KR20130013141A - 탄소저감 친환경 온돌바닥 미장용 결합재 및 모르타르 조성물 - Google Patents

탄소저감 친환경 온돌바닥 미장용 결합재 및 모르타르 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열병합 플라이애시, 제지슬러지 소각재, 고로슬래그 미분말로 구성된 주재료와 무수석고, 이수석고, 폐 생석회 및 탈황석고 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 활성화 결합재가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하여 친환경적이면서도 경제성이 뛰어난 온돌바닥 미장용 결합재 및 모르타르 조성물에 관한 것이다.

Description

탄소저감 친환경 온돌바닥 미장용 결합재 및 모르타르 조성물{Ecofriendly binder and mortar composition for radiant heating floor panel}
본 발명은 탄소저감 친환경 무시멘트 결합재로서 열병합 플라이애시, 제지슬러지 소각재, 고로슬래그 미분말로 구성된 주재료와 무수석고, 이수석고, 폐 생석회 및 탈황석고 중 어느 한가지 이상으로 구성된 활성화 결합재가 혼합된 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 결합재 및 상기 결합재에 모래와 물이 혼합되어 있는 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물에 관한 것이다.
주거건축물의 온돌바닥 미장에 사용되는 모르타르는 시멘트, 모래 및 물로 구성되는 것이 일반적이다. 시멘트는 대표적인 무기결합재라고 할 수 있는데, 그 원료의 주성분은 석회석이다. 석회석의 주성분은 CaCO3이고, 이를 소성하는 과정에서 막대한 에너지가 소비된다. 결과적으로 시멘트 제조과정에서 제조량 대비 44wt% 이상의 이산화탄소가 발생하게 되고, 온실가스의 배출이라는 측면에서 환경에 매우 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
이와 같은 상황 속에서 무시멘트 결합재에 대한 연구가 이루어지고 있다. 그 결과로서 고로슬래그 미분말만을 결합재로 사용하거나 화력발전소의 정제된 플라이애시나 소성·가공 처리된 메타카올린 등을 결합재로 사용하는 기술들이 개발되기도 하였다.
그러나 이들 기술들은 대부분 수산화나트륨(NaOH)이나 수산화칼륨(KOH) 또는 규산나트륨(Sodium Silicates) 등과 같은 고가의 활성화제를 사용하고, 양생을 65℃ 수준의 고온으로 진행시킴으로써 알칼리 활성화가 이루어지도록 하는 특징을 가지고 있다. 또한 고온조건이 아닌 상온조건에서 양생시키기 위해서는 목표강도의 만족을 위해 높은 몰농도의 활성화제가 다량으로 사용되어야 하고, 그 결과 초기 유동성이 급격히 손실되어 급결하는 등 현장 적용이 불가능한 문제가 발생하였다. 특히 활성화제로서 pH 12.0이상의 강알칼리 성분의 화학약품을 사용하여 작업의 안전성 측면에서도 문제가 있었다.
따라서 종래의 무시멘트 결합재의 경우 모르타르 형태보다는 블록이나 벽돌과 같은 2차 제품에 주로 적용되고 있는 실정이다.
본 발명은 시멘트를 사용하지 않고, 주재료의 95%이상을 산업부산물로 하는 친환경적이고, 경제성도 뛰어난 온돌바닥 미장용 결합재 및 모르타르 조성물을 제공하는데에 그 목적이 있다.
본 발명은 전술한 과제의 해결을 위하여, 열병합 플라이애시, 제지슬러지 소각재, 고로슬래그 미분말로 구성된 주재료와 무수석고, 이수석고, 폐 생석회 및 탈황석고 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 활성화 결합재가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 결합재를 제공한다.
상기 열병합 플라이애시는 중소규모의 열병합 발전소에서 질산화물의 배출을 방지하기 위해 연소온도를 850℃ 정도로 유지하고, 암모니아를 분무하는 등의 방법을 사용하는 과정에서 발생하는 고칼슘 플라이애시를 의미하는데 이는 화력발전소에서 발생·정제되는 플라이애시와 상이한 특성을 가지고 있다. 상기 열병합 플라이애시의 구체적인 성분과 물성을 살펴보면 Free CaO함량 40~60wt% , SO3 함량 3~7wt%, 비중 2.5~3.10, 분말도 2,500~6,500㎝2/g 이다.
