KR101482382B1 - 탈황슬래그 및 고로슬래그를 포함하는 저발열 시멘트 조성물 - Google Patents

탈황슬래그 및 고로슬래그를 포함하는 저발열 시멘트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트의 양생 과정에서 발생하는 수화열을 제어할 수 있는 저발열 시멘트 조성물에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 시멘트 30 내지 60중량%, 탈황슬래그 2.5 내지 15중량%, 고로수재슬래그 20 내지 40중량% 및 고로괴재슬래그 5 내지 15중량%를 포함하는 저발열 시멘트 조성물을 제공한다.
본 발명의 저발열 시멘트 조성물을 사용함으로써, 콘크리트의 양생 과정에서 발생하는 수화열에 의한 온도균열 및 수화 반응 지연에 따른 콘크리트 강도 저하를 방지할 수 있다. 또한, 종래의 시멘트를 대체할 수 있어, 시멘트 제조과정에서 발생하는 이산화탄소의 발생을 감소시킬 수 있으며, 철강부산물인 탈황슬래그 및 고로슬래그를 활용함으로써 경제성을 향상시킬 수 있다.

Description

탈황슬래그 및 고로슬래그를 포함하는 저발열 시멘트 조성물{Low-heat cement composition including desulfurization slag and blast furnace slag}
본 발명은 탈황슬래그 및 고로슬래그를 포함하는 저발열 시멘트 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 양생중인 콘크리트에서는 수화 반응에 의해 수화열이 발생한다. 공기면과 접촉하는 면이 넓은 슬래브나 두께가 얇은 콘크리트에서는 열의 발산이 잘 이루어짐에 따라 내부와 외부의 온도 차가 적어 문제가 되지 않으나, 규모가 큰 매스 콘크리트에서는 내외부의 온도 차에 의한 내외부의 팽창 차이로 구조물에 균열 등의 구조적 문제가 발생될 수 있다.
수화열에 의한 콘크리트의 내외부 온도 차가 최대 25~30℃ 정도에 이르면 열응력에 의해 온도 균열이 형성된다. 온도균열 제어방법으로 철근의 배치 골재의 프리쿨링(pre-cooling), 유발줄눈의 설치 등이 있으나, 현실적으로 적용되기는 어렵다. 통상적으로 사용하는 방법으로는 지연형 혼화제를 사용하거나, 값비싼 플라이 애시(flyash) 시멘트, 저발열 벨라이트(belite) 시멘트를 사용하는 방법이 있다. 그러나 비용이 비싸고 균열 저감 효과도 우수하다고 보기 어렵다.
또한, 이러한 소재를 활용할 경우, 수화 반응 지연에 의해 콘크리트의 초기강도 발현이 저하되어, 공기지연 및 경제성 악화라는 문제를 야기하게 된다.
본 발명의 한 측면은 철강부산물인 탈황슬래그 및 고로슬래그를 활용하여, 수화 반응 속도 조절에 따른 수화열을 제어할 수 있으며, 수화 반응 지연에 따른 콘크리트 강도의 저하를 방지할 수 있는 저발열 시멘트 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명은 시멘트 30 내지 60중량%, 탈황슬래그 2.5 내지 15중량%, 고로수재슬래그 20 내지 40중량% 및 고로괴재슬래그 5 내지 15중량%를 포함하는 저발열 시멘트 조성물을 제공한다.
상기 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트, 시멘트 클링커 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 탈황슬래그는 분말도가 3000-10000㎠/g일 수 있다.
상기 탈황슬래그는 CaO 40 내지 70 중량%, SiO2 10 내지 30 중량%, Al2O3 5 내지 20 중량%, MgO 1 내지 15 중량%, Fe 0.5 내지 30 중량% 및 SO3 0.1 내지 20 중량%를 포함할 수 있다.
상기 고로괴재슬래그는 분말도가 3000-6000㎠/g일 수 있다.
