본 발명의 일 견지에 의하면,
콘크리트용 잔골재 대체재로 사용되는 단위중량이 1.45∼1.70 kg/ℓ인 수쇄슬래그가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면,
시멘트, 굵은골재 및 잔골재를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서,
상기 잔골재의 최대 30중량%가 단위중량 1.45∼1.70 kg/ℓ인 수쇄슬래그로 대체되도록 단위중량이 1.45∼1.70 kg/ℓ인 수쇄슬래그를 포함하여 구성되는 내구성이 우수한 콘크리트 조성물이 제공된다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명자들은 수쇄슬래그의 연질조직을 치밀한 조직으로 그리고 낮은 단위중량을 증대시킴으로써 수쇄슬래그를 콘크리트용 잔골재에 대한 대체재로 사용할 수 있음을 발견하였다.
제철소 부산물로서 고로의 선철제조과정중 급냉과정에 의해 제조되는 고로 수쇄슬래그는 비결정질 구조로서 화학적으로 불안정성하고 반응성이 높을 뿐만 아니라, 알카리 성분이 공존하면 수화반응을 일으키는 잠재수경성을 갖는 것으로 본 발명은 수쇄슬래그의 이와 같은 물성에 기인한 강도발현에 착안한 것이다.
도 1은 섬유상 침이 형성되어 있는 수쇄슬래그의 입자표면을 나타내는 사진이다. 수쇄슬래그는 도 1에 나타낸 바와 같이 입자표면에 섬유상 침이 형성되어 있어 인체와 접촉하는 경우 유리질 침에 의한 피해가 발생할 수 있다. 특히, 입자 내부에는 슬래그 제조시 냉각수와의 접촉에 의한 가스의 이탈로 인하여 입자내부에 다량의 기공을 포함하고 있을 뿐만 아니라 표면에 다수의 균열이 존재하므로 치밀한 조 직을 이루지 못해 구조용 잔골재 대체재로 이용될 수 없었다.
그러나, 상기 수쇄슬래그의 섬유상 침을 제거하여 표면을 개질하고 또한, 연질조직을 치밀한 조직으로 개질하고, 입도를 조정함으로써 콘크리트용 골재 대체재로 사용가능한 것이다.
즉, 수쇄슬래그를 분쇄기를 사용하여 분쇄함으로써 수쇄슬래그의 입자 표면에서 침상이 제거되고 입도가 조절됨으로써 수쇄슬래그의 단위중량이 증대되어 수쇄슬래그는 콘크리트 잔골재 대체재로 사용되기에 충분한 강도를 갖는다.
골재의 단위중량은 단위용적 중량(T)로 나타낼 수 있으며, 하기 식 1과 같이 단위부피(1ℓ)의 용기내에서 골재가 차지하는 중량을 의미한다.
[수학식 1]
T = W/V
(단, 상기 식에서 W는 용기중의 시료의 중량(kg)이고 V는 용기의 부피( ℓ)이다.)
도 2는 섬유상 침이 제거된 단위중량 크기에 따른 수쇄슬래그의 조직사진을 나타내는 도면이다. 도 2에서와 같이 분쇄기에서 분쇄된 수쇄슬래그는 섬유상 침이 제거되고 단위중량의 크기에 따라 보다 미세한 입도로 조정되어 기공과 균열이 없는 매우 치밀한 조직으로 변화된다. 이에 따라, 단위중량이 증대되고 치밀한 조직을 갖는 분쇄처리된 수쇄슬리그는 콘크리트 잔골재 대체재로 사용가능한 것이다. 콘크리트 잔골재 대체재로 사용되기에 충분한 강도를 갖는 수쇄슬래그는 단위중량이 1.45 ∼1.70 kg/ℓ인 것이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 단위중량이 1.1kg/ℓ, 1.3kg/ℓ인 수쇄슬래그에는 미립분이 거의 존재하지 않으나 단위중량이 1.47kg/ℓ, 1.52kg/ℓ인 수쇄슬래그에는 미립분이 상당량 존재하고 있음을 확인할 수 있다.
