KR101750830B1 - 저점성 저발열 결합재 및 이를 이용한 저점성 저발열 매스 콘크리트 조성물 - Google Patents

저점성 저발열 결합재 및 이를 이용한 저점성 저발열 매스 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트의 조기강도 및 장기강도가 향상되고, 수화열이 적게 방출되어 온도 균열 및 수축 균열을 저감시킬 수 있는 저점성 저발열 결합재 및 이를 이용한 저점성 저발열 매스 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 「저점성 시멘트 17~30wt%; 고로슬래그 미분말 37~50wt%; 플라이애시 20~30wt%; 무기계 활성화재 1.0~5.0wt%; 를 포함하는 저점성 저발열 결합재」를 제공한다.

Description

저점성 저발열 결합재 및 이를 이용한 저점성 저발열 매스 콘크리트 조성물{Low viscosity-low heat generation binder and Low viscosity-low mass concrete composition using the same}
본 발명은 콘크리트의 조기강도 및 장기강도가 향상되고, 수화열이 적게 방출되어 온도 균열 및 수축 균열을 저감시킬 수 있는 저점성 저발열 결합재 및 이를 이용한 저점성 저발열 매스 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
일반적인 콘크리트 구조물은 부재의 두께가 크지 않기 때문에 수화열이 외부로 빠져나가는 기간이 짧아 콘크리트 내부에 수화열이 잘 축적되지 않고 축적되더라도 큰 문제가 되지 않는다. 그러나 건축구조물의 매트기초와 합벽, 댐, 교량의 교각과 앵커리지 등과 같이 부재가 큰 매스 콘크리트는 부재의 크기가 커 발생된 콘크리트의 수화열이 외부로 방출되는 시간이 늦기 때문에 콘크리트 내부에 열이 축적된다. 이때 콘크리트 내부에 열이 축적되어 콘크리트 내외부 온도차가 일반적으로 25℃ 이상 발생하면, 온도응력이 발생하고 이 온도응력이 콘크리트가 견딜 수 있는 자체의 인장강도보다 커질 경우 콘크리트 수화열에 의한 균열이 발생한다.
또한 건축구조물의 하부에 기초로 사용되어지는 매스 콘크리트는 타설 후, 수화열의 제어도 중요하지만 초기강도의 확보 또한 중요하다. 소정의 강도가 확보되지 않으면 매스 콘크리트 상부에 이어지는 후속공정에 제약이 발생하기 때문에 전체적으로 공사기간의 연장에 따른 리스크가 발생하기 때문이다. 따라서 재령 24시간 압축강도 5MPa 이상이 확보되고 수화열을 제어할 수 있는 매스 콘크리트에 대한 기술이 요구된다.
본 발명은 점성이 낮아 굳지 않은 콘크리트의 펌퍼빌리티 향상에 기여하고, 수화열이 적게 방출되어 온도균열 및 수축균열을 저감시킬 수 있으며, 시멘트량 대비 혼화재(고로슬래그 미분말 및 플라이애시)량을 늘리면서도, 콘크리트의 조기강도 및 장기강도 발현이 우수하게 발현되도록 하는 저점성 저발열 결합재를 제공함에 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 상기 저점성 저발열 결합재를 매스 콘크리트 조성물의 결합재로 적용함으로써 분체(결합재) 사용량을 줄이고, 양생 과정에서의 발열량을 감소시킴으로써 수화열의 축열량을 줄어고 매스 콘크리트에 발생하는 온도응력과 이에 따른 균열을 억제할 수 있는 저점성 저발열 매스 콘크리트 조성물을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
아울러, 재령 24시간 압축강도 5.0MPa 이상이 발현됨으로써 매스 콘크리트 상부에 이어지는 후속공정을 신속히 진행할 수 있도록 하여 공기(工期) 단축 및 공사비 절감에 기여할 수 있는 저점성 저발열 매스 콘크리트 조성물을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 「저점성 시멘트 17~30wt%; 고로슬래그 미분말 37~50wt%; 플라이애시 20~30wt%; 무기계 활성화재 1.0~5.0wt%; 를 포함하는 저점성 저발열 결합재」를 제공한다.
