KR20170005669A - 실리카계 더스트 혼합물을 포함하는 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트의 제조방법 - Google Patents

실리카계 더스트 혼합물을 포함하는 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물 140~190kg/m3; 시멘트 210~400kg/m3; 잔골재 681~962kg/m3; 굵은골재 832~1270kg/m3;를 포함하며, 실리카계 더스트 혼합물;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물을 제시함으로써, 페로실리콘의 집진공정에서 발생하는 부산물인 실리카계 더스트와 실리카퓸의 혼합을 통해 저품위 실리카계 더스트의 강열감량을 효과적으로 저감함과 아울러, 산업 부산물을 재활용함으로써 친환경적이고, 경제적이며, 고성능을 확보할 수 있고, 시공이 용이하며 적용성이 우수하도록 한다.

Description

실리카계 더스트 혼합물을 포함하는 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트의 제조방법{COMPOSITION FOR CONCRETE COMPRISING SILICEOUS DUST AND COMPOSITION METHOD USING THE SAME THING}
본 발명은 토목, 건설 기술분야에 관한 것으로서, 상세하게는 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 화력 발전소, 제철소 등의 산업 부산물을 활용한 혼합 콘크리트의 제조는 많은 연구를 양산하였고, 활용 범위를 확장하면서 국,내외적으로도 그 활용성이 점차 증대되고 있다.
즉, 각종 시멘트 대체재의 개발이 기존 OPC(ordinary Portland Cement; 보통 포틀랜드 시멘트)의 원가절감 측면 혹은 고성능(고내구성, 고강도성, 고유동성) 콘크리트의 개발로 이어지는 원천 기술이 되면서 이와 관련된 시멘트 대체재의 개발뿐만 아니라, 시멘트 대체제의 조기 강도 확보를 가속화 하기 위한 고성능 혼화제, 최적 치환률의 개발에도 관련 분야 종사자들의 관심이 집중되고 있다.
여기서, 기존에는 각종 산업 폐기물로 치부되던 고로슬래그미분말, 플라이 애쉬, 실리카퓸 등이 최근에 이르러 혼화재로써 인정을 받고 있다.
고로슬래그미분말 및 플라이 애쉬의 경우, 국내산 제품에 대한 수요와 공급 등이 유기적으로 절충되고 있으며, 실리카퓸의 경우, 관련 공장 및 대량생산 시설의 미비 등으로 인해 우수한 고품질성에도 불구하고 전량 수입에 의존하였으며, 이는 매우 고가라는 단점이 있다.
최근(2013.5)에 이러한 실리카퓸의 주요 구성 성분을 이루는 페로실리콘 전기로 공장 등이 국내에 설립되면서 이와 관련된 국산화 공급의 길을 모색할 수 있게 되었으며, 2014.10월을 기점으로 하여 환경부의 입법승인을 받은 후 SiO2 순도 93%에 대해서는 원재료가 판매되고 있다.
그러나, 저품위 실리카퓸에 대한 콘크리트 분야로의 연구는 현재까지 전무한 실정이며, 이는 부산물 처리단계에서 1차 공정 처리 물질인 Cyclon dust에 대한 연구를 최초 시도 및 본격화 하는 단초를 제공하게 되었다.
즉, 해당 저품위 실리카퓸의 고품위 실리카퓸으로서의 성능은 유사성능 범위로 한정하고, 현재 매립 폐기물로밖에 용처가 없는 저품위 실리카퓸에 대해 건설, 콘크리트 분야로 최적의 배합비를 적용하여 적용하게 된다면 원가절감 및 기존 수입산 대비 대체효과, 최적 단면 변경효과등의 2차 효과가 예상되므로, 이에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명과 종래의 선행특허를 분석해 보면, 한국 공개특허 10-2012-0034287의 경우, 시멘트와 실리카퓸이 포함된 결합재를 이용하는 전체적인 측면에서는 본 발명과 관련성이 있다고 할 수 있겠으나, 적용 실리카퓸 자체가 외국산 실리카퓸을 사용하여 성능 테스트한 사항이라는 점에서 원천적으로 국산 실리카퓸을 사용한 것이 아니고, 실리카퓸의 성분을 지르코니아(ZrO2)의 성분 함유량 규제조건 및 비표면적 5000m2/g 수준으로 한정시켰으므로 본 발명과 차이가 있다. 한편, 한국 등록번호 10-1385237, "실리카퓸을 이용한 나노크기의 규산칼슘 수화물 제조방법"에서는 해당 실리카퓸을 본 발명에서 제시하고자 하는 저품위 혼화재(Binder)가 아닌 혼화제(Admixture)로써 제안하였다는 점에서 원천적으로 다른 목적의 발명이다. 추가적인 타국 사례로 미국 공개특허 04931098, "Method for adding silica fume to dry shotcrete mixture"에서는 실리카퓸 등을 터널 숏크리트 및 라이닝등의 혼합콘크리트 재료로 적용한 시도가 있었으나, 이는 해당 콘크리트의 적용 구조물 범위를 터널 등으로 한정하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 페로실리콘의 집진공정에서 발생하는 부산물인 실리카계 더스트와 실리카퓸의 혼합을 통해 저품위 실리카계 더스트의 강열감량을 효과적으로 저감함과 아울러, 산업 부산물을 재활용함으로써 친환경적이고, 경제적이며, 고성능을 확보할 수 있고, 시공이 용이하며 적용성이 우수한 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 물 140~190kg/m3; 시멘트 210~400kg/m3; 잔골재 681~962kg/m3; 굵은골재 832~1270kg/m3;를 포함하며, 실리카계 더스트 혼합물;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물을 제시한다.
