KR101448837B1 - 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재 및 상기 결합재를 포함하는 친환경 고유동 콘크리트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고유동 콘크리트용 무시멘트 결합재에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시멘트를 전혀 사용하지 않으면서도 충분한 강도와 고유동성을 확보할 수 있는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재 및 상기 결합재를 포함하는 친환경 고유동 콘크리트에 관한 것이다.

Description

고유동 콘크리트용 무시멘트결합재 및 상기 결합재를 포함하는 친환경 고유동 콘크리트{Cement zero binder for concrete having high fluidity and nature-friendly concrete having high fluidity comprising the same}

본 발명은 고유동 콘크리트용 무시멘트 결합재에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시멘트를 전혀 사용하지 않으면서도 충분한 강도와 고유동성을 확보할 수 있는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재 및 상기 결합재를 포함하는 친환경 고유동 콘크리트에 관한 것이다.

시멘트를 이용한 콘크리트는 물-시멘트 비에 따라 압축강도의 크기가 결정되는데, 압축강도를 높이고 건조수축을 낮추기 위해서는 물-시멘트 비율을 낮춰야 한다. 물-시멘트 비를 일정 비 이하로 낮추게 되면, 유동성이 현저히 감소하여 배합 및 타설이 불가능 하는데, 이를 극복하기 위해 감수제로써 유동화제를 첨가한다. 유동화제는 크게 정전기적 반발력을 이용한 나프탈렌(PNS) 계와 입체장애 작용을 통한 분산성을 이용한 폴리카르본산(P.C) 계 두 가지가 주로 이용된다. 나프탈렌 및 폴리카르본산 계 유동화제는 시멘트 페이스트(paste)에서 우수한 분산성을 띄기 때문에 콘크리트 배합 시 반드시 첨가되는 중요한 혼화제 이다. 하지만, 두 유동화제는 높은 pH (13.5 이상)에서는 화학적인 요인으로 분산성이 낮아지게 되는 특징이 있다.

다만 시멘트는 6가 크롬 등 중금속의 함유량이 많고 용출수가 강알칼리로 인체에 해로우며, 일반적으로 시멘트 1 톤 생산 시 약 0.8 톤의 이산화탄소가 발생되는 환경부하 재료이므로, 최근에는 산업 부산물인 고로슬래그를 사용하는 무시멘트 알칼리 활성 결합재가 사용되는 추세가 있다. 즉, 무시멘트 알칼리 활성 결합재는 자원을 절약할 수 있고 CO₂배출량을 크게 줄일 뿐만 아니라 시멘트에서 용출되는 6가 크롬 등 중금속도 거의 없는 친환경 재료로써 이미지 제고에 기여할 수 있기 때문이다.

하지만 기존 개발된 무시멘트 알칼리 활성 결합재는 동일 강도에서 시멘트보다 유동성이 현저히 떨어지기 때문에 작업성을 확보하기 위해 콘크리트의 용적 당 단위수량이 늘어나게 되는데, 이때 강도가 낮아지고 재료분리가 발생한다. 또한 무시멘트 알칼리 활성 결합재는 활성화제로 NaOH 나 Na₂SiO₃등과 같은 높은 pH의 알칼리성 무기질 재료를 사용하기 때문에 페이스트는 높은 pH를 띄게 된다. 특히 높은 강도를 발현시키기 위해서는 매우 강한 알칼리 활성화제를 사용해야 하므로 고강도용 알칼리 활성 결합재 페이스트는 높은 pH(pH 13이상)를 띄게 된다.

이 때문에 무시멘트 알칼리 활성 결합재에서는 시멘트용 유동화제를 사용 할 수 없으며, 고강도 배합(부배합)이 불가능하다.

위와 같은 문제 때문에 무시멘트 알칼리 활성 결합재를 이용한 콘크리트 배합을 위해 무시멘트 알칼리 활성 결합재에 최적화된 유동화제의 개발이 필요하나, 이는 사실상 불가능 하며, 많은 시간과 연구가 필요하다. 때문에 기존의 시멘트용 유동화제를 그대로 사용하기 위해 알칼리 활성화제의 조합을 통해 pH를 낮추고, 높은 강도를 확보 할 수 있는 무시멘트 알칼리 활성 결합재의 배합비의 개발이 필요하다.

