KR20230070586A - 친환경 콘크리트 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 도로 포장 등에 적합한 강성과 내구성을 보유할 수 있도록 탄산칼슘 또는 이산화규소 등의 나노물질을 첨가한 친환경 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 슬래그 골재, 전기로산화슬래그, 페로니켈 슬래그로 기존 콘트리트 재료를 적어도 일부 대체하여 친환경적이면서 강도와 강성을 강화할 수 있는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
종래에는 콘크리트의 기존 재료를 각종 산업에서 발생되는 부산물로 대체하여 친환경을 도모하는 각종 연구가 활발하게 진행되고 있다.
대체로, 친환경 콘크리트 제조 시 보통 포틀랜드 시멘트와 혼화재료로 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 혼합해왔다. 이러한 혼합재료의 사용은 콘크리트 제조시 시멘트 절대사용량을 저감시켜 시멘트 생산시 발생되는 이산화탄소의 배출을 줄이고 산업 부산물을 재료로 사용으로 환경보호에 관점에서도 매우 유리하다.
대표적으로, 이러한 친환경 콘크리트는 1종 시멘트에 산업부산물인 플라이 애시 및 고로슬래그 미분말을 적당한 비율로 혼합한 3성분계 콘크리트가 있으며, 이러한 3성분계 콘크리트는 환경적인 측면 뿐만 아니라 수화열 및 수화발열 속도를 억제하며, 내해수성을 향상시키는 효과도 있었다. (한국 등록특허공보 제10-1985750호, 제10-2031784호, 제10-2136100호 참조)
다만, 이러한 친환경 콘크리트는 종래 도로 포장 등에 사용하는 콘크리트와 같이 강한 하중이 반복적으로 부가되고 우천 과같이 장시간 다량의 수분에 노출되는 환경에서는, 충분한 강성이나 내구성을 보장할 수 없는 문제가 있었다.
따라서, 종래에는 친환경 콘크리트를 도로 포장 등에 사용하기 위해서는 방수성과 내구성, 강성을 강화시킬 수 있는 별도의 재료를 부가해야 했다. 그러나, 이러한 재료들이 산업용 부산물이 아니라 별도로 생산해야 하는 공업용 화학제품인 경우에는, 이러한 화학제품을 생산하는 과정에서 다량의 이산화탄소 및 공해물질이 생산된다.
또한, 이러한 공업용 화학제품에 독성이 있는 경우 이를 도로 환경에 그대로 노출하는 것이 되어 안전성에 문제를 발생시킬 우려가 있었다.
결과적으로, 친환경 콘크리트의 활용용도에 따라 성질을 변화시키는 과정에서 별도의 공업용 화학제품을 생산해야 하고 이를 혼합시켜 사용해야 한다는 근본적인 모순이 있었다.
본 발명은 친환경 콘크리트에 부가되는 첨가물도 산업 부산물을 사용하여 친환경의 특성을 유지할 수 있는 콘크리트 조성물을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 친환경 콘크리트에 산업 부산물을 부가하더라도 기존의 도로포장들에 사용하는 콘크리트와 같이 강성 또는 방수성을 보장할 수 있는 콘크리트 조성물을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 산업 부산물을 나노단위로 제작하여 부산물의 표면적을 증대시킴으로써 화학반응이 아니라 물리적인 작용으로도 강성을 보강할 수 있는 콘크리트 조성물을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위해, 시멘트와 고로슬래그 및 플라이애쉬(fly ash)를 포함하는 3성분계 시멘트를 포함하는 콘크리트 조성물을 제공한다
상기 콘크리트 조성물은 슬래그 골재, 전기로 산화슬래그, 페로니켈 슬래그 중 적어도 어느 하나와, 상기 콘크리트 조성물의 강성을 강화하는 보강물질을 더 포함할 수 있다.
상기 슬래그 골재, 상기 전기로산화슬래그, 상기 페로니켈 슬래그는 모래 중 적어도 일부를 대체하도록 구비되고, 상기 보강물질은 나노미터(nm) 크기로 구비되는 나노물질로 구비될 수 있다.
상기 나노물질은 나노미터(nm) 크기로 구비되는 탄산칼슘(CaCO3)과 나노미터(nm) 크기로 구비되는 이산화규소(SiO2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 나노물질은 전체 중량의 0.5 % 에서 2 %의 중량으로 구비될 수 있다.
상기 보강물질은 상기 나노물질과 추가로 투입되는 추가물질을 더 포함하고, 상기 나노물질이 상기 탄산칼슘을 포함하면, 상기 추가물질은 이온결합물질로 구비될 수 있다.
상기 추가물질은 산화마그네슘(MgO), 이산화규소(SiO2), 산화알류미늄(Al2O3), 산화철(FeO3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 보강물질은 상기 나노물질과 추가로 투입되는 추가물질을 더 포함하고, 상기 나노물질이 상기 이산화규소를 포함하면, 상기 추가물질은 단일원소 물질로 구비될 수 있다.
상기 추가물질은 티타늄(Ti), 칼슘(Ca), 나트륨(Na), 철(Fe) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명은 친환경 콘크리트에 부가되는 첨가물도 산업 부산물을 사용하여 친환경의 특성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 친환경 콘크리트에 산업 부산물을 부가하더라도 기존의 도로포장들에 사용하는 콘크리트와 같이 강성 또는 방수성을 보장할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 산업 부산물을 나노단위로 제작하여 부산물의 표면적을 증대시킴으로써 화학반응이 아니라 물리적인 작용으로도 강성을 보강할 수 있는 효과가 있다.
도1은 시멘트의 특성을 도시한 것이다.
도2는 시멘트가 파손되는 경우를 도시한 것이다.
도3은 본 발명 제1실시예의 콘크리트 조성물에 나노입자를 투입하였을때의 효과를 도시한 것이다.
도4는 본 발명 제2실시예의 콘크리트 조성물에 나노입자를 투입하였을때의 효과를 도시한 것이다.
도2는 시멘트가 파손되는 경우를 도시한 것이다.
도3은 본 발명 제1실시예의 콘크리트 조성물에 나노입자를 투입하였을때의 효과를 도시한 것이다.
도4는 본 발명 제2실시예의 콘크리트 조성물에 나노입자를 투입하였을때의 효과를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명한다. 본 명세서는, 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
시멘트는 석회석, 규석, 점토, 철광석 및 석고 등의 주원료를 적절히 배합하여 섭씨 1450도 정도의 고온에서 용융시킨 후 소성하여 얻어진 클링커(clinker)에 석고를 약 3% 첨가한 후 미분쇄하여 제조한다.
이러한 시멘트가 물과 반응하게 되면 화학반응을 일으켜 새로운 수화물이 생성 되면서 콘크리트가 응결 및 경화 과정을 거치게 되며, 이와 같은 화학반응 과정을 수 화반응 또는 수화(Hydration)라고 한다.
도1은 시멘트의 수화단계를 도시한 것이다.
도1을 참조하면, 보통 포틀랜드 시멘트를 미소수활열량계를 이용하여 수화열량을 측정하면, 각 단계로 구분할 수 있다. 제1단계는 시멘트가 물과 접촉하여 수 분 이내에 발생하며, 시멘트 광물이 물에 용해되면서 용해열과 활성이 큰 C3A 등이 석고와 반응하여 ettringite의 생성에 의한 최초 발열 피크(점 A)가 나타난다. 제2단계 는 수화반응이 시작된 후 3시간 이내에 잠시 정체되는 단계로 유도기라고 한다. 제3 단계는 반응이 가속적으로 진행하는 단계로 가속기라고 하며, C3S의 수화반응에 의해 규산칼슘수화물(C-S-H)와 수산화칼슘(CH) 등이 생성된다. 이때 생성열에 의해 두 번째 발열 피크(점 B)가 나타난다. 제4단계는 반응이 서서히 감속하는 단계로 감속기라 고 하며, 일부 시멘트의 경우는 새로운 ettringite가 monosulfoaluminate로 전이될 때 나 타나는 발열로 추가적인 발열 피크(점 C) 나타나기도 한다. 제5단계는 수화말기 단계 로서 확산기라고 하며, 수화후 20~30시간 후로 수화층이 두꺼워지면서 투과성이 감소 되고 반응성이 아주 느리게 나타난다.
도2는 알칼리 실리카 반응의 매커니즘을 도시한 것이다.
시멘트가 수화할 때는 알칼리 -실리카 반응(ASR: Alkali Silica Reactivity)이 발생할 수 있다.
알칼리 -실리카 반응은 알칼리 수산화물(alkali hydroxide)과 골재의 실리카(silica) 성분이 반응하여 팽창성 겔(gel)을 생성하는 현상으로, ASR 발생 시 내부 팽창에 의해 균열 이 발생하여 콘크리트 구조물에 심각한 파손을 일으킨다. 알칼리 수산화물과 반응성 실리카 사이의 화학적 반응은 강알칼리(높은 pH) 용액 에 반응성 실리카가 용해되는 분해작용이다. 수산기 이온(OH-)이 반응성 실리카 표면 인근에 siloxane bridge (Si-O-Si)를 공격하여, 이 구조를 분해시킨다.
이때 음전하를 띤 성분이 Na+, K+와 같은 양전하 알칼리 이온과 결합하여 평형을 맞춘다. 이것이 겔(gel) 이라고 불린다. 이 반응이 진행되면서, 이 겔은 느슨한 격자망 구조를 나타낸다. 이후 내부 또는 외부로부터 수분이 공급될 때 팽창이 발생하고, 이 팽창압이 콘크리트의 인장응력을 초과하게 되면, 겔이 생성된 부분을 따라 균열이 발생하게 된다.
이러한, ASR을 억제하기 위한 방법 중 대표적인 것이 콘크리트에 혼화재(플라이애시 및 고 로슬래그 미분말)를 치환하는 3성분계 콘크리트가 등장하였다.
3성분계 콘크리트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트에 산업부산물인 플라이애시 및 고 로슬래그 미분말을 적당한 비율로 혼합하여 수화열 및 수화발열 속도를 억제하며, 내 해수성을 향상시킨 혼합시멘트 및 콘크리트이다.
상기 플라이애시는 ASR 저항성이 가장 우수한 혼화재이다. 상기 플라이애시는 시멘트의 수화반응을 통해 부수적으로 생성된 수산화물과 반응하여 ASR을 저감시키는 효과가 있다.
