KR101042817B1 - 콘크리트의 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물 및 이를 포함한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물 - Google Patents

콘크리트의 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물 및 이를 포함한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질산염계 화합물 및 황산염계 화합물 중 어느 1종 이상이 포함된 콘크리트의 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물과, 이를 포함시킴으로써 결합재 중 시멘트 사용량을 줄이는 대신 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말의 치환율을 높일 때의 초기강도 및 압축강도 저하에 대한 문제점을 해소할 수 있는 친환경 저탄소 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 「폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대하여, 황산염계 화합물 1~5중량부가 첨가된 것을 특징으로 하는 콘크리트의 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물」을 제공한다.
또한, 본 발명은 「결합재, 굵은골재, 잔골재 및 배합수가 배합된 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 결합재는 시멘트와 혼화재가 혼합된 것이고, 상기 혼화재는 플라이애쉬 또는 고로슬래그 미분말 중 어느 1종 이상이 포함된 것이며, 상기 결합재 100중량부 중 상기 시멘트는 10~30중량부, 상기 혼화재는 70~90중량부의 비율로 혼합되어 있고, 상기 혼화제 조성물이 더 첨가되되, 상기 혼화제 조성물 중 폴리카르본산계 감수제가 상기 결합재 100중량부 대비 1~1.5중량부의 비율로 첨가된 것을 특징으로 하는 친환경 저탄소 콘크리트 조성물」을 함께 제공한다.

