KR101121724B1 - 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물 및 무시멘트 콘크리트의 제조방법 - Google Patents
고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물 및 무시멘트 콘크리트의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물 및 무시멘트 콘크리트의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적하는 바는 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신에 고로슬래그, 분말형 규산나트륨 및 탈황석고를 적정비율로 구성시킨 결합재를 사용하여, 작업성이 우수하고 상온양생이 가능한 압축강도 25~65MPa급의 무시멘트 콘크리트 조성물 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 결합재, 잔골재, 굵은골재, 배합수를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 결합재는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨 및 탈황석고를 포함하며 이들의 비율은 고로슬래그 77~83중량%, 분말형 규산나트륨 15~18중량%, 탈황석고 2~5중량%인 것을 특징으로 한다.
콘크리트, 결합재, 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고
Description
본 발명은 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물 및 무시멘트 콘크리트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 사용하여 콘크리트의 반응을 활성화시킬 뿐만 아니라, 콘크리트의 강도를 증진시킬 수 있는 무시멘트 콘크리트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
세계적으로 지구 온난화 방지를 위하여 다양한 형태의 노력(1997년 채택, 2005년 발효된 교토 의정서 2012년 종료)을 가하고 있는 가운데 2007년 12월에는 인도네시아 발리에서 ‘발리 로드맵’을 채택함에 따라 2009년 까지 새 기후변화 협약을 위한 협상이 진행되고 있다. 이에 따라 전 세계적으로 이산화탄소 등 온실가스의 배출량을 큰 폭으로 줄여야 하는 실정에 있다.
한편, 콘크리트 제조 시 근간이 되는 시멘트 1 톤을 생산하는 데 이산화탄소 를 약 0.9톤을 배출할 정도로 시멘트 산업은 철강산업과 더불어 주요 이산화탄소 배출 산업이므로 이에 대한 방법 및 대체 물질이 제시가 시급히 요구되고 있다.
국내의 시멘트 생산량은 1년에 약 6,000만 톤으로 이산화탄소를 약 5,400만 톤 배출하고 있어 문제시되고 있다. 이에 대한 타개책의 일환으로 산업부산물을 이용하여 시멘트를 대체하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.
국내외적으로 고로슬래그, 플라이애시 등을 시멘트와 일부 혼합하여 콘크리트에 많이 적용되고 있으나, 이런 방법으로는 이산화탄소를 획기적으로 저감시키는 데 한계가 있다.
국외에서는 중합반응에 의한 알칼리 활성화 시멘트(콘크리트)에 관한 기술은 개념적으로 1978년 Davidovits(프랑스)에 의해 카올리나이트 광물질을 이용하고 제올라이트와 유사한 구조를 가지도록 하는 메커니즘으로 이론이 정립되었지만, 제조상의 문제점 및 경제성 등의 이유로 실용화가 이루어지지 않았다.
시멘트를 전혀 사용하지 않고 석탄회만을 사용하여 콘크리트를 제조하는 종래의 기술로서, 60℃ 이상의 고온양생 과정을 통해 석탄회의 유리(glassy) 피막을 파괴하여 반응을 유도하여 30MPa 이상을 확보할 수 있는 방법이 있다.
그러나 이 방법은 고온양생으로 인한 에너지 소비와 이산화탄소 배출 문제가 발생하였다.
또한, 종래 기술 중에는 메타카올린을 사용하는 경우가 있으나, 카올린을 700~800℃로 소성하여 메타카올린을 사용하기 때문에 이 과정에서 이산화탄소를 배출하고 가격도 고가이어서 실용화하는 데 문제점이 있었다.
그리고, 종래 기술 중에 고로슬래그를 단독으로 사용하고 고알칼리성을 가진 액상 NaOH, KOH 등의 알칼리 활성화제를 사용하여 무시멘트 콘크리트를 제조하는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법에 의한 콘크리트는 상온에서도 50MPa 정도의 압축강도가 발현되나, 급격한 유동성 저하 및 초기 급결현상 등으로 작업성을 확보하기 어렵고, 수축 등이 크게 발생하는 등 실용화하는데 문제가 되고 있다.