따라서, 이러한 문제점이 해결되어 고유동성 콘크리트에 적용될 수 있는 새로운 조성의 무시멘트 결합재에 대한 당업계의 요구가 다수 존재하고 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 본 발명자들은 pH를 낮추고, 강도를 확보 할 수 있는 새로운 조성의 시멘트결합재를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 3개 이상의 알칼리성 무기질 재료를 사용하여 pH가 다소 낮지만 고강도를 낼 수 있도록 함으로써 기존의 시멘트용 유동화제를 병행 사용할 수 있어 현장타설시 고유동성 확보가 가능한 새로운 조성의 고유동성 콘크리트용 무시멘트결합재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 배합 시 단위 수량 및 물-결합재 비를 낮춰 고강도 및 고내구성 콘크리트를 제작 할 수 있을 뿐만 아니라 다량의 Fly-ash 치환에도 소요 강도를 발현할 수 있는 새로운 조성의 고유동성 콘크리트용 무시멘트결합재를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 고로슬래그 및 플라이애쉬 중 어느 하나 이상을 포함하는 원재료 100중량부 당 3개 이상의 알칼리성 무기질 재료를 포함하는 알칼리 활성화제 15중량부 내지 20중량부를 포함하는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 알칼리 활성화제는 황산나트륨, 불화규소염 및 칼슘함유무기질 재료를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 알칼리 활성화제는 황산나트륨 10 내지 20중량%, 불화규소염 20 내지 30 중량%, 및 칼슘함유무기질재료 50 내지 70 중량%를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 불화규소염은 불화규소나트륨, 불화규소아연, 불화규소마그네슘을 포함하는 그룹에서 선택된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 칼슘함유 무기질재료는 수산화칼슘, 탄산칼슘, 규산칼슘을 포함하는 그룹에서 선택된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 원재료는 고로슬래그 65 내지 100중량% 및 플라이애쉬 0 내지 35중량%를 포함한다.

본 발명은 또한 상술된 어느 한 항의 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재 및 폴리카르복실(P.C)계 유동화제 또는 나프탈렌(PNS)계 유동화제를 포함하는 친환경 고유동 콘크리트를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 폴리카르복실(P.C)계 유동화제는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재 100중량부 당 1 내지 2 중량부 포함된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 나프탈렌(PNS)계 유동화제는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재 100중량부 당 3 내지 5 중량부 포함된다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.

먼저, 본 발명에 의하면 3개 이상의 알칼리성 무기질 재료를 사용하여 pH가 다소 낮지만 고강도를 낼 수 있도록 함으로써 기존의 시멘트용 유동화제를 병행 사용할 수 있어 현장타설시 고유동성 확보가 가능하다.

또한, 본 발명에 의하면 배합 시 단위 수량 및 물-결합재 비를 낮춰 고강도 및 고내구성 콘크리트를 제작 할 수 있을 뿐만 아니라 다량의 Fly-ash 치환에도 소요 강도를 발현할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고유동콘크리트용 무시멘트 결합재(B1)의 pH측정사진이고, 도 1b는 비교예 1 에서 얻어진 비교예 무시멘트 결합재1(B2)의 pH측정사진이며, 도 1c는 비교예 2에서 얻어진 비교예 무시멘트 결합재2(B3)의 pH측정사진이고, 도 1d는 시멘트의 pH측정 사진이다.
도 2는 강알칼리성 환경에서 시멘트용 유동화제가 제대로 작용하는지 여부를 확인하기 위해 수행된 FT-IR 분석 결과 그래프이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명의 기술적 특징은 높은 물-결합재 비에서 소요 강도를 만족시키며, 폴리카르복실(P.C)계 유동화제 및 나프탈렌(PNS)계 유동화제를 유동화제를 사용할 수 있고, 고가의 증점제를 사용하지 않더라도 점성을 높일 수 있는 새로운 조성의 고유동 콘크리트용 무시멘트 결합재에 있다.

즉, 본 발명에서도 종래의 무시멘트 알칼리활성 결합재와 동일하게 시멘트를 전혀 사용하지 않고 산업부산물인 고로슬래그 및 플라이애쉬 중 하나 이상을 포함하는 원재료와 상기 원재료의 잠재수경성을 자극하기 위한 알칼리활성제를 사용하는 것은 동일하지만, 종래와는 달리 알칼리활성제로 3가지 성분 이상의 알칼리성 무기질재료를 조합함으로써 pH가 다소 낮지만 고강도를 낼 수 있도록 하였기 때문이다.

