KR102158523B1 - 블록제조용 결합재 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트, 고로슬래그 미분말, 무수석고, 바이패스 더스트(BYPASS DUST)를 포함하는 것을 특징으로 하는 블록제조용 결합재 조성물에 관한 것이다.

Description

블록제조용 결합재 조성물{Block manufacturing binder composition}

본 발명은 양생온도 등 양생조건에 덜 영향을 받으면서도 압축강도, 작업성 등 충분한 물성확보가 가능한 산업부산물을 이용한 블록제조용 결합재 조성물에 관한 것이다.

국내 건설산업의 친환경화에 발맞추어 아파트 지상 주차장 및 기타 구조물·비구조물에 각종 블록의 수요가 증가되고 있다. 이러한 블록의 종류로는 일반블록, 호안블록, 투수블록, 식생블록, 옹벽블록 및 기타 외장용 블록이 다수 생산되어 적용되고 있는 실정이다.

일반적으로 블록생산 시 가장 문제가 되는 것은 양생온도 저하 시 압축강도 저하로 인한 출하 시기지연 및 특히 동절기에 양생시설이 미흡하여 야적 시 벽돌의 파손 등 많은 문제점을 내포하고 있다.

한편 이러한 블록제조용 결합재로서 시멘트가 주로 이용되는데 최근 산업부산물인 고로슬래그를 활용하여 시멘트의 사용량을 줄이도록 함으로써 이산화탄소의 발생량을 저감시키고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

그런데 이렇게 블록제조용의 결합재로서 고로 슬래그가 포함되는 경우 상기에서 언급한 바와 같이 양생온도 저하시 압축강도 저하의 문제가 더욱 현저하게 발생되는 문제가 있다.

고로슬래그가 적용된 블록용 조성물의 일 예로 대한민국 특허등록 제10-1134221호에서는 포틀랜드 시멘트 12~34 중량%와, 재활용 골재 34~52 중량%와, 직경 5㎜ 미만인 천연골재 8~27 중량%와, 직경 5~25㎜인 천연골재 16~28 중량%와, 입도 2,500~3,000㎠/g인 플라이애시 미분말 3~8 중량%와, 입도 4,000~6,000㎠/g인 고로슬래그 미분말 3~8 중량%와, 폴리카르본산계 유동화제 0.5~1.5 중량%와, AE감수제 0.5~0.8 중량%, 및 수지에멀젼 0.5~0.8 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 바텀애시를 이용한 친환경 콘크리트 블록 조성물을 제시하고 있다.

그러나 상기 기술의 경우도 양생온도에 따른 압축강도 저하의 문제 등은 여전히 상존하는 것이다.

대한민국 특허등록 제10-1134221호

이에 본 발명에서는 양생온도 등 양생조건에 덜 영향을 받으면서도 압축강도, 작업성 등 충분한 물성확보가 가능한 산업부산물을 이용한 블록제조용 결합재 조성물을 제공하고자 함이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 블록제조용 결합재 조성물(이하 "본 발명의 조성물"이라함)은 시멘트, 고로슬래그 미분말, 무수석고, 바이패스 더스트(BYPASS DUST)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 시멘트는 조강시멘트인 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 순환유동층애시가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 망초가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 고로슬래그 미분말에는 고로 수쇄슬래그 미분말과 고로 서냉슬래그 미분말이 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 고로 서냉슬래그 미분말은 그 표면에 이산화규소가 코팅된 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 조성물은 양생조건에 덜 영향을 받으면서 압축강도, 작업성, 열화에 대한 저항성 등을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 조성물은 산업부산물을 결합재의 조성으로 사용함으로써 친환경적이며 경제적인 장점이 있다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 조성물은 시멘트, 고로슬래그 미분말, 무수석고, 바이패스 더스트(BYPASS DUST)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 시멘트는 조강시멘트인 것이 바람직하다. 이는 고로슬래그 미분말을 첨가하는 경우 양생온도가 낮아지는 경우 압축강도가 저하되는 경우가 있는데 이러한 문제를 해결하기 위해 조강시멘트가 사용되어 양생조건에 덜 영향을 받도록 하기 위함이다.

