KR19990011614A - ALC(Autoclaved Lightweight Concrete) Meal을 함유한 경량단열기포콘크리트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온수온돌 바닥구조체의 단열층 재료로 쓰이고 있는 경량단열 기포콘크리트를 제조할 때, ALC(Autoclaved Lightweight Concrete)의 생산과정이나 시공과정에서 발생하는 부산물인 ALC Meal을 잔골재로 첨가하고 시멘트의 일부를 포졸란계 혼화재인 풀라이애쉬(fly ash)로 치환하여 경량단열기포콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것이며, 이렇게 제조된 경량단열기포컨 크리트는 ALC Meal 및 플라이애쉬의 투입효과에 의해 온수온돌 바닥구조체의 단열층의 강도개선, 건조수축에 의한 균열현상의개선 효과가 있다.

Description

[발명의 명칭]

ALC(Autoclaved Lightweight Concrete) Meal을 함유한 경량단열기포콘크리트 및 그 제조방법

[발명의 상세한 설명]

(발명의 분야)

본 발명은 온수온돌 바닥구조체의 단열층 재료로 사용되는 경량단열기포콘크리트에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 기포제와 물을 혼합한 희석액으로부터 발생된 기포를 시멘트 모르터와 혼합하여 프리폼법에 의하여 제조되는 경량단열기포콘크리트에 ALC(Autolaved Lightweight Concrete) Meal을 잔골재로서 첨가하여 단열층의 강도를 개선하고 건조수축에 의한 균열현상을 개선한 경량단열기포콘크리트에 관한 것이다. 본 발명의 경량단열기포콘크리트는 포졸란계 혼화재인 플라이애쉬(fly ash)를 혼입할 수 있다.

(발명의 배경)

경량단열기포콘크리트는 열전도율이 낮은 재료로서 단열성능이 뛰어나 건물의 열효율을 향상시켜 에너지 절약효과를 기대할 수 있으며, 복잡한 형상을 가지는 공간에 골고루 압입할 수 있는 시공상의 이점이 있어 온수온돌 바닥구조체의 단열층으로 많이 사용되고 있다.

경량단열기포콘크리트는 시공성, 경량성, 단열성능에서 온수온돌 바닥구조체 재료로서 적합한 조건을 가지고 있으나, 이에 대한 연구가 미흡하고 이를 적용한 온수온둘 바닥구조체의 시공 또한 숙련공의 기능에 의존하고 있어 재료선택 및 배합이나 시공방법에 일정한 기준이 없는 실정이다. 또한 경량단열기포콘크리트로 시공한 바닥구조체에서 빈번하게 발생하는 여러 가지 하자 사항은 주거환경의 훼손문제와 하자보수에 따른 추가 비용의 문제일 뿐만 아니라 시공업체에 대한 이미지 손실 등 여러 가지 문제점으로 지적되고 있다.

따라서 본 발명자들은 온수온돌 바닥구조체에 사용되고 있는 경량단열기포콘크리트에 대하여 ALC Meal을 잔골재로 첨가하고, 플라이애쉬를 시멘트의 부분 치환재료로 투입하여 성능을 개선한 경량단열기포콘크리트를 개발하게 되었다.

배관매설식 온수온돌난방방식은 축열효과나 바닥충격강도가 양호하고 바닥 슬래브와 일체화되어 있어 안정감이 좋을 뿐만 아니라 공법과 재료가 일반화되어 있다는 장범으로 절리 적용시공되고 있다. 그 구조체는 일반적으로 단열층, 축열층, 마감층으로 이루어지며, 건설회사에 따라 각 구조체의 구조에 차이가 있으며 성능개선을 위해 추가의 부위를 설계에 반영하기도 하고 제외하기도 한다.