따라서, 본 발명은 고로슬래그 및 플라이애쉬 중 어느 하나 이상을 포함하는 원재료 100중량부 당 3개 이상의 알칼리성 무기질 재료를 포함하는 알칼리 활성화제 15중량부 내지 20중량부를 포함하는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재를 제공한다.

여기서, 원재료는 고로슬래그만 사용하거나, 유동성을 고려하고 단가를 낮추기 위해 고로슬래그와 플라이애쉬를 병행하여 사용할 수 있다. 따라서, 원재료는 고로슬래그 65 내지 100중량% 및 플라이애쉬 0 내지 35중량%를 포함할 수 있다. 이와 같은 원재료의 배합비는 소요강도를 발현하면서 유동특성에서 자기 충전성을 확보하기 위함인데, 실험적으로 결정된 최적값이다.

또한, 본 발명의 알칼리 활성화제는 황산나트륨, 불화규소염 및 칼슘함유무기질 재료를 포함하는데, 칼슘함유무기질재료는 수화반응을 일으키는 주 활성화제로 작용하는 알칼리성 무기질 재료이고, 황산나트륨 및 불화규소염은 수화반응속도 및 장기강도발현의 보조 활성화제로 작용하는 알칼리성 무기질 재료이다. 특히, 알칼리 활성화제 전체 중량을 기준으로 황산나트륨은 10 내지 20중량% 포함되고, 불화규소염은 20 내지 30 중량% 포함되며, 칼슘함유무기질재료는 50 내지 70 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 불화규소염은 불화규소이온(SiF₆ ²⁺)을 포함하는 화합물로서 상온에서 물에 녹아 SiF₆ ²⁺ 이온을 방출하는 특성을 갖는 모든 공지된 불화규소염이 사용될 수 있으나, 불화규소나트륨, 불화규소아연, 불화규소마그네슘을 포함하는 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다.

또한, 칼슘함유 무기질재료는 수산화칼슘, 탄산칼슘, 규산칼슘을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다.

이러한 알칼리 활성화제의 성분 및 배합비는 원재료에 수경성을 부여하면서도 현장타설시 고유동성 확보를 위해 폴리카르복실(P.C)계 유동화제 또는 나프탈렌(PNS)계 유동화제를 적용할 수 있는 낮은 pH를 확보하기 위한 것으로, 무수한 실험을 통해 결정된 최적값이다.

그 결과 본 발명은 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재 및 폴리카르복실(P.C)계 유동화제 또는 나프탈렌(PNS)계 유동화제를 포함하는 친환경 고유동 콘크리트를 제공할 수 있다.

즉, 상술된 바와 같이 본 발명의 친환경 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재에 포함된 알칼리 활성화제가 3가지 이상의 알칼리성 무기질 재료로 구성되어 비교적 pH가 낮으므로 현장타설시 폴리카르복실(P.C)계 유동화제 또는 나프탈렌(PNS)계 유동화제를 사용할 수 있기 때문이다.

본 발명의 친환경 고유동 콘크리트가 폴리카르복실(P.C)계 유동화제를 사용하는 경우, 폴리카르복실(P.C)계 유동화제는 무시멘트 결합재 100중량부 당 1 내지 2중량부를 사용할 수 있다. 또한, 나프탈렌(PNS)계 유동화제를 사용하는 경우에는 무시멘트 결합재 100중량부 당 3 내지 5중량부를 사용할 수 있다.

실시예 1

고로슬래그 미분말 84중량%, 플라이애쉬 미분말 5중량%, 알칼리 활성화제 11중량%(수산화칼슘 7중량%, 황산나트륨 1중량%, 불화규소나트륨 3중량%)를 균일하게 혼합하여 고유동 콘크리트용 무시멘트 결합재1을 제조하였다.

실시예 2

고로슬래그 미분말 84중량%, 플라이애쉬 미분말 5중량%, 알칼리 활성화제 11중량%(수산화칼슘 7중량%, 황산나트륨 3중량%, 불화규소나트륨 1중량%)를 균일하게 혼합하여 고유동 콘크리트용 무시멘트 결합재2를 제조하였다.

