KR101709218B1

KR101709218B1 - 폐열 및 응축수를 이용한 ｐｈｃ 파일 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 ｐｈｃ 파일

Info

Publication number: KR101709218B1
Application number: KR1020160090488A
Authority: KR
Inventors: 송병은
Original assignee: 동진파일(주)
Priority date: 2016-07-18
Filing date: 2016-07-18
Publication date: 2017-02-22

Abstract

본 발명은 PHC 파일 제조를 위한 상압증기양생 또는 AC(Auto Clave) 고온고압증기양생에 의해 발생하는 폐열 및 응축수를 후속 PHC 파일 제조 과정에 활용함으로써 에너지 절감, 양생 기간 단축, PHC 파일의 조기 강도 발현, PHC 파일의 압축강도 향상, 환경 부하 저감, PHC 파일 제작장의 작업환경 개선 등에 기여하는 PHC 파일 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 PHC 파일에 관한 것이다.
본 발명은, 『(a) 몰드 내에 인장부재를 조립하는 단계; (b) 몰드 내에 온도 35~45℃, pH 10~12인 배합수를 포함하여 조성된 콘크리트를 타설하는 단계; (c) 상기 인장부재를 축방향으로 긴장시킨 상태로 몰드를 원심기에 올리고 회전시켜 원심력으로 상기 몰드 내 콘크리트를 다지는 단계; (d) 상기 몰드를 양생실에 반입하여 상압증기양생 방법으로 1차 양생을 실시하는 단계; (e) 상기 몰드를 해체하여 PHC 반제품을 수득하는 단계; 및 (f) 상기 PHC 반제품을 AC(Auto Clave) 고온고압증기양생 방법이나 NAC(Non-Auto Clave) 자연양생 방법으로 2차 양생을 실시하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일 제조 방법』을 제공한다.

Description

폐열 및 응축수를 이용한 ＰＨＣ 파일 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 ＰＨＣ 파일{PHC pile manufacturing method using waste heat and condensate ＆ PHC pile prepared by the method}

본 발명은 PHC 파일 제조를 위한 상압증기양생 또는 AC(Auto Clave) 고온고압증기양생에 의해 발생하는 폐열 및 응축수를 후속 PHC 파일 제조 과정에 활용함으로써 에너지 절감, 양생 기간 단축, PHC 파일의 조기 강도 발현, PHC 파일의 압축강도 향상, 환경 부하 저감, PHC 파일 제작장의 작업환경 개선 등에 기여하는 PHC 파일 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 PHC 파일에 관한 것이다.

PHC(Prestressed high-strength concrete) 파일의 제작 과정은 크게 1) 몰드 및 인장부재 조립, 2) 몰드 내 콘크리트 타설, 3) 인장부재 축방향 인장, 4) 원심성형, 5) 1차 양생, 6) 제품탈형, 7) 2차 양생, 8) 제품 야적 및 출하 공정 순으로 진행된다.

위와 같은 PHC 파일 제작 과정 중 1차 양생 공정은 양생실에서 증기를 공급하여 약 75℃ 조건에서 8~10시간 동안 콘크리트를 경화시키는 상압증기양생 방법이 적용된다.

상기 2차 양생 공정에서는 고온고압 증기양생 방법과 NAC(Non-Auto Clave) 자연양생 방법 중 하나를 택일할 수 있다.

이 중 상기 고온고압 증기양생 방법은 1차 양생 후 탈형한 제품을 오토클레이브(Auto Clave)에서 180℃/8hr로 10kgf/㎠의 고온고압 조건에서의 증기양생으로 목표 강도를 발현시켜 제품화하는 양생 방법이고, 상기 NAC 자연양생 방법은 1차 양생 후 탈형한 제품을 일정한 장소에 적치하여, 자연 상태에서 7일 내에 기준강도(110N/㎟)가 발현되도록 하는 양생 방법이다.

상기 1차 양생 공정에 적용되는 상기 상압증기양생 방법은 보일러로부터 증기를 받아 약 2시간 동안 20~25℃까지 승온하여 약 2시간 유지하는 전치양생을 한 후 열충격 방지를 위해 시간당 20℃이하의 온도상승폭으로 약 2시간 30분 동안 75℃에 이르도록 일정하게 승온하여 75℃ 조건에서 5시간 30분 가량 유지한 후 양생을 종료하는 것이다.

이러한 상압증기양생 방법은 양생을 시작하면 양생실을 밀실처리하고 양생실 내부에 설치된 배관을 통하여 고온증기를 공급하여 양생실 내부 온도를 75℃까지 상승시키나, 양생실 내부에 기 혼합되어 있는 찬공기는 온도상승에 장애요인이 된다.

또한, 전치양생 온도가 20~25℃로 낮아 양생실 온도를 75℃까지 승온하는 과정에 철제의 몰드와 양생실의 콘크리트 구조물이 온도상승에 장애요인이 되며, 전치양생 온도(20~25℃)에서 유지 양생 온도(75℃)로 승온하기 위해서는 많은 열에너지가 필요하고, 열충격을 방지하고자 시간당 온도상승폭을 20℃이하로 해야 하므로 온도 상승 시간이 약 2시간 30분 필요하다.

또한, 많은 양의 증기를 투입하므로 pH 10~12인 고온(약 75℃)의 증기 응축폐수가 다량 발생하여 폐수처리 시설 운용비용이 과다하게 지출되고, 양생종료 후 양생실 덮개 개방에 따라 더운공기(약 75℃)와 잔여증기가 작업장에 방출되어 작업장 내 작업환경을 저하시킨다.

한편, 상기 2차 양생 공정 중 고온고압 증기양생 방법은 1차 양생(75℃, 상압증기양생)된 PHC파일 반제품을 오토클레이브(autoclave)에 장입한 후 보일러로부터 증기를 받아 약 2시간 30분에 걸쳐 10kgf/㎠의 압력으로 180℃까지 승온한 후 약 5시간 30분간 유지하여 전체 약 8시간 양생하여 제품화하는 것이다.

