KR20120078273A

KR20120078273A - 나노슬래그와 알칼리 자극제를 포함하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물

Info

Publication number: KR20120078273A
Application number: KR20100140519A
Authority: KR
Inventors: 임남기
Original assignee: 동명대학교산학협력단
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-07-10

Abstract

본 발명은 비표면적이 35,000 cm²/g 이상인 나노슬래그 및 알칼리 자극제를 포함하는 비소성 시멘트 모르타르로서, 상기 나노슬래그 100 중량부에 대하여 알칼리 자극제가 1 내지 15 중량부인 것을 특징으로 하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물을 개시한다. 본 발명에 따르면, 고로슬래그에 나노기술을 도입하여 나노슬래그와 알칼리 자극제를 사용하여 비소성 시멘트 모르타르를 제조함으로써 소성 시멘트 모르타르에 비하여 이산화탄소의 배출량을 감소시키는 것과 함께 비소성 시멘트 모르타르를 제조하기 위하여 사용되는 알칼리 자극제의 함량을 감소시킬 수 있다. 이러한 알칼리 자극제의 사용함량의 감소로 인하여 제조원가를 절감시킬 수 있고, 환경적으로도 유용한 비소성 시멘트 모르타르를 제공할 수 있다.

Description

나노슬래그와 알칼리 자극제를 포함하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물{Non sintered cement mortar composition using nanoslag and alkali activator}

본 발명은 나노슬래그와 알칼리 자극제를 포함하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노단위의 슬래그 분말을 비소성 시멘트 모르타르에 이용함으로써 알칼리 자극제의 사용함량도 절감시키면서 시멘트의 물성을 만족시키는 비소성 시멘트 모르타르 조성물에 관한 것이다.

2013년부터의 온실가스 감축은 국제적인 감축 목표에 대한 합의점을 새롭게 도출하고, 각 국가는 국가적인 차원에서 배출저감 의무를 이행할 것으로 전망된다.

이러한 환경의 문제가 발생되는 분야를 크게 산업, 교통 및 건설로 분류할 때, 이 중에서도 건설분야는 전체산업 분야 CO₂ 배출량의 약 38%를 차지하는 것으로 알려져 있는 만큼 지구환경과 인간의 건강복지에 미치는 영향과 파급효과가 큰 분야라고 할 수 있다.

현재 과학기술의 발달과 경제성장은 건축재료의 분야에도 신재료의 개발 및 성능향상을 요구하고 있다. WTO와 국내 건설시장의 개방에 따른 건축재료의 원가절감과 품질향상에 대한 요구도 가중되고 있는 실정이다.

이의 해결책으로 대두되는 기술이 바로 비소성시멘트 기술이다. 비소성 시멘트란 클링커 무함유 비소성 시멘트(Non-Sintered Cement, 이하 NSC)를 지칭하는 것으로크게 점토질 광물과 알칼리의 반응을 이용한 지오폴리머(Geo-polymer) 분야와 잠재수경성 물질인 고로슬래그 미분말(Granulated Blast Furnace Slag, 이하 GBFS)을 알칼리로 자극하여 수경성 경화체를 제조하는 알칼리 활성화 슬래그(Alkali Activated Slag, 이하 AAS) 분야로 구분된다.

그동안 시멘트의 원료 및 콘크리트 혼화재료로 일부 사용되었던 고로슬래그는 제철과정 중 산출되는 부산물로써 생산과정 중 클링커의 소성과정이 필요없기 때문에 환경문제의 부담을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 원가절감 측면에 있어서도 기존의 포틀랜드 시멘트와 비교하였을 때 훨씬 더 유리하다고 할 수 있다.

고로슬래그는 물과 접촉하면 입자 표면에 불투성 산성피막으로 인해 경화가 이루어지지 않는다. 이때 반응을 유도하기 위해 강알칼리에 의한 자극제의 역할이 필요하다.

한편 기존의 비소성 시멘트 기술은 대부분 고가의 고미분말 혼화재를 사용하며, 고가의 알칼리 자극제를 대량 사용함에 따라 경제성이 부족하며, 고로슬래그 미분말을 사용할 경우 잠재수경성 특성에 의해 초기 강도 확보가 힘들다는 문제점이 있다.

