KR101046408B1

KR101046408B1 - 적니가 포함된 콘크리트 혼화재를 사용한 콘크리트 포장 구조체 제조방법

Info

Publication number: KR101046408B1
Application number: KR1020100065266A
Authority: KR
Inventors: 홍종현; 김문훈
Original assignee: 김문훈; 홍종현
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2011-07-05

Abstract

본 발명은 혼화재, 이를 사용한 콘크리트 포장 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 고온에서 소성가공한 적정 함수율의 적니가 첨가된 혼화재를 제시함으로서 수화작용 촉진 및 밀실한 단면에 의한 강도를 증진할 수 있으며, 표면수를 줄여 표면마모율을 줄일 수 있고, 폐기물을 혼화재로 사용함으로서 경제적인 적니를 사용한 콘크리트 혼화재, 이를 사용한 콘크리트 포장 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

적니가 포함된 콘크리트 혼화재를 사용한 콘크리트 포장 구조체 제조방법{A admixture with red mud, structure for concrete pavement and method for it}

아스팔트 포장은 주행성은 매우 뛰어나지만 유지보수에 따른 비용이 높은 단점으로 인해 콘크리트 포장의 사용이 점차 늘고 있다. 콘크리트 포장은 충격, 내구성, 공용성이 뛰어나다. 그러나 워커빌리티, 강도, 건조수축, 표면마모와 같은 시멘트 콘크리트의 품질에 따라 콘크리트 포장의 품질이 결정된다. 따라서, 워커빌리티, 강도, 균열저항성, 표면마모저항성, 그리고 심미성이 뛰어난 고성능을 발휘하는 콘크리트 포장 구조체를 조성하기 위한 혼화재에 대한 개발이 필요하다.

한편 적니는 국내에서 년간 20만톤 이상 발생하는 산업폐기물로서 현재, 99% 이상을 매립이나 해양투기에 의존하여 처리하고 있어, 이의 재활용 방안이 시급한 상황이다.

이러한 필요에 의해 적니의 재활용에 대한 다양한 기술이 제시되고 있다.

특허출원 제10-2003-0090628호 "적니 및 포졸란 광물 분말을 이용한 표층재 및 그 제조방법"에서는 적니를 재활용하기 위해 황산철을 이용하여 적니의 알카리성을 중화한 후 테니스 코트 표층재와 운동장 표층재로의 제조방법을 제시하고 있으며, 특허출원 제10-2004-0117055호 "적니를 이용한 벽돌 제조 방법"에서는 적니를 산처리하여 폐석회 및 시멘트와 혼합한 후, 압력과 소성을 통해 벽돌을 제조하는 방법을 제시하고 있다. 상기 기술들에서는 적니의 알카리성을 중화시켜 토양의 오염 등을 방지하고자 하는 기술에 대해서 제시되고 있을 뿐이며, 적니를 사용함으로서 콘크리트 포장 구조체의 성능을 향상시키기 위한 어떤 기술이 제시되고 있지 않다.

한편 콘크리트 혼화재에 대해서도 다양한 기술들이 제시되고 있는 바,

특허출원 제10-2008-0091044호 "탈황슬래그로부터 제조되는 콘크리트용 고기능성 혼화재 및 그 제조방법"에서는 철의 제조공정에서 발생되는 슬래그를 탈황 처리하여 콘크리트 혼화재로의 제조방법을 제시하고 있으며, 특허출원 제10-2004-0025713호 "열병합발전소의 석탄회를 이용한 콘크리트 혼화재"에서는 정제회와 석탄회를 혼합한 콘크리트 혼화재의 제조방법을 제시하고 있고, 특허출원 제10-2003-0013644호 "폐 벤토나이트를 이용한 콘크리트 혼화재 제조방법"에서는 폐 벤토나이트 분말을 건조한 후 수분을 제거하여 미분쇄하여 콘크리트 혼화재로 제조하는 방법을 제시하고 있다. 그외에도 특허출원 제10-2001-0070880호 "산업부산물을 이용한 콘크리트용 분말혼화재" 등에서는 다양한 성분이 함유된 혼화재를 제시하고 있으나, 산업부산물인 적니를 이용한 혼화재 및 이와 같은 혼화재를 이용하여 콘크리트 포장 구조체의 기능을 향상시키는 어떠한 기술이 제시된 바는 없다.

