KR101247288B1

KR101247288B1 - 경량 기포 콘크리트의 제조방법 및 경량 기포 콘크리트

Info

Publication number: KR101247288B1
Application number: KR1020100130830A
Authority: KR
Inventors: 이승호; 추용식; 송훈; 이종규
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2013-03-25
Also published as: KR20120069324A

Abstract

본 발명은 경량 기포 콘크리트의 제조방법 및 그 경량 기포 콘크리트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 경량 기포 콘크리트의 주 구성요소인 규석을 미세분말화 하여 규석의 분말도를 조정함으로써 최종 수열합성 생성물의 물리적 특성 변화를 꽤하여 최종생성물의 압축강도, 휨강도 등의 우수한 물성을 가지도록 하는 경량기포 콘크리트의 제조방법 및 그에 따라 제조된 경량 기포 콘크리트에 관한 것이다.
본 발명에서는 규석을 진동밀에 투입하여 일정시간동안 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 규석분말, 생석회 및 시멘트를 혼합한 혼합물에 일정점도를 가지도록 물을 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리에, 발포제로 알루미늄 분말을, 상기 분쇄된 규석분말과 생석회 및 시멘트를 혼합한 혼합물100중량부에 대하여 0.05 ~ 0.1중량부를 혼합하여 성형체를 형성하는 단계; 상기 성형체를 항온항습기에서 온도 45~55℃, 상대습도 45 ~ 55%조건에서 4 ~ 6시간 숙성시키면서 수열합성반응시키는 단계를 포함하여 되는 것을 특징으로 하는 경량 기포 콘크리트의 제조방법이 개시된다.

Description

경량 기포 콘크리트의 제조방법 및 경량 기포 콘크리트{Method for manufacturing an autoclave lightweight concrete and autoclave lightweight concrete}

본 발명은 경량 기포 콘크리트의 제조방법 및 그 경량 기포 콘크리트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 경량 기포 콘크리트의 주 구성요소인 규석을 미세분말화 하여 규석의 분말도를 조정함으로써 최종 수열합성 생성물의 물리적 특성 변화를 꽤하여 최종생성물의 압축강도, 휨강도 등의 우수한 물성을 가지도록 하는 경량기포 콘크리트의 제조방법 및 그에 따라 제조된 경량 기포 콘크리트에 관한 것이다.

최근 콘크리트 고품질화의 일환으로 콘크리트의 최대 단점인 무게에 비해 낮은 강도 즉, 비강도를 개선하기 위해 고강도화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 실용화되고 있다. 미국에서는 1975년 262m 높이의 Water Tower Palace에 60MPa의 고강도 콘크리트를, 1988~89년 시에틀의 58층 건물인 Two Union Square에 120MPa의 고강도 콘크리트를 시공하였다. 국내에서도 고강도 콘크리트의 필요성을 크게 인식하여 80년대 후반부터 본격적인 연구가 시작되었으며 최근에 들어 건설관련 연구소 및 대학 연구실을 중심으로 실용화 및 특성 규명을 위한 연구가 활발히 수행되고는 있지만 레미콘 품질의 불신, 심리적 한계, 품질에 대한 자신감 부족 등으로 인해 실제 구조물에의 적용은 극히 드물다고 할 수 있다. 이러한 때에 건축재료, 건설, 화학업종에서 세계적인 회사들인 Lafarge, Bouygues 및 Rhodia가 공동으로 연구, 개발한 "고연성을 갖는 초고강도 콘크리트 (제품명 Ductal)"에 관심이 집중되고 있다. 덕탈은 초고강도, 고연성, 고내구성 및 미려함을 갖춘 섬유-시멘트 메트릭스 건축재료 (fiber -cement matrix construction material)로 철강과 같은 추가적인 보강자재 없이도 사용가능한 재료이다. 1993년 세계적인 건축회사인 Bouygue는 reactive powder concrete에 대해 특허를 출원하고 1994년 10월 Bouygue-Lafarge-Rhodia 사이에 5년간 예정으로 연구를 시작하였다. 그 결과 1997년 11월 금속섬유를 첨가한 Ductal FM에 대하여, 1998년 4월 유기섬유를 첨가한 Ductal FO에 대하여 특허를 출원하였다. 즉, 덕탈은 프랑스 라파즈사의 초고강도 시멘트 및 콘크리트 관련 제품이며, 일반학술용어로는 초고강도 섬유보강 콘크리트로 명명될 수 있다.

