KR20220033430A - 모래 또는 건축 폐기물을 이용한 건축· 토목 블럭의 제조방법 및 이에 의해 제조된 건축· 토목 블럭 - Google Patents

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Abstract

모래 및 산업 폐기물 중 적어도 어느 하나에 경화제를 투입하여 교반하는 단계; 상기 교반된 혼합물을 성형하여 건조하는 단계; 및 상기 건조된 성형품을 850∼1250℃의 온도에서 소성하는 단계;를 포함하는 모래 또는 건축 폐기물을 이용한 건축· 토목 블럭의 제조방법이 제공된다.

Description

모래 또는 건축 폐기물을 이용한 건축· 토목 블럭의 제조방법 및 이에 의해 제조된 건축· 토목 블럭{Method of manufacturing construction/civil blocks using sand or construction waste, and construction/civil blocks manufactured thereby}
본 발명은 모래 또는 건축 폐기물을 이용한 건축· 토목 블럭의 제조방법 및 이에 의해 제조된 건축· 토목 블럭에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빠른 경화속도, 우수한 강도 및 우수한 탄성을 갖는 모래 또는 건축 폐기물을 이용한 건축· 토목 블럭의 제조방법 및 이에 의해 제조된 건축· 토목 블럭에 관한 것이다.
최근 토목 공사 및 건설 사업 등의 수행시 양질의 건설재료 확보의 어려움으로 인해 공사기간이 지연되어 경비를 증가시키는 요인으로 작용하고 있으며, 건설자재 확보를 위하여 석산 개발을 하거나 하천, 해상 등에서 골재를 채취함으로써 자연환경을 훼소하고 생태계를 교란시키는 문제가 야기되고 있다.
구체적으로는, 기존 항만매립 공법, 기존 아스팔트 및 콘크리트 포장공법 등에서는 석재 등의 입상재료를 사용하여 채석을 위하여 산야를 훼손하고 있고, 채석, 운반, 깨기 작업이 공사비를 증가시키는 요인이 되고 있다.
이러한 방안으로서, 종래에 시멘트 안정처리공법(Cement stabilization), LAC(Lignin Rosin Asphalt Concrete) 공법 등이 개발되어 활용되고 있으나, 마무리 양생시간이 길어 조기 압축강도를 얻기 힘들며, 압축강도 또한 30kgf/㎠ 이하로 낮아 사용할 수 있는 분야가 도로건설의 보조 기층재 등에 국한되어 있어서 활용성이 매우 낮았다.
대한민국 특허공개 제10-1996-29280호는 경화제 조성물을 사용하여 산업폐기물 및 토양 혼합물을 경화하는 방법을 개시하고 있다.　이때 사용된 경화제 조성물은 탄산나트륨 25%, 염화가리 25%, 탄산마그네슘 15%, 염화암모늄 10%,규산화가리 8%, 실리케이트 7%, 황산철 5% 및 산화티탄 5%를 포함하도록 구성되어 있다.　이 경화제는 산업폐기물과 토양의 혼합물을 경화하기에 적합한 조성으로 기재되어 있으나, 탄산나트륨과 산화티탄을 주성분으로 사용함으로써 제조비용이 고가이며 이를 사용하여 제조되는 경화체의 강도 또한 크게 향상되지 못하는 단점이 있었다.
이에, 우수한 물성을 가지면서도 동일한 물성이 유지되고, 제조 시간이 절약될 수 있는 건축·토목 자재에 대한 기술 개발히 여전히 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 특허공개 제10-1996-29280호
본 발명은 종래 기술의 상기와 같은 단점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 빠른 제조 속도 및 균일한 물성을 구비한 모래 또는 건축 폐기물을 이용한 건축· 토목 블럭의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 우수한 강도 및 우수한 내구성을 갖는 모래 또는 건축 폐기물을 이용한 건축· 토목 블럭을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 모래 및 산업 폐기물 중 적어도 어느 하나에 경화제를 투입하여 교반하는 단계; 상기 교반된 혼합물을 성형하여 건조하는 단계; 및 상기 건조된 성형품을 850∼1250℃의 온도에서 소성하는 단계;를 포함하는 모래 또는 건축 폐기물을 이용한 건축· 토목 블럭의 제조방법이 제공된다.
