KR20160127585A - 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 제조방법 - Google Patents

콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수경성 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법에 대한 것으로, 배합수, 시멘트, 잔골재, 굵은골재, 요소 및 유황혼화제를 포함하고, 상기 요소는 상기 배합수 100 중량부를 기준으로 5 내지 13 중량부, 그리고 상기 유황혼화제는 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 1 내지 4 중량부를 포함하는 콘크리트 조성물을 제공한다. 본 발명을 적용하면, 자가수축과 건조수축 문제를 대폭 개선하고 콘크리트의 초기강도 저하를 개선시키며 내구성(탄화안정성, 염화물침투저항성 등)을 개선시킨 콘크리트 구조물을 제공할 수 있다.

Description

콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 제조방법{CONCRETE COMPOSITIONS AND PREPARATION METHOD OF CONCRETE STRUCTURE BY THE SAME}
본 발명은 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 제조방법에 대한 것으로, 요소(urea)와 유황혼화제를 적용하여 균열 발생을 줄이고 고강도를 가지는 콘크리트 구조물을 제조할 수 있는 조성물과 이를 이용하여 콘크리트 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
콘크리트에 발생하는 균열의 요인은 내적 요인과 외적 요인으로 나눌 수 있는데, 내적 요인으로는 건조수축, 수화열, 이상응결, 알칼리-골재반응 등과 같은 재료적 요인이, 외적 요인으로는 하중, 외부의 온도변화, 동결융해, 부등침하 등의 요인이 대표적이다. 이들 중 균열 발생의 주된 원인으로는 수축이나 온도변화에 의한 것이 대부분을 차지한다.
콘크리트 구조물은 타설 후 (초기)경화과정 중 외부환경에 노출되면 필연적으로 체적변화를 일으킨다. 이러한 체적변화는 콘크리트 내부의 수분증발과 이동으로 인한 소성, 건조수축 등의 수축현상에 기인한다. 그리고, 이 현상은 시간의존적인 거동을 나타내는 콘크리트가 가지는 고유한 현상이다.
이 콘크리트의 수축현상이 구속부재에서 발생하는 경우, 수축에 의하여 발생하는 인장응력이 콘크리트의 인장강도를 초과하는 정도로 강하게 유발되면 콘크리트에 균열이 발생하며 콘크리트 자체의 내구성능을 저하시키게 된다.
이러한 콘크리트의 고유특성인 수축을 저감하기 위한 대표적인 방안으로, 액상형 수축저감제와 팽창제와 같은 혼화제가 사용되고 있다. 액상형 수축저감제의 경우, 건조수축에는 탁월한 성능을 가지나 강도저하 및 레미콘 생산 시 별도의 투입설비 등이 고려되어야 한다. 반면에, 팽창제의 경우, 치환시 초기 팽창균열에 대한 제어가 어려워 사용상 주의가 필요하다. 또한, 기존의 건조수축균열 제어방법들은 혼화제의 사용량이 제한되며, 건조수축 저감율이 크지 않고, 과도한 팽창효과로 인한 구조물의 변형이나 연행공기 소멸에 의한 동결융해 저항성의 저하로 콘크리트의 열화를 발생시키는 등의 문제점을 안고 있다.
콘크리트 2차제품의 제작에 사용되는 PC(Precast Concrete)공법은 공장에서 미리 제작하여 시공현장으로 운반 후 조립 및 시공하는 방법이다. 이 공법은 공사기간을 단축시킬 수 있는 장점으로 인하여 최근 널리 사용되고 있다. 또한, PC공장에서는 자연양생에 따른 긴 양생기간을 해결하고자 고온다습한 환경에서 증기양생을 실시(증기양생법)하기 때문에, 제품출하기간 단축, 생산단가 감소 등의 장점을 가지며, 이와 같은 장점들로 인해 관련 공장의 매출신장에 많은 도움을 주고 있다.
최근에는 콘크리트 구조물이 대형화되고 비정형 구조물의 제작이 증가하고 있으며, 고성능 감소제와 실리카흄 등과 같은 혼화제의 사용이 증가함에 따라 고강도/고성능 콘크리트의 제조와 적용이 증가하는 추세이다. 또한, 고강도 콘크리트의 사용이 일반화됨에 따라 고강도 PC제품의 생산이 점차 증가하고 있는 실정이나, 증기양생을 통한 고강도 콘크리트제품의 생산시 품질확보의 어려움 또한 증가하고 있는 실정이다.
