KR101645501B1 - 비소성결합재 폐기물을 재활용한 인조대리석용 모르타르 결합재 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비소성결합재를 활용한 콘크리트 건축이 노후화 등의 원인으로 해체, 폐기되는 경우, 이를 폐기물로 처분하지 않고 비소성결합재로 재자원화하여 활용하는 것을 특징으로 하는 비소성결합재 폐기물을 재활용한 인조대리석용 모르타르 결합재 조성물에 관한 것이다.

Description

비소성결합재 폐기물을 재활용한 인조대리석용 모르타르 결합재 조성물{Mortars Binder Composition Using Recycling Non-firing Binder}

본 발명은 비소성결합재를 활용한 콘크리트 건축이 노후화 등의 원인으로 해체, 폐기되는 경우, 이를 폐기물로 처분하지 않고 비소성결합재로 재자원화하여 활용하는 것을 특징으로 하는 비소성결합재 폐기물을 재활용한 인조대리석용 모르타르 결합재 조성물에 관한 것이다.

시멘트는 산업의 근대화 과정에서 가장 중요하고 널리 사용되어 온 건설용 구조재료로서 도로, 교량, 터널, 항만, 주택, 건물 등 각종 사회간접자본(SOC)의 건설에 있어 기본이 되는 재료이다. 이러한 시멘트는 석회석 등을 주원료로 하여 소성과정 즉 클링커 제조시 고온(약 1,500℃)상태에서 제조되는데, 이 과정에서 많은 이산화탄소 가스를 배출하게 된다. 이에 따라 시멘트가 그동안 건설산업에서 중요한 역할을 해왔음에도 최근에는 자연 및 지구환경에 대한 부정적인 재료로 인식되는 경향이 높아지고 있다.

시멘트 기반의 일반 모르타르는 보통포틀랜드시멘트(OPC)와 잔골재를 혼합한 것으로서, 이러한 일반 모르타르를 1톤 생산할 때에는 800~900kg의 이산화탄소가 발생한다. 이에 보통포틀랜드시멘트의 일부를 고로슬래그 또는 플라이애시 중 어느 하나 이상의 것으로 치환하면서, 석고를 더 추가하여 사용하는 탄소저감형 모르타르의 경우 1톤 생산시 이산화탄소 발생량이 680~770kg이 되고, 이것은 일반 모르타르의 80~90% 수준이다. 그러나 이 역시 시멘트 기반의 일반 모르타르의 수준에서 벗어나지 않고 있다. 통상의 시멘트 기반의 일반 모르타르는 시멘트의 수화 또는 모르타르의 건조 등에 의하여 수축이 발생하고, 이러한 수축에 의해 균열이 발생한다. 균열의 발생은 외관 뿐만 아니라 콘크리트와의 부착력이 약화되기 때문에 박리의 문제점을 안고 있다.

시공 현장에서는 모르타르를 타설할 때 작업의 편리성 때문에 물을 과다하게 사용하는 경우가 많으며, 이러한 모르타르는 블리딩이 과다하게 생성되어 모르타르의 마감 작업을 크게 지연시키고, 강도저하와 균열발생 등의 문제점이 야기된다.

특히 인조대리석은 굵은 콩알만큼씩 잘게 부순 대리석 조각에 시멘트, 칠감, 물을 섞어 반죽하여 굳혀 만들어 건축물의 바닥이나 기둥의 재료로 쓰는데, 천연의 광석분 또는 합성 무기 재료 분말을 필터로 하여 수지로 경화시킨 후 압축 프레스로 성형할 수 있다. 필터재료는 수산화알루미늄, 황산바륨, 탄산바륨, 탄산칼슘, 실리카(규사), 화강암, 어영(御影)석분 등이 이용되고 수지재료로는 열경화성 불포화 폴리에스테르 및 열가소성 메틸메타아크릴(MMA) 수지가 이용된다.

일반적으로, 인조대리석은 보통 시멘트 75~85wt%에 각종 혼합재가 15~25wt%가 혼합되는데, 혼합재는 대리석 마감을 재현하기 위하여 돌가루, 폴리에스테르 물질, 아크릴 등을 혼입하고 필터재료를 포함시키게 된다. 그러나 혼합재 제조를 위하여는 각각의 재료에 대한 공정과정에서 화학처리가 이루어지면서 환경오염물질이 발생되는 문제가 발생하여 인조대리석의 제조에 있어 친환경적인 재료의 개발이 필요하다.