상기 저점성 시멘트는 시멘트는 비표면적 4,500~5,200㎠/g, 총 알칼리량 0.6wt% 이하, 표준체 45㎛ 잔존율 1.5~2.5wt%인 것을 적용할 수 있으며, 상기 무기계 활성화재는 비표면적이 3,000~3,500㎠/g이며, CaO 45~55wt% 및 SO3 25~35wt%를 포함하는 것을 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 「상기 저점성 저발열 결합재 23~35중량부; 잔골재 25~34중량부; 굵은골재 33~37중량부; 및 배합수 5.9~6.3중량부; 가 혼합된 조성물에, 감수제가 상기 저점성 저발열 결합재 대비 1.5~2.0wt% 혼합된 저점성 저발열 매스 콘크리트 조성물」을 함께 제공한다.
1. 저점성 시멘트, 혼화재(고로슬래그 미분말 및 플라이애시) 및 무기계 활성화재를 본 발명이 지정한 범위로 배합한 저점성 저발열 결합재를 적용한 콘크리트는 조기강도 및 장기강도가 향상되고, 수화열이 적게 방출되며, 매스 콘크리트 시공에 요구되는 굳지 않은 콘크리트의 워커빌리티 및 펌퍼빌리티가 발현된다.
2. 일반 매스 콘크리트 조성물보다 분체(결합재)량을 줄이고, 혼화재 대비 시멘트 사용량을 줄이면서도 조기강도와 장기강도 모두 종래에 비해 향상된다. 특히, 재령 24시간 압축강도가 5MPa 이상으로 발현되어 매스 콘크리트 상부에 이어지는 후속공정을 신속히 진행시킬 수 있으며, 이에 따라 공기(工期) 단축 및 공사비 절감에 기여할 수 있다.
3. 수화열 저감으로 매스 콘크리트 내외부의 온도차를 줄임으로써 온도응력 및 그에 따른 균열의 발생을 저감시킨다. 이에 따라 매스 콘크리트가 적용되는 건축 기초의 내구성이 향상되며 건축물의 구조적 안정성에 기여한다.
본 발명은 결합재 및 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 조성물을 이루는 구성성분 자체는 물론 각 구성성분의 혼합량(혼합범위, 배합비율) 등의 수치범위 역시 발명의 목적 달성을 위한 중요한 구성요소이다. 이하에서의 각종 수치는 소수점 둘째 자리에서 반올림한 것임을 먼저 밝힌다.
본 발명은 「저점성 시멘트 17~30wt%; 고로슬래그 미분말 37~50wt%; 플라이애시 20~30wt%; 무기계 활성화재 1.0~5.0wt%; 를 포함하는 저점성 저발열 결합재」를 제공한다.
상기 저점성 저발열 결합재의 57~80wt%는 물과 직접 반응을 하지 않고 포졸란 반응을 하는 고로슬래그 미분말과 플라이애시로 조성되므로 물과 배합하여 양생할 때 수화열 발생이 적고, 장기 재령 강도, 수밀성 등이 향상된다. 다만, 시멘트를 고로슬래그 미분말이나 플라이애시로 치환하여 사용할 때에는 콘크리트의 재령 초기 강도가 저하되는 문제가 있는데, 본 발명에서는 상기 저점성 시멘트를 적용함으로써 상기 초기 강도 문제를 해소한다.
상기 저점성 시멘트는 저점성 저발열 결합재 전체 중량의 17~30wt% 포함된다.
상기 저점성 시멘트는 OPC와 성분은 유사하나 비표면적이 4,500~5,200㎠/g으로 높고, 표준체 45㎛ 잔존율이 1.5~2.5wt%로 낮다. 이에 따라 수화반응 속도가 빨라, 콘크리트의 초기 강도를 증가시키는 작용을 하게 된다. 상기 저점성 시멘트의 비표면적이 4,500㎠/g 미만이 되면 초기강도 및 강도가 저하된다.
본 발명이 제공하는 저점성 저발열 결합재 중 상기 저점성 시멘트 함량이 17wt%보다 적게 되면 콘크리트의 초기강도가 저하되며, 30wt%보다 많게 되면 수화반응 속도가 빨라져 수화열이 증가하므로, 매스 콘크리트용 결합재로서의 장점이 퇴색된다.
