KR102477116B1 - 바텀 애시를 이용한 친환경 콘크리트 블럭의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 친환경 콘크리트 블럭 - Google Patents

바텀 애시를 이용한 친환경 콘크리트 블럭의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 친환경 콘크리트 블럭 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바텀 애시를 이용한 친환경 콘크리트 블럭의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 친환경 콘크리트 블럭에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발전소에서 배출되는 바텀애시를 포함하는 폐자원을 순환자원으로 재활용하여 토목용 자원, 특히 콘크리트 블럭 제조용 골재를 제조할 수 있는 기술을 제공한다.
본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 콘크리트 블럭은 보도 및 차도용 콘크리트 블럭으로서의 보수성 뿐만 아니라, 소요 강도 확보를 확보할 수 있으며, 강우 시 블럭이 수분을 흡수 후 추가 유입되는 물에 대하여 지표로 배출시켜 지하수의 고갈 및 침수와 홍수를 예방에 효과적으로 대응하며, 폭염 시 블록의 수분을 증발시켜 도시 열섬현상을 저감시킬 수 있는 효과도 있다. 또한, 현재는 석탄화력발전소에서 부산물로 배출되어 대부분 매립됨으로써 환경 문제를 야기시키고 있는 바텀애시를 재활용하여 토목용 자원, 특히 콘크리트 블럭 제조용 친환경 골재로 활용할 수 있으며, 산업부산물을 고부가가치용 재료로 활용성을 확대하여 재활용율을 높이고 품질이 우수한 콘크리트 블럭 제조용 골재로서 활용할 수 있도록 함으로써 산업 부산물의 폐기에 따른 환경 오염을 방지할 수 있으며, 시멘트 사용량 감소에 따른 탄소배출량 저감 및 탄소 중립성 개선으로 친환경성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

바텀 애시를 이용한 친환경 콘크리트 블럭의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 친환경 콘크리트 블럭{Manufactacturing method of eco-friendly concrete block using eco-friendly bottom ash, and eco-friendly concrete block manufactured by the same}
본 발명은 바텀 애시를 이용한 친환경 콘크리트 블럭의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 친환경 콘크리트 블럭에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수분 보수성을 가질 뿐만 아니라, 강우 시 일정량의 수분 흡수 후 지표면으로 수분을 배출하는 투수성과 강도 증진 효과가 우수하고, 블럭 제조시 골재의 수급에 따른 문제를 해결함과 동시에, 발전소에서 배출되는 폐자원을 순환자원으로 재활용함으로써 산업 부산물의 폐기에 따른 환경 오염을 방지할 수 있으며, 시멘트 사용량 감소에 따른 탄소배출량 저감 및 탄소 중립성 개선으로 친환경성을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
차량이나 보행자의 통행 편리성과 안전성을 위하여 포장재가 개발되어 사용되고 있으며, 특히 보차도용 포장재의 경우는 가격이 저렴하고 강도가 우수하며 색상의 변경이 용이하고 시공이 간편한 보차도용 콘크리트 블록이 널리 사용되고 있다.
그러나 이러한 콘크리트 블록은 지표와 대기를 단절시키므로 물의 순환을 어렵게 하여 환경 문제가 발생하고 있고 불투수성으로 인해 강우 시에 지표로 물을 침투시키기 못하여 침수를 유발하고 유출량을 증가시켜 하수관거에 있어서 처리 효율을 떨어뜨리는 문제를 발생시키고 있으며 물의 유출로 인해 오염원을 하천으로 이동시켜 수질을 악화시키는 원인이 되고 있다. 또한 불투수 포장면은 지하수 고갈의 주요한 원인이 되고 있으며 이로 인해 하천의 건천화와 도심 열섬 현상 등의 문제가 발생하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 투수성을 가지는 블록 포장재에 대한 개발이 다양하게 진행되고 있으며, 또한 보수성을 가지는 블록을 통해 도시개발과 지구 온난화 등으로 야기되는 도시의 열섬현상을 저감하기 위한 대책들이 강구되고 있다.
또한, 투수성 및 보수성을 부여하고 경제적인 방법으로 기존 블록의 문제점을 해결할 수 있는 기술에 대한 연구 개발이 다양한 방법으로 활발하게 진행되고 있다.
이러한 기술에 관하여 몇 가지 예를 들면 아래와 같다.
먼저, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2015-0005012호인 보수성 폴리머 시멘트 모르타르 조성물 및 이를 이용한 보수성 블록의 제조 방법은 폴리아크릴에시드, 폴리아크릴산 나트륨, 아크릴아미드, 술폰산, 에틸-메타크릴레이트(ethylmethacrylate) 및 메틸부틸로니트릴(methylbutyronitrile)를 포함하는 보수성 에멀젼 0.01~15 중량%, 무기계 결합재 10~60 중량%, 잔골재 10~70 중량% 및 물 0.1~15 중량%를 포함하는 보수성 폴리머 시멘트 모르타르 조성물과 이를 이용한 보수성 블록의 제조 방법에 관한 것으로서, 기존 투수 콘크리트의 단점으로 지적되고 있는 블리딩으로 인한 표면 얼룩과 막힘 현상을 방지할 수 있고, 보수가 용이하며, 강도 및 내구성이 우수하여 보도, 공원, 산책로, 잔디블록, 식생블록, 자전거 도로, 주차장, 경량 교통하중 통과 도로, 침투형 저류조, 집수맨홀, 측구 등 물처리 시설 등에 적용이 가능한 기술에 관한 것이다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2008-0129073호인 바텀애시 보수성 블록 및 그의 제조방법은 바텀애시 골재를 체가름시험을 통하여 입경별 골재로 나누는 1단계; 상기의 바텀애시 골재와 결합제, 강도증진제 및 흡수율을 높이는 식물성 혼화제, 물을 투입하여 바텀애시 혼합물을 제조하는 2단계; 상기 바텀애시 혼합물을 블록제조용 금형에 투입하여 블록을 성형하는 3단계; 및 상기 3단계를 거쳐 생성된 바텀애시 보수성 블록을 양생하는 4단계를 포함하는 바텀애시 보수성 블록의 제조방법을 제공함으로써, 보도블록으로서의 강도를 유지하면서 수분침투를 용이하게 하여 도로의 열섬현상을 방지할 수 있는 바텀애시 보수성 블록 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2012-0082896호인 보수성 블록 조성물, 이를 이용한 보수성 블록 및 건물의 녹화구조물 시공 방법은, 보수성 블록을 얻기 위한 조성물로서 투수성 콘크리트 조성물과 보수성 모르타르 조성물을 포함하며, 상기 투수성 콘크리트 조성물은 무기질 결합재 5~35중량%, 잔골재 5~35중량%, 굵은골재 25~75중량%, 물 0.1~5중량% 및 폴리머계 결합재 0.1~15중량%를 포함하고, 상기 보수성 모르타르 조성물은 무기질 결합재, 상기 무기질 결합재 100중량부에 대하여 폴리머계 결합재 0.1~20중량부, 상기 무기질 결합재 100중량부에 대하여 잔골재 100~500중량부 및 상기 무기질 결합재 100중량부에 대하여 물 0.1~15중량부를 포함하는 함으로써, 건물을 녹화시킬 수 있고 수분 보충 기간이 연장될 수 있으며 유지 관리가 간편함과 동시에 건물 내부로 우수가 침투하거나 식물의 뿌리가 활착되는 것을 방지하여 건물의 내구 수명을 연장할 수 있는 기술에 관한 것이다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2008-0079260호인 투수성과 보수성을 가지는 포장용 블록은 투수성과 보수성을 동시에 가지는 도로 포장용 블록에 관한 것으로서 포장용 블록은 제1 설정 입도를 가지는 재료를 접착하여 형성되는 제1 투수층, 상기 제1 설정 입도 보다 큰 제2 설정 입도를 가지는 재료를 접착하여 형성되며 상기 제1 투수층의 아래에 배치되는 제2 투수층, 그리고 상기 제2 투수층의 하면에 밀착되어 존재하고 물리적 보수 재료의 충진으로 형성되는 보수층을 포함함으로써, 투수 기능의 저하 없이 보수성을 확보할 수 있으며, 장기적으로 기능을 발휘할 수 있는 투수성 및 보수성을 동시에 갖는 포장용 블록에 관한 것이다.
