초기강도 증진용 콘크리트 혼화제 및 콘크리트 조성물

초기강도 증진용 콘크리트 혼화제 및 콘크리트 조성물{Concrete Additive and Concrete Composition for Reinforcing early Strength}

본 발명은 초기강도 증진용 콘크리트 혼화제 및 이것을 포함하는 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 산업부산물인 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말을 콘크리트에 사용할 때 수반되는 초기강도 저하를 보상할 수 있는 초기강도 증진용 콘크리트 혼화제 및 이것의 혼합에 의하여 초기강도를 증진하기 위한 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

현재 레미콘관련 산업에서는 산업부산물인 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말을 다양하게 사용하고 있다. 플라이애쉬는 인공 포졸란 재료로서 그 자체는 물과 경화하는 성질이 없으나, 시멘트 수화과정에서 발생하는 알카리 분위기에서 시멘트 수화물의 한 종류인 수산화칼슘과 반응하여 경화하는 성질을 갖는다. 또한 고로슬래그 미분말은 잠재수경성 재료로서 역시 그 자체는 물과 경화하는 성질이 없으나, 시멘트 수화과정에서 발생하는 알카리 분위기에서 반응하여 경화하는 성질을 갖는다.

이러한 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말은 모두 콘크리트의 장기강도를 개선하고, 일부 내구성를 증진하는 특성이 있다고 보고되고 있으며, 콘크리트의 원가절감과 산업부산물의 유효한 활용차원에서 대부분의 콘크리트에 시멘트 대체재로 활용되고 있다.

그러나 이러한 플라이애쉬나 고로슬래그미분말 재료는 반응시간이 시멘트에 비하여 느리기 때문에 콘크리트의 초기강도 저하 문제로 인하여 적극적인 활용에 제한이 되고 있는데 이는 이미 업계에서 일반적인 현상으로 받아들여지고 있다. 이뿐만 아니라 건설공사의 주요한 소재의 하나인 콘크리트는 그 양생 시간과 일정한 초기강도의 확보와 관련하여 거푸집 제거 및 후속공정의 진행에 제한을 주므로 공사기간과 밀접한 관련이 있다.

일반적으로 콘크리트의 타설 후 3일을 전후하여 거푸집을 제거하고 후속공정을 진행하게 되는데, 콘크리트 특성상 동계 저온환경에서는 이러한 거푸집 제거 시간이 더욱 지연되는 경향이 있으며 이는 곧 건설공사 공기지연으로 이어져 건설사의 원가관리에 막대한 영향을 미치게 된다. 뿐만 아니라 건설공사는 그 공사기간이 곧 건설사의 경쟁력으로 이어지므로 공사기간의 단축을 목적으로 무리하게 이른 시간에 콘크리트의 거푸집을 제거하여 건설공사의 안전은 물론 향후 건설구조물 자체의 안전에도 부정적인 영향을 주는 사례도 있다.

그러한 이유로, 레미콘사에서는 원가절감을 위하여 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말을 증량하여 사용하고자 희망하고 있으며, 건설사에서는 공사기간의 단축과 안전한 시공을 위하여 콘크리트 조기강도 증진을 원하고 있는데 이러한 희망은 서 로 상반되는 것으로 분쟁의 소지가 되기도 한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 지금까지 다양한 방안이 제시되었으나 일부 효과가 있거나 그 효과를 확인하기 조차 어려운 경우도 있으며, 경제적인 논리로 인하여 채용할 가치가 없는 경우도 있다.

한편, 일반 건설공사와 양생조건이 다른 콘크리트 2차제품 분야에서는 콘크리트 제품의 양생을 고온고압의 오토클레이브나, 고온 증기양생을 통하여 콘크리트 품질 향상에 이용하고 있는데, 이러한 양생조건의 경우 앞서 기술한 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말의 초기강도 저하 문제를 비교적 용이하게 개선할 수 있는 방법이 제시되고 있는 상황이다. 그러나 이러한 방법은 콘크리트 2차제품 제조공장에서나 가능한 방법이고 현장타설용 레미콘에서는 채용할 수 없는 방안이므로 콘크리트 산업의 전반에 걸친 앞서 언급한 조기강도 저하 문제의 일반적인 해결방안으로 받아들여지기는 어렵다.

