KR20140115419A - 초속경 시멘트 조성물 및 콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초속경 시멘트 조성물 및 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 시멘트 조성물과 골재를 포함하여 이루어지며, 시멘트 조성물은 보통 포틀랜드 시멘트와 혼화재를 포함하여 이루어지되, 보통 포틀랜드 시멘트와 혼화재 사이의 배합 비율은 보통 포틀랜드 시멘트 91~97 중량%와, 혼화재 3~9 중량%로 이루어지고, 혼화재는 티탄석고, 석회석 및 정수오니를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.

Description

초속경 시멘트 조성물 및 콘크리트 조성물{Rapid hardening cement and concrete composition}

본 발명은 토목 및 건축재료로 사용되는 시멘트에 관한 것으로서, 특히 경화 속도가 빨라 초기 재령에 높은 압축강도를 나타내는 초속경 시멘트 조성물에 관한 것이다.

초속경 시멘트 또는 조강시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트에 보크사이트, 카올린, 형석 등을 첨가하여 클링커를 만들고, 이 클링커에 무수 석고, 반수 석고 등을 첨가하여 분쇄한 시멘트를 말한다. 초속경 시멘트를 사용한 콘크리트는 매우 빠르게 경화되어 재령 2~3시간 내에 200~300kgf/cm² 정도의 높은 압축강도를 나타내게 된다. 이에 초속경 시멘트는 긴급 보수, 보강공사 등에 주로 사용된다.

초속경 시멘트는 수화과정에서 형성되는 C₃S의 양이 대략 46% 정도로 보통 43% 정도의 양으로 형성되는 보통 포틀랜드 시멘트의 보다 매우 높다. 반면 초속경 시멘트는 수화과정에서 형성되는 C₂S 양이 2.3% 정도에 불과하여, 보통 포틀랜드 시멘트의 C₂S의 양 27.9%에 비하여 현저하게 낮다.

C₃S의 양이 많으면 초기의 수화반응이 빠르기 때문에 속경성이 나타나지만, 급격한 수화반응으로 인하여 추후 건조수축 및 균열이 발생하는 문제점이 있다. 이에 초속경 시멘트로서의 속경성을 유지하면서도, 수화과정에서의 발열량을 낮추어 건조수축이나 균열로 인하여 장기강도가 저하되는 문제를 보완할 필요가 있다.

한편, 시멘트나 콘크리트 제조시 통상적으로 실리카 흄, 플라이 애쉬, 고로슬래그 등의 재료들이 혼화재로서 많이 사용되고 있다. 혼화재는 산업부산물을 활용하여 상대적으로 고가인 시멘트를 대체하므로 경제성은 물론 자원 재활용에 기여한다.

나아가, 혼화제는 강도 발현, 화학저항성 증대, 콘크리트 수화열 저감을 통한 등 내구성 향상에도 기여하는 것으로 확인되어 기능성 콘크리트 제조에 있어 사용실적이 늘어나고 있는 추세이다. 이에 초속경 시멘트에서 속경성을 유지하면서도 수화열을 저감시킬 수 있는 기술과 관련하여, 새로운 혼화재의 첨가를 통한 문제 해결을 고려할 필요가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 혼화재를 이용하여 속경성 시멘트로서의 조기강도를 그대로 유지하면서도 수화열을 저감시켜 건조수축이나 균열이 발생하지 않아 장기강도가 안정적으로 보장되는 초속경 시멘트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초속경 시멘트 조성물은, 보통 포틀랜드 시멘트와 혼화재를 포함하여 이루어지는 것으로서, 상기 보통 포틀랜드 시멘트와 혼화재 사이의 배합 비율은, 상기 보통 포틀랜드 시멘트 91~97 중량%와, 혼화재 3~9 중량%로 이루어지며, 상기 혼화재는 티탄석고, 석회석 및 정수오니를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 혼화재는 상기 티탄석고는35~45 중량%, 상기 석회석은 25~35 중량%, 건조된 양을 기준으로 상기 정수오니는 25~35 중량%의 비율로 혼합된다.

