WO2018124485A1 - Ｓｔｓ 전기로 환원슬래그를 이용한 자기치유 콘크리트용 잔골재, 그의 제조방법 및 그를 이용한 자기치유 콘크리트 - Google Patents

Ｓｔｓ 전기로 환원슬래그를 이용한 자기치유 콘크리트용 잔골재, 그의 제조방법 및 그를 이용한 자기치유 콘크리트 Download PDF

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    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the present invention relates to a fine aggregate for self-healing concrete using STS (stainless steel slag) furnace slag, a method of manufacturing the same, and a self-healing concrete using the same, and more particularly, to the strength of using STS furnace slag as a cement substitute.
  • STS electric furnace slag is made of fine aggregate for self-healing concrete having spherical particle shape, and the fine aggregate is broken when cracking occurs without affecting strength expression during mixing.
  • the present invention relates to a fine aggregate for self-healing concrete using STS electric furnace reducing slag, which is capable of self-healing of cracks in an air (in air) state by reacting with CO 2 ), a method of manufacturing the same, and self-healing concrete using the same.
  • Representative techniques for imparting self-healing ability to concrete include a technique using various inorganic binders, a technique using microorganisms such as bacteria, and a technique using capsule-polymers [Patent Documents 1 to 3].
  • Patent Documents 1 to 3 For example, considering economical aspects and applicability of concrete structures, self-healing methods using inorganic binders and bacteria are currently the most prominent.
  • Steel slag is composed of iron ore, coke, and limestone as raw materials in blast furnace slag generated from sintering and steel making processes in the blast furnace and converter iron slag generated in the steelmaking process of steel making, and scrap metal such as iron scrap.
  • the electricity generated can be divided into three types of slag.
  • dual furnace slag is divided into oxidation slag and reducing slag as a result of process differentiation in order to improve productivity and molten steel quality in the steelmaking method of the furnace. Since it is in an unstable state due to the incorporation of the expandable material, the expansion and collapse property is high, and as a construction material, stability has not been secured and all of it has been discarded.
  • the reduced slag powder of STS furnace is known to contain a large amount of fine powder of gamma ctus (hereinafter referred to as "gamma-C 2 S"), unlike ⁇ -C 2 S which is generally contained in cement.
  • gamma-C 2 S reacts with water to harden, whereas gamma-C 2 S reacts with CO 2 in air to produce calcite.
  • STS electric furnace slag fine powder which is a kind of electric steelmaking slag, contains a large amount of gamma-C 2 S at about 38% by weight of the total composition. have.
  • gamma-C 2 S in the cement composites, and CO 2 when even hydration progresses gamma-C 2 S within the cement composite material is to remain as unreacted substances and due to cracks generated in the concrete exposed to air Reacts to produce calcite and self-healing cracks.
  • the reduced slag fine powder when used as a cement substitute for STS furnace, the reduced slag for STS furnace remains unreacted in the cement paste because it has no hydraulic and latent hydraulic properties. As it increases, the strength of the concrete decreases.
  • FIG. 2 shows the compressive strength relation according to the reduction slag substitution rate of the STS furnace, and the compressive strength decreases as the reduction slag substitution rate of the STS furnace increases
  • FIG. 3 shows the setting time according to the reduction slag substitution rate of the STS furnace.
  • the present inventors have tried to improve the problems of strength reduction and coagulation delay when using the STS furnace slag as a cement substitute, as a result of producing a fine aggregate having a spherical particle form of the STS furnace slag of the binder when blending
  • the present invention was completed by confirming that the reduced slag aggregate was broken by STS electricity when the crack occurred without affecting the strength expression and reacted with carbon dioxide in the air to self-healing the crack.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 2015-0055589 (published May 21, 2015)
  • Patent Document 2 Korean Patent No. 1120078 (2012.03.23. Notification)
  • Patent Document 3 3. Republic of Korea Patent Publication No. 2016-0139315 (published Dec. 7, 2016)
  • Non-Patent Document 1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, 2014, 15, 6890-6897.
  • Another object of the present invention to provide a method for producing the fine aggregate for self-healing concrete.
  • Still another object of the present invention is to provide self-healing concrete using the fine aggregate for self-healing concrete.
  • the present invention is spherical particles in which 15 to 25 parts by weight of a liquid alkali activator is mixed and molded with respect to 100 parts by weight of a mixed powder composed of 80 to 90 wt% of reduced slag fine powder and 10 to 20 wt% of general Portland cement. It provides a fine aggregate for self-healing concrete having a form.
  • the finely reduced slag powder of STS electric furnace has a particle size of 35 ⁇ m or less, and contains gamma-C 2 S as a main component.
  • the present invention is the first step of injecting a mixed powder consisting of 80 to 90% by weight of reduced slag fine powder and 10 to 20% by weight of ordinary portland cement in an STS electric furnace having a particle size of less than 35 ⁇ m in a granulator equipped with a rotating disk, Self-healing concrete comprising a second step of producing a spherical shaped body by rotating a rotating disk in the granulator while spraying 15 to 25 parts by weight of a liquid alkali activator to the granulator and a third process of curing the spherical shaped body It provides a method for producing fine aggregate.
  • the disk provided in the granulator has an inclination of 50 to 65 degrees from the vertical, and the disk is rotated for 20 to 40 rpm and 10 to 20 minutes to form a spherical particle shape.
  • the curing is carried out at 50 to 70 °C and the particle size of the fine aggregate to be distributed to 5mm or less.
  • the fine aggregates for self-healing concrete containing gamma-C 2 S ( ⁇ -2CaO ⁇ SiO 2 ) react with carbon dioxide (CO 2 ) exposed to the crack surface of mortar or concrete.
