KR101881077B1 - 페로니켈 슬레그를 포함하는 시멘트 조성물, 및 이를 포함하는 콘크리트 조성물 - Google Patents

페로니켈 슬레그를 포함하는 시멘트 조성물, 및 이를 포함하는 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분말도가 다른 2종 또는 3종의 페로니켈 슬래그 미분말 5~30중량%, 및 보통 포틀랜드 시멘트 70~95중량%를 포함하는 시멘트 조성물, 및 이를 포함하는 콘크리트 조성물을 제공하며, 이에 따르면, 페로니켈 슬래그의 활용 범위를 넓혀 경제적 및 환경적인 점에 도움을 줄 수 있고, 강열감량 개선, 내염해 저항성, 강도 향상, 수화열 저감 등과 성능이 기존 콘크리트 조성물의 동등 이상으로 나타나는 효과가 있다.

Description

페로니켈 슬레그를 포함하는 시멘트 조성물, 및 이를 포함하는 콘크리트 조성물{CEMENT COMPOSITION COMPRISING FERRONICKEL SLAG, AND CONCRETE COMPOSITION COMPRISING THE SAME}
본 발명은 페로니켈 슬레그를 포함하는 시멘트 조성물, 및 이를 포함하는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
화력 발전소, 제철소 등의 산업 부산물을 활용한 혼합 콘크리트의 제조에 대하여 많은 연구가 진행되었으며, 활용 범위를 확장하면서 국내외적으로도 그 활용성이 점차 증대되고 있다. 즉, 기존 OPC(ordinary Portland Cement; 보통 포틀랜드 시멘트)의 원가절감 측면 혹은 고성능(고내구성, 고강도성, 고유동성) 콘크리트의 개발을 위하여 각종 시멘트 대체재가 개발되고 있다. 뿐만 아니라, 시멘트 대체제의 조기 강도 확보를 가속화하기 위한 고성능 혼화재, 최적 치환률의 개발에도 관련 분야 종사자들의 관심이 집중되고 있다.
기존에는 각종 산업 폐기물로 치부되다가 최근에 이르러 혼화재로서 인정을 받는 것들의 대표적인 예는 고로슬래그 미분말, 플라이 애쉬, 실리카퓸 등이 있다. 이 중, 고로슬래그 미분말 및 플라이 애쉬의 경우는 국내산 제품에 대한 수요와 공급 등이 유기적으로 절충되고 있으나, 실리카퓸의 경우는 관련 공장 및 대량 생산 시설의 미비 등으로 인해 우수한 고품질성에도 불구하고 전량 수입에 의존하고 있다가 2015년에야 이르러나 국산화 보급이 가능한 상태에 도달했다.
한편, 최근 또 다른 철강 산업의 부산물로서 페로니켈 슬래그의 사용에 관심이 집중되고 있다. 상기 페로니켈 슬래그는 페로니켈을 생산하기 위해 원료로 사용된 니켈광석, 유연탄 등이 고온에서 용융되어 페로니켈과 분리된 후 배출되는 부산물이다. 상기 페로니켈 슬래그는 물리적, 화학적 성질이 우수한 친환경적 자원으로 콘크리트용 골재, 주물사, 연마재, 사문암 대체재 등의 천연자원 대체재로 활용되어 자원과 환경 보전에 기여하고 있다.
우리나라를 비롯한 일본, 뉴칼레도니아 등 선진국에서도 이미 오래 전부터 다양한 방법으로 페로니켈 슬래그를 활용하고 있다. 이러한 페로니켈 슬래그는 용융슬래그가 자연 공냉에 의해 생산된 프라임 스톤과 물을 분사하여 급속 냉각되어 생산된 프라임 샌드로 분류된다.
상기 프라임 스톤의 경우는 용융슬래그가 자연 공냉에 의해 서서히 냉각시켜 자갈 형태로 생산한 제품이며 성토재, 노반재, 아스팔트용 골재, 사문암 대체재 등 토목용 골재로 사용시 다짐율이 우수한 것으로 알려져 있다. 한편 상기 프라임 샌드의 경우는 용융슬래그에 물을 분사하여 모래 형태로 생산한 제품을 일컫는데 천연모래 이상으로 우수한 특성을 가지고 있어서 콘크리트용 모래로 사용이 가능하다.
그러나 이를 대량 시멘트 치환 대체재로 기술 개발한 사례는 전무한 실정이고, 국내의 경우에는 ㈜SNNC에서 유일하게 페로니켈 슬래그 생산을 통한 독점 시장을 구축하여 자가 실내 연구를 진행한 것에 그치고 있으며, 해외의 경우에는 그리스의 Larco사 등에서 페로니켈 슬래그 활용 초속경 시멘트 대체재를 개발하였으나 현행 국내의 페로니켈 슬래그 원료 광석과는 화학적 구성성분 측면에서 상이하여 비교가 불가한 상태이다.
