KR20140105965A - 자기다짐 콘크리트 복합재료 - Google Patents

자기다짐 콘크리트 복합재료 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료는, 시멘트 및 혼화재의 혼합에 의해 제조되며 다짐 작업을 요하지 않는 자기다짐 콘크리트 및 상기 자기다짐 콘크리트 내에 혼입되어 상기 자기다짐 콘크리트에 균일하게 분포되는 섬유부재를 포함하고, 상기 섬유부재는 강섬유 및 유기섬유를 포함하며, 상기 강섬유 및 유기섬유는 상기 자기다짐 콘크리트 내에 혼입되어 상기 자기다짐 콘크리트의 인장강도를 향상시킬 수 있다.

Description

자기다짐 콘크리트 복합재료{HYBRID MATERIAL OF SELF CONSOLIDATING CONCRETE(SCC)}
본 발명은 자기다짐 콘크리트 복합재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기다짐 콘크리트에 강섬유 및 유기섬유를 혼입함으로써 인장강도를 향상시킬 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료에 관한 것이다.
콘크리트는 시멘트, 물, 모래, 자갈 등을 원료로 하여 이것을 적당한 비율로 조합해 섞은 것으로서, 경제성 및 내구성이 우수하여 강재와 더불어 콘크리트 구조물의 건설에 널리 사용되고 있다.
그러나 최근 지하철, 터널, 공동구, 교량, 항만구조물 및 건축구조물 등 주요 콘크리트 구조물에 있어서 시공상의 품질오차, 환경의 변화, 하중조건의 변화 등에 의해 시공 중 또는 사용 중에 많은 하자가 발생할 수 있다.
이에 의해 콘크리트의 강도 및 강성의 향상이 요구된다.
예를 들어, 2002년 8월 9일에 출원된, 선행문헌 제2002-7010363호에는 내화성 초고성능 콘크리트 조성물이 개시되며, 초고성능 콘크리트 내에는 금속섬유들이 분산되어 혼합된다.
일 실시예에 따른 목적은 높은 강성, 전단강도, 휨강도 및 인장강도를 향상시킬 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 노동집약적인 다짐작업을 요하지 않아서 건설공사비를 절감할 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 다짐작업을 요하지 않아서 타설 속도를 향상시킬 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 콘크리트의 품질의 균질성을 확보할 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 상당한 유동성을 확보할 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료는, 시멘트 및 혼화재의 혼합에 의해 제조되며 다짐 작업을 요하지 않는 자기다짐 콘크리트 및 상기 자기다짐 콘크리트 내에 혼입되어 상기 자기다짐 콘크리트에 균일하게 분포되는 섬유부재를 포함하고, 상기 섬유부재는 강섬유 및 유기섬유를 포함하며, 상기 강섬유 및 유기섬유는 상기 자기다짐 콘크리트 내에 혼입되어 상기 자기다짐 콘크리트의 인장강도를 향상시킬 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 유기섬유는 PVA 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리아라미드 섬유, 폴리아크릴 섬유 또는 폴리에스테르를 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 강섬유 및 유기섬유는 복수 개로 마련될 수 있으며, 상기 복수 개의 강섬유 및 유기섬유는 응력방향과 평행하게 나란히 배치될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 강섬유는 0.3-0.6㎜의 직경 및 20-50㎜의 길이를 구비할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 유기섬유가 PVA 섬유일 경우, 상기 PVA 섬유는 약 4μ-1.0㎜의 직경 및 약 5-65㎜의 길이로 마련될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 강섬유 및 유기섬유는 각각 서로 다른 직경 및 길이를 구비할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 시멘트는 포클랜트 시멘트 또는 벨라이트계 시멘트를 포함할 수 있으며, 상기 혼화재는 고로 슬래그 미분말, 플라이 애쉬 또는 석회를 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 시멘트에는 고성능 감수제 또는 고성능 AE 감수제가 더 포함될 수 있다.
일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료에 의하면 높은 강성, 전단강도, 휨강도 및 인장강도를 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료에 의하면 노동집약적인 다짐작업을 요하지 않아서 건설공사비를 절감할 수 있다.
일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료에 의하면 다짐작업을 요하지 않아서 타설 속도를 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료에 의하면 콘크리트의 품질의 균질성을 확보할 수 있다.