또한, 상기 저점성 시멘트는 총 알칼리량 0.60% 이하의 저알칼리 특성을 갖는 것이 바람직하다. 상기 저점성 시멘트에 포함되는 미량성분인 수용성 알칼리염은 콘크리트에 적용된 혼화제와의 선택적 흡착이 이루어진다. 따라서 저점성 시멘트의 총 알칼리량이 유동성 및 점성에 미치는 여러 인자 중에서 매우 중요하며, 물-결합재비가 낮은 (초)고강도 콘크리트의 유동성 확보 및 점성 저감을 위해서는 적정 수준 이하의 저알칼리 시멘트 사용이 필요하다. 따라서 상기 저점성 시멘트는 (초)고강도 콘크리트의 작업성 한계를 극복하고, 강도증진 효과를 발휘하는데 기여한다.
상기 무기계 활성화재는 (초)고강도 콘크리트에서 상기 저점성 시멘트 및 고로슬래그 미분말의 수화반응 촉진제로의 역할을 하는 것으로서, 주요 성분은 주요 성분은 CaO 및 SO3 이다. 구체적으로 CaO 45~55중량%, SO3 25~35중량%이며, 나머지는 다종의 미량 성분이 포함되어 있다. 분말도는 3,000~3,500㎠/g이다.
상기 무기계 활성화재 중 CaO는 물과 반응시 Ca(OH)2를 다량 생성하게 되며, 이는 고로슬래그 미분말의 잠재수경성 반응과 플라이애시의 포졸란 반응을 촉진 시킨다. 또한 CaSO4는 상기 저점성 시멘트의 주광물 중 C3A와 반응하여 에트린자이트를 다량 생성하게 되어 초기 강도를 높여주게 된다. 이와 같은 촉진성으로 인하여 생성된 에트린자이트와 Ca(OH)2가 일정크기 이상의 공극을 메움으로서 콘크리트의 물리적 성능개선 효과를 제공할 수 있다. 또한, 상기 무기계 활성화재 높은 SO3 함량을 가지므로 시멘트 또는 슬래그 미분말 수화물과의 화학반응을 통해서 콘크리트의 강도성능을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.
일반적으로 상온 양생조건에서 콘크리트의 강도증진에 미치는 효과는 수화반응에 의한 효과와 포졸란 반응에 의한 효과로 구분할 수 있으며, 전체강도의 약 50%가 수화반응에 의한 효과이며, 포졸란 반응에 의한 효과가 약 50%이기에 이러한 무기계 활성화재는 고강도 콘크리트의 강도 증진에 중요한 요소가 된다.
또한, 결합재가 다량으로 사용되고 W/B(물/결합재비)가 낮은 (초)고강도 콘크리트의 경우 과도한 점성에 의해 펌퍼빌리티를 확보할 수 없으며, 타설 이후 수축에 의한 균열발생 가능성이 높아 이를 제어하지 않을 경우 적용분야에 한계가 있다. 본 발명에서는 상기 무기계 활성화재를 사용하여 펌퍼빌리티 저감 및 타설 초기 수축을 보상함으로써 (초)고강도 콘크리트의 사용한계도 극복할 수 있다.
무기계 활성화재는 상기 저점성 저발열 결합재의 1.0~5.0wt% 포함될 수 있다. 상기 무기계 활성화재가 1.0wt% 미만으로 포함되면 수화반응 촉진 효과를 얻을 수 없고, 5.0wt%를 초과하면 과도한 점성 발생 및 콘크리트 타설 이후에 팽창에 의한 균열발생 가능성을 증가시키고, 강도 저하를 일으킬 수 있기에 바람직하지 않다.
또한, 본 발명은 「전술한 저점성 저발열 결합재 23~35중량부; 잔골재 25~34중량부; 굵은골재 33~37중량부; 및 배합수 5.9~6.3중량부; 가 혼합된 조성물에, 감수제가 상기 저점성 저발열 결합재 대비 1.5~2.0wt% 혼합된 저점성 저발열 매스 콘크리트 조성물」을 함께 제공한다.
본 발명에 적용되는 감수제는 폴리카르본산계 등 일반적인 감수제를 적용할 수 있으며, 필요에 따라 공기연행제 등의 혼화제를 추가로 첨가할 수 있다.
이하에서는 구체적인 실험 데이터와 함께 본 발명을 설명하기로 한다.
