KR101146373B1 - 고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물 및 콘크리트 조성물 - Google Patents

고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물 및 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고성능 원심 성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 세라믹 애자류 관리 시 외관 및 강도 저하에 의해 분리교체된 제품을 미분말로 분쇄 가공한 폐애자 분말, 무수석고 분말 및 소량의 소석회와 같은 알칼리 자극제를 특정 비율로 혼합한 원심성형 콘크리트 혼화재 조성물에 관한 것이다. 또한, 상기 혼화재 조성물을 시멘트 콘크리트 배합 시 시멘트 대비 10~40 중량% 첨가함으로써 일반 시멘트 사용시보다 내공경내 페이스트의 분리현상을 저감하여 작업성과 성형성이 우수하고 초기 강도가 우수할 뿐만 아니라 폐애자 분말의 우수한 내산성 및 수밀성 증대에 따른 내구성이 증대되며 불량품으로 분리된 제품을 활용하기 때문에 비용절감의 효과가 크다.
폐애자 분말, 시멘트, 혼화재, 알칼리 자극제, 압축강도

Description

고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물 및 콘크리트 조성물{High-strenght centrifugal concrete powder mineral admixture composition}
본 발명은 고강도 원심성형 콘크리트 분말 혼화재 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전신주 및 전기산업에서 발생되는 세라믹 폐애자의 노후화, 외관 파손 및 강도 저하에 의해 분리된 제품을 미분말로 분쇄 가공한 폐애자 분말, 무수석고 분말 및 알칼리 자극를 특정 비율로 혼합한 콘크리트 혼화재 조성물에 관한 것이다. 폐애자의 반응성을 유도하기 위해서 습도 100%, 75~95℃의 조건범위를 갖는 고온의 온도조건하에서 무수석고 및 기타의 자극제 첨가에 따른 활성화 조건을 갖는다.
우리나라에서 발생되는 전신주 및 전기산업에서 발생되는 세라믹 폐애자의 발생은 그 수가 적으나 장시간 고온에서 성형되어 높은 안정성을 갖는 것으로 알려져 재활용처에 수급에 어려움이 있다.
한편, 최근에 저탄소 성장과 유가 급등의 이유로 인하여 시멘트를 사용하는 중소기업형태의 2차제품 제조업체에서는 어려움을 안고 있으며, 건설 산업의 대규모화로 인하여 콘크리트는 기능성 및 고성능 발현이 필수 요건이 되고 있다. 이에 따라 각종 혼화재 수급이 필수적이고 이에 따른 혼화재 수급에 대한 경쟁과 비용 상승의 문제점이 있다.
고강도 원심성형 콘크리트는 일반적인 콘크리트보다 성형에 대한 제품 완성도를 높게 요구한다. 고강도 원심성형 콘크리트는 고속회전에 의한 콘크리트의 다짐 및 내부의 점성과 유동에 의한 견고한 다짐성능을 갖게 된다. 이때, 바인더와 콘크리트의 점성확보가 미흡할 경우 내공경내에 불량한 표면구조를 나타내거나 성형 불량으로 인한 불량품이 발생한다.
하지만 고로슬래그나 플라이애시등의 기존 혼화재는 고강도 원심성형 콘크리트에서는 제품의 성형성의 이유로 인한 문제점이 발생되어 사용에 있어 제한을 받게되는 어려움이 존재하며, 최근 이들 혼화재료에 대한 사용량 증가로 수급에 어려움이 있다.
이에, 본 발명자들은 이러한 고가의 혼화재 사용을 최소화하고, 고강도 원심성형을 위해서 전신주 및 전기산업에서 발생되는 세라믹 폐애자를 미분쇄하여 기타 분말과 함께 재활용하면 제조비 절감 효과가 크고, 특히 시멘트 콘크리트용 혼화재는 에트린 자이트 생성에 의해 시멘트 경화체의 공극이 충진되고 이에 따라 강도가 우수해지는데 폐애자 분말을 이용할 경우 더욱 시멘트 경화체가 수밀해지기 때문에 강도 발현 효과가 우수해 짐을 알게 되었다. 또한 폐애자 분말은 표면의 미세공극으로 인해 성형시 바인더를 안정시키는 역할을 함으로 원심성형 콘크리트 제품의 성형성은 우수해지고, 내공경내의 슬러지는 감소하고, 내산성 향상, 블리딩 감소, 워커빌리티 및 강도 개선을 통한 수밀성 등의 내구성능이 개선되어 콘크리트의 고성능화가 가능함을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전신주 및 전기산업에서 발생되는 세라믹 폐애자의 분쇄 및 분말화 가공을 통해 원심성형 콘크리트용 혼화재로 재활용함으로써 콘크리트의 제조 원가를 절감하고 제품성형의 안정성과 고기능성 및 고성능을 발휘하는 콘크리트용 분말 혼화재를 제공하는데 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 무수석고분말 및 알칼리자극제에 폐애자 분말이 전체 고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물에 대해 50~64중량% 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물을 제공한다.
