KR20190069867A - 초조강 결합재를 이용한 초조강 콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 12시간 내에 측면 거푸집 탈형 소요강도인 5MPa를 확보할 수 있는 초조강 결합재 및 이를 이용한 초조강 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 CSA(Calcium Sulfo Aluminate) 및 석고가 혼합된 분체 조성물로서, 함유된 CaO와 SO₃의 중량비가 1:1.9~2.3이고, 함유된 Al₂O₃와 SO₃의 중량비가 1:0.8~1.1인 것을 특징으로 하는 초조강 결합재」를 제공한다.
또한, 본 발명은 「결합재, 잔골재, 굵은골재 및 물의 배합으로 조성되는 콘크리트 조성물로서, 단위 결합재량 330~340kg/㎥, 단위 수량 170~200kg/㎥이고, 상기 결합재는 시멘트 82~85wt% 및 제1항의 초조강 결합재 15~18wt%로 조성되고, 양생온도 12~13℃의 간절기 조건에서 재령 28일 압축강도 24~40MPa 및 슬럼프 150mm 이상이 충족되면서, 재령 12시간 압축강도가 5MPa을 초과하는 것을 특징으로 하는 초조강 콘크리트 조성물」을 함께 제공한다.

Description

초조강 결합재 및 이를 이용한 초조강 콘크리트 조성물{Ultra early strength binder and Ultra early strength concrete using the same}

본 발명은 12시간 내에 측면 거푸집 탈형 소요강도인 5MPa를 확보할 수 있는 초조강 결합재 및 이를 이용한 초조강 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

현재 공동주책의 1층당 공사 사이클은 6～7일가량 소요되는 것이 일반적이며 시공사들은 공기단축을 위하여 공사 사이클을 단축하기 위한 다양한 시도를 진행하고 있다. 이러한 다양한 시도 중 가장 많이 연구되고 있는 분야는 거푸집 조기 탈형을 위해 조강 시멘트, 조강 첨가제 등을 사용한 조강 콘크리트 분야이다. 측면 거푸집 탈형 시 기준이 되는 소요 강도는 5MPa 이상으로 관리되고 있으며, 슬래브 거푸집의 탈형 강도는 12MPa로 관리 되고 있다. 이러한 소요강도를 조기에 만족한다면 탈형 시기가 앞당겨져 2~4day/cycle(당일 오후 타설 후 다음날 오전 거푸집 탈형)이 가능하게 되어 공사기간을 획기적으로 줄일 수 있게 된다. 따라서, 거푸집 조기 탈형을 통한 공기 단축을 위해서는 우선 콘크리트 타설 후 12시간 이내에 5MPa을 달성하는 것이 목표가 된다.

1. 등록특허 10-1524771 "거푸집 탈형 강도를 발현하는 현장 타설용 조강 콘크리트의 조성물" 2. 등록특허 10-1113138 "조기강도 콘크리트 조성물" 3. 등록특허 10-1338502 "수축 저감 및 초조강형 시멘트 결합재 조성물 및 이를 이용한 프리캐스트 콘크리트 2차 제품의 제조방법"

본 발명은, OPC의 수화반응 과정 중에 C₃S 수화 유도기 단계에서의 수화반응 촉진을 위한 초조강 결합재 및 콘크리트에 조강 성능을 내어 응결(초결(유동성 상실 단계) 시간, 종결(경화시작 단계)) 시간 및 경화 시간을 단축시켜, 12시간 내에 측면 거푸집 탈형 소요강도인 5MPa이 확보되는 초조강 콘크리트 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 과제 해결을 위해, 본 발명은 「CSA(Calcium Sulfo Aluminate) 및 석고가 혼합된 분체 조성물로서, 함유된 CaO와 SO₃의 중량비가 1:1.9~2.3이고, 함유된 Al₂O₃와 SO₃의 중량비가 1:0.8~1.1인 것을 특징으로 하는 초조강 결합재」를 제공한다.

