KR20100037889A - 결합재로 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법 - Google Patents

결합재로 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적하는 바는 제조 시 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신에 결합재로서 적정비율의 산업폐기물인 폐유리 미분말과 화력발전소의 부산물인 플라이애쉬를 동시에 적용하고, 또한 활성화제로서 적정비율의 NaOH와 쇼듐실리케이트를 적용하여, 작업성이 우수하고 압축강도 20~60MPa급의 무시멘트 콘크리트의 제조방법을 제공하고자 하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배합원료로서 결합재, 활성화제, 잔골재, 굵은골재, 물 및 고성능감수제를 포함하고, 이들 배합원료를 배합하고, 교반하는 과정과 40~60℃에서 0.5~1일의 양생하는 과정을 거쳐 콘크리트를 제조하는 방법에 있어서, 상기 결합재는 분말도 2,000~4,000cm2/g의 폐유리 미분말과 2,000~5,000cm2/g의 플라이애쉬가 중량비로 3:97~20:80의 비율로 구성되는 것이며, 상기 활성화제는 6~12Mole NaOH와 쇼듐실리케이트가 중량비로 0.75:1.25~1.25:0.75의 비율로 구성되는 것임을 특징으로 한다.
폐유리미분말, 플라이애쉬, 무시멘트 콘크리트, 활성화제

Description

결합재로 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF CEMENT ZERO CONCRETE USING MIXED WASTE GLASS POWDER AND FLY ASH AS BINDER}
본 발명은 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트(시멘트 ZERO 콘크리트)의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐유리미분말의 수화반응과 플라이애쉬의 중합반응를 이용하여 시멘트를 사용하지 않고서도 콘크리트를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
세계적으로 지구 온난화 방지를 위하여 다양한 형태의 노력(1997년 채택, 2005년 발효된 교토 의정서 2012년 종료)을 가하고 있는 가운데 2007년 12월에는 인도네시아 발리에서 ‘발리 로드맵’을 채택함에 따라 2009년 까지 새 기후변화 협약을 위한 협상이 진행되고 있다. 이에 따라 전 세계적으로 이산화탄소 등 온실가스의 배출량을 큰 폭으로 줄여야 하는 실정에 있다.
한편, 콘크리트 제조 시 근간이 되는 시멘트 1 톤을 생산하는 데 이산화탄소를 약 0.9톤을 배출할 정도로 시멘트 산업은 철강산업과 더불어 주요 이산화탄소 배출 산업이므로 이에 대한 방법 및 대체 물질이 제시가 시급히 요구되고 있다.
국내의 시멘트 생산량은 1년에 약 6,000만 톤으로 이산화탄소를 약 5,400만 톤 배출하고 있다. 이에 대한 타개책의 일환으로 산업부산물을 이용하여 시멘트를 대체하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.
국외에서는 중합반응에 의한 알칼리 활성화 시멘트(콘크리트)에 관한 기술은 개념적으로 1978년 Davidovits(프랑스)에 의해 카올리나이트 광물질을 이용하고 제올라이트와 유사한 구조를 가지도록 하는 메커니즘으로 이론이 정립되었지만, 제조상의 문제점 및 경제성 등의 이유로 실용화가 이루어지지 않았다.
화력발전소의 산업부산물인 석탄회(coal ash)는 1년에 600만 톤을 배출하고 있으며 매년 증가하는 추세에 있다. 현재 발생하는 석탄회 중 50% 정도를 시멘트 제조용 원료(점토 대체재), 콘크리트용 혼화재(mineral admixture) 등으로 재활용하고 있으나, 나머지는 해안 및 육상 매립에 의해 처리되고 있어 매립지확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라 매립 시 발생되는 침출수와 미세 분말로 구성된 석탄회의 분진 침출에 의해 많은 환경문제를 유발하고 있다.
일반적으로 석탄회를 콘크리트에 사용할 경우에는 시멘트의 일부(약 10~30%)로 대체하여 사용하고 있으나, 화력발전소에서 배출되는 석탄회가 50% 정도를 전부 자원화시키기 위해서는 현재 보다 사용량을 더욱 증가시킬 필요가 있다.
