KR100928402B1 - 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재 및 이를 이용한콘크리트 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재와 이를 이용한 콘크리트 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재는 72.5～77.5 중량%의 하이플로 시멘트, 17.5～22.5 중량%의 슬래그 미분말, 및 5～12 중량%의 실리카흄을 포함하는 주결합재 및 상기 주결합재의 전체 중량에 대하여 5～15 중량%의 석영 미분말을 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 콘크리트 제조방법은 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재와 골재를 혼합하는 시멘트 결합재 혼합단계와, 상기 혼합된 초고강도 콘크리트를 습윤 양생 온도 20± 5℃와 습윤 양생 습도 90 ～ 99%에서 습윤 양생시간 20시간 이상 실시하는 습윤 양생단계와, 상기 습윤 양생된 초고강도 콘크리트를 열수 양생온도로 60～80℃인 열수에서 열수 양생시간으로 20시간이상 실시하는 열수 양생단계 및 상기 열수 경화된 초고강도 콘크리트를 가열 양생온도로 150～250℃에서 가열 양생시간으로 20시간이상 실시하는 가열 양생단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
초고강도 콘크리트, 시멘트 결합재, 석영
Description
본 발명은 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재와 이를 이용한 콘크리트 제조방법에 관한 것이다.
건설기술의 지속적인 선진화에 따라 건설구조물이 초고층화, 대형화, 특수화 되고 있어 구조물 경간의 장대화, 수직부재 단면의 축소, 내구성 증진, 공기단축 등의 여러 장점들을 가진 초고강도 콘크리트의 적용 사례가 증가할 것으로 전망된다.
이러한 콘크리트의 초고강도화를 위한 다양한 방법들이 있지만, 그 중 결합재의 강도를 증진시키는 것이 가장 중요하다. 또한 고성능 혼화제를 사용하여 낮은 물-시멘트비와 각종 특수 광물질 혼화재를 사용하여 수화물량을 증가시키는 방법 등이 이용되고 있다.
하지만 150MPa 이상의 초고강도 콘크리트 제조를 위해서는 극히 낮은 물-시멘트비에 의한 높은 점성으로 레미콘 제조 및 현장타설이 곤란하다. 이에 작업성 확보 등 시멘트 결합재에 대한 기술적인 대책이 요구된다.
이에 여러 가지 등록특허들이 존재하지만 아직 200MPa 이상의 초고강도 영역은 작업성, 펌핑성 저하 및 재료적인 한계를 극복하지 못하고 있다.
본 발명은 초고강도의 압축강도를 갖는 콘크리트를 제조하는데 사용되는 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재는 72.5～77.5 중량%의 하이플로 시멘트, 17.5～22.5 중량%의 슬래그 미분말, 및 5～12 중량%의 실리카흄을 포함하는 주결합재 및 상기 주결합재의 전체 중량에 대하여 5～15 중량%의 석영 미분말을 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 콘크리트 제조방법은 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재와 골재를 혼합하는 시멘트 결합재 혼합단계와, 상기 혼합된 초고강도 콘크리트를 습윤 양생 온도 20± 5℃와 습윤 양생 습도 90 ～ 99%에서 습윤 양생시간 20시간 이상 실시하는 습윤 양생단계와, 상기 습윤 양생된 초고강도 콘크리트를 열수 양생온도로 60～80℃인 열수에서 열수 양생시간으로 20시간이상 실시하는 열수 양생단계 및 상기 열수 경화된 초고강도 콘크리트를 가열 양생온도로 150～250℃에서 가열 양생시간으로 20시간이상 실시하는 가열 양생단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재에 따르면 현장에 적용 가능한 작업성을 확보하면서 220MPa 이상의 초고강도 콘크리트를 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 제조방법에 따르면 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재 조성물을 이용하면서 특화된 양생방법을 통해 220MPa 이상의 초고강도 콘크리트를 제조할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 220MPa 이상의 초고강도 콘크리트는 기존 구조물의 부재단면을 50%이상 축소시켜, 구조물의 중량을 50%이상 저감시킬 수 있으며, 교량의 경간을 2배 이상 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이하에서, 첨부된 도면과 표를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재 및 이를 이용한 콘크리트 제조방법에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재는 시멘트, 실리카흄 및 슬래그 미분말로 이루어지는 주결합재와 주결합재에 추가되는 석영미분말을 포함하여 이루어진다. 보다 구체적으로는 상기 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재는 72.5～77.5 중량%의 하이플로 시멘트, 17.5～22.5 중량%의 슬래그 미분말 및 5～12 중량%의 실리카흄으로 이루어지는 주결합재 및 상기 주결합제의 전체 중량에 대하여 5～15 중량%의 석영미분말을 포함하여 형성된다.
