KR102580103B1 - 시멘트 토양 간의 결합력을 강화한 특정 혼화제를 활용한 비화식 벽돌 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시멘트 토양 간의 결합력을 강화한 특정 혼화제를 활용한 비화식 벽돌 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시멘트 표면과 토양 간의 결합을 강화할 수 있는 특정 혼화제 조성물을 활용하여 비화식 방법으로 벽돌을 제조함으로써 기존 소성 방법에 의한 방법에서의 석탄 사용으로 인한 탄소 배출량을 획기적으로 절감할 수 있는 비화식 벽돌 제조 에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 점토, 해안습지, 뻘 등의 함수율이 높은 토양을 사용하는 것이 아니라 함수율이 일정 비율 이하를 갖는 기존에 벽돌 가마에서 사용하고 있는 현장 토양을 사용하여 비화식 방법으로 신속하게 벽돌을 제조하되, 현장 작업의 편이를 위한 고강도의 벽돌로 제조하지 않고 개도국 현지의 벽돌 기준 강도를 발휘하도록 하며 시멘트와 무기염류의 반응에 의해 사용성과 저장성이 떨어지는 문제를 원천적으로 해결할 수 있고, 개도국의 현장 작업자들도 원활하게 사용할 수 있을 정도로 작업성도 문제가 없는 효과가 있다. 이에 따라 개도국에서의 개발 사업의 진행에 사용되는 벽돌의 제조에 있어 기존의 소성 방법을 사용하지 않고 비화식(비소성식) 방법을 사용함으로써 석탄 사용을 획기적으로 줄이고 탄소 발생량을 절감할 수 있게 됨으로써(구체적으로, 동남아, 인도 등 개발도상국의 기존 소성 방법에 의한 방법에서의 연간 3억7천5백만톤의 석탄 사용으로 인한 약 11억톤의 탄소 배출량을 절감), 파리 협정에 의한 국가별 탄소 감량 목표(NDC)에 대응에 큰 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.

Description

시멘트 토양 간의 결합력을 강화한 특정 혼화제를 활용한 비화식 벽돌 제조 방법{Preparation method of brick using non-baking formation with specific admixture with enhanced binding force between cement and soil}
본 발명은 시멘트 토양 간의 결합력을 강화한 특정 혼화제를 활용한 비화식 벽돌 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시멘트 표면과 토양 간의 결합을 강화할 수 있는 특정 혼화제 조성물을 활용하여 비화식 방법으로 벽돌을 제조함으로써 동남아, 인도 등 개발도상국의 기존 소성 방법에 의한 방법에서의 석탄 사용으로 인한 탄소 배출량을 획기적으로 절감할 수 있는 비화식 벽돌 제조에 관한 것이다.
2022년부터 발효되는 파리 협정에 따르면 선진국 뿐만 아니라 개도국도 국가별 탄소 감량 목표(NDC)를 유엔에 보고하고 등록할 의무가 있다.
현재 194개국이 탄소 배출량 감소를 위한 규제와 법규를 마련하여 NDC를 UNFCCC(United Nations Framework Convention on Climate Change)에 보고를 하고 있으며 방글라데시와 같은 개발도상국도 2030년까지 현 벽돌가마의 47%를 절감하는 것을 NDC로 보고하고 추진중에 있으나, 현실적인 대안을 찾지 못해 석탄 벽돌가마의 효율을 올리는 것에 목표를 두고 있는 상황이다.
개도국의 탄소배출량 문제는 건물이나 도로 건설을 위한 벽돌을 사용함에 있어서 상기 벽돌을 고열에 굽는 방식의 소성 방법을 사용함에 의해 발생하는 경우가 많다. 고열을 발생시키기 위해서는 석탄이나 석유 또는 가스 등의 천연 원료를 사용해야 하는데, 특히 석탄을 사용할 경우에는 석탄 1kg에 따른 탄소 배출량이 3kg에 이른다는 결과로부터 이에 대한 해결 방법이 절실한 상황이다.
구체적으로, 기존에 토양을 소성하여 흙 벽돌을 제조하는 방법의 경우 1500℃에 이르는 가열로(소성로)에서 24 시간 이상 소성한 후 15~20일 이후 소성로를 해체하고 흙 벽돌을 얻기 때문에 전체 과정이 약 1개월 이상 소요되고 소성 과정에서 과도한 연료가 소모되어 비경제적이며, 주로 석탄, 나무, 가스 등을 사용하는 연료의 연소로 인해 탄소 배출량이 과다하게 발생하는 문제가 있고, 이는 개도국의 경우 특히 그 문제의 심각성이 크다고 할 수 있다.
