KR100927377B1

KR100927377B1 - 고성능 콘크리트의 제조방법

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Publication number: KR100927377B1
Application number: KR1020080053550A
Authority: KR
Inventors: 고경택; 류금성; 김성욱; 박정준; 강수태; 이장화
Original assignee: 한국건설기술연구원; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2009-11-19

Abstract

본 발명은 수축현상을 저감시키는 고성능 콘크리트의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적하는 바는 고성능 콘크리트의 수축을 저감시키기 위해 섬유의 가교작용이 발휘되는 PVA 섬유와 에트링자이트 생성에 의한 수축보상용 혼화재 및 경화체 공극내에 존재하는 간극수의 표면장력을 저하시키는 혼화재를 콘크리트 제조시 조합사용하여, 우수한 수축저감효과를 보이는 고성능 콘크리트의 제조방법을 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 시멘트, 물, 결합재, 골재, 감수제를 기본 재료로 함유하는 고성능 콘크리트를 제조하는 방법에 있어서, 상기 콘크리트의 배합시 상기 콘크리트에 대하여 0.5~5vol%의 PVA 섬유를 함유시키고, 상기 결합재에 대하여 1~10중량%의 에트링자이트 생성에 의한 수축보상용 혼화재를 함유시키고, 또한 상기 결합재에 대하여 0.1~5중량%의 간극수 표면장력 저하용 혼화재를 함유시키는 고성능 콘크리트의 제조방법을 특징으로 한다.

콘크리트, 혼화재, 에트링자이트, 수축, PVA섬유

Description

고성능 콘크리트의 제조방법{A method for producing high performance concrete}

본 발명은 수축현상을 저감시키는 고성능 콘크리트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콘크리트 제조시 섬유의 가교작용에 의해 수축현상을 저감시킬 수 있는 PVA 섬유와 에트링자이트 생성에 의해 수축보상을 하는 혼화재 및 경화체 공극내에 존재하는 간극수의 표면장력을 저하시키는 혼화재를 조합 사용함으로서 수축현상을 현저히 저감시킬 수 있는 고성능 콘크리트의 제조방법에 관한 것이다.

현재 전 세계적으로 고강도, 고내구성 및 고시공성 등의 성능을 가진 다양한 고성능 콘크리트가 개발되어 실제 구조물에 적용되고 있다.

그러나, 고성능 콘크리트는 매우 작은 물-결합재비(water-cementitious material ratio), 다량의 결합재 및 특수한 화학혼화재 등 사용재료 및 배합 등의 특성과 사용조건에 따라 소성수축(plastic shrinkage), 자기수축(autogenous shrinkage) 및 건조수축(drying shrinkage)에 의한 균열이 발생하여 구조물의 성능저하를 초래하는 경우가 빈번히 발생하고 있다.

고성능 콘크리트에서 시멘트 수화에 의해 발생하는 자기수축만으로도 균열이 발생하고, 특히 자기수축 이후에 건조수축이 가미될 경우에는 더욱 균열발생 가능성이 증가하여 구조물의 내구성 및 구조성능 저하를 초래하고 있으나, 이에 대한 대책은 미미한 실정이다.

종래의 콘크리트에서 수축을 저감시키기 위해 팽창재 및 수축저감제를 각각 단독으로 사용하여 수축을 저감시키는 시도가 되고 있으나 도 1에 나타낸 바와 같이 과도한 팽창재의 사용으로 오히려 팽창균열이 발생하여 강도 및 내구성이 저하되기도 하는 문제가 있으며, 수축저감제만으로는 소정의 수축을 저감시키기 어려울 뿐만 아니라 시공성 및 강도가 저하되는 문제점이 지적되었다.

이와 같이, 기존의 방법들은 모두가 소정의 콘크리트 수축을 저감시키기 위해 다량의 팽창재 또는 수축저감제를 사용하기 때문에 콘크리트의 품질 저하 문제뿐만 아니라 품질관리 및 제조비용 측면에서도 비경제적이라는 문제점이 있었다.