일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료에 의하면 상당한 유동성을 확보할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료의 제조 방법을 도시한다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료는 자기다짐 콘크리트 및 섬유부재를 포함할 수 있다.
상기 자기다짐 콘크리트는 고유동 콘크리트와 유사한 용어로서 굳지 않은 상태에서 재료의 분리 없이 유동성을 가지면서 다짐작업 없이 자기 충전성이 가능한 콘크리트를 말한다. 이때 자기 충전성이란 콘크리트를 타설할 때 다짐작업 없이 자중만으로 철근 등을 통과하여 거푸집의 구석구석까지 균질하게 채워지는 정도를 나타내는 굳지 않은 콘크리트의 성질이다.
상기 자기다짐 콘크리트는 시멘트 및 혼화재를 혼합하여 제조할 수 있다.
상기 시멘트는 기본적으로 화학적 혼합물에 따른 시멘트의 확산에 기반을 두고 있으며 분말의 특성에 많은 영향을 받을 수 있다.
이에 의해 혼화제의 분산 작용을 높일 수 있는 포틀랜드 시멘트 또는 벨라이트계 시멘트를 사용할 수 있다.
상기 포틀랜드 시멘트는 주로 석회질 원료와 점토질 원료를 적당한 비율로 혼합하고 그 일부가 용융하기까지 소성한 클링커에 적당량의 석고를 가하여 분쇄해서 분말로 한 것이다.
또한, 상기 벨라이트계 시멘트는 Ca2SiO4를 기본 조성으로 하고 Al2O3, Fe2O3, MgO 등이 각각 소량으로 함유되어 있어, 수화열이 낮아 온도균열 제어에 유용하다.
상기 시멘트에는 물이 혼합될 수 있다.
상기 물은 상기 시멘트에 대한 적절한 비율로 혼합될 수 있다.
또한, 상기 시멘트에는 혼화재가 혼합될 수 있다.
상기 혼화재는 예를 들어 고로 슬래그 미분말, 플라이 애쉬 또는 석회를 포함할 수 있다.
높은 온도에서 용융된 상태의 고로 슬래그는 철을 만드는 과정에서의 부산물로 얻어질 수 있다. 고로 슬래그가 물에서 충분히 빠른 속도로 냉각될 때, 모래와 유리 형태의 입자로 된 고로 슬래그가 얻어진다. 미분말 형태의 고로 슬래그는 입자형의 슬래그를 미분말로 갈아서 만들고 이것은 수화작용을 더욱 증가시킬 수 있다.
또한, 플라이 애쉬는 화력발전소에서 사용되는 석탄에 의해 얻어지는 혼화재로서 많은 토목 구조물에 사용된다. 플라이 애쉬의 구형 세립자가 “볼-베어링(ball-bearing)” 효과로 콘크리트의 유동성을 향상시킬 수 있다.
또한, 석회는 콘크리트의 유동성을 개선하기 위해 사용될 수 있으며, 온도 균열을 자주 일으키는 대형 구조물에 자기다짐 콘크리트를 타설하는 경우에 많이 사용될 수 있다. 게다가 콘크리트에서 석회의 양이 많을 때 콘크리트의 온도 상승을 억제한다는 점에서 이로울 수 있다.
사용자는 필요에 의해 전술된 혼화재 중 어느 하나를 선택하여 시멘트에 혼합시키거나 두 개 이상을 선택하여 시멘트에 혼합시킬 수 있다.
상기 시멘트에는 혼화제 또한 혼합될 수 있다.
자기다짐 콘크리트에 사용되는 혼화제는 두 가지 형태가 있으며, 고성능 감수제 및 고성능 AE 감수제이다. 이때 고성능 감수제는 주로 간접 제품 플랜트에서 사용되는 반면, 고성능 AE 감수제는 슬럼프 보존 성능과 일정한 수준의 공기연행 능력이 있으므로 콘크리트의 운송과 설치에 시간이 걸리는 레미콘에 적용될 수 있다.
게다가, 시멘트에는 점성제가 혼합될 수 있다.
상기 점성제는 셀룰로오스계 수용성 폴리머, 아크릴계 수용성 생폴리머, 글리콜계 수용성 폴리머 및 무기계 점성제로 구분할 수 있다.
