KR20160072622A - 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법 - Google Patents

등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법 Download PDF

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Abstract

표면에 부착된 모르타르를 제거하지 않은 현장 순환골재(Recycled Aggregate)를 사용하는 순환골재 콘크리트 배합 방법으로서, 등가모르타르를 이용하여 순환골재 콘크리트를 배합함으로써 전체 굵은골재의 체적을 감소시키고 유동하는 모르타르의 체적을 증가시켜 순환골재 콘크리트를 용이하게 배합할 수 있고, 성형성을 향상시킬 수 있으며, 또한, 저탄소 녹색 공항 포장에 용이하게 적용할 수 있는, 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법이 제공된다.

Description

등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법 {METHOD FOR PROPORTIONING RECYCLED AGGREGATE CONCRETE USING EQUIVALENT MORTAR}
본 발명은 순환골재 콘크리트 배합 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 표면에 부착된 모르타르를 제거하지 않은 현장 순환골재(Recycled Aggregate)를 사용하는 순환골재 콘크리트 배합 방법에 있어서, 저탄소 녹색 공항 포장(Low-Carbon and Green Airport Pavement) 등에 적용할 수 있도록 등가모르타르(Equivalent Mortar)를 이용하여 순환골재 콘크리트를 배합하는 방법에 관한 것이다.
전 세계적으로 환경오염 및 자원 고갈 문제가 크게 대두되고 있는 가운데 막대한 자본과 재료의 투입으로 건축물을 생산하며, 동시에 다량의 폐기물을 발생시켜는 건설산업의 특성에 따라 소비되는 자원 및 에너지의 절약, 사용된 자원 및 에너지의 회수 및 재자원화 및 재이용이 더욱 요구되고 있다.
예를 들면, 건설현장에서 사용되어지는 골재는 천연골재의 고갈로 인해서 석산에서 생산되는 쇄석을 사용하는 것이 보편화된 상황이며, 건설용 골재의 수급을 위해 석산의 난개발이 진행되어 환경파괴 및 민원이 증가하여 골재 수급에 많은 어려움이 발생하고 있는 상황이다.
이러한 배경으로 인해 최근 기존 건설폐기물로 취급되어 불법매립 또는 도로포장 시에 성토복토용 포장골재로 사용되어져 왔던 순환골재의 건설용 골재로서, 그 활용에 대한 인식이 개선되고 있다.
이러한 건설폐기물은 중간처리업체로 반출되어 선별 재활용되거나, 또는 공사대도시의 경우에는 관할 권역 내 수집 및 운반업체가 건설현장으로부터 폐기물을 인수받아 자체 집하장에서 성상별로 1차 선별한 후, 재생 가능한 폐기물은 중간처리업체에 위탁 처리하고, 잡쓰레기는 매립지로 운반 처리하는 형태가 많다. 이때, 중간처리업체에서는 건설폐기물을 파쇄 및 선별한 후, 철근이나 순환골재 등 유가물은 회수하여 판매하고, 잔재물은 소각 또는 매립 처리하고 있다.
하지만 아직까지 국내에서 사용되고 있는 순환골재의 품질 및 성능은 자연골재 및 쇄골재의 품질에 미흡한 것으로 나타나고 있고, 건축용으로 적용하기 어렵다고 인식하고 있기 때문에 순환골재의 고품질화를 통한 고부가가치적인 용도로 활용될 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있는 상황이다.
여기서, 순환골재란 "건설폐기물의 재활용촉진에 관한 법률" 제2조제7호의 규정(건설폐기물을 물리적 또는 화학적 처리과정 등을 거쳐 제35조의 규정에 의한 품질기준에 적합하게 한 것)에 적합한 골재"를 말한다. 이러한 순환골재로 콘크리트를 재생산할 경우에는 흡수율로 인하여 콘크리트의 품질에 다소 저하가 발생할 수 있다. 다시 말하면, 재생골재는 골재의 형태로 있는 것을 재활용해서 다시 재사용하는 골재를 말하고, 순환골재는 골재가 다른 것과 결합된 것을 재활용해서 다시 재사용하는 골재라고 하며, 여기서, 통상적으로 구분 없이 사용되고 있지만, 순환골재는 공식 명칭이고, 재생골재는 현장에서 사용하는 명칭이다.
한편, 이러한 건설폐기물 중에서 폐콘크리트는 발생하는 양이 대규모이기 때문에 공급 면에서 별 문제가 없고, 그 조성 또한 시멘트모르타르와 골재의 비교적 간단한 조성으로 되어 있으므로, 이를 파쇄하여 재활용할 경우, 콘크리트 자체의 물성을 어느 정도 유지하기 때문에 재활용 가치가 높은 것으로 평가되고 있다.
이러한 폐콘크리트의 재활용 방법으로는 수거된 폐콘크리트를 파쇄하여 순환골재로서 도로공사나 구조물 뒷채움 등에 사용하는 방법, 콘크리트 2차제품 생산시 천연골재와 혼합 사용하는 방법, 건물 해체시 콘크리트 부재를 원상태로 절단하여 부재로 재활용하는 방법 등이 있다.
최근 콘크리트 혼합물에서 일정량 이상의 순환골재를 천연골재와 혼합하여 사용할 것을 권장하고 있으며, 콘크리트 혼합물 내의 순환골재 및 천연골재를 선별할 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
구체적으로, 폐콘크리트를 파쇄하여 생산하는 순환골재는, 골재 표면에 경화된 시멘트가 부착되어 있는데, 시멘트가 표면에 부착되어 있는 순환골재가 공기 중에 노출되거나 물과 반응하게 되면 pH가 급격하게 상승하여 강알칼리성을 띄게 된다. 예를 들면, 폐기물공정 시험방법에 의한 순환골재의 pH 농도를 측정한 결과에 의하면, 순환골재는 약 12 이상의 pH를 가지는 것으로 보고되고 있다.
한편, 현재 공항(Airport)에서 콘크리트 포장에 적용하고 있는 단위 시멘트량은 콘크리트 도로 포장에서 사용하는 단위 시멘트량에 비해 약 60~100㎏/㎡정도 더 많은 실정이며, 이것은 공항 포장 건설시, 이산화탄소의 배출이 많아진다는 것을 의미한다. 이에 따라 공항 콘크리트 포장에 사용되는 시멘트를 혼화재로 치환하거나, 단위 시멘트량을 줄임으로써 이산화탄소 배출량을 감소시키고, 장기 내구성도 확보할 수 있는 공항 포장용 저탄소 고강도 콘크리트의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
특히, 공항포장 콘크리트는 도로포장 콘크리트에 비하여 더 큰 하중이 작용하므로 높은 강도와 고내구성이 요구되어 단위 시멘트량을 높게 사용하고 있지만, 현재 다양한 유형의 파손이 다수 발생되어 잦은 유지보수가 적용되고 있다. 따라서 공항포장 콘크리트가 요구하는 높은 강도와 고내구성을 확보할 수 있는 새로운 탄소배출 저감형 공항포장 콘크리트 개발이 요구된다.
한편, 공항포장 재시공 중에서 순환골재(또는 재생골재)의 사용 시 운송에 따른 비용 절감 및 이산화탄소 배출 감소를 위하여 공장(중간처리업체)을 경유하지 않는 현장 설비의 사용가능성을 확인할 수 있도록, 천연골재(화강암), 공항현장 순환골재, 공장 순환골재의 세 등급으로 나누어 실험한 굵은골재의 특성은 표 1에 나타낸 바와 같다.
Figure pat00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 천연골재의 비중은 일반적으로 2.6~2.7이며, 흡수율은 1% 미만이다. 반면에, 순환골재의 경우, 표면에 붙은 모르타르로 인하여 비중이 2.3~2.4정도로 떨어지며, 흡수율은 3~5%정도로 증가하게 된다. 이때, 모르타르의 비중이 천연쇄석에 비해 약 2.0정도로 낮기 때문에 비중이 낮아지며, 다공성 재질이기 때문에 흡수율이 증가하게 된다. 또한, 순환골재를 만들 때 발생하는 석분이 종래의 천연쇄석보다 많아 흡수율이 증가하는 면이 있다.
