KR20110067339A - 석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재와 상온 강도발현 콘크리트 조성물 제조방법 및 그 콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

시멘트를 전혀 사용하지 않고 적정비율의 석분, 고로슬래그, 플라이애시와 알칼리활성화제인 나트륨계 알칼리성 무기질 재료 및 소듐실리케이트로 구성되는 비소성 결합재를 적용함으로서, 상온에서도 강도가 발현되는 석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재와 상온 강도발현 콘크리트 조성물 제조방법 및 그 콘크리트 조성물이 개시된다.

상기 결합재와 알칼리활성화제의 중량비는 60:40~80:20으로 형성되도록 하며, 상기 석분은 내할 또는 외할로 배합된다.

석분, 고로슬래그, 플라이애시, 알칼리성 무기질 재료, 소듐실리케이트

Description

석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재와 상온 강도발현 콘크리트 조성물 제조방법 및 그 콘크리트 조성물{NON-SINTERING INORGANIC BINDER COMPRISING MILLING STONE, CONCRETE COMPOSITION AND CONCRETE COMPOSITION MAKING METHOD USING THEREOF}

본 발명은 석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재와 상온 강도발현 콘크리트 조성물 제조방법 및 그 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시멘트를 전혀 사용하지 않고 적정비율의 석분, 고로슬래그, 플라이애시와 알칼리 활성화제인 나트륨계 알칼리성 무기질 재료 및 소듐실리케이트로 구성되는 비소성 결합재를 적용함으로서, 상온에서도 강도가 발현되는 콘크리트 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

시멘트는 산업의 근대화 과정에서 가장 중요하고 널리 사용되어 온 건설용 구조재료로서 도로, 교량, 터널, 항만, 주택, 건물 등 각종 사회간접자본(SOC)의 건설에 있어 기본이 되는 재료이다.

특히 20세기에 들어서 산업구조의 고도화에 따른 건설기술도 진보해왔으며, 이에 맞추어 20세기 초부터 본격적으로 생산되기 시작한 보통 포틀랜드시멘트는 그 생산량도 크게 증가하여 현재 15억 톤 정도를 생산하고 있으며, 이용기술도 획기적으로 발전하여 왔다.

그리고 향후 산업구조의 고도화 및 사회구조의 다양화에 의해 수반되는 정보화 시대, 창조지향 시대를 향한 SOC의 확충을 위해 초고층건물, 심도 지하구조물, 거대교량, 해상공항 및 수중 도시 등 건설 프로젝트가 계획되는 등 시멘트의 수요는 꾸준히 증가할 것으로 예측된다.

이와 같이 시멘트는 그 동안 SOC 건설에 중요한 역할을 해왔음에도 불구하고 최근 들어 자연 및 지구환경에 대한 부정적인 재료로 인식되는 경향이 높아지고 있다.

특히 시멘트는 석회석 등을 사용할 뿐만 아니라 소성과정, 즉 클링커 제조 시 고온(약 1,500℃)상태에서 제조됨으로써 이 과정에서 시멘트 1톤을 생산하는데 0.7~1.0톤의 이산화탄소 가스를 배출하여 전 세계 온실가스 배출량의 7~8%를 차지할 정도로 심각한 실정이다.

우리나라에서 시멘트 생산량은 연간 약 6,300만 톤으로 약 5,670만 톤의 이산화탄소를 배출하여 철강산업에 이어 두 번째로 많이 배출하고 있다.

한편 세계 국가들은 1992년 브라질 리오에서 지구온난화 방지를 위한 기후변화 협약이 채택된 이후 지구온난화 문제가 인류 공동과제로 인식되었고, 세계 각국은 일찍부터 이에 대응방안을 마련하였다.

특히, 1997년 일본 쿄토에서 기후변화협약에 관한 교토의정서가 채택된 이후, 2005년 교토의정서가 발효됨에 따라 세계 38개국의 선진국은 온실가스 감축의 무를 준수해야 한다.

교토의정서에 따르면 제 1차 공약기간(2008년~2012년)에 1990년도 배출량 대비 평균 5.2%를 감축해야 하는 어려운 과제를 안고 있다.

최근 2008년 7월에는 일본 도야코에서 열린 G8 정상회담에서 각국 정상들은 2050년까지 배출가스를 현재의 50%로 감축하는 방안을 검토하고 있다.

이렇게 강도 높은 온실가스 감축노력은 우리나라도 예외는 아니며, 2013년부터 온실가스를 감축해야 하는 2차 의무이행 대상국에 편입될 것이 확실시됨에 따라 정부차원에서 강력한 대책이 필요한 실정이다.

