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KR102152603B1 - 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 콘크리트 구조물 - Google Patents

페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 콘크리트 구조물 Download PDF

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KR102152603B1
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Abstract

본 발명은 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 콘크리트 구조물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 산업부산물인 페로니켈 슬래그 미분말(FNS), 고로슬래그 미분말(GGBS) 및 플라이애쉬(FA) 등을 활용한 3성분계 결합재를 이용하여 콘크리트 조성물을 구성하고, 이를 이용하여 콘크리트 구조물을 제조하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물은 시멘트 사이의 공극을 치밀하게 메울 수 있으므로 공극을 통한 유해 화학물질이나 염화물 등의 침투를 막을 수 있으므로 콘크리트 구조물의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있으며, 보수 기간을 연장할 수 있으므로 보수에 따른 인력과 비용을 대폭 절감할 수 있는 장점이 있으며, 산업 현장에서 다량 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그, 고로슬래그 미분말, 플라이애쉬 등을 재활용함으로써 자원 재활용성을 높일 수 있는 동시에 폐기되는 부산물의 양을 줄일 수 있으므로 폐기물에 의한 2차적 환경 오염을 방지하여 친환경성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 콘크리트 구조물{Concrete composition comprising 3 components using ferro-nickel slag powder and concrete structures manufactured using the same}
본 발명은 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물 및 이를 이용하여 제조되는 콘크리트 구조물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 산업부산물인 페로니켈 슬래그 미분말(FNS), 고로슬래그 미분말(GGBS) 및 플라이애쉬(FA) 등을 활용한 3성분계 결합재를 이용하여 콘크리트 조성물을 구성하고, 이를 이용하여 콘크리트 구조물을 제조함으로써 수명을 획기적으로 연장시키고 보수에 따른 인력과 비용을 대폭 절감할 수 있으며, 산업 현장에서 발생하는 부산물을 재활용함으로써 친환경성을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
페로니켈 슬래그는 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물로 주성분은 산화규소 및 산화마그네슘으로 이루어져 있는데, 2010년 이후 연간 180만톤씩 발생하고 있고 2015년을 기준으로 페로니켈 슬래그의 연간 발생량이 240만톤을 넘어서고 있는 상황이다.
페로니켈은 철 약 80%와 니켈 약 20%를 함유한 합금철로서, 주로 스테인레스강의 원료로 사용된다. 이러한 페로니켈은 사문암을 모암으로 하는 산화니켈광이며 약 1500℃ 이상에서 정련하여 니켈 1톤당 약 30톤의 페로니켈 슬래그가 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 페로니켈 슬래그는 페로니켈을 생산하기 위해 원료로 사용되는 니켈광석, 유연탄 등이 용융되어 페로니켈과 분리된 후 배출되는 부산물이며, 물리적, 화학적 성질이 우수하다는 특징이 있다.
이러한 페로니켈 슬래그는 일부 콘크리트용 잔골재, 시멘트 원료, 토목용 골재 등으로 사용되는 것이 알려져 있으며, 제올라이트, 실리콘 카바이드 등의 합성원료로 사용되거나 마그네슘화합물 원료, 토지개량제 등으로 사용되는 것이 알려진 수준이나 대부분은 매립 등으로 폐기되고 있는 형편이며, 최근에서야 기술표준원에서 콘크리트용 페로니켈 슬래그 미분말과 관련된 규격을 제정 중에 있다.
국내의 경우에는 일부 기업에서 페로니켈 슬래그 생산을 통한 시장을 구축하여 실내 연구를 진행하고 있는 수준이며, 해외의 경우에는 일본, 캐나다, 미국, 그리스 등에서 페로니켈 슬래그를 활용한 초속경 시멘트 대체제 등을 개발, 연구하고 있는 상황이다.
페로니켈 슬래그의 구체적인 화학 조성을 보통의 포틀랜트 시멘트(OPC)와 비교하면 하기 표와 같다.
CaO MgO SiO2 Fe2O3 Al2O3 SO3 K2O Na2O TiO3
OPC 66.8 1.61 17.44 4.16 3.97 3.42 1.24 0.34 0.28
FNS 6.60 40.45 40.46 6.87 3.64 0.53 0.08 0.04 0..10
(단위: 중량%)
또한, 페로니켈 슬래그의 용출시험 결과는 하기 표 2와 같다.
항목 Cd Hg Cr6+ Pb As CN
결과 ND ND ND ND ND ND
기준 0.3 이하 0.005 이하 0.15 이하 3.0 이하 1.5 이하 1.0 이하
(단위: mg/ℓ, 출처: 전라남도보건환경연구원)(ND: Not Detected, 불검출)
이러한 페로니켈 슬래그의 광물 조성은 결정성 광물과 비정질 유리 상으로 형성되어 있는데 이는 페로니켈 슬래그의 냉각조건 등에 의해 변화하여 화학적 자극에 의한 반응성 등 화학적 성질에 영향을 미친다.
