방수기능을 가진 고강도 흙벽돌 제조방법

방수기능을 가진 고강도 흙벽돌 제조방법 {Manufacturing Method of High-Strength Soil Bricks with Waterproof Function}

본 발명은 방수기능을 가진 고강도 흙벽돌 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 흙벽돌 제작시 보다 다양한 종류의 흙에 폴리머계 토양안정화제와 포졸란 또는 파이버를 같이 적용함으로써 방수기능을 가지고, 압축강도 및 인장강도가 매우 우수하며, 폴리머계 토양안정화제만 사용하였을 때보다 양생시간이 훨씬 빠른 친환경적이고 경제적인 흙벽돌 제조방법에 관한 것이다.

흙벽돌은 인류가 발명한 최초의 인공건축자재로서 약 8,000년간 사용되어 왔으며 앞으로도 인류가 존재하는 한 영원히 사용될 것으로 생각된다. 역사를 더듬어보면 신석기 시대인 BC6000년경 메소포타미아의 수메르인들이 진흙으로 벽돌을 만들어 말려서 집을 짓는 것이 흙벽돌의 시초이며 이것은 건축사적으로 볼 때 인간이 최초로 건축자재를 생산하게 되었다는데 큰 의의를 지니고 있을 뿐 아니라 훗날 벽돌을 생산할 수 있는 터전을 마련하여 주었다는 점에서 중요한 역할을 하였다.

흙벽돌은 그 후 나일강 유역의 이집트를 위시하여 오리엔트 전역은 물론 지중해 연안과 인도까지 전파되었다. 음식을 구워먹는 과정에서 흙에 열을 가하면 굳어진다는 사실을 깨달으면서 진흙벽돌도 고온의 열을 가하면 돌과 같이 딱딱하게 될 것이라는 생각을 하게 되어 소성벽돌을 만들게 되었으리라 생각된다.

인도의 인더스강유역 유적에서도 성, 공공건물, 대중목욕탕등의 벽돌조 건물이 발견되었으며 오리엔트 벽돌문화는 그 후 그리스와 로마로 전파되었고 유럽 각국에는 로마의 건축기술과 함께 벽돌생산 기술이 보급되었다. 중국에서는 BC500년경부터 생산되어 묘재, 성재 등으로 사용되었고 불교가 전파되면서 탑재로도 널리 사용되었다. 우리나라에서는 낙랑시대부터 생산되기 시작하여 삼국시대, 통일신라, 고려, 조선조까지 계속 생산되었으나 목재와 석재가 풍부한 조건에서 벽돌문화는 크게 발전하진 못하였다.

18세기 프랑스의 Francois Cointeraux가 포도 짜는 장치에서 착안하여 압축 흙벽돌을 만드는 기계를 고안한 것은 흙건축에 대한 새로운 관심을 불러일으키는 계기가 되었다. 현지의 흙을 이용한 저렴한 주택을 짓는 건축 방식은 매우 효과적인 대안으로 적용되고 있다. 지금도 많은 지역에서 압축 흙벽돌을 이용하여 경제적으로 건물을 짓고 있다.

흙벽돌의 종류는 크게 압축 흙벽돌(Compressed Earth Block)과 압축 강화 흙벽돌(Compressed Stabilized Earth Block) 두 가지로 나눌 수 있다.

압축 흙벽돌은 일정비율의 수분과 점토를 지닌 흙을 사람의 힘 또는 프레스 머신을 이용하여 압축하여 만든 벽돌이다. 숙련된 기술을 필요로 하지 않아 누구나가 만들 수 있으며 자연의 흙만을 이용하여 만들기 때문에 가장 친환경적이고 저렴하게 벽돌을 생산할 수 있다. 그러나 그 강도가 충분치 않아 저층 건물에만 사용되어지며, 외벽 등 비바람에 노출된 부분은 부숴지거나 크랙이 발생하기 쉬워 지속적인 유지관리가 필요한 실정이다.