이러한 석탄회는 콘크리트의 제조시에도 사용되어지는데, 시멘트를 전혀 사용하지 않고 석탄회만을 사용하여 콘크리트를 제조하는 종래의 기술로서, 60℃ 이상의 고온양생(일반적으로 90℃) 과정을 통해 석탄회의 유리(glassy) 피막을 파괴하여 반응시키는 일종의 중합반응을 유도하여 강도를 확보하는 방법이 있으나, 이 방법으로는 30MPa 정도의 비교적 낮은 강도밖에 발현되지 않은 단점이 있다.
한편, 유리는 우리 생활에 널리 사용되고 있는 재료로서 사회 전반에 걸쳐 사용되고 있으나, 유리는 쉽게 파괴되어 심각한 폐기물로 많은 양이 매립에 의존하고 있는 실정이다. 현재 폐유리는 1년에 73만 톤 정도가 발생하여 그 중에서 70% 정도가 병, 타일, 블록, 섬유 등에 재활용되고 있으며 나머지 30% 정도는 매립에 의존하고 있으므로 나머지도 자원화시킬 필요가 있다. 폐유리가 파쇄공정의 반복되면서 폐유리 파편이 폐유리 미분말로 발생하게 된다. 폐유리 미분말의 주요성분은 SiO2가 60~80%, Al2O3가 10~20%, CaO가 5~10% 정도가 포함되어 있어 수화반응 및 중합반응을 발생할 가능성이 매우 높으나, 아직까지 무시멘트 콘크리트의 결합재로 적용되지 않고 있다.
그리고, 종래 기술 중에 고로슬래그를 단독으로 사용하여 알칼리 활성화제에 의해 수화를 촉진시켜 50MPa 이상의 압축강도가 발현되나, 급격한 유동성 저하 및 초기 급결현상 등으로 작업성을 확보하기 어렵고, 수축 등이 크게 발생하여 실용화하는데 문제가 되고 있다.
또한, 종래 기술 중에는 메타카올린을 사용하는 경우가 있으나, 카올린을 700~800℃로 소성하여 메타카올린을 사용하기 때문에 이 과정에서 이산화탄소를 배출하고 가격도 고가이어서 실용화하는 데 문제점이 있었다.
이에 상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 제조시 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신에 결합재로서 적정비율의 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 동시에 적용하고, 또한 활성화제로서 적정비율의 NaOH와 쇼듐실리케이트를 적용하여, 작업성이 우수하고 60℃ 이하의 양생조건에서도 압축강도 20~60MPa급의 무시멘트 콘크리트의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 배합원료로서 결합재, 활성화제, 잔골재, 굵은골재, 물 및 고성능감수제를 포함하고, 이들 배합원료를 배합하고, 교반하는 과정과 양생하는 과정을 거쳐 콘크리트를 제조하는 방법에 있어서,
상기 결합재는 분말도 2,000~4,000cm2/g의 폐유리 미분말과2,000~5,000cm2/g의 플라이애쉬가 중량비로 3:97~20:80의 비율로 구성되는 것이며, 상기 활성화제는 6~12Mole NaOH와 쇼듐실리케이트가 중량비로 0.75:1.25~1.25:0.75의 비율로 구성되는 것임을 특징으로 하는 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 무시멘트 콘크리트 제조방법에 따르면, 폐유리미분말과 플라이애쉬의 혼합비에 따라 40~60℃에서 0.5~1일의 양생과정을 통해 압 축강도를 20~60MPa 범위까지 확보할 수 있고, 콘크리트 제조 후 1시간까지 유동성이 유지되어 충분한 작업성을 확보할 수 있으며, 건조수축, 내구성이 매우 우수하기 때문에 시멘트를 사용한 일반 콘크리트를 대신하여 콘크리트 구조물에 충분히 적용 가능할 것으로 판단된다.
또한, 현재 국내에서 폐유리와 석탄회를 각각 73만 톤과 600만 톤을 배출하고, 이 중에서 각각 70%와 50% 정도가 재활용되고 있는 것을 고려하여 나머지 22만 톤과 300만 톤을 콘크리트에 전부 사용한다고 가정하면 이산화탄소를 290만 톤 정도 저감할 수 있다.
