KR100717935B1 - 조강형 초고강도 콘크리트용 결합재 조성물, 및 이것을이용한 콘크리트 조성물 및 콘크리트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4CaO·3Al₂O_{3 ·}SO₃를 주성분으로 하는 클링커 80∼95중량부 및 Ⅱ형 무수석고 5~20중량부를 포함하는 시멘트 혼합물 90∼95중량부, 및 실리카 흄 5~10중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합재 조성물, 이것을 이용한 콘크리트 조성물 및 콘크리트 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 증기양생 온도 및 시간을 줄이는 동시에 폴리에스테르 등의 수지나 보강섬유를 사용하지 않고도 폴리머 콘크리트 또는 섬유보강 초고강도 콘크리트처럼 압축강도 뿐만 아니라 휨강도도 양호한 초고강도 콘크리트를 제공할 수 있다.

Description

조강형 초고강도 콘크리트용 결합재 조성물, 및 이것을 이용한 콘크리트 조성물 및 콘크리트 제조방법{Binder composition for high strength concrete, and concrete composition and process for manufacturing the concrete using the same}

도 1은 석고 비율 변경에 따른 콘크리트의 휨강도 결과를 나타낸 도면이다.

도 2는 실리카흄 비율 변경에 따른 콘크리트의 휨강도 결과를 나타낸 도면이다.

도 3은 모래 비율 변경에 따른 콘크리트의 휨강도 결과를 나타낸 도면이다.

도 4는 증기양생 시간 및 온도 변경에 따른 콘크리트의 휨강도 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은 휨강도가 우수한 조강형 초고강도 콘크리트용 결합재 조성물, 및 이것을 이용한 콘크리트 조성물 및 콘크리트 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 4CaO·3Al₂O_{3 ·}SO₃를 주성분으로 하는 클링커, Ⅱ형 무수석고 및 실리카흄을 소 정의 비율로 포함하는 콘크리트 결합재 조성물, 이것을 이용한 콘크리트 조성물 및 콘크리트 제조방법에 관한 것이다.

콘크리트는 시멘트 페이스트에 골재를 혼합하여 다양한 구조물을 만드는 것으로, 페이스트는 골재와 골재를 접착·결합시키는 역할을 하며 강도 발현에 중요한 역할을 한다. 그러나, 통상적인 시멘트 페이스트와 골재를 사용하여 제조한 콘크리트는 압축강도가 높은데 비하여 인장강도와 휨강도가 작고, 재료가 고가이거나 양생기간이 길어 생산성 및 경제성이 문제시 되고 있다.

이러한 낮은 인장강도 및 휨강도의 문제점을 해소하기 위해 최근에는 콘크리트의 결합재로서 시멘트 페이스트를 사용하지 않고 폴리에스테르 등의 수지를 이용한 폴리머 콘크리트 또는, 통상적인 시멘트 페이스트에 강섬유 및 유기섬유 등을 혼입하여 제조한 섬유 보강 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete)가 높은 휨강도 및 압축강도가 요구되는 구조물에 사용되고 있다.

폴리머 콘크리트는 압축, 인장 및 휨강도 등의 물성이 일반 시멘트 콘크리트 보다 높을 뿐만 아니라 가사시간이나 경화시간을 폭넓게 제어할 수 있는 우수한 특성을 가지고 있으나, 폴리머 콘크리트 재료로 이용되는 폴리에스테르 수지 등이 대체로 고가이며 국제유가 및 원자재 수급상황에 따라 가격이 상승하는 문제점을 가지고 있다.

