KR20120120665A

KR20120120665A - 바텀애시를 포함하는 결합재

Info

Publication number: KR20120120665A
Application number: KR20110038387A
Authority: KR
Inventors: 김시환; 류금성; 고경택; 이장화; 강수태; 김도겸
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2012-11-02
Also published as: KR101339332B1

Abstract

본 발명은 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 소성가공에 의해 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신 분쇄장치에 의해 물리적으로 활성화시킨 바텀애시와, 알카리성 무기질재료로 탄화칼슘, 수산화나트륨 및 규산염으로 규산나트륨이 배합되는 결합재를 제공함으로서 비소성이며 산업폐기물인 바텀애시를 이용할 수 있어 친환경적인 결합재가 제공되며, 이러한 결합재를 이용하여 모르타르 또는 콘크리트를 제조 시 작업성이 우수하면서 압축강도가 20 내지 60MPa급의 무 시멘트 모르타르 또는 콘크리트가 제공될 수 있는 비소성 결합재에 관한 것이다.

Description

바텀애시를 포함하는 결합재{A Non-sintering Binder Having Bottom Ash}

본 발명은 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 소성가공에 의해 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신 분쇄장치에 의해 물리적으로 활성화 시킨 바텀애시와, 알카리성 무기질재료로 탄화칼슘, 수산화나트륨 및 규산염으로 규산나트륨이 배합되는 결합재를 제공함으로서 비소성이며 산업폐기물인 바텀애시를 이용할 수 있어 친환경적인 결합재가 제공되며, 이러한 결합재를 이용하여 모르타르 또는 콘크리트를 제조 시 작업성이 우수하면서 압축강도가 20 내지 60MPa급의 무 시멘트 모르타르 또는 콘크리트가 제공될 수 있는 비소성 결합재에 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 2009년까지 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.

국내외적으로 고로슬래그, 플라이애시 등을 시멘트와 일부 혼합하여 콘크리트에 많이 적용되고 있으나, 이런 방법으로는 이산화탄소를 획기적으로 저감시키는 데 한계가 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.

한편 종래에는 시멘트를 전혀 사용하지 않고 바텀애시와 화학성분이 비슷한 플라이애시만을 사용하여 콘크리트를 제조하는 기술이 제시되었는 바, 60℃ 이상의 고온양생 과정을 통해 석탄회의 유리(glassy) 피막을 파괴하여 반응을 유도함으로서 20MPa 이상을 확보할 수 있는 기술에 관한 것이다. 그러나 이러한 기술은 중합반응에 의한 것으로 강도를 높이는데 한계가 있는 문제가 발생하였다.

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.

한편, 화력발전소에서 발생되는 석탄회 중에서 플라이애시(Fly ash, 비산재)는 시멘트 원료 및 콘크리트 혼화재로 등으로 대부분 소비되고 있으나, 석탄회 발생량 중 15~25% 정도를 차지는 바텀애시(Bottom ash, 바닥재)는 대부분 매립 처분되어 막대한 처리비용에 따른 경제적 손실과 매립지 증가에 따른 국토의 효율적 활용을 저해하는 요인으로 작용한다. 이에 바텀애시를 시멘트와 함께 또는 대체재로 사용하는 무시멘트 모르타르 또는 콘크리트에 대한 연구가 진행되고 있다.

이에 본 발명자들은 바텀애시를 모르타르 또는 콘크리트의 결합재로 사용하기 위해 연구와 실험을 거듭하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 제조 시 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신에 물리적으로 활성화 된 바텀애시에 알카리성 무기질재료로서 탄화칼슘 및/또는 수산화나트륨과 규산염으로 규산나트륨을 적정배합비로 배합됨으로서, 시공성 및 압축강도에서 우수한 무시멘트 모르타르 또는 무시멘트 콘크리트가 제조될 수 있도록 하는 결합재를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재는 바텀애시, 알카리성 무기질재료, 및 규산염으로 배합되되, 상기 바텀애시에 대하여 알카리성 무기질재료 및 규산염은 중량비로 70:30 ~ 80:20인 것을 특징으로 한다.

특히 본 발명은 분쇄시켜 유리질 피막을 파괴시킴으로서 물리적으로 중합반응을 활성화시킨 바텀애시를 사용하고, 이에 알카리성 무기질재료로서 탄화칼슘(CaC₂)을 배합함으로써 탄화칼슘에서 생성되는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 포졸란반응을 유도함과 동시에 장기강도를 증진시키고, 이에 부가하여 화학적으로 활성화시키기 위해 알카리성 무기질재료로 수산화나트륨 및 규산염으로 규산나트륨을 배합하여 결합재를 제조함에 의해 이를 이용하여 무 시멘트 모르타르 또는 콘크리트가 제공될 수 있도록 하는 것이다.

