KR102307292B1 - 조기강도 촉진형 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동절기 13℃ 양생 조건에서 재령 15시간 이내에 5 MPa 이상의 압축강도가 확보되면서, 장기 재령 강도 및 작업성이 안정적으로 확보되도록 하는 조기강도 촉진형 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 「결합재량 350~410 kg/㎥, 굵은골재량 850~900 kg/㎥, 물-결합재비 45~50wt%, 잔골재율 50vol% 조건에서, 1종 조강시멘트 90~95wt% 및 고로슬래그 미분말 5~10wt%가 포함된 결합재 100중량부 대비 초미립 석분 0.5~2.0중량부; 및 액상형 촉진제 0.8~1.3중량부; 를 포함하여 조성되고, 13℃ 양생 조건에서 재령 15 시간 압축강도 5 MPa 이상, 재령 28일 압축강도 40 MPa 이상, 슬럼프 180~200 ㎜의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 조기강도 촉진형 콘크리트 조성물」을 제공한다.

Description

조기강도 촉진형 콘크리트 조성물{Early Strength Promotion Concrete Composite}
본 발명은 동절기 13℃ 양생 조건에서 재령 15시간 이내에 5 MPa 이상의 압축강도가 확보되면서, 장기 재령 강도 및 작업성이 안정적으로 확보되도록 하는 조기강도 촉진형 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
건설현장에서 적정한 공기관리 및 공기단축은 핵심적인 요소이며, 수주단계에서도 제시 공기가 수주 성패를 좌우하고 있어, 공기단축을 위한 기술이 필요한 상황이다.
국내에서는 하절기나 춘추절기의 경우 콘크리트의 강도 발현 등에 문제가 없어, 층당 사이클의 적정한 관리가 가능하지만, 동절기의 경우 온도의 영향으로 콘크리트의 강도 발현이 지연되고, 이는 공기지연의 요인이 될 수 있다. 반대로 동절기에도 다른 절기와 동등한 수준으로 층당 사이클을 유지할 수 있게 되면, 기상조건에 따른 공기지연을 막을 수 있어, 공기단축에 상당히 효과적이라고 할 수 있다.
한편, 콘크리트 표준시방서에서는 기초, 보, 기둥, 벽의 측면 거푸집널은 콘크리트의 압축강도가 5.0 MPa 이상 도달하였을 때 해체할 수 있다고 규정하고 있어, 건설 공사에서 콘크리트 타설 후 거푸집 제거시기의 결정과 관련하여 압축강도 5.0 MPa 이상을 조기에 발현하는 것은 공기단축 및 경제성 측면에서 중요한 사항이다(아래 [참고표 1] 참조).
[참고표 1] - 콘크리트 표준시방서
Figure 112021007017226-pat00001
콘크리트 조기강도 발현을 위한 선행 기술은 다수 존재하나, 특히 등록특허 10-2153658 "동절기용 조기강도 촉진 시멘트"는 동절기 13℃의 양생 조건에서도, 콘크리트 타설 후 1일 이내에 측면 거푸집 탈형을 완료할 수 있도록 하기 위한 기술로서, 구체적으로, 콘크리트 타설 작업 시간, 거푸집 탈형 작업 시간 및 기타 작업 준비 시간 등을 넉넉히 고려할 때, 18시간 이내에 측면 거푸집의 탈형이 가능한 5 MPa 이상의 압축강도가 확보되도록 하는 기술을 제공한다.
"타설 후 18시간 이내 5 MPa 이상의 압축강도 발현"의 의미는, 전일(前日) 17~18시에 콘크리트 타설 작업이 이루어진 경우, 다음 날 11~12시부터 측면 거푸집 탈형이 가능하므로, 후속 공정은 금일 오후부터 진행시킬 수 있음을 의미한다.
위의 등록특허 10-2153658도 공기단축에 크게 기여할 것으로 보이나, 타설 후 15시간 이내에 5 MPa 이상의 압축강도가 안정적으로 발현된다면, 전일 17~18시에 콘크리트 타설 작업이 이루어진 경우, 다음 날 8~9시부터 측면 거푸집 탈형이 가능하고, 금일 오전부터 후속 공정을 진행시킬 수 있게 되어 1일 1층 시공이 가능하게 된다.
다만, 조기강도 이외에도 장기 재령에서의 안정적인 강도 발현 및 작업성 등을 함께 고려한 기술개발이 이루어져야 한다.