Description

콘크리트의 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물 및 이를 포함한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물{Compound For Concrete Ionization ＆ Environmental-Law carbon Concrete Composition Containing The Same}
본 발명은 질산염계 화합물 및 황산염계 화합물 중 어느 1종 이상이 포함된 콘크리트의 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물과, 이를 포함시킴으로써 결합재 중 시멘트 사용량을 줄이는 대신 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말의 치환율을 높일 때의 초기강도 및 압축강도 저하에 대한 문제점을 해소할 수 있는 친환경 저탄소 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
시멘트란 넓은 뜻으로는 물질과 물질을 접착하는 물질을 말하고 있으나, 일반적으로는 토목·건축용의 무기질 결합경화재를 의미한다. 다만, 본 발명에서의 '시멘트'는 석회, 실리카, 알루미나 등을 주성분으로 하는 '포틀랜드 시멘트(OPC)'를 지칭하는 좁은 의미로 사용하며, 상기 포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬, 바텀애쉬, 고로슬래그, 전기로 산화슬래그, 황토 등의 혼화재(混和材)를 함께 아우르는 무기질 결합경화재(넓은 의미의 시멘트)는 '결합재'라 칭함을 미리 밝혀둔다.
한편, 혼화제(混和劑)는 콘크리트가 경화(硬化)하기 전, 또는 경화 후의 성질을 개량하기 위한 목적으로 결합재, 물, 골재 이외에 콘크리트에 계획적으로 첨가하는 것 중 그 사용량이 콘크리트의 용적계산에 영향을 미치지 않을 정도로 사용되는 것으로서, 전술한 결합재로서의 혼화재(混和材)와는 구별되는 개념으로 서술함을 미리 밝혀둔다.
시멘트는 산업의 근대화 과정에서 가장 중요하고 널리 사용되어 온 건설용 구조재료로서 도로, 교량, 터널, 항만, 주택, 건물 등 각종 사회간접자본(SOC)의 건설에 있어 기본이 되는 재료이다. 이러한 시멘트는 석회석 등을 주원료로 하여 소성과정 즉 클링커 제조시 고온(약 1,500℃)상태에서 제조되는데, 이 과정에서 시멘트 1톤 생산당 0.7~1.0톤의 이산화탄소 가스를 배출하게 된다. 이에 따라 시멘트가 그 동안 건설산업에서 중요한 역할을 해왔음에도 불구하고 최근에는 자연 및 지구환경에 대한 부정적인 재료로 인식되는 경향이 높아지고 있다.
우리나라에서 시멘트 생산량은 연간 약 6,300만 톤으로 약 5,670만 톤의 이산화탄소를 배출하여 철강산업에 이어 두 번째로 많이 이산화탄소를 배출하고 있다. 한편, 1992년 브라질 리오에서 지구온난화 방지를 위한 기후변화 협약이 채택된 이후 지구온난화 문제가 인류 공동과제로 인식되었고, 세계 각국은 일찍부터 이에 대응방안을 마련하였다. 특히, 1997년 일본 쿄토에서 기후변화협약에 관한 교토의정서가 채택된 이후, 2005년 교토의정사가 발효됨에 따라 세계 38개국의 선진국은 온실가스 감축의무를 준수해야 한다. 교토의정서에 따르면 제1차 공약기간(2008년~2012년)에 1990년도 배출량 대비 평균 5.2%를 감축해야 하는 어려운 과제를 안고 있다. 이렇게 강도 높은 온실가스 감축노력은 우리나라도 예외는 아니며, 2013년부터 온실가스를 감축해야 하는 2차 의무이행 대상국에 편입됨에 따라 정부차원에서 강력한 대책이 필요한 실정이다. 우리나라는 2004년 기준 4억 6210만톤의 이산화탄소를 배출하여 이산화탄소 배출량 세계 10위를 차지하고 있으며, 특히 이산화탄소의 배출량 증가율은 중국에 이어 세계에서 2번째로 높은 실정이다.
이러한 상황에 맞추어 국내 모든 산업분야에서는 이산화탄소 발생량을 감축하기 위해 많은 설비투자, 기술 개발 등 노력을 하고 있으며, 시멘트 산업에서도 설비의 효율성을 높이고 생산과정에서 유연탄 대신 대체연료의 사용을 늘려 생산하거나 플라이애시, 고로슬래그 미분말 등의 혼화재를 사용하는 등 이산화탄소 발생량을 저감하고자 노력하고 있다. 