KR101965958B1 - 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 pc박스용 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 철강원료 중 스테인레스 제조의 주원료로 사용되는 페로니켈의 산업부산물인 수재 페로니켈슬래그를 시멘트 입자 이상 수준으로 미분쇄하여 얻은 실리카계 슬래그 미분말을 시멘트에 대한 치환율을 높이도록 한 조립식 Precast Concrete 박스용 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물은 콘크리트 조성물의 단위체적에 대하여, 물 160~180kg/m3; 시멘트 420~460kg/m3; 바다모래인 해사와 부순모래인 부사를 혼합한 잔골재 750~850kg/m3; 및 굵은골재 920~940kg/m3 ;를 포함하여 이루어지며, 상기 시멘트 100중량%에 대하여 페로니켈의 산업부산물 중 수재 페로니켈 슬래그를 미분쇄하여 형성되는 실리카계 슬래그 미분말이 25~35중량% 치환하여 첨가되고, 혼화제 0.88~0.92중량% 및 공기 연행제 0.0008~0.001중량%이 혼합되어 이루어지며, 증기양생으로 PC박스 제조시 몰드를 20℃ 내지 60℃의 온도로 3시간 동안 반응시키고, 반응시킨 몰드를 60℃ 내지 65℃의 온도로 5시간 동안 반응시키며, 반응시킨 몰드를 30℃ 내지 60℃의 온도로 5시간 동안 반응시키는 양생온도 사이클을 적용하여 탈형 요구강도 22MPa를 만족시키도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물{Chemical-resistance enhancement concrete composition for pre-cast box culvert}
본 발명은 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 조립식 PC박스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철강원료 중 스테인레스 제조의 주원료로 사용되는 페로니켈의 산업부산물인 수재 페로니켈슬래그를 시멘트 입자 이상 수준으로 미분쇄하여 얻은 실리카계 슬래그 미분말을 시멘트에 대한 치환율을 높이도록 한 조립식 Precast Concrete 박스용 조성물을 제공하도록 하는 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 조립식 PC박스에 관한 것이다.
화력 발전소, 제철소 등의 산업 부산물을 활용한 혼합 콘크리트의 제조는 그간 많은 연구를 양산하였고, 활용 범위를 확장하면서 국내외적으로도 그 활용성이 점차 증대되고 있다. 즉, 각종 시멘트 대체재의 개발이 기존 OPC(ordinary Portland Cement; 보통 포틀랜드 시멘트) 혹은 고로슬래그시멘트의 원가절감 측면 혹은 고성능(고내구성, 고강도성, 고유동성) 콘크리트의 개발로 이어지는 원천 기술이 되면서 이와 관련된 시멘트 대체재의 개발뿐만 아니라, 시멘트 대체제의 요구 성능의 확보를 가속화하기 위한 고성능 혼화제, 최적 치환율의 개발에도 관련 분야 종사자들의 관심이 집중되고 있다. 여기서, 기존에는 각종 산업 폐기물로 치부되다가 최근에 이르러 혼화재로써 인정을 받는 것들의 대표적인 예는 고로슬래그미분말, 플라이 애쉬, 실리카퓸 등을 들 수 있으며, 그간 고로슬래그미분말 및 플라이 애쉬의 경우는 국내산 제품에 대한 수요와 공급 등이 유기적으로 절충되고 있으며, 실리카퓸의 경우는 관련 공장 및 대량생산 시설의 미비 등으로 인해 우수한 고품질성에도 불구하고 전량 수입에 의존하고 있다가 2015년에야 이르러나 국산화 보급이 가능한 상태에 도달했다.
한편, 최근 또 다른 철강 산업의 부산물로써 제 4의 재료로써 등장한 페로니켈슬래그는 원래 페로니켈의 철강 제조 부산물로써 페로니켈 자체는 스테인리스강 제작을 위한 주원료로 가장 많이 사용되고 있으며, 이의 부산물인 페로니켈슬래그 내 니켈계의 스테인리스강은 내열, 내식성, 내산성, 내마모성 등이 우수하고 가공성이 양호할 뿐만 아니라 인체에 무해한 친환경 소재로서 일반 가정에서 사용하는 식기, 주방용품 등에서 사용되고 있는 실정이다.