압축 강화 흙벽돌은 시멘트, 생석회, 플라이 애쉬 등의 고화제를 흙에 같이 섞어서 압축하여 생산되어 진다. 이러한 고화제의 역할은 흙입자간의 접착력를 강화하여 압축강도를 높이는 것이다. 이렇게 되면 비바람에 의한 침식이나 어떤 외부의 힘에 의한 손상이 줄어들게 되어 보다 견고한 흙벽돌을 얻을 수 있는 것이다. 그러나 이렇한 고화제가 친환경이지 못한 경우가 많고 비바람 등의 외부조건에 압축 흙벽돌 대비 상대적으로 수명이 조금 더 길다고 할 수 있다.

위 두 종류의 흙벽돌의 가장 큰 문제점은 바로 수분에 약하다는 것이다. 이 수분이 느슨한 흙입자를 연화시키고 이로 인해 생성된 공극내 압력이 내부 응력에 지장을 주어 결국 흙벽돌에 금이 생기기 시작하면서 그 수명이 짧아지게 되는 것이다. 현지토를 이용하여 강도가 높고 수분에 매우 안정한 저가의 친환경 흙벽돌 제조기술이 절실히 필요하다.

본 발명의 목적은 방수기능을 가지고 있어 내구성이 강한 흙벽돌 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 매우 우수한 압축강도 및 인장강도를 가지는 흙벽돌 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 폴리머계 토양안정화제만 사용하였을 때보다 양생시간을 훨씬 단축시킬 수 있는 흙벽돌 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다양한 종류의 흙을 사용할 수 있는 흙벽돌 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 곰팡이나 이끼가 끼지 않는 흙벽돌 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 친환경적이고 경제적인 흙벽돌 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 흙벽돌 제조방법은 a) 폴리머계 토양안정화제를 물에 희석하는 단계; b) 흙을 체로 치는 단계; c) 폴리머계 토양안정화제 수용액을 체질된 흙 및 포졸란과 골고루 섞는 단계; d) 골고루 섞인 흙을 압축식 흙벽돌 제조기에 넣고 압축하는 단계; 및 e) 압축된 흙벽돌을 양생하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 c)단계에서 파이버를 같이 골고루 섞는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 폴리머계 토양안정화제에서 폴리머계 토양안정화제와 물의 중량비는 예를 들어, 1:0.1 내지 1:100, 바람직하게는 1:1 내지 1:50, 더욱 바람직하게는 1:2내지 1:25이다.

본 발명의 일 구현예에서, 폴리머계 토양안정화제와 포졸란의 중량비는 예를 들어 1:0.0001 내지 1:1, 바람직하게는 1:0.001 내지 1:0.4, 더욱 바람직하게는 1:0.01 내지 1:0.1이다.

본 발명의 일 구현예에서, 흙과 포졸란의 중량비는 예를 들어 1:0.005 내지 1:2, 바람직하게는 1:0.01 내지 1:0.5, 더욱 바람직하게는 1:0.05 내지 1:0.25이다.

본 발명의 일 구현예에서, 폴리머계 토양안정화제는 비닐계 중합체 또는 공중합체(vinyl polymer or copolymer), 아크릴계 중합체 또는 공중합체(acrylic polymer or copolymer), 비닐 아크릴계 공중합체(vinyl acrylic copolymer), 비닐 말레익계 공중합체(vinyl maleic copolymer) 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

본 발명에서 공중합체는 2 이상의 상이한 단량체를 중합한 교호 공중합체, 블록 공중합체, 랜덤 공중합체, 또는 그라프트 공중합체를 의미하며, 터폴리머 등의 3 이상의 상이한 단량체를 중합한 고분자도 포함할 수 있다.

상기 비닐계 중합체는 2 이상의 동일한 비닐계 단량체를 중합한 고분자로서, 이의 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리스티렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세세이트, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴 등이 있다.

상기 아크릴계 중합체는 2 이상의 동일한 아크릴계 단량체를 중합한 고분자로서, 이의 예로는 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트 등이 있다.

상기 비닐 아크릴계 공중합체는 비닐계 단량체와 아크릴계 단량체를 공중합한 고분자로서, 이의 예로는 비닐아세테이트-부틸아크릴레이트 공중합체, 비닐아세테이트-메틸메타크릴레이트 공중합체, 스티렌-아크릴레이트 공중합체, 스티렌-메타크릴레이트 공중합체 등이 있다.

