KR102001510B1 - 매스콘크리트용 저발열 시멘트 결합재 조성물 - Google Patents

매스콘크리트용 저발열 시멘트 결합재 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저발열 시멘트 결합재용으로 활용하기 위한 슬래그로서 고로슬래그를 저분말도로 분쇄하여 에너지 저감을 유도한 저분말도 슬래그와, 이러한 저분말도 슬래그를 바람직하게 경제적으로 제조하기 위한 방법, 그리고 그 저분말도 슬래그를 바람직하게 이용한 저발열 시멘트 결합재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 저발열 시멘트 결합재용 에너지 저감형 저분말도 슬래그는, 시멘트와 함께 저발열 시멘트 결합재로 사용하기 위한 슬래그로서, 분말도가 2,300~3,200㎠/g이고, 입도 44㎛ 잔사가 20~35%이고, 28일 활성도지수가 80~105%이며, 40℃ 미소수화열이 135~155J/g인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 저발열 시멘트 결합재용 에너지 저감형 저분말도 슬래그의 제조방법은, 고로슬래그 분쇄과정을 분쇄설비의 Separator rpm을 고로슬래그 미분말을 제조하는 경우의 55~80% 수준이나 560~800rpm으로 설정하면서 실시하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 저발열 시멘트 결합재 조성물은, 보통 포틀랜드 시멘트, 상기와 같은 규격의 저분말도 슬래그, 유동성 개선제를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 여기서 유동성 개선제는 분말도가 6,000~12,000㎠/g인 석회석 고미분말을 바람직하게 채택할 수 있다.

Description

매스콘크리트용 저발열 시멘트 결합재 조성물{Low Heat Cement Binder Composition for Mass Concrete}
본 발명은 매스콘크리트의 수화열을 효과적으로 저감할 수 있는 저발열 시멘트 결합재에 관한 것이다.
최근 건설공사는 해양구조물, 초고층 건축물, 장대교량 등 대형구조물의 건설이 증가하고 있고, 이에 따라 매스콘크리트의 수요도 증가하고 있다. 한편 지속가능한 사회구축을 위해 건축재료 분야에서는 다양한 산업부산물이나 리싸이클 재료의 활용 및 지구온난화 등에 따른 에너지 절감 등을 도모하는 접근이 이루어지고 있다.
제철소에서 선철과정 중 발생하는 고로슬래그를 미분쇄한 고로슬래그 미분말은 산업부산물을 활용한 콘크리트 재료로 오랜 역사가 있지만, 매스콘크리트에 사용시 초기강도발현 지연, 수화열 증가로 인해 그 사용이 제한적이다. 더욱이 최근에는 고로슬래그의 초기강도발현 지연문제를 해결하기 위해 고로슬래그를 더욱 미분쇄하여 분말도를 높이는 추세인데. 이 경우 미분쇄에 따른 에너지 비용이 증가하는 문제가 따른다.
매스콘크리트의 수화열 저감은 재료적인 측면에서 중용열 또는 저열 시멘트를 사용할 수 있지만, 이는 가격이 고가이고 생산 및 공급이 제한적인 문제점이 있다. 따라서, 현재 실무에서는 시멘트와 플라이애시 2성분계 또는 시멘트와 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 혼합한 3성분계 혼합시멘트가 많이 사용되고 있다. 그런데 플라이애시는 탄 종류에 따라 품질변동이 심한 미연소 탄소량을 다량 함유하고 있기 때문에 콘크리트 품질관리에 어려움을 주는 하나의 요인이 된다. 하지만 플라이애시가 고로슬래그 미분말보다 수화열 저감에 효과적인 관계로 플라이애시를 배제하기 어려운 실정이다.