  • CO 2 carbon dioxide
  • the amount (S / C) of the fine aggregates (S) used for self-healing concrete is used two to three times compared to the cement (C).
  • the present invention by providing a reduced aggregate slag containing a large amount of gamma-C 2 S component as a fine aggregate having a spherical particle form, when the crack occurs in the mortar or concrete and the fine aggregate exposed to the crack and Carbon dioxide (CO 2 ) is reacted to produce a calite (calcite), it is possible to provide a self-healing concrete capable of self-healing of cracks in the air (in air) state without affecting the strength expression during blending.
  • CO 2 Carbon dioxide
  • Figure 2 is a result showing the compressive strength relationship according to the reduction slag substitution rate of STS electric furnace
  • Figure 3 is a result showing the relationship between the setting time of the slag substitution rate of the STS furnace
  • FIG. 7 is a particle size distribution diagram of the reduced slag fine aggregate STS furnace according to the production method of the present invention.
  • FIG. 11 is an SEM image of the self-healing product generated in the crack plane of FIG. 10.
  • FIG. 13 is a measurement result of water flow of self-healing concrete according to a comparative example of the present invention.
  • the present invention with respect to 100 parts by weight of the mixed powder consisting of 80 to 90% by weight of reduced slag fine powder and 10 to 20% by weight of ordinary Portland cement,
  • liquid alkali activator 15 to 25 parts by weight of a liquid alkali activator provides a fine aggregate for self-healing concrete having a spherical particle shape mixed and molded.
  • the STS electric furnace slag fine powder of the present invention contains about 38% by weight of gamma-C 2 S ( ⁇ -2CaO.SiO 2 ) in a total composition, and the present invention provides gamma-C 2.
  • the reduced slag of STS electric furnace containing S into fine aggregate having spherical particle shape, the reduced slag aggregate aggregate is broken by STS electricity and reacts with carbon dioxide in the air when cracking occurs without affecting the strength expression of the binder during mixing. Characterized in that to heal the cracks.
  • Figure 4 shows the particle size percentage (%) of the reduced slag fine powder by STS, as a result of performing XRD analysis and Rietveld method for the reduced slag fine powder of STS or less than 35 ⁇ m, gamma-C 2 Since the S content is as high as 52%, the present invention contains finely reduced slag powder of STS electric furnace having a particle size of 35 ⁇ m or less.
  • the fine aggregate having the spherical particle shape of the reduced slag of STS furnace is formed after mixing 15 to 25 parts by weight of the liquid alkali activator with respect to 100 parts by weight of the mixed powder consisting of finely powdered slag slag and ordinary portland cement.
  • the liquid alkali activator is less than 15 parts by weight, the amount of liquid is too small to form, and if it exceeds 25 parts by weight, it is too diluted to achieve strength as a fine aggregate.
  • the present invention is the first step of injecting a mixed powder consisting of 80 to 90% by weight of reduced slag fine powder and 10 to 20% by weight of ordinary portland cement in an STS electric furnace having a particle size of less than 35 ⁇ m in a granulator equipped with a rotating disk,
  • It provides a method for producing a fine aggregate for self-healing concrete consisting of a third step of curing the spherical shaped body.
  • the first step of the present invention is a step of injecting a mixed powder consisting of 80 to 90% by weight of reduced slag fine powder and 10 to 20% by weight of ordinary Portland cement into a pelletizer equipped with a rotating disk.
  • STS-electrically reduced slag fine powder is mixed with general portland cement by the expression of expression, but in the range of no problem in compatibility, STS-electrically reduced slag fine powder is mixed with 90 wt% and general portland cement 10 wt%. Powder is preferred.
  • the second step of the present invention is a process of manufacturing a spherical shaped body by rotating a rotating disk in the granulator while spraying 15 to 25 parts by weight of a liquid alkali activator to the granulator. Influence of the amount of alkali, the amount of alkali activator in the liquid phase, the inclination angle of the rotating disk, the rotational speed of the disk has a great influence on the physical properties of the final molded product.
  • Figure 5 shows the size and absorption relationship of the fine aggregate according to the rotating disk inclination angle, so that the disk of rotation in the granulator has a slope of 50 to 65 degrees from the vertical It is desirable to install.
  • Figure 6 shows the size and absorption relationship of the fine aggregate according to the rotational speed of the disk, by rotating the disk under the conditions of the disk rotational speed of 20 to 40rpm and 10 to 20 minutes, spherical particle shape Eggplant manufactures shaped bodies.
  • Figure 7 shows the particle size distribution of the reduced slag fine aggregate STS furnace according to the production method of the present invention, the inclined angle of the rotating disk, the rotational speed of the disk so that the size of the particles meet the range of less than 5mm Determine the molding time.
  • the curing step curing the molded article prepared in the above step for about 12 hours under the conditions of 50 to 70 °C to form a fine aggregate distributed in the particle size of 5mm or less.
  • the present invention is a reaction product (calcite, CaCO) by reacting the fine aggregate for self-healing concrete containing gamma-C 2 S ( ⁇ -2CaO ⁇ SiO 2 ) with mortar or carbon dioxide (CO 2 ) exposed to the crack surface of the concrete 3 )) provide self-healing concrete that can self-heap cracks in air (in air).
  • Figure 8 is as showing the generation mechanism of calcite schematically in the self-healing cone Creek of the present invention, (a) CO 2 reaction before gamma-C 2 S ( ⁇ - 2CaO and SiO 2) is a mortar or When cracks occur in concrete, (b) fine aggregates exposed to cracks and CO 2 react to form calcite and self-healing cracks.
  • FIG. 10 shows the flow rate of curing carbon dioxide for the test specimen, and as the CO 2 curing time increases, the amount of water passing through the cracks per unit time decreases considerably, especially, up to 7 days of age. Is the largest and the flow rate through the crack decreases significantly as the amount of fine aggregate containing reducing slag is increased.