이때의 승온과정 및 유지과정 중 오토클레이브에는 10kgf/㎠의 고온증기가 채워져 오토클레이브 하부에는 증기의 응축으로 인한 pH 10~12의 응축폐수가 발생되어 고이며, 양생과정이 끝난 후에는 차기 제품의 양생을 위해 오토클레이브 내 잔여증기와 응축수를 배출해야 한다. 양생을 마친 후 오토클레이브 내의 고온증기는 온도약 175~180℃인데, 통상적으로 3~10kgf/㎠의 고압증기는 대기로 방출시키고, 3kgf/㎠ 미만의 저압증기는 열 회수를 위해 보일러 급수탱크로 유입시킨다. 또한, 고온고압 양생과정에서 생성된 다량의 응축수는 양생 전과정에 걸쳐 오토클레이브 내에 모아지며 양생 종료 후에는 통상적으로 잔여증기 압력이 0.5kgf/㎠ 이하일 때 응축수 탱크로 배출시킨다.

위와 같이 3~10kgf/㎠의 고압증기를 대기로 방출시키는 이유는 차기 제품 양생을 위해 고압증기를 빠르게 배출시킴으로써 오토클레이브의 설비회전율을 높이기 위한 것이다. 그러나, 고온고압 증기양생 후의 폐열 회수는 3kgf/㎠ 미만의 저압증기만을 보일러 급수에 간접열교환 방식으로 이루어질 뿐이고, 고온고압증기의 대기방출로 소음이 기준을 과다초과 하여 인근 주민의 민원이 빈번히 발생하며, 작업인력 또한 화상 등의 위험성이 높은 문제가 있다.

1. 등록특허 제10-1613900호 "초고강도 PHC 파일", 2016. 4. 20. 공고 2. 등록특허 제10-1613901호 "초속경시멘트를 활용한 초고강도 PHC 파일", 2016. 4. 20. 공고 3. 등록특허 제10-1455213호 "자원순환형 고강도 PHC 파일용 콘크리트 조성물", 2014. 10. 28. 공고 4. 등록특허 제10-1247400 "조기 초고강도 확보를 위한 피에이치씨 파일용 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법", 2013. 3. 25. 공고 5. 등록특허 제10-1172635 "원심성형 피에이치씨 파일용 초고강도 콘크리트 조성물", 2012. 8. 9. 공고

본 발명은 PHC 파일 제작 과정에 수반되는 증기양생(상압증기양생, 고온고압증기양생)에서 발생하는 고온의 알칼리성 폐수(응축수) 및 고온의 증기를 효율적으로 처리하고, 에너지 효율을 높일 수 있는 PHC 파일 제조 방법 및 물성이 향상된 PHC 파일을 제공함에 그 목적이 있다.

PHC 파일의 압축강도 등의 물성을 개선하기 위한 종래 기술들은 콘크리트 조성물 배합에 집중되어 있다.

그러나 본 발명은 PHC 파일 제작 과정에 수반되는 증기양생(상압증기양생, 고온고압증기양생)에서 발생하는 고온의 알칼리성 폐수(응축수)는 콘크리트 배합수로 재활용하고, 오토클레이브 고온고압양생 후에 잔존하는 고온의 증기는 1차 상압증기양생을 위한 열원(에너지원)으로 재활용함은 물론 그에 따라 PHC 파일의 초기 강도, 장기 강도, 내구성 등의 물성이 향상되도록 한 것이다.

구체적으로 본 발명은, 『(a) 몰드 내에 인장부재를 조립하는 단계; (b) 몰드 내에 온도 35~45℃, pH 10~12인 배합수를 포함하여 조성된 콘크리트를 타설하는 단계; (c) 상기 인장부재를 축방향으로 긴장시킨 상태로 몰드를 원심기에 올리고 회전시켜 원심력으로 상기 몰드 내 콘크리트를 다지는 단계; (d) 상기 몰드를 양생실에 반입하여 상압증기양생 방법으로 1차 양생을 실시하는 단계; (e) 상기 몰드를 해체하여 PHC 반제품을 수득하는 단계; 및 (f) 상기 PHC 반제품을 AC(Auto Clave) 고온고압증기양생 방법이나 NAC(Non-Auto Clave) 자연양생 방법으로 2차 양생을 실시하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일 제조 방법』을 제공한다.

상기 (b)단계의 배합수로는 선 제작 PHC 파일에 대한 상압증기양생 시 양생실 내 생성된 응축수 또는 선 제작 PHC 파일에 대한 AC 고온고압증기양생 시 AC 내에 생성된 응축수를 적용할 수 있으며,

상기 (b)단계의 콘크리트는, 분체 믹서에서 상기 시멘트 및 혼화재를 믹싱하여 혼합분체를 조성하고, 액상재료 믹서에서 상기 배합수 및 혼화제를 믹싱하여 혼합액상제를 조성한 후, 콘크리트 믹서에서 상기 굵은골재, 잔골재, 혼합분체 및 혼합액상제를 믹싱하여 제조한 것을 적용할 수 있다.

상기 (d)단계의 상압증기양생 방법은, (d-1) 상기 양생실 내부 온도를 30~35℃로 맞추고 상기 몰드를 반입하는 단계; (d-2) 상기 양생실 내부 온도를 50~55℃까지 점진적으로 상승시키고 2시간 전치양생하는 단계; (d-3) 1~1.5시간 동안 상기 양생실 내부 온도를 75℃까지 점진적으로 상승시키는 단계; 및 (d-4) 상기 양생실 내부 온도 75℃ 조건에서 5시간 유지하는 단계; 를 포함하여 실시할 수 있으며,

이 경우 상기 (d-1)단계 실시 전에 양생실 내부의 공기를 배출시키고, 상기 (d-1)단계 내지 (d-4)단계의 양생실 내 온도 조절은 선 제작 PHC 파일에 대한 AC 고온고압증기양생에 이용된 증기를 상기 양생실 내에 투입하여 이루어지도록 할 수 있다.