상기 고로슬래그는 선철의 원료가 되는 철광석과 석회석 중 철 이외의 성분이 용해되어 밀도차에 의해 용선과 분리·부유된 부산물이다. 고로에서 배출되는 슬래그는 약 1,500℃ 내외의 고온의 용융상태에서 상온으로 냉각하는 방법에 따라 수쇄슬래그와 서냉슬래그로 구분된다.

상기 고로 수쇄슬래그는 배출된 고온·용융상태의 슬래그에 고압의 냉각수를 다량 방출하여 급랭시킨 슬래그이다, 냉각속도가 빠르기 때문에 결정질 조직이 형성되지 못하고 유리질이 90% 이상을 차지하는 비정질상을 형성한다. 상기 고로 수쇄슬래그는 화학조성이 일반 시멘트와 유사하고 시멘트의 수화반응에서 생성된 Ca(OH)₂와 반응하여 잠재수경성을 나타내기 때문에 시멘트 및 콘크리트 혼화재료로 널리 사용되는 것이다. 즉 고로 수쇄슬래그의 첨가에 의해 잠재수경성이 발현되므로 압축강도면에서 유리한 장점이 있다.

상기 고로 서냉슬래그는 고로에서 배출된 용융상태의 슬래그를 가압수의 공정을 거치지 않고 바로 야적장에 적재되어 결정질상태가 되는 고로슬래그이다. 결정질의 구조이므로 수경성이 없기 때문에 압축강도 발현성에 기여하지 못하며, 용도로는 성토용 골재, 도로용 매립재 등으로 매우 제한적으로 일부 사용되고 있다.

상기 고로 서냉슬래그의 경우 물과는 수화반응을 하지 않으나, 탄산화 양생하는 것에 의해 고로 서냉슬래그의 주요성분인 Melilite, α-Wollastonite가 반응을 하여 경화체의 치밀화가 유도된다. 즉 밀실한 경화체를 형성되도록 하는 것이다.

이에 본 발명에서는 바람직하게 고로슬래그 미분말을 첨가하되, 고로 수쇄슬래그 미분말의 첨가에 의해 압축강도가 발현되도록 함과 동시에 고로 서냉슬래그 미분말이 첨가되도록 하여 중성화를 억제하고 작업성을 향상시키도록 하는 것이 타당하다.

한편 상기에서 언급한 바와 같이 본 발명의 조성물에는 고로 서냉슬래그가 첨가되어 작업성 및 내구성을 향상시키나, 고로 수쇄슬래그만 첨가하는 경우에 비해 다소 강도가 저하되는 문제가 있을 수 있다. 이에 본 발명에서는 개질 고로 서냉슬래그가 첨가되도록 하는데 개질 고로 서냉슬래그는 그 표면에 이산화규소가 코팅된 것이 적용되도록 하는 것이다.

상기에서 언급한 바와 같이 고로 서냉슬래그는 결정질의 구조이므로 수경성이 없기 때문에 압축강도 발현성에 기여하지 못하는 바, 이에 본 발명에서는 표면에 이산화규소가 코팅된 고로 서냉슬래그가 첨가되도록 하는 것이다.

이와 같이 표면에 이산화규소가 코팅된 고로 서냉슬래그가 첨가되도록 함으로써 이산화규소(SiO₂)를 주성분으로 하는 포졸란(pozzolan)은 시멘트의 수화에 의해 생기는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응하여 잠재수경성이 발현되도록 함으로써 고로 서냉슬래그의 첨가에도 불구 압축강도가 저하되는 것을 방지토록 하는 것이다.

표면에 이산화규소가 코팅된 고로 서냉슬래그는 고로에서 배출된 용융상태의 슬래그를 가압수의 공정을 거치지 않고 바로 야적장에 적재되도록 하되, 용융상태의 슬래그에 분쇄된 폐주물사 분말을 첨가하여 상호 혼합시키면서 자연냉각과정을 거치도록 함에 따라 표면에 이산화규소가 코팅된 고로 서냉슬래그가 제조되도록 하는 것이다.

