KR20180002972A

KR20180002972A - 요소를 포함한 저발열 콘크리트 조성물

Info

Publication number: KR20180002972A
Application number: KR1020160082020A
Authority: KR
Inventors: 김학영; 조한병; 김용범
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-01-09

Abstract

본 발명은 시멘트를 포함하는 결합재 또는, 시멘트와 함께, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 하나 이상을 포함하는 결합재에 요소를 더 포함하는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 수화열 저감과 응결 지연, 건조 수축을 상쇄시킴에 따라 콘크리트의 균열 저감 효과를 갖는다.

Description

요소를 포함한 저발열 콘크리트 조성물 {Low-heat concrete composition including urea}

본 발명은 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 매스콘크리트(mass concrete) 등에 있어 요소를 혼입하여 수화열 저감과 응결 지연, 건조 수축 상쇄에 따라 콘크리트의 균열 저감 효과를 갖는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

최근 국내외 건설현장은 신국제공항, 고속철도, 대규모 해양구조물, 초고층 빌딩의 대형기초 등 사회간접자본(SOC)에 대한 투자수요가 증가되는 추세에 있어, 반드시 동반되는 시공요소 중 하나로 부재 단면이 80cm를 초과하는 매스콘크리트가 있다. 토목 및 SOC 구조물을 포함한 근래의 대형 구조물에서는 최소 단면이 5 내지 10m 이상 나타나는 경우가 매우 빈번하기 때문에 중심 및 표면부의 온도 차에 기인한 온도 균열이 공사의 품질을 좌우하는 주된 요인으로 지적되고 있다.

이에 수화열을 억제하기 위한 공법 및 재료적 측면의 다양한 기술 등이 개발되고 있다. 먼저 공법적 해결방안으로는 구조물 내부에 냉각수 등을 통과시켜 인위적으로 콘크리트 온도를 하강시키는 공법이 있으며, 이는 초기 쿨링 설비에 대한 투자비와 적용 가능한 부재규모에 제한이 있어 범용적으로 활용하기에는 어려움이 있다. 이외에 콘크리트 배합설계를 통한 재료적 해결방법으로서 수화열을 저감하면서 동등이상의 역학적 성능을 갖추도록 하는 건축재료적 기법이 있으며, 혼화재와 저열시멘트를 비롯한 베리트(Belit)계 혼합 결합재가 있다. 가장 일반적으로 활용되는 플라이애시 및 고로슬래그 미분말의 경우 장기적 내구성 증진과 경제성에 뛰어난 장점을 갖지만, Ca(OH)₂ 소비로 인한 탄산화 취약과 타설 이후 건조 수축으로 인한 초기 수축 균열 등이 단점으로 지적되고 있다.

본 발명에서는 건축재료적 기법의 수화열 저감을 위해 기존 Belit계 혼화재료의 단점을 극복할 수 있는 새로운 혼화재료를 개발하고자 하였으며, 본 발명에서는 콘크리트 조성물에서 요소의 혼입율과 각각의 배합특성에 따른 물리역학적 특성을 기존 저발열 배합과의 비교실험을 통해 검증하였으며, 향후 매스콘크리트 제조를 위한 설계기법을 제시하는데 그 목적이 있다.

한국 특허등록번호 제10-1000862호

본 발명의 목적은 건축재료적 기법의 수화열 저감, 응결 지연, 또는 건조 수축을 상쇄시킬 수 있는 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 콘크리트의 균열을 저감 시킬 수 있는 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 요소를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 재료 분리의 위험성을 낮추는 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1양태는 시멘트를 포함하는 결합재 또는, 시멘트와 함께, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 하나 이상을 포함하는 결합재에 요소를 더 포함하는 콘크리트 조성물을 제공한다.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.

콘크리트 혼화재료로 적용된 요소는 국내에서 농작물의 성장 발육 촉진제 및 복합비료의 원료로 사용되는 농업용과 접착제 원료 등으로 생산되는 공업용이 있다. 요소의 생산은 암모니아와 이산화탄소의 결합(반응식 1)으로 이루어지고, 여러 산업의 연소배기가스로부터 CO₂를 건축토목 등 수요가 충분한 콘크리트 산업에 적용해 CO₂ 및 NH₃의 배출량을 크게 감소시킬 수 있는 환경부하저감형 재료이다.