한편, 학계에서의 혼화재 연구로는, 콘크리트 혼화재로서의 폐타일 미분말 사용에 관한 실험적 연구(권해원, 김영수, 대한건축학회지회연합회 학술발표논문집 2005년)에서는 폐타일 미분말의 포졸란 반응성과 콘크리트 혼화재로서의 적용가능성에 대한 연구를 수행하였으며, 상동광산 광미를 콘크리트용 혼화재료로 사용하기 위한 모르타르의 품질특성(최연왕, 정문영, 정명채, 구기정, 한국콘크리트학회 논문집 2004년 6월)에서는 광산 폐기물 중에서 광미를 콘크리트의 혼화재로 재활용한 연구결과를 나타내고 있고, 혼화재 종류 및 활성황토 대체율별 콘크리트의 공학적 특성에 관한 실험적 연구(최희용, 김무한, 김문한, 황혜주, 최성우, 한국콘크리트학회논문집 2001년 4월)에서는 황토를 고온 소성하여 포졸란반응을 일으키는 무기질계 혼화재로 사용하는 방법을 제시하고 있는 바, 이 또한 산업 폐기물인 적니의 적극적인 혼화재로서의 사용에 대한 연구가 없다.

즉 종래의 기술들에서 볼 수 있는 바와 같이 콘크리트 혼화재는 산업부산물인 플라이애쉬, 고로슬래그 등을 사용하여 특별히 콘크리트 포장 구조체에서 기능향상을 기대할 수 없이 단순히 시멘트 대체재로서 사용되도록 개발되었다. 그러나, 현대 사회에서는 기존 콘크리트 포장 구조체보다 강도 증가, 표면 마모저항성 증가, 균열저감, 백화감소, 디자인 효과 등 다양한 기능이 발현되는 콘크리트 포장 구조체가 요구되고 있으며, 이러한 기능을 발휘하도록 하는 혼화재에 대한 필요성이 높아지고 있다.

이에 본 발명에서는 산업폐기물인 적니를 혼화재로 사용함으로서 이러한 혼화재가 첨가된 콘크리트 포장 구조체에 있어 다양한 색상이 발현되면서도 그 강도,내구성, 표면마모저항성이 우수하고, 균열, 백화현상을 저감시키는 등 다양한 성능을 발휘할 수 있도록 하는 혼화재를 제시하고자 한다.

본 발명의 콘크리트 혼화재는 소성에 의해 함수율이 0.1 내지 10% 미만인 소성 적니와; 상기 소성 적니 100중량%를 기준으로, 산화철안료 1∼50중량%와; 실리카흄 5∼100중량%와; 콘크리트폴리머 5∼100중량%로 배합됨을 특징한다.

상기와 같이 본 발명의 콘크리트 혼화재는 소성가공 된 무기재료인 적니, 산화철안료, 실리카흄, 유기재료인 콘크리트 폴리머를 배합함으로서 혼화재를 형성하여, 이러한 혼화재가 첨가됨에 의해 콘크리트 포장 구조체 내부의 공극을 충진하고 치밀한 조직을 형성함으로써, 콘크리트의 압축강도와 인장강도를 동시 보강하는 등에 의해 콘크리트 포장 구조체의 성능개선을 유발하도록 하는 것이다.

상기 구성 중 적니는 고온에서 소성 가공을 시켜 무기재료화 하는 것이며, 그 함수율을 10%미만으로 하여야 하는 바, 이러한 소성 가공과정은 폐기물 용융 보오크사이트(bauxite) 용해 잔사로서 슬러지를 고온으로 소성 건조처리하여 수분의 함량이 10% 미만이 되도록 건조하는 것이다.

이렇게 소성가공 되며 세립질의 적니는 고온으로 소성가공이 됨에 따라 유기물 성분이 없어 시멘트 수화반응을 저해함이 없으며, 고온 소성시의 열에너지가 적니에 저장되어 있어서, 이러한 성분이 포함된 혼화재를 첨가할 시에는 시멘트와 물과의 반응에 있어 포졸란반응과 수화반응을 촉진시키게 되고 적니의 세립질 성분에 기해 굵은골재와 잔골재의 혼합 후 발생되는 미세공극을 채워주어서 밀실한 단면을 제공하여 강도를 증진시킬 수 있게 되는 것이다.

