KR20160012296A - 유·무기 복합 무시멘트 흙 콘크리트 조성물 및 흙 콘크리트 2차제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무기물인 슬래그, 석회, 석고 및 실리카흄으로 구성된 결합재와 유기물인 카세인을 이용한 유·무기 복합 무시멘트 흙 콘크리트 조성물 및 이러한 흙 콘크리트 조성물로 제조된 블록, 벽돌, 패널 등의 2차제품에 관한 것이다.
본 발명은 「슬래그미분말 60~90wt%, 석회 3~25wt%, 석고 4~10wt%, 석회석미분말 1~10wt%, 실리카흄 0.1~5wt%를 포함하여 조성된 무기결합재를 흙 100중량부 대비 10~200중량부 혼합하고, 카세인을 상기 무기결합재 100중량부 대비 0.05~10중량부 더 첨가하여 혼합한 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 무시멘트 흙 콘크리트 조성물」을 제공한다.

Description

유·무기 복합 무시멘트 흙 콘크리트 조성물 및 흙 콘크리트 2차제품{Organic-Inorganic Complex None-Cement Soil Concrete Composition and Secondary Products of Soil Concrete}

본 발명은 무기물인 슬래그, 석회, 석고 및 실리카흄으로 구성된 결합재와 유기물인 카세인을 이용한 유·무기 복합 무시멘트 흙 콘크리트 조성물 및 이러한 흙 콘크리트 조성물로 제조된 블록, 벽돌, 패널 등의 2차제품에 관한 것이다.

지구 환경오염의 심각성에 대한 사람들의 관심이 커지면서 건축재료의 라이프사이클과 환경에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 시멘트는 건축의 구조재, 마감재, 2차제품 등 다양한 건축요소로 사용되고 있는 주요 건축재료 중 하나이며, 최근까지도 그 사용량은 꾸준히 증가하고 있다. 시멘트의 높은 강도와 내구성 등은 건축의 구조재료로서 갖춰야 되는 중요한 역학적 성질을 만족하므로 사회 전반적으로 사용되고 있다. 그 사용범위는 건축의 구조재료, 마감용 미장재료를 기본으로, 벽돌, 블록, 파일, 수로관 등 수를 헤아릴수 없을 만큼 많은 건축 및 토목용 2차제품으로 사용되고 있다. 또한 수변공간, 해양분야에서도 호안블록, 어소블록, 인공어초, 테트라포트 등 다양하게 사용되고 있다. 그러나 시멘트는 라이프사이클에서 많은 에너지 소모, 온난화가스(CO₂) 대량발생, 산림훼손 등 다양한 문제를 안고 있다. 그래서 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해 부재료, 부원료 등을 활용하여 에너지 소모를 줄이고 이산화탄소의 발생을 줄이기 위한 다양한 연구들이 진행 중에 있다.

또한 최근에는 건강에 대한 사람들의 관심이 높아지면서 여러 가지 건축재료에 대한 요구 수준이 높아지고 있다. 특히 흙은 전통적인 건축재료로서 친환경재료로 많은 각광을 받고 있다. 하지만 그 사용에 있어서 물에 풀리거나 낮은 압축강도를 갖는 등의 문제가 있어 이러한 성질을 개선하기 위해 일부에서 시멘트 또는 백시멘트를 혼합하여 벽돌, 블록, 콘크리트 등의 제품을 생산 및 사용하고 있다. 그러나 이 경우는 강한 알칼리성을 띠는 시멘트의 특성이 많이 나타나 주변 식생에 좋지 않은 영향을 미치게 되면서도, 시멘트가 흙과 반응하지 않아 시멘트의 강도는 제대로 발현되지 않는 등의 문제가 있다.

시멘트 이외에도 흙의 성질을 개선하기 위해 석회, 석고 등의 무기물을 첨가하여 흙의 성질을 개선하는 사례도 있으나 이는 강도가 낮고, 물에 저항성이 약하여 장기적인 내구성이 떨어지는 문제를 안고 있다.

본 발명은 흙을 건축재료로 이용하기 위한 것으로서, 시멘트를 사용하지 않고도 압축강도, 물 저항성 등의 물성이 충분히 발현되는 흙 콘크리트 조성물 및 흙 콘크리트 2차제품을 제공함을 그 목적으로 한다.