[반응식 1]

2NH₃+CO₂→ (NH₂)₂CO+H₂O

[반응식 2]

(NH₂)₂CO+2H₂O → H₂CO₃+2NH₃

[반응식 3]

H₂CO₃+Ca(OH)₂ → CaCO₃+H₂O

요소는 콘크리트 혼입시에 물과 결합하여 암모니아와 탄산이 생성되는 1차 반응에서 기화된 암모니아에 의해 재료의 온도가 낮아지는 흡열반응성을 나타낸다. 본 발명에서 수화열 저감에 관한 식은 반응식 2이다. 반응식 3은 암모니아가 기화된 후 H₂CO₃와 함께 Ca(OH)₂의 반응하여 CaCO₃, 즉 방해석(Calcite)이 석출되는 반응식을 나타낸 것이다. 반응식 3은 콘크리트의 건조 수축을 상쇄시키는 효과를 설명한다.

물-결합재 비(W/B)는 단위수량과 결합재량의 중량비로서, 설계기준강도 및 배합강도와 같이 콘크리트의 강도와 내구성 등을 결정하는 수치이다.

본 발명의 콘크리트 조성물에 사용되는 결합재는 시멘트 또는 고로슬래그 미분말 및 필요에 따라 플라이애시를 포함하되, 고로슬래그 미분말을 다량으로 포함하는 고로슬래그 미분말 조성물을 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 고로슬래그는 용광로 제선 과정 중에서 발생하는 것으로서 슬래그 매출시에 고온 용융상태의 고로슬래그를 살수 급냉함으로써 5mm미만의 비결정질 알갱이 상태로 형성되는 수재 슬래그를 사용할 수 있다.

플라이애시는 혼화재로서 사용될 수 있는 물질 중에서 저렴한 것이어서, 경제적이며, 입자가 구형이어서 콘크리트 혼입시 볼베어링 효과에 따른 유동성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서 시멘트는 포틀랜드시멘트, 보통포틀랜드 시멘트, 혼합시멘트, 실리카시멘트, 내열시멘트, 내산시멘트, 백색시멘트, 천연시멘트, 경석시멘트 일 수 있다. 바람직하게는 상기 시멘트는 포틀랜드시멘트 일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 시멘트는 보통포틀랜드시멘트 일 수 있다.

본 발명에서, 요소는 결합재 총 중량 기준으로 1.0 내지 15.0 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 요소는 결합재 총 중량 기준으로 3.0 내지 10.0 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 요소가 1.0 중량% 미만이면, 수화열 저감, 응결 지연등의 효과가 미약한 문제가 있고, 15.0 중량%를 초과하는 경우에는 유동성의 변동폭이 매우 크고 응결지연이 과도하게 나타날 뿐만 아니라, 압축강도 발현이 저하되는 문제가 있다.

본 발명에서, 콘크리트 조성물은 증점제를 더 포함하는 것일 수 있다. 증점제는 상기 콘크리트 조성물의 재료분리를 방지하기 위하여 사용된다.

상기 증점제는 메틸셀룰로오스, 카르복실메틸셀룰로오스, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산 및 폴리에틸렌옥사이드 등으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는 상기 증점제는 메틸셀룰로오스, 카르복실메틸셀룰로오스일 수 있다.

상기 증점제는 결합재 총 중량 기준으로 0.05 내지 1.0 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 증점제 함량이 0.05 중량% 미만인 경우에는 콘크리트 배합에서 재료 분리의 위험성이 크며, 1.0 중량% 초과하는 경우에는 점도가 너무 큰 문제가 있을 수 있다. 바람직하게는 상기 증점제는 결합재 총 중량 기준으로 0.05 내지 0.5 중량%를 포함하는 것일 수 있다.

한편, 콘크리트 조성물이 요소를 더 포함하는 경우에는 재료 분리의 위험성이 발생할 수 있다. 이 경우 재료 분리 위험성을 방지하기 위해서는 콘크리트 조성물에 기본적으로 포함되어 있는 물 함량, 또는 결합재 대 물의 함량 비가 중요하다. 일 실시예에서, 결합재 총 중량 기준으로 물의 함량은 30 내지 70 중량% 일 수 있다.

결합재 총 중량 기준으로 물의 함량이 30 중량% 미만인 경우에는 재료 분리를 방지하는 효과가 미미할 수 있으며, 70 중량% 초과하는 경우에는 콘크리트 혼합물이 묽어지는 문제가 있을 수 있다.

