KR101492878B1 - 콘크리트 혼입용 균열 자가 치유형 내구성 증진 조성물 및 이를 사용하여 내구성이 증진된 콘크리트를 제조하는 방법 - Google Patents

콘크리트 혼입용 균열 자가 치유형 내구성 증진 조성물 및 이를 사용하여 내구성이 증진된 콘크리트를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물의 내구성을 증진시키기 위해 콘크리트 제조 시에 시멘트 재료의 일부를 대체하여 사용될 수 있는 내구성 증진재료 조성물 및 이러한 내구성 증진재료 조성물이 포함된 콘크리트 구조물에 관한 것으로, 상기 조성물은 천연 포졸란 재료 20~50 중량%, 고로슬래그 미분말 35~70 중량%, 실리카흄 5~15 중량%, 기능성 혼화제 0.5~2 중량%를 포함한다. 본 발명의 내구성 증진재료는 콘크리트 제조 시 시멘트를 대체하거나 골재의 일부를 대체하여 사용할 수 있으며, 기존의 열화된 콘크리트 구조물의 보수를 통해 사용수명을 증진시키는 방법과 비교하여 초기에 내구수명을 연장할 수 있으며 유지보수 비용 절감효과와 유지관리의 편이성을 확보하는 장점이 있다. 상기 콘크리트 혼입용 내구성 증진 재료 조성물을 이용하여 콘크리트를 제조할 경우에는 각 성분들의 화학작용에 의해 콘크리트가 자체적으로 수밀해지고 내구성이 향상되며, 특히 천연 포졸란 재료의 작용으로 인해 0.3 mm 이하의 균열을 봉합하여 콘크리트의 내구수명을 연장하는 효과를 갖는다.

Description

콘크리트 혼입용 균열 자가 치유형 내구성 증진 조성물 및 이를 사용하여 내구성이 증진된 콘크리트를 제조하는 방법 {SELF-CURING CONCRETE ADDITIVE COMPOSITION AND PREPARATION METHOD OF CONCRETE WITH IMPROVED DURABILITY}
본 발명은 콘크리트 구조물의 내구성을 증진시키기 위해 콘크리트 제조 시에 시멘트 재료의 일부를 대체하여 사용될 수 있는 내구성 증진 조성물 및 이러한 내구성 증진 조성물이 포함된 콘크리트 구조물에 관한 것이다.
일반적으로 토목 구조물 또는 건축 구조물에 널리 사용되는 콘크리트는 환경조건에 따라 염해 및 탄산화에 의한 철근 부식, 동결융해에 의한 표면 박리 및 황산염에 의한 화학적 침식 등 다양한 열화현상으로 인해 성능 혹은 기능이 저하되며, 이러한 외부 요인 또는 외부 환경에 기인하여 발생하는 균열 때문에 콘크리트 구조물의 열화가 가속화되어 철근이 부식되고, 콘크리트 구조물 자체가 손상될 수 있는 문제점이 존재한다.
이러한 콘크리트를 사용한 토목 또는 건축 구조물의 문제점을 보완하고, 내구 연한을 증가시키기 위해서는 크게 두 가지 방법으로 접근할 수 있다. 첫 번째 방법으로는 기존의 널리 알려진 보수 방법으로, 열화가 진행되어 균열이 발생한 콘크리트를 단면보수, 균열 주입 및 단면 보강 등을 통해 균열을 메워 열화된 콘크리트의 성능을 향상시키고, 콘크리트 구조물의 사용 가능 연한을 늘려주는 방법이 있다.
두 번째 방법으로는, 콘크리트 구조물의 시공 초기에 콘크리트 재료 내에 앞서 언급한 여러 가지의 열화 요인에 대한 저항성을 높임으로써, 콘크리트 구조물의 시공 후에 사용 과정 중에서 발생할 수 있는 균열과 같은 외부 환경요인에 의한 열화를 사전에 예방함으로써, 콘크리트의 성능 저하를 방지하는 방법을 들 수 있다.
이러한 콘크리트 구조물의 성능과 내구성을 현저하게 감소시키는 열화현상의 원인에 대해서 좀 더 자세히 살펴보면, 콘크리트의 염해, 탄산화, 동결융해 또는 황산염에 의한 열화 등이 있으며, 열화현상의 구체적인 예로 균열 외에도 콘크리트 표면의 박락 및 철근의 부식 현상 등을 들 수 있다.
