KR101127771B1

KR101127771B1 - 구조용 경량콘크리트의 제조 방법

Info

Publication number: KR101127771B1
Application number: KR1020090002700A
Authority: KR
Inventors: 이한승; 류화성; 유조형
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2012-03-23
Also published as: KR20100083357A

Abstract

본 발명은 고층 또는 초고층건축물의 슬래브, 도로교 상판, 터널 그라우팅용 등에 사용하는 구조용 경량콘크리트에 관한 것으로서;

시멘트와 물을 규정량으로 혼합한 페이스트에 용적비로 1?3％의 기포제와 1?3％ 혼화제를 첨가함은 물론 미량의 공기연행제 또는 기포안정제 또는 보강재 중 적어도 어느 하나를 첨가하고 기포화시킨 상태에서 혼합 믹싱한 후 상기 혼합물에 규정량의 잔골재와 굵은골재를 순차적으로 혼합하여;;

일반골재를 사용하면서도 기포제를 사용한 구조용 경량 콘크리트의 제조가 가능해지므로 구조용 경량 콘크리트의 제조에 따른 각종 비용이 절감될 뿐만 아니라 구조용 경량 콘크리트의 대중화가 가능해져 경량구조물의 실현에 따른 자재비를 포함한 각종 부대비용이 절감되게 한 것이다.

경량콘크리트, 시멘트, 기포제, 혼화제, 잔골재, 굵은골재

Description

구조용 경량콘크리트의 제조 방법{Method for manufacturing the structural strength lightweight concrete}

본 발명은 고층 또는 초고층건축물의 슬래브, 도로교 상판, 터널 그라우팅용 등에 사용하는 구조용 경량콘크리트에 관한 것으로서, 특히 경량골재를 대신하여 일반골재를 사용하면서도 경량화를 도모한 구조용 경량 콘크리트의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 경량 콘크리트는 건축구조물의 초고층화 및 대형화의 추세에 따따라 구조용 고강도-경량콘크리트를 적용하여 구조물의 자중을 줄임으로써 부재 단면을 축소하고 시공을 간소화하기 위한 콘크리트의 한 종류로서, 일반 콘크리트에 비해 적어도 다음과 같은 특징이 있다.

첫째, 경량콘크리트는 열전도율이 낮기 때문에 단열효과가 크고 냉난방식의 에너지가 절감되는 특징이 있다.

둘째, 경량콘크리트는 경량이므로 고정하중의 경감과 이에 따른 부재응력 절감이나 부재단면의 감소 및 하부구조의 간소화가 가능한 특징이 있다.

그리고, 구조용 경량 콘크리트는 비중이 낮은 다공질의 경량골재를 사용하여 제조하는 콘크리트의 한 종류로서, 기건 단위 용적중량이 2.0t/㎥이하 경량 콘크리트에 대하여 28일 압축강도가 21MPa 이상인 콘크리트를 의미하며, 열전도율이 낮아 단열효과가 크고 경량이어서 구조물의 자중을 줄인다.

또한, 경량골재의 종류는 그 용도에 따라 구조용과 비구조용으로 분류할 수 있으며, 특히 구조용으로는 진주암이나 팽창혈암 등을 가공한 인공경량골재 또는, 슬래그나 플라이애쉬 등의 부산물을 이용한 부산경량골재, 석탄재나 화산 자갈 등의 천연재를 이용한 천연경량골재 등이 있다.

한편, 구조용 경량콘크리트의 제조방법을 살펴보면, 보통콘크리트의 제조방법과 동일하나, 골재로서 보통골재와 달리 경량잔골재 또는 경량굵은골재를 단독 또는 병용사용하여 만들게 된다.

그런데, 구조용 경량콘크리트 제작에 사용되는 경량골재가 가지는 문제는 비용이 비싸고 국내에는 생산업체가 거의 남아있지 않아 수입에 의존하고 있는 실정이므로, 경제적인 방법으로 경량 콘크리트를 제작하기 위해서는 보통골재를 사용하면서도 기포제를 사용한 구조용 경량 콘크리트의 개발에 관한 연구가 필요한 실정이다.