이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 연구와 실험을 거듭한 결과 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 고성능 콘크리트의 수축을 저감시키기 위해 섬유의 가교작용이 발휘되는 PVA 섬유와 에트링자이트 생성에 의한 수축보상용 혼화재 및 경화체 공극내에 존재하는 간극수의 표면장력을 저하시키는 혼화재를 콘크리트 제조시 조합사용하여, 우수한 수축저감효과를 보이는 고성능 콘크리트의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 시멘트, 물, 결합재, 골재, 감수제를 기본 재료로 함유하는 고성능 콘크리트를 제조하는 방법에 있어서, 상기 콘크리트의 배합시 상기 콘크리트에 대하여 0.5~5vol%의 PVA 섬유를 함유시키고, 상기 결합재에 대하여 1~10중량%의 에트링자이트 생성에 의한 수축보상용 혼화재를 함유시키고, 또한 상기 결합재에 대하여 0.1~5중량%의 간극수 표면장력 저하용 혼화재를 함유시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 고성능 콘크리트 제조방법을 적용할 경우에는 종래의 일반적인 고성능 콘크리트에 비해 PVA 섬유, 에트링자이트 생성에 의한 수축보강용 혼화재 및 간극수의 표면장력을 저하시키는 혼화재 사용량을 적게 사용하면서 효과적으로 수축을 저감시킬 수 있게 된다.

상기 PVA 섬유는 도 2에 나타낸 바와 같이 섬유의 가교작용에 의해 소성수축, 자기수축 및 건조수축 저감에 효과가 있으나 특히 재령초기에 발생하는 소성수축에 의한 균열방지에 탁월하다. 상기 PVA섬유는 콘크리트의 배합시 전체 콘크리트의 체적에 대하여 0.5~5vol% 함유시키는데, 그 함량이 0.5vol%미만이면 첨가효과 미미하고 그 함량이 5vol%를 초과하면 섬유의 뭉침(fiber ball)현상이 발생하여 섬유의 혼입효과가 급격히 저하될 뿐만 아니라 경제성에도 문제가 있다. 또한, 상기 PVA섬유는 평균직경이 0.01~0.1mm이며, 평균길이가 5~20mm인 것이 바람직한데, 너무 굵거나 길이가 짧으면 가교작용의 효과가 미미하고, 너무 가늘거나 길면 작업성이 좋지 않아 사용량이 제한적이다. 상기 PVA섬유는 비중이 1~1.5인 것이 바람직하다.

상기 에트링자이트 생성에 의한 수축보강용 혼화재는 유리석회, 하우인(Hauyne) 및 무수석고로 구성되는데, 도 3a~3c에 나타낸 바와 같이 유리석회와 무수석고는 초기에 반응하여 수산화칼슘을 생성하고 그 후 하우인과 반응하여 에트링자이트를 생성하여 수축을 보상하게 된다. 그리고, 유리석회 및 무수석고의 양이 많을수록 빠른 시기에 반응하므로 보다 더 수축보상 효과 크게 나타난다. 이들 유리석회, 하우인 및 무수석고의 비율은 질량비로 유리석회 45~53%, 하우인() 20~24%, 무수석고(anhydrite CaSO₄) 27~31%로 구성되는 것이 바람직하다.

그 이유는 유리석회와 무수석고가 너무 적으면 반응시간이 느려 그 이후에 하우인의 수화가 촉진되지 않아 수축보상 효과가 크지 않고 너무 많으면 반응이 급격히 발생하여 작업성 및 강도 등의 제어에 문제가 있기 때문이며, 그리고 하우인이 너무 많으면 그 만큼 유리석회 및 무수석고의 양이 적게 사용되므로 반응이 느려 수축보상 효과가 저하되는 문제가 있고, 너무 적으면 반대로 유리석회 또는 무수석고의 양이 너무 많게 되어 작업성 및 강도 등의 제어에 문제가 있기 때문이다. 이와 같이 구성되는 에트링자이트 생성에 의한 수축보강용 혼화재는 콘크리트에 함유되는 전체 결합재에 대하여 1~10중량% 함유시키는데, 1중량%미만이면 그 효과가 미미하고, 10중량%를 초과하면 팽창에 의한 균열발생 및 경제성 등에 문제가 발생하기 때문이다.

