KR101884210B1

KR101884210B1 - 수질 정화 기능 및 항균성을 갖는 콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR101884210B1
Application number: KR1020160109872A
Authority: KR
Inventors: 김현석; 이장목; 이해정
Original assignee: (주)부영
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2018-08-03
Also published as: KR20180025331A

Abstract

본 발명은 하천에 설치되는 수중설치 콘크리트블록을 제조하기 위한 콘크리트 조성물에 있어서, 포틀랜드 시멘트 354 중량부, 굵은 골재 1010 중량부, 잔 골재 716 중량부, 물 167 중량부, 혼화제 0.18 중량부를 포함하며; 일반 유황분말 3.5 중량부 및 탄소분말 3.5 ~ 10.1 중량부를 더 포함하고; 상기 혼화제는 워커빌리티를 증가시키고 감수효과를 갖는 수중콘크리트용 혼화제로서 폴리카본산계의 고성능 혼화제이며; 대장균 및 황색포도상구균 감소율이 99.9%인 것을 특징으로 하는 수질 정화 및 항균성을 갖는 콘크리트 조성물로서, 수질오염을 개선하고 정화시키는 기능뿐만 아니라 항균 작용을 갖는 환경친화적인 콘크리트 재료로 조성되어 수질정화에 탁월한 개선효과를 가지고, 위 기능이 장기적으로 유지되는 수중설치 콘크리트 블록를 제조할 수 있는 콘크리트 조성물을 제공하는 효과가 있다.

Description

수질 정화 기능 및 항균성을 갖는 콘크리트 조성물{A Concrete Composition With Water-Purifying and Anti-Microbial Fucntion}

본 발명은 수중설치 콘크리트 구조물을 제조하기 위한 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 포틀랜드 시멘트, 굵은 골재, 잔 골재, 물, 물, 혼화제, 일반 유황, 및 탄소분말이 포함된 콘크리트 조성물로서 수질 정화 및 항균성을 갖는 수중 설치 콘크리트 조성물을 제조하기 위한 것이다.

수중에 설치되는 구조물에는 대표적으로 세굴 방지 블록, 식생호안블록, 생옹벽블록, 친환경수로관 등이 있으며, 특히 세굴방지블록은 냇물이나 강물 등과 같은 하천에 설치되는 것으로서, 강물에 의해 강바닥의 토사가 씻겨 패이는 세굴 현상을 방지하는 블록이다. 구체적으로, 세굴 방지 블록은 본체 중앙에 관통형성된 홈에 돌을 채워넣어 형성되는 어소 공간부 및 블록 설치시 형성되는 어소 통로를 통하여 물고기나 양서류 등이 서식하거나 피난할 수 있도록 한 것으로(도 1의 세굴 방지 블록의 예 참조), 주로 콘크리트로 형성되어 하천에 설치되어 진다.

한편, 국내 주요 하천의 오염도를 따져볼 때 수질오염은 생물학적 산소요구량(BOD) 등을 기준으로 하류일수록 오염도가 높다. 이러한 수질오염을 억제하고 오염된 수질을 정화하면서도 하천 정비를 진행할 수 있는 수질정화 기능 및 항균 기능을 갖춘 친환경 콘크리트제품에 대한 요구가 갈수록 증가하고 있는 실정이지만, 국내에 콘크리트가 도입된 이후 최근까지 연구개발 영역을 살펴보면 콘크리트의 기능 및 성능은 일반적으로 압축강도, 시공성, 내구성 및 내화성 등 기본적인 것에 주로 한정되어 있었다.