또한, 순환골재가 전술한 바와 같이 비중이 낮으며 흡수율이 높음에도 불구하고, 종래의 콘크리트 배합에서는 표 2에 나타낸 바와 같이 순환골재를 천연골재와 동일한 배합 방법을 사용하여 배합하여 왔다.
Figure pat00002
구체적으로, 표 2는 일반적인 순환골재 배합 방법에 의한 콘크리트 배합표를 나타내며, 단위 수량 및 단위 시멘트량, 굵은골재의 체적과 잔골재량, AE제 사용량까지 동일하게 사용하게 된다. 이때, 순환골재의 경우, 흡수율이 높기 때문에 함수율 관리를 철저하게 관리하지 못하면 배합과 동시에 수분을 급격하게 빨아들이게 되고, 표 2에 나타낸 바와 같이 슬럼프량이 감소하게 된다.
이때, 슬럼프량이 낮아지게 되면, 현장시공시 워커빌리티의 감소가 나타나며, 현장에서는 시공성의 증가를 위하여 슬럼프량을 기존의 천연골재 배합과 같은 슬럼프량으로 증가시키게 된다. 이때, 물을 증가시키게 되는 경우, 강도가 감소되는 부작용이 있으며, 또한, 감수제를 증가시키는 경우에는 경제성에서 손실이 있게 된다.
다른 경우로서, 현장에서 골재의 함수율 관리를 하지 않고 슬럼프량만으로 배합하는 경우가 있다. 이러한 경우, 슬럼프량을 기존의 천연골재 배합과 같게 하면, 물이 기존에 비해 과다하게 들어가서 강도가 감소되는 부작용이 발생하게 된다. 또한, 순환골재 표면의 다공성 때문에 기존의 천연골재 배합 방법에 비해 공기량이 약간 높게 나타나는 경향이 있다.
한편, 도 1은 천연골재, 공항현장 순환골재 및 공장 순환골재의 압축강도를 나타내는 도면이고, 도 2는 천연골재, 공항현장 순환골재 및 공장 순환골재의 탄성계수를 나타내는 도면이며, 도 3은 천연골재, 공항현장 순환골재 및 공장 순환골재의 건조수축률을 나타내는 도면이다.
일반적으로, 천연골재 배합에 비해서 배합에 난이도가 있다고 해도 수량을 조절하고 혼화제를 조절하여 순환골재를 사용하는 것이 경제적인 면에 있어서 더 우위에 있다. 다만, 도 1에 도시된 바와 같이, 천연골재와 공항현장 순환골재를 비교하면, 압축강도가 비슷함에도 불구하고, 도 2에 도시된 바와 같이, 천연골재와 공항현장 순환골재를 비교하면, 탄성계수의 감소가 있다는 사실을 알 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 천연골재1과 공항현장 순환골재1을 비교하였을 때, 건조수축률 역시 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은 강도를 맞출 수 있다고 하더라도 탄성계수나 건조수축 등 강도 이외의 재료 특성의 저감은 피할 수 없다는 것을 의미한다.
한편, 도 4a 내지 도 4c는 각각 천연골재 배합 콘크리트(NAC), 기존 순환골재 배합 콘크리트(RAC) 및 등가모르타르 체적 배합 콘크리트(EMVC)의 조성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a를 참조하면, 천연골재 배합 콘크리트(Natural Aggregate Concrete: NAC)(10)의 경우, 천연골재(11), 잔골재인 모래(12), 시멘트(13), 물(14) 및 공기(15)로 이루어지고, 이때, 상기 천연골재(11)가 굵은골재에 해당하고, 잔골재인 모래(12), 시멘트(13), 물(14) 및 공기(15)는 모르타르에 해당한다.
도 4b를 참조하면, 기존 순환골재 배합 콘크리트(Recycled Aggregate Concrete: RAC)(20)의 경우, 모골재(21), 구모르타르(22), 잔골재인 모래(23), 시멘트(24), 물(25) 및 공기(26)로 이루어지고, 이때, 순환골재는 모골재(21) 및 상기 모골재 부착 모르타르인 구모르타르(22)를 포함하고, 상기 모골재(21)가 굵은골재에 해당하고, 구모르타르(22), 잔골재인 모래(23), 시멘트(24), 물(25) 및 공기(26)가 모르타르에 해당한다.
도 4c를 참조하면 등가모르타르 체적 배합 콘크리트(Equivalent Mortar Volume Concrete: EMVC)(30)의 경우, 천연골재(31), 모골재(32), 구모르타르(33), 잔골재인 모래(34), 시멘트(35), 물(36) 및 공기(37)로 이루어지고, 이때, 순환골재는 모골재(32) 및 상기 모골재 부착 모르타르인 구모르타르(33)를 포함하고, 상기 천연골재(31) 및 모골재(32)가 굵은골재에 해당하고, 상기 구모르타르(33), 잔골재인 모래(34), 시멘트(35), 물(36) 및 공기(37)가 모르타르에 해당한다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 기존의 순환골재 배합은, 도 4b에 도시된 바와 같이, 모르타르의 절대량이 많다고 한다. 예를 들면, 도 4a와 도 4b를 비교하면, 둘 다 종래의 배합대로 배합한 경우로서, 순환골재에 붙은 구모르타르(22)가 새로 배합되는 모르타르와 동일한 성질의 모르타르라고 가정하는 경우, 경화 이후의 순환골재 배합 콘크리트(20)의 전체 모르타르량은, 도 4a에 도시된 천연골재 배합 콘크리트(10)에 비해 확연히 많아지게 된다.
이에 따라 도 4c에 도시된 바와 같이, 신규 모르타르 체적과 구모르타르 체적을 더한 전체 모르타르 체적을 전술한 천연골재 배합 방법에 따른 전체 모르타르 체적을 갖도록 설계하는 경우, 종래의 순환골재 배합 방법에서 갖고 있던 재료 특성의 많은 부분을 개선할 수 있다. 즉, 등가모르타르 체적 배합 콘크리트(EMVC: 30)는 신규 모르타르 체적과 구모르타르 체적을 더한 전체 모르타르 체적을 상기 천연골재 배합 콘크리트(10) 방법에 따른 전체 모르타르 체적을 갖도록 설계하는 것을 말한다.
도 5a 및 도 5b는 각각 천연골재 배합 콘크리트 및 등가모르타르 체적 배합 콘크리트의 배합 개념을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a를 참조하면, 천연골재 배합 콘크리트(10)의 경우, 신규 천연골재 체적(
Figure pat00003
)이 전체 천연골재 체적(
Figure pat00004
)이 되고, 신규 모르타르 체적(
Figure pat00005
)이 전체 모르타르 체적(
Figure pat00006
)이 된다.
또한, 도 5b를 참조하면, 등가모르타르 체적 배합 콘크리트(30)의 경우, 전체 모르타르 체적(
Figure pat00007
)이 전술한 천연골재 배합 방법에 따른 전체 모르타르 체적(
Figure pat00008
)과 동일한 체적으로 설계되며, 전체 모르타르 체적(
Figure pat00009
)은 다음의 수학식 1과 같이 주어진다.
Figure pat00010
여기서,
Figure pat00011
은 신규 모르타르 체적을 나타내고,
Figure pat00012
은 구모르타르 체적을 나타낸다. 또한, 순환골재 체적(
Figure pat00013
)은 모골재 체적(
Figure pat00014
)과 구모르타르 체적(
Figure pat00015
)을 포함한다.
다만, 전술한 등가모르타르 체적 배합 방법의 경우, 경화 이후에 전체 모르타르 체적(
Figure pat00016
)은 전술한 천연골재 배합 방법에 따른 전체 모르타르 체적(
Figure pat00017
)과 같아지게 되지만, 경화 이전에 유동하는 모르타르량은 감소하게 된다.
