KR101182872B1 - 산업부산물 및 저품위 석회석을 활용한 친환경 고강도 투수블럭 및 그의 제조방법 - Google Patents

산업부산물 및 저품위 석회석을 활용한 친환경 고강도 투수블럭 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업부산물 및 저품위 석회석을 활용한 친환경 고강도 투수블럭 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저품위 석회석, 천연골재 또는 재생골재, 결합재 및 혼화재를 포함하여 이루어진 투수블럭과, 저품위 석회석, 결합재 및 혼화재를 혼합하여 분체를 형성하는 과정, 상기 분체에 물결합재비가 10 내지 20 %가 되도록 물을 첨가하여 클링커 요인(Clinker factor)이 0.1 내지 0.25 인 페이스트를 형성하는 과정, 및 상기 페이스트에 천연골재 또는 재생골재를 첨가하여 양생 후 공극률이 15 내지 25 %인 투수블럭의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 폐기되던 저품위 석회석을 투수블럭의 골재로 적용할 수 있어, 천연골재 대체 및 환경오염 감소의 효과를 기대할 수 있으며, 시멘트 성분을 최소화하고 유기질 혼화재를 사용하지 않은 천연 무기재료로 알칼리 용출이 없고 고압축강도 발현이 가능한 친환경 투수블럭을 제공할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
투수블럭, 포러스 콘크리트, 친환경, 저품위 석회석

Description

산업부산물 및 저품위 석회석을 활용한 친환경 고강도 투수블럭 및 그의 제조방법{Environmental-friendly high-strength permeable block and its manufacturing method}
본 발명은 산업부산물 및 저품위 석회석을 활용한 친환경 고강도 투수블럭 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근 건설재료와 공법의 발전방향은 생태계의 보존 및 자연환경의 훼손을 극소화하는 환경부하저감형 및 환경 친화적 개발형태로 진행되고 있는 실정이다. 산업의 발달과 더불어 많은 건설재료가 개발발전되어 왔지만, 그에 따른 자연 친화적인 환경재료의 개발은 미치지 못하고 있는 실정이다.
현재 사용되는 건설재료의 대부분은 빗물의 투과를 막는 수밀성 제품을 요구하는 실정이며, 이로 인해 빗물이 토양으로 환원되지 않고 하수구로 흘러들어 여름 장마철에는 홍수의 주된 원인이 되기도 한다. 그뿐만 아니라 지하수의 고갈을 초래하여 도시의 사막화현상을 나타내는 생태계의 악영향을 주는 등 환경파괴의 원인이 되고 있다.
따라서, 환경친화형 재료로서 다량의 연속공극을 가진 포러스콘크리트(투수 블럭)의 개발이 절실히 요구되고 있으며, 포러스콘크리트의 연속 공극율에 의해 건설재의 투수성 및 입도에 따른 식생녹화공법, 수질정화공법, 투수성 포장공법 등 과 건축재의 흡음성, 단열성을 이용한 흡음공법 등의 용도로 이용되고 있다.
포러스콘크리트라 불리는 콘크리트용 재료는 주로 단입도의 골재와 시멘트 페이스트가 이용되고 있다. 단입도 골재로서는 JIS 5호 쇄석(13~20mm), JIS 6호 쇄석(5~13mm), JIS 7호 쇄석(2.5~5mm)이 이용되며 이들을 단독 또는 혼합 사용한 연구가 많다. 일부의 연구에서는 경량골재의 사용도 확인되고 있다.
시멘트는 대부분의 연구에서 보통포틀랜드 시멘트가 사용되며 그 중에는 강도개선과 생물과의 공생에 배려하여 실리카 흄과 플라이애시 등의 포졸란 반응이 기대되는 혼화재, 고로슬래그 미분말 등 잠재수경성이 기대되는 혼화재와 폴리머시멘트, 중성의 인산염계 시멘트를 사용한 저 알칼리화의 연구도 보여지고 있다.
또한, 콘크리트의 리싸이클을 목표로 재생골재의 사용과 재생 시멘트에 의한 포러스콘크리트의 연구는 현재에는 활발히 진행되고 있는 문헌이 보여지고 있다.
골재와 시멘트 페이스트의 체적비가 약 10~50% 범위의 연구범위가 대부분이다. 물결합재 비는 예전에는 40~50%범위의 연구이었지만 최근에는 고성능 AE감수제의 등장에 의해 물결합재 비가 30%이하 범위의 연구가 증가하고 있다.
골재는 사용재료에서 서술하였으며 주로 단입도의 쇄석이 사용되고 이것에 입경이 작은 골재를 소량 혼합하거나 잔골재를 사용하고 있는 예도 있다.
한편, 국내의 전체 광물 매장량은 2005년을 기준으로 92억 3천만톤으로 추산되고 있으며, 이중 비금속광 매장량은 77억 1천만 톤으로 전체 광물의 83% 이상을 차지하고 있다. 비금속 광물 중에서도 석회석 광물이 차지하는 비중은, 그 기준을 CaO 함량이 40% 이상, 맥폭 25m 이상 그리고 연장 100m 이상을 기준으로 하였을 때, 약 58억 5천만톤으로 비금속 광물의 약 75% 이상을 차지하고 있는 것으로 추정되며, 이중 확정된 매장량은 173개 광산에 약 3천 5백만톤인 것으로 공도되고 있다.