종래기술로서, 국내 등록특허공보(등록번호 제10-089401호)에는 "송이석을 이용한 투수성 콘크리트 구조물"이 소개되고 있으며, 이는 송이석 골재, 포트란트 시멘트 그리고 트리칼슘알루미네이트, 트리칼슘실리케이트, 칼슘설포알루미네이트 및 칼슘실리케이트로 성분으로 구성된 고강도시멘트로 조성된 콘크리트조성물을 성형한 콘크리트 구조물에 관한 것으로 다공성 물질이여서 수분을 쉽게 흡수하고 여과하는 특성에 대하여는 언급하고 있지만 오염물질의 분해정화기능은 언급되지 않고 있다. 공개특허공보(공개번호 제2010-18122호)에는 "환경친화형 다공성 식생콘크리트 조성물"에 관한 것으로, 하천 및 해안의 호안블록이나 도로의 법면을 안정시키기 위한 호안블록이나 식생블록을 제조하는 다공성 식생 콘크리트조성물로서 시멘트, 식물성 기포제, 양이온 흡착제, 식물성장 촉진제, 동결방지제 조성물로 발포시킨 다공성 식생콘크리트제품으로 다공질의 구성에 의해 수분의 배수가 용이하여 식물의 성장을 용이하게 하는 다공성의 기능은 있지만 이 발명 역시 유해물질이나 오염물질 분해제거하는 정화기능은 언급되지 않고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하고자 발명된 것으로 다음과 같은 목적을 가진다.

본 발명은 수질오염을 개선하고 정화시키는 기능뿐만 아니라, 항균 작용을 갖는 환경친화적인 콘크리트 재료로 조성되어 수질정화에 탁월한 개선효과를 가지는 콘크리트 구조물을 제조할 수 있는 콘크리트 조성물을 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 하천에 설치되는 콘크리트 구조물에 수질오염 및 항균기능을 장기적으로 유지할 수 있도록 하여 지속적인 수질정화에 개선효과를 가지게 하는 데에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다음과 같은 해결 수단에 의하여 구현된다.

본 발명은 하천에 설치되는 수중설치 콘크리트블록을 제조하기 위한 콘크리트 조성물에 있어서, 포틀랜드 시멘트 354 중량부, 굵은 골재 1010 중량부, 잔 골재 716 중량부, 물 167 중량부, 혼화제 0.18 중량부를 포함하며; 일반 유황분말 3.5 중량부 및 탄소분말 3.5 ~ 10.5 중량부를 더 포함하고; 상기 혼화제는 워커빌리티를 증가시키고 감수효과를 갖는 수중콘크리트용 혼화제로서 폴리카본산계의 고성능 혼화제이며; 대장균 및 황색포도상구균 감소율이 99.9%인 것을 특징으로 하는 수질 정화 및 항균성을 갖는 콘크리트 조성물이다.

본 발명은 앞서 본 구성에 의하여 다음과 같은 효과를 가진다.

본 발명은 수질오염을 개선하고 정화시키는 기능뿐만 아니라, 항균 작용을 갖는 환경친화적인 콘크리트 재료로 조성되어 수질정화에 탁월한 개선효과를 가지고, 위 기능이 장기적으로 유지되는 콘크리트 구조물을 제조하기 위한 콘크리트 조성물을 제공하는 효과가 있다.

도 1 세굴 방지 블록의 사시도

이하에서 앞서 본 과제의 해결수단을 상세하게 설명한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지기술에 대한 상세한 내용은 생략한다.

본 발명은 포틀랜드 시멘트 347 ~ 361, 굵은 골재 980 ~ 1040 중량부, 잔 골재 695 ~ 737 중량부, 물 164 ~ 170 중량부, 혼화제 0.1 ~ 0.3 중량부를 포함하며, 일반 유황분말 1.8 ~ 7 중량부와 탄소분말 3 ~ 11 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하여 수질 정화 기능 및 항균성을 갖는 수중설치 콘크리트블록을 제조하기 위한 콘크리트 조성물이다. 보다 바람직하게는, 상기 포틀랜드 시멘트는 354 중량부; 상기 굵은 골재는 1010 중량부; 상기 잔 골재는 716 중량부; 상기 물은 167 중량부; 상기 혼화제는 0.18 중량부; 상기 일반 유황은 3.5 중량부; 및 상기 탄소분말 3.5 ~ 10.5 중량부인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 포틀랜드 시멘트, 골재는 통상의 기술자가 용이하게 파악하고 실시할 수 있는 공지의 기술 요소이므로 이에 대한 설명은 생략하고, 이하에서는 유황분말, 탄소분말 및, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 설명한다.

