KR101018008B1

KR101018008B1 - 플라이애쉬와 고로슬래그를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법

Info

Publication number: KR101018008B1
Application number: KR20080082209A
Authority: KR
Inventors: 고경택; 이장화; 이재락; 김경만; 류금성; 박병기; 김성욱; 박정준; 최진일; 강수태; 강현진
Original assignee: 한국화학연구원; 한국건설기술연구원
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2011-03-02
Also published as: KR20100023453A

Abstract

본 발명은 플라이애쉬와 고로슬래그를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적하는 바는 제조 시 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신에 결합재로서 적정비율의 플라이애쉬와 고로슬래그를 동시에 적용하고, 또한 활성화제로서 적정비율의 NaOH와 쇼듐실리케이트를 적용하여, 작업성이 우수하고 상온양생 가능한 압축강도 80MPa급의 무시멘트 콘크리트의 제조방법을 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배합원료로서 결합재, 활성화제, 잔골재, 굵은골재, 물 및 고성능감수제를 포함하고, 이들 배합원료를 배합하고, 교반하는 과정과 양생하는 과정을 거쳐 콘크리트를 제조하는 방법에 있어서, 상기 결합재는 분말도 2,000~4,000cm²/g의 플라이애쉬와 3,000~5,000cm²/g의 고로슬래그가 중량비로 1:1의 비율로 구성되는 것이며, 상기 활성화제는 6~12Mole NaOH와 쇼듐실리케이트가 중량비로 0.75:1.25~1.25:0.75의 비율로 구성되는 것임을 특징으로 한다.

플라이애쉬, 고로슬래그, 무시멘트 콘크리트, 시멘트 ZERO 콘크리트, NaOH

Description

플라이애쉬와 고로슬래그를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF CEMENT ZERO CONCRETE USING MIXED SLAG AND FLY ASH AS BINDER}

본 발명은 플라이애쉬와 고로슬래그를 이용한 무시멘트 콘크리트(시멘트 ZERO 콘크리트)의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라이애쉬의 작업성과 고로슬래그의 상온양생 가능성을 이용하여 시멘트를 사용하지 않고서도 콘크리트를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

현재 지구 온난화의 주범인 온실가스에 대한 대책 마련에 많은 노력을 기울이고 있는데, 시멘트 및 콘크리트 산업에 있어서도 전 세계적으로 대응책 마련을 고심하고 있다.

이에 대한 타개책의 일환으로 고로슬래그, 플라이애쉬와 같은 산업부산물을 이용하여 시멘트를 대체하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.

국외에서는 중합반응에 의한 알칼리 활성화 시멘트(콘크리트)에 관한 기술은 개념적으로 1978년 Davidovits(프랑스)에 의해 카올리나이트 광물질을 이용하고 제올라이트와 유사한 구조를 가지도록 하는 메커니즘으로 이론이 정립되었지만, 제조 상의 문제점 및 경제성 등의 이유로 실용화가 이루어지지 않았다.

최근에 호주, 미국, 일본 및 유럽 등을 중심으로 환경문제의 사회적 이슈화에 결부되어 고로슬래그, 플라이애쉬 등을 사용한 시멘트 ZERO 콘크리트 개발이 이루어졌고, 국내에서도 일부 기술개발이 이루어졌다.

종래 기술에서 플라이애쉬를 사용한 시멘트 ZERO 콘크리트의 경우에는 대부분 60℃ 이상의 고온양생 과정을 통해 플라이애쉬의 유리(glassy) 피막을 파괴하여 반응을 유도함으로써 30MPa 이상을 확보하고 있으나, 이 기술은 고온양생으로 인한 에너지 소비와 이산화탄소가 배출되는 문제점이 지적되고 있다.

또한 일부 20℃정도의 상온에서 양생을 실시하는 방법이 있으나 이 방법은 플라이애쉬의 유리피막을 파괴하는 반응이 작아 콘크리트의 강도가 대부분 10MPa 이하이기 때문에 교량, 건축물 등 구조물에 적용할 경우에는 안전성, 사용성에 문제점이 지적된 바 있다.

