KR102255034B1 - 보강섬유의 균등 분포가 가능한 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물, 이를 이용하여 제작되는 축사 콘슬라트 및 그 제작방법 - Google Patents

보강섬유의 균등 분포가 가능한 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물, 이를 이용하여 제작되는 축사 콘슬라트 및 그 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트, 결합재, CSA시멘트, 골재, 충전재, 실리콘 발수제, 배합수, 및 고성능 감수제를 포함하며, 보강섬유로서 강섬유와 유기섬유가 혼합된 것이 사용되고, 압축강도 100MPa 이상의 높은 강도와 우수한 내구성을 가지는 초고성능 섬유보강 콘크리트로 제작되며, 사용면이 아래에 있도록 제작되더라도 보강섬유가 고르게 분포되어 있어서 우수한 균열 저항성을 보이고, 빠른 초결시간을 가지게 되어 조기 탈형이 가능하며, 유기성분의 포함을 통해서 표면 발수효과가 극대화되어 향상된 청소효율을 발휘하게 되는 "축사 콘슬라트"와, "이를 위한 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물", 그리고 "이를 이용하여 축사 콘슬라트를 제작하는 방법"에 관한 것이다.

Description

보강섬유의 균등 분포가 가능한 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물, 이를 이용하여 제작되는 축사 콘슬라트 및 그 제작방법{Conslat, Ultra High Performance Concrete for Conslat, and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 부재의 두께 방향으로 보강섬유의 균등 분포가 가능한 초고성능 섬유보강 콘크리트(Ultra High Performance Concrete/ "UHPC") 조성물, 이를 이용하여 제작되는 축사(畜舍) 콘슬라트(축사용 바닥판), 및 축사 콘슬라트를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 높은 강도와 우수한 내구성을 가지는 초고성능 섬유보강 콘크리트로 제작되며, 타설시에 사용면이 아래에 있도록 제작되더라도 보강섬유가 부재의 두께 방향으로 고르게 균등 분포되어 있어서 우수한 균열 저항성을 보이고, 빠른 초결시간을 가지게 되어 조기 탈형이 가능하며, 유기성분의 포함을 통해서 극대화된 표면 발수성능을 가지게 되는 "초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물"과, 이를 이용하여 제작됨으로써 우수한 구조적 성능을 발휘하며 향상된 청소효율을 발휘하게 되는 "축사 콘슬라트"와, "초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물을 이용하여 축사 콘슬라트를 제작하는 방법"에 관한 것이다.
돈사(豚舍) 등의 축사에서는 지면으로부터 소정 높이에 위치하도록 콘슬라트를 설치함으로써 축사의 바닥을 구축하게 된다. 대한민국 등록특허 제10-1689322호에는 종래 기술에 따른 축사 콘슬라트의 일예가 개시되어 있다. 일반적으로 종래의 축사 콘슬라트는 보통 강도의 일반 콘크리트를 사용하여 제작했기 때문에 부피 및 중량이 크며, 그로 인하여 운반 및 설치 작업에 있어서의 효율이 저하되고 제작 및 축사 구축에 많은 비용이 소요되는 문제가 발생하였다.
또한 보통 강도의 일반 콘크리트로 제작된 종래의 축사 콘슬라트는, 가축 배설물로 인하여, 가축이 머무르고 생육되는 표면("사용표면")에 화학적 침식 및 그로 인한 부식이 발생하였으며, 이로 인하여 사용수명이 짧아져서 빈번하게 교체하거나 보수해야 하고 그만큼 유지보수 비용이 크게 증가되는 단점이 있다. 사용표면의 가축 배설물을 제거하기 위해서는 일반적으로 고압 세척 작업을 수행하게 되는데, 종래의 축사 콘슬라트의 경우에는 고압수(高壓水)의 분사로 인하여 사용표면에서 콘크리트 조각이 떨어져 나가는 박리 현상이 발생하게 된다. 이로 인하여 사용표면의 상태가 불량하게 될 뿐만 아니라, 축사 콘슬라트의 사용표면에서 박리된 콘크리트 조각이 축사 오수관을 막게 되는 문제점이 야기된다. 특히, 축사 콘슬라트의 사용표면이 불량하게 되면 사용표면에 눌러 붙는 가축 배설물의 양이 더 증가하게 되어 세척 등의 청소작업이 더욱 어려워지게 되고 가축의 발육에도 나쁜 영향을 주게 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1689322호(2016. 12. 23. 공고).