또한 본 발명은 『전술한 PHC 파일 제조 방법을 통해 제조된 PHC 파일』을 함께 제공한다. 본 발명에 따른 PHC 파일에는 배합수 100~150kg/㎥; 결합재 400~800kg/㎥; 잔골재 500~850kg/㎥; 및 굵은골재 1,000~1,500kg/㎥; 를 포함하고, 감수제가 상기 결합재 대비 0.5~2.0wt% 포함되며, 상기 결합재는 1종보통시멘트와 초조강시멘트가 혼합된 것을 적용할 수 있다. 또한, 상기 결합재의 1~40wt%가 고강도 혼합재로 치환 적용되되, 상기 고강도 혼합재는 생석회 35~55wt%, 메타카올린 5~15wt%, 고로슬래그 미분말 30~60wt%를 포함하여 조성된 것을 적용할 수 있다.

본 발명의 효과는 다음과 같다.

1. PHC 파일 제작을 위한 1차 상압증기양생에 따라 발생하는 폐수(응축수)와 2차 AC 고온고압증기양생에 따라 발생하는 폐수(응축수)를 콘크리트 배합수로 재활용하며, 이에 따라 콘크리트의 압축강도가 향상되고, 내구성이 향상된다.

2. 1차 상압증기양생에 필요한 고온 증기의 상당량은 선 제작 PHC 파일에 대한 AC 고온고압증기양생 후 잔존하는 고온의 증기로 충당함으로써, 열 에너지를 재활용하고, 새롭게 공급되는 열 에너지량을 저감시킬 수 있다.

3. 1차 상압증기양생을 위한 양생실의 찬공기를 미리 배출시켜 두고, 오토클레이브로부터 잔존 증기를 공급받음으로써 승온의 폭을 줄일 수 있고, 이에 따라 1차 양생 시간을 단축시켜 제품 생산성을 향상시킬 수 있음은 물론, 초기부터 양생실의 온도가 30℃ 이상으로 설정됨에 따라 재령 7일 이내의 콘크리트 초기 강도가 향상된다.

4. 2차 양생 후 오토클레이브 내에 잔존하는 고온 고압의 증기를 신속히 배출시켜 1차 상압증기양생에 재활용하므로 2차 양생 후의 잔여 증기 처리 시간이 단축되고, 이에 따라 2차 양생 시간이 단축되어 제품 생산성이 향상된다.

5. 2차 양생 후 오토클레이브 내에 잔존하는 고온 고압의 증기를 신속히 배출시킴에 따라 오토클레이브 내의 온도가 낮아져 응축수 발생량이 크게 감소하고, 고온 고압의 증기를 외부로 방출시키지 않게 되므로 소음 등으로 인한 민원 발생을 예방한다.

6. 응축수 발생량 자체가 감소함은 물론, 발생한 응축수는 배합수로 재활용되므로 알칼리성 폐수 처리에 소요되는 비용, 시간, 노력을 절감시키고 폐수 방류에 따른 환경부하를 차단할 수 있다.

7. 배합수 100~150kg/㎥(35~45℃, pH10~12), 결합재 400~800kg/㎥, 잔골재 500~850kg/㎥ 및 굵은골재 1,000~1,500kg/㎥를 포함하고, 감수제가 상기 결합재 대비 0.5~2.0wt% 포함되며, 상기 결합재는 1종보통시멘트와 초조강시멘트가 혼합된 콘크리트 조성물을 상압증기양생 방법으로 1차 양생을 실시한 후, NAC 자연양생을 실시하여 재령 1일 만에 압축강도가 120MPa의 초고강도가 발현되는 완제품을 출하할 수 있다.

[도 1]은 배합수의 온도에 따른 압축강도 발현 양상을 정리한 그래프이다.
[도 2]는 종래의 콘크리트 배합 과정을 나타낸 것이다.
[도 3]은 분체 믹서, 액상재료 믹서 및 콘크리트 믹서가 분리되어 있는 혼합설비를 이용한 콘크리트 배합 과정을 나타낸 것이다.
[도 4]는 개선된 PHC 파일용 콘크리트 제조 설비 및 제조 작업의 흐름(과정)을 개략적으로 도시한 것이다.
[도 5]는 분체 믹서, 액상재료 믹서 및 콘크리트 믹서가 구분된 혼합설비 부분의 상세도이다.
[도 6]은 고압 에어를 이용하는 분체 믹서를 도시한 것이다.
[도 7]은 고압 에어를 이용하는 액상재료 믹서를 도시한 것이다.
[도 8]은 통상적인 상압증기양생 방법에 따른 양생 온도 그래프이다.
[도 9]는 개선된 상압증기양생 방법에 따른 양생 온도 그래프이다.
[도 10] 내지 [도 12]는 개선된 상압증기양생을 위한 양생실의 모식도이다.
[도 13]은 상압증기양생 방법에 따른 콘크리트의 초기 압축강도 발현 양상을 정리한 그래프이다.
[도 14]는 잔여 증기 회수 전·후의 AC 양생 사이클의 차이를 도시한 그래프이다.
[도 15]는 증기양생과정에서 발생하는 증기와 응축수를 재활용하기 위한 설비의 모식도이다.
[도 16]은 본 발명이 제공하는 PHC 파일을 촬영한 사진이다.

