KR101852957B1 - 토사, 폐기물, 해사, 및 사막모래 경화용 조성물 및 그를 포함하는 경화체 조성물 - Google Patents

토사, 폐기물, 해사, 및 사막모래 경화용 조성물 및 그를 포함하는 경화체 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 1~5 중량부, 염화나트륨 1~3 중량부, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트) 0.5~1 중량부, 염화칼륨 1~3 중량부, 염화칼슘 1~2.5 중량부, 산화마그네슘 0.2~2 중량부, 황산나트륨 0.2~1.5 중량부, Na2SiO3 0.2~2 중량부, 리그닌술폰산염 0.2~1 중량부, 및 시멘트 100 중량부를 포함하는 경화용 조성물 및 그를 포함하는 경화체 조성물을 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112017110995614-pat00008

상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, m과 n은 몰비로서 m은 0.3~0.7이며, n은 0.3~0.7이다.

Description

토사, 폐기물, 해사, 및 사막모래 경화용 조성물 및 그를 포함하는 경화체 조성물{Composition for hardening soil, wastes, sea sand or desert sand, and hardening composition comprising the same}
본 발명은 토사, 산업폐기물, 해사, 및 사막모래 경화용 조성물 및 그를 포함하는 경화체 조성물에 관한 것이다.
근래 들어 토목공사 및 건설사업 등의 수행 시 양질의 건설재료 확보 어려움으로 인해 공사기간이 지연되어 경비를 증가시키는 요인으로 작용하며, 건설자재 확보를 위하여 석산 개발을 하거나 하천, 해상 등에서 골재채취를 함으로써 자연환경을 훼손하고 생태계를 교란시키는 문제가 야기되고 있다.
구체적으로는, 기존 항만매립 공법, 기존 아스팔트 및 콘크리트 포장공법 등에서는 석재 등의 입상재료를 사용하므로 채석을 위하여 산야를 훼손하고 있고, 채석, 운반, 깨기 작업이 공사비를 증가시키는 요인이 되고 있다.　
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 우리나라 전역에 널리 분포되어 있는 토사, 산업폐기물, 하천준설 오니, 해사, 사막모래 등을 각종 토목공사 및 기타 건설 사업에 석재 대용으로 재활용하기 위한 방안이 요구되고 있다.
이러한 방안으로서, 종래에 시멘트 안정처리공법(Cement stabilization), LAC(Lignin Rosin Asphalt Concrete) 공법 등이 개발되어 활용되고 있으나, 마무리 양생시간이 길어 조기 압축강도를 얻기 힘들며, 압축강도 또한 30kgf/㎠ 이하로 낮아 사용할 수 있는 분야가 도로건설의 보조 기층재 등에 국한되어 있어서 활용성이 매우 낮았다.
대한민국 특허공개 제10-1996-29280호는 경화제 조성물을 사용하여 산업폐기물 및 토양 혼합물을 경화하는 방법을 개시하고 있다.　이때 사용된 경화제 조성물은 탄산나트륨 25%, 염화가리 25%, 탄산마그네슘 15%, 염화암모늄 10%, 규산화가리 8%, 실리케이트 7%, 황산철 5% 및 산화티탄 5%를 포함하도록 구성되어 있다.　이 경화제는 산업폐기물과 토양의 혼합물을 경화하기에 적합한 조성으로 기재되어 있으나, 탄산나트륨과 산화티탄을 주성분으로 사용함으로써 제조비용이 고가이며 이를 사용하여 제조되는 경화체의 강도 또한 크게 향상되지 못하는 단점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1996-29280호
본 발명은, 종래기술의 상기와 같은 단점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 토사, 폐기물, 해사, 및 사막모래를 빠른 경화속도, 우수한 강도 및 우수한 탄성을 가지도록 경화시킬 수 있는 경화제 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 경화제 조성물과 토사, 산업폐기물, 해사, 사막모래 등을 포함하며, 빠른 경화속도, 우수한 강도 및 우수한 내구성에 의하여 경제적으로 건축 및 토목에 사용될 수 있는 경화체 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물 1~5 중량부, 염화나트륨 1~3 중량부, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트) 0.5~1 중량부, 염화칼륨 1~3 중량부, 염화칼슘 1~2.5 중량부, 산화마그네슘 0.2~2 중량부, 황산나트륨 0.2~1.5 중량부, Na2SiO3 0.2~2 중량부, 리그닌술폰산염 0.2~1 중량부, 및 시멘트 100 중량부를 포함하는 경화용 조성물을 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112017110995614-pat00001
상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, m과 n은 몰분율로서 m은 0.3~0.7이며, n은 0.3~0.7이며, m + n = 1이다.
