KR20200125141A - 레미콘 회수수로 프리웨팅시킨 인공경량잔골재를 포함하는 고강도 경량 모르타르 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레미콘 회수수로 프리웨팅(pre-wetting) 처리한 인공경량잔골재를 포함시켜 조성하는 고강도 경량 모르타르 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 「배합수 140~180kg/㎥, 시멘트 320~450kg/㎥ 및 인공경량잔골재 500~700kg/㎥, 물시멘트비 35~45wt%%로 배합되되, 상기 인공경량잔골재는 석탄회와 준설토를 혼합 및 소성하여 제조한 것으로서, 입경 5㎜ 미만, SiO2와 Al2O3의 합산 함량 80wt% 초과, 밀도 1.8g/㎤ 미만이며, 레미콘 회수수에 22~26시간 동안 프리웨팅(pre-wetting)시킨 후 표건상태로 조정하여 혼합한 것을 특징으로 하는 고강도 경량 모르타르 조성물」을 제공한다.

Description

레미콘 회수수로 프리웨팅시킨 인공경량잔골재를 포함하는 고강도 경량 모르타르 조성물{High strength lightweight mortar composition comprising pre-wetted artificial lightweight fine aggregate with recycled water of ready mixed concrete}
본 발명은 레미콘 회수수로 프리웨팅(pre-wetting) 처리한 인공경량잔골재를 포함시켜 조성하는 고강도 경량 모르타르 조성물에 관한 것이다.
최근 국내외에서 건물의 대형화, 장대화 및 내진설계 수요 등으로 인해 콘크리트 자중감소에 관한 문제가 대두 되고 있다. 이에 따라 자중감소를 위한 경량콘크리트의 필요성이 증대되고 있는데, 콘크리트의 단위용적질량을 감소시키기 위해 일반골재 대신 인공 경량골재를 사용할 수 있다.
인공경량골재(artificial lightweight aggregate)는 점토 및 산업부산물을 가공하여 만들어져 친환경 측면에서 부각 받는 재료이다. 인공 경량골재에는 팽창성 혈암, 팽창성 점토, 플라이 애쉬 등을 주원료로 하여 인공적으로 소성한 골재와, 팽창 슬래그, 석탄찌꺼기 등과 같은 산업 부산물인 경량골재 및 그 가공품이 있다. 인공경량골재의 내부는 다공질이고 표면은 유리질의 피막으로 덮인 구조로 되어 있다. 내부가 다공질 구조이므로 골재 자체의 높은 흡수율로 인해 콘크리트 시공 시 콘크리트 펌핑 폐색현상 및 경시확보 부족 등의 문제로 적용에 어려움이 있다.
본 발명의 발명자들은 프리웨팅(pre-wetting)을 통해 인공경량골재의 높은 흡수율을 제어하고, 인공경량골재의 배합 비율을 조절하여 고강도를 발현하는 경량콘크리트에의 적용 가능성을 확인하고, 그 기술 개념을 발전시켜 등록특허 10-1948627 "인공경량골재를 포함하는 고강도 경량콘크리트 조성물"을 도출해낸 바 있다.
한편, 최근 사회적으로 환경문제에 대한 중요성이 부각되고 있으며 국내·외적으로 환경오염 방지를 위한 규제가 강화되고 있다. 이로 인해 건설산업 부산물의 활용 증대를 위한 연구개발이 진행되고 있다.
레미콘 회수수는 콘크리트 생산 후 각종 장비를 세척하는 과정에서 발생하는 알칼리성 액상 부산물이다. 이러한 레미콘 회수수를 그대로 방류시키면 수질 및 토양 오염을 유발하므로 방류 전 중성화 과정이 반드시 필요하며, 이러한 레미콘 회수수의 적정 처리 유도를 위한 연구개발이 이루어지고 있다
1. 등록특허 10-0568932 "경량콘크리트 및 그 제조 방법" 2. 등록특허 10-1948627 "인공경량골재를 포함하는 고강도 경량콘크리트 조성물"