온수온돌 바닥구조체 중 경량단열기포콘크리트가 소요되는 구조요소인 단열층은 1973년 에너지 파동 이후 에너지 절약을 위해 국가적 차원에서 의무화된 바 있는데, 그 재료로쏘 주로 스티로폴, 에티론 등의 열반사판, 경량단 열판이나 기능을 병행할 수 있는 경량기포콘크리트 등이 이용되고 있으나, 최근 인건비의 상승과 재료 수급난으로 인해 공동주택의 경우 경량단열기포콘크리트의 이용이 일반화되어 있다. 그러나 경량단열기포콘크리트를 재료로 사용한 온수온돌바닥구조체의 단열층은 취약한 압축강도, 재료의 과다한 건조수축과 흡수율에 따른 균열, 재료의 균질성 부족 등의 원인에 의한 결함이 발생하고 있어 바닥구조체의 주요 하자사항으로 대두되고 있으며 이에 대한 대책이 요구되고 있다.

(발명의 목적)

본 발명의 목적은 바닥구조체의 단열층 재료로 사용되는 콘크리트로서 단열층의 압축 강도를 개선한 경량단열기포콘크리트를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 건조수축에 의한 균열현상을 개선할 수 있는 ALC Meal 이 함유된 경량단열기포콘크리트를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적 또는 기타의 목적들이 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

(발명의 요약)

본 발명의 경량단열기포콘크리트는 기포제와 물을 혼합한 희석액으로부터 발생된 기포를 시멘트 모르터와 혼합하고, 상기 혼합물을 교반하면서 시멘트 대 ALC Meal의 혼합비율이 1 : 0.1~1의범위가 되도록 ALC Meal을 혼합하는 단계로 제조되는 것으로 특징으로 한다. 본 발명의 경량단열기포콘크리트는 상기 ALC Meal의 일부 대신에 플라이애쉬를 혼입할 수 있다.

본 발명의 경량 단열기포콘크리트는 바닥구조체의 단열층 재료로 사용할 때 단열층의 압축강도를 개선할 수 있고 건조수축에 의한 균열현상을 개선할 수 있는 효과를 갖는다.

이하 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.

본 발명의 구체예에 대한 상세한 설명

일반적으로 시멘트 경화체의 수축형태는 경화수축, 건조수축, 탄산화에 의한 수축의 3가지 형태로 나타난다. 경화수축은 수분의 공급없이 수화반응이 진행될 경우 시멘트와 물의 절대 용적의 감소에 의한 수축을 말하며, 이 수화반응을 체적감소반응이라고 한다. 또한 시멘트 수화물의 탄산화에 의하여 체적변화를 일으키게 되는데 이 경우 내부습도에 상응한 수산화석회의 결정에 압력이 가해진 상태에서 탄산화가 있으면 그 결정이 분해하기 때문에 수축이 일어난다. 따라서 상대습도에 따라서 탄산화 수축의 정도는 다르며 또한 장기간에 결쳐서 지속된다. 또한 공기중에서 콘크리트를 양생할 경우 수분의 증발로 인하여 콘크리트가 수축을 일으키게 되는데 이와 같은 겔(gel)수의 유출, 증발에 의한 수축을 건조수축이라고 한다.

일반적으로 경량기포콘크리트의 길이변화는 과다한 건조수축에 의해 나타나게 되는데 이로 인해 경량단열기콘크리트의 균열 발생의 주요 원인이 되고 있으며, 건조수축을 시멘트 페이스트의 수축 정도, 골재의 성질과 함유량, 물시멘트비, 수화도, 오토클레이브 양생, 혼화재료 등의 영향을 받게 되는데 본 발명의 범위에 관계된 영향인자는 골재의 성질과 함유량이다.