이에 본 발명자들은 고로슬래그를 콘크리트의 결합재로 사용하기 위해 연구와 실험을 거듭하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신에 고로슬래그, 분말형 규산나트륨 및 탈황석고를 적정비율로 구성시킨 결합재를 사용하여, 작업성이 우수하고 상온양생이 가능한 압축강도 25~65MPa급의 무시멘트 콘크리트 조성물 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 콘크리트 조성물은 결합재, 잔골재, 굵은골재, 배합수를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 결합재는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨 및 탈황석고를 포함하며 이들의 비율은 고로슬래그 77~83중량%, 분말형 규산나트륨 15~18중량%, 탈황석고 2~5중량%인 것을 특징으로 하며,
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 콘크리트 제조방법은 결합재, 잔골재, 굵은골재, 배합수를 배합하는 과정, 교반하는 과정, 양생하는 과정을 포함하여 이루어지는 콘크리트 조성물의 제조방법에 있어서, 상기 결합재는 고로슬래그 77~83중량%, 분말형 규산나트륨 15~18중량%, 탈황석고 2~5중량%로 구성되는 것임을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 비소성 결합재 및 이를 사용한 콘크리트 조성물 은 적정한 바텀애쉬, 나트륨계 또는/및 칼륨계 알칼리성 무기질 재료, 소듐실리케이트로 구성된 결합재의 혼합비 그리고 물과 결합재의 비를 제시하여 압축강도를 25~55MPa 범위로 확보할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 의한 콘크리트 조성물은 콘크리트 타설 후 일정시간까지 유동성이 유지되어 충분한 작업성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 무시멘트 콘크리트 조성물 및 그 제조방법은 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고가 적정 배합비로 구성된 결합재와 이러한 결합재와 배합수의 적정 배합비를 제시하여 소성과정 없이 5~40℃의 상온에서도 압축강도를 25~65MPa 범위까지 확보할 수 있음은 물론 콘크리트 제조 후 1시간 30분까지 유동성이 유지되는 콘크리트 조성물을 제공하는 장점이 있고,
또한, 본 발명의 무시멘트 콘크리트 조성물 및 그 제조방법은 분말형 규산나트륨 등에 의해 건조수축, 내구성이 매우 우수하여 시멘트를 사용한 일반 콘크리트를 대체하여 콘크리트 구조물에 충분히 적용 가능한 장점이 있고,
또한, 본 발명의 무시멘트 콘크리트 조성물 및 그 제조방법은 분말형 규산나트륨 등을 사용함에 의해 액상의 알칼리 활성화제에 있어 NaOH, 액상의 규산나트륨 및 물 등을 일정한 비율과 복잡한 공정을 거쳐 제조해야 하는 번거로움 없이 현장에서 누구나 계량하여 제조하여 사용할 수 있어 그 시공의 용이성이 있는 장점이 있고,
또한, 본 발명의 무시멘트 콘크리트 조성물 및 그 제조방법은 콘크리트 제조에 있어 시멘트를 전혀 사용하지 않고 고온양생이 필요하지 않기 때문에 시멘트 제 조 시 그리고 콘크리트 제조 시 다량의 CO2 가스의 발생을 줄일 수 있어 환경오염을 줄일 수 있는 장점이 있고,
또한, 본 발명의 무시멘트 콘크리트 조성물 및 그 제조방법은 산업 부산물인 고로슬래그가 재활용되므로 매립지 확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라, 매립 시 발생되는 침출수에 의해 발생하는 많은 환경문제 등을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 콘크리트는 결합재, 잔골재, 굵은골재, 배합수를 포함하여 구성되어지며, 상기 결합재는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고로 구성된다.
상기 탈황석고와 상기 고로슬래그는 재령초기에 수화반응(Reaction of Hydration)에 의해 에트링가이트(Ettringite;3CaOAl2O33CaSO432H2O)를 생성하고, 재령이 증가함에 따라 탈황석고와 고로슬래그의 수화반응에 의해 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 고로슬래그를 자극함에 의해 잠재수경성이 발휘되게 하여 콘크리트의 반응을 활성화시키게 되는 것이다.
또한, 상기 분말형 규산나트륨과 상기 고로슬래그는 수화반응 그리고 중합반응(Polymersation)에 의해 규산칼슘수화물(C-S-H gel ;3CaO.2SiO23H2O) 등을 생성하여 콘크리트의 강도가 증진되게 하는 것이다.
이렇게 결합재로서 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 사용함에 의해 시멘트를 사용하지 않고서도 고로슬래그와 탈황석고의 반응으로 소성과정 없이 고로슬래그의 잠재수경성이 발휘되는 것이며 또한 고로슬래그와 분말형 규산나트륨의 반응으로 강도를 증진시킬 수 있게 되는 것이다.
