KR20190024336A - 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시멘트, 굵은 골재, 잔골재, 광물계 결합재 및 무기계 나노재를 포함하는 콘크리트 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 조성물은, 기계적 강도가 우수하면서도, 별도의 인력을 필요로 하지 않으면서 균열에 대하여 자기 치유가 가능한 콘크리트 조성물을 제공할 수 있다.

Description

콘크리트 조성물{Concrete composition}
본 발명은 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광물계 결합재 및 무기계 나노재를 포함하여, 경화된 콘크리트의 기계적 강도를 상승시키면서, 자기 치유가 가능한 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
건축 또는 토목 구조물의 구축에 이용되는 콘크리트는 시멘트, 물, 골재 등을 포함하고 시멘트의 수화 반응에 의해 경화하는 성질을 가진다. 이 경화 후의 콘크리트는 응력의 작용, 온도 변화 혹은 건조 등에 의한 체적 변화가 발생하는 것 등에 의해 균열이 발생할 경우가 있다. 콘크리트의 균열은 누수, 철근 부식 등을 발생시키고 내구성을 크게 저하시키는 주요인이 되기 때문에 균열의 정도가 크면 보수 등을 하는 것이 필요하다.
등록특허공보 제10-1481753호(특허문헌 1)에는 “균열 자기치유 기능이 구비된 콘크리트 미세 균열보수용 균열크리너”라는 명칭으로, 균열을 보수하기 위해 결정형 생성물을 유도할 수 있는 조성물을 압축 성형하여 분필의 형태로 제작한 기술을 개시하고 있다. 상기 특허문헌 1에 따르면, 경화된 콘크리트에서 발생된 균열에 대하여, 사후적으로 인력을 동원하여 상기 균열 크리너를 적용함으로써, 발생된 균열을 메우는 것을 자기 치유로 기재하고 있다.
그러나, 자기 치유는 콘크리트에 발생된 균열에 대하여 외부(예를 들면, 인력)의 개입 없이도, 균열이 자가적으로 메워질 수 있는 것을 의미하는 것으로, 진정한 의미의 자기 치유로서는 부족한 실정이다.
등록특허공보 제10-1481753호
본 발명의 기술적 과제는 기계적 강도가 우수하면서도, 자기 치유가 가능한 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 시멘트, 굵은 골재, 잔골재, 광물계 결합재 및 무기계 나노재를 포함하는 콘크리트 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 조성물은, 기계적 강도가 우수하면서도, 별도의 인력을 필요로 하지 않으면서 균열에 대하여 자기 치유가 가능한 콘크리트 조성물을 제공할 수 있다.
도 1 및 2는 본 발명의 실시예 및 비교예의 압축강도 측정 그래프이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 콘크리트 조성물은 시멘트, 굵은 골재, 잔골재, 광물계 결합재 및 무기계 나노재를 포함하는 것일 수 있다.
상기 시멘트는 콘크리트 조성물에서 경화 진행 시 메트릭스를 형성하는 것으로서, 공지된 시멘트를 제한 없이 이용할 수 있으나, 포틀랜드 시멘트, 고로 시멘트, 플라이 애시 시멘트, 실리카 시멘트, 알루미나 시멘트, 하우인(Hauyne) 시멘트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
굵은골재는, 5㎜의 체에 중량으로 85% 이상 남는 천연 자갈과 인공 쇄석 등과 같은 골재로서, 상기 굵은 골재의 밀도는 2.54∼2.72 g/㎤이고, 최대 직경(Gmax)이 25㎜ 이하인 것일 수 있다.
상기 굵은 골재는 시멘트 100 중량부에 대하여, 196 내지 287 중량부로 포함될 수 있고, 상기 상한치를 초과하는 경우 작업성 및 강도발현 측면에서 바람직하지 않다.
잔골재는, 5㎜의 체에 중량으로 85% 이상 통과하는 모래 등과 같이 세립한 골재로서, 상기 잔골재의 밀도는 2.40∼2.90 g/㎤인 것일 수 있다.
또한, 상기 잔골재는 1조의 체를 체가름 시험을 하여, 각각의 체를 통과하지 않는 시료의 중량에 대한 중량백분율(누가 잔류율)의 합계를 100으로 나눈 값인 조립률이 2.30∼3.10인 것일 수 있다.
상기 잔골재는 시멘트 100 중량부에 대하여, 150 내지 255 중량부로 포함될 수 있고, 상기 상한치를 초과하는 경우 작업성 및 강도발현 측면에서 바람직하지 않다.
