KR100404972B1 - 환경친화형 다공성 콘크리트 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

환경친화형 다공성 콘크리트 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하천 및 해안의 호안이나 도로의 법면 등을 안정시키기 위해 구축하는 콘크리트 호안블록이나 식생블록 등의 구조물을 제조하는데 사용되는 다공성 콘크리트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 시멘트와 골재와 물을 함유하는 다공성 콘크리트 조성물에 있어서, 포틀랜드 시멘트의 전체 중량에 대하여 아윈계 고강도 혼화재 5 ~ 40중량%와 콘크리트 조성물의 총 알칼리 생성량의 감소를 위한 메타카올린 3 ~ 30중량%을 1차 혼합하고, 이 1차 혼합물의 전체 중량에 대하여 장기강도 향상 및 동결융해에 대한 저항성 증진을 위한 트리 이소프로판올 아민(tri isopropanol amine) 0.01 ~ 5중량%와 알칼리성분의 용출을 차단하기 위한 덱스트린 0.01 ~ 5중량%와 고성능 감수제 0.01 ~ 5중량%를 첨가 혼합하여 다공질 콘크리트 조성물을 제조함으로써 콘크리트 구조물의 법면(法面)이나 사면(斜面) 등의 경사면의 구조적인 안정성을 높이는 동시에 생태적인 안정을 도모하여 식생이 가능한 환경 친화적인 콘크리트 구조물을 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 환경친화형 다공성 콘크리트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

환경친화형 다공성 콘크리트 조성물 및 그 제조방법{Porous concrete composition for sustainable and the producing method thereof}
본 발명은 하천 및 해안의 호안이나 도로의 법면 등을 안정시키기 위해 구축되는 콘크리트 호안블록이나 식생블록 등의 구조물을 제조하는데 사용되는 다공성 콘크리트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시멘트와 골재와 물을 함유하는 콘크리트 조성물에 있어서, 포틀랜드 시멘트의 전체 중량에 대하여 아윈계 고강도 혼화재 5 ~ 40중량%와 콘크리트 조성물의 총 알칼리 생성량의 감소를 위한 메타카올린 3 ~ 30중량%을 1차 혼합하고, 이 1차 혼합물의 전체 중량에 대하여 장기강도 향상 및 동결융해에 대한 저항성 증진을 위한 트리 이소프로판올 아민(tri isopropanol amine) 0.01 ~ 5중량%와 알칼리성분의 용출을 차단하기 위한 덱스트린 0.01 ~ 5중량%와 고성능 감수제 0.01 ~ 5중량%를 첨가 혼합하고 일정비율의 물과 골재를 혼합하여 다공질 콘크리트 조성물을 제조하는 것을 특징으로 하는 환경친화형 다공성 콘크리트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 식생을 위한 다공성 콘크리트 조성물은 단순히 다공성에 의한 배수만을 목적으로 하는 것이 아니라, 타설되어 설치된 콘크리트 구조물의 하부에 존재하는 토양으로 부터 수분을 공급받아 콘크리트 구조물 표면에 적당한 수분을 공급하여야 하는 기능을 갖추어야 되므로 최근까지는 콘크리트 조성물의 공극형성에 관한 연구가 주로 이루어졌으며, 종래에는 다공성 콘크리트 조성물을 제조하기 위하여 입도 조절된 골재를 사용하거나, 일본 공개특허 2000-178057호의 식생 콘크리트 제조방법에서와 같이 벤토나이트 골재를 사용하여 벤토나이트의 흡수 팽윤에 의한 다공질 콘크리트 조성물을 제조하거나, 기포제 또는 발포제를 첨가하여 다공성 콘크리트 조성물을 제조하였다.
그러나, 이와 같이 제조된 다공질 콘크리트 조성물은 결합제로 사용되는 시멘트에 함유되어 있는 산화칼슘(CaO)이 물과 수화 반응하여 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 생성하기 때문에 식생 콘크리트를 통하여 식물의 뿌리에 공급되는 수분은 알칼리성을 띄게 되며, 보통의 경우 pH가 12 ~ 13 정도의 강알칼리성을 나타내어 식물이 잘자라지 못하거나 생장에 장애를 일으키는 문제점이 있었다.