본 발명은 유동성의 문제 없이 경량 모르타르 조성물의 압축강도를 향상시키기 위한 것에 그 목적이 있으며,
폐기 처리를 위해 관리가 요구되는 건설산업 부산물인 레미콘 회수수를 자원화하여 인공경량골재의 프리웨팅을 위한 침지수 및 고강도 경량 모르타르 조성물의배합수로 재활용할 수 있도록 함에 또 다른 목적이 있다.
전술한 과제 해결을 위해 본 발명은 「배합수 140~180kg/㎥, 시멘트 320~450kg/㎥ 및 인공경량잔골재 500~700kg/㎥, 물시멘트비 35~45wt%%로 배합되되, 상기 인공경량잔골재는 석탄회와 준설토를 혼합 및 소성하여 제조한 것으로서, 입경 5㎜ 미만, SiO2와 Al2O3의 합산 함량 80wt% 초과, 밀도 1.8g/㎤ 미만이며, 레미콘 회수수에 22~26시간 동안 프리웨팅(pre-wetting)시킨 후 표건상태로 조정하여 혼합한 것을 특징으로 하는 고강도 경량 모르타르 조성물」을 제공한다.
상기 프리웨팅에 사용된 레미콘 회수수는 고형분이 7.5~10.0wt%인 것을 적용함으로써 재령 28일 압축강도 45MPa 이상이 발현되도록 할 수 있다.
또한, 상기 레미콘 회수수를 배합수로도 적용할 수 있으며, 상기 프리웨팅을 위한 침지수로 적용된 고형분 7.5~10.0wt%의 레미콘 회수수를 그대로 배합수로 적용함으로써 재령 28일 압축강도 50MPa 이상이 발현되도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면 다음의 효과를 기대할 수 있다.
1. 레미콘 회수수를 인공경량잔골재의 프레웨팅을 위한 침지수로 활용함에 따라 경량 모르타르 조성물의 재령 28일 압축강도가 45MPa 이상 발현되도록 할 수 있다.
2. 레미콘 회수수를 배합수로 적용함으로써 경량 모르타르 조성물의 재령 28일 압축강도가 50MPa 이상 발현되도록 할 수 있다.
3. 특별한 용처 없이 중화처리 후 폐기되어 온 레미콘 회수수를 고강도 경량 모르타르 조성물 수득을 위한 자원으로 활용할 수 있다.
본 발명은 「배합수 140~180kg/㎥, 시멘트 320~450kg/㎥ 및 인공경량잔골재 500~700kg/㎥, 물시멘트비 35~45wt%%로 배합되되, 상기 인공경량잔골재는 석탄회와 준설토를 혼합 및 소성하여 제조한 것으로서, 입경 5㎜ 이하, SiO2와 Al2O3의 합산 함량 80wt% 초과, 밀도 1.8g/㎤ 미만이며, 레미콘 회수수에 22~26시간 동안 프리웨팅(pre-wetting)시킨 후 표건상태로 조정하여 혼합한 것을 특징으로 하는 고강도 경량 모르타르 조성물」을 제공한다.
1. 원재료
본 발명은 인공경량잔골재와 레미콘 회수수를 이용하여 고강도 경량 모르타르 조성물을 도출해낸 것이다. 상기 인공경량잔골재와 레미콘 회수수의 세부 내용은 다음과 같다. 결합재로는 1종보통포틀랜드시멘트를 적용하였다.
(1) 인공경량잔골재
콘크리트 표준시방서에 의하면 경량골재는“팽창성 혈암, 팽창성 점토, 플라이애시 등을 주원료로 하여 공장에서 제조 소성하여 깨끗하고, 강하고, 내구적이며, 적당한 입도 및 단위질량을 가져야 하고, 콘크리트 및 강재에 나쁜 영향을 주는 유해물질을 함유해서는 안되며, 품질의 변동이 작은 것이어야 한다”고 규정되어 있다. 이러한 경량골재의 분류는 주로 화산암, 경석, 응회암 등 자연상태로 경량인 천연경량골재와 고로 슬래그, 점토, 규조토, 점판암, 석탄재 등을 원료로 하여 소성, 팽창시킨 인공경량골재로 구분된다. 또한 인공경량골재는 다공질의 특성으로 인해 중량이 일반골재에 비해 가벼울 뿐만 아니라 방습, 방음, 흡음, 단열효과 등이 우수하다. 이에 따라 국내·외에서는 인공경량골재에 대한 성능향상 및 최적 배합설계에 대한 연구가 진행 중이다. 아래 [참고도 1]은 인공경량골재의 공극 구조를 나타낸 것이다.
