KR101243523B1 - 초고층 건축용 고강도 콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

고강도 콘크리트 조성물이 개시된다. 본 발명은, 70 내지 85 중량부의 시멘트, 10 내지 20 중량부의 플라이 애쉬, 및 4 내지 10 중량부의 지르코늄 실리카 흄을 포함하는 결합재를 포함하여 조성된다. 본 발명에 따르면, 초고층 건축 시공에 있어서 기존의 사용재료를 사용하여 배합된 콘크리트과 비교하여 시공성능 특히, 압송성능을 극대화하고, 레미콘 사에서의 생산효율도 증가시킬 수 있는 고강도 콘크리트 조성물을 제공할 수 있게 된다.

Description

초고층 건축용 고강도 콘크리트 조성물{High Strength Concrete Composition for High-Rise Building}

본 발명은 고강도 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초고층 건축의 시공성능을 극대화할 수 있는 초고층 건축용 고강도 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

최근 국내 뿐만 아니라 전세계적으로 초고층 구조물의 시공이 증가함에 따라 고강도 콘크리트에 대한 관심이 증대되고 있다. 고강도 콘크리트의 적용은 일반 콘크리트를 사용한 경우에 비해 코아 월이나 기둥 단면의 축소가 가능함에 따라 더 넓은 내부 공간을 확보할 수 있어 유효하며, 철골조에 비해 상대적으로 작은 비용으로 골조공사를 할 수 있어 경제성 측면에서도 유리한 장점을 가지고 있다.

현재까지 초고층 구조물(50층 이상, 높이 200m 이상 구조물)에 적용되는 고강도 콘크리트는 설계강도 50~100Mpa의 수준에 머물러 있다.

한편, 고강도 콘크리트는 다량의 결합재를 사용하기 때문에, 일반 콘크리트에 비하여 높은 점성을 가지며, 이로 인해 작업성(Workability)이 저해되거나 압송성능이 저하될 수 있으며, 나아가 전체적인 시공효율을 저해할 수 있지만, 이와 같은 고강도 콘크리트를 대상으로 고층부로의 압송성능을 개선하고, 이를 통한 시공성 향상에 대한 재료적인 측면의 개선 노력은 미미한 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 초고층 건축의 시공성능을 극대화할 수 있는 초고층 건축용 고강도 콘크리트 조성물을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고강도 콘크리트 조성물은, 70 내지 85 중량부의 시멘트; 10 내지 20 중량부의 플라이 애쉬; 및 4 내지 10 중량부의 실리카 흄을 포함한다.

바람직하게는, 상기 실리카 흄은 지르코늄 실리카 흄인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고강도 콘크리트 조성물은, 150 내지 160 중량부의 물, 650 내지 900 중량부의 잔골재, 및 750 내지 950 중량부의 굵은 골재를 더 포함하며, 500 내지 800 중량부의 상기 결합재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시멘트는 6 내지 8 중량부의 C₃A, 0.5 내지 1.5 중량부의 F-CaO, 0.4 내지 0.8 중량부의 SO₃ 를 포함하도록 제조된 클링커에, 상기 시멘트에 1 내지 3 중량%의 SO₃가 포함되도록 이수석고를 첨가한 후, 분말도가 블레인(Blaine) 치를 기준으로 2,800 내지 3,500㎠/g가 됨과 동시에 44㎛R을 기준으로 5 내지 15 중량%가 되도록 분쇄한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지르코늄 실리카 흄은 융합 지르코니아(Fused Zirconia)의 제조시 발생하는 부산물로서, 3 내지 5 중량%의 ZrO₂를 함유하고, 200 내지 300kg/m³의 단위용적중량을 가지며, 100,000 내지 150,000 cm²/g의 분말도를 가지고, 입자 크기가 0.3 내지 1㎛인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 잔골재는 조립율이 2.6 내지 3.0이며, 상기 굵은 골재는 조립율이 6.0 내지 7.0이고, 입형판정 실적율이 60 내지 65%인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 초고층 건축 시공에 있어서 기존의 사용재료를 사용하여 배합된 콘크리트과 비교하여 시공성능 특히, 압송성능을 극대화하고, 레미콘 사에서의 생산효율도 증가시킬 수 있는 고강도 콘크리트 조성물을 제공할 수 있게 된다. 이에 따라, 초고층 구조물의 시공성 향상에 크게 기여할 수 있게 된다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예 1에서의 슬럼프 플로우 측정결과 비교를 나타낸 그래프 도면,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예 1에서의 500mm 플로우 도달시간을 나타낸 그래프 도면,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예 1에서의 V-Lot 유하시간 비교를 나타낸 그래프 도면,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예 1에서의 실내배합 비빔안정시간 및 고성능감수제 사용량 비교를 나타낸 그래프 도면,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예 1에서의 압축강도 측정 결과 비교를 나타낸 그래프 도면,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예 1에서의 탄성계수 측정 결과 비교를 나타낸 그래프 도면,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예 2에서의 슬럼프 플로우 및 500mm 도달시간 측정결과 비교를 나타낸 그래프 도면, 및
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예 2에서의 압축강도, 탄성계수 측정 결과 비교를 나타낸 그래프 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 의하면 저점도의 시멘트와 지르코늄 실리카흄을 적정비율 혼합한 결합재를 사용하고, 20~30 중량%의 낮은 물-결합재비로 배합되도록 함으로써, 콘크리트의 점도를 저하시킨 저점도 고강도 콘크리트의 개발이 가능하다.

