KR101223888B1 - 활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고로슬래그 미분말에 탈황슬래그를 특정 비율로 첨가하여 활성도 및 초기 강도를 기존에 비해 크게 향상시킴으로써 시멘트 대체 물질로 고로슬래그를 대량 활용할 수 있다.

Description

활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물{Blast furnace slag powder composition improved activity}

본 발명은 콘크리트의 초기 강도를 향상시킬 수 있는 고로슬래그 미분말 조성물 및 슬래그 시멘트 조성물에 관한 것이다.

고로슬래그 미분말이란, 용광로(고로)에서 선철과 동시에 생성하는 용융고로슬래그를 물에서 급랭해서, 얻어진 이상의 고로수쇄슬래그를 건조하여, 미분쇄하고, 목적에 따라 석고를 첨가하여 경우도 있다.

고로슬래그 미분말은 잠재수경성이 있어서, 그것 자체로 경화하는 성질은 미약하지만 알칼리 자극에 의해 경화된다. 포틀랜드 시멘트와 혼합한 경우, 수산화칼슘과 황산염의 작용에 의해 경화가 촉진되고, 포틀랜드 시멘트만으로 얻을 수 없는 다음의 우수한 콘크리트의 특성을 얻을 수 있다.

a. 수화발열속도의 저감 및 콘크리트의 온도상승 억제 효과가 있다.

b. 장기 강도가 향상된다.

c. 수밀성이 향상된다.

d. 염화물 이온 침투 억제 효과에 의한 철근의 발생(녹) 억제 효과가 있다.

e. 황산염 등에 대한 화학저항성이 향상된다.

f. 알칼리실리카 반응의 억제 효과가 있다.

g. 블리딩이 적고, 유동성이 뛰어나다.

h. 고강도의 콘크리트를 얻을 수도 있다.

이와 같은 특성을 가지는 고로슬래그 미분말을 혼화재로서 사용한 경우에, 즉, 사용자가 고로슬래그 미분말의 분말도 및 포틀랜드 시멘트의 혼합비율(이하, 치환율이라 칭함)을 자유로이 선택하는 경우, 목적에 맞는 콘크리트의 특성을 얻을 수 있다.

도 1에는 종래 기술에 따른 고로슬래그 미분말의 제조방법이 도시되어 있다.

종래의 제조공정은 고온용융 상태의 고로슬래그에 가압수를 분사하여 급냉하여 제조된다. 고로수쇄슬래그는 수분을 함유하고 있기 때문에, 종래는 전 공정으로 수쇄슬래그를 건조한 후, 볼밀로 분쇄하여 고로슬래그 미분말을 제조하였지만, 최근에는 열풍발생기 장비인 롤러밀이 주류가 되고 있고, 건조와 분쇄는 동시에 행해진다. 또한, 목적에 맞게 석고를 첨가하는 설비를 보유하고 있다.

여기서는, 고로슬래그 미분말의 분말도는 2,750 ㎠/g 이상의 제품을 대상으로 하고 있지만, 실제 제조되는 것은 4000 ~ 8000 ㎠/g 정도 제품이 많다. 고로수쇄슬래그의 피분쇄성의 성분, 제조시의 냉각조건 등에 따라 편차가 있지만, 분말도가 커질수록 분쇄는 많은 에너지를 필요로 한다.

그러나, 상기에서 전술한 바와 같이, 고로슬래그 미분말은 잠재수경성이 있어서, 그것 자체로 경화하는 성질과 미약하고, 포틀랜드 시멘트와 혼합한 경우 시멘트의 수화생성물인 수산화칼슘 및 황산염이 생성된 이후에, 이것에 의해 고로슬래그 미분말이 경화하는 특징이 있다.

이로 인해, 고로슬래그 미분말의 반응은 2차적으로 시작되며, 이러한 이유로 시멘트와 고로슬래그 미분말 혼합 활용 시, 초기 활성도가 약화되어, 초기의 압축강도가 저하되는 현상이 나타나다.

이러한 현상에 의해 건설현장에서는 거푸집 탈형시기 지연, 초기 강도 품질 저하 등의 문제가 발생할 수 있어 시멘트 100 중량% 대비 고로슬래그 미분말의 함유량을 20 내지 25 중량%로 활용하고 있다.

고로슬래그는 철강산업의 부산물로 발생하고 있고, 기존의 경우 즉, 시멘트 100 중량% 대비 고로슬래그 미분말의 함유량을 20 내지 25 중량%로 활용하는 경우에 비하여 보다 대량으로 활용하게 된다면, 부산물의 고부가 활용과 더불어, 시멘트 대체 효과가 있으므로, 시멘트 생산시 1톤당 0.85톤 가량 발생하는 CO₂ 발생량도 대폭적으로 감소시킬 수 있다.

