WO2013172496A1 - 무시멘트 콘크리트용 분말형 알칼리 활성화제, 이를 이용한 무시멘트 결합재 및 무시멘트 콘크리트 - Google Patents

무시멘트 콘크리트용 분말형 알칼리 활성화제, 이를 이용한 무시멘트 결합재 및 무시멘트 콘크리트 Download PDF

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김시환
류금성
고경택
이장화
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    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91—Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the present invention relates to alkali activation for inducing hardening in cementless concrete, which will be described in more detail, by preventing mixing of silicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O) by adjusting the mixing ratio, quality homogenization, and the like.
  • the present invention relates to an alkali activator that can complement the strength and workability when applying cement concrete, cement cement binder containing the same, and cement concrete.
  • blast furnace slag and fly ash are mixed with cement at home and abroad, they have been widely applied to concrete.
  • cementless concrete is commonly known to be cured at high temperatures using blast furnace slag and fly ash at room temperature, and alkali activators used therein are selected from NaOH and This situation is used by adjusting the mixing ratio of sodium silicate.
  • alkali activators used therein are selected from NaOH and This situation is used by adjusting the mixing ratio of sodium silicate.
  • the use of such an alkali activator makes concrete into a strong alkali environment, and in some cases, a high performance water reducing agent does not properly express work performance in a strong alkali environment.
  • Korean Unexamined Patent Publication No. 2009-0057913 “Camental Alkali-Activated Masonry Product”
  • Korean Unexamined Patent Publication No. 2008-0019498 “Cementless Alkali-Activated Brick”
  • Korean Patent Application No. 2009-0114972 "Cementless magnesium-based alkali active binder, cementless magnesium-based alkali activated mortar including the binder, concrete and concrete secondary products”
  • magnesium and calcium hydroxide as the activator is applied to prevent rapid freezing.
  • homogeneity may be reduced as the activator is prepared by mixing the powder with the powder.
  • an alkali activator suggests a liquid NaOH solution and three kinds of water glass (sodium silicate), which are difficult to change composition based on the liquid form and are used in the liquefaction process. There is a problem that can be exposed to danger. In addition, there is still a problem that can not control the fastening prevention.
  • the present inventors solve the difficulty of changing the composition, which is a problem of the liquid alkali activator, and the difficulty of securing homogeneity when the powder is mixed with the powder, and at the same time, the alkali activation for the cement concrete can solve the problem of deterioration of workability due to quenching.
  • a cement binder comprising the cement and the cement concrete containing the same.
  • Alkali activator for cement concrete of the present invention includes sodium oxide (Na 2 O), silicon oxide (SiO 2 ), characterized in that the powder type.
  • the sodium oxide (Na 2 O) and silicon oxide (SiO 2 ) are blended in a weight ratio of 10:90 to 90:10.
  • the viscosity of the binder when the compounding amount of silicon oxide (SiO 2 ) is smaller than the above limit range Not only decreases the slump and decreases the workability, but also decreases the long-term strength by decreasing the amount of Si required for the polymerization reaction, and does not affect the workability when sodium oxide (Na 2 O) is smaller than the above defined range. Since there is a problem that the Na ions become less and the initial strength becomes smaller, it is limited in this way.
  • sodium oxide (Na 2 O) and silicon oxide (SiO 2 ) are appropriately 50:50 by weight. This is because it is superior to other formulations in strength and workability.
  • the present invention is characterized in that the sodium oxide (Na 2 O) and silicon oxide (SiO 2) is a powder type, wherein the powder type is the sodium oxide (Na 2 O) and silicon oxide (SiO 2) after dissolving in water at the optimum mixing ratio It is dried to form a powder form.
  • the activator of the present invention into a powder, which is more convenient to use than the conventional liquid activator and powder-to-powder blended activator and to ensure homogeneity of the composition during manufacture.
  • sodium oxide (Na 2 O) and silicon oxide (SiO 2) are completely dissolved in water, and then dried and powdered to make the liquefied activator of each sodium oxide (Na 2 O), It is possible to ensure a higher homogeneity than silicon oxide (SiO 2 ) in the form of a powder to form an activator.
  • the cementless binder of the present invention is formed by mixing any one or a mixture of fly ash, bottom ash and blast furnace slag with the activator. That is, the alkali activator in the present invention should be capable of activating with fly ash, bottom ash, blast furnace slag and other industrial by-products as a binder composition, and polymerization reactions such as SiO 2 , CaO, Al 2 O 3, etc. in the binders of industrial by-products. It is characterized in that it is applicable only to the binder configuration having this possible component.
  • the polymerization reaction is one of the largest reactions that can be induced in the present invention as a reaction to form a geopolymer (GeoPolymer), in addition to the reaction to promote the hydration reaction.
