KR101753334B1 - 고로슬래그를 활용한 비소성 시멘트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고로슬래그를 활용한 비소성 시멘트 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산업부산물로 대량 발생하고 있는 고로슬래그에 산화칼슘, 미분쇄 이수석고, 무수석고, 황산칼륨이 특정 중량비로 구성된 것으로, 화석연료 에너지와 천연 광물자원을 사용하여 고온에서 소성시켜 제조하는 일반 시멘트와 달리 단순한 혼합과정을 거쳐 생산할 수 있으므로, 화석연료 에너지 사용량 감소에 따른 이산화탄소 배출량 저감과, 자원과 에너지를 절약하며, 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있는 고로슬래그를 활용한 비소성 시멘트 조성물에 대한 기술이다.
본 발명은 고로슬래그 70 내지 90중량부, 미분쇄 이수석고 0.3 내지 1.5중량부, 무수석고 3 내지 15중량부, 산화칼슘 3 내지 15중량부, 황산칼륨 3 내지 10중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 미분쇄 이수석고는 입자가 3㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

고로슬래그를 활용한 비소성 시멘트 조성물{A COMPOSITION OF NON-SINTERING CEMENT USING BLAST FURNACE SLAG}

본 발명은 고로슬래그를 활용한 비소성 시멘트 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산업부산물로 대량 발생하고 있는 고로슬래그에 산화칼슘, 미분쇄 이수석고, 무수석고, 황산칼륨이 특정 중량비로 구성된 것으로, 화석연료 에너지와 천연 광물자원을 사용하여 고온에서 소성시켜 제조하는 일반 시멘트와 달리 단순한 혼합과정을 거쳐 생산할 수 있으므로, 화석연료 에너지 사용량 감소에 따른 이산화탄소 배출량 저감과, 자원과 에너지를 절약하며, 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있는 고로슬래그를 활용한 비소성 시멘트 조성물에 대한 기술이다.

시멘트는 산업의 근대화 과정에서 가장 중요하고 널리 사용되어 온 건설용 구조재료로써, 건축물, 항만, 교량, 터널 등에 기본이 되는 재료이다.

특히, 20세기에 들어 산업구조의 고도화에 따른 건설기술의 진보로 보통 포틀랜드 시멘트는 생산량이 크게 증가하여 현대 15억톤/년 정도로 생산되고 있으며, 이용기술도 획기적으로 발전하고 있다.

최근 시멘트는 자연 및 지구환경에 대한 부정적인 재료로 인식되는 경향이 높아지고 있다.

특히, 시멘트는 석회석 등을 사용할 뿐만 아니라 클링커 제조시 약 1500℃의 고온상태에서 제조됨으로 이 과정에서 시멘트 1톤을 생산하는데 0.7~1톤의 이산화탄소가스를 배출하여 세계 온실가스 배출량의 7~8%를 차지할 정도로 심각한 실정이다.

우리나라에서 시멘트 생산량은 연간 약 6,300만톤으로 약 5,670만톤의 이산화탄소를 배출하고 있는 실정이다. 따라서 기존 시멘트 산업은 대량의 에너지를 소비가 환경오염의 발생원과 지구온난화 주된 요인으로 작용하고 있다.

최근에는 자원 및 에너지를 절약하고, 이산화탄소의 배출이 없는 비소성 시멘트를 개발하기 위해 제철공장에서 산업부산물로 대량 발생되는 고로슬래그를 사용한 비소성 시멘트에 관한 기술이 개발되고 있다.

고로슬래그는 화확성분이 시멘트 성분과 유사하지만 수화반응이 매우 느린 잠재수경성 화합물이기 때문에 수화반응 속도를 향상시키기 위해서는 다양한 알칼리 자극제를 첨가하여 사용하고 있다.

