KR100592781B1 - 바텀애쉬를 사용한 투수성 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 포트랜드 시멘트 15∼25 중량%, CSA계 시멘트 1∼5 중량%, 브레인 입도가 4000∼5000㎠/g인 미분말 플라이애쉬(브레인입도가 4000∼5000 ㎠/g) 2∼10 중량%, 고로 슬래그(브레인입도가 4000∼5000 ㎠/g) 2∼10 중량% 및 굵은골재로서 입경이 5∼20㎜인 바텀애쉬 60∼80 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 조성물을 제공한다.
본 발명에 의하면, 일반 천연골재나 인조 쇄석 골재에 비하여 비중이 상대적으로 작고 다공성인 바텀애쉬를 굵은골재로서 사용하고 일반 포트랜드 시멘트 이외에 CSA계 시멘트, 플라이애쉬 및 고로슬래그를 결합재로서 첨가하여 콘크리트 조성물을 제조함으로써 환경문제 또는 추가적 공정의 필요성 없이 강도, 내구성, 동결·융해성 및 투수성이 우수한 투수성 콘크리트를 생산하여 도로 포장용 투수성 블록, 식생블록, 배수조절용 하천바닥, 어초 등 다양한 용도에 용이하게 적용할 수 있다.

Description

바텀애쉬를 사용한 투수성 콘크리트 조성물{Water-permeable concrete composition using bottom ash}
도 1은 본 발명에 의한 투수성 콘크리트 블록의 절단 외형을 나타내는 사진이다.
본 발명은 투수성 콘크리트 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 결합재로서 포트랜드 시멘트, CSA(Calcium Sulfo Aluminate)계 시멘트, 미분말 플라이애쉬 및 고로 슬래그와, 굵은골재로서 바텀애쉬를 포함하는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 도로 등에 사용하는 콘크리트 포장은 투수성이 미흡하기 때문에 배수시설이 미비한 곳에서는 우천시에 콘크리트 포장 등에 고인 물로 인하여 사고 위험이 증가할 뿐만 아니라 물이 땅 속으로 침투하지 못하여 각종 자연환경 문제를 유발하게 된다. 이러한 문제들을 해결하기 위한 수단으로서 투수성 콘크리트가 제안되어 활용되고 있다.
일반적으로 투수성 콘크리트는 잔골재 없이 시멘트, 굵은골재 및 물만으로 제조하거나 기능이나 용도에 따라 잔골재, 유동화제, 특수 분말 혼화재 등을 사용하여 내부에 공극률이 큰 다공성 구조를 형성시킨 콘크리트이다. 그러나 이러한 다공성 구조 때문에 압축강도, 휨강도 및 내구성이 저하되고, 다량으로 포함된 굵은골재 때문에 상대적으로 비중이 커지는 결과, 호안 블록이나 어초 등의 대형 블록제품에 적용시 운반 등의 어려운 점이 있다.
최근에는 내구성이나 충격강도의 증가를 위해 섬유물질로 보강된 투수성 콘크리트(대한민국공개특허 2003-0088808 및 2003-0070251), 폐타이어 칩 층을 형성한 투수콘크리트(대한민국공개특허 2002-0041275), 투수성 폴리머를 배합한 콘크리트(대한민국공개특허 2000-0073416), 및 제강슬래그를 이용한 투수성 콘크리트(대한민국공개특허 2002-0069759) 등 여러 가지 특성을 가진 투수성 콘크리트에 관한 기술이 제안되어 있다.
그러나 상기 투수성 콘크리트 또는 그 제조방법에 관한 발명은 결합재로서 일반 포트랜드 시멘트 및 굵은골재로서 주로 천연 골재나 제강 슬래그를 사용하는데, 천연 골재는 자원고갈 및 환경문제 등으로 점차 그 공급원이 감소되는 추세이며 제강 슬래그를 골재로 사용하는 경우에는 슬래그의 안정화 처리 공정이 필요하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 투수성 콘크리트 조성물에 있어서, 환경문제 유발 또는 추가적인 공정의 필요가 없는 굵은골재 대체재를 이용하면서도, 내구성, 강도, 동결·융해성 및 투수성이 양호하게 유지되는 투수성 콘크리트 조성물을 제공 하는 것이다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 열심히 연구를 거듭한 결과, 천연 또는 인조쇄석 굵은골재의 대체재로서 석탄연소재인 바텀애쉬를 규격별로 선별하여 사용하고, 결합재로서 일반 포트랜드 시멘트, CSA계 시멘트, 플라이애쉬 및 고로 슬래그를 각각 일정량 혼합한 것을 사용함으로써 환경문제 또는 추가적 공정의 필요성이 없이 비중이 작고 내구성, 강도, 동결·융해성 및 투수성이 우수한 투수성 콘크리트 조성물을 얻을 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 포트랜드 시멘트 15∼25 중량%, CSA계 시멘트 1∼5 중량%, 브레인 입도가 4000∼5000㎠/g인 미분말 플라이애쉬 2∼10 중량%, 브레인입도가 4000∼5000 ㎠/g인 고로 슬래그 2∼10 중량% 및 굵은골재로서 입경이 5∼20㎜인 바텀애쉬 60∼80 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 조성물을 제공한다.
