KR20220033877A - 고강도 블록 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 고강도 블록은 베이스재와 첨가제로 조성되고, 상기 베이스재는, 저회경량골재 60~65wt%, 석분 10~15wt%, OPC(Ordinary Portland Cement) 7~24wt%, 캐슈(cashew) 분말 5~10wt%, 아민 1~3wt%를 포함하고, 상기 첨가제는, 아크릴레이트 공중합체 5~10wt%, 포타슘 실리케이트(potassium silicate) 1~10wt%, 리튬 실리케이트(lithium silicate) 1~10wt%, 물 70~93wt%를 포함한다.

Description

고강도 블록{HIGH STRENGTH BLOCK}
본 발명은 저회경량골재를 이용한 고강도 블록에 관한 것이다.
현재 우리 나라에서 생산되는 블록의 골재는 자연에서 생산되는 암석을 파쇄 후 규격화된 입도별로 사용하고 있다. 예를 들어 공개특허공보 제10-2016-0097505호(2016.08.18.)에는 암석을 파쇄하여 인공적으로 만들어지는 인공골재를 잔디 블록의 제조에 이용하는 것으로 개시되어 있다. 그러나, 암석을 파쇄하여 인공적으로 만들어지는 인공골재는 암석 채취에 의한 자연환경 파괴를 유발하게 된다.
자연환경 파괴를 방지하기 위해, 골재를 다른 재료로 대체하게 되면 블록의 강도 저하가 발생하게 된다. 또한 블록을 제조하기 위한 일부 재료 중에는 유해 중금속이 함유되어 있어, 그러한 재료로 제조된 블록을 일반 시민들의 환경에 노출하게 되면 유해 중금속으로 인한 문제가 발생할 수 있다.
따라서 자연환경을 방지하고 친환경 재료를 사용하면서도 블록의 강도를 고강도로 구현할 수 있는 구성에 대한 기술 개발이 요구된다.
본 발명은 화력 발전소에서 부산물로 생성되는 바텀 애쉬(bottom ash)를 골재화 한 저회경량골재를 재활용하여 암석 채취에 의한 자연환경 파괴를 방지할 수 있는 고강도 블록을 제시하기 위한 것이다.
본 발명은 유해 중금속인 Pb, Cr, Hg, Cd 등이 검출되지 않는 친환경 재료로서 저회경량골재를 이용한 고강도 블록을 제안하기 위한 것이다.
본 발명은 강도 보강 첨가제를 첨가하여 내구성이 강한 고강도 블록을 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 고강도 블록은, 저회경량골재 60~65wt%, 석분 10~15wt%, OPC(Ordinary Portland Cement) 7~24wt%, 캐슈(cashew) 분말 5~10wt%, 아민 1~3wt%를 포함하는 베이스재; 및 아크릴레이트 공중합체 5~10wt%, 포타슘 실리케이트(potassium silicate) 1~10wt%, 리튬 실리케이트(lithium silicate) 1~10wt%, 물 70~93wt%를 포함하는 첨가제로 조성된다.
또한, 상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 고강도 블록 제조방법을 개시한다. 상기 고강도 블록 제조방법은, 베이스재를 마련하는 단계; 상기 베이스재에 첨가제를 첨가하는 단계; 베이스재에 첨가제가 첨가된 재료를 교반기에 투입하고 혼합하는 단계; 및 혼합된 재료를 성형하는 단계를 포함하고, 상기 베이스재는, 저회경량골재 60~65wt%, 석분 10~15wt%, OPC(Ordinary Portland Cement) 7~24wt%, 캐슈(cashew) 분말 5~10wt%, 아민 1~3wt%를 포함하고, 상기 첨가제는, 아크릴레이트 공중합체 5~10wt%, 포타슘 실리케이트(potassium silicate) 1~10wt%, 리튬 실리케이트(lithium silicate) 1~10wt%, 물 70~93wt%를 포함한다.
상기 아크릴레이트 공중합체는 질량비를 기준으로, 0.1~1의 메틸 에스테르 고분자(methyl ester polymer); 0.1~1의 2-ethylhexyl 2-propenoate; 및 0.5~1의 용매인 물로 형성된다.
상기 베이스재에 대한 상기 첨가제의 수분율은 5~30%다.
