KR20000007099A - 산업폐기물계 포졸란 재료와 무수석고를 사용한 저가의시멘트 혼화재 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트(cement) 관련 기술에 관한 것으로, 특히 시멘트 혼화재 조성물에 관한 것이며, 더 자세히는 슬래그(slag)분말, 플라이애쉬(Fly-ash), 제올라이트(zeolite) 등의 산업폐기물계 포졸란(pozzolan) 재료와 무수석고를 사용한 저가의 시멘트 혼화재 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 무수석고와 포졸란 재료를 사용하되, 시멘트 2차 제품의 품질 저하 없이 혼화재의 시멘트 치환량을 증가시키고 혼화재의 단가를 낮출 수 있는 시멘트 혼화재 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 포졸란 물질과 무수석고를 포함하는 시멘트 혼화재에 있어서, 플라이애쉬, 슬래그분말, 제올라이트 중 적어도 어느 하나의 상기 포졸란 물질 70∼90중량%와, 상기 무수석고 10∼30중량%를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

산업폐기물계 포졸란 재료와 무수석고를 사용한 저가의 시멘트 혼화재 조성물{A LOW PRICE CEMENT ADMIXTURE COMPOSITE USING INDUSTRIAL WASTE ARTICLES BASED POZZOLAN MATERIAL AND GYPSUM ANHYDRIDES}

본 발명은 시멘트(cement) 관련 기술에 관한 것으로, 특히 시멘트 혼화재 조성물에 관한 것이며, 더 자세히는 슬래그(slag)분말, 플라이애쉬(Fly-ash), 제올라이트(zeolite) 등의 산업폐기물계 포졸란(pozzolan) 재료와 무수석고를 사용한 저가의 시멘트 혼화재 조성물에 관한 것이다.

모르타르나 콘크리트 양생시 통상적으로 천연 포졸란 재료, 실리카흄(silica fume), 플라이애쉬, 제올라이트 등을 혼화재로 사용하고 있다. 이러한 시멘트 혼화재는 상대적으로 고가인 시멘트의 사용량을 줄이면서, 콘크리트의 강도발현, 화학 저항성 증대, 동결융해 저항성 증대, 콘크리트의 수화열을 저감을 통한 수화열에 의한 콘크리트 균열 방지 등의 내구성 향상 작용을 하여 시멘트 2차 제품의 성능 향상에 기여하는 바가 크기 때문에 그 수요가 점차 늘어나고 있는 추세이다.

그러나, 이러한 포졸란 재료를 상압증기양생에 적용하는 경우, 오히려 시멘트 2차 제품의 압축강도가 떨어지는 문제점이 있었다.

실제 실험 결과, 포틀랜드 시멘트 80중량%, 플라이애쉬 20중량%를 사용한 상압증기양생 모르타르(mortar)의 경우, 1일이 지난 후의 압축강도가 200kg/㎠ 정도, 7일이 지난 후의 압축강도가 260kg/㎠ 정도에 지나지 않아 혼화재 사용 없이 포틀랜드 시멘트만을 사용한 경우(1일 후 257kg/㎠, 7일후 358kg/㎠)에 비해 압축강도가 크게 떨어지는 역기능을 나타내었다. 또한, 포틀랜드 시멘트 320kg/㎥, 플라이애쉬 128kg/㎥, 물 160kg/㎥, 모래 720kg/㎥, 자갈 990kg/㎥, 고성능 감수제 4.57kg/㎥를 사용한 상압증기양생 콘크리트의 경우, 1일이 지난 후 압축강도가 250kg/㎠ 정도, 7일이 지난 후의 압축강도가 320kg/㎠ 정도, 28일이 지난 후의 370kg/㎠ 정도로 포틀랜드 시멘트(320kg/㎥)만을 사용한 경우(1일 후 319kg/㎠, 7일 후 415kg/㎠, 28일 후 485kg/㎠)에 비해 압축강도가 역시 크게 떨어지는 역기능을 나타내었다. 이러한 상압증기양생시의 혼화재의 역기능으로 인하여 상압증기양생시에는 혼화재를 적용하지 못하고 있었다.

최근에 이르러 무수석고와 포졸란 재료를 함께 시멘트 혼화재료로 사용함으로써 상압증기양생시에 혼화재를 사용할 수 있게 되었다. 무수석고는 에트린자이트생성에 따른 시멘트 경화제의 공극 충진에 의한 우수한 강도 발현 효과를 얻을 수 있어 콘크리트 표준양생에 국한되어 적용되고 있던 혼화재의 사용을 상압증기양생시까지 적용할 수 있도록 하였다.