하지만, 이같이 결합재로서 플라이애쉬를 단독으로 적용한 시멘트 ZERO 콘크리트(무시멘트 콘크리트)는 워커빌리티와 슬럼프 손실이 작아 작업성이 유리하다는 장점이 있다.

그리고, 종래 기술 중에 상온에서 고로슬래그를 단독으로 사용하여 알칼리 활성화제에 의해 수화를 촉진시켜 50MPa 이상의 압축강도가 발현되나, 급격한 유동성 저하 및 초기 급결현상 등으로 작업성을 확보하기 어렵고, 수축 등이 크게 발생하여 실용화하는데 문제가 되고 있다.

또한, 종래 기술 중에는 메타카올린을 사용하는 경우가 있으나, 카올린을 700~800 ℃로 소성하여 메타카올린을 사용하기 때문에 이 과정에서 이산화탄소를 배출하고 가격도 고가이어서 실용화하는 데 문제점이 있었다.

이에 상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 제조시 이산화탄소를 다량으로 배출하는 시멘트 대신에 결합재로서 적정비율의 플라이애쉬와 고로슬래그를 동시에 적용하고, 또한 활성화제로서 적정비율의 NaOH와 쇼듐실리케이트를 적용하여, 작업성이 우수하고 상온양생 가능한 압축강도 80MPa급의 무시멘트 콘크리트의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라이애쉬와 고로슬래그를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법은 배합원료로서 결합재, 활성화제, 잔골재, 굵은골재, 물 및 고성능감수제를 포함하고, 이들 배합원료를 배합하고, 교반하는 과정과 양생하는 과정을 거쳐 콘크리트를 제조하는 방법에 있어서, 상기 결합재는 분말도 2,000~4,000cm²/g의 플라이애쉬와 3,000~5,000cm²/g의 고로슬래그가 중량비로 1:1의 비율로 구성되는 것이며, 상기 활성화제는 6~12Mole NaOH와 쇼듐실리케이트가 중량비로 0.75:1.25~1.25:0.75의 비율로 구성되는 것임을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 무시멘트 콘크리트 제조방법에서의 콘크리트 배합원료는 결합재, 활성화제, 잔골재, 굵은골재, 물, 고성능감수제 등으로 이루어진다.

즉, 본 발명의 무시멘트 콘크리트 제조방법은 통상의 콘크리트의 제조방법에서, 시멘트를 첨가하지 않고 이를 대신하여 결합재로서 적정비율의 플라이애쉬와 고로슬래그를 사용하고, 활성화제로서 NaOH와 쇼듐실리케이트를 사용하는 것이 특징이다.

상기 플라이애쉬는 분말도 2,000~4,000cm²/g의 것을 사용하고, 상기 고로슬래그는 분말도 3,000~5,000cm²/g의 것을 사용한다.

이는 플라이애쉬의 분말도가 2,000cm²/g미만인 경우와, 고로슬래그의 분말도가 3,000cm²/g 미만인 경우에는 반응성이 작아 강도발현에 불리하고, 플라이애쉬의 분말도가 4,000cm²/g를 초과하는 경우와, 고로슬래그의 분말도가 5,000cm²/g을 초과하는 경우에는 반응성이 크지만, 화력발전소 또는 제철소에 발생하는 분말도 보다도 커져 미분말시키거나 분급을 해야하기 때문에 경제성이 저하될 수 있기 때문이다.

상기 플라이애쉬와 고로슬래그는 중량비로 예컨대 90:10~30:70의 비율로 배합될수 있는데, 플라이애쉬의 중량비율이 90%를 초과(고로슬래그의 중량비율이 10%미만)하는 경우에는 작업성이 확보되나 상온양생에 의해 압축강도가 상당히 낮아지는 문제가 있고, 플라이애쉬의 중량비율이 30%미만(고로슬래그의 중량비율이 70%를 초과)인 경우에는 압축강도를 고강도로 확보할 수 있으나, 작업성이 확보되지 않는 문제가 있기 때문이다.

이와 같이 상기 플라이애쉬와 고로슬래그의 혼합비를 조정하여 작업성 및 초기강도 등을 조정할 수 있으며, 80MPa 정도의 고강도 콘크리트를 제조하기 위해서는 플라이애쉬와 고로슬래그를 1:1 정도의 비율로 혼합하는 것이 가장 효율적이다.