초고강도 섬유보강 콘크리트의 물리적 특성은 높은 압축강도, 휨강도, 연성을 지닌다는 것이며, 압축강도는 160~230 N/㎟로서, 일반 콘크리트(21~28 N/㎟)의 약 8배 이상이다. 또한 휨강도는 40~50 N/㎟ 수준으로 일반 콘크리트(3.5~5.6 N/㎟)의 약 10배 이상이기도 하다. 따라서 철근 사용이 없는 초고강도 섬유보강 콘크리트로, 1)덕탈로 만들어진 구조물은 초고강도 섬유가 철근을 대체, 2)동일한 하중과 강도를 제공하는 전통적인 콘크리트와 비교하여 절반 정도의 분량으로 강도충족 및 3)철근 및 부재두께 감소(초고층 및 장대교량 유리)라는 장점을 갖는다.

한편, 일반적으로 건축 및 토목용 구조물의 시공시에 사용되는 경량 기포 콘크리트는 흡습성과 건조수축이 보통 콘크리트보다 훨씬 큰 경량콘크리트의 일종으로, 동물성 또는 식물성 기포제를 사용하며 포틀랜트 시멘트와 물을 혼합하여 슬러리화한 상태에서 기포제가 발포기를 통과하여 발포된 기포액과 다시 혼합하여 적정한 물성이 확보되도록 제조한다. 종래 경량 기포콘크리트는 재료의 투입량에 따라 압축강도가 28일강도 기준으로 660 kgf/㎠, 비중 0.5~1.8 정도로 사용된다. 상기 경량 기포콘크리트는 상온·상압에서 양생하는 것과 오토클레이브(autoclave) 양생하는 것의 2종류로 나뉜다.

상온·상압에서 양생하는 경량 기포콘크리트는 시멘트 반죽에 발포기를 통과한 발포액제를 혼합하여 상온상압에서 양생하며, 보통 기건 비중 0.4∼0.6, 압축강도 8∼12kgf/㎠로서 흡수성이 크고 건조시 균열이 생기는 단점이 있어 주로 터널 뒷채움용, 폐광채움용, 아파트의 바닥충진용 등으로 활용되고 있으며, 다른 용도로의 활용은 거의 없는 실정이다.

오토클레이브 양생한 경량 기포 콘크리트는 실리카분이 많이 들어 있는 모래와 생석회 등을 주원료로 만들며, 슬러리에 발포제(알루미나분말 등)와 안정제 등을 섞어 거푸집에 넣고 발포팽창하여 케이크 모양으로 굳었을 때 꺼내 소요형상을 잘라 오토클레이브 안에서 약 180℃, 10기압으로 양생한다. 보통 ALC(autoclaved lightweight concrete)라고 하며 기건 비중 약 0.5~0.8 정도, 압축강도 약 40 ~ 60 kgf/㎠이고, 흡수건조할 때 용적변형이 적고 균열이 잘 생기지 않으며 단열성이 뛰어나다는 장점이 있으나 압축강도가 낮아 각종 건축 및 토목 구조물과 콘크리트 2차 제품군에 활용하기에는 한계가 있었다.

본 발명은 경량 기포 콘크리트의 물성을 개선하기 위해 규석의 입도를 제어하여 경량성과 차음, 단열성 등은 그대로 유지하면서 압축강도, 휨강도 등의 물성이 크게 향상된 경량 기포 콘크리트의 제조방법 및 그에 따른 경량 기포 콘크리트를 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

상기한 과제를 해결한 본 발명의 경량 기포 콘크리트의 제조방법은 규석을 진동밀에 투입하여 일정시간동안 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 규석분말, 생석회 및 시멘트를 혼합한 혼합물에 일정점도를 가지도록 물을 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리에, 발포제로 알루미늄 분말을, 상기 분쇄된 규석분말과 생석회 및 시멘트를 혼합한 혼합물100중량부에 대하여 0.05 ~ 0.1중량부를 혼합하여 성형체를 형성하는 단계; 상기 성형체를 항온항습기에서 온도 45~55℃, 상대습도 45 ~ 55%조건에서 4 ~ 6시간 숙성시키면서 수열합성반응시키는 단계를 포함하여 되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 규석의 분쇄는 분쇄시간 20 ~ 40분, 평균입도 90㎛, 잔분율은 1.0 ~ 5.0%가 되도록 분쇄하는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 본 발명에서는 상기 개시된 제조방법에 의해 제조되는 경량 기포 콘크리트를 제공한다.