다만, 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말과 같은 혼화재를 다량으로 대체할 경우에는 포틀랜드 시멘트만을 사용한 경우에 비하여 수화 반응성이 떨어지므로 콘크리트 초기강도 저하의 문제점이 발생하므로 이에 대한 해결책의 마련이 시급하다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 결합재 100중량부 중 혼화재(플라이애쉬, 고로슬래그 미분말 중 어느 하나 이상)의 사용 비율을 70~90중량부로 크게 증가시켜, 포틀랜드 시멘트 사용량을 최소화 하더라도 콘크리트의 초기강도, 압축강도, 유동성, 시공성 등에 문제가 없는 친환경 저탄소 콘크리트 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 발명자들은 시멘트를 대체하는 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말 같은 혼화재를 다량으로 사용한 콘크리트의 문제점인 초기강도 저하 문제를 해결하기 위한 방법을 연구한 결과 질산염계와 황산염계 화합물로 구성된 혼화제 및 액상실리카가 시멘트를 혼화재로 다량 치환한 콘크리트의 초기강도 저하 방지에 기여할 수 있음을 밝혀내었다.
이에 본 발명은 「폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대하여, 황산염계 화합물 1~5중량부가 첨가된 것을 특징으로 하는 콘크리트의 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물」을 제공한다.
또한, 본 발명은 「상기 폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대하여, 질산염계 화합물 1~7중량부가 더 첨가된 것을 특징으로 하는 콘크리트의 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물」을 함께 제공한다.
또한, 본 발명은 「상기 황산염계 화합물은 Na2SO4·10H2O이고, 상기 질산염계 화합물은 Ca(NO3)2인 것을 특징으로 하는 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물」을 함께 제공한다.
또한, 본 발명은 「결합재, 굵은골재, 잔골재 및 배합수가 배합된 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 결합재는 시멘트와 혼화재가 혼합된 것이고, 상기 혼화재는 플라이애쉬 또는 고로슬래그 미분말 중 어느 1종 이상이 포함된 것이며, 상기 결합재 100중량부 중 상기 시멘트는 10~30중량부, 상기 혼화재는 70~90중량부의 비율로 혼합되어 있고, 상기 혼화제 조성물이 더 첨가되되, 상기 혼화제 조성물 중 폴리카르본산계 감수제가 상기 결합재 100중량부 대비 1~1.5중량부의 비율로 첨가된 것을 특징으로 하는 친환경 저탄소 콘크리트 조성물」을 함께 제공한다.
한편, 본 발명에서는 상기 결합재 100중량부 대비 1~10중량부에 해당하는 양을 상기 물에서 액상 실리카로 치환하여 혼합할 수 있다. 이 때, 상기 액상 실리카는 배합수 100중량부 대비 30~70중량부의 SiO2가 혼합되어 있으며, 상기 SiO2 입자의 직경은 10~200㎚인 것을 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 친환경 저탄소 콘크리트 조성물은 결합재 100중량부 대비 포틀랜드 시멘트를 65중량부 이상 사용한 기존 콘크리트와 비교하여 포틀랜드 시멘트 사용량을 10~30중량부로 대폭 축소함에 따라 포틀랜드 시멘트 생산을 위한 이산화탄소 배출 저감 효과를 가지면서 압축강도, 유동성 등의 물성 개선에 우수한 효과를 나타낸다.
[도 1]은 시멘트 사용량에 따른 콘크리트 조성물의 초기강도 및 장기강도를 나타낸 그래프이다.
[도 2]는 질산칼슘 사용량에 따른 콘크리트 조성물의 초기강도 및 장기강도를 나타낸 그래프이다.
[도 3]은 황산나트륨 사용량에 따른 콘크리트 조성물의 초기강도 및 장기강도를 나타낸 그래프이다.
[도 4]는 액상 실리카를 사용량에 따른 콘크리트 조성물의 초기강도 및 장기강도를 나타낸 그래프이다.
콘크리트 표준 시방서에는 콘크리트 골조공사에 있어 거푸집을 해체하기 위한 최소한의 강도기준을 수직 부재의 경우 5MPa로 수평 부재의 경우 설계기준강도의 2/3이상 또는 14MPa로 규정하고 있다. 이러한 규정은 콘크리트 골조공사에 거푸집 해체를 위한 강도 기준일 뿐만 아니라, 한중 시공 시에 초기 동해를 방지하기 위한 품질확보 차원에서도 중요한 역할을 한다. 그러나 시멘트를 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말 같은 혼화재로 다량 치환하는 경우에는 시멘트만을 사용한 경우와 비교하여 수화 반응성이 떨어지므로 초기강도 저하의 문제점이 발생한다.
이에 대한 해결방안으로 본 발명은 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말의 수화반응을 촉진시키기 위한 혼화제 조성물을 제공한다.
