KR102392035B1 - 마이크로 유리 분말과 결정질 SiO2 분말을 혼입한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 - Google Patents

마이크로 유리 분말과 결정질 SiO2 분말을 혼입한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트 100 중량부에 대해서, 충전 혼합물 7 중량부 내지 30 중량부, 모래 100 내지 130 중량부, 및 강섬유 15 내지 25 중량부를 포함하고, 상기 충전 혼합물에는 결정질 SiO2 분말 및 마이크로 유리 분말이 혼합된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체를 개시한다.

Description

마이크로 유리 분말과 결정질 SiO2 분말을 혼입한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체{ULTRA_HIGH PERFORMANCE FIBER REINFORCED CEMENTITIOUS COMPOSITES AND MANUFACTURING}
본 발명은 마이크로 유리 분말과 결정질 SiO2 분말을 혼입한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에 관한 것이다.
콘크리트는 경제성 및 내구성이 우수한 건설재료로서 강재와 더불어 콘크리트 구조물의 건설에 널리 사용되고 있다. 그러나 콘크리트는 인장강도와 휨 강도가 작고, 균열이 발생하기 쉬운 본질적인 결합을 가지고 있으며, 또한 최근 고강도 콘크리트의 실용화에 따른 압축강도의 증가로 인해 콘크리트의 취성 파괴(Brittle Failure)가 문제시되고 있다. 이를 해결하기 위해 시멘트 복합체에 강섬유 또는 유기섬유 등 다양한 섬유를 혼합한 섬유보강 콘크리트가 개발되고 있다.
이 중에서도 압축강도가 150MPa 이상을 가지면서도 휨 강도 및 인장 강도가 대폭적으로 향상된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체가 개발되고 있다.
본 발명은 압축강도 및 인장강도를 향상시키는 것이 가능한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 인장 변형률과 인발 저항성능(인발 에너지)을 향상시키는 것이 가능한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체는 시멘트 100 중량부에 대해서, 충전 혼합물 7 중량부 내지 30 중량부, 모래 100 내지 130 중량부, 및 강섬유 15 내지 25 중량부를 포함하고, 상기 충전 혼합물에는 결정질 SiO2 분말 및 마이크로 유리 분말이 혼합될 수 있다.
또한, 상기 충전 혼합물에서 상기 결정질 SiO2 분말과 마이크로 유리 분말은 25 ~ 75 : 75 ~ 25 중량비로 혼합될 수 있다.
또한, 상기 마이크로 유리 분말의 비표면적은 3,500cm2/g 내지 5,000cm2/g일 수 있다.
또한, 상기 마이크로 유리 분말의 직경은 10 μm 내지 100 μm 일 수 있다.
또한, 상기 마이크로 유리 분말은, 시멘트 양생환경에서 일차적으로 소량의 알칼리-실리카 젤을 형성하여 주변 공극을 밀실하게 채우며, 그 후 알칼리 교환 작용에 의해 유익한 칼슘-실리케이트 수화물 젤 (C-S-H 젤)을 형성한다. 이와 같은 효과는 입경이 큰 유리 분말에서는 기대할 수 없으며, 본 발명에서 제안한 입경에서만 이 효과를 기대할 수 있다. 이 알칼리 교환 작용을 촉진시키기 위해서는 공극수 내에 풍부한 수산화칼슘이 존재해야 하는데, 본 발명의 초고성능시멘트 복합체 배합에서는 이러한 환경을 제공하고 있다.
