KR101513897B1 - 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물 - Google Patents

친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물에 관한 것으로서 구체적으로는, 시멘트를 대체하는 고로슬래그 미분말, 플라이애시 등의 물질을 포함시키면서도 종래의 저시멘트 콘크리트 조성물의 문제점으로 지적되어온 콘크리트 압축강도 저하 및 중성화 저항성 약화를 개선시키기 위하여 성능 개선물질을 포함시킨 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

Description

친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물{Binder Composite and Concrete Composite for Low Cement}
본 발명은 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물에 관한 것으로서 구체적으로는, 시멘트를 대체하는 고로슬래그 미분말, 플라이애시 등의 물질을 포함시키면서도 종래의 저시멘트 콘크리트 조성물의 문제점으로 지적되어온 콘크리트 압축강도 저하 및 중성화 저항성 약화를 개선시키기 위하여 성능 개선물질을 포함시킨 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
우리나라에서 시멘트 생산량은 연간 약 6,300만 톤으로 약 5,670만 톤의 이산화탄소를 배출하여 철강산업에 이어 두 번째로 많이 이산화탄소를 배출하고 있다. 한편, 1992년 브라질 리오에서 지구온난화 방지를 위한 기후변화 협약이 채택된 이후 지구온난화 문제가 인류 공동과제로 인식되었고, 세계 각국은 일찍부터 이에 대응방안을 마련하였다. 특히, 1997년 일본 쿄토에서 기후변화협약에 관한 교토의정서가 채택된 이후, 2005년 교토의정사가 발효됨에 따라 세계 38개국의 선진국은 온실가스 감축의무를 준수해야 한다. 교토의정서에 따르면 제1차 공약기간(2008년~2012년)에 1990년도 배출량 대비 평균 5.2%를 감축해야 하는 어려운 과제를 안고 있다. 이렇게 강도 높은 온실가스 감축노력은 우리나라도 예외는 아니며, 2013년부터 온실가스를 감축해야 하는 2차 의무이행 대상국에 편입될 것이 확실시 됨에 따라 정부차원에서 강력한 대책이 필요한 실정이다. 우리나라는 2004년 기준 4억 6210만톤의 이산화탄소를 배출하여 이산화탄소 배출량 세계 10위를 차지하고 있으며, 특히 이산화탄소의 배출량 증가율은 중국에 이어 세계에서 2번째로 높은 실정이다.
이런 상황에 맞추어 국내 모든 산업분야에서는 이산화탄소 발생량을 감축하기 위해 많은 설비투자, 기술 개발 등 노력을 하고 있으며, 시멘트 산업에서도 설비의 효율성을 높이고 생산과정에서 유연탄 대신 대체연료의 사용을 늘려 생산하거나 플라이애시, 고로슬래그 등의 혼합시멘트를 사용하는 등 이산화탄소 발생량을 저감하고자 노력하고 있다.
양근혁, 송진규의 논문「알칼리 활성화를 이용한 무시멘트 콘크리트의 구조 성능 및 적용」(콘크리트학회지 제19권 2호, 2007. 3)에는 플라이애시와 고로슬래그 미분말이 알칼리 활성화제에 의해 활성화되어 경화되는 메카니즘과 무시멘트 콘크리트의 여러 가지 장단점이 소개되어 있다.
또한, 공개특허 제2010-0023453호 「플라이애시와 고로슬래그를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법」에는 플래이애쉬 및 고로슬래그의 분말도 및 중량비에 따른 강도발현 성상과 양생방법이 소개되어 있다.
그러나 기능적 콘크리트에서는 재료분리 저항성을 증가시키는 관점에서도 특정량 이상의 단위분체량 확보가 꼭 필요하므로, 시멘트나 고로 수쇄슬래그의 단위분체량을 증가시키면 콘크리트 경화 후의 과잉강도문제 및 수화열이나 자기수축에 따른 내구성 저하문제가 발생하게 되므로 이를 해결하기 위하여 개선된 결합재 조성물 또는 콘크리트 조성물에 대한 연구가 필요하다.
[문헌 1] 대한민국 등록특허 제10-100147002호 "고내구성 콘크리트의 제조방법", 1998.05.14 [문헌 2] 대한민국 공개특허 제2010-0023453호 "플라이애시와 고로슬래그를 이용한 무시멘트 콘크리트의 제조방법", 2010.03.04.
