KR20180083756A - 콘크리트 강도 증진용 결합제 및 이를 포함하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물 - Google Patents
콘크리트 강도 증진용 결합제 및 이를 포함하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 콘크리트 강도 증진용 결합제 및 이를 포함하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카테콜계 유기 화합물 및 아민계 고분자를 포함하는 콘크리트 강도 증진용 결합제는 모르타르나 콘크리트 등에 적용하여 각 조성 간의 접착력과 함께 철 등의 피착물에 대한 접착력을 높여 구조물 자체의 강도를 증가시킬 수 있는 폴리머 시멘트 복합체 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 콘크리트 강도 증진용 결합제 및 이를 포함하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물에 관한 것이다.
콘크리트는 시멘트, 모래, 자갈 또는 기타 골재의 혼합물에 물을 소정의 비율로 첨가하여 구조물이 요구하는 크기와 형상의 거푸집 속에서 경화시켜 만든 일종의 인조석이다.
산업 발전에 따라 콘크리트 사용이 증가하고 있으나, 콘크리트의 열화 및 중성화, 또는 염해 등으로 인해 콘크리트 구조물의 내부 및 외부에 균열이 발생하는 등 구조적인 안전 문제가 심각해지고 있다. 이에 콘크리트 구조물의 강도를 높이기 위한 다양한 방법이 제시되고 있다.
콘크리트 조성물은 통상 시멘트, 골재 및 물을 혼합하여 사용하며, 이때 골재의 함량을 높일수록 강도가 증가하는 경향이 있으나 제조 공정상 슬럼프가 급격히 적어지고, 부착력이 낮아지는 문제가 있다. 이에 플라이 애쉬나 고로 슬래그 분말과 같은 혼화제를 필수적으로 사용하여 강도를 향상시켰으나, 이들만으로는 부족하여 유리섬유, 비닐섬유, 폴리비닐알코올 섬유, 나일론 섬유와 같은 보강 섬유를 사용하였다.
상기 플라이 애쉬나 고로 슬래그는 시멘트와 혼합이 용이하나 보강 섬유와의 혼화성이 낮아 상기 섬유 첨가에 따른 강도 향상 효과 확보가 만족스럽지 않았다.
이러한 결점을 개선할 목적으로 폴리머(polymer, 중합체 또는 고분자 라고도 한다)를 시멘트 콘크리트의 결합제인 시멘트 수화물의 일부 또는 전부를 대체하거나 혹은 강화한 재료로 사용하였다. 이렇게 만들어진 재료를 폴리머 콘크리트 복합체(polymer concrete composite)라 한다.
폴리머 콘크리트 복합체의 다양한 종류 중에서 폴리머 시멘트 콘크리트 및 모르타르는 시멘트 콘크리트 및 모르타르의 결합제 일부를 폴리머로 대체한 것으로 시멘트 콘크리트 및 모르타르에 폴리머 혼화제(polymeric admixture, 시멘트 혼화용 폴리머；polymeric modifier라고도 부른다)를 혼화해 만들어지는데, 이 경우 통상의 화학 혼화제보다 꽤 다량［일반적으로는, 시멘트에 대해서 5% 이상(질량분율)］의 폴리머가 혼화된다.
즉, 폴리머와 시멘트를 동시에 결합제로 사용한 콘크리트 및 모르타르로서 대표적인 폴리머로는 VAE(Vinyl Acetate-Ethylene), PAE(Polyacrylic Ester), SBR(Styrene-Butadiene Rubber) 등이 사용되며, 대표적인 산업적 용도는 타일 접착재, 외단열(EIFS) 마감재, 미장재, 고속도로 overlay, 바닥재, 방수재, 방식재, 데크커버링재 등이 있다.
상기 제시한 폴리머 콘크리트 복합체는 여기에 포함된 VAE 등의 폴리머로 인해 보강 섬유와 혼화성이 우수하나, 시멘트 수화를 위한 물과 쉽게 혼합되지 않고, 상기 언급한 바와 같이 시멘트 대비 높은 함량이 요구됨에도 불구하고 휨 강도와 같은 인장강도 특성 발현의 제약이 있다.
상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 물에서도 경화가 용이하게 일어나고 무기재료 및 유기재료 모두에 대한 높은 부착력을 갖는 물질에 대한 연구를 진행한 결과, 홍합 족사로부터 유래된 홍합 접착제에 대한 아이디어에 착안하여 새로운 콘크리트 강도 증진용 결합제를 개발하였고, 이를 모르타르 및 콘크리트 조성물에 적용하여 구조물의 강도를 획기적으로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 다양한 구조재(목재, 철근, 고분자섬유, 유리섬유 등)와 접착력이 높은 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 만들 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 콘크리트 구조물의 강도를 높일 수 있는 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 다양한 구조재(목재, 철근, 고분자 섬유, 유리 섬유 등)와 접착 능력이 높은 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 카테콜계 유기 화합물 및 아민계 고분자를 포함하는 콘크리트 강도 증진용 결합제를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 콘크리트 강도 증진용 결합제를 포함하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 제공한다.
