KR101703903B1 - 톱밥을 벽돌 조성의 원료와 벽돌의 표면처리에 동시에 활용한 점토벽돌 및 그 제조방법 - Google Patents

톱밥을 벽돌 조성의 원료와 벽돌의 표면처리에 동시에 활용한 점토벽돌 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조성물 총 중량 기준, 고령토 50~75 중량%, 점토 10~30 중량%, 장석 10~20 중량% 및 톱밥 5~20 중량%를 포함하는 소지토로부터 제조되며, 톱밥이 살포된 상태로 표면에 고착 및 탄화되어 있는 것을 특징으로 하는 점토벽돌 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 특히 톱밥 단독 또는 톱밥과 금속산화물, 폐유리, 무기안료 또는 후락스 등의 혼합 재료를 이용하여 점토벽돌의 표면을 가공 처리함으로써 기존의 제조방법으로 만들어진 제품으로는 구현할 수 없었던 전혀 다른 질감과 색상, 자연스러운 감성 및 고풍스러움 등을 연출할 수 있고, 소지 조성물로 톱밥을 활용함으로써 건설업계와 점토벽돌업계의 오랜 숙원이었던 경량, 단열, 보온 및 차음 성능 구현이 가능함과 동시에 연료 및 원료비 등의 절감을 통해 제조원가도 대폭 삭감할 수 있는 점토벽돌을 제공한다.
본 발명의 점토벽돌은 구조재이자 치장재로 동시에 활용할 수 있어 공사기간의 단축과 자재비, 시공비, 시공 후 유지관리비, 물류비 등 전반적인 건설비 절감에 기여할 수 있고, 조성물에 포함될 수도 있는 중금속 등 인체에 유해한 물질이 초고온 소결로 인해 용융, 고형화, 안정화됨에 따라 점토벽돌의 사용 및 폐기 후 용출될 수 있는 이차 오염원을 근원적으로 차단할 수 있으며, 국내 품질기준인 KSL4201은 물론, 세계 유명품질기준인 JIS, ASTM 품질기준을 능가하는 수준의 우수한 품질을 나타낼 수 있다. 이로써, 본 발명은 폐기물의 자원화, 지하자원 보존, 연료사용 저감, 제반 생산원가 및 물류비 저감, 미감증진, 국토의 황폐화 방지, 수출증대 및 수입대체에 크게 기여할 수 있는 점토벽돌 및 그 제조방법을 제공할 수 있게 되는 것이다.

Description

톱밥을 벽돌 조성의 원료와 벽돌의 표면처리에 동시에 활용한 점토벽돌 및 그 제조방법{Clay Bricks Using Sawdust And Manufacturing Method Of The Same}
본 발명은 점토벽돌 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 벽돌 본체 형성을 위해 배합된 조성과 벽돌 본체의 표면 처리에 톱밥을 각각 활용함으로써 다양한 기능의 고품질 성능 구현은 물론, 심미적으로는 고풍스러운 질감과 기존 벽돌에서 볼 수 없었던 독특한 감성을 부여할 수 있어 건축물의 내·외장, 담장, 보도, 차도, 광장, 공원, 공연장 등의 바닥포장이나 조경 공사 등에 유용한 건축, 토목 및 조경 자재 등의 다방면에 활용될 수 있는 점토벽돌 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 벽돌이라 함은 시멘트를 이용한 시멘트 벽돌과 점토를 이용한 점토벽돌로 구분된다. 여기서 점토벽돌(clay brick)이란, 벽체를 형성하기 위해 인공적으로 제조한 점토질의 돌이라는 의미에서 점토벽돌이라 칭하는 것으로 인류가 개발한 최초의 건설자재이자 암석이 풍화되어 생성된 미세한 점토를 주 원료로 하여 고온으로 구운 건축재료를 가리키며, 시대를 불문하고 세계 도처에서 널리 사용되고 있다.
점토벽돌의 제조방법은 원료의 구성이나 소성 조건 및 용도 등에 따라 다양하게 구분되나 보통 소지토의 제조, 성형, 건조 및 소성의 공정 순서로 이루어지고 있다. 점토벽돌은 제조 특성상 점토 등 다량의 지하자원과 고온 소성을 위한 연료가 필수적으로 요구되므로 연료 및 원료비의 절감이 무엇보다도 중요한 해결과제이다. 또한, 점토벽돌은 단일 자재로서 구조재와 마감 치장재의 다목적 역할을 동시에 할 수 있는 자재이기에 구조재로서는 우수한 품질을 갖추어야 하고, 마감 치장재로는 다양한 외관과 미적 아름다움을 갖추어야 비로소 점토벽돌로서의 역할을 다할 수 있게 된다.
그런데, 점토벽돌은 주 원료로 철분을 함유하고 있는 적 점토 또는 흑 점토를 사용함에 따라 벽돌 완제품으로 제조되었을 때, 적색 또는 적갈색으로 제품의 색상이 획일적으로 나타날수 밖에 없고, 여기에 표면까지 평탄하게 제조될 경우 자칫 형상이 매우 단조로워진다. 이런 상황에서 최근 인조석, 타일, 플라스틱, 금속 등의 다양한 외장재가 출현함에 따라 점토벽돌 본연의 미관만으로는 마감 치장재로서 점토벽돌은 한계에 도달하게 되었다.
그럼에도 불구하고, 다른 한편에서는 친근한 미관 등 점토벽돌만이 구현할 수 있는 고유 감성, 내화성, 건강에 대한 유익성, 친환경성 및 시공 용이성 등의 장점에 대해 재조명하고 있고, 이와 함께 인테리어에서의 다양성 추구 및 전원주택의 수요 증가에 힘입어 점토벽돌을 찾는 발길이 다시 증가하고 있는 상황이다. 이에, 다양한 색상, 질감, 무늬, 형태, 크기의 다양화가 필요하게 되었고, 여기에 연료 및 원료비를 저감시키고 단열, 보온, 차음, 경량화를 추가하면서 뛰어난 미감을 부여한다면, 어떠한 건축, 토목 자재와의 경쟁에서도 결코 뒤쳐지지 않는 건설자재로 재탄생할 수 있을 것으로 전망된다.