상기 제지슬러지 소각재는 제지과정에서 발생하는 부산물로서 상기 열병합 플라이애시와 같이 다량의 Free CaO 성분을 포함하는 것을 특징으로 하며, 30~50wt%의 Free CaO 성분을 포함하고 있다. 또한 MgO를 5~15wt% 포함하고 있으며, 비중 2.25~3.05, 분말도 2,500~5,000㎝2/g 이다.
또한 본 발명은 상기 열병합 플라이애시 35~65wt% 및 상기 제지슬러지 소각재 10~30wt%, 상기 고로슬래그 미분말 10~30wt%로 구성된 주재료와 상기 무수석고, 상기 이수석고, 상기 폐 생석회 및 상기 탈황석고 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 활성화 결합재가 3~5wt% 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 결합재를 제공한다.
또한 본 발명은 상기의 온돌바닥 미장용 결합재에 모래 및 물이 혼합된 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물을 제공한다.
더욱 구체적으로, 본 발명은 상기 온돌바닥 미장용 결합재와 모래의 중량비는 1:1~1:3이고, 상기 물의 비율은 상기 온돌바닥 미장용 결합재 및 모래의 중량 대비 16~24%인 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물도 제공한다.
본 발명에 따른 온돌바닥 미장용 결합재는 기존에 선보인 무시멘트 결합재와 달리 산업부산물을 사용하면서도 수산화나트륨이나 규산나트륨과 같은 고가의 활성화제를 사용하지 않아 경제적일 뿐만 아니라 강알칼리 약품 사용에 따르는 시공상의 위험도 유발하지 않는다.
또한 본 발명에 따른 온돌바닥 미장용 결합재는 기존에 선보인 무시멘트 결합재가 상온양생조건에서 목표강도 달성을 위해서 다량의 활성화제를 필요로 함으로써 초기 유동성 손실과 그로인한 시공성 저하를 야기하여 현장 적용이 어려워 결국 벽돌이나 블록 등 2차 제품에만 적용되었던 것에 비하여 상온조건에서의 양생이 가능하여 모래와 물이 혼합된 모르타르 조성물의 형태로 현장 적용될 수 있다.
결과적으로 상기의 과제 해결 수단에 따른 본 발명의 온돌바닥 미장용 결합재 및 모르타르 조성물은 시멘트를 대신하여 산업부산물을 사용함으로써 경제적이면서도 친환경적이고, 현장 적용성이 뛰어나다.
본 발명은 열병합 플라이애시, 제지슬러지 소각재, 고로슬래그 미분말로 구성된 주재료와 무수석고, 이수석고, 폐 생석회 및 탈황석고 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 활성화 결합재가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 결합재 및 상기 온돌바닥 미장용 결합재에 모래와 물을 혼합한 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물에 관한 것이다.
1. 온돌바닥 미장용 결합재
본 발명에 따른 온돌바닥 미장용 결합재는 열병합 플라이애시, 제지슬러지 소각재, 고로슬래그 미분말로 구성된 주재료와 무수석고, 이수석고, 폐 생석회 및 탈황석고 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 활성화 결합재가 혼합되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 주재료 중 상기 고로슬래그 미분말은 제철소에서 산업부산물로 발생하는 통상의 고로슬래그 미분말을 의미한다.
이하에서는 상기 주재료 중 열병합 플라이애시 및 제지슬러지 소각재와 상기 활성화 결합재에 관하여 자세히 살펴본다.
(1) 열병합 플라이애시
중소규모의 열병합 발전소에서는 질산화물의 배출을 최소화하기 위하여 연소온도를 비교적 저온인 850℃ 정도로 유지하고, 암모니아를 분무하는 등의 방법을 채택하고 있다. 이러한 까닭으로 열병합 발전과정에서 화력발전소에서 발생·정제되는 F급 플라이애시(KS L 5405)와는 매우 상이한 화학적 특성을 가지는 고칼슘 플라이애시가 발생된다. 이를 열병합 플라이애시라고 한다.
