KR20230014131A - 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록 - Google Patents

표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전달률이 낮으며 골재-매트릭스 간 슬립 현상을 저감시킬 수 있도록 표면에 C-S-H 결정질이 코팅된 표면 개질 폐유리골재 및 보수성을 가진 왕겨를 활용하여 친환경적, 경량성, 투수성 및 보수성을 함께 확보할 수 있는 열섬 저감 블록에 관한 것이다.
본 발명은 「입경 3~5mm의 폐유리골재 40~50vol%; 입경 3~10mm의 폐블록 파쇄물 20~35vol%; 왕겨 3~7vol%; 고로슬래그 시멘트계 무기결합재 10~15vol%; 및 물 6~12vol%; 를 혼합한 조성물을 형틀에 넣고 압착시켜 제조한 투수성과 보수성을 함께 구비한 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록」을 제공한다.

Description

표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록{Block for reducing heat island phenomenon using surface-modified waste glass aggregate}
본 발명은 열전달률이 낮으며 골재-매트릭스 간 슬립 현상을 저감시킬 수 있도록 표면에 C-S-H 결정질이 코팅된 표면 개질 폐유리골재 및 보수성을 가진 왕겨를 활용하여 친환경적, 경량성, 투수성 및 보수성을 함께 확보할 수 있는 열섬 저감 블록에 관한 것이다.
한반도 기후변화 전망보고서(기상청, 2012)에 따르면 RCP(Representative Concentration Pathway) 8.5를 기준으로 21세기 후반기 서울의 폭염일수가 73.4일, 열대야 일수가 72일로 현재 대비 폭염일수는 5.61배, 열대야 일수는 7.78배 증가하는 것으로 전망된다.
특히 도심에서는 폭염 및 열대야와 함께 열섬현상이 발생하는데, 도심의 열섬현상은 지표면을 포장하고 있는 아스팔트, 블록 등과도 관계가 깊다. 지표면이 불투수면으로 포장되어 있는 경우 빗물이 지반으로 충분히 스며들지 못하고 지표면을 따라 우수관으로 유출되어 버린다. 이에 따라 태양 순복사량의 대부분이 지표면의 현열과 아스팔트 또는 블록 등의 불투수면에 전도되는 열로 바뀌며 매우 작은 부분만이 잠열로 바뀐다. 그 결과 도심의 공기온도와 지표면온도가 비도심 지역보다 더 높게 형성된다.
이에 반해 투·보수블록은 높은 투·보수율로 인해 빗물 유출량이 적어 태양 순복사량의 대부분이 잠열로 바뀌고 매우 작은 부분만이 현열과 블록으로 전도되는 열로 바뀐다. 따라서 공기온도와 투·보수블록 표면 온도가 낮게 형성되어 열섬현상이 저감될 수 있다.
아울러, 최근에는 폐건자재의 재활용 및 친환경 소재와 접목하기 위한 연구가 또다른 이슈로 자원재활용과 친환경적인 소재의 개발이 필요한 시점이다.
또한, 최근 노동력 부족에 따른 건설인건비 급상승에 대응하기 위해서는 단위시간당 시공량을 증대시킬 수 있도록 보도블록 등의 포장재를 경량화하기 위한 연구가 필수적이다.
투수성 포장재는 물을 빠르게 배출시켜야 하는 것이고, 보수성 포장재는 물을 머금은 상태를 지속시켜야 하는 것이므로, 일반적 개념으로는 투수성과 보수성은 상충하는 개념일 수 밖에 없다. 따라서, 투수성, 보수성을 동시에 확보하는 문제를 해결하기 위해 등록특허 10-0921475, 등록특허 10-1012457, 등록특허 10-1634868, 등록특허 10-1526286 등과 같은 기술이 제시되어 있다.
다만, 등록특허 10-0921475는 투수층의 하부에 보수층이 별도로 구성된 블록에 관한 것이고, 등록특허 10-1012457 역시 보수성 확보를 위한 상층부와 투수성 확보를 위한 하층부가 구분된 블록에 관한 것이다. 등록특허 10-1634868은 보수성 모르타르 조성물과 투수성 확보를 위한 블록 구조체의 조합에 의해 투수성과 보수성을 확보하도록 구성된 것이다. 등록특허 10-1526286는 다소 복잡한 시공 과정을 거쳐 구현해야 하는 문제가 있다.
1. 등록특허 10-1066194 "폐블록 파쇄물 보수성 블록 및 그의 제조방법" 2. 등록특허 10-1214596 "시멘트 및 지오폴리머 결합재와 폐블록 파쇄물 골재를 사용한 투수성 콘크리트 및 그 콘크리트 제품의 제조 방법" 3. 등록특허 10-1242568 "산업용 부산물인 바텀애쉬와 인산석고를 재활용하여 육상 또는 해상용으로 사용되는 블록 조성물" 4. 등록특허 10-1495599 "산업용 부산물을 활용하여 제공되는 블록의 제조방법" 5. 등록특허 10-0465654 "왕겨를 이용한 환경친화형 블록의 제조방법" 6. 등록특허 10-0921475 "투수성과 보수성을 가지는 포장용 블록" 7. 등록특허 10-1012457 "투수성과 보수성을 가지는 친환경 콘크리트 블록의 제조방법 및 그로부터 제조된 콘크리트 블록" 8. 등록특허 10-1634868 "투보수성 시멘트 모르타르 조성물, 이를 이용한 저류형 식생 주차 블록, 식생 주차 시스템 및 저류형 식생 주차 블록의 제조 방법" 9. 등록특허 10-1526286 "투수성 및 보수성을 가지는 비소성 보차도용 바닥포장 구조물" 10. 등록특허 10-2144650 "폐유리를 활용한 투수블록 제조방법 및 이에 의해 제조된 투수블록" 11. 등록특허 10-1737077 "폐유리를 활용한 콘크리트의 제조 방법"
본 발명은 아래의 각 사항을 동시에 충족시키는 열섬 저감 블록을 제공함에 그 목적이 있다.