Ⅰ. PHC 파일 제조 방법

본 발명은 『(a) 몰드 내에 인장부재를 조립하는 단계; (b) 몰드 내에 시멘트, 혼화재, 굵은골재, 잔골재, 혼화제 및 온도 35~45℃, pH 10~12인 배합수를 포함하여 조성된 콘크리트를 타설하는 단계; (c) 상기 인장부재를 축방향으로 긴장시킨 상태로 몰드를 원심기에 올리고 회전시켜 원심력으로 상기 몰드 내 콘크리트를 다지는 단계; (d) 상기 몰드를 양생실에 반입하여 상압증기양생 방법으로 1차 양생을 실시하는 단계; (e) 상기 몰드를 해체하여 PHC 반제품을 수득하는 단계; 및 (f) 상기 PHC 반제품을 AC(Auto Clave) 고온고압증기양생 방법이나 NAC(Non-Auto Clave) 자연양생 방법으로 2차 양생을 실시하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일 제조 방법』을 제공한다.

이하에서는 본 발명을 각 단계별로 실시예와 함께 상세히 설명하기로 한다.

1. (a)단계

본 (a)단계는 몰드 내에 인장부재를 조립하는 단계이다.

PHC 파일 제작을 위한 몰드는 철재를 조립하여 제작하며, PHC 파일의 인장부재(인장 보강 부재)로 적용되는 강봉을 규격에 맞게 절단하여 상기 몰드 내에 배치, 조립한다. 상기 강봉은 편성기를 이용하여 몰드 내에 축방향으로 배치하고 철선으로 감아 표면 마찰력을 증대시킬 수 있다.

2, (b)단계

본 (b)단계는 몰드 내에 시멘트, 혼화재, 굵은골재, 잔골재, 혼화제 및 온도 35~45℃, pH 10~12인 배합수를 포함하여 조성된 콘크리트를 타설하는 단계이다.

상기 콘크리트를 조성하는 시멘트, 혼화재, 굵은골재, 잔골재 및 혼화제는 통상적으로 알려진 물질들을 선택, 조합하여 적용할 수 있다. 즉, 상기 시멘트로는 1종시멘트, 3종시멘트 등, 상기 혼화재로는 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 생석회, 석고 등, 상기 잔골재로는 부순모래, 세척사, 자연사 등, 상기 혼화제로는 감수제, 증점제 등을 적용할 수 있다.

다만, 온도 35~45℃, pH 10~12인 배합수를 적용하는 것은 본 발명만의 특징이다. PHC 파일 제조시에는 콘크리트 배합, 타설 후 30분 내지 1시간 이내에 1차 양생(상압증기양생)을 시작하여 시멘트의 수화반응을 촉진시킨다. 상압증기양생을 위해서는 양생실 내에 고온의 증기를 주입하여 생 콘크리트의 온도를 높인다.

통상적으로는 지하수 또는 수돗물을 배합수로 사용하며, 이러한 배합수의 온도는 10~20℃인데, 이러한 배합수의 낮은 온도가 콘크리트의 온도 상승을 저해하는 요인이 된다. 이에 본 발명에서는 배합수 자체의 온도를 높임으로써 상압증기양생시의 에너지 효율을 높임과 아울러, 배합수 자체의 온도에 의해 시멘트의 수화반응이 촉진되도록 하였으며, 수많은 시험을 통해 압축강도가 가장 높게 발현되는 배합수 온도를 도출해 내었다.

아래의 [표 1]은 각 시험차수별로 콘크리트의 배합조건과 양생조건을 동일하게 한 상태에서 배합수의 온도만을 달리하여 재령 28일 압축강도를 시험한 결과를 나타낸 것이다. 시험은 10차에 걸쳐 진행되었고, 각 시험차수별로 배합수 온도를 6단계로 구분하여 시험하였으며, 각 배합수의 온도마다 3회씩 시험을 진행하여, 총 180 가지의 시험데이터를 도출하였다. 아래의 [표 1]은 위의 시험 결과를 정리한 것이고, 첨부된 [도 1]은 [표 1]을 가시적으로 나타낸 것이다.

위의 [표 1] 및 첨부된 [도 1]로부터 콘크리트의 재령 28일 압축강도는 배합수 온도가 10℃ 전후에서 20℃ 전후로 상승하더라도 큰 변화가 없었으나, 30℃ 전후에서 상승세를 보이다가 40℃ 전후(구체적으로는 36~41℃) 구간에서 가장 뚜렷하게 상승함을 알 수 있다. 배합수 온도 50℃ 전후, 60℃ 전후 구간에서는 압축강도가 저하되었으며, 이와 같은 배합수 온도별 압축강도 발현의 전체적 경향으로 볼 때 배합수 온도 35~45℃ 범위에서 압축강도 증진 효과를 얻을 수 있을 것으로 추정된다.

또한, 콘크리트는 알칼리성 소재로서, 중성화에 따라 열화(劣化)가 진행되어 내구성이 저하된다. 따라서, 배합수가 pH 10~12의 알칼리수일 때 콘크리트의 알칼리도를 증가시켜 열화를 억제하거나 늦출 수 있게 된다.

위와 같은 온도 35~45℃, pH 10~12인 배합수는 선(先) 제작 PHC 파일에 대한 상압증기양생 시 양생실 내 생성된 응축수 또는 선 제작 PHC 파일에 대한 AC 고온고압증기양생 시 AC 내에 생성된 응축수를 적용할 수 있다.

PHC 파일의 1차 양생 공정으로 적용되는 상압증기양생에서는 약 70℃의 알칼리 응축수(pH 10~12)가 다량 발생하여, 폐수로 처리되고, 2차 양생 공정으로 적용되는 고압증기양생과정에서는 100℃ 이상의 알칼리 응축수(pH 10~12)가 다량 발생하여, 폐수로 처리된다. 본 발명에서는 이와 같은 응축수를 시멘트 수화반응 촉진에 유리한 35~45℃로 식힌 후 배합수로 적용한다.

즉, 본 발명에서는 폐수로 취급되어 온 응축수를 자원으로 활용함으로써 증기양생에 따른 환경부하를 저감시킴은 물론, 전술한 바와 같은 콘크리트 압축강도 향상 효과, 열화 방지 및 내구성 증진 효과 등을 함께 얻을 수 있는 것이다.