본 발명이 제공하는 혼화제 조성물은 폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대하여, 황산염계 화합물 1~5중량부가 첨가된 것이며, 여기에 질산염계 화합물 1~7중량부를 더 첨가한 것으로 구성할 수도 있다. 상기 상기 황산염계 화합물로는 Na2SO4·10H2O를 적용할 수 있으며, 상기 질산염계 화합물로는 Ca(NO3)2를 적용할 수 있다.
상기 질산염계 화합물과 황산염계 화합물은 이온화 촉진제로서, 콘크리트의 이온화 밀도를 증가시켜 수화반응을 촉진시키는 역할을 한다. 질산염계 화합물의 경우 폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대하여 1중량부 미만이 혼입되는 경우에는 이온화 촉진제로서의 효과가 미비하며, 폴르카르본산계 감수제 100중량부에 대하여 7중량부를 초과하여 혼입되는 경우에는 콘크리트의 물성이 저하되는 문제점이 있다. 마찬가지로 황산염계 화합물의 경우 폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대하여 1중량부 미만이 혼입되는 경우에는 이온화 촉진제로서의 효과가 미비하며, 폴르카르본산계 감수제 100중량부에 대하여 5중량부를 초과하여 혼입되는 경우에는 콘크리트의 물성이 저하된다. 그러나 상기 질산염계 화합물 7중량부와 황산염계 화합물 5중량부를 혼입하여 폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대하여 이온화 촉진제가 12중량부가 되더라도 콘크리트의 물성저하는 일어나지 않는 것으로 나타났다.
위와 같은 혼화제 조성물에 의해 시멘트를 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말과 같은 혼화재로 대량 치환하여 배합한 콘크리트의 초기강도 저하 문제를 크게 개선할 수 있다. 다만, 결합재 100중량부 중 시멘트의 함량이 10중량부 미만인 경우에는 콘크리트의 최소 수화량이 떨어져 콘크리트 물성이 저하되며, 시멘트의 함량이 30중량부를 초과하는 경우에는 친환경 저탄소 콘크리트로서의 의미가 떨어지게 된다. 따라서 본 발명은 결합재, 굵은골재, 잔골재 및 배합수가 배합된 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 결합재는 시멘트와 혼화재가 혼합된 것이고, 상기 혼화재는 플라이애쉬 또는 고로슬래그 미분말 중 어느 1종 이상이 포함된 것이며, 상기 결합재 100중량부 중 상기 시멘트는 10~30중량부, 상기 혼화재는 70~90중량부의 비율로 혼합되어 있고, 상기 혼화제 조성물이 더 첨가되되, 상기 혼화제 조성물 중 폴리카르본산계 감수제가 상기 결합재 100중량부 대비 1~1.5중량부의 비율로 첨가된 것을 특징으로 하는 친환경 저탄소 콘크리트 조성물을 제공한다.
상기 시멘트는 1종 OPC(Ordinary Portland Cement)인 것이 바람직하다.
상기 혼화제 조성물은 폴리카르본산계 감수제와 질산염계 화합물이나 황산염계 화합물과 같은 이온성 촉진제가 혼합된 것인데, 폴리카르본산계 감수제가 상기 결합재 100중량부 대비 1~1.5중량부의 양으로 콘크리트 조성물에 첨가되고, 질산염계 화합물과 황산염계 화합물은 상기 폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대하여 각각 1~7중량부, 1~5중량부의 범위에서 첨가되는 것이므로, 상기 질산염계 화합물은 상기 결합재 100중량부 대비 0.01~0.11중량부 범위에서 첨가되고, 상기 황산염계 화합물은 상기 결합재 100중량부 대비 0.01~0.08중량부 범위에서 첨가되는 것이다.
한편, 본 발명에서는 상기 결합재 100중량부 대비 1~10중량부에 해당하는 양을 상기 배합수에서 액상 실리카로 치환하여 혼합할 수 있다. 실리카(Silica)는 규소와 산소의 화학적 결합체인 SiO2의 별칭으로서, 이를 물에 용해하여 분산시킨 액상 실리카를 배합수 대신 투여함으로써 위와 같이 조성된 결합재의 부족한 SiO2 함량을 보충해줄 수 있다. 상기 액상 실리카는 배합수 100중량부 대비 30~70중량부의 SiO2가 혼합되어 있으며, 상기 SiO2 입자의 직경은 10~200㎚인 것을 적용할 수 있다.
