KR20110061944A

KR20110061944A - 건축물 폐재의 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20110061944A
Application number: KR20090118494A
Authority: KR
Inventors: 김영도; 손세구; 김경남
Original assignee: (주)덕성환경
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-10
Also published as: KR101120062B1

Abstract

본 발명은 건축물 폐재 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 제조방법은 지오폴리머 분말 100 중량부에 대하여 순환골재 90 중량부~220 중량부, 모래 100 중량부~150 중량부를 혼합한 다음 액상의 활성화제를 30 중량부~70 중량부를 투입하여 다시 혼합한 후 성형 및 양생하는 것으로 구성된다. 순환골재의 사용에 관하여, 지오폴리머 기술을 적용하여 순환골재 콘크리트를 제조할 경우, 압축강도가 매우 우수한 콘크리트가 얻어짐을 확인하였다. 순환골재와 부순골재를 혼합하여 사용할 경우, 시멘트와 부순골재를 이용하여 제조된 콘크리트의 압축강도 33.7MPa과 유사한 압축강도인 32.5~36.0MPa 범위를 갖는 공시체 제조가 가능하였다.

콘크리트, 순환골재, 지오폴리머, 압축강도

Description

건축물 폐재의 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트 및 그 제조방법{Geopolymeric concrete using recycled aggregate from waste of construction and manufacturing method thereof}

본 발명은 건축물 폐재 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하기로는 압축강도가 향상된 지올리머 콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재 인류는 성장을 전재로 하여 구축되어 온 사회가, 지속가능한 사회로의 그 방향을 크게 변화하여, 종래의 SCRAP & BUILD로부터 재활용 등 환경부하를 고려한 방법으로의 변혁이 진행되고 있다.

그러나 고도 성장기에 건설된 사회자본이 갱신기를 맞이하면서, 콘크리트 폐재를 비롯하여 건설폐기물의 급격한 증가가 예상되고 있다. 콘크리트 폐재는 현재 재활용이 많이 되고 있지만, 현재의 재활용 기술로 얻어지는 콘크리트 제품은 그 강도가 너무 낮기 때문에 실제 현장이나 생산 공장에서는 순환골재의 사용을 기피하고 있으며, 현재는 주로 도로공사현장 등의 기반재료 정도로 사용하는데 그치고 있는 실정이다.

콘크리트 폐재를 재생콘크리트로서 사용하는 것은 이전에 많은 검토가 있었지만, 원골재에 부착하고 있는 경화 시멘트 분의 영향에 의해 순환골재는 천연골재와 비교하여 흡수율이 높고, 순환골재를 이용한 재생 콘크리트는 품질적으로 떨어진다. 그러나 최근 원골재를 부수어 생산하는 고품질 순환골재 제조기술이 개발되어, 천연골재와 손색이 없는 순환골재가 제조 가능한 것으로 보고되고 있다.

일본의 한 연구진은 「건축계 폐기물의 재이용 기술에 관한 연구」를 보고서를 통하여 고품질 재생 세골재의 제조기술 및 재생콘크리트 의 검토를 진행한 바 있다. 또한 국내에서도 많은 연구진에 의해서 순환골재에 관한 실험을 진행한 사례들이 보고되고 있으며, 이중에서 순환골재를 새로운 약품 등으로 재처리하여 순환골재의 강도를 향상시켜 현장에서 일반 골재에 준하는 강도를 발현할 수 있는 순환골재 생산업체도 등장하였다. 그러나 이러한 기술들은 제조원가가 상승하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 콘크리트 폐재의 순환골재(이하, “순환골재”로 칭함)를 재활용하되, 앞의 설명에서와 같은 전처리가 배제되었으며, 산출되는 원료 그대로를 사용하거나 물 등으로 1차 세척하는 정도로 재처리하여 콘크리트 원료로 사용할 수 있도록 하는 것으로 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적은 얻어진 콘크리트의 강도, 특히 초기강도가 우수한 콘크리트를 제공하는 것이다. 본 발명은 제조원가가 저렴한 재생 콘크리트를 제공하는 것이다.

본 발명의 제조방법은 지오폴리머 분말 100 중량부에 대하여 순환골재 90 중량부~220 중량부, 모래 100 중량부~150 중량부를 혼합한 다음 액상의 활성화제를 30 중량부~70 중량부를 투입하여 다시 혼합한 후 성형 및 양생하는 것으로 구성된다. 필요한 경우 부순골재 1 중량부 ~ 130 중량부가 추가 투입될 수 있다.

