KR101896251B1 - 투수성과 보수성을 함께 구비한 경량 보도블록 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업폐기물인 폐석회석, 산업부산물인 바텀애시 및 농업폐기물인 왕겨재를 주요 구성 요소로 적용하여 제조함으로써, 시공상 또는 구조상 부가되는 기술 없이 구성 요소들의 특징만으로도 친환경성, 경량성, 투수성 및 보수성을 함께 확보할 수 있는 경량 보도블록에 관한 것이다.
본 발명은 「입경 3~5mm의 폐석회석 40~50vol%; 입경 3~10mm의 바텀애시 20~35vol%; 왕겨재 5~8vol%; 고로슬래그 시멘트계 무기결합재 10~15vol%; 및 물 6~12vol%; 를 혼합한 조성물을 형틀에 넣고 압착시켜 제조한 투수성과 보수성을 함께 구비한 경량 보도블록」을 제공한다.

Description

투수성과 보수성을 함께 구비한 경량 보도블록{Lightweight sidewalk block with water permeability and water holding capacity}

본 발명은 산업폐기물인 폐석회석, 산업부산물인 바텀애시 및 농업폐기물인 왕겨재를 주요 구성 요소로 적용하여 제조함으로써, 시공상 또는 구조상 부가되는 기술 없이 구성 요소들의 특징만으로도 친환경성, 경량성, 투수성 및 보수성을 함께 확보할 수 있는 경량 보도블록에 관한 것이다.

보도블록은 지면을 보호하고 사람, 자전거 등의 통행을 편하게 하기 위한 포장재로서, 눈, 비 등으로 인해 노면이 진흙탕이 되는 것을 막아주어 보행에 지장이 없도록 하고, 지면의 흙이 유실되는 것을 방지하는 등의 역할을 한다.

종래의 보도블록은 모래, 시멘트 및 안료를 혼합하여 제조한 시멘트 블록이 주로 사용되는데, 이러한 보도블록이 지면을 커버함으로써 빗물이 지층으로 유입되는 것을 차단함으로써, 빗물을 효율적으로 활용하지 못하고 지하수량이 적어지는 등의 문제가 된다.

근래에는 이러한 문제를 해소하기 위해 투수성이 있는 포장재(투수 콘크리트, 투수블록 등)이 다양하게 개발되고 있으며, 이러한 투수성 포장재가 실제 노면 포장에 적용되어 빗물의 자원화 관점에서 유의미한 효과를 얻고 있다.

다만, 강수량이 집중되는 경우에는 투수성만으로 빗물을 지반에 충분히 침투시키기 어렵고, 하절기 도심의 열섬 현상 저감을 위해서는 포장재 내에 빗물을 일정 수량 유지시키면서 빗물의 증발에 의해 주변의 열이 소모되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서 보수성(保水性) 있는 포장재를 적용함으로써 포장재에 내포된 빗물이 충분한 시간을 두고 서서히 지반으로 침투하거나 증발하도록 하는 방안도 함께 고려되어야 한다.

아울러, 최근 노동력 부족에 따른 건설인건비 급상승에 대응하기 위해서는 단위시간당 시공량을 증대시킬 수 있도록 보도블록 등의 포장재를 경량화하기 위한 연구가 필수적이다.

투수성 포장재는 물을 빠르게 배출시켜야 하는 것이고, 보수성 포장재는 물을 머금은 상태를 지속시켜야 하는 것이므로, 일반적 개념으로는 투수성과 보수성은 상충하는 개념일 수 밖에 없다. 따라서, 투수성, 보수성을 동시에 확보하는 문제를 해결하기 위해 등록특허 10-0921475, 등록특허 10-1012457, 등록특허 10-1634868, 등록특허 10-1526286 등과 같은 기술이 제시되어 있다.

