KR102296264B1 - 해양 구조물을 위한 친환경 콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 테트라포트와 같은 해양구조물을 제조하기 위한 콘크리트 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 친환경 콘크리트 조성물은 시멘트, 고로슬래그파우더 및 플라이애쉬를 포함하는 결합재와, 결합재의 슬럼프를 유지하고 초기강도를 발현하는 반응촉진성 고성능 AE감수제와, 결합재로부터 알카리물질이 용출되는 것을 방지하는 고분자 시멘트 안정제가 배합되는 것에 특징이 있다.

Description

해양 구조물을 위한 친환경 콘크리트 조성물{.}

본 발명은 해안가 인근의 방파제와 호안에 설치되는 콘크리트 구조물의 제조 기술에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 콘크리트 구조물의 재료에 관한 기술이다.

해안가 인근에 설치되는 구조물로 사석 경사재와 직립블록식, 케이슨식 및 대수심 테트라포트(TTP) 방파제가 사용된다. 방파제 보호용 테트라포트는 중심으로부터 3개의 뿔이 뻗어 있는 형태로써 파도의 힘을 약화시키는데 매우 효과적이며, 무거운 중량과 높은 강도로 형성되어, 테트라포트 배면의 해안구조물을 보호하는데 매우 효과적이다. 더불어 방파제 보호를 위해 테트라포트들을 겹쳐서 설치하면, 테트라포트의 뿔이 상하좌우로 엇갈리게 끼워지면서 테트라포트의 뿔들 사이로 물이 빠져나갈 수 있는 구조가 되며, 테트라포트들이 전체적으로 일체화된다. 이렇게 일체화된 테트라포트 구조물은 큰 파도에 의한 테트라포트의 유실이나 파손을 방지하는데 매우 효과적이다.

다만 테트라포트를 사용할 때에는 환경을 고려해야 한다. 테트라포트는 콘크리트가 주원료이므로 바닷속에서 강알칼리성 물질이 용출되거나, 유해 가스가 발생하여 인근 해양 생태계를 위협할 수 있다.

테트라포트가 아니라고 해도 콘크리트로 만들어진 해안구조물, 예컨대 인공어초의 경우에는 시멘트에서 용출되는 유해 강알칼리성 물질로 인해 물고기의 생식에 적합하지 않다는 문제점이 있다. 또한 콘크리트 구조물은 바닷물 속의 황산염 성분에 의하여 부식이 발생되어 내구성이 저하되거나 기대 효과를 만족하지 못하는 경우도 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시멘트에 플라이애쉬와 고로슬래그파우더를 혼합하여 사용함으로써 내구성과 내화학성이 우수할 뿐만 아니라, 알카리를 포함하여 유해 중금속의 용출이 억지되어 친환경적인 해양구조물용 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 친환경 콘크리트 조성물은, 시멘트, 고로슬래그파우더 및 플라이애쉬를 포함하는 결합재와, 상기 결합재의 슬럼프를 유지하고 초기강도를 발현하는 반응촉진성 고성능 AE감수제와, 상기 결합재로부터 알카리물질이 용출되는 것을 방지하는 고분자 시멘트 안정제가 배합되는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 결합재 95~99 중량부, 반응촉진성 고성능 AE감수제 0.1~3 중량부, 상기 고분자 시멘트 안정제 0.1~3 중량부의 범위로 배합될 수 있다. 특히 상기 결합재는 시멘트 50~80 중량부, 고로슬래그파우더 10~30 중량부, 플라이애쉬 5~20 중량부의 범위로 배합되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에서, 상기 반응촉진성 고성능 AE감수제는 칼슘포메이트 단독 또는 소듐포메이트와 함께 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에서, 상기 고분자 시멘트 안정제는 아래의 화학식1에 의하여 정의되는 물질로서, 말단에 CO₂H기가 결합된 폴리머인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 친환경 콘크리트 조성물은 결합재로서 시멘트와 함께 고로슬래미분말과 플라이애쉬를 혼합 사용한다. 고로슬래그미분말과 플라이애쉬는 수화 반응을 통해 시멘트의 공극에 밀실하게 충진됨으로써 전체적으로 콘크리트 경화체의 강도를 향상시킬 뿐만 아니라, 화학물질이 침투되지 않아 내화학성을 향상시킨다. 특히 고로슬래그미분말과 플라이애쉬는 염소 및 황산염에 대한 저항성을 증대시킨다.

