KR20120098042A - 플라이 애시 지오폴리머를 이용한 고강도 콘크리트 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조방법 - Google Patents

플라이 애시 지오폴리머를 이용한 고강도 콘크리트 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지오폴리머 반응에 의한 플라이 애시 모르타르와 바텀 애시, 제강 슬래그, 동제련 슬래그, 니켈제련 슬래그 등의 산업부산물을 골재로 이용한 고강도 콘크리트 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조하는 방법에 관한 것으로서, 그 조성물은 플라이 애시, 상기 플라이 애시 100중량부에 대하여 수용성 알칼리 규산염 20?30중량부, 수용성 알칼리염인 15?20중량부, 감수제 0.1?1.0중량부, 강도보강재 1.0?3.0중량부를 혼합한 지오폴리머 모르타르와, 상기 플라이 애시 100중량부에 대하여 입경 2.5?15㎜ 크기의 굵은 골재 100?450중량부, 입경 1?2.5㎜ 크기의 잔 골재 50?200중량부의 골재를 혼합한 것을 특징으로 한다.
상기한 플라이 애시 지오폴리머 콘크리트의 제조방법에 의해 제조된 제품은 종래의 시멘트 콘크리트에 비하여 기계적강도, 내산성, 단열성, 비독성, 저수축율, 저알칼리 골재반응, 및 중금속 포획성 등의 물성이 우수한 효과를 얻을 수 있다.

Description

플라이 애시 지오폴리머를 이용한 고강도 콘크리트 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조방법{Method for production of high strength concrete using fly ash geopolymer}
본 발명은 플라이 애시 지오폴리머를 이용한 고강도 콘크리트의 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 지오폴리머 반응에 의한 플라이 애시 모르타르와 바텀 애시, 제강 슬래그, 동제련 슬래그, 니켈제련 슬래그 등의 산업부산물을 골재로 이용한 고강도 콘크리트 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조 방법에 관한 것이다.
대부분의 건설현장이나 토목 현장에서 사용되는 콘크리트는 칼슘 실리케이트 또는 칼슘 알루미나 실리케이트 수화물인 포틀랜드 시멘트를 결합재로 사용하고 있다. 포틀랜드 시멘트는 1Kg을 제조하는 데에 약 950g의 CO2가스를 발생되고, 세계적으로는 그 생산량이 해마다 3%정도씩 증가하고 있으며, 이들을 감안하면 시멘트 생산과정에서 발생하는 온실가스 배출량은 연간 약 135만톤으로 추정되고, 이는 전 세계 온실가스 배출량의 약 7%를 차지하게 되며, 지구 온난화의 주요 원인으로 지적되고 있다.
또한, 포틀랜드 시멘트를 제조하기 위해서는 많은 자원과 에너지를 소비하여야만 하는 문제도 갖고 있다.
본 발명자는 이와 같은 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 콘크리트의 결합재로서 지오폴리머를 사용하는 것에 착안해 보았다.
지오폴리머는 1950년대에 우크라이나의 굴루코프스킬크(Glukhovskyrk) (비특허문헌 1)가 처음 제안한 이후 1970년대에 프랑스의 다비도비치(Davidovits)가 약 30년에 걸쳐 연구를 계속하여 왔다.
지오폴리머는 하기의 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이 수용성 알칼리 용액과 분말상의 알루미나실리케이트 혼합물을 가열하여 알루미나규산염 폴리머, 예를 들면 Mn[-(Si-O2-)z-Al-O2-]n, w-H2O와 같은 일종의 무기질 폴리머를 생성하는 것이다. 여기에서 n : 중합도, M : Na, K, z: 1, 2, 3의 정수, w: 약 7이다.
이외에도 지오폴리머에 관한 기술개발은 메타 카오린(특허문헌 2), 플라이 애시(특허문헌 3, 4) 등과 알칼리규산염 또는 알칼리수산화물과의 반응을 이용한 무기물 고화체에 관한 연구가 이루어져 왔다.
최근에 이르러 플라이 애시와 알칼리규산염과의 지오폴리머 중합반응에 대한 연구논문(비특허문헌 2, 3, 4, 5)이 많이 발표되고 있으며, 실용화를 위한 개발연구(비특허문헌 6, 7, 8)도 수행되고 있다.
