KR100539588B1 - 경량골재를 이용한 고강도 콘크리트의 제조방법 - Google Patents

경량골재를 이용한 고강도 콘크리트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경량골재를 이용한 고강도 콘크리트의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시멘트에, 고령토, 셰일, 석분 등을 혼합하여 제조한 경량골재, 고성능감수제, 실리카흄, 방수제 및 수화촉진제를 혼합하는 것을 특징으로 하는 압축강도 800kg/㎠이상의 고강도 콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 폐기물을 이용한 경량골재를 사용하여 저가의 콘크리트의 제조가 가능하고, 고강도가 요구되는 건설분야의 재료로서 널리 이용될 수 있으며, 또한 상기 경량골재는 폐기물의 재활용율을 제고할 수도 있어 환경보호 측면에서 유익한 효과가 있다.

Description

경량골재를 이용한 고강도 콘크리트의 제조방법{Method for Manufacturing High-Intensity Concrete Using Lightweight Aggregate}
발명의 분야
본 발명은 경량골재를 이용한 고강도 콘크리트의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시멘트에, 고령토, 셰일, 석분 등을 혼합하여 제조한 경량골재, 고성능감수제, 실리카흄, 방수제 및 수화촉진제를 혼합하는 것을 특징으로 하는 압축강도 800kg/㎠이상의 고강도 콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
발명의 배경
고강도 콘크리트의 개발은 건축의 경우, 대형화되고 초고층화되어 감에 따라 절실하게 요구되고 있다. 또한 콘크리트의 재료중 잔골재로 사용되고 있는 자연사의 무분별한 채취는 자연생태계 및 환경의 불균형을 초래했고, 자연사의 품질을 급속도로 저하시키는 결과를 가져왔다. 이에 고강도 콘크리트의 연구는 그동안 상당히 활발히 진행되어 왔지만, 실질적으로 800kg/㎠이상의 강도를 가지는 콘크리트의 실용화는 미미한 실정이다. 원인은 고강도화 하기 위한 혼합재의 가격이 매우 비싸 콘크리트의 제조원가를 상승시키기 때문이다. 현재 고온고압에서 양생하는 오토클레이브 양생법에 의한 고강도 콘크리트 제조법인 고강도 콘크리트 조성물(대한민국 특허출원번호 제 1999-016686호)이 개발되었으나 실용화되기는 어려운 실정이다. 그 이유는 재료적인 측면에서 상당한 고가이고, 양생중에 수열반응시킴으로써 콘크리트 크리이프가 아주 크게 되며, 이로 인해 프리스트레스의 손실이 커서 프리스트레스 제품의 사용에 큰 제약을 받을 뿐 아니라, 고압의 오토클레이브 양생을 필요로 하므로 설치비 및 생산비가 많이 들어 특수목적 이외의 일반화된 고강도 콘크리트의 제조에 사용하기는 어렵기 때문이다.
본 발명의 목적은 폐기물을 이용하여 제조된 경량골재를 이용해서, 압축강도 800kg/㎠이상의 고강도 콘크리트를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 포틀랜드시멘트 100중량부에 대해, 고령토 100중량부당, 셰일 30~90중량부, 석분 3~10중량부, 석탄회 30~90중량부, EAF(Electric Arc Furnace) 더스트 30~70중량부 및 제지슬러지 소각회 30~70중량부를 혼합하여 제조된 경량골재 200~300중량부, 고성능 AE감수제 1.3~1.9중량부, 모래 100~150중량부,실리카흄 2~40중량부, 방수제 1~3중량부 및 수화촉진제 0.1~8중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 고성능 AE감수제는 나프탈렌계, 멜라민계 및 폴리카르본산계로 구성된 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 방수제는 고분자에멜젼인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 조성물을 상세히 설명하면 다음과 같다.
(1) 실리카흄
고강도콘크리트의 제조시 실리카흄은 시멘트 대체재와 강도 및 내구성 증진을 위한 혼화재로 사용된다. 자세히 살펴보면 실리카흄은 약 2000℃정도에서 금속실리콘 및 규소강 제조시 생성되는 부산물로 휘발되는 SiO2 초미립자를 응축포집한 것이며, 평균입경이 1㎛ 이하인 초미립자로서 그 활성도가 매우 크다. 또 이 실리카흄은 블레인 값이 약 200,000㎠/g인 초미립자이기 때문에 이를 시멘트에 대하여 2~40중량%를 첨가시켜 주면 강도상승 및 백화를 방지해주는 효과가 있게 된다. 이러한 작용을 하는 실리카흄의 작용메카니즘을 설명하면 다음과 같다. 즉, 시멘트 평균 입경이 30~50㎛인데 비해, 실리카흄은 평균입경이 1㎛이하인 구형의 초미립자들로 구성되어 있으므로, 이들 입자가 시멘트 입자 사이의 공극을 메우는 초미립자의 충진효과에 의해 공극을 더욱 줄여줌으로써 강도를 증가시켜주고 백화발생 염류들의 이온이동을 억제하여 백화발생 요인을 감소시켜 주게 된다.
