KR20100011712A - 희토류 원소 첨가 레미콘, 모르타르 및 콘크리트 조성물 - Google Patents

희토류 원소 첨가 레미콘, 모르타르 및 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 희토류 원소를 첨가한 기능성-환경친화형 레미콘 조성물, 모르타르 조성물 및 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 골재 75∼80 wt%, 결합재 10∼20 wt%, 혼화제 0.05∼0.08 wt%, 물 5∼8 wt% 가 혼합되어 있으며, 상기 물에는 희토류 원소가 0.1∼10 wt% 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 레미콘 조성물과, 시멘트와 모래를 섞어 반죽하는 물에 희토류 원소가 0.1∼10 wt% 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 모르타르 조성물과, 시멘트와 골재와 모래를 섞어 반죽하는 물에 희토류 원소가 0.1∼10 wt% 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 콘크리트 조성물을 제공하며, 이들에는 각각 활성화된 리그닌(lignin), 토양미생물, 미네랄 및 생장제를 혼합한 생태혼합물을 더 첨가할 수 있다.
희토류 원소, 생태혼합물, 새집증후군, 레미콘, 모르타르, 콘크리트

Description

희토류 원소 첨가 레미콘, 모르타르 및 콘크리트 조성물{Composite of ready-mixed concrete, mortar and concrete which added rare-earth elements}
본 발명은 희토류 원소를 첨가한 기능성-환경친화형 레미콘 조성물, 모르타르 조성물 및 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
일반적인 콘크리트는 그 pH가 12.5∼13인 강알칼리성을 띄고 있으며, 콘크리트의 원재료인 시멘트는 경화과정에서 이산화탄소와 암모니아성 염기성 기체, 라돈(Rn) 등 인체에 유해한 물질이 배출된다. 그리고 이러한 유해요소들은 곧 새집증후군의 원인이 되는 것이다.
또한, 콘크리트 경화과정에서 발생하는 이산화탄소, 염기 등은 건축물에 배근된 철근을 부식시키는 주요 원인이 되며, 철근부식으로 인한 콘크리트 팽창균열로 인하여 건축물의 내구성이 약화되어 건축물 수명이 단축되는 문제가 있다.
본 발명은 콘크리트 경화과정에서 발생하여 새집증후군의 원인이 되는 유해물질을 최소화시키고, 자체정화기능 및 탈취기능을 갖추고 있으며, 식물생장에도 도움이 되는 친환경적인 레미콘, 모르타르 및 콘크리트 조성물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에서는 기존의 레미콘, 모르타르 및 콘크리트 조성물에 희토류 원소와 생태혼합물을 첨가함으로서 상기 과제를 해결한다. 희토류 원소와 생태혼합물에 대한 설명은 다음과 같다.
1. 희토류 원소
희토(稀土, rare earth, RE)란 글자 그대로 지구상에 드물게 존재하는 희귀한 토양이란 뜻이다. 원소 주기율표상 원자번호 57인 란탄륨(Lanthanum:La)부터 원자번호 71인 루테튬(Lutetium:Lu)에 이르기까지의 15가지 원소를 한 묶음으로 한 란탄(Lanthan)족 원소와 원자번호 21인 스칸듐(Scandium:Sc), 원자번호 39인 이트륨(Yterium:Y)을 합친 총 17개 원소를 통들어 희토류 원소(rare earth elements, REE)라 칭한다.([표 1] 참조)
[표 1] - 희토류 원소
원소명 원소기호 원자번호
스칸튬 Sc 21
이트륨 Y 39
란탄륨 La 57
세륨 Ce 58
프라세오디뮴 Pr 59
네오디뮴 Nd 60
프로메튬 Pm 61
사마륨 Sm 62
유로퓸 Eu 63
가돌리늄 Gd 64
테르븀 Tb 65
디스프로슘 Dy 66
흘뮴 Ho 67
에르븀 Er 68
툴륨 Tm 69
이테르븀 Yb 70
루테튬 Lu 71
희토류 원소는 건조한 공기중에서도 안정을 유지하며, 열을 잘 전도하는 양조체이며, 희토류 원소가 검출되는 주요 광물로는 모나자이트(Monazite), 바스트네사이트(Bastnaesite), 제노타임(Xenotime) 등이 있다.