상기 탄화칼슘(CaC₂)은 아세틸렌(CaH₂) 가스 제조 시 발생되는 부산물로 아래 식은 탄화칼슘이 물과의 반응에 의해 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 만들어지는 과정을 나타내고 있다. 이렇게 만들어진 수산화칼슘이 바텀애시의 Si, Al, Fe의 성분과 만나서 C-S-H 겔 형태의 포졸란 반응을 일으키는 것으로 이것은 시멘트가 수화반응에서 얻어지는 C-S-H와 유사하여 결국 이러한 반응을 통해 모르타르 또는 콘크리트에 강도발현이 가능하게 되는 것이다.

CaC₂ + H₂O → CaH₂ + Ca(OH)₂

즉 물리적으로 활성화시킨 바텀애시를 사용함에 의해 폴리머의 중합반응을 활성화시켜 강도가 향상될 수 있는 것이며, 또한 포졸란반응이 유도됨으로서 이러한 결합재를 이용하여 모르타르 또는 콘크리트 제조시 장기강도 또한 크게 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 결합재가 적용된 모르타르 또는 콘크리트의 경화과정은 1) 수산화 이온들의 합성 작용을 통한 전구체들의 형성, 2) 알칼리-실리카의 부분적 재구성, 3) 무기질 구조의 형성을 위한 재 침전 등으로 구분할 수 있다.

이렇게 본 발명의 결합재가 적용된 모르타르 또는 콘크리트에서는 Al/Si의 비와 더불어 H₂O/SiO₂ 비도 중요하다. H₂O는 알루미늄과 실리카 이온들의 용해 과정에서 중요한 역할을 하기 때문이다.

본 발명에서는 바텀애시와 알칼리 무기질 재료 및 규산염의 배합구성을 통해 중합반응(Polymerisation)을 유도하여 강도가 증진되게 함으로써 결국 시멘트를 사용하지 않으면서 소성과정이 없이 일정 강도이상을 발현할 수 있는 결합재를 제공하는 것이다.

본 발명에 있어 알카리성 무기질재료는 상기에서 언급한 탄화칼슘 및/수산화나트륨이 사용됨이 바람직하고, 규산염은 규산나트륨이 사용되는 것이 바람직하다.

이에 본 발명의 결합재는 바텀애시(A), 알칼리성 무기질 재료(B) 및 규산염(C)로 구성되며, 이때 바텀애시(A)와 알칼리성 무기질 재료 및 규산나트륨(B+C)는 중량비가 70:30 내지 80:20으로 구성됨이 타당하다. 이렇게 결합재 중 바텀애쉬와 알칼리성 무기질재료 및 규산염의 중량비(A:B+C)를 70:30 내지 80:20으로 구성한 것은 중합반응에 필요한 적절한 비율의 Si 및 Al과 Na가 존재하여야 하기 때문으로 바텀애쉬의 중량비가 이보다 클 경우 상대적으로 반응에 필요한 Na가 부족하게 되어 강도가 저하되고, 이와 반대로 이보다 작을 경우 강도에 기여하는 Si 또는 Al가 부족하여 강도가 저하되기 때문이다.

또한 상기 알칼리성 무기질재료(B)와 규산염(C)의 중량비는 75:25 내지 25:75으로 구성됨이 타당하다. 이는 알칼리성 무기질재료를 75중량%를 초과하여 사용하면 알루미노실리케이트가 과다하게 생성되어 팽창에 의한 모르타르 또는 콘크리트의 균열이 발생하여 강도가 저하되는 문제점이 있으며, 25중량% 미만으로 사용한 경우에는 재령 초기에 알루미노실리케이트의 생성이 작아져 초기강도가 저하되고, 수축이 다소 증가되는 문제점과 함께 다량의 규산염(규산나트륨) 사용으로 경제성 측면에서 불리하게 작용하는 문제점이 있다.

