KR101561003B1 - 자기발열 슬래그를 포함한 시멘트 조성물, 이를 포함한 한중 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 구조물의 시공방법 - Google Patents

자기발열 슬래그를 포함한 시멘트 조성물, 이를 포함한 한중 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 구조물의 시공방법 Download PDF

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Abstract

자기발열 슬래그를 포함한 시멘트 조성물, 이를 포함한 한중 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 구조물의 시공방법이 개시된다. 본 발명의 시멘트 조성물은, C3A(3CaO·Al2O3)을 주요광물로 포함하며, Al2O3를 20 중량% 이상 함유하는 자기발열 슬래그; 시멘트; 및 석고를 포함한다.

Description

자기발열 슬래그를 포함한 시멘트 조성물, 이를 포함한 한중 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 구조물의 시공방법{CEMENT COMPOSITION HAVING SELF-EXOTHERMIC SLAG, COLD WEATHER CONCRETE COMPOSITION HAVING THE SAME, AND CONSTRUCTION METHOD FOR STRUCTURE USING THE SAME}
본 발명은 동절기 한중 콘크리트의 시멘트 재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 자기발열 슬래그의 자기발열 특성을 이용한 시멘트 조성물을 한중 콘크리트에 적용하여 초기 동해를 방지하고 강도를 증진할 수 있으며 환경부하가 적은 극한환경 시멘트 재료에 관한 것이다.
건설공사 현장에서 건설공기의 중요성은 항상 강조되고 있으며 그에 따른 다양한 시공 기술과 새로운 재료의 개발도 끊임없이 요구되고 있다. 특히 지구온난화로 인하여 한반도의 겨울이 길어졌으며 겨울철 일 평균 기온 또한 낮아지고 있는 점을 감안할 때 연중 시공을 위하여 한중 콘크리트는 매우 중요한 이슈로 부각되고 있다.
여기서, 한중 콘크리트란 건축공사 표준 시방서의 철근콘크리트공사에 따르면 “콘크리트를 부어넣은 후의 양생기간에 콘크리트가 동결할 염려가 있는 경우에 시공되는 콘크리트”로 정의하고 있다.
동절기 콘크리트 공사에 사용되는 한중 콘크리트에 대한 연구는 한중 콘크리트 제조기술과 가열 보온양생 방법에 관한 연구로 구분할 수 있다. 한중 콘크리트 제조기술이란 물과 골재를 가열하여 콘크리트의 온도를 높이는 일반적인 방법과 내한 촉진제를 사용하여 동결온도 이하에서 상당량의 수분이 동결하지 않고 경화가 진행되도록 하는 방법이다. 가열 보온양생 방법으로는 제트히터, 갈탄 등 열원 공급을 통한 가열보온 양생을 실시하거나, 거푸집 등에 열선을 활용하여 가열하는 단열 양생방법이 있다.
그러나, 이러한 방법들은 에너지 사용량 및 열원의 불균일한 공급 등으로 인해 품질저하, 공기지연 및 공사비 증대 등 여러 사회적인 비용 발생을 야기하고 있다. 또한 아직까지 시멘트 자체의 원천 재료에 대한 연구에 대해서는 부족한 실정이며 대부분의 건설공사 현장에서는 주로 보통 포틀랜드 시멘트만을 사용하고 있다.
한편, 겨울철 구조물의 안정성 및 고내구성을 확보하기 위해서는 시공단계 초기에 보다 세밀하고 엄격한 시공 재료를 필요로 하게 된다. 콘크리트는 기본적으로 물과 시멘트 재료의 수화반응으로 수화열이 발생하며 수화반응에 의해 굳어지기 때문에 초기 콘크리트의 온도는 매우 중요하다. 시공초기 기온 하락(일 평균 4℃이하)으로 이에 적절히 대처하지 못하게 되면 콘크리트가 동결되는 초기 동해 피해가 발생할 수 있고 경화 지연으로 강도발현이 어려운 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 동절기에 한중 콘크리트의 시공에 있어서 콘크리트의 강도발현 원천재료인 시멘트 조성물이 발열하게 된다면 이러한 초기 동해 피해를 최소화할 수 있으며 장기적으로는 콘크리트의 안정성 및 내구성을 확보하는데 크게 기여할 수 있다.
