KR20210022783A - 수화 경화체 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
피로 내구성이 우수한 수화 경화체 및 그의 제조 방법을 제공한다. 상기 수화 경화체는, 제강 슬래그를 함유하는 골재와, 수화 반응에 의해 경화하는 결합재와, 물을 함유하는 혼련물을 경화시켜 이루어지는 수화 경화체로서, 상기 골재의 최대 치수가 5㎜ 이상 60㎜ 이하이고, 상기 골재의 조골재의 실적률이 50체적％ 이상이고, 상기 수화 경화체의 용적 전체에 차지하는 상기 골재의 용적률이 55체적％ 이상이다.
Description
본 발명은, 수화 경화체(hydrated hardened body) 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 콘크리트나 모르타르 등의 수화 경화체가 알려져 있다. 수화 경화체는, 일반적으로는, 천연 쇄석이나 산사(山砂) 등의 입도가 상이한 골재(세골재 및 조골재)와, 시멘트 등의 수화 반응에 의해 경화하는 결합재와, 물을 함유하는 혼련물을 경화시켜 얻어진다.
이러한 수화 경화체로서, 제강 슬래그를 함유하는 골재를 이용한 수화 경화체(이하, 「제강 슬래그 수화 경화체」라고도 함)가 알려져 있어(예를 들면, 특허문헌 1을 참조), 항만 토목 재료, 노반재 등에 사용되고 있다.
제강 슬래그는, 철분을 많이 포함하는 고비중이며 경질인 물질이고, 게다가 여러 가지의 입도를 갖고 있기 때문에, 세골재나 조골재로서 사용할 수 있다. 제강 슬래그 수화 경화체를 항만 토목 재료(예를 들면, 소파 블록(wave dissipating block)이나 어초 블록(fish reef block))에 사용하는 경우는, 그 비중을 향상할 수 있는 점에서, 제강 슬래그 수화 경화체는, 항만 토목 재료에 적합한 재료라고 할 수 있다.
수화 경화체를, 예를 들면 항만 토목 재료나 노반재로서 사용하는 경우, 수화 경화체에 대해서는, 역학적인 응력이 계속적으로 또한 반복하여 가해져, 수화 경화체가 피로(fatigue)해진다. 이 때문에, 수화 경화체에는, 강도나 비중 등의 물성과 함께, 우수한 피로 내구성도, 중요한 특성으로서 요구된다.
본 발명은, 이상의 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 피로 내구성이 우수한 수화 경화체 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 제강 슬래그를 함유하는 골재로서 특정 조건을 만족하는 골재를 이용함으로써, 얻어지는 수화 경화체의 피로 내구성이 양호해지는 것을 발견하여, 본 발명을 완성시켰다.
즉, 본 발명은, 이하의 [1]∼[6]을 제공한다.
[1] 제강 슬래그를 함유하는 골재와, 수화 반응에 의해 경화하는 결합재와, 물을 함유하는 혼련물을 경화시켜 이루어지는 수화 경화체로서, 상기 골재의 최대 치수가 5㎜ 이상 60㎜ 이하이고, 상기 골재의 조골재의 실적률(solid content ratio)이 50체적％ 이상이고, 상기 수화 경화체의 용적 전체에 차지하는 상기 골재의 용적률이 55체적％ 이상인, 수화 경화체.
[2] 상기 결합재가, 고로 슬래그 미분말 및 포틀랜드(Portland) 시멘트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 상기 [1]에 기재된 수화 경화체.
[3] 상기 결합재가, 실리카 퓸(silica fume) 및 플라이 애시(fly ash)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 수화 경화체.
[4] 제강 슬래그를 함유하는 골재와, 수화 반응에 의해 경화하는 결합재와, 물을 함유하는 혼련물을 경화시켜 수화 경화체를 얻는, 수화 경화체의 제조 방법으로서, 상기 골재의 최대 치수가 5㎜ 이상 60㎜ 이하이고, 상기 골재의 조골재의 실적률이 50체적％ 이상이고, 상기 수화 경화체의 용적 전체에 차지하는 상기 골재의 용적률이 55체적％ 이상인, 수화 경화체의 제조 방법.