또한, 본 발명은 「결합재, 잔골재, 굵은골재 및 물의 배합으로 조성되는 콘크리트 조성물로서, 단위 결합재량 330~340kg/㎥, 단위 수량 170~200kg/㎥이고, 상기 결합재는 시멘트 82~85wt% 및 제1항의 초조강 결합재 15~18wt%로 조성되고, 재령 28일 압축강도 24MPa 이상 및 슬럼프 150mm 이상의 조건을 충족되면서, 재령 12시간 압축강도가 5MPa을 초과하는 것을 특징으로 하는 초조강 콘크리트 조성물」을 함께 제공한다.

또한, 본 발명은 「응결지연제가 결합재 대비 0.2~0.25wt% 첨가되고, NS(Na₂SO₄)가 결합재 대비 1~3wt% 첨가되어, 가사시간 2시간 이상이 확보되는 것을 특징으로 하는 초조강 콘크리트 조성물」을 함께 제공하고,

「응결지연제가 결합재 대비 0.1~0.15wt% 첨가되고, 분산제가 결합재 대비 0.15~0.20wt% 첨가되고, 유지제가 결합재 대비 0.5~0.7wt% 첨가되어, 가사시간 2시간이 확보되는 것을 특징으로 하는 초조강 콘크리트 조성물」을 함께 제공한다.

본 발명이 제공하는 초조강 결합재는 시멘트와 함께 결합재로 적용하여 콘크리트 조성물의 경화 속도를 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 초조강 결합재의 적정 사용량과 혼화제의 종류 및 사용량을 제시하며, 이에 콘크리트 조성물의 재령 12시간 압축강도 5MPa 이상 및 가사시간 2시간 이상의 물성을 확보할 수 있다.

본 발명은 「CSA(Calcium Sulfo Aluminate) 및 석고가 혼합된 분체 조성물로서, 함유된 CaO와 SO₃의 중량비가 1:1.9~2.3이고, 함유된 Al₂O₃와 SO₃의 중량비가 1:0.8~1.1인 것을 특징으로 하는 초조강 결합재」를 제공한다.

아래 [참고도 1]은 기존의 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 결합재로 적용한 콘크리트 타설 후 단위 결합재량 및 양생온도에 따른 재령별 압축강도 발현 경과를 나타낸 것이다. 실험체는 설계강도 재령 28일 24MPa, 슬럼프 150mm, 굵은골재 최대 치수 25mm 조건에서 배합하였으며, 단위 결합재량은 300~345kg/㎥으로 변화를 주었고, 단위 수량은 150kg/㎥, 단위 잔골재량은 264kg/㎥, 단위 굵은골재량은 616kg/㎥로 특정하였다.

[참고도 1]

전체적으로 재령 12시간만에 압축강도 5MPa에 도달한 경우는 없었으며, 단위 결합재량 330kg/㎥의 경우를 볼 때, 양생온도 20℃ 조건에서는 24.5시간, 양생온도 10℃ 조건에서는 36.8시간 경과 후 압축강도 5MPa에 도달하였다.

아래 [참고도 1-1]은 3종 조강 시멘트를 결합재로 적용한 콘크리트 타설 후, 양생온도 13℃ 조건에서 단위 결합재량 변화에 따른 재령별 압축강도 발현 경과를 나타낸 것이다. 실험체는 설계강도 재령 28일 24MPa, 슬럼프 150mm, 굵은골재 최대 치수 25mm 조건에서 배합하였으며, 단위 수량은 150kg/㎥, 단위 잔골재량 264kg/㎥, 단위 굵은골재량 616kg/㎥로 특정하였다.

[참고도 1-1]

단위 결합재량이 330~530kg/㎥인 모든 경우에 재령 12시간의 압축강도는 1~1.5MPa로 나타났고, 단위 결합재량에 따라 14~18시간 경과 후에야 콘크리트 압축강도가 5MPa에 도달하였다.

