KR101879269B1

KR101879269B1 - 산업부산물을 이용한 시멘트 모르타르용 팽창성 수축저감형 균열방지 조성물 및 시멘트 모르타르용 팽창재 조성물의 제조 방법

Info

Publication number: KR101879269B1
Application number: KR1020160092062A
Authority: KR
Inventors: 윤기원; 박용규; 김현우; 고효진; 우양이; 박근배; 조도영; 이명운
Original assignee: 아주산업 주식회사; 주식회사 에이지
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2018-07-17
Also published as: KR20180010013A

Abstract

본 발명은 종래의 시멘트 모르타르가 시간의 경과에 따른 건조 과정, 시멘트 수화 과정 및 광물의 특성에 따라 수축이 일어남에 따라서 경화 후 균열이 발생되는 문제점이 있는바, 균열 발생을 방지하기 위한 팽창재 조성물을 통하여 수축이 없는 시멘트 모르타르를 제공한다.
팽창제는 폐알루미늄 분진과 탈황석고로 구성되며, 시멘트, 잔골재, 혼화재로 구성되는 시멘트 모르타르 조성에 첨가되어 시멘트 모르타르의 양생과정에서 수축을 억제하고 균열발생을 방지한다.

Description

산업부산물을 이용한 시멘트 모르타르용 팽창성 수축저감형 균열방지 조성물 및 시멘트 모르타르용 팽창재 조성물의 제조 방법{Expansible contraction reduction type of crack prevention composite for cement mortar}

본 발명은 시멘트 모르타르용 무기질계 팽창재 조성물에 관한 것으로서 시멘트 모르타르 건조시 수축에 의해 균열이 발생되지 않는 수축저감제인 팽창성 재료의 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 아파트나 다세대주택 등 공동주택 건축과정에서 바닥 슬라브 시공이나 주차장 바닥면을 시멘트 모르타르 시공 할때 시멘트 모르타르의 건조수축에 의해 균열이 발생된다. 이러한 건조 모르타르의 균열은 시공 후 하자 발생의 대부분을 차지하고 있다. 이러한 바닥용 시멘트 모르타르의 균열 발생 원인은 시멘트, 혼화재, 골재의 재료에 의한 원인과 물/시멘트 비율, 양생시 온도, 습도 등 시공조건과 환경적 요인에 의한 원인으로 생각할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 종래는 시멘트 조성물 건조시에 발생하는 수축을 보상하기 위하여 시멘트용 팽창제를 추가로 보충하여 균열을 방지하는 방향으로 개발되어 왔다.

통상적으로 사용되는 온돌 미장용 모르타르는 작업성을 증대시키기 위하여 정유공장에서 공정시 발생하는 배연 탈황석고를 첨가하여 시공하고, 계절적 온도변화나 성분 특성이 불균일하여 발생하는 수축으로 인한 균열을 방지하기 위해 별도의 수축저감제를 이용하였다.

대한민국 특허공보 제10-1398848호에는 배연탈황 부산물과 수미석을 이용한 배연탈황 부산물으로 제조된 시멘트 몰탈용 무기질계 팽창재 조성물을 사용하고 있으며, 팽창재 조성물과 시멘트, 모래, 플라이애쉬, 슬래그 미분말, 증점제, 실리카 흄, 실리카 미분말, 섬유보강재를 포함하는 시멘트 모르타르 조성물을 사용하고 있다.

또한, 대한민국 특허공보 제10-1456111호에는 정유부산애시, 열병합애시, 플라이애시를 혼합한 팽창재를 사용하고 있다.

하지만, 상기와 같은 배연 탈황석고 및 수축저감제의 첨가에도 불구하고 배연 탈황석고의 불안정한 요소로 극심하게 발생하는 균열로 인해 구조물의 안정성 및 내구성이 저하되는 문제점이 발생하였다.

