KR102342008B1 - 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법 - Google Patents

프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법 Download PDF

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Abstract

프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 플라이애쉬 및 고로슬래그를 포함하는 지오폴리머 결합재와, 알칼리 자극제와, 물과, 골재를 포함하는 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 혼합하는 단계와; 제조하고자 하는 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재에 따라 몰드에 상기 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 타설하는 단계와; 상기 지오폴리머 콘크리트 조성물을 최고 양생온도 60 ~ 70℃로 3 ~ 5시간 동안 고온 정온 양생하는 단계와; 상기 지오폴리머 콘크리트 조성물을 상기 최고 양생온도에서 기 결정된 최저 양생온도까지 일정한 기울기로 감온하면서 감온 양생하는 단계와; 상기 지오폴리머 콘크리트 조성물을 상기 최저 양생온도로 일정 시간 동안 저온 정온 양생하는 단계를 포함하는, 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법이 제공된다.

Description

프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법{Manufacturing method of precast geopolymer concrete member}
본 발명은 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 플라이애쉬와 고로슬래그의 지오폴리머 결합재를 사용하여 프리캐스트 콘크리트 부재를 제조하는 경우 짧은 양생 시간에 효율적으로 강도를 발휘할 수 있고 에너지 소비를 줄일 수 있는 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법에 관한 것이다.
기후온난화와 탄소 배출량 규제가 이슈가 되면서 시멘트를 사용하지 않는 결합재인 지오폴리머에 대한 관심이 높아지고 있다. 지오폴리머 결합재는 시멘트 대신 산업부산물인 플라이애쉬와 고로슬래그 등을 활용하는 결합재로 기존 시멘트 결합재에 비해 친환경적이고 이산화탄소 배출량이 적은 장점이 있다.
종래의 포틀란트 시멘트 결합재의 경우 물과 접촉되면서 수화반응을 일으켜 경화가 이루어지나, 지오폴리머 결합재의 경우에는 알칼리 자극제에 의해 축중합반응이 일어나면서 경화가 일어난다.
포틀란트 시멘트 계열의 일반 콘크리트를 사용하는 프리캐스트 콘크리트 부재는 통상 24시간 증기 양생의 공정을 거쳐 공장에서 생산되는데, 플라이애쉬 혹은 플라이애쉬와 고로슬래그 등으로 구성된 지오폴리머 결합재를 사용하여 콘크리트 부재를 형성하는 경우에 알칼리 환경에서 24시간 정온, 고온 양생을 수행하여 조강성을 발휘하도록 하고 있어 지오폴리머 콘크리트는 공장에서 24시간 양생공정을 거치는 프리캐스트 부재에 적합한 재료로 볼 수 있다.
그러나, 현재 지오폴리머 콘크리트에 대한 연구가 완전하게 이루어지지 않은 상황에서 지오폴리머 콘크리트에 대해 24시간의 정온, 고온 양생을 수행하는 것은 다수 연구자에 의한 경험적인 실험에 따른 것이다.
따라서, 지오폴리머 결합재를 사용하여 프리캐스트 콘크리트 부재를 제조하는데 있어 조강성이 발휘되도록 효율적인 양생방법의 제시가 필요하다.
한편, 플라이애쉬와 고로슬래그의 지오폴리머 결합재를 사용하여 적정한 강도를 발휘하도록 지오폴리머 콘크리트 배합하는 경우 지오폴리머 콘크리트의 매우 빠른 경화로 인해 유동성이 확보되지 않아 콘크리트 부재를 형성하는데 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1748119호(2017년06월16일공고)
본 발명은 플라이애쉬와 고로슬래그의 지오폴리머 결합재를 사용하여 프리캐스트 콘크리트 부재를 제조하는 경우 짧은 양생 시간에 효율적으로 강도를 발휘할 수 있고 에너지 소비를 줄일 수 있는 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법을 제공한다.
그리고, 지오폴리머 결합재를 사용하여 지오폴리머 콘크리트를 배합하는 경우 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트의 유동성을 확보하여 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재를 용이하게 형성할 수 있는 유동성이 강화된 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 플라이애쉬 및 고로슬래그를 포함하는 지오폴리머 결합재와, 알칼리 자극제와, 물과, 골재를 포함하는 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 혼합하는 단계와; 제조하고자 하는 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재에 따라 몰드에 상기 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 타설하는 단계와; 상기 지오폴리머 콘크리트 조성물을 최고 양생온도 60 ~ 70℃로 3 ~ 5시간 동안 고온 정온 양생하는 단계와; 상기 지오폴리머 콘크리트 조성물을 상기 최고 양생온도에서 기 결정된 최저 양생온도까지 일정한 기울기로 감온하면서 감온 양생하는 단계와; 상기 지오폴리머 콘크리트 조성물을 상기 최저 양생온도로 일정 시간 동안 저온 정온 양생하는 단계를 포함하는, 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법이 제공된다.