상기 비닐 말레익계 공중합체는 비닐계 단량체와 말레산 또는 말레산무수물을 공중합한 고분자로서, 이의 예로는 비닐아세테이트-말레산 공중합체, 비닐아세테이트-말레산무수물 공중합체, 스티렌-말레산 공중합체, 스티렌-말레산무수물 공중합체 등이 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 폴리머계 토양안정화제는 습윤제, 분산제, 착색제, 박리방지제, 결합제, UV 차단제, 산화방지제, 염제, 효소제, 강화제 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 첨가제는 폴리우레탄, 소듐 하이알루로네이트(sodium hyaluronate), 아크릴계 모노머, 아쿠아 암모니아(aqua ammonia), 포름알데히드, 소듐 알파 올레핀, 설포네이트 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 포졸란의 입자 크기는, 예를 들어100mesh내지 1000mesh, 보다 바람직하게는300mesh내지 600mesh이다.

본 발명의 일 구현예에서, 포졸란은 천연 포졸란, 인공 포졸란 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 천연 포졸란은 화산재, 응회암의 풍화물, 용성 백토, 규산백토, 규조토, 제올라이트 또는 이들의 혼합물을 포함한다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 인공 포졸란은 플라이 애쉬, 실리카 흄, 소성점토, 섬광회, 슬래그, 왕겨재 또는 이들의 혼합물을 포함한다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 파이버(fiber)는 나일론 등 합성수지 파이버, 코코넛 등 천연 파이버 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되어진다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 흙이 현지토 또는 외부 토양으로서 화강토, 점질토, 사질토, 마사토, 휴가토, 적옥토, 동생사, 부엽토, 녹소토, 생명토, 강모래, 후지토, 가공토 또는 이들의 혼합물을 포함한다.

본 발명의 일 구현예에서, 벽돌은 직육면체의 일반형 벽돌뿐 아니라, 내부에 구멍이 있는 블록벽돌이거나, 구멍벽돌, 다공벽돌과 같은 경량벽돌일 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 벽돌은 그 모양에 따라 아치벽돌, 팔모벽돌, 둥근모벽돌, 원형벽돌과 같은 이형벽돌이거나, 검정벽돌, 오지벽돌, 변색혼용벽돌이거나, 고온에 견딜 수 있는 내화벽돌일 수 있으나 이들로 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 압축식 흙벽돌 제조기는 기계적인 힘 또는 인간의 힘으로 압축하는 방식을 특징으로 한다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 e)단계에서 24 내지 120 시간 동안 양생하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 흙벽돌 제조방법은 다양한 종류의 흙에 폴리머계 토양안정화제와 포졸란 또는 파이버를 같이 적용함으로써 방수기능을 가지고, 압축강도 및 인장강도가 매우 우수하며, 폴리머계 토양안정화제만 사용하였을 때보다 양생시간이 훨씬 빠른 친환경적이고 경제적인 흙벽돌 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 일 구현예에 따라 폴리머계 토양안정화제와 포졸란이 토양 입자 사이에 침투한 뒤 이와 결합되는 과정을 나타내는 도면이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 상기 폴리머계 토양안정화제는 환경에 전혀 무해하며 현지 흙과 직접 혼합하여 흙벽돌을 제조하더라도 빠른 시간(예를 들면, 24~72 시간) 내에 흙을 경화시켜 압축강도를 증대시키는 바인더(Binder)의 역할을 한다. 또한, 포졸란은 흙의 주요 구성성분인SiO ₂ 와 Al ₂ O ₃ 로 주로 이루어진 친환경 물질로 상기 폴리머계 토양안정화제와 같이 사용하면 양생 후 원래의 흙 고유질감을 그대로 유지할 수 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 일 구현예에 따라 폴리머계 토양안정화제와 포졸란이 흙 입자 사이에 침투한 뒤 이와 결합되는 과정을 나타내는 도면이다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 흙 입자에 폴리머계 토양안정화제와 포졸란을 혼합하면 폴리머계 토양안정화제와 포졸란이 흙 입자 사이에 균일하게 분산되어, 흙 입자를 둘러싸는 막과 같은 구조를 형성한다. 이와 같이 형성된 막은 수분이 건조되어 감에 따라 흙 입자가 서서히 서로 부착된다. 이러한 과정을 거쳐 폴리머계 토양안정화제와 포졸란은 흙 입자의 공극을 채우는 연속적인 충전층을 형성함으로써 흙 입자 사이의 접착력을 더욱 증대시키게 된다.