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 굵은 골재의 사용 없이 시멘트와 보강용 강섬유를 사용하여 큰 압축강도 및 휨강도 그리고 큰 직접인장강도를 가지는 초고성능 섬유보강 콘크리트(UHPC)를 이용하여 우수한 구조적 성능을 발휘하는 콘크리트 부재를 제작할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 콘크리트 부재로서 축사(畜舍)에 사용되는 축사 콘슬라트를 위와 같은 우수한 성능을 발휘하는 초고성능 섬유보강 콘크리트로 제작함으로써, 축사 콘슬라트의 부피 및 중량을 크게 감소시키고, 그에 따라 운반 및 설치 작업의 효율을 향상시킴과 동시에 제작 및 축사 구축에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 종래 기술이 가지고 있던 축사 콘슬라트의 사용표면에서의 화학적 침식 및 그로 인한 부식 발생의 문제, 그리고 짧은 내구수명의 문제, 고압 세척 작업 중의 표면박리 현상의 문제 등을 해결하도록 우수한 내마모성과 내화학성, 그리고 긴 내구수명을 가지도록 축사 콘슬라트를 제작할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
더 나아가 본 발명은 축사 콘슬라트 뿐만 아니라, 실제 사용하게 될 사용면이 아래쪽에 위치한 상태로 제작되어야 하는 콘크리트 부재를 제작함에 있어서 보강섬유가 부재의 두께에 고르게 분포함으로써 콘크리트 부재가 전체적으로 우수한 구조적 성능을 발휘할 수 있게 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 시멘트; 반응성 분체를 포함하는 결합재로서 상기 시멘트 100중량부에 대하여 10 내지 30중량부의 결합재; 상기 시멘트 100중량부에 대해 1 내지 10중량부의 CSA시멘트; 상기 시멘트 100중량부에 대해 100 내지 130중량부의 골재; 상기 시멘트 100중량부에 대해 10 내지 30중량부의 충전재; 상기 시멘트 100중량부에 대해 0.1 내지 3중량부의 실리콘 발수제; 상기 시멘트 100중량부에 대해 15 내지 30중량부의 배합수; 및 상기 시멘트 100중량부에 대해 1 내지 6중량부의 고성능 감수제를 포함하며; 보강섬유로서 강섬유와 유기섬유가 혼합된 것이 사용되고; 압축강도 100MPa 이상의 성능을 발현하는 것을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물이 제공된다.
또한 본 발명에서는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 상기한 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물을 이용하여 제작되는 축사 콘슬라트가 제공되며, 더 나아가 이를 제작하는 방법이 제공된다.
특히, 본 발명에서 시멘트 100중량부에 대하여 배합수 20중량부, 결합재로서 실리카퓸 25중량부, 골재로서 모래 110중량부, 충전재 30중량부, 고성능 감수제 2.3중량부, 실리콘 발수제 1중량부, 및 CSA 시멘트 5중량부가 포함되며; 유기섬유는 길이 6mm의 PVA 섬유이고; 강섬유는 길이 20mm이고; 보강섬유에서 강섬유와 PVA 섬유의 혼합비율은 강섬유의 부피가 1일 때 PVA 섬유의 부피가 0.3로 될 수 있다.
본 발명에 따른 UHPC 조성물은 우수한 물성을 가지고 있는 바, 이러한 본 발명의 UHPC 조성물에 의해 제작되는 콘크리트 부재는 높은 강도와 우수한 내구성을 가지면서도, 보강섬유가 고르게 분포되어 있어서 우수한 균열 저항성을 보이는 장점을 발휘하게 되다.
특히, 본 발명에 따른 UHPC 조성물은 빠른 초결시간을 가지게 되어 조기 탈형이 가능하므로 빠른 시간 내에 콘크리트 부재를 제작할 수 있다. 따라서 본 발명은 축사 콘슬라트를 제작하는데 매우 유용하게 사용될 수 있으며, 본 발명에 따른 UHPC 조성물을 이용하게 되면 축사 콘슬라트의 제작 효율이 향상되고 제작비용도 절감되는 효과가 발휘된다. 더 나아가 본 발명의 UHPC 조성물은 유기성분의 포함을 통해서 표면 발수효과가 극대화되는 바, 이러한 본 발명의 UHPC 조성물을 이용하여 제작된 축사 콘슬라트는 사용표면의 가축 배설물을 제거하기 위해서는 일반적으로 고압 세척 작업을 수행하더라도 사용표면의 박리 현상 발생이 최소화되고 그에 따라 내구성 향상은 물론이고 종래 기술에서의 문제점으로 지적되었던 박리된 콘크리트 조각으로 인하여 축사 오수관이 폐색되는 현상을 예방할 수 있게 되는 유용한 효과가 발휘된다.
또한 본 발명에 따른 축사 콘슬라트는, 화학적 침식에도 강한 저항성을 발휘하는 바, 사용수명이 길어져서 교체/보수 기간을 늘릴 수 있으며, 그에 따라 유지보수 비용을 줄일 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
도 1은 축사 콘슬라트의 제작을 위하여 거푸집에 종래의 일반적인 섬유보강 콘크리트 조성물을 타설한 직후 상태의 두께 상태를 보여주는 개략적인 단면 분포도이다.
도 2는 축사 콘슬라트의 제작을 위하여 본 발명에 따른 UHPC 조성물을 거푸집에 타설한 직후 상태의 두께 상태를 보여주는 도 1에 대응되는 개략적인 단면 분포도이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에 대한 변위-휨인장강도 그래프도이다.
도 4는 본 발명의 실시예와 비교예에 대한 오일링 처리 여부에 따른 휨인장강도 측정 결과 그래프도이다.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에 대한 초결시간 측정 결과 그래프도이다.
도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에 대한 물 흡수율 측정 결과 그래프도이다.
도 7은 본 발명의 실시예와 비교예에 대한 압축강도 측정 결과 그래프도이다.
