WO2019013390A1 - 실리카계 슬래그 미분말을 포함하는 phc 파일용 콘크리트 조성물, 이를 이용한 phc 파일의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고성능 phc 파일 - Google Patents

실리카계 슬래그 미분말을 포함하는 phc 파일용 콘크리트 조성물, 이를 이용한 phc 파일의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고성능 phc 파일 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철강원료 생산품인 페로니켈의 산업부산물 중 수재 페로니켈 슬래그를 시멘트 입자 이상의 분말도를 갖도록 분쇄하여 얻은 실리카계슬래그 미분말을 시멘트와 치환 혼입하여 고성능의 PHC 파일을 제조할 수 있는 조성물과, 이를 이용해 PHC 파일을 제조하는 방법을 제공한다.

Description

실리카계 슬래그 미분말을 포함하는 PHC 파일용 콘크리트 조성물, 이를 이용한 PHC 파일의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고성능 PHC 파일
본 발명은 실리카계 슬래그 미분말(siliceous slag binder, SSB)을 포함하는 PHC 파일용 콘크리트 조성물과, 이를 이용하여 고성능 PHC 파일을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 페로니켈의 산업 부산물인 수재 페로니켈 슬래그를 분쇄하여 얻은 실리카계 슬래그 미분말을 이용해 내염해성, 내화학성, 장기안전성, 전단성능 등이 우수한 고성능 PHC 파일을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근, 화력 발전소, 제철소 등의 산업 부산물을 활용한 혼합 콘크리트에 관련한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 활용 범위가 확장되면서 국내외에서 그 활용성이 점차 증대되고 있다.
기존에 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland Cement, OPC) 또는 고로슬래그 시멘트의 원가절감 목적 또는 내구성, 강도, 유동성 등이 향상된 고성능 콘크리트의 개발을 위해 각종 시멘트 대체재의 개발이 원천 기술이 되면서, 시멘트 대체재의 개발뿐만 아니라, 시멘트 대체제의 요구 성능의 확보를 가속화하기 위한 고성능 혼화제, 최적 치환률에 관련한 기술에도 관련 분야 종사자들의 관심이 집중되고 있으며, 각종 산업 폐기물로 치부되다가 최근에 이르러 혼화재로서 인정을 받고 있는 물질로 고로슬래그 분말(blast furnace slag powder), 플라이 애쉬(fly ash), 실리카 퓸(silica fume) 등을 대표적인 예로 들 수 있다.
한편, 최근 또 다른 철강 산업의 부산물로 제4의 재료로서 등장한 페로니켈 슬래그(ferro-nickel slag, FNS)는 페로니켈 생산과정 중 전기로 공정의 중간단계에서 발생하게 되는 수재형(water cooled type) 부산물을 의미하며, 상기 페로니켈 슬래그는 페로니켈을 생산하기 위해 원료로 사용된 니켈광석, 유연탄 등이 고온에서 용융되어 페로니켈과 분리된 후 얻어진 유용한 자원으로, 물리적, 화학적 성질이 우수한 친환경적 자원이다.
상기 페로니켈 슬래그는 용융슬래그가 자연 공랭(air cooling)에 의해 생산된 프라임 스톤과 물을 분사하여 급속 냉각되어 생산된 프라임 샌드로 분류할 수 있으며, 프라임 스톤은 용융슬래그가 자연 공랭에 의해 서서히 냉각시켜 자갈 형태의 제품으로, 성토재, 노반재, 아스팔트용 골재, 사문암 대체재 등 토목용 골재로 사용시 다짐율이 우수한 것으로 알려져 있고, 프라임 샌드는 용융슬래그에 물을 분사하여 모래 형태의 제품으로, 천연모래 이상으로 우수한 특성을 가지고 있어 콘크리트용 모래로 사용이 가능하다는 사실이 알려지면서 관심이 증가하고 있다.
이에 따라, 종래에 국내외에서 상기 페로니켈 슬래그를 시멘트 치환 대체재로 활용하기 위한 다양한 방법에 대한 연구가 진행된 바 있으나, 현재 국내 KS 기준이 없어 비 KS 제품군을 기반으로 한 분야에서 개별 인프라 및 구조물 별로 진행이 되고 있다.
한편, PHC(pretensioned spun high strength concrete) 파일은 원심력을 응용한 것으로서, 콘크리트의 압축 강도가 78.5 N/mm2 이상인 프리텐션 방식에 의한 고강도 말뚝을 의미하는 것으로, 상기 PHC 파일은 콘크리트 기둥의 내부에 인장된 와이어를 내설함으로써 보다 강한 하중 지지력을 가지도록 한 것으로, PHC 파일은 PC 파일보다 축방향 하중 지지력이 우수하고, 타격에 강하며, 휨내력이 크다는 장점을 갖추고 있어서 지정공사를 위한 파일로 널리 사용되고 있다.
최근에는 특수구조물, 해안 연약지반 등의 구조물이 많아지면서 선단지지력이 높은 파일 수요가 증대되고 있으며, 특히, 100 MPa 이상의 초고강도 PHC 파일 제품의 요구가 증대되고 있는 추세로서, 이러한 추세를 반영하여 초고강도 PHC 파일을 제조할 수 있는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 이와 관련된 제품도 출시되고 있다.
하지만, 종래에는 초고강도 PHC 파일 분야에서 특허 관련 발명의 진화는 선단부 접합부 부분의 강판보강 등을 통한 축력 저항 개선, 말뚝 본체의 전단저항력 증대, 주두부의 전단보강 등에 집중되어 있고, 이와 관련해서 재료와 시공의 개선에 대한 부분에서는 미진하며, 기존에 시멘트 치환 혼화재를 사용한 초고강도 PHC 파일 제조방법과 관련된 사례는 다수 확인되었으나, 페로니켈 슬래그를 분쇄한 미분말을 시멘트 대신 치환 혼입하여 고성능의 PHC 파일을 제조하는 방법에 관한 기술 내용은 개시된 바 없어 이에 대한 연구가 필요하다.
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 PHC 파일용 콘크리트 조성물에 따르면, 철강부산물 중 수재 페로니켈 슬래그를 분쇄해 제조하여 시멘트 입자 이상의 입자 평균 분말도 갖는 실리카계 슬래그 미분말을 시멘트 대신 치환 혼입하여 고성능 PHC 파일을 제조할 수 있는 콘크리트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 PHC 파일의 제조방법에 따르면, 실리카계 슬래그 미분말을 이용하여 강도가 우수할 뿐만 아니라, 내염해성, 내화학성, 장기안전성, 전단성능 등이 증진된 고성능의 PHC 파일을 제조하는 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 페로니켈 슬래그를 분쇄하여 제조되고 분말도가 4,000 내지 30,000 cm2/g인 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 포함하는 결합재; 골재; 및 혼화제를 포함하는 PHC 파일용 콘크리트 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 관점에 따르면, 상기에 기재된 PHC 파일용 콘크리트 조성물을 이용하여 PHC 파일을 제조하는 방법에 있어서, (a) 페로니켈 슬래그(ferro-nickel slag)를 분쇄하여 분말도가 4,000 내지 30,000 cm2/g인 실리카계 슬래그 미분말(siliceous slag binder)을 제조하는 단계; (b) 상기 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 포함하는 결합재, 골재 및 혼화제를 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하는 단계; (c) PHC 파일 형성용 구조물이 구비된 몰드의 내부에 상기 콘크리트 조성물을 타설하는 단계; 및 (d) 상기 콘크리트 조성물이 타설된 몰드를 증기양생하는 단계;를 포함하는 PHC 파일의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 실리카계 슬래그 미분말은 45 내지 65%의 SiO2, 20 내지 30%의 MgO, 1 내지 5%의 CaO를 포함할 수 있다.
