KR102380524B1 - 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 프리캐스트 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 구조물의 제조방법 - Google Patents

페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 프리캐스트 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 구조물의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 콘크리트 구조물의 제조방법은 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그를 분쇄하여 미세 분쇄 처리하여 페로니켈 슬래그 미분말을 제조하는 단계와, 고로 슬래그를 분쇄하여 미세 분쇄 처리하여 고로 슬래그 미분말을 제조하는 단계와, 콘크리트 결합재 100 중량비 당 시멘트 70 중량%에 대하여 상기 페로니켈 슬래그 미분말을 5 중량%에서 각 5%씩 상향하여 첨가하고, 상기 고로슬래그 미분말을 10 중량%에서 각 5%씩 상향하여 첨가하는 단계와, 상기 페로니켈 슬래그 미분말이 20 중량%인지를 판단하는 단계와, 상기 고로슬래그 미분말이 25 중량%인지를 판단하는 단계와, 상기 콘크리트 결합재 100 중량비 당 시멘트 70 중량%에 대하여 상기 페로니켈 슬래그 미분말 또는 고로슬래그 미분말이 결합재인 상기 페로니켈 슬래그 또는 고로슬래그의 총합이 30%가 되게 감수제, 공기연행제를 적당량의 물과 균일하게 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 프리캐스트 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 구조물의 제조방법{Concrete composition comprising 3 components using ferro-nickel slag powder and concrete structures manufactured using the same}
본 발명은 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 프리캐스트 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 구조물의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 산업부산물인 페로니켈 슬래그 미분말(FNS), 고로슬래그 미분말(GGBFS) 및 플라이애쉬(FA) 등을 활용한 3성분계 결합재를 이용하여 콘크리트 조성물을 구성하고, 이를 이용하여 프리캐스트 콘크리트 구조물을 제조함으로써 수명을 획기적으로 연장시키고 보수에 따른 인력과 비용을 대폭 절감할 수 있으며, 산업 현장에서 발생하는 부산물을 재활용함으로써 친환경성을 향상시킬 수 있으며, 시멘트보다 저렴한 결합재료 등을 활용함으로 공사비를 절감시킬 수 있는 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물, 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 구조물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
페로니켈 슬래그는 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물로 주성분은 산화규소 및 산화마그네슘으로 이루어져 있는데, 2010년 이후 연간 180만톤씩 발생하고 있고 2015년을 기준으로 페로니켈 슬래그의 연간 발생량이 240만톤을 넘어서고 있는 상황이다.
페로니켈은 철 약 80%와 니켈 약 20%를 함유한 합금철로서, 주로 스테인레스강의 원료로 사용된다. 이러한 페로니켈은 사문암을 모암으로 하는 산화니켈광이며 약 1500℃ 이상에서 정련하여 니켈 1톤당 약 30톤의 페로니켈 슬래그가 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 페로니켈 슬래그는 페로니켈을 생산하기 위해 원료로 사용되는 니켈광석, 유연탄 등이 용융되어 페로니켈과 분리된 후 배출되는 부산물이며, 물리적, 화학적 성질이 우수하다는 특징이 있다.
이러한 페로니켈 슬래그는 일부 콘크리트용 잔골재, 시멘트 원료, 토목용 골재 등으로 사용되는 것이 알려져 있으며, 제올라이트, 실리콘 카바이드 등의 합성원료로 사용되거나 마그네슘화합물 원료, 토지개량제 등으로 사용되는 것이 알려진 수준이나 대부분은 매립 등으로 폐기되고 있는 형편이며, 최근에서야 기술표준원에서 콘크리트용 페로니켈 슬래그 미분말과 관련된 규격을 제정 중에 있다.
국내의 경우에는 일부 기업에서 페로니켈 슬래그 생산을 통한 시장을 구축하여 실내 연구를 진행하고 있는 수준이며, 해외의 경우에는 일본, 캐나다, 미국, 그리스 등에서 페로니켈 슬래그를 활용한 초속경 시멘트 대체제 등을 개발, 연구하고 있는 상황이다.
페로니켈 슬래그의 주성분은 하기 [표 1]과 같이 산화규소 및 산화마그네슘을 다량 포함하고 있다.