이하의 설명 및 청구범위, 그리고 본 명세서 전체에서 본 발명에 따른 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물은 "UHPC 조성물"이라고 약칭하여 기재한다. 본 발명의 UHPC 조성물은 다양한 형태의 콘크리트 부재를 제작하는데 매우 유용하게 이용되는데, 거푸집에 UHPC 조성물을 타설하여 콘크리트 부재를 제작할 때 보강섬유가 타설상면 및 연직방향의 전체 두께에 걸쳐서 고르게 분포하게 되어 매우 우수한 성능을 발휘하게 되는 바, 특별히 실제 사용할 때 타설상면이 아래쪽에 위치하게 되는 콘크리트 부재를 제작하는데 매우 유용하게 사용될 수 있다. 이와 같이 실제 사용하게 되는 표면 즉, 사용표면이 콘크리트 타설시에는 타설하면이 되고, 타설시에 위쪽에 위치하는 면 즉, 타설상면이 실제 사용할 때에는 사용저면이 되는 콘크리트 부재로는 "축사 콘슬라트"를 예로 들 수 있으며, 본 발명의 UHPC 조성물은 이러한 축사 콘슬라트의 제작에 매우 유용하게 사용된다. 이러한 이유에서 이하의 설명 및 청구범위, 그리고 본 명세서 전체에서는, 본 발명의 UHPC 조성물을 이용하여 제작되는 콘크리트 부재를 대표하여 "축사 콘슬라트"를 예시하였으나, 본 발명의 UHPC 조성물을 이용하여 제작되는 콘크리트 부재가 축사 콘슬라트에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명에서 "축사 콘슬라트"라는 용어는 실제 축사에 사용되는 본래 의미의 축사 콘슬라트를 의미할 수도 있지만, 이에 한정되지 않으며, "실제 사용하게 되는 사용표면이 콘크리트 타설시에는 타설하면이 되고 타설시에 위쪽에 위치하는 타설상면이 실제 사용할 때에는 사용저면이 되는 콘크리트 부재"를 모두 포함하는 의미로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 UHPC 조성물은 굵은 골재는 사용하지 않고 시멘트와 잔골재와 보강섬유를 포함하는 조성을 가지며, 이러한 본 발명의 UHPC 조성물로 제작되는 축사 콘슬라트는 압축강도 120MPa 이상, 휨강도 15MPa 이상 및 직접인장강도 7MPa이상의 물성을 가진다.
구체적으로 본 발명의 UHPC 조성물은, 시멘트(보통 포틀랜드 시멘트/ "OPC"); 반응성 분체를 포함하는 결합재로서 상기 시멘트 100중량부에 대하여 10 내지 30중량부의 결합재; 상기 시멘트 100중량부에 대해 1 내지 10중량부의 CSA시멘트; 상기 시멘트 100중량부에 대해 100 내지 130중량부의 골재; 상기 시멘트 100중량부에 대해 10 내지 30중량부의 충전재; 상기 시멘트 100중량부에 대해 0.1 내지 3중량부의 실리콘 발수제; 상기 시멘트 100중량부에 대해 15 내지 30중량부의 배합수; 및 상기 시멘트 100중량부에 대해 1 내지 6중량부의 고성능 감수제를 포함하며, 보강섬유로서 강섬유와 유기섬유가 혼합된 것이 사용되고, 압축강도 100MPa 이상의 성능을 발현하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는 축사 콘슬라트의 형상에 맞추어서 제작한 거푸집에 상기한 UHPC 조성물을 타설하여 양생시킨 후 탈형함으로써 축사 콘슬라트를 제작하게 되는데, 거푸집에 UHPC 조성물이 타설된 상태의 하면(下面)("타설하면")이 실제로는 가축들이 머물게 되는 축사 콘슬라트의 "사용표면"이 되고, 거푸집에 타설된 상태의 상면(上面)("타설상면")은 축사 콘슬라트를 사용할 때 사용표면의 반대면 즉, 인장응력이 크게 작용하는 위치의 "사용저면(底面)"이 된다. 가축의 건강한 생활과 생육을 위해서 축사 콘슬라트의 사용표면에 인위적인 문양을 형성할 필요가 있는데, 문양을 인위적으로 형성하려면 문양을 형성할 수 있는 거푸집판이 타설하면에 위치할 수밖에 없다. 이러한 이유 때문에 축사 콘크리트의 경우에는 타설하면이 실제로는 사용표면이 되고, 타설상면은 사용저면이 되는 것이다. 축사 콘슬라트 이외에도 위와 같이 넓은 면적에 인위적인 문양을 형성하거나 또는 기타 다른 이유에서 타설하면이 실제로는 사용표면으로 되는 다양한 콘크리트 부재가 존재한다.