따라서, 상술한 문제를 해결하고자 본 발명은 탈황석고와 폐알루미늄 분진을 소정 비율로 혼합한 상태의 시멘트 모르타르용 무기질계 팽창재를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 관점에 따른 시멘트 모르타르용 팽창재 조성물은 탈황석고; 및 폐알루미늄 분진;을 혼합 형성하고, 상기 탈황석고 및 상기 폐알루미늄을 90 대 10의 비율로 혼합한다.

상기 탈황석고는 유동층 연소 보일러에서 연료로 사용되는 석탄(유연탄 또는 무연탄) 또는 페트로코크스에 포함된 황 화합물의 대기 배출을 방지하기 위해 탈황제로 사용되는 석회석 분말 또는 입자가 고온에서 열분해(탈탄산)되어 생성되는 생석회와 연료중에 포함되어 있는 황 화합물이 반응하여 생성되는 화합물이며, 폐알루미늄 분진은 알루미늄 괴를 알루미늄 용탕에서 용융한 후 용융된 알루미늄을 용탕하부의 인출구로 인출하고, 부유되는 부유물로서 일부 알루미늄 금속과 알루미늄 산화물(산화알루미늄), 이산화규소로 구성되어 있으며, 이중 알루미늄 성분은 60% 이상을 차지하고 있다.

폐알루미늄 분진은 분말도 4000㎠/g 이상으로 미분말로서 반응성 우수하고, 금속 Al 분말은 시멘트 중의 Ca와 반응하여 팽창하는 특성을 나타내며, 고순도 Al 분말은 시멘트 중의 Ca와 반응성이 높아 팽창 특성을 제어하기 어려움이 있다. 예로서 ALC 제조시 발포제로 사용되는 금속 Al은 분말로서 혼합하는 경우에는 반응시간 제어가 어려워 대부분 금속 Al 페이스트 상태로 혼합하고 있다.

본 발명에서 사용하는 폐알루미늄 분진은 산화알루미늄과 금속 알루미늄이 혼합되어 있어 금속 Al의 양이 상대적으로 적어 시멘트의 Ca와 급격한 반응을 방지하는 역할을 한다.

본 발명은 종래의 시멘트 모르타르가 시간의 경과에 따른 건조 과정, 시멘트 수화 과정 및 광물의 특성에 따라 수축이 일어남에 따라서 경화 후 균열이 발생되는 문제점이 있는바, 균열 발생을 방지하기 위한 팽창재 조성물을 통하여 수축이 없는 시멘트 모르타르를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 실시에 따른 시멘트 모르타르용 팽창재의 사용에 의해 건물의 바닥과 주차장 바닥 등 시공후 균열 발생을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 폐알루미늄 분진의 발열 특성을 나타낸다.
도 2는 폐알루미늄 분진 과잉 첨가에 의해 나타나는 부풀음 현상을 보인다.
도 3은 팽창재 혼합비율에 따른 시멘트 모르타르의 압축강도값을 보인다.
도 4는 팽창재 혼합비율에 따른 시멘트 모르타르의 압축강도값을 보인다.
도 5는 팽창재 혼합비율에 따른 시멘트 모르타르의 수축-팽창값을 보인다.
도 6은 시멘트 모르타르 경화체의 수축-팽창률을 측정하는 장치 및 측정시료를 보인다.
도 7은 시멘트 모르타르용 팽창성 수축저감형 균열방지 조성물을 제조하는 공정을 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확하게 하기 위해, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

팽창재는 정유공장의 배연탈황공정에서 발생되는 탈황석고와 알루미늄 괴를 용융하여 금속 알루미늄을 추출한 후 잔류물질인 폐알루미늄 분진을 혼합하여 형성한다.

본 발명에 사용되는 탈황석고는 유동층 연소 보일러에서 연료로 사용되는 석탄(유연탄 또는 무연탄) 또는 페트로코크스에 포함된 황 화합물의 대기 배출을 방지하기 위해 탈황제로 사용되는 석회석 분말 또는 입자가 고온에서 열분해(탈탄산)되어 생성되는 생석회와 연료 중에 포함되어 있는 황 화합물이 반응하여 생성되는 화합물이며, 폐알루미늄 분진은 알루미늄 괴를 알루미늄 용탕에서 용융한 후 용융된 알루미늄을 용탕 하부의 인출구로 인출하고, 부유되는 부유물로서 일부 알루미늄 금속과 알루미늄 산화물(산화알루미늄), 이산화규소로 구성되어 있으며, 이중 알루미늄 성분은 60% 이상을 차지하고 있다.

