KR100690009B1 - 산업부산물을 이용한 다기능성 무기결합재 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업부산물을 이용한 다기능성 무기결합재 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미노 실리케이트계 혼화재와 액상의 알칼리성 반응 활성화제를 포함하여 이루어지며 이들의 수화생성물 중 Ca/Si가 일정범위가 되도록 조절된 것으로, 소성 공정이 필요 없어 온실가스의 배출이 없고, 주원료로서 제철공장의 산업부산물인 고로슬래그와 다양한 분야의 산업부산물인 플라이 애쉬, 제지애쉬, 배연탈황석고, 실리카 흄 등과, 폐 알카리 등을 재활용할 수 있어 저렴한 비용으로 생산이 가능하며, 조강성, 초조강성, 내산성 및 내화성 등의 각종 물성을 만족시키는 다기능성 무기결합재 조성물에 관한 것이다.

산업부산물, 무기결합재, 알루미노 실리케이트계

Description

산업부산물을 이용한 다기능성 무기결합재 조성물{Various functional inorganic binder compound using industrial byproduct }

도 1은 비교예 2인 통상의 포틀랜드 시멘트의 세공용적 측정결과를 나타낸 그래프이다.

도 2는 실시예 1의 무기결합재 몰탈(Inorganic binder mortar) 재령 7일 경화체의 기공분포도를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 산업부산물을 이용한 다기능성 무기결합재 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미노 실리케이트계 혼화재와 액상의 알칼리성 반응 활성화제를 포함하여 이루어지며 이들의 수화생성물 중 Ca/Si가 일정범위가 되도록 조절된 것으로, 소성 공정이 필요 없어 온실가스의 배출이 없고, 주원료로서 제철공장의 산업부산물인 고로슬래그와 다양한 분야의 산업부산물인 플라이 애쉬, 제지애쉬, 배연탈황석고, 실리카 흄 등과, 폐 알카리 등을 재활용할 수 있어 저렴한 비용 으로 생산이 가능하며, 조강성, 초조강성, 내산성 및 내화성 등의 각종 물성을 만족시키는 다기능성 무기결합재 조성물에 관한 것이다.

대표적인 무기결합재인 시멘트(또는 시멘트 클링커)는 제조 공정 중에 원료의 주성분이 CaCO₃ 인 석회석을 열처리하는 과정에서 시멘트 제조량의 44 중량% 이상인 다량의 CO₂ 가스가 발생하며, 연료 연소시 다량의 CO₂가 방출되는 CO₂ 발생 산업이다.

따라서 온실가스인 상기 CO₂ 배출 규제와 관련하여 시멘트 제조업의 경우 이의 대처가 특히 중요하며, 시멘트 제조업종의 CO₂ 감축 목표치가 어떻게 설정되느냐에 따라 앞으로 시멘트 클링커의 생산량 감축이 불가피 할 것으로 생각된다.

한편으로 세계의 시멘트 수요량은 21세기 초반까지 매년 2.5 ∼ 5.8 % 정도 의 증가가 예상되고 있으므로, 교통의정서의 준수와 시멘트 수요의 증가를 동시에 충족시키기 위해서는 상기 CO₂의 배출이 감소되거나 전혀 없는 새로운 무기결합재의 개발이 시급하다.

지난 몇 년 동안에, 비록 조성은 광물이나 에폭시 및 폴리우레탄과 같은 성형수지의 여러 성질을 구비한 지질중합체(Geopolymer)가 발명되었다. 이러한 지질중합체는, 예를들면, 조셉 다비도비츠의 미국특허 제4,349,386호 및 제4,472,199호에 기술되어 있다. 이들 지질중합체는 주로 실리카와 알루미나로 구성되며, 요망되는 구조의 지질중합체를 제공하기 위해서는 특별한 방법으로(150 ∼ 200℃ 온도 조건) 상기 원료들을 혼합 및 반응시켜 제조된다. 그러므로 상기한 지질중합체는 프리캐스트 제품과 같은 이차제품 형태의 제품의 제조측면에서는 의도하는 목적의 달성에 매우 적합하나, 일반적으로 사용되는 상온(23 ∼ 35℃)에서의 포틀랜드 시멘트의 조성물에서 요구되는 정도의 강도는 제공하지 못한다. 왜냐하면 지질중합체가 제특성을 발휘되기 위해서는 150 ∼ 200℃ 온도 조건에서 중합체( polymerization)가 이루어지게 된다. 이보다 낮은 온도조건에서는 중합체가 잘 이루어지지 않게되므로 온도에 대한 제약이 있다.