근래 들어와 콘크리트 구조물의 열화에 대한 성능을 향상시키기 위해 개질 유황을 사용하고 있다. 즉, 디시클로 펜타디엔(dicyclopentadiene; DCDP)과 같은 개질제를 이용하여 개질하여 융점을 떨어뜨려 개질 유황을 제조한 다음, 이 개질 유황을 콘크리트 건배합시 골재와 함께 배합한 뒤 시멘트와 물을 투입하여 사용하는 방법으로 유황이 사용되고 있다. 개질유황은 결합재로서 반드시 120℃ 내지 130℃의 온도로 가열을 하는 용융을 통하여 경화가 이루어지도록 하는 기능을 한다. 그러나, 본 발명은 개질 유황을 제외한 일반 유황을 사용하는 것으로서, 일반 유황과 필러를 혼합한 다음 자연스러운 양생을 통하여 콘크리트를 제조하므로써, 유황이 가지고 있는 골재의 접착력증대, 소성변형 및 피로균열 저항성 증대 등의 효과에 추가하여 살균 내지 항균기능을 이용하여 콘크리트 구조물에 항균기능을 부여하고자 하는 것이다.

유황은 1960년대부터 살균 내지 항균효과가 있어 농가에서 농작물의 살균제로 사용되어 왔으며, 유황을 피부에 바르면 유기물과 작용하여 펜타티온산이 형성되어 이 물질이 피부 각질을 용해시켜 살충작용 내지 살균작용을 하는 것이 알려져 왔지만, 위 유황의 알려진 효과는 피부에 작용하거나 살충 효과가 있는 것에 불과하여 수중에 존재하는 콘크리트 구조물과는 관련이 없는 것이고, 콘크리트 분야에서 항균 기능성 물질로 알려진 바도 없다.

아래 표 1과 표 2는 대장균과 화농균 시험을 통하여 유황분말과 개질유황의 항균기능을 확인한 것이다. 24시간 후의 세균감소율이 99.9%에 이르고 있는 유황분말은 그 항균작용이 탁월함을 확인할 수 있다.

대장균시험	초기 세균수 (cfu/mL)	24시간 후 세균수 (cfu/mL)	감소율 (%)
BLANK	1.8×10⁴	6.5×10⁴	-
유황분말	1.8×10⁴	<10	99.9
개질유황	1.8×10⁴	5.8×10⁴	10.7

화농균시험	초기 세균수 (cfu/mL)	24시간 후 세균수 (cfu/mL)	감소율 (%)
BLANK	1.5×10⁴	6.2×10⁴	-
유황분말	1.5×10⁴	<10	99.9
개질유황	1.5×10⁴	5.6×10⁴	9.7

본 발명의 일반 유황(유황분말)은 개질유황을 제외한 통상적인 유황 원소로서 광산으로부터 유래하는 천연유황을 사용할 수도 있다. 한편, 국내 정유플랜트의 정제 과정 중 탈황시에 발생하는 유황이 발생량이 연간 약 150만톤에 이르고, 대량 수요처의 확보와 활용성 증대에 한계가 있는 상황이라는 점에서 산업부산물인 정유플랜트 정제과정시 발생하는 유황을 사용하는 것 또한 바람직하다. 본 발명은 유황분말 1.8 ~ 7 중량부, 바람직하게는 3.5 중량부의 비율로 혼합되어 아래 실시예에서 나타나는 살균 내지 항균기능을 발휘한다.

