KR101941861B1 - 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 프리플레이스트 콘크리트 - Google Patents

프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 프리플레이스트 콘크리트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 프리플레이스트 콘크리트에 관한 것으로, 보가 상세하게는, 아토마이징 공법으로 생산되어 구형의 형상으로 유동성이 매우 우수하고 비중이 높아 자중성능이 있는 아토마이징 산화슬래그를 그라우트 잔골재로 사용하여 종래의 그라우트 조성물이 가지는 미흡한 유동성, 속경성이 없어 별도의 속경재를 사용하거나 여러 혼화재를 사용해야 하는 등의 물성상, 시공상 경제상의 문제점을 해결하고, 철강 제조공정에서 발생되는 부산물로서 전기로에서 발생되는 제강슬래그중 80%에 해당하는 산화슬래그의 재활용을 확대하며 신속 복구가 가능한 우수한 효과가 있는 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 프리플레이스트 콘크리트에 관한 것이다.

Description

프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 프리플레이스트 콘크리트{Grout composition for pre-placed aggregate concrete and pre-placed aggregate concrete using the same}
본 발명은 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 프리플레이스트 콘크리트에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 아토마이징 공법으로 생산되어 구형의 형상으로 유동성이 매우 우수하고 비중이 높아 채움성이 우수한 아토마이징 산화슬래그를 그라우트 잔골재로 사용하여 종래의 그라우트 조성물이 가지는 미흡한 유동성, 속경성이 없어 별도의 속경재를 사용하거나 여러 혼화재를 사용해야 하는 등의 물성상, 시공상 경제상의 문제점을 해결하고, 철강 제조공정에서 발생되는 부산물로서 전기로에서 발생되는 제강슬래그중 80%에 해당하는 산화슬래그의 재활용을 확대하는 우수한 효과가 있는 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 프리플레이스트 콘크리트에 관한 것이다.
일반적으로, 프리플레이스트 콘크리트(Pre-placed aggregate concrete, 이하 PPC)라 함은, 굵은 골재를 거푸집 속에 미리 넣어두고 여기에 유동성 주입재(이하, "그라우트 조성물"이라 한다.)를 자중주입 또는 압입주입하여 골재 사이의 공극을 그라우트 조성물로 채워넣는 콘크리트 타설공법을 말한다.
상기 프리플레이스트 콘크리트(PPC)는 무소음 무진동의 비교적 간단한 콘크리트 타설공법으로서 시공이음이 없는 일체화된 대형구조물이나 기초 지반등에 주로 사용된다.
특히, 최근에는 서울시 발표자료에 따르면, 20110~2014년까지 4년간 발생한 도로함몰은 3천 119건에 이르고, 09.12 경주 지진 등 안전지대로 여겨지던 국내에서 지진재해로 인한 기반시설의 피해가 발생하였으며, 전시에서의 신속한 활주로의 피해 복구는 전시의 국내 전력을 좌우한다는 측면에서 긴급복구를 요하는 다양한 재난상황이 발생할 가능성이 매우 높은 실정이다.
상기한, 긴급복구를 요하는 다양한 재난상황에 대처하기 위하여는 신속복구를 위한 자중주입형 속경성 저강도 PPC가 필수적인데, 이러한 PPC 및 여기에 사용되는 주입재로서 그라우트 조성물은 신속복구를 위하여 공정 및 재료를 단순화하고, 신속 복구를 위한 속경성 결합재를 사용하며, 빠른 응결 및 강도발현으로 후속공정까지의 시간을 단축하고, 굵은 골재를 제외한 전부를 철강슬래그 부산물로 사용한 친환경 재료를 사용하며, 공정 단순화를 위하여 압력식이 아닌 자중주입식으로 자기채움성이 우수하고, 재료의 단순화를 위하여 화학혼화제 사용을 자제(팽창제, 감수제, 증점제를 사용하지 않음.)하여야 한다.
즉, [도 1]에 도시한 바와 같이, PPC는 신속히 타설되어 콘크리트 또는 아스팔트 포장면의 기층재로 적용되어 신속복구 및 강화를 위해 상기한 조건들을 충족해야 한다.
또한, 상기 PPC에 사용되는 그라우트 조성물은 굵은 골재 사이 혹은 좁은 공간, 균열 등의 틈에 채워져야하기 때문에, 유동성 및 충전성을 만족하고 블리딩 및 재료분리가 없는 특수한 그라우트 잔골재를 포함하여 조성되어야한다.
특히, 저강도용 PPC에 사용되는 그라우트 조성물은 그라우트 조성물 대비 골재량 비율이 상대적으로 높아 골재의 타입에 따른 그라우트 조성물의 주입성능이 큰 차이를 보이게 됨에 따라 그라우트 조성물의 그라우트 잔골재에 따른 영향을 필수적으로 고려해야 한다.
