방수능이 일체화된 시멘트의 제조방법

방수능이 일체화된 시멘트의 제조방법{Method of manufacturing cement with waterproof property}

본 발명은 방수능이 일체화된 시멘트의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 시멘트 혼합물에 이용되는 각종 기능성 첨가재를 별도로 사용하지 아니하고, 방수성능과 시공후 압축강도가 우수한 방수능이 일체화된 시멘트의 제조방법에 관한 것이다.

종래에 콘크리트, 시멘트에 사용되는 첨가제로 방수제, 조기 강도 촉진제와 같은 기타의 충진재가 있었으나, 그 효과가 단일 목적에 그쳤고 복합적인 효과를 얻고자 할 때에는 이들을 둘 이상 혼합하여 그 사용량이나 혼합방법이 복잡할 뿐만 아니라, 어떤 경우에는 부반응이 일어나는 등의 문제가 있었다.

또한, 시멘트, 콘크리트는 특수한 경우를 제외하고는 골재로서 천연모래 또는 자갈을 혼합하여 사용함이 일반적인데 이와 같은 골재는 그 산지에 따라 입도가 달라져 이와 같은 골재를 사용하여 시멘트, 콘크리트를 제조할 때에는 골재 사이에 공극이 생기는 문제가 발생하여 기계적 강도에 악영향을 미치고 있었다.

한편, 이와 같은 시멘트, 콘크리트의 공극을 감소시키기 위하여 진동법, 원심법 등 다양한 가공법을 사용하여 공극을 조절하여 강도를 증대시키는 효과를 얻기도 하였으나 이와 같은 방법은 막대한 시설이 소요되므로 원가가 비싸다는 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 종래의 시멘트 혼합물에 이용되는 각종 기능성 첨가재를 별도로 사용하지 아니하고, 방수성능과 시공후 압축강도가 우수한 방수능이 일체화된 시멘트의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 패각(貝殼)을 세척후 60 내지 80℃ 분위기에서 건조하고 평균입도 200 내지 500㎛ 크기인 전단입자 분말체로 준비하는 S1단계와 아르곤기체를 0.01 내지 0.04ft ³ /min 속도로 공급하며 700 내지 800℃ 온도가 유지된 소성로에서 상기 전단입자의 표면을 산화칼슘(CaO)으로 산화시키는 S2단계와 상기 산화된 전단입자 분말체를 평균입도 20 내지 50 ㎛인 입자 분말체로 분쇄하는 S3단계 및 상기 입자 분말체 10 중량부에 대하여 평균입도 20 내지 50 ㎛인 입자로 구성된 시멘트 350 내지 450 중량부와 균일하게 혼합하는 S4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방수능이 일체화된 시멘트의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 세척은 pH 4 내지 5 산성수용액 분위기에서 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 S3단계에서의 탄산칼슘과 산화칼슘의 상대적인 비율은 중량비로 1:0.5 내지 1:1.5일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 S3단계에서의 입자와 상기 S4단계에서의 시멘트 분말은 24㎛체 통과량이 45% 이상인 입도분포와 블레인 공기투과장치에 의한 비표면적 1500 내지 2500 ㎠/g의 분말도를 가질 수 있다.

본 발명에 따르는 방수능이 일체화된 시멘트의 제조방법에 의한 시멘트는 방수성능과 시공후 압축강도가 우수한 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따르는 제조예 1과 비교예 1에 의한 시멘트 혼합물을 시간이 경과함에 따라, 6개월 부터 12개월까지, 6년까지의 압축강도를 측정하여 그래프화한 그림이다.

이하에서는 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 어디까지나 본 발명의 이해를 돕기 위함이며 어떠한 경우에도 본 발명의 기술적 범위를 이에 제한하여 해석되어서는 아니된다.

먼저, 패각(貝殼)을 세척후 60 내지 80℃ 분위기에서 건조하고 평균입도 200 내지 500㎛ 크기인 전단입자 분말체로 준비하는 S1단계를 살펴본다.

상기 패각은 바지락, 꼬막, 굴껍데기 등과 같이 바다에서 서식하는 생물의 껍질을 말하는 것으로 주요 구성성분 탄산칼슘(CaCO ₃ )와 각종 염류, 미네랄로 이루어져 있는데, 상기 탄산칼슘은 석회암이나 방해석, 아라고나이트(AragonIte)의 주성분과 화합물은 동일하나 다른 물성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.

