KR20240053689A - 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트제품 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트제품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 증기양생기간을 단축시키며, 초기 및 장기 강도 발현 및 염해저항성 향상을 위하여 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말 65~80중량부, 보통 포틀랜드 시멘트 10~20중량부, 고로슬래그 분말 5~10중량부, 실리콘 파우더 5~10중량부, 실리카 흄 및 나노탄산칼슘이 1:1중량비로 혼합된 균열보강 혼합분말 5~10중량부, 페트로 코우크스 탈황석고분말 5~10중량부 및 VAE재유화형분말수지 5~10중량부를 포함하는 속경성 시멘트 결합재 100중량부에 대하여 천연잔골재 30~100중량부, 굵은골재 40~50중량부, 폐가넷잔골재 10-20중량부 및 물을 포함하여 조성되는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트제품 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트제품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 증기양생기간을 단축시키며, 초기 및 장기 강도 발현 및 염해저항성 향상을 위하여 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말 65~80중량부, 보통 포틀랜드 시멘트 10~20중량부, 고로슬래그 분말 5~10중량부, 실리콘 파우더 5~10중량부, 실리카 흄 및 나노탄산칼슘이 1:1중량비로 혼합된 균열보강 혼합분말 5~10중량부, 페트로 코우크스 탈황석고분말 5~10중량부 및 VAE재유화형분말수지 5~10중량부를 포함하는 속경성 시멘트 결합재 100중량부에 대하여 천연잔골재 30~100중량부, 굵은골재 40~50중량부, 폐가넷잔골재 10-20중량부 및 물을 포함하여 조성되는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트제품 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 시멘트 콘크리트는 시멘트, 골재 및 물을 혼합하여 다양한 구조물을 만드는 것으로, 시멘트는 골재와 골재를 접착·결합시키는 역할을 하며 강도 발현에 중요한 역할을 한다.
그러나, 통상적인 시멘트 콘크리트는 압축강도가 높은데 비하여 인장강도와 휨강도가 작고, 양생기간이 길어 생산성 및 경제성이 문제점으로서, 이러한 문제점을 해결하고자 양생시간을 단축하기 위해서 초속경 시멘트를 사용할 수 있으나 초속경 시멘트는 가격이 높으며, 빠른 강도발현에는 효과적이나, 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 높은 수화열과 건조수축으로 인해 구조물 내부에 내부응력이 잔류하게 되고 미소균열이 발생하기 쉽고, 이러한 미소 내부결함은 콘크리트 구조물의 역학적 특성에 직간접적으로 영향을 미쳐 콘크리트 구조물의 안정성에 악영향을 미칠수 있으므로 고강도를 요구하는 토목, 건축물에는 사용에 한계가 있다.
한편, 상기 토목, 건축물에 사용되는 콘크리트 제2차 제품으로서 프리캐스트 맨홀(PC 맨홀) 또는 프리캐스트 수로관(PC 수로관)이 대표적으로 사용되고 있으며, 상기 프리캐스트 맨홀(PC 맨홀)을 제조하는 대표적인 방법으로서, 일반 고강도용 콘크리트로 제조하는 방법과 폴리머콘크리트로 맨홀을 제조하는 방법 2가지를 들 수 있다.
상기 일반 고강도용 콘크리트 맨홀은 가격이 저렴하기는 하지만, 휨강도가 압축강도에 비해 현저히 낮으므로 철근을 사용하여 휨강도를 발현해야 하고, 이 때문에 단면두께가 커져서 무게가 증가하고 다루기가 힘들며, 특히 터파기 폭이 커지는 결과 지장물이 많은 도심지에는 사용하기가 어렵다. 또한 이를 보완하기 위해 강섬유(steel fiber), 유기섬유 등의 보강섬유를 혼합하기도 하지만 분산효과가 우수하지 않고 아직 섬유 자체의 가격이 고가이므로 많이 상용화되어 있지는 않는 실정이다.
또한, 상기 프리캐스트 맨홀(PC 맨홀)을 제조하는 또 하나의 방법으로서 폴리머콘크리트를 이용한 방법은 현재 널리 사용되고 있는 방법이다. 폴리머콘크리트는 압축, 인장 및 휨강도 등 역학적 성질이 일반 시멘트 콘크리트 보다 높을 뿐만 아니라 가사시간이나 경화시간을 폭넓게 제어할 수 있는 우수한 특성을 가지고 있으나, 폴리머 콘크리트 재료로 이용되는 폴리에스테르 수지 등은 대체로 고가이며, 국제유가 및 원자재 수급상황에 따라 가격이 상승하는 불합리한 점을 가지고 있어 경제성이 떨어진다.