우리나라는 2004년 기준 4억 6210만 톤의 이산화탄소를 배출하여 세계에서 10위를 차지하고 있으며, 특히 이산화탄소의 배출량 증가율은 중국에 이어 세계에서 2번째로 이산화탄소 배출 정도가 심각한 실정이다.

한편 화력발전소에서 발생하는 플라이애쉬와 제철소의 부산물인 고로슬래그는 시멘트 원료, 콘크리트용 혼화재료 등으로 50% 정도가 활용되고 있지만, 나머지는 해안 및 육상 매립에 의해 처리되고 있어 매립지확보를 위한 경제적 부담뿐만 아니라 매립 시 발생되는 침출수와 미세 분말로 구성된 석탄회의 분진 침출에 의해 많은 환경문제를 유발하고 있다.

또한 1990년대 이후 강에서 채취한 강자갈 및 강모래는 대부분 고갈되어 현재 석산에서 생산되는 파쇄골재가 대부분 사용되고 있는 실정이다. 석재 생산과정에서 발생하는 석분 또한 현장 석산 복구용등의 이용 외에는 특별히 재활용되어지지 않은 채 대부분이 매립되고 있다.

석분은 폐기물관리법상 재활용대상폐기물 중 ‘무기성 오니’로 분류할 수 있으며, 재활용 준수사항에서 일반토사류 또는 건설 폐재류를 재활용한 토사류를 50%이상 혼합하여 사용하도록 규정되어 있어 외국의 사례와 석분의 공학적 특성을 고려한 적절한 처리방식의 개선이 필요한 실정이다.

이에 본 발명은 고로슬래그, 플라이애시, 석분을 콘크리트의 결합재로 사용하기 위해 연구와 실험을 거듭하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 콘크리트의 기본 결합재인 시멘트를 사용하지 않고 100% 대체 가능한 고로슬래그, 플라이애시, 석분을 혼합하여 소성공정이 필요 없는 결합재를 이용한 콘크리트 조성물을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 무시멘트 비소서 결합재를 제공하게 된다.

상기 결합재는 석분 5~20중량%, 고로슬래그 30~50중량%, 플라이애시 30~50중량%를 포함하는 결합재와 알칼리활성화제를 포함하며, 상기 결합재와 알칼리활성화제의 중량비는 60:40 ~ 80:20의 비율로 제조되거나,

고로슬래그 40~60중량% 및 플라이애시 40~60중량%를 포함하는 결합재; 및 알칼리활성화제를 포함하며, 상기 결합재와 알칼리활성화제의 중량비는 60:40~80:20이고, 상기 결합재 100중량부를 기준으로 10~30 중량부의 석분이 추가되도록 제조된다.

이때, 상기 알칼리활성화제는 나트륨계 알칼리성용액과 소듐실리케이트(sodium sillicate)를 포함하며, 상기 나트륨계 알칼리성 용액과 소듐실리케이트의 중량비는 80:20 ~ 20:80 이 되도록 하게 된다.

상기 나트륨계 알칼리성용액은 수산화나트륨(NaOH) 용액이며, 상기 수산화나트륨용액의 몰농도는 6~12M인 것을 특징으로 한다.

상기 소듐실리케이트는 이산화규소(SiO₂)와 산화나트륨(Na₂O)을 포함하며, 상기 이산화규소와 산화나트륨의 몰비는 1.0~3.0이 되도록 한다.

또한 상기 석분의 분말도는 1,500 ~ 4,000cm²/g인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 콘크리트 조성물은

잔골재, 굵은 골재 및 물을 혼합하는 단계;

석분 5~20중량%, 고로슬래그 30~50중량% 및 플라이애시 30~50중량%를 혼합하여 결합재를 제조하는 제 2단계;

상기 결합재와 알칼리활성화제의 중량비가 60:40 ~ 80:20이 되도록 상기 결합재에 알칼리활성화제를 혼합하는 제 3단계; 및

상기 제 1단계에서 제조한 혼합물에 상기 알칼리활성화제가 혼합된 결합재를 혼합하는 제 4단계를 포함하며,

상기 알칼리활성화제는 중량비가 80:20 ~ 20:80인 나트륨계 알칼리성용액과 소듐실리케이트(sodium sillicate)를 포함하며,

잔골재, 굵은 골재 및 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 제 1단계;