석회석 자원은 주로 강원, 충북 지역을 중심으로 상당히 많이 분포되어 있으며, 그 중에서도 충북 단양지역에 고품위 석회석 광맥이 밀집되어 있다. 충청북도 전체 지역에는 약 42개의 석회석 광산이 있으며, 매장량은 약 2억 7천만톤으로 국내 전체 지역에 대해 4.2%를 차지한다.
또한, 국내 석회석 자원 중 고품위로 분류되는 석회석은 강원 71.0%, 충북 16.1% 그리고 경북 11% 순으로 매장되어 있으며, 충청북도 및 강원도 지역의 고 품위 및 저 품위 석회석 분포현황을 살펴보면, 각 지역에 매장되어 있는 고 품위 및 저 품위 석회석의 상대적 비율을 보면 충청북도 지역이 약 절반 정도이며, 강원 지역은 약 87%에 이른다.
각 광산별로 고 품위 석회석 자원에 대한 무분별한 개발로 인한 고 품위 자원의 부족과 함께 점차적으로 중저급 위주의 채광 구조로 전환되어 갈 수 밖에 없는 실정을 고려할 때, 향후 고 품위 자원의 고갈과 함께 저 품위 또는 폐자원으로 분류되는 석회석의 양은 해마다 기하급수적으로 늘어날 것으로 예측되며 이를 효율적으로 처리하지 못하여 발생하는 2차적인 문제들 또한 심각할 것으로 예상된다.
다음 표 1과 표 2에는 충북 지역의 고 품위 및 저 품위 석회석의 매장량을 광산별로 각각 나타내었다.
[표 1]. 충청북도 지역별 고 품위 석회석 매장량
광산명 소재지 품위(%)
CaO		 맥폭(M) 연장(M) 매장량(천톤) 가채광량
(천톤)
확정 추정 계
대호입석(삼주) 괴산 연풍 52.5 50-100 500 537 537 375
한흥연풍 괴산 연풍 54.7 25-70 600 179 179 125
금 강 괴산 연풍 54.6 80-150 1,000 2,434 2,434 1,704
부 흥 괴산 청안 54.7 60 350 20 20 14
우인석회(신흥) 괴산 청안 54.1 50-100 300 551 551 386
백광여천 단양 가곡 53.4 30-40 1,300 733 1,312 2,045 1,578
대 곡 단양 매포 53.9 100-130 700 48,813 48,813 34,169
백광천주 단양 매포 54.7 100-250 750 1,641 4,744 6,385 5,272
백광영천 단양 매포 54.5 30-50 1,000 1,341 1,341 1,072
송천 A 단양 매포 53.1 100-150 800 1,365 1,365 1,092
광진연곡 단양 어상천 54.3 30-80 800 2,583 2,583 2,066
대성단양 단양 어상천 54.4 30-60 1,600 940 5,712 6,652 5,415
석 교 단양 어상천 53.9 40-50 1,500 2,419 2,419 1,693
갑 산 단양 자작 53.1 10-50 1,000 3,350 3,350 2,345
백 산 단양 영춘 55.3 30-80 1,600 3,353 3,353 2,347
한국석회 옥천 청산 53.3 30-70 500 767 767 536
우진성진 제천 금성 54.3 100-150 800 2,577 2,577 2,061
한국라임 제천 금성 54.7 100-130 400 2,498 2,498 1,998
대성제천 제천 두학 53.7 30-100 12,600 12,949 31,632 44,581 33,796
용 정 제천 두학 53.1 20-80 2,600 1,558 7,028 8,586 6,320
제 원 제천 두학 52.8 30-200 2,300 8,172 8,172 6,532
송 학 제천 송학 54.4 20-160 2,300 611 3,702 4,313 3,140
아 진 제천 자작 54.7 20-40 1,000 271 271 190
청 주 청원 가덕 54.6 100 800 2,040 2,040 1,632
우 일 청원 문의 54.1 70-80 700 605 605 423
계 25광산 18,432 138,005 156,437 116,281
[표 2]. 충청북도 지역별 저 품위 석회석 매장량
광산명 소재지 품위(%)
CaO		 맥폭(M) 연장(M) 매장량(천톤) 가채광량
(천톤)
확 정 추 정 계
광 덕 괴산 문광 49.7 30-40 500 463 463 324
장 암 괴산 청안 51.8 60 250 374 374 261
단양석회 단양 단양 47.0 300 700 2,541 2,541 1,778
성신노동
(대마노동)		 단양 대강 49.2 50-80 2,00 526 23,750 24,276 16,625
대 강 단양 대강 50.3 100-150 1,500 15,700 15,700 10,990
신 광 단양 매포 46.3 500 2,000 3,844 3,844 2,691
현대단양 단양 매포 47.4 500-600 1,500 30,632 30,632 21,442
영 동 영동 학산 51.2 180 230 1,988 1,988 1,590
영 춘 단양 영춘 42.8 200 1,800 7,392 7,392 5,174
쌍용(삼화) 단양 적성 51.8 100-450 800 24,861 24,861 17,402
반 석 영동 학산 53.0 130 550 980 980 686
영 동 영동 황간 46.0 50-90 400 97 97 97
삼 풍 영동 황간 45.5 120 250 480 480 336
유니온태성 옥천 청성 50.3 100-160 2,500 3,664 3,664 2,565
자 유 제천 대랑 49.4 50-150 1,000 2,883 2,883 2,018
포 전 제천 송학 40.4 100 800 1,112 1,112 778
도 화 제천 송학 26.7-47.0 100-200 600 1,418 1,418 992
계 17광산 526 122,179 122,705 85,719
상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 충북지역의 고 품위 석회석 매장량은 약 1억 5천만톤으로 추정되고 있으나, 저 품위 석회석 또한 약 1억 2천만톤으로 고 품위 자원의 전략적인 비축 및 저 품위 자원의 효율적인 활용을 위한 대책이 선행되어야 하며, 이를 통한 국내 자원 확보 정책이 뒷받침 되어야 할 것으로 판단된다.