산업의 발달과 함께 다양한 요구에 부응하기 위하여 시멘트 분야에서도 특수한 용도의 결합재로서 조강성이나 초조강성, 속경성, 무수축성, 내산성, 내화성 등의 특성을 나타내는 특수 무기결합재의 사용이 요구되고 있는 추세이다. 이러한 특성은 대표적인 무기결합재인 기존의 보통 포틀랜드 시멘트로는 얻기 힘든 특성으로, 상기한 특성을 갖는 시멘트는 대부분 킬른에서 소성한 특수시멘트 클링커를 사용하여 제조한 시멘트로 제조설비 투자비용이 과다하여 국내생산보다는 수입품에 의존하고 있는 실정이다.

일반적으로 구조물은 가열되면 팽창과 같은 변형이 일어나는데 가열시의 변형성을 지배하는 것은 구조물 중의 구성재료이고, 특히 내화성을 갖는 알루미나 시멘트는 부정형 내화물과 같은 내화재료로서 사용되고 있지만, 1,000 ℃ 이하의 비교적 낮은 고온에서는 비경제적이다.

한편, 일반 콘크리트를 구성하는 포틀랜드 시멘트는 수산화칼슘이 고온에서 탈수되면서 붕괴의 원인이 되므로 내화성이 낮다. 또한 콘크리트는 산류(酸類 ), 염류(鹽類), 아황산가스 등의 화학물질로 인해 열화되고 침식되기 쉬워서, 화학공장이나 식품공장의 시설, 해양환경 등에서 배출되는 화학물질에 의한 침식과 하수도 시설 내에서 발생되는 아황산가스에 의한 콘크리트 구조물의 조기 열화가 문제시 되고 있다.

이러한 콘크리트의 산에 의한 열화는 시멘트 수화물로 존재하는 Ca(OH)₂가 산에 의해 중화되어 분해됨에 기인하는 것인데, 이는 상기 Ca(OH)₂가 시멘트 수화물과 산의 중화반응으로 생기는 생성물의 용해도를 높이기 때문이다.

한편, 알루미나 시멘트는 알루민산칼슘을 주성분으로 한 특수 시멘트로서 필요강도를 하루 만에 얻을 수 있다는 점, 화학저항성 및 내화성에 뛰어난 점 등의 장점이 있어 긴급공사용ㅇ내화물용으로 사용되고 있는데, 고온에서 물과 섞게 되면 상승된 강도가 시간과 더불어 저하되는 현상[轉化]을 일으키고, 포틀랜드 시멘트와 혼합해서 사용하면 급격히 굳어버리는 점[急結] 등의 문제점이 지적되고 있다.

이에, 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 상조성면에서 Ca(OH)₂ 이 없고, 수화생성물 중 Ca/Si 비가 낮은 C-S-H가 다량 존재할 경우 상기한 목적의 달성이 가능함을 알게 되었다.

즉, 알루미노 실리케이트계 혼화재에 액상의 알칼리성 반응 활성화제를 일정비율로 혼합 및 수화반응시켜 얻은 것으로 Ca/Si가 일정수준으로 낮은 수화생성물 로서 균질한 비정질의 겔상 물질인 칼슘실리케이트 수화물[C-S-H(1)]이 경화체 중의 큰 공극을 채워서 경화체의 구조가 치밀해지게 되어 조강성, 초조강성 및 내화성 등의 각종 물성이 향상되며, 이러한 결합재의 주성분인 슬래그의 조성이 보통 포틀랜드 시멘트에 비해서 CaO성분이 적은 특징을 지녔기 때문에 Ca(OH)₂이 생성되지 않게 되어 결국 내산성과 내열성이 통상의 포틀랜드 시멘트보다 우수해짐을 알게되어 본 발명을 완성하였다.