팽창재 제조에 사용되는 폐알루미늄 분진의 특성은 하기와 같으며,

하기의 표 1에서는 본 발명에 따른 폐알루미늄 분진의 화학 성분을 나타낸다.

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	TiO₂	P₂O₅	Na₂O	K₂O	Cl	F	MnO	Cr₂O₃	ZnO	CuO	BaO	SUM
4.13	67.92	0.81	1.51	8.12	0.89	0.87	0.13	6.26	0.81	3.99	3.30	0.09	0.07	0.45	0.29	0.28	99.92

하기의 표 2에서는 본 발명에 따른 폐알루미늄 분진의 물리적 특성을 나타낸다.

pH	9.16	진비중	3.06
분말도	4490 ㎠/g	강열감량	-3.01

도 1에서는 본 발명에 따른 폐알루미늄 분진의 발열 특성을 나타낸다.

표 2에서 강열감량이 “음”값을 나타내는 것은 폐알루미늄 분진중 Al 성분중 일부분이 금속으로 존재하고 있음을 나타내는 것이다.

강열감량이 음의 값을 나타내는 것은 가열에 의해서 무게가 증가한 것을 나타내는 것으로 금속 Al이 고온에서 산화되어 산소와 결합하여 산화알루미늄으로 되고 따라서 산소와 결합됨으로써 무게가 증가된 것을 나타낸다.

본 발명에서 팽창재의 원료로 사용된 정유공장의 배연탈황공정에서 발생되는 탈황석고이고, 알루미늄 분진은 알루미늄 괴를 용융하여 금속 Al을 추출한후 잔류한 미분말로서 금속 알루미늄을 포함하고 있다.

금속 알루미늄은 Ca와 Na가 존재할 때 다음과 같은 반응에 의해서 수소가스를 발생하며, 발포되고 팽창하는 특성를 가지고 있다.

2Al + Ca(OH)2 + 2H2O → CaAl2O4 + 3H2

2Al + 2NaOH + 2H2O → 2NaAlO3 + 3H2

위와 같은 화학반응 때문에 과도한 폐알루미늄 분진 사용은 도 2와 같은 이상 팽창(부풀음) 현상을 일으킨다. 따라서 폐알루미늄 분진을 팽창재로 사용하면서 이상 팽창을 방지하기 위해 폐알루미늄 분진의 반응속도 조절제로서 탈황석고를 사용하였다.

이하에서는, 탈황석고와 폐알루미늄 분진의 최적 혼합비를 검토하고, 팽창재를 첨가한 시멘트 모르타르의 배합조건과 팽창재 조성 및 첨가량에 따른 각 실시예와 비교예를 표 3에 나타내고, 각 실시예와 비교예 배합비로 제조된 시멘트 모르타르의 특성 평가 항목에 따른 결과를 표 4에 나타내고 설명한다.

	OPC(%)	고로슬래그(%)	팽창재 첨가율	팽창재 조성 (탈황석고:폐Al분진)
실시예1	49.0	49.0	2%	9:1
실시예2	49.0	47.5	5%
실시예3	46.0	46.0	8%
실시예4	44.5	44.5	11%
실시예5	49.0	49.0	2%	8:2
실시예6	47.5	47.5	5%
실시예7	64.0	46.0	8%
실시예8	44.5	44.5	11%
비교예	50	50	0%	-

표 3에 따르면, 시멘트(OPC)와 고로 슬래그는 1:1 비율로 혼합되고, 팽창재는 2중량%, 5중량%, 8중량%, 11중량%를 각각 혼합하였고, 비교예로서 팽창재를 첨가하지 않은 조건과 비교하였다. 실시예와 비교예에서 공시체는 표준주도 배합비로 제작한다.

