KR101230256B1 - 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 기존에 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에 있어 사용되어 왔던 실리카 퓸 대신에 지르코늄을 포함하는 실리카질 미분말을 시멘트 대체재로 사용함으로서 시멘트 복합체의 점성을 저하시켜 믹싱시간 단축 및 시공성을 향상시킬 수 있으며, 이러한 점성의 저하로 인해 고가의 고성능 감수제의 사용량을 줄여 경제성을 향상시킴과 동시에 응결경화 시간 단축 및 자기수축 저감으로 안정된 콘크리트 품질을 확보할 수 있는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 이의 제조방법{ULTRA-HIGH PERFORMANCE FIBER REINFORCED CEMENTITIOUS COMPOSITES AND MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 지르코늄 모래(ZrO2·SiO2 또는 ZrSiO4)를 800℃ 이상에서 전기융해 할 때 발생하는 분진을 포집한 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 시멘트와 일부 혼합하여 사용함으로써 강도 등 성능 저하 없이 시멘트 복합체의 점성을 저하시켜 믹싱시간 단축 및 시공성을 향상시킬 수 있으며, 이러한 점성의 저하로 인해 고가의 고성능 감수제의 사용량을 줄여 경제성을 향상시킴과 동시에 응결경화 시간 단축 및 자기수축 저감으로 안정된 콘크리트 품질을 확보할 수 있는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
콘크리트는 경제성 및 내구성이 우수한 건설재료로서 강재와 더불어 콘크리트 구조물의 건설에 널리 사용되고 있다. 그러나 콘크리트는 인장강도와 휨강도가 작고, 균열이 발생하기 쉬운 본질적인 결합을 가지고 있으며, 또한 최근 고강도 콘크리트의 실용화에 따른 압축강도의 증가로 인해 콘크리트의 취성파괴(Brittle Failure)가 문제시되고 있다. 이를 해결하기 위해 시멘트 복합체에 강섬유 또는 유기섬유 등 다양한 섬유를 혼합한 섬유보강 콘크리트가 개발되고 있다.
이 중에서도 압축강도가 150MPa 이상을 가지면서도 휨강도 및 인장강도가 대폭적으로 향상된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체가 개발되고 있다. 이런 초고강도를 달성하기 위해서는 물-결합재비가 0.25 이하, 실리카 퓸과 고성능 감수제를 다량으로 사용하는 것이 필수적이다. 여기서 실리카 퓸은 실리콘 및 페로실로콘 제조할 때 발생하는 분진을 집진하여 얻어지는 초미립자의 산업부산물로 고강도 콘크리트의 제조에 많이 사용되고 있다. 실리카 퓸의 입자는 시멘트 입자보다 매우 작아 시멘트의 입자 사이를 충전하는 마이크로 필러(micro filler) 효과와, 주성분이 비결정의 SiO2 성분을 가지고 있어 시멘트 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 포졸란 반응하여 칼슘실리케이트 수화물을 생성함으로써 콘크리트의 조직이 치밀화되어 고강도가 되고 내구성이 향상되는 것으로 알려져 있다.
그러나 초고강도를 달성하기 위해서는 상기에서 설명한 바와 같이 물-결합재비가 매우 작고 비표면적이 150,000㎠/g 이상인 초미립자인 실리카 퓸을 사용하기 때문에 시멘트 복합체의 점성이 증대되어 소정의 유동성을 확보하기 위해 믹싱시간이 길어지고, 다량의 고성능 감수제가 필요할 뿐만 아니라 응결경화 시간이 길어지고 수화반응의 활성화로 자기수축이 증대되어 품질관리가 어렵고 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 종래에 시공성이 우수한 초고강도, 고인성 및 고내구성을 가진 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체(특허 제10-0620866호 ; 강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법)가 제시되고 있는 바, 도 1에서는 강섬유 보강 시멘트 복합체의 배합비와 그 구성재료가 제조원가에 차지하는 비율을 나타낸 것으로 강섬유를 제외하고 고성능 감수제가 제조비용에 차지하는 비율이 13.9% 정도로 상당히 높은 것으로 나타났으며, 고성능 감수제의 사용량을 줄일 경우에는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 제조비용을 획기적으로 줄일 수 있음을 알 수 있다.
