KR20230013214A - 상온양생 조건 하 초기강도 확보를 위한 정유 및 철강 부산물 활용한 초고성능 콘크리트용 조성물 - Google Patents

상온양생 조건 하 초기강도 확보를 위한 정유 및 철강 부산물 활용한 초고성능 콘크리트용 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 정유 및 철강 부산물을 첨가한 혼화재를 사용하여, 상온 양생 조건에서도 콘크리트의 초기 강도를 확보할 수 있고, 높은 유동성을 나타내는 초고강도 콘크리트용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 콘크리트용 조성물 총 중량에 대해, 시멘트 28~34 중량%, 잔골재 32~36 중량%, 고로슬래그 미분말 7~10 중량%, 페로니켈슬래그 미분말 0.1~0.3 중량%, 용융황 0.05~0.1 중량%, 및 실리카퓸(silica fume) 6~8 중량%를 포함하는, 콘크리트용 조성물을 제공한다.

Description

상온양생 조건 하 초기강도 확보를 위한 정유 및 철강 부산물 활용한 초고성능 콘크리트용 조성물{COMPOSITION FOR ULTRA-HIGH PERFORMANCE CONCRETE USING REFINED OIL AND STEEL BY-PRODUCT TO SECURE INITIAL STRENGTH UNDER ROOM TEMPERATURE CURING CONDITION}
본 발명은 초고강도 콘크리트용 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게 상온양생 조건 하 초기강도 확보를 위한 정유 및 철강 부산물 활용한 초고성능 콘크리트용 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 콘크리트는 기본 결합재인 시멘트, 잔골재 외에, 실리카퓸, 메타카올린 미분말, 플라이애시, 보크사이트, 지르코늄 등의 혼화재를 1종 이상 혼합하여 제조된다.
콘크리트의 성능을 향상시키기 위해, KR 10-1751479는 상기 재료들을 혼합한 콘크리트 조성물에 강섬유 또는 유기섬유와 같은 다양한 섬유를 혼합한 섬유보강 콘크리트가 개발되고 있다. 이러한 섬유보강 콘크리트는 초고강도 콘크리트로서 매우 낮은 물-결합재비(water-binder ratio)를 나타내는 장점이 있으나, 콘크리트 양생에 있어서 기본적으로 고온 양생 조건을 필요로 한다.
한편, 상기와 같은 초고강도 콘크리트는 LNG 탱크 제조 시 사용된다. LNG 탱크는 LNG 탱크의 외벽이 모두 시공된 후 외벽 상단부에서 텐던(tendon)을 원통형의 수직구를 이용하여 내리고 하단부에서 그라우트 홀을 이용하여 저압으로 콘크리트를 주입하여 제조된다. LNG 탱크 제조 시 종래에는 U형 텐던이 사용되어 왔으나 최근에는 주로 I형 텐던이 사용되고 있다. 이러한 I형 텐던은 U형 텐던에 비해 시공 속도나 안전성 측면에서 뛰어나지만 단부의 정착구 구조상 초고강도 콘크리트가 주입되어야 할 필요가 있다.
그러나 LNG 탱크의 제조 공정상 기존의 섬유보강 콘크리트에 요구되는 고온 양생 조건을 충족시킬 수 없기 때문에, 콘크리트의 수화반응이 일어나기 어렵다. 따라서 상온 양생 조건에서도 높은 초기 강도를 확보할 수 있는 초고강도 콘크리트 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 정유 및 철강 부산물을 첨가한 혼화재를 사용하여, 상온 양생 조건에서도 콘크리트의 초기 강도를 확보할 수 있고, 높은 유동성을 나타내는 초고강도 콘크리트용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고가의 수입 원료를 사용한 혼화재를 정유 및 철강 부산물을 첨가한 혼화재로 대체하여 경제적이고 실용적인 초고강도 콘크리트용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 콘크리트용 조성물 총 중량에 대해, 시멘트 28~34 중량%, 잔골재 32~36 중량%, 고로슬래그 미분말 7~10 중량%, 페로니켈슬래그 미분말 0.1~0.3 중량%, 용융황 0.05~0.1 중량%, 및 실리카퓸(silica fume) 6~8 중량%를 포함하는, 콘크리트용 조성물을 제공한다.