통상적인 포틀랜드 시멘트에 섬유를 혼입하여 보강을 한 고강도 콘크리트는 콘크리트가 가지고 있는 낮은 인장 및 휨강도의 문제점을 해결하였으나, 양생 온도가 높고 양생 시간이 길며, 고가의 보강섬유를 혼입하므로 생산성 및 경제성의 문 제점을 가지고 있다. 한국 공개특허 2001-0071263호에는 보통포틀랜드 시멘트에 모래, 석영가루, 실리카흄, 분산제, 유기섬유 등을 배합하여 휨강도를 증진시키는 방법이 알려져 있으나, 소정의 휨강도를 발현하기 위해서는 90℃에서 2일간 양생시켜야 하고 고가의 유기섬유 또는 강섬유 등의 재료가 혼입되어 생산성과 경제성 면에서 문제점을 가지고 있어 극히 일부 특수 구조물 등에 사용범위가 한정되어 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 증기양생 온도 및 시간을 줄이는 동시에 폴리에스테르 등의 수지나 보강섬유를 사용하지 않고도 폴리머 콘크리트 또는 섬유보강 초고강도 콘크리트처럼 압축강도와 휨강도 모두 양호한 초고강도 콘크리트를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 4CaO·3Al₂O_3·SO₃를 주성분으로 하는 클링커 80∼95중량부 및 Ⅱ형 무수석고 5~20중량부를 포함하는 시멘트 혼합물 90∼95중량부, 및 실리카 흄 5~10중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합재 조성물이 증기양생 온도 및 시간을 줄이면서도 압축강도 뿐만 아니라 휨강도도 양호한 초고강도 콘크리트를 제조하게 한다는 사실을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명은 4CaO·3Al₂O_3·SO₃를 주성분으로 하는 클링커 80∼95중량부 및 Ⅱ형 무수석고 5~20중량부를 포함하는 시멘트 혼합물 90∼95중량부, 및 실리카흄 5~10중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합재 조성물을 제공한다.

보통 포틀랜드 시멘트는 칼슘 실리케이트(Calcium Silicate)의 판상 결정체를 생성하므로 압축강도에 비해 휨강도가 작게 나타나고, 휨강도를 증진시키기 위해서는 별도의 섬유 보강재를 이용하고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서, 본 발명에서는 4CaO·3Al₂O_3·SO₃를 주성분으로 하는 클링커(CSA 시멘트)와 석고의 주요 수화 생성물인 에트링자이트 침상 결정체의 서로 얽힘 구조를 이용하여 섬유보강을 하지 않고도 휨강도를 증진시켰다. 여기서, 4CaO·3Al₂O_{3 ·}SO₃를 주성분으로 하는 클링커는 에트링자이트 침상 결정체를 생성할 수 있는 성분이라면 특별하게 한정되지 않으며, 예컨대 4CaO·3Al₂O_3·SO₃만으로 이루어진 클링커 또는 4CaO·3Al₂O_3·SO₃ 또는 2CaO·SiO₂로 이루어진 클링커를 들 수 있다. 가늘고 긴 에트링자이트 침상결정체의 치밀한 얽힘은 휨강도를 증진시키는 역할을 한다.

본 발명에서 휨강도를 최대한 증진시키기 위해서는, 에트링자이트의 결정이 가늘고 긴 침상으로 서로 치밀하게 얽히도록 생성시키는 동시에, 에트링자이트 침상 결정이 서로 얽혀 결합된 후 에트링자이트 결정이 추가로 생성되어 견고하게 얽혀 있는 에트링자이트 결정 조직을 파괴시켜 휨강도가 저하되는 것을 막아주어야 한다. 경화 후 지속적인 에트링자이트 결정의 생성은 경화체를 더욱 치밀하게 만들어 주어 압축강도는 증진되나, 에트링자이트 침상 결정체의 서로 얽힘이 파괴되어 휨강도는 오히려 낮아지는 결과를 초래한다.

통상적인 에트링자이트 결정이 생성되는 재료를 이용한 시멘트 콘크리트 조성물 등은 조기강도 및 압축강도만을 고려한 것이고, 높은 휨강도 증진 및 휨강도가 요구되는 구조물에의 적용에 한계가 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 높은 휨강도를 발현하기 위해서 4CaO·3Al₂O_3·SO₃를 주성분으로 하는 클링커(CSA 시멘트) 80∼95중량부에 Ⅱ형 무수석고를 5~20중량부를 포함하는 시멘트 혼합물 100중량부에 대하여 5~10중량부를 실리카흄으로 치환 첨가하여 결합재 조성물을 제조한다.

Ⅱ형 무수석고가 5중량부 이하로 포함되는 경우에는 에트링자이트가 조기에 충분히 생성되지 않으므로 조기 강도발현이 어렵고, 20중량부 이상으로 포함되는 경우에는 에트링자이트 결정이 서로 얽혀 견고하게 결합된 후 에트링자이트가 추가적으로 생성되므로 재령기간이 증가함에 따라 휨강도 저하의 폭이 커지게 되는 결과를 초래하게 된다. 반면에, 본 발명에서와 같이 무수석고가 5∼20중량부인 경우에는 에트링자이트 결정이 최적으로 생성되어서, 콘크리트의 휨강도가 대체로 높고, 재령기간이 증가하여도 휨강도의 변화 또는 감소의 폭이 적다. 특히, 휨강도를 극대화하기 위해서는 무수석고의 함량비가 5∼10중량부인 것이 바람직하다.

