KR102392402B1

KR102392402B1 - 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR102392402B1
Application number: KR1020210113221A
Authority: KR
Inventors: 신을호
Original assignee: 삼호콘크리트(주)
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2022-05-02

Abstract

본 발명은 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 골재, 시멘트, 혼화재료, 물 및 수용성 규산혼합물로 이루어진다.
상기의 성분으로 이루어지는 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물은 수용성 규산혼합물이 함유되어 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라, 콘크리트 내부에 개재되는 철근의 부식을 억제하는 효과를 나타낸다.

Description

철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물 {CONCRETE COMPOSITION WITH IMPROVED REINFORCING BAR CORROSION}

본 발명은 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수용성 규산혼합물이 함유되어 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라, 콘크리트 내부에 개재되는 철근의 부식을 억제하는 효과를 나타내는 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 철근은 철근콘크리트 구조물을 시공할 때 콘크리트 속에 보강재 로 넣는 연강 선재로서, 그 구조물에 작용하는 전단, 반복인장 또는 반복하중에 항력을 갖도록 하고 콘크리트 구조물의 균열을 막아서 그 내구성과 수명을 향상시키기 위해 사용된다.

그러나, 철근의 경우 산이나 알칼리 등에 의해 부식이 발생하며, 부식이 발생된 철근은 외력에 대한 저항강도가 저하되고, 반복하중이 계속적으로 작용하는 교량 등의 구조물에서는 부식과 반복되는 하중에 의한 피로현상의 증가로 수명이 쉽게 단축된다.

특히, 철근 콘크리트 구조물이 바닷가, 해양구조물, 교량 및 폐수처리시설 등과 같은 열악한 환경에 놓출되는 경우 그 수명이 급격하게 저하되는 문제점이 있었다.

종래에는 상기의 문제점을 해소하기 위해 철근의 부식을 방지하기 위해 철근의 표면에 에폭시계, 비닐에스테르계, 불소수지계, 아크릴고무계 및 염화고무계 등의 도료를 이용하여 피막을 형성하는 방법이 이용되었는데, 상기의 피막은 유기질계 도료이기 때문에 초기 성능은 우수하지만 열팽창계수나 신장률 등의 변형특성이 철근과 차이가 있으므로 시간이 경과함에 따라 철근의 표면으로부터 탈락되는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같이 도료피막 외에 크롬이나 니켈 등의 금속성분을 첨가하고 알루미늄을 주재료로 하는 금속 혼합물 분말이 함유된 도료로 피막을 형성하는 방법이 이용되고 있으나, 크롬이나 니켈 등이 함유된 도료는 피막형성 과정에서 흘러내림 현상이 쉽게 발생하여 철근의 표면에 균일한 피막을 형성하기 어렵고, 철근의 처리비용이 지나치게 증가하는 문제점이 있었다.

한국특허등록 제10-0503561호(2005.07.15.) 한국특허공개 제10-2006-0116812호(2006.11.15.)

본 발명의 목적은 수용성 규산혼합물이 함유되어 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라, 콘크리트 내부에 개재되는 철근의 부식을 억제하는 효과를 나타내는 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 골재, 시멘트, 혼화재료, 물 및 수용성 규산혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물을 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물은 골재 100 중량부, 시멘트 2 내지 35 중량부, 혼화재료 0.1 내지 12 중량부, 물 3 내지 25 중량부 및 수용성 규산혼합물 0.1 내지 0.5 중량부로 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 수용성 규산 혼합물은 SiO₃, Na₂SiO₃및 Na₂SiO_3·10H₂O로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 수용성 규산혼합물은 규산염 광물을 가열하여 용융하는 가열용융단계, 상기 가열용융단계를 통해 용융된 규산염 광물을 숙성시켜 규산염 결정체를 수득하는 숙성단계, 및 상기 숙성단계를 통해 수득된 규산염 결정체에 정제수를 혼합하고 가열하는 혼합가열단계를 통해 제조되는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 가열용융단계는 규산염 광물을 1500 내지 2000℃의 온도로 10 내지 20시간 동안 가열하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 숙성단계는 10 내지 20일 동안 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 혼합가열단계는 상기 숙성단계를 통해 수득된 규산염 결정체 100 중량부에 정제수 5000 내지 15000 중량부를 혼합하고 500 내지 1000℃의 온도로 가열하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명에 따른 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물은 수용성 규산혼합물이 함유되어 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라, 콘크리트 내부에 개재되는 철근의 부식을 억제하는 효과를 나타내는 콘크리트 조성물을 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에서 사용되는 수용성 규산혼합물의 제조과정을 나타낸 순서도이다.
도 2 내지 3은 본 발명의 제조예 1을 통해 제조된 수용성 규산혼합물을 FE-SEM으로 촬영하여 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 제조예 1 내지 2를 통해 제조된 수용성 규산혼합물과 비교제조예 1을 통해 제조된 지하수의 철근부식성을 측정하여 나타낸 사진이다.

