KR20130061449A - 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료, 및 이를 포함하는 조강형 해양콘크리트 - Google Patents

콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료, 및 이를 포함하는 조강형 해양콘크리트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트의 강도 발현을 촉진시키는 무기질 혼합재료와 이를 첨가하여 초기 강도발현율을 향상시킨 조강형 해양콘크리트의 제조 및 해상 교량의 프리스트레스트 도입시기를 단축하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에서는 Ca(SO4) 50∼70 중량부에 Na2SO4 10∼30 중량부, K2SO4 5~15 중랑부 및 SiO2 5~10 중량부로 구성되는 무기질 혼합재료와 이를 콘크리트 제조 시에 시멘트 중량 대비 3%∼7% 첨가함으로써 초기 재령에서 20%∼30%의 강도가 증진되고, 수화열의 증가율이 5%이내이며, 건조 수축량이 40%∼60% 저감되는 특징을 가진 조강형 해양콘크리트, 및 해상 교량의 프리스트레스트 도입 시기를 30%∼40% 단축하여 시공 기간 단축 및 제품 안정성을 높이는, 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료, 및 이를 포함하는 조강형 해양콘크리트가 제공된다.

Description

콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료, 및 이를 포함하는 조강형 해양콘크리트{Mineral Admixture for Concrete Strength Promotion, and High Early Strength Type Marine Concrete Containing the Same}
본 발명은 해양콘크리트에 사용되는 고로슬래그 시멘트의 강도 발현을 촉진하기 위한 무기질 혼합재료 및 이를 포함하는 조강형 해양콘크리트에 관한 것으로서, 구체적으로는 해양콘크리트의 제조에 사용되는 고로슬래그 시멘트와 반응하여 수화반응 초기에 애트링케이트(Ettringite) 및 칼슘 실리카 하이드레이트(Calcium Silicate Hydrate/ C-S-H) 젤(gel)의 생성을 촉진함으로써 해양콘크리트의 타설일로부터 3일 이전의 초기재령 압축강도를 약 20% ~ 30% 증강시켜 해상 교량 등의 해양구조물에서 프리스트레스트 도입 시기를 약 30% ~ 40% 단축할 수 있도록 하는 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료 및 이를 포함하는 조강형 해양콘크리트에 관한 것이다.
콘크리트는 압축력이 작용하였을 때 높은 강도까지 견딜 수 있으나 인장력에 취약한 특징이 있으며, 콘크리트의 인장력을 보완하기 위해서는 인장력이 크게 작용하는 부위에 철근을 삽입하여 인장력을 보강하게 되는데, 이와 같이 철근을 배근하여 보강한 콘크리트를 "철근 콘크리트"라고 한다. 이러한 철근 콘크리트는 현재까지도 거의 대부분의 구조물에 사용되고 있지만 콘크리트가 고강도화될 뿐만 아니라, 철근 콘크리트 구조물이 장대화됨에 따라 현재의 철근 콘크리트 기술만으로는 한계에 부딪치게 되었으며, 이러한 한계를 극복하기 위한 방편으로, 구조물의 단면 크기를 줄이면서 더 높은 강도를 견딜 수 있는 프리스트레스트 콘크리트 구조물이 이용되고 있다.
일반적으로 철근 콘크리트는 외력이 가해지면 콘크리트의 단면은 압축력과 인장력으로 나누어진다. 종래의 철근 콘크리트는 단면에 발생되는 압축력만을 설계에 반영하지만, 프리스트레스트 콘크리트는 내부에 배치된 PS강선에 인장력을 도입하여 콘크리트에 프리스트레스가 작용하게 함으로써, 콘크리트의 단면 전체를 압축력에 저항하도록 설계한다. 따라서 프리스트레스트 콘크리트는 고강도의 콘크리트를 사용하기에 적합할 뿐만 아니라, 부재 단면을 최소화할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 프리스트레스트 콘크리트는 지간의 길이가 긴 장대교량에 매우 유용하게 적용할 수 있다.