이를 통해 레미콘 생산효율을 증가시키고, 고층부 압송에 따른 부하를 저감함에 따라, 설계강도 50~100Mpa 고강도 콘크리트의 시공 효율을 극대화할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 사용된 기술적 개념을 다음과 같이 정리한다.

1) 시공성(압송성능)을 극대화한 고강도 콘크리트용 시멘트

초고층 압송성능을 극대화하기 위한 고강도 콘크리트 적합한 시멘트의 조건을 시멘트 페이스트라는 유체의 관점에서 보면 유동학적 특성상 항복응력이 낮고 소성 점도가 낮은 특성이 필요하다.

본 발명에서의 시공성 개선 목적인 저점도 고강도 콘크리트를 제조하기 위한 시멘트를 제공하는데 있어서, 간극질인 C₃A와 F-CaO 함량을 낮추고, 황산알카리와 석고함량을 적정수준으로 유지시키며, 분말도가 비교적 낮고 입도분포를 넓게 유지하며, 혼합재로서 슬래그분말을 적정량 혼합하여 제조한 시멘트로써 점도가 낮고 유동성이 높은 시멘트를 사용한다.

즉, 상기 결합재의 구성성분 중 시멘트는, 간극질인 C₃A가 6 내지 8 중량%, F-CaO는 0.5 내지 1.5중량%, SO₃는 0.4 내지 0.8중량%가 포함되도록 제조한 클링커에, SO₃가 시멘트 내에서 1 내지 3중량%만큼 포함되도록 이수석고를 첨가하여 제조된다.

한편, 여기에 슬래그 분말은 전체 시멘트 내에서 5 중량% 이하가 되도록 첨가한 후, 분말도를 블레인(Blaine) 수치를 기준으로 2,800 내지 3,500㎠/g가 됨과 동시에 44㎛R(44㎛ 규격의 체를 통과하고 남은 잔여량)을 기준으로 5 내지 15 중량%가 되도록 분쇄한 시멘트를 사용하는 것이 바람직할 것이다.

① 시멘트 페이스트의 유동학적 특성의 정의

굳지 않은 상태의 시멘트 페이스트는 빙햄유체(Bingham Fluid)에 가까운 유동특성을 나타내며, 그 유동학적 특성은 항복응력(Yield Stress)과 소성점도(Plastic Viscosity) 및 점도(Viscosity)로 표현된다.

항복응력은 어떤 전단응력(항복응력) 이상이 되어 최초로 유동을 개시하는 응력으로 콘크리트에서는 슬럼프나 슬럼프 플로우같은 유동성 값과 관련이 있다.

소성점도는 항복응력 이후 유동을 개시한 상태에서 전단응력과 전단속도의 비례상수로 표현하며, 점도는 시멘트 페이스트가 유동할 때 접촉면에서 받는 저항력을 나타낸다.

② 시멘트 페이스트의 점도( 항복응력 , 소성점도)와 유동성( 플로우 )의 관계

일반적으로 분말도와 입도구성이 유사한 시멘트 페이스트는 항복응력과 플로우 간에 상관성이 매우 높다(즉 항복응력과 플로우는 반비례 관계이다).

시멘트 페이스트의 항복치 및 소성점도가 작으면 콘크리트에서는 슬럼프나 슬럼프 플로우가 큰 값을 나타내는 반면, 재료분리에 대한 저항성이 작다. 한편, 시멘트 페이스트의 항복치와 소성점도가 크다면 콘크리트는 재료분리에 대한 저항성은 크지만 슬럼프나 슬럼프 플로우가 낮아 취급이 곤란하다. 따라서 항복치가 작은 고유동 콘크리트에서는 일정 이상의 소성점도가 유지되어야 한다.

시멘트 페이스트의 점도가 낮다면 콘크리트의 이송이나 타설이 용이하게 된다. 즉, 압송관에 걸리는 부하가 낮아지거나 압력손실이 줄어들고 슬럼프 플로우 측정시 콘크리트가 퍼지는 시간이 짧아지게 된다.

초고층 부위에 타설하는 자기충전 고유동 콘크리트의 경우에는 시멘트 페이스트의 항복값이 낮아 유동성이 우수하고, 일정한 소성점도를 나타내어 시멘트 페이스트와 골재의 재료분리가 억제되며, 가능한 낮은 점도를 나타내어 압송 및 콘크리트의 타설이 원활해진다.

③ 시멘트 페이스트의 유동학적 특성에 미치는 시멘트 특성

시멘트 페이스트의 유동학적 특성을 결정하는 주요인자는 시멘트 입자사이의 분산, 응집성상, 입자크기 분포와 입자 충전성, 접수(接水)초기의 수화생성물 종류와 양, Alite 수화 가속기의 반응 개시시간 등이다.