또한, 이러한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체를 제조하는 과정에서 고속믹서를 사용하더라도 믹싱시간이 최고 50분, 평균 30분 정도로 일반 콘크리트에 비해 상당히 길게 걸리는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 앞서 언급한 기존의 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체가 안고 있는 문제점을 극복하고자 실리카 퓸을 대체하더라도 콘크리트의 압축강도, 휨강도 및 내구성은 저하되지 않고, 믹싱시간을 단축시키면서 시공성이 향상되고, 고가의 고성능 감수제의 사용량을 줄이며, 응결경화 시간 단축 및 자기수축 저감이 기대될 수 있는 반응성 분체를 검토한 결과, 기존의 실리카 퓸과 SiO2 성분은 큰 차이가 없고, 지르코늄(ZrO2) 성분이 포함되어 있으며, 비표면적이 실리카 퓸보다 작은 지르코늄 성분이 포함된 실리카질 미분말이 효과가 있음을 알아내고 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명의 목적은 믹싱시간을 단축시키면서 시공성이 향상되고, 고가의 고성능 감수제의 사용량을 줄이며, 응결경화 시간 및 자기수축을 저감시킬 수 있는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 이의 제조방법을 제공하고자 함이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체는 섬유를 포함하는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에 있어서, 시멘트 100중량부 대비 비표면적 80,000 내지 120,000㎠/g를 가진 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 10 내지 30 중량부가 모르타르에 포함됨을 특징으로 한다.
여기서 상기 지르코늄 함유 실리카질 미분말은 지르코늄 모래(ZrO2·SiO2 또는 ZrSiO4)를 800℃ 이상에서 전기융해 할 때 발생하는 분진을 포집한 것을 특징으로 한다.
즉 본 발명에 있어 반응성 분체로 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 시멘트와 일부 혼합하여 사용함으로써, 시멘트 페이스트와 골재 사이의 계면영역 또는 시멘트 페이스트와 섬유 사이의 계면 영역에 충전되는 필러작용으로 계면영역의 파괴를 방지할 뿐만 아니라 시멘트 수화반응에 의해 생성되는 Ca(OH)2와 포졸란 반응으로 칼슘실리케이트생성물(C-S-H 겔 ; 3CaO·2SiO2·3H2O)이 생성됨으로써 압축강도 180MPa 이상, 휨강도 40MPa 이상, 동결융해 저항지수 100 등 시멘트 복합체(콘크리트)의 물성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
또한, 비표면적이 80,000 내지 120,000㎠/g으로 기존의 실리카퓸 150,000㎠/g에 비해 작기 때문에 시멘트 복합체의 점성이 저하됨으로써 소량의 고성능 감수제 사용으로도 슬럼프 플로 600mm 이상의 고유동성을 확보할 수 있는 것을 특징으로 한다.
즉 본 발명의 섬유보강 시멘트 복합체는 시멘트 100중량부 대비 비표면적 80,000 내지 120,000㎠/g를 가진 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 10 내지 30 중량부를 포함하되, 시멘트 100 중량부 대비 5mm 이하의 입자 크기를 갖는 모래 100 내지 130 중량부, 충전재 10 내지 30 중량부를 더 포함하는 모르타르와,
배합수와 시멘트 및 지르코늄 함유 실라카질 미분말로 구성된 결합재의 비가 0.22이하가 되도록 구성되되, 상기 배합수는 물 97중량% 내지 99.5중량%와 감수제 0.5중량% 내지 3중량%로 구성되도록 하고, 섬유는 강섬유를 사용하여 전체 시멘트 복합체 체적 대비 1 내지 5체적%가 배합됨에 특징이 있다.
즉 상기 배합에서 보는 바와 같이 종래 시공성이 우수하면서도 초고강도, 고인성 및 고내구성을 가진 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체를 제조 시 실리카퓸 등의 반응성 분체를 사용하는 대신에 본 발명에서는 지르코늄 함유 실리카질 미분말( SiO2 94% 이상, ZrO2 3% 이상)을 사용함으로서 종래 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에 있어 감수제를 최대 10%를 사용하였으나, 본 발명에서는 상기에서 보는 바와 같이 최대 3%를 사용하도록 많은 양의 감수제를 저감시켰으며, 시공성을 향상시킴에 따라 상기의 배합수와 결합재(시멘트와 지르코늄 함유 실리카질 미분말의 합)의 비가 0.22 이하가 되도록 낮출수 있어 강도면에서 우수한 시멘트 복합체를 제공할 수 있게 되는 것이다.