국내 종래 기술로서 점토벽돌의 다양한 외관 개선을 위한 특허문헌으로는 대한민국 등록특허 제0727375호(표면처리가 된 점토벽돌 제조방법) 및 대한민국 등록특허 제0609929호(점토벽돌이나 바닥벽돌 표면에 다양한 반점 무늬의 색상을 연출하는 점토벽돌) 등이 있으며, 앞으로도 점토벽돌의 활용성 및 성능을 보다 향상시키기 위해 다양한 시도와 꾸준한 기술 개발이 이루어져야 할 것이다.
이에 본 발명을 통해 건설업계 및 점토 벽돌 업계에서 오랜 숙원이었던 경량, 차음, 단열, 보온 성능을 달성하고, 연료 및 원료절감에 의한 제조원가 절감을 구현하며, 나아가 폐기물의 처리, 유효자원회수, 지하자원보존, 환경보호 및 공해예방의 실현은 물론, 자연스럽고 다양한 질감, 색상, 무늬, 고풍스러운 감성 및 자연스러운 미감의 구현과 함께 KS 품질 기준을 포함하여 JIS나 ASTM과 같은 세계 유명의 품질기준을 월등히 능가하는 점토벽돌 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 제 1 구현예는 (S1) 조성물 총 중량 기준, 고령토 50~75중량%, 점토 10~30중량%, 장석 10~20중량% 및 톱밥 5~20중량%를 포함하는 소지토를 준비한 후 벽돌 성형체로 압출하는 단계; (S2) 상기 (S1)단계로부터 압출된 벽돌 성형체의 표면에 톱밥을 살포하여 표면처리하는 단계; 및 (S3) 상기 (S2)단계로부터 표면처리된 벽돌 성형체를 건조 및 소성하는 단계를 포함하는 점토벽돌의 제조방법이다.
상기 제 1 구현예에 따른 (S2)단계는 벽돌 성형체 단위 표면적 24.5 X 8 cm2 당 5 내지 30g 중량 비율로 톱밥을 살포하는 것일 수 있다.
상기 제 1 구현예에 따른 (S2)단계에서 톱밥의 살포는 점토분말 20~35중량%, 삼인산소다 10~30중량%, 후락스 10~30중량% 및 무기안료 10~30중량%, 물 20~40중량%을 포함하는 습식 몰탈을 도포한 후 수행되는 것일 수 있으며, 이때, 톱밥 살포와 동시 또는 살포 후에 Fe2O3(산화 철), MnO2(산화 마그네슘) 및 지르코늄 중 적어도 하나의 착색 안료를 벽돌 성형체 단위 표면적 24.5 × 8㎠ 당 1 내지 5g 중량 비율로 살포하는 단계를 더 수행할 수 있다.
또는, 상기 제 1 구현예에 따른 (S2)단계에서 톱밥의 살포는 조성물 총 중량기준 점토분말 20~35 중량%, 삼인산소다 10~35 중량%, 후락스 10~25 중량%, 유리분말 10~30 중량% 및 무기안료 10~35 중량%를 포함하는 분말 조성물을 상기 톱밥과 1:3 내지 4:1의 중량 비율('분말 조성물 : 톱밥'의 중량 비율)로 혼합한 후, 상기 혼합물에 물을 50:1 내지 10:1의 중량 비율('분말 조성물과 톱밥의 혼합물 : 물'의 중량 비율) 로 섞어 벽돌 성형체의 표면에 살포하는 방법으로 수행되는 것일 수 있다.
상시 제 1 구현예에 따른 소지토는 소지토 100 중량부에 대하여 석탄회 5~ 50 중량부 및 정수슬러지 10~20 중량부를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 제 2 구현예는 조성물 총 중량 기준, 고령토 50~75 중량%, 점토 10~30 중량%, 장석 10~20 중량% 및 톱밥 5~20 중량%를 포함하는 소지토로부터 제조되며, 톱밥이 살포된 상태로 표면에 고착 및 탄화되어 있는 것을 특징으로 하는 점토벽돌이며, 상기 제 2 구현예에 따른 점토벽돌은 제 1 구현예의 제조방법으로 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 점토벽돌은 다음과 같이 괄목할만한 기술적 효과가 존재한다.
첫째, 폐기물인 목재 톱밥을 점토벽돌의 조성물 원료 중 하나로 활용함으로써, 고사목 폐기물 내지 제재소 폐기물을 효과적으로 재활용 및 폐기할 수 있음은 물론, 유효자원 회수, 연료 및 원료절감 지하자원 보존 및 환경보호 등에 크게 기여할 수 있다. 특히, 알칼리성분을 포함한 톱밥을 활용함에 따라, 소결온도가 낮아 질 수 있고, 톱밥이 연소될 때 발생하는 열이 벽돌을 소성하는 소결 열원으로도 사용될 수 있으며, 연소된 후 생성된 톱밥의 재는 벽돌의 일부 원료로 자연 포함될 수 있기에 제조원가의 60%나 차지하는 연료 및 원료 비용을 40%까지 대폭 삭감할 수 있을 정도로 에너지 및 원료 자원의 절감을 실현할 수 있다.
둘째, 재활용 폐기물 및 원료 등에 혼입될 수 있는 중금속 등 인체에 유해한 물질들을 초고온 소성으로 완전 소결, 용융, 안정화시킴으로써, 완벽하게 폐기물을 처리할 수 있음은 물론, 점토벽돌의 사용 및 폐기 후에 용출될 가능성이 있는 2차 오염원까지 근본적으로 차단하여 환경친화적인 벽돌을 제공할 수 있다.