또한, 콘크리트 제조에 시멘트를 전혀 사용하지 않기 때문에 시멘트 제조 시 다량의 CO2 가스의 발생을 줄일 수 있어 환경오염을 줄이고, 산업 폐기물인 폐유리 미분말과 산업 부산물인 플라이애쉬가 재활용되므로 매립지 확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라, 매립 시 발생되는 침출수와 미세 분말로 구성된 폐유리 미분말과 석탄회의 분진 침출에 의해 많은 환경문제 등을 저감시킬 수 있다. 따라서 향후 건설현장의 여러 방면에서 보통강도와 고강도 콘크리트 모두를 제조할 수 있어 광범위하게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 무시멘트 콘크리트 제조방법에서의 콘크리트 배합원료는 결합재, 활성화제, 잔골재, 굵은골재, 물, 고성능감수제 등으로 이루어진다. 즉, 본 발명의 무시멘트 콘크리트 제조방법은 통상의 콘크리트의 제조방법에서, 시멘트를 첨가하지 않고 이를 대신하여 결합재로서 적정비율의 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 사용하고, 활성화제로서 NaOH와 쇼듐실리케이트를 사용하는 것이 특징이다.
상기 폐유리 미분말은 분말도 2,000~4,000cm2/g의 것을 사용하고, 상기 플라이애쉬는 분말도 2,000~5,000cm2/g의 것을 사용한다.
이는 폐유리 미분말과 플라이애쉬의 분말도가 2,000cm2/g미만인 경우에는 반응성이 작아 강도발현에 불리하고, 폐유리 미분말의 분말도가 4,000cm2/g를 초과하는 경우와, 플라이애쉬의 분말도가 5,000cm2/g을 초과하는 경우에는 반응성이 크지만, 배합수 및 고성능감수제를 흡착하기 때문에 작업성이 저하되고, 미분말시키기 위해 분쇄하는 과정 또는 분급하는 과정을 걸쳐야 하기 때문에 경제성이 저하될 수 있기 때문이다.
상기 폐유리 미분말과 플라이애쉬는 중량비로 3:97~20:80의 비율로 배합되는데, 폐유리 미분말의 중량비율이 3% 미만(플라이애쉬의 중량비율이 97%를 초과)하는 경우에는 작업성이 확보되나 반응성이 저하되어 강도가 30MPa 정도로 비교적 낮에 발현되는 문제가 있고,
폐유리 미분말의 중량비율이 20%를 초과(플라이애쉬의 중량비율이 80% 미만)인 경우에는 칼슘이온 등이 급속히 수화되면서 위응결(false setting)이 발생하여 작업성이 급격히 저하될 뿐만 아니라 폐유리 미분말의 화학구조가 안정화되어 반응이 한정되어 있기 때문에 콘크리트 내부에는 경화가 되지 않고 겔 상태로 남아 있어 오히려 강도가 낮아지고, 강도를 향상시키기 위해서는 더 많은 양의 활성화제를 사용하거나 더 높은 온도에서 양생을 실시할 필요가 있기 때문에 경제성이 저하되는 문제점이 있기 때문이다.
이와 같이 상기 폐유리 미분말과 플라이애쉬의 혼합비를 조정하여 작업성 및 강도 등을 조정할 수 있으며, 60℃의 양생에서 60MPa 정도의 고강도 콘크리트를 제조하기 위해서는 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 각각 10%와 90%의 비율로 혼합하는 것이 가장 효율적이다.
다시 말하면, 폐유리 미분말과 플라이애쉬의 혼합비율에 따라 유동성 및 강도를 사용자의 요구에 맞게 손쉽게 조정 가능한 무시멘트 콘크리트를 제조할 수 있다.
상기 NaOH와 소듐실리케이트는 활성화제로서 첨가되며, 중량비로 0.75:1.25~1.25:0.75의 비율로 하여 첨가되는데, 상기 소듐실리케이트의 비율이 NaOH 대비 0.75배/1.25 미만인 경우에는 중합반응에 필요한 Si 성분이 적어져 강도가 발현이 작아지고, NaOH 대비 1.25배/0.75를 초과하는 경우에는 Na 이온이 적어져 초기강도가 작아지는 문제가 있다.