또한, 상기 결합재는 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 1:19 내지 1:1의 중량비로 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 혼화제는 폴리카르본산계 혼화제이고, 상기 콘크리트 조성물은 결합재의 총중량을 기준으로 1.6 내지 2 중량%의 비율로 상기 혼화제를 포함할 수 있다.
또한, 상기 콘크리트 조성물은 물결합재비(W/B)가 15 내지 30인 것이 바람직하다.
또한, 상기 단계 (d)에서는, i) 상기 콘크리트 조성물이 타설된 몰드를 20 내지 70 ℃의 온도로 7시간 동안 반응시키는 단계; ii) 반응시킨 몰드를 70 내지 85 ℃의 온도로 9 내지 11시간 동안 반응시키는 단계; 및 iii) 20 내지 70 ℃의 온도로 5 내지 7시간 동안 반응시키는 단계를 포함하는 방법으로 증기양생을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 관점에 따르면, 상기에 기재된 방법으로 제조한 PHC 파일을 제공한다.
또한, 상기 PHC 파일은 재령 7일 경과한 시점에 탈형강도가 130 MPa 이상일 수 있다.
또한, 상기 PHC 파일은 시멘트를 실리카계 슬래그 미분말을 20% 비율로 치환한 콘크리트 조성물로 제조한 것으로, 일반보통포틀랜드 시멘트를 결합재로 포함하는 콘크리트 조성물로 제조한 PHC 파일에 비해 2.63배 높은 내염해 저항성과, 4% 이상 높은 내화학 저항성을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 실리카계 슬래그 미분말을 활용한 PHC 파일용 콘크리트 조성물과, 이를 이용한 PHC 파일의 제조방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따른 PHC 파일용 콘크리트 조성물은 특정 분말도를 갖는 실라카계 슬래그 미분말을 시멘트 대신 최적 배합비율로 치환 혼입하여 강도가 우수할 뿐만 아니라, 내염해성, 내화학성, 장기안전성, 전단성능 등이 증진된 고성능 PHC 파일을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 PHC 파일의 제조방법에 따르면, 실라카계 슬래그 미분말의 최적 혼입비율을 제공하며, 최적화된 증기양생 공정을 도입하여 PHC 파일 제조를 위한 제조원가를 절감하는 이점이 있고, 제조한 PHC 파일은 고강도 및 고성능 특성을 구비하여 특수구조물, 해안 연약지반 등의 다양한 환경에 도입이 용이한 이점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 PHC 파일의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2 내지 도 5는 일반보통포틀랜드 시멘트로 제조한 콘크리트의 역학특성, 환경특성 및 장기 내구성을 분석한 결과를 나타내는 국제공인시험성적서이다.
도 6 내지 도 9는 실시예에 따라 실리카계 슬래그 미분말[FNS(L)]로 제조한 콘크리트의 역학특성, 환경특성 및 장기 내구성을 분석한 결과를 나타내는 국제공인시험성적서이다.
도 10은 실시예에 따른 방법으로 제조한 실리카계 슬래그 미분말 및 일반보통포틀랜드 시멘트를 이용하여 PHC 파일을 제조하는 과정의 각 단계를 촬영한 실제이미지이다.
도 11은 실시예에 따른 방법으로 제조한 실리카계 슬래그 미분말, 일반보통포틀랜드 시멘트 및 혼화제를 시방배합하여 제조한 PC 박스의 초기 탈형강도를 분석한 결과(재령 1일, 3일 및 7일)이다.
도 12는 실시예에 따라 일반보통포틀랜드 시멘트로 제조한 PC 박스(100% OPC) 및 실리카계 슬래그 미분말 30% 혼합 콘크리트로 제조한 PC 박스(30% SSB + 70% OPS)의 재령 기간별 강도 변화를 분석한 결과(재령 3일, 7일 및 28일)이다.
도 13은 실시예에 따라 일반보통포틀랜드 시멘트로 제조한 PHC 파일(100% OPC) 및 실리카계 슬래그 미분말 30% 혼합 콘크리트로 제조한 PHC 파일(30% SSB + 70% OPS)의 (a) 내염해 저항성 및 (b) 내화학 침식 저항성을 분석한 결과와, (c) 일반보통포틀랜드 시멘트로 제조한 PHC 파일(100% OPC) 및 실리카계 슬래그 미분말 30% 혼합 콘크리트로 제조한 PHC 파일(10% SSB + 90% OPS, 20% SSB + 80% OPS 및 30% SSB + 70% OPS)의 장기강도를 분석한 결과(재령 7일, 14일, 28일 및 90일)이다.
도 14는 실시예에 따라 일반보통포틀랜드 시멘트로 제조한 PHC 파일(100% OPC), 분말도 4,666 cm2/g의 실리카계 슬래그 미분말[FNS(L)] 30% 혼합 콘크리트로 제조한 PHC 파일(30% SSB) 및 분말도 26,300 cm2/g의 실리카계 슬래그 미분말[FNS(H)] 5% 혼합 콘크리트로 제조한 PHC 파일(30% SSB)의 전단강도를 측정한 결과이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징 및 장점 들은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에 사용되는 용어 '실리카계 슬래그 미분말(siliceous slag binde)'은 페로니켈 슬래그를 분쇄하여 제조한 것으로, 기존 페로니켈 슬래그의 화학적 구성성분 중 SiO2를 주성분으로 45 내지 65%의 범위로 포함하는 분말을 의미하며, 입자 평균 분말도가 4,000 내지 30,000 cm2/g인 미세 분말을 의미하는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리카계 슬래그 미분말을 활용한 PHC 파일의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고성능 PHC 파일에 대하여 도 1 내지 도 14를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 페로니켈 슬래그(ferro-nickel slag)를 분쇄하여 제조되고 분말도가 4,000 내지 30,000 cm2/g인 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 포함하는 결합재; 골재; 및 혼화제를 포함하는 PHC 파일용 콘크리트 조성물을 제공한다.
상기 페로니켈 슬래그는 페로니켈의 산업부산물인 수재 페로니켈 슬래그(ferronickel slag)를 의미하며, 물리적, 화학적 성질이 우수한 친환경적 자원으로서, 프라임 스톤 또는 프라임 샌드 등의 형태를 갖는 것을 사용할 수 있다.