항복응력은 시멘트 중의 간극질 양과 관계되며, 간극질량이 증가할수록 항복응력이 증가한다. 특히 C₃A 증가시 혼화제의 흡착량 증가와 수화생성물에 의한 시멘트 입자간의 가교 접합에 의한 입자간 접촉점수 증가로 페이스트 점도는 증가하고 유동성은 저하한다.

W/C가 낮은 경우에 있어서 F-CaO 양이 많은 경우 혼화제 흡착량이 증가하고 시멘트의 항복응력은 증가한다. 황산알카리는 접수후 용해하여 SO₄ ^{2 -} 이온을 방출하며, 혼화제와 경쟁적으로 흡착하여 시멘트에 혼화제의 흡착을 방해하므로 적정 범위가 존재한다.

석고는 기본적으로 응결의 컨트롤 역할을 하지만, 형태, 첨가량에 따라 유동특성에도 영향을 미친다. 분말도가 증가하면, 입자사이 공극에 많은 물이 필요하게 되고, 분쇄되기 쉬운 간극질이 미분에 분포되므로 초기 수화반응량이 커지게 되므로 응집이 쉽게 되어 유동성은 저하한다.

입도분포가 넓은 쪽이 유동성이 증가한다. 작은 입자가 큰 입자 주변을 충전하여 볼베어링 효과에 의해 마찰저항을 감소시키며, 충전율 증가에 따른 자유수분의 증가로 유동성이 증가한다.

시멘트에 5% 이내에서 첨가하는 혼합재도 영향을 미친다. 고로슬래그는 혼화제의 흡착이 작아 시멘트에 작용할 수 있는 혼화제 양을 증가시키며, 시멘트 입자사이를 충진하여 시멘트 입자의 응집을 방해하므로 페이스트의 점도를 낮춘다.

플라이 애시는 볼베어링 효과와 더불어 고체입자의 충진밀도를 향상시키고, 시멘트 입자의 응집을 파괴 분산시키는 역할을 하여 유동성을 개선한다.

2) 시공성(압송성능)을 극대화한 콘크리트용 혼화재로써 지르코늄 실리카흄

① 지르코늄 실리카흄

실리카흄은 제철용 탈산제로 사용되는 페로실리콘과 반도체용 금속실리콘 제조시 발생되는 SiO₂ 가스를 응축시켜 포집한 재료인 반면, 지르코늄 실리카흄은 내화물과 硏磨 硏削材, 전자재료, 요업안료 등에 사용되는 電融 지르코니아(산화지르코늄, ZrSiO₂)를 정제할 때 부생되는 것으로, 지르콘샌드(ZrSiO₄ 또는 ZrSiO₂SiO₂)를 2,200℃에서 전기로 용융시 발생되는 배기가스를 집진한 것이다.

주성분은 종래의 실리카흄과 동일하게 SiO₂이며, 평균입경은 기존 실리카흄 0.1~0.3㎛ 대비 약 5~10배 큰 0.3~1.0㎛의 수준이다. 시멘트 입자의 사이에서 보다 잘 분산되어 유동성을 향상시키고 강도를 증가시킨다.

즉, 지르코늄 실리카 흄은 융합 지르코니아(Fused Zirconia)의 제조 시 발생하는 부산물로서, SiO₂ 92 내지 97%, ZrO₂ 3 내지 5%를 함유하고, 단위용적중량은 200~300kg/m3, 분말도는 100,000~150,000 cm2/g, 입자 크기가 0.3~1㎛ (평균 0.5㎛) 의 특성을 가지는 실리카흄을 사용하는 것이 바람직하다.

② 지르코늄 실리카흄(Z/F)와 실리카흄(S/F) 비교

1. 일반적인 특성

구분	SiO2 (%)	평균입경 (㎛)	분말도 (㎡/g)	생성온도 (℃)	입형	결정상	비 고 (발생공정)
Z/F	96이상	0.5	10.2	2,200	구형	비정질	산화지르코늄 정제 시 副産됨
S/F	90이상	0.1~0.3	10~30	-	구형	비정질	실리콘, 페로실리콘, 실리콘메탈 생산시

2. 지르코늄 실리카흄의 장점( 실리카흄 대비)

- 입경이 커서 시멘트 입자사이에서 잘 분산되어 점성을 낮추고 유동성을 향상시킨다.

- 고온에서 생성(급냉)되어, 포졸란 활성이 우수한 비정질 상태이다.

- SiO₂ 함량이 높아 강도 증가에 유리하다.

본 발명에서는,상술한 기술적 개념을 기초로 하여 콘크리트의 유동특성을 좌우하는 시멘트계 재료인 시멘트와 실리카흄의 품질확보 및 개선에 주안을 두고 개발을 진행하였으며, 또한 부수적으로 잔 골재의 입도관리, 굵은 골재의 입형 개선도 함께 관리되도록 하여 시공성을 극대화할 수 있는 설계강도 50~100Mpa 고강도 콘크리트의 조성물을 제공할 수 있게 되었다.