1. 빗물을 지반으로 빠르게 침투시키는 투수성(透水性)을 확보하면서도, 침투한 빗물을 오랫동안 머금으며 시간을 두고 지반으로 서서히 침투시킬 수 있는 보수성(保水性)을 함께 확보한 열섬 저감 블록을 제공한다.
2. 한 가지의 조성물로 한 번의 압착 방식으로 간편하게 제작할 수 있는 열섬 저감 블록을 제공한다.
3. 일반 보도블록보다 경량화되면서 일반 보도블록에 요구되는 휨강도 3MPa 이상, 압축강도 8MPa 이상의 물성이 충족되는 열섬 저감 블록을 제공한다.
4. 폐자원, 산업부산물 등을 최대한 활용한 환경 친화적 열섬 저감 블록을 제공한다.
5. 주성분이 SiO2인 폐유리 골재를 콘크리트(또는 모르타르)에 적용할 경우 발생하는 알칼리-실리카 반응과, 폐유리 골재의 매끄러운 표면 특성에 의하여 콘크리트(또는 모르타르) 매트릭스와 골재 간의 부착력이 저하됨으로써 발생하는 슬립(Slip) 현상을 함께 저감시킬 수 있도록 개질된 폐유리 골재를 활용한 열섬 저감 블록을 제공한다.
본 발명은 「입경 3~5mm의 폐유리골재 40~50vol%; 입경 3~10mm의 폐블록 파쇄물 20~35vol%; 왕겨 3~7vol%; 고로슬래그 시멘트계 무기결합재 10~15vol%; 및 물 6~12vol%; 를 혼합한 조성물을 형틀에 넣고 압착시켜 제조한 투수성과 보수성을 함께 구비한 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록」을 제공한다.
또한, 상기 혼합 조성물에 상기 왕겨 대비 소석회 5~20부피부가 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 폐유리골재는, (a) 폐유리골재를 NaOH 수용액에 침지하여 표면의 비정질 실리카 성분을 알칼리실리케이트 겔로 변환시키는 단계; 및 (b) 상기 (a)단계를 거친 폐유리골재를 과포화 상태의 CaO 수용액에 침지하여 표면에 생성된 알칼리실리케이트 겔을 C-S-H 결정질로 개질시키는 단계; 를 통하여 제조된 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 (a)단계는 폐유리골재를 75~85℃, NaOH 1몰(M) 수용액에 침지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b)단계는 상기 (a)단계를 거친 폐유리골재를 75~85℃, CaO 22밀리몰(mM) 이상의 수용액에 침지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무기결합재는 고로슬래그 미분말 60~70wt%; 포틀랜드 시멘트 20~30wt%; 및 포졸란 재료 5~15wt%; 를 포함하여 조성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상면에서 하면으로 뚫린 다수의 수직통공이 형성된 것을 특징으로 하는 투수성과 보수성을 함께 구비할 수 있다.
전술한 본 발명에 따라 제공되는 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록의 효과는 다음과 같다.
1. 표면에 C-S-H 결정질이 코팅되도록 개질 처리된 폐유리 골재를 사용함으로써, 콘크리트(또는 모르타르)의 내구성을 저하시키는 알칼리-실리카 반응과, 콘크리트(또는 모르타르)의 압축강도 및 휨강도를 저하시키는 슬립 현상 발생을 방지하여 성형된 블록의 휨강도 및 압축강도가 저하되지 않는다.
2. 폐유리골재와 폐블록 파쇄물을 골재로 적용하여 투수성을 확보하면서, 왕겨를 첨가하여 보수성이 함께 확보된다.
3. 폐유리골재, 왕겨 및 폐블록 파쇄물의 사용으로 경량성이 확보되며, 블록의 경량화로 단위시간당 시공량이 증대되어 인건비를 절감시킬 수 있다.
4. 산업폐기물인 폐유리골재, 폐블록 파쇄물 및 농업폐기물인 왕겨를 주요 구성요소로 적용함으로써 자원 재활용 및 친환경이 확보된다.
5. 무기결합재로서 시멘트의 상당량을 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 적용함으로써 친환경성을 강화하고, 배합수로 레미콘 회수수를 적용함으로써 친환경성을 극대화시킬 수 있다.
6. 왕겨의 포졸란 반응 등은 블록의 압축강도 강화에 기여하고, 상기 왕겨 표면형상의 특성은 휨강도 강화에 기여한다.
7. 블록의 상면에서 하면으로 다수의 수직통공을 형성시킴으로써 블록 중에서도 투수가 더욱 빠르게 이루어지는 구간을 형성시킬 수 있다.
8. 폐유리골재의 열전도율이 낮아 열을 적게 흡수하므로 전체 블록의 온도를 낮춰 열섬 저감에 효과적이다.
9. 왕겨에 흡수된 빗물은 외기가 건조 상태로 변화한 후에 증발하면서 증발 잠열현상에 의하여 주위의 열을 감소시켜 열섬 저감에 효과적이다.