그리고, 상기 혼화재는 가열을 통해 소성처리하되, 상기 티탄석고와 석회석은 소성 전 건조 과정을 미리 거치며, 상기 정수오니는 수분이 함유된 상태로 소성하는 것이 바람직하며, 상기 혼화재를 소성할 때의 온도는 600~1350℃의 범위이다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 정수오니에는 수분이 70~80 중량%의 비율로 함유되어 있다.

한편, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 시멘트 조성물과 골재를 포함하여 이루어지는 것으로서, 시멘트는 상기한 조성의 초속경 시멘트 조성물인 것에 특징이 있다.

본 발명에 따른 초속경 시멘트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 조성물은 보통 포틀랜드 시멘트에 혼화재를 첨가함으로써, 초기 재령에서 높은 압축강도를 유지함은 물론 건조수축이나 균열 발생이 일어나지 않으므로 장기강도도 높은 수준으로 발현되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에서 사용하는 혼화재인 티탄석고와, 정수오니 및 석회석의 성분을 나타낸 표이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에서 사용하는 혼화재의 소성 전 및 소성 후의 현미경 사진이다.
도 4는 티탄석고, 석회석 및 정수오니를 소성 및 분쇄한 후의 혼화재의 화학성분 및 함량을 나타낸 표이다.
도 5는 본 발명에 따른 초속경 시멘트를 이용하여 제조한 콘크리트 시료의 배합표이다.
도 6 및 도 7은 도 5의 표에 따라 제조된 콘크리트 시료에 대한 압축강도를 시험한 결과가 나타나 있는 표와 그래프이다.
도 8은 도 5의 시료1 내지 시료 3의 수화열을 측정한 결과가 나타나 있는 표이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초속경 시멘트 조성물에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 초속경 시멘트 조성물은 시멘트와 혼화재를 포함하여 이루어진다.

본 발명에서 시멘트는 속경성을 발현하기 위해 다른 재료들을 첨가한 것이 아니라, 일반적으로 사용하는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 사용한다.

그리고 본 발명에서는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하면서도 속경성을 발현하기 위해 혼화재를 사용한다. 본 발명에서 사용하는 혼화재는 본 출원인에 의해 고로슬래그 시멘트의 초기 강도를 높이기 위해 개발된 것이다. 즉, 고로슬래그 시멘트의 경우 장기 압축강도는 매우 우수한 반면, 초기 압축강도가 매우 낮아 공사 기간이 길어지는 등의 문제가 있었다. 본 출원인은 고로슬래그 시멘트의 초기 압축강도를 올리고자 혼화재를 개발하여 고로슬래그 시멘트의 단점을 보완하였다.

본 출원인은 본 혼화재를 보통 포틀랜드 시멘트에 단독으로 적용한 결과, 보통 포틀랜드 시멘트가 매우 빨리 경화되면서 초기 재령에서 압축강도가 높게 형성되는 것을 확인하였으며, 더 나아가 초속경 시멘트의 문제로 지적되었던 높은 수화열에 따른 건조수축 및 균열이 발생되지 않음을 발견하였다.

이에 본 혼화재를 보통 포틀랜드 시멘트에 첨가하여 속경성 및 장기강도 우수성을 확보한 것이다. 본 발명에서 사용하는 혼화재는 티탄석고, 석회석 및 정수오니로 이루어진다.

도 1의 표에는 본 발명에서 사용하는 혼화재인 티탄석고와, 정수오니 및 석회석의 성분이 나타나 있다.

티탄석고(titanogypsum)는 황산법으로 산화 티탄를 제조할 때 부산물로 생성되는 화학 석고이다.

본 발명의 일 실시예에서 사용하는 티탄석고의 경우 황의 산성을 석회로 중화시키는 화학반응 공정에서 발생되는 부산물로서, 개략적 성분함량은 도 1의 표에 나타난 바와 같다. 즉, SiO₂ 2.1 중량%, Al₂O₃ 0.7 중량%, Fe₂O₃ 1.0중량%, CaO 39.2 중량%, MgO 0.5 중량%, SO₃ 54.3 중량%, K₂O 0.1 중량%, TiO₂ 1.7 중량%로 이루어진다.