상기 간극수 표면장력 저하용 혼화재는 콘크리트 경화체의 공극 내에 존재하는 간극수의 표면장력을 저하시키는 혼화재로서 그 함량은 콘크리트에 함유되는 전체 결합재에 대하여 0.3~5중량% 함유되는데, 그 함량이 0.3중량% 미만이면 표면장력저하 효과가 미미하고, 5중량%를 초과하면 강도저하 등의 문제가 있다. 본 발명에서는 상기 간극수 표면장력 저하용 혼화재로서 알콜알킬옥시드계(

)를 사용하는 것이 바람직하다. 도 4는 표면장력과 수축변형률의 관계를 보이는 그래프로서, 표면장력이 커질수록 수축변형률도 커짐을 잘 알 수 있는데, 이것이 상기 알콜알킬옥시드계 혼화재를 사용하여 표면장력을 저감시키고자하는 이유이다. 본 발명에서와 같이 알콜알킬옥시드계 혼화재를 사용한 경우에는 혼화재의 양이 많을수록 표면장력이 저하되고 수축이 저감되는 것으로 나타났다.

한편, 본 발명의 고성능 콘크리트 제조방법에서 사용되는 결합재로서는 일반적으로 사용되고 있는 시멘트, 또는 플라이애시, 고로슬래그, 실리카퓸 등 혼화재를 적절히 시멘트와 일부 치환하여 사용할 수 있고, 감수제로서는 콘크리트의 배합 및 요구되는 작업성에 따라 폴리칼본산계, 멜라민계, 나프탈렌계 고성능감수제 등을 적절히 선정하여 사용할 수 있다.

본 발명의 고성능 콘크리트 제조방법에 따르면, 섬유의 가교작용이 발휘되는 PVA(Poly Vinyl Alcohol)섬유, 에트링자이트생성에 의한 수축 보상할 수 있는 혼화재, 경화체 공극내에 존재하는 간극수의 표면장력을 저하시키는 혼화재를 일정한 비율로 조합 사용함으로써 50% 이상이 수축저감 상승효과가 발휘되어, 보다 효율적으로 수축현상이 저감된 고성능 콘크리트를 얻을 수 있었다.

<실시예1>

본 발명에서 제시된 방법을 사용한 고성능 콘크리트의 수축 저감 특성을 분석하기 위해 물-결합재비(W/B) 30%, 단위수량 175kg/㎥, 잔골재율(S/a) 45%, 고성능감수제는 시멘트량의 1.1%인 고성능 콘크리트를 기본배합으로 하고; PVA 섬유(비중 1.3, 직경 0.04× 길이 10mm, 인장강도 1600MPa)를 콘크리트의 체적에 대해 1.5%; 유리석회 53%, Hauyne 20%, 무수석고 27%로 구성된 에트링자이트 생성에 의한 수축보상용 혼화재를 단위 결합재의 5%; 콘크리트 경화체의 표면장력을 저하시 키는 알콜알킬옥시드계(

, 비중 0.99, 점도 20cps, 표면장력 28.9dyne/cm, 분자량 300) 혼화재를 단위 결합재의 1%를 조합사용하여 콘크리트를 제조(발명예)하였다. 또한, 종래의 고성능 콘크리트 배합비율로 콘크리트를 제조(종래예)하였으며, 상기 기본배합에 PVA섬유만을 첨가하여 콘크리트를 제조(비교예1)하였고, 상기 기본배합에 에트링자이트 혼화재만을 첨가하여 콘크리트를 제조(비교예2)하였고, 상기 기본배합에 표면장력저하 혼화재만을 첨가하여 콘크리트를 제조(비교예3)하였다.

얻어진 각각의 콘크리트를 이용하여 소성수축, 자기수축 및 건조수축 시험을 실시하였다. 소성수축은 500× 500× 50㎜의 실험 시편을 제작하여 시편의 중앙에는 콘크리트를 구속하기 위해서 200㎜ PVC링을 설치한 PVC-Ring 시험법에 의해 실시하였으며, 시험조건은 온도 30± 3℃, 상대습도 40± 3%, 풍속 4~4.5m/sec을 작용시키면서 24시간동안 실험을 실시하였다.