상기 바텀애시는 분말도가 3,000 ~ 4,500㎠/g인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 바텀애시의 분말도가 3,000㎠/g 미만인 경우에는 반응성이 작아 강도발현에 불리하고, 분말도가 4,500㎠/g을 초과하는 경우에는 반응성이 크지만, 시공성이 다소 저하되고 통상의 제품으로 판매되지 않는 관계로 미분말시키기 위해 분쇄하는 과정 또는 분급하는 과정을 거쳐야 하기 때문에 경제성이 저하될 수 있기 때문이다. 이러한 바텀애시는 물리적으로 활성화시킨 것을 사용하는 것이 바람직한데, 물리적으로 활성화시키는 방법은 분쇄장치를 이용하여 바텀애시의 유리질 피막을 물리적인 방법으로 분쇄하여 중합반응을 활성화시켜 높은 강도가 발현되도록 하는 것이 타당하다.

상기 규산염으로 사용되는 규산나트륨은 SiO₂와 Na₂O의 몰비가 1.0 내지 3.4 범위의 값을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직한데, 몰비가 1.0 미만인 경우에는 결합재의 점도가 급격히 증가되어 슬럼프가 저하됨으로써 시공성이 저하될 뿐만 아니라 중합반응에 필요한 Si 성분이 적어져 장기강도가 발현이 작아지고, 몰비가 3.4를 초과하는 경우에는 시공성에 영향을 주지 않지만, Na이온이 적어져 초기강도가 작아지는 문제가 있기 때문이다.

나아가 상기 규산나트륨은 보다 우수한 시공성 및 강도를 얻기 위해, SiO₂와 Na₂O의 몰비가 2.8~3.2인 것을 사용하는 것이 보다 바람직하다.

상기 알칼리성 무기질재료는 6 내지 16M 범위의 탄화칼슘, 수산화나트륨 중 어느 하나이거나 이들의 혼합물인 것이 바람직하다. 상기 알칼리성 무기질 재료를 6M미만인 것을 사용하면 바텀애시가 모두 반응하는데 필요한 양보다 부족하게 되어, 충분한 알칼리 활성화 반응이 일어나지 않아 강도를 저감시킬 우려가 있고, 16M을 초과하는 것을 사용하면 상대적으로 고가인 알칼리성 무기질 재료의 투입량 대비 강도 향상 효과가 미미하기 때문에 경제적인 측면에서 불리하게 작용하기 때문이다.

한편 본 발명은 상기에서 언급한 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재에 잔골재, 물을 배합함으로서 무시멘트 모르타르가 구성될 수 있으며, 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재에 굵은 골재, 잔골재, 물을 배합함으로서 무시멘트 콘크리트가 구성될 수 있다. 이러한 모르타르 및 콘크리트에 있어 필요에 따라 혼화제, 보강섬유 등이 보강될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 바텀애쉬를 포함한 비소성 결합재는 바텀애쉬를 물리적으로 활성화시켜 강도발현이 유리하도록 하며, 탄산칼슘에 기해 포졸란반응을 활성화하여 장기강도가 발현되도록 함으로서 그 배합비에 따라 상온에서도 압축강도를 20~60MPa 범위까지 확보할 수 있어 무시멘트 모르타르 또는 콘크리트가 제공될 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 바텀애쉬를 포함한 비소성 결합재는 이를 포함하여 모르타르 또는 콘크리트 제조 시 일정 시간이상 유동성이 유지되어 충분한 작업성을 확보할 수 있어 결합재로서 충분한 적용가능성이 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 바텀애쉬를 포함한 비소성 결합재를 사용함으로서 시멘트가 완전히 대체됨에 의해 시멘트 제조 시 발생되는 다량의 CO₂ 가스의 발생을 줄일 수 있고 산업 부산물인 바텀애시가 재활용되므로 매립지 확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라, 매립 시 발생되는 침출수에 의해 발생하는 많은 환경문제 등을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 결합재 중 바텀애시와 알카리성 무기질재료 및 규산염의 중량비에 따른 슬럼프 결과 및 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.
도 2는 결합재 중 바텀애시의 상대중량비가 일정할 때 알칼리 무기질재료와 규산염의 중량비에 따른 슬럼프 결과 및 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.
도 3은 바텀애시의 분말도에 따른 슬럼프 결과를 보이는 그래프이다.
도 4는 바텀애시의 분말도에 따른 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.
도 5는 알카리성 무기질재료 중 수산화나트륨이 일정한 경우 탄화칼슘 혼입비에 따른 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시 예에 한정되지는 않는다.