특히, 상기 폐애자 분말은 분말도가 4000~6000㎠/g이고, 상기 무수석고 분말은 분말도가 4000~6000㎠/g이고, 전체 고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물에 대해 35~48중량% 포함되어 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 알칼리자극제는 전체 고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물에 대해 1~3중량% 포함되어 이루어지는 것이 좋다.
아울러, 본 발명은, 상기 콘크리트 혼화재 조성물 10~40중량%를 시멘트에 치환하여 사용하는 콘크리트 조성물을 제공한다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 전신주 애자의 노후화, 외관 파손 및 강도 저하에 의해 분리된 제품을 미분말로 분쇄 가공한 폐애자 분말, 무수석고 분말 및 소석회, 수산화나트륨의 알칼리자극제를 특정 비율로 혼합한 고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물 및 상기 콘크리트 혼화재 조성물 10~40 중량%를 시멘트에 치환하여 사용하는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
상기 폐애자 분말은 전신주 애자 등의 노후화, 외관 파손 및 강도 저하에 의해 분리된 폐애자를 4000~6000 ㎠/g의 분말도로 갖도록 가공된 것으로서, 미세공극 충진을 통한 장기강도 증진 및 원가절감을 위하여 콘크리트용 분말 혼화제 조성물에 사용된다. 상기 폐애자 분말은 전체 원심성형 콘크리트용 분말 혼화재에 대하여 50~64 중량%를 사용하는 것이 바람직하다.
만일 50 중량% 미만을 사용할 경우에는 미세공극 충진 효과에 문제가 있고, 64 중량% 초과로 사용할 경우 미세공극 충진효과는 우수하나 초기 강도 발현 등이 저하되는 문제가 있다.
폐애자 분말의 비표면적은 4000~6000 ㎠/g이 적당하며 만일 4,000 ㎠/g 미만 일 경우 미세공극 충진 효과가 부족하고 6,000 ㎠/g 초과일 경우 미세공극 충진 효과는 크게 증진되나 유동성이 크게 저하하고 성형성 또한 저하된다.
또한, 본 발명에서는 초기 강도 발현을 위하여 천연무수석고 분말을 건조기에서 건조 처리한 후에 분쇄 및 분말화된 무수석고 분말을 전체 원심성형 콘크리트용 분말 혼화재에 대하여 35~48 중량%를 사용하는 것이 바람직하다. 만일 35 중량% 미만을 사용할 경우에는 에트링가이트를 초기에 다량 생성하지 못하여 초기 강도 발현에 문제가 있고, 48 중량%를 초과하면 에트링가이트의 과다 생성에 의한 콘크리트 팽창 균열이 발생할 문제가 생기게 되고 시멘트와 반응하지 못한 여분의 석고가 수화생성물 사이에 응집상태로 존재하면서 이들의 결합력을 약화시키기 때문에 오히려 강도가 저하된다. 무수석고 분말의 비표면적은 4000~6000 ㎠/g이 적당하며 만일 4,000㎠/g 미만일 경우 초기 강도 증진이 미약하며 6,000 ㎠/g 초과일 경우 분쇄비용의 증가로 경제성이 부족하다.
그리고 알칼리자극제는 조기 강도확보를 얻기 위한 것으로서, 소석회, 수산화나트륨이 사용된다. 알칼리자극제는 전체 원심성형 콘크리트용 분말 혼화재에 대하여 1~3중량%를 사용하는 것이 바람직하고, 1중량% 미만으로 사용할 경우 소정의 조기 강도확보를 얻지 못하고, 3중량%를 초과하는 경우 콘크리트 제품의 강도저하와 높은 가격으로 인하여 경제성 또한 부족하다.
