KR20050105153A - 환경친화적이며, 속경성 및 고강도 특성을 가지는 흙포장용 조성물 - Google Patents

환경친화적이며, 속경성 및 고강도 특성을 가지는 흙포장용 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 환경친화적이며, 속경성 및 고강도 특성을 가지는 흙 포장용 조성물에 관한 것으로서, 본 발명은 아윈계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 25 내지 45중량%; 시멘트 10 내지 30중량%; 고로 슬래그 미분말 10 내지 40중량%; 무수석고 10 내지 30중량%; 알칼리금속탄산염, 알칼리금속중탄산염, 알칼리금속황산염, 알칼리금속규산염, 알칼리금속수산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 강도촉진제 0.1 내지 3중량%; 및 유기산, 유기산의 염류. 인산, 인산 염류, 붕산, 알칼리금속붕산염, 규불화물, 전분, 당류 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 응결지연제 0.1 내지 3중량%로 이루어진 첨가물을 흙 1m3에 80~250kg 포함시킨 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 흙 포장용 조성물 . 이와 같은 본 발명은 건설현장에서 발생되는 폐부산물 중 대표적인 건설잔토를 비롯한 대부분의 토양을 주재료로 하여 포장을 시공함으로서 경제적이며 포장에 있어서는 단단한 표층기반을 형성하고 원적외선 방출 및 보수, 통기성 등의 흙의 특성을 그대로 보유하고, pH가 10 이하로 낮아 환경친화적이며, 또한 속경성을 가지고 있어, 시공 후 개통시간을 단축할 수 있으며, 배합설계에 따라 150~450kgf/cm2의 고강도를 얻을 수 있어 고내구성의 포장 재료로 사용이 가능하다.

Description

환경친화적이며, 속경성 및 고강도 특성을 가지는 흙 포장용 조성물 {Composition for paving with soil having an environmental affinity, a rapidly hardening property and a high strength property}
본 발명은 흙 포장용 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아윈계 (Hauyne 4CaO.3Al2O3.CaSO4) 광물을 주성분으로 하는 클링커를 이용하여 환경친화적이면서 속경성 및 고강도 특성을 가지는 흙 포장용 조성물에 관한 것이다.
기존에 차도 또는 보도를 포장하는 재료의 하나로서 사용되고 있는 시멘트 포장은 압축강도에 비해 상대적으로 낮은 휨강도 및 휨인성으로 인해 많은 문제점이 발생하며, 건조수축에 의해 균열이 발생하기 쉽다는 약점을 가지고 있다.
또한 시멘트 포장은 그 색상이 회색으로 한정되기 때문에 도시나 농촌을 불문하고 주위환경을 획일화하며 일광의 난반사에 따른 안전사고의 위험성이 상존하고 있을 뿐만 아니라 자연회귀가 거의 불가능하여 수명이 다할 경우, 별도의 폐기처리과정을 필요로 하며 이에 따른 별도의 폐기처리비용이 과다하게 소요되는 실정이다.
이러한 시멘트 포장의 대안으로서 고화재를 토양과 혼합하여 일정수준 이상 (10kgf/cm2)의 일축압축강도를 얻는 방법이 제안되었으며, 속경성 클링커 광물을 사용하여 초기에 다량의 에트링자이트를 형성시킴으로서 조기에 강도를 발현시키는 흙 포장이 활용되고 있다.
그러나 종래의 흙 포장을 위한 첨가물을 사용하는데 있어서, 대량 타설을 위해 레미콘 공장 혼합설비를 활용할 경우, 충분한 작업시간의 확보를 위해 지연제의 사용량을 증가시키면 조기강도의 발현이 늦어지게 되고, 또한 동절기 기온이 낮은 경우에도 강도의 발현이 늦어져 양생 기간이 더 소요된다는 문제점을 가지고 있다.