여기서 상기 고로슬래그는 결합재 전체 중량에 대하여 77~83중량%의 비율로 첨가하는데, 그 비율이 77중량%미만이거나 83중량%를 초과하면 목적하는 강도발현에 문제가 있기 때문이다. 그리고 강도와 반응성을 고려하면 상기 고로슬래그는 78~82중량%가 보다 바람직하며 80중량%가 가장 바람직하다.
이러한 고로슬래그는 분말도 3,300~8,200cm2/g인 것이 바람직한데, 이는 고로슬래그의 분말도가 3,300cm2/g 미만인 경우에는 반응성이 작아 강도발현에 불리하고, 분말도가 8,200cm2/g을 초과하는 경우에는 반응성이 크지만, 시공성이 다소 저하되고 통상의 제품으로 판매되지 않는 관계로 미분말화시키기 위해 분쇄하는 과정 또는 분급하는 과정을 거쳐야 하기 때문에 경제성이 저하될 수 있기 때문이다. 상기 고로슬래그는 강도발현 및 반응성을 고려하면 분말도 6,100~6,300m2/g인 것이 보다 바람직하며, 6,200m2/g인 것이 가장 바람직하다.
상기 분말형 규산나트륨은 결합재 전체 중량에 대하여 15~18중량%의 비율로 첨가하는데, 그 비율이 15중량%미만이면 수화반응과 중합반응이 약해져 강도가 작게 나타나는 문제가 있고, 18중량%를 초과하면 급결이 발생하여 시공성이 다소 저 하되고 강도증진에도 사용효과가 크게 나타나지 않을 뿐만 아니라 경제성에 불리하게 작용하는 문제가 있기 때문이다. 그리고 시공성과 강도를 고려하면 상기 분말형 규산나트륨은 16~18중량%가 보다 바람직하며 17중량%가 가장 바람직하다.
이러한 분말형 규산나트륨은 SiO2와 Na2O의 몰비가 2.3~3.4인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 분말형 규산나트륨의 SiO2와 Na2O의 몰비가 2.3 미만인 경우에는 콘크리트의 점도가 급격히 증가되어 슬럼프가 저하됨으로써 시공성이 저하될 뿐만 아니라 중합반응에 필요한 Si 성분이 적어져 장기강도가 발현이 작아지고, 몰비가 3.4를 초과하는 경우에는 시공성에 영향을 주지 않지만, Na이온이 적어져 초기강도가 작아지는 문제가 있기 때문이다. 상기 분말형 규산나트륨은 시공성 및 강도를 고려하면 SiO2와 Na2O의 몰비가 3.0~3.2인 것을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
상기 탈황석고는 결합재 전체 중량에 대하여 2~5중량%의 비율로 첨가하는데, 그 비율이 2중량%미만이면 재령 초기에 에트링가이트의 생성이 작아져 초기강도가 저하되고, 수축이 다소 증가되는 문제가 있고, 5중량%를 초과하면 시공성이 저하될 뿐만 아니라 에트링가이트가 과다하게 생성되어 팽창에 의한 콘크리트가 균열이 발생하여 강도가 저하되는 문제가 있기 때문이다.
그리고, 초기강도 및 시공성을 고려하면 상기 탈황석고 3~4중량%가 보다 바람직하고, 3중량%가 가장 바람직하다.
이러한 탈황석고는 그 순도가 95%이상인 것이 바람직한데, 이는 탈황석고의 순도가 95% 미만인 경우에는 반응성이 저하되어 소정의 콘크리트의 강도를 달성할 수 없을 가능성이 높고, 콘크리트 품질제어도 어렵기 때문이다.
또한, 본 발명의 무시멘트 콘크리트 조성물을 얻기 위해서는 배합수와 결합재의 배합비를 중량비(배합수에 대한 결합재의 중량비, 배합수-결합재비, 이하 같다)로 25~60% 범위로 하는 것이 바람직한데, 이는 배합수와 결합재의 배합비가 25% 미만인 경우에는 강도 증진에 효과가 있으나 시공성이 저하되어 감수제 등 기타 혼화제가 다량으로 사용하여 경제성이 저하되고, 60%를 초과하는 경우에는 시공성은 향상되나 강도가 급격이 저하되어 압축강도 25MPa 미만으로 콘크리트 구조물에 적용할 수 없게 될 뿐만 아니라 건조수축이 증가되는 등의 문제점이 있기 때문이다. 보다 바람직한 배합비는 33~37%이고, 가장 바람직한 배합비는 35%이다.