최근까지 개발된 PPC용 그라우트 조성물에 관한 종래 기술을 살펴 보면, 한국공개특허 10-2005-0032359(2005년04월07일)에 시멘트 100 wt%에 대하여 칼슘 설포 알루미네이트계 팽창재 7∼13wt%, 알루미늄파우더 0.02∼0.05wt%, 멜라민 설폰산염 또는 나프탈렌 설폰산염계 고성능 감수제 1.0∼5.0wt%, 저점도 증점제 0.3∼1.0wt%, 모래 3호사(2.36∼1.70㎜) 20∼40wt%, 모래 5호사(1.18∼0.60㎜) 20∼40wt%, 모래 6호사(0.60∼0.425㎜) 20∼40wt%를 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 단면 주입용 저수축 그라우트 몰탈 조성물이 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1061904(2011년08월29일)에는 시멘트, 나프탈렌, 메타카올린, CSA, 반수석고, 탄화칼슘, 플루오린화나트륨, 수산화마그네슘 및 물로 이루어진 혼합그라우트액 및 경화제를 포함하는 그라우트 조성물로서, 상기 혼합그라우트액은 시멘트 100중량부에 대하여 나프탈렌 3 내지 10중량부, 메타카올린 5 내지 15중량부, CSA 1 내지 20중량부, 반수석고 1 내지 10중량부, 탄화칼슘 5 내지 10중량부, 플루오린화나트륨 1 내지 3중량부, 수산화마그네슘 1 내지 5중량부 및 물 150 내지 250중량부로 이루어지고, 상기 경화제는 시멘트 100중량부에 대하여 규산소다 100 내지 200중량부 및 물 80 내지 140중량부로 이루어지고, 상기 혼합그라우트액 및 경화제는 혼합그라우트액대 경화제가 1: 0.55 내지 0.91의 중량비로 루어지고, 상기 메타카올린은 평균입경이 1.2 내지 1.7㎛인 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물이 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1530830(2015년06월16일)에는 시멘트 20 ~ 40 중량%, 물 55 ~ 75 중량% 및 경화보조제 1 ~ 10 중량%를 포함하는 A액과 초기강도 발현제 20 ~ 40 중량%, 물 50 ~ 70 중량% 및 경화 촉진제 5 ~ 15 중량%를 포함하는 B액을 1:0.5~2로 혼합하되, 상기 경화보조제는 무수석고(CaSO4) 40 ~ 60중량%, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 20 ~ 40 중량% 및 칼슘 실리케이트계 광물 10 ~ 30 중량%을 포함하고, 상기 경화 촉진제는 알루미늄 실리케이트(Al2(SiO3)3) 15 ~ 25 중량%, 합성 알루미나 실리케이트(Al2O3·9SiO2·XH2O) 25 ~ 35 중량% , 탄산칼륨(K2CO3) 10 ~ 20 중량%, 황산나트륨(NaSO4) 10 ~ 20 중량% 및 염화철(FeCl2·7H2O) 5 ~ 15 중량%을 포함하는 것을 특징으로 하는 그라우트 충진재가 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1579143(2015년12월15일)에는 그라우트 조성물에 있어서; 상기 그라우트 조성물은 제1주입액과 제2주입액으로 이루어지고, 상기 제1주입액은 고로슬래그 100 중량부에, 무기질분말 50∼100 중량부, 나노분말 활성탄 0.1∼5중량부, 팽창제 0.1∼5 중량부, 고유동화제 0.1∼5 중량부, 물 200∼250 중량부로 이루어지며, 상기 제2주입액은 고로슬래그 100 중량부를 기준으로 하여, 고분자계 무기질 50∼100 중량부, 물 140∼160 중량부로 이루어진 것을 특징으로 하는 그라우트 조성물이 공지되어 있다.
그러나, 상기한 종래 특허기술들은 그라우트 잔골재로서 시멘트, 모래, 고로슬래그 등을 사용하고 여기에 여러가지 혼화재 등을 사용하고 있으나, 유동성이 매우 미흡하여 자중식으로 사용하기에는 불가능하였으며, 속경성이 없어 별도의 속경재를 사용하거나 여러 혼화재를 사용해야 하는 등의 물성상, 시공상 경제상의 문제점이 있었다.
한편, 철강 제조공정에서 발생되는 부산물로서, 전기로(electric arc furnace)에서 발생되는 제강슬래그는 고철을 용해한 후 생석회를 투입하고, 산소를 불어 넣으면서 고철 중에 존재하는 불순물을 제거하는 산화공정에서 발생되는 산화슬래그와 용융된 용강을 다시 래들로(Ladle Furnace)에서 코크스와 생석회를 투입하여 산소와 황 등을 제거하는 환원공정에서 발생되는 환원슬래그로 분류된다.
대체적으로 전기로에서 발생되는 제강슬래그는 산화슬래그가 80%, 환원슬래그가 20%를 차지하고 있다. 이러한 제강슬래그 속에는 미반응의 산화칼슘(CaO)과 산화마그네슘(MgO)이 존재하는데 산화슬래그보다 환원슬래그에 훨씬 많은 양이 존재한다.