플라이애시의 성분들이 ASR 팽창에 어떠한 영향을 미치는 지를 아래 표에 나타내었다. 이런 영향 때문에 대체적으로 SiO2+Al2O3+Fe2O3의 양에 따라 치환율 또는 CaO의 양을 조절할 수 있다.
| Deleterious Constituents (promote expansion) |
Beneficial Constituents (reduce expansion) |
| CaO (calcium oxide) Na2Oand K2O (alkalis) MgO (magnesium oxide) SO3 (sulfur trioxide) |
SiO2 (silicon dioxide) Al2O3 (aluminum troxide) Fe2O3 (iron oxide) |
한편, 고로슬래그 미분말이나 플라이애시를 첨가한 콘크리트는 포졸란 반응에 의해 콘크리트 중의 수산화칼슘을 감소시켜 세공용액중의 수산화이온(알칼리 골재반응에 관계하는 이온)을 감소시키고 비표면적이 큰 저칼슘형 규산칼슘수화물(C-S-H)의 생성 과 그것에 의한 알카리이온의 흡착, 그리고 경화시멘트 페이스트 조직의 치밀화에 의 한 물의 이동속도 및 Na+나 K+의 확산속도를 저하하여 팽창성을 크게 감소시킨다.
3성분계 콘크리트에서 혼화재는 대부분이 산업부산폐기물로 자원의 효율적인 활용의 차원에서 큰 역할을 하며 시멘트의 소성과정에서 석회석의 탈 탄산이 발생하는 것 을 혼화재가 사용된 양만큼 줄어들기 때문에 탄산가스의 발생도 절감되어 지구온난화 방지등 사회 환경적으로 우수한 특성이 있다.
현재 국내의 경우 KS에 규격화되어 있는 혼합시멘트는 플라애시 시멘트, 슬래그 시멘트 및 포틀래드 포졸란 시멘트 등이 있으며, KS에 규격화되어 있지 않지만 매스 콘크리트 및 해양콘크리트 구조물에 많이 사용되고 있는 3성분계 시멘트 또는 4성분계 시멘트가 있다.
특히, 3성분계 시멘트의 경우 1종 보통 포틀랜드 시멘트, 혼화재료 의 종류 및 사용량 조합으로 시공 목적에 맞게 여러 종류의 배합설계가 가능하며, 보통 콘크리트에 비해 수화열 저감 효과 및 강도발현 특성이 우수한 특징이 있다.
3성분계 콘크리트의 혼합시멘트 배합은 일반적으로 1종 보통 포틀랜드 시멘트30~50%, 플라이애시 10~30%와 고로슬래그 미분말 20~60%로 구성되어 있으며 확실한 목적에 의해 세분화된 사용 목적을 가지고 있다. 역학적 및 내구적 특성은 일반 포틀 랜트 시멘트 콘크리트에 비하여 3성분계 시멘트 콘크리트는 내구성 향상 및 수화열 저감효과가 있어 특유의 포졸란 반응 및 잠재수경성 반응을 통하여 경화채의 조직을 치밀화시키고 화학적으로 안정화시켜 물, 염류, 황산염 및 해수 등의 침투를 억제할 수 있으며 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 등과 같은 포졸란 및 잠재수경성 재료는 일반 시멘트보다 수화발열량이 적기 때문에 수화열에 의한 온도균열에 의한 열화를 줄일 수 있다.
즉, 매스콘크리트 구조물의 온도상승 방지를 위해 낮은 발열량을 목적으로 두거나 사용 혼화재의 분말도와 혼합비율의 최적화 및 혼화제와의 적합성을 고 려한 최적의 유동성을 발휘하기 위해 사용된다. 또한 고유동 콘크리트와 내해수성 및 내화학성 등 콘크리트의 고성능 확보 목적으로도 사용될 수 있다. 유럽에서는 각종 혼화재의 사용이 적극 장려되어 일반 시멘트에 다양한 혼화재를 혼합한 콘크리트가 사용되어 진다. 일본의 경우에는 혼합시멘트가 전체 시멘트의 약 20% 가량 사용되어 지고 있다. 이처럼 혼합시멘트는 우수한 물리적 성능 외에도 환경적 측면을 고려할 때 그 사용이 권장되고 있는 실정이다.
3성분계 시멘트 및 콘크리트 제조 특성에 기인하여 구정된 주요 화학조성(혼합 시 멘트)은 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)의 함량이 높고 석회(CaO)량이 상대적으로 적 고 다른 시멘트와 비교해서 상대적으로 밀도가 작고 분말도가 큰 특징을 가지고 있다. 또한 1종 보통 포틀랜드 시멘트에 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 혼합해서 제조되므로 시멘트 화합물에서 알루미네이트상(C3A, C4AF)의 함량이 상대적으로 적어 혼화제의 흡착이 줄어들고 유동성은 높아지며 미분말의 효과에 의한 점성이 증가 된 다. 따라서 낮은 물-결합재비에서 높은 유동성 및 재료분리 저항성을 확보할 수 있어 매스콘크리트 뿐만 아니라 고성능 콘크리트 제조에 적용되고 있다.
또한 초기 수화열이 많이 발생되는 알루미네이트상의 함유량이 적으므로 수화열발생이 매우 작아 대규모 매스콘크리트 공사 시 수화열에 의한 균열 발생을 저감시킬 수 있으며, 3성분계 콘크리트는 장시간에 걸쳐 블리딩이 조금씩 발생하기 때문에 양 호한 시공성을 확보할 수 있을뿐 아니라 경화 후 콘크리트의 품질저하를 예방할 수 있다. 콘크리트의 응결은 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트의 경우보다 지연되는 특성이 있으며, 유동화제 등 혼화제 사용량이 많아질수록 응결지연 경향은 커진다.
3성분계 콘크리트는 수화생성물인 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H) 및 혼화재의 포졸 란 반응에 의하여 치밀한 미세구조를 형성하기 때문에 황상명 및 염화물 등 화학용액에 의한 침식을 억제할 뿐 아니라 화학적 침식을 받는 조건에서도 지속적인 강도 증진현상을 보인다. 특히 해수에 침지한 경우는 포졸란 반응에 의해 생성된 수화물의 미세한 구조형성 및 수화물의 이온흡착으로 이온의 침투를 억제하기 때문에 다른 시 멘트와 비교하여 강도 저하가 거의 없다.
또한, 3성분계 콘크리트는 혼화재의 포졸란 반응에 의하여 시멘트 수화반응 시 생성되는 수산화칼슘이 소모되어 콘크리트 중의 pH가 낮아지므로 알칼리 골재반응을 억제시키는 효과가 있다.
3성분계 콘크리트를 사용함으로 문제시 되고 있는 부분은 재료 구성의 특성상 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 일반 시멘트보다 적게 생성되기 때문에 이산화탄소를 탄산칼슘(CaCO3)으로 고정화 시킬 수 있는 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 양이 부족하여 일반 시멘트콘크리트보다 중성화가 촉진될 가능성이 있다. 그러나 실제로 수산 화칼슘을 소비하는 포졸란 반응에 의해 경화체의 조직이 보다 치밀해져 외부로부터의 이산화탄소의 유입이 잘 되지 않는다는 측면도 있다.
콘크리트 배합 시 널리 사용되고 있는 대표적 혼화재인 플라이애시는 수화열, 워커 빌리티 향상, 내염 저항성 향상 등 콘크리트의 특성 개량이 주목적이고, 원가절감 효과도 있어 그 사용률이 상당히 높은 재료이다.
국내 석탄 화력발전소는 회분 함량이 약 45% 정도인 국산 무연탄을 사용하는 곳과 회분 함량이 약 10~15% 정도인 수입 유연탄을 사용하는 곳이 있다. 무연탄 화력발전 소에서 발생한 플라이애시는 미연탄소 함량이 많은 이유로, 유연탄 화력발전소에서 발생한 플라이애시만 콘크리트 배합 시 사용되는 혼화재로서 그 역할을 한다.
석탄 화력발전소에서 미분탄을 보일러 연소실에서 연소시킬 때 남는 석탄회 중에 절탄기나 공기예열기 아래 Hopper에 모이는 것과 전기집진기에 의해서 집진되어 집진기 Hopper 에 보이는 것이 플라이애시다. 보일러 저부에서 회수된 클링커 애시(clinker ash), 절탄 기와 공기예열기에서 회수된 신더 애시(cinder ash) 및 집진기에서 포집된 플라이애시 를 합한 모두를 석탄회라 칭하며, 이 중 플라이애시는 대략 80% 정도이다.
화력발전소 유연탄 탄종의 변화, 연소실 운전상태의 변동 및 미분탄 분말도 변화에 의해 발생된 플라이애시는 미연탄소함량, 유리화율 및 glass 부분의 포졸란 반응성, 입도분포 등의 품질특성이 변화된다.
최근 질산화 물질 배출 기준의 강화로 인해 연소 온도를 하향 관리하고 있는 추세이므로 미연탄소 함량은 특히 증가되는 경향이다. 국내의 경우 대부분이 공기분급 방법으로 플라이애시를 정제한다.
콘크리트용 플라이애시는 혼화재로 이용할 경우 KS L 5405(플라이애시)와 혼합시 멘트로 이용할 경우 KS K 5211(플라이애시 시멘트)의 두 가지 규정이 있지만 혼합 시멘트로(A종: 5~10%, B종: 10~20%, C종: 20 ~30%)는 거의 없고 혼화재료만 이용되고 있는 실정이다. 플라이애시의 밀도는 화학성분 중에 철분이 많을 경우 높게 나타나며, 탄소 함유량이 높을 경우 낮은 경향을 보인다.
플라이애시를 시멘트의 중량비로 대체한 콘크리트의 강도는 플라이애시를 혼입하 지 않은 콘크리트에 비해 초기재령에서는 약간 감소하나, 장기강도는 상당히 증가하게 된다.
이는 시멘트의 수화생성물인 수산화칼슘과 플라이애시의 가용성 실리카 및 알루미나가 결합하는 포졸란반응에서, 포졸란 생성물이 플라이애시 입자의 주변에 채 워지기 전까지 강도발현에 크게 기여하지 못하지만, 후기재령에서는 플라이애시와 시 멘트-페이스트가 포졸란 생성물로 견고하게 결합하게 되어 강도가 증진되고, 수밀성 및 내구성도 향상되기 때문이다. 일반적으로 플라이애시를 사용한 콘크리트의 강도증진 현상은 36개월 이후에 현저해 진다.
플라이애시를 사용한 콘크리트의 초기강도를 증진시키기 위하여 실리카흄을 혼입 한다. 이는 초기 및 장기재령에서 지속적인 포졸란반응을 위해 수산화칼슘을 충분히 공급해 주기 때문이다. 또 다른 방법으로 물-결합재 비를 감소시키는 대신에 고성능감 수제를 사용하여 초기강도를 증진시키기도 한다. 포틀랜드 시멘트의 수화반응으로 확 보된 강도발현은 콘크리트에 수분이 유지된다면, 플라이애시의 포졸란반응으로 후기 재령에서도 계속 증가하게 된다. 따라서, 플라이애시를 사용한 콘크리트의 장기강도는 초기에 비해 증진하게 된다. 이러한 결과는 플라이애시와 시멘트 경화체와의 경계면 이 포졸란 반응생성물로 충전되어 상호간의 결합력이 재령에 따라 증가되기 때문이다.
