KR20210115978A - 패각을 소성하여 제조한 팽창성 콘크리트 혼화재, 이를 이용한 팽창성 콘크리트 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

팽창성 콘크리트 혼화재 및 이를 이용한 팽창성 콘크리트의 제조방법이 제공된다. 패각을 준비하는 단계, 상기 패각을 건조시키고 분쇄하여 패각 분말을 제조하는 단계, 상기 패각 분말을 소성시켜 소성된 패각 분말을 제조하는 단계, 및 상기 소성된 패각 분말을 팽창성 콘크리트 혼화재로 시멘트 및 물과 혼합하여 제조하는 단계를 포함하는 팽창성 콘크리트 혼화재 및 이를 이용한 팽창성 콘크리트를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

패각을 소성하여 제조한 팽창성 콘크리트 혼화재, 이를 이용한 팽창성 콘크리트 및 그 제조방법 {Expanded concrete admixtures prepared by firing shells, expandable concrete using the same, and method for manufacturing the same}
본 출원은 팽창성 콘크리트 혼화재에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 패각을 소성하여 제조한 팽창성 콘크리트 혼화재, 이를 이용한 팽창성 콘크리트 및 그 제조방법에 관련된 것이다.
경제발전과 더불어 사회기반 시설물이 증가하고 초고층, 저심도, 장대화되면서 설계, 구조, 시공 기술, 재료성능 면에서 점차 높은 성능이 요구되고 있다. 특히, 콘크리트 구조물의 구조적 안정성, 내구성, 미관 등을 고려한 균열하자 문제는 대부분 건설현장에서 지적 사항으로 대두하고 있다.
최근 국토교통부로부터 고시된 "공동추택 하자판정기준 개정(안), 2015년 10월"에 따르면 기존의 허용균열폭 0.3mm미만의 미세한 균열이라도 누수를 동반하거나, 철근 배치 위치의 균열 및 미관상 지장을 초래하는 경우에는 균열하자로 판정하고 있어서, 향후 건설현장에서 더욱 적극적인 콘크리트 균열하자에 대한 대처가 필요한 실정이다.
일반적으로 콘크리트의 균열은 소성수축, 건조수축, 화학수축, 자기수축, 수화열, 소성침하, 부동침하 및 조기시공 하중 등의 원인에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다. 이상의 균열원인 중 콘크리트의 수축 원인에 의한 균열 발생이 전체의 80%이상을 차지하고 있으며, 이러한 콘크리트 수축량은 부피의 0.04~0.06%를 차지한다고 보고되고 있다. 더욱이, 이러한 수축은 콘크리트의 안정성, 내구성에 큰 영향을 미치고 있어, 선진국들은 연구소와 기업을 중심으로 안정성, 내구성이 높은 콘크리트를 개발하기 위한 연구를 진행하고 있고, 국내에서도 연구소와 대학을 중심으로 수행되고 있다.