관련 선행기술로는 등록특허공보 제10-01339294호(발명의 명칭: 한중 콘크리트 양생 시스템, 공고일자: 2013년 12월 10일) 및 공개특허공보 제10-2013-0001388호(발명의 명칭: 용융 슬래그를 이용한 발열 슬래그의 제조방법, 이에 의해 제조된 발열 슬래그 및 상기 발열 슬래그를 포함하는 발열 모르타르 및 발열 콘크리트, 공개일자: 2013년 01월 04일)가 있다.
본 발명자는 저온 환경, 특히 동절기 영하의 온도의 극한 환경에서 콘크리트의 강도발현 원천재료인 시멘트 조성물이 발열(發熱)하게 된다면, 전술한 초기동해 피해를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 장기적으로는 콘크리트의 안정성 및 내구성을 확보하는데 크게 기여할 수 있음을 착안하였다.
이에, 본 발명은 자기발열 슬래그의 수화열 특성과 고분말도 시멘트의 적용을 통해 초기 동해를 방지하여 소정의 초기 압축강도를 달성할 수 있는 시멘트 조성물 및/또는 한중 콘크리트를 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 시멘트 조성물 및/또는 한중 콘크리트를 조성물을 적용하여 저온 환경하에서 실시되는 모든 구조물의 시공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, C3A(3CaO·Al2O3)을 주요광물로 포함하며, Al2O3를 20 중량% 이상 함유하는 자기발열 슬래그; 시멘트; 및 석고를 포함하는 시멘트 조성물에 달성된다.
여기서, 상기 자기발열 슬래그는 전체 중량을 기준으로 CaO 45~60 중량%, Al2O3 20~40 중량%, SiO2 2~5 중량%, Fe2O3 1~5 중량%, MgO 4~9 중량%, K2O 0.01~0.1 중량%, Na2O 0.01~0.1 중량%, 및 SO3 0.5~3 중량%을 포함하는 조성인 것이 바람직하다. 상기 자기발열 슬래그는 제강공정의 정련과정에서 배출되는 부산물로서 공기 중에서 냉각된 제강슬래그이고, 상기 자기발열 슬래그의 분말도는 4,000~10,000 cm2/g 범위인 것이 바람직하다.
상기 시멘트는 4,000~5,700 cm2/g 범위의 분말도를 갖는 고분말도 시멘트인 것이 바람직하다. 상기 고분말도 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 분쇄하여 제공되는 것이 바람직하다.
상기 석고는 천연석고, Ⅲ형 무수석고, Ⅱ형 무수석고, 이수석고, 반수석고, 탈황석고, 인산석고, 및 중화석고로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 시멘트 조성물은 전체 100 중량%를 기준으로, 자기발열 슬래그 5~30 중량%; 고분말도 시멘트 60~90 중량%; 및 석고 1~15 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 전술한 시멘트 조성물; 골재; 및 배합수를 포함하는 한중 콘크리트 조성물에 의해 달성된다.
더 나아가, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 시멘트 조성물 또는 콘크리트 조성물을 이용하는 구조물의 시공방법에 있어서, 전술한 시멘트 조성물 또는 한중 콘크리트 조성물을 적용하는 구조물의 시공방법에 의해 달성된다.
본 발명은, 높은 발열반응으로 전체적인 조성물의 반응을 활성화시켜주는 자기발열 슬래그와 초기 강도를 높여주는 고분말도 시멘트를 적용함으로써, 한중 콘크리트 시공에 있어서 초기 동해를 견딜 수 있는 초기 압축강도를 달성하여 궁극적으로 콘크리트의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 자기발열 슬래그, 보통 포틀랜드 시멘트 및 고분말도 시멘트를 각각 이용하여 상온(20℃)에서의 단열온도 상승결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 보통 포틀랜드 시멘트, 고분말도 시멘트, 실시예 1~2 및 비교예 1의 조성물을 각각 이용하여 저온(-5℃)에서의 단열온도 상승결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
동절기 영하의 기온조건하에서 콘크리트 재료가 동결되는 경우 구조물 콘크리트의 품질에 중대한 문제가 발생할 수 있다. 이러한 피해를 ‘초기 동해’라 하는데, 이는 경화의 초기단계에 있어서 동결 또는 반복적인 동결 융해작용에 따라 강도저하, 파손, 균열을 일으키는 피해로 정의될 수 있다. 즉, 굳지 않은 콘크리트가 극히 초기 단계에서 동결된 후에는 콘크리트의 손상이 현저하므로, 그 피해를 입게 될 경우 콘크리트의 내구성이 심각하게 저하되고, 심지어 콘크리트의 재시공이 필요한 경우도 있다.