이때 상기 폴리머 시멘트 복합체 조성물은 시멘트 및 잔골재를 포함하는 폴리머 시멘트 모르타르 조성물이거나 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재를 포함하는 폴리머 시멘트 콘크리트 조성물인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 콘크리트 강도 증진용 결합제는 수용성으로 물을 배합하여 사용하는 콘크리트 조성물과 쉽게 혼합된다. 이러한 콘크리트 강도 증진용 결합제를 사용한 폴리머 시멘트 콘크리트 및 폴리머 시멘트 모르타르 조성물은 시멘트 페이스트나 골재들 사이의 공간과 콘크리트 내부의 공극 속에서 폴리머 막이 형성되는데 이를 이용하여 제조된 구조물의 강도를 획기적으로 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 무기 재료(시멘트, 골재 및 유리섬유 등), 탄소재료(목재, 탄소섬유 등) 고분자 섬유나 각종 첨가제와 같은 유기 재료와의 혼화성이 우수하고, 이들과의 부착성이 뛰어나 양생 이후 얻어지는 콘크리트 구조물의 강도 및 내구성을 향상 시킬 수 있다.
상기 콘크리트 강도 증진용 결합제는 시멘트 및 골재 등과 혼합되어, 모르타르 및 콘크리트가 사용될 수 있는 각종 건축공사, 토목공사, 외벽공사, 보수공사 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.
도 1은 실험예 1에서 휨 강도를 측정하는 것을 보여주는 사진이다.
본 발명에서는 모르타르 및 콘크리트 재료들과 혼화성이 우수하고 높은 접착력으로 인해 구조물의 강도를 높일 수 있는 콘크리트 강도 증진용 결합제 및 이를 포함하는 폴리머 콘크리트 복합체 조성물을 제시한다.
이하 보다 자세히 설명한다.
콘크리트 강도 증진용 결합제
본 명세서에서 언급하는 콘크리트 강도 증진용 결합제는 시멘트 페이스트 및 골재들 사이의 공간 및 공극 사이에 침투하여 경화를 통해 이들을 결합시켜 강도를 증진시킬 수 있는 물질을 의미한다. 상기 결합제는 종래와는 다른 경화 기전을 통해 경화가 가능하며, 최종 제조된 콘크리트 구조물의 강도를 획기적으로 증가시킬 수 있다.
알려진 바와 같이, 시멘트 및 다양한 골재를 포함하는 콘크리트 조성물은 우수한 성형성과 가격대비 뛰어난 성능을 보유하고 있어 현대 구조물의 주재료로 활용되고 있다.
콘크리트의 주원료인 시멘트는 경화 과정에서 건조수축 균열 및 소성 침강 균열 등 다양한 균열을 야기하며, 시멘트 페이스트나 골재들 사이의 다수의 공극을 발생하여 낮은 강도를 갖는 단점이 있다. 이에 시멘트가 갖는 단점을 극복하고 각종 구조재로서의 물성 특성을 만족하고자, 금속(철근), 유기 바인더, 강화 섬유(유리, 고분자 및 탄소) 및 무기 분말 등을 복합화하는 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 이들 간의 낮은 상용성 및 낮은 접착력으로 인하여 각각 재료가 갖는 물성의 발현이 충분하지 않게 되고, 이로 하여금 제조된 복합체 조성물의 물성 구현의 어려움이 있다.
본 발명에서는 콘크리트 내에 존재하는 다수의 공극을 감소시켜 각종 균열의 발생을 억제하고, 강도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 물질에 대한 부착력이 우수하여 콘크리트 구조물의 강도 및 내구성을 향상할 수 있는 새로운 결합제를 제시한다.
상기 결합제는 콘크리트 강도 증진용 결합제로서, 콘크리트 내에 존재할 수 있는 다수의 공극을 감소 할 수 있고, 철근, 시멘트, 골재, 유리 및 고분자들과의 상용성이 우수하며, 이들에 대한 부착력이 높은 물질로서 카테콜계 유기 화합물 및 아민계 고분자를 포함한다.
카테콜계 유기 화합물과 아민계 고분자는 퀴논 경화 메커니즘을 통하여 콘크리트의 양생 중에 경화가 일어난다.
본 명세서에서 언급하는 '퀴논 경화 메카니즘'은 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 산화에 의해 카테콜의 구조가 퀴논으로 전환되고, 이 퀴논이 아민기(NH2)를 포함하는 고분자 화합물과 연쇄적인 네트워크형성 반응을 통해 경화가 일어나는 것을 의미한다.