또한, 본 발명은 상기 고로슬래그, 분말형 규산나트륨과, 탈황석고를 포함한 결합재를 배합하여 콘크리트를 제조하는 방법을 제시하는 바, 이러한 콘크리트 제조방법은 상기 결합재, 잔골재, 굵은골재 및 물 등을 배합하고, 교반하는 과정과 양생하는 과정을 거쳐 제조한다. 상기 배합, 교반, 양생은 통상의 방법에 의해 행할 수 있으며, 일반적으로 첨가되는 첨가제 등도 첨가할 수도 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.
<실시예 1>
고로슬래그 분말도의 영향
본 발명에서 제시된 무시멘트 콘크리트 조성물에 있어서, 고로슬래그의 분말도에 따른 영향을 분석하기 위해, 하기 표 1과 같은 성분을 갖는 고로슬래그를 분말도를 각각 2,700cm2/g, 3,300cm2/g, 4,500cm2/g, 6,200cm2/g, 8,200cm2/g, 10,100cm2/g으로 조절하여 준비하였고, 이러한 고로슬래그를 결합재 전체 중량에 대하여 각각 80중량%씩 사용하였다.
| 구분 | SiO2 (%) |
Al2O3 (%) |
Fe2O3 (%) |
CaO (%) |
MgO (%) |
SO3 (%) |
lg. loss (%) |
밀도 (g/cm3) |
분말도 (cm2/g) |
| BS2700 | 33.33 | 15.34 | 0.44 | 42.12 | 5.70 | 2.08 | 0.03 | 2.90 | 2,700 |
| BS3300 | 33.33 | 15.34 | 0.44 | 42.12 | 5.70 | 2.08 | 0.03 | 2.90 | 3,300 |
| BS4500 | 33.33 | 15.34 | 0.44 | 42.12 | 5.70 | 2.08 | 0.03 | 2.90 | 4,500 |
| BS6200 | 33.33 | 15.34 | 0.44 | 42.12 | 5.70 | 2.08 | 0.03 | 2.90 | 6,200 |
| BS8200 | 33.33 | 15.34 | 0.44 | 42.12 | 5.70 | 2.08 | 0.03 | 2.90 | 8,200 |
| BS10100 | 33.33 | 15.34 | 0.44 | 42.12 | 5.70 | 2.08 | 0.03 | 2.90 | 10,100 |
그리고 상기의 고로슬래그와 함께 분말형 규산나트륨(SiO2와 Na2O의 몰비 3.1)을 결합재 전체 중량에 대하여 17중량%, 순도 95% 이상인 탈황석고를 결합재 전체 중량에 대하여 3중량%로 하여 결합재를 구성하였다.
또한 수돗물로 구성된 배합수와 상기의 결합재를 중량비로 35%를 사용하였으며, 나머지 잔골재, 굵은골재는 통상의 콘크리트와 같은 비율로 사용하였다. 그리고 무시멘트 콘크리트와 비교하기 위해 통상의 시멘트를 사용한 보통 콘크리트(물-시멘트 비 45%)를 제조하였다.
제조한 콘크리트에 대하여 슬럼프와 압축강도를 측정하여 그 결과를 각각 도 1 및 도 2에 나타내었다.
여기서, 슬럼프 시험은 KS F 2402에 준하여 콘크리트를 혼합하여 믹서로부터 배출된 직후에 작업성을 평가하였으며, 압축강도는 φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 20℃에서 1일 동안 양생을 실시한 다음 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생을 실시하여 재령 3일, 7일, 28일 및 91일에서 KS F 2405에 준하여 측정하였다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 고로슬래그의 분말도가 클수록 시공성이 다소 저하되는 것으로 나타났으나, 분말도 8200cm2/g까지는 슬럼프가 210~190mm 범위로 유동성 저하가 크지 않으나, 분말도 10,100cm2/g인 경우에는 슬럼프가 150mm 정도로 유동성이 크게 저하되는 것으로 나타났다.
도 2의 결과로부터 고로슬래그의 분말도가 작을수록 강도발현이 저하되고, 분말도 2,700cm2/g인 경우에는 재령 28일, 재령 91일에서도 25MPa 이하로 비교적 낮은 강도를 나타내고 있다. 그리고 분말도 8,200cm2/g과 10,100cm2/g를 비교해 보면 분말도 10,100cm2/g를 사용한 경우에는 재령 7일까지 초기강도의 증진에 효과가 조금 있는 것으로 나타났으나, 그 이후에는 분말도 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
이상의 결과를 종합하면, 고로슬래그, 분말형 규산나트륨 그리고 탈황석고로 구성된 결합재를 사용하여 무시멘트 콘크리트를 제조할 경우, 고로슬래그는 3,300~8,200cm2/g의 범위를 만족하는 분말도를 사용한 경우에는 슬럼프 190mm 이상으로 충분한 작업성을 확보할 수 있고, 재령 28일에서 압축강도 25~65MPa 범위의 압축강도를 확보할 수 있으므로 사용자의 목적에 맞는 무시멘트 콘크리트의 제조가 가능할 것으로 판단된다.
