KR20140059118A - 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 표면이 수산기로 형성되어 있으며 0.13cm2/g의 비표면적과 단위체적당 섬유수가 950 ~ 1,150/cm3이고, 유효직경은 0.013 ~ 0.017mm인 베이스 셀룰로오스 섬유보강재 60.0 ~ 63.5 중량부와; 직경은 10 ~ 20um이고 길이는 6 ~ 15mm인 입체섬유보강재 20.0 ~ 23.5 중량부와; 인장강도는 5,000 ~ 5,150 kgf/cm2이고 부착강도는 15.0 ~ 15.7 kgf/cm2 으로 표면이 수산기로 형성된 균열방지 섬유보강재 12.5 ~ 16.0 중량부와; 활석 0.01 ~ 0.03 중량부와; 산화마그네슘 0.01 ~ 0.07 중량부와; 폴리카르본산계 유동화제 1.0 ~ 3.0 중량부로 조성됨으로써, 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트는 미세균열의 발생을 감소시킬 수 있도록 시멘트와의 부착능력이 우수하며 탄성계수가 크게 되는 효과가 있다.

Description

셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물 {Cellulose fiber reinforced concrete composition}
본 발명은 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
콘크리트는 일반적으로 압축에는 강하나 인장에 약한 취성적 성질과 타설 직후 가소성의 유동체로 응결·경화되면서 대개 수축에 의한 균열이 발생하게 된다. 콘크리트에서 발생하는 균열은 여러 가지 복합적인 원인에 의해 발생되지만 그 중에서 가장 큰 영향은 건조수축 및 소성수축에 의한 균열이다.
이러한 균열은 구조물의 기계적 성질 및 내구성을 약하게 할 뿐 아니라 공동주택 주차장 바닥(주택 포함)이나 건물 바닥의 경우 균열로 인해 들뜸, 방수, 보수, 보강 등에 심각한 문제를 야기시키게 된다. 또한, 콘크리트를 사용하는 대형 구조물, 도로에서의 균열은 심각한 대형사고의 문제점을 유발하게 된다.
이러한 균열을 방지하고자 공동주택이나 공장바닥, 주차장, 도로 등에 사용되는 콘크리트에 폴리프로필렌 섬유 등의 합성수지 장섬유를 보강섬유로 사용하였다.
그러나 콘크리트 보강 재료로서 폴리프로필렌 섬유는 섬유표면에 친수성이 없어서 경화초기 시멘트와 낮은 부착 능력을 가지고 있으며, 탄성 계수 또한 작은 단점이 있다. 이에 따라 폴리프로필렌 섬유 보강재가 포함된 콘크리트는 보통 콘크리트 보다는 폭이 큰 균열을 감소시키는 장점이 있지만 다량의 미세균열을 발생시키는 단점이 있다.