  • the cementless binder of the present invention can use fly ash / bottom ash and blast furnace slag at the same time as a binder composition, so as to compensate for the low strength and long-term high temperature curing period, which is a disadvantage of fly ash / bottom ash, By using a combination of and fly ash / bottom ash, it is possible to reduce the strength increase and high temperature curing period.
  • the polymerization reaction is a Si-Al-containing mineral reacts with NaOH or KOH
  • fly ash / bottom ash is a binder that can be activated by polymerization because the content of SiO 2 and Al 2 O 3 is relatively high.
  • an alkaline environment or high temperature curing or other method having a pH of 13 or more is required to break the film and promote the reaction of the bottom ash.
  • the blast furnace slag can be blended, and the constituent components of the blast furnace slag contain SiO 2 , Al 2 O 3 , in particular CaO (typically 40% or more of the blast furnace slag). Because of this, hydration and polymerization at room temperature produce strong alkaline materials such as Ca (OH) 2 and the glass coating of fly ash / bottom ash is destroyed, so that even if a large amount of fly ash / bottom ash is mixed, the polymerization reaction is performed at room temperature. It is analyzed that the intensity is greatly expressed.
  • the blast furnace slag is applied as a binder composition
  • the quenching phenomenon is difficult to control, and as a preventive measure, sodium tripolyphosphate (Na 5) in the cement binder of the present invention. It is reasonable to use P 3 O 10 ) as a retardant to delay the alkali activation reaction.
  • the sodium tripolyphosphate is appropriate to mix 3 to 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the binder. If more than 5 parts by weight of sodium component is eluted in the concrete and the delay effect is too high may cause a significant decrease in strength. On the contrary, if less than 3 parts by weight it is difficult to suppress the reaction between the alkali activator and the binder composition is limited to this .
  • bar cement concrete is presented, the cement concrete is fly ash / bottom ash and blast furnace slag, sodium oxide (Na 2 O), silicon oxide (SiO 2 ) and tripolyphosphate (Na 5 P 3 O 10 ), including sodium oxide (Na 2 O) and silicon oxide (SiO 2 ) in a 50:50 weight ratio, with 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the total binder, sodium tripolyphosphate (Na 5 P 3 O 10 ) is 3 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total binder, sodium oxide (Na 2 O), silicon oxide (SiO 2 ) and sodium tripolyphosphate (Na 5 P 3 O 10 ) is It is characterized in that it is blended in a blending ratio, dissolved in water and dried, and mixed with the powder in powder form simultaneously.
  • the alkali activator is presented in a powder form, it is possible to manufacture the concrete simultaneously with the powder. That is, since the alkali activator can be added at the same time when the concrete material is blended, it is possible to double the stability of the concrete by mixing. As a result, the present invention provides a powdered alkali activator in the case of a liquid alkali activator because it can impair stability such as fluidity change during the post addition.
  • the alkali activator for cementless concrete according to the present invention has the advantage of ensuring the homogeneity of the composition due to the powder form, and thus controlling the work performance when manufacturing cementless concrete using the same, and ensuring stable strength when expressing strength.
  • FIG. 5 and 6 are graphs showing the results of compressive strength and slump values for Example 3.
  • Example 7 is a graph showing the results of a slump value for Example 4.
  • FIG. 8 and 9 are graphs showing the results of compressive strength and slump values of Comparative Example and Example 3.
  • FIG. 8 and 9 are graphs showing the results of compressive strength and slump values of Comparative Example and Example 3.
  • alkali activators silicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O), sodium tripolyphosphate (Na 2 P 3 O 10 )
  • sicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O), sodium tripolyphosphate (Na 2 P 3 O 10 ) in the material were prepared in powder form, respectively.
  • concrete mix is as Table 1 below.
  • Example 1 the fly ash was used as a binder composition, and curing conditions were based on curing conditions at 60 ° C. for 48 hours.
  • the alkali activator the compounding ratio of silicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O) was 10:90, 30:70, 50:50, 70:30, and 90:10 by weight.
  • Table 2 the experimental results are shown.
  • the compressive strength is more than 25MPa and the slump value is more than 180mm.
  • FIGS. 1 and 2 in the case of Examples 1-3, when the mixing ratio of the alkali activator was prepared in a weight ratio of 50:50 in the SiO 2 : Na 2 O ratio, the highest compressive strength was shown.
  • the most suitable ratio of the alkali activator required for the polymerization reaction is 50:50 of silicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O) in a weight ratio of most suitable in strength and workability.
  • alkali activators silicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O), sodium tripolyphosphate (Na 2 P 3 O 10 )
  • sicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O), sodium tripolyphosphate (Na 2 P 3 O 10 ) in the material were prepared in powder form, respectively.
  • concrete mix is as Table 1 below.
  • Example 1 the fly ash was used as a binder composition, and curing conditions were based on curing conditions at 60 ° C. for 48 hours.
  • the alkali activator the compounding ratio of silicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O) was 10:90, 30:70, 50:50, 70:30, and 90:10 by weight.
