KR102578767B1 - 조강형 슬래그 시멘트를 활용한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물 - Google Patents

조강형 슬래그 시멘트를 활용한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트, 골재, 고로슬래그 미분말, 팽창제, 조강제, 증점제를 포함하는 것을 특징으로 하는 조강형 슬래그 시멘트를 활용한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

Description

조강형 슬래그 시멘트를 활용한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물 {Eco-friendly Low-carbon Concrete Composition Using High-early-strength Slag Cement}
본 발명은 시멘트 사용량을 줄여 탄소배출을 저감시키면서도 작업성, 강도, 균열저항성 등의 성능이 확보되어 친환경적이고, 수화열의 조정을 통해 한중 콘크리트, 서중 콘크리트 등 계절에 관계없이 연중 사용이 가능하며 골조 공사, 매스 콘크리트 등 다용도로 사용이 가능한 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
최근 지구온난화에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 온난화의 원인으로 온실가스의 증가에 있다고 보는 견해가 지배적이다.
지구온난화라는 문제에 대해 국내에서도 저탄소 성장을 주도하기 위해 에너지 저소비형 산업구조의 개편, 에너지 사용효율의 극대화 및 CO2 배출저감 등의 환경부하를 최소화하는 지속가능 저탄소 녹색성장, 친환경 주택건설 기준 및 성능을 목표로 하고 있다.
시멘트 산업에서는 석회석(CaCO3)을 주원료로 하여, 시멘트 생산시 높은 소성온도(1450℃)에서 클링커를 제조하게 되는데 시멘트 1톤 생산시 약 0.83톤의 CO2가스가 배출된다. 국내산업에서 총 CO2 배출 중 약 10%를 차지하는 실정이다.
이에 대해 시멘트(클링커)의 사용량을 줄이고자 시멘트의 수화반응과 유사한 잠재수경성과 포졸란반응을 가지는 혼합재가 건설재료로 많이 사용되고 있다. 대표적인 혼합재로서는 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카흄, 메타카올린, 석회석 등이 탄소저감형 재료로서 연구개발 되어 현장에 적용되고 있는 추세이다.
대한민국 특허등록 제1366295호
이에 본 발명에서는 시멘트 사용량을 줄여 탄소배출을 저감시키면서도 작업성, 강도, 균열저항성 등의 성능이 확보되어 친환경적이고, 연중 사용을 위해 한중 콘크리트, 서중 콘크리트 등 계절에 관계없이 사용이 가능하며 골조 공사, 매스 콘크리트 등 다용도로 사용이 가능한 콘크리트 조성물을 제공하고자 함이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 조강형 슬래그 시멘트를 활용한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물(이하, “본 발명의 조성물”이라함)은 시멘트, 골재, 고로슬래그 미분말, 팽창제, 조강제, 증점제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 시멘트는 준조강시멘트 인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 증점제는 카르복시비닐 폴리머인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 팽창제는 폴리메타크릴산으로 표면개질 된 석회석인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 조강제는 비정질 칼슘 알루미네이트 및 프로필렌글라이콜이 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 조강제는 이소스테아르산 및 칼슘 아세틸아세토네이트가 포함되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 조성물은 시멘트 사용량을 줄여 탄소배출을 저감시키면서도 강도, 균열저항성 등 물성이 확보되어 친환경적인 장점이 있다.
또한, 계절에 관계없이 조강성, 작업성 등이 확보되어 연중 사용이 가능하고 골조 공사, 매스 콘크리트 등 다용도로 사용이 가능한 장점이 있다.
도 1은 비교예와 실시예에 대한 압축강도 실험결과를 나타내는 그래프이고,
도 2는 서중기 배합에 따른 비교예와 실시예의 압축강도 실험결과를 나타내는 그래프이고,
도 3은 서중기 콘크리트 배합에 따른 비교예와 실시예의 건조수축 및 탄소발생량에 대한 실험결과를 나타내는 그래프이고,
도 4는 매스 콘크리트용 콘크리트 배합에 따른 비교예와 실시예의 압축강도 실험결과를 나타내는 그래프이고,
도 5는 매스 콘크리트용 콘크리트 배합에 따른 비교예와 실시예의 건조수축 및 탄소발생량에 대한 실험결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 조성물은 시멘트, 골재, 고로슬래그 미분말, 팽창제, 조강제, 증점제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 본 발명의 조성물은 시멘트 100중량부에 대해 골재 300 내지 600중량부, 고로슬래그 미분말 30 내지 150중량부, 팽창제 0.01 내지 1중량부, 조강제 0.01 내지 0.5중량부, 증점제 0.01 내지 0.5중량부를 포함하도록 배합됨이 타당하다.
