KR102656599B1 - In-situ 이산화탄소 탄산화를 이용한 바닥용 모르타르의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물의 제조방법은 많은 탄소배출량을 가지는 시멘트의 사용량을 감축하였음에도 종래의 모르타르와 동등하거나 향상된 작업성 및 압축강도를 가지는 모르타르를 제조할 수 있을 뿐 아니라 모르타르 조성물에 최적의 조건으로 CO2를 주입하고 종래의 모르타르 혼합기에서 혼합하는 것만으로 모르타르를 제조할 수 있으므로 즉시 현장에 적용되어 사용 가능한 장점이 있다.
본 발명의 In-situ CO2 탄산화 모르타르 제조방법을 실제 현장에서 모르타르의 대량제조 공정으로 도입하게 되면 다량의 온실가스를 생산하는 시멘트(바인더)의 양을 충분히 감축 할 수 있으므로 온실가스 감축을 통해 시멘트 기반 건설 산업의 경쟁력을 확보할 수 있는 한국형 In-situ CO2 탄산화 기술로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 In-situ CO2 탄산화 모르타르 제조방법을 실제 현장에서 모르타르의 대량제조 공정으로 도입하게 되면 다량의 온실가스를 생산하는 시멘트(바인더)의 양을 충분히 감축 할 수 있으므로 온실가스 감축을 통해 시멘트 기반 건설 산업의 경쟁력을 확보할 수 있는 한국형 In-situ CO2 탄산화 기술로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Description
본 발명은 In-situ CO2 탄산화를 이용한 바닥용 모르타르의 제조방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 산업기술발전과 더불어 개인, 회사 및 단체 내에서 배출되는 CO2를 재활용하여 실질적인 배출량 “Zero”를 목표하는 다양한 정책들을 제시하고 있다. 특히 시멘트 산업의 경우, 시멘트 생산 시, 석회석, 점토 및 실리카 등의 원료를 유연탄 및 대체원료를 이용하여 1,450℃에서 소성하게 되면 석회석의 탈탄산 및 연료에 따른 많은 양의 CO2를 배출하게 되며, 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)는 1톤당 약 0.8톤의 CO2를 배출하는 것으로 알려져 있어, 이에 대한 CO2 감축에 대한 구체적인 대응방안이 필요한 실정이다.
In-situ CO2 탄산화 기술은 콘크리트/모르타르 2차제품 등 시멘트 기반 건설재료 제조과정에서 CO2를 주입하여 시멘트 수화과정에서 용출되는 Ca2+이온과 CO2의 탄산화반응을 통해 CaCO3의 형태로 CO2를 영구 고정화시키는 광물탄산화 기술이다. In-situ CO2 탄산화 기술은 탄산화 반응을 위한 별도의 첨가물질의 혼합 및 전처리 공정이 요구되지 않아 별도의 전·후처리 공정 없이 기존의 콘크리트 2차 제품을 비롯하여 레미콘 등의 제조공정에 직접 적용이 가능하며 추가 공정에 따른 에너지 발생 및 탄산화 반응 생성 물질에 대한 후처리 등과 관련한 경제적 및 환경적 손실이 낮아 추후 산업 실증 측면에 있어 유리한 장점이 있으므로 현장 맞춤형 탄산화 기술로써 산업 적용성이 우수하다.
In-situ CO2 탄산화 기술은 하기 화학식 1 내지 3에 의해 설명된다.
시멘트의 수화과정에서 형성되는 Alite(C3S) 및 Belite(C2S) 등은 물과 반응하여 Ca2+이온을 용출하게 되며 이 때, 주입된 CO2와 반응하여 CaCO3의 형태로 CO2를 격리하게 되는데, In-situ CO2 탄산화 기술을 통한 최종 결과생성물의 경우 나노 크기로서 기존 공극을 채워주게 되며, 기존의 보통포틀랜드시멘트에 존재하는 C-S-H, Ettringite, Ca(OH)2 등과 유사한 형태로 형성되므로 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하여 동등 이상의 물성확보가 가능한 특징이 있다.