만일 보강섬유로서 강섬유만 사용하는 경우, 거푸집에 종래의 일반적인 섬유보강 콘크리트 조성물을 타설한 직후부터 초결이 이루어지기 전까지 거푸집 내에서 강섬유가 침하되는 현상이 발생하게 되어 타설하면에 강섬유가 몰려 있게 된다. 도 1에는 축사 콘슬라트의 제작을 위하여 거푸집에 종래의 일반적인 섬유보강 콘크리트 조성물을 타설한 직후 상태의 두께 상태를 보여주는 개략적인 단면 분포도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 것처럼 강섬유만을 보강섬유로서 사용한 종래의 일반적인 섬유보강 콘크리트 조성물을 거푸집에 타설하였을 경우에는, 강섬유의 중량으로 인한 침하 현상 때문에 타설하면 쪽으로 강섬유가 몰려있게 되고 타설상면에는 상대적으로 적은 량의 강섬유만이 분포하게 되는 것이다. 이러한 강섬유의 침하 현상으로 인하여. 결과적으로 실제로 축사 콘슬라트를 사용할 때는 인장응력이 크게 작용하게 되는 타설상면에는 강섬유가 충분하지 않게 되어, 초기 균열이나 사용시의 균열에 대해 저항성이 약화되는 문제가 발생한다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 예방하기 위하여 보강섬유로서 강섬유와 유기섬유를 혼합하여 사용하되, 유기섬유에 특별한 처리(오일링 처리)를 수행한 후 혼합 사용함으로써, 타설 직후부터 초결이 이루어지지 전까지 강섬유가 타설하면으로 가라앉는 것을 유기섬유가 억제하게 만들게 되며, 그에 따라 UHPC 조성물을 거푸집에 타설하여 축사 콘슬라트를 제작하였을 때 타설하면에서부터 타설상면까지 전체 두께에서 보강섬유가 고르게 분포하는 상태를 이루게 된다.
구체적으로 본 발명에서는 보강섬유는 강섬유와 유기섬유가 혼합된 것으로서, 보강섬유에서 강섬유와 유기섬유의 부피비는 1:0.1 내지 1:0.5이다. 즉, 강섬유의 체적이 1일 때, 유기섬유의 체적이 0.1 내지 0.5가 되는 비율로 강섬유와 유기섬유가 혼합되어 보강섬유로서 사용되는 것이다. 유기섬유는 기본적으로 섬유의 가교작용을 통해서 수축균열 발생의 억제 및 미세균열 분포를 유도하여 콘크리트의 휨인장강도 등 역학성능을 향상시키는 보강기능을 발휘한다. 특히, 본 발명에서 유기섬유는 앞서 설명한 것처럼 타설 직후부터 초결이 이루어지지 전까지 강섬유가 타설하면으로 가라앉는 것을 억제하여 강섬유가 타설상면 및 전체 두께에 걸쳐서 고르게 분포하게 만드는 기능을 더 발휘한다.
본 발명에 따라 강섬유의 부피에 대한 유기섬유 부피의 비가 0.1 이상 즉, 강섬유의 부피가 1일 때 유기섬유의 부피가 0.1 이상이 되도록 유기섬유와 강섬유가 혼입되어 보강섬유로서 사용되면, 앞서 설명한 유기섬유 섬유의 혼입에 의한 기능과 그에 따른 유용한 효과가 발휘되고 유기섬유의 혼입량이 증가할수록 그에 따른 상기한 유리한 효과도 향상된다. 그러나 강섬유의 부피가 1일 때 유기섬유의 부피가 0.5를 초과하는 비율로 유기섬유가 과도한 량으로 혼합될 경우에는 UHPC 조성물의 슬럼프 플로가 급격히 감소함에 따라 시공성이 저하되며 강섬유와 유기섬유가 뭉치는 현상 즉, "파이버 볼(Fiber ball)"이 발생하게 된다. 파이버 볼이 발생하게 되면 균질한 품질확보가 어렵게 되며 그에 따라 휨인장강도가 저하되는 문제점을 야기한다. 따라서 본 발명에서는 강섬유와 유기섬유의 부피비가 1:0.1 내지 1:0.5로 되도록 강섬유와 유기섬유를 혼합하여 보강섬유로 사용한다.
특히, 본 발명에서 유기섬유로는 5 내지 15mm의 길이를 가지는 것이 사용된다. 유기섬유의 길이가 5mm 미만일 경우에는 상기한 기능과 효과가 제대로 발휘되지 않으며, 반대로 15mm를 초과하는 경우에는 UHPC 조성물의 급격한 슬럼프 플로 감소 현상 및 그에 따른 시공성 저하, 그리고 파이버 볼 발생 현상이 일어나게 된다. 따라서 본 발명에서는 강섬유와 유기섬유의 부피(체적) 비가 0.1 내지 0.5가 되도록 강섬유와 유기섬유를 혼합하여 사용하되, 유기섬유의 길이가 5 내지 15mm로 되도록 함으로써, 콘크리트에 인성을 부여함과 동시에 콘크리트에 파괴 및 건조수축에 의한 균열이 발생하지 않도록 하는 유기섬유의 보강기능이 확실하게 발휘되게 함은 물론이고, 앞서 설명한 것처럼 타설 직후부터 초결이 이루어지지 전까지 강섬유가 타설하면으로 가라앉는 것을 억제하여 강섬유가 타설상면 및 전체 두께에 걸쳐서 고르게 분포하게 만드는 유기섬유의 기능도 확실하게 발휘된다.
