KR102265152B1

KR102265152B1 - 건설용 친환경 결합재 조성물

Info

Publication number: KR102265152B1
Application number: KR1020200146492A
Authority: KR
Inventors: 이창규; 박동철; 양완희; 김세환; 이강범; 정석만
Original assignee: 주식회사 위드엠텍
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2021-06-15

Abstract

본 발명은 시멘트 대신에 고로슬래그, 폐소석회, 시멘트 킬른더스트 등의 산업 부산물인 적극 활용하여 이산화탄소 배출을 줄이고 독성물질 또는 환경 오염 요인을 줄일 수 있는 친환경 결합재 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 친환경 결합재 조성물은, 시멘트를 사용하지 아니한 친환경 결합재 조성물로서, 고로슬래그 미분말, 무수석고, 소석회, 시멘트 킬른더스트(Cement Kiln Dust, 칼슘 락테이트(Calcium Lactate)를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 한다. 여기서 소석회는 습식스크러버 백필터 시스템에서 포집된 폐소석회를 바람직하게 이용할 수 있다.

Description

건설용 친환경 결합재 조성물{Eco-friendly Binder Composition for Construction}

본 발명은 시멘트 사용을 배제하여 친환경성을 가지는 건설용 친환경 결합재 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트 대신에 고로슬래그, 폐소석회, 시멘트 킬른더스트 등의 산업 부산물을 적극 활용하여 이산화탄소 배출을 줄이고 독성물질 또는 환경 오염 요인을 줄일 수 있는 건설용 친환경 결합재 조성물에 관한 것이다.

국제적으로 환경 문제가 크게 대두되면서 콘크리트의 환경오염, 독성물질 배출, 폐기물 처리 등의 문제가 부정적으로 인식되는 실정이다. 콘크리트는 일반적으로 결합재로 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하는데, 소성 과정을 거쳐 제조되는 시멘트는 여러 독성물질(6가크롬, 카드뮴 등등)을 함유하는 것으로 알려져 있으며 또한 제조 과정에서 이산화탄소 배출 등의 환경오염도 문제되고 있다. 최근에는 시멘트 사용량을 줄여 친환경 콘크리트를 만드는 추세이며, 시멘트를 사용하지 않는 친환경 콘크리트도 개발되고 있다. 개발된 친환경 콘크리트 관련 특허로는 특허 제10-1773961호, 특허 제10-2140827호 등이 있다.

시멘트를 사용하지 않는 콘크리트는 결합재로 시멘트를 대신하여 고로슬래그 또는 플라이애시 등을 사용하며, 고로슬래그 또는 플라이애시의 반응성을 촉진시키기 위하여 활성화제도 함께 사용한다. 이러한 친환경 결합재는 이용한 콘크리트는 압축강도가 20~50MPa 정도 발현될 수 있지만 급결 현상 및 유동성 저하 등으로 작업성이 떨어져 실제 건축에 적용하기에는 문제가 있다. 작업성 확보를 위해 콘크리트 제조시 감수제 등을 첨가하기도 하지만, 감수제는 활성화제와 함께 사용할 경우 감수 효과가 저하될 수도 있고 경제성도 떨어질 수 있다.

KR 10-1773961 B1 KR 10-2140827 B1

본 발명은 새로운 친환경 결합재를 제공하고자 개발된 것으로서, 고로슬래그를 기반으로 하고 별도 감수제를 사용하지 않으면서도 압축강도, 유동성 등의 품질을 확보할 수 있는 친환경 결합재 조성물을 제공하는데 기술적 과제가 있다.

또한 본 발명은 시멘트 사용 배제와 함께 산업부산물의 적극 활용에 따라 친환경성과 경제성을 더욱 유리하게 확보할 수 있는 친환경 결합재 조성물을 제공하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 시멘트를 사용하지 아니한 친환경 결합재 조성물로서, 고로슬래그 미분말, 무수석고, 소석회, 시멘트 킬른더스트(Cement Kiln Dust, 칼슘 락테이트(Calcium Lactate)를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 친환경 결합재 조성물을 제공한다. 여기서 소석회는 습식스크러버 백필터 시스템에서 포집된 폐소석회를 바람직하게 이용할 수 있다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 결합재 조성에서 보통 포틀랜드 시멘트의 사용을 배제하고 산업 부산물인 고로슬래그 등을 적극 사용하기 때문에, 이산화탄소 배출을 줄이고 독성물질 또는 환경 오염 요인을 줄일 수 있다. 아울러 산업 부산물의 적극 활용으로 경제성을 확보할 수 있다.

