KR101762682B1 - 동결융해 저항성을 향상시킨 비시멘트 식생블록의 제조방법 - Google Patents

동결융해 저항성을 향상시킨 비시멘트 식생블록의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비시멘트로서 고로슬래그, 플라이애쉬, 순환굵은골재, 순환잔골재, 알칼리 활성화제 및 천연섬유물질 펠릿을 물과 함께 배합하여 혼합재를 얻은 후, 맥반석을 400 내지 450 메쉬로 분쇄하여 알칼리 수용액에 넣고 35 내지 120℃에서 20분 내지 24시간 교반하여 액상 게르마늄을 얻은 다음, 상기 혼합재에 상기 액상 게르마늄과 공기연행제를 혼합하여 압축성형 및 양생하는 것을 특징으로 하는 비시멘트 식생블록의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따라 제조된 식생블록은 산업부산물인 고로슬래그와 플라이애쉬를 활용하고 건설 폐기물을 순환골재로 사용한다는 점, 동결융해 저항성 및 압축강도가 우수하고, 식생블록의 경량화 및 식물의 활착성이 좋다.

Description

동결융해 저항성을 향상시킨 비시멘트 식생블록의 제조방법{Method For Manufacturing A Vegetation Revetment Block With High Freeze-Thaw Resistance}
본 발명은 비소성 시멘트로서 고로슬래그, 플라이애쉬(fly ash), 순환골재, 맥반석 및 천연섬유물질 펠릿을 배합하여 동결융해 저항성 및 식물활착율을 향상시킨 비시멘트 식생블록의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 도심개발로 인한 콘크리트 구조물의 신축 및 노후건축물의 재건축 활성화에 따라 천연골재의 수요량이 증대되고 있다. 이러한 수요가 지속한다면 채취 가능한 천연골재는 20년 내에 고갈될 것으로 추정된다. 따라서 천연골재 대신에 환경오염의 원인이 되는 폐콘크리트나 골재를 재활용하는 재생골재나 순환골재를 사용하고 있다.
순환골재는 천연골재에 비해 흡수율이 높고, 품질적으로 떨어지지만 최근 고품질 순환골재 제조기술이 개발되어 천연골재와 손색이 없는 순환골재가 제조 가능한 것으로 보고되고 있다.
일반적으로 보도블록, 호안블록, 축조블록, 계단블록 등은 주로 포틀랜드 시멘트를 성형하여 제조하고 있다. 그런데 포틀랜드 시멘트는 주성분이 실리카, 알루미나 및 석회를 함유하고 있고, 이를 생산하는 데 대량의 에너지가 소요되고 많은 양의 이산화탄소를 배출하기 때문에 환경오염 및 지구온난화를 가속시키게 된다.
이러한 문제 때문에 비소성 시멘트로서 산업부산물로서 발생하는 고로슬래그와 플라이애쉬를 사용하여 시멘트 대체재로 사용하는 추세에 있다. 대한민국 등록특허 제 10-1128424에서는 비소성 시멘트로서 고로슬래그를 이용하고, 석고, 수산화나트륨, 황산알루미늄, 생석회, 소석회, 기타 강화 성분 및 결합제를 첨가한 투수블록 및 이의 제조방법에 대해 기재하고 있다.
또한 대한민국 등록특허 제 10-0945473 호에서는 내부에 식물 또는 씨앗을 식재할 수 있는 식생부재를 일체로 형성함으로써 식생공간부 형성으로 인한 내구성의 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 식생블록 구조물을 현장에서 사면에 직접 타설하여 양생시킴으로써 운송비 절감을 통해 사면조성비용과 시공기간을 줄일 수 있는 지면 보호용 식생블록 구조물 및 그 식생블록 구조물의 현장 타설 방법에 대해 기재하고 있다.