일반적으로 비정질 물질이 많을수록 화학적 활성도가 크다는 것을 의미하는데, 이러한 비정질 양을 늘리기 위해서는 급냉한 수쇄 페로니켈 슬래그가 사용된다.
이러한 페로니켈 슬래그는 일종의 비철금속으로서 일반적인 조건에서는 물과 반응하지 않는데, 물과의 반응을 위해서는 고분말화, 반응성이 있는 혼화재 혼합 등의 방법이 사용되고 있다.
한편, 물과의 접촉이 많은 콘크리트 구조물, 예를 들어 하수관, 농업용수관, 배수관 등이나 교각 등 수중 구조물, 또는 해안 지대의 구조물의 경우 그 견고성으로 인해 주로 철근 콘크리트 재질에 의해 형성되는 경우가 많은데, 수중에 포함되는 각종 유해 화학물질이나 염화물에 의해 부식이나 손상이 발생될 가능성이 많다.
이러한 콘크리트 구조물의 내구성, 내수성, 내화학성 등의 특성을 강화하기 위한 기술들이 제안되고 있으며, 일부 기술에서는 페로니켈 슬래그 미분말을 이용하는 방법도 제안되고 있으나, 주로 타 혼화재를 혼합하여 사용함에 따른 특성으로서 페로니켈 슬래그 미분말을 사용함에 따른 큰 개선의 효과를 보는 기술로 보기는 어려운 한계가 있다.
<관련 선행기술 문헌>
1. 대한민국 등록특허 제10-1860503호
2. 대한민국 등록특허 제10-1856380호
3. 대한민국 등록특허 제10-1638084호
4. 대한민국 등록특허 제10-1881077호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 상황을 고려하여 개발된 것으로서, 콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 산업부산물인 페로니켈 슬래그 미분말(FNS), 고로슬래그 미분말(GGBS) 및 플라이애쉬(FA) 등을 활용한 3성분계 결합재를 이용하여 콘크리트용 조성물을 구성하고, 이를 이용하여 콘크리트 구조물을 제조함으로써 수명을 획기적으로 연장시키고 보수에 따른 인력과 비용을 대폭 절감할 수 있으며, 산업 현장에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그를 재활용함으로써 환경을 보호할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은
콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 페로니켈 슬래그 미분말, 고로 슬래그 미분말 및 플라이애쉬의 3성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물을 제공한다.
이때, 상기 콘크리트용 결합재는 시멘트 : 페로니켈 슬래그 미분말 : 고로슬래그 미분말 : 플라이애쉬를 각각 40~60 : 5~30 : 5~30 : 5~30 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 콘크리트 조성물은 더욱 구체적으로는
시멘트 100 중량부에 대하여 페로니켈 슬래그 미분말 1~10 중량부, 고로 슬래그 미분말 1~20 중량부, 석고 0.1~10 중량부, 폴리머 1~10 중량부, 플라이애쉬 0.1~10 중량부, 실리카 흄 0.1~8 중량부, 섬유 0.5~5.0 중량부; 칼슘알루미나설파이트(CSA) 1~10 중량부; 수축저감제 0.5~2.0 중량부; 소포제 0.1~1.0 중량부; 감수제 0.1~0.5 중량부; 및 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재 1~5 중량부;를 혼합하고 골재 및 물을 혼합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물로서,
상기 페로니켈 슬래그 미분말은 비표면적이 3,000~8,000 cm2/g의 고밀도를 갖는 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그 미분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 석고는 천연석고, 배연탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고 및 석탄 코크스 탈황석고 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 섬유는 유리섬유, 강섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 폴리프로필렌(PP) 섬유, 셀룰로오스 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재는 수용성 수지를 스프레이 방식으로 유리분말 분쇄물에 도포하고 반죽한 후 킬른에서 소성하여 얻어진 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 수용성 수지는 EVA(Ethylene vinyl acetate 공중합체) 수지 또는 아크릴 수지일 수 있다.
또한, 상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 상기 본 발명에 따른 콘크리트 조성물과 철근을 이용하여 프리캐스트 콘크리트 제조 방법에 의해 제조되는 콘크리트 구조물을 제공한다.
