KR101971020B1 - 부순모래 다량 치환이 가능한 콘크리트용 고성능감수제 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리카르본산계 중합체, 물성안정제, 증점제, 점성안정제를 포함하는 것을 특징으로 하는 부순모래 다량 치환이 가능한 콘크리트용 고성능감수제 조성물에 관한 것이다.

Description

부순모래 다량 치환이 가능한 콘크리트용 고성능감수제 조성물{High-performance water reducer composition for concrete}

본 발명은 콘크리트 제조시 부순모래를 다량으로 첨가하여도 작업성 저하를 유발하지 않으면서 재료분리를 제어할 수 있어 물성이 향상된 콘크리트를 제공할 수 있는 고성능감수제 조성물에 관한 것이다.

콘크리트에는 시멘트, 물, 골재 이외에 화학 혼화제(chemical admixtures)가 추가로 사용된다. 상기 화학 혼화제는 콘크리트의 물리, 화학적 특성을 변화시키고 작업성을 유지하고 개선시키기 위해서 시멘트 조성물에 첨가되는 화학물질로, 화학 혼화제의 사용량은 콘크리트에 사용되는 시멘트 중량의 약 0.5~3% 정도로 미미하지만, 화학 혼화제를 사용함으로써 콘크리트의 물리적 특성을 크게 변화시키거나 개선시킬 수 있다. 화학 혼화제는 그 기능에 따라서 크게 AE제, 감수제, 고성능 감수제 및 고성능 AE제 등으로 분류될 수 있다.

한편 모래의 종류는 자연사, 부순모래로 구분되어진다. 자연사는 강모래와 세척사로 나누어지는데 양질의 강모래는 이미 채취가 불가능하며 진흙성분의 마사토가 대부분으로 콘크리트 배합설계에 부적절하다. 세척사는 입형은 구형으로 양호하나 조립율 2.0 이하의 미세사가 대부분이여서 콘크리트 배합설계에 사용량이 제한되며 채취량이 제한되어 사용에 어려움이 있다. 따라서 그 대안으로 부순모래 사용이 대두되고 있다.

이렇게 부순모래를 사용하는 기술이 다수 제시되고 있는 바, 일 예로 대한민국 특허등록 제1547895호에서는 시멘트 87.5~91.0중량부, 실리카 흄, 플라이 애쉬 중에 1종 이상이 선택된 포졸란 반응성 혼화제 5~10중량부, 폴리카본산계 감수제 0.1~2중량부, 유리섬유, 비닐섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 폴리프로필렌섬유, 나일론 섬유중의 어느 하나의 길이 6~12mm의 단사섬유로 구성된 보강섬유 0.1~1.5중량부, CSA계 팽창재와 무수석고(CaSO4)로 구성된 수축저감제 0.5~2.5 중량부로 구성된 시멘트혼합물 40~45중량부와; 강모래, 규사, 부순모래, 재생잔골재 중에서 적어도 1종 이상으로 구성된 잔골재 36~47중량부와; 합성라텍스 고형분 47중량부와 물 57중량부로 구성된 수용성 라텍스 5~15중량부로 구성됨을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 수용성 라텍스 모르타르를 제시하고 있다.

그런데 부순모래를 사용하면 자연모래와 비교하여 입형이 모가 나있으며 굵기도 크고 흡수율이 낮아 이를 이용하여 콘크리트를 제조하면 재료분리, 블리딩 및 작업성 저하 등 좋지 않은 영향을 가져오며 입형이 모가 나 있어 장시간 운반하는데 많은 작업성 저하를 가져오는 문제가 있다.

상기 기술의 경우도 부순모래를 사용하는 예를 제시하고는 있으나 부순모래 사용에 따른 작업성 저하, 재료분리, 블리딩의 문제를 해결하기 위한 어떠한 기술을 제시하고 있지는 않고 있다.