셋째, 표면에 처리된 톱밥은 소성과정에서 탄화되어 부정형의 크고 작은 요철 문양 및 독특한 질감과 색상을 구현함으로써 벽돌 외관에 있어 한 층더 고풍스러운 감성을 자아낼 수 있다. 즉, 인체 무해한 천연 재료를 활용하여 점토벽돌의 조성 및 표면에 활용함으로써, 친환경 자재의 제공은 물론 다양한 기능과 외관을 갖는 벽돌을 제공할 수 있다. 이렇듯, 심미적인 효과가 뛰어남에 따라 구조재겸 치장재 역할을 겸할 수 있어 건축, 조경 및 토목용 등의 자재로 다양하게 활용될 수 있고, 이에 따라 공사기간의 단축, 자재비, 시공비, 시공 후 유지관리비, 물류비 등의 저감을 실현할 수 있다.
넷째, 톱밥이 연소되면서 수많은 공극을 형성함에 따라 경량화가 가능하므로, 벽돌이 철이나 돌처럼 중량물이라는 기존의 통념을 일시에 불식시키며 물류비 절감 및 취급상의 편리함을 제공할 수 있음은 물론, 점토벽돌 업계와 건설업계의 오랜 숙원이었던 차음성, 단열성, 보온성 등 다양한 성능을 동시에 구현할 수 있어, 사회적 문제로 크게 대두되고 있는 층간소음 등의 각종 소음 피해 감소와 겨울에는 따뜻하고 여름에는 시원한 안락한 주거 공간을 제공하는데 기여할 수 있다.
다섯째, 벽돌의 표면에도 톱밥 단독 또는 톱밥과 금속산화물, 폐유리, 무기안료 또는 후락스 등의 혼합 재료를 이용하여 가공 처리가 이루어지므로, 단조로운 표면을 가졌던 기존의 벽돌과는 전혀 다른 질감, 색상, 고풍스러움, 자연스러운 감성을 연출할 수 있다.
여섯째, 소성중 발생하는 인체 유해한 일산화탄소의 가스량도 톱밥을 첨가하지 않는 경우에 비해 현저히 감소시킬 수 있으면서, 동시에 한국품질기준 KSL 4201이나 세계유명기준인 JIS, ASTM 기준 역시 월등히 능가할 수 있는 품질 구현이 가능하다.
본 발명의 점토 벽돌 및 이의 제조방법은 이에 그치지 않고 기존의 점토벽돌이 요구하는 물성 및 품질보다 월등히 높은 품질을 구현하고 친환경 자재를 수득할 수 있는 새로운 개념의 융복합 신기술로서 폐기물의 처리, 유용자원 재활용, 환경보호, 자원보존, 생산원가절감, 물류비 절감, 안락한 생활공간 제공, 냉·난방비 절감, 불연(난연), 인체 유해 물질 제거, 수출 증대, 수입대체 및 미각적 아름다움 극대화 등을 달성하여 국익에 크게 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 톱밥을 이용하여 표면 처리된 점토벽돌 표면<(a) 내지 (e)>를 나타낸 사진 및 이와 비교하여 습식 유약(시유) 처리된 점토벽돌 표면<(f)>를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 점토벽돌을 조적 시공한 벽면의 일부를 나타낸 사진이다.
본 발명은 조성물 총 중량 기준, 고령토 50~75 중량%, 점토 10~30 중량%, 장석 10~20 중량% 및 톱밥 5~20 중량%를 포함하는 소지토로부터 제조되며, 톱밥이 살포된 상태로 표면에 고착 및 탄화되어 있는 것을 특징으로 하는 점토벽돌 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 상기 점토벽돌 제조방법은 (S1)조성물 총 중량 기준, 고령토 50~75 중량%, 점토 10~30 중량%, 장석 10~20 중량% 및 톱밥 5~20 중량%를 포함하는 소지토를 준비한 후 벽돌 성형체로 압출하는 단계; (S2)상기 (S1)단계로부터 압출된 벽돌 성형체의 표면에 톱밥을 살포하여 표면 처리하는 단계; (S3)상기 (S2)단계로부터 표면 처리된 벽돌 성형체를 건조 및 소성하는 단계를 포함하는 것이다.
본 발명의 명세서 전반에 걸쳐 상기 및 이하의 기재에서, "점토벽돌"은 시멘트 벽돌과는 구분되는 것으로서, 점토를 주 원료로 소지토를 제조하고 이를 진공토련하여 압출 후 절단한 상태의 벽돌 성형체를 건조 및 소성과정을 거쳐 제품화된 것을 의미하며, 도자기질 점토벽돌과 점토바닥벽돌을 모두 포함하는 용어로서 사용된 것이다.
이하, 제조 과정을 중심으로 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
(S1) 단계: 소지토 준비 및 압출 단계
본 발명의 (S1)단계는 원료를 비율별로 혼합하고, 이물질을 제거하며 성형이 원활할 수 있도록 혼합된 원료를 분쇄·혼련하여 소지토로 제조하는 제토 공정을 포함한다. 본 발명에서 점토벽돌의 압축강도 및 흡수율을 고려한 소지토(素地土)의 조성으로는 조성물 총 중량 기준, 고령토 50~75 중량%, 점토 10~30 중량%, 장석 10~20 중량% 및 톱밥 5~20 중량%를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 소지토 100 중량부에 대하여 석탄회 5~50 중량부 및 정수슬러지 10~20 중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 점토벽돌에 있어서, 상기 원료 중 고령토는 카올리나이트와 할로이사이트를 주성분으로 하는 원료로서, 벽돌의 골격 및 뼈대를 유지시켜주고 소성시 점토벽돌의 백색도를 향상시키는 역할을 한다. 고령토의 함량이 50 중량% 미만일 경우 내화도가 낮아져 적재된 제품 하단부위에 휨이 발생할 수 있고, 75 중량% 초과하면 내화도가 높아져 흡수율이 높아지고 소성온도가 상승할 수 있다. 또한, 점토벽돌의 가공성을 고려하여 본 발명에 따른 고령토의 평균 입도는 80 매쉬(mesh) 통과율이 40% 이하일 수 있고, 바람직하게는 0.5 ~ 1mm일 수 있다.