또한, 포졸란을 같이 사용할 경우 폴리머계 토양안정화제만 사용하였을 때보다 양생시간을 획기적으로 줄여 날씨 및 기온에 의한 제약을 상당부분 극복할 수 있다. 포졸란을 폴리머계 토양안정화제와 같이 사용하였을 때 시멘트나 생석회와 반응하는 일명 포졸란 반응없이도, 폴리머계 토양안정화제만 사용하였을 때보다 더 강한 압축강도(compression strength)를 지니는 이유에 대해 아직 명확히 규명된 바는 없으나, 일반 흙보다 훨씬 많은 SiO ₂ 와 Al ₂ O ₃ 를 함유하는 포졸란이 흙 입자들과 섞이면 포졸란의 물리적/화학적 성질이 폴리머계 토양안정화제가 흙 입자들 사이에서 형성하는 충전층에 영향을 주고, 이로 인해 흙 입자들 사이의 조밀성 및 점착성이 현저히 강화된 결과인 것으로 예측된다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 폴리머계 토양안정화제가 비닐계 중합체 또는 공중합체(vinyl polymer or copolymer), 아크릴계 중합체 또는 공중합체(acrylic polymer or copolymer), 비닐 아크릴계 공중합체(vinyl acrylic copolymer), 비닐 말레익계 공중합체(vinyl maleic copolymer) 및 이들의 혼합물을 주요 성분으로 할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 폴리머계 토양안정화제가 습윤제, 분산제, 착색제, 박리방지제, 결합제, UV 차단제, 산화방지제, 염제, 효소제, 강화제 등 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 폴리머계 토양안정화제는 상기 첨가제로서 폴리우레탄, 소듐 하이알루로네이트(sodium hyaluronate), 아크릴계 모노머, 아쿠아 암모니아(aqua ammonia), 포름알데히드, 소듐 알파 올레핀, 설포네이트 또는 이들의 혼합물을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 폴리머계 토양안정화제는 비닐아세테이트-말리에이트 공중합체 30 내지 70 중량%, 상기 첨가제 1 내지 10 중량% 및 물 20 내지 60 중량%를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 폴리머계 토양안정화제로서 시중에서 판매되고 있는 PX300, Soiltac ^® , Soil-Sement ^® , Envirotac II, LDC ^® , T-PRO ^® , DustShield, SoilShield-LS, Haul Road Dust Control ^® 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서 파이버를 같이 사용할 경우 흙벽돌의 인장강도를 증가시켜 파이버가 적용된 흙벽돌로 지어진 건물은 지진 등 외부의 힘에 의해 갑자기 부서지거나 무너져 내리는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 흙벽돌 제조방법은 일정비율 이상의 점토를 필요로 하는 기존 흙벽돌 제조방법과는 달리 다양한 종류의 흙을 사용할 수 있어 전세계의 광범위한 지역에서 제조되어 질 수 있다. 또한 숙련된 기술이 필요없이 누구나 배우면 바로 할 수 있는 기존의 흙벽돌 제조방법과 동일한 기계식 또는 수제식 압축 흙벽돌 제조기를 사용하기 때문에 이 제조기만 보급된다면 흙벽돌을 제조하는데 큰 어려움이 없을 것이다.

본 발명에 따라 제조된 흙벽돌은 수분이 투과하지 못하기 때문에 수분에 의한 크랙 등의 발생이 없어 수명이 길고 따라서 유지관리를 위한 비용이 들지 않는 매우 경제적인 흙벽돌 제조방법이다. 또한 시멘트 등을 사용하지 않고 소성벽돌과 같이 제조과정에서 막대한 에너지가 소요되지 않아 CO ₂ 저감효과도 있는 친환경적인 흙벽돌 제조방법이다.