따라서 비소성 시멘트 분야에 있어 알칼리 자극제의 사용량을 감소하면서 기존 포틀랜드 시멘트가 가지는 물리적 특성을 만족시킬 수 있는 비소성 시멘트 모르타르 조성물을 필요로 하는 것이다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 비소성이면서도 나노슬래그를 사용하여 알칼리 자극제의 사용함량을 감소시켜 경제성도 확보하면서 환경을 보호하고 기존 포틀랜드 시멘트와 비교하였을 때 유사한 정도의 물성을 확보할 수 있는 비소성 시멘트 모르타르 조성물을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

또한 나노슬래그를 이용하여 경제성을 확보하면서도 환경적인 면에서 유리한 비소성 시멘트 모르타르 조성물의 제조방법을 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

비표면적이 35,000 cm²/g 이상인 나노슬래그 및 알칼리 자극제를 포함하는 비소성 시멘트 모르타르로서,

상기 나노슬래그 100 중량부에 대하여 알칼리 자극제가 1 내지 15 중량부인 것을 특징으로 하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물을 제공한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

비표면적이 35,000 cm²/g 이상인 나노슬래그를 형성하는 단계; 및

상기 나노슬래그에 알칼리 자극제를 혼합하되 상기 나노슬래그 100 중량부에 대하여 알칼리 자극제 1 내지 15 중량부를 혼합하는 단계;를 포함하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 고로슬래그에 나노기술을 도입하여 나노슬래그와 알칼리 자극제를 사용하여 비소성 시멘트 모르타르를 제조함으로써 소성 시멘트 모르타르에 비하여 이산화탄소의 배출량을 감소시키는 것과 함께 비소성 시멘트 모르타르를 제조하기 위하여 사용되는 알칼리 자극제의 함량을 감소시킬 수 있다. 이러한 알칼리 자극제의 사용함량의 감소로 인하여 제조원가를 절감시킬 수 있고, 환경적으로도 유용한 비소성 시멘트 모르타르를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 비소성 시멘트 모르타르를 이용한 실시예의 유동특성을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 비소성 시멘트 모르타르를 이용한 실시예에서 수산화이온족의 휨강도 특성 결과를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 비소성 시멘트 모르타르를 이용한 실시예에서 수산화이온족의 압축강도 특성 결과를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 비소성 시멘트 모르타르를 이용한 실시예에서 규산염 및 황산 이온족의 휨강도 특성 결과를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 비소성 시멘트 모르타르를 이용한 실시예에서 규산염 및 황산 이온족의 압축강도 특성 결과를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 비소성 시멘트 모르타르를 이용한 실시예에서 수산화이온의 응결시간을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 비소성 시멘트 모르타르를 이용한 실시예에서 단열온도 측정결과를 도시한다.

본 발명은 비표면적이 35,000 cm²/g 이상인 나노슬래그 및 알칼리 자극제를 포함하는 비소성 시멘트 모르타르로서, 상기 나노슬래그 100 중량부에 대하여 알칼리 자극제가 1 내지 15 중량부인 것을 특징으로 하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물을 제공한다.

비표면적이 35,000 cm²/g 이상인 나노슬래그를 이용하는 경우 알칼리자극제의 사용함량을 감소시키면서도 시멘트의 물리적 특성이 저하되지 않는 비소성 시멘트 모르타르에 관한 것이다. 나노슬래그는 기존 슬래그에 비하여 나노 사이즈의 미분 형태인 것으로 비표면적이 35,000 cm²/g 이상, 바람직하게는 35,000 cm²/g 내지 50,000 cm²/g인 것이 바람직하다.

비표면적이 35,000 cm²/g 이상이 됨으로써 알칼리 자극제의 사용함량이 상당히 감소하였으며, 그러한 비율은 나노슬래그 100 중량부에 대하여 1 내지 15 중량부로 된다. 이러한 알칼리 자극제의 사용함량은 나노슬래그의 비표면적의 크기에 따라 가변적일 수 있으나 비표면적이 작은 경우에 비하여 사용함량은 상당히 감소하게 되고, 그만큼 제조원가가 줄어들어 경제성이 있고 알칼리 자극제의 사용량을 줄여 환경적인 면에서도 유리하다.