특히 적니는 그 재질 상 미세한 공극을 가지고 있어 흡착성이 있는 바, 콘크리트 구조체에서 물을 흡착하여 모세관을 줄여주는 효과가 있다. 이렇게 모세관을 줄여줌에 의해 표면수를 저감시킴에 따라 표면의 강도를 증진시키게 되므로 표면마모저항성을 향상시킬 수 있게 되어 다양한 콘크리트 구조체에 적합하며 표면마모저항성에 특히 민감한 콘크리트 포장 구조체에 적용됨이 타당한 것이다.

이러한 소성가공 된 적니는 함수율을 10%미만으로 유지하도록 하여야 하는 바, 10%를 초과하는 경우 미세한 세립분으로 제조할 수 없어 콘크리트 구조체의 미세공극 충진 효과 등을 기대할 수 없으므로 본 발명의 일 구성인 소성가공된 적니는 그 함수율을 10%미만으로 한정하는 것이 타당하다.

또한, 이러한 적니는 고유의 색상에 기해 시멘트의 수화반응 과정에서 착색재 기능을 수행하여 콘크리트 포장 구조체가 적니 특유의 색상이 발현되도록 한다.

한편 본 발명에서는 본 발명이 사용됨에 따라 적색, 흑색, 갈색 등이 콘크리트 포장 구조체에서 발현될 수 있도록 산화철안료가 첨가될 수 있는 바, 그 사용량은 적니 중량대비 1∼50중량% 범위에서 첨가됨이 타당하다.

상기 산화철안료가 1중량%미만인 경우 색상의 포화도가 낮아지고, 50중량%를 초과하는 경우에는 경제성이 낮아지고 이와 같은 혼화재의 첨가 시 콘크리트 포장 구조체의 강도가 낮아지는 단점이 발생하기 때문에, 상기 산화철안료는 상기 적니 사용중량 대비 1 내지 50중량%로 한정하는 것이다.

또한, 상기 산화철안료를 첨가함에 있어 적니 사용중량 대비 1 내지 50중량%로 한정하는 것은, 상기 적니는 강알카리성(pH = 9 ~ 10)을 나타내는 반면 산화철안료는 산성(pH = 4이하)을 나타낸다. 한편 콘크리트 포장 구조체는 pH가 11 ~ 13의 강알카리성을 나타내어 내부 철근이 부식되는 것을 막아주는 역할을 하는데 산화철안료는 산성이라 시멘트와 pH의 차이가 있어 이질적인 재질에 의해 상호 부착력이 떨어지는 반면 적니는 시멘트와 동질의 pH를 나타내어 시멘트와의 부착력이 유리한 바, 다양한 색상발현을 위해 산화철안료를 첨가하되 그 사용량을 적니의 50중량%로 한정하여 혼화재의 pH값이 산성화 되는 것을 방지하여 이러한 혼화재가 콘크리트 포장 구조체에 첨가시 시멘트와 동질의 재질로 기능을 하도록 함과 동시에 철근의 부식을 방지하도록 함이 타당하다.

상기 실리카흄은 나노수준의 매우 세립한 미분말로서 천이영역보강, 미세채움효과 그리고 포졸란반응으로 이를 포함하는 혼화재를 첨가 시 콘크리트 포장 구조체의 강도증진과 블리딩 저감기능을 하는데, 그 사용량은 적니 사용중량의 5∼100중량% 범위로 한정하는 바, 5중량%미만인 경우 그 사용효과가 미미하고, 100중량%를 초과하는 경우에는 비경제적이며 시멘트 수화반응을 저해하여 오히려 강도가 감소하므로 이를 한정하는 것이다.

