KR20160111696A - 균열 제어 및 휨 성능이 향상된 경량 기포 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량 기포 콘크리트 제조방법 - Google Patents

균열 제어 및 휨 성능이 향상된 경량 기포 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량 기포 콘크리트 제조방법 Download PDF

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Abstract

경량 기포 콘크리트의 제조 과정에서 발생되는 균열 제어 및 휨강도 향상을 위해 최적 조성의 혼화재와 섬유를 활용한 경량 기포 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량 기포 콘크리트 제조방법이 개시된다. 본 발명은 경량 기포 콘크리트 조성물에 있어서, 시멘트 40~80중량% 및 혼화재 20~60중량%로 이루어진 결합재; 상기 기포 콘크리트의 균열 제어 및 휨 강도 향상을 위한 보강섬유로서 상기 결합재 1㎥ 당 0.3~1.2kg의 보강섬유; 배합수로서 상기 결합재 중량에 대하여 20~40%의 물; 및 상기 기포 콘크리트의 양생 후 부피 기준으로 50~70%의 기포;를 포함하는 경량 기포 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량 기포 콘크리트 제조방법을 제공한다.

Description

균열 제어 및 휨 성능이 향상된 경량 기포 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량 기포 콘크리트 제조방법{LIGHT-WEIGHT AERATED CONCRETE MIX METHOD USING THE SPECIAL COMPOSITION WITH EMHANCEMENT OF CRACK CONTROL AND FLEXURAL PERFORMANCE}
본 발명은 경량 기포 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량 기포 콘크리트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단열 및 경량성을 목적으로 사용되고 있는 경량 기포 콘크리트에서 낮은 균열강도 및 휨강도를 개선하기 위하여 섬유가 혼힙된 경량 기포 콘크리트의 제조에 관한 것이다.
본 발명은 국토교통부에서 지원하는 '국토교통기술촉진연구사업'의 일환으로 수행된 연구로부터 도출된 것이다.
[과제고유번호: 14CTAP-C078666-01, 과제명: 비중이 0.3이하인 자체 식물생장환경을 갖는 바이오 테라콘(Terra-con) 인공토양 골재개발]
골재가 없는 경량 기 포콘크리트(cellular concrete, foamed concrete 또는 aerated concrete)는 시멘트 페이스트에 기포제의 물리적 계면활성 작용을 이용하여 생성시킨 다량의 기포를 혼합하여 콘크리트 내부에 기포를 형성시켜 경화시킨 것으로 내부에 다수의 기공이 형성된 콘크리트이다. 이러한 경량 기포 콘크리트는 열전도율이 낮은 재료로서 단열 성능이 뛰어나 건물의 열효율을 향상시켜 에너지 절약 효과를 기대할 수 있으며, 복잡한 형상을 가지는 공간에 골고루 압입할 수 있는 시공상의 이점이 있어 단열을 주요 목적으로 하는 건축물의 간막이벽, 슬래브 단열마감재 등으로 사용되고 있다.
하지만 경량 기포 콘크리트는 취성적으로 부서지기가 쉽고, 일반 콘크리트 대비 휨강도가 낮아 추가 보강 없이 벽면 및 슬래브 마감재 등과 같이 판부재에 사용할 경우 쉽게 균열이 진전되고 파괴될 우려가 높다. 또한 경량 기포 콘크리트는 일반적으로 페이스트, 기포 및 물로 제조되기 때문에 그 유동성과 수분 함유량이 매우 높다. 이로 인해 경량 기포콘크리트는 배합 후 건조·양생 과정에서 건조수축 및 소성수축 균열이 다수 발생될 수 있으며, 발생된 균열로 인한 단열 성능의 저하 및 습기 저항성 저하(수분의 침투, 이로 인한 결로 및 곰팡이 발생) 등의 추가적인 문제점들이 야기될 수 있다. 특히 균열 제어를 위해 기포 콘크리트의 압축강도를 높일 경우 시멘트 사용량이 증가하여 수화열에 의한 균열이 심각하게 나타날 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 시멘트 외에 다양한 혼화재를 첨가하여 기포의 균열을 제어하거나 섬유를 첨가한 섬유 보강 기포 콘크리트가 연구되었다. 그러나 이러한 기술들에서는 혼화재 사용으로 인한 낮은 압축강도, 섬유 첨가 시 섬유의 뭉침현상 등의 문제점이 발생되고 있다. 이에 경량 기포 콘크리트의 균열 제어 및 휨강도가 향상된 기포 콘크리트의 제조 시 적절한 섬유의 선택 및 그 함량에 대한 합리적인 범위에 대한 정의가 필요하다.
