KR19980020374A - 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질 및 그 제조 방법 - Google Patents

시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질은 국내에 풍부하게 매장되어 있는 고령토를 그 원료로 하여, 원료 고령토를 480℃까지 가능한 한 단시간 내에 승온가열시키고, 480℃까지 승온가열된 고령토를 최소한 1 시간 이상 980℃까지 상승시키면서 고온소성시키고, 고온소성된 고령토를 물이나 공기를 이용하여 급냉시키고, 급냉된 고령토를 2㎛ 이하의 입경을 갖도록 미세하게 분쇄함으로써 제조되는 것을 그 특징으로 한다. 본 발명의 활성 고령토 분말 물질은 종래에 모르터 또는 콘크리트를 제조하기 위하여 사용되는 시멘트의 치환첨가율이 5∼15 중량%가 되도록 사용된다. 본 발명의 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질이 혼합되어 제조된 모르터 또는 콘크리트는 시멘트만을 사용한 종래의 모르터 또는 콘크리트에 비하여 우수한 압축강도, 휨강도 및 수밀성를 갖는다.

Description

시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질 및 그 제조 방법
제 1도는 본 발명에 따른 활성 고령토 분말 물질을 제조하기 위한 공정에서의 시간대 온도 변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
제 2도는 활성화되지 않은 종래의 고령토 분말을 X-선 회절 분석 방법에 따라 분석한 도표이다.
제 3도는 본 발명에 따른 활성 고령토 분말을 X-선 회절 분석 방법에 따라 분석한 도표이다.
제 4도는 본 발명에 따른 활성 고령토 분말 물질을 시멘트와 혼합한 모르터(mortar)로써 제조한 시료의 수밀성을 시험하기 위한 시료의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
[발명의 분야]
본 발명은 고령토(kaolin) 분말 물질에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 시멘트와 혼합하여 사용함으로써 강도나 수밀성 등에 있어서 우수한 물성을 갖는 모르터 및 콘크리트를 생산할 수 있는 활성화된 고령토 분말 물질 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
[발명의 배경]
일반적으로 시멘트를 사용하는 모르터 또는 콘크리트는 우수한 강도와 수밀성을 필요로 하고 있다. 즉 우수한 강도와 수밀성 등에서 우수한 물성을 갖는 모르터 또는 콘크리트를 제조하고자 이 분야에서 많은 연구가 진행되어 왔다. 이러한 목적으로 시멘트 자체에 대한 연구는 물론 시멘트와 함께 혼합하여 사용되는 여러가지 혼합재로에 관한 연구가 지속되고 있다. 그 중에서도 모르터 또는 콘크리트의 강도를 증진시키고 우수한 수밀성을 나타내도록 실리카 흄(silica fume)이 개발되어, 시멘트와 함께 혼합하여 사용되고 있다.
그러나 현재 사용되고 있는 실리카 흄은 가격이 상당히 비싸기 때문에 상용화하기 어려운 단점이 있다. 따라서 본 발명자는 국내에 풍부하게 매장되어 있는 고령토에 대하여 연구한 결과, 우수한 강도와 수밀성을 갖는 모르터 및 콘트리트를 생산할 수 있는 시멘트와 함께 사용될 수 있는 활성 고령토 고령토 분말 물질을 개발하기에 이른 것이다.
[발명의 목적]
본 발명의 목적은 시멘트와 함께 혼합하여 사요할 수 있는 활성 고령토 분말 물질을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 우수한 강도와 수밀성을 갖는 모르터 또는 콘크리트를 제조할 수 있도록 시멘트와 함께 혼합하여 사용할 수 있는 활성 고령토 분말 물질을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 천연의 고령토를 활성화시켜 본 발명에 따른 활성 고령토 분말 물질을 제조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 천연의 고령토를 원료로 하고 또한 제조공정을 간소화하여 경제적인 가격으로 시멘트와 혼합하여 우수한 강도와 수밀성을 갖는 모르터 또는 콘크리트를 제조할 수 있는 활성 고령토 분말 물질을 제공하기 위한 것이다.
