KR102566467B1 - 시멘트 복합체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

시멘트 복합체 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

시멘트 복합체가 개시된다. 시멘트 복합체는 결합재와 보강 섬유가 혼합되며, 상기 결합재는 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 고로슬래그미분말 50~100 중량부, 실리카샌드 30~50 중량부, 그리고 감수제 2 내지 6 중량부로 배합되고, 상기 보강 섬유는 상기 시멘트 복합체에 대해 1 내지 3% 체적비로 배합된다.

Description

시멘트 복합체 및 이의 제조 방법{Cementitious composites and method for manufacturing the cementitious composites}
본 발명은 시멘트 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 80 내지 120MPa 압축강도, 7 내지 14MPa 인장강도, 6 내지 9% 변형성능, 그리고 600 내지 800 kJ/m3 에너지흡수성능을 갖는 시멘트 복합체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
초고성능 콘크리트(UHPC)는 구성재료를 미세화하고 시멘트를 포함한 결합재의 물리화학적인 수화반응을 극대화하여 시멘트 매트릭스를 고강도화하며, 여기에 작은 직경 및 큰 길이/직경비(Aspect ratio)를 지닌 섬유(Fiber)를 혼입하여 균열응력에 저항하는 콘크리트이다.
초고성능 콘크리트(UHPC)는 높은 압축강도의 시멘트 매트릭스 구조를 갖는 반면에, 섬유를 혼입하지 않은 상태에서는 높은 인장강도를 지니지 못하고 취성 파괴를 한다. 이에 따라 이러한 초고성능 콘크리트(UHPC)에 섬유(Fiber)를 첨가함으로써, 압축강도와 더불어 인장강도를 증진시킬 수 있으며, 구조체의 파괴거동도 유사연성거동(Pseudo-ductile behavior) 또는 연성거동이 가능하게 할 수 있다.
초고성능 콘크리트(UHPC)에서는 골재와 시멘트 수화물 사이의 계면 확장의 영향을 최소화하고, 초고성능 콘크리트(UHPC)에 사용하는 섬유의 분리저항성을 향상시키기 위하여 굵은골재를 사용하지 않거나 골재의 최대치수를 작게 하고 분체량이 많은 부배합을 사용한다. 그리고 일반 콘크리트와 달리 물-결합재비가 매우 낮고 고분말 충전제 및 혼화제를 혼입하며, 굵은골재도 사용하지 않기 때문에 블리딩(Bleeding) 현상이 발생되지 않고 높은 점성을 갖는다는 특징이 있다.
이러한 이유에서 초고성능 콘크리트는 결합재와 섬유가 균일하게 배합되지 못하는 한계를 가진다.
본 발명은 결합재와 물의 높은 배합 유동성을 확보할 수 있는 시멘트 복합체 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 시멘트 복합체는 결합재와 보강 섬유가 혼합되며, 상기 결합재는 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대하여 고로슬래그미분말 50~100 중량부, 실리카샌드 30~50 중량부, 그리고 감수제 2 내지 6 중량부로 배합되고, 상기 보강 섬유는 상기 시멘트 복합체에 대해 1 내지 3% 체적비로 배합된다.
또한, 상기 시멘트 복합체는 80 내지 120MPa 압축강도, 7 내지 14MPa 인장강도, 6 내지 9% 변형성능, 그리고 600 내지 800 kJ/m3 에너지흡수성능을 가질 수 있다.
또한, 상기 보강 섬유는 폴리에틸렌 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 나일론 섬유, 그리고 폴리프로필렌 섬유 중에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 시멘트 복합체의 제조 방법은 포틀랜드 시멘트, 상기 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대해 고로슬래그미분말 50~100 중량부, 실리카샌드 30~50 중량부, 그리고 감수제 2 내지 6 중량부로 혼합기에 투입하고, 배합하여 결합재를 생성하는 단계; 상기 결합재에 대해 물을 0.16 내지 0.20 중량비로 상기 혼합기에 투입하여 배합하는 단계; 및 보강 섬유를 1 내지 3% 체적비로 상기 혼합기에 투입하고 배합하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 보강 섬유는 폴리에틸렌 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 나일론 섬유, 그리고 폴리프로필렌 섬유 중에서 선택될 수 있다.
본 발명에 의하면, 결합재에 대해 물이 0.16 내지 0.20 중량비로 배합되어 높은 배합 유동성이 확보되고, 폴리머 계열의 보강 섬유가 균일하게 분산됨으로써, 시멘트 복합체는 80 내지 120MPa 압축강도, 7 내지 14MPa 인장강도, 6 내지 9% 변형성능, 그리고 600 내지 800 kJ/m3 에너지흡수성능을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트 복합체의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 상술한 시멘트 복합체의 제조 방법에 따라 제조된 시멘트 복합체의 인장강도와 변형성능을 측정한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 시멘트 복합체를 전자현미경으로 촬영한 이미지를 나타낸다.
