KR100789627B1 - 초고강도 콘크리트 맨홀의 조성물 및 제작방법 - Google Patents

초고강도 콘크리트 맨홀의 조성물 및 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 결합재와 배합수를 포함하는 총 결합재 32.5~40중량부, 잔골재 20~30중량부, 굵은골재 30~37.5중량부를 포함하는 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물로서, 상기 결합재는 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 80∼96중량% 및 Ⅱ형 무수석고 4~20중량%를 포함하는 특수시멘트 90∼95중량%, 및 실리카 흄 5~10중량%를 포함하고, 상기 결합재 100중량부에 대하여 20중량부 이하의 배합수가 첨가되는 것을 특징으로 하는 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물, 및 이것을 이용하여 초고강도 콘크리트 맨홀을 제작하는 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 보강섬유나 폴리에스테르 등의 수지를 사용하지 않고도 폴리머 콘크리트 또는 섬유보강 콘크리트처럼 압축강도와 휨강도 모두 양호한 초고강도 콘크리트 맨홀을 경제적으로 제작할 수 있다.

Description

초고강도 콘크리트 맨홀의 조성물 및 제작방법{Composition and manufacturing method for ultra-high-strength concrete manhole}
도 1은 본 발명의 초고강도 콘크리트 맨홀의 제조방법을 나타내는 개략도이다.
도 2a∼2b 및 도 2c∼2d는 본 발명의 초고강도 콘크리트 맨홀의 구조실험 장면을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 초고강도 콘크리트 맨홀의 구조실험의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 부호의 설명>
1∼9: 초고강도 콘크리트 맨홀의 구조실험에서의 센서 부착 위치
본 발명은 초고강도 콘크리트 맨홀의 조성물 및 제작방법에 관한 것이다.
프리캐스트 맨홀을 제조하는 대표적인 방법으로서, 일반 고강도용 콘크리트로 제조하는 방법과 폴리머콘크리트로 맨홀을 제조하는 방법 2가지를 들 수 있다.
일반 고강도용 콘크리트 맨홀은 가격이 저렴하기는 하지만, 휨강도가 압축강 도에 비해 현저히 낮으므로 철근을 사용하여 휨강도를 발현해야 하고, 이 때문에 단면두께가 커져서 무게가 증가하고 다루기가 힘들며, 특히 터파기 폭이 커지는 결과 지장물이 많은 도심지에는 사용하기가 어렵다. 또한 이를 보완하기 위해 강섬유(steel fiber), 유기섬유 등의 보강섬유를 혼합하기도 하지만 분산효과가 우수하지 않고 아직 섬유 자체의 가격이 고가이므로 많이 상용화되어 있지는 않는 실정이다.
프리캐스트 맨홀을 제조하는 또 하나의 방법으로서 폴리머콘크리트를 이용한 방법은 현재 널리 사용되고 있는 방법이다. 폴리머콘크리트는 압축, 인장 및 휨강도 등 역학적 성질이 일반 시멘트 콘크리트 보다 높을 뿐만 아니라 가사시간이나 경화시간을 폭넓게 제어할 수 있는 우수한 특성을 가지고 있으나, 폴리머 콘크리트 재료로 이용되는 폴리에스테르 수지 등은 대체로 고가이며, 국제유가 및 원자재 수급상황에 따라 가격이 상승하는 불합리한 점을 가지고 있어 경제성이 떨어진다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 보강섬유나 폴리에스테르 등의 수지를 사용하지 않고도 폴리머 콘크리트 또는 섬유보강 콘크리트처럼 압축강도와 휨강도 모두 양호한 초고강도 콘크리트 맨홀을 경제적으로 제작하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 결합재와 배합수를 포함하는 총 결합재, 잔골재, 굵은골재를 소정의 비율로 포함하는 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물로서, 상기 결합재는 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커(CSA 클링커) 및 Ⅱ형 무수석고 및 실리카 흄을 소정의 비율로 포함하는 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물에 의하여 압축강도와 휨강도 모두 양호한 초고강도 콘크리트 맨홀을 제작할 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 결합재와 배합수를 포함하는 총 결합재 32.5~40중량부, 잔골재 20~30중량부, 굵은골재 30~37.5중량부를 포함하는 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물로서, 상기 결합재가 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 80∼96중량% 및 Ⅱ형 무수석고 4~20중량%를 포함하는 특수시멘트 90∼95중량%, 및 실리카 흄 5~10중량%를 포함하고, 상기 결합재 100중량부에 대하여 20중량부 이하의 배합수가 첨가되는 것을 특징으로 하는 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물을 제공한다.