고로슬래그 40~60중량% 및 플라이애시 40~60중량%를 혼합하여 결합재를 제조하는 제 2단계;

상기 결합재 100중량부를 기준으로 10~30 중량부의 석분을 첨가하여 혼합하 는 제 3단계;

상기 제 2단계에서 제조된 결합재와 알칼리활성화제의 중량비가 60:40 ~ 80:20이 되도록 상기 결합제에 알칼리활성화제를 혼합하는 제 4단계; 및

상기 제 1단계에서 제조한 혼합물과 상기 제 4단계에서 제조한 알칼리활성화제가 혼합된 결합재를 혼합하는 단계를 포함하며,

상기 알칼리활성화제는 중량비가 80:20 ~ 20:80인 나트륨계 알칼리성용액과 소듐실리케이트(sodium sillicate)를 포함한다.

이러한 콘크리트 조성물에 있어서, 석분의 분말도는 1,500 ~ 4,000cm²/g이며,

이와 같은 방법에 의하여 제조된 석분을 포함하는 상온 강도발현 콘크리트 조성물이 제공된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 석분, 플라이애시, 고로슬래그를 포함한 비소성 결합재를 이용한 콘크리트 조성물과, 플라이애시, 고로슬래그를 포함한 비소성 결합재를 사용하고 잔골재의 일부를 석분으로 대체한 콘크리트 조성물은 적정한 비율로 석분, 플라이애시, 고로슬래그, 알칼리 활성화제, 소듐실리케이트를 배합하고, 그리고 적정한 비율로 물과 결합재를 첨가하여 압축강도를 20~50MPa 범위로 확보할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 결합제나 잔골재 성분들의 혼입량에 따라 목표로 하는 유동성을 조절할 수 있으며, 결합재의 혼합비율을 조절하여 압축강도를 조절할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 비소성 결합재는 석분, 플라이애시, 고로슬래그, 알칼리 활성화제, 소듐실리케이트를 포함하여 구성되거나, 플라이애시, 고로슬래그, 알칼리 활성화제, 소듐실리케이트를 포함하여 구성된다.

상기 석분, 플라이애시, 고로슬래그, 알칼리 활성화제, 소듐실리케이트를 포함하여 구성되는 결합재를 사용하는 경우에는 상기 석분을 결합재 전체 중량에 대하여 내할(대체하는 방법)로 5~20%를 사용한다.

또한 상기 플라이애시, 고로슬래그, 알칼리 활성화제, 소듐실리케이트를 포함하여 구성되는 결합재를 사용하는 경우에는 상기 석분을 결합재 전체 100중량부에 대하여 외할(추가하는 방법)로 10~30중량부를 사용하는데, 이는 잔골재 기능이 된다.

상기 플라이애시는 연소과정에서 생성된 석탄회 중에서 미세한 크기의 입자로 연소가스와 함께 연소로를 통과하여 배출되며 총 석탄회 발생량의 80 내지 85%를 차지하고 있어, 그 재활용방안이 다각도로 연구 및 사용이 되고 있는 실정이나, 그 양은 약 50% 정도로 미비하다.

그러나 제철소의 고로슬래그는 대부분 재활용되고 있는 실정이다.

석분의 경우 연간 발생량이 1500만톤에 이르며, 이 양의 대부분이 매립에 의하여 처분되고 있다(환경부-21C 프론티어 연구개발사업, 2005). 석분은 폐기물 관 리법상 일반토사류 또는 건설패재류를 재활용한 토사류를 50%이상 혼합하여 사용하도록 규정되어 있어 고비용의 재활용 처리 또한 문제시 되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기의 석분, 고로슬래그, 플라이애시를 이용하여 알칼리 활성화제인 수산화나트륨(NaOH) 용액, 소듐실리케이트를 이용한 중합반응을 활성화 시켜 경화되도록 하는 반응메커니즘을 갖는 것이 특징이다. 이러한 반응메커니즘을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 알칼리 활성화는 고 알칼리 환경 하에서 Si-O-Al-O 합성체를 만드는 다양한 알루미늄-규산 산화물들 사이의 화학적 반응이다. 비록 알칼리 활성화에 대한 화학 반응기구는 아직 명확하게 밝혀지지 않았지만 알칼리 수산화물을 이용하여 유도된 반응 기구는 다음과 같이 일반화 될 수 있다.

위 두 반응 기구는 Al과 Si 성분이 알칼리 활성화의 기본임을 명확히 보여준다. 이들 반응속도는 매우 빠르며 용해, 전이 및 적응 그리고 중축합의 단계로서 반응 기구가 구성될 수 있다.