본 발명은 페로니켈 슬레그를 포함하는 시멘트 조성물, 및 이를 포함하는 콘크리트 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분말도가 다른 2종 또는 3종의 페로니켈 슬래그 미분말 5~30중량%, 및 보통 포틀랜드 시멘트 70~95중량%를 포함하는, 페로니켈 슬래그를 포함하는 시멘트 조성물을 제공한다.
상기 분말도가 다른 2종의 페로니켈 슬래그 미분말은, 1종이 분말도가 3900~4666㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(a)에서 선택된 것이고, 다른 1종이 분말도가 5100~8000㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(b)에서 선택된 것일 수 있다.
상기 미분말(a) 및 미분말(b)은 혼합비가 a:b=1:0.5~2일 수 있다.
상기 분말도가 다른 3종의 페로니켈 슬래그 미분말은, 1종이 분말도가 3900~4666㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(c)에서 선택된 것이고, 다른 1종이 분말도가 5100~8000㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(d)에서 선택된 것이고, 또 다른 1종이 분말도가 10000~30000㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(e)에서 선택된 것일 수 있다.
상기 미분말(c), 미분말(d), 및 미분말(e)은 혼합비가 c:d:e=1:0.5~2:1~2.1일 수 있다.
상기 페로니켈 슬래그 미분말은 산이 처리된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 시멘트 조성물을 포함하는 콘크리트 조성물을 제공한다.
상기 시멘트 조성물(B) 260~460㎏/㎥, 잔골재(S) 750~950㎏/㎥, 굵은골재(G) 800~1000㎏/㎥, 및 물(W) 100~200㎏/㎥을 포함할 수 있다.
상기 시멘트 조성물(B)에 대한 상기 물(W)의 함량비인 물-결합재비(W/B)는 41~52%이고, 전체 골재에 대한 상기 잔골재(S)의 함량비인 잔골재율(S/A)은 43~52%일 수 있다.
상기 잔골재(S)는 단위중량이 2.1~2.7g/㎤이고, 상기 잔골재(S)는 조립율은 2.3~3.2이고, 상기 굵은골재(G)는 단위중량이 2.1~2.9g/㎤일 수 있다.
본 발명은 페로니켈 슬래그의 활용 범위를 넓혀 경제적 및 환경적인 점에 도움을 주는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 페로니켈 슬래그를 포함하는 시멘트 및 콘크리트 조성물은 강열감량 개선, 내염해 저항성, 강도 향상, 수화열 저감 등과 성능이 기존 콘크리트 조성물의 동등 이상으로 나타나는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 실시예 1에서 강열감량 값을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 2에서 염소이온 고정화 능력에 따른 내염해 저항성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 3에서 재령별 강도 발현 성능을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 3에서 재령별 강도 발현 성능의 추세선을 도시한 그래프이다.
도 6은 실시예 4에서 수화열을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 페로니켈 슬레그를 포함하는 시멘트 조성물, 및 이를 포함하는 콘크리트 조성물에 관한 것이다. 이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 분말도가 다른 2종 또는 3종의 페로니켈 슬래그 미분말 5~30중량%, 및 보통 포틀랜드 시멘트 70~95중량%를 포함하는 시멘트 조성물을 제공한다.
통상적으로 페로니켈 슬래그의 재활용은 미미한 수준으로 단순 매립에 의존하고 있었다. 또한, 페로니켈 슬래그가 대략 100㎛ 이상으로 입자가 큰 경우에는 잠재수경성과 같은 반응이 발현되지 않아, 노반재 또는 콘크리트용 잔골재로서만 활용되고 있었다. 그러나, 본 발명은 이러한 페로니켈 슬래그를 시멘트 및 콘크리트 조성물로 활용함으로써 경제적인 점과 환경적인 점에서 도움을 주는 효과가 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 조성물은, 분말도가 다른 2종 또는 3종의 페로니켈 슬래그 미분말을 포함한다. 이러한 분말도가 다른 2종 또는 3종의 페로니켈 슬래그 미분말을 포함하는 시멘트 또는 콘크리트 조성물은, 강열감량 개선, 내염해 저항성, 강도 향상, 수화열 저감 등과 같은 성능이 기존 콘크리트 조성물의 동등 이상으로 나타나는 효과가 있다.
