KR101078335B1 - Process of producing geopolymer using sodium silicate and the geopolymer - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a geopolymer using silicate and the geopolymer are provided to fimly combine alumino silicate and a geo concrete composition by accelerating a reaction with respect to soil and sintering waste materials contained in the geo concrete composition. CONSTITUTION: A method for manufacturing a geopolymer using silicate includes the following: An aluminum silicate dispersing solution is formed by adding aluminum potassium sulfate into sodium silicate. Sodium phosphate and sodium hydroxide are added into the aluminum silicate dispersing solution. Heating, cooling, and aging processes are implemented to form a crystal nucleus. A filtering or dehydrating process is implemented to obtain phospho-aluminosilicate. The geopolymer includes 250-300 parts by weight of aluminum potassium sulfate based on 100 parts by weight of sodium silicate and 10-20 parts by weight of water based on the total mixed weight of the sodium silicate and the aluminum potassium sulfate. The phospho-aluminosilicate includes 14-16 weight% of silicon oxide, 0.5-1.5 weight% of aluminum oxide, 26-28 weight% of sodium oxide, and 2-5 weight% of phosphorus oxide.

Description

규산염을 이용한 지오폴리머의 제조방법 및 지오폴리머{Process of producing Geopolymer using sodium silicate and the geopolymer}Process of producing geopolymer using sodium silicate and the geopolymer

본 발명은 규산염을 이용한 지오폴리머의 제조방법 및 지오폴리머, 그 지오폴리머를 이용한 지오콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 규산염을 이용하여 친환경적인 지오콘크리트에 적합하게 사용될 수 있는 지오폴리머의 제조방법과, 이 제조방법으로 제조된 지오폴리머, 그리고 이를 이용한 콘크리트 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a geopolymer using a silicate and to a geopolymer, a geoconcrete composition using the geopolymer, and more particularly to a method for producing a geopolymer that can be suitably used for environmentally friendly geoconcrete using a silicate. And it relates to a geopolymer produced by this manufacturing method, and a concrete composition using the same.

일반적으로 규산나트륨은 규산염 중의 하나로, Na2O와 SiO2의 결합비율에 따라 액상 규산나트륨, 소듐 메타실리카(sodium metasilica), 세스퀴 실리케이트(sesqui-silicate), 올소 실리케이트(ortho-silicate) 등으로 불리우며, 현재 용도에 따라서 40여종 이상의 규산나트륨이 상품화되어 시판되고 있다.In general, sodium silicate is one of silicates, depending on the ratio of Na 2 O and SiO 2 liquid sodium silicate, sodium metasilica, sesqui-silicate, ortho-silicate (ortho-silicate), etc. More than 40 kinds of sodium silicate are commercially available and commercially available depending on the current use.

액상 규산나트륨은 점성질의 알칼리성을 나타내는 투명한 용액으로, 한국공업규격(KS M 1415)에 따라 하기 표 1과 같이 그 종류가 분류되고 있다. Liquid sodium silicate is a transparent solution showing viscous alkalinity, and its type is classified according to Korean Industrial Standard (KS M 1415) as shown in Table 1 below.

구 분division 1종Type 1 2종2 types 3종3 types 4종4 types 비중(20℃)Specific gravity (20 ℃) 1.690이상1.690 or higher 1.590이상1.590 or more 1.380이상1.380 or more 1.260이상1.260 or more 물불용분 %Water insoluble% 0.2이하0.2 or less 0.2이하0.2 or less 0.2이하0.2 or less 0.2이하0.2 or less 산화나트륨(Na2O) %Sodium oxide (Na 2 O)% 17~1817-18 14~1514-15 9~109-10 6~76 ~ 7 이산화규소(SiO2) %Silicon dioxide (SiO 2 )% 36~3836-38 34~3634-36 29~3029-30 23~2523-25 산화철 (Fe2O3) %Iron Oxide (Fe 2 O 3 )% 0.05이하0.05 or less 0.05이하0.05 or less 0.03이하0.03 or less 0.03이하0.03 or less 몰비Mole ratio 2.06~2.302.06-2.30 2.33~2.652.33-2.65 2.88~3.402.88-3.40 3.39~4.293.39-4.29

상기 표 1과 같이 현재 통용되고 있는 액상 규산나트륨은 SiO2 대 Na2O의 몰비가 2.064~4.300으로 친수성 제품이다. 이는 용해성 유리와 불용성 유리의 수치적 구별로서 몰비(SiO2/Na2O×1.032)가 4이하일 경우에는 친수성을 나타내며, 몰비가 6이상일 경우에는 비친수성 내수성 유리로 구별된다. As shown in Table 1, the liquid sodium silicate currently used is a hydrophilic product having a molar ratio of SiO 2 to Na 2 O of 2.064 to 4.300. It is a numerical distinction between soluble glass and insoluble glass, and exhibits hydrophilicity when the molar ratio (SiO 2 / Na 2 O × 1.032) is 4 or less, and distinguishes it as non-hydrophilic water-resistant glass when the molar ratio is 6 or more.

이러한 액상 규산나트륨은 고유의 접착력을 가지고 있어서 종이류의 접착제나 연약지반을 개량하기 위한 그라우트재를 비롯하여 시멘트의 급결제 또는 코팅제, 접착제, 세정제로 이용되고 있다. 특히 유기합성 접착제와 달리 공해를 유발시키지 않는다는 장점과 내화성을 가지고 있어 환경친화적인 면에서 각광을 받고 있다.Such liquid sodium silicate has inherent adhesive strength, and is used as a cement fastener or coating agent, adhesive, and cleaning agent, as well as grout material for improving adhesives and soft ground of papers. In particular, unlike organic synthetic adhesives, it has the advantage of not causing pollution and has a fire resistance, attracting the spotlight in terms of environment friendliness.

