KR101310662B1 - 비정질강섬유로 보강된 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 결합재, 골재 및 비정질강섬유를 포함하고, 상기 비정질강섬유는 일반식 FeαCβSiγBxPyCrz로 표현되고, 상기 α, β, γ, x, y 및 z는 각각 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 보론(B), 인(P) 및 크롬(Cr)의 원자%이며, 상기 α는 α=100-(β+γ+x+y+z)원자%이고, 상기 β는 13.5원자%≤β≤17.8원자%이고, 상기 γ는 0.30원자%≤γ≤1.50원자%이고, 상기 x는 0.1원자%≤x≤4.0원자%이고, 상기 y는 0.8원자%≤y≤7.7원자%이고, 그리고 상기 z는 0.1원자%≤z≤3.0원자%인 콘크리트 조성물을 제공한다.
본 발명의 비정질강섬유로 보강된 콘크리트 조성물을 사용함으로써, 콘크리트 구조물의 수축균열에 대한 저항성 및 시공성을 향상시킬 수 있다.

Description

비정질강섬유로 보강된 콘크리트 조성물{Concrete composition reinforced by amorphous steel fiber}
본 발명은 비정질강섬유로 보강된 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
콘크리트는 압축에는 강하나 인장에 약하여 타설 후 시간이 지남에 따라 환경적인 영향에 의하여 변화하는 성질로 인해 균열이 발생한다. 콘크리트에 발생하는 균열에는, 타설 후 소성상태에 있을 때 급격한 수분의 증발 및 수화열에 의해 발생하는 소성수축균열과 콘크리트가 경화하면서 계속적인 수분의 증발에 의해 발생하는 건조수축균열이 있다. 상기 소성 및 건조수축균열은 콘크리트 내에서 열과 수분의 이동이 구속되면 콘크리트 구조물에 인장응력을 발생시켜 수축균열을 더욱 크게 형성시킨다. 콘크리트 내에 소성 및 건조수축으로 인한 균열은 콘크리트의 투수성을 증가시켜 다양한 형태의 파괴를 발생시킨다.
이러한 콘크리트의 균열을 제어하기 위해서 여러 가지 방법들이 모색되어 왔으며, 그 중 단섬유를 콘크리트 보강재료로 사용하는 방법이 있다. 단섬유는 콘크리트의 인장강도를 증가시켜 콘크리트 내에서 발생하는 미소균열의 억제에 효과가 있다고 알려져 많이 사용되고 있다. 현재 콘크리트 보강섬유로서 초기 균열제어효과가 있고 경제성과 성능면에서 우수하다고 알려진 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐알코올(PVA) 및 나일론 섬유 등이 주차장 바닥과 같은 장스팬용 바닥 슬래브에 그 사용이 증가하고 있는 추세이다.
한편, 단섬유를 첨가하여 콘크리트를 보강하는 경우, 단섬유의 비중이 시멘트 매트릭스를 구성하는 재료 입자와의 차이로 분산이 잘 되지 않거나, 섬유 뭉침(fiber ball) 현상이 발생하여 섬유보강 콘크리트의 본래 성능을 발휘하지 못하거나 오히려 작업성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 또한, 단섬유의 비중이 낮은 경우에는, 콘크리트에 투입시에 단섬유가 비산되어 제대로 투입되지 못하므로 충분한 인성을 확보하지 못하는 문제가 있다.
본 발명의 한 측면은 비정질강섬유를 콘크리트에 첨가하여 콘크리트 바닥의 수축균열에 대한 저항성이 우수한 콘크리트 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 결합재, 골재 및 비정질강섬유를 포함하고, 상기 비정질강섬유는 일반식 FeαCβSiγBxPyCrz로 표현되고, 상기 α, β, γ, x, y 및 z는 각각 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 보론(B), 인(P) 및 크롬(Cr)의 원자%이며, 상기 α는 α=100-(β+γ+x+y+z)원자%이고, 상기 β는 13.5원자%≤β≤17.8원자%이고, 상기 γ는 0.30원자%≤γ≤1.50원자%이고, 상기 x는 0.1원자%≤x≤4.0원자%이고, 상기 y는 0.8원자%≤y≤7.7원자%이고, 그리고 상기 z는 0.1원자%≤z≤3.0원자%인 콘크리트 조성물이 제공된다.