시멘트 및 콘크리트 조성물은 개별 조성물의 용도, 조성 등에 따라 임계 강열감량 값이 각기 다르게 요구되고 있다. 그 이유는 강열감량이 요구되는 값으로 제어되지 못하면 콘크리트 내에서 공기량을 감소시키며, 작업성(Workability)을 저하시키고 강도 성능 역시 저하시킬 수 있기 때문이다. 이러한 문제점을 방지하기 위해서 종래에 재가공 소성법, 플라즈마 표면처리 기법 등이 활용되었다.
그러나, 본 발명은 분말도가 다른 2종 또는 3종의 페로니켈 슬래그 미분말에서 각 미분말의 분말도를 적절히 선택하여 혼합하여 이용함으로써 시멘트 및 콘크리트의 강열감량 값을 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 페로니켈 슬래그 미분말은 시멘트와 물간의 수화 반응에 의해 생성되는 수화 반응물과 함께 경화되면서 2차적인 반응을 일으켜, 장기적으로 콘크리트의 강도 향상에 도움을 줄 수 있다. 구체적으로, 페로니켈 슬래그는 분쇄가 진행됨에 따라 결정구조가 파괴됨으로써, 시멘트와 물간의 수화 반응에 의해 생성되는 수화 반응물, 예를 들어, 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응을 일으키는 Si 이온의 함량이 증가될 수 있다. 이로 인해, 분쇄된 페로니켈 슬래그 미분말을 포함하는 시멘트 및 콘크리트 조성물은 2차적인 반응이 일어나 장기적으로 콘크리트 강도가 향상될 수 있다.
페로니켈 슬래그 미분말의 Si 이온은 수산화칼슘과 반응하여 함께 경과되면서 2차적인 반응을 일으키고, 이로 인해 장기적으로 콘크리트의 강도 향상에 도움을 줄 수 있다. 이러한 반응은 하기 식 1과 같은 반응식으로 나타낼 수 있으며, 이러한 반응의 생성물로는 겔 또는 결정 상태의 CaO-SiO2-H2O가 생성될 수 있다.
SiO2 + Ca(OH)2 → CaO-SiO2-H2O (1)
본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 조성물은 페로니켈 슬래그 미분말 5~70중량%, 및 보통 포틀랜드 시멘트 30~95중량%를 포함한다.
상기 페로니켈 슬래그 미분말의 함량은 5~70중량%일 수 있으며, 상기 페로니켈 슬래그 미분말의 함량이 5중량% 미만이면 보통 포틀랜드 시멘트를 대체하는 페로니켈 슬래그 미분말의 양이 소량이어서 본 발명의 경제적인 효과를 거두기 어렵고, 콘크리트 내부로 침투하는 고정 염소이온의 양이 적어 내염해를 저감하는 효과가 나타나지 않을 수 있다. 한편, 상기 페로니켈 슬래그 미분말의 함량이 70중량% 초과하면 혼화재가 반응할 시멘트와 물간의 수화 반응물의 양이 혼화재에 비하여 상대적으로 부족해, 추후 경화시 콘크리트의 강도를 오히려 저하하는 현상이 발생할 수 있다. 상기 페로니켈 슬래그 미분말은 바람직하게는 5 내지 30중량%, 보다 바람직하게는 15 내지 25중량%의 범위로 포함할 수 있다.
상기 보통 포틀랜드 시멘트의 함량은 30~95중량%일 수 있으며, 상기 보통 포틀랜드 시멘트의 함량이 30중량% 미만이면 페로니켈 슬래그 미분말의 함량이 지나치게 많아 상대적으로 시멘트와 물간의 수화 반응물이 부족해, 추후 경화시 콘크리트의 강도를 오히려 저하하는 현상이 발생할 수 있으며, 95중량%를 초과하면 보통 포틀랜드 시멘트를 대체하는 페로니켈 슬래그 미분말의 양이 상대적으로 소량이어서 시멘트 대체재로서 부산물을 사용함으로써 얻고자 하는 경제적인 효과를 거두기 어렵고, 콘크리트 내부로 침투하는 고정염소이온의 양이 적어 내염해를 저감하는 효과가 나타나지 않을 수 있다. 상기 보통 포틀랜드 시멘트는 바람직하게는 70 내지 95중량%, 보다 바람직하게는 75 내지 85중량%의 범위로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트용 혼화재는 분말도가 다른 2종 또는 3종의 페로니켈 슬래그 미분말을 포함할 수 있다. 즉, 원재료의 분말도를 복합 응용함으로써, 페로니켈슬래그의 충진 성능을 극대화시킬 수 있다. 2종의 분말도를 갖는 페로니켈 슬래그를 사용하는 경우, 상기 페로니켈 슬래그 미분말의 1종은 분말도가 3900~4666㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(a)에서 선택될 수 있고, 다른 1종은 분말도가 5100~8000㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(b)에서 선택된 것일 수 있다.