보통 포틀랜드 시멘트는 칼슘 실리케이트(Calcium Silicate)의 판상 결정체를 생성하므로 압축강도에 비해 휨강도가 작게 나타나고, 대개 휨강도를 증진시키기 위해서는 별도의 섬유 보강재를 이용하여 왔다. 이러한 단점을 극복하기 위해서, 본 발명에서는 4CaO·3Al2O3·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·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커란 에트링자이트 침상 결정체를 생성할 수 있는 성분이라면 특별하게 한정되지 않으며, 예컨대 4CaO·3Al2O3·SO3만으로 이루어진 클링커 또는 4CaO·3Al2O3·SO3 또는 2CaO·SiO2로 이루어진 클링커를 들 수 있다. 가늘고 긴 에트링자이트 침상결정체의 치밀한 얽힘은 휨강도를 증진시키는 역할을 하므로, 스틸파이버 등의 첨가 없이도 초고강도 콘크리트 맨홀 제작이 가능하다.
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 휨강도가 요구되는 구조물에 적용하는 데에는 한계가 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 높은 휨강도를 발현하기 위해서 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 80∼96중량% 및 Ⅱ형 무수석고 4~20중량%를 포함하는 특수시멘트 90∼95중량%, 및 실리카 흄 5~10중량%를 포함하는 결합재 100중량부에 대하여 20중량부 이하의 배합수를 포함하는 총 결합재 32.5~40중량부, 잔골재 20~30중량부, 굵은골재 30~37.5중량부 및 필요에 따라 고성능 감수제를 혼합하여 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물을 제조하였다.
본 발명에 따른 초고강도 콘크리트 결합재 중의 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커(CSA 시멘트)는 본 발명이 속하는 기술분야에 널리 알려져 있는 방법을 사용하면 된다. 예를 들면, 4CaO·3Al2O3·SO3만을 포함하는 클링커는 보크사이트(Bauxite), 석회석, 석고를 혼합한 후 이를 약 2시간 1200~1300℃에서 소성하여 제조한다.
본 발명의 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물에서, 상기 Ⅱ형 무수석고의 함량이 4중량% 이하인 경우에는 에트링자이트가 조기에 충분히 생성되지 않으므로 조기 강도발현이 어렵고, 20중량%를 초과하는 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 무수석고의 함량이 4∼20중량%인 경우에는 에트링자이트 결정이 최적으로 생성되어서, 콘크리트의 휨강도가 대체로 높고, 재령기간이 증가하여도 휨강도의 변화 또는 감소의 폭이 적다. 특히, 휨강도를 극대화하기 위해서는 무수석고의 함량비가 4∼10중량%인 것이 바람직하다.
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.
실리카흄의 함량이 5중량% 이하인 경우에는 낮은 물시멘트 비에서 시공성이 급격히 떨어지고, 10중량%를 초과하는 경우에는 휨강도가 저하되는 결과를 초래한다. 반면에, 본 발명에서와 같이 실라카흄의 함량이 5∼10중량%인 경우에는 콘크리트 조성물의 유동성이 최적화되어서 혼합이 잘 이루어져서 성형성이 증가하고 콘크리트 압축강도, 휨강도가 극대화한다.
배합수의 함량비가 20중량부를 초과하면 콘크리트의 압축 및 휨강도가 감소하게 되어서 콘크리트 맨홀의 구조물의 구조강도 저하의 원인이 된다.
본 발명의 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물에서 총 결합재의 함량이 32.5중량부 미만이면 골재와의 부착력이 저하되고 구조물 전체로 볼 때 배합수가 적게 혼합되어서 구조물의 성형성이 저하되고 곰보나 기포가 많이 발생하는 문제점이 있고, 40중량부를 초과하면 상대적으로 고가인 결합재의 사용으로 경제성에 문제가 되고 과량으로 사용할 경우에 유발되는 건조수축으로 최종 구조물에 균열을 발생시킬 수 있다.