또한, 상기 패각은 각종 유기물들이 존재하므로 이를 제거하기 위하여 세척을 하는데, 세척은 통상 물을 이용할 수도 있으나 약한 산성으로 pH 4 내지 5 수용액에서 이루어지는 것이 바람직한데, 여기서 산 물질로는 염산을 사용할 수 있다. 만일 산도가 상기 범위 미만이면, 패각 표면에 조도(roughness)를 증가시켜 후공정 소성에서 산화(oxidation)반응이 과하게 진행될 수 있으며 반대로 상기 범위를 초과하면, 유기물 제거가 비효율적일 수 있다.

이어서, 상기 세척 공정이 종료된 후에 물로서 수차례 헹굼(rinsing) 공정을 추가할 수 있음은 당연하다.

또한, 상기 건조는 60 내지 80℃ 분위기에서 건조로의 내부로 열풍을 조사하면서 상기 패각을 프로펠러로 회전시키며 수행되는데, 만일 상기 범위 미만이면 건조시간이 과하여 제조상 비효율적일 수 있으며, 반대로 80℃를 초과하면, 패각표면에 오염이 발생할 수 있다.

아울러, 상기 건조이후에 상기 패각을 분쇄하게 되는데, 분쇄되는 전단입자의 평균입도 200 내지 500㎛ 크기가 되게 한다. 만일 , 상기 범위가 하한치 미만이면, 후공정 소성에서 패각의 탄산칼슘이 모두 산화되어 산화칼슘으로 될 우려가 있으며, 반대로 상기 범위를 초과하면 산화칼슘의 비율이 낮아져서 시공후 시멘트의 강도가 저하될 수 있다.

또한, 상기 분쇄는 통상의 분쇄기를 이용할 수 있으나, 바람직하게는 튜브밀(tube mill)이나 싸이클론밀(cyclone mill)을 사용할 수 있다.

한편, 아르곤기체를 0.01 내지 0.04ft ³ /min 속도로 공급하며 700 내지 800℃ 온도가 유지된 소성로에서 상기 전단입자의 표면을 산화칼슘(CaO)으로 산화시키는 단계를 살펴본다.

상기 아르곤기체(argon gas)는 불활성으로서 산화반응시 급격한 반응을 방지하는 분위기기체 역할을 하는데, 이때 공급되는 양은 0.01 내지 0.04ft ³ /min(feet ³ /분(分))로서 만일 하한치 미만이면 분위기 기체의 역할이 미진하며, 반대로 상한치를 초과하면, 탄산칼슘이 산화칼슘으로 반응하는 과정에서 발생되는 이산화탄소(CO ₂ )의 발생을 방해하여 산화반응의 효율이 저감될 수 있다.

또한, 상기 소성로의 온도는 700 내지 800℃가 바람직한데, 만일 700℃ 미만이면, 산화반응의 효율이 저감될 수 있고, 반대로 800℃를 초과하면 과도한 반응으로 산화칼슘이 증가되어 본 발명에 따르는 시멘트의 방수능에 저해될 수 있다.

여기서, 상기 소성로에서 상기 전단입자의 표면을 산화시키는 것이 바람직한데, 이는 본 발명에 따르는 시멘트의 방수능을 확보함과 동시에 강도를 구현하기 위한 것으로 표면이 산화된 전단입자는 후공정에서 미세하게 분쇄되어 매우 균일한 분포를 가지는 탄산칼슘과 산화칼슘의 입자를 제조할 수 있게 된다.

또한, 상기 탄산칼슘과 산화칼슘의 상대적인 비율은 중량비로 1:0.5 내지 1:1.5가 바람직한데, 만일 상기 하한치 미만이면, 방수성능을 확보할 수 있으나, 본 발명에 따르는 시멘트의 강도가 저감될 수 있으며, 반대로 상한치를 초과하면 강도를 증가시킬 수는 있으나, 방수능이 저하되는 문제가 생길 수 있다.

다음으로, 상기 산화된 전단입자를 평균입도 20 내지 50 ㎛로 분쇄하는 단계를 살펴본다.

튜브밀과 같은 분쇄기로 상기 산화된 전단입자를 투입하여 분쇄되고, 미세하게 분쇄되지 아니한 입자는 다시 분쇄기로 재투입되어 분쇄공정이 반복된다. 상기 분쇄기를 통하여 일정 크기 범위 이내로 분쇄된 분말은 메인 백필터 백필터(bag filter)에서 포집되어 입자가 준비된다.