또한, 시멘트 100 중량부에 대해서, 실리카질 미분말 20 내지 30 중량부 및 충전재 1 내지 25 중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압축강도 및 인장강도를 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 인장 변형률과 인발 저항성능(인발 에너지)을 향상시키는 것이 가능하다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 중 결정질 SiO2 분말 및 마이크로 유리 분말의 결정구조를 개략적으로 나타낸 예시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체를 구성하는 입자들의 충진 시, 섬유 주변으로 발생하는 벽 (Wall) 효과를 나타낸 이미지이고,
도 3은 비교예 1에 따른 충전 혼합물에서 결정질 SiO2 분말의 중량비율이 100%인 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 미세구조를 나타낸 이미지이고,
도 4는 비교예 2에 따른 충전 혼합물에서 마이크로 유리 분말의 중량비율이 100% 인 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 미세구조를 나타낸 이미지이고,
도 5는 본 발명 중에서 가장 바람직한 실시 예에 따른 충전 혼합물에서 결정질 SiO2 분말과 마이크로 유리 분말이 50 : 50으로 사용된초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 미세구조를 나타낸 이미지이고,
도 6는 충전 혼합물의 중량비율에 따른 강도 특성을 나타낸 그래프이고,
도 7은 충전 혼합물의 중량비율에 따른 인발 강도 및 인발 에너지 특성을 나타낸 그래프이고,
도 8은 충전 혼합물의 중량비율에 따른 압축 강도 특성을 나타낸 그래프이고,
도 9은 충전 혼합물의 중량비율에 따른 인장 강도 특성을 나타낸 그래프이고,
도 10는 충전 혼합물의 중량비율에 따른 최대 변형률 특성을 나타낸 그래프이고,
도 11은 충전 혼합물의 중량비율에 따른 인장 에너지 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 해당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체는 시멘트 100중량부에 대해 모래 100 내지 130중량부, 강섬유 15 내지 25 중량부, 충전 혼합물 7 중량부 내지 30 중량부, 실리카질 미분말 20 내지 30 중량부 및 충전재 1 내지 25 중량부를 포함할 수 있다.
여기서, 충전 혼합물은 결정질 SiO2 분말 및 마이크로 유리 분말이 혼합되어 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 중 결정질 SiO2 분말 및 마이크로 유리 분말의 구조를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
여기서, 도 1의 (A)에 도시된 바와 같이, 결정질 SiO2 분말은 원자의 배열이 매우 규칙적인 결정질로 이루어진다.
또한, 도 1의 (B)에 도시된 바와 같이, 마이크로 유리 분말은 원자의 배열형태가 일정하지 않은 비정질 구조를 가질 수 있으며, 이는 결정질 SiO2 분말에 비해 시멘트 양생환경에서 수화물 간의 반응성이 높다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 결정질 SiO2 분말 및 마이크로 유리 분말을 통한 다중 입자들의 충진 시, 강섬유 주변에 벽(Wall) 효과로 인한 부가적인 공극이 유발될 수 있다.
여기서, 결정질 SiO2 분말만이 단독으로 혼입된 종래의 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 경우, 위와 같은 부가적인 공극들은 결정질 SiO2 분말의 낮은 반응성으로 인해 개선되기 어렵다. 결과적으로 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 내, 결정질 SiO2 분말 주변에서 다수의 공극이 존재하며, 섬유의 부착강도를 저감시킨다. 그러나, 결정질 SiO2 분말 및 마이크로 유리 분말을 함께 혼합된 시멘트 복합체에서는 시멘트 양생환경에서 높은 반응성을 가지는 마이크로 유리 분말이 일차적으로 알칼리-실리카 젤을 형성한다. 이러한 알칼리-실리카 젤은 모세관 공극을 통해 인접한 공극으로 침투하여 시멘트 복합체의 밀실한 구조를 형성한다. 이후, 알칼리-실리카 젤은 시멘트 페이스트 부분과 알칼리 교환작용을 통해 C-S-H 젤로 변성하고, 밀실해진 시멘트 페이스트와 섬유간의 미세구조는 섬유의 인발저항 강도 및 인장강도를 증진시키게 된다.