다시 말하면, 플라이애쉬와 고로슬래그의 혼합비율에 따라 유동성 및 강도를 사용자의 요구에 맞게 손쉽게 조정 가능한 무시멘트 콘크리트를 제조할 수 있다.

상기 NaOH와 소듐실리케이트는 활성화제로서 첨가되며, 중량비로 0.75:1.25 ~ 1.25:0.75의 비율로 하여 첨가되는데, 상기 소듐실리케이트의 비율이 NaOH 대비 0.75배 미만인 경우에는 중합반응에 필요한 Si 성분이 적어져 강도가 발현이 작아지고, NaOH 대비 1.25배를 초과하는 경우에는 Na 이온이 적어져 초기강도가 작아지는 문제가 있다.

상기 NaOH는 6~12Mole의 것을 사용하는데, 6M미만의 NaOH를 사용하는 경우에는 작업성은 좋으나 강도가 일반 콘크리트 구조물에 적용하기에 부족하고, 12Mole을 초과하는 NaOH를 사용하는 경우에는 압축강도는 높으나, 작업성을 확보하기가 어렵다는 문제가 있다.

일반적으로 무시멘트 콘크리트 제조 시에는 NaOH, KOH 등 알칼리 자극제의 사용은 반드시 필요하나, KOH의 경우는 제조 시 높은 발열반응으로 제조에 몰 용액이 끓는 현상으로 다소 위험성이 있는 단점이 있다.

이에 비해 NaOH는 KOH에 비해 다소 반응성이 약하나, 제조상에 문제가 없어 안전성을 고려할 때 NaOH의 사용이 적절할 것으로 보여 본 발명에서는 활성화제로 NaOH를 사용한다.

도 1에 나타난 바와 같이, 중합반응은 Si-Al 함유 광물질이 NaOH 또는 KOH와 반응하는 것으로, 플라이애쉬는 SiO₂와 Al₂O₃의 함유율이 비교적 높아 중합반응으로 활성화시킬 수 있는 결합재이다. 그러나, 플라이애쉬를 사용한 경우에는 유리(glassy) 피막이 형성되어 있기 때문에 이 피막을 파괴시켜 플라이애쉬의 반응을 촉진시키기 위해서는 pH 13 이상 매우 높은 알칼리 환경이나 고온양생 또는 기타방법 등이 필요하다.

종래의 기술에서는 대부분 고온양생으로 플라이애쉬의 유리피막을 파괴시켜 중합반응을 유도하였다.

그러나, 본 발명에서는 고로슬래그의 구성 성분 중에 SiO₂, Al₂O₃, 특히 CaO(일반적으로 고로슬래그는 40% 이상 함유)이 다량으로 함유되어있기 때문에 도 1에 나타난 바와 같이 상온에서 수화반응 및 중합반응을 하여 Ca(OH)₂ 등 강알칼리성 물질을 생성하여 플라이애쉬의 유리피막이 파괴되어 다량의 플라이애쉬가 혼합되어 있더라도 상온에서 중합반응이 발생하여 강도가 크게 발현되는 것으로 분석된다.

상기한 바와 같은 결합재와 활성화제가 첨가된 배합원료를 이용하여 본 발명에서 목적하는 콘크리트를 제조하는데, 이때 나머지 배합원료는 통상의 배합비율에 의해 배합할 수 있고, 또한 일일이 열거하지 않았지만 통상적으로 첨가할 수 있는 첨가제를 첨가하여 목적하는 콘크리트로 제조할 수도 있다.

배합원료를 적절한 비율로 배합한 후, 교반하고, 양생하는 과정을 거치는데, 본 발명에서의 상기 양생은 통상의 방법에 의해 폭넓은 온도 범위에서 수행할 수 있다.

그러나, 에너지 소비와 이산화탄소가 배출되는 문제 등을 고려하면, 5~40℃의 상온에서 기건 양생을 실시하는 것이 보다 바람직하다.