동결은 아직 응결이 시작되지 않은 동결과, 응결이 완료되었더라도 초기에 강도 발현이 초기동해를 견딜 수 있는 강도 즉, 일반적으로 최저 압축강도가 5Mpa이다. 이를 해결하기 위하여, 일반적으로 물과 골재를 가열하여 시멘트의 수화반응을 촉진하는 형태로 시공되고 있으며, 시멘트 조성물 자체의 발열에 관해서는 개발 및 시도가 부족한 실정이다.
본 발명은 한중 콘크리트 공사에서 가장 중요한 요소인 굳지 않은 콘크리트가 동결하지 않고 소요의 압축강도를 발휘하여 초기 동해를 방지함과 동시에, 가열 보온 양생으로 인한 불균일한 열원 공급 등에 의해 품질저하 및 환경 사회공학적 문제점들을 해결하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명에서는 한중 콘크리트 시공시 자기발열 슬래그의 수화열 특성과 고분말도 시멘트를 복합 사용하는 시멘트 조성물 및 이를 이용한 콘트리트 조성물, 상기 시멘트/콘크리트 조성물을 이용한 시공방법을 제공하고자 한다.
보다 구체적으로, 본 발명에서 채용하는 자기발열 슬래그는 칼슘-알루미네이트계 광물(주요 광물로 C3A를 포함하면서 Al2O3 20 중량% 이상 함유)로서, 자체 수화반응을 통해 발열이 되는데, 이는 혼합된 고분말도 시멘트와의 전반적인 수화반응을 촉진시킬 수 있다. 또한 수화반응 결과물로서 생성된 칼슘-알루미네이트계 수화물은 또 다른 성분인 석고와 연속적으로 반응하여 다량의 에트링가이트(ettringite)를 형성하는데, 이러한 과정을 통해 추가적인 발열과 생성된 각종 수화물들에 의하여 초기강도를 향상시켜 장기적으로는 내구성을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.
또한 상기 자기발열 슬래그는 별도의 소성과정 필요없이 시멘트 대체량 만큼 온실가스 발생량을 저감할 수 있는 소재이므로, 친환경적이다.
이하, 본 발명에 따른 시멘트 조성물 및 이를 이용한 한중 콘크리트 조성물을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 화학조성에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 변형되거나 또는 선택적으로 혼용될 수 있다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
<시멘트 조성물>
종래 제강슬래그는 유리석회 (free-CaO) 함량이 다소 높아 그간 제대로 활용되지 못했던 것에 비해, 본 발명에서는 상기 제강슬래그에 자기발열 특성을 접목하여 주요 성분으로 적용하고, 이를 고분말도 시멘트와 복합 사용하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 발열 시멘트 조성물은, (a) C3A을 주요광물로 포함하며, Al2O3를 20 중량% 이상 함유하는 자기발열 슬래그; (b) 고분말도 시멘트; 및 (c) 석고를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 자기발열 슬래그의 칼슘-알루미네이트계 광물 (주요 광물로 C3A를 포함하면서 Al2O3 20 중량% 이상 함유)은 가장 빠르며 높은 발열반응으로 전체적인 조성물의 반응을 활성화시켜 주는 역할을 한다. 또한 혼용되는 고분말도 시멘트는 초기 강도를 높여주는 효과를 가지게 되고, 이는 칼슘-알루미네이트계 수화물, 칼슘-실리케이트계 수화물, 및 ettringite 등을 다량으로 생성시킨다. 이러한 일련의 수화반응들을 통해 초기 동해를 견딜 수 있는 강도 즉, 최저 압축강도 5Mpa를 달성하는데 매우 효과적이다.
본 발명에 따른 시멘트 조성물을 구성하는 첫번째 성분은 자기발열 슬래그(a)이다.
이러한 자기발열 슬래그는 제강공정의 정련과정에서 배출되는 부산물로 공기 중에서의 자연냉각 등의 방법으로 천천히 냉각된 제강슬래그를 의미한다.