재령이 길수록 강도 발현비가 높기 때문에 시멘트에 혼입하여 사용하면 효과적이다. 장기재령의 연구결과, 플라이애시 콘크리트는 1년 후 50%의 강도 증진이 있는 반 면에 플라이애시를 사용하지 않은 콘크리트는 30% 증진에 불과하였다. 10년 이상의 재령에서도 플라이애시 콘크리트의 성능이 우수한 것으로 나타났다. 따라서 고강도콘 크리트를 생산하기 위해서는 플라이애시가 중요한 재료로 사용될 수 있다.
플라이애시를 사용한 콘크리트의 탄성계수는 압축강도와 마찬가지로 플라이애시를 사용하지 않은 콘크리트에 비해 초기 재령에서는 약간 낮고, 후기 재령에서는 약간 높게 나타났다. 탄성계수에 미치는 플라이애시의 영향은 압축강도와 같이 중요한 것 은 아니다. 탄성계수에 미치는 영향은 플라이애시보다 시멘트나 골재의 특성에 따라 현저하다는 것을 알 수 있다.
대부분의 강도 수준에서 플라이애시를 사용한 콘크리트의 탄성계수는 플라이애시 를 사용하지 않은 일반콘크리트의 탄성계수와 비슷한 경향을 나타내고 있다. 플라이 애시를 사용한 콘크리트일 경우에도 탄성계수 평가는 강도기준으로 하는 것이 바람직 하다.
콘크리트의 크리프 변형량과 비율은 주변 온도, 습도, 콘크리트 강도, 탄성계수, 골 재량, 재하 할 때의 콘크리트 재령 및 강도와 지속되는 크리프 응력비에 따라 다르다. 콘크리트의 크리프에 미치는 플라이애시의 영향은 플라이애시가 강도발현에 미치는 영향과 마찬가지로 매우 제한적이다. 재령 28일의 플라이애시 콘크리트는 동일한 체 적의 시멘트만 사용한 콘크리트에 비해 높은 크리프 변형을 나타내는데, 이는 재하할 때의 플라애시 콘크리트 강도가 상대적으로 낮기 때문이다. 그러나 크리프 측정을 위 한 재하초기의 콘크리트 강도가 동일할 경우, 플라애시를 사용한 콘크리트의 크리프 변형은 모든 재령에서 감소하게 된다.
콘크리트의 건조수축은 시멘트-페이스트의 체적, 단위수량, 시멘트의 종류와 사용 량, 골재의 종류 등에 따라 다르다. 단위수량이 일정할 때, 플라이애시를 사용한 콘크 리트는 결합재-페이스트의 체적이 증가하기 때문에, 건조수축이 약간 증가하는 경향이 있다.
그러나 플라이애시의 사용으로 단위수량을 감소시킬 수 있기 때문에, 플라이애시 콘크리트의 건조수축은 플라이애시를 사용하지 않은 콘크리트와 같거나 감소되며, 균열방지 효과도 있다.
플라이애시 20%를 혼입한 콘크리트의 건조수축은 플라이애시 를 사용하지 않은 콘크리트와 거의 같다.
또한 플라이애시의 혼입 량을 증가시키면 건조수축이 약간 감소한다는 결과도 있다. 이러한 결과는 단위수량 의 감소와 플라이애시에 함유된 석고의 작용에 기인한 것이다.
한편, 콘크리트의 수밀성에 영향을 주는 요인으로는 결합재, 단위수량, 골재입도, 밀도, 양생방법 등이 있다. 일반적으로 시멘트 수화에 의해 석출된 Ca(OH)2는 수용성이기 때문에 물의 침투를 받으면 용해되기 쉽다.
그러나 포졸란 특성을 갖는 플라이애시를 사용하면 C-S-H를 생성할 때 칼슘, 칼륨, 나트륨과 반응하기 때문에 Ca(OH)2가 용해 될 가능성은 줄어들게 된다.
초기재령에서 플라이애시를 사용한 콘크리트의 수밀성은 플라이애시를 사용하지 않은 콘크리트보다 낮거나 비슷한 정도를 보이지만, 장기적으로는 플라이애시의 포졸 란 반응으로 인하여 현저하게 증대된다.
또한 물의 침투를 억제하기 때문에 콘크리트 구조물의 물리적, 화학적 침식에 대한 저항성이 증대될 뿐 아니라 내구성도 개선된다.
또한 수밀성은 플라이애시의 분말도가 높을수록 증대하는데 이는 미세입자가 시멘트 페 이스트의 큰 공극을 충전시켜 공극을 보강하기 때문이며 플라이애시를 사용한 콘크리 트의 수밀성 증진은 강도의 증진보다 큰 것으로 알려져 있다.
한편, 콘크리트의 동결융해 저항성은 플라이애시 혼입보다는 공기연행성, 골재의 안정성, 재령, 수화도, 시멘트 페이스트 강도 및 콘크리트의 습도조건에 좌우된다. 플라이애시 를 사용한 콘크리트는 초기 강도발현이 늦기 때문에 재령 28일에 적합한 수화도를 발 위하기 위해서는 결합재량을 증가시켜야 하며 콘크리트 단위체적당 공기연행제 첨가 량도 증가시켜야 한다.
플라이애시를 사용한 콘크리트에서 연행된 공기의 입경분포는 플라이애시를 사용 하지 않은 것과 비교해 볼 때 거의 변화가 없기 때문에 강도 및 공기량을 동시에 비 교하면 동결융해 저항성은 비슷한 것으로 알려져 있다.
일반적으로 알칼리골재 반응은 시멘트와 같은 재료에 함유된 알칼리 성분과 골재 중에 함유된 실리카성분이 수분의 존재하에서 장기적으로 서서히 새로운 물질을 생성 하는 반응을 말하며 이러한 반응의 생성물은 수분을 흡수, 팽창작용을 하여 콘크리트 의 균열 및 박리를 일으키고 심할 경우 붕괴시키기도 한다.
콘크리트에 플라이애시를 사용할 경우 플라이애시의 실리카계 유리질과 시멘트 페이스트의 수산화 알칼리가 반 응하여 골재의 실리카와 반응 시 팽창을 유발하는 콘크리트의 알칼리량을 소비하게 된다. 따라서 적당량의 플라이애시를 사용하게 되면 골재의 반응을 감소시킬 수 있으 며 콘크리트에 유해한 팽창을 방지할 수 있다.
플라이애시 뿐만 아니라 고로슬래그는 잠재수경성 재료로 물과 만나 일부 수분을 흡수할 뿐 화학적 반응을 통한 경화특성이 전혀 나타나지 않는다. 그러나 시멘트 수화반응에 따 라 콘크리트 내 전체적인 알칼리도가 높아져 혼화재의 입자표면을 자극한다면, 이 입 자의 화학성분이 용출되고 주변 성분들과 반응하여 경화특성을 나타낼 수 있다. 혼화재 그 자체에는 수경성이 없지만 그것에 함유되어 있는 SiO2, Al2O3 같은 가용성분이 시멘트 구성 화합물인 C3S, C2S가 수화할 때 생성된 Ca(OH)2와 상온에서 서서히 반응하여 불용성의 안정한 규산칼슘수화물(C-S-H)이나 칼슘알루미네이트수화물(C-A-H)을 생성하게 되는데, 이를 포졸란 반응이라 한다.
플라이애시와 고로슬래그 미분말은 포졸란 반응을 하는 결합재로서, 시멘트 구성 화합물인 C3S, C2S 등과 물이 접촉하여 수화반응의 결과로 생성되는 수산화칼슘과 플 라이애시의 실리카, 알루미나와 같은 가용성분이 반응하여 2차생성물인 칼슘실리케이 트 또는 칼슘알루미네이트 수화물을 발시킨다. 수화반응을 일으킨 시멘트 페이스트의 경우 약 70%의 칼슘실리케이트, 20%의 수산화칼슘을 포함하고 있다. 수화반응의 결과로 발생된 수산화칼슘을 포함하고 있다. 수화반응의 결과로 발생된 수산화칼슘은 경화체 내부에 공극을 발생시켜 성능을 저하시키는 요인으로 작용한다. 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 사용할 경우 수산화칼슘을 구속시킴으로써 콘크리트에 성능 향상에 기여할 수 있다.
CH + S + H C-S-H;
CH + A + H C-A-H
고로슬래그 미분말은 포졸란 반응뿐만 아니라, 시멘트와 혼합하여 물과 수화반응을 할 때 수산화칼슘을 포함하는 알칼리 성분에 의한 잠재수경성 반응으로 시멘트 수화반응시 생성되는 주된 수화물을 형성한다. 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 수화반응 속 도가 느리지만, 알칼리와 보통 포틀랜드 시멘트는 수화반응률을 증가시키며, 고로슬래 그 미분말과 보통 포틀랜드 시멘트를 혼합산 수화반응에서 고로슬래그 미분말은 칼 륨, 나트륨, 알칼리, CH와 반응하여 칼슘실리케이트 수화물을 형성한다.
상기 고로슬래그는 다음과 같은 과정에서 발생할 수 있다. 광석 내 산화금속을 환원 및 정련할 시, 석회석을 첨가한 저융점의 물질을 슬래그 라 하는데 이는 금속으로부터 분리되어 제거시에 잔존하게 된다. 이는 철강 슬래그와 비철 슬래그로 분리되는데, 비철 슬래그는 환원시키는 비철금속에 따라 동, 니켈 및 은 슬래그 등으로 나뉘게 되며, 철강 슬래그는 선철 생산 시 나오는 고로슬래그와 선 철 정련공정의 전로에서 생성되는 전로 슬래그로 분류된다. 이와 같은 슬래그는 잠재 수경성의 특징을 가지고 있어 여러 용도로 이용할 수 있다.
| 품질 | 1종 | 2종 | 3종 | |
| 밀도(g/cm3) | 2.80 이상 | 2.80 이상 | 2.80 이상 | |
| 비표면적 (cm2/g) | 8,000~10,000 | 6,000~8,000 | 4,000~6,000 | |
| 활성도 지수 (%) |
재령 7일 | 95 이상 | 75 이상 | 55 이상 |
| 재령 28일 | 105 이상 | 95 이상 | 75 이상 | |
| 재령 91일 | 105 이상 | 105 이상 | 95 이상 | |
| 플로값 비 (%) | 95 이상 | 95 이상 | 95 이상 | |
| 산화마그네슘(MgO) (%) | 10 이하 | 10 이하 | 10 이하 | |
| 삼산화황(SO3) (%) | 4 이하 | 4 이하 | 4 이하 | |
| 강열감량 (%) | 3 이하 | 3 이하 | 3 이하 | |
| 염화물이온(%) | 0.02 이하 | 0.02 이하 | 0.02 이하 | |
고로슬래그 미분말의 품질규정 (KS F 2563)
| 종류 | 고로슬래그의 함유량 (%) |
| 1 종 | 5 초과 30 이하 |
| 2 종 | 30 초과 60 이하 |
| 3 종 | 60 초과 70 이하 |
고로슬래그 시멘트의 종류 (KS L 5210)
고로슬래그는 첨가되는 석회석이 철광석의 맥성분, 코크스의 연소재 및 각종 산화 물질과 반응하여 생성되는 것으로 고온 용융상태에서 선철과의 비중차에 의해 분리배출된다. 고로슬래그는 냉각방식에 따라서 구분할 수 있는데 급냉슬래그와 반급냉슬 래그 및 서냉슬래그이다. 이중 서냉슬래그는 자연적으로 냉각시킨 것이라서 대분분 결정화되기 때문에 잠재수경성이 낮아서 시멘트용 혼합재로는 부적합하고, 급냉슬래 그는 고온인 슬래그를 물, 공기 등에 의하여 급냉하기 때문에 반응성이 높아서 고로 시멘트용 슬래그나 시멘트용 혼합재로 사용되고 있다.