한편 최근 교량 사업은 해양을 가로지르는 장대교량이 주를 이루고 있는데, 이러한 장대교량은 "해양구조물"로 분류된다. 이와 같이 해양을 가로지르는 장대교량이나 방파재 구조물 등과 같은 해양구조물은 해안 환경에 놓이게 된다. 여기서 "해안 환경"은 구조물이 해수면 아래에 위치하거나 또는 파도가 간헐적으로 내습하는 곳에 위치하여 해수와 직접 접촉하는 환경뿐만 아니라, 비록 육상에 위치하지만 바닷바람에 의한 영향을 지속적으로 받아서, 해수의 염분의 영향을 받는 환경을 모두 포함하는 의미이다.
이와 같이 해안 환경에 놓인 해양구조물이 철근 콘크리트 구조물로 이루어진 경우, 염분이 콘크리트 내부로 침투하여 철근의 부동태 피막을 파괴함으로써, 철근이 부식하기 쉬운 상태에 놓이게 되며, 그로 인하여 해양구조물의 열화가 발생하게 된다. 따라서 해양구조물을 구축하는데 사용되는 콘크리트의 내구성을 높이기 위해서는 외부로부터 염분이 콘크리트 내부로 침투하는 것을 차단하거나 적어도 염분의 침투속도를 지연시킬 필요가 있다. 이를 위하여, 해양 구조물의 표면에 페인트 등의 내염 도장 작업을 수행하여 염분 즉, 염소이온이 콘크리트 내부로 침투하는 것을 방지하는 방법, 콘크리트에 사용되는 단위 결합재 및 W/B를 조절하여 콘크리트의 공극율을 저하시킴으로써 염소이온의 침투속도를 낮추는 방법, 고로슬래그 시멘트를 사용하여 콘크리트를 배합함으로써 염소이온을 고착화하는 방법 등이 제시되었다.
특히, 콘크리트 표준 시방서에서는 해양구조물을 구축하기 위한 특수 콘크리트로서 해양콘크리트를 규정하고 있는데, 이러한 해양콘크리트의 경우, 고로슬래그 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 플라이애쉬 시멘트 등과 같이 내구적인 시멘트를 사용할 것으로 권장하고 있다. 실제 현장에서는 그 중에서도 잠재수경성 반응에 의해 염소이온을 고착화하는 고로슬래그 시멘트가 해양콘크리트의 제작에 주로 사용되고 있다. 고로슬래그는 시멘트 수화물과 반응하며 콘크리트 강도 형성에 중요한 역할을 하는 C-S-H겔을 생성하게 되는데, 고로슬래그에 의해 이와 같이 C-S-H겔을 생성하는 반응을 "잠재수경성 반응"이라고 한다. 고로슬래그를 혼입한 콘크리트는 조직을 치밀하기 때문에 외부 물질의 침투를 어렵게 하여 내구성 향상시킴은 물론 장기 강도 증진에도 효과적이다. 그러나 이와 같이 고로슬래그를 혼입한 콘크리트는 초기 강도가 낮다는 결점이 있으며, 따라서 구조물 시공시에는 거푸집 탈형시기가 늦어지게 되므로, 시공속도를 높이기 위하여 거푸집의 탈형을 앞당길 경우, 초기 균열의 발생으로 인한 콘크리트 구조물의 품질저하가 야기될 수 있다.
고로슬래그를 포함하는 고로슬래그 시멘트와 같이 잠재수경성 반응을 하는 시멘트에 대해, 설계에서 요구하는 초기강도를 확보하기 위해서, 종래에는 재료적으로 W/B를 낮추거나, 단위결합재의 함유량을 높여서 초기 반응성을 높여주는 방법이 제안되어 있다. 시공기술적인 측면에서는 고로슬래그 시멘트 등에 대해 초기강도를 확보하기 위해서 보온양생 및 증기양생 등을 적용하고 있다. 그러나 이와 같이 조기강도 확보를 위한 시공기술적인 측면의 종래 기술에서는 콘크리트의 작업성 저하 및 품질변동, 양생비용의 증대 등과 같은 문제를 극복하지 못하고 있는 실정이다.
