KR102207089B1

KR102207089B1 - 내염해성 해양 콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR102207089B1
Application number: KR1020190008194A
Authority: KR
Inventors: 박동천
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2021-01-25
Also published as: KR20200091532A

Abstract

염해내구성이 개선되어 해양환경에 건설되는 해양 콘크리트 구조물의 내구수명이 현저히 증가되도록, 본 발명은 본 발명은 물과 혼합시 경화되며 산화칼슘, 이산화규소, 산화알루미늄이 함유된 포틀랜드 시멘트; 잠재수경성을 가지며 수화반응시 발열량이 저감되고 경화시 염화물이온을 고정하는 프리델씨염을 생성하며 경화 콘크리트의 장기압축강도가 증가되도록 혼합되며 산화칼슘, 이산화규소, 산화알루미늄, 및 산화마그네슘이 함유된 고로슬래그; 가공성이 개선되고 경화열이 완화됨과 동시에 포졸란 반응으로 장기 압축강도 및 수밀성이 향상되도록 혼합되며 이산화규소, 산화알루미늄, 및 산화철이 함유된 플라이애시; 경화된 콘크리트의 강도가 증가되도록 혼합되며 잔골재와 굵은골재를 포함하는 보강골재; 및 상기 포틀랜드 시멘트, 상기 고로슬래그, 상기 플라이애시, 및 상기 보강골재가 혼합된 혼합물의 입자를 분산시켜 유동성을 제공하며 콘크리트에 침투되는 염화물이온에 의한 부식이 억제되도록 혼합되는 혼화제를 포함하는 내염해성 해양 콘크리트 조성물을 제공한다.

Description

내염해성 해양 콘크리트 조성물{concrete composition for ocean having salt-resistance}

본 발명은 내염해성 해양 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염해내구성이 개선되어 해양환경에 건설되는 해양 콘크리트 구조물의 내구수명이 현저히 증가되는 내염해성 해양 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 해양용 콘크리트는 염해 노출에 대하여 취약하며 해양환경에 장기간 노출됨에 따라 내구수명이 감소된다. 상세히, 철근콘크리트 구조물이 주기적, 장기적으로 해양환경에 노출되는 경우 해수 중에 존재하는 염화물이온(Cl^-)이 콘크리트 속으로 직접 침투되며, 그 침투량이 허용값(철근부식 임계염화물량, 약 1.2kg/m3)을 초과하면 전기화학적 작용에 의해 철근이 부식되고 그에 따라 피복 콘크리트의 균열을 유발하는 염해를 발생시킨다.

통상적으로, 건전한 철근 콘크리트 구조물에 배근되어 있는 보강 철근은 콘크리트에 포함된 pH 12.5의 Ca(OH)₂에 의해 표면피막(1×10-6 mm 두께)이 형성되어 안정 상태를 유지하지만, 콘크리트의 내부로 해수 성분에 존재하는 Cl^-, F^-, S₂ ^- (SO₄)₂ ^- 등의 음이온이 침투하거나 고온 상태가 지속되면 부분적으로 강재 표면의 부동태 피막이 파괴되어 부식이 시작된다. 특히, 염화물이온(Cl^-)이 강재의 부식에 가장 유해한 성분으로 알려져 있다.

여기서, 해양 콘크리트 구조물의 염해를 방지하기 위하여 콘크리트표준시방서에서는 해양 콘크리트용 시멘트 재료를 KS L5201에 규정된 고로슬래그 시멘트, 플라이애시 시멘트와 같은 혼합시멘트, 또는 중용열 포틀랜드 시멘트의 사용을 추천하고 있다. 또한, 해수의 영향을 심하게 받는 위치에 건설되는 해양 콘크리트의 경우 시멘트계 재료만으로 소요의 품질을 확보할 수 없으므로 시멘트와 폴리머를 혼합한 폴리머시멘트 콘크리트와 폴리머만을 사용하는 수지 콘크리트, 또는 염화물이온의 주요한 침투경로가 되는 콘크리트의 공극을 합성수지로 함침시킨 폴리머함침 콘크리트를 사용하도록 제시되어 있다.

그러나, 이러한 재료중 일부는 콘크리트 제조, 경제성 및 시공성의 문제로 건설현장에서는 현실적으로 사용할 수 없는 문제점이 있으며, 실제로 해양구조물에 적용한 사례는 거의 없는 실정이다.

또한, 고로슬래그 시멘트나 플라이애시 시멘트를 해양 콘크리트에 사용하는 경우 고로슬래그나 플라이애시가 시멘트보다 초기 반응성이 떨어지기 때문에 시멘트가 충분히 수화하기 전까지는 오히려 시멘트만을 사용하는 콘크리트보다 염화물이온의 침투저항성이 떨어지는 것으로 알려져 있다.

따라서, 해양 환경에 노출되는 시기에 무관하게 해양 콘크리트에 차염성을 부여할 수 있는 실제적이고 보편적으로 사용할 수 있는 해양구조물용 콘크리트 조성물이 요망되고 있다

그리고, 실제 현장에서 타설되고 있는 레미콘을 이용하여 콘크리트 압축강도와 염소이온 확산계수를 측정한 결과, 배합강도와 설계기준 압축강도가 동일 수준이더라도 염소이온 확상계수는 큰 차이를 나타내며 이러한 현상은 염해환경에서의 콘크리트 내구 수명에 상당한 영향을 끼친다. 여기서, 우리나라에서는 해안지역에 구축되는 구조물의 경우 구조물 설계단계에서 물-결합재비 및 콘크리트 최소설계기준압축강도를 W/B 0.40이하, 최소설계기준 압축강도 35MPa로 규정하고 있다.

그러나, 기존의 연구사례에 따르면 고로슬래그와 플라이애시 등의 혼화재료를 분체로 치환한 콘크리트가 염해저항성이 충분히 높은것으로 알려져 있으나 아직 기존의 규정에서는 염해조건에 대한 물-결합재비와 압축강도에 대한 기준만 있을뿐 혼화재료 치환 배합에 대한 규정은 부족한 실정이다.

특히, 실제 건설공사에 사용되는 콘크리트의 경우 고로슬래그 및 플라이애시 등의 혼화재가 혼입되고 있음에도 불구하고 최소설계기준압축강도만으로 해양 콘크리트 건축물의 내구성을 규정하고 있어 경제적인 측면이나 환경적인 측면에서 과도한 설계가 이루어지고 있는 실정이다.

또한, 보통 포틀랜드 시멘트에 고로슬래그 및 플라이애시 등의 혼화재가 혼입됨에 따라 장기 압축강도가 증가될 수 있으나, 해양 콘크리트의 경우 해양환경에 장기간 노출됨으로 인해 시간이 갈수록 콘크리트의 염해내구성이 저하되는 문제점이 있었다.