예를 들어, 분쇄된 페로니켈 슬래그 미분말의 분말도가 각각 4600㎠/g 및 5100㎠/g인 경우 상기 페로니켈 슬래그 미분말의 구성성분은 하기 표 1과 같다. 이때, 비교의 기준으로 보통 포틀랜드 시멘트의 구성성분을 함께 나타내었다.
SiO2 CaO MgO Al2O3 Fe2O3 K2O SO3 Na2O
OPC* 21.78 61.09 2.84 4.51 3.41 0.95 2.23 0.12
FNS(4600)** 40.46 6.60 40.45 3.45 6.87 0.08 0.53 0.04
FNS(5100)*** 40.68 3.61 43.43 2.65 7.88 0.05 0.29 0.02
*OPC: 보통 포틀랜드 시멘트
** FNS (4600): 분말도가 4600cm2/g인 페로니켈 슬래그
*** FNS (5100): 분말도가 5100cm2/g인 페로니켈 슬래그
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 페로니켈 슬래그는 분쇄가 진행됨에 따라 Si 이온의 함량비가 증대하는 경향을 나타낸다. 따라서, 수산화칼슘과 반응할 수 있는 Si 이온이 증대하게 되어 CaO-SiO2-H2O(C-S-H) 생성 반응에 바람직하다. 다만, CaO의 함량비가 감소하게 되는바, 상기와 같은 2종의 분말도를 갖는 페로니켈 슬래그를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
분말도가 다른 2종의 페로니켈 슬래그 미분말을 포함하는 콘크리트용 혼화재에서, 1종의 분말도가 3900~4666㎠/g인 것이 바람직하며, 다른 1종의 분말도가 5100~8000㎠/g인 것이 바람직하다. 상기 1종의 분말도가 3900㎠/g 미만이면 충진 효과가 적어지며, 이에 따라 시멘트 매트릭스 계 내에서의 2차 변종 C-S-H 반응의 속도를 지연시킬 수 있다. 한편, 4666㎠/g을 초과하면 혼화재를 보통 포틀랜드 시멘트에 혼합 시 1차 반응인 CH 반응(CaO-H2O 반응)의 속도를 추월하여 2차 반응인 C-S-H가 형성되고, 이에 의해 CH의 속도를 저하시켜 종합적인 경화반응이 저하될 수 있으며, 이로 인해 압축강도 등의 성능저하가 발생될 수 있으며, 이는 결국 시멘트 혼화재로서 페로니켈슬래그의 치환률 감소를 야기시킬 수 있다.
한편, 다른 1종의 분말도가 5100㎠/g 미만이면 수분 및 CO2 흡착 등에 따른 콘크리트의 감열 감량을 원하는 값으로 제어할 수 없으며, 8000㎠/g를 초과하면 혼화재를 보통 포틀랜드 시멘트에 혼합시 임계 치환률 이상의 범위에서 압축강도가 저하될 수 있다.
상기 분말도가 3900~4666㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(a) 및 분말도가 5100~8000㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(b)의 혼합비는 a:b=1:0.5~2인 것이 바람직하며, a:b=1:1~1.5인 것이 보다 바람직하다. 상기 미분말(a)에 대한 미분말(b)의 중량비가 0.5 미만이면 콘크리트의 감열감량 저감 및 내염해성 향상 효과가 충분하지 않으며, 상기 중량비가 2를 초과하면 혼화재를 보통 포틀랜드 시멘트에 혼합 시 압축강도가 저하될 수 있다.
한편, 분말도가 다른 3종의 페로니켈 슬래그 미분말은, 1종의 분말도가 3900~4666㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(c)에서 선택된 것이고, 다른 1종의 분말도가 5100~8000㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(d)에서 선택된 것이고, 또 다른 1종의 분말도가 10000~30000㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(e)에서 선택된 것일 수 있다.
이와 같이 분말도가 다른 3종의 페로니켈 슬래그 미분말을 혼합하여 사용하는 것은 보다 고분말도의 페로니켈 슬래그를 사용함으로써 Si 이온의 함량을 보다 증대시킬 수 있어 CaO-SiO2-H2O 생성 반응을 보다 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 강열감량 개선의 효과 및 내염해성 향상효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
이에, 상기 2종의 분말도를 갖는 페로니켈 슬래그 미분말의 혼합물에 분말도가 10000~30000㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말을 더욱 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 다른 1종의 분말도가 10000㎠/g 미만이면 고미분말의 사용으로 인한 콘크리트의 감열감량 개선 및 내염해성 향상 효과의 개선이 크지 않고, 30000㎠/g을 초과하면 페로니켈 슬래그의 분쇄에 소요되는 비용이 증가하여 비경제적일 수 있다.
