KR20100103764A

KR20100103764A - 바잘트 골재와 섬유를 혼입한 바잘트 콘크리트

Info

Publication number: KR20100103764A
Application number: KR1020090021923A
Authority: KR
Inventors: 송기범; 서성탁
Original assignee: 송기범; 서성탁
Priority date: 2009-03-14
Filing date: 2009-03-14
Publication date: 2010-09-28

Abstract

Basalt 골재와 Basalt 섬유를 혼입한 콘크리트의 화학적인 특성, 물리적 특성, 내열 특성 등을 포함하는 재료적인 특성을 검증하고, 이를 통하여 최적의 Basalt 섬유 혼입률을 결정한다. 이를 위하여 Basalt 골재와 Basalt 섬유로 보강된 실험체의 정적휨강도, 압축강도와 인장강도실험을 통해 구조적 성능 검증과 Basalt 골재와 섬유가 건설구조물 또는 보강재, 단열재로써의 가능성을 검증한다. 또한, 산화 및 중성화실험을 수행하여 화학적 성질을 규명한다.

Basalt, Basalt 섬유, Basalt 골재

Description

바잘트 골재와 섬유를 혼입한 바잘트 콘크리트{Concrete Mixed with Basalt Aggregate and Basalt Fiber}

본 발명은 바잘트 섬유(Basalt Fiber)와 바잘트 골재를 혼입한 콘크리트의 제조방법에 관한 것으로서, 강재의 단점을 보완할 수 있는 특성을 가지고 있는 Basalt 골재와 기존의 섬유 보강재 콘크리트에 비해 열에 대한 저항성과 내충격성이 우수하여, 콘크리트의 내구성이 향상된 Basalt 골재와 섬유를 이용한 콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

내구성이 우수한 Basalt 골재에 소량의 Basalt 섬유를 첨가하면 콘크리트의 강도증진에 매우 효과적이며, 이를 주요 구조물의 건설 또는 기존 콘크리트 구조물의 보강이 필요한 손상부위가 열의 영향이 있는 곳이거나 각종 화학적 반응에 노출될 수 있는 환경에 있는 구조물에 적용성을 규명한다. 특히, Basalt 콘크리트와 Basalt 섬유의 최적의 혼입률(Basalt fiber volume fraction %)을 결정한다.

Basalt는 지구 내부에 있는 용암이 흘러 나와 표면에서 굳은 짙은 녹색이나 검은색의 매우 비중이 높은 유리질 암석이다. 이 암석을 분쇄하여 골재로 사용하기도 하고, 용융시켜서 섬유상으로 방사하여 Basalt 섬유를 만들기도 한다. Basalt 골재와 Basalt 섬유는 비교적 단순한 공정과 단순원료로서 경제적인 장점을 가지고 있는 것으로 소개되고 있다.

Basalt 암석은 러시아 우랄산맥, 흑해, 미국서북부, 인도네시아, 필리핀, 베트남 메콩강 유역등에도 분포된 원석으로 비중은 2.83.0, 용융온도는 1450℃ 정도이고 Mohs 경도는 59, 내열특성은 7001000℃의 열에 견디는 것으로 알려져 있고, 사용 가능온도는 -265℃에서 700℃로 알려져 있다. 또한 강철보다 비 강도가 높고, 탄소섬유의 개발로 경량이면서 가볍고, 내충격 특성이 우수한 아라미드 섬유가 개발되면서 그 용도가 상당히 확대되었다. Basalt 섬유 및 Basalt 골재는 특수 군사용이나 고내열을 필요로 하는 일부 제품을 포함하여 건설재료로서도 그 용도가 크게 발전할 것이다.

