KR101854131B1 - 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101854131B1
KR101854131B1 KR1020150190797A KR20150190797A KR101854131B1 KR 101854131 B1 KR101854131 B1 KR 101854131B1 KR 1020150190797 A KR1020150190797 A KR 1020150190797A KR 20150190797 A KR20150190797 A KR 20150190797A KR 101854131 B1 KR101854131 B1 KR 101854131B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fiber
hydraulic lime
natural hydraulic
mortar composition
reinforced
Prior art date
Application number
KR1020150190797A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170080921A (ko
Inventor
조진상
문기연
조계홍
홍창우
Original Assignee
한국석회석신소재연구재단
한국교통대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국석회석신소재연구재단, 한국교통대학교산학협력단 filed Critical 한국석회석신소재연구재단
Priority to KR1020150190797A priority Critical patent/KR101854131B1/ko
Publication of KR20170080921A publication Critical patent/KR20170080921A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101854131B1 publication Critical patent/KR101854131B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00—Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/38—Fibrous materials; Whiskers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00—Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/02—Granular materials, e.g. microballoons
    • C04B14/04—Silica-rich materials; Silicates
    • C04B14/14—Minerals of vulcanic origin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • C04B28/10—Lime cements or magnesium oxide cements
    • C04B28/12—Hydraulic lime
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
    • Y02A30/30—Adapting or protecting infrastructure or their operation in transportation, e.g. on roads, waterways or railways

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Abstract

본 발명은 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물의 제조방법은 건식 혼합방법을 이용하므로 바잘트 섬유의 인발 및 뭉침 현상을 저하시키는 효과가 있으며 본 발명의 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 제조방법은 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물, 골재 및 물을 순차적인 투입하므로 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물의 분산력을 향상시키는 효과가 있다. 상기 분산력이 향상되면 바잘트 섬유에 의한 천연수경성석회와 균열사이의 가교(bridge)형성이 증대되므로 휨강도 및 인장강도가 향상된 모르타르를 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명의 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물은 저품질의 국내 석회석을 이용하여 제조된 천연수경성석회와 국내 현무암을 이용하여 제조된 바잘트 섬유를 포함하고 있으므로 국내 광물자원의 고부가가치를 창출할 수 있고, 온실가스 저감효과와 더불어 친환경재료의 국산화에 기여할 수 있는 효과가 있다.

Description

바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 및 이의 제조방법{Fiber Reinforced Mortar Composition Containing Basalt Fiber and Natural Hydraulic Lime And Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
바잘트(basalt) 섬유는 현무암을 1500℃로 열처리하여 제조 한 순수한 무기섬유로서 열에 대한 안정성이 뛰어나 적용 온도가 매우 넓은 장점이 있다. 상기 바잘트 섬유는 유리섬유 또는 탄소섬유와 같은 종래의 무기섬유보다 방음성, 내화학성, 내충격성 및 고강도 특성이 우수하다. 또한 상기 바잘트 섬유는 무기질 바인더와의 접착성이 우수하며, 폐기 시에도 환경 저해 요인이 없어 친환경성 섬유로서 적용성이 매우 높다. 천연수경성석회 (Natural Hydraulic Lime, NHL)는 SiO2 함량이 높은 저품위 석회석을 활용하여 제조하는 친환경 건축 재료로서 EU 규격에 준해 모르타르 제조 시 재령 28일의 압축강도와 수경성 광물의 함량에 따라 NHL 2, NHL 3.5, NHL 5로 등급이 구분되고 있다. 기경성과 수경성이 동시에 발현되는 자체 경화특성으로 경화체 내부는 미세 다공성 구조를 형성하게 되는데 이러한 구조적 특성은 항온·항습, 단열, 수분과 염류에 대한 저항성을 높여주는 역할을 하여 유연성과 투과성에서도 매우 우수한 특성을 보인다. 현재 NHL의 보급이 널리 퍼져있는 유럽, 중국, 미국 등의 국가에서는 석회를 기반으로 하고 있는 옛 건축물의 유지·보수 재 및 현대 건축물의 마감재, 접합재, 내·외장재와 같은 건축 재료로서 활발히 사용되고 있으며, 친환경적인 천연자원을 효율적으로 이용할 수 있는 재료로서 지속적으로 개발이 이루어지고 있다. 따라서 NHL에 바잘트 섬유를 혼합하여 성능을 개선 시킬 수 있다면, 친환경 건축 재료로서 적용범위가 확대될 것으로 보인다.
