KR101821647B1 - 그린시멘트 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시멘트, 비산재 및 고로슬래그로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 무기계 폐기물 및 조강형 팽창재를 포함하는 그린시멘트 조성물을 제공한다.
온실가스의 주범인 이산화탄소를 감축하기 위하여, 시멘트, 발전소 비산재 및 고로슬래그와 같은 무기계폐기물을 이산화탄소와 반응시켜 활용함으로써, 기존의 비산재나 고로슬래그 미분말을 단순 혼합한 그린시멘트보다 이산화탄소량을 더 줄이는 효과가 있고, 높은 유리석회 함량 때문에 콘크리트용 혼화재로써의 활용에 제약을 받았던 열병합 발전소 비산재를 효과적으로 활용할 수 있으며, 조강형 팽창재를 사용함으로써 기존 그린 시멘트에서 문제가 되는 초기 강도 저하 및 건조수축을 줄이는 효과가 있다.

Description

그린시멘트 조성물 및 이의 제조방법{Green cement composite and making method thereof}
다량의 온실가스를 배출하는 시멘트 제조공정에 있어서 가속탄산화공정을 통하여 온실가스 발생량이 저감된 그린시멘트 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
산업의 고도화로 인하여 온실가스 발생량이 점차 증가하고 있다. 특히 대한민국의 총 온실가스 발생량은 2013년 기준으로 발전부문 약 2.6억 톤(약 37 %), 산업부문 2.5억 톤(약 36 %), 수송부문 약 0.9억 톤(약 13 %), 기타부문 약 1.0억 톤(약 14 %)으로 총 약 7억 톤이 발생하고 있다. 다시 산업부문의 온실가스 발생량을 살펴보면, 철강 약 1.13억 톤(45 %), 석유화학 약 0.71억 톤(약 28 %), 시멘트 약 0.41억 톤(약 16 %), 기타 약 0.25억 톤(약 11 %)이 발생하고 있다. 또한 2030년 국내 온실가스 발생은 약 8.5억 톤으로 전망되고 있다.
대한민국의 온실가스 배출량은 1990년부터 2005년까지 100%에 가까운 증가율을 보임으로써 이에 대한 배출규제가 매우 필요한 실정이다. 따라서, 정부는 2030년 국내 온실가스 감축 목표치를 37 %로 설정하고, 산업 전반에 걸쳐 온실가스 감축을 위한 다양한 정책과 노력이 진행 중에 있다.
한편 시멘트 산업은 철강 및 석유화학 산업과 함께 대표적인 온실가스를 배출하는 대표적인 산업이기 때문에, 온실가스 감축에 대한 노력이 절실히 필요하다. 시멘트는 건설재료의 대표적인 재료인 콘크리트를 생산하기 위해 꼭 필요한 재료이다.
그러나 시멘트는 제조시 1,450 ℃ 이상의 고온에서 소성시키기 때문에 에너지 소비율이 높고, 시멘트의 원료인 석회석의 탈탄산 반응으로 시멘트 1 톤 제조시 온실가스의 주범인 이산화탄소를 약 800 kg 발생시킨다. 또한, 시멘트를 사용한 콘크리트는 1 톤당 약 340 kg의 이산화탄소가 발생하는 것으로 알려져 있다.
최근 온실가스 주범인 이산화탄소의 저감의 필요성은 산업전반에 걸쳐 중요한 이슈가 되고 있다. 이산화탄소의 저감을 위해 노력은 건설분야에서도 이루어지고 있고, 그 중 하나로 콘크리트 제조시 시멘트 사용량을 줄이기 위해 노력하고 있다. 구체적으로는 시멘트 줄이고 대신에 비산재(fly ash) 및 고로슬래그 미분말 등의 사용량을 증가시키는 방법이 있고(특허문헌 1), 시멘트를 전혀 사용하지 않은 비산재나 고로슬래그 미분말에 자극제를 첨가하는 무시멘트 방법이 있다. 그러나 무시멘트는 고가의 자극제를 사용해야 되기 때문에 아직까지는 비경제적이고, 시공성이 저하되는 문제 때문에 활용되지 못하고 있다. 시멘트 대신에 비산재나 고로슬래그 미분말 등의 사용량을 증가시키는 방법은 콘크리트 수화열을 저감하는 목적으로 하는 매스콘크리트에 주로 이용되고 있다. 비산재나 고로슬래그 미분말을 많이 사용되게 되면 콘크리트의 수화열 저감측면에서는 유리하나, 콘크리트의 초기강도, 건조수축 등에서는 불리한 측면이 존재한다.