<실시예 1>

바텀애쉬 대비 알카리성 무기질재료 및 규산염 중량비 영향

분말도 3,000㎠/g를 가진 바텀애시, 알카리성 무기질재료(수산화나트륨(NaOH) 9M)와 규산염(SiO₂/Na₂O의 몰비가 3.2인 규산나트륨)중에 바텀애시와 알카리성 무기질재료 및 규산염의 중량비를 60:40, 70:30, 80:20, 90:10로 배합하며, 이때 수산화나트륨과 규산나트륨의 중량비는 각가 1:1로 배합한 결합재가 사용되었다. 그리고 나머지 잔골재, 굵은골재는 통상의 콘크리트와 같은 비율로 사용하여 콘크리트를 제조하였다. 이렇게 제조한 각각의 콘크리트에 대하여 슬럼프와 압축강도를 측정하여 그 결과를 각각 도 1에 나타내었다. 여기서, 슬럼프 시험은 KS F 2402에 준하여 콘크리트를 혼합하여 믹서로부터 배출된 직후에 작업성을 평가하였으며, 압축강도는 φ100 × 200mm 원주시험체를 제작하여 20℃에서 1일 동안 양생을 실시한 후 기건상태(습도 50± 5%)에서 60℃ 48시간 고온양생을 실시하여 재령 3일, 7일, 28일 및 91일에서 KS F 2405에 준하여 측정하였다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 바텀애시 중량에 대한 알카리성 무기질재료 및 규산염의 중량비가 60:40인 경우 슬럼프는 압축강도가 작게 나타났으며, 90:10인 경우 슬럼프 및 압축강도가 저하되는 것으로 나타난다. 즉 중합반응에 필요한 적절한 비율의 Si 및 Al과 Na가 존재하는데 바텀애시의 중량은 일정하나 알카리성 무기질재료 및 규산염의 양이 많을 경우 강도에 기여하는 Si 또는 Al가 부족하여 강도가 저하원인이 되며, 알카리성 무기질재료에 포함된 수분의 양이 많아지면서 슬럼프는 커지나 알루미늄과 실리카 이온들의 용해 과정에 필요한 수분 외에 잔여 수분이 강도저하를 발생시키는 것으로 판단된다. 그러므로 바텀애시에 대한 알카리성 무기질재료 및 규산염의 중량비는 70:30 내지 80:20인 것이 강도 및 슬럼프면에서 적정 배합비인 것으로 판단되며 더욱 바람직하게는 바텀애시 중량에 대한 알카리성 무기질재료 및 규산염의 중량비가 80:20인 것이 타당하다.

<실시예 2>

알카리성 무기질재료 및 규산염의 중량비 영향

분말도 3,000㎠/g를 가진 바텀애시, 알카리성 무기질재료(수산화나트륨(NaOH) 9M)와 규산염(SiO₂/Na₂O의 몰비가 3.2인 규산나트륨)을 배합하되, 상기 실시 예 1에서 본 바와 같이 바텀애시와 알카리성 무기질재료 및 규산염을 적정 중량비인 80:20으로 배합하고, 이중 알카리성 무기질재료와 규산염의 중량비를 각각 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100으로 배합된 결합재를 사용하였다. 본 실시 예에서도 나머지 잔골재, 굵은골재는 통상의 콘크리트와 같은 비율로 사용하여 콘크리트를 제조하였으며, 슬럼프시험 및 압축강도의 시험의 경우도 실시예 1과 동일하게 실시하였으며 그결과는 도 2에서 도시하고 있다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 알카리성 무기질재료 또는 규산염이 배합되지 않은 경우에는 강도면에서 불리하게 되는 것을 알 수 있는 바, 알카리성 무기질재료와 규산염의 중량비가 75:25 내지 25:75로 배합되는 것이 시공성 및 강도면에서 유리한 것을 알 수 있다. 특히 본 실시 예에서 알 수 있는 바와 같이 수산화나트륨에 있어 수분함량이 기여하는 슬럼프치와 수산화나트륨의 Na와 규산나트륨의 Si이 기여하는 강도면에서 고려하면 가장 바람직한 알카리성 무기질재료와 규산염의 배합비는 중량비로 1:1로 배합되는 것이 타당한 것으로 판단된다.

<실시예 3>

바텀애시 분말도의 영향

본 발명에서 제시된 바텀애시를 포한한 비소성 결합재에 있어 바텀애시의 분말도에 따른 영향을 분석하기 위해, 하기 표 1과 같이 분말도 1,500㎠/g, 3,000㎠/g, 4,500㎠/g, 5,500㎠/g인 바텀애시를 사용하였다.