[5] 상기 결합재가, 고로 슬래그 미분말 및 포틀랜드 시멘트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 상기 [4]에 기재된 수화 경화체의 제조 방법.
[6] 상기 결합재가, 실리카 퓸 및 플라이 애시로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 상기 [4] 또는 [5]에 기재된 수화 경화체의 제조 방법.
본 발명에 의하면, 피로 내구성이 우수한 수화 경화체 및 그의 제조 방법을 제공할 수 있다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
[수화 경화체]
본 발명의 수화 경화체는, 제강 슬래그를 함유하는 골재와, 수화 반응에 의해 경화하는 결합재와, 물을 함유하는 혼련물을 경화시켜 이루어지는 수화 경화체로서, 상기 골재의 최대 치수가 5㎜ 이상 60㎜ 이하이고, 상기 골재의 조골재의 실적률이 50체적％ 이상이고, 상기 수화 경화체의 용적 전체에 차지하는 상기 골재의 용적률이 55체적％ 이상인, 수화 경화체이다.
본 발명의 수화 경화체는, 피로 내구성이 우수하다. 그 이유는, 다음과 같이 생각된다.
수화 경화체는, 역학적인 응력이 반복하여 가해짐으로써 「피로」해져, 균열 등이 발생할 수 있다. 본 발명의 수화 경화체는, 골재가 적절히 충전되어 있어, 이것이 균열의 발생 및 진행을 막는 역할을 다한다는 점에서, 피로 내구성이 우수하다고 추측된다.
본 발명의 수화 경화체는 피로 내구성이 우수하기 때문에, 예를 들면, 항만 토목 재료나 노반재로서 적합하게 사용할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 수화 경화체를 설명하면서, 본 발명의 수화 경화체의 제조 방법에 대해서도, 아울러 설명을 행한다.
〔골재〕
본 발명에 사용하는 골재(이하, 편의상 「본 발명에 있어서의 골재」라고 함)는, 제강 슬래그를 함유한다. 본 발명에 있어서의 골재는, 제강 슬래그 외에, 종래 공지의 천연 쇄석, 산사; 고로 서랭 슬래그, 고로 수쇄 슬래그 세골재(예를 들면, JIS A 5011-1 「콘크리트용 슬래그 골재-제1부: 고로 슬래그 골재」로 규정되는 것 등. 단, JIS 외품(外品)이라도 좋음); 콘크리트용 재생 골재(예를 들면, JIS A 5021 「콘크리트용 재생 골재 H」, JIS A 5022 「재생 골재 M을 이용한 콘크리트」, JIS A 5023 「재생 골재 L을 이용한 콘크리트」로 규정되는 것 등. 단, JIS 외품이라도 좋음); 등의 골재를 함유하고 있어도 좋다.
제강 슬래그를 유효 이용하는 관점에서, 본 발명에 있어서의 골재 중, 제강 슬래그가 차지하는 체적 비율(용적 비율)은, 50체적％ 이상이 바람직하고, 75체적％ 이상이 보다 바람직하고, 100체적％가 더욱 바람직하다.
제강 슬래그로서는, 전로, 전기로, 혼선차 등에서 발생한 슬래그뿐만 아니라, 용선 예비 처리 슬래그나 스테인리스 정련시에 발생하는 T.Cr≥0.5질량％ 함유 슬래그 등도 이용할 수 있다. 에이징 처리된 제강 슬래그를 이용할 수도 있고, 그 에이징 방법은 묻지 않지만, 수침 팽창비가 0.5％ 이하인 것이 바람직하다. 고비용이 되기는 하지만, 제강 슬래그의 일부로서, 풍쇄(air-granulated) 처리된 제강 슬래그를 이용할 수도 있다.