그러나 국내의 시멘트 기반 건설 및 제조 산업의 In-situ CO2 탄산화 기술 개발에 관련한 연구 사례는 미비한 수준이며, 대부분 기술적 불확실성이 높거나 생산단계 및 소비단계를 명확히 구분치 않아 현장 적용에 대한 효율성이 떨어지는 실정이다. 또한 시멘트 수화과정의 복잡함으로 인해 시멘트 사용량의 감축을 적절히 만회할 수 있는 최적의 Ca2+이온-CO2의 탄산화반응 조건에 대한 연구가 없어 실제 온실가스 감축 강화 및 시멘트 기반 건설 산업에 적용된 사례가 없었다. 이에 다양한 실시예를 통해 국내 건설현장에서 시공되고 있는 바닥용 건조 시멘트 모르타르의 범위에서 CO2를 In-situ 공법으로 적용한 모르타르의 작업성 및 압축강도를 검증하고 최적의 반응조건을 도출한다면 실제 온실가스 감축 강화 및 시멘트 기반 건설 산업에 적용되어 글로벌 탄소중립에 부합하는 새로운 공법으로서 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
김상효, & 황준필. (2013). 시멘트 생산과정에 따른 CaO 함량과 CO2의 발생량. Journal of the Korea Concrete Institute, 25(4), 365-370.
Sandeep, B. G. (2021). Reduction of greenhouse gas emission by carbon trapping concrete using carboncure technology. Journal of Environmental Engineering Science, 7(3), 7-3.
Jang, J. G., Kim, G. M., Park, S. M., & Lee, H. K. (2016). Carbon Dioxide Utilization and Sequestration by Carbonation Curing of Cement-based Materials. Magazine of the Korea Concrete Institute, 28(4), 40-45.
본 발명은 다량의 탄소배출량을 가지는 시멘트의 사용량을 감축할 뿐 아니라 제조과정에서 탄소를 소비하여 탄소중립을 실현하면서도 종래의 모르타르와 작업성 및 압축강도 측면에서 동등하거나 그 이상을 구현할 수 있으며 모르타르 혼합물에 CO2를 주입하는 간단한 공정만으로 수행이 가능하므로 현장에 직접 적용되어 바로 사용 가능한 In-situ CO2 탄산화 바닥용 모르타르 혼합물의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
골재 70 내지 75wt%, 바인더 20 내지 22wt%, 및 필러 3 내지 5wt%를 포함하는 혼합물에 상기 바인더 100중량부 대비 15 내지 20중량부의 물을 더 첨가한 후 모르타르 혼합기로 혼합하여 제 1 모르타르 혼합물을 제조하는 단계; 상기 제 1 모르타르 혼합물에 CO2를 10L/min의 주입속도로 3.5 내지 4.5초간 주입하여 상기 제 1 모르타르 혼합물에 1 내지 2g의 CO2가 주입된 제 2 모르타르 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 제 2 모르타르 혼합물을 모르타르 혼합기로 더 혼합하여 In-situ 탄산화 모르타르 혼합물을 제조하는 단계;를 포함하는 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물의 제조방법을 제공한다.
상기 골재는 건조사이며; 상기 바인더는 포틀랜드시멘트이며; 상기 필러는 석회석 미분말 또는 탈황석고인 것을 특징으로 하며, 상기 모르타르 혼합기를 이용한 혼합은 자전속도 140±5rpm, 공전속도 62±5rpm 및 혼합시간 50 내지 70초의 조건으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물은 제조 직후 190 내지 210mm의 플로우값을 가지며; 제조 10분 후 155 내지 165mm의 플로우값을 가지는 것을 특징으로 하며 19 내지 21℃ 및 상대습도 58 내지 62%에서 28일간 양생하면 37 내지 43MPa의 압축강도를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물의 제조방법은 많은 탄소배출량을 가지는 시멘트의 사용량을 감축하였음에도 종래의 모르타르와 동등하거나 향상된 작업성 및 압축강도를 가지는 모르타르를 제조할 수 있을 뿐 아니라 모르타르 조성물에 최적의 조건으로 CO2를 주입하고 종래의 모르타르 혼합기에서 혼합하는 것만으로 모르타르를 제조할 수 있으므로 즉시 현장에 적용되어 사용 가능한 장점이 있다.