구분	분말도(㎠/g)
BA1500	1,500
BA3000	3,000
BA4500	4,500
BA5500	5,500

이렇게 분말도가 다른 바텀애시를 각각 결합재 전체중량의 80중량%로 하였고, 알칼리성 무기질재료로서 9M 수산화나트륨을 결합재 전체중량의 10%, 규산염(SiO₂/Na₂O의 몰비가 3.2인 규산나트륨)을 결합재 전체중량의 10%로 하여 결합재를 구성하였다. 본 실시 예에서도 나머지 잔골재, 굵은골재는 통상의 콘크리트와 같은 비율로 사용하여 콘크리트를 제조하였으며, 슬럼프시험 및 압축강도의 시험의 경우도 실시예 1과 동일하게 실시하였으고, 그 결과는 도 3 및 도 4에서 도시하고 있다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 바텀애시의 분말도가 클수록 시공성이 다소 저하되는 것으로 나타났으나, 분말도 4,500㎠/g까지는 슬럼프가 210~185mm 범위로 시공성에는 큰 영향이 없는 것으로 나타났으나, 분말도 5,500㎠/g에서는 슬럼프가 145mm 정도로 유동성이 크게 저하되는 것으로 나타났다. 따라서 시공성면에서 본 발명의 결합재에 있어서 바텀애시의 분말도는 3,000 내지 4,500㎠/g인 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

그 다음으로 압축강도면에서 본 다면 도 4의 결과로부터 바텀애시의 분말도가 작을수록 강도발현이 저하되고, 특히 분쇄하지 않은 분말도 1,500cm2/g인 경우에는 재령 28일에서도 10MPa 미만으로 비교적 낮은 강도를 나타내고 있다. 그리고 분말도 4,500㎠/g까지는 초기강도 및 장기강도가 증가하나, 분말도 5,500㎠/g을 사용한 경우는 오히려 강도가 저감하는 것을 알 수 있다. 즉 강도면에서 본 발명의 결합재에 있어서 바텀애시의 분말도는 3,000 내지 4,500㎠/g인 것이 바람직한 것을 알 수 있다. 또한 강도면에서 보면 분쇄하지 않은 바텀애시(분말도 1,500㎠/g)를 사용하는 경우는 강도가 낮아 본 발명의 결합재로서 적당하지 않은 것을 알 수 있는 바, 이는 바텀애시를 본 발명의 결합재로 사용하는 경우 분쇄(분말도는 3,000 내지 4,500㎠/g)에 의해 유리질 피막을 파괴시킴으로서 중합반응을 활성화시켜 강도발현을 도모하도록 하여야 하는 것으로 판단된다.

한편, 상기에서 사용한 바텀애시를 진동밀로 분쇄하여 사용한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 성분 분석하여 하기 표 2에 나타내었다.

	SiO₂ (%)	Al₂O₃ (%)	Fe₂O₃ (%)	CaO (%)	MgO (%)	SO₃ (%)	K₂O (%)	Na₂O (%)	LOI (%)
바텀애시	57.7	23.6	9.36	4.57	0.16	0.71	2.56	0.82	0.01
분쇄된 바텀애시	58.3	22.4	8.8	4.53	1.37	0.42	2.38	0.70	0.04

상기 표2에서 알 수 있는 바와 같이, 바텀애시를 분쇄장치를 사용하여 분쇄한 경우 화학성분 변동폭이 매우 소량으로 성분의 차이는 거의 없는 것으로 판단된다. 즉 바텀애시를 분쇄하여 적정의 분말도로 형성되는 경우에 있어 그 화학적 조성의 변동이 없이 물리적 변동(유리질 피막을 파괴)에 의해 중합반응에 대한 활성을 가지게 되는 것을 알 수 있으며, 이러한 활성이 결국 모르타르 또는 콘크리트의 강도를 향상시킬 수 있는 것으로 판단된다.

이상의 결과를 종합하면, 바텀애시, 알카리성 무기질재료, 규산염으로 구성된 결합재를 사용하여 모르타르 또는 콘크리트를 제조할 경우, 바텀애시는 분쇄에 의해 물리적 활성을 변화시켜야 하는데, 그 분말도는 3,000 내지 4,500㎠/g의 범위에서 슬럼프 180mm 이상으로 충분한 작업성을 확보할 수 있고, 재령 28일에서 압축강도 30~60MPa 범위의 압축강도를 확보할 수 있으므로 보다 우수한 물성의 무시멘트 모르타르 또는 콘크리트 제조가 가능할 것으로 판단된다. 특히 시공성, 강도 및 경제성을 고려하면 바텀애시의 분말도는 3,000㎠/g인 것이 가장 바람직할 것이다.