골재는, 세골재와 조골재로 분류된다. JIS A 0203:2014에 기재된 대로, 세골재는, 10㎜ 그물체(mesh sieve)를 전부 통과하고, 5㎜ 그물체를 질량으로 85％ 이상 통과하는 골재(개략적으로는, 5㎜ 미만의 골재)이다. 한편, 조골재는, 5㎜ 그물체에 질량으로 85％ 이상 머무는 골재(개략적으로는, 5㎜ 이상의 골재)이다.
<최대 치수>
본 발명에 있어서의 골재의 최대 치수는, 5㎜ 이상 60㎜ 이하이다. 따라서, 본 발명에 있어서의 골재는, 적어도 조골재를 포함한다.
여기에서, 골재의 최대 치수란, JIS A 0203:2014에 기재된 대로, 질량으로 골재의 90％ 이상이 통과하는 체(sieve) 중, 최소 치수의 체의 공칭 치수(nominal size)로 나타나는 치수이다.
공칭 치수와 체 눈금 간격의 관계는, JIS A 1102:2014, 그리고, JIS Z 8801-1:2006, JIS Z 8801-2:2000 및, JIS Z 8801-3:2000에 기재되어 있고, 예를 들면, 공칭 치수 40㎜는 체 눈금 간격 37.5㎜에 대응한다. 따라서, 예를 들면, 최대 치수 40㎜의 제강 슬래그란, 체 눈금 간격 37.5㎜를 90질량％ 이상 통과하고, 또한, 체 눈금 간격 31.5㎜를 통과하는 것이 90질량％ 미만인 제강 슬래그를 말한다.
본 발명에 있어서의 골재의 최대 치수는, 본 발명의 수화 경화체의 피로 내구성이 보다 우수하다는 이유에서, 10㎜ 이상 60㎜ 이하가 바람직하다.
본 발명의 수화 경화체는, 본 발명에 있어서의 골재와는 별도로, 최대 치수가 60㎜를 초과하는 골재를 함유하고 있어도 좋다.
<실적률>
본 발명에 있어서의 골재의 조골재의 실적률은, 50체적％ 이상이다. 이에 따라, 본 발명의 수화 경화체는, 피로 내구성이 우수하다. 여기에서 규정하고 있는 실적률은, 본 발명에 있어서의 골재의 「조골재」의 실적률이며, 본 발명에 있어서의 골재의 「세골재」의 실적률은 특별히 한정되지 않는다.
실적률은, JIS A 1104:2006에 기재되어 있고, 개략적으로는, 단위 용적에 차지하는 골재 정미(正味)의 용적 비율을 의미한다.
본 발명에 있어서의 골재의 조골재의 실적률은, 본 발명의 수화 경화체의 피로 내구성이 보다 우수하다는 이유에서, 55체적％ 이상이 바람직하다.
본 발명에 있어서의 골재의 조골재의 실적률은, 그 상한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 75체적％ 이하이고, 70체적％ 이하가 바람직하다.
<용적률>
본 발명의 수화 경화체의 용적 전체에 차지하는 본 발명에 있어서의 골재의 용적률이, 55체적％ 이상이다. 이에 따라, 본 발명의 수화 경화체는, 피로 내구성이 우수하다. 여기에서 규정하고 있는 용적률은, 조골재뿐만 아니라, 세골재도 포함하는 개념이다.
골재의 용적률은, 이하와 같이 하여 산출한다. 우선, 수화 경화체를 구성하는 물, 골재(조골재 및 세골재), 결합재 및 공기 등의 재료의 각각의 용적률을 결정한다. 다음으로, 각 재료의 용적률 및 밀도를 기초로 계산한 배합으로 반죽 시험을 행한다. 반죽 후에 수화 경화체 중의 공기량(단위: 체적％)을 실측하고, 골재를 포함하는 각 재료의 실제의 용적률을 산출한다.
본 발명에 있어서의 골재의 용적률은, 본 발명의 수화 경화체의 피로 내구성이 보다 우수하다는 이유에서, 55체적％ 초과가 바람직하고, 57체적％ 이상이 보다 바람직하다.
한편, 상한은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 80체적％ 이하이고, 75체적％ 이하가 바람직하다.