  • FIG. 11 is a SEM photograph of a reaction product of white color generated on the crack surface, and is determined to be calsite.
  • the reduced slag fine aggregate was exposed to the crack surface by gamma-C 2 S containing a large amount of the slag and reacted with carbon dioxide in the air to fill the crack by the reaction product (calcite), thereby reducing the flow rate.
  • FIG. 12 is a 28-day compressive strength relationship according to the amount of reduced slag fine aggregate used in the STS electric furnace of the present invention, it is confirmed that the tendency of the compressive strength decreases as the amount of fine aggregate increases, especially S / C sharply decreases at 3.5 Therefore, the preferred amount of STS furnace slag fine aggregate for self-healing concrete by air curing is 2 to 3 times that of cement.
  • the reduced slag aggregate aggregate is broken by the STS electricity when the crack does not affect the strength expression of the binder during mixing, and reacts with carbon dioxide in the air to heal the crack. It can provide a feature.
  • Figure 13 is a result of measuring the water flow (self flow) of self-healing concrete concrete according to the comparative example of the present invention without the fine aggregate for self-healing concrete, cracks per unit time even if the CO 2 curing time increases Since there is no change in crack width due to the amount of water passing through or CO 2 curing, it supports the absence of self-healing effect on cracks.
  • the mixed powder in which 90% by weight of STS reduced slag fine powder and 10% by weight of ordinary Portland cement was mixed was put into a granulator.
  • the rotating disk in the granulator had an inclination of 65 degrees from the vertical and rotated at a speed of 30 rpm.
  • the mixture weight ratio (S / C) between the cement (C) was mixed to 1, 1.5, 2, 2.5, 3 and 3.5 to prepare a test body.
  • the specimens were cured in water for 6 days and then dried in a constant temperature and humidity room.
  • the specimens were split into pieces by UTM, and both ends were fixed with a spacer of a predetermined size to fix the crack width at 150 ⁇ m. To complete.
  • the specimens were cured in water for 6 days and then dried in a constant temperature and humidity room.
  • the specimens were split into pieces by UTM, and both ends were fixed with a spacer of a predetermined size to fix the crack width at 150 ⁇ m. To complete.
  • q is the crack passage flow rate (mL / s).
  • FIG. 11 is a SEM photograph of a newly generated white reaction product on a cracked surface by splitting a specimen exhibiting self-healing performance after the final CO 2 curing. As shown in FIG. 11, it is determined as calcite.
  • the amount of STS furnace reduced slag aggregate for self-healing concrete by air (air) curing may be determined to be two to three times better than that of cement.
  • Figure 13 is a result of measuring the water flow (Water flow) of the test specimens produced in Comparative Examples 2-7, even if the CO 2 curing time increases, the amount of water passing through the crack per unit time was almost unchanged. From the above results, it was confirmed that there was no change in crack width due to CO 2 curing, so that there was no self-healing effect on cracking.
  • the present invention provides a reduced aggregate slag as a fine aggregate having a spherical particle form, which contains a large amount of gamma-C 2 S component, so that the mortar or When cracks occur in concrete, fine aggregates exposed to the cracks react with CO 2 to generate calcite, thereby providing self-healing concrete capable of self-healing of cracks in air (air).
  • the present invention implements the environmentally friendly advantages and economical useful effects of reducing the production cost by recycling the reducing slag to the conventionally discarded STS electricity.

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Abstract

본 발명은 STS 전기로 환원슬래그를 이용한 자기치유 콘크리트용 잔골재, 그의 제조방법 및 그를 이용한 자기치유 콘크리트에 관한 것이다. 본 발명의 STS 전기로 환원슬래그를 이용한 자기치유 콘크리트용 잔골재는 STS 전기로 환원슬래그를 시멘트 대체재로서 사용할 경우 강도감소 및 응결지연의 문제점을 개선하고자 STS 전기로 환원슬래그를 구 형상의 입자 형태를 가지는 자기치유 콘크리트용 잔골재로 제조하여, 배합시 강도발현에 영향을 미치지 않고 균열 발생시 잔골재가 파단되어 공기 중의 이산화탄소(CO2)와 반응하여 기건(공기 중) 상태에서 균열의 자기치유가 가능한, STS 전기로 환원슬래그를 이용한 자기치유 콘크리트용 잔골재, 그의 제조방법 및 그를 이용한 자기치유 콘크리트에 관한 것이다.

Description

ＳＴＳ 전기로 환원슬래그를 이용한 자기치유 콘크리트용 잔골재, 그의 제조방법 및 그를 이용한 자기치유 콘크리트
본 발명은 STS(stainless steel slag) 전기로 환원슬래그를 이용한 자기치유 콘크리트용 잔골재, 그의 제조방법 및 그를 이용한 자기치유 콘크리트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 STS 전기로 환원슬래그를 시멘트 대체재로서 사용할 경우 강도감소 및 응결지연의 문제점을 개선하고자 STS 전기로 환원슬래그를 구 형상의 입자 형태를 가지는 자기치유 콘크리트용 잔골재로 제조하여, 배합시 강도발현에 영향을 미치지 않고 균열 발생시 잔골재가 파단되어 공기 중의 이산화탄소(CO2)와 반응하여 기건(공기 중) 상태에서 균열의 자기치유가 가능한, STS 전기로 환원슬래그를 이용한 자기치유 콘크리트용 잔골재, 그의 제조방법 및 그를 이용한 자기치유 콘크리트에 관한 것이다.