이러한 본 발명에 의하면 소성 공정이 필요 없어 온실가스의 배출이 없고, 주원료로서 산업부산물인 고로슬래그 등을 재활용할 수 있어 저렴한 비용으로 제조할 수 있으며, 본 발명의 다기능성 무기결합재 조성물을 사용하여 얻어진 경화체의 세공경을 살펴보면 통상의 포틀랜드시멘트 경화체에 비하여 거대기공이 현저히 적고 미세기공이 많아 경화체의 구조가 치밀하여 조강성, 초조강성, 내산성 및 내화성 등의 각종 물성을 만족시킬 수 있다.

따라서 본 발명은 친환경적이면서 경제적이고, 무기결합재에 요구되는 각종 물성을 충분히 만족시킬 수 있어 다양한 분야에 적용 가능한 다기능성 무기결합재 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다

본 발명은 구성성분의 몰비가 SiO₂ 33.6 ∼ 61, CaO 16.8 ∼ 43.5, Al₂O₃ 13.0 ∼ 29, MgO 2.0 ∼ 5.2 및 Na₂O + K₂O 0.2 ∼ 0.4 인 알루미노 실리케이트계 혼화재 100 중량부에 액상의 알칼리성 반응 활성화제 30 ∼ 60 중량부가 포함되어 이루어지며, 이들을 수화반응시켜 얻어진 수화생성물 중 Ca/Si 몰비가 0.8 ∼ 1.2 범위인 다기능성 무기결합재 조성물을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 알루미노 실리케이트계 혼화재와 알칼리성 반응 활성화제를 포함하여 이루어지며 알루미노 실리케이트계 혼화재가 액상의 알칼리성 반응 활성화제와 접촉하면 매우 빠른 CaO 방출이 발생하게 되고, 이것으로 인해 기본 실리케이트의 Ca/Si비가 일정범위가 되도록 조절된 수화생성물[칼슘 실리케이트 수화물(C-S-H) 및 칼슘 알루미노 실리케이트 수화물(C-A-S-H)]을 만들 수 있어, 소성 공정이 필요 없으므로 온실가스(CO₂)의 배출이 없고, 주원료로서 제철공장의 산업부산물인 고로슬래그와 다양한 분야의 산업부산물인 플라이 애쉬, 제지애쉬, 배연탈황석고, 실리카 흄 등과, 폐 알카리 등을 재활용할 수 있어 저렴한 비용으로 생산이 가능하며, 조강성, 초조강성, 내산성 및 내화성 등의 각종 물성을 만족시키는 다기능성 무기결합재 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 다기능성 무기결합재 조성물은 알루미노 실리케이트계 혼화재 100 중량부에 대하여 액상의 알칼리성 반응 활성화제 30 ∼ 60 중량부가 포함되어 이루어지며, 이들을 수화반응시켜 얻어진 수화생성물의 Ca/Si가 0.8 ∼ 1.2 범위이다. 이때, 상기 수화생성물의 Ca/Si가 0.8 ∼ 1.2 범위 미만이면 칼슘실리케이트 수화물[C-S-H(1)]이 강한 결합을 이루지 못하고, 0.8 ∼ 1.2 범위를 초과하면 칼슘실리 케이트 수화물[C-S-H(1)]이 알칼리 흡착능력이 떨어지게 되어 알칼리 용출이 용이하게 되어 철근의 부식 등의 문제가 발생하므로 그 조절에 유의하여야 한다.

상기 알루미노 실리케이트계 혼화재는 산업현장에서 발생되는 부산물을 이용할 수 있는데, 예를들면, 고로슬래그, 플라이애쉬, 메타카올린, 실리카 흄 및 알루미나시멘트 등 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 알루미노 실리케이트계 혼화재는 고로슬래그 30 ∼ 95 중량%와, 플라이 애쉬, 제지 애쉬, 메타카올린, 실리카흄, 배연탈황석고 및 알루미나시멘트 등 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물 5 ∼ 70 중량%를 포함하여 사용할 수 있는데, 고로슬래그의 사용량이 30 중량% 미만이면 조기강도가 낮게 나타나고, 95 중량%를 초과하면 점성이 증가하여 유동성이 떨어지게 되므로, 플라이 애쉬나 제지애쉬 등의 부원료를 5% 이상 첨가하게 되면 그 유동성의 문제를 해결할 수 있다. 또한 상기 고로슬래그 만을 알루미노 실리케이트 혼화재로 사용했을 경우에는 건조수축의 문제점을 나타낼 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 5 ∼ 70 중량%의 플라이 애쉬, 제지 애쉬, 메타카올린, 실리카흄, 배연탈황석고 및 알루미나시멘트 등의 부원료의 첨가는 본 발명에 있어서는 중요하다고 할 수 있다.

