KR101410056B1 - 바텀애시를 포함하는 결합재에 의한 무시멘트 콘크리트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 소성가공에 의해 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신 적정비율의 바텀애시, 알카리활성화제로 수산화나트륨 및 규산나트륨이 배합되는 결합재를 제공함으로서 비소성이며 산업폐기물인 바텀애시를 이용할 수 있어 친환경적인 결합재가 제공되며, 이러한 결합재를 이용하여 모르타르 또는 콘크리트를 제조 시 압축강도 50MPa급 무 시멘트 모르타르 또는 콘크리트가 제공될 수 있는 비소성 결합재에 관한 것이다.

Description

바텀애시를 포함하는 결합재에 의한 무시멘트 콘크리트{A Concrete Using Non-sintering Binder Having Bottom Ash}

본 발명은 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 소성가공에 의해 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신 적정비율의 바텀애시, 알카리활성화제로 수산화나트륨 및 규산나트륨이 배합되는 결합재를 제공함으로서 비소성이며 산업폐기물인 바텀애시를 이용할 수 있어 친환경적인 결합재가 제공되며, 이러한 결합재를 이용하여 모르타르 또는 콘크리트를 제조 시 압축강도 50MPa급 무 시멘트 모르타르 또는 콘크리트가 제공될 수 있는 비소성 결합재에 관한 것이다.

세계적으로 지구 온난화 방지를 위하여 다양한 형태의 노력(1997년 채택, 2005년 발효된 교토 의정서 2012년 종료)을 가하고 있는 가운데 2007년 12월에는 인도네시아 발리에서 '발리 로드맵'을 채택함에 따라 2009년 까지 새 기후변화 협약을 위한 협상이 진행되고 있다. 이에 따라 전 세계적으로 이산화탄소 등 온실가스의 배출량을 큰 폭으로 줄여야 하는 실정에 있다.

한편, 콘크리트 제조 시 근간이 되는 시멘트 1 톤을 생산하는 데 이산화탄소를 약 0.9톤을 배출할 정도로 시멘트 산업은 철강산업과 더불어 주요 이산화탄소 배출 산업이므로, 지금까지의 이러한 시멘트 산업에 대한 대체 방법이나 대체 물질의 제시가 시급히 요구되고 있다.

국내의 시멘트 생산량은 1년에 약 6,000만 톤으로 이산화탄소를 약 5,400만 톤 배출하고 있다. 이러한 환경오염에 대한 타개책의 일환으로 산업부산물을 이용하여 시멘트를 대체하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다. 국내외적으로 고로슬래그, 메타카올린 등을 시멘트와 일부 혼합하여 콘크리트에 많이 적용되고 있으나, 이런 방법으로는 이산화탄소를 획기적으로 저감시키는 데에는 한계가 있다.

국외에서는 중합반응에 의한 알카리활성화 시멘트(콘크리트)에 관한 기술은 개념적으로 1978년 Davidovits(프랑스)에 의해 카올리나이트 광물질을 이용하고 제올라이트와 유사한 구조를 가지도록 하는 메커니즘으로 이론이 정립되었지만, 제조상의 문제점 및 경제성 등의 이유로 실용화가 이루어지지 않았다.

종래 기술 중에는 메타카올린을 사용하는 경우가 있으나, 카올린을 700~800℃로 소성하여 메타카올린을 사용하기 때문에 이 과정에서 이산화탄소를 배출하고 가격도 고가이어서 실용화하는 데 문제점이 있었다.

한편, 화력발전소에서 발생되는 석탄회 중에서 플라이애시(Fly ash, 비산재)는 시멘트 원료 및 콘크리트 혼화재로 등으로 대부분 소비되고 있으나, 석탄회 발생량 중 15~25% 정도를 차지는 바텀애시(Bottom ash, 바닥재)는 대부분 매립 처분되어 막대한 처리비용에 따른 경제적 손실과 매립지 증가에 따른 국토의 효율적 활용을 저해하는 요인으로 작용한다. 이에 바텀애시를 시멘트와 함께 또는 대체재로 사용하는 무시멘트 모르타르 또는 콘크리트에 대한 연구가 진행되고 있다.