또한 고로슬래그미분말과 플라이애쉬의 약점인 초기 강도 저하의 문제는 반응촉진제를 사용함으로써 해결하였다.

또한 시멘트, 고로슬래그미분말, 플라이애쉬를 해양구조물에 사용할 때 알카리 물질을 포함한 화학물질이 용출되는 문제를 고분자 시멘트 안정제를 사용함으로써 해결함으로써 친환경적인 구조물을 제조할 수 있다는 이점이 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명에서 사용하는 결합재의 최적 배합비를 결정하기 위한 실험1의 시료 조성을 나타낸 표이며, 도 2는 도 1의 시료를 이용한 실험 결과이다.
도 3은 본 발명에서 사용하는 반응촉진제의 효과를 확인하기 위한 실험2의 시료 조성을 나타낸 것이며, 도 4는 도 1의 시료를 이용한 실험 결과이고, 도 5는 반응촉진제 사용량에 따른 압축강도(28일 재령)의 변화를 나타낸 표이다.
도 6은 본 발명에서 사용하는 고분자 시멘트 안정제의 효과를 확인하기 위한 실험3의 시료 조성을 나타낸 것이며, 도 7은 도 1의 시료를 이용한 실험 결과이다.
도 8은 본 발명에 따른 친환경 콘크리트 조성물의 배합 예를 나타낸 표이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에서 제시하는 친환경콘크리트 조성물은 결합재와, 모래, 자갈을 포함하는 골재 및 혼화제로 이루어진다.

결합재는 시멘트를 단독으로 사용하거나, 또는 고로슬래그파우더와 플라이애쉬 중 적어도 하나를 시멘트에 혼합하여 사용할 수 있다. 다만, 고로슬래그파우더와 플라이애쉬의 경우 사용량이 일정 수준을 넘어갈 경우 응결지연 및 강도저하가 발생되고 초기 건조수축이 증가하여 균열발생을 유발할 수 있다. 따라서 고로슬래그파우더는 시멘트 질량 대비 40% 이내, 플라이애쉬는 시멘트 질량 대비 30% 이내로 배합량을 제한한다. 또한 고로슬래그파우더와 플라이애쉬를 모두 혼합할 경우 최대 사용량은 시멘트 대비 60중량% 이내로 제한한다. 그 이상을 사용할 경우 응결지연과 건조수축균열이 발생하여 구조물에 악영향을 미칠 수 있고, 총 결합재 량이 증가하는 것으로 인해 다양한 문제를 초래하는 발단으로써 작용할 수 있음으로 주의가 필요하다.

고로슬래그파우더는 콘크리트 내에서 잠재수경성과 프리델씨염의 생성이라는 두가지 역할을 수행함으로써 콘크리트 경화체 조직을 치밀하게 하여 외부로 부터의 유해물질의 침입을 감소시킨다. 즉 고로슬래그파우더는 콘크리트 내의 모세공극에 수화물을 생성하여 경화체 조직을 치밀하게 하며, 바닷물 속의 염화물이 콘크리트 내로 침투하더라도 염화물을 프리델씨염으로 고정화시켜서 경화체 내부 철근에 대한 부식 저항성을 높인다. 고로슬래그파우더는 결과적으로 콘크리트 경화체의 내화학성 및 후기강도를 증가시킨다.

고로슬래그파우더에서 약 30~33%로 포함되어 있는 실리카(SiO₂)가 CaO 및 Al₂O₃ 등 수화물질에 코팅되어 있어 초기 반응성이 떨어지는 문제를 가지고 있다. 이에 고로슬래그파우더의 반응을 촉진하기 위해서는 CaO 및 Al₂O₃ 등 물질을 코팅하고 있는 SiO₂를 빨리 분해해야 한다. SiO₂를 분해하기 위해서는 시멘트 사용량을 높이거나 또는 강알칼리성분을 투입하는 것이 효과적이다. 다만 이들 방법은 모두 강알카리성분의 사용량을 증대시키는 것이므로 해양에서 사용시 콘크리트의 사용량 증대에서 나타나는 문제가 그대로 나타날 수 밖에 없다.