물리적 성질을 기준으로 보면 각 희토류 원소들이 매우 유사한 성질을 갖고 있지는 않다. 예를 들어 루테튬(Lu)의 녹는점(1,663℃)은 란탄륨(La)의 녹는점(920℃)과 큰 차이가 있으며, 1,000℃에서 이트륨(Y)과 유로퓸(Eu)의 증기압은 란탄륨(La)과 세륨(Ce)의 증기압보다 100만배나 크다. 그렇지만 희토류 원소들, 특히 원자번호가 58∼71인 란탄족 원소들은 몇 가지 공통된 특징을 갖고 있다. 세륨, 프라세오디뮴, 유로퓸은 모두 공기중에서 쉽게 부식된다. 또한 특징적으로 소량의 비금속물질이 첨가되면 이러한 성질들이 더 강해진다. 예를들어 가벼운 란탄족 원소의 금속들은 칼슘이나 마그네슘이 있을 경우 훨씬 더 빨리 부식된다. 희토류 원소 는 원자구조가 일반적으로 유사하기 때문에 이들은 화학적으로도 매우 유사하다. 이들 모두가 최외각에 3개의 전자를 가지고 있기 때문에 화합물에서 이들 원소의 산화수는 3이다. 이들은 비금속 원소와 직접 결합해 매우 안정한 붕소화물, 탄화물, 산화물과 다른 여러 이성분 화합물을 만든다.
이러한 특징이 있는 희토류는 최근 기능성 재료로서 응용범위가 확대되어 초전도반도체, 고밀도 기억소자, 레이져, 특수합금제, 정유촉매제, 특수유리, 신세라믹, 영구자석, TV브라운관, 형광램프 등 신소재 첨단제품 생산에 광범위하게 이용된다. 또한, 희토류 원소들은 최근 중국을 중심으로 농업분야에서도 응용연구가 활발히 이루어지고 있다. 희토류 금속은 식물의 청색광 흡수율을 높여 광합성작용을 촉진하며, 전분류 분해효소의 활력을 높여 종자발아를 촉진시키는 한편, 보습기능이 강력하여 농작물의 한발에 견디는 능력이 증가된다고 보고되고 있다. 특히, 식물체내의 각종효소 및 생리활성물질, 호르몬 등이 활성 촉진되어 양적, 질적 생장촉진을 통한 생산량 증가와 품질향상, 내병성 및 내환경성 증진, 농약잔류량 및 질산염의 강하 효과가 현저한 것으로 밝혀졌다.
2. 생태혼합물
생태혼합물은 활성화된 리그닌(lignin); 토양미생물; 미네랄; 및 생장제; 를 혼합한 것으로서, 이는 등록특허 10-0766555호에 의해 공개된 것이다. 상기 생태혼합물에 대한 설명은 다음과 같다.
생태혼합물에 투여되는 토양미생물로는 바실러스 서브틸러스(Bacillus subtillis), 바실러스 라이케니포미스(Bacillus licheniformis), 바실러스 모자벤시스(Bacillus mojavensis), 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium), 바실러스 퍼밀러스(Bacillus pumilus), 바실러스 에스피(Bacillus sp), 바실러스 아미로리퀴파시엔스(Bacillus amyloliquefaciens), 셀루로모나스(Cellulomonas), 셀루로모나스 비아조티아(Cellulomonas biazotea), 슈도모나스 데니프리피칸스(Pseudomonas denitrificans), 페니바실러스 폴리믹사(Paenibacillus polymyxa), 슈도모나스 스투체리(Pseudomonas stutzeri), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 니트로바실러스 지오지엔시스(Nitrobacillus georgiensis)를 예시할 수 있으며 상기 토양미생물 중 중 어느 하나 이상을 혼합하여 적용할 수 있다. 이러한 토양미생물들은 오염물질(유기물질)을 몸에 축적하여 생장하며, 먹이가 되는 오염물질(유기물질)이 충분이 있고 생육환경이 적합하면 대량으로 번식하여, 대량으로 번식한 이들이 더욱 많은 오염물질을 먹음으로써 정화가 이루어진다.
