KR100437871B1 - 산업폐기물을 이용한 시멘트 혼합재 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트(cement) 관련 기술에 관한 것으로, 특히 산업폐기물을 이용한 콘크리트 혼합재 조성물에 관한 것이며, 시멘트 2차 제품의 초기강도 저하없이 시멘트 2차 제품의 단가 상승을 억제하면서 시멘트 치환량을 증대시킬 수 있는 콘크리트 혼합재 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 스테인레스 슬래그, 열병합발전소 연소재, 고로슬래그미분말, 제지애쉬 등의 산업폐기물만을 사용하여 저가의 시멘트 혼합재를 구현하였다. 각각의 재료들은 콘크리트 조직의 치밀화와 수화반응 촉진 등에 의해 상호 상승작용을 하여 콘크리트 강도 및 내구성 향상을 도모한다. 본 발명을 구현함에 있어서, 가장 중요한 점은 시멘트 혼합재를 구성하는 각 재료들을 어느 정도 첨가해야 상호 상승작용을 유도할 수 있는가에 있다. 이에, 수많은 실험을 수행하였으며, 그 결과 일정치 이상의 강도 특성을 확보할 수 있는 각 인자에 대한 범위(스테인레스 슬래그 20∼40중량%, 열병합발전소 연소재 20∼40중량%, 고로슬래그미분말 5∼40중량%, 제지애쉬 5∼20중량%)를 얻을 수 있었다.

Description

산업폐기물을 이용한 시멘트 혼합재 조성물{A CEMENT ADMIXTURE COMPOSITE USING INDUSTRIAL WASTE ARTICLES}

본 발명은 시멘트(cement) 관련 기술에 관한 것으로, 특히 산업폐기물을 이용한 콘크리트 혼합재 조성물에 관한 것이다.

모르타르나 콘크리트와 같은 시멘트 2차 제품의 양생시 통상적으로 천연 포졸란(pozzolan) 재료, 실리카흄(silica fume), 플라이애쉬(Fly-ash), 고로슬래그미분말 등을 혼합재로 사용하고 있다. 이러한 시멘트 혼합재는 상대적으로 고가인 시멘트의 사용량을 줄이면서, 콘크리트의 강도발현, 화학저항성 증대, 동결융해 저항성 증대, 콘크리트의 수화열을 저감을 통한 수화열에 의한 콘크리트 균열 방지 등의 내구성 향상 작용을 하여 시멘트 2차 제품의 성능 향상에 기여하는 바가 크기 때문에 그 수요가 점차 늘어나고 있는 추세이다.

현재 국내에서 주로 사용되고 있는 혼합재로는 플라이애쉬, 고로슬래그미분말 등이 있으며, 이들의 분말도는 3,000∼4,500㎠/g이다. 이 중 플라이애쉬는 화력발전소에서 나오는 폐기물로서, 저가의 메리트를 가지고 있다. 그러나, 플라이애쉬를 시멘트 2차 제품에 적용하고자 할 때, 플라이애쉬의 시멘트 치환량이 시멘트 내할 10중량% 정도로 제한되는 문제점이 있다. 이는 플라이애쉬의 반응성이 시멘트에 비해 현저히 낮아 10중량% 이상 사용시 콘크리트의 초기강도가 저하되는 것에 기인한다.

또한, 같은 이유로 고로슬래그미분말 역시 시멘트 2차 제품에 적용할 때 시멘트 내할 20중량% 정도로 그 시멘트 치환량이 제한되고 있다.

