KR20010069698A - 고로슬래그를 사용한 투수성 콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제철공정에서 부산물로 생성되는 고로슬래그를 재활용하여 투수성 콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것으로 고로슬래그를 사용한 콘크리트는 천연골재를 사용한 경우에 비하여 강도가 저하하는 약점을 보완하기 위하여 감수성능이 우수한 고성능 AE감수제를 적정량 사용하여 단위수량을 줄임으로써 재령 28일의 압축강도 140 ~ 250 kgf/㎠ 및 높은 내구성을 가지며 투수계수 0.1 cm/sec 이상인 투수성 콘크리트 조성물을 경제적으로 제공하는데 그 목적이 있다. 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 투수콘크리트 1㎥당 물 90 내지 100kg, 물-시멘트비가 25 내지 35중량%, 고성능 AE감수제를 시멘트에 대하여 0.5 내지 2.0중량%, 착색재(着色材)를 시멘트에 대하여 2 내지 5중량% 및 최대치수 13mm, 또는 10mm 골재 1400 내지 1650kg으로 구성하되 골재량은 고로슬래그를 일정량 또는 전량을 사용하며 시멘트량은 고로슬래그 미분말을 일정량 대체하여 사용하는 것을 특징으로 하는 고로슬래그를 사용한 투수성 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

Description

고로슬래그를 사용한 투수성 콘크리트 조성물{A water-permeable concrete composition utilizing blast furnace slag}

본 발명은 제철공장에서 부산물로 생성되는 고로슬래그를 사용하여 도로, 주차장 등 넓은 면적을 가지는 포장용 투수성 시멘트 콘크리트 조성물의 제조에 관한 것이다.

도로의 포장에는 불투수성인 아스팔트 포장과 콘크리트 포장이 주로 사용되고 있다. 그러나 불투수성 포장체들은 강우시, 배수시설이 없거나 배수가 완벽하지 못한 경우 물이 잘 빠지지 못하고 도로표면에 고임으로써 통행에 지장을 초래하며 미끄럼 저항성이 떨어지는 단점이 있다. 또한 물을 땅속에 침투시키지 못하고 포장체 표면으로 흐르게 하여 하수관과 하천 등으로 흘러 들어가면서 지하수가 고갈되고 폭우시 하천에의 물의 유입이 가속화됨에 따라 하천의 범람을 일으키며, 땅 속에 미생물이 서식하지 못하여 가로수가 잘 자라지 못하는 등 자연환경의 측면에서 여러가지 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법으로 투수성 포장에 대한 관심을 갖고 1980년대부터 선진 외국에서는 투수성 아스팔트를 개발하여 보도를 중심으로 한 생활관련도로, 광장 및 주차장 등의 포장에 사용하고 있다. 그러나 투수성 아스팔트 포장은 여름철에 노면의 온도가 상승할 때 노면이 변형되어 투수기능이 상실되는 단점이 있기 때문에 투수성 콘크리트가 개발되게 되었고 현재는 주로 사람이 통행하는 보도, 자전거 도로나 주차장 등에 이용되고 있다.

투수성 콘크리트는 물이 투과할 수 있도록 하기 위하여 연속된 공극을 갖는 다공성 콘크리트로 제조되며, 일정 크기의 굵은 골재를 사용한다. 콘크리트의 강도는 공극률의 증가에 비례하여 작아지며 반대로 투수성은 공극률에 비례하여 증가된다. 이에 따라 적절한 수준의 투수성과 강도를 가지는 투수성 콘크리트를 제조하기 위한 연구가 활발히 진행되었다. 예로서 대한민국 공고 특허 제 90-4390호에서는 물 116kg/㎥, 시멘트 292kg/㎥, 잔골재 87kg/㎥, 굵은골재 1690kg/㎥, 안료 7kg/㎥, 혼화제 0.58kg/㎥로 혼합한 투수성 콘크리트를 제공하였고, 동 제 91-6894호에서는 콘크리트 1㎥ 당 300내지 400kg 의 포틀랜드시멘트, 시멘트 1 중량부에 대해 0.005 내지 0.1 중량부의 바인더와 0.35 내지 0.45중량부의 물 및 잔부를 이루는 골재로 이루어진 투수성 콘크리트를 제공하였으며, 대한민국 공개 특허 제 97 - 21018호에서는 물 120 내지 130kg/㎥, 시멘트 270 내지 340kg/㎥, 6 내지 10mm 크기의 골재 1530 내지 1920kg/㎥, 안료 14 내지 20kg/㎥에 지연제를 시멘트 사용량의 0.3% 이내로 혼합한 투수성 콘크리트를 제공하였다.

