KR101797350B1 - PSC(Pre-stressed concrete) 거더용 고강도 콘크리트 조성물 - Google Patents

PSC(Pre-stressed concrete) 거더용 고강도 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명은 시멘트 7.5~12.6 중량%, 고로슬래그 미분말 조성물 12.6~17.7 중량%, 잔골재 27.0~31.0 중량%, 굵은골재 37.0~41.0 중량%, 혼화제 0.1~0.3 중량% 및 물 6.3~7.6 중량%를 포함하며, 고로슬래그 미분말 조성물은 고로슬래그 미분말, 탈황슬래그 및 석고를 포함하는 PSC(Pre-stressed concrete) 거더용 고강도 콘크리트 조성물을 제공하며, 이에 따르면, 고강도의 효과로 인하여 PSC 거더의 높이 및 폭을 줄일 뿐만 아니라, 시멘트의 비율을 낮춰 가격 경쟁력을 확보하고, 고로슬래그 미분말의 비율을 높여 이산화탄소 배출량을 최소화하는 친환경적인 PSC 거더를 생산할 수 있는 효과가 있다.

Description

PSC(Pre-stressed concrete) 거더용 고강도 콘크리트 조성물{HIGH STRENGTH CONCTETE COMPOSITION FOR PSC GIRDER}
본 발명은 PSC(Pre-stressed concrete) 거더용 고강도 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
거더는 교량이 내하력을 확보할 수 있도록 교각의 상부에 설치되는 것으로, 거더의 상부에는 콘크리트 슬래브 등이 포설된다. 교량의 내하력을 증가시키고, 과하중으로 인한 처짐이나 균열 등에 저항할 수 있도록 긴장력을 도입하여 제조된 PSC(Pre-Stressed Concrete) 거더가 사용된다. 상기 PSC 거더는 인장에 취약한 콘크리트의 특성을 보완하기 위한 것으로, 고강도 강연선을 이용하여 콘크리트 거더에 사전 압축력을 도입함으로써 인장에 저항할 수 있도록 한 구조이다. 이때 교량의 길이가 증가할수록 강성과 강도 확보를 위해 콘크리트 단면은 높이와 폭이 커지게 되는데, 이 커진 단면에 프리스트레스(Pre-Stress)를 도입하기 위해서는 수십 개의 강연선이 설치되어야 한다.
이러한 PSC 거더용 콘크리트는 고강도 강연선에 의한 높은 사전 압축력에 저항하기 위해 30MPa 이상의 높은 압축강도를 강연선 긴장력 도입 시에 보유하고 있어야 한다. 일반적으로 짧은 공정 하에 효율적으로 PSC 거더를 제작하기 위해 시멘트 함량을 상대적으로 높힌 콘크리트 배합을 사용하고 60℃를 6시간 이상 유지하는 증기양생법을 사용하고 있다.
시멘트 함량을 기존보다 더 높힌 콘크리트 배합은 콘크리트 압축강도를 향상시킬 수 있지만, 높은 수화열 발생, 이산화탄소 배출량 증가, 원가 증가 등의 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 시멘트 대신 치환하여 사용하는 방법에 공개되어 있으며, 시멘트의 일부를 고로슬래그 미분말로 치환함으로써 수화열 저감, 수밀성 향상, 유동성 향상, 내구성 향상, 이산화탄소 배출량 저감 등의 많은 이점을 얻는다. 하지만, 상기 고로슬래그 미분말의 잠재수경성 특성으로 인해 압축강도발현이 지연되어 PSC 거더 생산에 있어 중요한 인자인 조기 긴장력 도입강도(설계기준 압축강도의 70~80%) 확보에 어려움이 있다. 따라서, 고로슬래그 미분말을 포함하는 콘크리트 배합을 PSC 거더에 적용하기 위해서는 고로슬래그 미분말 치환율에 한계가 있는 것이 현실이다.
본 발명은 고로슬래그 미분말을 시멘트 대체제로 다량 포함하는 PSC 거더용 고강도 콘크리트 조성물 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시멘트 7.5~12.6 중량%, 고로슬래그 미분말 조성물 12.6~17.7 중량%, 잔골재 27.0~31.0 중량%, 굵은골재 37.0~41.0 중량%, 혼화제 0.1~0.3 중량% 및 물 6.3~7.6 중량%를 포함하며, 고로슬래그 미분말 조성물은 고로슬래그 미분말, 탈황슬래그 및 석고를 포함하는 PSC(Pre-stressed concrete) 거더용 고강도 콘크리트 조성물을 제공한다.
