KR102204966B1 - 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 시멘트 100중량부에 대하여 1 내지 50중량부의 고강도 혼합재 조성물을 치환 첨가하고, 상기 혼합재는, 슬래그 45 내지 99중량부와, 무수석고 1 내지 55중량부와, 광촉매 15 내지 30중량부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법 {HIGH STRENGTH MIXING OF CEMENT FOR STEAM CURING AND CONSTRUCTION METHOD THEREOF}
본 발명은 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 제철 산업의 폐부산물인 고로수쇄 슬래그(slag)와 무수석고를 함유한 조성물을 고미분체화하여 시멘트와 혼합하여 사용함으로써 콘크리트 제조 시에 고강도 발현 및 제조 단가의 절감을 이룰 수 있고, 빛에 노출되면 이물질을 흡착시키는 흡착제를 포함하므로 외부에 노출되는 구조물로 사용되면 주변 환경 오염을 방지하는 기능을 구현할 수 있는 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현재는 산업 발전, 인구 증가 및 인구 집중과 더불어 건축물이나 토목 구축물이 대형화되고 있는 실정이다.
따라서 전술된 건축물이나 토목 구축물 등의 강도 설계는 과거와는 달리 국가적 시책으로 엄격히 제한받음으로써, 그에 대응하여 고강도 콘크리트와 고강도 철골 구조물이 절실히 요구되고 있다.
전술된 요구를 충족시키기 위한 일 방안으로는, 통상적인 시멘트에 실리카 흄(silica fume), 메타 카올린(meta kaolin) 및 계 클링커 등을 혼합하여 고강도 콘크리트 파일(pile)이나 고강도 콘크리트를 제조하였다.
그러나 이러한 혼합재는 매우 고가(高價)로서 건축물이나 토목 구축물 등의 시공 단가를 상승시킴으로써 건축업계나 토목업계 등에 부담을 가중시키는 요인으로 작용하고 있었다.
따라서 현재는 저가(低價)이면서도 강도 측면에서 양호한 혼합재의 개발이 시급한 당면 과제임은 주지의 사실이다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법이 개발되었으며, 종래기술에 따른 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법은, 시멘트 100중량%에 대하여 1 내지 50중량%의 고강도 혼합재 조성물을 치환 첨가하고, 혼합재는 슬래그 45 내지 99중량%와 무수석고 1 내지 55중량%로 구성된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0235385호(2000년 01월 15일 공고, 발명의 명칭 : 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물)에 개시되어 있다.
종래기술에 따른 혼합재 조성물은, 미세 먼지 등과 같은 환경오염 물질을 제거하거나 흡착시킬 수 있는 별도의 기술구성이 구비되지 않기 때문에 환염오염이 가장 큰 화두로 언급되는 최근의 사회 분위기에 편승하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 종래기술에 따른 혼합재 조성물은, 환경오염을 방지하기 위해 친환경 조성물을 혼합재에 포함시키는 경우에 친환경 조성물에 의해 시멘트 구조물의 강도가 저하되는 문제점이 있다.
따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 제철 산업의 폐부산물인 고로수쇄 슬래그(slag)와 무수석고를 함유한 조성물을 고미분체화하여 시멘트와 혼합하여 사용함으로써 콘크리트 제조 시에 고강도 발현 및 제조 단가의 절감을 이룰 수 있고, 빛에 노출되면 이물질을 흡착시키는 흡착제를 포함하므로 외부에 노출되는 구조물로 사용되면 주변 환경 오염을 방지하는 기능을 구현할 수 있는 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 시멘트 100중량부에 대하여 1 내지 50중량부의 고강도 혼합재 조성물을 치환 첨가하고, 상기 혼합재는, 슬래그 45 내지 99중량부와, 무수석고 1 내지 55중량부와, 광촉매 15 내지 30중량부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 혼합재는, 7,000 내지 10,000 cm2/g의 입도로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 광촉매는, 페로센 화합물 또는 산화티타늄을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 광촉매는, 15,000 내지 30,000 cm2/g의 입도로 이루어지는 비드에 코팅되어 상기 혼합재에 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, (a) 슬래그 45 내지 99중량부와, 무수석고 1 내지 55중량부와, 광촉매 15 내지 30중량부로 구성되는 혼합재를 제조하는 단계; 및 (b) 시멘트 100중량부에 대하여 1 내지 50중량부의 상기 혼합재를 치환 첨가하는 단계를 포함하고, 상기 (a)단계는, 15,000 내지 30,000 cm2/g의 입도로 이루어지는 비드에 상기 혼합재를 코팅하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법은, 빛에 노출되면 미세 먼지 등의 이물질을 흡착하여 공기 중에 포함되는 이물질을 제거하는 광촉매가 포함되므로 옹벽블록과 같이 야외에 노출되는 시멘트 구조물에 사용되면 일조 시간에 광촉매에 빛이 조사되어 주변 공기에 포함되는 미세 먼지 등의 이물질이 제거되어 시멘트 구조물이 시공되는 주변의 환경오염을 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법은, 광촉매를 일정 크기의 비드 표면에 코팅하여 혼합재 조성물에 공급하므로 시멘트 구조물을 시공할 때에 구조물 외벽에 광촉매가 코팅되는 비드가 돌출되게 시공될 수 있어 공기 중에 포함되는 이물질을 보다 효과적으로 흡착하여 제거할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법의 일 실시예를 설명한다.
