KR20200117513A - 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법 및 이에 제조된 건축물 외장재 - Google Patents

폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법 및 이에 제조된 건축물 외장재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 폐유리섬유를 수선하여 이물질의 잔류에 따라 구분하여 외장재용 첨가원료를 준비하는 제1공정(S10); 외장재용 주원료와 지오폴리머 반응을 유도하는 활성제를 준비하는 제2공정(S20); 준비된 주원료 67~73 중량%에 활성제 25~35 중량%와 첨가원료 1.0~5.0 중량%를 혼합하는 제3공정(S30); 혼합물을 설정 형상의 성형 틀에 주입하여 25~60℃에서 3 내지 8시간 양생시켜 외장재를 완성하는 제4공정(S40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명은 생활폐기물 소각재나 용융슬래그를 주원료로 하고, 폐유리섬유를 첨가원료로 이용하여 환경오염을 방지하면서도 외장재를 저렴한 비용으로 보급할 수 있는 효과가 있다.

Description

폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법 및 이에 제조된 건축물 외장재{Method for manufacturing exterior material of concrete substitute building using waste glass fiber and building exterior material}
본 발명은 폐유리섬유를 이용하여 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법 및 이에 제조된 건축물 외장재에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 소각재나 용융슬래그와 함께 폐유리섬유를 이용하여 전반적으로 환경오염을 방지할 수 있는 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법 및 이에 제조된 건축물 외장재에 관한 것이다.
오늘날 인간의 생활 전반은 생산 활동과 소비 활동의 반복이므로 폐기물은 꾸준히 발생되고 있다. 국가는 발생된 폐기물의 효율적인 처리를 위해 발생량 자체를 줄일 수 있는 감량화 및 재사용, 재활용 등의 방법을 우선적으로 시행하였고, 발생을 완전히 억제하긴 어렵기 때문에 소각 또는 매립을 통해 폐기물을 최종처분하고 있다.
과거 발생된 폐기물은 매립을 통한 처리비율이 높았으나, 폐기물을 매립할 경우 국토잠식뿐만 아니라 침출수 등의 문제가 발생되어 이를 해결하고자 2002년부터 2008년까지 생활폐기물 소각 처리율을 30%까지 확대하자는 정책 목표를 발표하여 소각을 통한 처리를 확대해 왔다.
한편, 유리섬유는 내화학성, 전기절연성, 높은 탄성률 등의 특징을 갖고 있으므로 산업분야 전반에서 활용률이 매우 높다. 유리섬유 활용분야는 FRP(Fiber Rein forced Plastics), GFRC(Glass Fiber Rein forced Concrete)부터 항공기용 재료까지 주로 유리섬유를 첨가하여 기계적 강도를 향상시키기 위한 목적으로 활용되고 있으며, 암연과 함께 건물 내 단열소재로도 이용되고 있다.
하지만 모든 사물이 영구적이지 못하듯 유리섬유도 그 쓰임이 다할 경우 폐기물로 분류된다. 특히 폐유리섬유는 건물 내 단열소재로 사용되다가 건물이 재건축 될 때, 건설폐기물로 발생되는 양이 가장 많으며, 제조 과정 중 부산물로 발생하기도 한다.
이러한 폐유리섬유는 건설폐기물로 분류되어 매립되며, 유리섬유 제조 공정에서 발생하는 유리섬유는 수거 후 용융시켜 재사용하기도 하지만 상품성이 저하된 섬유는 매립을 통해 처리되고 있다. 단순매립을 통한 폐유리섬유의 처리방법은 높은 가치를 갖는 자원의 재순환이 원활히 이루어지지 못하고 있다는 것으로 폐유리섬유의 활용방안이 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0043619호 (발명의 명칭: 폐유리섬유를 이용한 재활용 방법과 그 장치)
본 발명은 위의 제반 문제점을 보다 적극적으로 해소하기 위하여 창출된 것으로, 생활폐기물 소각재나 용융슬래그를 주원료로 하고, 폐유리섬유를 첨가원료로 이용하여 환경오염을 방지함과 함께 콘크리트 패널과 동등 내지 그 이상의 압축강도와 휨 강도를 가지는 외장재를 저렴한 비용으로 보급할 수 있는 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법 및 이에 제조된 건축물 외장재를 제공하려는데 그 목적이 있다.
위의 해결 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서 제안하는 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법의 구성은 다음과 같다.