[참고도 1]
Figure pat00001
본 발명에 적용되는 인공경량잔골재는 석탄회와 준설토를 혼합 및 소성하여 제조된 인공경량골재 중 입경 5㎜ 이하의 골재가 선별된 것으로서, SiO2와 Al2O3의 합산 함량이 80wt%를 초과하고, 밀도는 1.8g/㎤ 미만이다.
일반적으로 골재에 SiO2와 Al2O3 성분이 다량 함유된 경우에는 알칼리 골재 반응이 문제된다. 알칼리 골재 반응은 시멘트 중의 알칼리 성분(Na2O, K2O)과 골재 중에 포함되는 반응성 실리카가 물의 존재하에서 반응하여 알칼리 실리케이트 겔을 생성하여 팽창을 일으키는 현상으로서, 콘크리트 내구성 저하의 원인이 되므로 통상적인 기술 상식으로는 반드시 억제해야 하는 반응이라 할 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 석탄회와 준설토를 혼합, 소성함으로써 일반 모래보다 밀도가 낮은 다공성의 인공경량잔골재를 제조한 것인데, 전술한 알칼리 골재 반응이 일어나더라도 생성되는 알칼리 실리케이트 겔은 주로 인공경량골재의 공극(알칼리 골재 반응이 일어나는 인공경량골재 자신의 공극 또는 인접한 인공경량골재의 공극)에 채워지게 되므로, 골재의 부피팽창은 일어나지 않고 오히려 내밀화가 이루어지게 된다.
아래 [표 1]는 본 발명에 적용된 인공경량잔골재를 일부 채취하여 구성성분을 분석한 결과이고, [표 2]는 상기 인공경량잔골재의 물리적 성질을 일반 모래와 비교하여 나타낸 것이다.
성분 함량(wt%)
SiO2 65.70
Al2O3 16.90
Fe2O3 6.64
CaO 2.62
MgO 1.44
K2O 2.14
구 분 조립율(FM) 밀도(g/cm3) 흡수율(%)
일반 모래 2.89 2.6 1.00
인공경량잔골재
(입경 5mm 이하)		 4.61 1.77 8.71
(2) 레미콘 회수수
레미콘 회수수란 레미콘 운반차량, 믹서 등의 세척수에서 골재를 침전시킨 후 상부에 남은 물을 말한다.
본 발명에서는 아래 [참고사진 1]과 같은 성상의 레미콘 회수수를 사용한다. 다만 공장에 따라 배출되는 레미콘 회수수의 농도(함유된 고형분의 농도) 및 성분이 다양하므로, 본 발명에서는 1종보통포틀랜드시멘트를 결합재로 적용한 레미콘 운반차량, 믹서 등에서 배출된 세척수를 기준으로 고형분(주로 시멘트 분말) 함량에 따라 실시예를 구분하였다.
본 발명에서는 수집된 레미콘 회수수를 건조 및 분말화시킨 후 소요 농도에 맞추어 물에 혼합시키는 방식으로 실시예별로 고형분 함량을 조절하여 관련 실험을 진행하였는데, 물과 시멘트의 비중과 단위 체적당 중량 데이터에 기초하여 고형분의 함량을 산출하고, 소요 농도에 맞추어 물을 첨가하는 방식으로 고형분 함량을 조절할 수도 있다.
Figure pat00002
2. 실험방법
본 발명에서는 위와 같은 인공경량잔골재와 레미콘 회수수를 이용하여 고강도 경량 모르타르 조성물을 도출하기 위한 것으로서, 상기 레미콘 회수수를 상기 인공경량잔골재의 프레웨팅에만 이용하는 예(Series Ⅰ)와 상기 레미콘 회수수를 상기 인공경량잔골재의 프리웨팅에도 이용하고, 배합수로도 이용하는 예(Series Ⅱ)를 구분하여 모르타르 플로우와 재령별 압축강도를 실험하였다.
(1) 모르타르 배합
아래 [표 3]은 위와 같은 실험에 적용된 경량 모르타르의 배합표이다.
Series Sludge concentration(wt%) W/C
(%)		 Unit weight(kg/㎤)
pre-wetting water compound water W C LS Sludge