상기한 토양미생물들은 수체, 토양 등 모든 장소에서 서식하는 것으로, 어디에서든지 쉽게 입수할 수 있으므로 자연채취를 통해 쉽게 입수할 수 있고, 통상적인 인공배양 방법에 의해서도 쉽게 입수할 수 있다.
인공배양 방법에 의할 경우에는 순수배양기술에 의해 상기 토양미생물들을 추출하여 리그닌, 미네랄 등의 혼합체에 접종(seeding)할 수 있다.
이러한 토양미생물 증식과 균등한 분산을 위해서는 미생물이 부착 서식할 수 있는 부착매체가 필요하다. 부착매체는 비표면적과 공극이 커야한다. 상기한 토양미생물들은 수중에서 부유상태로 있거나 토사, 식물체 등 물체의 표면에 부착하여 서식하고 있다. 미생물을 이용한 수질정화에서는 미생물의 대량증식과 증식된 미생물이 정화공간에 균등히 분산되도록 하여야 한다. 부착매체에 부착하여 서식하는 미생물들은 생물막을 형성하며 이 생물막에서 수질정화가 일어난다.
본 생태혼합물에서의 토양미생물 부착매체는 활성화된 리그닌(lignin)이며 상기 리그닌을 다공성 재료에 섞으면, 결국 다공성 재료가 토양미생물의 부착매체로 활용되는 것이다. 상기 부착매체들 표면이나 입자사이에 유기물질이 포함된 물이 흐르면 생물막이 형성된다. 이렇게 형성된 생물막은 전해질이고 흡착성이 강하다.
상기 리그닌(lignin)은 목질화된 식물체 주성분의 한 종류로서, 페닐프로펜(phenylpropane) 골격을 가지는 구성단위체가 축합되어 스펀지와 같은 분자구조를 가지는 고분자화합물이다. 활성화된 리그닌은 광대한 비표면적(약 900,000m2/kg)을 갖고 있어 용해성 유기물질 및 미생물의 흡착 및 부착능력이 매우 크다. 또한, 활성화된 리그닌은 양이온 치환능력이 우수하므로(약 200~ 600meq/100g) 양이온 성격을 띠는 중금속을 제거한다.
본 생태혼합물은 이러한 리그닌의 특징을 이용하여, 미생물의 서식공간으로 활용하고, 후술할 미생물의 먹이 저장공간으로도 활용하는 것이다. 또한 활성화된 리그닌은 약 200meq/100g~600meq/100g 정도의 양이온 치환력이 있어 양이온 성격을 띠는 중금속을 제거할 수 있다.
따라서, 활성화된 리그닌을 다공성 재료 입자 사이에 투입하면, 다공성 재료에 미생물의 서식공간 및 먹이 저장공간이 제공되고, 다공성 재료의 용해성 유기물질 및 미생물의 흡착 및 부착능력이 극대화된다.
또한, 상기 생태혼합물에는 미생물 생장에 필요한 미네랄(mineral; Fe, Mn, B, Zn, Mo, Cu, Cl, Si, N, P, K, P, Ca, V, Al, Na, Ni, Co, S, Mg 등의 성분)과 생장제가 함유되어 있으며, 상기 생장제는 휴믹산(humic acids), 풀빅산(fulvic acids), 울믹산(ulmic acids), 휴민(humin) 중 어느 하나 이상을 포함하여 구성된 것이다.
상기 휴믹산은 식물이 땅속에서 오랜 기간 부식된 잔류물로서 일명 부식산으로 불리워진다. 휴믹산은 중간내지 고분자의 산성 물질로서 무정형이며, 색깔은 황갈색~흙갈색을 띠고, 방향족화합물인 벤젠핵과 나프탈레인, 피리딘, 안트라센등과 이중결합을 가지고 있다. 그 밖에 카르복실기, 페놀성 수산기, 알코올성 수산기, 폴리우드 나이드, 다당류, 단백질, 펩티드 등이 존재한다.
