KR20130134045A - 나노실리카와 산업부산물을 활용한 지오폴리머 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노실리케이트가 적용된 알칼리 자극제와 규산소다용액, 플라이애시나 고로슬래그 중 어느 하나이상의 산업부산물과 메타카올린과 규사, 자갈 또는 흙 중 어느 하나이상의 골재를 포함하는 지오폴리머 조성물에 있어서, 상기 지오폴리머 조성물은, 알칼리 자극제 30~40중량%와; 물유리 5~10중량%와; 플라이애시나 고로슬래그 중 어느 하나 이상의 산업부산물과 규사, 자갈 또는 흙 중 어느 하나이상의 골재 40~55중량%와; 메타카올린 5~10중량%를 포함하여 구성되고; 상기 알칼리 자극제는 4M~10M의 수산화나트륨수용액 또는 수산화칼륨수용액 100중량부에 대하여, 흄드 실리카와 실리카 흄 또는 나노 실리케이트 10~13중량부를 포함하여 구성되는 지오폴리머 조성물에 관한 것이다.
또한 본 발명은 종래의 지오폴리머 배합물보다 안전하게 취급이 가능하여 실제 현장에서도 안전하게 지오폴리머 반응을 일으킬 수 있으며 알칼리 자극제에 나노크기의 실리카 입자가 분산되어 지오폴리머 합성 반응의 핵으로 작용하고, 완성된 지오폴리머의 치밀성과 수밀성 향상에 기여함과 동시에, 반응의 안정화를 도모하여 수명이 긴 지오폴리머 제품 생산을 가능하게 할 수 있고, 기존 지오폴리머의 한계점이었던 상용화에 대한 문제점이 해결되어 우수한 성능의 지오폴리머 2차제품 제조에 기여할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

나노실리카와 산업부산물을 활용한 지오폴리머 조성물{Geopolymer mixture using nano-silica and by-product of industry}

본 발명은 산업부산물인 플라이애시와 고로슬래그, 메타카올린과 골재를 포함하고 나노실리카가 적용된 수산화나트륨과 수산화칼륨을 알칼리 자극제로 활용하는 지오폴리머 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미노 실리케이트 전구체를 수산화나트륨과 수산화칼륨에 분산시켜 지오폴리머 합성과정에서 사용되는 강알칼리 상태의 알칼리 자극제의 취급 용이성을 향상시키고, 알칼리 자극제에 분산된 알루미노 실리케이트 전구체가 지오폴리머 반응 과정에서 조성물내의 시드로서 작용하여 보다 치밀하고 견고한 지오폴리머 반응을 유도하게 되는 지오폴리머 조성물에 관한 것이다.

지구온난화로 인한 각종 자연재해 발생빈도가 증가하고 있는 가운데, 세계 각국에서는 지구온난화의 원인인 이산화탄소의 발생량을 줄이기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있다. 건축 및 토목분야에서 흔히 사용되는 포틀랜드 시멘트는 지난 수백년간 건축, 토목재료에 있어서 가장 많이 사용된 무기결합제인데, 원료가 많고 값이 싸다는 장점에도 불구하고 시멘트 제조과정에서 발생하는 이산화탄소 발생량이 전 세계 이산화탄소 배출량 중 큰 비중을 차지하고 있기 때문에 각국별로 시멘트 생산량을 제한하려는 시도가 진행되고 있다.

이산화탄소의 배출을 줄이기 위한 노력의 일환으로 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 새로운 무기결합재의 개발에 많은 연구가 이루어지고 있는데, 그 중에서도 지오폴리머는 우수한 성능으로 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 재료로 많은 주목을 받고 있다. 또한 지오폴리머는 전 세계적으로 발생되는 산업부산물(플라이애시, 고로 슬래그 등)을 주요 원료로 사용하기 때문에 자원의 재활용 측면에서 매우 중요한 연구로 인식되고 있다.