상기 폐주물사는 주조(鑄造)후 남은 모래로써, 석영입자(규사; SiO₂성분이 포함된 석영 알갱이 모래)가 대부분으로 이러한 폐주물사를 분쇄하여 고로에서 배출된 용융상태 슬래그의 서냉과정에서 이를 첨가하여 혼합함으로써 고로 서냉슬래그의 표면에 이산화규소가 코팅이 되도록 하는 것이다.

상기 무수석고는 증기양생 시 에트린자이트 생성 등으로 인하여 조직을 치밀화시켜 조기강도 및 수축저감효과가 벌현되도록 하는 것이다.

상기 바이패스 더스트(BYPASS DUST)는 시멘트 공정 산업부산물로서 소성공정의 순환물질 by-pass 설비에서 배출되는 부산물질로 시멘트 및 콘크리트의 응결 및 경화현상을 촉진시키는 염소이온 및 알칼리 이온이 함유되어 특히 동절기에 압축강도를 향상시키는 효과가 발현되도록 하는 것이다.

한편 본 발명의 조성물에는 상기 조성들 외에도 순환유동층애시가 더 포함되도록 하는 예가 제시된다.

상기 순환유동층애시는 화력발전소의 순환유동층 연소방식의 보일러에서 발생되고 있으며, 순환유동층 보일러내에 탈황을 목적으로 석회석을 투입하면 로내의 온도에 의해 열분해가 일어나고 CaO 입자주변에 SO₂ 가스가 집중되면서 표면에서 황산화 반응이 일어나게 되며 CaSO₄가 생성된다. 순환유동층애시의 특성으로는 CaO 및 SO₃의 함유로 초기압축강도 증진효과 및 건조수축을 감소시키는 효과가 발현된다.

또한 본 발명의 조성물에는 상기 조성들 외에도 망초가 더 포함되도록 하는 예가 제시된다.

상기 망초(Na₂SO₄)는 나프탈렌 공정에서 발생되는 산업부산물로서 나프탈렌에 황산을 반응시켜 나프탈렌 설폰산염(Naphthalene Sulfonic acid)을 제조할 때 일부 슬러지로서 부산되며, 이러한 슬러지(망초)는 단위수량감소, 유동성 증진 등의 효과가 발현되도록 하는 것이다.

이하 실험예에 의해 본 발명의 실시예를 설명한다.

아래 표 1은 배합비를 나타낸다.

* OPC: 1종 보통 포틀랜드 시멘트

* OPC 3: 3종 조강 포틀랜드 시멘트

* SC: 고로슬래그 시멘트

* GGBFS: 고로슬래그 미분말(실시예 1 내지 13의 경우 고로 수쇄슬래그 미분말이 첨가된 시료이며, 실시예 11-1은 고로 수쇄슬래그 미분말과 고로 서냉슬래그 미분말이 중량비로 1:1로 혼합된 시료이며, 실시예 11-2는 고로 수쇄슬래그 미분말과 표면에 이산화규소가 코팅된 서냉슬래그 미분말이 중량비로 1:1로 혼합된 시료임)

* CFBC: 순환유동층애시 * GP: 천연무수석고

* BPD: 바이패스 더스트(by-pass bust)

* NS: 나프탈렌 설폰산(Naphthalene Sulfonic acid) 슬러지

아래 표 2는 양생온도에 따른 압축강도 측정결과를 나타낸다.

* 양생온도(20±2℃): 항온항습실 1일 양생 후 수중양생

* 양생온도(10±2℃): 항온항습실 7일 양생 후 수중양생

시멘트 모르타르 및 콘크리트 제품의 경우 양생온도에 따라 탈형시기가 현저하게 차이나기 때문에 양생온도에 따른 압축강도의 특성을 측정하였다. 특히 국내 블록업체의 경우 양생시설이 다소 잘 갖추어지지 않은 업체가 많기 때문에 시멘트(결합재) 자체가 어느 정도 조기강도 특성을 가지고 있어야 한다.

상기 표 2에서 보는 바와 같이 일반 양생(20±2℃) 및 저온양생(10±2℃)에서 결합재별 압축강도 특성을 검토하였다.