(1) 하이플로 시멘트
상기 하이플로 시멘트는 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재의 주 재료이며, 주결합재의 전체 중량에 대하여 72.5～77.5 중량%로 포함된다. 상기 하이플로 시멘트는 시멘트 결합재가 콘크리트에 첨가 되었을 때 조기강도를 발현시키는 작용을 하게 된다. 상기 하이플로 시멘트는 비표면적이 높아 반응 속도가 빠르며 콘크리트의 조기 강도를 증가시키게 된다. 또한, 상기 하이플로 시멘트는 낮은 물-시멘트비에서 콘크리드에 더욱 우수한 유동성을 부여하게 된다. 상기 하이플로 시멘트는 함량이 72.5중량%보다 적게 되면 콘크리트의 조기강도 저하가 나타나며, 77.5중량%보다 많게 되면 유동성 및 열수가열 양생 시 높은 강도를 나타내지 못하는 문제가 있게 된다.
상기 하이플로 시멘트는 비표면적이 3,600㎠/g 이상인 입도를 갖는 시멘트로 형성하게 된다. 상기 하이플로 시멘트는 분말도가 작게 되면 조기강도 및 강도 증진이 저하된다. 또한, 상기 하이플로 시멘트는 총 알카리양이 0.60 이하의 저알칼리 특성을 갖는 것이 바람직하다. 상기 하이플로 시멘트에 포함되는 미량성분인 수용성 알칼리염은 콘크리트 중 혼화제와의 선택적 흡착 때문에 유동성에 미치는 여러 인자 중에서 매우 중요하여, 물-결합재비가 낮은 초고강도의 유동성을 확보하기 위해서는 적정 수준이하의 저알칼리 시멘트 사용이 필요하다. 따라서 상기 하이플로 시멘트는 초고강도 콘크리트를 제조하는데 따른 작업성 한계를 극복하고, 강도증진 효과를 발휘하게 된다,
(2) 슬래그 미분말
상기 슬래그 미분말은 잠재수경성 혼화재료이며, 주결합재의 전체 중량에 대하여 17.5～22.5중량%로 포함된다. 상기 슬래그 미분말은 시멘트 결합재의 유동성을 향상시킴으로써 콘크리트 타설시 유동성 하락에 의한 작업성 악화를 방지하게 된다. 상기 슬래그 미분말은 17.5중량%보다 적게 사용하게 되면 유동성의 향상을 기대할 수 없으며, 또한 22.5중량%보다 많이 사용하게 되면 유동성의 향상은 가져올 수 있으나 현격한 강도 저하 현상을 나타낸다.
상기 슬래그 미분말은 비표면적이 8,000㎠/g 이상인 고분말도 분말을 사용함으로서 슬래그 미분말의 반응 활성도를 높여 초기강도 하락을 보상하면서 후기재령의 압축강도 발현을 증가시켜 초고강도 콘크리트를 제조하는데 기여할 수 있다.
상기 슬래그 미분말은 제철소에서 부산된 급냉 슬래그를 미세하게 분쇄하여 제조하게 된다.
(3) 실리카흄
상기 실리카흄은 비결정질 실리콘 제2산화물을 주성분으로 하고 있으며, 주결합재의 전체 중량에 대하여 5.0～12.0 중량%로 포함된다. 상기 실리카흄은 5.0중 량%보다 적게 사용하게 되면 강도 증진의 효과를 기대할 수 없으며, 또한 상기 실리카흄은 12.0중량%보다 많이 사용하게 되면 강도 증진의 효과는 기대할 수 있으나 유동성이 급격히 저하된다.
상기 실리카흄은 밀도가 평균적으로 2.2g/㎤이며, 평균 입경이 0.2～0.5㎛이며, 비표면적이 평균적으로 200,000㎠/g인 미세한 구형 분말로 형성된다. 상기 실리카흄은 일반적으로 용광로에서 배출되는 가스로부터 농축되어 형성된다.
상기 실리카흄은 반응성이 높은 포졸란 재료이며, 콘크리트에서 적은 시멘트-실리카비로도 시멘트 수화작용만의 경우보다 좋은 C-S-H겔을 형성하게 된다. 따라서, 상기 실리카흄은 외부의 이온, 특히 알칼리 이온과의 높은 결합력을 발휘하게 된다. 상기 실리카흄은 블리딩을 감소시키고 점도를 증가시키며, 재료분리를 감소시킴으로서 경화된 콘크리트에 유리하게 작용하게 된다.