10. 왕겨와 소석회의 혼합물을 원료화 하여, 왕겨의 부패를 방지하고, 경량성 및 항곰팡이성을 가지도록 한다.
[도 1]은 알칼리 실리카 반응 메커니즘 모식도 및 피해사례 사진이다.
[도 2]는 골재-매트릭스 간 슬립(Slip) 현상 발생 모식도이다.
[도 3]은 본 발명에 따른 폐유리골재 표면 개질 방법의 개략적 흐름도이다.
[도 4]는 표면개질 전 폐유리골재 표면의 SEM 사진 및 EDS 분석 그래프이다.
[도 5]는 표면개질 후 폐유리골재 표면의 SEM 사진 및 EDS 분석 그래프이다.
[도 6]은 천연 잔골재, 표면개질 전·후 폐유리골재 표면의 SEM 사진이다.
[도 7]은 모르타르 시험체의 휨 강도 시험 방법 모식도 및 휨 강도 측정 시험장치 사진이다.
[도 8]은 모르타르 시험체의 압축 강도 시험 방법 모식도 및 압축 강도 측정 시험장치 사진이다.
[도 9]는 알칼리-실리카 반응 시험을 위한 시험체, 길이 변화 측정기 및 시험 과정의 사진이다.
[도 10] 및 [도 11]은 잔골재 종류에 따른 모르타르 시험체의 역학적 특성을 나타낸 그래프이다.
[도 12]는 천연 잔골재와 폐유리골재(표면개질 전·후)의 파괴 거동이 나타난 SEM 사진이다.
[도 13] 및 [도 14]는 잔골재 종류에 따른 알칼리-실리카 반응에 의한 재령별 팽창률 변화를 나타낸 그래프이다.
[도 15]는 잔골재 조건에 따른 모르타르별 단면 SEM 사진이다.
[도 16]은 다수의 수직통공이 형성된 본 발명 열섬 저감 블록을 도시한 것이다.
본 발명은 「입경 3~5mm의 폐유리골재 40~50vol%; 입경 3~10mm의 폐블록 파쇄물 20~35vol%; 왕겨 3~7vol%; 고로슬래그 시멘트계 무기결합재 10~15vol%; 및 물 6~12vol%; 를 혼합한 조성물을 형틀에 넣고 압착시켜 제조한 투수성과 보수성을 함께 구비한 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록」을 제공한다.
또한, 상기 혼합 조성물에 상기 왕겨 100중량부 대비 소석회 5~20중량부가 더 혼합될 수 있다.
본 발명의 열섬 저감 블록은 투수성을 가진 블록으로서, 투수성 블록은 투수 콘크리트로 제조한다. 상기 투수 콘크리트는 잔골재를 혼합하지 않고 제조한 콘크리트로서 콘크리트 내에 물 또는 공기를 자유롭게 통과시킬 수 있는 연속공극을 갖는 다공질 콘크리트를 말한다. 본 발명은 잔골재 없이 입경 3~5mm의 폐유리골재와 입경 3~10mm의 폐블록 파쇄물을 혼합하여 골재로 적용하고, 고로슬래그 시멘트계 무기결합재를 사용하여 제조되는 투수성을 갖는 블록이다.
또한 본 발명 열섬 저감 블록에는 왕겨가 첨가된다. 본 발명에서 상기 왕겨는 열섬 저감 블록의 경량화에 기여하면서, 도심지의 열섬현상을 저감시키기 위한 보습재로서 기능한다. 이에 따라 본 발명 열섬 저감 블록은 상기 폐유리골재와 폐블록 파쇄물 사이의 공극에 의한 투수성을 갖게 되면서, 상기 왕겨에 의해 보수성도 함께 갖게 되는 것이다. 즉, 본 발명 열섬 저감 블록에 침투한 물의 일부는 상기 공극을 통해 배출되고, 일부는 상기 왕겨에 흡수된 상태로 일정 기간 동안 유지된다.
본 발명 열섬 저감 블록은 우천시 상기 왕겨가 빗물을 흡수하고 기상 조건이 고온 건조 상태로 변화한 후에는 상기 왕겨에 흡수된 빗물이 증발하면서 열섬 저감에 기여할 수 있게 된다. 이러한 열섬 저감 성능은 등록특허 제10-1852944호 "투·보수블록 열섬저감 성능평가 장치, 설비 시스템 및 열섬저감 성능평가 방법", 등록특허 제10-1987212호 "블록의 공기온도 저감 성능 평가 방법" 및 등록특허 제10-2189720호 "블록의 증발성능 평가 방법" 등의 시험장치 및 방법에 의해 측정할 수 있다.
유기물질인 왕겨는 보이지 않는 미생물, 습도, 온도, 적절한 양분 등으로 부패하기 쉽다. 따라서, 추수 후 오랜 보관에 있어서도 한계를 가지고 있다. 즉, 왕겨는 내구성능 미확보 및 부패문제 등으로 보관 및 이용에 한계가 있으므로 본 발명의 발명자는 이를 극복하고 왕겨를 건설재료로 이용하기 위해 소석회를 이용한 왕겨 처리 방안에 대한 연구 및 실험을 진행하였다.
상기 실험 결과로 왕겨에 소석회를 첨가할 경우, 장기간의 존치기간 동안 곰팡이의 발생이 제어될 수 있다. 이는 후술할 실험결과에서 상세하게 설명하도록 하겠다.
