KR101375279B1 - 초고강도 콘크리트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지르코늄 실리카흄과 바잘트 섬유를 적용하여 강도를 극대화할 수 있는 초고강도 콘크리트를 제공한다.
본 발명에 따른 초고강도 콘크리트는, 시멘트 95 내지 100 중량부; 지르코늄 실리카흄 28 내지 32 중량부; 제강슬래그 18 내지 22 중량부; 플라이애쉬 8 내지 12 중량부; 골재 18 내지 22 중량부; 무수석고 3 내지 5 중량부; 및 바잘트 섬유 0.8 내지 1.2 중량부를 포함할 수 있다.

Description

초고강도 콘크리트{ULTRA HIGH STRENGTH CONCRETE}
본 발명은 초고강도 콘크리트에 관한 것으로, 구체적으로는 건축물의 재료로서 사용되는 초고강도 콘크리트에 관한 것이다.
콘크리트는 시멘트에 골재를 혼합하여 다양한 구조물을 만들기 위한 것으로서, 시멘트는 크게 골재와 골재를 결합시키는 역할을 한다. 시멘트는 도로, 교량 및 빌딩 등의 건설에 있어서, 일반적으로 가장 기초가 되는 재료로서 함께 혼합되는 다양한 재료에 따라 여러 가지 특성을 가지게 된다. 즉, 첨가되는 재료에 따라서 압축강도를 높이거나, 인장강도 또는 휨강도를 높일 수 있으며, 이 밖에 방수성이나 내화성 등의 특성을 향상시킬 수 있다.
먼 과거에는 건축물 등의 규모가 작아 일반적인 콘크리트로도 건축물을 건설하는데 문제가 없었으나, 산업 발전, 인구 증가 및 인구의 집중에 따른 고밀도 대도시화 등에 의해 건축물이 대형화되고 있으며, 특히 초고층 구조물의 증가에 따라 기존의 특성을 뛰어넘는 초고강도 콘크리트가 절실히 요구된다.
일반적으로 초고강도 콘크리트는 80MPa 이상의 압축강도를 가지는 콘크리트를 의미하며, 시멘트에 실리카흄, 제강슬래그 또는 플라이애쉬 등을 혼합하여 강도를 높일 수 있다.
콘크리트의 강도가 높은 경우에 더 많은 하중을 지지할 수 있으므로, 건축물 기둥 단면적의 축소가 가능하여 골조 비용을 줄일 수 있고, 빌딩의 경우에 기둥의 축소로 인하여 더 넓은 내부 공간을 확보할 수 있는 장점이 있다.
현재까지 수많은 실험과 노력에 의해 약 100MPa 내지 110MPa의 압축강도를 가지는 콘크리트는 개발되어 있으나, 이 이상의 강도를 가지는 콘크리트는 실제 상용화 수준에 이르지 않은 실정이다.
따라서, 콘크리트의 강도를 상기 이상으로 높일 수 있다면, 특히 초고층 빌딩 건설에 유리하고, 더욱 넓은 내부 공간 확보에 유리할 것이다.
한국공개특허 제2000-0073334호(2000.12.05.)
본 발명은 지르코늄 실리카흄과 바잘트 섬유를 적용하여 강도를 획기적으로 높일 수 있는 초고강도 콘크리트를 제공함에 목적이 있다.
본 발명에 따른 초고강도 콘크리트는, 시멘트 95 내지 100 중량부; 지르코늄 실리카흄 28 내지 32 중량부; 제강슬래그 18 내지 22 중량부; 플라이애쉬 8 내지 12 중량부; 골재 18 내지 22 중량부; 무수석고 3 내지 5 중량부; 및 바잘트 섬유 0.8 내지 1.2 중량부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 메타카올린 1.8 중량부 내지 2.2 중량부; 활성규사 2 중량부 내지 4 중량부; 송진 0.8 중량부 내지 1.2 중량부; 메틸셀룰로오스 1.8 중량부 내지 2.2 중량부; 벤토나이트 0.8 중량부 내지 1.2 중량부; 제올라이트 0.8 중량부 내지 1.2 중량부; 폴리카르본산계 감수제 1.8 중량부 내지 2.2 중량부; 알킬벤젠술폰산염 0.4 중량부; 산화칼슘 0.6 중량부; 리튬카보네이트 0.6 중량부; 염화칼슘 0.2 중량부; 아질산칼슘 0.2 중량부를 더 포함하고, 상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트일 수 있다.
바람직하게는, 상기 바잘트 섬유는 링(Ring) 형상을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 초고강도 콘크리트는, 강도를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 초고강도 콘크리트는 포틀랜드 시멘트, 지르코늄 실리카흄, 제강슬래그, 플라이애쉬, 골재, 메타카올린, 활성규사, 무수석고, 송진, 메틸셀룰로오스, 벤토나이트, 제올라이트, 폴리카르본산계 감수제, 알킬벤젠술폰산염, 산화칼슘, 리튬카보네이트, 염화칼슘, 및 아질산칼슘을 포함한다.