상기 실리카흄은 분말형(as-produced), 물에 현탁한 슬러지형(slurried)과 덩어리형(pelletized), 응축시킨 과립형(densified or compacted)으로 형성될 수 있다. 상기 실리카흄은 바람직하게는 과립형이 콘크리트에 사용되고 있으며, 본 발명에서도 다른 분체와의 혼합과 작업성을 위하여 과립형 실리카흄을 사용한다.
(4) 석영 미분말
상기 석영 미분말은 95%이상이 SiO2로 이루어지며, 주결합재의 전체중량에 대하여 5.0 ～ 15.0중량%로 포함된다. 상기 석영 미분말은 5.0중량%보다 적게 사용하게 되면 220MPa 이상의 강도를 얻을 수 없으며, 또한 상기 실리카흄은 15.0중량% 보다 많이 사용하게 되면 콘크리트의 유동성 및 강도 저하의 문제가 있게 된다. 상기 석영 미분말은 밀도가 평균 2.6g/㎤이며, 비표면적이 평균 82,000㎠/g인 초미립자로 형성된다.
상기 석영 미분말은 굳지 않은 초고강도 콘크리트의 제조 과정에서 충전재로 사용된다. 상기 석영 미분말은 콘크리트 내부에서 일정크기 이상의 공극을 메움으로서 콘크리트의 물리적 성능을 증가시키게 된다. 또한, 상기 석영 미분말은 높은 SiO2 함량을 가지므로 고온 또는 고압의 양생조건에서 시멘트 수화물과의 화학반응을 통해서도 성능을 증기시키게 된다. 보다 구체적으로는 상기 석영 미분말은 고온 또는 고압의 양생조건에서 수화 반응에 의한 강도증진 효과, 충전 효과, 그리고 포졸란 반응에 의한 효과에 의하여 콘크리트의 강도를 증가시키게 된다. 보다 구체적으로 상기 석영 미분말은 수화 반응에 의한 효과에 전체강도의 약 50～60%를, 충전효과에 의하여 약 30～40%를, 그리고 포졸란 반응에 의한 효과에 의하여 10%를 증가시키게 된다.
또한, 상기 석영미분말은 초고성능 감수제와 함께 사용될 수 있다. 상기 석영미분말은 혼화제인 초고성능 감수제와 함께 사용하게 되면 미세한 석영미분말 표면에 전기 이중층을 형성하여 석영미분말의 분산을 돕고 시멘트 입자 사이를 채우는데 훨씬 효과적으로 작용하게 된다. 상기 초고성능 감수제는 폴리카본산계가 사용될 수 있다. 따라서, 상기 석영 미분말을 포함하는 시멘트 결합재는 유동성이 증가하며, 수화 및 포졸란 반응시간을 1/2로 단축시키는 효과를 발휘하게 된다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재를 이용한 콘크리트 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 제조방법은 시멘트 결합재 혼합 단계(S10)와 습윤 양생단계(S20)와 열수 양생단계(S30) 및 가열 양생단계(S40)를 포함하여 이루어진다.
상기 콘크리트 제조방법은 상기의 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재와 골재를 이용하여 220MPa 이상의 초고강도 콘크리트를 제작하는 방법을 제공하게 된다. 특히, 상기 초고강도 콘크리트는 일반 수중 양생이 아닌 열수 양생을 실시하여 콘크리트의 강도를 10～15% 정도 증가시키게 되며, 최종으로 가열 양생을 실시하여 콘크리트의 강도를 추가적으로 20～25% 정도 증가 시키게 되어 220MPa 이상의 초고강도 콘크리트를 제작할 수 있다.
상기 시멘트 결합재 혼합단계(S10)는 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재와 골재를 혼합하는 단계이다. 즉, 상기 시멘트 결합재 혼합단계는 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재와 골재를 혼합하여 슬러리 상태의 콘크리트를 제조하는 단계이다. 상기 시멘트 결합재 혼합단계(S10)는 바람직하게는 고효율 초고속전단 옴니믹서로 교반하여 균일하게 혼합하게 된다. 상기 시멘트 결합재 혼합단계(S10)는 제조되는 초고강도 콘크리트의 함량에 따라 상온에서 2~3분 동안 실시된다.