[발명의 요약]
본 발명의 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질은 국내에 풍부하게 매장되어 있는 고령토를 그 원료로 하여, 원료 고령토를 480℃까지 가능한 한 단시간 내에 승온가열시키고, 480℃까지 승온가열된 고령토를 최소한 1 시간 이상 980℃까지 상승시키면서 고온소성시키고, 고온소성된 고령토를 물이나 공기를 이용하여 급냉시키고, 급냉된 고령토를 2㎛ 이하의 입경을 갖도록 미세하게 분쇄함으로써 제조되는 것을 그 특징으로 한다. 본 발명의 활성 고령토 분말 물질은 종래에 모르터 또는 콘크리트를 제조하기 위하여 사용되는 시멘트의 치환첨가율이 5∼15 중량%가 되도록 사용된다. 본 발명의 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질이 혼합되어 제조된 모르터 또는 콘크리트는 시멘트만을 사용한 종래의 모르터 또는 콘크리트에 비하여 우수한 압축강도, 휨강도 및 수밀성를 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 구체예에 대한 상세한 내용을 하기에 설명한다.
[발명의 구체예에 대한 상세한 설명]
본 발명의 활성 고령토 분말 물질은 국내에 풍부하게 매장되어 있는 고령토를 활성화하여 제조한다. 이제까지 고령토는 도자기 제조 등의 목적으로 사용되어 왔으나, 본 발명에서는 이러한 고령토를 일정온도까지 승온시켜 고온에서 소성하고, 소성된 고령토를 급냉시켜 미분쇄하여 고령토를 활성화시킴으로써 시멘트의 혼합재료로 사용할 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 광물의 활성화란 어떠한 물질에 에너지를 가한 후 급냉시키면 그 물질은 결정화되는 시간적 여유가 없기 때문에 높은 결정화 에너지를 그 물질 내부에 보존하게 되고, 그 내부에 보존된 에너지로 인하여 외부로부터 자극이 가해지면 화학결합을 할 가능성을 가진 유리상태가 되는 것을 말한다. 고령토를 고온소성한 후 급냉시키면, 고령토는 결정화 에너지를 내부에 보존하여 유리상태가 되어 잠재 수경성을 갖게 된다. 즉 고령토를 승온, 고온소성, 급냉 등의 과정을 거쳐 활성 고령토로 만드는 경우 높은 에너지 상태로 되어 반응성은 커지나 그 분말을 그대로 물과 접촉시켜도 수화 반응이 진행되지 않지만, 알카리 상태와 같은 특정조건하에 놓이게 되면 아주 현저한 수경성을 나타내는데 이를 잠재 수경성이라 한다. 본 발명에서는 고령토를 활성화하여 잠재 수경성을 가지게 하며 이를 모르터 또는 콘크리트라는 특정조건에 놓이게 하여 수화 반응 및 포졸란 반응을 일으키는 메카니즘을 나타내게 한다.
이러한 과정을 거치면 고령토는 활성을 가지게 되어 시멘트의 수화생성물인 Ca(OH)2와 포졸란 반응을 일으키게 되고, 활성 고령토의 잠재 수경성에 의하여 콘크리트의 강도가 증진되고 수밀성 등 제반 성능이 향상된다.
모르터 또는 콘크리트에 미세한 입자를 혼합하여 블리딩(bleeding)과 재료분리현상을 감소시킬 수 있는데 이를 안정화 효과(stabilizing effect)라 하며, 콘크리트에 본 발명의 활성 고령토르 첨가하면 콘크리트의 유동학적 특성이 변화하여 블리딩과 재료분리현상을 감소시킨다. 따라서 본 발명의 활성 고령토는 모르터 또는 콘크리트와 함께 사용할 때 우수한 안정화 효과를 나타낼 수 있다. 이는 활성 고령토가 시멘트 입자 사이의 공극을 채워서 그 미세과늘 막히게 하거나 또는 그 미세관의 크기를 감소시키고, 결합재와 골재사이의 접촉면을 증대시켜 콘크리트의 점착력이 증가되어 재로분리를 감소시키기 때문이다.