상용화에 관하여는 러시아나 중국 등지에서 지오폴리머 시멘트를 이용하여 건축물을 건립한 예는 있으나, 알칼리규산염이나 수산화물 및 기재인 알루미나규산염 재료의 가격문제와 고온경화, 알칼리의 안정성 등의 문제점 때문에 현재까지 포틀랜드 시멘트의 대체재로서 널리 이용되지 못하고 있는 실정이다.
또한, 근래에는 화력발전소에서 대량으로 발생되는 플라이 애시와 바텀 애시, 도시폐기물 소각회, 골재생산시의 석분, 고로슬래그 등의 폐기물의 처리문제가 심각하게 대두되고 있다.
따라서, 본 발명자는 이러한 폐기물들을 시멘트의 대체재나 혼화재로서 재활용하는 방안에 대해서도 착안해 보았다.
화력발전소에서 발생되는 플라이 애시는 콘크리트 조성물에 혼화재로 15?30% 정도 사용되고 있으나, 겨울철에는 양생시간의 지연 등으로 그 사용량이 대폭 감소된다. 플라이 애시를 사용하여 제조하는 경량골재는 플라이 애시에 점토, 환원제, 기포제 등을 첨가하여 발포시킨 다음 소성시켜 생산(특허문헌 5, 6, 7)되는데 제조비용의 상승 등으로 현재는 거의 생산하지 않고 있는 실정이다. 더욱이 전력사용량의 증가로 인한 화력발전소의 증설에 따라 플라이 애시의 발생량이 증가하고 있으며, 연간 약 천만 톤의 발생이 예상되고 있어 이의 처리 문제가 대단히 시급함을 알게 되었다.
또한, 콘크리트 조성물에 사용되는 골재는 그동안 강이나 하천 등지에서 채취하여 사용하였으나, 이들 천연 골재도 고갈되어 석산을 개발하여 부순 골재를 사용하고 있는 실정이며, 석산을 개발하는 것도 한계에 이르고 있다.
미국 특허 제4,349,386호 (1982. 09. 14. 등록) 미국 특허 제4,642,137호 (1987. 02. 10. 등록) 일본국 공개특허공보 2008-239446 (2008. 10. 09. 공개) 일본국 공개특허공보 평8-301639 (1996. 11. 19. 공개) 일본국 공개특허공보 2004-262728 (2004. 09. 24. 공개) 일본국 공개특허공보 2002-274902 (2002. 09. 25. 공개) 일본국 공개특허공보 평11-079809 (1999. 03. 23. 공개)
Glukhovsky, "Soil silicate", Gosstryizdat, Kiev, 154p. 1959 Garcia Lodeiro, "Alkali-aggregate reaction in activated fly ash systems" Cement & Concrete Research 37 (2007) 17-183. Fernandez Jimenez, "Composition and microstructure of alkali activated fly ash binder", Cement & Concrete Research 35 (2005) 1984-1992. Deepak Ravikumar, "Structure and strength of NaOH activated concretes containing fly ash or GGBFS as the sole binder", Cement and Concrete Composites 32 (2010) 399-410. Yelong Zhao, "Preparation of sintered foam materials by alkali activated coal fly ash", J. of Hazardous Materials 174 (2010) 108-112. D. Hardjito, "Development and properties of low-calcium fly ash based geopolymer concrete", Research Report GC1, Faculty of Engineering Curtin university of Technology Perth, Australia. S. E. Wallah, "Low calcium fly ash based geopolymer concrete: long-term properties", Research Report GC2, Faculty of Engineering Curtin university of Technology Perth, Australia. M. D. J. Sumajouw, "Low calcium fly ash based geopolymer concrete: reinfroced beams and columns", GC3, Faculty of Engineering Curtin university of Technology Perth, Australia.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 시멘트를 바인더 재료로 사용하지 않고, 플라이 애시를 알루미나규산염의 주원료로 한 지오폴리머를 결합재로 사용한 고강도 콘크리트 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또, 본 발명의 다른 목적은 지오폴리머 모르타르에 바텀 애시, 제강 슬래그, 동제련 슬래그 및 니켈제련 슬래그를 골재로 사용하고 감수제 등의 첨가제와 강도 보강재를 사용한 고강도 콘크리트 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고강도 콘크리트 조성물은 플라이 애시, 플라이 애시 100중량부에 대하여 수용성 알칼리 규산염 20?30중량부, 수용성 알칼리염인 15?20중량부, 감수제 0.1?1.0중량부 및 강도보강재 1.0?3.0중량부를 혼합한 지오폴리머 모르타르와, 상기 플라이 애시 100중량부에 대하여 입경 2.5?15㎜ 크기의 굵은 골재 100?450중량부, 입경 1?2.5㎜ 크기의 잔 골재 50?200중량부의 골재를 혼합한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고강도 콘크리트 제품의 제조방법은 상기 본 발명에 따른 콘크리트 조성물을 형틀에 주입하고, 진동기에서 20?60초동안 진동시켜 다진 후에 탈형하여 상온에서는 28일동안 자연 양생시키거나, 90℃이하의 온도 범위에서 4시간동안 스팀 양생시키는 것을 특징으로 한다.