상기 제강슬래그는 C3A (3CaO·Al2O3)을 주요 광물로 포함하며, Al2O3 성분을 20 중량% 이상 함유하고 있다. 이러한 칼슘-알루미네이트계 광물이 수화반응을 하는 경우, 일반 무기재료인 보통 포틀랜드 시멘트의 주요 광물인 C3S (3CaO·SiO2) 및 C2S (2CaO·SiO2)의 수화반응 보다 더 높은 수화열을 발생시키게 되므로, 1차적으로 발열특성을 나타낸다. 또한 상기 수화반응의 결과물로서 C3AH6 (3CaO·Al2O3·6H2O) 등의 칼슘-알루미네이트계 수화물들이 형성된다. 이러한 칼슘-알루미네이트계 수화물들은 연속적으로 석고와 반응하면서 에트링가이트[ettringite, (Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O)]을 생성하는데, 이 반응에서도 상당한 열이 발생하므로 2차적으로 발열 특성을 나타내게 된다. 즉, 자기발열 슬래그 및 고분말도 시멘트를 포함하는 본 발명의 조성물은 전술한 일련의 반응을 통해 동절기 영하 온도 환경하에서 수화반응으로 재료 자체가 발열하기 때문에, 응결경화의 초기에 동해를 방지하고 강도를 증진할 수 있다.
상기 자기발열 슬래그는 전체 중량을 기준으로 CaO 45~60 중량%, Al2O3 20~40 중량%, SiO2 2~5 중량%, Fe2O3 1~5 중량%, MgO 4~9 중량%, K2O 0.01~0.1 중량%, Na2O 0.01~0.1 중량%, 및 SO3 0.5~3 중량%을 포함하는 화학조성일 수 있다.
또한 상기 자기발열 슬래그의 분말도는 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 4,000~10,000 cm2/g 범위일 수 있다.
또한 자기발열 슬래그는 상기 시멘트 조성물의 전체 중량 대비 5~30 중량% 범위로 사용될 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 30 중량% 범위이다. 본 발명에서 자기발열 슬래그는 발열로 인하여 초기 강도발현에 긍정적인 영향을 주지만, 시멘트 조성물의 성분으로 30 중량%를 초과하게 되면 자기발열 슬래그 자체가 수화반응에 의한 경화특성이 높지 않기 때문에, 장기적인 강도 및 내구성 증진에는 도움이 되지 못한다.
본 발명에 따른 시멘트 조성물을 구성하는 두번째 성분은 고분말도 시멘트(b)이다. 이러한 고분말도 시멘트는 종래 보통 포틀랜드 시멘트 보다 높은 분말도를 가짐에 따라 초기 수화반응을 보다 빠르게 하는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 보통 포틀랜드 시멘트에 포함된 C3S 및 C2S는 경화 특성을 발현하는 최종수화물인 CSH(CaO·SiO2·H2O)를 형성시키는데 가장 중요한 광물이다. 이들은 자체 경화 및 혼합된 자기발열 슬래그의 잠재수경성 등의 수화 반응에 적극 참여하는 역할을 하는데, 저온 환경에서 빠른 수화반응을 유도하기에는 한계가 있다.
이에, 본 발명에서는 종래 보통 포틀랜드 시멘트의 분말도(3,000~3,900 cm2/g) 보다 높은 분말도를 갖는 고분말도 시멘트를 사용하는 것을 또 다른 특징으로 한다. 이러한 고분말도 시멘트는 높은 비표면적을 통해 수화반응을 활성화시켜, 동절기 영하의 저온 환경하에서도 수화반응을 보다 빠르게 할 수 있다. 따라서 재료가 초기 압축강도를 높이는데 크게 기여하여, 응결경화 초기에 동해를 방지할 수 있다.
상기 고분말도 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 고분말도로 분쇄시켜 형성된 미분말로서, 종래 보통 포틀랜드 시멘트의 분말도보다 높기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 상기 고분말도 시멘트의 분말도는 4,000~5,700 cm2/g 범위일 수 있으며, 바람직하게는 4,000~5,000 cm2/g 범위일 수 있다.
상기 고분말도 시멘트의 함량은, 시멘트 조성물의 전체 중량 대비 60~90 중량% 범위일 수 있으며, 바람직하게는 65 내지 85 중량% 범위이다.
본 발명에 따른 시멘트 조성물을 구성하는 세번째 성분은 석고 (c)이다.
상기 석고는 당 분야에 알려진 통상적인 석고 성분을 제한 없이 사용할 수 있으며, 사용 가능한 석고의 비제한적인 예로는, 천연석고, Ⅲ형 무수석고, Ⅱ형 무수석고, 이수석고, 반수석고, 탈황석고, 인산석고, 상기 인산석고에 생석회를 포함하는 중화석고 또는 이들의 1종 이상 혼합물 등이 있다.