그러나 위에 예시된 기술들은 수분 보수성, 강우 시 일정량의 수분 흡수 후 지표면으로 수분을 배출하는 투수성과 강도 증진 효과 면에서 충분하지 않다는 한계가 있었다.
한편 이와 같은 종래의 보차도용 콘크리트 블럭을 제조하기 위하여 시방기준에 맞는 자갈이나 골재 등 재료를 사용해야 하나, 블럭 제조용 재료로 사용되는 골재의 경우는 최근 석산 개발이 제한되고 골재의 파쇄 작업에 따른 민원 문제 등으로 인해 공급이 원활하지 않기 때문에 골재의 수급 문제가 심각한 상황이며, 양질의 천연골재 부족에 따라 대부분 품질이 미흡하여 지지력 확보에 불리하며 골재 운송에 시간과 운송비, 재료비가 많이 들고 있는 실정이다.
우리나라도 건축토목용 골재의 부족 현상은 날로 심화되고 있으며, 이의 해결책이 시급한 상황이다. 국내의 각종 골재는 그 수요에 비해 실제 허가량이 적어, 불법으로 채취되는 경우가 많이 자연 훼손의 주범이 되고 있으며, 특히 천연골재는 국내에 원료 생산지가 거의 없고 부존자원도 부족하기 때문에 국내 생산이 거의 없다시피 한다.
한편, 석탄화력발전소에서 발생하는 부산물인 플라이애시와 바텀애시는 국내 생산량이 연간 일천만톤 이상이 되고 있어 이의 활용방안이 요구되고 있다.
이중 플라이애시는 석탄회 발생량의 약 80%를 차지하고 있고, 시멘트 원료 및 콘크리트 혼화재 등으로 대부분 소비되고 있다.
바텀애시(bottom ash)는 석탄회의 일종으로 국내에서는 전체 석탄회 발생량의 약 20 중량% 정도를 차지한다. 바텀애시는 화력발전소의 노벽, 과열기, 재열기 등에 부착되어 있다가 자중에 의해 보일러 바닥으로 떨어지며, 입경은 0-40 mm 정도로서, 보일러 하부에 모인 바텀애시는 그라인더로 분쇄된 후 트랜스퍼 탱크(transfer tank)에 보내지고 재활용되지 않는 플라이애시 및 물과 함께 고압 펌프의 작동에 의해 회처리장으로 보내진 후 대부분 매립되고 있는 상황이다.
일반적으로 바텀애시의 입자는 괴상으로 모래와 입도가 유사하며, 바텀애시의 입자는 비중이 낮고 다공성으로 흡수율이 높다. 상기 바텀애시는 상대적으로 입형이 불량하고 강도발현이 떨어지며, 흡수율이 높아 콘크리트의 작업성을 저해하는 단점이 있다. 이에 따라 시멘트 혼합재로 사용되거나 콘크리트 블럭 제조용 재료 등으로의 사용을 위한 기술개발은 매우 미진한 실정이다.
따라서 바텀애시를 이용하여 일정 정도의 다짐 성능을 발현토록 함으로써 현재는 대부분 토양 또는 해양에 매립되어 환경 문제를 야기시키고 있는 바텀애시를 재활용하여 토목용 자원, 특히 콘크리트 블럭 제조용으로 활용할 수 있는 기술에 대한 개발 필요성이 큰 상황이다.
본 발명은 상기의 상황을 고려하여 개발된 기술로서, 현재는 석탄화력발전소에서 부산물로 배출되어 대부분 매립됨으로써 환경 문제를 야기시키고 있는 바텀애시를 재활용하여 토목용 자원, 특히 콘크리트 블럭 제조용 골재로 활용할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명은 입형이 불량하고 모암 강도가 떨어지며, 흡수율이 높아 토목용 자원으로서 활용성이 떨어지는 바텀애시를 특수하게 처리함으로써 요구 성능이 발휘되도록 함으로써 콘크리트 블럭 제조용 골재로서 사용될 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 산업부산물의 재활용율을 높이고 고부가가치용 재료로 활용성을 확대하여 보수성 및 투수성 뿐만 아니라 강도 품질도 우수한 콘크리트 블럭의 제조에 활용할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는
(1) 석탄화력발전소에서 발생되는 바텀애시를 준비하는 제1단계;
(2) 상기 얻어진 바텀애시와 결합재로서 슬래그시멘트, 플라이애시, 슬러지고화분말 및 지오폴리머를 혼합하여 콘크리트 조성물을 형성하는 제2단계;
(3) 상기 형성된 콘크리트 조성물을 블록 제조용 형틀에 주입하고, 상기 형틀을 진동기 상에 장착한 후 진동시켜 상기 형틀 내에 상기 콘크리트 조성물을 균일 분포시키는 제3단계; 및
(4) 상기 진동이 완료된 형틀을 스팀 가열실에서 경화시킨 후, 탈형해서 상온에서 양생시키는 제4단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀애시를 이용한 콘크리트 블록의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 결합재는 슬래그시멘트 : 플라이애시 : 슬러지고화분말을 각각 50~75 : 10~30 : 1~20 중량비로 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 슬래그시멘트는 고로슬래그 미분말과 일반포틀랜트시멘트(OPC)를 100 : 50~200 중량비율로 혼합한 것으로,
상기 고로슬래그 미분말은 고로급냉슬래그 및 고로서냉슬래그가 각각 5~30 : 5~30의 중량비로 포함되며, 2.85 ~ 2.95 g/m3의 밀도를 갖는 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 고로급냉슬래그의 염기도(KS F 2563에 따른 염기도)는 1.5~1.8을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 콘크리트용 결합재는 슬래그시멘트, 플라이애시, 슬러지고화분말 외에 혼화재 및 촉진제를 포함하는 제3성분을 0.5~5 중량비의 비율로 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제3성분은
섬유 0.1 내지 10 중량부, 제올라이트(Zeolite) 미분말 0.1 내지 5 중량부, 초산비닐계 폴리머 0.1 내지 5 중량부, 팽창재 0.1 내지 5 중량부, 폴리카본산계 고유동화제 0.1 내지 5 중량부, 규사 30 내지 150 중량부를 포함하며,
수용성 개질 라텍스 0.1 내지 5 중량부, 알콕시 실란 가수분해물 0.1 내지 2 중량부, 실리코네이트계 액상 성분 0.1 내지 3 중량부를 포함하고,
클링커 0.5 내지 10 중량부, 이수석고 및 반수석고 혼합물 1 내지 10 중량부, 플라스터 0.5 내지 10 중량부, 탈황석고 0.5 내지 10 중량부, 플라이애쉬 0.01 내지 5 중량부, 석회석 0.5 내지 10 중량부를 포함하는 분말 성분을 포함하며,
활성촉진제 0.1 내지 2 중량부 및 리튬계 반응촉진제 0.01 내지 1 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수용성 개질 라텍스는 아크릴 수지 10~20 중량부, SBR(Styrene-Butadiene rubber) 고무 10~20 중량부, 하이드록실 아크릴레이트 모노머 0.1~5 중량부, 불포화 폴리에스테르 수지 15~30 중량부, 갈산 0.1~5 중량부, 금속 양이온 1~10 중량부, 흑연용매분산액 0.1~2.0 중량부, 알루미늄염화물 0.1~1.0 중량부, 분산제 0.5~5 중량부 및 물 20~40 중량부의 비율로 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탈황석고는 배연탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고 및 석탄 코크스 탈황석고 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탈황석고는 2.65 ~ 2.75 g/m3의 밀도를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 구현예는
상기 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 블록을 제공한다.