다만, 등록특허 10-0921475는 투수층의 하부에 보수층이 별도로 구성된 블록에 관한 것이고, 등록특허 10-1012457 역시 보수성 확보를 위한 상층부와 투수성 확보를 위한 하층부가 구분된 블록에 관한 것이다. 등록특허 10-1634868은 보수성 모르타르 조성물과 투수성 확보를 위한 블록 구조체의 조합에 의해 투수성과 보수성을 확보하도록 구성된 것이다. 등록특허 10-1526286는 다소 복잡한 시공 과정을 거쳐 구현해야 하는 문제가 있다.

1. 등록특허 10-1066194 "바텀애시 보수성 블록 및 그의 제조방법" 2. 등록특허 10-1214596 "시멘트 및 지오폴리머 결합재와 바텀애시 골재를 사용한 투수성 콘크리트 및 그 콘크리트 제품의 제조 방법" 3. 등록특허 10-1242568 "산업용 부산물인 바텀애쉬와 인산석고를 재활용하여 육상 또는 해상용으로 사용되는 블록 조성물" 4. 등록특허 10-1495599 "산업용 부산물을 활용하여 제공되는 블록의 제조방법" 5. 등록특허 10-0465654 "왕겨재를 이용한 환경친화형 블록의 제조방법" 6. 등록특허 10-0921475 "투수성과 보수성을 가지는 포장용 블록" 7. 등록특허 10-1012457 "투수성과 보수성을 가지는 친환경 콘크리트 블록의 제조방법 및 그로부터 제조된 콘크리트 블록" 8. 등록특허 10-1634868 "투보수성 시멘트 모르타르 조성물, 이를 이용한 저류형 식생 주차 블록, 식생 주차 시스템 및 저류형 식생 주차 블록의 제조 방법" 9. 등록특허 10-1526286 "투수성 및 보수성을 가지는 비소성 보차도용 바닥포장 구조물"

본 발명이 아래의 각 사항을 동시에 충족시키는 보도블록을 제공함에 그 목적이 있다.

1. 빗물을 지반으로 빠르게 침투시키는 투수성(透水性)을 확보하면서도, 침투한 빗물을 오랫동안 머금으며 시간을 두고 지반으로 서서히 침투시킬 수 있는 보수성(保水性)을 함께 확보한 보도블록을 제공한다.

2. 한 가지의 조성물로 한 번의 압착 방식으로 간편하게 제작할 수 있는 보도블록을 제공한다.

3. 일반 보도블록보다 경량화되면서 일반 보도블록에 요구되는 휨강도 3MPa 이상, 압축강도 8MPa 이상의 물성이 충족되는 보도블록을 제공한다.

4. 폐자원, 산업부산물 등을 최대한 활용한 환경 친화적 보도블록을 제공한다.

전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 「입경 3~5mm의 폐석회석 40~50vol%; 입경 3~10mm의 바텀애시 20~35vol%; 왕겨재 5~8vol%; 고로슬래그 시멘트계 무기결합재 10~15vol%; 및 물 6~12vol%; 를 혼합한 조성물을 형틀에 넣고 압착시켜 제조한 투수성과 보수성을 함께 구비한 경량 보도블록」을 제공한다.

상기 무기결합재는 고로슬래그 미분말 60~70wt%; 포틀랜드 시멘트 20~30wt%; 및 포졸란 재료 5~15wt%; 를 포함하여 조성된 것을 적용할 수 있다.

상기 경량 보도블록에는 상면에서 하면으로 뚫려있는 다수의 수직통공을 형성시켜 투수 속도가 향상되도록 구성할 수 있다.

전술한 본 발명에 따라 제공되는 경량 보도블록의 효과는 다음과 같다.

1. 폐석회석과 바텀애시를 골재로 적용하여 투수성을 확보하면서, 왕겨재를 첨가하여 보수성이 함께 확보된다.

2. 바텀애시와 왕겨재의 사용으로 경량성이 확보되며, 보도블록의 경량화로 단위시간당 시공량이 증대되어 인건비를 절감시킬 수 있다.

3. 산업폐기물인 폐석회석, 산업부산물인 바텀애시 및 농업폐기물인 왕겨재를 주요 구성요소로 적용함으로써 친환경이 확보된다.