위 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법은 폐유리섬유를 수선하여 이물질의 잔류에 따라 구분하여 외장재용 첨가원료를 준비하는 제1공정; 외장재용 주원료와 지오폴리머 반응을 유도하는 활성제를 준비하는 제2공정; 준비된 주원료 67~73 중량%에 활성제 25~35 중량%와 첨가원료 1.0~5.0 중량%를 혼합하는 제3공정; 혼합물을 설정 형상의 성형 틀에 주입하여 25~60℃에서 3 내지 8시간 양생시켜 외장재를 완성하는 제4공정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 의한 위 제1공정은 폐유리섬유를 수선하여 이물질을 제거하는 수선단계와, 수선된 폐유리섬유를 디지털 화상으로 분석하여 잔류 이물질에 따라 재사용 폐유리섬유와 불사용 폐유리섬유로 구분하는 선별단계와, 선별된 재사용 폐유리섬유는 1.5∼2.0cm 길이로 절단하고, 불사용 폐유리섬유는 800~1200℃로 가열하여 용융시키는 가공단계와, 용융된 폐유리용융물을 5.0 내지 10㎛ 입도를 가진 분말로 전환하는 분쇄단계와, 분쇄된 폐유리 첨가원료와 재사용 폐유리섬유 첨가원료를 1:1 중량비로 배합하는 혼합단계를 거치는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 위 외장재용 주원료는 SiO2 35~40 중량%, Al2O3 13~20 중량%, CaO 37~40 중량%, MgO 1.0~2.0 중량%, P2O5 0.3~0.5 중량%, K2O 0.2~1.0 중량%, Na2O 1.5~2.0 중량%, SO3 1.0~2.0 중량%로 조성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 위 외장재용 주원료는 볼 밀로 분쇄하여 5.0 내지 10㎛ 입도를 가진 분말인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 위 활성제는 PH 13, 비중 1.27의 규산나트륨 또는 액상규산칼륨인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 방법으로 제조된 건축물 외장재는 42.5~45.5㎫ 압축강도와, 14.3~14.7㎫ 휨 강도를 가진 것을 특징으로 한다.
상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 생활폐기물 소각재나 용융슬래그를 주원료로 하고, 폐유리섬유를 첨가원료로 이용함에 따라 환경오염을 방지할 수 있고, 주원료와 첨가원료를 지오폴리머 반응을 유도하여 이온의 축중합으로 인한 3차원 그물망조직을 형성함과 함께 폐유리섬유의 가교작용을 통해 콘크리트 패널과 동등 내지 그 이상의 압축강도와 휨 강도를 가지는 외장재를 저렴한 비용으로 보급할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 제조과정을 간략하게 나타내는 순서도.
이하, 첨부도면을 참고하여 본 발명의 구성 및 이로 인한 작용, 효과에 대해 일괄적으로 기술하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그리고 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명은 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재를 제조하는 방법 및 이에 제조된 건축물 외장재와 관련되며, 도 1처럼 제1공정(S10) 내지 제4공정(S40)을 순차적으로 거쳐 건축물 외장재를 제조하는 방법이다.
본 발명에 의해 제조된 외장재는 콘크리트 패널과 동등 내지 그 이상의 압축강도와 휨 강도를 가짐에 따라 콘크리트 패널 대용으로 활용할 수가 있다.
본 발명은 생활폐기물 소각재나 용융슬래그를 주원료로 하고, 폐유리섬유를 첨가원료로 이용하여 환경오염을 방지하면서도 외장재를 저렴한 비용으로 보급할 수 있는 것을 주요 요지로 한다.
-제1공정(S10)-
제1공정(S10)은 폐유리섬유를 수선하여 이물질의 잔류에 따라 구분하여 외장재용 첨가원료를 준비한다. 이러한 제1공정(S10)은 도 2와 같이 수선단계(S11), 선별단계(S12), 가공단계(S13), 분쇄단계(S14), 혼합단계(S15)로 이루어진다.
먼저, 폐유리섬유를 수선하여 이물질을 제거하는 수선단계(S11)를 거친다. 그리고 수선된 폐유리섬유를 디지털 화상으로 분석하여 잔류 이물질에 따라 재사용 폐유리섬유와 불사용 폐유리섬유로 구분하는 선별단계(S12)를 거친다.
이어서 선별된 재사용 폐유리섬유는 1.5∼2.0cm 길이로 절단하고, 불사용 폐유리섬유는 800~1200℃로 가열하여 용융시키는 가공단계(S13)를 거친다. 그리고 용융된 폐유리용융물을 냉각한 다음, 용융된 폐유리용융물을 5.0 내지 10㎛ 입도를 가진 분말로 전환하는 분쇄단계(S14)를 거친다. 마지막으로 분쇄된 폐유리 첨가원료와 재사용 폐유리섬유 첨가원료를 1:1 중량비로 배합하여 보관하는 혼합단계(S15)를 거친다.
