KR101439502B1 - 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법은 시멘트 100 중량부에 대하여, 200 내지 400 중량부의 골재, 8 내지 35 중량부의 반응성 분체, 0.03 내지 2 중량부의 증점재를 포함하는 모르타르용 재료를 제조하는 단계, 물 85중량% 내지 99 중량%와 감수제 1 중량% 내지 15 중량%로 이루어진 배합수를 제조한 후 상기 배합수에 대하여 상기 시멘트와 반응성 분체의 비율이 0.3 이하가 되도록 상기 모르타르용 재료와 상기 배합수를 혼합하는 단계, 상기 배합수와 모르타르용 재료의 혼합물에 상기 혼합물에 대하여 0.1체적% 내지 1체적%의 비정질 강섬유를 첨가한 후 혼합하는 단계, 및 상기 비정질 강섬유가 첨가된 혼합물을 현장에 타설하는 단계를 포함한다.

Description

비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING AMORPHOUS STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE}
본 발명은 콘크리트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비정질 강섬유로 강화 콘크리트에 관한 것이다.
콘크리트(concrete)는 경제성 및 내구성이 우수한 건설용 재료로서 강재와 함께 콘크리트 구조물의 건설에 널리 사용되고 있다. 그러나, 콘크리트는 인장강도와 휨강도가 작고, 균열이 발생하기 쉬운 본질적인 결함을 가지고 있다.
이러한 콘크리트의 결함을 보완하기 위하여 고분자 섬유 또는 강섬유를 콘크리트의 배합시 첨가하여 섬유 보강 또는 강섬유 보강 콘크리트가 제조되고 있다.
한편, 강섬유를 첨가한 강섬유 보강 콘크리트에서는 강섬유의 비중과 형상계수(aspect ratio; 직경과 길이의 비)가 시멘트 매트릭스를 구성하는 재료의 입자와의 차이로 강섬유를 다량으로 사용한 경우에는 섬유 뭉침(fiber ball) 현상이 발생하여 강섬유 보강 콘크리트의 본래 성능을 발휘하지 못하거나 오히려 취성파괴 및 내구성 저하를 일으키는 것으로 알려져 있다.
또한, 섬유 보강 콘크리트는 일반 콘크리트의 배합에 섬유를 투입하므로 콘크리트의 점성 부족으로 섬유를 다량으로 투입하지 못하여 충분한 인성을 확보하지도 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 비정질 강섬유를 콘크리트에 첨가하여 비정질 강섬유 강화 콘크리트를 제조함으로써 콘크리트 구조물의 구조균열에 대한 저항성이 우수한 비정질 강섬유 콘크리트의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법은 시멘트 100 중량부에 대하여, 200 내지 400 중량부의 골재, 8 내지 35 중량부의 반응성 분체, 0.03 내지 2 중량부의 증점재를 포함하는 모르타르용 재료를 제조하는 단계, 물 85 중량% 내지 99 중량%와 감수제 1 중량% 내지 15 중량%로 이루어진 배합수를 제조한 후 상기 모르타르용 재료와 상기 배합수를 혼합하는 단계, 상기 배합수와 모르타르용 재료의 혼합물에 상기 혼합물에 대하여 0.1체적% 내지 1체적%의 비정질 강섬유를 첨가한 후 혼합하는 단계, 및 상기 비정질 강섬유가 첨가된 혼합물을 현장에 타설하는 단계를 포함한다.
상기 모르타르용 재료는 시멘트 100 중량부에 대하여, 10 내지 30 중량부의 활석, 운모, 석영, 이산화티탄, 이산화알루미늄, 탄산칼슘 및 백운석으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 미분 충전재를 더 포함할 수 있다.
상기 반응성 분체는 플라이애쉬, 실리카퓸 및 고로슬래그 미분말로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 증점재는 셀룰로오스계 증점재 또는 아크릴계 증점재인 것을 특징으로 한다.