대한민국등록특허 제10-0581150호 대한민국등록특허 제10-1750830호
본 발명은 종래 매스콘크리트에서 플라이애시와 고로슬래그 미분말의 사용에 따른 문제를 개선하고자 개발된 것으로서, 플라이애시의 품질변동에 따른 콘크리트 품질관리의 어려움을 플라이애시의 사용 배제로 해결한 새로운 저발열 시멘트 결합재, 이러한 저발열 시멘트 결합재용으로 바람직하게 활용하기 위해 새로운 규격의감형 저분쇄 저분말도 슬래그, 그리고 이러한 저분말도 슬래그를 바람직하게 경제 에너지 저적으로 제조하기 위한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 시멘트와 함께 저발열 시멘트 결합재로 사용하기 위한 슬래그로서, 분말도가 2,300~3,200㎠/g이고, 입도 44㎛ 잔사가 20~35%이고, 28일 활성도지수가 80~105%이며, 40℃ 미소수화열이 135~155J/g인 것을 특징으로 하는 저발열 시멘트 결합재용 에너지 저감형 저분말도 슬래그를 제공한다.
또한 본 발명은 시멘트와 함께 저발열 시멘트 결합재로 사용하기 위한 슬래그를 제조하는 방법으로, 고로슬래그 분쇄과정을, 분쇄설비의 Separator rpm을 고로슬래그 미분말을 제조하는 경우의 55~80% 수준이나 560~800rpm으로 설정하면서 실시하는 것을 특징으로 하는 저발열 시멘트 결합재용 에너지 저감형 저분말도 슬래그의 제조방법을 제공한다.
나아가 본 발명은 보통 포틀랜드 시멘트, 상기와 같은 규격의 저분말도 슬래그, 유동성 개선제를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저발열 시멘트 결합재 조성물을 제공한다. 여기서 유동성 개선제는 분말도가 6,000~12,000㎠/g인 석회석 고미분말을 바람직하게 채택할 수 있으며, 이 경우 보통 포틀랜드 시멘트 25~40중량%, 저분말도 슬래그 45~60중량%, 석회석 고미분말 5~15중량%로 3성분계 결합재를 조성할 수 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 시멘트와 함께 결합재로 사용할 때 수화열 저감에 유리하게 역할하는 새로운 규격의 저분말도 슬래그를 제공할 수 있다. 특히 본 발명에 따른 저분말도 슬래그는 산업부산물인 고로슬래그를 단순히 저분쇄하는 것으로 수급할 수 있기 때문에, 산업부산물 활용에 따른 경제성을 확보하는 것은 물론, 종래 고로슬래그 미분쇄하는 경우보다 분쇄에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다.
둘째, 저분말도 슬래그 사용에 의한 수화열 저감으로 콘크리트의 안정적인 수화열 저감이 가능하고, 더불어 저발열 시멘트 결합재 구성에서 플라이애시의 사용배제가 가능하여 안정적인 콘크리트의 품질확보가 가능해진다. 이러한 콘크리트는 매스콘크리트로 유리하게 적용할 수 있다.
도 1은 [실시예1]에서 고로슬래그의 분말도에 따른 활성도지수와 플로우비를 나타낸 그래프이다.
도 2는 [실시예1]에서 고로슬래그의 분말도에 따른 40℃ 미소수화열을 나타낸 그래프이다.
도 3은 [실시예2]에서 고로슬래그의 분말도에 따른 콘크리트의 슬럼프와 슬럼프플로우를 나타낸 그래프이다.
도 4는 [실시예2]에서 고로슬래그의 분말도에 따른 콘크리트의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 [실시예3]에서 저분말도 슬래그와 고분말 필러의 사용에 따른 콘크리트의 슬럼프와 슬럼프플로우를 나타낸 그래프이다.