SiO2 MgO T-Fe Al2O3 CaO
53.45 35.50 4.50 1.45 0.65
(단위: 중량%)
또한, 페로니켈 슬래그의 용출시험 결과는 하기 [표 2]와 같다.
항목 Cd Hg Cr6+ PB As CN
결과 ND ND ND ND ND ND
기준 0.3이하 0.005
이하		 0.15
이하		 3.0
이하		 1.5
이하		 1.0
이하
(단위: mg/ℓ, 출처: 전라남도보건환경연구원)(ND: Not Detected, 검출안됨)
이러한 페로니켈 슬래그의 광물 조성은 결정성 광물과 비정질 유리상으로 형성되어 있는데 이는 페로니켈 슬래그의 냉각조건 등에 의해 변화하여 화학적 자극에 의한 반응성 등 화학적 성질에 영향을 미친다.
일반적으로 비정질 물질이 많을수록 화학적 활성도가 크다는 것을 의미하는데, 이러한 비정질 양을 늘리기 위해서는 급냉한 수쇄 페로니켈 슬래그가 사용된다.
이러한 페로니켈 슬래그는 일종의 비철금속으로서 일반적인 조건에서는 물과 반응하지 않는데, 물과의 반응을 위해서는 고분말화, 반응성이 있는 혼화재 혼합 등의 방법이 사용되고 있다.
한편, 물과의 접촉이 많은 콘크리트 구조물, 예를 들어 하수관, 농업용수관, 배수관 등이나 교각 등 수중 구조물, 또는 해안 지대의 구조물의 경우, 그 견고성으로 인해 주로 철근 콘크리트 재질에 의해 형성되는 경우가 많은데, 수중에 포함되는 각종 유해 화학물질이나 염화물에 의해 부식이나 손상이 발생될 가능성이 많다.
이러한 콘크리트 구조물의 내구성, 내수성, 내화학성 등의 특성을 강화하기 위한 기술들이 제안되고 있으며, 일부 기술에서는 페로니켈 슬래그 미분말을 이용하는 방법도 제안되고 있으나, 주로 타 혼화재를 혼합하여 사용함에 따른 특성으로서 페로니켈 슬래그 미분말을 사용함에 따른 큰 개선의 효과를 보는 기술로 보기는 어려운 한계가 있다.
<관련 선행기술 문헌>
1. 대한민국 등록특허 제10-1860503호
2. 대한민국 등록특허 제10-1856380호
3. 대한민국 등록특허 제10-1638084호
4. 대한민국 등록특허 제10-1881077호
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 콘크리트용 결합재로서 시멘트, 산업부산물인 페로니켈 슬래그 미분말(FNS)외에 고로슬래그 미분말(GGBFS) 또는 플라이애쉬(FA) 등을 활용한 3성분계 결합재를 이용하여 프리캐스트 콘크리트용 조성물을 구성하고, 이를 이용하여 충분한 양생조건과 탈형강도, 일정정도 이상의 동결융해 저항성 및 내화학성을 제공할 수 있는 프리캐스트 콘크리트 특성에 적합한 구조물을 제조함으로써 수명을 획기적으로 연장시키고 보수에 따른 인력과 비용을 대폭 절감할 수 있으며, 산업 현장에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그를 재활용함으로써 환경을 보호할 수 있는 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 구조물의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 콘크리트 조성물은,
프리캐스트 콘크리트 조성물의 결합재로서 시멘트, 페로니켈 슬래그 미분말 이외에 고로 슬래그 미분말 또는 플라이애쉬의 3성분을 포함하며,
콘크리트 조성물의 단위체적당 굵은 골재 910~ 1,100kg, 잔골재 730 ~ 880kg, 물 150 ~ 180kg, 결합재 390 ~ 460kg 을 포함하여 물 결합재 비(w/b) 35 ~ 45%, 잔골재율 40 ~ 48% 로 이루어지며,
상기 결합재는 100 중량%에 대하여 시멘트 50 ~ 80 중량%, 페로니켈 슬래그 미분말 10 ~ 30중량% 에 고로 슬래그 미분말 10 ~ 35 중량% 또는 플라이애쉬 10 ~ 20 중량% 로 혼합되며 혼화제, 공기연행제가 첨가되고,
상기 페로니켈 슬래그 미분말은 비표면적이 3,000~30,000 ㎠/g의 고밀도를
갖는 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그 미분말을 사용하며,
상기 프리캐스트 콘크리트 조성물의 양생온도는 최대 60 - 75 ℃이며, 양생시간이 6 ~ 10 시간으로 1일 탈형강도가 15 Mpa 이상, 재령 28일 강도가 30 Mpa 이상이고,
재령 28일 압축강도가 35 Mpa ~ 100 Mpa이며,
상대동탄성 계수(%)가 85% 내지 95%이며, 페로니켈 중량이 커질 수록 상대동탄성 계수가 증가하고,
