KR20010045071A

KR20010045071A - 콘크리트

Info

Publication number: KR20010045071A
Application number: KR1019990048190A
Authority: KR
Inventors: 정영수; 배수호
Original assignee: 정영수; 배수호
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2001-06-05

Abstract

본 발명은 폐유리 분말을 이용한 콘크리트로서 강도 및 작업성이 개선된 콘크리트에 관한 것이다. 본 발명은 물, 시멘트 및 골재를 포함하여 배합된 콘크리트에 있어서, 상기 콘크리트에 시멘트량의 일부를 폐유리 분말로 대체하는 것을 특징으로 하는 콘크리트로서, 상기 유리 분말은 0.075 내지 0.04㎜의 입경을 갖도록 하며, 그 성분 함량은 단위시멘트량의 10 내지 15 중량%이면 바람직하다. 본 발명에 따르면, 콘크리트의 역학적 특성, 특히 압축강도, 인장강도 및 휨강도 등이 개선된 폐유리 분말을 이용한 콘크리트를 제공함으로써, 종래의 고가의 실리카흄을 대체할 수 있으며, 방치되거나 회수 및 그 제거를 불완전하게 함으로써, 발생되는 폐유리로 인한 환경오염의 문제의 원인이 되고 있는 폐유리를 산업적 및 경제적인 관점에서 재활용할 수 있다.

Description

콘크리트{Concrete}

본 발명은 콘크리트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 콘크리트에 유리 분말이 혼입되어 강도 및 작업성이 개선된 콘크리트에 관한 것이다.

종래의 콘크리트는 특별한 목적에서는 높은 강도를 필요로 하고 있는 바, 이러한 목적을 달성하기 위해서 그 내부에 실리카흄(silica fume)을 혼입시켜 강도를 개선하고 있다. 그런데, 상기 콘크리트 강도 개선용 실리카흄은 국내에서는 생산되지 않고 있기 때문에, 외국으로부터 전량 수입하고 있다. 따라서, 그 입수가 용이하지 않으며, 그 입수를 위한 구입 가격이 높아 최종 제품인 콘크리트 제조 비용의 상승을 주도하는 일요인이 되고 있다. 즉, 종래에 사용되고 있는 콘크리트 강도 개선용 실리카흄은 경제적인 측면에서 가장 큰 문제점을 안고 있다.

한편, 현재 국내에서는 상당한 양의 유리제품이 생산되고 있으며, 이들이 각각의 용도에 맞게 사용되고 있다. 그런데, 이러한 많은 양의 유리 제품들이 그 용도를 다하여 폐기할 때, 타용도의 원료로서, 예컨대 유리섬유, 그리스 비드, 그라스 타일 및 그라스 블록 등에 일부 재활용되고 있으나, 전체 폐유리의 재활용은 그 정도가 크지 않으며, 상당히 많은 양이 폐유리로서 전량 폐기처리되고 있는 실정이다. 이는 유리병 등의 폐유리에 대한 회수 및 처리 시스템이 완벽하게 구축되지 못한 것에 일원인을 찾을 수도 있지만, 이러한 폐유리를 가공하는 처리 및 재활용 기술이 선진국에 비해 낙후되어 있음에 또 다른 원인을 찾을 수도 있다.

이들 폐유리를 재활용하지 않고 폐기 처리하게 되면 그 비용과 더불어 환경오염이 큰 문제점으로 대두되어 환경 보호 측면에서도 바람직하지 않다.

따라서, 폐유리를 적절하게 처리할 수 있는 방법에 대한 개발이 요청되고 있다. 또한, 종래의 콘크리트 강도 개선을 위해 사용되고 있는 고가의 실리카흄을 대체할 수 있는 대체재료의 개발이 절실히 요구되고 있다.

전술한 콘크리트의 강도 개선을 위해 사용되고 있는 고가의 실리카흄을 대체할 수 있음은 물론, 궁극적으로 환경오염으로 인한 인류의 건강에 영향을 미칠 수 있는 폐유리를 유효하게 처리하고자 함에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제가 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성하기 위해 통상의 유리 및 폐유리의 분말을 콘크리트의 강도 개선을 위한 목적으로 콘크리트의 일성분으로 포함시킴으로써 폐유리를 용이하게 처리하며, 특히 콘크리트의 강도 개선을 상당한 정도로 실현함으로써 고가의 실리카흄을 대체할 수 있는 콘크리트를 제공함을 목적으로 한다.

