KR19990017453A - 제올라이트를 혼입한 콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연 제올라이트(비석, 沸石)를 기존의 콘크리트용 혼화재인 실리카 퓸, 플라이 애쉬, 고로슬래그 분말 등을 대체할 수 있는 콘크리트용 혼화재로서 혼입한 콘크리트 조성물을 제공한다.

콘크리트는 골재와 결합재로 이루어지며 콘크리트를 배합할 때 천연 제올라이트를 결합재인 시멘트 중량의 5% 내지 12% 정도를 치환 혼입한 조성물로서 콘크리트를 제조하면 강도, 슬럼프 등 성능이 우수한 콘크리트를 얻는다.

천연 제올라이트를 혼화재로 사용하면 우리나라에 매장량이 풍부하여 경제적인 가격으로 우수한 성능을 가진 콘크리트를 제조할 수 있다.

Description

제올라이트를 혼입한 콘크리트 조성물

발명의 분야

본 발명은 콘크리트의 품질을 개선하기 위한 혼화재로서 천연 제올라이트(Zeolite, 沸 石)를 혼입한 콘크리트 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 콘크리트용 혼화재로서 천연 제올라이트를 가공하여 성질을 개선한 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

발명의 배경

콘크리트의 품질을 개선하기 위한 혼화재로서 종래에는 실리카 퓸(silica fume), 플라이 애쉬(fly ash), 고로 슬래그 미분말 등을 사용하여 왔다. 이들은 주로 콘크리트 결합재 사이의 공극을 메워 콘크리트의 조직을 더욱 밀실하게 형성함으로써 강도를 개선시키고 또한 재료분리에 대한 저항성, 내구성, 수밀성 등을 개선시키는 효과가 높아 콘크리트용 혼화재로서 이용도가 높다.

그러나, 특히 실리카 퓸은 효과가 좋지만 제조하는데 원가가 비쌀 뿐만 아니라 생산량이 충분하기 못하여 일반적으로 널리 사용하기는 어려운 점이 많았다.

한편, 실리카 퓸 등과 같이 시멘트나 석회와 포졸란 반응을 일으키는 천연 제올라이트는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃를 주성분으로 하고 흡착성과 발포성능이 우수한 Alumino-Silicate 광물로서, 이를 시멘트와 혼합하여 수화반응 때 생기는 수산화칼슘과 반응하여 수화물을 생성하는 성질을 갖고 있다.

본 발명은 우리나라에 매장량이 풍부한 자원을 이용한다는 관점에서 최근 공업용 흡착제로 연구대상이 되고 있는 천연 제올라이트를 사용하여 기존의 콘크리트용 혼화재를 대체할 수 있는 혼화재로서의 용도를 개발하게 되었다.

본 발명의 목적은 우리나라에 매장량이 풍부한 천연 제올라이트를 콘크리트용 혼화재로서 사용한 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 천연 제올라이트를 값이 비싼 실리카 퓸을 대신할 수 있는 콘크리트용 혼화재로 사용하여 경제적인 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 천연 제올라이트를 사용하여 성능이 우수한 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 우리나라에 매장량이 풍부한 천연의 제올라이트를 콘크리트용 혼화재로 개발함으로서 우리나라의 자연 자원을 효율적으로 이용할 수 있는 방안을 제공하는 것이다.

발명의 요약

우리나라에 매장량이 풍부한 천연 제올라이트를 기존의 콘크리트용 혼화재인 실리카 퓸, 플라이 애쉬, 고로슬래그 분말 등을 대체할 수 있는 콘크리트용 혼화재로 사용한 콘크리트를 개발한 것이다.

콘크리트는 골재와 결합재로 이루어지며 콘크리트를 배합할 때 천연 제올라이트를 결합재인 시멘트 중량의 5% 내지 12% 정도를 치환 혼입한 조성물로서 콘크리트를 제조하면 강도, 슬럼프 등 성능이 우수한 콘크리트를 얻는다.