본 발명인 바텀 애시를 이용한 친환경 콘크리트 블럭의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 친환경 콘크리트 블럭에 따르면, 현재는 석탄화력발전소에서 부산물로 배출되어 대부분 매립됨으로써 환경 문제를 야기시키고 있는 바텀애시를 재활용하여 토목용 자원, 특히 콘크리트 블럭 제조용 골재로 활용할 수 있다.
또한, 입형이 불량하고 강도발현이 떨어지며, 흡수율이 높아 콘크리트의 작업성을 저해하는 단점이 있어 토목용 자원으로서 활용성이 떨어지는 바텀애시를 활용하여 강도 등 요구 성능이 발휘되도록 함으로써 콘크리트 블럭 제조용 골재로서 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 콘크리트 블럭은 보도 및 차도용 콘크리트 블럭으로서의 보수성 뿐만 아니라, 소요 강도 확보를 확보할 수 있으며, 강우 시 블럭이 수분을 흡수 후 추가 유입되는 물에 대하여 지표로 배출시켜 지하수의 고갈 및 침수와 홍수를 예방에 효과적으로 대응하며, 폭염 시 블록의 수분을 증발시켜 도시 열섬현상을 저감시킬 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 콘크리트 블럭은 바텀애시, 슬래그, 플라이애시 등의 산업부산물을 활용함으로써 산업 부산물의 폐기에 따른 환경 오염을 방지할 수 있으며, 시멘트 사용량 감소에 따른 탄소배출량 저감 및 탄소 중립성 개선으로 친환경성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명은 주로 보도 및 차도용 포장체나 토목용 옹벽 등 콘크리트 블럭을 제조함에 있어 기존에 수급 문제가 있는 골재를 전부 또는 일부 대체할 수 있는 대체 골재를 사용하여 콘크리트 블럭을 제조하는 기술에 관한 것으로서, 산업 부산물을 활용하여 경제적으로 대체 골재를 제조하고 이를 이용해 콘크리트 블럭을 제조하기 위한 기술이다.
본 발명은 주로 석탄화력발전소에서 발생되는 바텀애시를 이용하여 골재로 활용하여 콘크리트 블럭을 제조하기 위한 기술로서, 하기의 순서로 구성된다. 즉,
(1) 석탄화력발전소에서 발생되는 바텀애시를 준비하는 제1단계;
(2) 상기 얻어진 바텀애시와 결합재로서 슬래그시멘트, 플라이애시, 슬러지고화분말 및 지오폴리머를 혼합하여 콘크리트 조성물을 형성하는 제2단계;
(3) 상기 형성된 콘크리트 조성물을 블록 제조용 형틀에 주입하고, 상기 형틀을 진동기 상에 장착한 후 진동시켜 상기 형틀 내에 상기 콘크리트 조성물을 균일 분포시키는 제3단계; 및
(4) 상기 진동이 완료된 형틀을 스팀 가열실에서 경화시킨 후, 탈형해서 상온에서 양생시키는 제4단계; 를 포함하는 구성된다.
먼저, 상기 제1단계에서 바텀애시 골재에 관하여 설명한다.
석탄화력발전소에서 부산물로 발생하는 석탄회는 집진하는 장소에 따라 플라이애시와 바텀애시로 구분되는데, 플라이애시는 연소과정에서 생성된 석탄회 중에서 미세한 크기의 입자로 연소가스와 함께 연소로를 통과하여 배출되며 총 석탄회 발생량의 약 80 내지 85%를 차지한다. 바텀애시는 연소로 내에서 보일로 하부로 낙하하여 고형화된 물질을 분쇄기를 사용하여 분쇄시킨 것으로 총 석탄회 발생량의 약 15 내지 20% 정도가 발생한다.
상기 플라이애시는 그 재활용 방안이 다각도로 연구 및 사용되고 있지만, 바텀애시의 경우는 아직까지 그 활용 방안에 대한 연구 및 사용이 활발하지 않다.
일반적으로 바텀애시의 입자는 괴상으로 모래와 입도가 유사하며, 바텀애시의 입자는 비중이 낮고 다공성으로 흡수율이 높다. 상기 바텀애시는 입형이 불량하고 모암 강도가 떨어지며, 흡수율이 높은 단점이 있다. 이에 따라 콘크리트 블럭 등 2차 제품 제조용 골재 등으로의 사용을 위한 기술개발은 매우 미진한 실정이다.
본 발명은 이러한 바텀애시의 활용성에 대한 한계 및 문제점을 해결하여 콘크리트 블럭 제조용 골재로 사용하기 위한 기술로서, 활용성을 높일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 바텀애시는 입경이 1~40 mm인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 입경이 1mm보다 작으면 강도 성능 및 배수성이 불량하며, 40 mm를 초과하면 강도 성능 및 시공성이 좋지 않다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 골재로서 상기 바텀애시를 사용하고, 콘크리트용 결합재로서 슬래그시멘트, 플라이애시 및 슬러지고화분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 콘크리트용 결합재는 슬래그시멘트 : 플라이애시 : 슬러지고화분말을 각각 50~75 : 10~30 : 1~20 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 슬래그시멘트는 고로슬래그 미분말과 일반포틀랜트시멘트(OPC)를 100 : 50~200 중량비율로 혼합한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 고로슬래그는 고로에서 선철을 만드는 과정에서 생성되는 산업부산물이다. 고로에서는 철광석, 코크스, 석회석 등의 원료를 상부에서 투입하고, 하부의 우구에서 열풍을 불어 넣어 로내에서 코크스를 연소시켜 발생한 환원성 가스(CO)로 철광석을 환원 및 용해시켜 용선과 용융 슬래그를 분리하고 있으며, 용융상태의 고온 슬래그를 물, 공기 등으로 급냉하여 입상화한 것을 고로 슬래그(Granulated blast furnace slag)라고 한다. 선철 1t당 약 300kg 생성하며, 고로에서 생성되는 슬래그는 1,500℃ 이상의 고온 용융상태이고, 그 냉각방법의 차이에 따라 완전히 서로 다른 물성을 가지는 슬래그가 된다. 고온의 용융성능으로부터 열처리와 가공처리의 방법에 의해서 섬유상이나 과립상, 다공질 경량 용암 또는 치밀한 암석모양의 큰 덩어리로 되어 유리질, 반정질 및 결정질의 형태가 된다.
고로급냉슬래그(Water-cooled slag)는 다량의 물로 급냉되어, 급격한 점성의 상승에 의해 원자배열이 행해지지 않는 채로 고결하여 유리질(비경질)로 되고, 주요 화학성분은 철광석의 맥석, 코크스의 회분, 석회석 등에서 온 SiO2, CaO, MgO 및 Al2O3로 이루어져 있으며, 전체 화학성분 중 약 95%정도를 차지한다. 그 외에 소량의 유황분 및 알칼리(Na2O, K2O) 등을 포함하고 있다.
고로급냉슬래그는 단순히 물과 접촉하여도 치밀한 수화물이 생성 피복되고, 그 이상의 수화가 저해된다. 그러나 포틀랜드시멘트(PC) 및 소석회 등의 알칼리성 용액에서는 치밀한 피막이 깨져 PC클링커와 같이 스스로 수화하기 시작한다. 또, 일반적으로 액상에 충분한 Ca2+와 SO42-가 존재하기 때문에 슬래그로부터 실리게이트와 알루미네이트의 산성성분의 용출이 높아지고, 시멘트 경화체의 모세관 공극의 액상 중에도 포졸란 반응이 일어난다. 따라서, 혼화재로서의 혼합성이나 분산성이 뛰어나고, 경화체는 치밀해져 강도발현이 향상되며, 외부로부터 침식작용 등에 대해 내구성을 발휘한다.
