Journal of the Korea Institute of Building Construction, Vol. 14, No. 3
http://dx.doi.org/10.5345/JKIBC.2014.14.3.237
www.jkibc.org
폐자원을 활용한 내장용 인조석재의 물리적 특성
Physical Properties of Artificial Interior stone Using Waste Resources
유 용 진
1)이 상 수
*송 하 영
Yoo, Yong-Jin Lee, Sang-Soo
*Song, Ha-Young
Department of Architectural Engineering, Hanbat National University, Yuseong-Gu, Daejeon, 305-730, Korea
Abstract
The environmental problem is serious due to global warming In a concrete industry, the effort to reduce the problem of the destruction of environment arising from the indiscriminate use of limestone that is the raw material of cement and aggregate and the exhaustion of resources are continually emphasized In this research, the waste porcelain and waste glass that are the natural aggregate substitute materials were mixed and were applied. In addition, the magnesia phosphate composite and fly ash are mixed with a cement substitute material and the properties of the artificial stone was examined. Density, water absorption, rate of aggregate on the surface, compressive strength, and flexural strength were performed. As a result of the test, it is that waste glass with 60% and waste porcelain with 70% are the most excellent mix to produce the artificial stone.
Keywords : waste porcelain, waste glass, interior materials, rate of aggergate on the surface
1. 서 론
최근 온실가스 배출로 인한 지구온난화 현상으로 인해 환경 문제가 심각하며, 또한 시멘트의 원료인 석회석과 골 재의 무분별한 채취로 인한 환경파괴와 자원고갈의 심각 성이 강조되고 있는 상황에서 문제점을 줄이려는 노력이 지속되고 있는 실정이다[1]. 한편, 최근 국내 경제의 성장 과 더불어 대부분의 건축물 내·외장 마감재 수요자는 고 급화를 위해 의장성 및 내구성이 우수한 천연석를 선호하 고 있다. 하지만, 천연석재을 대신하여 인조석재를 사용하 는 산업 현장이 늘어가고 있는 추세이다[2]. 인조석의 경 우 유기와 무기인조석으로 나눌 수가 있는데, 제조공정에 서 압출성형을 해야 한다는 문제점이 있으며, 완성된 인조 석은 외장재로서의 활용이 현재로서는 불가능하다. 이는
Received : January 8, 2014 Revision received : March 25, 2014 Accepted : April 1, 2014
* Corresponding author : Lee, Sang-Soo
[Tel: 82-42-821-1635, E-mail: [email protected]]
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인조석재의 자연열화 현상에서 나타나며, 내장재로는 내 화성의 문제점으로 실내 내장재로도 일부분에 국한되어 사용되고 있는 실정이다. 또한, 국내의 석재 생산은 주문 식 소량생산으로써 석재의 비용이 고가이고, 대량 주문시 불균질한 석재의 품질과 색상으로 인해 건축물의 미관 확 보에 다소 어려움이 있다[3]. 기존의 테라죠 바닥재의 경 우 현장 시공시 종석과 시멘트를 물갈기로 인하여 부유분 진과 환경오염을 야기시킬 수 있어 시공현장에서 사용이 감소하고 있는 추세이다[4]. 이를 대체하여 디럭스 타일을 사용하고 있지만 저렴한 가격과 간편한 시공성에 비해 내 구성능 및 내수성이 약하여 습기가 있는 곳에는 시공이 불가능하다는 단점이 있다. 인조석재, 테라죠 바닥재 및 디럭스 타일에서 문제점으로 대두되고 있는 자외선 열화 와 내화성, 내수성, 내구성, 경제적인 문제 등을 해결할 수 있는 저탄소 친환경적인 인조석재로 개발하여 기존 인 조석재의 문제점을 해결할 수 있는 방안이 필요한 실정이 다.
따라서, 본 연구에서는 현재 인조석재의 여러 가지 문 제점인 환경오염과 자원고갈의 대책으로 천연골재 대체재
Physical Properties of Artificial Interior stone Using Waste Resources
인 폐유리 및 폐자기를 사용하여 마그네시아 인산염 복합 체와 플라이애시를 혼입하여 그에 따른 인조석재의 특성 을 알아보고자 한다.
2. 실험개요
2.1 사용재료
본 연구는 사용된 결합재는 마그네시아 및 플라이애시 이며, 사용재료의 화학적 성질은 Table 1과 같다. 또한 폐유리, 폐자기, 제 1인산칼륨, 붕산 등을 사용하였다.