현재 일반에 상업적으로 유통되는 제품들은 Basalt 연속섬유, fabric 및 페놀수지 함침 제품들이 있는데 그 용도는 방열매트, 방음매트 또는 카드보드, 파이프 등이며, 타 응용분야로는 콘크리트 골재, 철도 침목, 바닥타일, 내산성 장비, rockwool, basalt 플라스틱 보강근 등이다. 국내에서 이용되는 Basalt는 새로운 보강재, 단열재 등의 연구가 진행되고 있으며 모 업체에서 현무암을 1280℃의 로에서 용융하여 1200℃의 상태에서 금형이나 모래형틀로 타일, tube, 특수한 형상제품으로 주조한 후 특수 열처리 과정을 거쳐 내마모성, 내식성, 고강도 제품의 상·하수도관을 제조하는 수준이며 2000년에는 동도 바잘트산업(주)에서 처음으로 용융주조 구들장침대와 파이프, 곡관류, 타일 등을 생산·판매하고 있다.

바잘트 섬유(Basalt Fiber)와 바잘트 골재를 혼입한 콘크리트는 일반 콘크리트와 비교하여 압축, 인장, 휨 그리고 전단 및 비틀림과 같은 응력을 받을 때 강도 및 인성이 크게 증가한다. Basalt 골재와 Basalt 섬유 개개의 재료에 대한 물리적·화학적 특성에 대한 연구는 많이 해 왔으나, 이들 재료를 혼입한 Basalt섬유보강 콘크리트의 물리적·화학적 특성에 대한 연구는 거의 없는 상태이다. 특히, Basalt섬유보강의 적정 혼입률은 밝혀지지 않고 있다. 따라서, 본 발명에서는 이상과 같은 문제를 해결하기 위해서 다음과 같은 Basalt섬유보강 콘크리트의 성질을 규명한다.

첫째, Basalt 골재와 Basalt 섬유를 혼입한 콘크리트의 화학적인 특성, 물리적 특성, 내열 특성 등을 포함하는 재료적인 특성 규명한다.

둘째, Basalt 골재와 Basalt 섬유로 보강된 실험체의 정적 휨강도, 압축강도와 인장강도실험을 통해 구조적 성능 검증과 Basalt 골재와 섬유가 주요건설구조물 또는 보강재, 단열재로써의 가능성을 규명한다.

셋째, Basalt섬유보강의 최적 적정 혼입률을 결정한다.

Basalt 골재에 Basalt 섬유를 혼입한 콘크리트의 특성을 비교·분석하기 위하여 Basalt 섬유의 혼입량을 파라메타로 하여 콘크리트의 강도변화를 측정하였으며, 이를 일반콘크리트와 비교하였다.

Basalt 섬유를 혼입한 콘크리트의 물리, 화학적 특성을 분석하기 위하여 콘크리트 의 배합강도 40MPa로 물·시멘트비(W/C)를 30%, 35%, 40%로 하였으며, Basalt 섬유량은 시방배합의 단위체적의 0%, 1%, 2%, 3%로 혼입하여 물리, 화학적 특성을 분석하였다. 그리고 콘크리트 내부에 공기연행과 슬럼프치의 확보를 위하여 유동화제를 첨가하였으며, 양생은 21℃ 실내의 수중에서 수중양생을 실시하였으며, 물리적·화학적 시험은 재령 28일의 공시체를 사용하였다. 주요 시험 내용은 다음과 같다.

(1) 물성 및 강도시험

굳지 않은 콘크리트에서 플로우, 슬럼프, 단위 체적중량 시험을 시행하였으며, 양생기간 28일의 공시체를 이용하여 압축강도, 인장강도, 휨강도 시험을 실시하였다.

(2) 산화시험

Basalt는 우수한 내마모성을 지녔을 뿐만아니라 알칼리 등 각종 화학물질에 우수한 내식성을 지닌 것으로 각종시험에서 나타나고 있고 현재 화학공장, 해저송유관, 내화 피복재 등으로도 사용되고 있다. 그러므로 본 시험에서는 Basalt 섬유를 함유한 콘크리트의 화학적 특성을 규명하기 위하여 공시체를 물과 초산용액(비율10:1)에 7일, 14일, 21일, 28일 동안 넣어 둔 후 그 부식정도를 측정한다.

(3) 중성화시험

콘크리트의 중성화는 콘크리트 속에 포함되어 있는 수산화칼슘이 공기중의 탄산가스와 반응하고 Ca(0H)₂가 소비되어 알칼리성을 상실한 현상이다. 또한, 탄산칼슘이 형성되는 과정을 탄산화라고 하며, 중성화는 탄산화를 포함한 산성비, 산성토양, 화재등에 의한 콘크리트 알칼리성 저하를 포함한다.

