KR20130000454A

KR20130000454A - 허니컴형 매트릭스 구조의 투수성 블록 제조방법

Info

Publication number: KR20130000454A
Application number: KR1020110060932A
Authority: KR
Inventors: 박태원
Original assignee: (주) 다우엔지니어링; 김태식
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2013-01-03

Abstract

본 발명은 허니컴(Honeycomb)형 매트릭스(matrix) 구조를 갖는 투수(透水)블록에 관한 것으로, 강모래, 산모래, 황토, 마사토, 보명토 그리고 순환골재 중 일정 입경의 범위의 것들을 주원료로 하고 여기에 보조 원료로 펄라이트, 질석(Vermiculte), 규조토, 광화제 등을 첨가하고 물유리(Water glass : (Na₂OnSiO₂)를 결합제로 균일 혼합하여 원하는 형태로 성형한 다음 특정범위의 온도로 가열하면 재료 입자들의 경계면에서 물질들의 전이가 일어나기 시작하며, 주원료 입자 계면과 계면사이에 존재하는 보조 원료들에 의해 불규칙한 벌집(허니컴) 모양의 다공성 매트릭스 구조가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 허니컴(Honeycomb)형 매트릭스 구조의 투수(透水)블록 제조에 관한 것이다.

Description

허니컴형 매트릭스 구조의 투수성 블록 제조방법{Manufacturing Method of Water Permeable Block with Honeycomb Matrix Structure}

압축강도, 휨강도 및 투수성이 우수한 세라믹 불록 제조기술

도시의 도로는 주로 아스팔트로 시공된 차도와 보도 불록 등으로 시공된 인도로 구성된다. 우천 시에 대부분의 우수는 하천으로 흘러들어 가도록 되어 있다. 이때 투수(통수)능력이 부족한 보도블록으로 포장되어 있을 경우 우수가 낮은 곳으로만 급류로 흐르게 되어 도로가 패이고 불록이 파손 또는 유실되는 등의 피해를 초래하게 되는데 이의 대책으로 투수성이 우수한 불록으로 시공한 경우 우수가 전면에 걸쳐 완만하게 흘러 파손이나 유실을 방지할 수 있다.

종래의 투수성 보도블록은 대부분 치밀성과 내구성이 떨어지고 있으며 특히 시멘트 투수성 블록의 경우 블록 내부로 물의 이동이 용이할수록 백화현상 발생이 쉬워진다. 블록 몸체 내의 시멘트가 우수와 닿는 시간이 길면 길수록 백화현상이 심화되며, 이에 의해 강도 저하를 초래하고 이런 현상에 의해 보도블록 표면부터 부수러 지는 등의 요인으로 내구성이 저하된다.

아스팔트 도로와 인도(보도)의 블록의 복사열에 의해 대도시 열섬현상을 더욱 부추기고 있어 매년 전력소모량의 최고치 갱신을 지속 하고 있는 실정이다.

위와 같은 문제점 해결을 위하여 천연 세라믹 원료 분체를 성형 후 고온 가열하는 동안 원료 일부분의 입자들을 발포케 하는 기술을 도입하였다. 발포로 인해 급격히 팽창되는 매트릭스 내의 보조원료 입자들을 고온 가열 및 서냉 조작 제어로 불규칙한 다공질 허니컴(Honeycomb)형 매트릭스 구조의 투수성 블록 제조에 성공하였으며, 기존 불록을 대체함으로써 소기의 목적을 달성하게 되었다.

세라믹스는 무기재료(광물) 분체를 일정한 형태로 성형 후 소성(sintering)하여 얻어진다. 세라믹스 재료를 활용하는 다공재료(多孔材料)란, 무기재료 분체 구조 내에 다수의 기공을 가지게 한 재료의 총칭이며, 단열재료, 촉매 담체, 필터 등의 공업용 재료로 사용되고 있다. 촉매 담체나 필터는 자동차 배기가스 등을 걸러 내는 역할을 하고 있는 점에 착안, 세라믹 무기재료를 활용하여 높은 강도를 유지하면서 통기성과 투수성이 극히 우수한 허니컴(Honeycomb)형 매트릭스 구조의 투수(透水)성 블록을 개발하고자 하였다.

본 발명에서의 주된 목적은 순환골재를 재활용 할 수 있는 방안을 강구하고 손쉽게 구할 수 있는 세라믹(ceramics)재료인 주원료 광물(산모래, 강모래, 마사토, 황토, 보명토) 등의 분체(입경 2.0~5.0mm) 원료를 섭씨1050~1250도로 가열하는 동안 이미 첨가된 미분말(微粉末) 보조 원료들의 급격한 발포 효과에 의해 블록 전체에 크고 작은 기공들이 산재(散在)하도록 하는 허니컴형 매트릭스 구조의 투수성 블록을 제조하는 데에 있다.