국내 석회석 광산에서 해마다 대량으로 발생하고 있는 저 품위 석회석 자원을 효율적으로 처리하지 못하여 광산 주변에 야적하거나 그대로 방치하면서 발생하는 심각한 문제점을 나타내고 있다. 현재 국내 광산에서는 개발 과정에서 발생하는 저 품위 또는 폐자원이나 공정 과정에서 폐기물로 발생하는 각종 부산물을 매우 낮은 부가가치로 활용하거나 아무런 대책없이 야적된 상태로 방치하는 경우가 대부분 이어서 새로운 환경문제로 대두되고 있는 실정이다.
실제로 단양, 제천 및 영월 등 인근 지역에서 해마다 발생하는 저 품위 석회석 자원의 양은 약 7?8백만톤 가량으로 추산되고 있으며 이를 효율적으로 처리하지 못하여 시멘트, 골재 및 조경석 등 매우 낮은 부가가치(1?3천원/톤) 제품으로 활용되고 있어 고부가가치를 위한 기술개발을 통해 용도의 다양화가 필요한 실정이다.
또한, 현재의 생산 구조에서 중저급 석회석의 고순도화 등을 통한 석회석의 부가가치 향상과 원료 수급의 안정화 및 원료의 자급화를 바탕으로 고부가가치 산업구조로의 전환 모색이 시급하다.
본 발명은 충북 제천/단양 인근 지역에서 매년 6~7백만톤 이상 다량으로 발생하는 저품위 석회석을 투수블럭(포러스콘크리트)의 새로운 골재재료로서 활용하고 친환경 토건 소재를 개발고자 하였으며, 각종 산업부산물을 시멘트 대체용 원료로 사용하여 투수블럭 개발을 위한 배합도출을 위해 물성을 검토하여 최적의 물성을 나타내는 투수블럭을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 투수블럭의 강도를 좌우하는 결합재로서 시멘트 성분의 최소화는 물론 수지 등의 유기질 혼화재를 전혀 첨가하지 않고 천연 무기재료만으로 이온응집반응, 포졸란 반응, 잠재수경성 반응에 의하여 고 압축강도를 구현하고자 하였으며, 알칼리 용출이 없도록 한 투수블럭을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일례로서 본 발명은, CaO 순도 35 내지 45 % 의 저품위 석회석, 3 내지 25 mm 의 입도를 가지는 천연골재 또는 재생골재, 결합재 및 혼화재를 포함하며, 물결합재비가 10 내지 25 % 이고 클링커 요인(Clinker factor)이 0.1 내지 0.25 인 페이스트로 이루어진 것으로, 양생 후 연속공극률이 15 내지 25 % 인 투수블럭을 제공한다.
상기 저품위 석회석은 투수블럭 전체 중량 중 85 내지 95 중량% 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 결합재는 시멘트에 대한 고로 슬래그치환율이 10 내지 30 % 인 것이 바람직하다.
상기 혼화재는 리그닌계 감수재를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 페이스트는 플로우가 145 내지 155mm 인 것이 바람직하다.
상기한 목적을 달성하기 위한 다른 일례로서 본 발명은, CaO 순도 35 내지 45 %의 저품위 석회석과 결합재 및 혼화재를 혼합하여 분체를 형성하는 과정, 상기 분체에 물결합재비가 10 내지 20 %가 되도록 물을 첨가하여 클링커 요인(Clinker factor)이 0.1 내지 0.25 인 페이스트를 형성하는 과정, 및 상기 페이스트에 3 내지 25 mm 의 입도를 가지는 천연골재 또는 재생골재를 양생 후 공극률이 15 내지 25 % 가 되도록 첨가하여 혼합한 후 양생하는 과정을 포함하여 이루어지는 투수블럭의 제조방법을 제공한다.