최근 구조물의 노후화로 인해 내구성능 및 유지보수에 대한 관심이 높아지면서, 콘크리트 구조물에 발생한 균열을 스스로 치유하여 내구성능을 향상시키고 유지보수 비용을 절감시킬 수 있는 균열 자기치유 콘크리트에 대한 관심이 높아지고 있다.
콘크리트에 자기치유 능력을 부여하기 위한 대표적인 기술에는 다양한 무기 바인더를 활용하는 기술, 박테리아와 같은 미생물을 활용하는 기술, 캡슐-폴리머를 활용한 기술 등이 있다[특허문헌 1 내지 3]. 특히 경제적인 측면 및 콘크리트 구조물의 적용성을 고려할 때, 무기 바인더 및 박테리아를 활용한 자기치유 방법이 현재 가장 유력하다.
그러나 이러한 자기치유 기술의 단점은 항상 물이 존재하여야 하는 단점이 있다.
철강슬래그는 철광석, 코크스, 석회석을 원료로 하여 고로에서 선철을 만들어내는 소결 및 제선공정에서 발생하는 고로슬래그와 철강을 제조하는 제강공정에서 발생하는 전로슬래그, 철스크랩 등 고철을 주원료로 하여 전기로에서 발생하는 전기로 슬래그의 세 가지로 나눌 수 있다.
상기에서 고로슬래그는 건설재료에 대부분 재활용되는 것과는 달리, 철강(Stainless steel) 생산과정에서 발생하는 부산물인 STS(stainless steel slag) 제강슬래그는 건설재료로서 많이 재활용되지 못하고 있다.
특히, 이중 전기로 슬래그는 전기로 제강법에서 생산성과 용강품질의 향상을 목적으로 공정의 분화가 이루어진 결과 산화슬래그와 환원슬래그로 다시 구분되는데, 전기로 산화슬래그와 달리, STS 전기로 환원슬래그 미분말은 팽창성 물질의 함유로 불안정한 상태이므로 팽창 붕괴성이 높고 건설용 재료로서 안정성이 확보되지 않아 전량 폐기되어 왔다.
이러한 STS 전기로 환원슬래그의 재활용을 위해 적절한 처리기술개발에 대한 다양한 시도로서, STS 전기로 환원슬래그에 성분 보조제로서 이수석고를 첨가함으로써, 압축강도를 발현하고 응결시간을 지연시켜 콘크리트용 혼화재로서의 용도를 제안하고 있다[비특허문헌 1].
그러나, STS 전기로 환원슬래그 미분말은 감마 씨투에스(이하, "gamma-C2S"라 함) 미분말을 다량으로 함유하고 있는 것으로 알려져 있는데, 시멘트에 일반적으로 함유되어 있는 β-C2S와 달리, 물과 반응하여 경화하는 수경성이 없는 반면에 gamma-C2S는 공기 중의 CO2와 반응하여 칼사이트(calcite)를 생성하는 기건성을 띈다.
도 1은 포스코에서 생산하고 있는 STS 전기로 환원슬래그 미분말의 XRD 분석 결과로서, 전기로 제강슬래그의 일종인 STS 전기로 환원슬래그 미분말은 gamma-C2S를 전제 조성의 38중량% 정도로 다량 함유하고 있다. 이로 인해 시멘트 복합체에 gamma-C2S를 혼입하는 경우, 수화가 진행되어도 시멘트 복합체 내부의 gamma-C2S는 미반응물로 남아있게 되고 콘크리트에 발생하는 균열로 인해 공기 중으로 노출되는 경우 CO2와 반응하여 칼사이트(Calcite)를 생성하고 균열을 자기치유하게 된다.
그러나 STS 전기로 환원슬래그 미분말을 시멘트 대체재로 사용하였을 경우, STS 전기로 환원슬래그는 수경성 및 잠재 수경성이 없기 때문에 시멘트 페이스트 내부에서 미반응물로 남아있게 되고, 이에 따라 STS 전기로 환원슬래그의 치환률이 증가할수록 콘크리트의 강도는 감소한다.
이에, 도 2는 STS 전기로 환원슬래그 치환율에 따른 압축강도 관계를 도시한 것으로서, STS 전기로 환원슬래그 치환율이 증가할수록 압축강도는 감소되며, 도 3은 STS 전기로 환원슬래그 치환율에 따른 응결시간을 도시한 것으로서, STS 전기로 환원슬래그 치환율이 증가할수록 응결시간이 상당히 지연되어 페이스트의 강도발현에 좋지 않은 영향을 확인할 수 있다.
이에, 본 발명자들은 STS 전기로 환원슬래그를 시멘트 대체재로서 사용할 경우 강도감소 및 응결지연의 문제점을 개선하고자 노력한 결과, STS 전기로 환원슬래그를 구 형상의 입자 형태를 가지는 잔골재를 제조하여 배합시 결합재의 강도발현에 영향을 미치지 않고 균열 발생시 STS 전기로 환원슬래그 잔골재가 파단되어 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 균열을 자기치유함을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
선행기술문헌
특허문헌
(특허문헌 1) 1. 대한민국 공개특허 제2015-0055589호 (2015.05.21. 공개)
(특허문헌 2) 2. 대한민국특허 제1120078호 (2012.03.23. 공고)
(특허문헌 3) 3. 대한민국 공개특허 제2016-0139315호 (2016.12.07. 공개)
비특허문헌
(비특허문헌 1)1. Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, 2014, 15, 6890-6897.
본 발명의 목적은 STS 전기로 환원슬래그 미분말을 함유하고 구 형상의 입자 형태를 가지는 자기치유 콘크리트용 잔골재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 자기치유 콘크리트용 잔골재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 자기치유 콘크리트용 잔골재를 이용한 자기치유 콘크리트를 제공하는 것이다.