특히, 자가수축, 건조수축 등 초기 수축으로 인한 콘크리트제품의 균열로 인해 제품출하가 지연되고, 폐기 혹은 반품되는 사례가 빈번해지고 있다. 이로 인해, 제품 보수시간의 중가, 인력투입비용의 증가 등으로 생산단가의 증가, 시공의 연속성 훼손, 공용기간 중 동결융해로 인한 균열발생, 철근부식 등의 문제점이 나타나고 있다. 따라서, 타설 후 (초기)경화단계에서 수축균열 등으로 인한 제품의 생산성 저하 및 품질저하 문제를 근본적으로 해결할 필요가 있다.
국내공개특허 제10-2013-0034718호 (2013.04.08.) 개질유황이 함유된 콘크리트용 자재 혼합방법 국내등록특허 제10-1144210호 (2012.05.02.) 개질 유황 결합재를 이용한 초속경 시멘트 콘크리트 조성물 및 제조 방법 국내공개특허 제10-1367790호(2014.02.20.) 친환경 저알칼리성 콘크리트 형성용 조성물
본 발명의 목적은 콘크리트의 건조수축 및 온도균열을 저감하면서도 고강도의 콘크리트 구조물을 제조할 수 있는 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수경성 콘크리트 조성물은 배합수, 시멘트, 잔골재, 굵은골재, 요소 및 유황혼화제를 포함하고, 상기 요소는 상기 배합수 100 중량부를 기준으로 5 내지 13 중량부, 그리고 상기 유황혼화제는 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 1 내지 4 중량부를 포함한다.
상기 수경성 콘크리트 조성물은, 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로, 상기 배합수는 35 내지 55 중량부, 상기 잔골재는 130 내지 190 중량부, 및 상기 굵은골재는 195 내지 245 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수경성 콘크리트 구조물의 제조방법은, 배합수에 요소를 넣고 용해시켜 요소배합수를 제조하고, 상기 요소배합수의 온도가 10 내지 15 ℃가 되도록 하는 배합수준비단계; 잔골재 및 시멘트를 포함하는 건비빔조성물에 상기 요소배합수를 넣고 배합하여 시멘트풀을 제조하는 시멘트풀제조단계; 유황혼화제와 굵은골재를 상기 시멘트풀에 넣고 혼합하여 콘크리트혼합물을 제조하는 혼합물제조단계; 그리고 상기 콘크리트혼합물을 타설 및 양생하여 콘크리트 구조물을 제조하는 구조물제조단계;를 포함한다.
상기 요소는 상기 배합수 100 중량부를 기준으로 5 내지 13 중량부로, 그리고 상기 유황혼화제는 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 1 내지 4 중량부로 적용되는 것일 수 있다.
상기 콘크리트혼합물의 제조에 적용되는 상기 배합수, 상기 시멘트, 상기 잔골재, 상기 굵은골재, 상기 요소 및 상기 유황혼화제의 적용양은, (1) 기초배합수량, 기초잔골재량, 기초굵은골재량, 및 시멘트량을 포함하는 기본콘크리트 조성물의 배합량을 기준으로, 상기 기초배합수량에 0.05 내지 0.1의 요소혼입비를 곱한 값에 해당하는 요소혼입량 및 시멘트량에 0.01 내지 0.04의 유황혼화제 혼입비을 곱한 값에 해당하는 유황혼화제혼입량을 설정하는 첨가제량설정단계; 그리고 (2) 상기 기초잔골재량에서 상기 요소혼입량에 0.2 내지 0.3의 골재치환비와 잔골재비를 곱한 값을 제외한 실배합잔골재량, 상기 기초굵은골재량에서 상기 요소혼입량에 상기 골재치환비와 굵은골재비를 곱한 값을 제외하여 실배합굵은골재량, 그리고 상기 기초배합수량에서 상기 요소혼입량에 0.7 내지 0.8의 요소치환비을 곱한 값과 유황혼화제혼입량을 제외하여 실배합수량을 얻는 실배합량설정단계;를 포함하는 배합량결정방법에 의하여 설정될 수 있고, 상기 골재치환비와 상기 요소치환비의 합은 1일 수 있다.