실시예 3

고로슬래그 미분말 84중량%, 플라이애쉬 미분말 3중량%, 알칼리 활성화제 13중량%(수산화칼슘 7중량%, 황산나트륨 3중량%, 불화규소나트륨 3중량%)를 균일하게 혼합하여 고유동 콘크리트용 무시멘트 결합재3을 제조하였다.

비교예 1

고로슬래그 미분말 93중량%, 알칼리 활성화제 7중량%(수산화칼슘 4중량%, 수산화나트륨 3중량%)를 균일하게 혼합하여 비교예 무시멘트 결합재1을 제조하였다.

비교예 2

고로슬래그 미분말 90중량%, 알칼리 활성화제 10중량%(규산나트륨 10중량%)를 균일하게 혼합하여 비교예 무시멘트 결합재2를 제조하였다.

비교예 3

고로슬래그 미분말 91중량%, 알칼리 활성화제 9중량%(수산화칼슘 9중량%)를 균일하게 혼합하여 비교예 무시멘트 결합재3를 제조하였다.

비교예 4

고로슬래그 미분말 90중량%, 알칼리 활성화제 10중량%(수산화칼슘 7중량%, 황산나트륨 3중량%)를 균일하게 혼합하여 비교예 무시멘트 결합재4을 제조하였다.

비교예 5

고로슬래그 미분말 90중량%, 알칼리 활성화제 10중량%(수산화칼슘 7중량%, 불화규소나트륨 3중량%)를 균일하게 혼합하여 비교예 무시멘트 결합재5를 제조하였다.

실험예 1

결합재로서 실시예 3에서 얻어진 고유동 콘크리트용 결합재3(B1), 비교예 1 에서 얻어진 비교예 무시멘트 결합재1(B2), 비교예 2에서 얻어진 비교예 무시멘트 결합재2(B3), 고로슬래그미분말 100%(slag), OPC 100%(OPC)를 이용하여 페이스트실험(물+결합재)을 수행하여 유동성 시험(Mini slump test)을 수행하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.

또한, 페이스트실험을 수행한 각 페이스트를 대상으로 pH 및 28일 압축강도를 측정하고, 그 결과를 도 1a 내지 도 1d 및 표 2에 나타내었다.

이 때 물-결합재 비는 40%이고, 나프탈렌계 유동화제 및 폴리카르복실계 유동화제의 첨가량은 결합재 중량의 0.5%였다.

	Initial flow(cm)	유동화제 종류별 flow값 (cm)
		나프탈렌계	폴리카르복실계
slag	10	35	55
B1	10	28	42
B2	10	12	10
B3	10	21	19
OPC	10	30	45

상기 표 1로부터 본 발명의 고유동성 무시멘트 결합재3(B1)은 시멘트와 비슷한 정도의 유동성을 확보하는 것을 알 수 있으나, 종래 공지된 비교예 무시멘트결합재1(B2) 및 비교예 무시멘트결합재2(B3)는 유동화제가 첨가되더라도 고유동성을 확보하지 못하는 것을 알 수 있다.

	pH	28일 압축강도
slag	12.1	-
B1	12.3	41
B2	13.4	36
B3	13.1	34
OPC	12.8	35

한편, 상기 표 2 및 도 1a 내지 도 1d로부터 비교예 무시멘트결합재1(B2) 및 비교예 무시멘트결합재2(B3)가 유동화제가 첨가되더라도 고유동성을 확보하지 못하는 이유는 pH가 높기 때문임을 알 수 있다. 즉 slag에 물만 첨가하는 경우 pH가 12.1 이므로 유동화제를 첨가했을 때 유동성이 시멘트(OPC)보다 우수하지만 slag에 잠재수경성을 부여하기 위해 비교예 무시멘트결합재1 및 2와 같이 강한 알칼리성을 갖는 알칼리활성화제를 첨가하게 되면 첨가된 알칼리활성화제의 높은 pH로 인해 유동화제가 제대로 작용하지 못하기 때문이다.

반면, 본 발명과 같이 3성분계의 알칼리 활성화제를 사용하는 고유동성 무시멘트 결합재3(B1)은 고유동성을 확보하는 것은 물론 28일 압축강도 또한 비교예 무시멘트1 및 2에 비해 우수한 것을 알 수 있다.