Ⅰ		 1-1 0.0 -

42

144

320

519		 -
1-2 2.5 - -
1-3 5.0 - -
1-4 7.5 - -
1-5 10.0 - -


Ⅱ		 2-1 0.0

42

144

320

519		 0.0
2-2 2.5 3.6
2-3 5.0 7.2
2-4 7.5 10.8
2-5 10.0 14.4
(2) 프리웨팅
상기 인공경량잔골재(LS)는 일반 모래에 비하여 물을 흡수하기 쉬우므로 이를 건조한 상태로 사용하면 콘크리트의 비비기, 운반, 타설 중에 품질이 변동하기 쉬우므로 충분히 물을 흡수시킨 상태로 사용하여야 한다.
다만, 침지시간(프리웨팅 시간)이 과도하게 길어지면 모르타르 플로우 및 압축강도가 감소하는 경향이 있으므로, 프리웨팅 기간은 22~26시간으로 제한하는 것이 바람직하다. 본 발명의 모든 시험예들은 모두 상기 인공경량잔골재를 24시간 프리웨팅시킨 후 KS F 2529 "구조용 경량 잔골재의 밀도 및 흡수율 시험방법" 규정에 준하여 표건상태로 조정하여 실험을 진행하였다.
Series Ⅰ에서는 상기 레미콘 회수수의 고형분(슬러지) 함량을 0.0, 2.5, 5.0, 7.5, 10.0wt% 농도에 맞추어 침지수(pre-wetting water)로 적용하였고, Series Ⅱ에서는 상기 침지수 각각을 배합수로 적용하였다.
(3) 시험체 제작 및 양생
모르타르 시험체는 50×50×50㎜ 큐빅형 몰드로 제작하여 실험예별로 모르타르 조성물을 타설하고 24시간 후 탈형하여 소요 재령까지 40℃ 고온 양생을 실시하였다.
3. 실험결과
위와 같은 방법으로 진행된 실험의 측정항목은 KS L 5105 "수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법"에 준하여 모르타르 플로우 및 재령 7, 14, 28일 압축강도를 측정하였다. 실험결과는 다음과 같다.
(1) 모르타르 플로우
아래 [그래프 1]은 실험 Series Ⅰ 각 실험예의 모르타르 플로우를 나타낸 것으로 모든 실험예에서 180~215㎜ 수준의 플로우값을 나타내었다. 레미콘 회수수의 고형분 함량별 모르타르 플로우 변화에 일정한 경향성이 발견되지는 않았다. Series Ⅰ의 배합수는 일반 물이므로 레미콘 회수수를 침지수로 적용한 것에 따른 영향이 미미한 것으로 보인다. 레미콘 회수수의 고형분 함량이 7.5wt%인 실험예 1-4에서 가장 높은 플로우 값이 나타났다.
[그래프 1]
Figure pat00003
아래 [그래프 2]는 실험 Series Ⅱ는 각 실험예의 모르타르 플로우를 나타낸 것으로 모든 실험예에서 155~205㎜ 수준의 플로우값을 나타내었다. 레미콘 회수수의 고형분 함량이 증가할수록 모르타르 플로우는 감소하는 경향이 나타났다. 배합수에 함유된 고형분이 모르타르 플로우에 영향을 미치는 것으로 파악된다. 다만, 레미콘 회수수의 고형분 함량이 7.5wt%에서 10.0wt%로 증가하더라도 모르타르 플로우가 감소하지 않았으며, 배합수로 적용된 레미콘 회수수의 고형분 함량 10.0wt%까지는 적정 범위 내의 유동성이 발현된다고 볼 수 있다.
[그래프 2]
Figure pat00004
(2) 압축강도
아래 [그래프 3]은 실험 Series Ⅰ 각 실험예의 재령별 압축강도를 나타낸 것이다. 재령 7일 압축강도는 모든 실험예에서 36~38MPa 정도로 유사하게 나타났으며, 재령 14일의 경우에도 마찬가지로 모든 실험예에서 37~39MPa의 유사한 압축강도가 발현되었다. 재령 28일 압축강도는 실험예 1-4 및 실험예 1-5에서 압축강도 46MPa이 발현되어, 침지수로 레미콘 회수수를 사용하지 않은 실험예 1-1에 비해 약 5% 높은 압축강도를 나타내었다