본 발명은 단위수량 150~160 kg/m³, 단위결합재량 500~800 kg/m³, 단위잔골재량 650~900 kg/m³, 및 단위굵은골재량 750~950 kg/m³을 포함하여 조성된다.

한편, 본 발명에 따른 고강도 콘크리트 조성물은, 플라이 애쉬가 전체 결합재 중량에 대해 10~20%, 지르코늄 실리카 흄은 전체 결합재 중량에 4~10%가 포함하도록 혼합되며, 물-결합재비는 20~30%, 잔골재율은 45~50%의 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 50~100Mpa 강도의 고강도 콘크리트는 상기의 각 재료를 개별 혼합하거나 프리믹스한 결합재를 사용하여 배합되는 특징을 가지고 있다. 그 구체적인 배합범위는 하기 표 2에서와 같다.

W/B (중량%)	S/a (중량%) (a=S=G)	단위 재료량 (kg/M3)
		W	Binder	OPC	FA	Zr-SF	S	G
20~30	45~50	150~160	500~800	450~600	50~160	20~80	650~900	750~950

상기 표 2에서 W/B는 물-결합재비, S/a는 잔골재율, W는 물, B는 결합재, S는 잔 골재, G는 굵은 골재, AD는 고성능 감수재를 의미한다. 이하에서는 상기 표 2에서의 수치 범위의 의미에 대해 설명하기로 한다.

(1) 물-결합재비(W/B)

설계강도 50~100Mpa 고강도 콘크리트 발현을 위해 물-결합재비(W/B)는 20~30 중량%을 사용한다. 물-결합재비는 압축강도 발현에 가장 큰 영향을 미치며, 안정적인 강도발현 범위 내에서 최적의 시공성을 확보할 수 있도록 단위수량을 결정하였다.

(2) 잔골재율 (S/a)

잔골재율은 전체 골재(모래+자갈) 체적에 대한 모래의 체적비로서 콘크리트의 유동성을 결정할 수 있는 수치이며, 잔골재의 조립율을 감안하여 45~50 중량% 수준으로 설정하였다.

본 발명에서는, 고성능 감수제의 기술발전을 통해, 잔골재율이 다소 높아져도 양호한 유동성 확보에 기여하는 것으로 판단되어 기존의 고강도 콘크리트에서의 잔골재율보다 높은 최적의 잔골재율로 제시하게 되었다.

(3) 물(W)

여기서, 물(W)은 유해물질을 포함하지 않은 지하수, 수도수의 물로서 일반 콘크리트와 동일한 배합수를 의미한다. 본 발명에서는 150~160kg/m³의 범위에서의 강도발현과 유동성 확보 등 특성을 동시에 만족하는 최적의 값을 사용하였다.

(4) 결합재 (B)

본 발명에서는 시멘트와 플라이 애쉬 및 지르코늄 실리카흄 등의 혼화재를 일정비율로 개별 혼합하거나 프리믹스하여 결합재(B)를 확보하게 되며, 본 발명에서의 혼화재는 시멘트를 단독으로 사용하는 경우보다 굳지 않은 콘크리트의 유동특성 개선, 시공성(압송성능) 개선 및 장기강도 발현 등에 기여하게 된다.

한편, 플라이 애쉬와 지르코늄 실리카 흄은 입자형태가 구형으로서 유동성 확보와 압송성능 개선에 유효하며, 그 치환율에 따라 장기 강도 개선에도 기여하게 된다.

결합재에서 시멘트와의 혼화재의 혼합비율은 하기 표 3에서와 같은 비율로 설정하며, 강도 수준에 따라 경제성을 고려하여 설정하게 된다.

시멘트	플라이애쉬	지르코늄 실리카흄
70~85%	10~20 중량%	4~10 중량%(50Mpa: 4~5%, 100Mpa: 8~10%)

(5) 잔 골재(S)

잔골재(모래)는 레미콘 사에서 보편적으로 사용하는 것과 동일한 것을 사용하되, 조립율이 2.6~3.0의 범위의 것을 사용하는 것이 유동성 확보, 시공성 개선 등에 유리하다. 한편, 본 발명을 실시함에 있어서, 잔골재량은 650~900 kg/M³ 범위에서 선택하는 것이 바람직하다.

(6) 굵은 골재(G)

굵은 골재는 그 최대 치수를 20mm 이하(구체적으로는, 10 내지 20mm)로 하며, 고강도 콘크리트에 적합한 강도수준의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 고층부 압송시 편석에 의한 압송효율 저하를 방지하기 위해 입형을 개선함으로써, 입형판정 실적율을 최소 60% 이상(구체적으로는, 60 내지 65% 이상)인 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명을 실시함에 있어서 단위 굵은 골재량은 750~950kg/M³ 범위에서 선택하며, 조립율은 6.0 내지 7.0의 범위에서 선택하는 것이 바람직할 것이다.