콘크리트 구조물이 통상적인 해양 환경에 노출되었을 경우에는, 해수의 침식 작용, 또는 해수가 구조물 내로 스며들어가서 일으키는 물리적, 화학적 작용의 복합 현상 등으로 인해 성능이 저하된다. 특히, 삼면이 바다인 우리나라는 염해로 인한 콘크리트 구조물의 열화 방지에 대한 중요한 대책이 요구되고 있다.
여기서 해양 환경의 영향이란, 바람에 의해 수 킬로미터 떨어진 곳에 위치한 콘크리트 구조물에 해수가 날아드는 것과 같은 간접적인 영향과 해안 또는 해상에서와 같이 해수의 직접적인 접촉에 의해서 콘크리트 구조물이 받는 영향을 모두 포함한다. 이러한 해양 환경의 직접적인 접촉의 다른 예로는 해수의 온도, 해수에 포함된 각종 무기 염류와 같은 화학 성분 또는 밀물과 썰물 및 파도 등과 같은 기계적 침식 등을 들 수 있으며, 이러한 환경 요인들은 구조물, 특히 콘크리트 구조물의 내해수성에 직접적인 영향을 미치게 된다.
해수의 주요 성분은 널리 알려진 바와 같이 대체로 비슷하지만, 각 성분의 함량은 지역에 따라 다르며, 같은 장소라도 시기 또는 계절에 따라 변화된다. 평균적인 염의 함량은 무게 비로 3.5 %(즉, 35 g/ℓ)이며, 주요 이온으로 나트륨이온(Na+), 마그네슘이온 (Mg2 +), 염소이온 (Cl-), 황산염이온(SO4 2 -) 등이 포함된다.
해수 속에 녹아있는 염 이외에도 해수의 표면 부근이나 해수 중에 존재하는 기체 성분들도 콘크리트의 내구성과 관련되는 화학적 또는 전기화학적 현상에 영향을 미치기도 한다. 예를 들어, 대기 중이나 해수에 존재하는 산소는 철의 노출, 매설 여부에 관계없이 해양 환경하의 철의 부식에 있어서 핵심적인 역할을 수행한다.
콘크리트의 탄산화, 동결융해, 황산염에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 탄산화에 의한 콘크리트의 성능저하는, 콘크리트의 최초 타설 후 대기 중의 이산화탄소와 직접 반응하거나 수분에 용해되어 반응하는 형태로 콘크리트의 결합강도를 유지하는 혼합재를 탄산화시킴으로써 내부 철골의 부식을 진행시키는 현상을 의미하며, 주된 화학 반응은 다음과 같은 화학식 (1)과 같이 진행된다.
CO₂+ Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H2O (1)
상기 화학식 (1)과 같은 화학 반응에 의해 콘크리트의 표면으로부터 서서히 탄산화가 진행되어 철근의 보호피막이 파괴되는데, 이와 같이 콘크리트가 알칼리성을 소실하게 될 경우에는 방청력을 상실하여 내부에 매입된 철근이 부식되고, 철근의 부식생성물에 의하여 2~10 배 정도의 체적팽창이 발생하여 피복 콘크리트가 파괴되어 철근을 따라 균열이 발생된다. 이러한 손상이 심해질 경우에는, 콘크리트를 박리 탈락시키고, 철근이 노출되어 콘크리트 구조물의 내구성이 손상됨으로, 탄산화 깊이를 측정하여 탄산화된 콘크리트 영역을 절취하여 새로운 콘크리트나 에폭시모르타르 등으로 교체하는 방식으로 보수 시공이 진행된다.
동결 융해 작용으로 인한 균열의 예로는, 콘크리트의 표면으로부터 유입되는 수분이나 콘크리트 제조 시 잉여수 등이 동결할 때 생기는 얼음의 팽창압과 물의 이동압에 기인하여 발생하는 균열을 들 수 있다.