결국 이러한 배합에 기해 본 발명의 시멘트 복합체는 소성점도(Pas)가 190 내지 230으로 낮추고, 슬럼프플로우가 600 내지 700mm으로 시공성을 향상시키면서도, 압축강도가 180Mpa이상으로 강도면에서 유리한 초공성능 시멘트 복합체가 제공되는 것이다.
한편 본 발명의 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 제조방법은, 시멘트 100중량부 대비 비표면적 80,000 내지 120,000㎠/g를 가진 지르코늄 함유 실리카질 미분말 10 내지 30 중량부가 혼화재로 배합되어 모르타르를 제조하는 단계를 포함하되, 본 단계에서는 시멘트 100 중량부 대비 5mm 이하의 입자 크기를 갖는 모래 100 내지 130 중량부, 충전재 10 내지 30 중량부를 더 포함하는 모르타르를 제조하는 단계를 포함하고, 그 다음으로 배합수를 물 97중량% 내지 99.5중량%와 감수제 0.5중량% 내지 3중량%로 배합하고, 배합수와 모르타르의 결합재 비율이 0.22이하가 되도록 혼합하는 단계와, 강섬유를 전체체적 대비 1 내지 5체적%가 되도록 배합수와 모르타르의 혼합물에 투입하는 단계와, 강섬유가 투입된 배합수 및 모르타르 혼합물에 대하여 습윤양생 후 60 내지 110℃의 온도에서 2 일 내지 4일 동안 증기양생을 실시하여 양생을 하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 상기 모르타르 제조 단계는 상기 모르타르를 구성하는 혼합물을 20rpm 내지 40rpm의 속도로 5분 내지 7분 동안 혼합하는 단계를 포함하고,
상기 배합수와 모르타르의 혼합 단계는 80rpm 내지 120rpm의 속도로 4분 내지 10분 동안 혼합한 후 다시 40rpm 내지 60rpm의 속도로 1분 내지 3분 동안 혼합하는 단계를 포함하고,
상기 강섬유를 상기 배합수와 모르타르에 혼합하는 단계는 30rpm 내지 50rpm의 속도로 2분 내지 5분 동안 혼합하는 단계가 포함됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 양생 단계는 1일 내지 3일 동안 습윤양생을 실시한 후 60℃ 내지 110℃의 온도에서 2일 내지 4일 동안 증기양생을 실시하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 시멘트 대체재로 사용함으로써 종래의 실리카 퓸을 사용한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체와 동일한 강도와 내구성을 가지면서도 시멘트 복합체의 점성을 저하시켜 믹싱시간을 단축하고, 시공성을 향상시키며, 고성능 감수제의 사용량 저감으로 인한 경제성이 향상됨은 물론 응결경화 시간 단축 및 자기수축 저감 등을 유발하여 품질관리가 용이한 장점이 있다.
도 1은 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 배합비와 경제성 분석결과를 나타낸 결과이다.
도 2는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에서 반응성 분체의 혼입률에 따른 소성점도를 나타낸 결과이다.
도 3은 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에서 반응성 분체의 혼입률에 따른 슬럼프 플로를 나타낸 결과이다.
도 4는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에서 반응성 분체의 혼입률에 따른 압축강도를 나타낸 결과이다.
도 5는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에서 소요의 슬럼프 플로를 확보하는 데 필요한 고성능 감수제의 사용량을 나타낸 결과이다.
도 6은 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에서 믹싱시간에 따른 슬럼프 플로를 나타내는 결과이다.