또한, 본 발명은 감수제를 더 포함하는 것인 콘크리트 조성물일 수 있다. 상기 감수제는 폴리알킬아릴 술폰산염계, 멜라민 포르말린수지 술폰산염계 및 방향족 다환축합물 술폰산염계 등으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.

바람직하게는 상기 감수제는 폴리카보네이트 일 수 있다.

본 발명의 콘크리트 조성물은 유동 특성에 있어 목표슬럼프인 150±30를 초과할 수 있다.

요소를 포함하는 콘크리트 조성물은, 최고온도 저감과 발현시점의 지연 그리고 타설온도 저감에 높은 성능을 나타냈으며, 또한 저발열 콘크리트의 단점인 초기 잉여수 증발로 인한 건조수축을 크게 상쇄하며 최대 56%의 수축저감율을 나타낸다.

본 발명에서 요소를 포함하는 콘크리트 조성물에 증점제를 더 포함하거나 물-결합재 비에 있어서 단위수량을 감소시키면, 콘크리트 조성물의 재료 분리를 막는 효과가 있다.

본 발명에서 요소를 포함하는 콘크리트 조성물에서, 요소의 혼입량이 증가함에 따라 높은 건조 수축 상쇄 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명에서 요소를 포함하는 콘크리트는 재료 자체의 높은 알칼리성(pH 8 내지 11)에 기인해 높은 탄산화 저항성을 나타낼 수 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 물-결합재 비(W/B, 이하 W/B라 함)별 콘크리트 슬럼프와 공기량을 나타낸 것이다.
도 4는 W/B와 배합변수에 따른 응결시간을 나타낸 것이다. a) b) c)는 각각 W/B 45, 50, 55% 일 때를 나타낸 것이다.
도 5 내지 도 7은 각 W/B별로 요소를 포함하는 콘크리트 조성물과 기존 저발열 배합에 대한 압축강도를 나타낸 것이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 콘크리트 조성물을 재령 28일의 표준수중양생을 거친 후 소정 재령별 탄산화 촉진을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 11 내지 도 13은 수화발열에 의한 재령별 콘크리트의 간이단열온도 특성을 나타낸 것이다.
도 14 내지 도 16은 배합별 재령 경과에 따른 콘크리트의 건조수축 길이변화율을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1-1 내지 3-4 및 비교예 1-1 내지 3-3

실시예 및 비교예에서 사용한 재료의 구체적인 물성은 하기 표 1과 같다.

기초물성

결합재	보통포틀랜드시멘트	밀도:3.15g/cm³, 분말도:3,383cm²/g
	저열포틀랜드시멘트	밀도:3.22g/cm³, 분말도:3,661cm²/g
	고로슬래그미분말	밀도:2.90g/cm³, 분말도:3,850cm²/g
	플라이애시	밀도:2.20g/cm³, 분말도:3,507cm²/g
골재	잔골재	씻은 모래,밀도:2.60g/cm³ 흡수율:0.90%, F.M.:2.50
골재	굵은골재	부순 자갈,밀도:2.63g/cm³ 흡수율:0.72%, F.M.:6.50
증점제	VA	흰색 분말, 셀룰로오스, pH:7.0±1.0
감수제	SP	어두운 갈색 액체 폴리카보네이트, pH:4.2
요소	U	흰색그래니폼 (White graniform) 밀도:1.34, pH:8 내지 11

본 발명에 적용한 시방 배합표를 표 2,3,4에 나타내었다. 요소혼입 콘크리트의 현장적용성과 역학 및 내구특성 등을 검토하기 위해 활용성이 가장 높은 W/B 50%를 기준으로 설정하고 ±5%의 차이로 3가지 W/B를 계획하였으며, 단위수량을 고정하여 건조수축 조건을 동일하게 설정하였다. 이에 여타의 혼화재료를 혼입하지 않은 비교예 1-1, 2-1, 3-1과의 비교평가를 위해 기존 저발열결합재 등을 비교예 1-2, 2-2, 3-2 및 비교예 1-3, 2-3, 3-3으로 설정하였으며, 요소를 결합재 중량대비 5, 10, 15%로 각각 설정하여 요소를 포함하는 콘크리트 조성물을 제조하였다. 한편, 요소를 물에 용해할 경우 용액의 수량이 증가되어 높은 혼입량의 배합에서는 재료분리의 위험성이 있다. 이에 본 발명에서는 요소 혼입율 15%의 경우 2가지 방법을 제시하였다. 하나는 기존과 동일하게 혼입하여 재료분리 방지를 위한 증점제(Viscosity agent)를 추가 투입하는 방식(실시예 1-3. 2-3, 3-3)이며, 다른 하나는 단위수량을 일부 감소시키는 방식(실시예 1-4, 2-4, 3-4)이다. 여기서 실시예 1-4, 2-4, 3-4의 경우 동일 W/B에 비해 단위수량을 약 12%가량 감소시켰다(표 2,3,4 참조).

