KR101948627B1 - 인공경량골재를 포함하는 고강도 경량콘크리트 조성물 - Google Patents

인공경량골재를 포함하는 고강도 경량콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물, 시멘트, 고로슬래그미분말 및 인공경량골재를 포함하되, 상기 인공경량골재를 프리웨팅 시키고 배합비율을 조절한 것을 특징으로 하는 고강도 경량콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 인공경량골재의 높은 흡수율로 인해 콘크리트에 적용할 때 발생하는 문제를 해결 할 수 있고, 콘크리트 표준시방서에 따른 기준을 만족하는 고강도 경량콘크리트를 제공할 수 있다.

Description

인공경량골재를 포함하는 고강도 경량콘크리트 조성물 {High strength lightweight concrete composition including artificial lightweight aggregates}
본 발명은 인공경량골재를 포함하는 고강도 경량콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인공경량골재의 배합 비율을 조절하고 일부 인공경량골재는 프리웨팅(pre-wetting) 시킴으로써 고강도를 발현하는 경량콘크리트 조성물에 관한 것이다.
최근 국내외에서 건물의 대형화, 장대화로 인한 콘크리트 자중감소에 관한 문제가 대두 되고 있다. 이에 따라 자중감소를 위한 경량콘크리트의 필요성이 증대되고 있는데, 콘크리트의 단위용적질량을 감소시키기 위해 일반골재 대신 인공 경량골재를 사용할 수 있다.
인공경량골재(artificial lightweight aggregate)는 점토 및 산업부산물을 가공하여 만들어져 친환경 측면에서 부각 받는 재료이다. 인공 경량골재에는 팽창성 혈암, 팽창성 점토, 플라이 애쉬 등을 주원료로 하여 인공적으로 소성한 골재와, 팽창 슬래그, 석탄찌꺼기 등과 같은 산업 부산물인 경량골재 및 그 가공품이 있다. 인공경량골재의 내부는 다공질이고 표면은 유리질의 피막으로 덮인 구조로 되어 있다. 내부가 다공질 구조이므로 골재 자체의 높은 흡수율로 인해 콘크리트 시공 시 콘크리트 펌핑 폐색현상 및 경시확보 부족 등의 문제로 적용에 어려움이 있다.
이에 본 발명에서는 프리웨팅(pre-wetting)을 통해 인공경량골재의 높은 흡수율을 제어하고, 인공경량골재의 배합 비율을 조절하여 고강도를 발현하는 경량콘크리트에의 적용 가능성을 확인하였다.
대한민국 공개특허공보 제10-2004-0017144호
본 발명은 30MPa 이상의 압축강도를 발현하면서도, 단위용적당 질량은 낮추어 구조물의 자중을 줄일 수 있는 고강도 경량콘크리트 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고강도 경량콘크리트 조성물은 물 140~180kg/m3, 결합재 350~450kg/m3, 굵은골재 500~600kg/m3 및 잔골재 650~750kg/m3으로 혼입되고, 상기 물과 결합재의 비율이 35~45%, 잔골재율이 40~45%로 배합되되, 상기 결합재는 시멘트 및 고로슬래그미분말이고, 상기 고로슬래그미분말은 결합재의 50~70 중량%로 포함되고, 상기 굵은골재는 석탄회와 준설토로부터 만들어진 인공경량골재로서, 입경이 5 내지 10mm의 제 1 굵은골재 및 입경이 10 내지 20mm의 제 2 굵은골재로 구성되며, 상기 제 1 굵은골재는 전체 굵은골재의 25 중량% 이하(0 중량% 제외)로 포함되고, 상기 잔골재는 모래인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고강도 경량콘크리트 조성물은 물 140~180kg/m3, 결합재 350~450kg/m3, 굵은골재 500~600kg/m3 및 잔골재 500~700kg/m3으로 혼입되고, 물과 결합재의 비율이 35~45%, 잔골재율이 40~45%로 배합되되, 상기 결합재는 시멘트 및 고로슬래그미분말이고, 상기 고로슬래그미분말은 결합재의 50~70 중량%로 포함되고, 상기 굵은골재는 석탄회와 준설토로부터 만들어진 인공경량골재로서, 입경이 5 내지 10mm의 제 1 굵은골재 및 입경이 10 내지 20mm의 제 2 굵은골재로 구성되며, 상기 잔골재는 석탄회와 준설토로부터 만들어진 인공경량골재로서 입경이 5mm 이하이고 24~72시간 동안 프리웨팅(pre-wetting)시킨 제 1 잔골재와 모래가 혼합된 것이고, 상기 제 1 잔골재는 전체 잔골재의 25 내지 75 중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 조성물은 성형 후에 압축강도가 30MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 인공경량골재의 높은 흡수율로 인해 콘크리트에 적용할 때 발생하는 문제를 해결 하고, 콘크리트 표준시방서에 따른 기준을 만족하는 고강도 경량콘크리트를 제공할 수 있다.