즉, 입도가 0.3㎜이하인 미립자에 대한 누적 통과분을 24%이상 함유하는 경우, 슬래그는 1.47kg/ℓ이상의 단위중량을 나타낸다. 과량의 미분 슬래그 입자를 포함하는 경우에는 오히려 굵은골재와 잔골재와의 재료분리가 발생할 가능성이 있다.
분쇄기로는 볼밀, 로드밀(rod mill), 롤러밀(roller mill), 에지러너(edge runner), 콘크러셔(cone crusher)등 일반적으로 상용화되어 있는 분쇄기가 사용될 수 있다.
하기 표 1에 단위중량에 따른 슬래그와 천연모래의 물리적 특성을 나타냈다.
[표 1]
|
슬래그 |
슬래그 |
슬래그 |
슬래그 |
천연모래 |
단위중량(kg/l) |
1.1 |
1.3 |
1.47 |
1.52 |
1.67 |
입도분포 (누적통과분) |
-10mm |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
-5mm |
99.8 |
100 |
100 |
100 |
98 |
-2.5mm |
90 |
100 |
100 |
100 |
93.7 |
-1.2mm |
51.6 |
90 |
98.6 |
95.6 |
82.6 |
-0.6mm |
19.2 |
45 |
57.7 |
53.2 |
59.1 |
-0.3mm |
6 |
14.8 |
24.7 |
24.0 |
19.1 |
-0.15mm |
2.4 |
6 |
11.2 |
14.0 |
3.4 |
조립율 |
1.82 |
1.97 |
2.07 |
2.13 |
2.44 |
비중 |
2.12 |
2.23 |
2.67 |
2.67 |
2.59 |
흡수율 |
0.21 |
0.24 |
0.13 |
0.13 |
0.9 |
상기 표 1에서와 같이 단위중량이 약 1.45-1.70kg/ℓ인 수쇄슬래그는 콘크리트용 잔골재로 사용하기에 적합한 조립율 및 비중을 갖는 것으로 콘크리트용 잔골재에 대한 대체재로 이용된다.
단위중량이 1.45 kg/ℓ이하인 수쇄슬래그를 사용하는 경우에는 설계강도를 기준으로한 콘크리트의 소요강도를 얻을 수 없을뿐만 아니라 치밀한 조직의 콘크리트를 제조할 수 없으므로 콘크리트의 내구성 향상을 기대할 수 없다. 단위중량이 1.70 kg/ℓ를 초과하는 경우에는 미립분이 다량 존재하므로 콘크리트 제조시 굵은 골재인 자갈과 잔골재인 슬래그간의 재료 분리현상이 일어나 굵은 골재는 콘크리트 하단부분에, 그리고 잔골재인 슬래그는 콘크리트 상단부분에 치우치는 현상으로 인하여 균일한 조직의 콘크리트를 제조할 수 없게 된다.
콘크리트의 내구성은 장기간에 걸친 외부로부터의 물리적 작용 및 화학적 작용에 저항하는 콘크리트의 성능을 말한다. 내구성은 콘크리트 구조물을 둘러싼 주위환경이나 콘크리트 자체의 내적인 원인에 의해 저하될 수 있다. 콘크리트 구조물의 내구성 저하는 단독의 원인에 의해 발생되는 예는 거의 없으며 대부분 복합적인 영향에 의해 발생한다.
특히, 콘크리트 배합시 재료의 선택이나 배합에 있어서는 사용하는 골재의 양부 또는 조직상태가 콘크리트의 내구성에 중요한 변수이다.
상기 본 발명의 섬유상의 침상 구조가 제거되어 입도조정된 단위중량 1.45-1.70 kg/ℓ의 수쇄슬래그를 잔골재 대신 적정비율로 혼합하여 콘크리트를 배합함으로써, 콘크리트의 강도 및 수밀성등 내구성이 개선된다.
