KR101818143B1 - 무수축 무시멘트 모르타르 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시멘트를 사용하지 않고 알카리활성반응을 통해 시멘트와 대등하거나 그 보다 우수한 성능 발현이 가능한 지오폴리머(geopolymer) 모르타르를 구현하고, 분말형의 재료만을 사용하여 단일 제품화가 용이한 무수축 무시멘트 모르타르 조성물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 무수축 무시멘트 모르타르 조성물은, 고로슬래그와 플라이애쉬와 실리카퓸과 CSA 팽창재로 이루어진 결합재 1중량부를 기준으로, 고로슬래그 0.3~0.5 중량부, 플라이애시 0.3~0.5 중량부, 실리카퓸 0.1~0.3 중량부, CSA 팽창재 0.01~0.1 중량부, 분말형 규산나트륨 0.05~0.3 중량부, 모래 1.0~2.0 중량부, CFBC 바텀애시 0.1~0.7 중량부, 분말형 유동화제 0.001~0.04 중량부, 분말형 수축저감제 0.001~0.03 중량부, 산화마그네슘 0.01~0.10 중량부를 포함하며, 분말형으로 된 것을 특징으로 한다.

Description

무수축 무시멘트 모르타르 조성물{Non-Shirinkage And Non-cement Mortar Composition}
본 발명은 건축 및 토목 재료로 사용되는 모르타르 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고로슬래그와 플라이애시, 실리카퓸, CSA 팽창재를 결합재로서 포함하고, 분말형 알카리활성화제와 CFBC 바텀애시, 분말형 유동화제 등의 분말형 첨가제 등 건식 재료만을 사용하여 시멘트와 상응하는 성능 발현이 가능한 무수축 무시멘트 모르타르 조성물에 관한 것이다.
최근 전세계적으로 지구온난화를 방지하기 위한 목적으로 이산화탄소, 온실가스 배출제한 및 에너지 절약사용 등 산업전반에 이를 해결하려는 방안에 대한 대안책이 시급히 요구되고 있다.
특히 토목, 건축산업 분야에서 가장 널리 사용되는 시멘트 및 시멘트 2차제품은 에너지 다소비형 재료이며, 시멘트 1톤을 생산하는데 이산화탄소를 약 0.9톤 배출할 정도로 철강산업가 더불어 주요 이산화탄소 배출산업이다.
이에 대해 최근 시멘트산업에도 CO2저감 및 고객의 다양한 요구성능을 충족하기 위하여 산업부산물을 이용하여 시멘트를 대체하기 위한 연구로 국내외적으로 고로슬래그, 플라이애쉬 등에 대한 적용연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다.
하지만, 무시멘트의 조성물과 관련한 종래의 기술의 대부분은 시판되거나 각 산지별로 발생되는 산업부산물인 고로슬래그와 플라이애시를 단독 또는 일정비율로 2성분계로 혼합하는 방식을 일반적으로 취하고 있으며 이는 조성물의 특성 및 2차제품(모르타르, 콘크리트)로써의 적용함에 있어 기존 시멘트가 가지고 있는 건조수축 특성에 대비하여 보다 큰 수축특성이 나타나게 되는 기술의 한계성이 있다. 이와 같은 건조수축은 건축용으로 사용될 경우 사람이 주거하는 공간이 주택, 건축물에서 매우 큰 잠재위험 요소를 포함하고 있으며, 토목용으로 사용될 경우 도로, 댐 등 국가 기반기설의 붕괴 등의 매우 큰 잠재위험 요소를 포함하고 있다.
그리고 알칼리활성화제와 관련한 종래의 기술의 대부분은 액상형태의 물유리(소듐실리케이트)의 혼합사용으로 실제 현장에서의 시공에 있어 추가적인 알칼리활성화제를 정량 계량하여 투입-혼합하여 타설하는 중복적인 시공절차가 필요하며, 경제적 측면에서도 고가의 물유리를 사용함에 따라 실용화할 수 있는 기술로는 부족함이 있는 실정이다.
그리고 알카리활성화제와 관련한 종래의 기술의 대부분은 고알카리성에만 의존된 NaOH, KOH, NA2SiO3, NA2SO4 등의 고가의 무기화학물질을 단독 또는 일정비율별로 혼합하는 기술이 주가 되는데, 각 알칼리활성제별 NaOH는 높은 발열특성에 따른 범용적인 사용제한성을 비롯하여 실제 건축, 토목공사의 사용에서 필요로 하는 압축강도 발현율이 기존 시멘트 압축강도 대비 약 70~80%의 수준으로 실제 상용화 할수 있는 강도안정 범위에 미치지 못하는 실정이다.