특히, 상기 고로슬래그는 비표면적은 3,000 ∼ 8,000 ㎠/g 인 것, 바람직하기로는 4,500 ∼ 6,500 ㎠/g를 사용할 경우 반응활성이나 제조 단가 면에서 좋으나, 비표면적이 낮은 3,000 ∼ 4,500 ㎠/g인 것과, 비표면적이 높은 6,500 ∼ 8,000 ㎠/g인 고로슬래그를 혼합하여 입도를 조정할 경우에는 작업성을 높일 수 있 는 측면에서 효과적이다. 이때, 상기 고로슬래그는 비표면적이 3,000 ㎠/g 미만이면 반응이 느리기 때문에 반응이 이루어지 않는 액상의 알칼리성 반응 활성화제 중의 알칼리 이온의 용출이 우려되고, 조기강도와 장기강도도 낮아지게 되고, 8,000 ㎠/g를 초과하면 알칼리 활성화제와 반응이 빨라서 급결하므로 유동성이 급격하게 떨어져 작업성이 나빠지게 된다. 적당한 지연제를 선택하게 되면 반응의 속도는 늦출 수는 있으나 제조단가가 높아지게 되고, 지연제의 첨가량에 따라 민감하게 반응하여 적정첨가량 이상이 되면 강도발현이 잘 되지 않는 문제점이 있다.

상기 알칼리성 반응 활성화제는 MOH와 M₂SiO₃ (이때, 'M'은 Na 또는 K)의 혼합물로서 MOH/M₂SiO₃ 몰비가 0.25 ∼ 2.5 범위인 것을 사용할 수 있으며, 상기 몰비가 0.25 미만으로 적으면 M₂SiO₃ 양이 증가하면서 알칼리성 반응 활성화제의 점성이 증대되어 사용하는 작업성이 나빠지게 되고, 2.5를 초과하게 되면 초기반응성이 떨어져 초기강도발현에 어려움이 있다. 이때, 본 발명의 다기능성 무기결합재 조성물 중 알루미노 실리케이트계 혼화재 100 중량부에 대하여 상기 액상의 알칼리성 반응 활성화제는 30 ∼ 60 중량부 사용하며, 사용량이 30 중량부 미만이면 교반을 하기가 어려워지고, 60 중량부를 초과하면 액상중에 용해되어 있는 알칼리의 총량이 증가하게 되어 알루미노 실리케이트와 반응하지 않는 여분의 알칼리가 발생하게 되어 나중에 백화와 같은 문제를 일으키기도 한다.

구체적으로, 상기 액상의 알칼리성 반응 활성화제 중 NaOH와 Na₂SiO₃를 사용 할 경우를 예로 들어 설명하면, NaOH(가성소다) 4 ∼ 12 몰 용액에 SiO₂/Na₂O 의 비가 1 ∼ 4 가 되도록 제조한 Na₂SiO₃(규산소다, 물유리)를 중량비로 5 ∼ 50 중량부로 혼합하여 사용한다. 이때, 상기 규산소다(물유리)는 SiO₂/Na₂O의 비가 2 ∼ 3 인 것을 사용하는 것이 좋다. 특히, 내열성을 요구될 경우에는 KOH와 K₂SiO₃를 사용할 경우 더욱 좋다.

본 발명의 다기능성 무기결합재 조성물에 적용되는 액상의 알칼리성 반응 활성화제는 본 출원인이 제안하여 기 등록된 [특허등록 제10-0464819호, 알칼리 활성화 알루미노실리케이트계 초속경성 무기결합재 조성물] 것을 개량한 것이다.