아래 [표 1]의 비교예1 및 실시예1에서는 1종보통포틀랜드시멘트를 주 결합재로 사용하였다.
구분
 단위용용적질량(kg/㎥)
W
 분체량 S1 S2 G AD AE
C F/A S/P I·A Total
비교예1 147 138 92 230 - 460 562 369 835 4.6 0.1
실시예1 147 138 69 230 23 460 564 375 828 4.6 0.1
W : 물 C : 시멘트 F/A : 플라이애시
S/P : 고로슬래그 미분말 I·A : 무기계 활성화재
S1 : 부순모래 S2 : 세척사 G : 굵은골재
AD : 감수제 AE : 공기연행제
아래의 [표 2]는 상기 무기계 활성화재의 성분 및 물성을 나타낸 것이다.
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SO3 LOI 밀도 비표면적
(㎠/g)
3.32 0.4 0.09 45.35 26.17 18.25 2.79 3,490
아래의 [표 3]은 비교예1과 실시예1의 콘크리트 성능 시험 결과를 정리한 것이다.
구 분 슬럼프플로우
(mm)		 공기량
(%)		 압축강도(MPa)
1일 3일 7일 28일
비교예1 655 4.0 1.9 26.2 36.2 49.3
실시예1 650 3.9 3.0 28.6 39.4 52.7
비교예1은 매스 콘크리트에 일반적으로 사용되어는 배합이며, OPC 30wt%, F/A 20wt%, S/P 50wt%를 사용하였다. 실시예1은 무기계 활성화재의 성능을 알아보기 위하여 F/A의 일부를 무기계 활성화재로 치환하여, OPC 30wt%, F/A 15wt%, S/P 50wt%, 무기계 활성화재 5wt%를 사용하였다. 실험 결과, 비교예 1과 실시예 1의 슬럼프플로와 공기량은 동일한 수준으로 나타났다. 1일 압축강도는 무기계 활성화재를 사용한 실시예1의 경우 비교예1 대비 36.7% 증가하는 것으로 나타나 무기계 활성화재가 초기강도 증진에 큰 역할을 하는 것으로 나타났으며, 28일 강도의 경우도 실시예1이 비교예1에 비해 약 6.9% 증진되는 것으로 나타났다.
다만, 실시예1은 재령 1일(24시간) 압축강도가 5.0MPa에 이르지 못하므로 조기 강도 발현을 위한 기술수단이 더 추가되어야 함을 알 수 있다.
아래 [표 4]의 실시예2에서는 1종보통포틀랜드시멘트 대신 저점성 시멘트를 사용하였다.
구분
 단위용용적질량(kg/㎥)
W
 분체량 S1
 S2
 G
 AD
 AE
C F/A S/P Total
비교예1 147 138(OPC) 92 230 460 562 369 835 4.6 0.1
실시예2 147 92(저점성C) 138 230 460 557 366 918 6.0 0.14
아래의 [표 5] 내지 [표 7]은 위의 실험에 적용된 저점성 시멘트의 성분 및 물성을 나타낸 것이다. 표 5]는 저점성 시멘트의 화학성분별 함량, [표 6]은 조성광물별 함량, [표 7]은 물리적 특성을 나타낸 것이다.
성분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O T.A LOI
함량
(wt%)		 19.87 4.53 3.27 62.25 3.42 3.5 0.75 0.09 0.58 0.98
※ T.A : 총 알칼리량, K2O와 Na2O의 함량을 분자식으로 계산하여 도출
※ LOI : 강열감량
구 분 C3S C2S C3A C4AF
함량(wt%) 57.32 13.75 6.47 9.95
밀도 비표면적 표준체 45㎛ 이하
잔존율
3.15 5,120 1.4wt%
아래 [표 8]은 비교예1과 실시예2의 콘크리트 성능 시험 결과를 비교 정리한 것이다.
구 분 슬럼프플로우
(mm)		 공기량
(%)		 압축강도(MPa)
1일 3일 7일 28일
비교예1 655 4.0 1.9 26.2 36.2 49.3
실시예2 645 4.1 4.1 27.3 37.8 51.1
실시예2는 저점성 시멘트를 사용한 것으로 저점성 시멘트 20wt%, F/A 30wt%, S/P 50wt%를 사용하였다. 실험결과, 슬럼프플로우와 공기량은 비교예1과 유사한 것으로 나타났다. 실시예2의 경우 저점성 시멘트를 이용하여 비교예1보다 시멘트량을 약 3분의 1(결합재 총량의 10wt%) 적게 적용했음에도 불구하고 재령 1일 압축강도는 115.8% 증가하는 것으로 나타났다.