한국 등록특허 제10-1860268호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 염해내구성이 개선되어 해양환경에 건설되는 해양 콘크리트 구조물의 내구수명이 현저히 증가되는 내염해성 해양 콘크리트 조성물을 제공하는 것을 해결과제로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 물과 혼합시 경화되며 산화칼슘, 이산화규소, 산화알루미늄이 함유된 포틀랜드 시멘트; 잠재수경성을 가지며 수화반응시 발열량이 저감되고 경화시 염화물이온을 고정하는 프리델씨염을 생성하며 경화 콘크리트의 장기압축강도가 증가되도록 혼합되며 산화칼슘, 이산화규소, 산화알루미늄, 및 산화마그네슘이 함유된 고로슬래그; 가공성이 개선되고 경화열이 완화됨과 동시에 포졸란 반응으로 장기 압축강도 및 수밀성이 향상되도록 혼합되며 이산화규소, 산화알루미늄, 및 산화철이 함유된 플라이애시; 경화된 콘크리트의 강도가 증가되도록 혼합되며 잔골재와 굵은골재를 포함하는 보강골재; 및 상기 포틀랜드 시멘트, 상기 고로슬래그, 상기 플라이애시, 및 상기 보강골재가 혼합된 혼합물의 입자를 분산시켜 유동성을 제공하며 콘크리트에 침투되는 염화물이온에 의한 부식이 억제되도록 혼합되는 혼화제를 포함하되, 상기 혼화제는, 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 혼합시 유동성 및 시공성이 증가되도록 첨가되는 유연첨가제와, 혼합물 내의 분포된 염화물이온이 치환반응에 의해 결합되도록 상기 염화물이온을 대체하여 치환되는 염분흡착제와, 내염해성을 증가시키기 위해 구비되는 탄산리튬과, 스티렌-부타디엔-아크릴레이트계 수용성 화합물 및 무기질 안료를 포함하는 방청제를 포함하며, 상기 유연첨가제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.5~1.5 중량% 포함되며, 상기 염분흡착제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 3~4 중량% 포함되고, 상기 탄산리튬은 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.5~1.5 중량% 포함되며, 상기 방청제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.25~0.75 중량% 포함됨을 특징으로 하는 내염해성 해양 콘크리트 조성물을 제공한다.

삭제

상기의 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 포틀랜드 시멘트에 고로슬래그 및 플라이애시가 혼합됨에 따라 콘크리트의 장기 압축강도가 증가되며, 동일한 압축강도를 기준으로 하였을 때 종래에 비해 콘크리트에 침투되는 염화물이온 침투량이 현저히 감소됨에 따라 해양 콘크리트 건축물의 염해내구성이 증가될 수 있다.

둘째, 고로슬래그 및 플라이애시가 경화됨에 따라 형성된 치밀화된 구조에 의해 염화물이온 침투량이 물리적으로 감소됨과 동시에 염분흡착제, 방청제, 및 탄산리튬이 혼합됨에 따라 염화물이온에 의한 해양 콘크리트의 부식 및 탄산화가 화학적으로 억제되는 시너지 효과를 통해 해양환경에 건설되는 해양 콘크리트 구조물의 내구수명이 현저히 증가될 수 있다.

셋째, 보강섬유가 해양 콘크리트 조성물의 각 구성요소와 접착 및 경화됨에 따라 최종 제조되는 해양 콘크리트 전체에 균일한 인장력이 제공되며 외부 응력이 흡수 분산되므로 해양환경에 노출되는 구조물의 내염해 성능을 저하시키지 않으면서도 파력, 조류력에 대한 전단강도 및 내충격성이 현저히 개선될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 콘크리트의 슬럼프값을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 콘크리트의 공기량을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 콘크리트의 압축강도를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 콘크리트의 압축강도 증가량을 나타낸 그래프.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도별 콘크리트의 염화물이온 확산계수를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 염화물이온의 콘크리트 침투깊이를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 염화물이온 확산계수의 경시변화 감소를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 물분체비에 대한 염화물이온 확산계수를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 압축강도에 대한 염화물이온 확산계수를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 시간에 대한 염화물이온의 집중도를 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물을 상세히 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물은 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그, 플라이애시, 보강골재, 및 혼화제를 포함한다. 여기서, 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물에 포함되는 각 성분 및 그의 조성 비율은 이하의 표 1과 같다.

성분	조성비(중량%)
포틀랜드 시멘트	5~15
고로슬래그	30~50
플라이애시	10~30
보강골재	17~31
혼화제	4.25~7.75

표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물은 상기 포틀랜드 시멘트 5~15 중량%와, 상기 고로슬래그 30~50 중량%와, 상기 플라이애시 10~30 중량%와, 상기 보강골재 17~31 중량%와, 상기 혼화제 4.25~7.75 중량%를 포함함이 바람직하다.

한편, 상기 포틀랜드 시멘트는 물과 혼합시 경화되며 산화칼슘(CaO,calcium oxide), 이산화규소(실리카(Si0₂),silicon dioxide), 산화알루미늄(알루미나(Al₂O₃), Aluminum oxide), 및 산화철((Fe₂O₃),iron oxide)이 함유되어 구비됨이 바람직하다. 또한, 상기 포틀랜드 시멘트는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 5~15 중량% 포함됨이 바람직하다.

여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 포틀랜드 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC,ordinary portland cement)로 구비될 수 있다. 이때, 상기 포틀랜드 시멘트는 일반적으로 석회석과 추가첨가물을 일정 비율로 혼합되어 미분쇄된 후 로터리 킬른(rotary kiln) 등에 의하여 소성됨에 따라 형성된 작은 덩어리에 응결조절제 등을 첨가하여 미분쇄하는 과정을 통해 제조될 수 있다.

또한, 상기 포틀랜드 시멘트의 주원료는 산화칼슘, 이산화규소, 산화알루미늄 및 산화철을 포함함이 바람직하다. 특히, 상기 산화칼슘의 공급을 위해 석회석이 전체 원료의 약 85% 정도를 차지함이 바람직하다.

한편, 상기 고로슬래그는 잠재수경성을 가지며 수화반응시 발열량이 저감되고 경화시 염화물이온을 고정하는 프리델씨염을 생성하며 경화 콘크리트의 장기압축강도가 증가되도록 혼합되며 산화칼슘, 이산화규소, 산화알루미늄, 및 산화마그네슘이 함유됨이 바람직하다. 또한, 상기 고로슬래그는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 30~50 중량% 포함됨이 바람직하다.

여기서, 고로슬래그란 제철소 고로(高爐)에서 선철을 제조하는 과정에서 발생하는 생성물을 의미하며 주원료인 철광석과 부원료인 코크스 및 석회석의 회분에 존재하는 이산화규소와 산화알루미늄 등이 고온에서 석회와 반응하여 생성된다.

이때, 일반적으로 상기 고로슬래그 전체 성분 중 약 30%가 이산화규소로 구성되며, 상기 고로슬래그는 상기 포틀랜드 시멘트와 비교하여 산화칼슘의 함유량이 상대적으로 적고, 이산화규소 및 산화알루미늄이 각각 약 10% 정도 더 함유되는 특징이 있다.