이에 본 발명에서는 결합재로 고로슬래그, 플라이애시, 석분과 알칼리 활성화제로 수산화나트륨(NaOH) 용액 및 소듐실리케이트의 배합구성을 통해 중합반응(Polymersation)을 유도하여 강도가 증진되게 함으로써 결국 시멘트를 사용하지 않으면서 소성과정이 없이 일정 강도이상을 발현할 수 있는 결합재 또는 콘크리트 조성물을 형성할 수 있게 되는 것이다.

이 같은 이론적 배경을 갖는 비소성 결합재는 고로슬래그(A), 플라이애시(B), 석분(C), 알칼리활성화제(D) 및 소듐실리케이트(E)로 구성된다.

상기 고로슬래그(A)는 석분을 내할치환하는 경우에는 30~50%정도 사용하고 외할치환하는 경우에는 40~60%정도 사용하며,

상기 플라이애시(B)는 석분을 내할치환하는 경우에는 30~50%정도 사용하고 외할치환하는 경우에는 40~60%정도 사용하며,

상기 석분(C)은 내할치환하는 경우에는 5~20%를 사용하고 외할치환하는 경우에는 10~30%를 사용한다.

특히 석분의 경우는 석분이 무반응성 분체이기 때문에 그 양이 상기한 비율을 초과하면 강도발현이 현격히 저하되는 문제가 있다.

이러한 배합비율로 결합재성분을 조절하는 콘크리트 조성물의 경우 상온에서 강도가 발현된다는 점, 작업성 확보가 용이하다는 점, 결합재의 혼합률을 조절함에 따라 강도조절이 용이한 점, 상온에서 양생이 가능하다는 점 등에서 특징을 갖는다.

그리고, 고로슬래그 및 플라이애시 및 석분(A+B+C 또는 A+B)과 알칼리 활성화제 및 소듐실리케이트(D+E)의 중량비가 60:40 내지 80:20이고 알칼리 활성화제(D)와 소듐실리케이트(E)의 중량비가 80:20~20:80인 것이 바람직하다.

한편 상기 석분의 분말도는 1,500 ~ 4,000cm²/g인 것이 바람직한데, 이는 석분의 분말도가 1,500cm²/g 미만인 경우에는 반응성이 작아 강도발현에 불리하고, 분말도가 4,000cm²/g을 초과하는 경우에는 반응성이 크지만, 가공상의 문제로 단가 상승의 원인이 되고, 유동성 확보가 어렵기 때문에 그 용도에 맞게 조절이 필요하다.

상기 알칼리 활성화제인 NaOH는 시공성 및 압축강도를 고려하여 6~12M 범위의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 소듐실리케이트는 SiO₂와 Na₂O의 몰비는 1.0 내지 3.5 범위의 값을 가지는 것이 바람직하다. 1.0 미만인 경우에는 결합재의 점도가 급격히 증가되어 슬럼프가 저하됨으로써 시공성이 저하될 뿐만 아니라 중합반응에 필요한 Si 성분이 적어져 장기강도가 발현이 작아지고, 몰비가 3.5를 초과하는 경우에는 시공성에 영향을 주지 않지만, Na이온이 적어져 초기강도가 작아지는 문제가 있다.

본 발명은 상기의 석분, 고로슬래그, 플라이애시를 포함한 콘크리트 조성물을 제시하는 바, 이러한 콘크리트 조성물은 석분, 고로슬래그, 플라이애시, 잔골재, 굵은 골재 등을 포함하고 또한 알칼리 활성화제, 물 등을 배합하고, 교반하는 방법을 거쳐 제조되는 것이다.

이 경우 물과 결합재는 그 중량비로 40%이내로 적용될 수 있고 보다 바람직하게는 20~40%이내로 적용될 수 있는 바, 이는 물을 전혀 사용하지 않았을 때에는 수용액 상태의 알칼리 무기질 재료 즉 수산화나트륨과 규산나트륨 내의 화학적 결합수에 의해 유동성을 확보할 수 있으며, 이렇게 물량 혹은 알칼리 활성화제의 몰농도를 조절함으로써 강도조절 및 유동성 조절이 용이한 특징이 있다. 또한 석분의 혼합이 점성을 증가시키고 무반응성 분체로 급결을 방지하는데 효과적인 성능을 향상시키다 그 양이 40%이상을 초과할 경우 급격한 강도 저하가 나타나게 된다.