한편, 최근 국가가 지향하는 녹색성장의 일환으로써 환경친화적이면서도 인체에 해를 끼치지 않는 흙을 이용한 도로 포장공법이 적용되고 있다. 그러나 대부분의 흙 포장 시공 방법은 시멘트나 폴리머를 결합재로 첨가하고, 기능을 개선하기 위한 첨가제로서 소석회, 석고, 석회석, 고로슬래그, 플라이 애쉬, 메타카올린, 실리카퓸 등의 포졸란 물질을 사용하고 있다.On the other hand, as part of the national green growth, the road pavement method using environmentally friendly and harmless human body has been applied. However, most soil pavement methods use cement or polymer as a binder and use pozzolanic materials such as slaked lime, gypsum, limestone, blast furnace slag, fly ash, metakaolin, and silica fume as additives to improve the function.

다만 결합재로 첨가되는 시멘트는 생산시 CO2 가스를 발생시키는 등 시멘트의 사용 자체가 환경오염을 유발하는 원인이었으며, 시멘트나 아스팔트와 같은 포장재에 의한 포장층은 지하 생태계와 주변 생태계를 단절시키기 때문에 흙으로부터 인체에 유리한 성분들의 발산을 인위적으로 막아 희귀한 질병 등을 유발하기도 하였다. However, cement added as a binder causes CO 2 gas during production, which causes the environmental pollution. The pavement layer by cement or asphalt pavement cuts off the underground and surrounding ecosystems. It has artificially prevented the release of beneficial substances from the human body, causing rare diseases.

이에 최근에는 지오폴리머(geopolymer) 혹은 미네랄폴리머(mineral polymer)나 인오르가닉폴리머(inorganic polymer)로 명명되는 새롭게 개발된 무기결합재가 등장하고 있다. Recently, newly developed inorganic binders, called geopolymers, mineral polymers or organic polymers, have emerged.

특히 지오폴리머는 Si와 Al이 풍부한 플라이애시와 같은 무기물이 알칼리성의 액체에 의해 활성화되어 결합재로 작용하게 되는 것으로, 환경오염을 유발할 수 있는 시멘트를 사용하지 않아도 되어 친환경적인 콘크리트로 많은 관심을 받고 있다. In particular, the geopolymer is an inorganic material such as fly ash rich in Si and Al is activated by the alkaline liquid to act as a binder, attracting a lot of attention as eco-friendly concrete without using cement that can cause environmental pollution. .

다만 아직까지는 지오폴리머(geopolymer)에 대한 기술개발이 미비하여 지오폴리머가 적용된 지오콘크리트 조성물로 양생된 포장체의 강도가 약하고, 안정적인 경화가 어렵다는 문제점이 있었다.However, there has been a problem that the strength of the package cured with the geoconcrete composition to which the geopolymer is applied is weak and stable curing is difficult due to the insufficient development of geopolymer.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로,The present invention is to solve the above problems,

규산나트륨을 개질하여 지오콘크리트 조성물에 적용시 고반응성, 고 고결성, 고 고화성을 나타내어 지오콘크리트 조성물의 무기결합재로 적합하게 사용될 수 있는 규산염을 이용한 지오폴리머의 제조방법 및 그 지오폴리머를 제공하는 것을 목적으로 한다.A method for preparing a geopolymer using a silicate which can be suitably used as an inorganic binder of a geoconcrete composition by modifying sodium silicate and exhibiting high reactivity, high solidity, and high solidification when applied to a geoconcrete composition, and providing the geopolymer. For the purpose of

본 발명의 또 다른 목적은 상기 지오폴리머를 이용하여 고강도 및 안정적인 경화가 가능한 지오콘크리트 조성물을 제공한다.
Another object of the present invention to provide a geoconcrete composition capable of high strength and stable curing using the geopolymer.

본원발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여,The present invention to achieve the above object,

규산나트륨에 황산 알루미늄 칼륨을 첨가하여 알루미늄실리케이트 분산액을 형성하는 단계와;Adding potassium aluminum sulfate to sodium silicate to form an aluminum silicate dispersion;

상기 알루미늄 실리케이트 분산액에 인산나트륨염과 수산화나트륨을 첨가하고, 열을 가하여 용액화한 뒤, 결정핵이 형성될 때 냉각 및 숙성시킨 후 여과 또는 탈수하여 인산 알루미늄 규산염을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 규산염을 이용한 지오폴리머의 제조방법을 제공한다.Adding sodium phosphate salt and sodium hydroxide to the aluminum silicate dispersion, applying heat and liquefying, cooling and aging when the crystal nucleus is formed, and filtering or dehydrating to produce aluminum phosphate silicate; It provides a method for producing a geopolymer using a silicate characterized in that.

또한, 상기 규산나트륨 100중량부에 대하여 황산알루미늄 칼륨 250~300중량부를 첨가하되, 물이 상기 규산나트륨과 황산알루미늄 칼륨의 전체 배합량에 대하여 10~20중량부가 첨가되는 것을 특징으로 한다.Further, 250 to 300 parts by weight of potassium aluminum sulfate is added to 100 parts by weight of the sodium silicate, and water is added to 10 to 20 parts by weight based on the total amount of the sodium silicate and potassium aluminum sulfate.

또한, 상기 인산 알루미늄 규산염을 제조하는 단계에서,In addition, in the step of preparing the aluminum phosphate silicate,

인산나트륨염은 제조된 인산 알루미늄 규산염에 P2O3가 2~5중량% 함유되도록 첨가하며, 수산화나트륨은 인산 알루미늄 규산염에서 SiO2/Na2O 몰비가 0.4~1.8이 되도록 첨가하는 것을 특징으로 한다.Sodium phosphate salt is added to contain 2 to 5% by weight of P 2 O 3 to the prepared aluminum phosphate, sodium hydroxide is characterized in that the addition of the SiO 2 / Na 2 O molar ratio of 0.4 to 1.8 in aluminum phosphate. do.