또한 흙 포장용 첨가물의 pH가 10보다 높은 알칼리성이기 때문에 농로 포장 등의 농업기반 정비에 사용되는 경우 생물의 생육을 파괴하고 환경부하가 비교적 큰 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 대량시공 시 충분한 작업시간을 확보하여 도로 포장용으로 이용될 수 있는 강도 및 속경 특성을 갖고, pH가 10보다 낮아 생물의 생육이 가능한 환경친화적이며, 속경성 및 고강도 특성을 가지는 흙 포장용 조성물을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은
아윈계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 25 내지 45중량%;
시멘트 10 내지 30중량%;
고로 슬래그 미분말 10 내지 40중량%;
무수석고 10 내지 30중량%;
알칼리금속탄산염, 알칼리금속중탄산염, 알칼리금속황산염, 알칼리금속규산염, 알칼리금속수산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 강도촉진제 0.1 내지 3중량%; 및
유기산, 유기산의 염류. 인산, 인산 염류, 붕산, 알칼리금속붕산염, 규불화물, 전분, 당류 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 응결지연제 0.1 내지 3중량%로 이루어진 첨가물을 흙 1m3에 80~250kg 포함시킨 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 흙 포장용 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 흙 포장용 조성물에 있어서, 상기 강도촉진제로는 탄산칼륨, 응결지연제로는 주석산인 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 흙 포장용 조성물을 구성하는 각각의 구성성분의 특징과 작용에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 아윈계 광물은 석회석 약 30~40중량%, 저품위 보오크사이트 약 30~50중량% 및 석고 약 10~20 중량%를 원료로서 혼합하고 로타리 킬른에서 1300℃에서 소성하여 냉각하여 얻어진다.
본 발명에서 사용될 수 있는 아윈계 광물을 조성적으로 살펴보면 아윈 (4CaO.3Al2O3.SO3)이 70중량%, 벨라이트(2CaO.SiO2)가 10~20중량%, 이외에 철 및 마그네슘을 함유한 규산염이 약 5중량%로 구성되어 있다.
이와 같은 아윈계 광물은 수화 시에 석고와 반응함으로서 에트링자이트 또는 모노설페이트를 형성함으로서 본 발명의 고강도 흙 포장용 조성물이 속경성을 갖게 하며, 빠른 시간에 강도발현이 가능하도록 한다. 이와 같이 형성되는 에트링자이트 수화물은 결합수가 많고 고강도 특성을 가지며, 유기물의 존재 하에서도 생성되는 특성을 가지고 있기 때문에 본 발명에 특히 적합하다.
아윈계 광물의 분말도는 블레인 비표면적으로 3,000~8,000cm2/g이 가능하며, 5,000± 500cm2/g이 가장 바람직하다. 이러한 블레인 비표면적은 초기의 반응속도에 영향을 미치는 중요한 인자이며, 비표면적이 높을수록 빠른 반응속도를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 석고로서는 무수석고, 반수석고, 및 이수석고를 들 수 있으며, 또는 천연산 석고, 인산석고, 배연탈황석고 및 불산석고 등의 화학석고 또는 이들을 열처리해서 얻어진 석고 등을 들 수 있다. 이들 중에서 천연 무수석고, 특히 천연 II형 무수석고는 반수석고나 이수석고에 비해서 용해속도가 느리기 때문에 아윈계 광물과의 반응성에 적합하며, 고강도를 나타내며 흙 포장 콘크리트의 안정성에도 기여한다
본 발명에서 사용되는 고로슬래그 미분말은 고로슬래그 미분말은 용광로에서 선철과 함께 생성되는 용융슬래그를 급냉시켜 얻은 입상의 수쇄슬래그를 건조하여 미분화한 것으로 잠재 수경성이 있다. 고로슬래그 미분말의 반응성은 일반적으로 염기도 및 유리화율이 높을수록 크고 비중은 2.88~2.95 범위이며 분말도는 블레인 비표면적으로4,000~8,000cm2/g이 가능하며 6,000± 500cm2/g이 가장 바람직하다.
고로슬래그 미분말을 사용함에 따라 표면활성도가 증가하며, Al2O3의 용출속도가 빨라지게 되어 에트링자이트의 생성이 촉진되며 또한 C-S-H계 수화물의 겔화를 촉진시키는 것과 동시에 미 반응 부분을 감소시키는 효과가 있다. 또한 고로슬래그 미분말의 CaO성분은 40~45중량% 전후로서 알칼리도가 상대적으로 낮기 때문에 흙 포장 콘크리트에서 용출되는 pH의 저감에 매우 효과적이다.
본 발명에서의 강도촉진제로서는 탄산리튬, 탄산나트륨 및 탄산칼륨 등의 알칼리금속탄산염, 탄산수소나트륨, 탄산수소칼륨 등의 알칼리금속중탄산염, 황산리튬, 황산나트륨 및 황산칼륨 등의 알칼리금속황산염, 규산리튬, 규산나트륨 및 규산칼륨 등의 알칼리금속규산염, 수산화리튬, 수산화나트륨 및 수산화칼륨 등의 알칼리금속수산화물을 들 수 있다. 이들 중에서 응결지연 후의 초기강도의 증진이 큰 탄산칼륨의 사용이 바람직하며 특히 낮은 온도에서도 초기강도의 발현이 우수하기 때문에 동절기 흙 포장 콘크리트의 시공기간을 단축할 수 있다. 강도촉진제의 입도는 특히 한정되어 있는 것은 아니고 통산 시판되고 있는 것을 사용하면 충분히 사용이 가능하다.