이에 따라, 콘크리트의 안정성, 내구성을 증진시킬 수 있는 팽창성 콘크리트 혼화재를 제조하기 위한 다양한 기술들이 연구되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허 등록 공보 KR 1013591870000(출원번호 KR 1020120120008 출원인: 주식회사 포스코)는, 기존 대비 초기강도 저하가 없으면서도 콘크리트의 수축량을 저감함으로써 콘크리트의 균열 발생이 적은 콘크리트 조성물 및 이로부터 얻어진 콘크리트 구조물에 관한 것으로, 결합재 320 내지 360kg/㎥, 잔 골재 700-900kg/㎥, 굵은 골재 800-1000kg/㎥ 및 물 150-170kg/㎥을 포함하며, 상기 결합재는 시멘트 또는 클링커 20-55wt%, 고로 수재슬래그 미분말 45-70wt% 및 선택적으로 플라이애쉬 30wt%이하를 포함하는 시멘트 혼화재 100중량부, 상기 시멘트 혼화재 100중량부에 대하여 탈황 슬래그 미분말 1-4중량부, 및 소결 탈황 더스트 0.2-1.5 중량부를 포함하는 수축 저감형 콘크리트 조성물을 제조하는 기술이 개시되어 있다. 이 밖에도, 팽창성 콘크리트 혼화재 및 팽창성 콘크리트의 제조방법에 관한 기술들이 지속적으로 연구되고 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고안정성을 가지는 팽창성 콘크리트 혼화재, 이를 이용한 팽창성 콘크리트 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 고내구성을 가지는 팽창성 콘크리트 혼화재, 이를 이용한 팽창성 콘크리트 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조공정이 간소화된 팽창성 콘크리트 혼화재, 이를 이용한 팽창성 콘크리트 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조비용이 절감된 팽창성 콘크리트 혼화재, 이를 이용한 팽창성 콘크리트 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고 신뢰성을 가지는 팽창성 콘크리트 혼화재, 이를 이용한 팽창성 콘크리트 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고품질을 가지는 팽창성 콘크리트 혼화재, 이를 이용한 팽창성 콘크리트 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 친환경적인 팽창성 콘크리트 혼화재, 이를 이용한 팽창성 콘크리트 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은, 팽창성 콘크리트의 제조방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 팽창성 콘크리트의 제조방법은, 패각을 준비하는 단계, 상기 패각을 건조시키고 분쇄하여 패각 분말을 제조하는 단계, 상기 패각 분말을 소성시켜 소성된 패각 분말을 제조하는 단계, 및 상기 소성된 패각 분말을 팽창성 콘크리트 혼화재로 시멘트 및 물과 혼합하여 팽창성 콘크리트를 제조하는 단계를 포함하는 팽창성 콘크리트를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 패각은 굴 패각을 포함하고, 상기 소성된 패각 분말은 산화칼슘(CaO)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소성된 패각 분말은, 산화칼슘(CaO) 외에, Na2O, MgO, Al2O3, SiO2, P2O5, Cl, K2O, MnO, Fe2O3, 및 SrO를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 패각 분말은, 700℃ 초과 1000℃ 이하에서 소성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 패각 분말은, 2시간 초과 4시간 미만 동안 소성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소성된 패각 분말을 시멘트 및 물과 혼합 시, 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 패각을 준비하는 단계는, 상기 패각에 용매를 제공하여, 상기 패각 내부 및 외부의 소금 및 이물질을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 패각은 전기로(electric furnace)를 이용하여 소성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 본 발명에 따른 팽창성 콘크리트는 패각을 소성하여 제조한 소성된 패각 분말을 포함할 수 있고, 상기 소성된 패각 분말은, 시멘트 모르타르의 질량에 대해 0wt% 초과 6wt% 미만의 비율로 혼합되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소성된 패각 분말을 포함한 상기 시멘트 모르타르에 대해 혼합된 상기 소성된 패각 분말의 비율이 3wt% 일 때, 최대값을 가지는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 팽창성 콘크리트의 제조방법은, 패각을 준비하고, 상기 패각을 건조시키고 분쇄하여 패각 분말을 제조하고, 상기 패각 분말을 소성시켜 소성된 패각 분말을 제조하고, 상기 소성된 패각 분말을 팽창성 콘크리트 혼화재로 시멘트 및 물과 혼합하여 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 팽창성 콘크리트 혼화재의 우수한 자기수축 억제 및 증가된 압축강도로 인해 안정성과 내구성을 가진 팽창성 콘크리트를 얻을 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따르면, 굴 패각을 소성하여 팽창성 콘크리트 혼화재가 제조될 수 있고, 이에 따라, 기존의 소재보다 친환경적인 방법으로 팽창성 콘크리트 혼화재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 팽창성 콘크리트를 제조하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실험 예에 따른, 세척한 굴 패각 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실험 예에 따른, 굴 패각 분말의 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실험 예에 따른, 소성된 굴 패각 분말의 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실험 예에 따른 굴 패각의 TGA(Thermogravimetric analysis) 및 DSC(differential scanning calorimeter)결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 소성된 패각 분말의 구성요소를 설명하기 위한 XRD 패턴 도면이다.