따라서, 특히 현장타설용 레미콘과 같은 콘크리트 조성물에 대하여 산업부산물인 플라이애쉬 및 고로슬래그 분말을 사용하면서도 초기강도가 떨어지지 않는 콘크리트의 개발에 관한 기술적 요청이 존재한다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말과 같은 산업부산물을 콘크리트에 재활용하고 이때 발생하는 초기강도 저하를 보상함으로써 결과적으로 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말의 콘크리트 혼입량을 증대시켜 콘크리트의 원가절감은 물론 콘크리 트 초기강도 성능을 향상시킬 수 있는 콘크리트용 혼화제의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 초기강도 증진용 콘크리트 혼화제에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초기강도 증진용 콘크리트 혼화제는 석고원 25~85중량%과 SO ₃ , K, Na, 및 Si 이온이 몰비로 5~20 : 1~10 : 5~20 : 2~10 으로 구성되는 무기물 15~75중량%를 포함한다.

여기에서, 상기 석고원은 무수석고 30~98%, 반수석고 1~35%, 및 이수석고 1~35%로 구성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 상기와 같은 콘크리트 혼화제를 포함하는 초기강도 증진용 콘크리트 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 콘크리트 조성물은 상기 콘크리트 혼화재를 중량을 기준으로 결합재 대비 0.2 ~ 5 %를 포함하며, 바람직하게는, 0.2 ~ 2 %를 포함한다. 여기에서, 상기 콘크리트의 결합재는 전체 결합재 중량을 기준으로 시멘트 이외에 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말로 구성되는 그룹으로부터 최소한 하나 이상 선택되는 산업부산물 5~70%를 포함할 수 있다.

일반적으로 콘크리트의 초기강도를 촉진하는 촉진제의 경우, 대부분 콘크리트의 유동성을 감소시키는 성질이 있어 이러한 성질을 보상하는 다른 소재를 함께 사용하여 왔다. 그러나, 본 발명의 초기강도 증진용 콘크리트 혼화제에서 사용되는 석고원은 그 종류 및 적정 혼입율에 따라 시멘트의 초기수화를 촉진하는 것은 물론 일정한 시간까지 콘크리트의 유동성을 확보하는 성능(슬럼프 손실 방지기능)을 갖고 있다. 이러한 성질에 의하여 석고원은 앞서 언급한 일반적인 시멘트 촉진제의 단점을 보완하는 역할을 할 수 있을 뿐만 아니라 또한 본 발명의 혼화제가 콘크리트내 제조시 믹서 내에서 콘크리트 조성물이 골고루 혼합될 수 있도록 하는 충진재(Filler) 역할을 동시에 할 수 있다. 또한 석고원은 Ca 및 SO ₃ 이온에 의하여 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말의 반응을 자극하고, 또한 시멘트의 C ₃ A와 반응하여 에트링자이트(3CaOAl ₂ O ₃ ·3CaSO ₄ ·32H ₂ O) 수화물의 생성을 촉진시킴으로써 콘크리트의 조기강도를 증진시키는 역할을 한다.

이러한 석고원의 원천로서 사용될 수 있는 재료로는 산업용으로 사용하는 천연 무수/반수/이수 석고를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 산업부산물로 발생하는 불산/인산/탈황 석고도 사용가능하다. 그러나 전자가 바람직한 것으로 보인다. 석고원은 혼화제 전체 중량을 기준으로 25~85%로 사용하는 것이 바람직한데, 너무 양이 적은 경우에는 석고원의 실질적인 성능을 발휘하기 어렵고 너무 많은 경우에는 본 발명의 혼화제의 다른 성분들과의 조화를 이루기 어렵게 된다. 즉, 본 발명에서는 혼화제의 여러 성분들이 각각의 측면에서 플라이애쉬 및 고로슬래그 분말의 반응을 촉진하는데, 그러한 촉진이 조화를 이룸으로써 더욱 향상된 성능을 발휘할 수 있게 되는 것이다. 이러한 이유에서, 본 발명에서는 석고 성분 및 다른 성분들의 필요 이온들의 최적화 조성비를 위와 같이 제시하였다.