[선행문헌]
- 한국 등록특허공보 제0802002호(2008.01.31)
- 한국 공개특허공보 제1995-0024997호(1995.09.15)
따라서 본 발명은 경량 기포 콘크리트의 제조 과정에서 발생되는 균열 제어 및 휨강도 향상을 위해 최적 조성의 혼화재와 섬유를 활용한 경량 기포 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량 기포 콘크리트 제조방법을 제시하고자 한다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, 경량 기포 콘크리트 조성물에 있어서, 시멘트 40~80중량% 및 혼화재 20~60중량%로 이루어진 결합재; 상기 기포 콘크리트의 균열 제어 및 휨 강도 향상을 위한 보강섬유로서 상기 결합재 1㎥ 당 0.3~1.2kg의 보강섬유; 배합수로서 상기 결합재 중량에 대하여 20~40%의 물; 및 상기 기포 콘크리트의 양생 후 부피 기준으로 50~70%의 기포;를 포함하는 경량 기포 콘크리트 조성물을 제공한다.
또한 상기 혼화재는 상기 결합재 100중량%에 대하여 고로슬래그 10~50중량% 및 플라이애쉬 10~30중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 경량 기포 콘크리트 조성물을 제공한다.
또한 상기 보강섬유는 폴리비닐알코올 또는 폴리아미드인 것을 특징으로 하는 경량 기포 콘크리트 조성물을 제공한다.
또한 상기 기포 콘크리트는 양생 후 압축강도가 1MPa 이상 및 휨강도가 0.1MPa 이상인 것을 특징으로 하는 경량 기포 콘크리트 조성물을 제공한다.
상기 또 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, (a) 시멘트 40~80중량%, 고로슬래그 10~50중량% 및 플라이애쉬 10~30중량%로 이루어진 결합재와, 상기 결합재 1㎥ 당 0.3~1.2kg의 보강섬유로서 폴리비닐알코올 또는 폴리아미드를 혼합하여 건비빔하는 단계; (b) 상기 건비빔된 혼합물에 상기 결합재 중량에 대하여 20~40%의 물을 첨가 및 1차 습비빔하여 페이스트를 제조하는 단계; (c) 상기 페이스트에 기포 발생기를 이용하여 생성된 기포군을 투입 및 2차 습비빔하여 기포 슬러리를 생성하는 단계; 및 (d) 상기 기포 슬러리를 몰드에 타설하여 양생하는 단계;를 포함하는 경량 기포 콘크리트 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 적정 혼화재로서 고로슬래그 또는 플라이애쉬를 사용하여 수화열을 억제함으로써 기포 콘크리트 제조 시 수화열에 의해 발생되는 균열을 제어할 수 있고, 최적 조성의 보강섬유의 사용으로 기포 콘크리트 제조 시 발생되는 균열 제어가 매우 용이하고 휨 성능이 극적으로 향상되어, 추가 보강 없이 벽체 등에 사용이 가능한 경량 기포 콘크리트 조성물을 제공할 수 있다.
또한 상기 조성의 경량 기포 콘크리트 조성물을 이용한 경량 기포 콘크리트 제조 시 선기포 방식을 채용한 최적의 배합 및 기포 콘크리트 제조방법을 제시하여, 균열 제어 및 휨강도가 향상된 경량 기포 콘크리트를 용이하게 제조할 수 있도록 한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 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 있음을 의미한다.
본 발명자들은 종래 경량 기포 콘크리트 제조 시 다양한 혼화재를 첨가하여 기포의 균열을 제어하거나 섬유를 첨가한 섬유 보강 기포 콘크리트에 있어, 혼화재 사용으로 인한 낮은 압축강도, 섬유 첨가 시 섬유의 뭉침현상 등의 문제점이 발생하는 점에 직시하고 예의 연구를 거듭한 결과, 경량 기포 콘크리트 제조 시 적정한 결합재 조성과 함께 최적 조성의 보강섬유를 선택하고 이를 이용하여 선기포 방식을 통해 기포 콘크리트를 제조할 경우 균열 제어 및 휨강도가 월등히 향상될 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
따라서 본 발명은 경량 기포 콘크리트 조성물에 있어서, 시멘트 40~80중량% 및 혼화재 20~60중량%로 이루어진 결합재; 상기 기포 콘크리트의 균열 제어 및 휨 강도 향상을 위한 보강섬유로서 상기 결합재 1㎥ 당 0.3~1.2kg의 보강섬유; 배합수로서 상기 결합재 중량에 대하여 20~40%의 물; 및 상기 기포 콘크리트의 양생 후 부피 기준으로 50~70%의 기포;를 포함하는 경량 기포 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 경량 기포 콘크리트 제조방법을 개시한다.