도 7은 본 발명의 실험 예에 따른, 72시간동안 측정한 실험 예 1, 3 및 5를 포함하는 시멘트 모르타르의 열량을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험 예에 따른 소성된 패각 분말을 포함한 팽창성 콘크리트의 테이블 플로우 실험의 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실험 예에 따른 시멘트 모르타르에 대해 0wt%, 3wt%, 6wt%, 9wt%, 및 12wt%의 비율로 소성된 패각 분말을 포함한 팽창성 콘크리트 표본의 압축강도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실험 예에 따른 소성된 패각 분말의 혼입량에 따른 팽창성 콘크리트 표본 자기수축 값의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실험 예에 따른, 소성된 패각 분말이 혼입된 시멘트 페이스트의 기공크기 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실험 예에 따른, 소성된 패각 분말을 포함하는 시멘트 페이스트의 XRD패턴을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 팽창성 콘크리트를 제조하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 세척된 패각이 준비된다(S100).
일 실시 예에 따르면, 세척된 상기 패각을 준비하는 단계는 상기 패각에 용매를 제공하여, 상기 패각 내부 및 외부의 소금 및 이물질을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로 세척된 상기 패각을 준비하는 단계는, 상기 패각의 표면을 솔질하는 단계, 상기 패각 내부 및 외부의 소금 및 이물질을 제거하기 위해 솔질한 상기 패각에 일주일 이상 물을 제공하여 세척하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시 예에 따르면 세척된 상기 패각은 상술된 방법 외에, 다른 방법으로 준비될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 세척된 상기 패각은 굴 패각일 수 있다. 또는 다른 실시 예에 따르면, 상기 패각은 조개, 가리비, 바지락, 소라, 전복의 패각일 수 있다.
도 1을 참조하면, 패각을 건조시키고 분쇄하여 패각 분말이 제조된다(S200).
상기 패각 분말을 제조하는 단계는, 상기 패각을 자연상태로 건조시키는 단계, 건조시킨 상기 패각을 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 패각류 파쇄기를 이용하여 패각 분쇄기의 입구에 상기 패각을 투입하고 회전시켜 상기 패각을 분쇄하는 방법을 포함할 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 패각 분말은 상술된 방법 외에, 다른 방법으로 제조될 수 있다.
도 1을 참조하면, 패각 분말을 소성시켜 소성된 패각 분말이 제조된다(S300).
일 실시 예에 따르면, 상기 패각 분말에 소성 공정이 수행될 수 있다. 소성 공정은 700℃ 초과 1000℃이하에서 수행될 수 있고, 2시간 초과 4시간 미만 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 1000℃에서 3시간 동안 소성 공정이 수행될 수 있고, 소성 공정 장치로 전기로(electric furnace)가 이용될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소성된 패각 분말은 일정 크기의 기공을 가진 체(sieve)를 통과할 수 있다. 예를 들어, 상기 소성된 패각 분말이 제조된 후, 상기 소성된 패각 분말의 온도를 상기 전기로(electric furnace) 내에서 서서히 하강시키고, 온도가 낮아진 상기 소성된 패각 분말을 150㎛의 크기의 구멍을 가진 체로 통과시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 패각 분말에 소성공정을 수행하여, 소성된 패각 분말을 제조할 때, 상기 패각 분말이 분해될 수 있다. 예를 들어, 상기 패각이 CaCO3를 포함하는 경우, 상기 패각을 분쇄하여 형성한 상기 패각 분말에 소성 공정을 수행하여 상기 소성된 패각 분말을 형성하면 CaCO3가 CaO 및 CO2로 분해될 수 있다. 이에 따라, 상기 소성된 패각 분말은, CaO를 포함할 수 있고, 상기 소성된 패각 분말은 CaO 외에, Na2O, MgO, Al2O3, SiO2, P2O5, SO3, Cl, K2O, MnO, FeO3, 및 SrO를 더 포함할 수 있다.
