KR102406620B1 - 고로슬래그와 이산화탄소 반응제를 활용한 이산화탄소 저감형 무기계 조성물, 이를 이용하여 플랜터를 제작하는 방법, 및 이에 의해 제작된 플랜터 - Google Patents

고로슬래그와 이산화탄소 반응제를 활용한 이산화탄소 저감형 무기계 조성물, 이를 이용하여 플랜터를 제작하는 방법, 및 이에 의해 제작된 플랜터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트를 대체하여 고로슬래그 미분말과 제올라이트, 그리고 알카리계 자극제를 활용하여 무기계 조성물을 제조하고, 이를 이용하여 플랜터를 제작함으로써, 기존 시멘트 조성물에 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트를 생산하는 과정에서 발생하는 높은 CO2의 발생량을 저감시킬 수 있으며, 제품으로 제작하였을 때 대기 중의 이산화탄소 흡수를 극대화시킬 수 있는 무기계 조성물에 대한 것이고, 더 나아가 이러한 무기계 조성물을 활용한 제품으로서 식물 식재를 위한 플랜터(planter)와, 이러한 플랜터를 제작하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

고로슬래그와 이산화탄소 반응제를 활용한 이산화탄소 저감형 무기계 조성물, 이를 이용하여 플랜터를 제작하는 방법, 및 이에 의해 제작된 플랜터{Composite for Reduction of Carbon Dioxide, and Planter manufactured by such Composite, and Manufacturing Method of Planter}
본 발명은 시멘트를 대체하여 고로슬래그 미분말과 제올라이트, 그리고 알카리계 자극제를 활용하여 무기계 조성물을 제조하고, 이를 이용하여 플랜터를 제작함으로써, 기존 시멘트 조성물에 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트를 생산하는 과정에서 발생하는 높은 CO2의 발생량을 저감시킬 수 있으며, 제품으로 제작하였을 때 대기 중의 이산화탄소 흡수를 극대화시킬 수 있는 무기계 조성물에 대한 것이고, 더 나아가 이러한 무기계 조성물을 활용한 제품으로서 식물 식재를 위한 플랜터(planter)와, 이러한 플랜터를 제작하기 위한 방법에 관한 것이다.
도시화가 심화되고 도시인구가 증가됨에 따라 에너지 사용이 많아지고 이로 인해 이산화탄소 발생과 관련된 환경문제가 주요 도시문제로 부각되고 있다. 이를 해결하기 위하여 도시 내 탄소흡수원 증대를 위한 이산화탄소 저감방안이 강구되고 있으며, 이에 대한 방안의 일환으로 건축물 옥상/벽면, 보행공간, 도로변, 시설물 등의 인공지반 녹화모듈을 확대 적용하는 추세이다. 이에 따라 녹화모듈 적용시 필요한 다양한 녹화자재(예를 들면, 플랜터, 수변블록, 투수블럭 등)의 이산화탄소 저감(흡수 포함) 기능도 중요해지고 있다. 기존의 녹화자재의 경우는, 플라스틱, 목재 등과 같이 제조 공정 중의 이산화탄소 발생, 대기 중의 이산화탄소 흡수 등에 대해서는 전혀 고려하지 않는 재질로 제작되고 있다. 특히 플라스틱과 목재의 경우에는 사용과정에서 대기 중의 이산화탄소를 흡수하기가 쉽지 않으며, 시멘트 기반의 조성물로 녹화자재를 제작하는 경우에는 이산화탄소의 저감과는 반대로 오히려 이산화탄소탄소의 증가 문제가 야기된다. 기존 시멘트 조성물에 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트를 생산하기 위해서는 시멘트 클린커를 고온 소성하는 과정이 필요하게 되는데 이 과정에서 많은 양의 이산화탄소가 발생하기 때문이다.