구체적으로 살펴보면,

석분을 내할 방식으로 혼합하는 경우에는 예컨대,

잔골재, 굵은 골재 및 물을 혼합하는 단계;

석분 5~20중량%, 고로슬래그 30~50중량% 및 플라이애시 30~50중량%를 혼합하여 결합재를 제조하는 제 2단계;

상기 결합재와 알칼리활성화제의 중량비가 60:40 ~ 80:20이 되도록 상기 결합재에 알칼리활성화제를 혼합하는 제 3단계; 및

상기 제 1단계에서 제조한 혼합물에 상기 알칼리활성화제가 혼합된 결합재를 혼합하는 제 4단계를 포함하며,

상기 알칼리활성화제는 중량비가 80:20 ~ 20:80인 나트륨계 알칼리성용액과 소듐실리케이트(sodium sillicate)를 포함하도록 콘크리트 조성물을 제조하게 되며,

석문을 외할 방식으로 혼합하는 경우에는 예컨대,

잔골재, 굵은 골재 및 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 제 1단계;

고로슬래그 40~60중량% 및 플라이애시 40~60중량%를 혼합하여 결합재를 제조하는 제 2단계;

상기 결합재 100중량부를 기준으로 10~30 중량부의 석분을 첨가하여 혼합하는 제 3단계;

상기 제 2단계에서 제조된 결합재와 알칼리활성화제의 중량비가 60:40 ~ 80:20이 되도록 상기 결합제에 알칼리활성화제를 혼합하는 제 4단계; 및

상기 제 1단계에서 제조한 혼합물과 상기 제 4단계에서 제조한 알칼리활성화제가 혼합된 결합재를 혼합하는 단계를 포함하며,

상기 알칼리활성화제는 중량비가 80:20 ~ 20:80인 나트륨계 알칼리성용액과 소듐실리케이트(sodium sillicate)를 포함하도록 하게 된다.

이와 같은 방법들에 의하여 본 발명에 의하여 콘크리트 조성물이 제조될 때, 상기 석분의 분말도는 1,500 ~ 4,000cm²/g이 되도록 하게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.

<실시예 1>

석분의 분말도 영향

본 발명에서 제시된 석분, 플라이애시, 고로슬래그를 포한한 비소성 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 조성물에 있어 석분의 분말도에 따른 영향을 분석하기 위해, 하기 표 1과 같이 분말도 1,500cm²/g, 3,000cm²/g 4,000cm²/g를 각각 20중량% 씩 사용하였으며, 고로슬래그 40중량%, 플라이애시 40중량%의 비율로 사용하였다.

구분	분말도
WSP 1500	1500
WSP 3000	3000
WSP 4000	4000

그리고 각각에는 알칼리성 무기질 재료로 9M 수산화나트륨을 중량으로 15%, 소듐실리케이트(SiO₂와 Na₂O의 몰비 3.2)를 중량으로 15%로 결합재를 구성하였다.

그리고 물과 상기의 결합재를 중량비로 20%를 사용하였으며, 나머지 잔골재, 굵은골재는 통상의 콘크리트와 같은 비율로 사용하였다. 그리고 비교 치로서 통상의 시멘트를 사용한 보통 콘크리트(물-시멘트 비 50%,중량백분율)를 제조하였다.

제조한 콘크리트에 대하여 슬럼프 손실과 압축강도를 측정하여 그 결과를 각각 도 1 및 도 2에 나타내었다.

여기서, 슬럼프 시험은 KS F 2402에 준하여 콘크리트를 혼합하여 믹서로부터 배출된 직후에 작업성을 평가하였으며, 압축강도는φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 20℃에서 1일 동안 양생을 실시한 다음 기건상태(습도 65± 5%)에서 상온양생을 실시하여 재령 3일, 7일, 28, 56일 및 91일에서 KS F 2405에 준하여 측정하였다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 석분의 분말도가 클수록 시공성이 다소 저하되는 것으로 나타났으나, 분말도 1,500cm²/g은 슬럼프가 210mm, 분말도 3,000cm²/g은 슬럼프가 192mm, 분말도 4,000cm²/g인 경우에는 슬럼프가 171mm 정도로 유동성이 크게 저하되는 것으로 나타났다. 그러나 분말도 3,000cm²/g인 경우 배합 후 60분까지는 시공성 확보가 가능하나 분말도가 4,000cm²/g인 경우 시공성 확보가 겨우 이루어지는 것으로 나타났다.