일 변형 예에 따르면, 상기 패각 분말이 소성되기 전, 상기 패각 분말에 대해서 예비 소성 공정이 수행될 수 있다. 상기 예비 소성 공정에 의해, 상기 패각 분말에 잔존된 불순물(예를 들어, 유기물)이 제거될 수 있다. 상기 예비 소성 공정은, 상기 소성 공정보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 예비 소성 공정은, 캐리어 가스를 이용하여 로(furnace) 내에서 상기 패각 분말을 분무시키고, 분무된 상태의 상기 패각 분말을 열처리하는 방법으로 수행될 수 있다.
도 1을 참조하면, 소성된 패각 분말을 팽창성 콘크리트 혼화재로 시멘트 및 물과 혼합하여 팽창성 콘크리트를 제조할 수 있다(S400).
상기 소성된 패각 분말을 상기 팽창성 콘크리트 혼화재로 시멘트 및 물과 혼합하여 사용하면, 수화반응이 진행될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 소성된 패각 분말이 CaO인 경우, CaO가 시멘트 및 물과 혼합되면, CaO가 Ca(OH)2로 형성되고 형성과정에서 부피가 약 2.5배 증가할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 소성된 패각 분말을 상기 팽창성 콘크리트 혼화재로 시멘트 모르타르의 무게에 대해 0wt% 초과 6wt% 미만의 비율로 혼합될 수 있다. 예를 들어, 상기 소성된 패각 분말 내의 CaO의 함량이 90% 이상이고 MgO의 함량이 1% 미만인 경우, 상기 팽창성 콘크리트 혼화재로 상기 소성된 패각 분말이 상기 시멘트 모르타르의 무게에 대해 3wt%의 비율로 혼합되었을 때, 제조된 팽창성 콘크리트의 압축강도의 값은 57.5MPa로 가장 우수할 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 소성된 패각 분말 내의 CaO의 함량이 90% 미만인 경우, 상기 소성된 패각 분말은 상기 시멘트 모르타르의 무게 대비, 3wt% 이상 혼합될 수 있고, 이에 따라, 팽창성 콘크리트의 압축 강도가 향상될 수 있다.
또한, 상기 소성된 패각 분말 내에 MgO의 함량이 1%보다 높은 경우, 상기 소성된 패각 분말에 의해 과도한 팽창이 발생될 수 있다. 이에 따라, 상술된 바와 같이, 상기 소성된 패각 분말 내에 CaO의 함량이 90% 이상이더라도, 상기 소성된 패각 분말 내에 MgO의 함량이 1%보다 높은 경우, 상기 소성된 패각 분말은, 상기 시멘트 모르타르의 무게 대비 3wt% 미만으로 혼합될 수 있고, 이로 인해, 과도한 팽창이 방지될 수 있다.
결론적으로, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 소성된 패각 분말 내의 조성(예를 들어, CaO 및 MgO)의 비율에 따라서, 상기 시멘트 모르타르에 대한, 상기 소성된 패각 분말의 무게 비율이 제어될 수 있다.
일 변형 예에 따르면, 상기 소성된 패각 분말 내에, CaO 및/또는 MgO의 비율이 과도하게 높은 경우, CaO 및/또는 MgO를 용해시키는 용매가 기화된 증기를 상기 소성된 패각 분말에 제공하여, 상기 소성된 패각 분말 내 CaO 및/또는 MgO의 비율을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 소성된 패각 분말보다 작은 기공을 갖는 바닥면을 갖는 용기를 준비하고, 상기 용기 내에 상기 소성된 패각 분말을 제공하고, 상기 용기 아래에서 상기 용매(예를 들어, 염산을 포함하는 용매)가 기화된 증기를 제공하여 상기 증기가 상기 용기의 바닥면의 기공을 통과하여 상기 소성된 패각 분말에 제공될 수 있다. 이로 인해, 상기 소성된 패각 분말 내에 CaO 및/또는 MgO의 비율이 용이하고 균일하게 감소될 수 있다.