페로니켈의 생산 주요공정은 원료처리, 건조, 예비환원, 용융환원(전기로 공정), 정련 및 주조 공정을 거치게 되며, 최종적으로 약 20% 정도의 니켈과 80% 정도의 철이 함유된 페로니켈을 생산하게 되는데 페로니켈슬래그는 바로 페로니켈 생산과정 중 전기로 공정의 중간단계에서 발생하게 되는 수제형 부산물을 지칭한다.
페로니켈슬래그는 페로니켈을 생산하기 위해 원료로 사용된 니켈광석, 유연탄 등이 고온에서 용융되어 페로니켈과 분리된 후 얻어진 유용한 자원이다. 페로니켈슬래그는 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 오래전부터 다양한 방법으로 페로니켈슬래그를 활용하고 있다. 페로니켈 슬래그는 용융슬래그가 자연 공냉에 의해 생산된 프라임 스톤과 물을 분사하여 급속 냉각되어 생산된 프라임 샌드로 분류된다.
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.
프라임 샌드의 경우는 용융슬래그에 물을 분사하여 모래 형태로 생산한 제품을 일컫는데 천연모래 이상으로 우수한 특성을 가지고 있어 콘크리트용 모래로 사용이 가능하다.
최근 포스코건설을 주축으로 하여, 이를 대량 시멘트 치환 대체재로 기술개발한 사례가 최초로 시도 및 현장 적용 등을 통해 진행되고 있고, 국내에서 유일하게 실리카계 슬래그 미분말 생산을 통한 Value chain이 구축되고 있으나, 현재 국내 KS 기준이 없는 실정이어서 비 KS 제품군을 기반으로 한 분야에서 서서히 개별 Infra 및 구조물별로 진행되고 있는 시점이라 하겠다.
한편, 해외의 경우에는 그리스의 Larco사 등에서 실리카계 슬래그 미분말 활용 초속경 시멘트 치환 대체재에 관한 연구를 수행하였으나 현행 국내의 페로니켈슬래그 원료 광석과는 화학적 구성성분 측면에서 상이하여 비교가 불가한 상태이다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 특허등록 제0362089호 "조립식 건축용 패널의 접합모르타르 조성물 및 그의제조방법"(특허문헌 1)이 있다. 상기 배경기술에서는 '시멘트, 모래, 플라이애쉬,팽창제 및 물로 조성된 조립식 건축용 PC(Precast Concrete)접합모르타르(JOINT MORTAR)조성물에 있어서, 시멘트 25~35중량%, 모래65~75중량%(모래 size : S1=0.6㎜이하, S2=0.6-2.4㎜, S3=2.4-4.7㎜), 플라이애쉬 3~6중량%,팽창제 0.2~0.3중량% 로 조성된 접합혼합조성물에 상기 접합조성물 중량%기준으로 15~20중량%의 물로 조성되어 있으며, 상기 팽창제는 플라이애쉬 20~50중량%, 알루미늄분말 0.5~1중량% 및 SP(고유동화제)50~75중량%로 조성됨을 특징으로 하는 조립식 건축용 PC(Precast Concrete)접합모르타르(JOINT MORTAR)조성물'을 제안하여 초기(3시간이내)팽창에 의한 충전효과가 크고 팽창성분이 충전물 전체에 균일하게 분포되어, 조립식 건축용 PC간에 접착력이 우수하여 단 시간 내에 조립식 건축용 PC를 접합하여 시공시간을 단축하도록 한다.
그러나 상기 배경기술은 내화학성 등을 개선시킬 수 없는 문제점이 있었다.
특허등록 제0362089호 "조립식 건축용 패널의 접합모르타르 조성물 및 그의제조방법"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 철강부산물 중 수재 페로니켈슬래그를 시멘트 입자 이상 수준으로 미분쇄하여 얻은 실리카계슬래그 미분말을 시멘트와 치환 혼합하여 조립식 PC박스를 제조하도록 하여, 내염해성, 내화학 침식성 및 황산염 침식 저항성 개선할 수 있으며, 실리카계 슬래그 미분말의 혼합 사용에 따른 외산 대비 가격, 강도 및 내구성능 측면에서도 구조물 수명 연장 및 해외와의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 조립식 PC박스를 제공하는데 그 목적이 있다.