현재 특허등록 되고 공개되는 기술로는 고로슬래그에 수산화나트륨 용액, 석고, 나노슬래그, 석회 등을 자극제로 사용한 비소성 시멘트가 사용되고 있지만, 시멘트 공급시 수산화나트륨 용액을 함께 공급하는 번거로움이 발생하며, 주재료인 슬래그를 나노사이즈로 분쇄하기 어렵고, 알칼리 자극제로 사용된 나트륨 성분이 백화의 원인으로 작용하기 때문에 미관을 불량하게 함으로 현재 시판되고 있는 보통 포틀랜드 시멘트를 대체하기에는 부족한 실정이다.

대한민국 공개특허 10-2001-0079396 대한민국 공개특허 10-2011-0067341 대한민국 공개특허 10-2013-0022843 대한민국 공개특허 10-2012-0078273 대한민국 등록특허 10-0431797

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 상온에서 산업부산물로 대량 발생하고 있는 고로슬래그에 산화칼슘, 미분쇄 이수석고, 무수석고, 황산칼륨이 특정 중량비로 구성된 것으로, 많은 화석연료 에너지와 천연 광물자원을 사용하여 고온에서 소성시켜 제조하는 일반 시멘트와 달리 단순한 혼합과정을 거쳐서 생산할 수 있도록 함으로, 화석연료 에너지 사용량 감소에 따른 이산화탄소 배출량을 저감시킬 수 있도록 하는데 목적이 있다.

또한, 자원과 에너지를 절약할 수 있으며, 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있는 고로슬래그를 활용한 시멘트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고로슬래그 70 내지 90중량부, 미분쇄 이수석고 0.3 내지 1.5중량부, 무수석고 3 내지 15중량부, 산화칼슘 3 내지 15중량부, 황산칼륨 3 내지 10중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 미분쇄 이수석고는 입자가 3㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상온에서 단순 혼합하여 초기 및 장기재령에서 보통 포틀랜드 시멘트와 동등 이상의 압축강도를 효과를 제공한다.

또한, 내화학성이 우수하고, 황산염이나 해수작용에 대한 저항성이 우수하여 해양구조물 및 해양건축물, 도시의 생활 오폐수를 취급하는 하수구조물, 폐기물의 고화재 등에 적합한 효과를 제공한다.

또한, 초기 압축강도가 높아 기존 시판되는 보통 포틀랜드 시멘트의 대체사용이 가능한 효과를 제공한다.

또한, 소성과정이 없어 제조비용 및 초기 설비비용이 낮아 경제적인 효과를 제공한다.

또한, 알칼리 자극제사용시 나트륨계 염에 의한 백화현상이 발생되지 않는 효과를 제공한다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 비소성 시멘트는 고로슬래그 70 내지 90중량부, 미분쇄 이수석고 0.3 내지 1.5중량부, 무수석고 3 내지 15중량부, 산화칼슘 3 내지 15중량부, 황산칼륨 3 내지 10중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 급냉으로 생성되는 고로슬래그는 잠재수경성을 나타내며, 알칼리 분위기 혹은

이온이 충분히 존재하는 분위기에서 고로슬래그의

성분의 용출이 빠르게 진행되어 수경성이 빠르게 발휘된다.

특히, 산화칼슘은 수분과 급격하게 반응하여

로 수화되면서

이온을 공급해줌으로 알칼리 상태로 만들어 준다.

또한, 미분쇄 이수석고는 공통이온효과로 무수석고의 반응성을 향상시켜 고로슬래그와 반응하여 에트링가이트(

)가 생성되어 초기 재령의 압축강도가 발형되게 된다.

특히,

이온이 완전히 소비되면 지속적인 화학반응을 통해 모노설페이트(

)로 전이하면서 수축이 발생되는 문제점이 있다. 따라서

이온이 충분하게 존재하도록 해줄 필요가 있다.

산화칼슘은 고로슬래그에 존재하는

고용광물의 수화반응이 진행하여 칼슘실리케이트 수화물(Calcium Silicate Hydrate)계 겔상의 수화물이 생성되는데,

이온을 공급해주는 역할을 함으로써 이 반응을 촉진시켜주는 역할을 하며, 칼슘실리케이트 수화물계 겔상의 내부로 침투가 용이하기 때문에

고용광물의 수화반응을 초기에 촉진시켜 초기강도 발현에 용이하다.