대한민국 특허등록 제1547895호

본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 콘크리트 제조시 부순모래를 사용하더라도 작업성이 저하되지 않으며 재료분리를 제어할 수 있어 물성이 양호한 콘크리트를 제공할 수 있는 고성능감수제를 제공하고자 함이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 부순모래 다량 치환이 가능한 콘크리트용 고성능감수제 조성물(이하 "본 발명의 조성물"이라함)은, 폴리카르본산계 중합체, 물성안정제, 증점제, 점성안정제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 물성안정제는 글리콜 에테르계 화합물인 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 증점제에는 메틸셀룰로오스계 증점제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 증점제는 카르복시메틸셀룰로오스 및 아크릴아미드 알킬 설폰산의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 점성안정제는 구아검, 로커스트빈검, 타마린드시드검, 카라기난, 잔탄검으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 점성안정제는 카라기난 및 트리이소옥틸 인산염 혼합물인 것을 특징으로 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 조성물은 부순모래의 사용량을 증가시킴에도 블리딩 저항성, 재료분리 저항성, 작업성 등 물성을 향상시킬 수 있어 경제적으로 양호한 콘크리트가 제공될 수 있는 장점이 있다.

아래에서는 본 발명에 따른 양호한 실시 예 및 실험 예를 상세히 설명한다.

본 발명에 조성물은 폴리카르본산계 중합체, 물성안정제, 증점제, 점성안정제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

폴리카르본산계 중합체는 시멘트 입자의 분산성을 향상시켜 물의 사용량을 개략 18중량% 이상 감소시킬 수 있는 고감수율을 나타내며, 이러한 고감수율의 영역에서도 조성물의 유동성을 높이고, 시멘트 조성물이 조기에 작업 강도를 발현시키도록 하는 특성을 지닌다. 즉 폴리카르본산계 중합체는 경화과정에서 수반되는 유동성 저하가 거의 일어나지 않으며 적절한 공기량을 연속적으로 연행시켜 시멘트 조성물에 양호한 작업성을 부여할 수 있으면서도 높은 강도가 발현되도록 할 수 있는 것이다.

바람직하게 폴리카르본산계 중합체는 수평균 분자량 30,000 ~ 200,000 범위인 것을 사용하는 것이 타당한데, 수평균 분자량이 30,000미만인 경우에는 골재 안에 존재하는 미분 및 다공성 물질에 의해 흡착되어 제대로 된 물성을 발현하지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 200,000을 초과하는 경우에는 시멘트 분산효과에 민감성이 너무 크게 작용하여 효과적으로 분산시키지 못하고 재료분리가 쉽게 발생되는 문제점이 있으므로 상기 범위를 유지하는 것이 타당하다.

또한 바람직하게 상기 폴리카르본산계 중합체의 함유량은 본 발명의 조성물 전체 중량대비 5∼30중량% 범위로 함유되는 것이 타당하다. 폴리카르본산계 중합체의 함유량이 30중량%를 초과하면 시멘트의 감수율이 과하게 되어 재료분리를 일으키며, 폴리카르본산계 중합체의 함유량이 5중량%미만이면 콘크리트용 화학혼화제로서의 성능이 저하되는 문제가 있다. 더욱 바람직하게는 10∼20중량%가 적당하다.

상기 물성안정제는 글리콜 에테르계 화합물을 사용하는 것이 타당하다. 글리콜 에테르계 화합물은 부순모래의 표면에 흡착되어 거칠은 입형을 개선시켜주어 작업성을 향상시키도록 하는 기능이 발현되도록 하는 것이다.

상기 글리콜 에테르계 화합물은 바람직하게 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, polyoxyethylene bisphenol-A ether, polyethylene glycol trimethylnonyl ether 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 될 수 있다.

상기 물성안정제는 중합도가 100 ~ 200범위인 것을 사용하는 것이 바람직한데, 중합도가 100미만에서는 물성안정제로서의 기능 즉 작업성 개선효과가 없으며, 중합도가 200을 초과하는 경우 콘크리트 표면에 큰 기포가 다량 발생하여 콘크리트 표면에 악영향을 발생시키는 문제가 있다.

상기 물성안정제의 함유량은 본 발명의 조성물 전체 중량대비 1 ~ 5 중량% 범위로 함유되는 것이 타당한데 1중량%미만에서는 물성안정 효과가 미비하며, 5중량%를 초과하면 강도 저하가 발생되어 상기와 같이 한정하는 것이다.