또한, 상기 인산 알루미늄 규산염을 제조하는 단계는 80~98℃의 열을 가하여 인산나트륨염과 수산화나트륨이 첨가된 알루미늄 실리케이트 분산액을 액상화하고, 이를 30~60분 유지하여 결정핵이 형성되기 시작하면 온도를 60℃로 냉각 및 숙성한 다음, 여과 또는 탈수하여 결정입자를 형성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step of preparing the aluminum phosphate silicate is applied to 80 ~ 98 ℃ heat to liquefy the aluminum silicate dispersion with sodium phosphate salt and sodium hydroxide added, and hold it for 30 to 60 minutes when the temperature starts to form crystal nuclei After cooling and aging to 60 ℃, it is characterized by filtration or dehydration to form crystal grains.

또한, SiO2가 14~16중량%, Al2O3가 0.5~1.5중량%, Na2O가 26~28중량%, P2O3가 2~5중량% 함유되고, SiO2/Na2O 몰비가 0.4~1.8인 인산 알루미늄 규산염으로 이루어진 것을 특징으로 하는 지오폴리머를 제공한다.Further, SiO 2 is contained 14-16 wt%, Al 2 O 3 is 0.5 to 1.5 wt%, Na 2 O is 26-28 wt.%, P 2 O 3 is 2 to 5% by weight, SiO 2 / Na 2 It provides a geopolymer comprising an aluminum phosphate silicate having an O molar ratio of 0.4 to 1.8.

또한, 소성폐자재 및 토양을 포함하는 지오콘크리트 조성물에 있어서,In addition, in the geoconcrete composition comprising plastic waste material and soil,

상기 지오콘크리트 조성물에는 반응경화제로서 전술한 제조방법으로 제조된 지오폴리머가 첨가되는 것을 특징으로 하는 지오콘크리트 조성물을 제공한다.
The geoconcrete composition provides a geoconcrete composition, characterized in that the geopolymer prepared by the above-described method as a curing agent is added.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 규산염을 이용한 지오폴리머의 제조방법 으로 제조된 지오폴리머는 지오콘크리트 등의 포장 조성물에 적용시 다른 성분들과 원활하게 혼합될 수 있는 것은 물론, 고반응성과 고 고결성, 고 고화성을 갖고 있어 고강도의 포장이 가능한 효과를 갖는다.As described above, the geopolymer prepared by the method of preparing the geopolymer using the silicate according to the present invention may be mixed with other components smoothly when applied to a packaging composition such as geoconcrete, as well as high reactivity and high integrity. It has high solidification and high strength packaging.

또한 본 발명에 따른 지오폴리머를 이용한 지오콘크리트 조성물은 지오콘크리트 조성물에 포함된 토양이나 소성폐자재와의 반응이 촉진되어 알루미노실리케이트와 보다 견고한 결합을 이룸에 따라 안정적으로 경화되어 종래 일반적인 무기결합재를 사용한 지오 폴리머 콘크리트 조성물과 동일하거나 그보다 향상된 압축강도 및 물성을 갖는 도로 포장재 양생이 가능한 효과를 갖는다.In addition, the geoconcrete composition using the geopolymer according to the present invention is promoted the reaction with the soil or plastic waste material contained in the geoconcrete composition to form a more stable bond with the aluminosilicate, so that the conventional general inorganic binder It is possible to cure road pavement having the same or better compressive strength and physical properties as the geopolymer concrete composition used.

도 1은 실시예 1에서 제조된 인산 알루미늄 규산염의 NMR분석 결과.
도 2는 실험예 1에서 제조된 포장체 시편의 사진.
1 is an NMR analysis of the aluminum phosphate silicate prepared in Example 1.
Figure 2 is a photograph of the package specimen prepared in Experimental Example 1.

이하에서는 본 발명에 대하여 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 지오폴리머는 SiO2가 14~16중량%, Al2O3가 0.5~1.5중량%, Na2O가 26~28중량%, P2O3가 2~5중량% 함유되고, SiO2/Na2O 몰비가 0.4~1.8인 인산 알루미늄 규산염으로 이루어진 것으로, 이와 같은 지오폴리머는 지오콘크리트 조성물에 포함된 토양이나 소성폐자재와 고 반응성, 고 고결성, 및 고 고화성을 갖고 있어 안정적인 경화가 가능하며, 소성폐자재와의 반응이 촉진되어 알루미노실리케이트와 보다 견고한 결합을 이룰 수 있다.The geopolymer of the present invention contains 14 to 16% by weight of SiO 2 , 0.5 to 1.5% by weight of Al 2 O 3 , 26 to 28% by weight of Na 2 O, 2 to 5% by weight of P 2 O 3 , and SiO 2. It consists of aluminum phosphate silicate with a 2 / Na 2 O molar ratio of 0.4 to 1.8, and this geopolymer is stable because it has high reactivity, high solidity, and high solidity with soil or plastic waste materials contained in the geoconcrete composition. It can be cured, and the reaction with plastic waste materials can be promoted to form a stronger bond with aluminosilicate.

여기서 SiO2/Na2O 몰비는 SiO2%/Na2O%×1.032로 계산된 것으로, 상기한 SiO2/Na2O 몰비가 0.4보다 낮을 경우 인산 알루미늄 규산염 내에 포함된 결정상의 생성시 결정이 매우 미세하게 입자 성장할 수 있고, 이러한 미세입자는 입자 간의 응집, 응고로 균일한 입자의 결정상을 얻을 수 없어 추후 포장체 등의 형성시 강고한 결합이 어렵고, 몰비가 1.8보다 높으면 결정화가 원활히 진행되지 않아 지오콘크리트 조성물의 성분과 견고한 결합을 형성하기 어렵다. Here, the SiO 2 / Na 2 O molar ratio of SiO 2% / Na 2 O% as calculated as × 1.032, if the above-mentioned SiO 2 / Na 2 O molar ratio is lower than 0.4 determined during formation of the crystals contained in the aluminum phosphate-silicate The particles can grow very finely, and these fine particles cannot obtain a uniform crystal phase of particles by agglomeration and coagulation between particles, so that it is difficult to bond firmly when forming a package or the like, and when the molar ratio is higher than 1.8, crystallization does not proceed smoothly. It is difficult to form a firm bond with the components of the geoconcrete composition.