상기한 미반응의 산화금속(CaO, MgO)은 물과 반응하면 체적이 팽창되면서 붕괴되기 때문에 시멘트 콘크리트의 유용한 골재자원으로 활용할 수 없는 것으로 알려져 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 제강슬래그 용탕을 소량으로 흘려보내면서 고압의 압축공기를 분사하여 용탕을 비산 급냉시키는 아토마이징(atomizing) 공법이 개발되었는데, 아토마이징 공법으로 생산된 제강슬래그는 구형의 형상으로 산화칼슘(CaO)과 산화마그네슘(MgO)이 유리화되기 때문에 미반응의 산화금속(CaO, MgO)의 화학반응성이 현저히 감소되어 체적팽창, 붕괴현상이 나타나지 않으며, 일반 골재보다 비중이 훨씬 크기 때문에 자중이 필요한 콘크리트용 골재로 사용하는데 매우 적합하다.
또한, 아토마이징 공법으로 생산된 제강슬래그는 구형의 형상으로 유동성이 매우 우수하고 비중이 높아 자중성능이 있으므로 이를 이용하여 자중주입식 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물을 제조할 수 있음이 밝혀졌다.
한국공개특허 10-2005-0032359(2005년04월07일) 한국등록특허 10-1061904(2011년08월29일) 한국등록특허 10-1530830(2015년06월16일) 한국등록특허 10-1579143(2015년12월15일)
본 발명은 종래의 그라우트 조성물의 문제점을 해결하고, 철강 제조공정에서 발생되는 부산물로서 전기로에서 발생되는 제강슬래그중 80%에 해당하는 산화슬래그의 재활용을 확대하기 위하여 아토마이징 공법으로 생산되어 구형의 형상으로 유동성이 매우 우수하고 비중이 높아 자중성능이 있는 아토마이징 산화슬래그를 그라우트 잔골재로 사용하는 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 프리플레이스트 콘크리트를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 및 석고를 포함하는 결합재와; 상기 결합재 량의 0.5~2.0용적%의 지연제와; 전기로 산화슬래그 용탕을 소량으로 흘려보내면서 고압의 압축공기를 분사하여 용탕을 비산 급냉시켜 구형의 형상을 가지도록 제조된 0.15~1.0mm 입자크기의 아토마이징 산화슬래그볼을 포함하는 그라우트 잔골재;를 포함하여 조성되는 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 결합재는 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 70~60용적% 및 석고 30~40용적%를 포함하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 지연제는 무수구연산인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 그라우트 잔골재는 상기 0.15~1.0mm 입자크기의 아토마이징 산화슬래그볼 50용적% 및 상기 아토마이징 산화슬래그볼 생산과정에서 발생되는 미분을 집진한 분말도 900~3,500 cm2/g의 아토마이징 산화슬래그 분진 50용적%를 포함하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 그라우트 잔골재는 입형이 구형이어서 유동성이 있고, 비중이 3.5 내외의 비중을 가지며, 상기 결합재 : 그라우트 잔골재를 1 : 2~3 용적비로 혼합 사용하여 자중과 유동성을 이용하여 상부에서 별도의 압력 및 주입장비가 필요없이 타설하여도 골재사이 빈 공극을 채워 하부까지 채워넣는 자중주입방식인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물의 물결합재비(W/B)는 100~140%인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물과 입자크기 5~40mm의 굵은골재를 사용하여 프리플레이스트 콘크리트를 타설하는 경우, 타설 후 1시간 압축강도가 1MPa이상이고, 자중 충전을 위한 유하시간이 KS F 2432 기준 6~10초 또는 ASTM C 939 기준 12~25초이며, KS F 2433에 의한 블리딩률이 1% 미만이고, 그라우트 잔골재 및 결합재와의 재료분리가 없는 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물은 1시간 이내에 1MPa 이상의 강도를 발현하여 후속 공정을 위한 장비 및 인력의 이동이 가능한 것을 과제의 해결수단으로 한다.
본 발명의 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물은 아토마이징 공법으로 생산되어 구형의 형상으로 유동성이 매우 우수하고 비중이 높아 자중성능이 있는 아토마이징 산화슬래그를 그라우트 잔골재로 사용하여 종래의 그라우트 조성물이 가지는 미흡한 유동성, 속경성이 없어 별도의 속경재를 사용하거나 여러 혼화재를 사용해야 하는 등의 물성상, 시공상 경제상의 문제점을 해결하고, 철강 제조공정에서 발생되는 부산물로서 전기로에서 발생되는 제강슬래그중 80%에 해당하는 산화슬래그의 재활용을 확대하면서 신속한 복구가 가능한 프리플레이스트 콘크리트를 타설할 수 있는 획기적인 효과가 잇다.