실험예 2

강알칼리성 환경에서 시멘트용 유동화제가 제대로 작용하는지 여부를 확인하기 위해 폴리카르복실계 유동화제인 폴리카르복실레이트(PC2)를 대상으로, PC2, PC2+수산화칼슘, PC2+수산화나트륨, PC2+waterglass(규산나트륨, Na₂SiO₃)에 대해 FT-IR 분석을 수행하고 그 결과를 도 2에 도시하였다.

도 2에 도시된 바와 같이, 고성능 감수제인 폴리카르복실레이트(Polycarboxilate, PC2)의 sub chain은 1730(cm^-1)에서 피크가 검출되는데, 강알칼리인 NaOH나 waterglass(규산나트륨, Na₂SiO₃)와 함께 mixing 되었을 경우 높은 알칼리환경에서 chain이 끊어져 해당 주파수에서 검출되지 않는 것을 알 수 있다. 하지만, 비교적 약 알칼리인 Ca(OH)₂와 함께 mixing 될 경우 1730(cm^-1) 주파수 대역의 피크가 검출되는 것으로 보아 sub chain이 손상되지 않은 것을 알 수 있다. 다만, 알칼리 활성화제로 Ca(OH)₂만 사용할 경우 수화반응이 늦고, 반응성이 약해 결합재의 강도가 아주 낮은 문제점이 있다.

실험예 3

결합재로서 실시예 1 내지 3에서 얻어진 고유동 콘크리트용 결합재 1 내지 3, 비교예 3 내지 5에서 얻어진 비교예 무시멘트 결합재3 내지 5의 압축강도를 시험하고 그 결과를 표 3에 나타내었다. 이 때 물-결합재 비(W/B)는 48.5%이고, 잔골재-바인더 비(S/B)는 2.45였다. 이 때 잔골재는 주문진 표준사를 사용하였다. 또한 폴리카르복실계 유동화제의 첨가량은 결합재 중량의 0.5%였다.

하기 표 3으로부터, 비교예들과 같이 활성화제로 수산화칼슘만 사용하거나, 수산화칼슘과 황산나트륨을 사용하거나 수산화칼슘과 불화규소나트륨을 사용한 것에 비해 본 발명과 같이 수산화칼슘, 불화규소나트륨, 황산나트륨을 포함하는 3성분계 알칼리활성화제를 사용하는 무시멘트 결합재의 압축강도가 보다 우수한 것을 알 수 있다.

이상의 실험예들은 본 발명과 같이 3성분계 알칼리활성화제를 포함하는 무시멘트 결합재가 pH가 종래의 무시멘트 결합재에 비해 낮으므로 시멘트에 사용되는 유동화제와 병행 사용할 수 있어 고유동성을 확보할 뿐만 아니라 우수한 압축강도를 갖는 친환경 콘크리트를 형성할 수 있음을 보여준다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (9)

1. 고로슬래그 및 플라이애쉬 중 어느 하나 이상을 포함하는 원재료 100중량부 당 3개 이상의 알칼리성 무기질 재료를 포함하는 알칼리 활성화제 15중량부 내지 20중량부를 포함하는데,
   상기 알칼리 활성화제는 황산나트륨 10 내지 20중량%, 불화규소염 20 내지 30 중량%, 및 칼슘함유무기질재료 50 내지 70 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 불화규소염은 불화규소나트륨, 불화규소아연, 불화규소마그네슘을 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 칼슘함유 무기질재료는 수산화칼슘, 탄산칼슘, 규산칼슘을 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 원재료는 고로슬래그 65 내지 100중량% 및 플라이애쉬 0 내지 35중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재.
   
7. 제 1 항, 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재 및 폴리카르복실계(P.C) 유동화제 또는 나프탈렌(PNS)계 유동화제를 포함하는 친환경 고유동 콘크리트.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 폴리카르복실(P.C)계 유동화제는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재 100중량부 당 1 내지 2 중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 친환경 고유동 콘크리트.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 나프탈렌(PNS)계 유동화제는 고유동 콘크리트용 무시멘트결합재 100중량부 당 3 내지 5 중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 친환경 고유동 콘크리트.
   
   
   

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