염소 이온 저항성 측정방법에 따라 침투깊이 측정시 5cm 두께에 대에 0.0200 m 이하의 염소이온 침투깊이를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 프리캐스트 콘크리트 구조물의 제조방법은 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그를 분쇄하여 미세 분쇄 처리하여 페로니켈 슬래그 미분말을 제조하는 단계와,
고로 슬래그를 분쇄하여 미세 분쇄 처리하여 고로 슬래그 미분말을 제조하는 단계와,
콘크리트 결합재 100 중량% 당 시멘트 70 중량%에 대하여 상기 페로니켈 슬래그 미분말을 5 중량%에서 각 5 중량%씩 상향하여 첨가하고, 상기 고로슬래그 미분말을 10 중량%에서 각 5 중량%씩 상향하여 첨가하는 단계와,
상기 페로니켈 슬래그 미분말이 20 중량%인지를 판단하는 단계와
상기 고로슬래그 미분말이 25 중량%인지를 판단하는 단계와,
상기 콘크리트 결합재 100 중량% 당 시멘트 70 중량%에 대하여 상기 페로니켈 슬래그 미분말 또는 고로슬래그 미분말이 결합재인 상기 페로니켈 슬래그 또는 고로슬래그의 총합이 30 중량%가 되게 감수제, 공기연행제를 적당량의 물과 균일하게 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하는 단계를 포함하며,
콘크리트 조성물의 단위체적당 굵은 골재 910~ 1,100kg, 잔골재 730 ~ 880kg, 물 150 ~ 180kg, 결합재 390 ~ 460kg 을 포함하여 물 결합재 비(w/b) 35 ~ 45%, 잔골재율 40 ~ 48% 로 이루어지며,
상기 페로니켈 슬래그 미분말은 비표면적이 3,000~30,000 ㎠/g의 고밀도를 가지며, 상기 고로 슬래그 미분말은 6,000 내지7,000cm2/g 정도의 비표면적을 가지며,
상기 콘크리트 조성물의 양생온도는 최대 60 ~ 75 ℃이며, 양생시간은 6 ~ 10 시간으로 1일 탈형강도가 15 Mpa 이상이고,
재령 28일 압축강도가 35 Mpa ~ 100 Mpa이며,
상대동탄성 계수(%)가 85% 내지 95%이며,
염소 이온 저항성 측정방법에 따라 침투깊이 측정시 5cm 두께에 대에 0.0200 m 이하의 염소이온 침투깊이를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물은 시멘트 사이의 공극을 치밀하게 메울 수 있으므로 공극을 통한 유해 화학물질이나 염화물 등의 침투를 막을 수 있으므로 콘크리트 구조물의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있으며, 보수 기간을 연장할 수 있으므로 보수에 따른 인력과 비용을 대폭 절감할 수 있는 장점이 있으며, 산업 현장에서 다량 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그, 고로슬래그 미분말, 플라이애쉬 등을 재활용함으로써 자원 재활용성을 높일 수 있는 동시에 폐기되는 부산물의 양을 줄일 수 있으므로 폐기물에 의한 2차적 환경 오염을 방지하여 친환경성을 향상시킬 수 있는 효과가 있으며, 시멘트보다 저렴한 결합재료 등을 활용함으로 공사비를 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물 제조방법의 설명하는 플로우챠트이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물들의 28일 압축강도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물들의 상대동탄성 계수를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물의 내화학성을 설명하기 위한 염소이온 침투깊이를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 프리캐스트 콘크리트 구조물에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물은 프리캐스트 콘크리트용 결합재로서, 시멘트, 페로니켈 슬래그 미분말 외에 고로 슬래그 미분말 또는 플라이애쉬의 3성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물은 콘크리트 조성물의 단위체적당 굵은 골재 910~ 1,100kg, 잔골재 730 ~ 880kg, 물 150 ~ 180kg, 결합재 390 ~ 460kg 을 포함하여 물 결합재 비(w/b) 35 ~ 45%, 잔골재율 40 ~ 48% 로 이루어지며,
상기 결합재는 100 중량%에 대하여 시멘트 50 ~ 80 중량%, 페로니켈 슬래그 미분말 10 ~ 30중량% 에 고로 슬래그 미분말 10 ~ 35 중량% 또는 플라이애쉬 10 ~ 20 중량% 로 혼합되며 혼화제, 공기연행제 등이 첨가되는 것을 특징으로 한다.