상기 석고의 함량은, 본 발명에 따른 시멘트 조성물의 전체 중량 대비 1~15 중량% 범위일 수 있으며, 바람직하게는 3 내지 12 중량% 범위이다. 석고는 자체 경화하는 특성이 없기 때문에, 사용량이 15 중량%을 초과하면 시멘트 자체의 함량이 상대적으로 적게 되어 경화반응이 제대로 이루어지지 않아 내구성을 저해하게 된다.
전술한 성분들 이외에, 본 발명의 시멘트 조성물은 당 분야에서 시멘트 조성물에 적용 가능한 통상적인 첨가제를 제한 없이 사용할 수 있다. 일례로 상기 첨가제는 분산제, 유지제, 방청제, 경화제, 응집제, 팽창제, 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
여기서, 상기 분산제, 유지제, 방청제, 경화제, 응집제, 팽창제, 소포제 등은 당 분야에 알려진 통상적인 성분을 제한 없이 사용할 수 있으며, 이의 사용량 역시 특별히 제한되지 않는다.
<한중 콘크리트 조성물>
본 발명에 따른 한중 콘크리트 조성물은 상온 뿐만 아니라, 특히 4℃ 이하의 저온 환경하에서 양생 72 시간 이내에 5MPa 이상의 압축 강도를 발현하여 초기동해를 방지하는 것을 특징으로 한다.
이를 위해, 상기 한중 콘크리트 조성물은 전술한 시멘트 조성물을 포함하며, 추가로 골재 및/또는 배합수를 포함하여 구성된다.
상기 골재는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 모래, 자갈 등을 제한 없이 사용할 수 있으며, 특히 본 발명의 콘크리트 조성물이 사용되는 용도에 따라 골재(모래나 자갈)의 혼입, 굵기, 함량 등을 자유롭게 조절할 수 있다. 또한 배합수의 함량 역시 적절히 조절될 수 있다.
이외에, 본 발명의 콘트리트 조성물은 응집제, 경화제, 경화촉진제, 경화지연제, 팽창제, 감수제 등 기존 콘크리트에 통상적으로 사용되는 첨가제들을 제한없이 사용할 수 있다.
<구조물의 시공방법>
나아가, 본 발명은 전술한 시멘트 조성물 또는 콘크리트 조성물을 이용하는 구조물의 시공방법을 제공한다.
여기서, 상기 구조물의 시공은 일반적으로 일컫는 건축물 또는 구조물의 건축, 보수 및 보강 뿐만 아니라, 특히 상온 및 4℃ 이하 저온환경에서의 건축물 또는 구조물의 건축, 보수, 및 보강을 모두 의미함은 물론이다.
보다 구체적으로, 상기 구조물의 시공은 주택, 학교, 빌딩, 아파트 등과 같은 건축물 또는 구조물의 신축, 보수, 및 보강; 도로, 철도 등의 신축, 보수, 및 보강; 댐, 교각, 터널 등의 신축, 보수, 및 보강 등 시멘트 작업을 대량으로 하는 토목공사 및 시멘트 조성물 또는 콘크리트 조성물을 적용하는 모든 건축현장의 건축물 또는 구조물의 시공, 보수, 및 보강 방법을 모두 포함한다.
특히 상기 구조물의 시공에 있어서, 상기 건축물 또는 구조물의 신축에는 본 발명의 콘크리트 조성물이 사용될 수 있으며, 보수 및 보강에는 시멘트 조성물이 사용될 수 있다.
상기 구조물의 시공방법은 특별히 한정되지 않으며, 종래의 시멘트 몰탈 또는 콘크리트가 적용되는 다양한 시공분야에 동일한 방법으로 적용이 가능하다. 특히, 동절기 영하의 환경에서 시멘트 몰탈 또는 콘크리트 시공이 단시간 내에 이루어져야 할 필요성이 있는 경우에 그 효과가 더욱 크게 나타날 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예와 비교예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
[ 참조예 ]
하기 표 1과 2는 본 발명의 시멘트 조성물 및 한중 콘크리트 조성물에 포함될 수 있는 재료의 예시적인 조성 및 가공된 재료의 물리적 특성을 각각 나타낸 것이다. 표 1과 2는 본 발명에서 제공하는 조성물의 구성성분 및 물성과 동일하다.