상기한 플라이 애시는 석탄 화력발전소에서 석탄 연소시 발생한 것으로 도 1에서 보여 주는 바와 같이 입자의 크기가 20㎛이하 크기의 구형의 유리질이나 대부분이 비정질 알루미나규산염 혹은 결정질의 실리카나, 철산화물 및 장석류로 구성되어 있다. 실용상에 있어서 플라이 애시 입자의 크기는 1?20㎛정도이다.
그 성분은 표 1에서 보는 바와 같다.
화학성분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O K2O MgO TiO2 SO3
중량% 52.2 22.8 3.85 3.41 0.13 1.49 0.89 1.18 2.90
수용성 알칼리규산염은 규산나트륨(Na2SiO3) 또는 규산칼륨(K2SiO3)으로 SiO2/Na2O, SiO2/K2O의 몰비는 1.0?3.8 바람직하게는 1.5?3.5인 것을 사용하고, 이를 단독 혹은 적당한 비율로 혼합한 것을 사용한다.
수용성 알칼리수산화물은 NaOH 또는 KOH를 단독 혹은 적당한 비율로 혼합한 것을 사용한다.
한편, 물은 물/알칼리의 몰비가 0.15?0.25 되도록 사용한다.
감수제는 나프타린산, 카복실산 또는 인산칼륨(KHPO4)을 사용한다.
골재는 바텀 애시, 제강 슬래그, 동제련 슬래그, 니켈제련 슬래그 중 하나 또는 2이상의 골재를 혼합하여 사용할 수 있다. 이들 골재는 굵은 골재와 잔 골재를 분급하여 사용하고, 굵은 골재의 입경은 2.5?15㎜, 잔 골재의 입경은 1?2.5㎜의 크기를 사용한다.
바텀 애시는 석탄 화력발전소에서 분쇄하여 폐기되는 상태를 그대로 체질하여 일정 입도로 조성하여 사용한다. 즉, 본 발명에서 사용하는 바텀 애시 골재는 상술한 크기의 굵은 골재와 잔 골재로 분급한 것을 혼합하여 사용한다.
바텀 애시의 화학성분 및 물성은 표 2에서 보는 바와 같다.
화학성분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O MgO 비중 흡수율(%)
중량% 52.2 28.9 9.77 0.83 1.38 0.30 2.5 5?10
제강 슬래그는 고철 등을 용융 제련할 때 발생하는 전기로 슬래그와 용강을 만드는 과정에서 발생하는 전로 슬래그로 나뉜다. 전기로 슬래그는 1차 산화정련공장에서 발생하는 전기로 산화 슬래그와 2차 환원정련 후 주조공정에서 발생하는 환원슬래그로 다시 분류된다.
환원 슬래그는 팽창성 물질인 프리 CaO, MgO의 함유율이 높아 골재로 사용하기 어렵다. 그러나, 프리 CaO를 상대적으로 적게 함유한 전기로 산화슬래그 (Electric Arc Furnace Oxidizing Slag)는 환원슬래그가 혼입되지 않는다는 시스템하에 본 발명의 콘크리트용 조성물의 잔골재로서 사용된다.
본 발명에서 사용하는 제강 전기로 산화 슬래그 골재는 상술한 크기의 굵은 골재와 잔 골재로 분급한 것을 혼합하여 사용한다.
제강 전기로 산화 슬래그의 화학성분과 물성은 표 3에서 보는 바와 같다.