상기한 본 발명에 의하면, 우수시에도 보행성이 우수하며, 열섬현상에 대한 지구온난화 현상발생을 줄일 수 있고, 비투수면으로 인한 도시홍수의 발생을 감소시킬 수 있으며, 물부족에 따른 지하수 고갈을 점진적으로 막을 수 있고, 비투수면으로 인한 비점오염을 막을 수 있는 투수블럭을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 폐기처리되던 저품위 석회석을 시멘트의 대체소재로 사용함으로써, 자원활용성을 향상시킬 수 있으며 클링커 요인 감소 등에 따라 CO2 발생을 감소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 저품위 석회석 및 시멘트 성분대체 소재활용에 따른 CO2 저감량을 산정해 보았을 때 다음과 같은 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
즉, 석회석분말, 고로수쇄슬래그, 실리카흄, 석고를 시멘트를 대체하여 사용하게 됨으로써, 기존의 시멘트 생산시 발생되는 CO2 량이 저감되고(시멘트 1 ton 생산시 830kg CO2 발생), 시멘트 대체로 인한 CO2 발생저감(시멘트 1%를 부산자원 대체시 8.3kg CO2 발생 저감) 등의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 클링커 요인(C.F)의 감소에 따라 CO2발생은 지속적으로 감소될 것으로기대되며, 시멘트 대체비율에 비례하여 탄소배출권 확보가 증가될 것으로 기대되고(탄소배출권 36,500원/ton), 탄소세 적용이 감소(탄소세 3,464원/ton으로 시멘트 대체비율의 약 20%정도만 탄소세 적용)될 것으로 기대된다.
이하, 본 발명의 일례를 실시예, 실험예 및 도면에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예 및 도면에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실험예 1. 포러스콘크리트 제조 물성실험
본 실험은 석회석광산의 저품위석회석에 대한 포러스 콘크리트 골재로서의 활용 타당성을 조사하기위하여 골재의 종류 및 골재 입도별 포러스 콘크리트의 물리적 성능에 관한 비교실험을 기준하여 골재의 종류 및 입도를 선택하고 포러스콘크리트의 페이스트(Paste)의 역할을 하는 시멘트 첨가량을 산업폐기물인 고로슬래그와 치환(置換) 첨가함으로써 이에 대한 물리적 실험을 검토하고자 하였다.
1) 실험계획
다음 표 3에서와 같이 저품위 석회석, 천연골재를 각 입도별 4~8mm, 14~25mm로 구분하고 천연골재인 강자갈의 경우 8mm 그 이상의 입도를 가진 골재는 수급(受給)의 어려움으로 천연골재의 경우 4~8mm의 한 가지 입도만을 가지고 아래와 같이 실험을 실시하였다. 또한, 시멘트 페이스트에 대한 고로슬래그(이하 “BFS”라 칭 함)를 각 첨가량에 따라 치환하여 슬래그의 친환활용 가능성을 병행 검토를 실시하였다.
[표 3]. 실험인자 및 수준
구분 실험인자 실험수준 실험 수
시리즈 Ⅰ
(광산폐석)		 4 ~ 8 mm
14 ~ 25 mm		 BFS 0, 25, 50, 75% 8
시리즈 Ⅱ
(천연골재)		 4 ~ 8 mm BFS 0, 25, 50, 75% 4
2) 실험재료
① 시멘트
본 실험에 사용된 시멘트는 국내 A사에서 생산되는 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 그 화학적 성질은 아래 표 4 및 표 5와 같다.
[표 4] 시멘트의 화학적 성질
시멘트종류 LoI MgO K2O Na2O 무수황산(SO3) 비고
C3A < 8%일때 C3A > 8%일때
1종 보통
포틀랜드시멘트		 3.0이하 5.0이하 - - 3.0이하 3.5이하 KS규격
0.54 2.32 0.95 0.15 - 1.87 시험결과
[표 5] 시멘트의 물리적 성질
항 목 단위 KS 규격 시험결과
분말도 비표면적 ㎠/s?g 2,800이상 3,401
안정도
(오토클레이브팽창)		 % 0.8이하 0.08
응결시간
(길모어)		 초 결 분 60이상 205
종 결 시간 10이하 4:45
압축강도 3일 강도 kg/㎠ 130이상 222
7일 강도 kg/㎠ 200이상 311
28일 강도 kg/㎠ 290이상 406
비 중 - - 3013
② 혼화제
본 실험에 사용된 혼화제는 국내 H사의 나프탈렌계 고성능감수제를 사용하였으며, 그 화학적 성질은 아래 표 6 과 같다.
[표 6] 혼화제의 화학적 성질
혼화제종류 비중 유형 색상 주성분 독성
나프탈렌계 1.1 액상 암갈색 1. Sodium Salt of Naphthalen Sulfonate 계
2. Calcium salt of Ligno Sulfonate 계
3. Sodium Gluconate 계		 무
③ 골재
본 실험에 사용된 골재는 광산폐석/천연골재로서 각 골재의 입도별 물리적 성질은 아래 표 7과 같다.
