KR100622048B1

KR100622048B1 - 초고강도 시멘트 조성물

Info

Publication number: KR100622048B1
Application number: KR1020040109974A
Authority: KR
Inventors: 이상호; 문수동
Original assignee: 대림산업 주식회사
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-09-19
Also published as: KR20060071443A

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 초고강도 시멘트 조성물에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 종래 고강도 시멘트에 있어 포졸란 재료로 통상적으로 사용되던 실리카흄을 고분말도의 메타카올린으로 대체하되, 메타카올린의 첨가에 따른 콘크리트의 유동성 문제를 개선할 수 있도록 하여 보다 안정되고 향상된 고강도 및 고내구성 콘크리트를 제조할 수 있도록 하는 초고강도 시멘트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 초고강도 시멘트 조성물에 있어서, 1종 시멘트 20 ~ 35 중량%와; 8,000㎠/g 이상의 분말도를 갖는 고로슬래그 분말 45 ~ 55 중량%와; 120,000㎠/g 이상의 분말도를 갖는 메타카올린 분말 5 ~ 15 중량%와; Ⅱ형 무수석고 5 ~ 20 중량%가 혼합되어 제조되는 것을 특징으로 한다.

4. 발명의 중요한 용도

고강도 및 고내구성의 콘크리트를 제조하는 데 이용된다.

메타카올린, 시멘트, 고강도, 고로슬래그

Description

초고강도 시멘트 조성물{High Strength Cement Composite}

도1은 본 발명에 따른 메타카올린을 결합재 대비 0 ~ 20 중량% 치환시 재령 91일 까지의 압축강도 결과를 도시한 그래프이다.

도2는 본 발명에 따른 메타카올린을 결합재 대비 0 ~ 20 중량% 치환시 재령 56일까지의 중성화시험 결과를 도시한 그래프이다.

도3은 본 발명에 따른 메타카올린을 결합재 대비 0 ~ 5 중량% 치환시 동결융해시험결과를 도시한 그래프이다.

도4는 본 발명에 따른 메타카올린을 결합재 대비 0 ~ 20 중량% 치환시 염화물 침투저항성 시험결과를 도시한 그래프이다.

도5는 본 발명에 따른 메타카올린을 결합재 대비 10 중량% 치환시 단열온도상승 시험결과를 도시한 그래프이다.

본 발명은 초고강도 시멘트 조성물에 관한 것으로, 자세하게는 초고강도 및 고내구성 콘크리트를 제조하기 위한 초고강도 시멘트 조성물에 관한 것이다.

최근들어 국내외에서 토지의 효율성 등을 앞세워 백층 이상되는 건물의 신축이 예상되고 있고, 콘크리트 돔과 같은 대형 공간건축, 고소교각, 장대교량 등 다양한 구조형식의 구조물이 건립되고 있어, 구조물들이 초고층화, 단면의 축소화, 특수화, 대형화되는 추세 일로에 있다.

상기와 같은 건설 추세에 발맞추어 콘크리트가 건설용 구조재료로서 자기위치를 지키기 위해서는 콘크리트의 제성능 향상 및 개선이 요구되어 지며, 이에 따라 고성능 콘크리트는 시대적 요청에 따른 필연적인 귀결이라 할 수 있다.

현재 고성능 콘크리트의 의미는 국가 및 연구기관별로 다소 견해의 차이를 보이고는 있지만, 통상적인 고성능 콘크리트라 함은 안전성 및 유지관리 측면에서의 고강도 및 고내구성과 시공성의 측면에서의 고유동성을 갖춘 콘크리트를 기본적으로 지향하고 있다.

이같은 고성능 콘크리트에 대한 시대적 요구에 대응하여 콘크리트의 주요 구성요소인 시멘트로서 향후 각광받을 것으로 예상되는 것이 2, 3성분계 혼합시멘트이다. 2, 3성분계 혼합시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트(1종)에 실리카흄 혹은 플라이애쉬를 최적의 비율로 혼합하여 수화열 및 수화발열속도를 최소로 억제시키고 내해수성을 크게 향상시킨 혼합시멘트이다.