1) 마그네시아(MgO : Magnesia)
본 실험에 사용된 마그네시아는 국내 A사에서 생산하 는 것으로 사용하였다. 마그네시아는 MgO가 주성분이며, SiO2, CaO 및 Fe2O3가 함유하고 있다. 또한 밀도는 3.50g/㎤, 분말도 2,603㎠/g이다.
2) 플라이애시(FA : Fly Ash)
본 실험에 사용된 플라이애시는 SiO2, Al2O3, CaO 및 Fe2O3가 주성분이며, 밀도와 분말도는 2.22g/㎤ 및 4,125㎠/g이다. 플라이애시는 폐자원 재활용으로 인한 자원의 절약 및 폐기처리 비용을 감소시키는 장점을 가지 고 있다[5].
3) 폐유리(WG : Waste Glass)
본 실험에 사용된 폐유리는 국내 S사에서 생산하는 것 으로 사용하였으며, SiO2와 CaO가 주성분이고[6], Na2O 및 Al2O3가 함유하고 있으며, 밀도는 2.04g/㎤이다[7].
또한 투명한 유리병을 대상으로 사용하였으며, 파쇄 후 입 도조정 과정을 거쳤다.
4) 폐자기(WP : Waste Porcelain)
본 실험에 사용된 폐자기는 국내 Y사에서 생산하는 것 으로 사용하였으며, 폐자기는 SiO2가 주성분이고[8], Al2O3, K2O 및 CaO가 함유하고 있으며[9], 밀도 2.39g/
㎤이다. 폐유리와 마찬가지로 파쇄과정을 거친 후 입도조 정을 실시하여 사용하였다.
5) 제 1인산칼륨(MKP : Potassium Phosphate Monobasic)
제 1인산칼륨은 국내 S사에서 생산하는 것을 사용하였 다. 성상은 무색 또는 백색결정이고 순도는 98%이며, 밀 도는 2.34g/㎤, pH는 4.1이다[10].
6) 붕산(B : Boric Acid)
본 실험에 사용된 붕산은 국내 S사에서 생산하는 것을 사용하였으며, 파우더 형태로써 순도 및 밀도는 99.5%, 1.49g/㎤이다.
materialsUsed
Chemical composition (%)
SiO2 Al2O3 MgO CaO Fe2O3 SO3 K2O
MgO 3.14 0.52 93.30 2.06 0.60 0.11 -
FA 54.38 21.50 1.89 10.83 5.16 1.29 -
WG 69.83 2.00 1.22 17.85 1.08 0.12 2.25
WP 69.46 18.90 0.41 3.32 0.39 0.22 5.19
Table 1. Chemical composition of materials
2.2 실험계획
본 실험의 요인 및 수준은 Table 2에 나타낸 바와 같이 전체 용적에 대한 폐유리(WG), 폐자기(WP)의 혼입 비율 은 40, 50, 60, 70(%) 등으로 선정하였고, 결합재로써 마 그네시아와 플라이애시를 사용하였으며, 마그네시아 1,000g을 기준으로 플라이애시를 10(wt.%) 치환하였다.
또한, 폐자기 및 폐유리의 최대치수는 15㎜이며, W/B는 49%로 고정하였다. 작업성을 고려하여 붕산(지연제)은 5%를 혼입하였다. 그에 따른 시험 항목은 휨강도 및 압축 강도, 밀도, 흡수율, 출석률 등이다.
Experimental
factor level
Mixing ratio
(%)
WG 40 50 60 70
4 WP
MPC 60 50 40 30
replacement ratioFA 10% 1
WG, WP Max 15㎜ 1
W/B 49% 1
B 5% 1
Assessment items
density, water absorption, rate of aggergate on the surface, compressive strength, flexural stren
gth 5
Table 2. Experimental outline
2.3 실험방법
본 실험의 비빔방법은 Figure 1과 같이 마그네시아, 플 라이애시, 제1인산칼륨 및 붕산을 스파이럴 믹서에 투입 한 후 35rpm으로 120초간 건비빔한 후 배합수를 넣어
60초 비벼 총 240초 일 때 토출하였다.