  • Table 2 the experimental results are shown.
  • the compressive strength is more than 25MPa and the slump value is more than 180mm.
  • FIGS. 1 and 2 in the case of Examples 1-3, when the mixing ratio of the alkali activator was prepared in a weight ratio of 50:50 in the SiO 2 : Na 2 O ratio, the highest compressive strength was shown.
  • the most suitable ratio of the alkali activator required for the polymerization reaction is 50:50 of silicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O) in a weight ratio of most suitable in strength and workability.
  • Example 2 blast furnace slag was used as a binder composition, and curing conditions were set to 20 ° C. atmospheric curing.
  • the alkali activator the compounding ratio of silicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O) was 10:90, 30:70, 50:50, 70:30, and 90:10 by weight.
  • Table 3 the experimental results are shown. As shown in FIG. 3, in terms of compressive strength, the strength is increased as the SiO 2 component is increased.
  • the blast furnace slag formulation showed a tendency that the Slump-Loss appear large as the SiO 2 component is increased. This may be due to the large loss of workability when the initial rapid freezing occurred and the SiO 2 ratio was high. Therefore, in the case of blast furnace slag formulation, it was found that it is optimal to apply the SiO 2 ratio to 50% or less.
  • Example 3 was a mixture of fly ash and blast furnace slag in a weight ratio of 50:50, the curing conditions were carried out at 20 °C room temperature curing.
  • the alkali activator the compounding ratio of silicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O) was 10:90, 30:70, 50:50, 70:30, and 90:10 by weight.
  • Table 4 the experimental results are shown. This embodiment is used in parallel to compensate for the shortcomings of room temperature curing in fly ash alone formulation and to control the initial rapid phenomena of blast furnace slag, in which case experiments were conducted to derive the appropriate mixing ratio of alkali activator. As shown in FIG.
  • Example 3-3 shows the best result in terms of compressive strength in terms of compressive strength. This is because in the composition of blast furnace slag and fly ash, since sufficient SiO 2 is supplied from fly ash, excessive use of SiO 2 in long-term strength expression lowers the early strength. Therefore, when the blending ratio of SiO 2 exceeds 50, Is considered to decrease. Meanwhile, as shown in FIG. 6, as the component of SiO 2 was increased, slump-loss showed a tendency to appear large. In this case, as the blast furnace slag is used as the binder composition, when the SiO 2 ratio is increased, the initial quenching phenomenon appears to be due to the large loss of workability.
  • the SiO 2 ratio exceeds 50, and the slump-loss is remarkably large.
  • the compounding ratio of silicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O) may be increased. It is judged that it is most preferable to set it as 50:50 by weight ratio.
  • Example 2 when the blast furnace slag alone was used as the binder composition, high slump loss was shown.
  • the compounding ratio of silicon oxide (SiO 2 ) and sodium oxide (Na 2 O) as an alkali activator is 10:90, 30:70, 50:50, 70:30, 90:10 by weight. The experiment was performed, and the experimental results are shown in Table 5 below.
  • This comparative example was compared with the characteristics of the powdered alkali activator used in the above examples by using the liquid sodium silicate prepared in an alkali activator composition ratio of SiO 2 : Na 2 O weight ratio 50:50.
  • the blast furnace slag and fly ash were mixed in a ratio of 1: 1, and the same compositions and formulations as in Example 3-3 were performed.
  • the results are shown in Table 6 below.
  • Experimental results As shown in FIGS. 8 and 9, it can be seen that the comparative example in terms of compressive strength and workability is lowered in strength and work performance compared to Example 3-3. It is determined that the stability of the performance is improved by ensuring the homogeneity of the present embodiment.

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Description

무시멘트 콘크리트용 분말형 알칼리 활성화제, 이를 이용한 무시멘트 결합재 및 무시멘트 콘크리트
본 발명은 무시멘트 콘크리트에 경화를 유도하기 위한 알칼리 활성화에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 산화규소(SiO2)와 산화나트륨(Na2O)의 혼합비율 조정, 품질 균질화 등에 의해 급결을 방지하여 무시멘트 콘크리트 적용 시 강도와 시공성을 보완할 수 있는 알칼리활성화제, 이를 포함하는 무시멘트 결합재 및 무시멘트 콘크리트에 관한 것이다.
세계적으로 지구 온난화 방지를 위하여 다양한 형태의 노력(1997년 채택, 2005년 발효된 교토 의정서 2012년 종료)을 가하고 있는 가운데 2007년 12월에는 인도네시아 발리에서 '발리 로드맵'을 채택함에 따라 2009년 까지 새 기후변화 협약을 위한 협상이 진행되고 있다.
이에 따라 전 세계적으로 이산화탄소 등 온실가스의 배출량을 큰 폭으로 줄여야 하는 실정에 있다.