비교예 1, 2의 시멘트 단독 사용의 경우 저온양생 시 일반양생에 비하여 다소 압축강도가 감소하였으나, 비교예 3, 실시예 1의 슬래그시멘트의 경우 양생온도 저하에 따라 현저하게 압축강도가 감소함을 알 수 가 있다.

상기 표 2에서 보는 바와 같이 고로슬래그가 첨가되는 경우 일반 1종시멘트에 비하여 3종 조강시멘트가 첨가되는 경우가 저온 양생에서 압축강도 저하의 문제를 제어할 수 있는 것을 알 수 있다.

실시예 3 내지 5는 천연 무수석고를 첨가한 것으로 석고의 함량이 증가함으로써 다소 압축강도가 증가됨을 알 수 있다. 이것은 에트린자이트에 의한 영향으로 판단된다.

실시예 8, 9는 열병합발전소의 순환유동층애시를 첨가한 것으로 구성성분 중 CaO, SO₃ 이온의 증가로 초기에는 CaO의 반응으로 인한 조기강도 확보 및 에트린자이트생성에 의해 강도가 증가됨을 알 수가 있다.

실시예 10, 11의 경우 망초가 더 첨가된 시료로서 망초의 첨가로 단위수량 감소 및 유동성의 증가로 경화체를 치밀화시켜 압축강도에 있어 가장 우수한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다.

실시예 11에 비해 실시예 11-1의 경우가 압축강도면에서 다소 불리한 효과가 발현되는 것을 알 수 있는데 이는 고로 서냉슬래그 미분말이 결정질로 되어있으므로 수화반응에 관여하지 못함에 의하여 압축강도가 감소되는 것으로 판단된다. 고로 수쇄슬래그 미분말 및 서냉슬래그 미분말을 병용(실시예 11-1)해서 사용할 경우가 고로 수쇄슬래그 미분말을 단독으로 사용한 경우(실시예 11)에 비하여 압축강도가 다소 감소됨을 알 수가 있다. 따라서 서냉슬래그는 결정질로서 수화반응에는 거의 관여하지 않는 것으로 판단된다.

또한 고로 서냉슬래그를 적용함에 있어 표면에 이산화규소가 코팅된 고로 서냉슬래그(실시예 11-2)의 경우 실시예 11-1과 대비 압축강도 면에서 훨씬 유리한 효과가 발현되고 있는 것을 알 수 있다. 이는 고로 서냉슬래그 표면에 이산화규소에 의한 잠재수경성의 발현에 기인한 것으로 판단된다. 즉 고로 서냉슬래그의 첨가에 따른 압축강도 저하의 문제가 제어되면서도 이하에서 설명하는 바와 같이 유동성 등의 기능이 발현되도록 하는 것이다.

실시예 12, 13의 경우 실시예 1에 비하여 1종 시멘트의 비율 증가 및 기타 산업부산물의 조합으로 저온 양생조건에서도 비교예 1, 3에 비하여 압축강도가 증가함을 알 수가 있다.

아래 표 3은 슬럼프 및 길이변화율 측정결과를 나타낸다.

비교예 1, 2의 시멘트계에 비하여 비교예 3, 실시계 1의 슬래그를 혼합했을 때 건조수축율이 증가하였다, 비교예2의 조강시멘트 사용의 경우 일반 비교예 1의 1종 보통시멘트에 비하여 다소 건조수축율이 저감하였다.

실시예 3, 4, 6는 석고를 첨가한 것으로 석고함량이 증가될수록 다소 건조수축이 감소함을 알 수가 있다, 이는 석고의 함량이 증가함으로써 에트린자이트의 생성에 의한 영향으로 판단된다.

실시예 6, 7의 경우 바이패스 더스트(BPD)를 첨가한 것으로 시멘트 광물 중 칼슘실리케이트 광물의 가수분해 촉진으로 첨가량이 증가할수록 다소 건조수축량이 증가 되었다.