또한 콘크리트 내에서 요소의 수화열 저감성능을 비교 검토하기 위한 비교예로 기존 매스콘크리트 적용기술인 저발열결합재를 Case1, 2로 나눠 설정하였다. 이는 각각 FA와 BS를 20, 30%로 치환한 3성분계 혼합시멘트(비교예 1-2, 2-2, 3-2)와 저열포틀랜드시멘트에 FA를 20% 치환한 것(비교예 1-3, 2-3, 3-3)으로, 기존 저발열 배합에 비해 보통포틀랜드시멘트의 비율을 크게 감소시켜 낮은 발열량이 나타났다.

(W/B : 물-결합재 비(%), S/a : 잔골재율(%), Air : 공기량(%), W : 단위수량, C : 보통포틀랜드시멘트, FA : 플라이애시, BS : 고로슬래그 미분말, S : 잔골재, G : 굵은골재. U : 요소 , SP** : 감수제, VA*** : 증점제)

실시예 1-1: W/B가 45% 및 요소 혼입률 5 중량%인 콘크리트 조성물

먼저 콘크리트의 혼합은, 물-결합재 비(W/B)가 45%인 결합재와, 감수제를 넣은 표 2의 배합설계에 따르며, 강제식 샤프트 믹서를 사용하였다. 요소의 투입 시점은 배합수와 혼화제 등이 모두 혼합된 후 최종적으로 투입하여 추가로 30초 가량 믹싱하여 토출하였다. 이 때, 요소의 양은 결합재 총 중량 기준으로 5 중량%로 혼합된다.

실시예 1-2: W/B가 45% 및 요소 혼입률 10 중량%인 콘크리트 조성물

요소 혼입율이 10%인 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 수행하였다.

실시예 1-3: W/B가 45% 및 요소 혼입률 15 중량%인 콘크리트 조성물

요소 혼입율이 15%이며 증점제를 0.3% 더 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 수행하였다.

실시예 1-4: W/B가 45% 및 요소 혼입률 15 중량%인 콘크리트 조성물

물-결합재 비(W/B)가 45%인 결합재에 결합재 총 중량 기준으로 15 중량%인 요소를 혼합하되, 단위 수량을 20kg/m³ 감소시키고, 감소된 단위수량만큼 골재를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 수행하였다.

비교예 1-1

요소를 제외한 것 외에는 실시예 1-1과 동일하게 수행하였다.

비교예 1-2

보통포틀랜드시멘트를 플라이애시와 고로슬래그 미분말을 각각 20, 30%로 치환한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 수행하였다.

비교예 1-3

저열포틀랜드시멘트에 플라이애시를 20% 치환한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일하게 수행하였다.

실시예 2-1 내지 2-3

물-결합재 비가 50%인 것을 제외하고는 실시예 1-1 내지 1-3과 동일하게 수행하였다(표 3 참조).

실시예 2-4

물-결합재 비가 50%, 단위수량을 18kg/m³ 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 1-4와 동일하게 수행하였다(표 3 참조).

비교예 2-1 내지 2-3

물-결합재 비가 50%인 것을 제외하고는 비교예 1-1 내지 1-3과 동일하게 수행하였다.

실시예 3-1 내지 3-3

물-결합재 비가 55%인 것을 제외하고는 실시예 1-1 내지 1-3과 동일하게 수행하였다(표 4 참조).

실시예 3-4

물-결합재 비가 55%, 단위수량을 17kg/m³ 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 1-4와 동일하게 수행하였다(표 4 참조).

비교예 3-1 내지 3-3

물-결합재 비가 55%인 것을 제외하고는 비교예 1-1 내지 1-3과 동일하게 수행하였다.

실험예 1

먼저 콘크리트의 혼합은 실시예 1-1 내지 3-4 및 비교예 1-1 내지 3-3에 따르며(표 2 내지 4 참조), 강제식 샤프트믹서를 사용하였다. 요소의 투입 시점은 배합수와 혼화제 등이 모두 혼합된 후 최종적으로 투입하여 추가로 30초 가량 믹싱하여 토출하였다.