자기수축은 100×100× 400mm 시험체를 수분 증발 및 흡수를 막기 위해 폴리에스테르 필름 및 비닐 포대 등으로 2~3중으로 밀봉하였으며 온도 20± 2℃, 습도 65± 5%로 조절되는 항온항습실에서 노출시킨 다음 KS F 2586에 준하여 재령 49일까지 측정하였다.

건조수축은 재령 7일까지 20℃에서 수중양생을 실시한 다음 기건상태(온도 22± 2℃, 습도 65± 5%)에 노출시킨 다음 KS F 2424에 준하여 재령 91일까지 측정하였다.

이상과 같은 실험에 의해 얻어진 결과를 도 5 및 하기표1에 나타내었다.

배합종류	소성수축			자기수축 (×10^-6)	건조수축 (×10^-6)
배합종류	균열길이 (mm)	균열폭 (mm)	균열면적 (mm²)	자기수축 (×10^-6)	건조수축 (×10^-6)
종래예	19	2	38	362	647
비교예1	3	0.5	6	331	605
비교예2	10	0.5	5	247	457
비교예3	13	1.5	19.5	298	525
발명예	-	-	-	68	123

상기 표1 및 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 소성수축은 종래의 고성능콘크리트 배합(종래예)에서 38㎟ 정도로 큰 균열이 발생하였고, 본 발명에서 제시된 재료들을 각각 단독으로 사용한 경우(비교예1~3)에는 종래의 고성능 콘크리트 배합보다는 균열이 크게 적게 발생하였으나 어느 정도의 균열을 발생시키는 것으로 나타났다. 반면에, 본 발명의 조건을 모두 충족하는 발명예의 경우는 균열이 전혀 발생하지 않는 것으로 나타났다.

또한, 자기수축과 건조수축 결과는 종래의 고성능 콘크리트 배합(종래예)에서 각각 362×10^-6, 647×10^-6 정도로 크게 발생하였으며, 본 발명에서 제시된 재료들을 각각 단독으로 사용한 경우(비교예1~3) 또는 본 발명에서 제시된 방법을 적용한 경우(발명예)에는 종래의 고성능 콘크리트 배합(종래예)보다는 수축이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 본 발명에서 제시된 방법은 종래에 사용해 오던 각각 단독으로 사용한 결과를 전부 합한 경우보다도 수축저감 상승효과가 50% 이상 큰 것으로 나타났다.

<실시예2>

간극수 표면장력 저하용 혼화재로서 알콜알킬옥시드계(

)의 효과를 알아보기 위해 하기 표2와 같은 알콜알킬옥시드계 혼화재의 사용량을 변화시켜가면서 콘크리트를 제조하였다. 이때 사용된 기본재료는 상기 실시예1에서와 동일하였다.

제조된 콘크리트에 대하여 10분, 6시간, 24시간의 표면장력을 측정하여 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.

배합	표면장력(dyne/cm)
배합	10분	6시간	24시간
일반 고성능 콘크리트	66.7	69.3	71.5
에트링자이트 생성 혼화재 사용 콘크리트	67.1	69.0	71.2
알콜알킬옥시드계 혼화재 사용 콘크리트(첨가량 0.3%)	63.2	62.6	61.7
알콜알킬옥시드계 혼화재 사용 콘크리트(첨가량 0.5%)	55.3	53.1	51.6
알콜알킬옥시드계 혼화재 사용 콘크리트(첨가량 1.0%)	47.2	45.2	43.2
알콜알킬옥시드계 혼화재 사용 콘크리트(첨가량 1.5%)	42.1	41.3	40.6
알콜알킬옥시드계 혼화재 사용 콘크리트(첨가량 2.0%)	39.8	39.5	39.4

상기 표2에서 알 수 있는 바와 같이, 일반 콘크리트인 경우에는 표면장력이 70dyne/cm 정도이나 알콜알킬옥시드계 혼화재를 사용한 경우에는 혼화재의 양이 많을수록 표면장력이 저하되고 수축이 저감되는 것으로 나타났다.