플라이애쉬는 포졸란 반응 물질로서 그 성분 중 SiO₂가 시멘트와 반응하여 콘크리트 경화체의 내부 공극을 충진함으로써 콘크리트의 내구성을 증대시킨다. 적정한 사용량에서는 내구성 증대와 후기강도 증가 효과를 얻을 수 있으나, 적정량 이상을 사용할 경우는 과도한 SiO₂에(플라이애쉬 중 60%가 실리카) 의해 초기 수화진행이 방해됨으로써 응결지연을 초래할 수 있다. 플라이애쉬에 포함된 SiO₂는 해수 내 황산염에 의한 부식을 방지할 수 있는 특징이 있다. 플라이애쉬는 포졸란 반응을 통해 콘크리트의 모세공극을 충전하고 내부를 치밀화 시켜 외부 유해물질의 침투를 방지하는 작용을 한다. 그러나 플라이애쉬는 고로슬래그와 마찬가지로 외부의 알카리 자극제에 의해서만 활성화되는 한계를 갖는다. 해양에서 강알카리 자극제의 활용은 앞에서와 마찬가지의 문제를 내포한다.

고로슬래그파우더와 플라이애쉬의 수화물은 모두 콘크리트 경화체의 미세 공극을 충진하여 경화체의 조직을 더욱 치밀하게 하고 강도를 증대시킨다. 또한 염화물이나 황산염에 대한 부식을 억지하는 내화학적 작용을 한다. 다만 강알카리의 사용을 동반하므로 환경 보존의 측면에서 문제가 있다.

이에 본 발명에서는 시멘트, 고로슬래그 및 플라이애쉬를 사용하면서도 환경오염을 방지할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 본 발명에서는 반응촉진성 고성능 AE감수제와 고분자시멘트안정제를 추가로 사용한다.

반응촉진성 고성능 AE감수제는 시멘트 및 고로슬래그와 플라이애쉬의 반응을 촉진할 수 있는 기능이 결합된 AE감수제이다. 물론 시멘트의 반응도 촉진한다. 본 발명에서 반응촉진성 고성능 AE감수제는 폴리카본산계 고성능 AE감수제와 반응촉진제가 결합된 형태이다. 폴리카본산계 고성능 AE감수제는 결합재의 분산 및 슬럼프 유지 기능을 수행하며, 반응촉진제는 수화작용에 촉매역할을 수행하여 초기 강도 저하와 응결지연을 상쇄시킨다.

슬럼프 유지 기능에 대하여 설명한다. 고성능 AE 감수재의 폴리카본산의 주쇄 및 측쇄에 부여된 음이온이 시멘트 등의 양이온 입자에 흡착하여 전기적인 반발력에 의하여 발현된다. 또한 측쇄의 입체작용에 의해 시멘트 입자는 물과 만나 지속적 수화반응으로 표면겔화가 진행되지만, 인접 반응물이 서로 결합되는 시간을 지연함으로써 응결 및 슬럼프가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 시멘트결합재는 지속적으로 물과 반응하여 수화가 진행되므로 상기한 분산효과가 소멸되면 급속도로 겔화물질이 연결되면서 시멘트가 급속히 경화된다.

반응촉진제는 시멘트의 수화반응을 촉진하고 강도 및 응결보상 작용을 하며, 추가적으로 에트린자이트를 생성을 촉진하는 물질이 사용될 수 있다. 반응촉진제는 AE감수제의 분산 효과가 저하되는 시점에서 겔화물이 상호 연결되는 것을 촉진한다. 그리고 시멘트의 수화물 중 에트린자이트의 생성이 촉진되면 초기 강도 발현이 더욱 빨라진다.