(7) 고성능 감수제(AD)

고성능 감수제는 폴리카르본산계를 사용하여 유동성 유지성능을 확보하도록 하며, 그 사용량은 결합재량의 1.0~2.0 중량%로 혼합하는 것이 바람직할 것이다.

[ 실시예 1: 고강도 콘크리트 실내배합 예]

(1) 실험내용

설계강도 50~100Mpa 범위의 대표적인 배합을 대상으로 기존의 배합과 본 발명에 따른 배합을 상호 비교하기 위해 실내배합을 실시하였으며, 유동학적 특성인 유동성과 점성을 평가하기 위해 슬럼프 플로우, 500mm 도달시간, V-Lot 유하시간을 측정하고, 경화특성으로 재령별 압축강도와 탄성계수측정 시험을 수행하였다. 또한, 생산효율을 평가하기 위해 실내믹서에 혼합시 유동학적으로 안정이 되는 시간(초)을 측정하여 상호 비교하였다.

(2) 고강도 콘크리트 배합설계

본 실시예 1에서의 콘크리트 배합설계 및 사용 재료원은 하기 표 4에서와 같다.

규격	W/B (중량%)	S/a (중량%) (a=S=G)	단위 재료량 (kg/M3)							AD (Bx%)
			W	B	OPC	FA	SF	S	G
20-50-650	30.2	48.5	158	523	424	78	21	807	873	1.0~1.2
20-70-650	28.0	48.0	157	560	420	112	28	778	859	1.2~1.4
20-80-650	24.6	47.5	155	630	466	126	38	741	835	1.3~1.6
20-100-700	21.0	46.5	155	738	516	148	74	675	791	1.6~2.0
B: OPC + FA + SF S: 잔골재 (인천 세척사, 조립률 2.83) G: 굵은 골재 (제천 석회암, 20mm, 조립율 6.4, 입형판정실적율 63% AD: 폴리카르본산계 고성능 감수제 (동남기업 3000 S)

(3) 실험결과

상기 배합설계에 따라 배합된 콘크리트를 물성 시험한 결과를 하기의 표 5 및 표 6에 정리하였다. 각 배합에 있어서 OPC의 경우 본 발명을 통해 개발된 제품을 사용하였으며, 기존에 사용되어 왔던 일반 실리카흄(S/F)과 지르코늄 실리카흄 Zr-S/F)을 변수로 하여 상호 비교를 실시하였다.

하기의 표 5는 굳지않은 콘크리트 물성시험 결과를 나타내며, 하기의 표 6은 경화 콘크리트 물성시험 결과를 나타낸다.

규격	변수	슬럼프 플로우 (mm)		500mm 플로우 도달시간(초)		V-lot 유하시간(초)		공기량 (%)	실내믹서 비빔안정 시간(초)	AD 사용량
		0분	60분	0분	60분	0분	60분
20-50-650	기존 S/F	630/640	620/620	4.5	5.7	12.8	14.5	2.5	90초	1.1%
	Zr-S/F	630/630	620/610	3.0	3.9	10.4	12.7	2.8	45초	0.9%
20-70-650	기존 S/F	670/680	640/630	3.8	6.3	13.1	15.2	1.9	115초	1.4%
	Zr-S/F	660/660	630/630	3.2	4.3	10.8	12.1	1.8	55초	1.2%
20-80-650	기존 S/F	650/660	640/650	4.3	5.8	13.6	15.8	2.1	120초	1.6%
	Zr-S/F	650/650	640/650	3.2	4.0	11.2	12.5	2.0	60초	1.3%
20-100-700	기존 S/F	680/690	690/670	6.2	7.8	16.2	18.3	1.8	180초	2.0%
	Zr-S/F	670/680	680/680	4.6	5.5	12.5	14.1	2.1	90초	1.7%
규격표시예: 20-50-650 (20: 굵은 골재 최대치수, 50: 설계기준강도, 650: 슬럼프 플로우 기준치)

규격	변수	재령별 압축강도(Mpa)				탄성계수(Gpa)
		1일	7일	28일	56일	28일	56일
20-50-650	기존 S/F	23.2	52.0	71.0	75.2	40.5	42.1
	Zr-S/F	22.8	53.6	70.4	76.3	41.2	42.5
20-70-650	기존 S/F	29.5	60.9	73.8	80.4	42.8	43.5
	Zr-S/F	28.4	61.8	75.4	81.0	42.0	43.6
20-80-650	기존 S/F	32.0	65.8	83.9	91.0	43.5	44.6
	Zr-S/F	31.8	67.5	84.4	90.7	42.8	44.8
20-100-700	기존 S/F	35.0	74.6	95.4	110.8	43.2	45.6
	Zr-S/F	35.4	73.2	96.4	108.7	44.5	45.1

(4) 결과 분석

상기 배합실험 결과에서 기존 실리카흄(S/F)을 사용한 콘크리트와 지르코늄 실리카 흄을 사용한 콘크리트의 물성시험 결과를 아래에서 상호 비교하여 정리하였다.