이러한 문제점으로 인하여 최근에는 온실가스 문제가 전세계적으로 매우 중요하게 대두되고 있는 상황이며, 온실가스 감축을 위해서는 이산화탄소를 다량으로 발생시키는 시멘트 생산 산업에 대한 새로운 제안이 절실히 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-2134470호 등에서는 시멘트 클린커를 생산하는 과정에 대한 개선을 통해서 이산화탄소의 감축을 모색하고 있으나, 단지 시멘트 클린커 생산과정이나 기타 시멘트 자체의 생산 과정에 대한 개선만으로는 이산화탄소의 감축이 충분하지 못하다는 한계가 있다. 이산화탄소의 발생 자체를 줄이고 이를 통해서 온실가스의 감축시키는 방안으로는, 단지 시멘트의 생산과정을 개선시키는 것에 그치는 것이 아니라, 시멘트 자체의 사용량을 줄임으로써 그만큼 시멘트의 생산량을 줄이고 이를 통해서 이산화탄소 및 온실가스를 감축하는 방안이 더욱 효율적이다.
대한민국 등록특허공보 제10-2134470호(2020. 07. 16. 공고).
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 이산화탄소 및 온실가스를 더욱 효과적으로 감축할 수 있는 방안으로, 시멘트를 사용해야 하는 상황에서도 시멘트의 사용량을 줄이거나 또는 시멘트를 전혀 사용하지 않음으로써, 그만큼 시멘트의 생산을 줄일 수 있게 되어 시멘트의 생산과정에서의 높은 이산화탄소의 발생량을 저감시킬 수 있게 됨으로써, 온실가스 저감에 적극 기여할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명에서는 종래 기술보다 월등히 적은 량의 시멘트를 사용하면서도 기존처럼 많은 양의 시멘트를 사용하는 경우와 대응하거나 더 우수한 물성을 보이게 되는 무기계 조성물을 제공하며, 이를 통해서 시멘트 사용량을 줄이고, 그에 따라 시멘트 생산과정에서의 이산화탄소 발생량을 저감하여 온실가스 감축에 일조할 수 있게 되는 새로운 구성의 무기계 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서는 이러한 새로운 무기계 조성물을 이용하여, 식물 식재 및 생육을 위한 플랜터(planter)를 제작하게 되는 기술과, 이를 통해서 제작되는 플랜터를 제공함으로써, 새로 제시된 무기계 조성물의 친환경적인 사용범위를 확대시킬 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 대기 중 이산화탄소의 포집을 극대화시킬 수 있는 무기계 조성물과 이를 이용한 플랜터, 그리고 플랜터의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는 바인더, 잔골재, 혼화제 및 첨가제를 포함하며; 바인더는 보통 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말 및 제올라이트를 포함하는데, 바인더의 총 100중량% 중에서 시멘트는 0이상 ~ 20중량% 미만, 고로슬래그 미분말은 80중량%, 그리고 제올라이트는 0초과 ~ 20중량% 이하로 포함되며; 잔골재는 바인더 100중량부에 대하여 300중량부로 포함되고; 혼화제는 바인더 100중량부에 대하여 0.6 ~ 1중량부로 포함되며; 첨가제로는 알칼리계 자극제가 바인더 100중량부에 대하여 3 ~ 5중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 무기계 조성물이 제공된다.
또한 본 발명에서는 상기한 본 발명의 무기계 조성물과 배합수를 혼합하여 거푸집에 타설하고 양생한 후 탈형하여 식물식재를 위한 플랜터를 제작하는 방법과 이에 의해 제작된 플랜터가 제공된다.
본 발명에서 첨가제로 포함되는 알칼리계 자극제는 CSA, Ca(OH)2, 탈황석고 및 MgO 중에서 선택된 1개 또는 복수개일 수 있으며, 기포제가 바인더 100중량부에 대하여 0,1 ~ 0.15중량부로 더 포함될 수도 있다. 특히, 본 발명에 따른 무기계 조성물은 바인더 100중량%에 대하여, 시멘트의 함유량은 0중량%이고, 고로슬래그 미분말의 함유량은 80중량%이며, 제올라이트의 함유량은 20중량%이며; 첨가제로서 알칼리계 자극제의 함유량은 바인더 100중량부에 대하여 5중량부로 포함될 수 있다.