또한, 상기 프리캐스트 수로관(PC 수로관)은 도로, 토목, 건축물 등의 지하층 또는 지면에 빗물 우수 또는 오수의 배수처리를 위하여 상부 개방형 수로관 또는 상부 폐쇄형 수로관으로서 매립 설치된다.
특히, 상기 프리캐스트 수로관(PC 수로관)은 그 적용 장소나 크기에 따라 다양한 소재(예, 금속재, 콘크리트블록, 플라스틱 합성수지 등)로 여러 가지 구조로 개발되어 사용되고 있고, 작업 현장에서 직접 구축하기도 하지만, 작업 생산성을 향상시키고 시공 비용을 절약하기 위하여 금속, 콘크리트, 플라스틱 합성수지 등으로 규격화된 수로관을 미리 공장에서 대량 생산한 후, 현장에서는 이를 조립하여 시공하는 방식으로 이루어진다.
종래, 상기 토목, 건축물에 사용되는 프리캐스트 맨홀(PC 맨홀) 또는 프리캐스트 수로관(PC 수로관)을 포함하는 콘크리트 제2차 제품을 제조하기 위한 고깅도 콘크리트 조성물에 관한 공지된 기술들을 살펴 보면, 한국등록특허 10-0717935(등록일자 2007년05월07일)에 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 80∼95중량부 및 Ⅱ형 무수석고 5~20중량부를 포함하는 시멘트 혼합물 90∼95중량부, 및 실리카 흄 5~10중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 결합재 조성물 및 잔골재를 포함하는 콘크리트 조성물로서 상기 콘크리트 조성물을 40℃에서 2시간~4시간, 및 50℃~90℃에서 6~22시간 동안 증기양생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 제조방법이 개발되었다.
또한, 한국등록특허 10-2148007(등록일자 2020년08월19일)에 시멘트 100 중량부에 대해 실리카 퓸 20~30 중량부, 석영 미분말(crushed quartz) 30~40 중량부, 규사(silica sand) 100~120 중량부, 탄소나노튜브(CNT) 0.05~0.15 중량부, 나노 실리카(nano silica) 1.5~2.5 중량부, CSA팽창재 1~10 중량부, 수축저감제 0.1~3 중량부, 유동화제 2~5 중량부, 강섬유 1.5~2.5 부피%, 및 물 21~24 중량부를 포함하고, 상기 시멘트는 1450~1550℃의 온도에서 소성된 후 냉각수에 의해 수냉된 백색 시멘트이며, 상기 탄소나노튜브는 40~60㎐의 조건으로 일정 시간동안 음파 처리된 수축 저감 초고강도 콘크리트 조성물이 공지되어 있다.
또한, 한국공개특허 10-2021-0130575(공개일자 2021년11월01일)에 결합재와 배합수를 포함하는 총결합재, 잔골재, 및 굵은골재를 포함하는 초고강도 콘크리트 맨홀용 조성물로서, 총결합재 : 잔골재 : 굵은골재의 중량비가 32.5∼40 : 20∼30 : 30∼37.5이고, 상기 결합재는 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 80∼96중량% 및 Ⅱ형 무수석고 4~20중량%를 포함하는 특수시멘트 90∼95중량%, 및 실리카 흄 5~10중량%를 포함하고, 상기 결합재 100중량부에 대하여 20중량부 이하(0중량부 제외)의 배합수가 첨가되는 것을 특징으로 하는 비정형화된 특수 규격을 위한 고강도 콘크리트 맨홀의 제조방법이 공지되어 있다.
또한, 한국공개특허 10-2022-0077822(공개일자 2022년06월09일)에 재령 28일 압축강도 50MPa 이상의 고강도 콘크리트 조성물에, 소다라임 글라스가 0.5~1.5kg/㎥ 첨가된 저점성 고강도 콘크리트 조성물로서, 상기 소다라임 글라스는 진비중 0.125~0.6 g/㎖, 평균 입경 16~65㎛이며, 90% 파괴강도가 1.7~193.1MPa인 것이고, 실리카 흄을 첨가하지 않은 경우, 슬럼프플로우 525~675㎜, T50 5.0초 이하 및 소성점도 50pa·s 이하의 레올로지 특성이 발현되는 것을 특징으로 하는 저점성 고강도 콘크리트 조성물이 공지되어 있다.
그러나, 종래 기술중, 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커와 같은 초속경성 시멘트는 높은 수화열로 인하여 미소 수축이 발생되어 콘크리트의 품질이 저하되고 콘크리트 구조물로 수분과 염분등을 침투시켜 구조물의 열화를 촉진시키는 주요 원인이 되고 있다.