둘째, 고로슬래그와 함께 무수석고, 소석회, 칼슘 락테이트, 시멘트 킬른더스트를 사용하기 때문에, 고로슬래그의 수화 반응을 촉진시킬 수 있어 강도 발현을 촉진하고 증진시킬 수 있다.

본 발명은 시멘트 사용을 배제하여 친환경성을 가지는 친환경 결합재 조성물에 관한 것으로, 시멘트 대신에 고로슬래그를 다량 사용하면서 고로슬래그 외에 시멘트 킬른더스트 등의 산업 부산물을 적극 사용한다는데 특징이 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 친환경 결합재 조성물은, 고로슬래그 미분말, 무수석고, 소석회, 시멘트 킬른더스트(Cement Kiln Dust), 칼슘 락테이트(Calcium Lactate)를 포함하여 조성된다.

결합재 조성물에서 고로슬래그는 시멘트를 대체하는 주요한 재료이고, 무수석고는 고로슬래그의 잠재수경성을 촉진시키는 자극제가 된다. 고로슬래그 및 무수석고에 의해 수화반응으로 에트링자이트, C-S-H 수화물 등이 생성되어 강도를 발현하게 된다. 이때 칼슘 락테이트(Calcium Lactate, C3H6O3·1/2Ca)는 물과 반응하여 Ca²⁺를 생성하고 pH를 높임으로써, 강도 발현에 도움이 되는 C-S-H 수화물의 생성에 긍정적인 영향을 준다.

소석회도 자극제로서 고로슬래그의 수화반응을 촉진하여 초기에 에트링자이트, C-S-H 수화물의 양을 증가시켜 강도를 촉진시킨다(C5S3A + CH + 3CS + 34H → C6AS3H32 + 3CSH). 소석회는 고로 슬래그 및 폐기물 소각시설의 습식 스크러버 백필터 시스템에서 집진된 폐소석회를 바람직하게 사용할 수 있는데, 폐소석회의 사용으로 친환경성, 경제성을 더욱 향상시킬 수 있다. 시멘트 킬른더스트(Cement Kiln Dust 이하 CKD)는 시멘트 제조공정에서 발생되는 배출가스에 포함된 비산분진을 집진한 것으로, 탄산칼슘 및 알칼리가 포함되어 있기 때문에 초기 수화 반응 촉진으로 응결 촉진과 초기강도 증진에 기여한다.

결합재 조성물은 바람직하게는 분말도가 6,500~8,500cm2/g인 고로슬래그 미분말 73~88중량%; 분말도가 5,000~7,000cm2/g인 무수석고 10~18중량%; 폐소석회 1.5~3중량%; 시멘트 킬른더스트(Cement Kiln Dust) 0.4~3중량%; 칼슘 락테이트(Calcium Lactate) 0.1~3중량%;로 조성될 수 있다.

고로슬래그 미분말은 분말도 6,500~8,500cm2/g의 고미분말을 사용하는데, 이러한 분말도는 경제성을 확보하면서 초기에 적절한 반응이 가능하다. 높은 분말도로 고로슬래그 내부의 SiO₂ 성분이 빠르게 수화반응하여 C-S-H(Calcium silicate hydrate) 수화물을 생성하고 강도를 증진시킬 수 있는 것이다. 고로슬래그 미분말은 73~88중량% 사용하며, 73중량% 미만이면 시멘트 대체 효과 및 강도 증진 효과가 미미하고, 88중량% 초과하면 작업성이 떨어진다.

무수석고도 고로슬래그 미분말과 마찬가지로 경제성 확보와 초기 적절한 반응을 위해 분말도 5,000~7,000cm2/g의 고미분말을 사용한다. 이러한 무수석고는 10~18중량% 사용하는데, 10중량% 미만이면 자극 효과 부족으로 초기 강도 발현이 부진하고, 18중량% 초과하면 경제성을 상실한다.

습식스크러버 백필터 시스템에서 집진된 폐소석회는 1.5~3중량% 사용하고, 시멘트 킬른더스트(Cement Kiln Dust)는 0.4~3중량% 사용하고, 칼슘 락테이트(Calcium Lactate)는 0.1~3중량% 사용하는 것이 바람직한데, 이러한 범위는 초기 강도 증진 효과와 함께 작업성을 확보하기 위한 범위가 된다.

