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KR101604723B1 - 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물 및 그 배합 방법 - Google Patents

다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물 및 그 배합 방법 Download PDF

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KR101604723B1
KR101604723B1 KR1020140083559A KR20140083559A KR101604723B1 KR 101604723 B1 KR101604723 B1 KR 101604723B1 KR 1020140083559 A KR1020140083559 A KR 1020140083559A KR 20140083559 A KR20140083559 A KR 20140083559A KR 101604723 B1 KR101604723 B1 KR 101604723B1
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slag
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binder
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고태훈
황선근
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한국철도기술연구원
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Abstract

OPC(Ordinary Portland Cement), 플라이애시(Fly Ash) 및 슬래그 미분말(Slag Powder)을 조합하여 결합재(Binder)로 사용하고 급랭전기로 산화슬래그를 잔골재로 사용하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트에 있어서, 산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시, 급랭전기로 산화슬래그 등을 활용함으로써 친환경적인 다성분계 저탄소 콘크리트 조성물을 형성할 수 있고, 또한, 산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시, 급랭전기로 산화슬래그 등을 활용하면서 친환경적인 콘크리트 분체 시공을 위하여 산업부산물이 혼입된 콘크리트의 재료적 특성 및 구조적 특성을 고려하여 최적의 콘크리트 분체 배합비를 결정할 수 있는, 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물 및 그 배합 방법이 제공된다.

Description

다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물 및 그 배합 방법 {LOW CARBON ECO-FRIENDLY CONCRETE COMPOSITION HAVING MULTI-COMPONENTS, AND MIXING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 저탄소 친환경 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로, OPC(Ordinary Portland Cement), 플라이애시(Fly Ash) 및 슬래그 미분말(Slag Powder)을 조합하여 결합재(Binder)로 사용하고 급랭전기로 산화슬래그를 잔골재로 사용하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물 및 이를 최적 배합하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물 및 그 배합 방법에 관한 것이다.
전세계적으로 지구온난화 방지를 위하여 다양한 형태의 노력을 기울이고 있고, 이산화탄소 등 온실가스의 배출량을 큰 폭으로 줄여야 하는 실정에 있다.
특히, 콘크리트(Concrete) 제조의 근간이 되는 시멘트(Cement) 1 톤을 생산하려면 약 0.9톤의 이산화탄소가 배출되며, 이러한 시멘트 산업은 철강산업과 더불어 주요 이산화탄소 배출 산업이므로 그 해결 방법 및 대체 물질이 제시가 시급히 요구되고 있다. 예를 들면, 국내의 시멘트 생산량은 1년에 약 6,000만 톤으로서, 약 5,400만 톤의 이산화탄소를 배출하고 있다. 이에 대한 타개책의 일환으로 이에 대한 타개책의 일환으로 고로슬래그, 플라이애시와 같은 산업부산물을 이용하여 시멘트를 대체하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.
특히, 국내외적으로 고로슬래그, 플라이애시 등을 시멘트와 일부 혼합하여 콘크리트에 많이 적용하고 있으나, 이러한 방법으로는 이산화탄소를 획기적으로 저감시키는데 한계가 있다. 예를 들면, 국외에서 중합반응에 의한 알칼리 활성화 시멘트(또는 콘크리트)에 관한 기술로서, 1978년 Davidovits(프랑스)에 의해 카올리나이트 광물질을 이용하고 제올라이트와 유사한 구조를 갖는 메커니즘에 대한 이론이 개념적으로 정립되었지만, 제조상의 문제점 및 경제성 등의 이유로 실용화가 이루어지지 않고 있다.
한편, 철강 슬래그(Iron and Steel Slag)는 철을 생산하는 과정에서 발생되는 산업부산물로서, 철강 제조공정에서 발생되는 철 이외의 불순물과 이러한 불순물을 제거하기 위해 투입되는 원료의 물리화학적 혼합에 의해 형성되며, 발생되는 공정에 따라 크게 고로 슬래그(Blast Furnace Slag)와 제강 슬래그(Steel Making Slag)로 분류할 수 있다.
구체적으로, 철강 슬래그 중에서 고로 슬래그는 고로에서 선철을 제조하는 과정에서 철광석과 코크스, 석회석 등에 존재하는 SiO2와 Al2O3 등이 고온에서 석회와 반응하여 생성된다. 이러한 고로 슬래그는 냉각 방식에 따라 급랭 슬래그인 수재 및 서냉 슬래그인 괴재로 분류할 수 있고, 이때, 수재는 포틀랜드 시멘트와 유사한 화학성분을 나타낼 뿐만 아니라 잠재수경성이 있기 때문에 시멘트 또는 시멘트대체재로 활용되고 있고, 괴재는 파쇄 및 입도선별의 과정을 거쳐 도로 노반재, 성토재 등으로 활용하고 있다.
또한, 철강 슬래그 중에서 제강 슬래그는 철을 강으로 제조하는 과정에서 발생되는 부산물로서, 공정에 따라 다시 전로 슬래그(Converter Slag)와 전기로 슬래그(Electric Arc Furnace Slag)로 분류할 수 있다. 이러한 제강 슬래그는 미반응된 CaO(Free-CaO)가 잔존하고 있기 때문에 물과 접촉하면 부피 팽창이 일어나고, 콘크리트용 골재 등으로 활용하고자 하는 경우, 일정 기간 야적하거나 증기를 이용하는 등의 에이징(Aging)에 의해 형성되며, 이에 따라 제강 슬래그는 불순물이 포함되지 않고 크롬이나 납과 같은 유해중금속이 용출되지 않는 친환경적인 부산물이라 할 수 있다.