4. 무기결합재로서 시멘트의 상당량을 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 적용함으로써 친환경성을 강화하고, 배합수로 레미콘 회수수를 적용함으로써 친환경성을 극대화시킬 수 있다.

5. 폐석회석의 수화반응, 왕겨재의 포졸란 반응 등은 경량 보도블록의 압축강도 강화에 기여하고, 상기 바텀애시의 다공질성과 상기 왕겨재 표면형상의 특성은 휨강도 강화에 기여한다.

6. 경량 보도블록의 상면에서 하면으로 다수의 수직통공을 형성시킴으로써 경량 보도블록 중에서도 투수가 더욱 빠르게 이루어지는 구간을 형성시킬 수 있다.

[도 1]은 왕겨재의 단위용적 중량 측정 결과를 나타낸 사진이다.
[도 2]는 바텀애시의 단위용적 중량 측정 결과를 나타낸 사진이다.
[도 3]은 폐석회석의 단위용적 중량 측정 결과를 나타낸 사진이다.
[도 4]는 다수의 수직통공이 형성된 본 발명 경량 보도블록을 도시한 것이다.

본 발명은 「입경 3~5mm의 폐석회석 40~50vol%; 입경 3~10mm의 바텀애시 20~35vol%; 왕겨재 5~8vol%; 고로슬래그 시멘트계 무기결합재 10~15vol%; 및 물 6~12vol%; 를 혼합한 조성물을 형틀에 넣고 압착시켜 제조한 투수성과 보수성을 함께 구비한 경량 보도블록」을 제공한다.

투수성 블록은 투수 콘크리트로 제조한다. 상기 투수 콘크리트는 잔골재를 혼합하지 않고 제조한 콘크리트로서 콘크리트 내에 물 또는 공기를 자유롭게 통과시킬 수 있는 연속공극을 갖는 다공질 콘크리트를 말한다. 본 발명은 잔골재 없이 입경 3~5mm의 폐석회석과 입경 3~10mm의 바텀애시를 혼합하여 골재로 적용하고, 고로슬래그 시멘트계 무기결합재를 사용하여 제조되는 투수성을 갖는 보도블록이다.

또한 본 발명 경량 보도블록에는 왕겨재가 첨가된다. 본 발명에서 상기 왕겨재는 보도블록의 경량화에 기여하면서, 도심지의 열섬현상을 저감시키기 위한 보습재로서 기능한다. 이에 따라 본 발명 경량 보도블록은 상기 폐석회석과 바텀애시 및/또는 화산석 사이의 공극에 의한 투수성을 갖게 되면서, 상기 왕겨재에 의해 보수성도 함께 갖게 되는 것이다. 즉, 본 발명 경량 보도블록에 침투한 물의 일부는 상기 공극을 통해 배출되고, 일부는 상기 왕겨재에 흡수된 상태로 일정 기간 동안 유지된다.

본 발명 경량 보도블록의 원료 중 왕겨재와 바텀애시는 비중이 매우 낮다. 왕겨재의 단위용적 중량 측정 결과는 0.11kg/L이고([도 1] 참고), 실적율이 50%이므로, 비중은 0.22이다. 바텀애시의 단위용적 중량 측정 결과는 0.69kg/L([도 2] 참고)이고, 실적율은 55%로서, 비중이 1.25이다. 한편, 폐석회석은 단위용적 중량 측정 결과가 1.50kg/L이고([도 3] 참고), 비중은 2.7이다. 따라서, 본 발명 경량 보도블록에 포함되는 원료의 양을 wt%로 나타내는 경우에는 위와 같은 비중 차이에 따라 실제 투여량에 대한 인식이 왜곡될 수 있으므로(wt%로 나타내는 경우에는 상기 왕겨재 및 바텀애시의 함량이 과소 수치로 나타남), 본 발명 경량 보도블록에 포함되는 각 원료의 양은 vol%로 나타낸다.