본 발명의 In-situ CO2 탄산화 모르타르 제조방법을 실제 현장에서 모르타르의 대량제조 공정으로 도입하게 되면 다량의 온실가스를 생산하는 시멘트(바인더)의 양을 충분히 감축 할 수 있으므로 온실가스 감축을 통해 시멘트 기반 건설 산업의 경쟁력을 확보할 수 있는 한국형 In-situ CO2 탄산화 기술로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 In-situ CO2 탄산화를 이용한 바닥용 모르타르의 제조방법으로 제조한 모르타르의 재령별 압축강도 측정결과를 보여준다.
도 2는 본 발명의 In-situ CO2 탄산화 바닥용 모르타르의 압축강도 측정결과를 보여준다.
도 2는 본 발명의 In-situ CO2 탄산화 바닥용 모르타르의 압축강도 측정결과를 보여준다.
본 발명은 골재 70 내지 75wt%, 바인더 20 내지 22wt%, 및 필러 3 내지 5wt%를 포함하는 혼합물에 상기 바인더 100중량부 대비 15 내지 20중량부의 물을 더 첨가한 후 모르타르 혼합기로 혼합하여 제 1 모르타르 혼합물을 제조하는 단계; 상기 제 1 모르타르 혼합물에 CO2를 10L/min의 주입속도로 3.5 내지 4.5초간 주입하여 상기 제 1 모르타르 혼합물에 1 내지 2g의 CO2가 주입된 제 2 모르타르 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 제 2 모르타르 혼합물을 모르타르 혼합기로 더 혼합하여 In-situ 탄산화 모르타르 혼합물을 제조하는 단계;를 포함하는 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물의 제조방법을 제공한다.
종래의 바닥용 모르타르는 골재, 바인더, 필러 및 물로 구성된 바인더로서 시멘트를 23% 이상으로 사용하였다. 상기의 조성으로 제조된 바닥용 모르타르는 제조 직후 플로우값 및 제조 10분 후 플로우값이 각각 208mm 및 154mm 수준으로 우수한 작업성을 가지며; 20℃ 및 상대습도 60% 조건에서 28일간 양생하는 경우 40MPa이상의 압축강도를 보인다.
상기 바인더(결합제)는 주로 시멘트를 사용하며 경화속도 및 압축강도에 큰 영향을 주어 모르타르의 작업성 및 내구성을 결정하게 된다. 따라서 모르타르 제조에 있어서 바인더의 함량은 매우 섬세하게 조절되어야 하며 함량을 감축하는 경우 모르타르의 작업성과 압축강도 저하를 보정할 수 있는 추가적인 공정을 필요로 하게 된다. 또한 모르타르의 품질특성은 시멘트의 복잡한 수화작용으로 인해 발현되므로 함량 변화에 따른 상세한 실시예를 통해 그 변화를 실험적으로 제시하므로 실현 가능성 여부를 증명하는 것이 중요하다.
본 발명은 모르타르 제조에 있어서 바인더로 사용된 시멘트의 함량을 감축하고 이로 인해 발생하는 품질저하를 추가적인 CO2 주입 공정 및 이로 인한 탄산화 공정을 추가하여 보정한 것이다.
본 발명의 모르타르 제조방법은 골재 70 내지 75wt%, 바인더 20 내지 22wt%, 및 필러 3 내지 5wt%를 포함하는 혼합물에 상기 바인더 100중량부 대비 15 내지 20중량부의 물을 더 첨가한 후 모르타르 혼합기로 혼합하여 제 1 모르타르 혼합물을 제조한다. 바람직하게는 골재로서 건조사 73.5wt%, 바인더로서 포틀랜드시멘트 21 내지 22wt%, 및 필러로서 석회석 미분말 또는 탈황석고 4.5 내지 5.5wt%를 포함하는 혼합물에 상기 바인더 100중량부 대비 17 내지 18중량부의 물을 더 첨가한 후 모르타르 혼합기로 혼합하여 제 1 모르타르 혼합물을 제조한다. 상기 모르타르 혼합기를 이용한 혼합은 자전속도 140±5rpm, 공전속도 62±5rpm 및 혼합시간 50 내지 70초의 조건으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합된 제 1 모르타르 혼합물은 혼합 과정에서 CO2를 주입하게 된다. 상세하게는 상기 제 1 모르타르 혼합물에 CO2를 10L/min의 주입속도로 3.5 내지 4.5초간 주입하여 상기 제 1 모르타르 혼합물에 1 내지 2g의 CO2가 주입되도록 한다.