본 발명에서 결합재로는 수화열 저감을 위해 시멘트와 함께 혼화재로서 산업부산물을 이용한다. 다양한 산업부산물이 사용될 수 있으나, 입수 용이성, 균열 제어 및 휨 성능 향상을 더욱 고려할 때 고로슬래그가 적합하고, 보다 효과적인 수화열 저감을 위해서는 고로슬래그와 함께 플라이애쉬가 사용될 수 있다. 한편 시멘트 재료로는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예컨대 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, OPC)가 사용될 수 있다.
상기 혼화재는 결합재 총 중량에 대하여 20~60중량% 함유되며 바람직하게는 30~50중량% 함유될 수 있고, 나머지 결합재 성분은 시멘트로 이루어진다. 이때 혼화재로 고로슬래그 단독 사용 이외에 플라이애쉬가 함께 사용될 경우에는, 고로슬래그가 10~50중량% 및 플라이애쉬가 10~30중량% 함량인 것이 바람직하고, 고로슬래그 30~50중량% 및 플라이애쉬 10~20중량% 함량인 것이 더욱 바람직하다. 상기 결합재 함량이 20중량% 미만일 경우에는 수화열 저감 성능이 만족스럽지 않을 수 있고, 60중량%를 초과할 경우에는 시멘트에 의한 강도 형성이 느려지고 충분한 강도가 형성되기까지 많은 시간이 소요될 수 있다. 또한 상기 플라이애쉬가 함께 사용될 경우 그 함량이 10중량% 미만일 경우에는 추가적인 수화열 저감 성능 향상을 기대하기 어려울 수 있고, 30중량%를 초과할 경우에는 휨 성능이 다소 저하될 수 있다.
본 발명에서는 상기 적정 조성의 혼화재를 통한 수화열 저감과 함께 경량 기포 콘크리트 제조 과정에서 발생되는 균열 제어 및 휨 성능 향상을 위한 보강섬유로 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA) 또는 폴리아미드(polyamide; PA)가 사용된다.
상기 폴리비닐알코올 또는 폴리아미드의 경우 다른 종류의 섬유를 사용할 경우에 비해 섬유의 뭉침현상 문제를 완전히 해소시킬 수 있고, 기포 콘크리트의 균열 제어가 용이하며, 휨강도를 현저히 향상시킬 수 있다. 이때 폴리비닐알코올 및 폴리아미드를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 동일 함량 대비 휨강도를 더욱 향상시키기 위해서는 폴리아미드를 단독 사용하는 것이 가장 바람직하다.
이러한 폴리비닐알코올 또는 폴리아미드는 양생 후 기포 콘크리트의 적정 기포율 유지, 기포 콘크리트 제조 과정에서의 균열 제어, 특히 압축강도의 저하 없이 휨 성능의 극대화 측면에서 그 함유량이 매우 중요하다. 즉 폴리비닐알코올 또는 폴리아미드는 상기 결합재 1㎥ 당 0.3~1.2kg 함량일 때 위 언급된 목적을 충분히 달성할 수 있으며, 가장 바람직하게는 상기 결합재 1㎥ 당 0.6~1.2kg 함량으로 함유될 수 있다.
본 발명에 따른 경량 기포 콘크리트 제조 과정에서는 배합수로서 물이 통상적인 양으로 사용될 수 있으나, 특정 혼화재를 포함하는 조성으로 이루어진 결합재를 사용함에 따라 결합재 중량에 대하여 20~40%의 물이 사용되며, 바람직하게는 25~35%가 사용될 수 있다.
본 발명에서 기포는 콘크리트의 경량화를 위해 첨가되는 것으로, 기포의 주입량은 균열 제어는 물론, 특히 압축강도 및 휨강도의 저하 없이 기포 콘크리트를 제조하도록 하기 위해 기포 콘크리트의 양생 후 부피 기준으로 50~70% 수준으로 유지되도록 하여야 하며, 바람직하게는 55~65% 수준으로 유지되도록 할 수 있다. 이러한 기포는 기포제를 이용하여 기 생성된 기포일 수 있으며, 구체적인 내용은 후술하기로 한다.
