KR101470511B1 - 슬래그 시멘트용 혼화재 및 이를 이용한 슬래그 시멘트와 슬래그 콘크리트 - Google Patents

슬래그 시멘트용 혼화재 및 이를 이용한 슬래그 시멘트와 슬래그 콘크리트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포틀랜드 시멘트에 고로슬래그 미분말을 혼합한 슬래그 시멘트의 조기강도 개선을 위한 슬래그 시멘트용 혼화재와 이를 바람직하게 이용한 슬래그 시멘트 및 슬래그 콘크리트에 관한 것이다.
본 발명에 따른 슬래그 시멘트용 혼화재는, 알칼리 알루미네이트; 알칼리 카보네이트; 알칼리 설페이트; 칼슘 실리케이트;로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 슬래그 시멘트용 혼화재는 알칼리 알루미네이트 3~15중량%; 알칼리 카보네이트 5~18중량%; 알칼리 설페이트 15~45중량%; 칼슘 실리케이트 35~77중량%;로 구성하는 바람직하다.
본 발명에 따른 슬래그 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트 17~65중량%; 고로슬래그 미분말 34.5~80중량%; 상기 슬래그 시멘트용 혼화재 0.5~3.0중량%;로 구성되는 것을 특징으로 하고, 본 발명에 따른 슬래그 콘크리트는 콘크리트 배합에서 상기 슬래그 시멘트를 결합재로 포함하여 배합하는 것을 특징으로 한다.

Description

슬래그 시멘트용 혼화재 및 이를 이용한 슬래그 시멘트와 슬래그 콘크리트{ Additive for Slag Cement, Slag Cement and Slag Concrete thereof}
본 발명은 포틀랜드 시멘트에 고로슬래그 미분말을 혼합한 슬래그 시멘트의 조기강도 개선을 위한 슬래그 시멘트용 혼화재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알칼리 재료에 의해 고로슬래그 미분말을 자극하여 슬래그 시멘트의 조기강도 저하문제를 개선할 수 있는 슬래그 시멘트용 혼화재와 이를 바람직하게 이용한 슬래그 시멘트 및 슬래그 콘크리트에 관한 것이다.
최근 국내 제철산업은 조선과 자동차, 기계 및 건설 분야 등 여러 산업 분야의 다양한 수요에 부응하기 위하여 그 생산량이 증대되고 있는 실정이며, 아울러 그 산업부산물인 고로슬래그의 발생량 또한 꾸준히 증가하고 있다. 한편 콘크리트 산업에서는 지구온난화의 요인이 되는 CO2의 배출량을 저감하기 위하여 시멘트의 사용을 억제하여 콘크리트를 제조할 수 있는 기술개발을 다양하게 진행하고 있다. 따라서 시멘트에 고로슬래그 미분말을 혼합한 슬래그 시멘트의 활용은 온실가스의 배출을 저감하고 산업부산물을 유효하게 활용할 수 있는 지속가능한 지구환경 보호 기술의 하나가 된다.
일반적으로 고로슬래그는 급냉한 형태를 미분말로 분쇄하여 슬래그 시멘트나 콘크리트 혼화재로 활용되고 있다. 즉 시멘트를 대체한 결합재로 활용되는 것이다. 고로슬래그 미분말을 콘크리트에 활용할 경우, 소요의 슬럼프를 얻기 위한 단위수량을 저감할 수 있으며, 또한 수화발열량 감소, 수밀성 증대, 장기강도 향상, 알칼리골재반응 억제, 염해 저항성 및 내화학성 등이 향상되나, 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 조기강도 발현이 저하되는 것으로 알려져 있다.
고로슬래그 미분말의 조기강도 저하 문제는 고로슬래그 미분말의 적극적인 활용을 어렵게 하는데, 실제 고로슬래그 미분말의 사용률은 결합재의 40~50% 정도에 머물렀다. 고로슬래그 미분말을 그 이상으로 대체하면 3일 강도를 기준강도 대비 40% 이상으로 확보하기 어려워지고, 3일 강도가 낮으면 콘크리트를 타설한 거푸집을 제거할 수 없어 전체 건설공사의 공기 지연으로 이어지기 때문이다.