또한, 점성제는 흡착성 점성제 및 비흡착성 점성제를 포함할 수 있는데, 흡착성 점성제는 시멘트 입자의 표면에서의 흡수로 이어지는 연결 구조로부터 흐름의 감소를 일으키는 반면, 비흡착성 점성제는 소성적 점성을 증가시키면서 흐름도 변화지 않게 할 수 있다. 이 중에서, 비흡착성 점성제는 자기다짐 콘크리트의 유동성을 일정하게 제어할 수 있다.
이러한 구성에 의해 제조된 자기다짐 콘크리트를 이용함으로써 유동성이 향상되며 거푸집 내의 모든 구석을 진공 다짐기의 도움 없이 순수하게 자신의 유동성만으로 채워줄 수 있으며, 다짐작업을 요하지 않는다는 점에서 공사 비용 절감할 수 있으며 타설 속도를 빠르게 할 수 있다.
이와 같이 제조된 자기다짐 콘크리트에는 섬유부재가 혼입될 수 있다.
상기 섬유부재는 강섬유 및 유기섬유를 포함할 수 있다.
상기 강섬유는 작은 강선으로 형상 가공되어 시멘트 페이스트 또는 콘크리트 혼합재료로서 사용될 수 있다.
본 발명에서는 강섬유를 예를 들어 설명하였으나, 필요에 따라 내알칼리 유리섬유, 폴리에틸렌 섬유 및 폴리프로필렌 섬유를 포함할 수 있다.
일반적으로 보강용 섬유는 섬유와 시멘트 사이의 충분한 부착성이 있어야 하며, 섬유의 인장강도가 충분히 커야 하며, 섬유의 탄성 계수는 시멘트의 탄성 계수의 1/5 이상이어야 하며, 형상비는 50 이상이어야 하고, 내구성, 내열성, 내후성이 우수해야 하고, 시공성에 문제가 없으며, 가격이 저렴해야 바람직할 수 있다.
이러한 요건들을 만족시키도록 강섬유는 마련될 수 있으며, 강섬유는 0.3-0.6㎜의 직경 및 20-50㎜의 길이를 구비할 수 있다.
구체적으로 강섬유가 자기다짐 콘크리트에 혼합되는 과정에서 섬유가 뭉치는 현상이 발생될 수 있는데, 이러한 현상의 주요 원인은 강섬유의 형상 및 크기에 있다. 그러므로 강섬유의 형상 및 크기가 적절하게 구성될 수 있다.
이때 강섬유의 형상을 나타내는 강섬유의 형상비(aspect ratio)는 직경에 대한 길이의 비를 나타내며, 이는 인장강도에 대한 영향이 작은 반면 균열 이후의 균열억제 및 강도에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 경도가 큰 강섬유의 경우 형상비가 100 이상인 경우에도 섬유의 뭉치는 현상이 발생하지 않을 수 있다.
또한, 강섬유는 복수 개로 마련될 수 있으며, 복수 개의 강섬유는 자기다짐 콘크리트의 응력방향과 평행하게 나란히 배치될 수 있다.
이러한 강섬유의 배열 및 분포에 대한 특성은 강섬유가 혼합된 자기다짐 콘크리트의 역학적인 특성에 영향을 미칠 수 있다.
강섬유가 혼입된 자기다짐 콘크리트의 인장파괴는 강섬유의 수가 가장 작은 위치에서 일어날 수 있으므로, 강섬유가 자기다짐 콘크리트에 일정하게 분포되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 강섬유가 자기다짐 콘크리트의 응력방향과 평행하게 배치될 경우 인장응력이 향상될 수 있으며, 균열이 발생된 경우에는 균열 제어에 효율적일 수 있다. 반면, 강섬유가 응력과 수직으로 배치될 경우 인장응력을 초과한 후에는 균열확장을 억제하지 못할 수 있다.
또한, 강섬유의 혼입은 시멘트, 물, 혼화제 및 혼화재가 배합되어 자기다짐 콘크리트가 만들어진 이후에 이루어질 수 있다. 또는, 자기다짐 콘크리트가 제조되는 과정에 강섬유가 혼입되어 함께 혼합될 수 있다.