더욱이, 국내에서는 경량골재를 사용한 구조용 경량 콘크리트의 수급이 어려우므로 경량콘크리트의 사용이 전무한 실정이며, 이에 의해 페이스트나 모르타르에 기포를 발생시켜 경량화한 비구조용 경량콘크리트가 방통 모르타르, 칸막이벽, ALC블록 등에 한정적으로 사용되고 있는 실정이다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 경량골재를 대신하여 일반골재를 사용하면서도 무수한 기포를 독립적으로 발생시켜 콘크리트의 경량화를 도모한 구조용 경량 콘크리트의 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은; 시멘트와 물을 규정량으로 혼합한 페이스트에 용적비로 1～3％의 기포제와 1～3％ 혼화제를 첨가함은 물론 미량의 공기연행제 또는 기포안정제 또는 보강재 중 적어도 어느 하나를 첨가하고 기포화시킨 상태에서 혼합 믹싱한 후 상기 혼합물에 규정량의 잔골재와 굵은골재를 순차적으로 혼합한 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 구조용 경량콘크리트의 제조 방법에 의하면; 일반골재에 의해서도 기포제를 사용한 구조용 경량 콘크리트의 제조가 가능해지므로 구조용 경량 콘크리트의 제조에 따른 각종 비용이 절감될 뿐만 아니라, 구조용 경량 콘크리트의 대중화가 가능하여 고층건축물의 구조에 따른 자재비를 포함한 각종 부대비용이 절감되는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 구조용 경량콘크리트의 제조공정을 도시한 개략도이며, 도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 구조용 경량콘크리트의 SEM 사진으로서; 본 발명의 제조방법은 시멘트와 물을 규정량으로 혼합한 페이스트에 용적비로 1～3％의 기포제와 1～3％ 혼화제를 첨가함은 물론 미량의 공기연행제 또는 기포안정제 또는 보강제 중 적어도 어느 하나를 첨가하고 기포화시킨 상태에서 혼합 믹싱한 후 상기 혼합물에 규정량의 잔골재와 굵은골재를 순차적으로 혼합한다.

먼저, 본 발명은 광물성기포제를 사용하여 비중의 변화에 대한 경량 콘크리트의 압축강도의 변화에 관한 것으로서 현재 사용되고 있는 경량 콘크리트의 배합비와 기포제사용 경량모르타르 실험을 고려하여 실험요소를 정하였으며 현장과 동일조건의 예비실험을 실시하여 제반 상황과 일치함을 확인하였다. 이러한 예비실험을 통하여 비중에 따라서 재령에 대한 물리적 특성을 연구하였다.

[표 1] 구조용 경량 콘크리트 배합표

NO	W/B (％)	S/a (％)	기포제 (％)	중량배합(㎏/㎥)						혼화제(％)	비고
				W	C	F/A	S/F	S	G
1	18.5	31.6	0.0	167	727	194	48	416	875	1.0 ～3.0
2			1.0
3			2.0
4			2.5
5			3.0

(비중 C:3.15, BS:2.91, S:2.59, G:2.6)

여기서, W(물), 결합제(B)=[C(시멘트), FA(플라이애쉬), SF(실라카흄)]

S(잔골재=모래), G(굵은골재=자갈), 혼화제(고성능 AE감수제)

이때, 표 1은 본 발명에 따른 구조용 경량 콘크리트의 배합표로서, 콘크리트 용적에 대하여 기포제는 0％, 1.0％, 2.0％, 2.5％, 3.0％의 수준으로 물결합재비(W/B)는 18.5％로 한 것이다.

그리고, 본 발명에 사용된 재료를 살펴보면 다음과 같다.

(1), 시멘트

표 2와 같은 물리적 특성을 갖는 KS L5201 규정에 적합한 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.

[표 2] 시멘트의 물리적 성질

구분	항목		단위	KS규격	시험결과
물 리 적 성 능	비중		㎏/㎥	-	3.15
	분말도		㎠/g	2800 이상	3542
	안정도		％	0.8 이하	0.12
	응결시간	초결	분	60 이상	284
	응결시간	종결	분	600이상	387
	압축강도	3일	kgf/㎠	130 이상	205
		7일		200 이상	302
		28일		290 이상	404
화학적 성능	강열감량		％	3.0 이하	1.62
	MgO		％	5.0 이하	2.08
	SO₃	C₃A 8％이하	％	3.0 이하	-
	SO₃	C₃A 8％이상	％	3.5 이하	2.33

(2). 기포제

기포제로서 단열성과 경량성과 방음성을 향상하기 위한 표 3과 같은 물리적 특성을 갖는 광물성 기포제를 사용하였으며, 기포제의 첨가율이 높으면 높을수록 콘크리트의 밀도가 감소하므로, 본 실시예에서는 경화전 콘크리트(Fresh concrete)의 밀도를 1.8로 유지하기 위한 기포제 첨가율은 2.5％로 유지함이 바람직함을 알 수 있었다.