상기 습윤 양생단계(S20)는 슬러리 상태로 혼합된 초고강도 콘크리트의 초기 경화를 실시하는 단계이다. 상기 습윤 양생단계(S20)는 습윤 양생 온도 20± 5℃와 습윤 양생 습도 90 ～ 99%에서 습윤 양생시간 20시간 이상 실시하게 된다. 상기 습윤 양생 온도가 너무 낮으면 응결지연의 문제가 있으며, 너무 높으면 급결에 의한 표면균열 및 장기강도 증진 저하 등의 문제가 있다.
상기 열수 양생단계(S30)는 습윤 양생이 진행된 콘크리트에 대하여 열수에서 2차로 양생을 실시하는 단계이다. 상기 열수 양생단계(S30)는 초기 경화된 초고강도 콘크리트에 활발한 포졸란 반응의 특성을 부여하게 된다. 상기 열수 양생단계(S30)는 열수 양생온도로 60～80℃인 열수에서 열수 양생시간으로 20시간이상 실시된다. 상기 열수 양생온도인 열수의 온도가 너무 낮으면 표준양생(수중 20± 3℃)에 비해 10% 이하의 낮은 강도 증진율을 나타내며, 너무 높으면 표면박리 및 균열 등의 문제가 있다. 또한 상기 열수 양생 시간이 너무 짧으면 10% 이하의 낮은 강도 증진율을 나타내며, 길어지더라도 더 이상의 강도 증진 효과를 보이지 않는다.
상기 가열 양생단계(S40)는 열수 경화가 진행된 초고강도 콘크리트에 대하여 고온에서 최종으로 양생을 실시하는 단계이다. 상기 가열 양생단계(S40)는 열수 경화된 초고강도 콘크리트에 포졸란 반응 생성 물질과의 2차 반응을 일으키도록 하는 특성을 부여하게 된다. 상기 가열 양생단계는 가열 양생온도로 150～250℃에서 가 열 양생시간으로 20시간 동안 실시한다. 상기 가열 양생온도가 너무 낮거나 양생시간이 너무 짧으면 토버모나이트나 조놀라이트 등의 물질들의 생성이 저하되어 20%이하의 강도 증진율을 나타내며, 너무 높거나 양생시간이 길게 되면 표면균열 및 파괴의 문제가 있다. 한편, 상기 가열 양생단계(S40)는 고온양생오븐을 이용하여 실시될 수 있다.
다음은 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재와 이를 이용한 콘크리트 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재 조성물을 제조하여 그 물성 및 이를 사용하여 제조되는 콘크리트의 압축강도를 측정하였다.
[실시예1a]
실시예1a는 하이플로 시멘트 77.5중량%, 슬래그 미분말 17.5중량% 및 실리카흄 5중량%를 혼합하여 주결합재를 제조한 후에, 주결합재의 전체 중량에 대하여 석영 미분말을 10중량%로 혼합하였다.
또한, 콘크리트의 구체적인 배합비는 표 1과 같이 배합되었다.
<표 1>
| 설계기준강도 | 물/주 결합재 (%) | 단위재료량(Kg/㎥) | 혼화제 (주결합재 x %) | |||
| 물 | 주결합재 | 석영미분말 | 골재 | |||
| 220MPa | 12.5 | 125 | 1,000 | 100 | 1100 | 2.5 |
또한, 실시예1a는 습윤 양생 온도 20℃와 습윤 양생 습도 95%에서 습윤 양생시간 24시간 동안 습윤 양생을 실시하였다. 또한, 습윤 양생이 진행된 콘크리트에 대하여 열수 양생온도로 80℃인 열수에서 열수 양생시간으로 24시간 동안 열수 양생을 실시하였다. 또한, 열수 양생된 콘크리트를 가열 양생온도로 170℃에서 가열 양생시간으로 24시간 동안 실시하였다.
[실시예1b]
실시예1b는 주결합재의 전체 중량에 대하여 석영 미분말을 5중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예1a와 동일하게 실시하였다.
[실시예1c]
실시예1b는 주결합재의 전체 중량에 대하여 석영 미분말을 15중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예1a와 동일하게 실시하였다.
[비교예1a]
비교예1a는 석영 미분말을 혼합하지 않았으며, 콘크리트의 양생은 실시예1a와 동일하게 실시하였다.
[비교예1b]
비교예1b는 하이플로 시멘트 대신에 일반 시멘트를 사용한 것을 제외하고는 실시예1a와 동일하게 실시하였다.
다음은 실시예에 따른 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재와 제조된 콘크리트의 물성을 평가한 결과를 설명한다.
(1) 물리화학적 성질
실시예1a에 따른 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재에 사용되는 각 성분의 물리화학적 특성은 다음 표 2과 같다.