도 7은 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에서 반응성 분체에 따른 자기수축 변형율을 나타낸 결과이다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
<실시예 1>
본 실시예는 본 발명에서 제시한 지르코늄 함유 실리카질 미분말이 초고성능 시멘트 복합체에 미치는 영향을 분석하기 위한 것이다. 시멘트 100중량부를 기준으로 표 1에 제시한 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 0, 5, 10, 20, 25, 30, 40 중량부로 변화시키고, 석영질 분말(SiO2 99.3%, 평균입경 10㎛)인 충전재를 20중량부, 입자크기 5mm 이하인 석영질 모래를 110중량부로 구성하여 30rpm 속도로 10분 동안 골고루 혼합하여 모르타르를 제조하고, 배합수-결합재의 비가 0.20이 되도록 하여 고속믹서기에서 100rpm 속도로 15분 동안 혼합하여 다시 50rpm 속도로 3분 동안 혼합한 후 직경 0.2mm와 길이 12mm인 강섬유를 시멘트 복합체에 대해 2%를 투입하여 40rpm 속도로 3분 동안 혼합하여 강섬유 보강 시멘트 복합체를 제조한 다음 후술하는 시험방법에 따라 점도, 슬럼프 플로 시험을 실시하였다. 또한 이 시멘트 복합체에 대해 2일 동안 습윤양생을 하고, 90℃에서 증기양생을 3일 동안 실시한 다음 후술하는 시험방법에 따라 압축강도를 측정하였다.
그리고 지르코늄 함유 실리카질 미분말과 비교를 하기 위해 종래의 특허 제10-0620866호(강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법)에서 제시된 배합중에서 압축강도 180MPa 이상을 확보할 수 있는 배합을 선정하여 제조하였는데, 사용된 재료구성은 시멘트 100 중량부를 기준으로 표 1에 제시된 실리카퓸을 0, 5, 10, 20, 30, 40중량부로 변화시켰고, 나머지 재료 구성비, 믹싱방법, 양생방법 및 실험방법은 동일하다.
항목 지르코늄 함유 실리카질 미분말 실리카 퓸 KS F 2567
비표면적 (㎠/g) 87,000 200,000 150,000 이상
SiO2(%) 94.7 96.0 85 이상
MgO (%) 0 1.71 5.0 이하
SO3 (%) 0 0.40 3.0 이하
ZrO2 (%) 3.9 - -
강열감량(%) 0.1 1.63 5 이하
밀도 (g/㎤) 2.4 2.2
표 1은 지크코늄 함유 실리카질 미분말과 실리카 퓸의 품질을 나타내는 표이다.
점도시험은 강섬유 보강 시멘트 복합체가 제조된 직 후에 린더형 스핀들을 사용한 Brookfield 점도계를 이용하여 소성점도를 측정하였다. 그리고 슬럼프 플로 시험은 KS F 2594에 의해 원형으로 넓게 퍼진 콘크리트의 지름을 측정하였으며, 도 2에 시험모습을 나타내었다. 압축강도 시험은 Ø 100 × 200mm 원주 콘크리트 시편을 이용하여 KS F 2405에 준하여 실시하였다.
도 2, 도 3, 도 4에 각각 점도시험, 슬럼프 플로 및 압축강도 결과를 나타내었다.
도 2에서 보는 바와 같이 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 사용하는 경우 그 첨가량이 증가함에 따라 소성점도가 감소하는 것을 알 수 있으며, 이에 따라 도 3에서 보는 바와 같이 슬럼프 플로가 증가되는 것을 알 수 있다. 즉 지르코늄 함유 실리카질 미분말에 기해 소성점도의 감소로 믹싱시간을 단축할 수 있으며, 시공성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 이에 반해 실리카 퓸을 사용하는 경우에는 그 첨가량이 증가함에 따라 소성점도가 증가되고 슬럼프 플로우의 증가는 미미한 것을 알 수 있는 바, 종래 기술에서 초고성능을 달성하기 위해 실리카 퓸을 사용하는 경우 시공성 면에서 불리한 것을 알 수 있다.
한편 지르코늄 함유 실리카질 미분말의 혼입률이 25% 이상부터 점도가 증가되어 슬럼프 플로도 그에 따라 약간씩 감소하고 있는데, 이것은 지르코늄 함유 실리카질 미분말이 시멘트의 분말도에 비해 훨씬 크기 때문으로 사료된다. 또한 본 기술 및 종래 기술에 관계없이 혼입률 25~30%까지 강도가 증가하다가 그 이상의 혼입률에서 강도가 저하되는 것으로 나타났다.