한편 미국 특허 제 4,333,765호 에서는 염분이 있는 물을 사용하고 실리콘 다이옥사이드로 도포된 굵은 골재를 시멘트와 혼합함으로써 깨끗한 물을 사용하지않고 투수성 콘크리트를 제조함으로써 자원을 효율적으로 사용하는 기술을 제시하였다.

그러나 이들 기술은 굵은 골재로서 모두 하천이나 석산에서 채취한 골재 등 천연골재를 대상으로 한 것으로 해마다 많은 건설공사가 진행됨에 따라 콘크리트의 사용량의 증가와 더불어 이의 제조를 위한 골재자원이 고갈되고 있다. 그래서 이미 강모래와 강자갈은 거의 고갈되었으며, 석산의 골재채취도 자연보호 등의 이유로 제한되고 있기 때문에 폐자원의 사용 등 대체 골재의 개발이 중요한 일로 대두되고 있다.

대체 골재로서 쉽게 구할 수 있는 고로슬래그는 선철을 만들 때 생성되는 것으로 연간 약 1,000만톤이 발생되고 있으며 콘크리트용 골재로 사용할 수 있도록 한국산업규격에 규격화되어 있으나, 천연골재에 비하여 다공질이어서 흡수율은 약 3~4배 정도로 크고, 마모감량도 약 1.5배에 이른다. 또한 표면에 요철이 많기 때문에 일반 콘크리트 제조에 사용할 때 워커빌리티(workability)가 저하하는 등 고로슬래그의 물성 특성이 불리한 점이 많아 콘크리트 골재로 사용할 경우 콘크리트 강도가 저하하므로 실제는 거의 활용되지 못하고 기층 또는 보조기층 및 성토 매립용으로만 이용되고 있는 것이 오늘날의 실정이다.

본 발명은 이러한 콘크리트 골재의 문제점을 해결하기 위한 것으로 고로슬래그를 투수성 콘크리트용 골재와 시멘트로 대체 사용함으로써 폐기되는 골재자원을유효하게 활용하고 환경 보호를 적극적으로 실현함은 물론 일반 천연골재를 사용하는 것에 비해 비용이 절감되면서도 소요강도나 투수성을 지니도록 재령 28일의 압축강도 140 ~ 250kgf/㎠와 높은 내구성을 갖고 투수계수 0.1cm/sec이상을 갖는 환경 친화성 콘크리트를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 콘크리트 1㎥당 최대치수 13mm인 골재 또는 최대치수 10mm인 골재를 1400 내지 1650kg 을 사용하고, 물의 양이 90 내지 100kg이며 시멘트에 대한 물의 비(W/C)가 25 내지 35 중량%, 고성능 AE감수제를 시멘트에 대하여 0.5 내지 2.0중량%, 착색재(着色材)를 시멘트에 대하여 2 내지 5중량%로 하되 골재는 고로슬래그를 일부 또는 전량 대체 사용하고 시멘트에 대하여 분말도(粉末度) 2750 내지 6000㎠/g인 고로슬래그 미분말 치환율을 20 내지 50중량%로 하여 사용할 수 있도록 하는 것에 본 발명의 특징이 있다.