[반응식 1]
이러한 퀴논 경화는 종래 열경화 또는 광경화와 같이 외부에서 인가해주는 에너지의 소비, 즉 열 또는 UV 광조사 등이 없이도 공기 중의 산소에 의해서 쉽게 반응이 진행될 수 있는 특징을 갖고 있다.
상기 퀴논 경화 메카니즘이 가능하도록 본 발명에 따른 콘크리트 강도 증진용 결합제는 반응 물질로 산소에 의해 퀴논계 화합물로 산화가 가능한 카테콜계 유기 화합물과 분자 구조 내 아민기를 포함하는 아민계 고분자를 포함한다.
카테콜계 유기 화합물은 벤젠 고리에 2개 또는 3개의 히드록시기가 연결된 구조를 갖는 화합물을 의미하며, 산소와의 반응을 통하여 퀴논상태로 산화될 수 있는 특징을 갖는 화합물이면 이에 해당 가능하며, 히드록시기가 연결 되지 않은 탄소에 여러 가지 다양한 작용기를 가질 수 있다. 상기 카테콜계 유기 화합물로는 하기 화학식들로 L-도파(L-Dopa), 피로갈롤(Pyrogallol), 도파민(Dopamine), 피로카테콜(Pyrocatechol), 노르에피네프린(norepinephrine), 3,4-디히드록시 신남산(3,4-dihydroxycinnamic acid, DHCA), 갈릭산(Gallic acid), 가수분해형 탄닌(Hydrolysable tannin) 및 축합형 탄닌(Condensed Tannin)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상 일 수 있으며, 바람직하기로는 산소에 의한 산화 특성이 빠른 피로갈롤일 수 있다.
상기 카테콜계 유기 화합물은 상기 단일 화합물일 수 있으나, 이들이 분자 구조 내 존재하는 것이면 그 어떤 형태의 화합물이라도 가능하다. 일례로, 고분자의 주쇄 또는 측쇄에 카테콜계 유기 화합물이 관능기로 부착된 형태를 가질 수 있다.
아민계 고분자는 분자 구조 내 아민기를 갖는 물질로서, 상기 아민기가 반응식 1에 나타낸 바와 같이 산화된 카테콜계 유기 화합물의 퀴논과 화학 결합을 통해 경화가 이루어진다.
이때 경화를 위해 바람직하기로 주쇄, 측쇄 또는 말단에 아민기를 갖는 아민계 고분자가 사용될 수 있으며, 본 발명에서 특별히 이들의 종류를 한정하지 않는다.
상기 아민계 고분자로는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine), 폴리아미드아민(polyamideamine), 폴리비닐아민(polyvinylamine), 폴리아미도이민(polyamidoimine), 폴리알릴아민(polyallylamine), 폴리라이신(poly-L-lysine), 키토산(chitosan) 단독, 이들의 공중합체, 이들의 블렌드 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물이 가능하며, 바람직하기로 폴리이민계 고분자인 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine), 폴리아민계 고분자인 폴리에틸렌아민, 폴리에틸렌디아민, 폴리디아민프로판, 폴리헥사메틸렌디아민 등이 가능하며, 더욱 바람직하기로는 폴리에틸렌이민이 가능하다.
본 발명에서 제시하는 콘크리트 강도 증진용 결합제에 사용하는 카테콜계 유기 화합물의 함량은 후속에서 설명되는 폴리머 시멘트 복합체 조성물의 조성 또는 이의 사용 용도, 시공 방법 등의 다양한 요인에 의해 달라질 수 있다. 일례로, 카테콜계 유기 화합물은 폴리머 시멘트 복합체 조성물의 기본 조성인 시멘트의 함량을 기준으로 사용 함량을 조절하며, 바람직하기로 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 0.4 내지 40 중량부, 바람직하기로 1.0 내지 5.0 중량부로 사용할 수 있다. 만약 그 함량이 상기 범위 미만이면 퀴논 경화가 충분히 일어나지 않아 이로부터 제조된 콘크리트의 내수성이 저하되고, 다양한 재료와 접착 특성 향상 효과가 미미할 수 있다. 이와 반대로 상기 범위를 초과할 경우 이로부터 제조된 모르타르 및 콘크리트 조성물의 가격이 상승하여 사용이 제한적일 수 있는 단점이 있으나, 아민계 고분자와의 적절한 함량비를 유지한다면 상기 범위를 초과하여 사용해도 무방할 수 있다.