해상에 위치한 장대 교량 구조물은 콘크리트 고강도화 및 단면 최소화를 위해 프리스트레스트 콘크리트 시공이 불가피한데, 프리스트레스트 콘크리트는 인장력 도입을 위해 비교적 높은 초기 강도를 가지고 있어야 한다. 그러나 이러한 해상의 장대 교량 구조물에, 염해 방지와 같은 내구적인 특성 등을 감안하여 고로슬래그 시멘트와 같이 잠재수경성 반응을 하는 시멘트를 포함하는 해양콘크리트를 사용하는 경우, 초기강도 발현이 늦어지게 되고 동절기나 바람이 많은 해안가와 같이 외부 환경이 열악한 경우에는, 발현되는 콘크리트의 강도가 예상보다 낮아지는 현상이 발생할 수 있으며, 그에 따라 콘크리트의 품질 저하, 시공기간 지연 등의 문제를 야기하게 된다.
한편, 해양콘크리트의 초기 강도를 높이기 위하여 단위 결합재의 함유량, W/B를 조절하는 방안을 고려할 수도 있지만, 이 경우, 압축강도 이외에 콘크리트 초기 물성 및 내구 성능이 달라지기 때문에 콘크리트의 초기강도를 개선하기 위해서는 콘크리트 성능 전반에 걸친 종합적인 검토가 필요하게 되며, 따라서 현장에서는 쉽게 적용할 수 없다는 한계가 있다. 조강 콘크리트의 선행기술로는 대한민국 등록특허 제10-1001221호가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1001221호(2010. 12. 15. 공고) 참조.
본 발명은 상술한 바와 같이 고로슬래그 시멘트를 함유하고 있어 해양구조물의 시공에 이용되는 해양콘크리트의 문제점으로 지적되는, 초기강도 발현부진 및 이로 인한 해양콘크리트의 시공성 및 품질 저하에 대한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것이다.
구체적으로 본 발명은, 고로슬래그 시멘트의 초기 반응성 향상시켜, 고로슬래그 시멘트를 혼입한 해양콘크리트의 초기재령 압축강도를 증강시킴으로써, 종래 고비용의 양생방법이나 결합재량의 증가 없이도 해상 교량의 프리스트레스트 도입시기를 단축하고 시공성을 높일 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 해양구조물의 해양콘크리트 강도발현 지연에 따른 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료로서, 전체 무기질 혼합재료의 총중량을 기준으로(즉, 전체 무기질 혼합재료의 총중량을 100중량%라고 할 때), Ca(SO4) 50∼70 중량%, Na2SO4 10∼30 중량%, K2SO4 5~15 중랑% 및 SiO2 5∼10 중량%를 포함하는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료가 제공된다.
또한 본 발명에서는 결합재로서 고로슬래그 시멘트를 함유하며, 상기한 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 더 포함하고 있되, 상기 결합재와 상기 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 합한 중량을 100중량부라고 할 때, 그중에서 상기 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료는 3~7중량부로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 조강형 해양콘크리트가 제공된다.
위와 같은 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료, 및 이를 포함하는 조강형 해양콘크리트에서, 전체 무기질 혼합재료의 총중량을 기준으로(즉, 전체 무기질 혼합재료의 총중량을 100중량%라고 할 때), Ca(SO4)는 60중량%, Na2SO4는 22중량%, K2SO4는 13중랑%, SiO2는 5중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
고로슬래그 시멘트를 포함하는 해양 콘크리트에 본 발명의 무기질 혼합재료를 첨가하게 되면, 고로슬래그 시멘트의 초기 반응율을 증진시키게 되어, 콘크리트의 타설 후 3일 이내의 초기 재령에서의 압축강도를 20%∼30% 증진하는 효과가 있으며, 수화열 증가율은 5%이내로 제한될 뿐만 아니라, 건조 수축량이 40%∼60% 저감되는 해양콘크리트의 제조가 가능하게 된다. 따라서 본 발명을 이용하여 해양구조물로서 해상 교량을 시공하게 되면, 프리스트레스트 도입 시기를 30%∼40% 단축시킬 수 있게 되어, 해당 공정의 수행에 필요한 공사 기간을 크게 단축시켜 공사비 등의 절감 효과를 가져올 뿐만 아니라, 시공품질도 향상시켜 구조물의 안정성을 높이게 되는 효과가 발휘된다.