반응촉진제로는 칼슘포메이트(calcium formate)를 사용하는 것이 바람직하다. 칼슘포메이트와 함께 소듐포메이트를 함께 사용할 수도 있다. 또한 TIPA (Triisopkropylamine), DIPA(Di-isopropylamine)를 함께 사용할 수 있다.

시멘트가 물과 반응하는 수화반응 과정에서 시멘트는 다양한 양이온을 수중에 용출하게 되는데 이중 유리석회(Free lime)는 수화초기에 혼합수 중에 녹아나는데, 유리석회가 시멘트 혼합물의 알칼리 포화도에 있어서 가장 영향이 크며, 시멘트의 응결과 초기경화를 좌우하게 된다. 본 발명에서 사용하는 칼슘포메이트는 시멘트가 유리석회를 수중에 용출하는 과정에서 촉매역할을 담당하여 유리석회 용출을 촉진하고 시멘트의 응결을 단축시킬 수 있으며, 수용액 중의 칼슘 포화도를 급격히 증가시켜서 시멘트 수화물의 생성반응을 촉진할 수 있다. 또한 유리석회 및 칼슘포화도가 증가된 시멘트 혼합물은 고로슬래그 및 플라이애쉬의 반응을 촉진하는 촉매로써의 역할을 수행함으로써 결합재의 응결을 촉진한다. 당연히 초기강도가 증가한다. 본 발명에서의 칼슘포메이트는 시멘트 수화촉진제로써의 과정을 통하여 시멘트 수화물의 알칼리 및 칼슘포화도를 증가시킴으로써 고로슬래그와 플라이애쉬의 반응으로 촉진하는 역할을 수행한다. 다만, 칼슘포메이트가 과다하게 사용될 경우 유리석회량이 과다하게 증가되어 시멘트콘크리트 작업성이 급격하게 저하(슬럼프 저하)될 수 있고, 시멘트 수화물이 매우 약하고 엉성하게 생성됨으로서 치밀한 시멘트메트릭스 경화체 형성을 방해하여 초기응결은 촉진될 수 있으나 장기적으로 강도를 발현하는 데 매우 악영향을 미칠 수 있음으로 실험을 통하여 최적량을 사용하는게 적절하다. 소듐포메이트도 칼슘포메이트와 비슷한 기능을 수행할 수 있다.

한편, 에트린자이트 생성 촉진제로는 황산알루미늄을 사용할 수 있다. 이들은 물에 해리되면 황산이온과 알루미늄 이온으로 해리되어 각각 시멘트의 유리석회와 반응하여 에트린자이트의 생성을 촉진하게 되고, 시멘트의 응결과 초기강도 발현에 기여한다. 이들은 단독 또는 2개 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

고분자 시멘트 안정제는 시멘트가 물과 반응하여 용해되는 강알칼리성 양이온 및 중금속이온과 불용성입자를 연결시켜서 이것들이 시멘트결합재가 경화한 후 경화체 외부로 용출되는 것을 방지하는 역할을 함으로써 시멘트결합재에 의한 환경오염을 방지하는 기능을 갖으며, 고분자가 시멘트경화체 중의 미세한 모세관공극을 충전하고 연결함으로써 경화 후 외부의 유해물질이 경화체 내부로 유입되는 경로를 차단하는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 고분자시멘트안정제는 아크릴계단량체와 관능기류단량체 및 기능성 단량체가 중합 반응되고 고분자 폴리머로 제조되어 말단에 카르복실메틸기가 형성된 것이다. 여기서 아크릴계 단량체는 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 스틸렌, 메틸메타크릴레이트 중 적어도 하 나이상을 사용한다. 관능기류 단량체는 메타크릴산, 아크릴산, 아이드록시에틸메타아크릴레이트 중 적어도 하나 이상을 사용한다. 그리고 기능성 단량체가 더 첨가될 수 있으며, 구체적으로는 디아릴프탈레이트수지, 3-methacryloxypropyl-trimethoxy silane, 3-mercaptopropyl trimethoxy silane를 사용할 수 있다.

고분자시멘트안정제의 제조 과정에 대하여 설명한다.