종래의 지오폴리머는 알루미늄과 규소가 함유된 점토계 세라믹 분말을 강알칼리성 용액의 조건에서 혼합하여 중합반응을 시킨 것으로 우수한 내열성과 단열성, 내산성, 저수축성등을 나타내며 동결융해에 대한 저항성과 부식에도 강하다. 또한 치밀성이 높고 수밀성이 있으며, 접착성이 우수하고 빠른 시간내에 응결이 가능한 장점을 지닌다. 하지만 이 과정에서 사용되는 알칼리 자극제가 너무도 강한 알칼리성으로 인하여 안전사고 발생위험이 상존하고 이는 지오폴리머를 상용화하는데 필요한 재료의 사용성과 시공용이성을 저해하여 지오폴리머의 상용화에 큰 걸림돌로 작용하고 있는 것이 사실이다. 따라서 이를 해결하기 위한 지오폴리머용 알칼리 자극제에 관한 지속적인 연구개발이 요구된다.

본 발명은 지오폴리머 조성물의 종래기술에 따른 문제점들을 개선하고자 안출된 기술로서, 종래 지오폴리머 조성물에는 수산화나트륨(NaOH)이나 수산화칼륨(KOH)를 일정 농도로 희석하여 산업부산물인 플라이애시나 고로슬래그와 메타카올린 등에 직접적인 알칼리 자극을 위하여 사용하였는데 이 과정에서 안전상의 문제가 발생할 소지가 충분하기 때문에 세심한 주의가 필요하고 강알칼리 물질의 취급이 불안하여 일반 현장에서 적용되기 힘들고 실험실내에서의 실험단계에서만 실증되는 문제가 발생하였다.

또한 지오폴리머 반응으로 인하여 치밀한 비정질의 반응물이 형성된 이후에도 지속적으로 그 반응이 진행되어 나중에는 자기융해에 이르는 문제점이 발생하기 때문에 이에 대한 해결점을 제공하는 것을 주된 목적으로 하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 소기의 목적을 실현하고자,

나노실리케이트가 적용된 알칼리 자극제와 규산소다용액, 플라이애시나 고로슬래그 중 어느 하나이상의 산업부산물과 메타카올린과 규사, 자갈 또는 흙 중 어느 하나이상의 골재를 포함하는 지오폴리머 조성물에 있어서, 상기 지오폴리머 조성물은, 알칼리 자극제 30~40중량%와; 물유리 5~10중량%와; 플라이애시나 고로슬래그 중 어느 하나 이상의 산업부산물과 규사, 자갈 또는 흙 중 어느 하나이상의 골재 40~55중량%와; 메타카올린 5~10중량%를 포함하여 구성되고; 상기 알칼리 자극제는 4M~10M의 수산화나트륨수용액 또는 수산화칼륨수용액 100중량부에 대하여, 흄드 실리카와 실리카 흄 또는 나노 실리케이트 10~13중량부를 포함하여 구성되는 지오폴리머 조성물을 제시한다.

상기와 같이 제시된 본 발명에 의한 지오폴리머 조성물은 종래의 지오폴리머 배합물보다 안전하게 취급이 가능하여 실제 현장에서도 안전하게 지오폴리머 반응을 일으킬 수 있으며 알칼리 자극제에 나노크기의 실리카 입자가 분산되어 지오폴리머 합성 반응의 핵으로 작용하고 이는 완성된 지오폴리머의 치밀성과 수밀성 향상에 기여함과 동시에, 반응의 안정화를 도모하여 수명이 긴 지오폴리머 제품 생산을 가능하게 할 수 있다. 결과적으로 기존 지오폴리머의 한계점이었던 상용화에 대한 문제점이 해결되어 우수한 성능의 지오폴리머 2차제품 제조에 기여할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 나노실리케이트가 적용된 알칼리 자극제와 규산소다용액, 플라이애시나 고로슬래그 중 어느 하나이상의 산업부산물과 메타카올린과 규사, 자갈 또는 흙 중 어느 하나이상의 골재를 포함하는 지오폴리머 조성물에 관한 것으로서, 상기 지오폴리머 조성물은, 알칼리 자극제 10~40중량%와; 물유리 5~10중량%와; 플라이애시나 고로슬래그 중 어느 하나 이상의 산업부산물 30~60중량%와 규사, 자갈 또는 흙 중 어느 하나이상의 골재 20~35중량%와; 메타카올린 5~10중량%를 포함하여 구성되고; 상기 알칼리 자극제는 4M~10M의 수산화나트륨수용액 또는 수산화칼륨수용액 100중량부에 대하여, 흄드 실리카와 실리카 흄 또는 나노 실리케이트 10~13중량부를 포함하여 구성되는 지오폴리머 조성물에 관한 것이다.