이러한 친환경적 인조대리석 제조와 관련하여 대한민국 등록특허 10-0715606 "고투명 인조대리석 마블칩, 그 제조방법 및 이를 이용한 인조대리석"은 고투명 인조대리석 마블칩의 제조방법은 불포화 폴리에스테르 수지 50∼70 중량%, 스티렌계 모노머 25∼45 중량% 및 아크릴계 단량체 5∼15 중량%로 이루어진 수지 조성물 100 중량부에 대하여 실리카 15∼40 중량부를 혼합한 후, 경화시키는 것을 특징으로 하고 있으나, 이는 기존의 강도를 유지하면서 투명성이 우수할 뿐만 아니라, 무색성을 실현하여 다른 색상으로 조절이 용이하고, 반복성이 우수한 제품의 개발이 목적이며 친환경적인 조성물에 대한 관심은 미약하다.

또한 대한민국 등록특허 10-10046570 "천연석재 입체 질감 무늬형성 도료 및 그 제조방법"은 천연석재 입체 질감 무늬형성 도료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 일반 건축물의 사용 할 경우 소지면 부착력 증대와 강도를 부여하고, 휘발성 유기용제가 포함하지 않은 친환경 제품으로 도장 후, 화강석 무늬 또는 대리석과 같은 천연 석재의 무늬와 동시에 입체 질감을 부여하고자 하나, 이는 환경오염문제를 고려하였다기보다 천연석재와 같은 질감을 재현하고자 하는데 목적이 있으므로 환경문제와 접목된 조성물의 개발이 필요하다.

따라서 이와 같이 다양한 방법으로 친환경적인 인조대리석 제조를 위한 모르타르 조성물을 개발하고 있으나 비소성결합재를 재사용하여 친환경적인 조성물을 개발하고, 균열이 효과적으로 저감될 수 있는 비소성결합재를 이용한 모르타르 조성물의 개발이 필요하다.

1. 대한민국 등록특허 10-0715606 "고투명 인조대리석 마블칩, 그 제조방법 및 이를 이용한 인조대리석" 2. 대한민국 등록특허 10-10046570 "천연석재 입체 질감 무늬형성 도료 및 그 제조방법"

상기 문제점에 입각하여 본 발명에서는 인조대리석의 압축강도, 유동성 등의 기본 물성은 일반 모르타르 수준으로 유지하면서 인조대리석 조성물에 포함되는 혼합재를 폐기, 해체된 구조물의 골재인 비소성 결합소재를 활용하여 친환경적으로 환경오염이 적은 폐기된 비소성결합재를 활용한 인조대리석용 친환경 모르타르 결합재 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 백시멘트 75~85중량부, 혼합재 15~25중량부를 포함하는 인조대리석용 모르타르 결합재 조성물로서, 상기 혼합재는 상기 혼합재 전체 중량부 대비 순환재생골재를 이용한 비소성결합재 5~15중량부, 고로슬래그 미분말 45~55중량부, 알파반수석고 30~35중량부, 메타카올린 4~6중량부를 포함하여 구성되어, 물결합재비(W/B) 18wt%, 결합재와 잔골재의 중량비가 1:2.5인 조건에서, 굳지 않은 모르타르의 슬럼프값이 190~200mm, 재령 7일 압축강도가 40MPa 이상 발현되도록 하는 친환경 인조대리석용 모르타르 결합재 조성물을 제공한다.

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본 발명에 따르면 폐기물을 재활용한 비소성결합재를 사용함으로써 소성시 발생되는 탄소발생량을 저감시키는 효과가 있다. 특히 메타카올린을 포함시켜 조성물 성분의 공극을 충전시켜 경화체가 치밀한 조직을 갖도록 하여 투수성 및 흡수성이 감소되어 우수한 내구성을 유지할 수 있다.

또한 상기 혼합재에 슬래그 및 석고를 사용하여 초기팽창성이 증가하여 수축저감이 이루어지므로 인조대리석 경화체의 균열이 저감되는 효과가 있다.

본 발명은 백시멘트 75~85중량부, 혼합재 15~25중량부를 포함하는 인조대리석용 모르타르 결합재 조성물로서, 상기 혼합재는 상기 혼합재 전체 중량부 대비 순환재생골재를 이용한 비소성결합재 5~15중량부, 고로슬래그 미분말 45~55중량부, 알파반수석고 30~35중량부, 메타카올린 4~6중량부를 포함하여 구성되어, 물결합재비(W/B) 18wt%, 결합재와 잔골재의 중량비가 1:2.5인 조건에서, 굳지 않은 모르타르의 슬럼프값이 190~200mm, 재령 7일 압축강도가 40MPa 이상 발현되도록 하는 친환경 인조대리석용 모르타르 결합재 조성물을 제공한다.