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본 발명에 따른 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물은 콘크리트 조성물의 단위체적에 대하여, 물 160~180kg/m3; 시멘트 420~460kg/m3; 바다모래인 해사와 부순모래인 부사를 혼합한 잔골재 750~850kg/m3; 및 굵은골재 920~940kg/m3 ;를 포함하여 이루어지며, 상기 시멘트 100중량%에 대하여 페로니켈의 산업부산물 중 수재 페로니켈 슬래그를 미분쇄하여 형성되는 실리카계 슬래그 미분말이 25~35중량% 치환하여 첨가되고, 혼화제 0.88~0.92중량% 및 공기 연행제 0.0008~0.001중량%이 혼합되어 이루어지며, 증기양생으로 PC박스 제조시 몰드를 20℃ 내지 60℃의 온도로 3시간 동안 반응시키고, 반응시킨 몰드를 60℃ 내지 65℃의 온도로 5시간 동안 반응시키며, 반응시킨 몰드를 30℃ 내지 60℃의 온도로 5시간 동안 반응시키는 양생온도 사이클을 적용하여 탈형 요구강도 22MPa를 만족시키도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실리카계 슬래그 미분말은 SiO2가 45~60중량% 인 페로니켈슬래그인 것을 특징으로 하는 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 실리카계 슬래그 미분말은 부피비로 CaO 함량 5% 미만, MgO 함량은 25% 이상으로 규정하고, 분말도는 3,800cm2/g ~ 26,300cm2/g 의 범위인 것을 특징으로 하는 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물을 제공하고자 한다.
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본 발명의 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 조립식 PC박스는 철강부산물 중 수재 페로니켈슬래그를 시멘트 입자 이상 수준으로 미분쇄하여 얻은 실리카계슬래그 미분말을 시멘트와 치환 혼합하여 조립식 PC박스를 제조하도록 하여, 내염해성, 내화학 침식성 및 황산염 침식 저항성 개선할 수 있으며, 실리카계 슬래그 미분말의 혼합 사용에 따른 외산 대비 가격, 강도 및 내구성능 측면에서도 구조물 수명 연장 및 해외와의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 100% 사용한 시험체와 본 발명의 콘크리트 조성물로 제작한 시험체의 강도실험 결과를 대비하여 도시한 도이다.
도 2는 보통포틀랜드 100% 사용 실시예와 실리카계 슬래그 미분말 30% 치환한 실시예에서의 양생조건을 비교한 그래프이다.
도 3은 잔골재 변수에 따른 실리카게슬래그미분말 콘크리트의 강도 성능 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스의 장기강도, 내염해성 및 내화학침식성을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 콘크리트 조성물의 중장기 강도 증진성을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 콘크리트 조성물의 중장기 황산염침식 저항성 시험성적서이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이하 바람직한 실시예에 따라 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 철강원료 중 스테인레스 제조의 주원료로 사용되는 페로니켈의 산업부산물인 수재 페로니켈슬래그를 시멘트 입자 이상 수준으로 미분쇄하여 얻은 실리카계 슬래그 미분말을 시멘트에 대한 치환율을 높이도록 한 조립식 Precast Concrete 박스용 조성물을 제공하도록 하는 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 조립식 PC박스에 관한 것이다.
본 발명의 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물의 바람직한 일 실시예는 콘크리트 조성물의 단위체적에 대하여, 물 160~180kg/m3; 시멘트 420~460kg/m3; 잔골재 750~850kg/m3; 및 굵은골재 920~940kg/m3 ;를 포함하여 이루어지며, 상기 시멘트 100중량%에 대하여 실리카계 슬래그 미분말이 25~35중량% 치환하여 첨가되고, 혼화제 0.88~0.92중량% 및 공기 연행제 0.0008~0.001중량%이 혼합되어 이루어진다.
본 발명에 사용되는 실리카계 슬래그 미분말은 페로니켈의 산업부산물 중 수재 페로니켈 슬래그를 미분쇄하여 형성되는데, 페로니켈의 산업부산물 중 수재 페로니켈 슬래그는 슬래그 입자 상태에서는 전혀 반응성이 없지만, 페로니켈 슬래그를 일정 크기 이하로 미분쇄할 경우 시멘트와의 반응성이 증가하고, 따라서 단순 골재가 아닌 시멘트, 모르타르 및 콘크리트용 혼합재로 사용될 수 있다.