구체적으로, 본 발명에 의한 알칼리 자극제는 조성물에 대하여 10내지 40중량%로 첨가하는 것이 적당하다. 상기 알칼리 자극제가 조성물에 대하여 10중량% 미만으로 첨가될 경우, 입자간의 친화력이 떨어져 반응하기 어렵고, 지오폴리머를 형성할 수 없다. 또한 상기 알칼리 자극제가 조성물에 대하여 40중량%를 초과하여 첨가될 경우 혼합물의 상태가 슬러리 또는 겔 상태가 되어 취급에 부적절하다.

본 발명의 알칼리 자극제는 초순수에 5 내지 30몰의 농도의 수산화나트륨이나 수산화칼슘 또는 수산화칼륨용액이며, 바람직하게는 초순수에 4내지 10몰의 농도로 용해한 수산화나트륨 용액이다. 수산화나트륨 수용액의 농도가 5몰 미만일 경우 조성물의 물리적 성능이 감소하는 경향을 나타내며, 강도를 증진시키기 위하여 30몰 이상의 농도를 갖는 수산화나트륨 용액을 사용할 경우 양생 초기에는 다소 높은 압축강도를 나타내지만 재령이 증가할수록 오히려 압축강도가 저하되는 경향을 보인다. 또한 고 농도의 알칼리 자극제를 사용할 경우 재료비가 증가하게 되고 향 후 주변 환경에도 악영향을 미칠 수 있는 문제점이 있다.

이때, 본 발명에 의한 알칼리 자극제에는 알칼리 자극제 100중량부에 대하여 나노사이즈의 실리카를 10~13중량부 첨가하게 되는데, 실리카 흄이나 흄드 실리카, 나노 실리케이트 등 알칼리 자극제 내에 나노크기의 Si성분을 제공할 수 있는 것이라면 어느 것이라도 좋다. 알칼리 자극제에 첨가되는 나노 크기의 실리카 성분은 알칼리 자극제가 분체를 자극하는 과정에서 반응핵으로 작용하여 초기 반응을 촉진시키며 반응성이 좋아지는 만큼 알칼리 자극제의 농도를 2몰 이상 낮출 수 있게 하여 안전한 알칼리 자극제의 사용을 가능하게 한다.