잔골재는 휨강도를 증진시킬 뿐 아니라 구조물의 면을 매끄럽게 해주는 역할을 하는 성분이다. 본 발명에서, 잔골재의 함량이 20중량부 미만이면 콘크리트 구조물의 강도가 저하되고 면이 매끄럽지 않게 되며, 특히 굵은골재 등의 재료가 분리되는 현상이 심하게 나타나게 된다. 또한, 잔골재의 함량이 30중량부를 초과하면 물을 많이 요구하게 되므로 작업성이 저하되어 결합재 및 배합수를 증가시켜야 하는 문제가 발생하는 결과 경제성 면에서 불량해진다.
또한, 굵은골재의 함량이 30중량부 미만이면 골재들 간의 충진효과가 떨어지며, 상대적으로 잔골재 및 결합재가 많이 들어가게 되므로 배합이 경제적이지 못하 게 되고, 37.5중량부를 초과하면 콘크리트 구조물의 휨강도가 떨어지는 현상을 나타내는 문제점이 있다.
상기 잔골재의 입도는 5㎜ 이하이고, 상기 굵은골재의 입도는 10㎜ 이하인 것이 바람직하다. 특히, 굵은골재의 입도는 증가할수록 콘크리트 구조물의 휨강도가 저하되는 특성이 있는데, 맨홀과 같은 구조물은 두께가 5cm 정도로 얇으므로 10㎜ 이하의 작은 입도의 굵은골재를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물에는 필요에 따라 고성능 감수제를 추가적으로 첨가할 수 있다. 고성능 감수제를 첨가함으로써 물비를 최소화하여 작업성을 유지하면서 압축 및 휨강도를 보전할 수 있다.
본 발명의 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물은 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 80∼96중량% 및 Ⅱ형 무수석고 4~20중량%를 포함하는 특수시멘트 90∼95중량%, 및 실리카 흄 5~10중량%를 포함하는 결합재 100중량부에 대하여 20중량부 이하의 배합수를 포함하는 총 결합재 32.5~40중량부, 잔골재 20~30중량부, 굵은골재 30~37.5중량부 및 필요에 따라 고성능 감수제를 첨가하여 제조되며, 이것을 강제식 믹서로 혼합한 후 거푸집에 타설하면, 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커와 석고의 주요 수화 생성물인 에트링자이트 침상 결정체의 서로 얽힘 구조에 의하여 섬유보강을 하지 않고도 휨강도가 증진된 초고강도 콘크리트 콘크리트 맨홀을 제작할 수 있다.
거푸집에 타설된 구조물은 30분~1시간 동안 전치(1차 양생), 2~3시간 동안 40℃ 이하에서의 증기양생으로 균열 없이 거푸집에서 탈형하여, 12~20시간 동안 60℃~70℃에서 증기양생(2차 양생)을 실시한 후 1일~2일 동안 상온에서 증기 또는 습포양생(3차양생)을 거쳐 제작된다. 초고강도 콘크리트 맨홀은 경제성 뿐만 아니라 생산성을 갖추어야 하는데 앞에서 설명한 바와 같이 30분~1시간 동안 전치, 2~3시간 동안 40℃ 이하에서의 증기양생을 함으로써 거푸집 회전을 1일 2회전으로 할 수 있으며, 12~20시간 동안 60℃~70℃에서 증기양생을 실시함으로써 1일 이내에 비교적 낮은 온도에서 양생을 실시하여 에너지 비용을 최소화할 수 있으며, 1일~2일 동안 상온에서 증기 또는 습포양생을 거쳐 맨홀을 안정화시키는 과정을 거치게 하여서 구조물이 완성되도록 한다. 도 1은 이러한 구조물의 제조 및 양생방법을 도식화 하였다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서 함량의 단위로 사용된 함량단위인 '중량부' 및 '중량%'는 상기한 일 구현예에서와 같이 상대적인 함량을 나타내는 것으로서, 상대적 중량부 및 중량%에 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
하기 표 1에 나타낸 조성비로 초고강도 콘트리트 맨홀용 조성물을 제조하였다. 즉, 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 96중량% 및 Ⅱ형 무수석고 4중량%를 포함하는 특수시멘트 92.5중량%, 및 실리카 흄 7.5중량%를 포함하는 결합재 100중량부에 대하여 20중량부의 배합수를 첨가한 총 결합재 120중량부, 잔골재 110.8중량부, 굵은골재 138.5중량부를 첨가하여 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물을 제조하였다. 여기서, 총 결합재, 잔골재 및 굵은골재의 중량비는 중량부 기준으로 각각 32.5 : 30 : 37.5가 된다.