상기 콘크리트용 조성물은 강섬유 5~7 중량%, 팽창제 1.7~2.5 중량%, 수축 저감제 0.2~0.5 중량%, 감수제 1.0~3.0 중량%, AE제 0~0.2 중량% 및 물 4~10 중량%를 더 포함한다.
상기 잔골재의 입자직경은 0.25~0.7mm이다.
본 발명의 다른 측면은 콘크리트 총 중량에 대해, 시멘트 28~34 중량%, 잔골재 32~36 중량%, 고로슬래그 미분말 7~10 중량%, 페로니켈슬래그 미분말 0.1~0.3 중량%, 용융황 0.05~0.1 중량%, 및 실리카퓸(silica fume) 6~8 중량%를 포함하는, 콘크리트를 제공한다.
상기 콘크리트는 강섬유 5~7 중량%, 팽창제 1.7~2.5 중량%, 수축 저감제 0.2~0.5 중량%, 감수제 1.0~3.0 중량%, AE제 0~0.2 중량% 및 물 4~10 중량%를 더 포함한다.
상기 콘크리트는 상온 양생 조건 하에서 재령 7일에서 압축강도가 100 MPa 이상이다.
본 발명에 따르면 정유 및 철강 부산물을 첨가한 혼화재를 일정 함량 배합한 콘크리트용 조성물을 사용할 경우 높은 초기 강도 및 높은 유동성을 갖는 콘크리트를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 고가의 혼화재를 정유 및 철강 부산물을 첨가한 혼화재로 대체하여 경제적이고 실용적으로 초고강도 콘크리트를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 철강 부산물인 고로슬래그 미분말 및 페로니켈슬래그 미분말과 정유 부산물인 용융황(Molten Sulfur)을 혼화재로 포함하는 콘크리트용 조성물을 제공한다.
보다 상세하게, 본 발명의 일 실시예는 콘크리트용 조성물 총 중량에 대해, 시멘트 28~34 중량%, 잔골재 32~36 중량%, 고로슬래그 미분말 7~10 중량%, 페로니켈슬래그 미분말 0.1~0.3 중량%, 용융황 0.05~0.1 중량%, 및 실리카퓸(silica fume) 6~8 중량%를 포함하는 콘크리트용 조성물을 제공한다.
일 실시예에서 시멘트는 다양한 공지의 시멘트일 수 있다. 예를 들어, 1종 보통 포틀랜드시멘트, 3종 조강 포틀랜드시멘트 및 1종 조강형 시멘트 중 선택된 적어도 하나를 사용할 수 있다. 3종 조강 포틀랜드시멘트를 사용하면 초기 수화 발현이 촉진되어 생산시간이 짧아지기 때문에, 생산량을 증가시킬 수 있다. 1종 조강형 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 분말도를 높인 것으로, 이러한 1종 조강형 시멘트를 사용할 경우 초기강도를 향상시킬 수 있다. 또한 1종 조강형 시멘트에 무수석고 등의 첨가제를 첨가하면 초기 응결속도를 증가시킬 수 있다. 1종 조강형 시멘트를 사용할 경우 저렴한 비용으로 3종 조강 포틀랜드 시멘트와 유사한 조기강도 발현이 가능하다.
콘크리트용 조성물 중 시멘트의 함량은 28~34 중량%일 수 있다. 시멘트의 함량이 28 중량% 미만이면 콘크리트의 강도 저하를 유발할 수 있고, 34 중량%를 초과하면 콘크리트의 강도 저하를 유발할 뿐만 아니라 수축 저감에 영향을 미치므로 바람직하지 않다.
일 실시예에서 잔골재는 콘크리트용으로 알려진 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 잔골재의 입자직경은 0.25~0.7mm일 수 있다. 잔골재의 입자직경이 상기 범위를 벗어나는 경우 상온 양생에 필요한 콘크리트의 강도 및 유동성이 확보되지 않을 수 있다.
콘크리트용 조성물 중 잔골재의 함량은 32~36 중량%일 수 있다. 잔골재의 함량이 32 중량% 미만이면 콘크리트 초기 강도 저하를 유발할 수 있고, 36 중량%를 초과하면 콘크리트 강도 저하 및 작업성 저하를 유발할 수 있다.