본 발명의 콘크리트는 지오폴리머 분말 100중량부에 대하여 순환골재 90~220 중량부, 모래 100중량부 및 액상의 활성화제 30~70 중량부로 구성된다. 필요한 경우 부순골재 1~130 중량부가 추가될 수 있다.

지오폴리머 기술은 현재 국내외적으로 저탄소 기술의 대표적인 기술로 기대되고 있다. 지오폴리머 기술은 시멘트 생산 시 발생되는 CO₂가스를 80%까지 줄이는 것이 가능하며, 시멘트 1톤 생산에 CO₂ 가스의 발생량은 약 1톤으로 에너지소비를 통해 발생되는 이산화탄소 약 500kg과 석회석 사용으로 500kg 정도가 발생되는 것으로 추산된다. 이러한 막대한 양의 이산화탄소를 발생하는 시멘트 산업은 세계 온실가스 배출의 7~8% 정도에 해당되며, 우리나라의 시멘트 생산량은 세계 5위 수준으로 5,400만 톤에 이른다. 우리나라는 연간 약 5000만톤의 이산화탄소를 시멘트 산업이 배출하고 있다. 이러한 시멘트 생산에 따른 이산화탄소의 발생은 탄소규제 대상에 해당되며, 정부는 이를 해결하기 위해 막대한 양의 온실가스 비용을 지불해야만 하는 실정에 있다.

본 발명에서 사용되는 지오폴리머 분말은 산화규소, 산화알루미늄, 산화칼슘을 주성분으로 하는 20㎛의 평균입자크기를 갖는 입자로 구성된다. 지오폴리머 분말은 고로 슬래그 : 플라이 애시: 비정질 실리카(Nippon aerosil 300)의 비율이 10 : 89 : 1~ 50 : 45 : 5의 범위로 구성된 혼합 분말이다. 고로슬래그의 사용범위는 50 중량 % 이하로 한정된다. 이는 고로슬래그 내에 존재하는 다량의 CaO 성분이 고알칼리하에 노출되면 다량의 Ca 이온이 용출되며, 용출된 Ca 이온들은 일부 지오폴리머 반응에 참여하지만 일부 이온들은 성형체 내에 존재하다가 수분 등에 의해서 표면으로 이동하고 결과적으로 표면에 CaCO₃라는 물질로 전이되기 때문이다.

이 CaCO₃는 백화현상의 주요한 물질이 되고 있기 때문에 백화에 의한 제품의 내구성 저하 피해를 최소화 하고, 크랙이나 강도저하 등의 제품의 내구성 훼손을 감소시키기 위한 것이다. 고로 슬래그의 사용량이 상기 범위보다 클 경우에는 압축강도 발현이 용이하나 장기강도가 하락하게 된다. 이것은 고로슬래그의 급결성에 기인한 것으로 표면은 급결 되어서 단단한데 내부는 아직 미반응 된 물질이 남아 있다가 장기간에 걸쳐서 반응하게 되면 지오폴리머 반응의 특성인 탈수로 인해 내부에서 표면으로 수분이동을 통하여 크랙이 발생되게 된다. 고로슬래그의 첨가량이 설정된 범위 이하로 첨가되면 플라이 애시와 비정질 실리카에 의존해야 하기 때문에 반응성을 높이기 위해 양생온도를 100℃이상으로 상승시켜야 설정된 범위로 제 조된 제품과 유사한 압축강도를 발현하는 문제가 있다.

또한 플라이 애시의 사용량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 크랙 발생 및 유동성 결여 및 급결 등의 문제는 발생하지 않으나, 반응성이 낮아서 약한 압축강도를 나타내게 된다.

또한 비정질실리카는 지오폴리머 기재를 구성하는 SiO₂의 주성분을 포함하고 있고, SiO₂의 함유량이 99% 이상이며, 고농도의 NaOH나 KOH에 노출되면 100% 용해하는 특성이 있는 물질이다. 이 비정질 실리카는 구형의 입자로 구성되며, 플라이 애시와 고로슬래그 사이에서 충진성을 향상시키는 역할로 작용한다. 이 비정질 실리카는 보통 고무제작 등의 충진제로서 활용하고 있다. 비정질 실리카의 사용범위는 1~5%가 적당하며, 이 범위를 벗어나게 되면 제품의 압축강도가 저하하는 문제가 있다. 또 kg당 13,000원 정도로 매우 고가이기 때문에 설정된 범위를 넘게 되면 제품의 시장경쟁력이 떨어지는 문제도 있다.