상기 실리카계 슬래그 미분말은 상기 페로니켈 슬래그를 제트 밀(jet mill), 튜브 밀(tube mill), 롤러 밀(roller mill) 등과 같은 통상적인 분말의 제조방법으로 분쇄하여 제조한 것으로, 6가 크롬(Cr6 +) 또는 아질산(NO3) 등과 같은 인체 유해물질을 배출하지 않아 친환경적인 소재이다. 특히, 상기 실리카계 슬래그 미분말은 입자 평균 분말도가 4,000 내지 30,000 cm2/g인 것을 사용할 수 있으며, 상기 분말도가 4,000 cm2/g 미만인 경우, 평균입자 크기가 커 시멘트의 대체제로 활용하기가 어렵고, 30,000 cm2/g 이상인 경우에는 콘크리트 조성물에 균일한 분산성을 갖기 힘든 문제가 있다. 바람직하게는, 분말도가 4,600 내지 8,600 cm2/g인 것을 사용하여 후술할 고성능 PHC 파일을 제조할 수 있다.
특히, 상기 실리카계 슬래그 미분말은 45 내지 65%의 SiO2, 20 내지 30%의 MgO, 1 내지 5%의 CaO를 포함하는 것을 사용할 수 있고, 이와 같은 화학적 조성을 갖는 실리카계 슬래그 미분말은 콘크리트 조성물의 유동성 개선과 장기강도의 증진을 위하여 포졸란 활성을 나타내는 SiO2의 함량이 높아 시멘트를 대체하기 위해 시멘트와 부분치환 혼입되어 결합재에 포함될 수 있다.
또한, 상기 실리카계 슬래그 미분말의 혼합은 콘크리트의 2차 활성화 반응에 기여하여 재령 90일 이상의 중장기 재령에서 압축강도가 일반 콘크리트에 비해 현저히 향상된 콘크리트를 형성시킬 수 있다.
나아가, 실리카계 슬래그 미분말의 혼합은 콘크리트의 황산염 침식 저항성을 증가시켜 장기 내구성을 크게 향상된 콘크리트를 형성시킬 수 있으며, 일례로, 분말도가 4,600 내지 8,600 cm2/g인 실리카계 슬래그 미분말을 혼합한 콘크리트의 경우는 일반 콘크리트에 비해 황산염 침식 저항성이 6.9% 이상 증가하여 우수한 특성을 갖는 콘크리트를 형성시킬 수 있다.
상기 결합재에는 일반보통포틀랜드 시멘트와 같은 통상적인 시멘트를 포함할 수 있으며, 상기 시멘트로 일반보통포틀랜드 시멘트와 고강도 발현이 가능한 시멘트를 혼합하여 사용할 수도 있다.
특히, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 상기와 같은 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 포함하는 결합재를 포함하여, 강도가 우수하고 내염해성, 내화학성, 장기안전성, 전단성능 등을 화학적 특성이 현저히 우수하면서도 제조원가 절감에 의해 경제적 부담을 저감시킬 수 있는 고성능의 PHC 파일을 제조할 수 있다.
바람직하게는, 상기 결합재는 상기 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 각각 1:19 내지 1:1의 중량비로 포함할 수 있으며, 상기 실리카계 슬래그 미분말의 포함함량이 5% 미만일 경우 내염해성, 내화학성, 장기안전성, 전단성능 등이 크게 증가하지 않는 문제가 있고, 상기 실리카계 슬래그 미분말의 포함함량이 50%를 초과할 경우 제조한 PHC 파일의 강도가 저하되는 문제가 있다. 보다 바람직하게는, 상기 결합재는 상기 실리카계 슬래그 미분말을 10 내지 30 중량%의 비율로 시멘트에 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 콘크리트 조성물은 세척사, 부순모래, 강모래, 산모래 등과 같은 잔골재와 굵은 골재를 포함하는 골재를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 상기 잔골재로 밀도가 대략 2.6 이고, 흡수율이 대략 1 이며, 함수율이 대략 4 내지 12인 잔골재를 사용할 수 있고, 상기 굵은 골재로 밀도가 대략 2.6 내지 2.7 정도이고, 흡수율이 대략 1 이며, 함수율이 대략 1 이고, 최대 치수가 대략 25 mm 정도인 굵은 골재를 사용할 수도 있으며 이에 제한받는 것은 아니다.
상기 콘크리트 조성물은 혼화제(admixture, AD)를 포함할 수 있으며, 상기 혼화제로 폴리카르본산계 혼화제, 나프탈렌계 혼화제, 멜라민계 혼화제, 아미노 술폰산계 혼화제 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있다. 바람직하게는, 상기 혼화제는 폴리카르본산계 혼화제이고, 상기 폴리카르본산계 혼화제를 결합재의 총중량을 기준으로 1 내지 3 중량%의 비율로 포함할 수 있다. 상기 혼화제의 포함함량이 1 중량% 미만일 경우 작업성이 저하되는 문제가 있고, 3 중량%를 초과할 경우 경제성 저하 및 콘크리트 조성물에 상분리 현상이 발생되는 문제가 있다. 보다 바람직하게는, 상기 혼화제는 폴리카르본산계 혼화제이고, 상기 결합재의 총중량을 기준으로 1.6 내지 2 중량%의 비율로 포함하도록 구성할 수 있으며, 가장 바람직하게는 1.7 중량%의 비율로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 조성물 내 공기량의 증가를 방지하여 동결융해에 대한 저항성을 높이기 위해서, 공기연행제(air-entraining agent, AE)를 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 이와 같은 공기연행제는 등유, 파라핀, 식물성 오일 등과 같은 지방산계 공기연행제를 대표적인 예로 들 수 있으며, 이에 제한받지 않고 다양한 공기연행제를 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 상기와 같이 실리카계 슬래그 미분말을 시멘트에 치환 혼합시킴에 따라 경제성이 향상된 PHC 파일을 제조할 수 있다.
구체적으로, PHC 파일의 제조를 위한 모든 조건이 동일할 경우, 시멘트의 일부를 실리카계 슬래그 미분말로 치환하면 PHC 파일 제조를 위한 원가절감 효과를 구현할 수 있다.
일례로, 일반보통포틀랜드 시멘트를 결합재로 이용하여 PHC 파일을 제조하는 경우(OPC)와, 시멘트의 10%를 실리카계 슬래그 미분말로 치환하여 PHC 파일을 제조하는 경우(SSB)의 경제성 분석 결과를 하기의 표 1(가격 단위 : 원/톤)에 나타내었다. 단, 하기의 표 1에서, 시멘트 가격 73,000원/톤, 잔골재/골재 가격 20,000원/톤, 혼화제 가격 1,200원/kg은 전국평균 가격을 환산하여 설정한 것이다.
