KR20210009946A

KR20210009946A - 칼슘카바이드 슬러지를 활용한 자기수축 및 탄산화 저감 무시멘트 모르타르

Info

Publication number: KR20210009946A
Application number: KR1020190087149A
Authority: KR
Inventors: 이행기; 김선혁; 서준호; 배상진; 박솔뫼
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2021-01-27

Abstract

본 발명은 산업부산물인 플라이 애시(fly ash)와 슬래그(slag)를 결합재로 사용하고, 여기에 칼슘카바이드 슬러지를 혼입하여 자기수축 및 탄산화 저항성을 향상시킬 수 있는 친환경 무시멘트 모르타르에 관한 것으로, 본 발명에 따른 자기수축 및 탄산화 저감 무시멘트 모르타르는, 슬래그(slag) 30~40 중량%와, 플라이 애시(fly ash) 30~40 중량%, 레드머드(red mud) 10~30 중량%, Rice husk ash 10~30 중량%를 포함하는 결합재와, 상기 결합재 100 중량부에 대해 5~15 중량부로 혼합되는 칼슘카바이드 슬러지와, 상기 결합재 100 중량부에 대해 150~180 중량부로 혼합되는 골재와,상기 결합재 100 중량부에 대해 40~45 중량부로 혼합되는 물을 포함한다.

Description

칼슘카바이드 슬러지를 활용한 자기수축 및 탄산화 저감 무시멘트 모르타르{Non-cement Mortar with Reduction of Autogenous Shrinkage And Carbonation}

본 발명은 건축재료로 사용되는 무시멘트 모르타르에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산업부산물인 슬래그 및 플라이 애시를 결합재로 사용하고, 여기에 칼슘카바이드 슬러지를 혼입하여 자기 수축 및 탄산화 저항성을 향상시킨 무시멘트 모르타르에 관한 것이다.

일반적으로 건설산업에 이용되는 모르타르 및 콘크리트는 결합재, 물 및 골재로 구성되는데, 이때 이용되는 결합재는 일반적으로 포틀랜드 시멘트이다. 상기 포틀랜드 시멘트는 그 생산 과정에서 막대한 에너지가 소비되며, 이에 따라 발생하는 이산화탄소의 량은 전 세계 온실가스 방출량의 7%에 해당한다.

일반 포틀랜드 시멘트는 주성분이 실리카, 알루미나 및 석회를 함유하는 원료를 적당한 비율로 혼합하고, 그 일부가 용융되어 소결된 클링커에 적당량의 석고를 첨가하여 분쇄시켜 분말로 한 것이다. 따라서, 이러한 시멘트의 클링커 제조를 위해서는 약 1450℃의 고온 상태에서 용융시켜야만 하기 때문에 대량의 에너지(유약 30 내지 35ℓ/톤)를 소비하게 된다. 뿐만 아니라 시멘트 1톤을 제조하는 데에는 약 700 내지 870Kg의 이산화탄소가 배출되는 것으로 알려져 있다.

따라서, 세계적으로 콘크리트 제조 업체들은 포틀랜드 시멘트 1톤의 생산에 수반되는 약 0.8톤의 이산화탄소 방출량을 줄이기 위해 시멘트 대신 플라이 애시(fly ash)와 슬래그(slag), 바텀애시 등의 산업부산물을 활용한 무시멘트 결합재를 개발하여 시멘트의 사용을 줄이기 위한 노력을 기울이고 있다.

예를 들어 대한민국 등록특허 제10-0908499호에 고로 슬래그, 알카리성 무기질 재료, 수산화칼슘, 멜라닌 감수제 및 붕산염을 포함하는 무시멘트 알카리 활성결합제에 건조모래와 물을 혼합한 무시멘트 알카리 활성 보강 모르타르가 개시되어 있다.

이외에도 플라이 애시와 슬래그 등의 산업부산물을 활용한 다양한 무기계 알칼리 활성 시멘트가 개발된 바 있다.

그러나, 기존의 플라이 애시와 슬래그를 활용한 알칼리활성 콘크리트는 초기 반응속도가 매우 빠르며, 이는 수축 및 균열의 원인이 됨과 동시에 강도 저하를 야기한다.

실제 콘크리트 구조물에 수축에 의한 균열이 발생할 경우, 구조물 내부로 염소이온 및 물 침입으로 인한 철근 부근의 부식 진행되는 점을 고려하였을 때 수축 발생시 콘크리트 구조물의 내구성은 매우 취약하게 된다.