한국공개특허 제10-2015-0000535호 (공개일자 2015년 1월 5일)
1. Parnas, R., Shaw, M. and Liu, Q., 2007 : Basalt fiber reinforced polymer composites, The New England Transportation Consortium 2. Chun, S. H. and Kim, H. D., 2009 : Physical properties of basalt chopped fiber reinforced cement composite, Journal of Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 10(6), pp. 1298-1303. 3. Kunal Singha., 2012 : A Short Review on Basalt Fiber, International Journal of Textile Science, 1(4), pp. 19-28. 4. Czigany, T., Vad, J and Ooloskei, K., 2005 : Basalt fiber as a reinforcement of polymer composites, Periodica Polytechnica Mechanical Engineering., 49, pp. 3-14. 5. Choi, Y. W. et. al., 2014 : The Experimental study on the fluidity properties of mortar using basalt fiber and high volume fly ash, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 2(4), pp. 345-353. 6. BS EN 459-1 : 2010 : Building lime, Part 1 : definitions, specifications and conformity criteria, British-Adopted European Standard, UK 7. Harrison, A., 2005 : Carbonating and hydraulic mortars, TecEco Pty. Ltd., Hobart, Tasmania, Australia 8. Lawrence, R. M., 2006 : A study of carbonation in nonhydraulic lime mortars, University of Bath 9. Jeon, J. K., You, J. O. and You, S. Y., 2007 : Estimation on the dispersibility and crack resistance of fiber reinforced concrete, Conference of Korea Concrete Institute, pp. 745748. 10. Kim, B. I and Lee, S. H., 2014 : Comparison analysis of fiber distribution and workability for amorphous steel fiber reinforced concrete, Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, 23(4), pp. 47-57. 11. Choi, E. K., Lee, J. Y and Lee, C. S., 2004 : Effects of Wood sponge Pulp on Dispersion and Adherence of Fibers as well as Interfacial matrices in Fiber-reinforced Cement Composite, Journal of the Architectural Institute of Korea, 20(5), pp. 67-74. 12. Park, S. B., Kim, J. S and Kim, Y. Y., 2008 : Rheology Control of Cement Paste for Applying ECC Produced with Slag Particles to Self-Consolidating and Shotcreting Process , Journal of the Korea Concrete Institute, 20(1), pp. 67-75. 13. Choi, J. I. et. al., 2015 : Engineering property of basalt fiber as a reinforcing fiber, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 3(1), pp. 84-89. 14. Kim, J. S. er. al., 2010 : Tensile and fiber dispersion performance of ECC (Engineered Cementitious Composites) designed with ground granulated blast furnace slag, Journal of the Regional Association of Architectural Institute of Korea, 12(2), pp. 209-216. 15. You, K. P. and Hyung, W. G., 2014 : Bond strength and tensile strength of polymer-modified mortar using styrene and butyl acrylate, Polymer(Korea), 38(6), pp. 820-826.
본 발명자들은 항온, 항습, 단열, 수분과 염류에 대한 저항성이 뛰어나며 유연성과 투과성이 우수한 천연수경성석회와 친환경적이며 열안정성, 방음성, 내화학성, 내충격성 및 고강도 특성이 우수한 바잘트 섬유를 건식 혼합하여 친환경 모르타르 조성물을 제조하고 상기 친환경 모르타르 조성물, 골재 및 물을 순차적인 투입하여 인장강도 및 휨강도가 향상된 친환경 모르타르를 제조함으로서 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 바잘트(basalt) 섬유와 천연수경성석회(natural hydraulic lime)를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물은 상기 바잘트 섬유 1-5중량%와 상기 천연수경성석회 95-99중량%를 건식혼합하여 제조한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 제조방법을 제공한다:
단계(a): 저품위 국내 석회석으로부터 천연수경성석회를 제조하는 단계;
단계(b): 상기 천연수경성석회 95-99중량%와 바잘트 섬유 1-5중량%를 혼합하고 120-160rpm의 속도범위에서 3-10분 동안 교반하여 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물을 제조하는 단계; 및
단계(c): 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계.
본 발명은 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물의 제조방법은 건식 혼합방법을 이용하므로 바잘트 섬유의 인발 및 뭉침 현상을 저하시키는 효과가 있다.
본 발명의 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 제조방법은 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물, 골재 및 물을 순차적인 투입하므로 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물의 분산력을 향상시키는 효과가 있다.
상기 분산력이 향상되면 바잘트 섬유에 의한 천연수경성석회와 균열사이의 가교(bridge)형성이 증대되므로 휨강도 및 인장강도가 향상된 모르타르를 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물은 저품질의 국내 석회석을 이용하여 제조된 천연수경성석회와 국내 현무암을 이용하여 제조된 바잘트 섬유를 포함하고 있으므로 국내 광물자원의 고부가가치를 창출할 수 있고, 온실가스 저감효과와 더불어 친환경재료의 국산화에 기여할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 한국산 천연수경성석회의 X선 회절분석법 결과를 보여준다.
도 2는 바잘트 섬유와 바잘트 섬유의 전자현미경 촬영결과를 보여준다.
도 3은 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 압축강도(compressive strength) 검사결과를 보여준다.
도 4는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 휨강도(flexural strength)를 측정한 결과를 보여준다.
도 5는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 물흡수 정도를 보여준다.
도 6은 재령 28일 된 섬유보강 천연수경성석회 모르타르를 보여준다.