탄소저감적 측면에서 시멘트의 함량을 줄이기 위해 사용되는 고로슬래그 미분말, 플라이애시와 같은 산업부산물은 실리카 성분이 석회와 시멘트의 수화생성물인 수산화칼슘과 반응하여 안정된 불용성화합물을 형성하나, 그 반응성이 상대적으로 매우 느려 다량으로 사용할 경우, 콘크리트의 초기강도 발현에 악영향을 미칠 수 있으며, Ca이온 공급원인 시멘트가 일정 수준 이하일 경우 포졸란 물질의 반응성을 활성화시키지 못해 콘크리트의 강도 및 내구성을 하락시키는 원인이 될 수 있다.
이러한 문제를 해결하면서도 탄소배출을 저감시킬 목적으로 산업부산물을 활용하여 친환경적이면서도 저시멘트 혼합재를 이용하여 콘크리트의 내구성을 향상시키기 위한 연구가 다각도로 진행되고 있는데, 초기강도 및 장기강도를 일정수준 이상 유지할 수 있는 개선물질이 포함된 기능성 콘크리트의 개발이 필요하다.
본 발명에서는 콘크리트에 배합 시 시멘트의 함량을 줄여 탄소배출의 저감효과를 가져오는 친환경적인 기능적 콘크리트임과 동시에 압축강도 및 내구성도 우수한 수준으로 만들어주는 성능개선물질을 포함하는 친환경 저시멘트 결합재 조성물 및 이를 포함하는 콘크리트 조성물을 개발하여 제공하고자 한다.
구체적으로 본 발명은, 분말도가 2,800~3,500cm2/g인 포틀랜드 시멘트 30~60중량부, 분말도가 4,000~6,000cm2/g인 고로슬래그 미분말 20~50중량부를 포함하여 구성되는 결합재 조성물에 있어서, 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~10중량부가 칼슘염계 화합물 3~10중량부로 치환되어 프리믹싱되며, 상기 칼슘염계 화합물의 CaO 함량은 칼슘염계 화합물 구성성분 전체 중량 대비 50~70%인 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물을 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 분말도가 3,000~4,000cm2/g인 플라이애시 10~30중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물을 함께 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 칼슘염계 화합물은 펄프, 제지 생산시 발생하는 슬러지 소각재를 집진한 산업부산물 또는 석회석 미분말인 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물을 함께 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 칼슘염계 화합물은, 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~6중량부가 이와 동일 중량으로 치환되어 혼입되는 정유애시이거나, 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 5~10중량부가 이와 동일 중량으로 치환되어 혼입되는 제지애시인 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물을 함께 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 결합재 조성물에는 내구성 개선재가 더 포함되되, 상기 내구성 개선재는, 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~5중량부가 이와 동일 중량으로 치환되어 혼입되는 페로실리콘이거나, 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 1.5~3중량부가 이와 동일 중량으로 치환되어 혼입되는 폐촉매인 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물을 함께 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 결합재 조성물에 상기 결합재 조성물 대비 0.5~1.5wt%의 조강형 감수제가 더 혼입되는 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트 조성물을 함께 제공함을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
1. 기존의 일반적인 시멘트 결합재 조성물에 비하여 시멘트 함유량이 적어 친환경적이다.
2. 기존의 저시멘트 결합재 조성물이 콘크리트에 적용되는 경우와 비교하여 압축강도의 발현이 우수하다.
3. 기존의 저시멘트 결합재 조성물이 콘크리트에 적용되는 경우와 비교하여 중성화 저항성이 우수하다.
본 발명은 내구성 개선재를 함유하는 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물을 제공한다.
구체적으로 본 발명은, 분말도가 2,800~3,500cm2/g인 포틀랜드 시멘트 30~60중량부, 분말도가 4,000~6,000cm2/g인 고로슬래그 미분말 20~50중량부를 포함하여 구성되는 결합재 조성물에 있어서, 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~10중량부가 칼슘염계 화합물 3~10중량부로 치환되어 프리믹싱되며, 상기 칼슘염계 화합물의 CaO 함량은 칼슘염계 화합물 구성성분 전체 중량 대비 50~70%인 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물을 제공한다.
또한 본 발명은 분말도가 3,000~4,000cm2/g인 플라이애시 10~30중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물을 함께 제공한다.
또한 본 발명은 상기 칼슘염계 화합물은 펄프, 제지 생산시 발생하는 슬러지 소각재를 집진한 산업부산물 또는 석회석 미분말인 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물을 함께 제공한다.
또한 본 발명은 상기 칼슘염계 화합물은, 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~6중량부가 이와 동일 중량으로 치환되어 혼입되는 정유애시이거나, 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 5~10중량부가 이와 동일 중량으로 치환되어 혼입되는 제지애시인 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물을 함께 제공한다.