상기 콘크리트혼합물의 제조에 적용되는 상기 배합수, 상기 잔골재, 및 상기 굵은골재의 적용양은, 각각 상기 시멘트량 100 중량부를 기준으로, 상기 배합수 35 내지 55 중량부, 상기 잔골재 130 내지 190 중량부, 및 상기 굵은골재 195 내지 245 중량부일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
기존 조립식 콘크리트(Precast Concrete, PC)공법을 이용하여 제작된 일반 콘크리트 제품은, 양생 초기에 고온다습한 환경에 노출되기 때문에 큰 자가수축과 건조수축이 발생되는 문제점이 있고, 따라서 콘크리트 제품에 미세 균열이 발생하여 제품 출하에 문제가 발생하는 경우가 잦다. 이를 해결하기 위한 방법으로 콘크리트 조성물에 지연제나 팽창제를 첨가하여 적용하기도 하지만, 과도한 지연효과가 발생하거나 과도한 팽창효과가 발생하기도 하고, 재료가 분리되는 현상이나 초기 강도가 저하되는 등의 문제점이 발생되는 실정이다. 이에, 본 발명의 발명자들은 요소와 유황혼화제를 콘크리트 조성물에 적용하고, 조성물에 사용되는 각 성분들의 비율을 조절하고, 조성물의 배합과 배합순서 등을 변경하여 적용시켜 콘크리트 구조물의 균열저감 효과 및 내구성 향상 효과를 동시에 얻을 수 있다는 점을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 수경성 콘크리트 조성물은, 배합수, 시멘트, 잔골재, 굵은골재, 요소 및 유황혼화제를 포함하고, 상기 요소는 상기 배합수 100 중량부를 기준으로 5 내지 13 중량부, 그리고 상기 유황혼화제는 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 1 내지 4 중량부를 포함한다.
요소(urea)는 물에 쉽게 녹는 재료이며 무색 무취의 특징을 가지고 있다. 상기 요소는 콘크리트 조성물의 혼합 및 양생 과정에서 건조수축을 저감시킬 목적으로 사용된다. 요소는 물과 혼합되면 반응하면서 탄산수소와 암모니아를 생성한다. 이 암모니아가 기화하면서 물을 냉각시킬 수 있고, 상기 탄산수소는 시멘트의 수화반응물인 수산화칼슘과 반응하여 물을 생성하는 역할을 한다. 또한, 이러한 반응에 의해 생성되는 물은, 위의 수화반응시 발생하는 열에 의하여 증발되는 물(배합수)의 손실을 보충해주는 역할도 한다.
상기 요소는 상기 배합수 100 중량부를 기준으로 5 내지 13 중량부로 적용하는 것이 좋다. 상기 요소를 상기 배합수 100 중량부를 기준으로 5 중량부 미만으로 적용하는 경우에는 요소에 의한 균열저감효과가 미미할 수 있고, 13중량부를 초과하여 사용하는 경우에는 과도한 지연효과로 인한 강도감소, 탈형시간 지연, 재료분리 등의 문제가 발생할 수 있다.
상기 유황혼화제는 콘크리트 제조에 적용되는 유황혼화제라면 적용될 수 있고, 바람직하게 황 성분과 함께 가성소다(NaOH) 성분을 포함하는 것을 사용하면 좋다. 상기 유황혼화제에 가성소다 성분이 포함되어 있으면, 물에 쉽게 녹지 않는 유황의 융해점을 낮춰줌으로써 물과 유황이 잘 반응할 수 있도록 도와준다. 상기 유황혼화제는 pH 14 내지 15의 강알카리성인 것일 수 있고, 이 경우 콘크리트의 탄산화 저항성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 유황혼화제를 상기 콘크리트 조성물에 적용하면, 콘크리트의 초기강도 저하를 개선하여 줄 수 있고, 구조물의 공극을 감소시켜줄 수 있으며, 염화물 침투에 대한 저항성을 향상시켜줄 수 있다.
상기 유황혼화제는 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 1 내지 4 중량부를 포함하는 것일 수 있다. 상기 유황혼화제를 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 1 중량부 미만으로 적용하는 경우에는 콘크리트 구조체의 강도 향상 효과가 미미할 수 있고, 4 중량부를 초과로 적용하는 경우에는 급결성에 의해 작업성이 저감되어 시공성이 감소될 수 있다.
상기 콘크리트 조성물은, 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로, 상기 배합수는 35 내지 55 중량부, 상기 잔골재는 130 내지 190 중량부, 및 상기 굵은골재는 195 내지 245 중량부를 포함하는 것일 수 있다. 상기 콘크리트 조성물에 포함되는 시멘트, 배합수, 잔골재 및 굵은골재의 함량을 위의 비율로 적용하는 경우에는 특히 콘크리트 2차제품 제작에 사용되도록 프리케스트 공법으로 제조되는 콘크리트 구조물의 제조에 유리하며, 우수한 품질이 확보된 고강도 콘크리트 제품을 제조할 수 있다.
