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1. WO2012138088 - HIGH PERFORMANCE CONCRETE COMPOSITION USING SLAG

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명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7   8  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

9   10   11  

과제 해결 수단

12   13   14   15  

발명의 효과

16   17  

도면의 간단한 설명

18   19  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7  

도면

1   2  

명세서

발명의 명칭 : 슬래그를 이용한 고성능 콘크리트 조성

기술분야

[1]
본 발명은 전기로 제강공정에서 발생되는 부산물인 산화 슬래그를 잔골재로 활용하고 콘크리트 내 시멘트의 함량을 대폭 줄임으로써, 콘크리트의 전체적인 강도를 향상시키면서도 경제적이고 친환경적인 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 자세하게는 속경성 시멘트 8~16중량%, 물 3~6중량%, 잔골재 28~59중량%, 굵은골재 30~50중량%를 포함하며, 상기 잔골재의 30~100%가 슬래그인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 고성능 콘크리트 조성물에 대한 것이다. 상기와 같이 콘크리트 조성물을 구성하는 시멘트의 함량을 줄이고 잔골재의 대부분을 전기로 산화 슬래그로 대체함으로써 강도를 향상시키고 원가 비용을 절감할 수 있다.

배경기술

[2]
일반적으로, 슬래그(slag)는 용광로, 전기로, 큐폴라 등에서 철광석이나 스크랩을 녹일 때 쇳물 위에 뜨거나 찌꺼기로 남는 용제나 비금속 물질, 금속산화물 등을 지칭하며, 상기 슬래그는 원료 용융시 용강의 표면 위에 떠서 용강 표면이 공기에 의해 산화되는 것을 방지하고, 그 표면을 보존하는 역할을 한다.
[3]
우리나라에서 현재 발생하고 있는 고로 슬래그와 제강 슬래그는 각각 950만톤과 750만톤으로 총 1,700만톤 정도가, 제강 슬래그 중 전기로 슬래그는 340만톤, 전로슬래그는 약 410만톤 정도 생산되어 수거되고 있다. 이와 같이 수거된 슬래그는 도로노반재, 시멘트혼화제, 토목용재료 및 콘크리트용 골재 등으로 사용되고 있다.
[4]
한편, 콘크리트용 골재는 콘크리트 제조시 시멘트와 함께 모르타르나 콘크리트를 구성하는 주요성분으로 자갈, 쇄석, 부순돌, 부순모래, 천연모래 등이 일반적으로 사용되고 있으나, 최근에는 콘크리트용 천연골재가 고갈, 부족할 뿐만 아니라, 향후에는 하천유지관리 및 환경보존에 따른 하천골재 채취 및 석산 개발에 엄격한 규제가 예상된다.
[5]
따라서, 콘크리트 제조시 주요 구성성분으로 사용되는 골재에 대한 대체재료로서 산화 슬래그를 이용하는 기술이 연구되어 왔으나, 기존의 산화 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물은 슬래그의 대체비율이 11~30%로 매우 낮을 뿐만 아니라, 시멘트의 함량이 높아 단가를 낮추는데 한계가 있었다.
[6]
또한, 종래의 콘크리트 조성물은 시멘트 함량이 높아 수화열로 인한 콘크리트의 팽창, 수축의 정도가 심하고, 건조 수축량이 높아 균열이 발생하기 쉬웠으며, 방수성이 떨어지고 유동성이 작아 콘크리트 제조시 많은 물량이 필요하다는 문제점이 있었다.
[7]
이에, 본 발명은 콘크리트 조성물을 구성하는 시멘트의 함량을 대폭 줄이고 천연골재의 대부분을 전기로 산화 슬래그로 대체함으로써 산업폐기물의 사용성을 확대하고, 천연골재 고갈에 따른 콘크리트 품질저하를 방지할 뿐 아니라 원가 절감의 경제적인 효과도 얻을 수 있는 고성능 콘크리트 조성물을 개발하였다.
[8]
또한, 본 발명은 초기 콘크리트의 팽창과 수축을 억제하고, 건조수축량을 획기적으로 줄일 수 있으며, 방수성과 유동성이 크게 증가되어 콘크리트 제조시 사용 물량을 크게 줄일 수 있는 고성능 콘크리트 조성물을 개발하였다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[9]
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 산업폐기물의 사용성을 확대하고, 천연골재 고갈에 따른 콘크리트 품질저하를 방지할 뿐 아니라 원가 절감의 경제적인 효과도 얻을 수 있는 고성능 콘크리트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
[10]
또한, 본 발명은 시멘트 함량을 줄임으로써, 콘크리트 수화반응 시 내부에서 발생되는 수화열을 크게 낮추어 초기 콘크리트의 팽창과 수축을 억제하고, 콘크리트에서 균열발생에 가장 큰 원인으로 작용하는 건조수축량을 획기적으로 줄일 수 있는 고성능 콘크리트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
[11]
또한, 본 발명은 콘크리트의 수밀성을 극대화 시킬 수 있어 방수성이 획기적으로 증가되고, 구상의 슬래그 입자로 인하여 굳지 않은 상태에서의 유동성이 크게 증가되어 사용 물량을 크게 줄일 수 있는 고성능 콘크리트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