특히, 시공시 발생하는 대부분의 균열은 초기강도를 발현하는 속경성 시멘트의 특성상 시간이 지날수록 국부적인 균열 뿐만 아니라 파손으로 이어져 구조물 전체의 내구성 저하로 이어져 설계 수명을 채우지 못하는 심각한 결과로 이어지는 문제점이 있다.
또한, 통상적인 포틀랜드 시멘트에 섬유를 혼입하여 보강을 한 고강도 콘크리트는 콘크리트가 가지고 있는 낮은 인장 및 휨강도의 문제점을 해결하긴 하였으나, 양생 온도가 높고 양생 시간이 길며, 고가의 보강섬유를 혼입하므로 생산성 및 경제성의 문제점을 가지고 있다.
상기와 같이, 종래기술에서 제시하는 고강도 콘크리트를 사용한 구조물은 수축균열이 일어날 경우 심각한 내구성 및 역학적 성능 저하가 예상되며, 현장에 사용되기에는 작업성과 강도적 측면에서 여전히 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 종래 문제점을 해결하고자 한 것으로, 증기양생기간을 단축시키며, 초기 및 장기 강도 발현 및 염해저항성 향상을 위하여 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말 65~80중량부, 보통 포틀랜드 시멘트 10~20중량부, 고로슬래그 분말 5~10중량부, 실리콘 파우더 5~10중량부, 실리카 흄 및 나노탄산칼슘이 1:1중량비로 혼합된 균열보강 혼합분말 5~10중량부, 페트로 코우크스 탈황석고분말 5~10중량부 및 VAE재유화형분말수지 5~10중량부를 포함하는 속경성 시멘트 결합재 100중량부에 대하여 천연잔골재 30~100중량부, 굵은골재 40~50중량부, 폐가넷잔골재 10-20중량부 및 물을 포함하여 조성되는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트제품 및 그 제조방법을 제공하는 하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로, 증기양생기간을 단축시키며, 초기 및 장기 강도 발현 및 염해저항성 향상을 위하여 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말 65~80중량부, 보통 포틀랜드 시멘트 10~20중량부, 고로슬래그 분말 5~10중량부, 실리콘 파우더 5~10중량부, 실리카 흄 및 나노탄산칼슘이 1:1중량비로 혼합된 균열보강 혼합분말 5~10중량부, 페트로 코우크스 탈황석고분말 5~10중량부 및 VAE재유화형분말수지 5~10중량부를 포함하는 속경성 시멘트 결합재 100중량부에 대하여 천연잔골재 30~100중량부, 굵은골재 40~50중량부, 폐가넷잔골재 10-20중량부 및 물을 포함하여 조성되는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말 및 보통 포틀랜드 시멘트 클링커 분말은 초기 경화속도를 촉진시키기 위기 위하여 분말도가 4,500~5,800㎠/g인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 고로슬래그 분말은 포졸란 반응성을 나타내는 물질로서 장기 강도발현 및 내구성 증진과 수화열을 줄이기 위한 것으로 분말도가 6,000~8,000㎠/g인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 실리콘 파우더는 반도체 제조공정인 백래핑(back lapping)공정에서 발생하는 슬러리에 포함된 실리콘 파우더를 회수한 것으로, SiO2 함유량이 40-80중량%를 가지며, 입자 크기가 1-15um인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 페트로 코우크스 탈황석고분말은 함유된 황산염에 의한 황산염자극 및 강알칼리에 의한 알칼리 자극을 상기 고로슬래그 분말에 가하여 상기 고로슬래그 분말의 수화반응 활성화에 의한 다량의 에트링가이트(ettringite) 및 C-S-H겔을 생성하고, 상기 C-S-H겔이 에트링가이트와 치밀한 네트워크식 망상구조를 형성하면서 장기강도발현하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 폐가넷 잔골재는 연마재용 가넷슬러지 또는 워터젯 커팅용 가넷슬러지로부터 회수 재활용되는 것으로 비중 3.4~3.9g/cm, 모스(MOHS)경도 6.0~8.0인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 천연잔골재 및 폐가넷잔골재 입자크기는 5mm 체에 85% 통과분을 갖는 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 굵은골재는 20mm 체를 90%이상 통과하는 천연골재 또는 순환골재인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물을 이용하여 제조된 고강도 프리캐스트 콘크리트 맨홀 또는 고강도 프리캐스트 콘크리트 수로관을 포함하는 콘크리트 제품을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 고강도 프리캐스트 콘크리트 맨홀 또는 고강도 프리캐스트 콘크리트 수로관을 포함하는 콘크리트 제품은 1일 압축강도 95~100MPa, 7일 압축강도 100~110MPa인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물을 40-55℃에서 1~4시간 동안 증기 양생시키는 단계를 포함하여 제조되는 고강도 프리캐스트 콘크리트 맨홀 또는 고강도 프리캐스트 콘크리트 수로관을 포함하는 콘크리트 제품의 제조방법을 과제의 해결수단으로 한다.