상기 NaOH는 6~12Mole의 것을 사용하는데, 6M미만의 NaOH를 사용하는 경우에 는 작업성은 좋으나 강도가 일반 콘크리트 구조물에 적용하기에 부족하고,
12Mole을 초과하는 NaOH를 사용하는 경우에는 압축강도는 높으나, 작업성을 확보하기가 어렵다는 문제가 있다.
일반적으로 무시멘트 콘크리트 제조 시에는 NaOH, KOH 등 알칼리 자극제의 사용은 반드시 필요하나, KOH의 경우는 제조 시 높은 발열반응으로 제조에 몰 용액이 끊는 현상으로 다소 위험성이 있는 단점이 있다.
이에 비해 NaOH는 KOH에 비해 다소 반응성이 약하나, 제조상에 문제가 없어 안전성을 고려할 때 NaOH의 사용이 적절할 것으로 보여 본 발명에서는 활성화제로 NaOH를 사용한다.
도 1에 나타난 바와 같이, 중합반응은 Si-Al 함유 광물질이 NaOH 또는 KOH와 반응하는 것으로, 플라이애쉬는 SiO2와 Al2O3의 함유율이 비교적 높아 중합반응으로 활성화시킬 수 있는 결합재이다.
그러나, 플라이애쉬를 사용한 경우에는 유리(glassy) 피막이 형성되어 있기 때문에 이 피막을 파괴시켜 플라이애쉬의 반응을 촉진시키기 위해서는 pH 13 이상 매우 높은 알칼리 환경이나 고온양생 또는 기타방법 등이 필요하다.
종래의 기술에서는 대부분 고온양생으로 플라이애쉬의 유리피막을 파괴시켜 중합반응을 유도하였으나, 반응이 약하여 30MPa 정도의 강도밖에 발현되지 않고 있다.
그러나, 본 발명에서는 폐유리 미분말 구성 성분 중에 SiO2, Al2O3, 특히 CaO(일반적으로 5% 이상 함유)이 다량으로 함유되어있기 때문에 도 1에 나타난 바와 같이 강한 알칼리 및 고온환경에서 물과 일부 반응하여 먼저 시멘트와 같이 수화생성물인 C-S-H(규산화칼슘수화물 ; 3CaO2SiO23H2O)와 Ca(OH)2 등을 생성한다. 이 생성물질 중에서 C-S-H는 콘크리트의 초기강도 발현에 기여하고, Ca(OH)2는 강알칼리성을 콘크리트에 부여함으로써 플라이애쉬의 중합반응을 더욱 활성화시키는 것으로 분석된다.
상기한 바와 같은 결합재와 활성화제가 첨가된 배합원료를 이용하여 본 발명에서 목적하는 콘크리트를 제조하는데, 이때 나머지 배합원료는 통상의 배합비율에 의해 배합할 수 있고, 또한 일일이 열거하지 않았지만 통상적으로 첨가할 수 있는 첨가제를 첨가하여 목적하는 콘크리트로 제조할 수도 있다.
배합원료를 적절한 비율로 배합한 후, 교반하고, 40~60℃에서 0.5~1일의 양생하는 과정을 거치는데, 40℃와 0.5일 미만의 조건에서 양생을 실시한 경우에는 반응이 적어 강도가 20MPa 이하로 작게 발현되고, 60℃와 1일 이상 조건에서 양생을 실시하더라도 강도가 크게 증가되지 않고 콘크리트 제조비용과 공사기간이 증가하는 문제가 있다.
<실시예 1>
폐유리 미분말과 플라이애쉬의 혼합비율
본 발명에서 제시된 방법을 사용한 무시멘트 콘크리트의 폐유리 미분말과 플라이애쉬의 혼합비에 따른 영향을 분석하기 위해, 하기 표 1과 같은 성분의 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 중량비로 0:100(종래기술), 3:97, 5:95, 10:90, 15:85, 20:80, 25:75, 30:70 비율로 결합재를 제조하였다.
