KR101488147B1 - 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 모르타르 및 콘크리트 - Google Patents

Abstract

저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 모르타르 및 콘크리트에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료, 경화촉진재로서 석회석과 알루미늄 주물공장에서 발생되는 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도 범위에서 30분간 소성한 저온소성 칼슘알루미네이트 화합물, 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질석고를 포함하는 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 모르타르 및 콘크리트에 관한 것이다.
[색인어]
저온소성, 칼슘 알루미네이트, 고로슬래그, 플라이애쉬, 유동층상 보일러 비산재, 무시멘트

Description

저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 모르타르 및 콘크리트{A composition of eco-friendly non-cement type binder by low-temperature calcination, mortar and concrete comprising the same}

본 발명은 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 모르타르 및 콘크리트에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료, 경화촉진재로서 석회석과 알루미늄 주물공장에서 발생되는 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도 범위에서 30분간 소성한 저온소성 칼슘알루미네이트 화합물, 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질석고를 포함하는 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 모르타르 및 콘크리트에 관한 것이다.

지구 온난화 방지를 위하여 세계적으로 다양한 형태의 노력(1997년 채택, 2005년 발효 및 2012년 종료된 교토 의정서)을 행하고 있는 가운데, 2007년 12월에 인도네시아 발리에서 '발리 로드맵'을 채택함에 따라 2009년까지 새 기후변화 협약을 위한 협상이 진행되었다. 이에 따라 전 세계적으로 이산화탄소 등 온실가스의 배출량을 큰 폭으로 줄여야 하는 실정에 있다.

한편, 콘크리트 제조 시 근간이 되는 시멘트를 1톤 생산할 때, 이산화탄소가 약 0.9톤 배출될 정도로 시멘트 산업은 철강산업과 더불어 주요 이산화탄소 배출 산업이다. 그러므로 이에 대한 방법 및 대체 물질의 제시가 시급히 요구되고 있다.

국내의 시멘트 생산량은 1년에 약 6,000만 톤으로, 이산화탄소를 약 5,400만 톤 배출하고 있어 문제가 되고 있다. 이에 대한 해결책의 일환으로 산업 부산물을 이용하여 시멘트를 대체하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.

그 연구 중 하나로, 국내외적으로 고로슬래그, 플라이 애쉬 등을 시멘트와 일부 혼합하여 콘크리트에 많이 적용하고 있으나, 상기 방법으로는 이산화탄소를 획기적으로 저감시키는 것은 한계가 있다.

또한, 국외에서는 중합반응에 의한 알칼리 활성화 시멘트(콘크리트)에 관한 개념적인 기술로 1978년 Davidovits(프랑스)에 의해 카올리나이트 광물질을 이용하고 제올라이트와 유사한 구조를 가지도록 하는 메커니즘 이론이 정립되었지만, 제조상의 문제점 및 경제성 등의 이유로 실용화가 이루어지지 않았다.

한편, 시멘트를 전혀 사용하지 않고 석탄회만을 사용하여 콘크리트를 제조하는 기술로서, 60℃ 이상의 고온양생 과정을 통해 석탄회의 유리(glassy) 피막을 파괴하여 반응을 유도하여 30MPa 이상의 강도를 확보할 수 있는 방법이 있으나, 상기 방법은 고온양생으로 인한 에너지 소비와 이산화탄소 배출의 문제가 발생하였다.

시멘트를 전혀 사용하지 않는 다른 방법 중 하나로, 메타카올린을 사용하는 방법이 있으나, 상기 방법은 카올린을 700 내지 800℃로 소성하여 제조된 메타카올린을 사용하기 때문에 소성 과정에서 이산화탄소가 배출되며, 가격도 고가이어서 실용화하기까지 문제점이 있다.

상기 방법의 문제점을 개선하기 위한 방법으로 시멘트의 부분 대체재로 고로슬래그 또는 플라이 애쉬를 혼입하고 알칼리 활성화제를 사용하여 강도성능을 높인 알칼리활성 결합재에 대한 연구가 국내외로 활발히 진행되고 있다.

콘크리트 분야의 친환경재료 개발을 목표로 선행 연구된 시멘트 대체재로서 사용되는 무시멘트 알칼리 활성결합재들은 주로 수산화나트륨을 활성화제로 사용한 무시멘트 알칼리 활성 콘크리트의 연구가 진행되었으며, 그에 따른 배합강도 모델이 제시되었다.

그러나 요구강도를 확보하기 위하여 알칼리 활성화제의 첨가량을 증가시켜야 하였으며, 그에 따라 초기 유동성이 빠르게 손실되고 급결하는 경향을 보였다. 또한, 알칼리 활성화제의 첨가량 증가에 따른 제조단가 상승 등 경제적인 측면도 해결해야 할 문제로 남겨진 상태이다.