상기 분말도가 3900~4666㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(a), 분말도가 5100~8000㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(b) 및 분말도가 10000~30000㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말(c)의 혼합비는 1:0.5~2:1~2.1인 것이 바람직하다. 상기 미분말(a), 미분말(b), 및 미분말(c)은 혼합비가 a:b:c=1:0.5:1 미만이면 페로니켈 슬래그의 한계 치환률 범위에서 콘크리트의 감열감량을 원하는 값으로 제어할 수 없으며, a:b:c=1:2:2.1을 초과하면 혼화재를 보통 포틀랜드 시멘트에 혼합 시 압축강도가 저하될 수 있다.
상기 페로니켈 슬래그 미분말은 산에 의해 물성이 개질될 수 있으며, 구체적으로, 상기 페로니켈 슬래그 미분말이 산으로 처리됨으로써 산화규소만의 함량이 증가된 크루드 실리카(crude Silica)가 얻어질 수 있다. 본 발명은 산으로 처리된 페로니켈 슬래그 미분말을 포함하는 시멘트 및 콘크리트 조성물을 제공함으로써 강열감량 개선, 내염해 저항성, 강도 향상, 수화열 저감 등과 같은 역학 성능이 기존 콘크리트 조성물의 동등 이상으로 나타나는 효과가 있다.
상기 페로니켈 슬래그를 처리하는 산의 종류는 이로써 특별히 한정하는 것이 아니나, 예를 들어, 황산, 염산, 질산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 페로니켈 슬래그 미분말의 비중은 2.5~4.5인 것이 바람직하고, 2.8~4.0인 것이 더욱 바람직하다. 상기 페로니켈 슬래그 미분말의 비중이 2.5 미만이면 내염해성을 저감하는 효과가 나타나지 않을 수 있으며, 4.5 초과하면 콘크리트의 강도를 오히려 저하하는 현상이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 시멘트 조성물(B) 260~460㎏/㎥, 잔골재(S) 750~950㎏/㎥, 굵은골재(G) 800~1000㎏/㎥, 및 물(W) 100~200㎏/㎥을 포함하는 콘크리트 조성물을 제공할 수 있다.
상기 시멘트 조성물(B)의 함량은 260~460㎏/㎥인 것이 바람직하다. 상기 시멘트 조성물(B)의 함량이 260㎏/㎥ 미만이면 고정 염소이온의 양이 적어 내염해를 저감하는 효과가 나타나지 않을 수 있으며, 460㎏/㎥ 초과하면 추후 경화시 콘크리트의 강도를 오히려 저하하는 현상이 발생할 수 있다.
상기 잔골재(S)의 함량은 750~950㎏/㎥인 것이 바람직하다. 상기 잔골재(S)의 함량이 750㎏/㎥ 미만이면 콘크리트의 내구성을 보장하기 어려울 수 있으며, 950㎏/㎥를 초과하면 골재가 과다하게 포함되어 골재간의 결합이 약해 콘크리트의 균열이 발생할 수 있다.
한편, 상기 굵은골재(G)의 함량은 800~1000㎏/㎥인 것이 바람직하다. 상기 굵은골재(G)의 함량이 800㎏/㎥ 미만이면 콘크리트의 내구성을 보장하기 어려울 수 있으며, 1000㎏/㎥ 초과하면 골대가 과다하게 포함되어 골재간의 결합이 약해 콘크리트의 균열이 발생할 수 있다.
상기 시멘트 조성물(B)에 대한 상기 물(W)의 함량비인 물-결합재비(W/B)는 41~52%인 것이 바람직하고, 46.7~50%인 것이 더욱 바람직하다. 상기 물-결합재비(W/B)가 41% 미만이면 시멘트의 수화반응이 충분하게 일어나지 못하여 콘크리트 구조물 내부의 압축강도가 감소할 수 있으며, 52%를 초과하면 증발된 물이 콘크리트 구조물 내에 공극을 생성시키기 때문에 콘크리트의 강도가 감소할 수 있다.
전체 골재에 대한 상기 잔골재(S)의 함량비인 잔골재율(S/A)은 43~52%인 것이 바람직하고, 44~48.1%인 것이 더욱 바람직하다. 상기 잔골재율이 43% 미만이면 콘크리트 조성물의 굵은 골재량이 증가하여 건조수축균열이 감소하나 작업성이 나빠질 수 있으며, 52%를 초과하면 콘크리트 배합물의 건조수축, 침하균열 및 소성수축균열이 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예인 콘크리트 조성물에 포함된 잔골재(S)는 단위중량이 2.1~2.7g/㎤인 것이 바람직하다. 상기 잔골재의 단위중량이 2.1g/㎤ 미만이면 작업성이 열위해질 수 있으며, 2.7g/㎤ 초과하면 콘크리트의 균열이 발생할 수 있다.