예를 들면, 기존의 구조용 콘크리트의 경우, 시공성을 고려한 슬럼프 15㎝를 사용하며, 이러한 경우, 등가모르타르 체적 배합을 사용하게 되면 슬럼프량이 12㎝정도로 감소하지만, 사용에 지장은 없는 정도이다. 다만, 기존 포장용 콘크리트 배합의 경우, 시공성을 고려하여도 슬럼프를 4㎝ 내외로 맞추게 되며, 이러한 경우, 등가모르타르 체적 배합을 사용하게 되면, 굵은골재의 체적이 지나치게 많아지게 되고, 유동하는 모르타르의 체적이 지나치게 적어져서 배합이 되지 않거나 성형성에 문제점이 발생하게 된다.
대한민국 등록특허번호 제10-1410855호(출원일: 2011년 12월 2일), 발명의 명칭: "콘크리트 배합 조성물 및 콘크리트 배합방법" 대한민국 공개특허번호 제2009-114162호(공개일: 2009년 11월 3일), 발명의 명칭: "콘크리트 배합 선정방법" 대한민국 등록특허번호 제10-836598호(출원일: 2007년 6월 4일), 발명의 명칭: "폐콘크리트를 활용한 콘크리트 모르타르 조성물" 대한민국 등록특허번호 제10-624364호(출원일: 2001년 1월 12일), 발명의 명칭: "레디믹스트 콘크리트 제조방법" 대한민국 공개특허번호 제2011-69743호(공개일: 2011년 6월 23일), 발명의 명칭: "저탄소배출 구조재료"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 표면에 부착된 모르타르를 제거하지 않은 현장 순환골재를 사용하는 순환골재 콘크리트 배합 방법에 있어서, 등가모르타르를 이용하여 순환골재를 배합함으로써 전체 굵은골재의 체적을 감소시키고 유동하는 모르타르의 체적을 증가시켜 순환골재를 용이하게 배합할 수 있고, 성형성을 향상시킬 수 있는, 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법은, 천연골재, 모골재, 제1 구모르타르, 제2 구모르타르, 잔골재, 시멘트, 물 및 공기로 이루어진 순환골재의 배합 방법에 있어서, a) 하프 등가모르타르 체적 배합(Half Equivalent Mortar Volume)을 위한 골재 특성을 산출하는 단계; b) 천연골재 배합 방법에 따른 천연골재 배합을 결정하는 단계; c) 천연골재 배합 방법에 따른 신규 천연골재 체적(
Figure pat00018
)에 대한 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 신규 천연골재 체적(
Figure pat00019
)의 비(Ratio)인 R값을 산출하는 단계; d) 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 천연골재의 체적(
Figure pat00020
) 및 순환골재 체적(
Figure pat00021
)을 산출하여 전체 굵은골재의 체적(
Figure pat00022
)을 결정하는 단계; e) 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 신규 모르타르 체적(
Figure pat00023
)을 산출하는 단계; f) 잔골재(S), 시멘트(C) 및 물(W) 중량을 산출하는 단계; 및 g) 천연골재의 중량 및 순환골재 중량을 산출하여 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 전체 굵은골재의 중량을 결정하는 단계를 포함하되, 상기 하프 등가모르타르 체적 배합은 순환골재에 부착된 구모르타르 체적을 50%로 축소시키고, 구모르타르 중에서 제1 구모르타르는 굵은골재로 사용하고, 제2 구모르타르는 모르타르로 사용하도록 설계하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 하프 등가모르타르 체적 배합에서 전체 모르타르 체적(
Figure pat00024
)은,
Figure pat00025
로 주어지고, 여기서,
Figure pat00026
은 제2 구모르타르 체적을 나타내고,
Figure pat00027
은 신규 모르타르 체적을 나타내며, 상기 제2 구모르타르 체적(
Figure pat00028
)은 제1 구모르타르 체적(
Figure pat00029
)과 동일하며, 구모르타르 체적의 1/2(
Figure pat00030
)에 해당하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 전체 굵은골재의 체적(
Figure pat00031
)은, 상기 천연골재 체적(
Figure pat00032
), 상기 모골재 체적(
Figure pat00033
) 및 상기 제1 구모르타르 체적(
Figure pat00034
)을 합산하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 표면에 부착된 모르타르를 제거하지 않은 현장 순환골재를 사용하는 순환골재 콘크리트 배합 방법에 있어서, 등가모르타르를 이용하여 순환골재 콘크리트를 배합함으로써 전체 굵은골재의 체적을 감소시키고 유동하는 모르타르의 체적을 증가시켜 순환골재 콘크리트를 용이하게 배합할 수 있고, 성형성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 저탄소 녹색 공항 포장에 용이하게 적용할 수 있다.
도 1은 천연골재, 공항현장 순환골재 및 공장 순환골재의 압축강도를 나타내는 도면이다.
도 2는 천연골재, 공항현장 순환골재 및 공장 순환골재의 탄성계수를 나타내는 도면이다.
도 3은 천연골재, 공항현장 순환골재 및 공장 순환골재의 건조수축률을 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 천연골재 배합 콘크리트(NAC), 기존 순환골재 배합 콘크리트(RAC) 및 등가모르타르 체적 배합 콘크리트(EMVC)의 조성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 천연골재 배합 콘크리트(NAC) 및 등가모르타르 체적 배합 콘크리트(EMVC)의 배합 개념을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 콘크리트(HEMVC)의 조성 및 개념을 나타내는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법의 동작흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합에 필요한 재료들의 기본특성 배합표를 예시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 실험에 따른 압축강도 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 실험에 따른 휨강도 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 실험에 따른 탄성계수 실험 결과를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법]
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 콘크리트의 조성 및 개념을 나타내는 도면들이다.
도 6a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 콘크리트(100)는, 천연골재(110), 모골재(120), 제1 구모르타르(131), 제2 구모르타르(132), 잔골재인 모래(140), 시멘트(150), 물(160) 및 공기(170)로 이루어지고, 이때, 순환골재는 모골재(120), 제1 구모르타르(131) 및 제2 구모르타르(132)를 포함하고, 상기 천연골재(110), 모골재(120) 및 제1 구모르타르(131)가 굵은골재에 해당하고, 상기 제2 구모르타르(132), 잔골재인 모래(140), 시멘트(150), 물(160) 및 공기(170)가 모르타르에 해당한다.