포틀랜드 시멘트는 오늘날 흔히 시멘트로 불리는 것으로서, 주성분은 석회, 실리카, 알루미나 및 산화철 등이고, 이것들을 함유한 원료를 적당한 비율로 충분히 혼합하여, 그 일부가 용융, 소성(燒成)된 클링커(clinker)에 적당량의 석고를 가하여 분말화한 것이다('네이버 지식백과' 참조). 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 포틀랜드 시멘트 95 내지 105 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 100 중량부가 포함될 수 있다.
지르코늄 실리카흄은 내화물 등에 사용되는 산화 지르코늄의 정제 시 발생되는 부산물로서, 일반적인 실리카흄에 비하여 평균 입경이 5배 이상 크고, 이산화 규소의 함량이 95% 이상으로 높다. 입경이 크므로 유동성이 향상되고, 포졸란 특성이 우수하며, 이산화규소의 함량이 많아 콘크리트 강도 증가에 도움이 된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 지르코늄 실리카흄은 초고강도 콘크리트의 총 중량 중, 14 내지 16 중량%가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 15 중량%일 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 지르코늄 실리카흄 28 내지 32 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 30 중량부가 포함될 수 있다.
제강슬래그는 시멘트 결합제의 유동성을 향상시키고, 수화열을 저감시킬 수 있는데, 일반적으로 초고강도 콘크리트는 다량의 시멘트 결합재가 사용되므로 수화열이 증가하고, 건축물 내부와 외부 사이의 온도 차로 인한 체적 변화에 의해 균열 및 압축강도 하락이 발생한다. 제강슬래그는 미분말 형태로 사용되며, 수화열을 감소시키고, 시멘트의 유동성을 향상시켜 작업성 악화를 방지할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 제강슬래그 미분말은 비표면적 7000㎠/g의 고분말도를 가지고, 반응성을 높여 압축강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 메타카올린 사용에 따른 콘크리트 유동성 저하를 방지할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 제강슬래그 18 내지 22 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 20 중량부가 포함될 수 있다.
플라이애쉬는 세립의 석탄재의 규산질 물질로서 포졸란의 일종이며, 내구성을 향상시키고, 수밀성을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 플라이애쉬 8 내지 12 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 10 중량부가 포함될 수 있다.
골재는 콘크리트의 유동성 확보를 위하여 직경 5 ㎜ 이하인 것이 바람직하며, 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 골재 18 내지 22 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 20 중량부가 포함될 수 있다.
메타카올린은 시멘트와의 포졸란 반응으로 콘크리트 조직이 치밀화되어 강도 및 내구성이 향상될 수 있으며, 가격이 저렴하여 비용 감소가 가능하다. 메타카올린이 너무 적게 포함되는 경우에는 시공성이 저하되고, 너무 많이 포함되는 경우에는 휨강도가 저하될 수 있으나, 적절하게 사용되는 경우에는 강도 및 내구성이 향상될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 메타카올린 1.8 내지 2.2 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 2 중량부가 포함될 수 있다.
활성규사는 고온고압의 양생 시 이산화규소를 제공해주는 역할을 하며, 수화물의 생성을 돕는다. 본 발명의 일실시예에 따른 활성규사는 규사 미분말과 탈황석고로 이루어지고, 중량 기준으로 4:1의 비율을 가진다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 활성규사 2 내지 4 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 3 중량부가 포함될 수 있다.
무수석고는 유효 팽창에 따른 치밀한 조직을 형성하고, 제강슬래그 미분말의 자극제로서 작용하는데, 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 무수석고 2 내지 6 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 4 중량부가 포함될 수 있다.
송진은 천연수지로서 수지분(로진), 테레빈유, 레보피미르산, 네오아비에틴산 등으로 구성되어 있으며, 천연 성분으로서 단단하게 굳는 특성으로 인하여 콘크리트의 강도를 매우 향상시킬 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 송진 0.8 내지 1.2 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 1 중량부가 포함될 수 있다.
메틸셀룰로오스는 시멘트 등의 조성물 간의 공극을 조밀하게 하여 점착력을 증대시키고 수밀성을 향상시켜 블럭의 강도를 높이며, 방수 특성을 가지도록 하는데, 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 메틸셀룰로오스 1.8 내지 2.2 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 2 중량부가 포함될 수 있다.
벤토나이트는 재료 분리를 방지하고, 윤활 특성 및 응집 특성을 향상시켜 작업성을 개선하기 위한 것으로, 너무 적게 포함되면 결합력이 저하되며, 너무 많이 포함되면 응집 현상이 발생한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 벤토나이트 0.8 내지 1.2 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 1 중량부가 포함될 수 있다.
제올라이트는 실리콘과 알루미늄으로 이루어지는 다공성 결정으로서 수산화칼슘과 포졸란 반응하여 강도 향상에 기여하며, 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 제올라이트 0.8 내지 1.2 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 1 중량부가 포함될 수 있다.
폴리카르본산계 감수제는 조기 강도 발현 및 점성 증대를 위해 사용되고, 분산력, 감수력이 우수하고, 나프탈렌계보다 조기 강도 특성이 우수하다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 폴리카르본산계 감수제 1.8 내지 2.2 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 2 중량부가 포함될 수 있다.