아래에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

실시예

비교예 1 및 실시예 1 내지 2

폴리머계 토양안정화제로서 비닐 말레익계 공중합체(Vinyl maleic copolymer) 를 함유하는 PX300(밀도 1.08, 폴리머 함량 54%)과 물을 1:2의 부피비로 희석하였고, 하기 표 1에 기재된 바대로 대조군으로 마사토와 상기 희석된PX300을 혼합하여 다진 것(비교예 1)과 마사토와 상기 희석된PX300및 각각 다른 종류의 포졸란를 혼합하고 다진 것(실시예 1 및 2)을 7일간 양생하여 시편(지름 5cm * 길이 10 cm; 시료 무게: 약 440g)을 제조하였다.

비교예 2 및 실시예 3 내지 4

폴리머계 토양안정화제로서 비닐계 공중합체(Vinyl copolymer) 를 함유하는Soiltac ^® (밀도 1.08, 폴리머 함량 55%)과 물을 약 1:2의 부피비로 희석하였고, 하기 표 1에 기재된 바대로 대조군으로 마사토와 상기 희석된 Soiltac ^® 을 혼합하여 다진 것(비교예 2)과 마사토와 상기 희석된 Soiltac ^® 및 각각 다른 종류의 포졸란를 혼합하고 다진 것(실시예 3 및 4)을 7일간 양생하여 시편(지름 5cm * 길이 10 cm; 시료 무게: 약 440g)을 제조하였다.

비교예 3 및 실시예 5 내지 6

폴리머계 토양안정화제로서 아크릴계 중합체(Acrylic polymer)를 함유하는 Envirotac II(밀도 1.10, 폴리머 함량 41%)와 물을 약3:4의 부피비로 희석하였고, 하기 표 1에 기재된 바대로 대조군으로 마사토와 상기 희석된Envirotac II을 혼합하여 다진 것(비교예 3)과 마사토와 상기 희석된Envirotac II 및 각각 다른 종류의 포졸란를 혼합하고 다진 것(실시예 5 및 6)을 7일간 양생하여 시편(지름 5cm * 길이 10 cm; 시료 무게: 약 440g)을 제조하였다.

비교예 4 및 실시예 7 내지 8

폴리머계 토양안정화제로서 비닐 아크릴계 공중합체(Vinyl acrylic copolymer) 를 함유하는 Soil-Sement ^® (밀도 1.10, 폴리머 함량 40%)과 물을 약 3:4의 부피비로 희석하였고, 하기 표 1에 기재된 바대로 대조군으로 마사토와 상기 희석된Soil-Sement ^® 을 혼합하여 다진 것(비교예 4)과 마사토와 상기 희석된 Soil-Sement ^® 및 각각 다른 종류의 포졸란를 혼합하고 다진 것(실시예 7 및 8)을 7일간 양생하여 시편(지름 5cm * 길이 10 cm; 시료 무게: 약 440g)을 제조하였다.

비교예 5

마사토에 시멘트를 골고루 혼합한 후 물을 혼합하여 다진 것(비교예 5)을 7일간 양생하여 시편(지름 5cm * 길이 10 cm; 시료 무게: 약 440g)을 제조하였다.

실험예 1 - 일축압축강도 실험

비교예 1-5 및 실시예 1-8 에 대하여, 지름이 5cm이고 길이가 10cm인 시편을 2개씩 제작하여 KS F 2314(Method for unconfined compression test of soils)에 준하여 일축압축강도를 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.

상기 표 1의 일축압축강도를 보면, 토양안정화제만 사용하였을 때보다 포졸란을 같이 사용하였을 때가 훨씬 우수한 강도를 가짐을 알 수 있다. 특히, 폴리머계 토양안정화제를 사용하지 않고 시멘트를 함유한 시편(비교예5)보다도 더욱 우수한 강도를 보여주었다.

따라서, 본원발명에 따라, 마사토를 이용하여 흙벽돌을 제조하는 경우, 단순히 토양안정화제만 사용하는 것보다는 포졸란을 조합하여 사용하는 경우에 훨씬 우수한 강도를 보여주며, 이러한 일축압축강도는 시멘트를 함유한 시편보다도 월등히 뛰어남을 알 수 있었다.