KR20120124933A

KR20120124933A - 알칼리 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 시공 방법

Info

Publication number: KR20120124933A
Application number: KR1020110042882A
Authority: KR
Inventors: 박상숙; 강화영; 박성봉; 김학연
Original assignee: 순천대학교 산학협력단
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2012-11-14

Abstract

본 발명은 시멘트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 시공 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알칼리 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 시공 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 국내에 연간 200만 톤 이상이 배출되고 약 2천만 톤 가량이 적치되고 있는 폐석고를 전처리 공정 없이 제품에 직접적인 이용이 가능하기 때문에 폐석고의 대량처리가 가능하고 소요원료도 산업부산물인 고로슬래그를 사용하는 것을 감안할 때 대폭적인 원가절감을 할 수 있다. 또한 석고와 슬래그의 수화반응에서는 Ca(OH)₂성분을 거의 생성하지 않기 때문에 일반 시멘트 제품보다 산성이나 각종의 염류, 특히 황산염이나 해수작용에 대한 저항성이 우수하여 하수관이나 부패조 또는 내해수성이 요구되는 구조물의 건설시 효과적으로 사용될 수 있다.

Description

알칼리 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 시공 방법{ALKALI ACTIVATED GYPSUM?SLAG CEMENT COMPOSITION AND CONCRETE CONSTRUCTING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 시멘트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 시공 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알칼리 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 시공 방법에 관한 것이다.

대량으로 배출되는 폐기물 중 하나인 폐석고는 과거에는 유해성이 큰 지정폐기물로 분류되어 취급에 각별한 제한이 따랐으나, 새롭게 제정된 폐기물 관리법에서는 특별한 유해성이 없는 것으로 인정되어 지정폐기물에서 사업장 폐기물로 분류되어지고 있다. 이러한 폐석고는 연간 200만 톤 이상 발생되고 있는데 인산석고를 비롯하여 배연탈황석고, 티탄석고 등 화학공정에서 발생되는 부산석고가 대부분을 차지하고 있다(배국진, 부산석고의 발생 및 재활용 동향, 신기술 12,9('98.9)pp.29-40, 한국과학기술정보연구원(1998)).

국내 비료회사인 N화학에서 발생되는 폐인산석고는 1999년 기준 약 157 만톤/년 이상이 발생되고 있다. N화학에서 발생되는 석고는 인광석을 원료로 하여 인산비료를 추출하는 과정에서 발생되는 석고로, 이는 슬러리형 석고로 석고 30%, 물 70%의 혼합 슬러리 상태로 석고 매립장으로 이송 처리되며 이중 석고는 침전되고 침출수는 저장조로 모여 다시 생산 공정에 재활용하고 있다.

한편, 슬래그는 철강의 제조공정에서 철의 원료인 철광석 등으로부터 철을 분리하고 남은 부산물로써 얻어지는 잠재수경성 물질로써 미분말 형태로 시멘트에 혼합되어 사용되고 있다. 시멘트 혼합재로서 슬래그 미분말을 사용할 경우, 시멘트 제조시 소요되는 막대한 에너지를 절약할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 포틀랜드시멘트를 제조하기 위한 클링커 소성 공정 등이 불필요하기 때문에 에너지 절감과 더불어 CO₂ 감축 등의 부가적인 온실가스 발생저감 효과를 얻을 수 있다(Puertas, F., Fern, A., “Mineralogical and microstructural characterisation of alkali-activated fly ash/slag pastes, Cement & Concrete Composites”, 25, pp. 287-292 (2003), Palacios, M. and Puertas, F., “Effect of superplasticizer and shrinkage-reducing admixtures on alkali-activated slag pastes and mortars”, Cement & Concrete Research, 35, pp. 1358-1367 (2005)).