한편, 콘크리트 제조 시 근간이 되는 시멘트 1 톤을 생산하는 데 이산화탄소를 약 0.9톤을 배출할 정도로 시멘트 산업은 철강산업과 더불어 주요 이산화탄소 배출 산업이므로 이에 대한 방법 및 대체 물질이 제시가 시급히 요구되고 있다.
국내의 시멘트 생산량은 1년에 약 6,000만 톤으로 이산화탄소를 약 5,400만 톤 배출하고 있다. 이에 대한 타개책의 일환으로 산업부산물을 이용하여 시멘트를 대체하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다.
국내외적으로 고로슬래그, 플라이애시 등을 시멘트와 일부 혼합하여 콘크리트에 많이 적용되고 있으나, 이런 방법으로는 이산화탄소를 획기적으로 저감시키는 데 한계가 있다.
또한 상기와 같이 고로슬래그, 플라이애시, 바텀애시 등 산업부산물을 50%이상 사용한 콘크리트의 초기강도 저하 및 내구성 저하 등의 문제로 일부 특수 구조물에 사용되고 있는 실정이다.
일반적으로 무시멘트 콘크리트의 경우 고로슬래그를 사용하여 상온에서 양생시키는 콘크리트와 플라이애시를 사용하여 고온으로 양생하여 사용되는 경우가 보편적으로 알려져 있으며, 이에 사용된 알칼리 활성화제는 결합재의 종류에 따라 NaOH 및 규산나트륨의 혼합비를 조정하여 사용하고 있는 실정이다. 이러한 알칼리 활성화제 사용은 콘크리트를 강알칼리 환경으로 만들어 경우에 따라 고성능 감수제가 강알칼리 환경에서 작업성능을 제대로 발현하지 못하는 문제가 있다.
또한 고로슬래그를 기반으로 무시멘트 콘크리트를 제조할 경우 초기 급결이 발생되고 이에 따른 급결 제어 효과를 보기 어려우며, 급결 현상으로 인하여 작업성이 저하되는 것은 물론 강도저하 문제가 발생되고 있는 실정이다.
이와 같은 문제에 대하여 한국 공개특허 제2009-0057913호 "무시멘트 알칼리 활성 조적 제품" 및 한국 공개특허 제2008-0019498호 "무시멘트 알카리 활성 벽돌"이 제시되어있으나, 급결 등의 문제로 조적 제품에 한정적으로 적용하는 것을 제시할 따름이다. 한편 국내 특허출원 제2009-0114972호 "무시멘트 마그네슘계 알칼리 활성결합재, 상기 결합재를 포함하는 무시멘트 마그네슘계 알칼리 활성 모르터, 콘크리트 및 콘크리트 2차제품"에서는 활성화제로 마그네슘 및 수산화칼슘을 적용하여 급결을 방지하고 강도와 안정성을 확보하고 있는 것이 특징이나, 본 기술에 있어서는 활성화제 제조시 분말과 분말의 혼합에 의해 활성화제를 제조함에 따라 균질성이 저하될 수 있는 문제가 있다. 기타 유사한 특허들의 경우 대부분은 액상형 활성화제를 제시하고 있는 바, 일 예로 알칼리 활성화제로 액상형인 NaOH 수용액과 3종 물유리(규산소다)를 제시하고 있으며, 이들은 액상형에 기해 조성 변경이 어렵고 액상화 과정에서 사용자가 위험에 노출될 수 있는 문제점이 있다. 또한, 급결방지를 제어할 수 없는 문제가 여전히 상존하는 것이다.
이에 본 발명자들은 액상형의 알칼리 활성화제의 문제인 조성변경이 어려움, 분말과 분말의 혼합에 의하는 경우 균질성 확보의 어려움을 해결하면서 동시에 급결에 의한 작업성의 저하문제를 해결할 수 있는 무시멘트 콘크리트용 알칼리 활성화, 이를 포함하는 무시멘트 결합재 및 이를 포함하는 무시멘트 콘크리트를 제공하고자 함이다.
본 발명의 무시멘트 콘크리트용 알칼리 활성화제는 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2)를 포함하되, 분말형인 것을 특징으로 한다.
상기 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2)에 의해 이하에서 설명하는 고로슬래그, 플라이애시 및 바텀애시와 시멘트가 존재하지 않더라도 중합반응을 유도하여 경화가 가능하도록 하는 것이다.
본 발명의 활성화제에 있어, 상기 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2)는 중량비로 10:90 내지 90:10으로 배합됨이 타당하다. 이와 같이 산화나트륨(Na2O)과 산화규소(SiO2)를 중량비로 10:90 내지 90:10으로 한정하는 것은, 산화규소(SiO2)의 배합량이 상기 한정범위보다 작은 경우 결합재의 점도가 급격히 증가되어 슬럼프가 저하됨으로써 시공성이 저하될 뿐만 아니라 중합반응에 필요한 Si 성분이 적어져 장기강도가 발현이 작아지고, 산화나트륨(Na2O)이 상기 한정범위보다 작은 경우 시공성에 영향을 주지 않지만, Na이온이 적어져 초기강도가 작아지는 문제가 있기 때문에 이와 같이 한정한다.