상기 콘크리트 조성물은 상기 비정질강섬유가 상기 콘크리트 조성물의 전체 부피의 0.02~0.9 vol% 로 혼입되는 것일 수 있다.
상기 콘크리트 조성물은 결합재 100 중량부에 대하여 골재 500~1600 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
상기 결합재는 고로슬래그, 플라이애시 및 시멘트 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다.
상기 결합재에 고로슬래그 및 플라이애시 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 포함된 경우, 상기 결합재는 탈황슬래그 및 석고 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 결합재는 상기 고로슬래그, 플라이애시 및 시멘트 중 어느 하나 또는 이들의 조합 100 중량부를 기준으로 탈황슬래그 및 석고 중 어느 하나 또는 이들의 조합 1~40 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
상기 콘크리트 조성물은 물과 결합재의 배합비(W/B)가 35~65%가 되도록 물을 추가로 포함할 수 있다.
상기 골재는 잔골재율(S/a)이 40~70%일 수 있다.
상기 콘크리트 조성물은 결합재 100 중량부에 대하여 감수제 0.5~20 중량부를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 비정질강섬유로 보강된 콘크리트 조성물을 사용함으로써, 콘크리트 구조물의 수축균열에 대한 저항성 및 시공성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 혼입되는 비정질강섬유를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예인 콘크리트 조성물로 제조한 콘크리트의 소성수축 결과를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예인 콘크리트 조성물로 제조한 콘크리트의 소성수축 결과를 도시한 것이다.
본 발명은 비정질강섬유를 혼입한 콘크리트 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 콘크리트 조성물을 사용하는 경우, 비정질강섬유에 의해 수축균열에 대한 저항성이 우수한 콘크리트를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 결합재, 골재 및 비정질강섬유를 포함하고, 상기 비정질강섬유는 일반식 FeαCβSiγBxPyCrz로 표현되고, 상기 α, β, γ, x, y 및 z는 각각 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 보론(B), 인(P) 및 크롬(Cr)의 원자%이며, 상기 α는 α=100-(β+γ+x+y+z)원자%이고, 상기 β는 13.5원자%≤β≤17.8원자%이고, 상기 γ는 0.30원자%≤γ≤1.50원자%이고, 상기 x는 0.1원자%≤x≤4.0원자%이고, 상기 y는 0.8원자%≤y≤7.7원자%이고, 그리고 상기 z는 0.1원자%≤z≤3.0원자%인 콘크리트 조성물이 제공된다.
상기 비정질강섬유는 특허공개공보 제2012-0017786호에 개시된 것일 수 있다. 상기 비정질강섬유는 금속의 용융상태에서 응고될 때, 임계 냉각속도 이상의 빠른 속도로 냉각시키는 경우 원자자 규칙적으로 배열하여 결정화할 시간이 없어 무질서한 원자배열을 가지는 것을 말하며, 일반적인 금속에 비해 높은 강도 등의 우수한 특성을 나타낸다.
따라서, 상기 비정질강섬유를 콘크리트 조성물에 혼입함으로써 인장 강도를 보완할 수 있으며, 특히 일반 슬래브에 비해 균열이 많은 주차장 바닥의 장스팬용 바닥 슬래브 등에 활용될 수 있다. 또한, 폴리프로필렌(PP) 및 폴리비닐알코올(PVA)에 비해 비중이 높아 우수한 작업성을 얻을 수 있다.
상기 비정질강섬유는 상기 콘크리트 조성물의 전체 부피의 0.02~0.9 vol% 로 혼입될 수 있다. 0.02 vol%미만인 경우 비정질강섬유 혼입에 의한 인장강도 보강 효과를 기대할 수 없으며, 0.9 vol%를 초과하는 경우 섬유 뭉침현상이 발생한다. 보다 바람직하게는 0.05~0.8 vol%를 혼입할 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.1~0.6 vol%로 혼입할 수 있다.