온실가스의 55%를 차지하는 CO₂ 배출량 중 약 15%는 시멘트 제조 분야에서 배출되는 것으로 알려져 있다. 포틀랜드 시멘트는 고온(1,450℃)상태에서 용융시켜야만 생산할 수 있기에 대량의 에너지를 소비할 뿐만 아니라 1톤의 시멘트를 제조하는 경우 석회석은 약 1.13톤, 클링커의 소성에 소모되는 중유는 32?36ℓ, 이에 따른 이산화탄소 배출량은 석회석(CaCO₃, CaOㆍCO₂)의 CO₂ 분해를 위한 하소공정에서 약 0.55톤, 소성 공정에서 화석 연료의 연소시 약 0.40톤 등으로 결국 1톤의 시멘트를 생산할 때마다 약 1톤의 이산화탄소가 배출되는 것으로 추정된다.

또한 고로슬래그 미분말을 혼합한 시멘트는 보통포틀랜드시멘트와 비교하였을 때 장기재령에서 강도가 높으며, 초기수화열이 낮고, 내구성 증진, 화학적 안정이 되는 등 시멘트 경화체의 물성을 개선시켜주는 장점이 있다(Ferraris, C. F., Obla, K. H. and Hill, R., “The influence of mixing on the Rheology of cement paste and concrete”, Cement & Concrete Research, 31, pp. 245-255 (1999), Song, J. T. and Choi, H. Y., “Rheoloical Properties of cement pastes containing metakaoline(in Korean)”, J. Kor. Ceram. Soc., 40, pp. 1229-1234 (2003), 문한영, 최연왕, 콘크리트용 혼화재로서의 고로슬래그 미분말의 품질에 대한 연구, 대한토목학회 논문집, 제 14권 4호, pp. 721-729 (1994)).

지금까지 국내외 연구개발을 통해 고로슬래그를 대량으로 재활용하고 고부가가치화할 수 있는 분야 중 하나는 고로슬래그를 시멘트로 활용하는 것이다. 그러나 지금까지의 연구는 고로슬래그를 포틀랜드시멘트에 일부 첨가하는 첨가재로 활용하고 있어 재활용에 한계가 있는 문제점이 있다. 더욱이 향후 철강재료의 생산량 증가와 더불어 고로슬래그 발생량이 증가하고 있어, 고로슬래그의 활용도를 좀 더 높이기 위한 유인책이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 폐석고와 고로슬래그를 이용하여 기존 포틀랜드 시멘트 대체 물질을 제공하고, 이를 이용한 콘크리트 시공 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 석고 20~40중량% 및 슬래그 60~80중량%를 포함하는 석고-슬래그 혼합물 100중량부에 대하여, 물유리 80~90중량% 및 수산화나트륨 10~20중량%를 포함하는 활성화제 20~30중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물을 제공한다.

상기 석고는 폐석고인 것이 바람직하다.

상기 폐석고는 폐인산석고인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 알칼리 활성화 석고-슬래그 조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 시공 방법을 제공한다.

상기 시공 방법에서, 석고-슬래그 혼합물 100중량부에 대하여, 물 20~30중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 시공 방법에서, 양생 온도는 50~60℃인 것이 바람직하다.

상기 시공 방법에서, 양생 시간은 12~24시간인 것이 바람직하다.

상기 콘크리트는 압축 강도가 40MPa 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 국내에 연간 200만 톤 이상이 배출되고 약 2천만 톤 가량이 적치되고 있는 폐석고를 전처리 공정 없이 제품에 직접적인 이용이 가능하기 때문에 폐석고의 대량처리가 가능하고 소요원료도 산업부산물인 고로슬래그를 사용하는 것을 감안할 때 대폭적인 원가절감을 할 수 있다.