즉, 양생온도가 강도에 미치는 영향은 온도가 높을수록 강도가 증가하기 때문에 5℃이상에서 양생을 실시하는 것이 강도측면에서 우수하기 때문이며, 40℃는 여름철 최대 온도이기 때문이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 무시멘트 콘크리트 제조방법에 따르면, 플라이애쉬와 고로슬래그의 혼합비에 따라 5~40℃의 상온에서도 압축강도를 20~80MPa 범위까지 확보할 수 있고, 콘크리트 제조 후 1시간까지 유동성이 유지되어 충분한 작업성을 확보할 수 있으며, 건조수축, 내구성이 매우 우수하기 때문에 시멘트를 사용한 일반 콘크리트를 대신하여 콘크리트 구조물에 충분히 적용 가능할 것으로 판단된다.

또한, 콘크리트 제조에 시멘트를 전혀 사용하지 않기 때문에 시멘트 제조 시 다량의 CO₂ 가스의 발생을 줄일 수 있어 환경오염을 줄이고, 산업 부산물인 플라이애쉬와 고로슬래그의 재활용적인 측면에서 콘크리트로 발생되는 매립지 확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라 폐콘크리트 매립 시 발생되는 침출수와 미세 분말로 구성된 석탄회의 분진 침출에 의해 많은 환경문제 등을 저감시킬 수 있다. 따라서 향 후 건설현장의 여러 방면에서 보통강도와 고강도 콘크리트 모두를 제조할 수 있어 광범위하게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.

<실시예 1>

플라이애쉬와 고로슬래그의 혼합비율

본 발명에서 제시된 방법을 사용한 무시멘트 콘크리트의 플라이애쉬와 고로슬래그 혼합비에 따른 영향을 분석하기 위해, 하기 표 1과 같은 성분의 플라이애쉬와 고로슬래그를 중량비로 100:0(종래기술), 90:10, 70:30, 50:50, 30:70, 20:80, 0:100(종래기술) 비율로 결합재를 제조하였다.

구분	SiO₂ (%)	Al₂O₃ (%)	Fe₂O₃ (%)	CaO (%)	MgO (%)	SO₃ (%)	lg. loss (%)	밀도 (g/cm³)	분말도 (cm²/g)
플라이애쉬	58.20	26.28	7.43	6.51	1.10	0.30	3.20	2.18	3,550
고로슬래그	33.33	15.34	0.44	42.12	5.70	2.08	0.03	2.90	4,159

그리고, 9M NaOH(순도 98%)와 규산나트륨(Na₂O=10%, SiO₂=30%, 고형분 38.5%, 비중 1.39)을 중량으로 1:1 비율로 활성화제를 제조하였다. 이렇게 제조된 결합재, 활성화제 그리고 잔골재, 굵은골재, 물, 나프탈렌계 고성능감수제를 하기표 2와 같은 배합으로 하여 콘크리트를 제조하였으며, 또한 무시멘트 콘크리트와 비교하기 위해 보통 콘크리트를 제조하였다.

제조한 콘크리트에 대하여 슬럼프와 압축강도를 측정하여 그 결과를 각각 도 2 및 도 3에 나타내었다.

여기서, 슬럼프 시험은 KS F 2402에 준하여 콘크리트를 혼합하여 믹서로부터 배출된 직후부터 90분까지 수행하여 작업성을 평가하였으며, 압축강도는φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 20℃의 기건상태(습도 65±5%)에서 양생을 실시하여 재령 3일, 7일, 28일 및 91일에서 KS F 2405에 준하여 측정하였다.

배합 번호	(kg/m³)
배합 번호	물	시멘트	플라이 애쉬	고로 슬래그	알칼리 자극제 (NaOH-9M)	쇼듐 실리케이트	잔골재	굵은골재
일반콘크리트	170	485	0	0	0	0	718	947
FA 100 / SG 0	43	0	501	0	56	60	513	1045
FA 90 / SG 10	43	0	451	67	56	60	513	1045
FA 70 / SG 30	43	0	351	200	56	60	513	1045
FA 50 / SG 50	43	0	250	333	56	60	513	1045
FA 30 / SG 70	43	0	150	466	56	60	513	1045
FA 10 / SG 90	43	0	50	600	56	60	513	1045
FA 0 / SG 100	43	0	0	666	56	60	513	1045
* FA : fly ash, SG : Slag * 감수제 : 나프탈렌계를 각 배합에 2%씩 사용

도 1 및 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 무시멘트 콘크리트에서 플라이애쉬만 사용할 경우(FA 100/SG 0)에는 작업성이 확보되나 상온양생에 의해 압축강도가 6MPa 이하로 상당히 작은 것으로 나타났으며, 고로슬래그만을 사용할 경우(FA 0/SG 100)에는 압축강도 가 60MPa 정도로 고강도를 확보할 수 있으나, 슬럼프가 60mm에서 30분이 지나면 슬럼프가 0mm로 작업성이 확보되지 않는 것으로 나타났다.