상기 콘크리트 조성물은, 필요에 따라 추가적인 첨가제를 적용할 수 있다. 상기 첨가제로는, 혼화제, 감수제, 증점제, 공기연행제 등이 사용될 수 있으며, 상기 혼화재로는 예를 들어, 플라이애쉬, 고로슬래그 미분말, 실리카흄, 산화철, 산화칼슘, 산화황 등이, 상기 감수제로는 설폰산염계, 나프탈렌계 감수제 등이, 상기 증점제로는, 수용성 폴리 사카라이드계의 물질 등이 사용될 수 있다.
위에서 언급한 첨가제 외에 수축저감제나 팽창제도 콘크리트 조성물의 첨가제로 사용되기도 하는데, 본 발명의 콘크리트 조성물에는 위에서 언급한 요소 등을 제외하면 수축저감제나 팽창제가 실질적으로 사용되지 않는 것이 좋다. 기존의 수축저감제인 지연제와 팽창제를 사용하는 경우, 재료의 분리 및 콘크리트의 초기 강도 저하 현상이 발생하는데, 본 발명에서는 위에서 언급한 요소 등을 적용하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
상기 콘크리트 조성물을 이용하여 콘크리트 구조물을 제조하는 방법으로 두 가지 방법을 제시할 수 있다.
첫 번째 방법은, 시멘트, 잔골재 및 굵은골재를 건비빔한 건비빔조성물을 준비하고, 요소를 배합수에 투입하여 냉각시킨 요소배합수를 유황혼화제와 함께 상기 건비빔 조성물과 섞어서 배합하고 상기 유황혼화제와 상기 요소가 충분하게 섞일 수 있도록 한 후, 이를 타설 및 양생하여 콘크리트 구조물을 제조하는 방법이다. 이때, 요소를 배합수에 먼저 섞어서 요소배합수를 제조하고 적절한 온도의 요소배합수를 시멘트 등과 혼합하는 것이 좋은데, 이를 통하여 제조된 콘크리트 구조물의 수축균열을 줄일 수 있다. 또한, 상기 콘크리트 조성물에 적용되는 유황혼화제는 저온에서 결정화될 수 있는데 이의 효과적인 혼화를 위해서 유황혼화제를 가열하여 액체상태로 만든 후에 적용할 수 있다. 이 방법은 특히 기온이 낮은 경우(국내의 경우 겨울)에 적용할 수 있는데, 요소의 냉각효과를 조절하여 겨울에 시공할 경우 발생할 수 있는 초기 동해 문제를 개선할 수 있는 방법이다.
두 번째 방법은, 배합수에 요소를 넣고 용해시켜 요소배합수를 준비하는 배합수준비단계; 잔골재 및 시멘트를 포함하는 건비빔조성물에 상기 요소배합수를 넣고 배합하여 시멘트풀을 제조하는 시멘트풀제조단계; 유황혼화제와 굵은골재를 상기 시멘트풀에 넣고 혼합하여 콘크리트혼합물을 제조하는 혼합물제조단계; 그리고 상기 콘크리트혼합물을 타설 및 양생하여 콘크리트 구조물을 제조하는 구조물제조단계;를 포함한다.
상기 두 번째 방법으로 콘크리트 구조물을 제조하는 경우, 본 발명의 콘크리트 조성물로 콘크리트 구조물을 제조하는 데 최적의 성능을 보여줄 수 있다. 상기 건비빔은 약 40 초 동안 이루질 수 있고, 상기 요소배합수 제조는 상기 배합수에 요소를 넣고 약 3 분 내지 8분 동안 용해시키는 방법으로 적용될 수 있다.
상기 배합수준비단계에서, 상기 요소배합수의 온도가 10 내지 15 ℃가 되도록 하는 것이 좋은데, 이렇게 온도를 조절한 후 이후 단계를 진행하면 요소에 의한 균열저감효과를 극대화시킬 수 있다.
상기 시멘트풀제조단계에서 배합은 상기 건비빔조성물과 상기 요소배합수를 약 1분 정도 혼합하는 방법으로 진행될 수 있고, 상기 혼합물제조단계에서도 유황혼화제, 굵은골재 및 시멘트풀을 약 1분 정도 혼합하는 과정으로 진행될 수 있다.
상기 두 번째 방법으로 콘크리트 구조물을 제조하는 경우, 강알카리 성분인 유황혼화제에 의한 콘크리트 조성물에의 영향을 최소화할 수 있다.