이러한 단점을 해소하기 위해 제안된 일본국 공개특허 제2005-536431호(공개일자: 2005.12.02., 발명의 명칭: 화학 처리된 셀룰로오스 파이버로 강화된 시멘트질 재료)는 A) 시멘트; B) 모래 또는 골재 및 C) 화학 처리되는 셀루로오스 파이버이고, 상기 처리되는 파이버의 건조량을 기준으로 약 0.1 ~ 5.0 중량%의 양이온 함유량을 갖으며 상기 처리되는 파이버의 건조량을 기준으로 약 0.5 ~ 10 중량%의 약산 함유량을 갖는 화학 처리되는 셀룰로오스 파이버를 포함하는 화학 처리된 셀룰로오스 파이버로 강화된 시멘트 재료가 개시되어 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제2005-0097964호(공개일자: 2005.10.10., 발명의 명칭: 표백 셀룰로오스 화이버를 사용하는 화이버 시멘트 복합재료)는 하나의 시멘트 매트릭스(cementitious matrix)와; 표백 및 미표백 셀룰로오스 화이버를 포함하고 상기 시멘트 매트릭스에 혼합되는 셀룰로오스 화이버를 포함하여 구성되는 복합 재료가 개시되어 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제2010-0040143호(공개일자: 2010.04.19., 발명의 명칭: 조기강도 콘크리트 조성물)는 조기강도 콘크리트 조성물에 있어서, 물, 골재, 시멘트 및 분말 형태의 조강형 혼화재를 포함하며, 상기 조강형 혼화재는 7,000~10,000㎠/g의 블레인 표면적을 갖는 칼슘 알루미네이트; 6,000~9,000㎠/g의 블레인 표면적을 갖는 무기 황산염; 3,000~6,000㎠/g의 블레인 표면적을 갖는 탄산칼슘 분말; 및 셀룰로즈 섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조기강도 콘크리트 조성물이 개시되어 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제2000-0073455호(공개일자: 2000.12.05., 발명의 명칭: 무석면 스레트 및 그 제조 방법)는 a) 목질섬유 8∼12 중량부; b) 시멘트 45∼50 중량부; c) 규조토 또는 흄드 실리카 4∼6 중량부; d) 섬유상 규회석 3∼15 중량부; 및 e) 규사 25∼30 중량부를 포함하는 무석면 스레트 조성물이 개시되어 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제2012-0050498호(공개일자: 2012.05.18., 발명의 명칭: 내부 양생 시멘트 기반 물질)는 멘트질 물질, 카르복실화 표백된 셀룰로오스성 목재 펄프 섬유를 포함하되, 상기 시멘트질 물질은 시멘트이고, 상기 섬유는 10 내지 70 meq/100 g 셀룰로오스 섬유의 카르복실 함량을 가지고, 상기 섬유는 시멘트질 물질의 건조 중량의 0.1 내지 5중량%로 이루어진 내부 양생 시멘트 기반 물질이 개시되어 있다.
이와 같은 종래 기술들은 시멘트의 강성과 양생시 균열 등을 방지하는 목적으로 합성수지 계열이나 천연 목재 펄프 섬유를 포함하고 있으나 제조 공정이 복잡하고 천연 목재 펄프 섬유인 경우 실사용을 위해 화학처리를 거쳐야 하는 등의 제조상의 어려움이 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 미세균열의 발생을 감소시킬 수 있도록 시멘트와의 부착능력이 우수하며 탄성계수가 큰 보강재료를 가진 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자 창출된 본 발명의 목적은, 표면이 수산기로 형성되어 있으며 0.13cm2/g의 비표면적과 단위체적당 섬유수가 950 ~ 1,150/cm3이고, 유효직경은 0.013 ~ 0.017mm인 베이스 셀룰로오스 섬유보강재 60.0 ~ 63.5 중량부와; 직경은 10 ~ 20um이고 길이는 6 ~ 15mm인 입체섬유보강재 20.0 ~ 23.5 중량부와; 인장강도는 5,000 ~ 5,150 kgf/cm2이고 부착강도는 15.0 ~ 15.7 kgf/cm2 으로 표면이 수산기로 형성된 균열방지 섬유보강재 12.5 ~ 16.0 중량부와; 활석 0.01 ~ 0.03 중량부와; 산화마그네슘 0.01 ~ 0.07 중량부와; 폴리카르본산계 유동화제 1.0 ~ 3.0 중량부로 이루어진 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물을 제공하는 데 있다.
바람직하게는, 본 발명의 상기 균열방지 섬유보강재는 침엽수림 목재에서 셀룰로오스 단섬유화에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 본 발명의 상기 입체섬유보강재의 밀도는 1.35 ~ 1.40인 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같은 본 발명에 의해, 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트는 미세균열의 발생을 감소시킬 수 있도록 시멘트와의 부착능력이 우수하며 탄성계수가 크게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 셀룰로오스 섬유의 제공방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 보통 콘크리트, 폴리프로필렌 섬유 보강 콘크리트, 미표백과 표백된 셀룰로오스 섬유의 혼입율에 따른 배합표를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 배합표에 따른 슬럼프를 나타낸 실험 데이터이다.