상기 CO2가 주입되면 상기 제 1 모르타르 혼합물의 시멘트 수화과정에서 용출된 Ca2+이온과 반응하여 CaCO3를 형성하게 되므로 시멘트의 함량 감축으로 인한 물성저하를 보정해주는 효과가 있다. CO2 주입속도가 10L/min 미만이면 CO2와 Ca2+이온의 반응이 느려져 압축강도가 저하될 수 있으며 CO2 주입속도가 10L/min를 초과하면 주입속도가 너무 빨라 적정량의 CO2를 주입하기 어렵다. 제 1 모르타르에 주입된 CO2의 양이 1g미만이면 CO2와 Ca2+이온의 반응으로 인한 CaCO3의 형성이 부족하여 압축강도가 저하될 수 있으며 CO2의 양이 2g을 초과하면 반응에 참여하지 않은 CO2가 잔존하면서 모르타르의 압축강도를 저하시키게 된다. 바람직하게는 상기 제 1 모르타르 혼합물에 CO2를 10L/min의 주입속도로 4초간 주입하여 상기 제 1 모르타르 혼합물에 1.307g의 CO2가 주입되도록 한다.
상기 제 1 모르타르 혼합물에 CO2를 주입하여 제조한 제 2 모르타르 혼합물은 상기 모르타르 혼합기를 이용한 혼합방법(자전속도 140±5rpm, 공전속도 62±5rpm 및 혼합시간 50 내지 70초)으로 하여 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물을 제조한다.
상기의 방법으로 제조한 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물은 플로우값이 제조 직후 190 내지 210mm이며; 제조 10분 후 155 내지 165mm인 것을 특징으로 하며 상기 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물을 19 내지 21℃ 및 상대습도 58 내지 62%에서 28일간 양생하면 37 내지 43MPa의 압축강도를 가지는 것을 특징으로 한다.
하기에서 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
1. 실험재료
본 발명의 바닥용 모르타르는 골재로서 건조사를 이용하였으며, 강도보강제로써의 성능 발현을 위해 입도사이즈별로 세사(0.15~0.71mm), 중사(0.71~2.00mm) 및 왕사(2.00~4.75mm)로 구분하여 사용하였다.
본 발명의 바닥용 모르타르는 결합재(Binder)로서 현재 현장에서 유통되고 있는 H사의 1종 보통 포틀랜드시멘트(OPC)를 사용하였으며, OPC의 비중 및 분말도는 각각 3.15 및 3,658cm2/g이다.
본 발명의 바닥용 모르타르는 채움재(Filler)로서 석회석 미분말 및 H사의 보일러 연소로 내 발생되는 탈황석고를 사용하였다. 필요에 따라 결합재의 첨가량에 따른 작업성 및 유동성 향상을 위해 Polycarbonate(PC계) 유동화제(superplasticized)를 외할로 더 첨가하였다.
2. 실험방법
본 발명에서는 종래의 바닥용 모르타르 배합(비교예1, Plain)의 범위에서 In-situ CO2 탄산화 기술을 적용하기 위한 CO2의 적정 주입 유량(L/min), 시간(s) 및 총 주입량(g) 선정을 위한 실험을 진행하였다.
선행기술(CarbonCure Technology Inc)에 따르면 레미콘 기준 1m3당 CO2의 고정화량을 0.4kg/m3 수준으로 사용한바 있으며 본 발명에서는 바닥용 모르타르 배합 2kg 기준 배합설계 시, CO2의 주입 유량 및 총 주입량의 범위를 설정하였다.
하기 표 1은 본 발명의 In-situ CO2 탄산화를 이용한 바닥용 모르타르의 제조방법을 보여준다. CO2의 주입 유량을 각각 1, 5, 10L/min로 설정하여, 총 주입량을 기준으로 각각의 주입 시간을 설정하였으며, 배합의 경우, 현재 현장에서 사용되고 있는 바닥용 모르타르 배합 설계를 적용하였다. 바닥용 모르타르 배합의 현장 시공 시, 배합, 혼합 및 압송 등을 위해 플로우는 200±10㎜를 기준으로 물-결합재(바인더)비(W/R)를 17 내지 18%로 설정하였다. 원료들의 배합은 KS L ISO 679에 의거한 모르타르 혼합기를 활용하였으며, 배합속도를 자전(140±5rpm) 및 공전(62±5rpm)의 저속으로 설정하여, 60초 동안 혼합하였으며, 이 때, 각각의 주입 유량에 따른 적정 주입 시간 동안 CO2를 주입하였다.