상기 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트에 준하되 분말도 4,200 내지 4,900㎠/g 범위의 준조강 시멘트인 것을 특징으로 한다.
상기 고로슬래그 미분말은 선철 제조 공정의 부산물인 수재슬래그를 미분쇄한 것으로 시멘트의 장기강도를 높여주고, 수밀성, 내해수성을 증대시키는 역할을 하게 된다.
상기 고로슬래그 미분말은 분말도 2,750 내지 10,000㎠/g, 바람직하게는 4,000 내지 8,000㎠/g 을 사용하는 것이 콘크리트 조성물의 유동성을 유지시키면서 콘크리트 조성물의 강도발현이 저하되지 않아 좋다.
또한 상기 고로슬래그 미분말은 전체 100 중량% 중에서 2 내지 6 중량%의 무수황산(SO3)을 포함하는 것이 좋으며, 바람직하게는 2.5 내지 4 중량% 첨가하는 것이 좋다. 상기 무수황산은 고로슬래그 미분말을 미분쇄할 때 첨가되는 것이며, 보조자극제의 역할을 수행하게 된다.
또한 본 발명의 조성물에는 상기에서 언급한 바는 없으나 굵은 골재와 잔 골재가 더 포함되는데, 상기 굵은 골재는 일반적으로 자갈(gravels)로도 불리며, 당업계에서 일반적으로 사용하는 것이라면 종류에 한정하지 않는다.
상기 굵은 골재는 부순 골재 또는 천연골재를 사용하는 것이 좋으며, 바람직하게는 KS F 2502 또는 KS F 2527을 만족하는 것을 사용하는 것이 좋다.
상기 잔골재는 모래로서 세골재, 거친골재 모두 사용이 가능하다. 상기 미세골재는 4번 체(ASTM C125, 4.75mm)를 거의 완전하게 통과하는 물질이 좋으며, 실리카 모래 등을 사용하는 것이 좋다.
상기 거친 골재는 4번 채(ASTM C125, 4.75mm)에 주로 남아있는 물질, 예를 들어 실리카 모래, 석영, 대리석, 화강암, 석회석, 방해석, 장석, 충적사, 기타 모래 등 다른 내구성 골재 또는 이들의 혼합물이 좋다.
상기 증점제는 카르복시비닐 폴리머인 것을 특징으로 하는 바, 상기 카르복시비닐 폴리머(carboxylvinyl polymer)는 충분한 배합이 이루어진 후에 겔형성이 이루어지도록 하는 것으로, 물에 신속하게 분산되는 한편 즉시 점성을 상승시키는 일이 없고 시멘트 속의 알칼리와 반응하면 점성이 상승하는 성질을 가진다.
바람직하게 상기 카르복시비닐 폴리머의 함량이 너무 낮은 경우에는 증점효과를 기대하기 어렵고, 너무 높은 경우 조기에 고점도의 겔이 형성되어 작업성을 저하시킬 수 있어 상기 범위로 한정하는 것이 타당하다.
한편 준조강 시멘트, 조강제 등에 의해 조기강도 확보에 수반하는 페이스트 수축에 따른 균열 등 다양한 원인에 의한 균열의 제어에 부족함이 있을 수 있는 바, 본 발명의 조성물에는 팽창제가 포함되되, 상기 팽창제는 폴리메타크릴산으로 표면개질 된 석회석인 예가 제시된다.
석회석은 수분을 흡수하여 체적을 팽창시킴에 의해 경화과정에서 페이스트의 수축을 보상하여 균열에 대한 저항성을 향상시키기 위한 것이다.