본 발명에 따른 페로니켈 슬래그 미분말을 이용한 3성분계 콘크리트 조성물은 시멘트 사이의 공극을 치밀하게 메울 수 있으므로 공극을 통한 유해 화학물질이나 염화물 등의 침투를 막을 수 있으므로 콘크리트 구조물의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있으며, 보수 기간을 연장할 수 있으므로 보수에 따른 인력과 비용을 대폭 절감할 수 있는 장점이 있으며, 산업 현장에서 다량 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그, 고로슬래그 미분말, 플라이애쉬 등을 재활용함으로써 자원 재활용성을 높일 수 있는 동시에 폐기되는 부산물의 양을 줄일 수 있으므로 폐기물에 의한 2차적 환경 오염을 방지하여 친환경성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 실험예에 따른 시험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 페로니켈 슬래그 미분말, 고로 슬래그 미분말 및 플라이애쉬의 3성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 콘크리트용 결합재는 시멘트 : 페로니켈 슬래그 미분말 : 고로슬래그 미분말 : 플라이애쉬를 각각 40~60 : 5~30 : 5~30 : 5~30 중량비로 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로는, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 시멘트 100 중량부에 대하여 페로니켈 슬래그 미분말 1~10 중량부, 고로 슬래그 미분말 1~20 중량부, 석고 0.1~10 중량부, 폴리머 1~10 중량부, 플라이애쉬 0.1~10 중량부, 실리카 흄 0.1~8 중량부, 섬유 0.5~5.0 중량부; 칼슘알루미나설파이트(CSA) 1~10 중량부; 수축저감제 0.5~2.0 중량부; 소포제 0.1~1.0 중량부; 감수제 0.1~0.5 중량부; 및 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재 1~5 중량부;를 혼합하고 골재 및 물을 혼합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물로서,
상기 페로니켈 슬래그 미분말은 비표면적이 3,000~8,000 cm2/g의 고밀도를 갖는 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그 미분말을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 상기 본 발명에 따른 콘크리트 조성물을 구성하는 각 성분에 관하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명에서 상기 시멘트는 일반 포틀랜트 시멘트(OPC), 슬래그 시멘트, 알루미나 시멘트 및 초속경 시멘트 중에서 선택된 1 종 또는 2종 이상의 혼합 시멘트를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 일반 포틀랜드 시멘트이다. 구체적으로 포틀랜드 시멘트의 경우도 주요 성분이 C3S 51%, C2S 25%, C3A 9%, C4AF 9%, CaSO4 4% 정도이며, 비표면적은 3,300cm2/g 전후인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
혼합 시멘트를 사용할 경우에는 포틀랜트 시멘트 40~70 중량%, 알루미나 시멘트 5 ~ 25 중량% 및 잔량의 초속경 시멘트를 포함할 수 있다.
이 중에서, 알루미나 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 알루미나 함량이 상대적으로 높은 시멘트로서, 화학적 저항성이 우수하며, 산성 분위기 하에서 사용할 수 있는 장점이 있으며, 경화시간이 짧은 조강 시멘트 일종으로서, 보통 포틀랜드 시멘트와 적정 비율로 사용한다.
또한, 초속경 시멘트는 무수석고와 50 중량% 이상의 알루미나 또는 칼슘설포알루미네이트(CSA)를 포함하는 것으로서 초기 부착성이 우수한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 페로니켈 슬래그는 비표면적이 3,000~8,000 cm2/g의 고밀도를 갖는 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그 미분말을 사용하는 것이 바람직하다.
페로니켈 슬래그는 입자의 크기가 약 100㎛ 이상으로 큰 경우에는 잠재수경성과 같은 반응이 발현되지 않아 노반재나 잔골재 정도로만 활용되고 있는데, 분말도를 미세화할 경우에는 분쇄가 진행됨에 따라 결정구조가 파괴됨으로써 시멘트와 물 간의 수화반응에 의해 생성되는 수화반응물(예: Ca(OH)2)과 반응을 일으키는 규소 이온의 함량이 증가되어 2차적인 반응을 유도할 수 있게 됨으로써 시멘트만 사용했을 경우와 비교하여 콘크리트의 치밀도와 강도가 향상될 수 있다.
이는 하기의 반응식으로 나타낼 수 있으며, 이러한 반응의 생성물로서 겔 또는 결정 상태의 CaO-SiO2-H2O 구조가 형성될 수 있다.
SiO2 + Ca(OH)2 → CaO-SiO2-H2O
본 발명에서 사용되는 페로니켈 슬래그 미분말은 비표면적이 3,000~8,000 cm2/g의 고밀도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 비표면적보다 작을 경우에는 수화반응의 2차 반응을 유도하는 효과가 미미하고 상기 비표면적보다 클 경우에는 1차 수화반응보다 2차 반응이 우세하게 나타날 수 있어 강도가 떨어질 수 있다.
본 발명에서 상기 고로슬래그는 제철소에서 선철을 생산할 때 부산물로 제조되는 것으로서 급냉에 의해 비결정질 상태로 형성되며, 염기도는 16 내지 20 범위에 속한다. 상기 고로슬래그는 일반적으로 CaO 40 내지 50 중량%, MgO 1 내지 10 중량%, Al2O3 10내지 25 중량% 및 SiO2 33내지 38 중량%를 포함하여 이루어진다. 상기 고로슬래그는 콘크리트용 혼화재로도 사용되는데, 콘크리트용 혼화재로 사용되는 고로슬래그의 경우 비표면적이 4,000 내지 5,000cm2/g 정도인데, 본 발명에서는 보다 반응성을 높이기 위해 볼밀 등을 사용하여 분쇄함으로써 6,000 내지 7,000cm2/g 정도의 비표면적을 가지도록 하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 고로슬래그 미분말은 시멘트 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부의 비율로 포함되는 것이 강도 발현을 위해 바람직하다.