따라서, 고로슬래그 미분말의 활성도를 향상시켜 고로슬래그 미분말을 활용한 콘크리트의 초기 압축강도를 향상시킬 필요가 있다.

본 발명은 활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 고로슬래그 미분말 조성물과 시멘트를 포함하는 슬래그 시멘트 조성물을 제공하는데 다른 목적이 있다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고로슬래그 미분말 70 내지 99.9 중량부 및 탈황슬래그 0.1 내지 30 중량부를 포함하는 활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물에 관한 것이다.

본 발명에서 고로슬래그 미분말은 경화 반응하기 위해서는 최소한 시멘트 분말도 수준 이상이 되어야 하기 때문에 분말도가 2,700 내지 10,000 cm²/g 인 것이 바람직하며 3,000 내지 8,000 cm²/g인 것이 보다 바람직하다. 즉, 분말도 2,700 cm²/g 수준 이상일 경우에는 경화반응을 일으키기 용이해 지며, 분말도 수준이 10,000 cm²/g 초과하면 반응속도가 지나치게 빨라져서 급결하므로 시공성이 매우 떨어지게 되어 실제적으로 시공이 불가능하게 된다.

또한, 상기 고로슬래그는 20 내지 40 중량%의 SiO₂, 20 내지 40 중량%의 Al₂O₃, 0 내지 2 중량%의 Fe₂O₃, 20 내지 40 중량%의 CaO, 5 내지 17 중량%의 MgO, 0 내지 5 중량%의 MnO 및 0 내지 2 중량%의 SO₃를 포함한다.

본 발명에서 상기 고로슬래그 미분말은 전체 고로슬래그 미분말 조성물 100 중량부에 대하여 70 내지 99.9 중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 70 내지 99 중량부가 보다 바람직하며, 75 내지 95 중량부가 더욱 바람직하다. 만일 70 중량부 미만 사용하면 급속한 경화로 인해 유도성 저하 문제가 있고, 99.9 중량부를 초과하면 초기 경화가 늦어져 경화시간이 과도하게 소요되는 문제가 있다.

본 발명에서, 탈황슬래그는 제강공정 중 쇳물에 포함된 불순물 중 황(S)을 제거하는 용선예비처리 단계에서 발생하는 부산물로서, 40 내지 70 중량%의 CaO, 10 내지 30 중량%의 SiO₂, 5 내지 20 중량%의 Al₂O₃, 1 내지 15 중량%의 MgO, 0.5 내지 30 중량%의 T-Fe 및 0.1 내지 40 중량%의 SO₃를 포함하여 이루어진다.

상기 탈황슬래그는 고염기도로 숙성 시 분화되어 기존 제강슬래그의 물성을 저하시키는 반면, CaO 성분을 다량 함유하고 있어, 이것을 통상의 고로슬래그 미분말에 혼입할 경우 활성도를 향상시켜 잠재수경성을 촉진할 뿐만 아니라, 이를 통해 콘크리트의 초기 강도를 향상시킬 수 있다.

본 발명과 같이 통상의 고로슬래그 미분말에 물을 투입하게 되면, 미분말 표면에 비결정질 피막이 형성되어, 내부의 Ca^{2 +}, Al^{2 +} 등의 용출이 이루어지지 않는다. 그러나, 탈황슬래그 혼입 후, 물을 투입하게 되면, 탈황슬래그가 함유하고 있는 CaO 및 Ca(OH)₂로부터 생성된 OH^-와 탈황슬래그 내의 S가 SO₄ ^{2 -} 등의 황산염으로 전환되어 고로슬래그 미분말의 비결정질 피막을 파괴하여 Ca^{2 +}, Al^{2 +} 등의 용출이 용이하게 되고, 용출 이온들이 CaO-SiO₂-H₂O계 수화물 등을 생성하게 됨으로써 경화를 빠르게 촉진하고, 잉여 황산화물은 침상형의 구조를 가지는 에트린가이트 수화생성물(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O)을 생성시킴으로써 수화체 내부의 조직을 치밀화하여 경화체의 압축강도를 향상시킬 수 있다.

본 발명에서 상기 탈황슬래그는 전체 고로슬래그 미분말 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 30 중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 1 내지 30 중량부를 사용하는 것이 보다 바람직하며, 5 내지 25 중량부를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 탈황슬래그의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우에는 강도 증진 및 유동성 향상 효과가 거의 없고, 30 중량부를 초과하는 경우에는 반응성이 과잉 촉진되어 유동성에 무리가 있어 시공이 불가하다.