상세한 유리 분말 반응에 대한 화학적 메커니즘은 다음과 같다. 유리 분말의 비정질 구조는 하나의 Si 원자와 4개의 O 원자가 결합되어 있다. 이는 화학적으로 실록산이라 불리며, ≡Si-O-Si≡로 표현된다. 시멘트 양생환경에서의 실록산은 수산기이온 (OH-)에 의해 ≡Si-OH의 형태로 존재하며, 추가적인 OH- 이온과의 반응을 통해 다음의 [화학식 1]과 같은 용해과정을 거친다.
[화학식 1]
Figure 112020034770401-pat00001
이후 시멘트 페이스트로 부터의 나트륨 이온 (Na+)과 결합해 다음의 [화학식 2]와 같은 알칼리-실리카 반응이 시작된다.
[화학식 2]
Figure 112020034770401-pat00002
이 과정에서 반응물 내 Na+는 알칼리 교환작용에 의해 칼슘이온 (Ca2+)과 교환되며, 다음의 [화학식 3]과 같은 C-S-H 젤 입자를 형성한다.
[화학식 3]
Figure 112020034770401-pat00003
Ca2+이온과 Na+이온의 알칼리 교환작용이 더딘 경우(반응물 내 Na 성분이 많고, Ca 성분이 낮은 경우)는 알칼리-실리카 젤로 유지되며, 이러한 알칼리-실리카 젤은 점성이 낮아 유동성이 높고, 인접한 공극으로 이동이 가능하기 때문에 시멘트 복합체의 밀실한 구조를 형성할 수 있다. 그러나, 알칼리-실리카 젤은 물을 흡수함에 따라 팽창하는 특성을 가지고 있으며, 심한 경우, 시멘트 복합체 내에서 균열을 유발할 수 있다.
하지만, 활발한 알칼리 교환작용으로 인해 많은 양의 칼슘이온이 결합된 C-S-H 젤은 물 흡수에 따른 팽창성이 적기 때문에 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 기계적인 성능을 개선할 수 있다. 또한 섬유 주변의 밀실한 구조를 유도함에 따라 섬유의 인발 저항성능 및 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 인장강도를 증가시킨다.
유리 분말의 입자 크기는 위 알칼리 교환 작용을 좌우하는 중요한 인자이다. 기존 연구결과에 의하면, 100μm 보다 큰 유리 분말 입자에서는 알칼리-실리카 반응이 지배적이기 때문에, 시멘트 복합체의 손상을 유발한다. 하지만, 100μm 보다 작은 유리 분말 입자는 활발한 알칼리 교환 작용을 통해 시멘트 복합체 내에서 긍정적인 영향을 주는 것으로 확인된다. 즉, 시멘트 입자보다 큰 유리 분말 입자를 사용하는 경우에는 알칼리-실리카 반응의 위험을 가지고 있는 것이다.
한편, 알칼리-실리카 젤 및 C-S-H 젤 생성을 위해서는 Si4+ 이온이 제공되어야 하는 데, 결정질 SiO2 분말은 높은 결정성으로 인해 Si4+ 이온의 용출이 어렵고, 마이크로 유리 분말은 비록, SiO2의 함량이 결정질 SiO2 분말보다 낮지만, 매우 낮은 결정도로 인해 Si4+ 이온 용출이 상대적으로 용이한 장점이 있어, 결정질 SiO2 분말 및 마이크로 유리 분말을 적절히 혼합하는 것이 바람직하다.
한편, 마이크로 유리 분말은 직경이 10 μm 내지 100 μm 인 것이 바람직하다.
여기서, 마이크로 유리 분말의 직경이 10 μm는 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 평균 입경과 유사하며, 마이크로 유리 분말의 직경이 100 μm 초과인 경우는 알칼리-실리카 반응을 유발할 수 있다.
한편, 마이크로 유리 분말은 비표면적은 3,500cm2/g 내지 5,000cm2/g인 것이 바람직하다.