즉 지르코늄 함유 실리카질 미분말의 적정의 혼입율은 고강도로서 180Mpa을 만족하고, 소성점도에 있어 실리카 퓸 첨가시보다 낮은 190 내지 230Pas를 만족하여 믹싱시간을 단축할 수 있으며, 슬럼프 플로도 600 내지 700mm를 만족하여 시공성을 향상시킬 수 있도록 하기 위해 시멘트 100중량부 대비 10 내지 30중량부가 적정한 것을 알 수 있다.
<실시예 2>
본 실시예는 본 발명에서 제시한 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 사용함에 따라 초고성능 시멘트 복합체의 고성능 감수제 사용량 및 응결경화 특성을 검토한 것이다. 슬럼프 플로를 550, 570, 600, 650, 670mm 정도를 확보하는 데 필요한 고성능 감수제 사용량을 분석하기 위한 실험으로 지르코늄 함유 실리카질 미분말을시멘트 중량에 25%로 하였고, 고성능 감수제는 폴리칼본산계를 사용하였고, 물과 혼합하여 중량으로 100이 되도록 배합수를 제조한 다음 사용하였다. 비교를 위해 종래의 특허 제10-0620866호(강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법)에서 시멘트 100 중량부를 기준으로 실리카퓸을 25%의 배합을 선정하였다. 나머지 구성재료 및 제조방법은 실시예 1과 동일하다. 응결경화 시험은 KS F 2436의 관입 저항침에 의한 콘크리트 응결시간 시험방법에 의거 실시하였다.
도 5에 소정의 슬럼프 플로를 확보하는 데 필요한 고성능 감수제의 사용량을 분석한 결과로서 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 사용한 본 기술은 슬럼프 플로에 따라 고성능 감수제의 사용량이 1.5~2.5% 정도이었으나, 실리카 퓸을 사용한 종래의 기술은 4.7%~6.7%로 상당히 많은 양의 고성능 감수제가 필요한 것으로 나타났다. 이처럼 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 사용할 경우에는 시멘트 복합체의 점도가 낮아져 유동성이 향상되어 그만큼 고성능 감수제의 사용량을 줄임으로써 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 제조비용이 저감될 수 있음을 알 수 있다.
표 2는 고성능 감수제의 사용량에 따른 응결시간을 나타낸 결과로서 실리카 퓸을 사용한 종래의 기술에서 소요의 슬럼프 플로를 달성하기 위해 고성능 감수제를 다량으로 사용하기 때문에 응결시간이 지연되는 경향이 있다. 이에 비해 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 사용한 본 기술에서 고성능 감수제의 사용량을 줄일 수 있어 응결시간이 빨라져 그만큼 품질제어가 용이하게 되었다.
슬럼프
플로
(mm)		 고성능 감수제 사용량
(배합수×중량%)		 응결시간
본 기술 종래 기술
본 기술 종래 기술 초결
(hr)		 종결
(hr)		 초결
(hr)		 종결
(hr)
550 1.5 4.7 8.9 11.3 12.1 14.7
570 1.7 4.9 9.2 12.1 12.7 15.1
600 1.9 5.2 9.9 12.8 13.3 15.8
650 2.2 6.4 10.7 13.1 15.4 17.6
670 2.5 6.7 11.4 13.6 15.9 18.5
<실시예 3>
본 실시예는 본 발명에서 제시한 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 사용함에 따라 초고성능 시멘트 복합체 제조 단계의 믹싱시간을 검토한 것이다.
우선 모르타르 혼합에 있어 일정 속도 및 시간으로 믹싱을 한다. 모르타르 혼합은 시멘트 100중량부를 기준으로 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 25 중량부, 석영질 분말(SiO2 99.3%, 평균입경 10㎛)인 충전재를 20중량부, 입자크기 5mm 이하인 석영질 모래를 110중량부로 혼합하여 일정 속도 및 시간으로 믹싱하는 것이다.
그 다음으로 배합수 및 모르타르 혼합에 있어 일정 속도 및 시간으로 믹싱을 한다. 배합수 및 모르타르 혼합은 배합수-결합재의 비가 0.20이 되도록 하여 일정 속도 및 시간으로 믹싱하는 것이다. 배합수 및 모르타르 혼합은 2번에 걸쳐 믹싱을 한다.