또한, 상기 P2O3(삼산화인)은 불용성을 갖는 통상의 알루미늄 규산염과는 달리 용액화가 가능한 인산 알루미늄 규산염을 형성하기 위하여 포함된 것으로, 상기 삼산화인은 공기 중의 수분 흡습에 의한 수분 함유량 변화를 줄이고, 인산 알루미늄 규산염에 포함된 결정입자가 보관시에도 균질한 결정상을 유지할 수 있도록 하여 추후 지오콘크리트 조성물에 적용되어 포장체를 형성할 때에 화학적인 경화반응시 가사시간을 지연시키는 역할을 하는 것으로, 만약 상기 중량범위를 벗어나는 경우 상기와 같은 역할을 수행할 수 없다.In addition, the P 2 O 3 (phosphorous trioxide) is included to form an aluminum phosphate that can be liquefied, unlike ordinary aluminum silicate having insolubility, and the phosphorus trioxide is used to change the water content due to moisture absorption in air. In order to reduce and to maintain a homogeneous crystal phase even when stored in the aluminum phosphate silicate is later applied to the geoconcrete composition to play a role of delaying the pot life during chemical curing reaction when forming the package, If it is out of the weight range it can not play such a role.

상기와 같은 지오폴리머는 P2O3의 함량 한정 및 SiO2/Na2O의 몰비 한정으로 불용성인 알루미늄 규산염과는 달리 적절한 결정상을 내포하고 있어 고강도의 포장체를 형성할 수 있는 무기결합재로 이용 가능하다.The geopolymer as described above contains an appropriate crystal phase unlike insoluble aluminum silicate due to the limited content of P 2 O 3 and the molar ratio of SiO 2 / Na 2 O, which is used as an inorganic binder capable of forming a high-strength package. It is possible.

이때 더욱 바람직하게는 인산 알루미늄 규산염에 P2O3가 2.8~3.8중량% 함유되도록 첨가하고, 수산화나트륨은 인산 알루미늄 규산염에서 SiO2/Na2O 몰비가 0.4~0.7이 되도록 첨가하는 것이 그 효과를 극대화할 수 있어 좋다.At this time, more preferably, P 2 O 3 is added to the aluminum phosphate silicate to contain 2.8 to 3.8 wt%, and sodium hydroxide is added so that the SiO 2 / Na 2 O molar ratio is 0.4 to 0.7 in the aluminum phosphate silicate. It is good to be able to maximize.

이와 같은 지오폴리머는 다양한 방법으로 제조될 수 있으나, 하기에서 설명하는 제조방법으로 제조되는 것이 더욱 바람직하다.Such a geopolymer may be prepared by various methods, but more preferably, may be prepared by the manufacturing method described below.

먼저, 본 발명은 규산나트륨에 황산 알루미늄 칼륨을 첨가하여 알루미늄실리케이트 분산액을 형성하는 단계를 수행한다.First, the present invention performs the step of forming an aluminum silicate dispersion by adding potassium aluminum sulfate to sodium silicate.

이와 같이 알루미늄 실리케이트 분산액은 백색의 미세한 결정입자 형상을 유지하는 것으로, 화학반응식은 다음과 같다. As described above, the aluminum silicate dispersion maintains a fine white crystal grain shape, and the chemical reaction formula is as follows.

[반응식 1]Scheme 1

Figure 112011041392027-pat00001
Figure 112011041392027-pat00001

이때 상기와 같은 반응이 원활하게 유도될 수 있도록 하기 위하여 상기 규산나트륨 100중량부에 대하여 황산알루미늄 칼륨 250~300중량부를 첨가하되, 물이 상기 규산나트륨과 황산알루미늄 칼륨의 전체 배합량에 대하여 10~20중량부가 첨가되는 것이 바람직하다.In this case, in order to smoothly induce the above reaction, 250 to 300 parts by weight of potassium aluminum sulfate is added to 100 parts by weight of the sodium silicate, and water is 10 to 20 based on the total amount of the sodium silicate and potassium potassium sulfate. It is preferable that a weight part is added.

만약 상기 황산알루미늄칼륨이 250중량부 미만으로 첨가되면 제조되는 인산 알루미늄 규산염의 성분 조성상의 알루미나 함유량이 적어지고, 이는 결과적으로 지오폴리머 반응에 의한 조성물을 형성하기에 부적합하며, 알루미늄 실리케이트 결정입자를 획득하기 어렵다. 반대로 상기 황산 알루미늄칼륨이 300중량부를 초과하여 첨가되면 알루미늄 실리케이트 외에 황산알루미늄 결정상도 함께 형성되고, 일부는 알칼리 성분에 의해 겔화되는 등 전체적인 물성의 저하를 유발할 수 있다.If the potassium aluminum sulfate is added less than 250 parts by weight, the alumina content in the component composition of the aluminum silicate phosphate produced is reduced, which is inadequate for forming a composition by geopolymer reaction, and thus obtains aluminum silicate crystal grains. Difficult to do On the contrary, when the potassium aluminum sulfate is added in excess of 300 parts by weight, an aluminum sulfate crystal phase is also formed in addition to the aluminum silicate, and some of the aluminum sulfate may be gelled by an alkaline component, thereby causing a decrease in overall physical properties.

상기 물은 황산알루미늄칼륨의 첨가로 인하여 높아진 농도로 인해 그 반응성이 저하되는 것을 개선하기 위한 것으로, 상기 물이 10중량부보다 적으면 농도가 충분히 낮춰지지 않아 반응성이 개선되기 어렵고, 20중량부를 초과하면 농도가 묽어져 반응유도에 부적절하다.
The water is to improve the reactivity is lowered due to the increased concentration due to the addition of potassium aluminum sulfate, when the water is less than 10 parts by weight, the concentration is not sufficiently lowered, the reactivity is difficult to improve, more than 20 parts by weight If the concentration is thinner, it is inappropriate for reaction induction.