이처럼 포졸란 재료과 무수석고를 사용한 시멘트 혼화재에 대한 종래기술로 대한민국 특허출원 제95-10079호(1995년 4월 27일 출원)가 있다. 이를 참조하면, 중심입도 1∼15㎛인 II형 무수석고 20∼60중량%, 15∼50㎛인 II형 무수석고 30∼70중량%, 플라이애쉬, 실리카흄, 슬래그, 규조토 및 카올린계 물질 중에서 선택된 1종 이상의 포졸란 물질 5∼30중량%을 사용하여 증기양생용 시멘트 혼화재를 제조하였다.

상기와 같은 종래기술은 혼화재의 사용량이 시멘트의 외할 첨가(시멘트 580kg/㎥에 혼화재 58kg/㎥를 첨가) 방식으로 무수석고의 사용으로 포졸란 재료의 반응을 활성화시켜 강도발현의 효과를 얻을 수 있는 반면, 콘크리트 2차 제품 제조시에 시멘트의 사용량을 줄이는 혼화재의 또 다른 목적에는 부적합한 단점이 있다. 즉, 상기의 종래기술에 따른 시멘트 혼화재를 사용함에 있어서, 시멘트 사용량의 15% 이상의 혼화재를 사용하면 콘크리트의 과잉 팽창이 일어나 콘크리트 제품으로 사용하기 어려운 품질적인 문제를 가지기 때문이다.

또한, 상기의 종래기술은 전체 혼화재의 80∼90% 정도를 고가인 무수석고로 충당하고 있어 혼화재의 단가가 매우 높은 단점을 가지고 있다.

본 발명은 무수석고와 포졸란 재료를 사용하되, 시멘트 2차 제품의 품질 저하 없이 혼화재의 시멘트 치환량을 증가시키고 혼화재의 단가를 낮출 수 있는 시멘트 혼화재 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 포졸란 물질과 무수석고를 포함하는 시멘트 혼화재에 있어서, 플라이애쉬, 슬래그분말, 제올라이트 중 적어도 어느 하나의 상기 포졸란 물질 70∼90중량%와, 상기 무수석고 10∼30중량%를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 시멘트 혼화재 조성물은 상기 포졸란 물질 및 상기 무수석고분말이 3400∼5000㎠/g의 분말도를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 특징적인 시멘트 이차 제품은, 상기의 시멘트 혼화재 조성물을 예정된 시멘트 사용량의 15∼50중량%만큼 치환첨가한 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 대부분의 혼화재료로 산업폐기물계 포졸란 재료인 플라이애쉬, 슬래그분말, 제올라이트 등을 사용하면서, 포졸란 재료의 반응을 활성화하기 위하여 소량의 무수석고를 첨가사용하였다.

이 경우, 전체 혼화재의 70∼90중량%를 저가의 포졸란 재료를 사용하고, 고가의 무수석고의 사용은 10∼30% 정도에 그치므로 기존의 상압증기양생용 혼화재에 비해 혼화재의 가격을 크게 낮출 수 있다.

중요한 점은 소량의 무수석고를 사용하면서 과연 어느 정도의 콘크리트 강도발현을 구현할 수 있는가에 있을 것이다. 이에, 수많은 실험을 수행하였으며, 그 결과 고가의 무수석고의 첨가를 최소화하면서 일정치 이상의 압축강도를 확보할 수 있는 각 인자에 대한 범위를 얻을 수 있었다. 즉, 상기의 포졸란 재료와 무수석고의 함량은 수많은 실험의 산물이라 할 수 있다.

이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.

본 발명의 포졸란 재료와 무수석고의 함량을 얻기 위한 실험 결과 중의 일부를 하기의 표 1 내지 표 3에 나타내었다.

우선, 통상의 포틀랜드 시멘트에 분말도 4000±500㎠/g의 혼화재(플라이애쉬, 무수석고)를 혼합한 시멘트 조성물을 KSL5105 규격에 준하여 모르타르 공시체를 제조하고 30℃에서 4시간 유지, 80℃가 될 때까지 2∼3시간 동안 승온하고, 4∼5시간 유지하였다. 그리고 자연방생하에 상압증기양생을 종료하였는데 그 물성치는 하기의 표 1과 같다.

상기 표 1을 참조하면, 포틀랜드 시멘트 100중량%를 사용하여 양생한 모르타르(NO.1)에 비해 포틀랜드 시멘트 70∼80중량%와 혼화재 20∼30중량%를 사용하여 양생한 모르타르(NO.2, NO.3)의 압축강도가 오히려 증가함을 확인할 수 있다. 특히, 조기 강도 발현의 지표인 1일 강도의 경우, NO.2 및 NO.3에서 10% 정도의 강도 증가를 보이고 있다. 한편, 혼화재를 구성함에 있어서 무수석고의 함량은 전체 혼화재의 1/3(NO.2), 1/4(NO.3) 정도에 그치고 있다.

다음으로, 통상의 포틀랜드 시멘트에 분말도 4000±500㎠/g의 혼화재(플라이애쉬, 무수석고)를 혼합한 시멘트 조성물을 콘크리트 공시체로 제작한 후 30℃에서 4시간 유지, 80℃가 될 때까지 2∼3시간 동안 승온하고, 4∼5시간 유지하였다. 그리고, 자연방생하여 상압증기양생을 종료하였는데, 그 물성치는 하기의 표 2와 같다.