도 1은 고로슬래그가 물과 접촉하여 고로슬래그의 입자 표면에 3차원 망목구조의 막이 형성되는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 강알카리 환경하에서 3차원 망목구조의 막이 해체되는 반응을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 Ca(SO4)에 의해 C-S-H 수화물 겔과 AFt(에트링케이트)가 형성되는 것을 설명하는 화학식을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3의 화학식에 의한 반응을 단순화시켜 보여주는 개념도이다.
도 5는 표 4에 개시된 결과에 대한 그래프도이다.
도 6은 표 6에 기재된 실험결과를 도시한 막대그래프도이다.
도 7은 표 6에 기재된 시편에 대해 재령에 따른 시편의 길이변화율을 보여주는 그래프도이다.
도 8은 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료의 첨가에 따른 수화발열특성 분석시험 결과를 보여주는 그래프도이다.
도 9는 시험구조물의 형상과 제원에 대한 개략도이다.
도 10은 현장 시험에서 측정된 콘크리트 재령별 압축강도 결과에 대한 막대그래프도이다.
도 11은 현장 시험 구조물의 위치별 수화열 측정 결과에 대한 그래프도이다.
도 12는 현장 시험 구조물의 위치별 길이변화 측정 결과에 대한 그래프도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하게 되는데, 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명에서는 고로슬래그 시멘트와 반응하여 수화반응 초기에 애트링케이트(Ettringite) 및 칼슘 실리카 하이드레이트(Calcium Silicate Hydrate/ C-S-H) 젤(gel)의 생성을 촉진하는 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료로서, 전체 무기질 혼합재료의 총중량을 기준으로, Ca(SO4) 50∼70 중량%, Na2SO4 10∼30 중량%, K2SO4 5~15 중랑% 및 SiO2 5∼10 중량%를 포함하는 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료가 제공된다. 또한 본 발명에서는 결합재로서 고로슬래그 시멘트를 함유하는 해양콘크리트에서, 위와 같은 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 더 함유하고 있되, 고로슬래그 시멘트를 포함하는 전체 결합재와 상기 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 합한 중량을 100중량부라고 할 때, 그중에서 상기 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료는 3~7중량부로 함유되어 있는 조강형 해양콘크리트가 제공된다.
본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료의 성분인 Ca(SO4), Na2SO4, 및 K2SO4는, 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료가 고로슬래그 시멘트와 혼입되었을 때, 고로슬래그의 잠재수경성 반응을 촉진하는 자극제 역할을 한다.
일반적으로 고로슬래그는 물과 접촉하게 되면, 불규칙한 3차원 망목구조(CaO-Al2O3-SiO2 glass)의 막이 고로슬래그의 입자 표면에 형성된다. 도 1에는 이와 같이 3차원 망목구조의 막이 형성되는 것을 설명하기 위한 개념도가 도시되어 있다. 고로슬래그의 3차원 망목구조의 막은 불투수층으로소 고로슬래그의 수화반응을 차단하는 역할을 하지만, 강알카리(pH>12) 환경하에서는 이온 반응에 의해 막 구조가 해체된다. 도 2에는 3차원 망목구조의 막이 해체되는 반응을 설명하기 위한 개념도가 도시되어 있다. 강알카리 성분에 의해 3차원 망목구조의 막이 해체된 고로슬래그는, 도 2에 도시된 것처럼, 내부의 Ca2+, Si4+, Mg2+, Al3+ 등이 용출되어 물, 이온 등과 결합반응하여 고로슬래그의 수화물을 생성하게 된다.
특히, Na2SO4와 K2SO4는 물과 접촉시 각각 Na2+이온과 SO4 2- 이온으로, 그리고 K2+이온과 SO4 2-이온으로 해리되는데, 이렇게 생성된 Na2+, K2+ 및 SO4 2-는 강알카리 성분으로서, 고로슬래그의 수화반응을 촉진하는 역할을 하게 된다. 이들 이온들의 반응순서는 알카리도에 따라 K2+, Na2+ 및 SO4 2- 순이 된다.
