KR20180134505A

KR20180134505A - 섬유보강 투수블록

Info

Publication number: KR20180134505A
Application number: KR1020170072289A
Authority: KR
Inventors: 최세진; 김영욱; 김도빈; 최희용
Original assignee: 원광대학교산학협력단; 주식회사 클레이맥스
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2018-12-19

Abstract

본 발명은 비정질 강섬유를 보강함으로써 기존 투수블록 대비 압축강도, 휨강도 등의 물성이 향상된 저시멘트 기반 투수블록에 관한 것이다.
전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 「고로슬래그 미분말이 70wt% 이상 포함된 결합재 300~450kg/㎥; 직경 3~8mm 범위 불연속입도 골재 1,600~1,850kg/㎥ 및 비정질 강섬유 6~10kg/㎥을 포함하고, 물-결합재비 13~30wt%인 조성물로 제작되어, 휨강도 6.0MPa 이상; 압축강도 35MPa 이상 및 투수율 0.12mm/s 이상의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 섬유보강 투수블록」을 제공한다.

Description

섬유보강 투수블록{Fiber reinforced permeable block}

본 발명은 비정질 강섬유를 보강함으로써 기존 투수블록 대비 압축강도, 휨강도 등의 물성이 향상된 저시멘트 기반 투수블록에 관한 것이다.

최근 들어 무분별한 개발과 온실가스 등에 의한 온난화로 지구촌 곳곳에서 이상기후 현상이 빈번히 발생하고 있으며, 이상기후로 인한 이상기온, 태풍, 국지성 폭우 등이 매년 증가하고 도심지 홍수 피해가 빈번히 발생하고 있다.

도심지 홍수문제는 무분별한 개발로 인해 빗물이 침투할 수 있는 자연면적이 좁아지고 하수시설이 다량의 빗물을 수용하지 못하는 것이 원인이며, 해외 선진국의 경우 이를 해결하기 위한 방안의 하나로 투수블럭 보급이 활발히 이루어지고 있다. 국내에서도 도심지 홍수 피해문제를 해결하기 위하여 콘크리트 자체적으로 투수가 가능한 투수성 블록에 대한 관심이 급증하고 있으나, 투수블럭 제조시 사용되는 시멘트는 1톤 생산시 약 0.9톤의 CO₂를 발생시킴으로서 온실가스 발생의 주범중 하나로 지목되고 있다.

최근 전세계적으로 각종 산업분야에서의 온실가스 감축을 위해 기후변화협약 등 관심과 노력을 기울이고 있으며, 우리나라도 2030년까지 온실가스 감축목표를 배출전망치 대비 37%로 비교적 높은 수준의 목표를 설정함으로서, 건설산업을 비롯한 전 산업분야에서의 온실가스 감축노력이 절실하다고 할 수 있다.

한편, 투수블럭은 다공질 특성으로 인해 휨강도를 발현하는데 한계가 있어 적용 분야가 한정이 되어 있다는 문제점이 지적되고 있으며, 더욱이 제품의 휨강도 등의 성능이 제대로 확보되지 않은 제품을 현장에서 사용할 경우 운반, 시공시 파손으로 인해 작업인부가 상해를 입는 안전사고가 발생할 수 있는 가능성이 높다. 특히 향후 투수블럭의 사용분야가 증대될 것으로 예상되는 시점에서 친환경성을 위해 시멘트 사용을 줄이면서도, 휨강도가 향상된 투수블록이 필요한 상황이다.

이와 관련된 선행기술들을 살펴보면, 등록특허 10-0689183 및 공개특허 10-2003-0003965는 제조 과정에서 CO₂를 다량 배출하는 시멘트가 결합재로서 다량 이용된다.

등록특허 10-1038796은 시멘트를 사용하지 않은 투수성 조성물을 제공하나 휨강도 증진에 관한 방안이 제시되어 있지는 않다. 또한 공개특허 10-2014-0014677은 시멘트를 소량 사용하나, 휨강도가 6MPa에 도달하지 못한다. 따라서 이들 선행기술로는 대면적 패널형 투수블록, 장스팬 투수블록 등을 제작할 수 없다.