도 1은 PPC의 콘크리트 또는 아스팔트 포장면 기층재 타설 신속복구 모식도
도 2는 공기급냉 전기로 산화슬래그의 입도별 물리·화학적 특성
도 3은 결합재에 따른 응결시험 및 압축강도 시험결과
도 4는 결합재 타입, 물결합재비, 지연제 함량에 따른 점도 및 응결특성
도 5는 잔골재 타입에 따른 그라우트 실험용 골재의 형상
도 6은 그라우트재의 유동성 및 유하시간 평가를 위한 장비
도 7은 잔골재 타입에 따른 그라우트재의 유동성 평가 실험
도 8은 잔골재 타입에 따른 그라우트재의 압축강도 평가 결과
도 9는 PS ball의 입도에 따른 입형 사진(SEM)
도 10은 PS ball의 최적입도 선정 실험 결과
도 11은 PS ball의 최적입도 선정 실험의 압축강도 결과
도 12는 PPC를 위한 입도별 굵은골재 실험재료
도 13은 굵은 골재 사이즈에 따른 충전상태 비교
본 발명은, 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 및 석고를 포함하는 결합재와; 상기 결합재 량의 0.5~2.0용적%의 지연제와; 전기로 산화슬래그 용탕을 소량으로 흘려보내면서 고압의 압축공기를 분사하여 용탕을 비산 급냉시켜 구형의 형상을 가지도록 제조된 0.15~1.0mm 입자크기의 아토마이징 산화슬래그볼을 포함하는 그라우트 잔골재;를 포함하여 조성되는 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 결합재는 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 70~60용적% 및 석고 30~40용적%를 포함하는 것을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 지연제는 무수구연산인 것을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 그라우트 잔골재는 상기 0.15~1.0mm 입자크기의 아토마이징 산화슬래그볼 50용적% 및 상기 아토마이징 산화슬래그볼 생산과정에서 발생되는 미분을 집진한 분말도 900~3,500 cm2/g의 아토마이징 산화슬래그 분진 50용적%를 포함하는 것을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 그라우트 잔골재는 입형이 구형이어서 유동성이 있고, 비중이 3.5 내외의 비중을 가지며, 상기 결합재 : 그라우트 잔골재를 1 : 2~3 용적비로 혼합 사용하여 자중과 유동성을 이용하여 상부에서 별도의 압력 및 주입장비가 필요없이 타설하여도 골재사이 빈 공극을 채워 하부까지 채워넣는 자중주입방식인 것을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물의 물결합재비(W/B)는 100~140%인 것을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물과 입자크기 5~40mm의 굵은골재를 사용하여 프리플레이스트 콘크리트를 타설하는 경우, 타설 후 1시간 압축강도가 1MPa이상이고, 자중 충전을 위한 유하시간이 KS F 2432 기준 6~10초 또는 ASTM C 939 기준 12~25초이며, KS F 2433에 의한 블리딩률이 1% 미만이고, 그라우트 잔골재 및 결합재와의 재료분리가 없는 것을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물은 1시간 이내에 1MPa 이상의 강도를 발현하여 후속 공정을 위한 장비 및 인력의 이동이 가능한 것을 기술구성의 특징으로 한다.
먼저, 본 발명의 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물은 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 및 석고를 포함하는 결합재와; 상기 결합재 량의 0.5~2.0용적%의 지연제와; 전기로 산화슬래그 용탕을 소량으로 흘려보내면서 고압의 압축공기를 분사하여 용탕을 비산 급냉시켜 구형의 형상을 가지도록 제조된 0.15~1.0mm 입자크기의 아토마이징 산화슬래그볼을 포함하여 구성된다.
본 발명에서 사용되는 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)는 흔히 알루미나시멘트(Alumina Cement)로 알려져 있으며 CAC(Calcium Aluminate Cement) 또는 HAC(High Aluminate Cement)로 약칭하고 이의 주요광물은 CaO, Al2O3로 구성되어 있으며 일반 포틀랜드시멘트에 비해서 알루미나 성분이 많이 함유되어 있다.
일반적으로 CAC는 보크사이트와 석회석 또는 반토혈암 등 알루미나가 많은 점토류를 코크스와 1,450∼1,550℃에서 용융한 다음 유출시켜 클링커를 제조하고 이를 냉각한 후 원하는 입자크기로 미세하게 분쇄하여 제조한 것이다.
CAC는 내식성 및 내화성 등이 일반 포틀랜드시멘트보다 매우 우수하기 때문에 항만의 방파제, 하수관거 시설구조물 등에 사용되기도 하고 포틀랜드시멘트와의 병용에 의해 급결성을 나타내므로 터널 및 도로공사 등 긴급을 요구하는 경우에 적용되고 있다.
또한, CAC는 Al2O3가 30% 이상 함유되어 있고, 주된 화합물은 C12A7, CA, CA2이며 3종의 알루미네이트 중에서 CA의 강도 특성이 가장 뛰어나기 때문에 일반적으로 CA가 주성분이 되도록 제조하고 있다. 이러한 CAC는 복합결합재로 모르타르의 유동, 경화, 강도발현, 수축 등의 특성을 조절한다. 용도로는 낮은 온도에서도 빠른 강도 발현을 위한 포틀랜드 시멘트의 촉진 결합재, 화학저항성을 필요로 하는 곳, 높은 온도 저항성 및 내화물 등에 사용된다. 특성은 수축보상과 팽창성, 조강성, 응결시간 조절 특성이 있으며 내화학성, 내산성, 황산염에 대한 내식성이 매우 뛰어나다.
또한, CAC는 보통 포틀랜드시멘트의 수화반응과는 달리 수화반응은 다음과 같다. 즉, 주성분 CA가 물과 반응하여 준안정성 중간 화합물을 거쳐, 최종적으로는 안정한 입방정계의 C3AH6와 Al(OH)3로 변화한다.
3CA + 12H2O → (CAH10) → C3AH6 + 4Al(OH)3
또한, 알루미나시멘트가 석고와 반응하여 생성되는 수화물인 에트링가이트(ettringite)는 육각 주상형태의 가늘고 긴 침상구조로 강도뿐만 아니라 팽창성 물질로 조강성에 크게 기여한다.