[표 7] 골재입도별 물리적 성질
골재종류 골재치수
(mm)		 실적율
(%)		 공극율
(%)		 단위용적중량
(㎏/ℓ)		 비 중 비 고
광산폐석 4 ~ 8
14 ~ 25		 60
57		 40
43		 1.57
1.62		 2.84
2.84		 단양군 어상천
(D사)
천연골재 4 ~ 8 65 35 1.61 2.49 충북 제천산
④ 고로슬래그
본 실험에 사용된 고로슬래그는 국내 K사의 고로 수쇄슬래그를 사용하였으며, 그 물리적화학적 성질은 아래 표 8과 같다.
[표 8] 고로슬래그의 물리화학적 성질
밀도 비표면적
(㎠/g)		 활성도지수(%) 플로값비
(%)		 산화
마그네슘
(%)		 삼
산화황
(%)		 강열
감량
(%)		 염화물
이온
(%)		 염기도
재령7일 재령28일 재령91일
2.90 4,450 78 108 125 101 4.30 0.32 0.02 - 1.81
3) 실험배합
실험은 다음 표 9와 표 10에서와 같이 골재종류별 시리즈Ⅰ과 시리즈Ⅱ로 나누어 실시하고, 고로슬래그의 첨가는 각 입도별 시멘트 페이스트 대비 0, 25, 50, 75%로 산정(算定)하여 치환첨가(置換添加) 한다.
[표 9] 광산폐석 실험배합표
시리즈Ⅰ
(광산폐석)		 BFS
치환율
(%)		 W/C
(%)		 용 적(ℓ/㎥) 중 량(㎏/㎥) 감수제
(g)
W Binder G Air W Binder G
C BFS
4~8mm 0 25 67 85 649 200 67 268 0 155 시멘트의 1%
25 201 67
50 134 134
75 67 201
14~25mm 0 25 47 59 644 250 47 186 0 1746
25 201 67
50 134 134
75 67 201
※ 비중 : C(3.15), G(2.71)
[표 10] 천연골재 실험배합표
시리즈 Ⅱ
(천연골재)		 BFS
치환율
(%)		 W/C
(%)		 용 적(ℓ/㎥ 중 량(㎏/㎥) 감수제
(g)
W Binder G Air W Binder G
C BFS
4~8mm 0 25 67 85 649 200 67 268 0 1557 시멘트의 1%
25 201 67
50 134 134
75 67 201
※ 비중 : C(3.15), G(2.40)
4) 실험방법
실험시편 제작
본 실험을 위해 사용되는 실험기기는 진동가압성형기로서 몰드의 규격은 350mm × 300mm × 100mm인 것을 사용하였다.
시험방법
① 시험체 제작
상기 조건으로 제작 후 24시간 동안 습윤양생조에서 양생한 다음 도 1에 나타낸 바와 같이 350mm × 300mm × 100mm의 시편을 100mm × 100mm × 100mm로 커터를 사용하여 9등분으로 절단하여 제작하였다.
② 압축강도
포러스콘크리트의 압축강도는 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험방법에 준하여 최대 하중을 측정한 후 아래 식에 의하여 압축강도를 산정하였으며 디지털압축강도 시험기(20ton)을 사용하여 측정하였다.
σc = (kgf/㎠)
여기서, σc는 압축강도 (kgf/㎠), P는 최대하중 (kgf), A는 공시체의 단면적 (㎠)이다.
③ 공극율
1. 공시체의 용적 V1을 사전에 산출한다.
2. 시험용기 내에서 포러스콘크리트를 경화시켜 탈형하고, 24시간 이상 공시체를 수중에서 포수시킨 후, 수중중량 W1을 측정한다. 그때, 공시체 내에 잔여공기 가 없도록 수중에서 공시체를 돌려주며 공기를 충분히 제거한다.
3. 20± 2℃, 상대습도 60%에서 24시간 자연방치하여 공시체를 표건상태로 하여 기중중량 Ｗ2를 측정한다.
포러스콘크리트의 전공극율 A(%)는 용적법인 다음 식에 의해 구한다.
Ａ=[1 -(W2-W1)/V1] × 100
여기서, 상기 Ａ는 콘크리트의 전공극율 및 연속공극율, Ｖ1는 공시체의 용적, Ｗ1는 공시체의 수중중량, Ｗ2는 24시간 자연방치 후 기중중량(전공극율의 경우)과 일정중량(연속공극율의 경우)이다.
④ 단위용적중량
포러스콘크리트의 압축강도용 공시체에 대하여 체적에 대한 중량으로 아래 식에 의하여 단위용적중량을 산정하였다.
ＵW = W/V(kg/㎥)
여기서, 상기 UW는 단위용적중량 (kg/㎥), W는 공시체 중량 (kg), V 는 공시체 부피(㎥)이다.
(다) 실험결과
다음 표 11과 표 12는 각 골재종류별 고로슬래그 치환률에 따른 입도별 압축강도(kgf/㎠), 공극률(%), 단위용적중량(g/㎤) 측정결과를 나타낸 것이다.