또한 대한민국 등록특허 제 10-1104956 호에서는 식생블록에 배양토, 식생매트, 씨앗을 포함한 충전재를 구비하여 씨앗이 발아되어 식물이 어느 정도 자라 뿌리가 충분히 뿌리내린 후에 식생블록을 출하함으로 강우나 폭우 등에 식물이 쓸려 내려가는 것을 방지할 수 있는 식생블록 및 그의 제조방법에 대해 기재하고 있다.
또한 대한민국 특허출원 공개 제 10-2010-0129827 호에서는 호안 법면의 토사를 안정적으로 정착시킬 수 있고, 옹벽에 초목을 식재할 수 있으며, 미생물이 자생할 수 있는 친환경적 식생블록 및 호안 식생옹벽에 대해 기재하고 있다.
그러나 상기 종래의 기술에서는 식생블록의 초목 식재방법이나 구조에 주안점을 둔 기술로서 동결융해 저항성을 개선하는 기술과는 무관하다.
기존의 시멘트와 순환골재로 제조된 블록은 한국에서처럼 여름과 겨울의 온도변화 및 큰 일교차로 인해 블록 내에 함유된 수분이 얼었다 녹았다 함으로써 그 팽창압으로 표층부가 파괴되는 동결융해 현상이 심해 내구성이 떨어지는 문제가 있다.
동결융해란 콘크리트의 다공질 속에 함유된 수분이 얼음으로 변하면서 그 팽창압으로 표층부가 파괴되는 현상을 말한다. 특히 압축강도가 40MPa 이하인 경우 발생하게 된다.
따라서 소성 시멘트 대신에 비소성 시멘트로서 고로슬래그와 플라이애쉬를 사용하고, 천연골재 대신에 순환골재를 사용하되 온도변화에 따른 거동성을 높여 동결융해 저항성을 높이기 위한 식생블록이 절실히 요구되었다.
본 발명자는 이러한 문제점을 해결하고자 연구를 거듭한 결과, 비소성 시멘트로서 고로슬래그와 플라이애쉬를 사용하고, 순환골재로서 굵은 골재와 잔골재를 특정 비율로 사용하며, 기공율을 일정하게 하고 온도변화에 따른 거동성을 갖게 함으로써 동결융해 저항성을 높일 수 있다는 사실을 알아내고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 비소성 시멘트로서 고로슬래그 및 플라이애쉬와 순환골재를 사용하되 동결융해 저항성이 높은 식생블록의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 이러한 목적은 비시멘트로서 고로슬래그, 플라이애쉬, 순환굵은골재, 순환잔골재, 알칼리 활성화제 및 천연섬유물질 펠릿을 물과 함께 배합하여 혼합재를 얻은 후, 맥반석을 400 내지 450 메쉬로 분쇄하여 알칼리 수용액에 넣고 35 내지 120℃에서 20분 내지 24시간 교반하여 액상 게르마늄을 얻은 다음, 상기 혼합재에 상기 액상 게르마늄과 공기연행제(Air Entraining Reagent)를 혼합하여 압축성형 및 양생하는 것을 특징으로 하는 비시멘트 식생블록의 제조방법에 의해 달성된다.