지오폴리머 분말의 적절한 조성비는 고로슬래그와 플라이 애시 및 비정질 실리카가 각각 37:60:3의 비율로서, SiO₂/Al₂O₃ 비율이 2.3, SiO₂/CaO 비율이 2.8, Al₂O₃/CaO의 비율 1.2를 나타내는 것이다.

한편, 액상의 활성화제는 지오폴리머 분말을 자극하여 결합제 역할을 할 수 있는 비정질의 알루미노 실리케이트 겔상을 형성하기 위해 첨가된다. 액상의 조성은 일반적으로 잘 알려져 있는 NaOH와 KOH의 혼합물에 실리카가 첨가된 것이다. 보 다 상세하게는 Na₂O 4.9%, K₂O 4.0%, SiO₂ 8.9%로 구성된다.

Na₂O와 K₂O의 비율이 SiO₂보다 높을 경우에는 원가가 지나치게 상승하게 된다. 특히 K₂O의 가격은 Na₂O에 비하여 3배 이상 고가이기 때문에 경제성 측면에서 어려움이 있다. 그렇다고 Na₂O의 함량을 증가시키면 압축강도는 향상되지만 앞에서 서술한 바와 같이 CaCO₃와 같은 백화물질인 Na₂CO₃를 생성시켜 미관을 해치는 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다.

게다가 백화가 나타나는 부분으로 내구성이 현저하게 약화된다. 또한 SiO₂의 함량이 증가하게 되면 고강도의 성형체를 얻는 것이 가능하지만, 가격의 상승과 더불어, 경화시간이 짧아지게 되어 작업성이 어려운 문제가 있다. SiO₂는 일반적으로 규산소다나 규산카리, 규산리튬, 규산리튬소다, 비정질 실리카, 나노실리카, 콜로이드 실리카, 알콕시드 실리카 등이 가능하며, 경제적 측면에서는 규산카리나 규산소다를 사용하거나 이를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 규산소다는 빠른 겔화현상을 나타내기 때문에 초기강도를 증진시키는데 유리하며, 규산카리는 상대적으로 느린 겔화현상으로 두 가지를 적절하게 혼합하여 사용하게 되면 고로슬래그의 작업성 개선이 가능하게 된다.

아래의 실시예에서 사용된 원료는 순환골재와 지오폴리머 분말, 활성화제이며, 골재는 D사로부터 생산된 순환골재를 8mm이하와 이상으로 대별한 것을 사용하였고, 지오폴리머 분말은 REEM 연구소로부터 지원받은 것을 사용하였다. 또한 활성 화제는 액상으로 바인더와 골재의 성형성을 부여하기 위해서 물 대신 사용하였으며, 성상은 SiO₂의 몰비와 Na₂O와 K₂O을 이용하여 SiO₂/M₂O의 몰비를 2.2~2.5로 조정한 것으로, 역시 REEM 연구소로부터 받은 것을 실시예에 적용하였다.

순환골재의 재활용성에 관한 연구는 순환골재를 사용하여 제조된 공시체는 압축강도 특성(바인더의 비교, 순환골재와 부순골재의 혼합 및 단독의 비교, 순환골재의 전처리 여부에 따른 비교, 투수기능 부여), 내산성, 내동해성, 중금속 용출특성 등에 관하여 평가하였다.

순환골재를 이용하여 지오폴리머 콘크리트를 제조하는 방법은 아래와 같은 순서로 진행하였다.