상기 콘크리트혼합물의 제조에 적용되는 상기 배합수, 상기 시멘트, 상기 잔골재, 상기 굵은골재, 상기 요소 및 상기 유황혼화제의 적용양은 아래에서 설명하는 배합량결정방법에 의하여 산출되어 적용될 수 있다.
상기 배합량결정방법은, (1) 기초배합수량, 기초잔골재량, 기초굵은골재량, 및 시멘트량을 포함하는 기본콘크리트 조성물의 배합량을 기준으로, 상기 기초배합수량에 0.05 내지 0.1의 요소혼입비를 곱한 값에 해당하는 요소혼입량 및 시멘트량에 0.01 내지 0.04의 유황혼화제 혼입비를 곱한 값에 해당하는 유황혼화제혼입량을 설정하는 첨가제량설정단계; 그리고 (2) 상기 기초잔골재량에서 상기 요소혼입량에 0.2 내지 0.3의 골재치환비와 잔골재비를 곱한 값을 제외한 실배합잔골재량, 상기 기초굵은골재량에서 상기 요소혼입량에 상기 골재치환비와 굵은골재비를 곱한 값을 제외하여 실배합굵은골재량, 그리고 상기 기초배합수량에서 상기 요소혼입량에 0.7 내지 0.8의 요소치환비을 곱한 값과 유황혼화제혼입량을 제외하여 실배합수량을 얻는 실배합량설정단계;를 포함한다.
상기 첨가제량설정단계는, 제조하고자 하는 콘크리트 구조물의 특성에 따라서 요소와 유황혼화제의 혼입비율을 정하는 부분으로, 상기 요소의 경우 상기 콘크리트 구조물의 배합수량에 요소혼입비를 곱한 값을 요소혼입량으로 정한다.
여기서 요소혼입비는 0.05 내지 0.1(요소혼입률로 5 내지 10 %)인 것이 좋으며, 이 범위에서 요소를 사용할 경우 콘크리트의 특성은 유지하면서 자가수축 및 건조수축에 의한 문제를 대폭 개선할 수 있다. 한편, 여기서 말하는 배합수량은 최종적으로 배합량결정방법에 따라서 결정된 실배합량인 실배합수량과 다르기 때문에 이들을 서로 구별하기 위한 목적으로 최초 요소와 유황혼화제를 첨가하지 않는 경우에 설정된 배합량(기본콘크리트 조성물의 배합량)의 배합수를 기초배합수량, 그리고 요소와 유황혼화제를 적용한 후 보정된 배합수량을 실배합수량으로 칭한다.
상기 유황혼화제혼입량은 시멘트량에 유황혼화제 혼입비를 곱한 값이 되는데, 유황혼화제혼입비는 0.01 내지 0.04(유황혼화제혼입율 1 내지 4%)인 것이 좋으며, 이때 콘크리트 구조물의 탄산화 저항성, 염화물침투 저항성 등을 개선시켜 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 콘크리트 조성물은, 요소의 투입에 의하여 치환되는 골재량을 제외시키는 배합량을 조절하는 것이 좋다. 이러한 조절은 실배합량설정단계를 통하여 이루어질 수 있는데, 상기 실배합량설정단계는 위의 기초배합량을 기준으로 잔골재, 굵은골재 그리고 배합수의 실배합량을 정하는 단계이다.
상기 잔골재는 요소의 배합량과 요소에 의하여 치환되는 잔골재의 비율을 반영하여 실배합잔골재량을 정하며, 구체적으로 기초잔골재량에서 위에서 정한 요소혼입량, 골재치환비, 및 잔골재율(S/a)을 곱한 양을 제외하여 정한다.
상기 골재치환비는 0.2 내지 0.3(골재치환율로 20 내지 30%)일 수 있고, 0.23 내지 0.27(골재치환율로 23 내지 27%)일 수 있다.
상기 굵은골재도 상기 잔골재와 마찬가지로 요소의 배합량과 요소에 의하여 치환되는 굵은골재의 비율을 반영하여 정하며, 구체적으로 기초굵은골재량에 위에서 정한 요소혼입량, 골재치환비 및 굵은골재율(1-S/a)을 곱한 값을 제외하여 실배합굵은골재량을 정한다.
상기 배합수량은, 기초배합수량에서 요소가 배합수를 치환하는 비율을 반영한 요소혼입량과 유황혼화제혼입량을 제외하여 정하는데, 구체적으로 위에서 구한 요소혼입량에 요소치환비(1-골재치환비)을 곱하여 도출된 값과 유황혼화제혼입량을 더한 후 기초배합수량에서 제외하여 실배합수량을 정한다.