[표 11] 골재종류에 따른 치수별 압축강도
종 류 치 수
(mm)		 압축강도(kgf/㎠)
재령 7일 재령 14일 재령 28일
0% 25% 50% 75% 0% 25% 50% 75% 0% 25% 50% 75%
광산폐석 4 ~ 8 131 142 127 105 106 129 95 120 118 106 98 103
14 ~ 25 58 58 69 65 40 38 46 77 57 67 81 72
천연골재 4 ~ 8 131 101 134 108 143 114 145 121 177 114 102 143
[표 12] 골재별 공극률
골재종류
(mm)		 광산폐석 천연골재
4 ~ 8 14 ~ 25 4 ~ 8
0% 25% 50% 75% 0% 25% 50% 75% 0% 25% 50% 75%
공극률
(%)		 22 21 25 23 32 31 29 29 14 20 19 15
1) 고로슬래그 치환첨가에 따른 골재종류 및 입도별 실험결과 및 고찰
상기 실험측정결과 도 2 내지 8 에서 보는바와 같이 골재종류별 고로슬래그 치환율에 따른 재령별 압축강도경향에서 광산폐석 4 ~ 8mm 골재의 경우 전반적으로 BFS의 치환(置換)첨가에 상관없이 재령이 지날수록 강도가 저하되는 경향을 보였고 14 ~25mm골재는 장기강도 발현을 확인할 수 있었다. 천연골재인 강자갈의 경우 4~8mm 골재, 치환 첨가율 중 75%에서 월등히 높은 장기 압축강도를 나타내었다.
시멘트의 수화단계(水化段階) 과정에서 겔(gel) 피막이 형성하는 과정 중 휴지기(休止期; Dormant period)가 이루어지는데 이는 피막생성으로 수화반응이 중지되는 상태를 말한다.
여기에 실험배합에서는 고로슬래그가 첨가되어 반응하는데, 고로슬래그는 잠재수경성으로서 물에 접하면 슬래그 입자의 표면에 치밀한 불투수성의 산성피막을 형성하고 계속적인 반응을 위해서는 강알칼리가 공급되어 그 피막이 파괴된다. 피막이 파괴되면 슬래그 표면에서부터 용해작용이 시작되어 불용성물질이 생성되어 슬래그의 경화가 시작되는 것이다.
이는, 실험배합설계상 시멘트와 고로슬래그의 치환첨가에 있어서 위에 언급한바와 같이 시멘트의 휴지기와 고로슬래그의 불투수성의 산성피막형성이 이루어지면서 재령 14일에서의 강도가 낮아지는 것으로 사료된다.
일반 보통포틀랜드 시멘트만을 사용했을 경우에 비해 휴지기가 늦기는 하나 시멘트의 휴지기 이후 시멘트에서 수산화칼슘(Ca(OH2)이 반응물질로 생성 되어 고로슬래그의 불투수성 산성피막을 파괴하여 재령 28일의 장기 압축강도증진의 원인으로 사료된다.
2) 압축강도와 단위용적중량 및 공극률과의 상관관계에 대한 실험결과 및 고찰
도 9 내지 10은 각 골재의 입도에 따른 압축강도와 단위용적중량 및 공극률과의 상관관계를 나타내는 것이고, 도 11 및 12는 단위용적중량과의 상관관계를 나타내는 것으로 4 ~ 8mm 골재의 광산폐석과 천연골재인 강자갈의 같은 입도에서 강자갈이 단위중량이 낮으면서 높은 압축강도(kgf/cm2)를 나타냈으며, 광산폐석 14 ~ 25mm 골재의 경우 4 ~ 8mm시편에 비해 낮은 압축강도를 보이고 있으나 이는 골재자체의 입도가 큼으로 그만큼 시편 내(內) 높은 공극을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 2. 친환경 투수 블록 결합재 특성평가
에너지 다소비형인 보통 포틀랜드시멘트를 대신하여 산업부산물로의 대체 활용에 따른 물성특성 연구를 실시하여 동일 수준이상의 포러스 블록 제조가능성을 검토하였다.
1) 실험방법
본 실험예 에서는 건설용 2차 제품 중 페이스트 강도가 중요한 투수 블록의 특성에 따라 분체 배합 중 시멘트의 함량을 조절하여 Clinker Factor(CF)의 요인을 정하고 그 페이스트의 특성을 파악하였다. 본 실험에서의 요인 및 수준은 표 13 과 같고 배합표는 표 14와 같이 하였다.
먼저 페이스트의 배합사항으로 W/B는 15, 20%로 하였고 CF는 5, 10, 15, 20, 25, 30%로 하였으며, 페이스트의 목표 플로우는 150± 30㎜로 계획하였다. 페이스트의 플로우 측정방법으로는 Φ50× 50㎜의 원기둥 형태의 관을 사용하였고, 압축강도는 재령 3, 7, 28일에 측정하는 것으로 계획하였다.
측정 결과는 도 13a와 도 13b에 페이스트 플로우 사진을 나타내었고, 도 14a 및 도 14b에 재령별 압축강도의 사진을 나타내었으며, 도 15 및 표 15에는 클링커 요인, 물결합재비 및 재령에 따른 압축강도 변화를 나타내었다.