본 발명은 단계별로 진행한다. 단계 1에서는 분쇄된 주원료 분체를 입경 0.2~5.0 mm의 범위로 선별하여 사일로에 저장하는 단계, 단계 2에서는 각 원료들을 혼합하는 단계로서 주원료 광물 분체에 보조 원료로 사용되는 펄라이트(pearlite) 재료, 질석과 소결 첨가제, 규조토, 광화제 등을 첨가하고 결합제인 물유리(water glass, 규산나트륨)와 함께 혼합한 후 성형하는 일관 공정 단계, 단계 3에서는 성형한 후, 성형된 블록이 대차(rail) 위에서 이송되는 동안 약토(slip clay) 또는 유약용 점토(glaze clay)를 윗면 등에 스프레이 칠로 표면처리 하는 단계, 단계 4에서는 이송된 성형블록을 가열로 내부에서 잠열로 건조시키면서 섭씨1050~1250도의 범위로 가열하는 동안 각 원료 분체 간에 전이가 일어나도록 하되 펄라이트 재료의 과도한 팽창과 질석원료 등의 박리 팽창을 동시에 제어하는 동안 매트릭스 내의 산화철(소결 첨가제. 본 발명에서는 산화철을 많이 함유한 황토 등으로 대체하였다.)은 크고 작은 다른 원료 분체와의 유리화를 촉진시켜 분체입자간의 결속력을 가지게 하는 허니컴형 매트릭스 구조의 투수블록이 형성되는 것이다.

제조 공정은 (도 1)과 같다.

본 발명에서의 주원료는 황토, 마사토, 보명토, 산모래, 강모래, 순환골재로 하되 이 골재들 중 각기 한 종류 또는 두 종류 또는 그 이상 혼합 사용할 수 있으며 혼합 사용되는 원료에 따라 보조 재료의 양을 각기 달리하여 혼합 성형 한 후 섭씨1050~1250도의 범위로 소성하면 전이가 일어나면서 과도한 팽창 및 박리 팽창을 동시에 제어함으로써 허니컴형 매트릭스 구조의 투수성 블록을 제조할 수 있다. 본 발명에서의 궁극적인 목적은, 성형체를 용융점 이하의 온도에서 열처리하고 원료 내에서 필요로 하는 열화학적 변화를 일으켜 안정한 상(phase)을 만들게 하여 필요한 강도와 모양을 가지게 하는 데 있다.

원료 광물의 광물 조성을 보면 모든 원료 광물에는 실리카(silica : SiO₂)와 알루미나(Al₂O₃)가 포함되므로 특히 점토질 광물에서는 섭씨925~980도에서 실리카와 Al-Si 스피넬 구조로 되고, 섭씨1100~1200도에서 실리카와 멀라이트로 되며, 실리카는 섭씨1200도부터 크리스토발라이트로 바뀐다. 멀라이트는 섭씨1100도 부근에서 생성되며 섭씨950도로 부터 유리가 생성되어 유리화가 진행된다.

점토질 광물의 열 변화는 섭씨925~980도이며 또한 그림 2와 같은 실리카의 열 변화 등으로 보았을 때, 본 발명에서, 원료들의 전이를 위한 적정한 가열 온도는 섭씨1000~1250도로 추정할 수 있고 수차의 시험에 의해 펄라이트 등의 입자팽창과 고도 팽창 부분을 안정적으로 제어하기 위해서는 섭씨1050~1250도로 가열하는 것이 최적인 것으로 확인되었다.

완성품의 물성은 여러 가지 인자에 의해 영향을 받게 되는데, 원료의 순도, 화학 조성, 광물 조성, 입자의 크기 및 분포 상태, 성형 방법, 소성 온도 및 유지 시간 등이 있다. 그 중에서 소성 온도 및 유지 시간이 가장 중요하다. 여기서 소성하면 치밀화 현상이 일어나는데 치밀화란, 분체 입자의 공극이 미소(微小)한 쪽으로 열반응이 진행 된다는 의미이지만 본 발명에서는 섭씨1050~1250도 사이에서 펄라이트 및 질석의 갑작스런 부피 팽창을 이루게 하면서 동시에 소결 촉진제인 황토 내부의 산화철(Fe₂O₃ 또는 Fe₃O₄)을 각 원료분체의 입계와 분체 내부에 침투 시키면 고온의 열압력에 의해, 매트릭스 내에서 급팽창으로 무질서해 진 허니컴의 기공율을 33% 이하로 억제하는 효과를 가져 온다. 이온도 범위 내에서 요구되는 시간 동안 가열이 이루어지면 열화학적으로 안정한 상이 된다. 이와 같이 매트릭스 내에 통기성 기공율 33% 미만의 불규칙한 형태의 허니컴이 형성된 매트릭스 구조의 투수블록은 기존 제품보다 투수성(통수성)이 극히 우수하고 압축강도 및 동결 융해 압축강도가 매우 뛰어난 획기적인 특징을 가질 수 있다.