도 2에는 축사 콘슬라트의 제작을 위하여 이와 같은 구성으로 보강섬유를 사용하여 거푸집에 UHPC 조성물을 타설한 직후 상태의 두께 상태를 보여주는 도 1에 대응되는 개략적인 단면 분포도가 도시되어 있다. 도 2에 예시된 것처럼 본 발명에 따라 보강섬유로서 강섬유와 유기섬유가 상기한 부피비로 혼합된 것을 사용하였을 경우에는 파이버 볼(Fiber ball) 현상의 발생 없이 전체 두께에 걸쳐서 고르게 강섬유가 분포하게 되며, 그에 따라 보강섬유에 의한 보강 효과의 발현이 확실하게 보장된다. 본 발명에서 유기섬유로는 PVA 섬유, PE 섬유, 나일론 섬유 등을 이용할 수 있다.
한편, 위와 같이 본 발명에서 보강섬유로서 강섬유에 유기섬유를 혼합하여 사용함에 있어서, UHPC 조성물의 각 성분재료를 혼합하는 과정에서 마찰에 의한 정전기가 발생하고 이로 인하여 유기섬유가 타 성분재료들로부터 분리되는 재료분리 현상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 유기섬유를 오일링(oiling) 처리하여 사용한다. 구체적으로 본 발명에서는 유기섬유의 표면에 탄소수 20 내지 40의 알칸(alkane)계 미네랄 오일을 분사하여 유기섬유의 표면을 코팅하는 형태로 오일링 처리한 후에, 이를 강섬유 및 기타 성분재료와 혼합하여 교반하게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 유기섬유를 오일링 처리한 후 사용함으로써 재료분리 현상의 발생을 예방함은 물론이고 응력분산과 미세균열 유도, 그리고 이를 통한 연성거동 향상을 통해서 축사 콘슬라트의 휨인장강도 성능을 향상시키게 되는 매우 유용한 효능을 발휘하게 된다. 유기섬유 분자는 콘크리트와 같은 알칼리 환경에서 금속 수산화물 미립자에 흡착되기 쉬운 특성을 가지고 있기 때문에 섬유보강 콘크리트 조성물에 포함되는 유기섬유는 친수기로서 콘크리트 경화체와의 화학적 부착과 마찰부착이 우수하다. 그러나 유기섬유와 콘크리트 경화체와의 부착성이 과다하게 뛰어난 경우에는 섬유보강 콘크리트에서 전형적으로 볼 수 있는 변형률 경화 또는 미세한 다수균열 현상이 발생하지 않는데, 이것은 매트릭스와 유기섬유와의 부착강도가 너무 커서 유기섬유의 인장강도로는 감당하지 못하게 되고 그에 따라 유기섬유가 먼저 파단 되기 때문이다.
본 발명에서는 유기섬유에 오일링 처리를 하여 축사 콘슬라트를 제작하게 되는데, 이에 의하면 축사 콘슬라트의 사용 과정에서 휨응력이 작용할 때 콘크리트와 유기섬유 간의 계면에서 유기섬유가 서서히 뽑히게 되며, 축사 콘슬라트를 사용할 때 축사 콘슬라트의 하면에서는 다수의 균열발생이 유도되면서 처짐이 증가하게 되고, 그에 따라 초기균열 이후 응력이 증가하면서 변형률이 증가하는 현상 즉, 변형-경화(Strain-Hardening)현상이 유도됨으로써 휨인장강도 성능이 향상되는 효과가 발휘된다.
본 발명에 있어서, 축사 콘슬라트의 제조를 위한 UHPC 조성물에는 초결시간의 단축을 위하여 시멘트 100중량부에 대해 CSA(Calcium Sulfur Aluminate) 시멘트가 1 내지 10중량부로 함유된다. UHPC 조성물은 낮은 물-시멘트(W/B) 비를 가지고 있기 때문에, 자기충전 가능한 시공성을 확보하기 위해서는 필연적으로 많은 양의 고성능 감수제가 사용된다. 그런데 다량의 고성능 감수제가 사용되는 경우에는 시멘트 수화 반응이 지연됨에 따라 초결시간이 약 10 내지 20시간까지 소요된다. 초결시간이 길어지면 보강섬유로서 포함되는 강섬유의 침하량이 커질 뿐만 아니라 탈형에 필요한 시간도 증가하게 되고, 그에 따라 UHPC 조성물을 이용한 축사 콘슬라트의 생산성이 저하되는 문제점이 발생한다. 따라서 UHPC 조성물을 이용하여 축사 콘슬라트를 제작함에 있어서는 초결시간을 단축시키는 것이 매우 중요한 바, 본 발명에서는 축사 콘슬라트의 제조를 위한 UHPC 조성물에 CSA 시멘트를 사용한다.