골재의 성질이나 함유량이 콘크리트의 건조수축에 미치는 영향은 다음 두 가지 메카니즘으로 설명될 수 있다. 일반적으로 콘크리트에 사용되는 골재의 건조수축은 페이스트의 수축에 비하여 휠씬 작으므로 콘크리트의 수축은 골재혼입율이 증가함에 따라 감소하게 되며, 수축은 탄성 계수에 의존하므로 페이스트의 수축을 구속하는 골재의 강성이 증대하면 콘크리트의 건조 수축은 감소하게 된다. 골재의 강성과 혼입량이 콘크리트의 수축에 미치는 영향에 관하여는 Pickett에 의하여 연구되었으며, 그는 단 하나의 조그맣고 수축하지 않는 골재입자가 콘크리트의 수축에 미치는 영향에 대하여 검토하고 골재 및 콘크리트 부분이 모두 탄성적이라는 가정하에 다음과 같은 식을 산출하였다.

Sc=Sp(1-Va)ⁿ

상기식에서 Sc: 콘크리트의 수축량, Sp: 페이스트의 수축량, Va: 골재의 체적율, 및 n: 콘크리트의 탄성특성에 대한 골재의 탄성특성의 상대량임.

각종 시멘트 수화물의 건조수축율은 다음표와 같으며, 실험에 의하면 경량기포콘크리트의 건도수축율은 비중 0.4~1.0의 범위에서 일반적으로 40~80×10^-4로 비교적 큰 편이지만 첨가함으로써 어느 정도 개선할 수 있는 것으로 알려졌다.

콘크리트가 실제 구조물에 사용되어질 때는 수축은 대부분 구속되며, 이와 같은 구서효과가 콘크리트에 인장응력도를 발생시키며 이 응력도가 콘크리트의 인장강도를 초과하게 되면 균열이 발생한다.

건조수축에 의한 균열은 콘크리트 부재의 표면부와 내부와의 건조속도의 차이에 의하여 발생하는 경우도 있다. 부재내부의 수축이 표면부의 수축보다 작기 때문에 표면부 수축의 일부가 구속된다. 이러한 구속효과에 의하여 표면부에 콘크리트 부재 내부의 압축응력도와 평형을 이루게 되어 인장응력도가 발생하게 된다. 이 인장응력도는 표면에서 최대가 되며 이것이 콘크리트의 인장강도를 초과하면 균열이 발생하게 된다.

균열이 발생한 콘크리트는 균열이 없는 콘크리트에 비하여 강도가 약하고 투과성이 크며 화학적 침식이나 동해의 영향을 받기 쉬우며 또한 단연 및 차음성능을 저하시키고 보강철물이 있는 경우 부식 등의 우려가 크게 된다.

건조수축의 메카니즘에 대한 이론적 고찰을 근거로 경량단열기포콘크리트에 있어서 균열의 발생을 저감시킬 수 있는 방안으로 다음과 같이 가정할 수 있다.

첫째, 가능한한 시멘트량을 적게 함으로써 수축을 저감시킬 수 있다. 이 경우 단위시멘트량을 줄이는데에는 항계가 있으므로 시멘트를 대체할 수 있는 치환재료의 사용을 통해 균열저감효과를 기대할 수 있다.

둘째, 일반적으로 콘크리트에 사용되는 골재의 수축은 페이스트의 수축에 비하여 훨씬 작다. 따라서 경량단열기포콘크리트 중에 시멘트페이스트의 건조수축을 보다 작은 건조수축율을 보이는 골재를 첨가함으로써 건조수축을 저감시킬 수 있다. 이 경우 경량단열기포콘크리트의 기포 안정성을 저해하지 않으며, 비중차에 의한 재료분리의 위험성을 극복할 수 있는 재료를 경량단열기포콘크리트의 골재로 첨가함으로써 경량단열기포콘크리트의 제성능을 저해하지 않는 범위에서 수축저감 효과를 향상시킬 수 있다.

이에 본 발명에서는 이상의 가정을 기초로 하여 경량단열기포콘크리트에 적용성을 가진 재료로써 ALC Mwal과 플라이애쉬를 선택하여 제조과정에 투입함으로써 경량단열기포콘크리트의 성능개선을 모색하게 되었다.