상기 열병합 플라이애시는 다량의 Free CaO(유리석회)를 포함하고 있는데, 본 발명에서는 Free CaO 함량이 40~60wt% 범위에 있는 열병합 플라이애시가 사용된다. CaO는 급격한 발열과 부피팽창을 일으키는데 이는 모르타르의 초기 유동성 저하 및 균열발생의 요인이 될 수 있어 성분함량의 제한이 필요하기 때문이다.
상기 열병합 플라이애시에 포함된 Free CaO는 수산화칼슘(Ca(OH)2)를 생성하게 되고, 자경효과에 의해 초기강도를 발휘하게 한다. 또한 수산화칼슘에서 방출되는 Ca2+이온은 고로슬래그 미분말에 포함되어 있는 규산염(SiO2)이나 알루민산염(Al2O3)과 반응하여 칼슘실리케이트 수화물(CSH) 및 칼슘알루미네이트 수화물(CAH) 등을 생성함으로써 경화되는 특징이 있다. 결과적으로 시멘트의 사용없이도 시멘트와 유사한 수화반응 메커니즘을 나타낸다.
상기 열병합 플라이애시의 그밖의 성분 및 물성을 살펴보면 SO3가 3~7wt%범위에서 함량되어 있고, 비중은 2.5~3.10, 분말도는 2,500~6,500㎝2/g 이다.
아래의 [표 1]은 화력발전소 정제 플라이애시와 본 발명에서 사용되는 열병합 플라이애시의 특징을 비교한 비교표이다.
항목 화력발전소 정제 플라이애시 열병합 플라이애시
연소온도 약 1,350℃ 약 850℃
탈황설비 별도의 습식탈황설비 운용 석회석 혼소로 탈황
탈질설비 별도의 탈질설비 운용 낮은 연소온도 및 암모니아 분무
주요화학성분 SiO2, Al2O3, Fe₂O₃ SiO2, Al2O3, MgO, Free CaO(40~60wt%), SO3(3~7wt%)
품질 KS L 5405 만족 KS 규준에 부적합(화학적/물리적)
아래의 [참고도 1]은 화력 발전소와 열병합 발전소에서 플라이애시 발생 공정도를 비교한 비교도이다.
[참고도 1]
Figure pat00001

(2) 제지슬러지 소각재
상기 제지슬러지 소각재는 제지과정의 부산물로서 석회석 미분말이 다량 포함된 제지슬러지를 소각하는 과정에서 전기집진기에 의해 포집되는 특징을 가지고 있다. 상기 제지슬러지 소각재는 다량의 Free CaO와 Cl-, MgO를 포함하고 있다.
본 발명에서는 Free CaO의 함량비가 30~50wt% 범위인 제지슬러지 소각재가 사용된다. 이는 상기 열병합 플라이애시의 설명에서 언급한 것처럼 CaO는 급격한 발열과 부피팽창을 일으키는데 이는 모르타르의 초기 유동성 저하 및 균열발생의 요인이 될 수 있어 성분함량의 제한이 필요하기 때문이며, 상기 제지슬러지 소각재에 포함된 CaO는 상기 열병합 플라이애시에서 설명한 바와 같이 시멘트와 유사한 수화반응 메커니즘을 나타낸다.
상기 제지슬러지의 소각재의 Cl- 함량은 10,000~20,000ppm 범위이다. Cl-은 철과 쉽게 반응하기 때문에 높은 Cl-의 함량을 보이는 제지슬러지 소각재는 철을 사용하는 각종 건설재료에 부적합한 물질로 평가되고 있으며 시멘트 원료 등으로 활용되지 못하고 전량 폐기처리되고 있는 실정이다. 그러나 온돌바닥 미장에는 철근재료가 포함되지 않으므로 철과의 반응성은 문제되지 않으며, 오히려 초기강도를 개선시키는 역할을 한다.
또한, 상기 제지슬러지 소각재에는 MgO 성분이 5~15wt% 정도 포함되어 있는데 MgO는 장기 재령에서 Free CaO에서 생성되는 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 Mg(OH)2를 생성하고 부피 팽창함으로써 모르타르의 균열을 저감시키는 특징이 있다.
한편, 그 밖의 물성을 살펴보면 비중 2.25~3.05, 분말도 2,500~5,000㎝2/g이다.
상기 제지슬러지 소각재는 금속재료를 사용하지 않고, 순수 모르타르만 사용하는 주거 건축물의 온돌바닥 미장용 결합재로서는 매우 적합한 물성을 가지고 있다고 할 수 있다.