본 발명의 저발열 시멘트 조성물을 사용함으로써, 콘크리트의 양생 과정에서 발생하는 수화열에 의한 온도균열 및 수화 반응 지연에 따른 콘크리트 강도 저하를 방지할 수 있다. 또한, 종래의 시멘트를 대체할 수 있어, 시멘트 제조과정에서 발생하는 이산화탄소의 발생을 감소시킬 수 있으며, 철강부산물인 탈황슬래그 및 고로슬래그를 활용함으로써 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 고로괴재슬래그 미분말의 X선 회절(XRD)분석 그래프를 도시한 것이다.
도 2은 본 발명의 저발열 시멘트 조성물을 사용한 실시예 및 비교예의 압축강도 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 3는 본 발명의 저발열 시멘트 조성물을 사용한 실시예 및 비교예의 미소수화열 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 고로괴재슬래그 미분말의 X선 회절(XRD)분석 그래프를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 저발열 시멘트 조성물을 사용한 실시예 및 비교예의 압축강도 측정 결과를 그래프로 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 저발열 시멘트 조성물을 사용한 실시예 및 비교예의 미소수화열 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다.
본 발명은 콘크리트의 양생 과정에서 발생하는 수화열을 제어할 수 있는 저발열 시멘트 조성물에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 시멘트 30 내지 60중량%, 탈황슬래그 2.5 내지 15중량%, 고로수재슬래그 20 내지 40중량% 및 고로괴재슬래그 5 내지 15중량%를 포함하는 저발열 시멘트 조성물에 관한 것이다.
고로슬래그는 냉각 방식에 따라 살수 급랭에 의해 형성되는 고로수재슬래그와 공랭에 의해 형성되는 고로괴재슬래그로 분류될 수 있다. 상기 고로수재슬래그는 시멘트와 함께 결합재 역할을 수행할 수 있다. 다만, 상기 고로수재슬래그는 살수 급랭에 의해 표면에 비결정질 피막이 형성되어 있으므로, 수산기이온(OH-) 및 황산염(SO4 2 -, S2O3) 등과 접촉시에 반응(경화)하는 잠재 수경성을 가지므로 수화반응 속도가 느리다. 이에 따라, 콘크리트의 초기강도 발현이 저하되어, 공기지연 및 경제성 악화라는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 시멘트 조성물은 상기 고로수재 슬래그의 수화반응의 촉진을 위해 탈황슬래그를 포함할 수 있다. 상기 탈황슬래그는 특별히 한정하지 않으나, CaO 40 내지 70 중량%, SiO2 10 내지 30 중량%, Al2O3 5 내지 20 중량%, MgO 1 내지 15 중량%, Fe 0.5 내지 30 중량% 및 SO3 0.1 내지 20 중량%를 포함할 수 있다. 상기 탈황슬래그는 물에 용해되면 OH-, SO4 2 - 이온에 의해 pH가 높아져, 고로슬래그의 성분 중 Ca2 +, Al3 + 등의 용출이 용이하게 된다. 상기 용출된 이온들은 Ca(OH)2 및 CaO-SiO-H2O계 수화물을 생성하게 됨으로써 경화를 빠르게 촉진하게 되며, 침상형의 구조를 가지는 에트링가이트 수화생성물 (C3A·CaSO4·12H2O)을 생성시킴으로써 수화체 내부의 조직을 치밀화하여 경화체의 압축강도를 향상시킬 수 있다
상기 탈황슬래그에 의해 수화 반응 속도가 빨라져 수화열에 의한 온도균열이 발생하는 것을 방지하기 위해, 본 발명의 시멘트 조성물은 고로괴재슬래그를 포함할 수 있다. 상기 고로괴재슬래그는 겔레나이트와 아커마나이트의 고용체로 구성되어 있는 메릴라이트 결정 화합물과 2CaOㆍSiO2(α-C2S)로 이루어져 있는데, 상기 α-C2S는 물과 반응하여 하기 반응식 1과 같이 수화반응을 일으키게 된다. α-C2S의 수화반응 속도는 매우 느리므로, 고로괴재슬래그를 시멘트 조성물로 재활용하는 경우 수화열을 저감시킬 수 있다. 도 1은 고로괴재슬래그 미분말의 X선 회절(XRD)분석 그래프로서, 이로부터 고로괴재슬래그에 α-C2S가 포함되어 있음을 알 수 있다.