아울러 본 발명에 의한 산업부산물은 플라이애시와 고로슬래그를 30~60중량%를 사용하는 것이 적당하다. 슬래그는 알카리 자극에 의해 자체적으로 수화할 수 있는 잠재 수경성을 갖는 대표적 물질로서 일반적인 수분과 반응하여도 수화 생성물을 형성할 수 있으나 그 반응 속도는 매우 늦다. 따라서 알칼리 자극을 통한 외부 자극에 의해 반응 속도를 촉진하여 수화물을 생성시키는데 이때 생성되는 수화물은 지오폴리머 초기강도 형성에 중요한 역할을 한다. 한편 플라이애시는 알칼리 용액으로 활성화 시킬 경우, 알루미노실리케이트라는 새로운 생성물을 만드는데 이 알루미노실리케이트가 바인더로 작용하여 입자들을 결합시키거나 혹은 화학적으로 결합한 하나의 세라믹 덩어리를 만든다. 이러한 결과로 생성된 덩어리는 우수한 물리적, 화학적 성질을 지니며 시멘트보다 우수하기 때문에 지오폴리머 성능에 가장 중요한 영향을 미친다. 본 발명에서, 플라이애시와 고로슬래그의 조성비는 크게 중요하지 않으나 한가지 혹은 두가지 전체의 총 중량%는 전체 조성물의 30~60중량%가 적당하다. 만약 분체의 총량이 전체의 30%미만이면 지오폴리머 반응에 필요한 분체의 양이 부족하게 되어 지오폴리머 성능 저하의 원인이 되며, 분체의 총량이 60중량%를 초과하면 반응이 종료된 후에도 미처 반응하지 못하고 남은 잉여 분체가 생기게 되어 지오폴리머의 내구성을 저하시키고 나아가 동결융해 및 내화성능 부족의 원인이 된다.

또한, 본 발명에서 골재는 규사, 자갈, 흙 중 하나 이상의 것을 20~35중량%를 포함한다. 골재는 지오폴리머 내부에 충진되어 여러 가지 응력을 분담하는 역할을 하게 되는데, 여기에 사용되는 골재들은 직접적으로 지오폴리머 반응에 참여하지는 않으나, 지오폴리머 반응과정에서 생성되는 수화물과 함께 충진, 고화되어 지오폴리머 내부에 가해지는 압축이나 인장하중을 분담하게 된다. 이때, 골재가 전체의 20중량% 미만이면 충진되는 골재의 양이 부족하여 많은 양의 지오폴리머 모르타르가 필요하게 되어 경제성이 나빠지게 되며 골재가 전체의 35중량%를 초과하면 지오폴리머 반응을 일으키는 분체가 골재 사이에 충분히 충진되지 않아 내부 균열 및 강도저하 등의 원인으로 작용할 수 있다.

또한 본 발명에서 물유리는 전체의 5~10중량%를 포함한다. 물유리는 초기 작업성 및 접착성, 접착강도가 우수하며 무기결합재에 내산성, 내열성, 내수성을 부여하는데, 만약 물유리가 전체의 5중량% 미만이면 물유리의 양이 부족하게 되어 전체적으로 향상되는 정도가 미미하고 효과를 보기 어렵다. 또한 물유리가 전체의 10중량%를 초과하면 지오폴리머 반응과 더해져 지오폴리머의 시공성을 저하시키고 유동성을 저하시켜 지오폴리머 조성물의 취급을 어렵게 한다.

또한 본 발명에서 메타카올린은 전체의 5~10중량%를 포함한다. 메타카올린은 특정온도에서 정제된 카올린을 용융해서 만들어진 반응성이 우수한 알루미노 실리케이트 포졸란 물질로서 지오폴리머 반응 내의 충진재 역할을 하고 지오폴리머가 더욱 활발히 반응하는 것을 유도한다. 본 발명에서 메타카올린이 전체의 5중량%미만이면 지오폴리머 구조 속에서 필요한 충진재의 역할을 상실하게 되고 지오폴리머 반응의 촉진을 유도할 수 없다. 또한 메타카올린이 전체의 10중량%를 초과하면 더 이상의 효과는 보기 힘들고 슬래그의 10배가 넘는 가격으로 오히려 경제성만 악화된다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[지오폴리머 예시 배합]

본 예시에서는 플라이애쉬 및 고로슬래그, 메타카올린과 잔골재의 비는 표준시멘트 배합 비와 동일한 1:2.45로 하였으며 알카리 자극제의 비는 표준시멘트의 물비인 1:0.485보다 높은 1:0.730으로 하였다. 이는 플라이애쉬 및 고로슬래그, 메타카올린의 분말도가 시멘트보다 높아 적정한 작업성을 유지하기 위해서였다. 모든 알칼리 자극제에는 흄드 실리카를 10중량부 적용하였다.