또한, 대한민국 등록특허 제 10-0855686호, 제 10-1014869호 및 한국 콘크리트 학회 학술 논문 중에서는 고로슬래그 또는 플라이 애쉬를 단독 또는 혼합하여 사용하고, 고알칼리성을 가진 액상 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 등의 알칼리 활성화제를 사용하여 무시멘트 모르타르 및 콘크리트를 제조하는 방법을 개시하였다. 그러나 상기 방법에 의한 무시멘트 모르타르 및 콘크리트는 고로슬래그 또는 플라이 애쉬와 알칼리 활성화제를 혼합하여 사용시, 알칼리 활성화제에 의한 강한 강알칼리 특성으로 인하여 환경피해가 나타나며, 강알칼리의 수분 흡수 능력으로 인하여 건조 시멘트 모르타르와 같은 건조된 상태에서는 사용이 어려우며, 습식 레디믹스 콘크리트에 사용할 경우에도 강알칼리제 첨가를 위한 별도의 시설 장비가 필요하게 되는 등, 범용적으로 사용하기 어려운 문제점이 있다.

본 출원인의 선행 발명인 출원번호 10-2014-0068185에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명특허를 출원한바 있다. 본 출원인의 선행 발명특허에서는 칼슘알루미네이트 화합물을 경화촉진재로 사용하고 있는 바, 칼슘알루미네이트 화합물은 일반적으로 섭씨 1,200도 이상의 고온에서 석회석과 알루미늄 화합물을 소성하여 제조하게 되는데, 이때 고온 소성에 의해 이산화탄소가 방출되게 된다. 이는 석회석이 섭씨 1,000도 이상에서 분해되어 생석회(CaO)와 이산화탄소로 분해되는 과정에 의한 것이다.

본 출원인은 이산화탄소의 배출 저감을 위한 방안으로 반응성이 우수한 금속 알루미늄 분말을 사용하여 저온에서 칼슘알루미네이트 화합물을 제조하고, 이를 이용하여 원재료인 고로수쇄슬래그, 플라이 애쉬 및 메타 카올린의 경화 촉진용 재료로 사용하여 새로운 조성의 친환경 저온소성 무시멘트 결합재를 개발하였다.

대한민국 등록특허 제 10-0855686호 대한민국 등록특허 제 10-1014869호

상기 문제점을 해결하기 위하여,

본 발명은 수화 초기의 압축강도 저하, 및 유동성 손실 등으로 인한 낮은 현장 적용성을 개선할 수 있는 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물을 제공하며, 상기 무시멘트 결합재 조성물을 포함하는 모르타르 및 콘크리트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 알칼리 활성화제 대신에 석회석과 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도에서 30분간 소성하여 제조된 저온소성 칼슘 알루미네이트 화합물, 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질석고를 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물로 사용함으로써, 강알칼리 활성화제 사용으로 인한 환경피해 예방 및 제조단가 감소로 인한 경제성이 개선된 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물, 상기 무시멘트 결합재 조성물을 포함하는 모르타르 및 콘크리트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물로 산업 폐기물을 사용함으로써, 산업 폐기물로 인한 환경 부하 감소, 에너지 절약 및 포틀랜드 시멘트의 문제점인 이산화 탄소를 배출하지 않는 친환경적인 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물, 상기 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물을 포함하는 모르타르 및 콘크리트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 균일한 강도 및 제품 안정성이 우수한 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물, 상기 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물을 포함하는 모르타르 및 콘크리트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료, 경화촉진재로서 석회석과 알루미늄 주물공장에서 발생되는 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도 범위에서 30분간 소성한 저온소성 칼슘알루미네이트 화합물, 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질석고를 포함하는 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물을 포함하는 모르타르를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물을 포함하는 콘크리트를 제공한다.

본 발명의 무시멘트 결합재 조성물은 고로 슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료에, 알칼리 활성화제 대신에 경화촉진재로서 석회석과 알루미늄 주물공장에서 발생되는 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도 범위에서 30분간 소성한 저온소성 칼슘알루미네이트 화합물, 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질석고를 포함하는 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물을 사용하여, 강알칼리 특성으로 인한 환경피해를 예방할 수 있다.

또한, 본 발명의 무시멘트 결합재 조성물은 포틀랜드 시멘트의 사용 없이 우수한 초기 강도, 장기 강도 발현, 낮은 수화열, 높은 내약품성, 높은 동결융해 저항성, 우수한 내화성능 및 낮은 비탄성 변형 등의 장점을 지니고 있어 일반 건축물, 해양 구조물 및 내화 구조물에 이용될 수 있으며, 벽돌, 블록 및 도로 경계석 등의 콘크리트 2차 제품에도 이용될 수 있어 건축 사업 전 분야에 광범위하게 활용될 수 있다.