또한, 기존에 석탄을 사용한 소성로에서 발생하는 black carbon은 태양열의 표면 도달을 줄일 수 있고 이에 따라 GHG(Green House Gas)에서 이산화탄소보다 460~1500 배 더 심각한 영향을 미친다고 UNFCCC에서 보고되었으며, Black Carbon의 30% 이상이 석탄 등을 사용하는 벽돌가마에 배출이 되고 있으며, 기후 문제를 악화시켜 인류 생존의 문제도 대두될 수 있다는 점에서 해결해야 할 난제이다.
또한, 소성 방식으로 제조되는 흙 벽돌은 강도와 모양이 일정하지 않아 내구성 및 내수성이 열악하며 건조 과정에서 쉽게 갈라지고 파손되며 유연성과 탄력성이 거의 없고 진동 흡수가 되지 않아 건축물의 내외벽용으로 사용되기는 적합하지 않은 문제가 있다.
이러한 소성식 흙 벽돌 제조 방법의 문제점을 해결하기 위해 비소성식, 즉 비화식 흙 벽돌 제조 방법이 많이 제안되고 있다.
예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-0863061호는 흙과 골재 및 분체 첨가물을 혼합한 후 액상 첨가물과 물을 혼합하여 얻은 혼합 모르타르를 비소성 가압 성형하고 양생하여 흙 벽돌을 제조하는 방법을 제안한다. 그러나, 여기에 기재된 기술은 골재를 사용하여 흙 벽돌을 제조하는 기술이므로 골재의 수급이 어려운 경우에는 적용이 어려운 기술이다.
또한, 대한민국 공개특허 특2003-0036403호는 자연토를 이용한 비소성 소일 블록 제조 기술에 관한 것으로서, 자연토, 생석회, 고로슬래그 시멘트, 천연광물성 무기질 첨가제 및 산화철로 구성되어 고온 소성하지 않고 가압 성형하여 종래의 콘크리트 블록 수준의 강도를 갖고 내구성 및 내수성이 뛰어나며 하천 식생 활착에 유리한 자연친화적 소일 블록의 제조 기술을 제안한다. 그러나, 여기에 기재된 기술은 소일 블록 제조시 일반시멘트를 사용하지 않고 고로슬래그 시멘트를 대체품으로 사용함으로써 호안 블록을 친환경적으로 제조하기 위한 기술에 불과하다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1185365호는 슬래그, 석회, 석고, 플라이애시, 실리카흄으로 구성된 무기 분말과 탄산칼슘을 혼합하여 무기결합재를 제조하고 이렇게 제조된 무기결합재와 흙을 혼합하여 가압 성형에 의해 흙 블록을 제조하는 기술을 제안한다. 그러나, 여기에 기재된 기술 또한, 일반시멘트 대신에 슬래그, 플라이애시 등의 산업부산물을 사용했다는 점에서만 차이가 있을 뿐이고, 상기 산업부산물을 재활용하기 위한 용도로서 식생 블록이나 호안 블록을 제조하기 위한 기술에 불과하다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1069249호는 일반토양과 골재로 이루어진 베이스재에, 고로 슬래그 미분말, 황산알루미늄 및 천연펄프를 혼합하여 얻어진 혼합물을 가압 성형하여 비소성법으로 흙 블록을 제조하는 기술을 제안한다. 그러나, 여기에 기재된 기술은 골재를 사용시켜 흙 블록을 제조하는 기술이므로 골재의 수급이 어려운 경우에는 적용이 어렵고, 또한, 시멘트 대신에 고로 슬래그 미분말을 사용함으로써 산업부산물을 재활용하기 위한 기술에 불과하다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1195380호는 자연 건조된 황토를 600~900℃로 가열한 후 급냉시켜 활성황토를 얻고 여기에 알칼리자극제, 천연섬유 및 슬래그, 애시 등으로 이루어진 산업부산물을 혼합하여 흙 블록을 제조하는 기술을 제안한다. 그러나, 여기에 기재된 기술은 활성황토를 얻기 위해 자연 건조된 황토를 소성해야 하는 문제가 있어 기존 소성 방식의 흙 벽돌 제조 방법의 문제를 그대로 가지고 있고, 주로 산업부산물을 재활용하기 위한 기술로서 호안 블록을 친환경적으로 제조하기 위한 기술에 불과하다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-0676311호는 황토에 시멘트, 천연섬유, 제올라이트, 숯을 혼합하여 이를 가압 성형함에 의해 흙 블록을 제조하는 기술을 제안한다. 이 기술에서는 제올라이트 및 숯의 작용으로 인해 강성을 강화할 수 있고 수분 및 양분 보존 기능을 가지며 수분의 통로를 확보할 수 있고 블록 표면이 화염에 노출되는 경우에는 내화기능을 갖도록 할 수 있다고 설명하고 있다. 그러나, 여기에 기재된 기술은 식생 블록을 제조하기 위한 기술에 불과하다.