본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료에서 Na2SO4는 10∼30 중량%로 함유되는데, Na2SO4가 10중량% 미만일 경우에는 고로슬래그 미분말을 활성화하기 위한 알카리량이 부족하여 강도 발현이 작아질 수가 있고, Na2SO4가 20중량%를 초과할 경우에는 알카리량이 과다하게 높아져 알카리 성분에 반응하는 골재가 함유되었을 때 알카리 골재 반응의 위험이 높아지게 된다. 따라서 본 발명에서 바람직한 Na2SO4의 함유량은 10~30중량%이며, 더욱 바람직한 함유량은 10~20중량%이다.
또한 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료에서 K2SO4는 5∼15 중량%로 함유되는데, K2SO4가 5중량% 미만일 경우에는 알카리 성분 중에 반응성이 비교적 빠른 K2+이 부족하게 되어 수화 반응 초기에 강도 형성이 어렵게 되고, K2SO4가 15중량%를 초과할 경우에는 K2+가 과다 함유되어 수화물이 급격하게 생성되어 일부 고로슬래그 미분말의 수화를 방해하는 경우가 발생하여 오히려 강도증진을 저해하게 된다. 따라서 본 발명에서 바람직한 K2SO4의 함유량은 5~15중량%이다.
Ca(SO4)는 난용성 물질로 물에 잘 해리되지 않지만, 일부 해리된 SO4 2-이온은, Na2SO4와 K2SO4 의해 알카리 성분이 소비된 이후에도 지속적으로 알카리 성분을 공급해 주는 역할을 한다. 또한 해리되지 않은 Ca(SO4)는 반응성이 높은 C3A와 반응하여 AFt(Ettringite)를 생성하여 초기 콘크리트의 공극을 메우는 채움재 역할을 하여 강도 형성에 중요한 역할을 한다. 도 3에는 Ca(SO4)에 의해 C-S-H 수화물 겔(C-S-H hydrate gel)과 AFt(Ettringite)가 형성되는 것을 설명하는 화학식들이 도시되어 있고, 도 4에는 이를 단순화시켜 보여주는 개념도가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료에서 이러한 Ca(SO4)는 50∼70 중량%로 함유되는데, Ca(SO4)가 50중량% 미만일 경우에는 초기 강도 형성에 중요한 역할을 하는 AFt(Ettringite)(에트링게이트)의 생성이 부족하여 강도 발현이 늦어지게 되고, Ca(SO4)가 70중량%를 초과할 경우에는 고로슬래그 시멘트 중 시멘트의 응결이 지연되고 SO3의 함량이 기준치 이상이 되어 장기 강도가 저하될 수 있다. 따라서 본 발명에서 바람직한 Ca(SO4)의 함유량은 50~70중량%이다. 더욱 바람직한 Ca(SO4)의 함유량은 50~60중량%이다.
본 발명에 따른 조강형 해양콘크리트는, 위와 같은 조성을 가지는 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 함유하는 것을 특징으로 하는데, 구체적으로 본 발명에 따른 조강형 해양콘크리트에 함유되는 전체 결합재의 사용량을 100중량부라고 할 때, 상기한 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료는 3~7중량부로 함유된다. 즉, 조강형 해양콘크리트에서 시멘트 등의 결합재와 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 합한 중량을 100중량부라고 할 때, 그중에서 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료는 3~7중량부로 함유되는 것이다. 이러한 구성을 통해서, 본 발명에 따른 조강형 해양콘크리트는, 3일 이내의 초기재령에서 20%~30% 증진된 콘크리트 압축강도를 가지게 된다. 즉, 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 함유하지 아니한 종래의 해양콘크리트에 비하여, 본 발명에 따른 조강형 해양콘크리트는 타설 직후부터 3일 이내의 기간에서 측정한 압축강도가 약 20 내지 30% 더 향상된 결과를 나타내는 것이다.
다음에서는 위와 같은 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료 및 이를 함유하는 조강형 해양콘크리트에 대한 성능시험에 대해 설명한다.