본 발명에서 상기 석고는 페로니켈 슬래그 미분말의 산성 피막을 파괴하여 슬래그 내부에서 이온 방출을 가속화시키고 이들과 반응하여 수화 초기에 에트린자이트를 다량 생성해주는 역할을 하며, 재령 경과에 따라 칼슘실리케이트 수화물을 생성해 강도를 발현해주는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 석고는 천연석고, 배연탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고 및 석탄 코크스 탈황석고 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명에서 상기 폴리머는 내부 성분 간 상용성, 부착성을 증대시켜서 콘크리트의 물성을 향상시키는 역할을 하며, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐아세테이트 실란 말단화 중합체, 폴리비닐알코올, 폴리비닐에스테르 실란 말단화 중합체, 메타크릴산 메틸-아크릴산 부틸 및 스티렌-부타디엔 고무 라텍스 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알코올, 메타크릴산 메틸-아크릴산 부틸 및 스티렌-부타디엔 고무 라텍스 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 본 발명에서 상기 폴리머의 사용량은 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 플라이애쉬는 석탄 화력 발전소의 미분탄 연소 보일러에서 연소 후 전기집진장치에서 포집된 미립자로 현재 산업부산물로 분류되는 미분말이다. 이러한 플라이애쉬는 보통 포틀랜트 시멘트에 비해 비중이 낮고 유리질 구조를 갖기 때문에 유동성 확보가 가능하며 포졸란 반응으로 인해 수화열량 감소, 온도 균열 제어 등의 기능을 한다. 본 발명에서 상기 플라이애쉬의 사용량은 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 0.1~10 중량부의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 실리카 흄(Silica fume)은 평균 입경 0.1~0.5 mm 정도로 이루어진 완전 구형에 가까운 입자로서 비정질의 활성 실리카이며, 아래의 화학식에서와 같이 수산화칼슘과 반응하여 상온에서 함수 규산 칼슘으로 변화함으로써 수퍼 포졸란 성질을 띤다.
3CaOSiO2 + H2O → C-S-H(시멘트겔) + Ca(OH)2
본 발명에서 상기 콘크리트 조성물에 상기 실리카 흄을 첨가하는 이유는, 구상 입자에 의한 볼 베어링 효과로 분산성 및 감수 효과를 향상시키고 시멘트 입자 사이에 실리카 흄의 충전 효과로 수밀성 향상 및 고강도화, 그리고 부착성 향상으로 그라운드량 감소, 알칼리 실리카 반응 억제 및 화학적 저항성 향상 등의 효과가 있기 때문이다.
본 발명에서 상기 섬유는 휨 강도, 인장 강도 증진은 물론 양생 시 표면 크랙(균열)을 줄일 수 있어 콘크리트의 초기 안정성에 효과적이며, 초기 분산성을 높이기 위한 목적으로 사용된다. 본 발명에서 상기 섬유는 일정 정도의 친수성을 갖는 섬유를 사용하는 것이 바람직한데, 예를 들어 유리섬유, 강섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 폴리프로필렌(PP) 섬유, 셀룰로오스 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 중에서 선택되는 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 칼슘알루미나설파이트는 물과 혼합되어 수화하면 콘크리트 수축을 보상하는 현상이 발생하여 모르타르의 균열을 방지하고 조직을 치밀하게 하는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 수축저감제는 분자량 100 이상으로 2개 이상의 수산기를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어 네오펜틸글리콜(Neopentyl glycol)을 사용할 수 있다. 상기 네오펜틸글리콜은 대칭형의 2개의 알코올 기와 알파 카본 위치에 2개의 메틸기를 가지고 있어 에스테르화 반응에 탁월한 반응성을 보여준다. 본 발명에서 상기 네오펜틸글리콜은 백색 결정체 100%로 이루어진 플레이크(flake) 형태 또는 네오펜틸글리콜 90% 및 물 10%로 이루어진 슬러리(slurry) 형태로 사용될 수 있다.
본 발명에서 상기 소포제는 모르타르 내의 거대 기공을 제거하여 모르타르의 강도와 외관을 좋게 하기 위하여 사용되는 성분으로, 일반적으로 휘발성이 적고 확산력이 큰 기름상의 물질 또는 수용성이 계면활성제가 이용되며, 예로는 등유, 유동 파라핀 등과 같은 광유계 소포제; 동식물유, 참기름, 피마자유와 이들의 알킬렌옥사이드 부가물 등과 같은 유지계 소포제; 올레인산, 스테아린산과 이들의 알킬렌옥사이드 부가물 등과 같은 지방산계 소포제; 글리세린모노리시놀레이트, 알케닐호박산 유동체, 솔비톨모노라울레이트, 솔비톨트리올레이트, 천연 왁스 등과 같은 지방산 에스테르계 소포제; 폴리옥시알킬렌류, (폴리)옥시알킬에테르류, 아세틸렌에테르류, (폴리)옥시알킬렌지방산에스테르류, (폴리)옥시알킬렌솔비탄지방산에스테르류, (폴리)옥시알킬렌알킬(아릴)에테르황산에스테르염류, (폴리)옥시알킬렌알킬인산에스테르류, (폴리)옥시알킬렌알킬아민류, (폴리)옥시알킬렌아미드 등과 같은 옥시알킬렌계 소포제; 옥틸알콜, 헥사데실알콜, 아세틸렌알콜, 글리콜류 등과 같은 알콜계 소포제; 아크릴레이트폴리아민 등과 같은 아미드계 소포제; 인산트리부틸, 나트륨옥틸포스페이트 등과 같은 인산에스테르계 소포제; 알루미늄스테아레이트, 칼슘올레이트 등과 같은 금속비누계 소포제; 디메틸실리콘유, 실리콘 페이스트, 실리콘 에멀젼, 유기변성폴리실록산(디메틸폴리실록산 등의 폴리오르가노실록산), 플루오로실리콘유 등과 같은 실리콘계 소포제를 사용할 수 있다.