상기 콘크리트폴리머는 유기재료로서 콘크리트 내부 구조에 시멘트 수화물을 감싸고 있는 폴리머막을 형성함으로써 콘크리트 인장강도 증진에 기여한다. 콘크리트는 압축에는 강한 특징이 있지만, 인장에는 취약한 특징이 있다. 따라서, 유기재료인 콘크리트 폴리머를 일정량 사용함으로써 인장균열을 저감시키는 역할을 담당한다. 또한, 시멘트 수화반응과 거의 동시에 진행하는 폴리머필름형성에 의해 급격한 수분증발을 방지함으로써 보수성을 유지하여 양생에 따른 수분의 공급이 일정한 장점이 있다. 따라서, 급격한 건조수축을 방지하는 역할을 담당한다. 그 사용량은 적니 사용중량의 5∼100중량% 범위로 한정을 하는 바, 이는 그 사용량이 5중량% 미만인 경우 콘크리트 폴리머의 기능이 발현되어 시멘트 간의 부착력을 증진시킬 수 없게 되는 것이며, 100중량%를 초과하는 경우에는 경제성이 낮아지고 시멘트풀의 형성을 방해하므로 콘크리트의 강도가 오히려 낮아지는 단점이 발생하기 때문이다.

이에 더하여 본 발명에서는 토목섬유를 전체중량 대비 5중량%(0중량% 초과) 이내의 범위에서 추가되도록 함으로서 본 발명의 혼화재가 첨가되는 콘크리트 포장 구조체에 있어 균열저항성을 향상시킴이 바람직하다.

또한, 본 발명은 AE감수제, 고성능AE감수제, 유동화제 중 택 1하여 전체중량 대비 5중량%(0중량% 초과) 이내의 범위에서 추가되도록 함으로서 본 발명의 혼화재가 첨가되는 콘크리트 포장 구조체를 시공 시 사용되는 물의 량을 줄이고 작업성을 높일 수 있으며, 콘크리트 포장 구조체가 경화 후에는 강도 및 동결융해에 대한 저항성을 더욱 향상 시키기도록 함이 타당하다.

한편 본 발명에서는 적니가 포함된 콘크리트 혼화재가 첨가된 콘크리트 포장 구조체가 제공되는데, 물, 시멘트, 골재를 배합하면서 상기 혼화재를 첨가하되, 상기 혼화재는 시멘트 사용중량 대비 2 ∼ 20중량%의 범위로 배합됨을 특징으로 한다. 이렇게 상기 혼화재를 시멘트 사용중량 대비 2 내지 20중량%로 한정하는 것은, 상기 혼화재를 2중량% 미만으로 사용하게 되면 콘크리트 포장 구조체에서 혼화재의 사용효과가 미미하여 구조적 성능을 향상시킬 수 없게 되는 것이고, 또한, 20중량%를 초과 사용하게 되는 경우에도 결합재로서의 성능이 저하된다. 즉 본 발명의 콘크리트 포장 구조체에 있어 적정비율의 혼화재는 골재표면 경계영역에서 시멘트풀과의 부착강도를 증진 시켜서 골재의 탈락이나 경계면의 균열을 방지하며 상기에서 언급한 기능들을 발휘할 수 있게 되는 것이다.

이러한 콘크리트 포장 구조체는 종래의 콘크리트 포장 구조체가 일반적으로 21 MPa의 압축강도를 표준으로 하지만, 본 발명의 콘크리트 포장 구조체의 경우 최소 압축강도가 27 MPa 이상의 고강도를 나타냄을 특징으로 하며, 상기 혼화재를 첨가함으로서 별도의 첨가재 없이도 워커빌리티, 강도, 표면마모성, 내균열성, 심미성 등등 다기능에서 우수한 콘크리트 구조체가 제시되는 것이다.

한편 본 발명의 적니가 포함된 콘크리트 혼화재 제조방법은 폐기물 용융 보오크사이트(bauxite) 용해 잔사인 슬러지를 고온 소성하여 함수율이 10% 미만으로 건조하여 적니를 제조하는 단계와; 상기 단계에서 제조된 적니 100중량%를 기준으로, 산화철안료 1∼50중량%, 실리카흄 5∼100중량%, 콘크리트폴리머 5∼100중량%로 배합하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 단계들을 거친 후 물을 전체중량 대비 30∼300중량% 범위로 추가하여 액상화 시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉 본 단계를 거쳐 액상의 혼화재를 제공함으로서 콘크리트에 배합 시 분진발생을 저감시키고 그 배합시공이 용이하도록 하는 것이다.