본 발명의 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트제품 및 그 제조방법은, 증기양생기간을 단축시키며, 초기 및 장기 강도 발현 및 염해저항성 향상을 위하여 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말 65~80중량부, 보통 포틀랜드 시멘트 10~20중량부, 고로슬래그 분말 5~10중량부, 실리콘 파우더 5~10중량부, 실리카 흄 및 나노탄산칼슘이 1:1중량비로 혼합된 균열보강 혼합분말 5~10중량부, 페트로 코우크스 탈황석고분말 5~10중량부 및 VAE재유화형분말수지 5~10중량부를 포함하는 속경성 시멘트 결합재 100중량부에 대하여 천연잔골재 30~100중량부, 굵은골재 40~50중량부, 폐가넷잔골재 10-20중량부 및 물을 포함하여 조성되어, 증기양생기간을 단축시키며, 초기 및 장기강도가 우수하고, 염해저항성이 우수한 고강도 맨홀 또는 수로관을 포함하는 콘크리트 제품을 제조할 수 있는 우수한 효과가 있다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예 및/또는 도면을 통하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예 및/또는 도면에 한정되지 않는다.
먼저, 본 발명의 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물은, 증기양생기간을 단축시키며, 초기 및 장기 강도 발현 및 염해저항성 향상을 위하여 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말 65~80중량부, 보통 포틀랜드 시멘트 10~20중량부, 고로슬래그 분말 5~10중량부, 실리콘 파우더 5~10중량부, 실리카 흄 및 나노탄산칼슘이 1:1중량비로 혼합된 균열보강 혼합분말 5~10중량부, 페트로 코우크스 탈황석고분말 5~10중량부 및 VAE재유화형분말수지 5~10중량부를 포함하는 속경성 시멘트 결합재 100중량부에 대하여 천연잔골재 30~100중량부, 굵은골재 40~50중량부, 폐가넷잔골재 10-20중량부 및 물을 포함하여 조성된다.
여기서, 통상적으로, 칼슘설포알루미네이트를 함유한 속경성 시멘트들은 일반적으로 모르타르 혹은 콘크리트의 제조시 물과 반응하여 수분 내지 수십분 이내에 경화하여 3 내지 6시간에 20MPa 이상의 강도를 발현하는 것을 특징으로 하며, 도로, 교량 등 구조물의 긴급보수에 주로 사용될 수 있다.
하지만, 속경성 시멘트는 물과 반응시 에트린자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O), 칼슘알루미네이트 수화물(4CaO·Al2O3·10H2O), 겔상의 수산화알루미늄(Al(OH)3)등의 수화물이 매우 빠르게 생성되며, 그 결과 페이스트, 모르타르 및 콘크리트의 유동성이 급격하게 저하하게 되며, 특히, 칼슘알루미네이트 수화물은 침상구조인 에트린자이트와 달리 판상의 구조를 가지므로 경화체의 3차원적 결합력이 떨어져 강도발현이 저하되므로 이러한 속경성, 유동성 등을 조절하기 위해 일반적으로 속경성 시멘트에는 응결조절제가 사용되지만, 상기 응결조절제는 대부분 약산성이기는 하지만 유독물질로 지정된 것들이 많고 또는 고가의 화학물질이므로 사용상 또는 경제적인 측면에 문제점이 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 상기 응결조절제의 사용을 최소화 하면서 상기 속경성 시멘트의 속경성, 유동성 등을 조절하기 위해 보통 포틀랜드 시멘트를 상기 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말과 혼합 사용하는 것이 본 발명의 특징적 기술이다.
즉, 상기 보통 포틀랜드 시멘트는 탄산칼슘(CaCO3)을 주성분으로 하는 석회질 원료(보통 석회석)와 이산화규소(SiO2)를 다량 함유하고 있는 규석 및 점토질 원료이며, 주요 구성 광물은 산화칼슘(CaO)과 이산화규소(SiO2)가 결합되어 생성된 규산칼슘(calcium silicate) 화합물이다.