즉, 내산성 및 내열성을 갖기 위해서는 Ca(OH)₂가 발생되지 않아야 하는데, 이를 위하여 시멘트의 첨가없이 알루미노실리케이트 혼화재와 분말상의 알칼리를 적정량 첨가하고 물을 가할 경우 알칼리 분말과 물과의 가수분해작용으로 인한 용해열의 발생으로 혼합시 온도가 높아지게 되고 응결이 수분 내에 이루어져 더 이상 작업을 할 수 없게 되어버린다. 또한, 분말상 알칼리의 강한 자극성 때문에 작업자의 피부나 호흡기를 자극하게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결한 것으로, 본 발명에서 제안하는 것과 동일한 조성이나 분말상의 알칼리성 반응 활성화제를 적용하여 알루미노실리케이트계 혼화재를 제조하는 것은 제품으로의 실적용 및 작업자의 안전문제로 지적되는 작업성과 안전성 측면에 문제점이 있어서 무기결합재 조성물에 적용하기 곤란하였다.

그러나 본 발명에 의하면 알칼리성 반응 활성화제를 액상으로 제조한 다음 별도의 물의 첨가 없이 알루미노실리케이트계 혼화재와 혼합 사용하였다. 즉, 기존의 분말상의 알칼리성 반응 활성화제와 혼화재에 물을 가하여 사용한 것과 달리 시멘트의 첨가가 없어도 우수한 물성을 발현하며, 작업성이 개선되어 작업자의 안전까지도 고려한 측면에서 크게 차이가 있다.

상기와 같은 본 발명의 다기능성 무기결합재 조성물은 양생할 경우 조강성이나 초조강성에 가까운 강도발현성을 나타내게 되고, Ca(OH)₂가 생성되지 않고, 양생 후 세공의 구조가 치밀하기 때문에 기존의 포틀랜드 시멘트보다 내산성, 내열성이 우수하다. 즉, 기존의 포틀랜드 시멘트에 비하여 3 ∼ 5배의 내산성을 가지며, 포틀랜드 시멘트에 비하여 내화성이 크며, 내화성이 우수한 알루미나 시멘트와 비교하여 400 ∼ 800 ℃의 중간 온도영역에서의 내화성은 더욱 우수하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는 바, 다음 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

참고예

본 발명에서 사용한 무기결합재 구성성분의 물리화학적 특성과 화학적 조성을 다음 표 1에 나타내었다.

실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1 ∼ 2

상기 표 1에 나타낸 특성을 가지는 알루미노 실리케이트계 혼화재를 사용하고, 다음 표 2의 조성으로 이루어진 무기결합재 조성물을 제조하였다.

실험예 1 : Ca/Si의 비율 및 Ca(OH) ₂ 발생 여부 측정

상기 실시예 1 ∼ 2 및 비교예 1 ∼ 2에 무기결합재 혼화재를 액상/결합재 비 0.4로 페이스트를 제작하여 수화반응시켜 얻어진 재령 28일의 수화생성물을 연마한 박편시료를 반사전사상 (BSE, Back scattering image)을 관찰하고 EDAX에 의한 수화생성물에 대한 조성분석을 하여 C-S-H 수화생성물 중의 Ca/Si를 구했으며, 그 결과, 실시예 1은 0.95, 실시예 2는 1.03로 나타났으며, 비교예 1은 1.35, 비교예 2는 1.91로 각각 나타났다.

또한 상기 실시예 1 ∼ 3의 무기결합재 조성물은 수화물 생성중 Ca(OH)₂가 발생하지 않았음은 X선회절 분석결과 C-S-H의 피크는 검출되었으나, Ca(OH)₂ 의 피크는 검출되지 않음으로 확인하였다.

실험예 2 : 경화체의 세공 측정

상기 실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1에 의하여 제조된 무기결합재 조성물 100중량부에 액상 알칼리성 반응 활성화제 40 중량부를 가하여 페이스트를 제조하였으며, 비교예 2는 결합재 100 중량부에 40 중량부의 물을 가하여 페이스트를 제작하였다.

제조된 각각의 페이스트 경화체 페이스트에서 입경 2 ㎜ 정도의 시료를 채취하고, 이를 아세톤에 침적한 후 건조처리하여 얻은 시료 약 2 g을 수은압입식 포로시메터를 이용하여 3 ∼ 10,000 ㎚의 범위의 세공경 분포를 측정하였다.