또한, 기존의 무시멘트 콘크리트는 낮은 탄산화 저항성이 문제점으로 지적되고 있다.

탄산화로 인해 콘크리트 내부의 pH가 11보다 낮아지면 철근에 녹이 발생하며, 녹에 의해 철근의 체적이 약 2.5배까지 팽창한다. 이 때 발생한 팽창압으로 인해 콘크리트의 균열이 발생하고 균열부로 물과 이산화탄소가 침투하여 열화가 급격히 진행되며, 콘크리트의 내구성이 감소하게 된다.

대한민국 등록특허 제10-0908499호

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 산업부산물인 플라이 애시(fly ash)와 슬래그(slag)를 결합재로 사용하고, 여기에 칼슘카바이드 슬러지를 혼입하여 자기수축 및 탄산화 저항성을 향상시킬 수 있는 친환경 무시멘트 모르타르를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기수축 및 탄산화 저감 무시멘트 모르타르는, 슬래그(slag) 30~40 중량%와, 플라이 애시(fly ash) 30~40 중량%, 레드머드(red mud) 10~30 중량%, Rice husk ash 10~30 중량%를 포함하는 결합재와, 상기 결합재 100 중량부에 대해 5~15 중량부로 혼합되는 칼슘카바이드 슬러지와, 상기 결합재 100 중량부에 대해 150~180 중량부로 혼합되는 골재와,상기 결합재 100 중량부에 대해 40~45 중량부로 혼합되는 물을 포함한다.

본 발명의 무시멘트 모르타르를 이용하여 제작된 콘크리트는 기존 포틀랜드 시멘트 콘크리트와 동등한 기계적 성능을 가지며, 산업부산물을 사용함으로써 시멘트 제조 시 발생되는 이산화탄소의 배출을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 결합재 조성의 대부분을 산업부산물로 활용함으로써 생산비 및 시공비 절감 효과를 얻을 수 있다.

칼슘카바이드 슬러지는 물에 녹아 높은 pH 환경을 형성하여 결합재의 반응을 활발히 일으킨다. 또한 칼슘카바이드 슬러지 혼입을 통한 초기 수축 보상 효과를 통해 자기수축을 효율적으로 완화하여 수축 균열로 인한 내구성 및 역학적 성능 저하를 감소시킬 수 있다.

또한, 칼슘카바이드 슬러지 혼입을 통해 탄산화 저항성을 증가시킬 수 있으며, 증가된 탄산화 저항성은 탄산화 이후 강도감소 문제를 완화시킬 수 있다. 그리고 탄산화 저항성이 증가함과 동시에 탄화수축이 증가 할 수 있는 문제점을 보완할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무시멘트 모르타르 실시예 및 비교예에 의해 만들어진 시편에 대한 자기수축 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 무시멘트 모르타르 실시예 및 비교예에 의해 만들어진 시편에 대한 TG/DTG 분석결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 칼슘카바이드 슬러지의 함량을 다르게 하여 제조한 실시예의 시편에 대한 탄산화 저항성 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 칼슘카바이드 슬러지의 함량을 다르게 하여 제조한 실시예의 시편에 대한 탄화수축 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 칼슘카바이드 슬러지의 함량을 다르게 하여 제조한 실시예의 시편에 대한 압축강도 시험 결과를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 자기수축 및 탄산화 저감 무시멘트 모르타르는 결합재로서 슬래그(slag)와, 플라이 애시(fly ash)를 포함하고, 상기 결합재에 칼슘카바이드 슬러지와, 골재와, 물을 혼합하여 만들어진다.

좀 더 구체적으로, 본 발명의 자기수축 및 탄산화 저감 무시멘트 모르타르는, 슬래그(slag) 30~40 중량%와, 플라이 애시(fly ash) 30~40 중량%, 레드머드(red mud) 10~30 중량%, Rice husk ash 10~30 중량%를 포함하는 결합재와, 상기 결합재 100 중량부에 대해 5~15 중량부로 혼합되는 칼슘카바이드 슬러지와, 상기 결합재 100 중량부에 대해 150~180 중량부로 혼합되는 골재와, 상기 결합재 100 중량부에 대해 40~45 중량부로 혼합되는 물을 포함한다.

상기 슬래그(slag)는 화학조성비에서 40 중량% 이상의 CaO, 30 중량% 이상의 SiO₂, 10 중량% 이상의 Al₂O₃를 포함하고 있는 것이 바람직하다.