이와 같이 강섬유의 형상, 혼입율, 분포 방향 및 강섬유의 배치 간격은 자기다짐 콘크리트의 인장강도 향상 또는 균열발생강도에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 자기다짐 콘크리트에 적절하게 강섬유를 혼입함으로써 자기다짐 콘크리트 자체의 유동성뿐만 아니라 강섬유에 의한 인장강도, 압축강도 또는 내충격성의 향상된 효과를 획득할 수 있다.
또한, 자기다짐 콘크리트에는 유기섬유가 혼입될 수 있다.
상기 유기섬유는 PVA(폴리비닐아코올계) 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리아라미드 섬유, 폴리아크릴 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 셀룰로오스계 섬유를 포함할 수 있다.
유기섬유 또한 전술된 일반적인 보강용 섬유의 요건들을 만족시키도록 마련될 수 있으며, 예를 들어 유기섬유가 PVA 섬유로 사용될 경우, PVA 섬유는 4μ-1.0㎜의 직경 및 5-65㎜의 길이를 구비할 수 있다.
예를 들어, PVA 섬유는 비닐 알코올의 중합에 의해 제조되는 고분자이며, 초산비닐 모노머를 라디칼 중합하여 알칼리 검화하여 제조될 수 있다.
이러한 PVA 섬유를 자기다짐 콘크리트에 혼입할 경우, 자기다짐 콘크리트는 비교적 비중이 작아서 구조물의 경량화에 도움이 되며, 시멘트와의 친화성이 우수하여 혼입 시 분산이 용이하며 알칼리에 대한 저항성이 높아서 내구성에도 유리할 수 있다.
또한, 유기섬유 및 강섬유는 서로 다른 직경 및 길이를 구비하도록 마련될 수 있다. 물론, 유기섬유 및 강섬유가 동일한 직경 및 길이를 구비할 수 있음은 당연하다.
상기 유기섬유는 복수 개로 마련될 수 있으며, 복수 개의 유기섬유는 자기다짐 콘크리트의 응력방향과 평행하게 나란히 배치될 수 있다.
이러한 유기섬유의 배열 및 분포에 대한 특성은 유기섬유가 혼합된 자기다짐 콘크리트의 역학적인 특성에 영향을 미칠 수 있다.
또한, 유기섬유의 혼입은 강섬유와 같이 시멘트, 물, 혼화제 및 혼화재가 배합되어 자기다짐 콘크리트가 만들어진 이후에 이루어질 수 있다. 또는, 자기다짐 콘크리트가 제조되는 과정에 유기섬유가 혼입되어 함께 혼합될 수 있다.
이와 같이 자기다짐 콘크리트에 강섬유뿐만 아니라 유기섬유를 혼입합으로써, 자기다짐 콘크리트 자체의 유동성뿐만 아니라 전단강도, 휨 강도, 인장강도 및 강성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료는 다음과 같이 제조될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료의 제조 방법을 도시한다.
도 1을 참조하여, 우선, 시멘트 및 혼화재를 제공한다(S10).
이때, 자기다짐 콘크리트를 제조하기 위해 시멘트 및 혼화재뿐만 아니라, 물, 혼화제 또는 점성제 등이 제공될 수 있다.
시멘트는 포클랜트 시멘트 또는 벨라이트계 시멘트를 포함할 수 있으며, 혼화재는 고로 슬래그 미분말, 플라이 애쉬 또는 석회를 포함할 수 있다. 또한, 물과 혼화제가 함께 혼합될 수 있다.
이러한 물질들이 적절한 비율로 배합됨으로써 자기다짐 콘크리트의 유동성을 향상시킬 수 있다.
이어서, 시멘트 및 혼화재를 혼합함으로써 자기다짐 콘크리트를 제조한다(S20).
이어서, 강섬유 및 유기섬유를 제공할 수 있다(S30).
이때 강섬유 및 유기섬유는 서로 다른 직경 및 크기로 마련될 수 있으며, 서로 동일한 직경 및 크기로 마련될 수 있다.
예를 들어, 강섬유는 0.3-0.6㎜의 직경 및 20-50㎜의 길이를 구비할 수 있으며, 유기섬유가 PVA 섬유일 경우, PVA 섬유는 4μ-1.0㎜의 직경 및 5-65㎜의 길이를 구비할 수 있다.
제공된 강섬유 및 유기섬유는 자기다짐 콘크리트 내에 혼입될 수 있다(S40).