본 발명에 의하면, 시멘트를 대체하여 고로슬래그 미분말과 제올라이트, 그리고 알카리계 자극제를 활용하여 제조된 무기계 조성물과, 이러한 무기계 조성물을 활용한 제품으로서 식물 식재를 위한 플랜터(planter)와, 이러한 플랜터를 제작하기 위한 방법이 제공되는 바, 본 발명에 따르면 종래 기술보다 월등히 적은 량의 시멘트를 사용하면서도 기존처럼 많은 양의 시멘트를 사용하는 경우와 대응하거나 더 우수한 물성을 보이며, 시멘트 사용량의 감소를 통해서 시멘트 생산과정에서의 이산화탄소 발생량을 저감시키게 되고 온실가스 감축에 일조할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
또한 본 발명에서는 시멘트의 대체재로서 고로슬래그 미분말과 제올라이트를 사용하는 바, 고로슬래그 미분말의 잠재수경성 반응과 제올라이트의 포졸란 반응, 그리고 첨가제의 CaCO3 생성반응 등을 통해서 대기 중의 CO2를 흡수하여 CaCO3로 고정할 수 있어 이산화탄소 저감에 기여할 수 있게 되는 장점이 있다.
특히, 본 발명에 따라 제작된 플랜터의 경우, 대기 중의 이산화탄소를 흡수할 수 있으므로, 온실가스 저감의 효과 뿐만 아니라, 정부의 "도시 내 탄수흡수원 확대를 통한 탄소저감량 증대" 정책에도 부합되는 장점이 있다.
도 1은 표 2에 정리된 조성을 가지는 시편들에 대한 3일차 압축강도, 7일차 압축강도 및 28일차 압축강도의 측정결과에 대한 그래프도이다.
도 2는 표 4에 정리된 조성을 가지는 시편들에 대한 3일차 압축강도, 7일차 압축강도 및 28일차 압축강도의 측정결과에 대한 그래프도이다.
도 3은 표 4에 정리된 조성을 가지는 시편들에 대한 탄산화 반응 가속 양생 후 7일차 압축강도 측정결과에 대한 그래프도이다.
도 4는 표 4에 정리된 조성을 가지는 시편들에 대한 탄산화 반응 가속 양생 후 28일차 압축강도 측정결과에 대한 그래프도이다.
도 5는 표 7에 정리된 조성을 가지는 시편들에 대한 7일차 및 28일차 압축강도 및 CaCO3 생성량 평가결과에 대한 그래프도이다.
도 6 내지 도 8은 각각 본 발명에 따른 무기계 조성물을 이용하여 플랜터를 제작한 과정과 완성된 시제품을 보여주는 도면 대용 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명에 따른 무기계 조성물은 무기계 복합체에 해당하는데, 본 발명의 무기계 조성물은 바인더(binder), 잔골재(sand), 혼화제 및 첨가제를 포함하여 구성된다. 필요에 따라서는 본 발명의 무기계 조성물에 기포제가 더 포함될 수도 있다.
본 발명의 무기계 조성물에서 바인더는 시멘트, 고로슬래그 미분말 및 제올라이트가 혼합된 것이다. 본 발명에 따른 무기계 조성물의 구체저인 조성은 아래의 표 1에 정리되어 있다.
Figure 112021129029224-pat00001
위의 표 1에서 OPC는 보통 포트랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement)를 의미하며, BFS는 고로슬래그 미분말을 의미한다. W/B는 본 발명의 무기계 조성물을 배합수와 혼합하여 사용할 때의 <배합수/바인더>의 중량비를 의미한다.