그 다음으로 강섬유 혼합에 있어 일정 속도 및 시간으로 믹싱을 한다. 강섬유 혼합은 직경 0.2mm와 길이 12mm인 강섬유를 시멘트 복합체에 대해 2체적%를 투입하여 믹싱하는 것이다.
이렇게 다단에 걸쳐 믹싱함에 의해 섬유보강 시멘트 복합체가 제조되며, 이렇게 제조된 섬유보강 시멘트 복합체에 대해 슬럼프 플로 시험을 실시한다.
그리고 비교를 위해 종래의 특허 제10-0620866호(강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법)에서 시멘트 100 중량부를 기준으로 실리카퓸을 25%의 배합을 선정하였고, 나머지 구성재료 및 제조방법은 실시예 1과 동일하다.
아래의 표 3은 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 믹싱방법을 나타내는 표이다.
구분 본 기술 종래 기술
믹싱방법1 믹싱방법2 믹싱방법3 믹싱방법4
모르타르 혼합 40rpm 5분 20rpm 7분 40rpm 7분 20rpm 15분
배합수 및 모르타르 혼합 1 120rpm 4분 80rpm 10분 120rpm 7분 80rpm 20분
배합수 및 모르타르 혼합 2 60rpm 1분 40rpm 3분 60rpm 2분 40rpm 5분
강섬유 보강 시멘트 복합제 제조 50rpm 2분 30rpm 5분 50rpm 3분 30rpm 10분
도 6에 믹싱방법에 따른 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 슬럼프 플로에 대한 결과를 나타내었다. 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 사용한 본 기술은 믹싱방법에 따른 영향이 크지 않으나, 실리카 퓸을 사용한 종래 기술은 믹싱방법에 따라 슬럼프 플로가 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 즉 실리카 퓸을 사용하는 경우는 믹싱방법 1 및 믹싱방법 2(본 기술)에서와 같이 믹싱시간이 짧은 경우 충분한 슬럼프치가 도출되지 않고 믹싱방법 3 및 믹싱방법 4(종래 기술)와 같이 믹싱시간을 길게 하여야 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 사용한 본 기술과 근접한 슬럼프 플로치가 도출되는 것을 알 수 있다. 이처럼 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 사용한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체는 점성이 낮아 믹싱초기부터 고성능 감수제의 분산효과가 발휘되어 믹싱시간이 크게 단축되는 것을 알 수 있다.
<실시예 4>
본 실시예는 지르코늄 함유 실리카질 미분말이 초고성능 시멘트 복합체에 있어 자기수축 특성에 미치는 영향을 검토한 것이다. 시멘트 100중량부를 기준으로 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 25 중량부, 석영질 분말(SiO2 99.3%, 평균입경 10㎛)인 충전재를 20중량부, 입자크기 5mm 이하인 석영질 모래를 110중량부로 구성하여 믹싱하여 모르타르를 제조하고, 배합수-결합재의 비가 0.20이 되도록 하여 일정 속도와 시간으로 믹싱하여 다시 혼합하여 직경 0.2mm와 길이 12mm인 강섬유를 시멘트 복합체에 대해 2%를 투입하여 혼합하여 강섬유 보강 시멘트 복합체를 제조한 다음 자기수축 시험을 실시하였다. 그리고 비교를 위해 종래의 특허 제10-0620866호(강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법)에서 시멘트 100 중량부를 기준으로 실리카퓸을 25%의 배합을 선정하였고, 나머지 구성재료 및 제조방법은 실시예 1과 동일하다.
자기수축 시험은 몰드의 바닥과 양단에는 1mm 두께의 테프론시트(teflon sheet)를 깔아서 시료의 자유로운 변형이 구속되지 않도록 하였고, 시멘트 복합체 타설 후 시료표면에서의 수분 증발 및 흡수를 막기 위해 폴리에스테르필름(polyester film)으로 외기와 격리시켰다. 그리고 양생방법은 20±1℃ 실험실 조건에서 2일, 90±2℃에서 3일간 증기양생을 실시하였고, 그 이후의 재령은 실험실 조건으로 하였으며 표준양생은 일반적인 실험실 조건으로 하였다. 탈형이후 시험체는 즉시 표면에서의 수분 증발 및 흡수를 막기 위해 폴리에스테르필름(poly ester film)과 알루미늄 은박지 등으로 2~3중으로 감싸주었다.