그리고 상기 소지토의 조성 중 점토는 함수 알루미나 규산염 광물의 집합체로, 수분을 가하면 가소성 및 점력이 발현되는 성질을 가지고 있다. 또한, 건조시 굳어져 강성을 나타내고 고온으로 소성시 철분에 의해 붉은색 계열로 소결되는 특징을 부여한다. 점토는 그 함량이 10 중량% 미만이면 가소성이 감소하게 되어 성형능력이 저하될 수 있고, 30 중량% 초과이면 배토의 함수량 증가로 건조가 까다로워지고 소성시 수축율이 증가되어 치수편차가 크며 생산성이 저하될 수 있다. 또 이에 제한되는 것은 아니나, 점토벽돌의 가공성을 고려하여 본 발명에 따른 점토의 평균 입도는 80 매쉬 통과율이 75% 이상일 수 있다.
나가아, 상기 원료중 장석은 칼륨, 나트륨, 칼슘, 바륨 등을 함유한 알루미늄 규산염 광물로, 알칼리 성분을 비교적 많이 함유하고 있어 소성시 융제 역할을 하며, 소결을 촉진시키고 무광성을 부여할 수 있다. 장석의 함량이 10 중량% 미만이면 알칼리 원료 첨가에 의한 효과(물성향상 및 소성온도 저하)가 미약할 수 있고, 20 중량% 초과이면 배토의 내화도가 낮아져 열 하중에 대한 저항성이 떨어져 제품의 변형이나 붙음 현상이 발생할 수 있다.
더불어 소지토 조성에 포함되는 상기 톱밥은 셀룰로오스 50~60%; 헤미셀룰로오스 10~20%; 리그닌 20~30%; 및 잔부 회분, 조지방, 탄닌 및 색소를 포함하는 기타 성분으로 이루어진 것일 수 있으며, 목재공장에서 가공 중 발생된 분쇄기톱밥, 제재톱밥 등을 회수하여 혼합한 것일 수 있다. 톱밥의 입자크기는 반드시 제한되는 것은 아니나, 0.25mm ~ 3mm이 적합할 수 있다.
이와 같이 가연성 폐기물인 톱밥을 소지토에 포함할 경우, 벽돌 소성시, 톱밥의 연소로 인해 발생하는 열에너지를 회수하여 재활용할 수 있고, 톱밥의 재가 또 하나의 벽돌 성형체의 조성이 될 수도 있으며, 이에 따라 다른 조성들의 함량을 낮출수 있어 기존 원료들에 포함되는 중금속 등의 유해물질의 발생을 저감할 수 있게 된다. 특히 무엇보다도 소성 과정에서 톱밥이 연소되어 없어진 자리에 공극이 형성되므로 벽돌의 경량화를 달성할 수 있고, 차음, 단열, 보온 기능 등의 추가 기능을 부여할 수 있다. 단, 소지토에서의 톱밥 비율이 소지토 총 중량 비율 5 중량% 미만일 경우 상술한 효과가 미미하고, 20 중량% 초과할 경우, 소성과정에서 벽돌 몸체 내부에 지나친 공극이 형성되어 내구성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 소지토의 조성 중, 석탄회(Fly Ash, Bottom Ash)는 화력발전소에서 석탄을 미분쇄(200mesh 체 70~80%통과)하여 연소하고 난 후 남은 물질로서, 수분과 수화하여 포졸란 반응을 일으켜 건조강도를 증가시키고, 소성시 소결강도를 증가시키는 역할을 하여 벽돌의 압축강도, 흡수율 및 벽돌의 경량화에 많은 영향을 끼친다. 이에 추가적으로 포함되는 석탄회의 함량이 소지토 100 중량부 대비 5 중량부 미만이면, 석탄재 첨가에 의해 기대할 수 있는 건조강도나 소결강도 증가 효과가 미미할 수 있고, 50 중량부 초과이면 가소성이 저하되어 성형이 용이하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 소지토는 자원의 재활용 측면에서 정수슬러지를 더 포함할 수 있는데, 일반적으로는 소지토의 수분함량이 15 내지 20 중량%인 것이 벽돌 제조에 유리할 수 있으므로, 소지토에 수분 함량이 높은 정수슬러지를 추가할 경우, 정수슬러지의 함량에 따라 석탄회의 함량도 함께 증가시켜 소지토 전체 수분함량의 균형을 맞추는 것이 바람직하다. 다만, 정수슬러지와 석탄회의 함량을 증가시킬 경우, 고령토의 함량이 상대적으로 줄어들 수 있고, 고령토의 함량이 현저하게 줄어들게 되면 경우에는 소성강도가 저하되거나 점력(가소성)을 발휘하기가 어려워 외부 환경에 대한 저항성이 약해질 수 있으므로 정수슬러지의 함량은 소지토 100 중량부 대비 10~20 중량부를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다.
나아가 본 발명에서 상기 소지토는 소결 촉매로서 TiO2 및 MnO2 중 적어도 하나를 소지토 100 중량부 대비 1~5 중량부 더 포함할 수 있다. 상기 소결촉매는 점토벽돌의 조직을 치밀하게 만들어 주는 역할을 하므로 정수슬러지와 석탄회와 같은 산업폐기물을 다량 포함하더라도 점토벽돌이 갖는 요구 물성에 있어서 동등 이상의 결과를 얻을 수 있게 할 수 있다. 또한 조직이 치밀해짐에 따라 미세기공을 통해 오염물질이 침투하는 문제를 방지할 수 있도록 해줄 수 있다.
이외에도 상기 소지토에는 부원료로서 폐 CRT유리, 고상페기물 및 준설퇴적토 중 선택된 1종 이상을 총 중량에 대하여 더 혼합할 수 있다.
본 발명에서 상기 제토 공정에서는 소지토의 원료들을 정량공급기 등을 통해 일정 비율로 혼합한 후, 원료에 함께 포함되어 있는 돌덩이나 나무뿌리 등과 같은 이물질을 제거하는 석별 공정을 수행할 수 있으며, 이물질이 제거되면 혼련기를 통해 원료를 골고루 섞어 성형이 원활하게 이루어질 수 있도록 준비하는 것이 바람직하다. 또한, 롤러(Roller)나 분쇄기(Crusher)등을 이용하여 혼합된 원료를 분쇄함으로써 입자를 보다 고르게 할 수 있으며, 이와 같이 준비된 소지토를 저장 사일로(Silo)에서 숙성시키는 것이 바람직할 수 있다.