[표 3] 기포제의 물리적 성능

기포제	비중	점도				PH	색상
기포제	비중	스핀들	토크값	rpm	CPS	PH	색상
광물성	1.03-1.04	1	95.2	140	68.4	6-7	연한갈색

(3). 혼화제

혼화제로는 AE제나 감수제나 지연제나 유동화제 등을 사용함이 바람직하지만, 본원 발명에서는 고성능 AE 감수제를 사용하였으며, 특히 혼화제의 첨가율이 높으면 높을수록 조기강도가 향상되지만 본 실시예에서는 대략 2.2％로 유지함이 바람직함을 알 수 있었다.

(4). 기타

기포제의 공기연행제로서 SLES(Sodium Lauryl Ester Sulfate)를 더 포함하여 기포를 50～500㎛ 크기로 형성함이 바람직하며, 특히 공기연행제로는 친수기가 음이온을 띠는 음이온계를 사용함이 바람직하다.

기포제의 기포안정제로서 CDEA(Coconut fatty Di- Ethanol Amide)나 NPE(Nonyl Phenol Ethoxylate)를 더 포함함이 바람직하며, 특히 기포안정제를 첨가하는 경우 친수기와 친수기의 사이에 양이온들 형성시켜 반발력 확보로 얇은 계면장력막을 안정화하는 기능을 한다.

콘크리트의 균열저감제로서 페이스트에 용적비로 0.6～1.0％의 셀룰로우스섬 유를 첨가하였다.

(5). 잔골재

잔골재로는 KSf 4009 규정에 적합한 세척사를 사용하였다.

(6). 굵은 골재

굵은 골재로는 KSf 4009 규정에 적합한 쇄석골재를 사용하였다.

(7). 물

물은 KSF 4009 규정에 따라 적합한 것을 사용하였다.

한편, 본 발명의 실험과정에서 봉형상의 몰드(직경10cm , 길이20cm)를 사용하였으며, 특히 몰드의 연마작업과 길이측정작업과 압축강도측정을 수행하였다. 또한 시험체는 기포제 첨가량에 따라 콘크리트 단위중량을 5종류로 구분하고, 재령 3일, 7일, 14일, 28일에서 압축강도시험을 실시하였으며, 총 105개의 시험편을 제작하였다. 배합과정에서 재료분리 현상의 유무를 확인하고 워커빌리티를 측정하였다.

본 발명에 의한 기포제를 사용한 구조용 경량 콘크리트 시험결과에 대하여 표 4에 나타내었다.

[표 4] 구조용 경량 콘크리트 시험 결과

한편, 비교도 1은 양생기간 28일에서 구조용 경량콘크리트의 밀도에 따른 압축강도의 관계를 나타낸 것이다. 밀도가 증가함에 따라 압축강도도 증가하는 현상으로 보아 밀도와 압축강도는 비례관계에 있으며, 특히 밀도가 감소하면 압축강도는 기포로 인하여 급격히 저하함을 알 수 있었다.

또한, 밀도가 2.0 이하로 떨어질 때 압축강도가 급격히 감소하는 경향이 있어 실험시 신중하게 실험을 진행하여야 한다. fresh 단위중량과 기건 밀도가 유사한 경향을 보여주고 있어, 향후 fresh 단위중량 값을 통하여 기건 밀도의 추정이 가능할 것으로 사료된다.

