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KR100658965B1 - 시멘트 혼화재 및 그것을 사용한 시멘트 조성물 - Google Patents

시멘트 혼화재 및 그것을 사용한 시멘트 조성물 Download PDF

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KR100658965B1
KR100658965B1 KR1020030047605A KR20030047605A KR100658965B1 KR 100658965 B1 KR100658965 B1 KR 100658965B1 KR 1020030047605 A KR1020030047605 A KR 1020030047605A KR 20030047605 A KR20030047605 A KR 20030047605A KR 100658965 B1 KR100658965 B1 KR 100658965B1
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박정권
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Abstract

본 발명은 메타카올린과 이수석고를 혼합하여서 된 시멘트 혼화재 및 그것을 사용한 시멘트 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 시멘트 혼화재는 메타카올린에 이수석고를 30중량% 내지 60중량% 균질하게 혼합한 것이고, 시멘트조성물은 상기 혼화재를 시멘트에 5중량% 내지 25중량% 첨가하고 여기에 0.5중량% 내지 3.0중량%의 감수제를 사용하는 것이다.
시멘트 혼화재, 시멘트 조성물, 이수석고, 메타카올린

Description

시멘트 혼화재 및 그것을 사용한 시멘트 조성물{Cement admixture and cement composition using thereof}
본 발명은 시멘트 모르타르 또는 콘크리트 제조시 시멘트제품의 물성개선을 위해서 시멘트에 첨가되는 시멘트 혼화재 및 그것을 사용한 시멘트 조성물에 관한 것이다.
시멘트를 메타카올린(Meta Kaolin)으로 5중량% 내지 30중량% 치환함으로써 포졸란(pozzolan)반응이 촉진되어 고강도 시멘트 모르타르 및 콘크리트 조성물이 되는 것은 일본특허 평3-265549호에 의해 알려져 있다. 한편 한국공개특허 공개번호 특2000-0037750호에는 시멘트를 메타카올린으로 5중량% 내지 20중량% 치환하여 상기 일본특허 평3-265549호와 같은 결과를 얻을 수 있다고 기재되어 있다.
플라이애쉬(Fly Ash)와 고로슬래그(Slag) 등도 포졸란반응을 촉진하여 고강도 시멘트 조성물을 얻을 수 있다. 그러나 이 플라이애쉬와 고로슬래그에 의한 포졸란반응은 비교적 시멘트 콘크리트의 장기강도 증가에 기여하지만 단기강도가 오히려 큰 폭 저하하기 때문에 공사현장이나 콘크리트 2차제품 공장에서 탈형 시간이 늦어져 효과적인 작업이 어려운 결점이 있었다.
이 문제를 해결하고 시멘트 콘크리트의 단기강도를 증대시키기 위하여 CaCl2 등의 무기계 경화촉진재를 첨가한다든지 속경용 시멘트 혼화제를 혼합하여 사용하는 방법이 있다.
그러나 CaCl2와 같은 무기계 혼화재를 혼합하여 사용하면 철근에 녹이 발생하는 문제와, 단기강도는 증가하지만 장기강도가 저하되는 등의 문제가 있었다. 한편 속경용 혼화제는 값이 비싸며 응결시간의 조절이 어렵고 또한 장기강도의 발현에도 악영향을 미치는 등의 결점이 있었다.
본 발명의 목적은 콘크리트의 단기강도를 증가시키면서 장기강도도 증대시키는 동시에 콘크리트의 내약품성의 향상, 투수성의 방지, 알칼리골재반응의 방지 등 폭넓게 경화체의 물성을 개선시킬 수 있는 시멘트 혼화재 및 그것을 사용한 시멘트 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명자들은 메타카올린에 이수석고를 30중량% 내지 60중량% 균질하게 혼합하여서 된 시멘트혼화재 및 상기 혼화재를 시멘트에 5중량% 내지 25중량% 첨가하고 여기에 0.5중량%내지 3.0중량%의 감수제를 첨가하여서 된 시멘트 조성물에 의하여 콘크리트의 단기강도와 장기강도를 증대시키고 내약품성의 향상, 투수성방지 등의 효과를 얻을 수 있다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.
이하, ㅂ실시예를 들어 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 구성은 포졸란반응을 촉진하여 장기강도를 증대시키는 혼화재인 메타카올린에 이수석고(CaSo4ㆍ2H2O)를 메타카올린 양의 30중량% 내지 60중량%, 바람직하게는 40중량% 내지 50중량%를 첨가한 시멘트 혼화재를 제공하는 것이다.