또는, 다른 변형 예에 따르면, 상기 용매가 기화된 증기는, 캐리어 가스와 함께 상기 소성된 패각 분말을 분무시키는 방법으로 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 소성된 패각 분말 내에 CaO 및/또는 MgO의 비율이 용이하고 균일하게 감소될 수 있다.
상기 소성된 패각 분말을 포함한 상기 시멘트 모르타르의 자기수축 값은, 상기 소성된 패각 분말을 포함하지 않은 상기 시멘트 모르타르의 자기수축 값보다 낮은 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 소성된 패각 분말을 포함하지 않은 시멘트 모르타르의 자기 수축 값은 -520 마이크로 스트레인이며, 상기 소성된 패각 분말을 3wt% 함유한 시멘트 모르타르의 자기 수축 값은 -432 마이크로 스트레인의 값을 가질 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 패각을 세척하고, 건조시키고 분쇄하여, 상기 패각 분말을 제조하고, 상기 패각 분말을 소성시켜 상기 소성된 패각 분말을 형성할 수 있다. 이후, 상기 소성된 패각 분말을 상기 팽창성 콘크리트 혼화재로 사용할 수 있다. 상기 소성된 패각 분말을 상기 팽창성 콘크리트 혼화재로 시멘트 및 물과 혼합하여, 팽창성 콘크리트를 제조할 수 있다.
이에 따라, 폐기되는 패각을 이용하여 친환경적인 팽창성 콘크리트 혼화재를 제조하고 이를 포함하여 우수한 기계적 강도를 가지는 팽창성 콘크리트를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실험 예에 따른 팽창성 콘크리트의 특성 평가 결과가 설명된다.
실험 예에 따른 팽창성 콘크리트 혼화재의 제조
도 2는 본 발명의 실험 예에 따른, 세척한 굴 패각 이미지이다.
도 2를 참조하면, 한국의 남해안에서 생산된 굴 패각을 준비하고 굴 패각의 표면을 솔질하였다. 굴 패각의 소금 및 이물질을 제거하기 위해 일주일 이상 물에 담가 본 발명의 실험 예에 따른 패각으로 굴 패각을 준비하였다.
도 3은 본 발명의 실험 예에 따른, 굴 패각 분말의 이미지이다.
도 3을 참조하면, 미리 준비한 상기 굴 패각을 자연적으로 건조한 뒤 분쇄하여 본 발명의 실험 예에 따른 굴 패각 분말을 제조하였다.
도 4는 본 발명의 실험 예에 따른, 소성된 굴 패각 분말의 이미지이다.
도 4를 참조하면, 분쇄한 상기 굴 패각 분말을 전기로(electric furnace)에 넣었다. 1000℃로 최대온도를 설정하고 3시간동안 소성공정을 수행하였다. 이후, 전기로 내에서 소성된 굴 패각 분말의 온도를 내려주었다. 그리고 식은 상기 소성된 굴 패각을 150㎛ 크기의 구멍을 가진 체를 통과시켜 본 발명의 실험 예에 따른 팽창성 콘크리트 혼화재를 제조하였다.
표 1은 본 발명의 실험 예에 따른, 소성된 굴 패각 분말의 구성요소 별 XRF(X-ray fluorescence) 중량을 설명하기 위한 표이다.