또한, 콘크리트 강도 증진용 결합제에 사용하는 아민계 고분자의 함량은 카테콜계 유기 화합물의 퀴논과 연쇄적인 네트워크 형성 반응을 통해 경화가 원활히 이루어질 수 있도록 아민기의 개수, 아민계 고분자의 분자량, 카테콜계 유기 화합물의 함량 등 다양한 요인들을 고려하여 한정한다. 이때 카테콜계 유기 화합물의 함량이 시멘트의 함량을 기준으로 설정한 것을 고려하여 볼 때 충분한 경화를 이룰 수 있도록, 아민계 고분자의 함량은 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 0.6 내지 50 중량부, 바람직하기로 1.0 내지 5.0 중량부로 사용할 수 있다. 만약, 그 함량이 상기 범위 미만이면 원하는 수준의 강도 증진 효과를 확보할 수 없고, 이와 반대로 상기 범위를 초과할 경우 효과 대비 비용이 증가하므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.
폴리머
콘크리트 복합체 조성물
전술한 바의 콘크리트 강도 증진용 결합제는 폴리머 콘크리트 복합체 조성물의 첨가제(즉, 결합제의 용도)로서 사용하여, 이를 이용하여 시공된 구조물의 강도를 높일 수 있다.
본 명세서에서 언급하는 시공은 구조물 또는 콘크리트 구조물의 건축공사, 토목공사, 외벽공사 및 보수공사를 위한 행위를 의미하며, 구조물을 신축하는 공정, 손상, 균열, 흠 및 동공을 보수하는 공정, 이를 위해 폴리머 콘크리트 복합체 조성물을 코팅, 충전 또는 분사하는 모든 공정을 포함한다. 일례로, 상기 구조물의 시공은 주택, 학교, 빌딩, 아파트 등과 같은 건축물 또는 구조물의 신축, 보수, 및 보강; 도로, 철도 등의 신축, 보수, 및 보강; 댐, 교각, 터널 등의 신축, 보수, 및 보강 등 시멘트 작업을 대량으로 하는 토목공사 및 콘크리트 조성물을 적용하는 모든 건축현장의 건축물 또는 구조물의 시공, 보수, 및 보강을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 언급하는 폴리머 콘크리트 복합체 조성물은 특별히 한정하지 않는 한 폴리머 시멘트 모르타르 조성물 및 폴리머 시멘트 콘크리트 조성물을 모두 포함한다. 이때 상기 폴리머 시멘트 모르타르 조성물은 시멘트 및 잔골재를 기본적으로 포함하는 조성을 의미하고, 폴리머 시멘트 콘크리트 조성물은 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재를 기본적으로 포함하는 조성을 의미한다.
본 발명에서 제시하는 콘크리트 강도 증진용 결합제는 구조물의 시공에 사용하는 폴리머 시멘트 모르타르 및 폴리머 시멘트 콘크리트 조성물과 같은 폴리머 콘크리트 복합체 조성물을 첨가하여 최종 얻어지는 구조물의 강도 및 내구성을 획기적으로 높일 수 있을 뿐만 아니라 다양한 구조재(목재, 철근, 고분자섬유, 유리섬유, 탄소섬유 등)와 접착능력이 향상된 콘크리트를 제조할 수 있다.
콘크리트 구조물의 강도는 단위 시멘트의 사용량에 비례 관계에 있다. 즉, 높은 강도의 구조물을 얻기 위해선 시멘트의 사용량이 많아지는데, 이 경우 시멘트 양생시 발생하는 수화열이 높으며, 이 수화열로 인해 구조물의 균열 발생 가능성이 높아진다. 더욱이 각 재료 간의 낮은 상용성으로 인해 제조된 구조물의 균열 발생, 백화 현상 또는 들뜸과 같은 문제가 발생한다.
이에 본 발명에서 첨가제로 상기 제시한 콘크리트 강도 증진용 결합제로 사용할 경우 시멘트의 사용량을 크게 높이지 않더라도 높은 강도를 확보할 수 있고, 콘크리트 조성의 다른 성분(즉, 무기 및 유기)과의 높은 상용성을 확보할 수 있다. 또한, 콘크리트 구조물을 철근 등과 같은 다른 구조물에 적용할 경우 상기 철근에 대한 높은 부착력을 나타내 균열 또는 들뜸 등의 문제를 해소할 수 있어, 강도 및 내구성을 향상시킬 수 있다
본 발명에서 제시하는 폴리머 시멘트 콘크리트 및 모르타르 조성물은 시멘트 및 골재를 포함하고, 이는 물(배합수)과 함께 혼합하여 콘크리트 구조물의 제작에 적용되며, 이때 첨가제로 본 발명에서 제시하는 콘크리트 강도 증진용 결합제를 함께 사용한다.
상기 콘크리트 강도 증진용 결합제는 친수성을 가지며, 물에 용해가 용이하고, 피착물에 대한 높은 부착력을 갖는다. 시멘트가 물에 의해 경화가 일어나 콘크리트 구조물이 제작되며, 공지의 고분자 바인더 재질이 물 분위기에서도 경화가 일어나는 특성을 고려할 때 상기 결합제의 사용은 콘크리트 구조물 제작에 매우 고무적이라 할 수 있다.