등록특허 제10-1393201호(2014.04.30. 등록) 등록특허 제10-1364149호(2014.02.11. 등록) 등록특허 제10-1534217호(2015.06.30. 등록) 등록특허 제10-1015066호(2011.02.09. 등록)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 시멘트를 사용하지 않고 알카리활성반응을 통해 시멘트와 대등하거나 그 보다 우수한 성능 발현이 가능한 지오폴리머(geopolymer) 모르타르를 구현하고, 분말형의 재료만을 사용하여 단일 제품화가 용이한 무수축 무시멘트 모르타르 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무수축 무시멘트 모르타르 조성물은, 고로슬래그와 플라이애쉬와 실리카퓸과 CSA 팽창재로 이루어진 결합재와, 분말형 알카리활성화제와, 모래와, 상기 모래를 일부 치환하는 형태로 첨가되는 CFBC 바텀애시를 포함하며, 분말형으로 된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 한 형태에 따르면, 본 발명의 무수축 무시멘트 모르타르 조성물은 분말형 유동화제와 분말형 수축저감제를 더 포함할 수 있다.
상기 분말형 알카리활성화제는 분말형 규산나트륨인 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 무수축 무시멘트 모르타르 조성물은 상기 결합재 1중량부를 기준으로, 고로슬래그 0.3~0.5 중량부, 플라이애시 0.3~0.5 중량부, 실리카퓸 0.1~0.3 중량부, CSA 팽창재 0.01~0.1 중량부, 분말형 알카리활성화제 0.05~0.3 중량부, 모래 1.0~2.0 중량부, CFBC 바텀애시 0.1~0.7 중량부, 분말형 유동화제 0.001~0.04 중량부, 분말형 수축저감제 0.001~0.03 중량부, 산화마그네슘 0.01~0.10 중량부를 첨가하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 CFBC 바텀애시는 50 중량% 이상의 칼슘을 함유하고 있는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 실리카퓸은 SiO2의 함량이 89~91 중량% 인 것이 바람직하다.
상기 분말형 규산나트륨은 SiO2/Na2O의 중량비가 1.0~1.5 인 것이 적합하다.
본 발명에 따르면, 시멘트를 사용하지 않고 알카리활성반응을 통해 우수한 강도를 가지며, 수축이 거의 없는 지오폴리머(geopolymer) 모르타르를 구현할 수 있으므로 시멘트를 대체하여 사용이 가능하다. 따라서 시멘트의 생산 및 사용에 따른 이산화탄소 발생을 저감시키는 효과가 있으며, 산업부산물을 대량 활용함으로써 생산비 및 시공비 절감 효과가 있다.
또한 분말형의 재료만을 사용하므로 단일 제품화가 용이한 효과도 있다.
특히 본 발명의 무수축 무시멘트 모르타르 조성물은 CSA 팽창재와 함께 모래를 일부 치환하는 형태로 50 중량% 이상의 칼슘을 함유하고 있는 CFBC 바텀애시가 첨가되므로, CSA 팽창재에 의한 초기 수축 저감 효과와 함께 재령 3~4일 이후에 발생하는 수축 저감에 큰 효과를 얻을 수 있다.
이하 본 발명에 따른 무수축 무시멘트 모르타르 조성물의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 무수축 무시멘트 모르타르 조성물은 플라이애시, 메타카올린, 실리카퓸과 같은 알루미늄과 규산이 풍부한 포졸란 물질을 알카리활성화제와의 반응을 통하여 역학적/물리적 특성이 우수한 지오폴리머(Geopolymer) 모르타르이다.
지오폴리머의 화학반응은 다음과 같다.
Figure 112016033008476-pat00001
시멘트는 수화반응을 통해서 C-S-H gel 을 생성한다.
반면에 지오폴리머는 아래와 같은 수화반응을 통해서 N-A-S-H 를 생성하는데, 이 N-A-S-H 는 C-S-H gel 보다 내구성 측면에서 우수하다.
SiO2, Al2O3 + alkali metal ion → 축합반응 → Alumino-silicate gel(N-A-S-H)
본 발명에 따른 무수축 무시멘트 모르타르 조성물은 고로슬래그와 플라이애쉬와 실리카퓸과 CSA 팽창재로 이루어진 결합재 1중량부를 기준으로, 고로슬래그 0.3~0.5 중량부, 플라이애시 0.3~0.5 중량부, 실리카퓸 0.1~0.3 중량부, CSA 팽창재 0.01~0.1 중량부, 규산나트륨 0.05~0.3 중량부, 모래 1.0~2.0 중량부, CFBC 바텀애시 0.1~0.7 중량부, 분말형 유동화제 0.001~0.04 중량부, 분말형 수축저감제 0.001~0.03 중량부, 산화마그네슘 0.01~0.10 중량부를 포함하며, 분말형으로 이루어진다.
