KR20140011094A - 탄소섬유 고강도 콘크리트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축강도, 인장강도 및 휨강도 등의 물성이 우수한 탄소섬유 고강도 콘크리트에 관한 것으로서, 시멘트, 모래, 골재 및 물을 함유한 콘크리트에 있어서, 상기 시멘트 100중량부에 대해 탄소섬유 2~5중량부, 고로슬래그 10~20중량부가 균일하게 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소섬유 고강도 콘크리트{Highstrength concrete using carbon fiber}
본 발명은 압축강도, 인장강도 및 휨강도 등의 물성이 우수한 탄소섬유 고강도 콘크리트에 관한 것이다.
일반적으로 콘크리트는 시멘트가 물과 반응하여 굳어지는 수화반응을 이용하여 골재를 시멘트풀로 둘러싸서 다진 것이다. 로마시대에 화산회와 석회석을 써서 만든 것이 시초라고 하나, 일반적으로는 19세기 초에 포틀랜드시멘트가 발명된 후 1867년 프랑스에서 철망으로 보강된 콘크리트가 만들어진 것이 최초이다. 그 후 독일을 중심으로 철근콘크리트의 개발이 계속되어 근년에는 댐이나 도로포장·교량 등의 토목공사나 건축용 구조재료의 중심이 되고 있다.
최근 구조물이 대형화, 다기능화하면서 초고층, 초대형, 장스팬, 특수구조물 등을 구현하기 위한 건설재료의 성능향상 문제가 큰 관심사가 되고 있다. 기존 콘크리트는 단위무게에 비하여 강도가 낮고, 자중이 무겁기 때문에 구조부재의 단면이 확대되고 사용면적이 감소하는 등의 문제점을 갖고 있으며, 천연골재의 고갈 및 골재 채취에 따른 환경문제도 부각되고 있다. 위 문제들의 해소를 위해서는 경량콘크리트, 고강도콘크리트 등의 특수 콘크리트가 다양하게 개발되어 사용되고 있다.
또한, 탄소섬유 시트를 콘크리트구조물을 보수 및 보강하는 발명이 공개특허 제2001-0009974호로 제안된 바 있다. 위 발명은 콘크리트 구조물에 탄소섬유로 이루어진 시트를 이용하여 보수 및 보강하는 것으로서, 시트형태가 아닌 섬유형태의 탄소섬유를 콘크리트 배합시 혼입하여 사용하는 본 발명과 차이점이 있다.
본 발명은 섬유형태의 탄소섬유가 혼입되고, 압축강도, 인장강도 및 휨강도 등의 물성이 우수한 탄소섬유 고강도 콘크리트를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
시멘트, 모래, 골재 및 물을 함유한 콘크리트에 있어서,
상기 시멘트 100중량부에 대해 탄소섬유 2~5중량부, 고로슬래그 10~20중량부가 균일하게 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고강도 콘크리트를 제공한다.
특히, 상기 탄소섬유의 섬유장은 10 내지 30 mm인 것이 바람직하다.
그리고 상기 시멘트 100중량부에 카본블랙 또는 탄소나노튜브가 1~2중량부 균일하게 혼합되어 이루어지는 것이 좋다.
본 발명의 탄소섬유 고강도 콘크리트는 압축강도, 인장강도 및 휨강도 등의 물성이 우수한 효과가 있다.
이하, 본 발명의 탄소섬유 고강도 콘크리트에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 탄소섬유 고강도 콘크리트는 시멘트, 모래, 골재 및 물이 혼합되어 이루어지고, 특히, 상기 시멘트 100중량부에 대해 탄소섬유 2~5중량부, 고로슬래그 10~20중량부가 균일하게 혼합되어 이루어진다.
상기 탄소섬유는 콘크리트의 강도를 향상시키기 위한 것으로서, PAN계, Pitch계, Rayon계 탄소섬유를 사용할 수 있으나, 이 중 강도가 우수한 PAN계 탄소섬유를 사용하는 것이 좋다.
상기 탄소섬유는 시멘트 100중량부에 대해 2~5중량부 혼합된다. 2중량부 미만으로 혼합되는 경우 압축강도, 인장강도 및 휨강도 등의 물성의 향상효과가 낮고, 5중량부 초과로 혼합되는 경우 압축강도 등의 상승효과가 저조하고 제조원가가 상승하는 문제가 있다.
특히, 상기 탄소섬유의 섬유장이 10~30mm인 것이 바람직하다. 탄소섬유의 섬유장이 10mm 미만일 경우 섬유장이 짧아 균일하게 배치될 수 있으나 인장강도, 압축강도 등의 상승효과가 낮고, 30mm 인경우 섬유장이 길어 균일하게 배합 및 배치되지 않아 균일한 압축강도 등의 상승효과를 얻기 곤란한 문제가 있다.
또한, 상기 시멘트에 100중량부에 대해 카본블랙 또는 탄소나노튜브가 1~3중량부 혼합되는 것이 좋다. 카본블랙 또는 탄소나노튜브가 혼합됨에 따라, 재경이 경과할 수록 카본블랙 또는 탄소나노튜브의 미세입자가 콘크리트 내의 모세공극사이에서 포졸란 반응에 의한 불활성의 물질로 장기재령에서 강도 증진에 기여하여 압축강도, 인장강도 등이 상승된다. 이때 카본블랙 또는 탄소나노튜브가 시멘트 100중량부에 대해 1중량부 미만으로 혼입될 경우 포졸란 활성도가 낮아 강도발현이 양호하지 못하고, 3중량부 초과로 혼입될 경우 포졸란 활성도의 상승폭이 적고 제조원가가 상승하는 문제가 있다.
상기 고로슬래그는 콘크리트 조성물 배합시 유동성을 향상시켜 탄소섬유가 균일하게 배합되고, 초기강도를 향상시키며 잠재 수경성 및 포졸란 성질을 지니고 있어 장기 재령의 강도를 증진시키기 위한 것이다. 상기 고로슬래그는 시멘트 100중량부에 대해 10~20 중량부가 혼합된다. 고로슬래그가 10중량부 미만으로 혼합될 경우 콘크리트 조성물의 배합시 유동성을 효과적으로 향상시키지 못하고, 20중량부 초과로 혼합될 경우 미반응 고로슬래그가 존재하여 강도가 오히려 저하되는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명의 탄소섬유 고강도 콘크리트를 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[콘크리트 조성물의 배합]
시멘트는 표 1과 같은 물리적·화학적 성질을 가지는 일반 포틀랜드 시멘트 국내 S사의 1종 시멘트를 사용하였고, 골재로는 콘크리트용 천연 잔골재를 부여 백마강산을 사용하였다.
비중 분말도
(cm2/g)		 안정도 응결 압축강도
초결(분) 종결(시간) 3일 7일 28일
3.18 3,470 0.02 90 2:56 20.6 25.8 35.2
화학성분
Fe2O3 MgO C3A 감열감량
3.8 2.2 1.9 2.1
그리고 혼화제는 나프탈린 계열의 고성능 AE 감수제를 사용하였으며, 물리적, 화확적 성질은 표 2와 같다.
콘크리트 혼화제 성질
비중 pH 감수율(%) 블리딩량의 비(%) 공기량(%)
1.35 6.9 2.0 54 4.6
위의 시멘트, 골재, 탄소섬유, 카본블랙, 탄소나노튜브 및 혼화재를 하기의 표 3과 같은 비율로 배합하였다. 이때 탄소섬유는 10~30mm로 절단하여 사용하였다.