본 발명의 혼화제는 굵은 골재와 잔골재의 다량 사용에 따른 워커빌리티를 증가시키고 감수효과를 갖으며 수중콘크리트용 혼화제로서 폴리카본산계의 고성능 혼화제를 사용한다. 포틀랜드 시멘트는 354 중량부를 기준으로 혼화제 0.1 ~ 0.3 중량부, 바람직하게는 0.18 중량부를 사용한다.

본 발명의 탄소 분말은 폐목이나 야자수를 온도 500 ~ 800℃로 유지된 밀폐 전기로에서 4 ~ 5시간 탄화시킨 후 325 메쉬로 분쇄한 분말로서, 표면의 탄소 원자의 관능기(functional group)가 주위의 액체 및 기체의 피흡착성 분자와 강하게 흡착하여 결합하여 액체 및 기체를 정화하는 특성이 있다. 이러한 탄소 분말이 지닌 정화기능을 이용하여 콘크리트 구조물에 수질정화기능을 부여하고자 하는 것이며, 본 발명에서는 포틀랜드 시멘트는 354 중량부를 기준으로 탄소분말 3 ~ 11 중량부의 비율로 혼합되어 콘크리트 구조물이 제조된다.

아래에서는 본 발명을 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 상세하게 설명한다. 다음의 실시예는 본 발명을 좀 더 상세히 설명하는 것이지만, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1 ~ 실시예 3

실시예 1은 포틀랜드 시멘트 354 Kg, 굵은 골재 1010 Kg, 잔 골재 716 Kg, 물 167 Kg, 유황분말 3.5 Kg, 혼화제 0.18Kg, 탄소분말 3.5 Kg이 포함되도록 배합하여 본 발명의 세굴방지 블록을 제조하였다. 실시예 2와 실시예3은 각각 탄소 분말을 7.0 Kg과 10.5 Kg이 포함되도록 한 것을 제외하고는 위 실시예 1과 동일하게 제조하였다.

비교예 1

비교예 1은 포틀랜드 시멘트 354 Kg, 굵은 골재 1010 Kg, 잔 골재 716 Kg, 물 167 Kg, 혼화제 0.18Kg이 포함되도록 배합하여 블록을 제조하였으며, 유황분말과 탄소분말이 배제된 것이 실시예 1 ~ 3과 상이하다.

<제1차 압축강도 시험>

콘크리트제품의 상품성을 좌우하는 요소 중 가장 중요한 요소가 강도 즉 내구성이라 할 수 있다. 아무리 기능성이 우수한 제품이라 해도 쉽게 파괴되어 내구성이 떨어지는 콘크리트제품은 재공사를 요구하기 때문에 막대한 비용을 발생하게 만든다. 본 발명에서 콘크리트의 강도는 압축강도를 측정함으로써 평가하였다. 압축강도의 KS F 2405에 의거하여 지름 10cm, 높이 30cm 공시체를 제조하고 압축강도를 Universial Testing Machine을 이용하여 측정하였다. 측정은 3회를 실시하고 이를 평균하여 표 3에 콘크리트 공시체의 압축강도를 나타내었다.

	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	시험방법(기준치)
압축강도(MPa)	32.5	31.4	30.2	28.3	KS F2405(24)

상기 표 3에서와 같이 실시예 1 ~ 3이 유황분말 및 탄소분말이 첨가되므로서 비교예 1의 압축강도보다 다소 낮지만, 위 실시예 1 ~ 3 모두 24 MPa의 압축강도보다는 현저하게 높은 수치를 나타내고 있어 우수한 내구성을 가지고 있음을 확인할 수 있다.

<제1차 수질정화 성능 시험>

표 4는 콘크리트 조성물에 따른 메틸렌블루 탈색능력을 평가하기 위하여 블루(MB) 2.4mg/L의 용액 25mL를 넣고 30분 동안 진탕배양기에 넣고 교반한 후 메틸렌블루의 농도변화를 자외ㆍ가시선 분광도계(US-Visspectrophotometer)를 이용하여 메틸렌블루 탈색능력을 측정평가한 결과이다.