상기 고로슬래그는 X-선 회절 패턴의 25~35 2θ 구간에서 비결정질의 형태를 나타내고, 화학조성비에서 40 중량% 이상의 칼슘(CaO)과 30 중량% 이상의 규소(SiO2), 10 중량% 이상의 알루미늄(Al2O3)을 포함하는 것이 적절하다.
그리고 상기 플라이애시는 X-선 회절 패턴의 20~25 2θ 구간에서 비결정질의 형태를 나타내고, 화학조성비에서 5 중량% 미만의 칼슘(CaO)과 50 중량% 이상의 규소(SiO2), 20 중량% 이상의 알루미늄(Al2O3)을 포함하는 것이 적절하다.
상기 고로슬래그와 플래이애시의 혼합비는 중량비로 대략 1:1인 것이 바람직하며, 이는 결합재에 고로슬래그의 함량이 증가할수록 자기수축으로 인한 균열에 취약해지기 때문이다.
상기 실리카퓸은 SiO2의 함량이 89~91 중량% 의 미분말로 이루어진 것이 바람직하다. 상기 실리카퓸은 물과 교반된 모르타르의 유동성을 증가시킬 뿐만 아니라 역학적 성능(압축강도, 휨강도)을 크게 개선시킨다. 상기 실리카퓸은 반응성이 뛰어난 규소를 다량 함유하고 있기 때문에 다른 성분들과 반응하여 규산칼슘 수화물과 알무미늄 규산 수화물의 생성을 증가시킨다.
상기 CSA 팽창재는 석회(lime)와 석고(anhydrite) 및 yeelimite의 결정질로 이루어진다. 상기 CSA 팽창재는 건조수축으로 인한 균열 저감을 위하여 결합재 1.0 중량부를 기준으로 0.01~0.1 중량부가 첨가되는 것이 바람직한데, CSA 팽창재가 0.1 중량부를 초과하여 과도하게 첨가되면 팽창균열을 유발할 수 있다.
상기 분말형의 규산나트륨은 본 발명의 모르타르에서 알카리 활성화제로서 사용되는데, 강도 측면에서 0.05 중량부 이상인 것이 바람직하지만, 0.3 중량부를 넘게 되면 자기수축 및 이로 인한 균열을 발생시킬 수 있다. 상기 규산나트륨은 SiO2/Na2O의 중량비가 1.0~1.5 인 것이 바람직하다. 상기 분말형 규산나트륨과 상기 고로슬래그는 수화반응 및 중합반응(Polymersation)에 의해 규산칼슘수화물(C-S-H gel ;3CaO.2SiO23H2O) 등을 생성하여 강도를 증진시키는 작용을 한다.
상기 CFBC 바텀애시는 순환유동층 보일러에서 발생된 바텀애시로서, X-선 회절 패턴의 15~25 2θ 구간에서 비결정질의 형태를 나타내고, 다량의 석회(lime)와 석고(Anhyrite; CaSO4)의 결정질 및 화학조성비에서 50 중량% 이상의 칼슘(CaO)을 포함하는 것이 적절하다. 상기 CFBC 바텀애시는 모래를 일부 치환하는 형태로 사용된다. 상기 CFBC 바텀애시는 CSA 팽창재와 유사하게 석고(anhydrite)와 석회(lime)을 다량 함유하고 있으며, CSA 팽창재보다 반응성이 떨어진다. CSA 팽창재는 반응성이 뛰어나기 때문에 초기에 수축 저감 효과가 큰 반면, 일반적으로 재령 3~4일 이후에 일어나는 건조수축 저감에 크게 일조하지 않는다. 반면에 CFBC 바텀애시는 낮은 반응성으로 인해 재령 3~4일 이후에도 서서히 에트링가이트(ettringite)가 생성되며, 이로 인해 재령 3~4일 이후에 발생하는 수축 저감에 큰 효과가 있다. 그러나 CFBC 바텀애시가 0.7 중량부를 넘어 과도하게 첨가되면 유동성을 저하시킬 수 있으며, 0.1 중량부 미만으로 첨가되면 재령 3~4일 이후에 발생하는 수축 저감 효과를 거의 얻을 수 없다.