황산염 반응으로 인한 균열로는, 시멘트속의 CA 또는 시멘트의 수화로 인해 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 골재 속에 함유된 황산염 또는 외부로부터 들어온 황산염으로 인해 생성된 황산칼슘(CaSO₄)이 반응하여 에트링가이트(Eteringite)를 생성하면서 발생되는 팽창압으로 인한 균열을 들 수 있다.
이와 같이 콘크리트의 염해, 탄산화, 동결융해, 황산염 등에 의한 열화 과정은 공통적으로 콘크리트 표면으로부터 열화인자가 내부로 침투되면서 진행되는 열화 과정이므로, 콘크리트 구조물 자체에 발생되는 공극이나 균열을 통하여 열화 정도가 심화되거나 가속화되며, 더 큰 균열이 존재할수록 이러한 콘크리트 구조물의 열화는 더욱 가속화되는 특징이 있으며, 이러한 열화 과정이 각각의 개별적으로 발생할 수도 있지만, 복합적으로 동시에 발생하여 가속화될 수 있다.
즉, 공기 중의 탄산가스(CO2)나 물, 또는 황산염 등과 같은 유해물질이 콘크리트 표면의 공극을 통하여 콘크리트 내부로 침투되어 염에 의해 철근이 부식되고, 콘크리트를 탄산화시키며, 황산염의 팽창압으로 인하여 균열이 발생하면서 동시에 동결융해로 인하여 균열이 더욱 커지는 형태로 진행될 수 있다.
일반적으로 균열의 폭이 0.2 mm정도 이상이 되면 통기(通氣)ㆍ통수(通水) 현상이 발생하기 시작한다고 인식되어 있으며, 한번 발생된 균열의 폭은 시간이 지날 수록 계속 성장하여 콘크리트의 열화 및 철근의 부식을 더욱 가속화시키므로, 콘크리트의 균열의 방지 및 콘크리트의 수밀성 향상의 방법으로 이러한 외부 환경 인자인 기체 및 액체 등을 효과적으로 차단시켜야 한다.
등록특허 제1007193호는 균열이 생긴 콘크리트에 충전제를 주입하여 더이상의 균열을 막고 그 위에 열화방지공정 및 강화공정을 추가하는 콘크리트 표면 강화 시공방법에 관한 것이다. 하지만 이와 같은 기존의 종래의 기술들은 콘크리트가 경화되어 생기는 공극을 충분히 막아주지 못해 고강도, 방수성, 내구성이 요구되는 다양한 구조물의 사용에 충족치 못하여 콘크리트 건축물 특히, 도로에 사용시 강도도 저하되면서 손쉽게 파손되는 빈도가 높은 문제점이 여전히 존재한다.
등록특허 제1007193호 (2011. 01. 12. 등록공고)
본 발명은 콘크리트의 제조 시에 사용되는 시멘트와 같은 혼화재의 일부를 대체하여 혼합/사용되는 콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게 설명하면 콘크리트 구조물의 신설 시 환경에 따른 열화인자의 침투를 억제하고 0.3 mm 이하의 균열을 침상형 물질의 생성에 의해 자체적으로 치유할 수 있는 내구성 증진 조성물에 관한 것이다. 즉, 콘크리트의 원료로 골재와 함께 사용되는, 시멘트, 플라이 애쉬, 고로 슬래그 미분말 등을 포함하는 혼합재의 일부를 대체하여 사용되는 콘크리트의 내구성을 증진시킬 수 있는 조성물에 관한 것이다.
앞서 종래의 기술들이 갖는 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 콘크리트 구조물이 위치하는 다양한 외부 환경 조건에서 발생하는 염해, 탄산화, 화학적 침식 등을 효과적으로 방지하기 위해, 천연 포졸란 물질, 고로슬래그 미분말, 실리카흄 등의 재료 특성을 활용하여 잠재 수경성 반응 및 포졸란 반응을 유도하고, 이로 인해 콘크리트의 수밀성을 향상시켜 기체 및 액체로 이루어진 열화 인자를 차단시킬 수 있도록 하였다. 또한 콘크리트 균열 부위를, 천연 포졸란 물질의 화학반응으로 인한 생성물로써 균열부위를 봉합하여 콘크리트의 치밀성을 확보하고 균열에 의한 열화의 가속화를 방지할 수 있으므로, 콘크리트 구조물의 내구성을 증진시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 제시하는 콘크리트 혼합용 내구성 증진 조성물은, 콘크리트 제조 시 시멘트를 대체하거나 골재를 대체하여 콘크리트의 수밀성을 향상시킴으로써 탄산화, 염해, 화학적 침식의 원인이 되는 열화인자를 효과적으로 차단하고, 다양한 원인에 의해서 발생하는 미세균열을 봉합함으로써 콘크리트 구조물의 내구수명을 증진시킬 수 있다.
