친환경 모르타르 조성물{Environmental Mortar Compositons}

본 발명은 시멘트를 고로슬래그로 대체하면서 자극제로서 화학적 활성화제를 사용하지 않아 친환경적이면서도 충분한 강도가 발현되어 그 적용성이 큰 모르타르 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 건설산업에 이용되는 모르타르는 결합재, 물 및 골재로 구성되는데 이때 이용되는 대표적인 무기결합재인 시멘트는 제조과정에서 막대한 에너지가 소비되며, 다량의 CO ₂ 가스가 발생하게 되어 환경적인 문제를 야기 시킨다.

온실가스로 인한 기후변화 및 지구온난화는 이미 전 세계의 모든 국가에 심각한 위협이 되고 있으며 지구온난화 및 기후변화에 대한 전문 연구기관인 IPCC는 대기 중 온실가스 농도를 낮추기 위한 국제적인 노력이 없을 경우 21세기 동안 대기온도는 지속적으로 증가할 것으로 전망하고 있다.

따라서 온실가스인 상기 CO ₂ 배출규제와 연관하여 시멘트의 생산량 감축이 불가피 할 것인데, 시멘트 수요량은 21세기 초반까지 매년 증가가 예상되고 있으므로, 교통의정서의 준수와 시멘트 수요의 증가를 동시에 충족시키기 위해서는 상기 CO ₂ 의 배출이 감소되거나 전혀 없는 새로운 무기결합재의 개발이 시급하다.

현재 이러한 문제를 인식하고 CO ₂ 를 감소시키기 위해 학계 등에서는 친환경 콘크리트에 대한 관심 증가와 함께 보통 포틀랜드 시멘트(OPC) 제조시 방출되는 이산화탄소 감축을 위한 기술개발을 위해 노력하고 있다.

일 예로 대한민국 특허등록 제1014869호에서는 "슬래그, 플라이애쉬, 메타카올린으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원재료; 및 알칼리성수산화물과 탄산염을 함유하는 복합 알칼리활성화제를 포함하는데, 상기 복합 알칼리활성화제는 알칼리성수산화물과 탄산염이 2~4 : 4~6의 중량비로 함유되는 것을 특징으로 하는 무시멘트 알카리 활성결합재를 포함하는 모르타르"를 제시하고 있다.

그런데 상기 기술의 경우 슬래그의 활성화를 위해 알칼리활성화제가 과량으로 사용되는 바, 이러한 화학성분이 향후 용출 등 2차적인 환경문제를 야기할 수 있다.

이에 화학적 활성화제의 사용 없이 천연무수석고를 사용하여 고로슬래그를 활성화시키는 기술이 제시되고 있다. 상기 천연무수석고는 삼산화황(SO ₃ ) 함량이 50~55중량%가 포함되어 있다. KS F 2563에서는 상기 고로슬래그의 삼산화황(SO ₃ ) 비율을 4.0중량% 이하로 규정하고 있다. 삼산화황(SO ₃ )과 산화칼슘(CaO)은 모르타르에 있어서 자극제 역할을 수행하여 강도발현에 중요한 작용을 하는 요소이다. 하지만 천연무수석고는 전량 수입에 의존하고 있어 가격이 비싸고 천연자원을 사용하므로 천연자원 절감에 도움이 되지 않으며 강도면에서도 충분한 강도가 발현되지 않아 그 적용성에 한계가 있는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 시멘트를 고로슬래그로 완전히 대체하되 화학적 활성화제의 사용 없이도 고로슬래그를 활성화시키며 이에 더하여 충분한 강도가 발현되도록 하는 모르타르 조성물을 제공하고자 함이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 친환경 모르타르 조성물은, 탈황석고 100중량부에 대해 실리카모래 100 내지 400중량부, 고로슬래그 80 내지 200중량부, 팽창재 5 내지 30중량부, 천연무수석고 5 내지 30중량부, 분말수지 5 내지 30중량부, 강도증진제 5 내지 30중량부, 경화제 3 내지 15 중량부, 보습제 3 내지 10중량부, 응결조절재 1 내지 9중량부, 증점제 1 내지 9중량부, 유동화제 1 내지 3중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 분말수지는 양이온 교환기를 가지는 분말수지인 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 응결조절재는 메틸알코올, 클로로포름, 메틸렌클로라이드 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 탈황석고 100중량부에 대해 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성 섬유가 1 내지 3중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 시멘트를 사용하지 않으면서도 화학적 활성화제의 사용을 제어하도록 하여 친환경적이며 일반적인 무시멘트 모르타르와 달리 충분한 강도가 확보되어 그 적용성이 높은 장점이 있다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 대한 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 본 발명의 한계를 명시하거나 내포하는 것이 아니라 본 발명을 통하여 활용할 수 있는 일반적인 방법을 설명하고 있으므로 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.