이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물은, 시멘트 100중량부에 대하여 1 내지 50중량부의 고강도 혼합재 조성물을 치환 첨가하고, 상기 혼합재는, 슬래그 45 내지 99중량부와, 무수석고 1 내지 55중량부와, 광촉매 15 내지 30중량부로 구성된다.
본 실시예의 혼합재 조성물은, 시멘트의 성분 중 칼슘알루미네이트(3CaOㅇAl2O3)와 반응하여 에트링자이트(3CaOㅇAl2O3ㅇ3CaSO4ㅇ32H2O)를 생성한다.
이후, 에트링자이트는 물과 시멘트의 수화반응에 의해 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H계)을 형성한다.
전술된 에트링자이트 및 칼슘실리케이트 수화물와 함께 본 발명의 조성물은 미분체의 충전효과에 의한 유동성 향상으로 반죽에 필요한 소요 물량을 감소시켜 고강도를 유도한다.
또한, 본 실시예의 혼합재 조성물에는 광촉매가 포함되는데, 본 실시예의 광촉매는, 15,000 내지 30,000 cm2/g의 입도로 이루어지는 비드에 페로센 화합물 또는 산화티타늄을 포함하는 광촉매가 코팅되어 포함된다.
광촉매가 도포되는 비드는, 혼합재의 입도와 비교하여 크게 형성되므로 비드에 광촉매가 도포되어 혼합재에 포함되고, 시멘트와 혼합재가 혼합하여 시공하면 시멘트 구조물 외벽에 광촉매가 도포되는 비드가 돌출되는 시멘트 구조물을 제공할 수 있게 된다.
본 실시예의 광촉매는, 페로센 화합물 또는 산화티타늄을 포함하고, 광촉매는, 15,000 내지 30,000 cm2/g의 입도로 이루어지는 비드에 코팅되어 본 실시예의 마감재에 포함된다.
페로센(C10H10Fe)은 다이-π-사이클로펜타다이엔일 철이고, 산화티타늄(TiO2)은 유해물질을 산화 분해하는 기능을 이용하여 환경정화(환경오염을 제거하고 항균, 탈취하는 등의 효과)하는 데 이용되거나, 초친수성 기능(표면이 젖어도 물방울을 만들지 않고 엷은 막을 만들어 내는 성질)을 응용하여 셀프 크리닝 효과가 있는 유리와 타일, 청소기, 공기청정기, 냉장고, 도로포장, 커튼, 벽지, 인공관엽식물 등 다양한 제품에 적용되고 있다.
산화티타늄은 자외선에 반응하여 광촉매 역할을 행하고, 페로센은 철 산화물의 표면에 증착시키면 가시광선에 반응하여 광촉매 역할을 행하는 광촉매를 이룰 수 있게 된다.
본 실시예의 광촉매는, 철 산화물로 이루어지는 비드를 광촉매 물질인 페로센 또는 산화티타늄과 함께 밀폐 공간에 수납하고, 섭씨50~60℃로 0.5~1시간 동안 1차 가열시키면 페로센 또는 산화티타늄에 포함되는 Fe 성분 또는 Ti성분이 밀폐 공간의 공기 중으로 확산되고, 이후에 섭씨200~300℃로 2~3시간 동안 2차 가열하면 비드 표면에 광촉매 물질이 증착된다.