이러한 철강 슬래그는 시멘트 원료, 토목용 골재 등으로 100% 재활용하고 있으나, 철강 생산량이 매년 증가함에 따라 슬래그의 에이징(Aging) 과정을 거치도록 하고 있다. 이러한 철강 슬래그는 1,500℃ 이상의 고온의 용광로에 발생하며, 그 발생량도 증가하고 있으며, 대부분 건설산업에 활용되는 특성상 건설경기에 따라 활용시기 및 활용 폭에 제한이 있을 수 있다. 이에 따라 중장기적인 관점에서 새로운 용도 개발을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
구체적으로, 제강 공정에서 발생되는 슬래그를 제강 슬래그라고 통칭하며, 공정별로 세분화하여 분류할 수 있으나, 일반적으로 전로 슬래그 및 전기로 슬래그로 구분할 수 있다. 2011년 국내의 제강 슬래그 발생량은 1,030만 톤이고, 주로 토목용 성토재, 도로 노반재 등으로 활용되고 있으며, 이외에 제철 공정에 재활용하거나 일부 벽돌용 골재 등으로 활용하고 있다. 이러한 제강 슬래그는 상기 고로 슬래그와 달리 잠재수경성이 낮아서 시멘트용으로는 활용이 곤란하기 때문에 주로 토목용 및 콘크리트용 골재로 활용하고 있으며, 이를 위해 최근 전기로 산화슬래그를 콘크리트용 골재로 활용할 수 있도록 규격이 개정(KSF 4571:2011.5)되었다. 또한, 이러한 제강 슬래그의 친환경, 고부가가치 활용 방안의 하나로서, 바다생태계 보전을 위한 슬래그 바다 숲 조성도 정부 주도하에 추진되고 있으며, 이러한 제강 슬래그를 골재로 활용한 콘크리트 구조물을 인공어초로 활용하고 있다.
다시 말하면, 이러한 철강 슬래그는 1,500℃ 이상의 고온의 용광로에서 형성되므로 불순물이 포함되지 않고 환경호르몬, 다이옥신과 같은 유해물질이 없으며, 크롬이나 납과 같은 유해중금속 이 용출되지 않는 자원순환형 재료라고 할 수 있다. 또한, 시멘트 원료 혹은 토목용 또는 콘크리트용 골재로 활용할 경우, 천연자원을 보전함과 동시에 에너지, CO2를 저감할 수 있는 재료이다. 이때, 이러한 철강 슬래그 중에서 제강 슬래그의 발생량은 꾸준히 증가할 것으로 예상되므로 발생 공정별로 다양한 물리화학적 특성을 가지는 제강 슬래그의 용도를 특화시키기 위한 연구개발이 필요한 실정이다.
한편, 철강산업의 발달과 함께 발생량이 증가하고 있는 철강 슬래그 중에서 고로 슬래그는 오랫동안 건설재료로 활용하기 위한 다양한 연구가 수행되었다. 그 결과로서, 1981년 12월 KS F 2544 「콘크리트용 고로슬래그 골재」를 시작으로 1997년 KS F 2563 「콘크리트용 고로슬래그 미분말」 등의 산업규격이 제정되어 건설 분야에서 안정적으로 활용되고 있다.
그러나 제강 슬래그의 경우, 1981년 KS F 2535 「도로용 철강 슬래그」가 제정되었으나, 이후 2007년에 와서야 콘크리트용 골재로서 활용하기 위한 KS F 4571 「콘크리트용 전기로 산화슬래그 잔골재」 규정, 2011년이 되어 굵은골재를 포함한 KS F 4571 「콘크리트용 전기로 산화슬래그 골재」가 제정되었다. 이와 같이 제강 슬래그 관련 KS가 제정되어 있음에도 불구하고 아직까지 콘크리트표준시방서에는 전기로 산화슬래그를 콘크리트용 골재로서 사용하는 것을 금지하고 있다. 그 이유로서 "전기로 슬래그나 전로 슬래그의 굵은골재는 고로 슬래그의 굵은골재와 달라서 불안정하므로 콘크리트용 골재로 사용하지 않아야 한다."라고 기술하고 있다. 이러한 배경에서 아직까지 제강 슬래그는 콘크리트용 골재로 활용되지 못하고 있고, 대부분 부가가치가 거의 없는 도로용 또는 성토용 골재에 한정되어 활용되고 있는 실정이다.
종래의 기술에 따르면, 산업부산물인 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, PS볼 등을 활용하여 저탄소 친환경 콘크리트 조성물 및 이를 최적으로 배합하는 구체적인 방법이 아직까지 제공되지 않고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허번호 제10-369432호(출원일: 2002년 8월 2일), 발명의 명칭: "제강 슬래그를 이용한 골재 제조방법 및 장치" 대한민국 등록특허번호 제10-1125485호(출원일: 2011년 12월 14일), 발명의 명칭: "PS Ball을 포함하는 투수성 아스팔트 콘크리트 조성물" 대한민국 등록특허번호 제10-797297호(출원일: 2001년 8월 22일), 발명의 명칭: "콘크리트 잔골재 대체용 슬래그 및 이를 포함하는 내구성이 우수한 콘크리트 조성물" 대한민국 등록특허번호 제10-1366174호(출원일: 2012년 4월 5일), 발명의 명칭: "친환경 콘크리트용 결합재 조성물" 대한민국 공개특허번호 제2006-119506호(공개일: 2006년 11월 24일), 발명의 명칭: "아토마이징된 제강슬래그를 포함하는 콘크리트 조성물 및 그 제조방법" 대한민국 공개특허번호 제1998-84280호(공개일: 1998년 12월 5일), 발명의 명칭: "제강슬래그를 주원료로 한 시멘트"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, OPC(Ordinary Portland Cement), 플라이애시(Fly Ash) 및 슬래그 미분말(Slag Powder)을 조합하여 결합재(Binder)로 사용하고, 급랭전기로 산화슬래그를 잔골재로 사용하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트에 있어서, 산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시, 급랭전기로 산화슬래그 등을 활용함으로써 친환경적인 다성분계 저탄소 콘크리트 조성물을 형성할 수 있는, 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물 및 그 배합 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시, 급랭전기로 산화슬래그 등을 활용하면서 친환경적인 콘크리트 분체 시공을 위하여 산업부산물이 혼입된 콘크리트의 재료적 특성 및 구조적 특성을 고려하여 최적의 콘크리트 분체 배합비를 결정할 수 있는, 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물 및 그 배합 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물은, OPC, 플라이애시 및 슬래그 미분말을 조합한 결합재, 잔골재, 굵은골재, 혼화제 및 배합수를 배합하여 형성되는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물로서, OPC(Ordinary Portland Cement), 플라이애시 및 슬래그 미분말을 조합한 100 중량부(Weight Part)의 결합재; 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 25~35 중량부의 배합수(W); 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 210~250 중량부의 잔골재; 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 220~260 중량부의 굵은골재; 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 0.8~1.5 중량부의 고성능감수제; 및 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 4~6 중량부의 혼화제(AE제) 를 포함하되, 상기 잔골재는 급랭전기로 산화슬래그인 PS볼을 100% 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 결합재는 분체 50% 치환조건으로서, (OPC 50% + F/A 15% + Slag 35%)로 조합되거나, 또는, 상기 결합재는 분체 65% 치환조건으로서, (OPC 35% + F/A 25% + Slag 40%)로 조합될 수 있다.