본 발명의 친환경 모르타르 조성물은, 탈황석고 100중량부에 대해 실리카모래 100 내지 400중량부, 고로슬래그 80 내지 200중량부, 팽창재 5 내지 30중량부, 천연무수석고 5 내지 30중량부, 분말수지 5 내지 30중량부, 강도증진제 5 내지 30중량부, 경화제 3 내지 15 중량부, 보습제 3 내지 10중량부, 응결조절재 1 내지 9중량부, 증점제 1 내지 9중량부, 유동화제 1 내지 3중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉 본 발명은 시멘트를 고로슬래그로 완전히 대체하되, 고로슬래그의 자극제로서 탈황석고 및 천연무수석고가 상호 보완작용을 함으로써 무시멘트에 의해서도 적정의 강도(20Mpa)이상이 발현되도록 하여 친환경적이면서도 그 적용성이 큰 모르타르 조성물에 관한 것이다.

상기 고로슬래그는 물과 접촉될 경우 직접적으로 반응을 하지 않으나 수산기 이온 및 황산염 등과 접촉할 때 경화하는 잠재수경성을 가지고 있다. 기존에는 화학적 활성화제를 첨가하여 고로슬래그의 반응을 유도토록 하였으나 이러한 화학적 활성화제의 과다사용에 따른 2차 오염의 문제가 있었다.

이에 본 발명에서는 화학적 활성화제 대신 탈황석고가 첨가되도록 하는데 상기 탈황석고는 산업 부산물로 이렇게 탈황석고를 자극제로서 첨가함에 따라 친환경적인면에서 유리하게 되는 것이고, 탈황석고는 그 자체로 품질변동 없어 치환율을 높일 수 있다.

단, 탈황석고만을 첨가하는 경우 응결지연 등에 의해 압축강도가 저하되는 문제가 있어 본 발명에서는 자극제로서 천연무수석고를 상기 배합범위로 배합하게 되는 것이다.

천연무수석고에 포함된 삼산화황(SO ₃ )과 산화칼슘(CaO)은 모르타르 혹은 콘크리트에 있어서 자극제역할을 수행하고 최종 시멘트 혹은 콘크리트의 강도 발현에 중요한 작용을 하는 요소인 바, 본 발명에서는 탈황석고를 주자극재로 첨가하면서 가격이 비싸고 전량 수입에 의존하는 천연무수석고를 소량 첨가하여 탈황석고의 높은 치환율에 따른 단점인 강도를 보완하도록 한 것이다.

상기 팽창재는 경화과정에서 유발되는 균열 등을 제어하기 위한 것으로 그 종류를 한정하지 않으며, 일 예로 산화칼슘(CaO) 함량이 20% 이상인 석탄연소 소각잔재, 바이오매스 소각잔재, 제지슬러지 소각잔재 등이 사용될 수 있다.

한편 본 발명의 조성물의 반응과정에 있어 페이스트에는 나트륨이온(Na+) 등이 잔존하게 되며 나트륨이온 등은 물과 반응하여 페이스트 외부로 누출되게 되고 이러한 누출은 페이스트의 체적 감소에 따라 균열을 유발하는 등으로 수밀성 및 강도를 저해하는 요인으로 작용하게 된다. 이에 본 발명에서는 상기 분말수지로 양이온 교환기를 가지는 분말수지를 사용토록 하는 예를 제시하고 있다.

양이온교환기를 포함하는 분말수지가 더 첨가되도록 하여 양이온교환기를 포함하는 분말수지에 의해 페이스트에 잔존하는 나트륨이온(Na+) 등을 이온교환을 통해 제거토록 하여 경화 후 페이스트로부터 나트륨 등의 누출에 의한 수밀성 및 강도저하를 방지토록 하는 것이다. 즉 페이스트의 수밀성 및 강도저하를 방지하도록 하여 내구성을 향상시키도록 하는 것이다.

바람직하게 상기 양이온교환기는 술폰산기(-SO ₃ H), 카르복실기(-COOH), 포스피닉기(-HPO ₂ H), 아소닉기(-AsO ₃ H ₂ ) 및 셀리노닉기(-SeO ₃ H)로 구성된 군에서 선택된 하나 또는 하나 이상인 것이 바람직하다.

상기 증점제는 디스테아디모늄헥토라이트가 사용되는 것이 바람직한 바, 디스테아디모늄헥토라이트(Disteardimonium Hectorite)는 블리딩을 억제하기 위한 증점제로서 첨가되는 것이다.