이때, 상기 경화제는 2-(메타크릴로일옥시)에틸 포스페이트 단량체 및 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트 단량체를 1:1의 몰비로 첨가하고, 전체 단량체 100 중량부에 노르말 머캡탄 0.5 중량부를 혼합하여 제조된 고분자를 포함할 수 있다.
이때, 상기 고분자는 하기 화학식 1일 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, m과 n은 몰분율로서 m은 0.3~0.7이며, n은 0.3~0.7이며, m + n = 1이다.
이때, 상기 고분자의 중량 평균 분자량은 70,000 내지 80,000일 수 있다.
또한, 상기 경화제는 염화나트륨, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트), 염화칼륨, 염화칼슘, 산화마그네슘, 황산나트륨, Na2SiO3, 리그닌술폰산염, 및 시멘트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 모래 또는 건축 폐기물을 이용한 건축· 토목 블럭의 제조방법은 빠른 경화 속도에 따라 제조 시간을 단축시키는 이점이 있으며, 우수한 강도, 우수한 탄성 및 우수한 내구성을 가지면서도 균일한 물성을 유지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건축· 토목 블럭의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명을 일 실시예에 따른 건축· 토목 블럭의 모형도이다.
도 3은 본 발명을 일 실시예에 따른 건축· 토목 블럭의 모형도이다.
도 4는 본 발명을 일 실시예에 따른 건축· 토목 블럭의 모형도이다.
도 5는 본 발명을 일 실시예에 따른 건축· 토목 블럭의 모형도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적으로 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에서 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건축· 토목 블럭의 제조방법의 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 건축· 토목 블럭의 제조방법은 교반하는 단계(S10), 건조하는 단계(S20) 및 소성하는 단계(S30)를 포함한다.
상기 교반하는 단계(S10)는 모래 및 산업 폐기물 중 적어도 어느 하나에 경화제를 투입하여 교반하는 단계이다.
이때 본 발명에 적용할 수 모래는 토사, 해사, 사막 모래를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 이때, 상기 토사는 화강토, 이토, 강모래, 바다모래, 자연토사 등을 단독 또는 혼합한 것일 수 있다.
한편, 본 발명에 적용할 수 있는 산업 폐기물은 오니, 잔재물, 화산재, 환경폐기물, 슬래그, 분슬래그, 폐콘크리트 및 슬러지 등을 용도에 따라 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
아울러, 본 발명에 적용할 수 있는 경화제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 1~5 중량부, 염화나트륨 1~3 중량부, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트) 0.5~1 중량부, 염화칼륨 1~3 중량부, 염화칼슘 1~2.5 중량부, 산화마그네슘 0.2~2 중량부, 황산나트륨 0.2~1.5중량부, Na2SiO3 0.2~2 중량부, 리그닌술폰산염 0.2~1 중량부, 및 시멘트 100 중량부를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00002
상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, m과 n은 몰분율로서 m은 0.3~0.7이며, n은 0.3~0.7이며, m + n = 1이다.
이때, 상기 화학식 1의 고분자는 2-(메타크릴로일옥시)에틸 포스페이트(2-(Methacryloyloxy)ethyl phosphate) 단량체 및 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트(3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate) 단량체를 1:1의 몰비로 첨가하고, 전체 단량체 100 중량부에 노르말 머캡탄 0.5 중량부를 혼합하여 균일하게 만든 후, 교반기가 부착된 스테인레스 스틸 고압 반응기에 이온교환수 130 중량부에 소량의 디소듐하이드로겐 포스페이트를 용해시키고 교반하며, 질소 등의 불활성 기체로 반응기 내부를 채우고 가열하고, 72 ℃에서 3시간, 110℃에서 2시간을 중합하여 반응을 종결하였으며, 반응이 종결된 후 세척, 탈수, 건조하여 제조할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 말단에 포스포산을 포함하고 있어서 경화용 조성물의 응고기능을 향상시키며, 트리메톡시실란기를 포함하고 있어서 유무기 물질 간의 결합력을 향상시킨다. 또한 중량평균분자량이 50,000~100,000이거나, 바람직하게는 70,000 내지 80,000이므로 경화용 조성물과 다른 성분들 간의 결합을 강하게 하는 기능을 수행한다. 1 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 목적하는 효과를 달성하기 어려우며, 5 중량부를 초과하는 경우에는 추가적이 효과 향상에 의한 이점보다 경제적인 단점이 더 커서 바람직하지 않다.