또한 본 발명은 상기 결합재 조성물에는 내구성 개선재가 더 포함되되, 상기 내구성 개선재는, 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~5중량부가 이와 동일 중량으로 치환되어 혼입되는 페로실리콘이거나, 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 1.5~3중량부가 이와 동일 중량으로 치환되어 혼입되는 폐촉매인 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물을 함께 제공한다.
또한 본 발명은 상기 결합재 조성물에 상기 결합재 조성물 대비 0.5~1.5wt%의 조강형 감수제가 더 혼입되는 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트 조성물을 함께 제공한다.
이하에서는 본 발명의 콘크리트용 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물에 관하여 구체적으로 설명한다.
본 발명은 통상적으로 배합되는 시멘트량의 상당비율(40~60wt%)을 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시(fly-ash)로 치환하여 시멘트 사용량을 대폭 감소시키고 칼슘염계 화합물 또는 내구성 개선재를 혼입함으로써 시멘트 함량이 적으면서도 내구성을 향상시키는 결합재 조성물 및 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
먼저 결합재 조성물은 시멘트 및 시멘트를 대체하는 고로슬래그 미분말을 포함시킨 것을 기본으로 하며, 추가적으로 플라이애시 등의 산업부산물이 포함되며, 시멘트 사용량을 감소시켜도 내구성이 유지, 향상될 수 있도록 하는 칼슘염계 화합물 및 내구성 개선재를 추가적으로 혼입할 수 있다.
먼저 상기 시멘트는 콘크리트의 제조에 필요한 결합재의 성분으로 일반적으로 사용되는 조성물이다. 상기 시멘트의 주요성분은 CaO, SiO2, Al2O3 및 Fe2O3 등이며 이들은 시멘트의 주요한 성질인 수화·응결·경화 등의 작용을 지배하는 주요광물의 구성을 추산, 판단하는 근거가 된다. 상기 시멘트는 물과 수화반응을 일으키고 이를 통해 응결과 경화 반응이 진행되도록 한다. 상온·상압하에서 진행되는 수화반응의 대표적인 생성물은 C-S-H 수화물(규산화 칼슘 수화물) 및 Ca(OH)2(수산화 칼슘)이다.
일반적인 결합재 조성물은 대부분 시멘트로만 구성되지만 본 발명에 따른 결합재 조성물의 시멘트는 분말도가 2,800~3,500cm2/g이고 그 함량은 30~60중량이 되도록 구성되어 시멘트 사용량을 줄이고 있다.
이에 시멘트를 대체하는 추가적인 결합재 조성물 성분으로는 고로슬래그 미분말이 포함될 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말은 제철소의 고로에서 선철을 제조할 때 발생하는 산업부산물로서 수화열을 저감시키는 효과를 가지고 있으며, 콘크리트의 장기강도를 우수하게 해주는 잠재수경성도 가지고 있다. 즉, 고로슬래그 미분말 자체는 경화하는 성질이 미약하나, 시멘트 수화생성물인 수산화칼슘과 황산염의 작용에 의해 경화가 촉진되는 성질을 가지고 있다. 또한 상기 고로슬래그 미분말은 해수나 하수 등의 화학적 침식에 대한 저항성이 크고, 공극충전효과 및 알칼리 골재반응 억제효과를 지니고 있어 콘크리트의 내구성을 향상시켜 준다.
본 발명에서는 분말도가 4,000~6,000cm2/g인 고로슬래그 미분말 20~50중량부가 결합재 조성물에 혼입되는 것을 기본으로 한다. 고로슬래그 미분말을 혼입한 경우 고로슬래그 미분말을 혼입하지 않은 경우에 비해 콘크리트의 초기강도는 다소 저하되나, 재령 28일 이후의 압축강도는 향상되므로 콘크리트의 유동성, 초기강도 및 압축강도를 전체적으로 고려할 때 고로슬래그 미분말 20~50중량부가 결합재 조성물에 혼입되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 결합재 조성물에서는 분말도가 3,000~4,000cm2/g인 플라이애시가 10~30중량부가 더 포함될 수 있다. 플라이애시는 화력발전소에서 석탄을 연료로 하는 미분탄을 1,400~1,500℃의 고온으로 소각시켰을 때 고온의 연소가스와 더불어 용해되어 굴뚝에 이르는 도중에 급격한 냉각으로 표면장력에 의해 구형 입자형태로 전기식 또는 기계식 집진장치로 수집되는 미분말 형태에 해당한다. 전체 석탄회 중 약 75%~80%를 차지하며, 콘크리트에 플라이애시를 첨가하면 양생시간은 다소 길어지지만 유동성개선, 장기강도 증진, 수화열감소, 알칼리골재반응 억제, 황산염에 대한 저항성, 콘크리트 수밀성 향상 등의 장점이 있어 저시멘트 조성물에서 주로 사용되고 있다.