구분	배합특성
	분체		골재	알칼리자극제
	1		2.45	0.730
예시 1	플라이애쉬 50	메타카올린 50	표준3호사	10M KOH 50	물유리 50
예시 2	고로슬래그 50	메타카올린 50	표준3호사	10M KOH 75	물유리 25
예시 3	플라이애쉬 50	메타카올린 50	표준3호사	10M KOH 75	물유리 25
예시 4	플라이애쉬 75	메타카올린 25	표준3호사	10M NaOH 50	물유리 50
예시 5	고로슬래그 75	메타카올린 25	표준3호사	10M NaOH 75	물유리 25
예시 6	플라이애쉬 75	메타카올린 25	표준3호사	10M NaOH 75	물유리 25

이하 본 발명의 실시예에서 물성은 하기의 방법으로 측정하였다.

[압축강도 시험]

압축강도 시험은 5cm×5cm×5cm 몰드에 타설하여 상온에서 양생하여 시험체를 제조한 후 기간별로 파쇄시의 압축강도를 측정하였다.

[부착강도 시험]

부착강도 시험은 KS F 4715에 의거하여 경화체를 제조하였다.

예시	압축강도(MPa)				플로우(%)	부착강도 (kgf/㎠)	pH
	1일	3일	7일	28일
1	15	28	33	42	80	19	10.95
2	10	19	26	38	92	17	11.10
3	17	32	37	50	70	22	11.20
4	7	12	18	22	86	11	10.90
5	4	10	14	18	103	10	11.00
6	8	14	20	26	73	14	11.05

4. 결과

본 발명에 의한 지오폴리머 조성물은 실시예 1 내지 3에서 나타나듯이 고로슬래그보다 플라이애시를 분체로서 작용하였을 때 더 좋은 성능을 발현하는 것으로 확인되었으며 메타카올린의 비가 증가할수록 우수한 물리적 특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 또한, 보통포틀랜드 시멘트의 pH가 약 12.00을 나타내는데 비해 본 발명의 지오폴리머 조성물 pH는 10.90~11.20으로 보통포틀랜드 시멘트와 비교하여도 상대적으로 낮아 취급이 힘든 지오폴리머의 단점을 극복하고 더욱 친환경적임을 확인할 수 있었다.

상기는 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 설명하였으며, 상기의 실시예에 한정되지 아니하고, 상기의 실시예를 통해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경으로 실시할 수 있으며 본 발명에서 언급한 조성물을 활용하여 얻을 수 있는 블록이나 호안블럭, 도로 포장재에도 적용할 수 있는 것이다.

Claims (2)

1. 노실리케이트가 적용된 알칼리 자극제와 규산소다용액, 플라이애시나 고로슬래그 중 어느 하나이상의 산업부산물과 메타카올린과 규사, 자갈 또는 흙 중 어느 하나이상의 골재를 포함하는 지오폴리머 조성물에 있어서,
   상기 지오폴리머 조성물은,
   알칼리 자극제 10~40중량%와; 플라이애시나 고로슬래그 중 어느 하나 이상의 산업부산물 30~60중량%와 규사, 자갈 또는 흙 중 어느 하나이상의 골재 20~35중량%와; 메타카올린 5~10중량%를 포함하여 구성되고;
   상기 알칼리 자극제는 4M~10M의 수산화나트륨수용액 또는 수산화칼륨수용액 100중량부에 대하여, 흄드 실리카와 실리카 흄 또는 나노 실리케이트 10~13중량부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노실리카와 산업부산물을 활용한 지오폴리머 조성물.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 폴리머 조성물은,
   조성물 100중량부에 대하여,
   물유리를 5~10중량%를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노실리카와 산업부산물을 활용한 지오폴리머 조성물.