1. 등록특허 10-0689183 "투수 콘크리트 블록의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 투수 콘크리트 블록" 2. 공개특허 10-2003-000396 "수재 슬러그를 이용한 투수성 콘크리트 및 투수성 보도블럭 제조방법과, 상기의 투수성 콘크리트를 이용한 도로 포장공법" 3. 등록특허 10-1038796 "바텀애쉬를 이용한 도로 포장용 투수성 조성물" 4. 공개특허 10-2014-0014677 "친환경 차열성 투수블록 및 그 제조 방법"

본 발명은 시멘트 사용량을 대폭 절감하면서도 종래 투수블록에 비해 압축강도, 휨강도, 내구성 등의 물성이 향상되어 대면적 패널화 할 수 있고, 종래 투수블록과 동등 이상의 투수율이 발현되는 투수블록을 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 「고로슬래그 미분말이 70wt% 이상 포함된 결합재 300~450kg/㎥; 직경 3~8mm 범위 불연속입도 골재 1,600~1,850kg/㎥ 및 비정질 강섬유 6~10kg/㎥을 포함하고, 물-결합재비 13~30wt%인 조성물로 제작되어, 휨강도 6.0MPa 이상; 압축강도 35MPa 이상 및 투수율 0.12mm/s 이상의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 섬유보강 투수블록」을 제공한다.

상기 비정질 강섬유는 용융된 철강을 회전하는 냉각롤에 직접 분사하는 방식으로 급속 냉각시켜 결정질 형성 전 박판으로 제조한 후 절단함으로써 인장강도가 일반 강섬유에 비해 크게 향상된 것이다(900~1200MPa → 1400MPa 이상).

또한, 상기 불연속입도 골재의 2~3wt%를 석분슬러지로 대체함으로써 산업부산물을 활용하면서 투수블록의 압축강도 등을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 다음과 같다.

1. 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 결합재의 70wt% 이상 적용함으로써 시멘트 사용에 따른 환경부하를 저감시킬 수 있다.

2. 투수블록에 비정질 강섬유를 6~10kg/㎥ 혼입시킴으로써, 섬유가 혼입되지 않은 투수블록에 비해 압축강도가 20~40% 향상되고, 휨강도는 30~40%향상되어, 압축강도 35MPa 이상, 휨강도 6.0MPa 이상의 목표 물성이 발현된다.

3. 불연속입도 골재의 2~3wt%를 석분슬러지로 대체함으로써 산업부산물을 활용하면서 투수블록의 압축강도 등을 향상시킬 수 있다.

4. 결합재량, 골재량, 물-결합재비 등의 수치범위에 의해 투수율 0.12mm/s 이상의 목표 물성이 발현된다.

5. 휨강도의 향상으로 일변의 길이가 100㎝ 이상의 대면적 패널형 블록, 장스팬 블록 등의 제작이 가능하다.

[도 1]은 비정질 강섬유의 투입 상황을 촬영한 사진이다.
[도 2]는 본 발명이 제공하는 섬유보강 투수블록 생산 설비를 촬영한 사진이다.
[도 3]은 본 발명이 제공하는 섬유보강 투수블록의 생산 과정을 촬영한 사진이다.
[도 4]는 섬유보강 투수블록에 대한 압축강도 시험 과정을 촬영한 사진이다.
[도 5]는 섬유보강 투수블록에 대한 휨강도 시험 과정을 촬영한 사진이다.
[도 6]은 섬유보강 투수블록에 대한 투수계수 시험 과정을 촬영한 사진이다.
[도 7]은 섬유보강 투수블록의 투수계수 시험성적서이다.
[도 8]은 100㎝×25㎝×8㎝ 사이즈의 대형 패널형 투수블록을 제조하여 촬영한 사진이다.