한편 본 발명에 따른 경량 기포 콘크리트 조성물에는 압축강도의 향상 및 유동성 향상을 위해 통상 사용되는 고성능감수제가 상기 결합재 중량 대비 최대 2% 범위에서 사용될 수 있고, 바람직하게는 최대 1% 범위에서 사용될 수 있다.
전술한 바와 같은 시멘트 및 특정 혼화재로 이루어진 결합재, 특정 보강섬유, 물 및 기포를 일정 비율로 포함하는 경량 기포 콘크리트 조성물은 이를 이용한 기포 콘크리트 제조 시 균열 제어가 용이하면서도 양생 후 압축강도가 1MPa 이상 및 휨강도가 0.1MPa 이상, 바람직하게는 압축강도가 4MPa 이상 및 휨강도가 0.3MPa 이상, 더욱 바람직하게는 압축강도가 4.3MPa 이상 및 휨강도가 0.4MPa 이상, 더욱 더 바람직하게는 압축강도가 4.6MPa 이상 및 휨강도가 0.5MPa 이상의 우수한 성능을 구현할 수 있도록 하게 된다.
본 발명에 따른 경량 기포 콘크리트 제조는 선기포 방식을 통해 수행된다. 선기포 방식은 결합재와 배합수를 1차 혼합하여 페이스트를 생성하고, 여기에 기포 발생기를 통해 발생시킨 기포군을 페이스트에 넣어 2차 혼합을 하여 기포콘크리트 슬러리를 완성하는 방식이다.
따라서 본 발명에 따른 경량 기포 콘크리트 제조는 (a) 시멘트 40~80중량%, 고로슬래그 10~50중량% 및 플라이애쉬 10~30중량%로 이루어진 결합재와, 상기 결합재 1㎥ 당 0.3~1.2kg의 보강섬유로서 폴리비닐알코올 또는 폴리아미드를 혼합하여 건비빔하는 단계; (b) 상기 건비빔된 혼합물에 상기 결합재 중량에 대하여 20~40%의 물을 첨가 및 1차 습비빔하여 페이스트를 제조하는 단계; (c) 상기 페이스트에 기포 발생기를 이용하여 생성된 기포군을 투입 및 2차 습비빔하여 기포 슬러리를 생성하는 단계; 및 (d) 상기 기포 슬러리를 몰드에 타설하여 양생하는 단계;를 포함하여 수행된다.
즉 본 발명과 같이 기 생성된 기포를 첨가하는 방법을 일반적으로 선기포 혼합 방식이라 하는데, 기포제 또는 발포제를 미리 원료 혼합물에 첨가한 후 화학적 반응에 의해 기포를 생성시키는 후기포 혼합 방식보다 기포의 분율을 조절하기에 용이하고, 특히 보강섬유의 균일한 분산 제어를 위해 선기포 혼합 방식을 채용하는 것이 바람직하다. 선기포 혼합 방식에 있어 기포제를 이용하여 미리 기포를 생성시키는 방법 및 생성된 기포를 콘크리트 내에 주입하는 방법은 종래 알려진 어떠한 방법이라도 적용 가능하다.
이때 사용되는 기포제로는 입수가 용이한 동물성, 식물성 또는 광물성 기포제가 사용될 수 있으며, 2.5~5중량% 범위로 희석시켜 사용될 수 있다. 희석된 기포액은 기포 발생기를 통해 약 6bar의 기압으로 약 1,000~1,500% 발포시켜 사용될 수 이다.
상기 양생 방법은 기건양생 또는 습윤양생을 통해 수행될 수 있으며, 필요에 따라 고온, 고온/습윤, 고온/고압 등의 조건에서 수행될 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
실시예 1
비중 3.14~3.15인 보통 포틀랜드 시멘트 70중량%, 고로슬래그 30중량%로 이루어진 결합재(단위결합재량 500kg/㎥)와, 결합재 1㎥ 당 0.3kg의 폴리비닐알코올 및 결합재 중량에 대하여 0.4%의 고성능감수제를 혼합하여 건비빔한 후 결합재 중량에 대하여 30%의 물을 첨가 및 1차 습비빔하여 페이스트를 제조하였다. 페이스트에 기포 발생기를 이용하여 생성된 기포군을 투입 및 2차 습비빔하여 기포 슬러리를 생성하고, 생성된 기포 슬러리를 몰드에 타설 후 7일간 양생하여 경량 기포 콘크리트를 제조하였다.