본 발명에 의해 제공되는 경량 기포 콘크리트의 제조방법에 따라 제조되는 경량 기포 콘크리트는 규석의 입도를 제어함으로써, 경량성과 차음, 단열성 등은 그대로 유지하면서 압축강도, 휨강도 등의 물성이 크게 향상되는 효과를 가진다.

도 1은 분쇄시간에 따른 규석의 분말도 변화를 도시한 그래프이다.
도 2 및 3은 규석의 분쇄시간에 따른 압축강도와 휨강도 측정 결과를 도시한 것이다.
도 4는 규석의 분쇄시간에 따른 미세구조 관찰을 위해 주사전자현미경사진이다.
도 5는 초기 미분쇄 상태로 수열합성된 ALC 내부의 규석들의 주사전자현미경사진이다.
도 6은 규석의 분쇄 시간에 따른 XRD 패턴을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 경량기포 콘크리트의 제조방법은 규석을 진동밀에 투입하여 일정시간동안 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 규석분말, 생석회 및 시멘트를 혼합한 혼합물에 일정점도를 가지도록 물을 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리에, 발포제로 알루미늄 분말을, 상기 분쇄된 규석분말과 생석회 및 시멘트를 혼합한 혼합물100중량부에 대하여 0.05 ~ 0.1중량부를 혼합하여 성형체를 형성하는 단계; 상기 성형체를 항온항습기에서 온도 45~55℃, 상대습도 45 ~ 55%조건에서 4 ~ 6시간 숙성시키면서 수열합성반응시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 규석의 분쇄는 분쇄시간 20 ~ 40분, 평균입도 90㎛, 잔분율은 1.0 ~ 5.0%가 되도록 분쇄하는 것이 바람직하다.

삭제

본 발명에 따르면, 이상에서 개시되는 제조방법에 따라 제조된 경량 기포 콘크리트가 제공한다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 보다 상세히 설명하기로 한다. 단, 하기의 실시예로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

화학성분이 표 1과 같은 규석, 생석회 및 시멘트를 사용하였다. ALC의 주원료중 하나인 규석의 SiO₂ 함량은 88.0%이었으며, 생석회의 CaO 함량은 67.6%이었다. 본 실험의 원료들은 현재 국내 ALC 제조업체에서 사용하는 원료들을 입수·사용하였다.

출발원료인 규석의 입도 즉, 규석의 비표면적 차이에 따른 반응성을 알아보기 위하여 진동밀 (WTBM-01, 웅비사, 한국)을 이용하여 분쇄하였다. 규석의 입도에 따른 기초물성을 측정하고 ALC 제조를 위한 최적의 배합기술을 도출하기 위해 규석을 시료용기에 각각 3㎏씩 넣고 5분부터 30분까지 5분 간격으로 분쇄를 실시하였다. 분쇄한 규석의 분말도를 확인하기 위해 KS L 5117-2010 규격에 준하여 90㎛체 잔분 실험을 하였으며, KS L 5106-2009에 따른 Blaine 분말도 시험도 진행하였다.

출발 원료인 분쇄 규석, 생석회 및 시멘트를 표 2와 같이 배합설계하고, 제품의 강도에 큰 영향을 미치는 CaO/SiO₂비를 현재 제조업체에서 적용중인 0.5로 고정하여 배합하였다. 혼합수는 분말대비 45%로 배합하였으며, 이때 발포제로 알루미늄 분말을 출발원료 대비 0.08% 첨가하였다. 이후 제조된 성형체를 50℃ 상대습도 50%의 항온항습기 (CC600, 우진정밀, 한국)에 넣고 5시간 동안 숙성시켰다. 이때 서서히 수열합성이 진행되면서 부피팽창이 일어나고 발포제로 첨가하였던 알루미늄 분말이 기공들을 형성한다. 이렇게 제조된 성형체를 오토클레이브에 장입하고, 1시간 동안 180℃까지 승온시키며, 이후 180℃에서 7시간 동안 수열합성을 진행하였다.

오토클레이브에서 수열합성이 종료된 후 얻어진 시편은 비중 및 압축·휨강도 측정을 위해 휨강도용 160×40×40㎜, 압축강도용 40×40×40㎜로 절단하였다. 절단된 성형체는 100℃에서 항량이 될 때까지 건조하였다. 또한 주사전자현미경(SM-300, 탑콘사, 일본)과 X-선 회절기(D5005D, 지멘스사, 독일)를 사용하여 미세구조 및 결정상을 검토하였다.