1. 등록특허 10-1436612 "리바운드와 분진발생 저감을 위한 숏크리트용 결합재 조성물" 2. 등록특허 10-1977148 "저온환경에서의 유무기 복합 액상형 콘크리트 내한 촉진제 조성물과 이를 포함하는 공기단축형 조강콘크리트 조성물, 그리고 그 조강콘크리트의 시공방법" 3. 등록특허 10-0908675 "저온 조기강도 콘크리트 조성물" 4. 등록특허 10-1113138 "조기강도 콘크리트 조성물" 5. 등록특허 10-1154699 "조기강도 발현 성능을 가지는 콘크리트 조성물" 6. 등록특허 10-1989505 "콘크리트 조강 촉진형 혼화제 및 이를 포함하는 콘크리트 조성물" 7. 등록특허 10-2153658 "동절기용 조기강도 촉진 시멘트"
본 발명은 동절기 13℃ 양생 조건에서 재령 15시간 이내에 5 MPa 이상의 압축강도가 확보되고, 장기 재령 강도 및 작업성이 안정적으로 확보되도록 하는 조기강도 촉진형 콘크리트 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 「결합재량 350~410 kg/㎥, 굵은골재량 850~900 kg/㎥, 물-결합재비 45~50wt%, 잔골재율 50vol% 조건에서, 1종 조강시멘트 90~95wt% 및 고로슬래그 미분말 5~10wt%가 포함된 결합재 100중량부 대비 초미립 석분 0.5~2.0중량부; 및 액상형 촉진제 0.8~1.3중량부; 를 포함하여 조성되고, 13℃ 양생 조건에서 재령 15시간 압축강도 5 MPa 이상, 재령 28일 압축강도 40 MPa 이상, 슬럼프 180~200 ㎜의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 조기강도 촉진형 콘크리트 조성물」을 제공한다.
상기 석분은 평균 분말도 7,500~8,500 ㎠/g인 것을 적용하고, 상기 1종 조강시멘트는 볼밀링에 의해 평균 분말도 5,000~5,500 ㎠/g으로 가공되고, 입경 1.0 ㎛ 이하의 고미분말이 5~10wt% 함유된 것을 적용할 수 있다.
상기 액상형 촉진제는 폴리카르본산계 유동화제 20~40wt%, 물 40~60wt%, 황산나트륨 5~10wt%, 소디움시오시아네이트(Sodium thiocyanate) 3~8wt%, 트리에탄올 아민(TEA) 1~3wt% 및 트리에틸렌 글리콜(Triethylene Glycol) 1~3wt%를 포함하여 조성된 것을 적용할 수 있다.
위와 같은 본 발명에 따르면,
본 발명은 동절기 13℃ 양생 조건에서 재령 15시간 이내에 5 MPa 이상의 압축강도가 확보되고, 장기 재령 강도 및 작업성이 안정적으로 확보된다.
이에 따라 콘크리트 타설 작업 후 다음 날 오전부터 측면 거푸집 탈형 및 후속 작업을 실시할 수 있게 되어 공기를 획기적으로 단축시킬 수 있다.
[도 1]은 시험예 1 시험체들의 재령별 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다(양생조건 13℃).
[도 2]는 시험예 2 시험체들의 재령별 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다(양생조건 13℃).
[도 3]은 시험예 3 시험체들의 슬럼프를 나타낸 그래프이다.
[도 4]는 시험예 4 시험체들의 재령별 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다(양생조건 13℃).
[도 5]는 시험예 5 시험체들의 재령별 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다(양생조건 13℃).
본 발명은 「결합재량 350~410 kg/㎥, 굵은골재량 850~900 kg/㎥, 물-결합재비 45~50wt%, 잔골재율 50vol% 조건에서, 1종 조강시멘트 90~95wt% 및 고로슬래그 미분말 5~10wt%가 포함된 결합재 100중량부 대비 초미립 석분 0.5~2.0중량부; 및 액상형 촉진제 0.8~1.3중량부; 를 포함하여 조성되고, 13℃ 양생 조건에서 재령 15시간 압축강도 5 MPa 이상, 재령 28일 압축강도 40 MPa 이상, 슬럼프 180~200 ㎜의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 조기강도 촉진형 콘크리트 조성물」을 제공한다.