상기 실리카계 더스트 혼합물은 실리카퓸 및 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성되며, 상기 시멘트 중량대비, 5~12중량%;가 혼입된 것이 바람직하다.
상기 실리카퓸 및 실리카계 더스트의 중량비는 45~55 : 55~45인 것이 바람직하다.
상기 실리카계 더스트 혼합물은 슬래그 미분말 및 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성되며, 상기 시멘트 중량대비, 0.1~60 중량%;가 혼입된 것이 바람직하다.
상기 실리카계 더스트 혼합물은 플라이 애쉬 및 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성되며, 상기 시멘트 중량대비, 0.1~30 중량%;가 혼입된 것이 바람직하다.
상기 실리카계 더스트 혼합물은 메타카올린 및 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성되며, 상기 시멘트 중량대비, 5~13 중량%;가 혼입된 것이 바람직하다.
상기 시멘트는 비중이 3.0~3.25인 것이 바람직하다.
상기 잔골재는 단위중량이 2.1~2.7g/cm3이며, 조립률이 2.3~3.2인 것이 바람직하다.
상기 굵은골재는 단위중량이 2.1~2.9g/cm3이며, 입도가 25mm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 콘크리트 조성물을 이용한 콘크리트의 제조방법으로서, 페로실리콘의 집진 공정에서 발생하는 초기 집진재인 실리카계 더스트 및 최종 집진재인 실리카퓸을 혼합하여 강열감량 함량이 감소된 상기 실리카계 더스트 혼합물을 형성하는 단계; 상기 실리카계 더스트와 상기 물, 시멘트, 잔골재, 굵은골재를 혼입하여 상기 콘크리트 조성물을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 제조방법을 함께 제시한다.
본 발명은 페로실리콘의 집진공정에서 발생하는 부산물인 실리카계 더스트와 실리카퓸의 혼합을 통해 저품위 실리카계 더스트의 강열감량을 효과적으로 저감함과 아울러, 산업 부산물을 재활용함으로써 친환경적이고, 경제적이며, 고성능을 확보할 수 있고, 시공이 용이하며 적용성이 우수한 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트의 제조방법을 제시한다.
도 1 이하는 본 발명에 의한 콘크리트 조성물의 성능검증을 위한 실험예로서,
도 1 내지 도 4는 콘크리트 조성물의 강열감량 측정을 위한 전처리 공정을 나타낸 이미지.
도 5 및 도 6은 국제 공인시험 기관의 강열감량 시험성적 의뢰서를 나타낸 이미지.
도 7은 실리카계 더스트 및 실리카퓸의 재료 계량 모습을 나타낸 이미지.
도 8은 강열감량 개선법을 적용한 페이스트 및 콘크리트 시험체 타설모습을 나타낸 이미지.
도 9는 실리카계 더스트 및 실리카퓸의 혼합 배합비를 나타낸 이미지.
도 10은 콘크리트 조성물의 압축강도 측정결과를 나타낸 그래프.
이하, 첨부표 및 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명에서 제시하는 콘크리트 조성물은 물 140~190kg/m3; 시멘트 210~400kg/m3; 잔골재 681~962kg/m3; 굵은골재 832~1270kg/m3;를 포함하며, 실리카계 더스트 혼합물;을 더 포함하는 것이 특징이다.
여기서 실리카계 더스트 혼합물이란, 페로실리콘의 다중 집진공정에서 발생하는 부산물 중, 초기 집진재인 실리카계 더스트가 혼합된 물질을 의미한다.
