KR102022013B1 - 축광 분말과 축광 골재 및 이를 이용하여 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 축광 분말과 축광 골재 및 이를 이용하여 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐유리에 고분자 수지와 축광 성능이 개선된 축광 분말을 이용하여 폐유리 잔골재를 제조하고 이를 불포화 폴리에스터수지를 바인더로 하여 1차로 표층을 구성하는 폴리머 콘크리트를 제조하며, 2차로 축광성 형광체를 도포한 대 입경 글래스비드를 표층 폴리머콘크리트가 경화 전 산포 후 최종 다짐하여 시인성 및 심미성을 개선하고, LID(Low Impact Development) 기법 적용에 따른 환경보호는 물론, 유효자원 재활용성을 높인 축광 분말과 축광 골재 및 이를 이용하여 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

축광 분말과 축광 골재 및 이를 이용하여 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하는 방법{Luminescent powder and phosphorescent aggregate, and method for manufacturing luminescent pitch concrete having a multi-layer structure using the same}
본 발명은 축광 분말과 축광 골재 및 이를 이용하여 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐유리에 고분자 수지와 축광 성능이 개선된 축광 분말을 이용하여 폐유리 잔골재를 제조하고 이를 불포화 폴리에스터수지를 바인더로 하여 1차로 표층을 구성하는 폴리머 콘크리트를 제조하며, 2차로 축광성 형광체를 도포한 대 입경 글래스비드를 표층 폴리머콘크리트가 경화전 산포 후 최종 다짐하여 시인성 및 심미성을 개선하고, LID(Low Impact Development) 기법 적용에 따른 환경보호는 물론, 유효자원 재활용성을 높인 축광 분말과 축광 골재 및 이를 이용하여 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
투수 콘크리트는 다향한 결합재(시멘트, 플라이 애쉬, 고로 슬래그 미분말 등)와 포졸란 반응 물질의 단독 또는 치환하여 콘크리트 내부의 공극을 통하여 우수를 지반으로 통과 시켜거나 기층 콘크리트에 표층에 결합이 용이한 무기질 재료를 경합하여 보행성능을 향상시킨 다양한 방법으로 개발되어 도로, 보도, 자전거 도로 및 광장 등을 구성하는 대표적인 비 구조적 포장재료로 널리 사용되고 있다.
이러한 투수 콘크리트는 투수기능을 이용한 지하수원의 보존 및 저렴한 가격, 보행성능 등으로 아직까지 대표적 포장재료로 사용되고 있지만, 삶의 환경이 개선됨에 따라 심미적 기능성이 요구되어 지고 있고, 다양한 기술이 접목된 편의 및 시인성이 개선된 새로운 기술이 요구되어지고 있다.
한편, 산업의 발전과 도불어 배출되는 산업부산물은 발생과 동시에 매립처분되는 것으로 인식되어 왔으며, 폐유리 또한 극소량이 건축 및 토목재료로 재활용될 뿐 대부분은 분쇄후 유리 원료로 재활용되어 부가가치를 도모할 수 없는 문제점이 있다.
이러한 문제점에 따라 선진국에서는 폐유리를 건설 및 토모 재료로 재활용 하고자 자원 리사이클링 연구에 많은 연구를 통하여 건설재료로서 용도 전환을 이루었고, 특히 포장용재료 및 2차제품(타일 블록 등) 및 건설재료(인공대리석)의 재료로 활용되고 있어 국내에서도 이에 대한 다양한 사용방법이 요구되고 있다.
또한, 우리나라의 경우 산책로 및 광장 등의 경우 가로등에 의한 직접 조명을 통해 야간 및 우천시에 시인성을 제공하고 있지만 외국의 경우 축광성 발광체를 통해 심미성 및 시인성 개선 등 다양한 분야에 활용되고 있다.
특히, 네덜란드의 경우 축광성 발광체 개발을 통하여 고흐의 별이 빛나는 밤에 작품을 모티부로한 새로운 도로가 이미 시공 되어져 세계적 관심을 끌고 있다.
따라서, LID(LOW impact development) 기법이 적용된 투수 콘크리트에 산업부산물을 활용하여 축광성 발광체가 가지는 효과를 극대화 하기위한 반사체를 구성하고, 고 시인성 및 내마모 특성을 가지는 소재를 통해 수막현상 제어, 내 분산안정성, 접착성 향상 기술 확보를 통한 새로운 포장체를 개발할 필요성이 대두되었다.