상기 감온 양생하는 단계는, 상기 최고 양생온도에서 기 결정된 최저 양생온도까지 3 ~ 13시간 동안 감온 양생하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 최저 양생온도는 20 ~ 30℃이며, 상기 감온 양생하는 단계는, 상기 최고 양생온도에서 상기 최저 양생온도까지 감온하여 양생할 수 있다.
상기 최저 양생온도는 20 ~ 30℃이며, 상기 저온 정온 양생하는 단계는, 상기 최저 양생온도로 6 ~ 18시간 동안 저온 정온 양생하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고온 정온 양생 시간, 감온 양생 시간 및 상기 저온 정온 양생 시간의 합은 24시간 이하일 수 있다.
상기 지오폴리머 콘크리트 조성물을 혼합하는 단계는, 플라이애쉬 및 고로슬래그를 포함하는 지오폴리머 결합재와 골재를 건비빔하여 건비빔 혼합물을 형성하는 단계와; 상기 건비빔 혼합물에 알칼리 자극제 수용액을 투입하고 혼합하여 배합 혼합물을 형성하는 단계와; 상기 배합 혼합물에 추가로 혼합수를 투입하고 혼합하여 타설 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배합 혼합물을 형성하는 단계에서, 상기 건비빔 혼합물과 상기 알칼리 자극제 수용액의 혼합 시간은 120 내지 180초일 수 있다.
상기 지오폴리머 결합재는, 플라이애쉬 55 ~ 80 wt% 및 고로슬래그 20 ~ 45 wt%를 포함할 수 있다.
상기 골재는, 상기 결합재 100 중량부에 대하여 굵은 골재 227 ~ 230 중량부와; 상기 결합재 100 중량부에 대하여 잔골재 120 ~ 123 중량부를 포함할 수 있다.
상기 알칼리 자극제 수용액은, 상기 결합재 100 중량부에 대하여 10 ~ 12 몰농도(M)의 수산화나트륨(NaOH) 수용액 15 ~ 20 중량부와; 상기 결합재 100 중량부에 대하여, 산화나트륨(Na2O) 14 ~ 15 wt%, 이산화규소(SiO2) 34 ~ 35 wt% 및 증류수(H20) 50 ~ 52 wt% 를 혼합하여 생성된 규산나트륨(Na2SiO3) 수용액 40 ~ 45 중량부를 포함할 수 있다.
상기 수산화나트륨(NaOH)에 대한 상기 규산나트륨(Na2SiO3)의 중량비는, 2 내지 3일 수 있다.
상기 혼합수는, 상기 결합재 100 중량부에 대하여 5 ~ 10 중량부로 투입될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 플라이애쉬와 고로슬래그의 지오폴리머 결합재를 사용하여 프리캐스트 콘크리트 부재를 제조하는 경우 짧은 양생 시간에 효율적으로 강도를 발휘할 수 있고 에너지 소비를 줄일 수 있다.
또한, 지오폴리머 결합재를 사용하여 지오폴리머 콘크리트를 배합하는 경우 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트의 유동성을 확보하여 콘크리트 부재를 용이하게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 양생이력을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 무게 성숙도 산정을 위한 변수 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 압축강도 비교 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 무게 성숙도 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법에 따른 압축강도 40MPa의 변온 양생이력.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법에 따른 압축강도 50MPa의 변온 양생이력.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법에 따른 압축강도 60MPa의 변온 양생이력.
도 9는 추가적으로 투입되는 혼합수의 투입량에 따른 슬럼프 및 압축강도의 변화를 나타낸 그래프.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 순서도이다. 그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 양생이력을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 무게 성숙도 산정을 위한 변수 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 압축강도 비교 그래프이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 무게 성숙도 그래프이다. 그리고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법에 따른 압축강도 40MPa의 변온 양생이력이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법에 따른 압축강도 50MPa의 변온 양생이력이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법에 따른 압축강도 60MPa의 변온 양생이력이다.
본 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법은, 플라이애쉬 및 고로슬래그를 포함하는 지오폴리머 결합재와, 알칼리 자극제와, 물, 골재를 포함하는 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 혼합하는 단계와; 제조하고자 하는 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재에 따라 몰드에 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 타설하는 단계와; 지오폴리머 콘크리트 조성물을 최고 양생온도 60 ~ 70℃로 3 ~ 5시간 동안 고온 정온 양생하는 단계와; 지오폴리머 콘크리트 조성물을 최고 양생온도에서 기 결정된 최저 양생온도까지 일정한 기울기로 감온하면서 감온 양생하는 단계와; 지오폴리머 콘크리트 조성물을 최저 양생온도로 일정 시간 동안 저온 정온 양생하는 단계를 포함한다.
지오폴리머 콘크리트는 칼슘의 성분이 적은 저칼슘 기반(low calcium system)의 플라이애쉬를 주재료로 하여 제조되거나 칼슘의 성분이 많은 고칼슘 기반(high calcium system)의 고로슬래그 미분말를 주재료하여 제조될 수 있는데, 본 실시예에 따른 지오폴리머 콘크리트는 플라이애쉬를 주재료로 하고 유동성 확보를 위하여 고로슬래그를 첨부하는 형태로서, 플라이애쉬와 고로슬래그가 지오폴리머 결합재로서 이용된다.