특히 기존에 흙 콘크리트에 사용되지 않았던 유기물인 카세인을 첨가하여 흙 콘크리트의 물성을 개선하고자 한다.

이에 본 발명은 「슬래그미분말 60~90wt%, 석회 3~25wt%, 석고 4~10wt%, 석회석미분말 1~10wt%, 실리카흄 0.1~5wt%를 포함하여 조성된 무기결합재를 흙 100중량부 대비 10~200중량부 혼합하고, 카세인을 상기 무기결합재 100중량부 대비 0.05~10중량부 더 첨가하여 혼합한 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 무시멘트 흙 콘크리트 조성물」을 제공한다.

본 발명에서 첨가되는 카세인은 흙 콘크리트가 굳지 않은 상태에서의 유동성을 증진시키고 흙 콘크리트의 pH 저감 및 백화 현상 저감 등에 기여한다.

본 발명은 흙을 고화시키는데 시멘트를 사용하지 않고, 슬래그와 석회의 잠재수경성 반응, 흙과 석회의 포졸란 반응, 그리고 석회와 카세인과의 반응에 따라 흙이 고화되고 물성이 개선되는 유무기 복합 친환경 흙 콘크리트를 제공한다.

또한, 흙 콘크리트 조성물 내에 물과 미반응한 석회가 흙, 카세인과 반응하여 흙배합의 pH를 낮추어 2차제품의 백화현상이 저감된다.

또한 카세인의 첨가로 인해 물을 첨가한 흙 콘크리트 조성물의 굳지 않은 상태에서의 유동성이 증진되고, 점성이 높아져 작업성능(warkability)이 향상되며, 마감성능(finishability)을 좋아지고, 흙 콘크리트 경화 후의 압축강도가 증진된다.

본 발명은 「슬래그미분말 60~90wt%, 석회 3~25wt%, 석고 4~10wt%, 석회석미분말 1~10wt%, 실리카흄 0.1~5wt%를 포함하여 조성된 무기결합재를 흙 100중량부 대비 10~200중량부 혼합하고, 카세인을 상기 무기결합재 100중량부 대비 0.05~10중량부 더 첨가하여 혼합한 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 무시멘트 흙 콘크리트 조성물」을 제공한다. 이러한 유·무기 복합 무시멘트 흙 콘크리트 조성물(이하 '흙 콘크리트 조성물'이라 함)은 카세인에 의해 조성물의 유동성이 증진되고 pH 및 백화 현상 등이 저감되며, 시멘트를 사용하지 않고, 원료 생산시 별도의 소성 공정이 불필요하므로 CO₂가 발생하지 않는 친환경적 소재로서 블록, 벽돌, 패널 등의 2차제품을 구성하는 소재로 다양하게 활용될 수 있다.

본 발명이 제공하는 흙 콘크리트 조성물을 구성하는 흙, 무기결합재, 카세인의 혼합은 시계열적 단계 보다는 각 구성요소의 혼합 비율에 의미가 있다. 즉, 상기 흙과 무기결합재를 혼합한 후 카세인을 첨가하여 혼합할 수도 있지만 흙과 무기결합재 및 카세인을 한번에 혼합할 수도 있다는 것이다. 물론, 무기결합재와 카세인을 먼저 혼합한 후 이것을 흙과 혼합시킬 수도 있다.

상기 흙은 황토, 점토, 마사토, 사질토 중 어느 하나 이상으로 조성할 수 있으며, 흙의 종류에 따라 상기 무기결합재의 혼합 비율을 달리 정할 수 있다.

본 발명이 제공하는 흙 콘크리트 조성물의 원료가 되는 흙은 점도가 높은 점토부터 모래와 실트질이 많은 사질토까지 다양하게 적용할 수 있다. 이러한 흙은 그 종류와 채취하는 장소에 따라 입도, 흙 입자의 압축강도, 흡수율, 건조수축 성상 등이 다르게 나타난다. 전술한 황토, 점토, 마사토, 사질토 중 어느 한 종류의 흙이나 또는 위에 열거된 흙을 2종 이상 혼합한 흙을 모두 본 발명의 원료로 적용가능하지만 흙의 성질에 따라 무기결합재의 배합 비율은 흙 100중량부 대비 10~200중량부의 범위 내에서 달라지게 된다..