도 6b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 콘크리트(100)의 전체 모르타르 체적(
Figure pat00035
)은 다음의 수학식 2와 같이 주어진다.
Figure pat00036
여기서,
Figure pat00037
은 제2 구모르타르 체적을 나타내고,
Figure pat00038
은 신규 모르타르 체적을 나타내며, 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합에서 상기 제2 구모르타르 체적(
Figure pat00039
)은 제1 구모르타르 체적(
Figure pat00040
)과 동일하며, 구모르타르 체적의 1/2(
Figure pat00041
)에 해당한다.
이때, 순환골재 체적(
Figure pat00042
)은 모골재 체적(
Figure pat00043
), 제1 구모르타르 체적(
Figure pat00044
) 및 제2 구모르타르 체적(
Figure pat00045
)을 포함하고, 전체 굵은골재 체적(
Figure pat00046
)은 천연골재 체적(
Figure pat00047
), 모골재 체적(
Figure pat00048
) 및 제1 구모르타르 체적(
Figure pat00049
)으로 이루어진다.
다시 말하면, 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 콘크리트(100)는, 전술한 도 5b에 도시된 등가모르타르 체적 배합에서 구모르타르 체적을 50%로 축소시켜서 사용하는 1/2 배합 모델을 사용한다. 즉, 경화 이후의 콘크리트 특성뿐만 아니라 경화 이전의 콘크리트 특성도 중요하므로 순환골재에 붙어있는 구모르타르가 일부는 모르타르로 사용하고, 일부는 굵은골재로 거동하도록 설계하는 배합 방법이다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법의 동작흐름도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법은, 먼저, 하프 등가모르타르 체적 배합을 위한 골재 특성, 예를 들면, 천연골재의 비중(
Figure pat00050
), 순환골재의 비중(
Figure pat00051
), 시멘트의 비중(
Figure pat00052
), 잔골재의 비중, 모골재의 비중(
Figure pat00053
), 순환골재의 잔류 모르타르 함량(Residual Mortar Content:
Figure pat00054
)을 각각 산출한다(S110).
다음으로, 천연골재 배합 방법에 따른 시멘트 함량(
Figure pat00055
), 물 함량(
Figure pat00056
), 천연골재의 절대 건조중량(
Figure pat00057
), 절대 건조 잔골재 함량(
Figure pat00058
) 및 천연골재 건조중량(
Figure pat00059
)을 포함한 천연골재 배합을 결정한다(S120).
다음으로, 천연골재 배합 방법에 따른 천연골재 체적에 대한 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 추가 천연골재 체적의 비(Ratio)인
Figure pat00060
값을 산출한다(S130). 여기서,
Figure pat00061
값은 다음의 수학식 3과 같이 정의되는 순환골재 콘크리트 내의 천연골재의 함량비로서, 다음의 수학식 4와 같이 구해질 수 있다.
Figure pat00062
여기서,
Figure pat00063
는 천연골재 배합 방법에 따른 신규 천연골재 체적을 나타내고,
Figure pat00064
는 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 신규 천연골재 체적을 나타낸다.
Figure pat00065
여기서,
Figure pat00066
는 순환골재의 잔류 모르타르 함량을 나타내고,
Figure pat00067
는 순환골재의 비중을 나타내며,
Figure pat00068
는 모골재의 비중을 나타낸다.
다음으로, 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 순환골재의 체적(
Figure pat00069
)을 다음의 수학식 5를 이용하여 산출하고, 천연골재 배합 방법에 따른 천연골재의 체적(
Figure pat00070
)을 다음의 수학식 6을 이용하여 산출함으로써 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 전체 굵은골재의 체적(
Figure pat00071
)을 결정한다(S140). 이때, 상기 전체 굵은골재 체적(
Figure pat00072
)은 천연골재 체적(
Figure pat00073
), 모골재 체적(
Figure pat00074
) 및 제1 구모르타르 체적(
Figure pat00075
)으로 이루어진다.
Figure pat00076
Figure pat00077
여기서,
Figure pat00078
는 천연골재 배합 방법에 따른 천연골재 체적을 나타내고, 다음의 수학식 7과 같이 주어진다.
Figure pat00079
여기서,
Figure pat00080
는 천연골재의 절대 건조중량을 나타내고,
Figure pat00081
는 천연골재의 비중을 각각 나타낸다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 신규 모르타르의 체적(
Figure pat00082
)을 다음의 수학식 8을 이용하여 산출한다(S150). 이때, 하프 등가모르타르 체적 배합의 경우, 일반적으로 순환골재에 부착된 구모르타르 체적이 증가하는 만큼 새로 추가되는 모르타르 체적이 감소하는 경향을 나타낸다.
Figure pat00083
여기서,
Figure pat00084
는 천연골재 배합 방법에 따른 신규 모르타르 체적을 나타내고,
Figure pat00085
는 하프 등가모르타르 배합 방법에 따른 순환골재의 체적을 나타내며, 이때, 상기 천연골재 배합 방법에 따른 신규 모르타르 체적(
Figure pat00086
)은 다음의 수학식 9와 같이 주어진다.
Figure pat00087
여기서,
Figure pat00088
는 천연골재 배합 방법에 따른 신규 천연골재 체적을 나타낸다.
다음으로, 신규 모르타르 체적을 체적비로 나눈 후에, 각각의 밀도로 나누어 수학식 10으로 주어지는 잔골재(FA)의 중량, 수학식 11로 주어지는 시멘트(C)의 중량 및 수학식 12로 주어지는 물(W)의 중량을 각각 산출한다(S160).
Figure pat00089
Figure pat00090
Figure pat00091
여기서,
Figure pat00092
는 천연골재 배합 방법에 따른 신규 모르타르 체적을 나타내고,
Figure pat00093
는 하프 등가모르타르 배합 방법에 따른 신규 모르타르의 체적을 나타내며,
Figure pat00094
는 천연골재 배합 방법에 따른 절대 건조 잔골재 함량을 나타내고,
Figure pat00095
는 천연골재 배합 방법에 따른 시멘트 함량을 나타내며,
Figure pat00096
는 천연골재 배합 방법에 따른 물 함량을 각각 나타낸다.