콘크리트 배합시 상기 단위중량 1.45-1.70 kg/ℓ인 수쇄슬래그는 콘크리트에 배합되는 잔골재를 최대 30중량%, 바람직하게는 10-30중량%의 양으로 대체하여 배합된다. 슬래그의 잔골재 대체비가 30중량%를 초과하면 수밀성은 증대되나 굵은골재와 잔골재간의 재료가 분리되어 강도가 저하된다. 잔골재를 상기 범위의 슬래그로 대체하는 경우, 콘크리트 배합시 재료가 분리되지 않을 뿐만 아니라, 슬래그 미립분에 의해 보다 치밀한 조직의 콘크리트를 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
실시예 1: 강도측정
(발명예 1∼4)
제철소 고로공정에서 발생하는 수쇄슬래그를 두 개의 헤리컬 모양의 마찰판 간격을 조정하여 콘크러셔에 통과시키므로써 단위중량이 1.47kg/ℓ인 슬래그와 1.52kg/ℓ인 슬래그를 제조하여 콘크리트용 잔골재 대신 사용하였다.
종래 잔골재로 사용하던 천연모래의 10중량%, 30중량%를 슬래그로 대체 혼합하여 압축강도 측정용 콘크리트 공시체(φ100XH200mm)를 제작하였다. 재령 28일을 기준으로하는 콘크리트의 설계기준강도는 233Kg/cm2으로 하였다.
잔골재의 10중량%를 슬래그로 대체하는 경우, 입자크기가 25㎜인 굵은 골재18.65kg, 물 3.5kg, 시멘트 7.22kg 그리고 잔골재로서 천연모래 15.2kg 및 슬래그 모래 1.74kg을 혼합하여 콘크리트를 배합하여 공시체를 제조하였다.
잔골재의 30중량%를 슬래그로 대체하는 경우, 천연모래 11.8kg에 슬래그 모래를 5.22kg배합한 것을 제외하고는 잔골재를 10중량%대체한 경우와 동일하게 배합하하여 공시체를 제조하였다.
공시체 제작 후, 23±1℃조건하에서 수중 양생시키고 재령에 따른 압축강도를 압축강도기를 이용하여 측정하고 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.
(비교예 1∼7)
기존의 잔골재인 천연모래의 50중량%, 70중량%, 100중량%를 단위중량이 1.47 kg/ℓ인 슬래그로 대체하여 혼합하는 한편, 단위중량 1.1kg/ℓ, 1.3kg/ℓ인 슬래그로 잔골재인 천연모래 10%, 30%를 대체 혼합하여 콘크리트를 제조한 것을 제외하고는 상기 발명예와 동일한 방법으로 압축강도 측정용 콘크리트 공시체를 제조하였으며 그 압축강도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
잔골재의 50중량%를 슬래그로 대체하는 경우, 입자크기가 25㎜인 굵은골재18.65kg, 물 3.5kg, 시멘트 7.22kg 그리고 잔골재로서 천연모래 8.45kg 및 슬래그 모래 8.7kg을 혼합하여 콘크리트를 배합하여 공시체를 제조하였다.
잔골재의 70중량%를 슬래그로 대체하는 경우, 천연모래 5.07kg에 슬래그 모래를 12.2kg배합한 것을 제외하고는 50중량%대체한 경우와 동일하게 배합하하여 공시체를 제조하였다.
잔골재로서 슬래그를 100% 사용한 경우에는 슬래그 모래를 17.4kg 사용한 것을 제외하고 다른 성분은 상기 양과 동일한 양으로 배합하여 공시체를 제조하였다.