이미 언급한 바와 같이 콘크리트 조성물은 시멘트 및 골재를 포함하고, 이때 시멘트 및 골재의 종류, 함량, 크기 등은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야에서 통상적으로 공지된 바에 따라 적절히 선택될 수 있다.
시멘트는 모든 시멘트가 가능하며, 일례로 포틀랜드 시멘트, 백시멘트, 고로(高爐) 시멘트, 실리카 시멘트, 플라이애시 시멘트, 알루미나 시멘트, 콜로이드 시멘트, 오일웰 시멘트, 지열 시멘트, 내산(耐酸) 시멘트 등이 가능하며, 일반적으로 시공비용 및 재료의 구입용이성 측면에서 포틀랜드 시멘트, 그 중에서도 보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트 등이 바람직하다.
골재는 당업계에서 통상 사용되는 모래, 자갈 등을 사용할 수 있음은 물론이며, 본 발명의 콘크리트 조성물이 사용되는 용도에 따라 골재(모래나 자갈)의 혼입, 굵기, 함량 등을 조절할 수 있음은 물론이다. 일례로, 모래 또는 자갈 등으로 잔골재(평균 입경 0.01~5mm) 및 굵은 골재(평균 입경 5mm 이상)가 사용될 수 있다. 시멘트와 잔골재를 혼합하는 것을 모르타르라 하며, 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재를 혼합한 것을 콘크리트라 하며, 상기 잔골재 및 굵은 골재의 사용에 따라 폴리머 시멘트 모르타르 및 폴리머 시멘트 콘크리트 조성물과 같은 폴리머 콘크리트 복합체 조성물을 선택적으로 제작할 수 있다.
시멘트 및 골재를 포함하는 폴리머 콘크리트 복합체 조성물은 배합수로서 물을 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하고, 이의 시공을 통해 콘크리트 구조물을 제작한다.
상기 폴리머 콘크리트 복합체 조성물은 시멘트 100 중량부에 대해 골재 50 내지 1000 중량부, 물 50 내지 1000 중량부로 사용되며, 특히 본 발명에서 제시하는 콘크리트 강도 증진용 결합제를 1.0 내지 50 중량부로 사용한다. 이러한 함량은 콘크리트 구조물의 강도와 같은 물성을 최소한으로 확보하기 위한 함량으로, 이를 벗어날 경우 원하는 수준의 물성을 갖는 구조물의 제작이 용이하지 않다.
이러한 조성 이외에 폴리머 시멘트 콘크리트 및 모르타르 조성물은 공지의 첨가제를 더욱 포함 할 수 있다
상기 첨가제로는 혼화제 및 각종 보강제등이 가능하며 플라이 애쉬, 고로 슬래그 분말, 무수석고, 석회석 분말, 실리카흄 등의 무기 혼화제와 함께 유기 섬유, 공기 연행제, 감수제, 증점제, 강도촉진제, 분산제, 섬유 보강재, 탄소섬유 등을 제시 할 수 있다.
플라이 애쉬는 화력발전소 등에서 부산물로 발생하는 것으로, 분말도는 3100 내지 4600 ㎠/g, 비중은 화학성분 중의 Fe2O3에 의해 좌우되며, 시멘트의 2/3정도인 1.91 내지 2.32 정도이다. 평균 입경이 1 내지 화학적 주 성분은 SiO2, Al2O3, CaO 등을 포함한다. 상기 플라이 애쉬를 적정량 사용하면, 블리딩 감소, 슬럼프 손실(slump-loss) 저감, 장기강도 향상, 수화열 억제, 건조수축 저감, 투수성 저감(수밀성 향상) 등의 효과를 얻을 수 있다.
고로 슬래그 분말은 철광석, 석회석, 코크스를 원료로 하여 적당한 비율로 조합, 고온에서 용해하여 환원하면 철은 비중이 크기 때문에 고로의 하층부에 가라앉고, 상층부에는 SiO2, Al2O3 등이 주성분인 암질이 CaO와 화합하여 용융 상태로 부유하는 것을 회수하여 사용한다. 상기 고로 슬래그 분말의 비중은 2.85 ~ 2.94 정도로, 최대 입경은 48 내지 150 ㎛, 평균 입경은 10 내지 16㎛, 10㎛ 이하의 량은 33 내지 50%의 범위에 있으며, 44㎛ 잔분은 0.8 내지 15.3% 정도를 갖는다. 이러한 고로 슬래그 분말은 응결시간을 지연시켜 하절기에도 충분한 미장 시간을 확보시켜주므로 초기 균열 방지의 효과를 주는 역할을 수행한다.