이에 본 발명자들은 바텀애시를 모르타르 또는 콘크리트의 결합재로 사용하기 위해 연구와 실험을 거듭하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 제조 시 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신에 물리적으로 활성화 된 바텀애시에 알카리활성화제로서 수산화나트륨과 규산나트륨이 적정배합비로 배합됨으로서, 시공성 및 압축강도에서 우수한 무시멘트 모르타르 또는 무시멘트 콘크리트가 제조될 수 있도록 하는 결합재를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재는 바텀애시 및 알카리성 수산화물과 규산염으로 구성되는 알카리활성화제를 포함하되, 상기 바텀애시에 대하여 알카리활성화제는 중량비로 55% 내지 65%인 것을 특징으로 한다.

상기 바텀애시는 미분탄 연소시 노벽 등에 부착되어 있다가 자체 무게에 의해 보일러 바닥에 떨어진 석탄재를 말하는 것으로, 이러한 바텀애시는 알카리활성화제와 반응하여 Si 및 Al 성분들과의 개별적인 응집 과정에 의한 경화가 되는 메카니즘을 가지고 있다.

본 발명의 결합재가 적용된 모르타르 또는 콘크리트의 경화 과정은 1) 수산화 이온들의 합성 작용을 통한 전구체들의 형성, 2) 알칼리-실리카의 부분적 재구성, 3) 무기질 구조의 형성을 위한 재침전 등으로 구분할 수 있다.

이렇게 본 발명의 결합재가 적용된 모르타르 또는 콘크리트에서는 Al/Si의 비와 더불어 H2O/SiO2 비도 중요하다. H2O는 알루미늄과 실리카 이온들의 용해 과정에서 중요한 역할을 하기 때문이다.

본 발명에서는 바텀애시와 알카리성 수산화물과 규산염으로 구성되는 알카리활성화제의 배합구성을 통해 중합반응(Polymersation)을 유도하여 강도가 증진되게 함으로써 결국 시멘트를 사용하지 않으면서 소성과정이 없이 일정 강도이상을 발현할 수 있는 결합재를 제공하는 것이다.

본 발명에서 상기 알카리성 수산화물로는 수산화나트륨이 사용됨이 바람직하고, 규산염은 규산나트륨이 사용되는 것이 바람직하다. 이에 본 발명의 결합재는 바텀애시(A), 수산화나트륨(B) 및 규산나트륨(C)으로 구성되며, 이때 바텀애시(A)에 대해서 수산화나트륨 및 규산나트륨의 합(B+C)의 비는 중량비((B+C)/A)가 55% 내지 65%로 구성됨이 타당하다. 이렇게 결합재 중 바텀애쉬에 대한 알카리활성화제의 중량비(A:B+C)를 55% 내지 65%로 구성한 것은 중합반응에 필요한 적절한 비율의 Si 및 Al과 Na가 존재하는데 바텀애시에 대하여 알카리활성화제의 중량비가 55%미만인 경우에는 상대적으로 반응에 필요한 Na가 부족하게 되어 강도가 저하되고, 이와 반대로 65%를 초과하는 경우 강도에 기여하는 Si 또는 Al이 부족하여 강도가 저하원인이 되며, 알카리활성화제에 포함된 수분의 양이 많아지면서 슬럼프는 커지나 알루미늄과 실리카 이온들의 용해과정에 필요한 수분 외에 잔여 수분이 강도저하를 발생키므로 상기와 같이 그 배합비를 한정하는 것이다.