굳지않은 콘크리트의 실험항목은 각각 콘크리트의 슬럼프 시험방법(KS F 2402)과 압력법에 의한 공기량 시험방법(KS F 2421) 그리고 관입저항침에 의한 콘크리트 응결시간 시험방법(KS F 2436)에 따라 수행하였으며, 경화 콘크리트 강도특성 또한 KS F 2405 및 KS F 2423 기준에 의거하여 수행하였다. 내구특성을 평가하는 촉진 탄산화시험은 KS F 2584에 따라 100×100×400mm 공시체를 제작하여 28일간 표준수중양생을 실시하고 이 후 공시체의 5면을 에폭시 코팅하여 촉진 재령 28일까지 노출시켰다. 또한 콘크리트 길이변화시험은 스트레인게이지를 공시체 중심부에 매립하여 Data logger를 통해 재령 56일까지 측정하였으며, 콘크리트 간이단열온도 시험은 발포폴리스티렌(220×220×230mm, Thk.25mm) 몰드를 이용하여 콘크리트를 타설하고 열전대를 통해 중심부 수화열을 측정하였다. 외기온과 상대습도에 영향을 받는 길이변화시험 및 간이단열온도 시험은 항온항습(20±1℃, R.H. 50±2%) 환경에 거치하였으며, 이 외에는 탈형 후 표준수중양생(20±2℃)을 실시하였다. 본 발명에 따른 실험설계는 표 5과 같다. 표 6는 평가항목과 검토기법을 나타낸 것이다.

실험 설계

인자			실험 수준
배합변수	목표 강도(MPa)		3	21, 24, 27
	물-결합재 비 (%)		3	45, 50, 55
	목표 슬럼프(mm)		1	150±30
	목표 공기량 (%)		1	4.5±1.5
실험변수	요소 혼입율 (BX%)		5	0, 5, 10, 15, 15(W)
	저발열 결합재	Case 1	2	FA^20%+BS^*30%
		Case 2		LHC^****+FA20%

평가항목과 검토기법

인자		시험 수행
굳지 않은 콘크리트		슬럼프, 공기량, 응결시험
경화 콘크리트	강도	압축 강도(3, 7, 28, 56일)
	내구성	촉진 탄산화 시험 (7, 14, 28일)
	수축율	길이 변화 시험 (~56일)
	수화열	간단한 수화열 시험 (~7일)

< 굳지않은 콘크리트의 유동 특성>

도 1 내지 3에는 각각의 설계목표에 맞추어 계획된 배합의 W/B별 콘크리트 슬럼프와 공기량을 나타내었다. 실시예 1-1 내지 3-4 및 비교예 1-1 내지 3-3의 콘크리트 시방배합표에 나타나듯 감수제 혼입량은 결합재 중량대비 0.8%로 고정하여, 혼입되는 각 재료에 따른 유동특성을 검토하고자 하였다.

먼저 슬럼프 결과는 W/B를 막론하고 모든 배합에서 목표슬럼프인 150±30mm를 상회하였으나, 일부 배합에서는 최대 220mm로 목표슬럼프를 초과하는 것으로 나타났다. 요소혼입의 영향은 혼입량 증가에 따라 비례적으로 증가하였으며, 이는 수량 증가에 기인한 것으로 판단된다. 특히 혼입율 15% 이상에서는 재료분리(segregation)가 발생할 확률이 매우 높은 것으로 확인되어 이에 대한 조치사항으로 증점제를 혼입하거나(실시예 1-3, 2-3, 3-3), 또는 단위수량을 감소(실시예 1-4, 2-4, 3-4)시켜 수행하였다. 그 결과 증점제의 혼입은 슬럼프를 기존대비 40%이상 감소시킨 반면, 단위수량의 저감은 실시예 1-2, 2-2, 3-2와 유사한 수준의 높은 유동성능을 유지하는 것으로 나타났다. 한편 기존 저발열 배합인 비교예 1-2, 2-2, 3-2와 비교예 1-3, 2-3, 3-3은 모든 W/B에서 비교적 가장 낮은 수준의 유동특성을 나타냈으며, 이는 공기량에서도 유사한 경향으로 나타났다. 요소의 혼입율은 공기량에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으나 실시예 1-4, 2-4, 3-4에서 비교적 높은 공기량을 나타냈는데, 이는 단위수량 감소에 따른 전체 골재량의 증가와 비교적 긴 비빔시간에 의해 콘크리트 내 갇힌공기가 증가된 것으로 이해될 수 있다.