<실시예 4>

탄화칼슘의 혼입비 영향

본 발명의 결합재에 있어 알카리성 무기질재료에 탄화칼슘의 혼입비에 따른 영향을 분석하기 위해, 결합재 전체중량에 대해 탄화칼슘을 각각 0, 5, 10, 15, 20중량%로 첨가하고, 분말도 3,500㎠/g인 바텀애시를 결합재 전체 중량에 대해 각각 75, 70, 65, 60%를 사용하였다. 그리고 4가지 경우 모두, 수산화나트륨(NaOH-9M)을 결합재 전체 중량에 대하여 10%로 하여 사용하였으며, 규산나트륨은 결합재 전체 중량에 대하여 10%로 하여 사용하였다. 본 실시 예에서도 나머지 잔골재, 굵은골재는 통상의 콘크리트와 같은 비율로 사용하여 콘크리트를 제조하였으며, 압축강도의 시험의 경우도 실시예 1과 동일하게 실시하였고, 그 결과는 도 5에서 도시하고 있다.

도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 치환율 10%까지 탄화칼슘의 혼입비가 증가할수록 강도는 증가하는 것으로 나타났고, 탄화칼슘이 혼입된 경우 91일 장기강도에서 모두 우수한 것으로 나타났다. 이러한 이유는 탄화칼슘에 의해 생성되는 수산화칼슘이 혼입됨으로써 바텀애시의 중합반응과 함께 포졸란 반응 등의 시너지 효과를 일으킴으로써 장기강도가 우수한 것으로 판단된다. 탄화칼슘이 10중량%를 초과하는 경우는 강도가 저하되는 것으로 나타났다. 이러한 이유는 탄화칼슘의 증가만큼 바텀애시가 감소로 인한 결과로 판단된다.

이상의 결과를 종합하면, 바텀애시, 탄화칼슘, 수산화나트륨, 규산나트륨으로 구성된 결합재를 사용하여 콘크리트를 제조할 경우, 수산화나트륨 100중량부 대비 탄화칼슘은 0을 초과하고 200중량부 이하로 배합하는 것이 초기강도 및 장기강도 증진에서 가장 우수한 효과를 발생하는 것을 알 수 있었다.

바텀애시 탄산칼슘
수산화나트륨 규산나트륨
규산나트륨 결합재

Claims

바텀애시, 알칼리성 무기질재료 및 규산염으로 구성되며, 상기 바텀애시와 나머지 알칼리성 무기질재료 및 규산염은 중량비로 70:30 ~ 80:20인 것을 특징으로 하는 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재.
제 1항에 있어서,
상기 알칼리성 무기질재료와 상기 규산염은 중량비로 75:25 내지 25:75인 것을 특징으로 하는 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재.
제 1 항에 있어서,
상기 바텀애시는 분쇄장치를 이용하여 물리적으로 유리질 피막을 파괴시켜 활성화시킴을 특징으로 하며, 그 분말도가 3,000 ~ 4,500㎠/g인 것을 특징으로 하는 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재.
제 1 항에 있어서,
상기 알칼리성 무기질 재료는 6 내지 16M 범위의 탄화칼슘(CaC₂), 수산화나트륨(NaOH) 중 하나 또는 혼합물인 것을 특징으로 하는 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재.
제 4항에 있어서,
상기 알카리성 무기질재료는 수산화나트륨 100중량부 대비 탄화칼슘은 0을 초과하고 200중량부 이하인 것을 특징으로 하는 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재.
제 1 항에 있어서,
상기 규산염은 규산나트륨인 것을 특징으로 하는 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재.
제 6항에 있어서,
상기 규산나트륨은 SiO₂와 Na₂O의 몰비가 1.0 내지 3.4인 것을 특징으로 하는 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재.
잔골재, 굵은골재, 물 및 결합재를 포함하는 모르타르에 있어서,
상기 결합재는 상기 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 결합재가 포함됨을 특징으로 하는 모르타르.
잔골재, 굵은 골재, 물, 결합재로 구성되는 콘크리트에 있어서,
상기 결합재는 상기 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 결합재가 포함됨을 특징으로 하는 콘크리트.