KR101111664B1 - 충격 저항성을 향상시킨 콘트리트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가해지는 충격에 대한 저항성능을 향상시킨 콘크리트에 관한 것으로써, 셀룰로스화이버를 사용하여 제조한 내충격성 콘크리트 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 콘크리트 내에서 알칼리 저항성이 우수하며, 분산력이 뛰어나 콘크리트의 표면 마감성을 향상시킴은 물론, 시멘트 매트릭스와의 부착력이 우수한 셀룰로스화이버를 사용하여 소성수축균열을 감소시킴과 동시에 내충격 저항성을 향상시킬 수 있도록 한다. 본 발명의 셀룰로스화이버를 사용하여 제조된 콘크리트는 셀룰로스화이버를 사용하지 않은 기존 콘크리트에 비해 충격 저항성을 28 ~ 56% 상승시키며, 소성수축균열은 65 ~ 90%로 감소시킨다.

셀룰로스화이버, 충격 저항성, 소성수축균열

Description

충격 저항성을 향상시킨 콘트리트 제조방법{Concrete manufacturing method for improving impact resistance}

본 발명은 가해지는 충격에 대한 저항성능을 향상시킨 콘크리트에 관한 것으로써, 특히 셀룰로스화이버를 사용하여 내충격성을 향상시킨 콘크리트 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 더욱 상세하게는, 콘크리트 내에서 알칼리 저항성이 우수하며, 분산력이 뛰어나 콘크리트의 표면 마감성을 향상시킴은 물론, 시멘트 매트릭스와의 부착력이 우수한 셀룰로스화이버를 사용하여 소성수축균열을 감소시킴과 동시에 내충격 저항성을 향상시킬 수 있도록 한 콘크리트 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 콘크리트는 압축강도, 내구성 등이 우수하며 경제적인 재료이므로 광범위한 분야, 특히 건설분야 등에 중요한 재료로서 널리 사용되고 있다.

그러나 콘크리트는 이러한 장점을 가지고 있는 반면에 휨강도 및 충격에 대한 저항성이 낮은 단점도 가지고 있다. 이러한 문제를 보완하기 위하여 섬유보강콘 크리트(FRC : Fiber Reinforced Concrete)의 수요가 날로 증가하고 있으며, 특수한 목적으로 제조된 콘크리트의 건설 현장에서의 사용이 증가되고 있다.

콘크리트의 성능을 개선할 목적으로 주로 사용되는 섬유로는 강섬유, PVA섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 아크릴 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 등이 있는데 콘크리트의 사용 목적에 따라 적용 분야가 넓다.

그러나 콘크리트는 시멘트와 물 및 골재를 주성분으로 하는 복합재료로서 사용하는 섬유의 종류에 따라 친수성 저하가 발생하고, 콘크리트와 섬유의 분리현상, 콘크리트 중의 알칼리 성분으로 인한 섬유 내구성 저하 등으로 인하여 목표하는 성능을 발휘하지 못하는 경우가 발생하게 된다.

목표하는 성능을 제대로 발휘하지 못하게 되면 결국 콘크리트의 작업성능이 저하되어 적절한 시공 수행이 불가능한 상태를 초래하게 된다.

또한, 특히 도로 포장용, 교량의 슬래브용, 철도 궤도용 콘크리트 등은 다수의 충격 하중에 노출되어 있어 충격에 대한 저항성이 우수한 콘크리트의 개발이 시급히 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같이 종래 콘크리트가 내포하고 있는 여러 가지 단점을 해소하고자 창안된 것으로써, 본 발명의 목적은 섬유와 콘크리트의 재료 분리 현상이 적으며, 콘크리트 중에 포함되어 있는 알칼리에 대해 안정하여 제조된 콘크리트의 품질 변동이 없을 뿐만 아니라, 소성수축균열을 감소시킴과 동시에 외부 충격 하중에 대한 저항성이 우수한 콘크리트 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 충격 저항성을 향상시킨 콘트리트 제조방법은, 셀룰로스화이버를 커팅하여 물과 혼합하여 해면함으로써 슬러리 상태로 만드는 제1단계; 제1단계에서 만들어진 슬러리 상태의 셀룰로스화이버를 콘크리트 총 중량 대비 0.02 ~ 0.2중량%로 혼합하는 제2단계; 및 골재, 시멘트, 혼합수, 슬러리화된 셀룰로스화이버 순서로 믹서에 투입하여 셀룰로스화이버가 콘크리트 내에 분산되도록 15 ~ 120초 동안 혼합하는 제3단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 셀룰로스화이버는 길이 1.0 ~ 3.0mm, 직경 5 ~ 30㎛, 표면적이 10,000 ~ 40,000㎠/g이 되도록 커팅하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 셀룰로스화이버는 1g당 개수가 50,000 ~ 3,000,000개인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 셀룰로스화이버는 슬러리 상태로 물과 100 ~ 500중량%로 혼합 교반하여 해면시키는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 제조된 본 발명의 내충격성 콘크리트는, 혼합되는 셀룰로스화이버는 목재로부터 추출된 재료로서 특수 가공 처리한 섬유이며, 높은 탄성 계수와 친수성이 우수하여 콘크리트 내에서 시멘트 풀과 강한 부착력을 나타내어 소성수축으로 인한 균열을 감소시키며, 충격에 대한 저항성을 높이는 역할을 한다. 본 발명에 서와 같이 셀룰로스화이버가 혼합된 콘크리트는 셀룰로스화이버를 사용하지 않은 동일한 중량 배합비로 혼합한 콘크리트와 비교하여 압축강도 및 휨강도 차이가 발생하지 않는다.