Figure PCTKR2017009825-appb-T000001
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 1m3당 OPC 포함 콘크리트 조성물(OPC) 및 실리카계 슬래그 미분말 10% 치환 콘크리트 조성물(SSB)에서 재료변수는 실리카계 슬래그 미분말이며, OPC의 경우는 1m3당 가격이 101,782원이고, SSB의 경우는 1m3당 가격이 99,769원으로 확인되어, 대략 2%의 원가 절감효과를 기대할 수 있는 것으로 확인되었다. 상기와 같은 결과는, 통상적인 1,000,000 m3 물량(PHC 시장)의 경우 4,360,000,000원(43.6 억원)이라는 경제적 부가가치를 창출할 수 있는 원가절감 효과이며, 현재 국내에서는 대략 200만톤의 페로니켈 슬래그가 생산되므로, 이를 10%의 비율로 시멘트를 치환한다고 가정할 때 4500만 m3에 사용할 수 있는 양으로서, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물을 사용하여 PHC 파일을 제조할 경우 고성능 및 경제성이라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있을 것으로 판단된다.
상기와 같은 본 발명에 따른 PHC 파일용 콘크리트 조성물은 특정 분말도를 갖는 실라카계 슬래그 미분말을 시멘트 대신 최적 배합비율로 치환 혼입하여 강도가 우수하면서도 내염해성, 내화학성, 장기안전성, 전단성능 등이 증진된 고성능의 PHC 파일을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기에 기재된 PHC 파일용 콘크리트 조성물을 이용하여 PHC 파일을 제조하는 방법에 관한 기술 내용을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 PHC 파일의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 PHC 파일의 제조방법은, (a) 페로니켈 슬래그(ferro-nickel slag)를 분쇄하여 분말도가 4,000 내지 30,000 cm2/g인 실리카계 슬래그 미분말(siliceous slag binder)을 제조하는 단계; (b) 상기 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 포함하는 결합재, 골재 및 혼화제를 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하는 단계; (c) PHC 파일 형성용 구조물이 구비된 몰드의 내부에 상기 콘크리트 조성물을 타설하는 단계; 및 (d) 상기 콘크리트 조성물이 타설된 몰드를 증기양생하는 단계;를 포함한다.
상기 단계 (a)에서는, 페로니켈 슬래그(ferro-nickel slag)를 분쇄하여 분말도가 4,000 내지 30,000 cm2/g인 실리카계 슬래그 미분말(siliceous slag binder)을 제조하는 단계로서, 상기 페로니켈 슬래그를 제트 밀(Fluid energy mill), 튜브 밀(tube mill), 롤러 밀(roller mill) 등과 같은 통상적인 분말의 제조방법으로 분쇄하여 분말도가 4,000 내지 30,000 cm2/g인 실리카계 슬래그 미분말을 제조할 수 있다. 특히, 제조한 실리카계 슬래그 미분말은 일반보통포틀랜드 시멘트(분말도 : 2500~3300 cm2/g)에 비해 입자가 미세하여 콘크리트 조성물의 물성을 개선할 수 있다.
이를 위해, 본 단계에서는 바람직하게는, 상기 실리카계 슬래그 미분말을 제조하기 위해서, 분쇄시 발생되는 분쇄열을 최소화할 수 있는 고압 충돌 방식의 제트 밀 방법으로 페로니켈 슬래그를 분쇄하여 실리카계 슬래그 미분말을 제조할 수 있으며, 페로니켈 슬래그를 조분쇄하여 조분쇄 분말을 제조하고, 제조한 조분쇄 분말을 제트 밀 방법으로 미분쇄하여 실리카계 슬래그 미분말을 제조할 수 있고, 분쇄 공정을 수회 반복 수행하여 분말도를 더욱 높여줄 수도 있다.
상기 단계 (b)에서는, 상기 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 포함하는 결합재, 골재 및 혼화제를 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하는 단계로서, 본 단계에서는, 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 혼합하여 결합재를 제조하고, 제조한 결합재에 골재 및 혼화제를 혼합한 후 물을 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조할 수 있다.
상기 결합재는 상기 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 1:19 내지 1:1의 중량비로 포함하도록 혼합하여 제조할 수 있으며, 단위 중량별로 결합재 500 내지 700 kg/m3, 상기 잔골재는 500 내지 700 kg/m3, 굵은 골재를 1000 내지 1500 kg/m3, 결합재의 총중량을 기준으로 1 내지 3 중량%의 혼화재를 혼합하고, 물결합재비(W/B)가 15 내지 30이 되도록 물을 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조할 수 있다.
바람직하게는, 상기 콘크리트 조성물은 단위 중량별로 결합재 610 kg/m3, 상기 잔골재는 568 kg/m3, 굵은 골재를 1221 kg/m3, 결합재의 총중량을 기준으로 1.7 중량%의 혼화재를 혼합하고, 물결합재비(W/B)가 20.2가 되도록 물을 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조할 수 있다. 그리고, 상기 콘크리트 조성물은 공기연행제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 단계 (c)에서는, PHC 파일 형성용 구조물이 구비된 몰드의 내부에 상기 콘크리트 조성물을 타설하는 단계로서, PHC 파일 형성용 구조물이 고정 형성된 몰드에 콘크리트를 타설하고 몰드를 회전성형 또는 원심성형하여 PHC 파일을 성형할 수 있다.
상기 PHC 파일 형성용 구조물은 강봉 및 철근망을 이용하여 다양한 형태를 갖도록 성형한 것을 사용할 수 있으며, 볼트 및 너트, 플라스틱 타이 등과 같은 다양한 지지수단을 이용해 상기 몰드에 고정하여 PHC 파일 성형을 위해 사용될 수 있다.
상기 단계 (d)에서는, 상기 콘크리트 조성물이 타설된 몰드를 증기양생하는 단계로서, 70 내지 85 ℃ 온도의 증기가 공급되는 조건에서 콘크리트 조성물이 타설된 몰드를 양생하여 콘크리트 조성물을 경화시켜 PHC 파일을 제조할 수 있다.
특히, 본 단계에서는 시멘트만을 포함하는 콘크리트 조성물로 PHC 파일을 제조하는 종래 기술과는 달리, 실리카계 슬래그 미분말이 포함된 콘크리트 조성물의 특성에 맞게 증기양생 조건을 변경하여 연료효율을 동일하게 구현하여 PHC 파일의 제조원가를 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 본 단계에서는 종래에 일반보통포틀랜드 시멘트(OPC) 기반 증기양생 시스템과 달리, 실리카계 슬래그 미분말을 포함하는 콘크리트 조성물 전용 증기양생 시스템을 시행착오(trial and error) 방식에 의해 최적화하여 새롭게 구성한 증기양생 시스템을 제공한다.
즉, 기본적으로 일반보통포틀랜드 시멘트와 실리카계 슬래그 미분말이 반응하는 에너지의 양은 서로 다르며, 이를 콘크리트로 구성하는 경우에 있어서도 양생온도, 그에 따른 강도의 시간이력에 따른 거동은 다르게 나타나게 된다. 일반적으로, 동일한 재료 내에서는 양생온도가 증가할수록 시간 의존적으로 강도가 선형적으로 증가하는 것으로 알려져 있으나, 본 발명과 같이 기존 시멘트와 실리카계 슬래그 미분말이 융합되는 경우에는 최적 온도양생 시점 및 탈형강도의 최적화를 위한 잔존시간이 존재하게 되며, 이에 따라, 시간별로 증기양생의 온도조건을 달리하여 증기양생을 수행할 수 있다.
