KR101000862B1

KR101000862B1 - 수화열 저감제 및 초저발열 콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR101000862B1
Application number: KR20100037781A
Authority: KR
Inventors: 전창영; 정기택; 공민호; 이성웅; 정용; 윤섭; 송용원; 전용수; 남상수
Original assignee: 주식회사 삼표; 현대엠코 주식회사
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2010-12-13

Abstract

본 발명은 목초액과 유기산염을 주성분으로 한 수화열 저감제와 시멘트, 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말을 포함한 3성분 결합재에 상기 수화열 저감제를 혼합시켜 조성한 초저발열 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
이에 본 발명은 감수제 70~98중량%, 목초액 1~29중량% 및 유기산염 1~5중량%가 혼합된 수화열 저감제를 제공한다.
또한, 본 발명은 보통포틀랜드시멘트 10~40중량%, 고로슬래그 미분말 40~80중량% 및 플라이애쉬 10~40중량%로 이루어진 3성분 결합재에 상기 수화열 저감제를 첨가하여 조성된 것을 특징으로 하는 초저발열 콘크리트 조성물을 함께 제공한다.

Description

수화열 저감제 및 초저발열 콘크리트 조성물{Hydration Heat Reducer ＆ Super Low Heat Concrete Composite}

본 발명은 목초액과 유기산염을 주성분으로 한 수화열 저감제와 시멘트, 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말을 포함한 3성분 결합재에 상기 수화열 저감제를 혼합시켜 조성한 초저발열 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

시멘트와 물의 화학반응을 수화반응이라 하고, 수화반응시 발생되는 열을 수화열이라 한다. 두꺼운 콘크리트일수록 내부의 발열량이 많아 콘크리트부재 내,외부의 온도차가 심해지고, 이러한 온도차는 콘크리트에 발생하는 균열의 원인이 되며, 균열의 발생은 압축력을 부담하는 콘크리트의 구조적 기능을 크게 훼손시킨다. 수화열을 줄이기 위한 방법으로는 파이프 쿨링(Pipe Cooling)을 이용하여 내부 온도를 낮추는 방법과 저발열 콘크리트를 사용하여 수화반응으로 인한 발열량 자체를 낮추는 방법, 콘크리트 부재의 단면을 나누어 분할 타설하는 방법 등이 있는데, 본 발명은 이 중 저발열 콘크리트에 관한 것이다.

다만 종래에도 콘크리트의 수화열을 저감시키기 위한 여러 기술들이 공개된 바 있으므로, 이하에서는 그 중 몇 가지를 소개하기로 한다.

1. 공개특허 제1997-0042387호(플라이애쉬를 함유하는 저발열 저수축 콘크리트 조성물, 이하 '종래기술 1')

'종래기술 1'은 콘크리트를 구성하는 시멘트의 일부(15~40중량%)를 플라이애쉬(fly-ash)로 치환하고 혼화제를 다량 첨가함으로서 단위시멘트량 및 단위수량을 대폭 감소하여 수화발열량 및 건조수축을 저감시키고자 한 것이다.

플라이애쉬는 포졸란 반응성(pozzolanic reactivity)을 나타내는 물질로서 시멘트와 비교하여 반응속도가 매우 느리기 때문에, 콘크리트의 주성분인 시멘트의 일부를 플라이애쉬로 대체시키면 콘크리트의 초기 수화 발열량을 감소 시켜준다. 그러나 플라이애쉬는 반응속도가 매우 느리기 때문에 초기 재령에서는 초기 강도가 다소 저하될 수 있으며, 콘크리트가 중성화될 수 있는 단점이 있다.