또한, 본 발명은
토사, 산업폐기물, 해사, 및 사막모래로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 100 중량부 및 경화용 조성물 3-15 중량부를 포함하는 경화체 조성물로서,
상기 경화용 조성물은
하기 화학식 1로 표시되는 화합물 1~5 중량부, 염화나트륨 1~3 중량부, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트) 0.5~1 중량부, 염화칼륨 1~3 중량부, 염화칼슘 1~2.5 중량부, 산화마그네슘 0.2~2 중량부, 황산나트륨 0.2~1.5 중량부, Na2SiO3 0.2~2 중량부, 리그닌술폰산염 0.2~1 중량부, 및 시멘트 100 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 경화체 조성물을 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112017110995614-pat00002
상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, m과 n은 몰분율로서 m은 0.3~0.7이며, n은 0.3~0.7이며, m + n = 1이다.
본 발명의 경화제 조성물은 토사, 폐기물, 해사, 및 사막모래를 빠른 경화속도, 우수한 강도 및 우수한 탄성을 가지도록 경화시키는 효과를 제공한다.
또한, 상기 경화제 조성물과 토사, 산업폐기물, 해사, 사막모래 등을 포함하는 경화체 조성물은 빠른 경화속도, 우수한 강도 및 우수한 내구성을 가지므로 경제적으로 건축 및 토목에 유용하게 사용될 수 있다.
이하에서 본 발명을 바람직한 실시예를 참고하여 설명한다.
본 발명은, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 1~5 중량부, 염화나트륨 1~3 중량부, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트) 0.5~1 중량부, 염화칼륨 1~3 중량부, 염화칼슘 1~2.5 중량부, 산화마그네슘 0.2~2 중량부, 황산나트륨 0.2~1.5 중량부, Na2SiO3 0.2~2 중량부, 리그닌술폰산염 0.2~1 중량부, 및 시멘트 100 중량부를 포함하는 경화용 조성물에 관한 것이다:
[화학식 1]
Figure 112017110995614-pat00003
상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, m과 n은 몰분율로서 m은 0.3~0.7이며, n은 0.3~0.7이며, m + n = 1이다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 말단에 포스포산을 포함하고 있어서 경화용 조성물의 응고기능을 향상시키며, 트리메톡시실란기를 포함하고 있어서 유무기 물질 간의 결합력을 향상시킨다. 또한 중량평균분자량이 50,000~100,000이므로 경화용 조성물과 다른 성분들 간의 결합을 강하게 하는 기능을 수행한다. 1 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 목적하는 효과를 달성하기 어려우며, 5 중량부를 초과하는 경우에는 추가적이 효과 향상에 의한 이점보다 경제적인 단점이 더 커서 바람직하지 않다.
상기 염화나트륨(Sodium chloride)은 무색결정으로 마그네슘 등의 염류를 함유하며 조해성이 있다. 나트륨염의 제조원료로서 시멘트의 수화 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 1 중량부 미만의 양으로 함유될 경우 수분과의 원활한 수용이 되지 않아 수화열이 높게 발생하여 경화체 구체에 균열을 유발할 수 있으며, 3 중량부의 양으로 함유될 경우 시멘트의 원활한 포졸란 반응을 억제하여 강도 구현에 문제점이 야기될 수 있다.