또한, 상기 잔골재(S)의 조립율은 2.3~3.2일 수 있으며, 상기 잔골재(S)의 조립율이 2.3 미만이면 침하균열 및 소성수축균열이 증가할 수 있으며, 3.2 초과하면 추후 경화시 콘크리트의 강도를 오히려 저하하는 현상이 발생할 수 있다.
한편, 상기 굵은골재(G)는 단위중량이 2.1~2.9g/㎤일 수 있으며, 상기 굵은골재(G)의 단위중량이 2.1g/㎤ 미만이면 콘크리트의 균열이 발생할 수 있으며, 2.9g/㎤ 초과하면 추후 경화시 콘크리트의 강도를 오히려 저하하는 현상이 발생할 수 있다.
실시예
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 1. 강열감량 측정
페로니켈 슬래그를 각각 분말도 4666㎠/g, 5142㎠/g으로 분쇄하였다. 대조군으로 입경이 대략 5㎜인 페로니켈 잔골재와 분말도가 3712㎠/g인 보통 포틀랜드 시멘트를 준비했다. 이들을 1000~1200℃로 가열하여 강열감량을 측정하고, 그 결과를 도 1에 나타냈다.
도 1에 따르면, 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)의 강열감량이 2.4%이고, 페로니켈 슬래그 잔골재(FNS 잔골재)의 강열감량이 0.07%이고, 분말도가 4666㎠/g인 페로니켈 슬래그(FNS 분말 4666)의 강열감량이 -0.7%)이며, 분말도가 5142㎠/g인 페로니켈 슬래그(FNS 분말 5142)의 강열감량이 -0.73%의의 순서로 강열감량이 점진적으로 감소하는 경향을 보이고 있음을 확인했다.
즉, 분말도가 4666㎠/g, 5142㎠/g인 페로니켈 슬래그 미분말은 페로니켈 슬래그 잔골재에 비하여 강열감량이 현저히 낮다. 따라서, 도 1을 통해 분말도가 증가함에 따라 페로니켈 슬래그 미분말의 강열감량이 감소한다는 점을 확인할 수 있으며, 분말도가 상이한 2종 또는 3종의 페로니켈 슬래그 미분말을 적절히 선택하고 이를 혼합하여 사용함으로써, 용도 등에 따라 콘크리트 또는 시멘트 조성물이 요구하는 강열감량으로 강열감량 값을 제어할 수 있음을 확인했다.
한편, 분말도가 3952㎠/g인 페로니켈 슬래그를 준비하고, 황산을 처리하여 크루드 실리카(Crude Silica)를 제조했다. 상기 크루드 실리카를 분쇄하여 분말도가 5090㎠/g인 크루드 실리카를 제조했다. 이후, 분말도가 각각 3952㎠/g, 5090㎠/g인 크루드 실리카를 1000~1200℃로 가열하여 강열감량을 측정하고, 그 결과를 도 2에 나타냈다.
도 2에 따르면, 분말도가 3952㎠/g인 크루드 페로니켈 슬래그 분말(크루드 FNS 분말 3952)의 강열감량은 5.7%이었으며, 분말도가 5090㎠/g인 페로니켈 슬래그 분말(크루드 FNS 분말 5090)의 강열감량은 5.65%로 강열감량이 점진적 감소 추세를 보이고 있음을 확인했다. 따라서, 크루드 실리카도, 분말도가 상이한 2종 또는 3종의 크루드 실리카를 적절히 선택하고 이를 혼합하여 사용함으로써, 용도 등에 따라 콘크리트 또는 시멘트 조성물이 요구하는 강열감량으로 강열감량 값을 제어할 수 있음을 확인했다.
실시예 2. 내염해 저감성 측정
페로니켈 슬래그를 각각 분말도 4600, 5100㎠/g으로 분쇄하여, 분말도가 다른 2종의 페로니켈 슬래그 미분말을 제조했다. 이후, 상기 페로니켈 슬래그 미분말 30%와 보통 포틀랜드 시멘트 70중량%를 혼합하여 분말도가 4600㎠/g인 시멘트 조성물(30FNS(L))을 제조했다. 또한, 상기 페로니켈 슬래그 미분말 10%와 보통 포틀랜드 시멘트 90중량%를 혼합하여 분말도가 5100㎠/g인 시멘트 조성물(10FNS(M))을 제조했다. 대조군으로 보통 포틀랜드 시멘트만을 포함하는 시멘트 조성물(OPC)을 사용했다.