또한 상기 알카리활성화제를 구성하는 수산화나트륨과 규산나트륨은 그 중량비를 1:1로 하는 것이 바람직한 바, 이는 수산화나트륨을 많이 사용할 경우 혼합액의 몰농도가 떨어지면서 응결현상을 보이며, 수분함량이 많아져 강도저하의 원인이 된다. 반대로 수산화나트륨을 적게 사용한 경우에는 재령 초기에 알루미노실리케이트의 생성이 작아져 초기강도가 저하되고, 수축이 다소 증가되는 문제점과 함께 이를 보강하기 위해 다량의 규산나트륨 사용하여야 하므로 경제성 측면에서 불리하게 작용하는 문제점이 있으므로 이와 같이 한정하는 것이다.

또한 상기 바텀애시는 분말도가 3,800 ~ 4,100㎠/g인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 바텀애시 원시료의 분말도가 1,500 ~ 1,700㎠/g으로 반응성이 작아 강도발현에 불리하며, 5,000㎠/g이상의 고분말은 반응성은 크지만 시공성이 떨어지며 미분말시키는데 장시간이 소요되어 경제성이 저하 될 수 있기 때문이다.

또한, 상기 규산나트륨은 SiO₂와 Na₂O의 몰비가 1.0 내지 3.4 범위의 값을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직한데, 몰비가 1.0 미만인 경우에는 결합재의 점도가 급격히 증가되어 슬럼프가 저하됨으로써 시공성이 저하될 뿐만 아니라 중합반응에 필요한 Si 성분이 적어져 장기강도가 발현이 작아지고, 몰비가 3.4를 초과하는 경우에는 시공성에 영향을 주지 않지만, Na이온이 적어져 초기강도가 작아지는 문제가 있기 때문이다. 나아가 상기 규산나트륨은 보다 우수한 시공성 및 강도를 얻기 위해, SiO₂와 Na₂O의 몰비가 2.8~3.2인 것을 사용하는 것이 보다 바람직하다.

상기 알카리성 수화물로는 수산화나트륨이 사용되는데 6 내지 16M 범위의 수산화나트륨이 바람직하다. 6M미만인 것을 사용하면 바텀애시가 모두 반응하는데 필요한 양보다 부족하게 되어, 충분한 알카리 활성화 반응이 일어나지 않아 강도를 저감시킬 우려가 있고, 16M을 초과하는 것을 사용하면 상대적으로 고가인 알카리성 수화물 재료의 투입량 대비 강도 향상 효과가 미미하기 때문에 경제적인 측면에서 불리하게 작용하기 때문이다.

한편 본 발명은 상기에서 언급한 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재에 잔골재, 물을 배합함으로서 무시멘트 모르타르가 구성될 수 있으며, 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재에 굵은 골재, 잔골재, 물을 배합함으로서 무시멘트 콘크리트가 구성될 수 있다. 이러한 모르타르 및 콘크리트에 있어 필요에 따라 혼화제, 보강섬유 등이 보강될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 바텀애쉬를 포함한 비소성 결합재는 그 혼합비에 따라 고온양생 시 압축강도를 30~50MPa 범위를 확보할 수 있어 무시멘트 모르타르 또는 무시멘트 콘크리트가 제공될 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 바텀애쉬를 포함한 비소성 결합재는 이를 포함하여 모르타르 또는 콘크리트 제조 시 일정 시간이상 유동성이 유지되어 충분한 작업성을 확보할 수 있어 결합재로서 충분한 적용가능성이 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 바텀애쉬를 포함한 비소성 결합재를 사용함으로서 시멘트가 완전히 대체됨에 의해 시멘트 제조 시 발생되는 다량의 CO₂ 가스의 발생을 줄일 수 있고 산업 부산물인 바텀애시가 재활용되므로 매립지 확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라, 매립 시 발생되는 침출수에 의해 발생하는 많은 환경문제 등을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 결합재 구성재료인 알카리활성화제와 바텀애시의 질량비에 따른 슬럼프 결과 및 압축강도 결과를 보이는 그래프.
도 2는 결합재 구성재료인 알카리활성화제의 혼합비 즉, 규산나트륨과 수산화나트륨의 혼합비에 따른 슬럼프 결과와 압축강도 결과를 보이는 그래프.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시 예에 한정되지는 않는다.