본 발명의 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질은 국내에 풍부하게 매장되어 있는 고령토를 그 원료로 하여 그 원료 고령토를 480℃까지 가능한 한 단시간 내에 승온가열시키고, 480℃까지 승온가열된 고령토를 최소한 1 시간 이상 980℃까지 상승시키면서 고온소성시키고, 고온소성된 고령토를 급냉시키고, 미세 분말로 분쇄하여 제조한다
제 1도는 본 발명에 따른 활성 고령토 분말 물질을 제조하기 위한 공정에서 시간에 따른 온도 변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
상온의 자연 건조된 원료 고령토를 1시간 이내에 걸쳐서 480℃까지 승온시킨다. 열효율이나 에너지 등을 고려하여 가급적 단시간 내에 승온시키는 것이 경제적으로 유리하다.
480℃까지 승온가열된 고령토는 980℃까지 서서히 가열하면서 소성시킨다. 이 고온소성 공정에서는 가능한 한 1시간 이상 소성시킴으로써 고령토 내부까지 균일한 온도로 소성시키는 것이 바람직하다. 그러나 열효율이나 사용되는 에너지 양을 고려하여 고온소성을 행하여야 하며, 물성을 고려하여 최소한 1시간 이상 행하여야 한다. 또한 고온소성 공정에서는 980℃ 이상이 되지 않도록 하여야 하는데, 이는 980℃이상이 된 경우에 활성 고령토의 물성을 저하시키기 때문이다.
고온소성이 완료된 고령토는 공기나 물을 사용하여 급냉시킨다. 물을 이용한 급냉 방법이 공기를 이용한 방법보다 그 비용이 저렴하기 때문에 물을 이용한 급냉 방법이 바람직하게 사용될 수 있다. 고온소성된 고령토를 급냉시킴으로써 그 내부에 에너지가 보존된 활성 상태의 고령토가 제조될 수 있는 것이다.
급냉된 고령토는 약 2㎛ 이하의 입경을 갖는 미세 분말로 분쇄한다. 약 1㎛ 전후의 입경을 갖는 미세 분말의 활성토가 바람직하게 사용될 수 있다. 미세 분말로 분쇄된 활성 고령토는 약 1.5∼3.0의 비중을 갖는다.
상기와 같이 제조된 활성 고령토 분말 물질은 시멘트에 혼합하여 사용한다. 통상 모르터 또는 콘크리트를 생산하기 위하여 사용되는 시멘트의 5∼15 중량%를 대체하여 본 발명의 활성 고령토를 사용한다. 통상 사용되는 시멘트의 10 중량% 전후를 본 발명의 활성 고령토로 대체하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 활성 고령토 분말 물질은 시멘트와 함께 혼합하여 사용함으로써 우수한 강도와 수밀성을 갖는 모르터 또는 콘크리트를 제조할 수 있고 제조 원가도 경제적인 발명의 효과를 갖는다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적으로 기재되는 것으로 본 발명의 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
[실시예]
활성 고령토 분말의 제조;
자연 건조된 경남 산청산 소령토 500g을 원료로 하여 로(furnace) 내에서 40분간 승온시켜 480℃가 되도록 가열하였다. 480℃로 승온된 고령토를 서서히 90분간에 걸쳐서 980℃가 되도록 소성시켰다. 980℃까지 고온소성된 고령토를 물을 이용하여 급냉시켰다. 급냉시킨 활성 고령토를 분쇄기로 분쇄하여 평균 입경이 1.2㎛이고 비중이 2.55인 본 발명의 활성 고령토를 제조하였다.
활성 고령토 분말의 분석;
자연산 고령토를 활성화시킨 활성 고령토와 활성화시키지 않은 미활성 고령토에 대하여 다음과 같이 알카리 성분과의 반응성 및 X-선 회절 분석을 행하였다.