본 발명의 투수성 콘크리트의 굵은골재의 대체재로서 사용되는 바텀애쉬는 화력발전소 등의 산업현장의 연소 및 소각공정에 의하여 발생되는 입자크기 약 100㎛ 이상인 연소재의 일종으로서 입자크기 약 100㎛ 이하인 플라이애쉬와 구별된다. 콘크리트 혼화재, 시멘트 대체재, 성토재, 토지 개량재 및 경량골재 등의 분야에 사용되는 미세한 크기의 플라이애쉬와는 달리, 보다 굵은 크기의 바텀애쉬는 천연 및 인공골재의 일부를 대체하거나, 경량건자재의 제조에 일부를 사용하거나 플라이애쉬, 석고, 탄산칼슘 및 석회 등과 혼합하고 고압 압출하여 벽돌을 생산하는 데 사용되어 왔다.
본 발명에서는 산업부산물인 바텀애쉬를 콘크리트 조성물의 굵은골재 대체재로 사용함으로써 자원고갈 문제를 해결하면서 별도의 추가적인 공정의 필요 없이 콘크리트의 투수성을 향상시킬 수 있다. 바텀애쉬의 함량이 80 중량%보다 크면 콘크리트의 투수성은 향상되지만 콘크리트의 압축강도, 내구성이 저하되고, 60 중량%보다 적으면 콘크리트의 투수성이 저하된다.
본 발명에서 사용한 바텀애쉬는 석탄화력발전소의 보일러 저부의 호퍼에서 배출된 분립상 또는 괴상의 비정질의 무기질 성분으로서 소정의 입도 범위로 선별한(입도 5∼20㎜) 것이며, 비중은 2.1∼2.7, 건조중량은 720∼1600㎏/㎥, 흡수율 2.0∼10.0%정도로 광범위하고 가소성이 없으며 스펀지 모양의 다공성 구조나 유리상의 치밀한 조직을 나타낸다. 하기 표 1에는 본 발명에서 사용한 바텀애쉬의 화학조성을 나타낸다.
[표 1] 본 발명에 사용되는 바텀애쉬의 화학조성
성분 CaO Al2O3 SiO2 MgO Fe2O3 Na2O+K2O SO3
중량% 18.8 18.7 46.1 1.80 10.2 1.79 -
또한, 본 발명에서는 투수성 콘크리트의 결합재로서 포트랜드 시멘트 이외에 CSA계 시멘트, 미분의 플라이애쉬 및 고로 슬래그를 혼합한 것을 사용함으로써 투수성 콘크리트의 강도, 내구성, 및 동결·융해성을 증진시킬 수 있다.
상기 포트랜드 시멘트의 함량이 15 중량% 미만이면 콘크리트의 압축강도가 저하되고, 25 중량%를 초과하면 콘크리트의 투수성이 저하된다.
CSA계 시멘트는 속경성, 강도 증가 및 팽창성 조절 등을 위하여 첨가되는데 그 성분이 칼슘 실리케이트(3CaO·SiO2), 칼슘알루미네이트(3CaO·5Al2O3) 및 칼슘술포알루미네이트(4CaO·3Al2O3·SO3)계 시멘트로 이루어진 군으로부터 선택되는 성분을 함유하는 것이 바람직하다. 첨가량이 1 중량% 미만이면 속경성 및 강도 증가의 효과가 미약하며 5 중량%를 초과하면 경화속도가 너무 빨라 작업성이 떨어지는 단점이 있다. 상기 CSA계 시멘트의 화학조성은 하기 표 2와 같다.