이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물은 골재, 시멘트, 혼화재료, 물 및 수용성 규산혼합물로 이루어지며, 골재 100 중량부, 시멘트 2 내지 35 중량부, 혼화재료 0.1 내지 12 중량부, 물 3 내지 25 중량부 및 수용성 규산혼합물 0.1 내지 0.5 중량부로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 골재는 본 발명에 따른 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물의 주재료가 되는 성분이며, 콘크리트에 기계적 강도를 제공하는 역할을 하는데, 입자크기에 따라 굵은골재와 잔골재로 구분된다.

상기 굵은골재는 5 내지 25mm의 입자크기를 나타내는 천연 자갈과 인공 쇄석으로 구성되고, 상기 잔골재는 5mm 미만의 입자크기를 나타내는 천연 자갈과 인공 쇄석으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 굵은골재와 잔골재는 0.5 내지 3: 1의 중량부, 바람직하게는 1 내지 2: 1의 중량부로 배합되어 사용되는 것이 바람직하다.

상기 시멘트는 2 내지 35 중량부가 함유되며, 석회석을 주원료로 하여 여러 광물질 첨가물과 함께 소성가공 분쇄하여 만들어진 분말형태로 규산삼칼슘의 함유량에 따라 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 저열 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트, 혼합 시멘트 및 특수 시멘트로 나뉘며, 이 중 적어도 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.

시멘트는 물과 반응하여 칼슘 실리케이트 수하물과 수산화칼슘을 생성시키는 수화반응을 일으키고 이를 통해 응결과 경화될 수 있으며, 이때 시멘트 및 물과의 배합비를 조절하여 응결과 경화속도를 적절히 조절할 수 있다. 상기 시멘트의 함량이 2 중량부 미만이면 콘크리트의 압축 강도 발현에 문제가 발생될 수 있고, 상기 시멘트의 함량이 35 중량부를 초과하게 되면 콘크리트의 내구성에 문제가 발생될 수 있다.

상기 혼화재료는 0.1 내지 12 중량부가 함유되며, 콘크리트에 기능을 부가시키기 위해 필요에 따라 첨가하는 물질인데, 일 예로, 시멘트 입자를 분산시켜 단위수량을 감소시키거나 콘크리트 중에 미세기포를 연행시키면서 작업성을 향상시키기 위해 첨가할 수 있다. 이러한 혼합재료는 혼화제와 혼화재로 구분될 수 있다.

상기 혼화제는 그 자체의 용적이 콘크리트의 배합설계시의 용적에 삽입되지 않는 것으로, 대체로 유기계이며, 대표적으로 메토실이 있고, AE 감수제, 유동화제, 고강도용 감수제, 촉진제, 지연제, 급결제, 초지연제, 방수제, 기포제, 발포제 및 접착 증강제 중 용도에 따라 적어도 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 혼화재는 그 자체의 용적이 콘크리트의 배합설계시의 용적에 삽입되는 것으로, 대체로 무기계이며, 고로슬래그미분말, 플라이애쉬, 실리카 흄, 화산재, 규산질 미분말, 광물질 미분말, 석분 및 시멘트팽창제 중 용도에 따라 적어도 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.