상기 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트)는 금속 이온을 봉쇄하는 성질이 있고 응고제 역할을 한다.　0.5 중량부 미만의 양으로 함유될 경우 경화체의 강도 개선에 도움을 주기 어려우며, 1 중량부를 초과하는 경우에는 경제성이 결여되고 환경에 바람직하지 않다.
상기 염화칼륨(Potassium chloride)은 흰색의 정방정계에 속하는 결정으로 공업적으로 칼륨염의 제조 원료로 사용되며 흡수성이 강한 성질이 있어서 감수제로 사용된다. 1 중량부 미만의 양으로 함유될 경우 경화체의 경화속도 및 양생 시간을 늦추어 공기에 영향을 주며, 3 중량부 초과의 양으로 함유될 경우 시멘트의 원활한 포졸란 반응을 억제하여 강도 구현에 문제점이 있을 뿐만 아니라 경화체의 조기 경화로 시공 품질의 저하를 가져 올 수 있다.
상기 염화칼슘(Calcium chloride)은 시멘트와 혼합하여 흡수성을 촉진하고 동결을 방지하는 촉매제 역할과 응고제 역할을 한다. 1 중량부 미만의 양으로 함유될 경우 수분과의 원활한 수용이 되지 않아 동결 방지효과가 약하게 되는 문제점이 있을 수 있으며, 2.5 중량부 초과의 양으로 함유될 경우 무수물이 다량 발생하여 경화제가 수분과 만났을 때 액상을 이루기 어려운 문제점이 있을 수 있다.
상기 산화마그네슘은 응고제의 기능을 수행한다. 0.2 중량부 미만으로 포함되면 목적효과를 제공하기 어려우며, 2 중량부를 초과하는 경우 MgO 일부는 페리클레스(periclase, MgO로부터 구성된 광물)로서 클링커 중에 생성하게 되는 문제가 야기된다.
상기 황산나트륨(Sodium sulfate)은 비교적 안정한 무색의 결정으로 유리나 황화 나트륨의 제조에 쓰인다. 경화체 반응에서는 토사 중의 유기물 건조에 사용된다. 0.2 중량부 미만의 양으로 함유될 경우 시멘트의 원활한 수화작용(포졸란 반응)응 충분히 수행치 못하게 하여 강도에 문제점이 있을 수 있으며, 1.5 중량부 초과의 양으로 함유될 경우 수화작용 향상에는 도움이 되지만 제품비용을 증대시킬 수 있다.
상기 Na2SiO3 0.2~2 중량부 알칼리화이다. 0.2 중량부 미만으로 포함되면 목적효과를 얻기 어려우며, 2중량부를 초과하면 알칼리도가 너무 증가하여 문제가 될 수 있다.
상기 리그닌술폰산염(Sodium lignosulfonate)은 토사, 산업폐기물, 하천준설 오니 및 해사와 사막모래, 시멘트 등의 혼합물질을 감수, 분산시키는 역할을 하며 시멘트와 혼합물질을 결합하여 강도를 증대시킨다.　0.2 중량부 미만의 양으로 함유될 경우 입자분산을 저해하며 재료의 완성 후 강도를 저하시키는 문제점이 있을 수 있으며, 1 중량부 초과의 양으로 함유될 경우 재료의 특성상 3차원 망상구조이므로 다른 물질의 화학적 반응을 저해하는 문제점이 있을 수 있다.
상기 시멘트로는 이 분야에 공지된 시멘트가 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 가장 일반적으로 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트가 사용될 수 있다.
본 발명의 경화용 조성물은 토사, 산업폐기물, 해사, 및 사막모래로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 경화에 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 토사, 산업폐기물, 해사, 및 사막모래로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 100 중량부에 대하여 3~15 중량부로 사용되는 것이 바람직하다. 3 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 목적효과를 달성하기 어렵고, 15 중량부를 초과하는 경우에는 경제적으로 바람직하지 않다.