본 발명에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물은, 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 2~3 중량부의 자극제(Na2SO4)를 추가로 포함할 수 있다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합 방법은, OPC, 플라이애시(F/A) 및 슬래그 미분말(Slag)을 조합한 결합재, 자극제, 급랭전기로 산화슬래그로 이루어진 잔골재, 굵은골재, 혼화제 및 배합수를 배합하여 형성되는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트를 배합하는 방법에 있어서, a) 상기 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 분체(Powder) 배합을 위해 설계기준강도(fck)에 따라 배합 설계조건을 설정하는 단계; b) 배합강도 적용식에 따라 콘크리트 배합강도(fcr)를 계산 결정하는 단계; c) 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식에 따라 시험배합을 위한 물-결합재비(W/B)를 결정하는 단계; d) 상기 결정된 물-결합재비에 대한 보정식, 조립율 보정식 또는 공기량 보정식에 따라 잔골재율(S/A)을 보정하는 단계; e) 슬럼프, 공기량, 잔골재 조립률 및 잔골재율(S/A) 및 감수율에 따라 최종 단위 사용수량을 산출하는 단계; f) 상기 산출된 최종 단위 사용수량 및 상기 계산된 물/결합재비(W/B)에 따라 단위 결합재량을 결정하는 단계; g) 상기 배합강도, 물-결합재비, 잔골재율, 단위수량 및 단위 결합재량을 포함하는 배합요인별 설정값에 따라 콘크리트 시험체를 시험배합 및 보정하는 단계; h) 상기 물-결합재비(W/B)를 변화시키면서 압축강도시험을 통해 최적 물-결합재비(W/B)를 결정하고, 최적 단위 결합재 사용량을 결정하는 단계; 및 i) 상기 최적 물-결합재비(W/B)에 대응하는 결합재-물비(B/W)와 28일 압축강도의 상관관계에 따라 최적의 콘크리트 시방 배합을 최종적으로 결정하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 a) 단계의 배합 설계조건에서, 결합체 분체 조건은 1) OPC 100% 사용, 2) OPC 50% + F/A 15% + Slag 35% 사용, 3) OPC 50% + F/A 15% + Slag 35% + 자극제(Na2SO4) 사용, 4) OPC 35% + F/A 25% + Slag 40% 사용, 및 5) OPC 35% + F/A 25% + Slag 40% + 자극제(Na2SO4) 사용의 5가지 조건으로 구분하고, 공통조건으로서 Slump 150±25(㎜) 및 공기량 4.5±1.5(%)를 설정하며, 잔골재 대체 재료로서 상기 PS볼을 100% 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 b) 단계에서, 콘크리트 구조물의 안전을 위해서 현장에서의 품질변화 및 구조물의 중요도를 고려하여 설계기준 강도(fck)에 증가계수(α)를 곱한 것을 배합강도로 결정하며, 상기 증가계수(α)는 현장에서 예상되는 콘크리트 강도의 변동계수(V) 및 구조물의 중요도에 따라 결정될 수 있다.
여기서, 상기 b) 단계의 배합강도 적용식은,
Figure 112014063141734-pat00001
또는
Figure 112014063141734-pat00002
로 각각 주어지고, 콘크리트 배합강도(fcr)를 각각 계산하여 큰 값을 선택할 수 있다.