기초배합수량을 193 중량부, 시멘트량을 429 중량부, 잔골재량을 695.7 중량부, 굵은골재량을 932.6 중량부, 잔골재율(S/a, %)을 45%로 하고, 요소 혼입비를 0.05, 유황혼화제혼입비를 0.02, 요소치환비를 0.75, 골재치환비를 0.25로 하는 콘크리트 조성물을 예를 들어 설명하면, 요소혼입량은 9.65 중량부(=193*0.05), 유황혼화제혼입량은 8.58(=429*0.02) 중량부가 되고, 실배합잔골재량은 694.64(=695.7-9.65*0.25*0.45) 중량부, 실배합굵은골재량은 931.25(=932.6-9.65*0.25*0.55) 중량부, 그리고 실배합수량은 177.18{=193-(9.65*0.75+8.58)}로 정해진다.
상기 배합량결정방법에서 요소치환율과 골재치환율의 개념이 중요한데, 이를 적용하지 않으면 결국 목표하는 설계치의 물성을 가지는 콘크리트 구조물을 제조하기 어려울 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 요소치환율 또는 골재치환율이라는 개념을 도입하여 요소의 도입에 의하여 제외되는 단위수량의 일부를 잔골재와 굵은골재에서 제외시키는 방법으로 위의 문제점을 해결한다.
상기 콘크리트 조성물 및 콘크리트 구조물의 제조방법은 경제성과 사용성을 확보할 수 있는 요소(urea)를 적정비율로 혼입하고, 유황혼화재를 콘크리트 조성물에 요소와 함께 적용하여 수경성 콘크리트 구조물의 건조수축문제 해결과 내구성 강화 효과를 동시에 얻을 수 있다. 특히, 조립식 콘크리트 구조물의 제조 시에도 적용할 수 있을 정도로 충분한 자가수축 및 건조수축 문제를 대폭 개선하였고, 기존에 사용되고 있는 수축저감제인 지연제와 팽창제로 인해 발생되는 재료분리 및 초기강도 저하 문제를 개선할 수 있다. 이와 동시에 제조된 콘크리트 구조물의 내구성(탄산화 저항성, 염화물 침투 저항성 등)을 개선시킬 수 있어서, 대형 조립식 콘크리트 구조물의 제조에 유리하게 적용할 수 있다.
본 발명의 수경성 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법은, 자가수축과 건조수축 문제를 대폭 개선하고 콘크리트의 초기강도 저하 문제를 개선시키며 내구성(탄산화저항성, 염화물침투저항성 등)을 향상시킨 콘크리트 구조물을 제조할 수 있는 조성물과 그 제조방법을 제공한다. 상기 콘크리트 구조물은 특히 균열저감 및 내구성 향상 효과가 우수하여 PC(Precast Concrete)공법으로 적용되는 콘크리트 구조물 형성에 유리하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 2에서 요소의 혼입에 따른 물의 온도 감소 경향을 실험한 결과 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 3의 1)에서 콘크리트 실험체들의 건조수축 길이변화율을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3의 2)에서 관입저항실험으로 얻어진 응결 특성을 측정한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3의 3)에서 각 실험체들의 타설 후 양생 과정에서 시간의 변화에 따른 단열수화 발열온도를 평가한 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3의 3)에서 각 실험체들의 타설 후 양생 과정에서 시간의 변화에 따른 압축강도를 평가한 결과이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1: 요소와 유황혼화제를 혼입한 콘크리트 실험체의 제작
하기 표 1의 특징을 가진 요소와, 하기 표 2의 성분 및 특성을 가지는 유황혼화제를 이용하여 하기 표 3과 같은 배합으로 각각의 콘크리트 실험체들을 제작하였다.
유 형 색 상 비 열
(Cal/g℃)		 융 점
(℃)		 비 중
(g/cm3)		 pH 화학식
구형입상 백 색 0.344 132 1.34 8 CO(NH2)2
유 형 색 상 비 중
(g/cm3)		 pH 조성(중량%)
액 체 적 색 1.15~1.25 14~15 H2O SO3 Na2O P2O5 CaO
11.90 70.37 17.40 0.18 0.12
변수* W/C S/a Slamp Air 중량배합(kg/m3)
(%) (%) (cm) (%) W C S G U Sf
Control 45 45 140±5 1.5±1,5 193 429 695.7 932.6 0 0
U5-Sf2 177.18 429 694.64 931.25 9.65 8.58
U5-Sf4 168.6 429 694.64 931.25 9.65 17.16
U10-Sf2 169.94 429 693.58 929.9 19.3 8.58
U10-Sf4 161.37 429 693.58 929.9 19.3 17.16
※ W: 물, C: 시멘트, S: 모래, G: 자갈, U: 요소, Sf: 표 2의 유황혼화제
* 변수의 표시는, U5는 기초배합수 중량대비 5 중량%의 요소를 적용한 실험체임을, 그리고 Sf2는 시멘트 대비 2 중량%의 유황혼화제를 적용한 실험체임을 나타낸다. Control은 요소와 유황혼화제 모두를 사용하지 않은 실험체를 의미한다.