도 7은 섬유보강 천연수경성석회 모르타르에 사용된 바잘트 섬유의 길이에 따른 압축강도를 보여준다.
도 8은 섬유보강 천연수경성석회 모르타르에 사용된 바잘트 섬유의 길이에 따른 휨강도를 보여준다.
도 9의 패널 (a)는 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물을 보여준다. 패널(b)는 압축강도 테스트를 수행한 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 사진을 보여준다.
도 10은 재령 56일 된 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 물흡수 정도를 보여준다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 바잘트(basalt) 섬유와 천연수경성석회(natural hydraulic lime)를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물을 제공한다.
본 발명의 용어 ‘섬유보강 천연수경성석회 모르타르’는 천연수경성석회 모르타르의 인장력을 향상시키고 낮은 변형력으로 인해 깨지기 쉬운 약점을 보완하기 위하여 불연속성의 섬유를 첨가하여 제조한 모르타르를 의미한다.
본 발명의 용어 ‘섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물’은 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르를 제조하기 위한 조성물을 의미한다.
상기 불연속성의 섬유는 상기 천연수경성석회 모르타르의 강도 증진을 유발하며 균열을 제어하고 균열 이후 재료들의 거동을 보완하는 역할을 할 수 있다.
상기 불연속성의 섬유는 바잘트 섬유, 강 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 석면섬유, 합성화학섬유, 또는 천연섬유일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 강섬유는 강선을 자르거나, 강판을 깎거나 용해하여 추출함으로써 생산한 섬유를 의미한다. 상기 강섬유는 모르타르 내부에서 구조적으로 높은 내구성을 나타내는 장점이 있으나 접착력이 충분하지 못하며 상기 모르타르의 표면에 노출되면 녹이 발생하는 단점이 있다.
상기 유리섬유는 용해된 유리에서 필라멘트 형태로 추출된 것으로 붕규산 유리섬유 및 실리카 유리섬유가 있다. 상기 붕규산 유리섬유 및 실리카 유리섬유는 알카리 성분에 의한 화학 침식으로 섬유의 강도가 저하되는 단점이 있으며 제조과정에 필요한 붕소 또는 산화붕소를 전량 수입에 의존하며 인체에 흡입시 잠재적으로 암을 유발하는 단점이 있다.
상기 탄소섬유는 Pitch계 탄소섬유와 PAN계 탄소섬유가 있으며 역학적 특성, 내열성 및 화학적 안정성이 다른 섬유에 비하여 월등히 뛰어난 장점이 있다. 그러나 상기 탄소섬유는 고가로서 경제성이 취약한 단점이 있다.
상기 석면섬유는 모르타르의 큰 부피를 대체할 수 있으며 섬유 결합력이 견고하여 내부식성 및 내마모성이 우수한 장점이 있으나 상기 석면섬유를 생산하고 가공하는과정에서 폐암을 유발하는 위험요소 발견되어 다른 섬유로 대체되고 있는 실정이다.
상기 합성화학섬유는 탄성계수가 낮아 모르타르의 수축 균열을 감소시키는데 효과적이며, 터프니스와 내충격성 향상시키는 효과가 있다. 상기 합성화학섬유는 폴리프로필렌 섬유, 나일론 섬유 또는 폴리에틸렌 섬유일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 그러나 상기 합성화학섬유는 생분해가 불가능하여 건축폐기물로서 환경오염원이 될 수 있는 단점이 있다.
상기 천연섬유는 세계적으로 저가의 건축자재로서 많이 사용되고 있으나 습기 및 알카리에 의해 성능이 저하되는 단점이 있다.
이에 반하여 본 발명의 바잘트 섬유는 철원, 북한의 평강군, 제주도, 울산, 고성에 형성된 대규모 현무암지대로부터 생산될 수 있으므로 원료의 수입 없이 충분한 생산이 가능한 장점이 있다. 또한 본 발명의 바잘트 섬유는 다른 섬유에 비하여 상대적으로 낮은 에너지를 소비하여 제조가 가능하며 친환경적으로 독성이 없는 장점이 있으므로 종래의 불연속성의 섬유를 대체할 수 있는 장점이 있다.
상기 바잘트 섬유는 현무암을 1,500℃로 녹인 후 원심력을 이용해 방사하여 직경 9~20㎛ 크기의 필라멘트로 제조한 무기섬유를 의미한다. 상기 바잘트 섬유는 우수한 불연, 방열, 내열, 방음, 흡음, 방습, 내마모성, 내침식성, 내부식성, 및 경량 고강도 특성을 가지며 고가의 탄소섬유와 비슷한 색상을 가지고 있고 환경오염의 논란이 있는 유리섬유와 흡사한 성질을 가지고 있어 상기 탄소섬유와 상기 유리섬유를 대체할 수 있는 친환경 섬유이다.