배연탈황석고, 인산석고, 천연석고 등 시멘트산업에서 사용 가능한 것이면 어느 것이나 이수석고의 원료로 사용될 수 있다. 메타카올린과 이수석고를 혼합하여 분쇄하는 것이 균질화되어 바람직하지만 이수석고가 건조상태의 미분말 상태이면 메타카올린과 이수석고를 혼합기(Mixer)로 혼합하여 조정하는 것도 가능하다.
이와 같이 혼합분쇄하거나 혼합하여 조정한 메타카올린-이수석고 혼화재를 시멘트 중량을 기준량으로 하여 여기에 5중량% 내지 25중량%, 바람직하게는 10중량% 내지 20중량%를 첨가하는 것을 특징으로 한다.
사용할 감수제는 나프탈렌(Naphthalene)계, 멜라민(Melamine)계, 폴리카본산(Polycarbonic asid)계 중에서 나프탈렌계와 멜라민계 감수제가 적합하다.
폴리카본산계 혼화제는 시멘트 모르타르나 콘크리트 비비기 중에 기포가 증가하기 때문에 단기강도를 증가시키기 위해서는 기포의 발생을 억제하는 탈기포제 등의 활용이 필요하고 이를 위한 기술개발이 필요하다.
시멘트에 메타카올린만을 첨가하면 시멘트 모르타르나 콘크리트의 장기강도가 시멘트만을 사용한 배합에 비하여 대폭 증가한다. 그러나 1일 강도는 시멘트만 사용한 배합에 비하여 거의 증가하지 않는다. 3일강도, 7일강도는 강도증가비율이 증가해 가지만 증가율이 작다.
삭제
한편 본 발명의 혼화재는 특히 1일강도, 3일강도를 현저하게 증가시키고 동시에 7일강도, 28일강도도 시멘트만 사용한 배합에 비하여 증가시킨다. 즉 메타카올린의 특징인 장기강도를 유지시키면서 단기강도를 대폭으로 개선한다.
이와 같이 메타카올린과 이수석고를 혼합한 혼화재를 첨가함으로 인해 시멘트 모르타르와 콘크리트의 단기강도에서 장기강도까지 대폭으로 증가시키는 것이 가능하다. 메타카올린을 첨가하지 아니하고 이수석고만을 첨가하면 단기강도는 증가하지만 장기강도는 오히려 저하한다.
또한 메타카올린에 이수석고를 첨가함으로써 메타카올린을 단독으로 사용하는 것에 비하여 제조비용이 경감되는 경제적 이점이 있으며, 시멘트 모르타르나 콘크리트의 경시적인 유동성 저하를 방지하여 양호한 시공성을 유지하는 효과도 있다. 즉 메타카올린에 이수석고를 혼합한 혼화재는 시멘트 모르타르 및 콘크리트의 단기강도를 현저하게 높이고 동시에 장기강도도 메타카올린의 효과를 유지하여 고강도를 확보하며 또한 유동성의 저하를 동시에 방지하는 효과가 있는 것이 판명되었다.
그 원인은 명확한 것은 아니지만 다음과 같이 추정된다.
요컨대 시멘트와 메타카올린의 혼합체는 시멘트중의 C3A(칼슘알루미네이트화 합물)가 메타카올린에서 발생하는 가용성 알루미늄(Al이온)의 존재 하에서 급속히 수화반응하여 유동성 저하를 초래하는 것으로 생각된다.
그러나 본 발명에서는 시멘트와 메타카올린의 혼합체에 석고(특히 이수석고)를 적정량 첨가함으로써 C3A 반응이 억제되어 유동성의 저하를 방지하는 것으로 추정된다.
한편, 이수석고를 첨가하는 것에 의해 시멘트중의 C3A, 메타카올린으로부터 나온 가용성 알루미늄(Al이온)은 이수석고와 반응하여 에트린가이트(Ettlingite) 또는 유사화합물의 생성을 돕는 것으로 사료된다.
이수석고를 첨가하는 것에 의해 시멘트 모르타르와 콘크리트의 단기강도가 증대하는 것은 시멘트 경화시에 있어서 이수석고의 첨가에 의하여 에트린가이트의 생성 타이밍이 좋아져 조직이 치밀화되어 단기강도가 증대하는 것으로 추정된다.
한편 중ㆍ장기강도에 있어서는 메타카올린과 시멘트의 포졸란반응이 그대로 촉진되어 석고 첨가에 따른 방해를 받지 않고 중ㆍ장기강도가 증가하는 것으로 생각된다.