또한, 고로슬래그의 구성 원소는 일반 암석과 같고 성분은 시멘트와 유사하며 냉각방식에 따라 급냉슬래그 및 서냉슬래그로 구분된다. 상세히, 급냉슬래그의 경우 화학성분이 포틀랜드 시멘트와 유사한 수경성으로 슬래그 시멘트의 원료로 사용되며, 급냉슬래그는 비료, 도로 및 토목용 골재 등의 활용을 통한 자원화률 증대로 국내자원의 절약, 환경오염 저감 등 경제적, 환경적 측면에서 커다란 효용을 창출하는 환경친화적 재료이다.

그리고, 고로슬래그 미분말은 철을 생산하는 용광로 속에서 철광석의 암석성분이 녹아 쇳물 위에 부유하게 되는데, 이것을 흘러내리게 하여 물 또는 공기로 급격히 냉각시켜 작은 모래 입자 모양으로 만든 다음 이것을 미분쇄기(roller mill)로 미분말이 되도록 분쇄하여 제조된 미분말을 의미한다.

이러한 고로슬래그는 잠재수경성을 가지고 있으며, 그 자체로 경화하는 성질은 미약하지만, 알칼리 자극으로 경화하는 특징이 있다. 또한, 고로슬래그는 포틀랜드 시멘트와 혼합할 경우 수산화칼슘이나 황산염의 작용에 의해 경화가 촉진되고 포틀랜드 시멘트만으로는 얻을 수 없는 우수한 콘크리트의 특성을 얻을 수 있다. 이때, 잠재수경성은 수산화기를 포함하는 알칼리시제가 소석회, 황산염 등의 자극을 받으면 박막이 파괴되며 이온이 용출됨에 따라 경화되는 특징을 의미한다.

또한, 고로슬래그는 경화시 치밀한 조직으로 경화되어 염화물이온의 침투를 억제하며, 산화알루미늄 성분이 작용하여 염화물이온을 고정하는 프리델씨염(3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂0)를 생성한다.

한편, 상기 플라이애시는 가공성이 개선되고 경화열이 완화됨과 동시에 포졸란 반응으로 장기 압축강도 및 수밀성이 향상되도록 혼합되며 이산화규소, 산화알루미늄, 및 산화철이 함유됨이 바람직하다. 또한, 상기 플라이애시는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 10~30 중량% 포함됨이 바람직하다.

여기서, 상기 플라이애시는 석탄의 연소시 잔류되는 불연성분으로 일반적으로 화력발전소 등에서 사용되는 석탄재로부터 추출되며, 이때 석탄재는 플라이애시(fly ash)와 바텀애시(bottom ash)로 구분된다. 상세히, 상기 플라이애시는 석탄이나 중유를 보일러 연료로 사용하는 화력발전소에서 연료의 연소과정에서 발생되는 회분을 굴뚝에서 전기 집진기로 포집한 연소재로서, 구상(球狀)인 입자 크기는 시멘트와 같은 정도이며 이산화규소 및 산화알루미늄이 주성분이고 산화철이 함유될 수 있다.

이러한 플라이애시는 상기 포틀랜드 시멘트에 혼합되어 사용하면 가공성이 개선되고 경화열이 완화됨과 더불어 포졸란 반응으로 장기적인 강도 및 수밀성이 향상되는 것으로 알려져 있다.

여기서, 포졸란 반응은 포졸란 물질에서 용출된 이산화규소 및 산화알루미늄과 같은 가용성분이 시멘트 구성 화합물(C3S, C2S 등)에 수화시 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 서서히 반응하여 불용성 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H gel) 이나 칼슘알루미네이트 수화물(C-A-H gel)을 형성하여 그 조직을 더욱 치밀하게 만드는 반응을 의미한다. 그리고, 포졸란 물질은 그 자신만으로는 수경성을 갖지 않지만, 물에 용해 되어 있는 수산화칼슘과 상온에서 서서히 반응하여 물에 녹지 않는 화합물을 만들 수 있는 미분상태의 물질을 일컫는다. 이러한 포졸란 물질에는 응회암, 규조토와 같은 자연에서 얻을 수 있는 천연 포졸란과, 소성 점토, 실리카 겔, 실리카 흄, 플라이애시 등과 같이 인공적으로 만들어진 인공 포졸란이 있다.

여기서, 고로슬래그의 잠재수경성과 플라이애시의 포졸란 반응은 물과 접촉하여 경화되는 공통점이 있으나, 잠재수경성은 소석회, 황산염 등의 알카리자극제와 반응하여 경화되고, 포졸란 반응은 수산화칼슘과 2차 반응하여 경화되는 차이점이 있다.

한편, 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물에 포함되는 각 성분 및 그의 조성 비율과 압축강도 및 염화물이온 확산계수와의 상관관계를 파악하기 위해 실험을 진행하였다.

먼저, 설계기준 압축강도별로 상이한 배합설계로 제조된 각 콘크리트 조성물을 분석하기 위해 시험체를 제작하였다. 이때, 상기 시험체의 압축강도에 따른 고로슬래그의 치환율(%)은 이하의 표 2와 같다.

분류	고로슬래그의 치환율(%)				평균(%)
압축강도(MPa)	21	24	27	35	평균(%)
MR(비교예 1)	38.22	38.1	38.18	38.08	38.1
DY(비교예 2)	9.9	9.83	9.9	9.84	9.9
BS(비교예 3)	29.09	29.15	29.12	29.14	29.1

여기서, 비교예 1(이하 'MR')은 포틀랜드 시멘트 50 중량%와, 고로슬래그 40 중량%와, 플라이애시 10 중량%를 포함하여 구비되며, 비교예 2(이하 'DY')는 포틀랜드 시멘트 75 중량%와, 고로슬래그 10 중량%와, 플라이애시 15 중량%를 포함하여 구비되며, 비교예 3(이하 'BS')는 포틀랜드 시멘트 55 중량%와, 고로슬래그 30 중량%와, 플라이애시 15 중량%를 포함하여 구비된다.

표 2에서 보는 바와 같이, 각 비교예의 설계기준 압축강도별(21,24,27,35(MPa)) 배합에 따른 포틀랜드 시멘트에 대한 고로슬래그의 치환율을 정리한 것으로 평균 9.9∼38.1%까지 치환하는 것으로 파악되었다. 동시에, 염화물이온의 차폐성 비교를 위하여 슬래그시멘트(이하 'SC',비교예 4)만을 이용한 콘크리트 시험체와, 포틀랜드 시멘트 시험체(이하 'OPC',비교예 5)도 제작하였으며 동일 조건에서 양생하여 평가를 실시하였다. 이때, SC는 포틀랜드 시멘트 50 중량%와, 고로슬래그 50 중량%를 포함하여 구비되며, OPC는 포틀랜드 시멘트 100 중량%로 구비된다.

이때, 설계기준 압축강도는 21,24,27,35(MPa)로 설정되었으며, 목표슬럼프값은 125~175mm로 설정되었으며, 목표공기내용물은 3~6%로 설정되었다. 그리고, 굳지않은(flesh) 콘크리트에 대하여 슬럼프값 및 공기내용물을 측정하였으며, 경화(hardened) 콘크리트에 대하여 내압강도, 염화물이온 확산계수, 및 염화물이온 침투깊이를 측정하였다. 또한, 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트가 사용되었고 고로슬래그시멘트는 2종을 사용하였다.