[표 13]. 실험요인 및 수준
요인 수준
W/B(물/시멘트 비) 2 15%, 20%
플로우 1 150 ± 30 mm
CF요인 5 5, 10, 15, 20, 25, 30%
측정항목 1 압축강도(3, 7, 28일)
[표 14]. 배합표
구분 W/B(%) BSC * SF1) PS2) GH3) PL4) GS5) SP6)(%) 비고
CF0.05 15/20 7.1 2.0 73.9 3.0 7.0 7.0 2.5/1.5
CF0.10 14.3 2.0 70.7 3.0 5.0 5.0
CF0.15 21.4 2.0 65.6 3.0 4.0 4.0
CF0.20 28.6 2.0 60.4 3.0 3.0 3.0
CF0.25 35.7 2.0 55.3 3.0 2.0 2.0
CF0.30 42.9 2.0 50.1 3.0 1.0 1.0
*BSC : A 사 고로슬래그시멘트 2종
1)SF : Silica Fume, 2) PS : 보통포틀랜드시멘트, 3) HG : 중질탄산칼슘,
4)PL : Ca(OH)2, 5) GS : 무수석고,
6) 고성능 유동화제(폴리카르본산계)
[표 15]
구분 압축강도 비고
W/B 15% W/B 20%
재령 3일 재령7일 재령 28일 재령 3일 재령7일 재령 28일
CF0.05 35.6 50.9 64.2 32.4 49.2 58.8
CF0.1 48.5 74.5 84.5 44.2 56.0 71.8
CF0.15 50.4 81.5 89.3 46.7 63.7 75.6
CF0.2 62.2 86.0 95.1 48.9 67.6 79.2
CF0.25 66.4 87.7 99.0 58.0 68.1 82.1
CF0.3 68.4 95.5 113.1 61.6 77.9 88.3
도 13a, 13b, 14a 및 14b와 상기 표 15에 나타낸 바와 같이, 전반적으로 W/B가 낮을수록, CF 요인이 높을수록 강도가 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 재령 28일에서 W/B 20%, CF0.3이 88.3MPa로 나타났고, 이와 유사한 강도는 W/B 15%, CF0.10, 0.15가 84.5, 89.3MPa로 나타나, 낮은 CF 요인에서도 낮은 W/B가 강도발현에 영향을 미치는 것으로 판단되며 차후 2차 제품 생산 시에 낮은 W/B가 중요할 것으로 판단된다.
실험예 3. 친환경 투수블록 시제품 생산 및 시범적용
석회석 광산의 폐석회석(CaO 순도 35 내지 45 %의 저품위 석회석)을 골재로한 투수블록 시제품을 생산하였다. 시제품의 생산은 시멘트의 클링커 요인 조정시험을 결과를 토대로 하였다.
(1) 실험방법
1) 시제품생산
클링커 요인(Clinker Factor, CF)를 조절한 기초실험을 토대로 결합재의 최적 배합 범위를 도출 하였다. 실험결과 최적배합비는 강도와 유동성을 고려한 결과 CF 0.15~CF 0.25 배합이 적당하였으며, 물비는 15%로 하였다. 3축 휨강도를 측정하여 실제 제품의 투수블록으로서의 적합성 여부를 조사하였다.
골재입도는 3~5mm로 하였으며, 시제품은 250×125×65mm 크기로 제작하였다. 양생온도는 28℃로 하여 3, 7, 14, 28, 56일 동안 양생하여 휨강도를 측정하였다.
2) 시제품 시범적용
제조된 시제품의 현장적용시험을 통하여 상용화 적합성을 판단하고자 하였다. 실제 생산설비는 국내 C 사의 블록 실생산설비를 이용하여 생산하였으며 약 200 ㎡ 크기로 시범적용을 실시하였다. 시험생산공정은 원료계량 혼합→Dry Mixing→Dry mortar 이송→Mortar mixing→제품성형→양생→제품선별의 공정으로 하였다.
또한, 제품의 색상테스트를 위하여 Red, Green, Yellow 계열의 착색재를 활 용하여 혼합사용 적합성 여부를 판단하고자 하였다.
(3) 실험결과
1) 시제품생산
클링커 요인 20%에 해당하는 C.F 0.20 배합으로 시제품을 만들어 강도특성을 조사하였다. 양생일은 3, 7, 14, 28, 56일로 하였으며, 각 재령일에 10개의 시제품에 대한 강도측정 후 평균을 내었다. 휨강도(압축강도)시험결과는 도 17과 다음 표 16에 나타내었다. 또한, 착색제를 적용한 컬러 투수블럭의 사진은 도 18에 나타내었다.