상기 고로슬래그 미분말 조성물은 고로슬래그 미분말 85 내지 95 중량%, 탈황슬래그 3 내지 10 중량% 및 석고 1 내지 5 중량%를 포함할 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말은 분말도가 2,700 내지 10,000cm2/g일 수 있다.
상기 시멘트 및 고로슬래그 미분말 조성물의 함량비는 1:1 ~ 1.5일 수 있다.
상기 콘크리트 조성물은 1일 압축강도 50MPa 이상이고, 28일 압축강도 60MPa 이상일 수 있다.
본 발명에 따르면, 고강도의 효과로 인하여 PSC 거더의 높이 및 폭을 줄일 뿐만 아니라, 시멘트의 비율을 낮춰 가격 경쟁력을 확보하고, 고로슬래그 미분말의 비율을 높여 이산화탄소 배출량을 최소화하는 친환경적인 PSC 거더를 생산할 수 있는 효과가 있다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 PSC(Pre-stressed concrete) 거더용 고강도 콘크리트 조성물에 관한 것으로, PSC(Pre-stressed concrete) 거더를 제조하는 데에 사용되는 콘크리트 조성물에 철강산업에서 부산물로 발생되는 고로슬래그 미분말을 사용함으로써, 원가 절감에 따른 경제적인 효과를 거둘 수 있을 뿐만 아니라, 이산화탄소(CO2) 발생량을 현저하게 감소시켜 환경 부담을 경감시킬 수 있다.
다만, 고로슬래그 미분말은 통상 칼슘(Ca), 규소(Si), 알루미늄(Al) 등의 이온을 포함하며, 상기 고로슬래그 미분말에 물을 투입하면 미분말 표면에 비결정질 피막이 형성되어, 내부의 Ca2 +, Al2 + 등의 용출이 이루어지지 않는다. 또한, 고로슬래그 미분말은 수산기이온(OH-) 및 황산염(SO4 2-, S2O3) 등과 접촉 시에 반응(경화)하는 잠재 수경성을 가지므로 수화반응 속도가 느리다. 이로 인해, 고로슬래그 미분말의 반응은 2차적으로 시작되어 수화반응이 조기에 일어나지 않게 되고, 그 결과, 초기 압축강도가 발현이 저하된다. 또한, 공기지연 및 경제성 악화라는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에서와 같이 다량의 고로슬래그를 포함하는 PSC 거더용 콘크리트 조성물을 제공하고자 하는 경우에는, 상기 조성물에 포함되는 각 성분들의 배합비를 최적화함으로써, 1일 압축강도가 50MPa 이상이고, 28일 압축강도가 60MPa 이상인 PSC 거더 제조에 최적화된 고강도 콘크리트 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 본 발명의 콘크리트 조성물은 시멘트 7.5~12.6 중량%, 고로슬래그 미분말 조성물 12.6~17.7 중량%, 잔골재 27.0~31.0 중량%, 굵은골재 37.0~41.0 중량%, 혼화제 0.1~0.3 중량% 및 물 6.3~7.6 중량%를 포함하며, 상기 고로슬래그 미분말 조성물은 고로슬래그 미분말, 탈황슬래그 및 석고를 포함하여 조성된다.
이때, 본 발명의 콘크리트 조성물에 포함되는 고로슬래그 미분말 조성물의 함량은 12.6~17.7 중량%일 수 있다. 상기 고로슬래그 미분말 조성물의 함량이 12.6 중량% 미만이면 28일 압축강도가 저하할 뿐만 아니라 경제적 및 친환경적 효과가 미미할 수 있고, 17.7 중량% 초과하면 경화 속도가 매우 느려져 초기의 압축강도가 현저히 저하될 수 있고, 점성의 상승으로 인한 작업성의 저하가 문제될 수 있다.
본 발명의 고로슬래그 미분말 조성물은 고로슬래그 미분말, 탈황슬래그 및 석고를 포함하여 조성될 수 있다.
본 발명에서 사용하는 고로슬래그 미분말은 용광로 제선 과정 중에서 발생하는 것으로서, 슬래그 배출 시에 고온 용융상태의 고로 슬래그를 살수 급냉함으로써 5mm 미만의 비결정질 알갱이 상태로 형성되는 수재슬래그를 사용할 수 있다. 또는, 상기 수재슬래그를 분말화해 사용하는 것이 작업성을 보다 향상시킬 수 있어 바람직하다.