이에 본 발명에서는 시멘트에 첨가되어 콘크리트의 조강성능을 발현시키는 초조강 결합재를 구현하기 위해 콘크리트의 속경성에 영향을 미치는 수화 생성물인 에트린자이트(Ettringite, 6CaO·Al₂O₃·3SO₃·32H₂O) 생성에 필요한 CaO, SO₃ 및 Al₂O₃의 화학량론적 최적 조성 비율을 검토하였다.

에트린자이트 1g 생성 시 필요한 성분의 양은 다음과 같다.

(1) 4CaO·3Al₂O₃·SO₃ = 0.486g

(2) 2(CaO·SO₃) = 0.217g

(3) 38H₂O = 0.545g

따라서, CaO, SO₃ 및 Al₂O₃의 화학량론적 최적 조성 비율은 다음과 같다.

(1) CaO/SO₃비 = 1.9

(2) Al₂O₃/SO₃비 = 0.8

(3) Water/4CaO·3Al₂O₃·SO₃+2(CaO·SO₃) = 0.78

CSA(Calcium Sulfo Aluminate) 및 석고를 혼합하여 CaO/SO₃비 1.9 및 Al₂O₃/SO₃비 0.8인 초조강 결합재를 제조할 수 있으며, 이러한 초조강 결합재는 시멘트(OPC, 3종 조강 시멘트)와 혼합하여 사용할 수 있는데, 거푸집 탈형 시간에 맞게 목표 강도를 발현하는 시멘트와의 적정 사용 비율을 파악하기 위해 상기 초조강 결합재의 사용량을 변화시켜 가면서, 콘크리트의 응결시간 및 재령 시간별 압축강도를 실험하였다.

아래 [참고도 2]에서의 실험 조건은 결합재 450g, ISO 모래 1350g, 물-결합재비 50%의 조건을 동일하게 적용하였으며, 양생온도 12~13℃, 감수제(AD) 사용량 결합재량 대비 3.0wt%의 배합 조건에서, 전체 결합재 중 상기 초조강 결합재의 함량을 7wt%, 15wt%, 21wt%로 변화시켜 가면서 배합한 콘크리트 조성물의 응결시간 및 재령 시간별 압축강도를 시험한 결과를 정리한 그래프이다. [참고도 2] 그래프의 하단 X축은 상기 초조강 결합재의 CaO/SO₃비(C/S비)를 나타낸 것이다

[참고도 2]

전체 결합재 중 상기 초조강 결합재가 7wt% 포함된 경우에는 가사시간이 2시간 이상 확보되나 재령 시간별 압축강도 향상 효과를 거의 누리지 못하는 결과를 확인할 수 있다.

전체 결합재 중 상기 초조강 결합재가 15wt% 포함된 경우에는 가사시간이 1시간 이상 확보되며, 콘크리트 조성물의 재령 시간별 압축강도 향상 효과도 나타남을 확인할 수 있다.

전체 결합재 중 상기 초조강 결합재가 21wt% 포함된 경우에는 재령 시간별 압축강도가 크게 향상되어, 재령 12시간 5MPa의 목표를 크게 상회하나, 1시간 이내로 급결되므로 콘크리트 조성물의 충전성 및 작업시간 확보에 어려움이 있을 것으로 보인다.

따라서, 본 발명에서는 전체 결합재 중 상기 초조강 결합재가 15wt% 수준 포함된 경우에 기초하여, 15±2~3wt% 범위 내 사용 조건에서의 콘크리트 응결시간과 재령 시간별 압축강도를 실험하였다. 이하의 모든 실험은 양생온도 12~13℃의 간절기 조건에서 실시하였다.