본 발명에서는 상기 CAC를 석고를 혼합하여 결합재로서 사용하며, 이때, 결합재는 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 70~60용적% 및 석고 30~40용적%를 사용하며, 지연제로서는 무수구연산을 사용한다.
또한, 본 발명의 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물에 사용되는 그라우트 잔골재는 0.15~1.0mm 입자크기의 아토마이징 산화슬래그볼을 100용적% 사용할 수 있지만, 0.15~1.0mm 입자크기의 아토마이징 산화슬래그볼 50용적% 및 상기 아토마이징 산화슬래그볼 생산과정에서 발생되는 미분을 집진한 분말도 900~3,500 cm2/g의 아토마이징 산화슬래그 분진 50용적%를 혼합 사용하는 것이 바람직하다.
상기 아토마이징 산화슬래그볼은 통상 PS Ball이라고도 칭하며, 전기로 산화슬래그 용탕을 소량으로 흘려보내면서 고압의 압축공기를 분사하여 용탕을 비산 급냉시켜 구형의 형상을 가지도록 제조된 것으로 급냉과정에서 미반응의 산화금속(CaO, MgO)의 화학반응성이 현저히 감소되어 체적팽창, 붕괴현상이 나타나지 않으며, 일반 골재보다 비중이 훨씬 크기 때문에 자중이 필요한 콘크리트용 골재로 사용하는데 매우 적합하고, 특히 [도 2]에 도시한 바와 같이, 구형의 형상으로 유동성이 매우 우수하고 비중이 높아 자중성능이 있으므로 본 발명에서는 이러한 특성을 이용하여 자중주입식 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물로 사용하는 것을 핵심특징으로 한다.
특히, 기존 그라우트용 재료는 잔골재를 비중 2.6 내외의 일반 강모래 혹은 규사를 사용하지만, 본 발명에서는 비중 3.5 내외의 높은 비중을 갖는 공기급냉 산화슬래그 비드 혹은 분말을 결합재 대비 2~3배로 다량 사용하여 그라우트재의 자중을 높이는 것을 특징으로 한다.
또한, 일반 골재는 거친 입형을 가지나, 급냉 산화슬래그 비드 및 분말은 구형의 입형 함량이 매우 높아 유동성 증대에 효과적이다.
아울러, 기존 그라우트 재료는 굵은 골재를 선 타설 후 골재사이의 빈 공극을 채우기 위하여 트레미관을 사전에 설치하여 압력에 의해 하부부터 채워나가는 방식을 주로 이용하나, 본 발명에 사용된 재료는 높은 자중과 유동성을 이용하여 상부에서 별도의 압력 및 주입장비가 필요없이 타설하여도 골재사이 빈 공극을 채워 하부까지 채워넣는 방식이므로 기존 그라우트 재료에 비하여 훨씬 효과적이다.
특히, 그라우트재의 결합재를 일반 1종 보통 포틀랜드 시멘트로 사용하고, 골재로서 고비중의 급냉 산화슬래그를 사용할 경우에는 시멘트가 경화하기 전까지 시간이 증가할수록 비중이 높은 골재는 가라앉고, 시멘트와 물을 포함한 페이스트는 위로 부상하는 재료분리 현상이 발생하지만, 본 발명의 그라우트재에서는 공기급냉 산화슬래그 비드 혹은 분말을 사용하여 타설 후 빠르게 경화하여 재료분리 저항성을 크게 낮춘 것이 특징이다.
또한, 프리플레이스트 콘크리트는 주로 기층 혹은 보조기층에 타설되며, 상부 표층 작업이 요구되는 경우가 많으므로 기존 그라우트재에서는 시멘트가 경화하기까지의 시간을 대기 한 후 후속공정이 진행되어야 했지만, 본 발명은 속경성 결합재을 활용하여 1시간 이내에 1MPa 이상의 강도를 발현하여 상부 후속 공정을 위한 장비 및 인력의 이동이 가능한 효과가 있고, 상기 결합재와 그라우트 잔골재의 이질성이 없는 특징적인 효과가 있다.
따라서, 본 발명의 상기 그라우트 잔골재는 입형이 구형이어서 유동성이 있고, 비중이 3.5 내외의 비중을 가지며, 상기 결합재 : 그라우트 잔골재를 1 : 2~3 용적비로 혼합 사용하여 자중과 유동성을 이용하여 상부에서 별도의 압력 및 주입장비가 필요없이 타설하여도 골재사이 빈 공극을 채워 하부까지 채워넣는 자중주입방식이며, 이때, 본 발명의 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물의 물결합재비(W/B)는 100~140%인 것이 또한 바람직하다.
한편, 본 발명의 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물과 입자크기 5~40mm의 굵은골재를 사용하여 프리플레이스트 콘크리트를 타설하는 경우, 타설 후 1시간 압축강도가 1MPa이상이고, 자중 충전을 위한 유하시간이 KS F 2432 기준 6~10초 또는 ASTM C 939 기준 12~25초이며, KS F 2433에 의한 블리딩률이 1% 미만이고, 그라우트 잔골재 및 결합재와의 재료분리가 없는 프리플레이스트 콘크리트를 형성하므로 긴급복구에 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예 및 도면을 통하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 도면에 한정되지 않는다.