구체적으로는, 시멘트 500g 대 물 125g 의 비율로 적용하고 모르타르 Flow값을 185±10㎜가 되도록 조정 하였다.

시료명	압축강도 (MPa)				Flow
시료명	1일	3일	7일	28일	(mm)
실시예1	4.1	15.2	22.5	44.5	177
실시예2	2.7	13.4	21.6	38.2	192
실시예3	2.5	14.2	20.6	38.1	181
실시예4	2.0	13.8	22.0	35.5	175
실시예5	3.1	11.2	17.9	34.4	188
실시예6	3.0	12.6	15.6	30.1	190
실시예7	2.5	10.7	16.3	26.3	172
실시예8	1.9	11.1	14.8	24.3	182
비교예	2.0	12.8	19.2	34.7	185

표 4는 표 3의 실시예와 비교예에 따른 압축강도를 나타낸 것이며, 도 3 내지 도 4는 팽창재의 첨가비율에 따른 압축강도의 변화율을 보인다.

도 3과 도 4를 참조하면, 탈황석고와 폐알루미늄 분진이 9:1로 혼합된 팽창재를 혼합한 시멘트 모르타르인 경우, 탈황석고와 폐알루미늄 분진이 8:2로 혼합된 팽창재를 첨가한 시멘트 모르타르와 팽창재를 첨가하지 않은 시멘트 모르타르 보다 전체적으로 향상된 압축 강도를 갖는 것을 보이며, 경과일이 오래될수록 향상된 압축 강도를 갖는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 각 실시예와 비교예의 시멘트 모르타르의 양생기간에 따른 수축-팽창 길이 변화를 측정한 것으로 디지털 다이얼 게이지가 부착된 모르타르 길이변화 시험기를 사용하여 측정한 값을 나타낸 것이다.

길이변화 측정 및 평가방법은 다음과 같다.

1연식 길이변화 측정기를 사용하여 표준봉을 기준점으로 하여 1일 간격으로 각 측정시편의 길이 변화를 측정한다.

각 측정시편의 1일 양생된 모르타르 시편의 길이를 기준으로 양생기간 경과에 따른 길이변화를 산출한다.

각 시편의 길이변화량(mm) = (1일 경과시편의 Gauge 값 - n일 경과시편의 Gauge 값)

팽창재가 2~5wt.%가 첨가된 경우에는 초기에 약간의 팽창이 일어난 후 수축이 발생하였으며, 팽창재 8~11wt.%를 첨가한 경우에는 수축이 발생되지 않으며, 비교예에서는 팽창재를 첨가하지 않은 경우로서 초기 수분의 증발에 따른 큰 팽창이 일어난 후 양생기간이 경과함에 따라 지속적으로 수축이 일어난다. 팽창재를 첨가한 경우에는 팽창재를 첨가하지 않은 경우보다 수축이 줄어들거나 수축이 일어나지 않는다.

본 발명에 의한 시멘트 모르타르용 팽창재는 탈황석고 90중량%와 알루미늄 분진 10중량%로 구성되어지며, 도 3와 도 5에서 나타나는 바와 같이 탈황석고 80중량%와 폐알루미늄분진 20중량%로 구성된 팽창재보다 압축강도와 수축-팽창특성이 우수하다.

시멘트 모르타르 경화체에서 균열발생은 시멘트 모르타르 경화체 내부의 수화물간의 결합력보다 수축에 의한 응력이 클 때 발생된다. 따라서 시멘트 모르타르 경화체의 수축을 억제함으로써 균열발생을 줄일수 있으며, 수축응력을 보상시킬수 있도록 시멘트 모르타르 경화체를 양생기간 동안 팽창성을 부여함으로써 균열 발생을 방지할 수 있다.

도 6은 시멘트 모르타르 경화체의 길이변화를 측정하는 기기와 시멘트 모르타르 경화체의 길이변화를 측정하는 시편을 나타낸 것이다.