플라이애쉬와 고로슬래그의 지오폴리머 결합재를 사용하여 적정한 강도를 발휘하도록 지오폴리머 콘크리트 배합하여 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 제조하는 경우, 지오폴리머 콘크리트의 특성 상 배합과 동시에 경화가 일어나게 되어 유동성을 확보할 수 없어 콘크리트 부재 형성을 위한 워커빌러티(workability)가 매우 취약한 문제가 있다.
한편, 지오폴리머 콘크리트의 이러한 급결성은 프리캐스트 콘크리트 부재에 적합한 측면이 있으므로 초기 타설 시 지오폴리머 콘크리트의 유동성을 확보한다면 지오폴리머 콘크리트를 이용하여 프리캐스트 콘크리트 부재를 용이하게 형성할 수 있다는 장점이 있다.
본 실시예는 이러한 지오폴리머 콘크리트의 급결성을 활용하여 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이하에서는 본 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법을 자세히 살펴보기로 한다.
먼저, 플라이애쉬 및 고로슬래그를 포함하는 지오폴리머 결합재와, 알칼리 자극제와, 물, 골재를 포함하는 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 혼합한다(S100). 본 단계는 플라이애쉬 및 고로슬래그를 포함하는 지오폴리머 결합재를 이용하여 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 형성하는 단계인데, 상술한 바와 같이, 지오폴리머 콘크리트의 특성 상 배합과 동시에 경화가 일어날 수 있으므로, 타설 시 워커빌러티(workability)를 위하여 유동성을 확보할 필요가 있다.
본 실시예에 따른 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 혼합하는 방법은, 플라이애쉬 및 고로슬래그를 포함하는 지오폴리머 결합재와 골재를 건비빔하여 건비빔 혼합물을 형성하는 단계와; 상기 건비빔 혼합물에 알칼리 자극제 수용액을 투입하고 혼합하여 배합 혼합물을 형성하는 단계와; 상기 배합 혼합물에 추가로 혼합수를 투입하고 혼합하여 타설 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다.
지오폴리머 결합재와 후술할 알카리 자극제 수용액의 반응에 따라 경화가 일어나면서 골재 간의 결합이 이루어지는데, 경화 속도가 빠르기 때문에 재료를 한꺼번에 투입하여 혼합하는 경우 균일한 혼합이 어렵다. 따라서 본 실시예에서는 알카리 자극제 수용액을 투입하기 전에 플라이애쉬 및 고로슬래그를 포함하는 지오폴리머 결합재와 골재 만으로 건비빔하여 결합재가 골재 표면을 골고루 코팅되도록 한다.
고로슬래그와 플라이애쉬와 같은 지오폴리머의 경우 물의 접촉에 따른 수화반응을 일어나지 않고, 알칼리 자극제와 반응하면서 경화가 일어나는데, 본 실시예에서는 알칼리 자극제와 물을 별도로 투입하지 않고, 알칼리 자극제와 물을 혼합하여 알칼리 자극제 수용액 형태로 배합하는 방법을 채택하였다.
알칼리 자극제로는 지오폴리머 콘크리트의 강도발현과 경제성을 고려하여 수산화나트륨(NaOH)과 규산나트륨(Na2SiO3)이 적용될 수 있는데, 건비빔 혼합물과의 습식 혼합을 고려하여 수용액 형태로 혼합하여 배합 혼합물을 형성한다.
배합 혼합물은 유동성 확보를 위하여 혼합수가 추가로 투입되기 전의 배합물로서, 지오폴리머 결합재와 알칼리 자극제 수용액이 혼합되면서 경화반응이 빠르게 이루어지고 있는 상태에 있다.
배합 혼합물 상태로도 콘크리트의 경화가 이루어지나, 프리캐스트 콘크리트 부재와 같이 콘크리트 부재를 형성하기 위해서는 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트의 타설이 필요한데, 배합 혼합물 상태의 경우에는 빠른 경화로 인해 유동성이 확보되지 않아 타설 워커빌러티를 확보할 수 없다. 본 실시예에서는 후술하는 바와 같이 배합 혼합물을 형성한 상태에서 혼합수를 추가적으로 투입하여 유동성을 확보하게 된다.
건비빔 혼합물과 상기 알칼리 자극제 수용액의 혼합 시간은 120 내지 180초 범위에서 진행한다. 120초 보다 혼합 시간이 적으면 완전한 혼합이 어렵고 180초 보다 혼합 시간이 길면 경화가 너무 많이 진행되어 후술한 바와 같이 추가로 혼합수를 투입하더라도 유동성 확보가 어렵다.