상기 초미립 석분은 콘크리트 내에서 볼베어링 역할을 하여, 상기 1종 조강시멘트 적용에 의해 저하되는 콘크리트의 레올로지 특성이 개선되도록 할 수 있다. 또한, 상기 초미립 석분을 평균 분말도 7,500~8,500 ㎠/g으로 가공하여, 상기 초미립 석분이 콘크리트 조성물의 공극 채움재 역할을 함에 따라 강도 증진 효과가 나타나도록 할 수 있다.
상기 1종 조강시멘트는 볼밀링에 의해 평균 분말도 5,000~5,500 ㎠/g으로 가공되고, 입경 1.0 ㎛ 이하의 고미분말이 5~10wt% 함유된 것을 적용할 수 있다.
버티컬 밀링의 경우 시멘트 입자를 평균 분말도 5,000~5,500 ㎠/g이 되도록 분쇄하더라도 분말의 입형은 세장비가 대체적으로 높게 나타나며, 그러한 입형은 수화반응 및 유동성에 불리하게 작용하므로, 볼밀링 방식으로 가공하는 것이 바람직하다. 또한, 볼밀링 시 버티컬 밀링에 비해 분말의 입도 분포가 넓게 나타나 평균 분말도가 동일한 수준이더라도 입경 1.0 ㎛ 이하의 고미분말 수득율을 높일 수 있다. 이에 따라 본 발명에서는 상기 입경 1.0 ㎛ 이하의 고미분말이 상기 1종 조강시멘트의 5~10wt% 함유되도록 하여, 상기 고미분말이 조강성 발현을 위한 씨드(seed) 역할을 수행토록 할 수 있다.
상기 액상형 촉진제는 폴리카르본산계 유동화제 20~40wt%, 물 40~60wt%, 황산나트륨 5~10wt%, 소디움시오시아네이트(Sodium thiocyanate) 3~8wt%, 트리에탄올 아민(TEA) 1~3wt% 및 트리에틸렌 글리콜(Triethylene Glycol) 1~3wt%를 포함하여 조성된 것을 적용할 수 있다.
상기 폴리카본산계 유동화제는 고형분 함량이 50wt% 이상인 폴리카복실레이트 에테르(Polycarboxylate ether)로 이루어진 것이다. 상기 폴리카복실레이트 에테르는 주쇄(Main chain)와 측쇄(Side chain) 부분으로 구성되어, 정전기적 반발력 및 물리적인 입체작용의 상호작용에 의해 시멘트 입자를 분산시키는 역할을 한다.
상기 폴리카본산계 유동화제는 시멘트의 CaO, Al2O3 및 SiO2와 만나 반응성 고분자의 무수물이 가수분해하여 시멘트 표면에 물리, 화학적으로 흡착되고, 흡착된 폴리머에 의해 시멘트 입자는 정전기적 반발력과 물리적 입체장애작용으로 분산되는 과정을 통하여, 낮은 단위수량으로도 높은 유동성을 발휘하게 된다.
또한 상기 액상형 촉진제에 함유된 황산나트륨, 소디움시오시아네이트, 트리에탄올 아민 및 트리에틸렌 글리콜은 시멘트 입자 표면에 흡착되어 황산염과 반응함으로써 수화반응을 촉진하는 역할을 한다.
상기 트레에탄올 아민 및 트리에틸렌 글리콜은 탁월한 수분 감소효과를 제공하여, 우수한 유동성 및 콘트리트 경화 후 균열 감소효과를 준다.
콘크리트 구조물 수직부재의 거푸집 탈형을 위한 강도 기준은 5 MPa 이고, 간절기(봄, 가을) 및 동절기(내부에 열풍기 작동시)의 평균온도는 13.5~14.0℃ 범위이다. 이하에서는 재령별 압축강도 시험의 오차 범위에 대응하기 위해 동절기 양생 온도 조건을 13℃로 낮추어 설정하여 진행한 시험 결과와 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
이하의 시험예 1 내지 시험예 5는 결합재량 350 kg/㎥, 잔골재량(직경 5 ㎜ 이하 골재) 863 kg/㎥, 굵은골재량(직경 5~25 ㎜ 골재) 876 kg/㎥, 물-결합재비 48.6wt%, 잔골재율(S/a) 50vol% 배합의 시험체를 대상으로 진행하였다. 각 시험체의 양생조건은 모두 13℃로 동일하게 설정하였다.