국내 등록특허 제10-1007973호(2011.01.06.), 2중층으로 구성된 수질정화 및 보수ㆍ투수콘크리트 호안블록 국내 등록특허 제10-0948754호(2010.03.12.), 고강도 다공성 투수콘크리트 블록, 그 제조장치 및 그 제조방법 국내 등록특허 제10-1272999호(2013.06.03.), 다공성 콘크리트를 이용한 발광구조물 및 이의 시공방법 국내 등록특허 제10-1250003호(2013.03.27.), 야광기능을 갖는 투수 야광블록의 제조방법
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 폐유리에 고분자 수지와 축광 성능이 개선된 축광 분말을 이용하여 폐유리 잔골재를 제조하고 이를 불포화 폴리에스터수지를 바인더로 하여 1차로 표층을 구성하는 폴리머 콘크리트를 제조하며, 2차로 축광성 형광체를 도포한 대 입경 글래스비드를 표층 폴리머콘크리트가 경화 전 산포 후 최종 다짐하여 시인성 및 심미성을 개선하고, LID(Low Impact Development) 기법 적용에 따른 환경보호는 물론, 유효자원 재활용성을 높인 축광 분말과 축광 골재 및 이를 이용하여 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하는 방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 20-45㎛의 입도를 갖는 알루미늄과 스트론튬이 함유된 축광 안료를 소수성으로 표면 개질하기 위해 Oleic acid(OA) 또는 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate(TPM)으로 처리하되, 상기 OA를 사용할 경우에는 25 ml의 OA에 10g의 축광 안료를 넣고 상온에서 4시간 교반하여 표면을 개질한 후 헥세인(hexane)으로 6회 세척한 다음 60℃ 오븐에서 건조시키고; 상기 TPM을 사용할 경우에는 25 ml 증류수에 0.5 ml의 TPM을 넣어 솔루션을 만들고 10g의 축광 안료를 넣고 5분간 교반하여 표면을 개질한 것을 특징으로 하는 축광 분말을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 축광 분말을 이용하여 제조된 축광 골재로서, 상기 축광 골재는 물 120g, 불포화 폴리에스터수지 150g, 상기 축광 분말 22.5g, 분쇄된 폐유리분말 100g, 탄산칼슘 20g 및 경화제 5g의 무게비로 조성된 조성물을 골재화시켜 제조된 축광 골재도 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명은 상기에 기재된 축광 골재를 이용하여 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하는 방법에 있어서; 포장용 투수 콘크리트의 투수성을 규정에 부합되도록 공극률 기준 8%와, 투수계수 기준인 1×10-2cm/s를 만족시키도록 메틸에틸케톤 프록사이드가 55중량% 함유된 DMP 용액을 개시제로 사용하는 불포화 폴리에스터수지를 결합재로 사용하여 발광 투수 콘크리트의 표층을 구성하는 폴리머 콘크리트를 제조하는 단계; 축광 분말이 폐유리분말과 결합된 축광 골재를 상기 폴리머 콘크리트가 경화되기 전에 그 표면에 산포하고 다짐하는 축광 골재 고정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하는 방법도 제공한다.
본 발명에 따르면, 폐유리에 고분자 수지와 축광 성능이 개선된 축광 분말을 이용하여 폐유리 잔골재를 제조하고 이를 불포화 폴리에스터수지를 바인더로 하여 1차로 표층을 구성하는 폴리머 콘크리트를 제조하며, 2차로 축광성 형광체를 도포한 대 입경 글래스비드를 표층 폴리머콘크리트가 경화 전 산포 후 최종 다짐하여 시인성 및 심미성을 개선하는 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 투수 콘크리트에 축광 성능을 부여하기 위해 다음과 같은 문제점을 해결하고자 하였다.
먼저, 기존 축광 발광체의 휘도를 향상시키기 위하여 글라스비드를 주로 사용하고 있으나, 빗물의 수막현상으로 글라스비드 재귀반사 기능이 상실되어 야간 우천시 차선의 시인성 불량으로 사고 위험이 증가하는 것으로 알려져 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 지금까지 적용된 연구개발은 고굴절 글라스비드의 혼합과 차선 도색 표면의 프로파일(profile) 변화에 초점을 맞추어 왔으며, 우천으로 인한 수막 표면보다 차선 도색의 표면이 돌출되도록 하기 위해 사용되는 돌 출형 패턴을 활용하였다.