고강도 콘크리트를 제조할 때에 배합되는 재료는, 포틀래드 시메트(분말도 3,250cm2/g), 고강도 혼합재(분말도 5,000cm2/g), 슬래그(분말도 8,000cm2/g)와 무수석고(분말도 10,000cm2/g)의 혼합물, 모래, 자갈 및 혼화재(유동화제, 공기 연행제)로 이루어지고, 혼합재를 제조하기 위한 원재료의 화학적 조성은 표 1과 같다.
Figure 112019056422317-pat00001
슬래그 및 무수석고의 화학적 조성
상압증기 양생조건은 우선, 30℃ 등온에서 4시간(응결종결 시) 유지하고, 70∼80℃가 될 때까지 2∼3시간 승온시킨 후 4∼5시간 등온을 유지한 다음, 자연 상태에서 냉각을 시킨다.
<실시예1>
패이스트(paste)제조
고강도 혼합재와 시멘트의 배상 조성물은 표2에 기재된 바와 같다.
Figure 112019056422317-pat00002
페이스트 공시체 제조 시 배합
표 3은 포틀랜드 시멘트에 분말도 5,000cm2/gㅁ100 범위의 고강도 혼하배를 혼합한 시멘트 조성물의 패이스트에 대한 물성을 나타내고 있다.
Figure 112019056422317-pat00003
KSF 4306 규격상의 출하 압축강도는 800kg/cm2 이상을 만족하여야 하는데, 본 발명자는 분말도가 상기와 같은 경우에는 739∼939kg/cm2로 통상의 포틀랜드 시멘트보다 압축강도가 낮거나 조금 높은 것을 알 수 있다.
따라서 본 실시예는 분말도가 상기와 같은 경우에는 단지, 시멘트 50 중량%인 경우, 시멘트 80중량%-슬래그 12.63중량%-무수석고 7.37중량%인 경우 및 시멘트 중량80%-슬래그 9.12중량%-무수석고 10.88중량%인 경우에 한정하여 적용될 수 있다.
표 4는 포틀랜드 시멘트에 분말도 8,000cm2/gㅁ150 범위의 고강도 혼합재를 혼합한 시멘트 조성물의 패이스트에 대한 물성을 나타내고 있다.
통상의 포틀랜드 시멘트의 7일 양생 압축강도가 889kg/cm2 인것에 비하여 973∼1,126kg/cm2로 종래의 포틀랜드 시멘트만을 사용한 경우에 비하여 상대적으로 월등히 고강도임을 알 수가 있다.
또한, 1일 양생 압축강도에 있어서도 포틀랜드 시멘트 80 중량%-슬래그와 무수석고 40중량%가 배합된 경우에는 출하 압축강도를 충분히 만족함을 알 수가 있다.
이는 통상적인 포틀랜드 시멘트를 100 중량% 적용함에 있어 최소한 7일 정도의 양생기간이 요구되는 것에 비하여 전술된 경우에 있어서는 단지, 하루 만에 출하 압축강도를 만족함으로써, 작업 생산성 측면에서 매우 유리한 한편, 경제적인 측면에서도 매우 유리한 것임을 알 수 있었다.
Figure 112019056422317-pat00004
표 5는 포틀랜드 시멘트에 분말도 10,000cm2/g ㅁ 200 범위의 고강도 혼합재를 혼합한 시멘트 조성물의 패이스트에 대한 물성을 나타내고 있다.
7일 양생 압축강도에 있어서, 본 발명자(들)은 1,001∼1,332kg/cm2로 종래의 포틀랜드 시멘트만을 사용한 경우에 비하여 상대적으로 월등히 고강도임을 알 수 있다.
Figure 112019056422317-pat00005
더욱이, 본 발명자(들)는 1일 양생 압축강도에 있어서도 출하 압축강도를 충분히 만족하고 있음을 알 수 있다.
이는 통상적인 포틀랜드 시멘트를 100 중량% 적용함에 있어 최소한 7일 정도의 양생기간이 요구되는 것에 비하여 전술된 경우에 있어서는 단지, 하루만에 출하 압축강도를 만족함으로써, 작업 생산성 측면에서 매우 유리한 것임을 알 수 있다.