1) 원료 및 골재의 칭량

2) 칭량된 골재를 지오폴리머 분말과 혼합기를 이용하여 혼합

3) 혼합된 지오폴리머 분말과 모래와 순환골재를 정해진 배합조건에 따라 슬러리 제조용 믹서기내에서 혼합

4) 혼합된 콘크리트 원료에 활성화제를 투입하여 믹서

5) 슬러리화 된 원료는 φ100×200mm 원형몰드에서 성형

6) 성형된 몰드는 제품 양생실에서 50℃에서 8시간 양생하는 것으로 완성됨

순환골재의 사용에 관하여, 지오폴리머 기술을 적용하여 순환골재 콘크리트를 제조할 경우, 압축강도가 매우 우수한 콘크리트가 얻어짐을 확인하였다. 순환골재와 부순골재를 혼합하여 사용할 경우, 시멘트와 부순골재를 이용하여 제조된 콘크리트의 압축강도 33.7MPa과 유사한 압축강도인 32.5~36.0MPa 범위를 갖는 공시체 제조가 가능하였다. 순환골재를 세척하여 사용할 경우, 순환골재만을 사용하는 것으로도 38.2MPa로 매우 높은 압축강도를 얻을 수 있다. 또한 지오폴리머 기술을 적용한 순환골재 콘크리트는 시멘트 콘크리트보다 내산성이 매우 뛰어났으며, 동결융해 저항성 시험 300cycle에서도 전혀 이상 없음을 확인하였고, 중금속 용출시험결과에서도 모두 지정폐기물의 용출허용 기준치 이내의 결과를 얻을 수 있었다. 게다가 순환골재를 이용한 투수성 콘크리트 제조 역시 기존 시멘트 투수성 콘크리트 제품의 기준범위에 들어가는 것을 확인할 수가 있었다.

(비교예 1~3 및 실시예 1~10)

도 1의 제조과정을 이용하여 표 1에 나타낸 조건으로 순환골재의 재활용성에 관한 검토를 하였다. 비교예 1～3의 조건은 시멘트를 이용한 콘크리트 제조조건으로, 순환골재와 시멘트를 이용한 콘크리트 및 부순골재와 시멘트를 이용한 콘크리트 제조조건이다. 이 실험은 순환골재만을 이용하여 콘크리트를 제조할 때 부순골재를 사용한 콘크리트에 비하여 압축강도가 얼마나 발현되는 가를 알아보기 위한 실험이다.

표 1의 실시예 1～8은 시멘트 대신에 지오폴리머 분말을 바인더로 사용하고 다른 조건들은 위의 비교예의 조건과 동일하게 진행하였다. 이 실시예는 시멘트를 이용한 콘크리트에 대한 지오폴리머를 이용하여 제조한 콘크리트의 압축강도의 비교를 위한 실험이며, 순환골재의 사용은 크기별로 순환골재 단독, 순환골재와 부순골재의 혼합조건, 부순골재 단독 이렇게 3가지 조건으로 실험을 진행하였으며, 실시예 9는 골재를 세척하여 실시예 1의 조건과 동일한 방법으로 진행하였다.

실시예 10은 순환골재의 활용성을 높이기 위한 것으로 투수성 콘크리트로의 사용가능성에 대한 것이다. 이 조건은 실시예 1의 조건과 동일하게 진행되나 모래를 사용하지 않고 그 중량 비율만큼 순환골재의 함량을 높이고, 지오폴리머 분말의 사용량도 감소시켜 공시체에 투수가 가능한 공극을 형성토록 하였다.

표 1. 순환골재를 이용한 concrete 실험조건

구분	시료번호	Binder		골재종류			표준사	용액		비고
				순환골재		부순골재 13mm		용액
				순환골재				물	액상
				8mm이하	8mm이상			물	액상
비교예1	1	OPC	929	2,065	-	-	1,006	410
비교예2	2		929	-	2,065	-	1,006	350
비교예3	3		929	-	-	2,065	1,006	410
실시예1	4	Geo- bond	929	2,065	-	-	1,006		460
실시예2	5		929	-	2,065	-	1,006		460
실시예3	6		929	-	-	2,065	1,006		460
실시예4	7		929	826	-	1,239	1,006		460
실시예5	8		929	1,239	-	826	1,006		460
실시예6	9		929	-	826	1,239	1,006		460
실시예7	10		929	-	1,239	826	1,006		460
실시예8	11		929	2,065	-	-	1,006	100	360
실시예9	12		929	2,065	-	-	1,006	-	450	골재세척건조
실시예10	13		1,300	5,000	-	-	-	-	600	골재세척건조 투수형

표 2. 순환골재를 이용한 concrete의 압축강도 특성

시료번호	압축강도(MPa)			비 고
시료번호	3일	7일	28일
1	13.5	15.9	16.9
2	14.9	17.4	14.2
3	20.5	24.7	33.7
4	24.1	25.6	30.1
5	24.6	24.2	27.0
6	44.5	35.8	49.7
7	27.9	36.9	34.4
8	27.6	26.3	33.1
9	30.2	30.8	36.0
10	27.3	31.4	32.5
11	20.1	30.2	35.6
12	18.6	24.7	38.2
13	11.4	12.1	11.7