석회석은 채굴과정에서 탄산칼슘(CaCO₃)의 순도가 75~80% 이상인 경우에는 시멘트 원료로 사용되고 있으나, 점판암이나 백운석과 같은 광물이 혼합되어 탄산칼슘의 순도가 떨어질 경우에는 폐석으로 분류되며, 본 발명에서는 이를 폐석회석이라 칭한다. 이들 폐석회석은 대부분이 매립, 폐기되지만, 품질확인을 거치지 않고 레미콘 골재로 사용되는 경우도 종종 발생하고 있다.

그러나, 폐석회석을 콘크리트용 골재로 사용할 경우에는 폐석회석 중에 함유되어 있는 용해성 MgO가 시멘트와 수화반응을 하여 시멘트 경화체가 팽창을 일으켜 손상을 받게 되므로 강도 및 내구성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 폐석회석을 구조용 콘크리트의 골재로서가 아니라 산성 하천의 정화, 녹화 및 보도용 포장 콘크리트 등의 투수 콘크리트에 활용하는 것이 유리하다. 이에 본 발명에서도 입경 3~5mm의 폐석회석을 40~50vol% 적용하여 보도블록의 주 골재가 되도록 한다.

바텀애시는 화력발전 보일러의 연소효율을 높이기 위해 사용되는 분탄 중 크기가 커서 표면만 연소된 채 자중에 의해 하강한 것으로, 포집 후 급격한 냉각이나 인위적 분쇄에 의해 입자가 형성되므로 콘크리트에 사용되는 일반 골재와 흡사한 형상 지니고 있다. 또한, 바텀애시는 다공질이므로 경량골재로 활용될 수 있다. 본 발명에서도 산업부산물의 재이용 확대 및 경량 보도블록 제조를 위해 상기 바텀애시를 골재의 일부로 적용하는 것이다. 바텀애시와 같은 다공질 재료 사용에 따라 동일한 물-결합재 비에서 플로우값이 감소하게 되나 보도블록 제조를 위해 플로값을 확보할 필요가 없으므로 본 발명에서 이 점을 고려할 필요는 없다.

왕겨는 벼 1톤 당 200kg 정도가 배출되며 이것을 연소시키면 약 40kg 정도의 왕겨재가 얻어진다. 매년 상당량의 왕겨재 중에서 일부가 퇴비나 발전용 연료로 사용되기도 하지만 주로 폐기 처분되는 등 왕겨재에 대한 활용예는 많지 않다.

상기 왕겨재는 입자 자체의 내부 공극이 많고 표면형상이 복잡하기 때문에 표면적이 크며, 본 발명에서는 이러한 특징에 기초하여 상기 왕겨재를 흡습성 소재로 활용한다.

또한, 상기 왕겨재는 후술할 포졸란 재료의 일종이므로 본 발명 경량 보도블록의 강도 발현에 일정 부분 기여하는 측면도 있다. 저온에서 짧은 시간에 탄화시켜 얻은 왕겨재는 비정질의 실리카로 주로 구성되어 있으며 매우 큰 표면적(50~60㎡/g)을 갖고 있기 때문에 포졸란 반응성이 매우 좋다. 왕겨재의 입자는 플라이시나 실리카흄과 달리 입자 자체의 내부 공극이 많고 표면형상이 복잡하기 때문에 큰 표면적을 갖는 것이 특징이다. 따라서 왕겨재를 시멘트와 혼합한 경우에는 응결수량이 증가하게 되고, 동일한 물-결합재 비에서는 플로우값이 감소하게 된다. 그러나 보도블록 제조를 위해 플로값을 확보할 필요가 없으므로 본 발명에서 이 점을 고려할 필요는 없다.

상기 무기결합재는 고로슬래그 미분말 60~70wt%; 포틀랜드 시멘트 20~30wt%; 및 포졸란 재료 5~15wt%; 를 포함하여 조성된 것을 적용할 수 있다.