이때, 상기 분쇄와 숙성은 다음과 같이 수행될 수 있다. 먼저 혼합된 원료를 롤밀(roll mill)을 통하여 1차 및 2차 분쇄를 하고, 최종 하이 스피드밀(high speed mill)을 통하여 원료를 분쇄한다. 최종 분쇄된 입자 크기가 0.6mm 미만일 경우, 분쇄가 어렵고 골재 역할이 안되어 강도 및 소결에 영향을 미칠 수 있고, 입자 크기가 1 mm 초과할 경우엔 입자간 간격이 커져 소결 후 수축이 적어지거나 흡수율이 증가할 수 있으므로, 평균 입자크기가 0.6 내지 1 mm가 될 때까지 분쇄를 수행하는 것이 바람직할 수 있다.
다음으로 상기와 같이 분쇄된 원료를 15~18 중량%의 수분을 함유한 상태에서 30~70 RH(상대습도) 및 10~40℃의 온도 조건에서 숙성하는 것이 성형성 향상 측면에서 바람직하다. 이와 같은 숙성 공정은 원료내에 수분이 균일하게 확산 될 수 있게 하는 공정이며 미생물의 증식 등을 도와 소지토의 가소성을 좋게 하여 성형성을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 같은 공정으로 준비된 소지토는 금형이 장착된 진공압출기로 투입되어 적정 진공상태를 유지하며 성형 함수율이 16~18 중량%가 되도록 다시 한 번 더 혼합 및 혼련되는 것이 바람직하다. 그 다음, 진공 토련부와 연결된 진공 압출 성형기에 소지토를 일정량을 제공하면서 360 내지 370A(암페어)의 부하조건 및 720 ~ 760mmHg의 진공상태로 벽돌 성형체를 압출하는 것이 바람직하다.
(S2) 단계: 표면 처리 단계
이어서, 상기 (S1)단계를 통해 압출되어 나오는 벽돌 성형체의 표면에 톱밥을 살포하여 표면 처리하는 단계 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 표면처리에 사용되는 톱밥은 소지토 조성에 포함되는 성분과 동일한 것일 수 있다. 본 발명에서 표면처리 시 톱밥은 벽돌 성형체 단위 표면적 24.5 X 8 cm2 당 5 내지 30g 중량 비율로 살포되는 것이 바람직하다. 상기 단위 표면적당 살포량이 5g에 미치지 못할 경우, 톱밥의 탄화로 인한 자연스러운 표면 질감이나 색상에 의한 효과가 미미하고, 30g을 초과할 경우 톱밥이 이탈되거나 탄화된 부분이 많아져 표면색상이 탁해지거나 지나치게 거칠어 질 수 있다.
이때, 상기 톱밥 살포는 수평 진동 공급기를 이용하여 표면에 전체적 또는 간헐적으로 톱밥을 1차 살포한 후, mesh 3×3 ~ 6×6mm의 진동체를 이용하여 2차 살포할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 살포할 경우, 보다 간헐적 및 입체적으로 살포가 가능하며, 살포된 흔적이 특정 무늬로 남아 있어 고풍스러운 질감을 자연스럽게 유도할 수 있다.
일반적으로 건축자재 또는 바닥재로 사용하고 있는 점토벽돌은 적색 및 흑, 회색 계열로 색상이 단조롭고 다양한 무늬를 나타내지 못하여 식상하기 쉽고, 심미적으로 다양한 효과를 부여하기 곤란하였다. 이에, 다양한 색상의 연출을 위해 점토벽돌의 표면에 유약을 도포하는 경우도 있으나, 질감의 다양성까지 연출하기는 어려웠고, 오히려 화학약품의 사용으로 유해성분이 포함되거나, 최종 제품이 인위적으로 보여 점토벽돌이 갖는 고유의 질감을 상실하게 하는 문제가 있었다.
그러나, 본 발명에서 적용하고자 하는 톱밥은 천연 재료여서 인체에 무해함은 물론, 탄소함량이 68~70%에 해당하므로, 벽돌의 표면에 산포된 채로 소성 공정에 들어가면, 톱밥의 탄화로 인해 부정형의 크고 작은 요철이 발생하고, 이에 따라 독특한 질감과 벽돌 원료만으로는 구현하기 어려운 고풍스러운 질감이 자연스럽에 연출될 수 있어, 기존의 점토벽돌과는 또 다른 감성을 자아낼 수 있게 되는 것이다.
이때, 본 발명에서 톱밥의 살포는 크게 2가지의 방법으로 수행될 수 있으며, 톱밥을 살포한 후에는 롤러로 표면을 압착시켜 주는 것이 바람직하다.
톱밥 살포시 적용할 수 있는 방법 중 첫 번째 방법은 점토분말 20~35 중량%, 삼인산소다 10~30 중량%, 후락스 10~30 중량%, 무기안료 10~30 중량% 및 물 20~40 중량%을 포함하는 겔(Gel)상의 습식 몰탈을 도포한 후 톱밥을 살포하는 것이다. 습식 몰탈을 처리한 후 톱밥을 살포할 경우, 톱밥이 벽돌 성형체에 보다 잘 고착될 수 있어 톱밥에 의한 표면 요철 및 탄화 효과가 보다 잘 나타날 수 있으며, 습식 몰탈에 적용하는 무기안료에 따라, 최종 벽돌 제품은 도 1의 (a) 내지 (e)와 같이 회색, 적색, 황토색, 흰색 등의 다양한 색상을 구현할 수도 있다. 다만, 습식 몰탈에서 물이 차지하는 비율이 지나치게 높을 경우 몰탈의 점도가 낮아 벽돌 성형체에 쉽게 흡수되고 그 결과 건조 과정에서 균열이 발생할 수 있고, 점도가 높을 경우 점착력이 저하되어 건조 후 톱밥이 쉽게 박리되어 떨어져나갈 수 있으므로 유의하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상기와 같이 습식 몰탈을 도포하고 톱밥을 살포한 후에, Fe2O3, MnO2 및 지르코늄 중 적어도 하나의 착색 안료를 벽돌 성형체의 단위 표면적 24.5 × 8㎠ 당 1 내지 5g 중량비율로 추가 살포할 수 있다. 착색안료로서 Fe2O3, MnO2 지르코늄은 요철된 표면에 붉은색이나 검정색 또는 흰색 등의 색감을 추가적으로 부여하는 역할을 하며, 습식 몰탈만으로는 구현하기 어려운 다중 색감을 구현해 낼 수 있다.