- 슬럼프 플로우 측정 결과

슬럼프 플로우 측정결과, 기존의 S/F과 Zr-S/F는 초기 유동성 및 60분 경시변화에 따른 플로우 변화는 도 1a 및 도 1b에서 확인할 수 있는 바와 같이 거의 유사한 수준으로 나타났다.

- 500 mm 플로우 도달시간 측정 결과

500mm 플로우 도달시간을 비교한 결과, 도 2a 및 도 2b에서와 같이 Zr-S/F을 사용한 콘크리트가 기존의 S/F을 사용한 경우에 비해 빠르게 나타났으며, 이는 상대적으로 낮은 점성을 가지는 고유동 고강도 콘크리트임을 알 수 있다.

- V- Lot 유하시간 측정 결과

도 3a 및 도 3b에서와 같이 V-Lot 유하시간의 경우도 Zr-S/F을 사용한 콘크리트가 기존의 S/F을 사용한 콘크리트에 비해 빠르게 나타났으며, 이는 상대적으로 유동속도가 빠르고 낮은 점성을 가지는 고강도 콘크리트임을 알 수 있다.

- 실내배합 비빔 안정시간 및 혼화제 사용량 비교

실내배합시 건비빔 후, 물과 고성능 감수제를 투여한 시점으로부터 콘크리트가 유동학적으로 안정되는 시점을 측정한 결과, 도 4a 및 도 4b에서와 같이 기존의 S/F에 비해 Zr-S/F를 사용한 경우가 약 40~60초 이상 빠르게 나타나, 실제 Batch Plant에서 생산시 그 생산효율을 극대화할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 고성능 감수제의 사용량도 결합재량의 0.2~0.3 중량% 만큼 저감할 수 있어서 보다 경제적임을 알 수 있다.

- 역학적 특성(압축강도 & 탄성계수) 비교

도 5a, 도 5b, 도 6a, 및 도 6b에서와 같이, 압축강도 및 탄성계수 측정결과 지르코늄 실리카흄을 사용할 경우, 기존의 S/F를 사용한 콘크리트와 거의 유사한 결과, 동등 수준 이상의 발현특성을 가짐을 확인할 수 있었다.

[ 실시예 2: 고강도 콘크리트 레미콘 B/P 시험생산 예]

(1) 실험내용

본 발명의 실시예 2에서는 실내배합에서 확인한 물성을 실제 대용량의 레미콘 Batch Plant 시험을 통해 확인하고자 하였으며, 대표적인 설계강도 80Mpa 콘크리트를 대상으로 기존의 S/F를 사용한 경우와 Zr-S/F을 사용한 경우에 대하여 비교시험을 수행하였다. 시험항목은 실내배합과 동일하게 진행하였으며, B/P생산 시 비빔완료시간을 측정하고 상호 비교하였다.

(2) 고강도 콘크리트 배합설계 (B/P Test)

본 실시예2에서의 콘크리트 배합설계 및 사용재료원은 하기 표 7과 같다.

규격	W/B (중량%)	S/a (중량%) (a=S=G)	단위 재료량 (kg/M3)							AD (Bx%)
			W	B	OPC	FA	SF	S	G
20-80-650	24.6	47.5	155	630	466	126	38	741	835	1.4~1.7
B: OPC + FA + SF S: 잔골재 (인천 세척사, 조립률 2.80) G: 굵은 골재 (제천 석회암, 20mm, 조립율 6.5, 입형판정실적율 62% AD: 폴리카르본산계 고성능 감수제 (동남기업 3000 S)

(3) 실험결과

상기 배합설계에 따라 총 2M³의 체적의 콘크리트를 생산하여 물성시험한 결과를 하기의 표 8 및 표 9에 정리하였다. 표 8은 굳지않은 콘크리트 물성시험 결과를 정리한 것이고, 표 9는 경화 콘크리트 물성시험 결과를 정리한 것이다.

한편, 실내배합과 동일하게 일반적인 기존 실리카흄(S/F)과 지르코늄 실리카흄 (Zr-S/F)을 변수로 하여 상호 비교를 실시하였다.

규격	변수	슬럼프 플로우 (mm)		500mm 플로우 도달시간(초)		V-lot 유하시간(초)		공기량 (%)	B/P 비빔안정 시간(초)	AD 사용량
		0분	60분	0분	60분	0분	60분
20-80-650	기존 S/F	680/680	660/660	3.1	4.2	10.8	12.4	1.9	160초	1.7%
	Zr-S/F	660/670	660/650	2.1	2.4	8.4	9.5	2.2	110초	1.4%
규격표시예: 20-50-650 (20: 굵은 골재 최대치수, 50: 설계기준강도, 650: 슬럼프 플로우 기준치)

규격	변수	재령별 압축강도(Mpa)				탄성계수(Gpa)
		1일	7일	28일	56일	28일	56일
20-80-650	기존 S/F	29.5	64.5	81.0	86.4	42.7	43.9
	Zr-S/F	28.4	66.2	82.1	88.3	43.5	44.7

(4) 결과 분석

상기 배합실험 결과에서 기존 실리카흄(S/F)을 사용한 콘크리트와 지르코늄 실리카흄을 사용한 콘크리트의 물성시험 결과를 상호 비교하여 정리하였다.