바람직하게는, 본 단계에서는 상기 콘크리트 조성물이 타설된 몰드를 20 내지 70 ℃의 온도로 7시간 동안 반응시키고, 반응시킨 몰드를 70 내지 85 ℃의 온도로 9 내지 11시간 동안 반응시킨 후, 20 내지 70 ℃의 온도로 5 내지 7시간 동안 반응시키도록 구성하여 콘크리트 조성물이 타설된 몰드를 증기양생하도록 구성할 수 있으며, 이에 의해, PHC 파일의 제조를 위한 제조원가를 절감할 수 있다.
보다 바람직하게는, 하기의 표 2에 나타낸 바와 같이, 시간별로 증기양생의 온도조건을 달리하여 증기양생을 수행할 수 있다.
Figure PCTKR2017009825-appb-T000002
상기 표 2에 나타낸 바와 같은 시간별 온도 조건으로 증기양생을 수행하면, 일반보통포틀랜드 시멘트로 PHC 파일을 증기양생하는 경우와 비교할 때, 양생 총량을 감소시킴으로써 연료효율에 따른 경제성 저감하여 양생 시스템의 최적화를 통한 실리카계 슬래그 미분말 전용 PHC 파일의 양생시스템을 구현할 수 있으며, 연료효율 측면에서도 동등하고, 구현 탈형강도는 가성비 대비 최적의 성능을 도출할 수 있다.
또한, 본 단계에서는 상기와 같은 바와 같이 하여 PHC 파일을 제조한 후, PHC 파일 외부에 결합된 몰드를 제거하여 PHC 파일을 수득할 수 있으며, 수득한 PHC 파일의 일면에 일련 번호(LOT NO.) 등을 표기하여 이를 제품화할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 PHC 파일의 제조방법에 따르면, 실라카계 슬래그 미분말의 최적 혼입비율 및 최적화된 증기양생 공정을 도입하여 PHC 파일 제조를 위한 제조원가를 절감하는 이점이 있다.
또한, 본 발명에서는 상기와 같이 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 결합제로 포함하는 PHC 파일 형성용 콘크리트 조성물을 이용하여 PHC 파일을 제조시, 블리딩(bleeding) 및 레이턴스(laitance)를 제어하는 방법을 제공한다.
참고로, 블리딩이란 굳지 않은 상태의 콘크리트 조성물에서 고체 재료의 침강 또는 분리에 의해 혼합한 물의 일부가 유리하여 상승하는 현상을 의미하며, PHC 파일 제조시 이를 저감시키기 위해서, 분말도가 높은 결합재를 이용하여 응결시간을 빠르게 하는 것이 바람직하며, 재료 배합측면에서는 단위수량을 줄이거나, 감수율이 높은 혼화제를 사용하고, 미립분이 많은 잔골재를 사용하고, 비중이 가벼운 골재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 시공 측면에서 수화속도의 증진을 위해 기온이 높은 시간 조건에서 타설하고, 1회 타설 높이를 낮추며, 과도한 다짐을 하지 않고, 가능한 물의 비율이 낮은 배합비율로 배합해 재료분리가 적은 콘크리트를 타설하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 레이턴스란 콘크리트를 쳐서 넣은 다음 블리딩에 따라 내부의 미세한 입자가 부유물과 함께 부상하여 콘크리트 표면에 형성하는 불경성 물질의 층을 의미하며, 이와 같은 레이턴스를 저감시키기 위해서, 고압의 제트(Jet)수를 이용해 세정 또는 표층 제거 등을 수행하고, 콘크리트 조성물이 경화되기 전에 고압의 공기 및 물로 콘크리트의 표면층을 제거하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 물을 뿌린 후 표면을 와이어 브러시 등으로 충분히 문질러 거칠게 하고, 콘크리트 조성물이 경화된 경우에는 표면을 젖은 모래로 덮은 후 물을 뿌리도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 상기와 같이 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 결합제로 포함하는 PHC 파일 형성용 콘크리트 조성물을 이용하여 PHC 파일을 제조하기 위한, 실리카계 슬래그 미분말 전용 배치플랜트를 제공한다.
통상적인 PHC 파일 제조공장의 경우, 배치 플랜트를 구비하고 있으며, 실리카계 슬래그 미분말 활용 PHC 파일의 제조를 위한 경우에도, 별도의 사일로 저장부가 구비된 배치 플랜트를 구비하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 배치플랜트는 지지 기초를 설치하고, 배치 플랜트 사일로 및 컨베이어 벨트를 연결하고, 레미콘 타설 및 거푸집 이송 시스템을 구비하도록 하고, 사일로 저장부 평균 용량을 500 ton 급으로 구성하고, 별도의 제어부를 배치하여 연간 100,000 m3급 레디믹스트 콘크리트 전용 배치 플랜트를 구축할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 방법으로 제조된 PHC 파일을 제공한다.
상기 PHC 파일은 재령 7일 경과한 시점에 탈형강도가 110 MPa 이상으로 강도가 높을 뿐만 아니라, 내염해성, 내화학성, 장기안전성, 전단성 등의 특성이 우수하다.
일례로, 상기 PHC 파일은 시멘트를 실리카계 슬래그 미분말을 20% 비율로 치환한 콘크리트 조성물로 제조한 것으로, 일반보통포틀랜드 시멘트를 결합재로 포함하는 콘크리트 조성물로 제조한 PHC 파일에 비해 2.63배 높은 내염해 저항성과, 4% 이상 높은 내화학 저항성을 나타내며, 이와 같은 본 발명에 따른 PHC 파일은 고강도 및 고성능 특성을 구비하여 특수구조물, 해안 연약지반 등의 다양한 환경에 도입이 용이한 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.
제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예>
가. 분말 제조 및 제조한 분말의 특성 분석
(1) 페로니켈 슬래그 분말의 제조
페로니켈 슬래그(ferro-nickel slag)를 밀링기에 투입하고, 밀분쇄하여 페로니켈 슬래그 분말을 제조하였다.
구체적으로, 상기 페로니켈 슬래그를 밀링기(air classifying mill)에 투입하여 입도 12 ㎛ 이하의 분말을 제조하고, 충돌 방식의 제트밀 공정을 수행하여 실리카계 슬래그 미분말을 제조하였으며, 분쇄 공정 중 에어펄스젯(air pulse jet) 방식으로 제조한 분말을 분말도(fineness of powder) 별로 수득하였다.
(2) 입자크기별 물성 분석
페로니켈 슬래그 분말이 갖는 결합재로써의 기초물성에 대한 평가를 위해서, 비표면적(분말도: cm2/g)에 대한 변수를 통해 페로니켈 슬래그를 분쇄한 후, 제조한 분말[FNS(L), FNS(M), FNS(H)]의 입자크기별 물성을 분석하였으며, 일반보통포틀랜드 시멘트(OPC)와 비교하여 그 결과를 하기의 표 3에 나타내었다.