본 발명은 「고로슬래그 미분말이 70wt% 이상 포함된 결합재 300~450kg/㎥; 직경 3~8mm 범위 불연속입도 골재 1,600~1,850kg/㎥ 및 비정질 강섬유 6~10kg/㎥을 포함하고, 물-결합재비 13~30wt%인 조성물로 제작되어, 휨강도 6.0MPa 이상; 압축강도 35MPa 이상 및 투수율 0.12mm/s 이상의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 섬유보강 투수블록」을 제공한다.

본 발명에서는 시멘트를 대체하는 산업부산물로 고로슬래그 미분말을 적용한다. 고로슬래그는 제철소의 고로에서 선철을 만들 때 부산물로 생성되는 것으로, 용융슬래그에 가압수를 뿜는 등으로 급속 냉각처리한 수쇄슬래그를 미분말화 함으로써 높은 잠재수경성을 가지는 콘크리트용 혼화재로 적용할 수 있게 된다.

상기 비정질 강섬유는 아래 [참고도 1]에 나타난 바와 같이 원자 구조적인 측면에서 원자배열이 불규칙하며, 이러한 구조적인 요인에 의해 일반적인 결정질 강섬유에 비해 높은 강도와 낮은 마찰계수, 높은 부식저항성 및 우수한 연자성 등의 특성을 가지게 된다(아래 [표 1] 참조).

[참고도 1]

상기 비정질 강섬유는 용융된 철강을 회전하는 냉각롤에 직접 분사하는 방식으로 급속 냉각시켜 결정질 형성 전 박판으로 제조한 후 절단하는 방식으로 제조할 수 있다(900~1200MPa → 1400MPa 이상). 이러한 제조 공정은 기존 강섬유 제조 공정에 비해 간단하고 공정시간이 단축되므로, 제조공정상 발생하는 CO₂ 및 에너지 소비량을 절감할 수 있다. 아래 [참고사진 1]은 위와 같이 제조된 비정질 강섬유를 촬영하여 나타낸 것이다.

[참고사진 1]

일반 강섬유의 인장강도는 900~1200MPa이지만, 상기 비정질 강섬유의 인장강도는 1400MPa 이상이다. 또한, 상기 비정질 강섬유는 일반 강섬유와 달리 내부식성이 우수하다. 따라서 투수블록과 같이 물과 자주 접하는 제품에 사용시 매우 유리하다고 할 수 있다.

[표 1]

상기 섬유보강 투수블록 조성물은 결합재 중 고로슬래그 미분말이 80wt%인 경우, 비정질 강섬유 혼입량이 증가할수록 재령 14일 압축강도가 상대적으로 경향을 나타내었으며, 결합재 중 고로슬래그 미분말이 90wt%인 경우, 상기 비정질 강섬유 혼입량에 상관없이 유사한 압축강도가 발현된다.

휨강도의 경우 결합재 중 고로슬래그 미분말이 80wt% 치환 시 모든 배합에서 6.0~6.3MPa 수준의 휨강도가 발현되며, 결합재 중 고로슬래그 미분말이 90wt% 혼입된 배합에서는 상기 비정질 강섬유를 10kg/㎥ 혼입시킨 시험체의 휨강도가 상대적으로 가장 높게 나타난다.

비정질 강섬유 혼입에 따른 투수블록의 특성을 평가하기 위해 단위 결합재량을 260, 350, 380kg/㎥ 수준으로 실험을 실시한 결과, 단위 결합재량이 350kg/㎥ 인 투수블록에서 결합재 중 고로슬래그 미분말 함량 80wt% 조건에서 비정질 강섬유가 혼입됨에 따라 압축강도 및 휨강도가 증가하는 것으로 나타났다. 단위 결합재량이 380kg/㎥인 경우에는 비정질 강섬유를 5kg/㎥ 혼입한 시험체의 압축강도가 비정질 강섬유를 혼입하지 않은 배합에 비해 낮은 압축강도가 나타났으며 비정질 강섬유를 10kg/㎥ 혼입한 배합에서는 비정질 강섬유를 혼입하지 않은 배합과 유사한 강도를 나타냈다. 휨강도의 경우 비정질 강섬유를 5kg/㎥ 혼입한 시험체가 비정질 강섬유를 혼입하지 않은 배합에 비해 낮은 휨강도가 나타났으나, 비정질 강섬유를 10kg/㎥ 혼입한 배합에서는 혼입하지 않은 배합보다 휨강도가 상승하는 경향을 나타냈다. 구체적으로 단위 결합재량이 380kg/㎥, 결합재 중 고로슬래그 미분말 함량 80wt%, 비정질 강섬유 10kg/㎥ 혼입 배합에서 재령 14일 압축강도 38MPa, 재령 7일 휨강도 7.9MPa이 발현되었다.