상기 감수제는 고형분이 25중량% 내지 50중량%인 폴리카본산계 감수제, 나프탈렌계 감수제, 멜라민계 감수재 및 리그닌계 감수제로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 비정질 강섬유는 길이가 5mm~30mm, 폭이 1mm~3mm, 두께가 28㎛~40㎛, 형상비가 60~200 인 것을 적용 할 수 있다.
상기 비정질 강섬유는 탄소 4wt% 내지 4.5wt%, 실리콘 0.4wt% 내지 0.8wt%, 인 0.1wt% 내지 0.2wt%, 철 94wt% 내지 95wt%, 및 나머지 불순물을 포함하는 기본 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 비정질 강섬유는 상기 기본합금에 실리콘, 보론 및 인 중 적어도 하나가 더 첨가될 수 있다.
상기 기본합금은 탄소 12.4at%, 실리콘 0.7at%, 보론 0.5at%, 인 1.6at%, 크롬 0.25at%, 철 84.55at%, 및 기타 불순물을 포함할 수 있다.
상기 비정질 강섬유는 원자 펴센트(at%)로, Fe80 .00C14 .00Si1 .35B0.50P3 .90Cr0 .25, Fe76.50C13.80Si1.35B0.50P7.60Cr0.25, Fe78 .60C16 .00Si1 .35B2.20P1 .60Cr0 .25 및 Fe82.90C11.00Si1.35B2.90P1.60Cr0.25 중 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트 구조물은 상기의 제조방법에 의해 제조된 비정질 강섬유 강화 콘크리트를 경화시켜 제조할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의해 제조된 비정질 강섬유 강화 콘크리트를 적용한 결과, 하중을 재하 받는 콘크리트 구조물의 구조 균열에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의해 콘크리트에 첨가되는 비정질 강섬유는 단부 후크가 없는 직선형이므로 콘크리트 배합시 시공성 저하의 주 원인인 섬유볼 현상을 크게 경감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 비정질 강섬유는 종래의 강섬유 보다 얇고 비중이 작아 동일 부피비에 대한 섬유 혼입률에 있어서도 섬유개수가 많이 혼입되므로 종래의 강섬유 콘크리트에 비하여 콘크리트의 건조 수축량을 자체를 크게 줄일 수 있다.
도 1은 본원발명에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조 공정도이다.
도 2는 본원발명에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 물성을 평가하기 위한 시험 장치이다.
도 3은 본 발명에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트와 비정질 강섬유가 혼입되지 않은 콘크리트의 힘강도 및 휨인성 지수를 평가한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트, 섬유가 혼입되지 않은 콘크리트, 폴리프로필렌 섬유가 혼입된 콘크리트, 일반 강섬유가 혼이된 콘크리트의 휨강도 및 휨인성 지수를 평가한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트에서, 섬유가 길이에 따른 휨강도 및 휨인성을 평가한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트, 섬유가 혼입되지 않은 콘크리트, 폴리프로필렌 섬유가 혼입된 콘크리트의 압축강도를 평가한 그래프이다.
도 7은 RO 내지 R4 합금의 X-선 회절 패턴을 나타낸 도면이다.
도 8은 R1 내지 R4 합금의 시차주사열량계 분석 곡선을 도시한 도면이다.
도 9는 멜트스피닝에 의해 비정질 섬유를 제조하는 것을 도시한 도면이다.
도 10은 도 7에 의해 제조된 비정질 섬유를 나타낸 도면이다.
도 11은 본원발명에 의한 비정질 섬유의 제조장치의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조 공정도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법은 시멘트 100 중량부에 대하여, 200 내지 400 중량부의 골재, 8 내지 35 중량부의 반응성 분체, 0.03 내지 2 중량부의 증점재를 포함하는 모르타르용 재료를 제조하는 단계(S10), 물 85 중량% 내지 99 중량%와 감수제 1 중량% 내지 15 중량%로 이루어진 배합수를 제조한 후 상기 배합수에 대하여 상기 시멘트와 반응성 분체의 비율이 0.3 이하가 되도록 상기 모르타르용 재료와 상기 배합수를 혼합하는 단계(S20), 상기 배합수와 모르타르용 재료의 혼합물에 상기 혼합물에 대하여 0.1체적% 내지 1체적%의 비정질 강섬유를 첨가한 후 혼합하는 단계(S30), 및 상기 비정질 강섬유가 첨가된 혼합물을 현장에 타설하는 단계(S40)를 포함한다.