상기에서 설명한 콘크리트용 분말 혼화재 조성물은 상기의 재료들을 고성능 혼합 믹서로 혼합하여 균질화시킨 혼화재이다. 이러한 혼화재를 콘크리트에 혼합할 경우 유동성이 개선되는데 그 이유는 폐애자 분말은 소성시 표면에 다수에 기공을 가지고 있음에도 불구하고 고로슬래그 미분말과 같이 표면이 매끈한 파면상이고 시멘트 입자의 응집을 억제하는 역할을 해주기 때문에 콘크리트 제조시 초기에 유동성을 증가시키는 역할을 한다. 따라서 초기에는 유동성이 증진되다가 매끈한 표면에 다수의 기공이 서서히 콘크리트 내부의 잉여수를 점점 흡수해 주면서 콘크리트의 블링딩 현상 또한 크게 저감시킬 수 있다.
또한 상기 혼화재를 콘크리트에 사용할 경우 강도가 크게 증가하는데 그 이유는 폐애자 분말이 콘크리트의 미세공극을 충진하고 무수석고의 반응에 의해 에트링가이트를 다량 생성하여 콘크리트 조직을 더욱 더 치밀하게 하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 혼화재를 콘크리트에 사용할 경우 내구성 또한 크게 증가하는데 그 이유는 폐애자 분말이 SiO2 성분이 높아 그 자체가 내산성이 매우 우수한 성질을 가지고 있으며 시멘트와 무수석고의 반응에 의한 에트링가이트의 다량 생성으로 조직이 치밀해지고 시멘트의 수화과정에서 생성된 수산화칼슘이 반응하여 소모됨으로써 내산성이 크게 증가한다. 또한 폐애자 분말과 무수석고 수화물이 콘크리트의 미세공극을 충진함으로써 투수?투기성도 개선되어 외부로부터 유해 이온의 침투를 억제함으로써 내구성이 증진된다.
또한 매스콘크리트에 시멘트 대체재로 상기 혼화재를 사용할 경우 수화열을 크게 감소시켜 경화 초기에 크랙을 방지할 수 있다.
상기 분말혼화재, 시멘트, 물, 굵은 골재, 잔골재 및 혼화제를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 분말 혼화재로 본 발명의 콘크리트용 분말 혼화재 조성물을 전체 콘크리트 조성에 대하여 10~40 중량%를 함유하여 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 조성을 가지는 콘크리트용 분말 혼화재 조성물은 시멘트 콘크리트의 작업성을 향상시키고 장기적으로 강도와 내구성능을 향상시키며 전신주등의 폐애자를 수집하여 재활용하기 때문에 환경부화를 저감시키고 제조원가를 절감할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 콘크리트 혼화재 조성물은 폐애자 미분말을 분쇄 가공하여 기타 혼화재인 무수석고 분말, 알칼리자극제와 같이 혼합하여 사용함으로써, 제조 원가를 절감하고 제품성형의 안정성과 고기능성 및 고성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 조성물을 시멘트 콘크리트 배합 시 시멘트 대비 10~40 중량% 첨가함으로써 일반 시멘트 사용 시보다 작업성 및 성형성이 우수하다. 특히, 초기 강도가 우수할 뿐만 아니라 수밀성 증대에 따른 내구성도 향상됨은 물론 재활용 제품을 활용하기 때문에 제조비용의 절감 효과가 크다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권 리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
분말 혼화재는 총 결합재 중량에 대하여 내할 15%로 구성되며, 폐애자 분말은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 60%인 49.5 kg/m3, 무수석고 분말은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 37%인 30.525 kg/m3, 소석회는 총 분말 혼화재 중량에 대하여 3%인 2.475 kg/m3이 사용되었다. 이때 상기 폐애자 분말의 분말도는 4,500㎠/g이었고, 상기 무수석고 분말의 분말도는 6,000㎠/g이었다.