상기 페로니켈 슬래그 혼합물은 비표면적이 3,000 ~ 30,000 ㎠/g의 고밀도를
갖는 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그 미분말을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 프리캐스트 콘크리트 구조물의 양생온도는 최대 60 ~ 75 ℃, 양생시간 6 ~ 10 시간으로 1일 탈형강도가 15 Mpa이상, 재령 28일 강도가 30Mpa 이상인 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 구성하는 각 성분에 관하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 시멘트는 일반 포틀랜트 시멘트(opc), 슬래그 시멘트, 알루미나 시멘트 및 초속경 시멘트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합 시멘트를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 일반 포틀랜드 시멘트이다.
구체적으로 포틀랜드 시멘트의 경우도 주요 성분이 C2S 51%, C2S 25%, C3A 9%, C4AF 9%, CaSO4 4% 정도이며, 비표면적은 3,300cm2/g 전후인 것을 사용하는 것이 프리캐스트 콘트리트 구조물이 주로 물과 접촉이 많은 공간에서 사용되는 점을 고려할 때, 고밀도 및 내화학성, 내구성을 고려할 때 바람직하다.
혼합 시멘트를 사용할 경우에는 포틀랜트 시멘트 40~70 중량%, 알루미나 시멘트 5 ~ 25 중량% 및 잔량의 초속경 시멘트를 포함할 수 있다.
알루미나 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 알루미나 함량이 상대적으로 높은 시멘트로서, 화학적 저항성이 우수하며, 산성 분위기하에서 사용할 수 있는 장점이 있으며, 경화시간이 짧은 조강 시멘트 일종으로서, 보통 포틀랜드 시멘트와 적정 비율로 사용한다.
또한, 초속경 시멘트는 무수석고와 50 중량% 이상의 알루미나 또는 칼슘설포알루미네이트(CSA)를 포함하는 것으로서 초기 부착성이 우수한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 페로니켈 슬래그는 비표면적이 3,000~30,000 ㎠/g의 고밀도를 갖는 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그 미분말을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 페로니켈 슬래그는 입자의 크기가 약 100㎛ 이상으로 큰 경우에는 시멘트의 수화에 의해 생기는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응하여 불용성의 화합물을 만들 수 있는 잠재수경성이 발현되지 않아 노반재나 잔골재 정도로만 활용되고 있는 데, 분말도를 미세화할 경우에는 분쇄가 진행됨에 따라 결정구조가 파괴됨으로써 시멘트와 물간의 수화반응에 의해 생성되는 수화반응물(예: Ca(OH)2)과 반응을 일으키는 규소이온의 함량이 증가되어 2차적인 반응을 유도할 수 있게 됨으로써 시멘트만 사용했을 경우와 비교하여 콘크리트의 치밀도와 강도가 향상될 수 있다.
이는 하기의 반응식으로 나타낼 수 있으며, 이러한 반응의 생성물로서 겔 또는 결정 상태의 CaO-SiO2-H2O 구조가 형성될 수 있다.
SiO2 + Ca(OH)2 → CaO-SiO2-H2O
본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물에 있어서, [표 3]을 통해서 알 수 있는 바와 같이, 페로니켈 슬래그 미분말의 비표면적이 3,000~8,000 cm2/g의 고밀도를 갖는 것이 수화반응물과의 반응이 활발하게 일어나 콘트리트의 치밀도와 강도를 향상할 수 있어서 바람직하다.