도 6은 [실시예3]에서 저분말도 슬래그와 고분말 필러의 사용에 따른 콘크리트의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 [실시예3]에서 저분말도 슬래그와 고분말 필러의 사용에 따른 콘크리트의 간이 수화열과 최고온도를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 시멘트와 함께 저발열 시멘트 결합재로 사용하기 위한 슬래그에 관한 것으로, 새로운 규격의 슬래그를 제안한다는데 특징이 있다. 분말도가 2,300~3,200㎠/g이고, 입도 44㎛ 잔사가 20~35%이고, 28일 활성도지수가 80~105%이며, 40℃ 미소수화열이 135~155J/g인 것을 특징으로 하는 슬래그를 제안하며, 이러한 규격의 슬래그를 본 발명에서는 대표적으로 분말도가 낮은 것은 감안하여 저분말도 슬래그로 칭한다.
고로슬래그의 분말도가 2,300㎠/g 이하이면 분말도의 지나친 저하로 인해 유동성 및 시공성 저하가 우려되고, 분말도가 3,200㎠/g 이상이면 수화열 저감효과가 미미해진다. 고로슬래그의 44㎛ 잔사가 20% 이하이면 수화열 저감효과가 미미하고, 44㎛ 잔사가 35% 이상이면 조립부분 증가에 따라 유동성 및 시공성 저하가 발생하기 쉽다. 또한 고로슬래그는 28일 활성도지수가 80~105% 범위에서 압축강도를 효과적으로 증진시키며, 또한 40℃에서 수화 직후부터 24시간 동안 발생하는 미소수화열이 135~155J/g 범위일 때 콘크리트 수화열 저감을 이끈다.
위와 같이 특성의 저분말도 슬래그는 제철소에서 발생하는 고로슬래그를 간단히 저분쇄하는 방법으로 제조할 수 있다. 고로슬래그 분쇄과정에서 분쇄설비의 Separator rpm을 기존 고로슬래그 미분말을 제조하는 경우의 55~80% 수준이나 560~800rpm으로 설정하면서 실시하면 된다. 더불어 저분쇄로 입자 크기가 커진 고로슬래그의 효과적인 포집을 위해 분쇄설비의 출구 압력을 높게 설정하는 것이 더욱 바람직한데, 기존 고로슬래그 미분말을 제조하는 경우의 110~120% 수준이나 600~800mmH2O로 설정하는 것이다. 이와 같이 기존 고로슬래그 미분말(통상 4,000㎠/g 이상의 분말도를 가짐)을 제조하는 경우보다 Separator의 속도를 낮게 설정함으로써 기존 고로슬래그 미분말보다 큰 분말도의 슬래그로 제조하는 한편, 출구 압력을 더 높게 설정함으로써 입자크기가 큰 저분말도 슬래그를 효과적으로 포집할 수 있다. 이렇게 저분말도 슬래그를 생산할 경우는 기존 고로슬래그 미분말을 생산하는 경우보다 분쇄설비의 처리능력이 향상되어 생산성이 증가되는 효과가 발생하며, 이로써 본 발명은 기존 고로슬래그 미분쇄에 따른 에너지 비용을 절감할 수 있다.
위에서 살펴본 저분말도 슬래그는 시멘트와 함께 저발열 시멘트 결합재로 사용할 수 있다. 다만 아래 [실시예2]에서 확인한 결과 시멘트와 저분말도 슬래그만으로 결합재를 구성할 경우, 유동성이 저하되는 문제가 초래되었다. 유동성 문제를 개선하기 위해 결합재에 유동성 개선제를 더 포함하는 것이 바람직한데, 유동성 개선제는 저분말도 슬래그의 분말도를 보완하면서 수화열에 문제가 없는 고분말 필러가 바람직하며, 가령 석회석 고미분말이 있다.
