KR20160121691A - 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물，이를 포함하는 증기양생 콘크리트 - Google Patents

Abstract

시멘트 대체용 저탄소 결합재 조성물, 이를 포함하는 모르타르 및 콘크리트에 관한 것으로, 보다 자세하게는 제지애쉬 또는 유동층상 보일러 비산재와 알루미늄 주물공장에서 발생되는 폐알루미늄 분말 또는 폐 제올라이트 촉매, 알칼리 수용액의 혼합물을 섭씨 900도 내지 1,100도 범위에서 30분 내지 60분간 소성한 알칼리 알루나이트 화합물과 유동층상 보일러 비산재, 소석회 및 개질 석고를 포함하는 시멘트 대체용 저탄소 결합재 조성물, 이를 포함하는 모르타르 및 콘크리트에 관한 것이다.
[색인어]
저탄소 결합재, 알칼리 알루나이트, 유동층상 보일러 비산재,

Description

이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 증기양생 콘크리트{A composition of cementitious binder with reducing properties of CO2 emission, steam curing concrete comprising the same}

본 발명은 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 증기양생 콘크리트에 관한 것으로, 보다 자세하게는 일반적으로 콘크리트에 사용하는 보통 포틀랜드 시멘트의 일부를 잠재수경성 재료인 고로수쇄 슬래그와 고로수쇄 슬래그의 활성화를 촉진시키는 칼슘 알루미네이트 화합물을 사용하고, 초기 수화의 촉진을 위하여 증기양생 공정을 적용함으로서, 콘크리트 제품의 제조 시, 보통 포틀랜드 시멘트의 사용량을 줄이고, 보통 포틀랜드 시멘트의 사용량을 줄임으로서 이산화탄소 배출량 저감에 기여할 수 있는 증기양생 공정을 포함하는, 보통 포틀랜드 시멘트, 칼슘 알루미네이트 화합물과 고로수쇄 슬래그를 포함하는 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 증기양생 콘크리트에 관한 것이다.

지구 온난화 방지를 위하여 세계적으로 다양한 형태의 노력(1997년 채택, 2005년 발효 및 2012년 종료된 교토 의정서)을 행하고 있는 가운데, 2007년 12월에 인도네시아 발리에서 '발리 로드맵'을 채택함에 따라 2009년까지 새 기후변화 협약을 위한 협상이 진행되었다. 이에 따라 전 세계적으로 이산화탄소 등 온실가스의 배출량을 큰 폭으로 줄여야 하는 실정에 있다.

한편, 콘크리트 제조 시 근간이 되는 시멘트를 1톤 생산할 때, 이산화탄소가 약 0.9톤 배출될 정도로 시멘트 산업은 철강산업과 더불어 주요 이산화탄소 배출 산업이다. 그러므로 이에 대한 방법 및 대체 물질의 제시가 시급히 요구되고 있다.

국내의 시멘트 생산량은 1년에 약 5,000만 톤으로, 이산화탄소를 약 4,500만 톤 배출하고 있어 문제가 되고 있다. 이에 대한 해결책의 일환으로 산업 부산물을 이용하여 시멘트를 대체하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.

한편, 해외에서는 1978년 Davidovits(프랑스)에 의해 카올리나이트 광물질을 이용하고 제올라이트와 유사한 구조를 가지도록 하는 메커니즘 이론이 정립되었으나, 제조상의 문제점 및 경제성 등의 이유로 실용화가 이루어지지 않았으며, 그 이후 전 세계적으로 매우 다양하게 시멘트 치환재료의 사용에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다.

시멘트의 부분 치환재료로 고로슬래그 또는 플라이애쉬를 혼입하고 알칼리 활성화제를 사용하여 강도성능을 높인 알칼리 활성 결합재에 대한 연구가 국내외로 활발히 진행되고 있다. 그러나 이러한 알칼리 활성화제의 사용에는 많은 제약이 다르며, 또한 기술의 상용화 및 실용화까지는 아직까지 확인되지 않은 메커니즘이 존재하고 있다.

콘크리트 분야의 친환경재료 개발을 목표로 선행 연구된 시멘트 대체재로서 사용되는 알칼리 활성결합재들은 주로 수산화나트륨을 활성화제로 사용한 시멘트 부분 치환 알칼리 활성 콘크리트의 연구가 진행되었으며, 그에 따른 배합강도 모델이 제시되었다.

그러나 요구강도를 확보하기 위하여 알칼리 활성화제의 첨가량을 증가시켜야 하였으며, 그에 따라 초기 유동성이 빠르게 손실되고 급결하는 경향을 보였다. 또한, 알칼리 활성화제의 첨가량 증가에 따른 제조단가 상승 등 경제적인 측면도 해결해야 할 문제로 남겨진 상태이다.