과제 해결 수단

[12]
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 속경성 시멘트 8~16중량%, 물 3~6중량%, 잔골재 28~59중량%, 굵은골재 30~50중량%를 포함하며, 상기 잔골재의 30~100%가 슬래그인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 고성능 콘크리트 조성물을 제공한다.
[13]
상기 슬래그의 입도는 1.2~5.0mm인 것이 바람직하며, 상기 속경성 시멘트 중량대비 5~35%의 폴리머를 추가로 포함할 수 있다. 이때, 상기 폴리머는 SB(스틸렌 60~70중량%, 부타디엔 30~40중량%) 라텍스, PAE 에멀젼, EVA 에멀젼, 에폭시수지, 아크릴수지, 폴리에스터, 수용성 MMA로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어진 수용성 액상 폴리머인 것이 바람직하다.
[14]
이때, 상기 속경성 시멘트는 아윈계 초속경시멘트 20~60중량%, 포틀랜드 시멘트 30~55중량%, 석고 5~25중량%, 응결조절제 0.1~1.5중량%, 경화촉진제 0.1~3.0중량%, 분산제 0.3~1.5중량%를 포함하는 폴리머 개질용 시멘트인 것이 바람직하며, 상기 폴리머의 혼입으로 인하여 포틀랜드 시멘트의 수화에 방해를 주지 않기 위하여, 유리 CaSO 4를 함유하는 것이 바람직하다.
[15]
또한, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 콘크리트는 4시간 강도가 300kgf/㎠ 이상의 효과를 얻을 수 있다.

발명의 효과

[16]
본 발명의 고성능 콘크리트 조성물은 슬래그의 대체비율이 11~30%로 매우 낮았던 기존의 콘크리트 조성물과 달리, 잔골재의 대부분을 천연골재보다 균일한 밀도를 가지는 산화 슬래그로 대체하고 고가인 시멘트 함량을 대폭 줄임으로써, 콘크리트의 전체적인 강도를 향상시킬 수 있으며, 산업폐기물의 사용성을 확대하고, 천연골재 고갈에 따른 콘크리트 품질저하를 방지할 뿐 아니라 원가 절감의 경제적인 효과도 얻을 수 있다.
[17]
또한, 본 발명의 고성능 콘크리트 조성물은 시멘트 함량을 줄임으로써, 콘크리트 수화반응 시 내부에서 발생되는 수화열을 크게 낮추어 초기 콘크리트의 팽창과 수축을 억제하고, 콘크리트에서 균열발생에 가장 큰 원인으로 작용하는 건조수축량을 획기적으로 줄일 수 있으며, 콘크리트의 수밀성을 극대화시켜 방수성을 증가시키고, 유동성을 크게 증가시켜 콘크리트 제조시 사용 물량을 크게 줄일 수 있다.