[반응식 1]
2CaOㆍSiO2 + 4H2O → 3CaOㆍ2SiO2ㆍ3H2O + Ca(OH)2
또한, 상기 고로괴재슬래그는 분말화하는 경우 피분쇄성이 우수하며, 분쇄된 입형이 세립의 구형이다. 따라서, 고로괴재슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트를 타설하는 경우, 볼 베어링(Ball bearing) 효과에 의해 유동성(Workability)을 향상시킬 수 있다.
특별히 한정하지 않으나, 상기 탈황슬래그의 분말도는 3000-10000㎠/g, 상기 고로괴재슬래그의 분말도는 3000-6000㎠/g인 것이 바람직하다. 이는 통상적인 시멘트계 분말 결합재료의 분말도가 3000㎠/g 이상으로 KS 등으로 규격화하고 있기 때문이다.
또한, 상기 시멘트는 특별히 한정하지 않으나, 보통 포틀랜드 시멘트, 시멘트 클링커 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명에서 제공하는 저발열 시멘트 조성물을 사용하는 경우에는 콘크리트의 수화 반응 속도를 제어할 수 있어, 콘크리트의 수화 반응 속도가 너무 늦어서 콘크리트의 초기발현 강도가 저하되거나, 수화 반응 속도가 너무 빨라 수화열에 의한 온도균열 발생을 방지할 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]
본 발명의 저발열 시멘트로 제조한 시험체의 압축강도 및 미소수화열을 측정하기 위해, 하기 표 1의 조성과 같이 시멘트 조성물을 준비하였다.
NO OPC W-SP A-SP 탈황슬래그미분말 Fly-ash 저발열시멘트
비교예1 100 - - - - -
비교예 2 - - - - - 100
비교예 3 50 40 - - 10 -
비교예 4 50 50 0 - - -
비교예 5 50 45 5 - - -
비교예 6 50 40 10 - - -
실시예7 50 42.5 5 2.5 - -
실시예 8 50 37.5 10 2.5 - -
실시예 9 50 35 10 5 - -
(단위: 중량%)
(OPC : 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland cement)
W-SP : 고로수재슬래그 미분말 (Water-cooled slag powder)
A-SP : 고로괴재슬래그 미분말 (Air-cooled slag powder)
Fly-ash: 화력발전 부산물로서 콘크리트용으로 활용중인 혼화재 (FA)
저발열 시멘트: 클링커 소성조건, 성분조건 등의 변화를 통해 2CaOㆍSiO2성분을 증대시킨 시멘트(쌍용시멘트, 보통포틀랜드2종, 중용열시멘트)
압축강도 측정
상기 시멘트 조성물에 하기 표 2의 조성으로 ISO표준사 및 물을 배합하여, 총 중량합 8,100g, 4ⅹ4ⅹ16cm의 직육면체 시험체를 제조하고, "시멘트의 강도시험방법"(KS L ISO 679)에 준하여 압축강도를 측정하였다. 압축강도 측정 시, 제조된 시험체를 절반으로 파괴한 후, 각각의 재령별 6ea의 압축강도 값을 측정한 후, 이에 대한 평균값을 도 2에 나타내었다.
비교예 1은 보통 포틀랜드 시멘트만으로 제조한 시험체이며, 비교예 2는 저발열 시멘트(쌍용양회, 보통포틀랜드2종, 중용열시멘트)로 제조한 시험체이다. 비교예 3은 보통 포틀랜드 시멘트, 고로수재슬래그 및 플라이애쉬를 혼합하여 제조한 시멘트 조성물로 제조한 시험체이고, 비교예 4는 고로수재슬래그는 포함하나 고로괴재슬래그 및 탈황슬래그는 포함하지 않는 시멘트 조성물의 시험체이며, 비교예 5 및 6은 고로수재슬래그 및 고로괴재슬래그는 포함하나 탈황슬래그가 없는 경우의 시험체이다. 실시예 1 내지 3은 보통 포틀랜드 시멘트, 고로수재슬래그미분말, 고로괴재슬래그미분말 및 탈황슬래그 미분말을 조합하여 제조한 시험체이다.