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상기 백시멘트는 일반 포틀랜드시멘트보다 산화철의 함량을 낮게 하여 백색을 띄도록 한 것으로서, 인조대리석의 색감과 질감을 발현하기 용이하다.

특히 상기 혼합재에 본 발명의 일 특징으로서 비소성결합재는 순환재생골재를 사용할 수 있다. 상기 순환재생골재는 건축물, 구조물이 노후화되어 해체, 폐기되는 과정에서 발생되는 골재 중 일정압축강도가 나타나는 건전한 골재를 재사용하는 것으로서 이러한 골재는 미분말 자체로 사용하거나 또는 사용환경에 따라 일정 크기로 분말화시켜 사용하거나 분말화시킨 것을 다시 응축시키는 공정을 거쳐 순환재생골재로 재탄생시키고 이는 본 발명의 순환재생골재를 이용한 비소성결합재로 활용하게 된다. 상기 순환재생골재를 이용한 비소성결합재는 상기 혼합재 전체 중량대비 5~15중량부 혼입되는 것이 인조대리석의 색감과 질감의 발현을 방해하지 않아 바람직하다. 특히 상기 순환재생골재를 이용한 비소성결합재는 인조대리석의 천연질감을 나타내는데 효과적이다.

또한 본 발명의 혼합재에 포함되는 고로슬래그 미분말은 혼합재 전체 중량부 대비 45~55중량부가 포함된다. 상기 고로슬래그 미분말은 제철과정의 용광로에서 철광석, 석회석, 코크스 등을 원료로 하여 세철을 제조할 때 얻어지는 부산물로서, 철광석 중에 불순물로 포함되는 암석류가 석회와 화합하여 생긴 것이다. 급랭 분쇄된 염기 1.4도 이상의 것은 그 잠재 수경성이 있어 이를 미분말화함으로써 사용할 수 있다. 이는 보통포틀랜드시멘트를 상기 고로슬래그 미분말로 대체하는 것 자체로 시멘트의 사용에서 발생되는 수화발열량이 적어지는 것이 곧 건조수축의 저감의 결과를 가져올 수 있다.

또한 본 발명의 혼합재 중 알파반수석고는 전체 혼합재 중량부 대비 30~35중량부가 혼입될 수 있다. 상기 석고는 이수석고 또는 무수석고 등 그 종류를 불문하나, 특히 알파반수석고를 혼입시킬 수 있다.

상기 알파반수석고는 천연이수석고나 부산물로 발생되는 배연탈황이수석고 또는 인산이수석고로부터 100~150℃의 온도 조건에서 가압수증기법 혹은 가압수열법으로 합성되어 얻어지며, 재료 분리, 블리딩, 침하(Plastic shrinkage)현상이 없이 안정된 무수축성과 일반 시멘트 조성물에 비해 5~10배가량 우수한 초기강도 발현 및 안정적인 장기 강도 유지 성능을 발현할 수 있다.

또한, 물비 제어에 의해 응결 시간 조절이 가능할 뿐만 아니라 높은 초기 유동성 확보를 통해 불규칙한 형상을 갖는 단면에서 작업성이 매우 우수하다. 또한 기존의 시멘트 조성물과는 달리 알칼리도가 높지 않기 때문에 중성화에 대한 우려가 적고 일정 수준의 내구 공극 확보에 의한 건습 반복 작용 및 동결융해 작용으로부터 안정적인 내구성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

상기 알파반수석고의 경우에는 아래 반응식과 같이 단시간 내에 물과 반응하여 수화되어 결정을 형성하므로 짧은 시간 안에 고강도를 발현하는 특성을 가지고 있다.

[반응식]

α-CaSO₄·½H₂O + H2O → CaSO₄·2H₂O

이러한 알파반수석고의 성분 분석결과는 다음과 같다.

원 소	함 량(wt%)
Mg	0.60
Al	0.98
Si	1.85
S	46.98
K	0.67
Ca	48.51
Fe	0.38
Sr	0.03
상기 원소 중 Ca 및 S의 함량은 95.49wt%이며, 그 외 금속원소들이 소량 함유되어 있음

따라서 알파반수석고가 적정량이 혼입됨으로써 초기강도 발현 및 안정적인 장기 강도 유지 성능이 발현됨과 동시에 유동성에 따른 작업성도 향상되는 효과가 있다. 상기 알파반수석고가 고강도를 발현시킴과 동시에 초기팽창성이 높아 별도의 팽창재의 혼입 없이 알파반수석고 자체의 팽창성을 이용하여 수축을 저감시키는 작용을 수행할 수 있다.