한편, 일 실시예에서 콘크리트용 조성물은 혼화재로서 고로슬래그 미분말, 페로니켈슬래그 미분말 및 용융황을 포함하며, 이러한 혼화재들은 시멘트의 수화반응에 기여할 수 있다.
상기 페로니켈슬래그 미분말은 이산화규소(SiO2) 및 산화마그네슘(MgO)를 함유하며, 상기 용융황은 삼산화황(SO3) 등 황 성분을 함유할 수 있다. 이들 성분은 시멘트, 고로슬래그, 팽창제 등에 함유된 산화칼슘(CaO) 성분과 반응하여 황산마그네슘(MgSO4 2-) 등의 화합물을 생성할 수 있다. 상기 반응의 결과로 황산마그네슘(MgSO4 2-)과 같은 화합물이 생성됨으로써 콘크리트 양생 속도 및 초기 재령 강도가 향상될 수 있다.
일 실시예에서 콘크리트용 조성물 중 고로슬래그 미분말의 함량은 7~10 중량%일 수 있다. 고로슬래그 미분말의 함량이 7 중량% 미만이면 콘크리트 강도 저하 및 점도 저하를 유발할 수 있고, 10 중량%를 초과하면 콘크리트 강도 저하를 유발할 수 있다.
일 실시예에서 콘크리트용 조성물 중 페로니켈슬래그 미분말의 함량은 0.1~0.3 중량%일 수 있다. 페로니켈슬래그 미분말의 함량이 상기 범위를 벗어나면 콘크리트의 입자충진성이 저하되어 바람직하지 않다. 또한, 페로니켈슬래그 미분말의 함량이 0.1 중량% 미만이면 콘크리트의 점도가 저하되며 유동성 확보가 어려울 수 있다.
일 실시예에서 콘크리트용 조성물 중 용융황의 함량은 0.05~0.1 중량%일 수 있다. 용융황의 함량이 0.05 중량% 미만이면 콘크리트 초기강도 저하를 유발할 수 있고, 함량이 0.1 중량%를 초과하면 입자충진성이 감소할 수 있고 콘크리트의 강도 저하를 유발할 수 있다.
일 실시예에서 콘크리트용 조성물 중 실리카퓸의 함량은 6~8 중량%일 수 있다. 실리카퓸의 함량이 6 중량% 미만이면 콘크리트 강도가 저하될 수 있다. 반면, 실리카퓸의 함량이 8 중량%를 초과하면 입자충진성이 지나치게 증가하여, C-S-H 계 수화 반응 종결에 영향을 미칠 수 있다.
일 실시예의 콘크리트용 조성물은 필요에 따라 강섬유, 팽창제, 수축 저감제, 감수제, AE제와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서 강섬유는 콘크리트에 인성을 부여하기 위한 성분으로, 콘크리트용 조성물 중 강섬유의 함량은 5~7 중량%일 수 있다. 강섬유의 함량이 5 중량% 미만이면 콘크리트의 인장강도 저하를 유발하여 균열에 대한 저항성이 낮아질 수 있다. 강섬유의 함량이 7 중량%를 초과하면 과량의 강섬유가 꼬이는 현상이 발생할 수 있고 인장강도의 저하를 유발할 수도 있으므로 바람직하지 않다.
한편, 상기 강섬유는 시멘트의 체적 대비 1~2 중량%로 포함될 수도 있다.
일 실시예에서 팽창제는 시멘트 및 물과 함께 혼합하였을 경우 수화반응에 의해 에트린자이트(Ettringite) 또는 수산화칼슘 등을 생성하고 모르터 또는 콘크리트를 팽창시키는 작용을　하는 성분이다. 상기 팽창제는 콘크리트용 조성물 중 1.7~2.5 중량%로 포함될 수 있다. 팽창제 함량이 1.7 중량% 미만이면 콘크리트의 초기 팽창 성능이 저하될 수 있고, 2.5 중량%를 초과하면 콘크리트가 과도하게 팽창되어 바람직하지 않다.