한편 고로슬래그는 물과 접한 직후 Ca2 + 이온이 용출되고 그 표면에 투과성이 나쁜 부정형의 산화피막이 형성되어 이 피막으로 인해 고로슬래그 입자속으로 물의 침투 및 고로슬래그 입자로부터의 이온의 용출이 억제되기 때문에 수화반응의 진행이 어렵다. 그러나 고로슬래그 입자에 OH-가 흡착되면 이 막구조(유리구조)가 파괴되어 SiO2, Al2O3, CaO, MgO의 용출이 촉진되고 반응이 시작되게 되며 일단 반응이 시작되면 고로슬래그는 자체속에서 용출되는 알칼리성분에 의해 높은 pH의 지속이 가능하게 된다. 따라서, 상기 왕겨의 부패를 방지하기 위해 혼합된 소석회(Ca(OH)2)가 고로슬래그 입자에 OH-를 공급하는 알칼리자극제 역할을 할 수 있으며, 고로슬래그의 잠재수경성 반응에 필요한 알칼리자극제의 양은 초기 수화반응을 일으킬 수 있는 정도만 필요(이후의 반응은 고로슬래그 속에 함유되어 있는 CaO, SiO2 등의 성분이 용출하여 지속적인 수화반응 진행)하다.
본 발명 열섬 저감 블록의 원료 중 왕겨는 비중이 매우 낮다. 따라서, 본 발명 열섬 저감 블록에 포함되는 원료의 양을 중량 기준으로 나타내는 경우에는 위와 같은 비중 차이에 따라 실제 투여량에 대한 인식이 왜곡될 수 있으므로('wt%' 또는 '중량부'로 나타내는 경우에는 상기 왕겨의 함량이 과소 수치로 나타남), 본 발명 열섬 저감 블록에 포함되는 각 원료의 양은 vol%로 나타낸다.
폐유리는 건설 해체공사, 산업폐기물 및 빈 병 등의 생활폐기물 등에서 발생하는 것으로, 국내에서 배출되는 폐유리는 60~70%만이 재활용되고, 40~30%는 재활용되지 못하고 매립되고 있다. 이는 폐유리는 색깔과 용도별로 분리되어 배출되지 않으면 재활용률이 급격히 떨어지기 때문에 어떤 색깔이나 형태를 가진 폐유리도 재활용 할 수 있는 방안이 시급했다. 이에 본 발명에서는 재활용이 어려운 폐유리마저도 잔골재 대용으로 활용하는 방안을 제공한다.
다만, 유리재료의 매끄러운 표면으로 인하여 블록의 잔골재로 사용했을 경우, 슬립현상으로 인하여 모르타르와 분리되어 강도가 저하될 수 있으므로, 하기에서 기술하는 바와 같이 표면 개질 단계를 거쳐서 사용할 수 있다.
폐유리는 열전달률이 낮아 열 흡수율이 낮아 고온건조한 환경에서도 열섬 저감 블록 전체의 표면의 온도를 낮추는 역할을 한다. 또한, 상기 왕겨에 흡수된 수분이나 공극을 통하여 지면에서 증발하는 수분이 폐유리의 표면과 접하며 기체의 온도가 감소하여 열섬 저감 효과를 상승시킬 수 있다.
폐블록 파쇄물은 보도블록, 건축물 해체시에 주로 발생하는 것으로, 폐블록의 입경을 3~10mm의 범위내로 분쇄하여 잔골재 대신 사용함으로써 자원의 재활용과 환경오염의 방지, 매립지 부족 문제가 해소되는 이점이 있다.
왕겨는 벼 1톤 당 200kg 정도가 배출되며, 매년 상당량의 왕겨 중에서 일부가 퇴비나 발전용 연료로 사용되기도 하지만 주로 폐기 처분되는 등 왕겨에 대한 활용예는 많지 않다.
상기 왕겨는 자체적으로 내부 공극이 많고 표면형상이 복잡하기 때문에 표면적이 크며, 본 발명에서는 이러한 특징에 기초하여 상기 왕겨를 흡습성 소재로 활용한다.
또한, 상기 무기결합재는 고로슬래그 미분말 60~70wt%; 포틀랜드 시멘트 20~30wt%; 및 포졸란 재료 5~15wt%; 를 포함하여 조성할 수 있다.
포틀랜드 시멘트는 석회, 실리카, 알루미나 및 산화철을 함유하는 원료를 적당한 비율로 충분히 혼합하고, 그 일부가 용융하여 소결된 클링커에 석고를 첨가해 분말로 한 것으로서, 물에 반응하여 경화하는 가장 기초적인 결합재이다. 다만, 제조 과정에서 에너지 소모가 크고, 배출되는 CO2량이 많아 그 전부 또는 일부를 여타의 혼화재로 치환하기 위한 기술이 대거 등장하고 있다. 상기 혼화재로서 대표적인 것으로는 잠재수경성을 갖는 고로슬래그 미분말과 포졸란 반응을 하는 플라이애시 등이 있다.
고로슬래그는 용광로에서 선철을 제조할 때에 부산물로서 생성되는 것으로, 고온의 용융슬래그를 대기중에서 냉각하는 서냉슬래그와 압력수로 급냉하는 수쇄슬래그로 나누어 지며, 수쇄슬래그는 유리질(비정질)이며 알칼리자극에 의해 경화하는 성질(잠재수경성)을 갖는다. 고로슬래그 미분말은 수쇄슬래그를 볼밀 등에서 건조·미분쇄 한 후, 분급기에서 소정의 분말도의 것을 선별하여 제조되며, 용도에 따라 석고를 첨가한 것도 제조된다.