상기 골재는 잔골재(모래)와 굵은 골재(자갈)로 구분되며, 잔골재는 비중이 2.5~2.7이고, 조립률이 2.3~3.1이며, 단위중량이 1400~2000kg/m³의 0.1~3mm의 크기의 골재를 사용한다. 굵은 골재는 분순돌로서 비중이 2.5~2.7이고, 단위중량이 1600~2000kg/m³의 8~30mm의 크기의 골재를 사용한다.
상기 모르타르용 재료는 시멘트 100 중량부에 대하여, 10 내지 30 중량부의 활석, 운모, 석영, 이산화티탄, 이산화알루미늄, 탄산칼슘 및 백운석으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 미분 충전재를 더 포함한다.
상기 미분 충전재(filler)는 시멘트와 골재 사이의 계면 또는 시멘트와 섬유 사이의 계면에서 충전되는 필러(filler) 작용에 의해 계면에서의 파괴를 방지함으로써 비정질 강섬유 콘크리트의 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 반응성 분체는 플라이애쉬, 실리카퓸 및 고로슬래그 미분말로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징한다. 여기서, 반응성 분체(reactive powder)는 시멘트 100중량부에 대하여 8 내지 35 중량부가 사용된다.
상기의 반응성 분체는 페이스트(paste)의 점성을 증가시켜 섬유 분산성을 증가시키고, 시멘트와 분체의 혼합을 통하여 경화체 공극을 감소시켜 콘크리트의 압축강도를 증진시키는 역할을 한다.
상기 증점재는 셀룰로오스계 증점재 또는 아크릴계(폴리아크릴 아미트) 증점재인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 증점재는 발효에 의한 다당류 폴리머(바이오 폴리머)가 사용될 수 있다.
상기 증점재는 시멘트 100중량부에 대하여 0.03 내지 2 중량부가 사용될 수 있다.
또한, 상기 증점재는 시멘트 메트릭스에 점성을 부여하여 비정질 강섬유 콘크리트의 섬유 분산성을 증진시키는 역할을 한다.
상기 감수제는 고형분이 25중량% 내지 50중량%인 폴리카본산계 감수제, 나프탈렌계 감수제, 멜라민계 감수재 및 리그닌계 감수제로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 감수제는 시멘트 메트릭스의 유동성을 확보하기 위해 사용되며 물과 혼합되어 배합수 제조시 물 85중량% 내지 99중량% 에 대하여 1중량% 내지 15 중량%가 사용된다.
이와 같은 감수제는 비정질 강섬유 콘크리트의 시공성 및 섬유 분산성을 향상시키는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트 구조물은 상기의 제조방법에 의해 제조된 비정질 강섬유 강화 콘크리트를 경화시켜 제조할 수 있다.
비정질 소재는 금속을 용융 상태에서 응고시, 임계 냉각속도(critical cooling rate) 이상의 빠른 속도로 냉각되는 경우에 원자가 규칙적으로 배열하여 결정화할 시간이 없이 액상의 무질서한 원자배열 상태를 고체에서까지 유지하게 된다.
즉, 임계 냉각속도보다 빠른 속도로 냉각되는 액상은 평형 융점 이하의 과냉 액상영역(supercooled liquid region)에서 액상의 점도가 매우 높아져 액상내 원자의 유동도가 크게 떨어지게 된다.
따라서, 매우 빠른 냉각속도에서 유동성을 잃은 원자가 비평형 상구조 내에서 고착되게 되어 고상의 특성이 나타나게 된다. 이와 같은 구조를 지닌 소재를 비정질 소재(amorphous material)라 한다.