배합 혼합물 상태에서도 빠른 경화로 인해 유동성이 확보되지 않기 때문에 타설 워커빌러티를 확보할 수 없다. 따라서, 본 실시예에서는 배합 혼합물 상태에서 추가적으로 혼합수를 투입하고 다시 혼합하여 지오폴리머 콘크리트의 유동성을 확보하였다. 배합비에 따라 결합재, 알칼리 자극제 수용액, 골재 등을 배합한 상태로 혼합한 후 배합 혼합물이 형성되면, 바로 혼합수를 투입하여 다시 믹서 등으로 혼합하여 타설 혼합물을 형성한다. 타설 혼합물은 유동성이 확보된 상태로서 거푸집 등에 타설할 때 워커빌러티가 확보될 수 있다.
다음에, 제조하고자 하는 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재에 따라 몰드에 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 타설한다(S200). 프리캐스트 콘크리트 부재는 콘크리트 블록, 보, 기둥, 슬래브 등 공장에서 미리 성형하는 것으로서, 제조하고자 하는 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재의 형상에 따라 몰드를 제조하고, 상술한 방법에 따라 유동성이 확보된 타설 혼합물 상태의 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 몰드에 타설한다.
다음에, 타설된 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물에 대한 양생을 실시하다. 본 실시예에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 지오폴리머 콘크리트 조성물을 최고 양생온도 60 ~ 70℃로 3 ~ 5시간 동안 고온 정온 양생하는 단계(S200)와; 지오폴리머 콘크리트 조성물을 최고 양생온도에서 기 결정된 최저 양생온도까지 일정한 기울기로 감온하면서 감온 양생하는 단계(S400)와; 지오폴리머 콘크리트 조성물을 최저 양생온도로 일정 시간 동안 저온 정온 양생하는 단계(S500)로 양생을 실시한다.
지오폴리머 콘크리트는 통상의 시멘트 콘크리트의 수화반응과 달리 알칼리 자극제에 의해 축중합반응이 일어나면서 배합과 동시에 급격한 경화가 일어나는데, 종래에는 50 ~ 70℃ 정도의 고온을 일정하게 유지하여 24시간 동안 양생을 진행하는 방법이 알려져 있었다.
그런데, 지오폴리머 콘크리트에 대한 경화 실험에 따르면, 고로슬래그의 양에 따라 경화 완료 시간이 조금씩 달라질 수 있으나, 배합 후 초기 몇시간 동안 급격한 경화가 이루어지고 이후 빠르게 경화가 완료됨을 알게 되었고, 지오폴리머 콘크리트의 압축강도를 결정하는 성숙도(maturity)가 초기 양생온도 및 그 기간에 따라 영향을 받는다는 것을 알게 되었다. 이때, 초기 양생온도는 양생 초기에 상술한 50 ~ 70℃ 정도의 고온으로 양생하는 것으로서, 본 발명에서는 최고 양생온도(Tmax)와 유사하다.
이러한 실험 결과에 따라 본 발명에서는 양생 시 최고 양생온도에 대한 함수로서 성숙도를 무게 함수(weight function)로 나타낼 수 있는 양생 기법을 제시하고자 한다.
기존의 단순 성숙도 개념(maturity concept)에 따르면, 양생기간 28일 내에서 양생온도와 양생시간의 그래프 면적으로 나타내어지는 에너지 지표와 일반 콘크리트의 발현 강도는 비례하는 것으로 가정되는데, 실험에 따르면 지오폴리머 콘크리트의 경우, 기존의 단순 성숙도 개념이 적용되지 않는다.
따라서, 본 발명에서는 지오폴리머 콘크리트의 강도 발현에 가장 큰 영향을 주는 최고 양생온도(Tmax)를 변수로 하는 무게 성숙도(weighted maturity, W) 개념을 도입하였다.
도 3은 본 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 무게 성숙도 그래프이다. 무게 성숙도 개념에 의하면, 도 3의 그래프에 제시된 바와 같이, 양생 시 적용된 최고 양생온도에 대하여 서로 다른 무게 함수(weighted function)값이 적용되며, 재령 28일 이후에는 모든 양생온도에 대하여 강도발현이 없게 된다.
도 4는 본 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법의 압축강도 비교 그래프로서, 무게 성숙도 개념에 따른 지오폴리머 압축강도 발현 예측치와 실험측정 결과치와의 비교 시 도 4의 그래프에 나타난 바와 같이, 무게 성숙도에 의한 압축강도치가 실험치를 잘 예측하는 것으로 나타났다.
본 발명에 따른 무게 성숙도(weighted maturity, W) 개념을 도입하면 아래와 같은 강도발현식 [식 1]이 유도된다.
[식 1]
Figure 112019030396038-pat00001
Figure 112019030396038-pat00002
Figure 112019030396038-pat00003
위 [식 1]에서, W(Tmax,tk)는 무게 성숙도로서 실험에 따른 회귀분석을 통해 다음의 [식 2]로 도출된다.
[식 2]
Figure 112019030396038-pat00004
여기서,
Figure 112019030396038-pat00005
위 [식 2]에서, F1, F2, F3은 실험에 적용된 배합비에 대해 각각 11개의 양생이력을 적용하여 산정된 값을 최대 양생온도에 대하여 도 5와 같이 회귀분석을 수행하여 산정된다.