이 경우, 돌출형 패턴은 수막표면에서의 반사를 억제하고, 글라스비드에 대한 빗물 체류량을 감소시켜서 입사광의 입사각도를 증가시키고, 광의 투과 길이를 짧게 하여 재귀반사 성능을 향상시키는 특징을 가진다.
하지만, 이와 같은 공법은 차선에 집중되는 하중이 더 크게 되어 차선의 표면에 임배딩되어 있는 글라스비드의 탈리 현상이 심해지게 되어 비드 손실이 커지고, 결국 급격한 재귀반사성능 저하와 함께 빈번한 도로보수 및 이로 인한 비용 문제가 심각하다.
또한, 축광성 형광체(long-persistence phosphors)는 자연광이나 외부에서 발생한 빛을 흡수하여 여기 상태에 이른 후 광원이 차단되어도 수 시간에서 24시간 빛을 방출하는 특성(잔광효과)을 가진다.
이에 대한 대표적 물질로는 SrAl2O4:Eu,Dy, SrAl14O23:Eu,Dy, CaAl2O4:Eu,Nd 등이 있으며, 최근 연구의 방향은 축광성 형광체를 합성하여 잔광효과를 극대화시키고, 기존의 재귀반사에서 부족한 발광부분을 축광성 형광체를 첨가물로 넣어 시인성 확보하는 방향으로 진행되고 있으며, 또한 알루미네이트(Aluminate) 기반 형광체는 인체에 무해하고 기존의 ZnS계의 물질에 비해 잔광시간이 16시간 이상으로 우수한 것으로 알려지고 있다.
축광 물질의 효율은 구성성분의 구성 원소 조성에 따라 성능이 크게 변하므로 건식공정보다는 액상공정이 비교적 구성 원소의 조성이 용이하며, 축광 물질의 휘도 및 잔광 시간은 합성 방법에 따라서 달라지기 때문에 초음파 및 분무 열분해법 이외의 다른 합성 방법을 이용하는 것이 바람직 한 것으로 알려지고 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 문제점을 해소하여 축광 발광체의 성능을 극대화하여 별도의 조명없이 심미적 성능과 시인성을 동시에 해결한 투수성 포장체, 즉 복층구조를 갖는 발광 투수콘크리트를 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에서는 유리가 유리 자체의 반사 성능보다 후면재료에 의한 반사 성능이 크게 영향을 미친다는 점에 착안하였다.
즉, 유리 후면이 시멘트 결합재로 코팅되어 있는 경우에 비하여 에폭시 수지나 불포화 폴리에스테르 수지, 금속 코팅에 의하여 코팅되어 있는 경우가 10배 이상으로 광택도가 높아진다고 보고되어 있어 기존 시멘트 바인더로 인해 형광 성능이 급격히 저하되는 것을 해결하기 위해 기층 투수콘크리트와 폐유리를 주재료로 한 표층이 결합할 수 있는 폴리머 콘크리트를 반사체로 구성한 것이 기술적 특징중 하나이다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하기 위해 사용되는 축광 분말은 축광성 발광체로서, 20-45㎛의 입도를 갖는 알루미늄과 스트론튬이 함유된 축광 안료를 사용한다. 이러한 축광 안료는 공지된 물질이므로 특별히 한정할 필요는 없으며, 본 발명은 이 축광 안료를 쓰는 것이 특징이 아니라 공지된 축광 안료를 개질하여 특정한 특성을 갖도록 구현한 것이 특징이므로 이하에서는 그 특징에 대해 설명한다.
때문에, 이러한 축광 안료는 시중에서 시판중인 것을 사용할 수도 있는데, 이를 테면 욱성화학공업(주)에서 판매하는 FS-Series를 사용할 수 있다. 이는 변성 폴리아미드 수지와 형광염료의 고용체로서 내열안정성이 매우 우수하여 플라스틱용으로 대부분 적용하여 사용할 수 있다.
그런데, 상기 축광 안료의 경우 무기화합물과의 부착성, 내마모성 등은 약하므로 이를 그대로 사용할 수 없고, 본 발명에서 특수처리한 상태로 사용토록 한 것이 또하나의 기술적 특징이 된다.