실시예 2
실시예 1에서 폴리비닐알코올을 결합재 1㎥ 당 0.6kg 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 경량 기포 콘크리트를 제조하였다.
실시예 3
실시예 1에서 폴리비닐알코올을 결합재 1㎥ 당 0.9kg 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 경량 기포 콘크리트를 제조하였다.
실시예 4
실시예 1에서 폴리비닐알코올을 결합재 1㎥ 당 1.2kg 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 경량 기포 콘크리트를 제조하였다.
실시예 5
실시예 1에서 폴리비닐알코올 대신 폴리아미드를 결합재 1㎥ 당 0.6kg 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 경량 기포 콘크리트를 제조하였다.
실시예 6
실시예 1에서 보통 포틀랜드 시멘트 50중량%, 고로슬래그 30중량% 및 플라이애쉬 20중량%로 이루어진 결합재를 사용하고, 폴리비닐알코올을 결합재 1㎥ 당 0.9kg 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 경량 기포 콘크리트를 제조하였다.
비교예
실시예 1에서 폴리비닐알코올을 혼합하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 경량 기포 콘크리트를 제조하였다.
실험예
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 경량 기포 콘크리트에 대하여 기포율, 압축강도(ASTM C 39) 및 휨강도(ASTM C 78)를 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure pat00001
표 1을 참조하면, 먼저 본 발명에 따라 시멘트 및 특정 혼화재로 이루어진 결합재, 특정 보강섬유, 물 및 기포를 일정 비율로 포함하는 경량 기포 콘크리트 조성물을 이용하여 선기포 방식으로 제조된 기포 콘크리트는 기포의 균열 제어에 문제 없이 압축강도가 4MPa 이상 및 휨강도가 0.3MPa 이상의 우수한 성능을 구현할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 보강섬유로서 폴리비닐알코올 대신 폴리아미드를 사용할 경우에는 동일 함량 대비 휨 성능이 보다 현저히 향상된 것을 확인할 수 있다. 한편 혼화재로서 고로슬래그와 플라이애쉬를 일정 함량으로 사용할 경우 수화열 저감을 보다 효과적으로 구현하면서도 압축강도 및 휨강도의 저하가 크게 발생하지 않는 것을 알 수 있다.
이에 대하여 특정 보강섬유가 혼합되지 않을 경우 압축강도의 저하는 보이지 않았으나 특히 휨강도가 상대적으로 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 경량 기포 콘크리트 조성물에 있어서,
    시멘트 40~80중량% 및 혼화재 20~60중량%로 이루어진 결합재;
    상기 기포 콘크리트의 균열 제어 및 휨 강도 향상을 위한 보강섬유로서 상기 결합재 1㎥ 당 0.3~1.2kg의 보강섬유;
    배합수로서 상기 결합재 중량에 대하여 20~40%의 물; 및
    상기 기포 콘크리트의 양생 후 부피 기준으로 50~70%의 기포;
    를 포함하는 경량 기포 콘크리트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼화재는 상기 결합재 100중량%에 대하여 고로슬래그 10~50중량% 및 플라이애쉬 10~30중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 경량 기포 콘크리트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보강섬유는 폴리비닐알코올 또는 폴리아미드인 것을 특징으로 하는 경량 기포 콘크리트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기포 콘크리트는 양생 후 압축강도가 1MPa 이상 및 휨강도가 0.1MPa 이상인 것을 특징으로 하는 경량 기포 콘크리트 조성물.
  5. (a) 시멘트 40~80중량%, 고로슬래그 10~50중량% 및 플라이애쉬 10~30중량%로 이루어진 결합재와, 상기 결합재 1㎥ 당 0.3~1.2kg의 보강섬유로서 폴리비닐알코올 또는 폴리아미드를 혼합하여 건비빔하는 단계;
    (b) 상기 건비빔된 혼합물에 상기 결합재 중량에 대하여 20~40%의 물을 첨가 및 1차 습비빔하여 페이스트를 제조하는 단계;
    (c) 상기 페이스트에 기포 발생기를 이용하여 생성된 기포군을 투입 및 2차 습비빔하여 기포 슬러리를 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 기포 슬러리를 몰드에 타설하여 양생하는 단계;
    를 포함하는 경량 기포 콘크리트 제조방법.
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