화학성분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MnO MgO 비중 흡수율(%)
중량% 16.0 12.3 27.0 25.6 6.4 5.1 3.42 0.68
동제련 슬래그는 동제련 공정에서 발생하는 슬래그로 철감람석(fayalite) (2FeO?SiO2)이 주성분이고, 이외에 CaO, MgO, Al2O3 등의 금속산화물이 포함된다.
본 발명에서 사용하는 동제련 슬래그 골재는 상술한 크기의 굵은 골재와 잔 골재로 분급한 것을 혼합하여 사용한다.
동제련 슬래그의 화학성분 및 물성은 표 4에서 보는 바와 같다.
화학성분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MnO MgO 비중 흡수율(%)
중량% 30.0 5.0 55.0 1.5 - 1.0 3.79 0.48
니켈제련 슬래그는 페로니켈 제련소에서 발생되는 슬래그로 마그네슘과 철의 규산염 물질로 MgO, Fe2O3, SiO2 등의 금속산화물로 구성되어 있다.
본 발명에서 사용하는 니켈제련 슬래그 골재는 상술한 크기의 굵은 골재와 잔 골재로 분급한 것을 혼합하여 사용한다.
니켈제련 슬래그의 화학성분 및 물성은 표 5에서 보는 바와 같다.
화학성분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MnO MgO 비중 흡수율(%)
중량% 53.4 1.5 6.5 0.65 - 35.5 2.79 1.48
도 2는 상술한 바텀 애시, 제강 슬래그, 동제련 슬래그, 니켈제련 슬래그 골재의 외형을 보여주고 있다.
강도보강재는 무기질 섬유, 유기질 섬유 또는 금속사를 사용하고, 무기질 섬유는 울라스토나이트, 유리섬유, 바잘트섬유를 사용하고, 유기섬유로는 비닐, 아크릴섬유를 사용하며, 금속사는 철사를 사용한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라이 애시 지오폴리머를 이용한 고강도 콘크리트 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조방법에 의하면, 기존의 시멘트 콘크리트에 비하여 높은 초기강도, 저수축율, 저투수율, 내화 및 내산성, 내구성, 및 중금속이온의 포획 등의 물성이 우수한 효과를 얻을 수 있다.
또, 본 발명에 따른 플라이 애시 지오폴리머를 이용한 고강도 콘크리트 조성물 및 그 콘크리트 제품의 제조방법에 의하면, 화력발전소에서 폐기물로 다량 발생하는 플라이 애시와 바텀 애시, 제강 슬래그, 동제련 슬래그 및 니켈제련 슬래그 등의 산업부산물을 골재로 사용하므로 CO2의 발생을 줄이고, 그 제조비용을 절감할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 플라이 애시의 SEM 사진
도 2a는 바텀 애시의 외형 사진
도 2b는 제강 슬래그의 외형 사진
도 2c는 동제련 슬래그의 외형 사진
도 2d는 니켈제련 슬래그의 외형 사진
도 3은 플라이 애시 지오폴리머 모르타르의 SEM 사진
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
먼저 본 발명의 개념에 대해 설명한다.
본 발명에서는 플라이 애시에 수용성 알루미나규산염 및 알칼리염을 첨가하여 지오폴리머 중합반응을 일으켜 경화체를 형성하는 공정에 있어서 바텀 애시, 제강 슬래그, 동제련 슬래그, 니켈제련 슬래그 등을 골재로 사용하여 콘크리트를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
일반적으로 지오폴리머 중합반응은 특허문헌 2에 의하면 ① 강알칼리 수용액에서 알루미나규산염의 분해, ② 물에 의한 반응물질의 이동, ③ 알루미나규산염의 비정질 3차원구조의 교차결합으로 구성된다. 상기한 반응은 순서대로 진행되는 것은 아니고 거의 동시에 일어난다고 생각 할 수 있다.
플라이 애시는 상기한 표 1 및 도 1에서 알 수 있는 바와 같이 대부분이 비정질인 알루미나규산염 물질에 약간의 철산화물 또는 결정질의 실리카, 장석류로 구성되어 있다.
따라서 플라이 애시와 알칼리 규산염과 수용성 알칼리염과의 지오폴리머 중합반응은 다음과 같이 반응될 것으로 예상된다.