[본 발명의 실시계획]
본 발명의 그라우트 조성물 및 이를 이용한 PPC의 최적배합을 선정하기 위한 실험은 크게 3가지로, 본 발명의 최적 결합재 선정실험, 선정된 결합재를 이용한 그라우트 조성물 최척 배합실험, 상기 그라우트 조성물을 이용한 PPC물성 실험을 시행하고 그 내용을 다음 [표 1]에 나타내었다.
실험변수 실험수준 측정항목

결합재
실시예 2
 Binder type RSC, OPC, Acement 응결
- 유동성 유지시간(관능시험)
- 점도(지연제0.4% 고정)
W/B(%) 60, 80, 100, 120, 140
AD Retarder(%) 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0

그라우팅
잔골재
실시예 3		 Type of fine aggregate 표준사*, 규사, 쇄사, PS볼
(전부 1.2mm under)		 - 플로우, 프리팩트플로우
- 유하시간
- 응결시간
- 강도(0.5, 1, 2, 3H, 1, 7, 28D)
Particle size* Silica sand 5호사, 6호사,
5호사 혼합
PS ball 1.2mm under, 0.6mm under, Dust
잔골재율 1:3, 1:3.5, 1:4
(표준사 대비 용적비)


PPC

실시예 4		 굵은골재
최소 - 최대크기		 15-40mm*, 5-40mm
15-32mm*, 5-32mm
15-25mm*, 5-25mm		 - 골재 실적률
- 유화시간
- 압축강도(0.5, 1, 2, 3H, 1, 7, 28D)
- 경화 시험체의 충전상태
[본 발명의 최적 결합재의 선정실험]
실시예 1의 변수는 결합재 타입, W/B, 지연제 함량으로, 결합재 타입은 속경성 결합재로서 Acement(CAC+gypsum)과 상용 초속경 시멘트(RSC)를 대조용으로, 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 비교용으로 사용하였다. 실험변수 중 물결합재비(W/B)는 낮은 강도 기준에 맞추어 일반 그라우트 물결합재비 보다 높게 60~140%내로 5수준으로 설정하였다. 지연제의 사용량에 따른 실험은 지연제의 함량에 따라 작업가능시간이 달라지기 때문에, 이 실험결과를 바탕으로 후속실험을 진행하기 위한 기초자료로 활용하고자 하였다. 그 시험결과를 [도 3] 내지 [도 4]에 나타내었다.
[도 3] (a)를 참조하면, 결합재 타입에 따른 실험결과로서 첫 번째 비카침에 의한 응결시험결과 OPC가 종결이 6시간인반면, 속경성 결합재인 RSC와 CAC는 지연제를 사용하지 않을 경우 작업이 곤란하였으며, 지연제를 0.5% 사용하여도 1시간이내에 종결을 보였으며, 또한 CAC는 RSC보다도 높은 반응성으로 빠른 초결 및 종결을 보였다.
[도 3] (b)를 참조하면, 압축강도 실험 결과에서도 CAC에 석고를 사용한 Acement에서 수화 3시간에 20MPa 정도로 높은 강도를 보였으며, 재령 28일에는 상용 초속경 시멘트보다도 안정적으로 높은 강도를 발현하였다.
콘크리트의 점도는 유동성에도 영향을 미치며, flow 값에 의한 유동성이 높아도 점성이 높으면 콘크리트의 충전시간(유하시간)에는 악영향을 미치기 때문에 물결합재에 따른 점성을 평가할 필요가 있다.
{도 4] (a)를 참조하면, 물결합재비에 따른 점성 평가 결과 모든 결합재에서 100% 이상에서는 점성에 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 점성실험은 페이스트만을 이용하여 브룩필드 점도계로 측정된 것으로, 잔골재를 그라우트재에 사용할 경우 그 점성은 더욱 증가할 것으로 판단된다.
[도 4] (b)를 참조하면, 물결합재비에 관계없이 지연제 함량이 증가할 수록 응결시간은 증가하는 것으로 나타났다.
[본 발명의 그라우트 조성물 최적 배합실험]
실험의 배합은 결합재는 Acement로 하고 실시예 1에서 선정된 W/B 100%를 바탕으로 B:S(결합재:잔골재율)을 용적 1:3으로 임의 설정, 지연제는 모든 측정항목을 완료하기 위한 충분한 작업시간 확보를 위하여 총 결합재 량의 1%를 사용하였다. 실험방법은 다음 [표 2]에 나타내었다.
Test factors Test levels Test item
Standard sand 1.2mm under
- Flow(KS F 4039)
- Flow of grout for preplaced concrete
(ASTM C 939)
- Segregation resistance
- Compressive strength
(1, 2, 3H, 1, 7, 28D)
Crushed sand 1.2mm under ~ 0.15mm over

Silica sand

 No.5(1.2mm)
No.6(0.6mm)
No.7(0.3mm)
No.5(33%) + No.6(33%) + No.7(33%)

PS Ball		 1.0mm under
Dust
1.0mm(50%) + Dust(50%)
그라우트용 잔골재로 사용된 재료는 표준사, 쇄사, 규사, 산화슬래그(PS ball)이며, 입도가 분리되는 규사와 PS 볼은 입도별로 분류하여 실험하였고, 그 외의 재료는 1.2mm 보다 작은 사이즈로 분급하여 실험에 사용하였다.