OPC W-SP A-SP 탈황슬래그
미분말		 Fly-ash 저발열
시멘트		 ISO표준사 물
비교예 1 1350 - - - - - 4,050 675
비교예 2 - - - - - 1350 4,050 675
비교예 3 675 540 - - 135 - 4,050 675
비교예 4 675 675 - - - - 4,050 675
비교예 5 675 607.5 67.5 - - - 4,050 675
비교예 6 675 540 135 - - - 4,050 675
실시예 7 675 573.75 67.5 33.75 - - 4,050 675
실시예 8 675 506.25 135 33.75 - - 4,050 675
실시예 9 675 472.5 135 67.5 - - 4,050 675
(단위: gram)
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 3일의 압축강도는 보통 포틀랜드 시멘트만으로 제조한 비교예 1에서 가장 높게 측정되었으며, 그 다음으로 실시예 7 내지 9가 우수하였다. 또한, 7일의 압축강도의 경우, 실시예 1 내지 3이 가장 우수하였다. 이로부터, 본 발명의 저발열 시멘트 조성물은 비교예 1의 보통 포틀랜드 시멘트 또는 비교예 2의 저발열 시멘트보다 초기 발현강도가 우수함을 알 수 있었다.
한편, 비교예 5 및 6은 수화반응 속도를 지연시키는 고로괴재슬래그를 포함하지만, 경화반응을 촉진하는 탈황슬래그를 포함하지 않아 전체적인 수화반응이 지연됨에 따라 초기의 발현강도가 낮음을 알 수 있으며, 비교예 4는 탈황슬래그뿐만 아니라 고로괴재슬래그도 포함하지 않아 비교예 5 및 6에 비해 수화반응의 지연이 덜하여 초기 발현강도가 상대적으로 높음을 알 수 있었다.
미소수화열 측정
또한, 상기 표 1의 비교예 1 내지 3 및 실시예 7 내지 9의 시멘트 조성물에 대하여 미소수화열을 측정하였다. 물과 시멘트 조성물을 1:1 비율로 한 20g의 페이스트를 충분히 자동 교반하여 밀폐용기(20℃)에서 미소수화열 측정기 (Tokyo Riko, TCC-26)를 사용하여 약 90시간 동안 측정하였으며, 측정결과를 도 3에 나타내었다.
도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1 내지 3의 미소수화열에 비해, 본 발명의 저발열 시멘트 조성물을 사용한 실시예 7 내지 9의 미소수화열이 상대적으로 낮음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 저발열 시멘트 조성물을 사용하는 경우, 초기 압축강도의 발현 저하 및 수화열에 의한 온도균열을 방지할 수 있음을 알 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (5)

  1. 시멘트 30 내지 60중량%, 탈황슬래그 2.5 내지 15중량%, 고로수재슬래그 20 내지 40중량% 및 고로괴재슬래그 5 내지 15중량%를 포함하는 저발열 시멘트 조성물.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트, 시멘트 클링커 또는 이들의 혼합물인 저발열 시멘트 조성물.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 탈황슬래그는 분말도가 3000-10000㎠/g인 저발열 시멘트 조성물.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 탈황슬래그는 CaO 40 내지 70 중량%, SiO2 10 내지 30 중량%, Al2O3 5 내지 20 중량%, MgO 1 내지 15 중량%, Fe 0.5 내지 30 중량% 및 SO3 0.1 내지 20 중량%를 포함하는 저발열 시멘트 조성물.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 고로괴재슬래그는 분말도가 3000-6000㎠/g인 저발열 시멘트 조성물.
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