본 발명은 슬래그 시멘트에서 조기강도 저하문제를 개선하고자 개발된 것으로, 알칼리 재료에 의해 고로슬래그 미분말을 자극하여 슬래그 시멘트의 조기강도를 개선할 수 있는 새로운 혼화재와 이를 바람직하게 이용하여 조성한 슬래그 시멘트 및 슬래그 콘크리트를 제공하는데 기술적 과제가 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 시멘트에 고로슬래그 미분말이 혼합된 슬래그 시멘트에 혼입되는 혼화재로서, 알칼리 알루미네이트; 알칼리 카보네이트; 알칼리 설페이트; 칼슘 실리케이트;로 구성되는 것을 특징으로 하는 슬래그 시멘트용 혼화재를 제공한다. 이러한 슬래그 시멘트용 혼화재는 알칼리 알루미네이트 3~15중량%; 알칼리 카보네이트 5~18중량%; 알칼리 설페이트 15~45중량%; 칼슘 실리케이트 35~77중량%;로 구성하는 바람직하다.
또한 본 발명은 보통 포틀랜드 시멘트 17~65중량%; 고로슬래그 미분말 34.5~80중량%; 상기 슬래그 시멘트용 혼화재 0.5~3.0중량%;로 구성되는 것을 특징으로 하는 슬래그 시멘트를 제공하고, 더불어 콘크리트 배합에서 상기 슬래그 시멘트를 결합재로 포함하여 배합하는 것을 특징으로 하는 슬래그 콘크리트를 제공한다.
본 발명에 따르면, 슬래그 시멘트에서 고로슬래그 미분말의 사용에 따른 조기강도 저하문제를 개선할 수 있는 슬래그 시멘트용 혼화재를 제공할 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 슬래그 시멘트용 혼화재를 이용하면 고로슬래그 미분말의 함량을 늘이면서도 조기강도 저하 문제를 개선할 수 있는 슬래그 시멘트를 제공할 수 있고, 이로써 고로슬래그 미분말의 자원재활용률을 증대시킴과 동시에 생산과정에서 탄소를 배출하는 시멘트의 사용량을 감소시킬 수 있기 때문에 환경보호에 기여할 수 있다.
본 발명은 시멘트에 고로슬래그 미분말을 혼합한 슬래그 시멘트에서 고로슬래그 미분말의 혼합에 따른 조기강도 저하문제를 개선할 수 있는 슬래그 시멘트용 혼화재에 관한 것이다. 일반적으로 고로슬래그 미분말은 장기강도가 우수하나 조기강도 발현이 늦어 슬래그 시멘트에서 40% 정도로 사용하는 것에 그쳤는데, 본 발명에서는 슬래그 시멘트의 조기강도를 개선하여 고로슬래그 미분말의 사용률을 증대시킬 수 있는 새로운 혼화재를 제안한다.
구체적으로 본 발명에 따른 슬래그 시멘트용 혼화재는, 알칼리 알루미네이트; 알칼리 카보네이트; 알칼리 설페이트; 칼슘 실리케이트;로 구성된 분말이다.
알칼리 알루미네이트(Alkali Aluminate)는 물에 용해되어 알칼리 환경을 제공함으로써 포틀랜드 시멘트의 반응을 촉진하고 동시에 고로슬래그 미분말을 자극하여 슬래그 시멘트의 강도를 증진시킨다. 가령 알칼리 알루미네이트의 대표적인 재료인 알루민산나트륨(Al2O3nNa2O)은 물에 용해되면 NaOH와 Al(OH)3를 생성하면서 알카리성을 나타내는데(Al2O3·nNa2O + mH2O -> xNaOH + Al(OH)3 + yH2O), 이때 생성되는 NaOH는 pH를 높여 시멘트의 수화반응을 촉진함으로써 칼슘실리케이트 수화물(XCaO·YSiO2·ZH2O)의 신속한 생성에 기여하며, Al(OH)3는 알칼리 설페이트와 함께 고로슬래그 미분말을 자극하여 Ettringite 생성에 기여한다. 여기서 알루민산나트륨(Al2O3nNa2O)은 n=1.3~1.8이고, Na2O 함량이 35% 이상이고, 겉보기밀도가 0.4~0.7g/㎤인 것이 반응성을 고려할 때 바람직하다. 이러한 알루민산나트륨에 의한 알칼리 알루미네이트는 전체 혼화재의 3~15중량%가 바람직한데, 3중량% 미만이면 효과 미미하고 15중량%를 초과하면 급격한 반응으로 유동성 저하가 초래된다.
알칼리 카보네이트(Alkali Carbonate)는 물에 용해되어 ROH와 CO2를 생성하는데(R2CO3 + H2O -> 2ROH + CO2), 이때 생성되는 ROH는 pH를 높여 시멘트의 수화반응을 촉진한다(아래 [반응식1])
[반응식1]
(XCaO + YSiO2 + ZH2O)(Condition : pH 12~13) ->XCaO·YSiO2·ZH2O).