No		 단위용적중량(kg/m3)
시멘트 탄소섬유 카본블랙 CNT 고로슬래그 모래 골재 물 혼화재
OPC 317 - - - - 856 935 180 1.6
1 253 0.6 - - 64 856 935 180 1.6
2 253 1.0 - - 64 856 935 180 1.6
3 253 1.6 - - 64 856 935 180 1.6
4 253 2.0 - - 64 856 935 180 1.6
5 221 1.0 - - 96 856 935 180 1.6
6 253 1.0 0.3 - 64 856 935 180 1.6
7 253 1.0 - 0.6 64 856 935 180 1.6
[압축강도, 인장강도 및 휨강도 측정]
표 3의 비율로 배합된 OPC 및 No 1 내지 7의 콘크리트에 대하여 재령 28일의 압축강도, 인장강도 및 휨강도에 대해 측정하였다. 이때 압축강도는 KS F 4039의 시험방법으로 측정하였고, 인장강도는 KS F 2423의 시험방법으로 측정하였으며, 휨강도는 KS F 2408의 시험방법으로 측정하였으며 그 결과는 표 4와 같다.
No 압축강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 휨강도
(MPa)
OPC 40.7 6.1 13.2
1 122.2 18.7 36.1
2 127.1 19.6 37.5
3 128.9 19.8 38.2
4 129.1 19.8 38.4
5 130.4 20.1 38.7
6 131.2 20.3 39.0
7 133.4 20.6 39.6
표 4와 같이 No 1 내지 No 7의 콘크리트는 압축강도가 122.2 MPa 이상, 인장강도가 18.7 MPa 이상, 그리고 휨강도가 36.1 MPa 이상으로 매우 높게 측정되었다.
그리고 탄소섬유가 2.0 kg/m2 함유된 No 4의 콘크리트의 경우 압축강도가 129.1 MPa이고, 탄소섬유가 1.6 kg/m2 함유된 No 3의 콘크리트의 경우 압축강도가 128.9 MPa로서 큰 차이가 없었고, 카본블랙 및 탄소나노튜브가 혼합된 No 6 및 No 7의 콘크리트는 압축강도가 131.2 MPa 및 133.4 MPa로서 가장 높게 측정되었다.

Claims (3)

  1. 시멘트, 모래, 골재 및 물을 함유한 콘크리트에 있어서,
    상기 시멘트 100중량부에 대해 탄소섬유 2~5중량부, 고로슬래그 10~20중량부가 균일하게 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고강도 콘크리트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 섬유장은 10 내지 30 mm인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고강도 콘크리트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시멘트 100중량부에 카본블랙 또는 탄소나노튜브가 1~2중량부 균일하게 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 고강도 콘크리트.
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