페로니켈 슬래그의 분쇄정도에 따른 수화반응물과의 반응 정도
분쇄정도 1,000~1,500cm2/g 2,000~2,500cm2/g 3,000~3,500cm2/g 5,000~9,000cm2/g 9,000~10,000cm2/g 10,000cm2/g
이상
수화반응물과의 반응여부 반응안함 일부 반응 반응 반응 활발 반응 활발 2차 반응 과다
이는 비표면적이 3,000~8,000 cm2/g보다 작을 경우에는 수화반응의 2차 반응을 유도하는 효과가 미미하고 비표면적이 3,000~8,000 cm2/g보다 클 경우에는 1차 수화반응보다 2차 반응이 우세하게 나타날 수 있어 강도가 떨어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 고로슬래그는 제철소에서 선철을 생산할 때 부산물로 제조되는 것으로서 급냉에 의해 비결정질 상태로 형성되며, 염기도는 16 내지 20 범위에 속한다.
상기 고로슬래그는 일반적으로 CaO 40 내지 50 중량%, MgO 1 내지 10 중량%, Al2O3 10 내지 25 중량% 및 SiO2 33 내지 38 중량%를 포함하여 이루어진다.
상기 고로슬래그는 콘크리트용 혼화재로도 사용되는데, 콘크리트용 혼화재로사용되는 고로슬래그의 경우 비표면적이 4,000 내지 5,000cm2/g 정도인데, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물에 있어서, 보다 반응성을 높이기 위해 볼밀 등을 사용하여 분쇄함으로써 6,000 내지7,000cm2/g 정도의 비표면적을 가지도록 하여 사용하는 것이 바람직하다.
고로슬래그의 분쇄정도에 따른 결합재서의 반응성
분쇄정도 4,000~5000cm2/g 5,000~6,000cm2/g 6,000~7,000cm2/g 7,000~8,000cm2/g 8,000~9,000cm2/g 10,000cm2/g
이상
결합재 100 중량%에 대하여 10 내지 35 중량%의 비율로 포함시 반응성 반응 반응 활발 반응 활발 2차 반응 발생 2차 반응 과다 2차 반응 과다
상기 고로슬래그 미분말은 결합재 100 중량%에 대하여 10 내지 35 중량%의 비율로 포함되는 경우에 6,000 내지7,000cm2/g 정도의 비표면적을 가지면, 반응도 활발하게 할 뿐만 아니라 강도도 적정하게 발현할 수 있어서 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용하여 프리캐스트 콘크리트 구조물을 제조할 수 있다.
상기 프리캐스트 콘크리트 구조물은 철근과 콘크리트 조성물을 이용한 일반적인 프리캐스트 콘트리트 제조 방법에 의해 제조할 수 있는데, 예를 들어 습식방법 또 는 건식방법을 사용할 수 있다.
프리캐스트 콘트리트 제조 방법에 따라 제조된 콘크리트 구조물은 예를 들어 하수관, 농업용수관, 배수관 등이나 교각 등 수중 구조물, 또는 해안 지대의 구조물, 전력구, PHC 파일 등 범위를 제한하지 않고 활용될 수 있으며, 특히 염수나 오염수에 의해 손상받을 수 있는 구조물에 사용시 내수성, 내화학성 등의 물성을 향상시킬 수 있으므로, 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하 실험예를 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용하여 프리캐스트 콘크리트 구조물에 대해서 상세히 설명하겠다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용하여 프리캐스트 콘크리트 구조물은, OPC, FNS, GGBS 바인더를 사용한 삼성분계 콘크리트 시편을 제작하여 각각의 기초물성시험을 진행하였다.
압축강도는 KS F 2405 [5]에 따라 진행하였으며, Φ100×200 MM 공시체에 타설하여 6-8시간 증기양생 및 28일 습윤양생하여 몰드를 제거하고 1일 탈형강도 및 28일 강도를 측정하였다.
[실시예]
이하 도 1을 참조하여, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물 제조방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물 제조방법의 설명하는 플로우챠트이다.