국내 콘크리트에 이용하는 고로슬래그 미분말에 관한 KS 규격은 KS F 2563 [콘크 리트용 고로슬래그 미분말]의 규정이 있다. KS F 2563에 규저되어 있는 콘크리트용 고로슬래그 미분말의 품질규정은 아래 표와 같다. 주요 품질기준은 분말도에 따라 고 로슬래그 미분말 1종~3종으로 분류하고 밀도 2.80g/cm3 이상으로 규정하고 있으며, 고 로수쇄슬래그 염기도는 1.60 이상으로 규정하고 있다.
상기 고로슬래기의 미분말을 혼화재로써 사용한 콘크리트는 고로슬래그 미분말의 명칭, 분 말도 및 치환율, 및 재령의 차이 등에 따라 압축강도의 발현이 다르다. 분말도가 5,000cm2/g 정도 이하의 고로슬래그 미분말을 혼입한 콘크리트의 압축강도는 무 혼합 에 비하여 재령초기에 있어서 저하하지만, 재령의 경과와 함께 강도의 저하가 개선되고 장기 재령에서는 무혼입의 것에 비해 상회하게 된다.
또한, 슬래그의 화학성분이나 유리질량이 동일할 경우 슬래그의 분말도가 클수록 그 표면적 이 크므로 반응성이 크게 나타난다. 초기강도는 혼입율이 증가할수록 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 비해 작고 그 경향은 치환율이 클수록, 물시멘트비가 작을수록 현저하게 나타난다. 그러나 슬래그의 분말도가 증가할수록 초기강도 차이는 적어지고 일정 이상의 분말도와 적정의 석고량이 첨가되면 포틀랜드 시멘트 콘크리트보다 초기강도 우수하게 나타나게 된다. 압축강도의 비율은 재령이 경과할 수록 크게 되고 슬래 그 혼입율을 70% 다량으로 사용하여도 일반적으로 섭씨 20도의 수중양생을 3개월에서 6개 월간 행한 콘크리트의 압축강도는 적어도 슬래그 무혼입의 것과 동일한 정도로 크게 된다.
또한, 분말도가 작은 슬래그를 혼입한 경우도 장기 재령시에는 강도의 발현이 크고 재령 91일 정도가 되면 분말도가 압축강도에 미치는 영향은 그다지 현저하지는 않다. 장기재령에 있어서 슬래그를 치환한 콘크리트의 강도 회복은 슬래그의 잠재수 경성에 의한다. 따라서 슬래그의 분말도 증가에 따라 수화반응이 활발하게 되고 잠재 수경성의 발현이 한층 촉진되어 초기강도도 개선된다.
콘크리트의 균열은 구조물의 구조내력, 내구성 등에 커다란 영향을 미친다. 일반적 으로 고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트는 수화반응이 약간 늦고, 초기에는 보통 콘크리트에 비하여 표면으로부터의 수분의 발산이 커지기 때문에 JIS A 1129(모르타 르 및 콘크리트의 길이 변화 시험방법)에 규정된 시험방법에 따라 시험한 경우에는 건조에 의한 수축율에 경화 수축율이 가산되어, 초기의 수축율은 무혼입 콘크리트와 비교하여 큰 값을 나타낸다.
그러나, 이것은 습윤양생이 충분하지 못한 경우에 나타나 는 현상으로 주의가 요구된다. 고로슬래그 미분말 4,000cm2/g, 6,000cm2/g 및 8,000cm2/g을 사용하고 치환율이 30~70%, 물-결합재 비 25~55% 범위의 콘크리트 재령 1년에서 건조수축율은 70x10-4 전후로 무혼입 콘크리트와 거의 같은 정도이다.
한편, 고로슬래그 미분말 혼입 콘크리트의 건조수축 변형율 나타낸다. 고로슬래그 미분말 혼입 콘크리트와 무혼입 콘크리트의 건조수축 변형율에는 큰 차이가 나타나고 있지 않다.
고로슬래그 미분말의 분말도가 높을 수록 자기수축 변형율을 작게 나타나 자기수축 변 형에 의한 고강도 콘크리트의 균열을 억제하기 위해서는 고로슬래그 미분말의 분말도 를 높이는 것이 유효한 것을 알 수 있다.
한편, 고로슬래그 미분말 혼입 콘크리트의 크리프에 관한 자료는 매우 적으나, 재령 7일 또는 28일 까지 섭씨 20도의 표준양생을 실시한 후 즉시 재하하거나 더욱 더 일정기간 양 생한 후에 재하한 경우의 기중 환경에서 크리프는 슬래그를 사용하지 않은 일반 콘크 리트와 비교하여 약간 작다. 또한, 수중 환경에서 기본 크리프는 슬래그의 사용에 의 한 감소가 매우 크다. 그리고 크리프계수는 슬래그의 치환율이 클수록 또한 분말도가 클 수록 각각 작아진다.
고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트는 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 화학저항성을 개선한다. 포틀랜드 시멘트는 수화시 다량의 수산화칼슘을 방출하는 광물(C3S, C2S)이나 황산염 또는 염화물의 존재 하에 복염을 생성하는 광물(C3A)을 함유하고 있 다. 고로슬래그 미분말을 사용하면 치환율에 따라 희석됨과 동시에 방출되는 수산화 칼슘이 슬래그로부터 용출되는 실리케이트(silicate)나 알루미네이트(aluminate)와 모세 관 공극중에서 포졸란 반응을 일으켜 일부 소비되어 치밀한 조직구조를 형성하고 투 수성을 감소시키므로 염류의 침투작용을 억제하게 된다.
한편, 3성분계 콘크리트는 상기 고로슬래그와 플라이애쉬 시멘트의 조합 뿐만 아니라 굵은골재와 잔골재 및 기타 첨가물을 포함하는 개념이다.
상기 고로슬래그와 플라이애쉬 중 적어도 어느 하나는 시멘트를 대체할 수 있더라도 굵은골재와 잔골재 자체는 완벽하게 대체할 수 없다.
3성분계 시멘트로 콘크리트를 만들게 되면 콘크리트 내부 깊은 곳까지 수분이 포함되어 양생, 경화될때 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라, 특정부피의 콘크리트를 형성하는데 너무 많은 시멘트가 필요하여 경제적으로 우수하지 않다. 따라서, 자갈과 같은 굵은 골재를 통해 단위수량과 단위시멘트 량을 감소시킬 수 있고, 골재 자체의 강도가 높아 골재 자체의 지닌 강도로 인하여 콘크리트 전체의 강도를 보강시킬 수 있다.
상기 고로슬래그는 자갈과 함께 굵은 골재를 적어도 일부 대체하여 콘크리트 자체에 천연자원이 투입되는 것을 절약할 수 있어 친환경성을 더 높일 수 있다.
다만, 굵은 골재만을 사용할 경우, 굵은 골재 사이에 공극 또는 빈공간이 발생하여 콘크리트 자체의 내구성을 보장하지 못한다. 따라서, 상기 자갈과 같은 굵은 골재보다 입경이 더 작은 잔골재를 통해 상기 공극을 매워 시멘크와 골재 전체의 결합력을 향상시킬 수 있는 잔골재가 필요하다.
상기 잔골재는 일반적으로 규소계열 등의 모래가 이용될 수 있다.
한편, 상기 모래는 역시 천연재료로서, 이를 콘크리트 제작에 활용하기 위해서는 모래의 채굴 및 운반으로 인한 환경파괴가 문제될 수 있다. 따라서, 친환경 콘크리트를 제작하기 위해 상기 슬래그 골재, 전기로산화슬래그, 페로니켈 슬래그로 모래를 대체할 수 있다.
예를들어, 페로니켈 슬래그 및 고로슬래그 또는 고로수재 슬래그, 전기로산화슬래그, 슬래그 골재로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는데, 상기 콘크리트의 강도, 휨강도, 부착강도, 마모저항성, 동결저항성, 융해저항성, 염소이온 투과저항성과 같은 물성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 페로니켈 슬래그는 국내의 페로니켈 제련소에서는 연간 15만톤 이상 생산되고 있으며, 철 80% 및 니켈 20%의 조성비로 만들어진 합금을 페로니켈(ferro-nickel)이라 하는데, 페로니켈 제조를 위해 니켈광을 제련할 때 원료, 제선 및 제강 등의 생산라인을 거치면서 발생되는 부산물을 페로니켈슬래그(ferro-nickel slag)라고 한다.
페로니켈의 원료는 산화 니켈광이며, 니켈 품위는 2 내지 25 중량% 수준으로
매우 낮고, 그 외의 함유물인 SiO2, MgO, FeO, CaO 등은 대부분 슬래그로 생성되어, 약 100만톤 가량의 페로니켈 슬래그가 발생하고 있다.
페로니켈 슬래그의 주성분은 40 내지 50중량%의 CaO와 30 내지 40중량%의 MgO로 구성되며, 구상형의 모래 형태로서 그 입도크기가 10mm 미만의 수준이다.
또한, 고로 슬래그, 슬래그 골재, 전기로산화 슬래그란 용광로에서 선철과 동시에 생성하는 용융 고로 슬래그를 고압의 물이나 공기로 급랭시켜 얻어지는 것으로, 특히 고로로부터 슬래그가 배출되면서 고압의 물을 살수하므로 결정상이 갖추어지지 않고 비결정상의 모래 형태 입자로 생성된다.
상기, 페로니켈 슬래그는 흡수율이 작고 구상형의 입형을 가지고 있어 콘크리트
의 잔골재로 활용시 유동성을 증진시키고 수밀한 콘크리트를 제조할 수 있어 콘크리트의 강도 및 내구성능을 증진시키는 역할을 한다.