본원발명의 비정질 강섬유 강화 콘크리트에 첨가되는 비정질 강섬유는 고로(blast furnace) 또는 파이넥스 제선 공정에서 제조된 용선을 이용하여 제조되며 용선을 가스 분무법(atomization), drop tube법, 멜트 스피닝(melt spinning), splat quenching 등과 같은 급속 응고(rapid quenching)법을 이용하여 섬유상 형태로 제조될 수 있다.
한편, 상기 비정질 강섬유는 상기 고로 또는 파이넥스 제선 공정에서 제조된 용선에 합금재를 투입하고 합금재가 투입된 용선의 탄소 농도를 조절한 후 상술한 급속 응고법을 통해 용선을 응고시킴으로서 제조될 수도 있다.
본원발명에서 비정질 강섬유는 마이크로 단위의 얇은 단면으로서 길이방향으로 연장되며 일정한 폭과 길이를 가진 강섬유를 의미한다.
상기 비정질 강섬유는 형상비(aspect ratio, 단면치수(d)에 대한 길이(L)의 비)가 약 50 내지 200 범위의 것이 사용될 수 있으나 용도 및 목적에 따라 적절히 변경하여 사용될 수 있다.
섬유 형상비(aspect ratio)는 20~100 범위에서 클수록 기계적인 물성이 유리한 것으로 알려져 있으며, 경화된 콘크리트 조성물의 재료적 특성 뿐만 아니라 콘크리트 비빔에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
비정질 강섬유의 경우 두께(t)와 폭(b)에 큰 차이가 있으며, 직사각형 단면을 동일면적에 해당하는 원형단면으로 변환하는 등가형상비를 적용 사용하였다. Aspect Ratio = L/d = L/√(4bt/π)
동일 길이 대비 비정질 강섬유는 일반 강섬유에 비해 2~3배 높은 형상비를 나타낸다.
상기 용선기반의 비정질 강섬유는 길이가 10mm 내지 30mm, 두께가 28㎛ 내지 40㎛, 폭이 1.0mm 내지 3.0mm 인 것을 특징으로 한다.
상기 비정질 강섬유는 바람직하게는 길이가 30mm, 폭이 1.6mm, 두께가 0.03mm, 형상비(aspect ratio)가 121 인 것을 특징으로 하며, 이는 상기의 수치형상을 가질 경우, 비정질 강섬유의 기계적 부착성능, 섬유의 충진율, 섬유의 파단성에 있어서 유리하기 때문이다.
또한, 상기 비정질 강섬유의 첨가량은 상기 배합수와 모르타르용 재료의 혼합물에 대하여 0.1체적% 내지 1체적%인 것이 바람직하다. 상기 비정질 강섬유의 첨가량이 0.1체적% 미만인 경우는 첨가로 인한 효과가 미미하며 1.0체적%를 초과하면 원가대비 성능이 저하하기 때문이다.
상기 모르타르 재료의 제조는 시멘트 100 중량부에 대하여, 200 내지 400 중량부의 골재, 8 내지 35 중량부의 반응성 분체, 0.03 내지 2 중량부의 증점재를 혼합한 후 고속 믹서기에 장입하여 20~40rpm 속도로 7~15분 동안 골고루 혼합하여 제조할 수 있다.
상기 제조된 모르타르 재료의 유동성 및 시공성을 확보하기 위해 물과 고성능 감수제를 각각 85 중량% 내지 99 중량%와 1 중량% 내지 15 중량% 비를 이루도록 배합수를 제조한 후, 배합수에 대한 시멘트와 반응성 분체의 비가 0.3 이하가 되도록 모르타르 재료와 배합수를 고속 믹서기에서 20~40rpm 속도로 7~15분 동안 혼합할 수 있다.
이후에, 상기 모르타르와 배합수의 혼합물에 비정질 강섬유를 상기 혼합물에 대하여 0.1체적% 내지 1.0체적% 투입하여 고속 믹서기에서 30~50rpm의 속도로 3~10분 동안 혼합할 수 있다.