< 굳지않은 콘크리트의 응결특성>

도 4 및 표 7에는 W/B와 배합변수에 따른 응결시간을 측정하여 나타내었다. 먼저 요소의 혼입 유무 및 혼입율 증가에 따라 기존의 저발열 배합에 비해 매우 높은 수준의 응결지연을 나타냈다. 또한 비교예 1-2, 2-2, 3-2 및 비교예 1-3, 2-3, 3-3 배합은 응결속도에서 비교예 1-1, 2-1, 3-1과 큰 차이를 나타내지 않았으며, 단위시멘트량이 높은 실시예 1-1 내지 1-4에서는 오히려 더 빠른 응결속도를 나타낸 바 있다.

반면 요소혼입 콘크리트는 혼입율 증가에 따라 큰 폭의 지연효과를 확인할 수 있었으며, W/B 50%를 기준으로 최대 혼입 배합인 실시예 2-3에서는 비교예 2-1에 비해 종결시간이 15시간 가량 지연되는 것으로 나타났다. 이는 대형매트기초 등의 분할타설 시 1day에 가까운 응결조절이 가능한 수준으로 혼입량과 온도분포에 관한 D/B구축 시 분할타설기법에 일조할 수 있다. 한편 높은 응결지연을 나타낸 실시예 1-3, 2-3, 3-3, 실시예 1-4, 2-4, 3-4의 경우 W/B에 의한 경향은 나타나지 않았으며, 이는 요소의 낮은 수화발열로 인해 단위시멘트량의 차이는 응결시간에 영향을 미치지 못한 것으로 이해될 수 있다.

<경화 콘크리트에서 콘크리트 압축강도 특성>

도 5 내지 7에는 각 W/B별로 요소혼입 콘크리트와 기존 저발열 배합에 대한 압축강도를 나타내었다. 먼저 비교예 1-1, 2-1, 3-1과 요소혼입 콘크리트의 비교에서는 재령 3, 7일을 포함하는 초기재령에서 혼입 유무와 혼입율에 따라 최대 60%가량(실시예 1-1 내지 1-4) 압축강도가 저하되는 경향이 나타났으며, 특히 혼입율 5, 10, 15%의 단계별 증가에 따라 비례적인 강도 저하율을 나타내고 있다. 이러한 요소혼입 콘크리트의 경화초기 메커니즘은 응결지연과 초기재령의 수화열 저감 때문이다. 상기 응결시험(표 7)에 나타난 바와 같이 요소혼입 시 기존의 저발열결합재에 비해 매우 높은 수준의 응결지연성능을 확인한 바 있으며, 이는 초기 재령의 강도저하로 직결될 수 있다. 또한 재령 28일 압축강도에서는 실시예 1-3, 실시예 2-3, 실시예 2-4, 실시예 3-3, 실시예 3-4 그리고 비교예 3-3의 총 6개 배합을 제외한 모든 항목이 목표강도에 도달하였으며, 56일 및 91일 재령의 강도발현 특성 또한 실시예 1-3, 2-3, 3-3 및 실시예 1-4, 2-4, 3-4를 제외한 모든 배합에서 비교예(1-1, 2-1, 3-1)과 유사한 수준에 도달하는 것으로 나타났다. 반면 유동성 충족을 위해 증점제 혼입과 단위수량감소로 각각 설계된 실시예 1-3, 2-3, 3-3 및 실시예 1-4, 2-4, 3-4는 설계기법과 재령에 관계없이 강도발현이 크게 저하되는 것으로 나타나 강도특성을 고려한 요소의 최대혼입율은 10% 내외가 적정하다.

<경화콘크리트에서 콘크리트 촉진 탄산화 특성>

도 8 내지 10은 재령 28일의 표준수중양생을 거친 후 소정 재령별 탄산화 촉진을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 먼저 W/B에 의한 탄산화 저항성은 단위시멘트량이 높은 실시예 1-1 내지 1-4에서 가장 우수한 성능을 나타냈으며, 침투깊이가 가장 크게 나타난 비교예(비교예 1-1 내지 3-3) 등에서 그 영향이 더 명확히 나타났다. 이는 높은 단위시멘트량에 기인한 미세구조 밀실화 등 때문이다.