조성물 내에서 시멘트는 물과 수화반응을 시작하여, 시멘트의 주요 성분인 트리칼슘 실리케이트(Ca3SiO5, alite)로부터 발생된 실리케이트와 수산기(OH-)가, 칼슘이온(Ca2+)과 같은 양이온을 끌어당기면서 조성물 내의 칼슘이온의 농도가 상승하게 된다. 이후, 반응 사이트 근처의 실리케이트, 수산기 및 칼슘이온으로 형성된 액체상(liquid phase)은 빠르게 칼슘 실리케이트 하이드레이트 형태의 생성물로 과포화 상태가 되고, 상기 칼슘 실리케이트 하이드레이트 생성물은 트리칼슘 실리케이트 표면에 결정 형태로 침전되는데 이를 수화 반응 생성물이라 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 콘크리트 조성물에 광물계 결합재를 포함시킴으로써, 상술한 바와 같은 수화 반응 시 트리칼슘 실리케이트로부터 발생되는되는 실리케이트 이외에, 추가적으로 광물계 결합재 내에 포함되는 실리케이트를 제공함으로써, 수화반응 반응속도를 높이고, 칼슘 실리케이트 하이드레이트와 같은 수화 반응 생성물의 양을 증대시킬 수 있다.
이러한, 수화 반응 생성물 양의 증가는 광물계 결합재를 사용하지 않은 일반 콘크리트 조성물이 경화가 진행될 때 형성되는 시멘트 매트릭스에 비하여, 더욱 밀실한 공극 구조를 형성할 수 있게 한다. 즉, 시멘트 매트릭스의 공극의 크기를 모세관 현상이 일어나기 어려운 공극 수준으로 형성시킴으로써, 시멘트 매트릭스 내의 수분이 외부의 온도 변화 등에 의해 증발할 수 없게 하여, 최종 경화된 콘크리트의 내부에 일정량의 습도를 유지시킬 수 있고, 이러한 습도의 유지는 자기 치유에 필요한 수분을 외부에서 별도로 수분을 공급하지 않고도 내부적으로 공급 할 수 있어서, 별도의 수분 공급이 없더라도 균열이 발생된 부위의 자기 치유가 가능하게 할 수 있다.
여기서, 상기 광물계 결합재는 규소 함량이 66 중량% 이상으로서, 천연 포졸란, 플라이 애시, 소성된 점토(burned clay), 셰일(shale), 고로슬래그, 실리카 퓸, 및 마이크로 실리카로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 광물계 결합재는 시멘트 100 중량부에 대하여, 5 내지 50 중량부로 포함될 수 있고, 상기 하한치 미만이면 미세구조 개선 및 포졸란 반응을 유도하기 부족하다는 측면에서 바람직하지 않으며, 상기 상한치를 초과하는 경우 초기강도 발현이 어렵다는 측면에서 바람직하지 않다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 조성물에 무기계 나노재를 포함시킴으로써, 수화 반응 생성물의 양을 증가시킬 수 있다. 즉, 광물계 결합재와 무기계 나노재를 동시에 포함시켜서, 콘크리트 조성물이 경화 시 형성되는 시멘트 매트릭스에 미수화된 입자의 양을 증가시켜서, 경화 후에 발생할 수 있는 균열 면에서, 상기 미수화된 입자는 콘크리트 내부에 존재하는 수분과 다시 수화반응을 진행 할 수 있고, 이렇게 진행된 반응 생성물을 통해 균열을 자기 치유할 수 있다. 또한, 상기 무기계 나노재는 시멘트 매트릭스 내에서 충진재로서의 작용하여 보강재로서 작용할 수도 있다.
여기서, 상기 무기계 나노재는 규소 함량이 55 중량% 이상인 포졸란계 화합물인 실리케이트계 점토로서, 아타풀자이트, 카올린, 볼클레이, 몬모릴로나이트, 벤토나이트, 세피올라이트, 및 파이로필라이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 무기계 나노재는 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 2.0 중량부로 포함될 수 있고, 상기 하한치 미만이면 추가적인 반응 생성물을 형성하기에 부족하다는 측면에서 바람직하지 않으며, 상기 상한치를 초과하는 경우 나노재의 극성으로 인한 재응집으로 인하여 분산도 측면에서 바람직하지 않다.
결과적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 조성물은, 규소 함량이 66 중량% 이상으로 높은 광물계 결합재로 인하여, 수화 생성물과 유사한 포졸란 반응 생성물을 생성할 수 있으므로, 균열 면에서 생성되는 수화 반응 생성물의 양을 극대화할 수 있다. 따라서, 무기계 나노재 및 광물계 결합재는 기존의 콘크리트 조성물의 경화 후 형성되는 매트릭스의 공극 구조를 보다 미세하게 함으로써, 기계적 물성을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 균열 면에서의 반응 생성물 생성으로 사후에 발생될 수 있는 균열에 대해서 자기 치유를 수행할 수 있다.