아래의 표 1은 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 본 발명에서 사용되는 CSA 시멘트의 대표적인 것의 성분비를 대비한 표이다. CSA시멘트는 CaO, Al2O3 및 SO3를 주성분으로 하여, CaO, Al2O3 및 SO3가 각각 40~45중량%, 28~32중량%, 및 8~15중량%로 포함하는 것으로서, 본 발명에서는 CSA 시멘트를 시멘트 100중량부에 대하여 1 내지 10중량부로 함유함으로써, 초결시간이 30분 이내가 되도록 단축시킨다. CSA 시멘트의 함유량이 1중량부 미만일 경우에는 초결시간의 단축 효과가 미미하며, 반대로 CSA 시멘트의 함유량이 10중량부를 초과할 경우에는 UHPC 조성물의 혼합 교반과정에서 급결하는 현상이 발생하여 시공성 확보가 어렵게 된다. 따라서 본 발명에서 CSA 시멘트의 함유량은 1 내지 10중량부로 한다.
Figure 112020115673122-pat00001
본 발명에 따른 UHPC 조성물에는 실리콘을 주성분으로 하는 발수제("실리콘 발수제")가 시멘트 100중량부에 대해 0.1 내지 3중량부로 혼합된다. 실리콘 발수제가 혼합되면 축사 콘슬라트의 표면을 소수성으로 변환시키게 되고, 이를 통해서 축사 콘슬라트의 사용표면에 가해지는 액체가 모세관 공극을 통해 침수할 수 없게 되어 축사 콘슬라트의 사용표면 오염을 최소화시킬 수 있게 된다. 특히, 실리콘 발수제가 혼합되면 표면 발수효과가 발휘되어 이물질의 흡수 및 부착이 억제되기 때문에 축사 콘슬라트의 사용표면을 저압 세척하는 것만으로도 분뇨 등의 오염물질을 용이하게 제거할 수 있게 된다. 본 발명의 UHPC 조성물에서 실리콘 발수제가 0.1중량부 미만으로 포함되는 경우에는 축사 콘슬라트의 사용표면이 친수성을 유지하게 되므로, 오염물질이 사용표면에 흡수되고 부착되어 오염되는 현상을 방지하지 못하게 되고, 반면에 실리콘 발수제가 3중량부를 초과하는 량으로 함유되는 경우에는 UHPC 조성물의 각 성분을 교반하여 혼합할 때 기름성분으로 인하여 그 자체가 이물질로 작용하게 되고, 그에 따라 압축강도 및 휨인장강도 등의 역학성능이 감소되는 문제가 발생한다.
다음에서는 본 발명에 따른 실시예, 및 이와 대비되는 비교예에 대하여 설명한다. 아래에서 설명하는 본 발명에 따른 실시예의 배합표는 아래의 표 2와 같다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 UHPC 조성물은, 시멘트(보통 포틀랜드 시멘트), 반응성 분체를 포함하는 결합재로서 실리카퓸, CSA 시멘트, 골재로서 모래, 충전재, 실리콘 발수제, 배합수, 고성능 감수제, 및 보강섬유로서 강섬유와 유기섬유가 혼합된 보강섬유를 포함하여 구성되는데, 유기섬유로는 길이 6mm의 PVA 섬유를 사용하였으며, 강섬유로는 길이 20mm인 것을 사용하였다. 본 발명의 실시예에 따른 UHPC 조성물에서 각 조성성분의 함유량은 시멘트의 중량을 100이라고 하였을 때, 배합수 20, 실리카퓸 25, 모래 110, 충전재 30, 고성능 감수제 2.3, 발수제 1 및 CSA 시멘트 5가 되도록 하였으며, 보강섬유에서 강섬유와 PVA 섬유의 혼합비율은 강섬유의 부피가 1일 때 PVA 섬유의 부피가 0.3이 되도록 하였다.
Figure 112020115673122-pat00002
우선 보강섬유에서 강섬유와 유기섬유 간의 혼합비율(부피비)에 대한 효과를 확인하기 위하여, 상기한 본 발명의 실시예에 따른 UHPC 조성물과 동일한 조성을 가지고 있되, 섬유를 전혀 혼입하지 않은 비교예와, 유기섬유의 혼입량(혼합비율)만을 달리한 비교예를 각각 제작하여, 본 발명의 실시예와 비교예에 대해 슬럼프 플로, 압축강도 및 휨인장강도를 분석하였다. 그 결과가 표 3에 정리되어 있다. 또한 이러한 본 발명의 실시예와 비교예에 대한 변위-휨인장강도 그래프가 도 3에 도시되어 있다.
Figure 112020115673122-pat00003
위 표 3에 정리된 것처럼 유기섬유의 길이가 본 발명에서 제안한 범위 내에 존재하는 6mm 및 12mm인 경우, 유기섬유의 혼입량이 증가할수록 슬럼프 플로, 압축강도 및 휨인장강도에서 유리한 효과가 발휘함을 확인할 수 있다. 그러나 유기섬유의 길이가 20mm로서 긴 경우에는, 유기섬유의 혼입으로 인하여 파이버 볼(Fiber ball)이 생성되는 불량이 관찰되었다.
한편, 아울러 도 3에 도시된 것처럼 변위-휨인장강도 관계에 있어서도 본 발명에 따라 강섬유와 유기섬유를 혼합한 실시예는 비교예에 비하여 월등히 우월한 성능을 발휘하고 있음이 확인되었다.