상기 표 2를 참조하면, 포틀랜드 시멘트 457kg/㎥를 사용하여 양생한 콘크리트(NO.4)에 비해 포틀랜드 시멘트를 사용량을 320kg/㎥으로 줄이고 그 나머지의 양을 플라이애쉬와 무수석고로 치환하여 양생한 콘크리트(NO.5)의 압축강도가 오히려 증가함을 확인할 수 있다. 특히, 28일 강도의 경우, NO.5에서 10% 이상의 강도 증가를 보이고 있다. 한편, 혼화재를 구성함에 있어서 무수석고의 함량은 전체 혼화재의 30% 이하로 제한하였다.

상기 표 3은 상기 표 2와 같은 조건으로 상압증기양생을 실시하되, 혼화재의 포졸란 재료를 플라이 애쉬와 슬래그분말로 나누어 사용한 경우(NO.7)의 실험 결과를 나타낸 것으로, 포졸란 재료로 플라이애쉬와 슬래그분말을 사용하는 경우에도 우수한 강도 발현 특성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.

상기에서 예시한 실험 결과외에 수많은 상압증기양생 실험을 실시한 결과, 포졸란 재료를 70∼90중량% 사용하고 무수석고를 10∼30% 정도 사용하는 범위에서 시멘트만을 사용하는 상압증기양생시 경우에 비해 일정치 이상 향상된 압축강도를 확인할 수 있었다. 이러한 무수석고의 함량은 에트린자이트 생성에 따른 시멘트 경화제의 공극 충진 효과를 나타내는 임계값에 근사한 범위라 할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 시멘트 혼화재를 사용하는 경우, 시멘트 치환량을 50%까지 증가시켜도 기존의 상압증기양생용 시멘트 혼화재에서 나타나던 콘크리트의 과잉 팽창은 일어나지 않았다.

따라서, 본 발명의 시멘트 혼화재는 고가의 무수석고를 소량 사용하는 것에 의해 혼화재의 단가를 기존에 비해 1/3 이하의 가격으로 낮출 수 있으며, 시멘트 치환량 증가에 따른 콘크리트의 과잉 팽창 현상이 일어나지 않으므로 혼화재의 시멘트 치환량을 늘려 시멘트 2차 제품의 단가를 크게 줄일 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 산업폐기물인 플라이애쉬, 슬래그분말, 제올라이트 등의 사용량을 증가시킴으로써 산업폐기물의 재활용을 통한 환경보호 측면에서의 이점을 가진다.

한편, 1992년 리오 선언과 1997년 교또 선언에서 이산화탄소(CO₂)는 환경오염과 지구온난화의 주범이라는 결론을 내린 바 있다. 통상의 포트랜드 시멘트 제조시에 이산화탄소가 다량 방출되고 있으므로, 본 발명의 시멘트 혼화재는 시멘트의 사용량 감소를 통해 지구온난화 방지라는 범인류적인 과제에 부합되는 환경친화적인 제품이라 할 수 있다.

상기와 같은 장점을 가지는 본 발명의 시멘트 혼화재 조성물은 콘크리트파일, 흄관, 추진관, 침목, 콘크리트 널말뚝 등 증기양생을 필요로 하는 모든 콘크리트 제품은 물론, 표준양생시에도 당연히 적용이 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

예컨대, 전술한 실시예에서는 포졸란 재료로 플라이애쉬, 슬래그분말을 사용하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 포졸란 재료로 제올라이트를 단독 혹은 혼합 사용하는 경우에도 적용된다.

전술한 본 발명은 무수석고의 사용량 저감을 통한 시멘트 혼화재의 단가 절감 효과가 있으며, 이와 함께 혼화재의 시멘트 치환량을 증대시킴으로써 시멘트 2차 제품의 단가가 크게 절감하는 효과가 있다. 또한, 산업폐기물의 적극적 재활용과 시멘트 사용량의 저감을 통한 환경보호와 지구온난화 방지에 일익을 담당할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 포졸란 물질과 무수석고를 포함하는 시멘트 혼화재에 있어서,

   플라이애쉬, 슬래그분말, 제올라이트 중 적어도 어느 하나의 상기 포졸란 물질 70∼90중량%와,

   상기 무수석고 10∼30중량%를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재 조성물.
2. 제1항에 있어서,

   상기 포졸란 물질 및 상기 무수석고분말은,

   3400∼5000㎠/g의 분말도를 가지는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼화재 조성물.
3. 제1항 또는 제2항의 시멘트 혼화재 조성물을 예정된 시멘트 사용량의 15∼50중량%만큼 치환첨가한 것을 특징으로 하는 시멘트 이차 제품.