[표 2] CSA계 시멘트의 화학조성
성분 CaO Al2O3 SiO2 MgO Fe2O3 K2O Na2O SO3
중량% 52.4 15.9 11.0 1.4 2.2 0.35 0.13 11.2
본 발명에서 플라이애쉬와 고로슬래그는 포졸란 특성으로 시멘트의 수화반응 시에 안정한 규산염을 생성하여 콘크리트 경화체의 조직을 치밀화 시킴으로서 투수성 콘크리트의 장기강도를 증가시키고 포트랜드 시멘트에 비해 상대적으로 가격이 저렴하여 경제성을 제고시킬 수 있는 이점이 있다.
상기 플라이애쉬 및 고로슬래그의 입도는 브레인 비표면적이 4000∼5000 ㎠/g인 것이 바람직한데, 상기 범위보다 작으면 장기강도 증가의 효과가 떨어지고 상기 범위를 초과하면 비표면적 증가를 위한 분쇄비용의 증가로 경제성이 저하되는 단점이 있다. 또한, 플라이애쉬 또는 고로슬래그의 함량이 2 중량% 미만이면 장기 강도의 증가효과가 거의 없으며, 10 중량%를 초과하면 초기 콘크리트의 강도가 개선되지 않기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 본 발명의 콘크리트 조성물에는 투수성 콘크리트의 유동성을 증진시키기 위하여 폴리카르본산계 유동화제 0.1∼0.5 중량%가 더 포함될 수 있다.
이어서, 하기 실시예를 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되지는 않는다.
[실시예]
규격별로 선별한 바텀애쉬 및 일반 포트랜드 시멘트의 함량비를 변화시키면서 CSA계 시멘트, 플라이애쉬, 및 고로 슬래그를 각각 일정량 혼합하여 물/시멘트 비가 약 0.4가 되는 투수성 콘크리트 조성물을 제조하였다(실시예 1, 3 및 5).
또한, 상기 조성물에 추가적으로 폴리카르본산계 유동화제(“마이티21” 또는 “마이티3000”(화왕(주)사 제품) 또는 “아쿠아록 FC-600”(일본촉매(주)사 제품) 등)를 소정량 첨가하여 투수성 콘크리트 조성물을 제조하였다(실시예 2, 4, 및 6). 이 경우, 상기 폴리카르본산계 유동화제를 추가로 첨가하여 콘크리트 조성물을 제조하고 믹서기에서 혼합하여 일정형상의 몰드에 주입하여 진동시켜 성형한 후 양생하거나 현지 시공시에 현장에 직접 타설하여 양생할 수 있다.
또한, 포트랜드 시멘트와 천연골재로 이루어진 기준 콘크리트(비교예 1), 포트랜드 시멘트와 바텀애쉬 굵은골재로 이루어진 콘크리트(비교예 2), 및 CSA계 시멘트, 플라이애쉬 또는 고로슬래그 중에서 하나의 성분이 생략된 콘크리트(비교예 3∼5)를 제조하였다.
상기 제조된 투수성 콘크리트에 대하여 KS F 2405에 따라서 압축강도(28일 양생강도)를 측정하였고, 투수계수의 측정은 KS F 2322에 의한 방법으로 투수계수를 측정하였다.
투수성 콘크리트의 상세한 배합비율과 압축강도 및 투수계수의 측정결과는 하기 표 3에 나타내었다.