기준이 되는 표준사 골재는 시멘트:표준사 비율을 1:3 용적비로 사용하고, 다른 골재로 대체 시 표준사와 동일한 용적으로 대체하였다. 각각의 골재의 입형을 [도 5]에 나타내었고, [도 5]에서 나타난 바와 같이, 표준사와 규사 대비 쇄사는 각이 지고 세장비가 크며, PS ball은 구형의 매끈한 표면을 갖는다. PS ball dust는 PS ball 생산되는 미분을 집진한 것으로 150μm 이하의 잔입자로 이루어져있다.
그라우트의 유동성 및 유하시간 평가를 위한 장비는 [도 6]에 나타낸 것과 같으며, 압축강도 시험체는 KS L ISO 679 기준에 준하여 모르타르 시험체로 측정하였다.
실험결과, [도 7]에 나타난 바와 같이, 표준사와 규사 혼합입도, PS ball 사용 그라우트에서 높은 flow(cm)값을 보였으나, 플로우가 높아도 유하시간에서는 큰 시간차를 보이는 경우가 있다. 이는 페이스트와 골재의 분리에 의한 현상으로, 유동성이 높으면서 재료분리가 가장 낮은 PS Ball에서의 Ball과 Dust를 혼합한 배합에서 가장 적합하다 판단하였다.
[도 8]에 나타난 바와 같이, 압축강도 측정 결과도 재령 28일에 가장 높은 값을 보이는 것을 확인할 수 있다. 비록 Dust 만을 100% 사용한 시험체에서 초기 재령에는 더 높은 강도를 발현하나 미분의 수분 흡착에 의한 유동성 저하도 동반되기 때문에 PS ball의 미분과 구형 입자의 적정 혼합이 그라우트용 골재로서 가장 적합하다 판단하였다. 또한 PS ball은 타 골재(대략 2.6) 대비 높은 비중값(대략 3.75)로 골재 자중에 의해 그라우트를 지반까지 유도하여 프리팩트 골재 사이 공극 충전성을 높이는 효과도 기대할 수 있다.
또한, 상기 결과로부터 그라우트용 최적 골재로서 PS ball을 선정하였다. 그러나 PS ball은 ball이 많아지면, 비중차에 따른 재료분리가 크고, dust 함량이 높아짐에 따라서는 물 흡착에 따른 유동성 저하가 발생함에 따라서 W/B 100%에서 최적의 입도 비율이 존재할 것이라 판단됨에 따라, 재료분리 없이 높은 유동성을 갖는 PS ball의 최적입도를 선정하기 위한 실험을 진행하였다.
[도 9]에 PS ball의 입자 사이즈에 따른 입형을 전자현미경을 통하여 측정된 사진을 나타내었다. 0.6~0.3mm와 0.3~0.15mm의 입자를 혼합하여 Ball로 사용하였으며, Dust는 오른쪽 사진에서 보이는 것과 같이 구형 입자가 섞인 0.15mm 미만의 미분을 사용하였다.
실험은 다음 [표 3]에서 보이는 것과 같이 다양한 방법으로 유동성 및 유하시간을 평가하였으며, 재료분리 저항성을 평가하기 위하여 2L 배합된 그라우트에서 윗면에서 채취된 시료와 아래부분에서 채취된 시료를 동일한 단위용적 용기에 넣어 그 중량차를 체크하였다. 페이스트와 골재와의 재료분리가 있을 경우 비중이 3.7인 PS ball과 대략 2.5 정도의 비중을 갖는 페이스트와의 비중차에 의해 단위용적값에 차이를 보이게 된다.
Test factors Test levels Test item
Silica sand No. 5+6+7(1.2+0.6+0.3mm) - Flow(KS F 4039)
- Flow(KS F 2432_16~20sec.)
- Flow(ASTM C 939)
- Segregation resistance

PS Ball : dust
ratio

 1:4 (20:80)
2:3 (40:60)
1:1 (50:50)
3:2 (60:40)
4:1 (20:80)
실험결과를 [도 10]에 나타내었다. [도 10]을 참조하면, 유동성 및 재료분리 저항성 실험결과 dust를 잔골재의 60% 사용할 경우 가장 높은 재료분리 저항성을 보였으나, 입자가 작은 dust의 함량이 높아질수록 요구 수량이 증가함에 따라 유동성이 급격히 떨어져 Flow 실험이 불가능하였다. 따라서 물결합재비를 10% 추가하여 실험결과 유동성은 증가하였으나 B50D50 배합대비 재료분리 저항성이 떨어지는 것으로 나타났다. B50D50 배합은 블리딩률도 0.45%로 KS 기준 3% 미만을 만족하며, 유동성 및 재료분리 저항성을 모두 만족하는 최적 입도로 선정하였다.