이와 같이, 종래의 비소성식 흙 벽돌 제조 기술들의 문제점 및 한계점을 극복하기 위해 본 발명자는 대한민국 선출원 등록특허 제10-1420293호를 통해 특정 무기염류로 이루어진 흙 고화제 조성물과 시멘트 외에는 별도의 포졸란 물질을 사용하지 않고 토양 성분과 시멘트 성분과의 결합을 강화하여 고화 처리를 신속하게 할 수 있으며 압축 강도가 13Mpa 이상인 초고강도 수준의 압축 강도 결과를 보일 수 있는 비소성 방식의 흙 벽돌 제조 방법을 제안한 바 있다.
그러나, 이 특허는 점토, 해안습지, 뻘이나 수중 이토질, 퇴적물 등의 토양과 같은 주로 부드럽고 압축성이 있는 토양, 함수율이 높은 토양을 이용하여 이를 고화시킴으로써 벽돌로 제조하는 방법에 관한 것으로서, 벽돌 조적 공사 시 벽돌 커팅 등 현장작업이 용이치 않은 고강도의 벽돌로 제조되는 문제가 있었고, 시멘트와 무기염류를 혼합하고 여기에 토양과 필러 성분을 혼합하는 방법을 사용함으로써 시멘트와 무기염류의 반응에 의해 사용성과 저장성이 떨어지는 문제가 발생하였다. 이는 특히 기술을 사용하기 위한 개도국의 경우 현장 작업성이 열악한 현실을 감안할 때 해결이 필수적으로 요구되는 문제였다.
본 발명은 상기와 같은 상황을 고려하여 도출된 것으로서, 점토, 해안습지, 뻘 등의 함수율이 높은 토양을 사용하는 것이 아니라 함수율이 일정 비율 이하를 갖는 토양을 사용하여 비화식(비소성식) 방법으로 신속하게 벽돌을 제조하되 불필요하게 고강도의 벽돌로 제조하지 않고 사용 강도 정도의 강도를 발휘하도록 하며 시멘트와 무기염류의 반응에 의해 사용성과 저장성이 떨어지는 문제를 원천적으로 해결할 수 있고, 개도국의 현장 작업자들도 원활하게 사용할 수 있을 정도로 작업성도 문제가 없는 비화식 벽돌 제조 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
(1) 일정 함수비를 갖는 토양과 시멘트를 혼합하여 시멘트 토양 혼합물을 얻는 단계;
(2) 염화마그네슘 10~25 중량%, 염화나트륨 10~25 중량%, 염화칼륨 5~20 중량%, 염화칼슘 5~15 중량%, 황산나트륨 1~5 중량%, 리그닌술폰산염 1~10 중량%, 황산알루미늄 5~15 중량%, 규산나트륨 5~15 중량%, 스테아린산염 1~5 중량%, 펜타나트륨트리폴리인산염 1~10중량% 및 글루콘산나트륨 2~5 중량%로 이루어진 무기염 성분을 물에 녹여 액상 혼화제를 얻는 단계;
(3) 상기 (2)에서 얻은 액상 혼화제를 상기 (1)에서 얻은 시멘트 토양 혼합물에 혼합하고, 분말 필러를 혼합하여 교반하되 함수비가 10~20중량%가 되도록 상기 액상 혼화제의 투입량을 조절하여 모르타르를 얻는 단계;
(4) 상기 (3)에서 얻어지는 모르타르를 성형 몰드에 투입하고 진동하여 다짐한 후 가압 성형하여 벽돌 성형체를 얻는 단계; 및
(5) 상기 얻어진 벽돌 성형체를 양생하는 단계;를 포함하는 비화식 흙 벽돌 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (1)에서 상기 토양은 함수비가 12 중량% 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (2)에서 상기 액상 혼화제는 무기염 성분이 5~35 중량%의 농도를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (3)에서 분말 필러는 플라이애시, 바텀애시, 커피분말, 지푸라기분쇄물 및 폐유리분말로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (3)에서 분말 필러는 EVA 분말수지 1~5 중량부, 천연섬유 1~3 중량부, 산화티타늄 0.5~3 중량부, 소석회 1~3 중량부, 가소성 흑연 분말 0.1~1 중량부를 포함하는 혼합물로 이루어진 것으로서 50~200 마이크론 범위에 드는 분말 필러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (4)에서 진동은 1 ~30초 동안 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (5)에서 상기 벽돌 성형체를 양생하는 것은 10 ~ 50℃의 온도에서 12 내지 72 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (5)에서 상기 벽돌 성형체는 솔리드 벽돌(solid brick) 또는 할로우 벽돌(hollow brick)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (5)단계 이후 얻어지는 벽돌은 재령 28일 압축강도(KS F 4004 기준)가 4 ~ 13 MPa인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 점토, 해안습지, 뻘 등의 함수율이 높은 토양을 사용하는 것이 아니라 함수율이 일정 비율 이하를 갖는 기존에 벽돌 가마에서 사용하고 있는 현장 토양을 사용하여 비화식 방법으로 신속하게 벽돌을 제조하되, 현장 작업의 편이를 위한 고강도의 벽돌로 제조하지 않고 개도국 현지의 벽돌 기준 강도를 발휘하도록 하며 시멘트와 무기염류의 반응에 의해 사용성과 저장성이 떨어지는 문제를 원천적으로 해결할 수 있고, 개도국의 현장 작업자들도 원활하게 사용할 수 있을 정도로 작업성도 문제가 없는 효과가 있다.