(1) 실내 성능검증 시험
본 발명의 성능과 효과를 확인하기 위하여, 모르타르 및 콘크리트 배합 시험을 실시하였으며, 콘크리트 배합 시험은 실내 배합시험과 레미콘 배치플랜트에서 생산한 콘크리트를 이용한 강도 시험을 수행하였다. 표 1에는 시험에 사용된 모르타르의 기준 배합비율이 개시되어 있고, 표 2에는 시험에 사용된 콘크리트의 기준 배합비율이 개시되어 있다. 표 1에서 W/B는 물-결합재비(중량비)를 의미하고, W, S 및 B는 각각 물(W), 잔골재(S), 및 결합재(B)를 의미하며, 표 1에 기재된 수치는 각각 단위중량(㎏/㎥)을 의미한다. 여기서 상기 결합재(B)는, 일반 포트랜드 시멘트와 고로슬래그 미분말을 60±5:40±5의 비율(중량비)로 혼합한 것이다. 한편, 표 2에서 S/a는 잔골재율(용적비)을 의미하며, W/B는 물-결합재비(중량비)를 의미하고, S1은 세척사를 의미하며, S2는 쇄사를 의미하고, G는 굵은 골재를 의미하며, AD는 고성능 감수제를 의미한다. 그리고 ESA는 본 발명에 따른 콘크리트 강도증진용 무기질 혼합재료를 의미한다.
Figure pat00001
Figure pat00002
특히, 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료의 성능과 효과를 확인하기 위하여, 결합재의 종류를 변화시킨 상태에서도 시험을 수행하였다. 표 3에는 모르타르에 대해 시험을 수행한 결과가 개시되어 있는데, 표 3에서 "TYPE"이라고 기재된 수직 열은 각각 결합재에서, 일반 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 미분말이 혼합된 비율(중량비)을 의미한다. 즉, "80:20"이라고 기재된 시편들은 중량비로 일반 포틀랜드 시멘트(OPC)가 80이고 고로슬래그 미분말(Slag Powder: SP)가 20인 경우를 의미한다. ESA는 본 발명에 따른 콘크리트 강도증진용 무기질 혼합재료를 의미한다. 표 3에서 "기준 대비 강도발현율(5)"는 각 재령별로 ESA를 혼입하지 않은 배합의 강도를 100이라고 하였을 때의 비율을 의미하는 것으로서, 예를 들어 "3일 - 129"라고 기재한 것은 ESA를 혼입하지 않은 배합의 강도를 100이라고 하였을 때 3% 혼입한 배합의 강도가 129라는 의미이다.
표 4에는 결합재에서 일반 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 미분말이 혼합된 비율이 60:40인 경우에 대해, 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료의 배합비율을 달리한 모르타르 시편의 기준대비 강도발현율의 시험결과가 표로 도시되어 있고, 도 5에는 표 4에 개시된 결과에 대한 그래프도가 도시되어 있다. 표 4에 도시된 표에서 "구분"이라고 기재된 열에 표시된 1, 2, 3....의 숫자는 시편의 번호이다. 이러한 시편의 번호는 도 5의 가로 축에도 동일하게 표시되어 있다.
표 3 및 표 4에서 알 수 있는 것처럼, 결합재와 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 합한 중량을 100중량부라고 하였을 때 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 3 내지 7중량부로 함유하는 경우가 3일 강도 및 7일 강도에서 우수한 강도발현율을 보이는 것을 확인할 수 있다. 특히, 결합재에서 일반 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 미분말이 혼합된 비율이 달라지더라도, 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 3 내지 7 중량부를 사용할 경우에 강도발현율이 우수한 것으로 확인되었다.