도 5는 도 3의 배합표에 따른 공기량을 나타낸 실험 데이터이다.
도 6 및 7은 도 3의 배합표에 따른 압축강도를 나타낸 실험 데이터이다.
도 8 및 도 9는 도 3의 배합표에 따른 휨성능을 나타낸 실험 데이터이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트의 균열제어 성능을 실험하기 위한 일반 콘크리트와 폴리프로필렌 섬유 보강 콘크리트 및 본 발명의 일실시예에 따른 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트의 배합표이다.
도 11은 도 10의 배합표에 따라 온도가 28℃이고 상대습도가 35%인 상태에서 4~4.6m/s의 바람을 24시간 동안 작용하였을 때 최대 균열 크기를 나타낸 실험 데이터이다.
도 12a는 통상적인 시멘트 콘크리트 타설의 경우의 수축균열 상태를 보여주고 있으며, 도 12b는 본 발명의 조성물을 혼입한 경우의 수축균열 상태를 보여주는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 설롤로오스 섬유 보강 콘크리트의 제조방법은 크게 표백된 셀룰로오스 섬유를 제공하는 단계(10), 시멘트, 잔골재 및 굵은골재를 혼합하는 단계(20) 및 표백된 셀룰로오스 섬유를 혼입하는 단계(30)를 포함한다.
우선, 표백된 셀룰로오스 섬유를 제공한다(10).
이하에서는 도면과 함께 셀룰로오스 섬유를 제공하는 단계(10)에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 셀룰로오스 섬유의 제공방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 셀룰로오스 섬유의 제공하는 방법은 펄프 제조 단계(110)와 펄프 표백 단계(120)를 포함한다. 펄프 제조 단계(110)는 섬유를 분리하는 단계로서 화학적, 반화학적 또는 기계적 방법이 이용될 수 있다. 상기 화학적 방법은 크라프트 방법일 수 있다. 여기서, 크라프트 방법은 나무를 약 2.5cm 정도의 크기로 잘르고 잘려젼 나무를 수산화나트륨과 황화나트륨의 혼합용액으로 증해(蒸解)하는 목재에서 섬유를 추출하는 방법이다. 상기 기계적 방법은 목재를 기계적으로 분쇄 또는 해섬(解纖)하여 목재에서 섬유를 추출하는 방법이다. 펄프 표백 단계(120)는 펄프 제조 단계(100)에서 분리되면서 착색된 색상을 제거하는 단계이다. 즉, 착색의 원인 물질인 리그닌 및 산화된 리그닌을 화학약품을 이용하여 제거하는 것이다.
그 다음, 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재를 혼합하는 단계(20)를 수행하는 데, 이에 대한 상세한 설명은 일반적으로 알려진 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
마지막으로, 혼합된 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재에 셀룰로오스 섬유를 혼입한다(30).
한편, 이하에서는 혼합된 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재에 혼입되는 표백된 셀룰로오스 섬유의 비율(이하,'혼입율'이라 한다)에 대해 설명하기로 한다.
혼입율은 폴리프로필렌 섬유 보강 콘크리트와 비교하여 균열제어능력이 크면서, 폴리프로필렌 섬유 보강 콘크리트보와 비교하여 작업성, 강도, 압축강도, 휨성능이 대등한 수준이 되도록 하는 범위에서 실험을 통해 선택된다.
이하, 작업성에 대해 설명하기로 한다. 작업성은 일반적으로 슬럼프 실험을 통해 알수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 보통 콘크리트, 폴리프로필렌 섬유 보강 콘크리트, 미표백과 표백된 셀룰로오스 섬유의 혼입율에 따른 배합표를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 배합표에 따른 슬럼프를 나타낸 실험 데이터이다.