표 1을 참조하면, 상기 소성된 굴 패각 분말은 98wt%의 CaO 및 총 2wt%의 Na2O(0.25wt%), MgO(0.35wt%), Al2O3(0.08wt%), SiO2(0.20wt%), P2O5(0.13wt%), SO3(0.41wt%), Cl(0.11wt%), K2O(0.02wt%), MnO(0.04wt%), Fe2O3(0.10wt%), SrO(0.31wt%)로 이루어져있음을 확인할 수 있다.
wt% CaO Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 Cl K2O MnO Fe2O3 SrO
Calcined oyster shell poweder 98.00 0.25 0.35 0.08 0.20 0.13 0.41 0.11 0.02 0.04 0.10 0.31
실험 예 1~5에 따른 팽창성 콘크리트의 제조
본 발명의 실험 예에 따라 제조한 팽창성 콘크리트 혼화재를 준비하였다. 상기 팽창성 콘크리트 혼화재를 시멘트 모르타르에 대해 0wt%, 3wt%, 6wt%, 9wt%, 및 12wt%의 비율로 시멘트 및 물과 혼합하여 본 발명의 실험 예에 따른 팽창성 콘크리트를 제조하였다.
구분 Substitution ratio of calcined oyster shell (wt%) cement Calcined oyster shell powder sand water
실험 예1 0% 2 0 3 1
실험 예2 3% 2 0.06 3 1
실험 예3 6% 2 0.12 3 1
실험 예4 9% 2 0.18 3 1
실험 예5 12% 2 0.24 3 1
도 5는 본 발명의 실험 예에 따른 굴 패각의 TGA(Thermogravimetric analysis) 및 DSC(differential scanning calorimeter)결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 굴 패각에 대해서 TGA 및 DSC 측정을 수행하였다. 굴 패각은 주로 CaCO3로 구성되어있다. CaCO3의 분해에 해당하는 ~740℃의 흡열 피크를 상기 그래프에서 확인할 수 있다. 굴 패각의 소성과정은 CaCO3를 CaO로 전환시키는 과정인 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실험 예에 따른, 소성된 패각 분말의 구성요소를 설명하기 위한 XRD패턴 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상기 소성된 패각 분말에 대해서 XRD 측정을 수행하였다. 상기 소성된 패각 분말은 높은 비율의 CaO로 구성되어있다. CaO 외에, 낮은 비율로 Ca(OH)2 및 CaCO3 도 포함하고 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실험 예에 따른, 72시간동안 측정한 실험 예 1, 3 및 5를 포함하는 시멘트 모르타르의 열량을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 실험 예 1~5에 대해서 열량 측정을 수행하였다. 측정 72시간 동안, 실험 예 1, 3 및 5에 따라서, 0wt%, 6wt% 및 12wt%의 상기 소성된 패각 분말을 포함하는 상시 시멘트 모르타르의 등온 전도 열량(isothermal conduction calorimetry)은 각각 202.7J/g, 202.7J/g, 209.4J/g의 값을 가진다. 상기 소성된 패각 분말의 함유량은 등온 전도 열량 값에 크게 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다. 반면, 열 유속 곡선(heat flow rate curve)은 상기 소성된 패각 분말의 함량에 따른 차이가 나타난 것을 확인할 수 있다. 실험 예 1에 대해 각각 14분 및 20.5시간에 관찰된 열 유속 곡선에서 2개의 피크를 확인할 수 있다. 실험 예 3은 14분에서 첫번째 피크를 보이고, 실험 예 1과 비교하여 상대적으로 많은 양의 열방출을 나타낸 것을 확인할 수 있다. 실험 예 3의 두번째 피크는 실험 예 1보다 1시간 후 인 21.5시간에 나타난다. 두번째 피크가 나타날 때의 열 발생량은 실험 예 1의 열 발생량보다 적은 양인 것을 확인할 수 있다. 실험 예 5는 6분 및 14분에 2개의 피크를 나타내었으며 이는 실험 예 1 및 3보다 높은 양을 나타내었다. 이는 상기 소성된 패각 분말 함량의 증가가 열 발생량 증가로 이어지는 것을 확인할 수 있다. 