상기 저회경량골재의 단위 용적당 질량은 1,200kg/m3 이하다.
상기 고강도 블록의 공극 내에 칼슘 실리케이트 수화물이 형성된다.
상기 혼합하는 단계에서는 상기 고강도 블록의 공극 내에 칼슘 실리케이트 수화물의 형성을 촉진하도록 원통 회전 교반과, 임펠러 회전 교반 중 적어도 하나의 방식으로 상기 베이스재와 상기 첨가제를 혼합한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 암석을 채취에 의한 골재 대신 화력 발전소에서 부산물로 생성되는 바텀 애쉬를 골재화 한 저회경량골재를 베이스재의 재료로 재활용하므로, 암석 채취로 인한 자연환경 파괴를 방지할 수 있다.
본 발명에서 베이스재의 재료로 사용되는 저회경량골재는 Pb, Cr, Hg, Cd 등이 검출되지 않는 친환경 재료이므로, 본 발명은 사람에게 노출되더라도 인체에 영향이 없는 고강도 블록을 제공할 수 있다.
본 발명의 고강도 블록에는 강도를 보강할 수 있는 첨가제가 첨가되므로, 내구성이 강한 고강도 블록이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명에서 제안하는 고강도 블록의 구성을 보인 개념도다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 고강도 블록의 제조방법을 보인 흐름도다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 고강도 블록의 실물 사진이다.
이하, 본 발명에 관련된 고강도 블록에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 하기에 설명하는 각 조성의 함량의 범위는 각 조성을 사용하는 경우 얻어지는 각각의 효과와 다른 조성과 혼합하여 얻어지는 시너지 효과를 최대화하기 위한 최적의 범위가 될 수 있다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에서 제안하는 고강도 블록의 구성을 보인 개념도다.
본 발명의 고강도 블록은 베이스재에 첨가제를 첨가하여 조성된다.
베이스재는 저회경량골재, 석분, OPC(Ordinary Portland Cement), 캐슈(cashew) 분말 및 아민을 포함한다.
저회경량골재는 화력발전소에서 발생되는 저회(Bottom Ash)에 준설토를 투입한 후, 믹싱-숙성-분쇄-소성-입도별 스크린 과정을 거쳐 생산될 수 있다. 저회경량골재는 단위 용적당 질량이 1,200kg/m3 이하인 다공성 골재로 고강도 블록의 경량화에 유리하다. 저회경량골재는 중금속 용출이 없는 친환경의 특성을 갖고 있다.
저회경량골재는 베이스재를 기준으로 60~65wt%의 비율로 사용함이 바람직하다. 저회경량골재를 60wt% 미만 사용하는 것은 재활용의 법규에 미달되며, 65wt% 초과 사용 시 다기공 경량성 물질이라는 특성으로 인해 고강도 블록의 강도 발현을 저하시키는 요인이 될 수 있다.
첨가제의 침투를 용이하게 하기 위해 저회경량골재의 입도는 1~20mm일 수 있다.
석분은 자연에서 채취한 암석을 입도별과 스크린 과정을 거친 돌분말로서, 제품의 강도 발현에 도움을 준다. 고강도 블록의 최적 강도 발현을 위해 석분은 베이스재를 기준으로 10~15wt%의 비율로 사용함이 바람직하다. 석분이 10wt% 미만 사용되면, 강도 발현 효과가 불충분하고, 고강도 블록의 투수율이 저하될 수 있다. 석분을 15wt%보다 많이 사용하게 되면, 고강도 블록의 경량화에 불리하다.
OPC(Ordinary Portland Cement)는 주로 석회질 원료와 점토질 원료로부터 얻어진다. 석회질 원료와 점토질 원료에 규산질 및 산화철 원료를 적당한 비율로 첨가 및 혼합하고 미분쇄한 후 그 일부가 용융될 때까지 약 1,450℃로 소성하면 클링커가 얻어진다. 이 클링커에 응결 조절제로서 약간의 석고를 투입하고, 4,000~5,000cm2/g으로 미분쇄하면 OPC가 만들어진다. OPC는 수화반응을 일으키는 특성을 갖고 있다.