ALC(Autoclaved Lighrweight Concrete)는 발포제에 의하여 콘크리트 내부에 무수한 기포를 독립적으로 분산시켜 중량을 가볍게 한 기포콘크리트의 일종으로 블록형태와 사전에 철근이 보강된 패널형태로 생산되고 있으며, 경량콘크리트의 일반적인 장점인 경량성, 단열성, 내화 및 시공성 등에서 우수한 성능을 보이고 있다. ALC는 석회질, 규산질 원료와 기포제 및 혼화제를 주원료로 물과 혼합하여 슬러지를 만든 후 고온고압(180℃, 10kg/㎠)의 오토클레이브에서 증기양생 과정을 거쳐 구조적으로 안정된 판상구조의 토벌모라이트(Tobermorite) 결정을 이루는 과정으로 제조된다.

일반적으로 ALC는 원료의 분쇄 및 조합, 보강재의 준비, 혼합, 타설, 예비양생 , 탈형 및 절단, 양생의 7단계를 겨쳐 생산되며, 생산 과정 중 절단 공정에 의해 필연적으로 부산물이 발생하게 된다. 또한 비록 규격화된 기성 제품인데도 현장 시공과정에서도 불가피하게 부산물이 발생하게 된다. 생산과정에서 발생하는 부산물은 제조 회사에 따라 일부 재활용하여 생산과정에 재투입되기도 하지만 재투입되는 부산물의 품질이나 양에 따라 완제품의 품질에 영향을 미칠 수 있어 재활용되는 부산물의 양은 극히 소량에 그치고 있다.

견축재료로서 ALC의 사용이 일반화 되면서 ALC 생산량 및 사용량이 증가함에 따라 부산물의 발생량도 증가하고 있으나, 시멘트가 투입되는 제품의 특성상 산업 폐기물로 분류됨으로써 부산물의 처리 문제가 새로운 문제점으로 대두되고 있다. 생산업체에 따라 부산물의 발생량이나 재교량에 차이는 있지만 생산과정에 재투입되는 극히 일부를 제외하면 대부분의 부산물은 매립처리하거나 적치되어 있게 된다.

따라서 ALC 생산과정 중에 발생하는 이러한 부산물을 Meal의 형태로 가공하여, 비교적 고른 입도 분포를 보이는 ALC Meal을 얻게 되는데 이를 건축재료로 재활용한 예는 많지 않으나 콘크리트용 골재로의 사용 가능성은 꾸준히 제기되고 있다. ALC Meal을 잔골재로 사용한 콘크리트의 물성이나 역학적 특성에 관한 기존의 연구는 거의 전무한 실정이나 다공질의 경량재료라는 조건으로 경량단열기포콘크리트용 잔골재로의 적용 가능성은 충분한 것으로 알려져 있다.

일반적으로 경량기포콘크리트는 경량재료로서 단열, 차음성능은 우수하나 강도가 약하며 흡수율이 높고 건조수축에 의한 길이변화율이 큰 것이 단점으로 지적되고 있다. ALC 역시 다공질의 경량재료로서 단열성능이나 차음성능이 우수하며, 배합이나 생산공정의 관리정도에 따라 구조용 부재로 사용할수 있을 정도의 강도를 발현하는 경우도 있다. 특히 고압증기양생 과정을 거치는 공정상의 특성으로 인해 비중이나 강도에 비해 길이 변화율이 작은 장점을 가지고 있다. 따라서 ALC 생산과정 중의 부산물인 ALC Meal 역시 이러한 물성이나 역학적 특성을 어느 정도 가질 것으로 예상할 수 있다.

이러한 ALC Meal을 경량기포콘크리트의 잔골재로 첨가함으로써 경량기포콘크리트의 압축강도 개선효과가 나타났으며, 특히 ALC Meal 을 첨가함으로 단위시멘트량의 저감효과와 함께 경량단열기포콘크리트에 비해 상대적으로 작은 길이변화율을 보이는 ALC Meal의 건조수축 구속효과가 나타나게 된다.

