KR20090012556A - 고강도 콘크리트 분말 혼화재 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고강도 콘크리트 분말 혼화재 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도자기류 제조 시에 외관 및 강도 저하에 의해 분리된 제품을 미분말로 분쇄 가공한 폐도자기 분말, 무수석고 분말 및 고로슬래그(blast furnace slag) 분말을 특정 비율로 혼합한 콘크리트 혼화재 조성물에 관한 것이다. 또한, 상기 혼화재 조성물을 시멘트 콘크리트 배합 시 시멘트 대비 10 ~ 40 중량% 첨가함으로써 일반 시멘트 사용시보다 작업성과 성형성이 우수하고 초기 강도가 우수할 뿐만 아니라 수화열을 감소시켜 초기 균열을 억제할 수 있고 폐도자기 분말의 우수한 내산성 및 수밀성 증대에 따른 내구성이 증대되며 불량품으로 분리된 제품을 활용하기 때문에 비용절감의 효과가 크다.
폐도자기류 분말, 시멘트, 충진재, 고로슬래그, 압축강도

Description

고강도 콘크리트 분말 혼화재 조성물{High-strenght concrete powder mineral admixture composition}
본 발명은 고강도 콘크리트 분말 혼화재 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도자기류 제조 시에 외관 및 강도 저하에 의해 분리된 제품을 미분말로 분쇄 가공한 폐도자기 분말, 무수석고 분말 및 고로슬래그 분말을 특정 비율로 혼합한 콘크리트 혼화재 조성물에 관한 것이다.
콘크리트는 목재, 강재, 석재와 더불어 중요한 구조용 재료로서, 일반적으로 시멘트와 골재를 물에 혼합하여 사용한다.
상기 골재로는 천연골재와 재생골재가 사용되고 있으며, 천연골재의 경우 고갈현상이 심각하여 재생골재의 사용을 권장하고 있다.
한편, 우리나라에는 많은 도자기 업체가 있으며 이들 업체로부터 매년 많은 양의 도자기류 제조 시에 외관 및 강도 저하에 의해 분리된 제품, 즉 폐 도자기가 발생되어 이의 재활용도가 요구되고 있는 실정이다.
최근에 콘크리트 구조물의 대형화 및 사회 간접자본에 의한 공공시설의 확대에 따라 콘크리트는 기능성 및 고성능 발현이 필수 요건이 되고 있으며 이에 따라 실리카퓸, 메타카올린 등 고가의 혼화재 사용이 필수적이고 이에 따른 제조비용이 상승하는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 이러한 고가의 혼화재 사용을 최소화하기 위해서 도자기류 제조공장에서 발생되는 도자기류 부적합 제품을 미분쇄하여 기타 분말과 함께 재활용하면 제조비 절감 효과가 크고, 특히 시멘트 콘크리트용 혼화재는 에트린 자이트 생성에 의해 시멘트 경화체의 공극이 충진되고 이에 따라 강도가 우수해지는데 폐도자기 분말을 이용할 경우 더욱 시멘트 경화체가 수밀해지기 때문에 강도 발현 효과가 우수해 짐을 알게 되었다. 또한, 폐도자기 분말은 SiO2 성분이 높아 내산성이 우수해지고, 블리딩 감소, 워커빌리티 및 강도 개선과 함께 시멘트 콘크리트의 수화열을 감소시켜 경화 초기 크랙을 방지할 수 있으며 수밀성 등의 내구성능이 개선되어 콘크리트의 고성능화가 가능함을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 도자기류 공장에서 발생되는 도자기류 부적합 제품을 분쇄 및 분말화 가공을 통해 시멘트 콘크리트용 혼화재로 재활용함으로써 콘크리트의 제조 원가를 절감하고 고기능성 및 고성능을 발휘하는 콘크리트용 분말 혼화재를 제공하는데 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 비표면적 4,000 ∼ 6,000 cm2/g의 폐도자기 미분말 5 ~ 40 중량%, 비표면적 3,000 ∼ 6,000 cm2/g의 무수석고 분말 30 ~ 50 중량%와, 비표면적 2,500 ∼ 6,000 cm2/g 고로슬래그 분말 10 ~ 30 중량%를 포함하는 콘크리트 혼화재 조성물을 그 특징으로 한다.