즉, 본 발명에서는 축광 안료를 수열반응을 통해 마이카(mica) 박리 문제를 해결하도록 LiNO3를 이용해서 이온교환을 수행하고, 동결건조기를 통해 건조한 후 야간 시인성 향상을 위해 캡슐화처리하였다.
보다 구체적으로, 축광 안료를 캡슐화하기에 앞서 친수성인 축광 안료의 표면을 소수성으로 개질하기 위해 Oleic acid(OA)와 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate(TPM) 두가지 물질을 사용였다.
즉, OA를 사용할 경우에는 25 ml의 OA에 10g의 축광 안료를 넣고 상온에서 4시간 교반하여 표면을 개질한 후 헥세인(hexane)으로 6회 세척한 다음 60℃ 오븐에서 건조시켰다.
반면, TPM의 경우는 25 ml 증류수에 0.5 ml의 TPM을 넣어 솔루션을 만들고 10g의 축광 안료를 넣고 5분간 교반하여 표면을 개질하였다.
마지막으로, 아세톤(acetone)과 증류수를 이용하여 각각 3회씩 세척하고 60 ℃ 오븐에서 건조하였다.
그런 다음, 축광 안료를 분말화 혹은 캡슐화하기 위해 Methyl methacrylate(MMA)를 단량체로 현탁중합을 이용해 축광 안료가 함유된 축광 분말 혹은 축광 캡슐을 제조하였다.
먼저, Double jacket reactor에 연속상인 물과 안정제 용액을 넣고 교반하며 30분간 질소 퍼지를 하였으며, 불연속상인 단량체와 개시제, 분자량조절제(chain transfer agent), 축광 안료를 교반중인 연속상에 투입하였다. 써모커플(Thermocouple)을 이용하여 중합중인 서스펜션(suspension) 용액의 온도변화를 시간별로 체크하였으며, 온도가 점차 상승하다가 최고점에 도달 한 후 감소하기 시작하면 반응을 종료하였다. 반응이 끝난 서스펜션(suspension) 용액을 물로 충분히 세척한 후 60℃ 오븐에서 건조시켜 축광 캡슐 혹은 축광 분말을 얻었다.
한편, 본 발명에 따른 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하기 위해 사용되는 축광 골재는 폐유리를 분쇄하여 상기에서 제조된 축광 분말과 폴리머를 넣고 혼합한 후 골재화시킨 것이다.
이때, 폴리머는 불포화 폴리에스터수지를 사용하며, 골재화에 필요한 물을 부가하였고, 강도 및 공극 조절을 위해 탄산칼슘을 더 첨가하였으며, 경화를 위해 일반적인 경화제를 사용하였다. 바람직한 경화제로는 상온 경화용으로 쓰이는 Cyclohexane peroxide이다.
구체적인 조성비는 물 120g, 불포화 폴리에스터수지 150g, 축광 분말 22.5g, 분쇄된 폐유리분말 100g, 탄산칼슘 20g 및 경화제 5g과 같은 무게비로 조성될 수 있다.
본 발명은 이렇게 만들어진 축광 분말 및 축광 골재를 이용하여 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조할 수 있다.
먼저, 폴리머 콘크리트 제조단계가 수행된다.
상기 폴리머 콘크리트 제조단계는 포장용 투수 콘크리트의 투수성을 규정에 부합되도록 공극률 기준 8%와, 투수계수 기준인 1×10-2cm/s를 만족시키도록 설계공극률을 15%로 설계(토목공사 표준 일반시방서, 2005)하는 단계로서, 이를 위해 메틸에틸케톤 프록사이드가 55중량% 함유된 DMP 용액을 개시제로 사용하는 불포화 폴리에스터수지를 결합재로 사용하여 발광 투수 콘크리트의 표층을 구성하는 폴리머 콘크리트를 제조하는 단계이다.
이러한 결합재는 다음과 표 1과 같은 물리적 성질을 갖는다.
비중(20℃) Viscosity
(20℃, poise)		 Styrene
content (%)		 Acid value
1.12 3.5 37.2 26.5
이를 통해, 일반 시멘트를 사용한 콘크리트에 비해 접착성, 내구성, 방수성 등을 증대시킬 수 있고, 경화속도로 빠르게 유지할 수 있다.
이 경우, 상기 결합재에는 결합재 100중량부에 대해 과황산 암모늄 5중량부 및 순지트 10중량부를 더 첨가할 수 있다.