본 발명의 또 다른 요지는 총 중량 기준으로, 고로슬래그의 양이 4.5 내지 9.0 중량%, 플라이애쉬의 양이 2.0 내지 4.0 중량%, 순환굵은골재 및 순환잔골재의 양이 70 내지 80 중량%, 알칼리 활성화제의 양이 2.0 내지 3.0 중량%, 물 6.0 내지 10.0 중량%, 천연섬유물질 펠릿의 양이 2.0 내지 5.0 중량%, 액상 게르마늄의 양이 3.5 내지 5.0 중량%, 그리고 공기연행제의 양이 1.0 내지 3.0 중량%인 것을 특징으로 하는 비시멘트 식생블록의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 요지는 순환굵은골재와 순환잔골재의 배합비가 3 내지 7 대 7 내지 3인 것을 특징으로 하는 비시멘트 식생블록의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 요지는 알칼리 활성화제 및 알칼리 수용액이 규산나트륨, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 아황산나트륨, 규산칼륨, 탄산칼륨, 차아인산나트륨 및 수산화칼륨으로 이루어진 군으로부터 1 또는 2 이상이 선택되는 것을 특징으로 하는 비시멘트 식생블록의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 요지는 공기 연행제가 수지산나트륨, 알킬아릴술폰산아민 및 리그닌술폰산나트륨으로 이루어진 군으로부터 2 이상이 선택되는 것을 특징으로 하는 비시멘트 식생블록의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 요지는 천연섬유물질 펠릿의 크기가 0.1 내지 0.5 cm 이고, 톱밥, 왕겨 및 야자수 섬유로 이루어진 군으로부터 1 또는 2 이상이 선택되는 것을 특징으로 하는 비시멘트 식생블록의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따라 제조된 식생블록의 장점은 산업부산물인 고로슬래그와 플라이애쉬를 활용하고 건설 폐기물을 순환골재로 사용한다는 점, 동결융해 저항성이 높은 점, 식생블록의 경량화에 기여하는 점 및 식물의 활착성이 좋은 점에 있다.
본 발명에서 사용되는 고로슬래그는 선철을 제조할 때 용광로의 부산물로서 얻어지는 비결정질 부석(浮石) 모양의 작은 입자이며, 철 이외의 불순물로서 주성분이 CaO, SiO2, Al2O3, MgO 등이다. 고로시멘트는 고로슬래그의 혼입량에 따라 A종, B종, C종으로 대별되며, 보통의 포틀랜드 시멘트에 비하여 경화과정에서 발생되는 열인 수화열(水和熱)이 낮고, 내구성이 높으며, 화학저항성이 큰 한편, 투수성이 낮은 물성을 갖고 있다.
본 발명에서 고로슬래그의 양은 총 중량 기준으로 4.5 내지 9.0 중량%의 양으로 사용된다. 4.5 중량% 보다 적으면 장기강도 저하로 인한 동결융해 저항성이 낮아지는 문제점이 발생하며, 9.0 중량%보다 많으면 배합시 경화(응결)시간이 매우 길어지는 문제점이 발생한다.
플라이 애쉬는 석탄을 연소하는 화력발전소 등에서 발생하는 석탄재 중 미분탄 연소 보일러의 집진기로 포집되는 입자상의 것으로 주성분은 SiO2, Al2O3. 유리질이며 구형에 가까운 입자이다. 플라이 애쉬는 화학저항성 및 강도증진의 물성을 갖고 있다.
본 발명에서 플라이애쉬의 양은 총 중량 기준으로 2.0 내지 4.0 중량%의 양으로 사용된다. 2.0 중량% 보다 적으면 결합력이 상당히 떨어지는 문제점이 발생하며, 4.0 중량%보다 많으면 배합시 수경성에 의한 공극이 작아져 투수성이 낮아지는 문제점이 발생한다.
본 발명에서 사용되는 순환굵은골재는 직경 약 10 내지 15 mm의 크기이고, 순환잔골재는 직경 약 3 내지 5 mm의 크기이다.
본 발명에 따라서 순환굵은골재와 순환잔골재는 총 중량 기준으로 70 내지 80 중량%의 양으로 사용되며, 순환굵은골재와 순환잔골재의 혼합 중량비는 3내지7 : 7내지3 이다. 순환굵은골재의 양이 3 내지 7 보다 적으면 압축강도를 견디는 굵은골재가 적어 식생블록의 강도가 낮아지고 동결융해 저항성도 낮아지는 문제점이 있으며, 7 내지 3 보다 많으면 채움재인 잔골재의 부족으로 재료분리가 생겨 강도가 저하되는 문제점이 발생한다. 이러한 이유때문에 순환잔골재와 순환굵은골재의 입도를 분석하여 적절히 혼합한다.