고로급냉슬래그의 미분말은 일반적으로 염기도 및 유리질 율이 높을수록 반응성이 크게 되는 경향이 있으며, 본 발명에서는 고로급냉슬래그 미분말의 염기도가 KS F 2563 기준에 의거하여 1.5 ~ 1.8인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 고로서냉슬래그는 공기 중 서서히 냉각되어 괴상이 되고, 화학적으로 안정한 구조인 결정질이 되어, 수경성은 거의 갖지 않는다. 고로서냉슬래그는 냉각되는 과정에서 슬래그 내부의 다량의 가스가 생성되어 다공질의 형상을 가지며, 이러한 형상은 고로서냉슬래그를 분쇄 시, 고로급냉슬래그보다 빠른 분쇄효과를 보여준다.
고로서냉슬래그는 고로급냉슬래그와 달리 결정질로 이루어져 있어, 각 입자의 경계가 결함으로 작용하여 분쇄능이 높게 나타나고, 서냉슬래그 모르타르의 압축강도는 탄산화에 의하여 강도증진이 크며, 기공률 또한 높게 측정됨으로써, 탄산화 반응에 의하여 표면이 치밀화되어 중성화를 억제시켜주는 것이 가능한 특징이 있는 것으로 알려져 있다.
본 발명은 상기와 같은 고로급냉슬래그 및 고로서냉슬래그를 페로니켈 슬래그 미분말과 함께 콘크리트 구조물용 결합재로 사용하기 위한 기술이다.
본 발명에서 상기 고로급냉슬래그 분말 및 고로서냉슬래그 분말은 4,200 ~4,280 cm3/g의 분말도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 고로슬래그 미분말은 10 내지 30 중량부의 범위에서 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 일반 포틀랜트 시멘트(OPC)는 주요 성분이 C3S 51%, C2S 25%, C3A 9%, C4AF 9%, CaSO4 4% 정도이며, 비표면적은 3,300cm2/g 전후인 것을 사용할 수 있다.
본 발명에서 플라이애쉬는 석탄 화력 발전소의 미분탄 연소 보일러에서 연소 후 전기집진장치에서 포집된 미립자로 현재 산업부산물로 분류되는 미분말이다. 이러한 플라이애쉬는 보통 포틀랜트 시멘트에 비해 비중이 낮고 유리질 구조를 갖기 때문에 유동성 확보가 가능하며 포졸란 반응으로 인해 수화열량 감소, 온도 균열 제어 등의 기능을 한다. 본 발명에서 상기 플라이애쉬의 사용량은 상기 콘크리트용 결합재 중에 10~30 중량부의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 슬러지고화분말은 하수 슬러지, 오니, 뻘 등의 슬러지를 건조하여 형성된 분말 성분으로서 환경을 보호하고 자원 재활용성을 높이고자 하는 목적에서 사용된다. 본 발명에서 상기 슬러지고화분말은 수분함량이 15중량% 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명에 따른 상기 콘크리트용 결합재 중에 1~20 중량부의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 콘크리트용 결합재는 슬래그시멘트, 플라이애시, 슬러지고화분말 외에 혼화재 및 촉진제를 포함하는 제3성분을 0.5~5 중량비의 비율로 더 포함할 수 있다.
구체적으로는, 본 발명에서 사용되는 상기 섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 친환경 섬유 중 적어도 하나 이상을 사용할 수 있으며, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 처짐, 방수막 크랙 등의 발생을 방지하고 내열성과 내한성에 우수하도록 할 수 있다. 여기서 섬유는 미세한 그물조직으로 밀실한 조직을 형성하여 콘크리트의 크랙을 방지하고 수명을 연장시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 섬유는 친환경 섬유를 사용할 수 있으며, 구체적으로는 리오셀 섬유, 셀룰로오스 섬유, PLA 섬유 등을 사용할 수 있다.
상기 리오셀(Lyocell) 섬유는 대표적인 환경친화형 신섬유로 기존 이산화탄소, 가성소다 등 유독성 화학물질을 용매로 사용하지 않으며, 제조공정이 간단하고 용매를 다시 회수해 재사용할 수 있어 친환경적이며 또한 경제적이다.
리오셀 섬유는 일체의 화학적인 변형없이 천연 펄프를 무공해성 아민옥사이드 용매에 직접녹여 제조하여 일체의 화학적인 변형없이 섬유소(Cellulose) 만을 추출한 것을 사용하며, 폐기시에도 땅속에서 생분해가 되어 일체의 공해발생이 없는 것이 특징이다.
보다 구체적으로, 리오셀 섬유의 물리적 성능으로는 높은 인장강도, 뛰어난 흡습성(균열제어 성능 우수), 친환경 용매 아민옥사이드 사용으로 친환경성, 폐기시에도 생분해성 특징를 가져 무공해성, 우수한 내구성(내산성, 내화학성)을 갖는 것을 특징으로 한다.
리오셀 섬유를 단독으로 사용할 수 있으나, 강도 향상을 위해서 셀룰로오스 나노 섬유가 코팅된 PLA 복합체를 포함하는 PLA 복합 수지와 리오셀 섬유를 중량비 6 내지 7 : 3 내지 4의 비율로 혼합하여 사용할 수 있다.
즉, 셀룰로오스 나노 섬유가 코팅된 PLA 복합체를 생성하기 위해 셀룰로오스 나노섬유는 상업용 목재펄프(활엽수 또는 침엽수)를 TEMPO((2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-일)옥시)를 사용하여 산화시킨 후, 기계적 처리로 제조(수율 90% 이상)한 것을 사용할 수 있으며, 카르복시기 함량이 3.2 내지 3.9 mmol/g, 셀룰로오스 섬유폭은 20 내지 30 nm, 섬유길이는 50 내지 60 μm인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
즉, 셀룰로오스 나노섬유를 PLA(PolyLactic Acid) 복합체의 표면을 메쉬 타입으로 코팅 처리하여 생성될 수 있으며, PLA 복합체 100 중량부를 기분으로 셀룰로오스 나노섬유 15.2 내지 17.4 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 셀룰로오스 나노섬유로 코팅된 PLA 복합체인 메쉬(mesh) 타입으로 코팅하여 표면처리를 수행한 것은, 단순히 PLA 복합체를 사용한 것에 비해 인장강도 및 내절강도, 그리고 파열강도가 모두 향상될 수 있다.
뿐만 아니라, 셀룰로오스 나노섬유로 코팅된 PLA 복합체는 셀룰로오스 나노 섬유의 높은 비표면적과 비강도 및 낮은 밀도를 가지고 있어 우수한 물성을 나타낼 뿐만 아니라, 극소량만으로도 열적 및 기계적 특성이 우수한 복합체를 얻을 수 있고, 친환경성 및 경량특성으로 적용될 수 있다.
한편, PLA는 옥수수 전분을 주원료로 한 천연 식물계 원료로, 합성수지(PC, ABS 등)를 포함하지 않고 자연 조건 하에서 100% 분해된다. 또한, 다이옥신 등의 유해물질 발생 및 기타 환경오염을 방지할 수 있다. PLA(PolyLactic Acid)는 사출 및 압출플라스틱에 대한 대체가 가능하며, 범용적인 물적 특성을 가진 획기적 친환경 수지로 제품화가 가능하다. 한편, PLA는 결정성, 자연순환형, 생체적합, CO2 저감 등에 대한 특성을 갖으며, PLA는 식물계 원료로 제품의 자연적 분해가 가능한 친환경 소재이다.
본 발명에서 사용되는 PLA 복합체는 PLA 단섬유와 탄소 섬유를 5.1 내지 7.3 : 1.2 내지 2.3의 중량비로 하여 카딩기에 넣어, 웹을 형성하여 시트 형태로 생성된 것을 사용하거나, 천연섬유에 해당하는 PLA 단섬유와 합성섬유를 혼합하여 제조한 시트층을 발포시켜서 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 합성섬유로는 저융점 폴리에스터, 폴리에스터 또는 폴리프로필렌 등이 단독 혹은 혼합사용될 수 있으며, 바람직하게는 폴리프로필렌이 사용된다. 이때, 합성섬유와 천염섬유의 혼합비는 특별히 한정되지는 않으나, 천연섬유 100 중량부에 대해서 합성섬유 12 내지 15 중량부, 황토 2 내지 3 중량부, 갯벌 흙(머드) 2 내지 5 중량부, 각섬석분말 1 내지 2 중량부, 광석분말 1.5 내지 1.8 중량부, 경화제 4.2 내지 4.5 중량부, 물 20 중량부를 포함하며, 선택적으로 색상을 갖는 광석분말은 원하는 색상을 갖는 광석분말을 더 포함할 수 있다. PLA 단섬유와 합성섬유와의 혼합공정에서의 합성섬유는 굵기가 20 내지 30 데니어이고, 길이는 43 내지 56nm인 것일 수 있다.