다음으로, 천연골재의 체적 및 순환골재의 체적을 각각 밀도로 나누어 다음의 수학식 13으로 주어지는 천연골재의 중량 및 수학식 14로 주어지는 순환골재의 중량을 산출하여 합산함으로써 전체 굵은골재의 중량을 결정한다(S170).
Figure pat00097
여기서,
Figure pat00098
는 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 신규 천연골재 체적을 나타내고,
Figure pat00099
는 천연골재의 비중을 각각 나타낸다.
Figure pat00100
여기서,
Figure pat00101
는 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 순환골재의 체적을 나타내고,
Figure pat00102
는 순환골재의 비중을 각각 나타낸다. 이에 따라 전체 굵은골재의 중량은 천연골재의 중량 및 순환골재의 중량에 따라 결정된다.
본 발명의 실시예에 따른 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법의 경우, 표면에 부착된 모르타르를 제거하지 않은 현장 순환골재를 사용하는 순환골재 콘크리트 배합 방법으로서, 등가모르타르를 이용하여 순환골재 콘크리트를 배합함으로써 전체 굵은골재의 체적을 감소시키고 유동하는 모르타르의 체적을 증가시키고, 이에 따라 순환골재 콘크리트를 용이하게 배합할 수 있고, 성형성을 향상시킬 수 있다.
[실험 결과]
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합에 필요한 재료들의 기본특성 배합표를 예시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합에 필요한 재료들의 기본특성 배합표는 도 8에 도시된 바와 같고, 예를 들면, 시멘트의 비중은 3.15, 잔골재의 비중은 2.66, 천연골재의 비중은 2.63, 순환골재의 비중은 2.45이며, 구모르타르량은 32%로 주어진다. 또한, 배합 기준은 물시멘트비 37.3%, 단위 시멘트량 480, 잔골재율 46%, AE제 혼입률 0.39%로 계산하였으며, 이러한 배합 설계를 통한 슬럼프 증가량을 80㎜로 설정하여 배합표를 작성하였다. 이때, 도 8에 도시된 바와 같이 계산된 배합은 표면수량을 통한 보정 및 입도를 통한 보정을 실시한 결과이다.
본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에서, 표 3에 나타낸 바와 같이, 변수는 총 다섯 개로서, 1) 천연골재 배합 방법에 따른 천연골재 배합(NA), 2) 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 전체 굵은골재 체적 대비 순환골재 체적 50% 배합(EMV50), 3) 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 순환골재 체적 100% 배합(EMV100), 4) 기존의 순환골재 배합 방법에 따른 순환골재 체적 50% 배합(RCON50), 5) 기존의 순환골재 배합 방법에 따른 순환골재 부피 100% 배합(RCON100)이다.
구체적으로, 표 3에 나타낸 바와 같이, 천연골재 배합 방법(NV)과 기존의 순환골재 배합 방법(RCON50, RCON100)은 체적비로 계산하였을 때, 동일한 체적비를 가지게 된다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 방법(EMV50, EMV100)은 상기 천연골재 배합(NV)의 단위수량에 비해 86.1% 정도의 단위수량을 갖는 것을 알 수 있다. 또한, AE 감수제의 경우, 단위 시멘트량의 일정 배율을 사용하므로 하프 등가모르타르 체적 배합 방법(EMV50, EMV100)을 사용한 배합에서는 AE 감수제의 사용량이 감소한 것을 알 수 있다.
Figure pat00103
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 실험에 따른 압축강도 실험 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 실험에 따른 압축강도 실험 결과는, 도 9에 도시된 바와 같이, 하프 등가모르타르 체적 배합 당시의 물시멘트비에 따라 조금씩의 편차는 존재하지만, 실험 오차에 비교하면 큰 차이가 없다는 사실을 알 수 있다. 오히려 순환골재를 사용했을 때, 조금 더 압축강도가 높게 나오는 것처럼 보일 수 있다. 예를 들면, 실내실험의 경우, 순환골재를 물에 1일 이상 침수시킨 후에 음지에서 1일정도 건조시키는 방법에 따라 표면건조 내부포수 상태를 맞추어 사용하기 때문에 현장 배합에 비해 함수상태 조절이 용이하며, 이에 따라 순환골재 사용 시에 압축강도가 높아질 수 있다.
또한, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 실험에 따른 휨강도 실험 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 실험에 따른 휨강도 실험 결과는, 도 10에 도시된 바와 같이, 재령7일 기준으로 모든 배합에서 일정한 수준의 변화가 있다는 사실을 알 수 있다.
또한, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 실험에 따른 탄성계수 실험 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합 실험에 따른 탄성계수 실험 결과는, 도 11에 도시된 바와 같이, 전술한 압축강도 및 휨강도의 실험에서 함수상태 변동에 의한 실험 오차로 발생하는 강도편차가 있음에도 불구하고, 탄성계수는 일정한 경향을 나타내고 있다는 사실을 알 수 있다. 또한, 천연골재 배합 방법(NA)에 비하여 기존의 순환골재 배합 방법을 사용한 순환골재 사용률 100%　배합 방법(RCON100)의 경우, 압축강도는 7% 증가하였음에도 불구하고 탄성계수는 5.5%가 감소하는 현상을 볼 수 있다. 반면에, 천연골재 배합 방법(NA)에 비하여 본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 방법에 따른 순환골재 사용률 100% 배합(EMV100)의 경우, 압축강도는 2.34%가 증가하였음에도 불구하고 탄성계수는 3.7%만 감소하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 하프 등가모르타르 체적 배합의 경우, 전술한 등가모르타르 체적 배합을 사용하게 되면, 굵은골재의 체적이 지나치게 많아지게 되고, 유동하는 모르타르의 체적이 지나치게 적어져서 배합이 되지 않거나 성형성에 문제점이 발생하는 점을 해결할 수 있고, 또한, 필요에 따라 1/2 배합 모델이 아닌 1/3 배합 모델 등 새로운 배합 모델을 적용할 수도 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 하프 등가모르타르 체적 배합을 이용하여 순환골재 콘크리트를 배합함으로써 전체 굵은골재의 체적을 감소시키고 유동하는 모르타르의 체적을 증가시켜 순환골재 콘크리트를 용이하게 배합할 수 있고, 성형성을 향상시킬 수 있다. 또한, 저탄소 녹색 공항 포장에 용이하게 적용할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 하프 등가모르타르 체적 배합 콘크리트(HEMVC)
110: 천연골재
120: 모골재
131: 제1 구모르타르
132: 제2 구모르타르
140: 모래(잔골재)
150: 시멘트
160: 물
170: 공기

