KR100686353B1 - 고내화성 초고강도 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강도가 150㎫를 넘으면서 내화성능을 확보하는 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 결합재로 시멘트에 고로슬래그 미분말, 실리카흄 및 무수석고를 적정비율로 혼합된 결합재를 사용하고 폭열제어용 섬유를 일정량 혼입하고 12~15중량%의 낮은 물-결합재비로 배합되도록 함으로써 일정의 시공성을 확보하면서 150㎫를 넘는 강도가 발현됨은 물론 고내화성도 기대할 수 있는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 단위수량 140~160㎏/㎥; 단위결합재량 933~1333㎏/㎥; 단위잔골재량 336~611㎏/㎥; 및, 단위굵은골재량 550~919㎏/㎥;를 포함하여 조성되되, 물-결합재비가 12~15중량%, 잔골재율이 35~45중량%이며, 상기 결합재가 시멘트, 고로슬래그 미분말, 무수석고 및 실리카흄을 포함하도록 혼합되며, 폭열제어용 섬유가 콘크리트에 대하여 0.25~0.35Vol% 혼입되는 것을 특징으로 하는 고내화성 초고강도 콘크리트 조성물을 제공한다.

Description

고내화성 초고강도 콘크리트 조성물{High fire resistance and ultra high strength concrete composition}
본 발명은 강도가 150㎫를 넘으면서 내화성능을 확보하는 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 결합재로 시멘트에 고로슬래그 미분말, 실리카흄 및 무수석고를 적정비율로 혼합된 결합재를 사용하고 폭열제어용 섬유를 일정량 혼입하고 12~15중량%의 낮은 물-결합재비로 배합되도록 함으로써 일정의 시공성을 확보하면서 150㎫를 넘는 강도가 발현됨은 물론 고내화성도 기대할 수 있는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
최근 초고층 구조물의 증가에 따라 초고강도 콘크리트의 관심이 증대되고 있다. 초고강도 콘크리트의 적용을 통해 기둥단면의 축소가 가능하게 되어 RC구조물은 물론 SRC구조물의 경우에 골조경비를 절감시킬 수 있게 되기 때문이다. 특히 SRC구조물의 경우에는 철골량을 크게 줄일 수 있어 경제성에 기여할 것이다. 나아가 초고강도 콘크리트 적용으로 기둥단면의 축소가 가능해지므로 이에 따라 넓은 내부 공간을 확보할 수 있게 되어 공간 활용에 유용하다는 이점 또한 기대된다.
통상 초고강도 콘크리트라고 하면 경화 콘크리트가 80㎫이상의 압축강도를 발현하는 경우를 의미한다. 지금까지는 시멘트에 산업부산물인 실리카흄, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 혼합한 것을 결합재로 채택함으로 100~120㎫ 정도의 초고강도 콘크리트를 확보하여 왔으나, 아직까지 그 이상을 넘는 배합설계가 이루어지지 않는 실정이다.
한편, 초고강도 콘크리트의 경우에는 일반 콘크리트에 비하여 상당히 치밀한 구조(콘크리트 강도가 높아질수록 수분함량이 작게 배합되어 내부의 공극이 적게 되므로 발생하는 공극압(주로 수증기압)을 유효하게 배출시키지 못함)로 이루어지기 때문에 화재시 폭열현상이 심하게 나타나게 된다. 따라서, 초고강도 콘크리트의 배합설계에서는 강도확보와 함께 폭열제어를 위한 방안이 함께 고려되어야 할 것이다.
본 발명은 상기한 종래의 문제에 착안하여 안출된 것으로서, 결합재로 시멘트에 고로슬래그 미분말, 실리카흄 및 무수석고를 적정비율로 혼합된 결합재를 사용하고 폭열제어용 섬유를 일정량 혼입하고 12~15중량%의 낮은 물-결합재비로 배합되도록 함으로써 일정의 시공성을 확보하면서 150㎫를 넘는 강도가 발현됨은 물론 고내화성도 기대할 수 있는 콘크리트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적달성을 위해 본 발명은 단위수량 140~160㎏/㎥; 단위결합재량 933~1333㎏/㎥; 단위잔골재량 336~611㎏/㎥; 및, 단위굵은골재량 550~919㎏/㎥;를 포함하여 조성되되, 물-결합재비가 12~15중량%, 잔골재율이 35~45중량%이며, 상기 결합재가 시멘트, 고로슬래그 미분말, 무수석고 및 실리카흄을 포함하도록 혼합되며, 폭열제어용 섬유가 콘크리트에 대하여 0.25~0.35Vol% 혼입되는 것을 특징으로 하는 고내화성 초고강도 콘크리트 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 초고강도 콘크리트는 유동성 및 장기강도 개선을 목적으로 결합재로 시멘트에 고로슬래그 미분말, 실리카흄 및 무수석고를 적정비율로 개별 혼합하거나 프리믹스한 결합재를 사용하면서, 낮은 물-결합재비로 배합되며, 폭열제어용 섬유가 혼입된다는데 특징이 있다. 구체적인 배합범위는 하기 표 1과 같다.