본 발명에서 상기 고로슬래그 미분말 조성물에 석고를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 석고는 본 발명에서 수축저감재 역할을 하며, 단기적으로 문제 유려는 없으나 장기적으로는 수축 균열이 발생할 우려가 있으므로, 석고 활용에 의한 수축 저감이 바람직하다. 상기 석고는 25 내지 40 중량%의 CaO, 30 내지 60 중량%의 SO₃ 및 잔부의 물을 포함한다

본 발명에서, 상기 석고는 전체 고로슬래그 미분말 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 1 내지 7 중량부를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 상기 석고의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우에는 수축저감의 효과가 나타나지 않고, 10 중량부를 초과하면 에트린가이트 수화생성물(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O)이 과도하게 발생되어 과팽창의 우려가 있다.

한편, 본 발명의 고로슬래그 미분말 조성물을 활용하여 제조한 고로슬래그 시멘트는 시멘트(보통 포틀랜드 시멘트) 30 내지 95 중량부; 활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물 5 내지 70 중량부를 포함한다.

현재, 고로슬래그 시멘트(KS F 5210)는 크게 1종, 2종, 3종으로 구분되어 있으며, 1종의 경우 보통 포틀랜드 시멘트에 대한 고로슬래그 미분말의 함량이 5 내지 30 중량부로 되어 있고, 2종의 경우 보통 포틀랜트 시멘트에 대한 고로슬래그 미분말의 함량이 30 내지 60 중량부로 되어 있으며, 3종의 경우 보통 포틀랜드 시멘트에 대한 고로슬래그 미분말의 함량이 60 내지 70 중량부로 규정되어 있다.

따라서, KS에서 규정하고 있는 1,2,3종 고로슬래그 시멘트 전체적으로 볼 때 보통 포틀랜드 시멘트에 대한 고로슬래그 미분말의 함량이 5 내지 70 중량부로 규정되어 있으며, 이에 따라서 고로슬래그 시멘트 중 보통 포틀랜트 시멘트의 범위는 30 내지 95 중량부로 구성되어 있다.

상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트 또는 시멘트 클린커를 의미하며, 상기 포틀랜드 시멘트는 일반적으로 사용되는 포틀랜드 시멘트를 의미하는 것으로, 시중에서 구입 가능하다. 또한, 상기 포틀랜드 시멘트는 (CaO)₃SiO상, (CaO)₂SiO상, (CaO)₃Al₂O₃상 및 (CaO)₄Al₂ O₃Fe₂O₃상 등을 주체로 하는 클리커를 포함할 수 있다. 상기 시멘트 클린커는 20 내지 25 중량%의 SiO₂, 3 내지 8%의 Al₂O₃, 2 내지 4 중량%의 Fe₂O₃, 60 내지 70 중량%의 CaO, 0 내지 6 중량%의 MgO, 0 내지 4 중량%의 MnO, 1.5 중량% 미만의 SO₃를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 고로슬래그 미분말 및 탈황슬래그를 혼합 사용한 활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물 및 이 조성물을 보통 포틀랜드 시멘트 또는 시멘트 클린커와 혼합하여 슬래그 시멘트를 제조할 수 있으므로 활성도 및 초기 압축강도 향상이 가능하다.

종합적으로 철강산업의 부산물인 고로슬래그의 고부가 대량 활용이 가능하고, 시멘트 대체 효과가 있으므로, 시멘트 생산 시 1톤당 0.85톤 가량 발생하는 CO₂발생량도 대폭적으로 감소시킬 수 있다.

도 1은 고로슬래그 미분말의 제조과정을 도시화 한 것이다.
도 2는 탈황슬래그와 석고가 첨가된 고로슬래그 미분말 조성물의 활성도 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 탈황슬래그가 첨가된 고로슬래그 미분말 조성물의 활성도 평가 결과를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예

탈황슬래그를 고로슬래그 미분말에 혼입 시 활성도 향상도를 평가하기 위하여, 다음 표 1과 같이 고로슬래그 미분말 100 중량부에 대하여 탈황슬래그를 5 내지 25 중량부로 대체하였다.

또한, 고로슬래그 미분말 100 중량부에 대하여 무수석고를 5 중량부 대체함과 더불어, 이 상태에서 탈황슬래그를 5 내지 25 중량부로 대체하여 슬래그 미분말을 제조하였다.

이때, 기존의 고로슬래그 미분말 제품과 비교하기 위하여 기존 제품인 고로슬래그 미분말 100 중량부(A) 및 본 발명의 고로슬래그 미분말 95 중량부와 석고 5 중량부를 혼합한 미분말(B)을 동시 평가하였다.