Figure pat00003
Figure pat00004
본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료에 의한 우수한 조기강도 발현 효과는 모르타르 뿐만 아니라 콘크리트에서도 발현되는 것으로 확인되었다. 구체적으로 표 5에는 시험에 사용된 콘크리트의 배합비가 개시되어 있고, 표 6에는 표 5의 배합비를 가지는 시편에 대해 시험을 수행한 결과가 개시되어 있다. 표 5 및 표 6에서 "구분"이라는 항목의 수직 열에 기재된 "Plain", "S/C-120%", "SP-25%"의 시편은 모두 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료(ESA)가 전혀 포함되지 아니한 시편으로서, 각각 "Plain"은 결합재로서 고로슬래그 시멘트만 사용한 시편이고 물성평가의 기준이 되는 배합에 의한 시편을 의미하며, "S/C-120%"는 결합재로서 고로슬래그 시멘트만 사용하면서 W/B가 30.6으로 조정된 시편으로서, "Plain" 대비 결합재량이 90kg/m3 증량으로 사용된 배합에 의한 시편을 의미하며, "SP-25%"는 고로슬래그 시멘트가 사용되고 있되, 고로슬래그 미분말과 일반 포틀랜드 시멘트를 합한 결합재 전체 중량을 100이라고 했을 때, 그 중 고로슬래그 미분말이 차지하는 중량이 25인 경우의 시편으로서 "Plain"대비 고로슬래그 미분말의 사용 비율만 달리한 배합에 의한 시편을 의미한다. "ESA-5%"는 위의 "Plain"시편에서 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료가 더 포함되어 있되, 결합재와 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 합한 중량을 100중량부라고 할 때, 그중에서 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료가 5중량부로 함유되어 있으며, AD의 함유량 역시 0.68%로 조정된 시편을 의미한다. 기타 표 5 및 표 6에서 설명하지 아니한 기호들은 앞서 설명한 바와 동일하다.
한편, 도 6에는 표 6에 기재된 실험결과를 막대 그래프 형태로 도시한 그래프도가 도시되어 있으며, 도 7에는 표 6에 기재된 시편에 대해 재령에 따른 시편의 길이변화율을 보여주는 그래프도가 도시되어 있다. 표 5 및 표 6에 도시된 것처럼, 결합재와 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 합한 중량을 100중량부라고 할 때, 그중에서 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료가 5중량부로 함유되어 있는 경우, "Plain"은 결합재로서 고로슬래그 시멘트만을 사용한 시편의 강도(이 때의 강도를 100으로 본다)에 비하여 매우 높은 137의 3일 강도와 130의 7일 강도를 보이고 있으며, 28일 강도 역시 110의 값을 보이고 있다. 또한 28일 대비강도 증가율 즉, 28일 강도를 100이라고 하였을 때, 3일 강도에서는 28일 강도의 45%가 발현되고 7일 강도에서는 28일 강도의 81%가 발현되고 있어, 매우 우수한 초기 강도를 보이고 있다.
또한 도 6에 도시된 것처럼, 재령에 따른 길이 변화율에 있어서도, 결합재와 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 합한 중량을 100중량부라고 할 때, 그중에서 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료가 5중량부로 함유되어 있는 시편이 매우 작은 길이 변화율을 보이고 있어 우수한 물성을 가지고 있음이 확인된다.
Figure pat00005
Figure pat00006
한편, 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료에 의한 내구성 향상 효과를 확인하기 위한 시험을 수행하였는 바, 표 7에는 결합재 종류에 따른 염소이온침투저항성의 비교시험 결과의 수치가 표로 도시되어 있고, 표 8에는 염소이온투과성에 대한 평가를 보여주는 표가 도시되어 있다. 도 8에는 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료의 첨가에 따른 수화발열특성 분석시험 결과를 보여주는 그래프도가 도시되어 있다.
표 7 및 표 8, 그리고 도 8에서 "Plain", "S/C-120%", "SP-25%" 및 "ESA-5%"의 의미는 앞서 설명한 바와 같다.