이러한 액상 실리카는 상기 결합재 100중량부에 대하여 1중량부 미만의 양이 배합수에 치환되어 콘크리트 조성물에 혼입되면 SiO2의 보충량이 적어 수화 반응 촉진제로서의 효과가 미비하며, 그 이상에서는 사용량이 증가함에 따라 효과를 얻을 수 있다. 다만, 비용과 효과를 고려하여 상기 액상 실리카는 상기 결합재 100중량부 대비 1~10중량부에 해당하는 양을 배합수에서 치환하여 혼입하는 것이 타당하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 시멘트를 대체할 수 있는 혼화재 및 이온성 촉진제(질산염계 화합물, 황산염계 화합물)를 함유한 혼화제 조성물과 수화반응 촉진용 액상 실리카를 복합적으로 적용함으로써 본 발명이 목적하는 친환경 저탄소 콘크리트를 도출해 낼 수 있다. 이하에서는 구체적인 시험예들을 통해 본 발명의 기능과 효과를 정리하기로 한다.
[시험예 1]
[시험예 1]은 시멘트 사용량에 따른 콘크리트의 초기강도 및 장기강도를 비교한 것이다. 하기 [표 1]의 '기존배합'은 본 발명의 효과를 비교하기 위한 대조군으로서, 결합재 330kg를 100중량부로 할 때 시멘트 65중량부, 플라이애쉬 15중량부 및 고로슬래그 미분말 20중량부가 배합된 기존의 일반 강도급 3성분계 콘크리트이다. 이와 비교되는 실시예들은 결합재 330kg를 100중량부로 할 때 시멘트 10~30중량부가 배합하고, 나머지는 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말이 혼합된 3성분계 결합재에 본 발명이 제공하는 혼화제 조성물 및 액상 실리카를 첨가한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물의 실시예들이다. 실시예1~3은 결합재 100중량부 중 시멘트가 각각 30, 20, 10중량부 배합된 것이며, 기존배합과 실시예들의 자세한 배합 사항은 아래의 [표 1]에 나타내었다.
구분
 W/B S/a W
(㎏/㎥)		 B
(㎏/㎥)		 액상실리카의
구성비		 결합재의 구성비(중량비) AD의
구성비
C F/A S/P 총계
기존배합 51.5 47.5 170
330		 - 65 15 20 100 0.7
실시예1 42.4 48.0 140 10 30 40 30 100 1.3
실시예2 42.4 48.0 140 10 20 40 40 100 1.3
실시예3 42.4 48.0 140 10 10 40 50 100 1.25
W/B : 물결합재비(결합재 100중량부 대비 물의 중량비)
S/a : 잔골재비(전체 골재 100중량부 대비 잔골재의 중량비)
W : 단위수량(1㎥당 물의 중량)
B : 단위결합재량(1㎥당 결합재의 중량)
액상실리카 구성비 : 결합재 100중량부 대비 액상실리카의 중량비
C : 결합재 100중량부 대비 시멘트의 중량비
F/A : 결합재 100중량부 대비 플라이애쉬의 중량비
S/P : 결합재 100중량부 대비 고로슬래그 미분말의 중량비
AD : 결합재 100중량부 대비 폴리카르본산계 감수제의 중량비
[도 1]은 시멘트 사용량에 따른 콘크리트 조성물의 초기강도 및 장기강도를 나타낸 그래프이다. [도 1]에 따르면 시멘트의 사용량이 증가할수록 초기강도는 증가하는 것으로 나타났다. 결합재 100중량부 중 시멘트가 10중량부가 배합된 실시예3은 기존 배합보다는 강도가 떨어지지만 탈형강도 5MPa를 넘는 강도가 확보되므로 이와 같은 배합 적용이 가능하다.
장기강도를 보면 시멘트 사용량이 결합재 100중량부 대비 30중량부 이하로 줄어들었을 때의 강도발현은 기존 배합보다 더 높게 나타났으며, 이는 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말 배합의 특징으로 재령 56일 및 91일 강도를 측정하면 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이며, 결합재 100중량부 중 시멘트가 20중량부 포함된 실시예2가 초기강도 및 장기강도 발현이 가장 우수한 것으로 나타났다.
[시험예 2]
[시험예 2]는 질산염계 화합물로 질산칼슘(Ca(NO3)2)을 사용한 혼화제 조성물의 효과 검증을 위한 것으로서, 위의 실시예2를 기준으로 질산칼슘(Ca(NO3)2)의 사용량만을 달리한 콘크리트 조성물의 초기강도와 장기강도를 측정한 것이다.
상기 실시예2는, 폴리카르본산계 감수제가 결합재 100중량부 대비 1.3중량부가 첨가되고, 결합재는 1㎥ 당 330㎏이 배합된 것이다. 이 경우 상기 폴리카르본산계 감수제는 1㎥ 당 430g이 사용된다. 따라서, 폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 질산칼슘이 0.5, 1, 3, 7, 10중량부 첨가된다는 것은 각각 질산염계 화합물이 1㎥ 당 2.15, 4.3, 12.9, 30.1, 43g 첨가됨을 의미한다([표 2] 참조).
구 분 폴리카르본산계 감수제 질산염계 화합물 Ca(NO3)2
질산칼슘 0.5중량부