그리고, 굳지않은 콘크리트 시공성 평가를 위해 슬럼프 시험을 KS F 2402에 준하여 실시하였으며 공기량 시험은 KS F 2421에 준하여 측정하였다. 또한, 경화 콘크리트의 평가를 위한 압축강도 시험은 재령 28일, 91일에 KS F 2405 규정에 준하여 실시하였으며, 염해 저항성 평가는 콘크리트의 염분 확산성을 평가하기 위해 국내에서는 KS F 2711(2012)의 전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투저항성 시험과 북유럽 규정인 NT BUILD 492의 두 가지 방법이 주로 이용되고 있으나, 본 실험에서는 정량평가법으로 많이 사용되고 있는 NT BUILD 492법과 해수침지 실험에 의한 침투깊이 측정을 통하여 평가하였다. 이때, 염화물이온 침투깊이 시험은 시험체 타설 후 재령 28일간 수중양생한 콘크리트 시편을 해수에 침지하여 재령 91일경에 절단하여 염화물이온 침투깊이를 질산은을 이용하여 측정하였으며, 해수침지 기간은 63일째 측정된 값이다.

또한, FEM해석을 이용하여 깊이별 농도 경시변화를 산출하였다. 콘크리트 구조물의 염해 내구성 평가는 한국콘크리트학회, 콘크리트 표준시방서 해설(2009)에 따라 진행하였다. 그리고, 콘크리트 표면의 염화물이온 농도(C₀)는 비래염분량의 측정값이 있을 경우 콘크리트 표면부의 염화물이온량은 연간 비래염분량에 침투비율 및 정상상태에서의 할증, 폭로개시 1년간의 염화물이온 침투깊이를 고려하여 산정하였다.

더불어, 철근부식 임계염화물이온 농도(C_lim)는 일반적으로 철근위치에서의 염화물이온 강재부식 발생임계 농도는 콘크리트 단위 용적당 0.3∼1.2kg/m³정도이며 이 값은 구조물이 위치한 환경조건 및 강재부식 허용량 등의 조건에 따라 달라진다. 예를 들어, 미리 염화물을 혼입한 시험체에 의한 촉진시험에서는 0.3∼0.6kg/m³정도이며 실환경의 폭로시험에서는 1.2∼2.4kg/m³ 정도로 되어 있다. 여기서, 구조물로서 문제가 되는 레벨의 철근부식발생이라는 관점에서 1.2kg/m³을 발청임계값으로 하였다.

도 1은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 콘크리트의 슬럼프값을 나타낸 그래프이고, 도 2는 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 콘크리트의 공기량을 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 3은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 콘크리트의 압축강도를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 콘크리트의 압축강도 증가량을 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도별 콘크리트의 염화물이온 확산계수를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 염화물이온의 콘크리트 침투깊이를 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 7은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 설계기준 압축강도에 대한 염화물이온 확산계수의 경시변화 감소를 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 물분체비에 대한 염화물이온 확산계수를 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 9는 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 압축강도에 대한 염화물이온 확산계수를 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명에 따른 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 시간에 대한 염화물이온의 집중도를 나타낸 그래프이다.

도 1 내지 도 10에서 보는 바와 같이 실험결과를 이하에서 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 굳지않은 콘크리트에 대한 각 비교예의 슬럼프값은 125∼175mm의 범위로 제조되어 시공성의 목표값을 만족하고 있어 모든 배합에서 목표값을 만족하는 조건에서 시험체가 제작되었다. 그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 굳지않은 콘크리트에 대한 각 비교예의 공기량은 3.0~6.0%로 MR의 배합에서 상대적으로 다소 낮은 값을 나타내었지만 전 배합에 걸쳐 목표값을 만족하는 배합으로 시험체가 제작되었다.

그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 경화 콘크리트에 대한 각 비교예의 압축강도는 재령 28일과 91일에 각각 측정하였으며. 설계기준 압축강도에 비해 DY가 상대적으로 높은 압축강도를 나타내었으며 OPC의 경우 설계기준 압축강도 21MPa의 경우 32.5MPa의 압축강도를 나타내었고, 설계기준 압축강도 35MPa의 경우 44.9MPa의 압축강도를 나타내어 SC의 31MPa, 50.6MPa의 압축강도과 비교하여 고강도일수록 다소 낮아지는 경향을 나타내었다.

여기서, 각 비교예에 대하여 전반적으로 재령 28일의 압축강도가 설계기준 압축강도 대비 약 142% 만큼 초과하였으며 재령 91일에서 압축강도가 설계기준 압축강도 대비 무려 165% 수준을 나타내었다.

그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 재령 28일에서 91일로 경과되는 동안의 강도증가분은 DY는 평균 8.0MPa, MR은 8.1MPa, BS는 5.6MPa의 압축강도 증가를 나타내었으나 OPC의 경우 2.7MPa에 불과하였다. 이는 DY,MR,BS의 경우 고로슬래그 및 플라이애시가 상당부분 치환된 상태이지만 OPC의 경우 혼화재의 치환이 없어 상대적으로 장기강도 증가가 낮게 나왔다고 판단된다. 그리고, 고로슬래그가 전체 중량%에 대하여 50 중량% 포함된 SC의 경우에는 약 6.1MPa의 강도증가를 나타내었다.

또한, 도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같이, 염화물이온 확산계수는 각 설계기준 압축강도별 재령28일과 91일에 각각 측정하였으며 NTBUILD 492의 비정상 전기영동법에 준하여 측정하였다. 여기서, 겉보기 염화물이온 확산계수로 표현할 경우 그 범위가 약 10^-7∼10^-8cm²/s으로 알려져 있으며 설계기준 압축강도 35MPa로 제조된 SC(SC35)의 3.94×10^-9cm²/s를 제외한 모든 배합에서 상기의 범위에 들어가는 것으로 평가되었다. 즉, 압축강도가 증가할수록 염화물이온 확산계수는 감소하는 경향이 있었으며 OPC의 확산계수가 모든 재령에서 타 배합조건에 비해 높게 평가되었다. 다음으로 DY,MR,BS,SC의 순으로 확산계수가 낮게 나왔다. 이러한 경향은 다소 편차가 있음에도 불구하고 재령 91일에도 유사하였다.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 염화물이온의 침투깊이를 질산은을 이용하여 측정한 결과로 고로슬래그와 플라이애시의 혼화재 치환이 있는 DY,MR,BS,SC의 경우 평균값으로 볼 때 설계기준 압축강도 21MPa에서 6.97mm, 24MPa에서 6.43mm, 27MPa에서 5.40mm, 35MPa에서 3.67mm의 값을 나타내었으나 OPC의 경우 각각 16.25, 14.13, 13.5, 10.38(mm)의 값을 보여 상대적으로 상당히 깊게 침투하였다. 이는 혼화재 치환에 따른 공극구조의 치밀화에 기인한 결과라 판단된다. 그리고, 혼화재의 치환 시험체중에서는 SC가 가장 침투깊이가 작았다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 4.1 염화물이온 확산계수의 경시변화 감소로 DY,MR,BS,SC의 설계기준 압축강도 21MPa에서 재령 28일에 9.27×10^-12∼2.31×10^-11m²/s의 범위였으며 재령 91일에 1.32×10^-11∼3.88×10^-12m²/s의 범위였으나 OPC는 각각 3.80×10^-11m²/s, 3.76×10^-11m²/s의 값으로 상대적으로 높은 값을 나타내었다.