특히, Fe2O3이나 MnO2는 도 1의 (c) 또는 (d)와 같이 벽돌 표면에 적색이나 검정색 계열의 색을 2중으로 덧칠한 듯한 색감을 구현하기에 유리하고, 지르코늄은 도 1의 (a), (b) 및 (e)와 같이 하얗게 빛바랜 색감을 구현하기에 유리할 수 있다. 이와 같은 착색안료는 바탕이되는 습식 몰탈의 색에 따라서(도 1의 (a)와 (b)의 차이) 또는 살포 중량에 따라서(도 1의 (b)와 (e)차이) 같은 안료를 사용하더라도 다양한 색감이 구현될 수 있다. 상기 착색 안료의 살포량은 24.5 × 8㎠ 당 1g에 미치지 못할 경우 색상 발현 효과가 미미하고, 5g을 초과할 경우 자연스러운 색감 구현이 어렵고 벽돌의 표면으로부터 쉽게 박리될 수 있다.
한편, 톱밥 살포시 적용할 수 있는 두 번째 방법은 조성물 총 중량기준 점토분말 20~35 중량%, 삼인산소다 10~35 중량%, 후락스 10~25 중량%, 유리분말 10~30 중량% 및 무기안료 10~35 중량%를 포함하는 분말 조성물을 톱밥과 1:3 내지 4:1의 중량 비율('분말 조성물:톱밥'의 중량 비율)로 혼합한 후 상기 혼합물에 물을 50:1 내지 10:1의 중량 비율('분말 조성물과 톱밥의 혼합물:물'의 중량 비율)로 골고루 섞어 벽돌 성형체의 표면에 살포하는 것이다. 상기 분말 조성물은 겔(gel)상태의 습식 몰탈과 비교하여 각각의 분말 고유의 색상을 유지하므로 톱밥과 함께 살포할 경우, 좀 더 다채로운 색상과 질감을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 톱밥과 분말 조성물을 혼합한 혼합물 자체로는 접착력이 약하므로 물을 적정비율 혼합하는 것이 바람직하며, 살포 이후에도 롤러로 압착하여 톱밥과 분말 조성물이 성형체 표면에 잘 부착될 수 있도록 하는 것이 좋다. 이때, 분말 조성물이 점토 분말과 삼인산 소다를 포함함에 따라 수분을 첨가함으로써 어느 정도 점착력이 부여될 수 있고, 비교적 낮은 온도에서 융제역할을 하는 삼인산소다나 후락스에 의해 소성시 탄화된 톱밥과 소지의 결정화가 촉진될 수 있다.
다만, 상기 점토 분말과 삼인산 소다의 함량이 분말 조성물에서 차지하는 비율이 낮으면 점착력에 한계가 발생하고, 그 함량이 지나치게 높을 경우 건조가 늦어지거나 표면 박리 현상이 발생할 수 있으므로 함량은 상기 범위를 만족하도록 하는 것이 유리하다. 또한, 분말 조성물과 톱밥의 혼합비율이 1:3에 미치지 못할 만큼 분말 조성물이 소량 혼합되면 우수한 색상 구현이 곤란하며, 혼합비율이 4:1을 넘어서 분말 조성물이 과량 혼합되면, 소성 후 분말들이 박리될 수 있다.
나아가, 본 발명의 표면처리에 해당하는 상기 (S2)단계는 벽돌 성형체 측면 모서리를 무늬 롤러(roller)로 처리하거나, 톱밥으로 표면 처리된 성형체 상단을 음양각 질감이 나도록 무늬 롤러로 처리하는 단계를 추가적으로 수행할 수 있으며, 일 예로 벽돌 성형체 측면 모서리를 무늬 롤러로 처리하는 단계; 벽돌 성형체 표면에 톱밥을 살포하고 롤러로 압착하는 단계; 톱밥이 살포된 상단 표면을 1차 민자 롤라로 표면 처리하는 단계; 1차 민자 롤러로 표면 처리된 성형체 상단을 음양각 질감이 나도록 무늬 롤러로 표면 처리하는 단계; 음양각 질감이 나는 성형체 상단을 2차 민자 롤러로 표면 처리하는 단계; 착색 안료를 살포면 위에 간헐적으로 살포하여 표면처리하는 단계의 과정으로 수행될 수 있다.
(S3) 단계: 절단·건조·소성 단계
마지막 단계로서, 상기 (S2)단계를 통해 표면 처리된 벽돌 성형체는 소정의 길이로 절단되어, 잔존 수분이 2% 이하가 되도록 25 내지 35℃에서 단계적으로 승온하여 100 내지 120℃의 온도에서 45 내지 55시간 동안 건조시킬 수 있다. 건조 온도가 상기 범위에 미치지 못할 경우, 성형체 내의 수분이 충분히 빠져나가지 못하므로 벽돌의 강도가 저하될 수 있으며, 건조 시간은 지나치게 길어도 에너지 소비와 생산성 저하의 문제가 발생할 수 있다. 특히, 온도가 갑자기 높아지면 급열 충격으로 균열이 발생하므로, 온도를 단계적으로 승온하면서 건조를 수행하는 것이 무엇보다 중요하다. 이때, 건조에 필요한 열은 에너지 절감차원에서 가마 출구의 폐열을 회수하여 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
이후, 본 발명에서 상기 건조된 성형체는 소성로로 이송하여 상온부터 서서히 승온하여 1150 내지 1180℃의 온도에서 24 내지 35시간 동안 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. 소성시 온도가 1150℃미만 이거나 소성 시간이 24시간 미만일 경우, 소지토는 물론 표면에 처리된 습식 몰탈이나 분말조성물이 완전 소결되지 못하여 강도저하 및 흡수율 상승 등의 문제가 야기될 수도 있고, 온도가 1180℃를 초과하거나 소성 시간이 35시간을 넘어설 경우, 소결의 임계점을 넘어 성형체의 형상이 변형되거나 에너지비용 상승 및 생산성 저하의 문제가 야기될 수 있다.