이에 따라 개도국에서의 개발 사업의 진행에 사용되는 벽돌의 제조에 있어 기존의 소성 방법을 사용하지 않고 비화식(비소성식) 방법을 사용함으로써 석탄 사용을 획기적으로 줄이고 탄소 발생량을 절감할 수 있게 됨으로써(구체적으로, 동남아, 인도 등 개발도상국의 기존 소성 방법에 의한 방법에서의 연간 3억7천5백만톤의 석탄 사용으로 인한 약 11억톤의 탄소 배출량을 절감), 파리 협정에 의한 국가별 탄소 감량 목표(NDC)에 대응에 큰 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.
이하에서는 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 비화식 흙 벽돌 제조 방법은
(1) 일정 함수비를 갖는 토양과 시멘트를 혼합하여 시멘트 토양 혼합물을 얻는 단계;
(2) 염화마그네슘 10~25 중량%, 염화나트륨 10~25 중량%, 염화칼륨 5~20 중량%, 염화칼슘 5~15 중량%, 황산나트륨 1~5 중량%, 리그닌술폰산염 1~10 중량%, 황산알루미늄 5~15 중량%, 규산나트륨 5~15 중량%, 스테아린산염 1~5 중량%, 펜타나트륨트리폴리인산염 1~10중량% 및 글루콘산나트륨 2~5 중량%로 이루어진 무기염 성분을 물에 녹여 액상 혼화제를 얻는 단계;
(3) 상기 (2)에서 얻은 액상 혼화제를 상기 (1)에서 얻은 시멘트 토양 혼합물에 혼합하고, 분말 필러를 혼합하여 교반하되 함수비가 10~20 중량%가 되도록 상기 액상 혼화제의 투입량을 조절하여 모르타르를 얻는 단계;
(4) 상기 (3)에서 얻어지는 모르타르를 성형 몰드에 투입하고 진동하여 다짐한 후 가압 성형하여 벽돌 성형체를 얻는 단계; 및
(5) 상기 얻어진 벽돌 성형체를 양생하는 단계;
를 포함하여 구성된다.
먼저 상기 (1)단계에서 토양과 시멘트를 혼합하여 시멘트 토양 혼합물을 얻는다.
이때, 상기 토양은 일정 함수율 이하로 조절된 토양을 사용하는 것이 바람직하며, 그 함수율은 12 중량% 이하가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1~10 중량% 이다. 구체적인 토양의 종류로는 유기물이 아주 많거나 염분이 많은 지하수를 함수하고 있는 흙을 제외하며, 흙의 입도는 #4체를 통과한 흙을 사용하고, 흙의 최적함수비에 맞춰 흙을 보관하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 함수율이 12 중량%를 초과하면 시멘트와 혼합 상태에서 시멘트의 수화 반응을 유도할 수 있으므로 사용성과 작업성이 저하될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 토양과 시멘트의 혼합 비율은 100 : 5~12 중량부의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.
이어서, 본 발명에서 사용되는 혼화제를 제조한다.
본 발명에서 상기 혼화제는 염화마그네슘 10~25 중량%, 염화나트륨 10~25 중량%, 염화칼륨 5~20 중량%, 염화칼슘 5~15 중량%, 황산나트륨 1~5 중량%, 리그닌술폰산염 1~10 중량%, 황산알루미늄 5~15 중량%, 규산나트륨 5~15 중량%, 스테아린산염 1~5 중량%, 펜타나트륨트리폴리인산염 1~10중량% 및 글루콘산나트륨 2~5 중량%로 이루어진 무기염 성분을 물에 녹여 액상 상태로 제조한다.