<실시예3>

상기 실시예1에서와 동일한 기본배합을 적용하고, 상기 실시예 1에서와 동일한 PVA섬유(콘크리트전체의 체적기준) 및 혼화재(결합재 함량 기준)를 사용하여 하기 표3에서와 같은 함유량을 첨가하여 콘크리트를 제조하였다. 에트링자이트 생성에 의한 수축보상용 혼화재는 유리석회 53%, Hauyne 20%, 무수석고 27%로 구성된 것이다.

	PVA섬유량 (vol%)	수축보상용 혼화재(중량%)	알콜알킬옥시드계 혼화재 (중량%)	시공성	압축강도 (MPa)	건조수축 (×10^-6)
발명예	1.5	5	1	O	75	123
비교예a	6	5	1	X	65	135
비교예b	1.5	11	1	△	62	17
비교예c	1.5	5	6	△	69	110

얻어진 콘크리트 중에서 PVA섬유량이 본 발명의 범위를 초과하는 비교예a은 섬유의 뭉침현상 등 시공성이 현격히 저하되고, 강도도 저하되는 문제가 있었으며, 수축보상용 혼화재의 양이 본 발명의 범위를 초과하는 비교예b는 유동성이 저하되고 팽창에 의한 콘크리트 조직의 이완으로 강도가 크게 저하되는 문제가 있었으며, 간극수 표면장력 저하용 혼화재의 양이 본 발명의 범위를 초과하는 비교예c은 유동성이 크게 증가되어 재료분리가 발생하고 압축강도가 저하되는 문제가 있었다. 이에 비해 발명예는 수축현상을 보이지 않아 기존의 고성능 콘크리트가 가지고 있던 물성보다도 전반적으로 우수하였다.

상술한 바에 따른 본 발명의 고성능 콘크리트 제조방법에 따르면, 섬유의 가교작용이 발휘되는 PVA(Poly Vinyl Alcohol)섬유, 에트링자이트생성에 의한 수축 보상할 수 있는 혼화재, 경화체 공극내에 존재하는 간극수의 표면장력을 저하시키는 혼화재를 일정한 비율로 조합 사용함으로써 50% 이상이 수축저감 상승효과가 발휘되어, 보다 효율적으로 수축현상이 저감된 고성능 콘크리트를 얻을 수 있었다.

도 1은 본 발명에서 제시한 고성능 콘크리트 수축저감 기술을 보이는 개념도이다.

도 2는 PVA 섬유 사용에 의한 고성능 콘크리트의 수축 저감의 개념도이다.

도 3a는 유리석회, 하우인 및 무수석고의 반응시간에 반응율을 나타낸 그래프이고,

도 3b는 재령에 따른 반응강도를 나타낸 그래프이고, 도 3c는 에트링자이트 생성에 의한 고성능 콘크리트 수축보상의 개념도이다.

도 4는 표면장력의 변화에 따른 수축변형률을 보이는 그래프이다.

도 5는 종래방법 빛 본 발명에 의해 제조된 콘크리트의 수축변형률을 보이는 그래프이다.

Claims

시멘트, 물, 결합재, 골재, 감수제를 기본 재료로 함유하는 고성능 콘크리트를 제조하는 방법에 있어서,

상기 콘크리트의 배합시 상기 콘크리트에 대하여 0.5~5vol%의 PVA 섬유를 함유시키고, 상기 결합재에 대하여 1~10중량%의 에트링자이트 생성에 의한 수축보상용 혼화재를 함유시키고, 또한 상기 결합재에 대하여 0.1~5중량%의 간극수 표면장력 저하용 혼화재를 함유시키며, 상기 에트링자이트 생성에 의한 수축보상용 혼화재는 유리석회 45~53중량%, 하우인 20~24중량%, 무수석고 27~31중량%로 구성되는 것임을 특징으로 하는 고성능 콘크리트의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 PVA섬유는 평균직경이 0.01~0.1mm이며, 평균길이가 5~20mm이며, 비중이 1~1.5인 것을 특징으로 하는 고성능 콘크리트의 제조방법.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 간극수 표면장력 저하용 혼화재는 알콜알킬옥시드계인 것을 특징으로 하는 고성능 콘크리트의 제조방법.