이하, 도 7을 참조하여 시멘트 모르타르용 팽창성 수축저감형 균열방지 조성물을 제조하는 공정을 설명한다.

먼저, 원재료인 석탄 내지 페트로코크스를 연료로 사용하는 유동층 보일러의 탈황공정에서 발생된 탈황석고가 제1 사일로(10)에 투입된다. 제1 사일로(10)에서 토출되는 탈황석고는 스크린(30)으로 이송된다. 상기 스크린(30)에서는 공급된 탈황석고 분말은 입자 크기에 따라서 조분 및 미분으로 분리한다. 미분 범위의 탈황석고 분말은 바로 제1 계량 설비(15)로 공급된다.

한편, 조분 범위의 탈황석고 분말은 제1 저장소(31) 및 제1 버퍼 설비(32)를 통해 분쇄기(33)로 투입되어, 재가공이 분쇄 가공이 이루어지고, 다음으로 제2 버퍼 설비(34) 및 제2 저장소(35)를 통해 다시 스크린(30)으로 공급된다. 상기 과정을 통해서 미분화된 탈황석고를 제1 계량 설비(15)로 공급할 수 있다.

한편, 알루미늄 괴를 용융시킨 후 용탕을 인출하고 남은 알루미늄 분진은 제2 사일로(20)에 투입하고 제2 사일로(20)에서 토출되는 폐알루미늄 분진은 제2 계량 설비(25)로 이송된다.

제1 계량 설비(15) 및 제2 계량 설비(25)에서 각각 이송되는 탈황석고 및 폐알루미늄 분진은 혼합기(40)에서 혼합이 이루어진 다음에 제3 사일로(50)에 장된다. 한편, 수축저감형 균열방지 조성물 제품은 톤백(60) 형태로 출하가 가능할 수 있다.

정유공장의 배연탈황공정에서 발생되는 탈황석고와 알루미늄 괴를 용융하여 금속 알루미늄을 추출한 후 잔류물질인 폐알루미늄 분진을 혼합하여 형성한다.

폐알루미늄 분진은 알루미늄 괴를 알루미늄 용탕에서 용융한 후 용융된 알루미늄을 용탕 하부의 인출구로 인출하고, 부유되는 부유물로서 일부 알루미늄 금속과 알루미늄 산화물(산화알루미늄), 이산화규소로 구성되어 있으며, 이중 알루미늄 성분은 60% 이상을 차지하고 있다.

Claims

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원재료인 석탄 내지 페트로코크스를 연료로 사용하는 유동층 보일러의 탈황공정에서 발생된 탈황석고를 제1 사일로(10)에 투입하는 단계;
상기 제1 사일로(10)에서 토출되는 탈황석고를 스크린(30)으로 이송하는 단계;
상기 스크린(30)에서는 공급된 탈황석고 분말을 기설정된 입자 크기에 따라서 조분 및 미분으로 분리하고, 미분 범위의 탈황석고 분말을 제1 계량 설비(15)로 공급하는 단계;
조분 범위의 탈황석고 분말을 제1 저장소(31) 및 제1 버퍼 설비(32)를 통해 분쇄기(33)로 투입되어 재가공 및 분쇄 가공을 수행한 후 제2 버퍼 설비(34) 및 제2 저장소(35)를 통해 상기 스크린(30)으로 공급하는 단계;
알루미늄 괴를 용융시킨 후 용탕을 인출하고 남은 알루미늄 분진을 제2 사일로(20)에 투입하고 상기 제2 사일로(20)에서 토출되는 폐알루미늄 분진을 제2 계량 설비(25)로 이송하는 단계; 및
상기 제1 계량 설비(15) 및 제2 계량 설비(25)에서 각각 이송되는 탈황석고 및 폐알루미늄 분진을 혼합기(40)에서 혼합한 후 제3 사일로(50)에 저장한 후 톤백(60) 형태로 출하하는 단계;를 포함하고,
상기 탈황석고 및 상기 폐알루미늄을 9 대 1의 비율로 혼합하는,
시멘트 모르타르용 팽창재 조성물의 제조 방법.