본 발명의 알칼리 자극제는 수산화 이온족, 규산염 및 황산 이온족이 선택적으로 이용될 수 있고, 수산화 이온족의 예로는 수산화칼슘, 수산화 칼륨, 수산화나트륨 등이 될 수 있고, 규산염 및 황산 이온족은 소듐 실리케이트, 소듐 설페이트 등이 될 수 있다. 바람직하게는 알칼리 자극제로서 수산화 이온족에 속하는 수산화 칼슘, 수산화 칼륨, 수산화나트륨을 사용하는 것이다.

수산화 이온족을 알칼리 자극제로 이용하는 경우 다른 알칼리 자극제보다 시멘트의 압축강도 및 휨강도면에서 바람직하다. 특히 재령 3일에서부터 OPC 강도를 뛰어 넘거나 유사한 정도의 역학적 특성을 나타낸다.

본 발명의 다른 일 형태에 따르면, 비표면적이 35,000 cm²/g 이상인 나노슬래그를 형성하는 단계; 및 상기 나노슬래그에 알칼리 자극제를 혼합하되 상기 나노슬래그 100 중량부에 대하여 알칼리 자극제 1 내지 15 중량부를 혼합하는 단계;를 포함하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 비소성 시멘트 모르타르 조성물의 제조방법은 먼저 비표면적이 특정한 수치 이상인 나노슬래그를 형성한다. 다음으로 그러한 나노슬래그를 알칼리 자극제와 혼합한다. 추가로 모래 등과 같은 응집재와 물을 혼합하여 시공한다.

이하 본 발명을 실시예를 들어 설명하나 본 발명이 아래의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

나노슬래그의 적정 분말도인 35,000/g 이상인 나노슬래그를 대상으로 수산화 이온족의 알칼리 자극제 인 분말형, 수산화 칼슘, 칼륨 및 나트륨을 치환 및 첨가하여 역학적 특성을 검토하였으며, 규산염 및 황산 이온족인 액상 및 분말형 규산나트륨과, 분말형 황산칼슘, 알루미늄 및 탄산칼슘을 대상으로 역학적 특성을 고찰하였다.

유동특성

도 1은 본 발명에 따른 비소성 시멘트 모르타르를 이용한 실시예의 유동특성을 도시한다. 도 1을 참조하면, 알칼리 자극제에 따른 유동특성을 보면 수산화칼슘 치환, 탄산나트륨, 수산화나트륨 및 칼륨 등 대부분 수산기 조건에서 기존 OPC 대비 유동성 감소 10% 이내의 조건을 만족하였다.

알칼리 자극제 중에서도 수산화 칼슘 첨가, 규산염 및 황산 이온족의 조건에서는 급격한 유동성 감소 효과가 관찰되었다. 비소성 시멘트의 시공성을 고려하면 알칼리 자극제로서는 수산화 이온이 바람직할 것이다.

수산화 이온족의 역학적 특성결과

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 비소성 시멘트 모르타르를 이용한 실시예에서 수산화이온족의 휨강도 및 압축강도 특성 결과를 도시한다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 수산화 이온족 알칼리 자극제에 따라 휨강도 및 압축강도를 측정한 결과 알칼리 자극제 종류별로 강도차이는 있으나 전 조건에서 강도발현현상이 관찰되어 수산화 이온족은 나노슬래그의 알칼리 자극제로 더욱 바람직하다.

또한 수산화 나트륨을 알칼리 자극제로 활용한 조건에서는 재령 3일에서부터 OPC 강도를 상회하거나 유사한 역학적 특성을 나타내어 비소성 시멘트로 활용성이 우수한 것으로 측정되었다. 수산화 나트륨을 제외한 기타 알칼리 자극제의 경우 전 조건에서 OPC 대비 낮은 강도가 측정되었다.