2. 공개특허 제1997-0042391호(슬래그 미분말을 함유하는 저발열 저수축 콘크리트 조성물, 이하 '종래기술 2')

'종래기술 2'는 콘크리트를 구성하는 시멘트의 일부(20~50중량%)를 슬래그 미분말로 치환하여 사용하거나 슬래그 시멘트를 사용하고 혼화제를 다량 첨가함으로써 단위시멘트량 및 단위수량을 대폭 감소하여 수화발열량 및 건조수축을 저감시키고자 한 것이다. 그러나, 이에 따르면 블리딩량의 증가와 응결지연 현상이 발생하는 문제가 있다.

3. 공개특허 제1997-0042388호(삼성분계 시멘트를 함유하는 저발열 저수축 콘크리트 조성물, 이하 '종래기술 3')

'종래기술 3'은 시멘트의 일부를 플라이애쉬(fly-ash)와 슬래그(slag) 미분말로 치환하고 혼화제를 다량 첨가함으로써 단위시멘트량 및 단위수량을 대폭 감소하여 수화발열량 및 건조수축을 저감시키고자 한 것이다. 이는 시멘트와 함께 위의 '종래기술 1'과 '종래기술 2'의 결합재인 플라이애쉬와 슬래그 미분말을 함께 사용하고자 한 것이다. 플라애애쉬 또는 슬래그 미분말의 과다 사용시에는 전술한 문제점이 있어 결합재를 3가지 성분으로 구성한 것이나, 응결시간 지연 및 블리딩 발생의 문제점은 극복되지 않는 것으로 보인다.

4. 공개특허 제2001-0037292호(플라이애쉬와 유기혼화제를 이용한 저발열 콘크리트의 제조방법, 이하 '종래기술 4')

'종래기술 4'는 시멘트의 일부를 플라이애쉬(Fly Ash)로 대체하고 여러 종류의 유기혼화제를 적절히 조성시킴으로서, 콘크리트에 고유동성을 부여함과 함께 슬럼프 손실 및 수화열을 줄이고, 건조 수축을 억제하고, 장기강도를 증진시키고자 한 것인데, 상기 유기혼화제로는 나프탈렌계 고유동화제가 60∼80중량% 이고, 글루콘산 소다가 10∼30중량% 이고, 폴리아크릴아미드가 5∼10중량% 이고, AE(Air entraining agent: 공기연행제)제가 5중량% 이하로 구성된 것을 제시하고 있다.

다만 위와 같이 구성된 유기혼화제는 종래의 콘크리트 첨가제를 적절히 배합한 것이며, 그 작용·효과는 당업자의 예측 범위 내에 있는 것으로 보인다.

5. 등록특허 제0874584호(저발열 초고강도 콘크리트 조성물, 이하 '종래기술 5')

'종래기술 5'는 결합재로 시멘트에 고로슬래그 미분말, 실리카흄 및 무수석고가 적정비율로 혼합된 결합재를 사용하고 10~17중량%의 낮은 물-결합재비로 배합되도록 함으로써 일정의 시공성을 확보하면서 120㎫를 넘는 강도가 발현되는 저발열 초고강도 콘크리트 조성물에 관한 것이다. 그러나, 이 역시 콘크리트의 응결시간이나 블리딩에 관한 고려는 없다.

본 발명은 콘크리트 수화열을 크게 감소시키면서, 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말에 의한 응결시간 지연을 방지하고, 블리딩 발생량을 현저히 줄이기 위한 수화열 저감제 및 초저발열 콘크리트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 감수제 70~98중량%, 목초액 1~29중량% 및 유기산염 1~5중량%가 혼합된 수화열 저감제를 제공한다. 이 때, 상기 감수제는 폴리칼본산계 고성능 감수제와 아크릴레이트계 수지를 혼합한 것으로서, 상기 폴리칼본산계 고성능 감수제는 상기 수화열 저감제 전체 대비 69~93중량%가 혼합되고, 상기 아크릴레이트계 수지는 상기 수화열 저감제 전체 대비 1~5중량%가 혼합된 것을 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은 보통포틀랜드시멘트 10~40중량%, 고로슬래그 미분말 40~80중량% 및 플라이애쉬 10~40중량%로 이루어진 3성분 결합재에 상기 수화열 저감제를 첨가하여 조성된 것을 특징으로 하는 초저발열 콘크리트 조성물을 함께 제공한다. 이 때, 상기 수화열 저감제는 결합재 대비 1~10중량%를 첨가할 수 있다.