30FNS(L), 10FNS(M), OPC 시멘트 조성물의 제안 배합은, 가장 일반적인 설계기준 압축강도 범주인 30MPa급 규격에 대해 W/B(물/결합재비) 46.7%, S/a (잔골재율)이 48.1%, 시멘트 비중 3.15, 잔골재의 단위중량(표건) 2.95g/㎤, 잔골재의 단위중량(절건) 2.93g/㎤, 잔골재 흡수율은 0.7%, 잔골재의 조립률 4.28, 강열감량 0.07%, 굵은골재 단위중량 2.1~2.9g/㎤, 골재 최대치수 25㎜, 잔골재의 조립률 2.3~3.2이다. 이러한 배합으로 콘크리트 조성물을 제조하고 염소이온 고정화 능력에 따른 내염해 저항성을 평가하였다. 또한, 그 결과를 도 3에 나타냈다.
도 3은 염소이온 고정화 능력에 따른 내염해 저항성을 평가한 그래프이다. 콘크리트 구조물의 내구수명은, 외부의 유해이온, 특히, 침투 속도가 보편적으로 가장 빠른 외부의 염소이온이 콘크리트 피복을 거쳐 최외각 철근의 표면에 도달하기까지의 시간을 의미한다. 이때, 염소이온은 고정 염소이온(Bounded chloride)과 자유 염소이온(Free chloride)으로 분류되며, 콘크리트 내부로 침투하는 고정 염소이온의 함량이 많을수록 상대적으로 자유 염소이온의 함량이 적어져서 콘크리트 피복 두께를 지나서 최외각 철근의 표면에 도달하기 위한 실질 염소이온의 양이 적어진다. 따라서, 콘크리트 내부에서 콘크리트 조성물의 배합에 따라 고정염소이온의 양이 증가한다는 것은 결국 자유염소이온의 감소를 귀납하여 종국적으로 내구 수명을 증진시킨다는 것을 의미한다.
따라서, 도3에 따르면 분말도가 4600㎠/g, 5100㎠/g인 콘크리트 조성물은, 대조군인 보통 포틀랜드 시멘트만으로 이루어진 콘크리트 조성물에 비해 고정 염소이온의 함량보다 많으므로 내염해 저항성이 우수하며, 최종적으로 콘크리트 구조물의 내구성이 우수하다는 것을 확인했다.
실시예 3. 장기 압축강도 측정
보통 포틀랜드 시멘트에 대하여 페로니켈 슬래그 미분말을 0, 10, 20, 및 30중량%로 치환하여 시멘트 조성물(OPC, 10FNS, 20FNS, 30FNS)을 제조했으며, 이때, 시멘트 조성물의 분말도를 4000㎠/g으로 제어했다.
이러한 시멘트 조성물의 제안 배합은, 가장 일반적인 설계기준 압축강도 범주인 30MPa급 규격에 대해 W/B(물/결합재비) 43.7%, S/a(잔골재율)이 49%, 시멘트 비중 3.15, 잔골재의 단위중량(표건) 2.95g/㎤, 잔골재의 단위중량(절건) 2.93g/㎤, 잔골재 흡수율은 0.7%, 잔골재의 조립률 4.28, 강열감량 0.07%이다. 이러한 배합으로 콘크리트 조성물을 제조하고 재령별 강도 발현 성능을 측정하였다.
도 4는 재령별 강도 발현을 비교한 그래프로, 도 4에 따르면, 대조군인 보통 포틀랜드 시멘트만을 포함하는 콘크리트 조성물은, 28일 재령 시점까지는 30FNS 보다 강도가 높았으나, 재령 90일부터는 30FNS가 대조군에 비하여 강도가 높다는 것을 확인했다. 이로부터, 재령 90일 이후부터 페로니켈 슬래그 미분말의 잠개 수경성 2차 반응이 발휘된 것임을 확인했다.
도 5는 재령별 강도 발현 성능의 거동 추세선을 도시한 그래프이다. 거동 추세선은 양생재령에 따른 압축강도를 간략하게 나타낸 선형 예측식을 그래프 상에 나타낸 것으로, x축은 양생재령(days)를 나타내고, y축은 압축강도를 나타낸다. 이때, 각 조건에 따른 선형 예측식은 다음과 같다.