본 발명에서 상기 감수제는 물-시멘트 비율을 감소시켜 유동성을 확보하고 내구성 저하를 방지하는 역할을 하며, 나프탈렌계, 멜라민계, 술폰산계, 폴리카르본산계 감수제 등을 시용할 수 있다. 상기 감수제는 조성물 중에서 약 0.1~0.5 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재는 EVA(Ethylene vinyl acetate 공중합체) 수지 또는 아크릴 수지 등의 수용성 수지를 이용하여 유리분말 분쇄물의 표면에 코팅한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 유리분말은 예를 들어 폐유미분말을 미세하게 분쇄한 것을 사용할 수 있으며, 이러한 분쇄물에 수용성 수지를 스프레이하고 이를 페이스트 상태로 반죽한 후 킬른을 이용해 소성 처리한 것을 사용할 수 있다. 이때 소성 온도는 유리상에는 다공 구조를 형성하되 표면의 수용성 수지는 분해시키지 않는 온도 범위에서 진행하는 것이 바람직하다. 이러한 소성 이후에는 사이즈별로 분리하기 위해 시빙(sieving) 과정을 더 진행할 수도 있다.
이렇게 유리 분말을 가공 처리한 다공성 골재는 소성 처리에 의해 내부는 다공 구조를 갖지만, 표면은 수용성 수지로 코팅된 코어-쉘 구조의 2중 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
이러한 유리 분말은 또한 소성 처리에 의해 구형에 가까운 형태를 하고 있으므로 경량체이지만 강도, 내구성 등의 물성 저하는 최소화될 수 있는 동시에, 다공 구조를 하고 있지만 표면 수지 코팅에 의해 흡수율이 줄어들기 때문에 모르타르시 물비(W/C)를 줄일 수 있는 장점이 있어 작업성이 개선되고 잉여수에 따른 문제가 개선될 수 있으며, 소성 처리로 인해 내화성, 내화학성 및 내구성이 향상되도록 하는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 골재는 평균직경이 50~200㎛이며, 절건 비중이 0.7~1.4인 다공성 경량 골재를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 상기 경량골재는 다공성 필라이트(phyllite)를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 다공성 필라이트계 경량 골재는 다공성으로 인해 물비가 증대될 수 있다. 본 발명에서 상기 골재는 필요에 따라 그 함량을 조절할 수 있으며, 이에 대해서는 별도로 한정하지 않는다.
본 발명은 상기와 같은 조성으로 얻어지는 조성물에 필요에 따라 분산제, 지연제, 알칼리활성화제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 분산제는 모르타르의 입자 표면에 흡착하여 입자 표면에 전하를 주어 입자들끼리 상호 반력을 일으키므로, 응집된 입자를 분산시켜 유동을 증가시켜 감수 효과로 인한 강도 증진이 가능하게 한다. 상기 분산제로서는 통상의 감수제를 사용할 수 있으며, 예를 들어 리그닌술포네이트, 폴리나프탈렌술포네이트, 폴리멜라민술포네이트 또는 폴리카복실레이트계 감수제로 이루어진 군으로부터 단독또는 둘 이상 혼합 사용이 가능하다.
상기 지연제는 모르타르의 수화속도를 조정하여 일정기간 작업성을 확보할 목적으로 첨가될 수 있다. 지연제로는 붕산과 붕사, 붕산나트륨, 붕산칼륨과 같은 붕산염류, 글루콘산, 시트릭산, 타르타르산, 글루코헵톤산, 아라본산, 사과산 또는 구연산 및 이들의 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 암모늄, 트리에탄올아민 등의 무기염 또는 유기염 등의 옥시카복실산; 글루코오스, 프럭토오스, 갈락토오스, 사카로오스, 크실로오스, 아비토오스, 리포오즈, 이성화당 등의 단당류나, 2당, 3당 등의 올리고당, 또는 덱스트린 등의 올리고당, 또는 덱스트란 등의 다당류, 이들을 포함하는 당밀류 등의 당류; 솔비톨 등의 당알콜; 규불화 마그네슘; 인산 및 그의 염 또는 붕산 에스테르류; 아미노카복실산과 그의 염; 알칼리 가용 단백질; 푸민산; 탄닌산; 페놀; 글리세린 등의 다가알콜; 아미노트리(메틸렌포폰산), 1-히드록시에틸리덴-1,1-디포스폰산, 에틸렌디아민테트라(메틸렌포스폰산), 디에틸렌트리아민펜타(메틸렌포스폰산) 및 이들의 알칼리 금속염, 알칼리토류 금속염 등의 포스폰산 및 그 유도체 등을 사용할 수 있다.