이러한 강알칼리 성분의 발생을 억제하기 위해 일본 공개특허 평 10-000025호의 식생콘크리트의 중화처리방법에 관한 특허에서는 타설시공한 식생콘크리트에 드라이아이스를 투입하여 드라이아이스가 승화하면서 살수하는 물에 이산화탄소가 용해되어 탄산수가 생성되고 이 탄산수에 의해서 다공성 식생콘크리트가 급속히 중화처리되어 식물 생육을 조절하는 방법이 개시되었으나, 이 방법은 콘크리트 자체의 중화로 인하여 알칼리 성분이 적게 용출되는 장점이 있으나, 콘크리트가 외부의 인위적 방법에 의해 알칼리가 제거되거나 화학반응에 의해 중성화가 되면서 콘크리트 자체의 강도가 저하되는 문제점이 있었으며, 일본 공개특허 2001-10875호의 다공질 콘크리트 및 그 제조방법에서는 제조원가 절감 및 알칼리성 저하를 위해 고로슬래그 미분말(6000~10000㎠/g)이나 플라이애쉬를 시멘트 중량에 대하여 20~60중량%를 혼합하여 제조하였으나, 이 방법 역시 강도저하 및 다공성 콘크리트의 재질 특성상 기공부분의 수분을 함유한 토양이 겨울철 동결시 체적 팽창을 하면서 콘크리트에 압력을 가하게 되고 계속적으로 이러한 동결 융해과정이 반복되면서 콘크리트가 쉽게 파손되어 기능을 상실함으로써 일반 콘크리트의 수명인 30 ~ 50년 보다 휠씬 적은 3 ~ 5년 정도로 그 수명이 단축되는 문제점이 있었다.
한편, 한국 특허 등록 제 10-300302호의 식물의 생육이 가능한 콘크리트블록에서는 조골재와 시멘트, 물, 혼화제만을 사용하여 제조한 다공성 콘크리트 블록에 식물생장 조절물질과 양분 및 항균제가 포함된 한천 용액을 충진시켜 제조하는 방법이 개시되었으나, 초기에 식물의 발아 및 착생에는 유용한 방법으로 사용되나 콘크리트 제조시 한천용액 및 항균제 등의 혼합으로 다공성 콘크리트의 강도저하 및 동결융해에 의한 저항성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서 환경친화형 다공성 콘크리트의 동결융해에 대한 저항성을 증가시킴으로써 다공성 콘크리트의 내구성을 향상시켜 그 수명을 증가시킴과 동시에 다공성 콘크리트 조성물의 총 알칼리 생성량을 저감시키고 다공성 콘크리트 구조물에서 용출되는 알칼리성분을 차단하는 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 포틀랜드 시멘트의 전체 중량에 대하여 아윈계 고강도 혼화재 5 ~ 40중량%와 콘크리트 조성물의 총 알칼리 생성량의 감소를 위한 메타카올린 3 ~ 30중량%을 1차 혼합하고, 이 1차 혼합물의 전체 중량에 대하여 장기강도 향상 및 동결융해에 대한 저항성 증진을 위한 트리 이소프로판올 아민(tri isopropanol amine) 0.01 ~ 5중량%와 알칼리성분의 용출을 차단하기 위한 덱스트린 0.01 ~ 5중량%와 고성능 감수제 0.01 ~ 5중량%를 첨가 혼합하고 일정 비율의 물과 골재를 혼합하여 다공질 콘크리트 조성물을 제조하는 것에 본 발명의 특징이 있다.