한편, PHC 파일 제조를 위한 콘크리트를 배합하는 설비는 각 재료에 대한 저장설비, 계량설비 및 혼합설비로 구분된다. 첨부된 [도 2]는 종래의 콘크리트 배합 과정을 나타낸 것이다.

PHC 파일은 압축강도 100MPa 이상의 고강도로 제작되며, 120MPa 이상의 초고강도로 제작되는 경우도 많다. 고강도 또는 초고강도 콘크리트 배합 특성상 시멘트, 혼화재 등의 결합재량이 많고 상대적으로 배합수량은 적다. 이에 따라 콘크리트를 조성하는 각 물질을 균질 혼합하기가 어려워, 한 배치의 배합에서도 결합재나 배합수의 분포도 편차가 발생하여 PHC 파일의 부위별 물성 편차 및 전체적인 압축강도 저하의 원인이 된다.

이에 본 발명에서는 첨부된 [도 3]에 도시된 바와 같이, 분체 믹서에서 상기 시멘트 및 혼화재를 믹싱하여 혼합분체를 조성하고, 액상재료 믹서에서 상기 배합수 및 혼화제를 믹싱하여 혼합액상제를 조성한 후, 콘크리트 믹서에서 상기 굵은골재, 잔골재, 혼합분체 및 혼합액상제를 믹싱하여 제조한 콘크리트를 본 (b)단계에 적용할 수 있다. 이에 따라 결합재인 시멘트와 혼화재는 분체 믹서에서, 물, 혼화제 등의 액상재료는 액상재료 믹서에서 사전에 충분한 시간으로 세밀하고 정확하게(균질하게) 혼합한 후 콘크리트 믹서에 다시 투입하여 각 재료를 재혼합함으로써 각 재료의 혼합성을 향상시킬 수 있고 이에 따라 PHC 파일의 국부적, 전체적 품질 저하를 방지할 수 있다.

[도 4]는 위와 같이 개선된 PHC 파일용 콘크리트 제조 설비 및 제조 작업의 흐름(과정)을 개략적으로 도시한 것이고, [도 5]는 분체 믹서, 액상재료 믹서 및 콘크리트 믹서가 구분된 혼합설비 부분의 상세도이다. 상기 분체 믹서와 액상재료 믹서는 [도 6] 및 [도 7]에 각각 도시된 바와 같이 고압 에어를 이용하여 믹서 내에서 재료의 혼합이 이루어지도록 할 수 있다.

3. (c)단계

본 (c)단계는 상기 인장부재를 축방향으로 긴장시킨 상태로 몰드를 원심기에 올리고 회전시켜 원심력으로 상기 몰드 내 콘크리트를 다지는 단계로서, 통상적으로 이용되는 장치와 방법을 적용할 수 있다.

4. (d)단계

본 (d)단계는 상기 몰드를 양생실에 반입하여 상압증기양생 방법으로 1차 양생을 실시하는 단계이다.

통상적인 상압증기양생 방법을 간략히 설명하면, 몰드 내에 콘크리트가 투입되고 인장재가 긴장(프리텐션)되고, 원심성형을 한 후 상기 몰드를 양생실에 장입(1배치(batch)에 장입되는 PHC 파일은 약 100톤)하고, [도 8]에 도시된 바와 같이 보일러로부터 증기를 받아 약 2시간 동안 양생실 내 온도를 20~25℃로 승온하여 약 2시간 유지하는 전치양생을 한 후, 상기 양생실 내 온도를 시간당 20℃ 정도씩 약 2시간 30분가량 승온하여 75℃까지 올린 후, 75℃ 상태를 약 5시간 30분 유지시킨 후 양생을 종료한다. 이하에서는 위와 같은 통상적인 상압증기양생 방법을 "개선 전 양생법"이라 칭한다.

이와 같은 통상적인 상압증기양생 방법을 실시할 때에는 양생실을 밀실처리하고 양생실 내부에 설치된 배관을 통하여 고온증기를 공급함으로써 양생실 내 온도가 승온되도록 하나, 상기 양생실 내에 먼저 혼입되어 있는 다량의 찬공기는 온도상승에 장애요인이 된다.

또한, 전치양생 온도가 20~25℃로 낮고, 철재 몰드와 콘크리트조 양생실은 온도 상승 저해 요인이 되므로 양생실 온도를 75℃까지 승온하는 과정에 많은 열에너지가 필요하다 승온과정에 콘크리트에 가해지는 열충격을 방지하게 위해 승온온도는 시간당 20℃ 이하여야 하므로 2시간 30분 가량의 승온시간이 필요하다.

또한, 많은 양의 증기를 양생실 내에 투입하므로 증기의 응축 폐수(pH 10~12)가 다량 발생하여 폐수 처리 시설 운용비용이 과다 소요되고, 양생 종료 후에는 양생실 덮개를 개방하여 더운공기(약 75℃)가 작업장에 방출되므로 작업장 온도가 상승하여 작업효율과 작업환경이 저하된다.

이에 따라 본 (d)단계의 상압증기양생 방법은, [도 9]에 도시된 바와 같이 (d-1) 상기 양생실 내부 온도를 30~35℃로 맞추고 상기 몰드를 반입하는 단계; (d-2) 상기 양생실 내부 온도를 50~55℃까지 점진적으로 상승시키고 2시간 전치양생하는 단계; (d-3) 1~1.5시간 동안 상기 양생실 내부 온도를 75℃까지 점진적으로 상승시키는 단계; 및 (d-4) 상기 양생실 내부 온도 75℃ 조건에서 5시간 유지하는 단계; 를 포함하는 방법으로 실시하여 에너지 효율을 높일 수 있다.