여기에 더하여 상기 석회석의 표면에 폴리메타크릴산으로 코팅되도록 하여 상기 석회석의 수분흡수 과정에서 나트륨이온 등 양이온만이 선택적으로 흡착되도록 하기 위한 것이다. 즉 석회석의 표면에 음이온 장벽이 형성되도록 함으로써 수분흡수 과정에서 특히 OH-가 흡착되는 것을 제어하기 위한 것이다.
팽창작용만을 위해 석회석만을 첨가하는 경우에는 수분흡수과정에서 양이온은 물론 음이온도 흡착이 되는데, 이 경우 시멘트 수화반응에서 수산화칼슘을 생성하기 위한 OH-가 흡착되어 수화반응을 저해할 수 있으므로 본 발명에서는 폴리메타크릴산에 의한 음이온 장벽이 형성되도록 함으로써 OH-흡착에 의한 강도저하 요인을 제어토록 하는 것이다.
상기 폴리메타크릴산은 음이온성 고분자로서 석회석 표면에 폴리메타크릴이타콘산이 코팅되도록 하는 방법은 (-)전하를 띠는 폴리메타크릴산 수용액에 석회석을 함침시킨 후 건조시켜 제조될 수 있는 것이다.
한편 본 발명의 조성물에 있어 상기 조강제는 비정질 칼슘 알루미네이트 및 프로필렌글라이콜 혼합물인 예가 제시된다.
상기 비정질 칼슘 알루미네이트는 빠른 경화특성을 제공하여, 초조강성을 나타내고, 내식성, 내약품성 및 내화학성을 개선시킴으로써, 염분침투저항성, 동결융해저항성 등의 매우 향상된 내구성을 제공하는 기능을 한다.
그런데 상기 비정질 칼슘 알루미네이트만을 첨가하는 경우 반응속도의 증진에 의해 수분의 조기소진에 따라 건조수축에 의한 균열의 문제가 발생될 수 있다.
이에 본 발명에서는 상기 조강제에 비정질 칼슘 알루미네이트에 더하여 프로필렌글라이콜이 더 첨가되는 예를 제시하고 있다. 상기 프로필렌글라이콜이 첨가됨에 의해 보습성을 향상시켜 비정질 칼슘 알루미네이트의 첨가에도 건조수축에 의한 균열을 제어할 수 있도록 하는 것이다.
이에 더하여 상기 프로필렌글라이콜은 비정질 칼슘 알루미네이트의 첨가에 의해 조기 경화에 따른 작업성 저하의 문제도 해결되도록 한다.
바람직하게 비정질 칼슘 알루미네이트 및 프로필렌글라이콜은 중량비로 (8:2) 내지 (9:1)로 혼합되는 것이 타당하다.
한편 본 발명의 조성물에 있어 상기 조강제는 이소스테아르산 및 칼슘 아세틸아세토네이트 혼합물인 예가 또 제시되고 있다.
상기 이소스테아르산은 저온환경에서 조기강도가 발현되도록 하기 위한 것으로 특히 동절기에도 긴급을 요하는 공사 등에 그 적용성을 높일 수 있게 되는 것이다.
그런데 이소스테아르산만을 첨가하는 경우 저온환경에서 조강성은 확보되나 유동성이 저하되어 시공방해요소로 작용될 수 있는 바, 이에 본 발명에서는 이소스테아르산에 더하여 칼슘 아세틸아세토네이트가 더 첨가되도록 하는 예를 제시하고 있다.
상기 칼슘 아세틸아세토네이트는 저온에서 성형성이 발현되도록 하는 것으로, 상기 이소스테아르산의 첨가에 의해 저온환경에서 시공성이 저하될 수 있는데, 본 발명에서는 조강제로 이소스테아르산에 더하여 칼슘 아세틸아세토네이트가 더 첨가되는 예를 제시하고 있는 것이다.
바람직하게는 이소스테아르산 및 칼슘 아세틸아세토네이트는 중량비로 (8:2) 내지 (9:1)로 혼합됨이 타당하다.
이하 실험예에 의해 본 발명의 실시예를 설명한다.
<보통 포틀랜드 시멘트를 이용한 시료와 본 발명의 실시예를 이용한 시료의 압축강도 실험>
하기 표 1에 도시한 배합으로 비교예 및 실시예 1-1 내지 3에 대한 시료를 제작하였으며, 그 결과가 도 1에 도시되고 있다.