구분 SiO2 (%) Al2O3 (%) Fe2O3 (%) CaO (%) MgO (%) SO3 (%) lg. loss (%) 밀도 (g/cm3) 분말도 (cm2/g)
폐유리미분말 73.2 16.4 0.42 7.49 1.01 0.14 0.13 2.40 3,079
플라이애쉬 58.20 26.28 7.43 6.51 1.10 0.30 3.20 2.18 3,850
그리고, 9M NaOH(순도 98%)와 규산나트륨(Na2O=10%, SiO2=30%, 고형분 38.5%, 비중 1.39)을 중량으로 1:1 비율로 활성화제를 제조하였다. 이렇게 제조된 결합재, 활성화제 그리고 잔골재, 굵은골재, 물, 나프탈렌계 고성능감수제를 하기표 2와 같은 배합으로 하여 콘크리트를 제조하였으며, 또한 무시멘트 콘크리트와 비교하기 위해 보통 콘크리트를 제조하였다.
배합 번호 (kg/m3)
물 시멘트 폐유리 미분말 플라이애시 NaOH 쇼듐 실리케이트 잔골재 굵은골재
일반콘크리트 175 350 0 0 0 0 643 1118
WGP0/FA100 (종래기술) 35 0 0 350 88 88 513 1045
WGP3/FA97 35 0 10.5 339.5 88 88 513 1045
WGP5/FA95 35 0 17.5 332.5 88 88 513 1045
WGP10/FA90 35 0 35 315 88 88 513 1045
WGP15/FA85 35 0 52.5 297.5 88 88 513 1045
WGP20/FA80 35 0 70 280 88 88 513 1045
WGP25/FA75 35 0 87.5 262.5 88 88 513 1045
WGP30/FA70 35 0 105 245 88 88 513 1045
* WGP : Waste Glass Powder, FA : Fly Ash * 감수제 : 나프탈렌계를 각 배합에 2%씩 사용
제조한 콘크리트에 대하여 슬럼프와 압축강도를 측정하여 그 결과를 각각 도 2 및 도 3에 나타내었다.
여기서, 슬럼프 시험은 KS F 2402에 준하여 콘크리트를 혼합하여 믹서로부터 배출된 직후에 작업성을 평가하였으며, 압축강도는φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 60℃에서 1일 동안 양생을 실시한 다음 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생을 실시하여 재령 3일, 7일, 28일 및 91일에서 KS F 2405에 준하여 측정하였다. 도 2 및 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 무시멘트 콘크리트에서 플라이애쉬만 사용할 경우(WGP0/FA100)에는 작업성이 확보되나 60℃에서 1일 동안 양생하더라도 압축강도가 30MPa 이하로 비교적 작게 나타났다.
폐유리 미분말과 플라이애쉬의 혼합비율이 본 발명의 조건을 만족하는 경우에는 폐유리 미분말을 혼입하더라도 슬럼프가 210mm로 유동성 감소는 나타나지 않아 충분한 작업을 확보할 수 있으나, 폐유리 미분말 혼입률 25%부터는 슬럼프가 급격히 감소하여 폐유리 미분말 30%에서 슬럼프가 135mm까지 감소하는 것으로 나타났다.
압축강도는 폐유리 미분말과 플라이애쉬의 혼입율에 따라 다르지만, 폐유리 미분말 혼입율 3%에서 20%까지 재령 28일 강도가 30MPa~60MPa 정도로 비교적 고강도 콘크리트를 확보할 수 있었다.
다만, 폐유리 미분말 25%와 플라이애쉬 75%의 배합(WGP25/FA75)과 폐유리 미분말 30%와 플라이애쉬 70%의 배합(WGP30/FA70)인 경우에는 슬럼프가 급격히 저하되어 작업성 확보가 어렵고 강도발현도 기존 기술보다도 저하되어 본 발명에 포함시키지 않았다.
그리고, 폐유리 미분말 10%와 플라이애쉬 90%의 배합(WGP10/FA90)인 경우에는 슬럼프 200mm로 유동성을 우수하고, 재령 91일 강도가 68MPa 정도로 고강도 콘크리트를 제조할 수 있었다.