상기 토사는 화강토, 이토, 강모래, 바다모래, 자연토사 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 산업폐기물은 오니, 잔재물, 화산재, 환경폐기물, 슬래그, 분슬래그, 폐콘크리트, 슬러지 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 토사, 산업폐기물, 해사, 및 사막모래로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 100 중량부 및 경화용 조성물 3-15 중량부를 포함하는 경화체 조성물로서,
상기 경화용 조성물은
하기 화학식 1로 표시되는 화합물 1~5 중량부, 염화나트륨 1~3 중량부, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트) 0.5~1 중량부, 염화칼륨 1~3 중량부, 염화칼슘 1~2.5 중량부, 산화마그네슘 0.2~2 중량부, 황산나트륨 0.2~1.5 중량부, Na2SiO3 0.2~2 중량부, 리그닌술폰산염 0.2~1 중량부, 및 시멘트 100 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 경화체 조성물에 관한 것이다:
[화학식 1]
Figure 112017110995614-pat00004
상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, m과 n은 몰분율로서 m은 0.3~0.7이며, n은 0.3~0.7이며, m + n = 1이다.
상기 경화용 조성물에서 기재된 내용은 본 발명의 경화체 조성물에 그대로 적용될 수 있으므로, 중복되는 내용은 생략하기로 한다.
상기 경화체 조성물은 항만 배후단지 매립재, 컨테이너 야적장 조성재, 도로 기층재, 도로 보조 기층재, 하천제방 및 토사댐의 심벽 축조재, 또는 연약지반 개량재로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 경화체 조성물은 석재 대용으로 건축자재, 토목공사자재 등으로 사용될 수 있으며, 현장 발생토를 이용할 수 있어 경제적이며 환경친화적이다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
제조예 1: 화학식 1의 화합물의 합성
2-(메타크릴로일옥시)에틸 포스페이트(2-(Methacryloyloxy)ethyl phosphate) 단량체 및 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트(3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate) 단량체를 1:1의 몰비로 첨가하고, 전체 단량체 100 중량부에 노르말 머캡탄 0.5 중량부를 혼합하여 균일하게 만들었다. 교반기가 부착된 스테인레스 스틸 고압 반응기에 이온교환수 130 중량부에 소량의 디소듐하이드로겐 포스페이트를 용해시키고 교반하며, 질소 등의 불활성 기체로 반응기 내부를 채우고 가열하였다. 72 ℃에서 3시간, 110℃에서 2시간을 중합하여 반응을 종결하였다. 반응이 종결된 후 세척, 탈수, 건조하여 중량평균분자량이 78,000인 화학식 1의 화합물을 얻었다.
[화학식 1]
Figure 112017110995614-pat00005
상기 식에서 R1 및 R2 메틸기이며, m과 n은 몰분율로서 m은 0.5이며, n은 0.5이다.
실시예 1: 경화용 조성물의 제조
상기 제조예 1에서 제조된 화학식 1로 표시되는 화합물 4 중량부, 염화나트륨 2 중량부, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트) 1 중량부, 염화칼륨 2 중량부, 염화칼슘 1.5 중량부, 산화마그네슘 1 중량부, 황산나트륨 0.8 중량부, Na2SiO3 1 중량부, 리그닌술폰산염 0.7 중량부, 및 시멘트 100 중량부를 혼합하여 경화용 조성물을 제조하였다.
실시예 2~4 및 비교예 1: 경화체 조성물의 제조
상기 실시예 1의 경화용 조성물을 사용하여 실시예 2-4의 경화체를 제조하고, 포틀랜드 시멘트만을 사용하여 비교예 1의 경화체 조성물을 제조하였다. 각 경화체 조성물의 조성비는 하기 표 1과 같았다.
상기 실시예 2-4 및 비교예 1의 경화체 조성물을 직경 30cm 높이 60cm의 원통형의 몰드에 투입하고, 7일간 수침을 통해 양생하였다.　양생 기간이 종료된 후 몰드를 분리하여 경화체를 완성하였다.