결과적으로, 고형분(시멘트 슬러지) 함량이 7.5~10.0wt%인 레미콘 회수수를 침지수로 적용하는 경우 초기 강도는 레미콘 회수수를 사용하지 않은 경우와 동등한 수준으로 발현되고, 장기 강도는 다소 높게 발현된다고 볼 수 있다.
[그래프 3]
Figure pat00005
아래 [그래프 4]는 실험 Series Ⅱ 각 실험예의 재령별 압축강도를 나타낸 것이다. 재령 7일의 경우 실험예 2-1, 2-2 및 2-3에서 약 33MPa의 유사한 압축강도가 발현되었으며, 실험예 2-4 및 2-5에서는 실험예 2-1에 비해 약 20% 높은 압축강도가 발현되었다. 재령 14일의 경우 실험예 2-1, 2-2 및 2-3에서 39~41MPa의 유사한 압축강도가 발현되었으며, 실험예 2-4에서 약 45MPa로 가장 높은 압축강도가 발현되었다. 실험예 2-5 역시 압축강도 45MPa로 실험예 2-1보다는 높게 발현되었다. 재령 28일의 경우 실험예 2-4 및 2-5에서 약 51MPa 수준의 높은 압축강도가 발현되었으며, 이는 실험예 2-1에 비해 약 14% 가량 높게 나타난 것이다.
[그래프 4]
Figure pat00006
결과적으로, 침지수로 사용된 고형분(시멘트 슬러지) 함량이 7.5~10.0wt%인 레미콘 회수수를 그대로 배합수로 적용하는 경우 고형분이 모르타르 매트릭스 내의 미세 공극에 충전됨에 따라 재령별 압축강도가 향상되는 것으로 파악되나, 시멘트 슬러지인 고형분 자체의 경화성능 발현 가능성이 있으므로 이에 대한 후속 연구 진행이 요망된다.
또한, 상기 레미콘 회수수의 고형분 함량이 10.0wt%를 초과하는 경우 재령별 압축강도가 소폭 향상될 가능성은 있으나 유동성 손실이 커지고, 레미콘 회수수의 고형분이 결합재로 적용되는 시멘트의 3wt% 이하로 사용되는 것이 바람직하므로 상기 레미콘 회수수의 고형분 함량은 10.0wt% 이하로 제한한다.
본 발명은 위에서 언급한 바와 같이 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. 배합수 140~180kg/㎥, 시멘트 320~450kg/㎥ 및 인공경량잔골재 500~700kg/㎥, 물시멘트비 35~45wt%%로 배합되되,
    상기 인공경량잔골재는 석탄회와 준설토를 혼합 및 소성하여 제조한 것으로서, 입경 5㎜ 이하, SiO2와 Al2O3의 합산 함량 80wt% 초과, 밀도 1.8g/㎤ 미만이며, 레미콘 회수수에 22~26시간 동안 프리웨팅(pre-wetting)시킨 후 표건상태로 조정하여 혼합한 것을 특징으로 하는 고강도 경량콘크리트 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 프리웨팅을 위한 침지수로 사용된 레미콘 회수수는 고형분이 7.5~10.0wt%인 것을 특징으로 하는 고강도 경량콘크리트 조성물.
  3. 제2항에서,
    상기 배합수로 레미콘 회수수를 적용하는 것을 특징으로 하는 고강도 경량콘크리트 조성물.
  4. 제3항에서,
    상기 침지수로 사용된 레미콘 회수수를 그대로 상기 배합수로 적용하는 것을 특징으로 하는 고강도 경량콘크리트 조성물.
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