표 2는 표 1의 콘크리트 제조 조건에 따라 제조한 공시체의 압축강도 측정 결과를 나타낸 것이다. 표에서와 같이 시멘트를 이용하여 제조된 콘크리트 공시체의 압축강도는 부순골재에 비하여 순환골재를 사용한 것이 매우 낮은 값을 나타내고 있다. 8mm 이하를 사용한 공시체의 압축강도의 변화는 3일에 13.3MPa에서 28일 재령에 16.9MPa로 다소 상승하고 있지만, 부순골재의 압축강도와 비교하면 50% 수준에 이르는 것을 확인할 수가 있다. 또한 8mm이상의 순환골재를 사용한 공시체의 압축강도 역시 8mm 이하를 이용한 콘크리트 공시체의 압축강도 값과 유사한 범위에 있음을 알 수가 있었고, 부순 골재만을 골재로 사용한 시멘트 콘크리트 공시체의 압축강도가 28일 재령에 33.7MPa로 일반 시멘트 콘크리트의 기준압축강도인 30MPa 이상임을 확인할 수가 있으므로 이것이 순환골재를 이용한 콘크리트 공시체의 비교용 기준 시편으로서 타당하다고 사료된다.

지오폴리머 바인더를 이용하여 제조된 시편은 표의 실시예 1~10의 시편들이 며, 이중에서 실시예 10을 제외한 나머지 시편들은 밀폐형 콘크리트 공시체이며, 실시예 10의 경우에는 투수형 콘크리트 공시체이다. 먼저 8mm 이하의 순환골재만으로 제조된 공시체인 실시예 1의 경우, 초기강도는 시멘트 콘크리트보다 높은 압축강도를 발휘하였으나 28일 재령강도는 30.1MPa로 부순골재로 제조된 시멘트 콘크리트 공시체의 압축강도보다 낮은 값을 나타내었다. 8mm 이상의 순환골재만으로 제조된 공시체 실시예 2의 경우도 마찬가지로 3일 재령 압축강도는 같은 재령일에서 시멘트 콘크리트 값보다 높은 값을 나타내었으나 7일과 28일 재령에서는 낮은 압축강도를 보이고 있다. 반면에 부순골재를 이용하여 제조한 공시체인 실시예 3의 경우에는 초기강도와 장기강도가 모두 시멘트 콘크리트 공시체보다 월등한 압축강도 결과를 나타내었다. 특히 3일 재령에서도 44.5MPa을 나타내었는데, 이 강도값은 시멘트 콘크리트보다 2배에 달하는 압축강도 결과이다. 이러한 압축강도 특성은 초기 강도가 요구되는 현장에 적합할 것으로 판단된다. 이러한 순환골재만을 이용하여 제조된 지오폴리머 공시체의 압축강도는 시멘트 콘크리트와 비교할 때 다소 낮은 값을 나타내었으므로 순환골재에 부순골재를 일부 혼합하여 공시체를 제조하였다.

실시예 4와 5의 공시체는 순환골재(8mm이하)와 부순골재의 각각 6:4, 4:6의 비율로 혼합하여 사용한 것이며, 실시예 6과 7의 공시체는 순환골재(8mm이상)와 부순골재를 각각 6:4와 4:6의 비율로 혼합하여 시험편을 제조한 것이다. 표에서와 같이 순환골재와 부순골재를 혼합하게 되면 압축강도 값이 순환골재의 크기에 상관없이 상승하는 것을 확인할 수가 있다. 순환골재와 부순골재의 비율이 6:4의 비율에서는 시멘트 콘크리트의 압축강도와 유사한 값을 나타내고 있으며, 골재의 혼합비 율이 4:6으로 순환골재의 비율이 다소 낮게 첨가될 때에는 시멘트 콘크리트 공시체의 압축강도보다 높은 값을 나타내었다.