발명의 구체예에 대한 상세한 설명

콘크리트는 골재 입자를 결합재인 시멘트풀로 결합시킨 복합재료이며, 시멘트풀은 시멘트의 수화반응에 의해 점진적으로 강도를 발현한다. 좋은 콘크리트란 강도, 내구성 및 경제성을 갖춘 것이라고 말할 수 있지만 대개 강도가 중요한 비중을 차지한다고 할 수 있다.

콘크리트의 강도란 압축, 인장, 휨, 전단, 지압강도, 그리고 철근과 부착강도, 조합응력에 대한 강도, 지속 및 반복하중 하에서 시간과 관련된 강도 등을 포함하지만 압축강도는 다른 강도에 비해 상당히 크고 주로 콘크리트 부재를 설계할 때 압축강도를 주로 사용하고, 압축강도에서 다른 강도를 개략 추정할 수 있으며, 압축강도는 공시체 시험으로 간단히 추정할 수 있기 때문에 콘크리트의 강도 성능을 주로 압축강도 성능을 지칭하게 된다.

콘크리트의 압축강도는 물시멘트비에 의해 또는 시멘트 공극비에 지배된다고 알려져 있으며 물시멘크비설이나 공극설이나 궁극적으로는 콘크리트내에 충진되지 못한 미세공간이 얼마나 있느냐에 지배를 받는다고 할 수 있으며 콘크리트가 파괴되는 과정도 골재와 시멘트풀 사이의 미세 크랙, 시멘트풀 내에서의 균열이 생기고 하중을 받음에 따라 균열이 확산되어 가는 것으로 설명할 수 있다.

콘크리트의 강도를 증진시키기 위해서는 콘크리트 내부에 공극이 가능한 한 줄여야 하며, 공극이 줄어들면 콘크리트의 수축이나 팽창이 구속되고 미세 균열의 발생을 억제하여 결국 콘크리트 강도를 증진시키게 된다.

콘크리트의 내부를 밀실하게 충진하기 위하여 실리카질의 혼화재를 사용하고 있다. 실리카질의 혼합재는 천연이나 인공인 것을 총칭하여 포졸란이라 하고 포졸란 자체는 경화성이 없지만 물이 있는 환경에서 Ca(OH)₂와 반응하여 안정된 불용해성 화합물을 형성하여 공극을 메움으로서 콘크리트의 장단기 강도를 증진시키는데 이를 포졸란 반응이라 한다.

포졸란 재료로서 천연산으로 화산재, 규조토 등이 인공산으로 플라이 애쉬나 실리카 퓸을 사용하여 왔다. 특히 인공 포졸란 재료인 실리카 퓸은 고강도 콘크리트를 제조하기 위하여 자주 사용하지만 제조단가가 비싸고 생산량도 충분하지 못한 단점이 있다. 이에 우리나라에 매장량이 풍부하고 성분도 실리카 퓸과 비슷한 조성을 가진 천연 제올라이트를 실리카 퓸을 대체할 혼화재로 개발하여 이를 혼입한 콘크리트 조성물을 개발하게 되었다.

제올라이트와 실리카 퓸의 화학조성과 비중은 다음 표와 같다.

제올라이트와 실리카 퓸의 화학조성과 비중

[표 1]

실시예

시멘트, 골재, 혼화재, 그리고 고성능 감수제를 배합하였으며 시멘트는 국산 보통 포틀랜트 시멘트 1종을, 잔골재는 조립율이 2.71이며 최대 입경이 4.76mm인 경북 옥성산 강모래를 사용하고, 굵은 골재는 최대 입경이 25mm이고 조립율은 6.74인 쇄석골재를 사용하였다. 그리고 혼화재는 200번체를 통과한 경북 포항산 제올라이트, 오스트리아 산 실리카퓸, 포항제철소에서 발생하는 고로슬래그 미분말을 사용하였고, 고성능 감수제(유동화제)는 나프탈렌 설폰산염계를 사용하였다. 시험에 사용한 배합설계 실시예를 다음 표2에 나타내었다.

