KR102310032B1

KR102310032B1 - 고강도 중량 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 구조체

Info

Publication number: KR102310032B1
Application number: KR1020140103621A
Authority: KR
Inventors: 박장수
Original assignee: (주)유진에코씨엘
Priority date: 2014-08-11
Filing date: 2014-08-11
Publication date: 2021-10-08
Also published as: KR20160019586A

Abstract

고강도 중량물용 콘크리트 조성물이 소개된다. 그 콘크리트 조성물은 제강슬래그를 아토마이징 처리하여 얻어진 제강SC 스톤, 볼 및 파우더를 굵은 골재 및 잔골재로 사용하며, PHC 파일 콘크리트, 해저케이블 보호용 콘크리트, 테트라포드 등과 같이 고강도는 물론 고중량이 요구되는 콘크리트 구조체의 제조에 적합하다.

Description

고강도 중량 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 구조체{HIGH-STRENGTH HEAVYWEIGHT CONCRETE COMPOSITE AND THE STRUCTURE USING THE SAME}

본 발명은 콘크리트에 관한 것으로 특히 SCM(Steel Compound Material)을 이용한 고강도 중량 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 구조체에 관한 것이다.

통상적으로 콘크리트 재료로 자갈, 모래와 같은 천연골재가 사용되나, 환경파괴나 높아져 가는 비용 등의 문제로 인해 인공골재에 대한 요구가 높다.

슬래그는 제철과정에 발생하는 대표적인 부산물로서 국내에서만 연간 2천만톤 이상으로 다량 발생하며 그 가격 또한 저렴하므로 콘크리트용 인공골재로 사용하기에 적합하다고 할 수 있다.

현재 고로슬래그는 세멘트 원료나 콘크리트용 골재 등으로 다양하게 이용되고 있다.

그러나 고로슬래그에 비해 제강슬래그는 냉각과정에 발생하는 프리 라임(단상의 CaO)으로 인하여 안정화 처리가 요구되며 활용처가 다변화되지 못하고 주로 도로용이나 성토용 골재로 사용되고 있는 실정이다.

이러한 제강슬래그의 문제점 해결을 위한 하나의 방안으로 한국 특허공개번호 제2000-007334호에서는 제강슬래그를 아토마이징 처리하여 잔골재 대신 사용하는 안을 제안한 바 있다.

그러나 위 특허공개공보에서 제안된 콘크리트 조성물은 아직 상용화된 바 없으며 제조된 콘크리트 압축강도가 172 ~ 200kgf/㎠이라고 하나 실제 이같은 압축강도를 얻기가 어렵다. 또한 고강도 및 중량이 요구되는 PHC(Pretensioned spun High Strength Concrete) 파일용 콘크리트로는 미흡하다.

제강슬래그는 익히 알려진 바와 같이 전로 또는 전기로에서 고철 또는 선철을 이용하여 철강, 합금철을 제조하는 과정에서 발생되는 철강슬래그를 말하는 것으로, 제조되는 강에 따라 차이가 발생하나 대체로 아래 표 1의 조성을 갖는다고 볼 수 있다.

구분	CaO	Fe2O3	SiO2	MgO	FeO	Al2O3
조성(wt%)	14~63	22~45	10~20	6~10	≤3	≤5.5

한국 특허공개번호 제2013-0112266호 한국 특허공개번호 제2014-0029591호 한국 특허번호 제0670422호

"콘크리트용 제강슬래그 골재의 특성", 한국콘크리트학회지 제24권 제6호 통권 제131호(2012년 11월)

본 발명은 위와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, PHC 파일 콘크리트와 같이 고강도 및 고중량이 요구되는 콘크리트 구조체로 사용 가능한 콘크리트 조성물을 제공함을 목적으로 한다.

또한 위와 같은 콘크리트 조성물을 이용한 콘크리트 구조체를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 고강도 중량 콘크리트 조성물은 굵은 골재 30 ~ 50중량%, 잔골재 30 ~ 50중량%, 시멘트 10 ~ 20중량%, 잔부 물을 포함한다. 여기서 굵은 골재 및 잔골재 각각의 20~60%(중량비)는 아토마이징 처리된 제강슬래그이다.