비교예 1은 결합재로 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 것이며, 실시예 1-1은 결합재로 준조강시멘트 및 고로슬래그 미분말을 중량비로 75:25로 배합한 것이고, 실시예 1-2는 결합재로 준조강시멘트 및 고로슬래그 미분말을 중량비로 65:35로 배합한 것이며, 실시예 1-3은 결합재로 준조강시멘트 및 고로슬래그 미분말을 중량비로 55:45로 배합한 것이다.
도 1에서 보는 바와 같이 비교예와 실시예들의 압축강도 측정결과 거의 유사한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다. 즉 시멘트 사용량을 줄이면서도 본 발명의 실시예가 압축강도면에서 유사한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다.
<서중기용 배합에 있어 본 발명의 실시예를 이용한 시료의 압축강도 및 건조수축 실험>
하기 표 2에 도시한 배합으로 비교예 2-1 내지 2 및 실시예 2-1 내지 3에 대한 시료를 제작하였으며, 그 결과가 도 2 및 도 3에 도시되고 있다. 비교예 2-1은 결합재로 보통 포틀랜드 시멘트:고로슬래그 미분말:플라이애쉬가 중량비로 (70:20:10)로 배합된 것이고, 비교예 2-2는 결합재로 보통 포틀랜드 시멘트:슬래그시멘트:플라이애쉬가 중량비로 (50:40:10)로 배합된 것이다.
실시예 2-1은 결합재로 보통 포틀랜드 시멘트:고로슬래그 미분말:플라이애쉬가 중량비로 (59:39:10)로 배합된 것이고, 실시예 2-2는 결합재로 보통 포틀랜드 시멘트:준조강시멘트:고로슬래그 미분말:플라이애쉬가 중량비로 (10:52:28:10)로 배합된 것이며, 실시예 2-3은 결합재로 슬래그시멘트:준조강시멘트:고로슬래그 미분말:플라이애쉬가 중량비로 (30:45:15:10)로 배합된 것이다.
도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 서중기 배합에 있어서도 비교예들과 실시예들에 있어 압축강도는 물론 건조수축에 있어서도 거의 유사한 결과가 도출되는 것을 알 수 있는 반면, 탄소발생량에 있어서는 실시예들이 훨씬 유리한 결과를 도출하고 있는 것을 알 수 있다.
<매스 콘크리트용 배합에 있어 본 발명의 실시예를 이용한 시료의 압축강도 및 건조수축 실험>
하기 표 3에 도시한 배합으로 비교예 3-1 및 실시예 3-1 내지 3에 대한 시료를 제작하였으며, 그 결과가 도 4 및 도 5에 도시되고 있다. 비교예 3-1은 결합재로 보통 포틀랜드 시멘트:고로슬래그 미분말:플라이애쉬가 중량비로 (50:30:20)로 배합된 것이다.
실시예 3-1은 결합재로 준조강시멘트:고로슬래그 미분말:플라이애쉬가 중량비로 (40:40:20)로 배합된 것이며, 실시예 3-2는 결합재로 준조강시멘트:고로슬래그 미분말:플라이애쉬가 중량비로 (36:44:20)로 배합된 것이고, 실시예 3-3은 결합재로 준조강시멘트:고로슬래그 미분말:플라이애쉬가 중량비(32:48:20)로 배합된 것이다.
도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이 매스 콘크리트용 배합에 있어서도 비교예와 실시예들에 있어 압축강도는 물론 건조수축에 있어서도 거의 유사한 결과가 도출되는 것을 알 수 있는 반면, 탄소발생량에 있어서는 실시예들이 훨씬 유리한 결과를 도출하고 있는 것을 알 수 있다.
<첨가제에 따른 실험>
하기와 같이 첨가제를 달리하여 실험을 진행하였으며, 그 결과가 하기 표 4에 도시되고 있다.
-. 실시예 4-1
상기 실시예 1-1과 동일하게 배합하되, 시멘트 100중량부에 대해 팽창제로 석회석 1중량부가 배합되도록 시료를 제작하였다.