Claims (11)

  1. 천연골재(110), 모골재(120), 제1 구모르타르(131), 제2 구모르타르(132), 잔골재(140), 시멘트(150), 물(160) 및 공기(170)로 이루어진 순환골재 콘크리트(100)의 배합 방법에 있어서,
    a) 하프 등가모르타르 체적 배합(Half Equivalent Mortar Volume)을 위한 골재 특성을 산출하는 단계;
    b) 천연골재 배합 방법에 따른 천연골재 배합을 결정하는 단계;
    c) 천연골재 배합 방법에 따른 신규 천연골재 체적(
    Figure pat00104
    )에 대한 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 신규 천연골재 체적(
    Figure pat00105
    )의 비(Ratio)인 R값을 산출하는 단계;
    d) 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 천연골재의 체적(
    Figure pat00106
    ) 및 순환골재 체적(
    Figure pat00107
    )을 산출하여 전체 굵은골재의 체적(
    Figure pat00108
    )을 결정하는 단계;
    e) 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 신규 모르타르 체적(
    Figure pat00109
    )을 산출하는 단계;
    f) 잔골재(S), 시멘트(C) 및 물(W) 중량을 산출하는 단계; 및
    g) 천연골재의 중량 및 순환골재 중량을 산출하여 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 전체 굵은골재의 중량을 결정하는 단계
    를 포함하되,
    상기 하프 등가모르타르 체적 배합은 순환골재에 부착된 구모르타르 체적을 50%로 축소시키고, 구모르타르 중에서 제1 구모르타르(131)는 굵은골재로 사용하고, 제2 구모르타르(132)는 모르타르로 사용하도록 설계하는 것을 특징으로 하는 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하프 등가모르타르 체적 배합에서 전체 모르타르 체적(
    Figure pat00110
    )은,
    Figure pat00111