아울러 상기 규산나트륨과 황산알루미늄 칼륨의 적절한 반응유도를 위하여 50~80℃의 온도를 가하여 주는 것이 더욱 바람직하다. In addition, it is more preferable to add a temperature of 50 ~ 80 ℃ for the appropriate reaction induction of the sodium silicate and potassium potassium sulfate.

이와 같은 방법으로 얻어진 알루미늄 실리케이트 분산액은 미세한 알루미늄 실리케이트 입자가 용액 상에 분산, 부유되어 있는 상태로 다량의 Al2O3를 함유하고 있다. 또한 알루미늄실리케이트 분산액 내에는 Na2O/K2O, SO4-와 같은 알칼리 물질이 공존하지만, 그 함량이 적고 추후 강한 알칼리 반응에 의해 알루미늄 실리케이트 결정입자와 함께 용해되므로 이를 분리하거나 알칼리 물질 제거를 하기 위하여 별도로 탈수 공정 등을 시행할 필요가 없다.The aluminum silicate dispersion obtained in this manner contains a large amount of Al 2 O 3 in a state where fine aluminum silicate particles are dispersed and suspended in a solution. In addition, although alkali materials such as Na 2 O / K 2 O and SO 4- coexist in the aluminum silicate dispersion, their contents are small and are dissolved together with the aluminum silicate crystal grains by a strong alkali reaction. In order to do so, there is no need to perform a separate dehydration process.

다음 단계는 상기 알루미늄 실리케이트 분산액에 인산나트륨염과 수산화나트륨을 첨가하고, 열을 가하여 용액화한 뒤, 결정핵이 형성될 때 냉각 및 숙성시킨 다음 여과 또는 탈수하여 인산 알루미늄 규산염을 제조하는 단계를 수행한다.The next step is to add sodium phosphate salt and sodium hydroxide to the aluminum silicate dispersion, and to apply the solution to heat, and then cooled and aged when the crystal nucleus is formed, and then filtered or dehydrated to produce aluminum phosphate silicate do.

이는 고온의 강한 알칼리 분위기 내에서 수행되는 것으로, 이때의 화학반응식은 다음과 같다.This is carried out in a high temperature, strong alkaline atmosphere, wherein the chemical reaction formula is as follows.

[반응식 2]Scheme 2

Figure 112011041392027-pat00002
Figure 112011041392027-pat00002

이와 같은 반응을 통해 얻어진 인산 알루미늄 규산염은 지오콘크리트 등의 포장 조성물에 적용시 다른 성분들과 원활하게 혼합될 수 있는 것은 물론, 고반응성과 고 고결성, 고 고화성을 갖고 있어 고강도의 포장이 가능하다. The aluminum phosphate obtained through this reaction can be mixed smoothly with other components when applied to packaging compositions such as geoconcrete, as well as having high reactivity, high solidity and high solidification, and thus high strength packaging is possible. Do.

한편, 상기 인산 알루미늄 규산염을 제조하는 단계에서, 인산나트륨염은 제조된 인산 알루미늄 규산염에 P2O3가 2~5중량% 함유되도록 첨가하며, 수산화나트륨은 인산 알루미늄 규산염에서 SiO2/Na2O 몰비가 0.4~1.8이 되도록 첨가하는 것이 더욱 바람직하다. 이때 더욱 바람직하게는 인산 알루미늄 규산염에 P2O3가 2.8~3.8중량% 함유되도록 첨가하며, 수산화나트륨은 인산 알루미늄 규산염에서 SiO2/Na2O 몰비가 0.4~0.7이 되도록 첨가하는 것이 제조된 지오폴리머의 물성을 극대화할 수 있어 좋다.On the other hand, in the step of preparing the aluminum phosphate silicate, sodium phosphate salt is added to contain 2 to 5% by weight of P 2 O 3 in the prepared aluminum phosphate silicate, sodium hydroxide SiO 2 / Na 2 O in aluminum phosphate silicate It is more preferable to add so that molar ratio may be 0.4-1.8. At this time, more preferably, 2.8 to 3.8 wt% of P 2 O 3 is added to the aluminum phosphate, and sodium hydroxide is added to the SiO 2 / Na 2 O molar ratio of 0.4 to 0.7 in the aluminum phosphate. It is good to maximize the physical properties of the polymer.

상기 인산나트륨은 제조되는 인산 알루미늄 규산염에 삼산화인(P2O3)이 포함되어 불용성을 갖는 통상의 알루미늄 규산염과는 달리 용액화가 가능하도록 한 것이다. 또한, 상기 삼산화인은 공기 중의 수분 흡습에 의한 수분 함유량 변화를 줄이고, 인산 알루미늄 규산염에 포함된 결정입자가 보관시에도 균질한 입자의 결정상을 유지할 수 있도록 하여 추후 지오콘크리트 조성물에 적용되어 포장체를 형성할 때에 화학적인 경화반응시 가사시간을 지연시키는 역할을 하는 것으로, 만약 상기 중량범위를 벗어나는 경우 상기와 같은 역할을 수행할 수 없다.The sodium phosphate is to include a phosphorus trioxide (P 2 O 3 ) in the aluminum silicate to be prepared to enable solution, unlike conventional aluminum silicate insoluble. In addition, the phosphorus trioxide reduces the change in moisture content due to moisture absorption in the air, so that the crystal grains contained in the aluminum phosphate silicate to maintain the homogeneous crystal phase even when stored, it is applied to the geoconcrete composition in the future To form a role in delaying the pot life during the chemical curing reaction, if it is out of the weight range it can not play the role as described above.