또한, 대한민국 등록특허 제 10-0855686호, 제 10-1014869호 및 한국 콘크리트 학회 학술 논문 중에서는 고로슬래그 또는 플라이 애쉬를 단독 또는 혼합하여 사용하고, 고알칼리성을 가진 액상 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 등의 알칼리 활성화제를 사용하여 무시멘트 모르타르 및 콘크리트를 제조하는 방법을 개시하였다. 그러나 상기 방법에 의한 무시멘트 모르타르 및 콘크리트는 고로슬래그 또는 플라이애쉬와 알칼리 활성화제를 혼합하여 사용 시, 알칼리 활성화제에 의한 강한 강알칼리 특성으로 인하여 환경피해가 나타나며, 강알칼리의 수분 흡수 능력으로 인하여 건조 시멘트 모르타르와 같은 건조된 상태에서는 사용이 어려우며, 습식 레디믹스 콘크리트에 사용할 경우에도 강알칼리제 첨가를 위한 별도의 시설 장비가 필요하게 되는 등, 범용적으로 사용하기 어려운 문제점이 있다.

한편, 시멘트 재료의 사용은 대부분이 콘크리트의 기본 구성재료이며, 콘크리트 제조 시 사용되는 시멘트는 제조과정에서 시멘트 1kg 제조 시에 약 1kg의 이산화탄소를 배출하는 전형적인 이산화탄소 배출 사업 이라 할 수 있다.

대한민국 등록특허 제 10-0855686호 대한민국 등록특허 제 10-1014869호

상기 문제점을 해결하기 위하여,

본 발명은 보통 시멘트에 고로슬래그나 플라이애쉬를 치환하여 콘크리트에 사용할 경우 나타나는 수화 초기의 압축강도 저하, 및 유동성 손실 등으로 인한 품질저하를 개선하기 위하여, 고로수쇄 슬래그와 반응 활성화제를 사용하는 시멘트 치환용 저탄소 결합재 조성물을 제공하며, 상기 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 증기양생 콘크리트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 고로 수쇄 슬래그의 활성화를 위하여 사용되는 알칼리 활성화제를 무기질 결합재로 사용하여, 고로 수쇄 슬래그를 일반적으로 콘크리트에 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트에 대하여 40 중량% 이상 대량 치환하여 사용이 가능한 결합재 조성물과 이를 사용하는 콘크리트를 증기양생 공정에 의해 제조함으로서, 강알칼리 활성화제 사용으로 인한 환경피해 예방 및 제조단가 감소로 인한 경제성이 개선된 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 증기양생 콘크리트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 고로슬래그가 치환되어 사용되는 혼합 포틀랜드 시멘트의 수화반응을 촉진시키기 위하여 제조하는 저탄소 결합재 조성물의 구성 성분으로 산업 폐기물을 사용함으로써, 산업 폐기물로 인한 환경 부하 감소, 에너지 절약 및 포틀랜드 시멘트의 문제점인 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경적인 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물, 이를 포함하는 증기양생 콘크리트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 고로 수쇄 슬래그 또는 플라이 애쉬를 보통 포틀랜드 시멘트의 치환재료로 사용하며, 이들 고로수쇄 슬래그와 플라이애쉬는 콘크리트에 사용 시 그 사용범위가 보통 포틀랜드 시멘트에 대하여 20 중량부 내지 30 중량부 사용으로 사용 범위에 한계가 있던 공지의 기술과 비교하여, 보통 포틀랜드 시멘트 10 내지 40 중량%, 고로수쇄 슬래그 40 내지 60 중량%, 알루미네이트 화합물 35 내지 70 중량%와 순수한 산화칼슘의 함량이 35 내지 60 중량% 이상 함유되어 있는 소석회 10 중량% 내지 25 중량%, 황산칼슘 성분이 50 내지 70 중량% 이상 함유되어 있는 석고 15 내지 30 중량%, 지방산이 5 내지 10 중량% 혼합된 무기질 결합재 20 내지 30 중량%, 로 구성되는 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물과, 초기의 압축강도 개선을 위하여 증기 양생 공정을 도입하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 무기질 결합재로 알루미네이트 화합물, 소석회와 비료 생산 공정에서 발생하는 이수석고를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 알루미네이트 화합물은 전량 폐기되는 폐제올라이트 또는 알루미노 실리케이트 화합물을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 콘크리트 제품 제조 시, 증기 양생 공정을 도입하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물은 콘크리트 제품 제조 시, 보통 포틀랜드 시멘트 사용량을 10 내지 40 중량% 만 사용함으로써, 공지의 보통 포틀랜드 시멘트 100% 사용에 따른 이산화탄소 배출량을 60 내지 90% 절감함으로써, 이산화탄소 배출에 의한 지구온난화 촉진에 의한 환경피해를 예방할 수 있다.