실리카흄은 또한 비표면적이 크고 수산화칼슘과 단시간에 반응하여 겔상태의 물질을 생성하기 때문에 슬럼프가 나빠질 뿐만 아니라, 시간에 따른 슬럼프 손실이 크게 된다. 따라서 소요의 슬럼프를 얻기 위해서는 필요한 단위수량을 증가시키던가 아니면 고성능 감수제를 병용하면 이를 방지할 수 있다. 실리카흄을 사용한 콘크리트는 점도가 높고 재료 분리에 강한 특성을 갖고 있다.
(2) 시멘트
본 발명에서는 고강도콘크리트의 실용화를 고려하여 일반적인 보통 포틀랜트 시멘트를 사용하였다. 다른 시멘트를 보면 중용열, 조강, 초조강 및 슬래그 혼합시멘트가 있는데, 이중 조강포틀랜드 시멘트을 사용하면 특히 우수한 강도를 나타낸다. 시멘트의 물리적 성질을 살펴보면, 안정도(%)는 0.085%, 블레인은 3,350㎠/g, 응결시간중 초결시간은 240분, 종결시간은 5시간 50분, 압축강도는 240㎏/㎠ 및 비중 381이다.
(3) 수화촉진제
수화촉진제로는 수산화칼슘 또는 수산화나트륨이 첨가되게 되는데, 이들은 실리카흄의 반응성을 높여주는 촉진제로서 수화초기에 시멘트 수화시 생성되는 수산화 칼슘량이 용출되기 전의 반응을 신속하게 해준다. 또한 첨가된 수화촉진제는 시멘트 광물의 수화반응도 촉진시켜 단시간에 높은 강도를 발현하도록 도와주게 된다. 이들 촉진제의 첨가량은 실리카흄 중량에 대하여 5~20중량%가 바람직하다. 만일, 이들의 양이 5중량% 미만일 때에는 반응촉진 및 탈형 정도가 저하되며, 20중량%를 초과할 때에는 백화가 발생되기 쉽게 된다.
(4) 경량골재
본 실험에 사용한 경량골재는 고령토, 셰일, 석분, 석탄회를 주재료로 하여, 다양한 산업폐기물들을 조성에 따라 적절히 혼합한 후 성형, 건조 및 소결함에 따라 높은 기계적 강도를 가지는 것으로서, 폐기물의 재활용율을 제고할 수 있으며 저가로 경제적 효과를 가지는 것이다. 경량골재를 제조하는 데 필요한 재료들의 성분은 표 1과 같다.
EAF더스트 셰일 석탄회 석분 고령토 제지슬러지 소각재
SiO2 5.50 58.92 64.38 65.49 59.93 41.92
Al2O3 1.03 15.83 23.16 13.58 21.75 28.21
Fe2O3 45.32 2.98 3.15 2.23 3.54 0.72
CaO 5.52 1.32 1.00 1.92 0.57 12.83
MgO 1.35 0.91 0.60 1.02 0.42 6.21
SO3 - - - - - -
Ig-loss 14.35 3.18 3.24 3.45 8.57 4.52
(단위: 중량%)표 1에 기재되지 않은 나머지 성분은 측정되지 않는 기타 미량 성분이다.
(5) 고성능 감수제
콘크리트를 고강도화하기 위한 기본배합은 물과 시멘트비가 필수적으로 낮아야하므로, 이에 따른 작업성을 확보하기 위하여 고성능 AE감수제(Superplasticizing Air Entrainning Agent)를 사용한다.
(6) 방수제
단위수량저감, 강도 및 내구성 향상의 목적으로 첨가한다.
실시예의 재료들은 용량 60ℓ의 팬타입믹서를 이용하여 믹싱(mixing)을 하였고, 믹싱방법은 시멘트에 모래를 첨가하여 건모르터를 만들었고, 건모르터에 물, 고성능 AE감수제, 실리카흄, 방수제 및 수화촉진제를 투입하여 1분간 믹싱을 하여 유동화 모르터(mortar: 시멘트, 모래와 물을 섞은것)를 만들었으며, 유동화 모르터 위에 경량골재를 투입하여 2분간 믹싱을 하였다. 믹싱에 의해 얻어진 각 실시예의 조합물을 제조직후 아직 굳지 않은 상태에서 2층으로 나누어 몰드에 투입한 후 각 층에 대하여 내부의 기포가 제거될 때까지 진동다짐을 행하여 공시체를 제작하였다.