무수석고는 중유, 벙커시유, 유연탄, 무연탄, 석유코크스, 천연 석유 등의 연소시 얻어진 연도 가스 내에서 흡수제로 소석회 현탁액을 분무하여 생산된 것으로, 이른바 배연 탈황 석고라고 하며, 가스 내의 황화물이 소석회 현탁액 중의 CaO성분과 결합하는 분무 건조-흡착방식의 형태로 제조된다.
석회석 분말은 고로 슬래그 분말의 작용을 조절하는 역할을 수행한다. 순수한 석회석의 조성은 CaO 56%, CO244% 이지만 보통 고용체로서 MgCO, FeCO3, MnCO3 등을 함유하므로 MgO, FeO, MnO 등의 불순성분을 포함하고 있다. 또한, 점토나 갈철광과 같은 광물을 수반할 때가 많은데, 이때에는 SiO2, Al2O3, Fe2O3 등의 불순성분을 함유한다.
실리카흄은 장기 강도 발현 및 내구성 증진 효과를 위해 사용하고, 가 함량이 증가할 경우 초기 강도는 저하되나 장기강도 발현되어 내구성이 증가한다.
상기한 무기 재료 이외에 유기 재료는 하기의 것이 가능하다. 일례로, 공기를 연행시키기 위해 알킬벤젠술폰산과 같은 설페이트계 및 포스페이트계, 또는 기타 지방산계의 공기 연행제가 가능하다.
또한, 감수제는 시멘트 입자를 분산 및 현탁시키는 작용을 하는 첨가제로, 시멘트 입자를 (粒子)분산 하여 콘크리트의 소요 워커빌리티를 얻는데 필요한 단위 수량을 감소시키는 역할을 한다. 이러한 감수제로는 통상적으로 설폰산염계의 물질이 사용된다.
증점제는 대체로 셀룰로오스 유도체 등과 같은 수용성 폴리사카라이드계의 물질로서 물에 용해될 때 소정의 점도를 가지게 되는 성질이 있다. 이는 점도의 향상으로 인한 유동성 증대 역할 뿐 아니라 내구성 증진효과를 나타낸다.
강도촉진제로 술폭시폴리에틸렌글리콜노닐페닐프로페닐에테르, 술폭시폴리에틸렌글리콜알릴에테르, 술폭시폴리프로필렌글리콜알릴에테르, 술폭시폴리부틸렌글리콜알릴에테르, 술폭시폴리에틸렌글리콜2-부테닐에테르, 술폭시폴리프로필렌글리콜2-부테닐에테르, 술폭시폴리부틸렌글리콜2-부테닐에테르, 술폭시폴리에틸렌글리콜3-부테닐에테르, 술폭시폴리프로필렌글리콜3-부테닐에테르, 술폭시폴리부틸렌글리콜3-부테닐에테르, 술폭시폴리에틸렌글리콜3-펜테닐에테르, 술폭시폴리프로필렌글리콜3-펜테닐에테르, 술폭시폴리부틸렌글리콜3-펜테닐에테르에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 폴리옥시알킬렌알케닐에테르 설페이트 염을 포함하는 공중합체가 가능하다.
분산제는 콘크리트의 작업성 및 동결융해 저항성 향상, 물-시멘트비 저감을 통한 수밀성 향상 등을 위해 사용하며, 나프탈린설폰산 고축합물, 멜라닌설폰산 포름알데히드 고축합물, 폴리카르본산 중합체 등이 사용될 수 있다.
콘크리트 보강재로 사용되는 합성섬유로는, 폴리프로필렌계(PP), 폴리비닐알콜계(PVA), 천연 셀룰로오스계, 강섬유(Steel-fiber)등을 들 수 있으며, 최근에는 나일론계도 사용되고 있다. 사용되는 섬유 보강재의 사용을 통해 초기의 소성 수축 균열 방지와 콘크리트의 2차 보강을 확보할 수 있다.
상기와 같은 성분으로 이루어지는 본 발명의 폴리머 시멘트 콘크리트 및 모르타르 조성물을 포함하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물은 일반적으로 일컫는 건축물 또는 구조물의 건축, 보수, 및 보강뿐만 아니라, 특히 습식 및 수중환경에서의 건축물 또는 구조물의 건축, 보수, 및 보강 등에 사용 가능하며, 이러한 콘크리트 조성물은 골재 사이 등 공간으로 침투하여 각 조성에 대한 높은 부착력을 갖는다. 이로 인해 콘크리트 구조물의 강도를 크게 향상시키고, 추가적으로 경도, 내충격성, 내크랙성 등의 물성이 우수한 장점이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 설명한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐, 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실험예
1: 콘크리트 강도 증진용 결합제 사용에 따른 효과
본 발명에 따른 콘크리트 강도 증진용 결합제의 사용에 따른 강도 변화를 확인하기 위해, 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 이용하여 시편을 제작하였고, 이의 휨 강도를 측정하여 그 결과를 나타내었다.