먼저 반응조에 이온교환수(물)와 유화제를 투입한 후 교반하면서 80℃까지 승온 시킨다. 유화제로는 알파올레핀설포네이트, 소듐도데실설포네이트 등을 사용할 수 있다. 유화제의 일부는 중합반응에 참여하여 화학구조를 형성하지만, 대부분은 중합에 의해 형성되는 폴리머들이 서로 얽히는 것을 방지하는 역할을 한다.

그리고, 혼합조에 위 유화제를 이온교환수에 용해시켜 교반하면서 투입후, 아크릴계 단량체 (에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 스티렌, 스타디엔, 메틸메타크릴레이트 등)를 혼합조에 투입한다. 이어서 관능기류 단량체(메타크릴산, 아크릴산, 하이드록시 에틸메타아크릴레이트 등)와 기능성 단량체(디아릴프탈레이트 수지, 선택적 투입)를 투입하여 프리에멀젼 상태를 형성한다. 혼합조로부터 프리에멀젼의 5~10%를 반응조에 공급하고, 개시제(APS, KPS, SPS 등)를 이온교환수에 용해시켜 반응조에 투입한다.

이후 대략 3시간에 걸쳐 혼합조로부터 나머지 프리에멀젼을 반응조로 균일하게 드로핑하면서 반응온도를 82~83℃로 유지시킨다. 드로핑이 완료된 후 온도를 82~83℃ 유지하면서 대략 30분 정도 유지시켜 숙성한다.

1차 숙성 완료 후 다시 혼합조에서 물, 유화제 및 아크릴계 단량체와 관능기류 단량체를 투입하여 프리에멀젼을 형성한다. 그리고 반응조에 개시제(APS, KPS, SPS 등)를 투입한다. 혼합조로부터 대략 30분에 걸쳐 프리에멀젼을 반응조에 드로핑방식으로 투입하면서 반응온도를 82~83℃로 유지시킨다.

개시제의 드로핑 완료후 대략 1시간 동안 82℃로 유지하여 2차 숙성시킨다. 최종적으로 반응물을 냉각시켜 50℃이하로 형성한 상태에서 암모니아 및 소포제, 방부제를 선택적으로 투입후 20분간 교반하여 완료한다.

본 발명의 일 예에서는 상기한 중합반응을 위하여, 아크릴계 단량체로서 부틸아크릴레이트 5~30중량%, 스타디엔 5~30중량%, 메틸메타크릴레이트 5~30중량%를 투입하였고, 관능기류 단량체로서 에틸아크릴레이트 5~30중량%, 아크릴산 0.5~10중량%, 메타크릴산 0.5~10중량%를 투입하였다. 그리고 기능성 단량체로서 디아릴프탈레이트수지 0.05~10중량%를, 유화제 0.05~5중량%를 공급하였다. 상기한 바와 같은 중합반응에 의하여 아크릴계 단량체, 관능기류 단량체 및 디아릴프탈레이트 단량체는 서로 얽히면서 폴리머를 형성하게 된다. 이들 단량체가 반응하여 폴리머를 형성하는데 있어서 디아릴프탈레이트 수지가 얽힘 현상을 매개하는 것으로 파악된다. 최종적으로 형성되는 아크릴폴리머는 아래의 [화학식 1]로 표현할 수 있다.

[화학식 1]

본 발명에 의해 합성되는 아크릴폴리머는 대략 수만에서 수십만 몰의 분자량을 갖는 합성물로, 폴리머의 주쇄는 부틸아크릴 레이트, 스타디엔, 에틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트 중 적어도 하나로 이루어지며, 말단기에는 산(아크릴산 및 메타크릴산)이 결합된다. 위 아크릴폴리머는 위 화학식 1에 도시된 바와 같이 말단에 배치되는 COOH와 OH 작용기가 시멘트에서 해리된 미립자 양이온과 불용성 미립자를 상호 연결시켜 길게 얽혀있는 사슬구조를 형성한다. 콘크리트가 경화 후에도 위의 사슬구조로 인하여 콘크리트로부터 유해물질이 용출되는 것이 억지된다. 즉 본 발명에서는 상기한 바와 같은 고분자시멘트안정제를 사용하여 시멘트, 고로슬래그파우더 및 플라이애쉬를 결합재로 사용할 때 수반되는 알카리 물질이 시멘트 메트릭스 경화체 밖으로 용출되는 것을 억지하였다. 시멘트, 슬래그파우더 등의 결합재를 사용하여 테트라포트 등의 해안구조물의 강도를 증대시킴과 동시에 환경문제를 해결하였다.