Materials	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	K₂O	Na₂O	SO₃
Quartzite	88.0	5.11	2.09	0.36	0.76	0.08	-
Lime	1.54	0.42	0.41	67.60	0.10	0.12	0.10
OPC	20.45	5.47	3.03	62.22	0.34	0.80	2.38

	Starting Materials
	Quartzite 규석	Lime 생석회	OPC 시멘트	Water
Mixing Ratio (wt%)	56.4	12.4	31.2	45

[상기 실시예에 따른 결과 및 고찰]

<분쇄시간에 따른 규석의 분말도 변화>

규석의 분쇄시간에 따른 분말도, 즉 90㎛ 체 잔분 변화를 관찰하기 위해 진동밀을 사용하여 분쇄한 결과를 도 1에 나타내었다. 최초 입수된 규석의 잔분율은 38%이었으며, 이후 10분 분쇄는 16% (Blaine 분말도 기준 1,548㎠/g), 20분 분쇄는 4.9% (3,233㎠/g), 30분 분쇄는 1.3% (5,491㎠/g)이었다. 이는 분쇄시간에 따라 잔분이 감소하는 일반적 경향과 일치하는 결과이기도 하다. 분쇄하지 않은 규석과 30분 분쇄한 규석의 잔분율 차이는 36.7%였으며, 분쇄 시간이 증가할수록 잔분율의 감소 폭은 작아짐을 확인할 수 있었다. 또한 25분부터는 90㎛ 체 잔분율이 크게 감소하지 않는 경향을 나타내었다.

<절건 비중>

규석의 분쇄시간에 따른 비중은 개기공을 포함하는 부피비중으로 측정하였으며, 100℃ 항량 후 절건비중을 표 3에 나타내었다. 분쇄 시간에 따른 절건비중은 0.55g/㎤부터 최대 0.61g/㎤까지 다양하게 분포하였지만 큰 차이를 나타내지 않았다. 최초 입수 상태로 규석을 사용한 ALC에서 가장 낮은 비중 값을 나타내었다. 이후 분쇄시간의 증가에 따라 제조된 ALC에서 소폭의 비중 증가가 동반되었다. 이는 분쇄시간이 증가할수록 규석의 입자 크기가 작아지고, 비표면적이 넓어져 CaO 원료와의 반응성이 증가하며, 또한 성형체의 경화시간이 단축되어 성형체 내부 기공병합 현상이 줄어들기 때문으로 판단되었다.

Grinding time (min)	0	5	10	15	20	25	30
Specific Gravity	0.55	0.59	0.58	0.59	0.60	0.58	0.61

<압축 및 휨강도>

압축강도 시험기를 사용하여 규석의 분쇄시간에 따른 압축강도 측정 결과를 도 2에 나타내었다. 분쇄시간이 증가함에 따라 강도 값도 증가하는 뚜렷한 경향을 보였다. 압축강도는 미분쇄 규석 사용시 2.2MPa, 30분 분쇄시 5.4MPa로 높은 결과값을 나타내어, 약 250% 수준의 압축강도 증진이 도출되었다. 이는 규석의 잔사 감소에 따른 비표면적 증대와 이에 따른 반응성 증진 때문이라고 판단된다. 더불어 분쇄시간의 증가에 따라 압축강도 값의 증가폭이 작아지는 이차함수적 경향을 나타내었으며, 90㎛ 잔사 수준과 유사하게 분쇄시간 25분 이후부터는 강도 증진폭이 크지 않음을 확인할 수도 있었다.

압축강도와 유사한 경향으로 분쇄시간의 증가에 따라 휨강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 분쇄하지 않은 규석을 사용한 경우, 0.9MPa로 가장 낮은 값을 나타내었다. 25분 분쇄한 경우 휨강도가 3.2MPa로 가장 높은 결과를 나타내었다.