<실시예1: 비정질 강섬유를 첨가한 콘크리트의 제조>
이하, 본 발명에 의한 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법에 의해 제조된 비정질 강섬유 강화 콘크리트 구조물과 종래기술에 의한 강섬유 또는 고분자 섬유 첨가 콘크리트 구조물의 시험 결과를 기술한다.
먼저, 본원발명에 의한 비정질 강섬유를 첨가한 콘크리트 조성물을 제조한 후, 종래기술에 의한 강섬유, 폴리프로필렌 섬유를 각각 보강한 콘크리트 조성물을 제조하였다.
시멘트, 잔골재, 굵은골재 및 혼화제와 혼합하고 비정질 강섬유, 강섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 0.2% 투입하였다. 상기 섬유 보강 콘크리트 조성물의 잔골재율은 43%, 물-시멘트비는 50%가 되도록 조성하였다.
잔골재율(S/a)은 잔골재 및 굵은골재의 절대 용적의 합에 대한 잔골재의 절대용적의 백분율을 의미한다. 본원발명에 있어서, 굵은 골재는 입경이 8mm 내지 30mm, 잔골재는 입경이 3mm 이하인 것이 사용되었다. 사용된 배합은 아래 <표1>과 같다.
배합 W/B
(%)		 S/a
(%)		 성분중량(kg/㎥) 섬유
혼입률
(%)		 휨강도
(MPa)		 압축
강도
(MPa)
시멘트 물 잔골재 굵은골재
실시예 비정질
강섬유
혼입		 50 43 338 169 788 1045 0.2% 4.98 42.4
비교예 강섬유
혼입
 4.82 41.5
폴리
프로필렌
섬유혼입		 3.74 47.0
상기 배합물에 있어서, 물과 시멘트의 배합비(W/C)는 40~65%가 되도록 조성한다. 물과 시멘트의 배합비가 40% 미만인 경우는 시멘트의 수화반응이 충분하게 일어나지 못하며 물의 공급부족으로 인해 콘크리트 구조물 내부의 압축강도가 감소하게 되며, 65%를 초과하는 경우는 증발된 물이 콘크리트 구조물 내의 공극으로 남기 때문에 콘크리트의 강도가 감소하므로 물과 시멘트의 배합비는 40~65% 인 것이 바람직하다.
상기 콘크리트 배합물의 잔골재율(S/a)은 40~70%가 되도록 조성한다.
잔골재율(S/a)은 잔골재 및 굵은골재의 절대 용적의 합에 대한 잔골재의 절대용적의 백분율을 의미한다.
상기 잔골재율이 감소하면 콘크리트 배합물의 단위시멘트량이 감소하여 건조수축 균열이 감소하고, 단위수량의 감소로 블리딩 현상이 적어지고 단위시멘트량의 감소로 수화열이 감소하나 40% 미만인 경우는 그 효과가 미미하다.
또한, 잔골재율이 70%를 초과하면 콘크리트 배합물의 건조수축, 침하균열 및 소성 수축균열이 증가하고 플러그 현상이 발생하므로 바람직하지 않다.
본 발명에서 사용되는 비정질 강섬유를 혼입시, 섬유보강 효과로서 강도증가 효과가 커지며, 인성 또한 증가한다. 상기 비교실험은 KS F 2566에 따라 150mm×150mm×600mm로 실시하였다.
측정장비는 도 2와 같다. 비정질 강섬유를 사용한 시편에서 휨강도는 4.98MPa, 압축강도는 42.4MPa로 측정되었다. 한편, 강섬유를 혼입한 시편의 휨강도는 4.82MPa, 압축강도는 41.5MPa로 측정되었다.
또한, 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 시편의 휨강도는 3.74MPa, 압축강도는 47MPa로 측정되었다.