구체적으로, 위의 표 3의 중량배합에 나타난 비율로 각각의 콘크리트 실험체를 제조하였다. 먼저, 중량배합에 개시된 실배합잔골재량에 해당하는 모래 및 표시된 양의 시멘트를 약 40 초 동안 건비빔하여 건비빔재료를 제조하고, 실배합수량에 해당하는 물(배합수, 물의 온도는 20±4℃)과 요소 혼입량에 해당하는 요소를 첨가하여 5분 정도 융해시켜 요소수를 제조하였다. 그리고, 제조한 요소수와 건비빔재료를 1분 정도 섞어서 시멘트풀을 제조하였다.
상기 시멘트풀에 위의 실배합굵은골재량에 해당하는 자갈을 투입하고, 유황혼화제도 투입하여 1분 정도 섞은 후 타설 및 양생하여 균열저감 및 고내구성을 갖는 콘크리트 실험체들을 제조하였다.
위의 Control에 해당하는 실험체는 요소와 유황혼화제를 투입하는 것을 제외하면 위와 동일한 순서와 방법으로 콘크리트 조성물을 혼합하고 타설, 양생하였다.
실시예 2: 요소의 혼입률에 따른 물 온도의 변화
물에 요소를 각각 2, 4, 6, 8, 10 중량%로 넣고 혼합하고 5 내지 10분 후 물의 온도의 변화를 확인하여 그 결과를 도 1에 나타내었다.
상기 도 1을 참조하면, 물에 요소를 혼입률 별로 첨가하면서 물의 온도 감소 경향이 발생하는 것을 확인할 할 수 있었다. 물에 요소를 1 중량% 혼입할 때마다 물의 온도는 0.5 ℃씩 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 요소의 혼입량에 따라서 배합수의 온도를 10 내지 15 ℃정도로 조절하여 콘크리트 배합에 사용할 수 있었다.
실시예 3: 콘크리트 실험체의 특성 분석
1) 건조수축 길이변화율의 평가
위의 실시예 1에서 제조한 콘크리트 실험체들의 건조수축 길이변화율(Rate of Length Change, %)을 KS F 2424의 매립형 게이지를 이용한 방법으로 측정하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
상기 도 2를 참조하면, 요소와 유황혼화제가 첨가된 실시예의 실험체가 Control실험체에 비해 30 내지 60 부피%로 큰 수축 저감효과를 보인다는 점을 확인할 수 있었다.
2) 응결특성의 평가
위의 실시예 1에서 제조한 콘크리트 실험체들의 관입저항실험으로 얻어진 각 변수별 응결 특성을 평가하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 상기 응결 특성은 KS F 2436을 이용한 방법으로 평가되었다.
상기 도 3을 참조하면, Control 대비 요소가 혼입된 실시예의 콘크리트는 경화시간이 200 내지 400 분 지연됨을 확인할 수 있었다.
3) 단열수화 발열온도 평가
위의 실시예 1에서 각 실험체들을 타설 및 양생하는 과정에서 시간의 변화에 따른 단열수화 발열온도의 변화를 KS L 5121을 응용한 방법으로 평가하고 그 결과를 도 4에 나타내었다.
상기 도 4를 참조하면, 단열수화 발열온도 평가 결과는 관입저항실험으로 얻어진 응결특성과 매우 유사한 결과를 보여준다는 점을 확인할 수 있었다. 이는, 요소가 혼입된 콘크리트는 Control에 비해 낮은 수화발열온도를 보이기 때문에 얻어지는 결과로 판단되며, 요소를 포함하는 실시예의 실험체들이 온도균열에 대해서 우수한 저항성을 가진다는 점을 확인할 수 있는 결과이다.
4) 압축강도 평가
위의 실시예 1에서 제조한 각 실험체들의 압축강도를 KS F 2405의 실험방법에 준하여 평가하고 그 결과를 도 5에 나타내었다.