시멘트는 다양한 공지의 시멘트를 사용할 수 있으며, 1종 보통 포틀랜드시멘트, 3종 조강 포틀랜드시멘트 및 1종 조강형 시멘트 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 3종 조강 포틀랜드시멘트를 사용하면 생산시간이 짧아지기 때문에, 생산량을 증가시킬 수 있으며, 1종 조강형 시멘트는 기성제품으로 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 분말도를 높여 초기강도를 발현시킬 수 있도록 하고, 무수석고 등의 첨가제를 첨가하여 초기응결속도를 높일 수 있다. 1종 조강형 시멘트를 사용할 경우 저렴한 비용으로 3종 조강 포틀랜드 시멘트와 유사한 조기강도 발현이 가능하다.
물은 160 내지 180㎏/㎥의 범위에서 구성되며, 배합수로 쓰이며 수화열 저감을 위한 것이다. 160 미만으로 사용되면, 수화열 [水和熱, heat of hydration] 을 저감시키는 데 효과가 없으며, 180 초과하여 구성되면, 유동성에 문제가 생긴다.
따라서, 물의 함량은 강도 및 유동성 측면에서 최적 범위로 선택적으로 조절할 수 있으며, 콘크리트 단위체적에 대하여 160 내지 180㎏/㎥을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 골재는 일반적으로 콘크리트용으로 알려진 것을 사용할 수 있으며, 잔골재와 굵은골재로 이루어질 수 있다.
잔골재로는 KS F 2526 규격에 준하는 입경 0.15 내지 5.0mm, 절대건조밀도 2.5g/㎤ 이상, 흡수율 3%이하, 안정성 10%이하인 것을 사용할 수 있다.
굵은골재로는 KS F 2526 규격에 준하는 입경 2.5 내지 25mm, 절대조건밀도 2.5g/㎤이상, 흡수율 3%이하, 안정성 10%이하, 마모율 40% 이하인 것을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어 잔골재는 콘크리트 단위체적에 대하여 750~850kg/m3을 포함하며, 상기 잔골재는 유동성 및 재료분리저감 측면에서 상기 함량 범위로 한정하는 것이 타당하다.
또한 굵은골재는 콘크리트 단위체적에 대하여, 920~940kg/m3를 포함하는 것이 유동성 및 재료분리저감 측면에서 바람직할 것이다.
% 분말도
(cm2/g)		 비중
(g/cm3)		 강열감량
(%)		 Cl-
(%)		 Cr6 +
(mg/kg)		 SO3
OPC 3,712 3.10 2.43 0.017 7 2.23
FNS(L) 4,666 3.05 0.00 0.024 0 0.53
FNS(M) 8,600 3.02 0.00 0.020 0 0.29
FNS(H) 26,300 3.02 0.01 0.029 0 0.26
표 1은 실리카계 슬래그미분말의 분말도 별 기초물성 실험 결과를 나타낸 것이다.
상기 표 1에서와 같이, 보통포틀랜드시멘트(OPC)에 비하여 실리카계 슬래그 미분말(FNS)은 분말도에 상관없이 강열감량이 낮아지는 것을 알 수 있으며, 6대 중금속중 하나인 6가 크롬 및 SO3의 함량도 낮아지는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 시멘트의 일정 중량%를 실리카계 슬래그미분말로 치환하여 사용하도록 함으로써, 조립식 PC박스의 친환경적이면서도 역학적 성능 향상및 경제성을 향상시킬 수 있도록 한다.
PC 박스 제작을 위한 시멘트량 변수 제시
기본적으로 시멘트량 변수에서는 시멘트의 단위 중량이 증가할수록 특정 재령시점에서의 콘크리트 압축강도도 증가하는 양상을 보이는데, 실리카계슬래그 혼입 시멘트의 경우에서도 대체적인 양상은 유사하다.
다만, 동일 치환비에 대한 시멘트량은 주로 고강도 즉, 원 시멘트의 재료량이 더 많은 배합에서 FNS 활성화 속도도 더욱 커지는 것을 확인할 수 있다.