본 발명의 실시 예에서는 발명에 의한 결합재를 이용하여 모르타르 제조 시, 바텀애시 및 알카리활성화제(수산화나트륨, 규산나트륨)의 영향을 분석하기 위해 두 가지 조건에 의한 실험 예를 제시한다. 첫 번째로 바텀애시에 대하여 알카리활성화제의 중량비 변화에 따른 영향을 분석하였다. 이때 알카리활성화제를 구성하는 수산화나트륨 및 규산나트륨은 1:1의 중량비로 배합한다. 두 번째로 바텀애시의 상대중량과 알카리활성화제의 상대중량을 고정하되, 알카리활성화제를 구성하는 수산화나트륨과 규산나트륨간의 혼합비 변화에 따른 영향을 분석하였다.

<실시예 1>

알카리활성화제 중량비 영향

분말도 4,000㎠/g를 가진 바텀애시, 알카리활성화제(수산화나트륨(NaOH) 9M, SiO₂/Na₂O의 몰비가 3.2인 규산나트륨) 중에 바텀애시와 알카리 활성화제의 중량비를 100:55, 100:60, 100:65, 100:70로 배합하며, 이때 수산화나트륨과 규산나트륨의 중량비는 각가 1:1로 배합한 결합재가 사용되고, 잔골재는 타재료에 의한 영향을 최소화하기 위해 SiO₂ 성분이 99.7%인 호주산 규사를 사용하였다.

이렇게 제조된 모르타르를 KS L 5111에 준하여 슬럼프 시험을 행하고, 50×50×50mm 큐브시험체를 제작하여 60℃에서 2일 동안 양생을 실시한 후 탈형 한 다음 상온상태(습도 50±5%, 온도 20±2℃)에서 양생을 실시하여 재령 28일에서 KS F 5105에 준하여 측정하였다. 그 결과를 정리하면 도 1과 같다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 바텀애시 중량에 대한 알카리활성화제의 상대중량비가 55% 미만일 때는 압축강도는 유리하나 슬럼프가 작게 나타났으며, 60 ~ 65%일 때 슬럼프와 압축강도가 양호하게 나타났으나 65%를 초과하는 경우는 슬럼프는 크게 나타나나 강도가 저하하는 것을 볼 수 있다. 즉 중합반응에 필요한 적절한 비율의 Si 및 Al과 Na가 존재하는데 바텀애시의 중량은 일정하나 알카리활성화제의 양이 많을 경우 강도에 기여하는 Si 또는 Al가 부족하여 강도가 저하원인이 되며, 알카리활성화제에 포함된 수분의 양이 많아지면서 슬럼프는 커지나 알루미늄과 실리카 이온들의 용해 과정에 필요한 수분 외에 잔여 수분이 강도저하를 발생시키는 것으로 판단된다. 그러므로 바텀애시 중량에 대한 알카리활성화제의 상대중량비가 55% 내지 65%인 것이 강도 및 슬럼프면에서 적정 배합비인 것으로 판단되며 더욱 바람직하게는 바텀애시 중량에 대한 알카리활성화제의 상대중량비가 60내지 65%인 것이 타당하다.

<실시예 2>

수산화나트륨 및 규산나트륨의 중량비 영향

분말도 4,000㎠/g를 가진 바텀애시, 알카리활성화제(수산화나트륨(NaOH) 9M, SiO₂/Na₂O의 몰비가 3.2인 규산나트륨)를 배합하되, 상기 실시 예 1에서 본 바와 같이 바텀애시와 알카리 활성화제를 적정 중량비인 100:60으로 배합하고, 이중 알카리활성화제를 구성하는 규산나트륨 및 수산화나트륨의 중량비를 각각 20:40, 30:30, 36:24, 40:20로 구성된 결합재를 사용하였다. 즉 알카리활성화제:규산나트륨:수산화나트륨을 각각 100:20:40, 100:30:30, 100:36:24, 100:40:20으로 각각 배합한 결합재에 잔골재는 타재료에 의한 영향을 최소화하기 위해 SiO₂ 성분이 99.7%인 호주산 규사를 사용하였다.