한편, 셀룰로오스 나노 섬유가 코팅된 PLA 복합체를 포함하는 PLA 복합 수지 상에서 셀룰로오스 나노 섬유가 코팅된 PLA 복합체와 PLA 수지의 중량비는 3 내지 4 : 6 내지 7로 형성되는 것이 인장강도, 내절강도, 그리고 파열강도에 대한 측정의 결과는 다른 비율에 비해 유의미한 효과를 얻었다.
다음으로, 제올라이트(Zeolite) 미분말에 대해서 살펴본다.
본 발명에 따른 제올라이트 미분말에 사용하는 합성 제올라이트는 알칼리, 물, 유기 기질의 혼합물로 구성된 실리카 알루미나겔을 느리게 결정화시켜 만들어진다. 이렇게 제올라이트를 합성으로 생산하면 오염되지 않은 순수한 최종 제품(합성 제올라이트)을 얻을 수 있다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 합성 제올라이트는 천연제올라이트보다 견고한 제올라이트를 생성할 수 있도록 해준다.
본 발명에 사용되는 제올라이트 미분말의 성능으로는 양이온 교환 특성, 우수한 흡착성, 동결융해에 대한 저항성 증가을 갖는 것을 특징으로 한다.
먼저, 양이온 교환 특성에 대해서 살펴보면, 제올라이트의 대표적인 특성중 하나로 양이온이 쉽게 교환되며 공동의 크기에 따라 특정 양이온을 선택적으로 교환할수 있는 선택적 교환특성을 가진다. 이러한 특성으로 인해 토질 및 수질개량제 및 폐수처리, 방사성 폐기물 처리 등에 활용되고 있으며 특히 제올라이트 미분말이 첨가된 콘크리트의 경우 하수구조물의 특성상 폐수가 항상 존재하므로 탁월한 성능을 나타낼수 있다.
다음으로, 우수한 흡착성에 대해서 살펴보면, 제올라이트 미분말은 적합한 크기와 형태의 무기 및 유기분자들을 선택적으로 흡착할 수 있어서, 공동의 크기에 따라 서로 섞여 있는 다른 분자들을 각각 분리할 수 있는 분자체 기능(molecular sieving)의 특성을 갖게 된다. 제올라이트의 흡착 및 분자체 특성과 관련된 응용 분야로는 각종 가스의 전조제로의 응용 및 천연가스 및 LPG에서의 불순 가스 제거 등이 있다. 이러한 특성상 하수구조물의 경우 다량의 가스가 존재할 수 있으므로 이또한 작업시 안정성을 확보할수 있다.
또한, 동결융해에 대한 저항성 증가에 대해서 살펴보면, 합성 제올라이트는 아스팔트의 생산 공정에서 첨가제로 사용되는데, 이러한 활용은 1990년대 독일에서 시작되었다. 합성 제올라이트 미분말은 아스팔트의 제조나 설치시 발생하는 열을 낮춰 주어, 이산화 탄소, 에어로솔 및 증기를 덜 방출하도록 도움을 준다. 또한 고온 상태에서는 아스팔트가 더욱 촘촘하게 압축되어, 추운 날씨나 장시간 동안 도로포장하는 것이 가능하게 되었다. 이러한 성능은 제올라이트를 콘크리트에 첨가했을시 콘크리트가 겨율철 낮은 온도에 노출되어도 손상을 현저하게 덜받을 수 있도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 제올라이트 미분말은 단독으로 사용되지 않고 본 발명의 다른 실시예로, 강도, 내열성, 내약품성 및 고화학성을 향상시키기 위해 폴리페닐렌설파이드(PPS)를 추가하되, PPS 수지가 본래 가지는 우수한 기계적 강도를 포함하는 제성질을 크게 해하지 않으도록 PPS 수지 100 중량부를 기준으로 폴리아미드 수지 20 내지 30 중량부, 용매로 N-methyl-2-pyrrolidone 중합체 1 내지 5 중량부, 돌가루 2 내지 3 중량부로, 중탄 5 내지 7 중량부, 금속 수산화물 30 내지 40 중량부를 포함하여 이루어지는 제올라이트 미분말 복합 수지를 사용할 수 있다.
여기서, 돌가루는 석면을 불포함하고, 마그네슘으로 이루어진 규산염에 해당하는 Talcum을 사용함으로써, 제올라이트 미분말 복합 수지를 포함하는 친환경 리오셀 섬유 및 합성 제올라이트 미분말을 포함하는 콘크리트의 강도를 높이며, 중탄은 은폐력 향상, 체질안료(extender pigments)로서 작용하기 위해 포함될 수 있다.
이어서, 상기 초산비닐계 폴리머는 신구 접착력증대 및 리바운드량을 감소시키기 위해 추가된다. 초산비닐계 폴리머는 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 경화 전 상태에서는 유동성을 증가시키고 작업성을 개선시키는 역할을 하며, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 경화 후 상태에서는 응집력 증가, 굴곡 강도 증가, 굴곡성 증진 및 방수력 증대 등의 효과를 발휘한다.
상기 팽창재는 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 경화시 수축에 따른 균열을 억제하기 위한 것으로 임계치 미만일 경우에는 팽창효과가 적어 균열억제 효과를 얻을 수 없으며 임계치를 초과할 경우 물성이 저하된다.
이러한 팽창재는 섬유보강재 100 중량부, 무기팽창재 30 내지 65 중량부, 금속분말계 팽창재 3 내지 5 중량부, 안정제 2 내지 3 중량부, 강도증진제 25 내지 35 중량부, 알칼리자극제 15 내지 25 중량부로 이루어진 하이브리드 팽창재를 사용할 수 있다.
즉, 하이브리드 팽창재를 구성하는 무기팽창재는 콘크리트의 경화 후 수축에 대한 보상 팽창을 하도록 하여 콘크리트의 경화 후 건조수축이 발생하는 균열을 억제하기 위한 구성이다.
시멘트의 단점인 경화 후 수축을 고려하여 사용되는 구성으로 임계치 미만일 경우 팽창효과가 미미하여 수축균열을 억제하지 못하게 되고, 임계치를 초과할 경우에는 과팽창되어 경화체가 파괴되는 현상이 발생함은 물론 전체적인 물성이 급격하게 저하되는 문제가 발생하게 된다.
그리고 팽창재를 구성하는 섬유보강재는 콘크리트의 인장력 증대, 국부적 균열의 생성 및 성장을 억제하면서 역학적 성질을 개선 및 보강하기 위해 이용하는 것으로, 콘크리트 내에서 불연속적이며 단상인 섬유질 재료를 분산시켜 사용하게 된다.
이어서, 상기 폴리카본산계 고유동화제는 콘크리트의 입자 표면에 흡착하여 입자 표면에 전하를 주어 입자들끼리 상호 반력을 일으키므로, 응집된 입자를 분산시켜 유동을 증가시켜 감수 효과로 인한 강도 증진이 가능하게 하는 역할을 한다.
유동화제로서는 폴리카본산계 외에 멜라민셀폰산계, 나프탈렌셀폰산계, 폴리카본산계, 리그닌슬폰산계 또는 알킬아릴슬폰산계 유동화제를 사용할 수 있으며, 더욱 구체적으로는 리그닌술포네이트, 폴리나프탈렌술포네이트, 폴리멜라민술포네이트 또는 폴리카복실레이트계 감수제로 이루어진 군으로부터 단독 또는 둘 이상 혼합 사용이 가능하다.