플라이애시는 분말도가 커질수록 콘크리트의 초기강도 및 재령 경과에 따른 압축강도가 커지게 되는데, 시멘트의 분말도가 2,800~3,500㎠/g인 점을 감안하면 시멘트와 플라이애시를 중량배합하는 경우 배합되는 플라이애시의 부피가 과도하게 커져 결합재의 전체적인 양(量)이 증가되며, 이렇게 부피가 증가된 결합재는 구성재료에 고결현상이 있는 경우 분산성이 문제되어 재료분리 현상이 발생할 우려가 있다. 따라서, 콘크리트의 초기강도 확보 문제 해결을 위해서는 플라이애시의 분말도가 3,000~4,000㎠/g인 것을 적용하는 것이 바람직하다.
또한 칼슘염계 화합물이 본 발명의 결합재 조성물에 혼입되는 것은 본 발명의 일 특징에 해당한다. 칼슘염계 화합물은 Ca 성분이 포함된 형태의 화합물을 뜻하나, 자연상태에서는 순수 Ca 상태로 존재하기에는 불안정하므로, CaCl2, Ca(OH)2, CaO 등의 칼슘염의 상태로 존재하는데, 이런 화합물을 칼슘염계 화합물이라 한다.
콘크리트용 결합재 조성물에서 칼슘염, 즉 Ca는 시멘트의 주요성분 중 하나인데, 저시멘트 결합재 조성물을 위하여 시멘트 중량을 감소시킴으로서 부족해지는 Ca 성분을 상기 칼슘염계 화합물이 보충해 주게 된다. 상기 칼슘염계 화합물은 CaO 함량이 칼슘염계 화합물 구성성분 전체 중량 대비 50~70wt%인 것이 바람직하다. 일반적으로 시멘트에 포함된 CaO의 함량은 60wt% 정도인데 반해, 시멘트 대체물질인 고로슬래그 미분말의 CaO 함량은 40wt%이며, 플라이애시에 포함된 CaO 함량은 4wt%에 불과하기 때문이다. 이는 이하의 [표 1]을 통해 확인할 수 있다.
Figure 112014068910250-pat00001
또한 본 발명의 결합재 조성물은 시멘트, 고로슬래그 미분말을 포함하는 결합재 조성물에서 상기 칼슘염계 화합물은 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~10중량부가 칼슘염계 화합물 3~10중량부로 치환되어 프리믹싱된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 칼슘염계 화합물의 종류로는 펄프 제지 등의 생산시 발생하는 슬러지 소각재를 집진한 산업부산물 또는 석회석 미분말을 이용할 수 있으며, 이 외에도 정유애시, 제지애시를 본 발명의 칼슘염계 화합물로 이용할 수 있다.
상기 칼슘염계 화합물 중 슬러지 소각재를 집진한 산업부산물 및 석회석 미분말의 화학분석표는 다음의 [표 2]와 같다.
Figure 112014068910250-pat00002
Ca1은 펄프 제지 등의 생산시 발생하는 슬러지 소각재를 집진한 산업부산물이며, Ca2는 석회석 미분말에 대한 화학분석내용이다. Ca 기타는 슬래그의 일종인 탈황슬래그에 대한 화학분석을 시행한 것으로서, [표 2]와 같이 슬러지 소각재를 집진한 산업부산물(Ca1)이나 석회석 미분말(Ca2)이 함유하는 CaO 함량은 [표 1]의 시멘트를 대체하는 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시의 CaO 함량보다 높아서 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시가 혼입됨으로써 부족해지는 CaO를 충족시켜 줄 수 있다.
또한 상기 칼슘염계 화합물 중 정유애시, 제지애시의 화학분석 결과 성분분석내역은 다음의 [표 3] 같다.
Figure 112014068910250-pat00003
본 발명의 칼슘염계 화합물 중 상기 정유애시(JA), 제지애시(PA)는 CaO 함량이 50wt% 이상으로 일반적인 시멘트의 CaO함량보다 높은 수치를 나타내고 있다.
CaO의 함량이 50wt% 미만이 되면 시멘트를 대체하는 고로슬래그 미분말이나 플라이애시에서 부족해지는 CaO의 함량을 충족할 수 없게 되는 반면, CaO 함량이 70wt% 초과하면 CaO의 특성상 급격한 발열과 부피팽창을 일으켜 콘크리트의 초기 유동성 저하 및 균열발생의 요인이 될 수 있어, 장기강도에 영향을 미칠 여지가 있다. 따라서 본 발명에 이용되는 칼슘염계 화합물의 CaO의 함량은 칼슘염계 화합물 구성성분 전체 중량 대비 50~70%인 것이 바람직하다.