[표 16] 각 재령별 휨강도 측정결과
재령 3일 재령 7일 재령 14일 재령 28일 재령 56일
1 2.98 3.69 4.58 5.77 6.09
2 2.56 3.69 5.12 5.42 5.84
3 2.36 3.14 4.56 5.64 5.66
4 2.25 3.25 4.64 5.09 5.46
5 2.69 3.89 4.58 5.82 4.66
6 2.15 3.45 4.99 5.56 5.58
7 2.44 3.19 5.01 5.54 5.44
8 2.20 3.98 5.11 6.01 6.10
9 2.56 3.58 5.12 5.40 5.95
10 2.15 3.55 4.82 5.47 4.97
평균 2.43 3.54 4.85 5.57 5.58
상기 표 16에 나타낸 바와 같이, 일반적인 투수블록의 최소 휨강도치인 4N/mm2은 재령 7일에서는 약간 떨어지기는 하지만 재령 14일에서는 충분히 기준강도 치를 웃도는 것을 확인할 수 있으며, 최대 5.58N/mm2의 강도값을 나타내어 기준강도 값에 40% 정도의 강도향상 효과를 가져 오는 것으로 나타났다. 따라서 실제 투수제품으로서 활용가능성이 충분히 있다고 판단되었다.
상기한 결과를 토대로 계절변화, 온도변화, 습도변화 등에 따른 적용 블록의 장기안정성을 지속적으로 검토하여 블록제품의 배합 및 원료의 조정을 통해 사업화에 이를 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 투수블럭(포러스 콘크리트)의 커팅 시편을 나타낸 사진이다.
도 2는 광산폐석 4?8 mm를 사용한 투수블럭의 고로슬래그 치환율에 따른 재령별 압축강도를 나타낸 것이고, 도 3은 광산폐석 14?25mm를 사용한 투수블럭의 고로슬래그 치환율에 따른 재령별 압축강도를 나타낸 것이고, 도 4는 강자갈 4?8mm 를 사용한 투수블럭의 고로슬래그 치환율에 따른 재령별 압축강도를 나타낸 것이다.
도 5는 고로슬래그 치환율 0 %인 투수블럭의 골재종류에 따른 재령별 압축강도를 나타낸 것이고, 도 6은 고로슬래그 치환율 25 %인 투수블럭의 골재종류에 따른 재령별 압축강도를 나타낸 것이고, 도 7은 고로슬래그 치환율 50 %인 투수블럭의 골재종류에 따른 재령별 압축강도를 나타낸 것이고, 도 8은 고로슬래그 치환율 75 %인 투수블럭의 골재종류에 따른 재령별 압축강도를 나타낸 것이다.
도 9는 재령 14일 투수블럭의 압축강도와 단위용적중량과의 상관관계를 나타낸 것이고, 도 10은 재령 28일 투수블럭의 압축강도와 단위용적중량과의 상관관계를 나타낸 것이다.
도 11은 재령 14일 투수블럭의 압축강도와 공극율과의 상관관계를 나타낸 것이고, 도 12는 재령 28일 투수블럭의 압축강도와 공극율과의 상관관계를 나타낸 것이다.
도 13a는 물결합재비 15% 인 경우 클링커 요인(CF)에 따른 페이스트 플로우 결과를 나타낸 사진이고, 도 13b는 물결합재비 20%인 경우 클링커 요인에 따른 페이스트 플로우 결과를 나타낸 사진이다.
도 14a는 물결합재비 15% 인 경우 클링커 요인에 따른 압축강도 측정결과를 나타낸 사진이고, 도 14b는 물결합재비 20%인 경우 클링커 요인에 따른 압축강도 측정 결과를 나타낸 사진이다.
도 15는 클링커 요인, 물결합재비 및 재령에 따른 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
삭제
도 17은 클링커 요인 0.2의 배합으로 제조된 투수블럭의 재령별 휨강도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18은 착색제를 적용한 시제품의 사진이다.

Claims (6)

  1. CaO 순도 35 내지 45 % 의 저품위 석회석, 3 내지 25 mm 의 입도를 가지는 천연골재 또는 재생골재, 결합재 및 혼화재를 포함하며, 물결합재비가 10 내지 25 % 이고 클링커 요인(Clinker factor)이 0.1 내지 0.25 인 페이스트로 이루어진 것으로, 양생 후 연속공극률이 15 내지 25 % 인 것임을 특징으로 하는 투수블럭.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 저품위 석회석은 투수블럭 전체 중량 중 85 내지 95 중량% 범위로 포함되는 것임을 특징으로 하는 투수블럭.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 결합재는 시멘트에 대한 고로 슬래그치환율이 10 내지 30 % 인 것을 특징으로 하는 투수블럭.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼화재는 리그닌계 감수재인 것을 특징으로 하는 투수블럭.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 페이스트는 플로우가 145 내지 155 mm 인 것임을 특징으로 하는 투수블럭.
  6. CaO 순도 35 내지 45 % 의 저품위 석회석과 결합재 및 혼화재를 혼합하여 분체를 형성하는 과정,
    상기 분체에 물결합재비가 10 내지 20 %가 되도록 물을 첨가하여 클링커 요인(Clinker factor)이 0.1 내지 0.25 인 페이스트를 형성하는 과정, 및
    상기 페이스트에 3 내지 25 mm 의 입도를 가지는 저품위 석회석 골재를 양생 후 공극률이 15 내지 25 % 가 되도록 첨가하여 혼합한 후 양생하는 과정
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 투수블럭의 제조방법.
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