상기한 바와 같이, 티탄석고는 SO₃의 함량이 54.3 중량%, CaO의 함량이 39.2중량%로서 매우 높다. 따라서 C₃A 계열 및 알카리 함유량이 많은 시멘트에 티탄석고가 과량 혼합되는 경우 시멘트의 응결이 너무 빨라지고, 너무 적게 첨가되는 경우 응결이 지연되고 시멘트가 과팽창되는 문제가 있다. 이에 본 발명의 일 실시예에서는 티탄석고를 35~45 중량%의 비율로 혼화재에 혼합한다.

그리고, 본 발명에서 사용하는 석회석의 경우, 도 1의 표에 나타난 바와 같이, CaO 성분이 96.7 중량%로 압도적인 비율을 차지하며, 티탄석고 및 물과 함께 혼합되는 경우 빠른 수화반응을 통해 시멘트의 초기 강도를 증진시키는 역할을 하는 것으로 실험을 통해 확인되었다. 그리고 CaO 성분은 시멘트 내에서 지속적으로 수화반응을 일으키는데, 특히 시멘트의 초기 강도를 증대시키는 작용을 한다.

또한, 본 발명에서 사용하는 정수오니는 정수처리장에서 생물학적 처리를 통해 발생하는 부산물로서, 도 1의 표에 나타난 바와 같이, SiO₂와 Al₂O₃의 함량이 각각 46.6 중량% 및 39.7 중량%로 높다. SiO₂는 주로 시멘트의 장기 강도 발현에 기여하며, Al₂O₃는 시멘트의 초기 강도 발현에 기여한다.

본 발명에서는 석회석과 정수오니를 각각 25~35 중량%의 비율로 혼합하여, 시멘트의 초기 강도 및 장기 강도가 모두 일정 수준 이상으로 발현되도록 한다.

정수오니는 탁질과 수산화알루미늄이 주성분인데 본 실시예에서 사용하는 정수오니는 수분이 70~80%의 범위로 함유되어 있다. 위에서 정수오니를 25~35중량%의 범위로 혼화재에 혼합한다고 하는 것의 의미는 수분을 제거한 상태의 건조량을 기준으로 하는 것이다. 본 실시예에 따른 혼화재를 제조하는 공정에서는 정수오니를 건조하지 않고 수분을 함유한 상태로 그대로 소성을 진행하므로, 실제 정수오니의 첨가량은 수분의 중량을 합하여 계산된다.

한편, 본 발명에서는 상기한 티탄석고, 석회석 및 정수오니를 그대로 사용하는 것이 아니라, 소성 처리를 한다는 데에 중요한 특징이 있다.

즉, 상기한 비율로 티탄석고, 석회석 및 정수오니를 혼합한 상태로 로에 넣고 600~1450℃의 온도로 대략 20~40분 동안 가열한다. 이수석고의 경우 소성을 하는 경우 수분이 증가하는 현상만 나타날 뿐, 시멘트에 혼합하였을 때 특별한 변화를 일으키지 않는다. 그러나, 티탄석고의 경우 소성을 한 후 시멘트에 혼합하는 경우 석회석 및 정수오니와 화학적 반응을 통해 에트린자이트(CSH) 및 C₃S를 생성하며, 시멘트의 압축강도를 증진시키는 것으로 확인되었다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 혼화재에 대한 실험 결과로서, 혼화재를 소성하기 전에 찍은 현미경 사진 및 소성 후에 찍은 현미경 사진이 나타나 있다.