특히, 유동화제 사용시 응결시간에 영향을 주므로 응결시간 조절제를 적절히 포함하여 사용할 수 있다.
이어서, 상기 규사는 콘크리트 혼합재로 사용되며, 평균 입경이 0.3 내지 1.5 mm인 세사를 사용하는 것이 바람직하며, 이는 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 유동성 및 치밀성을 향상시키기 위함이다.
이어서, 본 발명에서 상기 수용성 개질 라텍스는 합성수지계 에멀젼 라텍스로서, 구체적으로는 아크릴 수지 10~20 중량부, SBR(Styrene-Butadiene rubber) 고무 10~20 중량부, 하이드록실 아크릴레이트 모노머 0.1~5 중량부, 불포화 폴리에스테르 수지 15~30 중량부, 갈산 0.1~5 중량부, 금속 양이온 1~10 중량부, 흑연용매분산액 0.1~2.0 중량부, 알루미늄염화물 0.1~1.0 중량부, 분산제 0.5~5 중량부 및 물 20~40 중량부의 비율(중량비)로 포함되어 구성되는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 아크릴 수지는 2-하이드록시에틸메타크릴산(2-HEMA : 2-hydroxyethyl methacrylate), 메타크릴산메틸(MMA : methyl methacrylate), n-부틸 아크릴레이트(n-BA : n-butyl acrylate) 및 아크릴산(AAc : acrylic acid) 중 선택된 어느 하나의 아크릴레이트 단량체 및 음이온 또는 비이온 유화제 및 개시제를 첨가하여 합성된 폴리 아크릴레이트 하이브리드 에멀젼을 사용할 수 있다. 상기 아크릴 수지는 건조가 빠르고 외부 폭로조건에서도 우수한 내후성, 내구성, 자외선안정성을 나타내며 수용성으로 이루어져 있어 친환경적이다.
상기 SBR 고무는 탄성을 유지하기 위해 고형분이 50% 이상인 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 표면에서 부식을 방지하는 역할을 하는 동시에 용매에 분산되어 있는 형태를 하고 있으며, 용액 상태에서 상기 갈산을 분산 및 용해시켜 갈산의 효과를 증대시키도록 하는 역할을 하기도 한다. 상기 용매로는 에틸렌 글리콜계의 2가 알코올을 사용할 수 있다.
상기 하이드록실 아크릴레이트 모노머는 가교밀도를 향상시켜 망목상 상태를 증대시키는 역할을 하여 물성을 향상시키는 기능을 한다. 이러한 하이드록실 아크릴레이트 모노머로는 하이드록실 에틸아크릴레이트, 하이드록실 프로필아크릴레이트, 하이드록실 에틸메틸아크릴레이트 등을 사용할 수 있다.
상기 불포화 폴리에스테르는 산과 글리콜류 화합물의 축합 중합에 의해 형성되는 것으로서, 예를 들어 푸마르산과 디에틸렌글리콜의 반응에 의해 형성되는 산가 18~20mg/KOH의 범위에 드는 것을 사용할 수 있다. 상기 불포화 폴리에스테르는 콘크리트의 내후성, 내광성, 내스크래치성을 강화하는 역할을 한다.
상기 갈산은 탄닌을 산 또는 알칼리 가수분해하여 얻어지는 페놀카르복시산으로 C7H6O5·H2O의 분자식을 갖는 화합물로서, 표면의 방청, 방수성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 금속 양이온은 구체적인 예로서 Ca2+, Mg2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+ 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다.
상기 흑연용매분산액은 인장강도, 압축강도 등 강도 특성을 향상시키는 역할을 하며, 동시에 내식성, 방수성도 향상시키는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 흑연용매분산책은 용매 중에 흑연 입자가 분산된 형태로 사용되는 것이 바람직하다.
상기 흑연 분말은 비표면적이 약 2,000~3,500 m2/g로 매우 크며, 인장강도가 우수하고 높은 기밀성을 가지므로 내구성도 우수하다.
상기 흑연 분말은 분말도가 너무 커서 사용이 쉽지 않은 문제가 있으므로 용매에 분산시킨 분산액으로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 흑연용매분산액을 형성하기 위해서는 흑연 분말을 물에 혼합하고 산을 가하여 산 영역의 pH에서 교반 및 분산한 후 알칼리를 가해 중성 영역의 pH로 조절한 것으로서 흑연 함량이 분산액 중에 0.001~20 중량%로 포함된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 산(예: 염산, 시트르산, 아세트산 등)을 가하는 것은 용매 중에 분산성을 향상시키기 위한 것이고, 알칼리(예: NaOH, KOH 등)를 가하는 것은 pH를 중성 영역으로 조절하여 안정성을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명에서 상기 흑연용매분산액을 형성함에 있어서 용매로는 물을 사용하는 것이 바람직하나, 알코올을 단독 또는 물과 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
상기 알루미늄염화물은 산과 수산화알루미늄의 반응에 의해 형성되는 것으로서, 콘크리트 조성물의 내화학성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 분산제는 수용성 라텍스의 혼합시 액상 내에서 내부 성분을 고르게 분산시켜 균일성을 향상시키기 위한 것으로, 본 발명에서는 비이온 타입의 폴리옥시알킬렌형 계면활성제 또는 음이온 타입의 폴리카르복실염계 계면활성제 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명에서, 상기 알콕시 실란 가수분해물은 졸-겔 공정을 통해 실란을 실리카겔 형상으로 형성하고, 이와 같이 얻어진 실리카겔의 세공중에 메타크릴산 메틸을 넣은 후 이를 중합 및 가수분해하여 얻어진 것을 사용할 수 있다. 본 발명에서 상기 메타크릴산 메틸의 함량은 알콕시 실란 함량 100 중량부를 기준으로 0.5~5 중량부의 범위로 포함될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 실리코네이트계 액상 성분은 칼륨메틸실리코네이트 0.1~5 중량비, 3-아이오도-2-프로피닐-N-부틸 카바메이트 0.1~5 중량비, 에폭시계 바인더 수지 0.1~10 중량비 및 플루오르(F)기를 함유한 무기계 폴리머 0.1~5 중량부의 비율로 포함하여 구성된다.
본 발명에서 상기 칼륨메틸실리코네이트는 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 강화 성분을 콘크리트 구조물 내부로 침투시켜 주는 역할을 함과 동시에 발수성을 증대시키는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 칼륨메틸실리코네이트는 상기 실리코네이트계 액상 성분 중에 0.1~3 중량비의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 칼륨메틸실리코네이트는 고형분 함량이 30~40 중량%이고 pH 12~14인 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 3-아이오도-2-프로피닐-N-부틸 카바메이트는 본 발명에 따른 콘크리트 조성물에 사용될 경우 콘크리트의 각종 유해 성분들이 외부로 용출되는 것을 방지하여 환경 오염을 유발하는 것을 방지하는 효과가 있다. 본 발명에서 상기 3-아이오도-2-프로피닐-N-부틸 카바메이트는 상기 실리코네이트계 액상 성분 중에 0.1~5 중량비의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 에폭시계 바인더 수지는 조성물의 각 성분들 간의 결합력을 증진시키며 콘크리트 내부의 기계적 강도 및 수밀성을 높이는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 에폭시계 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 그 함량은 상기 실리코네이트계 액상 성분 중에 0.1~10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 플로오르(F)기를 함유한 무기계 폴리머는 본 발명에 따른 콘크리트 조성물이 경화된 후 표면이 산성 조건에 노출될 경우 내산 특성을 강화시켜 산에 의한 콘크리트의 부식을 방지하는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 플로오르(F)기를 함유한 무기계 폴리머는 알루미노 실리케이트와 플루오르 알칼리 실리케이트가 50~65:35~50의 중량비로 혼합된 혼합물로 구성된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 알루미노 실리케이트의 함량이 상기 범위보다 적을 경우에는 강도 저하의 문제가 있으며, 상기 범위를 초과할 경우에는 콘크리트의 겉마름 현상으로 인해 크랙이 발생할 수 있다.