본 발명에서는 바인더 기능을 하는 알칼리 활성화제로서 규산나트륨, 수산화나트륨, 탄산나트륨, 아황산나트륨, 규산칼륨, 탄산칼륨, 차아인산나트륨 또는 수산화칼륨 분말을 사용하며, 바람직하기로는 수산화나트륨 및 탄산나트륨이 사용된다. 이들 화합물은 단독으로 사용하거나 2 이상을 조합하여 사용할 수도 있다.
본 발명에서 알칼리 활성화제는 총 중량 기준으로 2.0 내지 3.0 중량%의 양으로 사용된다.
또한 본 발명에서는 온도변화에 따른 거동성을 높이기 위해서 톱밥, 왕겨 또는 야자수 섬유와 같은 천연섬유물질을 0.1 내지 0.5 cm 크기의 펠릿 형태로 분쇄하여 사용하며, 바람직하기로는 톱밥이다.
본 발명에 따라서 사용되는 천연섬유물질의 양은 총 중량 기준으로 2.0 내지 5.0 중량%이다. 2.0 중량% 미만에서는 경량성 및 다공성이 떨어지게 되며, 5.0 중량% 보다 많으면 결합력이 약화되어 초기강도가 저하 및 수분 침투가 많아 동결융해 저항성이 낮아지게 된다. 이들 톱밥, 왕겨 및 야자수는 단독으로 사용되거나 2 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
이들 톱밥, 왕겨 또는 야자수 섬유는 온도변화에 따른 거동성이 매우 높아서 신축성이 있으므로 동결융해 저항성을 크게 증진시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 식생블록은 열전도율을 저하시키고, 동결융해 발생을 감소하기 위해서 식생블록 다공질의 기공율을 4 내지 6%로 조절한다. 위 범위의 기공율을 조절함과 동시에 식물활착율을 증진시키기 위해서 게르마늄 성분이 풍부한 맥반석을 400 내지 450 메쉬로 분쇄하여 첨가한다.
이러한 맥반석 분말을 균일하게 분산하기 위해서는 액상 분말을 사용하여야 하는데, 이 액상의 맥반석 분말은 이를 알칼리 수용액에 넣고 35 내지 120 ℃에서 20분 내지 24시간 교반함으로써 얻어진다. 이와 같이 하여 얻어진 액상 분말은 총 중량 기준으로 3.0 내지 5.0 중량%의 양으로 사용된다. 그 양이 3.0 중량% 미만이면 식생 활착성이 미미하며, 5.0 중량%를 초과하면 재료 결합력이 약해져 강도가 저하된다.
본 발명에서 사용되는 알칼리 수용액은 상기 알칼리 활성화제에 사용되는 성분과 동일한 것이 사용된다. 이때 사용되는 알칼리 수용액의 농도는 2.0%이며, 맥반석 분말은 400 내지 450 메쉬의 것을 사용한다.
본 발명에서는 식생블록 내의 기공을 균일하게 하기 위해서 공기연행제를 사용한다. 공기연행제는 독립된 미소 기포를 균일하게 분포시키는 역할과 동시에 가공성(workability)을 향상시키는 작용도 갖는다.
본 발명에서 사용될 수 있는 공기연행제의 예로는 수지산나트륨, 알킬아릴술폰산아민 및 리그닌술폰산나트륨 등이 있으며, 바람직하기로는 알킬아릴술폰산아민이다. 이들 성분은 단독으로 사용되거나 2 이상의 성분을 혼합하여 사용될 수 있다.
본 발명에 따라서 공기연행제의 사용량은 총 중량 기준으로 1.0 내지 3.0 중량%이다. 1.0 중량% 미만에서는 공극이 균일하게 분포되지 않고 다공성이 작아 동결융해 저항성이 낮아지는 문제점이 발생하며, 3.0 중량% 보다 많으면 내부 공극이 많아져 장기 강도가 낮아지는 문제점이 발생하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 식생블록의 제조를 실시예를 들어 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1-3 ( 식생블록의 제조)
실시예 1
고로슬래그 50 kg, 플라이애쉬 20 kg, 직경 약 13mm의 순환굵은골재 360 kg, 직경 약 4mm의 순환잔골재 400 kg, 약 0.2 cm 크기의 톱밥 펠릿 20 kg을 용기에 넣고 알칼리 활성화제로서 수산화나트륨 분말 15 kg 및 탄산나트륨 분말 10 kg을 물 70 리터와 함께 혼합 및 교반하여 혼합물 945 kg을 얻었다.