양생실 내 투입되는 증기의 온도와 양생실 내부의 실 온도 간의 차이는 양생실 내 기 존재하였던 찬공기 때문이며, 서로 다른 종류의 기체인 증기와 공기의 혼입은 양생실 온도 상승을 느리게 하며, 열 교환 능력도 떨어지게 된다. 따라서, 양생 시작 전 먼저 양생실 내부의 찬공기(0~25℃)를 외부로 배출시킴으로써 불필요한 에너지 낭비를 막을 수 있다. 또한, 본 단계의 상압증기양생을 실행한 직후에도 후속적 PHC 파일 제작을 위해 약 75℃의 증기를 외부로 배출시켜 상기 양생실 내부 온도를 30~35℃로 맞춰둘 수 있다.

따라서, 상기 (d-1)단계 실시 전에 양생실 내부의 공기를 배출시키는 과정을 수행함이 바람직하다. 또한, 상기 (d-1)단계 내지 (d-4)단계의 양생실 내 온도 조절은 선 제작 PHC 파일에 대한 AC 고온고압증기양생에 이용된 증기를 상기 양생실 내에 투입하여 이루어지도록 할 수 있다. 이하에서는 위와 같은 (d-1)단계 내지 (d-4)단계를 포함하여 실시되는 상압증기양생 방법을 "개선 후 양생법"이라 칭한다.

상기 개선 후 양생법의 실시를 위해서는, [도 10] 내지 [도 12]에 도시된 바와 같이 양생실에 누증 방지설비, 배풍설비, 증기공급라인, 에어벤트 등을 설치할 수 있다.

상기 누증 발지설비는 양생실이 밀실처리되지 않을 때 많은 양의 고온증기가 누증되어 에너지 소모가 많아지는 것을 방지하기 위한 설비로서 양생실 덮개의 경계부에 설치할 수 있다.

상기 배풍설비는 [도 10]에 도시된 바와 같이 증기 양생 전 양생실 내 차가운 공기를 강제로 배출시켜 열 효율을 높이거나 양생 후 양생실 내에 가득 찬 75℃ 가량의 더운 증기를 강제로 배출시켜 양생실 내의 온도를 차기 증기양생 작업의 시작 온도로 적합한 35~45℃로 맞춰 둘 수 있다. 상기 배풍설비를 통해 양생종료 후 양생실 내부의 고온 증기를 옥외로 배출할 수 있으므로, 종래와 같이 양생실 덮개를 개방하여 작업장에 고온의 증기가 방출되는 일이 없도록 하여 작업 효율 및 작업환경을 개선시킬 수 있다.

상기 증기공급라인은 선 제작 PHC 파일에 대한 AC 고온고압증기양생에 이용된 증기를 끌어와 상기 양생실 내에 공급할 수 있도록 구성할 수 있다. 상기 증기공급라인에 관해서는 뒤에 더 자세히 설명하기로 한다.

상기 에어벤트는 상기 양생실 내 과밀한 증기를 소량씩 배출할 수 있도록 하는 장치이다.

상기 개선 후 양생법의 실시 결과 본 (d)단계(PHC 파일 제작을 위한 1차 양생)의 시행 시간은 약 8시간 30분이므로, 상기 개선 전 양생법의 시행 시간 10시간 보다 15% 감소하였고, 생산성은 15% 향상되었다.

또한, 상기 개선 후 양생법의 적용에 따라 재령 초기의 콘크리트 강도가 향상된다. 아래의 [표 2]는 동일한 배합의 콘크리트 조성물에 대하여 개선 전·후 양생법 적용에 따른 재령 1일 및 재령 7일 압축강도를 12차례에 걸쳐 시험한 결과를 정리한 것이고, [도 13]은 [표 2]에 정리된 시험결과를 그래프로 나타낸 것이다.

위와 같은 시험결과, 양생법의 개선에 따라 1일 압축강도와 7일 압축강도가 모두 평균 5% 가량 상승하였다. 또한, 양생실 내부 온도가 처음부터 상온을 넘는 30~35℃인 점에 따른 문제점은 나타나지 않았다. 배합수의 온도가 35~45℃이므로, 열충격 등의 문제가 없는 것으로 판단된다.

양생 작업 실시 전 0~25℃의 찬공기를 배출시킴으로써 양생 작업에 따른 응축폐수 발생량도 절감할 수 있다. 물론 본 단계에서 발생하는 응축폐수는 전술한 바와 같이 콘크리트의 배합수로 적용함으로서 폐수처리비용을 절감하고 수질환경부하 저감에 기여할 수 있다.

5. (e)단계

본 (e)단계는 상기 몰드를 해체하여 PHC 반제품을 수득하는 단계이다.

6. (f)단계

본 (f)단계는 상기 PHC 반제품을 AC(Auto Clave) 고온고압증기양생 방법이나 NAC(Non-Auto Clave) 자연양생 방법으로 2차 양생을 실시하는 단계이다. 즉, 상기 1차 양생을 통해 생산된 PHC 반제품은 AC 고온고압증기양생 방법과 NAC 자연양생 방법을 선택하여 최종 제품으로 출하되는 것이다.

상기 NAC 자연양생 방법은 상기 PHC 반제품을 일정한 장소에 적치하여, 자연상태에서 양생이 이루어지도록 하는 것으로서, 7일 내에 기준강도(110MPa)를 만족하면 완제품으로 출하한다.

상기 AC 고온고압증기양생 방법은 상기 PHC 반제품을 오토클레이브에 장입 후 보일러로부터 증기를 받아 약 2시간 30분에 걸쳐 10kgf/㎠의 압력을 가하는 조건에서 180℃까지 승온한 후 약 5시간 30분간 유지하여 전체 약 8시간 양생 후 완제품으로 출하하는 것이다.

통상적으로는 양생을 마친 오토클레이브 내의 온도는 약 175~180℃이고, 약 10kgf/㎠의 증기압이 유지되는 상태이므로 설비회전율을 높이기 위해(차기 제품 양생을 위해) 오토클레이브 내 고온 고압의 증기를 즉시 외부로 배출시킨다. 따라서 3~10kgf/㎠의 고압 증기는 대기로 방출시키고, 3kgf/㎠ 미만의 저압 증기만을 보일러 급수 탱크로 유입시키므로 폐열을 제대로 회수하지 못한다.