상기 플라이 애시(fly ash)는 화학적 조성비에서 5 중량% 미만의 칼슘, 50중량%의 규소, 20 중량%의 알루미늄을 포함하고 있는 것이 바람직하다.

상기 레드머드(red mud)는 알루미늄 제조 시 발생하는 산업부산물로, 다량의 CaO를 포함하고 있는 것이 적절하다.

Rice husk ash는 농업부산물로서, 다량의 SiO₂를 포함 하는 것이 적절하다.

상기 칼슘카바이드 슬러지는 상기 결합재 100 중량부에 대해 5~15 중량부로 혼합된다. 칼슘카바이드 슬러지는 습식 아세틸렌 가스 제조 시 발생하는 석회 성분과 90 중량% 이상의 CaO를 포함하고 있는 것이 적절하다.

상기 골재는 모래를 사용하는 것이 바람직하다. 모래는 과도하게 첨가되면 워커빌리티 저하를 야기할 수 있으므로 결합재 100 중량부에 대해 150~180 중량부로 혼합된다. 모래는 수경성 모르타르/콘크리트 제작용 river sand 형태인 것이 바람직하다.

물은 과도하게 첨가되면 강도 저하를 야기할 수 있으므로 상기 결합재 100 중량부에 대해 40~45 중량부로 혼합된다. 물은 증류수와 같이 불순물이 적은 것이 바람직하나 수돗물과 같이 정수된 물도 사용이 가능하다. 콘크리트의 응결시간을 증가시킬 수 있는 얼음물 또한 바람직하다.

실시예

아래의 표는 자기수축 및 탄산화 저감 무시멘트 모르타르의 조성비를 나타낸다.

상기 표의 첫번째 및 두번째 조성비에 따라 슬래그, 플라이 애시, 레드머드(red mud), rice rusk ash, 칼슘카바이드 슬러지 및 모래를 총 10분간 건비빔한다. 건비빔된 혼합물에 물을 투입 후, 5분간 비빔을 진행하여 모르타르 실시예(C10 및 C15)를 제조한다.

그리고 상기 표의 세번째 조성비에 따라 슬래그, 플라이 애시, 레드머드(red mud), rice rusk ash 및 모래를 총 10분간 건비빔하고, 건비빔된 혼합물에 알칼리 활성제를 투입 후, 5분간 비빔을 진행하여 모르타르 비교예(AAS)를 제조한다. 상기 알칼리 활성제는 본 출원의 발명자에 의해 발명된 특허등록 제10-1973717호에 개시된 알카리 활성제를 참고하여 만든 것으로, 4M 수산화 나트륨, KS-3등급 물유리, 물 로 이루어진 3성분계 알칼리 활성화제인 것이 적합하다.

실시예 및 비교예의 모르타르를 몰드에 타설하고 양생하여 시편을 제작하였다. 양생온도는 10-30℃ 가 적절하며, 동절기 타설 시 단열재 및 보온을 실시하여 양생온도를 맞춰주는 것이 바람직하다.

굳지 않은 상태의 칼슘카바이드 슬러지를 포함한 무시멘트 모르타르(C10, C15) 및 알칼리활성 모르타르(AAS)는 수분증발과 자연탄산화를 막기 위해 랩으로 도포하는 것이 바람직하다.

상기 실시예로 배합한 칼슘카바이드 슬러지 활용 수축저감 무시멘트 모르타르 시편 및 비교예의 무시멘트 모르타르 시편에 대한 자기수축 시험 결과는 도 1에 도시한 것과 같다.

자기수축 측정의 경우 종결 후를 기준으로 측정하였다. 칼슘카바이드 슬러지를 혼입한 실시예(C10, C15)의 경우 초기에 칼슘카바이드 슬러지 내 CaO가 물과 반응하여 Ca(OH)₂를 생성하며, 그 결과 팽창이 일어나게 된다. 이로 인해 초기 자기 수축 보상 효과가 증가한다. 기존의 알칼리활성 모르타르(비교예; AAS)에 비해 칼슘카바이드 슬러지 활용 모르타르는 자기수축이 보완됨을 확인할 수 있다.