포졸란 재료는 자체로 수경성이 없으나 물에 용해되어 있는 수산화칼슘과 상온에서 서서히 화합하여 불용성 화합물을 만들 수 있는 실리카 물질을 포함하고 있는 분말 상태의 물질을 통칭한다. 응회암, 규조토와 같은 천연 포졸란과 소성 점토, 실리카 겔, 실리카 흄, 플라이애시 등과 같은 인공 포졸란이 있다. 본 발명에서는 산업부산물의 이용 확대 측면에서 주로 플라이애시를 적용토록 할 수 있다.
본 발명에서는 물이 6~12vol% 적용된다. 이러한 배합수량은 가압에 의한 열섬 저감 블록 제조를 위한 일반적인 양이다. 친환경성을 고려하여 본 발명에서는 레미콘 회수수를 배합수로 적용할 수 있다. 레미콘 생산 현장에서 콘크리트가 생산완료 된 후에는 후속 콘크리트 제조시 배합비의 정밀을 기하거나, 장비의 보존을 위하여 레미콘 드럼 내·외부, 배쳐플랜트의 믹서, 호퍼 등의 세척이 반드시 필요하다. 그런데 이와 같은 세척수를 자연 상태로 방류하거나, 폐기하는 경우 수질 및 토양오염을 유발하므로 최근에는 레미콘 회수수 재활용설비를 활용하여 귀중한 용수자원으로 재활용하고 있다. 구조 재료용 콘크리트의 경우 회수수를 사용한 콘크리트의 품질관리와 관련하여 검토할 사항이 다수 존재하나, 블록 등의 2차 제품 제작에 관련해서는 굳지 않은 콘크리트에 미치는 영향은 크게 고려할 필요가 없고, 레미콘 회수수 사용에 따라 압축강도는 오히려 약간 증가하거나 큰 차이가 없게 된다. 휨강도 역시 청수를 사용한 경우와 거의 동등하게 나타난다.
상기 열섬 저감 블록에는 [도 16]에 도시된 바와 같이 상면에서 하면으로 뚫려있는 다수의 수직통공을 형성시켜 집중 호우 시 투수 속도가 향상되도록 구성할 수 있다. 상기 수직통공은 열섬 저감 블록 제품 생산 시 상부 몰드에 스파이크를 결합시켜 두고, 하부 몰드에 조성물을 넣고 진동 성형하면서 상기 상부 몰드로 누르는 방식으로 형성시킬 수 있다.
이러한 수직통공의 구성에 따라 본 발명이 제공하는 열섬 저감 블록은 상기 수직통공에 의한 고속 투수, 열섬 저감 블록의 전체적인 공극에 의한 일반 투수 및 왕겨 혼입에 의한 보습과 투수 지연 효과를 동시에 누릴 수 있다.
또한, 상기 폐유리골재는, (a) 폐유리골재를 NaOH 수용액에 침지하여 표면의 비정질 실리카 성분을 알칼리실리케이트 겔로 변환시키는 단계; 및 (b) 상기 (a)단계를 거친 폐유리골재를 과포화 상태의 CaO 수용액에 침지하여 표면에 생성된 알칼리실리케이트 겔을 C-S-H(Calcium Silicate Hydrate) 결정질로 개질시키는 단계; 를 통하여 제조된 것을 특징으로 한다.
콘크리트(또는 모르타르) 조성물의 잔골재로 적용되는 폐유리골재는 잔골재 표준 입도 분포 곡선에 따라 입도 분포가 이루어지도록 입경 5㎜ 이하로 파쇄된 것을 적용하는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명에 따른 표면 개질 방법은 입경 0.3~5㎜인 폐유리골재를 선별하여 적용하는 것이 바람직하다. 입경 0.3㎜ 미만으로 분말 상태에 가까운 폐유리골재를 NaOH 수용액에 침지시킬 경우, 그 과소한 입경 때문에 폐유리가 모두 융해되어 주변의 입경이 큰 폐유리골재에 달라붙는 덩어리 뭉침 현상이 발생할 수 있기 때문이다. 다만, 투수블록의 공극 유지를 위해 3㎜ 미만 잔골재 사용은 배제하는 것이 바람직하므로 본 발명에서는 입경 3~5㎜ 폐유리골재를 입도 선별하여 적용하였다.
[도 3]은 본 발명에 따른 폐유리골재 표면 개질 방법의 개략적 흐름도이다.
상기 (a)단계에서는 폐유리골재를 75~85℃, NaOH 1몰(M) 수용액에 침지시킨다. NaOH 수용액의 농도가 1M 보다 낮을 경우, 폐유리골재의 비정질 실리카 성분이 충분히 융해되지 않을 가능성이 있으며, 1M 보다 높을 경우, 폐유리골재의 실리카 성분이 과도하게 융해될 가능성이 있다.
상기 (b)단계에서는 상기 (a)단계를 거친 폐유리골재를 75~85℃, CaO 22밀리몰(mM) 이상의 수용액에 침지시킬 수 있다. CaO의 물 용해도는 1.19g/L로서, 21mM이다. 상기 NaOH 수용액에 침지된 폐유리골재 표면에 알칼리 실리케이트 겔(비정질 실리카 성분이 융해된 것)에 C-S-H 결정이 형성되려면 Ca2 + 이온이 충분한 과포화 상태가 되어야 한다. 따라서, CaO 수용액은 22mM 이상의 과포화 상태로 설정하는 것이 바람직하다. 폐유리골재를 CaO 수용액에 침지시키는 상기 (b)단계에서는 부수적으로 폐유리골재의 소독 효과를 함께 얻을 수 있다.