Figure pat00001
[(Na, K)-Si-O-Al-O]n은 일명 저온 알루미나규산염 유리, 알칼리 활성화 시멘트, 지오 시멘트, 알칼리 결합 세라믹, 무기 폴리머 콘크리트 또는 지오폴리머라고도 한다.
현재까지 정확한 고화 반응기구에 대하여는 알려져 있지 않으나, 상기한 ③ 반응 후에 고화반응이 일어나는 것으로 이해된다.
이하에서는 플라이 애시에 수용성 알칼리규산염 및 알칼리수산화물을 적당 비율로 배합하여 슬러리를 형성하고, 여기에 바텀 애시, 제강 슬래그, 동제련 슬래그, 니켈제련 슬래그를 골재를 혼합하고 경화시켜 고강도 콘크리트 제품을 제조하는 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
플라이 애시 콘크리트의 조성물에 있어서 플라이 애시, 알칼리규산염, 알칼리수산화물, 감수제, 강도보강재(무기질 섬유, 유기질 섬유 및 금속사), 골재바텀 애시(KS F 4570), 제강 슬래그(전기로 산화슬래그), 동제련 슬래그(LS니코 페로샌드, KS F 2543), 니켈제련 슬래그(프라임스톤, KS F 2970)〕및 물의 배합비율을 표 6 내지 9에서 보여주는 바와 같이 변화시켜 가면서 콘크리트 제품의 제조실험을 수행하였다.
골재 A는 입자크기가 2.5?15㎜인 굵은 골재, a는 입자크기가 0.5?2.5㎜인 잔 골재이다.
규산나트륨은 SiO2/Na2O의 몰비가 3.0이고, 56%의 수용액을 사용하고, 수산화나트륨은 98%순도의 공업용 펠렛 또는 공업용 플레이크 제품을 40?60%고체농도의 수용액으로 조제하여 사용하였다.
감수제는 카복실산(일본 카오사제품 마이데이50), 강도보강재는 비닐섬유를 사용하였다.
본 발명에 따른 고강도 콘크리트 제품은 플라이 애시와, 플라이 애시 100중량부에 대하여 수용성 알칼리 규산염인 규산나트륨 20?30중량부, 수용성 알칼리염인 수산화나트륨 15?20중량부, 감수제인 카복실산 0.1?1.0중량부, 강도보강재인 비닐 섬유1.0?3.0중량부를 혼합하여 지오폴리머 모르타르를 제조한 후에 골재로서 플라이 애시 100중량부에 대하여 입경 2.5?15㎜ 크기의 굵은 골재 100?450중량부, 입경 1?2.5㎜ 크기의 잔 골재 50?200중량부의 골재를 믹서기에 넣고 혼합하여 형틀에 주입하고, 진동기에서 20?60초동안 진동시켜 다진 후, 상온에서 양생하는 경우에는 28일동안 자연 양생시키고, 스팀 양생하는 경우에는 90℃이하의 온도 범위에서는 4시간 동안 양생시켜 제조하였다.
비교예는 지오폴리머를 사용하지 않고, 종래와 같이 포틀랜드 시멘트를 사용하여 동일하게 제조하였다.
표 6은 바텀 애시 골재를 사용한 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 실시예 및 비교예이다.

구 분		 플라이 애시 지오폴리머 콘크리트 조성물 및 배합비율(중량%)
플라이
애시		 규산
나트륨		 수산화
나트륨		 감수제 강도
보강재		 물 바텀 애시 골재
a A
실시예1 100 25 10 0.5 1.0 - 150 300
실시예2 100 25 10 0.5 1.0 1.0 150 300
실시예3 100 25 10 0.5 1.0 1.5 150 300
실시예4 100 25 10 0.5 1.0 2.0 150 300
실시예5 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 300
실시예6 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 200
실시예7 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 150
실시예8 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 100
실시예9 100 30 15 0.3 1.0 1.5 50 400
실시예10 100 30 15 0.3 1.0 1.5 50 400
실시예11 100 30 15 0.3 1.0 1.5 50 400
실시예12 100 30 15 0.3 2.0 1.5 50 400
비교예1 100☆ - - 0.3 1.0 30 150 300
비교예2 100☆ - - 0.3 1.0 40 150 300
비교예3 100☆ - - 0.3 1.0 50 150 300
☆는 포틀랜드 시멘트
표 7은 제강 슬래그 골재를 사용한 본 발명에 따른 콘크리트의 실시예 및 비교예이다.