상기 SiO2/Na2O 몰비는 SiO2%/Na2O%×1.032로 계산된 것으로, 상기한 SiO2/Na2O 몰비가 0.4보다 낮을 경우 인산 알루미늄 규산염 내에 포함된 결정상의 생성시 결정이 매우 미세하게 입자 성장할 수 있고, 이러한 미세입자는 입자 간의 응집, 응고로 균일한 입자의 결정상을 얻을 수 없어 추후 포장체 등의 형성시 강고한 결합이 어렵고, 몰비가 1.8보다 높으면 결정화가 원활히 진행되지 않아 지오콘크리트 조성물의 성분과 견고한 결합을 형성하기 어렵다.
The SiO 2 / Na 2 O molar ratio is to be calculated as SiO 2% / Na 2 O% × 1.032, if the above-mentioned SiO 2 / Na 2 O molar ratio is lower than 0.4 determined during formation of the crystals contained in the aluminum phosphate-silicate is The particles can grow very finely, and these fine particles cannot obtain a uniform crystal phase of particles by agglomeration and coagulation between particles, so that it is difficult to bond firmly when forming a package or the like, and when the molar ratio is higher than 1.8, crystallization does not proceed smoothly. It is difficult to form a firm bond with the components of the geoconcrete composition.

상기와 같은 조건을 고려하여 알루미늄 실리케이트 분산액에 인산나트륨과 수산화나트륨을 첨가하고, 이들의 반응성 및 용액화 효율을 높이기 위해서 80~98℃의 열을 가하여 인산나트륨염과 수산화나트륨이 첨가된 알루미늄 실리케이트 분산액을 액상화하는 것이 더욱 바람직하며, 이를 30~60분 유지하되, 결정핵이 형성되기 시작하면 온도를 60℃로 냉각하고, 이를 8 시간 정도 숙성시킨 다음 여과 또는 탈수시킴으로써 본 발명에 따른 지오폴리머인 인산 알루미늄 규산염을 얻을 수 있다.
In consideration of the conditions described above, sodium phosphate and sodium hydroxide are added to the aluminum silicate dispersion, and an aluminum silicate dispersion containing sodium phosphate salt and sodium hydroxide is added by heating at 80 to 98 ° C. to increase their reactivity and solution efficiency. It is more preferable to liquefy, and it is maintained for 30 to 60 minutes, when the crystal nucleus starts to form, the temperature is cooled to 60 ℃, aged for about 8 hours and then filtered or dehydrated is the geopolymer phosphoric acid according to the present invention Aluminum silicates can be obtained.

한편, 본 발명에서는 소성폐자재 및 토양을 포함하는 지오콘크리트 조성물을 제공하는 것으로, 본 발명세서는 상기 지오콘크리트 조성물에는 무기결합재로서 전술한 제조방법에 의해 제조된 지오폴리머가 첨가되는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the present invention provides a geoconcrete composition comprising plastic waste material and soil, the present invention is characterized in that the geopolymer is prepared by the above-described manufacturing method as an inorganic binder to the geoconcrete composition is added. .

여기서 소성폐자재는 반응경화 결합소재로, 제철소에서 발생되는 부산물인 고로슬래그분말, 발전소에서 발생되는 플라이애쉬, 알루미늄 제련소에서 발생하는 알루미늄재, 화산재 등을 적절히 배합 조정하여 사용될 수 있다.Here, the plastic waste material is a reaction hardening binding material, and may be used by appropriately adjusting the blast furnace slag powder, a fly ash generated in a power plant, an aluminum material generated in an aluminum smelter, a volcanic ash, and the like.

아울러 상기 토양으로는 현장발생토, 백색토, 황색토, 흙색토 등 각종 토양 들이 사용될 수 있는 것이다.In addition, various soils such as spot soil, white soil, yellow soil, and earthy soil may be used as the soil.

아울러 상기 지오폴리머는 전술한 제조방법으로 제조된 인산 알루미늄 규산염으로 상기 토양 및 소성 폐자재와의 시멘트의 수화반응, 포졸란 반응 및 지오폴리머 반응을 통해 보다 견고한 결합을 형성하게 되며, 이로 인해 고강도의 포장이 가능하다.In addition, the geopolymer is an aluminum phosphate silicate prepared by the above-described manufacturing method to form a stronger bond through the hydration reaction, pozzolanic reaction and geopolymer reaction of the cement with the soil and plastic waste materials, thereby high-strength packaging This is possible.

지오폴리머 반응은 칼륨 또는 나트륨-올리고-(시아레이트-실록소)구조체가 고분자 구조화 즉, 고분자 축합화에 의한 칼륨 또는 나트륨-폴리(시아레이트-실록소)로 강한 결합을 형성한다. 여기서 시아레이트와 시아레이트-실록소의 개념을 설명하면 다음과 같다.The geopolymer reaction results in the potassium or sodium-oligo- (cylate-siloxane) structure forming strong bonds to the polymer structuring, ie potassium or sodium-poly (cylate-siloxane) by polymer condensation. Here, the concept of cyanate and cyanate-siloxane is explained as follows.

[반응식 3]
[Reaction Scheme 3]

Figure 112011041392027-pat00003
Figure 112011041392027-pat00003

즉, 본 발명에 따른 지오콘크리트 조성물은 -Si-O-Al-O-Si- 구조에서 알칼리 물질에 의한 축합반응이 발생하여 구조적 변화가 발생하고, 알카리함량과 Si/Al의 비율에 의해 다양한 네트워크를 형성하여 고강도, 고고화성, 고 고결성의 포장이 이루어질 수 있는 것이다. That is, the geoconcrete composition according to the present invention has a structural change due to condensation reaction by alkali material in -Si-O-Al-O-Si- structure, and various networks by the ratio of alkali content and Si / Al. Forming a high strength, high solidity, high integrity will be made of the packaging.