더욱이, 이러한 경향은 설계기준 압축강도가 증가하더라도 같은 경향을 나타내었다. 이때, 혼화재 치환이 없는 OPC에서도 다소 큰 값으로 확산계수가 저하한 것은 재령 28일 확산계수 절대값 자체가 높으며 그만큼 확산계수도 상당량 감소한 것으로 나타났을 뿐 그 자체가 혼화재를 치환한 타배합의 콘크리트보다 더욱 치밀해진 것은 아니라 판단된다.

그리고, 도 8에 도시된 바와 같이, 염화물이온 확산계수와 물분체비(W/B)와의 관계는 동일 물분체비에 대하여 OPC의 배합이 상당이 높은 확산계수를 보였으며 DY가 다음으로 높은 확산계수를 나타내었다. 이어서, MR,BS,SC의 경우 비교적 낮은 값에서 유사한 경향을 나타내었다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 염화물이온 확산계수와 압축강도의 상관관계로 일차함수 선형회귀 분석으로 상관성을 나타낼 수 있었으며 상관성을 나타내는 R2값이 DY에서 0.99, MR에서 0.94, BS에서 0.76, OPC에서 0.91, SC에서 0.93으로 전반적으로 상당히 높은 상관성을 확인할 수 있었다. 이러한 상관성은 도 8의 물분체비와 염화물이온 확산계수의 상관성보다 상당히 높은 값이며 배합재료 자체가 3성분계까지 복잡해지면서 수화반응 속도와 정도에 차이가 발생하여 물분체비 자체보다 공극구조 치밀도와 상관성이 높아진 결과라 판단된다.

그리고, 염화물이온 확산계수 측정값으로만 본다면 OPC에서 가장 낮은 값을 나타낸 설계기준 압축강도 35MPa로 제조된 OPC(OPC35)의 확산계수가 1.17 ×10^-11m²/s로, 설계기준 압축강도 21MPa로 제조된 DY(DY21)의 1.32×10-¹¹m²/s 이외의 모든 배합보다 높은 값이었으며 염해저항성 확보는 건축구조기준의 최소설계기준강도 이하에서도 충분히 확보 가능할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서, 해안 인접지역의 구조물 구축에 있어서 염해와 관련된 내구성설계 측면에서는 건축구조기준의 강도기준의 규정보다 낮은 강도에서도 혼화재의 혼합과 배합적 고려가 있다면 충분히 염해저항성을 확보할 수 있을 것이라 기대된다.

한편, 해안에서 건축물까지 차폐물 없이 거리 50m지점에 위치하는 피복두께 50mm의 노출콘크리트에 대하여 소요 내용년수 50년을 상정한 염해내구 설계를 실시하였다. 여기서, 초기 염화물이온량 (C_init)은 0.2kg/m³로 상정하였다. 여기서, 콘크리트 표면의 염화물이온 농도(C₀)에 대한 수학식 1은 이하와 같다.

여기서, C₀는 콘크리트 표면의 염화물이온 농도이며, a는 염화물이온이 콘크리트에 침투하는 비율이며, b는 정상상태의 할증값이며, C_y는 연간 비래염분량 (kg/m3)이며, L은 폭로개시 1년간의 염화물이온 침투깊이(m)를 의미한다.

그리고, 콘크리트 표면의 염화물이온 농도(C₀)는 비래염분량 측정값 5 mdd를 상기 수학식 1에 적용하면 a=0.1, b=2.0, L=0.01m로 되기 때문에 C₀= 2.22kg/m³를 이용하였다. 콘크리트 초기 염화물이온량(C_init)을 0.2kg/m³으로 가정하였으며 겉보기 염화물이온 확산계수(D_p)는 이하의 표 3과 같이 실효확산계수에서 환산용 계수를 감안하여 구한 겉보기 염화물이온 확산계수를 이용하였다.

종류	겉보기 염화물이온 확산계수(m²/s)
OPC35	3.046 ×10^-12
OPC27	6.505 ×10^-12
DY27	9.203 ×10^-13
MR27	2.613 ×10^-13
BS27	4.309 ×10^-13
SC27	3.613 ×10^-13

그리고, 염해 내구성 해석결과로, 발청 임계염화물이온 농도를 1.032kg/m³ (1.2kg/m³에 염해에 대한 내구성 감소계수 0.86을 적용)으로 하였을 경우 OPC35는 15.56년, OPC27의 경우 7.33년이 경과하는 시점에서 발청하는 것으로 예측되었다.

여기서, 건축구조 기준의 해안 인접지역 상부층에 해당될 수 있는 “낮은 투수성이 요구되고 수분과 접촉되는 경우”의 강도기준인 27MPa 에서는 혼화재를 치환한 DY,BR,BS,SC의 배합에서는 DY가 다소 높은 농도를 나타내었으나 모든 경우에 대하여 50년이 경과하더라도 부식이 일어나지 않는 것으로 추정되었으며 이는 혼화재료의 치환에 따른 차염성의 향상에 기인한 것으로 판단된다.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 염화물이온 확산계수 측정결과로 DY의 21MPa 이외에는 모든 배합에서 OPC35의 차염성을 능가하고 있어 해안지역 콘크리트 배합에 있어 혼화재료를 치환함으로서 장기 염해내구성 확보에 충분한 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대되었다.

결론적으로, 고로슬래그와 플라이애시가 치환된 DY,MR,BS,SC의 경우 재령 91일에 이르기까지 장기 압축강도 증가가 OPC의 경우에 비하여 탁월하여 고로슬래그 및 플라이애시가 혼합된 콘크리트의 장기 압축강도가 증가됨이 확인되었다.

또한, 염화물이온 확산계수는 고로슬래그 및 플라이애시를 치환한 경우 재령 28일 기준으로 동일 설계기준 압축강도에서 OPC에 비해 상당히 낮은 값을 나타내었고 경시변화의 폭도 작게 나타나 고로슬래그 및 플라이애시가 혼합된 콘크리트의 내염해성이 증가됨이 확인되었다. 그리고, 염해 내구설계를 실시한 결과 발청 임계 염화물이온 농도를 OPC35는 15.56년에, OPC27의 경우 7.33년 시점에서 넘어서 발청이 일어나는 것을 알 수 있었다. 즉, 고로슬래그 및 플라이애시를 치환한 경우에는 모든 배합조건에서 50년간 발청이 일어나지 않는 것으로 예측되었다.