플라이애쉬와 고로슬래그의 혼합비율이 본 발명의 조건을 만족하는 경우에는 플라이애쉬를 많이 사용할수록 슬럼프는 증가되고 제조 후 1시간이 경과해도 슬럼프가 100mm 이상을 확보할 수 있어 충분히 작업성을 확보할 수 있었고, 압축강도는 플라이애쉬와 고로슬래그의 혼입율에 따라 다르지만, 재령 28일 강도가 30MPa~80MPa 정도로 비교적 고강도 콘크리트를 확보할 수 있었다.

다만, 플라이애쉬 10%와 고로슬래그 90%의 배합(FA 10/SG 90)인 경우에는 콘크리트 제조 후 30분이 지나면 슬럼프가 50mm, 1시간 경과하면 슬럼프가 0mm로 작업성 확보가 어려운 것으로 판단되어 본 발명에 포함시키지 않았다.

그리고, 플라이애쉬 50%와 고로슬래그 50%의 배합(FA 50/SG 50)인 경우에는 제조 후 90분이 경과하더라도 슬럼프 145mm를 유지하고, 재령 91일 강도가 95MPa 정도로 고강도 콘크리트를 제조할 수 있었다.

이상의 결과를 종합하면, 플라이애쉬와 고로슬래그의 중량비율 90:10 ~ 30:70의 범위를 만족하는 배합을 활용할 경우에는 제조 후 1시간까지 충분한 작업성을 확보할 수 있고, 재령 28일에서 30~80MPa 범위의 강도를 확보할 수 있으므로 사용자의 목적에 맞는 콘크리트의 제조가 가능할 것으로 판단된다.

<실시예 2>

양생온도의 영향

플라이애쉬와 고로슬래그의 혼합비율이 50:50(중량비)인 결합재, 9M NaOH(순도 98%)와 규산나트륨(Na₂O=10%, SiO₂=30%, 고형분 38.5%, 비중 1.39)을 중량으로 1:1 비율로 제조한 활성화제, 그리고 잔골재, 굵은골재, 물, 나프탈렌계 고성능감수제를 상기표 2와 같은 배합으로 하여 콘크리트를 제조한 다음, 5℃, 10℃, 20℃, 30℃, 40℃, 50℃에서 기건 양생을 3일, 7일, 28일, 91일까지 실시하여 압축강도를 측정하였다. 그 측정결과를 하기표 3에 나타내었다.

구분 양생온도 (℃)	재 령
	3일	7일	28일	91일
	압축강도 (MPa)
5	45.6	54.9	70.1	81.1
10	47.2	58.3	74.7	87.4
20	50.4	60.4	80.9	95.6
30	51.6	63.8	84.6	96.7
40	55.7	68.2	90.7	96.3
50	59.7	72.5	92.5	98.9

상기표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 양생온도가 강도에 미치는 영향은 온도가 높을수록 강도가 증가하나, 5℃에서 양생을 실시하더라도 재령 3일 강도가 45MPa 정도, 재령 28일 강도가 70MPa 정도로 상당히 고강도 콘크리트 제조가 가능한 것으로 나타났다.

본 발명에서는 40℃이상은 여름철 최대 온도이므로 상온의 범위에 있는 것으로 하였으며, 그리고 5℃는 겨울철 일반콘크리트의 공사를 실시하는 평균온도이므로 상온의 범위에 포함시켰다.

이상과 같이 플라이애시와 고로슬래그를 혼합하여 사용한 무시멘트 콘크리트는 봄, 여름, 가을, 겨울 4계절 모두 적용이 가능한 것으로 판단된다.