본 발명에 따른 상기 액상 혼화제에서 상기 염화마그네슘은 토양 중의 수분을 흡수하는 작용이 있으며, 사용 범위는 10~25 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 액상 혼화제에서 상기 염화나트륨은 토양 내에 설페이트 염의 생성을 촉진시킴으로써 조기 강성을 유도하는 작용을 하며, 사용 범위는 10~25 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 액상 혼화제에서 상기 염화칼륨은 시멘트의 수화반응을 촉진하는 작용을 하며, 사용 범위는 5~20 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 액상 혼화제에서 염화칼슘은 발열 반응을 촉진하여 수화 반응을 유도하는 작용을 하며, 사용 범위는 5~15 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 액상 혼화제에서 황산나트륨은 황화 반응을 촉진하여 조직을 치밀하게 하는 역할을 하며, 사용 범위는 1~5 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 액상 혼화제에서 리그닌술폰산염은 시멘트 입자를 흡자막으로 둘러싸서 분산성과 흙과의 응집성을 강화시키는 역할을 하며 감수를 유지시켜 토양 미립자를 응집시키고 보수성을 가져 장기 안정성을 유지하는 작용을 한다. 본 발명에서 리그닌술폰산염은 1~10 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 액상 혼화제에서 황산알루미늄은 이온교환반응을 통해 알루미늄 이온이 토양 표면의 (-)기와 이온 결합하고 음이온은 시멘트 표면의 (+)기와 이온 결합을 유도하여 고화를 촉진하고 강성을 증진시키는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 황산알루미늄은 5~15 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 액상 혼화제에서 규산나트륨은 응집 상태의 토양 미립자를 고결시키고 시멘트와의 응결 고화를 강화하여 강도를 증대시키는 역할을 하며, 그 사용 범위는 5~15 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 액상 혼화제에서 스테아린산염은 습윤작용이 있어 일정 시간 후에는 입자를 급격히 부착시킴으로써 강도를 증가시켜 주고 점도를 증가시키는 역할을 하며, 그 사용 범위는 1~5 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 액상 혼화제에서 펜타나트륨트리폴리인산염은 응집 상태의 토양 미립자를 분산시켜 시멘트와의 응결 고화를 강화하는 작용을 하며, 그 사용 범위는 1~10 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 액상 혼화제에서 글루콘산나트륨은 타 성분들로 인한 초기 발열을 억제하고 장기 강도 발현을 유도하는 역할을 하며, 그 사용 범위는 2~5 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 무기염 성분들은 물에 녹여 액상 혼화제로 사용되며, 상기 액상 혼화제에서 상기 무기염 성분의 농도는 5~35 중량%가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10~30 중량%이다.
본 발명에서 상기 무기염 성분들은 상기 (1)에서 얻어진 시멘트 토양 혼합물과 혼합되면, 다량의 양이온들이 토양의 표면에 대전된 음이온과 이온 결합하고, 음이온은 시멘트 표면에 대전된 양이온과 이온 결합함으로써 토양 입자와 시멘트 입자 사이에서 결합을 매개하는 역할을 한다. 또한, 각 성분의 특성으로 인해 수화 작용, 고결 작용 및 수분 흡수 작용 등을 촉진하여 고결화 효과를 발현되도록 하고 강도를 증진시키는 효과가 있다.
본 발명에서 상기 시멘트는 그 종류에 제한되지 않으므로 일반 포틀랜트 시멘트, 고로슬래그 시멘트, 조강 시멘트 등이 단독 또는 조합으로 사용될 수 있다.
본 발명에서 상기 시멘트는 입자 상태에서 상기 액상 혼화제와 혼합되면 상기 액상 혼화제에 의해 표면이 활성화되어 겔(Gel) 상태를 유지하다 압력을 받으면 토양의 미립자를 흡착하여 응결을 강화한다. 또한, 흙의 최적함수비에 포함된 혼화제 혼합물과 시멘트의 수화 반응이 진행됨에 따라 표면이 팽창하여 성형품 내에 골고루 분포하게 된다.
상기와 같이 얻어지는 본 발명에 따른 상기 액상 혼화제를 상기 시멘트 토양 혼합물과 혼합하여 벽돌을 제조한다.
이때, 상기 액상 혼화제가 상기 시멘트 토양 혼합물과 혼합될 때는 분말로 이루어진 필러 성분들을 추가하여 혼합하며, 이때 함수비가 일정 정도로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명에서 상기 필러 성분이 혼합된 혼합물의 함수비는 10~25 중량%가 바람직하다. 상기 함수비가 10% 보다 낮으면 균일한 혼합이 어렵고 시간이 지나치게 오래 걸리는 문제가 있으며, 25 중량%를 초과하면 벽돌 성형체를 제조하는 과정에 강도가 저하되고 건조 시간이 오래 걸릴 수 있는 문제가 있다.
본 발명에 성기 분말로 이루어진 필러 성분으로는 플라이애시, 바텀애시, 커피분말, 지푸라기분쇄물 및 폐유리분말로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 분말 필러는 상기 (3)단계의 함수비가 10~20 중량%로 유지되는 범위에서 그 사용량을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 분말 필러로는 EVA 분말수지 1~5 중량부, 천연섬유 1~3 중량부, 산화티타늄 0.5~3 중량부, 소석회 1~3 중량부, 가소성 흑연 분말 0.1~1 중량부를 포함하는 혼합물로 이루어진 것으로서 50~200 마이크론 범위에 드는 분말 필러를 추가로 포함할 수 있다.