또한, 시멘트 대신에 비산재 및 고로슬래그 미분말을 대체하는 것도 온실가스의 주범인 이산화탄소를 줄이는 방법이지만 보다 이산화탄소를 획기적으로 감소시키기 위해서는 발생된 이산화탄소를 자원화하여 건설분야의 재료로 활용하는 적극적인 방법이 필요하다.
나아가, 아파트, 빌딩 등 건축구조물이 고층화되면서 구조물의 장수명화에 대한 수요가 증가되고 있다. 이러한 현실적인 수요를 반영하여 국토해양부는 2014년 1월에 공동주택 하자의 조사, 보수비용 산정 방법 및 하자판정 기준 고시하여 콘크리트 구조물의 균열하자 판정 기준를 강화하였다. 많은 건설사들이 콘크리트 구조물의 균열하자 판정기준 강화에 따라 대처하기 위하여 무기계 팽창재 및 화학혼화제인 수축저감제 사용방안을 검토하고 있다. 그러나, 무기계 팽창재로 많이 사용되는 칼슘설포알루미네이트는 외국으로부터 수입하기 때문에 고가이고, 화학 혼화제인 수축저감제도 고가일 뿐 아니라 아직 검증이 불충분하여 활용이 되지 못하고 있다.
한국 공개특허 10-2013-0020984
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 시멘트 제조시에 발생되는 높은 이산화탄소 발생량을 감소시키고, 콘크리트용 결합재로 사용할 경우, 초기강도 증진 및 건조수축이 개선되는 저수축 저탄소 그린 시멘트 조성물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 시멘트 또한 제조시 다량의 이산화탄소가 발생되므로, 비산재 및 슬래그와 함께 시멘트를 탄산화시켜 그린시멘트 제조 공정에 있어서 이산화탄소 발생량을 감소시키는데 있다.
또한 비산재를 온실가스 주요 인자인 이산화탄소와 반응시켜 안정화시킨 탄소광물을 저수축 저탄소 그린 시멘트의 원료로 활용함으로써, 시멘트의 이산화탄소 저감을 획기적으로 개선하는 것을 목적으로 한다.
또한 조강형 팽창재를 시멘트 조성물 원료로 첨가하여 제조된 그린시멘트 조성물을 가지고 콘크리트용 결합재로 사용할 때 발생되는 초기강도 저하 및 건조수축 증가에 의한 균열 발생을 개선시킬 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 시멘트, 비산재 및 고로슬래그로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 무기계 폐기물 및 조강형 팽창재를 포함하는 그린시멘트 조성물을 제공한다.
또한 상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트에 석회석 미분말을 첨가하는 것 또는 마그네시아 시멘트일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 본 발명은 시멘트 15 내지 85wt%; 비산재 5 내지 20 wt%; 고로슬래그 미분말 5 내지 50 wt%; 및 조강형 팽창재 5 내지 15 wt%;를 포함하는 그린시멘트 조성물을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명은 시멘트, 비산재 및 슬래그로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 무기계 폐기물을 혼합하여 준비하는 단계(제1단계); 상기 무기계 폐기물을 분쇄하여 미립자로 형성하는 단계(제2단계); 상기 미립자인 무기계 폐기물에 이산화탄소를 투입하여 탄산화 반응시키는 단계(제3단계); 및 탄산화되어 이산화탄소가 고용된 무기계 폐기물에 조강형 팽창재를 혼합하여 분쇄하는 단계(제4단계);를 포함하는 그린시멘트 조성물 제조방법을 제공한다.