이와 같이 이수석고와 메타카올린을 혼합시킨 혼화재는 시멘트 모르타르 및 콘크리트의 단기강도의 현저한 증가와 중장기 강도의 증대에 기여하는 것이 가능하다.
다음에 본 발명에 이른 시멘트 모르타르 시험과 콘크리트 시험의 실례를 기술한다.
기본적으로는 시멘트 모르타르 시험에서 여러 가지로 검토하였고 콘크리트 시험에서는 그 최적조건에서 혼화재의 효과를 확인하였다.
(실시예)
표1. 원료 메타카올린의 성분 ((주)아세아세라텍 제품) 단위: 중량%
SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O,Na2O 기타
46.5 35.5 2.3 0.1 1.0 0.2 0.7 13.7
평균입도: 7.5㎛, BET값: 28㎡/g
<모르타르 시험>
1) 사용재료
가. 시멘트 보통 포트랜드 시멘트
나. 모래 한국 KS 표준사
다. 감수제 나프탈렌계 M-150, 멜라민계 NEXO-slip
라. 메타카올린 (주)아세아세라텍 제품
마. 석고 배연탈황석고
2) 시험방법
가. 강도시험
일본의 JIS 모르타르 시험에 준거
분말(시멘트 + 메타카올린 + 이수석고) / 모래 = 1/1
물 / 분말(시멘트 + 메타카올린 + 이수석고) = 30중량%
공시체(시험용 샘플)의 크기 = 40㎜ ×40㎜ ×160㎜
수중양생온도 = 20℃±1℃
나. Flow Test (Slump Loss)
일본의 JIS에 의함
분말(시멘트 + 메타카올린 + 이수석고 ) / 모래 = 1/1.5
물 / 분말(시멘트 + 메타카올린 + 이수석고) = 50중량%
유동성이 20㎝ ±1㎝ 가 되도록 감수제로 조정 후 경시변화 측정
3) 시험결과
가. 모르타르 강도시험
표2. 나프탈렌계 감수제 사용 모르타르 강도시험 결과
시멘트 기준 메타카올린 첨가량 (대 시멘트 중량%) 이수석고 첨가량 (대 시멘트 중량%) 감수제 첨가량 (대 분말 중량%) 1일 압축강도 (kg/㎠) 3일 압축강도 (kg/㎠) 7일 압축강도 (kg/㎠) 28일 압축강도 (kg/㎠)
100 0 0.0 1.94 297 640 772 880
100 10 0.0 2.13 289 680 861 1,043
100 10 2.0 2.15 301 710 880 1,015
100 10 3.0 2.20 350 730 893 996
100 10 4.0 2.33 436 760 954 1,052
100 10 5.0 2.33 420 742 920 1,030
100 10 7.0 2.35 386 710 942 1,010
100 10 10.0 2.40 392 720 910 885
100 0 4.0 1.69 410 695 888 872
100 5 4.0 2.05 360 672 890 927
100 15 4.0 2.72 354 723 925 1,024
100 25 4.0 3.20 292 756 911 1,072
표3. 멜라민계 감수제 사용 모르타르 강도시험 결과
시멘트 기준 메타카올린 첨가량 (대 시멘트 중량%) 이수석고 첨가량 (대 시멘트 중량%) 감수제 첨가량 (대 분말 중량%) 1일 압축강도 (kg/㎠) 3일 압축강도 (kg/㎠) 7일 압축강도 (kg/㎠) 28일 압축강도 (kg/㎠)
100 0 0.0 1.63 300 580 880 982
100 10 0.0 2.12 295 620 925 1,180
100 10 2.0 2.30 310 642 920 1,146
100 10 3.0 2.56 380 725 910 1,120
100 10 4.0 2.29 416 780 936 1,192
100 10 5.0 2.31 425 768 915 1,158
100 10 7.0 2.32 396 710 890 1,052
100 10 10.0 2.35 350 646 858 960
100 0 4.0 1.69 405 633 840 875
100 5 4.0 2.01 380 652 880 1,050
100 15 4.0 2.54 368 770 925 1,165
100 25 4.0 3.12 345 755 932 1,176
<콘크리트 강도시험>
1) 사용재료
가. 시멘트 보통 포트랜드 시멘트
나. 조골재 석회석 비중 2.58
다. 모래 육사 비중 2.65
라. 감수제 나프탈렌계 M-150, 멜라민계 NEXO-slip
마. 메타카올린 (주)아세아세라텍 제품
바. 석고 배연탈황석고
표4. 콘크리트 배합표 (나프탈렌계 감수제 사용시)
배합 수준 W/P (중량%) 단위용적 중량(kg/㎡) AE감수제 +AE조정제 (대분말 중량%)
시멘트 MK 이수 석고 조골재 모래
①B.B 55 300 0 0 164 1,025 784 0.10+0,002
②B 55 270 30 0 164 1,025 784 0.43+0.002
55 258 30 12 164 1,025 784 0.54+0,002
※ 상기 W/P(중량%)는 물/분말 의 중량비율을 나타내며, MK는 메타카올린, AE조정제는 기포조정제를 나타낸다.