석회석 고미분말은 주성분으로 탄산칼슘(CaCO3)이 75~90중량% 차지하는 한편 분말도가 6,000~12,000㎠/g인 것이며, SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, SO3, K2O, Na2O 등 미량 성분을 포함하고 있는 것이 특징이다. 이와 같은 석회석 고미분말은 고분말도에 의한 미립자 충전효과, 자극성을 가진 미량의 알칼리 성분에 의해 저온환경에서 고로슬래그의 초기수화 촉진효과를 나타내게 된다. 또한 고로슬래그 미분말을 사용할 경우 발생할 수 있는 유동성의 품질변동에 대하여 시멘트와 동등한 유동성을 확보할 수 있도록 하는 역할을 한다. 특히, 본 발명에서는 바람직한 석회석 고미분말로 시멘트 제조공정 중에서 석회석을 주성분으로 포함하는 원료의 분쇄 및 이송공정에서 백필터로 집진한 것을 제안한다. 석회석 고미분말을 석회석 원석에서 얻는다면 석회석 원석을 고미분으로 분쇄가공하는 공정 때문에 에너지 비용 상승에 따른 원가 상승이 불가피하겠지만, 본 발명에서는 석회석 고미분말을 시멘트 제조공정에서 발생하는 분진을 포집하여 입수할 것을 제안하기 때문에 별도의 분쇄 에너지 소모가 없어 재료의 원가를 오히려 절감할 수 있고 나아가 자원재활용 효과도 기대할 수 있다.
보통 포틀랜드 시멘트, 저분말도 슬래그, 석회석 고미분말로 3성분계 저발열 시멘트 결합재를 구성한다면, 보통 포틀랜드 시멘트 25~40중량%, 저분말도 슬래그 45~60중량%, 석회석 고미분말 5~15중량%로 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 조성범위는 경제성과 강도발현 및 유동성 등을 종합적으로 고려한 결과이다. 이와 같은 저발열 시멘트 결합재는 콘크리트의 품질변동에 영향을 주는 플라이애시의 사용배제를 이끌면서 콘크리트의 수화열 저감 및 콘크리트의 안정적인 품질확보를 가능케 한다.
이하에서는 실시예에 의거하여 본 발명을 상세히 살펴본다. 다만, 아래의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.
[실시예1] 기초물성
고로슬래그의 분말도에 따른 고로슬래그의 기초물성을 확인하였으며, 확인 결과 아래 [표 1] 및 도 1 내지 2와 같이 나타냈다. 아래 [표 1]에서 저분말도 슬래그와 기존 슬래그는 기존 슬래그 분쇄설비를 동일하게 이용하여 제조하였다. 저분말도 슬래그에서 분말도 2000의 저분말도 슬래그는 Saparator rpm을 450, 출구 압력을 900mmH2O로 설정하여 제조하고, 분말도 2500의 저분말도 슬래그는 Saparator rpm을 780, 출구 압력을 800mmH2O로 설정하여 제조하고, 분말도 2800의 저분말도 슬래그는 Saparator rpm을 650, 출구 압력을 720mmH2O로 설정하여 제조하고, 분말도 3100의 저분말도 슬래그는 Saparator rpm을 750, 출구 압력을 780mmH2O로 설정하여 제조하였다. 기존 슬래그에서 분말도 4000 및 4100의 슬래그는 각각 분쇄설비의 Saparator rpm 1000, 1100rpm 출구 압력을 500, 550mmH2O로 설정하여 제조하였다.
분말도에 따른 고로슬래그의 기초물성
구분 시료명
(분말도)		 분말도 플로비(%) 활성도지수(%)
Blaine (㎠/g) 44㎛ (%) 7일 28일 91일
시멘트 1종 OPC 3,265 9.8 100 100 100 100
저분말도
슬래그		 2,000 1,955 49.5 100 55.4 76.7 101
2,500 2,477 32.0 102 60.9 85.2 105
2,800 2,785 27.2 102 64.1 93.4 111
3,100 3,092 20.8 103 67.7 100 114
기존
슬래그		 4,000 4,075 14.1 105 76.6 109 117
4,100 4,160 12.9 106 77.4 111 118
위의 [표 1] 및 도 1에서와 같이 고로슬래그의 분말도가 낮을수록 플로비가 감소하고, 활성도지수가 저하하며 44㎛ 잔사가 증가하는 경향을 보였다. 도 2는 40℃ 미소수화열 시험결과를 보여주는데, 보는 바와 같이 기존 슬래그(분말도 4000, 4100)는 종래 통상적으로 저발열 시멘트 결합재로 사용하는 3성분계 결합재(시멘트:고로슬래그:플라이애시=4:4:2, 4:4:2)보다 높은 미소수화열을 나타낸 반면, 저분말도 3100은 3성분계 결합재(4:4:2)와 동등한 수준이고, 저분말도 3100 이하는 3성분계 결합재(4:4:2)보다 낮은 미소수화열을 나타내는 것으로 확인되었다.