도면의 간단한 설명

[18]
도 1은 기존의 콘크리트와 본 발명의 조성물에 따른 콘크리트 내부 온도 측정 비교 그래프이다.
[19]
도 2는 기존의 콘크리트와 본 발명의 조성물에 따른 콘크리트의 건조수축 측정 비교 사진이다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[20]
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
[21]
본 발명의 고성능 콘크리트 조성물은 속경성 시멘트 8~16중량%, 물 3~6중량%, 잔골재 28~59중량%, 굵은골재 30~50중량%를 포함하며, 상기 잔골재의 30~100%가 슬래그인 것을 특징으로 한다.
[22]
종래의 산화 슬래그를 이용한 콘크리트 조성물은 슬래그의 천연 골재 대체비율이 11~30% 정도로 매우 낮으며, 콘크리트의 강도 유지를 위하여 시멘트의 함량을 높게 유지할 수 밖에 없어 제조 단가를 낮추는데도 한계가 있었다.
[23]
그러나, 본 발명은 콘크리트 조성물을 구성하는 시멘트를 속경성 시멘트를 사용하며, 상기 시멘트의 함량을 8~16중량%으로 대폭 줄이고, 콘크리트 제조에 사용되는 천연골재의 30~100%를 산화 슬래그로 대체하여, 콘크리트 내 산화 슬래그의 함량을 크게 증가시켰다.
[24]
한편, 콘크리트의 내구성을 높이기 위하여, 상기 속경성 시멘트 중량대비 5~35%의 폴리머를 추가로 포함할 수 있으며, 이때 상기 폴리머는 내구성을 높일 수 있는 다양한 물질이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 SB(스틸렌 60~70중량%, 부타디엔 30~40중량%) 라텍스, PAE 에멀젼, EVA 에멀젼, 에폭시수지, 아크릴수지, 폴리에스터, 수용성 MMA 중 어느 하나 이상을 포함하는 수용성 액상 폴리머가 사용될 수 있다.
[25]
한편, 상기 수용성 액상 폴리머를 사용함에 있어서, 상기 속경성 시멘트는 안정성이 뛰어난 아윈계 초속경시멘트 20~60중량%, 포틀랜드 시멘트 30~55중량%, 석고 5~25중량%, 응결조절제 0.1~1.5중량%, 경화촉진제 0.1~3.0중량%, 분산제 0.3~1.5중량%를 포함하는 폴리머 개질용 시멘트를 사용하는 것이 바람직하다.
[26]
상기 아윈계 초속경시멘트는 칼슘설포알루미네이트를 함유한 아윈계 클링커를 주체로 하는 초속경 시멘트로서, 시멘트의 알루미네이계 광물이 물과 반죽하면 반응하여 ‘에트링 가이트’라는 수화광물을 형성함으로써 급속한 강도발현, 장기간에 걸쳐 포틀랜트시멘트의 주광물인 알라이트와의 반응으로 더욱 치밀하게 되어 높은 강도를 발현할 수 있다.
[27]
또한, 상기 폴리머의 혼입으로 인하여 포틀랜드 시멘트의 수화에 방해를 주지 않기 위하여, 아윈계 클링커에는 함유되어있지 않은 유리 CaSO 4를 함유하는 것이 바람직하다.
[28]
상기와 같은 구성을 가진 콘크리트 조성물은, 고가의 시멘트를 줄여 원가를 절감하는 효과를 얻을 수 있으며, 동시에 천연골재보다 균일한 밀도를 가지는 산화 슬래그를 이용함으로써 적은 시멘트량으로도 수밀성과 충전성이 증대되어 4시간 강도가 300kgf/㎠ 이상으로서, 바람직하게는 4시간 강도가 400~500kgf/㎠인 고강도 콘크리트의 제조가 가능하다. 이때, 콘크리트의 강도 유지를 위하여, 상기 슬래그의 입도는 1.2~5.0mm인 것이 바람직하다.
[29]
또한, 이와 같은 시멘트 함량의 저감은 콘크리트 수화반응 시 내부에서 발생되는 수화열을 크게 낮추어 초기 콘크리트의 팽창과 수축을 억제하는 효과를 얻을 수 있으며, 콘크리트에서 균열발생에 가장 큰 원인으로 작용하는 건조 수축량 또한 획기적으로 줄일 수 있다.
[30]
또한, 일반적인 콘크리트는 완전한 방수체가 아니나 슬래그를 사용할 경우 콘크리트의 수밀성을 극대화 시킬 수 있어 방수성이 획기적으로 증가되며, 구상의 슬래그 입자의 효과로 굳지 않은 상태에서 유동성이 크게 증가되어 일반 콘크리트 제조 시 사용되어야 하는 물량을 크게 줄일 수 있으며 이러한 물량의 저감은 고강도, 고성능, 수축방지 등의 효과를 발현할 수 있다.
[31]
[32]
하기 표 1은 기존의 속경성 폴리머 콘크리트(비교예)와 본 발명의 콘크리트 조성물(실시예1~4)의 배합 사례를 표시한 것이며, 표 2는 상기 비교예와 실시예 1~4의 배합사례별 효과를 나타낸 것이다.
[33]
표 1 [표1]
시방배합 W/B S/a 단위중량(kg/㎥)
시멘트 라텍스 잔골재 굵은골재
비교예 38% 55% 360 76 115 914 760
실시예1 34% 47% 300 41 96 1,158 972
실시예2 34% 47% 300 58 64 1,182 992
실시예3 36% 47% 260 39 83 1,219 1,023
실시예4 38% 47% 260 59 55 1,240 1,041