한편, 상기 초조강 결합재의 CaO, SO₃ 및 Al₂O₃에 대한 화학량론적 최적 조성 비율 검토 결과 최적 Water/4CaO·3Al₂O₃·SO₃+2(CaO·SO₃)비가 0.78인 것은 최적 물-결합재비가 78%라는 의미이고, 초기 수화반응이 활발하여 통상의 시멘트에 비해 초기의 물 소비량이 많음을 의미한다. 따라서 시멘트에 상기 초조강 결합재가 혼합된 결합재의 물-결합재비는 통상의 수준보다 높게 설정하는 것이 바람직하다.

따라서 콘크리트 설계강도 재령 28일 24MPa, 슬럼프 150mm, 굵은골재 최대 치수 25mm 조건에서, 단위 결합재량이 300~340kg/㎥ 범위일 때, 통상적으로 물-결합재비를 50% 수준으로 적용하여 적정 단위 수량은 150~170kg/㎥이 되지만, 본 발명은 재령 초기에 수화반응이 활발히 일어나는 초조강 결합재가 적용되므로, 단위수량은 170~200kg/㎥ 범위로 적용함이 바람직하다.

아래 [표 1]은 위와 같은 시험 결과를 정리한 것인데, 본 발명에서 목표로 하는 조강성능은 "콘크리트 타설 후 재령 12시간 압축강도 5MPa 이상 발현"이지만, 콘크리트 원료와 배합상의 여러 조건에 따라 압축강도 발현 성상에 오차가 발생할 수 있으므로, 재령 10시간 압축강도가 5Ma 이상 발현되는 결과를 기준으로 OPC와 USB의 혼합비율을 검토하였다. 각 시험예에서 AD제를 결합재 대비 3.0wt% 첨가하였다. 단위 결합재량은 330kg/㎥으로 특정하였고, 단위 수량은 상기 초조강 결합재에 의한 초기 물 소요량을 고려하여 175g/㎥으로 특정하였다.

- OPC : 1종보통포틀랜드시멘트

- USB : 본 발명의 초조강 결합재(이하 동일)

위 [표 1]을 통해 시험예 1-3 내지 시험예 1-6에서 1시간 이상의 가사시간이 확보됨과 동시에 재령 10시간 콘크리트 압축강도가 5MPa 이상으로 발현됨을 확인할 수 있다. 따라서, 전체 결합재 중 OPC와 USB의 유효 함량은 잠정적으로 OPC 82~85wt%, USB 15~18wt%로 결론 내릴 수 있다.

한편, 상기 USB(Ultra early strength binder)의 유효 CaO/SO₃비 및 Al₂O₃/SO₃비를 파악하기 위해 화학량론적 최적 조성(CaO/SO₃비 = 1.9, Al₂O₃/SO₃비 = 0.8)을 기준으로 CaO/SO₃ 및 Al₂O₃/SO₃에 변화를 주면서 콘크리트 응결시간과 재령 시간별 압축강도를 실험하였다. 각 시험예에서 AD제를 결합재 대비 3.0wt% 첨가하였다.

위 실험결과 화학량론적 최적 조성 상태인 시험예2-5(CaO/SO₃ 1.9, Al₂O₃/SO₃ 0.8)에서 조강성이 극대화됨을 확인할 수 있고, 시험예2-3,4,6에서도 재령 10시간 압축강도 5MPa 이상이 발현되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 응결시간도 시험예2-3 내지 시험예2-6에서 1시간 이상으로 나타나 CaO와 SO₃의 중량비는 1:1.8~2.3, Al₂O₃와 SO₃의 중량비는 1:0.7~1.1인 것이 적정 범위로 파악된다.

정리하면, 결합재, 잔골재, 굵은골재 및 물의 배합으로 조성되는 콘크리트 조성물이 단위 결합재량 330~340kg/㎥, 단위 수량 170~200kg/㎥ 조건에서, 상기 결합재를 시멘트(OPC 또는 3종 조강 시멘트) 82~85wt% 및 상기 초조강 결합재(CaO와 SO₃의 중량비는 1:1.8~2.3, Al₂O₃와 SO₃의 중량비는 1:0.7~1.1) 15~18wt%로 조성함에 따라 재령 28일 압축강도 24~40MPa 및 슬럼프 150mm 이상의 조건이 충족되면서, 재령 12시간 압축강도가 5MPa을 초과하는 초조강 콘크리트 조성물이 도출된다.