본 발명은 STS 전기로 환원슬래그 미분말 80 내지 90중량% 및 일반 포틀랜드 시멘트 10 내지 20중량%로 이루어진 혼합분체 100 중량부에 대하여, 액상의 알칼리 활성화제 15 내지 25 중량부가 혼합 성형된 구 형상의 입자 형태를 가지는 자기치유 콘크리트용 잔골재를 제공한다.
상기에서, STS 전기로 환원슬래그 미분말이 35㎛ 이하의 입도를 가지며, gamma-C2S를 주요성분으로 함유한 것이다.
또한, 본 발명은 35㎛ 이하의 입도를 가지는 STS 전기로 환원슬래그 미분말 80 내지 90중량% 및 일반 포틀랜드 시멘트 10 내지 20중량%로 이루어진 혼합분체를 회전 디스크가 구비된 조립기에 투입하는 제1공정, 상기 조립기에 액상의 알칼리 활성화제 15 내지 25 중량부를 분사하면서 조립기 내 회전 디스크를 회전시켜 구 형상의 성형체를 제조하는 제2공정 및 상기 구 형상의 성형체를 양생하는 제3공정으로 이루어진 자기치유 콘크리트용 잔골재의 제조방법을 제공한다.
상기에서, 액상의 알칼리 활성화제는 NaOH 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 조립기 내에 구비된 디스크가 연직으로부터 50 내지 65도의 경사를 가지는 것이 바람직하며, 상기 디스크가 회전속도 20 내지 40 rpm 및 10 내지 20분 동안 회전되도록 하여 구 형상의 입자 형태로 성형하는 것이다.
상기 양생이 50 내지 70℃에서 수행되며 잔골재의 입자크기가 5mm 이하로 분포되도록 한다.
본 발명은 gamma-C2S (γ-2CaOㆍSiO2)가 함유된 자기치유 콘크리트용 잔골재가 모르타르 또는 콘크리트의 균열면에 노출된 이산화탄소(CO2)와 반응하여 반응생성물(calcite)에 의해 기건(공기 중) 상태에서 균열을 자기치유가 가능한 자기치유 콘크리트를 제공한다.
상기에서 자기치유 콘크리트용 잔골재(S)의 사용량(S/C)이 시멘트(C) 대비 2 내지 3배로 사용된 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, gamma-C2S 성분을 다량으로 함유하고 있는 STS 전기로 환원슬래그를 구 형상의 입자 형태를 가지는 잔골재로 제공함으로써, 모르타르 또는 콘크리트에 균열이 발생하는 경우 균열에 노출된 잔골재와 이산화탄소(CO2)가 반응하여 칼사이트(calcite)를 생성하게 되어, 배합시 강도발현에 영향을 미치지 않고 기건(공기 중) 상태에서 균열의 자기치유가 가능한 자기치유 콘크리트를 제공할 수 있다.
이에, 본 발명에 의하면, 폐기물 재활용이라는 측면뿐만 아니라 생산비용 절감이라는 친환경적인 이점과 경제적인 유용한 효과가 발휘된다.
또한, 구조물의 내구성능을 향상시킬 수 있어 지속적으로 발생하는 유지비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 STS 전기로 환원슬래그 미분말의 XRD 분석 결과 및 성분비를 나타낸 결과이고,
도 2는 STS 전기로 환원슬래그 치환율에 따른 압축강도 관계를 도시한 결과이고,
도 3은 STS 전기로 환원슬래그 치환율에 따른 응결시간 관계를 도시한 결과이고,
도 4는 STS 전기로 환원슬래그 미분말의 입도 백분율(%)을 나타낸 결과이고,
도 5는 본 발명의 제조방법에서 회전 디스크 경사각에 따른 잔골재의 크기 및 흡수관계를 나타낸 결과이고,
도 6은 본 발명의 제조방법에서 디스크의 회전속도에 따른 잔골재의 크기 및 흡수관계를 나타낸 결과이고,
도 7은 본 발명의 제조방법에 따른 STS 전기로 환원슬래그 잔골재의 입도분포도이고,
도 8은 본 발명의 자기치유 콘크리크에서 칼사이트의 생성 메커니즘을 도시한 것이고,
도 9는 본 발명의 자기치유 콘크리크에 대한 자기치유 성능평가를 위한 시험체 제작사진이고,
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 자기치유 콘크리크의 유수량(Water flow) 측정결과이고,
도 11은 도 10의 균열면에 생성된 자기치유 생성물의 SEM 사진이고,
도 12는 본 발명의 STS 전기로 환원슬래그 잔골재의 사용량에 따른 28일 압축강도 결과이고,
도 13은 본 발명의 비교예에 의한 자기치유 콘크리크의 유수량(Water flow) 측정결과이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 STS 전기로 환원슬래그 미분말 80 내지 90중량% 및 일반 포틀랜드 시멘트 10 내지 20중량%로 이루어진 혼합분체 100 중량부에 대하여,
액상의 알칼리 활성화제 15 내지 25 중량부가 혼합 성형된 구 형상의 입자 형태를 가지는 자기치유 콘크리트용 잔골재를 제공한다.
본 발명의 STS 전기로 환원슬래그 미분말은 도 1에서 확인된 바와 같이, 전제조성의 38중량% 정도의 gamma-C2S (γ-2CaOㆍSiO2)를 함유하며, 본 발명은 gamma-C2S를 함유한 STS 전기로 환원슬래그를 구 형상의 입자 형태를 가지는 잔골재로 제조함으로써, 배합 시 결합재의 강도발현에 영향을 미치지 않고 균열 발생 시 STS 전기로 환원슬래그 잔골재가 파단되어 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 균열을 치유하는 것을 특징으로 한다.