본 발명이 제공하는 섬유보강 투수블록에는 직경 3~8mm 범위의 불연속입도 골재가 1,600~1,850kg/㎥ 적용된다. 불연속입도란 입도 배열이 불연속적인 것을 말하며, 연속 입도의 골재를 이용한 경우보다 불연속입도의 골재를 이용한 경우 콘크리트 또는 모르타르 조성물의 워커빌리티가 개선된다. 본 발명에서 결합재량(고로슬래그 미분말이 70wt% 이상 포함된 결합재)은 300~450kg/㎥로서, 골재량에 비해 적고, 이에 따라 상기 골재 표면에 결합재가 코팅된 것과 같은 상태에서 접촉, 경화되어 포러스 재질의 투수블록이 형성된다. 아래 [참고사진 2]는 상기 불연속입도 골재를 촬영한 사진이다.

[참고사진 2]

상기 석분슬러지는 부순 잔골재 생산과정에서 배출되는 부산물로 지정 폐기물로 분류되어 위탁처리 및 매립되고 있으며, 강모래의 고갈과 해사 채취의 제한으로 부순 잔골재 사용량이 많아짐에 따라 석분슬러지 발생량이 매년 증가하고 있다.

석분슬러지는 부순 굵은골재를 생산하고 남는 석분으로 부순 잔골재를 다시 생산할 때 미립분 제거를 위한 세척과정에서 발생하게 되는데, 이러한 석분슬러지는 다량의 SiO₂와 Al₂O₃를 함유하고 있으며, 이러한 성분은 플라이애시와 유사한 면이 있다. 아래 [표 2]는 상기 석분슬러지의 구체적인 화학조성을 나타낸 것이다.

[표 2]

다만, 전술한 섬유보강 투수블록의 배합조건에서 상기 석분슬러지를 결합재에 대체 적용한 경우 재령 28일 및 재령 56일에서 석분슬러지 대체율이 5wt% 증가할수록 압축강도가 약 5MPa 정도씩 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 동일 배합조건에서 상기 석분슬러지를 골재에 대체한 경우, 석분슬러지 대체율이 2~3wt%인 경우의 시험체에서 가장 높은 압축강도가 발현되었다.

[도 1] 내지 [도 3]은 본 발명이 제공하는 섬유보강 투수블록의 소재, 생산 설비 및 생산 과정을 촬영한 사진으로서, [도 1]은 비정질 강섬유의 투입 상황, [도 2]는 섬유보강 투수블록 생산 설비, [도 3]은 섬유보강 투수블록의 생산 과정을 촬영한 사진이다.

이하에서는 섬유보강 투수블록에 대한 구체적인 시험결과와 함께 본 발명을 설명하기로 한다. 결합재 중 시멘트량을 0, 10, 20, 30wt%로 설정(나머지는 고로슬래그 미분말)하였으며, 비정질 강섬유 혼입량도 배치당 0, 3, 6kg/㎥ 혼입하였다.

본 발명이 제공하는 섬유보강 투수블록의 압축강도는 [도 4]에 나타난 바와 같이 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험방법에 의하여 시험을 진행하였으며, 100mm×100mm×80mm 크기의 압축강도용 시험체를 사용하였다.