(제조예 1) 프리캐스트 콘크리트 구조물의 콘트리트 조성물 제조방법
수쇄 급냉 페로니켈 슬래그를 밀로 분쇄하여 미세 분쇄 처리하여 비표면적이 3,000 내지 8,000 cm2/g이 되게 페로니켈 슬래그 미분말을 제조한다(S10).
고로 슬래그를 밀로 분쇄하여 미세 분쇄 처리하여 비표면적이 6,000 내지7,000cm2/g 정도이 되게 하여 고로 슬래그 미분말을 제조한다(S20).
콘크리트 결합재 100 중량비 당 포틀랜트 시멘트(OPC) 70 중량%, 상기 S10단계에서 얻어진 페로니켈 슬래그 미분말을 5 중량%에서 각 5 중량%씩 상향하여 20 중량%까지 첨가하고, 콘크리트 결합재 100 중량% 당 상기 S20 단계에서 얻어진 고로슬래그 미분말을 10 중량%에서 각 5 중량%씩 상향하여 25 중량%까지 첨가한다(S30).
상기 콘크리트 결합재 100 중량% 당 포틀랜트 시멘트(OPC) 70 중량%에 대하여 페로니켈 슬래그 미분말이 20 중량%인지 판단하고(S40), 페로니켈 슬래그 미분말이 20 중량%이면(S41), 고로슬래그 미분말이 25 중량%인지 판단한다(S50)
상기 페로니켈 슬래그 미분말 또는 고로슬래그 미분말이 각각 20중량%, 25 중량%가 아닌 경우에는 상기 단계 S30를 반복하여, 상기 시멘트 70 중량%에 대해 결합재인 페로니켈 슬래그 또는 고로슬래그의 총합이 30 중량%가 되게 감수제,공기연행제(AE)를 적당량의 물과 균일하게 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하였다(S60).
(시방 배합표 1) : 결합재 100 중량% 당 시멘트(OPC) 70 중량%, 페로니켈 슬래그(GFNS)+고로슬래그(GGBFS) 30중량%
No. Design
Slump
(mm)		 Design
Air
(%)		 W/B
(%)		 S/a
(%)		 Unit weight(kg/m
Figure 112021062582077-pat00001
)		 AD
(x%B)
W Binder Sand Gravel
OPC GFNS FA GGBFS SF
1 150 3.0 40 44 175 440 - 　 - 　 810 1025 0.8
(일반PC 계)
2 286 88 　 44 　 810 1025
3 286 66 　 66 　 810 1025
4 286 44 　 88 　 810 1025
5 286 22 　 110 　 810 1025
시료는 순서에 따라 번호를 매겼으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물들의 압축강도에 대한 결과 값은 아래 [표 6] 및 도 2와 같이 나타내었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물들의 28일 압축강도를 나타내는 그래프이다.
시험체에 대한 압축강도
시험체
　		 지름(MM) 단면적(MM2) 높이(CM) 파괴하중(N) 1일 탈형강도(MPa) 28일 압축강도(MPa)
1 99.5 7794 188 477064 24 61
2 99.98 7879 195 403760 19 51
3 99.94 78.32 189 47080 23 60
4 99.8 7858 190 381220 18 48
5 100.1 7870 194.4 390235 18 49
도 2 및 [표 6]에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물들에 대하여, 강도측정 결과 프리캐스트(PC) 콘크리트의 요구조건인 1일 탈형강도 18 MPa를 충족시켰고, 28일 강도 35MPa도 충분히 만족시키는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물의 외부 환경 저항성, 미세균열 저항성, 및 공극분포도 평가를 위해 동결융해 저항성 시험, 염화물 이온 침투 저항성 시험, 내화학성 시험 등을 진행하였다.
시험체 제작은 압축강도 시험에 적용된 [결합재 100 중량% 대비 시멘트(OPC) 70중량%, 페로니켈 슬래그(GFNS)+고로슬래그(GGBFS) 30 중량%] 로 작성된 콘크리트 시방 배합표를 기준으로 동일하게 배합하여 제작하였다.
동결융해 저항성 시험은 콘크리트 공시체가 동결융해작용으로 인하여 그 강도가 증가, 또는 감소하였을 때의 변화 과정을 측정하여 저항성을 추정하는 방법 중 하나가 상대동탄성계수이다.