상기 천연수경성석회는 공기 중으로부터 CO2를 흡수하여 경화하는 기경성과 물과 반응하여 경화하는 수경성 특성을 모두 가지는 석회를 의미한다.
상기 천연수경성석회는 점토분이 15~20% 함유된 저품위 석회석을 소성하여 생석회의 일부를 점토질 석회석 중에 함유된 규산(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)와 반응시켜 수경성 광물인 규산석회(3CaO·SiO2, 2CaO·SiO2)와 알루민산석회(3CaO·Al2O3)를 생성시키고, 이를 물로 수화하여 분쇄 및 분급하여 제조할 수 있다. 상기 천연수경성석회는 석회 특유의 기경성에 수경성이 더해지므로 일반 석회의 낮은 초기경화성이 보완되고 내수성이 높은 장점이 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 바잘트 섬유는 직경이 14-20㎛이며 길이가 4-11mm인 것을 사용한다. 상기 바잘트 섬유의 길이가 4mm미만이면 섬유의 길이가 짧아 모르타르 경화체 내부의 하중의 전달이 순간적으로 진행되어 하중 전달 효과가 반감되며 상기 바잘트 섬유의 길이가 11mm를 초과하면 천연수경성석회와의 접합성이 떨어져 낮은 휨강도 및 인장강도를 보인다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 천연수경성석회는 저품위 석회석을 이용하여 제조하며 입자크기가 10~20㎛인 것을 사용한다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물은 상기 바잘트 섬유 1-5중량%와 상기 천연수경성석회 95-99중량%를 건식혼합하여 제조한다. 바람직하게는 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물은 상기 바잘트 섬유 2-4중량%와 상기 천연수경성석회 96-98중량%를 건식혼합하여 제조한다. 보다 바람직하게는 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물은 상기 바잘트 섬유 3중량%와 상기 천연수경성석회 97중량%를 건식혼합하여 제조한다. 상기 건식혼합은 분말 상태의 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 직접 혼합하는 것을 의미한다. 상기 바잘트 섬유의 함유량은 유럽의 시멘트 복합판넬에 적용되는 펄프함량 규제치(비특허문헌 11 참조), 고인성 섬유보강 모르타르 및 모르타르 내부 합성섬유 혼합랑 규제치(비특허문헌 12 참조) 및 BS EN 459-1:2010에 준함 섬유 혼합량을 참고하여 설정할 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, 본 발명의 섬유보강 천연수경성석회 모르타르는 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 30중량%에 물 70중량%를 첨가하고 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 물의 첨가는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 경화조건(curing condition)에 따라 적절히 조절될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 건식 혼합은 120-160rpm의 속도범위에서 3-10분 동안 교반하여 수행한다. 바람직하게는 상기 건식 혼합은 130-150rpm의 속도범위에서 4-7분 동안 교반하여 수행한다. 보다 바람직하게는 상기 건식 혼합은 140rpm의 속도범위에서 5분 동안 교반하여 수행한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 제조방법을 제공한다.
단계(a): 저품위 국내 석회석으로부터 천연수경성석회를 제조하는 단계;
단계(b): 상기 천연수경성석회 95-99중량%와 바잘트 섬유 1-5중량%를 혼합하고 120-160rpm의 속도범위에서 3-10분 동안 교반하여 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물을 제조하는 단계; 및
단계(c): 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계.
본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르는 단계(c)후에 진동기를 이용하여 다짐한 후 온도범위 15-25℃ 및 상대습도 80-99%의 분위기로 28-56일간 경화시켜 제조할 수 있다. 바람직하게는 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르는 단계(c)후에 진동기를 이용하여 온도범위 18-22℃ 및 상대습도 90-97%의 분위기로 28-56일간 경화시켜 제조할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르는 단계(c)후에 진동기를 이용하여 다짐한 후 온도범위 20℃ 및 상대습도 95%의 분위기로 28-56일간 경화시켜 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 단계(b)의 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물은 무수석고, 이수석고, 시멘트, 활성황토, 황토, 플라이애쉬, 천연섬유, 음이온 계면활성제, 유동화제 및 촉진제 중 선택되는 어느 하나 이상을 추가로 더 포함할 수 있다.
실시예
1. 실험방법
1.1. 사용재료
본 연구에서 활용한 NHL은 유럽의 EU 규격에 준하는 국내 저품위 석회석을 활용하여 제조하였으며, 주요 광물상은 Ca(OH)2, CaCO3, SiO2, C2S 및 C3S로 일반적으로 구분되는 NHL과 동일한 광물상을 나타내었다 (도 1). Ca(OH)2는 경화시 대기 중 이산화탄소와 반응하여 CaCO3로 변화되는 기경성의 특성을 보이게 되며 C2S 및 C3S는 일반적인 포틀랜드시멘트 광물상으로 물과 반응하여 C-S-H 수화상을 생성시켜 장기적인 강도발현에 기여하게 된다. 바잘트 섬유는 국내 A사에서 제조한 제품으로 섬유길이 3mm, 6mm, 12mm으로 절단하여 사용하였으며, 섬유의 평균 직경은 약 17μm 정도였다 (도 2).