일반적인 시멘트 경화체 중의 기공은 모세관기공과 겔기공으로 분류된다. 모세관기공은 미수화입자 사이에 존재하는 0.1 ∼ 1000 ㎛ 기공이고, 겔기공은 시멘트 겔중에 존재하는 기공으로 평균 약 20 Å 크기의 기공인데, 상기 모세관 기공은 강도에 큰 영향을 미친다. 수화율이 향상됨에 따라 큰 모세관기공은 수화생성된 겔에 의해 채워져 감소되고, 반면에 겔기공은 증가하여 전체적인 기공율은 감소한다.

첨부도면 도 1의 비교예 2의 일반 모르터(mortar) 재령 7일 경화체의 기공분포를 보면 두개의 최고점을 가지고 있는 바이모달(bimodal) 형태를 나타내고 있음을 알 수 있다. 상기 두개의 최고점 중 하나는 1000 ∼ 10000 ㎚ 크기의 모세관 기공이고, 또 하나는 50 ㎚ 이하의 겔기공이다. 여기서 모세관기공은 강도 저하에 영향을 미치며, 수화가 진행됨에 따라 감소하는 경향이다.

첨부도면 도 2는 실시예 1의 무기결합재 모르터 재령 7일 경화체의 기공분포도를 나타낸 그래프이다. 도 2는 상기 도 1과 다르게 1000 ∼ 10000 ㎚ 크기의 기공이 감소된 것을 볼 수 있으며, 전체적인 기공율도 감소함을 확인할 수 있다. 실시예 2 ∼ 3의 무기결합재를 사용한 경우와 비교예 1도 비슷한 경향을 나타내었다.

한편, 재령 7일 양생 후의 시료의 세공용적 측정 결과, 실시예 1 ∼ 3과 비교 1은 비교예 2와 비교할 때 1000 ㎚ 이상의 세공의 직경이 감소하여, 비교예 2에 비해 약 1.5 ∼ 3배 정도로 나타났다.

실험예 3 : 응결시간 및 압축강도 측정

상기 실시예 1 ∼ 2 및 비교예 1 ∼ 2는 KS L 5108 [시멘트의 응결시간 시험방법] 및 KS L 5105 [시멘트 모르타르의 압축강도시험 방법] 에 준하는 방법으로 응결시간과 압축강도를 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 3에 나타내었다.

기본물성		실시예1	실시예2	비교예1	비교예2
응결시간	초결	15	30	40	220
	종결	90	110	140	400
1일 압축강도(MPa)		24.5	27.5	18	8
28일 압축강도(MPa)		45.5	51.5	42	43

상기 표 3 에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무기결합재는 초결시간이 15 ∼ 30 분으로 나타나서 비교예에 따른 무기결합재의 초결시간인 40 ∼ 220 분과 큰 차이를 보이며, 또한 종결시간의 경우 실시예는 90 ∼ 110 분으로 나타나 비교예인 140 ∼ 400 분과 비교하였을 경우 단축됨을 확인할 수 있었다.

재령 1일 경과후 측정한 압축강도는 본 발명의 실시예가 비교예보다 24.5 ∼ 27.5로 초조강성에 가까운 강도값을 보이는 것을 알 수 있었고, 장기 압축강도인 28일 후 압축강도에서도 비교예의 경우에 비해 약간 상회하는 강도값을 나타내는 것을 알 수 있었다.

실험예 4 : 내열성 측정

상기 실시예 1 ∼ 2 및 비교예 1 ∼ 3의 무기결합재 조성물의 실험배합은 액상/결합재비 = 0.5, 결합재/모래비는 1:3으로 하여 23 ℃, 상대습도 90 %에서 7일간 양생하였다. 측정은 승온 속도를 5 ℃/min으로 하여, 측정온도 600 ℃에서 30분간 유지한 후 강도를 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 4에 나타내었다. 내열성은 열간 압축강도시험 방법으로 측정하였다.

상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 ∼ 2에 의하여 제조된 무기결합재 조성물의 내열성이 비교예 1 과 비교하여 180 ∼ 300 % 향상됨을 알 수 있었으며, 알칼리 활성화 알루미노실리케이트 혼화재로서 슬래그만을 단독으로 사용하는 경우보다 부원료로 다른 혼화재를 첨가해줄때 더 좋은 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.