[표 3] 투수성 콘크리트 제조실험
구 분 배합비 (중량%) W/C 압축강도* kg/㎠ 투수계수 ㎝/sec
포트랜드 시멘트 CSA계 시멘트 플라이 애쉬 고로 슬래그 바텀 애쉬 천연 골재 유동화제
실시예 1 17 2 3 3 75 - - 0.4 220 2.0×10-1
실시예 2 17 4 6 6 66.8 - 0.2 0.4 235 2.0×10-1
실시예 3 20 2 3 3 72 - - 0.4 240 1.6×10-1
실시예 4 20 4 6 6 63.8 - 0.2 0.4 250 1.6×10-1
실시예 5 23 2 3 3 69 - - 0.4 260 1.5×10-1
실시예 6 23 4 6 6 60.8 - 0.2 0.4 265 1.5×10-1
비교예 1 20 - - - - 79.8 0.2 0.4 220 1.1×10-1
비교예 2 20 - - - 79.8 - 0.2 0.4 180 1.7×10-1
비교예 3 20 - 6 6 67.8 - 0.2 0.4 210 1.7×10-1
비교예 4 20 4 - 6 69.8 - 0.2 0.4 210 1.7×10-1
비교예 5 20 4 6 - 69.8 - 0.2 0.4 220 1.7×10-1
* : 28일 양생강도
콘크리트 조성물의 각 성분의 함량에 있어서, 포트랜드 시멘트 15∼25 중량%, CSA계 시멘트 1∼5 중량%, 플라이애쉬 2∼10 중량%, 고로슬래그 2∼10 중량% 및 바텀애쉬 60∼80 중량%를 만족하도록 콘크리트 조성물을 제조하면(실시예 1∼6), 포트랜드 시멘트의 함량이 증가함에 따라 콘크리트의 압축강도는 점차 증가하지만 투수성은 감소한다. 본 발명의 콘크리트 조성물의 경우, 포트랜드 시멘트와 천연골재 만으로 이루어진 종래의 기준 콘크리트(비교예 1)보다 콘크리트의 압축강도 또는 투수성 모두 양호한 결과를 나타낸다. 본 발명의 콘크리트 조성물의 성분의 바람직한 함량은, 콘크리트의 압축강도 및 투수성 모두 가장 양호한 값을 나타내는 포트랜드 시멘트 20∼25 중량%, CSA계 시멘트 2∼4 중량%, 플라이애쉬 3∼6 중량%, 고로슬래그 3∼6 중량%, 및 바텀애쉬 60∼70 중량%의 범위이다.
한편, 종래의 콘크리트 조성물에서 천연골재를 바텀애쉬로 치환한 경우(비교예 2)에는, 기준 콘크리트(비교예 1)보다 투수성은 대폭 향상되는 반면에 압축강도가 감소되는 결과를 나타낸다. 또한, 본 발명의 성분 중에서 CSA계 시멘트, 플라이애쉬 및 고로슬래그 중에서 하나의 성분을 생략하여 콘크리트 조성물을 제조한 경우(각각, 비교예 2, 3 및 4에 해당), 비교예 2의 경우에 비하여 투수성은 양호한 값을 유지하지만 콘크리트의 압축강도는 본 발명의 실시예보다 여전히 작다는 것을 알 수 있다.
도 1은 바텀애쉬를 굵은골재로서 사용하여 제조한 본 발명(실시예 5)의 투수성 콘크리트 블록의 절단 외형을 나타낸 사진이다. 도 1로부터 명백한 것처럼 본 발명의 투수성 콘크리트는 다공성이 현저하여 투수성이 우수하다. 투수성 콘크리트에 포함된 바텀애쉬의 색상은 대부분 회색을 띠지만 도 1에서와 같이 황색, 검정, 회백색 등 연소재의 생성조건에 따라 여러 가지 색상을 나타낼 수 있다.
본 발명에 의하면 일반 천연골재나 인조 쇄석 골재에 비하여 비중이 상대적으로 작고 다공성인 바텀애쉬를 굵은골재로서 사용하고 일반 포트랜드 시멘트 이외에 CSA계 시멘트, 플라이애쉬 및 고로슬래그를 결합재로서 첨가하여 콘크리트 조성물을 제조함으로써, 환경문제 또는 추가적 공정의 필요성 없이 강도, 내구성, 동결·융해성 및 투수성이 우수한 투수성 콘크리트를 저렴한 비용으로 생산하여 도로 포장용 투수성 블록, 식생블록, 배수조절용 하천바닥, 어초 등 다양한 용도에 용 이하게 적용할 수 있다.

Claims (3)

  1. 포트랜드 시멘트 20∼25 중량%, CSA계 시멘트 2∼4 중량%, 브레인입도가 4000∼5000 ㎠/g인 미분말 플라이애쉬 3∼6 중량%, 브레인입도가 4000∼5000 ㎠/g인 고로슬래그 3∼6 중량% 및 굵은골재로서 입경이 5∼20㎜인 바텀애쉬 60∼70 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 CSA계 시멘트는 칼슘 실리케이트(3CaO·SiO2), 칼슘알루미네이트(3CaO·5Al2O3) 및 칼슘술포알루미네이트(4CaO·3Al2O3·SO3)로부터 선택되는 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 조성물.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    폴리카르본산계 유동화제 0.1∼0.5 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투수성 콘크리트 조성물.
KR20050065239A 2005-07-19 2005-07-19 바텀애쉬를 사용한 투수성 콘크리트 조성물 KR100592781B1 (ko)

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