본 발명에 있어서는,

적정 함수율의 소성가공 된 적니가 배합된 혼화재를 제시함에 따라 이러한 혼화재가 콘크리트 포장 구조체에서 수화반응을 촉진시키고 미세공극을 채워주어서 밀실한 단면을 제공하여 강도를 증진시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 적니의 흡착성에 기해 콘크리트 포장 구조체에서 물을 흡착하여 모세관을 줄여줌에 따라 표면마모율을 저감시킬 수 있어 별도의 표면강화제가 필요없는 장점이 있다.

또한, 산업폐기물인 적니를 고급의 콘크리트 혼화재로 사용함으로써 자원을 재활용하는 장점이 있다.

또한, 적니 및 산화철의 작용에 기해 다양한 색상의 콘크리트 포장 구조체의 제조가 가능한 장점이 있다.

도 1 본 발명의 콘크리트 혼화재 제조방법을 나타내는 개략도이다.

이하 본 발명의 실험 예 및 실시 예를 설명한다.

구분	혼화재 배합(단위 : kg)
구분	적니	산화철	실리카흄	콘크리트폴리머	기타
실시예 1	20	5	15	10	0.1
실시예 2	15	5	15	15	0.1
실시예 3	25	5	10	10	0.1

표 1에 본 발명의 콘크리트 혼화재의 배합비율에 따른 실시 예를 나타낸다. 표 1의 실시예 1은 함수율 10% 미만인 적니 20kg, 적색의 산화철안료 5kg, 실리카흄 15kg, 콘크리트 폴리머 10kg, 분말형유동화제 0.1kg으로 구성된 혼화재 배합비를 나타내고 있으며, 실시 예 2는 함수율 10% 미만인 적니 15kg, 적색의 산화철안료 5kg, 실리카흄 15kg, 콘크리트 폴리머 15kg, 분말형감수제를 0.1kg 추가 사용한 경우를 나타내고 있고, 실시예 3은 함수율 10% 미만인 적니 25kg, 검은색의 산화철안료 5kg, 실리카흄 10kg, 콘크리트폴리머 10kg, 분말형감수제 0.1kg을 사용한 예를 나타내고 있으며, 각각의 실시 예는 산화철에 기해 다양한 색상의 혼화재로 제조되었다. 레디믹스트콘크리트 공장에서의 콘크리트 배합에서는 분말상태로 혼합기에 직투입하여 사용하지만, 레미콘믹서트럭에 투입하는 경우에는 물과 사전에 혼합하여 액상의 혼화재로 제조하여 투입할 수 있다.

구분	단위중량(kg)
구분	시멘트	본 발명의혼화재	물	잔골재	굵은골재	혼화제
대조구	350	0	170	885	960	2.5
실시예 1-1	350	50	170	850	950	2.5
실시예 2-1	330	50	170	850	950	2.5

표 2에 본 발명에 의한 혼화재의 효과를 파악하기 위해 상기 표 1의 실시 예와 같은 배합비의 혼화재를 첨가한 콘크리트 실험체로서 대조구와 실시예에 대한 배합비를 나타내고 있다. 표 2에서 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하고, 물은 지하수를 사용하며, 잔골재는 자연모래를 사용하고, 굵은골재는 쇄석골재를 사용하였으며, 혼화제는 AE감수제를 사용하였다. 표 2의 실시예 1-1은 표 1의 실시예 1에서 제조된 혼화재 50kg을 첨가한 경우이고, 실시예 2-1는 표 1의 실시예 2에서 제조된 혼화재 50kg을 첨가한 경우이다.