여기서, 마이크로 유리 분말의 비표면적 3,500cm2/g는 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 분말도와 유사하며, 그 미만인 경우는 알칼리-실리카 반응에 의한 시멘트 복합체 손상을 유발할 수 있다. 또한, 마이크로 유리 분말의 비표면적 5,000cm2/g는 시멘트 미립분의 분말도와 유사한 수준이다.
한편, 충전 혼합물에서 결정질 SiO2 분말과 마이크로 유리 분말은 25 ~ 75 : 75 ~ 25 중량비로 혼합될 수 있다.
여기서, 충전 혼합물에서 결정질 SiO2 분말과 마이크로 유리 분말은 50 : 50인 것이 바람직하다.
여기서, 도 3은 충전 혼합물에서 결정질 SiO2 분말이 100%인 비교 예1의 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 미세구조를 나타낸 이미지이다.
여기서, 도 3(b)는 도 3(a)의 (b) 영역을 확대한 확대도이다.
여기서, 충전 혼합물에서 마이크로 유리 분말의 중량 비율이 25% 미만인 경우와 75% 초과인 경우는 물리적 특성을 만족하지 못한다.
마이크로 유리 분말의 중량비율이 25% 미만인 경우는 도 3에 도시된 바와 같이, 강섬유 근처의 공극이 다수 존재하여, 치밀한 구조를 구현하기 어려운 문제가 있다.
또한, 충전 혼합물에서 마이크로 유리 분말의 중량비율이 25% 미만인 경우는 도 7 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 마이크로 유리 분말의 중량비율이 25% 내지 75%의 범위 내인 실시 예에 비해 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 물리적 특성이 상대적으로 부족함을 확인할 수 있다.
특히, 도 7을 참조하면, 충전 혼합물에서 마이크로 유리 분말의 중량비율이 25% 미만인 경우는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에 포함된 강섬유의 인발 저항 성능이 부족함을 확인할 수 있다.
한편, 마이크로 유리 분말의 중량비율이 75% 초과인 경우는 도 4에 도시된 바와 같이 마이크로 유리 분말을 통해 C-S-H 젤이 과다하게 생성됨으로써, 내부에서 다수의 균열을 유발할 수 있는 문제가 있다.
여기서, 도 4는 충전 혼합물에서 결정질 SiO2 분말이 0%이며, 마이크로 유리 분말이 100% 인 비교예2의 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 미세구조를 나타낸 이미지이다.
여기서, 도 4(b)는 도 4(a)의 (b) 영역을 확대한 확대도이다.
또한, 충전 혼합물에서 마이크로 유리 분말의 중량비율이 75% 초과인 경우는 도 7 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 마이크로 유리 분말의 중량비율이 25% 내지 75%의 범위 내인 실시 예에 비해 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 물리적 특성이 상대적으로 부족함을 확인할 수 있다.
특히, 도 7을 참조하면, 충전 혼합물에서 마이크로 유리 분말의 중량비율이 75% 초과인 경우는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에 포함된 강섬유의 인발 저항 성능이 점차 감소함을 확인할 수 있다.
하지만, 도 5에서와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체는 충전 혼합물에서 결정질 SiO2 분말과 마이크로 유리 분말이 25 ~ 75 : 75 ~ 25 중량비로 혼합됨으로써, 비교예 1 및 비교예 2에 비해 약 117% 섬유 인발 강도를 증진시킬 수 있고, 소폭 감소된 인발 성능을 발현하였으나, 요구하는 인장성능을 발현하는데 문제가 없다.또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체는 비교예 1 및 비교예 2에 비해 압축강도는 123%, 일축 인장 강도는 117% 증가됨을 확인할 수 있다. 특히, 최대 인장 변형률과 섬유의 인발 저항성능(인발 에너지)이 각각 150% 및 165% 이상으로 증가됨을 확인할 수 있다. 또한, 이를 제외한 나머지 혼입율 변수들도 종래(비교예 1)의 UHPFRCC(초고성능 섬유보강 시멘트 복합체, Ultra high performance fiber reinforced cement composite)와 유사한 강도를 발현됨을 확인할 수 있다.