상기와 같이 준비된 분말 혼화재와 보통포틀랜드 시멘트는 467.5 kg/m3을 믹서에 투입하여 건비빔을 실시한 후 25 mm 굵은 골재 1100 kg/m3, 잔골재 591 kg/m3, 투입물량 145 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.0 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
[실시예 2]
분말 혼화재는 총 결합재 중량에 대하여 내할 20%로 구성되며, 폐애자 분말은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 50%인 39.03 kg/m3, 무수석고 분말은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 48%인 37.476 kg/m3, 수산화나트륨은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 2%인 1.5615 kg/m3이 사용되었다. 이때 상기 폐애자 분말의 분말도는 6,000㎠ /g이었고, 상기 무수석고 분말의 분말도는 4,000㎠/g이었다.
상기와 같이 준비된 분말 혼화재와 보통포틀랜드 시멘트는 432 kg/m3을 믹서에 투입하여 건비빔을 실시한 후 25 mm 굵은 골재 1095 kg/m3, 잔골재 584 kg/m3, 투입물량 140 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.5 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
[비교예 1]
보통포틀랜드 시멘트는 550 kg/m3, 25 mm 굵은 골재 1100 kg/m3, 잔골재 591 kg/m3, 투입물량 145 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.0 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
[비교예 2]
보통포틀랜드 시멘트는 545 kg/m3, 소석회 5kg/m3, 25 mm 굵은 골재 1095 kg/m3, 잔골재 584 kg/m3, 투입물량 140 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.5 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
[비교예 3]
분말 혼화재는 총 결합재 중량에 대하여 내할 13%로 구성되며, 무수석고 분 말 48.2 kg/m3사용하였다. 분말 혼화재와 보통포틀랜드 시멘트는 465 kg/m3을 믹서에 투입하여 건비빔을 실시한 후 25 mm 굵은 골재 1095 kg/m3, 잔골재 584 kg/m3, 투입물량 140 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.5 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
[비교예 4]
분말 혼화재는 총 결합재 중량에 대하여 내할 13%로 구성되며, 무수석고 분말은 총 분말 혼화재 중량부에 대하여 57%인 48.2 kg/m3 , 폐애자 분말은 총 분말혼화재 중량에 대하여 43%인 32.4 kg/m3, 수산화나트륨은 5kg/m3사용되었다. 상기와 같이 준비된 분말 혼화재와 보통포틀랜드 시멘트는 465 kg/m3을 믹서에 투입하여 건비빔을 실시한 후 25 mm 굵은 골재 1095 kg/m3, 잔골재 584 kg/m3, 투입물량 140 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.5 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
[비교예 5]
분말 혼화재는 총 결합재 중량에 대하여 내할 20%로 구성되며, 폐애자 분말은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 60%인 64.8 kg/m3, 무수석고 분말은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 40%인 432.6 kg/m3이 사용되었다. 상기와 같이 준비된 분말 혼화 재와 보통포틀랜드 시멘트는 432 kg/m3, 25 mm 굵은 골재 1095 kg/m3, 잔골재 584 kg/m3, 투입물량 140 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.5 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
상기 실시예 1~2의 조성과 비교예 1~5의 조성을 표 1로 나타냈다.
[표 1] 콘크리트 혼화재 조성물의 조성 및 콘크리트 조성


구분		 단위용적중량(㎏／㎥)
결합재
사용수
잔골재
굵은골재
혼화제
콘크리트 혼화재 조성물
시멘트
폐애자
분말		 무수석고
분말		 소석회 NaOH
실시예1 49.5 30.525 2.475 - 467.5 145 591 1100 5.0
실시예2 32.4 43.2 - 2.475 432 140 584 1095 5.5
비교예1 - - - - 550 145 591 1100 5.0
비교예2 - - 5 - 540 140 584 1095 5.5
비교예3 - 48.2 - - 465 140 584 1095 5.5
비교예4 32.4 48.2 - 5 465 140 584 1095 5.5
비교예5 64.8 48.2 - - 465 140 584 1095 5.5
[시험예 1] 내구성 확인
상기 실시예 1~2 및 비교예 1~5에 대한 압축강도를 시험하여 내구성을 확인하였고, 그 결과는 표 2로 나타냈고, 공시체 제작 및 양생방법과 강도시험방법은 다음과 같다.