	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	시험방법
메틸렌블루 탈색성능(μmol/L·min)(시료 1g당)	0.002	0.012	0.013	0.013	KSM 1802 (활성탄 시험방법)

표 5에는 콘크리트 조성물에 따른 콘크리트 구조물의 단기간에 걸친 수질오염지표를 알아보기 위하여 콘크리트공시체를 파쇄하고 300ml 용량의 삼각플라스크에 50g씩 넣고 오염된 물을 200ml씩 넣은 다음 20±1℃의 온도에서 28일간 방치하면서 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 총인(T-P)의 수질오염 지표변화를 관찰하는 방법으로 진행하였으며 시간이 지남에 따라 BOD, COD, T-P를 어떻게 변화되고 있는지를 나타내었으며 시험결과 실시예 1 ~ 3의 경우 COD, T-N, T-P의 모든 경우에 고른 저감기능을 보여주었으며 탄소 분말의 첨가량에 따라 수질오염지표에 대한 저감 능력은 증가하였다.

	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	시험방법
BOD(mg/L) (저감율) 오염수 70.3	68.1 (3%)	63.2 (10%)	59.7 (15%)	55.5 (21%)	수질오염공정시험기준 (환경부 고시 제2013-99호)
COD(mg/L) (저감율) 오염수 35.7	34.6 (3%)	31.1 (10%)	30.0 (13%)	29.1 (16%)
T-P(mg/L) (저감율) 오염수 1.928	1.905 (1%)	1.625 (15%)	1.552 (18%)	1.498 (21%)

<제1차 항균성능 시험>

표 6 및 표 7은 KCL-FIR-1002(진탕배양법)에 의해 측정된 대장균 시험 결과 및 황색포도상 구균 시험결과이며, 실시예 1 ~ 3 모두 대장균 및 황색포도상구균 감소율이 99.9%로 나타나고 있음을 알 수 있다.

대장균 시험	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	시험방법
BLANK 1.6×10⁴	1.6×10⁴	1.6×10⁴	1.6×10⁴	1.6×10⁴	KCL-FIR-1002 (진탕배양법)
24시간 후 농도 6.3×10⁴	< 10	< 10	< 10	< 10
세균감소율 (%)	99.9	99.9	99.9	99.9

황색포도상구균 시험	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	시험방법
BLANK 1.5×10⁴	1.5×10⁴	1.5×10⁴	1.5×10⁴	1.5×10⁴	KCL-FIR-1002 (진탕배양법)
24시간 후 농도 5.0×10⁴	< 10	< 10	< 10	< 10
세균감소율 (%)	99.9	99.9	99.9	99.9

<제1 차 중금속 용출시험>

실시예 1 ~ 3 및 비교예 1의 제조한 콘크리트 시편들에 대한 중금속용출시험을 실시하였다. 중금속용출은 지름 10cm의 원통형 공시체를 높이 10cm로 절단한 뒤 1000mL 비이커에 넣고 증류수를 500mL 넣고 7일간 방치한 뒤 남은 용출수를 유도결합플라즈마 발광광도계(Ion-conductive plasma spectroscopy, ICP)를 이용하여 측정하였다. 사용한 ICP는 Perkin-Elmer사의 Optimer 5300DV였다. 중금속은 납(Pb), 비소(As), 카드뮴(Cd)에 대해 실시하였으며 측정결과를 표 8에 나타내었다. 시험결과 모든 콘크리트 조성의 용출수에서는 납,비소, 카드뮴이 검출되지 않아 중금속에 의한 환경오염은 일으키지 않을 것으로 여겨진다.

중금속	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	ICP용출시험 (7일간 용출)
납(Pb)	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.
비소(As)	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.
카드뮴(Cd)	N.D.	N.D.	N.D.	N.D.