- 슬럼프 플로우 측정 결과

슬럼프 플로우 측정결과, 실내배합과 동일한 결과로써 기존의 S/F과 Zr-S/F에 의한 차이는 크게 발생하지 않았으며, 양호한 유동성을 확보함을 알 수 있었다.

- 500 mm 플로우 도달시간 및 V- Lot 유하시간 측정 결과

500mm 플로우 도달시간과 V-Lot 유하시간을 비교한 결과, 도 7a 및 도 7b에서와 같이 대용량의 시험생산을 통해 전체적인 콘크리트의 점성이 저하됨을 알 수 있었지만, Zr-S/F을 사용한 콘크리트가 기존의 S/F을 사용한 경우에 비해 빠르게 나타났으며, 이는 상대적으로 낮은 점성을 가짐을 확인할 수 있었다.

- B/P 비빔완료시간 및 혼화제 사용량 비교

대용량의 B/P 생산시의 비빔 완료시간은 믹서의 부하가 적정선으로 안정화되는 시점을 기준으로 하였으며, 기존의 S/F에 비해 Zr-S/F를 사용한 경우가 약 40~50초 정도 빠르게 나타나, 그 생산효율을 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 고성능 감수제의 사용량도 결합재량의 0.3 중량% 만큼 저감할 수 있어서 보다 경제적임을 확인할 수 있었다.

- 역학적 특성 (압축강도 & 탄성계수) 비교

압축강도 및 탄성계수 측정결과 지르코늄 실리카흄을 사용할 경우, 기존의 S/F를 사용한 콘크리트과 비교할 때, 도 8a 및 도 8b에서와 같이 동등 이상 수준의 발현특성을 가짐을 확인할 수 있었다.

[ 실시예 3:고강도 콘크리트용 시멘트 페이스트의 유동특성 비교 예]

(1) 실험개요

시공성을 극대화하기 위한 콘크리트용 시멘트(이하, 저점도 시멘트)와 실리카흄의 변화에 따른 시멘트 페이스트의 유동학적 특성 변화를 검토하기 위해 페이스트 Flow 및 점도 시험을 실시하였다.

(2) 사용 재료

하기의 표 10은 사용된 재료의 화학성분을 정리한 것이며, 하기의 표 11은 사용된 재료의 물리성능을 정리한 것이다.

구 분		화 학 성 분 (%)
		LOI	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	K2O	Na2O	계
저점도 시멘트	개발품	0.81	21.6	4.90	3.59	63.77	2.08	2.13	0.97	0.15	100.00
일반 시멘트	시판품	1.04	22.07	5.30	3.50	62.20	2.59	2.10	1.05	0.15	100.00
S/F	시판품	2.12	96.79	-	0.37	-	-	0.98	0.22	-	100.48
Z/F	적용품	1.59	98.00	-	0.12	-	-	0.35	-	-	100.06
F/A	시판품	2.01	50.74	21.32	6.73	14.31	2.71	1.22	0.97	-	100.01

구 분	Blaine (㎠/g)	44㎛R (%)	주도 (%)	응결시간(분)		압축강도 (MPa)
				초결	종결	1일	3일	7일	28일
OPC	3,103	9.3	26.0	205	300	11.3	26.2	36.3	51.2

(3) 시험 배합비 및 시험항목

하기의 표 12는 시험 배합비 및 시험항목을 정리한 것이다.

시료명	기준 배합비(%)				시험항목
	OPC	F/A	Z/F	S/F
저점도-Z/F	74	26	6		점도, 압축강도
저점도-S/F	74	26		6

즉, 저점도 고강도 콘크리트용 결합재를 기준으로 F/A(플라이애시)를 26% 첨가한 시멘트에, Z/F(지르코늄실리카흄)과 S/F(일반 실리카흄)을 각 6% 첨가하여 시험하였다.

(4) 시험결과

1) 결합재 기본물성 시험

① 화학성분

하기의 표 13은 결합재 기본물성 시험에서의 화학성분을 정리한 것이고, 하기의 표 14는 결합재 기본물성 시험에서의 응결시간 및 압축강도를 정리한 것이다.

구 분	화 학 성 분 (%)
	LOI	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	K2O	Na2O
저점도-Z/F	1.09	30.19	7.84	4.56	51.16	2.19	1.8	1.02	0.15
저점도-S/F	1.13	30.63	7.75	4.54	50.76	2.19	1.79	1.05	0.15

구 분	주도 (%)	응결시간 (분)		압축강도 (MPa)
		초결	종결	1일	3일	7일	28일
저점도-Z/F	24.4	300	390	8.1	24.4	36.4	57.2
저점도-S/F	26.0	245	325	9.2	24.9	35.6	58.4

2) Paste Flow 및 점도

하기의 표 15는 Paste Flow 및 점도를 정리한 표이다.