또한, 상기 입자는 탄산칼슘과 산화칼슘이 혼재된 성상을 가지는 것으로 방수능과 강도를 부여하게 된다.

여기서, 상기 평균입도 20 내지 50 ㎛인 입자는 24㎛체 통과량이 45% 이상인 입도분포와 블레인 공기투과장치에 의한 비표면적 1500 내지 2500 ㎠/g의 분말도를 가진다.

만일, 상기 평균입도가 하한치 미만이면, 시멘트, 물과 함께 교반할 때 많은 물이 필요하고, 유동성이 저하될 수 있으며, 반대로 상한치를 초과하면 강도와 방수능이 악화될 수 있다.

다음으로, 상기 입자분말체 10 중량부에 대하여 평균입도 20 내지 50 ㎛인 입자로 구성된 시멘트 350 내지 450 중량부와 균일하게 혼합하는 단계를 살펴본다.

상기 입자분말체 10 중량부에 대하여 시멘트 350 내지 450 중량부를 사용하게 되는데, 만일 상기 하한치 미만이면, 유동성과 내구성, 부착성이 감소될 수 있으며, 반대로 상한치를 초과하면 방수능과 강도가 저감될 수 있다.

또한, 상기 시멘트를 구성하는 입자는 튜브밀과 같은 분쇄기에서 앞서 설명한 반복 분쇄공정에 의하여 준비되어 평균입도가 20 내지 50 ㎛이고, 24㎛체 통과량이 45% 이상인 입도분포와 블레인 공기투과장치에 의한 비표면적 1500 내지 2500 ㎠/g의 분말도인 특징을 가지는데, 이는 탄산칼슘과 산화칼슘이 혼재된 성상을 가지는 입자 분말체와의 혼화성을 증가시키고, 시멘트의 입자들 사이에 형성된 공극을 메우는(packing) 효율을 증가시키기 위함이다.

실시예 1

먼저, 바지락, 꼬막, 굴껍데기으로 구성된 패각무더기를 염산수용액(pH 4)에 침지하여 1시간동안 교반하여 유기물을 산화시킨 후 다량의 물로 반복하여 세척하고 IR(적외선)건조기에 투입하여 80℃ 분위기로 2시간동안 건조한 후 분쇄기에 투입하여 평균입도 250㎛ 크기로 분쇄하여 전단입자 분말체를 준비하였다. 다음으로, 소성로의 온도를 800℃로 세팅하고, 아르곤 기체를 0.02ft ³ /min 속도로 공급하며 상기 전단입자의 표면을 산화칼슘(CaO)으로 산화시켰다. 다음으로, 상기 산화된 전단입자 분말체를 튜브밀에 투입하여 평균입도 24.9 ㎛이고, 24㎛체 통과량이 45.9%인 입도분포와 블레인 공기투과장치에 의한 비표면적 1906 ㎠/g의 분말도를 가지는 입자 분말체가 되도록 분쇄하였다. 다음으로, 상기 입자 분말체와 평균입도 25 ㎛인 입자로 구성된 시멘트를 중량비로 1:40으로 혼합하되, 균일성을 부여하기 위하여 60rpm 회전속도로 2시간동안 교반하여 본 발명에 따르는 방수능이 일체화된 시멘트를 제조하였다.

제조예 1

상기 실시예에 의하여 제조된 방수능이 일체화된 시멘트 60㎏중에 플라이애쉬 15㎏중, 고로스래그분말 25㎏중, 천연모래 20㎏중 및 물 5㎏중을 첨가하고 교반하여 두께 20㎝의 콘크리트 각편을 성형하여 건조하였다.

비교예 1

통상 포틀랜드시멘트 60㎏중에 플라이애쉬 15㎏중, 고로스래그분말 25㎏중, 천연모래 20㎏중 및 물 5㎏중을 첨가하고 교반하여 두께 20㎝의 콘크리트 각편을 성형하여 건조하였다.

실험예

상기 제조예 1과 비교예 1에 의한 각편 샘플(sample)에 대하여 방수능과 압축강도를 측정하여 각각 표 1과 도 1에 나타내었다.

<표 1>를 참조하면, 본 발명의 제조방법에 의한 시멘트가 비교예 1보다 약 30%정도의 방수성능이 개선됨을 알 수 있으며, 도 1을 참조하면, 본 발명의 제조방법에 의한 시멘트가 압축강도 면에서 종래 시멘트보다 약 10% 이상 증대되었음을 알 수 있어, 본 발명의 시멘트가 우수함을 이해할 수 있다.