-. 실시예 4-2
실시예 4-1과 동일하게 배합하되, 팽창제로 폴리메타크릴산으로 표면개질된 석회석을 사용하였다.
-. 실시예 4-3
실시예 4-2와 동일하게 배합하되, 시멘트 100중량부에 대해 조강제로 비정질 칼슘 알루미네이트 0.09중량부가 배합되도록 시료를 제작하였다.
-. 실시예 4-4
실시예 4-3과 동일하게 배합하되, 조강제로 프로필렌글라이콜 0.01중량부가 더 포함되도록 하였다.
-. 실시예 4-5
실시예 4-2와 동일하게 배합하되, 조강제로 이소스테아르산 0.09중량부가 배합되도록 시료를 제작하였다.
-. 실시예 4-6
실시예 4-5와 동일하게 배합하되, 칼슘 아세토네이트 0.01중량부가 더 포함되도록 하였다.
구분 3일 압축강도
(MPa)		 7일
치수변화율
(X10-6)		 유동성 Flow(㎜) 저온 유동성(0℃)
상온 저온
(0℃)		 초기 60분 초기 60분
실시예 4-1 17 - +410 216 193 - -
실시예 4-2 21 3.3 +420 215 192 193 162
실시예 4-3 24 - +390 201 179 - -
실시예 4-4 24 - +460 218 193 - -
실시예 4-5 20 8.6 +410 214 191 183 145
실시예 4-6 21 8.7 +415 216 191 194 165
압축강도면에서 실시예 4-1보다 실시예 4-2가 더 양호한 결과가 도출되는 것을 알 수 있는데, 이는 실시예 4-2가 팽창제로 폴리메타크릴산으로 표면개질된 석회석을 사용함에 따라 OH-가 흡착되어 수화반응을 저해하는 것을 제어함에 기인한 것으로 판단된다.
압축강도면에서 실시예 4-3 및 실시예 4-4의 경우가 가장 유리한 결과가 도출되는 것을 알 수 있는데 이는 조강제로 비정질 칼슘 알루미네이트의 첨가에 기인함인데 이에 반해 실시예 4-3의 경우 실시예 4-2의 경우보다 균열 및 유동성면에서 불리한 결과가 도출되는 것을 알 수 있다.
이에 실시예 4-4에서 보는 바와 같이 조강제에 프로필렌글라이콜이 더 첨가되도록 하여 조강성을 확보하면서도 건조수축에 대한 저항성 및 작업성이 확보되도록 하는 것이다.
또한 저온에서 압축강도가 실시예 4-5 및 실시예 4-6의 경우가 실시예 4-2의 경우보다 양호한 결과가 도출되는 것을 알 수 있는데, 이는 조강제로 이소아스테르산의 첨가에 의한 조강성 확보에 기인한 것으로 판단된다.
한편 실시예 4-5의 경우보다 실시예 4-6의 경우가 저온 작업성면에서 유리한 것을 알 수 있는데, 이는 실시예 4-5가 이소아스테르산의 첨가에 의해 조강성이 확보됨에 따라 작업성이 저하(실시예 4-2보다도 저하)되는 것을 칼슘 아세토네이트의 더 첨가에 의해 저온에서 작업성이 확보되도록 함에 기인한 것으로 판단된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

Claims (6)

  1. 시멘트, 골재, 고로슬래그 미분말, 팽창제, 조강제, 증점제를 포함하되,
    상기 팽창제는 폴리메타크릴산으로 표면개질된 석회석인 것을 특징으로 하는 조강형 슬래그 시멘트를 활용한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 시멘트는 준조강 시멘트 인 것을 특징으로 하는 조강형 슬래그 시멘트를 활용한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 증점제에는 카르복시비닐 폴리머가 포함되는 것을 특징으로 하는 조강형 슬래그 시멘트를 활용한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 조강제에는,
    비정질 칼슘 알루미네이트 및 프로필렌글라이콜이 포함되는 것을 특징으로 하는 조강형 슬래그 시멘트를 활용한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 조강제에는,
    이소스테아르산 및 칼슘 아세틸아세토네이트가 포함되는 것을 특징으로 하는 조강형 슬래그 시멘트를 활용한 친환경 저탄소 콘크리트 조성물.
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