상기 규산칼슘(calcium silicate) 화합물은 일반적으로 알라이트(alite, C3S) 라고 불리우는 규산삼칼슘(CaSiO5, 3CaO.SiO2)과 벨라이트(belite, C2S)라고 불리우는 규산이칼슘(Ca2SiO4,2CaO.SiO2)이다.
상기 보통 포틀랜드시멘트의 종류에 따라서 이들의 양은 차이가 있으며, 보통 포틀랜드 시멘트에서는 통상 알라이트가 45~60%, 벨라이트가 15~30%로서 그 합계는 70~80% 정도이며, 이들은 킬른중에서 소성될 때에 석회석의 주성분인 산화칼슘(CaO)와 점토나 규석의 주성분인 규소(Si)가 결합되어 있는 결정상인데, 알라이트(C3S)는 20~50μm 크기의 각진 평판상(육각판상)이고, 벨라이트(C2S)는 15~ 20μm 크기의 둥그스름한 모양을 하고 있다.
상기 보통 포틀랜드시멘트를 구성하고 있는 광물은 알라이트와 벨라이트 외에 이들 결정의 간극을 채워주면서 존재하고 있는 간극상(interstitial phase)으로 불리우는 화합물이 있으며, 간극상을 구성하고 있는 것은 알루미네이트상 (aluminate phase)이라 불리우는 알루민산삼칼슘 (Ca3Al2O6,3CaO.Al2O3, C3A)과 페라이트상(ferrite phase)이라 불리우는 철알루민산사칼슘 (Ca4Al2Fe2O10, 4CaO.Al2O3. Fe2O3, C4AF)이다.
이들은 각각 10% 전후로 포함되어 있는데, 알루미네이트상은 산화칼슘 (CaO)과 산화알루미늄(Al2O3)이 결합되어 있으며, 페라이트상은 산화칼슘과 산화알루미늄 및 산화철(Fe2O3)이 결합되어 있다.
본 발명에서는 상기 보통 포틀랜드 시멘트를 상기 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말과 혼합 사용함에 따라, 속경성, 유동성을 조절함과 동시에 보통 포틀랜드시멘트 클링커의 조직의 결정 간극에 4CaO·3Al2O3·SO3 가 채워지면서 치밀한 조직이 형성되어 초기강도 뿐만 아니라 장기강도를 증가시키는 효과가 있게 된다.
본 발명에서는 상기 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말은 65~80중량부, 보통 포틀랜드 시멘트는 10~20중량부 사용하는 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나게 되면 유동성, 속경성, 초기 및 장기강도에 불리한 문제점이 있다.
또한, 상기 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말 및 보통 포틀랜드 시멘트는 초기 경화속도를 촉진시키기 위기 위하여 분말도가 4,500~5,800㎠/g인 것이 바람직하며, 이때 분말도가 5,800㎠/g를 초과하는 경우, 수화 반응성 증가에 따라 초기 수화열이 높아질 수 있고, 분말도가 4,500㎠/g미만인 경우, 수화 반응성이 저하될 우려가 있다.
한편, 상기 고로슬래그 분말은 용광로에서 선철을 제조할 때에 부산물로서 생성되는 것으로, 고온의 용융슬래그를 대기중에서 냉각하는 서냉슬래그와 압력수로 급냉하는 수쇄슬래그를 분말화한 것으로, 콘크리트 모르타르의 혼화재로서 사용되는 콘크리트용 고로슬래그분말(Ground granulated blast-furnace slag for use in concrete)은 KS F 2563에 그 적용범위 및 품질규격이 정해져 있다.
상기 고로슬래그 분말의 평균적인 화학성분은 SiO2 = 33%, Al2O3 = 14%, CaO = 42%, MgO = 6%, TiO2 = 1%, Fe2O3 = 0.5% 정도이고, 보통포틀랜드시멘트와 비교하여 CaO가 적고, SiO2와 Al2O3가 각각 10% 정도 많은 특징을 가지고 있다.