<실시예2>
모르타르 제조
통상의 포틀랜드 시멘트의 분말도 8,000cm2/gㅁ150인 혼합재를 시멘트 조성물을 KS L5105에 준(準)하여 모르타르 공시체를 제조하고, 상압증기 양생하였으며, 그 물성치는 표 6과 같다.
Figure 112019056422317-pat00006
상압증기 양생에서 모르타르 물성치
포틀랜드 시멘트 50 중량%-슬래그와 무수석고 50 중량%인 제1경우에 압축강도가 최고임을 알 수가 있으며, 특이한 것은 포틀랜드 시멘트 60중량%-슬래그 28.34 중량%-무수석고 11.66 중량%인 제2경우에는 전술된 경우에 비하여 압축강도에 있어 1일: 78kg/cm2 정도 떨어지나 7일 내지 28일 압축강도에 있어서는 대동소이함을 알 수 있다.
또한, 포틀랜드 시멘트 60 중량%-슬래그 35.35 중량%-무수석고 4.65 중량%인 경우에는 전술된 제2경우와 비교하여 볼 때, 상대적으로 압축강도가 낮음을 알 수 있다.
<실시예3>
콘크리트 제조
통상의 포틀랜드 시멘트에 분말도 8,000cm2/gㅁ150인 혼합재를 혼합한 시멘트 조성물로 공기 연행제를 첨가한 설계강도 210kg/cm2의 콘크리트를 상압증기 양생하였는데, 그 물성치는 표 7과 같다.
Figure 112019056422317-pat00007
상압증기 양생에서의 콘크리트 물성치
시료 2가 시료 1의 압축강도에 비하여 각기 1일: 54kg/cm2, 7일: 71kg/cm2, 28일:105kg/cm2 정도 더 고강도임을 알 수가 있었으며, 시료 4는 시료 1의 압축강도에 비하여 각기 1일:32kg/cm2, 7일: 80kg/cm2, 28일: 112kg/cm2 정도 더 고강도임을 알 수 있다.
또한, 시료 3이 시료 1의 압축강도와 비교하여 볼 때 압축강도 측면에서 1일: 20kg/cm2, 7일: 24kg/cm2, 28일: 35kg/cm2 정도 더 고강도임을 알 수 있다.
<실시예4>
고강도 옹벽블록 제조
통상의 포틀랜드 시멘트에 분말도 8,000kg/cm2ㅁ150 혼합재를 혼합한 시멘트 조성물로 고강도 옹벽블록을 상압증기 양생하였는데, 그 물성치는 표 8과 같다.
표 8에 나타나 있는 바와 같이 1일, 7일 및 28일 양생 압축강도에 있어서 통상의 포틀랜드 시멘트만으로 형성된 옹벽블록과 비교하여 볼 때, 월등히 고강도임을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 고강도 옹벽블록이 통상적인 포틀랜드 시멘트만으로 구성된 옹벽블록의 압축강도에 비하여 각기 1일: 234kg/cm2, 7일: 295kg/cm2, 28: 251kg/cm2 정도 더 고강도임을 알 수 있다.
이는 본 발명에 의한 고강도 옹벽블록을 제조함에 있어, 단지 하루 만에 출하 압축강도를 발현함으로써 작업 생산성 측면에 매우 유리한 것임을 알 수 있다.
친환경 옹벽블록 제조
<실시예5>
포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그 55중량부와, 무수석고 35중량부와, 광촉매 15중량부로 구성되는 혼합재를 제조하고, 시멘트 100중량부와, 35중량부의 혼합재를 치환 첨가한 후에 상압증기 양생하여 고강도 옹벽블록을 제조한다.
<실시예6>
포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그 55중량부와, 무수석고 35중량부와, 광촉매 20중량부로 구성되는 혼합재를 제조하고, 시멘트 100중량부와, 35중량부의 혼합재를 치환 첨가한 후에 상압증기 양생하여 고강도 옹벽블록을 제조한다.
<실시예7>
포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그 55중량부와, 무수석고 35중량부와, 광촉매 30중량부로 구성되는 혼합재를 제조하고, 시멘트 100중량부와, 35중량부의 혼합재를 치환 첨가한 후에 상압증기 양생하여 고강도 옹벽블록을 제조한다.