상기 증점제는 부순모래를 사용하는 경우 재료분리가 발생하기 쉬운데 이러한 재료분리에 대한 저항성을 향상시키도록 하기 위한 것이다. 증점제는 크게 셀룰로오스계, 아크릴계, 우레탄계 등 다양한 종류가 사용될 수도 있으나, 본 발명에서는 혼화제와 1액화가 가장 용이한 셀룰로오스계 증점제가 사용되도록 하는 것이 타당하다.

더욱 바람직하게는 부순모래 사용에 따른 콘크리트의 단위수량에 대한 민감도를 조절하기 위해 메틸셀룰로오스계 증점제를 사용하는 것이 타당하다.

상기 메틸셀룰로오스계 증점제의 증점범위는 1,000 ~ 5,000인 것이 타당한데, 증점범위가 1,000미만 시 분리저감 효과가 떨어지며, 5,000 초과 시 콘크리트 점성이 높아져 작업성이 저하되는 악영향이 있다.

또한 상기 증점제의 함유량은 바람직하게 본 발명의 조성물 전체 중량대비 1 ~ 3중량% 범위로 함유되는 것이 타당한데, 1중량% 미만에서는 분리저감 효과가 미미하며, 3중량%를 초과하면 강도 저하가 발생된다.

또한 본 발명에서는 더욱 바람직한 실시 예로서 상기 증점제는 카르복시메틸셀룰로오스 및 아크릴아미드 알킬 설폰산의 혼합물이 적용되도록 하는 예를 제시한다.

상기 카르복시메틸셀룰로오스는 일반 메틸셀롤로오스(MC)와 달리 메틸셀롤로오스(MC)에 수용성 고분자를 도입한 것으로, 조성물의 혼합 시 즉각적인 증점효과가 나타나지 않고, 수용성 고분자가 용해된 이후에 메틸셀롤로오스(MC)가 증점효과를 나타내기 때문에 증점효과가 나타나는 시기가 다소 지연된다. 즉 카르복시메틸셀룰로오스는 조성간의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있도록 교반시간을 제공하게 되며, 본 발명의 조성이 충분히 혼합된 후에 점성이 발현되어 재료분리에 대한 저항성을 극대화시키면서도 물성의 균일성을 이뤄 내구성이 강화되도록 하는 것이다.

즉 즉각적인 점성의 발현에 의해 작업성을 저하시킴 없이 충분한 작업성이 발현되도록 한 후에 점성이 발현되도록 하여 작업성과 재료분리 저항성을 동시에 만족시키는 것이다.

한편 증점제로 카르복시메틸셀룰로오스만을 첨가하는 경우에 카르복시메틸셀룰로오스는 pH 5이하의 산성조건에서는 증점효과를 유지하기 위해서 배합량을 대폭 크게 하여야 하는데 상기에서 언급한 바와 같이 배합량을 크게 가져가는 경우 강도가 저하되는 문제가 있는데 본 발명에서는 주재로 폴리카르본산계 중합체가 함유되는 바, 폴리카르본산계 중합체는 산이여서 카르복시메틸셀룰로오스의 증점효과를 다소 저하시킬 수 있는 문제가 있다.

이에 본 발명에서는 증점제로 카르복시메틸셀룰로오스에 더하여 아크릴아미드 알킬 설폰산이 더 혼합되도록 하는데 아크릴아미드 알킬 설폰산의 존재하에서 카르복시메틸셀룰로오스는 산성조건에서도 증점효과가 유지되도록 하는 것이다.

즉 폴리카르본산계 중합체의 산성조건 하에서도 함량을 크게 가져갈 필요없이 증점제로 카르복시메틸셀룰로오스 및 아크릴아미드 알킬 설폰산 혼합물이 첨가되도록 하여 강도저하 등 물성저하 없이 재료분리에 대한 저항성을 향상시키도록 하는 것이다. 또한 하기 실험에서 보는 바와 같이 강도는 오히려 증가하는 것으로 나타난다.

바람직하게 카르복시메틸셀룰로오스와 아크릴아미드 알킬 설폰산은 중량비로 (2 내지 8):(8 내지 2)로 배합되는 것이 타당하다.