Figure PCTKR2017009825-appb-T000003
표 3에 나타난 바와 같이, 또한, 제조한 페로니켈 슬래그 분말은 분말도가 3,800 cm2/g 이상인 것으로 확인되었으며, 특히, 미분말[FNS(H)]의 경우에는 26,300 cm2/g 이하의 범위를 갖는다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한, 제조한 페로니켈 슬래그 분말의 경우, 일반보통포틀랜드 시멘트(OPS)와 달리 6가 크롬(Cr6 +)이 검출되지 않았고, 아황산(SO3)의 함량이 크게 낮은 것을 확인할 수 있었다.
(3) 페로니켈 슬래그 분말의 화학적 성분 분석
상기와 같은 방법으로 제조한 페로니켈 슬래그 분말(FNS)의 화학적 성분 함량을 분석하였으며, 일반시멘트(ordinary potland cement, OPC), 고로슬래그미분말(ground granulated blast-furnace slag, GGBS), 플라이애쉬(fly ash, FA), 실리카퓸(silica fume, SF)과의 화학적 구성성분에 대한 차이점을 비교하여 그 결과를 하기의 표 4에 나타내었다.
Figure PCTKR2017009825-appb-T000004
표 4에 나타난 바와 같이, 제조한 페로니켈 슬래그 분말(FNS)의 원재료 품질은 SiO2 함량 45% 이상, CaO 함량 5% 미만, MgO 함량은 20% 이상으로 확인되었다.
상기와 같은 결과를 통해서, 페로니켈 슬래그 분말은 화학적 구성성분 중 SiO2가 60 내지 65%의 범위로 주성분을 차지하므로, 이와 같은 페로니켈 슬래그 분말을 이하의 실시예에서는 "실리카계 슬래그 미분말(siliceous slag binder, SSB)"으로 명명하였다.
(4) 실리카계 슬래그 미분말의 성능지표 분석
상기와 같이 제조한 실리카계 슬래그 미분말을 시멘트에 부분 치환하여 혼입시킬 경우의 특성을 분석하기 위해서, 제조한 실리카계 슬래그 미분말(FNS)의 역학특성(비중, 분말도, 강열감량, XRF 시험결과, 슬럼프, 슬럼프 플로우, 공기량, 응결시간, 압축강도, 쪼갬인장강도, 휨강도, 전단강도 등), 환경특성[6가 크롬 함유량, 6대 중금속 용출시험(납, 구리, 비소, 카드뮴, 수은, 6가 크롬)], 장기 내구성(스케일저항성, 마모저항성, 염소이온침투저항성, 촉진탄산화 시험, 동결융해저항성, 수화열, 건조수축 및 균열저항성, 크리프 시험) 등을 포함하는 성능지표를 일반보통포틀랜드 시멘트(OPC)와 비교하여 분석하였으며, 도 2 내지 도 5에는 OPC(일반보통포틀랜드 시멘트)의 국제공인시험결과를 나타내었고, 도 6 내지 도 9에는 실리카계 슬래그 미분말[FNS(L)]의 국제공인시험결과를 나타내었다.
도 2 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 국제공인시험결과 제조한 실리카계 슬래그 미분말[FNS(L)]은 시멘트에 부분 치환할 수 있는 결합재로 사용이 가능하다는 사실을 확인할 수 있었다.
나. SSB를 시방배합하여 제조한 PC 박스의 특성 분석
(1) SSB를 시방배합 PC 박스의 제조
하기의 표 5에 나타낸 바와 같은 배합비율로 시방배합하여 일반보통포틀랜드 시멘트(cement)를 실리카계 슬래그 미분말(SSB)로 치환하여 모르타르를 제조하고, 제조한 모르타르를 이용해 도 10에 나타낸 바와 같은 순서로 PC 박스를 제조하였다. 상기 PC 박스는 가공한 PC 강봉을 조립하고, 배합물을 투입한 후, 인장공정 및 원심 성형공정으로 가공하고, 증기양생한 후, 탈형하여 제조하였다. 특히, 하기 표 5에서, W/B는 물결합재비, W는 물, Cement는 일반보통포틀랜드 시멘트, SSB는 실리카계 슬래그 미분말(밀도: 3.04), NPC 200은 고강도 결합재, AD는 혼화제(admixture)를 단위중량별(kg/m3)로 나타낸 것이다.
Figure PCTKR2017009825-appb-T000005
(2) 제조한 PC 박스의 강도 분석
SSB를 시방배합하여 제조한 PC 박스의 특성을 분석하기 위해서, 제조한 PC 박스의 초기 탈형강도를 분석하였으며, 그 결과를 도 11에 나타내었다.
통상적인 PHC 파일은 재령 1일 경과한 시점에서 요구 탈형강도가 100 MPa이고, 재령 28일 경과한 시점에서 설계기준 강도가 110 MPa로서, 이와 같은 사실을 고려하면, 실리카계 슬래그 미분말을 시멘트 대신 16.7% 치환 혼합하여 제조한 PC 박스는, 도 10에 나타난 바와 같이, 증기양생 후 재령 1일 경과한 시점에서 탈형강도가 100 MPa급을 상회하는 것을 확인할 수 있었으며 최적 배합비를 산정할 수 있었다. 또한, 재령 7일 경과한 시점에서 탈형강도가 110.36 MPa인 것을 확인할 수 있어, 요구설계 기준강도를 만족한다는 사실을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 결과를 통해, 실리카계 슬래그 미분말(SSB)의 사용이 기능 및 경제성면에서 유리하다는 사실을 확인할 수 있었다.
다. SSB를 현장배합하여 제조한 PC 박스의 특성 분석
(1) SSB를 현장배합하여 PHC 파일의 제조
제조한 실리카계 슬래그 미분말을 하기 표 6에 나타낸 바와 같은 배합비율로 현장배합하여 모르타르를 제조하고, 모르타르를 이용해 PC 박스를 제조하였다. 단, 하기 표 6에서 S1은 세척사(밀도: 2.60, 흡수율: 1.0, 함수율: 4.9), G1은 굵은골재(밀도: 2.65, 최대치수: 25mm, 흡수율: 1.0, 함수율: 1.0), AD는 혼화제(admixture), AE는 공기연행제(air-entraing admixtures), NPC 200은 고강도 결합재, SSB는 실리카계 슬래그 미분말(밀도: 3.04), OPC는 보통포틀랜드 시멘트(밀도: 3.15, ordinary potland cement)를 의미하는 것이다.
Figure PCTKR2017009825-appb-T000006
(2) SSB의 치환량이 강도에 미치는 영향 분석
실리카계 슬래그 미분말의 치환이 PC 박스의 강도에 미치는 영향을 분석하기 위해서, 실리카계 슬래그 미분말 30% 혼합 콘크리트(30% SSB + 70% OPS)로 제조한 PC 박스의 재령 3일, 7일 및 28일 경과한 시점에 강도(compressive strength, MPa)를 측정하여 그 결과를 도 12에 나타내었다.
도 12에 나타난 바와 같이, 동일 치환비에 대한 실리카계 슬래그 미분말의 치환량은 주로 고강도, 즉, 원 시멘트의 재료량이 더 많은 배합비율에서 실리카계 슬래그 미분말에 의한 활성화 속도 또한 더욱 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한, 도시하지는 않았으나, 기본적으로 시멘트 함량이 높을수록 특정 재령시점에서 PHC 파일의 압축강도 또한 증가하는 양상을 보였다.