초고강도 콘크리트 배합비
W/B(중량%) S/a(중량%)(a=S+G) 단위재료량(㎏/㎥) 폭열제어용 섬유(Vol%)
W B S G
12~15 35.0~45.0 140~160 933~1333 336~611 550~919 0.25~0.35
(1) 물-결합재비 (W/B)
설계강도 150MPa 초고강도 콘크리트 발현을 위하여 12~15중량%를 사용한다. 물-결합재비가 12중량%이하이면 콘크리트의 유동성 확보에 문제가 되어 시공성이 좋지 못하게 되고, 15중량%이상이면 초고강도 발현이라는 본 발명의 목적달성에 문제가 있게 된다.
(2)잔골재율 (S/a)
전체 골재(모래+자갈) 체적에 대한 모래의 체적비로서 콘크리트의 유동성을 결정하는 수치이며, 잔골재의 조립율을 고려하여 35.0∼45.0중량% 수준에서 설정하도록 한다. 본 발명에 따른 초고강도 콘크리트 조성물은 단위결합재량이 많아 기본적으로 점성이 강하므로, 여기에 잔골재까지 많아지면 점성이 과도하게 강해져 콘크리트의 유동성을 떨어뜨릴 우려가 있는 바 본 발명에서는 이러한 점을 고려하여 유동성에 기여하는 최적의 잔골재율로 제시하고 있는 것이다.
(3)물(W)
유해물질을 포함하지 않은 물(지하수, 수도수 등)로 일반 콘크리트와 동일한 배합수(물)이다. 본 발명에서는 초고강도 발현을 위해 통상 콘크리트 배합에서와는 달리 140~160㎏/㎥의 낮은 범위에서 결정되는데, 이는 유동성을 크게 저하시키기 않으면서 수화열 저감을 고려한 것이다.
(4)결합재(B)
일반 콘크리트에서 사용되는 시멘트와 고로슬래그 미분말, 실리카흄 및 무수석고 등의 혼화재를 일정 비율로 개별 혼합하거나 프리믹스하여 확보하게 되며, 혼화재는 시멘트 단독으로 사용하는 경우보다 굳지않은 콘크리트의 유동성 증진 및 장기강도 발현에 기여한다. 이와 같은 결합재의 단위량은 933~1333㎏/㎥ 확보되도록 하여 초고강도 발현에 문제없도록 한다.
본 발명에서는 시멘트 수화열 저감, 수화생성물의 증대, 치밀한 조직의 형성 및 장기강도 증진의 목적으로 고로슬래그 미분말을 채택하고, 잠재수경성 재료인 상기 고로슬래그 미분말의 자극제 역할과 함께 유효팽창에 따른 치밀한 조직형성을 목적으로 무수석고를 채택하며, 이미 초고강도 발현에 유용한 효과가 있는 것으로 알려진 실리카흄을 채택하고 있다.
상기 고로슬래그 미분말와 무수석고로 각각 분말도가 3,500∼7,500㎠/g인 것과, 4,500∼6,500㎠/g인 것을 만족하는 고분말도의 것을 채택하면 이들을 충분히 믹싱하여 잘 분산시킴으로써 유동성 및 강도개선에 유리하게 작용할 것으로 기대된다.
시멘트와 혼화재의 혼합비율은 하기 표 2와 같은 비율로 설정하도록 하며, 이는 콘크리트의 유동성과 강도를 고려하여 설정된 것이다.
결합재의 혼합비율
시멘트 고로슬래그 미분말 무수석고 실리카흄
60~65중량% 15~20중량% 5~10중량% 8~15중량%
(5)잔골재(S)
잔골재(모래)는 일반 레미콘사에서 사용하는 것과 동일한 것을 사용하되, 조립율이 2.8~3.0 수준의 것을 사용하는 것이 콘크리트의 유동성 확보 및 점성저하를 위해 바람직하다. 단위잔골재량은 336~611㎏/㎥ 범위에서 선택하도록 한다.
(6)굵은골재(G)
콘크리트 강도를 고려하여 굵은골재(자갈) 최대치수는 20㎜ 이하로 하며, 1200℃에서 내화성능이 확보된 150㎫ 이상의 강도를 발현하는 골재를 사용하는 것이 바람직하다. 단위굵은골재량은 550~919㎏/㎥ 범위에서 선택하도록 한다.
(7)혼화제(AD) : 폴리카르본산계 고성능 감수제
본 발명에 따른 초고강도 콘크리트 조성물은 낮은 물-결합재비를 가지므로 고성능 감수제를 더 혼합하는 것이 바람직하며, 이때 고성능 감수제로는 분산력 및 감수력이 우수한 폴리카르본산계 고성능 감수제를 채택함이 좋다. 폴리카르본산계 고성능 감수제의 경우에는 결합재량의 2.0~3.5중량%로 혼합하도록 하는 것이 경제성과 성능발현을 고려할 때 바람직하다.