430g/㎥

 2.15g/㎥
질산칼슘 1중량부 4.3g/㎥
질산칼슘 3중량부 12.9g/㎥
질산칼슘 7중량부 30.1g/㎥
질산칼슘 10중량부 43g/㎥
[도 2]는 질산칼슘 사용량에 따른 콘크리트 조성물의 초기강도 및 장기강도를 나타낸 그래프이다. 질산칼슘을 사용하면 초기강도가 증가하는 것으로 나타나는데, 이는 질산칼슘이 이온성 무기물로서 시멘트에서 수산화칼슘(Ca(OH)2) 용출속도를 증가시켜 수화반응을 증진시키는 촉매 역할을 하기 때문이다. [표 2]에서 질산칼륨의 양은 폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대비한 양을 나타낸 것이다.
폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 질산칼슘 사용량이 0.5중량부인 경우에는 해당 콘크리트 조성물의 재령 3일 강도가 탈형강도 5MPa에 미치지 못하므로 적용에서 제외되어야 한다.
폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 질산칼슘 사용량이 1중량부, 3중량부인 경우는 기존 배합에 의한 콘크리트보다는 초기강도가 떨어지지만 재령 3일 강도가 탈형강도 5MPa를 초과하므로 현장 적용이 가능하다.
첨부된 [도 2]에 따르면 콘크리트 조성물의 장기강도는 질산칼슘의 사용량을 폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 1중량부에서 7중량부까지 증가시킴에 따라 강화된다. 다만, 폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 질산칼슘 사용량이 0.5중량부인 경우, 기존 배합에 의한 콘크리트 보다 장기강도가 떨어지는데, 그 이유는 초기 수화반응이 떨어져서 강도 발현성이 떨어지기 때문이다. 반면, 질산칼슘의 사용량이 폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 10중량부인 경우에는 초기 수화반응이 너무 과하게 나타나 초기 형성된 수화물이 장기 강도형성에 장애로 작용하여 기존 배합에 의한 콘크리트 보다 장기강도가 떨어진 것으로 나타났다. 그러므로 질산칼슘은 폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 1~7중량부에서 첨가 사용이 가능하며, 이 중 최고의 효과를 얻을 수 있는 질산칼슘 첨가율은 폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 7중량부이다.
[시험예 3]
[시험예 3]은 황산염계 화합물로 황산나트륨(Na2SO410H2O)을 사용한 혼화제 조성물의 효과 검증을 위한 것으로서, 이 역시 위의 실시예2를 기준으로 황산나트륨(Na2SO410H2O)의 사용량만을 달리한 콘크리트 조성물의 초기강도와 장기강도를 측정한 것이다.
[시험예 2]에서 살펴본 바와 같이, 상기 실시예2는 폴리카르본산계 감수제가 결합재 100중량부 대비 1.3중량부 첨가되고, 결합재는 1㎥ 당 330㎏이 배합된 것이다. 이 경우 상기 폴리카르본산계 감수제는 1㎥ 당 430g이 사용된다. 따라서, 폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 황산나트륨이 0.5, 1, 3, 5, 7중량부 첨가된다는 것은 각각 황산염계 화합물이 1㎥ 당 2.15, 4.3, 12.9, 21.5, 30.1g 첨가됨을 의미한다([표 3] 참조).
구 분 폴리카르본산계 감수제 황산염계 화합물 Na2SO4·10H2O
황산나트륨 0.5중량부