또한 상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트에 석회석 미분말을 첨가한 것 또는 마그네시아 시멘트일 수 있다.
본 발명에 따르면, 시멘트, 비산재 및 슬래그로 이루어지는 무기계 폐기물을 이용하여 온실가스의 대부분을 차지하는 이산화탄소를 탄산화함으로써 기존의 시멘트 제조시에 발생되는 이산화탄소를 크게 감축할 수 있다.
특히 시멘트를 포함하는 주성분을 모두 탄산화하는 공정을 수행 하여 종래의 그린시멘트 보다 다량의 이산화탄소를 탄산화하여, 기존의 비산재나 고로슬래그 미분말을 단순 혼합한 그린 시멘트보다 이산화탄소량을 더 줄이는 효과가 있다.
또한, 높은 유리석회 함량 때문에 콘크리트용 혼화재로써의 활용에 제약을 받았던 열병합 발전소 비산재를 효과적으로 활용할 수 있다. 나아가, 조강형 팽창재를 사용함으로써 기존 그린 시멘트에서 문제가 되는 초기 강도 저하 및 건조수축을 줄이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그린시멘트 조성물 제조방법의 공정흐름을 나타낸 공정흐름도이다.
도 2는 칼슘설포알루미네이트계 팽창재 대체율에 따른 재령 대비 팽창율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 칼슘설포알루미네이트계 팽창재 대체율에 따른 재령 대비 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예 1에서 재령에 따른 각 콘트리트의 팽창량 및 건조수축량을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
나아가, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 그린시멘트는 시멘트, 비산재 및 고로슬래그로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 무기계 폐기물 및 조강형 팽창재를 포함한다.
상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트에 석회석(CaO) 미분말을 첨가 한 것이거나, 마그네시아 시멘트일 수 있다.
포틀랜드 시멘트의 주요 화합물은 C3S(3CaO·SiO2), C2S(2CaO·SiO2), C3A(3CaO·Al2O3), C4AF(4CaO·Al2O3·Fe2O3) 등이며 이들은 시멘트의 주요 성질인 수화, 응결, 경화 등의 작용을 지배하는 주요 화합물이다.
상기 시멘트는 물과 반응하여 C-S-H(calcium silicate hydrate, 칼슘 실리케이트 수화물)와 수산화칼슘(Ca(OH)2)를 생성시키는 수화반응을 일으키고, 이를 통해 응결과 경화가 진행된다.
종래의 포틀랜트 시멘트의 제조과정은 석회질 원료를 포함하는 조합원료를 소성로에서 소성하여 클링커를 생산하나 이때 다량의 이산화탄소를 배출하는 문제가 있다.
이때 포틀랜트 시멘트에 석회석 미분말을 첨가하는 경우에는 석회석 미분말이 직접 탄산화반응이 진행될 수 있어서, 비산재, 슬래그와 함께 이산화탄소를 투입하여 탄산화될 수 있다.
[반응식 1]
CaO + H2O → Ca(OH)2
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
상기 반응식 1은 석회석 미분말을 첨가하는 경우에 탄산화반응을 나타낸 것이다.
포틀랜드 시멘트에 석회석을 첨가하여 상기 반응식 1에 따라 이산화탄소를 탄산화하기 위한 공정에 사용할 수 있다.
한편 마그네시아 시멘트는 마그네시아(MgO)를 주원료로 탄산 마그네슘을 가소하여 제조되는데, 마그네슘 이온을 포함하여 이산화탄소와 반응하여 탄산염을 생성할 수 있으므로, 공정폐기물 또는 시공 후 폐기도는 마그네시아 시멘트를 이용하여 이산화탄소를 고용화할 수 있는 무기계 폐기물로 활용할 수 있다.
상기 시멘트는 폐시멘트 페이스트(waste cement paste)일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 그린시멘트 조성물은 시멘트 15 내지 85wt%; 비산재 5 내지 20 wt%; 조강형 팽창재 5 내지 15 wt%; 및 고로슬래그 미분말 5 내지 50 wt%를 포함할 수 있다.