상기 고로슬래그 미분말은 전체 고로슬래그 미분말 조성물 100 중량%에 대하여 85 내지 95 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 고로슬래그 미분말의 함량이 85 중량% 미만이면 급속한 경화로 인해 유도성 저하 문제가 발생할 수 있고, 95 중량%를 초과하면 초기 경화가 늦어져 경화시간이 과도하게 소요될 수 있다.
본 발명에서 고로슬래그 미분말은 경화 반응하기 위해서는 최소한 시멘트 분말도 수준 이상이 되어야 하기 때문에 분말도가 2,700 내지 10,000cm2/g인 것이 바람직하며 3,000 내지 8,000cm2/g인 것이 보다 바람직하다. 분말도 2,700cm2/g 이상이면 경화반응을 일으키기 용이할 수 있으며, 분말도 수준이 10,000cm2/g 초과하면 반응속도가 지나치게 빨라져서 급결하므로 시공성이 매우 떨어지게 되어 실제적으로 시공이 불가능할 수 있다.
본 발명은 고로슬래그 미분말을 대량으로 사용함으로써 초기강도가 저하되는 문제점을 해결하기 위하여, 상기 고로슬래그 미분말 조성물 내에 탈황슬래그를 포함할 수 있다.
상기 탈황슬래그는 제강공정 중 쇳물에 포함된 불순물 중 황(S)을 제거하는 용선예비처리 단계에서 발생하는 부산물로서, 40 내지 70 중량%의 CaO, 10 내지 30 중량%의 SiO2, 5 내지 20 중량%의 Al2O3, 1 내지 15 중량%의 MgO, 0.5 내지 30 중량%의 T-Fe 및 0.1 내지 40 중량%의 SO3를 포함한다.
통상의 고로슬래그 미분말에 물을 투입하게 되면, 미분말 표면에 비결정질 피막이 형성되어, 내부의 Ca2 +, Al2 + 등의 용출이 이루어지지 않는다. 그러나, 탈황슬래그 혼입 후, 물을 투입하면 탈황슬래그가 함유하고 있는 CaO, Ca(OH)2로부터 생성된 OH-, 및 탈황슬래그 내의 S가 고로슬래그 미분말의 비결정질 피막을 파괴하여 Ca2+, Al2 + 등의 용출이 용이할 수 있다. 또한, 용출 이온들이 CaO-SiO2-H2O계 수화물 등을 생성하게 됨으로써 경화를 빠르게 촉진하고, 잉여 황산화물은 침상형의 구조를 가지는 에트린가이트 수화생성물(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)을 생성시킴으로써 수화체 내부의 조직을 치밀화하여 경화체의 압축강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 탈황슬래그의 함량은 전체 고로슬래그 미분말 조성물 100 중량%에 대하여 3 내지 10 중량%인 것이 바람직하다. 상기 탈황슬래그의 함량이 3 중량% 미만이면 초기 강도 증진 및 유동성 향상 효과가 거의 없을 수 있고, 10 중량% 초과하면 급속 응결현상에 의해 콘크리트 조성물의 유동성을 저하시켜 작업성을 악화시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 고로슬래그 미분말 조성물에 포함되는 석고는 수축저감재 역할을 할 수 있다. 상기 석고의 함량은 전체 고로슬래그 미분말 조성물 100 중량%에 대하여 1 내지 5 중량%인 것이 바람직하다. 상기 석고의 함량이 1 중량% 미만이면 수축저감의 효과가 나타나지 않을 수 있고, 10 중량% 초과하면 에트린가이트 수화생성물(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)이 과도하게 발생되어 과팽창의 우려가 있다.
본 발명의 콘크리트 조성물에 포함되는 시멘트의 함량은 7.5~12.6 중량%일 수 있다. 본 발명의 콘크리트 조성물에 포함되는 고로슬래그 미분말 조성물의 함량이 12.6~17.7 중량%이므로, 상기 고로슬래그 미분말 조성물의 함량은 상기 시멘트 함량의 1배 이상일 수 있다. 나아가, 상기 시멘트 및 고로슬래그 미분말 조성물의 함량비는 1:1 ~ 1.5인 것이 더욱 바람직하다. 상기 고로슬래그 미분말 조성물의 함량이 시멘트 함량 보다 적으면 CO2 배출량을 저감시키기 어려울 수 있으며, 상기 고로슬래그 미분말 조성물의 함량이 시멘트 함량에 비해 1.5배 초과하면 콘크리트 조성의 초기 강도 발현이 늦을 수 있다.