도 1 및 2는 본 발명에 따른 실시예에 대한 폐유리 분말 혼입율에 따른 고성능 감수제 첨가량을 나타낸 그래프들이다.

도 3 내지 6은 본 발명에 따른 실시예의 콘크리트의 폐유리 혼입율에 따른 압축강도를 나타낸 그래프들이다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 실시예의 콘크리트의 재령에 따른 압축강도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 9 및 10은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 콘크리트의 인장강도와 휨 강도를 각각 나타낸 그래프들이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서는 물, 시멘트 및 골재를 포함하여 배합된 콘크리트에 있어서, 상기 콘크리트에 시멘트량의 일부를 폐유리 분말로 대체하는 것을 특징으로 하는 콘크리트가 제공된다. 이때, 상기 유리 분말은 0.075 내지 0.04㎜의 입경을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하며, 그 성분 함량은 단위시멘트량의 10 내지 15 중량%이면 바람직하다. 이러한 유리 분말의 입경 및 함량은 콘크리트의 강도 개선 효과가 상기와 같은 수치한정 범위외에서보다 현저한 효과를 보이기 때문에 범위를 정하여 한정한 것이지만, 본질적으로 유리 분말을 콘크리트에 함유시키기만 하면 전술한 본 발명의 기술적 과제인 폐유리 처리 및 콘크리트의 강도 개선의 효과는 어느 정도 달성될 수 있다. 또한, 본 발명이 제공하는 콘크리트의 내부에 함유되는 유리 분말은 폐유리를 분쇄하여 제조된 것을 이용하면 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것이 아니며, 통상의 유리를 이용할 수도 있음은 자명하다.

이하, 본 발명을 이해를 돕기 위해서 첨부도면 및 관련 자료(표)를 참조하면서 본 발명에 따른 실시예를 보다 상세하면서도 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 실시예는 물, 시멘트, 골재, 혼화제, 폐유리 분말이 함유된 것으로서, 보통강도 콘크리트와 고강도 콘크리트이다.

먼저, 시멘트는 시중에서 쉽게 구입할 수 있는 보통 포틀랜드 시멘트(한일시멘트)를 사용하였으며, 그 물리적 성질은 하기 표 1과 같다.

본 발명에 따른 실시예에 사용된 폐유리 분말은 콘크리트 내부에서의 포졸란 작용을 고려하여 적정한 입경과 혼입율의 범위를 구하였다. 폐유리의 입경이 작을수록 이를 포함하고 있는 콘크리트의 강도 개선의 효과는 증대되나, 더욱 미세한 분말 형태로 제조하기 위한 별도의 과정이 필요하게 되고, 이로 인한 비용이 더 소모됨으로써 전체적으로 비용 상승이 초래되기 때문에 경제성을 확보할 수 있는 적정한 정도의 입경 범위에 대한 한정이 필요하다.

단위결합재량이 각각 350kg/㎥, 500kg/㎥인 보통강도 및 고강도 콘크리트의 경우, 콘크리트의 압축강도 발현에 가장 유리한 폐유리 분말의 혼입율은 전자가 단위시멘트량의 15 중량%, 후자가 단위시멘트량의 10%중량이고, 이때 혼입되는 폐유리의 분말은 0.075㎜(No. 200체) 내지 0.04㎜(No.400체) 정도의 입경을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 고강도 콘크리트는 재령에 무관하게 폐유리 분말의 혼입율이 단위시멘트량의 5 내지 20 중량% 정도이면 콘크리트의 강도 향상을 이룰 수 있다.

한편, 폐유리의 입경의 크기에 따라 폐유리 분말을 시료 1과 시료 2로 구분하였다. 상기 입경 범위를 갖는 폐유리 분말을 제조하기 위해서는 폐유리를 분쇄기, 예컨대 볼밀(ball mill)로 분쇄한 후, 0.15㎜체(No.100 체)에 90% 이상 통과되지만, 0.075㎜체(No.200체)에는 100% 잔류된 것을 No.100체 크기의 폐유리 분말, 즉 시료 1로 분류하였고, 0.075㎜체(No.200체)에 90% 이상 통과되지만, 0.04㎜체(No.400체)에 100% 잔류된 것을 No.200체 크기의 폐유리 분말, 즉 시료 2로 분류하였다.

이상에서 제조된 폐유리 분말에 함유된 화학성분을 살펴보면 하기 표 2와 같다.