또한, 상기 콘크리트 혼화재 조성물 10 ~ 40 중량%를 시멘트에 첨가하여 사용하는 콘크리트 조성물을 또 다른 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 폐도자기 미분말을 분쇄 가공하여 기타 혼화재인 무수석고 분말, 고로슬래그 분말과 같이 혼합한 분말 혼화재에 관한 것으로 상기 조성물을 시멘트 콘크리트 배합 시 시멘트 대비 10 ~ 40 중량% 첨가함으로써 일반 시멘트 사용 시보다 작업성 및 성형성이 우수하다. 특히, 초기 강도가 우수할 뿐만 아니라 수밀성 증대에 따른 내구성도 향상됨은 물론 재활용 제품을 활용하기 때문에 제조비용의 절감 효과가 크다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 도자기류 제조 시에 외관 및 강도 저하에 의해 분리된 제품을 미분말로 분쇄 가공한 폐도자기 분말, 무수석고 분말 및 고로슬래그 분말을 특정 비 율로 혼합한 콘크리트 혼화재 조성물 및 상기 콘크리트 혼화재 조성물 10 ~ 40 중량%를 시멘트에 첨가하여 사용하는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명을 달성하기 위하여 도자기류 공장에서 발생되는 도자기류 부적합품(폐도자기류)을 4000 ~ 6000 ㎠/g의 분말도로 갖도록 가공된 폐도자기 분말로서 미세공극 충진을 통한 장기강도 증진 및 원가절감을 위하여 콘크리트용 분말 혼화제 조성물에 사용된다. 상기 도자기류 분말은 전체 콘크리트용 분말 혼화재에 대하여 5 ~ 40 중량%를 사용하는 것이 바람직하다. 만일 5 중량% 미만을 사용할 경우에는 미세공극 충진 효과에 문제가 있고, 40 중량%를 초과하면 초기 강도 발현에 문제가 있다.
폐도기 분말의 비표면적은 4000 ~ 6000 ㎠/g이 적당하며 만일 4,000 ㎠/g 미만일 경우 미세공극 충진 효과가 부족하고, 6,000 ㎠/g 초과일 경우 미세공극 충진 효과는 크게 증진되나 유동성이 크게 저하하고 성형성 또한 저하된다.
또한, 본 발명에서는 초기 강도 발현을 위하여 천연 무수석고 분말을 건조기에서 건조 처리한 후에 분쇄 및 분말화 가공을 실시하여 3000 ~ 6000 ㎠/g 분말도를 가질 수 있도록 가공되어 얻어진 무수석고 분말을 전체 콘크리트용 분말 혼화재에 대하여 30 ~ 50 중량%를 사용하는 것이 바람직하다. 만일 30 중량% 미만을 사용할 경우에는 에트링가이트를 초기에 다량 생성하지 못하여 초기 강도 발현에 문제가 있고, 50 중량%를 초과하면 에트링가이트의 과다 생성에 의한 콘크리트 팽창 균열이 발생할 문제가 생기게 되고 시멘트 및 고로슬래그와 반응하지 못한 여분의 석고가 수화생성물 사이에 응집상태로 존재하면서 이들의 결합력을 약화시키기 때문에 오히려 강도가 저하된다. 무수석고 분말의 비표면적은 3000 ~ 6000 ㎠/g이 적당하며, 만일 3,000 ㎠/g 미만일 경우 초기 강도 증진이 미약하며 6,000 ㎠/g 초과일 경우 분쇄비용의 증가로 경제성이 부족하다.
본 발명에서 수화열의 저감에 의해 온도균열의 제어, 유동성의 증대, 수밀성의 증대에 따른 내해수성 및 내약품성 개선, 장기강도 증진의 역할로서 사용되어지는 고로슬래그 분말은 2,5000 ~ 6000 ㎠/g 분말도를 가지도록 가공된 것을 사용하며, 이의 사용량은 전체 콘크리트용 분말 혼화재 조성에 대하여 10 ~ 30 중량%를 사용하는 것이 바람직하다. 만일 10 중량% 미만을 사용할 경우에는 장기강도 증진에 문제가 있고, 30 중량%를 초과하면 초기 강도 발현 및 향후 중성화 저항성이 약해지는 문제가 있다. 고로슬래그 분말의 비표면적은 2,500 ~ 6000 ㎠/g이 적당하며, 만일 2,500 ㎠/g 미만일 경우 초기 강도 증진이 미약하며 6,000 ㎠/g 초과일 경우 원심력 제품 등에 활용시 슬러지의 발생량이 증가하고 분쇄비용의 증가로 경제성 또한 부족하다.