[비교도 1] 밀도에 따른 압축강도

비교도 2는 기포제 첨가량에 따른 밀도를 나타낸 것으로, 기포제 첨가율이 증가하면 밀도는 감소하는 것으로 나타났다. 기포제량이 0%인 것은 표건 밀도와 절건 밀도의 차가 거의 없어 내부 공극이 거의 없고, 기포제량을 3% 첨가한 부분은 표건 밀도와 절건 밀도의 차이가 큰 것으로 내부공극이 많은 부분으로 볼 수 있다. 또한, 전체적으로 기포제량의 첨가율이 높으면 높을수록 밀도가 감소하는 것을 알 수 있으며, Fresh 단위중량과 표건밀도의 차가 커지는 것을 알 수 있었다.

[비교도 2] 기포제량에 따른 밀도

비교도 3은 기건 밀도에 따른 압축강도 시험결과를 나타낸 것으로, 기건 밀도가 증가함에 따라 압축강도 또한 증가하는 현상으로 보아 밀도와 압축강도는 매우 밀접한 상관관계가 있는 것으로 보인다. 양생기간 28일 강도에서 기건 밀도가 1.821/㎥인 경우 압축강도는 약 39.4MPa로 나타났고, 베이스 콘크리트의 기건 밀도 2.461/㎥일 경우의 압축강도 92MPa 보다 매우 낮게 나타났으나, 베이스 콘크리트의 강도가 확보됨에 따라 안정적인 구조용 경량 콘크리트를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

[비교도 3] 기건 밀도와 압축강도 관계

비교도 4는 양생기간에 따른 압축강도를 변수별로 나타내었다. 양생기간이 증가할수록 압축강도는 「일에서 압축강도의 80% 이상이 발현되어 급격히 증가하나, 「일 이후에는 크게 증가하지 않는 것으로 나타났다. 또한, 28일 강도에서 밀도 1.831/㎥일 때 압축강도가 39.4MPa로 나타나는 것으로 보아 구조용 경량콘크리트의 제조가 가능하다고 판단된다.

[비교도 4] 양생기간에 따른 압축강도

비교도 5는 흡수율에 따른 압축강도를 나타냈었다. 콘크리트에서 공기량이 증가할수록 압축강도는 작아지는데, 흡수율이 크면 내부 공기량이 많아져서 압축강도가 낮아지는 것을 알 수 있으며, 기포제량이 증가함에 따라 흡수율도 증가하고, 흡수율이 증가함에 따라 압축강도가 줄어드는 선형적인 현상을 보이고 있는 것으로 보아 상관관계가 높다고 사료된다. 흡수율은 공기량 추정에 중요한 요인으로, 흡수율이 2～6％ 사이에서 크게 변하는 것을 알 수 있다. 또한 양생기간 28일에서 구조용으로 사용되는 경량콘크리트의 흡수율을 10％이하로 할 때 압축강도를 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

[비교도 5] 흡수율과 압축강도 관계

비교도 6은 응력-변형율 곡선을 나타낸 것으로서, 전체적으로 비중이 높고 고강도인 경우 탄성계수가 높은 것을 알 수 있으며, 기포제 혼입에 의해 비중이 작은 경우에도 동일 강도인 경우에 있어서는 보통중량의 강도와 탄성계수를 가지는 것을 확인할 수 있어, 기포제를 혼입하여 경량화시킨 구조용 경량콘크리트의 경우도 압축강도에 따른 탄성계수는 보통 중량 콘크리트와 유사함을 알 수 있었다.

[비교도 6] 응력-변형율 곡선

비교도 7은 기포제 혼입 구조용 경량 콘크리트의 압축강도와 탄성계수 관계를 나타낸 것으로, 보통 중량 강도와 비교한 경우 기포제 사용 구조용 경량 콘크리트가 유사한 탄성계수를 가진 보통 중량 콘크리트보다 압축강도가 높은 것을 알 수 있어서, 기포제에 의해 경량화를 도모해도 탄성계수는 크게 저하하지 않는 것을 알 수 있었다.

[비교도 7] 압축강도와 탄성계수 관계

도 2는 기포제의 첨가에 따른 콘크리트 경화체의 세공측정에 의한 조직특성을 평가하고 SEM에 의한 분석 관찰을 통해 일반콘크리트와 구조용 경량콘크리트의 시멘트 주요 수화생성물 및 조직구조와 결정의 종류, 공극상태를 관찰하여 측정, 확대한 모습이다.