| Aggregate (%) | Binder (wt%) | Filler (wt%) |
W/R (%) | CO2 injection method | CO2 Injection amount(L/g) | Curing Condition | |
| 비교예 | 73.5 | 23 | 3.5 | 18.0 | - | - | 20℃, RH 60% |
| 실시예1 | 73.5 | 23 | 3.5 | 18.0 | 1 L/min(20s) | 0.333L/0.655g | 20℃, RH 60% |
| 실시예2 | 73.5 | 23 | 3.5 | 18.0 | 1 L/min(40s) | 0.667L/1.307g | 20℃, RH 60% |
| 실시예3 | 73.5 | 23 | 3.5 | 18.0 | 1 L/min(80s) | 1.333L/2.613g | 20℃, RH 60% |
| 실시예4 | 73.5 | 23 | 3.5 | 18.0 | 5 L/min(4s) | 0.333L/0.655g | 20℃, RH 60% |
| 실시예5 | 73.5 | 23 | 3.5 | 18.0 | 5 L/min(8s) | 0.667L/1.307g | 20℃, RH 60% |
| 실시예6 | 73.5 | 23 | 3.5 | 18.0 | 5 L/min(16s) | 1.333L/2.613g | 20℃, RH 60% |
| 실시예7 | 73.5 | 23 | 3.5 | 18.0 | 10 L/min(2s) | 0.333L/0.655g | 20℃, RH 60% |
| 실시예8 | 73.5 | 23 | 3.5 | 18.0 | 10 L/min(4s) | 0.667L/1.307g | 20℃, RH 60% |
| 실시예9 | 73.5 | 23 | 3.5 | 18.0 | 10 L/min(8s) | 1.333L/2.613g | 20℃, RH 60% |
| [Evaluation Items] 1) CO2 injection flow 2) CO2 injection amount 3) Unit weight 4) Compressive strength (3, 7, 28 days) |
|||||||
| Aggregate (wt%) | Binder (wt%) | Filler (wt%) |
W/R (%) | CO2 injection method | CO2 Injection amount(L/g) | Curing Condition | |
| 실시예7 | 73.5 | 23 | 3.5 | 17.0 | 10 L/min(2s) | 0.333L/0.655g | 20℃, RH 60% |
| 실시예7-1 | 73.5 | 22 | 4.5 | 17.0 | 10 L/min(2s) | 0.333L/0.655g | 20℃, RH 60% |
| 실시예7-2 | 73.5 | 21 | 5.5 | 17.0 | 10 L/min(2s) | 0.333L/0.655g | 20℃, RH 60% |
| 실시예7-3 | 73.5 | 20 | 6.5 | 17.0 | 10 L/min(2s) | 0.333L/0.655g | 20℃, RH 60% |
| 실시예8 | 73.5 | 23 | 3.5 | 18.0 | 10 L/min(4s) | 0.667L/1.307g | 20℃, RH 60% |
| 실시예8-1 | 73.5 | 22 | 4.5 | 17.0 | 10 L/min(4s) | 0.667L/1.307g | 20℃, RH 60% |
| 실시예8-2 | 73.5 | 21 | 5.5 | 17.0 | 10 L/min(4s) | 0.667L/1.307g | 20℃, RH 60% |
| 실시예8-3 | 73.5 | 20 | 6.5 | 17.0 | 10 L/min(4s) | 0.667L/1.307g | 20℃, RH 60% |
| [Evaluation Items] 1) CO2 injection flow 2) CO2 injection amount 3) Unit weight 4) 플로우값(Flow: 0min, 10 min) 5) Compressive strength according to unit cement reduction (3, 7, 28 days) |
|||||||
3. 실험결과
1) CO
2
주입 유량 및 총 주입량 최적화
먼저 바닥용 모르타르 배합 2kg에 다양한 CO2 주입 조건을 적용한 후 재령에 따른 압축강도를 비교분석하였다. 본 발명의 바닥용 모르타르는 골재(Aggregate)로서 건조사를 73.5wt%; 결합재(Binder)로서 현재 H사의 1종 보통 포틀랜드시멘트(OPC)를 20 내지 23wt%; 및 채움재(Filler)로서 석회석 미분말 및 H사의 보일러 연소로 내 발생되는 탈황석고를 3.5 내지 6.5wt%로 사용하였다.