상기 NaOH 수용액과 CaO 수용액의 온도조건은 폐유리골재의 Si와 Na+ 이온의 알칼리-실리카 반응을 촉진하기 위하여 75~85℃로 설정하는 것이 바람직하다. 상온에서는 알칼리-실리카 반응이 매우 천천히 발생하기 때문에, 표면 개질까지 소요되는 시간이 과다 소요되어 경제성 및 효율성이 저하된다.
또한, 상기 폐유리골재는 Cr2O3, NiO 및 CuO 성분을 함유하여 녹색 또는 갈색으로 착색된 것을 선별 적용할 수 있다. 이에 관한 상세 내용은 후술하기로 한다.
또한, 본 발명은 위의 방법에 따라, 표면에 C-S-H 결정질이 코팅된 표면개질 폐유리골재를 활용한다. 이러한 폐유리골재는 모르타르 또는 콘크리트 조성물에 적용되는 천연 잔골재의 전부 또는 일부를 대체하여 압축강도, 휨강도 등의 물성이 더욱 향상되도록 함으로써 폐기물로 취급되어 온 폐유리를 자원화할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 사용되는 폐유리골재를 비롯한 왕겨 및 전체 블록관련 구체적인 시험예와 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
1. 폐유리골재 에 대한 시험
(1) 시험 전 분석 내용
[도 4]는 표면개질 전 폐유리골재 표면의 SEM 사진 및 EDS 분석 그래프이다. [도 4]의 (a) 및 (b)는 폐유리골재 SEM 사진으로서, 폐유리골재의 매끈한 표면을 확인할 수 있다. [도 4]의 (c)는 폐유리골재의 EDS 분석 그래프로서, O 성분이 60wt% 이상인 것이 확인된다.
[도 5]는 표면개질 후 폐유리골재 표면의 SEM 사진 및 EDS 분석 그래프이다. [도 5]의 (a) 및 (b)는 표면개질 후 폐유리골재 SEM 사진으로서, 거친 표면으로 개질된 상태를 확인할 수 있다. [도 5]의 (c)는 폐유리골재의 EDS 분석 그래프로서, 여전히 0 성분의 함량이 높으나, Si 함량비가 증가하고, Ca 함량비 또한 증가하였음이 확인된다.
[도 6]은 천연 잔골재와 표면개질 전·후 폐유리골재의 SEM 사진을 비교한 것으로서, 폐유리골재의 표면개질 후 표면상태가 천연 잔골재와 유사하게 된 것으로 확인된다.
아래 [표 1]은 이하 시험에 사용된 천연 잔골재와 폐유리골재(개질 전·후)의 물리적 특성을 나타낸 것이다.
Figure pat00001
아래 [표 2]는 폐유리골재의 화학 조성을 나타낸 것이다. 폐유리 골재의 착색 상태(흰색, 녹색, 갈색)에 약간의 차이가 존재하므로, 이러한 차이점이 콘크리트(또는 모르타르) 조성물의 물성 발현에 영향을 미치는지 여부를 여러 가지 시험을 통해 확인해 보았다.
Figure pat00002
( 2)시험 방법
아래 [표 3]은 천연 잔골재(이하 'NS'), 폐유리골재(이하 'GS') 및 표면 개질 후의 폐유리골재(이하 'CGS')의 특성 파악(모르타르 경화체의 휨강도, 압축강도, 파괴거동 및 알칼리-실리카 반응)을 위한 시험예를 정리한 것이다.
상기 GS 및 CGS는 착색 상태에 따라 흰색(W), 녹색(G) 및 갈색(B)으로 분류하였고, 흰색, 녹색, 갈색을 동일 비율로 혼합한 시료(Mixed)에 대한 시험도 함께 진행하였다. 다만, 상기 흰색(W)은 착색되지 않은 투명 상태를 의미하며, 이하에서 착색상태 표기가 별도로 되어 있지 않은 GS, CGS는 각각 GS-W, CGS-W를 의미하는 것이다.
Figure pat00003
휨 강도 시험은 [도 7]에 나타난 바와 같이 모르타르 시험체를 횡 배치하고, 50N/s의 재하속도로 하중을 가하였다. 압축 강도 시험은 [도 8]에 나타난 바와 같이 모르타르 시험체를 종 배치하고 2,400N/s의 재하속도로 하중을 가하였다(ISO 679). 잔골재 유형별 모르타르 시험체는 40×40×160㎜ 크기로 제작하였다.
시험예별 알칼리-실리카 반응(ASR) 평가는 ASTM C 1260에 따라, 양 단부에 스터드를 삽입한 모르타르 시험체를 25.4×25.4×254㎜ 크기로 제작한 재령 1일 모르타르 시험체를 80℃, 1노르말(N)의 NaOH 용액에 침지시키고 길이 변화 측정기로 24시간 마다 길이 변화값을 측정하는 방식으로 진행하였다. [도 9]는 알칼리-실리카 반응 시험을 위한 시험체, 길이 변화 측정기 및 시험 과정의 사진이다.
(3) 시험 결과
가. 역학적 특성
[도 10] 및 [도 11]은 잔골재 종류에 따른 모르타르 시험체의 역학적 특성을 나타낸 그래프이다. 이하에서는 각 모르타르 시험체를 잔골재 종류에 따라 명명한다.