포틀랜드 시멘트는 석회, 실리카, 알루미나 및 산화철을 함유하는 원료를 적당한 비율로 충분히 혼합하고, 그 일부가 용융하여 소결된 클링커에 석고를 첨가해 분말로 한 것으로서, 물에 반응하여 경화하는 가장 기초적인 결합재이다. 다만, 제조 과정에서 에너지 소모가 크고, 배출되는 CO₂량이 많아 그 전부 또는 일부를 여타의 혼화재로 치환하기 위한 기술이 대거 등장하고 있다. 상기 혼화재로서 대표적인 것으로는 잠재수경성을 갖는 고로슬래그 미분말과 포졸란 반응을 하는 플라이애시 등이 있다.

고로슬래그는 용광로에서 선철을 제조할 때에 부산물로서 생성되는 것으로, 고온의 용융슬래그를 대기중에서 냉각하는 서냉슬래그와 압력수로 급냉하는 수쇄슬래그로 나누어 지며, 수쇄슬래그는 유리질(비정질)이며 알칼리자극에 의해 경화하는 성질(잠재수경성)을 갖는다. 고로슬래그 미분말은 수쇄슬래그를 볼밀 등에서 건조·미분쇄한 후, 분급기에서 소정의 분말도의 것을 선별하여 제조되며, 용도에 따라 석고를 첨가한 것도 제조 된다.

포졸란 재료는 자체로 수경성이 없으나 물에 용해되어 있는 수산화칼슘과 상온에서 서서히 화합하여 불용성 화합물을 만들 수 있는 실리카 물질을 포함하고 있는 분말 상태의 물질을 통칭한다. 응회암, 규조토와 같은 천연 포졸란과 소성 점토, 실리카 겔, 실리카 흄, 플라이애시 등과 같은 인공 포졸란이 있다. 본 발명에서는 산업부산물의 이용 확대 측면에서 주로 플라이애시를 적용토록 할 수 있다.

본 발명에서는 물이 6~12vol% 적용된다. 이러한 배합수량은 가압에 의한 보도블록 제조를 위한 일반적인 양이다. 친환경성을 고려하여 본 발명에서는 레미콘 회수수를 배합수로 적용할 수 있다. 레미콘 생산 현장에서 콘크리트가 생산완료 된 후에는 후속 콘크리트 제조시 배합비의 정밀을 기하거나, 장비의 보존을 위하여 레미콘 드럼 내·외부, 배쳐플랜트의 믹서, 호퍼 등의 세척이 반드시 필요하다. 그런데 이와 같은 세척수를 자연 상태로 방류하거나, 폐기하는 경우 수질 및 토양오염을 유발하므로 최근에는 레미콘 회수수 재활용설비를 활용하여 귀중한 용수자원으로 재활용하고 있다. 구조 재료용 콘크리트의 경우 회수수를 사용한 콘크리트의 품질관리와 관련하여 검토할 사항이 다수 존재하나, 보도블록 등의 2차 제품 제작에 관련해서는 굳지 않은 콘크리트에 미치는 영향은 크게 고려할 필요가 없고, 레미콘 회수수 사용에 따라 압축강도는 오히려 약간 증가하거나 큰 차이가 없게 된다. 휨강도 역시 청수를 사용한 경우와 거의 동등하게 나타난다.

상기 경량 보도블록에는 [도 4]에 도시된 바와 같이 상면에서 하면으로 뚫려있는 다수의 수직통공을 형성시켜 집중 호우 시 투수 속도가 향상되도록 구성할 수 있다. 상기 수직통공은 보도블록 제품 생산 시 상부 몰드에 스파이크를 결합시켜 두고, 하부 몰드에 조성물을 넣고 진동 성형하면서 상기 상부 몰드로 누르는 방식으로 형성시킬 수 있다.

이러한 수직통공의 구성에 따라 본 발명이 제공하는 경량 보도블록은 상기 수직통공에 의한 고속 투수, 경량 보도블록의 전체적인 공극에 의한 일반 투수 및 왕겨재 혼입에 의한 보습과 투수 지연 효과를 동시에 누릴 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예들의 구성성분에 따른 단위중량을 검토한다. 아래 [표 1]은 본 발명의 실시예별 구성성분의 부피비를 정리한 것이다.