본 발명의 셀룰로스화이버를 사용한 충격 저항성 콘크리트에 따르면, 셀룰로스화이버를 사용하지 않은 콘크리트에 비해 충격에 대한 저항성이 증가하고, 압축강도 및 휨강도 등 강도 특성치의 저하가 발생하지 않는다.

또한, 친수성이 우수하여 콘크리트 내의 시멘트, 골재 등과 섬유가 분리되는 현상이 없으며, 콘크리트의 수성수축 균열이 감소되고, 표면 마감성이 우수한 고품질의 콘크리트 제조가 가능하다.

이하, 본 발명의 셀룰로스화이버를 사용한 내충격성 콘크리트를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 기술을 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 콘크리트 제조방법은 셀룰로스화이버를 커팅하여 물과 혼합함으로 써 슬러리 상태로 만드는 제1단계; 제1단계에서 만들어진 슬러리 상태의 셀룰로스화이버를 콘크리트와 혼합하는 제2단계; 및 골재, 시멘트, 혼합수, 슬러리화된 셀룰로스화이버 순서로 믹서에 투입하여 셀룰로스화이버가 콘크리트 내에 적절히 분산되도록 혼합하는 제3단계로 이루어진다.

이러한 단계들을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 셀룰로스화이버를 길이 1.0 ~ 3.0mm, 직경 5 ~ 30㎛, 표면적 10,000 ~ 40,000㎠/g으로 커팅한 후 압착하여 셀룰로스 압축 화이버를 시트 형태로 제조한다. 이때 중량 1g당 포함되는 화이버의 개수가 50,000 ~ 3,000,000개가 되도록 한다. 이렇게 압축 제조된 셀룰로스화이버를 물과 혼합하여 해면하되, 셀룰로스화이버를 물의 중량과 대비하여 100 ~ 500중량%로 해면하여 슬러리 상태로 만든다.(제1단계)

상기 셀룰로스화이버의 단위 길이를 1.0 ~ 3.0mm로 하는 이유는 1.0mm 이하로 되면 부착에 필요한 충분한 길이 확보가 되지 않아 보강 효과가 감소되며, 3.0mm 이상으로 하면 콘크리트와 혼합시 섬유가 표면에 돌출하여 표면 마감성이 저하되고 섬유가 콘크리트 내에 엉키는 현상이 발생하여 동일한 혼합수와 시멘트 혼합비율에서 슬럼프 저하 현상을 발생시킴으로써 동일한 작업성을 얻기 위해서는 혼합수의 사용량이 증가되어 결과적으로 압축강도 및 내구성 저하의 원인이 되기 때문이다.

셀룰로스화이버의 표면적을 10,000 ~ 40,000㎠/g로 하는 이유는 10,000㎠/g 이하인 경우 콘크리트 내의 시멘트 풀과 섬유의 접촉 면적이 적어져 부착력 감소 현상이 발생함에 따라 목적하는 충격하중에 대한 저항성을 기대하기가 어렵기 때문이다. 또한 표면적을 40,000㎠/g 이상으로 하는 경우에는 단위 섬유의 두께가 감소하여 단위 섬유의 인장력이 감소되고, 결과적으로 콘크리트와의 부착력 감소 현상이 발생하기 때문이다.

따라서 셀룰로스화이버의 직경 5 ~ 30㎛과 1g에 포함된 화이버의 개수 50,000 ~ 3,000,000개를 확보하는 것이 내충격성 콘크리트의 제조에 적합하다.

또한, 셀룰로스화이버 중량 대비 100 ~ 500중량%의 물과 혼합하여 슬러리 상태로 혼합 후 해면시켜 콘크리트와 혼합하기 전에 슬러리 상태로 만들게 되는데, 이는 셀룰로스화이버가 콘크리트와 균질하게 혼합되어 섬유가 콘크리트 내에서 뭉치는 현상을 방지하고 콘크리트 제조시 혼합시간을 단축시킬 수 있기 때문이다.