본 발명에 따른 콘크리트에 사용된 골재는 그 크기에 따라 잔골재와 굵은 골재로 구분하였으며, 상기 잔골재로는 낙동강산(경북 안동시) 하천사를 이용하였으며, 상기 굵은 골재는 안동산(경북 안동시) 부순돌을 이용하였다. 이들 골재의 물리적 성질은 하기 표 3 및 4와 같다.

한편, 본 발명에 따른 콘크리트에 사용된 화학 혼화제는 고강도 및 유동화 콘크리트용으로 사용되고 있는 나프탈렌계의 고성능 감수제(경기화학 제품, 표준형)로서, 그 품질 특성은 하기 표 5와 같다.

이상에서 준비된 각 재료들을 혼합하여 제조된 콘크리트 내에 함유된 결합재량이 350kg/㎥인 보통강도 콘크리트와 그것이 500kg/㎥인 고강도 콘크리트 각각에 대해서 폐유리 분말인 시료 1과 2의 함량에 변화를 주면서 콘크리트를 제조하였다.

이때, 시공성 및 강도 특성이 가장 우수한 최적 혼입율을 파악하기 위하여 배합 시험을 하였는데, 보통강도 및 고강도 콘트리트 각각에 대한 플레인 콘크리트의 물과 결합재 간의 비는, 목표 슬럼프를 얻기 위한 단위 수량 및 고성능 감수제 첨가량을 구하여 결정하였으며, 보통강도 및 고강도 콘크리트에 대한 목표 슬럼프 값은 각각 15 ±2㎝, 21 ±2㎝로 하였다. 또한 공기 연행 효과가 없는 고성능 감수제를 사용한 콘크리트의 공기량은 2 내지 3% 정도가 적합한 것으로 알려져 있는 바, 목표 공기량을 2.0 ±0.5%로 설정한 후, 각각의 재료량을 계산하였다.

폐유리 분말을 이용한 보통강도 및 고강도 콘크리트를 제조하고, 그것의 최적 혼입율을 결정하기 위한 콘크리트 공시체(직경 10cm, 높이 20㎝의 원주형)는 콘크리트의 강도시험용 공시체 제작 방법(KS F 2403)에 따라 제조하였으며, 성형 후 24시간 경과하여 몰드를 제거하고 시험 전까지 20 ±3℃의 온도로 습윤양생하였다.

이상과 같은 조건에서, 보통강도 및 고강도 콘크리트에 대하여 폐유리의 입경 크기별로 실시예 1 내지 4로 구분하여 폐유리 분말의 혼입율에 따른 콘크리트의 배합표를 하기 표 6 내지 9에 각각 나타내었다.

이상에서 제조된 본 발명에 따른 콘크리트의 실시예 1 내지 4에 대한 시공성을 다음과 같이 평가하였다.

먼저, 폐유리 분말을 혼입한 보통강도 및 고강도 콘크리트의 시공성은 물과 결합재 간의 비를 플레인 콘크리트와 동일하게 한 후, 목표 슬럼프(보통강도: 15 ±2cm, 고강도: 21 ±2cm)를 얻기 위한 고성능 감수제 첨가량에 따라 평가하였다. 상기, 평가 결과에 대한 이해를 돕기 위해 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 그래프로 나타내었다. 도 1 및 2는 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4에 대한 폐유리 혼입율에 따른 고성능 감수제 첨가량의 변화를 나타낸 그래프들이다. 도 1 및 2로부터 알 수 있듯이, 실시예 1 내지 4 모두, 폐유리 분말의 혼입율이 증가할수록 목표 슬럼프를 얻기 위한 고성능 감수제 첨가량이 감소되어 폐유리 분말 첨가로 인한 시공성의 향상을 이룰 수 있음을 알 수 있다. 이는 유리의 큰 취성으로 인해 분쇄과정시 입자모양이 원형에 가깝게 되기 때문이다. 또한, 동일 배합의 콘크리트의 경우 폐유리의 입경이 작을수록 시공성은 불리한 것으로 나타났지만, 이것은 종래의 콘크리트에 비해서는 향상된 시공성을 갖는다. 폐유리 분말의 입경이 작을수록 즉, 분말도가 클수록 표면적이 커서 수화반응시 혼합수와의 접촉면적이 크기 때문에 시공성이 불리할 수 있다. 따라서, 폐유리 분말의 입경을 너무 미세하게 제조하는 것은 바람직하지 않음을 알 수 있다.

실시예 1 내지 4의 폐유리 분말의 최적 혼입율을 파악하기 위한 콘크리트의 압축강도 시험은 KS F 2405에 따라 재령별(3일, 7일, 28일, 91일)로 하였고, 상기 시험방법에 따른 결과를 하기 표 10에 나타내었다.