NO.	활성도 향상 고로슬래그 미분말 조성(중량부)
	고로슬래그 미분말	석고	탈황슬래그
A	100	0	0
B	95	5	0
1	90	5	5
2	85	5	10
3	80	5	15
4	75	5	20
5	70	5	25
6	95	0	5
7	90	0	10
8	85	0	15
9	80	0	20
10	75	0	25

활성도 평가를 위해, 시멘트 모르타르 시험체를 제조하여 압축강도를 평가하였으며, 시험체 제조 시 배합은 물과 결합재와 모래를 각각 0.5 : 1 : 3의 중량비로 설정하여 시험체를 제조하였다.

또한, 활성도는 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부로 제작한 시멘트 모르타르 시험체의 압축강도와, 시멘트 50 중량부와 활성도 향상 고로슬래그 미분말 50 중량부로 제작한 시험체의 압축강도 비를 의미한다.

따라서, "활성도 100%" 라 함은 보통 포틀랜드 시멘트 100 중량부를 적용한 시험체의 강도와, 시멘트 50 중량부와 고로슬래그 미분말 50 중량부를 혼합하여 만든 시험체의 강도가 동일함을 의미한다.

배합재료의 단위중량을 다음 표 2에 나타내었다.

NO.	구분	시멘트 (%)	고로슬래그 미분말 (%)	배합재료의 단위중량 (g)
				물	시멘트	고로슬래그 미분말 (g)	모래 (g)
-	시멘트 100	100	0	900	1800	0	5400
A,B 및 1~10	개발 제품	50	50	900	900	900	5400

시험체 제작 및 강도평가 방법은 KS L ISO 679 “시멘트의 강도시험방법” 에 준하여 평가하였다.

평가 시기는 1일, 3일, 7일, 28일에 압축강도를 평가하였다.

도 2는 시멘트 100 중량부만 활용했을 경우, 및 A, B, No.1~5까지의 활성도 평가결과를 나타낸 것이다.

탈황슬래그를 첨가하지 않은 A, B에 비하여, 석고 5 중량부를 첨가 상태에서 탈황슬래그를 첨가했을 경우, 1일, 3일, 7일 초기 강도가 향상되는 것으로 나타났다. 특히, 석고 5 중량부에 탈황슬래그 10 내지 15 중량부에서 가장 양호한 초기 강도 향상 효과가 나타났다. 또한, NO. 4 및 5의 경우, 1일, 3일, 7일 초기 강도는 A 및 B에 비하여 향상되는 것으로 나타났으나, 28일 강도는 다소 저하하는 경향을 나타내고 있다.

도 3은 시멘트 100 중량부만 활용했을 경우, 및 A, B, No.6~10까지의 활성도 평가결과를 나타낸 것이다.

탈황슬래그를 첨가하지 않은 A, B에 비하여, 석고를 첨가하지 않은 상태에서 탈황슬래그만 첨가했을 경우 역시도 1일, 3일, 7일 초기 강도가 석고가 첨가된 경우에 비해서는 다소 떨어지지만 초기 강도가 향상되었다.

이상과 같이, 탈황슬래그 또는 탈황슬래그와 석고를 고로슬래그 미분말에 혼입 시 활성도 향상이 가능하여 초기 강도가 향상되는 것으로 평가되었다.

Claims (9)

1. 고로슬래그 미분말 70 내지 90 중량부, 탈황슬래그 5 내지 25 중량부 및 석고 1 내지 7 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 고로슬래그 미분말은 분말도가 2,700 내지 10,000 cm²/g 인 것을 특징으로 하는 활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 고로슬래그는
   20 내지 40 중량%의 SiO₂, 20 내지 40 중량%의 Al₂O₃, 20 내지 40 중량%의 CaO 및 5 내지 17 중량%의 MgO를 포함하거나, 또는
   20 내지 40 중량%의 SiO₂, 20 내지 40 중량%의 Al₂O₃, 0 초과 2 중량%의 Fe₂O₃, 20 내지 40 중량%의 CaO, 5 중량% 내지 17 중량%의 MgO, 0 초과 5 중량%의 MnO 및 0 초과 2 중량%의 SO₃를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 탈황슬래그는 40 내지 70 중량%의 CaO, 10 내지 30 중량%의 SiO₂, 5 내지 20 중량%의 Al₂O₃, 1 내지 15 중량%의 MgO, 0.5 내지 30 중량%의 T-Fe 및 0.1 내지 20 중량%의 SO₃를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물.
   
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 석고는 25 내지 40 중량%의 CaO, 30 내지 60 중량%의 SO₃ 및 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 활성도가 향상된 고로슬래그 미분말 조성물.
   
7. 제 1 항의 고로슬래그 미분말 조성물 5 내지 70 중량부와 시멘트 30 내지 95 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그 시멘트 조성물.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트인 것을 특징으로 하는 슬래그 시멘트 조성물.
9. 삭제

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