황산칼륨은

이온이 충분히 존재하는 분위기를 공급해줌으로 고로슬래그의

성분의 용출이 일어나도록 함으로써 산화칼슘으로부터 생성된

와 반응하여 시멘트 주수화 생성물인 칼슘실리케이스 수화물(Calcium Silicate Hydrate)계 겔상의 수화물을 형성한다.

아래에서는 본 발명 비소성 시멘트에 포함되는 각 조성물에 대한 사용량을 상세히 설명한다.

상기 고로슬래그는 본 발명 비소성 시멘트의 조성물 중 사용량이 70중량부 내지 90중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 고로슬래그는 70중량부 이하일 경우, 주 결합재의 양이 작아 최종 강도가 낮아지는 문제점이 발생한다.

또한, 고로슬래그의 사용량이 90중량부 이상일 경우 상대적으로 고로슬래그의 수화활성을 자극하는 자극제의 사용량이 제한되기 때문에 초기에 강도발형이 지연되는 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명에서 첨가되는 고로슬래그의 사용량은 75중량부 내지 85중량부가 비소성 시멘트의 조성물로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 미분쇄 이수석고는 본 발명 비소성 시멘트의 조성물 중 사용량이 0.3 중량부 내지 1.5중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 미분쇄 이수석고는 사용량을 0.3중량부 이하일 경우, 무수석고의 반응성을 향상시키는 효과가 미비하고, 1.5중량부 이상일 경우 고로슬래그의 수화반응을 지연시키는 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명에서 첨가되는 미분쇄 이수석고의 사용량은 0.5중량부 내지 1.0중량부가 비소성 시멘트의 조성물로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 무수석고는 본 발명 비소성 시멘트의 조성물 중 3중량부 내지 15중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 무수석고는 본 발명 비소성 시멘트에 포함되는 양이 3중량부 이하일 경우, 에티링가이트 생성양이 적어 초기 강도 발현이 낮으며, 본 발명 비소성 시멘트에 포함되는 양이 15중량부 이상일 경우, 에트링가이트 생성양이 너무 높아져 팽창되어 균열이 발생되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에서 첨가되는 무수석고의 사용량은 5중량부 내지 10중량부가 비소성 시멘트의 조성물로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 산화칼슘은 본 발명 비소성 시멘트의 조성물 중 3중량부 내지 15중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 산화칼슘은 본 발명 비소성 시멘트에 포함되는 양이 3중량부 이하일 경우, 알칼리 이온이 조기에 소진되어 비소성 시멘트 사용시 전반적으로 강도가 낮아지는 문제점이 발생하며, 본 발명 비소성 시멘트에 포함되는 산화칼슘의 양이 15중량부 이상일 경우, 수화반응이 격렬하게 발생하여 발열이 진행되면서 팽창하는 문제점이 발생하게 된다.

따라서, 본 발명에서 첨가되는 산화칼슘의 사용량은 5중량부 내지 10중량부가 비소성 시멘트의 조성물로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 황산칼륨은 황산이온(

)을 공급해줌으로 고로슬래그로부터 이산화규소(

) 성분의 용출을 촉진시키게 되고, 산화칼슘으로부터 생성된 수산화칼슘(

)과 반응하여 규산칼슘수화물을 생성하여 강도를 향상시켜주게 되는 것을 특징으로 한다.

상기 황산칼륨은 본 발명 비소성 시멘트의 조성물 중 3중량부 내지 10중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 황산칼륨은 본 발명 비소성 시멘트에 포함되는 양이 3중량부 이하일 경우, 고로슬래그로부터 이산화규소(SiO2) 성분의 용출을 촉진시키지 못하게되는 문제점이 발생하며, 황산칼륨의 사용량이 15중량부 이상일 경우에도 이산화규소 성분의 용출을 촉진시키는 효과는 증가하지 않는 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명에서 첨가되는 황산칼륨의 사용량은 5중량부 내지 10중량부가 비소성 시멘트의 조성물로 포함되는 것이 바람직하다.