앞서 서술한 종래 기술의 문제점과 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제시하는 콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물은 천연 포졸란 재료 20~50 중량%, 고로슬래그 미분말 35~70 중량%, 실리카흄 5~15 중량%, 기능성 혼화제 0.5~2 중량%를 포함하며, 상기 천연 포졸란 재료는, 화산재, 응회암, 규산백토, 규조토 및 천매암으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상이고, 분말상(powder phase)인 것이 특징이다. 또한 실리카 성분을 적어도 75 중량%이상 포함한다.
본 발명의 다른 실시 형태로는, 잔골재, 굵은 골재 및 혼합재(binder)를 혼합하여 콘크리트 구조물을 제조하는 방법을 들 수 있는데, 상기 혼합재는 시멘트, 플라이 애쉬 또는 고로슬래그 미분말을 포함하고, 상기 혼합재의 10~30 중량%가 앞서 언급한 본 발명의 내구성 증진 조성물로 대체될 수 있다. 이때, 상기 내구성 증진 조성물은 전체 혼합재 무게를 기준으로 천연 포졸란 재료 2~15 중량%, 고로슬래그 미분말 3.5~21 중량%, 실리카흄 0.5~4.5 중량%, 기능성 혼화제 0.05~0.6 중량%를 포함한다.
한편, 잔골재, 굵은 골재 및 혼합재(binder)를 혼합하여 콘크리트 구조물을 제조하는 방법에 있어서, 상기 혼합재는 시멘트, 플라이 애쉬 또는 고로슬래그 미분말을 포함하며, 상기 혼합재의 3~9 중량%가 천연 포졸란 재료로 대체될 수 있다.
본 발명에 따른 콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물은 콘크리트 구조물 제조 시 시멘트를 대체하여 사용되거나 골재의 일부로서 대체하여 사용될 수 있다. 또한 앞서 배경기술에서 서술한 콘크리트의 내구 연한 연장을 위한 방법 중, 열화된 콘크리트 구조물을 보수하여 사용수명을 증진시키는 첫번째 방법과 비교했을 때, 본 발명은 초기에 내구수명을 연장할 수 있는 방법으로 콘크리트 구조물의 유지보수 비용 절감효과와 유지관리의 편이성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
콘크리트 구조물의 보수방법 중 균열 부위에 대한 보수와 관련하여 현재까지는 0.3 mm이하의 균열에 대해서는 규정화된 조치 방법이 없었으나 콘크리트의 내구성을 저하시키는 열화인자의 성상이 기체, 액체 및 이온인 점을 감안한다면 미세한 균열일지라도 열화인자의 침투가 용이하다. 따라서 본 발명의 콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물을 이용하여 콘크리트를 제조할 경우 각 재료의 화학작용에 의해 콘크리트가 자체적으로 수밀해지고 내구성이 향상된다. 또한 천연 포졸란 재료의 특징으로, 물과 접촉시 생성되는 불용성 화합물질은 균열을 스스로 봉합할 수 있는 기능을 수행함에 따라 0.3 mm 이하의 균열을 봉합하여 콘크리트의 내구수명을 연장시키는 효과를 갖는다.
도 1a는 A0(천연 포졸란 재료 포함되지 않음)와 A3(천연 포졸란 재료가 혼합재의 3 중량% 포함됨) 콘크리트의 균열 자가치유 정도를 나타낸 이미지이다.
도 1b는 A9(천연 포졸란 재료가 혼합재의 9 중량% 포함됨)와 A12(천연 포졸란 재료가 혼합재의 12 중량% 포함됨) 콘크리트의 균열 자가치유 정도를 나타낸 이미지이다.
도 2는 천연 포졸란 재료 함량별 투수계수를 측정한 그래프이다.
