄, EVA, 폴리에스테르로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자로 코팅하는 공정을 포함하고,
    상기 경량골재의 기공율은 15 내지 25%인 것을 특징으로 하는 축열기능을 갖는 경량골재의 제조방법.
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