도 4는 비교예에 따라 제조된 시멘트 복합체를 전자현미경으로 촬영한 이미지를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 시멘트 복합체는 결합재와 보강 섬유가 배합되어 제공된다.
결합재는 포틀랜드 시멘트, 그리고 포틀랜스 시멘트 100중량부에 대하여 고로슬래그미분말 50~100 중량부, 실리카샌드 30~50 중량부, 그리고 감수제 2 내지 6 중량부로 배합된다.
본 발명에 사용된 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그미분말, 실리카 샌드는 표 1에 나타난 성분을 갖는다.
구분 밀도 (g/cm3) 비표면적
(cm2/g)		 재료성분(%중량비)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O
포틀랜드 시멘트 3.15 3,350 21.01 6.40 3.12 61.33 3.02 2.30 - -
고로슬래그미분말 2.90 4,360 33.00 14.00 0.50 42.00 6.31 2.01 - -
실리카 샌드 2.65 - 99.50 0.08 0.02 0.02 0.02 - - -
보강 섬유는 시멘트 복합체에 대해 1 내지 3% 체적비로 배합된다. 실시 예에 의하면, 보강 섬유는 폴리머 계열의 섬유가 사용될 수 있다. 보강 섬유는 폴리에틸렌 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 나일론 섬유, 그리고 폴리프로필렌 섬유 중에서 선택될 수 있다.
상술한 시멘트 복합체로 시편을 제작하여 평가한 성능은 아래 표 2로 나타난다.
구분 시멘트 복합체 성능
압축강도(Compressive strength, MPa) 80-120
인장강도(Tensile strength, MPa) 7-14
변형성능(Strain capacity, %) 6-9
에너지 흡수성능(Energy absorption capacity, kJ/mm3) 600-800
이하, 상술한 시멘트 복합체의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트 복합체의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 시멘트 복합체의 제조 방법은 결합재를 생성하는 단계(S10), 결합재와 물을 배합하여 혼합재를 생성하는 단계(S20), 보강 섬유를 투입하여 배합하는 단계(S30), 시멘트 복합재를 성형하는 단계(S40), 시멘트 복합재를 1차 양생하는 단계(S50), 그리고 시멘트 복합재를 2차 양생하는 단계(S60)를 포함한다.
결합재를 생성하는 단계(S10)는 포틀랜드 시멘트, 상기 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대해 고로슬래그미분말 50~100 중량부, 실리카샌드 30~50 중량부, 그리고 감수제 2 내지 6 중량부로 혼합기에 투입하고, 건비빔한다.
혼합재를 생성하는 단계(S20)는 혼합기에 물을 투입하여 물과 결합재를 배합하여 혼합재를 제조한다. 물은 결합재에 대해 0.16 내지 0.20 중량비로 혼합기에 투입된다. 상기 물과 결합재의 비율은 적정 수준의 배합 유동성을 확보하여 물과 결합재가 균일하게 배합될 수 있다.
보강 섬유를 투입하여 배합하는 단계(S30)는 혼합기에 보강 섬유를 투입하고, 혼합재와 보강 섬유를 배합한다. 보강 섬유는 시멘트 복합체에 대해 1 내지 3% 체적비로 투입된다.
시멘트 복합재를 성형하는 단계(S40)는 혼합재와 보강 섬유가 배합된 시멘트 복합재를 몰드에 투입하고, 소정 형상으로 성형한다.
시멘트 복합재를 1차 양생하는 단계(S50)는 수분 증발이 최소화되도록 시멘트 복합재를 비닐로 덮고 상온에서 양생한다. 1차 양생은 2~3일 동안 진행될 수 있다.
시멘트 복합재를 2차 양생하는 단계(S60)는 비닐을 제거한 상태에서 상온에서 양생한다. 2차 양생은 20~30일 동안 진행될 수 있다.