본 발명에서 상기 플로오르(F)기를 함유한 무기계 폴리머는 상기 실리코네이트계 액상 성분 중에 0.1~10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.1 중량부 미만이면 내산 강화 효과가 미미하며, 10 중량부를 초과하면 상용성이 문제될 수 있다.
본 발명에서 클링커는 규산칼슘인 알라이트, 베라이트 및 세라이트 등으로 구성된다. 상기 클링커는 분말성분과 액상성분의 혼합을 촉진시키는 역할을 한다. 상기 클링커는 0.5 중량부 내지 10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 클링커의 함량이 0.5 중량부 미만인 경우는 분말성분과 액상성분의 혼합이 용이하지 않으며, 10 중량부를 초과하는 경우는 강도가 저하되는 문제가 있다.
본 발명에서 상기 이수석고 및 반수석고는 점성을 증가시켜 부착성을 향상시키는 역할을 한다. 상기 이수석고 및 반수석고는 1 중량부 내지 10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 함량이 1 중량부 미만인 경우는 점성 및 부착성이 저하되는 문제가 있으며, 10 중량부를 초과하는 경우는 강도가 낮아지는 문제가 있다.
본 발명에서 상기 플라스터(plaster)는 분말 성분에 포함된 성분이 액상성분과 용이하게 혼합되도록 하는 역할을 한다. 상기 플라스터는 0.5 중량부 내지 10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직한데, 따라서, 상기 플라스터의 함량이 0.5 중량부 미만인 경우는 분말 성분에 포함된 다양한 성분이 액상성분과 용이하게 혼합되기 어려운 문제가 있고, 10 중량부를 초과하는 경우는 강도 및 내화학성 등이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에서 상기 탈황석고는 페로니켈 슬래그 및 고로슬래그의 산성 피막을 파괴하여 슬래그 내부에서 이온 방출을 가속화시키고 이들과 반응하여 수화 초기에 에트린자이트를 다량 생성해주는 역할을 하며, 재령 경과에 따라 칼슘실리케이트 수화물을 생성해 강도를 발현해주는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 탈황석고는 배연탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고 및 석탄 코크스 탈황석고 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 탈황석고의 제조과정의 일 예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 수용성 황산화물이 흡수탑에 통과할 시 분사된 물에 흡수되는 흡수반응이 일어나고, 분사된 물에 흡수된 산성의 황산화물과 물에 용해된 알칼리 흡수제인 석회석과 즉각 반응하여 환상화물이 반수석고로 중화반응을 일으킨다. 또한 반수석고와 수용성 황산화물은 역반응이 쉽게 일어나 반응성을 저하시키고 불안정한 상태의 물질로 반응의 안정과 반응물질의 회수를 용이하게 하기 위해 압축공기를 강제 공급하여 산소와 결합시키는 과정인 산화반응을 거쳐 결정화 반응을 일으킨다. 결정화 반응은 황산화물과 석회석이 반응해 생성된 Seed(결정핵)를 중심으로 100∼150
Figure 112021118019793-pat00001
까지 성장한다. 이 단계에서는 완전히 산화되지 않은 부반응과 정상적으로 산화되어 역반응이 일어나지 않는 주반응이 있다.
상기 탈황석고의 주성분은 CaO 및 SO3 이며, 적절한 품질은 CaSO4·2H2O가 95% 이상, 미반응 CaCO3가 1.5% 이하, CaSO3·1/2H2O가 0.5% 이하 및 Al2O3+Fe2O3가 최대 1.0% 이하이며, pH 5-9를 나타내어야 한다. 인산석고에 비해 상대적으로 pH가 중성이며, 높은 순도의 균일한 품질을 가지고 있는 특징이 있다.
본 발명에서 상기 탈황석고는 2.65 ~ 2.75 g/m3의 밀도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하고, 4,430 ~4,4520 cm3/g의 분말도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 석회석은 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 강성을 보조적으로 향상시키는 역할을 한다. 상기 석회석은 0.5 중량부 내지 10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 석회석의 함량이 0.5 중량부 미만인 경우는 강성 향상 효과가 저하되며, 10 중량부를 초과하는 경우는 내화학성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에서 상기 활성촉진제는 초기 응결 속도를 조절하기 위해 사용되며, 콘크리트의 기능을 활성화시키고 강도성능을 강화하는 역할을 하는 것으로서, 예를 들어, 칼슘, 마그네슘, 망간 또는 알루미늄의 활성 다가 금속이온을 포함하는 염화물염, 탄산염, 황산염 또는 수산염을 사용할 수 있고, 그 사용량은 0.5~2 중량부의 범위로 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 리튬계 반응촉진제는 응결(종결) 이후 시멘트 수화물이 생성을 촉진하여 강도 발현에 영향을 미치고 미세 공극을 치밀하게 하는 역할을 하는 것으로서, 예를 들어 탄산리튬, 황산리튬, 수산화리튬, 산화리튬, 염화리튬, 인산리튬, 질산화리튬, 리튬 실리케이트 등을 사용할 수 있으며, 그 사용량은 0.5~1 중량부의 범위로 사용되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 콘크리트 조성물에 있어서 난연 효과를 발휘하도록 하기 위하여 난연제를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 난연제는 몰리브덴산 안티몬, 수산화알미늄, 산화몰리브덴, 수산화마그네슘 중 어느 하나 또는 2종 이상 혼합한 것을 사용할 수 있다. 특히 수산화알미늄(Al(OH)3)은 열이 가해져서 500℃ 이상이 되면 활성알루미나로 변화되어 흡착 성능을 가지게 되므로 연소시 발생하는 다이옥신, 염화수소가스(HCl) 등 유해 물질을 흡착하며 열 분해시 흡열 반응을 하여 냉각 효과도 있고 불연성으로서 내수, 내산성이 우수하도록 하며, 난연제들을 병용 사용하여 난연 효과의 향상을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 충진제를 더 포함할 수 있다. 상기 충진제의 입경은 2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 것으로, 이산화규소(SiO2), 황산바륨(BaSO4), 산화알루미늄(Al2O3), 탄산칼슘(CaCO3), 탈크 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군일 수 있다.
본 발명에서 상기 콘크리트 조성물은 기능성 충진제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 기능성 충진제로는 실리카 분말과 팽창성 흑연의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 실리카 분말로서는 콜로이달실리카, 흄드실리카 및 마이크로나이즈드 실리카 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 이용할 수 있다.
상기 기능성 충진제는 콘크리트 조성물의 바인딩 효과를 더욱 증대시키는 역할을 함으로써 물리적 효과를 증대시키는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 실리카 분말과 팽창성 흑연의 혼합 비율은 100:50~200 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기능성 충진제를 사용할 때는 분말을 바로 사용하는 것도 가능하지만, 표면을 처리하여 유기실란으로 처리하여 코팅함으로써 바인딩 효과 증대로 인한 내구성 증대 효과를 볼 수 있다.
즉, 실리카 분말 단독 또는 팽창성 흑연 분말의 혼합물이 용매에 분산된 콜로이드상 용액을 유기 실란에 분산시킨 후 약 1~10시간 동안 교반하여 처리할 수 있다. 구체적으로, 실리카 분말 단독 또는 팽창성 흑연 분말의 혼합물 용액 100 중량부를 기준으로 유기 실란 약 0.1~50중량부를 상기 용액에 첨가하여 용액 내에서 분말 입자 표면에 유기기를 형성하고 반응기를 통과시켜 탈수 및 축합반응을 통해 유기기로 표면 처리된 분말을 형성시킨다. 이때 상기 용액은 실리카 분말이나 팽창성 흑연 분말이 물이나 알코올과 같은 용매 내에 콜로이드 상태로 분산되어 있는 것으로서 콜로이드 용액 상태로 유기 실란과 접촉하는 것이 바람직하다.