한편, 보다 나은 이해를 돕기 위해 상기 표 10의 내용을 도 5 내지 8의 그래프로 나타내었다.

도 3 내지 6은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 콘크리트에 포함된 폐유리 분말의 혼입율에 따른 압축강도를 나타낸 그래프들이다. 상기 도 3내지 6으로부터 알 수 있듯이, 실시예 1은 폐유리 분말의 입경이 No.100체 크기인 시료 1을 이용한 보통강도 콘크리트로서, 이 경우에 혼입율 및 재령에 관계없이 플레인 콘크리트 보다 압축강도가 저하됨을 알 수 있으며, 강도증진 효과가 없는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 2는 폐유리 분말의 입경이 No.200체 크기인 시료 2를 이용한 보통강도 콘크리트로서, 이 경우에 폐유리 분말의 혼입율이 15%인 경우를 제외하면, 재령에 관계없이 플레인 콘크리트의 압축강도 보다 저하되는 것으로 나타났다. 그러나 이때 폐유리 분말의 혼입율이 15%인 경우 설계기준강도로 채택되는 재령 28일의 압축강도는 플레인 콘크리트의 1.09배로, 강도증진 효과가 있음을 알 수 있다.

한편, 실시예 3은 폐유리 분말의 입경이 No.100체 크기인 시료 1을 이용한 고강도 콘크리트로서, 재령에 관계없이 혼입율이 최대 15%까지 증가할수록 압축강도가 증가하는 경향을 보이다가 그 이후로는 감소함을 알 수 있다. 이때, 폐유리 분말의 혼입율이 10 내지 15%인 경우 재령 28일 강도를 기준으로 하였을 때, 플레인 콘크리트에 대한 폐유리 혼입 콘크리트의 강도비는 1.06 내지 1.09로, 강도 증진 효과가 있음을 알 수 있다. 한편, 실시예 4는 폐유리 분말의 입경이 No.200체 크기인 시료 2를 이용한 고강도 콘크리트로서, 실시예 3과 거의 동일한 경향을 보이나, 플레인 콘크리트에 대한 강도 증진비는 크게 증가함을 알 수 있다. 구체적으로, 재령 28일 강도를 기준으로 하였을 때, 플레인 콘크리트에 대한 강도비는 0.98 내지 1.19로 나타났으며, 이때 그 혼입율이 10%인 경우 플레인 콘크리트에 대한 강도비는 1.19로, 현존하는 상업용 혼화재 중, 그 성능이 가장 뛰어난 실리카흄과 대등한 강도 개선 특성이 있음을 알 수 있으며, 이는 폐유리 분말의 화학성분이 70% 이상이 실리카(SiO₂) 성분이기 때문에, 실리카흄과 성분면에서 유사하기 때문에, 이로 인한 포졸란 작용이 강도발현에 기여하는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 콘크리트의 역학적 특성을 파악하기 위해 하기와 같이 압축, 인장, 휨강도 및 탄성계수를 측정하여 하기 표 12에 나타내었다.

먼저, 폐유리 분말을 혼입한 콘크리트의 역학적 특성을 파악하기 위해 압축강도 시험을 상기 실시예 2 중 폐유리 분말 혼입율이 15%인 경우를 실시예 5라 하고, 상기 실시예 4 중 폐유리 분말 혼입율 10%인 경우 실시예 6로 설정하여 하기 표 11에 나타내었으며, 폐유리 분말울 제외한 다른 성분이 동일한 플레인 콘크리트를 상기 실시예 5 및 6에 대응되는 비교예 1 및 2를 각각 설정하였다.

콘크리트의 압축강도 시험은 KS F 2405에 따라 재령별(3일, 7일, 28일, 91일)로 하였으며, 그에 대한 결과는 도 7 및 8에 나타내었다.

또한, 폐유리 분말을 혼입한 콘크리트의 인장 및 휨강도는 콘크리트의 인장 강도 시험 방법(KS F 2423)과 콘크리트의 휨강도 시험 방법(KS F 2407: 단순보의 중앙점 하중법)에 따라 압축 강도 시험의 경우와 마찬가지의 실시예와 비교예를 선정하여, 재령 28일의 콘크리트 각각의 강도를 측정하였다.