다음으로는 유기섬유에 대한 오일링 처리에 따른 효과를 확인하기 위하여, 본 발명의 실시예로서 표 1의 조성을 가지고 있되 유기섬유의 길이를 각각 6mm와 10mm로 하고 오일링 처리한 UHPC 조성물을 준비하고, 이와 대비되는 비교예로서는 이와 같은 본 발명의 실시예와 동일한 조성과 구성을 가지되 유기섬유에 대해 오일링 처리를 하지 않은 것을 준비하여 각각에 대해 휨인장강도를 측정하여 분석하였다. 그 결과가 도 4의 그래프도로 정리되어 있다.
도 4에서 확인되듯이, 유기섬유의 길이가 6mm일 경우와 10mm 경우 모두에 있어서, 오일링 처리를 한 본 발명의 실시예가, 유기섬유에 오일링 처리를 하지 않은 비교예에 비하여 휨인장강도가 더 향상되었음을 확인할 수 있다.
다음으로는 CSA 시멘트의 함유에 따른 확인하기 위하여, 본 발명의 실시예로서 CSA 시멘트의 함유량을 달리하되 기타 성분의 함유량, 유기섬유의 혼입량, 및 섬유의 길이는 표 1의 경우와 동일한 본 발명의 실시예와 비교예를 각각 준비하여 초결시간을 측정하였다. 측정결과는 표 4와 도 5의 그래프도로 정리하였다.
Figure 112020115673122-pat00004
위 표 4에 정리된 것처럼 CSA 시멘트가 함유되지 않은 비교예의 경우, 과도하게 긴 초결시간이 측정되었고, 반대로 CSA 시멘트가 OPC(시멘트) 100중량부에 대해 15중량부 및 20중량부로 과도하게 함유된 비교예의 경우에는 초결시간이 너무 짧거나 급결이 발생하는 문제가 발생함을 확인하였다.
본 발명의 UHPC 조성물에는 실리콘 발수제가 시멘트 100중량부에 대해 0.1 내지 3중량부로 혼합되는 바, 이에 대한 효과를 확인하기 위하여, 본 발명의 실시예로서 실리콘 발수제의 함유량을 달리하되 기타 성분의 함유량, 유기섬유의 혼입량, 및 섬유의 길이는 표 1의 경우와 동일한 본 발명의 실시예와 비교예를 각각 준비하여 물 흡수율과 압축강도를 측정하였다. 측정결과는 표 5과 도 6 및 도 7의 그래프도로 정리하였다.
Figure 112020115673122-pat00005
위의 표 5 및 도 6와 도 7에서 알 수 있듯이, 실리콘 발수제가 본 발명에서 특정한 함유량을 가지는 경우, 물 흡수율이 저하되어 우수한 발수 효과가 발휘되면서도 압축강도의 변화는 크지 않음을 확인할 수 있다.
위에서 살펴본 것처럼, 본 발명에 따른 UHPC 조성물은 우수한 물성을 가지고 있는 바, 이러한 본 발명의 UHPC 조성물에 의해 제작되는 축사 콘슬라트는 높은 강도와 우수한 내구성을 가지면서도, 보강섬유가 고르게 분포되어 있어서 우수한 균열 저항성을 보이는 장점을 발휘하게 되다. 또한 본 발명에 따른 축사 콘슬라트는 내구성이 우수하므로 사용표면의 가축 배설물을 제거하기 위해서는 일반적으로 고압 세척 작업을 수행하더라도 사용표면의 박리 현상 발생이 최소화되고, 종래 기술에서의 문제점으로 지적되었던 박리된 콘크리트 조각으로 인하여 축사 오수관이 폐색되는 현상을 예방할 수 있게 되는 유용한 효과가 발휘된다.
특히, 본 발명에 따른 UHPC 조성물은 빠른 초결시간을 가지게 되어 조기 탈형이 가능하므로, 빠른 시간 내에 본 발명의 축사 콘슬라트를 제작할 수 있으며, 따라서 축사 콘슬라트의 제작 효율이 향상되고 제작비용도 절감되는 효과가 발휘된다. 더 나아가 본 발명의 UHPC 조성물은 유기성분의 포함을 통해서 표면 발수효과가 극대화되는 바, 가축 분뇨 등이 사용표면에 부착되는 것을 최소화시킬 수 있게 되고, 그에 따라 세척 시 저압수를 이용하여도 충분하게 되어 청소 효율이 향상되는 효과가 발휘된다.
또한 본 발명에 따른 축사 콘슬라트는, 화학적 침식에도 강한 저항성을 발휘하는 바, 사용수명이 길어져서 교체/보수 기간을 늘릴 수 있으며, 그에 따라 유지보수 비용을 줄일 수 있게 되는 효과가 발휘된다.