상기 무기결합재는 슬래그미분말, 석회, 석고, 석회석미분말 및 실리카흄을 포함하여 구성된다. 상기 무기결합재를 이루는 각 구성성분은 별도로 미분말화된 상태로 혼합하거나 각 물질을 혼합한 상태로 파쇄하여 미분말화시킬 수 있다.

이 중 슬래그미분말은 SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO 등이 주성분으로 구성되어 있다. 슬래그미분말은 물과 접촉시 바로 경화가 일어나지 않으며 자극제의 자극에 의해 경화가 일어나는 잠재수경성을 갖는다. 슬래그미분말이 물과 접촉하게 되면 Ca^{2 +} 이온이 용출되어 그 표면에 투과성이 나쁜 부정형의 ASH6의 피막이 형성되며 그 피막으로 인해 슬래그미분말 입자속으로 물이 침투하지 못하며 또한 슬래그미분말 입자의 다른 이온들의 용출이 억제되어 수화반응이 일어나지 않는다. 이때 알칼리성을 띠는 자극제를 첨가하게 되면 OH^-이온이 슬래그미분말에 흡착되면서 ASH6 피막이 파괴되고, 슬래그로부터 SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO 등의 이온이 용출되어 경화반응이 일어나게 된다. 반응이 시작되면 Ca^{2 +}와 SiO₂ ^- 이온이 물과 반응하여 CSH 수화물을 형성하게 된다. 본 발명에서는 슬래그미분말의 이러한 잠재수경성을 자극하는 알칼리자극제로 석회를 사용하였다.

슬래그미분말의 적정 첨가량은 결합재의 60~90wt%이다. 무기 결합재 내 슬래그미분말의 첨가량이 60wt% 미만일 경우에는 강도를 발현하기 위한 충분한 반응성물질이 생성되지 않아 흙 콘크리트의 강도가 낮게 된다. 또한 슬래그미분말의 첨가량이 90wt%를 초과하는 경우에는 석회의 첨가량이 상대적으로 부족하여 흙과 석회의 반응에 의한 흙 콘크리트의 장기강도가 낮아질 수 있으며 또한 슬래그미분말의 반응 생성물에서 취성이 커지게 되는 문제를 갖게 된다.

상기 석회는 석회석을 소성하여 얻어진 것으로 생석회, 소석회, 탄산칼슘 등을 들 수 있으며 사용상 가장 적합한 형태는 생석회를 소화시킨 소석회이다. 석회는 건축, 토목 분야에서 전통적으로 사용되어온 재료로서 알칼리성을 띠는 기경성 재료이다.

본 발명에서는 석회를 슬래그의 잠재수경성을 자극하기 위한 알칼리자극제로 사용하였으며 석회의 OH^-이온이 슬래그의 부동태피막을 파괴하여 슬래그의 수화반응을 자극하게 된다.

또한 석회는 흙과 반응하여 포졸란 반응을 일으킨다. 흙의 입자 중에서 실트, 모래, 자갈을 제외한 점토(clay) 성분은 석회와 반응하여 포졸란 반응을 일으켜 강도 발현을 하게 되며 이러한 포졸란 반응은 장기적으로 일어나 흙 콘크리트의 압축강도를 증진시킨다.

본 발명의 무기결합재에서 석회의 적정 첨가량은 3~25wt%이다.

석회의 양이 3wt% 미만일 경우에는 그 양이 과소하여 슬래그의 잠재수경성 자극 및 흙과의 포졸란 반응이 원활히 이루어지지 않아 흙 콘크리트의 강도 발현이 낮게 된다. 또한 석회의 양이 25wt%를 초과할 경우에는 슬래그의 자극 반응 및 석회의 포졸란 반응을 하고 남은 잉여 석회의 증가로 인해 흙 콘크리트의 백화현상이 심하게 발생하게 되므로 이러한 점에 주의를 하여야 한다.

상기 석고는 황산칼슘으로 물분자에 따라 무수석고(CaSO₄), 반수석고(CaSO₄₂O), 이수석고(CaSO₄₂O)로 구분된다. 무수석고는 Ⅰ형, Ⅱ형, Ⅲ형 무수석고가 있으며 Ⅲ형 무수석고와 반수석고는 α형과 β형을 가지며 총 7가지의 석고로 나뉜다. 석고는 슬래그, 석회와 함께 반응에 에트링가이트를 형성하여, 반응(양생) 초기에 팽창 현상을 나태내며 장기적으로 안정적인 화합물을 형성하게 된다.