여기서, 상기 c) 단계에서 시험배합을 위한 물-결합재비(W/B)는 한국콘크리트 표준시방서 및 미국 ACI(콘크리트 학회)의 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식에 의해 각각 구해지고, 상기 한국콘크리트 표준시방서의 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식은 f28 = -21.0 + (21.5 x C/W)로 주어지고, 상기 미국 ACI의 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식은 f28 = -1.8 + (13.4 x C/W)로 주어지며, 상기 두 상관식의 평균값을 시험적용 물/결합재비로 결정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 e) 단계에서 혼화제인 고성능 AE감수제 사용에 따른 감수율을 추가 적용하여 최종 단위 사용수량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, OPC(Ordinary Portland Cement), 플라이애시(Fly Ash) 및 슬래그 미분말(Slag Powder)을 조합하여 결합재(Binder)로 사용하고, 급랭전기로 산화슬래그를 잔골재로 사용하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트에 있어서, 산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시, 급랭전기로 산화슬래그 등을 활용함으로써 친환경적인 다성분계 저탄소 콘크리트 조성물을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시, 급랭전기로 산화슬래그 등을 활용하면서 친환경적인 콘크리트 분체 시공을 위하여 산업부산물이 혼입된 콘크리트의 재료적 특성 및 구조적 특성을 고려하여 최적의 콘크리트 분체 배합비를 결정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 조성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 배합시험 원재료인 OPC, 플라이애시, 슬래그 미분말, 급랭전기로 산화슬래그 및 굵은골재를 각각 예시하는 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합시험에 사용되는 80배율의 급랭전기로 산화슬래그인 PS볼을 예시하는 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트에 대한 슬럼프 및 공기량 시험을 예시하는 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합시험을 위해 시험체를 제작하여 증기 양생시키는 것을 예시하는 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합 방법의 동작흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체 배합시 OPC를 단독조건에서 결합재-물비와 f28 압축강도의 상관관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체 배합시 분체 50% 치환조건에서 결합재-물비와 f28 압축강도의 상관관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체 배합시 자극제를 첨가한 분체 50% 치환조건에서 결합재-물비와 f28 압축강도의 상관관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체 배합시 분체 65% 치환조건에서 결합재-물비와 f28 압축강도의 상관관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체 배합시 자극제를 첨가한 분체 65% 치환조건에서 결합재-물비와 f28 압축강도의 상관관계를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물]
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 조성을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 조성물은, 결합재(Binder, 배합수(W), 잔골재(140), 굵은골재(150), 고성능감수제, 및 혼화제(AE제)를 포함한다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 조성물은, OPC(110), 플라이애시(F/A: 120) 및 슬래그 미분말(Slag: 130)을 조합한 결합재, 잔골재(140), 굵은골재(150), 혼화제 및 배합수를 배합하여 형성되는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물로서, OPC(Ordinary Portland Cement: 110), 플라이애시(F/A: 120) 및 슬래그 미분말(Slag Powder: 130)을 조합한 100 중량부(Weight Part)의 결합재(Binder); 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 25~35 중량부의 배합수(W); 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 210~250 중량부의 잔골재(140); 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 220~260 중량부의 굵은골재(150); 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 0.8~1.5 중량부의 고성능감수제; 및 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 4~6 중량부의 혼화제(AE제)를 포함하며, 이때, 상기 잔골재(140)는 급랭전기로 산화슬래그인 PS볼을 100% 사용한다.
여기서, 상기 결합재는 분체 50% 치환조건으로서, (OPC 50% + F/A 15% + Slag 35%)로 조합되거나, 또는, 상기 결합재는 분체 65% 치환조건으로서, (OPC 35% + F/A 25% + Slag 40%)로 조합될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
또한, 상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 2~3 중량부의 자극제(Na2SO4)를 추가로 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물의 실시예들로서, 예를 들면, OPC 100% 사용, OPC 50% + F/A 15% + Slag 35% 사용, OPC 50% + F/A 15% + Slag 35% + 자극제(Na2SO4) 사용, OPC 35% + F/A 25% + Slag 40% 사용, 및 OPC 35% + F/A 25% + Slag 40% + 자극제(Na2SO4) 사용으로 각각 구분한다. 또한, 공통조건으로는 Slump 150±25(㎜) 및 공기량 4.5±1.5(%)를 설정하고, 기존의 잔골재 대체 재료로서 PS볼을 100% 사용하며, 또한, 굵은골재로는 20mm 쇄석골재를 사용하고, 혼화제로는 고성능 AE감수제(PC계)를 사용할 수 있고, 각각의 구체적인 배합비에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 배합시험 원재료인 OPC, 플라이애시, 슬래그 미분말, 급랭전기로 산화슬래그 및 굵은골재를 각각 예시하는 사진이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합시험에 사용되는 80배율의 급랭전기로 산화슬래그, 예를 들면, PS볼을 예시하는 사진이다.
본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 배합시험 원재료로서, 도 3a는 1종 시멘트인 OPC(110)를 나타내고, 도 3b는 플라이애시(120)를 나타내며, 도 3c는 슬래그 미분말(130)을 나타내고, 도 3d는 급랭전기로 산화슬래그 , 예를 들면, PS볼(140)을 나타내고, 도 3e는 굵은골재를 각각 나타낸다.
여기서, 급랭전기로 산화슬래그(140)인 PS(Precious Slag) 볼은 종래 Fe-CaO 등이 함유되어 있는 제강슬래그를 파쇄하여 단순용도(성토용, 매립용 등)에 사용하던 파쇄 슬래그와는 달리 제철소의 제강 과정에서 발생하는 용융 제강 슬래그에 SAT(Slag Atomizing Technology) 공법을 적용하여 고속의 공기를 이용하여 용융상태에서 급냉시켜 구형화한 것이다. 이러한 급랭전기로 산화슬래그(140)는 수침팽창비가 국내(1.5%) 및 일본(0.5%)의 기준규격을 만족하는 0.5% 미만의 것으로, 상기의 PS 볼은 유해성분들을 모두 연소시켜 자연환경에 전혀 무해한 Fe2O3, CaO, SiO2, MgO, MnO, Al2O3, TiO2와 같은 안정된 다양한 종류의 금속산화물을 함유하고 있어 강도가 높고 안정적이며, 또한, 그 형상이 구형화되어 있어 배수가 용이하다. 즉, 이러한 급랭전기로 산화슬래그(140)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 구형의 형상을 가짐으로써 마찰저항성 감소되어 투수성 아스팔트 콘크리트 포장에 있어서는 주행성 확보와 포장시공시 유동성과 충전성이 향상되며, 높은 강도와 경도, 내구성 증대 및 낮은 흡수율 등의 뛰어난 물리적 성질을 지니고 있고, 특히, 골재와 시멘트, 아스팔트와의 결합력이 뛰어나고 슬래그의 분화팽창 등의 불안정성을 최소화 등의 환경 친화적 소재로 장점을 가지고 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트로서, OPC(110), 플라이애시(120) 및 슬래그 미분말(130)을 조합한 결합재(Binder), 자극제, PS볼로 이루어진 잔골재(140), 굵은골재(150), 혼화제 및 배합수를 배합하여 형성되며, 상기 결합재(Binder), 자극제, 급랭전기로 산화슬래그로 이루어진 잔골재(140), 굵은골재(150), 혼화제 및 배합수의 최적 배합 방법에 대해서는 후술하기로 한다.