표5. 콘크리트 배합표 (멜라민계 감수제 사용시)
배합 수준 W/P (중량%) 단위용적 중량(kg/㎡) AE감수제 +AE조정제 (대분말 중량%)
시멘트 MK 이수 석고 조골재 모래
④B.B 55 300 0 0 164 1,025 784 0.10+0.002
⑤B 55 270 30 0 164 1,025 784 0.37+0.002
55 258 30 12 164 1,025 784 0.55+0.002
※ 상기 W/P(중량%)는 물/분말 의 중량비율을 나타내며, MK는 메타카올린, AE조정제는 기포조정제를 나타낸다.
2) 푸렛쉬 콘크리트(Flesh Concrete)의 성질
표6. 푸렛쉬콘크리트의 성질 (나프탈렌계 감수제 사용시)
배합 수준 W/P (중량%) S/A (중량%) 시멘트 (kg/㎡) MK (kg/㎡) 이수석고(kg/㎡) Slump (㎝) 공기량 (용적%) 온도 (℃)
①B.B 55 43 300 0 0 12.4 5.1 20.6
②B 55 43 270 30 0 11.2 5.3 21.0
55 43 258 30 12 12.8 5.3 20.9
※ 상기 W/P(중량%)는 물/분말 의 중량비율을, S/A(중량%)는 모래/조골재의 중량 비율을 나타내며, MK는 메타카올린을 나타낸다.
표7. 푸렛쉬콘크리트의 성질 (멜라민계 감수제 사용시)
배합 수준 W/P (중량%) S/A (중량%) 시멘트 (kg/㎡) MK (kg/㎡) 이수석고 (kg/㎡) Slump (㎝) 공기량 (용적%) 온도 (℃)
④B.B 55 43 300 0 0 11.5 5.8 20.8
⑤B 55 43 270 30 0 12.6 5.6 21.2
55 43 258 30 12 12.0 5.5 20.4
※ 상기 W/P(중량%)는 물/분말 의 중량비율을, S/A(중량%)는 모래/조골재의 중량 비율을 나타내며, MK는 메타카올린을 나타낸다.
3) 경화 콘크리트의 성질
표8. 경화 콘크리트의 성질
배합 수준 W/P (중량%) S/A (중량%) 시멘트 (kg/㎡) MK (KG/㎡) 이수석고 (kg/㎡) 압축강도(kg/㎠)
1일 3일 7일 28일
①B.B 55 43 300 0 0 115 212 297 385
②B 55 43 270 30 0 110 230 330 470
55 43 258 30 12 192 282 350 466
④B.B 55 43 300 0 0 120 207 301 392
⑤B 55 43 270 30 0 122 240 323 455
55 43 258 30 12 204 291 362 460
※ 상기 W/P(중량%)는 물/분말 의 중량비율을, S/A(중량%)는 모래/조골재의 중량 비율을 나타내며, MK는 메타카올린을 나타낸다.
< Slump-Loss 시험>
Slump-Loss 시험은 콘크리트 슬럼프로스 시험 대신에 모르타르 강도시험의 시료를 사용하여 모르타르의 Flow 경시변화로 평가하였다.
Slump-Loss 시험은 혼화재로 「메타카올린 + 이수석고」를 사용한 배합에 대하여 혼화재를 첨가하지 않은 순수한 시멘트만의 배합과 비교하여 행하였다.