한편, 폐유리 분말을 혼입한 콘크리트의 정탄성계수는 콘크리트의 원주 공시체의 정탄성계수 및 포아송비 시험 방법(KS F 2438)에 따라 압축강도 시험의 경우와 마찬가지의 실시예와 비교예를 선정하여, 재령 28일 콘크리트 각각에 대해 측정하였다. 구체적으로는, 선정된 각각의 콘크리트에 대해서 압축강도 시험을 통하여 파괴하중의 40 내지 50% 하중을 미리 계산한 다음, 파괴하중의 60% 정도까지의 하중을 10%씩 차례로 증가시키면서 각각의 종방향 변위를 측정한 후 정탄성계수를 측정하였다.

이상의 방법에 의하여 측정된 압축강도, 인장강도 및 휨강도를 하기 표 12에 나타내었다.

상기 표 12로부터 알 수 있듯이 폐유리 분말을 혼입한 콘크리트의 강도특성은 실시예 5의 보통강도 콘크리트보다는 실시예 6의 고강도 콘크리트의 경우가 더우수하며, 실시예 6의 고강도 콘크리트의 경우는 폐유리의 입경이 작을수록 우수함을 알 수 있다.

또한, 상기 표 12와 도 3 내지 6을 참조하면, 폐유리 분말의 입경이 No.200체 크기인 시료 2를 이용한 실시예 5 및 6의 콘크리트를 재령 28일 강도를 기준으로 하여, 콘크리트에 혼입한 폐유리 분말의 가장 바람직한 혼입율을 찾을 수 있다. 특히, 압축강도 특성만을 고려하는 경우에는 보통강도 콘크리트의 경우 최대 압축강도를 발휘하는 최적 혼입율은 15% 정도임을 알 수 있으며, 고강도 콘크리트의 경우는 10% 정도임을 알 수 있다.

상기 실시예 5의 콘크리트의 경우, 재령 3일의 초기 재령에서부터 재령 91일의 장기 재령까지의 플레인 콘크리트에 대한 압축강도 증진율은 6 내지 16% 정도로 나타났으며, 재령 28일 강도를 기준으로 하였을 때, 비교예 1인 플레인 콘크리트에 대한 강도증진율은 9% 정도이다.

한편, 상기 실시예 6의 콘크리트의 경우, 비교예 2인 플레인 콘크리트에 대한 압축강도 증진율은 전 재령에 걸쳐서 20% 전후로 매우 우수한 강도 특성이 있는 것으로 나타났다. 종래의 강도개선을 위한 목적으로 사용되는 실리카흄이 플레인 콘크리트에 대한 강도비가 1.2 정도라는 것을 고려한다면, 본 발명에서 제시하고 있는 폐유리 분말이 혼입된 콘크리트의 강도 개선 효과는 우수함을 알 수 있다.

도 9 및 10은 폐유리 분말을 혼입한 콘크리트의 인장 및 휨 강도를 나타낸 그래프들이다. 상기 실시예 5 및 6은 이에 각각 대비되는 비교예 1 및 2에 대비한 인장강도비는 각각 1.03 및 1.08로서 그 개선 효과를 알 수 있으며, 상기 실시예 5 및 6은 이에 각각 대비되는 비교예 1 및 2에 대비한 휨강도비는 각각 1.07 및 1.14로서 그 개선 효과를 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 콘크리트의 역학적 특성, 특히 압축강도, 인장강도 및 휨강도 등이 개선된 폐유리 분말을 이용한 콘크리트를 제공함으로써, 종래의 고가의 실리카흄을 대체할 수 있으며, 방치되거나 회수 및 그 제거를 불완전하게 함으로써, 발생되는 폐유리로 인한 환경오염의 문제의 원인이 되고 있는 폐유리를 산업적 및 경제적인 관점에서 재활용할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 강도 개선의 콘크리트 개발은 건설업계에서의 지속적인 관심분야이므로, 본 발명에 따른 폐유리 분말을 이용한 콘크리트의 개발은 콘크리트를 이용한 건설분야의 발전에도 기여할 수 있음은 자명하다.

Claims

물, 시멘트 및 골재를 포함하여 배합된 콘크리트에 있어서,

상기 콘크리트에 시멘트의 일부를 폐유리 분말로 대체하는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
제1항에 있어서,

상기 유리 분말은 0.075 내지 0.04㎜의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
제1항에 있어서,

상기 유리 분말은 단위시멘트량의 10 내지 15 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
제1항 내지 제3항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

상기 유리 분말은 폐유리를 분쇄하여 제조된 것을 특징으로 하는 콘크리트.