또한, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트에 대한 슬럼프 및 공기량 시험을 예시하는 사진이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합시험을 위해 시험체를 제작하여 증기 양생시키는 것을 예시하는 사진이다.
도 5의 a)는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트에 대한 슬럼프 시험을 나타내고, 도 5의 b)는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트에 대한 공기량 시험을 예시한다.
또한, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합시험을 위해 시험체(200)를 나타내며, 증기양생조건에서 양생시킬 수 있다. 구체적인 증기양생조건으로서, 몰딩 → 2시간 상온방치 → 2시간에 걸쳐 55℃까지 승온 (20℃ 이하/hr) → 유지(52~58 ℃, 6hr) → 하강(10℃ 이하/hr) → 2시간 상온방치 후 탈형 → 습윤 양생의 과정을 거치게 된다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, OPC(Ordinary Portland Cement), 플라이애시(Fly Ash) 및 슬래그 미분말(Slag Powder)을 조합하여 결합재(Binder)로 사용하고 급랭전기로 산화슬래그를 잔골재로 사용하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트에 있어서, 산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시, 급랭전기로 산화슬래그 등을 활용함으로써 친환경적인 다성분계 저탄소 콘크리트 조성물을 형성할 수 있다.
[다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합 방법]
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합 방법의 동작흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합 방법은, 먼저, OPC(110), 플라이애시(120) 및 슬래그 미분말(130)을 조합한 결합재(Binder), 자극제, 급랭전기로 산화슬래그로 이루어진 잔골재(140), 굵은골재(150), 혼화제 및 배합수를 배합하여 형성되는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트를 배합하도록 설계기준강도에 따라 콘크리트 배합 설계조건을 설정한다(S110).
본 발명의 실시예에 따른 배합설계 조건으로서, 하기 표 1에 도시된 바와 같이, 슬럼프, 공기량, 결합재 분체조건, 자극제 사용여부, 결합재 조건, 골재조건 및 혼화제 등을 설정하고, 이때, 결합재 분체조건에 따라 OPC 단독 사용, 분체 50% 치환조건 및 분체 65% 치환조건으로 구분한다. 예를 들면, OPC 100% 사용, OPC 50% + F/A 15% + Slag 35% 사용, OPC 50% + F/A 15% + Slag 35% + 자극제(Na2SO4) 사용, OPC 35% + F/A 25% + Slag 40% 사용, 및 OPC 35% + F/A 25% + Slag 40% + 자극제(Na2SO4) 사용으로 각각 구분한다. 또한, 공통조건으로는 Slump 150±25(㎜) 및 공기량 4.5±1.5(%)를 설정하고, 기존의 잔골재 대체 재료로서 PS볼을 100% 사용하는 것으로 한다. 또한, 굵은골재로는 20mm 쇄석골재를 사용하고, 혼화제로는 고성능 AE감수제(PC계)를 사용하는 것으로 설정한다. 이러한 콘크리트 배합 설계조건은 임의로 선택될 수 있다. 여기서, 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 배합설계 조건을 구체적으로 나타낸다.
Figure 112014063141734-pat00003
Figure 112014063141734-pat00004
또한, 표 3은 본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트에서 결합재를 구체적으로 나타내고 있고, 또한, 표 4는 골재 종류를 구체적으로 나타내며, 또한, 표 5는 혼화제를 구체적으로 나타낸다.
Figure 112014063141734-pat00005
Figure 112014063141734-pat00006
Figure 112014063141734-pat00007
다음으로, 강도의 표준편차(S) 및 변동계수(V)를 고려한 콘크리트 배합강도 적용식에 따라 콘크리트 배합강도를 계산하여 결정한다(S120). 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 배합강도 결정식은 표 6에 나타낸 바와 같다.
Figure 112014063141734-pat00008
즉, 대부분의 레미콘 공장에서는 콘크리트 배합설계시 콘크리트 구조물의 안전을 위해서 현장에서의 품질변화 및 구조물의 중요도를 고려하여 설계기준 강도(fck)에 증가계수 α를 곱한 것을 배합강도로 결정하는 경우가 일반적이다. 여기서, 증가계수 α는 현장에서 예상되는 콘크리트 강도의 변동계수(V) 및 구조물의 중요도에 따라 결정되는데 현장에서 예상되는 품질관리 정도에 따른 콘크리트의 압축강도 변동계수 값은 다음의 표 7에 나타낸 바와 같다.
Figure 112014063141734-pat00009
본 발명의 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 배합강도는, 예를 들면, 철도건설의 PC용 콘크리트 생산이 PC제작장의 자체 레미콘 배치 플랜트에서 제조되므로 우수한 배치 플랜트에서 잘 관리된 상태(관리정도 "우수")로 적용하여 변동계수(V)를 10.0%로 적용하여 계산한 결과는 다음의 표 8에 도시된 바와 같고, 여기서, 28일 배합강도는 Eq1, 2중 큰 값인 Eq 2의 41 MPa로 결정하였다.
Figure 112014063141734-pat00010
다음으로, 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식에 따라 시험배합을 위한 물-결합재비를 결정한다(S130). 구체적으로, 콘크리트의 물-결합재비는 소요의 강도, 내구성, 수밀성 및 균열저항성을 고려하여 작업이 가능한 범위 내에서 최소가 되도록 시험에 의하여 결정하는 것을 원칙으로 하고 있다. 따라서 표 9에 나타낸 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식을 참고로 하여 시험배합을 위한 물-결합재비(W/B)를 결정할 수 있다.
Figure 112014063141734-pat00011
구체적으로, 한국콘크리트 표준시방서의 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식은 f28 = -21.0 + (21.5 x C/W)로 주어지고, 미국 ACI의 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식은 f28 = -1.8 + (13.4 x C/W)로 주어질 수 있다.