이같은 2, 3성분계 혼합시멘트는 기존의 혼합시멘트와는 달리 특정공사에서 필요로 하는 확실한 목적에 의해 범용이 아닌 세분된 사용 목적으로 제조되며, 사용 혼합재의 분말도 및 혼합비율에 따라 발현되는 성능 또한 세분화되어 각 사용 목적에 따른 세부적인 기술 확보가 필연적으로 요구된다.

종래 600kg/cm²이상의 고강도 콘크리트를 제조하기 위해 사용되던 2, 3성분계 혼합시멘트의 혼합재로는 강력한 포졸란 반응을 일으키고 비표면적이 크기 때문에 콘크리트의 강도와 수밀성 그리고 내구성을 향상시키는 것으로 보고되고 있는 실리카흄이 주목되어 왔다.

그러나, 상기 실리카흄은 굳지 않은 상태에서는 페이스트의 항복치 및 소성 점도를 증가시키기 때문에 콘크리트의 유동성이 저하될 뿐만 아니라, 전세계적으로 생산되는 150톤가량 중 국내 생산은 거의 없는 관계로 전량 수입에 의존하고 있어 국내 많은 건축물에서 폭넓게 응용되지 못하는 한계가 있었다.

상기와 같은 문제점으로 인해 최근 국내에서는 실리카흄 대체하기 위한 재료로서 고성능 콘크리트 제조시 메타카올린을 혼화재로 이용하는 기초 연구가 일부 진행된 바 있다. 메타카올린은 국내 풍부한 자원인 카올린 원료를 특수한 전처리를 거친 후 이를 소정의 조건으로 소성하여 제조한 다음 일정한 입도로 미분화한 것으로써 실리카흄에 비하여 국내 자원이 풍부하기 때문에 시공시 건설재료 비용 부담 측면에서 많은 장점을 가지고 있으며, 그 성능 또한 대등하게 나타나고 있는 것으로 보고된 바 있다.

그러나 상기 메타카올린을 콘크리트의 혼화재로 이용하여 베처플렌트에서 혼합하여 사용할 경우에는 투입되는 메타카올린의 품질을 관리하기가 어렵고, 양생온도 등에 크게 영향을 받게 되는 등 강도의 안정성이 떨어지는 문제점이 있었으며, 메타카올린의 재료 특성상 빠른 수분 흡수로 인해 초기 유동성 감소 및 점도의 증가로 실제 현장에서의 콘크리트 타설시 콘크리트 유동성(Workability)에 다소 문제가 발생하는 것으로 나타났다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래 고강도 시멘트에 있어 포졸란 재료로 통상적으로 사용되던 실리카흄을 고분말도의 메타카올린으로 대체하여 콘크리트의 강도 및 내구성을 향상시키고, 메타카올린의 첨가에 따른 콘크리트에서의 유동성 저하 문제는 적정 배합비의 고로슬래그를 사용하여 개선할 수 있도록 함으로써 보다 안정되고 향상된 고강도 및 고내구성 콘크리트를 제조할 수 있도록 하는 초고강도 시멘트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 초고강도 시멘트 조성물에 있어서, 1종 시멘트 20 ~ 35 중량%와; 8,000㎠/g 이상의 분말도를 갖는 고로슬래그 분말 45 ~ 55 중량%와; 120,000㎠/g 이상의 분말도를 갖는 메타카올린 분말 5 ~ 15 중량%와; Ⅱ형 무수석고 5 ~ 20 중량%가 혼합되어 제조되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 초고강도 시멘트 조성물은 1종 시멘트에 8,000㎠/g 이상의 분말도를 갖는 고로슬래그 분말과 120,000㎠/g 이상의 분말도를 갖는 메타카올린 분말 및 Ⅱ형 무수석고를 혼합하여 제조된다.

상기 1종 시멘트로는 통상의 보통 포틀랜드 시멘트로서 전체결합재 대비 20 ~ 35%가 사용되며, 사용 목적에 따라 상기 보통 포틀랜드 시멘트를 대체하여 조강 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트 등이 사용될 수 있다.

본 발명에서 사용된 고로슬래그로는 분말도 8,000㎠/g 이상의 전체결합재 대비 45 ~ 55중량%를 사용한 것으로, 내구성 측면에서 주로 해양콘크리트에서 사용되는 분말도 4,500㎠/g의 고로슬래그에 비해 반응성 및 충진성을 높이고, 이에 따른 강도증진효과를 극대화시킨다.