일반적으로 모르타르 결합재 조성물에 포함되는 팽창재는 무수축성을 발현시켜주는 역할을 하는데, 칼슘 설포 알루미네이트, 알루미늄파우더 등이 그 예이다. 상기 칼슘 설포 알루미네이트와 알루미늄파우더는 CaO, Al₂O₃, CaSO₄ 등을 제공하고, 수화반응을 통해 에트린자이트(ettringite)를 생성하는 한편, 이 과정에서 지속적으로 SO₃를 공급하여 팽창성이 높은 에트린자이트가 수화물 결정크기가 작은 모노설페이트(3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O)로 분해되는 것을 막아줌으로써 그라우트재가 수축하는 것 을 방지해준다.

본 발명에서는 별도의 팽창재를 사용하지 않고 알파반수석고를 전체 혼합재 조성물 100 중량부 대비 30~35중량부를 혼합시키는 것으로써 팽창성을 확보할 수 있다. 특히 100중량부 대비 30중량부 미만인 경우에는 팽창성이 초기팽창율이 크지 않아 초기수축이 급격하게 이루어지는 문제가 발생하고, 35중량부 초과의 경우에는 오히려 압축강도가 저하되는 문제점이 발생한다.

또한 본 발명의 혼합재에는 메타카올린이 전체 혼합재 중량부 대비 4~6중량부가 혼입될 수 있다. 메타카올린은 시멘트와 골재 사이의 공극을 충전시켜 경화제가 치밀한 조직을 갖도록 하는 물질로서, 시멘트의 수화반응에 의해서 생성되는 수산화칼슘을 강도 발현에 보다 우수한 특성을 갖는 규산칼슘 수화물로 전이시켜 골재와의 부착력을 증대시켜 고강도발현이 가능하도록 하는 물질이다. 즉, 경화체의 내부조직이 치밀하게 형성됨으로써 투수성이나 흡수성을 감소시켜 중성화, 동결융해 등에 대한 저항성을 증대시켜 압축강도를 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는 상기 메타카올린을 혼입재 전체 중량부 대비 4~6중량부를 혼입시켜 압축강도를 향상시키고자 한다. 본 발명 메타카올린이 전체중량 대비 4중량부 미만이거나 6중량부 초과인 경우에는 압축강도가 콘크리트의 배합조건에 맞도록 발현되지 않으므로 전체 중량부 대비 4~6중량부가 바람직하다.

전술한 본 발명의 범위 내에서 아래의 [표 2]와 같은 조건으로 시험배합하여 시료별로 슬럼프 및 압축강도를 테스트하였다.

구분	W/B (wt%)	모르타르 결합재 조성물
		결합재 조성물 (wt%)
		백시멘트	비소성결합재	슬래그	석고	메타카올린	결합재:잔골재
비교예	18	100	-	-	-		1 : 2.5
실시예1	18	80	1	10	8	1
실시예2	18	80	2	10	7	1
실시예3	18	80	3	10	6	1

- 슬래그 : 고로슬래그 미분말 - 석고 : 알파반수석고

- 잔골재 : 모래

위와 같은 비교예와 실시예들의 슬럼프, 압축강도 시험결과는 아래의 [표 3]과 같다.

구 분	슬럼프(mm)	압축강도(MPa)
비교예	196	48
실시예1	192	45
실시예2	193	44
실시예3	193	42

슬럼프 200mm, 압축강도 48MPa 발현을 목표값으로 배합하여 위의 모르타르 시료를 테스트한 결과 슬럼프는 3가지 모두 목표값보다 다소 낮게 측정되었으나 슬럼프 저하는 크지 않은 것으로 나타났다.

상기 [표 4]와 같이 압축강도 역시 약간 저하되기는 하나 콘크리트의 배합조건에서 벗어나지 않는 것으로 확인되었다.

이상에서 본 발명에 관하여 상세하게 살펴보았다. 그러나 본 발명이 위에서 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니며 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위에서 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

Claims (3)

1. 백시멘트 75~85중량부, 혼합재 15~25중량부를 포함하는 인조대리석용 모르타르 결합재 조성물로서,
   상기 혼합재는 상기 혼합재 전체 중량부 대비 순환재생골재를 이용한 비소성결합재 5~15중량부, 고로슬래그 미분말 45~55중량부, 알파반수석고 30~35중량부, 메타카올린 4~6중량부를 포함하여 구성되어,
   물결합재비(W/B) 18wt%, 결합재와 잔골재의 중량비가 1:2.5인 조건에서,
   굳지 않은 모르타르의 슬럼프값이 190~200mm, 재령 7일 압축강도가 40MPa 이상 발현되도록 하는 친환경 인조대리석용 모르타르 결합재 조성물.
   
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