실리카흄이 5중량부 이하로 치환되는 경우에는 낮은 물시멘트 비에서 시공성이 급격히 떨어지고, 10중량부 이상으로 치환되는 경우에는 휨강도가 저하되는 결과를 초래한다. 반면에, 본 발명에서와 같이 실라카흄이 5∼10중량부인 경우에는 콘크리트 조성물의 유동성이 최적화되어서 혼합이 잘 이루어져서 성형성이 증가하 고 콘크리트 압축강도, 휨강도가 극대화한다.

본 발명에 따른 초고강도 콘크리트 결합재 중의 4CaO·3Al₂O_3·SO₃를 주성분으로 하는 클링커(CSA 시멘트)는 본 발명이 속하는 기술분야에 널리 알려져 있는 방법을 사용하면 된다. 예를 들면, 4CaO·3Al₂O_3·SO₃만을 포함하는 클링커는 보크사이트(Bauxite), 석회석, 석고를 혼합한 후 이를 약 2시간 1200~1300℃에서 소성하여 제조한다.

본 발명에 사용된 초미립자 혼화재인 실리카흄은 0.1~1㎛ 크기의 구형 입자로 되어 있어 적정량을 혼합하여 주면 물의 혼합량을 낮추어 주고 시공성을 향상시켜주며 미세 공극에 충전되어 조직을 치밀하게 하여 강도를 향상시켜주는 역할을 한다.

본 발명에 의하면, 상기 콘크리트 결합재 조성물과 규사 등의 적절한 잔골재를 포함하는 콘크리트 조성물을 제조할 수 있다. 잔골재의 함량은 상기 콘크리트 결합재 조성물 100중량부 당 잔골재 100∼175중량부인 것이 바람직하며, 콘크리트의 휨강도를 극대화하기 위해서는 100∼150중량부인 것이 보다 바람직하다. 잔골재의 재질은 최대입경이 5mm 이하인 규사인 것이 바람직하다. 또한, 상기 결합재 조성물 100중량부에 대하여 20중량부 이하의 배합수, 및 고성능 감수제를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 콘크리트는 여러 방법에 의하여 제조될 수 있는데, 예컨대 4CaO·3Al₂O_3·SO₃를 주성분으로 하는 클링커 80∼95중량부 및 Ⅱ형 무수석고 5~20중 량%를 포함하는 시멘트 혼합물 90∼95중량부, 및 실리카흄 5~10중량부를 혼합하여 제조한 결합재 조성물과, 상기 결합재 조성물에 대하여 최대입경이 5mm 이하인 규사 100~175중량%, 상기 결합재 조성물에 대하여 배합수 20중량% 이하와 고성능 감수제를 강제식 믹서기로 혼합하는 단계와, 양생하는 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 제작된다.

상기 양생단계는 30분~2시간 전치시간과 40℃에서 2시간~4시간(1차 증기양생), 50℃∼90℃에서 6시간~22시간(2차 증기양생) 증기양생, 1~6일의 습윤 양생을 실시하는 단계에 의해서 수행될 수 있다. 특히, 본 발명의 콘크리트 조성물은 종래의 콘크리트 조성물과는 달리 상대적으로 저온에서 단시간 동안 증기양생하여도 높은 압축강도, 휨강도를 발현할 수 있어서 조기에 구조물을 제작할 수 있다는 장점이 있다.

상기 양생조건에 있어서, 에트링자이트 결정을 최대로 생성시키기 위해서는 증기양생 시간을 12시간~24시간으로 설정하고, 특히 40℃에서 2시간~4시간(1차 증기양생), 50℃∼90℃에서 6시간~22시간(2차 증기양생) 동안 증기양생하도록 설정하는 것이 바람직하다. 여기서, 특히 2차 증기양생 시간이 6시간 미만이면 에트링자이트 침상 결정이 상대적으로 치밀하게 얽혀 생성되지 않고 경화된 후 추가적인 에트링자이트 생성으로 휨강도가 저하되는 결과를 초래하고, 2차 증기양생 시간이 22시간을 상회하면 에트링자이트 결정이 추가로 생성되지 않아서 추가적인 강도증진 효과가 나타나지 않는다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

한편, 본 발명에서 함량의 단위로 사용된 함량단위인 '중량부'는 상기한 일 구현예에서와 같이 상대적인 함량을 나타내는 것으로서, 상대적 중량부에 대한 별도의 기준 함량이 비록 명시적으로는 기재되어 있지 않다고 하더라도, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자라면 본 발명의 각 구성성분의 상대적인 함량을 결정하는데 별다른 어려움이 없을 것이다.