<실시예 3>

NaOH 몰농도의 영향

플라이애쉬와 고로슬래그의 혼합비를 50:50(중량비)으로 하고, 쇼듐실리케이트(Na₂O=10%, SiO₂=30%, 고형분 38.5%, 비중 1.39)와 3M, 6M, 9M, 12M, 15M NaOH(순도 98%)를 중량으로 1:1 비율로 구성된 활성화제를 이용하여 콘크리트를 제조한 다음 각각 슬럼프, 압축강도를 측정하였으며, 그 결과를 하기표 4에 나타내었다.

여기서, 슬럼프는 제조된 콘크리트를 믹서기에서 배출된 다음에 10분이 경과된 시점에서 측정하였고, 압축강도는 재령 28일에서 측정하였다.

항목	일반콘크리트	무시멘트 콘크리트
항목	일반콘크리트	NaOH 3M	NaOH 6M	NaOH 9M	NaOH 12M	NaOH 15M
슬럼프 (mm)	170	197	195	185	170	50
압축강도 (MPa)	49.4	19.4	60.4	80.9	95.4	98.4

상기표 4에서 알 수 있는 바와 같이, 플라이애쉬와 고로슬래그를 혼합사용한 무시멘트 콘크리트는 NaOH의 몰농도가 증가함에 따라 압축강도는 증가하고 슬럼프는 감소하는 경향을 나타냈다.

그러나, NaOH 3M에서 슬럼프는 크나 강도가 19MPa 정도로 일반 콘크리트 구조물에 적용하기에 부족하고, 15M의 NaOH를 사용할 경우에는 압축강도는 높으나, 슬럼프가 급격히 감소하여 작업성 확보하기가 어려웠다.

따라서 본 발명에서는 플라이애쉬와 고로슬래그를 혼합사용한 무시멘트 콘크리트의 활성화제로 NaOH을 6M~12M 범위로 설정하였다.

<실시예 4>

건조수축 및 내구성

플라이애쉬와 고로슬래그를 중량으로 100:0, 50:50, 0:100으로 하고, 쇼듐실리케이트(Na₂O=10%, SiO₂=30%, 고형분 38.5%, 비중 1.39)와 9M NaOH(순도 98%)를 중량으로 1:1 비율로 구성된 활성화제를 이용하여 상기표 2와 같은 배합으로 콘크리트를 제조하고, 또한 일반 콘크리트를 제조한 다음, 건조수축, 황산염, 동결융해, 탄산화, 염해 저항성을 평가하였으며, 그 결과를 하기표 5에 각각 나타내었다.

이때, 건조수축은 100× 100× 400m 각주 시험체를 제작하여 기건상태(온도 20± 2℃, 습도 65± 5%)에 노출시킨 다음 KS F 2424에 준하여 재령 91일까지 측정하였다.

황산염 시험은 φ100× 200mm 원주시험체와 100× 100× 400m 각주 시험체를 제작하여 28일 동안 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생한 다음 10% 황산나트륨 용액에 91일 동안 침지시킨 다음 압축강도의 변화와 길이변화율을 측정하였다.

동결융해 시험은 100× 100× 400m 각주 시험체를 제작하여 28일 동안 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생한 다음 온도범위를 +4℃~-18℃로 하고 1사이클 시간은 2시간 40분으로 하여 300사이클까지 시험을 수행하여 상대동탄성계수를 측정하였다.

탄산화 시험은 φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 28일 동안 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생한 다음, 이산화탄소 농도 5%, 온도 30℃, 습도 50%를 조건으로 제어되는 챔버에서 시험체를 91일 동안 노출시킨 다음, 시험체를 이등분하여 할렬하여 그 면에 페놀프탈렌인 1% 용액을 분무하여 탄산화 깊이를 측정하였다.

염해 저항성은 φ100× 50mm 시편을 제작하여 28일 동안 20℃의 기건상태(습도 65± 5%)에서 양생한 다음, ASTM C 1202에 준하여 전기적 촉진시험으로 평가하였다.