구 분		 플라이 애시 지오폴리머 콘크리트 조성물 및 배합비율(중량%)
플라이
애시		 규산
나트륨		 수산화
나트륨		 감수제 강도
보강재		 물 제강 슬래그 골재
a A
실시예1 100 25 10 0.5 1.0 - 150 300
실시예2 100 25 10 0.5 1.0 1.0 150 300
실시예3 100 25 10 0.5 1.0 1.5 150 300
실시예4 100 25 10 0.5 1.0 2.0 150 300
실시예5 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 300
실시예6 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 200
실시예7 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 150
실시예8 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 100
실시예9 100 30 15 0.3 1.0 1.5 50 400
실시예10 100 30 15 0.3 1.0 1.5 50 400
실시예11 100 30 15 0.3 1.0 1.5 50 400
실시예12 100 30 15 0.3 2.0 1.5 50 400
비교예1 100☆ - - 0.3 1.0 30 150 300
비교예2 100☆ - - 0.3 1.0 40 150 300
비교예3 100☆ - - 0.3 1.0 50 150 300
☆는 포틀랜드 시멘트
표 8은 동제련 슬래그 골재를 사용한 본 발명에 따른 콘크리트의 실시예 및 비교예이다.

구 분		 플라이 애시 지오폴리머 콘크리트 조성물 및 배합비율(중량%)
플라이
애시		 규산
나트륨		 수산화
나트륨		 감수제 강도
보강재		 물 동제련 슬래그 골재
a A
실시예1 100 25 10 0.5 1.0 - 150 300
실시예2 100 25 10 0.5 1.0 1.0 150 300
실시예3 100 25 10 0.5 1.0 1.5 150 300
실시예4 100 25 10 0.5 1.0 2.0 150 300
실시예5 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 300
실시예6 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 200
실시예7 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 150
실시예8 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 100
실시예9 100 30 15 0.3 1.0 1.5 50 400
실시예10 100 30 15 0.3 1.0 1.5 50 400
실시예11 100 30 15 0.3 1.0 1.5 50 400
실시예12 100 30 15 0.3 2.0 1.5 50 400
비교예1 100☆ - - 0.3 1.0 30 150 300
비교예2 100☆ - - 0.3 1.0 40 150 300
비교예3 100☆ - - 0.3 1.0 50 150 300
☆는 포틀랜드 시멘트
표 9는 니켈제련 슬래그 골재를 사용한 본 발명에 따른 콘크리트의 실시예 및 비교예이다.

구 분		 플라이 애시 지오폴리머 콘크리트 조성물 및 배합비율(중량%)
플라이
애시		 규산
나트륨		 수산화
나트륨		 감수제 강도
보강재		 물 니켈제련 슬래그 골재
a A
실시예1 100 25 10 0.5 1.0 - 150 300
실시예2 100 25 10 0.5 1.0 1.0 150 300
실시예3 100 25 10 0.5 1.0 1.5 150 300
실시예4 100 25 10 0.5 1.0 2.0 150 300
실시예5 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 300
실시예6 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 200
실시예7 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 150
실시예8 100 20 12 0.3 1.0 2.0 100 100
실시예9 100 30 15 0.3 1.0 1.5 50 400
실시예10 100 30 15 0.3 1.0 1.5 100 400
실시예11 100 30 15 0.3 1.0 1.5 150 400
실시예12 100 30 15 0.3 2.0 1.5 200 450
비교예1 100☆ - - 0.3 1.0 30 150 300
비교예2 100☆ - - 0.3 1.0 40 150 300
비교예3 100☆ - - 0.3 1.0 50 150 300
☆는 포틀랜드 시멘트
양생기간은 상온(20℃)이나 90℃이하에서 일정시간 경과 후 압축강도가 최대 값에 도달하는 시간을 기준으로 하였다. 상온인 경우에는 28일 양생, 80℃인 경우에는 4시간동안 스팀 양생을 기준으로 하였다.
표 10 내지 13은 상기 표 6 내지 9에 의해 제조된 지오폴리머 콘크리트 제품의 물성을 나타낸 결과이다. 여기서, 내산성은 H2SO4 5%용액에 침적 10일 경과 후의 무게 변화%를 의미한다.