도 4는 STS 전기로 환원슬래그 미분말의 입도 백분율(%)을 나타낸 것으로서, 35㎛ 이하의 STS 전기로 환원슬래그 미분말에 대해 XRD 분석 및 리트벨트법(Rietveld method)을 수행한 결과, gamma-C2S 함량이 52%로 높게 나타나므로, 본 발명은 35㎛ 이하의 입도를 가지는 STS 전기로 환원슬래그 미분말을 함유한다.
이에, STS 전기로 환원슬래그를 구 형상의 입자 형태를 가지는 잔골재는 STS 전기로 환원슬래그 미분말 및 일반 포틀랜드 시멘트로 이루어진 혼합분체 100 중량부에 대하여, 액상의 알칼리 활성화제 15 내지 25중량부가 혼합 후 성형되도록 한 성형체로서, 상기 액상의 알칼리 활성화제가 15 중량부 미만이면, 액체량이 너무 적어 성형이 힘들고, 25 중량부를 초과하면, 너무 묽게 되어 잔골재로서의 강도를 달성할 수 없다.
본 발명의 실시예에서는 상기 액상의 알칼리 활성화제로서 바람직한 일례로 1M NaOH 수용액을 사용하여 설명하고 있으나, 이에 한정되지는 않을 것이다.
또한, 본 발명은 35㎛ 이하의 입도를 가지는 STS 전기로 환원슬래그 미분말 80 내지 90중량% 및 일반 포틀랜드 시멘트 10 내지 20중량%로 이루어진 혼합분체를 회전 디스크가 구비된 조립기에 투입하는 제1공정,
상기 조립기에 액상의 알칼리 활성화제 15 내지 25 중량부를 분사하면서 조립기 내 회전 디스크를 회전시켜 구 형상의 성형체를 제조하는 제2공정 및
상기 구 형상의 성형체를 양생하는 제3공정으로 이루어진 자기치유 콘크리트용 잔골재의 제조방법을 제공한다.
이상에서, 본 발명의 제1공정은 STS 전기로 환원슬래그 미분말 80 내지 90중량% 및 일반 포틀랜드 시멘트 10 내지 20중량%로 이루어진 혼합분체를 회전 디스크가 구비된 조립기(pelltizer)에 투입하는 공정이다.
상기 혼합분체에서 STS 전기로 환원슬래그 미분말은 함량은 발도발현으로 일반 포틀랜드 시멘트를 혼합하나, 상용성에 문제가 없는 범위에서, STS 전기로 환원슬래그 미분말 90중량% 및 일반 포틀랜드 시멘트 10중량%로 이루어진 혼합분체가 바람직하다.
본 발명의 제2공정은 조립기에 액상의 알칼리 활성화제 15 내지 25중량부를 분사하면서 조립기 내 회전 디스크를 회전시켜 구 형상의 성형체를 제조하는 공정으로서, 조립기를 이용하여 성형체를 제조함에 있어서, 혼합분체의 투입량, 액상의 알칼리 활성화제 투입량, 회전하는 디스크의 기울어진 각도, 디스크의 회전속도에 의한 성형시간에 따라 최종적으로 만들어진 성형체의 물성에 큰 영향을 미친다.
본 발명의 제조방법에서 회전 디스크를 구비한 조립기에서, 도 5는 회전 디스크 경사각에 따른 잔골재의 크기 및 흡수관계를 나타낸 것으로서, 그 결과 조립기 내 회전의 디스크가 연직으로부터 50 내지 65도의 경사를 가지도록 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 도 6은 상기 디스크의 회전속도에 따른 잔골재의 크기 및 흡수관계를 나타낸 것으로서, 디스크의 회전속도가 20 내지 40rpm 및 10 내지 20분 동안의 조건으로 디스크를 회전시킴으로써, 구 형상의 입자 형태를 가지는 성형체를 제조한다.
이에. 도 7은 본 발명의 제조방법에 따른 STS 전기로 환원슬래그 잔골재의 입도분포도를 나타낸 것으로서, 입자의 크기가 5mm 이하 범위를 충족하는 잔골재가 생성되도록 회전하는 디스크의 기울어진 각도, 디스크의 회전속도에 의한 성형시간을 결정한다.
이후 본 발명의 제3공정은 양생공정은 상기 단계에서 제조된 성형체를 50 내지 70℃의 조건에서 약 12시간 정도 양생시켜 입자의 크기가 5mm 이하로 분포된 잔골재가 성형되도록 한다.
나아가, 본 발명은 gamma-C2S (γ-2CaOㆍSiO2)가 함유된 자기치유 콘크리트용 잔골재가 모르타르 또는 콘크리트의 균열면에 노출된 이산화탄소(CO2)와 반응하여 반응생성물(calcite, CaCO3))에 의해 기건(공기 중) 상태에서 균열을 자기치유가 가능한 자기치유 콘크리트를 제공한다.
2CaOㆍSiO2 + 2CO2 → 2CaCO3 + SiO2 (1)
이에, 도 8은 본 발명의 자기치유 콘크리크에 있어서 칼사이트의 생성 메커니즘을 모식적으로 도시한 것으로서, (a) CO2 반응 전 gamma-C2S (γ-2CaOㆍSiO2)가 모르타르 또는 콘크리트에 균열이 발생하는 경우 (b) 균열에 노출된 잔골재와 CO2가 반응하여 칼사이트(calcite)를 생성하게 되며, 균열을 자기치유하게 된다.
이에, 본 발명의 자기치유 콘크리크에 대한 자기치유 성능평가를 수행한 결과, 도 9에서 제시된 바와 같이, 자기치유 콘크리트용 잔골재를 이용한 시험체는 인위적으로 균열폭을 150㎛로 고정시켜 제작한다.