이와 같이 소성처리되어 최종적으로 제조된 벽돌은 표면에 산포되었던 톱밥이 소성과정에서 탄화를 일으킨 결과 도 1의 (a) 내지 (e) 및 도 2에서 볼 수 있듯이 인위적인 느낌이 아니라 자연스러운 질감과 색감을 나타내면서 한층 더 고풍스러운 감성을 자아내게 되는 것이다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 습식 몰탈 처리 후 톱밥 살포
조성물 총 중량 기준, 고령토 62 중량%, 점토 18 중량%, 장석 10 중량% 및 톱밥 10 중량%를 혼합 및 분쇄한 후 3일 숙성시킨 원료를 진공 토련기에서 압출 성형하였다. 상기 압출 성형된 벽돌 성형체를 이송시키는 컨베이어벨트 상에서 벽돌 성형체의 상면에 습식 몰탈(점토분말 30 중량%, 삼인산소다 20 중량%, 후락스 10 중량% 및 무기안료 15 중량%, 물 25 중량%)을 도포한 뒤, 천연 목재 톱밥을 수평 특수진동체를 이용하여 벽돌 성형체의 단위 표면적 24.5 × 8㎠ 당 20g의 중량비율로 살포하였다. 이후 벽돌크기로 절단하여 건조실에서 30~110℃ 온도로 50시간 건조하고 102m 턴넬식 가마에서 1160℃까지 승온시키면서 26시간 소성과정을 거쳐 표면처리된 점토벽돌을 제조하였다.
실시예 2. 분말 조성물과 혼합하여 톱밥 살포
점토분말(입도 200메쉬 이하, 0.074mm 이하) 30 중량%, 삼인산소다(입도 100메쉬 이하, 0.149mm 이하) 21 중량%, 후락스(입도 100메쉬 이하, 0.149mm 이하) 18 중량%, 유리분말(입도 100메쉬 이하, 0.149mm 이하) 20 중량% 및 무기안료로서 지르코늄 21 중량%를 포함하는 분말 조성물을 톱밥과 1:2의 중량비율로 혼합하고, 상기 혼합물에 물을 20:1의 중량비율로 첨가하여 골고루 혼합한 후, 수평 특수진동체를 이용하여 압출 성형된 벽돌 성형체에(상기 실시예 1과 소지 조성 동일) 표면에 살포하였다. 또한, 미립의 분말과 톱밥이 벽돌 표면에 서로 잘 부착될 수 있도록 롤러로 압착해주었으며, 이후 벽돌크기로 절단하여 건조실에서 30~110℃ 온도로 50시간 건조하고 102m 턴넬식 가마에서 1160℃까지 승온시키면서 26시간 소성과정을 거쳐 표면처리된 점토벽돌을 제조하였다.
실시예 3. 톱밥과 착색안료를 혼합하여 살포
착색안료로서 Fe2O3를 톱밥이 살포한 벽돌 성형체 표면위에 단위 표면적 24.5 × 8㎠ 당 1.5g 중량비율로 추가 살포한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 표면처리된 점토벽돌을 제조하였다.
비교예 1.
적점토 60 중량% 및 적마사 40 중량% 혼합 및 분쇄한 후 3일 숙성시킨 원료를 진공 토련기에서 압출 성형하였다. 이후, 실시예 2와 동일한 방법으로 벽돌 성형체 일면에 분말 조성물과 혼합된 톱밥을 물과 함께 섞어 살포한 후, 건조하고 적마사를 포함하는 소지토 조건을 고려하여 실시예 보다 낮은 온도인 1120℃에서 소성하여 점토벽돌을 제조하였다.
비교예 2.
실시예 1의 방법에서 몰탈 대신, 점토와 장석을 7:3의 중량비로 혼합한 혼합물을 24시간 볼밀을 통해 물과 1:1 비율로 섞어 습식유약(시유)을 제조하고, 이를 압출된 점토벽돌 표면에 스프레이 건으로 분사한 후, 톱밥을 살포하였으나, 습식유약(시유)이 벽돌 성형체의 표면을 타고 흘러내릴 만큼 점도가 낮아 톱밥이 벽돌 표면에 결착되지 못하고 톱밥이 표면으로부터 이탈되어 결과적으로 소성 이후 최종 제품의 외관 품질이 양호하지 못하였다.
< 측정예 >
이어서, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2의 물성을 다음과 같이 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 반영하였다(KS 기준은 KS L 4201:2012에 따름).
1) 압축강도측정: 시료는 미리 (110±5)℃의 공기 중탕에서 건조하고, 24시간 후에 꺼내어 실온까지 방냉한다. 벽돌의 190mm X 90mm의 면을 가압면으로 하고, 미리 시료마다 개구부를 포함하는 가압 면적 A(㎟)를 구한다. 가압면에는 필요에 따라 종이 조각 등을 끼워 균일하게 가압한다. 가압 속도는 매초 (0.49~0.98)N/㎟로 하여, 시료가 파괴되었을 때의 최대 하중 W(N)을 측정한다. 압축 강도는 다음 식 1에 따라 계산하고 KS A 3251-1에 따라 시료 5개 계산값의 평균값을 반영하며, 소수점 자리는 버림한다(C: 압축 강도 (N/㎟), A: 유공부를 포함하는 가압 면적 (mm2), W: 최대 하중 (N)).