    로 주어지고, 여기서,
    Figure pat00112
    은 제2 구모르타르 체적을 나타내고,
    Figure pat00113
    은 신규 모르타르 체적을 나타내며, 상기 제2 구모르타르 체적(
    Figure pat00114
    )은 제1 구모르타르 체적(
    Figure pat00115
    )과 동일하며, 구모르타르 체적의 1/2(
    Figure pat00116
    )에 해당하는 것을 특징으로 하는 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 전체 굵은골재의 체적(
    Figure pat00117
    )은, 상기 천연골재 체적(
    Figure pat00118
    ), 상기 모골재 체적(
    Figure pat00119
    ) 및 상기 제1 구모르타르 체적(
    Figure pat00120
    )을 합산하여 결정되는 것을 특징으로 하는 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계의 골재 특성은 천연골재의 비중(
    Figure pat00121
    ), 순환골재의 비중(
    Figure pat00122
    ), 시멘트의 비중(
    Figure pat00123
    ), 잔골재의 비중, 모골재의 비중(
    Figure pat00124
    ), 순환골재의 잔류 모르타르 함량(Residual Mortar Content:
    Figure pat00125
    )을 포함하는 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 b) 단계의 천연골재 배합은 천연골재 배합 방법에 따른 시멘트 함량(
    Figure pat00126
    ), 물 함량(
    Figure pat00127
    ), 천연골재의 절대 건조중량(
    Figure pat00128
    ), 절대 건조 잔골재 함량(
    Figure pat00129
    ) 및 천연골재 건조중량(
    Figure pat00130
    )을 포함하는 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 c) 단계의
    Figure pat00131
    값은 순환골재 콘크리트 내의 천연골재의 함량비로서,
    Figure pat00132
    로 주어지고, 여기서,
    Figure pat00133
    는 천연골재 배합 방법에 따른 신규 천연골재 체적을 나타내고,
    Figure pat00134
    는 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 신규 천연골재 체적을 나타내며,
    상기
    Figure pat00135
    값은,
    Figure pat00136
    로 주어지고, 여기서,
    Figure pat00137
    는 순환골재의 잔류 모르타르 함량을 나타내고,
    Figure pat00138
    는 순환골재의 비중을 나타내며,
    Figure pat00139
    는 모골재의 비중을 나타내는 것을 특징으로 하는 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 d) 단계의 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 순환골재의 체적(
    Figure pat00140
    )은,
    Figure pat00141