1) 100OPC의 경우 y=2.9433x+26.583
2) 10FNS의 경우 y=3.9433x+25.433,
3) 20FNS의 경우 y=4.0667x+22.417
4) 30FNS의 경우 y=4.98x+17.317
이러한 거동 추세선이 나타난 도 5에 따르면, 90일 재령 시점 전까지는 10FNS > 100OPC > 20FNS > 30FNS의 순서로 압축강도가 나타남을 확인했다. 그러나, 90일 재령 시점부터는 10FNS > 30FNS > 20FNS >100OPC가 나타남을 확인했다. 따라서, 재령 기간이 길어짐에 따라, 특히 90일이 지남에 따라 페로니켈 슬래그 미분말이 치환된 콘크리트 조성물이 대조군인 보통 포틀랜드 시멘트로만 이루어진 콘크리트 조성물에 비하여 강도가 증진됨을 확인했다.
실시예4 . 수화열 저감성 측정
페로니켈 슬래그를 각각 분말도 4000, 8000, 30000㎠/g으로 분쇄하여, 분말도가 다른 3종의 페로니켈 슬래그 미분말을 제조했다. 이후, 상기 페로니켈 슬래그 미분말 30%와 보통 포틀랜드 시멘트 70중량%를 혼합하여 분말도가 4000㎠/g인 시멘트 조성물(30FNS)을 제조하고, 상기 페로니켈 슬래그 10%와 보통 포틀랜드 시멘트 90중량%를 혼합하여 분말도가 8000㎠/g인 시멘트 조성물(10FNS)을 제조하고, 상기 페로니켈 슬래그 5%와 보통 포틀랜드 시멘트 95중량%를 혼합하여 시멘트 조성물(5FNS)을 제조했다.
이러한 시멘트 조성물의 제안 배합은, 가장 일반적인 설계기준 압축강도 범주인 30MPa급 규격에 대해 W/B(물/결합재비) 46.7%, S/a (잔골재율)이 48.1%, 시멘트 비중 3.15, 잔골재의 단위중량 2.1~2.7g/cm3, 굵은골재의 단위중량 2.1~2.9g/cm3, 골재 최대치수 25mm, 잔곤재 조립율 2.3~3.2이다. 이러한 배합으로 콘크리트 조성물을 제조하고 시간에 따른 수화열을 측정했다. 또한, 그 결과를 도 6에 나타냈다. 도 6에 따르면, 30FNS, 10FNS, 및 5FNS는 대조군인 보통 포틀랜드 시멘트만을 포함하는 OPC에 비하여 수화열 저감 효과가 우수함을 확인했다.
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 (11)

  1. 분말도가 다른 3종의 페로니켈 슬래그 미분말 5~30중량%, 및 보통 포틀랜드 시멘트 70~95중량%를 포함하는, 페로니켈 슬래그를 포함하며,
    상기 분말도가 다른 3종의 페로니켈 슬래그 미분말은, 1종이 분말도가 3900~4666cm2/g인 페로니켈 슬래그 미분말(c)에서 선택된 것이고, 다른 1종이 분말도가 5100~8000cm2/g인 페로니켈 슬래그 미분말(d)에서 선택된 것이고, 또 다른 1종이 분말도가 10000~30000cm2/g인 페로니켈 슬래그 미분말(e)에서 선택된 것인,
    시멘트 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 미분말(c), 미분말(d), 및 미분말(e)은 혼합비가 c:d:e=1:0.5~2:1~2.1인, 페로니켈 슬래그를 포함하는 시멘트 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 페로니켈 슬래그 미분말은 산이 처리된 것인, 페로니켈 슬래그를 포함하는 시멘트 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 페로니켈 슬래그 미분말은 비중이 2.5~4.5인, 페로니켈 슬래그를 포함하는 시멘트 조성물.
  8. 제1항 및 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항의 시멘트 조성물을 포함하는 콘크리트 조성물.
  9. 제8항에 있어서, 상기 시멘트 조성물(B) 260~460kg/m3, 잔골재(S) 750~950kg/m3, 굵은골재(G) 800~1000kg/m3, 및 물(W) 100~200kg/m3을 포함하는 콘크리트 조성물.
  10. 제8항에 있어서, 상기 시멘트 조성물(B)에 대한 상기 물(W)의 함량비인 물-결합재비(W/B)는 41~52%이고,
    전체 골재에 대한 상기 잔골재(S)의 함량비인 잔골재율(S/A)은 43~52%인 콘크리트 조성물.
  11. 제8항에 있어서, 상기 잔골재(S)는 단위중량이 2.1~2.7g/cm3이고, 상기 잔골재(S)는 조립율은 2.3~3.2이고, 상기 굵은골재(G)는 단위중량이 2.1~2.9 g/cm3인 콘크리트 조성물.
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