또한 상기 CaO를 함유하는 칼슘염계 화합물은 상기 칼슘염계 화합물은 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~10중량부가 칼슘염계 화합물 3~10중량부로 치환되어 혼입될 수 있다. 상기 칼슘염계 화합물이 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3중량부 미만으로 혼입되면 CaO 함량이 부족하여 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시에서 부족분을 충족하지 못하고, 10중량부가 초과되는 경우에는 발열와 부피팽창을 일으켜 오히려 콘크리트의 유동성을 저하시키고 균열을 발생시키는 요인이 될 수 있어 장기 강도에 영향을 미칠 수 있어 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~10중량부 범위에서 칼슘염계 화합물로 치환되는 것이 바람직하다.
아래의 [표 4] 및 [표 5]에서는 본 발명에 따른 콘크리트용 결합재 조성물에 대한 실시예(Ca1, Ca2)와 본 발명에 속하지 않는 비교예(plain)들에서 KS L ISO 697에 나타나 있는 시험방법에 의한 압축강도의 발현이 이루어지는지 확인하기 위하여 모르타르의 압축강도(MPa)를 측정한 결과를 확인할 수 있다.
Figure 112014068910250-pat00004
W : 물
Binder : 결합재
S/a : 잔골재율
C : 보통 포틀랜드 시멘트
F/A : 플라이애시
S/P : 고로슬래그 미분말
CA : 칼슘염계 화합물
S : 모래
G : 굵은골재
AD : 감수제
AE : 공기연행제
Figure 112014068910250-pat00005
325-Plain, Ca1, Ca2는 포틀랜트 시멘트 : 플라이애시 : 고로슬래그 미분말의 비율이 3 : 2 : 5인 콘크리트 조성물을 의미하며, 424-Plain, Ca1, Ca2는 포틀랜트 시멘트 : 플라이애시 : 고로슬래그 미분말의 비율이 4 : 2 : 4인 콘크리트 조성물을 의미하며, 532-Plain, Ca1, Ca2는 포틀랜트 시멘트 : 플라이애시 : 고로슬래그 미분말의 비율이 5 : 3 : 2인 콘크리트 조성물을 의미한다.
일반적으로 532비율의 배합은 상부 구조체를 위한 것이며, 325 및 424 비율의 배합은 기초매트를 위한 배합에 해당한다. 상기 [표 4] 및 [표 5]의 배합에서는 325 및 424 배합에서 칼슘염계 화합물은 고로슬래그 미분말 대비 5wt%, 즉 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 5중량부가 상기 칼슘염계 화합물로 치환 사용되었으며, 532 배합에서 칼슘염계 화합물은 고로슬래그 미분말의 10wt%, 즉 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 10중량부가 상기 칼슘염계 화합물로 치환 사용되어 총 결합재 조성물 대비 1.5~3wt%가 치환 사용되도록 하였다.
상기 [표 5]의 압축강도에서 본 발명의 칼슘염계 화합물이 포함된 모르타르 조성물이 재령 일수에서 압축강도의 발현이 상대적으로 우수한 사실을 확인할 수 있다. 이는 본 발명의 칼슘염계 화합물을 통해 Ca2 +가 충분히 공급되게 되면 상기 고로슬래그 미분말의 잠재수경성이 발현되어 콘크리트의 내구성이 우수해졌음을 알 수 있다. 즉, 이는 상기 칼슘염계 화합물이 시멘트와 상기 고로슬래그 미분말의 반응성을 촉진시켜 조기강도발현에 유효한 작용을 하며, 시멘트와 유사한 수화반응 메커니즘을 유도시켜 저시멘트에 기여한다.
Figure 112014068910250-pat00006
특히 [표 6]와 같이 532비율의 배합에 따른 압축강도 시험에서는 동일한 배합성분이면서도 Ca함량이 50wt%에 미치지 아니하는 [표 2]의 Ca기타 물질을 이용한 '532-Ca 기타'는 초기재령에서의 강도가 본 발명의 칼슘염계 화합물과 동등 수준으로 발현되고 있으나, 재령 28일 및 56일에 대해서는 압축강도는 상대적으로 떨어지고 있음을 확인할 수 있다.
또한 [표 4]의 532비율의 배합을 가지는 비교예 532-Palin과 본 발명의 실험예인 532-Ca1 및 532-Ca2 콘크리트의 중성화 침투 깊이를 측정한 결과는 아래의 [표 6]과 같다. 중성화깊이는 콘크리트 단면에 페놀프탈레인 알코올 용액을 분사하는 것에 의해 확인하였다.