도 2는 상기 실시예로 배합한 칼슘카바이드 슬러지 활용 수축저감 무시멘트 모르타르 시편 및 비교예의 무시멘트 모르타르 시편에 대한 TG/DTG 분석결과를 나타낸다. TG/DTG 분석은 재령 1일 및 28일에 진행되었다. 비교예(AAS)의 반응속도는 재령 1일 TG/DTG 결과에서 알 수 있듯이 매우 빠른 반면에, 실시예(C10, C15)의 반응속도는 비교적 느린 것을 확인할 수 있는데, 빠른 반응속도는 급격한 수축을 야기하며 이는 크랙 및 강도저하로 이어지게 된다.

아래의 표는 칼슘카바이드의 함량에 따른 무시멘트 모르타르의 실시예(C5, C10, C15)를 나타낸 것이다.

도 3은 상기 표의 배합비로 혼합된 실시예의 시편에 대한 탄산화 저항성 시험 결과를 나타낸 것이다.

탄산화 저항성 측정은 28일간 양생된 모르타르를 28일간 이산화탄소 농도 3%에 노출 후 탄산화 깊이를 측정하였으며, 칼슘카바이드 슬러지의 혼입이 증가할 경우 탄산화 저항성이 향상되었다.

도 4는 상기 표의 배합비로 혼합된 실시예의 시편에 대한 탄화수축 시험 결과를 나타낸 것이다. 탄산화는 재령 28일부터 28일간, 즉 재령 56일까지 이산화탄소 농도 3%에서 진행되었다. 탄화수축 측정의 경우 양생 28일 후, 이산화탄소 노출 시작 시점을 기준으로 측정하였다. 모르타르 내 reactive Ca²⁺ (즉, Ca(OH)₂ 와 C-S-H)가 많게 되면 탄산화로 인한 CaCO₃ 석출 시 체적 감소가 많아지게 되어 수축을 야기 할 수 있다. 그러나 탄화수축의 최종값은 칼슘카바이드 슬러지의 혼입값과 무관하게 거의 동일한 것으로 확인되었다.

도 5는 상기 표의 배합비로 혼합된 실시예의 시편에 대한 압축강도 시험 결과를 나타낸 것이다. 압축강도는 재령 7일, 14일, 28일, 42일, 56일에 측정되었다. 탄산화는 재령 28일부터 28일간, 즉 재령 56일까지 이산화탄소 농도 3%에서 진행되었다.

이산화탄소 노출 시 탄산화로 인한 강도감소가 일어나며, 칼슘카바이드 슬러지의 함유량이 증가함에 따라 탄산화 저항성이 높아져 강도 감소폭이 줄어들었으며, 특히 C15 시편에서는 탄산화 이후 강도 감소가 거의 나타나지 않았으며 탄산화 전과 비슷한 강도를 유지하는 것으로 확인되었다.

본 발명의 무시멘트 모르타르에서 칼슘카바이드 슬러지와 조성물의 반응 효과 및 메커니즘은 아래과 같다.

칼슘카바이드 슬러지 + 슬래그 → C-A-S-H gel 형성

칼슘카바이드 슬러지 + 플라이 애쉬 → N-A-S-H gel 형성

칼슘카바이드 슬러지 + red mud, rice husk ash → N-A-S-H gel 형성

위와 같이 포틀랜드 시멘트의 수화물과 유사한 C-A-S-H의 칼슘실리케이트계 수화물 형성과 칼슘실리케이트계 gel 보다 내구성이 우수한 N-A-S-H의 동시적 형성은 칼슘카바이드 슬러지를 포함한 무시멘트 모르타르의 강도발현에 큰 영향을 미친다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

C5, C10, C15 : 실시예
AAS : 비교예

Claims

결합재로서 슬래그(slag)와, 플라이 애시(fly ash)를 포함하고, 상기 결합재에 칼슘카바이드 슬러지와, 골재와, 물을 혼합하여 만들어진 자기수축 및 탄산화 저감 무시멘트 모르타르.
제1항에 있어서, 상기 결합재는 슬래그(slag) 30~40 중량%와, 플라이 애시(fly ash) 30~40 중량%, 레드머드(red mud) 10~30 중량%, Rice husk ash 10~30 중량%를 포함하고,
상기 칼슘카바이드 슬러지는 상기 결합재 100 중량부에 대해 5~15 중량부로 혼합되며,
상기 골재는 모래로서 상기 결합재 100 중량부에 대해 150~180 중량부로 혼합되며,
물은 상기 결합재 100 중량부에 대해 40~45 중량부로 혼합된, 자기수축 및 탄산화 저감 무시멘트 모르타르.