<세골재율(s/a)>
본 발명에 있어서의 골재의 세골재율은, 특별히 한정되지 않지만, 체적％로, 예를 들면, 30∼60％이고, 35∼55％가 바람직하다.
세골재율이란, 골재에 대한 세골재의 비율이며, 「s/a」라고도 표기한다.
본 발명에 있어서의 골재의 배합량은, 특별히 한정되지 않고, 통상의 콘크리트나 모르타르와 동일해도 좋지만, 예를 들면, 1200∼3000㎏/㎥이고, 1400∼2500㎏/㎥가 바람직하다.
본 명세서에 있어서, 「배합량」은, 수화 경화체의 단위 체적(1㎥)당의 배합량(㎏)이다(이하, 동일).
〔결합재〕
본 발명에 사용하는, 수화 반응에 의해 경화하는 결합재(이하, 편의상 「본 발명에 있어서의 결합재」라고도 함)로서는, 특별히 한정되지 않고, 종래 공지의 결합재를 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서의 결합재의 배합량은, 합계로, 예를 들면, 300∼800㎏/㎥이고, 350∼700㎏/㎥가 바람직하다.
본 발명에 있어서의 결합재로서는, 예를 들면, 고로 슬래그 미분말 및 포틀랜드 시멘트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는 결합재를 적합하게 들 수 있다. 그 배합량은, 합계로, 예를 들면, 200∼700㎏/㎥이고, 300∼680㎏/㎥가 바람직하다.
고로 슬래그 미분말로서는, 예를 들면, JIS A 6206:2013으로 규정되는 콘크리트용 고로 슬래그 미분말을 들 수 있다.
포틀랜드 시멘트로서는, 예를 들면, JIS R 5210:2009로 규정되는 포틀랜드 시멘트를 들 수 있다.
본 발명에 있어서의 결합재는, 상기 고로 슬래그 미분말 등과 병용하고, 또는, 상기 고로 슬래그 미분말 등과는 별도로, 실리카 퓸 및 플라이 애시로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함해도 좋다. 그 배합량은, 합계로, 예를 들면, 0∼300㎏/㎥이고, 0∼250㎏/㎥가 바람직하다.
실리카 퓸으로서는, 예를 들면, JIS A 6207:2011로 규정되는 콘크리트용 실리카 퓸을 들 수 있다.
플라이 애시로서는, 예를 들면, 석탄 화력 발전으로 발생하는 플라이 애시를 들 수 있고, JIS A 6201:2015로 규정되는 콘크리트용 플라이 애시, 또는, 플라이 애시 원분(原粉)이 바람직하다.
〔물〕
본 발명에 사용하는 물은, 특별히 한정되지 않는다. 물의 배합량은, 예를 들면, 100∼350㎏/㎥이고, 120∼300㎏/㎥가 바람직하다.
〔그 외의 성분〕
본 발명에 있어서는, 추가로, 그 외의 성분을 사용해도 좋다.
예를 들면, 아직 굳어지지 않은 수화 경화체의 워커빌리티(workability)를 확보하기 위해, 콘크리트에 통상 이용되고 있는 감수제 등의 혼화제를 사용해도 좋다.
혼화제를 사용하는 경우, 그 배합량은, 예를 들면, 0∼10000g/㎥이고, 0∼7000g/㎥가 바람직하다.
〔공기량〕
본 발명에 있어서, 공기량은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 체적％로, 0.5∼10％이고, 1∼8％가 바람직하다.
〔혼련 및 경화〕
본 발명에 있어서는, 전술한 성분을 배합한 조성물을 혼련하여 혼련물을 조제하고, 이 혼련물을 경화시켜, 본 발명의 수화 경화체를 얻는다.
본 발명의 수화 경화체를 얻는 데에 있어서의 혼련, 타설(打設), 성형, 양생(養生) 등은, 통상의 콘크리트나 모르타르의 경우와 동일해도 좋다. 경화에 관해서도 특별히 한정되지 않지만, 조기에 경화시키는 경우에는, 콘크리트의 경우와 동일하게, 증기나 오토클레이브(autoclave)에 의한 처리를 행하면 좋다.