본 발명의 결합재에서 석고의 적정 첨가량은 4~10wt%이며, 석고의 첨가량이 상기 범위를 벗어날 경우 흙 콘크리트의 압축강도가 낮아진다.

상기 석회석미분말은 주요성분이 탄산칼슘(CaCO₃)이며, 시멘트 제조 과정 중 발생하는 산업부산물의 일종으로서 분말도가 매우 높은 재료이다. 이러한 석회석미분말은 콘크리트의 재료분리 방지, 경화상태에서의 공극 충전효과에 의한 압축강도 증진 및 수밀성 향상에 기여하는 것으로 나타난다. 최근에는 국내외적으로 자원의 고갈과 환경오염에 대한 관심이 집중되면서 고로슬래그, 플라이애시 등의 혼화재와 더불어 시멘트를 대체하는 결합재로 많이 사용되고 있는 재료이다.

본 발명에서 무기질결합재 내 석회석미분말의 적정 첨가 범위는 1~10wt%이다. 석회석미분말이 1wt% 이하로 첨가될 경우 흙 콘크리트의 압축강도 증진 효과가 크지 않고 수밀성 저하가 나타나며, 첨가량이 10wt% 이상일 경우에도 흙 콘크리트의 압축강도 감소 현상이 나타나므로 전술한 범위로 제한한다.

상기 실리카흄은 실리콘 제조시 발생하는 산업부산물의 일종으로 초미립자의 규소 부산물을 전기집진장치에서 집진함으로써 얻어진다. 분말형태를 띄고 있으며 이러한 특성으로 인해 미세한 공극을 채우는 공극충전효과로 인해 흙 콘크리트의 압축강도를 증진시킨다.

이러한 실리카흄은 결합재의 0.1~5wt%로 첨가량이 0.1wt 미만인 경우에는 강도 발현이 미미하며, 첨가량이 5wt%를 초과하는 경우에는 전체 배합에서 미분의 양이 증가함에 따라 배합수량이 증가하여 전체 강도의 저하를 일으킬 수 있으므로 그 첨가량을 상기 범위 내로 제한한다.

한편, 카세인은 미량의 당을 함유하는 인단백질의 하나로 젖단백질의 주성분이며, 건락소라고도 한다. pH 4.6부근에서는 물에 용해되지 않으며 이 성질로 인해 탈지우유를 약산성으로 했을 때 침전물이 생성된다. 또 약전에 기재되어 있는 카세인은 100℃에서 건조시킨 것의 질소 함유량이 15.2~16.0%로 규정되어 있다. 이러한 카세인은 영양제, 에멀션으로 소화력 시험, 마사지 크림 등에 사용된다. 또 오래된 우유는 알코올을 소량 첨가해도 카세인이 쉽게 응고되므로 신선도 판정법에 응용된다. 각 단위체의 분자량은 20,000~30,000이다.

본 발명에서 카세인의 적정첨가량은 상기 결합재 100중량부 대비 0.05~10중량부이다. 카세인은 흙 콘크리트의 전체적인 유동성과 점착력을 증대시켜 균열 발생을 제어하며 강도 발현에 기여하는 특징을 갖는다. 또한 석회와 반응하는 특성이 있어, 흙 콘크리트 조성물에 첨가된 석회 중 슬래그 또는 흙과 미반응한 석회와 반응하여 백화현상을 제어하는 특성을 갖으며, 이로 인해 흙 콘크리트의 알칼리성을 낮추는 효과를 나타낸다. 그러나 카세인의 첨가량이 결합재 100중량부 대비 0.05중량부 이하일 경우에는 흙 콘크리트의 유동성 개선 효과가 미미하여 교반할 때 많은 애로사항이 발생하게 되며 점착력이 부족하게 된다. 또한 카세인의 첨가량이 결합재 100중량부 대비 10중량부를 초과할 경우에는 유동성이 과도히 높아져 흙 사이 공극의 충전효과가 낮아지며 내부에 많은 공극이 발생하게 되고 부피팽창이 발생하여 교반시 어려움이 있으며 성형 후에도 변형이 생겨 제품의 치수오차가 커지게 된다. 또한 부피팽창은 내부에 많은 공극을 발생시켜 강도 저하를 일으키게 된다.