다만, 콘크리트 조성물의 가사시간은 2시간 이상 확보되어야 충분한 작업시간을 확보할 수 있으므로, 응결지연제로서 CA(Citirc aicd), SG(Sodium Gluconate), BA(Boric Acid), TA(Tartarnic Acid), PA(Phosphoric Acid), D-300(TA계 합성)을 각각 결합재 대비 0.3wt% 첨가하여 전체적으로 가사 시간 확보에 효과가 있는 것을 확인하였으나 콘크리트 조성물의 재령 초기 강도가 감소하는 경향을 보였다.

아래 [표 3]은 상기 시험예2-3 내지 시험예2-6 중 응결시간 및 재령 초기 압축강도 면에서 가장 열악한 물성이 발현되는 시험예2-3을 기준으로 응결지연제 첨가량에 따른 물성 변화 시험결과(시험예2-3-1 내지 시험예2-3-6)를 정리한 것이다.

아래 [표 3]의 시험예2-3-1 내지 시험예2-3-6은 응결지연제 첨가량만 달리 하였을 뿐 나머지 배합은 상기 시험예2-3과 동일하다. 응결지연제로는 CA(Citirc aicd)를 적용하였다.

위 [표 3]을 통해 응결지연제(CA)를 결합재 대비 0.2wt 이상 사용할 때에는 재령 10시간 압축강도가 5MPa 이하로 떨어짐을 확인할 수 있었고, 응결지연제(CA)를 결합재 대비 0.05wt% 적용한 경우에는 응결시간 지연의 효과가 미미함을 알 수 있었다.

따라서, 응결지연제와 경화촉진제를 혼합 사용하는 방안, 응결지연제와 콘크리트의 유동성 유지 효과가 있는 유지제 및 콘크리트 유동성 증진 효과가 있는 분산제를 혼합 사용하는 방안 등을 검토하였다.

아래의 [표 4]는 위에서 응결지연제로 검토된 CA와 여러 가지 경화촉진제를 혼합 사용한 경우의 콘크리트 성능 평가 결과를 정리한 것이다.

경화촉진제로 검토된 것은 초기 초조강 결합재 수화물 생성량 촉진 및 증가를 위해 설페이트계, 카르복실계, 카보네이트계 중 가장 효과적인 NS(Na₂SO₄), CF(Calcium formate(Ca(HCOO)₂)) 및 LC( Li₂CO₃)를 선정하였다.

위의 [표 4]에서는 응결지연제를 결합재 대비 0.2wt% 첨가하고, 경화촉진제 중 NS(Na₂SO₄)를 결합재 대비 1~3wt% 첨가한 경우 2시간의 가사시간이 확보되면서 응결지연제를 단독 사용한 경우에 비해 압축강도가 보상되어 재령 10시간 압축강도 5MPa 이상의 물성이 확보됨이 확인된다.

아래 [표 5]는 상기 NS(Na₂SO₄)를 결합재 대비 1wt% 첨가하고, 응결지연제의 첨가량을 결합재 대비 0.1~0.3wt% 범위에서0.05wt%씩 변화를 주면서 실험한 콘크리트 성능 평가 결과를 정리한 것이다.

위 [표 5]를 통해 상기 NS(Na₂SO₄)를 결합재 대비 1wt% 첨가한 경우에는 응결지연제를 결합재 대비 0.15~0.25wt% 첨가하였을 때 2시간 이상의 가사시간 및 재령 10시간 압축강도 5MPa 이상의 물성이 확보됨이 확인된다. 다만, NS(Na₂SO₄)의 첨가량을 늘리면 가사시간이 단축되고, 초기 재령 압축강도는 증진되는 경향을 감안하여, 상기 응결지연제를 결합재 대비 0.2~0.25wt% 첨가하고, 상기 NS(Na₂SO₄)를 결합재 대비 1~3wt% 첨가할 때 2시간 이상의 가사시간 및 재령 10시간 압축강도 5MPa 이상의 물성이 확보될 것으로 판단된다.