W/B S/a Air 단위중량 (kg/m3)
Water Cement FNS S1 S2 G1 AD AE
OPC 43.5 46.7 3.0 170 442 400 400 932 0.9% 0.0009%
FNS 43.5 46.7 3.0 170 310 132 400 400 932 0.9% 0.0009%
*s1: 세척사 (밀도: 2.60, 흡수율: 1.0, 함수율: 4.9)
*s2: 부순모래 (밀도: 2.60, 흡수율: 1.0, 함수율: 10.1)
*G1: 굵은골재 (밀도: 2.65, 최대치수: 25mm, 흡수율: 1.0, 함수율: 1.0)
AD: 혼화제
AE: 공기연행제
*시멘트: 밀도: 3.15
*FNS: 밀도: 3.04
도 1은 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 100% 사용한 시험체와 본 발명의 콘크리트 조성물로 제작한 시험체의 강도실험 결과를 대비하여 도시한 도이며, 배합비는 표 2와 같다.
도 1에서와 같이, 본 발명의 실리카계 슬래그 미분말을 보통포틀랜드시멘트 중량대비 30%까지 치환하여 강도를 실험한 결과, 100%로 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 사용한 경우와 대비하여 재령 28일 전까지는 다소 강도가 낮은 것으로 나타났으나, 28일 재령에서의 압축강도는 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 100% 사용한 시험체 대비하여 거의 동일한 수준으로 나타났다.
즉, 상기 일반 혼합 콘크리트에서의 시멘트에 대한 실리카계 슬래그 미분말의 치환률의 최적 범위는 28일 재령에서 설계기준 강도에 도달하는 25%에서 치환률을 높여 경제성을 높이도록 하는 35%까지의 치환률을 적정한 치환값으로 선정하는게 바람직하며, 치환률을 증가시키기 위해 화학적 구성 성분의 반응성을 증가시키도록 혼화제 0.88~0.92중량% 및 공기 연행제 0.0008~0.001중량%의 적용을 통해 치환률을 상승시킬 수 있으면서도 강도를 향상시킬 수 있는 것이다.
시멘트를 결합재로 사용한 일반적인 콘크리트의 경우 수화과정에서 생성되는 수산화칼슘에 의해 콘크리트의 알칼리 환경이 조성되고, 이렇게 조성된 알칼리 환경 하에서 혼화재로 혼입된 플라이애시나 고로슬래그의 포졸란 반응 또는 잠재수경성 반응이 진행되게 된다. 그러나 혼화재로 콘크리트용 실리카계 슬래그의 시멘트와의 치환율이 높을수록 시멘트의 사용량이 상대적으로 적기 때문에 반응성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 포졸란 반응이나 잠재수경성 반응 등의 원활한 진행을 위한 공지의 다양한 액상 활성화제 등의 혼화제나 유동성 및 분산력을 증가시켜 반응성을 높이도록 공기 연행제 등이 배합되는 것이 바람직하며, 일정 중량 미만으로 혼합시에는 효과가 나타나지 않고 일정 중량을 초과하여 혼합시에는 경제성이 떨어지기 때문에, 혼화제 및 공기 연행제를 혼합하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에서는 혼화재로 실리카계 슬래그 미분말를 사용하여 기존의 다른 혼화재와 대비하여 매우 경제적이기 때문에 기존 시멘트의 치환율을 25~35%로 늘린 콘크리트 조성물의 가격대 역시 기존에 100%로 보통포틀랜드시멘트를 사용한 경우에 비하여 경제적이다.
순번 시험번호 구분 시멘트 모래
 혼화재 양생 배합시 탈형강도(MPa)
1 2 3 평균
1 1 OPC100 한라 해사+부사 0.90% 70℃7:30 10:20 36.78 37.28 37.08 37.05
2 2 OPC100 현대 해사+부사 0.90% 70℃7:30 13:20 36.03 33.94 36.63 35.53
3 3 OPC100 한라 해사 1% 70℃7:30 10:40 38.31 38.18 38.01 38.17
4 4 OPC100 현대 해사 1% 70℃7:30 13:40 36.48 37.18 38.31 37.32
5 5 OPC100 한라 부사 1% 70℃7:30 11:00 35.41 36.48 35.86 35.92
6 6 OPC100 현대 부사 1% 70℃7:30 13:50 29.44 32.39 32.19 31.34
7 7 FNS25% 한라 부사 1% 70℃7:30 14:05 22.08 22.10 23.17 22.45
8 8 FNS25% 현대 부사 1% 70℃7:30 14:20 22.63 22.23 23.77 22.88
9 9 FNS25% 한라 부사 0.95% 60℃7:30 14:35 25.15 24.62 24.12 24.63
10 10 FNS30% 한라 부사 1% 70℃7:30 14:50 22.43 22.77 21.9 22.37
11 11 FNS30% 현대 부사 1% 70℃7:30 15:05 21.28 18.78 21.85 20.64
12 12 FNS30% 한라 부사 0.95% 60℃7:30 15:25 22.57 22.32 22.43 22.44
13 13 FNS30% 한라 해사+부사 0.95% 60℃7:30 15:40 27.45 26.27 27.09 26.94
14 14 FNS20% 한라 부사 1% 70℃7:30 15:55 23.42 23.25 21.5 22.72
15 15 FNS20% 현대 부사 1% 70℃7:30 16:05 21.83 20.93 20.18 20.98
표 3은 시멘트 치환율에 따른 탈형강도를 비교한 표이다.