예를 들면, 콘크리트 학회 제안식에 따르면, B/W는 (41+21)/21.5 = 2.884이고, W/B는 34.7%로 주어지고, 또한, 미국 ACI(콘크리트학회)에 따르면, B/W는 (41+1.8)/13.4 = 3.194이고, W/B는 31.3%로 주어질 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 시험적용 물/결합재비는 ( 34.7 + 31.3 )/2로서 33.0%로 주어질 수 있다.
다음으로, 상기 결정된 W/B에 대한 보정식, 조립율 보정식 및 공기량 보정식에 따라 잔골재율(S/A)을 보정한다(S140).
예를 들면, 상기 PS볼을 100% 사용하는 잔골재(140)에 대한 잔골재율(S/A)은, 굵은골재 20㎜일 때, 콘크리트 시방서에 따라 45%이고, 조립율 보정식은 [(3.07-2.80)/0.1] x 0.5 ≒ 1.35%이고, 상기 W/B에 대한 보정식은 [(33.0 - 55.0)/5.0] x 1.0 ≒ -4.4%로 주어지고, 공기량 보정식은 [(4.5 - 4.5)/0.1] x 1.0 = 0.0% 로 주어지므로, 최종 잔골재율(S/A)은 (45 + 1.35 - 4.4 + 0.0) ≒ 42.0%로 계산될 수 있다.
다음으로, 슬럼프, 공기량, 잔골재 조립률 및 잔골재율(S/A)에 따라 보정하고, 혼화제인 고성능 AE감수제 사용에 따른 감수율을 추가 적용하여 최종 단위 사용수량을 산출한다(S150).
예를 들면, 20mm 굵은골재로 슬럼프 80mm 제작을 위해서 소요되는 사용수량 표준이 165㎏인 경우, 슬럼프에 의한 보정은 (150-80 mm)/10 x 0.012 x 165㎏ = 13.86㎏이고, 공기량에 대한 보정은 없고, 잔골재 조립률에 따른 보정은 보정하지 않는 것으로 하며, S/A에 따른 보정은 [(40.7 - 43.0)/ 1.0] x 1.5≒ -3.5㎏이 된다. 또한, 고성능 AE감수제 사용에 따른 감수율을 추가 적용하면 약 6%가 되고, 예를 들면, 165㎏(AE제 사용시의 단위 수량) x 0.06 ≒ - 10㎏인 경우, 최종 단위 사용수량은 (165 + 13.86 + 0.0 + 0.0 - 3.5 - 10) ≒ 165㎏으로 계산될 수 있다.
다음으로, 상기 산출된 최종 단위 사용수량 및 상기 계산된 물/결합재비에 따라 단위결합재량을 결정한다(S160). 예를 들면, 산출된 최종 단위 사용수량이 165㎏이고, 상기 계산된 물/결합재비(S/A)가 33.0이므로, 단위결합재량은 (165/33.0) x 100 = 500㎏/㎥가 된다.
다음으로, 표 10에 도시된 바와 같이, 상기 배합강도, 물-결합재비, 잔골재율, 단위수량 및 단위 결합재량을 포함하는 배합요인별 설정값에 따라 콘크리트 시험체를 시험배합 및 보정한다(S170). 즉, 배합요인별 설정값으로서, 배합강도가 41.0 MPa이고, 물-결합재비(W/B)가 33.0%이며, 잔골재율(S/a)이 42.0%이고, 단위수량(W)이 165㎏/㎥이며, 단위 결합재량(B)은 500㎏/㎥로 주어진다. 이러한 배합요인별 설정값에 따라 콘크리트 시험체를 시험배합하고, 후속적으로, 이를 보정하게 된다.
Figure 112014063141734-pat00012
다음으로, 상기 시험 배합된 콘크리트 시험체에 대해 각각의 물-결합재비를 변화시키면서 압축강도시험을 통해 최적 물-결합재비를 결정하고, 최적 단위 결합재 사용량을 결정한다(S180).
다음으로, 상기 산출된 최적 물-결합재비(W/B)에 대응하는 결합재-물비(B/W)와 재령 28일(f28) 압축강도와의 상관관계식에 따라 최적의 콘크리트 시방 배합을 최종적으로 결정한다(S190).
전술한 S180 단계 및 S190 단계를 하기 제1 실시예 내지 제5 실시예에 따라 구체적으로 설명하기로 한다.
[제1 실시예: OPC 단독 조건으로 배합된 콘크리트 시험체]
본 발명의 제1 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체는 OPC를 단독조건으로 하여 배합된 경우, 물-결합재비 변화에 따른 압축강도 변화특성으로서, 결합재-물비 변화에 따른 압축강도시험을 통해 최적 물-결합재비를 결정하고 단위 결합재 사용량을 결정하기 위하여, 시험배합을 통해 도출한 배합조건을 중심으로 하여 물-결합재비를 -5 ~ +5% 범위로 변동을 주어 시험을 하였다. 이에 따라 표 11은 W/B 변동에 따른 단위 재료량을 나타내고, 표 12는 시험결과를 나타낸다.
Figure 112014063141734-pat00013
Figure 112014063141734-pat00014
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체 배합시 OPC를 단독조건에서 결합재-물비와 f28 압축강도의 상관관계를 나타내는 도면이다.
B/W-f28 강도와의 상관식으로서, 배합강도는 19.354 x (C/W) - 12.9가 되며, B/W = [(41 + 12.9)/19.354] = 2.785가 되며, W/B = (1/2.785) x 100 = 35.9%이고, 단위 수량 = 141㎏이며, 단위 결합재량 = (151/35.9) x 100 = 393㎏이고, S/A = 42.1 + [(35.9 - 31.5) x 1.0] = 43.0%가 되며, 이를 고려하여 최종적으로 결절된 최적의 콘크리트 시방 배합은 다음의 표 13에 나타낸 바와 같다.