일 실시예에서 수축 저감제는 수화현상으로 발생되는 열을 흡수 또는 방출하여 급격한　수축　및 팽창을 제어하는 물질로서, 콘크리트용 조성물 중 0.2~0.5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위 내에서 바람직한 수축 저감 효과를 얻을 수 있다.
일 실시예에서 감수제는 물-시멘트 비율(Water-cement ratio, w/c) 감소 및 작업성 확보를 위해 첨가되는 성분이다. 상기 감수제는 콘크리트용 조성물 중 1.0~3.0 중량%로 포함될 수 있다. 감수제의 함량이 1.0 중량%를 초과하면 콘크리트 경화 시 과도한 물이 필요하게 되고, 3.0 중량%를 초과하면 과도한 유동성으로 인해 콘크리트 강도가 저하될 수 있다.
일 실시예에서 AE제는 콘크리트 내부에 독립된 미세기포를 발생시켜 콘크리트의 작업성 개선하고　동결융해에 저항성을　높이기 위해 첨가되는 성분이다. 상기 AE제는 필요에 따라 첨가될 수 있으며, 콘크리트용 조성물 중 0.2 중량% 이하로 첨가될 수 있다. AE제의 함량이 0.2 중량%를 초과하는 경우 과도한 공기연행 효과로 인해 콘크리트 강도가 저하될 수 있다.
일 실시예에서 콘크리트용 조성물 중 물의 함량은 4~10 중량%일 수 있다. 물의 함량이 4 중량% 미만이면 콘크리트 시공 시 작업성이 저하 및 콘크리트 강도 저하를 유발할 수 있다. 반면 물의 함량이 10 중량%를 초과하면 콘크리트 강도가 저하될 수 있으므로 바람직하지 않다.
일 실시예에 따른 콘크리트용 조성물을 이용하면 상온 양생 조건에서도 일정 수준 이상의 초기 강도를 나타내는 콘크리트가 형성될 수 있다. 보다 상세하게, 일 실시예에 따른 콘크리트용 조성물을 사용하면 상온 양생 조건에서 7일 재령 하 100 MPa 이상의 강도를 확보할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 콘크리트용 조성물은 KS F 2594의 방법에 따라 측정 시 620~700 mm의 유동성을 나타낸다.
일 실시예에서 콘크리트를 타설하기 위해 상기 콘크리트용 조성물을 배합할 수 있다. 이때 배합 방법은 특별히 한정되지 않으나, 상기 콘크리트용 조성물을 구성하는 성분을 분말도 레벨이 작은 순서로 건식 배합할 수 있다. 바람직하게는 잔골재, 시멘트, 페로니켈슬래그 미분말, 용융황, 고로슬래그 미분말, 팽창제, 실리카퓸, 강섬유의 순서로 혼입하여 혼합물 1을 제조할 수 있다. 혼합물 1과 별도로 감수제, 수축저감제, AE제, 물을 혼합하여 혼합물 2를 제조한 후, 이를 혼합물 1과 최종 혼합하여 상술한 콘크리트 초기 강도 및 유동성을 확보할 수 있다.
상기 배합된 콘크리트용 조성물은 LNG 탱크의 제조 시 I형 텐던 단부 정착구의 강도 확보를 위해 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 콘크리트용 조성물을 사용하면 상온 양생 조건에서도 용이하게 초기 강도를 확보할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
1. 콘크리트 제조
(1) 실시예
잔골재, 시멘트, 팽창제, 페로니켈슬래그 미분말, 용융황, 고로슬래그 미분말, 실리카퓸, 강섬유의 순서로 혼합하여 혼합물 1을 제조하였다. 상기 혼합물 1과 별도로 감수제, 수축저감제, AE제, 물을 혼합하여 혼합물 2를 제조한 후, 이를 혼합물 1과 최종 혼합하였다. 최종 혼합물을 상온 양생(20℃) 조건에서 양생하여 콘크리트를 제조하였다.
(2) 비교예
잔골재, 시멘트, 팽창제, 고로슬래그 미분말, 실리카퓸, 강섬유의 순서로 혼합하여 혼합물 1을 제조하였다. 상기 혼합물 1과 별도로 감수제, 수축저감제, AE제, 물을 혼합하여 혼합물 2를 제조한 후, 이를 혼합물 1과 최종 혼합하였다. 최종 혼합물을 상온 양생(20℃) 조건에서 양생하여 콘크리트를 제조하였다.