다음에, 상기 제1단계에서 슬러리 상태로 혼합하여 해면된 셀룰로스화이버를 콘크리트 총 중량 대비 0.02 ~ 0.2 중량% 및 혼합수량을 콘크리트 총 중량 대비 4.8 ~ 10.5중량%로 투입하여 혼합한다.(제2단계)

여기서 셀룰로스화이버를 콘크리트 총 중량 대비 0.02 ~ 0.2 중량%로 하는 이유는 0.02중량% 이하로 사용할 경우 섬유의 사용량이 적어 충격에 대한 저항성이 낮아지며, 콘크리트의 총 중량 대비 0.2중량% 이상 사용할 경우 오히려 압축강도 등 강도 특성의 저하가 발생하며, 콘크리트의 슬럼프 감소를 유발시켜 콘크리트를 사용하는 작업이 어렵게 되기 때문이다.

다음에, 골재, 시멘트, 혼합수, 슬러리화된 셀룰로스화이버의 순서로 믹서에 투입된 재료들을 셀룰로스화이버가 콘크리트 내에 적절히 분산되도록 15 ~ 120초 동안 혼합한다.(제3단계)

혼합시간을 15 ~ 120초로 하는 이유는 혼합시간이 15초 이하일 경우 셀룰로스화이버가 콘크리트 내에 고르게 분산되지 않으며, 혼합시간을 120초 이상으로 할 경우 셀룰로스화이버의 길이가 끊어지는 현상이 발생할 수 있어 목적하는 콘크리트의 성능 향상을 기대하기 어렵다.

이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

셀룰로스 압축 화이버를 물에 혼합, 해면하여 슬러리 상태로 만들고, 이를 콘크리트와 혼합하여 나타나는 콘크리트의 제반 특성을 측정하였고, 이 과정에서 해면에 사용된 물은 혼합수로 계산하였다. 아래 표 1은 콘크리트 제조 배합비이다.

(단위:kg/To)

No.	셀룰로스 화이버	시멘트	혼합수	모래	자갈	계
1	0.0	134	48	366	452	1,000
2	0.5	134	48	365.5	452	1,000
3	1.2	134	48	364.8	452	1,000
4	2.0	134	48	364	452	1,000

표 1에 명시된 배합비로 콘크리트를 제조하여 제반 특성을 측정하였다.

시험예

본 발명의 실시예에서 압축강도는 KS F 2405(콘크리트 압축강도 시험 방법), 휨강도는 KS F 2408(콘크리트의 휨강도 시험 방법), 충격저항성은 ICC-ES AC217 Appendix B, 소성수축균열은 ICC-ES AC217 Annex A에 따라 각각 시험이 행해졌다.

1. 강도 특성

상기 표 1의 배합비에 따라 제조된 콘크리트에 대하여 아래 표 2에 나타낸 바와 같이 강도특성을 측정하였다.

No.	압축강도	휨강도
1	30.03MPa	4.52MPa
2	30.15MPa	4.58MPa
3	30.44MPa	4.65MPa
4	30.55MPa	4.70MPa

여기서 1MPa = 9.869233 atm = 10.19716 kg/㎠ = 7500.615 mmHg이다.

상기 표 2에 나타난 바와 같이 기준 콘크리트(No.1)과 셀룰로스화이버를 첨가한 No.2 ~ No. 4 배합비의 압축강도 및 휨강도는 셀룰로스화이버 첨가비율에 따라 약간 증가하나 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.

2. 충격저항성 및 소성수축균열 특성

No.	충격저항성 (증가비율)	소성수축균열 (감소비율)
1	(기준)	(기준)
2	28%	65%
3	47%	80%
4	56%	90%

상기 표 3에 나타난 바와 같이 표 1의 배합비에 따라 제조한 콘크리트의 충격저항성 및 소성수축균열 특성은 셀룰로스화이버의 사용비율이 높아짐에 따라 기준 대비 28 ~ 56% 까지 증가하였으며, 소성수축균열도 기준 콘크리트 대비 65 ~ 90% 까지 감소하여 소성수축 균열에 대한 저항성 및 충격하중에 대한 저항성이 증가하는 것으로 나타났다.

도 1은 본 발명에 따른 셀룰로스화이버가 콘크리트에 확산되어 있는 상태를 촬영한 사진.

도 2는 본 발명의 셀룰로스화이버의 SEM 사진

도 3은 본 발명의 셀룰로스화이버의 화학구조식.

Claims (4)

1. 길이 1.0 ~ 3.0mm, 직경 5 ~ 30㎛, 표면적이 10,000 ~ 40,000㎠/g이 되도록 커팅한 후 압착하여 중량 1g당 개수가 50,000 ~ 3,000,000개가 되도록 시트 형태로 제조된 셀룰로스화이버를 물과 100 ~ 500중량%로 혼합 교반하여 해면함으로써 슬러리 상태로 만드는 제1단계;

   제1단계에서 만들어진 슬러리 상태의 셀룰로스화이버를 콘크리트 총 중량 대비 0.02 ~ 0.2중량%로 혼합하는 제2단계; 및

   골재, 시멘트, 혼합수, 슬러리화된 셀룰로스화이버 순서로 믹서에 투입하여 셀룰로스화이버가 콘크리트 내에 분산되도록 15 ~ 120초 동안 혼합하는 제3단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 충격 저항성을 향상시킨 콘크리트 제조방법.
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