특히, 상기 고로슬래그 분말은 시멘트 수화반응에서 생성되는 불안정한 수산화칼슘과 반응하며, 안정한 수화물을 형성하고 경화체조직을 치밀하게 하고, 더욱이, 시멘트와 비교하여 염소이온이나 알카리이온의 고정능력(능동적 열화원인 제어 가능성)이 크다. 그 때문에, 고로슬래그 분말을 콘크리트 혼화재로서 사용하면 수밀성, 화학저항성, 내해수성, 염분차폐성, 알칼리실리카반응제어 등 내구성이 향상되는 등, 지속가능한 콘크리트를 제조할 수 있다
또한, 상기 고로슬래그 분말은 잠재 수경성을 가지고 있으며 포졸란 반응성을 나타내는 물질로서 장기 강도발현 및 내구성 증진과 수화열을 줄이기 위해 사용될 수 있고, 본 발명에서는 상기 고로슬래그 분말은 분말도 6,000~8,000㎠/g인 것이 바람직하며, 분말도가 6,000㎠/g보다 낮은 경우, 포졸란 반응성이 낮을 수 있고, 분말도가 8,000㎠/g 이상인 경우 포졸란 반응성은 높으나 비용이 높아 경제성이 떨어질 수 있다.
아울러 본 발명에서 상기 고로슬래그 분말이 5중량부 미만인 경우, 장기강도 발현이 미약할 수 있으며, 10중량부를 초과하는 경우, 초기 강도 발현이 늦어질 수 있다.
또한, 본 발명에서, 실리카 흄 및 나노탄산칼슘이 1:1중량비로 혼합된 균열보강 혼합분말을 사용한다.
상기 실리카흄 및 나노탄산칼슘은 본 발명의 조성물의 균열 저항성을 가지도록 하기 위한 보강제로서, 상기 실리카흄(silica fume)은 비정질의 활성 실리카로서 평균입경이 0.15㎛ 정도이며, 완전 구형에 가까운 입자이다. 상기 실리카흄은 구상입자의 특성에 의해 초속경 시멘트계 결합재 입자 사이의 충진 효과에 의하여 방수성 및 내화학성을 향상시키며, 균열저항성을 향상시키는 역할을 한다.
또한, 상기 나노탄산칼슘은 본 발명의 조성물의 조직 및 표면을 치밀하게 하여 균열저항성을 향상시킨다. 특히, 상기 나노탄산칼슘은 분쇄형 나노탄산칼슘 또는 침강형 나노탄산칼슘을 사용할 수 있으며, 상기 나노 탄산칼슘은 평균 입자크기는 100 ~ 10,000nm가 바람직하다. 100nm 미만인 경우에는 다른 성분과 혼합성이 떨어지고, 혼합시 교반이 잘되지 않아서 제조 공정에 문제점이 발생하고, 10,000nm 초과인 경우에는 균열저항성이 저하될 우려가 있다.
상기 실리카흄 및 나노탄산칼슘은 본 발명의 조성물에 각각 1:1중량비로 혼합되어 5~10중량부 사용하는 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 물성저하 또는 불필요한 재료사용에 따라 비용이 상승된다.
또한, 상기 페트로 코우크스 탈황석고분말은 페트로 코우크스를 원료로 하는 보일러에서 노내 탈황을 위해 석회석을 혼소하는 과정에서 페트로 코우크스에 포함되어있는 황 성분과 석회석이 고온에서 탈탄산된 CaO 성분이 반응하여 생성된 분진과 같은 입자상 석고 물질이다.
상기 페트로 코우크스 탈황석고분말은 원료의 특성상 그 순도가 높아 기존의 건설재료로 활용되던 불순물이 다량 포함된 천연석고, 배연탈황석고, 로내탈황방식 고칼슘 석탄연소재 등에 비해 우수한 성능을 나타낸다.
또한, 상기 페트로 코우크스 탈황석고분말은 pH가 11.5이상의 강알칼리 물질이며, 이 석고에 포함된 황산염과 높은 pH가 황산염자극 및 pH에 따른 알칼리 자극을 상기 고로슬래그 분말에 가하게 되면 상기 고로슬래그 분말이 활성화되어 잠재수경성 반응을 개시하여 고결강도를 발현한다.
즉, 상기 고로슬래그 분말과 상기 페트로 코우크스 탈황석고분말의 황산염 자극제의 수화반응은 초기 재령에서 다량의 에트링가이트(ettringite)를 골격으로 개시되며 이와 동시에 생성된 C-S-H겔에 의해 이루어진다.
또한, 상기 C-S-H겔은 에트링가이트를 감싸며 재령이 경과함에 따라 생성량이 지속적으로 증가하고 C-S-H겔이 경화된 페이스트의 공극을 밀실하게 채우게 되어 에트링가이트와 치밀한 네트워크식 망상구조를 형성하면서 지속적으로 높은 강도발현을 한다.
본 발명에서는 페트로 코우크스 탈황석고분말을 5~10중량부 포함하도록 조성하여 초속경성, 장기강도발현을 나타내도록 사용한다.