한편 요소 혼입 시에는 혼입유무와 혼입율에 따라 비례적으로 높은 탄산화 저항성을 보이는 것으로 나타났다. 이는 압축강도 결과를 고려할 시 단순히 미세구조의 밀실화에 의한 경향으로 판단하기는 곤란하다. 강도발현에서는 요소혼입량 증가에 따라 발현율이 저하되는 것으로 나타났기 때문이다. 또한 요소혼입 콘크리트와 동일하게 수화과정에서 Ca(OH)₂를 소비하는 저발열 배합(비교예 1-2, 1-3, 2-2, 2-3, 3-2, 3-3)에 비해서도 월등히 높은 탄산화 저항성을 나타내고 있다. 다만 혼입되는 요소의 자체 pH가 높아, 혼입량이 높아질수록 내부공극 및 외부로 용출되는 양이 증가되는 것으로 이해될 수 있다

요소혼입 콘크리트의 높은 탄산화 저항성은 균열저감 성능과 함께 매스콘크리트의 내구수명 증진에 크게 기여할 수 있다.

<경화콘크리트에서 콘크리트 간이단열온도 특성>

도 11 내지 13에는 수화발열에 의한 재령별 콘크리트의 간이단열온도 특성을 나타내었다. 먼저 W/B별 발열특성에서는 단위시멘트량 증가에 따라 최고온도에만 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 최고온도 발현시점이나 타설 시 온도 그리고 상하강 기울기 등에는 그 영향이 미미한 것으로 나타났다.

요소의 혼입 유무와 혼입율에 따른 발열특성은 최고온도와 최고온도 발현시점, 상승곡선 및 타설온도 등에 모두 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 가장 높은 최고온도를 나타낸 W/B 45%를 기준으로 혼입량 증가에 따라 각각 8.3(실시예 1-1), 16.7(실시예 1-2), 33.9(실시예 1-3)시간의 최고온도발현시점 지연을 나타냈으며, 또한 각각 1.2, 5.2, 7.9 ℃의 최고온도 저감량을 나타내고 있다. 이러한 성능은 W/B를 막론하고 혼입량 증가에 따라 비례적으로 나타나고 있으며, 특히 혼입량이 동일한 실시예 (1-3, 2-3, 3-3)와 실시예(1-4, 2-4, 3-4)배합은 모든 W/B에서 동일한 발열특성을 나타내고 있어 요소혼입 콘크리트의 발열특성이 재료의 혼입량에 크게 기인하는 것으로 보인다.

한편 요소혼입 콘크리트의 특이사항은 타설온도가 매우 낮고 온도의 상승 및 하강곡선이 비교적 완만하다는 점이다. W/B 50%의 경우 혼입량 증가에 따라 각각 1.9(실시예 2-1), 4.8(실시예 2-2), 8.1(실시예 2-3) ℃씩 타설 시 콘크리트 온도가 하강하는 것으로 나타났으며, 이는 흡열반응을 나타내는 1차반응식이 물과 혼합되는 시점의 높은 반응성과 타설 이전의 영향을 반영하는 것으로서 이 후 현장적용 시의 고려사항으로서 판단된다.

또한 기존의 저발열결합재(비교예 1-2, 1-3, 2-2, 2-3, 3-2, 3-3)와의 비교에서는 실시예 1-2, 2-2, 3-2보다는 낮고, 실시예 1-3, 2-3, 3-3에 비해서는 높은 최고온도를 나타내고 있으며, 최고온도 발현시점에서도 이러한 경향이 이어지고 있다. 기존 배합에서는 저열시멘트와 플라이애시를 사용한 2성분계 결합재가 보통시멘트와, 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 혼합한 3성분계에 비해 미세하게 낮은 온도발열성상을 나타냈으나 경제성과 대량생산성 등을 감안할 시 광물질 혼화재를 사용한 3성분계가 더 유리하다.

<경화콘크리트에서 콘크리트 길이변화 특성>

도 14 내지 16은 배합별 재령 경과에 따른 콘크리트의 건조수축 길이변화율을 나타낸 것이다. W/B를 막론하고 비교예 1-1, 2-1, 3-1의 길이변화율은 초기 재령에서 급격히 감소하였으며 재령 20일 이후 변화율이 완만한 경향을 보여 28일 이후에는 안정되는 경향을 나타냈다. 이에 재령 56일에서는 각각 344.5(비교예 1-1), 358.5(비교예 1-2), 483.0×10^-6(비교예 1-3)의 최대 변형율을 나타내고 있다.