상기 시멘트의 종류는 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어, 일반 포틀랜트 시멘트를 사용하여도 충분한 강도를 확보할 수 있으므로, 이를 사용하는 것이 실용성 및 경제성면에 측면에 있어서 바람직하다. 상기 시멘트의 함량은 7.5~12.6 중량%인 것이 바람직하며, 상기 시멘트 함량이 7.5 중량% 미만이면 콘크리트 조성의 초기 강도 발현이 늦을 수 있고, 12.6 중량% 초과하면 작업성 저하시킬 수 있고, CO2 배출량을 저감시키기 어려울 수 있다.
한편, 본 발명의 콘크리트 조성물은 잔골재 및 굵은골재를 포함할 수 있다. 상기 잔골재는 부순모래, 콘크리트용 철강슬래그, 세척사, 강모래 및 산모래로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있으며, 상기 잔골재의 함량은 콘크리트 조성물 100 중량%에 대하여 27.0~31.0 중량%인 것이 바람직하다.
한편, 상기 굵은 골재는 최대 치수가 25mm를 초과하면 유동성 저하 및 골재 돌출의 영향이 크기 때문에, 그 치수는 25mm 이하가 바람직하되, 골재의 최대 치수가 강도에 영향을 미치는 효과를 최소화하고, 유동성의 개선을 위하여 최대 치수가 9~25mm인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 굵은 골재의 함량은 콘크리트 조성물 100 중량%에 대하여 37.0~41.0 중량%인 것이 바람직하다.
본 발명의 콘크리트 조성물은 시멘트 대체제로서 고로슬래그를 대량 사용함으로써 초기 강도가 저하되는 문제점을 해결하기 위하여, 상기 탈황슬래그 등과 함께 고성능감수제인 혼화제를 포함할 수 있다. 상기 혼화제는 폴리카르본산계 혼화제 또는 나프탈렌계 혼화제를 사용할 수 있으나, 폴리카르본산계 혼화제를 사용하는 것이, 일반 PSC 거더에 주로 사용되는 나프탈렌계 혼화제보다 감수력이 뛰어나며, 우수한 초기 강도를 확보할 수 있어 바람직하다.
상기 혼화제의 함량은 콘크리트 조성물 100 중량%에 대하여 0.1~0.3 중량%일 수 있으며, 상기 혼화제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 콘크리트 유동성 저하에 따른 작업성을 악화시킬 수 있고, 0.3 중량% 초과하면 골재분리가 발생하여 콘크리트의 품질을 현저히 악화시킬 수 있다.
한편, 시멘트 7.5~12.6 중량%, 고로슬래그 미분말 조성물 12.6~17.7 중량%, 잔골재 27.0~31.0 중량%, 굵은골재 37.0~41.0 중량% 및 혼화제 0.1~0.3 중량%를 포함하는 본 발명의 콘크리트 조성물은 잔부 물을 포함할 수 있다. 한편, 상기 물을 6.3~7.6 중량%로 포함하는 것이 바람직하다.
이렇게 본 발명에서 제공되는 콘크리트 조성물은 시멘트의 상당량을 고로슬래그 미분말로 대체하여 사용함으로써, 시멘트 제조 시 발생하는 CO2 양을 저감할 수 있어, 친환경적인 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 콘크리트 조성물은 1일 압축강도 50MPa 이상이고, 28일 압축강도 60MPa 이상이므로, 이로 인해 제조된 PSC 거더는 높이 및 폭을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 시멘트의 비율을 낮춰 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 실험실 조건 하에서 PSC 거더용 콘크리트 조성물
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분을 혼합하여 PSC 거더용 콘크리트 조성물을 준비하였다.
KS F 2403(콘크리트 강도 시험용 공시체 제작 방법)에 준하여 압축강도용 공시체를 제작한 후 증기양생 시험기에서 양생을 실시하였다. 증기양생은 20℃/h의 속도로 약 2시간 동안 온도상승, 6시간 동안 60℃ 유지, -15℃/h의 속도로 상온까지 온도하강의 순으로 진행하였다.