또한, 상기 고로슬래그는 가수 직후 거의 반응하지 않고 입자 표면에 수화물을 생성하지 않으므로 시멘트 입자간에 발생하는 마찰력을 저감시킬 뿐만 아니라 8,000㎠/g 이상되는 미분말의 효과에 의해 점성이 증가하여 별도의 고성능 감수제를 사용하지 않고서도 상기 고분말의 메타카올린을 사용함에 따른 콘크리트의 유동성 저하를 방지할 수 있게 된다.

이외에도, 상기 고로슬래그는 단위결합재량이 상당히 높은 초고강도 콘크리트에서 문제시되는 수화열을 상당량 감소시켜 콘크리트의 균열저감 및 내구성을 증진시키게 된다.

다음의 표 1은 본 발명에 사용된 고로슬래그의 화학성분 및 물리적 성질을 나타낸 것으로, 상기 고로슬래그 미분말은 국내 광양제철소에서 발생하는 고로슬래그를 미분쇄하여 얻은 것이다.

<표 1> 고로슬래그 미분말의 화학성분 및 물리적 성질

구 분	SiO₂ (중량%)	Al₂O₃ (중량%)	Fe₂O₃ (중량%)	CaO (중량%)	MgO (중량%)	SO₃ (중량%)	강열감량 (중량%)	비 중	분말도 (cm²/g)
슬래그A	32.3	14.8	0.4	44.1	5.5	1.0	1.1	2.91	4,500
슬래그B	32.2	14.6	0.4	44.0	5.6	1.1	1.2	2.92	6,000
슬래그C	32.3	14.6	0.4	44.2	5.5	1.0	1.1	2.90	8,000

※ 사용 슬래그 : 슬래그C(분말도 8,000 ㎠/g)

본 발명에 사용된 메타카올린은 종래 시멘트의 고강도화를 위해 통상적으로 사용되던 실리카흄을 대체하기 위해 사용된 재료로, 비중은 2.63이고, 분말도는 120,000㎠/g 이상의 고분말의 포졸란재료이다.

이같은 메타카올린은 균질하게 성분 조합한 카올린을 특수한 전처리를 거친 후 이를 소정의 조건으로 소성하여 활성화시킨 다음 일정한 입도로 미분화한 것으로, 수화시 단기적으로 에트링가이트(ettringite)의 생성과, 시멘트 중의 주요광물인 알라이트(alite)의 활성화로 인한 반응속도의 증가로 초기강도를 증가시키고 중장기적으로는 1종 시멘트의 수산화칼슘과의 포졸란반응으로 콘크리트 조직이 치밀화되어 강도 및 내구성을 향상시키게 된다.

본 발명에서는 상기 메타카올린을 전체결합재 대비 5 ~ 15중량%를 혼입하여 사용한 것으로, 첨부한 도1 ~ 도5는 상기 메타카올린의 혼입률에 따른 강도특성 및 내구특성을 시험한 결과를 도시한 것이다.

상기 메타카올린의 혼입률에 따른 시험결과는 도면에 도시된 바와 같이, 전체결합재 대비 약10 중량%를 혼입했을 때 강도 및 내구성 측면에서 가장 경제적이 면서 뛰어난 성능을 나타내는 것으로 나타났다.

한편, 본 발명에 사용된 메타카올린은 국내에서 제조 및 시판된 것을 사용한 것으로, 다음의 표 2는 각국에서 생산되는 메타카올린의 성분 함량을 나타낸 것이다.

