KR20040093863A - 콘크리트 제조용 시멘트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 콘크리트 제조용 시멘트 조성물에 있어서, 시멘트 중량의 5~25중량%의 메타카올린과 0.5~3.0중량%의 고성능 감수제로 조성된 콘크리트 제조용 시멘트 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 시멘트 조성물은 고가의 실리카흄을 사용하지 않고서도 고강도 콘크리트를 제조할 수 있는 효과가 있다. 또한 슬래그 및 플라이애쉬 등의 혼화재료를 함유하는 시멘트 조성물에 메타카올린을 혼합 첨가하면 초기압축강도 증가효과가 있다.

Description

콘크리트 제조용 시멘트 조성물 {Cement composition for preparing of concrete}
본 발명은 콘크리트제조용 시멘트 조성물에 관한 것이다. 구체적으로는 시멘트, 모래, 골재, 감수제(Water reducing agent)등의 첨가제로 조성되는 콘크리트 제조용 조성물에 사용되는 시멘트를, 시멘트의 일정량을 메타카올린(metakaolin)으로 대체시키고 여기에 적합한 감수제를 첨가하여서된 콘크리트 제조용 시멘트 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 콘크리트에 고강도 특성을 부여하는 방법으로는 잠재 수경성 재료인 슬래그(slag), 포졸란 재료인 플라이애쉬(fly ash), 실리카흄(silica fume)과 같은 재료들이 사용되고 있으며 특히 실리카흄의 경우 고강도 특성이 요구되는 분야에 많이 사용되고 있다.
일반강도 콘크리트를 (150~400 kgf/cm2) 제조하기 위해서는 산업부산물인 슬래그, 플라이애쉬와 같은 무기질 혼화재를 제조할 콘크리트의 시멘트에 일정량을 대체하여 주로 사용하게 된다. 이러한 무기질 혼화재는 시멘트에 첨가 사용시 콘크리트의 강도, 수축, 내구성 등에 영향을 주게 되는데 이러한 재료들의 특성상 초기 시멘트와의 반응성이 낮아 초기 압축강도가 작게 나오는 단점이 있다.
또한 고강도 콘크리트를 제조하기 위하여 실리카흄과 같은 포졸란 재료를 시멘트 혼화재로 사용하기도 하는데 이유는 이들 포졸란 재료에 활성실리카(Soluble SiO2)가 함유되어 있어 시멘트가 수화(水和)하는 동안에 이들 활성실리카가 시멘트중의 유리 수산화 칼슘과 결합하여 규산칼슘계의 수화물을 생성하면서 콘크리트의 강도를 증진시켜 줄 수 있기 때문이다. 이렇게 시멘트에서 생성되어진 수산화칼슘과 포졸란재료가 반응하여 규산칼슘계의 수화물을 생성하는 반응을 포졸란 반응(pozzolan reaction)이라 하며 상기 한 포졸란 재료 중 콘크리트 강도 증진용으로는 활성 실리카를 많이 함유하고 있는 실리카흄이 가장 우수한 것으로 알려져 있다.
특히 400~800kgf/cm2의 높은 압축강도를 발현하기 위해서는 실리카흄이 가장 적합한 것으로 알려져 있다.
실리카흄은 철과 실리콘의 합금인 훼로실리콘(ferrosilicon) 이나 금속실리콘(silicon metal)제조시 부산물로 얻어지는 무정형 이산화규소(non-crystaline SiO2)인데 입자 크기가 시멘트 입자보다 작고 콘크리트의 강도 증진 특성이 매우 우수하나 생산되는 양이 한정되어 있고 가격이 비싸다는 단점이 있다.
따라서 이 분야에서는 콘크리트 강도 증진용 첨가제로서 우수한 특성을 나타내면서 구득이 용이하고 저가인 대체물질의 개발이 요망되는 실정에 있다.
본 발명의 목적은 콘크리트 제조용 시멘트 조성물에 있어서, 콘크리트의 강도증진용 첨가제로 고가의 실리카흄 대신에 구득이 용이하고 가격이 싼 실리카흄 대체 물질을 사용하면서 강도가 우수한 콘크리트를 제조할 수 있는 시멘트 조성물을 제공하는데 있다. 또한 일반강도 및 고강도 콘크리트 제조용 시멘트 조성물에 있어서 사용되어지는 슬래그 및 플라이애쉬의 초기강도 및 장기내구성을 증진시키기 위해 첨가되어지는 재료를 제공하는데 있다.