본 발명은 강이나 하천의 경사면, 절개지, 뚝의 경사진 면, 암벽사면, 제방 등의 법면(法面) 또는 사면(斜面)의 붕괴, 침식, 토사유실 등을 방지하기 위하여 콘크리트 호안블록이나 콘크리트 매트 등의 구조물에 사용되는 시멘트와 물과 골재를 함유하는 다공성 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 식생으로 사용되는 다공성 콘크리트의 기공 내부의 수분을 함유한 토양이 겨울철에 얼게 되면서 수분의 체적팽창에 의한 반복적인 동결융해 작용으로 강도저하 및 파손되는 것을 방지하여 다공성 콘크리트의 내구성, 즉 수명을 연장시키기 위하여 트리 이소프로판올 아민(Triisopropanol amine, TIPA)을 사용하고, 콘크리트 구조물에서 발생되는 알칼리 생성량을 감소시키며 알칼리 성분의 용출을 차단하기 위하여 메타카올린 및 덱스트린을 사용한다.
본 발명에서는 포틀랜드 시멘트 중량에 대하여 성형 후 바로 탈형하여 양생할 수 있도록 아윈계 고강도 혼화재 5 ~ 40중량%를 첨가하여 콘크리트 조성물이 조기에 고강도를 나타내도록 하며, 콘크리트 조성물의 총 알칼리 생성량의 감소를 위하여 시멘트 중량에 대하여 메타카올린 3 ~ 30중량%를 첨가 혼합하여 1차 혼합물을 제조하고, 이 1차 혼합물의 전체 중량에 대하여 장기강도 향상 및 동결융해에 대한 저항성 증진을 위한 트리 이소프로판올 아민(tri isopropanol amine) 0.01 ~ 5 중량%와 알칼리성분의 용출을 차단하기 위한 덱스트린 0.01 ~ 5중량%와 감수성능이 우수한 고성능 감수제 0.01 ~ 5중량%를 첨가 혼합하고 일정비율의 물과 골재를 혼합하여 다공질 콘크리트 조성물을 제조한다.
본 발명에서 물의 양은 상기 포틀랜드 시멘트와 아윈계 고강도 혼화재와 메타카올린이 혼합된 1차 혼합물에 대하여 20 ~ 50중량%가 되도록 하며, 골재의 양은 콘크리트 1㎥ 당 입도조정된 직경 5 ~ 25mm의 골재를 40 ~ 60부피%가 되도록 하여 다공성 콘크리트 조성물의 공극율이 10 ~ 30%로 유지되도록 한다.
아윈계 고강도 혼화재는 포틀랜드 시멘트에 대하여 5 ~ 40중량% 첨가되며 콘크리트 조성물이 빨리 굳고 조기에 고강도를 나타내도록 한다. 주로 일본에서 생산된 COD concrete, DAY 300ad concrete, DD-1 concrete 등의 제품이 사용된다.
메타카올린(Al2O3·2SiO2)은 카올린(Al2O3·2SiO2·2H2O)에서 수분이 증발된 상태로 무수물 상태나 또는 미량의 수분이 함유되어 있는 물질로서, 포졸란 반응성이 매우 좋아 고강도 제품에 사용되는 첨가제로서 포틀랜드 시멘트에 대하여 3 ~ 30 중량% 첨가되며, 콘크리트 조성물의 고강도를 발현하면서 콘크리트 조성물 중 시멘트의 수화반응에 의한 총 알칼리 생성량을 감소시키도록 되어 있다.
상기 포졸란 반응성(pozzolan activity)은 자연산 또는 부산물로 생성된 광물이 화학작용을 일으켜 강도를 발현하는 광물로 변하는 정도를 나타내며, 예를 들어 제철공장의 부산물인 슬래그(slag)를 시멘트와 혼합 사용하여 장기간에 걸쳐 시멘트 중의 화학 성분과 반응하면서 강도를 발현하는 광물로 변하여 콘크리트 구조물의 강도에 기여하는 현상을 포졸란 현상이라 한다.
시멘트의 수화반응 중 생성된 알칼리 성분을 감소시키는 메타카올린의 반응식은 다음과 같다.
MK + Ca(OH)2CSH(gel) + 비정질 alkaline aluminosilicate + 미반응 물질
위 반응식 1에서 MK는 메타카올린이고, CSH(gel)는 칼슘실리케이트수화물(Calcium silicate hydroxide gel)을 나타내며, 비정질 alkaline aluminosilicate 는 알칼리를 포함한 알루미노 실리케이트 광물이 유리와 같은 상태의 비정질(非晶質, Amorphous) 물질로 존재하는 것임을 나타낸다.