특히 작업성 측면, 강도측면 및 미분쇄과정 등을 고려하여 분말도 6,200cm2/g과 8,200cm2/g은 그 강도면에서 별 차이가 없는 바, 최적의 고로슬래그의 분말도는 6,200cm2/g인 것으로 판단된다.
<실시예 2>
분말형 규산나트륨의 SiO2와 Na2O의 몰비 영향
본 발명에서 제시된 무시멘트 콘크리트 조성물 제조 시 분말형 규산나트륨의 SiO2와 Na2O의 몰비에 따른 영향을 분석하기 위해, SiO2/Na2O의 몰비 2.2, 2.3, 2.7, 3.1, 3.4, 3.5를 가진 규산나트륨을 17중량% 사용하였다. 그리고 이들 규산나트륨과 분말도 4,500cm2/g인 고로슬래그를 80중량%, 그리고 순도 95% 이상인 탈황석고를 3중량%로 하여 결합재를 사용하였다.
그리고 수돗물로 구성된 배합수와 결합재의 비를 중량비로 35%로 하였고, 나머지 굵은골재 및 잔골재 등은 통상의 콘크리트 제조시와 동일하게 사용하여 콘크리트를 제조하였다.
이렇게 제조된 콘크리트를 KS F 2402에 준하여 슬럼프 시험과 φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 20℃에서 1일 동안 양생을 실시한 다음 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생을 실시하여 재령 3일, 7일, 28일 및 91일에서 KS F 2405에 준하여 압축강도를 측정하였다. 그 결과를 정리하면 도 3과 도 4와 같다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 규산나트륨의 몰비가 감소할수록 콘크리트의 점도가 증가하여 슬럼프가 저하함으로써 시공성이 저하되는 결과를 초래하였다. 특히 SiO2와 Na2O의 몰비가 2.3 미만에서 시공성이 저하되어 고성능 감수제 등의 화학혼화제 사용이 필요한 것으로 나타났다. 그리고 몰비가 3.1과 3.5 범위에서 슬럼프가 202~207mm로 슬럼프 증가가 크지 않는 것으로 나타났다.
또한 도 4의 결과로부터 분말형 규산나트륨의 몰비가 낮을수록 장기강도 발현이 작고, 몰비가 높을수록 초기강도가 낮아져 결국은 장기강도도 다소 낮은 것으로 나타났다. SiO2와 Na2O의 몰비가 3.1에서 초기강도 및 장기강도 모두 우수한 것으로 나타났으며, 몰비가 2.3 미만에서 중합반응에 필요한 Si 성분이 적어져 재령 28일에서 강도가 25MPa 이하이고, 몰비가 3.4 초과인 경우에는 Na 성분이 적어져 재령 7일의 강도가 20MPa 정도로 비교적 낮은 관계로 콘크리트 구조물에 사용하기가 어렵다고 판단된다.
이상의 결과를 종합하면, 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고로 구성된 결합재를 사용하여 무시멘트 콘크리트를 제조할 경우, SiO2와 Na2O의 몰비를 2.3~3.4 범위를 만족하는 분말형 규산나트륨을 사용하는 경우에는 시공성과 압축강도가 우수한 무시멘트 콘크리트 제조가 가능한 것으로 분석된다. 특히 SiO2와 Na2O의 몰비가 3.1을 만족하는 분말형 규산나트륨의 경우 시공성을 만족하면서 강도면에서 우수하여 가장 최적의 결과를 나타낸다.
<실시예 3>
결합재 구성재료의 중량비 영향
본 발명에서 제시된 무시멘트 콘크리트 조성물 제조 시 결합재의 구성재료인 고로슬래그, 분말형 규산나트륨 및 탈황석고의 중량비에 따른 영향을 분석하기 위해, 분말도 4500cm2/g를 가진 고로슬래그, SiO2/Na2O의 몰비가 3.1인 분말형 규산나트륨, 그리고 순도 95%이상인 탈황석고를 중량비로 80:20:0, 80:19:1, 80:18:2, 80:17:3, 80:16:4, 80:15:5, 80:14:6로 구성된 결합재를 사용하였다. 그리고 수돗물로 구성된 배합수와 결합재의 비를 중량비로 35%로 하였고, 나머지 굵은골재, 잔골재 등은 통상의 콘크리트 제조시와 동일하게 하여 콘크리트를 제조하였다.