표9. Slump-Loss Data-Sheet
시료 시멘트 (g) MF (g) 물 (g) 혼화재 감수제 시작으로부터의 Flow값의 차(㎜)
종류 대 분말 중량% 종류 대 분말 중량% Flow (㎜) 15분후 (㎜) 30분후 (㎜) 60분후 (㎜) 90분후 (㎜) 판정
1 650 0 325 BB 0 - 0.00 206 10 23 24 30 표준
2 585 65 325 B 0 M150 0.43 200 15 25 26 38 ××
3 585 65 325 B 0 M150 0.43 196 13 18 24 35
4 585 65 325 석고 2.0 M150 0.46 197 15 23 30 34
5 585 65 325 석고 4.0 M150 0.54 194 14 18 24 30
6 585 65 325 B 0 Mela 0.37 199 7 18 30 31
7 585 65 325 석고 2.0 Mela 0.49 197 11 14 27 32 ○△
8 585 65 325 석고 4,0 Mela 0.55 191 8 14 23 31
9 585 65 325 B 0 M2000 0.31 204 6 18 26 35 ×
10 585 65 325 석고 2.0 M2000 0.35 199 13 16 23 34
11 585 65 325 석고 4.0 M2000 0.46 200 10 17 25 30
※ 상기 표 혼화재의 종류 항목에서
BB: 혼화재를 전혀 사용하지 않음
B : 혼화재로 메타카올린만 사용함
석고: 혼화재로 메타카올린과 이수석고를 사용함
※ 상기 표 감수제의 종류 항목에서
M-150, M2000 : 나프탈렌계 감수제, Mela : 멜라민계 감수제
※ 상기 표 판정항목에서
○ : 좋음
○△ : 약간좋음
△ : 보통
X : 약간 나쁨
XX : 나쁨
[실시예의 설명]
다음에 순차적으로 실시 예를 바탕으로 그 효과를 설명한다.
표2는 나프탈렌계 감수제(M-150)를 사용한 모르타르 시험결과를 나타낸 것이다. 이수석고를 시멘트 기준량 100에 대하여 0중량% 에서 10중량%, 메타카올린을 시멘트 기준량 100에 대하여 0중량%에서 25중량%까지 변화시켜 가면서 시험을 행하였다. 그 결과 시멘트 기준량 100에 대하여 메타카올린 10중량%, 이수석고 3중량% 내지 7중량% 첨가된 배합수준이 1일강도, 3일강도가 현저히 증가하고 28일강도도 혼화재를 첨가하지 않은 시멘트만의 배합에 비하여 강도가 증가하였다. 시멘트 기준량 100에 메타카올린 0중량%, 이수석고 4중량%의 배합수준도 단기강도는 증가하지만 7일강도, 28일강도는 증가하지 않았다.
표3은 멜라민계 감수제(NEXO-slip)를 사용한 모르타르 시험결과를 나타낸 것이다. 전체적으로 나프탈렌계감수제 M-150을 사용한 것 보다 강도가 증가하고 있으나 결과의 경향은 표2와 동일하게 시멘트기준량 100에 대하여 메타카올린 10중량%, 이수석고 3중량% 내지 7중량% 첨가한 배합수준이 단기강도의 증가가 현저하고 동시에 장기강도도 증가하였다. 메타카올린을 첨가하지 않은 배합은 장기강도가 낮았다. 이수석고의 첨가율이 적으면 그 효과도 작게 되어 바람직하지 못하다. 또한 너무 많이 첨가하면 응결시간이 길어져 장기강도가 증가하지 않아 바람직하지 않다.
콘크리트시험은 모르타르 시험결과로부터 판단하여 최적이라고 생각되는 수준에서 시험을 실시하였다.
표6, 표7, 표8의 결과에 있어서도 메타카올린과 이수석고의 첨가에 의해 그 효과를 확인하였다.
표9는 유동성 변화의 결과를 나타낸다.
혼화재로서 「메타카올린+이수석고」를 사용하여 시험하였다. 그 결과 시멘트와 메타카올린의 조합에서는 유동성의 저하가 크지만 이수석고를 첨가함에 따라 유동성의 저하가 완화되었다.
이상으로 설명한 본 발명에 의하면, 본 발명의 혼화재는 시멘트 모르타르 및 콘크리트의 단기강도를 현저히 증가시키면서 장기강도도 증대시키는 동시에 시멘트 모르타르 및 콘크리트의 내약품성의 향상, 투수성의 방지, 백화의 방지, 알칼리골재반응의 방지 등 폭넓게 경화체의 물성을 개선시킬 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 시멘트 혼화재에 있어서, 메타카올린에 이수석고를 30 내지 60중량%를 첨가하여서 된 시멘트 혼화재.
  3. 삭제
  4. 시멘트 조성물에 있어서, 메타카올린에 이수석고를 30 내지 60중량% 첨가하여 된 시멘트 혼화재를 시멘트에 5 내지 25중량%를 첨가하고, 여기에 0.5 내지 3.0중량%의 감수제를 첨가하여 된 시멘트 조성물.
  5. 제 4항에 있어서, 감수제는 나프탈렌계, 멜라민계, 폴리카본산계중 어느 하나를 사용하는 시멘트 조성물.
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