Figure 112014068910250-pat00007
[표 7]을 살펴보면 본 발명이 적용된 콘크리트인 532-Ca1 및 532-Ca2는 칼슘염화합물이 포함되지 않은 중성화 저항성이 약한 일반 저시멘트인 532-Plain과 비교할 때 1주 및 4주 모두 본 발명의 콘크리트가 중성화저항성이 우수함을 확인할 수 있다.
또한 본 발명에서는 조기 강도의 증진을 위하여 조강형 감수제를 전체 결합재 조성물 대비 0.5~1.5wt%를 첨가하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 조강형 감수제는 티오시안나트륨계, 티오황산나트륨계, 크롬계 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
감수제는 보통 일반감수제로 사용하는 나프탈렌계, 리그닌계 감수제가 있으며, 고성능 감수제로 사용하는 폴리칼본산계(PC)가 있는데, 상기 조강형 감수제는 일반감수제와 고성능 감수제의 중간 정도에 해당하는 조강준PC(폴리칼본산계) 감수제에 해당한다.
상기 조강형 감수제는 콘크리트의 초기강도가 증진과 함께 슬럼프 향상에 기여한다. 즉, 조강형 감수제는 시멘트와 상기 고로슬래그 미분말의 반응성을 촉진시켜 조기강도발현에 유효한 작용을 한다.
상기 조강형 감수제는 전체 결합재 조성물 대비 0.5~1.5wt%를 첨가하는 것이 바람직한데, 결합재 대비 0.5wt% 이하이면 콘크리트의 초기강도 증진 및 슬럼프 향상효과가 미미하며, 결합분체 대비 1.5wt% 이상이면 콘크리트 경시 변화가 증가하기 때문이다.
Figure 112014068910250-pat00008
[표 8]는 532비율의 결합재 조성물을 대상으로 하여 압축강도를 시험한 것으로서, 본 발명에서 칼슘염계 화합물이 첨가된 '5:3:2_Ca1_일반' 및 '5:3:2_Ca2_일반' 실시예가 본 발명의 칼슘염계 화합물이 첨가되지 않은 '5:3:2_일반' 비교예보다 강도발현정도가 우위인 것을 확인할 수 있다. 특히 본 발명의 조강형 감수제를 첨가한 '5:3:2_Ca1_조강' 및 '5:3:2_Ca2_조강' 실시예는 비교예 '5:3:2_일반'와 비교하면 실험 초기부터 압축강도가 발현되고 있어 조기강도 향상에 기여하고 있음을 확인할 수 있다.
또한 본 발명의 칼슘염화합물로서 정유애시, 제지애시를 추가적으로 고려해 볼 수 있다.
상기 정유애시(JA)는 정유공장에서 FBC(Fluidized Bed Combustion) 보일러 가동시 발생하는 애시로서 연간 발생량이 약 33만톤이 될 정도의 산업부산물이다. 상기 정유애시는 [표 1]과 같이 CaO 함량이 50wt% 이상이다. [표 2]는 일반적으로 사용되고 있는 콘크리트 결합재의 성분을 분석한 표로서, [표 1] 및 [표 2]에 의하면 정유애시가 시멘트에 준하는 CaO 함량을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
반면 고로슬래그 미분말은 CaO 함량이 44wt%에 불과하여 시멘트를 대체하였을 때 부족한 CaO 함량을 상기 정유애시가 충족시켜 주는 효과가 있다.
본 발명에서는 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~6중량부가 상기 정유애시 3~6중량부로 치환되어 혼입된 것을 일 특징으로 하는데, 이는 상기 고로슬래그 미분말의 3~6wt%가 상기 정유애시로 치환된 것에 해당한다. 이에 관한 실험예는 다음의 [표 9]와 같다.
Figure 112014068910250-pat00009
W/B : 물결합재비
S/a : 잔골재율
W : 물
B : 결합재
C : 보통 포틀랜드 시멘트
S/P : 고로슬래그 미분말
J/A : 정유애시
S : 모래
G : 굵은골재
[표 9]에 의하면 비교예인 S/C는 정유애시가 포함되어 있지 않으며, S/C-JA3은 고로슬래그 미분말 중량대비 정유애시 3wt%가 치환된 것이며, S/C-JA6은 고로슬래그 미분말 중량대비 정유애시 6wt%가 치환되어 혼입된 실시예이다. [표 9]에서 확인할 수 있듯이 S/C-JA3 및 S/C-JA6의 실시예에서 전재령에서 비교예인 S/C보다 압축강도가 높게 발현되고 있다.