다음으로 양생을 하는데, 양생이란 콘크리트치기가 끝난 후, 온도, 건조, 하중, 충격, 오손, 파손 등의 유해한 영향을 받지 않도록 보호, 관리하여 콘크리트를 굳어지게 하는 것으로 보양이라고도 한다. 콘크리트는 경화를 계속하여 28일이 지나면 거의 최종압축강도에 도달하며, 이 때까지는 시멘트의 화학작용이 계속되므로, 일광의 직사, 한기, 풍우를 피하고 콘크리트의 수화작용을 촉진하기 위하여 거적이나 포장 등을 덮어 씌워, 하절기에는 7일이상, 보통은 5일이상 살수하여 습윤을 유지하고, 한랭기에는 5일간은 2℃이하가 되지 않도록 보온을 하여야 한다. 타설후 3일간은 파손되기 쉬우므로 충격을 주지 않도록 보호하여야 한다.
본 발명에서는 양생방법으로 표준양생법을 사용하였다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 실시예에 의하여 구체적으로 제한되지 않는다는 것은, 당업계에서 통상적인 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
실시예 1: 경량골재의 제조방법
고령토 300kg에 대하여, 셰일 150kg, 석분 18kg, 석탄회 180kg, EAF더스트 180kg 및 제지슬러지 소각회 180kg를 습식혼합하여 혼합체를 제조하였다. 상기 필터케이크를 2일동안 숙성하여 필터케이크 내의 수분 분포를 균일하게 하고, 막대 형상과 같은 형상으로 1차 성형하여 제1성형체를 형성하였다. 계속해서 제 1 성형체를 적당한 사이즈로 절단하고, 조립기를 사용하여 2차 성형해서 구형의 형상을 갖는 제 2 성형체를 형성하였다. 상기 제 2 성형체를 200℃온도의 오븐에서 2시간동안 건조시킨 후, 건조된 제 2 성형체를 로터리 킬른 내에 투입하여 1200℃의 소성온도에서 3미터/분 정도의 속도로 이동시키면서 소결하여 소결체를 형성하였다. 소성공정시의 승온속도는 20℃/분으로 하였다. 상기 로터리 킬른에 투입되는 건조체의 양은 로터리 킬른의 단면적을 기준으로 하여 15%가 되도록 조절하였다. 상기 소결체를 400℃온도에서 서서히 냉각시켜 최종적으로 경량 골재를 제조하였다.
실시예 2: 콘크리트의 제조방법
포틀랜드시멘트 300kg에, 실시예 1에서 제조된 경량골재 700kg을 첨가한 다음, 물 150kg, 모래 390kg, 고성능감수제 4.5kg, 실리카흄 60kg, 방수제 6kg, 수화촉진제 30kg을 첨가하여 고강도 콘크리트 조성물을 제조하였다.
실시예 3: 콘크리트 특성의 측정
상기와 같은 조합과 비빔방법과 양생에 의해 얻어진 각 실시예에 따른 고강도 콘크리트를 KS F 2405에 따라 압축강도를 시험한 결과는 표 2와 같다.
실험일수 3일 7일 28일
압축강도(kg/㎠) 682 807 1093
표 2에 나타난 바와 같이, 강도가 높게 측정되었는데 이는, 시멘트 페이스트와 고강도 혼합재인 경량골재 및 다른 유기용제를 적절히 혼합하였기 때문이다. 수화촉진제를 첨가시킴으로써 고강도 특성을 유지하면서 동시에 백화현상이 없이 매끄럽고 광택이 있는 콘크리트 제품을 제조할 수 있었고, 실리카흄 및 방수제 첨가로 인해 내구성과 강도를 높일 수 있었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.
본 발명에 따르면, 저렴한 원료로 제조된 경량골재를 사용하여 저가의 콘크리트의 제조가 가능하고, 고강도가 요구되는 건설분야의 재료로서 널리 이용될 수 있으며, 또한 상기 경량골재는 폐기물의 재활용율을 제고할 수도 있어 환경보호 측면에서 유익한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 고강도 콘크리트의 제조방법에 있어서, 포틀랜드시멘트 100중량부에 대해, 고령토 100중량부당, 셰일 30~90중량부, 석분 3~10중량부, 석탄회 30~90중량부, EAF(Electric Arc Furnace) 더스트 30~70중량부 및 제지슬러지 소각회 30~70중량부를 혼합하여 제조된 경량골재 200~300중량부, 나프탈렌계, 멜라민계 및 폴리카르본산계로 구성된 군에서 선택된 어느 하나인 고성능 AE감수제 1.3~1.9중량부, 모래 100~150중량부, 실리카흄 2~40중량부, 방수제 1~3중량부 및 수산화칼슘 또는 수산화나트륨인 수화촉진제 0.1~8중량부를 혼합하여 성형하는 단계; 표준양생법으로 양생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 콘크리트의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100837809B1 (ko) 2007-12-06 2008-06-13 충남대학교산학협력단 석탄회, 반응자극제, 물유리 및 보강용 신소재를 활용한다기능 자원순환형 해양생태 친화 콘크리트의 제조방법
KR101253013B1 (ko) * 2012-10-08 2013-04-15 고재웅 인공 경량 골재 및 이의 제조 방법
WO2013089431A2 (ko) * 2011-12-15 2013-06-20 삼성물산 (주) 강도발현의 극대화를 위한 초고강도 콘크리트의 관리방법

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