또한 석고와 슬래그의 수화반응에서는 Ca(OH)₂성분을 거의 생성하지 않기 때문에 일반 시멘트 제품보다 산성이나 각종의 염류, 특히 황산염이나 해수작용에 대한 저항성이 우수하여 하수관이나 부패조 또는 내해수성이 요구되는 구조물의 건설시 효과적으로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 표 1의 제조예 1에 따른 성분 함량으로 제조된 시편에 대한 양생 시간과 양생 온도별 압축강도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 표 1의 제조예 2에 따른 성분 함량으로 제조된 시편에 대한 양생 시간과 양생 온도별 압축강도를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 국내에서 다량으로 발생하는 폐석고와 고로슬래그의 혼합물을 물유리와 수산화나트륨으로 이루어지는 활성화제로 활성화하여 기존의 포틀랜드 시멘트보다 고강도를 발현하는 시멘트 물질 및 이를 이용한 콘크리트 시공 방법을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은 석고 20~40중량% 및 슬래그 60~80중량%를 포함하는 석고-슬래그 혼합물 100중량부에 대하여, 물유리 80~90중량% 및 수산화나트륨 10~20중량%를 포함하는 활성화제 20~30중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물을 제공한다.

상기 석고는 폐석고, 바람직하게는 폐인산석고인 것이 바람직하다. 현재 일반폐기물로 분류되어 있는 폐인산석고의 경우 국내 비료공장에서 부산물로서 연간 약 200만 톤 이상이 배출되고 있으며, 약 2천만톤 가량의 폐석고가 적치장에 적치되어 있다. 따라서, 이러한 폐인산석고의 처리문제가 심각한 문제로 대두되고 있는 실정인바, 본 발명에서는 이러한 폐인산석고를 별도의 전처리 공정 없이 쉽게 이용이 가능하다.

본 발명에서는 이러한 석고를 석고-슬래그 혼합물 중 20~40중량%로 혼합함으로써 슬래그의 산성피막을 파괴하여 수식이온을 용출시키는 역할을 하며, 특히, 슬래그 내부의 알루미나 성분과 반응하여 에트린가이트(ettringite)를 다량 생성시켜 침상의 에트린가이트에 의한 네트워크 매트릭스를 형성시켜 강도를 발현시킨다. 이때 석고를 20중량% 미만으로 혼합하는 경우에는 시멘트의 강도가 충분히 발현되지 않는데, 이것은 고로슬래그에 함유되어 있는 C₃A 성분을 완전히 에트린가이트로 전환시킬 수 있는 석고량의 부족으로 인하여 여분의 C₃A 성분은 물과 반응하여 수화알루민산칼슘을 생성하거나 또는 이미 생성된 에트린가이트 중의 석고와 반응하여 강도발현이 에트린가이트보다 훨씬 작은 모노셀페이트를 생성하기 때문이다. 반대로 석고 함량이 40중량%를 초과하는 경우에는 슬래그와 반응하지 못한 여분의 석고가 수화생성물 사이에 응집상태로 존재하면서 이들의 결합력을 약화시키기 때문에 오히려 강도가 떨어지게 된다. 따라서, 본 발명에서는 석고를 혼합물 중 20~40중량%를 첨가하는 것이 바람직하다

상기 슬래그는 제철공장 등에서 부산물로 연간 약 850만 톤이 발생되고 있다. 따라서, 통상의 포틀랜드 시멘트보다 가격이 저렴하고 구입이 용이하다.

상기 물유리는 규석이나 규사가 주성분인 규산과 수산화나트륨이 결합된 염의 일종으로서, 규산성분과 수산화나트륨성분의 비율에 따라 규산나트륨 1호, 2호, 3호, 4호 등으로 분류된다. 본 발명의 물유리는 상기 규산나트륨으로서 어떠한 종류를 사용하더라도 무방하다.

상기 활성화제에서 물유리의 함량이 80중량% 미만인 경우에는 수화반응과 중합반응이 약해져 압축강도가 약해지는 문제점이 있고, 90중량%를 초과하는 경우에는 급결이 발생하여 시공성이 저하되는 문제점이 있다.

상기 수산화나트륨은 공업용 제품으로서 강알칼리 자극제 역할을 한다. 수산화나트륨은 물에 잘 용해되고, 이때 발열로 인해 슬래그의 반응을 촉진시켜 초기의 강도를 높일 수 있다.