실시예
이하에, 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
<비교예 1∼5 및 발명예 1∼15>
하기표 1의 배합으로 믹서를 이용하여 혼련하고, 혼련물을, 10㎝×10㎝×40㎝의 형틀에 성형했다. 성형물을 2일 후에 틀로부터 빼내, 20℃ 물 중에서 28일 양생하여, 수화 경화체를 얻었다.
골재로서는, 제강 슬래그를 사용했다. 보다 상세하게는, 비교예 1∼5 및 발명예 1∼8에서는 용선 예비 처리 슬래그를 사용하고, 발명예 9∼15에서는 전로 슬래그를 사용했다.
고로 슬래그 미분말로서는, JIS A 6206:2013으로 규정되는 콘크리트용 고로 슬래그 미분말을 사용했다. 포틀랜드 시멘트로서는, JIS R 5210:2009로 규정되는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용했다. 실리카 퓸으로서는, JIS A 6207:2011로 규정되는 콘크리트용 실리카 퓸을 사용했다. 플라이 애시로서는, JIS A 6201:2015로 규정되는 콘크리트용 플라이 애시를 사용했다.
<피로 내구성의 평가>
얻어진 수화 경화체에 대해서, 굽힘 피로 시험을 행했다. 재하(載荷: loading) 방법은, 3등분점 재하로 했다. 재하 조건은, 상한 응력(응력 강도비)을 JIS A 1106:2006의 굽힘 강도 시험 방법으로 측정한 굽힘 강도의 60％로 하고, 하한 응력을 상한 응력의 5％로 했다. 반복 재하 속도는, 주파수 7㎐로 했다.
이들 조건으로 수화 경화체에 반복하여 재하하고, 파괴가 일어날 때까지의 횟수를 구하고, 이를 굽힘 피로 수명으로 했다. 이 횟수가 1×104회를 초과하는 경우에는, 피로 내구성이 우수한 것으로서 평가할 수 있다.
상기표 1 및 도 1에 나타난 결과로부터 분명한 바와 같이, (1) 골재의 최대 치수가 5㎜ 이상 60㎜ 이하이고, (2) 골재의 조골재의 실적률이 50체적％ 이상이고, (3) 골재의 용적률이 55체적％ 이상인 발명예 1∼15는, 피로 내구성이 양호했다.
발명예 1∼15를 대비하면, 조골재의 실적률이 55체적％ 이상인 발명예 5 및 9∼15는, 조골재의 실적률이 55체적％ 이상이 아닌 발명예 1∼4 및 6∼8과 비교하여, 피로 내구성이 보다 양호했다.
이에 대하여, 상기 (1)∼(3) 중 하나 이상을 충족하지 않는 비교예 1∼5는, 피로 내구성이 뒤떨어져 있었다.
<비교예 6∼11 및 발명예 16∼21>
하기표 2의 배합으로 믹서를 이용하여 혼련하고, 혼련물을, 10㎝×10㎝×40㎝의 형틀에 성형했다. 성형물을 2일 후에 틀로부터 빼내, 20℃ 물 중에서 28일 양생하여, 수화 경화체를 얻었다.
골재로서는, 제강 슬래그 외에, 천연 쇄석, 산사, 고로 서랭 슬래그, 고로 수쇄 슬래그 세골재 및, 콘크리트용 재생 골재(이하, 간단히 「재생 골재」라고도 표기함)를 사용했다.
제강 슬래그 이외의 골재로서 보다 상세하게는, 비교예 6∼7 및 발명예 16∼17에서는 천연 쇄석 및 산사를 사용하고, 비교예 8∼9 및 발명예 18∼19에서는 고로 서랭 슬래그 및 고로 수쇄 슬래그 세골재를 사용하고, 비교예 10∼11 및 발명예 20∼21에서는 콘크리트용 재생 골재를 사용했다. 제강 슬래그로서는 용선 예비 처리 슬래그를 사용했다.