도 7은 자기수축 시험결과로서 실리카 퓸을 사용한 종래의 기술에서 자기수축 변형률이 780 × 10-6 정도이로, 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 사용한 본 발명은 590 × 10-6 정도로 본 발명의 경우 수축에 의한 균열발생을 억제시킬 있을 것으로 분석된다.
<실시예 5>
본 실시예는 본 발명에서 제시한 지르코늄 함유 실리카질 미분말이 초고성능 시멘트 복합체의 내구성에 미치는 영향을 검토한 것이다. 시멘트 100중량부를 기준으로 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 25 중량부, 석영질 분말(SiO2 99.3%, 평균입경 10㎛)인 충전재를 20중량부, 입자크기 5mm 이하인 석영질 모래를 110중량부로 구성하여 믹싱하여 모르타르를 제조하고, 배합수-결합재의 비가 0.20이 되도록 하여 일정 속도와 시간으로 믹싱하여 다시 혼합하여 직경 0.2mm와 길이 12mm인 강섬유를 시멘트 복합체에 대해 2%를 투입하여 혼합하여 강섬유 보강 시멘트 복합체를 제조한 다음 후술하는 방법에 따라 내구성 시험을 실시하였다. 그리고 비교를 위해 종래의 특허 제10-0620866호(강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법)에서 시멘트 100 중량부를 기준으로 실리카퓸을 25%의 배합을 선정하였고, 나머지 구성재료 및 제조방법은 실시예 1과 동일하다. 또한 초고강도, 고인성 및 고내구성을 지닌 강섬유 보강 시멘트 복합체와 비교하기 위하여 물-시멘트비 0.5인 보통강도 콘크리트와 물-시멘트비 0.3인 고강도 콘크리트에 대해서도 동일한 시험을 실시하였다.
염해 시험은 측면을 에폭시수지로 도포한 Ø 100 × 50mm 원주 시편을 이용하여 ASTM C 1202에 준하여 전기적 촉진시험으로 실시하였으며, (-)극에는 3% NaCl, (+)극에는 0.3N NaOH의 용액을 주입하여 6시간 동안 60V DC를 가하면서 전압을 측정하였다. 중성화 시험은 Ø 100 × 100mm 원주 시편을 이용하여 이산화탄소 농도 10%, 온도 30℃, 습도 50%로 제어되는 시험장치에서 실시하였으며, 시편을 이등분으로 할렬하고, 그 면에 페놀프탈레인 1% 용액을 분무하여 중성화 깊이를 측정하였다. 동결융해 저항성 시험은 100 × 100 × 400mm 각주 시편을 이용하여 ASTM C 666에 준하여 실시하였으며, 300사이클까지 초음파속도에 의해 동탄성 계수를 측정하였다. 투기성 시험은 305 × 305 × 76mm 각주 시편을 이용하여 Torrent Permeability Tester로 투기성을 측정하였으며, 투수성 시험은 305 × 305 × 76mm 각주 시편을 이용하여 GWT 투수성 시험장치로 투수성을 측정하였다. 공극률은 ㆈ 100ㅧ 100mm 원주 시편에서 절단기를 이용하여 5∼10mm 정도의 시료를 20g 정도 채취하여 아세톤에 1일 동안 침지시켜고 다시 1일 동안 40℃에서 건조시킨 다음 수은압입법(MIP)에 의해 측정하였다.
초고성능 섬유보강 시멘트 복합체와 보통강도 콘크리트, 고강도 콘크리트와의 비교한 결과를 표 4에 나타내었다. 본 발명에 따른 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체는 종래기술과 본 기술에 상관없이 압축강도, 휨강도, 염해저항성, 중성화, 동결융해 및 수밀성 측면에서 고강도 콘크리트 및 보통강도 콘크리트에 비해 휠씬 우수한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체는 초고강도를 지닌 시멘트 복합체로서 시멘트 경화체의 조직이 매우 밀실하여 열화인자의 침입이 어려워졌기 때문이다. 따라서 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체를 실제 구조물에 적용할 경우, 강도 및 인성 등 역학적 성능 향상뿐만 아니라 염해, 중성화 및 동결융해 저항성 등 내구성능이 향상되는 결과를 얻을 수 있을 것이다.