상기 콘크리트 조성물은 결합재 100 중량부에 대하여 골재 500~1600 중량부를 포함할 수 있다. 500 중량부 미만인 경우 콘크리트의 내구성을 보장하기 어려우며, 1600 중량부를 초과하는 경우 결합재에 비해 골재가 상대적으로 과다하게 포함되어 골재간의 결합이 약해 콘크리트의 균열이 발생한다. 보다 바람직하게는 550~1400 중량부를 포함할 수 있으며, 가장 바람직하게는 700~1200 중량부를 포함할 수 있다.
상기 결합재는 고로슬래그, 플라이애시 및 시멘트 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 고로슬래그 및 플라이애시의 중량비가 클수록 발열속도가 저감되고 온도상승이 억제되며, 유동성, 수밀성 및 염분차폐성이 우수한 콘크리트를 얻을 수 있다.
또한, 상기 결합재에 고로슬래그 및 플라이애시 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 포함된 경우, 상기 결합재는 탈황슬래그 및 석고 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다. 상기 시멘트는 물과 반응하여 경화되며, 상기 고로슬래그 및 플라이애시는 탈황슬래그 및 석고 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의해 활성화됨으로써 경화될 수 있다.
상기 결합재는 상기 고로슬래그, 플라이애시 및 시멘트 중 어느 하나 또는 이들의 조합 100 중량부를 기준으로 탈황슬래그 및 석고 중 어느 하나 또는 이들의 조합 1~40 중량부일 수 있다. 1 중량부 미만일 경우 고로슬래그 또는 플라이애시가 경화되지 않으며, 40중량부를 초과하는 경우 고로슬래그 또는 플라이애시의 급결이나 이상경화를 야기할 수 있다. 보다 바람직하게는 2~30중량부, 가장 바람직하게는 3~20 중량부일 수 있다.
상기 콘크리트 조성물은 물과 배합하여 콘크리트를 조성하게 되는데, 물과 결합재의 배합비(W/B)가 35~65%가 되도록 물을 추가로 포함할 수 있다. 35% 미만인 경우 시멘트의 수화반응이 충분하게 일어나지 못하여 콘크리트 구조물 내부의 압축강도가 감소하게 되며, 65%를 초과하는 경우 증발된 물이 콘크리트 구조물 내의 공극으로 남기 때문에 콘크리트의 강도가 감소한다. 보다 바람직하게는 40~60%, 가장 바람직하게는 46~54%일 수 있다.
상기 골재로는 표준망체 5㎜체를 100% 통과하는 잔골재 및 표준망체 5㎜체에 100% 남는 굵은 골재가 있으며, 잔골재 및 굵은 골재의 절대 용적의 합에 대한 잔골재의 절대용적의 백분율을 잔골재율(S/a)라고 한다.
상기 골재는 잔골재율(S/a)가 40~70%일 수 있는데, 40% 미만인 경우 콘크리트 조성물의 굵은 골재량이 증가하여 건조수축균열이 감소하나, 작업성이 나빠지며, 70%를 초과하는 경우 콘크리트 배합물의 건조수축, 침하균열 및 소성수축균열이 증가한다. 보다 바람직하게는 46~64%일 수 있다.
상기 콘크리트 조성물은 작업성 및 내구성을 개선하기 위해 감수제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 추가로 포함되는 감수제의 양은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 결합재 100 중량부에 대하여 0.5~20 중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우 작업성 개선 효과를 얻기 어렵다. 상기 감수제는 AE 감수제를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 당해 분야에서 통상의 기술자가 사용하는 어떠한 감수제도 사용할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
콘크리트 1㎥를 기준으로 하여, 시멘트 90, 고로슬래그 8 및 탈황슬래그 2의 비로 혼합된 결합재 331 ㎏/㎥, 골재 1777 ㎏/㎥ (잔골재 855㎏/㎥, 굵은 골재 922㎏/㎥), 물 173㎏/㎥, AE 감수제 1.65㎏/㎥를 혼합하였다.
그 후, 상기 혼합물의 총 부피의 0.05%가 되도록 비정질강섬유(Fe79 .6C17 .6Si1 .6B0.4P0 .8Cr0 .3)를 혼입하여 가로 900㎜, 세로 600㎜, 높이 200㎜의 콘크리트 시험체를 제조하였다.