<비교예1>
포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그 55중량부와, 무수석고 35중량부와, 광촉매 10중량부로 구성되는 혼합재를 제조하고, 시멘트 100중량부와, 35중량부의 혼합재를 치환 첨가한 후에 상압증기 양생하여 고강도 옹벽블록을 제조한다.
<실시예2>
포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 슬래그 55중량부와, 무수석고 35중량부와, 광촉매 35중량부로 구성되는 혼합재를 제조하고, 시멘트 100중량부와, 35중량부의 혼합재를 치환 첨가한 후에 상압증기 양생하여 고강도 옹벽블록을 제조한다.
Figure 112019056422317-pat00008
상기한 바와 같이 광촉매가 시멘트 100중량부에 대하여 30중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 옹벽블록의 압축강도가 현저하게 약해짐을 알 수 있고, 광촉매가 15중량부 미만으로 포함되는 경우에는 압축강도가 우수하게 유지되지만 이물질을 흡착하여 제거하는 친환경 성능이 미비하여 광촉매의 함유량은 시멘트 100중량부에 대하여 15 내지 30중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
이로써, 제철 산업의 폐부산물인 고로수쇄 슬래그(slag)와 무수석고를 함유한 조성물을 고미분체화하여 시멘트와 혼합하여 사용함으로써 콘크리트 제조 시에 고강도 발현 및 제조 단가의 절감을 이룰 수 있고, 빛에 노출되면 이물질을 흡착시키는 흡착제를 포함하므로 외부에 노출되는 구조물로 사용되면 주변 환경 오염을 방지하는 기능을 구현할 수 있는 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법을 제공할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시되는 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
또한, 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법을 예로 들어 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 및 이의 제조방법이 아닌 다른 제품에도 본 발명의 혼합재 조성물 및 이의 제조방법이 사용될 수 있다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 시멘트 100중량부에 대하여 1 내지 50중량부의 고강도 혼합재 조성물을 치환 첨가하고,
    상기 혼합재는, 슬래그 45 내지 99중량부와, 무수석고 1 내지 55중량부와, 광촉매 15 내지 30중량부로 구성되고,
    상기 혼합재는, 7,000 내지 10,000 cm2/g의 입도로 이루어지고,
    상기 광촉매는, 페로센 화합물을 포함하고,
    상기 광촉매는, 15,000 내지 30,000 cm2/g의 입도로 이루어지는 비드에 코팅되어 상기 혼합재에 포함되고,
    상기 페로센(C10H10Fe)은 다이-π-사이클로펜타다이엔일 철이고,
    상기 광촉매는, 철 산화물로 이루어지는 비드를 광촉매 물질인 상기 페로센과 함께 밀폐 공간에 수납하고, 섭씨50~60℃로 0.5~1시간 동안 1차 가열시키면 상기 페로센에 포함되는 Fe 성분이 밀폐 공간의 공기 중으로 확산되고, 이후에 섭씨200~300℃로 2~3시간 동안 2차 가열하면 비드 표면에 광촉매 물질이 증착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. (a) 슬래그 45 내지 99중량부와, 무수석고 1 내지 55중량부와, 광촉매 15 내지 30중량부로 구성되는 혼합재를 제조하는 단계; 및
    (b) 시멘트 100중량부에 대하여 1 내지 50중량부의 상기 혼합재를 치환 첨가하는 단계를 포함하고,
    상기 (a)단계는, 15,000 내지 30,000 cm2/g의 입도로 이루어지는 비드에 상기 혼합재를 코팅하여 이루어지고,
    상기 혼합재는, 7,000 내지 10,000 cm2/g의 입도로 이루어지고,
    상기 광촉매는, 페로센 화합물을 포함하고,
    상기 광촉매는, 상기 비드에 코팅되어 상기 혼합재에 포함되고,
    상기 페로센(C10H10Fe)은 다이-π-사이클로펜타다이엔일 철이고,
    상기 광촉매는, 철 산화물로 이루어지는 비드를 광촉매 물질인 상기 페로센과 함께 밀폐 공간에 수납하고, 섭씨50~60℃로 0.5~1시간 동안 1차 가열시키면 상기 페로센에 포함되는 Fe 성분이 밀폐 공간의 공기 중으로 확산되고, 이후에 섭씨200~300℃로 2~3시간 동안 2차 가열하면 비드 표면에 광촉매 물질이 증착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 증기양생용 시멘트의 고강도 혼합재 조성물 제조방법.
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