이상의 결과를 종합하면, 폐유리 미분말과 플라이애쉬의 중량비율 3:97 ~ 20:80의 범위를 만족하는 배합을 활용할 경우에는 슬럼프 200mm로 충분한 작업성을 확보할 수 있고, 60℃에서 1일 동안 양생을 실시한 경우에는 재령 28일에서 30~60MPa 범위의 강도를 확보할 수 있으므로 사용자의 목적에 맞는 콘크리트의 제조가 가능할 것으로 판단된다.
<실시예 2>
슬럼프의 경시변화
상기표 2에 나타낸 배합 중에서 폐유리 미분말 10%와 플라이애쉬 90%의 배합(WGP10/FA90)과 폐유리 미분말 30%와 플라이애쉬 70%의 배합(WGP30/FA70) 그리고 플라이애시만 사용한 배합(WGP0/FA100), 일반 콘크리트 배합으로 콘크리트를 제조한 다음 KS F 2402에 준하여 1시간 경과할 때 까지 슬럼프를 측정하여 작업성을 평가하였으며 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 폐유리 미분말 30%와 플라이애쉬 70%의 배합(WGP30/FA70)인 경우에는 초기에도 슬럼프가 저하되고 시간이 경과함에 따라 슬럼프가 급격히 저하되어 제조된 후 30분이 경과된 후에는 작업성이 확보되지 않은 것으로 나타났다.
본 발명의 폐유리 미분말 10%와 플라이애쉬 90%의 배합(WGP10/FA90)인 경우에는 초기 슬럼프가 210mm이고 1시간이 경과하더라도 슬럼프가 200mm되어 충분한 작업성을 확보하고 있다.
<실시예 3>
양생온도의 영향
폐유리 미분말과 플라이애쉬의 혼합비율이 10:90(중량비)인 결합재, 9M NaOH(순도 98%)와 규산나트륨(Na2O=10%, SiO2=30%, 고형분 38.5%, 비중 1.39)을 중량으로 1:1 비율로 제조한 활성화제, 그리고 잔골재, 굵은골재, 물, 나프탈렌계 고성능감수제를 상기표 2와 같은 배합(WGP10/FA90)으로 하여 콘크리트를 제조한 다음, 30℃, 40℃, 60℃, 90℃에서 1일 동안 양생을 실시한 다음 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생을 실시하여 재령 28일에서 KS F 2405에 준하여 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 양생온도가 높을수록 반응이 활발하게 이루어져 강도가 증진되는 것으로 나타났으나, 양생온도 60℃와 90℃에서 강도 차이가 거의 없는 것으로 나타났으며, 온도 30℃에서 반응성이 작아 재령 28일 압축강도가 27MPa로 비교적 낮은 강도를 나타나, 본 발명에서 양생온도를 40~60℃로 설정하였으며, 이 온도범위에서 30~60MPa의 압축강도가 발현된다.
<실시예 4>
고온양생 기간의 영향
폐유리 미분말과 플라이애쉬의 혼합비율이 10:90(중량비)인 결합재, 9M NaOH(순도 98%)와 규산나트륨(Na2O=10%, SiO2=30%, 고형분 38.5%, 비중 1.39)을 중량으로 1:1 비율로 제조한 활성화제, 그리고 잔골재, 굵은골재, 물, 나프탈렌계 고성능감수제를 상기표 2와 같은 배합(WGP10/FA90)으로 하여 콘크리트를 제조한 다음, 40℃와 60℃에서 0.25일, 0.5일, 1일, 1.5일 동안 양생을 실시한 다음 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생을 실시하여 재령 28일에서 KS F 2405에 준하여 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 양생온도에 상관없이 고온양생 기간이 길수록 콘크리트의 반응이 활발하게 이루어져 강도가 증진되는 것으로 나타났으나, 고온양생기간 1일과 1.5일에서 강도 차이가 거의 없는 것으로 나타났으며, 고온양생기간 0.25일인 경우에는 온도 40℃와 60℃에서 재령 28일 압축강도가 각각 22, 29MPa로 비교적 낮은 강도를 나타나, 본 발명에서 고온양생 기간을 0.5일~1일로 설정하였으며, 이 범위에서 30~60MPa의 압축강도가 발현된다.