응결지연제로서는 구연산, 글루콘산염, 주석산 등과 같은 유기산, 유기산류의 나트륨염, 칼륨염, 리튬염 및 칼슘염과 같은 유기산의 염류, 인산, 인산 염류, 붕산, 알칼리금속붕산염, 규불화물, 전분 및 당류 등을 들 수 있다. 본 발명에서는 이들 중에서 흙 포장 작업을 하는데 있어, 충분한 작업시간을 유지하고 응결시간을 넓은 범위에서 조정이 가능한 주석산을 사용하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 특성을 갖는 본 발명에 따른 흙 포장용 조성물은 아윈계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 25내지 45중량%, 시멘트 10내지 30중량%, 고로슬래그 미분말 10내지 40중량%, 천연 II형 무수석고 10 내지 30중량%, 탄산칼륨 0.1 내지 3.0중량%, 주석산 0.1 내지 3.0중량%가 바람직하다
상기한 구성성분을 갖는 본 발명의 고강도 흙 포장용 조성물에서 발생되는 특징적인 반응은 다음과 같다.
1) 에트링자이트의 생성
에트링자이트는 3C3A.CaSO4.32H2O의 화학식을 갖는 화합물로서 다량의 수분을 결합수로 고정화하는 것이 가능함으로, 물비를 저하시켜 흙입자의 이동을 구속하고 흙입자간의 결합이 가능한 상태로 만든다. 또한 발명의 조성물에서는 탄산칼륨을 포함할 수 있어, 에트링자이트의 생성반응이 촉진되어, 조기강도의 발현이 우수하다.
2) 포졸란 반응
고로슬래그 미분말 및 토양에 포함되어 있는 SiO2, Al2O3 등의 가용성분이 Ca(OH)2와 불용성의 수화물을 생성하며 경화한다.
3) 토양입자의 응집
포틀랜드 시멘트에서 용출된 초기의 다량의 칼슘이온은 토양입자를 응집시킨다.
다음으로 본 발명에 따른 흙 포장용 조성물을 사용한 흙 포장재에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 고강도 흙 포장용 조성물은 흙의 배합수와 함께 혼합되어 흙 포장재를 구성하게 된다.
본 발명의 조성물의 사용량은 고화대상 흙의 특성, 고화처리 후의 요구강도 등에 따라 결정되어지지만 일반적으로 흙 1m3 당 80~250kg이 적당하다.
본 발명의 조성물을 첨가, 혼합하는 방법은 특별한 제약은 없지만, 각 성분을 미리 혼합하여 고화대상 흙에 첨가, 혼합하는 일반적인 방법이 가장 널리 사용되며, 이때 균질하게 혼합되는 것이 가장 중요하다. 또한 대량 타설을 위해 레미콘 공장의 혼합설비를 이용하여 흙과 혼합재를 혼합한 후 덤프트럭 등을 이용하여 현장 운반하여 시공할 수 있다.
본 발명에 따른 흙 포장용 조성물을 사용하는 경우, 처리 대상 토양의 유동성, 산모래 재생율을 동시에 향상시키기 위한 목적으로 유동화제, 고성능 감수제 등을 병용할 수 있다.
본 발명의 흙 포장재의 주원료인 흙은 조립토 계열이 유리하고, 이중에서도 특히 모래 및 모래진흙 계열이 특히 우수한 특성을 나타내며, 건설잔토로 폐기되고 있는 마사토를 재활용하거나 원적외선을 방사하는 황토를 사용할 수도 있다.
그러나 이때 유의해야 할 점은 몇몇 유기토양이나 반응성을 가진 토양은 사전실험을 통해 배제하여야 한다. 다음으로 토양입자의 크기의 경우, 일반적인 경우 No. 200체를 통과한 양이 5~35% 내외의 범위가 적합하고 No. 4체를 통과하는 양이 55% 내외인 것이 성능발현에 있어서 가장 유리하다. 굵은 골재가 사용될 수도 있는데 이 경우 최대골재치수는 13mm 이하로 제한하는 것이 좋다.
배합수는 기름, 산, 유기물 등의 이물질이 혼입되어, 흙 포장재의 품질에 영향을 주지 않아야 하며, 지하수, 공업용수, 하천수 등을 사용할 수 있으나, 일반적으로 음용수로 사용가능한 수질의 배합수를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 흙 포장용 조성물의 강도발현 메커니즘은 토양 자체의 개량효과, 조성물에 의한 수화반응, 토양의 가용성분과 조성물과의 반응 3단계로 분류되는 바, 본 발명에 따른 흙 포장용 조성물을 사용한 흙 포장재의 강도발현 메커니즘을 살펴보면 다음과 같다.