또한, 상기 고로 슬래그는 페로니켈 슬래그와 혼합 사용시 페로니켈슬래그의 고비중에 의한 재료분리의 위험성을 낮춰주며, 표면 잠재수경성에 의해 시멘트와의 결합력을 높이는 효과를 나타낸다.
즉, 페로니켈 슬래그와 고로 슬래그 또는 고로수재 슬래그를 혼합한 철강슬래그를 잔골재로 활용하게 되면, 콘크리트의 품질 균일성을 확보할 수 있으며, 물리적 성능 및 내구성을 증진시키는 콘크리트 조성물이 제공된다.
이때, 상기 페로니켈 슬래그는 15 내지 5 밀리미터의 입자크기를 나타내는 것이 바람직한데. 상기 페로니켈 슬래그의 입자크기가 15 밀리미터 미만이면 고로 수재 슬래그의 입도분포와 겹치게 되어 표준입도를 벗어나게 되므로 콘크리트 제조시 과도하게 시멘트를 소요하게 되어 경제성이 저하되며, 상기 페로니켈 슬래그의 입자크기가 5 밀리미터를 초과하게 되면 입자의 구형 특성을 상실하게 되어 콘크리트 제조시 유동성의 저하를 초래한다.
또한, 상기 고로 수재 슬래그는 입자크기가 008 내지 25 밀리미터를 나타내는 것이 바람직한데, 상기 고로 수재 슬래그의 입자크기가 008 밀리미터 미만이면 콘크리트 제조시 점성이 증가하여 표면 마무리작업이 저하되며, 상기 고로 수재 슬래그의 입자크기가 25 밀리미터를 초과하게 되면 페로니켈 슬래그와 입도분포가 겹치게 되어 표준입도분포를 벗어나게 되므로 콘크리트 제조시 과도한 시멘트를 소요하게 되어 경제성이 저하된다.
또한, 상기 페로니켈 슬래그와 고로 수재 슬래그의 혼합비는 1:04 내지 1의 비율로 혼합되어 이루어지는 것이 바람직한데, 상기 고로 수재 슬래그는 페로니켈 슬래그의고비중을 낮춰주는 역할과, 25 밀리미터 이하의 작은 입도를 채워주어 표준 입도분포를 갖출 수 있도록 하는 효과가 있으며, 표면의 잠재수경성으로 인해 시멘트와의 결합력이 증대되어 휨강도 및 부착강도, 방수성능의 증진을 효과를 나타낸다.
한편, 이렇게 3성분계 시멘트와 친환경 재료로 사용되는 굵은골재와 잔골재를 사용하여 콘크리트 또는 3성분계 콘크리트를 제작할 수 있다.
그런데, 상기 콘크리트는 차량이 이동하는 도로의 포장재료로 사용되는 경우, 과도한 부하가 반복적, 집중적, 지속적으로 작용한다. 따라서, 친환경으로 콘크리트를 제작하였다고 하더라도 도로 등의 악조건을 견디기에는 내구성이나 강성이 부족할 수 있다.
이에 따라, 상기 3성분계 콘크리트에 라텍스와 같은 화학적 첨가물 또는 부가물을 다량으로 첨가하여 내구성이나 강도를 보강하고, 콘크리트의 온도변형과 자기수축변형을 억제할 수 있다.
그러나, 상기 라텍스와 같은 첨가물로는 도로 등의 상황에 최적으로 적합한 콘크리트의 강성이나 내구성을 달성하지 못하는 문제가 있다.
더욱이, 상기 라텍스와 같은 화학적 첨가물을 다량으로 부가하면 상기 라텍스 자체의 독성 등으로 환경에 문제를 발생시킬 수 있으며, 상기 라텍스를 제작할 때 다수의 오염물질 등이 발생하여 친환경 콘크리트 제작의 취지에 부합하지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명 콘크리트 조성물 또는 3성분계 콘크리트 조성물은 나노미터 크기의 첨가물을 추가로 함유하여 강도와 내구성을 일반적인 라텍스 등의 첨가물 보다 더 크게 향상시킬 수 있다.
물론, 상기 나노미터 크기의 첨가물(이하, 나노물질)을 제작하기 위해서는 별도의 비용이 들며, 일반적인 건축 현장과 같이 콘크리트가 필요한 상황에서는 과비용의 문제로 활용될 여지가 전혀 없었다.
특히, 콘크리트 비용을 절약하는 과정에서 산업용 부산물을 사용하는 과정에서 고가의 나노 물질을 투입한다는 것은 친환경 콘크리트 제작의 취지와도 부합하지 않는 문제가 있어 나노 크기의 첨가물을 포함한 콘크리트는 산업 전반에 사용될 수 없었다.
그러나, 도로 등과 같이 장시간 교통과 우천시 다량의 물에 노출되는 가혹한 환경에서는 콘크리트의 파손 문제가 빈번하였고, 도로의 유지보수 공정이 반복적으로 발생하였다.
이러한 도로의 유지보수 작업은 재료비, 인건비, 장치운영비 등이 발생하고 일정기간 교통도 통제해야 되기 때문에 매우 큰 사회적 비용이 발생한다. 따라서, 도로 등과 같이 콘크리트의 유지보수가 빈번하게 발생하는 환경이라면, 상기 나노 크기의 첨가물 자체가 고비용이라고 하더라도 나노물질을 부가하여 내구성과 강성이 확보될 수 있는 콘크리트를 사용하는 것이 종합적으로 저렴할 수 있다.
따라서, 본 발명 콘크리트는 나노물질을 콘크리트에 부가하여 콘크리트의 내구성과 강성을 더욱 크게 증진시킬 수 있고, 이를 도로 등의 포장 등에 적극활용할 수 있다.
도3 내지 도4는 나노물질이 첨가된 본 발명 콘크리트 조성물의 강도가 증가되는 효과를 도시한 것이다.
상기 나노물질은 상기 콘크리트 조성물에 투입되었을 때 크기가 매우 작으므로 3성분계 시멘트와 잔골재 및 굵은골재의 방해를 받지 않고 이동할 수 있다.
따라서, 상기 나노물질은 삼투압 또는 농도차에 의한 이동 등에 의해 상기 콘크리트 조성물 전체에 고르게 퍼지거나, 상기 콘크리트 조성물 내부에 발생한 미세한 공극에 까지 용이하게 전달될 수 있다.
상기 나노물질은 같은 질량 대비 마이크로 크기의 물질이나 mm 미터 단위의 크기 물질보다 표면적이 매우 넓다. 이렇게 확장된 표면적으로 인해 같은 질량의 첨가물이 투입되었다고 하더라도 나노물질은 상기 콘크리트 조성물과 접촉되어 강한 접착력을 발생시킬 수 있다.
예를들어, 상기 나노물질은 상기 콘크리트 조성물과 화학적으로 반응하거나 결합하지 않더라도, 반데르발스 힘과 같이 물질 고유에서 발생하는 인력으로 인해 강한 접착력을 발생시킬 수 있다.
이로써, 상기 나노물질은 미량으로 투입된다고 하더라도 상기 콘크리트 조성물의 결합력을 크게 강화시키거나, 상기 콘크리트 조성물의 공극을 세밀하게 충전할 수 있다.
상기 나노물질은 상기 콘크리트 조성물 또는 물과 화학적으로 반응하지 않는 탄산칼슘이나 이산화규소 등의 물질로 구비될 수 있다. 상기 나노물질이 상기 콘크리트 조성물과 화학적으로 반응하면 상기 콘크리트 조성물에 투입시 상기 콘크리트 조성물 전체에 퍼질 수 없기 때문이다.
한편, 상기 나노물질이 상기 콘크리트 조성물과 화학적으로 반응하는 경우, 입자 하나당 단위단면적이 매우 크기 때문에 더욱 반응성이 향상될 수 있다. 따라서, 상기 나노물질이 마이크로미터 또는 미리미터 크기일 때도 공극을 매우거나 포졸란 반응을 일으키는 경우, 상기 나노물질이 나노미터로 구비되는 경우에는 상기 공극을 매우는 정도, 포졸란 반응을 일으키는 정도가 매우 커질 것이다.
따라서, 상기 나노물질은 콘크리트 조성물에 미치는 영향이 극대화될 수 있다.
구체적으로, 상기 나노물질은 50nm 이하로 구비되는 탄산칼슘으로 구비될 수 있다.
상기 탄산칼슘은 상기 콘크리트에 투입되었을 때 나노물질로 구비된다고 하더라고 화학적 반응을 거의 하지 않는다. 따라서, 상기 나노미터 크기의 탄산칼슘은 상기 콘크리트에 투입되면 삼투압 등으로 상기 콘크리터 전체에 고르게 퍼질 수 있고, 반데르발스 힘 등을 통해 상기 콘크리트 조성물과 강하게 접착될 수 있다.
또한, 상기 나노미터 크기의 탄산칼슘은 화학적 반응을 하지 않는 특성상 상기 콘크리트의 미세공극까지 전달되어 미세공극을 충전할 수 있다.
그 결과, 50nm 이하로 구비되는 상기 나노미터 크기의 탄산칼슘은 투입된 콘크리트의 내구성과 강성을 효과적으로 증진시킬 수 있다.
한편, 상기 탄산칼슘이 50nm 이상으로 구비되는 경우, 상기 콘크리트 조성물 전체의 강도 또는 내구성을 향상시키는 효과는 급감할 수 있다. 이는 50nm 이상으로 구비되면 단위 입자당 면적이 반데르발스(Van Der Waals) 힘이 충분한 접착력을 발생시킬 만큼 충분한 면적이 확보되지 않거나, 콘크리트 조성물과의 충돌로 인해 콘크리트 내부에서 확산되는 속도나 정도가 감소하는 것으로 이해될 수 있다.
한편, 상기 나노물질은 상기 나노미터 크기의 탄산칼슘 자체 뿐만 아니라 제1추가물질을 더 포함할 수 있다. 상기 제1추가물질은 상기 나노미터 크기의 탄산칼슘의 물리적, 화학적 특성을 변화시키지 않고, 상기 나노크기의 탄산칼슘의 성능을 더 증폭시키도록 구비될 수 있다.
이러한 추가물질과 상기 나노미터 크기의 탄산칼슘의 비율은 질량비로 2대 98를 넘지 않도록 설정될 수 있다. 예를들어, 나노미터 크기의 탄산칼슘이 98이며 추가물질의 전체 질량의 합은 2에 해당될 수 있다.
상기 탄산칼슘과의 반응 특이성을 고려하여, 상기 제1추가물질은 산화마그네슘(MgO), 이산화규소(SiO2), 산화알류미늄(Al2O3), 산화철(FeO3) 중 적어도 어느 하나로 구비될 수 있다. 상기 제1추가물질도 당연히 나노미터 단위 크기로 구비될 수 있다.