- 실험 1

본 발명에 따른 조성물에서 특히 결합재의 최적 배합비를 획득하기 위하여 실험을 수행하였다. 이를 위해 시료는 결합재, 골재 및 고성능AE감수제만을 배합하였고, 시멘트안정제는 사용하지 않았다. 도 1에는 실험을 위한 실시예1 내지 6의 배합비와, 비교예의 배합비가 나타나 있다.

보다 구체적으로 실험에서는 시멘트만을 사용한 것을 기준으로 슬래그와 플라이애쉬를 각각 또는 병용하여 사용함으로써 콘크리트의 성능을 개선하는 최적 배율을 구하고자 하였다. 실시예1은 시멘트와 슬래그를 50:50중량%로, 실시예2는 시멘트와 플라이애쉬를 50:50중량%로, 실시예3은 시멘트와 슬래그를 90:10중량%로, 실시예4는 시멘트와 플라이애쉬를 90:10중량%로, 실시예5는 시멘트와 슬래그 및 플라이애쉬를 34:33:33중량%로, 그리고 실시예6은 시멘트와 슬래그와 플라이애쉬를 70:20:10중량% 비율로 각각 설정하였다 비교예에서는 결합재로 슬래그와 플라이애쉬를 사용하지 않고, 시멘트만 단독으로 사용하였다. 실험은 각 시료를 표준양생하여 1일, 3일, 7일, 28일 재령에서 각각 압축강도, 염소이온투과량, 황산용액에 따른 중량손실율을 측정하였다.

실험결과가 도 2의 표에 도시되어 있다.

고로스래그파우더 및/또는 플라이애쉬 사용량이 높았던 실시예1,2,5는 는 각각 1일에 양생이 이루어지지 않아 강도확인이 불가하였고, 이후 재령에서도 낮은 강도 발현을 나타내었다. 반면에, 실시예3과 실시예4 및 실시예6에서는 초기강도가 비교예에 비해 약간 낮은 경향이 있으나, 28일에서는 비교예보다 높게 발현되었다. 고로슬래그파우더와 플라이애쉬의 사용량을 시멘트 대비 최대 50% 이내로 사용해야 하는 것을 알 수 있다.

염소이온투과성능시험을 수행한 결과에서도 실시예1, 실시예2 실시예5에서는 비교예에 비해 매우 높은 염소이온투과량이 관찰되었고, 반면에 실시예3, 실시예시4, 실시예6에서는 상대적으로 낮은 결과값을 얻을 수 있었다. 특히, 실시예 6은 염소이온투과량과 황산용액5% 침지시험에서도 낮은 중량감소율을 나타내어 콘크리트 내구성 향상에 매우 유리한 조합으로 판단된다. 즉 결합재는 플라이애쉬와 고로슬래그파우더를 동일한 비중으로 사용하며, 총량은 시멘트 대비 30 질량%의 수준으로 배합할 때, 압축강도 및 내화학성에서 가장 우수한 것을 확인하였다.

-실험 2

반면, 위 실험1에서 결합재와 고성능AE감수제만을 사용한 경우 1일, 3일, 7일 재령에서 초기강도가 비교예에 비하여 낮게 나타난 것을 알 수 있다. 이를 보완하기 위하여 반응촉진제를 추가 배합하여 실험2를 진행하였다. 반응촉진제로는 칼슘포메이트를 수용액화시켜 혼합 사용하였다. 즉, 고성능 AE감수제에 반응촉진제를 배합하여, 본 발명에서 사용하는 반응촉진성 고성능 AE감수제를 만들어 사용하였다. 도 3의 표에 도시된 바와 같이, 비교예1과 비교예2는 반응촉진제를 사용하지 않았고, 실시예1~5는 반응촉진제를 결합재 대비 0.1중량%, 0.5중량%, 1.0중량%, 1.5중량% 및 2.0중량%로 사용한 것이다. 실험결과가 도 4의 표에 나타나 있다. 도 5는 28일 재령에서 반응촉진재 사용량 대비 압축강도를 나타낸 것이다.