도 2의 소성 전 사진과 도 3의 소성 후 사진을 비교하면, 도 3의 소성 후 현미경 사진에서는 침상으로 에트린자이트가 형성되었음을 알 수 있다. 이렇게 본 발명에 따른 혼화재를 소성하게 되면 에트린자이트 광물이 형성됨으로써 시멘트의 초기 강도를 증진시키게 된다. 또한, 본 발명에 따른 혼화재를 소성하면 혼합제는 강알카리성을 나타내어 슬래그 시멘트의 자극제로서 작용할 수 있다.

특히, 본 실험에서 티탄석고를 상대적으로 많이 혼합하는 경우 에트린자이트의 생성이 늘어나는 반면, 티탄석고의 양을 줄이는 경우 에트린자이트의 형성이 줄어드는 것을 확인하였다. 이에 본 발명에서는 시멘트의 초기 강도를 증진시키고자 하는 경우, 티탄석고의 양을 대략 40 중량%로 혼합하며, 정수오니와 석회석은 30 중량%의 비율로 혼합한다.

에트린자이트의 형성은 특히 시멘트의 초기 강도에 영향을 주므로, 슬래그 시멘트의 초기 강도 발현 저하의 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

그리고, 본 발명에서 혼화재를 소성할 때, 티탄석고와 석회석의 경우 사전에 건조하는 과정을 거치며, 정수오니는 수분이 함유된 상태 그대로 소성처리 한다. 정수오니는 70~80%의 수분을 함유하고 있으며, 이 수분으로 인하여 티탄석고, 석회석 및 정수오니가 소성과정에서 혼화재로 광물화하는데 기여하기 때문이다. 또한, 티탄석고와 석회석은 105℃의 건조로에서 사전에 건조를 거치면서 수분을 증발시키기 때문에 혼화재의 각 성분별 배합비율을 정확하게 맞출 수 있다. 석회석과 티탄석고의 경우 정수오니와 달리 자체적으로 보유한 수분 함량을 정확하게 측정하기 곤란하므로 건조를 통해 수분을 제외한 상태로 만들어 배합비율을 맞출 수 있다.

다른 한편으로 정수오니의 경우 105℃ 정도에서 건조를 하면 악취가 심하게 발생하여 작업 환경은 물론 주변의 민원이 발생할 수 있으며, 소성과정에서 일정량의 수분을 필요로 하므로 정수오니의 함유 수분을 통해 2가지의 문제를 함께 해결한다.

도 4에는 티탄석고, 석회석 및 정수오니를 다양한 배합비율로 혼합하여 소성 및 분쇄한 후의 혼화재의 화학성분 및 함량이 나타나 있다. 도 4의 표를 참고하면, 티탄석고와 석회석 및 정수오니를 1:1:1의 범위로 혼합하였을 때와, 4:3:3의 비율로 혼합하였을 때 CaO와 SO₃의 함량이 가장 많은 것으로 조사되어, 초기압축강도와 장기압축강도가 고르게 발현되는데 있어서도 최적화된 배합으로 평가된다.

상기한 바와 같은 조성으로 이루어진 혼화재를 시멘트에 첨가하여 시멘트 조성물을 제조하였으며, 이렇게 제조된 시멘트 조성물에 대한 압축강도 실험을 진행하였다.

실험에서는 3개의 콘크리트 시료를 제조하였다. 1번 시료는 보통 포틀랜드 시멘트를 단독으로 사용한 것이고, 2번 시료는 보통 포틀랜드 시멘트에 혼화재를 7중량%의 범위로 혼합하였고, 3번 시료는 보통 포틀랜드 시멘트에 혼화재를 9중량%로 혼합한 것이다. 물/시멘트비와 모래와 자갈의 배합비율은 도 5의 배합표와 같다.

도 5의 배합표에 따른 조성으로 제조된 콘크리트 시료에 대한 압축강도를 측정하였으며, 그 결과가 도 6의 표에 나타나 있다.

도 6의 표를 참고하면, 보통 포틀랜드 시멘트를 단독으로 사용한 1번 시료의 경우에 비하여 본 발명에 따라 혼화재를 첨가한 2번 및 3번 시료는 1일 재령에서 압축강도가 50% 이상 높게 나타나 속경성이 발현되는 것을 확인하였다. 그리고 14일 및 28일 재령에서도 2번 및 3번 시료가 1번 시료에 비하여 압축강도가 8~9% 높게 나타나 장기강도도 높게 나타나는 것을 확인하였다.