Figure 112014063141734-pat00015
[제2 실시예: 분체 50% 치환조건으로 배합된 콘크리트 시험체]
본 발명의 제2 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체는 분체 50% 치환조건으로 하여 배합된 경우, 물-결합재비 변화에 따른 압축강도 변화특성으로서, 결합재-물비 변화에 따른 압축강도시험을 통해 최적 물-결합재비를 결정하고 단위 결합재 사용량을 결정하기 위하여, 시험배합을 통해 도출한 배합조건을 중심으로 하여 물-결합재비를 -5 ~ +5% 범위로 변동을 주어 시험을 하였다. 이에 따라 표 14는 W/B 변동에 따른 단위 재료량을 나타내고, 표 15는 시험결과를 나타낸다.
Figure 112014063141734-pat00016
Figure 112014063141734-pat00017
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체 배합시 분체 50% 치환조건에서 결합재-물비와 f28 압축강도의 상관관계를 나타내는 도면이다.
B/W-f28 강도와의 상관식으로서, 배합강도는 11.541 x (B/W) +1.947이 되며, B/W = [(41 + 1.947)/11.541] = 3.384가 되며, W/B = (1/3.384) x 100 = 29.6%이고, 단위 수량 = 133㎏이며, 단위 결합재량 = (133/29.6) x 100 = 449㎏이고, S/A = 41.1 + [(29.6 - 30.8)/5.0] x 1.0% = 40.9%가 되며, 이를 고려하여 최종적으로 결절된 최적의 콘크리트 시방 배합은 다음의 표 16에 나타낸 바와 같다.
Figure 112014063141734-pat00018
[제3 실시예: 자극제를 첨가한 분체 50% 치환조건으로 배합된 콘크리트 시험체]
본 발명의 제2 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체는 자극제(Na2SO4)를 첨가한 분체 50% 치환조건으로 하여 배합된 경우, 물-결합재비 변화에 따른 압축강도 변화특성으로서, 결합재-물비 변화에 따른 압축강도시험을 통해 최적 물-결합재비를 결정하고 단위 결합재 사용량을 결정하기 위하여, 시험배합을 통해 도출한 배합조건을 중심으로 하여 물-결합재비를 -5 ~ +5% 범위로 변동을 주어 시험을 하였다. 이에 따라 표 17은 W/B 변동에 따른 단위 재료량을 나타내고, 표 18은 시험결과를 나타낸다.
Figure 112014063141734-pat00019
Figure 112014063141734-pat00020
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체 배합시 자극제를 첨가한 분체 50% 치환조건에서 결합재-물비와 f28 압축강도의 상관관계를 나타내는 도면이다.
B/W-f28 강도와의 상관식으로서, 배합강도는 9.635 x (B/W) + 10.684가 되며, B/W = [(41 + 10.684)/9.635] = 3.147이 되며, W/B = (1/3.147) x 100 = 31.8%이고, 단위 수량 = 133㎏이며, 단위 결합재량 = (133/31.8) x 100 = 418㎏이고, S/A = 41.1 + [(31.8 - 30.8)/5.0] x 1.0% = 41.8%가 되며, 이를 고려하여 최종적으로 결절된 최적의 콘크리트 시방 배합은 다음의 표 19에 나타낸 바와 같다.
Figure 112014063141734-pat00021
[제4 실시예: 분체 65% 치환조건으로 배합된 콘크리트 시험체]
본 발명의 제4 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체는 분체 65% 치환조건으로 하여 배합된 경우, 물-결합재비 변화에 따른 압축강도 변화특성으로서, 결합재-물비 변화에 따른 압축강도시험을 통해 최적 물-결합재비를 결정하고 단위 결합재 사용량을 결정하기 위하여, 시험배합을 통해 도출한 배합조건을 중심으로 하여 물-결합재비를 -5 ~ +5% 범위로 변동을 주어 시험을 하였다. 이에 따라 표 20은 W/B 변동에 따른 단위 재료량을 나타내고, 표 21은 시험결과를 나타낸다.
Figure 112014063141734-pat00022
Figure 112014063141734-pat00023
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체 배합시 분체 65% 치환조건에서 결합재-물비와 f28 압축강도의 상관관계를 나타내는 도면이다.
B/W-f28 강도와의 상관식으로서, 배합강도는 10.875 x (B/W) - 0.506이 되며, B/W = [(41 + 0.506)/10.875] = 3.816이 되며, W/B = (1/3.816) x 100 = 26.2%이고, 단위 수량 = 121㎏이며, 단위 결합재량 = (121/26.2) x 100 = 462㎏이고, S/A = 42.1 + [(26.2 - 27.1)/5.0] x 1.0% = 41.9%가 되며, 이를 고려하여 최종적으로 결절된 최적의 콘크리트 시방 배합은 다음의 표 22에 나타낸 바와 같다.
Figure 112014063141734-pat00024
[제5 실시예: 자극제를 첨가한 분체 65% 치환조건으로 배합된 콘크리트 시험체]
본 발명의 제5 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체는 자극제(Na2SO4)를 첨가한 분체 65% 치환조건으로 하여 배합된 경우, 물-결합재비 변화에 따른 압축강도 변화특성으로서, 결합재-물비 변화에 따른 압축강도시험을 통해 최적 물-결합재비를 결정하고 단위 결합재 사용량을 결정하기 위하여, 시험배합을 통해 도출한 배합조건을 중심으로 하여 물-결합재비를 -5 ~ +5% 범위로 변동을 주어 시험을 하였다. 이에 따라 표 23은 W/B 변동에 따른 단위 재료량을 나타내고, 표 24는 시험결과를 나타낸다.
Figure 112014063141734-pat00025
Figure 112014063141734-pat00026
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따른 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 시험체 배합시 자극제를 첨가한 분체 65% 치환조건에서 결합재-물비와 f28 압축강도의 상관관계를 나타내는 도면이다.