도 1은 본 발명의 In-situ CO2 탄산화를 이용한 바닥용 모르타르의 제조방법으로 제조한 모르타르의 재령별 압축강도 측정결과를 보여준다. 패널 (a)는 이산화탄소 주입정도를 달리하여 제조한 모르타르를 3일간 양생한 후 측정한 압축강도를 보여주며; 패널 (b)는 이산화탄소 주입정도를 달리하여 제조한 모르타르를 7일간 양생한 후 측정한 압축강도를 보여주며; 패널 (c)는 이산화탄소 주입정도를 달리하여 제조한 모르타르를 28일간 양생한 후 측정한 압축강도를 보여준다.
실험 결과, CO2 주입 유량이 10L/min인 실시예의 모르타르가 다른 실시예의 모르타르에 대비하여 동등 또는 그 이상의 압축강도 수준을 보이는 것으로 확인되었다. 이는 CO2의 주입 유량이 빠를수록 시멘트 수화반응 중 용출되는 Ca2+ 이온과 빠른 시기에 반응하여 CaCO3를 형성하였기 때문으로 판단된다. 또한 총 CO2 주입량이 2.613g인 실시예 3, 6, 또는 9의 모르타르의 경우, 다른 실시예의 모르타르에 대비하여 재령별로 다소 낮은 강도 수준을 보이는 것이 확인되었다. 이는 과도한 CO2 주입으로 인해 잉여의 CO2가 잔존하면서 오히려 압축강도 품질을 저하시킨 것으로 판단된다. 따라서 본 발명의 In-situ CO2 탄산화를 이용한 바닥용 모르타르의 제조방법은 CO2 주입 유량을 10L/min로 하되 주입시간을 조절하여 총 주입량이 0.655g 또는 1.307g이 되도록 하는 것으로 하였다.
2) 단위용적중량 및 플로우값 분석결과
바인더인 시멘트(OPC)의 양을 변경(감축)하고 다양한 CO2 주입 방식을 적용하여 제조한 실시예의 모르타르에 대하여 단위용적중량(g/L) 및 플로우값(Flow, mm)을 분석하였다. 이상적인 모르타르의 플로우값은 시공 시, 배합, 혼합 및 압송 등의 작업성을 고려하여 200±10㎜를 기준으로 설정하였으며 초기 플로우값(제조 후 0min)과 제조 10 분 후의 플로우값을 측정하여 Loss를 분석하였다. 표 3은 본 발명의 단위용적중량(g/L) 및 플로우값(mm)을 측정한 결과를 보여준다.
| Binder (wt%) | CO2 injection method | Unit weight (g/L) | Flow(mm) | Compressive strength(MPa) | ||||
| 0min | 10min | 3days | 7days | 28days | ||||
| 비교예 | 23 | - | 2,175 | 208 | 154 | 22.0 | 25.2 | 41.7 |
| 실시예7-1 | 22 | 10 L/min(2s) | 2,138 | 209 | 151 | 23.9 | 29.3 | 43.3 |
| 실시예8-1 | 22 | 10 L/min(4s) | 2,155 | 208 | 160 | 24.2 | 30.2 | 42.8 |
| 실시예7-2 | 21 | 10 L/min(2s) | 2,168 | 205 | 163 | 21.3 | 28.9 | 38.3 |
| 실시예8-2 | 21 | 10 L/min(4s) | 2,159 | 210 | 161 | 22.3 | 28.8 | 41.6 |
| 실시예7-3 | 20 | 10 L/min(2s) | 2,080 | 204 | 157 | 20.1 | 26.7 | 37.9 |
| 실시예8-3 | 20 | 10 L/min(4s) | 2,138 | 203 | 160 | 20.6 | 27.1 | 37.3 |
현장에서 사용되고 있는 바닥용 모르타르 배합인 비교예(Plain)의 경우 단위용적중량(Unit weight)과 초기 플로우(0min)값이 각각 2,175g/L 및 208mm인 것으로 측정되었다. CO2 주입 방식을 적용하면서 단위 시멘트의 양을 감축한 실시예의 경우 플로우값이 상기 비교예와 동등한 수준인 것으로 확인되었다. 이는 본 발명의 CO2 주입 방법이 적용된 바닥용 모르타르가 작업성 측면에서 종래의 모르타르와 동등하다는 것을 의미한다.