-제2공정(S20)-
제2공정(S20)은 외장재용 주원료와 지오폴리머 반응을 유도하는 활성제를 준비한다. 외장재용 주원료로는 생활폐기물 소각재나 용융슬래그를 이용한다. 이러한 주원료로는 SiO2 35~40 중량%, Al2O3 13~20 중량%, CaO 37~40 중량%, MgO 1.0~2.0 중량%, P2O5 0.3~0.5 중량%, K2O 0.2~1.0 중량%, Na2O 1.5~2.0 중량%, SO3 1.0~2.0 중량%, 잔부인 불순물로 조성된다.
바람직하게는 이산화규소(SiO2) 37 중량%, 알루미나(Al2O3) 15 중량%, 산화칼슘(CaO) 40 중량%, 산화마그네슘(MgO) 1.5 중량%, 오산화인(P2O5) 0.35 중량%, 산화칼륨(K2O) 0.5 중량%, 산화나트륨(Na2O) 1.6 중량%, 삼산화왕(SO3) 1.3 중량%, 잔부인 불순물로 이루어진 주원료로 준비한다. 이때, 준비된 주원료를 볼 밀로 분쇄하여 5.0 내지 10㎛ 입도를 가진 분말로 조성하는 것이 좋다.
활성제는 PH 13, 비중 1.27의 액상규산나트륨(Sodium silicate) 또는 액상규산칼륨(Potassium silicate)으로 준비한다. 여기서 액상규산나트륨은 점도를 낮추기 위해 증류수와 1:1 부피비로 혼합하는 것이 좋다. 그리고 액상규산나트륨과 액상규산칼륨에 수산화칼륨(KOH)을 혼합하여 PH를 조정한다.
-제3공정(S30)-
제3공정(S30)은 준비된 주원료 67~73 중량%에 활성제 25~35 중량%와 첨가원료 1.0~5.0 중량%를 혼합한다. 바람직하게는 주원료 67 중량%에 활성제 30 중량%와 첨가원료 3.0 중량%를 혼합하는 것이 좋다. 혼합물은 100~300RPM으로 30분간 교반시키는 것이 바람직하다.
-제4공정(S40)-
제4공정(S40)은 혼합물을 설정 형상의 성형 틀에 주입하여 25~60℃에서 3 내지 8시간 양생시켜 외장재를 완성한다. 바람직하게는 50℃에서 3시간 양생시키는 것이 좋다. 완성된 외장재는 KS F 2405 콘크리트 압축강도(42.5㎫)에 충족되는 42.5~45.5㎫ 압축강도와, KS F 4735 콘크리트 휨 강도(14㎫)에 충족되는 14.3~14.7㎫ 휨 강도를 가짐으로써 콘크리트 대용으로 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 제조방법이 가지는 효과를 입증하기 위해 아래의 실험을 토대로 분석해 보았다.
-실험방법-
주원료와 첨가원료 및 활성제를 혼합한 실험군과 주원료와 활성제만을 혼합한 대조군으로 구별하여 외장재를 제조하였다. 제조된 실험군 외장재와 대조군 외장재에 대한 압축강도와 휨 강도 및 중금속에 의한 유해성을 알아보고자 한다.
-시료제작-
실험군과 대조군의 주원료는 SiO2 37 중량%, Al2O3 15 중량%, CaO 40 중량%, MgO 1.5 중량%, P2O5 0.35 중량%, K2O 0.5 중량%, Na2O 1.6 중량%, SO3 1.3 중량%를 공통으로 적용하였고, 활성제도 PH 13, 비중 1.27의 액상규산칼륨을 공통으로 적용하였다. 그리고 실험군의 첨가원료는 분쇄된 폐유리 첨가원료와 재사용 폐유리섬유 첨가원료를 1:1 중량비로 배합된 것을 적용하였다. 각 혼합물은 50x50x50mm 크기의 성형 틀에 주입하여 50℃에서 3시간 양생시켰다.
-압축강도 및 휨 강도-
제조된 시료를 7일 동안 상온에 보관 후, 국가표준인증종합센터에서 제시하는 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험방법과 KS F 2408 콘크리트의 휨 강도 시험방법에 준하여 만능재료시험기로 하중을 측정하였다.
-환경 유해성 평가-
제조된 시료 100g와 PH 2.88±0.05인 아세트산 용출 액 1900㎖를 혼합한 다음, 진탕기에서 30±2 RPM으로 18시간 동안 회전시킨 후 여과하여 여액을 통해 중금속을 분석을 하였다
-주사전자현미경-
제조된 시편 중 실험군에 대해 전계방사형 주사전자현미경(S-4300, HITACHI)으로 표면을 분석하였다.