＼ 종류
평가항목		 보통강도
콘크리트		 고강도
콘크리트		 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체
종래기술 본 기술
압축강도(MPa) 30.3 58.7 212.5 207.3
휨강도(MPa) 2.8 5.2 47.3 46.9
염해 저항성
(총전하량: Coulombs)		 2.445 178 2 2
중성화
(깊이: mm, 91일)		 25 11 2 2
동결융해
(내구성 지수)		 83 92 99.9 100
수밀성 투기성
(×10-16㎡)		 0.1335 0.0475 0.01 0.01
투수성
(㎟/sec·Bar)		 0.00362 0.00259 0.000472 0.000471
공극률(㎖/g) 0.1605 0.0874 0.0315 0.0314
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 섬유를 포함하는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에 있어서,
    시멘트 100중량부 대비 비표면적 80,000 내지 120,000㎠/g를 가진 지르코늄 함유 실리카질 미분말을 10 내지 30 중량부를 포함하되, 시멘트 100 중량부 대비 5mm 이하의 입자 크기를 갖는 모래 100 내지 130 중량부, 충전재 10 내지 30 중량부를 더 포함하는 모르타르와,
    상기 모르타르에 혼합되는 배합수로 구성되되, 배합수와 시멘트 및 지르코늄 함유 실라카질 미분말로 구성된 결합재의 비가 0.22 이하가 되도록 구성됨을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 배합수는 물 97중량% 내지 99.5중량%와 감수제 0.5중량% 내지 3중량%로 구성됨을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 섬유는 전체 시멘트 복합체 체적 대비 1 내지 5체적%로 첨가되는 강섬유 인 것을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체.
  6. 제 5항에 있어서,
    소성점도(Pas)가 190 내지 230이며, 슬럼프플로가 600 내지 700mm이고, 압축강도가 180Mpa이상인 것을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체.
  7. 삭제
  8. 섬유를 포함하는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 제조방법에 있어서,
    시멘트 100중량부 대비 비표면적 80,000 내지 120,000㎠/g를 가진 지르코늄 함유 실리카질 미분말 10 내지 30 중량부가 혼화재로 배합되어 모르타르를 제조하는 단계를 포함하되,
    시멘트 100중량부 대비 비표면적 80,000 내지 120,000㎠/g를 가진 지르코늄 함유 실리카질 미분말 10 내지 30 중량부가 혼화재로 배합되어 모르타르를 제조하는 단계에는 시멘트 100 중량부 대비 5mm 이하의 입자 크기를 갖는 모래 100 내지 130 중량부, 충전재 10 내지 30 중량부를 더 포함하는 모르타르를 제조하는 단계를 포함하고,
    배합수를 물 97중량% 내지 99.5중량%와 감수제 0.5중량% 내지 3중량%로 배합하고, 배합수와 모르타르의 결합재 비율이 0.22이하가 되도록 혼합하는 단계와,
    강섬유를 전체체적 대비 1 내지 5체적%가 되도록 배합수와 모르타르의 혼합물에 투입하는 단계와,
    강섬유가 투입된 배합수 및 모르타르 혼합물에 대하여 습윤양생 후 60 내지 110℃의 온도에서 2일 내지 4일 동안 증기양생을 실시하여 양생을 하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 모르타르 제조 단계는 상기 모르타르를 구성하는 혼합물을 20rpm 내지 40rpm의 속도로 5분 내지 7분 동안 혼합하는 단계를 포함하고,
    배합수와 모르타르의 혼합 단계는 80rpm 내지 120rpm의 속도로 4분 내지 10분 동안 혼합한 후 다시 40rpm 내지 60rpm의 속도로 1분 내지 3분 동안 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 강섬유를 상기 배합수와 모르타르에 혼합하는 단계는 30rpm 내지 50rpm의 속도로 2분 내지 5분 동안 혼합하는 단계가 포함됨을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 제조방법.
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