(1) Ca(OH)2와 페놀프탈레인에 의한 활성 고령토의 반응성 확인
상기의 활성 고령토와 비활성 고령토를 Ca(OH)2포화용액에 넣고 지시약인 페놀프탈레인용액에 의한 반응을 육안으로 관찰하였다. 활성 고령토는 Ca(OH)2와 반응하여 상기 포화용액 중에 Ca(OH)2를 모두 소비하여 페놀프탈레인용액에 의한 무색 반응을 나타냈다. 반면 비활성 고령토는 포화 용액중의 Ca(OH)2와 반응을 일으키지 않기 때문에 Ca(OH)2가 그대로 존재하여 페놀프탈레인용액에 의하여 붉은 색을 나타내었다. 이 반응성 시험으로 인하여 본 발명의 활성 고령토가 활성 상태에 있다는 것을 알 수 있다.
(2) X-선 회절 분석에 의한 활성 고령토의 성분 분석
상기 활성 고령토와 비활성 고령토를 X-선 회절 분석한 결과, 비활성 고령토는 제 2도의 분석결과를 나타내었고, 활성 고령토는 제 3도의 분석결과를 나타내었다. 제 2도의 비활성 고령토는 피크가 크고 명확하게 나타나 있으며, 제 3도의 활성 고령토는 피크가 완만하여 비활성고령토보다는 비결정질 상태로 존재하고 있슴을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 활성 고령토는 반응성이 큰 비결정질의 유리질로서 잠재 수경성의 특징을 갖고 있다는 것을 알 수 있다.
모르터 시료의 제조;
상기에서 제조된 활성 고령토를 시멘트, 모래 및 고성능 감수제와 혼합하여 모르터를 제조하였다. 여기서 사용된 시멘트는 비표면적이 3200이고 비중이 3.28이며, 모래는 비중이 2.61이고 조립율이 2.71이며, 고성능 감수제는 비중이 1.25인 나프탈렌계를 사용하였다.
[실시예 1]
이 실시예서는 상기의 시멘트 450g, 활성 고령토 50g, 모래 1,500g, 물 250g 및 감수제 5g을 혼합하여 40×40×160㎜의 모르터 시료를 제조하였다. 3연형 형틀에 모르터를 부어넣은 다음 24시간동아 습윤양생하고, 재령 1일에 탈형하여 재령 28일까지 수종양생을 행하였다. 이 실시예에서는 3개의 시료(시료 1, 시료 2 및 시료 3)를 제조하였다.
[비교실시예 1]
종래의 모르터 시료, 즉 고령토가 첨가되지 않은 모르터 시료를 제조하기 위하여, 시멘트를 500g 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시료를 제조하였다. 이 비교실시예어서도 3개의 시료를 제조하였다.
[비교실시예 2]
비활성 고령토가 첨가된 모르터 시료를 제조하기 위하여, 활성 고령토 50g 대신에 미활성 고령토 50g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시료를 제조하였다. 이 비교실시예에서도 3개의 시료를 제조하였다.
모르터 시료의 물성 측정;
상기 실시예에 따라 제조된 모르터 시료에 대하여 휨강도, 압축강도 및 수밀성 시험을 다음과 같이 행사였다.
(1) 휨강도
휨강도는 KS L 5105에 의거하여 지점간격을 100㎜로 하고 성형시의 측면에 중앙집중 하중을 매초 5kg의 균일 속도로 가해서 최대하중을 구하여 휨강도를 산출하였다. 상기 실시예의 각각의 시료에 대한 휨강도는 하기 표 1에 나타내었다.
표 1
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 활성 고령토를 첨가한 모르터(실시예 1)는 종래의 모르터(비교실시예 1)에 비교하여 14.9%의 휨강도 증가를 나타내었다. 또한 미활성 고령토를 첨가한 모르터(비교실시에 2)는 종래의 모르터(비교실시예 1)에 비교하여 휨강도가 23.7% 감소되었다.