1.2. 섬유혼합방법
바잘트 섬유 혼합방법에 따른 물리적 특성을 조사하기 위해 건식혼합 2가지, 습식혼합 2가지, 총 4가지 혼합방법으로 모르타르를 제조하였다(표 1). 섬유의 pre-mixing 시간은 모르타르 교반기 1속 (약 140RPM) 에서 5분을 기준으로 하였으며, 이후 모르타르 교반은 BS EN 196에 준해 실시하였다. 바잘트 섬유는 모르타르 및 콘크리트에 폭 넓게 적용 가능한 길이인 6mm를 활용하였으며, 혼합량은 3%로 하였다. 혼합량의 경우 유럽에서 시멘트 복합 판넬에 적용되는 펄프함량 규제치인 최대 3% 이내와 고인성 섬유보강 모르타르 및 모르타르 내부 합성섬유 혼합량 규제치인 2% 내외, 또한 BS EN 459-1:2010에 준한 섬유 혼합량 20% 이내를 참고하여 3%로 적용하였다.
Figure 112015129254485-pat00001
제조한 모르타르는 진동다짐기를 활용하여 다짐한 후 온도 20℃, 상대습도 95%에서 습윤 양생하였으며, 재령 28일 및 재령 56일에서의 휨강도, 압축강도 및 흡수율을 측정하였다. 표 2에 강도특성 분석을 위한 실험조건을 나타내었다. 가장 우수한 강도를 나타내는 샘플의 섬유 혼합방법을 섬유 분산성이 높다고 판단하여 최적의 섬유 혼합방법으로 선택하였으며, 최적 혼합방법으로 이후 섬유 길이에 따른 강도특성 연구에 적용하였다.
Figure 112015129254485-pat00002
1.3. 모르타르 특성평가
섬유 길이에 따른 섬유강화 수경성 석회 복합재료는 표 2에 준한 혼합방법을 활용하여 모르타르를 제조하였다. 실 적용상황을 고려해 일정 작업성을 나타내도록 flow (165± 3)mm로 물 비를 맞췄으며, 재령에 따른 강도특성을 확인하여 장기재령에서 섬유 혼합 모르타르의 물성 안정성을 예측하고자 하였다. 흡수율(BS EN 1881122), 안정도 (BS EN 459-2), 공기량 (BS EN 459-2) 측정은 EU 규격에 준해 실시하였다. 표 3에 섬유 길이에 따른 수경성 석회 모르타르의 실험조건을 나타내었으며, 표 4에 샘플명 및 각 샘플의 물비를 나타내었다.
Figure 112015129254485-pat00003
Figure 112015129254485-pat00004
2. 실험결과
NHL과 바잘트 섬유의 최적 혼합방법을 도출하고자 4가지 조건으로 섬유를 혼합하여 모르타르를 제조하였다. 도 3과 도 4는 섬유 혼합 방법에 따른 수경성 석회 모르타르의 압축강도 및 휨강도 측정결과이다. 압축강도 및 휨강도 측정결과 수경성 석회와 섬유를 pre-mixing 한 2번 샘플의 강도특성이 가장 높은 것을 알 수 있었다. 섬유와 NHL을 건식혼합 할 경우 섬유 사이에 수경성 석회 입자가 들어가 섬유간 반발력이 높아지는 것으로 보이며, 수경성 석회 입자성에 의한 건식 분산, 물 혼합에 의한 습식분산, 골재 혼합에 의한 분산이 3차례에 걸쳐 순차적으로 이루어지기 때문으로 섬유의 분산력이 높아져 보다 우수한 강도특성을 나타내는 것으로 생각된다. 건식법에 의한 섬유의 1차 분산 없이 물과 먼저 혼합될 경우 수분에 의한 섬유 응집현상에 의해 분산성이 떨어지므로 건식법에 의한 1차 혼합이 필수적일 것으로 판단된다. 도 5는 섬유혼합 방법에 따라 제조한 수경성 석회 모르타르의 흡수율 측정 결과로서, 모르타르 경화체 내부 섬유의 분산력에 따른 공극의 형성정도를 조사하고자 하였다. 경화체 내부 섬유 응집에 의한 모세관 공극의 생성이 원활하지 않을 경우, 다공성 구조가 형성되지 않아 항온·습, 단열, 투기성과 같은 특성 발현이 낮아지며, 결과적으로 NHL의 기본특성을 발현시킬 수 있는 적용성이 떨어질 수밖에 없다. 도 5의 흡수율 측정결과 도 3 및 도 4의 강도특성과 유사한 경향성을 보였으며, 재령 28일과 재령 56 일 샘플 모두 샘플 2의 특성이 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 이는 경화체 내부 섬유의 응집 없이 공극의 형성 및 분포가 균일하다는 것으로 연결 지어 생각 할 수 있으며, 도 6의 모르타르 파단면의 현미경 분석을 통해 거시적으로 섬유응집정도를 알 수 있었다. 도 6 의 현미경 분석결과 모르타르 파단면에서 섬유의 인발 및 응집현상이 나타났다. 4번 샘플의 경우 섬유 응집 현상이 가장 두드러지게 나타나는 것을 알 수 있었는데 이는 습식법에 의한 섬유 혼합방법으로 섬유가 응집되었음에도 불구하고 바인더, 섬유, 골재를 한 번에 혼합 하여 섬유 응집 후 외부 작용이 가해지지 않아 섬유의 분산력이 떨어졌기 때문으로 생각된다. 