(3) 제조한 PHC 파일의 특성 분석
실리카계 슬래그 미분말을 혼합하여 제조한 PHC 파일이 갖는 특성을 분석하기 위해서, 실시예 2-1 내지 2-3에 따른 방법으로 제조한 PHC 파일의 내산성, 내염해성 및 내화학 침식성을 분석하였으며, 그 결과를 도 13에 나타내었다. 내염해성 분석은 정량적인 측정방법(ASTM C 1202)에 기반한 표준 재령에서의 염소이온 총 통과전하량의 측정치를 측정하여 백분율로 환산시킨 결과를 나타내었고, 내화학 저항성은 초기 재령에서 산성용액의 추가에 따른 콘크리트의 중량감소율을 수치로 비교한 결과를 나타낸 것이다.
도 13(a)에 나타난 바와 같이, 실리카계 슬래그 미분말을 20% 비율로 치환한 콘크리트(20%SSB+80%OPS)의 경우 일반큰크리트(100% OPS)에 비해 대략 2배 이상 염해 저항성이 높은 것으로 확인되었으며, 보다 정확하게는, 실리카계 슬래그 미분말 치환 혼합 콘크리트(100%기준)의 경우가 일반 콘크리트(38%)에 비해 2.63배 높은 염해 저항성을 가지는 것으로 나타났다. 상기와 같은 결과는 콘크리트의 강도 및 W/B에 따라 다른 거동의 염해 저항성을 가질 수 있으나, 동일한 조건에서 실리카계 슬래그 미분말의 치환유무 변수만을 고려할 때, 2.63배라면 상당히 높은 내염해성을 갖는다는 사실을 확인할 수 있었다. 따라서, 실리카계 슬래그 미분말을 혼합한 콘크리트의 내염해성이 좋아지므로, PHC 파일의 경우에도 당연히 내염해성이 향상될 것으로 판단된다.
도 13(b)에 나타난 바와 같이, 내화학 저항성을 분석한 결과에서도, 실리카계 슬래그 미분말을 20% 비율로 치환한 콘크리트(20%SSB+80%OPS)의 경우 일반큰크리트(OPS)에 비해 우수한 내화학 저항성을 갖는다는 사실을 확인할 수 있었다. 그래프 상에서는 재령 14일에서 4% 차이로 나타나지만, 중량비 4%는 실제적으로 큰 비중을 차지하는 값이며 이를 3개월 재령으로 환산한다면 기존 일반콘크리트 대비 실리카계 슬래그 미분말 혼합 콘크리트의 산중성화 저항능력은 확연히 증가하였다고 판단할 수 있었다.
또한, 도 13(c)에 나타난 바와 같이, 실리카계 슬래그 미분말 혼합 콘크리트의 중장기 재령에서의 압축강도는 재령 90일 경과한 시점 이후부터는 모두 일반콘크리트에 비해 높다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 실리카계 슬래그 미분말의 혼합은 콘크리트의 2차 활성화 반응에 기여하는 것으로 판단되었다.
상기와 같은 결과를 통해, 실리카계 슬래그 미분말의 혼합은 콘크리트의 장기강도 증진, 수화열 저감, 내염해성 증진, 내산성 증진 등 장기 내구성 향상 등의 효과를 유도할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
특히, 도 5 및 도 9에 나타낸 국제공인시험성적서에 도시된 바와 같이, 일반콘크리트(OPC)의 경우는 황산염 침식 저항성이 91.3%에 그친데 반해, 실리카계 슬래그 미분말[FNS(L)]을 혼합한 콘크리트의 경우는 98.2%로 나타나 제조한 콘크리트는 장기 내구성 측면에서 황산염 침식 저항성이 급격히 향상되었음을 확인할 수 있었다.
(4) 실리카계 슬래그 미분말 활용 PHC 파일의 전단보강 성능 결과 제시
일반보통포틀랜드 시멘트, 분말도가 4,666 cm2/g인 실리카계 슬래그 미분말 및 분말도 26,300 cm2/g인 실리카계 슬래그 미분말을 이용하고, 하기 표 7에 나타낸 바와 같은 배합 비율로 현장 배합하여 콘크리트 조성물을 제조하고, 제조한 콘크리트 조성물을 이용해 PHC 파일을 제조하였다. 제조한 PHC 파일을 이용하여 PHC 파일 제조에 첨가되는 실리카계 슬래그 미분말이 전단강도에 미치는 영향을 분석하였으며, 그 결과를 도 14에 나타내었다.
Figure PCTKR2017009825-appb-T000007
도 14에 나타난 바와 같이, 실리카계 슬래그 분말을 혼합한 콘크리트(5% SSB(H) 및 30% SSB(L))는 모두 일반콘크리트로 제조한 PHC 파일(100% OPC)에 비해 전단강도가 높은 것을 확인할 수 있었으며, 특히, 실리카계 슬래그 미분말 5%를 혼합한 콘크리트 조성물로 제조한 PHC 파일(5% SSB(H))의 경우, 전단강도가 일반콘크리트로 제조한 PHC 파일(100% OPC)에 비해 15% 이상 높은 것을 확인할 수 있었다.
종래에 제시된 PHC 파일의 경우 일반적으로 압축 지내력에 대한 강도값 만이 축력 변수로 설계에 제시되어 적용되는 것이 일반적이었다. 하지만, 상기와 같은 결과를 통해, 실시예에 따른 방법으로 제조한 PHC 파일은 실리카계 슬래그 미분말을 치환혼입하여 수평방향 하중에 대해 전단 보강 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었으며, 이와 같은 PHC 파일은 종국적으로 횡방향 하중에 대한 저항력을 보강하게 되어, 기존 전단보강 장치의 추가 비용 발생없이도 실제 횡력에 대한 PHC 파일 본수의 감소 혹은 횡토압에 대한 안전률을 높일 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
라. 실리카계 슬래그 미분말 활용에 관련한 경제성 분석
고강도 PHC 파일의 제조시 실리카계 슬래그 미분말의 치환이 미치는 경제적 영향을 분석하기 위해서, 일반보통포틀랜드 시멘트를 활용한 콘크리트(100% OPS) 및 실리카계 슬래그 미분말 10% 혼합 콘크리트(SSB)의 재료적 관점에서 단순 비교하여 단위중량별 경제성을 분석하였으며, 그 결과를 하기의 표 8에 나타내었다. 단, 하기의 표 8에서 시멘트의 가격은 73,000원/톤(전국 평균 시멘트 가격), 잔골재/골재는 20,000원/톤(전국 평균 잔골재/골재 가격), 혼화제는 1,200원/kg당으로 설정하여 수행하였다.
Figure PCTKR2017009825-appb-T000008
표 8에 나타난 바와 같이, 1 m3당 OPC와 SSB 배합에서의 재료변수는 실리카계 슬래그 미분말이며, 1m3 가격은 OPC의 경우 101,782원으로 산출되었고, SSB의 경우는 99,769원으로 산출되어 단위중량별 비용이 대략 2% 가량 절감될 수 있는 것으로 나타났다.