이와 같은 무게 성숙도 개념에 근거하여 지오폴리머 콘크리트의 대표적인 압축강도 40MPa, 40MPa, 50MPa에 대해 최적 양생이력을 도출해보면, 도 2에 도시된 바와 같이, 최고 양생온도(Tmax)로 일정 시간(t1) 동안 양생을 진행하는 '고온 정온 양생'구간, 최고 양생온도로 양생을 진행한 이후에 일정 시간(t2 - t1) 동안 일정한 기울기((Tmin - Tmax)/(t2 - t1))로 최저 양생온도(Tmin)까지 감온하면서 양생을 진행하는 '감온 양생'구간, 감온 양생 후 최저 양생온도(Tmin)로 일정 시간 동안 양생을 진행하는 '저온 정온 양생'구간을 갖는 변온 양생의 최적 양생이력이 도출된다.
다만, 위의 각 양생 구간 중에서도 상술한 바와 같이 지오폴리머 콘크리트의 경우 배합 후 초기 몇시간 동안 급격한 경화가 이루어짐을 고려할 때, 최고 양생온도(Tmax)로 일정 시간(t1) 동안 양생을 진행하는 '고온 정온 양생'구간이 매우 중요하다. 따라서, 본 실시예에서는 지오폴리머 콘크리트 타설 후 최고 양생온도(Tmax) 50 ~ 70℃로 3 ~ 5시간(t1) 동안 고온 정온 양생하는 것을 제시한다.
도 6 내지 도 8은 압축강도 40MPa, 40MPa, 50MPa 각각 대해 무게 성숙도 개념에 근거하여 도출된 최적 양생이력인데, 도 6에서 압축강도 40MPa에 대해서는 최고 양생온도(Tmax) 60℃(도 6의 (a)), 50℃(도 6의 (b)) 각각에 대해 3 내지 5 시간 동안에 고온 정온 양생을 진행하고, 도 7에서 압축강도 50MPa에 대해서는 최고 양생온도(Tmax) 70℃(도 7의 (a)), 60℃(도 7의 (b)) 각각에 대해 3 내지 5 시간 동안에 고온 정온 양생을 진행하며, 도 8에서 압축강도 60MPa에 대해서는, 최고 양생온도(Tmax) 70℃(도 6의 (a), (b))에 대해 3 내지 4시간 동안에 고온 정온 양생을 진행함이 나타나 있다.
한편, 감온 양생 구간은, 최고 양생온도 60 ~ 70℃로 양생을 진행한 이후에, 최고 양생온도(Tmax)에서 기 결정된 최저 양생온도(Tmin)까지 일정한 기울기로 감온하면서 3 ~ 13시간 동안 감온 양생을 진행한다.
도 6의 감온 양생 구간을 살펴보면, 압축강도 40MPa에 대해서, 최고 양생온도 70℃에서 최저 양생온도 20℃까지 4시간 동안 감온 양생(도 6의 (a))을 진행하고, 최고 양생온도 60℃에서 최저 양생온도 40℃까지 13시간 동안 감온 양생(도 6의 (b))을 진행한다.
도 7의 감온 양생 구간을 살펴보면, 압축강도 50MPa에 대해서, 최고 양생온도 80℃에서 최저 양생온도 20℃까지 3시간 동안 감온 양생(도 7의 (a))을 진행하고, 최고 양생온도 70℃에서 최저 양생온도 20℃까지 13시간 동안 감온 양생(도 6의 (b))을 진행한다.
도 8의 감온 양생 구간을 살펴보면, 압축강도 60MPa에 대해서, 최고 양생온도 80℃에서 최저 양생온도 20℃까지 10시간 동안 감온 양생(도 8의 (a))을 진행하고, 최고 양생온도 80℃에서 최저 양생온도 20℃까지 8시간 동안 감온 양생(도 8의 (b))을 진행한다.
그리고, 저온 정온 구간은, 감온 양생을 진행한 이후에, 최저 양생온도 20 ~ 30℃로 6 ~ 18시간 동안 저온 정온 양생을 진행한다. 최저 양생온도는 상온으로 결정할 수 있으나 프리캐스트 공장 제작 등에서 변온 양생 이력에 따라 상온 보다 높게 결정할 수도 있다.
도 6의 저온 정온 양생 구간을 살펴보면, 압축강도 40MPa에 대해서, 최고 양생온도 70℃로 고온 정온 양생을 진행한 경우 감온 양생 후 최저 양생온도 20℃로 17시간 동안 저온 정온 양생(도 6의 (a))을 진행하고, 최고 양생온도 70℃로 고온 정온 양생을 진행한 경우 감온 양생 후 최저 양생온도 40℃로 6시간 동안 저온 정온 양생(도 6의 (b))을 진행한다.