상기 염화나트륨(Sodium chloride)은 무색결정으로 마그네슘 등의 염류를 함유하며 조해성이 있다. 나트륨염의 제조원료로서 시멘트의 수화 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 1 중량부 미만의 양으로 함유될 경우 수분과의 원활한 수용이 되지 않아 수화열이 높게 발생하여 경화체 구체에 균열을 유발할 수 있으며, 3 중량부의 양으로 함유될 경우 시멘트의 원활한 포졸란 반응을 억제하여 강도 구현에 문제점이 야기될 수 있다.
상기 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트)는 금속 이온을 봉쇄하는 성질이 있고 응고제 역할을 한다.　0.5 중량부 미만의 양으로 함유될 경우 경화체의 강도 개선에 도움을 주기 어려우며, 1 중량부를 초과하는 경우에는 경제성이 결여되고 환경에 바람직하지 않다. 상기 염화칼륨(Potassium chloride)은 흰색의 정방정계에 속하는 결정으로 공업적으로 칼륨염의 제조 원료로 사용되며 흡수성이 강한 성질이 있어서 감수제로 사용된다. 1 중량부 미만의 양으로 함유될 경우 경화체의 경화속도 및 양생 시간을 늦추어 공기에 영향을 주며, 3 중량부 초과의 양으로 함유될 경우 시멘트의 원활한 포졸란 반응을 억제하여 강도 구현에 문제점이 있을 뿐만 아니라 경화체의 조기 경화로 시공 품질의 저하를 가져올 수 있다.
상기 염화칼슘(Calcium chloride)은 시멘트와 혼합하여 흡수성을 촉진할 수 있으며, 2.5 중량부 초과의 양으로 함유될 경우 무수물이 다량 발생하여 경화제가 수분과 만났을 때 액상을 이루기 어려운 문제점이 있을 수 있다.
상기 산화마그네슘은 응고제의 기능을 수행한다. 0.2 중량부 미만으로 포함되면 목적효과를 제공하기 어려우며, 2 중량부를 초과하는 경우 MgO 일부는 페리클레스(periclase, MgO로부터 구성된 광물)로서 클링커 중에 생성하게 되는 문제가 야기된다.
상기 황산나트륨(Sodium sulfate)은 비교적 안정한 무색의 결정으로 유리나 황화 나트륨의 제조에 쓰인다. 경화체 반응에서는 토사 중의 유기물 건조에 사용된다. 0.2 중량부 미만의 양으로 함유될 경우 시멘트의 원활한 수화작용(포졸란 반응)응 충분히 수행치 못하게 하여 강도에 문제점이 있을 수 있으며, 1.5 중량부 초과의 양으로 함유될 경우 수화작용 향상에는 도움이 되지만 제품비용을 증대시킬 수 있다.
상기 Na2SiO3 0.2~2 중량부 알칼리화이다. 0.2 중량부 미만으로 포함되면 목적효과를 얻기 어려우며, 2중량부를 초과하면 알칼리도가 너무 증가하여 문제가 될 수 있다.