또한 본 발명에 따르면 상기 아토마이징 처리된 제강슬래그로는 25 ~ 5mm의 SC 스톤, 5 ~ 0.2mm의 SC 볼, 0.2mm 이하 SC 파우더가 사용될 수 있다. SC 스톤은 굵은 골재용으로, SC 볼과 파우더는 잔골재용으로 사용될 수 있다.

본 발명은 도로용이나 성토용으로 주로 사용되는 제강슬래그를 콘크리트 골재로 사용할 수 있어 폐자원 활용에 유익하다.

또한 본 발명은 제강슬래그를 콘크리트용 잔골재 뿐만 아니라 굵은 골재에까지 대체하여 사용할 수 있으므로 천연골재의 채취로 인한 환경문제의 해소에 매우 효과적이다.

또한 본 발명에 의하면 PHC 파일 콘크리트, 해저케이블 보호용 콘크리트, 해안 방파용 테트라포드 등과 같이 고강도는 물론 고중량이 요구되는 콘크리트 구조체의 제조가 가능하다.

먼저 본 발명에서는 고강도 중량 콘크리트 재료로 슬래그 특히 제강슬래그를 아토마이징 처리하여 얻어지는 SCM(Steel Compound Material)을 사용한다.

제강슬래그의 아토마이징 처리는, 예로서 용융 상태의 제강슬래그를 낙하시키면서 여기에 고압의 가스를 분사하여 용융 슬래그를 미세한 액적 분리시킴과 아울러 주위분위기 하에서 액적을 급냉시키는 과정을 말한다.

이러한 급냉 과정에 제강슬래그는 스피넬(spinel)구조의 매우 안정한 AB2O4 복합산화물(CaO·Fe2O3, SiO2Fe2O3, MgFe2O3)을 형성하게 되는데, 이 스피넬 구조로 인하여 아토마이징된 제강슬래그는 경도가 우수하며 화학적, 물리적 요인에 대해 매우 강한 저항성을 갖는다.

위와 같이 아토마이징 처리된 제강슬래그는 그 형상이나 입도에 따라 SC 스톤, 볼 및 파우더로 구분될 수 있으며 본 발명에서는 이들은 통칭하여 SCM이라고 지칭한다.

SC 스톤(Stone)은 아토마이징 처리 과정에 얻어진 괴상을 분쇄하여 얻어진 것으로 25~5mm의 입도를 갖는다. 종래 이 스톤은 콘크리트 골재로 사용되지 못하고 노반용 골재 대용 사용되거나 폐기 처리되었을 뿐이다.

SC 볼(Ball)은 동글동글한 구슬 형상의 SCM으로 5~0.2mm의 입도를 갖는다. 한국 특허공개번호 제2000-007334호에서 콘크리트 잔골재 대용으로 사용하고자 했던 것이 바로 이 SC 볼인데, 구형에 가까우므로 콘크리트의 유동성 개선 효과가 있다.

SC 파우더(Powder)는 0.2mm 이하의 미립자로서, 아토마이징 처리 과정에 일부 얻어거나 SC 볼이나 스톤을 미분쇄하여 얻어질 수 있다. SC 파우더는 단위중량이 2.5로 일반골재에 비해 1.5배 정도 단위중량이 높아 중량 콘크리트 제품생산에 매우 적합하다.

본 발명에 따른 제강슬래그 SCM은 진비중이 약 3.54g/㎠이다. 통상적으로 사용되고 있는 골재의 비중은 2.5~2.7g/㎠(평균적으로 굵은 골재 2.63, 잔골재 2.59)이므로 제강슬래그 SCM을 콘크리트 골재로 사용하는 경우 고중량의 콘크리트를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 따른 제강슬래그 SCM은 진비중, 단위중량이 높을 뿐만 아니라 강도가 높고 함수율은 0.3% 정도로 고중량은 물론 고강도 콘크리트용 재료로 적합하다.

이와 같이 본 발명에 따라 기존 골재 대신 SCM을 중량비로 20~60% 대체 사용하는 경우 고중량의 콘크리트를 얻을 수 있는데, 기존 골재 대비 SCM 대체율 30%(중량비)에 대해 10%의 증량 효과가 나타난다. 기존 골재 대신 SCM을 60%(중량비) 대체 사용하는 경우 20%의 증량 효과가 얻어질 수 있다.