상기 제1추가물질은 공통적으로 단일원소가 아니라 모두 산화환원 반응 등의 이온결합으로 구비될 수 있다. 상기 제1추가물질은 상기 나노미터 크기의 탄산칼슘과 함께 상기 콘크리트에 투입되면 이온화 되어 상기 나노크기의 탄산칼슘의 전파력을 증가시키거나, 상기 탄산칼슘과 콘크리트 조성물의 결합력을 증가시키는 데 기여할 수 있다.
또한, 상기 추가물질은 매우 극미량으로 투입되어야 상기 탄산칼슘의 역할을 방해하지 않는 것을 확인할 수 있다. 매우 정밀한 실험을 통해, 상기 산화마그네슘은 전체 나노물질 중 0.35퍼센트 보다 많지 않아야 상기 나노 입자의 탄산칼슘이 콘크리트 조성물의 내구성과 강성을 강화하는 것을 보조하고 방해하지 않을 수 있었다.
구체적으로, 상기 제1추가물질이 상기 이산화규소를 포함하는 경우에는, 상기 이산화규소는 전체 나노물질 중 0.1퍼센트 보다는 많지 않아야 상기 나노입자의 탄산칼슘이 콘크리트의 내구성과 강성을 강화하는 것을 보조할 수 있다.
또한, 상기 제1추가물질이 상기 산화철을 포함하는 경우에는, 상기 산화철은 전체 나노물질 중 0.1 퍼센트 보다 많지 않아야 상기 나노입자의 탄산칼슘이 콘크리트 조성물의 내구성과 강성을 강화하는 것을 보조할 수 있다.
또한, 상기 제1추가물질이 상기 산화철을 포함하는 경우에는, 상기 산화알루미늄은 전체 나노물질 중 0.1퍼센트 보다 많지 않아야 상기 나노입자의 탄산칼슘이 콘크리트 조성물의 내구성과 강성을 강화하는 것을 보조할 수 있다.
상기 제1추가물질은 상기 산화마그네슘, 이산화규소, 산화알루미늄, 산화철 중 어느 하나으로 구성될 수 있다. 그러나, 상기 제1추가물질은 상기 산화마그네슘, 이산화규소, 산화알루미늄, 산화철을 모두 포함할 수도 있다.
한편, 상기 나노물질은 나노미터 크기의 이산화규소로 구비될 수도 있다.
상기 나노물질이 이산화규소로 구비될 경우에도, 상기 나노물질은 상기 콘크리트의 강도 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있다. 상기 이산화규소는 콘크리트 조성물에 투입되면, 탄산칼슘과 달리 수환화칼슘 등과 포졸란 반응을 일으킨다.
이때, 상기 이산화규소가 나노미터 단위의 나노입자로 구비되는 경우 상기 포졸란 반응은 더욱 극렬하게 발생한다. 다시말해, 상기 이산화규소가 수산화이온(알칼리 골재반응에 관계하는 이온)을 감소시키는 절대량이 증가하여 초기 콘크리트의 ASR 반응이 상당히 방지될수 있다. 나아가, 비표면적이 큰 저칼슘형 규산칼슘수화물(C-S-H)의 생성되어 상기 콘크리트 내부의 공극을 충전하는 정도나 양이 더욱 많아지게 되어 전체 콘크리트의 내구성과 강성을 크게 강화할 수 있다. 나아가, 알카리이온의 흡착, 그리고 경화시멘트 페이스트 조직의 치밀화에 의한 물의 이동속도 및 Na+나 K+의 확산속도를 저하하는 정도도 매우 증폭되어 콘크리트 자체의 팽창성도 더욱 크게 감소시킴으로써, 콘크리트의 내구성을 더욱 강화시킬 수 있다. 상기 이산화 규소도 50nm 이하로 구비될 수 있다.
한편, 상기 나노물질은 나노미터 크기의 이산화규소 뿐만 아니라 제2추가물질을 더 포함할 수 있다.
상기 제2추가물질은 상기 나노미터 크기의 이산화규소의 물리적, 화학적 특성을 변화시키지 않고, 상기 나노미터 크기의 이산화규소의 성능을 더 증폭시키도록 구비될 수 있다.
이러한 제2추가물질과 상기 나노미터 크기의 이산화규소의 비율은 질량비로 2대 98, 1대 99로 구비될 수 있다.
이산화규소와의 반응특이성에 따라, 상기 제2추가물질은 산화마그네슘(MgO), 이산화규소(SiO2), 산화알류미늄(Al2O3), 산화철(FeO3)이 아니라, 티타늄(Ti), 칼슘(Ca), 나트륨(Na), 철(Fe)의 단일원소를 포함할 수 있다.
상기 제2추가물질이 상기 티타늄을 포함하는 경우에는, 상기 티타늄은 전체 콘크리트 조성물을 기준으로 220ppm 미만으로 투입되어야 상기 나노 입자의 이산화규소가 콘크리트 조성물의 내구성과 강성을 강화하는 것을 보조할 수있다.
상기 제2추가물질이 상기 칼슘을 포함하는 경우에는, 상기 칼슘은 전체 콘크리트 조성물을 기준으로 130ppm 미만으로 투입되어야 상기 나노 입자의 이산화규소가 콘크리트 조성물의 내구성과 강성을 강화하는 것을 보조할 수 있다.
상기 제2추가물질이 상기 칼슘을 포함하는 경우에는, 상기 나트륨은 전체 콘크리트 조성물을 기준으로 80ppm 미만으로 투입되어야 상기 나노입자의 이산화규소가 콘크리트 조성물의 내구성과 강성을 강화하는 것을 보조할 수 있다.
상기 제2추가물질이 상기 철을 포함하는 경우에는, 상기 철은 전체 콘크리트 조성물을 기준으로 40ppm 미만으로 투입되어야 상기 나노입자의 이산화 규소가 콘크리트 조성물의 내구성과 강성을 강화하는 것을 보조할 수 있다.
상기 제2추가물질은 상기 티타늄, 칼슘, 나트륨, 철은 어느 하나만 포함할 수도 있고, 상기 티타늄, 칼슘, 나트륨, 철을 포함할 수도 있다.
이하에서는 여러 콘크리트 조성물로 제작된 콘크리트에 상기 나노물질을 투입한 효과를 표와 그래프로 설명한다.
전술한 것처럼, 상기 나노물질은 나노미터 크기의 입자로 구비되고, 탄산칼슘과 이산화규소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 나노물질은 제1추가물질과 상기 제2추가물질 중 어느하나를 더 포함할 수 있다.
상기 나노물질이 상기 탄산칼슘을 포함하는 경우에는 상기 나노물질은 상기 제1추가물질을 더 포함할 수 있다.
상기 나노물질이 상기 이산화규소를 포함하는 경우에는 상기 나노물질은 상기 제2추가물질을 더 포함할 수 있다.
도3은 본 발명 제1실시예의 콘크리트 조성물에 상기 나노물질을 투입한 효과를 도시한 것이다.
본 발명 제1실시예의 콘크리트 조성물은 도로 등의 가혹한 환경에서도 특정 내구성과 강도를 유지할 수 있도록 상기 표와 같이 물리적인 특성이 요구될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1실시예의 콘크리트 조성물에 요구되는 물리적인 특성을 만족하기 위해, 골재의 직경은 13mm을 초과해서는 안되며, 강성은 35Mpa 이상으로 유지되어야 한다. 또한, 슬럼프가 190mm가 확보될정도로 유동성이 확보되어야 하고, 내부 공극비율은 3~6% 범위내로 관리되어야 한다. 물과 바인더의 조합비율은 38%에 해당되어야 하고, 잔골재비율은 55%에 해당될 수 있다.
이러한 조건을 만족시킬수 있는 배합은 상기 표와 같다. 본 발명 제1실시예의 콘크리트 조성물 도로의 등이 환경에도 내구성을 유지할 수 있도록 포장될 수 있도록 기본적으로 물 107kg/m3, 시멘트 200kg/m3, 플라이애쉬 60kg/m3, 고로슬래그 140kg/m3m, 모래 908kg/m3, 자갈 752kg/m3, 라텍스 85 kg/m3의 비중으로 배합될 수 있다.나노물질을 투입하지 않은 상기 제1실시예의 콘크리트 조성물의 기간에 따른 강도변화는 다음과 같다.
이렇게 배합된 제1실시예의 콘크리트 조성물에 나노입자를 투입하지 않았을때 기간에 대한 강도변화를 측정할 수 있고, 이를 나노물질의 효과를 비교할 수 있는 대조군으로 설정할 수 있다.
상기 대조군을 기준으로 상기 제1실시예의 콘크리트 조성물에 나노물질을 투입하였을때 기간에 대한 강도변화를 측정하여 비교함으로써, 나노물질의 효과를 확인할 수 있다.
구체적으로, 상기 표는 제1실시예의 콘크리트 조성물의 3개 시편에 나노물질을 투입하지 않았을때 특정기간 도과에 따른 강도변화를 표로 도시한 것이다.
상기 제1실시예의 콘크리트는 7일 차에는 강도의 평균값이 27.04MPa이며, 28일차에는 강도의 평균값이 37.43Mpa로 경화되면서 증가하는 것을 알 수 있다.
상기 표는 제1실시예의 콘크리트 조성물의 3개 시편에 이산화규소로 구성된 나노물질을 전체 중량의 1% 비율로 투입했을때 특정기간 도과에 따른 강도변화를 표로 도시한 것이다.
상기 제1실시예의 콘크리트는 이산화규소로 구비된 나노물질을 투입하였을때 7일차에는 강도의 평균값이 32.44Mpa이며, 28일차에는 강도의 평균값이 45.52Mpa인 것을 알 수 있다.
즉, 이산화규소를 포함하는 나노물질을 투입하였을때 나노물질을 투입하지 않았을때 보다 7일차에는 강도가 평균적으로 19.95% 더 증가되었으며, 28일차에는 강도가 평균적으로 21.62% 더 증가되었음을 알 수 있다.
상기 표는 제1실시예의 콘크리트 조성물의 3개 시편에 탄산칼슘으로 구성된 나노물질을 전체 중량의 1% 비율로 투입했을때 특정기간 도과에 따른 강도변화를 표로 도시한 것이다.
상기 제1실시예의 콘크리트는 탄산칼슘으로 구비된 나노물질을 투입하였을때 7일차에는 강도의 평균값이 29.04Mpa이며, 28일차에는 강도의 평균값이 40.24Mpa인 것을 알 수 있다.
즉, 탄산칼슘을 포함하는 나노물질을 투입하였을때 나노물질을 투입하지 않았을때 보다 7일차에는 강도가 평균적으로 7.4% 더 증가되었으며, 28일차에는 강도가 평균적으로 7.5% 더 증가되었음을 알 수 있다.