위와 같은 결과로부터 본 발명은 저발열 시멘트 결합재로 바람직하게 이용하기 위한 고로슬래그의 기초물성을 제안하는데, 분말도가 2,300~3,200㎠/g이고, 입도 44㎛ 잔사가 20~35%이고, 28일 활성도지수가 80~105%이며, 40℃ 미소수화열이 135~155J/g일 것을 제안한다. 이와 같은 기초물성을 가질 때 저발열 시멘트 결합재로서 수화열 저감에 효과적으로 기여한다.
[실시예2] 콘크리트 실험1 : 고로슬래그의 분말도에 따른 유동성
아래 [표 2]와 같은 배합으로 고로슬래그의 분말도에 따른 콘크리트의 유동성, 압축강도, 수화열을 확인하였다, 아래 [표 2]에서 슬래그는 위 [실시예1]에서와 동일한 슬래그를 이용하였다.
콘크리트 배합
구분 W/B
(%)		 S/a
(%)		 SP제
(%)		 질량배합(kg/m3)
W OPC 슬래그(분말도) FA S G
4100 2800 2500
OPC 45 45 0.6 165 367 - - - - 791 971
442 147 147 - - 73 775 950
B4100 147 220 - - - 784 962
B2800 147 - 220 - - 783 961
B2500 147 - - 220 - 784 962
위 [표 2]와 같은 배합의 콘크리트에 대해 유동성과 압축강도 및 수화열을 확인한 결과 도 3 내지 4와 같이 나타냈다. 도 3은 고로슬래그의 분말도에 따른 콘크리트 슬럼프 및 슬럼프플로를 나타낸 것인데, 보는 바와 같이 통상 저발열 시멘트 결합재로 이용하는 3성분계 결합재(4:4:2)를 사용한 경우와 비교하여, 기존 슬래그 분말도 4100을 사용한 경우는 동등 이상의 유동성을 발휘하나, 슬래그의 분말도가 작을수록 콘크리트의 유동성은 저하하고 특히 슬래그 분말도 2800 이하에서 크게 저하하는 것으로 확인되었다. 이러한 유동성 저하는 고로슬래그의 저분쇄에 따른 44㎛의 잔사 증가 등 조직이 거칠어짐에 따른 흐름성 저하로 파악되며, 저분말도 슬래그를 사용할 경우 3성분계 결합재(4:4:2)와 동등한 수준의 유동성 확보를 위해서는 유동성 개선을 위한 대책이 필요한 것으로 보인다.
도 4는 고로슬래그 분말도에 따른 압축강도를 나타낸 것인데, 보는 바와 같이 3성분계 결합재(4:4:2)와 비교하여 고로슬래그 분말도 4100은 동등 이상의 강도를 발현하고, 고로슬래그 분말도 2800은 동등 수준, 2800 이하는 다소 저하하는 것으로 확인되었다.