430g/㎥		 2.15g/㎥
황산나트륨 1중량부 4.3g/㎥
황산나트륨 3중량부 12.9g/㎥
황산나트륨 5중량부 21.5g/㎥
황산나트륨 7중량부 30.1g/㎥
[도 3]은 황산나트륨 사용량에 따른 콘크리트 조성물의 초기강도 및 장기강도를 나타낸 그래프이다. 황산나트륨은 질산칼슘과 유사한 이온성 무기물로서 이 역시 시멘트에서 수산화칼슘(Ca(OH)2) 용출속도를 증가시켜 수화반응을 증진 시키는 촉매 역할을 한다.
폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 황산나트륨 사용량이 0.5중량부인 경우에는 해당 콘크리트 조성물의 재령 3일 강도가 탈형강도 5MPa에 미치지 못하므로 적용에서 제외되어야 한다.
폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 황산나트륨 사용량이 1중량부, 3중량부인 경우는 기존 배합에 의한 콘크리트보다는 초기강도가 떨어지지만 재령 3일 강도가 탈형강도 5MPa를 초과하므로 현장 적용이 가능하다.
콘크리트 조성물의 장기강도는 황산나트륨의 사용량을 폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 1중량부에서 5중량부까지 증가시킴에 따라 강화된다. 다만, 폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 황산나트륨 사용량이 0.5중량부인 경우, 기존 배합에 의한 콘크리트 보다 장기강도가 떨어지는데, 그 이유는 초기 수화반응이 떨어져서 강도 발현성이 떨어지기 때문이다. 반면, 황산나트륨의 사용량이 폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 7중량부인 경우에는 초기 수화반응이 너무 과하게 나타나 초기 형성된 수화물이 장기 강도형성에 장애로 작용하여 기존 배합에 의한 콘크리트 보다 장기강도가 떨어진 것으로 나타났다. 그러므로 황산나트륨은 폴리카르본산계 감수제 100중량부 대비 1~5중량부에서 첨가 사용이 가능하며, 이 중 최고의 효과를 얻을 수 있는 황산나트륨 첨가율은 5중량부이다.
[시험예 4]
[시험예 4]는 액상 실리카의 효과 검증을 위한 것으로서, 결합재 100중량부 중 시멘트 사용량 30중량부 이하, 플라이애쉬와 고로슬래그 미분말로 이루어진 혼화재의 사용량 70중량부 이상의 조건에서 액상 실리카의 첨가량을 조절하면서 시험을 진행하였다. 액상 실리카는 결합재 100중량부 대비 1, 3, 7, 10중량부를 배합수에서 치환하여 첨가하였으며, 자세한 배합의 비율은 아래의 [표 4]에 나타내었다.
구분
 W/B
 S/a
 W
(㎏/㎥)		 B
(㎏/㎥)		 액상실리카의
구성비		 결합재의 구성비(중량비) AD의
중량비
C F/A S/P 총계
기존배합 51.5 47.5 170

330		 - 65 15 20 100 0.7
실시예4 42.4 48.0 140 1 30 40 30 100 1.2
실시예5 42.4 48.0 140 3 20 40 40 100 1.25
실시예6 42.4 48.0 140 7 20 40 20 100 1.25
실시예7 42.4 48.0 140 10 20 40 20 100 1.3

W/B : 물결합재비(결합재 100중량부 대비 물의 중량비)
S/a : 잔골재비(전체 골재 100중량부 대비 잔골재의 중량비)
W : 단위수량(1㎥당 물의 중량)
B : 단위결합재량(1㎥당 결합재의 중량)
액상실리카의 구성비 : 결합재 100중량부 대비 액상실리카의 중량비
C : 결합재 100중량부 대비 시멘트의 중량비
F/A : 결합재 100중량부 대비 플라이애쉬의 중량비
S/P : 결합재 100중량부 대비 고로슬래그 미분말의 중량비
AD의 구성비 : 결합재 100중량부 대비 폴리카르본산계 감수제의 중량비

[도 4]는 액상 실리카를 사용량에 따른 콘크리트 조성물의 초기강도 및 장기강도를 나타낸 그래프이다. [도 4]에서는 액상 실리카의 사용량이 증가함에 따라 콘크리트 조성물의 초기강도가 증가하는 현상을 볼 수 있는데, 이는 액상 실리카의 활성 SiO2가 초기 수화반응에 영향을 미쳐서 강도 증진효과를 나타내기 때문인 것으로 보인다. 액상 실리카 사용량이 결합재 100중량부 대비 1중량부와 3중량부인 경우는 기존배합에 의한 콘크리트보다 재령 3일 강도가 떨어지지만, 탈형강도인 5MPa를 넘는 강도를 확보를 하였으므로 현장 적용이 가능하다. 액상 실리카의 사용량이 증가함에 따라 콘크리트 조성물의 장기강도도 증가하는 현상을 볼 수 있다. 강도 발현의 최고효과를 얻을 수 있는 액상 실리카의 첨가율은 결합재 100중량부 대비 10중량부이다.
[시험예 5]
[시험예 5]는 상기 [시험예 2], [시험예 3], [시험예 4]에서 도출된 혼화제 조성물 및 액상 실리카를 병용한 시험을 진행한 것이다. 이에 따른 자세한 콘크리트 조성물의 비율 및 배합은 [표 5]과 [표 6]에 나타내었다.
구분 폴리카르본산계
감수제		 질산염계 화합물
Ca(NO3)2 		황산염계 화합물
Na2SO4·10H2O		 액상 실리카
샘플1
430g/㎥