한편 폴리카르본산계 중합체에 증점제로 메틸셀룰로오스계 증점제를 사용하는 경우 사용후 일정시간(약 10일) 경과시 분리저감효과가 저하되는 현상이 발생된다. 이는 상기에서 기 언급한 바와 같이 폴리카르본산계 중합체는 산이여서 메틸셀룰로오스계 증점제의 증점효과가 저감되기 때문이다. 이를 개선시키기 위해 본 발명에서는 점성안정제가 더 첨가되도록 하는 것이다.

상기 점성안정제는 구아검, 로커스트빈검, 타마린드시드검, 카라기난, 잔탄검 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는데, 상기 점성안정제의 바람직한 함유량은 본 발명의 조성물 전체 중량대비 0.5 내지 2중량% 범위로 함유되는 것이 타당하다.

한편 상기에서 언급된 카라기난 등 점성안정제는 보수력이 우수하여 시간이 지남에 따른 점도 변화가 없도록 하는 장점이 있으나 콘크리트의 경화과정 특히 온도가 높은 여름철에 있어 경화과정에서 온도상승에 따라 점성의 감소현상이 나타나는 문제가 있을 수 있다.

이에 본 발명에서는 점성안정제로 카라기난 및 트리이소옥틸 인산염 혼합물이 적용되는 예를 제시하고 있다. 즉 점성안정제로 카라기난에 더하여 트리이소옥틸 인산염이 더 첨가되도록 하는 것인데 트리이소옥틸 인산염은 내열성이 우수하여 온도가 올라가는 경우에도 겔네트워크가 파괴되지 않도록 하여 상기에서 언급한 문제로서 카라기난의 온도상승에 따른 점성저하의 문제가 제어되도록 하는 것이다.

바람직하게 카라기난과 트리이소옥틸 인산염은 중량비로 (2 내지 8):(8 내지 2)로 혼합되는 것이 타당하다.

이하 본 발명의 실험예에 대해 설명한다.

하기 실험들에서 각 시료들은 한국산업규격 KS F 2560 콘크리트용 화학혼화제의 배합 기준에 따라 슬럼프 180ㅁ10mm가 되는 단위수량을 적용하여 제조하였으며, 혼화제 사용량은 시멘트양의 0.7중량%로 하였다. 모래는 부순모래 100%를 사용하여 콘크리트 배합을 진행하였다. 이러한 시료를 가지고 각 시료에 대해 슬럼프, 압축강도, 작업성을 측정하였다.

<실험 1-폴리카르본산계 중합체의 사용량에 따른 실험>

상기 표 1에서 보는 바와 같이 폴리카르본산계 중합체의 함량이 5중량%에서는 강도발현이 되지 않음을 볼 수 있다. 또한 30중량%에서는 재료분리가 발생하여 작업성 확보가 어려웠다. 그러므로 폴리카르본산계 중합체의 바람직한 함유량은 전체 중량대비 5 내지 30중량%인 것이 바람직한 것으로 보이며 더욱 바람직하게는 10 내지 20중량%가 가장 적당한 것을 알 수 있다.

<실험 2-물성안정제의 사용량에 따른 실험>

하기 표 2에서는 물성안정제의 사용량에 따른 실험결과이다. 각 시료에 있어 폴리카르본산계 중합체는 전체중량 대비 20중량%로 배합하였다.

상기 표 2에서 보는 바와 같이 물성안정제 0.5중량% 미만에서는 물성안정 효과가 미비하며 작업성이 불량하게 나타났고, 7중량%에서는 하면 강도저하가 발생된다. 따라서 물성안정제의 최적 함유량은 전체중량 대비 1 내지 5중량%인 것으로 판단된다.

<실험 3-증점제의 사용량에 따른 실험>

하기 표 3에서는 증점제를 사용한 실험결과이다. 각 시료에 있어 폴리카르본산계 중합체는 전체중량 대비 20중량%, 물성안정제는 5중량%로 배합하였다. 하기 표에서 시료 1 내지 4의 경우 증점제로 카르복시메틸셀룰로오스가 적용되었으며, 시료 5의 경우 카르복시메틸셀룰로오스와 아크릴아미드 알킬 설폰산이 중량비로 5:5인 혼합물이 적용되었다.