아래의 [참고도 2]는 제지슬러지 소각재의 발생 공정을 나타낸 모식도이다.
[참고도 2]
Figure pat00002

(3) 활성화 결합재
본 발명에 따른 온돌바닥 미장용 결합재의 특징 중 한가지는 무수석고, 이수석고, 폐 생석회 및 탈황석고 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 활성화 결합재를 사용한다는 것이다.
종래의 무시멘트 결합재의 경우 주재료로서 고로슬래그 미분말만을 사용하거나 고로슬래그 미분말과 화력발전소에서 정제된 플라이애시나 소성·가공 처리된 메타카올린 등을 사용하였기 때문에 활성화 결합재로서 수산화나트륨이나 규산나트륨과 같이 고가인 각종 알칼리 자극제를 활성화제로 사용하였고, 이는 생산 비용의 상승뿐만 아니라 작업상의 위험성과 작업성 저하를 유발하였다.
그러나 본 발명에 따른 온돌바닥용 결합재에서는 기존의 고로슬래그 미분말외에 상기 열병합 플라이애시 및 상기 제지슬러지 소각재가 주재료로 사용된 결과 고가이면서 작업상 위험하고 작업성도 떨어뜨리는 각종 알칼리 자극제를 대신하여 경제적이면서도 작업성 저하의 문제가 없는 무수석고, 이수석고, 폐 생석회 및 탈황석고 등이 활성화 결합재로 사용될 수 있게 되었다.
석고에 존재하는 SO3 이온은 초기 용해도가 높아 시멘트에 응결지연제로 사용되지만, 잠재수경성을 나타내는 고로슬래그에 대해 반응촉진제 작용을 하여 본 발명에 있어서 모르타르 강도 발현에 주요한 역할을 하며, CaO의 반응제어 역할도 하여 초기 작업성 확보 및 강도 발현에도 중요한 역할을 한다.
한편, 본 발명에 따른 온돌바닥 미장용 결합재에 있어서 주재료 및 활성화 결합재의 바람직한 혼합비율은 상기 열병합 플라이애시 35~65wt% 및 상기 제지슬러지 소각재 10~30wt%, 상기 고로슬래그 미분말 10~30wt%로 구성된 주재료와 상기 무수석고, 상기 이수석고, 상기 폐 생석회 및 상기 탈황석고 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 활성화 결합재가 3~5wt% 혼합되어 있는 것인데 이에 대해서는 후술할 본 발명에 따른 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물에 관한 시험데이터를 참조한다.
2. 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물
본 발명에 따른 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물은 위에서 살펴본 온돌바닥 미장용 결합재에 모래와 물을 혼합한 것이다.
상기 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물에 있어서 상기 온돌바닥 미장용 결합재와 모래의 중량비는 1:1~1:3이고, 상기 물의 비율은 상기 결합재 및 모래의 중량 대비 16~24%인 것이 바람직하다.
특히 상기 온돌바닥 미장용 결합재의 경우 상기 열병합 플라이애시 35~65wt%, 상기 제지슬러지 소각재 10~30wt% 및 상기 고로슬래그 미분말 10~30wt%로 구성된 주재료와 상기 무수석고, 상기 이수석고, 상기 폐 생석회 및 상기 탈황석고 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 활성화 결합재가 3~5wt% 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 결합재로서 상기 열병합 플라이애시는 Free CaO 함량이 40~60wt%, SO3 함량 3~7wt%, 비중 2.5~3.10, 분말도 2,500~6,500 ㎝2/g이고, 상기 제지슬러지 소각재는 Free CaO 함량 30~50wt%, MgO 함량 5~15wt%, 비중 2.25~3.05, 분말도 2,500~5,000 ㎝2/g인 것이 바람직하다.
주거 건축물에 온돌바닥을 시공하는 것은 우리나라에서는 일반적인 것이지만 세계적으로는 그 사례가 거의 없기 때문에 압축강도에 대한 국제적인 기준도 존재하지 않는다. 다만 7일 재령에 5㎫이상, 28일 재령에 15㎫이상의 압축강도를 나타낸다면 주거 건축물의 바닥으로 적절한 수준이라고 볼 수 있다.
