KR101627672B1 - 백색 시멘트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 백색 시멘트 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 분말도를 높인 고로슬래그 미분말을 주재료로 하고, 알칼리 및/또는 황산염 자극제를 함유하는 백색 시멘트 조성물에 관한 것으로, 백색 시멘트와 동일하거나 우수한 물리적 특성을 가지면서도, 백색 시멘트를 대신하여, 소성공정이 생략된 고로슬래그 미분말을 주재료로 사용함으로써. 제조 원가를 크게 줄일 수 있으며 친환경적인 백색 시멘트 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의한 백색 시멘트 조성물은 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 알칼리 및/또는 황산염자극제 20~80중량부를 포함하고, 상기 고로슬래그 미분말은 분말도(비표면적) 6,000~8,000㎠/g이고, 고로슬래그 미분말 중의 산화제이철(Fe2O3) 함량이 고로슬래그 미분말의 전체 중량에 대해 0.5 중량% 미만이고, 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제는 분말도(비표면적) 4,000~8,000㎠/g이고, 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제 중의 산화제이철(Fe2O3) 함량이 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제의 전체 중량에 대해 0.5 중량% 미만이다.

Description

백색 시멘트 조성물 {Composition for White Cement}
본 발명은 백색 시멘트 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 분말도를 높인 고로슬래그 미분말을 주재료로 하고, 알칼리 및/또는 황산염 자극제(alkaline and/or sulfate activator)를 함유하는 백색 시멘트 조성물에 관한 것으로 백색 시멘트와 동일하거나 우수한 물리적 특성을 가지면서도, 백색 시멘트를 대신하여, 소성공정이 생략된 고로슬래그 미분말을 주재료로 사용함으로써 제조 원가를 크게 줄일 수 있으며 친환경적인 백색 시멘트 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 일반 포틀랜드 시멘트는 석회석, 점토, 규석, 철광석, 석고 등을 원료로 하여 약 1,450℃의 높은 온도로 재료를 소성한 다음 급냉 후 분쇄한 제품으로서, 일반포틀랜드 시멘트는 공정관리항목으로 석회포화도(LSF), 유리석회(Free CaO), 삼산화황(SO3), 강열감량(IG Loss)등을 중점적으로 관리해서 제조하고 있다. 반면 백색 포틀랜드 시멘트는 제품의 특성인 백색을 띄게 하기 위하여 원료로서 석회석, 납석, 형석, 석고 등을 원료로 하여 제조하며, 공정관리항목으로 산화제이철(Fe2O3) 성분, 유리석회(Free CaO), 백색도 등을 중점적으로 관리하여 제조하고 있다.
또한, 상기 포틀랜드 시멘트와 백색 포틀랜드 시멘트는 원료를 소성하는 공정에서 수입 유연탄을 연로로 하여 1,450℃의 고온에서 열분해하여 제조되는 제품으로서 제조공정상 이산화탄소를 다량 발생시키며, 유한한 천연자원을 다량 소모해서 생산하므로 친환경적이지 않은 문제점을 가지고 있다.
더구나 상기 백색 포틀랜드 시멘트는 그 원료인 납석, 형석 등의 천연자원 국내부존이 절대 부족하여 현재 우리나라에서 생산되지 않고 전량 중국 등에서 수입해 사용하고 있는 현실로서 본 발명의 결과로서 수입대체의 효과도 볼 수 있다.