OPC는 베이스재를 기준으로 7~14wt%의 비율로 사용되는 것이 바람직하다. OPC가 7wt% 미만 사용되면 완전한 수화반응이 일어나지 않아 강도 발현을 저하시키는 요인이 된다. 반대로 OPC가 15wt% 초과 사용되면 생산 공정에서 교반 및 원가 상승의 문제점이 따른다.
캐슈 분말은, 열대 및 아열대 지방에서 나는 캐슈 열매에서 추출한 오일을 케익, 분말화한 물질로 고강도 발현 특성을 갖고 있다. 캐슈 열매에서 추출한 식물성 오일은 도료, 접착제, 의료 등 여러 분야에서 사용되기도 한다.
캐슈 분말은 베이스재를 기준으로 5~10wt%의 비율로 사용되는 것이 바람직하다. 캐슈 분말이 5wt% 미만 사용되면 고강도의 기능이 떨어지며, 10wt% 초과 사용되면 높은 점도로 인한 공정상의 문제점과 고가의 제품으로 원가 상승의 문제점이 있다.
아민은 암모니아의 수소원자를 탄화수소기로 치환한 화합물로 방향족 유기화합물의 경화를 돕는 특성을 갖고 있는 물질이다.
아민은 베이스재를 기준으로 1~3wt%의 비율로 사용되는 것이 바람직하다. 아민이 1wt% 미만 사용되면 초기강도 발현이 저하되고, 3wt% 이상 사용되면 경화가 급격히 이루어져 생산공정에 어려움이 따른다.
한편, 첨가제는 아크릴레이트 공중합체, 포타슘 실리케이트, 리튬 실리케이트 및 물을 포함한다.
아크릴레이트 공중합체는 재료 입자간 응집 효과를 부여하는 특성을 제공한다.
아크릴레이트 공중합체는 메틸 에스테르 고분자(methyl ester polymer), 2-ethylhexyl 2-propenoate, 및 용매인 물로 형성된다. 응집 효과를 극대화하기 위해 질량을 기준으로 하는 각각의 혼합비는, 메틸 에스테르 고분자(methyl ester polymer) : 2-ethylhexyl 2-propenoate : 물 = 0.1~1 : 0.1~1 : 0.5~1 인 것이 바람직하다.
아크릴레이트 공중합체는 첨가제를 기준으로 5~10wt%의 비율로 사용되는 것이 바람직하다. 아크릴레이트 공중합체가 5wt% 미만으로 사용되면 제품의 물성이 현저히 저하되며, 10wt%를 초과하여 사용되면 재료간 과응집 현상으로 강도 저하 및 원가상승의 요인이 따른다.
포타슘 실리케이트 및 리튬 실리케이트는 가용성 실리카를 주성분으로 하는 수성(水性)의 침투성 강화제다. 포타슘 실리케이트 및 리튬 실리케이트는 베이스재의 내부로 침투하여 베이스재의 수산화칼슘과 화학적 반응을 하게 되고, 제품 공극 내에 추가의 칼슘 실리케이트 수화물(calcium silicate hydrate, C-S-H)을 생성하게 된다. 이에 따라 제품의 표면은 수분이나 산성 물질들에 대해 안정한 상태가 되어 화학적 부식이 잘 일어나지 않게 된다. 또한, 새롭게 생성된 C-S-H로 인해 표층의 밀도와 강도가 향상되고 특히, 동결 융해에 강한 특성을 갖게 된다.
포타슘 실리케이트와 리튬 실리케이트는 각각 첨가제를 기준으로 1~10wt%의 비율로 사용되는 것이 바람직하다. 포타슘 실리케이트와 리튬 실리케이트가 각각 1wt% 미만 사용되면 제품의 밀도와 강도가 저하되고, 10wt%를 초과하여 사용되면 고가의 원재료로 인한 원가상승의 요인이 되는 문제점이 따른다.
물은 상수도를 기준으로 하며, 첨가제를 기준으로 70~93wt%의 비율로 사용된다. 베이스재에 대한 첨가제의 수분율이 5~30wt%가 되도록 물을 이용해 첨가제를 희석한다. 수분율이 5wt% 미만이거나, 30wt%를 초과하게 되면 제품의 성형이 현저히 저하되는 문제점이 따른다.