더욱 바람직하게는 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2)는 중량비로 50:50인 것이 타당하다. 이는 강도 및 시공성부분에서 타 배합에 비해 우수하기 때문이다.
특히 본 발명에서는 산화나트륨(Na2O) 및 산화규소(SiO2)가 분말형인 것을 특징으로 하는 바, 여기서 분말형이라함은 산화나트륨(Na2O) 및 산화규소(SiO2)를 최적의 배합비로 물에 용해한 후 건조시켜 분말형태로 구성 되도록 하는 것이다. 이는 본 발명의 활성화제를 분말로 제조하여 기존 액상형의 활성화제 및 분말 대 분말 배합형의 활성화제보다 사용이 편리하고 제조 시 조성의 균질성을 확보하기 위함이다. 이를 위해 본 발명에서는 알칼리 활성화제를 제조함에 있어 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2)를 물에 완전 용해 후 건조시켜 분말화 시킴으로써 액상화된 활성화제는 물론 각각의 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2)를 분말형태로 하여 배합하여 활성화제를 완성시키는 것 보다 높은 균질성 확보가 가능하게 되는 것이다.
한편 본 발명의 무시멘트 결합재는 플라이애시, 바텀애시 및 고로슬래그 중 어느 하나 또는 혼합물과, 상기 활성화제의 혼합에 의해 형성됨을 특징으로 한다. 즉 본 발명에서 알칼리 활성화제는 결합재 구성으로 플라이애시, 바텀애시, 고로슬래그 및 기타 산업부산물로 활성화 시킬 수 있는 것이어야 하며, 산업부산물의 결합재 내에 SiO2, CaO, Al2O3등과 같이 중합반응이 가능한 구성요소를 갖는 결합재 구성에만 적용이 가능한 것을 특징으로 한다.
여기서, 중합반응이란 지오폴리머(GeoPolymer)를 형성하는 반응으로 본 발명에서 유도할 수 있는 가장 큰 반응 중 하나이며, 여기에 더하여 수화반응을 촉진시키는 반응까지 도모할 수 있다.
결합재 구성으로 플라이애시를 사용할 경우 표면의 유리질 피막을 제거하기 위한 수단으로 pH가 13.8 이상의 콘크리트 환경을 조성해야 반응이 가능하며, 이를 확보하기 위해서는 높은 알칼리 활성화제의 사용이 불가피하다. 따라서 액상형 활성화제로 적용할 경우 고형분이 약 40% 정도의 수용액을 투입하여 기본 사용량이 본 발명에서 제시하는 분말형의 활성화제보다 높은 사용량을 나타내어 강알칼리 환경 적용 시 2배 이상 많은 활성화제의 양이 필요하다. 따라서 본 발명의 무시멘트 결합재의 경우는 상기 활성화제가가 결합재 100중량부에 대해 5 내지 20중량부만 배합하여도 무시멘트 콘크리트에 대해 적용이 가능하게 되는 것이다.
한편 본 발명의 무시멘트 결합재는 결합재 구성으로 플라이애시/바텀애시와 고로슬래그를 동시에 사용할 수 있는 바, 플라이애시/바텀애시가 가지고 있는 단점인 낮은 강도와 장기간의 고온양생기간을 보완하기 위해 고로슬래그와 플라이애시/바텀애시를 혼합한 결합재를 사용함으로써 강도증진 및 고온양생기간을 단축시키도록 할 수 있다.
일반적으로 중합반응은 Si-Al 함유 광물질이 NaOH 또는 KOH와 반응하는 것으로, 플라이애시/바텀애시는 SiO2와 Al2O3의 함유율이 비교적 높아 중합반응으로 활성화시킬 수 있는 결합재이다. 그러나 플라이애시/바텀애시를 사용한 경우에는 유리(glassy) 피막이 형성되어 있기 때문에 이 피막을 파괴시켜 바텀애시의 반응을 촉진시키기 위해서는 pH 13 이상 매우 높은 알칼리 환경이나 고온양생 또는 기타방법 등이 필요하다. 종래의 기술에서는 대부분 고온양생으로 플라이애시/바텀애시의 유리피막을 파괴시켜 중합반응을 유도하였다. 그러나, 본 발명의 무시멘트 결합재에서는 고로슬래그가 배합되도록 할 수 있는 바, 고로슬래그의 구성 성분 중에 SiO2, Al2O3, 특히 CaO(일반적으로 고로슬래그는 40% 이상 함유)이 다량으로 함유되어있기 때문에 상온에서 수화반응 및 중합반응을 하여 Ca(OH)2 등 강알칼리성 물질을 생성하여 플라이애시/바텀애시의 유리피막이 파괴되어 다량의 플라이애시/바텀애시가 혼합되어 있더라도 상온에서 중합반응이 발생하여 강도가 크게 발현되는 것으로 분석된다.