고로슬래그는 일반 콘크리트보다는 투수성 콘크리트용 골재로서의 사용가치가 크다. 그 이유는 포장용의 투수성 콘크리트는 된반죽의 것을 로울러로 전압하여 다짐을 하는 것이 보통이기 때문에 고로슬래그와 같은 불량한 골재의 입형이 시공성에 미치는 영향이 일반 콘크리트에 비하여 적다는 점이다. 또한 투수성 콘크리트는 투수성 확보를 위하여 인위적으로 콘크리트속에 연속된 공극을 만들게 되며 고로슬래그의 경우 그 자체의 공극이 투수성 콘크리트에서 특별한 약점으로 작용하지 않기 때문에 본 발명에서 사용되는 골재는 고로슬래그로 일부 또는 전량 대체 사용한다.

본 발명에서는 콘크리트 1㎥당 최대치수 13mm의 골재 또는 최대치수 10mm인 골재를 1400kg 내지 1650kg을 사용하고 물의 양이 90 내지 100kg이며, 물-시멘트비(W/C)가 25 내지 35중량%, 고성능 AE감수제를 시멘트에 대하여 0.5 내지 2.0중량%, 착색재(着色材)를 시멘트에 대하여 2 내지 5중량%로 하되 일반적으로 투수성 콘크리트의 투수도와 강도 특성은 상반되므로 강도를 높이려면 투수도가 저하되는 반면 투수도를 높이려면 강도가 낮아지는 경향이 있으므로 최적의 투수콘크리트를 제공하기 위해서는 콘크리트 배합 구성요소들에 대해 최적의 배합비를 선정하여야 한다.

본 발명에서 사용하는 골재는 5mm체의 통과중량백분율이 5 내지 30%인 골재를 사용하는데 5mm체의 통과중량백분율이 5%이하인 경우는 투수성은 좋으나 강도저하의 문제점이 있고 30%이상인 경우에는 강도는 증대하나 투수성이 저하한다. 골재크기 13 내지 2.5mm인 골재는 19mm체를 전부 통과하고 13mm체의 통과중량백분율 90 내지 100%, 10mm체의 통과중량백분율 40 내지 75%, 5mm체의 통과중량백분율 5 내지 25%, 2.5mm체의 통과중량백분율 0 내지 10%, 1.2mm체의 통과중량백분율 5%이하인 것을 사용하며 골재크기 10 내지 2.5mm 골재는 13mm체를 전부 통과하고 10mm체의 통과중량백분율 85 내지 100%, 5mm체의 통과중량백분율 10 내지 30%, 2.5mm체의 통과중량백분율 0 내지 10%, 1.2mm체의 통과중량백분율 5%이하인 것을 사용한다.

투수콘크리트 배합시 골재로서 고로슬래그만을 사용하였을 때는 약 10%정도의 강도저하와 투수성 저하가 나타났으나, 일반 골재와 동일한 부피 이하로 함께섞어 사용하는 경우는 일반 골재만을 사용한 경우와 비교하여 강도의 저하나 투수성의 저하가 비교적 적기 때문에 본 발명에서는 강도 특성이 중요한 도로 및 주차장용 투수콘크리트용의 경우 전체골재 사용량에 대한 고로슬래그 50부피% 이하로 제한하였다.

그러나 경차량의 도로나 주차장, 보행자 및 자전거전용도로의 경우 전체 골재량을 고로슬래그로 100부피% 대체 사용할 수 있는 것으로 하였다.

[표 1]은 전체 골재량에 대한 고로슬래그 사용율 0, 50 및 100%로 하였을 때의 투수콘크리트 배합에 따른 실험실시예이다.