상기 알칼리활성화제는 강도 발현에 영향을 미치는 성분으로, 알칼리 금속수산화물, 염화물, 황산화물 및 탄산화물에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있고, 바람직하게는 탄산나트륨 및 탄산수소나타륨을 사용하는 것이 강도 발현 측면에서 유리하다.
상기와 같이 얻어지는 본 발명에 따른 콘크리트 조성물을 이용하여 콘크리트 구조물을 제조할 수 있다.
상기 콘크리트 구조물은 철근과 콘크리트 조성물을 이용한 일반적인 프리캐스트 콘트리트 제조 방법에 의해 제조할 수 있는데, 예를 들어 습식방법 또는 건식방법을 사용할 수 있다.
상기 방법에 의해 제조되는 콘크리트 구조물은 예를 들어 하수관, 농업용수관, 배수관 등이나 교각 등 수중 구조물, 또는 해안 지대의 구조물, 전력구, PHC 파일 등 범위를 제한하지 않고 활용될 수 있으며, 특히 염수나 오염수에 의해 손상받을 수 있는 구조물에 사용시 내수성, 내화학성 등의 물성을 향상시킬 수 있으므로, 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예예 의거하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
(실험예)
1. 배합구성 : 기본 배합(중량부)
Mix OPC FNS GGBS FA SF Water Sand
Control 100 　 　 　 　 50 300
OPC+FNS+GGBS 50 20 30 　 　 50 300
OPC+FNS+FA 60 20 　 20 　 50 300
OPC+FNS+SF 75 20 　 　 5 50 300
OPC: 포틀랜트 시멘트
FNS: 페로니켈 슬래그 미분말
GGBS: 고로슬래그 미분말
FA : 플라이애쉬
2. 물성평가(강도, MPa)
(1) 화학촉진제 무첨가(NONE)
양생일수 (일) OPC OPC+FNS+GGBS OPC+FNS+FA OPC+FNS+SF
7 35.4 26.4 14.5 29.5
28 39.5 37.7 17.9 35.8
91 40.5 39.0 20.5 37.6
180 42.9 40.5 23.5 41.3
(2) 화학촉진제 첨가(NaOH)
양생일수 (일) OPC OPC+FNS+GGBS OPC+FNS+FA OPC+FNS+SF
7 35.4 32.1 (21.4%) 20.5 (41.4%) 32.2 (9.2%)
28 39.5 40.2 (6.6%) 23.5 (31.3%) 37.5 (4.7%)
91 40.5 41.3 (5.8%) 25.5 (24.4%) 38.6 (2.7%)
180 42.9 42.5 (5.0%) 26.8 (14.0%) 42.1 (1.9%)
괄호 안의 숫자는 화학촉진제를 혼합하지 않을 경우 대비 증가한 강도의 퍼센트를 나타냄(이후 같음)
(3) 화학촉진제 첨가(KOH)
양생일수 (일) OPC OPC+FNS+GGBS OPC+FNS+FA OPC+FNS+SF
7 35.4 31.8 (20.3%) 20.3 (40.0%) 33.3 (12.9%)
28 39.5 38.8 (2.9%) 23.6 (31.8%) 38.1 (6.4%)
91 40.5 40.3 (3.2%) 26.1 (27.3%) 38.9 (3.5%)
180 42.9 41.2 (5.0%) 27.2 (15.7%) 42.8 (3.6%)
3. 동결융해 저항성 평가(KS F 2456)
(1) 화학촉진제 무첨가(NONE)
Cycle 수 OPC OPC+FNS+GGBS OPC+FNS+FA OPC+FNS+SF
0 100.0 100.0 100.0 100.0
30 96.1 97.7 96.0 96.8
60 88.5 91.8 91.8 93.3
90 76.8 89.6 89.1 87.3
120 74.4 85.0 85.6 84.3
150 70.3 79.7 82.3 79.3
180 62.9 78.0 70.1 76.5
210 59.2 73.6 62.8 74.3
240 55.4 68.5 61.2 68.6
270 51.8 62.6 55.1 65.5
300 47.9 60.8 49.8 62.2
위의 시험 결과를 그래프로 나타내면 도 1과 같다.
(2) 화학촉진제 첨가(NaOH)
Cycle 수 OPC OPC+FNS+GGBS OPC+FNS+FA OPC+FNS+SF
0 100.0 100.0 100.0 100.0
30 96.1 98.1 97.2 96.8
60 88.5 93.2 93.6 93.5
90 76.8 90.0 90.5 91.2
120 74.4 87.5 88.1 87.9
150 70.3 85.3 85.3 84.2
180 62.9 82.5 81.2 82.3
210 59.2 80.4 75.6 80.4
240 55.4 77.2 69.5 77.6
270 51.8 75.1 62.8 75.1
300 47.9 74.3 57.3 73.2
위의 시험 결과를 그래프로 나타내면 도 2와 같다.