Figure 1. Mixing procedure of this experiment
또한, 시험체의 제작은 마그네시아와 제 1인산칼륨의 비율은 2 : 1로 배합하였다. 재령 3h, 1일, 3일, 7일의 경화성상을 측정하기 위해서 압축강도는『 KS F 2519 석재의 압축 강도 시험 방법 』에 준용하여 시험을 진행 하였다. 흡수율 및 비중을 알기 위하여 치수 5∼8(㎝)의 육면체를 가진 3개 이상의 시험체를 제작한 후에 재령 7 일에 『 KS F 2518 석재의 흡수율 및 비중시험 방법 』 에 따라 실시하였다. 출석률은『 KS F 4035 기성 테라조
』에 의거하여 인조석재 300×300×45(㎜)의 표면에 2 개의 대각선을 그어 그 직선이 폐유리 및 폐자기 위를 지 나가는 부분의 치수를 계산하여 평균값을 나타내었다. 출 석률의 계산은 (1)식과 같이 나타낼 수 있다.
⋯
×
--- (1)출석률 계산식에서 a, b, c, d, e… 은 개개의 폐유리 및 폐자기 위를 지나가는 부분 각각의 길이(㎜)를 나타내 고 있다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 폐유리를 활용한 내장용 인조석재의 물리적 특성
3.1.1 흡수율 및 밀도
폐유리 혼합비율에 따른 마그네시아 인산염 복합체의 흡수율을 측정한 결과를 Figure 2와 같이 나타내었다. 전 반적으로 밀도는 폐유리 혼합비율이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났으며, 흡수율은 감소하는 것으로 나타났다.
는 가장 낮으며, 흡수율은 가장 높은 것으로 나타났다. 또 한, WG 70%일 경우는 밀도 2.26g/㎤, 흡수율 5.8%을 나타내었다. 전체적으로『KS L 1001 도자기질』의 흡수 율 규격기준 5∼18(%)에 포함되어 적정한 것으로 나타났 다. 이는 밀도가 클수록 결합재와 매끄러운 폐유리 사이의 공극사이를 채워주어 공시체가 밀실하게되어 흡수율이 낮 아지는 것이라고 판단된다.
Figure 2. Water absorption and density of waste glass artificial stone
3.1.2 출석률
폐유리 혼합비율에 따른 마그네시아 인산염 복합체의 출석률을 측정한 결과를 Figure 3과 같이 나타내었으며, 폐유리 인조석재의 출석률 표면변화는 Figure 4와 같다.
WG 40%일 경우 가장 낮은 37.2%를 나타냈다. WG 50%
는 43.8%가 나타났으며, WG 60%일 경우 50.2%이고, 또한, WG 70%에서는 55.1%로『 KS F 4035 기성 테라 조 』의 규격기준치 50%를 만족하였다.
Figure 3. Rate of aggregate on the surface of waste glass artificial stone
Physical Properties of Artificial Interior stone Using Waste Resources
이와 같이, 폐유리의 혼합비율이 증가할수록 출석률은 약 6% 정도로 점점 증가하는 것으로 나타났다. 이는 전체 적으로 폐유리의 양이 증가함에 따라 폐유리가 적절하게 분포되어 인조석재의 대각선 2개의 폐유리 위로 지나가는 부분의 치수가 커지기 때문에 출석률이 증가하는 것으로 사료된다.
1) WG 40 2) WG 50
3) WG 60 4) WG 70
Figure 4. Surface variation of waste glass artificial stone
3.1.3 휨강도
폐유리 혼합비율에 따른 마그네시아 인산염 복합체의 휨 강도를 측정한 결과를 Figure 5와 같이 나타내었다.『 KS F 4035 기성 테라조 』의 기준치 5MPa에 대한 휨강도비 를 나타내었는데, 전체적으로 휨강도는 모두 KS 기준치 이상으로 나타났다. 재령 7일에서 혼합비율이 WG 60%일 때 즉, 마그네시아 인산염 복합체와 폐유리의 비율이 40 : 60인 경우 압축강도가 가장 높은 것으로 나타났다.
Figure 5. Flexural strength of waste glass artificial stone
또한, 가장 낮은 강도값을 나타낸 것은 WG 40%이다.
폐유리의 혼합비율이 증가할수록 강도값은 점점 증가하다 가 감소하는 경향이 나타났다. 이는 폐유리의 혼합비율이 감소할수록 마그네시아 인산염 복합체의 기초물성이 저하 되고, 폐유리의 매끄러운 표면으로 인해 마그네시아 인산 염 복합체와 폐유리의 접착성도 떨어지기 때문에 강도값 이 감소하는 것으로 판단된다.