알킬벤젠술폰산염은 높은 부착강도, 무수축성 및 초고강도 특성의 발현을 위하여 사용되며, 너무 적게 사용되는 경우에는 유동성 확보가 어렵고, 너무 많이 사용되는 경우에는 시공 성능이 저하된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 알킬벤젠술폰산염 0.4 중량부가 포함될 수 있다.
산화칼슘 및 리튬카보네이트는 초기 강도를 증진시키기 위하여 사용되며, 본 발명의 일실시예에 따르면, 산화칼슘 및 리튬카보네이트는 초고강도 콘크리트에 각각 0.6 중량부가 포함될 수 있다.
염화칼슘 및 아질산칼슘은 중성화 억제를 위하여 사용되며, 본 발명의 일실시예에 따르면, 염화칼슘 및 아질산칼슘은 초고강도 콘크리트에 각각 0.2 중량부가 포함될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 초고강도 콘크리트에 따르면, 강도를 높이고 내구성을 향상시키기 위하여, 바잘트 섬유(Basalt fiber)가 포함된다. 바잘트 섬유는 콘크리트 내부에서 콘크리트와 결합하여 콘크리트를 잡아 지지하는 역할을 한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 바잘트 섬유의 콘크리트 지지 특성을 극대화하기 위하여 바잘트 섬유는 링(Ring) 형상을 가지도록 형성된다. 또한, 바잘트 섬유의 열팽창률이 콘크리트와 유사하므로 온도 변화에 노출되는 경우에도 내구성이 향상될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 초고강도 콘크리트에 바잘트 섬유 0.8 내지 1.2 중량부가 포함될 수 있으며, 바람직하게는 1 중량부가 포함될 수 있다.
실시예1
실시예1에 따른 초고강도 콘크리트의 조성물은, 포틀랜드 시멘트 100 중량부, 지르코늄 실리카흄 30 중량부, 제강슬래그 20 중량부, 플라이애쉬 10 중량부, 골재 20 중량부, 메타카올린 2 중량부, 활성규사 3 중량부, 무수석고 4 중량부, 송진 1 중량부, 메틸셀룰로오스 2 중량부, 벤토나이트 1 중량부, 제올라이트 1 중량부, 폴리카르본산계 감수제 2 중량부, 알킬벤젠술폰산염 0.4 중량부, 산화칼슘 0.6 중량부, 리튬카보네이트 0.6 중량부, 염화칼슘 0.2 중량부, 아질산칼슘 0.2 중량부, 및 바잘트 섬유 1 중량부를 포함하고, 바잘트 섬유의 링(Ring)의 직경은 1㎝이고 굵기는 0.05㎜이다.
성분 중량부
포틀랜드 시멘트 100
지르코늄 실리카흄 30
제강슬래그 20
플라이애쉬 10
골재 20
메타카올린 2
활성규사 3
무수석고 4
송진 1
메틸셀룰로오스 2
벤토나이트 1
제올라이트 1
폴리카르본산계 감수제 2
알킬벤젠술폰산염 0.4
산화칼슘 0.6
리튬카보네이트 0.6
염화칼슘 0.2
아질산칼슘 0.2
바잘트 섬유 1
상기 표 1의 조성물 100 중량부 대비 15 중량부의 배합수를 첨가하여 믹서에서 10분간 혼합하고, 형틀에 타설하여 일반적인 콘크리트 강도의 기준인 재령 28일 후 압축강도를 측정하였다.
압축강도(MPa)
28일
실시예1 172
이상과 같이 본 발명의 초고강도 콘크리트에 따르면, 압축강도가 172MPa까지 향상될 수 있는 것으로 나타났다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

Claims (3)

  1. 시멘트 95 내지 100 중량부;
    지르코늄 실리카흄 28 내지 32 중량부;
    제강슬래그 18 내지 22 중량부;
    플라이애쉬 8 내지 12 중량부;
    골재 18 내지 22 중량부;
    무수석고 3 내지 5 중량부;
    바잘트 섬유 0.8 내지 1.2 중량부;
    메타카올린 1.8 중량부 내지 2.2 중량부;
    활성규사 2 중량부 내지 4 중량부;
    송진 0.8 중량부 내지 1.2 중량부;
    메틸셀룰로오스 1.8 중량부 내지 2.2 중량부;
    벤토나이트 0.8 중량부 내지 1.2 중량부;
    제올라이트 0.8 중량부 내지 1.2 중량부;
    폴리카르본산계 감수제 1.8 중량부 내지 2.2 중량부;
    알킬벤젠술폰산염 0.4 중량부;
    산화칼슘 0.6 중량부;
    리튬카보네이트 0.6 중량부;
    염화칼슘 0.2 중량부; 및
    아질산칼슘 0.2 중량부
    를 포함하고,
    상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트인 것을 특징으로 하는 초고강도 콘크리트.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바잘트 섬유는 링(Ring) 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 초고강도 콘크리트.
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