상기 리그닌술폰산염(Sodium lignosulfonate)은 토사, 산업폐기물, 하천준설 오니 및 해사와 사막모래, 시멘트 등의 혼합물질을 감수, 분산시키는 역할을 하며 시멘트와 혼합물질을 결합하여 강도를 증대시킨다.　0.2 중량부 미만의 양으로 함유될 경우 입자분산을 저해하며 재료의 완성 후 강도를 저하시키는 문제점이 있을 수 있으며, 1 중량부 초과의 양으로 함유될 경우 재료의 특성상 3차원 망상구조이므로 다른 물질의 화학적 반응을 저해하는 문제점이 있을 수 있다.
상기 시멘트로는 이 분야에 공지된 시멘트가 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 가장 일반적으로 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트가 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 경화제는 함께 사용되는 모래 및 산업 폐기물 중 적어도 어느 하나 100 중량부에 대하여, 3~15 중량부로 사용되는 것이 바람직하다. 3 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 목적효과를 달성하기 어렵고, 15 중량부를 초과하는 경우에는 경제적으로 바람직하지 않다.
본 발명의 건조하는 단계(S20)는 모래 및 산업 폐기물 중 적어도 어느 하나에 경화제를 투입하여 교반한 혼합물을 성형하여 건조하는 단계이다.
이때, 상기 성형은 교반이 완성된 혼합물을 건축자재 또는 토목 자재로 사용하기 위하여 정형화하는 것으로 도 2, 도 3 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 다양하게 성형된 블럭으로, 대표적인 블럭형태를 비제한적으로 도시한 것일 뿐, 당해 기술분야에서 요구되는 형태는 모두 제한없이 성형하여 제조할 수 있다.
한편, 성형된 혼합물은 1차 건조로로 이동하여 자연건조 또는 200 내지 400℃ 온도에서 저온 건조할 수 있다. 저온 건조함으로써 형태 변형 문제가 발생하지 않고 균일한 물성이 전체적으로 고루게 형성될 수 있다.
본 발명에서 소성하는 단계(S30)는 건조된 성형품을 850∼1250℃의 온도에서 소성하는 단계로, 블럭의 강도, 탄성, 내구성 등의 물성을 확정짓는 단계이며, 본 발명자들은 무수한 실험을 통하여 전술 조성을 갖는 본 발명의 성형품의 경우, 850∼1250℃의 온도에서 소성하는 경우 우수한 강도, 탄성 및 내구성을 갖는 블럭이 제조됨을 확인하였다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
제조예 1 내지 제조예 3 : 교반된 혼합물의 제조
하기 화학식 1의 화합물 4 중량부, 염화나트륨 2 중량부, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트) 1 중량부, 염화칼륨 2 중량부, 염화칼슘 15 중량부, 산화마그네슘 1 중량부, 황산나트륨 0.8 중량부, Na2SiO3 1 중량부, 리그닌술폰산염 0.7 중량부, 시멘트 100 중량부를 혼합하여 경화제를 준비하였다.
[화학식 1]
Figure pat00003
상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, m과 n은 몰분율로서 m은 0.5이며, n은 0.5이며, m + n = 1이다
이렇게 준비한 경화제를 하기 표 1과 같은 비율로 모래 또는 산업 폐기물에 투입하고 교반하여 교반된 혼합물을 제조하였다.
제조예 1 제조예 2 제조예 3
경화제 중량비 10 10 10
모래 또는 산업폐기물 종류/중량비 화강토/100 해사/100 오니/40슬래그/30
분슬래그/30
실시예 1
제조예 1의 교반된 혼합물을 가로 30cm x 세로 10cm x 높이 10cm의 직육면체로 성형하여 200℃에서 2시간 동안 저온 건조하였다. 이후, 저온 건조된 성형품을 1000℃에서 8시간 동안 소성시켜 건축 또는 토목에 적용 가능한 블럭을 제조하였다.
실시예 2
제조예 2의 교반된 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 블럭을 제조하였다.
실시예 3
제조예 3의 교반된 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 블럭을 제조하였다.
실시예 4
저온 건조된 성형품을 850℃에서 10시간 동안 소성시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 블럭을 제조하였다.
실시예 5
저온 건조된 성형품을 1250℃에서 7시간 동안 소성시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 블럭을 제조하였다.