이하에서는 상기의 재료를 이용하여 고강도 블록을 제조하는 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 고강도 블록의 제조방법을 보인 흐름도다.
먼저, 앞서 설명된 재료들을 포함하는 베이스재를 마련한다(S100).
이어서, 베이스재에 앞서 설명된 첨가제를 베이스재에 첨가하고(S200), 교반기(Mixer)에 투입하여 교반한다(S300). 교반은 원통 회전 교반방식, 임펠러 회전 교반방식 중 적어도 하나에 의해 이루어질 수 있다.
다음으로, 교반된 물질을 성형기에 넣어 성형한다(S400). 성형은 건식 진동방식, 반습식 틸팅방식, 습식 몰드성형 방식 중 적어도 하나의 방법에 의하여 이루어질 수 있다.
성형한 제품을 탈형하면 제품이 완성된다.
상기 재료 및 방법에 의해 제조되는 고강도 블록은 건설자재 등으로 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
입도가 3mm 이하인 저회경량골재 60wt%, 입도가 1mm 이하인 석분 10wt%, OPC 24wt%, 캐슈 분말 5wt%, 아민 1wt%로 이루어진 베이스재를 준비한다.
또한, 아크릴레이트 공중합체 5wt%, 포타슘 실리케이트(potassium silicate) 5wt%, 리튬실리케이트(lithium silicate) 2wt%, 물 88wt%로 이루어진 첨가제를 준비하되, 상기 아크릴레이트 공중합체는, 메틸 에스테르 고분자(methyl ester polymer) 0.5, 2-ethylhexyl 2-propenoate 0.2, 용매인 물(H2O) 0.5의 비율로 형성된다.
베이스재에 대한 첨가제의 수분율이 6wt%가 되도록 조절하여 베이스재에 첨가제를 공급하고, 임펠러 회전방식으로 교반한 후 건식 진동방식의 성형을 통해 230mm×114mm×55mm의 규격으로 고강도 블록을 제작하였다.
[실시예 2]
입도가 3mm 이하인 저회경량골재 65wt%, 입도가 1mm 이하인 석분 10wt%, OPC 13wt%, 캐슈 분말 10wt%, 아민 2wt%로 이루어진 베이스재를 준비한다.
또한, 아크릴레이트 공중합체 8wt%, 포타슘 실리케이트(potassium silicate) 8wt%, 리튬실리케이트(lithium silicate) 3wt%, 물 81wt%로 이루어진 첨가제를 준비하되, 상기 아크릴레이트 공중합체는, 메틸 에스테르 고분자(methyl ester polymer) 0.3, 2-ethylhexyl 2-propenoate 0.5, 용매인 물H2O) 1의 비율로 형성된다.
베이스재에 대한 첨가제의 수분율이 8wt%가 되도록 조절하여 베이스재에 첨가제를 공급하고, 임펠러 회전방식으로 교반한 후 건식 진동방식의 성형을 통해 230mm×114mm×55mm의 규격으로 고강도 블록을 제작하였다.
[실시예 3]
입도가 3mm 이하인 저회경량골재 63wt%, 입도가 1mm 이하인 석분 13wt%, OPC 13wt%, 캐슈분말 8wt%, 아민 3wt%로 이루어진 베이스재를 준비한다.
또한, 아크릴레이트 공중합체 10wt%, 포타슘 실리케이트(potassium silicate) 8wt%, 리튬실리케이트(lithium silicate) 5wt%, 물 77wt%로 이루어진 첨가제를 준비하되, 상기 아크릴레이트 공중합체는, 메틸 에스테르 고분자(methyl ester polymer) 0.5, 2-ethylhexyl 2-propenoate 0.8, 용매인 물(H2O) 1의 비율로 형성된다.
베이스재에 대한 첨가제의 수분율이 10wt%가 되도록 조절하여 베이스재에 첨가제를 공급하고, 임펠러 회전방식으로 교반한 후 건식 진동방식의 성형을 통해 230mm×114mm×55mm의 규격으로 고강도 블록을 제작하였다.
도 3은 위 실시예들에 따른 고강도 블록의 실물 사진이다.
상기 실시예 1 내지 3에 의해 제작된 고강도 블록의 시료를 취해 한국건설생활환경시험연구원에 의뢰하여 압축강도(표 1), 휨강도(표 2), 흡수율(표 3)을 평가하였다.