<표 2> 각국에서 생산되는 메타카올린의 성분 함량

시멘트	미국 MK1 (중량%)	미국 MK2 (중량%)	미국 MK (중량%)	미국 MK (중량%)	프랑스 MK (중량%)	한국 MK (중량%)
SiO₂	54.32	50.50	51.37	50.55	54.12	52.0
Al₂O₃	40.90	44.56	42.96	44.62	40.28	40.20
Fe₂O₃	0.80	0.60	0.75	0.53	2.05	3.00
MgO	0.27	0.03	0.04	0.04	0.27	0.50
CaO	0.04	0.05	0.05	0.03	0.17	1.20
TiO₂	0.03	2.02	2.72	1.88	1.72	0.35
Na₂O	0.01	0.19	0.04	0.10	0.08	0.40
K₂O	2.84	0.13	0.35	0.18	1.34	0.60
lg-Loss	1.25	0.64	0.85	1.71	0.57	1.85
s/a	1.33	1.13	1.20	1.13	1.34	1.29

※ 사용 메타카올린: 한국 MK

표 2에 도시된 바와 같이, 메타카올린은 제조된 지역의 카올린 광물에 따라 약간씩 화학조성이 다르며, 색깔 또한 백색 및 연황색 등으로 다양하다. 이같은 메타카올린의 색상 차이는 카올린의 미량성분에 따라 변하게 된다.

본 발명에 사용된 국내의 메타카올린은 다른 국외의 메타카올린에 비해 연황색을 띄고 있으며, 이에 따라 종래 초고강도용 혼화재로 주로 사용되었던 실리카흄의 경우에는 짙은 잿빛으로 콘크리트의 색깔 또한 어두운 색상을 띄게 하는 단점이 있었으나, 본 발명에 따른 메타카올린은 연황색으로 콘크리트 자체의 색깔을 밝게 만들어 주는 효과가 있다.

본 발명에 사용된 Ⅱ형 무수석고(Ⅱ-CaSO₄)는 고로슬래그 미분말을 사용함에 따른 낮은 초기강도 특성을 보완하고, 메타카올린의 반응성을 높이기 위한 촉진재로서 사용된다. 이는 알루미네이트상과 반응하여 응결후에 계속적인 에트링게이트(ettringite) 수화물을 생성함으로써 초기강도를 보완하게 된다.

이때, 상기 Ⅱ형 무수석고의 사용량은 전체결합재 대비 5 ~ 20 중량%이 사용되는데, 이는 5 중량% 미만을 사용할 경우에는 초고강도 콘크리트의 발현에 효과를 발휘할 수 없으며, 20 중량% 이상을 사용할 경우에는 이상응결 및 팽창현상으로 인해 콘크리트의 내구성에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있기 때문이다.

상술한 바에 따라 본 발명에 따른 초고강도 시멘트의 차별성 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 1종 시멘트에 메타카올린 및 고로슬래그 미분말을 선혼합(Pre-mix)하여 안정적인 3성분계 시멘트로 제조함으로써, 종래 메타카올린 또는 고로슬래그 미 분말을 콘크리트의 혼화재로 배처플렌트에서 혼합하여 사용하는 콘크리트에 비해 강도의 안정성을 꾀할 수 있다.

둘째, 국내에서 제조되는 메타카올린의 사용으로 수입에 의존하고 있는 실리카흄에 비해 저렴한 가격으로 소요의 품질을 확보할 수 있게 되어, 실리카흄 사용 콘크리트에 비해 1/3정도의 단가절감 효과를 가진다.

셋째, 일반 고로슬래그(분말도 4,500㎠/g)와는 달리 고분말도의 고로슬래그분말을 사용하여 반응성 및 충진성을 높이고, 이에 따른 강도증진효과까지 얻을 수 있다. 또한, 단위결합재량이 상당히 높은 초고강도 콘크리트에서 문제시 되는 수화열을 상당량 감소시켜 콘크리트의 균열저감 및 내구성 증진효과가 있으며, 고로슬래그의 특성상 염해 환경에 노출된 구조물에 적용시 내염해성이 우수하기 때문에 해양 콘크리트 구조물에도 적용이 가능한 효과가 있다.

Claims

초고강도 시멘트 조성물에 있어서,

1종 시멘트 20 ~ 35 중량%와;

8,000㎠/g 분말도를 갖는 고로슬래그 분말 45 ~ 55 중량%와;

120,000㎠/g 분말도를 갖는 메타카올린 분말 5 ~ 15 중량%와;

Ⅱ형 무수석고 5 ~ 20 중량%가 혼합되어 제조되는 것을 특징으로 하는 초고강도 시멘트 조성물.
상기 제1항에 있어서, 상기 메타카올린 분말은 10 중량%인 것을 특징으로 하는 초고강도 시멘트 조성물.