식 1)
Figure 112016080536126-pat00001
2) 흡수율 측정: a) 시료를(110±5)℃의 공기 중탕속에서 24시간 건조하여 실온까지 식힌 후 중량을 측정하여 이것을 건조 중량 m1(g)로 한다. b)상기 시료를 즉시 (20±5)℃의 물속에 24시간 담가 둔다. 이때, 시료 상부와 수면 사이의 거리는 50~60mm로 한다. c)24시간 후, 물속에서 꺼내어 재빨리 젖은 헝겊으로 표면의 수분을 닦고, 즉시 중량을 측정하여 수분을 포함한 중량 m2(g)로 한다. 벽돌의 흡수율은 다음 식 2에 따라 계산하고 시료 5개 계산값의 평균값을 반영하며, 소수점 자리는 버림한다(a: 흡수율 (%), m1: 건조중량 (g), m2: 수분을 포함한 중량 (g)).
식 2)
Figure 112016080536126-pat00002
물성
구분
KS 기준 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
압축강도
(N/㎟)
24.50 이상 34.45 36.27 35.51 28.43 32.72
흡수율
(%)
10 이하 7.9 7.3 7.5 9.0 8.1
표면 상태1 ) - 양호 양호 양호 불량 불량
1) 표면 상태 평가는 육안으로 확인한 후, 소비자 선호도와 표면처리 상태를 반영하여 양호, 보통, 불량으로 나누어 평가하였음.
상기 결과를 통해 알 수 있듯이, 본 발명과 같이 톱밥을 이용하여 소지토를 구성하고 표면 가공 처리를 할 경우 바닥벽돌이나 건축자재로서 충분한 강도와 흡수율을 나타내는데 지장이 없을 뿐만 아니라, 오히려 표면에 유리질이 형성되어 표면 흡수율이 낮아지고 강도가 향상되는 효과가 나타났다. 또한, 톱밥을 소지토의 조성으로 포함하지 않은 비교예 1과 대조하여 중량 감소는 물론 자재비 절감 등의 효과를 얻을 수 있었고, 자체 측정한 차음성과 단열성 평가에서도 우수한 결과를 나타내었다. 이와 더불어 도 1의 (a) 내지 (e)와 같이 표면에 특이하고 고풍스러운 질감과 색상이 자연스럽게 구현되어, 조적 시공 후(도 2 참조) 기존 점토벽돌과는 차별화된 감성을 자아낼 수 있으며, 이에 따라 소비자들의 선호도 또한 높은 것으로 나타났다.
반면, 소지토의 조성이 적점토와 적마사로 이루어진 비교예 1은 실시예 2보다 낮은 온도에서 소성이 이루어진 결과 표면에 살포된 분말이 충분히 소결되지 못하여, 결과적으로 다채로운 색 또는 질감 구현에 한계가 있었다. 또, 비교예 2 역시 습식 유약(시유)에 의한 점착력이 부족하여 톱밥이 이탈되는 등 도 1의 (f)와 같이 소성후 최종 제품의 외관이 상대적으로 단조로워 선호도가 떨어지는 것으로 나타났다.

Claims (8)

  1. (S1) 조성물 총 중량 기준, 고령토 50~75 중량%, 점토 10~30 중량%, 장석 10~20 중량% 및 톱밥 5~20 중량%를 포함하는 소지토를 준비한 후 벽돌 성형체로 압출하는 단계;
    (S2) 상기 (S1)단계로부터 압출된 벽돌 성형체의 표면에 톱밥을 살포하여 표면처리하는 단계; 및
    (S3) 상기 (S2)단계로부터 표면처리된 벽돌 성형체를 건조 및 소성하는 단계를 포함하며,
    상기 (S2)단계는 톱밥 살포와 동시 또는 살포 후에, Fe2O3, MnO2 및 지르코늄 중 적어도 하나의 착색 안료를 벽돌 성형체 단위 표면적 24.5 × 8㎠ 당 1 내지 5g 중량비율로 살포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 점토벽돌의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (S2)단계에서 톱밥의 살포는 벽돌 성형체 단위 표면적 24.5 X 8 cm2 당 5 내지 30g 중량 비율로 톱밥을 살포하는 것임을 특징으로 하는 점토벽돌의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 (S2)단계에서 톱밥의 살포는 점토분말 20~35 중량%, 삼인산소다 10~30 중량%, 후락스 10~30 중량% 및 무기안료 10~30 중량%, 물 20~40 중량%을 포함하는 습식 몰탈을 도포한 후 수행되는 것임을 특징으로 하는 점토벽돌의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 (S2)단계에서 톱밥의 살포는 조성물 총 중량기준 점토분말 20~35 중량%, 삼인산소다 10~35 중량%, 후락스 10~25 중량%, 유리분말 10~30 중량% 및 무기안료 10~35 중량%를 포함하는 분말 조성물을 상기 톱밥과 1:3 내지 4:1의 중량 비율('분말 조성물 : 톱밥'의 중량 비율)로 혼합한 후, 상기 혼합물에 물을 50:1 내지 10:1의 중량 비율('분말 조성물과 톱밥의 혼합물 : 물'의 중량 비율)로 섞어 벽돌 성형체의 표면에 살포하는 방법으로 수행되는 것임을 특징으로 하는 점토벽돌의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 소지토는 소지토 100 중량부에 대하여 석탄회 5~40 중량부 및 정수슬러지 10~20 중량부를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 점토벽돌의 제조방법.
  7. 조성물 총 중량 기준, 고령토 50~75 중량%, 점토 10~30 중량%, 장석 10~20 중량% 및 톱밥 5~20 중량%를 포함하는 소지토로부터 제조되며, 톱밥이 살포된 상태로 표면에 고착 및 탄화되어 있고,
    Fe2O3, MnO2 및 지르코늄 중 적어도 하나의 착색 안료가 벽돌 성형체 단위 표면적 24.5 × 8㎠ 당 1 내지 5g 중량비율로 탄화된 톱밥과 함께 표면에 고착되어 있는 것을 특징으로 하는 점토벽돌.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 점토벽돌은 상기 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 것임을 특징으로 하는 점토벽돌.
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