실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1
경화용 조성물 실시예 1 제조 10 10 10
포틀랜드 시멘트 - - - 10
토사, 산업폐기물 등 화강토 100 - - 100
슬래그 - 100 - -
해사 - - 100 -
(단위: 중량부)
시험예 1: 경화체 조성물의 물성 평가
상기 실시예 2 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 경화체 각각을 7일 및 28일 양생 후 KS F 2405에 따라 시험기를 사용하여 경화체의 압축강도를 측정하였다.
하중은 압축 응력의 증가가 매초 2~3 kgf/㎠가 되도록 하였으며, 경화체가 급격한 변형을 시작한 후에는 하중을 가하는 속도의 조정을 중지하고 하중을 계속 가하여 일축압축강도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
일축압축강도(kgf/㎠)
7일 양생 28일 양생
비교예 1 화강토 35.85 78.41
실시예 2 화강토 49.75 89.23
실시예 3 슬래그 36.25 65.14
실시예 4 해사 37.21 61.03
상기 표 2의 시험결과로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명의 경화용 조성물을 사용한 본 발명의 경화체 조성물인 실시예 2 내지 4의 경화체는 매우 우수한 압축강도를 나타내었다. 반면, 포틀랜드 시멘트만을 사용한 비교예 1의 경화체는 실시예 2의 경화체와 비교하여 매우 열화된 압축강도를 나타냈다.

Claims (7)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 중량평균분자량이 78,000인 화합물 1~5 중량부, 염화나트륨 1~3 중량부, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트) 0.5~1 중량부, 염화칼륨 1~3 중량부, 염화칼슘 1~2.5 중량부, 산화마그네슘 0.2~2 중량부, 황산나트륨 0.2~1.5 중량부, Na2SiO3 0.2~2 중량부, 리그닌술폰산염 0.2~1 중량부, 및 시멘트 100 중량부를 포함하는 경화용 조성물:
    [화학식 1]
    Figure 112018015614796-pat00006

    상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, m과 n은 몰분율로서 m은 0.3~0.7이며, n은 0.3~0.7이며, m + n = 1이다.
  2. [청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제1항에 있어서,
    토사, 산업폐기물, 해사, 및 사막모래로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 경화에 사용되는 경화용 조성물.
  3. [청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제2항에 있어서,
    상기 토사, 산업폐기물, 해사, 및 사막모래로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 100 중량부에 대하여 3~15 중량부로 사용되는 것을 특징으로 하는 경화용 조성물.
  4. [청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제2항에 있어서,
    상기 토사는 화강토, 이토, 강모래, 바다모래 또는 자연토사인 것을 특징으로 하는 경화용 조성물.
  5. [청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제2항에 있어서,
    상기 산업폐기물은 오니, 잔재물, 화산재, 환경폐기물, 슬래그, 분슬래그, 폐콘크리트 또는 슬러지인 것을 특징으로 하는 경화용 조성물.
  6. [청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    토사, 산업폐기물, 해사, 및 사막모래로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 100 중량부 및 경화용 조성물 3-15 중량부를 포함하는 경화체 조성물로서,
    상기 경화용 조성물은
    하기 화학식 1로 표시되는 중량평균분자량이 78,000인 화합물 1~5 중량부, 염화나트륨 1~3 중량부, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트) 0.5~1 중량부, 염화칼륨 1~3 중량부, 염화칼슘 1~2.5 중량부, 산화마그네슘 0.2~2 중량부, 황산나트륨 0.2~1.5 중량부, Na2SiO3 0.2~2 중량부, 리그닌술폰산염 0.2~1 중량부, 및 시멘트 100 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 경화체 조성물:
    [화학식 1]
    Figure 112018015614796-pat00007

    상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, m과 n은 몰분율로서 m은 0.3~0.7이며, n은 0.3~0.7이며, m + n = 1이다.
  7. [청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제6항에 있어서,
    항만 배후단지 매립재, 컨테이너 야적장 조성재, 도로 기층재, 도로 보조 기층재, 하천제방 및 토사댐의 심벽 축조재, 또는 연약지반 개량재로 사용되는 것을 특징으로 하는 경화체 조성물.
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