이때, 상기 과황산 암모늄(Ammonium Persulfate)은 산도를 조절하여 내산화성을 강화시킴으로써 열변형을 억제하기 위해 첨가되며, 상기 순지트는 규산염과 풀러렌이 주로 함유된 천연 광물로서, 특히 흑연 미세 결정이 다량 포함된 광물의 분말로서 수지 성분의 열화를 막고 오염을 방지하며 내열성을 강화시키기 위해 첨가된다.
그런 다음, 축광 분말이 폐유리분말과 결합된 축광 골재를 상기 폴리머 콘크리트가 경화되기 전에 그 표면에 산포하고 다짐하는 축광 골재 고정단계가 수행된다.
이렇게 하게 되면, 복층 구조를 가지면서 발광성과 투수성 모두를 확보한 콘크리트를 완성할 수 있게 된다.
이하, 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
상술한 축광 분말 제조방법에 따라 축광 분말을 제조하였으며, 이렇게 합성한 축광 분말은 평균 60,000 mcd/m2의 휘도를 보였다.
이때, 잔광시간을 정의하는 휘도(320 mcd/m2)와 비슷한 수치에서 54mcd/m2까지 약 6시간의 긴 잔광 시간을 유지하였다.
따라서, 축광성이 매우 우수한 것으로 확인되었다.
[실시예 2]
상술한 축광 골재를 하기 그림과 같이 골재화시켜 시험체를 제조하였다.
Figure 112019040932901-pat00001
그리고, 상기 시험체에 대한 특성(투수계수 포함)을 확인한 결과, 아래 표 2와 같았다.
압축강도
(MPa)		 휨강도
(MPa)		 단위중량
(kg/m³)		 공극율
(%)		 투수계수
(1×10-1cm/s)
20.6 6.40 1,983 15.7 6.7
따라서, 본 발명에 따른 축광 골재는 폐유리의 재활용성도 높이면서 압축강도, 휨강도, 공극율, 투수계수 모든 면에서 골재로서의 특성을 모두 만족시켰다.
[실시예 3]
상술한 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트 제조방법에 따라 제조된 콘크리트의 품질을 테스트한 결과 아래 표 3과 같이 나타났다.
압축강도
(Kg/cm2)		 공극율
(%)		 투수계수
(Cm/sec)		 다짐율
(%)
253 12 12×10-2 102
이와 같이, 본 발명은 특수 처리된 축광 분말과, 폐유리를 재활용하면서 이 축광 분말을 통해 만들어진 축광 골재를 이용하여 특정 투수성과 축광성을 갖춘 콘크리트를 제조할 수 있음을 입증하였다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 물 120g, 불포화 폴리에스터수지 150g, 축광 분말 22.5g, 분쇄된 폐유리분말 100g, 탄산칼슘 20g 및 경화제 5g의 무게비로 조성된 조성물을 골재화시켜 제조된 축광 골재를 이용하여 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하는 방법으로서,
    상기 축광분말은 20-45㎛의 입도를 갖는 알루미늄과 스트론튬이 함유된 축광 안료를 소수성으로 표면 개질하기 위해 Oleic acid(OA) 또는 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate(TPM)으로 처리하되, 상기 OA를 사용할 경우에는 25 ml의 OA에 10g의 축광 안료를 넣고 상온에서 4시간 교반하여 표면을 개질한 후 헥세인(hexane)으로 6회 세척한 다음 60℃ 오븐에서 건조시키고; 상기 TPM을 사용할 경우에는 25 ml 증류수에 0.5 ml의 TPM을 넣어 솔루션을 만들고 10g의 축광 안료를 넣고 5분간 교반하여 표면을 개질한 것이며,
    포장용 투수 콘크리트의 투수성을 규정에 부합되도록 공극률 기준 8%와, 투수계수 기준인 1×10-2cm/s를 만족시키도록 메틸에틸케톤 프록사이드가 55중량% 함유된 DMP 용액을 개시제로 사용하는 불포화 폴리에스터수지를 결합재로 사용하여 발광 투수 콘크리트의 표층을 구성하는 폴리머 콘크리트를 제조하는 단계;
    상기 축광 분말이 폐유리분말과 결합된 축광 골재를 상기 폴리머 콘크리트가 경화되기 전에 그 표면에 산포하고 다짐하는 축광 골재 고정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복층구조를 갖는 발광 투수 콘크리트를 제조하는 방법.
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