한편, 본 발명에서, 상기 실리콘 파우더는 반도체 제조공정인 백래핑(back lapping)공정에서 발생하는 슬러리에 포함된 실리콘 파우더를 회수한 것으로, SiO2 함유량이 40-80중량%를 가지며, 입자 크기가 1-15um인 것이 특징적 기술이다.
상기 실리콘 파우더는 반도체 제조공정인 백래핑(back lapping)공정에서 발생하는 슬러리에 포함되어 있는 실리콘 파우더의 함량은 약 0.05% 정도로써 1,000㎏당 0.5㎏의 실리콘 파우더를 포함하지만, 현재 국내의 반도체회사에서 발생하는 슬러리의 양은 하루 5,000톤이 발생하며, 상기 5,000톤의 슬러리에 포함되어 있는 실리콘 파우더의 양은 약 250톤을 포함되어 있으며, 또한, 반도체의 사용은 산업기술의 발달에 의하여 점점 그 사용은 증가하여 이로 인하여 반도체 가공시 발생되는 슬러리의 양은 점점 증가하고 있는 실정이다.
상기와 같이 백래핑(back lapping)공정에서 발생하는 슬러리에 포함되어 있는 실리콘 파우더의 함량은 지극히 작을 뿐만 아니라 실리콘 파우더의 크기도 미세하여 포집시 매우 어려워 보통 폐기물업체를 통하여 폐기처분하고 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 상기 매립 폐기처분되고 있는 슬러리에 포함된 실리콘 파우더를 회수 재활용하여, 혼합사용하며, 특히, 상기 실리콘 파우더는 시멘트와 유사한 입자 크기를 가지고, SiO2 함유량이 40-80중량%를 가지기 때문에 이를 이용할 경우 강도 보상 효과가 있며, 5~10중량부 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서, 잔골재의 강도 보강을 위하여 천연잔골재 30~100중량부, 폐가넷잔골재 10-20중량부의 비율로 혼합 사용한다.
상기 폐가넷 잔골재의 원료가 되는 가넷은 규산염광물로서 다양한 성분으로 구성되고 규사를 포함하는 잔골재보다 높은 경도 및 비중을 가지고 있어 다음 [표 1]에 나타난 바와 같이, 샌드블라스팅 등의 연마재용으로 사용되거나, 또는 다음 [표 2]에 나타난 바와 같이, 워터젯 커팅용으로 사용되므로, 본 발명에서는 상기 가넷의 높은 경도 및 비중에 의한 잔골재의 강도 보강을 위하여 사용한다.
이때, 상기 폐가넷 잔골재는 연마재용 가넷슬러지 또는 워터젯 커팅용 가넷슬러지로부터 회수 재활용되는 것으로 비중 3.4~3.9g/cm, 모스(MOHS)경도 6.0~8.0인 것을 사용한다.
아울러, 본 발명에서 사용되는 상기 천연잔골재 및 폐가넷잔골재 입자크기는 5mm 체에 85% 통과분을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 굵은골재는 20mm 체를 90%이상 통과하는 천연골재 또는 순환골재인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에서, 콘크리트의 염해저항 향상을 위하여 VAE재유화형분말수지를 전체 조성물중 5~10중량부 혼합사용하는 것이 바람직하다.
상기 VAE재유화형분말수지는 본 발명의 속경성 시멘트계 결합재 및 잔골재와 굵은골재 사이에 바인더 역할를 해주어 접착강도 증가, 내마모성 향상, 크랙 및 박리현상 방지, 휨강도를 강화시켜 줄 뿐만 아니라, 조직의 치밀화로 인한 염해저항성도 향상시키는 효과가 있다.
한편, 본 발명은 상기 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물을 이용하여 고강도 프리캐스트 콘크리트 맨홀 또는 고강도 프리캐스트 콘크리트 수로관을 포함하는 콘크리트 제품을 제조할 수 있는데, 이때, 상기 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물을 40-55℃에서 1~4시간 동안 증기 양생시키는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조할 수 있다.
상기 본 발명에서 제조된 고강도 프리캐스트 콘크리트 맨홀 또는 고강도 프리캐스트 콘크리트 수로관을 포함하는 콘크리트 제품은 1일 압축강도 95~100MPa, 7일 압축강도 100~110MPa을 나타낸다.