이를 통해, 포틀랜드 시멘트에 고로슬래그 및 플라이애시가 혼합됨에 따라 콘크리트의 장기 압축강도가 증가되며, 동일한 압축강도를 기준으로 하였을 때 종래에 비해 콘크리트에 침투되는 염화물이온 침투량이 현저히 감소됨에 따라 내염해성이 증가되므로 해양 콘크리트 건축물의 내구수명이 증가될 수 있다.

한편, 상기 보강골재는 경화된 콘크리트의 강도가 증가되도록 혼합되며 잔골재와 굵은골재를 포함함이 바람직하다. 또한, 상기 보강골재는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 17~31 중량% 포함됨이 바람직하다.

여기서, 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물에 포함되는 상기 보강골재의 세부적인 성분 및 그의 조성 비율은 이하의 표 4와 같다.

성분		조성비(중량%)
포틀랜드 시멘트		5~15
고로슬래그		30~50
플라이애시		10~30
보강골재	잔골재	7~9
	굵은골재	9~15
	보강섬유	1~7
혼화제		4.25~7.75

표 4에서 보는 바와 같이, 상기 잔골재는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 7~9 중량% 포함되며, 상기 굵은골재는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 9~15 중량% 포함되고, 상기 보강섬유는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 1~7 중량% 포함될 수 있다.

이때, 상기 잔골재, 상기 굵은골재, 및 상기 보강섬유의 중량% 전체 합이 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 17~31 중량% 포함됨으로 이해함이 바람직하며, 이는 상술된 상기 보강골재 17~31 중량%와 동일한 값으로 이해함이 바람직하다.

그리고, 상기 잔골재는 국내산 부순 잔골재와 세척사를 혼합하여 구비될 수 있으며, 상기 굵은골재는 25mm 이상으로 구비될 수 있으며 가장 바람직하게는 25~35mm의 크기로 구비됨이 바람직하다.

또한, 상기 보강골재는 20~55kg/㎥의 내부식성 보강섬유를 더 포함하되, 상기 보강섬유는 가장 바람직하게는 콘크리트에 혼입시 콘크리트의 인성(toughness) 및 내구성을 증가시키는 비정질의 강섬유로 구비됨이 바람직하다. 이때, 상기 강섬유는 0.4~0.8mm의 직경으로 형성되는 원통 형상으로 구비될 수 있으며, 상기 강섬유의 길이방향 양단부는 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그, 플라이애시, 잔골재, 굵은골재와의 상호간 접촉면적이 증가되도록 기설정된 형태로 절곡 형성될 수 있다.

이에 따라, 상기 보강섬유가 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 1~7 중량% 포함되어 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 각 구성요소와 접착 및 경화됨에 따라 최종 제조되는 해양 콘크리트의 결착력이 증가될 수 있다.

이를 통해, 상기 보강섬유가 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물에 포함됨에 따라 최종 제조되는 해양 콘크리트 전체에 균일한 인장력이 제공되며 외부 응력이 흡수 분산되므로 해양환경에 노출되는 해양 콘크리트 구조물의 내염해 성능을 저하시키지 않으면서도 파력, 조류력에 대한 전단강도, 휨인성, 및 내충격성이 현저히 개선될 수 있다.

한편, 상기 혼화제는 상기 포틀랜드 시멘트, 상기 고로슬래그, 상기 플라이애시, 및 상기 보강골재가 혼합된 혼합물의 입자를 분산시켜 유동성을 제공하며 콘크리트에 침투되는 염화물이온에 의한 부식이 억제되도록 혼합됨이 바람직하다.

또한, 상기 혼화제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 4.25~7.75 중량% 포함됨이 바람직하다. 여기서, 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물에 포함되는 상기 혼화제의 세부적인 성분 및 그의 조성 비율은 이하의 표 5과 같다.

성분		조성비(중량%)
포틀랜드 시멘트		5~15
고로슬래그		30~50
플라이애시		10~30
보강골재		17~31
혼화제	유연첨가제	0.5~1.5
	염분흡착제	3~4
	방청제	0.25~0.75
	탄산리튬	0.5~1.5

표 5에서 보는 바와 같이, 상기 혼화제는 유연첨가제와, 염분흡착제와, 방청제와, 탄산리튬을 포함함이 바람직하다. 여기서, 상기 유연첨가제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.5~1.5 중량% 포함됨이 바람직하며, 상기 염분흡착제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 3~4 중량% 포함됨이 바람직하다. 그리고, 상기 방청제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.25~0.75 중량% 포함됨이 바람직하며, 상기 탄산리튬은 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.5~1.5 중량% 포함됨이 바람직하다.

이때, 상기 유연첨가제, 상기 염분흡착제, 상기 방청제, 및 상기 탄산리튬의 중량% 전체 합이 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 4.25~7.75 중량% 포함됨으로 이해함이 바람직하며, 이는 상술된 상기 혼화제 4.25~4.75 중량%와 동일한 값으로 이해함이 바람직하다.

상세히, 상기 유연첨가제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 혼합시 유동성 및 시공성이 증가되도록 첨가됨이 바람직하다. 여기서, 상기 유연첨가제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.5~1.5 중량% 포함됨이 바람직하다.

여기서, 상기 유연첨가제는 에이이(AE)감수제, 공기연행제, 감수제, 유동화제, 발포제, 팽창제 중 적어도 어느 하나를 포함하되, 상기 에이이감수제는 폴리카르복실산계로 구비됨이 가장 바람직하다.

이에 따라, 상기 유연첨가제가 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물에 포함됨에 따라 미세 공기포가 발생되어 혼합물의 입자가 분산되므로 작업성 및 내동해성이 개선될 수 있다.

한편, 상기 염분흡착제는 염화물이온에 의한 부식이 억제 및 지연되도록 구비됨이 바람직하며, 상기 염분흡착제는 혼합물 내의 분포된 염화물이온이 치환반응에 의해 결합되도록 상기 염화물이온을 대체하여 치환되도록 구비됨이 바람직하다.

또한, 상기 염분흡착제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 3~4 중량% 포함됨이 바람직하다. 여기서, 상기 염분흡착제의 조성비에 따른 슬럼프의 경시변화 및 부식면적률을 나타내면 이하의 표 6과 같다.

염분흡착제 조성비 (중량%)	공기량 (%)	슬럼프 (mm)	부식면적률 (%)
0.0(비교예 6)	4.5	150.5	6.0
1.0(비교예 7)	4.4	150.0	5.5
3.0(실시예 1)	4.1	142.5	0.0
5.0(비교예 8)	3.2	135.0	0.0
7.0(비교예 9)	2.8	130.0	0.0

여기서, 비교예 6 내지 9에서 실시예 1의 염분흡착제의 중량%를 기준으로 감소 또는 증가된 중량% 만큼의 포틀랜드 시멘트의 중량%가 증가 또는 감소된 상태에서 콘크리트의 공기량 및 슬럼프와, 콘크리트의 부식면적률이 측정되었다. 예컨대, 비교예 6과 같이 염분흡착제가 0.0 중량%인 경우 포틀랜드 시멘트의 중량%가 3.0 중량% 만큼 증가된 중량비로 구비될 수 있다.