상기 도 5를 참조하면, 요소가 혼입된 실험체들은 Control의 실험체와 비교하여 요소의 혼입량에 따라 그 압축강도가 감소하는 경향을 보인다는 점을 확인할 수 있었다. 그러나, 유황혼화제의 경우에는 그 혼입량이 늘어날수록 실험체의 압축강도가 증가하는 경향을 보였다.
특히, 실시예에 해당하는 U5-Sf2~4의 실험체들의 경우, Control의 실험체보다 장기강도가 크게 나타났으며, 이는 요소와 유황혼화제를 적정한 양으로 함께 콘크리트 조성물에 적용할 경우 양생 과정의 수축 문제를 해결하면서도 콘크리트의 압축강도를 향상시킬 수 있다는 점을 나타낸다. 반면에, U15-Sf2이상을 적용한 실험체들은 상당한 정도로 압축강도 감소 현상이 나타나 사용성이 떨어지는 문제점이 있다는 점을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (5)

  1. 배합수, 시멘트, 잔골재, 굵은골재, 요소 및 유황혼화제를 포함하고,
    상기 요소는 상기 배합수 100 중량부를 기준으로 5 내지 13 중량부, 그리고 상기 유황혼화제는 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 1 내지 4 중량부를 포함하는, 수경성 콘크리트 조성물.
  2. 제2항에 있어서, 상기 수경성 콘크리트 조성물은,
    상기 시멘트 100 중량부를 기준으로, 상기 배합수는 35 내지 55 중량부, 상기 잔골재는 130 내지 190 중량부, 및 상기 굵은골재는 195 내지 245 중량부를 포함하는, 수경성 콘크리트 조성물.
  3. 배합수에 요소를 넣고 용해시켜 요소배합수를 제조하고, 상기 요소배합수의 온도가 10 내지 15 ℃가 되도록 하는 배합수준비단계;
    잔골재 및 시멘트를 포함하는 건비빔조성물에 상기 요소배합수를 넣고 배합하여 시멘트풀을 제조하는 시멘트풀제조단계;
    유황혼화제와 굵은골재를 상기 시멘트풀에 넣고 혼합하여 콘크리트혼합물을 제조하는 혼합물제조단계; 그리고
    상기 콘크리트혼합물을 타설 및 양생하여 콘크리트 구조물을 제조하는 구조물제조단계;를 포함하고,
    상기 요소는 상기 배합수 100 중량부를 기준으로 5 내지 13 중량부로, 그리고 상기 유황혼화제는 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 1 내지 4 중량부로 적용되는 것인, 수경성 콘크리트 구조물의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 콘크리트혼합물의 제조에 적용되는 상기 배합수, 상기 시멘트, 상기 잔골재, 상기 굵은골재, 상기 요소 및 상기 유황혼화제의 적용양은,
    기초배합수량, 기초잔골재량, 기초굵은골재량, 및 시멘트량을 포함하는 기본콘크리트 조성물의 배합량을 기준으로, 상기 기초배합수량에 0.05 내지 0.1의 요소혼입비를 곱한 값에 해당하는 요소혼입량 및 시멘트량에 0.01 내지 0.04의 유황혼화제 혼입비을 곱한 값에 해당하는 유황혼화제혼입량을 설정하는 첨가제량설정단계; 그리고
    상기 기초잔골재량에서 상기 요소혼입량에 0.2 내지 0.3의 골재치환비와 잔골재비를 곱한 값을 제외한 실배합잔골재량, 상기 기초굵은골재량에서 상기 요소혼입량에 상기 골재치환비과 굵은골재비를 곱한 값을 제외하여 실배합굵은골재량, 그리고 상기 기초배합수량에서 상기 요소혼입량에 0.7 내지 0.8의 요소치환비을 곱한 값과 유황혼화제혼입량을 제외하여 실배합수량을 얻는 실배합량설정단계;를 포함하는 배합량결정방법에 의하여 설정되고,
    상기 골재치환비와 상기 요소치환비의 합은 1인, 수경성 콘크리트 구조물의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 콘크리트혼합물의 제조에 적용되는 상기 배합수, 상기 잔골재, 및 상기 굵은골재의 적용양은, 각각 상기 시멘트량 100 중량부를 기준으로, 상기 배합수 35 내지 55 중량부, 상기 잔골재 130 내지 190 중량부, 및 상기 굵은골재 195 내지 245 중량부인, 수경성 콘크리트 구조물의 제조방법.
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