상기 반응식 1과 같이 메타카올린이 시멘트의 수화시 생성되는 강알칼리성인 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 포졸란 반응을 하여 칼슘실리케이트 수화물(Calcium silicate hydroxide gel, CSH(gel))과 비정질(非晶質, Amorphous)의 알칼리를 포함한 알루미노 실리케이트 광물 등을 생성하여 경화체의 조직이 치밀해지고 조기에 콘크리트 조성물이 고강도를 나타내도록 함과 동시에 알칼리 성분이 메타카올린과 반응하여 제거됨으로써 콘크리트 조성물의 총알칼리 생성량을 감소시키는 역할을 한다.
트리 이소프로판올 아민(tri isopropanol amine, TIPA)은 콘크리트 조성물의 장기강도 증진 및 동결융해 저항성을 향상시키기 위한 것으로서, 포틀랜드 시멘트와 아윈계 고강도 혼화재와 메타카올린이 혼합된 1차 혼합물의 전체 중량에 대하여 0.01 ~ 5중량% 첨가되며, 시멘트 성분 중 페라이트(ferrite, 4CaO·Al2O3·Fe2O)상의 수화 반응에 의해 생성되는 수산화철의 용해도를 높여줌으로써 페라이트상의 수화를 촉진시켜 콘크리트 조성물의 장기강도를 증진시켜주도록 되어 있는데, 트리 이소프로판올 아민(tri isopropanol amine, TIPA)은 3일이내의 초기수화에는 관여하지 않고 주로 7일 이상의 장기강도 증진에 영향을 주어 재령 28일 압축강도를 약 20 ~ 30% 향상시켜준다.
트리 이소프로판올 아민(tri isopropanol amine, TIPA)의 반응식은 다음과 같다.
C3(A, F)·3CaSO4·32H2O + 2C3A, C4AF + 4H2O
3C3(A, F)·CaSO4·H2O
C3A, C4AF + 3CaCO3·nH2O
C3·5(A, F)·12H2O, C3(A, F)·CaCO3·11H2O
(위 반응식에서 A는 Al2O3, C는 CaO, F는 Fe2O3를 나타낸 것이다.)
즉, 트리 이소프로판올 아민(tri isopropanol amine, TIPA)은 장기간에 걸쳐 반응이 서서히 일어나므로 초기 수화된 공극부분의 모서리 부위에 트리 이소프로판올 아민이 칼슘실리케이트나 칼슘알루미네이트 광물을 형성시키면서 시멘트 수화 조직사이의 기공에 침상(針狀) 결정구조로 서로 엮어 주어 시멘트 조직사이의 결합을 강하게 함으로써 강도증진 및 동결융해 저항성을 향상시켜 콘크리트 조성물의 내구성을 향상시키게 된다.
덱스트린은 녹말을 산 또는 아밀라아제로 가수분해시 얻어지는 물질이며 물에 잘 용해되는 백색 또는 황색의 무정형 분말로서, 상기 1차 혼합물의 전체 중량에 대하여 0.01 ~ 5중량% 첨가된다. 덱스트린은 원래 시멘트의 수화를 지연시켜주는 역할을 하지만 본 발명에서는 초기에 고강도를 발현시키기 위하여 첨가된 포틀랜드 시멘트와 아윈계 고강도 혼화재로 인하여 응결지연 작용을 하지 못한 채 시멘트 광물 중에 혼재되어 있다가 장기간에 걸쳐서 반응하는 트리 이소프로판올 아민(tri isopropanol amine, TIPA)과 함께 시멘트 수화 조직 사이의 기공 또는 표면의 미반응 시멘트 광물과 반응하여 수화반응 광물을 만들고 표면에 얇은 피막 또는 도막을 형성하면서 반응하여 경화하게 되면 콘크리트 조성물에서 알칼리 성분이 용출되어 나오는 것을 차단하여 주는 역할을 한다.