실시예 8, 9의 경우 열병합발전소의 순환유동층애시를 첨가한 것으로 구성성분 중 CaO, SO₃ 이온의 증가로 인하여 다소 팽창되어 가장 양호한 특성을 나타내었다.

실시예 11과 실시예 11-1의 작업성을 비교하면 실시예 11-1이 유리한 효과가 발현되는 것을 알 수 있는데 이는 고로 서냉슬래그 미분말이 첨가됨에 기인한 것으로 판단된다.

이러한 이유는 서냉슬래그에 존재하는 S₂O₃ ^-2이온은 시멘트 구성광물중 C₃A 표면에 SO₄ ^2- 이온과 경쟁흡착하여 C₃A 주변에 Ettringite 피막을 생성하여 C₃A의 수화반응을 지연시켜 유동성을 증가시키는 것으로 판단된다.

또한 고로 서냉슬래그를 적용함에 있어 표면에 이산화규소가 코팅된 고로 서냉슬래그(실시예 11-2)의 경우 실시예 11-1과 대비 유동성에 있어서는 유사한 효과가 발현되나 상기에서 언급한 바와 같이 압축강도 면에서 실시예 11-1과 대비 훨씬 유리한 효과가 발현되고 있는 것을 알 수 있다. 즉 고로 서냉슬래그의 첨가에 따른 압축강도 저하의 문제가 제어되면서도 유동성 등의 기능이 발현되도록 하는 것이다.

한편 각종 블록제품의 경우 동절기에 강설 및 빙판으로 인하여 염화물계 제설제 제품이 많이 사용되어 블록제품의 열화가 심화되고 있는 실정이다. 이에 염화물 이온에 대한 침투깊이를 이하에서 측정하였다.

아래 표 4는 염화물계 제설제에 의한 염화물이온 침투깊이 측정결과를 나타낸다.

보도블럭의 경우 최근에 많은 양의 제설제 타설 등으로 인하여 내구수명이 짧아지고 있다.

비교예 1, 2의 경우 시멘트 단독 사용으로 슬래그 및 기타 재료의 조합에 비하여 염화물 이온 침투깊이가 많이 측정되었다.

시멘트 단독 사용 시 시멘트 수화반응시 생성되는 Ca(OH)₂는 제설제의 염화물이온과 이온교환 하여 경화체를 다공화 시킴에 의한 영향으로 판단된다.

슬래그 및 순환유동층애시 첨가시 포졸란 반응으로 인하여 Ca(OH)₂의 생성량이 적고, 칼슘실리케이트(C-S-H겔) 및 칼슘알루미네이트(C-A-H겔) 수화물의 생성으로 경화체의 치밀화로 염화물이온이 적게 침투됨을 알 수가 있다.

특히 실시예 4 및 실시예 8의 석고 및 유동층애시 중의 CaO, SO₃ 성분의 영향으로 에트린자이트 및 칼슘실리케이트 수화생성물의 영향으로 염화물 침투저항성이 우수하였다.

또한, 실시예 10, 11의 경우 망초의 조합으로 유동성이 증가되어 내부조직의 기포 사이즈 감소 및 치밀화로 가장 우수한 염화물 침투저항성을 나타냄을 알 수 있었다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

Claims (6)

1. 시멘트, 고로슬래그 미분말, 무수석고, 바이패스 더스트(BYPASS DUST)를 포함하되,
   상기 고로슬래그 미분말에는 압축강도를 향상시키기 위해 고로 수쇄슬래그 미분말과 중성화를 억제하고 작업성을 향상시키기 위해 고로 서냉슬래그 미분말이 포함되도록 하면서,
   상기 고로 서냉슬래그 미분말은 그 표면에 이산화규소가 코팅되도록 하여 압축강도를 보강하는 것을 특징으로 하는 블록제조용 결합재 조성물.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 시멘트는 조강시멘트인 것을 특징으로 하는 블록제조용 결합재 조성물.
   
3. 제 1항에 있어서,
   순환유동층애시가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 블록제조용 결합재 조성물.
   
4. 제 1항에 있어서,
   망초가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 블록제조용 결합재 조성물.
   
5. 삭제
6. 삭제