상기 혼화재료의 함량이 0.1 중량부 미만이면 시멘트 입자가 제대로 분산되지 못해 단위수량 감소효과가 미비하거나 콘크리트의 압축강도가 저하될 수 있으며, 상기 혼화재료의 함량이 12 중량부를 초과하게 되면 혼화제의 함량 증가에 따른 상승 효과는 그다지 크지 않으면서 콘크리트의 건조수축 현상이 지나치게 증가할 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.

상기 물은 3 내지 25 중량부가 함유되며, 청정하고 유해한 기름, 산, 알칼리나 유기불순물이 포함되지 않은 보통 사람이 마실 수 있는 물이면 사용 가능한데, 상기 물의 함량이 3 중량부 미만이면 콘크리트의 강도는 높아질 수는 있으나 감수제의 함량이 증가되는 문제가 발생될 수 있고, 상기 물의 함량이 25 중량부를 초과하게 되면 콘크리트의 강도가 저하될 수 있으므로 바람직하지 못하다.

상기 수용성 규산혼합물은 0.1 내지 0.5 중량부가 함유되며, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물에 철근 부식성을 낮추는 역할을 하는데, SiO₃, Na₂SiO₃및 Na₂SiO_3·10H₂O로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 수용성 규산혼합물은 규산염 광물을 가열하여 용융하는 가열용융단계(S201), 상기 가열용융단계(S201)를 통해 용융된 규산염 광물을 숙성시켜 규산염 결정체를 수득하는 숙성단계(S203), 및 상기 숙성단계(S203)를 통해 수득된 규산염 결정체에 정제수를 혼합하고 가열하는 혼합가열단계(S205)를 통해 제조된다.

상기 수용성 규산혼합물의 원료물질인 규산염 광물은 규산염으로 이루어진 광물로 규소와 산소가 주성분이며, 여기서 규소(Si, Silicon)는 인체에 필수적인 50여종 중에 가장 중요한 필수 미네랄로 자연 상태에서는 규소만이 독립적으로 존재하지 않고 이산화규소(SiO₂) 상태로 존재하며 규소의 순도가 100%이면 수정이 되고, 그렇지 않으면 석영이 되며, 다른 광물이 많이 함유되면 규석(차돌)이 된다. 물에 녹지 않기 때문에 식용으로 사용이 부적합하므로 산업용으로 사용되는 것이 일반적이다. 이러한 규산염 광물은 결합과 배열상태에 따라 네소 규산염 광물, 소로 규산염 광물, 사이클로 규산염 광물, 이노 규산염 광물, 필로 규산염 광물, 텍토 규산염 광물로 구분될 수 있으며, 본 발명에서는 규산염 광물로 감람석, 석류석, 지르콘, 홍주석, 겔레나이트, 홍렴석, 녹주석, 전기석, 단사휘석, 사방각섬석, 사문석, 카올리나이트, 정장석, 및 사장석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.

상기 규산염 광물은 하기 후술할 가열용융단계(S201) 또는 숙성단계(S203)에 영향을 미치지 않도록 표면에 존재하는 이물질을 흐르는 물에 수차례 수세하여 준비할 수 있다. 또한, 볼 밀(Ball mill), 아크리션 밀(Attrition mill), 제트 밀(Jet mill), 회전밀(Rotary mill) 및 진동 밀(Vibration mill) 중 선택되는 어느 하나의 장비로 분쇄하여 준비하여도 무방하다.

상기 가열용융단계(S201)는 규산염 광물을 1500 내지 2000℃의 온도로 10 내지 20시간 동안 가열하여 이루어지는데, 더욱 상세하게는 규산염 광물을 용광로에서 1500 내지 2000℃, 바람직하게는 1600 내지 1700℃의 온도로 10 내지 20시간, 바람직하게는 12 내지 15 시간 동안 가열하여 액체상태로 용융시키는 단계다.

이때, 상기 가열온도가 1500℃ 미만이면, 규산염 광물이 유동성 및 점성을 갖는 액체상태로 용융되기 어려울 수 있고, 상기 가열온도가 2000℃를 초과하게 되면 과잉 온도 공급에 따른 상승 효과는 그다지 크지 않으며, 에너지 소비량만 증가되므로 바람직하지 못하다.