도 10은 상기 시험체에 대하여 이산화탄소를 양생하여 유수량(Water flow)을 관찰한 결과, CO2 양생시간이 증가함에 따라, 단위시간당 균열을 통과하는 물의 량이 상당히 감소하고, 특히, 재령 7일까지의 변화가 가장 크게 나타나고, STS 전기로 환원슬래그를 함유한 잔골재의 양이 많을수록 균열을 통과하는 유량은 크게 감소한다.
도 11은 상기 균열면에 생성된 백색의 반응생성물을 SEM 촬영한 결과로서, 칼사이트(calcite)로 판단된다. 이에, 상기 결과로부터 gamma-C2S를 함유하는 STS 전기로 환원슬래그 잔골재가 균열면에 많이 노출되어 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 반응생성물(calcite)에 의해 균열이 메꾸어져 유량이 감소한 것으로서, STS 전기로 환원슬래그 잔골재의 양이 많을수록 자기치유 성능이 향상됨을 뒷받침한다.
또한, 도 12는 본 발명의 STS 전기로 환원슬래그 잔골재의 사용량에 따른 28일 압축강도 관계를 도시한 것으로서, 잔골재량이 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향이 확인되며 특히 S/C가 3.5에서 급격한 감소를 나타내고 있으므로, 기건 양생에 의한 자기치유 콘크리트를 위한 STS 전기로 환원슬래그 잔골재의 바람직한 사용량은 시멘트 대비 2 내지 3배이다.
이에, 본 발명의 STS 전기로 환원슬래그 잔골재의 사용량으로 제어할 경우, 배합 시 결합재의 강도발현에 영향을 미치지 않고 균열 발생 시 STS 전기로 환원슬래그 잔골재가 파단되어 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 균열을 치유하는 특징을 제공할 수 있다.
반면에, 도 13은 자기치유 콘크리트용 잔골재없이, 통상의 본 발명의 비교예에 의한 자기치유 콘크리크의 유수량(Water flow)을 측정한 결과로서, CO2 양생시간이 증가하여도 단위시간당 균열을 통과하는 물의 량 또는 CO2 양생에 의해 균열 폭의 변화가 없는 것이므로, 균열에 대한 자기치유 효과가 없음을 뒷받침한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
35㎛ 이하인 STS 환원슬래그 미분말 90중량% 및 일반 포틀랜드 시멘트 10중량%를 혼합한 혼합분체를 조립기에 투입하였다. 이때, 조립기 내 회전 디스크는 연직으로부터 65도의 경사를 가지며, 30rpm의 속도로 회전하였다.
상기 조립기에 혼합분체 100 중량부에 대하여, 1M NaOH 수용액 20 중량부를 분사하면서, 15분 동안 조립기 내에서 회전하여 구 형상의 입자 형태의 잔골재를 제작하였다. 상기 디스크의 직경은 100mm이고 높이 50mm이었으며, 디스크를 60℃에서 12시간 동안 양생하였다. 이에, 최종 입자의 크기가 5mm 이하로 분포된 잔골재를 제조하였다.
<비교예 1>
STS 전기로 환원슬래그 없이 일반 포틀랜드 시멘트를 이용하였으며, 이때 물-바인더 비가 0.35이었다.
<실시예 2∼7>
상기 실시예 1에서 제조된 자기치유 콘크리트용 잔골재(S)에 대하여, 시멘트(C)간 배합 중량비(S/C)가 1, 1.5, 2, 2.5, 3 및 3.5로 혼합하여 시험체를 제작하였다.
상기 제작된 시험체를 6일 수중 양생한 후 항온항습실에서 건조시켰으며, UTM 이용하여 상기 시험체를 할렬로 쪼갠 뒤 양끝을 일정 크기의 간격재(spacer)를 두고 고정시켜 균열폭을 150㎛로 고정시켜 시험체를 완성하였다.
<비교예 2∼7>
상기 비교예 1에서 제조된 잔골재(S)에 대하여, 시멘트(C)간의 배합 중량비(S/C)가 1, 1.5, 2, 2.5, 3 및 3.5로 혼합하여 시험체를 제작하였다.
상기 제작된 시험체를 6일 수중 양생한 후 항온항습실에서 건조시켰으며, UTM 이용하여 상기 시험체를 할렬로 쪼갠 뒤 양끝을 일정 크기의 간격재(spacer)를 두고 고정시켜 균열폭을 150㎛로 고정시켜 시험체를 완성하였다.
<실험예 1> 균열 자기치유 성능평가
상기 실시예 2∼7 및 비교예 2∼7에서 제작된 시험체를 7일 양생 후 균열을 유도하고, 5% 탄산화 시험기에서 CO2 양생시켜 빠른 자기치유 성능평가를 실시하였다. 일정 재령 후 시험체를 꺼내어 유수량(Water flow) 측정시험기를 통해 5분 동안 물의 통과량을 수학식 1에 의해 산출하였다.
수학식 1
q = Q/time
상기에서, q는 균열 통과 유량(mL/s)이다.
<실험예 2> 균열 자기치유 성능평가
상기 실험예 1에서의 단기 유수량(Water flow) 시험 후 시험체를 분리하여 건조 후 다시 탄산화 시험기에서 양생하고, 자기치유 정도를 비교하기 위해 탄산화 양생 0일(일반 재령 7일)을 기준으로 상대적인 유량을 비교하였다. 그 결과 도 10의 경우, 실시예 2∼7에서 제작된 시험체의 유수량(Water flow)을 측정한 결과로서, CO2 양생시간이 증가함에 따라, 단위시간당 균열을 통과하는 물의 량이 상당히 감소하는 것을 확인하였다.