도 4의 표를 참고하면, 비교예1은 결합재를 시멘트만 사용한 것으로써 초결과 종결은 각각 3시간 40분과 4시간 50분에 나타났으며, 시멘트에 고로슬래그와 플라이애쉬를 혼합한 비교예2는 각각 5시간 10분과 8시간 40분에 나타났다. 반응촉진제를 결합재 중량대비 0.1%, 0.5%, 1.0%, 1.5% 및 2.0%를 사용한 실시예들에서 응결을 확인한 결과 반응촉진제의 사용량이 증가할 수록 초결시간은 극단적으로 단축되고 있으며, 반면에 종결시간은 1.0중량% 이상을 사용한 실시예3, 실시예4, 실시예5에서는 큰 변화 없이 비슷한 결과를 나타내었다. 초기 압축강도에 있어서도 마찬가지로 반응촉진제의 사용량이 증가할수록 초기 압축강도의 증대가 크게 나타났다. 반면 후기 강도에서는 반응촉진제 1.3중량%를 기점으로 사용량이 증가하면 오히려 압축강도가 저하되는 경향을 나타내었다. 따라서, 반응촉진제는 도 5에서와 같이 결합재 대비 1.3중량%가 가장 우수한 것으로 확인되었다. 따라서 반응촉진제는 결합재 대비 1.0~1.5중량%의 비율로 사용하는 것이 바람직하다. 즉 적정량 이상의 반응촉진제는 결합재의 초기 응결을 촉진하지만, 장기적으로는 시멘트 결합재 메트릭스가 치밀하게 형성되지 못하게 되므로 후기 강도 발현에는 안 좋은 것으로 판단된다.

-실험 3

실험 3에서는 고분자시멘트안정제의 사용에 따른 시멘트 결합재에서 용출되는 유해물질의 감소 효과를 실험하였다. 시료의 조성이 도 6의 표에 나타나 있다. 비교예1은 결합재로 시멘트 만을 사용하고 반응촉진제 및 고분자시멘트안정제를 사용하지 않았으며, 비교예2는 결합재로 시멘트결합재를 사용하고 반응촉진제를 사용하였으나 고분자시멘트안정제는 사용하지 않았으며, 실시예1~실시예5는 시멘트결합재와 반응촉진제를 사용하고 더불어 고분자시멘트안정제를 시멘트결합재 중량대비 각각 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0% 및 2.5%를 사용하였다. 환경오염물질을 검증하기 위하여 콘크리트의 굳기 전 슬럼프와 pH를 측정하였고, 굳은 콘크리트에 대해서는 용출시험을 통해 pH를 측정하고, 황산염 5%용액 침지실험과 압축강도 재령별 측정을 통해 성능을 검증하였다. 실험 결과는 도 7의 표에 나타나 있다.