도 7의 저온 정온 양생 구간을 살펴보면, 압축강도 50MPa에 대해서, 최고 양생온도 80℃로 고온 정온 양생을 진행한 경우 감온 양생 후 최저 양생온도 20℃로 18시간 동안 저온 정온 양생(도 7의 (a))을 진행하고, 최고 양생온도 70℃로 고온 정온 양생을 진행한 경우 감온 양생 후 최저 양생온도 20℃로 8시간 동안 저온 정온 양생(도 7의 (b))을 진행한다.
도 8의 저온 정온 양생 구간을 살펴보면, 압축강도 60MPa에 대해서, 최고 양생온도 80℃로 고온 정온 양생을 진행한 경우 감온 양생 후 최저 양생온도 20℃로 11시간 동안 저온 정온 양생(도 8의 (a))을 진행하고, 최고 양생온도 80℃로 고온 정온 양생을 진행한 경우 감온 양생 후 최저 양생온도 20℃로 12시간 동안 저온 정온 양생(도 7의 (b))을 진행한다.
한편, 위에서 기술한, 고온 정온 양생 시간, 감온 양생 시간 및 저온 정온 양생 시간의 합이 24시간 이하로 설정하여 변온 양생 이력을 결정할 수 있다. 지오폴리머 콘크리트의 경우 초기에 빠른 경화가 이루어지는 급결성으로 인해 프리캐스트 콘크리트 부재를 성형하는데 적합한 측면이 있는데, 공장 제작을 고려하여 24시간 내에 빠른 양생을 수행함으로써 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재의 생산성을 향상시킬 수 있다. 도 6 내지 도 7을 참조하면, 24시간 양생 시간을 기준으로 변온 양생이력을 도출함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에서는 종래와 같이 많은 에너지 소비량이 요구되는 고온 정온 양생을 하지 않고 위의 실험에 따라 점차적으로 온도를 낮추어 양생하는 변온 양생을 실시함으로써 양생 과정에서 소비되는 열에너지 소비량을 효율적으로 감축할 수 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법에 사용되는 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물에 대해 자세히 살펴보기로 한다.
본 실시예에 따른 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물은, 플라이애쉬 55 ~ 80 wt% 및 고로슬래그 20 ~ 45 wt%를 포함하는 지오폴리머 결합재 100 중량부에 대하여, 10 ~ 12 몰농도(M)의 수산화나트륨(NaOH) 수용액 15 ~ 20 중량부; 산화나트륨(Na2O) 14 ~ 15 wt%, 이산화규소(SiO2) 34 ~ 35 wt% 및 증류수(H20) 50 ~ 52 wt% 를 혼합하여 생성된 규산나트륨(Na2SiO3) 수용액 40 ~ 45 중량부를 포함하는 배합 혼합물로서, 상기 배합 혼합물 혼합 후 추가로 투입되는 혼합수 5 ~10 중량부를 더 포함한다.
플라이애쉬는 결합재의 주재료로서 지오폴리머 콘크리트의 강도 발현에 관여하는데, 설계압축강도 40MPa이상으로 하는 경우 전체 결합재 대비 55 내지 80 wt% 가 적절하다. 55 wt% 보다 적은 경우에는 플라이애쉬의 경화반응량이 적어 적절한 압축강도발현이 어렵고, 80 wt% 보다 많은 경우에는 빠른 경화로 워커빌러티(workability) 확보가 어렵다.
고로슬래그는 플라이애쉬와 같이 첨가되는 결합재의 일부로서, 지오폴리머 콘크리트의 강도 발현과 유동성에 영향을 미친다. 고로슬래그가 전체 결합재 대비 20 wt% 보다 적은 경우에는 목표로 하는 압축강도 발현이 어렵고 유동성이 떨어져 콘크리트 부재 형성을 위한 워커빌러티가 떨어지고, 고로슬래그가 전체 결합재 대비 45 wt% 보다 많은 경우에는 목표로 하는 압축강도 발현이 어렵다.
고로슬래그와 플라이애쉬와 같은 지오폴리머의 경우 물의 접촉에 따른 수화반응을 일어나지 않고, 알칼리 자극제 수용액에 포함된 알칼리 자극제와 지오폴리머가 반응하면서 경화가 일어난다.
알칼리 자극제로는 지오폴리머 콘크리트의 강도발현과 경제성을 고려하여 수산화나트륨(NaOH)과 규산나트륨(Na2SiO3)을 적용하는데, 지오폴리머 결합재와 골재의 건비빔 혼합물과의 습식 혼합을 고려하여 수용액 형태로 혼합하여 배합 혼합물을 형성한다.
본 실시예에 따른 알칼리 자극제 수용액은, 결합재 100 중량부에 대하여 10 ~ 12 몰농도(M)의 수산화나트륨(NaOH) 수용액 15 ~ 20 중량부와, 결합재 100 중량부에 대하여 산화나트륨(Na2O) 14 ~ 15 wt%, 이산화규소(SiO2) 34 ~ 35 wt% 및 증류수(H20) 50 ~ 52 wt% 를 혼합하여 생성된 규산나트륨(Na2SiO3) 수용액 40 ~ 45 중량부를 포함한다.