(2) 압축강도
압축강도는 KS L 5105에 의거하여 상기 휨강도 시험 후의 각각의 두 개의 절편을 사용하여 40×40cm의 강제 가압편을 사용하여 시료의 중앙부에 매초 80kg의 균일 속도로 가압하여 최대 하중을 구하고 압축강도를 산출하였다. 각각 두개의 시료 절편을 사용하여 모두 6개의 시료를 측정하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
표 2
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 활성 고령토를 첨가한 모르터(실시예 1)는 종래의 모르터(비교실시예 1)에 비교하여 25.8%의 압축강도 증가를 나타내었다. 또한 미활성 고령토를 첨가한 모르터(비교실시예 2)는 종래의 모르터(비교실시예 1)에 비교하여 압축강도가 8.9% 감소되었다.
(3) 수밀성 시험
모르터의 수밀성 시험은 염소 이온의 침투 영역을 측정하기 위하여 염화나트륨 용액을 사용하였다. 일본 콘크리트 학회(JCI)의 폴리머 시멘트 모르터의 염소 이온 침투 깊이 시험 방법에 의하여 40×40×160㎜의 시료를 7일간 20℃의 2.5% 염화나트륨 용액 중에 침적시키고, 이를 2등분하여 그 단면에 0.1% 플루오레세인 나트륨 용액과 0.1N 질산은 용액을 분무하여 형광을 발하는 부분을 염소 이온 침투 영역으로 간주한다. 제 4도는 염소 이온이 침투된 모르터 시료의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 시료의 상하면을 에폭시 수지로 코팅하여 상하면에서는 염소 이온이 침투되지 못하도록 하고, 측면에서 침투된 염소 이온의 깊이를 각 부위(A, B, C, D, E 및 F)별로 측정하였다. 이에 대한 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
표 3
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 활성 고령토를 첨가한 모르터(실시예 1)는 종래의 모르터(비교실시예 1)에 비교하여 염소 이온 침투 깊이가 약 35.8% 감소되었고, 미활성 고령토를 첨가한 모르터(비교실시예 2)는 종래의 모르터(비교실시예 1)에 비교하여 염소 이온 침투 깊이가 약 3.4% 증가하였다. 이러한 결과로부터 본 발명의 활성 고령토를 첨가하면 수밀성이 좋아져서 염소 이온 등의 유해물의 침투에 효과적임을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (6)

  1. 자연건조된 원료 고령토를 480℃까지 가능한 한 단시간 내에 승온가열시키고;
    480℃까지 승온가열된 고령토를 최소한 1 시간 이상 980℃까지 상승시키면서 고온소성시키고;
    고온소성된 고령토를 물이나 공기를 이용하여 급냉시키고; 그리고
    상온까지 급냉된 고령토를 2㎛ 이하의 입경을 갖고 비중이 1.5∼3.0이 되도록 미세하게 분쇄하는;
    단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 원료 고령토가 480℃까지 1시간 내에 승온가열되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 고온소성된 고령토가 물 또는 공기를 이용하여 급냉되는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질의 제조 방법
  4. 제 1항에 있어서, 상기 미세하게 분쇄된 고령토의 평균입경 0.5∼1.5㎛인 것으 특징으로 하는 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질의 제조방법
  5. 자연건조된 원료 고령토를 480℃까지 가능한 한 단시간 내에 승온가열시키고, 480℃까지 승온가열된 고령토를 최소한 1 시간 이상 980℃까지 상승시키면서 고온소성시키고, 상온까지 급냉시키고, 2㎛ 이하의 입경을 갖고 비중이 1.5∼3.0이 되도록 미세하게 분쇄하여 제조되는 것을 특징으로하는 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질.
  6. 자연건조된 원료 고령토를 480℃까지 가능한 한 단시간 내에 승온가열시키고, 480℃까지 승온가열된 고령토를 최소한 1 시간 이상 980℃까지 상승시키면서 고온소성시키고, 상온까지 급냉시키고, 2㎛ 이하의 입경을 갖고 비중이 1.5∼3.0이 되도록 미세하게 분쇄하여 제조되는 것으로 모르터 또는 콘크리트를 생산하기 위하여 사용되는 시멘트의 5∼15 중량%를 대체하여 사용되는 것을 특징으로하는 시멘트 혼합용 활성 고령토 분말 물질.
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