[표 1] 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물의 조성비
Figure 112006062298759-pat00001
상기 표 1의 조성물을 이용하여 폭 1.2m, 높이 1.8m 및 길이 1.9m의 내부치수와, 상부 10cm, 하부 10cm, 및 벽체 5.5cm의 두께를 가진 통신용 광맨홀 3호를 제작하고, 1시간 동안 전치(1차 양생), 3시간 동안 40℃에서 증기양생으로 균열 없이 거푸집에서 탈형하여, 20시간 동안 70℃에서 증기양생(2차 양생)을 실시한 후 1일 동안 상온에서 습포양생(3차양생)을 거쳐서 콘크리트 맨홀 구조물을 제작하였고, 3일 후에 아래와 같은 절차에 의하여 구조실험을 실시하였다.
균열의 발생유무를 알 수 있는 센서는 상부슬래브 원형 개구부 주위에 6개의 변형률 게이지와 하부슬래브의 수구 주변에 3개의 변형률 게이지를 붙여 놓았으며, 상부슬래브에 대형철개(φ918)를 놓고 폭 20cm, 길이 50cm의 재하판을 이용하여 30초에 1톤씩 하중을 재하하면서 균열이 발생되는 시점의 하중을 측정하였다. 도 2a 및 도 2b는 초고강도 콘크리트 맨홀의 구조실험에서 맨홀 구조물의 내부에서 각각 상부 및 하부를 바라본 모습을 나타내는 도면으로서, (1)∼(9)는 구조실험에서의 센서 부착 위치를 나타낸다. 또한, 도 2c 및 2d는 이러한 맨홀 구조물을 이용하여 구조실험을 수행하는 장면을 나타내는 사진이고, 도 3은 그 결과 맨홀의 구조실험의 측정 데이터를 나타내는 그래프이다.
구조실험 결과, 충격을 포함한 DB-24 하중의 3배(바퀴 한개 하중 9.6톤, 충격계수 0.3)에 달하는 하중(37.44톤)까지 균열이 발생하지 않는 것이 확인되어서 초고강도 콘크리트 맨홀의 우수한 성능을 확인하였다.
참고로, 강섬유를 체적비로 1.5% 첨가한 섬유보강 콘크리트, 및 폴리에스테르를 결합재로 사용한 폴리머 콘크리트를 이용하여 제작한 맨홀의 경우에도 본 발명의 콘크리트 맨홀과 유사한 수준의 하중(약 40톤)까지 균열이 발생하지 않았다.
즉, 본 발명의 콘크리트 맨홀과 종래의 강섬유 보강 콘크리트 맨홀 또는 폴리머 콘크리트는 모두 DB-24 하중의 3배까지 균열이 발생되지 않을 정도로, 휨강도 등의 강도가 우수하지만, 본 발명의 콘크리트 맨홀은 강섬유 보강 콘크리트 맨홀의 경우의 부식 문제나 폴리머 콘크리트 맨홀에서의 경제성 악화 문제가 없는 장점이 있다.
본 발명에 의하면 보강섬유나 폴리에스테르 등의 수지를 사용하지 않고도 폴리머 콘크리트 또는 섬유보강 콘크리트처럼 압축강도와 휨강도 모두 양호한 초고강도 콘크리트 맨홀을 저렴하게 경제적으로 제조할 수 있으며, 이렇게 제작된 초고강 도 콘크리트 맨홀은 기존의 폴리머 콘크리트 또는 섬유보강 콘크리트를 대체하여 높은 구조강도가 요구되는 다양한 구조물에 적용할 수 있다.

Claims (2)

  1. 결합재와 배합수를 포함하는 총결합재, 잔골재, 및 굵은골재를 포함하는 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물로서, 총결합재 : 잔골재 : 굵은골재의 중량비가 32.5∼40 : 20∼30 : 30∼37.5이고,
    상기 결합재는 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 80∼96중량% 및 Ⅱ형 무수석고 4~20중량%를 포함하는 특수시멘트 90∼95중량%, 및 실리카 흄 5~10중량%를 포함하고,
    상기 결합재 100중량부에 대하여 20중량부 이하(0중량부 제외)의 배합수가 첨가되는 것을 특징으로 하는 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물.
  2. 제 1항의 조성물을 30분~1시간 동안 전치, 2~3시간 동안 40℃ 이하에서의 증기양생, 12~20시간 동안 60℃~70℃에서의 증기양생, 및 1일~2일 동안 상온에서의 증기 또는 습포양생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고강도 콘크리트 맨홀의 제조방법.
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