본 발명에 따른 무기계 조성물의 각 성분에 대해 구체적으로 살펴보면, 본 발명에서 시멘트로는 보통 포틀랜드 시멘트가 사용되는데, 시멘트는 바인더의 총 100중량% 중에서 0이상 ~ 20중량% 미만으로 함유된다. 시멘트의 함유량이 20중량% 이상이 되면, 시멘트 사용량이 많아지게 되고 그에 따라 시멘트 제조 공정상 발생하는 이산화탄소의 양도 증가하게 되어 본 발명의 목적과 부합하지 않는다. 따라서 본 발명에서는 시멘트의 함유량을 20중량% 미만으로 제한하고, 시멘트의 대체재로서 고로슬래그 미분말과 천연 제올라이트를 사용한다. 시멘트는 0중량% 이상으로 함유되는데, 바람직하기로는 0.1중량% 이상으로 시멘트가 함유된다.
본 발명에 따른 무기계 조성물에서 고로슬래그 미분말(BPS)은 바인더의 총 100중량% 중에서 70 ~ 85중량%, 바람직하기로는 75 ~ 83중량%, 더 바람직하기로는 80중량%로 함유된다. 고로슬래그의 함유량이 85중량%를 초과하게 되면, 시멘트 조성물의 초기 수화가 크게 지연되고 압축강도가 감소하게 된다.
본 발명에 따른 무기계 조성물에서 제올라이트는 천연 포졸란계 재료로서 바인더의 총 100중량% 중에서 0초과 ~ 20중량% 이하로 함유된다. 본 발명에서 사용되는 제올라이트로는 "천연" 제올라이트가 바람직한데, 제올라이트는 다공성물질로서, 제올라이트가 함유되어야만 물리적(정전기적)흡착에 의한 이산화탄소 감소효과가 발휘된다. 제올라이트의 함유량이 20중량%를 초과하게 되면, 시멘트의 함유량이 지나치게 작아지게 되어, 무기계 조성물을 이용한 제품에서 요구되는 최소한의 압축강도 등을 충족하지 못할 수 있다. 따라서 제올라이트는 20중량% 이하로 함유된다.
본 발명에 따른 무기계 조성물에는 잔골재(sand)가 포함되는데, 잔골재는 바인더 100중량부에 대하여 250 ~ 350중량부, 바람직하기로는 300중량부로 포함된다.
본 발명에서 혼화제로는 AE 감수제 또는 고성능 AE 감수제가 사용될 수 있는데, 혼화제는 바인더 100중량부에 대하여 0.6 ~ 1중량부로 포함된다. 혼화제의 사용량이 0.6중량부 미만일 경우에는 굳기 전 시멘트 모르타르의 작업성과 성형성이 감소하며, 혼화제의 사용량이 1중량부를 초과할 경우에는 재료분리가 발생할 수 있다.
본 발명에서 첨가제로는 알칼리계 자극제가 바인더 100중량부에 대하여 3 ~ 5중량부로 포함된다. 알카리계 자극제는 CO2 반응제로서 기능하게 되는데, 구체적으로는 시멘트 사용량의 감소에 따른 조기강도 감소를 개선하기 위한 자극제로서의 용도(고로슬래그 잠재수경성 혹은 천연 제올라이트의 포졸란반응 가속화) 즉, 초기수화속도를 높이고 압축강도를 개선하기 위한 용도, 그리고 더 나아가 이산화탄소와 반응하여 대기 중에 존재하는 이산화탄소를 흡수하고 고정하기 위한 용도를 위하여 사용되는 것이다. 알카리계 자극제로는 CSA, Ca(OH)2, 탈황석고 및 MgO 중에서 선택된 1개 또는 복수개를 사용할 수 있다.
첨가제 즉, 알카리계 자극제는 5중량부 이하로 함유되는데, 5중량부를 초과할 경우에는 무기계 조성물의 제조단가가 증가하여 경제성이 저하되고, 높은 알칼리성으로 인하여 수화가 가속될 수 있는데, 이와 같이 수화가 지나치게 가속되면 수화열이 크게 발생하여 온도균열 및 크랙의 발생 우려가 커진다. 따라서 첨가제는 5중량부 이하로 함유된다. 반면에 첨가제가 3중량부 미만으로 함유되는 경우, 첨가제 함유에 따른 효과가 미미하게 되므로 첨가제는 3중량부 이상으로 함유된다. 가장 바람직한 첨가제의 함유량은 5중량부이다.