B/W-f28 강도와의 상관식으로서, 배합강도는 5.437 x (B/W) + 21.818이 되며, B/W = [(41 + 21.818)/5.437] = 3.528이 되며, W/B = (1/3.528) x 100 = 28.3%이고, 단위 수량 = 121㎏이며, 단위 결합재량 = (121/28.3) x 100 = 427㎏이고, S/A = 41.1 + [(28.3 - 27.1)/5.0] x 1.0% = 42.3%가 되며, 이를 고려하여 최종적으로 결정된 최적의 콘크리트 시방 배합은 다음의 표 25에 나타낸 바와 같다.
Figure 112014063141734-pat00027
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, OPC, 플라이애시 및 슬래그 미분말을 조합하여 결합재로 사용하고 급랭전기로 산화슬래그를잔골재로 사용하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트에 있어서, 산업부산물인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시, 급랭전기로 산화슬래그 등을 활용하면서 친환경적인 콘크리트 분체 시공을 위하여 산업부산물이 혼입된 콘크리트의 재료적 특성 및 구조적 특성을 고려하여 최적의 콘크리트 분체 배합비를 결정할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: OPC(1종 시멘트)
120: 플라이애시(Fly Ash)
130: 슬래그 미분말(Slag Powder)
140: 잔골재(급랭전기로 산화슬래그)
150: 굵은골재
200: 시험체

Claims (10)

  1. OPC(110), 플라이애시(F/A: 120) 및 슬래그 미분말(Slag: 130)을 조합한 결합재, 잔골재(140), 굵은골재(150), 혼화제 및 배합수를 배합하여 형성되는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물로서,
    OPC(Ordinary Portland Cement: 110), 플라이애시(F/A: 120) 및 슬래그 미분말(Slag Powder: 130)을 조합한 100 중량부(Weight Part)의 결합재(Binder);
    상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 25~35 중량부의 배합수(W);
    상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 210~250 중량부의 잔골재(140);
    상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 220~260 중량부의 굵은골재(150);
    상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 0.8~1.5 중량부의 고성능감수제; 및
    상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 4~6 중량부의 AE제;
    상기 100 중량부의 결합재를 기준으로 2~3 중량부의 Na2SO4
    를 포함하되,
    상기 잔골재(140)는 급랭전기로 산화슬래그인 PS볼을 100% 사용하는 것을 특징으로 하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결합재는 분체 50% 치환조건으로서, (OPC 50% + F/A 15% + Slag 35%)로 조합되는 것을 특징으로 하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결합재는 분체 65% 치환조건으로서, (OPC 35% + F/A 25% + Slag 40%)로 조합되는 것을 특징으로 하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 조성물.
  4. 삭제
  5. 제1항의 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트를 배합하는 방법에 있어서,
    a) 상기 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트의 분체(Powder) 배합을 위해 설계기준강도(fck)에 따라 배합 설계조건을 설정하되, 배합 설계조건으로 Slump 150±25(㎜) 및 공기량 4.5±1.5(%)로 설정하는 단계;
    b) 배합강도 적용식에 따라 콘크리트 배합강도(fcr)를 계산 결정하는 단계;
    c) 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식에 따라 시험배합을 위한 물-결합재비(W/B)를 결정하는 단계;
    d) 상기 결정된 물-결합재비에 대한 보정식, 조립율 보정식 또는 공기량 보정식에 따라 잔골재율(S/A)을 보정하는 단계;
    e) 슬럼프, 공기량, 잔골재 조립률, 잔골재율(S/A) 및 고성능감수제와 AE제의 사용에 따른 감수율에 따라 최종 단위 사용수량을 산출하는 단계;
    f) 상기 산출된 최종 단위 사용수량 및 상기 계산된 물/결합재비(W/B)에 따라 단위 결합재량을 결정하는 단계;
    g) 상기 배합강도, 물-결합재비, 잔골재율, 단위수량 및 단위 결합재량을 포함하는 배합요인별 설정값에 따라 콘크리트 시험체를 시험배합 및 보정하는 단계;
    h) 상기 물-결합재비(W/B)를 변화시키면서 압축강도시험을 통해 최적 물-결합재비(W/B)를 결정하고, 최적 단위 결합재 사용량을 결정하는 단계; 및
    i) 상기 최적 물-결합재비(W/B)에 대응하는 결합재-물비(B/W)와 28일 압축강도의 상관관계에 따라 최적의 콘크리트 시방 배합을 최종적으로 결정하는 단계
    를 포함하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 a) 단계의 배합 설계조건에서, 결합재 분체 조건은 1) OPC 50% + F/A 15% + Slag 35% 사용, 2) OPC 35% + F/A 25% + Slag 40% 사용의 2가지 조건으로 구분하여 설정하는 것을 특징으로 하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 b) 단계에서, 콘크리트 구조물의 안전을 위해서 현장에서의 품질변화 및 구조물의 중요도를 고려하여 설계기준 강도(fck)에 증가계수(α)를 곱한 것을 배합강도로 결정하며, 상기 증가계수(α)는 현장에서 예상되는 콘크리트 강도의 변동계수(V) 및 구조물의 중요도에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 b) 단계의 배합강도 적용식은,
    Figure 112014063141734-pat00028
    또는
    Figure 112014063141734-pat00029
    로 각각 주어지고, 콘크리트 배합강도(fcr)를 각각 계산하여 큰 값을 선택하는 것을 특징으로 하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 시험배합을 위한 물-결합재비(W/B)는 한국콘크리트 표준시방서 및 미국 ACI(콘크리트 학회)의 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식에 의해 각각 구해지고, 상기 한국콘크리트 표준시방서의 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식은 f28 = -21.0 + (21.5 x C/W)로 주어지고, 상기 미국 ACI의 물-결합재와 28일 압축강도간의 상관식은 f28 = -1.8 + (13.4 x C/W)로 주어지며, 상기 두 상관식의 평균값을 시험적용 물/결합재비로 결정하는 것을 특징으로 하는 다성분계 저탄소 친환경 콘크리트 배합 방법.
  10. 삭제
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