4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말 70kg, 보통 포틀랜드 시멘트 10kg, 고로슬래그 분말 7kg, 실리콘 파우더 7kg, 실리카 흄 및 나노탄산칼슘이 1:1중량비로 혼합된 균열보강 혼합분말 7kg, 페트로 코우크스 탈황석고분말 7kg 및 VAE재유화형분말수지 7kg를 포함하는 속경성 시멘트 결합재 100kg에 대하여 천연잔골재 50kg, 굵은골재 40kg, 폐가넷잔골재 15kg 및 물을 혼합하여 본 발명의 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물을 제조한 후, 50℃에서 4시간 증기양생하여 콘크리트 시편을 제조하고, 압축강도, 힘강도 및 염해저항성을 시험하고 그 결과를 다음 [표 3]에 나타내었다.
| 함목 | 기준값 | 실시예 1 | 시험방법 |
| 압축강도 (MPa) |
21이상 | 27.8 | KS F 2405 |
| 휨강도 (MPa) |
4.5이상 | 6.5 | KS F 2408 |
| 염소이온침투저항성(coulombs) | 1000이하 | 450 | KS F 2711 |
상기 [표 3]의 시험결과에 나타난 바와 같이, 본 발명의 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물은 모든 물성에 있어서 기준값을 모두 훨씬 초과하여 만족하는 것을 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및/또는 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및/또는 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (11)
- 증기양생기간을 단축시키며, 초기 및 장기 강도 발현 및 염해저항성 향상을 위하여 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말 65~80중량부, 보통 포틀랜드 시멘트 10~20중량부, 고로슬래그 분말 5~10중량부, 실리콘 파우더 5~10중량부, 실리카 흄 및 나노탄산칼슘이 1:1중량비로 혼합된 균열보강 혼합분말 5~10중량부, 페트로 코우크스 탈황석고분말 5~10중량부 및 VAE재유화형분말수지 5~10중량부를 포함하는 속경성 시멘트 결합재 100중량부에 대하여 천연잔골재 30~100중량부, 굵은골재 40~50중량부, 폐가넷잔골재 10-20중량부 및 물을 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물
- 제1항에 있어서,
상기 4CaO·3Al2O3·SO3를 주성분으로 하는 클링커 분말 및 보통 포틀랜드 시멘트는 초기 경화속도를 촉진시키기 위기 위하여 분말도가 4,500~5,800㎠/g인 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물
- 제1항에 있어서,
상기 고로슬래그 분말은 포졸란 반응성을 나타내는 물질로서 장기 강도발현 및 내구성 증진과 수화열을 줄이기 위한 것으로 분말도가 6,000~8,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물
- 제1항에 있어서,
상기 실리콘 파우더는 반도체 제조공정인 백래핑(back lapping)공정에서 발생하는 슬러리에 포함된 실리콘 파우더를 회수한 것으로, SiO2 함유량이 40-80중량%를 가지며, 입자 크기가 1-15um인 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물
- 제1항에 있어서,
상기 페트로 코우크스 탈황석고분말은 함유된 황산염에 의한 황산염자극 및 강알칼리에 의한 알칼리 자극을 상기 고로슬래그 분말에 가하여 상기 고로슬래그 분말의 수화반응 활성화에 의한 다량의 에트링가이트(ettringite) 및 C-S-H겔을 생성하고, 상기 C-S-H겔이 에트링가이트와 치밀한 네트워크식 망상구조를 형성하면서 장기강도발현하는 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물
- 제1항에 있어서,
상기 폐가넷 잔골재는 연마재용 가넷슬러지 또는 워터젯 커팅용 가넷슬러지로부터 회수 재활용되는 것으로 비중 3.4~3.9g/cm, 모스(MOHS)경도 6.0~8.0인 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물
- 제1항에 있어서,
상기 천연잔골재 및 폐가넷잔골재 입자크기는 5mm 체에 85% 통과분을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물
- 제1항에 있어서,
상기 굵은골재는 20mm 체를 90%이상 통과하는 천연골재 또는 순환골재인 것을 특징으로 하는 실리콘 파우더를 이용한 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물을 이용하여 제조된 고강도 프리캐스트 콘크리트 맨홀 또는 고강도 프리캐스트 콘크리트 수로관을 포함하는 콘크리트 제품
- 제9항에 있어서,
상기 고강도 프리캐스트 콘크리트 맨홀 또는 고강도 프리캐스트 콘크리트 수로관을 포함하는 콘크리트 제품은 1일 압축강도 95~100MPa, 7일 압축강도 100~110MPa인 것을 특징으로 하는 콘크리트 제품
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 고강도 시멘트 콘크리트 모르타르 조성물을을 40-55℃에서 1~4시간 동안 증기 양생시키는 단계를 포함하는 고강도 프리캐스트 콘크리트 맨홀 또는 고강도 프리캐스트 콘크리트 수로관을 포함하는 콘크리트 제품의 제조방법
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