내산성 시험에 있어서 표 10의 실시예에서는 황산에 의한 철분 등의 산 용해성물질의 용해로 인해 무게가 감소하게 되고, 비교예에서는 기존의 시멘트를 100% 사용(지오폴리머가 아님)하므로 시멘트중의 CaO성분이 황산과 반응하여 불용성인 석고(CaSO4)로 되면서 무게가 증가하게 된다.
표 10은 바텀 애시 골재를 사용한 본 발명에 따른 콘크리트의 압축강도, 휨강도 및 내산성을 나타내고 있다.
구 분 압축강도(MPa) 휨강도(MPa) 내산성※
실시예1 45 6.1 3.2% 감소
실시예2 44 5.5 3.5% 감소
실시예3 38 5.0 4.0% 감소
실시예4 32 4.3 4.4% 감소
실시예5 30 4.0 3.8% 감소
실시예6 22 3.2 3.5% 감소
실시예7 25 3.5 4.5% 감소
실시예8 23 3.8 3.9% 감소
실시예9 47 5.0 3.0% 감소
실시예10 53 5.4 2.9% 감소
실시예11 50 5.3 3.2% 감소
실시예12 45 5.3 4.0% 감소
비교예1 30 5.0 30% 증가
비교예2 25 3.6 28% 증가
비교예3 20 2.8 26% 증가
표 11은 제강 슬래그 골재를 사용한 본 발명에 따른 콘크리트의 압축강도, 휨강도 및 내산성을 나타내고 있다.
구 분 압축강도(MPa) 휨강도(MPa) 내산성※
실시예1 75 10.0 5.1% 증가
실시예2 65 8.7 4.8% 증가
실시예3 60 8.0 5.9% 증가
실시예4 58 7.5 4.5% 증가
실시예5 38 5.4 4.8% 증가
실시예6 33 5.1 5.6% 증가
실시예7 29 4.0 5.1% 증가
실시예8 24 3.5 5.0% 증가
실시예9 69 8.0 4.8% 증가
실시예10 73 9.7 5.0% 증가
실시예11 70 9.5 3.0% 증가
실시예12 65 8.3 3.8% 증가
비교예1 30 5.0 30% 증가
비교예2 25 3.6 28% 증가
비교예3 20 2.8 26% 증가
표 12는 동제련 슬래그 골재를 사용한 본 발명에 따른 콘크리트의 압축강도, 휨강도 및 내산성을 나타내고 있다.
구 분 압축강도(MPa) 휨강도(MPa) 내산성※
실시예1 60 8.3 1.5% 감소
실시예2 55 6.9 1.5% 감소
실시예3 53 6.4 1.9% 감소
실시예4 48 6.0 2.0% 감소
실시예5 30 4.9 1.5% 감소
실시예6 25 3.8 1.8% 감소
실시예7 23 3.5 1.5% 감소
실시예8 20 2.3 1.2% 감소
실시예9 67 9.1 1.9% 감소
실시예10 65 8.2 2.0% 감소
실시예11 58 7.8 2.3% 감소
실시예12 54 7.7 2.0% 감소
비교예1 30 5.0 30% 증가
비교예2 25 3.6 28% 증가
비교예3 20 2.8 26% 증가
표 13은 니켈제련 슬래그 골재를 사용한 본 발명에 따른 콘크리트의 압축강도, 휨강도 및 내산성을 나타내고 있다.
구 분 압축강도(MPa) 휨강도(MPa) 내산성※
실시예1 53 6.3 5.0% 감소
실시예2 50 5.9 5.6% 감소
실시예3 48 5.8 5.3% 감소
실시예4 39 5.0 5.8% 감소
실시예5 35 5.0 5.9% 감소
실시예6 30 4.8 6.0% 감소
실시예7 28 4.5 6.2% 감소
실시예8 27 4.0 6.0% 감소
실시예9 65 8.7 5.3% 감소
실시예10 61 8.1 5.3% 감소
실시예11 58 7.1 5.7% 감소
실시예12 56 6.0 4.9% 감소
비교예1 30 5.0 30% 증가
비교예2 25 3.6 28% 증가
비교예3 20 2.8 26% 증가
상기한 실시예에서 알 수 있는 바와 같이 플라이 애시 지오폴리머 콘크리트의 압축강도는 20?75MPa, 휨강도는 2?8MPa이며, 황산 용액에서의 내산성은 기존 시멘트 콘크리트에 비하여 매우 우수함을 알 수 있다. 일반 포틀랜드 시멘트는 시멘트 중의 CaO성분이 황산과 반응하여 다량의 석고(CaSO4)를 생성하기 때문에 무게가 증가하는 경향을 나타낸다.