상기 표 3에서 보는 바와 같이 증점제 함량이 0.5중량% 미만에서는 분리저감 효과가 미비하며 작업성이 불량하게 나타났으며, 5중량%에서는 강도저하가 발생되는 것을 알 수 있는 바, 증점제의 최적 함유량은 전체중량 대비 1 내지 3중량%인 것으로 판단된다. 특히 시료 5의 경우가 시료 3과 대비 작업성이 유지되고 재료분리에 대한 저항성도 유지되면서 압축강도 면에서 유리한 효과가 발현되는 것을 알 수 있다. 이는 폴리카르본산계 중합체에 의한 산성조건에서 카르복시메틸셀룰로오스의 증점효과가 다소 저하될 수 있는데 시료 5의 경우 증점제로 카르복시메틸셀룰로오스에 더하여 아크릴아미드 알킬 설폰산이 더 혼합되도록 함으로써 증점효과가 유지되도록 하여 결국 이러한 증점효과의 발현에 의해 압축강도면에서 유리한 효과가 발현되도록 하는 것으로 판단된다.

<실험 4-점성안정제의 사용량에 따른 실험>

하기 표 4에서는 점성안정제의 사용량 변화에 따른 실험결과를 제시하고 있다. 각 시료에 있어 폴리카르본산계 중합체는 전체중량 대비 20중량%, 물성안정제는 5중량%, 증점제는 3중량%로 배합하였다. 하기 표에서 시료 1 내지 5의 경우 점성제로 카라기난이 적용 되었으며, 시료 6의 경우 점성제로 카라기난 및 트리이소옥틸 인산염이 중량비로 5:5인 혼합물이 적용되었다. 또한 하기 실험결과는 혼화제 제조 10일 정치 후 사용 결과이다.

상기 표 4에서 보는 바와 같이 시료 1(점성안정제 미첨가)의 경우 혼화제 제조 10일 후에는 분리저감 효과가 불량하게 나타났다. 0.5중량%에서도 분리저감 효과가 나타났으며, 3중량%까지도 안정적인 분리저감효과가 나타났으나 분리저감효과가 증진되지는 않았다. 따라서 강도 등을 고려하여 점성안정제의 최적 함유량은 전체중량 대비 0.5 내지 2중량%인 것으로 판단된다. 특히 시료 6의 경우가 시료 4와 대비 작업성이 유지되고 재료분리에 대한 저항성도 유지되면서 압축강도 면에서 유리한 효과가 발현되는 것을 알 수 있다.

이는 상기에서 언급한 바와 같이 카라기난은 콘크리트의 경화과정에서 발생되는 열에 의해 점성이 다소 감소될 수 있는데 시료 6과 같이 점성안정제로 카라기난에 더하여 트리이소옥틸 인산염이 더 첨가되도록 하여 트리이소옥틸 인산염의 내열성에 의해 경화과정에서 온도가 올라가는 경우에도 카라기난에 의한 겔네트워크가 파괴되지 않도록 하여 점성이 유지되도록 하는 것에 기인한 것으로 판단된다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

Claims (6)

1. 폴리카르본산계 중합체, 물성안정제, 증점제, 점성안정제를 포함하되,
   상기 증점제는 작업성과 재료분리 저항성을 동시에 만족시키기 위한 카르복시메틸셀룰로오스 및 산성조건에서 상기 카르복시메틸셀룰로오스의 증점효과의 유지를 위한 아크릴아미드 알킬 설폰산의 혼합물로서, 카르복시메틸셀룰로오스와 아크릴아미드 알킬 설폰산은 중량비로 (2 내지 8):(8 내지 2)로 배합되는 것을 특징으로 하는 부순모래 다량 치환이 가능한 콘크리트용 고성능감수제 조성물.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 물성안정제는 그리콜 에테르계 화합물인 것을 특징으로 하는 부순모래 다량 치환이 가능한 콘크리트용 고성능감수제 조성물.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 점성안정제는 구아검, 로커스트빈검, 타마린드시드검, 카라기난, 잔탄검으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 부순모래 다량 치환이 가능한 콘크리트용 고성능감수제 조성물.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 점성안정제는 카라기난 및 트리이소옥틸 인산염 혼합물인 것을 특징으로 하는 부순모래 다량 치환이 가능한 콘크리트용 고성능감수제 조성물.