도 3은 천연 포졸란 재료에 의한 콘크리트의 균열 봉합의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 내구성 증진 조성물의 비율을 달리한 콘크리트 유형별 압축강도 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 내구성 증진 조성물의 비율을 달리한 콘크리트 유형별 촉진탄산화 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 내구성 증진 조성물의 비율을 달리한 콘크리트 유형별 염소이온확산계수를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 살펴보기 위해 실시예와 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
콘크리트 제조 시 본 발명의 콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물은 시멘트의 일부를 대체하여 사용됨으로써 콘크리트의 수밀성을 향상시킬 수 있다. 상기 내구성 증진 조성물은 천연 포졸란 재료 20~50 중량%, 고로슬래그 미분말 35~70 중량%, 실리카흄 5~15 중량% 및 기능성 혼화제 0.5~2.0 중량%를 포함한다.
상기 천연 포졸란 재료는 그 자신만으로는 수경성을 갖지 않지만, 물에 용해되어 있는 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 상온에서 서서히 반응하여 물에 녹지 않는 화합물을 만들 수 있는 미분상태의 천연 물질을 의미하며, 화산재, 응회암, 규산백토, 규조토 및 천매암으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상이며, 분말상인 것이 바람직하다. 또한 주성분이 실리카-알루미나질 또는 실리카질일 수 있으며, 바람직하게는 실리카질이 75 중량% 이상 포함된 것이다.
일반적으로, 포졸란 반응이란 포졸란 물질에서 용출된 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 가용성분이 시멘트 구성 화합물인 알리트(C3S), 벨리트(C2S) 등이 수화할 때 생성된 수산화칼슘과 서서히 반응하여 불용성 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H)이나 칼슘알루미네이트 수화물(C-A-H)을 형성하여 그 조직을 더욱 치밀하게 만드는 반응을 의미한다.
본 발명에서는 이러한 천연 포졸란 재료는 콘크리트 제조 시에 사용되는 혼합재(binder) 전체 무게를 기준으로 2~15 중량%의 범위로 투입되어야 효과적인 균열의 봉합효과를 기대할 수 있으며, 경제적인 측면이나 투입량 대비 효과를 고려한 투입 효율 측면에서는 3~9 중량%의 범위에서 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 콘크리트 제조 시 내구성 증진 조성물을 혼합재(Binder)의 10~30% 치환하여 사용하게 되므로, 상기 천연 포졸란 재료가 내구성 증진 조성물 내에서 20~50중량%의 범위로 사용되는 것이 바람직하다.
잔골재, 굵은 골재 및 혼합재(binder)를 혼합하여 콘크리트 구조물을 제조하는 방법에 있어서, 상기 혼합재는 시멘트, 플라이 애쉬 또는 고로슬래그 미분말을 포함하며, 상기 혼합재의 10~30 중량%가 상기 콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물로 대체될 수 있다. 상기 혼합재 전체 무게를 기준으로 상기 콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물이 10 중량% 이상인 경우 콘크리트의 기체 및 이온에 대한 침투 저항성이 나타나기 시작하고, 30 중량% 이상으로 증가할 경우에는 더 이상 침투 저항성이 증가하지 않으므로, 경제적인 관점에서 30 중량% 이하의 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 혼합재 전체 무게에 대하여, 상기 콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물은 천연 포졸란 재료 2~15 중량%, 고로슬래그 미분말 3.5~21 중량%, 실리카흄 0.5~4.5 중량%, 기능성혼화제 0.05~0.6 중량%를 포함한다. 상기 혼합재 내 내구성 증진 조성물의 역할 및 조성비를 자세히 살펴보면, 먼저 천연 포졸란 재료는 혼합재 전체 무게를 기준으로 2~15 중량% 포함되는 것이 바람직하며 2 중량% 이상 투입하게 되면 콘크리트 균열의 봉합효과가 발휘되고 15 중량%이상에서는 경제적인 관점에서 불리하다.