또한, 본 발명의 실시예 1 ∼ 2에 의하여 제조된 무기결합재 조성물의 내열성을 비교예 2 ∼ 3과 비교한 경우에는 150 ∼ 250 % 향상됨을 알 수 있었으며, 내열성에 우수한 알루미나 시멘트보다도 1000 ℃ 이하의 온도에서는 더 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.

실험예 5 : 내산성 측정

상기 실시예 1 ∼ 2 및 비교예 1 ∼ 2의 무기결합재 조성물의 배합은 액상/결합재비 = 0.5, 결합재/모래비 = 1:2.45로 하여 모르타르 혼합한 후 다음과 같은 방법으로 내산성을 측정하였으며, 그 결과는 다음 표 5에 나타내었다.

내산성은 28일 재령의 시멘트 모르타르를 ASTM C 267, 579에 준하여 실시하였다. 양생된 공시체의 표면 물기를 습포를 이용해 제거한 후 중량을 측정하고 H₂SO₄ 5% 수용액에 침적하였다. 내산성의 비교는 일정한 기간동안 침적시킨 시편을 꺼내어 흐르는 물속에서 부드러운 솔로 표면을 닦아냄으로써 훼손된 표면부분을 제거하였으며 표면의 물기를 습포를 이용해 제거한 후 중량을 측정하고 침적에 의한 중량 감소율과 강도감소율을 다음 수학식 1을 이용하여 산출하였다.

상기 수학식 1에서, Wn은 침지재령에서의 공시체 중량이고, Wo은 침지 전의 공시체 중량을 나타낸다.

구분		실시예1	실시예2	비교예1	비교예2
5% 황산용액	질량감소율(28일침지)	5%	-3%	5%	26%
	강도감소율(28일침지)	20%	15%	38%	64%

상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 ∼ 2에 의하여 제조된 무기결합재 조성물의 내산성 실험결과 질량감소율은 5% ∼ -3%로, 강도감소율은 15 ∼ 20% 로 비교예 1 ∼ 2의 실험결과 질량감소율 5 ∼ 26 %, 강도감소율 38 ∼ 64 % 보다는 향상됨을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 제조된 무기결합재 조성물은 조강성이나 초조강성에 가까운 강도발현성을 나타내며, 제조중 Ca(OH)₂가 생성되지 않는다는 것과 구조가 치밀하기 때문에 포틀랜드 시멘트와 비교하여 3 ∼ 5배의 내산성을 갖으며, 내화성이 크고, 알루미나 시멘트와 비교해서도 400 ∼ 800℃의 중간 온도영역에서의 내화성은 더 우수하다.

또한, 소성 공정의 필요 없어 온실가스의 배출이 없고, 주원료로서 산업부산물 등을 재활용할 수 있어 저렴한 비용으로 생산이 가능한 효과 또한 기대할 수 있는 다기능성 무기결합재 조성물을 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 구성성분의 몰비가 SiO₂ 33.6 ∼ 61 , CaO 16.8 ∼ 43.5 , Al₂O₃ 13.0 ∼ 29, MgO 2.0 ∼ 5.2 및 Na₂O + K₂O 0.2 ∼ 0.4 인 알루미노 실리케이트계 혼화재 100 중량부에 액상의 알칼리성 반응 활성화제 30 ∼ 60 중량부가 포함되어 이루어지며, 이들을 수화반응시켜 얻어진 수화생성물 중 Ca/Si 몰비가 0.8 ∼ 1.2 범위인 것을 특징으로 하는 다기능성 무기결합재 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미노 실리케이트계 혼화재는 고로슬래그, 플라이애쉬, 메타카올린, 실리카 흄 및 알루미나시멘트 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다기능성 무기결합재 조성물.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 고로슬래그는 비표면적 3,000 ∼ 8,000 ㎠/g 인 것을 특징으로 하는 다기능성 무기결합재 조성물.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 알칼리성 반응 활성화제는 MOH와 M₂SiO₃ (이때, 'M' 은 Na 또는 K)의 혼합물로서 MOH/M₂SiO₃ 몰비가 0.25 ∼ 2.5 범위인 것을 특징으로 하는 다기능성 무기결합재 조성물.

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