여기서 결합재 구성으로 고로슬래그를 적용할 경우 고로슬래그의 CaO성분과 반응하여 조강형 콘크리트의 적용이 가능하나 이러한 급결 현상은 제어가 어려우며, 방지대책으로는 본 발명의 무시멘트 결합재에서는 트리폴리인산나트륨(Na5P3O10)가 지연제로 활용되어 알칼리 활성화 반응을 지연시킬 수 있도록 함이 타당하다.
상기의 트리폴리인산나트륨은 결합재 100중량부에 대해 3 내지 5중량부가 배합되는 것이 타당하다. 5중량부를 초과하면 나트륨 성분이 콘크리트 내부에서 용출되고 지연효과도 과하게 되어 강도저하가 크게 나타날 수 있기 때문이며, 반대로 3중량부 미만이면 알칼리 활성화제와 결합재 구성간의 반응을 억제시키기 어려워 이와 같이 한정하는 것이다.
한편 본 발명에서는 무시멘트 콘크리트가 제시되는 바, 상기 무시멘트 콘크리트는 플라이애시/바텀애시 및 고로슬래, 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2) 및 트리폴리인산나트륨(Na5P3O10)을 포함하되, 산화나트륨(Na2O) 및 산화규소(SiO2)는 중량비로 50:50으로 배합되면서, 결합재 전체 100중량부에 대해 5 내지 20중량부가 배합되고, 트리폴리인산나트륨(Na5P3O10)은 결합재 전체 100중량부에 대해 3 내지 5중량부가 배합되며, 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2) 및 트리폴리인산나트륨(Na5P3O10)은 상기 배합비로 배합하여 물에 용해 및 건조시켜 분말형으로 분체배합과 동시에 배합됨을 특징으로 한다. 이렇게 알칼리 활성화제가 분말형으로 제시되므로 콘크리트 제조 시 분체와 동시에 투입되어 제조가 가능하다. 즉 알칼리활성화제를 콘크리트 재료 배합시 동시에 투입이 가능함므로 배합에 의한 콘크리트의 안정성을 배가시킬 수 있게 되는 것이다. 결과적으로 본 발명은 액상형의 알칼리 활성화제의 경우 후 첨가 시에 유동성의 변화 등 안정성을 저해할 수 있기 때문에 이와 같이 분말형의 알칼리 활성화제가 제시되는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 무시멘트 콘크리트용 알칼리 활성화제는 분말형태로 인해 조성의 균질성이 확보되어 이를 이용한 무시멘트 콘크리트 제조시 작업성능의 조절이 가능 및 강도발현 시 안정적 강도 확보가 가능한 장점이 있으며, 알칼리 활성화제의 조성에 기해 급결의 문제를 제어할 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 실시 예 1에 대한 압축강도 및 슬럼프값의 결과를 나타내는 그래프,
도 3 및 도 4는 실시 예 2에 대한 압축강도 및 슬럼프값의 결과를 나타내는 그래프,
도 5 및 도 6은 실시 예 3에 대한 압축강도 및 슬럼프값의 결과를 나타내는 그래프.
도 7은 실시 예 4에 대한 슬럼프값의 결과를 나타내는 그래프,
도 8 및 도 9는 비교 예와 실시 예 3의 압축강도 및 슬럼프값의 결과를 나타내는 그래프.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시 예에 한정되지는 않는다.
하기 실시 예에 있어 재료 중 알칼리활성화제(산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O), 트리폴리인산나트륨(Na2P3O10))은 각각을 분말형태로 제조하였다. 또한, 하기 실시 예 및 비교 예에 있어서 콘크리트 배합은 하기 표 1과 같다.
<표 1>
<실시 예 1>
실시 예 1은 사용결합재 구성으로 플라이애시를 사용하고 양생조건은 60℃ 48시간 양생조건을 기준으로 하였다. 알칼리 활성화제로 산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)의 배합비를 중량비로 10:90, 30:70, 50:50, 70:30, 90:10으로 그 배합비를 달리하여 실험을 하였으며, 하기 표 2에서 그 실험결과를 제시하고 있다. 실험결과 각각 압축강도가 25MPa이상, 슬럼프치가 180mm이상으로 무시멘트 콘크리트로 적용이 가능한 것으로 판단된다. 그 중 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이 실시 예 1-3의 경우 알칼리 활성화제의 혼합비율이 SiO2 : Na2O 비율이 중량비로 50:50으로 제조되는 경우 가장 높은 압축강도를 나타내었으며, Slump-Loss가 작게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 중합반응에 필요한 알칼리 활성화제의 최적 배합비율은 산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)이 중량비로 50:50으로 배합되는 것이 강도 및 시공성에서 가장 타당한 것으로 판단된다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시 예에 한정되지는 않는다.