배합설계 실시예

[표 2]

실시예의 시험결과

압축강도와 휨강도를 3일, 7일, 28일에 KSF 2405에 따라 50 ton 용량의 유압식 만능시험기를 사용하여 재하하였으며 시험결과는 28일 강도를 정리하였다.

실시예의 압축강도 시험 결과(28일 강도, 단위수량 160)

[표 3]

실시예의 압축강도 시험 결과(28일 강도, 단위수량 170)

[표 4]

실시예의 휨강도 시험 결과(28일 강도, 단위수량 160)

[표 5]

실시예의 휨강도 시험 결과(28일 강도, 단위수량 170)

[표 6]

위 실험 결과를 개관하여 보면 제올라이트를 혼입한 실시예1과 비교실시예1,2,3 그리고 실시예2와 비교실시예 4,5,6을 비교해 볼 때 혼화재를 섞지 않은 보통 콘크리트에 비해서 5%와 10% 치환율에서 강도가 대폭 증진되고 실리카 퓸을 섞은 시험결과(비교실시예2와 5)에는 증가율이 못 미치지만 고로 슬래그를 섞은 시험결과(비교실시예3과 6)보다는 우수한 결과를 보인다. 이 시험 결과에서 적정한 치환율은 5%에서 12% 정도 범위에 있는 것으로 추정할 수 있다.

또한 휨강도 시험에서는 제올라이트를 혼입한 시험결과(실시예 3과 4)가 실리카 퓸(비교실시예 8과 11)이나 고로 슬래그(비교 실시예 9와 12)보다 우수한 휨강도를 보이고 있어 콘크리트의 크랙이 주로 콘크리트의 인장강도가 약하기 때문에 생기는 점을 고려해 볼 때 내구성이 우수한 콘크리트를 생산해 낼 수 있다.

본 실시예의 배합시험에서는 보통 콘크리트에서 결합재인 시멘트의 중량의 일부를 천연 제올라이트로 치환한 것이지만 골재를 천연 또는 인공 경량 골재를 사용하는 경량콘크리트에서 천연 제올라이트를 혼화재로 사용하면 강도의 증진을 가져올 것이며 그 외 강도의 증진과 내구성의 증진을 목적으로 배합되는 콘크리트, 모르터에도 적용할 수 있다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 보호범위를 한정하기 위한 것이 아니며 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 변경하는 것은 본 발명의 보호범위 속하는 것으로 이해되며 본 발명의 구체적인 보호범위는 특허청구범위에 의해 정해 진다.

Claims (5)

1. 가는 골재, 굵은 골재, 시멘트 및 포졸란 혼화재를 배합하여 제조하는 콘크리트에서 상기 포졸란 혼화재로서 천연 제올라이트(비석, 沸石)를 사용하고, 상기 천연 제올라이트는 상기 시멘트 사용량의 5 중량% 내지 12중량%를 치환하여 혼입한 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
2. 제1항에서, 상기 천연 제올라이트를 상기 시멘트 사용량의 5중량% 또는 10중량%를 치환하여 혼입한 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
3. 제1항에서, 상기 천연 제올라이트는 200번 체를 통과한 것을 혼입하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
4. 경량골재, 시멘트 및 포졸란 혼화재를 배합하여 제조하는 경량콘크리트에서, 상기 포졸란 혼화재로서 천연 제올라이트(비석, 沸石)를 사용하고 상기 천연 제올라이트를 상기 시멘트 사용량의 5중량% 또는 12중량%를 치환하여 혼입한 것을 특징으로 하는 경량 콘크리트 조성물.
5. 제4항에서, 상기 천연 제올라이트는 200번 체를 통과한 것을 혼입하는 것을 특징으로 하는 경량 콘크리트 조성물.