또한 내구성 개선재로서 제지애시를 사용할 수 있는데, 제지애시(PA)는 펄프, 제지 등의 생산시 발생하는 슬러지 소각재로서, 연간 발생량이 약 6만톤이 될 정도의 산업부산물이다. 상기 [표 1]에서와 같이 상기 제지애시 역시 CaO 함량 53.7wt%로서 [표 2]의 고로슬래그 미분말보다 높은 CaO 함량으로 시멘트를 대체하는 고로슬래그 미분말의 부족한 CaO 함량을 충족시킬 수 있다.
본 발명에서는 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 5~10중량부가 상기 제지애시 5~10중량부로 치환되어 혼입된 것을 일특징으로 하는데, 이는 상기 고로슬래그 미분말의 5~10wt%가 상기 제지애시로 치환된 것과 같다. 이에 관한 실험예는 다음의 [표 10]과 같다.
Figure 112014068910250-pat00010
W/B : 물결합재비
S/a : 잔골재율
W : 물
B : 결합재
C : 보통 포틀랜드 시멘트
S/P : 고로슬래그 미분말
P/A : 제지애시
S : 모래
G : 굵은골재
일반적으로 시멘트의 함량이 낮은 저시멘트 결합재 조성물의 경우 칼슘 화합물을 적게 포함하고 있으므로 저시멘트 결합재 조성물을 이용하여 배합된 콘크리트를 시공할 경우 물과 규산 칼슘 화합물의 반응에 의해 생성되는 C-S-H 수화물(칼슘 실리케이트 수화물) 및 Ca(OH)2(수산화 칼슘)의 양이 일반적인 시멘트 결합재를 사용한 경우에 비하여 부족하게 된다.
C-S-H 수화물은 강도 발현에 있어서 중요한 역할을 하는 물질로서 부족할 경우 시공시 콘크리트의 초기 압축강도가 낮아지게 된다. 또한 알칼리 성분인 Ca(OH)2은 장기 작용에 있어서 플라이애시 또는 고로슬래그미분말 등의 혼화재를 활성화시켜 C-S-H 수화물을 생성시키는 역할과 중성화를 방지하는 역할을 하는데, Ca(OH)2이 부족할 경우 장기작용에 있어 C-S-H 수화물의 생성이 적어져 압축강도의 저하가 초래되고, 콘크리트의 중성화가 빨라지게 되어 철골 등의 부식을 방지하는데 필요한 중성화 저항 기능도 저하되게 된다.
[표 10]에서는 비교예인 S/C 와 비교하여, 고로슬래그 미분말 중량 대비 제지애시 5wt%가 치환 혼입된 S/C-PA5 및 고로슬래그 미분말 중량 대비 제지애시 10wt%가 치환 혼입된 S/C-PA10를 실시예로 하여 시험한 값을 표기하였다.
S/C-PA5 및 S/C-PA10의 배합에 의한 콘크리트의 압축강도는 비교예와 비교하여 전재령 일수에서 높게 발현되고 있음을 확인할 수 있다.
상기 칼슘염계 화합물로서 정유애시, 제지애시는 저시멘트 결합재 조성물이 유발하는 문제점을 반응성이 좋은 CaO를 결합재 조성물에 공급함으로써 해결해준다. 구체적으로 칼슘염계 화합물의 CaO는 반응성이 있는 칼슘 화합물로서 물과 반응하여 수산화칼슘(Ca(OH)2)를 생성하게 되고, 자경효과에 의해 초기강도를 발휘하게 해준다. 또한 수산화칼슘에서 방출되는 Ca2 +이온은 상기 결합재에 포함되어 있는 규산염(SiO2)이나 알루민산염(Al2O3)과 반응하여 C-S-H 수화물 및 C-A-H 수화물(칼슘알루미네이트 수화물) 등을 생성함으로써 경화를 진행시켜 시멘트와 유사한 수화반응 메커니즘을 나타낸다.
다만 CaO는 급격한 발열과 부피팽창을 일으키기는 물질이기도 하다. 따라서 과다하게 투입될 경우 콘크리트의 초기 유동성 저하 및 균열발생의 요인이 될 수 있어, 장기강도에 영향을 미칠 여지가 있어 성분함량의 제한이 필요하다. 따라서 상기 CaO를 함유하는 칼슘염계 화합물은 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~10중량부 범위로 투입되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 결합재 조성물에는 초기강도 또는 장기강도를 향상시킬 수 있는 내구성 개선재가 더 포함된 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명의 내구성 개선재로서는 페로실리콘을 고려해 볼 수 있다.