한편, 대한민국 공개특허(특2001-0082999)에 클링커를 사용하지 않은 백색시멘트 조성물 기술이 제시된바 있다. 상기 기술에서는 고로슬래그 70~90중량%와 무수석고 5~12중량%, 이수석고 5~12중량%, 소석회 0.5~2중량%, 석회석 0~5중량%, 조경제 0~2중량%를 포함하는 조성물을 제시하였으나, 조경제의 구성성분 및 원료명을 제시하지 않아 그 기술내용이 불문명하며, 상기 이수석고(CaSO4,2H2O)는 전량 수입에 의존하는 광물로서 원료 안에 2개의 물 분자를 포함하고 있어 프리믹스 타입으로 유통되는 시멘트의 특성상 수분에 의한 반응으로 제품이 사용 전에 반응하여 굳어질 위험이 있으며, 상기기술에서 제시된 실시예 에서도 조경제를 1중량 부 물에 용해시켜 사용하였다고 기술되어 있어 분체로 유통되는 시멘트의 특성에 적합하지 않다. 또한 기술의 구현가능성 측면에서 고찰할 때도 실시예처럼 소석회와 조경제를 각각 1중량% 포함하였다고 하나, 대량으로 제조되는 시멘트의 특성상 1중량%를 정확히 계량하고 균질하게 혼합할 수 있는 상용화된 기술이 있는지 의심스럽다. 또한 백색도를 좌우하는 큰 요인은 재료가 빛을 받는 면적 즉, 비표면적이 중요한 관리항목이나 제시된 기술에서는 청구항에서 원재료 중 고로슬래그에 대하여만 범위를 제시하였으며, 분체의 색상을 좌우하는 중요한 요인인 산화제이철(Fe2O3) 성분이 제시되지 않았다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고로슬래그 미분말을 알칼리 및/또는 황산염 자극을 통해 잠재수경성을 활성화시켜 강도를 발현하는 동시에 원재료의 분말도를 상향하고 산화제이철(Fe2O3) 성분을 일정수준 이하로 관리하여 제품의 백색도가 관련 KS규격을 만족하는 백색 시멘트 조성물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명에 의한 백색 시멘트는 회색인 일반 시멘트에 비해 다양한 색상의 안료에 의한 색상발현이 우수하여 여러 가지 색상의 시멘트 콘크리트 2차제품을 제조할 수 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 알칼리 및/또는 황산염자극제 20~80중량부를 포함하고, 상기 고로슬래그 미분말은 분말도(비표면적) 6,000~8,000㎠/g이고, 고로슬래그 미분말 중의 산화제이철(Fe2O3) 함량이 고로슬래그 미분말의 전체 중량에 대해 0.5 중량% 미만이고, 상기 알칼리 및 황산염자극제는 분말도(비표면적) 4,000~8,000㎠/g이고, 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제 중의 산화제이철(Fe2O3) 함량이 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제의 전체 중량에 대해 0.5 중량% 미만인 백색 시멘트 조성물을 제공한다.
본 발명에 따르면, 잠재수경성 물질인 고로슬래그 미분말을 알칼리 및/또는 황산염 자극을 통해 잠재수경성을 활성화시켜 강도를 발현하는 동시에 원재료의 분말도를 상향하고 산화제이철(Fe2O3) 성분을 일정수준 이하로 관리하여 제품의 백색도가 관련 KS규격을 만족하는 백색 시멘트 조성물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명에 의한 백색 시멘트는 회색인 일반 시멘트에 비해 다양한 색상의 안료에 의한 색상발현이 우수하여 여러 가지 색상의 시멘트 콘크리트 2차제품을 제조할 수 있다.
또한, 전량 수입에 의존하고 있는 백색 시멘트를 완전히 대체하여 사용가능 하므로 수입대체효과가 있으며, 산업부산물로 발생하는 고로슬래그, 페트로 코우크스 탈황석고, 소각 잔재 등을 재활용하여 환경을 보존하는 효과도 있다.
이하, 본 발명에 의한 백색 시멘트 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 백색 시멘트 조성물의 구성성분 및 작용을 설명한다.
본 발명에 의한 백색 시멘트 조성물은 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 알칼리 및/또는 황산염자극제 20~80중량부를 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에 의한 백색 시멘트 조성물은 이수 석고를 포함하지 않는다. 본 발명은 이수 석고를 포함하지 않더라도 충분한 강도를 나타낼 수 있으며, 또한, 이수 석고를 포함하지 않음으로써, 본 발명의 백색 시멘트 조성물은 프리믹스 타입으로 사용하여도 미리 굳어질 위험이 없다.