규산염 및 황산 이온족의 역학적 특성

규산염 및 황산 이온족을 알칼리 자극제로 치환한 비소성 시멘트 모르타르의 압축강도 및 휨강도 특성 결과를 도 4 및 도 5에 도시하였다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 규산염 및 황산 이온족을 알칼리자극제로 치환하여 제작한 비소성 시멘트 모르타르의 역학적 특성 고찰 결과 액상 및 분말에 관계없이 전 조건에서 강도발현 현상의 관찰이 용이하지 않았다. 그 차이는 휨강도 대비 압축강도에서 더욱 큰 것으로 측정되었다. 따라서 규산염 및 황산 이온족의 알칼리 자극제는 나노슬래그를 활용한 비소성 시멘트의 자극제로는 불리한 것을 확인할 수 있다. 알칼리 자극제로 활용한 제품의 pH가 대부분 11.5 이상의 알칼리성임을 감안하였을 때, 경화가 전혀 진행되지 못한 부분에 관한 이화학적 검토가 필요하다.

응결시간 실험결과

비소성 시멘트의 가장 큰 문제점으로 지적되는 초기강도 검토를 위해 진행한 응결시간 시험은 KSL5103 : 길모아 침에 의한 시멘트의 응결 시간 시험 방법에 준하여 진행하였으며 그 결과는 도 6에 도시하였다.

길모아 침에 의한 응결시간 측정결과 수산화 나트륨 조건에서 가장 빨랐으나 그 차이는 5분 이내로 크지 않은 것으로 측정되었으며, 종결에서는 수산화 칼륨, 나트륨 칼슘 순인 것으로 측정되어 초결을 고려한다면 수산화나트륨이 유리하고, 종결을 고려한다면 칼륨이 유리하다. 기존 OPC의 일반적인 초결이 90분 이내인 것을 감안한다면 수산기의 알칼리 자극제는 고로슬래그를 주제로 한 비소성 시멘트의 알칼리 자극제로 사용하기에 바람직하다.

단열온도 측정결과

알칼리 자극제별 단열온도 상승열 측정을 위한 실험은 300×300×300mm의 단열가능한 쳄버를 제작하였으며, 물시멘트 50%, 시멘트 모래비 1:3, 치환률 10%로 고정한 역학적 특성 검토 결과와 동일한 배합을 적용하여 30분 간격으로 측정을 진행하였고, 그 결과를 도 7에 도시하였다.

도 7을 참조하면, 수산화 칼슘, 칼륨 및 나트륨을 대상으로 간이 단열온도 상승 시험 결과 수산화 칼슘을 제외한 전 조건에서 8시간 이전의 수화열이 OPC를 상회하는 것으로 측정되었다. 또한 수산화 칼륨 및 나트륨이 OPC 대비 빠른 시점에서 최대 온도 피크점이 생성된 것에 반해 수산화칼슘의 피크점이 1일 이후에 생성되는 것으로 측정되었다.

Claims

비표면적이 35,000 cm²/g 이상인 나노슬래그 및 알칼리 자극제를 포함하는 비소성 시멘트 모르타르로서,
상기 나노슬래그 100 중량부에 대하여 알칼리 자극제가 1 내지 15 중량부인 것을 특징으로 하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물.
제1항에 있어서,
상기 알칼리 자극제는 수산화 이온족을 포함하는 것을 특징으로 하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물.
제2항에 있어서,
상기 수산화 이온족은 수산화 칼슘, 수산화 칼륨, 수산화나트륨 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물.
제1항에 있어서,
상기 비표면적이 35,000 cm²/g 내지 50,000 cm²/g인 것을 특징으로 하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물.
비표면적이 35,000 cm²/g 이상인 나노슬래그를 형성하는 단계; 및
상기 나노슬래그에 알칼리 자극제를 혼합하되 상기 나노슬래그 100 중량부에 대하여 알칼리 자극제 1 내지 15 중량부를 혼합하는 단계;를 포함하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 알칼리 자극제는 수산화 이온족을 포함하는 것을 특징으로 하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 수산화 이온족은 수산화 칼슘, 수산화 칼륨, 수산화나트륨 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 비소성 시멘트 모르타르 조성물의 제조방법.