본 발명의 무기계 조성물에는 필요에 따라 선택적으로 기포제가 더 포함될 수 있다. 바인더를 이루는 시멘트, 고로슬래그 미분말 및 제올라이트는 비중이 높다는 물리적 성질을 가지고 있다. 본 발명의 무기계 조성물은 플랜터로 사용되는 것을 주된 용도로 삼고 있는데, 온실가스 저감을 위한 옥상녹화용 플랜터로 사용되기에 적합하려면 경량화가 필요하다. 또한 앞서 설명한 것처럼 본 발명의 무기계 조성물은 대기 중 이산화탄소를 포집하여 흡수할 수 있는 기능을 가져야 하는 바, 이를 위해서는 다공질화를 통해서 내부의 공극량을 증가시키고 공극의 분포를 고르게 하여 투수성능을 향상시키면서 온실가스의 흡수효과를 극대화시킬 필요가 있다 이러한 목적 즉, 경량화 및 다공질화를 위하여 기포제가 더 포함될 수 있는 것이다. 기포제는 바인더 100중량부에 대하여 0,1 ~ 0.15중량부로 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 무기계 조성물의 성능을 평가하기 위하여 본 발명의 무기계 조성물에 따른 시편(실시예), 그리고 이와 대비되는 시편(비교예)을 각각 제작하였다. 제작된 시편들의 상세한 조성은 아래의 표 2와 같다. 표 2의 시편에서 잔골재는 바인더에 대하여 300중량부로 함유되었으며, 기포제는 포함되지 않았다.
그리고 아래의 조성을 가지는 시편들을 공시체로 제작한 후 표준적인 방법에 따라 압축강도를 측정하였다. 특히, 양생시간(3일, 7일, 28일)에 따른 압축강도를 측정하여 평가하였으며, 탄산화 반응 가속을 위하여 CO2 5% 챔버양생에 따른 압축강도를 평가하였고, 탄산화 반응에 의해 생성된 CaCO3 생성량을 평가함으로써 CO2 흡수량을 평가하였다.
Figure 112021129029224-pat00002
위 표 2에서 C는 보통 포트랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement)를 의미하며, BFS는 고로슬래그 미분말을 의미하고, Z는 제올라이트를 의미하고, W는 배합수를 의미한다. W/B는 본 발명의 무기계 조성물을 배합수와 혼합하여 사용할 때의 <배합수/바인더>의 중량비를 의미한다. 그리고 표 2에서 배합수, 바인더, CSA 및 Ca(OH)2,에 대해 기재된 수치의 단위는 kg/m3이다.
아래의 표 3에는 위 표 2에 정리된 실시예와 비교예에 대한 3일차 압축강도, 7일차 압축강도 및 28일차 압축강도의 측정결과가 정리되어 있고, 도 1에는 이러한 압축강도 측정 결과에 대한 그래프도가 도시되어 있다.
Figure 112021129029224-pat00003
위 표 2에 따른 시편들에 대한 재령일에 따른 압축강도를 측정한 결과(표 3)에 따르면, 보통 포틀랜드 시멘트의 사용량이 감소할수록 압축강도가 감소하였다. 특히 보통 포틀랜드 시멘트의 사용량이 감소함에 따라 조기강도가 저하됨을 알 수 있다.
한편, 알칼리계 자극제(CSA 및 Ca(OH)2)를 바인더 100중량부에 대하여 3중량부로 첨가한 경우가, 동일한 조성에서 알칼리계 자극제를 첨가하지 않은 경우보다 압축강도가 더욱 증가되었음을 확인할 수 있으며, 특히, 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않을 경우(표 2의 시편명 Z20B80과 Z20B80-CSA)에 비하여 알칼리계 자극제를 첨가하였을 경우가 3일 압축강도에서 가장 높은 증가율을 보임을 알 수 있다(시편명 Z20B80의 압축강도 1.2MPa에서 시편명 Z20B80-CSA의 압축강도 4.8MPa로 약 400% 증가함).