(3) 화학촉진제 첨가(KOH)
Cycle 수 OPC OPC+FNS+GGBS OPC+FNS+FA OPC+FNS+SF
0 100.0 100.0 100.0 100.0
30 96.1 97.9 98.1 97.0
60 88.5 92.3 94.5 92.5
90 76.8 89.5 91.5 90.5
120 74.4 86.4 87.5 88.2
150 70.3 83.5 84.2 85.3
180 62.9 81.2 82.4 83.5
210 59.2 79.5 78.3 78.9
240 55.4 77.0 72.5 75.6
270 51.8 74.5 65.5 74.3
300 47.9 72.3 60.4 72.2
위의 시험 결과를 그래프로 나타내면 도 3과 같다.
(4) 화학촉진제 첨가(Ca(OH)2)
Cycle 수 OPC OPC+FNS+GGBS OPC+FNS+FA OPC+FNS+SF
0 100.0 100.0 100.0 100.0
30 96.1 98.2 97.0 96.5
60 88.5 92.3 92.5 92.5
90 76.8 88.5 89.1 86.3
120 74.4 85.3 87.3 82.1
150 70.3 82.3 83.3 78.6
180 62.9 79.1 76.6 75.3
210 59.2 74.5 70.8 73.1
240 55.4 72.3 63.5 70.1
270 51.8 66.5 58.9 66.6
300 47.9 63.5 53.2 62.4
위의 시험 결과를 그래프로 나타내면 도 4와 같다.
4. 염소이온 투과 시험(KS F 2711)
화학촉진제 OPC OPC+FNS+GGBS OPC+FNS+FA OPC+FNS+SF
무첨가 2942 817 1273 1033
NaOH 2942 741 1005 895
KOH 2942 808 1253 1011
CaOH2 2942 956 1105 1214
5. 단열온도 상승시험(KS 기준 없음)
콘크리트를 타설하자마자 단열상태의 챔버에서 굳지 않은 콘크리트 내의 온도상승 및 변화를 모니터링 함으로써 수화열의 상승에 따른 콘크리트의 경화속도 및 열화가능성을 예측할 수 있다. 즉, 온도상승이 높고 빠른 경우, 경화속도에는 도움이 되나, 반대급부로 콘크리트 타설 이후 수축 및 균열을 야기 할 수 있어 경화된다는 전제하에 단열온도가 낮을수록 콘크리트 물성은 향상할 수 있다.
도 5는 단열온도의 상승만을 모니터링 할 결과이고, 도 6은 도 5에서 보여준 단열온도 상승을 시간대별로 나누어 온도상승 속도로서 표현한 결과이다.
(제조예 1) 콘크리트 조성물 제조
수쇄 급냉 페로니켈 슬래그를 미세 분쇄 처리하여 비표면적이 3,000 내지 8,000 cm2/g이 되도록 처리하여 페로니켈 슬래그 미분말을 제조하였다.
포틀랜트 시멘트(OPC) 100 중량부, 상기 얻어진 페로니켈 슬래그 미분말 5 중량부, 고로슬래그 미분말 5 중량부, 석고(배연탈황석고) 5 중량부, 폴리비닐아세테이트 폴리머 5 중량부, 플라이애쉬 1 중량부, 실리카 흄 1.0 중량부, 유리 섬유 및 강섬유의 혼합물 1.0 중량부, 칼슘알루미나설파이트 1.5 중량부, 네오펜틸글리콜 수축저감제 1.0 중량부, 소포제 0.3 중량부, 유리분말을 가공처리한 다공성 골재 4 중량부 및 감수제 0.2 중량부를 적당량의 물과 균일하게 혼합하고, 골재(평균직경이 약 100㎛이고 절건 비중이 0.9인 다공성 필라이트) 250 중량부를 적당량의 물과 균일하게 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하였다.
(제조예 2) 콘크리트 조성물 제조
제조예 1에서 얻은 페로니켈 슬래그 미분말을 이용하여 실험하였다.
포틀랜트 시멘트(OPC) 100 중량부, 상기 얻어진 페로니켈 슬래그 미분말 10 중량부, 고로슬래그 미분말 10 중량부, 석고(배연탈황석고) 5 중량부, 폴리머(폴리비닐에스테르 실란 말단화 중합체) 5 중량부, 플라이애쉬 1 중량부, 실리카 흄 1.0 중량부, 유리 섬유 및 강섬유의 혼합물 1.0 중량부, 칼슘알루미나설파이트 1.5 중량부, 네오펜틸글리콜 수축저감제 1.0 중량부, 소포제 0.3 중량부, 유리분말을 가공처리한 다공성 골재 4 중량부 및 감수제 0.2 중량부를 적당량의 물과 균일하게 혼합하고, 골재(평균직경이 약 100㎛이고 절건 비중이 0.9인 다공성 필라이트) 250 중량부를 적당량의 물과 균일하게 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하였다.