그럼에도 불구하고, 고로슬래그미분말이나 플라이애쉬는 현재 레미콘업체에 원가절감 노력과 품질향상 노력에 힘입어 거의 모든 국내업체에서 사용하며 국내의 혼합재 시장에서 성수기에는 품귀현상마저 나타나고 있어, 또다른 시멘트 혼합재의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 시멘트 2차 제품의 초기강도 저하없이 시멘트 2차 제품의 단가 상승을 억제하면서 시멘트 치환량을 증대시킬 수 있는 콘크리트 혼합재 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 시멘트 혼합재 조성물에 있어서, 스테인레스 슬래그 20∼40중량%, 열병합발전소 연소재 20∼40중량%, 고로슬래그미분말 5∼40중량%, 제지애쉬 5∼20중량%를 포함하는 시멘트 혼합재 조성물이 제공된다.

상기 스테인레스 슬래그, 열병합발전소 연소재, 고로슬래그미분말, 제지애쉬는 각각 3000∼5000㎠/g의 분말도를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기의 시멘트 혼합재 조성물을 예정된 시멘트 사용량의 10∼30중량%만큼 치환첨가한 것을 특징으로 하는 시멘트 이차 제품이 제공된다.

본 발명은 스테인레스 슬래그, 열병합발전소 연소재, 고로슬래그미분말, 제지애쉬 등의 산업폐기물만을 사용하여 저가의 시멘트 혼합재를 구현하였다. 각각의 재료들은 콘크리트 조직의 치밀화와 수화반응 촉진 등에 의해 상호 상승작용을 하여 콘크리트 강도 및 내구성 향상을 도모한다. 본 발명을 구현함에 있어서, 가장 중요한 점은 시멘트 혼합재를 구성하는 각 재료들을 어느 정도 첨가해야 상호 상승작용을 유도할 수 있는가에 있다. 이에, 수많은 실험을 수행하였으며, 그 결과 일정치 이상의 강도 특성을 확보할 수 있는 각 인자에 대한 범위를 얻을 수 있었다. 즉, 상기의 각 재료들의 함량은 수많은 실험의 산물이라 할 수 있다.

이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.

본 발명의 시멘트 혼합재를 이루는 각 재료들의 최적의 함량을 얻기 위한 실험 결과 중의 일부를 하기의 표 1 내지 표 3에 나타내었다.

하기의 표 1은 레미콘 규격인 압축강도 240kg/㎠ 콘크리트 표준양생 실험 결과를 나타낸 것으로, 일반적인 플라이애쉬 혼합재를 사용한 경우(비교예 1)와 본 발명의 시멘트 혼합재(실시예 1)를 사용한 경우의 물성치를 나타내고 있다.

구분	OPC(kg/㎥)	FA(kg/㎥)	CAD(kg/㎥)	W(kg/㎥)	S(kg/㎥)	G(kg/㎥)	AD(kg/㎥)	압축강도(kg/㎠)
								7일	28일
비교예 1	298	33	-	180	865	914	2.0	203	280
실시예 1	265	-	66	180	865	914	2.0	205	288

상기 표 1에서 OPC는 포틀랜트 시멘트, FA는 플라이애쉬, CAD는 본 발명의 시멘트 혼합재, W는 물, S는 모래, G는 자갈, AD는 첨가제(감수제)를 각각 나타낸 것으로, 실시예 1에서는 스테인레스 슬래그 23kg/㎥, 열병합발전소 연소재 23kg/㎥, 슬래그미분말 13kg/㎥, 제지애쉬 7kg/㎥으로 시멘트 혼합재를 구성하였다. 그 결과, 상기 표 1에 나타난 바와 같이 실시예 1(본 발명)이 비교예 1(종래기술)에 비해 포틀랜트 시멘트량을 33kg/㎥ 절감하였음에도 불구하고 7일강도 및 28일강도에서 우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

하기의 표 2는 레미콘 규격인 압축강도 350kg/㎠ 콘크리트 표준양생 실험결과를 나타낸 것으로, 일반적인 플라이애쉬 혼합재를 사용한 경우(비교예 2)와 본 발명의 시멘트 혼합재(실시예 2)를 사용한 경우의 물성치를 나타내고 있다.