시험항목 단위 시험방법 KS기준 시험결과
시료 1 N/mm2 KS F 4004 : 2013 24 이상 32
시료 2 N/mm2 KS F 4004 : 2013 24 이상 34
시료 3 N/mm2 KS F 4004 : 2013 24 이상 36
시험항목 단위 시험방법 KS기준 시험결과
시료 1 MPa KS F 4419 : 2018 4 이상 6.4
시료 2 MPa KS F 4419 : 2018 4 이상 5.6
시료 3 MPa KS F 4419 : 2018 4 이상 6.7
시험항목 단위 시험방법 KS기준 시험결과
시료 1 % KS F 4004 : 2013 7 이하 7
시료 2 % KS F 4004 : 2013 7 이하 7
시료 3 % KS F 4004 : 2013 7 이하 7
상기 시험결과들에 의하면 실시예 1 내지 3의 방법에 의해 제작된 고강도 블록은 압축강도, 휨강도, 흡수율이 우수함을 알 수 있다.
또한 상기 실시예들에서 베이스재의 재료 중 하나로 사용된 저회경량골재의 시료를 취하여 한국화학융합시험연구소에 중금속용출 시험의 의뢰하여 그 결과를 표 4에 나타내었다.
Figure pat00001
상기 표 4의 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 고강도 블록은 중금속 용출이 없어 친환경적이다.
이상에서 설명된 고강도 블록은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 저회경량골재 60~65wt%, 석분 10~15wt%, OPC(Ordinary Portland Cement) 7~24wt%, 캐슈(cashew) 분말 5~10wt%, 아민 1~3wt%를 포함하는 베이스재; 및
    아크릴레이트 공중합체 5~10wt%, 포타슘 실리케이트(potassium silicate) 1~10wt%, 리튬 실리케이트(lithium silicate) 1~10wt%, 물 70~93wt%를 포함하는 첨가제로 조성되는 고강도 블록.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아크릴레이트 공중합체는 질량비를 기준으로,
    0.1~1의 메틸 에스테르 고분자(methyl ester polymer);
    0.1~1의 2-ethylhexyl 2-propenoate; 및
    0.5~1의 용매인 물로 형성되는 고강도 블록.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베이스재에 대한 상기 첨가제의 수분율은 5~30%인 고강도 블록.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 저회경량골재의 단위 용적당 질량은 1,200kg/m3 이하인 고강도 블록.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고강도 블록의 공극 내에 칼슘 실리케이트 수화물이 형성되는 고강도 블록.
  6. 베이스재를 마련하는 단계;
    상기 베이스재에 첨가제를 첨가하는 단계;
    베이스재에 첨가제가 첨가된 재료를 교반기에 투입하고 혼합하는 단계; 및
    혼합된 재료를 성형하는 단계를 포함하고,
    상기 베이스재는, 저회경량골재 60~65wt%, 석분 10~15wt%, OPC(Ordinary Portland Cement) 7~24wt%, 캐슈(cashew) 분말 5~10wt%, 아민 1~3wt%를 포함하고,
    상기 첨가제는, 아크릴레이트 공중합체 5~10wt%, 포타슘 실리케이트(potassium silicate) 1~10wt%, 리튬 실리케이트(lithium silicate) 1~10wt%, 물 70~93wt%를 포함하는 고강도 블록의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 아크릴레이트 공중합체는 질량비를 기준으로,
    0.1~1의 메틸 에스테르 고분자(methyl ester polymer);
    0.1~1의 2-ethylhexyl 2-propenoate; 및
    0.5~1의 용매인 물로 형성되는 고강도 블록의 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 베이스재에 대한 상기 첨가제의 수분율은 5~30%인 고강도 블록의 제조방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 저회경량골재의 단위 용적당 질량은 1,200kg/m3 이하인 고강도 블록의 제조방법.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 혼합하는 단계에서는 상기 고강도 블록의 공극 내에 칼슘 실리케이트 수화물의 형성을 촉진하도록 원통 회전 교반과, 임펠러 회전 교반 중 적어도 하나의 방식으로 상기 베이스재에 상기 첨가제를 혼합하는 고강도 블록의 제조방법.
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