실시예와 비교예의 콘크리트 조성을 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
시멘트
(kg)		 잔골재
(kg)		 실리카퓸
(kg)		 혼화재 강섬유
(kg)
고로슬래그
미분말
(S/P)
(kg)		 페로니켈
슬래그
미분말(FNS)
(kg)		 용융황
(Molten Sulfur)
(kg)
실시예 817 952 191 220 4.5 2.3 157
비교예 771 848 193 231 - - 157
팽창제
(kg)		 수축
저감제
(kg)		 감수제
(kg)		 AE제
(kg)		 물
(kg)		 물-결합재
비(W/B)
(%)		 양생 조건
실시예 58 12 40.8 - 217 17.6 상온 양생(20℃)
비교예 58 7.7 51.3 3.9 157 13.1 상온 양생(20℃)
2. 콘크리트의 물성 평가
(1) 공기량
실시예 및 비교예에서 제조된 콘크리트의 공기량을 KS F 2421의 방법(압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법)으로 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
(2) 압축강도
실시예 및 비교예에서 제조된 콘크리트의 압축강도를 재령에 따라 측정하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 압축강도는 KS F 2405의 방법(콘크리트 압축강도 시험방법)으로 측정하였다.
공기량
(%)		 압축강도(MPa)
3일 7일
1회 측정 2회 측정 평균 1회 측정 2회 측정 평균
실시예 5.2 79.9 84.6 82.3 107.7 105.6 106.7
비교예 5.1 63.3 58.7 61 84.5 85.5 85
표 3을 참조하면 실시예의 콘크리트는 비교예의 콘크리트와 비교하여 동등한 수준의 공기량 및 높은 압축강도를 나타내는 것을 알 수 있다. 특히 실시예의 콘크리트는 7일 재령 하 100 MPa 이상의 압축강도를 나타내므로 상온 양생 조건에 적합함을 알 수 있다.
(3) 유동성
실시예의 콘크리트 조성물에 대해 KS F 2594의 방법(굳지않은 콘크리트의 슬럼프 플로우 시험방법)으로 측정 시 620~640mm의 유동성을 나타내었다. 이는 기존의 초고강도 콘크리트용 조성물과 유사한 수준으로, 본 발명에 따른 콘크리트용 조성물은 우수한 초기 강도를 가지면서 유동성 또한 우수함을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 콘크리트용 조성물 총 중량에 대해, 시멘트 28~34 중량%, 잔골재 32~36 중량%, 고로슬래그 미분말 7~10 중량%, 페로니켈슬래그 미분말 0.1~0.3 중량%, 용융황 0.05~0.1 중량%, 및 실리카퓸(silica fume) 6~8 중량%를 포함하는, 콘크리트용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 콘크리트용 조성물은 강섬유 5~7 중량%, 팽창제 1.7~2.5 중량%, 수축 저감제 0.2~0.5 중량%, 감수제 1.0~3.0 중량%, AE제 0~0.2 중량% 및 물 4~10 중량%를 더 포함하는, 콘크리트용 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 잔골재의 입자 직경은 0.25~0.7mm인, 콘크리트용 조성물.
  4. 콘크리트 총 중량에 대해, 시멘트 28~34 중량%, 잔골재 32~36 중량%, 고로슬래그 미분말 7~10 중량%, 페로니켈슬래그 미분말 0.1~0.3 중량%, 용융황 0.05~0.1 중량%, 및 실리카퓸(silica fume) 6~8 중량%를 포함하는, 콘크리트.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 콘크리트는 강섬유 5~7 중량%, 팽창제 1.7~2.5 중량%, 수축 저감제 0.2~0.5 중량%, 감수제 1.0~3.0 중량%, AE제 0~0.2 중량% 및 물 4~10 중량%를 더 포함하는, 콘크리트.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 콘크리트는 상온 양생 조건 하에서 재령 7일에서 압축강도가 100 MPa 이상인, 콘크리트.
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