상기 그린시멘트 조성물은 시멘트 15 내지 85 wt%를 포함한다.
여기서 상기 시멘트가 포틀랜드 시멘트인 경우에 1 내지 5 wt%로 석회석 미분말을 포함할 수 있다.
상기 석회석 미분말을 1 wt% 미만으로 첨가하는 경우에는 이산화탄소를 첨가하여도 탄산화효율이 매우 감소되며, 석회석 미분말을 5wt%를 초과하여 첨가하는 경우 이산화탄소 탄산화효율은 증가하나, 그린시멘트 조성물을 제조한 이후에 콘크리트 제조 시 압축강도가 저하되고 재령 30일 이후의 호칭강도가 감소될 수 있다.
상기 포틀랜드 시멘트가 15 wt% 미만으로 포함될 경우, 그린시멘트 조성물을 가지고 콘크리드 제조시 압축강도 발현에 문제가 발생되어, 고강도 콘크리트를 제조할 수 없는 문제가 발생될 수 있다.
상기 포틀랜드 시멘트가 85 wt%를 초과하는 경우에는 상대적으로 탄소광물이나 고로슬래그 미분말의 사용량 적어 효율적인 이산화탄소 탄산화공정의 수행이 어렵다.
상기 그린시멘트 조성물은 비산재를 5 내지 20 wt%로 함유한다.
한편 상기 비산재는 유리석회를 포함하는 열병합발전소 비산재(fly ash)를 이산화탄소와 반응시켜 형성될 수 있다.
상기 열병합발전소 비산재는 유리석회 함량이 0.2 wt% 내지 5 wt%일 수 있다.
상기 비산재를 5 wt% 미만으로 포함될 경우, 이산화탄소의 탄산화 효율이 저하되는 문제가 있으며, 상기 비산재를 20 wt% 초과하여 포함하는 경우, 상기 그린시멘트를 사용하여 제조되는 콘크리트의 압축강도를 증가시기는데에 한계가 있다.
상기 그린시멘트는 고로슬래그 조성물 5 내지 50 wt%로 포함할 수 있다.
고로슬래그는 제철공정에서 발생되는 부산물로써, 현재 일반 비산재와 더불어 많이 사용되고 있는 콘크리트용 혼화재료이다.
고로슬래그는 일반적으로 시멘트 수화물과 2차 반응을 통하여 콘크리트 조직을 치밀하게 함으로써 장기적인 강도가 증가한다고 알려져 있다.
상기 그린시멘트 조성물은 상기 고로슬래그 미분말을 5 내지 50 wt%로 포함한다.
상기 고로슬래그가 5 wt% 미만으로 포함될 경우, 장기 압축강도 발현효과에 있어 문제가 발생할 수 있고, 상기 고로슬래그 미분말이 50 wt%를 초과하여 포함될 경우, 이를 포함하는 시멘트를 이용한 초기 콘크리트의 강도가 저하될 수 있고, 건조수축 발생량이 크게 나타나는 문제가 있을 수 있다.
상기 그린시멘트 조성물은 조강형 팽창재를 5 내지 15 wt%로 포함한다.
상기 조강형 팽창재는 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재, 산화칼슘계 팽창재 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종일 수 있다.
상기 칼슘설포알루미네이트계 팽창재는 연주슬래그, 레드머드, 비산재, 바닥재 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종을 1200 ℃ 내지 1400 ℃의 온도에서 소성하여 형성될 수 있다.
상기 칼슘설포알루미네이트계 팽창재는 칼슘설포알루미네이트 20 내지 40 중량부를 포함할 수 있고, 분말도는 3500 ㎠/g 내지 5000 ㎠/g일 수 있다.
상기 산화칼슘계 팽창재는 석회석, 탈황석고, 인산석고 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종을 1200 ℃ 내지 1400 ℃의 온도에서 소성하여 형성될 수 있다.