도 1은 다양한 콘크리트 배합의 혼합골재의 조립률을 나타낸 것이다.
도 2는 프리웨팅시킨 인공경량골재를 포함하는 모르타르의 모르타르 플로우와 압축강도를 나타낸 것이다.
도 3은 다양한 배합의 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프를 나타낸 것이다.
도 4는 다양한 배합의 콘크리트의 기건단위질량을 나타낸 것이다.
도 5는 다양한 배합의 콘크리트의 압축강도를 나타낸 것이다.
도 6은 다양한 배합의 콘크리트의 쪼갬인장강도를 나타낸 것이다.
경량콘크리트는 골재의 전부 또는 일부를 인공경량골재를 써서 만든 콘크리트로써 기건 단위용적질량이 1400~2000kg/m3인 콘크리트를 말한다. 경량콘크리트는 경량콘크리트 1종 및 경량콘크리트 2종으로 분류하고, 설계기준압축강도 및 기건단위용적질량의 범위는 하기 표 1과 같다.
Figure 112017086939636-pat00001
경량콘크리트의 슬럼프값은 180mm 이하인 것이 바람직하다.
콘크리트 표준시방서에 따르면 기준 압축강도를 고강도콘크리트는 40MPa 이상, 고강도 경량콘크리트는 27MPa 이상으로 정하고 있다.
인공경량골재는 일반 골재에 비하여 물을 흡수하기 쉬우므로 이를 건조한 상태로 사용하면 콘크리트의 비비기, 운반, 타설 중에 품질이 변동하기 쉬우므로 충분히 물을 흡수시킨 상태로 사용하여야 한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 > 콘크리트 배합
하기 표 2와 같이 다양한 배합의 콘크리트 조성물을 제조하였다.
시리즈 Ⅰ은 굵은골재인 G10(입경 5~10mm의 인공경량 굵은골재)과 G20(입경 10~20mm의 인공경량 굵은골재)의 혼합비율을 조절한 것으로, G10이 굵은골재 중 각각 0,25,50,75,100 중량%로 포함된 것이다.
시리즈 Ⅱ는 잔골재인 모래와 LS(입경 5mm이하의 인공경량 잔골재)의 혼합비율을 조절한 것으로, LS가 잔골재 중 각각 0,25,50,75,100 중량%로 포함된 것이다. 이때, BFS60, BFS80 배합은 고로슬래그미분말(BFS)이 전체 결합재(시멘트 및 고로슬래그미분말)에 각각 60 중량%, 80 중량% 로 포함된 것이다.
하기의 표 2에서 BFS는 고로슬래그미분말 이고 W/B는 물과 결합재(시멘트와 고로슬래그미분말)의 비율이며 S/a는 잔골재율 이다.
Figure 112017086939636-pat00002
상기의 배합에 사용된 재료의 물리· 화학적 성질은 다음과 같다.
1) 시멘트: 비중 3.15g/㎤, 분말도 3,500㎠/g의 보통 포틀랜드시멘트(OPC)
2) 고로슬래그미분말(BFS): 비중 2.93g/㎤, 분말도 4,210㎠/g
상기 고로슬래그미분말의 구성성분은 하기의 표 3과 같다.
성분 함량(%)
SiO2 60.61
Al2O3 13.98
Fe2O3 0.32
CaO 40.71
MgO 6.43
K2O 0.60
3) 인공경량골재: 석탄회와 준설토를 혼합 및 소성하여 만들어진 경량골재이고, 구성성분은 하기의 표 4, 물리적 성질은 표 5와 같다.
성분 함량(%)
SiO2 65.70
Al2O3 16.90
Fe2O3 6.64
CaO 2.62
MgO 1.44
K2O 2.14
구분 조립율(FM) 밀도(g/cm3)
 흡수율 (%)
모래 2.89 2.6 1.00

인공경량골재
 LS (입경 5mm 이하) 4.61 1.77 8.71
G10 (입경 5~10mm) 5.96 1.43 8.08
G20 (입경 10~20mm) 6.94 1.43 8.08
< 실험예 1> 조립률 측정
상기 표 2 각 배합의 혼합골재의 조립률(FM:Finess modulus)을 KS F 2502 시험방법으로 측정하여 도 1에 나타내었다. 도 1(A)는 시리즈 Ⅰ 배합의 결과이고, 도 1(B)는 시리즈 Ⅱ 배합의 결과이다.