시료는 순서에 따라 번호를 매겼으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물들의 상대동탄성계수에 대한 결과 값은 아래 [표 7] 및 도 3과 같이 나타내었다.
[표 7] 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 동결융해 노출 후 점진적인 내부손상 측정을 위해 KS F 2456시험법에 따라 28일 습윤 양생을 마친 5개의 공시체를 챔버 안에 배치하여, 4.4℃~ -17.8℃까지 동결 융해주기를 2 ~ 5시간 1cycle 기준으로 300cycle까지 동결융해 시험을 진행한 후 5개 시험체의 상대동탄성계수를 측정하였으며, 그 결과 값은 아래와 같다.
시험체들의 상대동탄성 계수(%)
시 험 체 명 상대동탄성 계수(%)
1 83
2 90.2
3 89.4
4 88.2
5 87.9
동결융해 저항성 측정결과 콘크리트 결합재로 일반 시멘트만을 사용한 시험체 1은 83%로 나타나 내구열화가 다소 많은 것으로 나타난 반면, 3 성분계를 사용한 시험체 2, 3, 4, 5는 본 발명에서 목표하는 85% 기준을 상회하는 90.2%, 89.4%, 88.2%, 87.9%를 나타내었으며, 시험체 2, 3, 4, 5 순으로 페로니켈 중량이 많은 것으로, 페로니켈 중량이 많을수록 성능이 좋아지는 것으로 나타났다.
염화물 침투 저항성 시험을 통해서 염화물 침투 저항성 뿐만 아니라 간접적으로 내화학성을 판단할 수 있다.
염화물 침투 저항성은 콘크리트의 이온 투과성능을 전기장 상태에서 측정하는 법으로 시편 내 공극의 수밀성을 전하량 투과 정도로 판단하기 위해 KS F 2711시험법에 따라 콘크리트 시험체를 원주형 몰드(Φ100×200)에 제작하여 28일 습윤양생 후 높이가 5cm가 되도록 시편을 절단하여 1 방향 침추가 일어날 수 있도록 측면을 코팅한 다음 24시간 수중에 침지시킨 후 실험을 실시하였다.
콘크리트 양단면은 전하의 원활한 이동을 위해 스테인레스 메쉬를 사용하였고, 3.0% NaCL 용액을 양 끝 챔버에 채운 뒤 콘크리트 시편과 연결하여 측정된 통과 전하량 및 침투깊이를 통해서 염소이온 침투 저항성과 내화학성을 알 수 있다.
시료는 순서에 따라 번호를 매겼으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물들의 전하량 및 침투 깊이에 대한 결과 값은 아래 [표 8] 및 도 4와 같이 나타내었다.
시험체별 전하량 및 침투 깊이
시험체명 시간(sec) Volt Current(mA) Temp.(℃) Coulomb(Q) 침투깊이(M)
1 21600 60 225.6 45.6 3820 0.0203
2 21600 60 154.1 38.7 2787 0.0125
3 21600 60 141.5 36.4 2546 0.016
4 21600 60 162.6 39.7 2922 0.017
5 21600 60 207.1 42.6 3583 0.019
시험 결과 5개의 시편 중 콘크리트 결합재로 일반 시멘트만을 사용한 시험체 1은 염소이온 침투성이 약간 높게 나타났으나, 3성분계를 사용한 시험체 2, 3, 4, 5는 모두 낮은 것을 알 수 있으며, 상기 시험체 2, 3, 4, 5의 페로니켈 슬래그 중량이 시험체 2, 3, 4, 5 순으로 크므로, 페로니켈 슬래그 중량이 클수록 침투깊이는 상대적으로 더 낮게 나타났다.