 30.1g/㎥ - -
샘플2 - 21.5g/㎥ -
샘플3 30.1g/㎥ 21.5g/㎥ -
샘플4 30.1g/㎥ 21.5g/㎥ 33㎏/㎥
샘플1 : 질산염계 화합물이 함유된 혼화제 조성물을 첨가한 콘크리트 조성물
샘플2 : 황산염계 화합물이 함유된 혼화제 조성물을 첨가한 콘크리트 조성물
샘플3 : 질산염계 화합물과 황산염계 화합물이 함께 함유된 혼화제 조성물을 첨가한 콘크리트 조성물
샘플4 : 질산염계 화합물과 황산염계 화합물이 함께 함유된 혼화제 조성물과 액상 실리카를 병용한 콘크리트 조성물
구분
 W/B S/a
 W
(㎏/㎥)		 B
(㎏/㎥)		 액상실리카의
구성비		 결합재의 구성비(중량비) AD의
구성비
C F/A S/P 총계
샘플1
42.4
48.0
140
330

 -
20
40
40
100
1.3
샘플2 -
샘플3 -
샘플4 10

W/B : 물결합재비(결합재 100중량부 대비 물의 중량비)
S/a : 잔골재비(전체 골재 100중량부 대비 잔골재의 중량비)
W : 단위수량(1㎥당 물의 중량)
B : 단위결합재량(1㎥당 결합재의 중량)
액상실리카의 구성비 : 결합재 100중량부 대비 액상실리카의 중량비
C : 결합재 100중량부 대비 시멘트의 중량비
F/A : 결합재 100중량부 대비 플라이애쉬의 중량비
S/P : 결합재 100중량부 대비 고로슬래그 미분말의 중량비
AD의 구성비 : 결합재 100중량부 대비 폴리카르본산계 감수제의 중량비

[도 5]는 혼화제 조성물과 액상 실리카 사용에 따른 콘크리트 조성물의 초기강도 및 장기강도를 나타낸 그래프이다. [도 5]에서는 질산염계 화합물과 황산염계 화합물이 함께 함유된 혼화제 조성물과 액상 실리카를 병용한 콘크리트 조성물(샘플4)이 가장 뛰어난 성능을 나타내며 나머지 샘플들도 기존 배합보다는 더 좋은 성능을 나타냈다. 질산염계 화합물과 황산염계 화합물을 비교하면 질산염계 화합물은 장기강도에는 더 유리하며, 황산염계 화합물은 초기강도에는 더 유리한 것으로 나타났다.
없음

Claims (6)

  1. 폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대하여, 황산염계 화합물 1~5중량부가 첨가된 것을 특징으로 하는 콘크리트의 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대하여, 질산염계 화합물 1~7중량부가 더 첨가된 것을 특징으로 하는 콘크리트의 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물.
  3. 제2항에서,
    상기 황산염계 화합물은 Na2SO4·10H2O이고, 상기 질산염계 화합물은 Ca(NO3)2인 것을 특징으로 하는 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물.
  4. 결합재, 굵은골재, 잔골재 및 배합수가 배합된 콘크리트 조성물에 있어서,
    상기 결합재는 시멘트와 혼화재가 혼합된 것이고,
    상기 혼화재는 플라이애쉬 또는 고로슬래그 미분말 중 어느 1종 이상이 포함된 것이며,
    상기 결합재 100중량부 중 상기 시멘트는 10~30중량부, 상기 혼화재는 70~90중량부의 비율로 혼합되어 있고,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 혼화제 조성물이 더 첨가되되, 상기 혼화제 조성물 중 폴리카르본산계 감수제가 상기 결합재 100중량부 대비 1~1.5중량부의 비율로 첨가된 것을 특징으로 하는 친환경 저탄소 콘크리트 조성물.
  5. 제4항에서,
    상기 결합재 100중량부 대비 1~10중량부에 해당하는 양을 상기 배합수에서 액상 실리카로 치환하여 혼합한 것을 특징으로 하는 친환경 저탄소 콘크리트 조성물.
  6. 제5항에서,
    상기 액상 실리카에는 배합수 100중량부 대비 30~70중량부의 SiO2가 혼합되어 있으며, 상기 SiO2 입자의 직경은 10~200㎚인 것을 특징으로 하는 친환경 저탄소 콘크리트 조성물.

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