도 1(A)를 보면 입경 5~10mm의 경량 굵은골재 G10(FM 5.96)이 입경 10~20mm의 경량굵은골재 G20(FM 6.94)으로 대체될수록 조립률이 상대적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
도 1(B)를 보면 입경 5mm 이하의 경량 잔골재 LS(FM 4.61)가 많이 포함될수록 조립률이 상대적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
따라서, 콘크리트 배합 설계 시 인공경량골재의 혼입에 따른 입도를 고려해야 할 것이다.
< 실험예 2> 인공경량골재 프리웨팅(pre-wetting)의 효과
인공경량골재는 일반 골재에 비하여 물을 흡수하기 쉬우므로 이를 건조한 상태로 사용하면 콘크리트의 비비기, 운반, 타설 중에 품질이 변동하기 쉬우므로 충분히 물을 흡수시킨 상태로 사용하여야 한다.
LS(입경 5mm이하의 인공경량 잔골재)의 흡수율을 측정하여 부족한 수분을 배합수에 추가하였다. 그 후 LS를 먼저 배합수에 침지시키는 프리웨팅을 진행하였다. 이때, 침지시간은 각각 24, 48, 72시간이다. 그 후 시멘트, 고로슬래그미분말, 모래를 배합수에 첨가하였다. 굳지 않은 상태에서 모르타르 플로우(Mortar flow)를 측정하고, 굳은 뒤에 압축강도(Compressive strength)를 측정하여 그 결과를 각각 도 2(A), 도 2(B)에 나타내었다.
도 2를 보면 프리웨팅 시간이 길어질수록 모르타르 플로우와 압축강도가 다소 감소하는 것을 알 수 있다. 프리웨팅시간이 48시간보다 길어질수록 상기 값의 변화 폭이 적게 나타나므로 하기의 실험예는 모두 프리웨팅을 48시간 동안 진행하였다.
< 실험예 3> 굳지않은 콘크리트의 슬럼프 측정
상기 표 2의 배합으로 제조된 굳지 않은 콘크리트의 초기 슬럼프(slump)를 KS F 2402 시험방법으로 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 시리즈 Ⅰ 배합은 20℃ 수중양생으로, 시리즈 Ⅱ 배합은 40℃ 고온양생으로 실시하였다. 시리즈 Ⅰ 배합의 결과는 도 3 (A)에, 시리즈 Ⅱ 배합의 결과는 도 3 (B)에 나타내었다.
도 3 (A)를 보면 시리즈 Ⅰ 배합의 경우 인공경량 굵은골재의 조립률이 낮아질수록 슬럼프값이 대체적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 시리즈 Ⅰ의 모든 배합에서 콘크리트 표준시방서에 따른 기준(슬럼프값이 180mm 이하)을 만족한다.
도 3 (B)를 보면 시리즈 Ⅱ 배합의 경우 인공경량 잔골재(LS)의 혼입율이 높아질수록 슬럼프값이 증가하는 것을 알 수 있다. BFS60 배합에서 LS0, LS25, LS50, LS75 배합의 슬럼프 값이 상기 기준을 만족한다. BFS80 배합에서는 LS0, LS25, LS50 배합의 슬럼프 값이 상기 기준을 만족한다. LS75, LS100에서 높은 슬럼프값이 나타났는데 이는 프리웨팅 과정에서 보정된 배합수를 인공경량 잔골재가 완전히 흡수하지 않아 잉여수로 작용하게 된 것으로 판단된다.
< 실험예 4> 굳은 콘크리트의 기건단위질량 측정
상기 표 2의 배합으로 제조된 굳은 콘크리트의 기건단위질량(unit weight)을 KS F 2462 시험방법으로 측정하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. 시리즈 Ⅰ 배합의 결과는 도 4 (A)에, 시리즈 Ⅱ 배합의 결과는 도 4 (B)에 나타내었다.
도 4 (A)를 보면 크기가 작은 G10 (인공경량 굵은골재)의 혼입율이 높아질수록 기건단위질량이 선형적으로 증가하고, G10 혼입율이 50% 이상(G10-50, G10-75, G10-100)이면 기건단위질량이 2000kg/m3 를 초과하여 경량콘크리트 범위(1400-2000 kg/m3)를 벗어나는 것을 알 수 있다.
도 4 (B)를 보면 인공경량 잔골재(LS)의 혼입율이 증가할수록 기건단위질량은 감소 (LS100의 경우 약 1755kg/㎥)하고, 모든 배합에서 경량콘크리트 범위(1400-2000kg/m3)를 만족한다. BFS80 배합이 BFS60배합보다 다소 높은 기건단위질량을 나타내었는데 이는 비중이 적은 고로슬래그미분말에 따른 페이스트의 부피차이인 것으로 생각된다.