도 4를 참조하면, 혼입율이 도 3의 (a)와 같이 0.1%이하인 경우에는 슬럼프 값이 폴리프로필렌 섬유 보강 콘크리트와 대응 또는 우수한 것을 알 수 있을 것이다.
따라서, 혼입율은 0.1% 이하에서 결정되는 것이 바람직하다.
이하, 강도에 대해 설명하기로 한다. 강도는 일반적으로 공기량 실험을 통해 알수 있다.
도 5는 도 3의 배합표에 따른 공기량을 나타낸 실험 데이터이다.
도 5를 참조하면, 혼입율이 도 5의 (b)와 같이 0.08% 이상이면 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트의 공기량이 폴리프로필렌 섬유 보강 콘크리트 공기량의 95%이상인 것을 확인할 수 있을 것이다.
따라서, 혼입율은 0.08% 이상인 것이 바람직하다.
이하, 압축강도에 대해 설명하기로 한다.
도 6 및 7은 도 3의 배합표에 따른 압축강도를 나타낸 실험 데이터이다.
도 6및 도 7을 참조하면, 혼입율이 도 6과 도 7의 (c)와 같이 0.06%~0.1%에서 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트의 압축 강도는 폴리프로필렌 섬유 보강 콘크리트의 압축 강도와 동등한 수준임을 알 수 있을 것이다.
따라서, 혼입율이 0.06~0.1% 내에 있는 것이 바람직하다.
이하, 휨성능에 대해 설명하기로 한다.
도 8 및 도 9는 도 3의 배합표에 따른 휨성능을 나타낸 실험 데이터이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 혼입율이 도 8과 도 9의 (d)와 같이 0.06% 이상이면 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트의 휨성능은 폴리프로필렌 섬유 보강 콘크리크의 휨성능 이상임을 알 수 있을 것이다.
이하, 균열제어 제어 성능에 대해 설명하기로 한다.
도10은 본 발명의 일실시예에 따른 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트의 균열제어 성능을 실험하기 위한 일반 콘크리트와 폴리프로필렌 섬유 보강 콘크리트 및 본 발명의 일실시예에 따른 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트의 배합표이고, 도 11은 도 10의 배합표에 따라 온도가 28℃이고 상대습도가 35%인 상태에서 4~4.6m/s의 바람을 24시간 동안 작용하였을 때 최대 균열 크기를 나타낸 실험 데이터이다.
도 11를 참조하면, 혼입율이 도 11의 (e)에서와 같이 0,08% 이상이면 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트의 균열의 크기는 폴리프로필렌 섬유 보강 콘크리트의 균열의 크기보다 작은 수준임을 알 수 있을 것이다.
따라서, 혼입율이 0.08% 이상인 것이 바람직하다.
위와 같은 실험을 종합하여 보면 혼입율은 0.08%~0.1%에서 선택되는 것이 바람직하다.
실시예
본 발명의 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물는 다음과 같은 조성을 갖는다.
ⓐ 표면이 수산기로 형성된 베이스 셀룰로오스 섬유보강재 60.0 ~ 63.5 중량부
ⓑ 입체섬유보강재 20.0 ~ 23.5 중량부
ⓒ 표면이 수산기로 형성된 균열방지 섬유보강재 12.5 ~ 16.0 중량부
ⓓ 활석 0.01 ~ 0.03 중량부
ⓔ 산화마그네슘 0.01 ~ 0.07 중량부
ⓕ 폴리카르본산계 유동화제 1.0 ~ 3.0 중량부
베이스 셀룰로오스 보강재는, 천연 모재에서 추출된 것으로, 콘크리트 내에서 분산이 잘되며, 성능향상에 기여할 수 있도록 특수가공 처리된 것으로, 표면이 수산기로 되어 있어 콘크리트 내부에서 분산과 부착을 촉진시키며, 작은 유효직경을 가지고 있어 시멘트 복합체를 더욱 더 밀실하게 만들어 준다.