보다 구체적으로, 제철용의 탈산제, 전자(電磁)용 규소합금의 규소첨가제, 주철의 접착제 등으로 이용되는 페로실리콘이나 알루미늄 합금 규소 강판용의 규소 첨가제, 반도체용의 고순도 실리콘의 원료로써 이용되는 금속 실리콘 등의 제조공정 시스템에서 1차 집진 및 2차 집진 등의 다중 집진 설비를 통하여 최종 부산물이 도출되게 된다.
이 때 초기 집진재로서 실리카계 더스트가 발생되며, 최종 집진재가 실리카퓸이다.
초기 집진재인 실리카계 더스트의 경우, 저품위의 자원으로써, 강열감량의 문제로 인해 소요의 기준을 만족하지 못하여 그대로 매립되는 자원이다.
하지만, 본 발명에서는 위의 문제점을 해결하기 위하여, 기존의 최종 집진재인 실리카퓸과 초기 집진재인 실리카계 더스트가 혼합된 혼합물을 제시함으로써, 소요의 강열감량 함량을 저감시켜 재활용하는 방법을 제시하는 것이다.
따라서, 본 발명의 콘크리트 혼합물을 통해 얻을 수 있는 장점은 다음과 같다.
첫째, 저품위의 산업부산물인 실리카계 더스트의 강열감량을 효과적으로 저감시켜, 경제적이며 친환경적이라는 장점이 있다.
더불어, 고가의 실리카퓸을 저품위 실리카계 더스트와 혼합하는 배합비를 제시함으로써, 실리카퓸의 사용량을 절감할 수 있으므로 원가절감 효과가 있다.
둘째, 종래에 일반적으로 사용되는 보통포틀랜드 시멘트(OPC), 고품위 실리카퓸(SiO2함량 93% 이상)과 비교하여 동등 또는 그 이상의 성능을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
셋째, 실리카퓸뿐 아니라, 실리카계 더스트와 슬래그 미분말, 플라이애쉬, 메타카올린과의 배합비를 제시함으로써, 종래에 폐기물로 처리되던 산업 부산물을 효과적으로 재활용할 수 있다는 장점이 있다.
넷째, 별도의 복잡한 공정을 필요로 하지 않고, 최적화된 배합비만을 이용하여 제조가 가능하므로, 시공이 용이하며, 적용성이 우수하다는 장점이 있다.
즉, 일반 건축물뿐만이 아니라 각종 사회기반시설물(도로, 교량, 댐, 방파제, 선석, 해저 터널, 차량기지 등), 각종 발전소 구조물에도 활용이 적합하다.
보다 구체적으로, 본 발명의 콘크리트 조성물의 성분 배합비에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 실리카계 더스트 혼합물은 실리카퓸 및 저품위 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 이러한 배합을 통해 저품위 실리카계 더스트를 매립시키지 않고 콘크리트 재료로서 재활용할 수 있고, 강열감량의 함량을 저감시킬 수 있다.
이를 위하여, 실리카계 더스트 혼합물은 시멘트 중량대비, 5~12중량%;가 혼입된 것이 바람직하다.
표 1은 위의 실리카계 더스트와 실리카퓸이 혼합된 혼합물이 배합된 성분 배합비를 나타낸 것이다.
Figure pat00001
이 때, 실리카퓸 및 실리카계 더스트의 중량비는 45~55 : 55~45이 되도록 혼합한다.
또한, 실리카계 더스트 혼합물은 실리카계 더스트와 유사한 철강 부산물이자 콘크리트용 혼화재인 슬래그 미분말과 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성될 수도 있다.
이 때, 상기 혼합물은 시멘트 중량대비, 0.1~60 중량%;가 혼입된 것이 바람직하다.
표 2는 위의 실리카계 더스트와 슬래그 미분말이 혼합된 혼합물이 배합된 성분 배합비를 나타낸 것이다.
Figure pat00002
또한, 실리카계 더스트 혼합물은 석탄 화력발전소에서 생산되는 산업부산물인 플라이 애쉬와 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성될 수도 있으며, 이 때 혼합물은 시멘트 중량대비, 0.1~30 중량%;가 혼입된 것이 바람직하다.
표 3은 위의 실리카계 더스트와 플라이 애쉬가 혼합된 혼합물이 배합된 성분 배합비를 나타낸 것이다.
Figure pat00003
더불어, 실리카계 더스트 혼합물은 메타카올린과 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성될 수도 있으며, 이 때 혼합물은 시멘트 중량대비, 5~13 중량%;가 혼입된 것이 바람직하다.
표 4는 실리카계 더스트와 메타카올린이 혼합된 혼합물이 배합된 성분 배합비를 나타낸 것이다.
Figure pat00004
한편, 본 발명의 콘크리트 조성물에 배합되는 시멘트는 비중이 3.0~3.25인 것이 바람직하다.