상기 산화칼슘계 팽창재는 산화칼슘 20 내지 40 중량부를 포함할 수 있고, 분말도는 3500 ㎠/g 내지 5000 ㎠/g일 수 있다.
상기 조강형 팽창재는 초기 강도 확보를 위해 분말도가 3500 ㎠/g 내지 5000 ㎠/g인 것이 바람직하고, 상기 그린 시멘트 조성물에 5 내지 15 wt%로 함유될 수 있다.
상기 조강형 팽창재가 5 wt% 미만으로 포함되는 경우, 이를 포함하는 콘크리트의 팽창율 저하로 건조수축 시 균열 문제가 발생할 수 있고, 상기 조강형 팽창재가 15 wt%를 초과하여 포함되는 경우, 이를 포함하는 콘크리트의 유동성 저하, 과팽창에 의한 균열 발생, 재령에 따라 강도가 저하될 우려가 있다.
상기의 조성 범위 내로 시멘트, 비산재, 고로슬래그 및 조강형 팽창재를 갖는 그린 시멘트 조성물은 일반적인 비산재를 포함하는 시멘트 조성물 대비 이산화탄소 탄산화반응의 효율을 10% 이상 증가시킬 수 있다.
또한, 제조된 그린시멘트를 바탕으로 콘크리트를 제조하는 경우에 초기 강도 저하를 억제할 수 있고, 건조 시 수축을 최소화할 수 있으며, 양호한 압축강도를 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그린시멘트 조성물 제조방법의 공정흐름을 나타낸 공정흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 그린시멘트 조성물 제조방법은 시멘트, 비산재 및 슬래그로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 무기계 폐기물을 혼합하여 준비하는 단계(제1단계); 상기 무기계 폐기물을 분쇄하여 미립자로 형성하는 단계(제2단계); 상기 미립자인 무기계 폐기물에 이산화탄소를 투입하여 탄산화 반응시키는 단계(제3단계); 탄산화되어 이산화탄소가 고용된 무기계 폐기물을 소성하고 냉각하여 클링커를 형성하는 단계(제4단계); 및 조강형 팽창재를 준비하고 상기 클링커와 혼합하여 분쇄하는 단계(제5단계);를 포함한다.
또한 상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트에 석회석 미분말을 첨가한 것 또는 마그네시아 시멘트일 수 있다.
포틀랜드 시멘트에 석회석 미분말을 첨가하여 비산재, 슬래그와 같이 무기계 폐기물로써 탄산화반응을 수행할 수 있으며, 이 경우 종래 그린시멘트가 탄산화된 비산재만을 포함하는 것에 비하여 탄산화반응에 의한 이산화탄소 고용률을 매우 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1> 무기계 폐기물의 탄산화 공정
우선 무기계 폐기물 중 포틀랜드 시멘트에 석회석 미분말을 첨가하여 이산화탄소를 첨가하는 경우에 탄산화반응을 통한 이산화탄소의 고용량을 확인하였다.
시멘트 종류 SiO2 CaO Al2O3 MgO residue
포틀랜드 시멘트(wt%) 46.81 39.23 7.12 0.8 6.04
포틀랜트 시멘트+ 석회석 미분말(wt%) 46.81 44.23 7.12 0.8 1.04
상기 표 1은 포틀랜드 시멘트 및 석회석 미분말을 첨가한 경우의 성분의 함량을 분석한 것이다.
주요성분으로 탄산화 반응이 가능한 CaO를 함유하는 것을 확인하였다.
특히 이산화탄소 고용량에 대한 열중량분석(TGA) 결과 석회석 미분말을 첨가하지 않은 포틀랜드 시멘트는 1 kg에 총 319 g의 이산화탄소를 고용화할 수 있는 반면에 석회석 미분말을 첨가하여 44.23 wt%로 CaO를 포함하는 경우에는 360 g 이상의 이산화탄소를 고용화할 수 있는 것으로 확인되어 포틀랜드 시멘트에 이산화탄소를 투입하여 이산화탄소 탄산화 효율을 10 % 이상으로 증가시킬 수 있는 것을 확인하였다.