또한, 상기 응결지연제와 함께 유지제 및 분산제를 혼합 사용하는 방안을 검토하면서 상기 응결지연제 사용량을 결합재 대비 0.1~0.15wt% 범위로 줄임으로서 콘크리트 조성물의 재령 초기 압축강도 손실을 저감하고, 분산제와 유지제가 각각 결합재 대비 0.15~0.20wt%, 0.5~0.7wt% 첨가됨으로써, 2시간 이상의 가사시간이 확보됨을 확인할 수 있었다.

아래 [표 6]은 상기 시험예2-3의 배합 조건에서 유지제, 분산제 및 응결지연제의 첨가량에 따른 물성 변화 시험결과를 정리한 것이다.

또, 다른 시험예로 단위 결합재량 330kg/㎥, 단위 수량 175kg/㎥, 단위 잔골재량 264kg/㎥, 단위 굵은골재량 616kg/㎥이고, 상기 결합재는 OPC 82wt%, USB 18wt%로 이루어진 경우 분산제, 유지제, 지연제를 각각 결합재 대비 0.15wt%m 0.5wt%, 0.5w% 적용한 경우(이하 '시험예3'이라 함) 재령 10시간 압축강도 8.5MPa, 가사시간 120분이 확보되며, 믹싱 후 120분 경과 후까지 슬럼프가 170mm로 측정되었다.

위 시험예3과 같은 배합 조건에서 초조강 결합재를 전체 결합재 대비 15wt% 적용하고, 분산제, 유지제 및 지연제를 각각 결합재 대비 0.15~0.2wt%, 0.5~0.7wt%, 0.10~0.15wt% 적용한 경우에도 슬럼프 저하 없이 재령 12시간 압축강도 5MPa 이상 및 가사시간 120분이 확보됨을 확인하였다.

본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이전 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

Claims (4)

1. CSA(Calcium Sulfo Aluminate) 및 석고가 혼합된 분체 조성물로서,
   함유된 CaO와 SO₃의 중량비가 1:1.9~2.3이고,
   함유된 Al₂O₃와 SO₃의 중량비가 1:0.8~1.1인 것을 특징으로 하는 초조강 결합재.
   
2. 결합재, 잔골재, 굵은골재 및 물의 배합으로 조성되는 콘크리트 조성물로서,
   단위 결합재량 330~340kg/㎥, 단위 수량 170~200kg/㎥이고,
   상기 결합재는 시멘트 82~85wt% 및 제1항의 초조강 결합재 15~18wt%로 조성되고,
   양생온도 12~13℃의 간절기 조건에서 재령 28일 압축강도 24~40MPa 및 슬럼프 150mm 이상이 충족되면서,
   재령 12시간 압축강도가 5MPa을 초과하는 것을 특징으로 하는 초조강 콘크리트 조성물.
   
3. 제2항에서,
   응결지연제가 결합재 대비 0.2~0.25wt% 첨가되고,
   NS(Na₂SO₄)가 결합재 대비 1~3wt% 첨가되어,
   가사시간 2시간 이상이 확보되는 것을 특징으로 하는 초조강 콘크리트 조성물.
   
4. 제2항에서,
   응결지연제가 결합재 대비 0.1~0.15wt% 첨가되고,
   분산제가 결합재 대비 0.15~0.20wt% 첨가되고,
   유지제가 결합재 대비 0.5~0.7wt% 첨가되어,
   가사시간 2시간이 확보되는 것을 특징으로 하는 초조강 콘크리트 조성물.