(8)폭열제어용 섬유 : 폴리프로필렌(PP) 섬유
경화후 치밀한 구조로 완성되는 초고강도 콘크리트의 폭열을 제어하기 위해 본 발명에서는 폭열제어용 섬유를 혼입하고 있는데, 폭열제어용 섬유는 콘크리트 강도의 손해를 주지 않는 범위 내에서 그 양을 설정해야 할 것이며 구체적으로는 콘크리트에 대하여 0.25~0.35Vol%가 바람직하다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명한다.
[실시예] 고내화성 초고강도 콘크리트 Mock-Up 실시예
(1)실험방법
기둥 부재의 실제 모형에 고내화성 초고강도 콘크리트를 타설함으로써 시공성을 평가하고 재령별 공시체 압축강도 및 코아 강도를 측정하여 목표강도 만족여부를 검토하였다.
(2)초고강도 콘크리트 배합설계
본 실시예에서의 콘크리트 배합설계 및 사용 재료원은 하기 표 3과 같다.
초고강도 콘크리트 배합설계
W/B(중량%) S/a(중량%) 단위재료량(㎏/㎥) AD(B×중량%) PP섬유(Vol%)
W B S G
14.0 40.0 140 1,000 520 813 3.2 0.35
B: 프리믹스 시멘트(1종시멘트630㎏+고로슬래그200㎏+무수석고50㎏+실라카흄120㎏S: 잔골재(인천세척사, 조립율 2.8)G: 굵은골재(부순골재, 경북 칠곡산 13㎜)AD: 폴라카르본산계 고성능 감수제(동남기업 3000S)PP섬유: 폴리프로필렌 섬유 직경 40㎛, 길이 10㎜
(3)실험결과
상기 배합설계에 따라 배합된 콘크리트를 물성 시험한 결과 하기 표 4 및 표 5와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
굳지 않은 콘크리트 물성시험 결과
Slump/Flow(㎝) 50㎝ 도달시간(sec) 공기량(%) 온도(℃)
공장 현장 공장 현장
67/68 58/59 10.0 13.0 1.8 23.0
경화콘크리트 시험결과
구분 압축강도(㎫)
3D 7D 14D 28D 56D 91D
공시체 64.2 101.0 117.2 131.5 148.5 156.3
코아 133.3 136.4 - 143.1 154.6 158.2
상기와 같이 굳지않은 콘크리트 물성시험결과에서는 현장도착 슬럼프 플로우 58㎝ 이상으로 타설 시 적절한 유동성을 나타내었다. 또한 경화콘크리트 시험결과에서 공시체의 경우 재령 28일에 공시체의 경우 131.5㎫, 코아 공시체의 경우 143.1㎫로 나타났으며, 목표 재령인 91일에는 설계기준강도인 150㎫를 만족하는 것으로 나타났다. 물론, 통상의 내화성능 실험을 통해 유추해보면 폭열제어용 섬유가 혼입되었으므로 내화성능 향상을 기대할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 콘크리트 배합설계시 결합재로 시멘트에 고로슬래그 미분말, 실리카흄 및 무수석고를 적정비율로 혼합된 결합재를 사용하고 폭열제어용 섬유를 일정량 혼입하고 12~15중량%의 낮은 물-결합재비로 배합되도록 함으로써 일정의 시공성을 가지면서 150㎫를 넘는 초고강도를 가지는 것은 물론 고내화성을 가지는 콘크리트를 확보할 수 있게 된다. 그 결과 이와 같은 고내화성 초고강도 콘크리트를 초고층 구조물 건축시 적용하면 화재에 대한 안전성을 확보하게 되고, 골조의 단면크기를 줄일 수 있어 경제적인 시공이 가능할 것으로 기대되며 나아가 넓은 내부 공간을 확보할 수 있게 될 것으로 기대된다.

Claims (5)

  1. 단위수량 140~160㎏/㎥;
    단위결합재량 933~1333㎏/㎥;
    단위잔골재량 336~611㎏/㎥; 및,
    단위굵은골재량 550~919㎏/㎥;를 포함하여 조성되되,
    물-결합재비가 12~15중량%, 잔골재율이 35~45중량%이며,
    상기 결합재가 시멘트 60~65중량%, 고로슬래그 미분말 15~20중량%, 무수석고 5~10중량% 및 실리카흄 8~15중량%를 포함하도록 혼합되며,
    폭열제어용 섬유가 콘크리트에 대하여 0.25~0.35Vol% 혼입되는 것을 특징으로 하는 고내화성 초고강도 콘크리트 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 고로슬래그 미분말의 분말도는 3,500∼7,500㎠/g이며, 상기 무수석고의 분말도는 4,500∼6,500㎠/g인 것을 특징으로 하는 고내화성 초고강도 콘크리트 조성물.
  4. 제1항 또는 제3항에서,
    상기 잔골재는 조립율이 2.8~3.0이며,
    상기 굵은골재는 그 최대치수가 20㎜이하이면서 1200℃에서 내화성능이 확보된 강도 150㎫이상인 것을 특징으로 하는 고내화성 초고강도 콘크리트 조성물.
  5. 제4항에서,
    폴리카르본산계 고성능 감수제가 결합재의 2.0~3.5중량% 더 혼합되는 것을 특징으로 하는 고내화성 초고강도 콘크리트 조성물.
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