고분자시멘트안정제는 그 특성상 시멘트결합제에서 용출되는 양이온 및 중금속과 불용성미립자를 연결시켜 유해물질이 유출되는 것을 방지하므로 배합초기 콘크리트의 작업성에 영향을 줄 수 있다. 따라서 굳기 전의 콘크리트에 대한 슬럼프실험과 pH실험을 수행하여 초기 물성의 영향을 검증하였다. 실험결과 고분자시멘트안정제의 사용량이 증가할수록 슬럼프가 감소되는 현상이 발생되었다. 슬럼프 영향을 고려할 때, 고분자시멘트안정제 사용량의 한계는 실시예2와 같이 시멘트 대비 1.5%로 나타났다. 사용량이 그 이상일 경우 급격한 슬럼프 저하로 인해 초기 물성이 급격히 저하되는 것이 나타났다. 한편 pH에서도 시멘트안정제의 사용량이 결합재 대비 1.0중량%(실시예2) 이상인 경우 사용량 대비 pH 감소율이 크지 않은 것으로 나타났다. 즉 알카리의 용출 제한 효과가 사용량에 비례하여 크지 않다. 굳은 콘크리트에 대하여 pH와 황산염 5% 용액 침지실험 및 압축강도실험을 통해 성능을 확인한 결과, pH저하 성능은 결합재대비 0.5중량% 이상에서는 큰 차이가 없이 우수한 결과를 나타내고 있고, 황산염저항성에서도 결합재대비 0.5중량% 이상에서는 큰 변화가 없이 일정한 수준의 결과를 나타낸다. 그라나 압축강도결과에서는 비교예1과 비교예2에 비해 고분자시멘트안정제를 사용한 실시예1~5는 사용량이 증가할수록 강도가 저하되는 결과를 나타내고 있으며, 사용량이 0.5 ~ 1.0중량%는 비교적 양호한 결과를 보이고 있으나 1.5중량% 이상을 사용한 경우 강도 저하가 급격하여 사용에 문제가 있는 것으로 판단된다.

이러한 결과를 종합하면 최적 배합은 다음과 같다.

먼저 결합재의 배합비는 시멘트 50~80 중량부, 슬래그 10~30 중량부, 플라이애쉬 5~20 중량부의 범위로 배합한다.

조성물 전체의 배합비는 시멘트를 포함하는 결합재 95~99 중량부, 반응촉진성 고성능 AE감수제 0.1~3 중량부, 고분자시멘트안정제 0.1~3 중량부의 범위로 배합한다. 도 8의 표에는 골재를 포함하여 상기한 배합의 예를 나타내었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 친환경 콘크리트 조성물은 결합재로서 시멘트와 함께 고로슬래미분말과 플라이애쉬를 혼합 사용한다. 고로슬래그미분말과 플라이애쉬는 수화 반응을 통해 시멘트의 공극에 밀실하게 충진됨으로써 전체적으로 콘크리트 경화체의 강도를 향상시킬 뿐만 아니라, 화학물질이 침투되지 않아 내화학성을 향상시킨다. 특히 고로슬래그미분말과 플라이애쉬는 염소 및 황산염에 대한 저항성을 증대시킨다.

또한 고로슬래그미분말과 플라이애쉬의 약점인 초기 강도 저하의 문제는 반응촉진제를 사용함으로써 해결하였다.

또한 시멘트, 고로슬래그미분말, 플라이애쉬를 해양구조물에 사용할 때 알카리 물질을 포함한 화학물질이 용출되는 문제를 고분자 시멘트 안정제를 사용함으로써 해결함으로써 친환경적인 구조물을 제조할 수 있다는 이점이 있다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (6)

1. 해양구조물을 제조하기 위한 콘크리트 조성물로서,
   시멘트, 고로슬래그파우더 및 플라이애쉬를 포함하는 결합재와, 상기 결합재의 슬럼프를 유지하고 초기강도를 발현하는 반응촉진성 고성능 AE감수제와, 상기 결합재로부터 알카리물질이 용출되는 것을 방지하는 고분자 시멘트 안정제가 배합되며,
   상기 결합재 95~99 중량부, 반응촉진성 고성능 AE감수제 0.1~3 중량부, 상기 고분자 시멘트 안정제 0.1~3 중량부의 범위로 배합되고,
   상기 결합재는 시멘트 50~80 중량부, 고로슬래그파우더 10~30 중량부, 플라이애쉬 5~20 중량부의 범위로 배합되되, 고로슬래그파우더와 플라이애쉬를 합한 양이 시멘트 대비 60중량% 미만이며,
   상기 반응촉진성 고성능 AE감수제는 고성능 AE 감수제와 반응촉진제 및 에트린자이트 생성촉진제로서 황산알루미늄을 포함하며,
   상기 반응촉진제는 칼슘포메이트이고,
   상기 반응촉진제는 상기 결합재 대비 1.0~1.5중량%의 비율로 배합되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
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