구 분		Paste Flow(mm)		점도 (cP)		소성점도 (cPs)		항복응력 (d/cm2)
		초 기	60분	초 기	60분	초 기	60분	초 기	60분
실시례1	저점도시멘트	193	211	576	416	321	109	122	3
비교례1	일반시멘트	190	173	838	1015	359	110	182	301
실시례2	저점도시멘트-Z/F	212	228	524	476	404	504	35	8
실시례3	저점도시멘트-S/F	194	206	697	548	306	311	80	40
비교례2	일반시멘트-Z/F	199	149	952	1567	729	487	65	317
비교례3	일반시멘트-S/F	166	146	1283	1571	332	453	250	362
주1) 시험조건 : W/C 30%, SP 0.9%(D사 PC계), 혼합시간(초기 5분, Loss 2분) 점도측정 : 회전점도계(Brookfield DVⅡ) 사용 2) 점도(Viscosity) : 유체의 내부마찰력, 즉 유체가 다른 부분에 대하여 운동할 때 받는 저항력 소성점도(Plastic Viscosity) : 소성물질이 유동할 때 유동성을 나타내는 척도 항복응력(Yield Stress) : 정지와 유동의 한계가 되는 힘

(5) 시험결과 분석

1) 실시예 1은 개발한 저점도시멘트의 플로우 및 유동특성을 측정한 결과로 비교예인 일반시멘트 페이스트와 비교하여 초기 플로우는 차이가 없으나 점도와 항복응력이 낮은 값을 나타내고 소성점도는 유사하여 콘크리트의 유동성을 개선시킬 수 있을 것으로 예상된다.

2) 실시예 2와 실시예 3은 상기 개발한 저점도시멘트에 지르코늄 실리카흄과 일반실리카흄을 각각 혼합한 혼합시멘트 페이스트의 플로우 및 유동특성을 측정한 결과로 일반 시멘트에 지르코늄 실리카흄과 일반 실리카 흄을 각각 혼합한 혼합시멘트 페이스트와 비교하였을 때 점도와 항복응력이 낮은 값을 나타내고 소성점도는 유사하여 실리카흄을 사용한 고강도용 콘크리트의 유동성을 개선시킬 수 있을 것으로 예상된다.

3) 실시예 2와 실시예 3, 및 일반시멘트에 지르코늄 실리카흄과 일반 실리카 흄을 각각 혼합한 혼합시멘트 페이스트의 예에서 각각 동일 조건에 시멘트에 실리카 흄을 변경시킨 경우 지르코늄 실리카 흄은 유동성의 손실을 나타내지 않고 일반 실리카흄을 사용한 경우와 비교하였을 때 점도와 항복응력이 낮은 값을 나타내고 소성점도는 유사하여 고강도, 고유동용 콘크리트의 유동성을 개선시키는데 지르코늄 실리카흄의 효과를 확인할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (7)

1. 70 내지 85 중량부의 시멘트;
   10 내지 20 중량부의 플라이 애쉬; 및
   4 내지 10 중량부의 실리카 흄
   을 포함하는 결합재를 포함하여 조성되며,
   상기 시멘트는 6 내지 8 중량부의 C₃A, 0.5 내지 1.5 중량부의 F-CaO, 0.4 내지 0.8 중량부의 SO₃ 를 포함하도록 제조된 클링커에, 상기 시멘트에 1 내지 3 중량%의 SO₃가 포함되도록 이수석고를 첨가한 후, 분말도가 블레인(Blaine) 치를 기준으로 2,800 내지 3,500㎠/g가 됨과 동시에 44㎛R을 기준으로 5 내지 15 중량%가 되도록 분쇄한 것인 고강도 콘크리트 조성물.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 실리카 흄은 지르코늄 실리카 흄인 것인 고강도 콘크리트 조성물.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 고강도 콘크리트 조성물은,
   150 내지 160 중량부의 물, 650 내지 900 중량부의 잔골재, 및 750 내지 950 중량부의 굵은 골재를 더 포함하며,
   500 내지 800 중량부의 상기 결합재를 포함하는 것인 고강도 콘크리트 조성물.
   
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,
   상기 지르코늄 실리카 흄은 융합 지르코니아(Fused Zirconia)의 제조시 발생하는 부산물로서, 3 내지 5 중량%의 ZrO₂를 함유하고, 200 내지 300kg/m³의 단위용적중량을 가지며, 100,000 내지 150,000 cm²/g의 분말도를 가지고, 입자 크기가 0.3 내지 1㎛인 것인 고강도 콘크리트 조성물.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 잔골재는 조립율이 2.6 내지 3.0이며, 상기 굵은 골재는 조립율이 6.0 내지 7.0이고, 입형판정 실적율이 60 내지 65%인 것인 고강도 콘크리트 조성물.
   
7. 제2항에 있어서,
   상기 결합재는 상기 시멘트, 상기 플라이 애쉬, 및 상기 지르코늄 실리카 흄을 상기 중량부의 비율로 미리 혼합하여 제조되는 것인 고강도 콘크리트 조성물.
   

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