이러한 섬유 응 집에 의해 강도 및 흡수율 또한 다소 낮은 특성을 나타내는 것으로 보인다. 2번 샘플의 경우 모르타르 파단면에서 섬유의 응집현상을 확인할 수 없었으며, 다른 샘플에 비해 섬유 인발현상도 매우 낮은 것을 알 수 있었다. 일반적으로 섬유류 혼화재를 혼합하여 사용할 경우 가장 일반적으로 기대할 수 있는 물성 향상은 인장강도 증가 또는 휨강도 증가와 같이 균열에 대한 저항성을 높여주는 것에 있다. 이렇게 적용되는 섬유류 혼화재는 길이에 따라 적용처 및 적용방법이 다른데 섬유 길이 3mm 내외의 경우 모르타르, 6mm 내외의 경우 모르타르 및 콘크리트, 12mm 내외일 경우 콘크리트에 적용되는 것으로 알려져 있다. 3mm와 6mm의 섬유류는 직접적인 혼합과정을 통해 사용되고 있지만, 12mm 와 같은 장섬유의 경우 바인더와 바인더 사이에 일정량을 뿌려주는 방법으로 사용하고 있다. 본 실시예에서는 섬유 길이에 따른 수경성 석회 모르타르의 적용성을 관찰하기 위해 섬유 길이와 무관하게 모두 직접 혼합을 통해 모르타르 샘플을 제조하였으며, 도 7과 도 8에 바잘트 섬유 혼합량 3%를 기준으로 섬유 길이에 따른 압축강도 및 휨강도 측정결과를 나타내었다. 도 7의 압축강도 측정결과, 전반적으로 섬유를 혼합한 샘플의 압축강도가 Plain샘플보다 낮은 압축강도 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 섬유를 혼합한 샘플의 경우 섬유길이 6mm를 혼합한 샘플의 강도특성이 가장 우수 했으며, 12mm 섬유를 혼합한 샘플의 강도특성이 가장 낮았다. 섬유를 혼합할 경우 경화체 내부 바인더(수화물 및 탄산화물) 사이의 직접적인 결합에 의한 물성발현과 더불어 바인더와 섬유 사이의 결합력이 증진되어야하기 때문에 안정적인 물성 발현을 하기 위해선 Plain샘플보다 많은 시간이 소요될 것으로 생각되며, 이에 따라 섬유를 혼합한 샘플의 압축강도 특성이 Plain 샘플보다 다소 낮은 강도특성을 나타내는 것으로 생각된다. 12mm 섬유와 같은 장섬유의 경우 바인더 입자간의 결합을 차단하는 역할로 인해 강도가 낮게 나타나는 것으로 보인다. 도 8의 휨강도 측정결과 섬유를 혼합한 샘플의 휨강도 특성이 Plain샘플보다 대체로 우수한 것을 알 수 있었다. 섬유를 혼합한 샘플 중 6mm 섬유를 혼합하였을 경우 가장 우수한 강도특성을 나타내었으며 압축강도와 유사한 경향성을 보였다. 3mm 섬유의 경우 섬유길이가 짧아 경화체 내부 하중의 전달이 순간적으로 진행되어 다소 낮은 것으로 생각되며, 6mm와 12mm 섬유의 경우 섬유가 길어 섬유 특성에 의한 bridging 효과가 나타난 것으로 보인다. 이러한 섬유의 bridging 효과에 의해 하중이 작용한 후에도 완전히 절단되지 않고 형태를 유지하는 현상을 나타내었다 (도 9). 다만, 12mm 섬유의 경우 6mm 섬유를 혼합했을 때보다 바인더와의 접합성이 떨어져 6mm 섬유보다 낮은 휨강도 특성을 보이는 것으로 생각되며, 전체적인 강도특성을 고려할 경우 섬유 matrix 모르타르에 가장 적합한 섬유의 길이는 6mm인 것으로 판단된다. 도 10은 재령 56일 모르타르 샘플의 흡수율 측정결과이다. 섬유를 혼합한 샘플의 흡수율이 plain샘플보다 높았으며, 이는 섬유 혼합 시 경화체 내부공극률이 더 높기 때문인 것으로 판단된다. 섬유에 의해 공극들이 미세공극으로 세분화되고 이에 따라 흡수율이 높아지는 것으로 사료되며 추후 섬유 혼합에 따른 경화체 내부공극구조, 공극분포도 및 공극률에 의한 상관관계에 대한 추가연구가 필요할 것으로 보인다. 표 5는 섬유를 혼합한 수경성 석회 모르타르의 공기량 및 안정도 측정결과이다. 공기량의 경우 섬유의 길이가 길어짐에 따라 증가하는 것을 알 수 있었는데, 이는 fresh mortar 내부섬유 사이에 생성된 공극에 의한 것으로 생각된다. 섬유길이 12mm를 혼합하였을 경우 공기량은 5.4%로 가장 높아 EU 규격에 부합하지 않는 것을 알 수 있었다 (EU 규격에 준한 공기량은 5% 이내로 규정). 안정도의 경우 Plain 샘플의 경우에도 EU 규격에 부합하는 특성을 나타내고 있지만 (EU 규격에 부합한 안정도는 ± 2mm로 규정), 섬유혼합에 따라 수축률이 감소하며 우수한 안정도를 나타내는 것을 알 수 있었는데 이는 micro crack사이에 섬유가 bridging 역할을 하여 크랙생성에 의한 수축을 방지하였기 때문으로 사료된다.