상기 EVA 분말 수지는 접착력을 증대시키는 작용을 하며, 양생 전 상태에서는 유동성을 증가시키고 작업성을 개선시키는 역할을 하고 양생 후 상태에서는 응집력 증가, 굴곡강도 증가 및 내충격성 증대 등의 효과를 발휘하도록 하는 역할을 한다.
또한, 본 발명에서 상기 천연섬유는 셀룰로오스 섬유를 사용할 수 있으며, 작업성을 향상시키고 잔갈라짐성을 방지하는 역할을 한다.
또한, 본 발명에서 상기 산화티타늄은 균일도를 향상시키고 잔갈라짐성을 줄이는 역할을 한다.
또한, 본 발명에서 상기 소석회는 접착력을 향상시키고 갈라짐성을 내충격성을 강화하는 역할을 한다.
또한, 본 발명에서 상기 가소성 흑연 분말은 흑연 분말을 물에 혼합하고 산과 가소제를 가하여 산 영역의 pH에서 교반 및 분산한 후 알칼리를 가해 중성 영역의 pH로 조절한 후에 건조한 것을 특징으로 하며, 상기 가소성 흑연 분말은 벽돌의 인장강도, 압축강도 등 강도 특성을 향상시키는 역할을 하고, 동시에 내마모성, 내식성, 방수성도 향상시키는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 가소성 흑연 분말은 용매 중에 흑연 분말 입자가 분산된 분산액 형태를 제조한 후 건조시켜 사용하는 것이 바람직하다.
상기 흑연은 분말 그대로 사용하기에는 분말도가 너무 커서 사용이 쉽지 않은 문제가 있으므로 용매에 분산시켜 사용할 수 있다.
본 발명에서 상기 가소성 흑연 분말을 용매에 분산시킨 분산액을 형성하기 위해서는 흑연 분말을 물에 혼합하고 산과 가소제를 가하여 산 영역의 pH에서 교반 및 분산한 후 알칼리를 가해 중성 영역의 pH로 조절한 것으로서 흑연 분말 함량이 분산액 중에 0.001~20 중량%로 포함된 것을 사용하며, 자연 건조, 열풍 건조 등의 방법을 사용하여 건조시켜 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 가소성 흑연 분말의 분산액을 형성함에 있어서 용매로는 물을 사용하는 것이 바람직하나, 알코올을 단독 또는 물과 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에서 상기 가소제는 흑연 분말의 구조를 연화시키는 작용을 하는 것으로서, 예로서는 프탈레이트계 가소제를 사용할 수 있으며, 구체적으로는 DEHP(Di-2-EthylHexyl Phthalate), DBP(Di-Butyl Phthalate), DIDP(Di-IsoDecylPhthalate), BBP(Butyl Benzyl Phthalate), DINP(Di-IsoNonyl Phthalate), DNOP(Di-n-Octyl Phthalate) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서 상기 (3)단계에서 혼합 및 교반함에 있어서 균일하게 혼합할 수 있는 일반적인 장비를 사용할 수 있으며, 예를 들어 8도 각도의 4열 다중 스크류를 구비한 교반기를 사용할 수 있으며 500~700 RPM의 속도로 회전하면서 골고루 교반시킬 수 있다. 이 때 교반장치에 분쇄 장치(예, Wet Pan Mill)를 구비하여 토양 및 필러 분말(또는 필러 혼합분말)을 미세 입자화한 상태에서 혼합 및 교반을 실시할 수도 있다.
이와 같이 제조되는 일정 함수비를 갖는 혼합물을 그대로 흙 벽돌 제조를 위한 모르타르로 사용될 수도 있으며, 상기 분말필러(또는 혼합분말필러)로 인해 강도가 더욱 강화되고, 경제적 효과도 얻을 수 있으며, 폐기물 재활용으로 환경 오염을 예방하는 효과도 있다.
이후 상기 모르타르를 성형 몰드에 투입하고 진동을 가해 다짐하고 가압 성형하여 벽돌 성형체를 얻은 다음, 양생함으로써 흙 벽돌 제조가 완료된다.
본 발명에서 성형은 압력 및 진동을 가하여 성형하는 것이 바람직하며, 예를 들어 건식 유압 성형 방식, 진공토련기 성형 방식, 습식 진공 성형 방식 등이 사용될 수 있다.
본 발명에서 상기 진동은 밀도 조절을 위해 약 1~30 초 동안 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 벽돌 성형체를 양생하는 것은 10 ~ 50℃의 온도에서 12 내지 72 시간 동안 수행되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 현장 여건과 필요 강도 등에 따라 조절할 수 있다.
본 발명에서 상기 벽돌 성형체는 솔리드 벽돌(solid brick) 또는 할로우 벽돌(hollow brick)의 형상으로 제조될 수 있으며, 이에 따라 상기 성형 몰드도 이에 맞는 형상의 몰드를 사용할 수 있다.