이렇게 제조된 콘크리트를 KS F 2402에 준하여 슬럼프 시험을 행하고 φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 20℃에서 1일 동안 양생을 실시한 다음 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생을 실시하여 재령 28일에서 KS F 2405에 준하여 압축강도를 측정하였다. 그 결과를 정리하면 도 5와 같다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 결합재 구성재료의 중량비에 따라 규산나트륨 18% 초과, 탈황석고 2% 미만부터는 슬럼프와 압축강도 저하가 크고, 탈황석고 5% 초과, 규산나트륨 15% 미만부터는 슬럼프와 압축강도가 저하되는 것으로 나타났다. 즉 규산나트륨이 필요 이상이 많을 경우, 급결 등의 발생하여 시공성이 저하되고 탈황석고의 부족으로 인해 초기재령에서 수화반응의 부족으로 강도발현이 저하되는 것으로 나타났으며, 탈황석고가 필요이상으로 많이 사용하였을 경우에는 급결 등의 발생으로 시공성이 저하되고 규산나트륨의 부족으로 인해 장기재령에서 수화반응과 중합반응의 활성화가 되지 않아 강도가 저하되는 것으로 나타났다.
이상의 결과로부터, 결합재의 구성비는 중량으로 분말형 규산나트륨이 15~18중량%, 탈황석고가 2~5중량%인 범위로 구성될 경우에는 시공성과 압축강도 발현이 우수한 것으로 나타나고 있으며, 특히 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고의 구성이 중량으로 80:17:3인 경우가 작업성을 만족하면서 압축강도면에서 가장 우수하여 최적의 배합비인 것으로 판단된다.
<실시예 4>
배합수-결합재의 중량비 영향
본 발명에서 제시된 무시멘트 콘크리트 조성물 제조 시 수돗물로 구성된 배합수와, 고로슬래그(분말도 4500cm2/g), 분말형 규산나트륨(SiO2/Na2O의 몰비 3.1), 순도 95% 이상인 탈황석고를 중량으로 80:17:3으로 구성된 결합재의 배합비의 영향을 분석하기 위해 배합수와 결합재의 비를 중량으로 23, 25, 30, 35, 45, 55, 60, 65%로 하였고, 나머지 굵은골재, 잔골재 등은 통상의 콘크리트 제조시와 동일하게 하여 제조하였다.
이렇게 제조된 콘크리트를 KS F 2402에 준하여 슬럼프 시험을 행하고, φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 20℃에서 1일 동안 양생을 실시한 다음 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생을 실시하여 재령 28일에서 KS F 2405에 준하여 압축강도를 측정하였다. 그 결과를 정리하면 도 6과 같다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 배합수와 결합재의 구성비가 작을수록 수량이 적어져 유동성이 저하되나, 압축강도는 향상되는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 통상의 콘크리트에서도 동일한 결과를 보인다. 구체적으로 설명하면, 배합수와 결합재의 비 25% 미만에서는 슬럼프 저하는 급격히 저하되어 고성능 감수제 등 화학혼화제의 사용할 필요가 있으며, 배합수와 결합재의 비 60% 초과에서는 슬럼프 증가도 크지 않고 압축강도가 급격히 저하되어 65%에서는 강도가 25MPa 정도로 콘크리트 구조물에 적용하기가 어려운 것으로 나타났다.
이상의 결과로부터, 수돗물로 구성된 배합수와, 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고로 구성된 결합재의 비는 중량으로 25~60% 범위에서 구성될 경우에는 시공성과 압축강도 발현이 우수한 것으로 나타나 무시멘트 콘크리트 제조가 가능할 것으로 판단된다. 특히 배합수와 결합재의 중량비가 35%인 경우에 작업성을 만족하면서 압축강도가 우수하여 최적의 배합비인 것으로 판단된다.
<실시예 5>
기존 액상형 알칼리 활성화제와의 비교
본 발명의 분말형 결합재를 사용한 무시멘트 콘크리트와 기존 액상형 알칼리 활성화제를 사용한 무시멘트 콘크리트를 비교하기 위해 상기 실시예 1에서 BS4500(고로슬래그 분말도 4,500cm2/g)을 사용한 배합으로 하여 콘크리트를 제조하였다. 그리고 기존 무시멘트 콘크리트의 제조에는 동일한 분말도 고로슬래그를 사용하고, 9M NaOH와 액상형 규산나트륨(SiO2와 Na2O의 몰비 3.1)을 중량비로 각각 50%씩 구성된 액상형 알칼리 활성화제를 사용하였으며, 나머지 재료구성은 본 발명의 배합과 동일하다.