한편, 순환골재와 부순골재를 혼합 사용하게 되면 시멘트 콘크리트 공시체(부순골재)의 압축강도보다 높거나 혹은 낮지만, 모두 30MPa 이상의 압축강도를 나타내어 현장에서 순환골재의 사용 가능성을 한층 높인 결과라 사료된다. 또한 지오폴리머 바인더를 사용하게 되면 표의 압축강도 결과에서처럼 3일 재령 강도가 최종강도의 80% 이상을 발현하기 때문에 앞서 설명한 바와 같이 공기단축이 요하는 현장이나 초기강도가 요구되는 현장에 적합할 것으로 생각된다.

실시예 9는 8mm 이하의 순환골재를 물로 세척한 후에 건조하여 콘크리트 제조용 골재로 사용한 것이다. 이 조건은 순환골재 만을 사용한 것으로 초기 압축강도는 시멘트 콘크리트 공시체와 유사한 값을 보였으나, 28일 재령에서는 비교예 3의 공시체에 비하여 높은 압축강도를 나타내었다. 또한 세척하지 않은 골재와 비교하였을 때 8.1 MPa 이상의 압축강도가 높은 것을 확인하였다. 골재를 세척하여 사용하게 되면 공정이 추가되어 경제적으로 손실이 예상되지만, 순환골재의 사용량을 높을 수 있는 방법임을 알 수가 있다.

도 2~5에 나타낸 사진은 공시체의 외형과 압축강도 측정에 따라 나타난 파단면의 사진을 나타낸 것이다. 사진들에서 알 수가 있듯이 시멘트의 경우보다 지오폴리머를 이용한 시편의 사진의 조직이 치밀한 것임을 확인할 수가 있었다.

(비교예 4 및 실시예 11)

순환골재를 이용하여 제조된 시멘트 콘크리트 공시체와 지오폴리머 콘크리트 공시체의 내산성을 측정하기 위하여 표 3의 나타낸 조건에 따라 제조된 공시체를 그림 7에 나타낸 것과 같은 형태로 절단하였다. 산성용액에 의한 침식작용을 관찰하기 위한 용액은 공업용 황산을 10%로 희석한 것을 사용하였다. 내산성 시험은 준비된 시편을 황산수용액에 침적하고 시간경과에 따라 육안으로 관찰하는 것으로 부식정도를 확인하였다. 도 6(a)에 나타낸 왼쪽 시편이 지오폴리머 콘크리트 공시체 파편이며, 오른쪽이 시멘트 콘크리트 공시체 파편이다. 순환골재는 모두 8mm 이하의 것을 사용한 것이다.

도 6(b)는 7일 침적후의 변화된 외형을 나타낸 사진이다. 사진에서와 같이 지오폴리머 콘크리트 공시체를 이용한 것은 황산액 의해 침식된 정도가 육안으로 잘 확인되지 않으나 시멘트 콘크리트 공시체의 경우에는 부식된 정도가 매우 확연하게 나타난 것을 육안으로 볼 수가 있다.

표 3. 내산성 시험용 순환골재를 이용한 콘크리트 공시체 제조 조건

구분	Binder(kg)		골재종류	표준사	용액(kg)		비고
			순환골재(kg)		물	액상
			8mm이하		물	액상
비교예4	Cement	929	2,065	1,006	410		Cement
실시예11	Geo-bond	929	2,065	1,006		460	GP

(실시예 12~14)

순환골재를 이용한 콘크리트의 내구성을 확인하기 위한 또 다른 방법으로 동결융해 시험을 실시하였다. 동결융해 시험편 제조는 표 4의 조건으로 도 7에 나타 낸 바와 같은 형태로 제조하였다. 제조된 공시체는 7일 재령 후에, 동결융해 시험기를 이용하여 300cycle을 적용하였다. 또한 도 8에 동결융해 시험기 및 내부사진을 나타내었다. 300cycle을 적용한 결과 1, 2, 3 조건 모두 이상 없음이 확인되었다.