압축강도는 KS F 2405의 콘크리트의 압축강도 측정방법, 굽힘강도는 KS F 2406의 콘크리트의 휨강도 측정방법, 내산성은 상온(20℃)의 5% 황산수용액에 10일간 침적시킨 후 무게 변화량을 기준으로 하였다.
본 발명에 따른 플라이 애시 지오폴리머를 이용한 고강도 콘크리트는 종래의 시멘트를 대체하면서도 기계적강도, 내산성, 불연성, 저열전도도, 비독성, 저수축율, 저알칼리 골재반응, 중금속 포획성 등이 요구되는 건축재료, 철도침목, 흄관, 전주, 수로관 및 옥외 구조물 등에 이용되고, 중금속을 함유한 유해 폐기물의 고형화에도 이용된다. 특히, 내산성이 매우 우수하므로 내산재 콘크리트 제품의 제조에 이용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 플라이 애시에 수용성 알칼리규산염, 알칼리수산화물, 강도보강재, 감수제 및 물을 첨가하여 지오폴리머 중합반응을 일으켜 제조된 모르타르와,
    상기 모르타르에 바텀 애시 골재, 제강 슬래그 골재, 동제련 슬래그 골재 및 니켈제련 슬래그 골재 중 하나 또는 2이상의 골재를 사용한 것을 특징으로 하는 고강도 콘크리트 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라이 애시는 입경이 1?20㎛인 것을 특징으로 하는 고강도 콘크리트 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수용성 알칼리 규산염은 규산나트륨 또는 규산칼륨이고, 수용성 알칼리염은 수산화나트륨 또는 수산화칼륨인 것을 특징으로 하는 고강도 콘크리트 조성물.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 규산나트륨과 규산칼륨 중의 SiO2/Na2O, SiO2/K2O의 몰비는 1.0?3.8범위이고, 상기 수산화나트륨 또는 수산화칼륨은 40?60% 고체농도의 수용액으로 만들어, 플라이 애시 100중량부에 대하여 상기 규산나트륨 또는 규산칼륨은 20?30중량부, 상기 수산화나트륨 또는 수산화칼륨은 15?20중량부를 사용한 것을 특징으로 하는 고강도 콘크리트 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 골재는 상기 플라이 애시 100중량부에 대하여 입경 2.5?15㎜ 크기의 굵은 골재 100?450중량부, 입경 1?2.5㎜ 크기의 잔 골재 50?200중량부를 사용한 것을 특징으로 하는 고강도 콘크리트 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 감수제는 플라이 애시 100중량부에 대하여 나프타린산, 카복실산 또는 인산칼륨 0.1?1.0중량부를 사용한 것을 특징으로 하는 고강도 콘크리트 조성물.
  7. 제 1항에 있어서
    상기 강도보강재는 상기 플라이 애시 100중량부에 대하여 울라스토나이트, 유리섬유, 바잘트섬유, 비닐섬유, 아크릴섬유 또는 금속사 1.0?3.0중량부를 사용한 것을 특징으로 하는 고강도 콘크리트 조성물.
  8. 결합재, 골재, 강도보강재 및 감수제를 사용한 고강도 콘크리트 조성물로 제조되는 고강도 콘크리트 제품의 제조 방법에 있어서,
    상기 결합재로서 플라이 애시 지오폴리머 모르타르와, 바텀 애시 골재, 제강 슬래그 골재, 동제련 슬래그 골재 및 니켈제련 슬래그 골재 중 하나 또는 2이상의 골재와, 강도보강재 및 감수제를 믹서기에 넣고 혼합하여 형틀에 주입하고, 진동기에서 20?60초동안 진동시켜 다진 후, 상온?90℃의 온도 범위에서 자연 양생 또는 스팀 양생하는 것을 특징으로 하는 고강도 콘크리트 제품의 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 지오폴리머 모르타르는 플라이 애시, 수용성 알칼리규산염, 알칼리수산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 콘크리트 제품의 제조방법.
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