1. 시험예 1
[도 1]은 시험예 1 시험체들의 재령별 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
시험체 1은 콘크리트의 결합재로 1종 보통포틀랜드시멘트(이하 'OPC')를 적용한 것이다. [도 1]에 나타난 바와 같이 1종 보통포틀랜트시멘트(OPC)를 저온의 동절기 양생 조건에 적용하는 경우, 재령 24시간까지 목표성능 압축강도 5 MPa를 만족하지 못하게 된다.
시험체 2는 OPC를 고분말로 분쇄한 1종 조강시멘트를 콘크리트 결합재로 적용한 것이다. 이 경우 재령 초기강도가 증진되는 것을 확인할 수 있으나 재령 18시간 이내에 목표성능인 압축강도 5 MPa은 발현되지 않는 것으로 확인된다.
시험체 3은 상기 시험체 2에 분말형 촉진제를 첨가한 것이다. 상기 분말형 촉진제로는 망초계 또는 석고계 촉진제를 적용할 수 있다. 본 시험에서 분말형 촉진제는 콘크리트 조성물에 조강성능을 부여하는 일반 제품을 사용하였다. 이 경우 재령 18시간에 압축강도 5 MPa 이상이 발현되어 전일(前日) 작업 마감시 콘크리트 타설 후 다음 날 오후 작업이 가능하게 된다. 그러나 이 경우에도 재령 15시간에 압축강도 5 MPa은 발현되지 않아, 전일 작업 마감시 콘크리트 타설 후 다음 날 오전 작업은 어렵고, 재령 3일 이후에는 상기 분말형 촉진제를 적용하지 않은 경우보다 압축강도가 저하되는 현상이 확인된다.
따라서, 공기단축을 위해서는 콘크리트 최종타설 후(오후 5~6시) 다음 날 아침(8~9시)부터 거푸집 탈형작업이 가능하도록 하는 콘크리트의 성능설계가 필요하다. 구체적으로 동절기 13℃ 조건에서 재령 15시간에 압축강도 5 MPa을 발현하며, 장기재령에서도 안정적인 강도발현이 지속되는 콘크리트가 필요한 것이다.
2. 시험예 2
[도 2]는 시험예 2 시험체들의 재령별 압축강도 변화를 나타낸 그래프이다.
콘크리트 조성물의 경제성 확보 및 장기 강도 향상을 위해서는 고로슬래그 미분말이 적용된다.
이에 상기 시험체 3를 기준으로, 1종 조강시멘트의 5wt%, 10wt%, 15wt%를 각각 고로슬래그 미분말로 치환한 시험체 4,5,6에 대해 재령별 압축강도를 시험하였다.
시험체 4(고로슬래그 미분말 5wt% 치환) 및 시험체 5(고로슬래그 미분말 10wt% 치환)는 초기강도(재령 15시간, 18시간 강도)가 상기 시험체 3과 동등한 수준으로 나타났고, 재령 3일 이후에는 상기 시험체 3은 물론 상기 시험예 1의 시험체 2 보다도 높게 나타났다.
시험체 6의 경우(고로슬래그 미분말 15wt% 치환) 재령 3일 이후의 압축강도는 시험체들 중 가장 높게 나타났으나, 재령 15시간 압축강도가 시험체 3보다 낮게 나타났고, 재령 18시간 압축강도도 5 MPa 미만으로 나타나, 이하의 연구에서 시험체 6은 배제하였다.
이상의 시험 결과를 토대로, 본 발명의 목표 달성을 위해서는 결합재는 1종 조강시멘트 90~95wt% 및 고로슬래그 미분말 5~10wt% 범위로 조성하는 것이 타당하다는 결론을 도출하고, 상기 시험체 5를 기준으로 본 발명의 목표 달성을 위한 이하의 시험, 연구를 진행하였다.
3. 시험예 3
위의 시험예 1,2를 통해, 각 시험체의 재령별 압축강도를 검토하였으나, 1종 조강시멘트 및 분말형 촉진제 첨가에 따라 콘크리트의 레올로지 특성이 저하되는 것으로 보여, 상기 시험예 1,2에 나타난 시험예 1, 시험예 2, 시험예 3 및 시험체 5에 대한 슬럼프 값과, 상기 시험체 5를 기반으로 유동성 증진을 위해 초미립 석분을 첨가한 시험체 7의 슬럼프 값을 측정하였다. [도 3]은 이러한 시험예 3에서 측정된 각 시험체들의 슬럼프를 나타낸 그래프이다.