또한, AC 고온고압양생 과정에서 생성된 다량의 응축수는 통상적으로 양생 전과정에 걸쳐 오토클레이브 내에 모아지며 양생 종료 후 잔여증기 압력이 0.5gf/㎠ 이하일 때 응축수 탱크로 배출된다.

따라서, 본 발명에서는 AC 고온고압증기양생 종료 후 오토클레이브 내 잔여 증기 중 회수가 어려운 고압력(3~10kgf/㎠)의 고온증기를 감압장치를 통해서 3~5kgf/㎠ 정도의 적정압력으로 낮추어 고온 증기가 필요한 1차 양생을 위한 양생실로 공급함으로써 위의 문제점을 해결하면서 아래와 같은 유리한 효과를 함께 얻을 수 있도록 하였다.

즉, 오토클레이브 내 고온 고압의 잔여 증기의 폐열을 간접회수하지 않고 증기 상태 그대로 1차 양생 공정에 직접 재활용함으로서 에너지 효율을 혁신적으로 높이고, 오토클레이브 내 고압 잔여 증기를 단시간 내 배출함으로서 공정 로스타임(Loss-Time)을 줄여 설비효율이 향상된다.

아래의 [표 3]은 오토클레이브 내 잔여 증기의 회수에 따른 공정 Loss-Time 감소량을 정리한 것이고, [도 14]는 잔여 증기 회수 전·후의 AC 양생 사이클의 차이를 도시한 그래프이다. AC 양생 1사이클의 공정시간이 평균 25% 감소하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 잔여 증기의 재활용으로 증기 대기 방출에 따른 소음민원을 근본적으로 해결하고 작업장과 완제품의 온도가 낮아져 작업 인력의 위험성을 제거하고 작업환경을 개선시킬 수 있다.

아울러, 고온고압증기양생 후 단시간 내에 잔여 증기를 1차 양생 공정에 투입하여 재활용함으로써, 오토클레이브 내 온도가 저하되어 증기의 응축수 발생량이 현저히 감소함은 물론, 발생한 응축수는 전술한 바와 같이 콘크리트 배합수로 재활용한다.

[도 15]는 PHC 파일 제작을 위한 증기양생(1차 양생, 2차 양생) 과정에서 발생하는 증기와 응축수를 재활용하기 위한 설비의 모식도이다. 이를 전체적으로 정리하면 다음과 같다.

고온고압증기양생 후의 오토클레이브 내에 차 있는 고압의 증기는 감압장치를 거쳐 압력을 낮춘 상태로 증기 이송관을 통해 1차 상압증기양생을 위한 양생실로 공급된다. 위와 같은 증기의 이동은 압력차, 펌프 등을 이용하여 빠르게 진행시킬 수 있다. 상기 오토클레이브에서 양생실로 이동한 증기는 차기 PHC 파일 제작을 위한 1차 상압증기양생에 직접 재활용된다. 상기 오토클레이브에서 양생실로 공급되는 증기의 량이 상압증기양생에 소요되는 증기량에 미치지 못하는 경우에는 기존의 보일러 시설을 통해 고온의 증기를 추가로 공급받도록 구성할 수 있다.

상기 양생실과 오토클레이브에서 발생하는 응축수는 배수관을 통해 응축수 탱크에 저장하였다가 온도 35~45℃, pH 10~12의 상태로 콘크리트 제조를 위한 혼합설비, 구체적으로는 액상재료 혼합설비에 공급함으로서 콘크리트 배합수로 활용할 수 있다.

Ⅱ. PHC 파일

본 발명은 전술한 PHC 파일 제조 방법을 통해 제조된 PHC 파일을 함께 제공한다. [도 16]은 본 발명이 제공하는 PHC 파일을 촬영한 사진이다.

상기 PHC 파일은 1차 양생(상압증기양생) 방법의 개선으로 재령 초기 압축강도가 향상되고, 35~45℃의 배합수를 사용함으로써 최종적으로 발현되는 압축강도 역시 향상되며, 상기 배합수는 pH10~12의 알칼리수이므로 콘크리트의 열화를 방지하여 내구성이 강화된 제품이다.

또한, 상기 PHC 파일은 제작과정에서 에너지 사용 저감, 응축수(폐수) 발생 저감 및 발생한 응축수(폐수)의 재활용, AC 고온고압증기양생 후의 잔존 증기를 1차 상압증기양생에 재활용 등을 통한 친환경 제품이며, 고온 증기에 의한 위험 요소가 제거된 안전 제품이라 할 수 있다.

위와 같은 PHC 파일 제조를 위해서는 배합수 100~150kg/㎥(35~45℃, pH10~12); 결합재 400~800kg/㎥; 잔골재 500~850kg/㎥; 및 굵은골재 1,000~1,500kg/㎥; 를 포함하고, 감수제가 상기 결합재 대비 0.5~2.0wt% 포함되며, 상기 결합재는 1종보통시멘트와 초조강시멘트가 혼합된 콘크리트 조성물을 적용할 수 있다.

상기 배합수가 100㎏/㎥ 미만으로 낮아지면 콘크리트의 유동성 문제로 인해 제품의 성형불량 등으로 이어져 생산성이 떨어지고 150㎏/㎥를 초과하면 압축강도가 저하될 수 있다.

상기 결합재는 1종보통시멘트 1~55wt% 및 초조강시멘트 45~99wt%로 조성할 수 있으며, 상기 결합재의 1~40wt%는 고강도 혼합재로 치환하여 적용할 수 있다.