도 2는 상술한 시멘트 복합체의 제조 방법에 따라 제조된 시멘트 복합체의 인장강도와 변형성능을 측정한 그래프이다. 제1그래프는 결합재에 대해 물이 0.16중량비로 배합된 시멘트 복합체를 대상으로 측정한 그래프이고, 제2그래프는 결합재에 대해 물이 0.18중량비로 배합된 시멘트 복합체를 대상으로 측정한 그래프이고, 제3그래프는 결합재에 대해 물이 0.20중량비로 배합된 시멘트 복합체를 대상으로 측정한 그래프이다. 제1 내지 제3그래프를 살펴보면, 본 발명에 따라 제조된 시멘트 복합체는 인장강도 7 내지 14MPa, 변형성능 6 내지 9%를 보임을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 시멘트 복합체를 전자현미경으로 촬영한 이미지를 나타내고, 도 4는 비교예에 따라 제조된 시멘트 복합체를 전자현미경으로 촬영한 이미지를 나타낸다. 도 3 및 도 4에서 좌측 이미지 (A)는 시멘트 복합체의 이미지를 나타내고, 우측 이미지 (B)는 시멘트 복합체에 포함된 보강 섬유의 확대 이미지이다. 도 3의 시멘트 복합체는 결합재에 대해 물을 0.18 중량비로 배합하였고, 도 4의 시멘트 복합체는 결합재에 대해 물을 0.22 중량비로 배합하였다.
도 3 및 도 4를 비교해보면, 결합재와 물의 배합비에 따라 시멘트 복합체의 미세구조 발달정도가 확연한 차이를 보인다. 이러한 미세구조의 특성은 우측 이미지 (B)에 보이듯이 인발된 보강 섬유의 표면 손상 형태와 정도에서 명확한 차이를 유발한다. 도 4의 우측 이미지 (B)에서는 시멘트 복합체의 인발 시, 보강 섬유의 표면이 보다 길고 강하게 손상된 모습을 확인할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 결합재와 물의 배합비는 높은 배합 유동성을 확보하여 보강 섬유가 시멘트 복합체 내에 균일하게 배합되어 보강 섬유들 개개의 인발 성능이 강화됨으로써, 우수한 에너지흡수성능을 확보할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 결합재, 보강섬유, 그리고 물이 혼합된 시멘트 복합체에 있어서,
    상기 결합재는 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그미분말, 실리카 샌드, 그리고 감수제로만 구성되고,
    상기 포틀랜드 시멘트는 밀도 3.15g/cm3, 비표면적 3,350cm2/g을 가지고, SiO2 21.01중량%, Al2O3 6.40중량%, Fe2O3 3.12중량%, CaO 61.33중량%, MgO 3.02중량%, SO3 2.30중량%를 포함하고,
    상기 고로슬래그미분말은 밀도 2.90g/cm3, 비표면적 4,360cm2/g을 가지고, SiO2 33.00중량%, Al2O3 14.00중량%, Fe2O3 0.50중량%, CaO 42.00중량%, MgO 6.31중량%, SO3 2.01중량%를 포함하고,
    상기 실리카 샌드는 밀도 2.65g/cm3를 가지고, SiO2 99.50중량%, Al2O3 0.08중량%, Fe2O3 0.02중량%, CaO 0.02중량%, MgO 0.02중량%를 포함하고,
    상기 결합재에 대해 상기 물은 0.16중량비로 혼합되고,
    상기 보강 섬유는 상기 시멘트 복합체에 대해 2% 체적비로 배합되는 시멘트 복합체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강 섬유는 폴리에틸렌 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 나일론 섬유, 그리고 폴리프로필렌 섬유 중에서 선택되는 시멘트 복합체.
  4. 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그미분말, 실리카샌드, 그리고 감수재를 혼합기에 투입하고, 배합하여 결합재를 생성하는 단계;
    상기 결합재에 대해 물을 0.16 중량비로 상기 혼합기에 투입하여 배합하는 단계; 및
    보강 섬유를 2%체적비로 상기 혼합기에 투입하고 배합하는 단계를 포함하되,
    상기 포틀랜드 시멘트는 밀도 3.15g/cm3, 비표면적 3,350cm2/g을 가지고, SiO2 21.01중량%, Al2O3 6.40중량%, Fe2O3 3.12중량%, CaO 61.33중량%, MgO 3.02중량%, SO3 2.30중량%를 포함하고,
    상기 고로슬래그미분말은 밀도 2.90g/cm3, 비표면적 4,360cm2/g을 가지고, SiO2 33.00중량%, Al2O3 14.00중량%, Fe2O3 0.50중량%, CaO 42.00중량%, MgO 6.31중량%, SO3 2.01중량%를 포함하고,
    상기 실리카 샌드는 밀도 2.65g/cm3를 가지고, SiO2 99.50중량%, Al2O3 0.08중량%, Fe2O3 0.02중량%, CaO 0.02중량%, MgO 0.02중량%를 포함하는 시멘트 복합체 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보강 섬유는 폴리에틸렌 섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 나일론 섬유, 그리고 폴리프로필렌 섬유 중에서 선택되는 시멘트 복합체 제조 방법.
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