또한 본 발명에 따라 기존 골재 대신 SCM을 중량비로 20~60% 대체 사용할 경우 기존 콘크리트 대비 2배 이상의 압축강도를 얻을 수 있다.

이하 골재로 사용되는 SCM의 조성범위 및 한정이유를 살펴본다.

상적으로 콘크리트 조성물은 굵은 골재 30 ~ 50중량%, 잔골재 30 ~ 50중량%, 시멘트 10 ~ 20중량%, 잔부 물의 조성을 가지며, 여기에 혼화재가 포함될 수 있다.

본 발명에 따르면 굵은 골재 및 잔골재 각각은 중량비로 20~60%씩 SCM이 사용된다. 굵은 골재로는 SC 스톤이 사용되며, 작은 골재로는 SC 볼과 파우더의 혼합물이 사용되거나 전량 SC 파우더가 사용된다.

굵은 골재의 20~60%(중량비)는 SC 스톤이 사용된다. SC 스톤은 아토마이징 처리 과정에 미세한 액적으로 충분히 분리되지 못한 채 냉각된 용융슬래그가 뭉쳐진 괴재를 분쇄하여 얻어진 것으로, 그 성질은 SC 볼과 유사하다.

SC 스톤이 굵은 골재에 대해 20% 미만으로 사용되는 경우 얻어지는 증량 및 압축강도 강화 효과가 미흡하고, 60%를 초과하여 증량 효과는 있으나 압축강도가 더 이상 증가하지 않으며 굵은 골재의 비율이 상대적으로 많이 적어 작업성이 다소 떨어지거나 수축율에 문제가 생길 수 있다.

작은 골재의 20~60(중량비)는 SC 볼과 파우더의 혼합물이 사용되거나 전량 SC 파우더가 사용된다. SC 볼과 파우더 간의 비율은 요구되는 콘크리트 강도, 중량 특성 등에 따라 적절히 배합될 수 있다.

SC 볼 및/또는 파우더가 작은 작은 골재에 대해 20%(중량비) 미만으로 사용되는 경우 장기적 지속적인 강도증가 효과가 감소하며, 60%(중량비)를 초과하는 경우 증량 효과는 있으나 콘크리트의 내구성이나 경제성이 저하될 수 있다.

한편, SC 파우더는 0.2mm 이하의 미분체로, SC 스톤이나 볼과 함께 사용할 경우 물과 혼합된 콘크리트 조성물이 유동성 문제나 재료분리 없이 잘 조성될 수 있도록 한다. 다만 그 양이 과다한 경우 압축강도 저하 문제가 발생될 수 있다.

본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 PHC 파일용 콘크리트로 매우 적합한 특성을 갖는다.

PHC 파일이란 원심력을 응용하여 만든 것으로서 콘크리트의 압축 강도가 78.5N/㎟(800kgf/㎠) 이상인 프리텐션 방식에 의한 고강도 콘크리트 말뚝을 말한다(KS F 4306).

이러한 PHC 파일은 고강도 뿐만 아니라 타격 및 자중에 의한 압입이 용이하도록 하기 위해 높은 지중이 요구되는데, 이를 위해 한국 특허공개번호 제2013-12266호에서는 전기로 산화 슬래그를 사용하는 방안을 제시하였다.

그러나 위 특허에 의할 경우, 슬래그 냉각 전 별도로 산화철을 분리해야 하거나 유리석회의 함량 조절을 위해 이산화규소를 첨가해야 하는 등의 부가적인 공정이 요구되는 문제가 있다.

본 발명에 의할 경우, PHC 파일용 콘크리트 제조 시, 잔골재용으로 사용되는 SCM으로는 전량 SC 파우더가 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 SCM은 일반 골재보다 강도가 크고 분말 형태로 사용하면 파일 표면의 조도를 높혀 항타시 부마찰력을 크게 줄일 수 있고 지지력을 극대화할 수 있다.