하기 실시 예에 있어 재료 중 알칼리활성화제(산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O), 트리폴리인산나트륨(Na2P3O10))은 각각을 분말형태로 제조하였다. 또한, 하기 실시 예 및 비교 예에 있어서 콘크리트 배합은 하기 표 1과 같다.
<표 1>
Figure PCTKR2012003952-appb-I000001
<실시 예 1>
실시 예 1은 사용결합재 구성으로 플라이애시를 사용하고 양생조건은 60℃ 48시간 양생조건을 기준으로 하였다. 알칼리 활성화제로 산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)의 배합비를 중량비로 10:90, 30:70, 50:50, 70:30, 90:10으로 그 배합비를 달리하여 실험을 하였으며, 하기 표 2에서 그 실험결과를 제시하고 있다. 실험결과 각각 압축강도가 25MPa이상, 슬럼프치가 180mm이상으로 무시멘트 콘크리트로 적용이 가능한 것으로 판단된다. 그 중 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이 실시 예 1-3의 경우 알칼리 활성화제의 혼합비율이 SiO2 : Na2O 비율이 중량비로 50:50으로 제조되는 경우 가장 높은 압축강도를 나타내었으며, Slump-Loss가 작게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 중합반응에 필요한 알칼리 활성화제의 최적 배합비율은 산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)이 중량비로 50:50으로 배합되는 것이 강도 및 시공성에서 가장 타당한 것으로 판단된다.
<표 2>
Figure PCTKR2012003952-appb-I000002
<실시예 2>
실시예 2는 사용결합재 구성으로 고로슬래그를 사용하고 양생조건은 20℃ 대기양생으로 하였다. 알칼리 활성화제로 산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)의 배합비를 중량비로 10:90, 30:70, 50:50, 70:30, 90:10으로 그 배합비를 달리하여 실험을 하였으며, 하기 표 3에서 그 실험결과를 제시하고 있다. 도 3에서 보는 바와 같이 압축강도 측면에서는 SiO2 성분이 증가됨에 따라 강도가 증진되는 결과를 나타내었다. 한편 도 4에서 보는 바와 같이 고로슬래그 배합은 SiO2의 성분이 증가됨에 따라 Slump-Loss가 크게 나타나는 경향을 나타내었다. 이는 초기 급결현상이 나타나 SiO2 비율이 높은 경우 작업성 손실이 크게 나타났기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 고로슬래그 배합의 경우 SiO2 비율이 50% 이하로 적용하는 것이 최적임을 알 수 있었다.
<표 3>
Figure PCTKR2012003952-appb-I000003
<실시예 3>
실시예 3은 플라이애시와 고로슬래그를 중량비로 50:50 혼합한 배합으로 양생조건은 20℃ 상온양생으로 실시하였다. 알칼리 활성화제로 산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)의 배합비를 중량비로 10:90, 30:70, 50:50, 70:30, 90:10으로 그 배합비를 달리하여 실험을 하였으며, 하기 표 4에서 그 실험결과를 제시하고 있다. 본 실시 예는 플라이애시 단독 배합에서 상온양생의 단점을 보완하고 고로슬래그의 초기 급결현상을 조절하고자 병행 사용하는 것으로, 이 경우 적정 알칼리활성화제 혼합비율을 도출하기 위해 실험을 하였다. 도 5에서 보는 바와 같이 압축강도 면에서 실시 예 3-3의 경우가 압축강도면에서 가장 우수한 결과를 나타내는 것을 알 수 있었다. 이는 고로슬래그와 플라이애시의 구성 조성에서 플라이애시에서 충분한 SiO2가 공급되기 때문에 장기강도 발현에 있어 과다한 SiO2의 사용은 오히려 조기강도를 저하시키게 되므로 SiO2의 배합비가 50을 초과하는 경우 오히려 강도가 감소하는 것으로 판단된다. 한편 도 6에서 보는 바와 같이 SiO2의 성분이 증가됨에 따라 Slump-Loss가 크게 나타나는 경향을 나타내었다. 이 경우도 고로슬래그가 결합재 조성으로 사용됨에 따라 SiO2 비율이 높아져 가는 경우 초기 급결현상이 나타나 작업성 손실이 크게 나타났기 때문인 것으로 판단된다. 이 경우도 SiO2 비율이 50을 초과하면서 Slump-Loss가 현저하게 크게 나타나는 것을 알 수 있는 바, 압축강도 및 작업성을 고려하면 산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)의 배합비를 중량비로 50:50으로 하는 것이 가장 바람직하다고 판단된다.