3) 압축강도 분석결과
상기 표 3 및 도 2는 본 발명의 In-situ CO2 탄산화 바닥용 모르타르의 압축강도 측정결과를 보여준다. 양생은 20℃, 상대습도(Relative Humidity, RH) 60%의 조건에서 3일, 7일 및 28일간 수행하였다.도 2의 패널(a)는 바인더의 함량을 달리하여 제조한 모르타르를 3일간 양생한 후 측정한 압축강도를 보여주며; 패널(a)는 바인더의 함량을 달리하여 제조한 모르타르를 7일간 양생한 후 측정한 압축강도를 보여주며; 패널(a)는 바인더의 함량을 달리하여 제조한 모르타르를 28일간 양생한 후 측정한 압축강도를 보여준다.
CO2 주입 유량 및 주입 시간이 각각 10L/min 및 4초인 실시예 8-1, 8-2 또는 8-3의 경우, 동등 단위 시멘트를 사용한 실시예 대비 재령별 압축강도가 동등하거나 약간 높은 것으로 확인되었다. 주입된 CO2 중 시멘트 수화반응 중 용출되는 Ca2+ 이온과 반응하여 CaCO3를 형성하는 것 이외의 것은 상온으로 배출되므로 오히려 공기 중 CO2의 양을 증가시키게 된다. 따라서 고강도 바닥용 모르타르 2kg 배합 기준 적정 CO2 주입조건은 10L/min의 주입속도로 4초간 주입하여 약 1.307g의 CO2가 주입되는 것으로 판단된다.
단위 시멘트량을 각각 1, 2, 3% 감축시켜 In-situ CO2 탄산화 바닥용 모르타르를 제조하고 압축강도를 측정하였다. 그 결과 10L/min의 주입속도로 4초간 주입하여 약 1.307g의 CO2가 주입하는 조건의 실시예 8-1 및 802의 경우 단위 시멘트량이 각각 1, 2% 감축시켰음에도 불구하고 재령별 압축강도가 종래의 바닥용 모르타르(비교예, Plain)와 동등 수준 또는 그 이상인 것으로 확인되었다. 이는 앞서 언급했듯이 시멘트 수화반응 중 용출되는 Ca2+ 이온과 주입된 CO2가 반응하면서 CaCO3이 형성되는데, 이 때, 형성된 CaCO3의 입자 수준(Particle size)이 나노(Nano size) 수준으로 형성되어, 결합재 내부의 약 102~105nm 수준의 미세 공극에 영향을 미쳐 물리적인 강도 발현에 기인한 것으로 사료된다.
한편, 단위 시멘트량을 3% 감축하고 10L/min의 주입속도로 4초간 주입하여 약 1.307g의 CO2가 주입하는 실시예 8-3의 경우 종래의 바닥용 모르타르(비교예, Plain)대비 동등 수준 이하의 압축강도를 보였는데, 이는 과도한 바인더 감축으로 인해 주입되는 CO2와 반응하기 위한 시멘트 수화반응 과정에서 용출되는 Ca2+ 이온이 다소 부족하였기 때문으로 판단된다.
4. 결론
본 발명은 현재 건설 현장에서 적용되고 있는 바닥용 모르타르 배합의 범위에서 In-situ CO2 탄산화 기술의 적용 가능성을 확인한 결과를 보여주며 이를 통해 품질 저하 없이 단위 시멘트량을 감축할 수 있는 최적의 In-situ 탄산화 바닥용 모르타르 제조방법을 제시한다.
본 발명을 정리하면 하기와 같다.
1) 바닥용 모르타르 배합의 범위에서 In-situ CO2 탄산화 기술을 적용하여 검토한 결과, 과도한 CO2의 주입은 제품의 품질 저하를 유발할 수 있으며, CO2 주입 유량의 경우, 상대적으로 CO2의 주입 유량이 빠를수록 시멘트 수화반응 중 용출되는 Ca2+ 이온과 빠른 시기에 반응하여 CaCO3를 형성하는 것으로 나타났다.