[표 1]

고로슬래그 굵은 골재의 대체율에 따른 투수성 콘크리트의 물성 변화

1) 콘크리트 배합

No.	W/C(%)	슬래그대체율(%)	단위량(kg/㎥)
			물	시멘트	고성능AE감수제	굵은 골재*
						고로슬래그	부순돌
1	30.0	0	90	300	3.0	0	1562
2	30.0	50	90	300	3.0	731	781
3	30.0	100	90	300	3.0	1462	0
4	25.0	0	100	400	4.0	0	1529
5	25.0	50	100	400	4.0	715	765
6	25.0	100	100	400	4.0	1430	0

주) *표 : 고로슬래그와 부순돌의 비중은 각각 2.47 및 2.64 적용

2) 시험결과

No.	압축강도(kgf/㎠)	인장강도(kgf/㎠)	휨강도(kgf/㎠)	투수계수(cm/s)
1	165	27	42	0.45
2	159	25	41	0.32
3	141	22	39	0.25
4	242	31	53	0.15
5	236	30	51	0.12
6	215	28	49	0.05

주) 재령 28일 강도 기준임

또한, 투수성 콘크리트에 사용되는 시멘트는 일반적으로 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한다. 본 발명에서는 시멘트에 대하여 치환율 20 내지 50중량%의 분말도(粉末度) 2750 내지 6000㎠/g인 고로슬래그 미분말을 사용할 수 있도록 하였다. 그 이유는 고로슬래그 미분말을 결합재(시멘트)의 일부로 사용함으로써 단위수량의 절감, 장기강도의 증진, 폐자원의 활용과 원가절감 그리고 콘크리트 색조가 약간 흰색을 띠게되므로 착색에 유리한 점 등 좋은 점이 있는 반면, 응결시간이 길어져 포장면의 개방이 지연(특히 저온일 경우 양생기간이 길어짐)되고 초기강도가 낮아지는 나쁜 점이 있으므로 10℃이상의 기후조건하에서 양생기간을 고려 결합재(시멘트)에 대한 고로슬래그 미분말의 치환율의 범위를 20 내지 50중량%로 대체 사용할 수 있는 것으로 하였다.

특히, 투수성 콘크리트가 일반 콘크리트에 비해 강도나 내구성이 낮은 것을 감안할 때 투수성 콘크리트제조시 시멘트를 고로슬래그 미분말로 일정량 치환하여 사용하면 장기강도의 발현에 매우 유리하므로 강도나 내구성을 증진시킬 수 있다.

한편 투수성 콘크리트는 투수성능을 확보하기 위하여 높은 공극률을 가지도록 제조되기 때문에 강도와 내구성이 일반 콘크리트에 비하여 저하되며 이에 대한 대응책으로서는 기존의 감수제보다 감수성능이 우수한 화학혼화제의 사용으로 콘크리트의 물-시멘트비를 낮추는 것이 가장 현실적인 수단이 된다.

본 발명에서의 콘크리트 배합에는 화학혼화제인 고성능 AE감수제를 사용한다. 콘크리트용 화학혼화제의 역사를 보면, 1940년경 감수제와 AE제의 개발을 시작으로 하여 본격적인 개발이 이루어졌으며, 1970년경에는 독일에서 고성능 감수제또는 유동화제의 개발이 이루어져 현재는 이 혼화제가 고강도 콘크리트의 제조 또는 시공성이 좋은 콘크리트의 제조에 널리 사용되고 있다. 그러나 고성능 감수제 또는 유동화제는 단위수량을 크게 감소시키며, 비교적 많은 양을 사용하여도 응결지연이나 공기포의 과잉연행 등의 악영향이 없다는 장점이 있는 반면 혼합 후 경과시간에 따라 급격한 슬럼프 손실이 초래되는 결점이 있어서 믹싱 후 조속한 시간 내에 콘크리트 치기를 마쳐야 하는 사용상의 제약이 있어왔다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 유동화제의 경우 공사현장에서 애지테이터드럼 속에 혼화제를 추가로 첨가하여 사용하는 예가 많은데 공사현장에서의 유동화작업은 유동화제의 투입관리, 베이스콘크리트와 유동화콘크리트 양자의 품질확인과 관리, 레미콘 차의 배기가스, 소음 등의 많은 문제를 야기한다.