휴믹산은 기본적으로 자연상태에서는 탄화된 불용성 퇴적물로 존재하며 휴믹산의 역할은 양이온성 양분물질들의 킬레이트화, 양이온교환기능, 유용한 활성유기물 및 미량요소 공급 등이다. 휴믹산은 식물 종자의 발아 및 발아율 증가, 각종 유해 화학물질 및 중금속의 독성감소, 토양구조 개선 및 비옥화, 세포활성을 통한 성장 자극 효과, 강력한 킬레이트제, 토양의 pH 조정제, 토양 내 유효산소량증가, 세포막의 삼투력 증가, 가뭄에 대한 내성증가, 뿌리 발육 촉진 등의 효과가 있으며, 이러한 효과로 인하여 식물의 성장을 촉진시켜 각종 유기물질을 제거할 수 있다.
휴믹산은 또한 미생물에 대하여 미생물의 활성을 극대화시켜 유기물질 및 기름 등 하이드로카본과 고분자 물질을 분해한다.
상기 풀빅산은 저분자의 부식산과 비부식물질이 결합한 것으로 부식산에 비하여 탄소의 함량은 적지만 산소의 함량은 많다. 풀빅산은 Ca2 +, Mg2 +, Fe2 +, Al2 + 등과 결합하여 물에 잘 용해되는 염을 만든다.
상기 생태혼합물에 식물을 식재하는 경우 식물로부터의 산소공급에 의해 토양미생물의 성장이 활성화되고, 토양미생물은 유기물, 중금속 및 방사성 물질과 같은 무기오염물질을 체내에 흡수, 축적함으로써 오염물질을 제거하여, 이로 인해 식 물의 생장 또한 촉진된다.
미생물은 식물의 왕성한 뿌리활동으로 증진되는데, 식물의 뿌리는 전체광합성의 10~20%양에 해당하는 아미노산, 지방족, 아미드, 당류와 같은 용해성 확산물질과 점액질을 분비하여 미생물의 성장에 필요한 탄소원과 에너지원을 공급하고, 광합성 과정 중 생성된 산소가 뿌리를 통해 방출되어 근권 주변에 호기조건을 형성하며 이때 많은 양의 산소가 토양미생물에 전달됨으로써 이들의 분해활동이 촉진되고 호기성 상태를 유지시켜준다. 이때 근권은 토양미생물에 좋은 서식처를 제공하여 상당한 수의 미생물군집이 형성된다.
위와 같이, 생태혼합물에서는 토양미생물이 활성화되어 기름 등의 하이드로카본 고분자 물질 및 유기물질의 분해능력이 극대화되어, 상기 생태혼합물이 사용된 제품이 지중(地中)이나 수중(水中)에 배치되면 오염물질의 추출, 분해가 촉진되며, 상기 생태혼합물에 식물이 식재되면 식물과 토양미생물의 활성이 극대화된다. 이 때 식물은 산소공급원이 되어 토양미생물의 혐기성화를 방지하고, 토양미생물은 유기물질을 분해하여 식물의 유기물 흡수를 돕기 때문이다.
본 발명에 따른 희토류 원소가 첨가된 레미콘, 모르타르 및 콘크리트 조성물은 경화시 강도가 향상되고, 희토류 원소의 음이온 발생능력으로 중금속에 함유된 유해성분의 기능을 소실시킨다. 또한, 토양과 접촉하면 토양에 식재된 식물들의 희토류 원소 흡수이행율이 증가하여 식물생육이 촉진되고, 콘크리트 타설 후 자체독성에 의한 새집증후군을 해소할 수 있는 동시에 자체정화능력 및 탈취성능이 있어 쾌적한 실내환경을 조성할 수 있다.
또한, 희토류 원소가 첨가된 레미콘, 모르타르 및 콘크리트 조성물에 생태혼합물을 더 첨가하면 미생물 및 식물생장 환경이 조성되므로 유기물 분해 및 공기정화 작용을 기대할 수 있어 친환경 구조물에 다양하게 응용, 적용될 수 있다.