콘크리트 비빔은 각 조성재료가 균질하게 섞이도록 팬타입 강제식 믹서를 사용하여 약 5분간 실시하고 KS F 2454원심력으로 다져진 콘크리트 압축강도 시험방 법에 따라 공시체를 제작하여 증기양생을 실시한 후 300 Ton 용량의 압축강도 시험기를 이용하여 강도시험을 실시하였다. 이때, 증기양생은 가열시 온도 상승 속도는 20 ℃ 정도로 하고 최고온도가 75~95 ℃ 정도에서 8시간 정도 양생을 실시한 후 서서히 온도를 내려 1일 경과 후에 탈형을 실시하였다.
[표 2] 고강도 콘크리트 압축강도 비교
구분
 압축강도(kgf/cm2)
재령 1일 재령 7일 재령 28일
실시예 1 720 835 912
실시예 2 711 820 898
비교예 1 620 750 800
비교예 2 610 750 790
비교예 3 660 775 830
비교예 4 675 787 825
비교예 5 690 793 842
표 2와 같이 실시예 1 및 2는 재령 7일에서 800 kg/cm2이상의 고강도의 발현을 확인할 수 있었고, 비교예 1과 2는 재령 28일 경과 후에야 800 kg/cm2에 근접한 강도를 발현하였다. 또한, 비교예 3은 무수석고만을 사용한 것으로 재령 1일에서 660g/cm2로 강도가 다소 미흡하였으며, 비교예 4의 경우 수산화나트륨을 혼합대비 5중량%을 혼입할 경우 압축강도의 증진이 저하되었다.또한 비교예 5는 알칼리자극제의 사용없이 폐애자와 무수석고분말만을 사용한 것으로 실시예를 제외한 것보다 높으나 강도증진율과 압축강도는 다소 떨어지는 상태를 보였다.
[시험예 2] 작업성 및 성형성 증대 효과
원심력으로 제조되는 콘크리트의 작업성 및 성형성을 확인하기 위하여, 상기 표 1과 같은 순번으로 배합하고 KS F 2454 원심력으로 다져진 콘크리트 압축강도 시험방법에 따라 공시체를 제작한 후, 내면의 슬러지를 딸아 내어 그 무게를 측정하는 방법으로 원심력에 의해 탈수되어지는 슬러지 양을 측정하였고, 그 결과는 표 3으로 나타냈다.
[표 3] 슬러지 탈수량 및 슬러지내 함수율
구분 슬러지 탈수량
(g)		 슬러지내 함수율
(%)
실시예 1 130 89
실시예 2 145 71
비교예 1 157 38
비교예 2 128 41.3
비교예 3 251 42.1
비교예 4 155 73.4
비교예 5 121 92
원심력으로 제조되는 콘크리트 PHC파일 및 흄관은 콘크리트 조직의 치밀성을 기하기 위하여 최대 40G 정도의 높은 원심력으로 성형하게 되며 이에 따라 파일단면을 관찰하면 골재와 시멘트페이스트가 매우 치밀하게 구성되나, 조성물 간의 비중 차이에 의한 재료 분리현상이 불가피하다. 또한, 이러한 현상에 따라 파일내면에 잔여 시멘트페이스트와 물이 탈수되어 잔류하게 되어 내면에 물결현상 또는 반달모양의 층을 형성하게 되어 클레임을 유발시키는 문제점을 안고 있다. 이에 파일의 성형성은 매우 중요하며 동일 물량에서 많은 슬러지를 배출하지 않는 재료의 선택이 중요하다.
표 3의 경우 탈수된 슬러지양을 비교한 것으로 폐애자 분말이 내면 슬러지 배출과 페이스트의 내공경내 분리를 감소하는 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있 었다.

Claims (5)

  1. 무수석고분말 및 알칼리자극제에 폐애자 분말이 혼합되어 이루어지고,
    상기 폐애자 분말은 분말도가 4000~6000㎠/g이고, 전체 고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물에 대해 50~64중량% 혼합되어 이루어지고,
    상기 무수석고 분말은 분말도가 4000~6000㎠/g이고, 전체 고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물에 대해 35~48중량% 포함되어 이루어지며,
    상기 알칼리자극제는 전체 고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물에 대해 1~3중량% 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물.
  2. 제1항의 고성능 원심성형 콘크리트 분말 혼합재 조성물 10~40 중량%를 시멘트에 치환하여 사용하는 콘크리트 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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