3.1.4 압축강도
폐유리 혼합비율에 따른 마그네시아 인산염 복합체의 압축강도를 측정한 결과를 Figure 6과 같이 나타내었다.
Figure 6. Compressive strength of waste glass artificial stone
재령 7일에서 가장 높은 강도를 나타낸 것은 WG 60%
시험체이다. 즉, 마그네시아 인산염 복합체와 폐유리의 비 율이 40 : 60인 경우 압축강도가 가장 높은 것으로 나타 났다. 또한, 가장 낮은 강도를 나타낸 시험체는 WG 40%
이다. 폐유리의 혼합비율이 증가할수록 강도값은 WG 60%까지 점점 증가하다가 WG 70%일 때 감소하는 경향 이 나타났다. 이는 폐유리의 혼합비율의 적정 혼합비율이 초과하여 강도값이 저하된 것으로 판단된다.
3.2 폐자기를 활용한 내장용 인조석재의 물리적 특성
3.2.1 흡수율 및 밀도
폐자기 혼합비율에 따른 마그네시아 인산염 복합체의 흡수율을 측정한 결과를 Figure 7과 같이 나타내었다. 전 반적으로 밀도는 폐자기 혼합비율이 증가할수록 밀도는 증가하는 것으로 나타났다. 그러나, 흡수율은 반대로 폐 자기 혼합비율이 증가할수록 흡수율은 감소하는 것으로
장 높은 것으로 나타났으며, WP 50% 일 경우에 밀도 2.4g/㎤, 흡수율 8.7%이 나타났으며, WP 60%에서는 밀 도 2.8g/㎤, 흡수율 8.3%이 나타났다. WP 70%는 밀도 3.0g/㎤, 흡수율 8.1% 로 가장 낮은 흡수율을 나타내었다.
Figure 7. Water absorption and density of waste porcelain artificial stone
폐유리와 마찬가지로 전체적으로 『 KS L 1001 도자 기질』 의 흡수율 규격기준 5∼18(%)에 포함되어 KS 규 격기준에 적정한 것으로 분석되었다. 이는 밀도가 클수록 내부 공극률이 적어지고, 폐자기의 양이 증가함으로써 흡 수율이 낮은 것으로 분석된다.
3.2.2 출석률
폐자기 혼합비율에 따른 마그네시아 인산염 복합체의 출석률을 측정한 결과를 Figure 8과 같이 나타내었으며, 또한 폐자기 인조석재의 출석률 표면변화는 Figure 9와 같다. 전반적으로 출석률은 WP 40%에 비해 폐자기 혼합 비율이 증가할수록 육안으로도 점점 증가하는 것으로 나 타났다. 먼저, WP 40%의 출석률은 33.7%, WP 50%의 경우 38.4%, WP 60%에서는 44.9%로『 KS F 4035 기 성 테라조 』기준치인 50%를 만족하지 못하는 것으로 나 타났다. 폐자기 혼합비율 변화에 따른 출석률은 WP 70%
일 경우에만 50.7%로 KS 기준에 만족하는 것으로 나타 났으며, WP 70%의 출석률이 WP 40%에 비해 약 17%정 도 증가하여 가장 높게 나타났다. 이는 WP 70%까지의 출석률은 골재의 입도가 연속입자분포로 적절하게 분포되 어 인조석재의 공극을 밀실하게 충전시켜 출석률이 증가 함과 동시에 인조석재 단면에 폐자기의 노출이 증가하는
채우는 폐자기가 없고, 개개의 폐자기 위를 지나가는 선 각각의 길이는 현저하게 감소하여 출석률이 감소한 것으 로 판단된다. 폐유리 혼합비율 변화와 달리 폐자기 혼합비 율 변화일 경우가 출석률이 더 저조한 것으로 판단된다.
Figure 8. Rate of aggregate on the surface of waste porcelain artificial stone
1) WP 40 2) WP 50
3) WP 60 4) WP 70
Figure 9. Surface variation of the waste porcelain artificial stone
3.2.3 휨강도
폐자기 혼합비율에 따른 마그네시아 인산염 복합체의 휨강도를 측정한 결과를 Figure 10과 같이 나타내었다.