구분	OPC(kg/㎥)	FA(kg/㎥)	CAD(kg/㎥)	W(kg/㎥)	S(kg/㎥)	G(kg/㎥)	AD(kg/㎥)	압축강도(kg/㎠)
								7일	28일
비교예 2	360	40	-	180	840	910	2.4	310	390
실시예 2	320	-	80	180	840	910	2.4	315	405

실시예 2에서는 스테인레스 슬래그 28kg/㎥, 열병합발전소 연소재 28kg/㎥, 슬래그미분말 16kg/㎥, 제지애쉬 8kg/㎥으로 시멘트 혼합재(CAD)를 구성하였다. 그 결과, 상기 표 2에 나타난 바와 같이 7일강도 및 28일강도에서 비교예 2(종래기술)에 비해 실시예 2(본 발명)가 보다 우수한 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다. 시멘트 혼합재의 시멘트 치환량은 비교예 2에 비해 실시예 2가 40kg/㎥ 만큼 더 크다.

하기의 표 3은 레미콘 규격인 압축강도 400kg/㎠ 콘크리트 표준양생 실험결과를 나타낸 것으로, 일반적인 플라이애쉬 혼합재를 사용한 경우(비교예 3)와 본 발명의 시멘트 혼합재(실시예 3)를 사용한 경우의 물성치를 나타내고 있다.

구분	OPC(kg/㎥)	FA(kg/㎥)	CAD(kg/㎥)	W(kg/㎥)	S(kg/㎥)	G(kg/㎥)	AD(kg/㎥)	압축강도(kg/㎠)
								7일	28일
비교예 3	450	50	-	170	811	930	5.1	380	480
실시예 3	400	-	100	170	811	930	5.1	400	503

실시예 3에서는 스테인레스 슬래그 30kg/㎥, 열병합발전소 연소재 30kg/㎥,슬래그미분말 30kg/㎥, 제지애쉬 10kg/㎥으로 시멘트 혼합재를 구성하였다. 그 결과, 상기 표 3에 나타난 바와 같이 비교예 3(종래기술)에 비해 실시예 3(본 발명)이 포틀랜트 시멘트량을 50kg/㎥ 만큼 절감하였음에도 불구하고 7일강도 및 28일강도에서 우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

본 발명의 출발물질인 스테인레스 슬래그는 스테인레스스틸 생산 공정 중 정연로에서 발생하는 슬래그를 파쇄, 침전, 탈수, 분쇄의 과정을 거친 것으로, 콘크리트 혼합재 원료로 사용시 콘크리트 내부 구조의 충진효과 유동성 증가에 의해 콘크리트의 감수 효과를 이끌어 콘크리트 강도 증진에 기여한다. 열병합 발전소에서 발생하는 연소재는 화력발전소의 플라이애쉬가 콘크리트에서 반응성이 낮은 크리스탈(Crystal)상과 실리케이트(silicate) 결정체를 형성하는 것에 비해 CaO,SO₃의 함량이 화력발전소 플라이애쉬에 비해 높고, 칼슘알루미노실리케이트 결정체를 형성한다. 또한, 칼슘알루미노실리케이트 결정체 외에 활성성분이 높은 CaO, CaSO₄, C₃A, 그리고 약간의 칼슘실리케이트 등이 존재한다. 따라서, 열병합발전소 연소재는 C-S-H 수화물, 수산화칼슘 및 에트린자이트와 같은 시멘트계 결정을 형성하기 위하여 물과 직접 반응한다. 또한, 유리질이 매우 활성이 높아 시멘트와 반응시 생성되는 수산화칼슘 및 알카리 수화물과 다시 반응하여 강도를 높이는데 기여하는 장점을 가지고 있다. 또한, 슬래그미분말은 기존의 콘크리트 혼합재로 사용되는 것으로, 이미 본 발명의 기술분야에서 널리 알려진 재료이며 시멘트 혼합재의 활성과 유동성 증대에 기여한다. 제지애쉬는 물리적으로는 콘크리트 내부 조직을 치밀하게하는 충진작용을, 화학적으로는 포졸란 반응성에 의한 콘크리트 수화물의 반응촉진에 의한 강도발현 작용을 한다. 위에 설명한 4 가지 재료의 혼합에 의해서 콘크리트 조직의 치밀화와 수화반응 촉진 등에 의해 상호 상승작용을 하여 콘크리트의 강도 및 내구성 향상을 도모할 수 있게 되는 것이다.