조성(%)
Ig-Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 f-Cao
슬래그1 0.8 3.66 33.22 2.88 48.89 5.30 0.00 3.06
시멘트2 1.98 21.59 4.68 3.41 62.39 2.51 2.06 0.21
고분말도3 1.37 21.16 4.77 3.39 62.06 2.65 3.26 0.08
1 자기발열 슬래그; 2 보통 포틀랜드 시멘트; 3 고분말도 시멘트
비중 분말도(cm2/g) 잔사(%)
슬래그1 2.82 5000 28.5
시멘트2 3.15 3400 7.5
고분말도3 3.12 4200 2.7
1 자기발열 슬래그; 2 보통 포틀랜드 시멘트; 3 고분말도 시멘트
[ 실시예 1~2 및 비교예 1의 조성물]
하기 표 3은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 시멘트 조성물 시료들에 대한 배합비를 각각 나타낸 것이다.
배합 조성 (중량%)
비교예 1 (배합1) 실시예 1 (배합2) 실시예 2 (배합3)
자기발열 슬래그 15 15 29
고분말도 시멘트 85 77 61
석고 - 8 10
총 합 100 100 100
[ 실험예 1. 자기발열 특성 평가]
본 발명에서 가장 중요한 요소인 자기발열 가능 여부를 확인하기 위한 기초시험으로, KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험 방법) 규정에 따라 모르타르를 제조하여 단열온도(Tokyo Rico사의 ACM-202L-6F) 분석을 수행하였다.
여기서, 온도 시작은 일반적인 시험조건인 상온 20℃와 동절기 영하의 특수한 환경의 조건인 영하 5℃로 각각 나누어 진행하였으며, 이때 분석조건은 1분 간격이었다.
<상온에서 원재료의 단일온도 상승 결과>
수화반응에서 발생되는 열의 측정 시험을 위해서, 자기발열 슬래그, 보통 포틀랜드 시멘트 및 본 발명에서 적용된 고분말도 시멘트를 각각 동일한 조건 20℃로 제조하여 이들의 단일온도를 각각 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 4 및 도 1에 나타내었다.
조성물 단열온도 상승실험(℃)
재료 믹서직후 1日 2日 3日
자기발열 슬래그 20 47.7 64.2 65.5 66.0
보통 포틀랜드 시멘트 20 22.4 56.1 63.5 63.8
고분말도 시멘트 20 24.0 63.0 66.3 66.3
일반적으로 사용되는 보통 포틀랜드 시멘트는 재료온도 20℃에서 믹서 직후 온도는 22.4℃로 나타내어 2.4℃ 상승하였다. 또한, 보통 포틀랜드 시멘트를 분쇄한 고분말도 시멘트는 24.0℃로 4℃ 높아졌으므로, 보통 포틀랜드 시멘트 보다 높은 수화반응 온도를 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다.
한편 자기발열 슬래그는 믹서 직후 47.7℃를 나타내어, 재료 20℃에서 27.7℃로 상승하여 보통 포틀랜드 시멘트 및 고분말도 시멘트 보다 20℃ 이상 높은 우수한 결과를 나타냄을 확인하였다.
결과적으로, 시작온도 20℃의 수화반응으로 발생한 단열온도 상승 곡선을 온도 순으로 나열하면, 자기발열 슬래그 > 고분말도 시멘트 > 보통 포틀랜드 시멘트로 나타낼 수 있음을 알 수 있었다(도 1 및 표 4 참조).
<- 5℃ 에서의 단열온도 상승 결과>
하기 표 5와 도 2는 온도 시작 조건을 영하 5℃로 하여 이들의 단열온도 상승을 평가한 결과이다. 이때 동절기 영하온도의 특수한 환경하에서의 정확한 시험을 위하여 혼합되는 물은 일반적으로 사용되는 방동제를 이용하였으며, 재료 및 측정 용기는 시험 전에 항온항습기 영하 -5℃에 24시간 이상 보관한 후 제조하여 평가하였다.
조성물 단열온도 상승실험(℃)
재료 믹서직후 1日 2日 3日
보통 포틀랜드 시멘트 -5 1.9 19.7 30.5 35.7
고분말도 시멘트 -5 2.2 29.2 37.9 40.3
비교예 1 (배합 1) -5 4.6 41.9 46.4 47.2
실시예 1 (배합 2) -5 2.7 43.4 47.0 47.5
실시예 2 (배합 3) -5 2.9 39.7 44.1 45.4
영하 -5℃의 재료를 믹서한 직후의 온도를 기준으로 볼 때, 비교예 1(배합 1)의 상승 온도가 가장 높았으며, 그 다음으로 각각 실시예 2(배합 3) 및 실시예 1(배합 2)의 순서로 볼 수 있다.