상술한 바와 같은 효과를 더욱 바람직하게 하기 위하여, 상기 광물계 결합재와 무기계 나노재는 1 : 0.03 내지 0.05의 중량비로 조성물 내에 포함 될 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예 및 비교예
<콘크리트 조성물의 제조>
실시예
설계 압축강도 27MPa 콘크리트 배합비(시멘트 100 중량부에 대해 물은 49 중량부, 잔골재는 256 중량부, 그리고 굵은 골재는 284 중량부)를 사용하고, 이하 표 1 및 2와 같은 광물계 결합재 및 무기계 나노재를 더 포함하는 함량으로 콘크리트 조성물을 제조하였다.
광물계 결합재 : 실리카 퓸, 규소 함량 85~95%
무기계 나노재 : 유기화된 몬모릴로나이트, Southern Clay사 Cloisite 15A
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7 실시예8 실시예9 비교예1
광물계
결합제		 10 30 50 10 30 50 10 30 50 0
무기계
나노재		 0.5 0.5 0.5 1 1 1 1.5 1.5 1.5 0
구분 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5
광물계
결합제		 10 30 50 70
무기계
나노재		 0 0 0 0
자기치유 효과 측정
비교예 1(plain)의 조성물이 완전히 굳어진 시편을 재령 28일 압축강도를 측정하고 이를 기준으로 하여 100%로 나타내었다. 자기 치유효과를 평가하기 위하여, 시편을 완전히 파괴시키지 않고 비교예 1 배합의 최대압축하중의 70%를 적용하여 완전히 파괴에 이르기 전 균열전파단계까지의 강도를 측정하고(1차 압축강도 측정), 이후 균열이 발생한 시편을 온도 20℃의 수중에서 다시 28일간 양생한 후 압축강도를 다시 측정한 후(2차 압축강도 측정), 상기 비교예 1의 측정 기준 대비 백분율을 도 1 및 2에 나타내었다.
도 1 및 도 2에서 나타나는 바와 같이 자기 치유 이전의 압축강도(1차 압축강도)와 이후의 2차 압축강도의 경향이 상이한 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 콘크리트 조성물에 의한, 시편들을 살펴보면, 광물계 결합재 및 무기계 나노재를 포함하지 않는 비교예 1의 자기 치유 전의 1 차 압축강도는 모두 상승한 것을 확인할 수 있어서, 기계적인 물성이 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 1의 자기 치유 이후의 2차 압축강도는 유일하게 하강하는 것으로 보아, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 조성물은 자기 치유 효과가 나타나고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 광물계 결합재 만을 첨가한 비교예 2 내지 5의 경우, 전반적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 광물계 결합재 및 무기계 나노재를 포함한 실시예 보다 압축강도가 열위한 것을 확인할 수 있었다.

Claims (8)

  1. 시멘트, 굵은 골재, 잔골재, 광물계 결합재 및 무기계 나노재를 포함하는 콘크리트 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트, 고로 시멘트, 플라이 애시 시멘트, 실리카 시멘트, 알루미나 시멘트, 하우인(Hauyne) 시멘트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 콘크리트 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 굵은 골재의 밀도는 2.54∼2.72 g/㎤이고, 최대 직경(Gmax)이 25㎜ 이하인 것인 콘크리트 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 잔골재의 밀도는 2.40∼2.90 g/㎤이고, 조립률은 2.30∼3.10인 것인 콘크리트 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 광물계 결합재는 천연 포졸란, 플라이 애시, 소성된 점토(burned clay), 셰일(shale), 고로슬래그, 실리카 퓸, 및 마이크로 실리카로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 콘크리트 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 무기계 나노재는 실리케이트계 점토로서, 아타풀자이트, 카올린, 볼클레이, 몬모릴로나이트, 벤토나이트, 세피올라이트, 및 파이로필라이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 콘크리트 조성물.
  7. 청구항 1에 있어서,
    시멘트 100 중량부를 기준으로,
    굵은 골재 196 내지 287 중량부,
    잔골재 150 내지 266 중량부,
    광물계 결합재 5 내지 50 중량부, 및
    무기계 나노재 0.1 내지 2.0 중량부를 포함하는 것인 콘크리트 조성물.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 광물계 결합재와 무기계 나노재는 1 : 0.03 내지 0.05의 중량비로 포함되는 것인 콘크리트 조성물.
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