또한, 본 발명의 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물은 포틀랜드 시멘트에 고로슬래그와/또는 플라이애쉬를 공지의 보통 포틀랜드 시멘트 사용량 대비 10 내지 40 중량%만 사용 시에도 우수한 초기 강도, 장기 강도 발현, 낮은 수화열, 높은 내약품성, 높은 동결융해 저항성, 우수한 내화성능 및 낮은 비탄성 변형 등의 장점을 지니고 있어 일반 건축물, 해양 구조물 및 내화 구조물에 이용될 수 있으며, 벽돌, 블록 및 도로 경계석 등의 다양한 종류의 콘크리트 2차 제품에 이용될 수 있어 건축 사업 전 분야에 광범위하게 활용될 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

본 발명의 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물은, 1) 보통 포틀랜드 시멘트 10 내지 40 중량%; 2)고로수쇄 슬래그 40 내지 60 중량%; 3) 알루미네이트 화합물 35 내지 70 중량%와 순수한 산화칼슘의 함량이 35 내지 60 중량% 이상 함유되어 있는 소석회 10 중량% 내지 25 중량%, 황산칼슘 성분이 50 내지 70 중량% 이상 함유되어 있는 석고 15 내지 30 중량%, 지방산이 5 내지 10 중량% 혼합된 무기질 결합재 20 내지 30 중량%,로 구성된다.

콘크리트 제조 시에, 상기 본 발명의 시멘트 대체용 저탄소 결합제 조성물은 공지의 잔골재(모래), 굵은 골재(자갈), 물, 콘크리트 혼화제를 혼합하여 일정한 형틀에 채워 넣은 후, 진동에 의해 콘크리트 다짐 공정을 진행하고, 섭씨 60 내지 90도의 증기 양생실에서 1일 동안 증기 양생한 후 콘크리트 제품을 탈형하여 제조한다.

본 발명에 사용되는 알루미네이트 화합물은 전량 폐기되는 폐제올라이트 또는 알루미노 실리케이트 화합물을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 사용되는 소석회는 순수한 산화칼슘의 함량이 35 내지 60 중량% 이상인 소석회를 사용하는 것을 특징으로 한다. 순수한 산화 칼슘의 함량이 35 중량% 이하이면, 고로수쇄 슬래그의 반응 촉진이 저하되어 초기에 증기 양생을 하더라도 충분한 압축강도 발현이 부족하게 된다. 또한 60 중량% 이상이면 경제적으로 바람직하지 못하다. 바람직하게는 40 내지 50 중량% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 석고는 순수한 황산칼슘의 함량이 50 내지 70 중량% 이상인 석고를 사용하는 것을 특징으로 한다. 순수한 황산칼슘의 함량이 50 중량% 이하이면, 고로수쇄 슬래그의 반응 촉진이 저하되어 초기에 증기 양생을 하더라도 충분한 압축강도 발현이 부족하게 된다. 또한 70 중량% 이상이면 경제적으로 바람직하지 못하다. 바람직하게는 55 내지 65 중량% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 지방산은 급격한 가응결 현상이 발생하는 것을 방지하기 위하여 사용된다. 지방산의 사용량이 5 중량% 이하이면 가응결 방지가 약화되며, 10 중량% 이상이면 지나친 응결시간 조절로 압축강도 발현이 늦어지게 된다. 바람직하게는 6~8 중량% 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 상기 유동층상 보일러 비산재의 화학적 조성은 산화칼슘 30 내지 65 중량%, 황산칼슘 33 내지 65 중량% 및 불순물 2 내지 5 중량%를 포함하는 것이 특징이다.

Claims (5)

1. 보통 포틀랜드 시멘트 10 내지 40 중량%;
   고로수쇄 슬래그 40내지 60 중량%;
   무기질 결합재 20 내지 30 중량%;로 구성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물
2. 청구항 1에 있어서,
   무기질 결합재는,
   알루미네이트 화합물 35 내지 70 중량%;
   소석회 10내지 25 중량%;
   석고 15 내지 30 중량%;
   지방산이 5 내지 10 중량%;로 구성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 소석회는 순수한 산화칼슘의 함량이 35 내지 60 중량% 이상 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 석고는 순수한 황산칼슘 성분이 50 내지 70 중량% 이상 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물
5. 제1항의 시멘트 대체용 저탄소 결합제 조성물을 공지의 잔골재(모래), 굵은 골재(자갈), 물, 콘크리트 혼화제를 혼합하여 일정한 형틀에 채워 넣은 후, 진동에 의해 콘크리트 다짐 공정을 진행하고, 섭씨 60 내지 90도의 증기 양생실에서 1일 동안 증기 양생한 후 콘크리트 제품을 탈형하여 제조하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감용 저탄소 시멘트 결합재 조성물을 포함하는 콘크리트