[도 3]에 나타난 바와 같이, 조강 성능이 상대적으로 우수한 시험체 3의 유동성이 급격히 저하되고, 시험체 5의 경우 고로슬래그 미분말 혼입에 따라 유동성이 개선되나 OPC를 적용한 시험체 1과 비교할 때 유동성이 여전히 낮게 나타났다.
반면, 상기 시험체 5에 초미립 석분을 결합재 대비 1wt% 적용한 시험체 7은, 상기 초미립 석분이 콘크리트 내에서의 볼베어링 역할을 함에 따라 상기 시험체 5에 비해 유동성이 개선됨은 물론, 상기 시험체 1에 비교하더라도 유동성이 10% 가량 향상되는 것이 확인되었다.
4. 시험예 4
상기 시험체 7과 같이 초미립 석분을 콘크리트 조성물에 첨가하는 경우, 고분말 입자의 채움효과가 강도 증진에 기여할 수 있을 것으로 판단하여, 상기 시험체 3, 시험체 5 및 시험체 7에 대한 재령별 압축강도 시험을 실시하였다. [도 4]는 이러한 시험결과를 나타낸 그래프이다.
[도 4]에 나타난 바와 같이 상기 초미립 석분이 혼입된 시험체 7은 전 재령에서의 압축강도가 상기 시험체 5에 비해 일정량 높게 나타났다. 또한, 상기 시험체 7은 재령 15시간 압축강도가 5 MPa 수준으로 나타나긴 하였으나, 측면 거푸집 탈형에 대한 확신을 가질만큼의 강도 발현에는 도달치 못한 것으로 판단된다.
5. 시험예 5
상기 시험체 8은 상기 시험체 7에서 분말형 촉진제 대신 액상형 촉진제를 적용한 것이다. [도 5]는 상기 시험체 7과 시험체 8의 재령별 압축강도를 비교하여 나타낸 것이다.
상기 액상형 촉진제는 전술한 바와 같이 1종 조강시멘트 및 고로슬래그 미분말을 동시에 자극하는 것으로서, [도 5]에서는 상기 분말형 촉진제를 액상형 촉진제로 대체함에 따라 조기강도 발현 효과가 증진되고, 장기 강도 역시 다소 향상된 것을 확인 할 수 있다.
이상에서, 시험예들과 시험체들을 통해 본 발명 조성물의 물성 및 효과를 검토하였으나, 본 발명은 상기의 실시예들에만 한정되는 것은 아니라 할 것이며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다소간의 변형 및 변경이 가능하다고 할 것이다.
해당없음

Claims (4)

  1. 결합재량 350~410 kg/㎥, 굵은골재량 850~900 kg/㎥, 물-결합재비 45~50wt%, 잔골재율 50vol% 조건에서,
    1종 조강시멘트 90~95wt% 및 고로슬래그 미분말 5~10wt%가 포함된 결합재 100중량부 대비 초미립 석분 0.5~2.0중량부; 및 액상형 촉진제 0.8~1.3중량부; 를 포함하여 조성되되,
    상기 1종 조강시멘트는 볼밀링에 의해 평균 분말도 5,000~5,500 ㎠/g으로 가공되고, 입경 1.0 ㎛ 이하의 고미분말이 5~10wt% 함유된 것이고,
    상기 액상형 촉진제는 폴리카르본산계 유동화제 20~40wt%, 물 40~60wt%, 황산나트륨 5~10wt%, 소디움시오시아네이트(Sodium thiocyanate) 3~8wt%, 트리에탄올 아민(TEA) 1~3wt% 및 트리에틸렌 글리콜(Triethylene Glycol) 1~3wt%를 포함하여 조성된 것이며,
    13℃ 양생 조건에서 재령 15시간 압축강도 5 MPa 이상, 재령 28일 압축강도 40 MPa 이상, 슬럼프 180~200 ㎜의 물성이 발현되는 것을 특징으로 하는 조기강도 촉진형 콘크리트 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 초미립 석분은 평균 분말도 7,500~8,500 ㎠/g인 것을 특징으로 하는 조기강도 촉진형 콘크리트 조성물.
  3. 삭제
  4. 삭제
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