수산화나트륨은 물성 상 물에 잘 녹지 않기 때문에 10 내지 12 몰농도(M)로 수용액을 제조하여 배합한다. 규산나트륨(Na2SiO3)은, 산화나트륨(Na2O) 14 ~ 15 wt%, 이산화규소(SiO2) 34 ~ 35 wt% 및 증류수(H20) 50 ~ 52 wt% 를 혼합하여 수용액으로 제조하여 배합한다.
한편, 투입되는 수산화나트륨(NaOH)에 대한 규산나트륨(Na2SiO3)의 중량비는, 2 내지 3를 유지한다. 즉, 중량비로 수산화나트륨에 대하여 2 ~ 3배의 규산나트륨을 더 투입한다. 실험에 따르면 이러한 중량비를 유지하는 경우 강도 저하없이 설계강도를 발현이 가능하였다.
배합 혼합물은 유동성 확보를 위하여 추가로 투입되는 혼합수가 투입되기 전의 배합물로서 지오폴리머 결합재와 알칼리 자극제 수용액이 혼합되면서 경화반응이 빠르게 이루어지고 있는 상태에 있다.
배합 혼합물 상태로도 콘크리트의 경화가 이루어지나, 프리캐스트 콘크리트 부재와 같이 콘크리트 부재를 형성하기 위해서는 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트의 타설이 필요한데, 배합 혼합물 상태의 경우에는 빠른 경화로 인해 유동성이 확보되지 않아 타설 워커빌러티를 확보할 수 없다. 본 실시예에서는 배합 혼합물을 형성한 상태에서 혼합수를 추가적으로 투입하여 유동성을 확보하게 된다.
추가로 투입되는 혼합수는, 결합재 100 중량부에 대하여 5 ~ 10 중량부로 배합 혼합물에 투입된다. 결합재 100 중량부에 대하여 5 중량부 보다 적게 혼합수를 투입하면 유동성을 확보할 수 없고, 10 중량부 보다 많게 혼합수를 투입하는 경우에는 유동성은 확보되나 설계강도 발현이 어렵다.
골재는 결합재 100 중량부에 대하여 굵은 골재 227 ~ 230 중량부와; 결합재 100 중량부에 대하여 잔골재 120 ~ 123 중량부로 혼입된다. 골재의 양은 통상적인 시멘트 콘크리트 배합 설계 방식으로 결정될 수 있는데, 본 실시예에서는 플라이애쉬 및 고로슬래그를 포함하는 지오폴리머 결합재 100 중량부에 대하여 굵은 골재 227 ~ 230 중량부와; 결합재 100 중량부에 대하여 잔골재 120 ~ 123 중량부로 혼입된 형태를 제시한다.
이하의 실시예를 통하여 본 실시예에 따른 지오폴리머 콘크리트 조성물을 설명하기로 한다. 다만, 아래의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이므로 이들만으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
(실시예)
실시예는, 표 1에 기재된 바와 같이, 배합 강도 40MPa, 40MPa, 50MPa 각각에 대해 지오폴리머 결합재 이외의 배합물을 아래의 표 1과 같이 일정하게 하고, 지오폴리머 결합재인 플라이애쉬와 고로슬래그의 상대적인 양을 변화시켜 공시체를 제작하여 각각의 압축강도와 슬럼프를 측정하였다.
지오폴리머 콘크리트 조성물은 상술한 유동성이 강화된 지오폴리머 콘크리트 제조 방법에 따라, 먼저 지오폴리머 결합재와 골재가 골고루 섞이도록 건비빔한 상태에서, 12 몰농도(M)의 수산화나트륨(NaOH) 수용액과 규산나트륨(Na2SiO3) 수용액을 투입하고 혼합하여 배합 혼합물을 만들고, 추가적으로 혼합수를 투입하여 최종적으로 타설 혼합물을 제조한 방식으로 제조하였다.
아래의 표 1에서 표에 기재된 배합값은 결합재 100 중량부에 대한 해당 조성물의 중량부로 나타냈다.
구분 배합비(결합재 100중량부에 대한 중량부)
배합
강도
(MPa)		 결합재(B) 골재 알칼리 자극제 수용액 혼합수
플라이애쉬 고로슬래그 잔골재
(모래)		 굵은골재
(자갈)		 수산화나트륨
(12M)		 규산나트륨
실시예1 30 80 20 123 227 20 40 5
실시예2 40 70 30
실시예3 50 60 40
* 표 1의 값은 결합재 100 중량부에 대해 해당 조성물의 중량부로 나타낸 것임
실시예에 따른 성능 평가 결과
구분 압축강도(MPa) 슬럼프(mm)
실시예 1 31.2 220
실시예 2 43.2 232
실시예 3 54.8 217
[표 1]의 실시예의 배합에 따라 제작된 공시체에 대하여 KS L ISO 679에 의한 압축 강도를 시험한 결과, 실시예 1(배합강도 40MPa), 실시예 2(배합강도 50MPa), 실시예 3(배합강도 60MPa) 각각에 대해 31.2MPa, 43.2MPa, 54.8MPa로 나타나 목표한 배합강도 이상의 압축강도가 나타났다.