<실시예 5>
NaOH 몰농도의 영향
폐유리 미분말과 플라이애쉬의 혼합비를 10:90(중량비)으로 하고, 쇼듐실리케이트(Na2O=10%, SiO2=30%, 고형분 38.5%, 비중 1.39)와 3M, 6M, 9M, 12M, 15M NaOH(순도 98%)를 중량으로 1:1 비율로 구성된 활성화제를 이용하여 콘크리트를 제조한 다음 각각 슬럼프, 압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 하기표 3에 나타내었다.
여기서, 슬럼프는 제조된 콘크리트를 믹서기에서 배출된 다음에 10분이 경과된 시점에서 측정하였고, 압축강도는 재령 28일에서 측정하였다.
항목 일반콘크리트 무시멘트 콘크리트
NaOH 3M NaOH 6M NaOH 9M NaOH 12M NaOH 15M
슬럼프 (mm) 170 215 213 210 193 75
압축강도 (MPa) 35.6 22.1 42.3 57.3 62.4 65.4
상기표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 혼합사용한 무시멘트 콘크리트는 NaOH의 몰농도가 증가함에 따라 압축강도는 증가하고 슬럼프는 감소하는 경향을 나타냈다.
그러나, NaOH 3M에서 슬럼프는 크나 강도가 22.1MPa 정도로 일반 콘크리트 구조물에 적용하기에 부족하고, 15M의 NaOH를 사용할 경우에는 압축강도는 높으나, 슬럼프가 급격히 감소하여 작업성 확보하기가 어려웠다.
따라서 본 발명에서는 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 혼합사용한 무시멘트 콘크리트의 활성화제로 NaOH을 6M~12M 범위로 설정하였다.
<실시예 6>
건조수축 및 내구성
폐유리 미분말과 플라이애쉬를 중량으로 0:100(종래기술), 10:90(본 발명예)으로 하고, 쇼듐실리케이트(Na2O=10%, SiO2=30%, 고형분 38.5%, 비중 1.39)와 9M NaOH(순도 98%)를 중량으로 1:1 비율로 구성된 활성화제를 이용하여 상기표 2와 같은 배합으로 콘크리트를 제조하고, 또한 일반 콘크리트를 제조한 다음, 건조수축, 황산염, 동결융해, 탄산화, 염해 저항성을 평가하였으며, 그 결과를 하기표 4에 각각 나타내었다.
이때, 건조수축은 100× 100× 400m 각주 시험체를 제작하여 60℃에서 1일 동안 양생한 다음 기건상태(온도 20± 2℃, 습도 65± 5%)에 노출시킨 다음 KS F 2424에 준하여 재령 91일까지 측정하였다.
황산염 시험은 φ100× 200mm 원주시험체와 100× 100× 400m 각주 시험체를 제작하여 60℃에서 1일 동안 양생한 후 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 28일 동안 양생한 다음 10% 황산나트륨 용액에 91일 동안 침지시킨 다음 압축강도의 변화와 길이변화율을 측정하였다.
동결융해 시험은 100× 100× 400m 각주 시험체를 제작하여 60℃에서 1일 동안 양생한 후 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 28일 동안 양생한 다음 온도범위를 +4℃~-18℃로 하고 1사이클 시간은 2시간 40분으로 하여 300사이클까지 시험을 수행하여 상대동탄성계수를 측정하였다.
탄산화 시험은 φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 60℃에서 1일 동안 양생한 후 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 28일 동안 양생한 다음, 이산화탄소 농도 5%, 온도 30℃, 습도 50%를 조건으로 제어되는 챔버에서 시험체를 91일 동안 노출시킨 다음, 시험체를 이등분하여 할렬하여 그 면에 페놀프탈렌인 1% 용액을 분무하여 탄산화 깊이를 측정하였다.
염해 저항성은 φ100× 50mm 시편을 제작하여 60℃에서 1일 동안 양생한 후 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 28일 동안 양생한 다음, ASTM C 1202에 준하여 전기적 촉진시험으로 평가하였다.