도 2의 결과로부터 석분의 분말도가 클수록 강도발현이 증가되고, 분말도 1,500cm²/g인 경우에는 재령 28일 20MPa, 재령 91일에서도 22MPa 미만으로 조금 낮은 강도를 나타내고 있다. 그러나 분말도 3,000cm²/g이상의 경우를 비교해 보면 분말도 3,000cm²/g인 경우 재령 28일에서 32MPa, 분말도 4,000cm²/g인 경우 37MPa로 분말도가 증가됨에 따라 강도증진 효과가 큰 것으로 나타났다.

이상의 결과를 종합하면, 석분, 플라이애시, 고로슬래그, 알칼리 무기질재료(수산화 나트륨), 소듐실리케이트로 구성된 결합재를 사용하여 콘크리트 조성물을 제조할 경우, 석분은 1,500~4,000cm²/g을 만족하는 분말도를 사용하는 것이 바람직하며, 특히 3,000cm²/g 이상을 만족하는 분말도를 사용한 경우에는 재령 28일에서 압축강도 25~35MPa 범위의 압축강도를 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

시공성을 만족하고 강도면에서 유리하면서 미분말시키기 위해 분쇄하는 과정 또는 분급하는 과정 등을 고려하여 석분의 분말도는 3,000cm²/g인 것이 가장 바람직할 것이다.

<실시예 2>

알칼리 활성화제 영향 (수산화나트륨(NaOH) 용액 몰수)

본 발명에서 제시된 방법을 사용한 콘크리트 제조 시 수산화나트륨(NaOH) 용액의 몰수에 따른 영향을 분석하기 위해 NaOH 6, 9, 12M을 제조하여 결합재 전체 중량의 15%를 사용하였다. 결합재는 중량비로 석분:플라이애시:고로슬래그를 20:40:40으로 하였으며, NaOH 용액과 소듐실리케이트와의 비율은 1:1로 실험을 실시하였다. 그리고 석분은 분말도 3,000cm²/g을 결합재로 사용하였다. 그리고 물과 결합재의 비를 중량비로 40%로 하였고, 나머지 굵은골재 및 잔골재 등은 통상의 콘크리트와 같이 사용하였다.

이렇게 제조된 KS F 2402에 준하여 슬럼프 시험과 φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 20℃에서 1일 동안 양생을 실시한 다음 기건상태(습도 65± 5%)에서 재령 3일, 7일, 28일 및 91일에서 KS F 2405에 준하여 압축강도를 측정하였다. 그 결과를 정리하면 도 3과 도 4와 같다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, NaOH의 몰수가 증가할수록 콘크리트의 점도가 증가하고 고로슬래그와의 반응성이 증가하여 슬럼프가 감소함으로써 시공성이 저하되는 결과를 초래하였다. 최대 12M을 혼합할 경우 6M과 비교하여 약 40mm의 유동성이 저하되는 경향을 나타내었으며, 유동성 지속시간도 6M과 비교하여 약 2배이상 빠르게 저하되는 것으로 나타났다.

도 4의 결과로부터 NaOH의 몰수가 증가됨에 따라 압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 몰수가 증가됨에 따라 고로슬래그와 초기 반응 속도가 빨라져 초기강도는 큰 차이를 나타내고 있으나 재령이 증가됨에 따라 9M과 12M은 5%이내의 압축강도 차이를 나타내었다. 따라서 몰수가 12M 이상인 경우에는 초기 높은 강도가 요구될 경우 사용이 가능할 것으로 판단되며, 유동성확보가 필요할 경우 몰수를 조절하여 필요한 성능에 따른 제조가 가능할 것으로 판단된다.

이상의 결과를 종합하면, 석분, 고로슬래그, 플라이애시, 수산화 나트륨, 소듐실리케이트로 구성된 결합재를 사용하여 콘크리트를 제조할 경우, 알칼리 활성화제의 SiO_{2 /} Na₂O 몰비가 약 1의 범위를 만족하는 소듐실리케이트를 사용하는 경우에는 시공성과 압축강도가 우수한 무시멘트 콘크리트 제조가 가능한 것으로 알려져 있다. 본 실시예를 통하여 분석한 결과 SiO_{2 /} Na₂O의 몰비는 6M = 1.364, 9M = 1.071, 12M = 0.88로 6~12M의 범위의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