상기 고로슬래그 미분말은 제철공정에서 발생하는 고로 수쇄 슬래그를 건조하고 분쇄하여 생산되는 공산품으로서, KS 규격(KS F 2563)이 제정되어 있으며, 시중에 유통되고 있는 공산품이다. 본 발명의 백색 시멘트 조성물에서 상기 고로슬래그 미분말은 상기 분말도(비표면적) 6,000~8,000㎠/g이고, 고로슬래그 미분말 중의 산화제이철(Fe2O3) 함량이 고로슬래그 미분말의 전체 중량에 대해 0.5 중량% 미만인 것이다. 상기 분말도 및 산화제이철 함량 조건을 만족하는 고로슬래그 미분말은 KS F 2563에 규정된 2종의 제품이다. 일반적으로 콘크리트 혼화재로 사용되고 있는 고로슬래그 미분말 3종은 분말도(비표면적)가 4,000~6,000㎠/g이며, 이정도의 입자크기로는 대기 중에 노출되는 표면적이 충분하지 못하여 그 백색도가 충분한 수준이 되지 않는다. 한편 고로슬래그 미분말 1종의 경우 분말도(비표면적)가 8,000~10,000㎠/g이며 이 제품은 그 분쇄비용이 너무 높기 때문에 국내에서는 제조되고 있지 않아 수득하기가 어렵고 분말도가 너무 높을 경우 초기 활성도는 좋으나 장기강도가 상대적으로 부족하여 사용상 바람직하지 않다.
따라서 본 발명에서는 충분한 분말도와 강도를 가진 고로슬래그 미분말(KS F 2563) 2종 제품을 사용하는 것이다. 고로슬래그 미분말의 분말도(비표면적)가 6,000㎠/g미만이면 대기 중에 노출되는 면적이 적어 백색도가 충분치 않아 백색무기결합재로 사용하기에 적합하지 않으며, 분말도(비표면적)가 8,000㎠/g초과이면 백색도는 충분하나 분쇄비용이 높아 원가가 상승되며, 초기활성도는 충분한 반면 장기강도가 부족하여 소정의 목적을 달성할 수가 없다. 한편 고로슬래그 미분말(KS F 2563)에서는 산화제이철(Fe2O3) 성분은 규정되어있지 않다. 그러나 산화제이철(Fe2O3) 성분에 의해 원재료의 색상이 결정되기 때문에 산화제이철(Fe2O3) 성분 0.5 중량% 미만인 조건을 충족하여야 한다. 산화제이철(Fe2O3) 성분이 0.5 중량% 이상이면 원재료의 분말도가 충분하다 하더라도 원료자체의 색상이 갈색을 띄기 때문에 원재료로 사용하기에 적합하지 않다.
상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 20~80 중량부, 바람직하게는 20~60 중량부의 양으로 포함된다. 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제가 20중량부 미만이면 고로슬래그 미분말을 자극하는 자극제의 양이 적어 소정의 강도를 발현할 수 없으며, 80중량부를 초과할 경우에는 자극제에 비해 잠재 수경성 물질인 고로슬래그 미분말의 상대적인 양이 부족하여, 요구되는 강도가 발현되지 않는다.
상기 알칼리 및/또는 황산염자극제는 분말도(비표면적) 4,000~8,000㎠/g이고, 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제 중의 산화제이철(Fe2O3) 함량이 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제의 전체 중량에 대해 0.5중량% 미만인 것이다.
상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제의 분말도(비표면적)가 4,000㎠/g 미만이면 대기중에 노출되는 표면적이 부족하여 백색도를 만족하지 않으며, 분말도가 8,000㎠/g초과이면 백색도는 충분하나 분쇄비용이 과다하게 소모되어 경제적이지 않으며, 알칼리 및 황산염 자극효과가 초기에만 활성화되어 장기강도가 저하될 우려가 있다. 또한 상기 산화제이철(Fe2O3) 함량 0.5 중량% 이상이면 원재료의 분말도가 충분하다 하더라도 원료자체의 색상이 갈색을 띄기 때문에 원재료로 사용하기에 적합하지 않다.