상기 활성화제에서 수산화나트륨은 물유리와 함께 사용되며, 물유리의 함량과 수산화나트륨의 함량이 상기 범위인 경우에 시공성 및 압축강도의 발현이 최적으로 될 수 있을을 확인하였다.

상기 시공 방법에서, 석고-슬래그 혼합물 100중량부에 대하여, 물 20~30중량부를 첨가하는 것이 바람직하다. 물의 함량이 20중량% 미만인 경우에는 강도 증진에 효과가 있으나 시공성이 저하되는 문제점이 있으며, 30중량%를 초과하는 경우에는 시공성은 향상되나 강도가 급격히 저하되는 문제점이 있다.

상기 시공 방법에서, 양생 온도는 50~60℃인 것이 바람직하다. 양생 온도가 50℃ 미만인 경우에는 원하는 압축 강도를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 양생 시간이 지나치게 길어지는 문제점이 있고, 60℃를 초과하는 경우에는 짧은 시간 내에 양생이 이루어지나 압축강도가 저하되는 문제점이 있다.

상기 시공 방법에서, 양생 시간은 12~24시간인 것이 바람직하다. 양생 시간이 12시간 미만이거나, 24시간을 초과하는 경우에는 본 발명이 목표하는 40MPa 이상의 압축 강도를 얻을 수 없는 문제점이 생긴다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다.

[실시예]

1. 알칼리 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물의 제조

하기 표 1에 기재된 성분 및 함량으로 알칼리 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물을 제조하였다.

구 분	슬래그(g)	폐인산석고(g)	물유리(g)	수산화나트륨(g)
제조예 1	700	300	200	31
제조예 2	500	500	115	116

2. 콘크리트 시편의 제조

상기 제조예 1과 제조예 2로부터 제조된 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물에 물 219g을 각각 첨가한 후, 콘크리트 시편을 제조하였으며, 양생 온도(25℃, 55℃ 및 85℃) 및 양생 시간(6시간, 12시간, 24시간, 48시간 및 96시간) 별로 처리하여 압축강도를 KS F 2404에 의거하여 측정하고 그 결과를 도 1 및 도 2에 각각 나타내었다.

도 1에서, 본 발명의 성분 함량 범위 내인 제조예 1에 따른 조성물의 경우 양생 온도 55℃와 양생 시간이 12시간 및 24시간인 경우에서 압축 강도가 40MPa 이상을 나타내었으며, 이러한 양생 온도와 양생 시간을 벗어나는 경우에는 압축 강도가 저하됨을 알 수 있다.

도 2에서, 본 발명의 성분 함량 범위를 벗어난 제조예 2에 따른 조성물의 경우 어떠한 양생 온도와 양생 시간에도 불구하고 원하는 압축 강도를 얻을 수 없음을 확인하였다.

본 발명은 상기한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지는 않는다.

Claims

석고 20~40중량% 및 슬래그 60~80중량%를 포함하는 석고-슬래그 혼합물 100중량부에 대하여, 물유리 80~90중량% 및 수산화나트륨 10~20중량%를 포함하는 활성화제 20~30중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 석고는 폐석고인 것을 특징으로 하는 알칼리 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물.
제 2항에 있어서,
상기 폐석고는 폐인산석고인 것을 특징으로 하는 알칼리 활성화 석고-슬래그 시멘트 조성물.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 알칼리 활성화 석고-슬래그 조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 시공 방법.
제 4항에 있어서,
상기 석고-슬래그 혼합물 100중량부에 대하여, 물 20~30중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 시공 방법.
제 4항에 있어서,
양생 온도는 50~60℃인 것을 특징으로 하는 콘크리트 시공 방법.
제 4항에 있어서,
양생 시간은 12~24시간인 것을 특징으로 하는 콘크리트 시공 방법.
제 4항에 있어서,
상기 콘크리트는 압축 강도가 40MPa 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 시공 방법.