배합 건조수축 (×10-6) 황산염 탄산화 깊이 (재령 14주) (mm) 동결융해 상대동탄성계수(%) 염해 총전하량 (클롬)
강도변화율(%) 길이변화율(%)
일반콘크리트 680 5.4 3.5 13 85 2450
WGP0/FA100 (종래기술) 570 2.7 1.3 6 94 870
WGP10/FA90 (발명예) 430 0.7 0.5 3 99 480
상기 표 4에서 알 수 있는 바와 같이, 종래 플라이애쉬를 100% 사용한 배합(WGP/FA100)인 경우에는 건조수축 및 내구성 등 모두 일반 콘크리트에 비해 성능이 우수하나, 본 발명에 비해 전반적으로 성능이 저하되는 것으로 나타났다. 이에 반해 본 발명의 조건을 만족하는 발명예(WGP10/FA 50)경우는 종래의 무시멘트 콘크리트는 물론 일반 콘크리트보다 건조수축이 저감되고, 내구성도 매우 우수하였다.
상술한 바와 같은 본 발명의 무시멘트 콘크리트 제조방법에 따르면, 폐유리미분말과 플라이애쉬의 혼합비에 따라 40~60℃에서 0.5~1일의 양생과정을 통해 압축강도를 20~60MPa 범위까지 확보할 수 있고, 콘크리트 제조 후 1시간까지 유동성이 유지되어 충분한 작업성을 확보할 수 있으며, 건조수축, 내구성이 매우 우수하기 때문에 시멘트를 사용한 일반 콘크리트를 대신하여 콘크리트 구조물에 충분히 적용 가능할 것으로 판단된다.
또한, 현재 국내에서 폐유리와 석탄회를 각각 73만 톤과 600만 톤을 배출하고, 이 중에서 각각 70%와 50% 정도가 재활용되고 있는 것을 고려하여 나머지 22만 톤과 300만 톤을 콘크리트에 전부 사용한다고 가정하면 이산화탄소를 290만 톤 정도 저감할 수 있다.
또한, 콘크리트 제조에 시멘트를 전혀 사용하지 않기 때문에 시멘트 제조 시 다량의 CO2 가스의 발생을 줄일 수 있어 환경오염을 줄이고, 산업 폐기물인 폐유리 미분말과 산업 부산물인 플라이애쉬가 재활용되므로 매립지 확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라, 매립 시 발생되는 침출수와 미세 분말로 구성된 폐유리 미분말과 석탄회의 분진 침출에 의해 많은 환경문제 등을 저감시킬 수 있다. 따라서 향후 건설현장의 여러 방면에서 보통강도와 고강도 콘크리트 모두를 제조할 수 있어 광범위하게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트 기술의 반응 메카니즘 개념도이다.
도 2는 폐유리 미분말과 플라이애쉬의 혼합비율에 따른 슬럼프의 결과를 보이는 그래프이다.
도 3은 폐유리 미분말과 플라이애쉬의 혼합비율에 따른 압축강도를 보이는 그래프이다.
도 4는 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트의 슬럼프 경시변화를 보이는 그래프이다.
도 5는 양생온도가 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향을 보이는 그래프이다.
도 6는 고온양생기간이 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향을 보이는 그래프이다.

Claims (2)

  1. 배합원료로서 결합재, 활성화제, 잔골재, 굵은골재, 물 및 고성능감수제를 포함하고, 이들 배합원료를 배합하고, 교반하는 과정과 양생하는 과정을 거쳐 콘크리트를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 결합재는 분말도 2,000~4,000cm2/g의 폐유리 미분말과2,000~5,000cm2/g의 플라이애쉬가 중량비로 3:97~20:80의 비율로 구성되는 것이며, 상기 활성화제는 6~12Mole NaOH와 쇼듐실리케이트가 중량비로 0.75:1.25~1.25:0.75의 비율로 구성되는 것임을 특징으로 하는 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합재와 상기 활성화제가 첨가된 배합원료를 배합하고, 교반과정을 거치고, 4~60℃에서 0.5~1일 동안 양생을 실시하는 것을 특징으로 하는 폐유리 미분말과 플라이애쉬를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법.
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