분쇄시간 증가에 따른 강도의 증가폭 또한 압축강도에서와 동일하게 작아지는 이차함수의 경향을 나타내었다. 또한 25분 분쇄하였을 때 30분 분쇄시보다 다소 강도가 높은 것으로 나타났는데, 이 역시 분쇄시간이 25분을 넘어서면서 규석입자의 비표면적에 큰 차이가 없고, 규석입자의 비표면적이 넓어지더라도 100% 반응에 참여하지 않기 때문이라 판단된다. 상기에서 얻어진 ALC 소재의 압축/휨강도와 규석 분말도와의 상관성을 도 3에 나타내었다. 이들 상관성은 Origin 6.0 프로그램을 사용하여 분석하였다. 도 3에서와 같이 압축강도와 90㎛ 잔사와의 상관관계계수는 -0.97, 휨강도와의 상관관계계수는 -0.99로, 강도와 90㎛ 잔사는 매우 밀접한 상관성이 있음을 확인할 수 있었다.

<미세구조>

규석의 분쇄시간에 따른 미세구조 관찰을 위해 주사전자현미경을 사용하였으며, 관찰사진을 도 4에 나타내었다. 최초 입수상태의 규석을 사용하였을 경우, 수열합성 생성물인 토버모라이트 결정이 양호하지 못한 상태로 생성되었으나, 분쇄시간이 증가할수록 결정형상이 변화하여 육각판상 모양의 토버모라이트 결정으로 변화함을 확인할 수 있었다. 특히 분쇄시간 20분 조건에서는 토버모라이트 결정이 완전하게 생성되었음을 확인할 수 있었으며, 20분 이후 조건에서도 20분과 동일한 결정이 생성됨을 관찰할 수 있었다. 즉 분쇄시간의 증가에 따라 토버모라이트 결정생성이 양호해지나, 일정 잔사 수준 이하에서는 더 이상의 결정변화가 관찰되지 않았다. 또한 초기 미분쇄 상태로 수열합성된 ALC 내부의 규석들은 Fig. 5에서와 같이 미반응 입자들로 존재하였다. 즉 수열합성 반응을 향상시키기 위해서는 규석 입자의 적절한 미분화가 필수적이며, 본 연구에서는 규석의 90㎛ 잔사수준을 2.5% 전후로 선정할 수 있었다.

<결정구조 분석>

도 6은 규석의 분쇄 시간에 따른 XRD 패턴을 나타낸 것이다. 0분부터 25분까지 일정 간격으로 분쇄한 규석을 출발 원료로 한 ALC의 XRD 패턴 분석을 통해 토버모라이트의 형성 및 다른 결정상 존재여부를 파악해 보았다. XRD 측정을 통해 토버모라이트 형성정도를 상호 비교해 본 결과, 시험편 모두 동일한 토버모라이트와 쿼츠 피크가 형성되었음을 알 수 있었으며, 이외 다른 결정상들은 크게 관찰할 수 없었다. 또한 분쇄시간이 증가와 함께 XRD 강도 또한 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 약 26.5도에서 발생하는 쿼츠 피크와 약 29.5도에서 발생하는 토버모라이트 피크의 강도를 비교하여 표 4에 나타내었다. 표 4에서와 같이 분쇄시간의 증가에 따라 토버모라이트 피크와 쿼츠 피크 모두 증가함을 확인할 수 있었다. 토버모라이트 피크의 강도 증가는 규석의 미분말화에 따라 수열합성반응이 증진되기 때문이다. 또한 쿼츠 피크의 증가는 규석 미분말화에 의한 부피증가와 더불어 수열합성반응에 참여하지 않는 부분의 규석 미분말 부피도 증가하기 때문으로 추정되었다.

Claims

규석을 진동밀에 투입하여 일정시간동안 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 규석분말, 생석회 및 시멘트를 혼합한 혼합물에 일정점도를 가지도록 물을 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리에, 발포제로 알루미늄 분말을, 상기 분쇄된 규석분말과 생석회 및 시멘트를 혼합한 혼합물100중량부에 대하여 0.05 ~ 0.1중량부를 혼합하여 성형체를 형성하는 단계; 및 상기 성형체를 항온항습기에서 온도 45~55℃, 상대습도 45 ~ 55%조건에서 4 ~ 6시간 숙성시키면서 수열합성반응시키는 단계를 포함하고,
상기 규석의 분쇄는 분쇄시간 20 ~ 40분, 평균입도 90㎛, 잔분율은 1.0 ~ 5.0%가 되도록 분쇄하는 것을 특징으로 하는 경량 기포 콘크리트의 제조방법.
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청구항 제1항 기재의 제조방법에 따라 제조된 압축강도 경량 기포 콘크리트.