표 6에서 보는 바와 같이, 상기 염분흡착제의 조성비가 3 중량% 이상인 경우 제조된 콘크리트 시험체의 부식면적률이 0%로 나타나, 염분흡착제의 첨가율이 증가될수록 부식면적률이 감소되는 경향이 있는 것으로 나타났다.

여기서, 상기 염분흡착제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 3 중량% 이상인 경우 최종 제조되는 해양 콘크리트의 부식면적률이 실질적으로 제거될 수 있으나, 경제성을 위해 상기 염분흡착제가 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 3~4 중량% 포함됨이 가장 바람직하다.

그리고, 상기 염분흡착제는 칼슘, 알루미늄, 마그네슘 등의 금속 양이온으로 구비되는 금속산화물과, 상기 금속산화물 및 염화물이온의 결합시 상기 염화물이온을 대체하여 치환되는 치환물을 포함함이 바람직하다.

여기서, 상기 금속산화물 및 상기 치환물은 상호간 화학 결합된 화합물 상태로 구비되되 칼슘-알루미늄 아질산이온 화합물, 하이드로탈사이트계 화합물, 아민류 화합물, 다염기산류 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나로 구성됨이 바람직하다. 이때, 칼슘-알루미늄 아질산이온 화합물이라 함은 시중에서 통상적으로 판매되는 분말화되되 층간에 아질산이온(NO₂ ^-)을 포함한 칼슘-알루미늄 복합 산화물을 의미한다.

예컨대, 상기 염분흡착제는 층간에 아질산이온(NO₂ ^-)을 포함한 칼슘-알루미늄 복합 산화물이 분말화되어 구비될 수 있다. 여기서, 상기 염분흡착제의 분자구조 층간에 배치된 아질산이온을 포함한 칼슘-알루미늄 복합산화물은 양대전시킨 층형 구조로 구성되어, 염화물이온(Cl^-)을 흡착하여 층간에 배치된 아질산이온(NO₂ ^-)을 방출한다. 이를 통해, 상기 염분흡착제는 철근 및 콘크리트의 염화물이온을 감소시키고 콘크리트 내에 배치되는 철근의 부식을 장기간에 걸쳐 억제할 수 있다.

그리고, 상기 하이드로탈사이트계 화합물은 2가 및 3가 금속 양이온과 수산화기(OH^-) 등의 음이온 간의 화학결합을 통해 형성된 화합물로 이해함이 바람직하다. 또한, 유기다염기산에는 지방족 저급 다염기산으로서 옥살산, 말론산, 말레산, 주석산, 호박산, 사과산, 구연산 등이 있고, 그 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 이어서, 아민류에는 저급 알코올성지방족 아민으로서 메탄올 아민, 에탄올아민, 이소프로판올 아민 등이 있고, 저급 지방족 아민으로서 메틸아민, 에틸아민, 프로판올 아민 등이 있으며, 저급 폴리메틸렌 아민으로 에틸렌디아민, 디에틸렌 트리아민, 트리에틸렌테트라민, 디에틸아미노프로필아민 등이 있으며, 방향족 아민으로 아닐린, 메틸 아닐린, 디메틸아닐린, 에틸 아닐린, 디에틸 아닐린 등이 있으며, 지방족 불포화 아민으로서 알릴아민, 디알릴 아민 등이 있고, 지방족 고리식 아민, 헤테로 고리 아민에는 피리딘, 피콜린 등이 있다. 또한, 아민류 외에 하이드라진, 하이드라진 수화물, 하이드록실아민 등이 있고, 이들의 아민류의 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.

여기서, 상기 다염기산류와 아민류의 조성물은 일반적으로 물을 용매로서 얻어지지만, 물을 용매로 하지 않고 다염기산류 및 아민류를 각각 그 성상에 따라 적당 배합함으로써 고농도의 조성물로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 염분흡착제로 트리에탄올아민과 옥살산이 7:3의 비율로 혼합되거나, 트리에탄올아민과 디에틸렌트리아민과 옥살산이 5:7:3으로 혼합될 수도 있다.

이를 통해, 상기 염분흡착제의 금속산화물이 해양 콘크리트 내로 침투된 염화물이온과 결합됨과 동시에 아질산이온 등의 상기 치환물이 이온 상태로 방출됨에 따라 염화물이온과 치환물이 상호간 치환될 수 있다. 이에 따라, 해양 콘크리트에 침투된 염화물이온이 상기 염분흡착제에 의해 결합되므로 콘크리트의 탄산화 및 부식이 방지되어 해양 콘크리트의 내구성이 현저히 개선될 수 있다.

한편, 상기 혼화제는 염화물이온에 의한 부식이 억제되도록 스티렌-부타디엔-아크릴레이트계 수용성 화합물과, 무기질 안료를 포함하는 방청제를 더 포함함이 바람직하다. 또한, 상기 방청제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.25~0.75 중량% 포함됨이 바람직하며, 상기 스티렌-부타디엔-아크릴레이트계 수용성 화합물 및 상기 무기질 안료간의 비율은 1.5~9:1로 설정됨이 바람직하다.

상세히, 상기 방청제는 방향족성 폴리머인 스티렌-부타디엔-아크릴레이트계 폴리머로서 비이온성 폴리옥시에틸렌계 계면활성제를 투입하고 물을 첨가하여 수용성 에멀젼화한 에멀젼이 사용될 수 있다. 그리고, 상기 무기질 안료는 천연 마그네타이트와 내화학성 및 내열성이 뛰어난 마그네슘실리케이트류의 탈크를 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.

여기서, 상기 스티렌-부타디엔-아크릴레이트계 수용성 화합물 및 상기 무기질 안료간의 비율이 1.5:1 미만인 경우 상기 방청제와 콘크리트 간의 결합력이 저하될 우려가 있으며, 9:1을 초과하는 경우 내수성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 상기 스티렌-부타디엔-아크릴레이트계 수용성 화합물 및 상기 무기질 안료간의 비율이 1.5~9:1로 설정된 상기 방청제가 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.25~0.75 중량% 포함됨에 따라 콘크리트의 부식이 방지될 수 있다.

한편, 상기 혼화제는 콘크리트의 내염해성을 증가시키기 위해 구비되는 탄산리튬을 더 포함하되, 상기 탄산리튬은 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.5~1.5 중량% 포함됨이 바람직하다. 여기서, 상기 탄산리튬의 조성비에 따른 실효 염화물이온 확산계수를 나타내면 이하의 표 7과 같다.