조강시멘트는 소성도, 분말도 등으로 인하여 1종보통시멘트 보다 발열성이 높으므로 경화 및 강도증진율이 빨라 원심 성형 후 곧바로 응결이 진행되어야 하는 PHC 파일용 콘크리트 조성물의 결합재로 적합하다. 상기 초조강시멘트는 조강시멘트보다 경화가 빠른 시멘트로, 수화 활성도가 높은 규산 3칼슘의 혼합량이 많은 것을 초조강 시멘트라 한다. 활성화된 알루민산 칼슘의 양이 많은 것을 초속경(超速硬) 시멘트라 하는 것과 구별된다.

다만, 상기 초조강시멘트의 생산 단가의 문제로 1종보통시멘트를 혼합 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 초조강시멘트의 절반 이상(55wt%까지)을 상기 1종보통시멘트로 치환하더라도 이하에서 설명되는 고강도 혼합재에 의해 조기 응결 효과를 얻을 수 있다.

상기 고강도 혼합재는 생석회 35~55wt%, 메타카올린 5~15wt%, 고로슬래그 미분말 30~60wt%를 포함하여 조성할 수 있다.

상기 생석회(CaO, 산화칼슘)는 시멘트의 수화에 따라 생성되는 수산화칼슘과 반응하여 실리케이트(silicate)를 형성시키고, 실리케이트가 지속적으로 수화반응을 일으키므로 콘크리트 조성물의 초기 강도를 증대시키는 작용을 한다.

상기 메타카올린은 단기적으로 에트린가이트(ettringite)의 생성과 시멘트 중의 C3S 활성화에 기여하여 초기강도가 증가되도록 하며, 시멘트의 수화반응에 의해 생성되는 수산화칼슘과의 포졸란 반응으로 규산칼슘 수화물을 생성시켜 콘크리트 경화체의 압축강도 및 내구성을 향상시킨다. 또한, 시멘트 입자 및 잔골재 사이의 공극을 충전시켜 경화체가 치밀한 조직을 갖게 하여 중성화, 동결융해 등에 대한 저항성을 증대시킨다.

아래 [표 4]는 PHC 파일 제작을 위한 콘크리트 조성물 일 실시예의 배합표로서, 각 성분은 전술한 조성 범위 내에 있다.

아래 [표 5]는 [표 4] 배합의 조성물에 대해 전술한 상압증기양생 방법으로 1차 양생을 실시한 후, NAC 자연양생일 기준으로 재령별 압축강도를 측정한 결과를 정리한 것이다. 재령 1일 압축강도가 120MPa의 초고강도가 발현되므로 1일만에 곧바로 완제품으로서 출하 가능하다.

본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

없음

Claims

(a) 몰드 내에 인장부재를 조립하는 단계;
(b) 몰드 내에 시멘트, 혼화재, 굵은골재, 잔골재, 혼화제 및 온도 35~45℃, pH 10~12인 배합수를 포함하여 조성된 콘크리트를 타설하는 단계;
(c) 상기 인장부재를 축방향으로 긴장시킨 상태로 몰드를 원심기에 올리고 회전시켜 원심력으로 상기 몰드 내 콘크리트를 다지는 단계;
(d) 상기 몰드를 양생실에 반입하여 상압증기양생 방법으로 1차 양생을 실시하는 단계;
(e) 상기 몰드를 해체하여 PHC 반제품을 수득하는 단계; 및
(f) 상기 PHC 반제품을 AC(Auto Clave) 고온고압증기양생 방법이나 NAC(Non-Auto Clave) 자연양생 방법으로 2차 양생을 실시하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일 제조 방법.
제1항에서,
상기 (b)단계의 배합수는 선 제작 PHC 파일에 대한 상압증기양생 시 양생실 내 생성된 응축수 또는 선 제작 PHC 파일에 대한 AC 고온고압증기양생 시 AC 내에 생성된 응축수인 것을 특징으로 하는 PHC 파일 제조 방법.
제1항에서,
상기 (b)단계의 콘크리트는,
분체 믹서에서 상기 시멘트 및 혼화재를 믹싱하여 혼합분체를 조성하고,
액상재료 믹서에서 상기 배합수 및 혼화제를 믹싱하여 혼합액상제를 조성한 후,
콘크리트 믹서에서 상기 굵은골재, 잔골재, 혼합분체 및 혼합액상제를 믹싱하여 제조한 것을 특징으로 하는 PHC 파일 제조 방법.
제1항에서,
상기 (d)단계의 상압증기양생 방법은,
(d-1) 상기 양생실 내부 온도를 30~35℃로 맞추고 상기 몰드를 반입하는 단계;
(d-2) 상기 양생실 내부 온도를 50~55℃까지 점진적으로 상승시키면서 2시간 전치양생하는 단계;
(d-3) 1~1.5시간 동안 상기 양생실 내부 온도를 75℃까지 점진적으로 상승시키는 단계; 및
(d-4) 상기 양생실 내부 온도 75℃ 조건에서 5시간 유지하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일 제조 방법.
제4항에서,
상기 (d-1)단계 실시 전에 양생실 내부의 공기를 배출시키고,
상기 (d-1)단계 내지 (d-4)단계의 양생실 내 온도 조절은 선 제작 PHC 파일에 대한 AC 고온고압증기양생에 이용된 증기를 상기 양생실 내에 투입하여 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 PHC 파일 제조 방법을 통해 제조된 PHC 파일.
제6항에서,
상기 PHC 파일에 적용되는 콘크리트 조성물은
배합수 100~150kg/㎥; 결합재 400~800kg/㎥; 잔골재 500~850kg/㎥; 및 굵은골재 1,000~1,500kg/㎥; 를 포함하고,
감수제가 상기 결합재 대비 0.5~2.0wt% 포함되며,
상기 결합재는 1종보통시멘트와 초조강시멘트가 혼합된 것을 특징으로 하는 PHC 파일.
제7항에서,
상기 결합재의 1~40wt%가 고강도 혼합재로 치환 적용되되,
상기 고강도 혼합재는 생석회 35~55wt%, 메타카올린 5~15wt%, 고로슬래그 미분말 30~60wt%를 포함하여 조성된 것을 특징으로 하는 PHC 파일.