본 발명자들은 국내외에 매장량이 풍부한 카올린(Kaolin)광물로부터 얻어지는 메타카올린(metakaolin)과 함께 적절한 감수제등의 첨가제를 사용하여 시멘트 조성물을 조성시켜주게 되면 슬래그 및 플라이애쉬 와 혼합사용시 초기 압축강도 증진되어지는 효과를 얻을 수 있었으며 실리카흄을 사용한 시멘트 조성물로 제조한 콘크리트와 거의 유사하거나 더 높은 강도의 콘크리트를 얻을 수 있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
도 1은 본 발명 실시예에서 얻어진 시편들의 경과시간에 따른 슬럼프플로우의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명 실시예에서 얻어진 시편들의 재령별 압축강도를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 시멘트, 모래, 골재, 감수제 등으로 조성되는 콘크리트 제조용 조성물에 있어서, 시멘트 중량의 5~25wt%를 메타카올린으로 대체하고 고성능 감수제를 0.5~3.0% 중량부를 포함시켜 조성되는 콘크리트 제조용 시멘트 조성물에 관한 것이다.
상기 고성능감수제는 나프탈렌계 고성능감수제를 단독으로 사용하거나 나프탈렌계 고성능감수제가 80~90중량%이고, 폴리카르복실산계 고성능감수제가 5~20%로 이루어진 혼합조성으로 사용할 수도 있다.
콘크리트 제조용 시멘트 조성물에 사용되는 감수제의 감수율은 일반적으로 10~15%정도이나 그중 감수율이 20~30%인 것을 이 분야에서는 고성능 감수제라 한다. 이러한 고성능감수제의 종류에는 음이온, 양이온, 비이온 및 양성 계면활성제로 분류할 수 있으며, 본 발명에서는 나프탈렌계 고성능 감수제로 음이온 계면활성제의 일종인 나프탈렌 설포네이트 나트륨염을 사용하였다. 또한 폴리카르복실산계 고성능 감수제로서는 폴리아크릴산, 아크릴릭에스테르, 말레인산의 혼합물을 사용하였다.
사용된 메타카올린 포졸란 재료는 Al2O3와 비정질의 SiO2가 주 구성성분이며 물과 반응하여 수화시 포졸란 반응성을 나타낸다. 실리카흄이나 플라이애쉬 포졸란재료와는 달리 수화 초기 단계에서 반응속도가 빨라 초기강도가 증진되며, 장기에 있어서는 시멘트 수화 과정시 발생하는 Ca(OH)2와 반응하여 C-A-S-H (Calcium alminium silicate hydroxide) 수화물을 생성하여 일반적인 시멘트를 이용하여 제조한 콘크리트에 비하여 공극을 치밀하게 하여 강도증진 효과를 나타낸다. 메타카올린의 물리 화학적 성질은 표1과 같다.
메타카올린의 물리 화학적 성질
조성(wt%) 비표면적(㎠/g) 비중 색깔
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO TiO2
50~55 37~45 2.4 0.3 2.4 0.2 10,000~12,000 2.6 황색
(실시예)
이하 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명한다.
1) 슬래그 및 플라이애쉬 혼화재를 사용하여 일반강도 콘크리트를 제조하기 위하여 다음과 같은 조성으로 시멘트 조성물을 제조하고 콘크리트 배합설계를 하였다.
시멘트 조성물의 조성내용
시멘트 조성물A : 보통 포틀랜드시멘트 80중량부와 플라이애쉬 20중량부 및 나프탈렌계 고성능 감수제 1.5중량부로 조성된 시멘트 조성물
시멘트 조성물B : 보통 포틀랜드시멘트 73중량부, 플라이애쉬 20중량부, 메타카올린 7중량부 및 고성능 감수제 1.5중량부로 조성된 시멘트 조성물
시멘트 조성물C : 보통 포틀랜드시멘트 80중량부와 슬래그 20중량부 및 나프탈렌계 고성능 감수제 1.5중량부로 조성된 시멘트 조성물
시멘트 조성물D : 보통 포틀랜드시멘트 73중량부, 슬래그 20중량부, 메타카올린 7중량부 및 고성능 감수제 1.5중량부로 조성된 시멘트 조성물
물 8wt%, 시멘트 조성물 15wt%, 모래 33wt%, 골재 44wt%의 비율로 콘크리트를 배합설계하고 초기 콘크리트 슬럼프는 18cm로 하여 상기한 각각의 시멘트 조성물로 콘크리트 시편을 제조하였다. 사용된 재료들의 양은 다음 표 2에 나타낸바와 같다. 다음표들에서 결합재는 시멘트 조성물을 나타낸것이다.
콘크리트의 배합설계
시편명 시멘트조성물 중량(kg/m3)
물 결합재 모래 골재
1 A 180 353 757 1008
2 B 180 353 757 1008
3 C 180 353 757 1008
4 D 180 353 757 1008
2) 400~800 kgf/cm2정도의 고강도 콘크리트를 제조하기 위하여 다음과 같은 조성으로 시멘트 조성물을 제조하고 콘크리트배합설계를 하였다.