<실시예 3>

결합재 구성재료의 치환 방법에 따른 영향

본 발명에서 제시된 결합재를 배합한 콘크리트 제조 시 석분, 고로슬래그, 플라이애시, 알칼리 무기질재료(수산화 나트륨), 소듐실리케이트의 중량비에 따른 영향을 첫째로 결합재 전체 중량에 대한 석분의 혼합비율에 따른 영향을 내할과 외할로 혼합한 결과를 분석하기 위하여, 결합재 고로슬래그 분말도 4,000cm²/g, 플라이애시 분말도 4,329cm²/g, 석분 분말도 3,000cm²/g을 중량비로 외할의 경우 50:50:0, 50:50:5, 50:50:10, 50:50:15으로 구성된 결합재를 각각 사용하였다. 내할의 경우 고로슬래그 분말도 4,000cm²/g, 플라이애시 분말도 4,329cm²/g, 석분 분말도 3,000cm²/g을 50:50:0, 45:45:5, 40:40:10, 35:35:15,를 혼합하여 사용하였다. 그리고 알칼리 활성화제는 9M NaOH와 소듐실리케이트를 결합재의 중량에 각각 18.75% 사용하고 그 혼합비는 1:1로 투입하였다. 유동성 확보를 위하여 물은 결합재의 중량비로 20% 사용하였다. 굵은골재, 잔골재 등은 통상의 콘크리트와 같이 사용하였으며, 외할의 경우에는 잔골재의 함량을 석분 만큼 줄였다.

이렇게 제조된 KS F 2402에 준하여 슬럼프 시험과 φ100× 200mm 원주시험체를 제작하여 20℃에서 1일 동안 양생을 실시한 다음 기건상태(습도 65± 5%)에서 상온양생을 실시하여 재령 28일에서 KS F 2405에 준하여 압축강도를 측정하였다. 그 결과를 정리하면 도 5, 6, 7 및 8과 같다.

도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 석분을 외할로 혼합할 경우 유동성은 감소하고 압축강도는 증가하는 결과를 나타내었다. 이러한 원인은 외할로 혼합할 경우 잔골재를 대체하여 혼합되기 때문에 잔골재보다 분말도가 높은 석분의 영향으로 유동성은 감소하고, 압축강도는 석분이 혼합됨에 따라 충전재의 역할로 압축강도는 증가하는 것으로 나타났다.

도 6에서는 도 5와 반대로 결합재에 내할로 치환한 경우 유동성은 상대적으로 증가하고 압축강도는 저하되는 경향을 나타내었다. 이러한 원인은 분말도가 대체적으로 4,000cm²/g이 넘는 기본 결합재에 분말도 3,000cm²/g인 석분이 혼합됨에 따라 유동성은 증가하고 무반응성 분체로 판단되는 석분이 기본 결합재인 고로슬래그와 플라이애시를 대체하여 혼합되기 때문으로 판단된다. 즉 중합반응에 필요한 적절한 비율의 Si 및 Al과 Na가 존재하는데 석분이 혼합됨으로써 상대적으로 Al 성분이 감소하여 강도가 저하되고, 석분의 SiO₂ 성분이 안정화되어 강도가 저하되는 것이다.

이상의 결과로부터, 석분, 고로슬래그 플라이애시의 구성비는 외할의 경우 잔골재의 10%이상이고, 내할의 경우 결합재의 10%이내가 적절할 것으로 판단된다. 따라서 석분의 경우 잔골재를 대체하여 사용할 경우 30%이상은 시공성이 저하되어 사용이 어렵고 내할의 경우 15%이상을 혼합할 경우 재료분리 현상이 발생되는 것으로 나타났다.

도 7은 석분을 외할로 0, 5, 10 및 15% 혼합한 경우의 압축강도를 나타낸 것이다. 실험결과 외할로 치환할 경우 석분의 혼입량이 증가됨에 따라 압축강도는 증가하는 경향을 나타내었으나 기준배합보다는 높은 압축강도를 나타내고 상대적으로 10%이상의 혼합에서는 더 이상의 강도발현 효과를 기대하기 어려운 것으로 나타나 10%정도의 혼합이 적절할 것으로 판단된다.

도 8은 석분을 내할로 0, 5, 10, 15% 혼합한 경우의 압축강도를 나타낸 것이다. 실험결과 내할로 치환할 경우 기준배합보다 5%만 혼합하더라도 급격한 압축강도 저하가 나타났으며, 최대 15% 혼합한 경우 기준배합과 비교하여 약 50% 정도의 압축강도 감소가 나타났으나 15%정도까지는 사용가능할 것으로 생각된다.

따라서 석분의 혼입 방법 및 혼입량에 따라 강도 20~75MPa 급의 콘크리트 제조가 가능한 것으로 나타났다.