[34]
<콘크리트 배합사례>
[35]
표 2 [표2]
구분 슬럼프(mm) 공기량(%) 압축강도(kgf/㎠) 휨강도(kgf/㎠)
4시간 1일 4시간 1일
비교예 210 5.5 281 378 48 55
실시예1 230 4 348.1 460.0 77.9 81.4
실시예2 200 4 420.7 499.2 82.2 87.2
실시예3 180 3.6 337.0 430.0 83.0 86.1
실시예4 180 3.9 369.7 448.3 73.2 78.6

[36]
<콘크리트 배합사례별 효과검정>
[37]
상기 표 1, 2을 살펴보면, 본 발명의 조성물을 사용한 콘크리트가 기존의 속경성 폴리머 콘크리트보다 더 적은 시멘트를 사용하고도 훨씬 더 높은 압축 강도를 보이는 것을 알 수 있다.
[38]
한편, 하기 표 3과 도 1은 상기 비교예와 실시예 2, 4의 콘크리트 조성물의 시간에 따른 콘크리트 온도 변화를 나타낸 것으로서, 본 발명의 조성물을 사용한 콘크리트가 기존의 속경성 폴리머 콘크리트보다 더 적은 시멘트를 사용함으로 인하여 수화열로 인한 내부 온도 상승이 훨씬 작은 것을 알 수 있다.
[39]
표 3 [표3]
구분 비교예 실시예2 실시예4
최대온도 32.7℃ 30.3℃ 30.4℃

[40]
하기 표 4와 도 2는 상기 비교예와 실시예 2, 4의 조성물의 콘크리트 건조수축 변형률을 보여주는 것으로서, 시멘트 함량의 감소로 인하여 본 발명의 조성물을 사용한 콘크리트가 기존의 속경성 폴리머 콘크리트보다 콘크리트 건조 수축량이 상당히 저감되는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 건조수축의 저감은 콘크리트 초기 균열발생을 억제할 수 있는 주요한 사항이다.
[41]
표 4 [표4]
구분 비교예 실시예2 실시예4
건조수축 변형률(%) 0.094 0.02 0.015