도 3은 비정질 강섬유가 혼입된 콘크리트와 비정질 강섬유가 혼입되지 않은 콘크리트의 휨성능 그래프이고, 도 4는 비정질 강섬유가 혼입된 콘크리트, 섬유가 혼입되지 않은 콘크리트, 일반 강섬유가 혼입된 콘크리트, 폴리프로필렌 섬유가 혼입된 콘크리트의 휨성능 그래프이다.
도 3에서, 플레인은 섬유가 혼입되지 않은 콘크리트를 의미하며, ASF-30-0.2는 비정질 강섬유가 혼입된 콘크리트로 강섬유의 길이가 30mm이고, 0.2체적 분율이 사용된 것을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 동일한 섬유 혼입률(0.2체적 분율) 간 성능을 비교했을 때, 즉, 섬유가 혼입되지 않은 콘크리트(Plain), 폴리프로필렌 섬유가 혼입된 콘크리트(PPF-12-0.2), 일반 강섬유가 혼입된 콘크리트(SF-30-0.2), 비정질 강섬유가 혼입된 콘크리트(ASF-15-0.2, ASF-30-0.2)를 비교했을 때,
압축강도는 비정질 강섬유, 섬유가 혼입되지 않은 콘크리트, 일반 강섬유, 폴리프로필렌 섬유 순으로 우수한 성능을 나타냈다.
도 5는 본 발명에 의한 비정질 강섬유에서 섬유가 길이에 따른 특성을 평가한 것으로, 섬유길이 15mm 비정질 강섬유가 혼입된 콘크리트(ASF-15-0.2)와 섬유길이 30mm 비정질 강섬유가 혼입된 콘크리트(ASF-30-0.2)를 비교했을 때, 휨강도 및 휨인성지수는 30mm 비정질 강섬유, 15mm 비정질 강섬유 순으로 우수한 성능을 나타냈다.
도 6은 동일한 섬유 혼입률 간 성능을 비교했을 때, 즉, 섬유가 혼입되지 않은 콘크리트(Plain), 폴리프로필렌 섬유가 혼입된 콘크리트(PPF-12-0.2), 일반 강섬유가 혼입된 콘크리트(SF-30-0.2), 비정질 강섬유가 혼입된 콘크리트(ASF-15-0.2, ASF-30-0.2)를 비교했을 때, 압축강도는 비정질 강섬유, 섬유가 혼입되지 않은 콘크리트, 일반 강섬유, 폴리프로필렌 섬유 순으로 우수한 성능을 나타냈다.
<실시예2: 용선을 이용한 비정질 섬유의 제조>
본원발명의 합금설계는 용선에 성분원소들을 미량으로 첨가하여 제조원가를 감소키는 것이다. 유리 형성 능력(glass forming ability, GFA)이 우수한 인(P), 보론(B) 및 실리콘(Si)과 같은 비금속 원소(metalloids)들을 첨가하였다. 본원발명에서 금속유리 합금(metallic glass alloy)은 Fe(94~95)C(4~4.5)Si(0.4~0.8)P(0.1~0.2) wt% 를 기본 합금성분으로 하여 제조하였다. 기본 합금(R0)은 Fe84 .55C12 .4Si0 .7B0.5P1 .6Cr0 .25 (at%) 이며 유리 형성능력은 X-선 회절(XRD) 과 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC)를 이용하여 분석하였다.
또한, 용선을 이용한 금속 유리가 적절한 기계적 성능을 나타내는지를 평가하였다. 대기압 조건에서, 비정질 금속 섬유를 연속적으로 제조하기 위한 시험장비를 설계하였다. 멜트-스피닝법에 의하여 R0 합금을 유리 제조장치에서 냉각시킨 결과, 도 7에 도시된 바와 같이 R0는 결정질 상(phase)를 포함하는 것으로 확인되었다.