본 실시 예에서도 이렇게 제조된 모르타르를 KS L 5111에 준하여 슬럼프 시험을 행하고, 50×50×50mm 큐브시험체를 제작하여 60℃에서 2일 동안 양생을 실시한 후 탈형 한 다음 상온상태(습도 50±5%, 온도 20±2℃)에서 양생을 실시하여 재령 28일에서 KS F 5105에 준하여 측정하였다. 그 결과를 정리하면 도 2와 같다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 바텀애시와 알카리활성화제의 상대중량비가 일정할 때 규산나트륨과 수산화나트륨의 혼합비가 20:40(1:2)(도 2에서 가로축 0.5에 해당)에서는 슬럼프가 크게 나타나지만 조기강도와 장기강도 면에서 작은 값을 나타냈다. 이 경우 수산화나트륨이 많아지면 수분의 함량이 많아져 슬럼프는 커지나 상대적으로 규산나트륨의 Si성분이 부족하여 강도저하의 원인이 되는 것으로 판단이 된다. 또한, 혼합비가 36:24(1.5:1)(도 2에서 가로축 1.5에 해당), 40:20(2:1)(도 2에서 가로축 2에 해당)인 경우는 슬럼프는 일정하나 압축강도가 점차적으로 저하되는 것으로 나타났다. 이 경우는 규산나트륨의 양이 많아질수록 활성화제의 점도가 상승하여 슬럼프가 낮아지며 상대적으로 수산화나트륨의 Na성분이 부족하여 강도저하가 나타난 것으로 판단된다. 따라서 본 실시 예에서 알 수 있는 바와 같이 수산화나트륨에 있어 수분함량이 기여하는 슬럼프치와 수산화나트륨의 Na와 규산나트륨의 Si이 기여하는 강도면에서 고려하면 가장 바람직한 알카리활성화제의 배합비는 규산나트륨에 대해 수산화나트륨이 중량비로 1:1로 배합되는 것이 타당한 것으로 판단된다.

이상의 결과로부터 바텀애시, 수산화나트륨, 규산나트륨의 구성비는 바텀애시에 대해 알카리활성화제의 중량비가 55% 내지 65%이고, 규산나트륨과 수산화나트륨의 중량비가 1:1로 구성될 경우에 이를 이용한 모르타르 또는 콘크리트가 우수한 시공성 및 압축강도가 발현됨으로서 본 발명의 결합재가 시멘트를 완전히 대체할 수 있게 되는 것이다.

Claims (8)

1. 바텀애시 및 알카리성 수산화물과 규산염으로 구성되는 알카리활성화제를 포함하되, 상기 바텀애시에 대하여 알카리활성화제는 중량비로 60% 내지 65%인 것을 특징으로 하되, 상기 알카리활성화제는 수산화나트륨에 있어 수분함량이 기여하는 슬럼프치와 수산화나트륨의 Na와 규산나트륨의 Si가 기여하는 강도면을 고려하여 알카리성 수산화물과 규산염은 중량비로 1:1이며, 상기 바텀애쉬의 분말도는 3,800 ~ 4,100㎠/g 이고, 상기 알카리성 수산화물은 6 내지 16M 범위의 수산화나트륨이며, 상기 규산염은 규산나트륨으로 상기 규산나트륨은 SiO₂와 Na₂O의 몰비가 1.0 내지 3.4인 것을 특징으로 하는 바텀애시를 포함하는 비소성 결합재가 배합되어,
   슬럼프플로우가 150mm이상이고, 재령 28일 압축강도가 50Mpa이상인 것을 특징으로 하는 무시멘트 콘크리트.
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