각 변수별로 사진을 관찰하여 보면 기포제량이 0％인 경우 저배율(50배)과 고배율(1000배) 모두에서 매우 치밀한 조직 구조를 형성하고 있음을 알 수 있고, 기포제량이 3％인 경우에 저배율(50배)에서 기포공극이 존재함과 고배율(1000배)에서 미세한 균열이 관찰되었으나, 대체로 양호한 조직구조를 형성한 것으로 판단된다. 또한 전체적으로 기포제량이 증가함에 따라 기포공극의 양이 증가함을 알 수 있었다.

기포 공극의 존재로 인하여 생길 수 있는 미세균열이 없는 것으로 보아 구조용 경량콘크리트도 일반콘크리트와 마찬가지로 정상적인 시멘트 수화물에 의한 경화가 잘되어 구조용으로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

기포제를 첨가한 경량콘크리트가 비교대상인 21MPa 보다 기포 공극의 양은 많지만 수화물의 결합상태가 양호하여 조직구조가 치밀하기 때문에 압축강도가 높게 나타났고, 이러한 결과로 미루어 보아 기포제를 첨가한 경량콘크리트가 충분히 구조용으로 사용될 수 있음을 알 수 있었다.

따라서, 비교도 1에서 밀도가 증가함에 따라 압축강도도 증가하는 현상으로 보아 매우 밀접한 상관관계가 있는 것으로 보이고 기포제량이 증가함에 따라 밀도가 감소하는 현상을 볼 수 있다. 기포제량이 많은 곳은 공극이 많은 부분으로 표건 비중과 절건 비중의 차이가 큰 것을 볼 수 있다.

비교도 4에서는 재령(일)에 따른 압축강도를 비중별로 나타내었다. 밀도 1.831/㎥에서 21MPa 이상으로 나타나는 것으로 보아 구조용 경량콘크리트로 제조가 가능하다고 사료된다. 비교도 5는 흡수율이 증가함에 따라 압축강도가 줄어드는 선형적인 현상을 보이고 있는 것으로 보아 상관관계가 높다고 생각된다.

따라서, 본 발명에 의하면, 기포제의 첨가율이 높으면 높을수록 콘크리트의 밀도가 감소하였으며, 경화전 콘크리트의 밀도를 1.8로 하기 위한 기포제 첨가율은 2.5％로 유지하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.

한편, 상기한 제조방법에 의하여 제조된 콘크리트 혼합물을 건조하여 슬라브 등의 구조물로 형성할 수 있음은 당연하다.

도 1은 본 발명에 따른 구조용 경량콘크리트의 제조공정을 도시한 개략도

도 2a 내지 2c는 본 발명에 따른 구조용 경량콘크리트의 SEM 사진

Claims

시멘트와 물을 규정량으로 혼합한 페이스트에 용적비로 1～3％의 기포제와 1～3％ 혼화제를 첨가함은 물론 미량의 공기연행제 또는 기포안정제 또는 보강재 중 적어도 어느 하나를 첨가하고 기포화시킨 상태에서 혼합 믹싱한 후 상기 혼합물에 규정량의 잔골재와 굵은골재를 순차적으로 혼합하며,

상기 기포제는,

하기와 같은 물리적 특성을 갖는 광물성 기포제인 것을 특징으로 하는 구조용 경량 콘크리트의 제조방법.

[하기]

기포제
비중
점도 PH
색상
스핀들 토크값 rpm CPS 광물성 1.03-1.04 1 95.2 140 68.4 6-7 연한갈색
삭제
제 1항에 있어서, 상기 혼화제는,

고성능 AE 감수제인 것을 특징으로 하는 구조용 경량 콘크리트의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 기포제는,

상기 경량 콘크리트가 경화 전 콘크리트인 경우 용적비로 2.5％ 첨가한 것을 특징으로 하는 구조용 경량 콘크리트의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 공기연행제는,

SLES(Sodium Lauryl Ester Sulfate)인 것을 특징으로 하는 구조용 경량 콘크리트의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 기포안정제는,

CDEA(Coconut fatty Di-Ethanol Amide) 또는 NPE(Nonyl Phenol Ethoxylate) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 구조용 경량 콘크리트의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 보강제는,

셀룰로스섬유인 것을 특징으로 하는 구조용 경량 콘크리트의 제조 방법.
삭제