이러한 중성화를 측정하기 위하여 본 시험에서는 촉진 양생기를 이용하여, 양생기 내부온도를 21℃, 습도 60%, CO2 농도 5.0%의 조건하에서 28일간 표준 양생된 공시체를 5주(35일)간 양생후 공시체를 꺼내어 인장시험기로 세로방향으로 쪼개어 페놀프탈레인 10%용액을 스프레이 한다. 그러면 중성화(탄산화)부분은 회색으로 남아있고, 중성화가 이루어지지 않은 부분은 보라색으로 착색되어 중성화 깊이를 육안으로 확인한다.

이와 같이 Basalt 신소재를 주요건설 구조물 또는 구조보강재, 단열재로서의 적용가능성을 평가하기 위하여 공시체를 제작하여 압축강도실험, 쪼갬 인장강도실험, 휨 강도실험을 통한 물리적 성질을 확인하며, 산화 및 중성화실험을 수행하여 화학적 성질 규명한다.

이와 같은 본 발명에 의하여 Basalt섬유보강 콘크리트의 복합재료로서 역학적 성질을 규명됨으로서 국내에서 널리 사용되고 있는 탄소섬유와 강섬유보강 콘크리트와 같이 콘크리트 구조물에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 최근 토목, 건축분야 구조물의 고층화, 대형화 등이 진행되면서 콘크리트의 고성능화가 요구되고 있다. 본 연구에서 규명된 Basalt 섬유보강 콘크리트는 이들의 요구에 부합되는 복합재료로서 고강도, 고내구성의 성질을 모두 갖는 고성능 콘크리트로서 그 가치가 높게 평가되며, 실용화가 활발하게 이루어질 것으로 기대된다. 또한, 최근 보수·.보강규모는 급속도로 늘어나는 추세이며, 유지관리의 중요성이 대두되고 있으며, 본 기술은 경제성, 내구성, 친환경성까지 고려된 보수.보강 공법으로 기술적, 경제적 파급효과는 크다고 생각된다. 이상을 요약하면 다음과 같다.

. 보수ㆍ보강을 동시에 만족할 수 있는 복합재료 개발

. 복합재료를 이용한 다양한 형태의 건축·토목 내외장재 개발 가능

. 열에 대한 저항성과 내충격성이 우수한 콘크리트 개발

. 공장생산된 경량자재의 사용 및 공정의 단순화로 노무비 절감

. 공사비가 저가일 뿐만 아니라 유지보수 용이하여 경제성 증가

. 내구성 및 내화성이 확보된 공법이므로 유지관리 비용 절감

가. 강도실험

압축강도는 물시멘트비가 30%인 공시체에서 Basalt 섬유 혼입률이 1%인 경우 최고 68～85MPa을 기록하고 섬유 혼입률을 더 증가하면 할수록 강도가 감소하는 경향이 있다. 하지만 Basalt 섬유량을 기준으로 보면 섬유 혼입량 1%의 경우 공시체의 물시멘트비가 30% 이상 증가할수록 강도는 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 물시멘트비 40%를 기준으로 했을 때 Basalt 섬유 1% 혼입강도가 3% 혼입강도보다 약 50% 이상 증가되었음을 확인할 수 있었다.

쪼갬인장강도는 압축강도와 달리 물시멘트비가 40%이고 Basalt 섬유혼입량이 2%인 경우에 최고점으로 섬유혼입량 1%와 3% 인 경우의 강도가 낮아지고 물시멘트비를 기준으로 봤을 때 물시멘트비가 35%보다 낮은 30%에서 강도가 감소해 물시멘트비 30%, 섬유혼입량이 0%인 공시체는 물시멘트비 40%, 섬유혼입량 0%에 비해 최고 26%의 강도 감소가 있었다.