그리고 잔골재는 단위중량이 2.1~2.7g/cm3이며, 조립률이 2.3~3.2인 것이 바람직하다.
굵은골재는 단위중량이 2.1~2.9g/cm3이며, 최대 입도가 25mm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 콘크리트 조성물을 이용한 콘크리트의 제조방법은 다음과 같이 이루어진다.
먼저, 페로실리콘의 집진 공정에서 발생하는 초기 집진재인 실리카계 더스트 및 최종 집진재인 실리카퓸을 혼합하여 강열감량 함량이 감소된 실리카계 더스트 혼합물을 형성하는 단계가 이루어진다.
다음으로, 실리카계 더스트와 상기 물, 시멘트, 잔골재, 굵은골재를 혼입하여 상기 콘크리트 조성물을 제조하는 단계가 이루어진다.
이하, 본 발명의 효과를 알아보기 위한 실험예에 관하여 설명한다.
도 1 내지 4는 실리카퓸 및 실리카계 더스트를 포집하여 강열감량 측정을 위해 전처리 후, 전기로 가열하는 모습을 나타낸 이미지이다.
위와 같이 제작한 본 발명에 따른 콘크리트 혼합물의 강열감량 저감효과를 증명하기 위하여, 국제 공인시험기관에 의뢰한 시험결과를 도 5,6에 첨부하였다.
도 5,6의 시험결과에 나타난 듯이, 본 발명의 콘크리트 혼합물은 실리카계 더스트의 감열감량 함량이 약 40% 정도로 저감되어 콘크리트의 재료로서 사용이 적합한 요건을 갖춘다는 것을 확인할 수 있다.
표 5는 본 발명의 저품위 실리카퓸을 활용한 특기 시방배합에 대해 적합한 배합비를 제시한 것이다.
Figure pat00005
도 7은 실리카계 더스트 및 실리카퓸의 재료 계량모습을 나타낸 이미지이다.
도 8은 저품위 실리카퓸을 혼입한 Mock-up 시험체의 타설모습을 나타낸 이미지이며, 도 9는 저품위 실리카퓸과 고품위 실리카퓸의 표면 외관상 차이를 비교한 이미지이다.
또한, 도 10은 본 발명의 콘크리트 조성물의 압축강도 등의 역학특성을 확인하기 위하여, 28일 재령에서의 압축강도 값을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
측정결과, 본 발명에 따른 콘크리트 조성물의 압축강도가 종래에 주로 사용되는 콘크리트의 압축강도와 비교하여 동등 혹은 상회하는 결과를 확인할 수 있다.
또한, 실리카퓸만을 배합한 콘크리트 조성물에 비하여, 실리카품과 실리카계 더스트를 혼합한 콘크리트 조성물의 압축강도가 보다 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 물 140~190kg/m3;
    시멘트 210~400kg/m3;
    잔골재 681~962kg/m3;
    굵은골재 832~1270kg/m3;를
    포함하며,
    실리카계 더스트 혼합물;을
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 실리카계 더스트 혼합물은
    실리카퓸 및 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성되며,
    상기 시멘트 중량대비, 5~12중량%;가 혼입된 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 실리카퓸 및 실리카계 더스트의 중량비는
    45~55 : 55~45인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물,
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 실리카계 더스트 혼합물은
    슬래그 미분말 및 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성되며,
    상기 시멘트 중량대비, 0.1~60 중량%;가 혼입된 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 실리카계 더스트 혼합물은
    플라이 애쉬 및 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성되며,
    상기 시멘트 중량대비, 0.1~30 중량%;가 혼입된 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 실리카계 더스트 혼합물은
    메타카올린 및 실리카계 더스트의 혼합에 의해 형성되며,
    상기 시멘트 중량대비, 5~13 중량%;가 혼입된 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 시멘트는
    비중이 3.0~3.25인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  8. 제 1항에
    상기 잔골재는
    단위중량이 2.1~2.7g/cm3이며,
    조립률이 2.3~3.2인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 굵은골재는
    단위중량이 2.1~2.9g/cm3이며,
    입도가 25mm 이하인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 콘크리트 조성물을 이용한 콘크리트의 제조방법으로서,
    페로실리콘의 집진 공정에서 발생하는 초기 집진재인 실리카계 더스트 및 최종 집진재인 실리카퓸을 혼합하여 강열감량 함량이 감소된 상기 실리카계 더스트 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 실리카계 더스트와 상기 물, 시멘트, 잔골재, 굵은골재를 혼입하여 상기 콘크리트 조성물을 제조하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 제조방법.
KR1020150096047A 2015-07-06 2015-07-06 실리카계 더스트 혼합물을 포함하는 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트의 제조방법 KR101725283B1 (ko)

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