또한, 유리 형성능력을 증진시키기 위하여, 실리콘, 보론 및 인이 R1, R2, R3 및 R4에 첨가되었다. R1 및 R2 합금들은 인(P)의 함량을 다르게 하여 제조되었다 (인의 함량에서, R1<R2). 반면에, R3 및 R4는 보론(B)의 함량을 다르게 하여 제조하였다 (보론의 함량에서, R3<R4). 이를 아래 표 2에 나타내었다. 상기의 인, 보론등의 합금 성분은 Fe-B, Fe-P의 합금철을 기본합금에 소량으로 첨가함으로써 이루어질 수 있다.
<용선을 기반으로 한 비정질 합금의 조성>
합금 조성(at%) 비고
R0 Fe84 .55C12 .40Si0 .70B0.50P1 .60Cr0 .25 용선에 미량 합금 첨가
R1 Fe80 .00C14 .00Si1 .35B0.50P3 .90Cr0 .25 인(P) 함량이 상이함(R1<R2)
R2 Fe76 .50C13 .80Si1 .35B0.50P7 .60Cr0 .25
R3 Fe78 .60C16 .00Si1 .35B2.20P1 .60Cr0 .25 보론(B) 함량이 상이함(R3<R4)
R4 Fe82 .90C11 .00Si1 .35B2.90P1 .60Cr0 .25
R1, R2, R3 및 R4 합금의 X선 회절시험에서 결정성 피크(crystalline peak)가 관찰되지 않은 것으로 보아, 도 7에 도시된 바와 같이 비정질 상이 형성된 것을 알 수 있다.
도 8은 R1 내지 R4의 시차주사열량계(DSC) 곡선을 나타낸 것으로, 유리 형성능력이 보론 및 인을 기본 합금(R0)에 적절하게 첨가함으로써 증가하였음을 알 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 단일 롤 멜트 스피팅법(single roll melt spinning)에 의하여 폭이 1.7-3.0mm 이고 두께가 28-40㎛ 두께의 섬유 시편들을 제조하였으며 도 10은 제조된 비정질 섬유의 형상을 나타낸다.
원재료들의 용융 능력(설비)은 50kg 이었으며 배치당 1톤이었다. 파일럿 규모의 장치는 비정질 섬유를 대량으로 생산할 수 있도록 구성되었으며 장치의 구성은 유도로, 래들, 턴디쉬, 냉각 휠 및 기타 설비로 구성되었다. 용선을 노즐로 공급하는 것은 자동으로 제어되는 스톱퍼 시스템에 의해 수행되었다. 도 11에 비정질 섬유를 제조하기 위한 장치들의 구성들을 나타내었다.
비정질의 섬유들은 작은 노즐 구멍을 통과하면서 제조되었으며 최적의 조업조건은 용융온도가 1,500-1,650℃, 노즐 예열온도 700∽900℃, 턴디쉬 내에 용선의 질량이 100-400kg, 냉각휠의 회전속도는 20-38m/s 이며 냉각휠과 노즐팁간의 갭은 0.5-1.2mm 였다.
비정질 섬유의 생산 수율은 생산되는 섬유의 전체 중량을 투입되는 멜트(용탕)의 전체 질량으로 나누어서 계산되었으며, 수율은 조업조건에 따라서, 대략 62-75% 이었다.
용융온도, 휠 회전속도, 갭 거리는 수율을 증가시키기 위하여 조절 및 최적화 되었다. 최적화된 조업조건은 다음과 같다. R3 합금 조성에서, 용융온도는 1,550℃, 턴디쉬내의 용선의 질량은 200kg, 냉각휠의 속도는 28m/s, 갭은 1.0mm 였다. 최적 조건하에서 수율을 약 85%까지 증가시켰다. 이러한 최적의 조업 조건은 서로 다른 합금 제품(제조), 서로 다른 용적(크기) 및 품질 요구사항 들에 따라 다를 수 있다.
본원발명에서는 비정질의 강섬유를 콘크리트 조성물에 첨가함으로써 하중을 재하 받는 콘크리트 구조물의 구조 균열에 대한 저항성을 향상시킬 수 있고 콘크리트 조성과 비정질 강섬유의 부피비를 이용하여 콘크리트 구조물의 균열폭을 원하는 목표치 이내로 제어할 수 있다.