상기 분말형 유동화제는 유동성 확보를 위하여 0.001~0.04 중량부인 것이 적절하다. 분말형 유동화제가 0.04 중량부를 초과하여 과도하게 첨가되면 모르타르 내부에 공극률을 크게 증가시킬 수 있다. 상기 분말형 유동화제로는 Polycarboxilate 및 Naphthalein 계열이며, pH가 6~12인 것이 바람직하다.
상기 분말형 수축저감제는 0.001~0.03 중량부가 사용되며, 프로필렌글리콜모노메틸에테르(CH3CH(OH)CH2OCH3), 디프로필렌글리콜모노메틸에테르(C7H16O3), 트리프로필렌글리콜모노메틸에테르(CH3(OC3H6)3OH), 및 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트(CH3COOCH(CH3)CH2OCH3) 중 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
실시예
아래의 표 1에 나열한 배합비(중량부로 표시함)에 따라 모르타르 시편을 제조하고, 제조된 시편에 대해 초결 응결시간, 종결 응결시간, 유하시간, 플로우, 28일 팽창높이, 28일 압축강도를 시험하였다.
고로슬래그 플라이애시 실리카퓸 CSA 팽창재 일반 모래 CFBC 바텀애시 분말형 규산나트륨 분말형 유동화제 분말형 수축저감제 산화마그네슘
0.4 0.38 0.2 0.02 1.4 0.6 0.15 0.03 0.005 0.02
물/건비빔 비율은 0.16으로 하여 물을 혼합하고, 3분 동안 60rpm의 속도로 교반하였다. 양생 온도는 25℃이며, 타설후 7일간 수분 증발을 막기 위하여 랩으로 감싼 상태로 양생하였다.
표 2는 위의 조성비로 제작한 시편(실시예)의 초결 응결시간, 종결 응결시간, 유하시간, 플로우, 28일 팽창높이, 28일 압축강도에 대한 시험 결과를 나타낸다. 비교예는 일반 포틀랜드 시멘트와 일반 모래를 1: 3의 중량비로 혼합하고, 여기에 물/건비빔의 비율을 동일하게 0.16으로 하여 물을 혼합한 다음, 실시예와 동일한 조건으로 교반 및 양생하여 만들어진 것이다.
항목 실시예 비교예 시험기준
응결시간(초결) 25 분 30 분 KS F 4044
응결시간(종결) 110 분 170 분 KS F 4044
유하시간 50 초 50 초 KS F 4044
플로우 250 ㎜ 230 ㎜ KS F 4044
28일 팽창높이 0.1 % 0.2 % KS F 4044
28일 압축강도 50 MPa 45 Mpa KS F 4044
표 2의 시험 결과를 통해 알 수 있는 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 모르타르는 종래의 일반 시멘트 모르타르(비교예)와 비교하여 약간 더 우수한 성능을 갖는 것으로 확인되었다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 고로슬래그와 플라이애쉬와 SiO2의 함량이 89~91 중량%인 실리카퓸과 CSA 팽창재로 이루어진 결합재와, 분말형 알카리활성화제와, 모래와, 상기 모래를 일부 치환하는 형태로 첨가되며 X-선 회절 패턴의 15~25 2θ 구간에서 비결정질의 형태를 나타내고 50 중량% 이상의 칼슘(CaO)을 함유하고 있는 CFBC 바텀애시와, 분말형 유동화제와 분말형 수축저감제를 포함하며,
    상기 결합재 1중량부를 기준으로, 고로슬래그 0.3~0.5 중량부, 플라이애시 0.3~0.5 중량부, 실리카퓸 0.1~0.3 중량부, CSA 팽창재 0.01~0.1 중량부, 분말형 알카리활성화제 0.05~0.3 중량부, 모래 1.0~2.0 중량부, CFBC 바텀애시 0.1~0.7 중량부, 분말형 유동화제 0.001~0.04 중량부, 분말형 수축저감제 0.001~0.03 중량부, 산화마그네슘 0.01~0.10 중량부를 첨가하여 이루어지고,
    분말형으로 된 것을 특징으로 하는 무수축 무시멘트 모르타르 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 분말형 알카리활성화제는 분말형 규산나트륨인 것을 특징으로 하는 무수축 무시멘트 모르타르 조성물.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제3항에 있어서, 상기 분말형 규산나트륨은 SiO2/Na2O의 중량비가 1.0~1.5 인 것을 특징으로 하는 무수축 무시멘트 모르타르 조성물.
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