아래에서는 상기의 본 발명 비소성 시멘트에 사용되는 각 조성물에 대한 실시예를 표를 참조하여 상세히 설명한다.

성 분	고로슬래그	무수석고	미분쇄 이수석고	산화칼슘	황산칼륨	합 계
실시예 1	75.00	10.00	0.50	9.50	5.00	100.00
실시예 2	80.00	10.00	0.50	4.50	5.00	100.00
실시예 3	85.00	5.00	0.50	4.50	5.00	100.00
참조예 1	75.00	15.00	0.00	5.00	5.00	100.00
참조예 2	75.00	10.00	0.00	10.00	5.00	100.00

표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1, 2, 3은 고로슬래그, 미분쇄 이수석고, 무수석고, 산화칼슘, 황산칼륨의 조성물 배합비를 사용하여 본 발명 비소성 시멘트를 제조한 것을 나타내고 있다.

참조예 1, 2에서는 미분쇄 이수석고를 첨가하지 않고, 산화칼슘의 함량만 달리하여 제조한 비소성 시멘트를 나타내고 있다.

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1, 2, 3은 제조중량부를 100중량부를 기준으로 고로슬래그와, 무수석고, 미분쇄 이수석고, 산화칼슘, 황산칼륨을 표 1에서 보는 바와 같이 첨가하여 제조한 것으로, 각 재료에 대한 함량은,

실시예 1은 고로슬래그 75중량부, 무수석고 10중량부, 미분쇄 이수석고 0.5중량부, 산화칼슘 9.5중량부, 황산칼륨 5중량부의 배합비로 조성물로 비소성 시멘트를 제조한다.

실시예 2는 고로슬래그 80중량부, 무수석고 10중량부, 미분쇄 이수석고 0.5중량부, 산화칼슘 4.5중량부, 황산칼륨 5중량부의 배합비로 조성물로 비소성 시멘트를 제조한다.

실시예 3은 고로슬래그 85중량부, 무수석고 5중량부, 미분쇄 이수석고 5중량부, 산화칼슘 4.5중량부, 황산칼륨 5중량부의 배합비로 조성물로 비소성 시멘트를 제조한다.

상기 표 1에서 참조예 1, 2는 미분쇄 이수석고를 첨가하지 않고 비소성 시멘트를 제조한 것으로, 참조예 1은 고로슬래그 75중량부, 무수석고 15중량부, 산화칼슘 5중량부, 황산칼륨 5중량부의 배합비로 조성물로 비소성 시멘트를 제조한다.

참조예 2는 고로슬래그 75중량부, 무수석고 10중량부, 산화칼슘 10중량부, 황산칼륨 5중량부의 배합비로 조성물로 비소성 시멘트를 제조한다.

아래 표 2는 표 1의 각 재료들로 비소성 시멘트를 제조하는 시간과 압축강도에 대한 결과를 나타낸 것으로, 기존에 시판되고 있는 A사의 백색 포틀랜트 시멘트와 B사의 보통 포트랜트 시멘트와 비교한 결과를 나타낸 것이다.

구 분	물:시멘트 (W/C)	시멘트:모래 (중량비)	응결시간		압축강도 ( )
			초결 (시)	종결 (시:분)	3	7	28
A사 백색시멘트	5 : 5	1 : 2.45	245	6:50	215	295	395
B사 보통시멘트			225	6:25	205	290	420
실시예 1			215	6:20	220	295	430
실시예 2			225	6:30	215	290	420
실시예 3			250	6:55	208	285	398
참조예 1			260	7:20	180	240	345
참조예 2			255	7:10	190	245	350

상기 표 2에서 보는 바와 같이, 응결시간과 압축강도를 나타낸 결과 표로써, 실시예 1, 2, 3과 참조예 1, 2가 기존에 시판되고 있는 백색시멘트와 보통시멘트를 대체 할 수 있도록 제조된 것인지를 결과표를 통해 나타내고 있다.