[표 8] 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물을 이용한 PC 콘트리트 구조물들은 내후성, 내수성, 표면경도 등의 물성도 우수하므로 콘크리트 구조물 제조시 종래방법에 비하여 품질을 더욱 높일 수 있으며, 이에 따라 용배수관 등의 용도나 기타용도로 프리캐스트 제품을 제조할 경우 수명을 높일 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예에 의해 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론, 그와 같은 변경은 첨부된 청구범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 프리캐스트 콘크리트 조성물의 결합재로서 시멘트, 페로니켈 슬래그 미분말 이외에 고로 슬래그 미분말 또는 플라이애쉬의 3성분을 포함하며,
    콘크리트 조성물의 단위체적당 굵은 골재 910~ 1,100kg, 잔골재 730 ~ 880kg, 물 150 ~ 180kg, 결합재 390 ~ 460kg 을 포함하여 물 결합재 비(w/b) 35 ~ 45%, 잔골재율 40 ~ 48% 로 이루어지며,
    상기 결합재는 100 중량%에 대하여 시멘트 50 ~ 80 중량%, 페로니켈 슬래그 미분말 10 ~ 30중량% 에 고로 슬래그 미분말 10 ~ 35 중량% 또는 플라이애쉬 10 ~ 20 중량% 로 혼합되며 혼화제, 공기연행제가 첨가되고,
    상기 페로니켈 슬래그 미분말은 비표면적이 3,000~30,000 ㎠/g의 고밀도를
    갖는 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그 미분말을 사용하며,
    상기 프리캐스트 콘크리트 조성물의 양생온도는 최대 60 - 75 ℃이며, 양생시간이 6 ~ 10 시간으로 1일 탈형강도가 15 Mpa 이상, 재령 28일 강도가 30 Mpa 이상이고,
    재령 28일 압축강도가 35 Mpa ~ 100 Mpa이며,
    상대동탄성 계수(%)가 85% 내지 95%이며, 페로니켈 중량이 커질 수록 상대동탄성 계수가 증가하고,
    염소 이온 저항성 측정방법에 따라 침투깊이 측정시 5cm 두께에 대에 0.0200 m 이하의 염소이온 침투깊이를 나타내는
    인 것을 특징으로 하는 프리캐스트 콘크리트 조성물.
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  6. 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그를 분쇄하여 미세 분쇄 처리하여 페로니켈 슬래그 미분말을 제조하는 단계와,
    고로 슬래그를 분쇄하여 미세 분쇄 처리하여 고로 슬래그 미분말을 제조하는 단계와,
    콘크리트 결합재 100 중량% 당 시멘트 70 중량%에 대하여 상기 페로니켈 슬래그 미분말을 5 중량%에서 각 5 중량%씩 상향하여 첨가하고, 상기 고로슬래그 미분말을 10 중량%에서 각 5 중량%씩 상향하여 첨가하는 단계와,
    상기 페로니켈 슬래그 미분말이 20 중량%인지를 판단하는 단계와
    상기 고로슬래그 미분말이 25 중량%인지를 판단하는 단계와,
    상기 콘크리트 결합재 100 중량% 당 시멘트 70 중량%에 대하여 상기 페로니켈 슬래그 미분말 또는 고로슬래그 미분말이 결합재인 상기 페로니켈 슬래그 또는 고로슬래그의 총합이 30 중량%가 되게 감수제, 공기연행제를 적당량의 물과 균일하게 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하는 단계를 포함하며,
    콘크리트 조성물의 단위체적당 굵은 골재 910~ 1,100kg, 잔골재 730 ~ 880kg, 물 150 ~ 180kg, 결합재 390 ~ 460kg 을 포함하여 물 결합재 비(w/b) 35 ~ 45%, 잔골재율 40 ~ 48% 로 이루어지며,
    상기 페로니켈 슬래그 미분말은 비표면적이 3,000~30,000 ㎠/g의 고밀도를 가지며, 상기 고로 슬래그 미분말은 6,000 내지7,000cm2/g 정도의 비표면적을 가지며,
    상기 콘크리트 조성물의 양생온도는 최대 60 ~ 75 ℃이며, 양생시간은 6 ~ 10 시간으로 1일 탈형강도가 15 Mpa 이상이며,
    재령 28일 압축강도가 35 Mpa ~ 100 Mpa이며,
    상대동탄성 계수(%)가 85% 내지 95%이며,
    염소 이온 저항성 측정방법에 따라 침투깊이 측정시 5cm 두께에 대에 0.0200 m 이하의 염소이온 침투깊이를 나타내는 프리캐스트 콘크리트 구조물의 제조방법.
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KR101965958B1 (ko) 2017-07-05 2019-04-04 주식회사 포스코건설 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 내화학성을 증진한 조립식 pc박스용 콘크리트 조성물

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