아래 [그래프 1]에 도시된 바와 같이 모든 배합에서 비정질 강섬유 혼입에 따라 압축강도가 선형적으로 증가하였으며, 비정질 강섬유 6kg/㎥ 혼입시에는 무혼입시에 비해 20~40% 정도의 압축강도 증진 효과가 나타났다. 비정질 강섬유 6kg/㎥ 혼입시 41~44MPa의 압축강도를 발현하여 목표 압축강도 35MPa 이상이 발현된다.

[그래프 1]

본 발명이 제공하는 섬유보강 투수블록의 휨강도는 [도 5]에 나타난 바와 같이 KS F 4419 보차도용 콘크리트 인터로킹 블록에 명시된 휨강도 기준에 의하여 시험을 진행하였으며, 250mm×125mm×80mm 크기의 압축강도용 시험체를 사용하였다.

아래 [그래프 2]에 도시된 바와 같이 모든 배합에서 비정질 강섬유 혼입에 따라 압축강도가 선형적으로 증가하였으며, 결합재 중 시멘트량을 20wt% 및 30wt% 사용한 C20, C30배합에서 비정질 강섬유를 6kg/㎥ 혼입한 경우 휨강도가 7.89, 7.75MPa로 가장 높게 나타났다.

비정질 강섬유 6kg/㎥ 혼입시에는 무혼입시에 비해 30~40% 정도의 압축강도 증진 효과가 나타났다. 시멘트를 사용하지 않은 C0 배합에서도 비정질 강섬유 6kg/㎥ 혼입한 시험체의 휨강도가 6.78MPa로 목표 휨강도 6MPa을 상회하는 것으로 나타났다.

[그래프 2]

본 발명이 제공하는 섬유보강 투수블록의 휨강도는 [도 6]에 나타난 바와 같이 KS F 4419 보차도용 콘크리트 인터로킹 블록에 명시된 투수성 시험 기준에 의하여 시험을 진행하였으며, 250mm×125mm×80mm 크기의 압축강도용 시험체를 사용하였다.

상기 시험체의 투수계수는[도 7]에 첨부된 시험성적서와 같이 1.3mm/s로 나타났으며, 이는 목표 투수계수인 0.12mm/s를 크게 상회하는 값이다.

투수블록의 내구성은 동결융해 전·후의 압축강도를 비교함으로써 평가할 수 있다. 동결융해 후 압축강도가 동결융해 전 압축강도의 80% 이상이면 투수블록으로서의 적합 기준이 충족된다. 본 발명이 제공하는 섬유보강 투수블록의 경우 동결융해 후 압축강도가 동결융해 전 압축강도의 85.1%로 나타나, 위의 기준을 초과하는 것으로 나타났다.

한편, 본 발명이 제공하는 섬유보강 투수블록은 휨강도가 6MPa을 상회하므로 대면적화, 장스팬화가 가능하다. [도 8]은 100㎝×25㎝×8㎝ 사이즈의 대형 패널형 투수블록을 제조하여 촬영한 사진이다.

본 발명은 위에서 언급한 바와 같이 구체적 시험예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

해당없음

Claims

고로슬래그 미분말이 70wt% 이상 포함된 결합재 300~450kg/㎥;
직경 3~8mm 범위 불연속입도 골재 1,600~1,850kg/㎥ 및
비정질 강섬유 6~10kg/㎥을 포함하고,
물-결합재비 13~30wt%인 조성물로 제작되어,
휨강도 6.0MPa 이상;
압축강도 35MPa 이상; 및
투수율 0.12mm/s 이상의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 섬유보강 투수블록.
제1항에서,
상기 불연속입도 골재의 2~3wt%가 석분슬러지로 대체된 것을 특징으로 하는 섬유보강 투수블록.
제1항 또는 제2항에서,
상기 비정질 강섬유는 용융된 철강을 회전하는 냉각롤에 직접 분사하는 방식으로 급속 냉각시켜 결정질 형성 전 박판으로 제조한 후 절단한 것을 특징으로 하는 섬유보강 투수블록.