상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제는 당업계에 공지된 자극제일 수 있으나, 무수 석고, 페트로 코우크스(petro cokes) 탈황 석고, 및 소각 잔재를 포함하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 본 발명의 백색 시멘트 조성물은 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제로서 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부에 대하여 상기 무수 석고 3~40 중량부(바람직하게는 3~30 중량부), 페트로 코우크스 탈황 석고 3~40 중량부(바람직하게는 3~30 중량부) 및 소각 잔재 3~40 중량부(바람직하게는 3~30 중량부)를 포함할 수 있다.
상기 무수 석고는 시중에서 유통되는 제품을 사용할 수 있다. 상기 무수석고 역시 분말도(비표면적) 4,000~8,000㎠/g, 산화제이철(Fe2O3) 함량 0.5 중량%미만의 조건을 만족해야 한다.
상기 페트로 코우크스 탈황석고는 원유정제과정에서 발생하는 석유 잔사유를 연료로 사용하는 소각로에서 로내 탈황을 위해 석회석을 혼합 연소하는 과정에서 발생된 부생석고로서, 탈 탄산된 석회석 의 잔분이 석고형태로 집진기에 포집된 부산물이다. 주요 화학성분이 CaO 와 SO3로서 강알칼리 성질을 나타내 자극제로 사용하기에 적합한 물질이다. 상기 페트로 코우크스 탈황석고도 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제의 분말도 및 산화제이철 함량의 조건을 만족해야 한다.
또한 상기 소각잔재는 석탄재, 바이오매스 소각잔재, 하수슬러지 소각잔재, 제지 슬러지 소각잔재, RDF(Refuse Derived Fuel) 소각잔재 및 RPF(Refuse Flastic Fuel) 소각잔재로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 제지 슬러지 소각 잔재일 수 있다. 특히, 상기 제지슬러지 소각잔재는 종이 제조공정에서 필러물질로 사용되는 석회석 미분말(중질탄산칼슘)이 슬러지에 포함되어 이를 소각하는 중에 탈탄산된 CaO 가 집진기에 포집되는데 이에, 강 알칼리 물질로서 자극제로 사용하기에 적합하다. 상기 소각 잔재도 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제의 분말도 및 산화제이철 함량의 조건을 만족해야 한다.
본 발명의 백색 시멘트 조성물은 백색 시멘트를 더 포함할 수 있다. 상기 백색 시멘트는 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부에 대하여 3~40 중량부, 바람직하게는 3~25 중량부의 양으로 포함될 수 있다. 상기 백색 시멘트는 KS인증제품으로 시중에서 유통되는 제품을 구매하여 사용할 수 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다. 또한 이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한하는 것으로 이해되어져서는 아니 된다.
실시예 (본 개발제품)
먼저, 분말도(비표면적) 6,800㎠/g, 산화제이철(Fe2O3) 함량 0.13 중량%인 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여 알칼리 및/또는 황산염 자극제로서 분말도(비표면적) 6,300㎠/g, 산화제이철(Fe2O3) 함량 0.11 중량%인 페트로 코우크스 탈황석고 10중량부, 분말도(비표면적) 7,300㎠/g, 산화제이철(Fe2O3) 함량 0.09 중량%인 제지슬러지 소각 잔재 5중량부, 분말도(비표면적) 6,100㎠/g, 산화제이철(Fe2O3) 함량 0.23 중량%인 무수석고 10중량부 및 KS 인증제품인 U사의 백색 시멘트 5중량부를 강제식 믹서로 균질하게 혼합하여 백색 시멘트 조성물을 제조하였다.