또한, 폐자기의 혼합비율이 증가할수록 강도 또한 점점 증 가하는 것을 알 수 있다. 먼저, WP 40%의 휨강도는 재령 7일에서 4.3MPa로 나타났고, WP 50%일때 4.6MPa, WP 60%에서는 5.0MPa, WP 70%일 경우는 4.3MPa로 나타났다. WP 60%에서 WP 40%과 비교시 약 0.7MPa
Physical Properties of Artificial Interior stone Using Waste Resources
정도 증가하는 것으로 가장 높게 나타났다.
Figure 10. Flexural strength of waste porcelain artificial stone
3.2.4 압축강도
폐자기 혼합비율에 따른 마그네시아 인산염 복합체의 압축강도를 측정한 결과를 Figure 11과 같이 나타내었다.
전반적으로 압축강도는 WP 40%와 비교할 경우 WP 60%
까지는 점점 증가하는 것으로 나타났고, WP 70%에서는 감소하였다.
Figure 11. Compressive strength of the waste porcelain artificial stone
재령 7일에서의 압축강도는 WP 40%에서 14.3MPa 로 나타났고 WP 50%에서 15MPa 증가하였다. WP 60%에 서는 가장 높은 압축강도로 15.7MPa을 나타냈다. WP 40%에서는 가장 낮은 강도인 14.3MPa으로 나타나 15.7MPa에서 1.4MPa 감소한 것으로 나타났다. 이는 폐 자기의 15㎜ 폐자기를 적정 혼합비율로 인조석재의 전반 적인 공극 충전효과로 인해 결합재와 연속된 부착면적을 증가시켜 압축강도가 증진하였지만 폐자기의 적정 혼합비 율이 초과하여 강도가 감소한 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 마그네시아 인산염 복합체와 플라이애시 를 혼입하여 폐유리 및 폐자기를 적용시켜 그에 따른 인 조석재의 물리적 특성을 알아본 결과는 다음과 같다.
1) 폐유리 혼합비율에 따른 밀도는 전반적으로 폐유리 혼합비율이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났지 만, 흡수율은 감소하는 곳으로 나타났다. 출석률은 WG 60, 70(%) 일 경우『KS F 4035 기성 테라 조』의 규격기준치를 만족하였다. 휨강도는 기준치 5MPa에 대한 휨강도비를 나타내었는데, 전체적으 로 휨강도는 모두 KS 기준치 이상으로 나타났다.
압축강도는 재령 7일에서 가장 높은 강도를 나타낸 것은 WG 60% 시험체 이다. 즉, 마그네시아 인산염 복합체와 폐유리의 비율이 40 : 60인 경우 압축강 도가 가장 높은 것으로 나타났다.
2) 폐자기 혼합비율에 따른 흡수율 및 밀도의 경우 전 반적으로 밀도는 폐자기 혼합비율이 증가할수록 증 가하는 것으로 나타났다. 그러나, 흡수율은 반대로 폐자기 혼합비율이 증가할수록 감소하는 것으로 나 타났다. 또한, 폐자기 혼합비율 변화에 따른 출석률 은 WP 70%일 경우에만 50.7%로 KS 기준에 만족 하는 것으로 나타났다. 휨강도는 폐자기의 혼합비율 이 증가할수록 강도 또한 점점 증가하는 것을 알 수 있었으며, WP 70%일 때 재령 7일에서 미비하게 감소하는 것으로 나타났다. 전반적으로 압축강도는 WP 40%와 비교할 경우 WP 60%까지는 점점 증가 하는 것으로 나타났고, WP 70%에서는 감소하였다.
요 약
지구온난화 현상으로 인해 환경 문제가 심각하며, 또 한, 시멘트의 원료인 석회석과 골재의 무분별한 채취로 인 한 환경파괴와 자원고갈의 심각성이 강조되고 있는 상황 에서 문제점을 줄이려는 노력이 지속되고 있는 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 천연골재 대체재인 폐자기를 혼합 하여 적용시켰다. 또한, 시멘트 대체재로써 마그네시아 인 산염 복합체와 플라이애시를 혼입하여 그에 따른 인조석 재의 특성을 알아보고자 한다. 실험결과, 폐유리 혼합비율
험에서 가장 우수한 것으로 판단되며, 인조석재의 기초적 인 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
키워드 :인조석재, 폐유리, 폐자기, 출석률
Acknowledgement
This paper, 2013 was performed by the providing research expenditures of the National Research Foundation of Korea(the task number :2012- 0002800).