이때 본 발명에 따른 지오 콘크리트 조성물은 보강성을 높이기 위하여 규소나 알루미늄 함유량을 더 높일 수도 있고, 속결성을 높일 때 석회분의 사용량을 높여 사용할 수 있다. 아울러 한냉으로 인한 빙결의 우려가 있을 경우에는 발열물질인 Si 메탈 실리콘 파우더를 첨가하여 발열을 통해 보강 경화성을 촉진하고, 생석회분을 첨가하여 발열 속결성을 나타나도록 할 수 있다.
At this time, the geoconcrete composition according to the present invention may further increase the content of silicon or aluminum in order to increase reinforcement, and may be used by increasing the amount of lime powder when increasing the fastness. In addition, when there is a fear of freezing due to cold cooling, the addition of Si metal silicon powder, which is a heat generating material, may promote reinforcement curability through heat generation, and may exhibit exothermic fastness by adding quicklime powder.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세하게 설명하기는 하나, 하기의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following Examples.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

- 지오폴리머 제조 --Geopolymer Manufacturing-

액상의 규산나트륨 240중량부에 황산알루미늄 칼륨 666.6중량부를 첨가하고, 여기에 물 15부 가량을 첨가하여 농도조절을 한 뒤, 적절한 반응 유도를 위해 50~80℃의 온도를 가하여 알루미늄 실리케이트 분산액을 제조하였다. 666.6 parts by weight of potassium aluminum sulfate was added to 240 parts by weight of liquid sodium silicate, and 15 parts of water was added thereto to adjust the concentration, and then, an aluminum silicate dispersion was prepared by adding a temperature of 50 to 80 ° C. to induce an appropriate reaction. It was.

이때 상기 알루미늄 실리케이트 분산액의 결정입자의 함량을 살펴본 결과 SiO2%=50.97%, Al2O3%=9.05%, H2O%=39.16%이며, Si/Al 비율이 5.63인 것으로, SiO2가 다량 함유되어 있음을 알 수 있었다.At this time, the aluminum and the resulting SiO 2% = 50.97% examined the content of the crystal grains of the silicate dispersion, Al 2 O 3% = 9.05 %, H 2 O% = 39.16%, that of the Si / Al ratio 5.63, SiO 2 is It was found that it contains a large amount.

그런 다음 상기 알루미늄 실리케이트 분산액 100중량부에 인산나트륨염(제2인산나트륨 12수염) 47.5중량부, 수산화나트륨(50%수산화나트륨) 371.2중량부를 첨가하여 약90℃의 온도에서 용액화하고, 60분을 유지하여 결정핵이 형성되기 시작할 때 서서히 반응기 내부의 온도를 60℃로 낮추어 냉각하고, 8시간 정도 숙성시킨 다음 탈수시켜 인산 알루미늄 규산염을 제조하였고, 제조된 인산 알루미늄 규산염의 NMR분석결과를 도 1에 나타내었다.Then, 47.5 parts by weight of sodium phosphate salt (dibasic sodium phosphate 12 hydrate) and 371.2 parts by weight of sodium hydroxide (50% sodium hydroxide) were added to 100 parts by weight of the aluminum silicate dispersion, and solution was formed at a temperature of about 90 ° C. for 60 minutes. When the crystals started to form nuclei, the temperature inside the reactor was gradually lowered to 60 ° C, cooled, aged for about 8 hours, and then dehydrated to prepare aluminum phosphate silicate. The results of NMR analysis of the prepared aluminum phosphate silicate are shown in FIG. Shown in

실시예 1에서 제조된 인산 알루미늄 규산염은 알루미늄 규산염 결정입자를 분석해본 결과 P2O3%=3.36%함유되었고, SiO2/Na2O 몰비는 0.56였다.
The aluminum phosphate silicate prepared in Example 1 contained P 2 O 3 % = 3.36% when the aluminum silicate crystal grains were analyzed, and the SiO 2 / Na 2 O molar ratio was 0.56.

<실험예 1>Experimental Example 1

소성 폐자재 510g, 토양 220g, 지오폴리머로써 실시예 1에서 제조된 인산알루미늄 규산염 23g을 혼합하여 지오폴리머 콘크리트 조성물을 제조하고, 물 87.2g을 가하여 이를 틀에 넣고 양생하여 지름 5.8㎝, 높이 4.0㎝, 단위면적 26.41㎠한 크기를 갖는 포장체를 형성하였으며, 경화시간 및 압축강도를 측정하였다. 하기 표 2는 압축강도를 나타낸 것이고, 도 2는 제조된 포장체 시편의 사진이다.510 g of plastic waste material, 220 g of soil, 23 g of aluminum phosphate silicate prepared in Example 1 were mixed with a geopolymer to prepare a geopolymer concrete composition. 87.2 g of water was added to the mold to cure and 5.8 cm in diameter and 4.0 cm in height. , A package having a unit area of 26.41 cm 2 was formed, and curing time and compressive strength were measured. Table 2 shows the compressive strength, Figure 2 is a photograph of the prepared package specimen.

실시예 1의 지오폴리머로 제조된 포장체는 가사시간이 3시간 이내이고, 초결시간이 5시간 이내로, 매우 신속하게 경화가 진행됨을 확인할 수 있었다.
Packages made of the geopolymer of Example 1 was found that the pot life is within 3 hours, the initial time is within 5 hours, the curing proceeds very quickly.

<비교예 1>Comparative Example 1

소성폐자재 510g, 토양 220g, 기존 무기결합재 (예) 액상규산나트륨 계 )를 30g을 물 80g을 가하여 배합하여 실험예 1과 동일한 방법으로 포장체를 형성하고, 압축강도를 측정하여 표 2에 나타내었다. 30 g of plastic waste material 510 g, soil 220 g, and existing inorganic binder (e.g. liquid sodium silicate) were added to 80 g of water to form a package in the same manner as in Experimental Example 1, and the compressive strength was measured and shown in Table 2. It was.