탄산리튬 조성비(중량%)	W/C(%)	W/B(%)	압축강도 (N/mm², 14d)	실효 염화물이온 확산계수 (cm²/year)
0.0(비교예 10)	36.0	36.0	50.4	1.39
0.1(비교예 11)	51.4	36.0	45.8	1.21
0.5(실시예 2)	51.4	36.0	43.6	0.80
1.0(실시예 3)	51.4	36.0	45.0	0.79
3.0(비교예 12)	51.4	36.0	46.2	0.70

여기서, 비교예 10 내지 12에서 실시예 2의 탄산리튬의 중량%를 기준으로 감소 또는 증가된 중량% 만큼의 포틀랜드 시멘트의 중량%가 증가 또는 감소된 상태에서 콘크리트의 실효 염화물이온 확산계수가 측정되었다. 예컨대, 비교예 10과 같이 탄산리튬이 0.0 중량%인 경우 포틀랜드 시멘트의 중량%가 0.5 중량% 만큼 증가된 중량비로 구비될 수 있다.

표 7에서 보는 바와 같이, 상기 탄산리튬의 첨가율이 증가될수록 실효염화물 이온 확산계수가 감소되는 경향이 있는 것으로 나타났다. 이때, 상기 탄산리튬은 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.5 중량% 이상인 경우 최종 제조되는 해양 콘크리트의 실효 염화물이온 확산계수가 감소됨에 따라 염해 내구성이 개선될 수 있으나, 경제성을 위해 상기 탄산리튬이 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.5~1.5 중량% 포함됨이 가장 바람직하다. 그리고, 상기 탄산리튬에는 Li₂CO₃가 상기 탄산리튬의 전체 질량%에 대하여 95 질량% 이상 포함되도록 구비될 수 있다.

이에 따라, 상기 탄산리튬이 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물에 포함됨에 따라 콘크리트의 강도 발현성을 해치지 않으면서도 외부로부터 침투되는 염화물이온의 침투저항성이 현저히 증가되므로 최종 제조되는 해양 콘크리트의 염해내구성이 현저히 개선될 수 있다.

따라서, 고로슬래그 및 플라이애시가 경화됨에 따라 형성된 치밀화된 구조에 의해 염화물이온 침투량이 물리적으로 감소됨과 동시에 염분흡착제, 방청제, 및 탄산리튬이 혼합됨에 따라 염화물이온에 의한 해양 콘크리트의 부식 및 탄산화가 화학적으로 억제되는 시너지 효과를 통해 해양환경에 건설되는 해양 콘크리트 구조물의 내구수명이 현저히 증가될 수 있다.

한편, 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물 100 중량부에 대하여 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물과의 수경반응을 위해 구비되는 물이 11 중량부 첨가될 수 있다. 이때, 상기 혼화제가 상기 내염해성 해양 콘크리트에 포함됨에 따라 상대적으로 적은 물-결합재 비율로 상기 물이 첨가되더라도 콘크리트가 용이하게 형성되므로 작업성이 개선될 수 있다.

이때, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구하는 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형 실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형 실시는 본 발명의 범위에 속한다.

Claims

물과 혼합시 경화되며 산화칼슘, 이산화규소, 산화알루미늄이 함유된 포틀랜드 시멘트;
잠재수경성을 가지며 수화반응시 발열량이 저감되고 경화시 염화물이온을 고정하는 프리델씨염을 생성하며 경화 콘크리트의 장기압축강도가 증가되도록 혼합되며 산화칼슘, 이산화규소, 산화알루미늄, 및 산화마그네슘이 함유된 고로슬래그;
가공성이 개선되고 경화열이 완화됨과 동시에 포졸란 반응으로 장기 압축강도 및 수밀성이 향상되도록 혼합되며 이산화규소, 산화알루미늄, 및 산화철이 함유된 플라이애시;
경화된 콘크리트의 강도가 증가되도록 혼합되며 잔골재와 굵은골재를 포함하는 보강골재; 및
상기 포틀랜드 시멘트, 상기 고로슬래그, 상기 플라이애시, 및 상기 보강골재가 혼합된 혼합물의 입자를 분산시켜 유동성을 제공하며 콘크리트에 침투되는 염화물이온에 의한 부식이 억제되도록 혼합되는 혼화제를 포함하되,
상기 혼화제는,
내염해성 해양 콘크리트 조성물의 혼합시 유동성 및 시공성이 증가되도록 첨가되는 유연첨가제와, 혼합물 내의 분포된 염화물이온이 치환반응에 의해 결합되도록 상기 염화물이온을 대체하여 치환되는 염분흡착제와, 내염해성을 증가시키기 위해 구비되는 탄산리튬과, 스티렌-부타디엔-아크릴레이트계 수용성 화합물 및 무기질 안료를 포함하는 방청제를 포함하며,
상기 유연첨가제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.5~1.5 중량% 포함되며, 상기 염분흡착제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 3~4 중량% 포함되고, 상기 탄산리튬은 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.5~1.5 중량% 포함되며, 상기 방청제는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 0.25~0.75 중량% 포함됨을 특징으로 하는 내염해성 해양 콘크리트 조성물.
제 1 항에 있어서,
상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물은
상기 포틀랜드 시멘트 5~15 중량%와, 상기 고로슬래그 30~50 중량%와, 상기 플라이애시 10~30 중량%와, 상기 보강골재 17~31 중량%와, 상기 혼화제 4.25~7.75 중량%를 포함함을 특징으로 하는 내염해성 해양 콘크리트 조성물.
제 1 항에 있어서,
상기 보강골재는 20~55kg/㎥의 보강섬유를 더 포함하되,
상기 보강섬유는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 1~7 중량% 포함됨을 특징으로 하는 내염해성 해양 콘크리트 조성물.
제 1 항에 있어서,
상기 잔골재는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 7~9 중량% 포함되며,
상기 굵은골재는 상기 내염해성 해양 콘크리트 조성물의 전체 중량%에 대하여 9~15 중량% 포함됨을 특징으로 하는 내염해성 해양 콘크리트 조성물.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 염분흡착제는 양이온으로 구비되는 금속산화물과,
상기 금속산화물 및 염화물이온의 결합시 상기 염화물이온을 대체하여 치환되는 치환물을 포함함을 특징으로 하는 내염해성 해양 콘크리트 조성물.
제 6 항에 있어서,
상기 금속산화물 및 상기 치환물은 상호간 화학 결합된 화합물 상태로 구비되되, 칼슘-알루미늄 아질산이온 화합물, 하이드로탈사이트계 화합물, 아민류 화합물, 유기다염기산류 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 내염해성 해양 콘크리트 조성물.
제 6 항에 있어서,
상기 금속산화물은 칼슘, 알루미늄, 마그네슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 내염해성 해양 콘크리트 조성물.
제 1 항에 있어서,
상기 스티렌-부타디엔-아크릴레이트계 수용성 화합물 및 상기 무기질 안료간의 비율은 1.5~9:1로 형성됨을 특징으로 하는 내염해성 해양 콘크리트 조성물.
제 1 항에 있어서,
상기 유연첨가제는 에이이감수제, 공기연행제, 감수제, 유동화제, 발포제, 팽창제 중 적어도 어느 하나를 포함하되, 상기 에이이감수제는 폴리카르복실산계로 구비됨을 특징으로 하는 내염해성 해양 콘크리트 조성물.
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