Claims (13)

  1. 시멘트;
    반응성 분체를 포함하는 결합재로서 상기 시멘트 100중량부에 대하여 10 내지 30중량부의 결합재;
    시멘트 100중량부에 대해 1 내지 10중량부의 CSA시멘트;
    시멘트 100중량부에 대해 100 내지 130중량부의 골재;
    시멘트 100중량부에 대해 10 내지 30중량부의 충전재;
    시멘트 100중량부에 대해 0.1 내지 3중량부의 실리콘 발수제;
    시멘트 100중량부에 대해 15 내지 30중량부의 배합수; 및
    시멘트 100중량부에 대해 1 내지 6중량부의 고성능 감수제를 포함하며;
    보강섬유로서 강섬유와 유기섬유가 혼합된 것이 사용되고;
    보강섬유에 사용되는 유기섬유는 오일링 처리된 것이며;
    압축강도 100MPa 이상의 성능을 발현하여 축사 콘슬라트 제작에 이용되는 것을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    보강섬유는, 강섬유와 유기섬유가 부피비 1:0.1 내지 1:0.5로 혼합된 것임을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    보강섬유에 사용되는 유기섬유의 길이는 5 내지 15mm인 것을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    시멘트 100중량부에 대하여 각각 배합수 20중량부, 결합재로서 실리카퓸 25중량부, 골재로서 모래 110중량부, 충전재 30중량부, 고성능 감수제 2.3중량부, 실리콘 발수제 1중량부, 및 CSA 시멘트 5중량부가 포함되며;
    유기섬유는 길이 6mm의 PVA 섬유이고;
    강섬유는 길이 20mm이고;
    보강섬유에서 강섬유와 PVA 섬유의 혼합비율은 강섬유의 부피가 1일 때 PVA 섬유의 부피가 0.3인 것을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    유기섬유의 오일링 처리는,
    유기섬유의 표면에 탄소수 20 내지 40의 알칸계 미네랄 오일을 분사하여 코팅하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물.
  7. 섬유보강 콘크리트 조성물로 제작된 축사 콘슬라트로서,
    섬유보강 콘크리트 조성물은,
    시멘트;
    반응성 분체를 포함하는 결합재로서 시멘트 100중량부에 대하여 10 내지 30중량부의 결합재;
    시멘트 100중량부에 대해 1 내지 10중량부의 CSA시멘트;
    시멘트 100중량부에 대해 100 내지 130중량부의 골재;
    시멘트 100중량부에 대해 10 내지 30중량부의 충전재;
    시멘트 100중량부에 대해 0.1 내지 3중량부의 실리콘 발수제;
    시멘트 100중량부에 대해 15 내지 30중량부의 배합수; 및
    시멘트 100중량부에 대해 1 내지 6중량부의 고성능 감수제를 포함하며;
    보강섬유로서 강섬유와 유기섬유가 혼합된 것이 사용되고;
    보강섬유에 사용되는 유기섬유는 오일링 처리된 것이며;
    압축강도 100MPa 이상의 성능을 발현하는 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물인 것을 특징으로 하는 축사 콘슬라트.
  8. 제7항에 있어서,
    초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물에 포함되는 보강섬유는, 강섬유와 유기섬유가 부피비 1:0.1 내지 1:0.5로 혼합된 것임을 특징으로 하는 축사 콘슬라트.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    보강섬유에 사용되는 유기섬유의 길이는 5 내지 15mm인 것을 특징으로 하는 축사 콘슬라트.
  10. 제7항에 있어서,
    시멘트 100중량부에 대하여 배합수 20중량부, 결합재로서 실리카퓸 25중량부, 골재로서 모래 110중량부, 충전재 30중량부, 고성능 감수제 2.3중량부, 실리콘 발수제 1중량부, 및 CSA 시멘트 5중량부가 포함되며;
    유기섬유는 길이 6mm의 PVA 섬유이고;
    강섬유는 길이 20mm이고; 보강섬유에서 강섬유와 PVA 섬유의 혼합비율은 강섬유의 부피가 1일 때 PVA 섬유의 부피가 0.3인 것을 특징으로 하는 축사 콘슬라트.
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    유기섬유의 오일링 처리는,
    유기섬유의 표면에 탄소수 20 내지 40의 알칸계 미네랄 오일을 분사하여 코팅하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축사 콘슬라트.
  13. 섬유보강 콘크리트 조성물을 이용하여 축사 콘슬라트를 제작하는 방법으로서,
    섬유보강 콘크리트 조성물은,
    시멘트;
    반응성 분체를 포함하는 결합재로서 시멘트 100중량부에 대하여 10 내지 30중량부의 결합재;
    시멘트 100중량부에 대해 1 내지 10중량부의 CSA시멘트;
    시멘트 100중량부에 대해 100 내지 130중량부의 골재;
    시멘트 100중량부에 대해 10 내지 30중량부의 충전재;
    시멘트 100중량부에 대해 0.1 내지 3중량부의 실리콘 발수제;
    시멘트 100중량부에 대해 15 내지 30중량부의 배합수; 및
    시멘트 100중량부에 대해 1 내지 6중량부의 고성능 감수제를 포함하며;
    보강섬유로서 강섬유와 유기섬유가 혼합된 것이 사용되고;
    보강섬유에 사용되는 유기섬유는 오일링 처리된 것이며;
    압축강도 100MPa 이상의 성능을 발현하는 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물이며;
    거푸집에 타설된 상태의 타설하면이 사용표면이 되고, 거푸집에 타설된 상태의 타설상면이 사용저면이 되도록, 상기 초고성능 섬유보강 콘크리트 조성물을 거푸집에 타설하고 양생시킨 후 탈형하여 축사 콘슬라트를 제작하게 되는 것을 특징으로 하는 축사 콘슬라트 제작방법.
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