상기 제조된 콘크리트 시험체를 항온항습 설비에서 28℃, 습도 25%, 풍속 6m/sec의 조건에서 24시간 동안 건조시켜 콘크리트 시험체의 건조수축균열 정도를 확인하였다. 건조수축균열의 정도는 균열의 길이와 폭의 곱으로 측정하였다. 상기 건조수축균열이 발생한 콘크리트 시험체를 도 2에 나타내었다. 또한, 제조된 콘크리트 시험체의 재료량, 비정질강 섬유 혼입율, 물과 결합재의 배합비(W/B), 잔골재율(S/a) 및 소성수축균열 정도를 하기 표 1에 나타내었다.
[비교예]
비정질강섬유를 혼입하지 않는 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일하게 콘크리트 시험체를 제조하여 건조수축균열 정도를 측정하였다. 상기 건조수축균열이 발생한 콘크리트 시험체를 도 3에 나타내었다. 또한, 제조된 콘크리트 시험체의 재료량, 비정질강 섬유 혼입율, 물과 결합재의 배합비(W/B), 잔골재율(S/a) 및 소성수축균열 정도를 하기 표 1에 나타내었다.
혼입율
(%)		 W/B
(%)		 S/a
(%)		 단위 재료량 (kg/㎥) 소성수축균열(㎟)
결합재 물 잔골재 굵은골재
실시예 0.05 52.3 48.2 331 173 855 922 4726
비교예 0 52.3 48.2 331 173 855 922 10933
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 비정질강섬유를 제외하고 동일한 재료를 사용하고, W/B 및 S/a의 조성비가 동일한 실시예와 비교예의 소성수축균열의 정도가 약 2배 이상 차이가 남을 알 수 있다. 이는 콘크리트에 비정질강섬유가 혼입됨에 따라 인장강도가 보강되어 건조수축균열에 대한 저항성이 향상되었기 때문임을 알 수 있었다.
이로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 비정질강섬유를 혼입한 콘크리트 조성물을 사용하여 건조수축균열에 대해 우수한 저항성을 가지는 콘크리트를 제조할 수 있다.

Claims (9)

  1. 결합재, 골재 및 비정질강섬유를 포함하고, 상기 비정질강섬유는 일반식 FeαCβSiγBxPyCrz로 표현되고, 상기 α, β, γ, x, y 및 z는 각각 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 보론(B), 인(P) 및 크롬(Cr)의 원자%이며, 상기 α는 α=100-(β+γ+x+y+z)원자%이고, 상기 β는 13.5원자%≤β≤17.8원자%이고, 상기 γ는 0.30원자%≤γ≤1.50원자%이고, 상기 x는 0.1원자%≤x≤4.0원자%이고, 상기 y는 0.8원자%≤y≤7.7원자%이고, 그리고 상기 z는 0.1원자%≤z≤3.0원자%인 콘크리트 조성물.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 콘크리트 조성물은 상기 비정질강섬유가 상기 콘크리트 조성물의 전체 부피의 0.02~0.9 vol% 로 혼입되는 것인 콘크리트 조성물.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 콘크리트 조성물은 결합재 100 중량부에 대하여 골재 500~1600 중량부를 포함하는 것인 콘크리트 조성물.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 결합재는 고로슬래그, 플라이애시 및 시멘트 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 콘크리트 조성물.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 결합재에 고로슬래그 및 플라이애시 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 포함된 경우, 상기 결합재는 탈황슬래그 및 석고 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 더 포함하는 것인 콘크리트 조성물.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 결합재는 상기 고로슬래그, 플라이애시 및 시멘트 중 어느 하나 또는 이들의 조합 100 중량부를 기준으로 탈황슬래그 및 석고 중 어느 하나 또는 이들의 조합 1~40 중량부를 포함하는 콘크리트 조성물.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 콘크리트 조성물은 물과 결합재의 배합비(W/B)가 35~65%가 되도록 물을 추가로 포함하는 콘크리트 조성물.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 골재는 잔골재율(S/a)이 40~70%인 콘크리트 조성물.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 콘크리트 조성물은 결합재 100 중량부에 대하여 감수제 0.5~20 중량부를 추가로 포함하는 콘크리트 조성물.
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