고로 슬래그 미분말로서는, JIS A 6206:2013으로 규정되는 콘크리트용 고로 슬래그 미분말을 사용했다. 포틀랜드 시멘트로서는, JIS R 5210:2009로 규정되는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용했다. 플라이 애시로서는, JIS A 6201:2015로 규정되는 콘크리트용 플라이 애시를 사용했다.
<피로 내구성의 평가>
얻어진 수화 경화체에 대해서, 굽힘 피로 시험을 행했다. 재하 방법은, 3등분점 재하로 했다. 재하 조건은, 상한 응력(응력 강도비)을 JIS A 1106:2006의 굽힘 강도 시험 방법으로 측정한 굽힘 강도의 60％로 하고, 하한 응력을 상한 응력의 5％로 했다. 반복 재하 속도는, 주파수 7㎐로 했다.
이들 조건으로 수화 경화체에 반복하여 재하하고, 파괴가 일어날 때까지의 횟수를 구하고, 이를 굽힘 피로 수명으로 했다. 이 횟수가 1×104회를 초과하는 경우에는, 피로 내구성이 우수한 것으로서 평가할 수 있다.
상기표 2에 나타내는 결과로부터 분명한 바와 같이, (1) 골재의 최대 치수가 5㎜ 이상 60㎜ 이하이고, (2) 골재의 조골재의 실적률이 50체적％ 이상이고, (3) 골재의 용적률이 55체적％ 이상인 발명예 16∼21은, 피로 내구성이 양호했다.
이에 대하여, 상기 (1)∼(3) 중 하나 이상을 충족하지 않는 비교예 6∼11은, 피로 내구성이 뒤떨어져 있었다.
Claims (6)
- 제강 슬래그를 함유하는 골재와, 수화 반응에 의해 경화하는 결합재와, 물을 함유하는 혼련물을 경화시켜 이루어지는 수화 경화체로서,
상기 골재의 최대 치수가 5㎜ 이상 60㎜ 이하이고,
상기 골재가, 세골재 및 조골재를 포함하고,
상기 세골재는, 10mm 그물체를 전부 통과하고, 5mm 그물체를 질량으로 85% 이상 통과하는 골재이고,
상기 조골재는, 5mm 그물체에 질량으로 85% 이상 머무는 골재이고,
상기 골재의 조골재의 실적률이 50체적％ 이상이고,
상기 수화 경화체의 용적 전체에 차지하는 상기 골재의 용적률이 55체적％ 이상 65체적% 이하인, 피로 내구성이 우수한 수화 경화체. - 제1항에 있어서,
상기 결합재가, 고로 슬래그 미분말 및 포틀랜드 시멘트(Portland cement)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 수화 경화체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 결합재가, 실리카 퓸(silica fume) 및 플라이 애시(fly ash)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 수화 경화체. - 제강 슬래그를 함유하는 골재와, 수화 반응에 의해 경화하는 결합재와, 물을 함유하는 혼련물을 경화시켜 수화 경화체를 얻는, 수화 경화체의 제조 방법으로서,
상기 골재의 최대 치수가 5㎜ 이상 60㎜ 이하이고,
상기 골재가, 세골재 및 조골재를 포함하고,
상기 세골재는, 10mm 그물체를 전부 통과하고, 5mm 그물체를 질량으로 85% 이상 통과하는 골재이고,
상기 조골재는, 5mm 그물체에 질량으로 85% 이상 머무는 골재이고,
상기 골재의 조골재의 실적률이 50체적％ 이상이고,
상기 수화 경화체의 용적 전체에 차지하는 상기 골재의 용적률이 55체적％ 이상 65체적% 이하인, 피로 내구성이 우수한 수화 경화체의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 결합재가, 고로 슬래그 미분말 및 포틀랜드 시멘트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 수화 경화체의 제조 방법. - 제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 결합재가, 실리카 퓸 및 플라이 애시로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 수화 경화체의 제조 방법.
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