구분	구성성분(vol%)
	폐석회석	왕겨재	바텀애시	무기결합재	물
실시예 1	40	5	35	10	10
실시예 2	45	5	30	10	10
실시예 3	50	5	20	15	10

각 실시예별로 구성성분의 비중과 용적을 통해 본 발명 경량 보도블록의 단위용적중량을 산출하면 다음과 같다. 본 발명 경량 보도블록의 공극율은 21~ 30vol%로 형성시킬 수 있으나, 아래 실시예 1 내지 실시예 3에서는 공극율을 25vol% 조건으로 동일하게 하였다.

(실시예 1)

폐석회석(2.7×0.40)+왕겨재(0.22×0.05)+바텀애시(1.25×0.35)+무기결합재(2.9×0.1)+물(1×0.1)=(1.08+0.011+0.438+0.29+0.1)=1.919

단위용적질량 = 1.919×0.75(실적율) = 1.44kg/ℓ

(실시예 2)

폐석회석(2.7×0.45)+왕겨재(0.22×0.05)+바텀애시(1.25×0.30)+무기결합재(2.9×0.1)+물(1×0.1)=(1.215+0.011+0.375+0.29+0.1)=1.991

단위용적질량 = 1.991×0.75(실적율) = 1.49kg/ℓ

(실시예 3)

폐석회석(2.7×0.50)+왕겨재(0.22×0.05)+바텀애시(1.25×0.20)+무기결합재(2.9×0.1)+물(1×0.1)=(1.08+0.011+0.438+0.29+0.1)=2.184

단위용적질량 = 2.184×0.75(실적율) = 1.64kg/ℓ

위의 실시예 1 내지 실시예 3의 단위용적질량 산출결과와 본 발명 경량 보도블록의 공극율 범위, 폐석회석과 바텀애시 이외에 왕겨재, 무기결합재, 물 등의 함량 조절을 통해 본 발명 경량 보도블록의 단위중량은 1.40kg/ℓ ∼ 1.70 kg/ℓ 범위로 제조 가능함을 알 수 있다.

아래 [표 2]는 상기 실시예별로 KS F 2405에 따라 재령 4주의 압축강도와 KS F 4419에 따라 재령 4주의 휨강도를 측정한 결과를 정리한 것이다.

구 분	압축 후 재령 28일
	압축강도(MPa)	휨강도(MPa)
실시예 1	9.2	3.3
실시예 2	12.1	4.0
실시예 3	18.0	4.5

위 [표 2]를 통해 실시예 1 내지 실시예 3는 모두 압축강도 8MPa 이상, 휨강도 3MPa 이상이 발현됨이 확인된다.

이상에서 본 발명에 대하여 구체적인 실시예와 함께 상세하게 살펴보았다. 그러나 본 발명은 위의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니며 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위에서 수정 및 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이와 같은 수정 및 변형을 포함한다.

10 : 경량 보도블록 11 : 수직통공

Claims (3)

1. 입경 3~5mm의 폐석회석 40~50vol%;
   입경 3~10mm의 바텀애시 20~35vol%;
   왕겨재 5~8vol%;
   고로슬래그 시멘트계 무기결합재 10~15vol%; 및
   물 6~12vol%; 를 혼합한 조성물을 형틀에 넣고 압착시켜 제조한 투수성과 보수성을 함께 구비한 경량 보도블록.
   
2. 제1항에서,
   상기 무기결합재는 고로슬래그 미분말 60~70wt%; 포틀랜드 시멘트 20~30wt%; 및 포졸란 재료 5~15wt%; 를 포함하여 조성된 것을 특징으로 하는 투수성과 보수성을 함께 구비한 경량 보도블록.
   
3. 제1항 또는 제2항에서,
   상면에서 하면으로 뚫린 다수의 수직통공이 형성된 것을 특징으로 하는 투수성과 보수성을 함께 구비한 경량 보도블록.

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