한편 저발열 배합인 비교예 1-2, 2-2, 3-2 및 비교예 1-3, 2-3, 3-3의 경우 비교예 1-1, 1-2, 1-3의 동등 수준 혹은 그 이상의 건조수축율을 나타내었다. 일반적으로 광물질 혼화재를 포함한 저발열결합재는 낮은 발열량에 기인해 초기의 수화진행이 더디고 강도발현이 종료되기까지 오랜 기간이 소요되기 때문에 수화에 기여하지 않는 잉여수에 의한 건조수축 위험이 높은 편이다. 이에 초기 수화발열을 제어하면서 동시에 수축균열에 대응할 수 있는 콘크리트 배합설계 기술이 요구되며, 기존 저발열결합재의 경우 이에 부응하지 못하는 것으로 판단된다.

반면 요소혼입 콘크리트에서는 모든 W/B에서 비교예 1-1, 2-1, 3-1 대비 23 내지 56% 가량 저감된 길이변화율을 나타냈다. 최대 길이변화율의 변동 폭이 가장 높게 나타난 W/B 55%를 기준으로 실시예 3-1은 21.7%, 실시예 3-2는 32.8%, 실시예 3-3은 47.5%, 실시예 3-4는 55.7%의 수축저감을 각각 나타내 혼입율 증가에 따라 높은 건조수축 상쇄성능을 확인한 바 있으며, 실시예 1-1 내지 1-4 및 실시예 2-1 내지 2-4에서도 이와 유사한 경향으로 나타났다. 다만 실험과정에서 요소가 10% 이상 혼입되는 경우 외부로의 요소(Urea) 석출이 관찰된 바 있다. 이는 시멘트 경화체 내부에서 최대 반응량을 초과하여 잔부가 외부로 용출된 것으로 보이며, 요소혼입 콘크리트의 수축상쇄 또한 잔여 요소(Urea)가 수분증발에 의한 콘크리트의 수축을 일부 상쇄시킨 것이다.

실험예 2

결합재와 각 혼입율별 요소를 미리 혼합한 후 물을 가한 직후부터 72시간까지 TCC-26을 이용하여 수화열량을 측정하였다. 배합사항으로는 무혼입 플레인을 포함하여 요소를 시멘트 중량대비 5 내지 20%까지 혼입하였다.

그 결과 시멘트 수화과정의 최대 피크를 나타내는 제2피크에서 무혼입 플레인은 1.17cal/g·h를 나타냈으며 요소를 5%씩 추가 혼입할수록 각각 29%, 58%, 64%, 69%의 열량 감소가 나타났다. 또한 누적발열량에서는 무혼입과 5%가 대체로 유사한 경향으로 나타났으며, 혼입율 10%이상에서는 이보다 절반가량의 열량을 나타내고 있다. 이상의 결과에서 시멘트의 수화열 감소성능과 발현속도의 지연성능을 일부 확인하였으며, 이를 콘크리트 배합설계의 참고사항으로 적용하였다.

Claims

시멘트를 포함하는 결합재 또는,
시멘트와 함께, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 하나 이상을 포함하는 결합재에 요소를 더 포함하는 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 시멘트는 포틀랜드시멘트 또는 보통포틀랜드 시멘트 중 하나 이상인, 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서,
상기 요소는 결합재 총 중량 기준으로 1.0 내지 15.0 중량% 포함하는 것인, 콘크리트 조성물.
제1항에 있어서,
증점제를 더 포함하는 것인, 콘크리트 조성물.
제4항에 있어서,
상기 증점제는 결합재 총 중량 기준으로 0.05 내지 1.0 중량% 포함하는 것인, 콘크리트 조성물.
제4항에 있어서,
상기 증점제는 메틸셀룰로오스, 카르복실메틸셀룰로오스, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산 및 폴리에틸렌옥사이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 콘크리트 조성물.
제3항에 있어서,
결합재 총 중량 기준으로 물 함량이 30 내지 70 중량%인, 콘크리트 조성물.
제7항에 있어서,
감수제를 더 포함하는 것인, 콘크리트 조성물.
제8항에 있어서,
상기 감수제는 폴리알킬아릴 술폰산염계, 멜라민 포르말린수지 술폰산염계 및 방향족 다환축합물 술폰산염계로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 콘크리트 조성물.