또한, 본 발명의 무시멘트 결합재 조성물은 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 조성물로 산업 폐기물을 사용함으로써, 산업 폐기물로 인한 환경 부하를 감소시킬 수 있으며, 무시멘트 결합재 제조 시 에너지를 절약할 수 있으며, 포틀랜드 시멘트의 문제점인 이산화탄소를 방출하지 않아 친환경적인 효과를 지니고 있다.

이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

본 발명은 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료, 경화촉진재로서 석회석과 알루미늄 주물공장에서 발생되는 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도 범위에서 30분간 소성한 저온소성 칼슘알루미네이트 화합물, 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질석고를 포함하는 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물에 관한 것이다.

상기 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료는 초기 경화 특성이 미약하여 보통 포틀랜드 시멘트의 부분 치환재로만 사용되었지만, 본 발명에서는 경화특성을 활성화 시킬 수 있는 활성화제로 석회석과 알루미늄 주물공장에서 발생되는 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도 범위에서 30분간 소성한 저온소성 칼슘알루미네이트 화합물, 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질석고를 사용함으로써, 원재료의 초기 경화특성을 활성화시켜 포틀랜드 시멘트를 완전 대체할 수 있는 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물을 제공할 수 있으며, 포틀랜드 시멘트의 문제점인 이산화탄소의 방출을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물은 알칼리 활성화제 대신에 석회석과 알루미늄 주물공장에서 발생되는 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도 범위에서 30분간 소성한 저온소성 칼슘알루미네이트 화합물, 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질석고를 사용하여 강알칼리 특성으로 인한 환경피해를 예방할 수 있으며, 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 조성물로 산업 폐기물을 사용함으로써, 자원을 절약할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료는 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린이 0.1 내지 1 : 0.1 내지 1 : 0.1 내지 1의 중량 비로 혼합된 것이 특징이다.

또한, 상기 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료 각각의 분말도는 3300 내지 6200cm²/g이며, 강도 발현 및 반응성을 고려하면 4100 내지 5100cm²/g이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 4400 내지 4800cm²/g이다. 상기 원재료의 분말도가 3300cm²/g 미만이면 반응성이 낮아 강도 발현이 불리하고, 6200cm²/g을 초과하면 반응성은 증가하지만, 시공성이 다소 저하되며, 통상의 제품으로 판매되는 분말도가 아니므로 미분말화 시키기 위하여 분쇄 또는 분급하는 추가적인 과정을 거쳐야 하므로 경제적인 측면에서 효율적이지 못하다.

상기 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료는 무시멘트 결합재 총 중량에 대하여 30 내지 70 중량％로 포함된다. 상기 원재료가 30 중량％ 미만으로 포함되면 무시멘트 결합재로서의 수화 반응성 결여 및 압축 강도 발현 특성이 적고, 70 중량％ 초과하여 포함되면 첨가되는 활성화제의 량이 적으므로 인하여 수화 반응성의 결여 및 압축강도의 발현 특성이 낮아진다.

본 발명의 석회석과 알루미늄 주물공장에서 발생되는 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도 범위에서 20내지 40분간 소성한 저온소성 칼슘알루미네이트 화합물, 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질석고는 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료를 경화시키는 역할을 한다.

본 발명에 사용되는 석회석은 순수한 산화칼슘의 함량이 45중량％ 내지 55중량％ 범위인 것을 사용하는 것을 특징으로 한다. 또한 폐알루미늄 분말은 알루미늄 주물공장에서 발생하는 폐알루미늄 분말로써 순수한 알루미늄의 함량이 70 중량％ 이상이고, 입자의 크기는 0.5 내지 3.0mm 범위의 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기의 석회석과 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도에서 20 내지 40분간 소성하여 제조한 저온소성 칼슘알루미네이트를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 칼슘 알루미네이트계 화합물의 알루미네이트 성분과 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질석고는 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료는 무시멘트 결합재를 제조하기 위한 수화 초기에 수화반응(Reaction of Hydration)에 의해 에트링자이트(Ettringite;3CaOAl₂O₃3CaSO₄32H₂O)를 생성한다. 또한, 재령이 증가함에 따라 칼슘 알루미네이트계 화합물에 포함되어 있는 칼슘 알루미네이트 성분은 상기 유동층상 보일러 비산재에 의해 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응하여 칼슘 알루미네이트 수화물을 생성한다. 상기 칼슘 알루미네이트 수화물은 무시멘트 결합재 조성물을 경화한 후 압축강도 발현 특성을 나타낼 수 있게 하는 역할을 하며, 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료의 포졸란 반응 및 잠재수경성을 발휘할 수 있게 하여 무시멘트 결합재 조성물의 경화 반응을 활성화시킬 수 있다.