또한, 베이스 셀룰로오스 보강재는 비교적 높은 0.13cm2/g의 비표면적을 가지며 단위체적당 차지하는 섬유수가 많아 시멘트 복합체 내에서 미소균열을 억제하고 안정화하며, 섬유의 가교작용을 통하여 시멘트 복합체의 인성 및 충격에 저항할 수 있는 힘을 높여주는 등 시멘트 복합체의 역학적 성질을 개선시키는데 매우 효과적이다.
여기서, 본 발명의 베이스 셀룰로오스 보강재는 단위체적당 섬유수가 950 ~ 1,150/cm3이고, 유효직경은 0.013 ~ 0.017mm인 것이 바람직하다.
입체섬유보강재는 폴리에스터 섬유로써, 고강도 고탄성률의 성질이 있고 내열성이 매우 우수하다. 또한, 본 발명의 입체섬유보강재는 밀도가 높고 섬유 굵기가 미세하여 체적당 섬유수가 많아 분산성능이 우수하다.
이러한 입체섬유보강재는 직경은 10 ~ 20um, 길이는 6 ~ 15mm이고 밀도가 1.35 ~ 1.40인 특성을 갖는다.
균열방지 섬유보강재는 극지방에서 자란 침엽수림 목재에서 추출된 천연 섬유로써, 셀룰로오스 단섬유화에 의해 제조되며 뛰어난 소성 및 건조수축 균열제어 성능이 우수한 특징을 갖는다.
또한, 본 발명의 균열방지 섬유보강재는 표면이 수산기로 되어 있어 시멘트 메트릭스와의 부착능력이 우수하고 단위체적당 섬유수가 많아 미소균열의 발생과 성장을 효과적으로 차단하는 효과가 있다. 그리고, 이러한 균열방지 섬유보강재는 인장강도 5,000 ~ 5,150 kgf/cm2, 부착강도 15.0 ~ 15.7 kgf/cm2를 갖는 특징이 있다.
도 12를 참조하면, 통상적인 시멘크 콘크리트 타설의 경우와 본 발명의 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물을 0.08% 혼입한 경우의 균열 정도를 비교한 사진으로, 균열감소 효과가 85.7% 개선되었음을 확인할 수 있었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 표백된 셀룰로오스 섬유를 제공하는 단계

Claims (3)

  1. 표면이 수산기로 형성되어 있으며 0.13cm2/g의 비표면적과 단위체적당 섬유수가 950 ~ 1,150/cm3이고, 유효직경은 0.013 ~ 0.017mm인 베이스 셀룰로오스 섬유보강재 60.0 ~ 63.5 중량부와;
    직경은 10 ~ 20um이고 길이는 6 ~ 15mm인 입체섬유보강재 20.0 ~ 23.5 중량부와;
    인장강도는 5,000 ~ 5,150 kgf/cm2이고 부착강도는 15.0 ~ 15.7 kgf/cm2 으로 표면이 수산기로 형성된 균열방지 섬유보강재 12.5 ~ 16.0 중량부와;
    활석 0.01 ~ 0.03 중량부와;
    산화마그네슘 0.01 ~ 0.07 중량부와;
    폴리카르본산계 유동화제 1.0 ~ 3.0 중량부로 이루어진 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 균열방지 섬유보강재는 침엽수림 목재에서 셀룰로오스 단섬유화에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 입체섬유보강재의 밀도는 1.35 ~ 1.40인 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물.
KR1020130096267A 2012-11-07 2013-08-14 셀룰로오스 섬유 보강 콘크리트 조성물 KR20140059118A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101597080B1 (ko) * 2015-05-13 2016-03-07 이상현 콘크리트 보강용 섬유 조성물
KR102610070B1 (ko) * 2023-06-29 2023-12-05 주식회사 한국고서이엔지 셀룰로오스 섬유를 첨가한 콘크리트 조성물 및 이를이용한 투수블록 제조방법

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