표 3과 같이 배합하여 조립식 PC박스의 탈형강도를 시험하였으며, 1일 증기양생 탈형강도 기준은 18MPa이다. 본 배합은 최적화 시험 배합으로 1순번의 OPC의 경우에는 탈형강도가 평균 37.5MPa로 과다 설계에 해당하게 된다.
해당 PC박스 배합은 1일 요구 탈형강도가 18Mpa이며, 28일 설계기준강도가 35MPa이다. 사실상 28일 설계기준 강도의 경우는 전 배합에 대해 만족함을 사전에 증빙한 후 본 실험을 추가로 최적화 수행하였으므로, 1일 증기양생 탈형강도가 18MPa급을 상회하는 배합을 최적배합으로 산정하는 것이 기능이나 경제성 측면에서의 우위를 가져다 준다.
따라서, 순번 1의 경우에는 1일 탈형강도가 37.05Mpa에 육박하여 이미 28일 재령강도를 넘어섰기 때문에 비경제적인 배합이라 판정 가능하며, 순번 12 및 13의 경우에는 FNS 30% 치환에도 불구하고 소요의 탈형강도에 최적화 된 사항이라 판단이 가능하다. 최적화 여부는 결국 경제성 즉, 가성비 측면에서 적확하게 판단할 수 있다.
실리카계슬래그미분말 활용 PC 박스의 요구조건(설계강도) 제시
상술한 바와 같이, 조립식 PC박스에서 일반적으로 업체에서 통용되는 1일 탈형강도는 18MPa이다. 이는 기준으로 제시된 값은 아니며, 기준에서는 28일 설계기준 강도(35Mpa)에 대해서만 다루는 것이 일반적이다. 이러한 이유는 제조업체 혹은 공장에서는 초기 탈형 후 운반, 충격 등에 저항하기 위해 최소의 요구 탈형강도를 경험적으로 취득하여 운용하는 반면, 최종 사용자의 입장에서는 설계기준 강도 조건에만 맞추어져 있어서 품질관리 측면에서 괴리가 존재한다.
따라서, 제조업체 입장에서는 초기탈형강도와 설계기준 강도 모두를 만족하는 배합을 지향하게 되고, 사실상 초기탈형강도를 제어하게 되면 28일 설계기준 강도도 응당 만족하게 되는 방향으로 배합기술이 진행되고 있는 상황이나, 종래의 기술들은 PC 제조 및 시공법 보다는 전단키 모양 변수, 단면 변형 변수 등에만 초점이 맞추어져 있어서, 개개의 특성 및 희소성은 받아들여질 수 있으나 대량 범용화하기에는 문제가 있었다.
따라서 본 발명에서는 새로운 재료인 실리카계슬래그미분말 활용 PC 박스의 시도사례로써 탈형 요구강도를, 앞서 실리카계슬래그 미분말 30% 치환혼합 콘크리트의 1일 탈형강도 시험결과에 근거하여 22MPa로 하는 것이 바람직하다.
증기양생 시스템의 양생온도 사이클 제안
기본적으로 OPC와 실리카계슬래그미분말이란 신재료가 반응하는 에너지의 양은 다르며, 이를 콘크리트로 구성하는 경우에 있어서도 양생온도, 그에 따른 강도의 시간이력에 따른 거동은 다르게 나타나게 된다.
일반적으로 동일재료 내에서는 양생온도가 증가할수록 시간의존적인 강도의 증가가 선형적으로 증가하는 것으로 알려져 있으나, 본 발명과 같이 기존 시멘트와 실리카계슬래그미분말이 융합되는 경우에는 최적 온도양생 시점 및 탈형강도 최적화를 위한 잔존시간이 존재하게 된다.