도 1은 석분의 분말도에 따른 슬럼프 손실 결과를 보이는 그래프이다.

도 2는 석분의 분말도에 따른 재령별 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.

도 3은 NaOH의 몰농도에 따른 유동성 손실을 나타낸 그래프이다.

도 4는 NaOH의 몰농도에 따른 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.

도 5는 석분의 외할치환에 따른 유동성 손실 결과를 보이는 그래프이다.

도 6은 석분의 내할치환에 따른 유동성 손실 결과를 보이는 그래프이다.

도 7은 석분의 외할치환에 따른 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.

도 8은 석분의 내할치환에 따른 압축강도 결과를 보이는 그래프이다.

Claims (12)

1. 석분 5~20중량%, 고로슬래그 30~50중량%, 플라이애시 30~50중량%를 포함하는 결합재와 알칼리활성화제를 포함하며,

   상기 결합재와 알칼리활성화제의 중량비는 60:40 ~ 80:20인 것을 특징으로 하는 석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재.
2. 고로슬래그 40~60중량% 및 플라이애시 40~60중량%를 포함하는 결합재; 및 알칼리활성화제를 포함하며, 상기 결합재와 알칼리활성화제의 중량비는 60:40~80:20이고, 상기 결합재 100중량부를 기준으로 10~30 중량부의 석분이 추가되는 것을 특징으로 하는 석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 알칼리활성화제는 나트륨계 알칼리성용액과 소듐실리케이트(sodium sillicate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 나트륨계 알칼리성 용액과 소듐실리케이트의 중량비는 80:20 ~ 20:80인 것을 특징으로 하는 석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 나트륨계 알칼리성용액은 수산화나트륨(NaOH) 용액인 것을 특징으로 하는 석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 수산화나트륨용액의 몰농도는 6~12M인 것을 특징으로 하는 석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재.
7. 제 3항에 있어서,

   상기 소듐실리케이트는 이산화규소(SiO₂)와 산화나트륨(Na₂O)을 포함하며,

   상기 이산화규소와 산화나트륨의 몰비는 1.0~3.0인 것을 특징으로 하는 석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 석분의 분말도는 1,500 ~ 4,000cm²/g인 것을 특징으로 하는 석분을 포함하는 상온 강도발현용 비소성 결합재.
9. 잔골재, 굵은 골재 및 물을 혼합하는 단계;

   석분 5~20중량%, 고로슬래그 30~50중량% 및 플라이애시 30~50중량%를 혼합하여 결합재를 제조하는 제 2단계;

   상기 결합재와 알칼리활성화제의 중량비가 60:40 ~ 80:20이 되도록 상기 결합재에 알칼리활성화제를 혼합하는 제 3단계; 및

   상기 제 1단계에서 제조한 혼합물에 상기 알칼리활성화제가 혼합된 결합재를 혼합하는 제 4단계를 포함하며,

   상기 알칼리활성화제는 중량비가 80:20 ~ 20:80인 나트륨계 알칼리성용액과 소듐실리케이트(sodium sillicate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 석분을 포함하는 상온 강도발현 콘크리트 조성물 제조방법.
10. 잔골재, 굵은 골재 및 물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 제 1단계;

    고로슬래그 40~60중량% 및 플라이애시 40~60중량%를 혼합하여 결합재를 제조하는 제 2단계;

    상기 결합재 100중량부를 기준으로 10~30 중량부의 석분을 첨가하여 혼합하는 제 3단계;

    상기 제 2단계에서 제조된 결합재와 알칼리활성화제의 중량비가 60:40 ~ 80:20이 되도록 상기 결합제에 알칼리활성화제를 혼합하는 제 4단계; 및

    상기 제 1단계에서 제조한 혼합물과 상기 제 4단계에서 제조한 알칼리활성화제가 혼합된 결합재를 혼합하는 단계를 포함하며,

    상기 알칼리활성화제는 중량비가 80:20 ~ 20:80인 나트륨계 알칼리성용액과 소듐실리케이트(sodium sillicate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 석분을 포함하는 상온 강도발현 콘크리트 조성물 제조방법.
11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,

    상기 석분의 분말도는 1,500 ~ 4,000cm²/g인 것을 특징으로 하는 석분을 포함하는 상온 강도발현 콘크리트 조성물 제조방법.
12. 제 9항 또는 제 10항에 의한 방법에 의하여 제조된 석분을 포함하는 상온 강도발현 콘크리트 조성물.

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