특히, 재령 7일까지의 변화가 가장 큰 것으로 나타났고, STS 환원슬래그를 함유한 잔골재의 양이 많을수록 균열을 통과하는 유량은 크게 감소하였다.
이러한 결과는 gamma-C2S를 함유하는 STS 잔골재가 균열면에 많이 노출되어 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 반응생성물(calcite)에 의해 균열이 메꾸어져 유량이 감소한 것으로서, STS 잔골재의 양이 많을수록 자기치유 성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이때, S/C의 비가 2.5 이상의 경우에는 비슷한 자기치유 성능을 나타내었다.
도 11은 최종 CO2 양생 이후 자기치유 성능이 나타난 시험체를 쪼개어 균열면에 새롭게 생성된 백색의 반응생성물을 SEM 촬영한 결과로서, 도에서 확인되는 바와 같이 칼사이트(calcite)로 판단된다.
도 12는 STS 전기로 환원슬래그 잔골재의 사용량에 따른 28일 압축강도 결과로서, 잔골재량이 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향이 확인되었고 특히, S/C가 3.5에서 급격한 감소를 보였다.
이에, 기건(공기 중) 양생에 의한 자기치유 콘크리트를 위한 STS 전기로 환원슬래그 잔골재의 사용량은 시멘트 대비 2 내지 3배가 바람직한 것으로 결정할 수 있다.
반면에, 도 13은 비교예 2∼7에서 제작된 시험체의 유수량(Water flow)을 측정한 결과로서, CO2 양생시간이 증가하여도 단위시간당 균열을 통과하는 물의 량은 거의 변화가 없었다. 상기 결과로부터, CO2 양생에 의해 균열 폭의 변화가 없는 것이므로, 균열에 대한 자기치유 효과가 없음을 확인하였다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 gamma-C2S 성분을 다량으로 함유하고 있는 STS 전기로 환원슬래그를 구 형상의 입자 형태를 가지는 잔골재로 제공함으로써, 배합시 강도발현에 영향을 미치지 않고 모르타르 또는 콘크리트에 균열이 발생하는 경우 균열에 노출된 잔골재와 CO2가 반응하여 칼사이트(calcite)를 생성하게 되어, 기건(공기 중) 상태에서 균열의 자기치유가 가능한 자기치유 콘크리트를 제공하였다.
이에, 본 발명은 종래 폐기되는 STS 전기로 환원슬래그를 재활용함으로써, 생산비용 절감이라는 친환경적인 이점과 경제적인 유용한 효과를 구현한다.
또한, 구조물의 내구성능을 향상시킬 수 있어 지속적으로 발생하는 유지비용을 감소시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (9)

  1. STS 전기로 환원슬래그 미분말 80 내지 90중량% 및 일반 포틀랜드 시멘트 10 내지 20중량%로 이루어진 혼합분체 100 중량부에 대하여,
    액상의 알칼리 활성화제 15 내지 25중량부가 혼합 성형된 구 형상의 입자 형태를 가지는 자기치유 콘크리트용 잔골재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 STS 전기로 환원슬래그 미분말이 35㎛ 이하의 입도를 가지며, 감마 씨투에스(gamma-C2S, γ-2CaOㆍSiO2)를 함유한 것을 특징으로 하는 자기치유 콘크리트용 잔골재.
  3. 35㎛ 이하의 입도를 가지는 STS 전기로 환원슬래그 미분말 80 내지 90중량% 및 일반 포틀랜드 시멘트 10 내지 20중량%로 이루어진 혼합분체를 회전 디스크가 구비된 조립기에 투입하는 제1공정,
    상기 조립기에 액상의 알칼리 활성화제 15 내지 25 중량부를 분사하면서 조립기 내 회전 디스크를 회전시켜 구 형상의 성형체를 제조하는 제2공정 및
    상기 구 형상의 성형체를 양생하는 제3공정으로 이루어진 자기치유 콘크리트용 잔골재의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 액상의 알칼리 활성화제가 NaOH 수용액인 것을 특징으로 하는 자기치유 콘크리트용 잔골재의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 디스크가 연직으로부터 50 내지 65도의 경사를 가지는 것을 특징으로 하는 자기치유 콘크리트용 잔골재의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 디스크가 회전속도 20 내지 40 rpm 및 10 내지 20분 동안 회전되도록 한 것을 특징으로 하는 자기치유 콘크리트용 잔골재의 제조방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 잔골재가 5mm 이하의 입자크기로 분포된 것을 특징으로 하는 자기치유 콘크리트용 잔골재의 제조방법.
  8. 제1항 또는 제2항의 감마 씨투에스(gamma-C2S, γ-2CaOㆍSiO2)가 함유된 자기치유 콘크리트용 잔골재가 모르타르 또는 콘크리트의 균열면에 노출된 이산화탄소(CO2)와 반응하여 반응생성물(calcite)에 의해 균열을 치유한 자기치유 콘크리트.
  9. 제8항에 있어서, 상기 자기치유 콘크리트용 잔골재(S)의 사용량(S/C)이 시멘트(C) 대비 2 내지 3배로 사용된 것을 특징으로 하는 자기치유 콘크리트.
PCT/KR2017/013325 2017-01-02 2017-11-22 Ｓｔｓ 전기로 환원슬래그를 이용한 자기치유 콘크리트용 잔골재, 그의 제조방법 및 그를 이용한 자기치유 콘크리트 Ceased WO2018124485A1 (ko)

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KR10-2017-0000100 2017-01-02
KR1020170000100A KR101863964B1 (ko) 2017-01-02 2017-01-02 Ｓｔｓ 전기로 환원슬래그를 이용한 자기치유 콘크리트용 잔골재, 그의 제조방법 및 그를 이용한 자기치유 콘크리트

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