상기 흙 콘크리트 조성물은 콘크리트 포장재, 블록 등의 다양한 제품으로 활용이 가능하다. 그러나 다양한 제품의 특성에 적합한 적정 유동성 확보가 중요하다. 본 발명에서는 흙의 물리·화학적인 특성과 결합재의 비율, 카세인의 비율에 따라 다양한 유동성을 발현시킬 수 있으나 모든 적용 제품에 같은 유동성이 적용되지는 않는다. 본 발명이 제공하는 흙 콘크리트 조성물을 블록, 벽돌 등의 2차 제품에 적용하여 기계로 성형하는 경우에는 성형기계의 특성에 따라 달리할 수 있으나 건식으로 성형하는 경우에는 배합수량이 적은 것이 유리하며, 물-몰탈비(몰탈은 흙과 무기결합재의 혼합 조성물, 이하 'w/m'로 표기함) 50% 이하에서 가능한 한 w/m을 낮추는 것이 좋다. 이에 따라 w/m의 하한을 5%까지 낮출 수 있다.

흙의 상태에 따라 w/m를 5% 정도까지 낮출 수 있으나 이보다 낮은 경우에는 결합재의 반응에 필요한 결합수의 부족으로 인해 강도가 저하되고, 벽돌을 성형하는 단계에서 흙 배합에 점성이 부족하여 벽돌 성형이 어려울 수 있다. 또한 w/m가 50%를 초과하는 경우에도 벽돌 등의 2차 제품 성형이 가능하나 이 경우에는 양생 기간이 길어지고 강도가 저하되는 문제가 발생한다.

그러나 본 발명이 제공하는 흙 콘크리트 조성물을 도로 포장재, 타설재 등의 습식 타설에 적용하는 경우에는 낮은 w/m에서 적당한 유동성의 확보가 어렵기 때문에 주의를 요한다. 이 경우에는 w/m를 20% 수준으로 맞추고 카세인의 첨가량을 증가시키거나 유동화제 등을 사용하여 소요의 유동성을 얻을 수 있지만 제조 단가의 증가 등을 고려할 필요가 있다.

이상과 같은 흙 콘크리트 조성물의 실시예와 비교예는 아래의 [표 1]과 같다. 상기 실시예와 비교예 모두 결합재 재료의 배합비는 전술한 적정 범위 내로 통제한 것이다. 다만, 비교예1은 타 조건을 실시예1과 동일하게 한 상태에서 카세인을 첨가하지 않은 예이고, 비교예2는 타 조건을 실시예2와 동일하게 한 상태에서 카세인을 전술한 적정량 이상 첨가한 예이다.

[표 1]

위의 [표 1]에 실시예와 비교예가 카세인의 첨가에 따른 압축강도 변화 및 pH변화에 대한 실시예와 비교예는 [표 2]에 정리하였다.

[표 2]

상기 실시예는 카세인의 첨가에 따라 유동성의 개선효과(flow)가 있었으며, 압축강도 증진 및 pH 저감 효과가 나타났다.

비교예의 경우 카세인의 첨가량이 첨가되지 않은 경우 카세인을 첨가한 배합에 비해 강도가 다소 낮게 나타났고 pH는 높게 나타났다. 또한 카세인의 첨가량이 너무 많은 경우 유동성은 좋아지나 내부에 거품이 발생하여 체적이 팽창하고 압축강도는 저하되는 특성을 나타냈다.

Claims (3)

1. 슬래그미분말 60~90wt%, 석회 3~25wt%, 석고 4~10wt%, 석회석미분말 1~10wt%, 실리카흄 0.1~5wt%를 포함하여 조성된 무기결합재를 흙 100중량부 대비 10~200중량부 혼합하고,
   카세인을 상기 무기결합재 100중량부 대비 0.05~10중량부 더 첨가하여 혼합한 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 무시멘트 흙 콘크리트 조성물.
   
2. 제1항에서,
   상기 흙은 황토, 점토, 마사토, 사질토 중 어느 하나 이상으로 조성된 것을 특징으로 하는 유·무기 복합 무시멘트 흙 콘크리트 조성물.
   
3. 제1항의 유·무기 복합 무시멘트 흙 콘크리트 조성물에 물-몰탈비(몰탈은 흙과 무기결합재의 혼합 조성물) 10~17%의 조건으로 물을 혼합하여 양생한 흙 콘크리트 2차제품.