고성능 감수제는 단위수량(單位水量)을 감소시킴으로써 콘크리트 조성물의 강도저하를 방지하기 위한 것으로 통상 필요에 따라 선택적으로 사용되며 상기 1차 혼합물의 전체 중량에 대하여 0.01 ~ 5중량% 첨가될 수 있고, 주로 나프탈렌계, 멜라민계, 폴리올계 및 폴리카본산계를 단독 또는 1종 이상 혼합하여 사용한다.
본 발명의 실시예는 다음과 같다.
실시예 1과 2에서 사용하는 시멘트는 쌍용양회공업(주)에서 생산된 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 실시예 3과 4에서는 쌍용양회공업(주)에서 생산된3종 조강 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 고성능 감수제는 나프탈렌계인 일조(日曹)마스터빌더스 SP-9N을 사용하였으며, 아윈계 고강도 혼화재는 일본 태평양시멘트사에서 제조한 아윈계 혼화재를 사용하였고, 메타카올린은 쌍용양회 기술연구소에서 카올리나이트(Al2Si2O5(OH)4, kaolinite)를 850 ~ 1200℃온도에서 반응하여 시험로에서 제조한 것을 사용하였으며, 트리 이소프로판올 아민과 덱스트린은 일본 화광순약사(和光純藥社) 시약 1급을 사용하여, 표 1과 같이 실시예을 배합하였다.
비교예 1은 통상적으로 사용되는 다공성 콘크리트 조성물을 제조하기 위하여 쌍용양회공업(주)에서 생산된 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 일조(日曹)마스터빌더스 SP-9N 고성능 감수제만을 혼합한 것이고, 비교예 2는 쌍용양회공업(주)에서 생산된 3종 조강 포틀랜드 시멘트와 일조(日曹)마스터빌더스 SP-9N 고성능 감수제만을 혼합한 것이다.
< 표 1 > 실시예와 비교예의 배합표
구분 포틀랜드 시멘트(kg/㎥) 고강도혼화재(kg/㎥) 메타카올린(kg/㎥) 트리 이소프로판올아민(wt%) 덱스트린(wt%) 고성능감수제(wt%)
1종 3종
실시예 1 400 - 80 40 0.01 0.1 1.0
실시예 2 400 - 120 60 0.05 0.1 1.0
실시예 3 - 400 40 40 0.05 0.2 1.0
실시예 4 - 400 80 80 0.01 0.5 1.0
비교예 1 400 - - - - - 1.0
비교예 2 - 400 - - - - 1.0
실시예 1 내지 4는 상기 포틀랜드 시멘트와 아윈계 고강도 혼화재와 메타카올린을 혼합한 1차 혼합물의 전체 중량에 대하여 42중량%의 물을 가하고, 콘크리트 조성물의 기공율이 27.5%가 되도록 직경 15mm 충북 청원산 쇄석골재를 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하였으며, 비교예 1과 2는 물을 상기 포틀랜드 시멘트의 전체 중량에 대하여 42중량% 가하고 콘크리트 조성물의 기공율이 27.5%가 되도록 직경 15mm 충북 청원산 쇄석골재를 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하였다.
실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 2의 각 콘크리트 조성물로 20 × 20 × 20cm 크기의 다공성 콘크리트 공시체를 제작하여 3일, 7일, 28일 경과 후의 압축강도(kg/㎠)와, 상대동탄성계수(%)(반복 휨강도 시험계수임)와 알칼리 용출에 따른 수소이온농도(pH)를 각각 측정하였다.
상대동탄성계수(%)의 측정은 한국공업규격 KSF 2456(콘크리트의 동결융해 시험방법)에 따라 온도가 영하 16℃ 에서 영상 4℃까지의 동결 및 융해과정을 각각30회, 50회, 100회 반복한 후의 상대동탄성계수(%)를 측정하여 동결융해 저항성을 측정하였고, 알칼리 용출에 따른 수소이온농도(pH)의 측정은 상기 제작된 공시체를 28일 동안 23℃에서 수중 양생한 후 꺼내어 pH 7.3의 깨끗한 물에 24시간 동안 완전 침수시킨 후 물의 pH를 각각 측정하였다.