위 반응식에서 CaO, SiO2는 시멘트 및 슬래그 성분에서 공급되며, pH12~13의 환경은 Alkali성분의 용해에 의한 ROH의 생성으로 형성된다. 더불어 시멘트의 수화과정에서 발생하는 Ca(OH)2의 생성도 pH 조건에 기여한다. 이러한 반응을 통해 생성되는 칼슘실리케이트 수화물(XCaO·YSiO2·ZH2O)은 강도발현을 하는 대표적인 시멘트 수화물로 우수한 강도를 발현한다.
알칼리 카보네이트는 Na2CO3, K2CO3, NaHCO3, Li2CO3 중에서 하나 이상 선택하고 전체 혼화재의 5~18중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 5중량% 미만이면 효과 미미하고 18중량%를 초과하면 급격한 반응으로 유동성 저하가 초래된다.
알칼리 설페이트(Alkali Sulfate)는 시멘트의 조기강도 증진에 기여하는 ettringite(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) 생성에 기여하는 한편(아래 [반응식2]), 알칼리 재료의 사용으로 인한 급격한 반응을 제어하여 유동성 감소 방지에 기여한다.
[반응식2]
3R2SO4 + 3CaO·Al2O3 + 3Ca(OH)2 + 32H2O -> 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O + 6R(OH)
위 [반응식2]에서 3CaO·Al2O3 + 3Ca(OH)2는 시멘트 성분에서 공급되는데, 시멘트의 수화반응 초기에 설페이트 이온이 3CaO·Al2O3와 급격하게 반응하기 때문에 칼슘실리케이트 수화물(XCaO·YSiO2·ZH2O)이 생성되는 수화반응이 지연되면서 유동성을 확보할 수 있다.
알칼리 설페이트는 앞서 살펴본 알칼리 카보네이트와 마찬가지로 재령 초기에는 설페이트 이온에 의해 알칼리 환경을 제공하기도 하므로, pH를 높여 시멘트의 수화반응을 촉진하여 강도 증진에도 기여한다.
알칼리 설페이트는 Na2SO4, K2SO4, Na2Ca(SO4)2, CaSO4, CaSO4·2H2O, CaSO4·1/2H2O 중에서 하나 이상 선택하고, 전체 혼화재의 15~45중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 15중량% 미만이면 에트링자이트의 생성효과 및 시멘트 수화반응 지연효과가 미미하고 45중량%를 초과하면 다른 구성재료에 비해 상대적으로 많아져 반응성 저하가 초래된다.
칼슘 실리케이트(Calcium Silicate)는 혼화재의 균질한 혼합 및 분산에 기여하는데, 이로써 안정적인 강도증진 성능을 확보할 수 있게 하고 더불어 DryMixing 방법으로 제조할 때 적당한 제조성을 확보할 수 있게 한다. 또한 칼슘 실리케이트는 칼슘실리케이트 수화물(XCaO·YSiO2·ZH2O) 생성 반응으로 중장기적인 강도증진에도 기여한다. 칼슘 실리케이트는 CaO 40~50%와 SiO2 25~40%를 함유하고 분말도가 3,000~10,000cm2/g인 것을 선택하고, 전체 혼화재의 35~77중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 35중량% 미만이면 효과가 미미하고 77중량%를 초과하면 다른 구성재료에 비해 상대적으로 많아져 반응성 저하가 초래된다.
상기와 같은 구성의 혼화재는 슬래그 시멘트에 혼입하여 사용하거나, 또는 콘크리트 배합에서 혼화재로 혼입하여 사용할 수 있다. 즉 보통 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 앞서 살펴본 혼화재를 혼합하여 슬래그 시멘트로 제조하거나, 이러한 슬래그 시멘트를 콘크리트 배합에서 결합재로 이용하는 것이다. 슬래그 시멘트는 프리믹스는 물론 현장배합 방법으로 준비할 수 있음은 물론이다. 특히 본 발명에서는 바람직한 슬래그 시멘트를 위해 보통 포틀랜드 시멘트 17~65중량%; 고로슬래그 미분말 34.5~80중량%; 슬래그 시멘트용 혼화재 0.5~3.0중량%;로 조성할 것을 제안하는데, 이러한 조성은 고로슬래그 미분말의 사용량을 늘리는 방향에서 소정의 강도확보를 고려한 결과이다.
이하에서는 실험예에 의거하여 본 발명을 상세히 살펴본다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.