또한, 슬럼프 테스트는 KL F 2402에 따라 수행하였으며, 실시예 1(배합강도 40MPa), 실시예 2(배합강도 50MPa), 실시예 3(배합강도 60MPa) 각각에 대해 220mm, 232mm, 217mm로 나타나 콘크리트 타설이 가능한 유동성을 확보한 것으로 나타났다.
한편, 실시예 1의 배합비에 대해 혼합수의 량을 결합재 100 중량부에 대해 혼합수를 넣지 않은 0 중량부(실시예 4), 5 중량부(실시예 5), 10 중량부(실시예 6)로 변화시켜 압축강도 측정과 슬럼프 테스트를 수행하였다.
도 9은 추가적으로 투입되는 혼합수의 투입량에 따른 슬럼프 및 압축강도의 변화를 나타낸 그래프로서, 실시예 4, 실시예 5, 실시예 6 각각 32.1MPa, 31.2MPa, 30.1MPa의 압축강도를 나타내어 목표한 배합강도를 도달하였으나, 혼합수를 투입하지 않은 실시예 4의 경우 슬럼프 값이 0mm로 거의 없으며, 실시예 5 및 실시예 6은 각각 220mm, 260mm로 나타나 콘크리트 타설이 가능한 유동성을 확보한 것으로 나타났다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 플라이애쉬 및 고로슬래그를 포함하는 지오폴리머 결합재와, 알칼리 자극제와, 물과, 골재를 포함하는 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 혼합하는 단계와;
    제조하고자 하는 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재에 따라 몰드에 상기 굳지 않은 지오폴리머 콘크리트 조성물을 타설하는 단계와;
    상기 지오폴리머 콘크리트 조성물을 최고 양생온도 60 ~ 70℃로 3 ~ 5시간 동안 고온 정온 양생하는 단계와;
    상기 지오폴리머 콘크리트 조성물을 상기 최고 양생온도에서 기 결정된 최저 양생온도까지 일정한 기울기로 감온하면서 감온 양생하는 단계와;
    상기 지오폴리머 콘크리트 조성물을 상기 최저 양생온도로 일정 시간 동안 저온 정온 양생하는 단계를 포함하며,
    상기 최저 양생온도는 20 ~ 30℃이며,
    상기 감온 양생하는 단계는,
    상기 최고 양생온도에서 기 결정된 최저 양생온도까지 3 ~ 13시간 동안 감온 양생하는 단계를 포함하고,
    상기 저온 정온 양생하는 단계는,
    상기 최저 양생온도로 6 ~ 18시간 동안 저온 정온 양생하는 단계를 포함하며,
    상기 고온 정온 양생 시간, 감온 양생 시간 및 상기 저온 정온 양생 시간의 합은 24시간 이하인 것을 특징으로 하는, 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지오폴리머 콘크리트 조성물을 혼합하는 단계는,
    플라이애쉬 및 고로슬래그를 포함하는 지오폴리머 결합재와 골재를 건비빔하여 건비빔 혼합물을 형성하는 단계와;
    상기 건비빔 혼합물에 알칼리 자극제 수용액을 투입하고 혼합하여 배합 혼합물을 형성하는 단계와;
    상기 배합 혼합물에 추가로 혼합수를 투입하고 혼합하여 타설 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서
    상기 배합 혼합물을 형성하는 단계에서,
    상기 건비빔 혼합물과 상기 알칼리 자극제 수용액의 혼합 시간은 120 내지 180초 인 것을 특징으로 하는, 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 지오폴리머 결합재는,
    플라이애쉬 55 ~ 80 wt% 및 고로슬래그 20 ~ 45 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 골재는,
    상기 결합재 100 중량부에 대하여 굵은 골재 227 ~ 230 중량부와;
    상기 결합재 100 중량부에 대하여 잔골재 120 ~ 123 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 알칼리 자극제 수용액은,
    상기 결합재 100 중량부에 대하여 10 ~ 12 몰농도(M)의 수산화나트륨(NaOH) 수용액 15 ~ 20 중량부와;
    상기 결합재 100 중량부에 대하여, 산화나트륨(Na2O) 14 ~ 15 wt%, 이산화규소(SiO2) 34 ~ 35 wt% 및 증류수(H20) 50 ~ 52 wt%를 혼합하여 생성된 규산나트륨(Na2SiO3) 수용액 40 ~ 45 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수산화나트륨(NaOH)에 대한 상기 규산나트륨(Na2SiO3)의 중량비는, 2 내지 3인 것을 특징으로 하는, 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 혼합수는,
    상기 결합재 100 중량부에 대하여 5 ~ 10 중량부로 투입되는 것을 특징으로 하는, 프리캐스트 지오폴리머 콘크리트 부재 제조 방법.

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