다만, 실시예2 역시 재령 1일(24시간) 압축강도가 5.0MPa에 이르지 못하였고, 이에 따라 전술한 무기계 활성화재와 저점성 시멘트를 함께 적용해 볼 필요가 있었다.
아래 [표 9] 및 [표 10] 상기 저점성 시멘트와 무기계 활성화재를 함께 적용하면서 저점성 시멘트의 사용량을 달리하면서(실시예3,4) 콘크리트 성능을 비교한 결과를 나타낸 것이다.
구분
 단위용용적질량(kg/㎥)
W
 분체량 S1 S2 G AD AE
C F/A S/P I.A Total
비교예1 147 138(OPC) 92 230 - 460 562 369 835 4.6 0.09
실시예3 147 92(저점성C) 115 230 23 460 559 371 821 5.1 0.11
실시예4 147 78(저점성C) 129 230 23 460 557 370 819 5.1 0.12
구 분 슬럼프플로우
(mm)		 공기량
(vol%)		 압축강도(MPa)
1일 3일 7일 28일
비교예1 655 4.0 1.9 26.2 36.2 49.3
실시예3 660 3.8 6.1 28.7 40.1 56.0
실시예4 640 3.6 5.5 29.1 39.5 56.8
실시예4가 실시예3에 비해 저점성 시멘트 사용량을 줄이고 F/A 사용량을 늘림에 따라 재령 1일 압축강도는 다소 저하되었으나 재령 28일 압축강도는 오히려 높게 나타났다. 실시예3,4 모두 비교예1에 비해서는 재령 1일 압축강도가 200% 전후로 크게 향상되면서 5.0MPa을 초과하기에 이르렀다. 재령 28일 압축강도 역시 실시예3,4 모두 13% 이상 향상되었다.
아래의 [그래프 1]은 비교예1과 실시예3,4의 콘크리트 양생 시간별 단열온도 상승량을 나타낸 것이다. 단열온도는 Tokyo Riko사의 장치를 이용하여 측정하였다.
[그래프1]
Figure 112016110478114-pat00001
실시예3은 저점성 저발열 시멘트 20wt%, F/A 25wt%, S/P 50wt%, 무기계 활성화재 5wt%를 사용한 것이고 실시예4는 저점성 저발열 시멘트 17wt%, F/A 28wt%, S/P 50wt%, 무기계 활성화재 5wt%를 사용한 것이다. 비교예1과 비교하여 실시예3에서는 재령 7일 단열온도값이 1.5℃ 저하되고, 실시예4에서는 2.4℃ 저하되는 것으로 나타났다.
비교예1이 종래의 매스 콘크리트 조성물로서, 수화열 저감을 고려하여 배합된 것임을 감안할 때, 실시예3,4 모두 수화열이 저감 효과가 크다는 것을 확인할 수 있으며, 실험 수준에서 위와 같은 온도차가 발생하므로 대용적의 실제 매스 콘크리트에서는 더 큰 차이가 발생할 것으로 추정할 수 있다.

Claims (4)

  1. 저점성 시멘트 17~30wt%; 고로슬래그 미분말 37~50wt%; 플라이애시 20~30wt%; 무기계 활성화재 1.0~5.0wt%; 를 포함하되,
    상기 저점성 시멘트는 비표면적 4,500~5,200㎠/g, 총 알칼리량 0.6wt% 이하, 표준체 45㎛ 잔존율 1.5~2.5wt%이고,
    상기 무기계 활성화재는 비표면적이 3,000~3,500㎠/g이며, CaO 45~55wt% 및 SO3 25~35wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 저점성 저발열 결합재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항의 저점성 저발열 결합재 23~35중량부; 잔골재 25~34중량부; 굵은골재 33~37중량부; 및 배합수 5.9~6.3중량부; 가 혼합된 조성물에, 감수제가 상기 저점성 저발열 결합재 대비 1.5~2.0wt% 혼합된 저점성 저발열 매스 콘크리트 조성물.
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