또한, 가열시간이 10시간 미만이면, 규산염 광물이 충분히 용융되기 어려울 수 있고, 가열시간이 20시간을 초과하게 되면, 필요 이상의 열처리 시간에 따른 상승 효과는 그다지 크지 않으므로 상기에 기재된 가열시간을 유지하는 것이 바람직하다.

상기 숙성단계(S203)는 10 내지 20일 동안 이루어지는데, 상기 가열용융단계(S201)를 통해 용융된 규산염 광물을 10 내지 20일, 바람직하게는 12 내지 15일 동안 숙성시켜 규산염 결정체를 수득하는 단계다.

이때, 상기 숙성시간이 10일 미만이면, 규산염 결정체의 수득이 어렵고, 상기 숙성시간이 20일을 초과하게 되면 입자크기가 규산염 결정체의 입자크기가 1.0 내지 4.0 나노미터로 비대하게 커질 수 있으므로 바람직하지 못하다. 즉, 상기와 같은 숙성시간을 거치게 되면, 거의 기체상태의 물질로 이온화된 0.2 내지 0.6 나노미터의 입자크기를 나타내는 규산염 결정체가 수득된다.

상기 혼합가열단계(S205)는 상기 숙성단계(S203)를 통해 수득된 규산염 결정체를 정제수와 혼합하고 가열하는 단계로, 상기 숙성단계(S203)를 통해 수득된 규산염 결정체 100 중량부에 정제수 5000 내지 15000 중량부를 혼합하고 500 내지 1000℃의 온도로 가열하여 이루어진다.

상기 가열 온도가 500℃ 미만이면 규산염 결정체가 용출되지 않을 수 있고, 상기 가열온도가 1000℃를 초과하게 되면 규산염 결정체가 증발되어 규산염 결정체의 회수율이 저감될 수 있다.

상기와 같은 과정을 통해 제조되는 수용성 규산혼합물은 물에 대한 용해가 90% 이상을 나타낸다.

상기 수용성 규산혼합물의 함량이 0.1 중량부 미만이면 콘크리트의 강도는 향상될 수 있으나 철근 부식성을 낮추는 효과가 미미하며 감수제의 함량이 증가되는 문제가 발생될 수 있고, 상기 수용성 규산혼합물의 함량이 0.5 중량부를 초과하게 되면 철근 부식성은 크게 향상되지 않으면서 콘크리트의 기계적 강도가 저하될 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물의 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 콘크리트 조성물의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.

<제조예 1> 수용성 규산혼합물의 제조

규산염 광물의 표면에 존재하는 이물질을 제거한 후 용광로에서 1650℃의 온도로 13시간 동안 가열하여 용융시킨 후, 용융된 규산염 광물을 13일 동안 숙성시켜 규산염 결정체를 수득하고, 수득된 규산염 결정체 100 중량부를 정제수 10000 중량부와 혼합한 후에 800℃의 온도로 가열하여 액상형태의 수용성 규산혼합물을 제조하였다.

상기 제조예 1을 통해 제조된 수용성 규산혼합물을 FE-SEM으로 촬영하여 아래 도 2 내지 3에 나타내었다. 아래 도 2 내지 3에 나타낸 것처럼, 본 발명의 제조예 1을 통해 제조된 수용성 규산혼합물은 구형의 규소입자가 무질서하게 분포된 비정질 상태인 것을 알 수 있다.

<실시예 1>

물(25℃의 온도에서 pH가 7,2이며, 염소이온양이 22mg/L) 100 중량부에 상기 제조예 1을 통해 제조된 수용성 규산혼합물 3.33 중량부를 혼합하여 수용성 규산혼합물 수용액을 제조하였다.

<실시예 2>

지하수(25℃의 온도에서 pH가 7,2이며, 염소이온양이 22mg/L) 100 중량부에 상기 제조예 1을 통해 제조된 수용성 규산혼합물 2 중량부를 혼합하여 수용성 규산혼합물 수용액을 제조하였다.

<비교예 1>

25℃의 온도에서 pH가 7,2이며, 염소이온양이 22mg/L인 지하수를 준비하였다.

상기 실시예 1 내지 2를 통해 제조된 수용성 규산혼합물 수용액과 상기 비교예 1 지하수의 철근 부식성을 측정하여 아래 도 4에 나타내었다.