시멘트 조성물의 조성내용
시멘트조성물 E : 보통포틀랜드시멘트 및 나프탈렌계 고성능 감수제 2.5 중량부로 조성된 시멘트 조성물
시멘트조성물 F : 보통포틀랜드시멘트 90중량부와 실리카흄 10중량부 및 나프탈렌계 고성능 감수제 2.5중량부로 조성된 시멘트조성물.
시멘트조성물 G : 보통포틀랜드 시멘트 90중량부와 메타카올린 10중량부 및 나프탈렌계 고성능 감수제 2.5중량부로 조성된 시멘트조성물.
시멘트조성물 H : 보통포틀랜드시멘트 90중량부와 메타카올린 10중량부 및 나프탈렌계 고성능 감수제 80중량%와 폴리카르복실산계 고성능 감수제 20중량%를 혼합한 혼합감수제 2.5중량부로 조성된 시멘트 조성물.
물 7wt%, 시멘트 조성물 21wt%, 모래 30wt%, 골재 42wt%의 비율로 콘크리트를 배합설계하고 상기한 각각의 시멘트 조성물로 콘크리트 시편을 제조하였다. 사용된 재료들의 양은 다음 표 3에 나타낸바와 같다.
콘크리트의 배합설계
시편명 시멘트조성물 중량(kg/m3)
물 결합재 모래 골재
5 E 150 500 719 1004
6 F 150 500 716 1001
7 G 150 500 719 1004
8 H 150 500 719 1004
메타카올린은 다른 포졸란 재료와 마찬가지로 알카리 성분이 존재하게 되면 수화가 촉진되어 시멘트와 반응하게 되는데 시멘트와 치환율이 5%이하에서는 강도증진 효과가 작으며, 25% 이상을 초과하면 수화과정의 지연으로 초기 압축강도 저하효과가 나타나는 등 콘크리트의 품질 관리에 영향을 줄 수 도 있다. 따라서 적정 메타카올린 사용량은 사용되는 포틀랜드 시멘트양과 플라이애쉬 및 슬래그의 양에 따라 5~25wt%가 가장 적절하다.
감수제는 나프탈렌계 고성능감수제를 사용하였으며 메타카올린의 빠른 유동성 감소 및 장기압축강도를 증진시키기 위하여 나프탈렌계 및 폴리카르복실산계 고성능감수제를 혼합하여 사용하였다. 메타카올린 재료는 재료특성 상 초기 수분 흡수율이 빠르기 때문에 실리카흄 재료에 고성능감수제를 사용하는 것에 비하여 수분 흡수율이 빨라 감수제가 빠르게 소모되어 콘크리트의 점도가 증가되는 경향이 있다. 이러한 콘크리트의 유동성을 나프탈렌계 및 폴리카르복실산계 유기혼화제를 같이 사용하므로서 유동성을 향상시킬 수 있으며, 또한 폴리카르복실산계 감수제 성분이 메타카올린의 수화를 촉진시켜 강도가 크게 증가될 수 있었다. 나프탈렌계와 폴리카르복실산계 감수제의 사용량은 시멘트와 메타카올린 첨가량에 따라 변경될 수 있으나 초기 슬럼프 및 플로우를 얻기위해서는 나프탈렌계 고유동화제의 양이 중량부 80% 이상이어야 하며, 또한 메타카올린의 수화촉진을 위해서는 폴리카르복실산계 감수제의 양이 5%이상 첨가되어야 한다. 또한 콘크리트에 첨가되는 유기감수제의 양은 사용시멘트 및 메타카올린의 첨가량에 따라 0.5~3.0 % 중량부 사이에서 조절하는 것이 가장 이상적이다.
다음은 실시예에 따른 결과이다.
플라이애쉬 및 슬래그를 사용한 일반강도 콘크리트 제조시 시멘트 조성물에 메타카올린을 첨가한 콘크트의 재령별 압축강도 시험결과는 표 4에 나타내었다.
표 4에서 보면 시편 2의 경우 플라이애쉬를 단독 첨가한 것보다 메타카올린을 플라이애쉬와 함께 첨가하여 제조한 콘크리트가 초기 압축강도 증가율이 높은 것을 알 수 있다. 이것은 슬래그를 첨가한 시편 4에서도 마찬가지로 초기 압축강도가 증가하는 현상을 보이는 것을 알 수 있다. 이것은 메타카올린이 다른 혼화재에 비하여 초기 수화율이 높은 것을 보여주고 있다.