이때 강섬유 및 유기섬유는 자기다짐 콘크리트 내에서 뭉치지 않도록 배치될 필요가 있으며, 균일하게 분포될 경우 자기다짐 콘크리트의 인장강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 강섬유 및 유기섬유가 자기다짐 콘크리트의 인장방향과 평행하게 배치될 경우, 균열제어를 효율적으로 할 수 있다.
도 1에는 강섬유 및 유기섬유가 자기다짐 콘크리트의 제조가 완성된 상태에서 혼입되는 것으로 도시하였으나, 강섬유 및 유기섬유가 (S20) 단계 중에 시멘트 등과 함께 고르게 혼합될 수 있다.
이렇게 함으로써, 자기다짐 콘크리트 복합재료가 완성될 수 있다(S50).
이와 같이 완성된 자기다짐 콘크리트 복합재료를 거푸집에 투입함으로써 타설 작업이 이루어질 수 있으며, 완성된 자기다짐 콘크리트 복합재료는 추가적인 다짐 작업 없이 자기 충전 방식으로 거푸집 내의 모든 구석을 채울 수 있다.
그러므로 일 실시예에 따른 자기다짐 콘크리트 복합재료는 강섬유 및 유기섬유를 자기다짐 콘크리트에 혼입함으로써 자기다짐 콘크리트를 좀 더 균등질로 만들고, 취성적 성질을 연성적인 성질로 전환시켜 줄 수 있다. 이에 의해 강섬유 및 유기섬유로 보강된 자기다짐 콘크리트는 인장강도, 변형능력, 피로도, 충격저항력, 에너지 흡수력, 균열저항력 및 내구성의 향상을 제공할 수 있다. 따라서 고속도로, 주차장, 활주로 또는 교량 바닥판 같은 포장도로와 공장의 바닥, 콘크리트 구조물의 보수 및 터널 내부 보수보강 등 다양한 용도로 이용될 수 있다.
또한, 자기다짐 콘크리트를 이용함으로써, 노동집약적인 다짐작업을 요하지 않아서 건설공사비를 절감할 수 있으며, 다짐작업을 요하지 않아서 타설 속도를 향상시킬 수 있으며, 상당한 유동성을 확보할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
S10: 시멘트 및 혼화재를 제공하는 단계
S20: 시멘트 및 혼화재를 혼합하여 자기다짐 콘크리트를 제조하는 단계
S30: 강섬유 및 유기섬유를 제공하는 단계
S40: 제공된 강섬유 및 유기섬유를 자기다짐 콘크리트 내에 혼입하는 단계
S50: 자기다짐 콘크리트 복합재료가 완성되는 단계

Claims (8)

  1. 시멘트 및 혼화재의 혼합에 의해 제조되며 다짐 작업을 요하지 않는 자기다짐 콘크리트; 및
    상기 자기다짐 콘크리트 내에 혼입되어 상기 자기다짐 콘크리트에 균일하게 분포되는 섬유부재;
    를 포함하고,
    상기 섬유부재는 강섬유 및 유기섬유를 포함하며, 상기 강섬유 및 유기섬유는 상기 자기다짐 콘크리트 내에 혼입되어 상기 자기다짐 콘크리트의 인장강도를 향상시킬 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기섬유는 PVA 섬유, 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리아라미드 섬유, 폴리아크릴 섬유 또는 폴리에스테르를 포함하는 자기다짐 콘크리트 복합재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강섬유 및 유기섬유는 복수 개로 마련될 수 있으며, 상기 복수 개의 강섬유 및 유기섬유는 응력방향과 평행하게 나란히 배치될 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 강섬유는 0.3-0.6㎜의 직경 및 20-50㎜의 길이를 구비할 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유기섬유가 PVA 섬유일 경우, 상기 PVA 섬유는 4μ-1.0㎜의 직경 및 5-65㎜의 길이로 마련될 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 강섬유 및 유기섬유는 각각 서로 다른 직경 및 길이를 구비할 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트는 포클랜트 시멘트 또는 벨라이트계 시멘트를 포함할 수 있으며, 상기 혼화재는 고로 슬래그 미분말, 플라이 애쉬 또는 석회를 포함할 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트에는 고성능 감수제 또는 고성능 AE 감수제가 더 포함될 수 있는 자기다짐 콘크리트 복합재료.
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