본 발명에서는 이와 같은 방법에 의해 흙 벽돌을 제조하는데, 상기 흙 벽돌은 13 중량% 이하의 저흡수율을 갖기 때문에 물에 대한 안정성이 우수하며, 성형체의 형상에 따라 재령 28일 기준의 압축강도(KS F4004 기준에 따른 압축강도)가 4~13 MPa의 사용 강도를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 상기 흙 벽돌은 건축을 위한 조적 벽돌로도 사용될 수 있고, 바닥 시공을 위한 바닥 벽돌로도 사용될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 다양한 형태의 흙 벽돌 내지 흙 블록이 제조될 수 있으며 예를 들어 건축용 조적 벽돌, 보도 또는 차도용 바닥 벽돌, 호안 블록, 수질 정화 블록, 옹벽 블록, 농배수로, 경계석, 유공블록, 흙 타일 등으로도 활용될 수 있다.
이하에서는 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
1. 시멘트 토양 혼합물 제조
함수율이 약 8 중량%인 토양과 시멘트(포틀랜트 시멘트)를 100 : 10 중량부로 혼합하여 시멘트 토양 혼합물을 제조하였다.
2. 액상 혼화제의 제조
아래 표 1의 조성에 따라 용기에 무기염 성분들을 개량하여 혼합한 후 일정량의 물을 부어 잘 녹여 농도가 약 25 중량%가 되도록 액상 혼화제를 제조하였다.
성분 제조예 1(중량%) 제조예 2(중량%) 제조예 3(중량%)
염화마그네슘 20 21 22
염화나트륨 20 19 20
염화칼륨 15 14 15
염화칼슘 10 10 10
황산나트륨 3 3 4
리그닌술폰산염 6 6 5
황산알루미늄 10 9 10
규산나트륨 7 8 7
스테아린산염 3 4 3
펜타나트륨트리폴리인산염 4 3 2
글루콘산나트륨 2 3 2
100 100 100
3. 흙 벽돌 제조(솔리드 벽돌)
상기 제조예 1~3에서 얻어진 액상 혼화제를 상기 얻어진 시멘트 토양 혼합물과 혼합하되 분말 필러로서 폐플라스틱 분말 10 중량부, 커피분말 10 중량부, 플라이애시 5 중량부 및 왕겨분말 5 중량부를 혼합한 혼합 분말필러를 가하여 함수비가 약 18 중량%가 되도록 하여 모르타르를 얻은 다음 이를 솔리드 성형 몰드에 포설하고 약 10초간 진동하여 다짐한 후, 가압 성형하여 성형체를 얻고 탈형한 후 약 25℃ 조건에서 48 시간 동안 양생하여 흙 벽돌 제조를 완료하였다.
상기 제조된 흙 벽돌의 압축강도 특성을 확인하고자 KS F 4004 기준에 의거하여 일축압축강도를 측정하여 그 결과를 아래의 표 2에 정리하였다. 또한, 흡수율 특성을 확인하고자 KSL 4201 기준에 의거하여 흡수율을 측정하여 그 결과를 아래의 표 2에 정리하였다.
한편, 상기 실시예에 대한 비교예로서 일반 포틀랜트시멘트와 현장에서 채취한 토양(함수비 10 중량%)을 토양:포틀랜트시멘트=100:10로 혼합하여 경화시킨 후 동일한 시험 방법으로 일축압축강도를 측정하여 그 결과를 아래의 표 2에 정리하였고, 동일한 시험 방법으로 흡수율을 측정하여 그 결과를 아래의 표 2에 정리하였다. (비교예 1)
7일강도(MPa) 14일강도(MPa) 28일강도(MPa) 흡수율(%)
실시예 1 6.0 8.2 10.2 7
실시예 2 7.2 8.2 10.0 9
실시예 3 7.5 9.5 11.2 7
비교예 1 5.8 6.9 8.5 15
상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 방법으로 제조된 흙 벽돌은 일반 포틀랜트시멘트와 토양만을 사용하여 제조된 흙 벽돌(비교예 1)에 비하여 우수한 강도 특성을 나타내는 것을 알 수 있으며, 또한 흡수율도 낮게 유지됨을 알 수 있다.
4. 흙 벽돌 제조(할로우 벽돌)
상기 제조예 1~3에서 얻어진 액상 혼화제를 상기 얻어진 시멘트 토양 혼합물과 혼합하되 분말 필러로서 폐플라스틱 분말 10 중량부, 커피분말 10 중량부, 플라이애시 5 중량부 및 왕겨분말 5 중량부를 혼합한 혼합 분말필러를 가하여 함수비가 약 18 중량%가 되도록 하여 모르타르를 얻은 다음 이를 할로우(hollow) 성형 몰드에 포설하고 약 10초간 진동하여 다짐한 후, 가압 성형하여 성형체를 얻고 탈형한 후 약 25℃ 조건에서 48 시간 동안 양생하여 흙 벽돌 제조를 완료하였다.