한편, 잔골재, 굵은 골재 및 혼합재(binder)를 혼합하여 콘크리트 구조물을 제조하는 방법에 있어서, 상기 혼합재는 시멘트, 플라이 애쉬 또는 고로슬래그 미분말을 포함하며, 상기 혼합재의 3~9 중량%가 천연 포졸란 재료로 대체되는 것이 더욱 바람직하다. 콘크리트 제조시 상기 천연포졸란 재료를 상기 혼합재의 3 중량% 이상을 투입하게 되면, 콘크리트의 균열에 대한 자기 봉합효과가 발휘되어 투수계수의 감소가 현저해지고, 9 중량% 이상으로 더욱 사용량이 증가하게 되면 투수계수의 감소 폭이 크지않아 자기 봉합 효과의 향상이 미미해 지므로, 경제적인 관점에서 바람직하지 않게 된다(후술되는 실시예 1 참조).
콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물 중, 실리카흄은 인공 포졸란 물질로서, 콘크리트의 강도 증진, 화학저항성 및 수밀성 등을 증진시키는 역할을 한다. 상기 실리카흄은 전체 혼합재 무게를 기준으로 0.5 중량% 미만에서는 상기의 효과가 나타나지 않으며, 4.5 중량% 이상의 투입 시에는 단위수량의 증가 및 플라스틱 수축 균열의 우려가 있다.
콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물 중, 고로슬래그 미분말은 수화발열속도의 저감 및 온도상승의 억제효과, 장기강도 및 수밀성 향상, 황산염 등에 대한 화학 저항성 등이 향상되는 장점이 있으며, 특히 염해에 대한 저항성이 우수한 특징이 있으며, 전체 혼합재 무게를 기준으로 3.5 중량%이하에서는 황산염 및 염해 등의 저항성 향상이 미미하고 21 중량% 이상을 투입하게 되면 초기강도 발현 성능이 저하되는 문제점이 있다.
콘크리트 내구성 증진 조성물 중, 기능성 혼화제는 가사시간 조절, 적정 점성도 발현, 공기량 저감, 미장성 및 다짐성 증진 등 시공 시 작업성과 연관된 통상의 공지된 혼화제를 사용하였다.
이하에서는 본 발명의 콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물에 대한 구체적인 실시예를 중심으로 설명하고자 한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
천연 포졸란 재료를 사용한 콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물의 자가적인 균열 봉합을 확인하기 위하여 아래의 표 1의 재료를 배합하여 콘크리트 시험체를 제작하였다. 콘크리트 시험체는 100 리터 용량의 강제식 믹서를 사용하여 비빔하였고 시멘트, 잔골재, 굵은골재 및 천연 포졸란 재료를 선 투입 후 1분간 건비빔하고, 폴리카르본산계 고성능 감수제와 비온계 AE제((Air Entering Agent; 공기 연행제)를 물과 함께 투입하여 3 분간 혼합하여 토출하였다. 이렇게 제조된 시멘트 경화체는 하루 동안 양생 후 인위적인 균열을 발생시켰고, 이를 균열 봉합 관찰용 시험체로 선발하였다. 균열의 봉합은 전자현미경을 통해 관찰 및 촬영하였다. 또한, 투수계수를 측정하여 적정한 천연 포졸란 재료의 혼입비율을 검토하였다.
도 1a와 1b는 하기 표 1의 배합 조성에 의한 콘크리트 시험체 A0 내지 A12의 균열 자가치유 관찰 사진으로써 좌측은 인위적인 균열을 제작한 직후의 사진이고, 우측은 균열부위가 봉합되는 것을 보여주고 있으며, 이때 천연 포졸란 재료를 3중량%이상으로 시멘트를 대체하여 사용할 때, 균열의 자가치유가 가능함을 확인할 수 있었다. 이는 천연 포졸란 재료의 주성분인 산화규소(SiO2)가 시멘트의 수화 시 생성되는 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 더불어 물이 접촉되었을 경우 규산 칼슘 수화물을 생성하여 균열을 봉합하는 것이다. 이러한 반응은 일반적인 포졸란 반응과 다소 차이가 있으며, 물과 접촉 시 일어나는 현상으로 잠재적인 포졸란 반응이라 할 수 있다.