[실험예] 슬래그 시멘트용 혼화재 혼입 여부에 따른 콘크리트 특성
1. 혼화재 준비
아래 [표 1]에 따른 구성재료로 슬래그 시멘트용 혼화재를 준비하였다.
슬래그 시멘트용 혼화재
구성물명 구성물의 종류와 조건 사용량(wt%)
알칼리 알루미네이트 Na2O 함량 42%, Al2O3nNa2O(n=1.4)
겉보기밀도 : 0.6g/㎤		 7
알칼리 카보네이트 Na2CO3 65% + K2CO3 35% 13
알칼리 설페이트 Na2SO4 25% + Na2Ca(SO4)2 75% 35
칼슘 실리케이트 CaO 44.1%, SiO2 32.7%, 분말도 4,421cm2/g 45
계 - 100
2. 콘크리트 배합
아래 [표 2]와 같은 배합으로 콘크리트를 배합하였으며, 결합재는 아래 [표 3]과 같이 조성하여 사용하였다.
콘크리트 배합
fck
(MPa)		 골재최대
치수(mm)		 슬럼프
(cm)		 공기량
(%)		 W/B
(%)		 S/a
(%)		 단위재료사용량(kg/㎥)
물 결합재 잔골재 굵은
골재		 AE
감수제
27 25 15 5~7 43.4 46 165 380 810 992 2.66
결합재 조성
비교예1 실시예 1 실시예 2
슬래그 시멘트 100% 99% 98.5%
슬래그 시멘트용 혼화재 - 1% 1.5%
계 100% 100% 100%
슬래그 시멘트: 비중 3.05, 분말도 3,828cm2/g, 고로슬래그 함량 40%
슬래그 시멘트용 혼화재: [표 1]
3. 콘크리트 특성
[표 2,3]에 따라 배합된 콘크리트의 특성 평가결과는 아래 [표 4]과 같다.
콘크리트 특성
구분 비교예1 실시예 1 실시예 2
굳기 전
성질		 초기 Slump(mm) 195 185 180
Air(%) 5.8 6.2 6.3
60분 경과후 Slump(mm) 160 155 150
Air(%) 4.7 5.1 5.0
압축
강도
(MPa)		 1일 2.9 3.4 3.6
3일 12.8 16.4 17.4
7일 23.8 26.6 28.1
28일 32.7 33.5 34.4
위의 [표 4]에서와 같이 슬래그 시멘트용 혼화재를 사용한 실시예1과 실시예 2가 슬래그 시멘트용 혼화재를 사용하지 않은 비교예1에 비해 3일 7일과 같은 재령 초기의 압축강도 성능이 우수하게 나타냈다. 이와 같은 결과에 따라 본 발명에 따른 슬래그 시멘트용 혼화재를 이용한다면 슬래그 시멘트에서 고로슬래그 미분말에 의한 조기강도 저하문제를 개선할 수 있어 고로슬래그 미분말의 함량을 더욱 증대할 수 있을 것이다.

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  3. 시멘트에 고로슬래그 미분말이 혼합된 슬래그 시멘트에 혼입되는 혼화재로서,
    알칼리 알루미네이트 3~15중량%;
    알칼리 카보네이트 5~18중량%;
    알칼리 설페이트 15~45중량%;
    칼슘 실리케이트 35~77중량%;
    로 구성되되,
    상기 알칼리 알루미네이트는, Al2O3nNa2O의 화학식을 가지는 것으로, n=1.3~1.8이고, Na2O 함량이 35% 이상이며,
    상기 알칼리 카보네이트는, Na2CO3, K2CO3, NaHCO3, Li2CO3 중에서 하나 이상 선택되며,
    상기 알칼리 설페이트는, Na2SO4, K2SO4, Na2Ca(SO4)2, CaSO4, CaSO4·2H2O, CaSO4·1/2H2O 중에서 하나 이상 선택되며,
    상기 칼슘 실리케이트는, CaO 40~50%와 SiO2 25~40%를 함유한 것임을 특징으로 하는 슬래그 시멘트용 혼화재.
  4. 보통 포틀랜드 시멘트 17~65중량%;
    고로슬래그 미분말 34.5~80중량%;
    제3항에 따른 슬래그 시멘트용 혼화재 0.5~3.0중량%;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 슬래그 시멘트.
  5. 콘크리트 배합에서 제4항에 따른 슬래그 시멘트를 결합재로 포함하여 배합하는 것을 특징으로 하는 슬래그 콘크리트.
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