1日 경과 후의 단열온도 상승 곡선을 온도순으로 나열하면, 실시예 1(배합 2) > 배합 1 (비교예1) > 배합 3 (실시예2) > 고분말도 시멘트 > 보통 포틀랜드 시멘트로 나타났으며, 이를 통해 일반 시멘트보다 자기발열 슬래그를 혼합한 배합이 20℃ 정도 높은 결과를 발휘한다는 것을 확인할 수 있었다.
또한 1日 경과 후의 단순 온도 상승 결과를 살펴보면, 상온 (20℃)에서 자기발열 슬래그와 보통 포틀랜드 시멘트의 온도 차이는 약 8℃ 정도의 차이가 나타난 것에 비해, 영하 5℃의 저온 조건하에서 자기발열 슬래그를 15% 이상 함유한 비교예 1, 실시예 1~2 및 보통 포틀랜드 시멘트는 약 20℃ 정도 높은 결과를 보였다.
전술한 온도발현 결과들은 본 발명의 조성물 구성성분 중 자기발열 슬래그가 온도 상승을 유발하는 발열 효과가 있음을 보여주고 있으며, 이는 기존 보통 포틀랜드 시멘트 및 이를 고분말도로 분쇄한 시멘트 보다 높은 결과를 보여주었다. 특히 영하의 극한 환경에서도 우수한 결과를 발휘하였는데, 그 중에서도 수화 초기 1日에 상대적으로 더 높게 나타남을 알 수 있었다.
[ 실험예 2. 저온 환경하에서 압축강도 특성 평가]
본 발명의 조성물이 저온 환경하에서 우수한 강도를 발현할 수 있는지를 알아보기 위한 기초시험으로, KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험 방법) 규정에 따라 모르타르를 각각 제작한 후 온도별 (20℃, 2℃, -5℃) 재령일에 따른 압축강도를 평가하였다. 이후 그 결과를 하기 표 6 내지 표 8에 각각 나타내었다.
정확한 실험을 위하여 모든 온도 조건은 항온항습기를 이용하여 시험일 24시간 전에 재료 및 측정 용기를 보관하여 동일자에 비교 평가하였다. 본 시험은 3회 이상 비교 평가하여 나타낸 결과이다.
<상온 20℃ 모르타르의 압축강도 평가 시험>
조성물 압축강도 (MPa)
3日 7日 28日
보통 포틀랜드 시멘트 32.3 42.9 51.3
고분말도 시멘트 39.3 48.0 58.5
비교예 1 (배합 1) 20.3 29.9 41.0
실시예 1 (배합 2) 36.1 41.3 48.2
실시예 2 (배합 3) 34.7 45.1 47.1
상기 표 6은 20℃에서의 압축강도 결과를 나타낸 것으로서, 가장 우수한 재료는 고분말도 시멘트로 나타났다. 고분말도 시멘트는 양생 모든 기간에 걸쳐 우수한 결과를 나타냈으며, 비교예 1(배합 1)은 가장 낮은 결과를 나타내었다. 자기발열 슬래그를 15% 이상 함유하고 있으며 석고를 일부 함유하고 있는 실시예 1 및 2 (배합 2~3)는 보통 포틀랜드 시멘트 보다 3日 강도가 우수하게 나타나 초기 강도 상승 효과가 있는 것으로 평가되었다. 이후 28일 강도는 보통 포틀랜드 시멘트보다 낮은 결과를 얻었으며, 본 발명에 적용된 조성물 중 실시예 1 (배합 2)이 가장 우수하다는 것을 확인하였다.