상기에서 설명한 콘크리트용 분말 혼화재 조성물은 상기의 재료들을 고성능 혼합 믹서로 혼합하여 균질화시킨 혼화재이다. 이러한 혼화재를 콘크리트에 혼합할 경우 유동성이 개선되는데 그 이유는 폐도자기 분말은 소성시 표면에 다수에 기공을 가지고 있음에도 불구하고 고로슬래그 미분말과 같이 표면이 매끈한 파면상이고 시멘트 입자의 응집을 억제하는 역할을 해주기 때문에 콘크리트 제조시 초기에 유동성을 증가시키는 역할을 한다. 따라서, 초기에는 유동성이 증진되다가 매끈한 표면에 다수의 기공이 서서히 콘크리트 내부의 잉여수를 점점 흡수해 주면 서 콘크리트의 블링딩 현상 또한 크게 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 혼화재를 콘크리트에 사용할 경우 강도가 크게 증가하는데 그 이유는 폐도자기 분말이 콘크리트의 미세공극을 충진하고 고로슬래그 미분말과 무수석고의 반응에 의해 에트링가이트를 다량 생성하여 콘크리트 조직을 더욱 더 치밀하게 하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 혼화재를 콘크리트에 사용할 경우 내구성 또한 크게 증가하는데 그 이유는 폐도자기 분말이 SiO2 성분이 높아 그 자체가 내산성이 매우 우수한 성질을 가지고 있으며 고로슬래그와 무수석고의 반응에 의한 에트링가이트의 다량 생성으로 조직이 치밀해지고 고로슬래그와 시멘트의 수화과정에서 생성된 수산화칼슘이 반응하여 소모됨으로써 내산성이 크게 증가한다. 또한, 폐도자기 분말과 고로슬래그와 무수석고 수화물이 콘크리트의 미세공극을 충진함으로써 투수·투기성도 개선되어 외부로부터 유해 이온의 침투를 억제함으로써 내구성이 증진된다.
또한 매스콘크리트에 시멘트 대체재로 상기 혼화재를 사용할 경우 수화열을 크게 감소시켜 경화 초기에 크랙을 방지할 수 있다.
상기 분말혼화재, 시멘트, 물, 굵은 골재, 잔골재 및 혼화제를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 분말 혼화재로 본 발명의 콘크리트용 분말 혼화재 조성물을 전체 콘크리트 조성에 대하여 10 ~ 40 중량%를 함유하여 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 조성을 가지는 콘크리트용 분말 혼화재 조성물은 시멘트 콘크리트의 작업성을 향상시키고 장기적으로 강도와 내구성능을 향상시키며 도자기류 제품 생산시 발생되는 부적합 제품을 수집하여 재활용하기 때문에 환경부화를 저감시키고 제조원가를 절감할 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세히 기술할 것이나 본 발명의 범위를 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
분말 혼화재는 총 결합재 중량에 대하여 내할 15%로 구성되며, 폐도자기 분말(비표면적 4,000 ∼ 6,000 cm2/g)은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 20%인 16.5 kg/m3, 무수석고 분말(비표면적 3,000 ∼ 6,000 cm2/g)은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 50%인 41.3 kg/m3, 고로슬래그 분말(비표면적 2,500 ∼ 6,000 cm2/g)은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 30%인 24.7 kg/m3이 사용되었다. 상기와 같이 준비된 분말 혼화재와 보통포틀랜드 시멘트는 467.5 kg/m3을 믹서에 투입하여 건비빔을 실시한 후 25 mm 굵은 골재 1100 kg/m3, 잔골재 591 kg/m3, 투입물량 145 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.0 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
실시예 2
분말 혼화재는 총 결합재 중량에 대하여 내할 20%로 구성되며, 폐도자기 분말(비표면적 4,000 ∼ 6,000 cm2/g)은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 30%인 32.4 kg/m3, 무수석고 분말(비표면적 3,000 ∼ 6,000 cm2/g)은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 40%인 43.2 kg/m3, 고로슬래그 분말(비표면적 2,500 ∼ 6,000 cm2/g)은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 30%인 32.4 kg/m3이 사용되었다. 상기와 같이 준비된 분말 혼화재와 보통포틀랜드 시멘트는 432 kg/m3을 믹서에 투입하여 건비빔을 실시한 후 25 mm 굵은 골재 1095 kg/m3, 잔골재 584 kg/m3, 투입물량 140 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.5 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
비교예 1
보통포틀랜드 시멘트는 550 kg/m3, 25 mm 굵은 골재 1100 kg/m3, 잔골재 591 kg/m3, 투입물량 145 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.0 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
비교예 2
보통포틀랜드 시멘트는 540 kg/m3, 25 mm 굵은 골재 1095 kg/m3, 잔골재 584 kg/m3, 투입물량 140 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.5 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
비교예 3
분말 혼화재는 총 결합재 중량에 대하여 내할 13%로 구성되며 무수석고 분말은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 57%인 43.2 kg/m3, 고로슬래그 분말은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 43%인 32.4 kg/m3이 사용되었다. 상기와 같이 준비된 분말 혼화재와 보통포틀랜드 시멘트는 465 kg/m3, 25 mm 굵은 골재 1095 kg/m3, 잔골재 584 kg/m3, 투입물량 140 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.5 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
비교예 4
분말 혼화재는 총 결합재 중량에 대하여 내할 13%로 구성되며, 무수석고 분말은 총 분말 혼화재 중량부에 대하여 57%인 43.2 kg/m3 폐도자기 분말은 총 분말혼화재 중량에 대하여 43%인 32.4 kg/m3이 사용되었다. 상기와 같이 준비된 분말 혼화재와 보통포틀랜드 시멘트는 465 kg/m3, 25 mm 굵은 골재 1095 kg/m3, 잔골재 584 kg/m3, 투입물량 140 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.5 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
비교예 5
분말 혼화재는 총 결합재 중량에 대하여 내할 20%로 구성되며, 폐도자기 분말은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 60%인 64.8 kg/m3, 무수석고 분말은 총 분말 혼화재 중량에 대하여 40%인 43.2.6 kg/m3이 사용되었다. 상기와 같이 준비된 분말 혼화재와 보통포틀랜드 시멘트는 432 kg/m3, 25 mm 굵은 골재 1095 kg/m3, 잔골재 584 kg/m3, 투입물량 140 kg/m3과 나프탈렌계 고성능 감수제 5.5 kg/m3을 투입하여 혼합하였다.