위와 같이 조성된 본 발명에 따른 친환경 결합재 조성물은 시멘트를 대체하는 재료로, 다양하게 활용할 수 있다. 특히 다량의 고로슬래그 고미분말로 인해 낮은 이온침투성을 나타내므로 항만 또는 해저터널 등의 해양구조물 콘크리트이나, 화학적 안정을 요구하는 가스탱크의 기초 콘크리트 또는 하수처리 시설에 유리하게 적용할 수 있다.

이하에서는 시험예에 의거하여 본 발명을 상세히 살펴본다. 다만, 아래의 시험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.

[시험예] 결합재 특성

1. 결합재 준비

아래 [표 1]과 같은 조성으로 결합재를 준비하였다. 비교예1은 기존 제품인 S사의 고로슬래그시멘트 결합재이고, 비교예2는 보통 포틀랜드 시멘트와 분말도 4,000cm2/g 내외의 고로슬래그 미분말 및 무수석고로 조성한 결합재이고, 비교예3은 비교예2에서 고로슬래그 미분말을 분말도 6,500~8,500cm2/g의 고로슬래그 고미분말로 치환 조성한 결합재이며, 실시예는 본 발명에 따른 결합재로 비교예3에서 보통 포틀랜드 시멘트 대신에 폐소석회, 시멘트 킬른더스트, 칼슘 락테이트를 조성한 결합재이다.

결합재 조성(중량%)

구분	비교예1	비교예2	비교예3	실시예(HSCS)
보통 포틀랜트 시멘트	-	5	5	-
S사 S/C	100	-	-	-
고로슬래그 고미분말	-	-	80	80
고로슬래그 미분말	-	80	-	-
무수석고	-	15	15	15
폐소석회	-	-	-	2
시멘트 킬른더스트	-	-	-	2.4
칼슘 락테이트	-	-	-	0.6
- 고로슬래그 미분말: 분말도 6,500~8,500cm2/g - 무수석고: 분말도 5,000~7,000cm2/g - 폐소석회: 습식스크러버 백필터 시스템에서 집진 분말도 4200~4700cm2/g - 시멘트 킬른더스트: 분말도 7,000~8,000cm2/g - 칼슘 락테이트: 밀도 1.49g/cm3

2. 페이스트 특징

위외 [표 1]과 같은 결합재 100중량부에 물 50중량부를 배합한 페이스트에 대하여 압축강도와 유동성을 평가하였다. 압축강도는 KS L ISO 679[시멘트의 강도 시험 방법] 규정에 따라 재령 3일, 7일, 28일에 측정하였으며, 다만 시험체는 40*40*160mm 크기의 몰드에 성형하고 항온항습기(온도 20 2, 습도 90%이상)에서 양생하여 제작하였다. 유동성(Flow)은 KS L 5105[수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법] 규정에 준하여 실시하였는데, 전동식 흐름시험 테이블에 성형틀을 올려두고 20회씩 모르타르를 2층 다짐하고 윗면을 평평하게 흙손으로 마무리한 후 마무리된 성형틀을 바로 빼내고 15초 동안 모르타르를 25회 타격한 다음 모르타르의 지름을 측정하였다. 그 결과는 아래 [표 2]와 같다.

페이스트 특성

구분		비교예1	비교예2	비교예3	실시예
압축강도(kgf)	3일	23.2	8.4	12.8	16.6
	7일	28.7	13.1	17.0	23.0
	28일	45.5	21.8	33.4	48.5
유동성(Flow)		210	190	205	200

위와 같이 초기 강도는 실시예가 비교예1,2,3보다 낮았지만 28일 강도는 더 높게 나타났으며, 유동성(Flow)는 실시예가 비교예와 비슷한 수준으로 나타냈다. 이러한 결과에 따라 본 발명에 따른 친환경 결합재 조성물은 시멘트를 대체하는 결합재로 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims

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시멘트를 사용하지 아니한 결합재 조성물로서,
분말도가 6,500~8,500cm2/g인 고로슬래그 미분말 73~88중량%;
분말도가 5,000~7,000cm2/g인 무수석고 10~18중량%;
폐소석회 1.5~3중량%;
시멘트 킬른더스트(Cement Kiln Dust) 0.4~3중량%;
칼슘 락테이트(Calcium Lactate) 0.1~3중량%;로 조성되며,
상기 폐소석회는, 습식스크러버 백필터 시스템에서 포집된 폐소석회인 것임을 특징으로 하는 건설용 친환경 결합재 조성물.