또한, SO ₃ , K, Na, Si 이온들은 지금까지 알려진 바와 같이 시멘트 수화과정 에서 알카리 분위기를 제공하여 시멘트의 초기 수화를 촉진함은 물론, 플라이애쉬 및 고로슬래그 미분말의 초기 반응성 증대에 어느 정도 효과가 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 발명에서는 이러한 SO ₃ , K, Na, Si 이온들의 적정 조합비율을 최적화하였으며, 콘크리트내에서의 용해도와 반응성 등을 검토하여 제조하였다. 이러한 이온들의 구성비를 얻고자 각각의 원료원을 용매에 용해한 후 혼합하여 합성하고 이렇게 합성된 원료를 탈수 및 건조/ 과립화 공정을 통하여 최종 원료를 제조하였다. 또한 석고원 그리고 SO ₃ , K, Na, Si 이온이 몰비로 5~20 : 1~10 : 5~20 : 2~10 으로 구성되는 무기물의 혼합 비율은 초기강도 증진과 기타 성능 등을 고려하여 결정할 수 있다.

실시예

발명의 효과를 확인하기 위하여 다음과 같이 콘크리트 실험을 하였다. 콘크리트 실험은 일반적인 레미콘사에서 활용하는 콘크리트 배합을 기준으로 하였으며 그 구성은 다음과 같다.

실험에서는 결합재로 국내 레미콘사에서 사용 중인 포틀랜드 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애쉬를 사용하였으며, 그 혼합 비율을 달리하여 사용하였다. 실험에 사용한 결합재의 특성은 다음과 같다.

이러한 콘크리트 조성물의 조성 및 결합재를 사용하여, 결합재의 조성비 및 결합재 대비 본 발명의 혼화제 조성비를 다음 표에서와 같이 구성하여 콘크리트 조성물을 만든 후 이를 타설하여 콘크리트로 성형한 후 그 압축강도를 시험하였다.

[실험배합]

[실험결과]

여기에서, 결합재의 구성별로 A~F로 구분하여 표시하였으며, 각 결합재의 구성별로 0.5% 타입과 1.0% 타입의 초기강도 증진용 콘크리트 혼화제를 사용한 결과를 실시예로서 나타내었다. 또한 0.5% 타입과 1.0% 타입의 초기강도 증진용 콘크리트 혼화제의 조성은 다음과 같이 구성하였다.

본 실시예들에서, A~F 계열까지 결합재의 구성비율 별로 나누어 한국산업규격 (KS F 4009 레디믹스트 콘크리트)에 의해 실험한 결과, 0.5% 타입과 1.0% 타입의 초기강도 증진용 콘크리트 혼화제를 사용한 실시예는 초기강도 증진형 콘크리트 혼화제를 사용하지 않은 비교예에 비해서 재령 3일의 압축강도의 경우 17~28%, 재령 7일의 압축강도의 경우 11~22%, 재령 28일의 압축강도의 경우 1~9%의 강도 증진이 있었다. 한편, 이러한 압축강도의 증진에도 불구하고, 표 3의 결과에서 보는 바와 같이, 슬럼프와 공기량의 변화는 거의 발생하지 않았다.

또한, 표 3의 결과는 본 실시예에 따른 콘크리트 혼화제는 플라이애쉬 및 고로슬래그 분말과 같은 산업부산물을 결합재 중 40중량%를 사용하여도 그로부터 제조되는 콘크리트의 초기강도를 충분히 향상시킴을 보여주는데, 이러한 결과로부터, 본 발명의 콘크리트 조성물에서 플라이애쉬 및 고로슬래그 분말의 결합재 중의 비율이 적어도 50중량%가 되더라도 충분히 본 발명의 목적이 달성될 수 있을 것으로 평가할 수 있을 것이며, 경우에 따라서는 그 이상의 비율이더라도 본 발명의 목적이 달성될 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 콘크리트 혼화제는 콘크리트 조성물의 유동성을 감소시키지 않으면서 초기강도를 향상시킬 수 있으며, 그러한 결과에 의하여, 산업부산물인 플라이애쉬 및 고로슬래그 분말을 콘크리트를 위한 결합재로 활용할 수 있게 해준다. 그러므로, 본 발명은 콘크리트의 초기강도를 향상시키는 것 이외에 자원의 재활용의 이점과 더불어 건설기간의 단축 및 원가절감이라는 이점도 또한 제공한다.