< 표 2 > 실시예와 비교예의 압축강도 및 상대동탄성계수 및 알칼리 용출에 따른 수소이온농도의 측정결과
구분 압축강도(kg/㎠) 상대동탄성계수(%) 수소이온농도(pH)
3일 7일 28일 30회 50회 100회
실시예 1 428 534 579 100 94 81 10.1
실시예 2 442 556 603 100 98 85 8.8
실시예 3 490 593 635 100 100 91 9.3
실시예 4 517 632 683 100 100 95 8.5
비교예 1 176 331 434 46 파괴 파괴 12.4
비교예 2 325 438 504 68 84 파괴 12.6
상기와 같이 실시예 1 내지 4에 의해 제작된 본 발명의 다공성 콘크리트 공시체는 압축강도(kg/㎠)가 비교예 1과 2에 의해 제작된 통상의 다공성 콘크리트 공시체보다 높은 강도를 나타내고 상대동탄성계수(%)가 현저히 증가하여 다공성 콘크리트 구조물의 내구성이 증가되는 것을 알 수 있으며, 또한 실시예 1 및 2에 의한 다공성 콘크리트 공시체의 수소이온농도가 비교예의 것보다 훨씬 낮은 수치를 나타내어 식물이 생장하기에 적합한 환경을 조성할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 의하면 아윈계 고강도 혼화재와 트리 이소프로판올 아민(tri isopropanol amine, TIPA)에 의해 콘크리트 조성물의 강도가 현저히 증가하게 되며 장기강도가 향상되어 다공성 콘크리트의 최대 약점인 동결융해에 대한 저항성을 높여주어 다공성 콘크리트의 수명이 증가하게 되고, 메타카올린의 첨가로 시멘트 수화시 생성되는 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 포졸란 반응을 하여 칼슘실리케이트 또는 칼슘알루미네이트 광물을 생성함으로써 경화체의 조직이 치밀해지고 조기에 고강도를 나타내어 강도발현성이 좋으면서도 콘크리트 내부의 알칼리 성분을 제거하여 환경친화용 식생 콘크리트 구조물의 구축시 적합하다.
또한, 덱스트린의 첨가로 장기간에 걸쳐 시멘트 수화 조직 사이의 기공 또는 표면의 미반응 시멘트 광물과 반응하여 수화반응 광물을 만들고 표면에 얇은 피막 또는 도막을 형성하면서 반응하여 경화하게 되면 콘크리트 조성물에서 알칼리 성분이 용출되어 나오는 것을 차단함으로써 식물이 잘 자라는 환경조건을 조성하는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 시멘트와 골재와 물을 함유하는 다공성 콘크리트 조성물의 제조방법에 있어서, 포틀랜드 시멘트의 전체 중량에 대하여 조기 강도발현을 위한 아윈계 고강도 혼화재 5 ~ 40중량%와 콘크리트 조성물의 총 알칼리 생성량의 감소를 위한 메타카올린 3 ~ 30중량%을 1차 혼합하고, 이 1차 혼합물의 전체 중량에 대하여 장기강도 향상 및 동결융해에 대한 저항성 증진을 위한 트리 이소프로판올 아민 0.01 ~ 5 중량%와 알칼리성분의 용출을 차단하기 위한 덱스트린 0.01 ~ 5중량%를 첨가 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 환경친화형 다공성 콘크리트 조성물의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 물은 포틀랜드 시멘트와 아윈계 고강도 혼화재와 메타카올린이 혼합된 1차 혼합물에 대하여 20 ~ 50중량%가 되도록 하며, 골재는 콘크리트 1㎥ 당 입도조정된 직경 5 ~ 25mm의 골재를 40 ~ 60부피%가 되도록 하여 다공성 콘크리트 조성물의 공극율이 10 ~ 30%로 유지되도록 한 것을 특징으로 하는 환경친화형 콘크리트 조성물의 제조방법.
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