상기 칼슘 알루미네이트 화합물은 본 발명의 친환경 저온소성 무시멘트 결합재 조성물 총 중량에 대하여 8 내지 20 중량％로 포함되며, 바람직하게는 10 내지 18 중량％, 더욱 바람직하게는 13 내지 16 중량％이다. 그 비율이 8 중량％ 미만이면 에트링자이트 생성량의 부족으로 초기 수화반응이 지연되거나 초기강도의 발현이 늦어지는 문제가 있으며, 20중량％를 초과하면 급결이 발생하여 시공성이 다소 저하되고 강도증진에도 사용효과가 크게 나타나지 않을 뿐만 아니라 경제성에 불리하게 작용하는 문제가 있다.

본 발명에 사용되는 상기 유동층상 보일러 비산재의 화학적 조성은 산화칼슘 30 내지 65 중량％, 황산칼슘 33 내지 65 중량％ 및 불순물 2 내지 5 중량％를 포함하는 것이 특징이다.

상기 유동층상 보일러 비산재의 황산칼슘(CaSO₄, 석고 성분)과 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료는 무시멘트 결합재를 제조하기 위한 수화 초기에 수화반응(Reaction of Hydration)에 의해 에트링자이트(Ettringite;3CaOAl₂O₃3CaSO₄32H₂O)를 생성한다. 또한, 재령이 증가함에 따라 유동층상 보일러 비산재에 포함되어 있는 황산칼슘(CaSO₄, 석고 성분)과 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료의 수화반응에 의해 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 생성되며, 상기 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 유동층상 보일러 비산재에 포함되어 있는 산화칼슘(CaO) 성분의 소화 반응(slaked reaction)으로 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 추가적으로 생성된다. 상기 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)은 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료를 강하게 자극하여 원재료의 잠재수경성을 발휘할 수 있게 하여 무시멘트 결합재 조성물의 경화 반응을 활성화시킨다.

또한, 상기 유동층상 보일러 비산재는 본 발명의 무시멘트 결합재 조성물 총 중량에 대하여 6 내지 20중량％로 포함되며, 시공성과 강도를 고려하여 10 내지 16중량％를 포함하는 것이 바람직하며, 12 내지 14 중량％가 보다 바람직하다. 상기 유동층상 보일러 비산재가 6 중량％ 미만으로 포함되면 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료에 대한 수화반응이 약해져 무시멘트 결합재의 강도가 약하게 나타나며, 20 중량％를 초과하면 급결이 발생하여 시공성이 다소 저하되고 강도증진에도 사용효과가 크게 나타나지 않을 뿐만 아니라, 경제적으로도 효율적이지 못한 문제점이 발생한다.

상기 소석회는 산화칼슘 성분이 60 내지 70중량％ 이며 입자의 크기가 200메쉬 90％ 이상 통과의 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 개질 석고는 화학무수석고 또는 천연 무수석고 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 무수석고를 사용한다.

또한, 본 발명은 무시멘트 결합재 조성물을 포함하는 모르타르 및 콘크리트를 제공할 수 있다.

Claims (10)

1. 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료, 경화촉진재로서 석회석과 알루미늄 주물공장에서 발생되는 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도 범위에서 30분간 소성한 저온소성 칼슘알루미네이트 화합물, 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질석고를 포함하는 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료는 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린이 0.1 내지 1 : 0.1 내지 1 : 0.1 내지 1의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 상기 무시멘트 결합재 조성물은 무시멘트 결합재 조성물 총 중량에 대하여, 고로슬래그, 플라이 애쉬 및 메타카올린을 포함하는 원재료 30 내지 70 중량％, 저온소성 칼슘알루미네이트 화합물 8 내지 20 중량％, 유동층상 보일러 비산재 6 내지 20 중량％, 소석회 4 내지 10 중량％ 및 개질석고 12 내지 20 중량％를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 저온소성 칼슘알루미네이트 화합물은 석회석과 알루미늄 주물공장에서 발생되는 폐알루미늄 분말을 섭씨 600도 내지 700도 범위에서 30분간 소성한 것을 특징으로 하는 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 유동층상 보일러 비산재는 유동층상 보일러 비산재 총 중량에 대하여, 산화칼슘 30 내지 65 중량％, 황산칼슘 33 내지 65 중량％ 및 불순물 2 내지 5 중량％를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물.
7. 청구항 1에 있어서, 소석회는 산화칼슘 성분이 60 내지 70중량％ 이며 입자의 크기가 200메쉬 90％ 이상 통과의 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물.
8. 청구항 1에 있어서, 개질 석고는 화학무수석고 또는 천연 무수석고 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 무수석고를 사용하는 것을 특징으로 하는 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물.
9. 청구항 1의 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물을 포함하는 모르타르.
10. 청구항 1의 저온소성 친환경 무시멘트 결합재 조성물을 포함하는 콘크리트.