콘크리트 타설 후 1일, 7일, 14일 및 28일 재령의 압축강도를 KS F 2405(콘크리트 압축 강도 시험방법)에 의해 실시하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구 분 단위중량 (kg/m3) 압축강도 (MPa)
물 시멘트 고로슬래그 모래 자갈 혼화제 1일 7일 14일 28일
실시예1 163 296 296 678 913 3.74 64.46 70.81 70.41 76.53
실시예2 163 237 356 671 916 4.15 67.32 71.12 72.82 75.36
실시예3 163 217 326 706 924 3.69 63.84 66.01 66.62 70.27
비교예1 163 652 0 682 882 5.22 53.62 55.07 59.95 66.20
비교예2 163 593 0 703 909 4.57 48.43 49.81 62.79 60.34
비교예3 163 543 0 721 932 4.34 45.21 55.79 58.55 60.68
비교예4 163 391 261 647 897 4.24 53.62 55.32 66.52 65.91
비교예5 163 196 456 628 903 4.56 50.48 61.35 64.06 65.12
비교예6 163 356 237 685 911 3.56 52.52 49.64 65.55 66.07
비교예7 163 178 415 665 918 4.03 44.59 52.35 52.82 57.50
비교예8 163 326 217 719 919 3.42 48.08 51.12 60.45 56.85
비교예9 163 163 380 699 927 3.80 39.95 47.01 47.98 52.61
- 시멘트: KS F 5201(포틀랜트 시멘트)의 Type Ⅰ 시멘트
- 고로슬래그는 고로슬래그 미분말 조성물을 의미하며, 상기 고로슬래그 미분말 조성물은 고로슬래그 미분말:탈황슬래그:석고=93:3.5:3.5을 혼합하여 사용
- 자갈, 모래: KS F 2526(콘크리트용 골재)의 품질특성을 모두 만족하는 것을 사용하였고, 자갈은 쇄석골재, 모래는 세척해사를 사용
- 혼화제: 폴리카르본산계 고성능 AE 감수제
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 콘크리트 조성물의 함량 범위를 만족하는 실시예 1 내지 3은 비교예 1 내지 9에 비하여 1일 및 28일 압축강도가 매우 우수함을 확인했다.
한편, 비교예 1 내지 3은 고로슬래그 미분말을 전혀 포함하지 않는 슬래그 콘크리트 조성물이고, 비교예 4, 6 및 8은 시멘트의 함량이 고로슬래그 미분말 조성물의 함량보다 많은 조성물 콘크리트 조성물이고, 비교예 5, 7 및 9은 고로슬래그 미분말 조성물의 함량이 시멘트 함량 보다 지나치게 많은(대략 2.3배 이상) 콘크리트 조성물이다. 상기 비교예 1 내지 9는 실시예 1 내지 3에 비하여 압축강도가 낮다는 것을 확인했다.
2. 제작장 조건 하에서 PSC 거더용 콘크리트 조성물
실험실 조건에서 결정된 최적 배합(실시예 2)을 실제 레미콘 공장에서 생산한 후 PSC 거더가 제작되는 제작장 조건에서 증기 양생하였다. 콘크리트 타설 후 1일, 7일 및 28일 재령의 압축강도를 KS F 2405(콘크리트 압축 강도 시험방법)에 의해 실시하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구 분 단위중량 (kg/m3) 압축강도 (MPa)
물 시멘트 고로슬래그 모래 자갈 혼화제 1일 7일 28일
실시예2 163 237 356 671 916 4.15 52.57 56.57 73.55
상기 표 2에 나타난 압축강도 측정 결과와 같이, 고로슬래그 미분말 조성물와 1종 보통포틀랜트 시멘트를 6:4의 비로 섞은 최적배합이 긴장력 도입강도 50MPa 이상, 28일 압축강도 60MPa 이상을 만족시킴을 확인했다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (5)

1종 보통 포틀랜트 시멘트 7.5~12.6 중량%, 고로슬래그 미분말 조성물 12.6~17.7 중량%, 잔골재 27.0~31.0 중량%, 굵은골재 37.0~41.0 중량%, 혼화제 0.1~0.3 중량% 및 물 6.3~7.6 중량%를 포함하며,
고로슬래그 미분말 조성물은 고로슬래그 미분말, 탈황슬래그 및 석고를 포함하고, 상기 콘크리트 조성물은 1일 압축강도 50MPa 이상이고, 28일 압축강도 60MPa 이상인, PSC(Pre-stressed concrete) 거더용 고강도 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 고로슬래그 미분말 조성물은 고로슬래그 미분말 85 내지 95 중량%, 탈황슬래그 3 내지 10 중량% 및 석고 1 내지 5 중량%를 포함하는, PSC 거더용 고강도 콘크리트 조성물.
제2항에 있어서,
상기 고로슬래그 미분말은 분말도가 2,700 내지 10,000cm2/g인, PSC 거더용 고강도 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 1종 보통 포틀랜트 시멘트 및 고로슬래그 미분말 조성물의 함량비는 중량 기준 1:1 ~ 1.5인, PSC 거더용 고강도 콘크리트 조성물.
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