[도 10]에서, GS 시험체는 NS 시험체에 비해 압축강도 및 휨강도가 크게 감소하는 것이 확인된다. 이는 GS의 매끄러운 표면으로 인해 잔골재와 매트릭스 간의 접착력이 저하되는 슬립 현상이 발생하기 때문인 것으로 추정된다.
반면, CGS 시험체는 NS 시험체에 비해 압축강도 및 휨강도가 동등 이상(오히려 상승) 발현되므로, 상기 CGS는 표면이 거칠어져 상기 슬립 현상 문제는 완전히 해소된 것으로 사료된다.
한편, [도 11]에 나타난 바와 같이, 폐유리 골재의 착색 상태(색상)에 따른 역학적 특성 변화는 그 경향성이 뚜렷하게 나타나지 않았다. 단지 모든 착색 상태에서 CGS 시험체는 NS 시험체에 비해 동등 이상의 압축강도 및 휨강도가 발현되는 점이 다시 확인된다.
나. 파괴 거동
[도 12]는 천연 잔골재와 폐유리골재(표면개질 전·후)의 파괴 거동이 나타난 SEM 사진이다. GS 시험체는 NS 시험체와 달리 골재가 파괴되지 않고, 슬립 현상 발생하는 것이 확인되는 반면, CGS 시험체는 NS 시험체와 유사하게 골재가 파괴되는 거동이 확인된다.
다. 알칼리-실리카 반응
[도 13] 및 [도 14]는 잔골재 종류에 따른 알칼리-실리카 반응에 의한 재령별 팽창률 변화를 나타낸 그래프이다.
[도 13]에서는 GS는 표면에 코팅이 되어 있지 않아, Na 이온에 직접 노출되어 비정질 실리카 성분이 Na 이온과 결합하여 알칼리 실리케이트 겔을 형성하고, 겔이 수분을 흡수하면서 팽창이 진행되는 것이 확인된다.
반면, CGS 시험체는 폐유리 골재 표면에 C-S-H 결정이 코팅되어 있어, 폐유리가 Na 이온에 직접 노출되지 않기 때문에, 알칼리 실리케이트 겔 형성 및 팽창이 GS 시험체에 비해 크게 감소하는 경향을 확인할 수 있다.
다만, [도 14]에 나타난 바와 같이 GS-G, GS-B 시험체의 경우, NS 시험체에 비해 ASR 팽창률이 오히려 낮게 측정되었다. 이는 색 발현을 위해 첨가된 금속 성분(Cr2O3, NiO, CuO)의 영향으로 판단된다. 금속 성분이 첨가되지 않은 GS-W 시험체의 경우 약 1.0%의 높은 ASR 팽창률이 나타나는 것과 대조된다.
[도 15]는 잔골재 조건에 따른 모르타르별 단면 SEM 사진이다. GS-W 시험체에서는 알칼리-실리카 반응에 의한 모르타르 팽창에 의해 폐유리 골재에 많은 미세균열이 관찰되고, CGS-W 시험체에서는 폐유리 골재 일부 구간에 미세균열이 관찰되며, CGS-B 시험체에서는 폐유리 골재의 미세균열이 관찰되지 않는다.
이상의 시험 결과를 정리하면 다음과 같다.
첫째, GS 시험체는 NS 시험체에 비해 압축강도와 휨강도가 크게 저하되었다. 이는 GS의 매끄러운 표면으로 인해 슬립 현상이 발생하기 때문이다. 반면, 표면 개질이 이루어진 CGS는 표면이 C-S-H 결정으로 코팅되어 슬립 현상이 발생하지 않아 NS 시험체와 동등 이상의 압축강도 및 휨강도가 발현된다.
둘째, GS-G, GS-B는 색 발현으로 인해 첨가된 금속성분(Cr2O3, NiO, CuO)으로 인해 NS 시험체에 비해 낮은 ASR 팽창률이 나타났다. GS-W 시험체는 ASR 팽창률이 가장 높게 나타났으며, 모르타르의 단면 SEM 사진에서도 폐유리 골재에 많은 미세균열이 확인된다. 반면, CGS 시험체는 표면에 존재하는 C-S-H 결정 코팅에 의해 GS 시험체에 비해 ASR 팽창률이 크게 감소한다.
2. 소석회를 혼합한 왕겨 혼합물에 대한 부패 저항성능 실험
아래 [표 4]는 왕겨에 소석회를 혼합하고 건비빔한 왕겨 혼합물에 대한 부패 저항성능 실험결과를 정리한 것이다.
왕겨
(g)		 소석회
(g)		 건비빔 후 미생물 발생 여부
1일 7일 28일 56일 180일
1000 0 ○ ○ ○ ○ ○
10 × ○ ○ ○ ○
30 × × × ○ ○
50 × × × × ×
100 × × × × ×
150 × × × × ×
200 × × × × ×
300 × × × × ×
위의 [표 4]는 왕겨에 소석회를 섞어 비빔한(건비빔) 후 실내 상온에 방치하였을 경우 미생물 발생 유무(항곰팡이 성능)를 관찰한 결과이다. 즉, 왕겨의 오랜 저장을 위해 왕겨 1000g에 소석회를 0~300g 범위에서 차등적으로 혼합한 후 재령별로 곰팡이를 비롯한 미생물 발생(부패 발생) 상태를 확인한 결과, 왕겨 1000g에 소석회를 50g 이상(왕겨 대비 5중량부 이상) 첨가할 경우, 장기간의 존치기간 동안 곰팡이 발생이 제어됨을 알 수 있었다. 다만, 왕겨 100중량부 대비 소석회를 20중량부 초과하여 첨가될 때에는 재령별 압축강도 증진 효과가 크지 않고, 크랙이 발생할 위험이 있으므로 상기 소석회 첨가량은 왕겨 100중량부 대비 5~20중량부로 한정할 수 있다.