시험은 상기 실시예 1과 유사한 방법으로 슬럼프 시험과 압축강도 시험을 실시하였으나, 슬럼프 시험은 콘크리트를 제조한 다음 KS F 2402에 준하여 1시간 30분이 경과할 때 까지 슬럼프를 측정하여 작업성을 평가하였다. 슬럼프 및 압축강도의 결과를 각각 도 7과 도 8에 나타내었다.
그리고 상기의 배합을 토대로 건조수축, 황산염, 동결융해, 탄산화, 염해 저항성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 각각 나타내었다.
이때, 건조수축은 100× 100× 400m 각주 시험체를 제작하여 60℃에서 1일 동안 양생한 다음 기건상태(온도 20± 2℃, 습도 65± 5%)에 노출시킨 다음 KS F 2424에 준하여 재령 91일까지 측정하였다.
황산염 시험은 φ100× 200mm 원주시험체와 100× 100× 400m 각주 시험체를 제작하여 60℃에서 1일 동안 양생한 후 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 28일 동안 양생한 다음 10% 황산나트륨 용액에 91일 동안 침지시킨 다음 압축강도의 변화와 길이변화율을 측정하였다.
동결융해 시험은 100× 100× 400m 각주 시험체를 제작하여 60℃에서 1일 동안 양생한 후 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 28일 동안 양생한 다음 온도범위를 +4℃~-18℃로 하고 1사이클 시간은 2시간 40분으로 하여 300사이클까지 시험을 수행하여 상대동탄성계수를 측정하였다.
탄산화 시험은 φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 60℃에서 1일 동안 양생한 후 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 28일 동안 양생한 다음, 이산화탄소 농도 5%, 온도 30℃, 습도 50%를 조건으로 제어되는 챔버에서 시험체를 91일 동안 노출시킨 다음, 시험체를 이등분하여 할렬하여 그 면에 페놀프탈렌인 1% 용액을 분무하여 탄산화 깊이를 측정하였다.
염해 저항성은 φ100× 50mm 시편을 제작하여 60℃에서 1일 동안 양생한 후 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 28일 동안 양생한 다음, ASTM C 1202에 준하여 전기적 촉진시험으로 평가하였다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 기존의 액상형 알칼리 활성화제를 사용하여 제조한 무시멘트 콘크리트는 초기에도 슬럼프가 저하되고 시간이 경과함에 따라 슬럼프가 급격히 저하되어 제조된 후 30분이 경과된 후에는 작업성이 확보되지 않은 것으로 나타났다. 이에 비해 본 발명의 분말형 결합재를 사용한 경우에는 초기 슬럼프가 200mm이고 1시간이 경과하더라도 슬럼프가 200mm가 유지되어 충분한 작업성을 확보하고 있다.
또한 도 8의 압축강도는 기존의 액상형 알칼리 활성화제를 사용한 무시멘트 콘크리트는 초기강도가 크게 증가되나, 그 이후에서 강도발현이 점차 감소하는 것으로 나타났다. 이에 비해 본 발명의 분말형 결합재를 사용하는 경우에는 초기강도는 기존의 액상형 알칼리 활성화제를 사용하는 경우보다 저하되나 통상의 콘크리트 이상으로 발현되고, 재령이 증가함에 따라 액상형 알칼리 활성화제와 동등이상으로 발현되는 것으로 나타났다.
| 배합 |
건조수축 (×10-6) |
황산염 | 탄산화 깊이 (재령 14주) (mm) |
동결융해 상대동탄성계수 (%) |
염해 총전하량 (클롬) |
|
| 강도변화율 (%) |
길이변화율 (%) |
|||||
| 일반콘크리트 | 680 | 5.4 | 3.5 | 13 | 85 | 2450 |
| 액상형 알칼리활성화제 사용 무시멘트 콘크리트 (종래기술) |
980 |
2.7 |
1.3 |
9 |
4 |
970 |
| 분말형 결합재 사용 무시멘트 콘크리트 (발명예) |
430 |
1.7 |
0.8 |
6 |
99 |
680 |
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 종래 액상형 알칼리 활성화제를 사용한 무시멘트 콘크리트인 경우에는 건조수축은 통상의 콘크리트에 비해 증가하고, 나머지 황산염, 동결융해 등 내구성 등 모두 일반 콘크리트에 비해 성능이 우수한 것으로 나타났다.