특히 투수성 콘크리트의 경우는 된반죽으로 제조되어 덤프트럭으로 운반되기 때문에 운반시간에 따라 반죽질기가 크게 변화할 수 있으며 이와 같은 경우 다짐작업이 불충분하게 됨으로써 품질저하를 초래할 수 있다. 이에 반하여 비교적 최근에 개발된 고성능 AE감수제를 사용하는 경우는 운반시간에 따른 슬럼프 손실이 매우 적기 때문에 다른 재료와 함께 배치 플랜트에서 동시에 혼합한 다음 현장까지 운반하여 사용하는 것이 가능하다는 큰 장점이 있다.

고성능 AE감수제로는 폴리카르본산계, 멜라민계, 나프탈린계 등 다양한 혼화제가 시판되고 있으며 시멘트에 대하여 0.5중량% 이하가 첨가되는 경우에는 공기연행효과 및 감수효과가 발휘되지 못하여 콘크리트 강도증진을 기대하기 어렵고 2.0중량%이상 첨가시는 경과시간에 따른 슬럼프의 손실이 크고 공기량을 과잉으로 연행시켜 콘크리트의 강도를 저하시키게 되므로 본 발명에서는 고성능 AE감수제의 량을 시멘트에 대하여 0.5 내지 2.0중량%를 첨가하는 것으로 하였다.

[표 2]는 일반 AE감수제를 메이커가 추천한 표준량인 시멘트에 대하여 0.3중량% 사용한 경우의 투수성 콘크리트의 재령 28일 강도와 투수계수를 시험한 실시예이다.

[표 2] AE감수제를 사용한 투수성 콘크리트의 물성 실험결과

고로슬래그대체율(%)	단위량(kg/㎥)	실험결과
	물	시멘트	AE감수제	굵은 골재	압축강도(kgf/㎠)	투수계수(cm/s)
				고로슬래그			부순돌
0	110	300	0.9	0	1562	135	0.31
50	110	300	0.9	731	781	132	0.35
100	110	300	0.9	1462	0	123	0.27
0	120	400	1,2	0	1529	210	0.14
50	120	400	1.2	715	765	206	0.19
100	120	400	1.2	1430	0	187	0.07

이 결과를 [표 1]의 실험결과와 비교하면 고성능 AE감수제를 사용한 경우는 종래의 AE감수제를 사용한 콘크리트와 비교하여 투수계수는 거의 같으나 단위수량(單位水量)이 20kg정도 감소되고, 압축강도가 15 내지 20% 정도 증가되어 고성능 AE감수제는 투수성 콘크리트의 강도 향상에 매우 효과적인 것을 알 수 있다.

물-시멘트비를 25 내지 35중량%의 범위로 한 이유는 25중량%이하인 경우는 시멘트풀과 골재와의 부착이 충분히 되지 않고 다짐작업이 불량해지며 35중량%이상인 경우는 시멘트풀의 유동성이 너무 커서 골재입자 사이를 흘러 내림으로써 밑면의 공극을 막으며 재료분리의 경향이 커서 투수콘크리트 강도에 결점이 생긴다. 시멘트풀의 양은 그것이 골재를 둘러싸 금속과 같은 빛을 띠는 막을 형성하도록 하는 것이 적당하며 시멘트풀이 흘러내리지 않은 범위로 정해야 한다.

한편 투수성 콘크리트는 다량의 연속된 공극이 존재하므로 이 공극내로 수분이 쉽게 유입되어 동결팽창함으로써 일반 콘크리트에 비해 동결융해 저항성이 낮은 것으로 알려져 있다. 그러나 한냉지의 옥외 폭로시험결과에 의하면 물-시멘트비가 낮다면 투수콘크리트의 내구성도 양호한 것으로 나타나 있고 이런 구조의 콘크리트에서도 고성능 AE감수제의 사용으로 동결융해 저항성이 향상되는 결과를 얻을 수 있다.