<상온 2℃ 모르타르의 압축강도 평가 시험>
조성물 압축강도 (MPa)
3日 7日 28日
보통 포틀랜드 시멘트 13.6 25.0 40.0
고분말도 시멘트 17.3 30.5 49.3
비교예 1 (배합 1) 6.9 16.7 25.5
실시예 1 (배합 2) 18.9 30.0 39.7
실시예 2 (배합 3) 18.7 28.8 37.5
상기 표 7은 2℃에서의 압축강도 결과를 나타낸 것으로서, 가장 우수한 재료는 20℃에서의 결과와 마찬가지로 고분말도 시멘트로 나타났고, 가장 저조한 결과는 비교예 1 (배합 1)로 평가되었다. 자기발열 슬래그가 포함된 실시예 1~2 (배합 2~3)를 20℃ 결과와 각각 비교한다면 우수한 결과를 얻음을 확인할 수 있었다. 보통 포틀랜드 시멘트보다 3, 7日 높은 결과를 얻었으며, 고분말도 시멘트와 유사한 결과를 얻었다. 28일 강도는 보통 포틀랜드 시멘트와 유사하게 나타났다.
<영하 -5℃ 모르타르의 압축강도 평가 시험 >
조성물 압축강도 (MPa)
3日 7日 28日
보통 포틀랜드 시멘트 3.1 11.3 28.1
고분말도 시멘트 5.8 18.9 34.7
비교예 1 (배합 1) 4.7 15.2 24.0
실시예 1 (배합 2) 9.5 22.7 37.1
실시예 2 (배합 3) 10.0 22.6 32.0
표 8은 영하 -5℃에서의 압축강도를 나타낸 것으로서, 가장 우수한 재료는 자기발열 슬래그가 포함된 실시예 1 (배합 2)로 나타났다. 보다 구체적으로, 실시예 1 및 2 (배합 2~3)는 3日 강도에서 보통 포틀랜드 시멘트 보다 3배 이상 높은 결과를 얻었으며, 7日 강도는 약 2배 높게 나타났다. 28日 강도 또한 실시예 1(배합 2)의 경우 고분말도 시멘트 보다도 높은 결과를 얻었다.
전술한 온도 조건별 압축강도 결과들로 볼 때, 본 발명에서 몰탈 및 콘크리트 조성물의 성분으로 혼합되는 자기발열 슬래그는 일반 상온 온도보다도 저온 영역에서 보다 우수한 결과를 발휘한다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 자기발열 슬래그의 수화반응으로 발생되는 상대적인 높은 열로 인해, 조성물 전체의 수화가 촉진되는 것을 의미하는 것으로, 특히 저온 및 영하의 극한 환경에서 그 특성이 기존의 보통 포틀랜드 시멘트 및 고분말도 시멘트 보다 우수하게 나타났다. 이는 즉, 전술한 조성물이 동절기 영하 온도 환경하에서 응결경화 초기에 동해를 방지하고 강도를 증진하는 보다 더 특화된 시멘트 조성물 및/또는 한중 콘크리트 재료로 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 발명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (7)

  1. C3A(3CaO·Al2O3)을 주요광물로 포함하며, Al2O3를 20 중량% 이상 함유하는 자기발열 슬래그;
    시멘트; 및
    석고를 포함하고,
    상기 자기발열 슬래그는 전체 중량을 기준으로 CaO 45~60 중량%, Al2O3 20~40 중량%, SiO2 2~5 중량%, Fe2O3 1~5 중량%, MgO 4~9 중량%, K2O 0.01~0.1 중량%, Na2O 0.01~0.1 중량%, 및 SO3 0.5~3 중량%을 포함하는 조성인 것을 특징으로 하는 시멘트 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자기발열 슬래그는 제강공정의 정련과정에서 배출되는 부산물로서 공기 중에서 냉각된 제강슬래그이고,
    상기 자기발열 슬래그의 분말도는 4000~10,000 cm2/g 범위인 것을 특징으로 하는 시멘트 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트는 4,000~5,700 cm2/g 범위의 분말도를 갖는 고분말도 시멘트이고,
    상기 고분말도 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 분쇄하여 제공되는 것을 특징으로 하는 시멘트 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트 조성물은 전체 100 중량%를 기준으로, 자기발열 슬래그 5~30 중량%; 4,000~5,700 cm2/g 범위의 분말도를 갖는 고분말도 시멘트 60~90 중량%; 및 석고 1~15 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 조성물.
  6. 제1항에 기재된 시멘트 조성물; 골재; 및 배합수를 포함하는 한중 콘크리트 조성물.
  7. 시멘트 조성물 또는 콘크리트 조성물을 이용하는 구조물의 시공방법에 있어서, 제1항의 시멘트 조성물 또는 제6항의 한중 콘크리트 조성물을 적용하는 것을 특징으로 하는 구조물의 시공방법.
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