상기 제조된 흙 벽돌의 압축강도 특성을 확인하고자 KS F 4004 기준에 의거하여 일축압축강도를 측정하여 그 결과를 아래의 표 3에 정리하였다. 또한, 흡수율 특성을 확인하고자 KSL 4201 기준에 의거하여 흡수율을 측정하여 그 결과를 아래의 표 3에 정리하였다.
한편, 상기 실시예에 대한 비교예로서 일반 포틀랜트시멘트와 현장에서 채취한 토양(함수비 10 중량%)을 토양:포틀랜트시멘트=100:10로 혼합하여 경화시킨 후 동일한 시험 방법으로 일축압축강도를 측정하여 그 결과를 아래의 표 3에 정리하였고, 동일한 시험 방법으로 흡수율을 측정하여 그 결과를 아래의 표 3에 정리하였다. (비교예 1)
7일강도(MPa) 14일강도(MPa) 28일강도(MPa) 흡수율(%)
실시예 1 1.5 2.2 3.2 7
실시예 2 1.2 2.5 3.0 9
실시예 3 1.3 2.5 3.5 7
비교예 1 0.8 1.5 1.9 14
상기 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 방법으로 제조된 흙 벽돌(할로우 벽돌)은 일반 포틀랜트시멘트와 토양만을 사용하여 제조된 흙 벽돌(비교예 1의 할로우 벽돌)에 비하여 우수한 강도 특성을 나타내는 것을 알 수 있으며, 또한 흡수율도 낮게 유지됨을 알 수 있다.
이상의 실험 결과로부터, 일반 포틀랜트시멘트만을 사용한 경우에는 토양과 시멘트간의 결합력이 약하여 강도가 충분히 발현되지 못함에 비해, 본 발명에 따른 특정 액상 혼화제와 분말필러를 사용한 경우에는 토양과 시멘트간의 결합력을 획기적으로 증대시킬 수 있어 압축강도가 향상된 고강도 저흡수율의 흙 벽돌 제조가 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

Claims (9)

  1. (1) 일정 함수비를 갖는 토양과 시멘트를 혼합하여 시멘트 토양 혼합물을 얻는 단계;
    (2) 염화마그네슘 10~25 중량%, 염화나트륨 10~25 중량%, 염화칼륨 5~20 중량%, 염화칼슘 5~15 중량%, 황산나트륨 1~5 중량%, 리그닌술폰산염 1~10 중량%, 황산알루미늄 5~15 중량%, 규산나트륨 5~15 중량%, 스테아린산염 1~5 중량%, 펜타나트륨트리폴리인산염 1~10중량% 및 글루콘산나트륨 2~5 중량%로 이루어진 무기염 성분을 물에 녹여 액상 혼화제를 얻는 단계;
    (3) 상기 (2)에서 얻은 액상 혼화제를 상기 (1)에서 얻은 시멘트 토양 혼합물에 혼합하고, 분말 필러를 혼합하여 교반하되 함수비가 10~20중량%가 되도록 상기 액상 혼화제의 투입량을 조절하여 모르타르를 얻는 단계;
    (4) 상기 (3)에서 얻어지는 모르타르를 성형 몰드에 투입하고 진동하여 다짐한 후 가압 성형하여 벽돌 성형체를 얻는 단계; 및
    (5) 상기 얻어진 벽돌 성형체를 양생하는 단계;를 포함하는 비화식 흙 벽돌 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 (1)에서 상기 토양은 함수비가 12 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 비화식 흙 벽돌 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 (2)에서 상기 액상 혼화제는 무기염 성분이 5~35 중량%의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 비화식 흙 벽돌 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 (3)에서 분말 필러는 플라이애시, 바텀애시, 커피분말, 지푸라기분쇄물 및 폐유리분말로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비화식 흙 벽돌 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 (3)에서 분말 필러는 EVA 분말수지 1~5 중량부, 천연섬유 1~3 중량부, 산화티타늄 0.5~3 중량부, 소석회 1~3 중량부 및 가소성 흑연 분말 0.1~1 중량부를 포함하는 혼합물로 이루어진 것으로서 50~200 마이크론 범위에 드는 분말 필러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 비화식 흙 벽돌 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 (4)에서 진동은 1 ~30초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 비화식 흙 벽돌 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 (5)에서 상기 벽돌 성형체를 양생하는 것은 10 ~ 50℃의 온도에서 12 내지 72 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 비화식 흙 벽돌 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 (5)에서 상기 벽돌 성형체는 솔리드 벽돌(solid brick) 또는 할로우 벽돌(hollow brick)인 것을 특징으로 하는 비화식 흙 벽돌 제조 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 (5)단계 이후 얻어지는 벽돌은 재령 28일 압축강도(KS F 4004 기준)가 4 ~ 13 MPa인 것을 특징으로 하는 비화식 흙 벽돌 제조 방법.
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Citations (4)

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