이에 반해 본 발명의 분말형 결합재를 사용한 경우는 액상형 알칼리 활성화제를 사용한 무시멘트 콘크리트는 물론 일반 콘크리트보다 건조수축이 저감되고, 내구성도 매우 우수하였다.
도 1은 고로슬래그의 분말도에 따른 슬럼프 결과를 보이는 그래프이다.
도 2는 고로슬래그의 분말도에 따른 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.
도 3은 분말형 규산나트륨의 몰 비에 따른 슬럼프 결과를 보이는 그래프이다.
도 4는 분말형 규산나트륨의 몰 비에 따른 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.
도 5는 결합재 구성재료의 중량비에 따른 슬럼프, 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.
도 6은 배합수와 결합재의 비에 따른 슬럼프, 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.
도 7은 기존 콘크리트와 무시멘트 콘크리트의 슬럼프 경시변화 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 기존 콘크리트와 무시멘트 콘크리트의 압축강도 발현 비교결과를 나타낸 그래프이다.
Claims (12)
- 결합재, 잔골재, 굵은골재, 배합수를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서,상기 결합재는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨 및 탈황석고를 포함하며 이들의 비율은 고로슬래그 77~83중량%, 분말형 규산나트륨 15~18중량%, 탈황석고 2~5중량%인 것을 특징으로 하는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물.
- 제 1항에 있어서,상기 고로슬래그는 분말도 3,300~8,200cm2/g인 것을 특징으로 하는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물.
- 제 2항에 있어서,상기 고로슬래그는 분말도 6,100~6,300m2/g인 것을 특징으로 하는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물.
- 제 1항에 있어서,상기 분말형 규산나트륨에 있어 SiO2와 Na2O의 몰비가 2.3~3.4인 것을 특징으로 하는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물.
- 제 4항에 있어서,상기 분말형 규산나트륨에 있어 SiO2와 Na2O의 몰비가 3.0~3.2인 것을 특징으로 하는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물.
- 제 1항에 있어서,상기 탈황석고는 순도가 95% 이상인 것을 특징으로 하는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물.
- 제 1항에 있어서,상기 결합재의 비율은 고로슬래그 78~82중량%, 분말형 규산나트륨 16~18중량%, 탈황석고 3~4중량%인 것을 특징으로 하는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물.
- 제 1항에 있어서,상기 배합수와 상기 결합재는, 배합수에 대한 결합재의 중량비가 25~60%인 것을 특징으로 하는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물.
- 제 8항에 있어서,배합수와 결합재는, 배합수에 대한 결합재의 중량비가 33~37%인 것을 특징으로 하는 고로슬래그, 분말형 규산나트륨, 탈황석고를 포함하는 결합재를 이용하는 무시멘트 콘크리트 조성물.
- 결합재, 잔골재, 굵은골재, 배합수를 배합하는 과정, 교반하는 과정, 양생하는 과정을 포함하여 이루어지는 콘크리트 조성물의 제조방법에 있어서,상기 결합재는 고로슬래그 77~83중량%, 분말형 규산나트륨 15~18중량%, 탈황석고 2~5중량%로 구성되는 것임을 특징으로 하는 무시멘트 콘크리트의 제조방법.
- 제 10항에 있어서,상기 배합하는 과정에서 상기 결합재는 분말도가 3,300~8,200cm2/g인 고로슬래그와, SiO2와 Na2O의 몰비가 2.3~3.4인 분말형 규산나트륨과, 순도가 95%이상인 탈황석고를 사용하고, 배합수와 결합재는, 배합수에 대한 결합재의 중량비가 25~60%로 배합되도록 하는 것을 특징으로 무시멘트 콘크리트의 제조방법.
- 제 11항에 있어서,상기 배합하는 과정에서 결합재는 분말도가 6,100~6,300cm2/g인 고로슬래그와, SiO2와 Na2O의 몰비가 3.0~3.2인 분말형 규산나트륨과, 순도가 95%이상인 탈황석고를 이용하여, 각각 중량비로 고로슬래그 79~81중량%, 분말형 규산나트륨 16~17중량%, 탈황석고 3~4중량%로 배합하고, 배합수와 결합재는, 배합수에 대한 결합재의 중량비가 33~37%로 배합되도록 하는 것을 특징으로 무시멘트 콘크리트의 제조방법.
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