포장용 투수성 콘크리트는 안료를 사용하여 여러가지 색을 연출할 수 있다. 안료의 종류와 사용량이 모르타르의 물성에 크게 영향을 미치며 녹색과 청색의 경우는 투수성 콘크리트의 강도를 저하시킬수 있음을 [표 3]의 실시예에서 나타낸다. 그래서 본 발명에서는 무기질안료의 사용량을 시멘트에 대하여 2 내지 5중량%의 범위로 하였다. 또한 색을 보다 선명하게 하고 그 색이 장시간 지속되는 색마감 효과를 위하여 아크릴 또는 우레탄계 수지와 산화철 피그먼트 등의 안료를 포함하는 표면처리제를 브러쉬나 스프레이를 이용하여 1mm 이내의 두께로 바르는 것으로 하였다.

착색재(着色材)로 사용되는 안료로는 합성산화철, 산화크롬, 프탈록시안계 등과 같은 안료들이 일반적으로 사용되고 있다.

[표 3] 무기질 안료를 사용한 모르타르의 재령 28일의 압축강도 실험결과 (kgf/㎠)

안료사용량(C×%)	압축강도(kgf/㎠)
	적색(산화철)	황색(산화철)	녹색(phthalocyanine green)	청색(phthalocyanine blue)	흑색(산화철)
0	391	391	391	391	391
2	385	394	202	200	389
4	392	393	132	174	387
6	422	430	130	146	374
8	440	418	126	134	413
10	425	433	126	158	398

주) ()내는 안료의 명칭

투수성 콘크리트는 일반 콘크리트와는 달리 물-시멘트비(W/C)뿐만아니라 다짐의 영향을 많이 받는다. 공극률이 증가하면 투수성이 좋아지는데 대하여 비례적으로 강도가 작아지기 때문에 강도와 투수성에 대한 요구조건이 충족되도록 다짐을 할 필요가 있다. 일반적으로 투수성 콘크리트는 10 내지 25%의 공극률을 갖도록 설계되어 다짐을 한다.

투수성 콘크리트에 고로슬래그 골재를 사용함으로써 강도나 투수성의 저하의 문제점은 본 발명의 구성범위내에서 각 배합요소별로 배합비를 조절하거나 전압다짐에 의하여 공극률을 조절함으로써 요구되는 강도나 투수성을 갖는 콘크리트를 제공할 수 있을 것이다.

본 발명은 콘크리트골재로서 사용이 어려운 고로슬래그를 투수성 콘크리트용 골재로 사용하기 위하여 고성능 AE감수제를 적정량 사용하고, 물, 시멘트, 골재의 배합요소를 최적으로 조절함으로써 높은 강도와 내구성은 물론 소요의 투수계수를 갖는 투수 콘크리트 조성물을 제조할 수 있고, 시멘트에 대하여 고로슬래그 미분말을 일정량 치환하여 강도 및 내구성 증진에 유리한 점 등이 있어 폐자원의 재활용에 따라 고갈되는 천연골재의 절약과 환경보존을 실현할 수 있다.

Claims (3)

1. 골재, 물, 시멘트, 고성능 AE감수제 및 착색재로 구성되는 투수성 콘크리트조성물에 있어서, 투수콘크리트 1㎥당 최대치수 13mm인 골재 또는 최대치수 10mm인 골재 1400 내지 1650kg을 사용하고 물 90 내지 100kg을 사용하며, 시멘트에 대한 물의 비(W/C)가 25 내지 35 중량%, 고성능 AE감수제를 시멘트에 대하여 0.5 내지 2.0중량%, 착색재를 시멘트에 대하여 2 내지 5중량%로 사용하되 골재는 고로슬래그를 대체 사용하고, 시멘트는 고로슬래그 미분말로 20 내지 50중량%를 대체 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 고로슬래그를 사용한 투수성 콘크리트 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 골재는 고로슬래그를 전체골재량에 대하여 50부피% 미만 대체 사용하는 것을 특징으로 하는 고로슬래그를 사용한 투수성 콘크리트 조성물.
3. 제 1항에 있어서, 골재는 고로슬래그를 전체골재량에 대하여 50 내지 100부피% 대체 사용하는 것을 특징으로 하는 고로슬래그를 사용한 투수성 콘크리트 조성물.