본 발명은 위와 같은 원리에 기초하여, 왕겨에 소석회가 혼합된 왕겨 혼합물을 포함하는 결합재 조성물을 도출하였으며, 이러한 결합재 조성물에 물을 첨가하여 열섬 저감 블록 조성물을 도출하였다. 본 발명에서 상기 소석회는 왕겨의 부패를 방지하는 기능은 물론 결합재의 주 원료인 고로슬래그 미분말에 대한 알칼리자극제 기능을 겸하는 것이다.
상기와 같이 제조된 열섬 저감 블록은 왕겨가 외관상으로 노출되어 있어 친환경적 공간 연출에 활용 가능하고, 섬유조직인 왕겨는 블록의 균열방지에도 기여한다. 이러한 열섬 저감 블록은 보도, 자전거 도로의 포장재, 칸막이벽, 건축물의 내·외장 마감재 등으로 다양하게 활용될 수 있다. 또한, 왕겨는 보수성이 우수하여 함유된 수분을 외기가 건조할 때 방출하여 도시의 열섬 저감에 탁월한 효과를 발현한다.
3. 본 발명에 따른 열섬 저감 블록의 압축강도 및 휨강도
아래 [표 5]은 상기 실시예별로 KS F 2405에 따라 재령 4주의 압축강도와 KS F 4419에 따라 재령 4주의 휨강도를 측정한 결과를 정리한 것이다.
구분 압축 후 재령 28일
압축강도(MPa) 휨강도(MPa)
실시예 1 9.8 3.9
실시예 2 12.5 4.7
실시예 3 18.7 5.1
위 [표 5]를 통해 실시예 1 내지 실시예 3는 모두 압축강도 8MPa 이상, 휨강도 3MPa 이상이 발현됨이 확인되어, 일반 보도블록에 요구되는 압축강도 및 휨강도 이상의 물성이 충족됨을 확인 할 수 있다.
상기의 실험결과를 통하여, 표면이 거칠게 개질되고 C-S-H 결정질이 코팅되어 모르타르와의 부착성이 증가한 폐유리골재 및 표면형상의 특성에 의하여 휨강도 강화에 기여하는 왕겨를 사용함으로써, 본 발명의 열섬 저감 블록은 경량화되면서도 압축강도 및 휨강도가 증가된 것을 확인할 수 있다.
상기 내용을 정리하자면, 본 발명은 열전도율이 낮은 폐유리골재를 활용하여 표면온도를 낮추고, 보수성이 뛰어난 왕겨에서 배출되는 수분의 증발잠열을 통하여 열섬현상을 저감하도록 구성된 것으로, 투수성과 보수성이 함께 확보되면서도 슬립현상이 발생하지 않도록 표면개질된 폐유리골재가 콘크리트(또는 모르타르) 매트릭스와 골재 간의 부착력을 상승시켜 압축강도 및 휨강도가 우수한 열섬 저감 블록을 제공하게 된다.
이상에서 시험예들을 통해 본 발명의 물성 및 효과를 검토하였으나, 본 발명은 상기의 시험예들에만 한정되는 것은 아니라 할 것이며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다소간의 변형 및 변경이 가능하다고 할 것이다.
10 : 열섬 저감 블록 11 : 수직통공

Claims (7)

  1. 입경 3~5mm의 폐유리골재 40~50vol%;
    입경 3~10mm의 폐블록 파쇄물 20~35vol%;
    왕겨 3~7vol%;
    고로슬래그 시멘트계 무기결합재 10~15vol%; 및
    물 6~12vol%; 를 포함하는 혼합 조성물을 형틀에 넣고 압착시켜 제조한 투수성과 보수성을 함께 구비한 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록.
  2. 제1항에서,
    상기 혼합 조성물에 상기 왕겨 100중량부 대비 소석회 5~20중량부가 더 혼합되는 것을 특징으로 하는 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록.
  3. 제1항에서,
    상기 폐유리골재는,
    (a) 폐유리골재를 NaOH 수용액에 침지하여 표면의 비정질 실리카 성분을 알칼리실리케이트 겔로 변환시키는 단계; 및
    (b) 상기 (a)단계를 거친 폐유리골재를 과포화 상태의 CaO 수용액에 침지하여 표면에 생성된 알칼리실리케이트 겔을 C-S-H 결정질로 개질시키는 단계; 를 통하여 제조된 것을 특징으로 하는 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록.
  4. 제3항에서,
    상기 (a)단계는 폐유리골재를 75~85℃, NaOH 1몰(M) 수용액에 침지하는 것을 특징으로 하는 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록.
  5. 제3항에서,
    상기 (b)단계는 상기 (a)단계를 거친 폐유리골재를 75~85℃, CaO 22밀리몰(mM) 이상의 수용액에 침지하는 것을 특징으로 하는 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록.
  6. 제1항에서,
    상기 무기결합재는 고로슬래그 미분말 60~70wt%; 포틀랜드 시멘트 20~30wt%; 및 포졸란 재료 5~15wt%; 를 포함하여 조성된 것을 특징으로 하는 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
    상면에서 하면으로 뚫린 다수의 수직통공이 형성된 것을 특징으로 하는 투수성과 보수성을 함께 구비한 표면 개질 폐유리골재를 활용한 열섬 저감 블록.
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