이후 입도 450 메쉬의 맥반석 분말 33 kg을 농도 2.0%의 수산화나트륨 수용액 20 kg에 넣고 100 ℃에서 20분 동안 교반하여 액상 게르마늄 35 kg을 얻었다.
상기에서 얻어진 혼합물 945 kg에 상기 액상 게르마늄 35 kg 및 공기연행제로서 알킬아릴산술폰 20 kg을 넣고 교반과 동시에 균일하게 혼합한 다음, 압축 및 양생하여 본 발명에 따른 식생블록을 제조하였다.
실시예 2
고로슬래그 60 kg, 플라이애쉬 30 kg, 직경 약 13mm의 순환굵은골재 450 kg, 직경 약 4mm의 순환잔골재 300 kg, 약 0.2 cm 크기의 톱밥 펠릿 30 kg을 용기에 넣고 알칼리 활성화제로서 수산화나트륨 분말 10 kg 및 탄산나트륨 분말 10 kg을 물 60 리터와 함께 혼합 및 교반하여 혼합물 950 kg을 얻었다.
이후 입도 450 메쉬의 맥반석 분말 28 kg을 농도 2.0%의 수산화나트륨 수용액 20 kg에 넣고 100 ℃에서 20분 동안 교반하여 액상 게르마늄 30 kg을 얻었다.
상기에서 얻어진 혼합물 950 kg에 상기 액상 게르마늄 30 kg 및 공기연행제로서 알킬아릴산술폰 20 kg을 넣고 교반과 동시에 균일하게 혼합한 다음, 압축 및 양생하여 본 발명에 따른 식생블록을 제조하였다.
실시예 3
고로슬래그 60 kg, 플라이애쉬 30 kg, 직경 약 13mm의 순환굵은골재 430 kg, 직경 약 4mm의 순환잔골재 300 kg, 약 0.2 cm 크기의 톱밥 펠릿 50 kg을 용기에 넣고 알칼리 활성화제로서 수산화나트륨 분말 10 kg 및 탄산나트륨 분말 10 kg을 물 60 리터와 함께 혼합 및 교반하여 혼합물 950 kg을 얻었다.
이후 입도 450 메쉬의 맥반석 분말 28 kg을 농도 2.0%의 수산화나트륨 수용액 20 kg에 넣고 100 ℃에서 20분 동안 교반하여 액상 게르마늄 30 kg을 얻었다.
상기에서 얻어진 혼합물 950 kg에 상기 액상 게르마늄 30 kg 및 공기연행제로서 알킬아릴산술폰 20 kg을 넣고 교반과 동시에 균일하게 혼합한 다음, 압축 및 양생하여 본 발명에 따른 식생블록을 제조하였다.
본 발명에 따른 실시예 1 내지 3에서 식생블록을 제조하기 위한 성분들의 배합량을 아래 표 1에 나타냈다.