비산재 종류
 조성 (wt%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 MnO P2O5
일반 비산재 58.12 21.34 6.58 4.52 1.91 1.15 0.24 1.09 0.08 0.31
열병합 비산재 34.6 13.71 9.28 27.69 4.8 0.85 0.28 0.89 0.13 0.1
상기 표 2는 비산재의 종류에 따른 성분 함량을 분석한 것이다.
비산재 또한 무기계 폐기물로서 CaO를 함유하여 이산화탄소를 이용한 탄산화공정을 수행할 수 있는 것을 확인하였으며, 특히 열병합 비산재를 선택하는 경우 탄산화반응에 유리한 것을 확인하였다.
다만 콘크리트용 혼화재로 사용되는 일반 비산재(일반 FA)는 CaO함량이 4.52 wt%로 낮지만, 열병합 발전소에서 발생되는 비산재(열병합 FA)는 CaO 함량이 27.69 wt%로 비교적 높다.
열병합 발전소에서 발생되는 비산재의 산화칼슘은 대부분 유리석회로 존재하기 때문에 물과 접하면 바로 반응하므로, 콘크리트용 혼화재로 사용할 경우 이상응결, 슬럼프 저하 등이 발생할 수 있고, 사용량이 많을 경우 콘크리트의 과팽창으로 인한 균열이 발생할 수 있다.
따라서 비산재를 무기계 폐기물로 하여 탄산화하는 경우 안정한 탄산칼슘으로 변화되어 그린시멘트 조성물로 콘크리트를 제조하는 경우 콘크리트의 강도를 유지할 수 있다.
비산재 종류 탄산화 반응 전(wt%) 탄산화반응 후(wt%) 이산화탄소 고용량(%) 1kg당 고용량(g)
일반비산재 0.13 0.82 0.69 6.9
열병합 비산재 4.09 11.28 7.19 71.9
비산재의 탄소광물화(탄산화) 전후 이산화탄소 고용량 비교, 탄소광물 함량에 따른 모르타르 특성, 칼슘설포알루미네이트계 팽창재 함량에 따른 시멘트 특성 및 산화칼슘계 팽창재 함량에 따른 시멘트 특성을 확인하였다.
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 일반 비산재는 유리석회 함량이 낮기 때문에 이산화탄소 고용량이 0.69 %로 낮지만, 열병합발전소 비산재는 높은 유리석회 함량 때문에 이산화탄소의 고용량이 7.19 %로 높다.
이는 1 톤당 일반 비산재는 6.9 kg를 고용시킬 수 있고, 열병합발전소 비산재는 71.9 kg를 고용시킬 수 있다는 의미이며, 따라서 열병합발전소 비산재가 일반 비산재 보다 약 10 배 정도 높게 이산화탄소를 고용시킬 수 있는 것을 확인하였다.
다만 일반 비산재를 사용하는 경우에도 탄산화반응을 수행할 수 있으므로, 시멘트, 비산재 및 고로슬래그를 포함하는 무기계 폐기물을 탄산화하는 경우에는 열병합발전소의 비산재뿐만 아니라 일반 비산재를 사용하는 것도 가능한 장점이 있다.
<실험예 2> 조강형 팽창재에 따른 그린시멘트 조성물의 특성
조강형 팽창재에 따른 그린시멘트 조성물의 특성을 분석하였다.
그린시멘트 조성물에 있어서 비산재 및 고로슬래그의 첨가는 그린시멘트 조성물을 포함하는 콘크리트의 초기 강도 및 건조수축에 영향을 미친다.
조강형 팽창재를 첨가하는 경우 콘크리트 결합재로 콘크리트의 초기 강도 저하 및 건조수축 증가에 따른 균열 현상을 개선할 수 있는지 확인하였다.
우선 포틀랜드 시멘트 100 중량부 대비 모래 300 중량부 및 물 50 중량부를 포함하는 기본 시멘트를 준비하였다.