<표 4>
Figure PCTKR2012003952-appb-I000004
<실시예 4>
상기의 실시 예 2에서 보는 바와 같이 결합재 조성으로 고로슬래그를 단독으로 사용할 경우 높은 슬럼프 손실이 발생되는 경향을 나타내었다. 여기서, 고로슬래그 단독배합의 경우 슬럼프 손실을 방지하기 위하여 슬럼프 손실에 관한 실험을 실시하였다. 이 경우도 알칼리 활성화제로 산화규소(SiO2) 및 산화나트륨(Na2O)의 배합비를 중량비로 10:90, 30:70, 50:50, 70:30, 90:10으로 그 배합비를 달리하여 실험을 하였으며, 하기 표 5에서 그 실험결과를 제시하고 있다. 실험결과 트리폴리인산나트륨(Na2P3O10)을 결합재 100중량부 대비 3 내지 5중량로 배합하는 경우가 작업성을 향상시킴에 타당한 것으로 판단되며, 더욱 바람직하게는 실시 예 4-3 즉 3중량부로 배합하는 경우가 가장 높은 작업성 유지 성능을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이는 초기 급결현상을 P 성분이 지연시킨 것으로 판단된다.
<표 5>
Figure PCTKR2012003952-appb-I000005
<비교 예>
본 비교예는 알칼리활성화제 조성비를 SiO2:Na2O 중량비 50:50으로 제조한 액상형 규산나트륨으로 하여 상기 실시 예들에서 사용된 분말형 알칼리활성화제의 특성과 비교를 하였다. 본 비교예에서는 고로슬래그와 플라이애시를 1:1로 배합한 경우로 상기 실시 예 3-3과 동일한 조성 및 배합으로 비교를 하였으며, 그 결과는 하기 표 6에 제시되고 있다. 실험결과 도 8 및 도 9에서 보는 바와 같이 압축강도 및 작업성 면에서 비교 예는 실시 예 3-3에 비해 강도 및 작업성능이 저하되는 것을 알 수 있다. 이는 본 실시 예가 균질성이 확보됨에 의해 그 성능의 안정성이 향상되는 것으로 판단된다.
<표 6>
Figure PCTKR2012003952-appb-I000006

Claims (10)

  1. 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2)를 포함하되, 분말형인 것을 특징으로 하는 무시멘트 콘크리트용 알칼리 활성화제.
  2. 제 1항에 있어서,
    산화나트륨(Na2O) 및 산화규소(SiO2)는 중량비로 10:90 내지 90:10인 것을 특징으로 하는 무시멘트 콘크리트용 알칼리 활성화제.
  3. 제 2항에 있어서,
    산화나트륨(Na2O) 및 산화규소(SiO2)는 중량비로 50:50인 것을 특징으로 하는 무시멘트 콘크리트용 알칼리 활성화제.
  4. 제 1항에 있어서,
    산화나트륨(Na2O) 및 산화규소(SiO2)는 분말형인 것을 특징으로 하되, 산화나트륨(Na2O) 및 산화규소(SiO2)를 배합하여 물에 용해 및 건조시켜 분말형태로 구성됨을 특징으로 하는 무시멘트 콘크리트용 알칼리 활성화제.
  5. 플라이애시, 바텀애시 및 고로슬래그 중 어느 하나 또는 혼합물과, 상기 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 알칼리 활성화제의 혼합에 의해 형성됨을 특징으로 하는 무시멘트 결합재.
  6. 제 5항에 있어서,
    결합재 전체 100중량부에 대해 상기 알칼리 활성화제는 5 내지 20중량부가 배합됨을 특징으로 하는 무시멘트 결합재.
  7. 제 5항에 있어서,
    트리폴리인산나트륨(Na5P3O10)이 더 배합됨을 특징으로 하는 무시멘트 결합재.
  8. 제 7항에 있어서,
    트리폴리인산나트륨(Na5P3O10)은 결합재 전체 100중량부 대비 3 내지 5중량부가 배합됨을 특징으로 하는 무시멘트 결합재.
  9. 제 8항에 있어서,
    트리폴리인산나트륨(Na5P3O10)은 결합재 전체 100중량부 대비 3중량부가 배합됨을 특징으로 하는 무시멘트 결합재.
  10. 플라이애시/바텀애시 및 고로슬래, 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2) 및 트리폴리인산나트륨(Na5P3O10)을 포함하되, 산화나트륨(Na2O) 및 산화규소(SiO2)는 중량비로 50:50으로 배합되면서, 결합재 전체 100중량부에 대해 5 내지 20중량부가 배합되고, 트리폴리인산나트륨(Na5P3O10)은 결합재 전체 100중량부에 대해 3 내지 5중량부가 배합되며, 산화나트륨(Na2O), 산화규소(SiO2) 및 트리폴리인산나트륨(Na5P3O10)은 상기 배합비로 배합하여 물에 용해 및 건조시켜 분말형으로 분체배합과 동시에 배합됨을 특징으로 하는 무시멘트 콘크리트.
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