< 실험예 5> 굳은 콘크리트의 압축강도 측정
상기 표 2의 배합으로 제조된 굳은 콘크리트의 압축강도(compressive strength)를 재령 7, 14, 28일에 KS F 2405 시험방법으로 측정하여 도 5에 나타내었다. 시리즈 Ⅰ 배합의 결과는 도 5 (A)에, 시리즈 Ⅱ 배합의 결과는 도 5 (B)에 나타내었다.
도 5 (A)를 보면 시리즈 Ⅰ의 모든 배합에서 재령 28일에 30MPa 이상의 압축강도를 발현하는 것을 알 수 있다.
도 5 (B)를 보면 시리즈 Ⅱ의 BFS60 배합이 BFS80 배합보다 약 14~25% 정도 높은 압축강도를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 재령 14일 기준으로 BFS60 배합의 인공경량 잔골재(LS)의 혼입율이 25% 이상(LS25, LS50, LS75, LS100)이면 30MPa 이상의 압축강도를 발현하는 것을 알 수 있다. 하지만, BFS80 배합의 경우 인공경량 잔골재(LS)의 혼입율과 상관없이 압축강도가 30MPa 미만인 것을 확인하였다.
표 2의 각 배합의 실험예 3~5의 결과를 정리하면 하기의 표 6과 같다.
Figure 112017086939636-pat00003
상기 표 6에서 슬럼프값이 180mm 이하이면 O, 180mm를 초과하면 X로 표시하였다. 또한, 기건단위질량이 2000 kg/m3 이하이면 O, 2000 kg/m3를 초과하면 X로 표시하였다. 또한, 압축강도가 30MPa 이상이면 O, 30MPa 미만이면 X로 표시하였다. 상기 세 값에 대하여 모두 O인 경우를 총평에‘만족’, 그렇지 않은 경우를 ‘불만족’으로 표시하였다.
< 실험예 6> 굳은 콘크리트의 쪼갬인장강도 측정
상기 표 2의 배합으로 제조된 굳은 콘크리트의 쪼갬인장강도(Split tensile strength)를 재령 14, 28일에 KS F 2423 시험방법으로 측정하여 도 6에 나타내었다. 시리즈 Ⅰ 배합의 결과는 도 6 (A)에, 시리즈 Ⅱ 배합의 결과는 도 6 (B)에 나타내었다.
슬레이트(slate) 연구에서 경량콘크리트의 회귀분석을 통한 경량콘크리트의 쪼갬인장강도를
Figure 112017086939636-pat00004
로 제시하고 있으며 시리즈 Ⅰ 배합에서는 그 값이 0.489~0.519로 상대적으로 높게 나타나고 있다(도 6 (A)).
도 6 (B)를 보면 시리즈 Ⅱ의 BFS60, BFS80 배합의
Figure 112017086939636-pat00005
는 각각 0.531~0.582 및 0.548~0.601으로 고로슬래그미분말 혼입에 따른 차이는 미미한 것으로 나타났다.

Claims (3)

  1. 물 140~180kg/m3, 결합재 350~450kg/m3, 굵은골재 500~600kg/m3 및 잔골재 500~700kg/m3으로 혼입되고,
    상기 물과 결합재의 비율이 35~45%, 잔골재율이 40~45%로 배합되되,
    상기 결합재는 시멘트 및 고로슬래그미분말이고,
    상기 고로슬래그미분말은 결합재의 50~70 중량%로 포함되고,
    상기 굵은골재는 석탄회와 준설토를 혼합 및 소성하여 제조한 인공경량골재로서, SiO2와 Al2O3의 합산 함량이 80 중량%를 초과하고, 밀도가 1.5g/㎤ 미만인 것이며, 입경이 5 내지 10mm의 제 1 굵은골재 및 입경이 10 내지 20mm의 제 2 굵은골재로 구성되되, 상기 제 1 굵은골재의 함량은 전체 굵은골재의 25 중량% 이하(0 중량% 제외)이고,
    상기 잔골재는 입경 5mm 이하의 제 1 잔골재와 모래가 혼합되되, 상기 제 1 잔골재는 석탄회와 준설토를 혼합 및 소성하여 제조한 인공경량골재로서 SiO2와 Al2O3의 합산 함량이 80 중량%를 초과하고 밀도가 1.8g/㎤ 미만이고, 24~72시간 동안 프리웨팅(pre-wetting)시킨 것이며, 상기 제 1 잔골재는 전체 잔골재의 25 내지 75 중량% 포함되어,
    재령 28 압축강도가 30MPa 이상, 슬럼프 180mm 이하, 기건단위질량 2000kg/㎥ 이하의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 고강도 경량콘크리트 조성물.
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