실시예 1은 물과 시멘트의 중량비를 5:5, 시멘트와 모래의 중량비를 1:2.45로 하여 혼합 시 응결시간은 초결 245시간, 종결 6시간 50분으로 진행되었으며, 압축강도는 3 = 220, 7 = 295, 28 = 430의 결과를 나타내고 있다.

상기 실시예 1은 기존 시판되고 있는 A사의 백색시멘트와 B사의 보통시멘트 보다 응결시간이 빠르고, 압축강도가 높게 나와 우수한 제품으로 대체 가능한 효과를 가진다.

실시예 2는 물과 시멘트의 중량비를 5:5, 시멘트와 모래의 중량비를 1:2.45로 하여 혼합 시 응결시간은 초결 225시간, 종결 6시간 30분으로 진행되었으며, 압축강도는 3 = 215, 7 = 290, 28 = 420의 결과를 나타내고 있다.

상기 실시예 2는 기존 시판되고 있는 A사의 백색시멘트보다 응결시간이 빠르고, B사의 보통시멘트와 응결시간의 초결시간은 동일하고, 종결시간은 5분 느림을 나타내고 있으나, 압축강도에서는 A사와 B사의 시멘트보다 우수한 결과로 기존 시판되고 있는 시멘트를 대체할 수 있는 효과를 가진다.

실시예 3은 물과 시멘트의 중량비를 5:5, 시멘트와 모래의 중량비를 1:2.45로 하여 혼합 시 응결시간은 초결 250시간, 종결 6시간 55분으로 진행되었으며, 압축강도는 3 = 208, 7 = 285, 28 = 398의 결과를 나타내고 있다.

상기 실시예 3은 기존 시판되고 있는 A사의 백색시멘트와 B사의 보통시멘트 보다 응결시간이 느리지만, 압축강도에 있어서, A사와 B사의 시멘트보다 우수한 결과로 기존 시판되고 있는 시멘트를 대체할 수 있는 효과를 가진다.

표 2에서 보는 바와 같이, 이수석고가 첨가되지 않은 참조예 1, 2는 기존 시판되고 있는 A사와 B사의 시멘트보다 응결시간보다 느리고, 압축강도에 있어서 현저히 저하되는 결과를 나타내고 있으며, 참조예 1, 2는 실시예1, 2, 3보다 응결시간에서 느린 결과를 나타내고, 압축강도에서도 현저히 저하되는 결과를 나타내고 있으므로, 이수석고가 반드시 첨가되어야 하는 것을 알 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 실시예 1, 2, 3의 비소성 시멘트는 기존에 시판되고 있는 A사의 백색시멘트와, B사의 보통시멘트와 모든 항목에서 대등하거나, 높게 나왔으며, 실시예 1, 2, 3은 기존 시판제품에 대해 응결시간이 빠르고, 압축강도가 높게 나타나 기존 시멘트보다 우수한 효과를 가지며, 이에 따라 기존 시판되고 있는 시멘트를 대체하여 사용할 수 있는 효과를 가진다.

이상의 설명은 본 특허의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 특허가 속하는 기술분야의 당업자라면 본 특허의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형을 할 수 있을 것이다. 또한, 본 특허에 개시된 실시예는 본 특허의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 특허의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로 본 특허의 보호범위는 하기 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 특허의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (2)

1. 고로슬래그 75중량부 내지 85중량부, 미분쇄 이수석고 0.5중량부 내지 1.0중량부, 무수석고 5중량부 내지 10중량부, 산화칼슘 5중량부 내지 10중량부, 황산칼륨 5중량부 내지 10중량부를 포함하며,
   상기 미분쇄 이수석고는 입자가 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하고, 공통이온효과로 무수석고의 반응성을 향상시키기 위해 고로슬래그와 반응하여 에트링가이트(

   

   )를 생성하는 것을 특징으로 하는 고로슬래그를 활용한 비소성 시멘트 조성물.
   
   
2. 삭제