휨강도는 물시멘트비가 40%이고 섬유혼입량 1%를 최고점으로 섬유혼입량이 2%, 3%일 때 점차 그 강도가 감소하였다. 또 섬유혼입량 3%의 경우는 섬유를 혼입하지 않은 공시체보다 강도가 오히려 적게 나왔다. 또한 물시멘트비 40% 기준으로 보면 인장강도와 같이 물시멘트비가 35, 30%로 감소할수록 인장강도가 감소하는 경향이 있다.

이와 같이 최고 강도 증가율은 Basalt 섬유의 혼입량이 1～2%대 일 때 강도의 증가에 영향을 주어 양질의 콘크리트를 만드는데 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

표1 Basalt 섬유혼입 콘크리트의 평균강도변화

A Head	Basalt fiber(%) W/C (%)	0	1	2	3	일반쇄석+ Basalt dust
Compressice strength (MPa)	30	81.07	83.73	74.97	68.67	30.66
	35	65.97	73.07	70.17	67.80
	40	58.57	67.87	55.37	45.43
Tensile strength (MPa)	30	3.70	4.13	5.30	3.90	10.15
	35	3.73	5.27	5.47	4.60
	40	4.97	5.43	5.50	5.07
Bending strength (MPa)	30	9.03	10.06	9.57	8.77	4.43
	35	8.80	10.67	9.57	8.00
	40	9.10	10.50	9.70	7.53

표2 물-시멘트비에 따른 강도변화

A Head	Basalt fiber(%) W/C (%)	0	1	2	3
compressice strength (MPa)	30	123	138	135	151
	35	108	116	127	149
	40	100	100	100	100
tensile strength (MPa)	30	74	76	77	96
	35	75	91	97	99
	40	100	100	100	100
Bending strength (MPa)	30	99	96	99	116
	35	97	99	102	106
	40	100	100	100	100

나. 산화실험

표3에 나타낸 바와 같이 산화량은 물시멘트비가 낮을수록, Basalt 섬유 혼입량이 많을수록 산화율이 증가하는 것으로 나타났다. 대체로 산화율은 3～10% 사이로 나타났으며 물시멘트비가 일정할 경우 실험기간이 길어질수록 Basalt 섬유는 혼입량이 0~3% 사이에서 산화율폭이 증가하는 것으로 보아 혼입량이 증가할수록 산화율을 더 빨리 진행 시키는 것으로 나타났다.

표3 산화시험결과

W/C (%)	Oxidation ratio	Oxidation ratio	Oxidation ratio	Oxidation ratio
30	3.44	6.42	7.47	8.91
	3.62	6.58	7.66	8.98
	3.93	6.96	8.64	9.15
	4.09	7.54	8.85	9.59
35	3.46	6.20	6.80	8.87
	3.59	6.34	7.17	8.91
	3.65	6.36	7.79	8.96
	3.68	6.57	7.95	9.05
40	3.05	6.04	6.55	7.25
	3.25	6.12	6.64	7.28
	3.62	6.31	7.39	8.61
	3.64	6.54	7.61	8.89

다. 중성화 실험

중성화 변화량은 물시멘트비 35%일 때는 전혀 변화가 나타나지 않았으며, 물시멘트비 40%에서는 Basalt 섬유가 함유되어있는 공시체에서 3～5(mm) 정도 변화했다.

Basalt는 고강도 골재이므로 짧은 기간 내에는 일반 콘크리트에 비해 중성화는 거의 나타나지 않는 것으로 본다. 고강도 콘크리트 일수록 중성화 변화량이 적게 나타나는 것으로 판단된다.

표4 중성화 실험결과

watercement ratio (%)	fiber content (%)	neutralization Depth (mm)
30%	0	0
	1	0
	2	4
	3	2
35%	0	0
	1	0
	2	0
	3	0
40%	0	0
	1	5
	2	4
	3	3

Claims

Basalt 골재를 사용한 콘크리트에 Basalt 섬유의 최적 적정 혼입률 1%～2%의 범위를 특징으로 하는 Basalt 콘크리트 및 Basalt 콘크리트 제품
Basalt 콘크리트에서 물-시멘트비 30%, 35%, 40%로 하는 배합설계