상기 실시예 1 ~ 3의 조성과 비교예 1 ~ 5의 조성을 표 1에 나타내었다.
Figure 112007055601187-PAT00001
시험예 1: 내구성 확인
상기 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 5의 공시체 제작 및 양생방법과 강도시험방법은 다음과 같다.
콘크리트 비빔은 각 조성재료가 균질하게 섞이도록 팬타입 강제식 믹서를 사용하여 약 5분간 실시하고 KS F 2454원심력으로 다져진 콘크리트 압축강도 시험방법에 따라 공시체를 제작하여 증기양생을 실시한 후 300 Ton 용량의 압축강도 시험기를 이용하여 강도시험을 실시하였다. 이때, 증기양생은 가열시 온도 상승 속도는 20 ℃ 정도로 하고 최고온도가 65 ~ 75 ℃ 정도에서 6시간 정도 양생을 실시한 후 서서히 온도를 내려 1일 경과 후에 탈형을 실시하였다.
Figure 112007055601187-PAT00002
상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 실시예 1 ~ 2는 재령 7일에서 800 kg/cm2이상의 고강도의 발현을 확인할 수 있고 비교예 1과 2는 재령 28일 경과 후에야 800 kg/cm2에 근접한 강도를 발현하고 있다. 또한, 비교예 3은 무수석고와 슬래그 분말만을 사용한 것으로 재령1일에서 670 kg/cm2로 강도가 다소 미흡하였으며, 비교예 4 ~ 5는 무수석고와 폐도자기 분말만을 사용한 것으로 탈형강도는 슬래그를 제외한 것보다 높으나 강도증진율은 다소 떨어지는 상태를 보였다.
시험예 2: 작업성 및 성형성 증대 효과
원심력으로 제조되는 콘크리트의 작업성 및 성형성을 확인하기 위하여, 상기 표 1과 같은 순번으로 배합하고 KS F 2454 원심력으로 다져진 콘크리트 압축강도 시험방법에 따라 공시체를 제작한 후, 내면의 슬러지를 딸아 내어 그 무게를 측정하는 방법으로 원심력에 의해 탈수되어지는 슬러지 양을 측정하였다.
구분 슬러지 탈수량 (g)
실시예 1 125
실시예 2 140
비교예 1 168
비교예 2 148
비교예 3 253
비교예 4 155
비교예 5 180
원심력으로 제조되는 콘크리트 PHC파일 및 흄관은 콘크리트 조직의 치밀성을 기하기 위하여 최대 40G 정도의 높은 원심력으로 성형하게 되며 이에 따라 파일단면을 관찰하면 골재의와 시멘트페이스트가 매우 치밀하게 구설되나, 조성물 간의 비중 차이에 의한 재료 분리현상이 불가피하다. 또한, 이러한 현상에 따라 파일내면에 잔여 시멘트페이스트와 물이 탈수되어 잔류하게 되어 내면에 물결현상 또는 반달모양의 층을 형성하게 되어 클레임을 유발시키는 문제점을 안고 있다. 이에 파일의 성형성은 매우 중요하며 동일 물량에서 많은 슬러지를 배출하지 않는 재료의 선택이 중요하다.
시험예 3의 경우 탈수된 슬러지양을 비교한 것으로 폐도자기 분말이 내면 슬러지 배출의 감소의 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있어 성형성에 유리하다.

Claims (2)

  1. 폐도자기 분말 5 ~ 40 중량%, 무수석고 분말 30 ~ 50 중량%와, 고로슬래그 분말 10 ~ 30 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 혼화재 조성물.
  2. 청구항 1의 콘크리트 혼화재 조성물 10 ~ 40 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
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