본 발명의 허니컴형 매트릭스 구조의 투수 블록의 대표적 물성을 측정결과 압축 강도는 7MPa 보다 더 높은 9.0~10.1MPa, 휨강도는 5.0~5.5MPa, 동결융해 후 압축 강도는 9.2~10.3MPa, 투수계수는 5.8~6.2(k.cm/s)인 것으로 확인되었다.

이러한 물성의 수치는 KS 보도 불록 품질규격을 크게 상회한다.

본 발명에 따른 허니컴형 매트릭스 구조의 투수 블록은, 무기물 세라믹 재료인 주원료 광물과 철분이 섞인 소결 첨가제와 보조 원료의 급진적인 발포(팽창) 효과를 이용하는 통기성 다공조직 발포 기술을 활용함에 따라 극히 우수한 강도와 획기적인 투수성을 가진다.

따라서 투수를 필요로 하는 차도 및 보도용 블록으로 사용 될 수 있으며, 부수적으로는, 몸체 매트릭스의 효과적인 흡습성과 빼어난 단열성에 의해 정부 주도 녹색성장(Green growth) 산업인 그린 하우스(Green house) 및 그린 빌딩 건립에서 새집 증후군이 없는 단열 벽돌로 사용하기에도 적합하다.

또한 건설공사에서 순환 골재를 별다른 제약없이 사용할 수 있는 이점에 의해 자원 재활용의 의미를 더욱 크게 한다.

특히 본 발명 허니컴형 매트릭스 구조의 투수성 블록을 야외 주차 공간 , 공원, 대로변 및 골목 등의 필요한 곳에 보도용으로 사용 될 경우 극히 우수한 통기성, 투수 능력 및 흡습성에 의해 여름철 대도시의 열섬효과를 줄임은 물론 전력 에너지소모의 높은 피크를 크게 낮출 수 있는 부수적 효과를 동반한다.

압축강도, 휨강도 및 투수성이 우수한 불록을 생산하기 위한 공정의 흐름도.

실시 예 1~5에서 주원료인 모래는 산모래와 강모래의 비를 1 : 1로 하는 배합 또는 단독으로 하는 배합을 할 수 있으며 소결 첨가제와 펄라이트는 그 양을 감소시켜가는 배합이지만 순환골재의 양은 고정 시킬 수도 있다. 팽창제에서는 펄라이트를 줄여주는 배합이지만 펄라이트를 제외한 나머지 팽창제에서는 변화를 거의 주지 않았다.

광화제 플루오르(F : 불소 가스)화물은 5% 미만의 양으로 사용하였으며 물유리(규산나트륨)는 7중량%를 취하되 물 6%를 추가한 혼합액을 결합제로 사용 하여 성형하도록 하면 성형체가 서서히 고온으로 가열될 때, 열충격에 잘 견딜 수 있는 이점이 있다.

공정 1은, 본 발명의 허니컴형 매트릭스 구조의 투수블록 제조에 사용되는 원료 선별 단계로서 주원료의 입자 입경을 0.2~5.0mm의 크기로 선별하여 별도의 입도 분리단계를 거치지 않는다. 주원료 입자의 크기는 입경 0.2~5.0mm의 범위 내에서 사용 할 수 있다. 펄라이트와 질석의 입자 크기는 입경 0.2mm 이하로, 규조토와 광화제, 알루미나의 입자 크기는 입경 0.074mm 미만으로 선별하였다.

주원료 중에서 강모래와 산모래는 매트릭스 내의 뼈대를 이루는 근간으로 압축강도와 전단 강도 등에 크게 영향을 줄 수 있다. 건설폐기물인 순환골재는 무기물잔해로써 강도에 도움을 줄 수 있는 요소이며, 이러한 무기물 잔해에 함유된 시멘트 성분 등이 본 발명의 고온 가열과정에서 입자들의 입계에 플럭스의 역할을 담당하여 가열 온도를 낮춰 줄 수 있게 하였다.