인장강도는 콘크리트의 특성을 설명하기 위한 대표적인 물성이다. 동일한 크기의 외력이 작용할 때 인장응력에 노출된 콘크리트가 먼저 파괴되므로, 인장강도가 높을수록 외력에 의해 쉽게 파괴가 발생하지 않는다. 콘크리트의 인장강도를 측정하기 위해 사용되는 시험은 직접 인장법, 휨인장 시험법, 할렬시험법이 있으며, 본 발명에서는 휨인장 시험법을 통해 휨 강도를 측정하고, 이로부터 인장강도를 평가하였다. 이때 높은 휨 강도는 인장강도가 높음을 의미한다.
(1) 시편 제작
시멘트는 성신양회㈜에서 판매하는 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 모래는 평균직경 0.5mm 이하의 잔골재를 사용하였다. 피로갈롤은 시그마알드리치社의 제품번호 P0381을 사용하였으며, 폴리에틸렌이민은 시그마알드리치社의 제품번호 181978을 사용하였다.
콘크리트 강도 증진용 결합제 사용에 따른 휨 강도를 분석하기 위하여, 하기 표 1과 같은 배합비의 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 제조하여 직경 3.5cm, 깊이 1cm 크기의 플라스틱 틀에 12.5g의 조성물을 담아, 상온에서 72시간 양생하여 시편을 제작하였다.
(2) 휨 강도 측정
상기에서 제작된 시편의 휨 강도를 측정하기 위하여, 도 1에 나타낸 바와 같이 만능시험기(Universal Testing Machine, INSTRON 5583)을 이용하여 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 시편의 하단에 내경이 28mm의 원형의 플라스틱 지그(SPL社 50ml 튜브, 제품번호 50050)를 배치하였다. 이어서, 시편 상단의 중앙에 단면적이 1mm2의 팁을 이용하여 20 mm/min의 속도로 압력을 가하여 휨 강도를 측정하였다.
도 1은 실험예 1에서 휨 강도를 측정하는 것을 보여주는 사진으로, 측정은 5개의 샘플을 측정하여 평균값을 나타내었으며, 그 수치가 높을수록 휨 강도가 우수함을 나타낸다.
(3) 결과
하기 표 1에 폴리머 시멘트 복합체 조성물의 비율 및 이에 따른 휨 강도에 대한 결과를 나타내었다.
| 폴리머 시멘트 복합체 조성물(중량부) | 휨 강도 (N/mm2) |
|||||
| 포틀랜트 시멘트 | 모래 | 물 | 피로갈롤 | 폴리에틸렌이민 | ||
| 실시예 1 | 100 | 100 | 50 | 2.0 | 4.0 | 71.1 |
| 비교예 1 | 100 | 100 | 50 | - | - | 21.0 |
상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 콘크리트 강도 증진용 결합제를 포함하는 실시예 1의 조성물의 휨 강도가 비교예 1 대비하여 향상됨을 알 수 있다.
실험예
2: 콘크리트 강도 증진용 결합제 함량비에 따른 효과
콘크리트 강도 증진용 결합제 함량비에 따른 강도 특성을 분석하기 위하여, 콘크리트 강도 증진용 결합제를 구성하는 카테콜계 유기 화합물과 아민계 고분자 각각의 함량을 변화하여 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 제조하였고, 이로부터 제조된 시편의 휨 강도를 측정하였다.
(1) 시편 제작
시멘트는 성신양회㈜에서 판매하는 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 모래는 평균직경 0.5mm 이하의 잔골재를 사용하였다. 피로갈롤은 시그마알드리치社의 제품번호 P0381을 사용하였으며, 폴리에틸렌이민은 시그마알드리치社의 제품번호 181978을 사용하였다.
콘크리트 강도 증진용 결합제 함량에 따른 강도 특성을 분석하기 위하여 시멘트는 100 중량부, 모래 100 중량부를 사용하였고, 물은 50 중량부를 사용하였으며, 첨가된 콘크리트 강도 증진용 결합제 함량을 시멘트 100 중량부 대비하여 하기 표 2에 나타내었다.
이때 콘크리트 강도 증진용 결합제 내 카테콜계 유기 화합물로서 피로갈롤을 사용하고, 이는 시멘트 100 중량부 대비 1.0 중량부, 2.0 중량부 및 4.0 중량부로 그 함량을 변화시켜 가며 수행하였다.
또한, 아민계 고분자로는 폴리에틸렌이민을 사용하고, 그 함량을 시멘트 100 중량부 대비 1.0 중량부, 2.0 중량부 및 4.0 중량부로 변화시켜 가며 수행하였다.