또한, [도 11]에 나타난 바와 같이, B50D50 입도에서 유동성 및 재료분리 저항성에서 가장 적합한 결과를 보였으며, B50D50 그라우트를 이용한 PPC 콘크리트의 2시간 압축강도 결과 물 결합재비 100%를 사용할 경우 모든 배합에서 3MPa 이상의 압축강도를 발현하는 것으로 나타났다.
[본 발명의 그라우트 조성물을 이용한 PPC 물성실험}
실시예 3을 통해 선정된 그라우트의 배합을 이용하여 굵은 골재 사이즈에 따른 PPC의 특성을 평가하였다. PPC용 굵은 골재의 입도는 그라우트가 채워야하는 공극에 영향을 미치며, 그라우트의 흐름을 방해하지 않는 사이즈의 공극을 갖기 위해서는 굵은 골재의 입도가 큰 것이 유하시간을 단축하고 굵은 골재 사이의 충전률을 높이는데 유리하다.
토목공사용 표준시방서(2009)에서는 PPC용 굵은 골재의 사이즈를 15mm 이상으로 규정하고 있으나, 골재의 원활한 수급을 위하여 군의 훈련 현장에서 사용되는 5-40mm 골재를 대상으로 하였고, 일반적인 콘크리트용 굵은 골재 사이즈 5-25mm와 큰 사이즈의 굵은 골재 5-40mm를 비교재료로 사용하였다. 골재의 실적률 측정을 위한 용기는 φ14.5 * 30cm의 실린더 형 투명 아크릴용기로서, 입도별로 단위용적중량 및 실적률을 측정하고, 골재로 채워진 내부에 그라우트가 충전되는 유하시간을 측정하였으며, 실린더 몰드를 이용하여 압축강도 및 시험체의 충전상태를 평가하였다. 실험의 계획을 [표 4]에, 실험용 재료인 굵은골재의 입형을 [도 12]에 나타내었다.
Test factors Test levels Test item
Maximum size of Coarse aggregate size

 5-25mm - 골재 실적률
- 유화시간
- 압축강도(0.5, 1, 2, 3H, 1, 7, 28D)
-경화 시험체의 충전상태
5-32mm
5-40mm
실험결과 [도 13]에 도시한 바와 같이, 굵은 골재의 입도에 따라 단위용적 및 실적률에 차이를 보이며, 굵은 골재의 입도가 클수록 높은 공극률을 갖는다. 유하시간을 통하여 굵은골재 입자가 작아질수록 유하속도가 크게 증가하는 것을 볼 수 있으며, 25mm의 골재에서는 표에서 나타낸 사진과 같이 내부로의 그라우터가 충전되지 않은 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 32mm, 40mm의 굵은골재로 채워진 PPC는 충전상태가 양호한 것을 확인할 수 있다.
　
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 포함된 실시예 및 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 및 석고를 포함하는 결합재와; 상기 결합재 량의 0.5~2.0용적%의 지연제와; 전기로 산화슬래그 용탕을 소량으로 흘려보내면서 고압의 압축공기를 분사하여 용탕을 비산 급냉시켜 구형의 형상을 가지도록 제조된 0.15~1.0mm 입자크기의 아토마이징 산화슬래그볼을 포함하는 그라우트 잔골재;를 포함하여 조성되되,
    상기 결합재는 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 70~60용적% 및 석고 30~40용적%를 포함하여 조성되고,
    상기 그라우트 잔골재는 상기 0.15~1.0mm 입자크기의 아토마이징 산화슬래그볼 50용적% 및 상기 아토마이징 산화슬래그볼 생산과정에서 발생되는 미분을 집진한 분말도 900~3,500 cm2/g의 아토마이징 산화슬래그 분진 50용적%를 포함하여 조성되며,
    상기 그라우트 잔골재는 입형이 구형이어서 유동성이 있고, 비중이 3.5 내외의 비중을 가지며, 상기 결합재 : 그라우트 잔골재를 1 : 2~3 용적비로 혼합 사용하여 자중과 유동성을 이용하여 상부에서 별도의 압력 및 주입장비가 필요없이 타설하여도 골재사이 빈 공극을 채워 하부까지 채워넣는 자중주입방식으로서, 1시간 이내에 1MPa 이상의 강도를 발현하여 후속 공정을 위한 장비 및 인력의 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지연제는 무수구연산인 것을 특징으로 하는 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물의 물결합재비(W/B)는 100~140%인 것을 특징으로 하는 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물
  7. 삭제
  8. 제1항, 제3항, 제6항 중 어느 한 항의 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물과 입자크기 5~40mm의 굵은골재를 사용하여 프리플레이스트 콘크리트를 타설하는 경우, 타설 후 1시간 압축강도가 1MPa이상이고, 자중 충전을 위한 유하시간이 KS F 2432 기준 6~10초 또는 ASTM C 939 기준 12~25초이며, KS F 2433에 의한 블리딩률이 1% 미만이고, 그라우트 잔골재 및 결합재와의 재료분리가 없는 것을 특징으로 하는 프리플레이스트 콘크리트
KR1020170096834A 2017-07-31 2017-07-31 프리플레이스트 콘크리트용 그라우트 조성물 및 이를 이용한 프리플레이스트 콘크리트 KR101941861B1 (ko)

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