(종래예 1)
잔골재로서 천연모래 16.89kg, 입자크기가 25mm인 굵은 골재 18.65kg, 공기량 3%, 시멘트 7.22kg 및 물 3.5kg을 배합하여 공시체를 제작하였다. 공시체 제작 후, 23±1℃의 조건하에서 수중양생시키고 재령에 따른 압축강도를 압축강도기를 이용하여 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
|
조건 |
콘크리트 압축강도(kg/㎠) |
잔골재 |
단위중량 (kg/ℓ) |
슬래그 대체비 (%) |
7일 |
28일 |
8주 |
12주 |
24주 |
36주 |
발명예 |
1 |
슬래그 |
1.47 |
10 |
209 |
243 |
251 |
270 |
272 |
278 |
2 |
|
" |
30 |
205 |
242 |
255 |
269 |
272 |
276 |
3 |
|
1.52 |
10 |
215 |
247 |
255 |
272 |
280 |
283 |
4 |
|
" |
30 |
217 |
250 |
257 |
274 |
283 |
287 |
비교예 |
1 |
|
1.47 |
50 |
184 |
235 |
247 |
258 |
262 |
266 |
2 |
|
" |
70 |
180 |
235 |
246 |
255 |
260 |
264 |
3 |
|
" |
100 |
171 |
234 |
244 |
253 |
260 |
262 |
4 |
|
1.1 |
10 |
120 |
126 |
128 |
128 |
130 |
132 |
5 |
|
" |
30 |
124 |
126 |
126 |
128 |
131 |
134 |
6 |
|
1.3 |
10 |
154 |
161 |
169 |
178 |
190 |
199 |
7 |
|
" |
30 |
157 |
166 |
170 |
177 |
194 |
201 |
종래예 |
1 |
천연모래 |
1.67 |
- |
213 |
242 |
250 |
262 |
266 |
275 |
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 비교예(1∼7)에 비하여 발명예 (1∼4)는 모든 재령 조건하에서 우수한 압축강도 특성을 나타내었으며 28일 기준강도인 233Kg/cm2을 모두 상회하는 값을 나타내었다.
또한, 종래예 (1)인 잔골재로서 천연모래를 사용한 경우에 비하여는 초기강도인 7일 경과시에만 약간 낮은 값을 나타내었을뿐 그 이상의 모든 장기재령에서는 본 발명의 슬래그를 잔골재로 사용한 경우가 보다 우수한 압축강도 특성을 나타냄을 알 수 있다.
본 발명의 경우처럼 슬래그를 잔골재로 사용한 경우가 기존의 천연모래를 사용한 경우보다 높은 강도특성을 나타낸 것은 슬래그의 잠재수경성에 기인하여 것으로 판단된다.
한편, 단위중량이 1.45kg/ℓ보다 작은 슬래그를 사용한 경우에는 굵은골재와 잔골재로 사용한 슬래그간의 골재 분리현상에 의해 치밀한 조직의 콘크리트를 형성하지 못함으로 낮은 압축강도를 나타내는 것으로 판단된다.
즉, 굵은골재, 잔골재 그리고 결합제인 시멘트가 균일하게 혼합되어 골재의 분리현상이 없어야만 치밀한 조직의 콘크리트가 형성되나 단위중량이 낮은 슬래그를 사용하면 굵은골재는 주로 콘크리트의 하측에 편중되고 잔골재인 슬래그는 콘크리트의 상측에 편중되어 골재의 균일한 혼합에 의한 치밀한 조직의 콘크리트 형성이 곤란하게 된다.
실시예 2: 수밀성측정
(발명예 5∼8)
제철소 고로공정에서 제조된 수쇄슬래그를 콘크러셔에서 분쇄하여 단위중량 1.47kg/ℓ인 슬래그와 1.52 kg/ℓ인 슬래그를 제조하고 이를 콘크리트용 잔골재로 사용하였으며 기존의 잔골재인 천연모래에 10%, 30% 대체, 혼합하여 수밀성의 판단 기준이 되는 염소이온 투과 시험용 콘크리트 공시체(φ100XH200mm)를 제작하였다. 재령28일을 기준으로하는 콘크리트의 설계기준강도는 233Kg/cm2으로 하였다.
잔골재의 10중량%를 슬래그로 대체하는 경우, 입자크기가 25㎜인 굵은 골재의 양은 18.65kg, 물 3.5kg, 시멘트 7.22kg 그리고 잔골재로서 천연모래 15.2kg 및 슬래그 모래 1.74kg을 혼합하여 콘크리트를 배합하여 공시체를 제조하였다.
잔골재의 30중량%를 슬래그로 대체하는 경우, 천연모래 11.8kg에 슬래그 모래를 5.22kg배합한 것을 제외하고는 10중량% 대체한 경우와 동일하게 배합하하여 공시체를 제조하였다.