본 발명이 제공하는 수화열 저감제를 사용한 초저발열 콘크리트는 동일조건 상 일반 콘크리트의 수화온도의 55% 수준으로 낮아지고, 기존의 저발열 콘크리트에 비해서는 60~85% 수준으로 낮아진다.

또한, 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말 사용에 따른 응결시간도 종래의 저발열 콘크리트에 비해 1~2시간 단축되어, 응결 지연 문제가 상당부분 해소되며, 블리딩량은 기존의 저발열 콘크리트에 비해 10~15% 수준으로 줄어든다.

[도 1]은 시험예1 내지 3과 시험예4의 간이 단열온도 상승곡선을 비교 분석한 그래프이다.
[도 2]는 시험예2와 시험예4와 시험예5의 응결시간을 비교한 그래프이다.
[도 3]은 시험예3, 시험예4, 시험예5의 블리딩량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

Ⅰ. 수화열 저감제

본 발명이 제공하는 수화열 저감제는 감수제 70~98중량%, 목초액 1~29중량% 및 유기산염 1~5중량%가 혼합된 것이다.

감수제(減水劑, water-reducing agent)는 콘크리트의 워커빌리티(workability)의 개선을 주목적으로 하는 혼합제이다. 사용량은 종류에 따라 다르나 콘크리트에 소량을 첨가해도 콘크리트의 양을 줄일 수 있으며 내구성까지 개선되는 경우가 많고, 강도 향상 효과 및 결합재의 분산효과도 얻을 수 있다.

본 발명에 적용되는 감수제로는 고성능 감수제(superplasticizer)가 적절하다. 고성능 감수제는 콘크리트 워커빌리티에 영향을 주지 않고 물-시멘트비를 저감시키기 위해 사용하는 첨가제이며, 입자 분산능력도 우수하다. 이러한 감수제로는 폴리칼본산계, 폴리아킬아릴 설폰산염계, 멜라민 포르말린수지 설폰산염계, 방향족 다환축합물 설폰산염계 등을 예로 들 수 있다.

본 발명은 상기 감수제의 구체적인 실시예로서, 폴리칼본산계 고성능 감수제와 아크릴레이트계 수지를 혼합한 것을 제공한다. 이 경우 상기 폴리칼본산계 고성능 감수제는 상기 수화열 저감제 전체 대비 69~93중량%가 혼합된 것이고, 상기 아크릴레이트계 수지는 상기 수화열 저감제 전체 대비 1~5중량%가 혼합된 것이다. 상기 크릴레이트계 수지는 블리딩을 획기적으로 줄임으로써 콘크리트의 내구성을 증진시키는데 큰 도움을 준다.

목초액은 나무로 숯을 만드는 과정에서 나오는 연기를 액화시켜 채취한 뒤, 6개월 이상 숙성시켜 독성과 유해물질을 제거한 것을 말한다. 목재를 태워 발생한 연기가 외부 공기와 접촉하면, 자연 냉각되어 떨어지는 액체가 발생하는데 이를 수집하여 숙성시켜, 수용성과 유용성 액체로 분리되면, 수용성의 액체만을 걸러 목초액을 얻는 것이다. 이는 약 100kg의 나무에서 약 5ℓ 정도가 채취되며, pH3 전후의 산성을 띤다. 성분은 80∼90%가 물이며, 아세트산이 3% 가량 함유되어 있고, 그 밖에 폼산·지방산·메탄올 등 200여 종에 이르는 소량의 미네랄이 포함되어 있으나, 구체적인 성분은 탄화법이나 원목의 종류, 가마의 종류에 따라 차이가 난다.