한편, 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않거나 5중량%로 사용하는 경우에도, 투수 콘크리트 식생 포장재 및 성형제품에 대한 압축강도 기준(28일) 11.76MPa를 달성할 수 있다.
위와 같은 시편에 대한 시험을 토대로, 아래의 표 4에 정리된 바와 같은 새로운 시편을 각각 제작하되 양생조건을 달리한 상태로 시편을 제작하여 압축강도를 측정하였다.
Figure 112021129029224-pat00004
위 표 4에 기재된 용어 및 각 수치의 단위에 대한 설명은 위 표 2와 관련한 설명과 동일하다.
위 표 4의 배합을 가지는 시편들은 표준 양생을 실시하여 제작하였고, 각각에 대해 3일차 압축강도, 7일차 압축강도 및 28일차 압축강도를 측정하였는 바, 도 2에는 이러한 압축강도 측정 결과에 대한 그래프도가 도시되어 있다.
도 2에서 알 수 있듯이, 재령일이 증가함에 따라 압축강도 역시 증가하였다. 다만, 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 시편의 경우, 28일 압축강도가 13.2MPa를 보였지만, 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않은 시편의 경우에는 압축강도가 7.4MPa로 측정되었는 바, 이는 목표 압축강도인 11.76MPa에 도달하지 못한 것이다.
한편, 표 4의 배합을 가지는 또다른 시편들을 양생 조건을 달리하여 제작하였다. 즉, 탄산화 반응 가속을 위하여 CO2 5%의 챔버 내에서의 양생을 수행하여 제작하였고, 이렇게 제작된 시편들에 대하여 압축강도를 측정하였는 바, 그 결과가 각각 도 3 및 도 4에 그래프도로 도시되어 있다. 도 3은 7일 압축강도의 측정결과이고, 도 4는 28일 압축강도의 측정결과이다.
도 3 및 도 4에서 알 수 있듯이, 양생조건에 따른 압축강도 비교평가 결과에 따르면, 탄산화 양생을 진행하는 경우 7일 압축강도 발현 이후로 압축강도의 증진이 이루어지지 않는 것으로 확인되었다. 이는 양생수의 부족에 따른 수화반응 및 잠재수경성 반응의 발현이 잘 이루어지지 못한 것으로 판단된다. 따라서 재령 후 28일까지는 압축강도 발현을 위한 표준양생을 실시하고, 이후 CO2 챔버 양생을 하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
따라서 표 4의 조성을 가지는 또다른 시편들에 대하여 탄산화 반응 가속을 위하여 CO2 5%의 챔버 내의 양생을 진행한 후, CO2의 흡수량을 평가하기 위하여 공지의 시험장비인 TG-DTA를 활용하여 무기계 조성물 내에 생성된 CaCO3의 생성량을 측정하였다. 이렇게 측정된 CaCO3의 생성량을 통해서 CO2 흡수량을 평가하였다.
아래의 표 5에는 표 4의 조성을 가지는 시편들에 대한 CaCO3 생성량 측정값과, 이에 기초한 CO2 흡수량 평가값이 정리되어 있다.
Figure 112021129029224-pat00005
표 5에서 CaCO3의 함유량은 100g/mol이고 이 중에서 CO2의 함유량은 44g/mol이다. CaCO3 생성량의 44%를 CO2 흡수량으로 산정하였으며, 무기계 결합재의 비중은 1950kg/m3로 평가를 진행하였다.
위의 평가 결과에 따르면, 보통 포틀랜드 사용량이 감소할수록 CO2 흡수량이 감소하는 경향이 나타났다. 그리고 알칼리계 자극제로 CSA를 활용하는 것보다 Ca(OH)2를 사용하는 것이 CO2 흡수량이 더 우수한 것으로 나타났다. Ca(OH)2는 대량으로 사용시 조기강도 발현에는 좋은 영향을 미칠 수 있으나, 시편의 부피가 커질 경우 수화열에 의한 크랙 발생할 수 있다. 알칼리계 자극제의 첨가량을 증대시킬 경우에는 Ca(OH)2와 CSA를 혼합하여 사용하는 것이, 수화열, 압축강도발현 및 CO2 흡수에 더 유리하다.