상기 유기실란의 구체적인 예로는 디메틸디메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 테트라에톡시실란 등을 들 수 있다. 이 때 유기 실란으로 분말 표면을 처리하는 것은 상온에서 1~10 시간 정도 교반 처리하여 유기기가 형성된 무기물을 형성하고 이를 반응기에 통과시켜 형성한다. 이 때 상기 반응기는 가열장치로서 온도를 100 ~ 300℃로 승온하여 1~10시간 동안 용매와 유기기가 형성된 무기물을 탈수 및 축합반응시켜 표면 처리가 완료된 분말상의 무기물 입자를 제조할 수 있다.
이와 같이 제조되는 실리카 분말 및 팽창성 흑연 분말은 표면에 실란이 형성되어 있으므로 바인딩 효과가 우수하고 이에 따라 내구성이 더욱 향상될 수 있다.
본 발명에서 상기 기능성 충진제는 0.1~10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 제2단계 내지 제4단계의 과정에 관하여 설명한다.
상기 제1단계어서 얻은 바텀애시와 결합재로서 슬래그시멘트, 플라이애시, 슬러지고화분말 및 지오폴리머를 혼합하여 콘크리트 조성물을 얻는다.
상기 시멘트는 일반포틀랜트시멘트(OPC)를 사용할 수 있으며, 지오폴리머로는 플라이애시 10~40 중량부, 폴리머수지 5~40 중량부, 알칼리활성화제 1~20 중량부 및 알칼리 규산염 1~20 중량부를 포함하여 구성되는 것을 사용할 수 있다.
이때, 상기 폴리머수지로는 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate, EVA)계, NR(Natural Rubber)계, NBR(Natural Rubber-Butadien Rubber)계, SBR(Styrene-Butadien Rubber)계 및 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate)계 수지에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 알칼리활성화제로는 수산화나트륨, 수산화칼륨 등을 사용할 수 있고, 알칼리 규산염으로는 규산나트륨, 규산칼륨 등을 사용할 수있다.
상기 콘크리트 조성물을 이루는 성분은 상기 결합재 5~30 중량부와 상기 바텀애시 골재 50~100 중량부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 콘크리트 조성물은 일반 잔골재 0.1~100 중량부, 굵은 골재 0.1~500 중량부 또는 그 혼합물을 더 포함할 수 있으며, 기타 감수제, 수축저감제, 난연제, 보강섬유 등의 첨가제를 요구 품질에 따라 추가로 포함할 수 있다.
상기와 같이 얻어지는 콘크리트 조성물에 일정 양의 물, 예를 들어 물/결합재의 비율이 0.15~0.25가 되도록 혼합하여 블럭을 성형한다.
블럭 성형 방법은 먼저 상기 형성된 콘크리트 조성물을 블럭 제조용 형틀에 주입한다.
상기 형틀은 제조하고자 하는 콘크리트 블럭이 포장도로, 보도, 주차장, 자전거 도로, 옹벽용 블럭 등 다양한 변형이 가능하다.
이어서 상기 형틀을 진동기 상에 장착한 후 일정 시간 동안, 예를 들어 0.5~5분 동안 진동시켜 상기 형틀 내에 상기 콘크리트 조성물을 균일 분포시킨다.
이어서 상기 진동이 완료된 형틀을 스팀 가열실에서 경화 조건, 예를 들어 50~100℃의 온도로 0.5~5시간 동안 경화시켜 탈형한 후, 상온 조건에서 양생시키는 순서로 진행된다. 탈형 시간은 형틀의 크기나 높이 등에 따라 변경될 수 있으며 온도가 상온 상태로 저하되었을 때 실행하는 것이 바람직하다.
탈형된 콘크리트 블럭은 햇볕이 직접 조사되지 않고 통풍이 잘되는 상온의 장소에서 최소 10시간 이사, 바람직하게는 약 1주일 동안 양생시키는 것이바람직하다.
이상과 같이, 본 명세서에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (10)

  1. (1) 석탄화력발전소에서 발생되는 바텀애시를 준비하는 제1단계;
    (2) 상기 얻어진 바텀애시와 결합재로서 슬래그시멘트, 플라이애시, 슬러지고화분말 및 지오폴리머를 혼합하여 콘크리트 조성물을 형성하는 제2단계;
    (3) 상기 형성된 콘크리트 조성물을 블록 제조용 형틀에 주입하고, 상기 형틀을 진동기 상에 장착한 후 진동시켜 상기 형틀 내에 상기 콘크리트 조성물을 균일 분포시키는 제3단계; 및
    (4) 상기 진동이 완료된 형틀을 스팀 가열실에서 경화시킨 후, 탈형해서 상온에서 양생시키는 제4단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀애시를 이용한 콘크리트 블록의 제조 방법으로서,
    상기 결합재는 슬래그시멘트, 플라이애시, 슬러지고화분말 외에 혼화재 및 촉진제를 포함하는 제3성분을 0.5~5 중량비의 비율로 더 포함하되,
    상기 제3성분은
    섬유 0.1 내지 10 중량부, 제올라이트(Zeolite) 미분말 0.1 내지 5 중량부, 초산비닐계 폴리머 0.1 내지 5 중량부, 팽창재 0.1 내지 5 중량부, 폴리카본산계 고유동화제 0.1 내지 5 중량부, 규사 30 내지 150 중량부를 포함하며,
    수용성 개질 라텍스 0.1 내지 5 중량부, 알콕시 실란 가수분해물 0.1 내지 2 중량부, 실리코네이트계 액상 성분 0.1 내지 3 중량부를 포함하고,
    클링커 0.5 내지 10 중량부, 이수석고 및 반수석고 혼합물 1 내지 10 중량부, 플라스터 0.5 내지 10 중량부, 탈황석고 0.5 내지 10 중량부, 플라이애쉬 0.01 내지 5 중량부, 석회석 0.5 내지 10 중량부를 포함하는 분말 성분을 포함하며,
    활성촉진제 0.1 내지 2 중량부 및 리튬계 반응촉진제 0.01 내지 1 중량부를 포함하고,
    상기 수용성 개질 라텍스는 아크릴 수지 10~20 중량부, SBR(Styrene-Butadiene rubber) 고무 10~20 중량부, 하이드록실 아크릴레이트 모노머 0.1~5 중량부, 불포화 폴리에스테르 수지 15~30 중량부, 갈산 0.1~5 중량부, 금속 양이온 1~10 중량부, 흑연용매분산액 0.1~2.0 중량부, 알루미늄염화물 0.1~1.0 중량부, 분산제 0.5~5 중량부 및 물 20~40 중량부의 비율로 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 바텀애시를 이용한 콘크리트 블록의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 결합재는 슬래그시멘트 : 플라이애시 : 슬러지고화분말을 각각 50~75 : 10~30 : 1~20 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 바텀애시를 이용한 콘크리트 블록의 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 슬래그시멘트는 고로슬래그 미분말과 일반포틀랜트시멘트(OPC)를 100 : 50~200 중량비율로 혼합한 것으로,
    상기 고로슬래그 미분말은 고로급냉슬래그 및 고로서냉슬래그가 각각 5~30 : 5~30의 중량비로 포함되며, 2.85 ~ 2.95 g/m3의 밀도를 갖는 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 바텀애시를 이용한 콘크리트 블록의 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 고로급냉슬래그의 염기도(KS F 2563에 따른 염기도)는 1.5~1.8을 갖는 것을 특징으로 하는 바텀애시를 이용한 콘크리트 블록의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황석고는 배연탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고 및 석탄 코크스 탈황석고 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 바텀애시를 이용한 콘크리트 블록의 제조 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황석고는 2.65 ~ 2.75 g/m3의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 바텀애시를 이용한 콘크리트 블록의 제조 방법.
  10. 청구항 1 내지 4, 8, 9 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 제조되는 콘크리트 블럭.
KR1020210137071A 2021-10-15 2021-10-15 바텀 애시를 이용한 친환경 콘크리트 블럭의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 친환경 콘크리트 블럭 KR102477116B1 (ko)

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