그 다음, 상기 기본 시멘트의 포틀랜드 시멘트에 대하여 각각 5 중량부, 10 중량부, 15 중량부 대체한 칼슘설포알루미네이트계 팽창재를 포함하는 시멘트를 준비하였으며, 상기 시멘트들의 특성을 도 2 및 3에 나타내었다.
도 2 및 3에 나타낸 바와 같이, 기본 시멘트와 비교하여 칼슘설포알루미네이트계 조강형 팽창재의 사용량이 증가할수록 팽창량이 기본 시멘트 대비 100 % 내지 180 % 팽창하는 것으로 나타났고, 팽창재의 사용량이 증가할수록 압축강도 또한 8 % 내지 20 % 증가하는 것을 확인하였다.
한편 산화칼슘계 팽창재 함량에 따른 시멘트 특성을 확인하였다.
포틀랜드 시멘트 100 중량부 대비 모래 300 중량부 및 물 50 중량부를 포함하는 기본 시멘트를 준비하였다. 그 다음, 상기 기본 시멘트의 포틀랜드 시멘트에 대하여 각각 5 중량부, 10 중량부, 15 중량부 대체한 칼슘설포알루미네이트계 팽창재를 포함하는 시멘트를 준비하였다.
CaO계 팽창재 대체율(%)
 팽창율(%) 시멘트 플로우 시멘트 응결(분) 압축강도(MPa)
2일 7일 28일 초기 60분 초결 종결 1일 3일 7일
0 0.001 0.006 -0.08 165 55 207 420 14.5 34.8 44.7
5 0.033 0.054 -0.026 174 74 220 400 16.9 39.7 43.1
10 0.043 0.064 -0.014 177 80 203 360 18 39.2 43.4
상기 표 4는 산화칼슘계 조강형 팽창재의 대체율에 따른 시멘트의 팽창율, 유동성, 응결과 압축강도 특성을 나타낸 것이다.
표 4를 참조하면, 산화칼슘계 팽창재 대체율이 증가할수록 팽창율이 증가하고, 이로 인해 28일 수축량이 감소하였다. 또한 초기 재령 1일의 압축강도가 시멘트만 단독 사용한 것과 비교하여 산화칼슘계 조강형 팽창재를 사용한 것이 높게 증가하였다.
칼슘설포알루미네이트계 팽창재 또는 산화칼슘계 팽창재를 포함하는 그린시멘트를 가지고 콘크리트를 제조하는 경우에 압축강도를 증가시키고, 초기 수축이 감소될 수 있는 것을 확인하였다.
<실시예 1> 그린시멘트 조성물 제조
포틀랜드 시멘트에 석회석 미분말을 혼합한 것과, 비산재 및 고로슬래그를 준비하여 석회석 미분말을 함유하는 포틀랜드 시멘트를 70 wt%, 비산재 5 wt%,및 고로슬래그 20 wt%로 하여 무기계 폐기물 혼합물을 제조하였다.
상기 무기계 폐기물을 분쇄하여 미립자로 형성한 이후에 30 bar, 30 ℃ 조건으로 이산화탄소를 투입하여 무기계 폐기물을 탄산화하였다.
탄산화되어 이산화탄소가 고용된 무기계 폐기물에 조강형 팽창재인 칼슘설포알루미네이트 팽창재 5 wt%를 혼합하여 분쇄하여 그린시멘트 조성물을 제조하였다.
제조된 그린시멘트의 물성을 확인하기 위하여 그린시멘트 조성물 340 kg/㎥, 단위수량 170 kg/㎥, 잔골재 901 kg/㎥ 및 굵은골재 860 kg/㎥ 로 배합된 콘크리트를 제조하였다.
<비교예 1> 시멘트 조성물을 포함하는 콘크리트
포틀랜드 시멘트 80 wt%, 및 슬래그 미분말 20 wt%를 포함하는 종래 방식의 그린시멘트를 준비하고 상기 실시예 1과 동일하게 하여 콘크리트를 구비하였다.