본 발명의 시멘트조성물을 조성함에 있어서, 시멘트 중량의 5~25중량%를 플라이애쉬 또는 슬래그와 치환시켜 제조할 경우 메타카올린을 첨가하면 초기 압축강도 증진율이 높아질 수 있으며 여기에 0.5~3.0중량%의 고성능 감수제를 첨가하여 시멘트조성물을 조정할 수도 있다.
제조된 콘크리트의 재령별 압축강도 특성 (단위 : kgf/cm2)
시편명 3일 7일 14일 28일
1 85 183 234 265
2 109 225 255 279
3 90 190 243 267
4 114 233 263 283
고강도 콘크리트를 제조하기 위한 시멘트 조성물을 사용한 굳지않은 콘크리트의 슬럼프 및 슬럼프 플로우 측정 시험결과는 표 5와 같으며 재령별 압축강도 시험결과는 표 6에 나타내었다.
표 5에서 보면 실리카흄을 대신하여 메타카올린을 사용한 시편7의 경우 슬럼프 유지 성능이 실리카흄과 유사한 것을 알 수 있으며 플로우는 실리카흄을 사용한 경우에 비하여 다소 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 제조된 콘크리트의 압축강도 결과를 보면 메타카올린을 사용한 시편 7의 경우 실리카흄을 사용한 시편 6의 경우와 유사한 압축강도를 발현하는 것을 알 수 있으며 초기 3일, 7일에서 압축강도가 다소 더 높은 것을 알 수 있다. 이것은 메타카올린 재료의 특성으로서 수화 초기에 시멘트 수화물인 에트린자이트나 모노설페이트를 실리카흄을 첨가한 시편에 비하여 다량으로 생성시키며 일반적인 보통포틀랜드시멘트 수화물인 C-S-H상과 더불어 C-A-S-H 수화물을 생성하여 공극을 더욱더 치밀하게 하기 때문에 강도가 더 증진되어진 것으로 나타났다. 시편의 8의 경우에는 유기혼화제를 변경하여 제조한 것으로써 슬럼프 및 슬럼프 플로우 유지에 있어서 크게 개선되어진 것을 볼 수 있으며 압축강도 또한 크게 향상되어지는 것을 알 수 있는데 이것은 폴리카르본산계 유기혼화제가 메타카올린의 성분 용출을 촉진시켜 강도증진 효과에 큰 영향을 준 것으로 추정된다.
굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 및 슬럼프 플로우 경시변화
시편명 공기량(%) 슬럼프(cm) 슬럼프 플로우(cm)
초기 30분 60분 초기 30분 60분
5 5.3 24.0 20.0 15.0 58 35 27
6 6.1 24.0 21.5 19.0 55 40 35
7 5.9 24.5 21.0 18.0 58 36 30
8 5.9 25.0 24.5 24.0 60 56 51
제조된 콘크리트의 재령별 압축강도 특성 (단위 : kgf/cm2)
시편명 1일 3일 7일 28일 90일
5 170 350 410 531 570
6 207 335 429 600 634
7 205 352 460 590 630
8 216 375 535 699 730
도 1은 본 발명 실시예에서 얻어진 시편들의 경과시간에 따른 슬럼프플로우의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명 실시예에서 얻어진 시편들의 재령별 압축강도를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 시멘트 조성물은 고가의 실리카흄을 사용하지 않고서도 고강도 콘크리트를 제조할 수 있는 효과가 있다. 또한 실리카흄 이외에 혼화재료 슬래그 및 플라이애쉬를 시멘트 조성물에 혼합 첨가시 메타카올린을 혼합 첨가하면 초기압축강도 증가효과가 있다.

Claims (4)

  1. 콘크리트제조용 시멘트조성물에 있어서, 시멘트중량의 5~25중량%의 메타카올린과 5~25중량%의 플라이애쉬 또는 슬래그 와 0.5~3.0중량%의 고성능 감수제로 조성된 일반강도 콘크리트 제조용 시멘트 조성물.
  2. 콘크리트 제조용 시멘트 조성물에 있어서, 시멘트 중량의 5~25중량%의 메타카올린과 0.5~3.0중량%의 고성능 감수제로 조성된 고강도 콘크리트 제조용 시멘트 조성물.
  3. 제 1항 또는 제 2항중 어느 한항에 있어서 고성능 감수제가 나프탈렌계 고성능 감수제인 콘크리트 제조용 시멘트 조성물.
  4. 제 1항 또는 제 2항중 어느 한항에 있어서 고성능감수제가 나프탈렌계 고성능감수제 80~90wt%와 폴리카르복실산계 고성능감수제 10~20wt%를 혼합하여서된 것인 콘크리트 제조용 시멘트 조성물.
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