실험 예 5의 세번째 피크는 상기 실험 예 1보다 2시간 뒤인 22.5시간에 나타나며 열 발생량은 실험 예 1 및 3보다 적은 양을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실험 예에 따른 소성된 패각 분말을 포함한 팽창성 콘크리트의 테이블 플로우 실험의 결과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 실험 예 1~5에 대하여 테이블 플로후 실험을 수행하였다. 실험 예 1~5에 따라, 시멘트 모르타르에 대해 0wt%, 3wt%, 6wt%, 9wt%, 및 12wt% 의 비율로 상기 소성된 패각 분말을 포함한 상기 팽창성 콘크리트 표본으로 3분 10분 20분 40분간 테이블 플로우 실험을 진행하였다. 실험 예 1의 경우, 20분까지 152%를 유지하였고 40분에 134%로 소폭 감소하였음을 알 수 있다. 측정시간 3분이 되었을 때, 상기 소성된 패각 분말을 포함하는 팽창성 콘크리트는 실험 예 5를 제외하고 모두 테이블 플로우 값이 동일하고, 실험 예 5는 135%로 소폭 감소한 것을 확인할 수 있다. 상기 팽창성 콘크리트는 상기 소성된 패각 분말의 비율이 높을 수록 시간에 따른 플로우 손실이 가속화되는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실험 예에 따른 시멘트 모르타르에 대해 0wt%, 3wt%, 6wt%, 9wt%, 및 12wt% 의 비율로 소성된 패각 분말을 포함한 팽창성 콘크리트 표본의 압축강도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 실험 예 1~5에 대하여 압축강도측정을 수행하였다. 상기 소성된 패각 분말의 혼입량은 시멘트 모르타르의 압축 강도에 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 유지 초기 3일에 실험 예 2의 압축 강도는 36.4MPa이며, 실험 예1(0%, 34.4MPa)에 비해 강도 증가를 보인다. 실험 예 3의 압축 강도는 상기 대조 표본의 압축강도와 큰 차이가 없고, 실험 예 4 및 5의 압축 강도는 각각 27.1MPa 및 22.5MPa로 대폭 감소하였다. 실험 예1과 비교하여 실험 예 2는 압축 강도 증가에 크게 영향을 미쳤음을 알 수 있다. 또한, 실험 예 3은 측정 전반에 걸쳐 실험 예 1의 압축 강도와 유사하다. 유지 56일에 실험 예 1~5의 압축 강도는 53.7MPa, 57.5MPa, 52.3MPa, 51.0MPa, 및 42.0MPa임을 확인할 수 있다. 이에 따라, 상기 소성된 패각 분말을 시멘트 모르타르 대비, 6wt% 미만으로 제한하는 것이, 바람직하게는 3wt%로 혼합하는 것이, 압축 강도를 향상시키는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실험 예에 따른 소성된 패각 분말의 혼입량에 따른 팽창성 콘크리트 표본 자기수축 값의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 실험 예 1~5에 대하여 자기수축측정을 수행하였다. 실험 예 1~5에 따라, 상기 소성된 패각 분말의 혼입량이 0wt%, 3wt%, 6wt%, 9wt%, 및 12wt%의 상기 팽창성 콘크리트 표본으로 측정하였다. 실험 예 1을 제외한 각 혼입량에 따른 표본의 최대 초기 팽창 값은 각각 +50, +55, + 99 및 +155 마이크로 스트레인이고, 유지 25일에 측정한 실험 예 1~5의 값은 각각 -520, -432, -527, -393, 및 -422 마이크로 스트레인인 것을 확인할 수 있다. 실험 예 3의 자기 수축 값은 대조 표본의 자기 수축값과 유사하지만, 실험 예 4의 자기 수축 값은 대조 표본보다 약 25% 감소하였다. 이에 따라, 상기 소성된 패각 분말의 첨가는 일반적으로 시멘트 모르타르의 자기 수축 값을 감소시킨 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실험 예에 따른, 소성된 패각 분말이 혼입된 시멘트 페이스트의 기공크기 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 실험 예 1~5에 대하여 기공 분포 측정을 수행하였다. 실험 예 1~5에 따라, 상기 소성된 패각 분말을 0wt%, 3wt%, 6wt%, 9wt%, 및 12wt% 혼입한 상기 시멘트 페이스트의 모든 표본에서 기공 분포가 관찰되었음을 확인할 수 있다. 