또한, 비정질 강섬유를 첨가한 콘크리트의 경우, 종래기술에 의한 일반 강섬유에 비해 두께가 얇으므로 콘크리트 조직과 접착하는 표면적 비를 증가시킬 수 있다.
본원발명에 의해 콘크리트에 첨가되는 비정질 강섬유는 단부 후크가 없는 직선형이므로 콘크리트 배합시 시공성 저하의 주 원인인 섬유볼 현상을 크게 경감시킬 수 있으며 종래의 강섬유 보다 얇고 비중이 작아 동일 부피비에 대한 섬유 혼입률에 있어서도 섬유개수가 많이 혼입되므로 종래의 강섬유 콘크리트에 비하여 콘크리트의 건조 수축량을 자체를 크게 줄일 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S10: 모르타르용 재료를 제조하는 단계;
S20: 모르타르용 재료와 배합수를 혼합하는 단계;
S30: 모르타르용 재료와 배합수의 혼합물에 비정질 강섬유를 첨가 및 혼합하는 단계;
S40: 비정질 강섬유가 첨가된 혼합물을 타설하는 단계;

Claims (11)

  1. 시멘트 100 중량부에 대하여,
    200 내지 400 중량부의 골재, 8 내지 35 중량부의 반응성 분체, 0.03 내지 2 중량부의 증점재를 포함하는 모르타르용 재료를 제조하는 단계;
    물 85중량% 내지 99 중량%와 감수제 1 중량% 내지 15 중량%로 이루어진 배합수를 제조한 후 상기 모르타르용 재료와 상기 배합수를 혼합하는 단계;
    상기 배합수와 모르타르용 재료의 혼합물에 상기 혼합물에 대하여 0.1체적% 내지 1체적%의 비정질 강섬유를 첨가한 후 혼합하는 단계; 및
    상기 비정질 강섬유가 첨가된 혼합물을 현장에 타설하는 단계를 포함하는 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모르타르용 재료는 시멘트 100 중량부에 대하여, 10 내지 30 중량부의 활석, 운모, 석영, 이산화티탄, 이산화알루미늄, 탄산칼슘 및 백운석으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 미분 충전재를 더 포함하는 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응성 분체는 플라이애쉬, 실리카퓸 및 고로슬래그 미분말로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 증점재는 셀룰로오스계 증점재 또는 아크릴계 증점재인 것을 특징으로 하는 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 감수제는 고형분이 25중량% 내지 50중량%인 폴리카본산계 감수제, 나프탈렌계 감수제, 멜라민계 감수재 및 리그닌계 감수제로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 비정질 강섬유는 길이가 10mm~30mm, 폭이 1.0mm~3.0mm, 두께가 28㎛~40㎛, 형상비(aspect ratio)가 20~100 인 것을 특징으로 하는 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 강섬유는 탄소 4wt% 내지 4.5wt%, 실리콘 0.4wt% 내지 0.8wt%, 인 0.1wt% 내지 0.2wt%, 철 94wt% 내지 95wt%, 및 나머지 불순물을 포함하는 기본합금으로 이루어진 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 비정질 강섬유는 상기 기본합금에 실리콘, 보론 및 인 중 적어도 하나가 첨가된 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 비정질 강섬유는 원자 퍼센트(at%)로, Fe80.00C14.00Si1.35B0.50P3.90Cr0.25, Fe76.50C13.80Si1.35B0.50P7.60Cr0.25, Fe78.60C16.00Si1.35B2.20P1.60Cr0.25 및 Fe82.90C11.00Si1.35B2.90P1.60Cr0.25 중 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 비정질 강섬유 강화 콘크리트의 제조방법.
  11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항 또는 제 10 항에 의해 제조된 비정질 강섬유 강화 콘크리트를 경화시킨 비정질 강섬유 강화 콘크리트 구조물.
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