다만, 상기 이산화규소를 포함하는 나노물질을 투입하였을 때보다는 강도의 증가율은 낮은 것을 확인할 수 있다.
상기 표는 제1실시예의 콘크리트 조성물의 3개 시편에 탄산칼슘과 이산화규소를 모두 포함하는 나노물질을 전체 중량의 각각 0.5% 비율로 투입했을때 특정기간에 따른 강도변화를 표로 도시한 것이다.
즉, 상기 제1실시예의 콘크리트는 탄산칼슘과 이산화규소를 모두 포함하는 나노물질을을 투입하였을때 7일차에는 강도의 평균값이 29.90Mpa이며, 28일차에는 강도의 평균값이 39.35Mpa인 것을 알 수 있다.
즉, 탄산칼슘과 이산화규소를 모두 포함하는 나노물질을 투입하였을때 나노물질을 투입하지 않았을때 보다 7일차에는 강도가 평균적으로 10.56% 더 증가되었으며, 28일차에는 강도가 평균적으로 5.13% 더 증가되었음을 알 수 있다.
다만, 상기 이산화규소를 포함하는 나노물질을 투입하였을 때보다는 강도의 증가율은 낮은 것을 확인할 수 있다. 더욱이, 상기 탄산칼슘을 포함하는 나노물질을 투입하였을 때보다 강도가 더 증가하는 추세는 확인하지 못하는 것을 알 수 있다.
도3은 상기 표와 같이 특정 기간 동안 강도의 변화를 연속적으로 측정하여 그래프로 도시한 것이다. 상기 제1실시예의 콘크리트 조성물을 기준으로 상기 그래프는 x축이 기간이며, y축이 콘크리트 조성물이 시간이 경과함에 따라 강성의 변화를 나타낸다.
상기 도3의 그래프를 통해 나노물질의 효과 뿐만 아니라, 나노물질이 어떤 것을 구성되었을때 더 효과가 있는지를 한눈에 파악할 수 있다.
도3의 그래프를 참조하면, 특정 기간 중에 상기 비중으로 배합된 제1실시예의 콘크리트 조성물에 나노물질을 첨가하지 않은 것과, 상기 비중으로 배합된 제1실시예의 콘크리트 조성물에 전체 비중의 1프로의 나노크기의 이산화 규소의 나노물질을 첨가한 것과, 상기 비중으로 배합된 제1실시예의 콘크리트 조성물에 전체비중의 1프로의 나노크기의 탄산칼슘의 나노물질을 첨가한 것과, 상기 비중으로 배합된 제1실시예의 콘크리트 조성물에 전체비중의 1프로의 나노크기의 탄산칼슘과 이산화규소가 배합된 나노물질을 첨가한 것의 강성변화를 알 수 있다.
그래프를 분석하면, 나노물질을 첨가하지 않은 제1실시예의 콘크리트 조성물의 강도가 전체 기간 중에 제일 낮은 것을 알 수 있다.
또한, 나노물질을 첨가한 제1실시예의 콘크리트 조성물은 상기 나노물질이 어떤 구성으로 되어 있는지와 상관없어 전부 강성이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 나노물질의 투입이 전체기간 중에 콘크리트의 강성 및 내구성을 크게 향상시키는 효과가 있다는 것을 확인할 수 있으며, 기간이 경과함에 따라 그 효과는 더욱 증폭된다는 것도 확인할 수 있다.
다만, 상기 탄산칼슘의 나노물질을 투입한 제1실시예의 콘크리트 조성물과, 이산화규소와 탄산칼슘을 모두 포함하는 나노물질을 투입한 제1실시예의 콘크리트 조성물의 강도는 전체기간 을 고려하면 거의 유사하나, 이산화규소의 나노물질을 투입한 제1실시예의 콘크리트 조성물의 강도는 월등히 큰 것을 확인할 수 있다.
이는 탄산칼슘과 상기 이산화규소를 모두 콘크리트에 투입하는 자체가 중요하기 보다 탄산칼슘과 이산화규소의 각각의 절대비율이 더 중요하다는 것을 의미할 수 있다.
다시말해, 상기 탄산칼슘과 상기 이산화규소는 서로 독립적으로 작용하므로 상기 콘크리트 질량 대비 상기 탄산칼슘과 상기 이산화규소의 총합의 질량이 보다 각각의 총질량이 강성과 내구성의 보강효과에 더 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
이는 상기 탄산칼슘은 반데르발스의 물리적인 방식을 통해 콘크리트의 내구성 및 강성을 보강하고, 상기 이산화규소는 화학반응을 통해 콘크리트의 내구성 및 강성을 보강하므로 각각의 절대치가 총합의 질량보다 더 의미가 있는 인자라고 해석할 수 있다.
또한, 나노물질이 탄산칼슘 보다는 이산화규소로 구비되었을때 콘크리트의 내구성 및 강성을 보강하는 효과가 더 크다는 것을 확인할 수 있다.
다만, 상기 나노물질이 탄산칼슘으로 구성되어 있을 경우에는, 콘크리트 조성물 자체와 화학반응을 하지 않으므로 콘크리트의 물리적인 특성이나 성질은 최대한 유지하면서도 내구성 및 강성의 증대를 도모할 수 있는 효과가 있음을 알 수 있다.
결과적으로, 나노물질이 투입된 콘크리트 조성물은 나노물질이 투입되지 않은 콘크리트 조성물 보다 나노물질의 구성과 상관없이 내구성 및 강성이 크므로, 도로 등과 같이 유지보수가 빈번한 환경에 적극적으로 활용할 수 있다. 그 결과, 도로의 내구성 및 강성이 더 증가되어 유지보수의 횟수를 크게 절감할 수 있다.
도4는 본 발명 제2실시예의 콘크리트 조성물에 나노물질을 투입한 효과를 도시한 것이다.
본 발명 제2실시예의 콘크리트 조성물은 도로 등의 가혹한 환경에서도 특정 내구성과 강도를 유지할 수 있도록 상기 표와 같이 물리적인 특성이 요구될 수 있다.
예를들어, 상기 요구되는 특성은 골재의 직경은 13mm을 초과해서는 안되며, 강성은 35Mpa 이상으로 유지되어야 한다. 또한, 슬럼프가 190mm가 확보될정도로 유동성이 확보되어야 하고, 내부 공극비율은 3~6% 범위내로 관리되어야 한다. 물과 바인더는 39퍼센트가 되어야 하며, 잔골재율은 58퍼센트일 수 있다.
본 발명 제2실시예의 콘크리트 조성물은 도로의 등이 환경에도 내구성을 유지할 수 있도록 포장될 수 있도록 기본적으로 물 148kg/m3, 시멘트 190kg/m3, 플라이애쉬 57kg/m3, 고로슬래그133kg/m3, 모래 1031kg/m3, 자갈 764kg/m3로 구비될 수 있다.다만, 라텍스 제외될 수 있다.
이렇게 배합된 제2실시예의 콘크리트 조성물에 나노입자를 투입하지 않았을때 기간에 대한 강도변화를 측정할 수 있고, 이를 나노물질의 효과를 비교할 수 있는 대조군으로 설정할 수 있다.
상기 대조군을 기준으로 상기 제1실시예의 콘크리트 조성물에 나노물질을 투입하였을때 기간에 대한 강도변화를 측정하여 비교함으로써, 나노물질의 효과를 확인할 수 있다.
구체적으로, 상기 표는 제2실시예의 콘크리트 조성물의 3개 시편에 나노물질을 투입하지 않았을때 특정기간 도과에 따른 강도변화를 표로 도시한 것이다.
상기 제2실시예의 콘크리트는 7일 차에는 강도의 평균값이 34.42MPa이며, 28일차에는 강도의 평균값이 53.76Mpa로 경화되면서 증가하는 것을 알 수 있다.
상기 표는 제2실시예의 콘크리트 조성물의 3개 시편에 이산화규소로 구성된 나노물질을 전체 중량의 2% 비율로 투입했을때 특정기간 도과에 따른 강도변화를 표로 도시한 것이다.
상기 제2실시예의 콘크리트는 이산화규소로 구비된 나노물질을 투입하였을때 7일차에는 강도의 평균값이 36.00Mpa이며, 28일차에는 강도의 평균값이 63.95Mpa인 것을 알 수 있다.
즉, 이산화규소를 포함하는 나노물질을 투입하였을때 나노물질을 투입하지 않았을때 보다 7일차에는 강도가 평균적으로 4.59% 더 증가되었으며, 28일차에는 강도가 평균적으로 18.97% 더 증가되었음을 알 수 있다.
상기 표는 제2실시예의 콘크리트 조성물의 3개 시편에 탄산칼슘으로 구성된 나노물질을 전체 중량의 2% 비율로 투입했을때 특정기간 도과에 따른 강도변화를 표로 도시한 것이다.
상기 제2실시예의 콘크리트는 탄산칼슘으로 구비된 나노물질을 투입하였을때 7일차에는 강도의 평균값이 35.71Mpa이며, 28일차에는 강도의 평균값이 56.07Mpa인 것을 알 수 있다.
즉, 탄산칼슘을 포함하는 나노물질을 투입하였을때 나노물질을 투입하지 않았을때 보다 7일차에는 강도가 평균적으로 3.74% 더 증가되었으며, 28일차에는 강도가 평균적으로 4.30% 더 증가되었음을 알 수 있다.
다만, 상기 이산화규소를 포함하는 나노물질을 투입하였을 때보다는 강도의 증가율은 낮은 것을 확인할 수 있다.
상기 표는 제2실시예의 콘크리트 조성물의 3개 시편에 탄산칼슘과 이산화규소를 모두 포함하는 나노물질을 전체 중량의 각각 1% 비율로 투입했을때 특정기간에 따른 강도변화를 표로 도시한 것이다.
즉, 상기 제2실시예의 콘크리트는 탄산칼슘과 이산화규소를 모두 포함하는 나노물질을을 투입하였을때 7일차에는 강도의 평균값이 35.94Mpa이며, 28일차에는 강도의 평균값이 57.70Mpa인 것을 알 수 있다.
즉, 탄산칼슘과 이산화규소를 모두 포함하는 나노물질을 투입하였을때 나노물질을 투입하지 않았을때 보다 7일차에는 강도가 평균적으로 4.42% 더 증가되었으며, 28일차에는 강도가 평균적으로 7.33% 더 증가되었음을 알 수 있다.
한편, 제2실시예의 콘크리트는 제1실시예의 콘크리트와 같이, 상기 이산화규소를 포함하는 나노물질을 투입하였을 때보다는 강도의 증가율은 낮은 것을 확인할 수 있다.
더욱이, 상기 탄산칼슘을 포함하는 나노물질을 투입하였을 때보다 강도가 더 증가하는 추세는 확인하지 못하는 것을 알 수 있다.