도 2는 보통포틀랜드 100% 사용 실시예와 실리카계 슬래그 미분말 30% 치환한 실시예에서의 양생조건을 비교한 그래프이다.
시간(Hour) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 총온도
온도(OPC) 24 42 59 60 60.1 60 63.1 60 46.3 44 41.6 40 38 35 673.1
온도(FNS) 24 33 43 58 60 63 63 63 58 46 46 46 35 35 673
표 4는 보통포틀랜드 100% 사용 실시예와 실리카계 슬래그 미분말 30% 치환한 실시예에서의 양생조건을 비교한 표이다.
양생 총량을 규제함으로써 경제성을 동시에 갖추어야 하므로, 도 2 및 표 4에서와 같이, 양생 시스템의 최적화를 통한 실리카계슬래그미분말 전용 조립식 PC박스의 양생시스템을 제안하여 FNS 30%를 치환한 실시예가 OPC 100% 사용 실시예와 연료효율 측면에서도 동등하고, 구현 탈형강도는 가성비 대비 최적의 성능을 도출할 수 있다.
PC 박스 제작을 위한 잔골재의 변수 제시
PC 박스의 구성을 이루는 재료요소 중 하나가 사용 잔골재의 변수이며, 이는 실리카계슬래그미분말의 유무와도 관련이 변수 중의 하나이다. 따라서, 최적화 PC박스의 품질관리 측면에서의 표 5에서와 같이, 잔골재 변수에 따른 탈형 강도 성능도 동시에 체크를 하였다.
도 3은 잔골재 변수에 따른 실리카게슬래그미분말 콘크리트의 강도 성능 실험 결과를 도시한 그래프이다.
구분 시멘트 모래 탈형강도(평균)MPa
OPC100% 한라 해사+부사 37.05
FNS30%치환 한라 해사+부사 26.94
OPC100% 한라 부사 37.32
FNS30% 치환 한라 부사 22.44
표 5는 잔골재 변수에 따른 실리카게슬래그미분말 콘크리트의 강도 성능 실험 결과표이다.
표 5와 도 3에서와 같이, 실리카계슬래그미분말(FNS) 활용에 따른 콘크리트 강도 성능 실험결과는 [해사+부사]를 쓴 경우가 단순 [부사]를 쓴 경우에 대해 초기 탈형 1일강도 측면에서 17% 차이가 나는 것으로 측정되었다.
그러나 비교군인 보통포틀랜드시멘트(OPC)100%의 경우에는 잔골재 종류에 관계없이 유사한 강도 결과를 가지는 것으로 나타나 실리카계슬래그미분말의 경우가 잔골재의 입도분포 및 공극구조 등에 민감하게 반응하는 것으로 나타나고 있음을 확인이 가능하였다.
실리카계슬래그미분말 활용 PC박스의 내화학 저항성 및 염해저항성 결과
도 4는 본 발명의 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스의 장기강도, 내염해성 및 내화학침식성을 비교한 그래프이다.
도 4에서와 같이 내염해 측면에서 실리카계슬래그미분말 혼합 콘크리트의 경우 일반콘크리트에 비해 약 2배이상의 염해 저항성 지료를 가지는 것으로 나타났다. 이에는 정량적인 측정방법으로 ASTM C 1202에 기반한 표준 재령에서의 염소이온 총 통과전하량의 측정치를 100분율로 환산시킨 비교 그래프를 상기와 같이 제시하였는데, 실리카계슬래그 미분말 치환 혼합 콘크리트(100%기준)의 경우가 일반 콘크리트(38%)에 비해 2.63배 높은 염해 저항성을 가지는 것으로 나타났다. 물론 콘크리트의 강도 및 W/B에 따라 다른 거동의 염해 저항성을 가지게 되지만 동일조건에서 실리카계슬래그 미분말의 치환유무 변수만을 가지고 판단한 변수에서 2.63배라면 상당히 높은 염해저항성 수치를 가진다는 것을 나타낸다.
즉, 상기 실리카계슬래그미분말 혼합콘크리트로 이루어진 조립식 PC박스의 경우에도 당연히 원재료가 내염해성이 좋아지므로, 구조물의 내염해성도 향상된다.