표 7 및 표 8에서 알 수 있는 것처럼, 결합재와 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 합한 중량을 100중량부라고 할 때, 그중에서 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료가 5중량부로 함유되어 있는 경우, 재령 14일 전하량과 재령 28일 전하량이 매우 낮은 것으로 나타났으며, 이는 도 11에 기재한 것처럼, 염소이온투과성이 매우 낮은 것이며, 따라서 염해 등과 같은 열악한 환경에서도 우수한 내구성을 보이게 된다는 것을 의미한다. 즉, 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 혼입하게 되면 모르타르 및 콘크리트의 내구성이 현저하게 향상되는 효과가 발휘된다는 점을 확인할 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
(2) 현장 시공을 이용한 시험(Mock-up 시험)
본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료의 효과를 재검증하고 현장 적용성을 확인하기 위하여, 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 혼입한 조강형 해양콘크리트를 이용하여 현장에서 시험구조물을 제작하여 시험을 수행하였다. 현장에서의 시험에 사용된 배합은 표 9와 같으며, 현장에서의 시험에 적용된 측정항목 및 조건은 표 10과 같다. 도 9에는 시험구조물의 형상과 제원에 대한 개략도가 도시되어 있다. 도 9에서 부재번호 20은 측정을 위한 게이지(20)이다. 도 10에는 현장 시험에서 측정된 콘크리트 재령별 압축강도 결과에 대한 막대 그래프도가 도시되어 있고, 도 11에는 현장 시험 구조물의 위치별 수화열 측정 결과에 대한 그래프도가 도시되어 있으며, 도 12에는 현장 시험 구조물의 위치별 길이변화 측정 결과에 대한 그래프도가 도시되어 있다. 도 10 내지 도 12에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발형 촉진용 무기질 혼합재료를 혼입함에 따른 초기강도 증진효과 등의 우수한 효과는 현장 시험에서도 발현되었으며, 따라서 현장 적용성이 우수함을 확인할 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
(3) 해상 교량 프리스트레스트 도입 시기 단축 효과 확인 시험
앞서 살펴본 것처럼, 본 발명에 따른 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 함유는 조강형 해양콘크리트는 3일 이내의 초기재령에서 20%~30% 증진된 콘크리트 압축강도를 가지는 바, 이러한 본 발명의 조강형 해양콘크리트에 대한 성능시험의 일환으로서 해상 교량에 적용하였을 때, 프리스트레스트 도입 시기를 단축하게 되는 효과를 검증하는 시험을 수행하였다. 이러한 시험에 사용된 조강형 해양콘크리트 배합은 표 11에 개시되어 있다.
Figure pat00011
시험 결과에 따르면 재령 3일에 프리스트레스트 도입 기준 강도(설계기준강도의 70%인 28MPa)가 발현되는 것으로 확인되었다. 따라서 본 발명에 따른 조강형 해양콘크리트의 경우, 콘크리트 타설 후 짧은 시간내에 프리스트레스트를 도입할 수 있게 되며, 그 만큼 공사기간의 단축 등의 장점을 누릴 수 있게 된다. 실제 현장에서는 약 콘크리트를 이용한 공사기간을 42.8% 단축할 수 있는 것으로 분석되었다.
20: 게이지

Claims (4)

  1. 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료로서,
    전체 무기질 혼합재료의 총중량을 기준으로, Ca(SO4) 50∼70 중량%, Na2SO4 10∼30 중량%, K2SO4 5~15 중랑%, 및 SiO2 5∼10 중량%를 포함하는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료.
  2. 제1항에 있어서,
    전체 무기질 혼합재료의 총중량을 기준으로, Ca(SO4)는 60중량%, Na2SO4는 22중량%, K2SO4는 13중랑%, 그리고 SiO2는 5중량%를 포함하는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료.
  3. 결합재로서 고로슬래그 시멘트를 함유하며;
    콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료로서, 전체 무기질 혼합재료의 총중량을 기준으로, Ca(SO4) 50∼70 중량%, Na2SO4 10∼30 중량%, K2SO4 5~15 중랑% 및 SiO2 5∼10 중량%를 포함하는 구성을 가지는 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 더 함유하고 있되;
    상기 결합재와 상기 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료를 합한 중량을 100중량부라고 할 때, 그중에서 상기 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료는 3~7중량부로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 조강형 해양콘크리트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 콘크리트 강도 발현 촉진용 무기질 혼합재료에서, 전체 무기질 혼합재료의 총중량을 기준으로, Ca(SO4)는 60중량%, Na2SO4는 22중량%, K2SO4는 13중랑%, 그리고 SiO2는 5중량%를 포함하는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 조강형 해양콘크리트.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111362617A (zh) * 2019-12-31 2020-07-03 桂林理工大学 一种海工混凝土掺合料及其制备方法
US10740204B2 (en) 2017-12-14 2020-08-11 Hyundai Motor Company Method and apparatus for monitoring memory and for displaying use in electronic control device

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CN111362617B (zh) * 2019-12-31 2022-01-04 桂林理工大学 一种海工混凝土掺合料及其制备方法

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