2) CO2 총 주입량의 경우, 바닥용 모르타르 배합 기준에서 과도한 CO2 주입은 제품의 품질 수준에 영향을 미칠 수 있으며, 2kg 배합(바인더-OPC, 21 내지 22%) 기준 약 0.655 내지 1.307g의 CO2 주입이 적절한 것으로 나타났으며 바람직하게는 2kg 배합(바인더-OPC, 21 내지 22%) 기준 10L/min의 주입속도로 4초간 주입하여 약 1.307g의 CO2를 주입하는 방법이 적절한 것으로 나타났다.
3) CO2의 주입 방식 및 단위 시멘트량 감축에 따른 단위용적중량(g/L) 및 플로우값(mm) 측정결과, 기존에 활용 중인 배합 대비 동등 수준을 보여, 바닥용 모르타르 배합의 작업성 측면에서 In-situ CO2 탄산화 적용이 가능할 것으로 판단된다.
4) 시멘트의 수화반응 중 용출되는 Ca2+ 이온과 CO2가 반응하면서 CaCO3가 형성되는데, 이 때, CaCO3 입자 수준이 나노 사이즈 수준으로 형성되어, 약 102~105nm 수준의 미세 공극에 영향을 끼쳐 제품의 강도 발현에 기여한 것으로 사료된다. 따라서 바닥용 모르타르 범위에서 본 발명의 In-situ CO2 탄산화 기술을 적용할 경우, 약 1~2%의 바인더(OPC) 감축이 가능할 것으로 판단된다.
5) 본 발명은 국내 건설현장에서 활용중인 바닥용 모르타르 범위에서 CO2를 이용한 탄산화를 최적화하고 이를 통해 제조한 제품의 품질(압축강도)을 분석한 결과를 보여준다. 본 발명의 In-situ CO2 탄산화를 이용한 바닥용 모르타르의 제조방법을 이용하면 바인더인 시멘트의 양을 감축하여도 작업성 및 압축성능에 있어서 종래의 바닥용 모르타르와 동등하거나 그 이상의 성능을 가지는 모르타르를 제조할 수 있다.
6) 따라서 본 발명의 In-situ CO2 탄산화를 이용한 바닥용 모르타르의 제조방법을 이용하면 생산과정에서 다량의 온실가스를 생산하는 시멘트(바인더)의 양을 감축 할 수 있으므로 현장에 즉시 적용되어 온실가스 감축 강화 및 시멘트 기반 건설 산업의 경쟁력 확보를 위한 한국형 In-situ CO2 탄산화 기술로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.
Claims (5)
- 골재 70 내지 75wt%, 바인더 20 내지 22wt%, 및 필러 3 내지 5wt%를 포함하는 혼합물에 상기 바인더 100중량부 대비 15 내지 20중량부의 물을 더 첨가한 후 모르타르 혼합기로 혼합하여 제 1 모르타르 혼합물을 제조하는 단계;
상기 제 1 모르타르 혼합물에 CO2를 10L/min의 주입속도로 3.5 내지 4.5초간 주입하여 상기 제 1 모르타르 혼합물에 1 내지 2g의 CO2가 주입된 제 2 모르타르 혼합물을 제조하는 단계; 및
상기 제 2 모르타르 혼합물을 모르타르 혼합기로 더 혼합하여 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물을 제조하는 단계;
를 포함하는 In-situ CO2 탄산화 바닥용 모르타르 혼합물의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 골재는 건조사이며; 상기 바인더는 포틀랜드시멘트이며; 상기 필러는 석회석 미분말 또는 탈황석고인 것을 특징으로 하는 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 모르타르 혼합기를 이용한 혼합은 자전속도 140±5rpm 공전속도 62±5rpm 및 혼합시간 50 내지 70초의 조건으로 수행하는 것을 특징으로 하는 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물의 플로우값은 제조 직후 190 내지 210mm이며; 제조 10분 후 155 내지 165mm인 것을 특징으로 하는 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물을 19 내지 21℃ 및 상대습도 58 내지 62%에서 28일간 양생하면 37 내지 43MPa의 압축강도를 가지는 것을 특징으로 하는 In-situ CO2 탄산화 모르타르 혼합물의 제조방법.
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2023
- 2023-03-14 KR KR1020230032890A patent/KR102656599B1/ko active IP Right Grant
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