도 11의 (A)는 0.01내지 0.1nm의 기공크기를 갖는 기공 크기 분포를 나타낸다. 상기 소성된 패각 분말의 혼입량에 따른 그래프 값에 큰 차이가 관찰되지 않으므로 이는 작은 기공의 양이 상기 소성된 패각 분말의 함량에 영향을 크게 받지 않는 다는 것을 알 수 있다. 도 11의 (B)는 100 내지 1000nm의 기공크기를 갖는 기공크기분포를 나타낸다. 상기 소성된 패각 분말의 혼입량에 따라 기공분포의 차이가 대폭 관찰된다. 상기 소성된 패각 분말이 12%의 양으로 혼입될 때 최소값을 가지는 것을 알 수 있다. 상기 소성된 패각 분말이 큰 기공을 세분화 하여 기공 크기 개선 및 시멘트 입자 사이의 공극 패킹을 촉진하는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실험 예에 따른, 소성된 패각 분말을 포함하는 시멘트 페이스트의 XRD패턴을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 실험 예 1~5를 포함하는 시멘트 페이스트에 대하여 XRD 패턴 측정을 수행하였다. 상기 소성된 패각 분말을 포함하는 시멘트 페이스트의 함유량에 따른 표본 전체에서 CaO 피크가 존재하지 않는다. 이는 상기 소성된 패각 분말이 대부분 수화 반응 동안, 소비되었음을 알 수 있다. 실험 예 5에서 실험 예 1~4보다 높은 Calcite 피크가 관찰된다. 상기 소성된 패각 분말의 혼입량이 증가할수록 Calcite 및 Portlandite 가 공존함을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 패각을 준비하는 단계;
    상기 패각을 건조시키고 분쇄하여 패각 분말을 제조하는 단계;
    상기 패각 분말을 소성시켜 소성된 패각 분말을 제조하는 단계; 및
    상기 소성된 패각 분말을 팽창성 콘크리트 혼화재로 시멘트 및 물과 혼합하여 제조하는 단계를 포함하는 팽창성 콘크리트의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 패각은 굴 패각을 포함하고,
    상기 소성된 패각 분말은 산화칼슘(CaO)을 포함하는 팽창성 콘크리트의 제조방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 소성된 패각 분말은, 산화칼슘(CaO) 외에, Na2O, MgO, Al2O3, SiO2, P2O5, SO3, Cl, K2O, MnO, Fe2O3, 및 SrO를 더 포함하는 팽창성 콘크리트의 제조방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 패각 분말은, 700℃ 초과 1000℃ 이하에서 소성되는 것을 포함하는 팽창성 콘크리트의 제조방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 패각 분말은, 2시간 초과 4시간 미만 동안 소성되는 것을 포함하는 팽창성 콘크리트의 제조방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 소성된 패각 분말을 시멘트 및 물과 혼합 시, 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 형성되는 것을 포함하는 팽창성 콘크리트의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 패각을 준비하는 단계는 상기 패각에 용매를 제공하여, 상기 패각 내부 및 외부의 소금 및 이물질을 제거하는 단계를 포함하는 팽창성 콘크리트의 제조방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 패각은 전기로(electric furnace)를 이용하여 소성되는 것을 포함하는 팽창성 콘크리트의 제조방법.
  9. 패각을 소성하여 제조한 소성된 패각 분말을 포함하고,
    상기 소성된 패각 분말은, 시멘트 모르타르의 질량에 대해 0wt% 초과 6wt% 미만의 비율로 혼합되는 것을 포함하는 팽창성 콘크리트.
  10. 제10 항에 있어서,
    상기 소성된 패각 분말을 포함한 상기 시멘트 모르타르의 압축강도는, 상기 시멘트 모르타르에 대해 혼합된 상기 소성된 패각 분말의 비율이 3wt%일 때, 최대값을 가지는 것을 포함하는 팽창성 콘크리트.




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