(비교 제조예 1)
제조예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 페로니켈 슬래그 미분말을 사용하지 않은 것만 다르게 하여 콘크리트 조성물을 제조하였다.
(비교 제조예 2)
제조예 2와 동일한 방법으로 제조하되, 페로니켈 슬래그 미분말 및 고로슬래그 미분말을 사용하지 않은 것만 다르게 하여 콘크리트 조성물을 제조하였다.
(비교 제조예 3)
대한민국 등록특허 제10-1860503호에서 제안된 방법과 유사하게, 시멘트 13 중량부, 페로니켈 슬래그 미분말 4.5 중량부, 바텀애쉬 미분말 1.5 중량부, 가성소다 0.2 중량부, 규사 15 중량부, 석분 35 중량부, 인산염 1.0 중량부, 잔골재 35 중량부에 물을 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하였다.
성능 평가
(1) 콘크리트 조성물의 물성
상기 실시예 및 비교예에서 조성물을 이용하여 시험체를 제조하여 하기 시험 방법에 의해 물성을 측정하였다.
1) 응결시간 : KSF 2436
2) 휨강도 : KS F 2476
3) 압축강도 : KSF 2405
4) 부착강도 : KS F 4716
5) 길이변화율 : KS F 2424 콘크리트의 길이 변화 시험 방법에 따라 측정하였다. 그 값은 초기 시공체의 값을 0으로 하여,"-"는 수축율을 나타내는 것이며, "+"는 팽창율을 나타내는 것이다.
6) 플로우 : KS L 5220에 준하여 실시
그 결과를 하기 표 12에 나타내었다.
항목 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
응결시간 (분) 초결 26 27 29 33 45
종결 36 37 40 39 69
휨강도 (N/mm2) 기중 17 17 15 13 10
압축강도 (N/mm2) 기중 68 67 48 50 48
부착강도 (N/mm2) 기중 5.9 5.8 3.8 3.8 3.5
길이변화율 (%) +0.01 +0.02 +0.01 +0.02 +0.15
플로우 (mm) 135 145 140 135 115
상기 표에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 경우, 비교예의 경우와 비교하여 물성이 현저하게 우수하며, 특히 압축강도 및 부착 강도가 현저히 개선된 것을 확인할 수 있다.
(2) 기타 성능 평가
1) 내후성 평가
ASTM G 155에 따라 400시간 측정하였다.
2) 표면 경도 평가
KS D 6711에 따라 연필경도를 측정하였다.
3) 내수성 평가
90℃ 열수에서 연속으로 표면 변형(균열, 블리스터 등)이 일어나는 시간을 측정하였다.
상기 평가 결과를 표 13에 나타내었다.
내후성(백색) 표면경도 내수성
실시예 1 △E2.0 5H 480hr
실시예 2 △E2.0 4H 450hr
비교예 1 △E2.7 3H 400hr
비교예 2 △E2.7 3H 350hr
비교예 3 △E3.5 2H 330hr
상기 표 12 및 표 13의 결과로부터 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 내후성, 내수성, 표면경도 등의 물성도 우수하므로 콘크리트 구조물 제조시 종래 방법에 비하여 품질을 더욱 높일 수 있으며, 이에 따라 용배수관 등의 용도나 기타 용도로 프리캐스트 제품을 제조할 경우 수명을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예에 의해 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론, 그와 같은 변경은 첨부된 청구범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. 콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 페로니켈 슬래그 미분말, 고로 슬래그 미분말 및 플라이애쉬의 3성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물로서,
    시멘트 100 중량부에 대하여 페로니켈 슬래그 미분말 1~10 중량부, 고로 슬래그 미분말 1~20 중량부, 석고 0.1~10 중량부, 폴리머 1~10 중량부, 플라이애쉬 0.1~10 중량부, 실리카 흄 0.1~8 중량부, 섬유 0.5~5.0 중량부; 칼슘알루미나설파이트(CSA) 1~10 중량부; 수축저감제 0.5~2.0 중량부; 소포제 0.1~1.0 중량부; 감수제 0.1~0.5 중량부; 및 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재 1~5 중량부;를 혼합하고 골재 및 물을 혼합하여 구성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 페로니켈 슬래그 미분말은 비표면적이 3,000~8,000 cm2/g의 고밀도를 갖는 수쇄 급냉 페로니켈 슬래그 미분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 석고는 천연석고, 배연탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고 및 석탄 코크스 탈황석고 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 섬유는 유리섬유, 강섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 폴리프로필렌(PP) 섬유, 셀룰로오스 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재는 수용성 수지를 스프레이 방식으로 유리분말 분쇄물에 도포하고 반죽한 후 킬른에서 소성하여 얻어진 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 수용성 수지는 EVA(Ethylene vinyl acetate 공중합체) 수지 또는 아크릴 수지인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  8. 청구항 1, 4 내지 7 중 어느 한 항의 콘크리트 조성물과 철근을 이용하여 프리캐스트 콘크리트 제조 방법에 의해 제조되는 콘크리트 구조물.
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