공시체 제작후 23±1℃의 조건하에서 수중 양생시키고 재령에 따른 염소이온 투과시험을 실시하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
염소이온 투과시험은 콘크리트 내부를 통과하는 염소이온의 전하량을 측정하여 행하였다. 측정된 전하량이 크면 수밀성이 나빠 콘크리트가 치밀하지 못함을 의미하고 전하량이 작으면 조직이 치밀하여 염소이온의 투과가 어려움을 의미한다. 염소 이온 통과 전하량은 지름 10㎝인 공시체를 길이 5㎝로 자른 후, 0.1N NaOH용액이 충진되어 있는 왼쪽 셀과 3% NaCl 용액이 충진되어 있는 오른쪽 셀 가운데에 공시체를 세팅한 후 60V의 전압을 가하여 6시간 후의 염소이온 통과 전하량을 측정하였다.
(비교예 8∼9)
단위중량이 1.3 kg/ℓ인 슬래그를 잔골재의 10% 및 30%로 대체, 혼합하여 콘크리트 공시체를 제조한 것을 제외하고는 상기 발명예 5∼8과 동일한 방법으로 행하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
(종래예 2)
종래예 1과 같이 공시체를 제작하고 수중양생한 후, 재령에 따른 염소이온 투과성을 측정하고 그 결과를 하기 표3에 나타내었다.
[표 3]
|
조건 |
콘크리트 염소이온 투과성 (Coulomb) |
잔골재 |
단위중량 (kg/ℓ) |
슬래그 대체비 (중량%) |
28일 |
8주 |
12주 |
24주 |
36주 |
발명예 |
5 |
슬래그 |
1.47 |
10 |
4123 |
3882 |
3799 |
2215 |
2012 |
6 |
" |
" |
30 |
3631 |
3140 |
2664 |
2138 |
1930 |
7 |
" |
1.52 |
10 |
3938 |
3623 |
3424 |
2179 |
2009 |
8 |
" |
" |
30 |
3421 |
3008 |
2429 |
2002 |
1783 |
비교예 |
8 |
" |
1.3 |
10 |
7324 |
6980 |
6824 |
6534 |
6321 |
9 |
" |
" |
30 |
6824 |
6634 |
6534 |
6321 |
6003 |
종래예 |
2 |
천연모래 |
1.67 |
- |
4782 |
4130 |
3433 |
2755 |
2366 |
상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명예(5∼8)의 경우처럼 슬래그의 단위중량을 1.45kg/ℓ이상으로 제조하여 잔골재로서 대체비를 30중량%까지 사용하여 제조한 콘크리트의 염소이온 투과성은 모든 재령조건하에서 종래예(2)에 대비해 보다 낮은 염소이온 투과성을 나타내었으며 재령이 증가함에 따라 보다 우수한 염소이온 투과성을 나타내는 경향을 나타내었다. 한편 비교예(8∼9)의 경우처럼 단위중량이 1.45 kg/ℓ보다 낮은 슬래그를 사용하여 제조한 콘크리트의 염소이온 투과성은 종래예의 천연모래를 사용한 경우에 비하여 우수한 특성을 나타내었다.
염소이온 투과성이 낮다고 하는 것은 콘크리트의 내부조직이 치밀하게 형성되어 염소이온이 콘크리트 내부를 투과하기가 어렵다는 것을 나타내므로 수밀성이 보다 우수함을 의미한다.
콘크리트의 내부조직이 치밀하게 형성되면 외부로 부터의 환경적인 영향에 대한 저항성이 크며 따라서 내구성이 보다 장기간 유지된다.
이와같이 고로공정에서 제조되는 수쇄슬래그로부터 제조한 슬래그를 잔골재로서 50%이하 대체, 혼합하여 사용하면 수쇄슬래그의 잠재수경성 반응에 의해 보다 치밀한 조직의 콘크리트를 제조할 수 있으므로 내구성이 요구되는 콘크리트 구조물의 제조에 매우 효과가 있을 것으로 판단된다.