플라이애쉬란 화력발전소 등에서 비분탄을 약 1,400~1,500℃의 고온으로 소각시켰을 때 용해되어 연소 보일러의 연도가스로부터 전기식 및 기계식 접진장치로 포집한 재를 이르며, 화산재와 성질이 같은 물질로서 매우 미세한 분말상태이다. 주성분은 규사이고 입자모양은 구형이며, 천연포졸란(Pozzolan)과 같은 특성을 가지므로 인공 포졸란 또는 현대적인 화산재라고도 하며, 그 자체는 수경성이 없으나 실리카성분이 석회와 시멘트의 수화생 성물인 수산화칼슘과 상온에서 서서히 반응을 일으켜 안정된 수용성 화합물을 생성하여 경화하는 성질을 가지고 있다. 주성분으로서는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃등이며, 미량의 K, P, B, Co, Mo, Mg 등도 함유되어 있다.

플라이애쉬르 콘크리트에 사용하기 위한 착상은 1914년 미국에서 시작되어 최근 들어 댐과 같은 부패가 큰 매스 콘크리트나 그 외 수리구조물 등에 시멘트의 혼화재료로 사용하는 정도에 불과하였으나, 플라이애쉬를 혼입한 콘크리트의 제성질에 관한 연구성과와 사용실적이 많아지면서, 점차로 그 사용범위와 용도가 확대되었다.

본 발명의 경량단열기포콘크리트는 종래의 경량단열기포콘크리트를 제조하기 위하여 사용되던 기포제와 물을 혼합한 회석액을 기포발생장치에 투입하여 기포를 발생시키며, 발생된 기포를 시멘트 모르터와 혼합하고, 상기 혼합물을 교반하면서 시멘트 대 ALC Meal의 혼합비율이 1 : 0.1~1의 범위가 되도록 ALC Meal을 혼합함으로써 제조된다. 본 발명의 경량단열기포콘크리트는 상기 ALC Meal의 일부 대신에 플라이애쉬를 ALC Meal 과 함께 혼합할 수 있다.

일반적으로 플라이애쉬를 사용한 콘크리트에서 플라이애쉬는 단위수량을 감소시켜 콘크리트의 워커빌리티(workability)를 개선시키며, 시멘트의 일부로 치환하여 사용하면 수화열 감소효과가 있으며, 콘크리트의 장기강도를 현저히 향상시키는 것으로 알려져 있다. 플라이애쉬는 시멘트 중량의 10%에 서 100%까지 범위에서 사용한다. 또한 플라이애쉬를 사용함으로써 장기재령에서의 콘크리트의 수밀성을 현저히 향상시키며, 특히 시멘트의 일부를 플라이애쉬로 치환함으로써 콘크리트의 건조수축을 저감시킬 수 있는 것으로 알려져 있으며, 경량단열기포콘크리트에 있어서도 그 효과를 나타내고 있다.

이상의 효과를 가진 ALC Meal과 플라이애쉬를 경량단열기포콘크리트의 제조과정에 투입함으로써 경량단열기포콘크리트의 압축강도 개선효과의 건조수축 개선효과를 얻을 수 있었다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

(실시예 1)

기포제와 물을 혼합한 회석액을 기포발생장치에 투입하여 기포를 생산하고, 생산된 기포를 시멘트 모르터와 혼합하였다. 상기 혼합물을 교반하면서 시멘트 대 ALC Meal 의 혼합비율이 1 : 0.5가 되도록 ALC Meal과 소량의 플라이애쉬를 혼합하였다. 이때 사용한 ALC MEAL은 잔골재로서 입경을 확보하기 위하여 #8 표준체(2.38㎜)를 통과하는것을 사용하였다. 여기서 제조된 경량단열기포콘크리트의 기포율은 65%이었으며, 물성을 측정하여 하기 표1에 나타내었다.