상기와 같은 결과는 일반적인 1,000,000 m3의 PHC 파일 시장의 물량인 경우 43.6억이라는 경제적 부가가치를 가져다 줄 수 있는 비용절감효과이며, 현재 국내에서 대략 200만 톤의 페로니켈 슬래그가 생산되므로, 이를 시멘트 치환 10%로 가정할 때 4500만 m3에 사용할 수 있는 양으로, 실리카계 슬래그 미분말의 활용이 경제성이 우월한 것을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 결과를 통해서, 본 발명에 따른 실리카계 슬래그 미분말을 활용한 고성능 PHC 파일의 제조방법에 따르면, 기존의 PHC 파일 제조에 활용되고 있는 시멘트를 대신해 실리카계 슬래그 미분말을 치환하여 혼합함으로써 기존의 PHC 파일 대비 동등 이상의 성능을 갖는 PHC 파일을 제조할 수 있고, 기존의 강도 성능 이외에 실제 현장 적용시 발생될 수 있는 양생관리 Cycle 문제, 시공문제, 전단 저항성능 개선, 내염해 및 내산성 개선등의 난제를 동시에 풀 수 있다는 강점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 초고강도 PHC 파일 대비 시공가격을 저하시킬 수 있는 장점을 갖는다는 사실을 확인할 수 있었다.
마. 고찰
상기와 같은 결과를 통해, 본 발명에 따른 실리카계 슬래그 미분말을 활용한 PHC 파일용 콘크리트 조성물, 이를 이용한 PHC 파일의 제조방법은, PHC 파일 제조 및 일반 건축물에 응용되어 활용이 가능할 뿐만 아니라, 각종 사회기반의 시설물(도로, 교량, 댐, 방파제, 선석, 해저 터널, 차량기지 등), 각종 발전소 구조물 등에도 활용범위를 넓혀서 기존 고착화된 건자재 부분의 가격 경쟁력 인하 및 건설 고부가가치 산업으로서의 국가 이미지 재고에도 기여할 수 있을 것으로 판단되었다.
또한, 본 발명에서는 기존에 일반보통포틀랜드 시멘트로 제조한 PHC 파일과 실리카계 슬래그 미분말을 치환 혼입한 콘크리트 조성물로 제조한 PHC 파일의 특성을 비교하여 하기에 나타낸 바와 같이 9개의 지표에 대한 차별성 및 수월성을 도출하였다.
(1) 페로니켈 슬래그의 밀분쇄를 통한 실리카계슬래그 미분말의 원재료 품질 규정 확보(2차 변형 반응의 활성도 확보를 위한 화학적 구성성분 및 입자사이즈 제시 및 고분말도 레벨에서 세계최초 제시), (2) 실리카계 슬래그 미분말을 시멘트와 부분치환 혼입한 경우에 대한 각종 역학특성, 환경특성, 장기 내구성 등에 대한 국제공인시험결과 제시(세계최초 제시), (3) 실리카계 슬래그 미분말을 초고강도 PHC 파일로 사용하는 경우에 대한 성능 검증결과 제시(정량적 수치를 제시한 점은 세계최초), (4) 실리카계 슬래그 미분말 혼합 초고강도 PHC 파일 최적화 시방배합 및 현장배합 비율 제시, (5) 실리카계 슬래그 미분말 혼합 초고강도 PHC 파일의 탈형 요구조건 강도 최초 제시, (6) 실리카계 슬래그 미분말 활용 PC 박스의 내산성 저항성 및 염해 저항성 결과 제시 (7) 실리카계 슬래그 미분말 활용 PHC 파일의 전단강도 향상효과 제시, (8) 실리카계 슬래그 미분말 활용 PHC 파일의 장기 강도 및 장기 내구성 향상효과 제시 및 (9) 실리카계 슬래그 미분말 활용 PHC 파일의 차별성, 원가 절감 및 경제성 분석 결과 제시하였다.
또한, 실리카계 슬래그 미분말 활용 초고강도 PHC 파일 제조를 위한 배치 플랜트 설계를 제안하고, 실리카계 슬래그 미분말 활용 초고강도 PHC 파일의 증기양생 시스템 양생온도 사이클을 제안하였으며, 실리카계 슬래그 미분말 활용 초고강도 PHC 파일의 블리딩 및 레이턴스 제어기법을 제안하였다.

Claims (10)

  1. 페로니켈 슬래그(ferro-nickel slag)를 분쇄하여 제조되고 분말도가 4,000 내지 30,000 cm2/g인 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 포함하는 결합재; 골재; 및 혼화제를 포함하는 PHC 파일용 콘크리트 조성물.
  2. 제1항에 기재된 PHC 파일용 콘크리트 조성물을 이용하여 PHC 파일을 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 페로니켈 슬래그(ferro-nickel slag)를 분쇄하여 분말도가 4,000 내지 30,000 cm2/g인 실리카계 슬래그 미분말(siliceous slag binder)을 제조하는 단계;
    (b) 상기 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 포함하는 결합재, 골재 및 혼화제를 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하는 단계;
    (c) PHC 파일 형성용 구조물이 구비된 몰드의 내부에 상기 콘크리트 조성물을 타설하는 단계; 및
    (d) 상기 콘크리트 조성물이 타설된 몰드를 증기양생하는 단계;를 포함하는 PHC 파일의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실리카계 슬래그 미분말은 45 내지 65%의 SiO2, 20 내지 30%의 MgO, 1 내지 5%의 CaO를 포함하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 결합재는 실리카계 슬래그 미분말 및 시멘트를 1:19 내지 1:1의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 혼화제는 폴리카르본산계 혼화제이고, 상기 콘크리트 조성물은 결합재의 총중량을 기준으로 1.6 내지 2 중량%의 비율로 상기 혼화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 콘크리트 조성물은 물결합재비(W/B)가 15 내지 30인 것을 특징으로 하는 PHC 파일의 제조방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 단계 (d)에서는,
    i) 상기 콘크리트 조성물이 타설된 몰드를 20 내지 70 ℃의 온도로 7시간 동안 반응시키는 단계; ii) 반응시킨 몰드를 70 내지 85 ℃의 온도로 9 내지 11시간 동안 반응시키는 단계; 및 iii) 20 내지 70 ℃의 온도로 5 내지 7시간 동안 반응시키는 단계를 포함하는 방법으로 증기양생을 수행하는 것을 특징으로 하는 PHC 파일의 제조방법.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조된 PHC 파일.
  9. 제8항에 있어서,
    재령 7일 경과한 시점에 탈형강도가 130 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 PHC 파일.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 PHC 파일은 시멘트를 실리카계 슬래그 미분말을 20% 비율로 치환한 콘크리트 조성물로 제조한 것으로, 일반보통포틀랜드 시멘트를 결합재로 포함하는 콘크리트 조성물로 제조한 PHC 파일에 비해 2.63배 높은 내염해 저항성과, 4% 이상 높은 내화학 저항성을 갖는 것을 특징으로 하는 PHC 파일.
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