[실시예3] 콘크리트 실험2 : 결합재 개선
앞서 [실시예2]를 통해 저분말도 슬래그를 사용할 경우 3성분계 결합재(4:4:2)와 동등한 수준의 유동성 확보를 위해서는 유동성 개선을 위한 대책이 필요한 것으로 확인되었다. 이에 따라 본 실시예3에서는 저분말도 고로슬래그의 사용에 따른 유동성 저하 문제를 개선하기 위해 유동성 개선제로 고분말 필러를 결합재에 포함하면서 아래 [표 3]과 같은 배합의 콘크리트에 대해 유동성과 압축강도 시험을 실시하였다. 아래 [표 3]에서 기존 B4100과 저분말도 B3100은 각각 위 [실시예1]의 분말도 4100과 저분말도 3100의 슬래그에 해당한다. 그리고 고분말 필러로는 석회석 고미분말을 사용하였는데, 석회석 고미분말은 시멘트 제조공정 중 석회석을 주성분으로 포함하는 원료의 분쇄 및 이송 공정에서 발생하는 분진 형태의 석회석을 백필터로 집진한 것으로 분말도(Blaine)가 7,850㎠/g인 것을 사용하였다.
콘크리트 배합
구분 W/B
(%)		 S/a
(%)		 SP제
(%)		 질량배합(kg/m3)
W OPC 기존
B4100		 저분말도
B3100		 FA 고분말필러 S G
OPC 45 45 0.6 165 367 - - - - 791 971
442 147 147 - 73 - 775 950
B4100 147 220 - - - 784 962
B3100 147 - 200 - - 783 961
CM1 110 - 220 - 37 783 961
BM1 147 - 183 - 37 784 962
위 [표 3]과 같은 배합의 콘크리트에 대해 유동성과 압축강도 및 수화열을 확인한 결과 도 5 내지 7과 같이 나타냈다. 도 5에서 보는 바와 같이 시멘트 및 슬래그의 일부를 고분말 필러로 대체한 경우(CM1, BM1)가 고분말 필러를 사용하지 않은 경우(B3100)보다 유동성이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 압축강도를 나타내는데, 보는 바와 같이 저분말도 슬래그를 사용한 경우(B3100, CM1, BM1)에 초기강도는 다소 저하하나 장기재령 강도는 3성분계 결합재를 사용한 경우(442)와 동등 수준으로 발현되는 것을 알 수 있다.
도 7은 간이 수화열 시험결과를 나타내는데, 기존 슬래그를 사용한 경우(B4100)에 수화열이 가장 높게 나타나고 저분말도 슬래그와 고분말 필러를 함께 사용한 경우(CM1, BM1)는 기존 3성분계 결합재를 사용한 경우(442)보다 수화열이 낮게 나타났다. 이와 같은 결과를 종합하면, 저분말도 슬래그 사용에 따른 유동성 저하 문제는 고분말 필러를 사용하여 개선할 수 있고, 이렇게 개선된 저발열 시멘트 결합재는 기존 3성분계 결합재(442)보다 수화열을 저감시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 보통 포틀랜드 시멘트 25~40중량%, 저분말도 슬래그 45~60중량%, 고분말 필러 5~15중량%으로 조성되되,
    상기 저분말도 슬래그는, 분말도가 2,300~3,000㎠/g이고, 입도 44㎛ 잔사가 20~35%이고, 28일 활성도지수가 80~105%이며, 40℃ 미소수화열이 135~155J/g인 것이며,
    상기 고분말 필러는, 분말도가 6,000~12,000㎠/g인 석회석 고미분말임을 특징으로 하는 매스콘크리트용 저발열 시멘트 결합재 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 저분말도 슬래그는, 고로슬래그 분쇄과정에서 분쇄설비의 Separator rpm을 고로슬래그 미분말을 제조하는 경우의 55~80% 수준이나 560~800rpm으로 설정하고 분쇄설비의 출구 압력을 고로슬래그 미분말을 제조하는 경우의 110~120% 수준이나 600~800mmH2O로 설정하면서 실시하여 제조된 것임을 특징으로 하는 매스콘크리트용 저발열 시멘트 결합재 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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