일반적인 증점제의 경우 타 조성들과 교반하는 과정에서 조기에 증점효과가 발생되어 조성간의 충분한 교반이 이루어지지 않아 물성의 균일성이 확보되지 않는 문제가 있으며, 특히 충진성이 저하되어 본 발명의 조성물에 의한 구조물 등의 표면에 공극 등이 형성될 수 있어 내구성 저하의 요인이 될 수 있다.

이에 본 발명에서는 디스테아디모늄헥토라이트가 사용되도록 하는 바, 상기 디스테아디모늄헥토라이트는 일반적인 증점제로 메틸셀롤로오즈(MC) 등과 달리 조성재료 혼합 시 즉각적인 증점효과가 나타나지 않고, 일정 시간 경과후에 증점효과를 나타내기 때문에 증점효과가 나타나는 시기가 다소 지연된다.

즉 디스테아디모늄헥토라이트는 타 조성의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있도록 교반시간을 제공하게 되며, 충분히 혼합 및 충진후에 점성이 발현되어 밀실한 페이스트가 이루어지도록 하는 것이다.

상기 응결조절재는 메틸알코올, 클로로포름, 메틸렌클로라이드 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다. 이는 수분함유량이 최소인 재료(순도 99.9% 이상)를 사용토록 하는 것이다. 본 발명의 조성물은 프리믹스타입화 함에 따라 수분함유량이 높은 재질을 사용하는 경우 제품단계에서 수화반응이 유발될 수 있으므로 이를 억제하기 위한 것이다.

한편 본 발명의 조성물은 타설후 경화과정에서 균열이 발생되어 강도가 저하될 수 있으며 이러한 온도균열 등을 제어하기 위해 상기에서 보는 바와 같이 팽창재를 첨가하도록 하나 팽창재의 과도한 첨가는 오히려 강도저하를 유발할 수 있는 바, 상기와 같은 배합범위로 팽창재를 첨가하면서 이에 더하여 본 발명에서는 상기 탈황석고 100중량부에 대해 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성 섬유가 1 내지 3중량부가 더 포함되도록 하는 예를 제시하고 있다.

상기 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성 섬유는 상기 조성물에 첨가되어 섬유의 가교작용에 의해 페이스트의 균열저항성을 물리적으로 향상시키게 되는 것이며 섬유가 다공성으로 이루어져 열차단층의 기능을 하게 되는 것인데 특히 본 발명의 조성물이 구조물의 벽체 등으로 사용되는 경우 내,외부로부터 열의 차단층으로서 기능을 하게 되는 것이다.

특히 스트론튬 알루미네이트를 함유하고 있어 경화과정에서 경화열을 빛 에너지로 전환시켜 방출시킴으로써 경화열의 방출에 의해 경화열에 의한 온도균열을 제어하도록 하는 것이다.

상기 스트론튬 알루미네이트는 열에너지에 노출되는 경우 핵 주위를 도는 전자가 열에너지에 의하여 들뜬 상태로 가면서 열에너지를 흡수하고 전자의 안정화 경향에 따라 빛 에너지로 방사하면서 다시 원상태로 복귀하는 성질을 가진다. 즉 상기 스트론튬 알루미네이트는 열에너지를 빛에너지로 전환하여 방사함으로써 페이스트의 경화과정에서 발생되는 경화열을 외부로 방열시키게 되는 것이다.

또한 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성 섬유는 상기 조성물에 첨가되어 타 조성과 다공성 섬유 간 부착력을 더욱 향상시키게 되는 것이다.

이러한 스트론튬 알루미네이트 함유 다공성섬유는 공지의 방법에 의해 제조될 수 있는 바, 예로 폴리머 전구체와 용매를 혼합한 후에 이러한 혼합물에 스트론튬 알루미네이트을 상기 폴리머 전구체에 분산시키고 이러한 과정을 거쳐 얻어진 혼합물을 전기방사하여 섬유로 제조되도록 하는 것이다. 이렇게 제조된 섬유를 산화시키고 탄화시켜 최종적으로 스트론튬 알루미네이트가 함유된 다공성 섬유로 제조되도록 하는 것이다.

이하 실험 예를 통해 본 발명의 실시 예를 설명한다.

하기 표 1에서 보는 바와 같이 일반적인 무시멘트 모르타르와 본 발명의 모르타르를 이용하여 시료를 제작하였으며 KS F 2476에 의해 압축강도 등에 대해 실험을 한 결과이다.

상기 표 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시 예가 비교 예에 비해 양호한 결과를 나타내는 것을 알 수 있으며 특히 압축강도면에서 본 발명의 실시 예는 재령 28일 강도에서 31.7Mpa를 나타내는 것을 알 수 있는데 기존 무시멘트 모르타르가 적정의 압축강도가 발현되지 않아 그 적용성에 한계가 있는 것을 본 발명의 경우 충분한 압축강도가 발현되도록 하여 그 적용성이 커질 것으로 판단된다.