또한, 적정한 천연 포졸란 재료의 혼입비율을 검토하기 위한 투수 계수(Coefficient of Permeability, 10-10 ㎝/sec)의 측정결과를 도 2에 나타내었는데, 상기 도 2의 결과에서 확인할 수 있듯이, 천연 포졸란 재료의 시멘트 대체 비율 3 중량% 이상으로 증가할수록 균열 봉합 작용에 기인한 투수 계수의 감소가 급격히 발생하고 있음을 확인할 수 있었으며, 특히 9 중량% 이상으로 더욱 증가할 수록 투수 계수의 감소 효과는 수렴하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 더욱 바람직한 천연 포졸란 재료의 혼입 비율은 3 중량% 이상이 적정할 것으로 판단되며 9 중량% 이상의 혼입은 비용적, 가격 경쟁력 측면에서 바람직하지 않을 것으로 판단된다. 도 3에는 콘크리트 내구성 증진 재료의 천연 포졸란 재료에 의한 균열 봉합과정을 모식도의 형태로 제시되어 있다.
구분 무게 [g]
A0 A3 A6 A9 A12
물 3,225 3,225 3,225 3,225 3,225
시멘트 6,510 6,315 6,120 5,924 5,729
천연 포졸란 0 195 390 586 781
잔골재 16,790 16,790 16,790 16,790 16,790
굵은골재 18.980 18.980 18.980 18.980 18.980
* 시멘트에 대한 천연 포졸란의 대체 비율(%) 0 3 6 9 12
* 시멘트에 대한 천연 포졸란의 대체 비율(%) = [천연 포졸란]g / [시멘트 + 천연 포졸란]g × 100
콘크리트 혼입용 내구성 증진 조성물의 사용으로 인한 콘크리트의 내구성 증진 효과를 평가하기 위하여 표 2에 나타난 바와 같이 내구성 증진 조성물을 제조하였다. 각각의 내구성 증진 조성물은 시멘트의 일부로 대체하여 사용할 수 있도록 하였고, 시멘트의 10 중량% 대체용으로 제조된 내구성 증진 조성물을 M10, 시멘트의 20 중량% 대체용으로 제조된 내구성 증진 조성물을 M20, 시멘트의 30 중량% 대체용으로 제조된 내구성 증진 조성물을 M30, 시멘트의 40 중량% 대체용으로 제조된 내구성 증진 조성물을 M40으로 표현하였다.
표 2와 같이 제조된 내구성 증진 조성물을 콘크리트 제조 시 각각 시멘트의 10, 20, 30, 40 중량% 치환하여 콘크리트 내구성 평가용 시험체를 제작하였고 제작된 콘크리트 배합은 표 3에 나타내었다. 표 4는 콘크리트 제조시 시멘트의 일부로 내구성 증진 조성물을 혼입한 경우 실제 콘크리트에 사용되는 혼합재량 중 각 재료들의 비율을 나타낸 것이다.
제작된 내구성 평가용 시험체를 대상으로 열화 인자의 침투에 의한 저항성 향상 정도를 평가하기 위하여 기체의 침투에 대한 평가를 위하여 촉진탄산화 실험을 진행하였고 염해에 대한 저항성을 확인하기 위하여 재령 28일의 시험체를 대상으로 염화물이온 촉진 실험을 진행하였으며, 압축강도의 측정을 통하여 물성 변화에 대한 검토를 수행하였다.
구분 무게 [kg]
M10 M20 M30 M40
천연포졸란 50 30 25 23
고로슬래그미분말 40 59 63 65
실리카흄 9 10 11 11
기능성혼화제 1 1 1 1
합계 100 100 100 100
구분 W/B
[중량%]		 S/A
[중량%]		 단위재료량 [kg/m3] 내구성 증진재료
W B S G 사용량 사용량
C1 33.2 44.7 172.3 535 728 905 M10 시멘트의
10중량%
C2 M20 시멘트의 20중량%
C3 M30 시멘트의 30중량%
C4 M40 시멘트의 40중량%
여기서,
W는 단위 수량
B는 전체 혼합재량(시멘트+내구성 증진 조성물)
S는 잔골재량
G는 굵은골재량
W/B는 전체 혼합재량(B, 시멘트+내구성 증진 조성물)에 대한 혼합수량(W)의 중량비
S/A는 전체골재(A, 잔골재+굵은골재)에 대한 잔골재(S)의 중량비
구분 내구성 증진 재료 혼입 콘크리트의 혼합재 비율 [중량%]
PL C1 C2 C3 C4
시멘트 100 90 80 70 60
천연포졸란 - 5 6 7.5 9.2
고로슬래
그미분말		 - 4 11.8 18.9 26.0
실리카흄 - 0.9 2 3.3 4.4
기능성혼화제 - 0.1 0.2 0.3 0.4
압축강도의 실험결과를 나타낸 도 4를 참조하면, 내구성 증진 조성물을 10~30 중량% 첨가한 콘크리트와 내구성 증진 조성물을 첨가하지 않은 콘크리트(PL)의 압축강도는 큰 차이가 없거나, 무시될 수 있는 정도로 압축강도가 감소하는 경향을 나타내었으며, 본 발명의 내구성 증진 조성물의 대체로 인한 물성의 변화가 적은 것을 확인할 수 있었다.