Figure 112015129254485-pat00005
4. 결 론
본 실시예에서는 바잘트 섬유를 혼합한 천연수경성석회 모르타르의 물리적 특성을 조사하여 실제 적용 가능성을 실험적으로 규명하고자 하였다.
(1) 압축강도, 휨강도 및 흡수율 측정결과 전반적으로 습식혼합보다 건식혼합 시 더 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있었으며, 현미경 분석을 통한 모르타르 표면 관찰결과 대체로 습식혼합으로 제조한 샘플에서 섬유 인발 및 섬유 뭉침 현상이 두드러지게 나타났다.
(2) 전반적으로 건식혼합법에 의한 섬유 혼합 방법이 습식혼합법보다 섬유의 분산력을 높이는 것으로 생각되며, 바인더 및 골재와 같이 혼합되는 모든 물질을 동시에 혼합하는 것보다 혼합하는 물질의 순차적인 투입에 의한 혼합방법이 섬유의 분산력을 높이는 것으로 나타났다.
(3) 섬유 길이에 따른 압축강도 측정결과, 섬유를 혼합하지 않은 샘플에 비해 바잘트 섬유를 혼합한 샘플의 압축강도가 낮은 것을 알 수 있었으며, 섬유를 혼합한 샘플 중 6mm 섬유를 혼합한 샘플의 압축강도 특성이 가장 우수한 것을 확인할 수 있었다.
(4) 섬유 길이에 따른 휨강도 측정결과, 섬유를 혼합한 샘플의 휨강도가 전반적으로 높게 나타나는 경향성을 보였으며, 이는 바인더와 균열사이에 bridging 역할을 하여 작용되는 하중에 대한 저항성이 높아졌기 때문으로 생각된다. 다만, 섬유 길이 12mm보다 6mm에서 휨강도 특성이 우수한 것을 보아 적용환경에 따른 섬유길이의 선택이 중요할 것으로 판단된다.
(5) 공기량 측정결과, 섬유길이 12mm를 제외한 샘플은 모두 공기량 5% 이내로 EU 규격에 부합하는 특성을 나타내는 것을 알 수 있었으며, 안정도 측정결과, 샘플의 수축률이 감소하며 안정도에 우수한 특성을 보였다. 전반적으로 섬유 길이 6mm에서 우수한 특성발현을 나타내었다.
(6) 바잘트 섬유를 혼합한 NHL의 물리적 특성 조사 결과를 통해 유럽규격의 NHL 3에 준하는 물리적 특성을 보였으며, 더 높은 인장강도, 부착강도 등이 요구되는 적용처에 사용이 가능할 것으로 판단되었다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims (10)

  1. 직경이 14-20㎛이며 길이가 6mm인 바잘트(basalt) 섬유 3중량%와 입자크기가 10~20㎛인 천연수경성석회(natural hydraulic lime) 97중량%를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물로서 Flow(165 ± 3)mm 기준 86% ~ 88%의 물비(water ratio)로 제조하면 재령 56일에 물흡수율(water absorption)이 13.0%이며; 압축강도(compressive strength)가 3.7MPa이며; 휨강도(flexural strength)가 1.5MPa인 모르타르를 제조하는 것을 특징으로 하는 친환경 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 천연수경성석회는 저품위 석회석을 이용하여 제조한 것을 특징으로 하는 친환경 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물은 상기 직경이 14-20㎛이며 길이가 6mm인 바잘트 섬유 3중량%와 상기 입자크기가 10~20㎛인 천연수경성석회 97중량%를 건식혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 친환경 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 건식혼합은 120-160rpm의 속도범위에서 3-10분 동안 교반하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 친환경 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물.