표 4. 동결융해 시험용 콘크리트 공시체 제조 조건

구분	Binder(kg)		골재종류			표준사	용액(kg)		비고
			순환골재(kg)		부순골재 13mm		용액(kg)
			순환골재(kg)		부순골재 13mm		물	액상
			8mm이하	8mm이상			물	액상
실시예12	Geo- bond	3.48	7.74	-	-	3.78		1.9	주도 약 180mm
실시예13		3.48	-	7.74	-	3.78		1.85	주도 약 180mm
실시예14		3.3	11.7	-	-	-		1.60	질게 성형(투수형)

(실시예 15)

순환골재를 이용한 투수 콘크리트의 제조조건은 실시예 10과 같다. 표 1에서와 같이 순환골재는 8mm이하의 순환골재를 이용하였다. 이는 8mm 이상의 골재는 매우 큰 범위의 골재 입도 분포를 나타내어 균일한 물리적 특성을 발휘할 수 없을 것으로 판단되었기 때문이다. 또한 8mm 이상에는 보다 많은 이물질(나무, 철조각)이 포함되어 균일한 입도 및 압축강도가 요구되는 투수성 콘크리트에 있어서 적합한 골재규격이 아니라고 판단되었다. 또한 균일한 골재의 입도는 물리적 특성을 상승시킬 뿐만 아니라 투수성을 향상시키는 역할도 하기 때문에 8mm 이하의 골재를 사용하는 것이 바람직한 것으로 판단하였다.

도 9는 제조된 투수성 콘크리트 공시체를 나타낸 사진이다. 사진에서와 같이 표면에 공극이 잘 형성되어 있음을 확인할 수가 있었다. 또한 파괴된 시편의 단면에서도 바인더에 의해서 잘 코팅된 골재가 골고루 분포되어 있음도 확인하였다. 그러나 투수벽돌의 경우에는 일반적으로 콘크리트에 비하여 1/2 정도밖에 물성발현이 어려운 것으로 보고되고 있는 바와 같이 본 실험에서도 11.6정도로 콘크리트의 압축강도에 크게 못 미치는 것을 확인하였다. 그러나 이러한 압축강도 값은 시멘트 콘크리트에 의해서 제작된 투수 콘크리트의 물리적 특성(10～21MPa)과 비교하여 낮은 압축강도특성임을 알 수가 있다. 그러나 하천호안의 제방용 투수성 콘크리트의 압축강도는 규정된 바는 없으나 대략 8MPa～18MPa 의 범위로 현재 현장에서 거래되고 있기 때문에, 이러한 압축강도 발현도 제품화에는 큰 문제는 없을 것으로 판단된다. 게다가 투수성 콘크리트를 제조하는 방식을 진동프레스방식을 사용하기 때문에 압축강도는 15MPa 이상으로 상승할 수 있을 것으로 기대되며, 부순골재와의 혼합으로 압축강도를 원하는 값까지 상승시키는 것도 가능할 것이다.

(비교예 5~6 및 실시예 16~17)

제품의 환경유해성분들의 용출 등의 안전성을 확보하기 위하여 표 5와 같이 시멘트와 지오폴리머 소재를 이용하여 공시체를 제조하고 이를 KSLT법과 TCLP 법을 이용하여 Cu, Cr, Pb, Cd 및 Zn 등에 관하여 유해중금속의 용출 여부를 조사하였다. 아래 표에서와 같이 바인더는 시멘트와 geobond를 사용하였으며, 순환골재 단독을 골재로 사용하였다. 이러한 이유는 단독의 순환골재를 사용하는 것이 부순골재를 혼입하여 사용한 경우보다 내부의 중금속양이 많을 것으로 생각되며, 부순골 재를 혼입한 concrete가 단독의 순환골재를 사용한 것보다 압축강도가 높기 때문에 보다 치밀하여 용출양도 부순골재를 혼입한 조건이 낮을 것으로 판단하였기 때문이다. 또한 순환골재 단독의 중금속 용출량은 검토하지 않았는데, 이는 순환골재의 중금속 용출의 여부를 검토하여 순환골재의 중금속 함유량을 조사하는 것이 목적이 아니라 최종제품의 중금속 용출여부가 중요하기 때문이다.

표 5. 순환골재를 이용한 concrete의 제조 조건

구분	Binder(kg)		골재종류		표준사	용액(kg)		비고
			순환골재(kg)		표준사	물	액상
			8mm 이하	8mm 이상		물	액상
비교예5	Cement	929	2,065	-	1,006	410	-
비교예6	Cement	929	-	2,065		460	-
실시예16	Geobond	929	2,065	-		-	460
실시예17	Geobond	929	-	2,065		-	460