1. 희토류 원소 첨가 레미콘 조성물
본 발명은 골재 75∼80 wt%, 결합재 10∼20 wt%, 혼화제 0.05∼0.08 wt%, 물 5∼8 wt% 가 혼합되어 있으며, 상기 물에는 희토류 원소가 0.1∼10 wt% 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 레미콘 조성물을 제공한다.
상기 결합재는 시멘트, 플라이애쉬, 슬래그파우더 중 어느 하나 이상으로 구성할 수 있으며, 상기 혼화제는 분산제, 지방산금속염, 실리카, 촉진제, 가소제, 계면활성제의 혼합물을 적용할 수 있다.
상기 희토류 원소의 통상적인 용해량은 물 중량의 0.1∼5%가 적정선이나, 수중타설, 큰 강도를 요구하는 경우, 폐수 또는 하수 관로 등 특수한 상황에 적용하 고자 하는 경우에는 물 중량의 5∼10%가 되도록 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 희토류 원소 첨가 레미콘 조성물에는 활성화된 리그닌(lignin), 토양미생물, 미네랄 및 생장제를 혼합한 생태혼합물을 전체 중량대비 0.1∼5 % 더 첨가시킬 수 있다.
2. 희토류 원소 첨가 모르타르 조성물
본 발명은 시멘트와 모래를 섞어 반죽하는 물에 희토류 원소가 0.1∼10 wt% 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 모르타르 조성물을 제공한다.
상기 희토류 원소 첨가 모르타르 조성물에는 활성화된 리그닌(lignin), 토양미생물, 미네랄 및 생장제를 혼합한 생태혼합물을 전체 중량대비 0.1∼5 % 더 첨가시킬 수 있다.
3. 희토류 원소 첨가 콘크리트 조성물
본 발명은 시멘트와 골재와 모래를 섞어 반죽하는 물에 희토류 원소가 0.1∼10 wt% 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 콘크리트 조성물을 제공한다.
상기 희토류 원소 첨가 콘크리트 조성물에는 활성화된 리그닌(lignin), 토양미생물, 미네랄 및 생장제를 혼합한 생태혼합물을 전체 중량대비 0.1∼5 % 더 첨가 시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 골재 75∼80 wt%, 결합재 10∼20 wt%, 혼화제 0.05∼0.08 wt%, 물 5∼8 wt% 가 혼합되어 있으며, 상기 물에는 희토류 원소가 0.1∼10 wt% 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 레미콘 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 결합재는 시멘트, 플라이애쉬, 슬래그파우더 중 어느 하나 이상으로 구성된 것이며,
    상기 혼화제는 분산제, 지방산금속염, 실리카, 촉진제, 가소제, 계면활성제의 혼합물인 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 레미콘 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    활성화된 리그닌(lignin), 토양미생물, 미네랄 및 생장제를 혼합한 생태혼합물이 전체 중량대비 0.1∼5 % 더 첨가된 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 레미콘 조성물.
  4. 시멘트와 모래를 섞어 반죽하는 물에 희토류 원소가 0.1∼10 wt% 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 모르타르 조성물.
  5. 제4항에서,
    활성화된 리그닌(lignin), 토양미생물, 미네랄 및 생장제를 혼합한 생태혼합물이 전체 중량대비 0.1∼5 % 더 첨가된 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 모르타르 조성물.
  6. 시멘트와 골재와 모래를 섞어 반죽하는 물에 희토류 원소가 0.1∼10 wt% 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 콘크리트 조성물.
  7. 제6항에서,
    활성화된 리그닌(lignin), 토양미생물, 미네랄 및 생장제를 혼합한 생태혼합물이 전체 중량대비 0.1∼5 % 더 첨가된 것을 특징으로 하는 희토류 원소 첨가 콘크리트 조성물.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102030504A (zh) * 2010-11-03 2011-04-27 张斌 两次混配双组份预拌砂浆的制作方法
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