  7. 직경이 14-20㎛이며 길이가 6mm인 바잘트(basalt) 섬유 3중량%와 입자크기가 10~20㎛인 천연수경성석회(natural hydraulic lime) 97중량%를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물로서 Flow(165 ± 3)mm 기준 86% ~ 88%의 물비(water ratio)로 제조하면 재령 56일에 물흡수율(water absorption)이 13.0%이며; 압축강도(compressive strength)가 3.7MPa이며; 휨강도(flexural strength)가 1.5MPa인 모르타르를 제조하는 것을 특징으로 하는 친환경 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물에 있어서,
    (a) 저품위 국내 석회석으로부터 입자크기가 10~20㎛인 천연수경성석회를 제조하고 직경이 14-20㎛이며 길이가 6mm인 바잘트(basalt) 섬유를 제조하는 단계;
    (b) 상기 천연수경성석회 97중량%와 상기 바잘트 섬유 3중량%를 혼합하고 물이 첨가되지 않은 상태에서 120-160rpm의 속도범위에서 3-10분 동안 교반하여 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물에 물을 첨가하여 혼합하는 단계를 포함하는 친환경 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 단계(b)의 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물은 무수석고, 이수석고, 시멘트, 활성황토, 황토, 플라이애쉬, 천연섬유, 음이온 계면활성제, 유동화제 및 촉진제 중 선택되는 어느 하나 이상을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 섬유보강 천연수경성석회 모르타르의 제조방법.
KR1020150190797A 2015-12-31 2015-12-31 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 및 이의 제조방법 KR101854131B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150190797A KR101854131B1 (ko) 2015-12-31 2015-12-31 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150190797A KR101854131B1 (ko) 2015-12-31 2015-12-31 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170080921A KR20170080921A (ko) 2017-07-11
KR101854131B1 true KR101854131B1 (ko) 2018-05-08

Family

ID=59355071

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150190797A KR101854131B1 (ko) 2015-12-31 2015-12-31 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101854131B1 (ko)

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
F. lucolano et. al., Fiber-reinforced lime-based mortars: A possible resource for ancient masonry restoration, Construction and Building Materials 38, pp. 785 ~ 789, 2012. 10.*
서신석 외3명, 수경성석회 모르타르의 재료적 특성에 관한 기초연구, 대한건축학회 창립60주년기념 학술발표대회논문집, 제25권 제1호, pp. 77 ~ 80, 2005.10.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170080921A (ko) 2017-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Natali et al. Novel fiber-reinforced composite materials based on sustainable geopolymer matrix
Klyuev et al. Fiber concrete for the construction industry
TWI404697B (zh) 輕質、纖維強化之水泥嵌板
Ojo et al. Effects of fibre reinforcements on properties of extruded alkali activated earthen building materials
CN110282935A (zh) 一种纤维增强型混凝土及其制备方法
Balea et al. Fiber reinforced cement based composites
Rajak et al. Effect of micro polypropylene fibre on the performance of fly ash-based geopolymer concrete
Arafa et al. Effect of forta-ferro fibers on fresh and mechanical properties of ultra high performance self compacting concrete
Gaibor et al. Effect of polyacrylonitrile fiber on the properties of alkali-activated ceramic/slag-based mortar
Christina Mary et al. Experimental investigation on strength and durability characteristics of high performance concrete using ggbs and msand
KR101854131B1 (ko) 바잘트 섬유와 천연수경성석회를 포함하는 섬유보강 천연수경성석회 모르타르 조성물 및 이의 제조방법
KR100654094B1 (ko) 초미립자 시멘트를 사용한 연속섬유보강 시멘트
Zhu et al. Mechanical Properties of Plant Fibers Reinforced Alkali-activated Slag Cementitious Material at High Temperature.
Sarmin Lightweight building materials of geopolymer reinforced wood particles aggregate–A Review
Bui et al. Effect of coconut fiber content on the mechanical properties of mortars
Hussein et al. Steel fiber addition in eco-friendly zero-cement concrete: proportions and properties
Assaedi et al. Synthesis and mechanical properties of flax fabric reinforced geopolymer composites
KR100516758B1 (ko) 고강도 시멘트 조성물 및 이를 이용한 패널의 제조방법
Sarmin et al. Study on properties of lightweight cementitous wood composite containing fly ash/metakaolin.
CN102367208A (zh) 纤维增强无机浆料复合材料及其制备方法
Vilkner et al. Properties of glass concrete containing recycled carpet fibers
Mohammadkazemi et al. Rice husk and old corrugated container cement boards: Performance of nano-SiO2 on strength and dimensional stability
Umar et al. Experiemental study on strength of concrete using silica fumes as supplementary cementitious material
Kalkan Technical investigation for the use of textile waste fiber types in new generation composite plasters
Subburaj et al. Study on mechanical and thermal properties of sisal fiber/cloisite 30B nanoclay reinforced cement nano concrete

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right