여기서, 도 5는 충전 혼합물에서 결정질 SiO2 분말과 마이크로 유리 분말은 50 : 50으로 이루어진 비교예1의 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 미세구조를 나타낸 이미지이다.
여기서, 도 5(b)는 도 5(a)의 (b) 영역을 확대한 확대도이다.
한편, 마이크로 유리 분말은 고형 폐기물로부터 획득 및 제조 가능하다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체를 통해 시멘트 복합체를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
우선, 시멘트 100 중량부, 시멘트 100중량부에 대해 모래 100 내지 130중량부, 충전 혼합물 7 중량부 내지 30 중량부, 실리카질 미분말 20 내지 30 중량부 및 충전재 1 내지 25 중량부를 준비하고, 이를 배합기에 넣어 건식 교반한다.
여기서, 상술한 바와 같이, 충전 혼합물에서 결정질 SiO2 분말과 마이크로 유리 분말은 25 ~ 75 : 75 ~ 25 중량비로 혼합되는 것이 바람직하며, 충전 혼합물에서 결정질 SiO2 분말과 마이크로 유리 분말은 50 : 50인 것이 더욱 바람직하다.
이후, 교반된 혼합체에 배합수 및 감수제를 넣어 습식교반을 한다.
여기서, 습식 교반 시 시멘트 100중량부에 대해 배합수 15 내지 25 중량부 및 감수제 0.01 내지 0.05 중량부를 혼합할 수 있다.
이후, 시멘트 100중량부에 대해 강섬유 15 내지 25 중량부를 점진적으로 혼입하여 섬유의 분산이 이루어지도록 한다.
또한, 마이크로 유리 분말의 알칼리 교환작용을 촉진하기 위해 90℃에서 2일간 습식 양생할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

  1. 시멘트 100 중량부에 대해서, 충전 혼합물 7 중량부 내지 30 중량부, 모래 100 내지 130 중량부, 및 강섬유 15 내지 25 중량부를 포함하고,
    상기 충전 혼합물에는 결정질 SiO2 분말 및 비정질 마이크로 유리 분말이 혼합되고,
    상기 비정질 마이크로 유리 분말은, 알칼리 교환작용을 통해, 칼슘-실리케이트 수화물 젤(C-S-H gel)을 생성하고,
    상기 모래 100 내지 130 중량부와 상기 충전 혼합물 7 중량부 내지 30 중량부는 구별되고,
    시멘트 양생환경에서 높은 반응성을 가지는 상기 마이크로 유리 분말이 일차적으로 알칼리-실리카 젤을 형성하고, 상기 알칼리-실리카 젤은 모세관 공극을 통해 인접한 공극으로 침투하여 시멘트 복합체의 밀실한 구조를 형성하고, 알칼리-실리카 젤은 시멘트 페이스트 부분과 알칼리 교환작용을 통해 C-S-H 젤로 변성되고, 밀실해진 시멘트 페이스트와 섬유간의 미세구조는 섬유의 인발저항 강도 및 인장강도를 증진하는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 충전 혼합물에서 상기 결정질 SiO2 분말과 마이크로 유리 분말은 25 ~ 75 : 75 ~ 25 중량비로 혼합된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 마이크로 유리 분말의 비표면적은 3,500cm2/g 내지 5,000cm2/g인 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 마이크로 유리 분말의 직경은 10 μm 내지 100 μm 인 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체.
  5. 삭제
  6. 제 2항에 있어서,
    시멘트 100 중량부에 대해서, 실리카질 미분말 20 내지 30 중량부를 더 포함하는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체.
KR1020200040629A 2020-04-03 2020-04-03 마이크로 유리 분말과 결정질 SiO2 분말을 혼입한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 KR102392035B1 (ko)

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정지원, 고려대학교 대학원 석사학위논문(2019. 6. 21.) 1부.*

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