실시예 1

4CaO·3Al₂O_3·SO₃의 성분의 클링커(CSA 시멘트)와 Ⅱ형 무수석고를 각각 중량비 95:5, 90:10, 85:15, 80:20 및 75:25로 혼합하여 이루어진 시멘트 혼합물 92.5중량부와 실리카흄 7.5중량부를 혼합하여 결합재 조성물을 제조하고, 여기에 결합재 조성물 100중량부 대비 모래비가 100중량부가 되도록 모래를 혼합하고, 고성능 감수제가 포함된 배합수와 결합재 조성물의 중량비가 18%가 되도록 콘크리트 조성물을 제조하였다. 이 조성물을 믹서에서 5분간 혼합하여 시험체를 제조하여 1시간 전치, 40℃에서 3시간 동안 1차 증기양생, 70℃에서 20시간 동안 2차 증기양생 후 각각 2일 및 6일 습윤양생을 하여 콘크리트 시험체를 제작하였고, 시험체의 휨강도와 압축강도를 KS L 5207에 따라 측정하였다. 그 결과를 아래 표 1과 도 1에 나타내었다.

[표 1]

실시예 2

실시예 1에서 클링커(CSA 시멘트):석고의 중량비를 95:5으로 고정하고 시멘트 혼합물:실리카흄의 중량비를 각각 95:5, 92.5:7.5, 90:10 및 85:15로 변경한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여서 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물을 제조하였다. 실시예 1과 동일하게 양생을 거쳐서 제작된 콘크리트 시험체에 대해서도 휨강도와 압축강도를 KS L 5207에 따라 측정하였다. 그 결과를 아래 표 2과 도 2에 나타내었다.

[표 2]

실시예 3

실시예 1에서 클링커(CSA 시멘트):석고의 중량비를 95:5으로 고정하고 결합재 조성물 100중량부 대비 모래비를 각각 100중량부, 125중량부, 150중량부, 175중 량부가 되도록 모래를 혼합한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여서 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물을 제조하였다. 실시예 1과 동일하게 양생을 거쳐서 제작된 콘크리트 시험체에 대해서도 휨강도와 압축강도를 KS L 5207에 따라 측정하였다. 그 결과를 아래 표 3과 도 3에 나타내었다.

[표 3]

실시예 4

실시예 1의 증기양생 온도 및 시간 설정에 있어서, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃, 80℃ 및 90℃에서 8시간 또는 20시간, 또는 90℃에서 44시간 동안 2차 증기양생하는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여서 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물을 제조하였다. 실시예 1과 동일하게 양생을 거쳐서 제작된 콘크리트 시험체에 대해서도 휨강도와 압축강도를 KS L 5207에 따라 측정하였다. 그 결과를 아래 표 4과 도 4에 나타내었다.

[표 4]

본 발명은 증기양생 온도 및 시간을 줄이는 동시에 폴리에스테르 등의 수지나 보강섬유를 사용하지 않고도 폴리머 콘크리트 또는 섬유보강 초고강도 콘크리트처럼 압축강도 뿐만 아니라 휨강도도 양호한 초고강도 콘크리트를 제공할 수 있어서, 고가의 폴리머 콘크리트 또는 기존 섬유보강 초고강도 콘크리트를 대체하여 높은 휨강도가 요구되는 광통신용 맨홀 등의 다양한 구조물에 적용 가능하다.

Claims (4)

1. 4CaO·3Al₂O_{3 ·}SO₃를 주성분으로 하는 클링커 80∼95중량부 및 Ⅱ형 무수석고 5~20중량부를 포함하는 시멘트 혼합물 90∼95중량부, 및 실리카 흄 5~10중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합재 조성물.
2. 제 1항의 콘크리트 결합재 조성물, 및 잔골재를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 콘크리트 결합재 조성물 100중량부 당 잔골재 100∼150중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
4. 제 2항 또는 제 3항의 콘크리트 조성물을 40℃에서 2시간~4시간, 및 50℃~90℃에서 6~22시간 동안 증기양생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 제조방법.

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