<표 2>
| 재료 구분 | 화학적 특성 (%) | 물리적 특성 | |||||||
| Ig-loss | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | 비표면적 (㎠/g) | 밀도 (g/㎤) | ||
| 하이플로 시멘트 | 1.42 | 20.67 | 5.05 | 3.55 | 62.15 | 4.17 | 3.681 | 3.14 | |
| 실리카흄 | 2.71 | 91.26 | 2.01 | 0.85 | 1.20 | 0.40 | 200,000 | 220 | |
| 슬래그 미분말 | -3.10 | 34.89 | 16.58 | 0.45 | 42.57 | 3.66 | 8,000 | 2.85 | |
| 석영 미분말 | 3.04 | 89.02 | 2.43 | 2.09 | 1.06 | 1.01 | 82,000 | 2.60 | |
실시예1a에 따른 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재와 이에 사용된 하이플로 시멘트의 물리화학적 특성은 다음 표 3과 표4와 같다.
<표 3>
| 구분 | 조성 (%) | 성분 (%) | 비표면적 (㎠/g) | 밀도 (g/㎤) | ||||
| C3S | C2S | C3A | C4AF | SO3 | T.A | |||
| 하이플로 시멘트 | 54.23 | 19.00 | 6.86 | 10.50 | 2.30 | 0.59 | 3,681 | 3.14 |
<표 4>
| 구분 | 밀도 (g/㎤) | 비표면적 (㎠/g) | 화학적 특성 (%) | ||||||||
| Ig-loss | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | K2O | Na2O | |||
| 초고강도콘크리트용 시멘트 결합재 | 2.92 | 7,498 | 1.52 | 56.85 | 8.42 | 5.11 | 25.57 | 2.14 | 2.93 | 1.50 | 0.12 |
(2) 압축강도와 페이스트 플로
각 실시예와 비교예에 따른 페이스트에 대하여 KS L 5105 「수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법」과 100㎖ 원형 링을 이용한 페이스트 플로(유동도)를 측정하였다.
그림 1은 석영 미분말 사용에 따른 콘크리트 시험체의 압축강도 및 페이스트 플로를 나타낸 그래프이다. 즉, 실시예1a 내지 실시예1c와 비교예1a에 따른 콘크리트의 평가결과이다.
<그림 1>
상기 석영 미분말이 5 내지 10중량%로 사용되었을 경우 압축강도가 220MPa 이상을 나타내고 있다. 그러나, 석영 미분말을 사용하지 않은 경우에 220MPa이하의 압축강도를 나타내고 있다. 즉, 석영 미분말의 미사용 시에 비해 석영 미분말을 사용하는 경우에 압축강도가 상승하고 있음을 알 수 있다. 다만, 석영 미분말의 함량이 10중량%를 초과하는 경우에 압축강도와 페이스트 플로가 감소하는 경향이 있다. 따라서, 상기 석영 미분말은 압축강도의 증가와 페이스트 플로가 양호한 적정한 함량은 10% 내외가 바람직하다.
그림 2는 시멘트 결합재에 하이플로 시멘트와 일반 OPC를 사용한 경우에 따른 압축강도 및 페이스트 플로를 나타낸 그래프이다. 즉, 실시예1a 와 비교예1b에 따른 콘크리트의 평가결과이다.
<그림 2>
일반 OPC를 사용한 콘크리트에 비해 하이플로 시멘트를 사용한 콘크리트가 페이스트 플로와 압축강도에서 증가하고 있음을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 제조방법의 순서도이다.
Claims (3)
- 삭제
- 삭제
- 72.5～77.5 중량%의 하이플로 시멘트, 17.5～22.5 중량%의 슬래그 미분말, 및 5～12 중량%의 실리카흄을 포함하는 주결합재 및 상기 주결합재의 전체 중량에 대하여 5～15 중량%의 석영 미분말을 포함하는 초고강도 콘크리트용 시멘트 결합재와 골재를 혼합하는 시멘트 결합재 혼합단계;상기 혼합된 초고강도 콘크리트를 습윤 양생 온도 20± 5℃와 습윤 양생 습도 90 ～ 99%에서 습윤 양생시간 20시간 이상 실시하는 습윤 양생단계;상기 습윤 양생된 초고강도 콘크리트를 열수 양생온도로 60～80℃인 열수에서 열수 양생시간으로 20시간이상 실시하는 열수 양생단계; 및상기 열수 경화된 초고강도 콘크리트를 가열 양생온도로 150～250℃에서 가열 양생시간으로 20시간이상 실시하는 가열 양생단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 제조방법.
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