또한 SC 볼은 볼베어링 효과(Ball Bearing Effect)에 의해 유동성이 증가하기에 재료분리(Segregation)의 가능성이 있다. 이에 대해 SC 파우더를 SC 볼에 대해 일부 또는 전량 대체 사용하는 경우 접착력이 완벽해지고 강도 향상 증가 효과가 있다.

이하 실시예를 들어 본 발명에 대하여 구체적으로 살펴본다.

(비교예)

포틀랜트 시멘트(KS L 5201) 15.5중량%, 굵은 골재 43.8중량%, 잔골재 40.6 중량%를 물과 함께 균일하게 혼합하여 얻어진 콘크리트를 7일간 양생하였다. W/C는 0.35, 혼화제는 폴리카르본산계의 고성능 AE 감수제가 사용되었다.

(실시예 1)

굵은 골재의 30%(굵은 골재에 대한 중량비)는 SC 스톤을 사용하고, 잔골재의 30%(잔골재에 대한 중량비)는 SC 파우더를 사용한 것 이외에는 위 비교예와 동일하게 콘크리트를 제조, 양생하였다.

(실시예 2)

굵은 골재의 30%(굵은 골재에 대한 중량비)는 SC 스톤을 사용하고, 잔골재의 20%(잔골재에 대한 중량비)는 SC 볼을 사용하고 10%(잔골재에 대한 중량비)는 SC 파우더를 사용한 것 이외에는 위 비교예와 동일하게 콘크리트를 제조, 양생하였다.

이와 같이 제조, 양생된 콘크리트의 강도는, 재령 7일 강도 기준으로, 비교예는 240kgf/㎠, 실시예 1은 470kgf/㎠, 실시예 2는 500kgf/㎠로서, 비교예보다 실시예보다 2배 이상의 현저한 강도 증가가 있었으며, 실시예 1,2는 공히 3500kg/㎥ 이상의 단위 중량을 보였다.

한편, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 PHC 파일용 뿐만 아니라 해저케이블 보호관과 같은 해저 설치용 콘크리트 구조체나 해안 방파용 테트라포드용 콘크리트와 같은 고강도 중량 콘크리트 구조체에 매우 적합하다.

일례로서 해제케이블 보호관은 450㎏/㎠ 이상의 압축강도와 고중량을 요구하는데, 본 발명에 따라 기존 골재를 SCM을 대체 사용하는 경우 이러한 기준에 충분한 강도 및 중량을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, SCM의 스피넬구조가 갖는 안정성으로 인해 내식성, 내마모성이 우수하여 해저용 콘크리트 구조체로 매우 적합하다.

한국특허 제0670422호에서는 해저에 매설되는 철관의 보호 및 중량 증가를 위해 철관에 코팅되는 콘크리트 조성물에 자철광석(Fe₂O₄)을 사용하는 방안을 제안하였다. 그러나 이 방법은 경제성은 물론 내식, 내구성에 있어 본 발명에 비교되지 못한다.

Claims

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굵은 골재 30 ~ 50중량%, 잔골재 30 ~ 50중량%, 시멘트 10 ~ 20중량%, 및 잔부 물을 포함하며, 중량비로 굵은 골재 및 및 잔골재 각각의 20~60%는 아토마이징 처리된 제강슬래그이며,
상기 굵은 골재로 사용된 아토마이징 처리된 제강슬래그는 25 ~ 5mm의 SC 스톤이며,
상기 잔골재로 사용된 아토마이징 처리된 제강슬래그는 5 ~ 0.2mm의 SC 볼 및 0.2mm 이하 SC 파우더의 혼합물이거나, 또는 0.2mm 이하의 SC 파우더인 조성물을 이용하는 구조체에 있어서,
상기 구조체는 PHC 파일용 콘크리트 구조체이며, PHC 파일용 콘크리트 구조체의 잔골재로 사용된 아토마이징 처리된 제강슬래그는 SC 파우더이며,
상기 구조체는, 콘크리트의 강도 증가를 위해, 중량비로 굵은 골재의 30%는 SC 스톤을 사용하고, 중량비로 잔골재의 30%를 SC 파우더로 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 고강도 중량 콘크리트 구조체.
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