이러한 목초액은 콘크리트의 수화반응 시 원적외선을 방출시켜 물분자 구조를 작게 만든다. 이렇게 작게 만들어진 물분자들은 시멘트 입자에 흡착되므로 수화반응하는 물분자의 양이 적게 되어 수화 발열량이 감소되고, 수화반응에 참여하지 않은 잉여 물분자들이 기 발생된 수화열에 대한 완충 역할을 하게 되므로 수화열을 저감시킬 수 있다.

유기산염은 유기산이 염기와 만나 물을 만들면서, 유기산에서 H⁺가 떨어져 나가면서 만들어진 음이온과 염기에서 OH^-가 떨어져 나가면서 만들어진 양이온이 반응하여 만들어진 염이다. 유러한 유기산염은 결합재가 수화반응한 후의 응결을 촉진시킨다.

Ⅱ. 초저발열 콘크리트 조성물

본 발명이 제공하는 초저발열 콘크리트 조성물은 보통포틀랜드시멘트 10~40중량%, 고로슬래그 미분말 40~80중량% 및 플라이애쉬 10~40중량%로 이루어진 3성분 결합재에 상기 수화열 저감제를 첨가하여 조성된 것이다. 이 때, 상기 수화열 저감제는 결합재 대비 1~10중량%를 첨가할 수 있다.

본 발명의 발명자는 본 발명이 제공하는 초저발열 콘크리트 조성물의 기능적 우수성을 확인하기 위해서 아래의 [표 1]에 나타난 바와 같은 5가지 시험예의 수화열, 응결시간 및 블리딩양을 측정하였다.

시험예1은 보통포틀랜드시멘트(OPC)만을 100% 사용한 예이고, 시험예2는 일반적인 저발열 콘크리트 조성물로서, 보통포틀랜드시멘트 70% 및 플라이애쉬(FA) 30%를 비합한 예이다(이하의 배합비율은 모두 중량비). 시험예3 역시 기존에 사용된 저발열 콘크리트 조성물로서 보통포틀랜드시멘트(40%), 플라이애쉬 20% 및 고로슬래브 미분말 40%를 배합하였으며, 여기에 잠열성 수화열저감제도 첨가한 것이다.

한편, 시험예4는 본 발명이 제공하는 초저발열 콘크리트 조성물로서, 보통포틀랜드시멘트 20%, 플라이애쉬 20% 및 고로슬래그 미분말 60%로 이루어진 3성분 결합재에 전술한 수화열 저감제를 첨가한 것이다. 시험예5는 시험예4와 동일한 배합조건에서 수화열 저감제를 첨가하지 않은 것으로서, 시험예4와의 비교를 통해 본 발명이 제공하는 수화열 저감제의 효과를 파악할 수 있도록 한 것이다.

위 시험예1 내지 5 모두 물결합재비(W/B) 25.3%, 단위수량은 152㎏/㎥, 단위결합재량은 600㎏/㎥로 균일하게 하였다.

구 분			구성요소
시험 대상	종래 기술	시험예1(①)	OPC 100%
		시험예2(②)	OPC 70% + FA 30%
		시험예3(③)	OPC 40% + FA 20% + 고로슬래그 미분말 40% + 잠열성 수화열저감제
	본발명	시험예4(④)	OPC 20% + FA 20% + 고로슬래그 미분말 60% + 본 발명이 제공하는 수화열 저감제
	비교예	시험예5(⑤)	OPC 20% + FA 20% + 고로슬래그 미분말 60%
평가항목			간이 단열온도시험, 응결시간, 블리딩
콘크리트 배합			W/B 25.3%, 단위수량 152㎏/㎥, 단위결합재량 600㎏/㎥