다만, C4의 재령 28일의 압축강도가 시멘트만을 사용한 콘크리트(PL)의 87 % 수준으로 낮아지는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 실리카흄과 고로슬래그 미분말의 포졸란 반응 및 잠재 수경성 반응에 의해 장기강도의 발현이 예상되지만, 시멘트만을 사용한 콘크리트에 비해 시멘트의 사용량이 60 중량% 정도로 낮기 때문에 초기 강도발현에 영향을 미친 것으로 판단된다. 따라서 본 발명의 내구성 증진 조성물을 40 중량% 이상 치환하여 사용하는 것은 비용이나 경제적인 측면 뿐만 아니라, 콘크리트 구조물의 물성 저하 측면에서도 바람직하지 못함을 확인할 수 있었다.
한편, 콘크리트의 내구성능 증진을 확인하기 위한 촉진탄산화 실험 결과를 나타낸 도 5 및 염소이온 확산계수를 나타낸 도 6을 살펴보면 내구성 증진 조성물의 사용에 따라 촉진탄산화 깊이와 염소이온 확산계수가 작아지는 결과를 확인할 수 있었다. 이러한 반응은 내구성 증진 조성물 중 고로슬래그 미분말 및 실리카흄의 충진효과, 포졸란 반응 및 잠재 수경성 반응에 의해 콘크리트가 수밀해져 나타난 결과로써 기체 및 이온에 대한 침투 저항성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 촉진탄산화 깊이 및 염소이온 확산계수의 측정값은 내구성 증진 조성물을 40 중량%이상 사용한 경우 향상 폭이 적어지는 것을 확인할 수 있으므로 내구성 증진 조성물의 경제적인 사용량은 30 중량% 이내가 바람직하다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (5)

  1. 천연 포졸란 재료 20~50 중량%, 고로슬래그 미분말 35~70 중량%, 실리카흄 5~15 중량%, 혼화제 0.5~2 중량%를 포함하고,
    상기 천연 포졸란 재료는, 화산재, 응회암, 규산백토, 규조토 및 천매암으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상이며,
    상기 천연 포졸란 재료는, 실리카 성분을 적어도 75 중량% 이상 포함하는 분말상(powder phase)인 것을 특징으로 하는, 콘크리트 혼입용 균열 자가 치유형 내구성 증진 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 잔골재, 굵은 골재 및 혼합재(binder)를 혼합하여 콘크리트 구조물을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 혼합재는 시멘트, 플라이 애쉬 또는 고로슬래그 미분말을 포함하며, 상기 혼합재의 10~30 중량%가, 제1항에 기재된 콘크리트 혼입용 균열 자가 치유형 내구성 증진 조성물로 대체되어 사용되는 것을 특징으로 하는, 내구성이 증진된 콘크리트의 제조 방법.
  5. 잔골재, 굵은 골재 및 혼합재(binder)를 혼합하여 콘크리트 구조물을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 혼합재는 시멘트, 플라이 애쉬 또는 고로슬래그 미분말을 포함하고,
    천연 포졸란 재료가 상기 혼합재 전체 무게를 기준으로 3~9 중량% 포함되며,
    상기 천연 포졸란 재료는, 화산재, 응회암, 규산백토, 규조토 및 천매암으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상이고, 분말상(powder phase)이며, 실리카 성분을 적어도 75 중량%이상 포함하는 것을 특징으로 하는, 내구성이 증진된 콘크리트의 제조 방법.
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