비교예 1
제조예 1의 교반된 혼합물을 가로 30cm x 세로 10cm x 높이 10cm의 직육면체로 성형한 후 이후, 저온 건조된 성형품을 1000℃에서 8시간 동안 소성시켜 건축 또는 토목에 적용 가능한 블럭을 제조하였다.
비교예 2
제조예 1의 교반된 혼합물을 가로 30cm x 세로 10cm x 높이 10cm의 직육면체로 성형하여 200℃에서 2시간 동안 저온 건조하였다. 이후, 저온 건조된 성형품을 800 ℃에서 12시간 동안 소성시켜 건축 또는 토목에 적용 가능한 블럭을 제조하였다.
비교예 3
제조예 1의 교반된 혼합물을 가로 30cm x 세로 10cm x 높이 10cm의 직육면체로 성형하여 200℃에서 2시간 동안 저온 건조하였다. 이후, 저온 건조된 성형품을 1300℃에서 6시간 동안 소성시켜 건축 또는 토목에 적용 가능한 블럭을 제조하였다.
시험예
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 블럭을 KSF 2405에 따라 시험기를 사용하여 압축강도를 측정하였다. 하중은 압축응력의 증가가 매초 2~3 kgf/㎠가 되도록 하였으며, 블럭이 급격한 변형을 시작한 후에는 하중을 가하는 속도의 조정을 중지하고 하중을 계속 가하여 일축압축강도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 일축 압축 강도(kgf/㎠)
실시예 1 91.86
실시예 2 87.23
실시예 3 65.17
실시예 4 88.36
실시예 5 90.27
비교예 1 65.37
비교예 2 75.07
비교예 3 73.07
상기 표 2의 시험결과로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 모래 또는 건축 폐기물을 이용한 건축· 토목 블럭인 실시예 1 내지 5의 블럭은 매우 우수한 압축 강도를 나타냈으며, 시험하는 동안 모형의 변형도 일어나지 않았다. 반면, 1차 건조 과정을 거치지 않은 비교예 1은 매우 낮은 압축 강도를 나타냈을 뿐만 아니라, 시험하는 동안 블럭 모서리 대부분이 금이 가거나 변형이 일어났다. 한편, 800 ℃의 낮은 온도로 소성한 비교예 2는 소성 시간이 길었으며, 낮은 압축 강도를 나타냈다. 또한, 1000 ℃의 높은 온도로 소성한 비교예 3도 낮은 압축 강도를 나타냈고, 시험하는 동안 블럭 모서리 일부가 금이 가는 문제가 있었다.
100a, 100b, 100c, 100d : 건축· 토목 블럭

Claims (1)

  1. 모래에 경화제를 투입하여 교반하는 단계;
    상기 교반된 혼합물을 성형하여 200℃에서 저온 건조하는 단계; 및
    상기 건조된 성형품을 850~1250℃의 온도에서 소성하는 단계;를 포함하고,
    상기 경화제는 하기 화학식 1의 화합물 4 중량부, 염화나트륨 2 중량부, 알루미늄 트리스(O-에칠포스포네이트) 1 중량부, 염화칼륨 2 중량부, 염화칼슘 15 중량부, 산화마그네슘 1 중량부, 황산나트륨 0.8 중량부, Na2SiO3 1 중량부, 리그닌술폰산염 0.7 중량부 및 시멘트 100 중량부를 혼합한 것이고,
    하기 화학식 1은 2-(메타크릴로일옥시)에틸 포스페이트 단량체 및 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트 단량체를 1:1의 몰비로 첨가하고, 전체 단량체 100 중량부에 노르말 머캡탄 0.5 중량부를 혼합하여 제조된 것이며,
    상기 모래는 화강토 또는 해사인, 모래를 이용한 건축· 토목 블럭의 제조방법:
    [화학식 1]
    Figure pat00004

    상기 화학식 1에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, m과 n은 몰분율로서 m은 0.3~0.7이며, n은 0.3~0.7이며, m + n = 1이다.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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