아래의 표 6은 위 표 4의 조성을 가지는 시편에 대한 CO2 흡수총량 평가결과를 정리한 것이다.
Figure 112021129029224-pat00006
보통 포틀랜드 시멘트의 제조공정에서 발생하는 CO2 발생량은 798.1kg/t이고, 고로슬래그 미분말의 제조공정에서 발생하는 CO2 발생량은 20.9kg/t으로 알려져 있다. 천연 제올라이트의 경우 아직 알려진 바가 없으므로, 고로슬래그 미분말과 같은 발생량을 적용하여 CO2 흡수총량의 평가를 진행하였다. 고로슬래그 미분말 및 천연 제올라이트는 제조공정상 소성 및 가열과정이 없어 CO2 발생량이 0에 가까우나, 사용을 위한 분쇄공정에서 발생하는 CO2를 적용하였다.
CO2 흡수량과 CO2 발생량을 합산한 흡수총량을 평가한 결과, 표 6에서 알 수 있듯이 보통 포틀랜드 시멘트를 20중량% 사용한 시편(시편명 C20B80)의 CO2 흡수량이 가장 높았으나, 흡수총량에서는 가장 낮게 나타났다(CO2 발생이 더 큼). 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않고 CaOH를 첨가한 시편(시편명 Z20B80-CaOH)이 28.1kg/t으로 가장 높은 CO2 흡수총량을 나타냈다.
이에 더하여 알칼리계 자극제의 배합 및 첨가량 증진에 따른 압축강도 평가를 진행하였다.
아래의 표 7에는 알칼리계 자극제의 배합 및 첨가량 증진에 따른 압축강도 평가를 위한 시편의 구체적인 조성이 정리되어 있다. 도 5에는 표 7의 조성을 가지는 시편들에 대한 압축강도(7일, 28일)와 CaCO3 생성량 평가결과가 그래프도로 도시되어 있다
Figure 112021129029224-pat00007
위 표 7에서 C.A.는 알칼리계 자극제를 의미하며, 기타 용어 및 각 수치의 단위에 대한 설명은 위 표 2와 관련한 설명과 동일하다.
알칼리계 자극제로서, Ca(OH)2, CSA 및 MgO를 혼합하여 사용하였다. 압축강도의 평가결과에 따르면 알칼리계 자극제를 바인더 100중량부에 대하여 5중량부로 첨가한 시편보다 10중량부로 첨가한 시편의 압축강도가 더 높게 나타났지만, 그 차이가 1~2MPa 수준으로 크지 않았다. 이러한 결과에 근거할 때, 알칼리계 자극제는 첨가량은 바인더 100중량부에 대하여 5중량부로 첨가하는 것이 적합하다.
표 7의 시편에 대한 CO2 흡수총량을 평가하였는 바, 그 결과는 아래의 표 8과 같다.
Figure 112021129029224-pat00008
표 8에서 알 수 있듯이, CO2 흡수총량의 평가 결과에 따르면, 시멘트는 사용하지 않고 알칼리계 자극제를 바인더 100중량부에 대하여 10중량부로 첨가한 시편명 Z20B80-10의 시편이 가장 높은 CO2 흡수량을 나타냈다. 다만, 시멘트는 사용하지 않고 알칼리계 자극제를 바인더 100중량부에 대하여 알칼리계 자극제를 5중량부로 첨가한 시편명 Z20B80-5의 시편과는 CO2 흡수량이 5kg/t의 차이만을 보이고 있는 바, 알칼리계 자극제의 첨가량에 따른 CO2 흡수량 차이는 크지 않다고 할 수 있다. 알칼리계 자극제의 첨가에 따른 제조공정상 CO2 발생량을 감안할 경우, 알칼리계 자극제는 바인더 100중량부에 대하여 5중량부로 첨가하는 것이 바람직하다.