{단, 철근 부식성은 상기 실시예 1(H약품-2) 내지 2(H약품-1)를 통해 제조된 수용성 규산혼합물 수용액과 상기 비교예 1(지하수)을 통해 제조된 물에 각각 침지하고 20개월이 경과한 후에 부식발생 여부를 확인하는 방법을 이용하였다.}

아래 도 4에 나타낸 것처럼, 실시예 1 내지 2를 통해 제조된 수용성 규산혼합물 수용액에 침지된 철근은 부식이 발생되지 않은 반면, 비교예 1을 통해 제조된 물에 침지된 철근에서는 부식이 발생된 것을 알 수 있다.

<실시예 3>

포틀랜드 시멘트 514kg, 잔골재 726kg, 굵은골재 939kg, 혼화재(AE감수제) 2.57kg, 물 188kg 및 상기 제조예 1을 통해 제조된 수용성 규산 혼합물 3.8 중량부를 혼합하고 증기양생하여 부식성이 개선된 콘크리트 조성물을 제조하였다.

<실시예 4>

포틀랜드 시멘트 514kg, 잔골재 726kg, 굵은골재 939kg, 혼화재(AE감수제) 2.57kg, 물 188kg 및 상기 제조예 1을 통해 제조된 수용성 규산 혼합물 1.9 중량부를 혼합하고 증기양생하여 부식성이 개선된 콘크리트 조성물을 제조하였다.

<비교예 2>

포틀랜드 시멘트 514kg, 잔골재 726kg, 굵은골재 939kg, 혼화재(AE감수제) 2.57kg 및 물 188kg을 혼합하고 증기 양생하여 콘크리트 조성물을 제조하였다.

상기 실시예 3 내지 4 및 비교예 2를 통해 제조된 콘크리트 조성물의 압축강도를 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.

{단, 압축강도는 가로 10cm×세로 20cm인 공시체를 제작한 후에 2시간 대기 양생 및 12시간 동안 증기양생하고 14일 후에 측정하였으며, 공시체를 압축 시험기에 고정하고, 공시체에 매초(0.6±0.4)MPa로 압축 응력도를 증가시키며 하중을 가하였다. 그리고 공시체가 급변한 변형을 시작한 다음에는 하중을 가하는 속도의 조정을 중지하고 하중을 계속 가하여 공시체가 파괴된 시점에 압축 시험기가 나타내는 최대 하중을 기록하는 방법을 이용하였다.}

상기 표 1에 나타낸 것처럼, 본 발명의 실시예 3 내지 4를 통해 제조된 콘크리트 조성물은 비교예 2를 통해 제조된 콘크리트 조성물에 비해 압축강도가 월등하게 향상되는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물은 수용성 규산혼합물이 함유되어 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라, 콘크리트 내부에 개재되는 철근의 부식을 억제하는 효과를 나타낸다.

S201 ; 가열용융단계
S203 ; 숙성단계
S205 ; 혼합가열단계

Claims

골재 100 중량부, 시멘트 2 내지 35 중량부, 혼화재료 0.1 내지 12 중량부, 물 3 내지 25 중량부 및 수용성 규산혼합물 0.1 내지 0.5 중량부로 이루어지고,
상기 수용성 규산혼합물은 규산염 광물을 가열하여 용융하는 가열용융단계, 상기 가열용융단계를 통해 용융된 규산염 광물을 숙성시켜 규산염 결정체를 수득하는 숙성단계 및 상기 숙성단계를 통해 수득된 규산염 결정체에 정제수를 혼합하고 가열하는 혼합가열단계를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 수용성 규산 혼합물은 SiO₃, Na₂SiO₃및 Na₂SiO₃·10H₂O로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 가열용융단계는 규산염 광물을 1500 내지 2000℃의 온도로 10 내지 20시간 동안 가열하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물.
청구항 1에 있어서,
상기 숙성단계는 10 내지 20일 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물.
청구항 1에 있어서,
상기 혼합가열단계는 상기 숙성단계를 통해 수득된 규산염 결정체 100 중량부에 정제수 5000 내지 15000 중량부를 혼합하고 500 내지 1000℃의 온도로 가열하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철근 부식성이 개선된 콘크리트 조성물.