이때 상기 압축강도는 1, 3, 5, 7, 14, 21, 28일 양생되었을 때의 압축강도를 압축시험기 (30000kgf load cell, 흥신기계)로 시험하였다.At this time, the compressive strength was tested by the compression tester (30000kgf load cell, Heungshin machine) when the compressive strength when cured for 1, 3, 5, 7, 14, 21, 28 days.

비교예 1Comparative Example 1 실험예 1Experimental Example 1 1일(Kgf)1 day (Kgf) 492492 377377 3일(Kgf)3 days (Kgf) 13121312 15171517 5일(Kgf)5 days (Kgf) 15771577 20802080 7일(Kgf)7 days (Kgf) 18201820 23442344 14일(Kgf)14 days (Kgf) 22242224 27802780 21일(Kgf)21 days (Kgf) 25602560 33453345 28일(Kgf)28 days (Kgf) 28812881 38903890

상기와 같은 결과에서 보여지는 바와 같이 초기에는 실시예 1의 지오폴리머를 사용한 실험예 1의 경우가 비교예 1의 경우보다 압축강도가 다소 떨어지나, 시간이 흐르면서 실험예 1의 경우가 비교예 1의 경우보다 압축강도가 현저하게 증가함을 알 수 있었으며, 이를 통해 본 발명에 따라 제조된 지오 폴리머를 이용하면, 종래 지오폴리머 콘크리트 조성물보다 향상된 압축강도 및 물성을 갖는 포장체 양생이 가능함을 확인할 수 있다.As shown in the above results, in the case of Experimental Example 1 using the geopolymer of Example 1, the compressive strength was slightly lower than that of Comparative Example 1, but in the case of Experimental Example 1 as time passed. It can be seen that the compressive strength is significantly increased than in the case, and by using the geopolymer prepared according to the present invention, it is possible to cure the package having improved compressive strength and physical properties than the conventional geopolymer concrete composition. .

Claims (6)

규산나트륨에 황산 알루미늄 칼륨을 첨가하여 알루미늄실리케이트 분산액을 형성하는 단계와;
상기 알루미늄 실리케이트 분산액에 인산나트륨염과 수산화나트륨을 첨가하고, 열을 가하여 용액화한 뒤, 결정핵이 형성될 때 냉각 및 숙성시킨 다음, 여과 또는 탈수 하여 인산 알루미늄 규산염을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 규산염을 이용한 지오폴리머의 제조방법.
Adding potassium aluminum sulfate to sodium silicate to form an aluminum silicate dispersion;
Adding sodium phosphate salt and sodium hydroxide to the aluminum silicate dispersion, applying heat to liquefy, cooling and aging when the crystal nucleus is formed, and then filtering or dehydrating to produce aluminum phosphate silicate; Method for producing a geopolymer using a silicate, characterized in that.
청구항 1에 있어서,
상기 규산나트륨 100중량부에 대하여 황산알루미늄 칼륨 250~300중량부를 첨가하되, 물이 상기 규산나트륨과 황산알루미늄 칼륨의 전체 배합량에 대하여 10~20중량부가 첨가되는 것을 특징으로 하는 규산염을 이용한 지오폴리머의 제조방법.
The method according to claim 1,
250 to 300 parts by weight of potassium aluminum sulfate is added to 100 parts by weight of the sodium silicate, and water is added in an amount of 10 to 20 parts by weight based on the total amount of the sodium silicate and potassium potassium sulfate. Manufacturing method.
청구항 2에 있어서,
상기 인산 알루미늄 규산염을 제조하는 단계에서,
인산나트륨염은 제조된 인산 알루미늄 규산염에 P2O3가 2~5중량% 함유되도록 첨가하며, 수산화나트륨은 인산 알루미늄 규산염에서 SiO2/Na2O 몰비가 0.4~1.8이 되도록 첨가하는 것을 특징으로 하는 규산염을 이용한 지오폴리머의 제조방법.
The method according to claim 2,
In the step of preparing the aluminum phosphate silicate,
Sodium phosphate salt is added to contain 2 to 5% by weight of P 2 O 3 to the prepared aluminum phosphate, sodium hydroxide is characterized in that the addition of the SiO 2 / Na 2 O molar ratio of 0.4 to 1.8 in aluminum phosphate. Method for producing a geopolymer using a silicate.
청구항 3에 있어서,
상기 인산 알루미늄 규산염을 제조하는 단계는 80~98℃의 열을 가하여 인산나트륨염과 수산화나트륨이 첨가된 알루미늄 실리케이트 분산액을 액상화하고, 이를 30~60분 유지하여 결정핵이 형성되기 시작하면 온도를 60℃로 냉각 및 숙성한 다음, 여과 또는 탈수하여 결정입자를 형성하는 것을 특징으로 하는 규산염을 이용한 지오폴리머의 제조방법.
The method according to claim 3,
The step of preparing the aluminum phosphate silicate is heated to 80 ~ 98 ℃ to liquefy the aluminum silicate dispersion with sodium phosphate salt and sodium hydroxide added, and hold it for 30 to 60 minutes to start the formation of crystal nucleus temperature 60 After cooling and ripening to ℃, it is filtered or dehydrated to form a crystal grain geopolymer using a silicate characterized in that.
청구항 1 내지 청구항 4중 어느 한 항의 방법으로 제조되어 SiO2가 14~16중량%, Al2O3가 0.5~1.5중량%, Na2O가 26~28중량%, P2O3가 2~5중량% 함유되고, SiO2/Na2O 몰비가 0.4~1.8인 인산 알루미늄 규산염으로 이루어진 것을 특징으로 하는 지오폴리머.The claims 1 to be made of a 4 any one of the methods of SiO 2 is 14-16 wt%, Al 2 O 3 is 0.5 to 1.5 wt%, Na 2 O is 26-28 wt.%, P 2 O 3 2 ~ A geopolymer comprising 5 wt% and consisting of aluminum phosphate silicate having a SiO 2 / Na 2 O molar ratio of 0.4 to 1.8. 삭제delete
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