아윈광물은 물과 반응하여 3CaO.3Al2O3.CaSO4~23CaO.Al2O3.Ca(OH)2.12H2O의 고용체를 형성하며, 이때 무수석고에서 용해된 SO3가 존재할 때에는 에트링자이트 (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O)가 생성하게 된다. 이러한 에트링자이트는 다량의 물과 결합된 침상 결정으로 안정성이 매우 높은 수화물상이며, 에트링자이트의 급속한 생성에 따라 토양중의 수분을 빠르게 고정화하여 함수비를 저감화하는데 기여한다.
본 발명에 따른 흙 포장용 조성물을 사용한 흙 포장재의 시공법에 대한 흐름도를 도 1에 나타내었다. 본 발명에 따른 흙 포장재는 자연 상태의 노상위에 표층으로 시공하거나 보조기층이 필요한 경우 노상위에 보조기층을 시공하고 그 위에 표층으로서 시공한다.
여기서 노상이란 포장의 두께를 결정하는 기초가 되는 흙의 구분으로 통상 포장 및 약 1m의 층을 말하며, 노상의 지지력은 CBR시험에 의해 판정하도록 한다. 보조기층이란 자연상태를 최대한 보장하기 위한 안정화된 흙의 층을 말한다. 이때 균등하고 영구적인 지지력을 제공하여야 하고, 노상반력계수를 증대시켜야 하며, 동결융해에 대한 손상이 극소화되어야 한다.
노상면과 보조기층은 일반적인 공사와 동일하게 시공하며, 흙 포장재는 인력 및 휘니셔로 포설하고 포설 전 기층면에 적정량의 물을 살포하여 표층과의 분리현상이 일어나지 않도록 하는 것이 중요하다. 또한 사질토인 경우에는 흙 포장용 조성물을 스프레이식으로 살포하여도 무방하나, 점성토인 경우에는 균질한 혼합을 위해 믹서를 사용하는 것이 바람직하며 흙의 적정 수분은 12% 내외가 가장 바람직하다.
다음으로 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같은 실시예로 본 발명이 한정되는 것이 아님은 명백하다.
<실시예 1>
본 실시예 1은 표 1에서 보는 바와 같이 아윈계 광물, 무수석고, 고로슬래그 미분말을 흙 포장용 조성물의 기본 조성으로 배합하였을 경우이며, 보통 포틀랜드시멘트 100% 및 일부 생석회를 사용한 경우와 비교 검토한 실시예이다. 표 1의 단위는 중량%이다.
아윈계 무수석고 보통 포틀랜드시멘트 생석회 고로슬래그 미분말 합계
실시예 1 35 20 10 - 35 100
비교예 1 35 20 10 35 - 100
비교예 2 - - 100 - - 100
상기 표 1에 표시된 바와 같은 흙 포장용 조성물을 이용하여 흙 포장재를 만들기 위한 대상 흙은 하기 표 2와 같은 화학성분을 가지는 경기도 광주에서 채취한 함수비 12%의 마사토 및 황토를 사용하였으며 대상 토양 1m3당 사용되는 조성물은200kg으로 하였다.
SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 K2O Na2O SO3 Ig. Loss
마사토 68.3 16.1 0.44 0.99 3.92 4.45 1.52 0.16 3.53
황토 59.9 18.9 0.06 1.48 7.99 2.49 0.26 0.02 8.08
상술한 바와 같은 표 1의 조성물에 표 2의 흙을 혼합한 포장재의 강도측정을 위하여 일정 형상을 갖는 틀에 투입하여 공시체를 제작하고 상대습도 95%, 온도 23℃의 양생 조건에서 1일간 기건양생을 행한 다음 28일까지 23℃ 수조에서 침지시켜 수중양생을 행한다. 1일 측정을 제외하고는 측정일 1일 전에 물에 침지한 공시체를 꺼내어 물기를 제거하고 일축압축강도를 측정하였다. 이와 더불어, 공시체의 pH를 측정한 결과를 표 3에 나타내었다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2
마사토 pH 9.5 10.9 12.7
압축강도 1일 85 62 25
7일 114 96 57
28일 193 163 96
황토 pH 9.3 10.8 12.5
압축강도 1일 76 60 21
7일 109 91 50
28일 183 155 94
상기 표 3에서 나타난 물성을 보면 본 발명의 실시예 1의 경우가 이전의 생석회를 사용한 배합에 비하여 pH가 상당히 저감된 것을 알 수 있으며, 조기 및 장기 강도발현 측면에서도 훨씬 우수한 것으로 나타났다. 또한 보통 포틀랜드 시멘트만을 사용한 비교예 2에 비해서는 월등히 낮은 pH를 나타내어, 생물의 생육환경에 적합한 친환경적인 흙 포장 재료임을 알 수 있다.