1. 수화열 비교

[도 1]은 시험예1 내지 3과 시험예4의 간이 단열온도 상승곡선을 비교 분석한 그래프이다. [도 1]의 그래프 분석 결과, 시험예4는 시험예1과 39℃, 시험예2와는 22℃, 시험예3과는 8℃ 정도의 최고온도 차이를 나타내었다(시험예4의 최고온도 저감 비율은 시험예1의 약 55% 수준). 수화반응은 시멘트와 물이 반응할 때 나타나는 발열반응인데, 본 발명은 시멘트의 사용량을 획기적으로 줄이는 한편, 수화열 저감제에 함유된 목초액의 작용으로 수화반응에 참여하지 않는 잉여 물분자량을 늘림으로써 수화열을 감소시키고, 상기 잉여 물분자는 기 발생된 수화열에 대한 완충 역하도 하므로 위와 같은 효과가 나타나는 것으로 판단된다.

2. 응결시간 비교

초저발열 콘크리트를 도입할 때의 문제점 중 하나는 콘크리트의 응결지연이다. 일반적으로 저발열 콘크리트는 수화열 저감을 위하여 시멘트의 일부를 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말로 치환하여 시멘트 수화과정에서 발생하는 수화열을 줄이는 것이다. 하지만 수화열을 극단적으로 줄이기 위해서는 콘크리트 중의 결합재 비율을 80%까지 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말을 사용하게 되며, 이는 건축공사의 공기지연으로 연결된다.

[도 2]는 시험예2와 시험예4와 시험예5의 응결시간을 비교한 그래프이다. 시험예4의 응결시간이 시험예5보다는 약 7시간 가량 빠르게 나타났으며, 시험예2에 비해서도 약 1시간 가량 응결이 빠르게 나타나 본 발명이 제공하는 초저발열 콘크리트 조성물이 응결지연 현상을 상당히 개선한 것이라는 점을 알 수 있다. 이는 수화열 저감제 성분 중 유기산염의 성분이 응결을 촉진시키는 작용을 하기 때문인 것으로 판단된다.

3. 블리딩발생량 비교

초저발열 콘크리트를 도입하기 위해 해결해야 할 또 다른 과제는 블리딩이다. 매스콘크리트가 사용되는 기초는 대단면과 넓은 폭으로 인하여 콘크리트의 블리딩이 크게 발생한다. 콘크리트에 블리딩이 크게 발생되면 콘크리트의 재료분리, 레이턴스, 침식 및 침하로 인한 균열이 발생하게 된다. 본 발명에 적용되는 수화열 저감제 중 아크릴레이트계 수지는 블리딩을 획기적으로 줄임으로써 콘크리트의 내구성을 증진시키는데 큰 도움을 준다.

[도 3]은 시험예3, 시험예4, 시험예5의 블리딩량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 실험결과 시험예5의 블리딩량을 100%로 봤을 때 일반 저발열 콘크리트인 시험예2의 경우 블리딩량이 63%인데 반하여, 본 발명의 경우는 약 8%로 블리딩량을 줄일 수 있었다.

없음

Claims

감수제 70~98중량%, 목초액 1~29중량% 및 유기산염 1~5중량%가 혼합된 수화열 저감제.
제1항에서, 상기 감수제는 폴리칼본산계 고성능 감수제와 아크릴레이트계 수지를 혼합한 것으로서, 상기 폴리칼본산계 고성능 감수제는 상기 수화열 저감제 전체 대비 69~93중량%가 혼합되고, 상기 아크릴레이트계 수지는 상기 수화열 저감제 전체 대비 1~5중량%가 혼합된 것을 특징으로 하는 수화열 저감제.
보통포틀랜드시멘트 10~40중량%, 고로슬래그 미분말 40~80중량% 및 플라이애쉬 10~40중량%로 이루어진 3성분 결합재에 제1항 또는 제2항의 수화열 저감제를 첨가하여 조성된 것을 특징으로 하는 초저발열 콘크리트 조성물.
제3항에서, 상기 수화열 저감제는 결합재 대비 1~10중량% 첨가된 것을 특징으로 하는 초저발열 콘크리트 조성물.