<결과> 콘크리트 압축강도 비교 및 이산화탄소
상기 실시예 1 및 비교예 1의 조성 및 압축강도를 하기 표 5 및 도 4에 나타내었다.
구분
 결합재 조성물(wt%) 압축강도(MPa)
시멘트 고로슬래그 비산재 조강형팽창재 1일 3일 7일 28일
비교예 1 80 20 2.7 17.3 24.1 36.4
실시예 1 70 20 5 5 3.8 18.8 26.5 39
상기 표 5 및 도 4를 참조하면, 현장에서 일반적으로 사용되는 시멘트(결합재) 조성물을 포함하는 콘크리트 배합인 비교예 1에 비해 실시예 1은 상대적으로 시멘트량이 감소했음에 불구하고 동등한 압축강도를 발현하는 것을 확인하였다.
또한, 비교예 1과 비교하여 실시예 1이 팽창량이 크고 이로 인해 건조수축이 감소되는 것으로 나타났다.
한편 그린시멘트의 이산화탄소 발생량 및 저감율을 평가하였다.
상기 실시예 1 및 비교에 2과 같은 조성으로 결합재 1 톤당 CO2 발생량 및 저감율을 하기 표 7에 나타내었다.
구분
 결합재조성물(wt%)
 이산화탄소발생량(g) / Kg
이산화탄소 저감율(%)
시멘트 고로슬래그 비산재 조강형팽창재 시멘트 고로슬래그 비산재 조강형팽창재 합계
비교예2 70 30 609 11.325 620.32 0
실시예 2 70 20 5 5 359 7.54 34.5 29 430.04 31%
실시예 2의 시멘트, 고로슬래그 및 비산재는 모두 탄산화공정을 통하여 이산화탄소가 고용화된 것이며, 비교예 2는 종래의 포틀랜드 시멘트과 슬래그 미분말을 혼합한 것이다.
열중량분석(TGA) 결과 탄산화공정이 수행된 시멘트의 경우 결합재 1 Kg 대비 250 g의 이산화탄소를 고용화시키고, 비산재의 경우 34.5 g의 이산화탄소를 고용화하는 것으로 확인되어 시멘트, 비산재, 고로슬래그를 모두 탄산화하는 경우 종래의 포틀랜드 시멘트과 슬래그가 혼합된 결합재 조성물에 비하여 약 31 %의 이산화탄소 고용율의 증가효과가 있는 것을 확인하였다.
지금까지 본 발명의 따른 무기계 폐기물을 포함하는 그린시멘트 조성물 및 이의 제조방법에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 시멘트 15 내지 85wt%;
    비산재 5 내지 20 wt%;
    고로슬래그 미분말 5 내지 50 wt%; 및
    조강형 팽창재 5 내지 15 wt%를 포함하되,
    상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트에 석회석 미분말을 첨가하여 조성 중 산화칼슘(CaO)를 44.34 wt%로 함유하고,
    상기 시멘트, 비산재 및 고로슬래그 미분말은 이산화탄소가 투입되어 탄산화된 것을 특징으로 하는 그린시멘트 조성물.
  4. 시멘트, 비산재 및 고로슬래그로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 무기계 폐기물을 혼합하여 준비하는 단계(제1단계);
    상기 무기계 폐기물을 분쇄하여 미립자로 형성하는 단계(제2단계);
    상기 미립자인 무기계 폐기물에 이산화탄소를 투입하여 탄산화 반응시키는 단계(제3단계); 및
    탄산화되어 이산화탄소가 고용된 무기계 폐기물에 조강형 팽창재를 혼합하여 분쇄하는 단계(제4단계);를 포함하되,
    상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트에 석회석 미분말을 첨가하여 조성 중 산화칼슘(CaO)를 44.34 wt%로 함유하고,
    상기 무기계 폐기물에 이산화탄소를 30 bar, 30 ℃로 투입하여 탄산화반응 시키는 것을 특징으로 하는 그린 시멘트 조성물 제조방법.

  5. 삭제
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