본 발명에서 사용하는 혼화재는 원래 고로슬래그 시멘트의 초기 압축강도를 증대시키기 위한 것이었으므로, 보통 포틀랜드 시멘트에 혼합하였을 때 초기 압축강도가 높아지는 것은 당연히 기대되는 사항이다. 중요한 점은 티탄석고, 석회석 및 정수오니로 이루어진 혼화재를 사용하여 속경성을 발현시키는 경우, 높은 수화열이 발생함에 따라 추후 수축저감과 균열이 발생할 수 있다는 것이다.

그러나, 본 발명에 따른 초속경 시멘트와 이를 이용한 콘크리트에서는 수축저감과 균열이 발생하지 않고 장기 압축강도가 보장된다는 점이 매우 중요하다. 이는 본 발명에 따른 혼화재를 사용하면 보통의 속경성 시멘트와 달리 높은 수화열이 발생하지 않기 때문이다.

도 8의 그래프는 상기 시료1 내지 시료 3의 수화열을 측정한 결과가 나타나 있다.

일반적으로 속경성 시멘트의 경우 수화열이 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 높게 나타나야 하지만, 도 8의 그래프에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 초속경 시멘트에서는 수화열이 보통 포틀랜드 시멘트와 유사한 패턴을 그리며 편차가 크지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 혼화재를 사용하면 속경성이 발현되지만, 수화열이 높지 않아 수축저감이나 균열 저항성이 크다는 것을 알 수 있다. 이 점이 본 발명에 따른 초속경 시멘트의 장기강도가 높게 나타나는 이유이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 초속경 시멘트는 티탄석고, 석회석 및 정수오니를 소성 및 분쇄하여 혼합함으로써, 초기 압축강도가 높게 나타나 속경성이 발현될 뿐만 아니라, 수화열이 높지 않아 장기 압축강도 또한 높게 나타나 기존의 속경성 시멘트의 단점이 보완된다는 이점이 있다.

또한 본 발명에서 사용하는 티탄석고, 석회석 및 정수오니는 산업부산물을 재활용한 것으로서 친환경적이며, 재료의 원활한 공급이 가능하고, 경제적이라는 이점이 있으므로 건설 및 토목 업계에서 폭넓은 활용이 기대된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 보통 포틀랜드 시멘트와 혼화재를 포함하여 이루어지는 초속경 시멘트 조성물로서,
   상기 보통 포틀랜드 시멘트와 혼화재 사이의 배합 비율은, 상기 보통 포틀랜드 시멘트 91~97 중량%와, 혼화재 3~9 중량%로 이루어지며,
   상기 혼화재는 티탄석고, 석회석 및 정수오니를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 초속경 시멘트 조성물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 혼화재는 상기 티탄석고는35~45 중량%, 상기 석회석은 25~35 중량%, 건조된 양을 기준으로 상기 정수오니는 25~35 중량%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 초속경 시멘트 조성물.
3. 제1항에 있어서,
   상기 혼화재는 가열을 통해 소성처리하되,
   상기 티탄석고와 석회석은 소성 전 건조 과정을 미리 거치며, 상기 정수오니는 수분이 함유된 상태로 소성하는 것을 특징으로 하는 초속경 시멘트 조성물.
4. 제1항에 있어서,
   상기 정수오니에는 수분이 70~80 중량%의 비율로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 초속경 시멘트 조성물.
5. 제3항에 있어서,
   상기 혼화재를 소성할 때의 온도는 600~1350℃의 범위인 것을 특징으로 하는 초속경 시멘트 조성물.
6. 시멘트 조성물과 골재를 포함하여 이루어지는 콘크리트 조성물로서,
   상기 시멘트는 청구항 1 내지 청구항 5에 기재된 초속경 시멘트 조성물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.

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