N.D.: Not detected, 분석물질이 검출되지 않거나 최소검출한계 미만.

이상의 시험결과를 통해 본 발명의 세굴방지 블록은 압축강도 또한 28.3MPa이상이여서 기존 콘크리트 대비 동등 이상의 강도를 갖고, 메틸렌블루 흡착능이 우수하고 오폐수 중의 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 화합물(T-P)을 크게 줄일 수 있어 수질정화작용이 뛰어나고, 또한 대장균, 화농균 등의 시험을 통해 항균기능이 우수한 세굴방지 블록임을 확인할 수 있다.

또한 이와 같은 기능을 장기적으로 유지할 수 있는지 여부를 확인하기 위하여, KSF 2456의 B방법에 따라 동결융해 횟수를 100회(cycle)한 후에 동일한 시험을 실시하였다. 그 결과 압축강도, 수질정화 기능 및 항균기능이 유지되고 있음을 확인하였다. 자세한 결과는 아래 <2차 압축강도 시험(표 9)>, <제2차 수질정화 성능 시험(표 10: 메틸렌블루 탈색성능)(표 9 )>, <제2차 항균성능 시험(표 12: 대장균)(표 13: 황색포도상 구균)>에 나타내었다. 특히, <표 12> 및 <표 13>에서 확인되는 바와 같이, 실시예 1 내지 3은 동결융해 100회(cycle)한 후에 99.9%의 세균감소율을 보이고 있는바, 항균기능이 그대로 유지되고 있음이 확인되었다.

	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	시험방법(기준치)
압축강도(MPa)	30.7	29.8	28.7	27.5	KS F2405(24)

	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	시험방법
메틸렌블루 탈색성능(mol/Lmin)(시료 1g당)	0.002	0.011	0.012	0.012	KSM 1802 (활성탄 시험방법)

	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	시험방법
BOD(mg/L) (저감율) 오염수 68.5	?66.5 (3%)	61.6 (10%)	58.9 (14%)	54.8 (20%)	수질오염공정시험기준 (환경부 고시 제2013-99호)
COD(mg/L) (저감율) 오염수 37.1	36.0 (3%)	33.4 (10%)	31.9 (14%)	31.5 (15%)
T-P(mg/L) (저감율) 오염수 1.912	1.892 (1%)	1.644 (14%)	1.586 (17%)	1.529 (20%)

대장균 시험	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	시험방법
BLANK 1.5×10⁴	1.5×10⁴	1.5×10⁴	1.5×10⁴	1.5×10⁴	KCL-FIR-1002 (진탕배양법)
24시간 후 농도 6.7×10⁴	3.3×10⁴	< 10	< 10	< 10
세균감소율 (%)	50.7	99.9	99.9	99.9

황색포도상구균 시험	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	시험방법
BLANK 1.4×10⁴	1.4×10⁴	1.4×10⁴	1.4×10⁴	1.4×10⁴	KCL-FIR-1002 (진탕배양법)
24시간 후 농도 4.7×10⁴	2.2×10⁴	< 10	< 10	< 10
세균감소율 (%)	53.2	99.9	99.9	99.9

Claims

하천에 설치되는 수중설치 콘크리트블록을 제조하기 위한 콘크리트 조성물에 있어서,
포틀랜드 시멘트 354 중량부, 굵은 골재 1010 중량부, 잔 골재 716 중량부, 물 167 중량부, 혼화제 0.18 중량부를 포함하며;
일반 유황분말 3.5 중량부 및 탄소분말 3.5 ~ 10.5 중량부를 더 포함하고;
상기 혼화제는 워커빌리티를 증가시키고 감수효과를 갖는 수중콘크리트용 혼화제로서 폴리카본산계의 고성능 혼화제이며;
대장균 및 황색포도상구균 감소율이 99.9%인 것을 특징으로 하는 수질 정화 및 항균성을 갖는 콘크리트 조성물.
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