한편, 또다른 그래프인 내화학 저항성에 대한 거동도 주요 개선 사항이라고 할 수 있는데, 도 4의 그래프상에서는 초기재령에서 산성용액의 추가에 따른 콘크리트의 중량감소율을 수치로 비교한 것이다. 그래프상에서는 재령 14일에서 4% 차이로 나타나지만, 중량비 4%는 실제적으로 큰 비중을 차지하는 값이며 이를 3개월 재령으로 환산한다면 기존 일반콘크리트대비 실리카계슬래그미분말 혼합 콘크리트의 산중성화 저항능력은 탁월하게 나타난다.
실리카계슬래그미분말 활용 PC 박스의 장기 강도 및 장기 내구성 결과
도 5는 본 발명의 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 콘크리트 조성물의 중장기 강도 증진성을 도시한 그래프이다.
본 발명의 실리카계슬래그 미분말 혼합 콘크리트 조성물의 중장기 재령에서의 압축강도는 도 5와 같다.
즉, 실리카계슬래그미분말 혼합콘크리트는 2차 활성화 반응에 기여하며, 이는 장기강도 증진, 수화열 저감, 내염해성 증진, 내산성 증진등 장기 내구성 향상 재료로 우수한 것으로 나타났다.
도 6은 본 발명의 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 콘크리트 조성물의 중장기 황산염침식 저항성 시험성적서이다.
일반콘크리트 및 실리카계슬래그미분말 혼합콘크리트의 황산염침식저항성을 시험하였고, 급속침지 6개월의 조건으로 시행하였다.
장기 내구성 측면에서의 실험결과로써 급속 촉진 황산염침식 저항성을 들 수 있는데, 도 6에서와 같이, 일반콘크리트의 경우는 황산염 침식 저항성이 91.3%에 그친데 반해, 실리카계슬래그미분말 혼합콘크리트의 경우는 96.2%로 나타나 장기 내구성 측면에서도 우월성을 갖추고 있음을 확인이 가능하였다.
상기와 같은 본 발명의 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 조립식 PC박스는 철강부산물 중 수재 페로니켈슬래그를 시멘트 입자 이상 수준으로 미분쇄하여 얻은 실리카계슬래그 미분말을 시멘트와 치환 혼합하여 조립식 PC박스를 제조하도록 하여, 내염해성, 내화학 침식성 및 황산염 침식 저항성 개선할 수 있으며, 실리카계 슬래그 미분말의 혼합 사용에 따른 외산 대비 가격, 강도 및 내구성능 측면에서도 구조물 수명 연장 및 해외와의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

Claims (6)

  1. 콘크리트 조성물의 단위체적에 대하여, 물 160~180kg/m3; 시멘트 420~460kg/m3; 바다모래인 해사와 부순모래인 부사를 혼합한 잔골재 750~850kg/m3; 및 굵은골재 920~940kg/m3 ;를 포함하여 이루어지며,
    상기 시멘트 100중량%에 대하여 페로니켈의 산업부산물 중 수재 페로니켈 슬래그를 미분쇄하여 형성되는 실리카계 슬래그 미분말이 25~35중량% 치환하여 첨가되고, 혼화제 0.88~0.92중량% 및 공기 연행제 0.0008~0.001중량%이 혼합되어 이루어지며,
    증기양생으로 PC박스 제조시 몰드를 20℃ 내지 60℃의 온도로 3시간 동안 반응시키고, 반응시킨 몰드를 60℃ 내지 65℃의 온도로 5시간 동안 반응시키며, 반응시킨 몰드를 30℃ 내지 60℃의 온도로 5시간 동안 반응시키는 양생온도 사이클을 적용하여 탈형 요구강도 22MPa를 만족시키도록 하는 것을 특징으로 하는 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    실리카계 슬래그 미분말은 SiO2가 45~60중량% 인 페로니켈슬래그인 것을 특징으로 하는 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    실리카계 슬래그 미분말은 부피비로 CaO 함량 5% 미만, MgO 함량은 25% 이상으로 규정하고, 분말도는 3,800cm2/g ~ 26,300cm2/g 의 범위인 것을 특징으로 하는 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 PC박스용 콘크리트 조성물.
  5. 삭제
  6. 삭제
KR1020170085495A 2017-07-05 2017-07-05 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 pc박스용 콘크리트 조성물 KR101965958B1 (ko)

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