성분 조성 범위
(중량%)		 실시예 1
(kg)		 실시예 2
(kg)		 실시예 3
(kg)
고로 슬래그 4.5-9.0 50 60 60
플라이 애쉬 2.0-4.0 20 30 30
순환굵은골재 70-80 360 450 430
순환잔골재 400 300 300
알칼리활성화제 2.0-3.0 25 20 20
물 6.0-10.0 70 60 60
천연섬유 2.0-5.0 20 30 50
액상게르마늄 3.0-5.0 35 30 30
공기 연행제 1.0-3.0 20 20 20
합계 1000 1000 1000
(동결융해 저항성 및 내구성 실험)
실험 1 (동결융해 저항성 측정)
실시예 1 내지 3에서 제조된 식생블록(100 mm x 100 mm x 100 mm)과 시중에서 시판되는 A사 제품(대조용)의 식생블록을 동결융해시험기 "CKFTA-3000"를 사용하여 KS F 2456의 B법에 따라 4 ℃에서 2 시간 동안 영하 18 ℃로 급속동결시킨 후, 다시 영하 18 ℃에서 2 시간 동안 4 ℃로 급속융해하는 것을 1 싸이클로 하고, 이러한 1 싸이클을 300회 반복하여 실시하였다. 동결융해저항성을 평가하기 위해서 내구성 지수(DF)를 다음 식에 따라 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
DF (%) = (P x N / M) x 100
상기 식에서,
DF는 내구성 지수(%)이고,
P는 동결융해 N 싸이클 후의 상대 동탄성계수이고,
N은 P 값이 특정치에 달하기까지의 싸이클 수이고,
M은 시험을 종료시키는 특정 사이클 수이다.
실험 2 (압축강도)
실시예 1 내지 3에서 제조된 식생블록(100 mm x 100 mm x 100 mm)과 시중에서 시판되는 A사 제품(대조용)의 식생블록을 KSF2405:2010의 시험방법에 따라 압축강도(MPa) 시험을 하고 다음 식에 따라 압축강도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
압축강도 (MPa) = 최대파괴하중 (N)/시험체의 단면적 (㎟)
평가 기준 실시예 1 실시예 2 실시예 3 대조용
내구성 지수(DF) 30 33 35 60
압축강도(N/㎟) 28 27 26 29
위 표 2에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3에서 제조된 식생블록의 동결융해저항성(DF)은 대조용 식생블록에 비해 약 80 내지 100% 정도 상승된 효과를 보였으며, 압축강도도 거의 비슷한 효과를 보였다.
따라서 본 발명에 따라 제조된 식생블록에 있어서 천연섬유물질 첨가에 의한 강도저하를 우려했으나 실험결과 식생블록의 강도 기준치에 전혀 문제가 없는 것으로 판명되었다.

Claims (6)

  1. 비시멘트로서 고로슬래그, 플라이애쉬, 순환굵은골재, 순환잔골재, 알칼리 활성화제 및 천연섬유물질 펠릿을 물과 함께 배합하여 혼합재를 얻은 후, 맥반석을 400 내지 450 메쉬로 분쇄하여 알칼리 수용액에 넣고 35 내지 120℃에서 20분 내지 24시간 교반하여 액상 게르마늄을 얻은 다음, 상기 혼합재에 상기 액상 게르마늄과 공기연행제를 혼합하여 압축성형 및 양생하여 비시멘트 식생블록을 제조하는 방법에 있어서,
    총 중량 기준으로, 고로슬래그의 양이 5.0 내지 9.0 중량%, 플라이애쉬의 양이 2.0 내지 4.0 중량%, 순환굵은골재 및 순환잔골재의 양이 70 내지 76 중량%, 알칼리 활성화제의 양이 2.5 내지 3.0 중량%, 물 6.0 내지 10.0 중량%, 천연섬유물질 펠릿의 양이 3.0 내지 5.0 중량%, 액상 게르마늄의 양이 3.5 내지 5.0 중량%, 그리고 공기연행제의 양이 2.0 내지 3.0 중량%인 것을 특징으로 하는 비시멘트 식생블록의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101241818B1 (ko) 2012-08-13 2013-03-15 주식회사 씨엠디기술단 비소성 시멘트를 이용한 보강옹벽용 식생블록 및 이의 제조방법
KR101366003B1 (ko) * 2013-04-26 2014-02-25 한일에코산업 주식회사 무시멘트 결합재를 사용한 콘크리트 블록
KR101564628B1 (ko) 2015-06-26 2015-11-03 주식회사 세영 일라이트와 순환골재를 이용한 세굴방지블록

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