도4은 상기 표와 같이 특정 기간을따 강도의 변화를 연속적으로 측정하여 그래프로 도시한 것이다. 상기 제2실시예의 콘크리트 조성물을 기준으로 상기 그래프는 x축이 기간이며, y축이 콘크리트 조성물이 시간이 경과함에 따라 강성의 변화를 나타낸다.
상기 도4의 그래프를 통해 콘크리트의 조성물이 달라졌을 경우에도 나노물질의 효과 뿐만 아니라, 나노물질이 어떤 것을 구성되었을때 더 효과가 있는지를 한눈에 파악할 수 있다.
다시말해, 도4의 그래프를 통해 콘크리트의 조성물 비율이 달라진다고 하더라도, 나노물질의 효과가 여전히 입증될 수 있는지를 확인할 수 있다.
도4의 그래프를 참조하면, 특정 기간 중에 상기 비중으로 배합된 제2실시예의 콘크리트 조성물에 나노물질을 첨가하지 않은 것에서, 상기 비중으로 배합된 제2실시예의 콘크리트 조성물에 전체 비중의 2프로의 나노크기의 이산화 규소의 나노물질을 첨가한 것과, 상기 비중으로 배합된 제2실시예의 콘크리트 조성물에 전체비중의 2프로의 나노크기의 탄산칼슘의 나노물질을 첨가한 것과, 상기 비중으로 배합된 제1실시예의 콘크리트 조성물에 전체비중의 2프로의 나노크기의 탄산칼슘과 이산화규소가 배합된 나노물질을 첨가한 것의 강성변화를 알 수 있다.
그래프를 분석하면, 나노물질을 첨가하지 않은 제2실시예의 콘크리트 조성물의 강도가 전체 기간 중에 제일 낮은 것을 알 수 있다.
또한, 나노물질을 첨가한 제2실시예의 콘크리트 조성물은 상기 나노물질이 어떤 구성으로 되어 있는지와 상관없어 전부 강성이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 나노물질의 투입이 전체기간 중에 콘크리트의 강성 및 내구성을 크게 향상시키는 효과가 있다는 것을 확인할 수 있으며, 기간이 경과함에 따라 그 효과는 더욱 증폭된다는 것도 확인할 수 있다.
다만, 상기 탄산칼슘의 나노물질을 투입한 제1실시예의 콘크리트 조성물과, 이산화규소와 탄산칼슘을 모두 포함하는 나노물질을 투입한 제1실시예의 콘크리트 조성물의 강도는 전체기간 을 고려하면 거의 유사하나, 이산화규소의 나노물질을 투입한 제1실시예의 콘크리트 조성물의 강도는 월등히 큰 것을 확인할 수 있다.
이는 탄산칼슘과 상기 이산화규소를 모두 콘크리트에 투입하는 자체가 중요하기 보다 탄산칼슘과 이산화규소의 각각의 절대비율이 더 중요하다는 것을 의미할 수 있다.
다시말해, 상기 탄산칼슘과 상기 이산화규소는 서로 독립적으로 작용하므로 상기 콘크리트 질량 대비 상기 탄산칼슘과 상기 이산화규소의 총합의 질량이 보다 각각의 총질량이 강성과 내구성의 보강효과에 더 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
이는 상기 탄산칼슘은 반데르발스의 물리적인 방식을 통해 콘크리트의 내구성 및 강성을 보강하고, 상기 이산화규소는 화학반응을 통해 콘크리트의 내구성 및 강성을 보강하므로 각각의 절대치가 총합의 질량보다 더 의미가 있는 인자라고 해석할 수 있다.
또한, 나노물질이 탄산칼슘 보다는 이산화규소로 구비되었을때 콘크리트의 내구성 및 강성을 보강하는 효과가 더 크다는 것을 확인할 수 있다.
다만, 상기 나노물질이 탄산칼슘으로 구성되어 있을 경우에는, 콘크리트 조성물 자체와 화학반응을 하지 않으므로 콘크리트의 물리적인 특성이나 성질은 최대한 유지하면서도 내구성 및 강성의 증대를 도모할 수 있는 효과가 있음을 알 수 있다.
결과적으로, 나노물질이 투입된 콘크리트 조성물은 나노물질이 투입되지 않은 콘크리트 조성물 보다 나노물질의 구성과 상관없이 내구성 및 강성이 크므로, 도로 등과 같이 유지보수가 빈번한 환경에 적극적으로 활용할 수 있다. 그 결과, 도로의 내구성 및 강성이 더 증가되어 유지보수의 횟수를 크게 절감할 수 있다.
제1실시예의 콘크리트와 제2실시예의 콘크리트는 라텍스의 유무 차이 등 상당한 물리적인 성질이 다른 콘크리트라고 볼 수 있다. 그럼에도 불구하고, 나노물질을 투입하였을때 모두 내구성과 강성이 비약적으로 증가되는 것을 확인할 수 있으므로, 나노물질은 콘크리트 조성물에 내구성 및 강성을 모두 증가시킨다고 결론 지을 수 있다.
나아가, 본 발명 콘크리트 조성물은 모래를 대체할 수 있는 슬래그 골재, 전기로산화슬래그, 페로니켈 슬래그를 투입하였으므로, 상기 슬래그 골재, 전기로산화슬래그, 페로니켈 슬래그와 나노물질간의 반데르발스 접착효과 및 화학반응의 효과 등으로 일반 모래와 달리 더욱 강성 및 내구성을 강화시키는 효과가 있다고 해석할 수 있다.
결과적으로, 본 발명 나노물질이 투입된 콘크리트는 친환경 콘크리트의 기능을 그대로 구현할 뿐만 아니라, 강성과 내구성까지 보장하여 도로 포장 등에 적극적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 다양한 형태로 변형되어 실시될 수 있을 것인바 상술한 실시예에 그 권리범위가 한정되지 않는다. 따라서 변형된 실시예가 본 발명 특허청구범위의 구성요소를 포함하고 있다면 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
G : 골재크기
SiO2: 이산화규소
CaCO3 : 탄산칼슘
N : 나노물질
SiO2: 이산화규소
CaCO3 : 탄산칼슘
N : 나노물질
Claims (7)
- 시멘트와 고로슬래그 및 플라이애쉬(fly ash)를 포함하는 3성분계 시멘트를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서,
슬래그 골재, 전기로 산화슬래그, 페로니켈 슬래그 중 적어도 어느 하나와,
상기 콘크리트 조성물의 강성을 강화하는 보강물질을 더 포함하고,
상기 슬래그 골재, 상기 전기로산화슬래그, 상기 페로니켈 슬래그는 모래 중 적어도 일부를 대체하도록 구비되고,
상기 보강물질은 나노미터(nm) 크기로 구비되는 나노물질로 구비되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 나노물질은 나노미터(nm) 크기로 구비되는 탄산칼슘(CaCO3)과 나노미터(nm) 크기로 구비되는 이산화규소(SiO2) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 나노물질은 전체 중량의 0.5 % 에서 2 %의 중량으로 구비되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 보강물질은 상기 나노물질과 추가로 투입되는 추가물질을 더 포함하고,
상기 나노물질이 상기 탄산칼슘을 포함하면,
상기 추가물질은 이온결합물질로 구비되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
- 제4항에 있어서,
상기 추가물질은
산화마그네슘(MgO), 이산화규소(SiO2), 산화알류미늄(Al2O3), 산화철(FeO3) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 보강물질은 상기 나노물질과 추가로 투입되는 추가물질을 더 포함하고,
상기 나노물질이 상기 이산화규소를 포함하면,
상기 추가물질은 단일원소 물질로 구비되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
- 제6항에 있어서,
상기 추가물질은
티타늄(Ti), 칼슘(Ca), 나트륨(Na), 철(Fe) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100867403B1 (ko) * | 2008-02-19 | 2008-11-06 | 주식회사동일기술공사 | 투수블록 및 이의 제조방법 |
| KR20100113399A (ko) * | 2009-04-13 | 2010-10-21 | (주)대우건설 | 유·무기 하이브리드 나노실리카를 이용한 해양 콘크리트 방식공법 |
| KR20120066145A (ko) * | 2010-12-14 | 2012-06-22 | 주식회사 삼표 | 혼화재 사용율을 높인 콘크리트 조성물 |
| KR20120066765A (ko) * | 2010-12-15 | 2012-06-25 | 김연숙 | 페로니켈슬래그를 이용한 시멘트 모르타르용 및 콘크리트용 잔골재 재활용 방법 |
| KR20130076148A (ko) * | 2011-12-28 | 2013-07-08 | 한국건설기술연구원 | 내화 압출성형 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 내화 압출성형 콘크리트 패널의 제조방법 |
| JP2018002576A (ja) * | 2016-07-05 | 2018-01-11 | グローバル・マテリアルリサーチ株式会社 | 早強性コンクリート組成物 |
| KR20190023967A (ko) * | 2017-08-30 | 2019-03-08 | 부산대학교 산학협력단 | 나노 실리카 졸을 이용한 친환경 시멘트 복합재료의 제조방법 |
| KR102218634B1 (ko) * | 2020-04-27 | 2021-02-23 | 주식회사 한국리페어기술 | 고인성 및 항균성 단면복구재 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수보강공법 |
-
2021
- 2021-11-15 KR KR1020210156318A patent/KR102620465B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100867403B1 (ko) * | 2008-02-19 | 2008-11-06 | 주식회사동일기술공사 | 투수블록 및 이의 제조방법 |
| KR20100113399A (ko) * | 2009-04-13 | 2010-10-21 | (주)대우건설 | 유·무기 하이브리드 나노실리카를 이용한 해양 콘크리트 방식공법 |
| KR20120066145A (ko) * | 2010-12-14 | 2012-06-22 | 주식회사 삼표 | 혼화재 사용율을 높인 콘크리트 조성물 |
| KR20120066765A (ko) * | 2010-12-15 | 2012-06-25 | 김연숙 | 페로니켈슬래그를 이용한 시멘트 모르타르용 및 콘크리트용 잔골재 재활용 방법 |
| KR20130076148A (ko) * | 2011-12-28 | 2013-07-08 | 한국건설기술연구원 | 내화 압출성형 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 내화 압출성형 콘크리트 패널의 제조방법 |
| JP2018002576A (ja) * | 2016-07-05 | 2018-01-11 | グローバル・マテリアルリサーチ株式会社 | 早強性コンクリート組成物 |
| KR20190023967A (ko) * | 2017-08-30 | 2019-03-08 | 부산대학교 산학협력단 | 나노 실리카 졸을 이용한 친환경 시멘트 복합재료의 제조방법 |
| KR102218634B1 (ko) * | 2020-04-27 | 2021-02-23 | 주식회사 한국리페어기술 | 고인성 및 항균성 단면복구재 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수보강공법 |
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