천연 제올라이트 20중량%와 고로슬래그 미분말 80중량%를 사용하고, 알칼리 자극제 바인더 100중량부에 대하여 5중량부로 사용하는 배합이 전주기과정에서 발생하는 온실가스 저감형 녹화모듈 시제품 제작에 적합한 것으로 판단되었다. 특히 천연 제올라이트 20중량%와 고로슬래그 미분말 80중량%를 사용하고, 알칼리 자극제 바인더 100중량부에 대하여 5중량부로 사용하는 배합의 경우에는, Ca(OH)2를 바인더 100중량부에 대하여 3중량부로 첨가한 경우의 압축강도(최대 13.2MPa)보다 평균 5MPa 수준의 압축강도 증진효과를 확인하였다. 본 발명에 따른 무기계 조성물에 따른 모든 배합에서 목표강도였던 11.76MPa에 도달한 것을 확인하였다.
이와 같은 본 발명에 따른 무기계 조성물은 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않아도 재활용되는 자원(고로슬래그 미분말)과 알칼리계 자극제의 사용을 통하여, 플랜터의 제작에 유용하게 사용할 수 있게 된다. 도 6 내지 도 8은 각각 본 발명에 따른 무기계 조성물을 이용하여 플랜터를 제작한 과정과 완성된 시제품을 보여주는 도면 대용 사진이다. 도면 대용 사진에 예시된 플랜터는 소정 두께의 판형태가 연직하게 세워져서 사각 형태의 공간을 가지도록 설치되는 구성을 가진다. 도 6은 플랜터의 판부재를 제작하기 위한 거푸집을 적층한 상태를 보여주고 있으며, 도 7은 도 6의 거푸집에 본 발명에 따른 무기계 조성물이 타설된 상태를 보여주며, 도 8은 양생 후 거푸집을 탈형한 판형상의 부재를 사각형태로 배치하여 플랜터를 만든 것을 보여준다.
플랜터 제작에 가장 바람직한 무기계 조성물은 아래의 표 9의 조성을 가진다.
Figure 112021129029224-pat00009
위 표 9에서 C.A.는 알칼리계 자극제를 의미하며, 기타 용어 및 각 수치의 단위에 대한 설명은 위 표 2와 관련한 설명과 동일하다.
위에서 설명한 것처럼 본 발명에 따른 무기계 조성물은, 시멘트를 대체하여 고로슬래그 미분말과 제올라이트, 그리고 알카리계 자극제를 활용하여 제조되는 바, 기존 시멘트 조성물에 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트를 생산하는 과정에서 발생하는 높은 CO2의 발생량을 저감시킬 수 있게 된다.
따라서 본 발명의 무기계 조성물을 이용하여 제조된 플랜터(planter)는 이산화탄소 발생 저감 및 온실가스 저감을 위해 매우 유용하다.

Claims (7)

  1. 바인더, 잔골재, 혼화제, 첨가제 및 배합수를 포함하며;
    바인더는 고로슬래그 미분말 및 천연 제올라이트를 포함하는데, 바인더의 총 100중량% 중에서 고로슬래그 미분말의 함유량은 80중량%이고 천연 제올라이트의 함유량은 20중량%이며;
    잔골재의 함유량은 바인더 100중량부에 대하여 300중량부이고;
    첨가제는 CSA, Ca(OH)2 및 MgO가 혼합된 것으로서 알칼리계 자극제의 함유량은 바인더 100중량부에 대하여 5중량부이며;
    배합수와 바인더의 중량비는 40%인 것을 특징으로 하는 플랜터 제작용 무기계 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    기포제가 바인더 100중량부에 대하여 0,1 ~ 0.15중량부로 더 포함되는 것을 특징으로 하는 무기계 조성물.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 식물식재를 위한 플랜터의 제작방법으로서,
    청구항 제1항의 무기계 조성물을 거푸집에 타설하고, 양생시킨 후 탈형하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜터 제작방법.
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