    로 주어지고, 여기서, 천연골재 배합 방법에 따른 천연골재의 체적(
    Figure pat00142
    )은
    Figure pat00143

    로 주어지며, 여기서,
    Figure pat00144
    는 천연골재 배합 방법에 따른 천연골재 체적을 나타내고, 상기
    Figure pat00145
    는,
    Figure pat00146

    로 주어지고, 여기서,
    Figure pat00147
    는 천연골재의 절대 건조중량을 나타내고,
    Figure pat00148
    는 천연골재의 비중을 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 e) 단계에서 하프 등가모르타르 체적 배합 방법에 따른 신규 모르타르의 체적(
    Figure pat00149
    )은,
    Figure pat00150

    로 주어지고, 여기서,
    Figure pat00151
    는 천연골재 배합 방법에 따른 신규 모르타르 체적을 나타내고,
    Figure pat00152
    는 하프 등가모르타르 배합 방법에 따른 순환골재의 체적을 나타내며, 이때, 상기 천연골재 배합 방법에 따른 신규 모르타르 체적(
    Figure pat00153
    )은,
    Figure pat00154

    로 주어지며, 여기서,
    Figure pat00155
    는 천연골재 배합 방법에 따른 신규 천연골재 체적을 나타내는 것을 특징으로 하는 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 f) 단계의 잔골재(FA)의 중량은,
    Figure pat00156

    로 주어지고, 여기서,
    Figure pat00157
    는 천연골재 배합 방법에 따른 신규 모르타르 체적을 나타내고,
    Figure pat00158
    는 하프 등가모르타르 배합 방법에 따른 신규 모르타르의 체적을 나타내며,
    Figure pat00159
    는 천연골재 배합 방법에 따른 절대 건조 잔골재 함량을 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 f) 단계의 시멘트(C)의 중량은,
    Figure pat00160

    로 주어지고, 여기서,
    Figure pat00161
    는 천연골재 배합 방법에 따른 신규 모르타르 체적을 나타내고,
    Figure pat00162
    는 하프 등가모르타르 배합 방법에 따른 신규 모르타르의 체적을 나타내며,
    Figure pat00163
    는 천연골재 배합 방법에 따른 시멘트 함량을 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 등가모르타르를 이용한 순환골재 콘크리트 배합 방법에 의해 배합된 순환골재 콘크리트.
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