[42]
한편, 콘크리트의 방수성은 염소이온 투과시험에 의해 평가되며 시험 시 콘크리트 양측에 전극용기를 고정시키고, 이들 용기에서 나온 전극을 단자로 해서 회로를 구성한 후 전해질 용액을 통과시켜 측정된 전압량에 따라 콘크리트의 투수정도를 평가하는 방법으로서, 측정된 전압은 전류치로 환산되며 이때 통과된 총 전하량을 쿨롱이라 표시한다.
[43]
하기 표 5는 상기에서 설명한 염소이온 투과시험을 통하여 측정한 통과전하량에 따른 투수특성을 평가한 표이며, 표 6은 비교예와 실시예 2, 4 조성물의 방수성 측정값을 보여주는 것으로서, 시멘트 함량의 감소와 슬래그 함량의 증가로 인하여 본 발명의 조성물을 사용한 콘크리트가 기존의 속경성 폴리머 콘크리트보다 방수성이 매우 증가하였음을 알 수 있다.
[44]
표 5 [표5]
쿨롱 투수등급
4000이상 투수성 높음
2000~4000 보통
1000~2000 낮음
100~1000 매우 낮음
100이하 불투수성

[45]
표 6 [표6]
구분 비교예 실시예2 실시예4
방수성 측정값(쿨롱) 1,106 116 352

[46]
[47]
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 고성능 콘크리트 조성물은 슬래그의 대체비율이 낮았던 기존의 콘크리트 조성물과 달리, 잔골재의 대부분을 균일한 밀도를 가지는 산화 슬래그로 대체하여 콘크리트의 밀도와 충전성을 높여 콘크리트의 강도를 향상시키고 그에 따라 고가인 시멘트 함량을 대폭 줄임으로써, 원가를 절감하는 효과를 얻을 수 있다.
[48]
또한, 본 발명의 고성능 콘크리트 조성물은 시멘트 함량을 줄임으로써, 수화열을 크게 낮추어 초기 콘크리트의 팽창과 수축을 억제하고, 건조수축량을 획기적으로 줄일 수 있으며, 콘크리트의 수밀성을 극대화시켜 방수성을 증가시키고, 유동성을 증가시켜 콘크리트 제조시 사용 물량을 크게 줄일 수 있다.
[49]
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
[50]

청구범위

[청구항 1]
속경성 시멘트 8~16중량%, 물 3~6중량%, 잔골재 28~59중량%, 굵은골재 30~50중량%를 포함하며, 상기 잔골재의 30~100%가 슬래그인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 고성능 콘크리트 조성물.
[청구항 2]
제1항에 있어서, 상기 슬래그의 입도가 1.2~5.0mm인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 고성능 콘크리트 조성물.
[청구항 3]
제1항에 있어서, 상기 속경성 시멘트 중량대비 5~35%의 폴리머를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 고성능 콘크리트 조성물.
[청구항 4]
제3항에 있어서, 상기 폴리머가 SB(스틸렌 60~70중량%, 부타디엔 30~40중량%) 라텍스, PAE 에멀젼, EVA 에멀젼, 에폭시수지, 아크릴수지, 폴리에스터, 수용성 MMA로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어진 수용성 액상 폴리머인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 고성능 콘크리트 조성물.
[청구항 5]
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 속경성 시멘트가 아윈계 초속경시멘트 20~60중량%, 포틀랜드 시멘트 30~55중량%, 석고 5~25중량%, 응결조절제 0.1~1.5중량%, 경화촉진제 0.1~3.0중량%, 분산제 0.3~1.5중량%를 포함하는 폴리머 개질용 시멘트인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 고성능 콘크리트 조성물.
[청구항 6]
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 폴리머의 혼입으로 인하여 포틀랜드 시멘트의 수화에 방해를 주지 않기 위하여, 유리 CaSO 4를 함유하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 고성능 콘크리트 조성물.
[청구항 7]
제3항 또는 제4항에 있어서, 4시간 강도가 300kgf/㎠ 이상인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 고성능 콘크리트 조성물.

도면

[도1]

[도2]