이하의 [그래프 1]내지 [그래프 6]은 본 발명에 따른 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물의 재령일수에 따른 압축강도를 측정한 시험자료이다.
각 시험에서 결합재:모래의 비율은 1:2로 하고, 활성화 결합재로는 석고를 사용하되 그 비율은 결합재 중 5wt%가 되도록 하였다. 결합재의 주재료의 비율, 결합재 및 모래의 중량대비 물의 비율을 변화시켜 가면서 시험데이터를 얻었다.
[그래프 1]
Figure pat00003
(고로슬래그 미분말 20wt%, 석고 5wt%, 결합재 및 모래 중량대비 물 20wt%)
[그래프 2]
Figure pat00004
(고로슬래그 미분말 20wt%, 석고 5wt%, 결합재 및 모래 중량대비 물 22wt%)
[그래프 3]
Figure pat00005
(고로슬래그 미분말 20wt%, 석고 5wt%, 결합재 및 모래 중량대비 물 24wt%)
[그래프 4]
Figure pat00006
(고로슬래그 미분말 30wt%, 석고 5wt%, 결합재 및 모래 중량대비 물 20wt%)
[그래프 5]
Figure pat00007
(고로슬래그 미분말 30wt%, 석고 5wt%, 결합재 및 모래 중량대비 물 22wt%)
[그래프 6]
Figure pat00008
(고로슬래그 미분말 30wt%, 석고 5wt%, 결합재 및 모래 중량대비 물 24wt%)
위의 [그래프 1]내지 [그래프 6]에서 확인할 수 있는 것처럼 상기의 모든 시험조건에 따른 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물은 7일 재령에 5㎫이상, 28일 재령에 15㎫이상의 압축강도를 나타내고 있다.
이상에서 살펴본 것처럼 본 발명에 따른 온돌바닥 미장용 결합재 및 모르타르 조성물은 주거건축물의 온돌바닥 미장에 있어서 경제성과 작업성, 압축강도 등을 고려할 때 매우 유효하고 적합하다 할 수 있다.
한편 상기의 실시예를 통해 본 발명에 따른 온돌바닥 미장용 결합재 및 모르타르 조성물의 우수성이 입증되었으나 본 발명은 상기의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니라 할 것이고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (7)

  1. 열병합 플라이애시, 제지슬러지 소각재, 고로슬래그 미분말로 구성된 주재료와 무수석고, 이수석고, 폐 생석회 및 탈황석고 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 활성화 결합재가 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 결합재.
  2. 제1항에서,
    상기 열병합 플라이애시는 Free CaO 함량 40~60wt%, SO3 함량 3~7wt%, 비중 2.5~3.10, 분말도 2,500~6,500㎝2/g인 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 결합재.
  3. 제1항에서,
    상기 제지슬러지 소각재는 Free CaO 함량 30~50wt%, MgO 함량 5~15wt%, 비중 2.25~3.05, 분말도 2,500~5,000㎝2/g인 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 결합재.
  4. 제1항에서,
    상기 고로슬래그 미분말 10~30wt%, 상기 열병합 플라이애시 35~65wt% 및 상기 제지슬러지 소각재 10~30wt%로 구성된 주재료와 상기 무수석고, 상기 이수석고, 상기 폐 생석회 및 상기 탈황석고 중 어느 한 가지 이상으로 구성된 활성화 결합재가 3~5wt% 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 결합재.
  5. 제4항에서,
    상기 열병합 플라이애시는 Free CaO 함량 40~60wt%, SO3 함량 3~7wt%, 비중 2.5~3.10, 분말도 2,500~6,500㎝2/g이고, 상기 제지슬러지 소각재는 Free CaO 함량 30~50wt%, MgO 함량 5~15wt%, 비중 2.25~3.05, 분말도 2,500~5,000㎝2/g인 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 결합재.
  6. 제1항 내지 제5항의 온돌바닥 미장용 결합재 중 어느 하나와 모래 및 물이 혼합된 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물.
  7. 제6항에서,
    상기 온돌바닥 미장용 결합재와 모래의 중량비는 1:1~1:3이고, 상기 물의 비율은 상기 결합재 및 모래의 중량 대비 16~24%인 것을 특징으로 하는 온돌바닥 미장용 모르타르 조성물.

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