-압축강도 및 휨 강도 실험결과-
실험결과 실험군은 평균 45.5㎫ 압축강도와 14.5㎫ 휨 강도로 측정되었고, 대조군은 평균 42.5㎫ 압축강도와 7.2㎫의 휨 강도로 측정되었다. 즉, 실험군은 KS F 2405 콘크리트의 압축강도와 KS F 2408 콘크리트의 휨 강도가 모두 충족되었지만, 대조군은 KS F 2408 콘크리트의 휨 강도에 충족되지 않았다.
-환경 유해성 평가 실험결과-
실험결과 아래의 표 1과 같은 중금속이 용출되었다. (단위: mg/L, -: 미 검출) 실험군과 대조군 모두 폐기물 관리법 제14조의3제2항에 따른 중금속 함량 기준치에 부합되는 것으로 분석되었다. 즉, 지오폴리머 반응으로 인해 Si-O나 Al-O 결합이 중금속 이온들과 결합하여 (-Si-O-M-)의 3차원 그물망 구조를 형성하게 되면서 중금속이 고정화되어 안정화된 것으로 분석된다.
구분 Pb Cu Cd Hg As
실험군 0.07 0.39 0.07 - -
대조군 0.09 0.79 0.09 - 0.001
-주사전자현미경 분석결과-
분석결과 아래의 표 2와 같이 구조체 사이에 폐유리섬유가 가교역할을 하여 시료의 휨 강도를 증가시킨 것으로 판단된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
이와 같이 본 발명은 생활폐기물 소각재나 용융슬래그를 주원료로 하고, 폐유리섬유를 첨가원료로 이용함에 따라 환경오염을 방지할 수 있고, 주원료와 첨가원료를 지오폴리머 반응을 유도하여 이온의 축중합으로 인한 3차원 그물망조직을 형성함과 함께 폐유리섬유의 가교작용을 통해 콘크리트 패널과 동등 내지 그 이상의 압축강도와 휨 강도를 가지는 외장재를 저렴한 비용으로 보급할 수 있다.
S10: 제1공정
S20: 제2공정
S30: 제3공정
S40: 제4공정
S11: 수선단계
S12: 선별단계
S13: 가공단계
S14: 분쇄단계
S15: 혼합단계

Claims (7)

  1. 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재를 제조하는 방법에 있어서:
    폐유리섬유를 수선하여 이물질의 잔류에 따라 구분하여 외장재용 첨가원료를 준비하는 제1공정(S10);
    외장재용 주원료와 지오폴리머 반응을 유도하는 활성제를 준비하는 제2공정(S20);
    준비된 주원료에 활성제와 첨가원료를 혼합하는 제3공정(S30);
    혼합물을 설정 형상의 성형 틀에 주입하여 25~60℃에서 3 내지 8시간 양생시켜 외장재를 완성하는 제4공정(S40);
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    위 제1공정(S10)은 폐유리섬유를 수선하여 이물질을 제거하는 수선단계(S11)와, 수선된 폐유리섬유를 디지털 화상으로 분석하여 잔류 이물질에 따라 재사용 폐유리섬유와 불사용 폐유리섬유로 구분하는 선별단계(S12)와, 선별된 재사용 폐유리섬유는 1.5∼2.0cm 길이로 절단하고, 불사용 폐유리섬유는 800~1200℃로 가열하여 용융시키는 가공단계(S13)와, 용융된 폐유리용융물을 5.0 내지 10㎛ 입도를 가진 분말로 전환하는 분쇄단계(S14)와, 분쇄된 폐유리 첨가원료와 재사용 폐유리섬유 첨가원료를 1:1 중량비로 배합하는 혼합단계(S15)를 거치는 것을 특징으로 하는 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    위 외장재용 주원료는 SiO2 35~40 중량%, Al2O3 13~20 중량%, CaO 37~40 중량%, MgO 1.0~2.0 중량%, P2O5 0.3~0.5 중량%, K2O 0.2~1.0 중량%, Na2O 1.5~2.0 중량%, SO3 1.0~2.0 중량%로 조성된 것을 특징으로 하는 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    위 외장재용 주원료는 볼 밀로 분쇄하여 5.0 내지 10㎛ 입도를 가진 분말인 것을 특징으로 하는 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    위 제3공정(S30)은 주원료 67~73 중량%에 활성제 25~35 중량%와 첨가원료 1.0~5.0 중량%를 혼합하여서 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    위 활성제는 PH 13, 비중 1.27의 규산나트륨 또는 액상규산칼륨인 것을 특징으로 하는 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 의한 방법으로 제조되어 42.5~45.5㎫ 압축강도와, 14.3~14.7㎫ 휨 강도를 가진 것을 특징으로 하는 폐유리섬유를 이용한 콘크리트 대용 건축물 외장재.
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