상기에서 예시한 실험 결과 외에 수많은 상압증기양생 실험을 실시한 결과, 스테인레스 슬래그 20∼40중량%, 열병합발전소 연소재 20∼40중량%, 고로슬래그미분말 5∼40중량%, 제지애쉬 5∼20중량%를 사용하여 시멘트 혼합재를 구성하는 경우, 시멘트 치환량을 시멘트 내할 30중량%까지 높여도 기존의 플라이애쉬나 고로슬래그미분말 혼합재에 비해 우수한 강도 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 참고적으로, 상기 재료 물질들의 분말도가 3000∼5000㎠/g이면, 활성도와 공극 충진 효과면에서 작용을 기대하기에 무리가 없는 것으로 확인되었다.

그리고, 본 발명의 시멘트 혼합재를 사용하여 시멘트 2차 제품을 제조하는 경우, 예정된 시멘트 사용량의 10∼30중량% 만큼 치환첨가하는 것이 바람직하다. 이는 시멘트 내할 30중량%를 초과하면 기존의 시멘트 혼합재에 비해 강도 발현 특성이 떨어지고, 시멘트 내할 10중량% 미만인 경우에는 기존의 시멘트 혼합재에 비해 상대적으로 가격 메리트를 가질 수 없기 때문이다.

한편, 본 발명의 시멘트 혼합재는 스테인레스 슬래그, 열병합발전소 연소재, 고로슬래그미분말, 제지애쉬 등 저가의 산업폐기물만을 원료로 사용하기 때문에 종래의 혼합재에 비해 저렴하며, 산업폐기물의 사용량을 증가시킴으로써 산업폐기물의 재활용을 통한 환경보호 측면에서의 이점을 가진다.

한편, 1992년 리오 선언과 1997년 교또 선언에서 이산화탄소(CO₂)는 환경오염과 지구온난화의 주범이라는 결론을 내린 바 있다. 통상의 포트랜드 시멘트 제조시에 이산화탄소가 다량 방출되고 있으므로, 본 발명의 시멘트 혼합재는 시멘트의 사용량 감소를 통해 지구온난화 방지라는 범인류적인 과제에 부합되는 환경친화적인 제품이라 할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 실시예에서는 콘크리트 양생시를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명의 시멘트 혼합재는 모르타르 양생시에도 적용할 수 있다.

전술한 본 발명은 저가의 산업폐기물만을 사용하여 시멘트의 조기활성이 가능한 시멘트 혼합재를 구현하였으며, 혼합재의 시멘트 치환량을 증가시킬 수 있어 시멘트 2차제품 업체의 원가절감 효과를 기대할 수 있다. 또한, 산업폐기물의 적극적 재활용과 시멘트 사용량의 저감을 통한 환경보호와 지구온난화 방지에 일익을 담당할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 시멘트 혼합재 조성물에 있어서,

   스테인레스 슬래그 20∼40중량%, 열병합발전소 연소재 20∼40중량%, 고로슬래그미분말 5∼40중량%, 제지애쉬 5∼20중량%를 포함하는 시멘트 혼합재 조성물.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스테인레스 슬래그, 열병합발전소 연소재, 고로슬래그미분말, 제지애쉬는 각각 3000∼5000㎠/g의 분말도를 가지는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합재 조성물.
3. 제1항 또는 제2항의 시멘트 혼합재 조성물을 예정된 시멘트 사용량의 10∼30중량%만큼 치환첨가한 것을 특징으로 하는 시멘트 이차 제품.