(실시예 2)

시멘트 대 ALC Meal의 혼합비율은 1 : 1이 되도록 ALC Meal을 혼합하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 경량단열기포콘크리트를 제조하였다. 이 실시예에서의 기포율은 65%이었으며, 물성을 측정하여 하기 표1에 나타내었다.

비교실시예 1

기포제와 물을 혼합한 회석액을 기포발생장치에 투입하여 기포를 생산하고, 생산된 기포를 시멘트 모르터와 혼합하는 프리폼법에 의하여 종래의 경량단열기포콘크리트를 제조하였다. 여기서 제조된 경량단열기포콘크리트의 기포율은 65%이었으며, 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

[표 1]

물성측정:

겉보기비중의 평균 : KS F 2459에 의하여 측정하였다.

압축상도의 평균 : KS F 2460에 의하여 측정하였다.

길이변화율의 평균(×10^-4) : KS F 2424 에 의하여 측정하였다.

상기 실시예를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 경량단열기포콘크리트는 ALC Meal 첨가율의 증가에 따라 곁보기비중이 증가하고 있는데 이는 경량단열기콘크리트의 겉보기비중에 비해 더 큰 비중을 갖는 ALC Meal의 첨가에 따라 예상할 수 있는 결과이나 이는 본 발명의 경량단열기포콘크리트의 경량성을 훼손할 정도의 수준은 아니다. 또한 ALC Meal을 첨가함에 따라 압축강도가 향상하는 것을 확인할 수 있으나 ALC Meal 첨가율 100%의 경우 50%의 경우에 비해 오히려 약간의 압축강도 저하현상을 보이는데 이는 압축강도의 개선을 위한 ALC Meal의 첨가에는 적정 수준이 있음을 나타내는 결과라 할 수 있으며, ALC Meal 첨가율의 증가에 따라 길이변화율의 감소를 확인할 수 있는데 이는 앞서 전술한 ALC Meal의 건조수축 구속효과라 할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다

Claims (8)

1. 온수온돌 바닥구조체의 단열층을 구성하는 경량단열기포콘크리트를 제조함에 있어서, 기포제와 물을 혼합한 회석액을 기포발생장치에 투입하여 기포를 생산하고, 생산된 기포를 시멘트 모르터와 혼합하고, 상기 혼합물을 교반하면서 시멘트 대 ALC Meal의 혼합비율이 1 : 0.1~1의 범위가 되도록 ALC MEAL을 혼합하는 것을 특징으로 하는 압축강도가 증가되고 건조수축에 의한 균열현상이 개선된 경량단열기포콘크리트의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 ALC Meal의 입경은 3㎜이하인 것을 특징으로 하는 경량단열기포콘크리트의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 ALC Meal의 일부 대신에 플라이애쉬가 사용되는 것을 특징으로하는 경량단열기포콘크리트의 제조방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 플라이애쉬의 사용량이 시멘트사용량의 10%내지 100%인 것을 특징으로 하는 경량단열기포콘크리트의 제조방법.
5. 기포제와 물을 혼합한 회석액으로부터 발생된 기포와 시멘트 모르터의 혼합물에 시멘트 대 ALC Meal의 혼합비율이 1 : 0.1~1의 범위가 되도록 ALC Meal을 함유하는 것을 특징으로 하는 압축강도가 증가되고 건조수축에 의한 균열현상이 개선된 경량단열기포콘크리트.
6. 제 5항에 있어서, 상기 ALC Meal의 입경은 3㎜이하인 것을 특징으로 하는 경량단열기포콘크리트.
7. 제 5항에 있어서, 상기 ALC Meal의 일부 대신에 플라이애쉬를 혼입하는 것을 특징으로 하는 경량단열기포콘크리트.
8. 제 7항에 있어서, 상기 플라이애쉬의 사용량이 시멘트 사용량의 10%내지 100%인 것을 특징으로 하는 경량단열기포콘크리트.