<실시예 2>
본 실시예 2는 대량시공을 위해 레미콘 공장의 혼합설비를 사용하여야 하는 경우, 작업시간확보를 위해 지연제를 첨가하였을 때 후기 강도발현을 높이기 위해 실험 것이다. 실시예 1의 배합에 마사토를 사용하고, 지연제 및 촉진제로 주석산 및 탄산칼륨을 병행하여 외할로 첨가하여 사용하였을 경우의 배합을 표 4에 이에 따른 가사시간 및 압축강도의 변화를 표 5에 나타내었다.
아윈계 무수석고 보통포틀랜드 시멘트 고로슬래그미분말 주석산 탄산칼륨
비교예 3 35 35 10 35 0 0
비교예 4 0.5 0
비교예 5 1 0
실시예 2 1 1
가사시간(분) 압축강도(kgf/cm2)
1일 7일 28일
비교예 3 20 85 114 195
비교예 4 45 75 105 187
비교예 5 70 69 100 178
실시예 2 65 103 136 210
상기 표 5에서 보듯이 지연제의 첨가량이 증가됨에 따라 가사시간은 증가하지만, 흙 포장재의 초기 및 장기강도는 감소하는 경향을 보이나, 탄산칼륨을 1% 외할 첨가한 실시예 2는 충분한 가사시간 확보 및 초기, 장기 강도의 발현이 매우 우수한 것으로 나타났다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 흙 포장용 조성물 및 이를 포함하는 흙 포장재는 다음과 같은 효과를 가지고 있다.
첫째, 본 발명에 따른 흙 포장용 조성물은 건설현장에서 발생되는 폐부산물 중 대표적인 건설잔토를 비롯한 대부분의 토양을 주재료로 하여 포장콘크리트를 시공함으로서 경제적이다.
둘째, 본 발명에 따른 흙 포장재는 초기재령에 있어서, 속경화성 강도를 발현하는 특성이 있으며, 조성물의 사용하는 양에 따라 150~450kgf/cm2의 고강도를 얻을 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 흙 포장용 조성물을 사용하는 흙 포장재는 기존 시멘트 포장의 최대 단점인 취성 즉 압축강도에 비해 휨강도, 휨 인성을 증진시킨다.
넷째, 본 발명의 흙 포장재는 pH가 10이하로 매우 낮아, 생물의 생육이 가능하며, 황토와 같은 흙과 함께 시공하는 경우, 인체에 유익한 원적외선을 방출하여 보행자의 건강을 증진시킬 수 있다. 또한 폐기 시 장기간이 경과하면 풍화과정 등을 통해 자연 회귀가 가능하여 폐기물 처리비용이 절감되는 등 매우 환경친화적이고 자연친화적이다.
다섯째, 본 발명의 흙 포장재는 시공하는 상황에 따라, 지연제 및 촉진제를 병용함으로서 충분한 가사시간의 확보 및 안정적인 조기, 장기강도의 발현을 꾀할 수 있어, 고 내구성의 포장재로 활용이 가능하다.
여섯째, 동절기 표면동결현상이 상대적으로 저감되어 공용수명 증진효과를 가지며, 하절기에는 아스팔트나 콘크리트와 달리 열의 흡수나 전도특성이 상대적으로 낮아서 도로손상에 의한 주행성 악화가 크게 저감된다.
도 1은 본 발명에 따른 흙 포장용 조성물의 시공법에 대한 흐름도이다.

Claims (2)

  1. 아윈계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 25 내지 45중량%;
    시멘트 10 내지 30중량%;
    고로 슬래그 미분말 10 내지 40중량%;
    무수석고 10 내지 30중량%;
    알칼리금속탄산염, 알칼리금속중탄산염, 알칼리금속황산염, 알칼리금속규산염, 알칼리금속수산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 강도촉진제 0.1 내지 3중량%; 및
    유기산, 유기산의 염류. 인산, 인산 염류, 붕산, 알칼리금속붕산염, 규불화물, 전분, 당류 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 응결지연제 0.1 내지 3중량%로 이루어진 첨가물을 흙 1m3에 80~250kg 포함시킨 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 흙 포장용 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 강도촉진제가 탄산칼륨이고, 응결지연제가 주석산인 것을 특징으로 하는 흙 포장용 조성물.
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