중금속 용출시험결과를 표 6에 나타내었다. 표에서와 같이 모든 중금속 용출양이 법적 허용기준치 이내의 값을 나타냄을 알 수가 있었다. 시멘트를 이용한 제품의 경우, Cu와 Zn의 중금속 용출량은 지오폴리머를 이용한 제품의 경우보다 낮은 용출을 보이고 있다. 그러나 사회적으로 문제가 되고 있는 Cr의 경우에는 지오폴리머 보다 높은 용출을 보이고 있고, Cd의 경우에는 동일한 값을 나타내었다. 또한 Pb의 경우에는 시멘트를 사용한 경우와 지오폴리머를 사용한 경우가 일치한 결과를 나타내고 있다. 그러나 순환골재를 사용한 시멘트 제품의 압축강도는 부순골재를 사용한 제품의 압축강도와 비교하여 매우 낮은 값을 나타내었으나, 지오폴리머를 사용한 제품의 압축강도는 부순골재를 사용한 제품과 유사한 값을 나타내었으며, 부순골재를 순환골재에 혼입한 제품의 압축강도는 부순골재를 사용한 시멘트 콘크리트의 압축강도 보다 높기 때문에 지오폴리머를 이용하여 순환골재 concrete를 제조할 경우, 구조적 안정성뿐만 아니라 환경유해한 중금속의 용출의 안전성을 확보할 수 있을 것이다.

표 6. 순환골재를 이용한 concrete의 중금속 용출실험 결과 (단위: ppm)

구분	실험방법	Cu	Cr	Zn	Pb	Cd	비고
비교예5	TCLP	N.D.	0.060	0.009	N.D.	0.001
비교예5	KSLT	N.D.	0.024	0.127	N.D.	0.001
비교예6	TCLP	N.D.	0.043	0.249	N.D.	0.001
비교예6	KSLT	N.D.	0.021	0.101	N.D.	0.001
실시예16	TCLP	0.006	0.006	0.618	N.D.	0.001
실시예16	KSLT	0.009	0.007	0.079	N.D.	0.001
실시예17	TCLP	N.D.	0.004	0.344	N.D.	0.001
실시예17	KSLT	0.006	0.007	0.076	N.D.	0.001
폐기물 유해물질 허용기준		1.0	1.5	3.0	3.0	0.3

※ Cu, Cr, Pb, Cd : 지정폐기물 유해물질 함유기준

Zn : 해양배출 폐기물 기준

도 1은 순환골재를 이용한 콘크리트 제조과정을 나타낸 사진.

도 2는 시멘트를 이용하여 제조된 공시체와 파단면 사진.

도 3~5는 지오폴리머 콘크리트의 공시체 사진과 파단면 사진.

도 6은 황산 10% 수용액을 이용한 순환골재 콘크리트의 내산성 시험사진.

도 7은 동결융해 시험용 콘크리트 몰딩과 공시체 사진.

도 8은 동결융해시험기 및 내부 사진.

도 9는 지오폴리머 투수콘크리트의 공시체 사진.

Claims

지오폴리머 분말 100 중량부에 대하여 순환골재 90 중량부~220 중량부, 모래 100 중량부~150 중량부를 혼합한 다음 액상의 활성화제를 30 중량부~70 중량부를 투입하여 다시 혼합한 후 성형 및 양생하는 것으로 구성되는 건축물 폐재 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트의 제조방법.
제1항에 있어서, 부순골재 1 중량부 ~ 130 중량부가 추가 투입되는 것을 특징으로 하는 건축물 폐재 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트의 제조방법.
제1항에 있어서, 지오폴리머 분말은 고로 슬래그 : 플라이 애시: 비정질 실리카(Nippon aerosil 300)의 비율이 10 : 89 : 1~ 50 : 45 : 5의 범위로 구성된 혼합 분말인 것을 특징으로 하는 건축물 폐재 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트의 제조방법.
제1항에 있어서, 액상의 활성화제는 NaOH와 KOH의 혼합물에 실리카가 첨가된 것임을 특징으로 하는 건축물 폐재 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트의 제조 방법.
제4항에 있어서, 액상의 활성화제는 SiO₂/M₂O의 몰비가 2.2~2.5인 것을 특징으로 하는 건축물 폐재 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트의 제조방법.
지오폴리머 분말 100 중량부, 순환골재 90 중량부~220 중량부, 모래 100 중량부~150 중량부 및 액상의 활성화제를 30 중량부~70 중량부로 구성되는 건축물 폐재 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트.
제6항에 있어서, 부순골재 1 중량부 ~ 130 중량부가 추가된 건축물 폐재 순환골재를 이용한 지오폴리머 콘크리트.