공정 2에서는, 표 1과 같은 배합비로 칭량하여 혼합기로 이송하고, 혼합기 내에 물유리 액을 천천히 흘려 넣어 배합 원료들과 함께 믹싱교반시키면 물유리 혼합액이 원료 입자들 틈새에 고루 침투되어, 성형시에 부족한 점력을 보강하게 하였다. 투수성 블록의 상층부의 원료 배합에서는 표면 발색용 무기안료를 적당량 사용하였다.

공정 3은, 성형단계와 표면질감 증가 단계로 나뉜다. 투수블록의 하층부 성형 또는 하층부 위에 상층부 성형이 필요한 경우, 금형 내에 투입된 원료를 진동충전 한 후, 120~180kg/cm²로 가압성형 하였다. 표면질감 증가는 성형된 블록이 대차(rail) 위에서 이송되는 동안 약토(slip clay)를 옆면에, 유약용 색점토 슬입(slip glaze clay)는 윗면에 스프레이 작업을 할 수도 있다.

공정 4는, 성형된 허니컴형 매트릭스 구조의 투수블록이 연속가열가마 내부로 진입 이송되기 시작하면서 가마내부의 잠열로 건조시키면서 고온 가열 단계로 진입하였다. 건조 과정에서는 블록 표면에 가해지는 열에 의해 과도한 수분 증발을 억제 할 수 있어야 하므로 200까지 승온하는 데 걸리는 시간은 2.5시간으로 하였다. 그 이후 600까지 승온 시간은 4시간 그 이후 1150~1250 까지는 최단 시간 내에 승온 시키도록 하되 1150에 도달 하면 펄라이트 재료의 팽창과 질석원료 등의 박리 팽창이 동시에 일어나 매트릭스 내부에 통기성 공극이 형성되도록 30분간 숙성시켜 준 이후 1시간 동안 최고 온도로 승온 되도록 하여 우수한 강도와 획기적인 통기성 투수력을 가지는 허니컴형 매트릭스 구조의 투수블록을 제조 하였다.

아래의 표1 과 같이 5가지의 조성으로 본 발명의 하니컴형 매트릭스 구조의 투수성 불록을 만들고 각각의 대표물성을 측정한 결과 표2와 같이 나타났다.

아래의 표1 과 같이 5가지의 조성으로 각각 원료 및 첨가제를 혼합하여 성형한후, 상온에서 섭씨200도까지 2.5시간 동안에, 섭씨200도에서 섭씨600도까지는 4시간 동안에, 섭씨600도에서 섭씨1150도까지는 30분이내에 급격히 승온시킨후 섭씨1250까지 1시간동안에 서서히 승온시키고 2시간동안 그대로 유지하였다가 서서히 상온까지 냉각시켜 본 발명의 하니컴형 매트릭스 구조의 투수성 불록을 만들고 각각의 대표물성을 측정한 결과 표2와 같이 나타났다.

원료 예시	주원료		소결첨가제	팽창제				충진제	결합제	계
원료 예시	모래	순환 골재	황토	펄라 이트	질석	규조토	광화제	알루미나	물유리	계
실시 예 1	50	11	11	7	4	3	3	4	7	100
실시 예 2	52	11	10	7	4	3	3	3	7	100
실시 예 3	54	11	9	6	4	3	3	3	7	100
실시 예 4	56	11	8	5	4	3	3	3	7	100
실시 예 5	58	11	7	5	4	3	3	2	7	100

특성 실시 비교	통수(투수)율 (k, cm/sec)	강도(Mpa, N/mm₂)			비 고
특성 실시 비교	통수(투수)율 (k, cm/sec)	동결융해 후 압축강도	압축강도	휨강도	비 고
실시 예 1	6.2x10^-1	10.3	9.0	5.3
실시 예 2	5.9x10^-1	9.2	9.0	5.5
실시 예 3	6.1x10^-1	9.5	9.6	5.1
실시 예 4	5.8x10^-1	9.6	9.9	5.2
실시 예 5	6.0x10^-1	10.0	10.1	5.3

부호의 설명은 해당사항이 없습니다.

Claims

입경 0.074~5.0mm 범위의, 모래 및 순환골재 35~61중량%, 황토, 마사토, 보명토를 합한 것 12~35중량%, 펄라이트, 질석, 알류미나, 규조토, 플루오르화물(Na₂SiF₆)을 합한 것 15~27중량%을 선별, 칭량하고, 여기에 물유리 7중량%를 혼합한 원료를 섭씨 1050~1250도 범위의 온에서 열처리하여 제조되는 허니컴형 매트릭스 구조의 투수성 블록