배합	건조수축 (×10^-6)	황산염		탄산화 깊이 (재령 14주) (mm)	동결융해 상대동탄성계수(%)	염해 총전하량 (클롬)
배합	건조수축 (×10^-6)	강도변화율(%)	길이변화율(%)	탄산화 깊이 (재령 14주) (mm)	동결융해 상대동탄성계수(%)	염해 총전하량 (클롬)
일반콘크리트	680	5.4	3.5	13	85	2450
FA 100 / SG 0 (종래기술)	1352	파괴	파괴	99	파괴(측정불가)	8750
FA 50 / SG 50 (발명예)	470	0.4	0.2	2	100	530
FA 0 / SG 100 (종래기술)	1450	3.7	2.4	11	91	870

상기 표 5에서 알 수 있는 바와 같이, 종래 플라이애쉬를 100% 사용한 배합(FA 100 / SG 0)인 경우에는 반응이 거의 없어 강도가 매우 낮기 때문에 건조수축이 매우 크게 발생하고 내구성 평가 시 일부에서는 콘크리트가 파괴가 될 정도로 내구성이 크게 저하되는 것으로 나타났다.

그리고, 종래 고로슬래그를 100% 사용한 배합(FA 0 / SG 100)인 경우에는 건조수축이 매우 크게 발생하여 콘크리트 내부에 미세한 균열이 발생하여 높은 압축강도임에 불구하고 황산염, 탄산화, 동결융해, 염해 등 내구성이 다소 저하되는 것으로 나타났다.

이에 반해 본 발명의 조건을 만족하는 발명예(FA 50 / SG 50)경우는 종래의 무시멘트 콘크리트는 물론 일반 콘크리트보다 건조수축이 저감되고, 내구성도 매우 우수하였다.

상술한 바와 같은 본 발명의 무시멘트 콘크리트 제조방법에 따르면, 플라이애쉬와 고로슬래그의 혼합비에 따라 5~40℃의 상온에서도 압축강도를 20~80MPa 범위까지 확보할 수 있고, 콘크리트 제조 후 1시간까지 유동성이 유지되어 충분한 작 업성을 확보할 수 있으며, 건조수축, 내구성이 매우 우수하기 때문에 시멘트를 사용한 일반 콘크리트를 대신하여 콘크리트 구조물에 충분히 적용 가능할 것으로 판단된다.

또한, 콘크리트 제조에 시멘트를 전혀 사용하지 않기 때문에 시멘트 제조 시 다량의 CO₂ 가스의 발생을 줄일 수 있어 환경오염을 줄이고, 산업 부산물인 플라이애쉬와 고로슬래그의 재활용적인 측면에서 콘크리트로 발생되는 매립지 확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라 폐콘크리트 매립 시 발생되는 침출수와 미세 분말로 구성된 석탄회의 분진 침출에 의해 많은 환경문제 등을 저감시킬 수 있다. 따라서 향후 건설현장의 여러 방면에서 보통강도와 고강도 콘크리트 모두를 제조할 수 있어 광범위하게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 무시멘트 콘크리트 기술의 반응 메카니즘 개념도이다.

도 2는 플라이애쉬와 고로슬래그의 혼합비율에 따른 슬럼프의 결과를 보이는 그래프이다.

도 3은 플라이애쉬와 고로슬래그의 혼합비율에 따른 압축강도를 보이는 그래프이다.

Claims

배합원료로서 결합재, 활성화제, 잔골재, 굵은골재, 물 및 고성능감수제를 포함하고, 이들 배합원료를 배합하고, 교반하는 과정과 양생하는 과정을 거쳐 콘크리트를 제조하는 방법에 있어서,

상기 결합재는 분말도 2,000~4,000cm²/g의 플라이애쉬와 3,000~5,000cm²/g의 고로슬래그가 중량비로 1:1의 비율로 구성되어 상기 고로슬래그의 수화반응 및 중합반응에 의하여 생성된 강알칼리성 물질에 의하여 5~40℃의 상온에서 플라이애쉬의 유리 피막이 파괴되도록 구성되며,

상기 활성화제는 6~12Mole NaOH와 쇼듐실리케이트가 중량비로 0.75:1.25~1.25:0.75의 비율로 구성되며,

상기 결합재와 상기 활성화제가 첨가된 배합원료를 배합하고, 교반과정을 거치고, 상기 5~40℃의 상온에서 기건양생으로 제조되는 것을 특징으로 하는 플라이애쉬와 고로슬래그를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법.
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