다음으로 제조된 시료를 이용하여 백색도 시험 등 KS L 5204 : 2012(백색 포틀랜드 시멘트) 규격에 정해진 물리성능 시험을 실시하였다.
비교예 (백색 포틀랜드 시멘트)
시중에서 유통되는 KS 인증제품인 U 사의 백색 포틀랜드 시멘트를 구매하여 시료로 사용하고 백색도 시험 등 KS L 5204 : 2012(백색 포틀랜드 시멘트) 규격에 정해진 물리성능 시험을 실시하였다.
물리 성능 시험방법 및 결과
아래 표 1에 나타낸 바와 같이 각각의 시험은 KS 및 ISO 시험표준에 의해 실시하였다.
시험 명 시험 방법
시료채취 KS L 5101
분말도 KS L 5106
안정도 KS L 5107
응결시간 KS L 5108
압축강도 KS L ISO 679
백색도 KS L 5113
아래 표 2에는 KS 규격의 기준, 그리고 실시예와 비교예의 시험성과를 나타내었다.
구분 검사 항목 기준치 실시예
(본개발제품)		 비교예
(시중유통제품)
분말도 비표면적(Blaine 방법) 3,000㎠/g 이상 6,850 4,160
안정도 오토클레이브팽창도 0.80% 이하 0.28 0.39
응결
시간		 비카트
시험		 초결(분) 60 이상 308 245
종결(시간) 10 이하 9 : 15 6 : 50

강도		 압축강도
(MPa)		 3 일 12.5 이상 16.5 20.8
7 일 22.5 이상 30.6 34.5
28 일 42.5 이상 45.8 43.8
백색도 헌터법 89 이상 91 91
상기의 표 2와 같이 실시예의 경우 비교예인 백색포틀랜드 시멘트에 비하여 재령 3일 및 7일의 초기 강도가 비교적 낮게 발현되었으나 KS 규격에서 정한 기준치 이상의 성과이며, 그 이유는 백색 포틀랜드 시멘트의 수화반응보다는 고로슬래그 미분말의 잠재수경성 반응이 조금 늦게 개시되는 특성 때문인 것으로 판단된다.
그러나 재령 28일 강도에서는 본 개발제품이 백색 포틀랜드 시멘트보다 더 우수한 강도를 발현하는 결과를 보였다. 이는 본 개발제품의 구성성분인 황산염 및/또는 알칼리 자극제에 의해 고로슬래그의 비정질물질이 지속적으로 수화물을 만들어낸 결과로 판단된다.

Claims (6)

  1. 고로슬래그 미분말, 및 알칼리 및/또는 황산염 자극제(alkaline and/or sulfate activator)를 포함하고, 이수 석고를 포함하지 않으며,
    상기 고로슬래그 미분말 100 중량부에 대하여 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제 20~80 중량부를 포함하고,
    상기 고로슬래그 미분말은 분말도(비표면적) 6,000 ㎠/g 초과 내지 8,000 ㎠/g 이하이고, 고로슬래그 미분말 중의 산화제이철(Fe2O3) 함량이 상기 고로슬래그 미분말의 전체 중량에 대해 0.5 중량% 미만이고,
    상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제는 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부에 대하여 무수 석고 3~30 중량부, 페트로 코우크스 탈황 석고 3~30 중량부 및 제지 슬러지 소각 잔재 3~30 중량부로 이루어지고, 분말도(비표면적) 4,000 ㎠/g 초과 내지 8,000㎠/g 이하이고, 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제 중의 산화제이철(Fe2O3) 함량이 상기 알칼리 및/또는 황산염 자극제의 전체 중량에 대해 0.5 중량% 미만인 것을 특징으로 하는 백색 시멘트 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    백색 시멘트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 시멘트 조성물.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고로슬래그 미분말 100 중량부에 대하여 상기 백색 시멘트 3~40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 시멘트 조성물.
  6. 삭제
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비특허1: 대한건축학회지 제28권 제8호 통권 제286호 (2012년 8월) PP.103-110*

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