구분	대조구	실시예1	실시예2
슬럼프(KS F 2402)	125mm	110mm	120mm
공기량(KS F 2421)	4.2%	4.0%	4.1%
압축강도(KS F 2405 )	24.3 MPa	32.2 MPa	29.7 MPa
인장강도(KS F 2423 )	2.12 MPa	3.62 MPa	3.31 MPa
휨강도(KS F 2408 )	3.96 MPa	5.42 MPa	5.06 MPa
블리딩(KS F 2414)	0.22cm3/cm2	0.18cm3/cm2	0.20 cm3/cm2
표면마모저항성(ASTM C 944)	0.015g/cm2	0.010g/cm2	0.013g/cm2
건조수축(KS F 2424)	-4.6×10-4 cm	-3.8×10-4cm	-4.1×10-4cm
색상(질감)	회색(콘크리트)	적갈색(흙질감)	적갈색(흙질감)

표 3에서는 본 발명에 의한 혼화재를 사용한 콘크리트의 실시예와 대조구의 결과를 나타내고 있다.

- 슬럼프: KS F 2402 시험방법에 의하여 측정하였다.

- 공기량: KS F 2401 시험방법에 의하여 측정하였다.

- 압축강도 : 콘크리트의 압축강도 시험은 φ10*20cm 의 원주형공시체를 제조한 후 28일 압축강도를 KS F 2505에 준하여 측정하였다.

- 인장강도 : 콘크리트의 인장강도 시험은 φ10*20cm 의 원주형공시체를 제조한 후 28일 인장강도를 KS F 2423에 준하여 측정하였다.

- 휨강도 : 15*15*55cm 공시체 사용를 제작하여 28일 휨강도를 KS F 2408에 준하여 측정하였다.

- 블리딩: KS F 2414 시험방법에 의하여 측정하였다.

- 건조수축 : 콘크리트 건조수축 시험은 KS F 2424에 준하여 10*10*40cm 사각몰드를 이용한 공시체 제작 후 재령 7일까지 수중양생을 실시 후 기건상태(온도20±2℃, 습도 65±10%)에 노출시켜 50일 재령 경과 후의 건조수축량을 측정하였다.

- 표면마모저항성 : 마모 저항성을 측정하기 위해 ASTM C 944의 시험방법에 준하여 φ15*6cm의 원주형공시체를 제조하여 재령 28일 후 시편에 20kg의 추를 재하 상태에서 200rpm의 로터링커터를 회전시켜 1회에 2분간 회전시켜 3회의 총 손실량을 측정하여 단위면적당 손실량으로 하였다.

시험결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 혼화재가 첨가됨에 따라 굳지 않은 콘크리트 및 굳은 콘크리트에 있어 전체적인 물리적 특성이 대폭 향상되는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의한 혼화재를 사용함으로써 굳지 않은 콘크리트에서는 콘크리트의 슬럼프와 공기량은 약간 감소하는 특징이 있는 것을 상기 실험에서 알 수 있다. 또한 굳은 콘크리트에서 압축강도는 최소 22.2%에서 최대 32.5% 증가하였고, 인장강도는 최소 56.1%에서 최대 70.7% 증가하였으며, 휨강도는 최소 27.8%에서 최대 36.9% 증가 하였다. 또한, 블리딩, 표면마모저항성, 건조수축, 색상에서 매우 우수한 효과가 나타나므로 본 발명의 혼화재를 사용하는 경우 표면마모저항성 등을 고려하여 특히 콘크리트 포장 구조체로서 적용성이 좋다고 판단된다.

Claims

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보오크사이트(bauxite) 용해 잔사인 폐기물 슬러지를 소성함으로서 함수율이 0.1 내지 10% 미만으로 건조하여 소성 적니를 제조하는 단계와;
상기 단계에서 제조된 소성 적니 100중량%를 기준으로, 산화철안료 1∼50중량%, 실리카흄 5∼100중량%, 콘크리트폴리머 5∼100중량%, 분말형의 AE감수제, 고성능 AE감수제, 유동화제 중 택 1하여 5중량%(0중량% 초과)이내의 범위에서 첨가하되, 혼화재가 알카리성을 나타내도록 제조하는 단계와;
상기 단계에서 제조된 혼화재 전체중량 대비 물 30 내지 300중량%로 추가하여 액상화 하는 단계와;
시멘트, 물, 골재 및 액상화 된 콘크리트 혼화재를 배합하되, 혼화재는 시멘트 전체중량 대비 2 내지 20중량%인 것을 특징으로 하는 콘크리트 포장구조체 제조방법.
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