상기 페로실리콘(SAS, Sodium Aluminate Silicate)은 태양열 전지재료 중 하나인 폴리실리콘 생산시 발생하는 부산물이다. 강에 Si를 첨가하기 위하여 사용되며, Fe-Si 중간 합금에 해당한다. 이는 규석과 설강(屑剛)과 탄소 등을 전기로에서 녹여 만들며, 규소의 양은 12~75%이며, 15, 50, 75, 85, 90의 5등급이 있다. 이 중 30%가 Si의 것은 68% Fe 이외에 소량의 Mn과 C 또 불순물로서 P 및 S를 약간 함유할 수도 있으며, Si는 Fe와 화합물을 만들어 Fe 중에 고용하고 있으며, Si가 30% 이상이 되면 합금은 취약하여 가루가 되기 쉬운 성질이 있다.
본 발명에서는 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~5중량부가 상기 페로실리콘 3~5중량부로 치환되어 혼입되는 것을 일 특징이 되는데, 이는 상기 고로슬래그 미분말 중량의 3~5wt%에 해당한다. 이에 관한 실험예는 다음 [표 11]과 같다.
Figure 112014068910250-pat00011
W/B : 물결합재비
S/a : 잔골재율
W : 물
B : 결합재
C : 보통 포틀랜드 시멘트
S/P : 고로슬래그 미분말
SAS : 페로실리콘
S : 모래
G : 굵은골재
상기 페로실리콘은 SO3 의 함량이 압도적으로 높은데, [표 1]과 같이 시멘트의 SO3 함량이 1.5wt%에 불과한 데 비해 페로실리콘은 46wt%의 SO3 함량에 따라 화학반응의 공급원이 풍부한 상태를 유지하게 된다. SO3는 콘크리트의 주요성분인 CaO와 반응하여 석고(CaSO4)를 생성하고, 물분자와 결합하여 시멘트의 응결에 영향을 미친다. 따라서 SO3 함량이 높은 페로실리콘을 내구성 개선제로 혼입시키면서 고로슬래그 미분말 비중을 높이더라도 일정 수준 이상의 압축강도의 발현을 이룰 수 있어 시멘트 함량을 줄이는 데 조력할 수 있다.
[표 11]에서 S/C40은 고로슬래그 미분말이 결합재 조성물 대비 고로슬래그가 40wt%가 포함된 것이며, 고로슬래그 미분말의 비율을 전체 결합재 조성물 대비 10wt% 가 되도록 증가시킨 상태에서 S/C50-SAS3은 고로슬래그 미분말 중량대비 3wt%가 페로실리콘으로 치환된 경우이며, S/C50-SAS5는 고로슬래그 미분말 중량대비 5wt%가 페로실리콘으로 치환된 경우에 대한 실험값이다. S/C50-SAS3 및 S/C50-SAS5의 압축강도는 S/C40과 동등 수준에서 발현되고 있어 시멘트 함량을 줄여도 일정 수준 이상의 압축강도의 발현이 일어나고 있음을 확인할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 조성물은 산업부산물을 이용하여 저시멘트의 배합에 기여하면서도 내구성이 강화되어 콘크리트의 강도발현에 큰 성능을 발휘한다.
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이상에서 본 발명에 따른 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 조성물의 구체적인 실시예와 함께 살펴보았다. 그러나 상기의 실시예 이외에도 본 발명과 균등한 범위에 속하는 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이 건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.
없음

Claims (6)

  1. 분말도가 2,800~3,500cm2/g인 포틀랜드 시멘트 30~60중량부, 분말도가 4,000~6,000cm2/g인 고로슬래그 미분말 20~50중량부 및 분말도가 3,000~4,000cm2/g인 플라이애시 10~30중량부를 포함하여 구성되는 결합재 조성물에 있어서,
    상기 결합재 조성물 100 중량부 대비 0.5~1.5중량부의 조강형 감수제가 더 혼입되어 구성되며,
    상기 결합재 조성물에는 내구성 개선재가 더 포함되되,
    상기 내구성 개선재는, 상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~5중량부가 이와 동일 중량으로 치환되어 혼입되는 페로실리콘이며,
    상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~10중량부가 칼슘염계 화합물 3~10중량부로 치환되어 프리믹싱되며,
    상기 칼슘염계 화합물은,
    상기 고로슬래그 미분말 100 중량부 대비 3~6중량부가 이와 동일 중량으로 치환되어 혼입되는 정유애시로서, 상기 칼슘염계 화합물의 CaO 함량은 칼슘염계 화합물 구성성분 전체 중량 대비 50~70%인 것을 특징으로 하는 친환경 저시멘트 콘크리트용 결합재 조성물.
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