하기 표 2와 같은 배합비의 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 제조하여 직경 3.5 cm, 깊이 1cm 크기의 플라스틱 틀에 12.5g의 조성물을 담아, 상온에서 72시간 양생하여 시편을 제작하였다.
(2) 휨 강도 측정
상기에서 제작된 시편의 휨 강도는 만능시험기(Universal Testing Machine, INSTRON 5583)을 이용하여 제조된 시편의 하단에 내경이 28mm의 원형의 플라스틱 지그(SPL社 50ml 튜브, 제품번호 50050)를 배치하고 시편 상단의 중앙에 단면적이 1mm2의 팁을 이용하여 20 mm/min의 속도로 압력을 가하여 측정하였다.
이때 측정은 5개의 샘플을 측정하여 평균값을 나타내었으며, 그 수치가 높을수록 휨 강도가 우수함을 나타낸다.
(3) 결과
하기 표 2에 폴리머 시멘트 복합체 조성물의 비율 및 이에 따른 휨 강도에 대한 결과를 나타내었다.
| 구분 | 휨 강도 (N/mm2) | ||||
| 피로갈롤 | 0 중량부 | 1.0 중량부 | 2.0 중량부 | 4.0 중량부 | |
| 폴리에틸렌 이민 | 0 중량부 |
21.0 (비교예 1) |
- | - | - |
| 1.0 중량부 | - | 25.4 | 28.8 | 33.7 | |
| 2.0 중량부 | - | 32.1 | 31.8 | 37.6 | |
| 4.0 중량부 | - | 52.5 | 71.1 | 43.0 | |
상기 표 2를 참조하면, 콘크리트 강도 증진용 결합제가 일정 함량 이상에서 휨 강도가 증가함을 확인하였다.
상기 표 2에서 보이는 바와 같이, 피로갈롤의 함량이 1.0 중량부 이상, 폴리에틸렌이민의 함량이 1.0 중량부 이상일 경우, 휨 강도 면에서 비교예 1 대비 우수한 증가를 보였으며, 특히 폴리에틸렌이민의 함량이 4.0 중량부일 경우 가장 높은 수치를 나타내었다.
이러한 결과로부터 피로갈롤로 대표되는 카테콜계 유기 화합물과 폴리에틸렌이민과 같은 아민계 고분자의 동시 사용을 통해, 콘크리트 구조물의 제조 시 상기 구조물의 강도를 획기적으로 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.
실험예
3:
콘크리트 강도 증진용 결합제의 종류에 따른 효과
콘크리트 강도 증진용 결합제를 구성하는 카테콜계 유기 화합물의 종류를 변화하여 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 제조하였고, 이에 얻어진 폴리머 시멘트 복합체 시편의 휨 강도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
(1) 시편 제작
시멘트는 성신양회㈜에서 판매하는 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 모래는 평균직경 0.5mm 이하의 잔골재를 사용하였다. 폴리에틸렌이민은 시그마알드리치社의 제품번호 181978을 사용하였다. 사용된 카테콜 유기 화합물인 피로갈롤은 시그마알드리치社의 제품번호 P0381을 사용하였으며, 도파민은 시그마알드리치社의 제품번호 H8502를 사용하였으며, 피로카테콜은 시그마알드리치社의 제품번호 C9510을 사용하였다.
콘크리트 강도 증진용 결합제를 구성하는 카테콜 유기 화합물의 종류에 따른 효과를 분석하기 위하여 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 하기 표 3에 나타내었다.
하기 표 3과 같이 배합비의 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 제조하여 직경 3.5cm, 깊이 1cm 크기의 플라스틱 틀에 12.5g의 조성물을 담아, 상온에서 72시간 양생하여 시편을 제작하였다.
(2) 휨 강도 측정
상기에서 제작된 시편의 휨 강도는 만능시험기(Universal Testing Machine, INSTRON 5583)을 이용하여 제조된 시편의 하단에 내경이 28mm의 원형의 플라스틱 지그(SPL社 50ml 튜브, 제품번호 50050)를 배치하고 시편 상단의 중앙에 단면적이 1mm2의 팁을 이용하여 20 mm/min의 속도로 압력을 가하여 측정하였다.
이때 측정은 5개의 샘플을 측정하여 평균값을 나타내었으며, 그 수치가 높을수록 휨 강도가 우수함을 나타낸다.
(3) 결과
하기 표 3에 폴리머 시멘트 복합체 조성물의 카테콜계 유기 화합물의 종류에 따른 휨 강도에 대한 결과를 나타내었다.
| 폴리머 시멘트 복합체 조성물(중량부) | 휨 강도 (N/mm2) |
|||||||
| 포틀랜트 시멘트 | 모래 | 물 | 폴리에틸렌이민 | 피로갈롤 | 피로카테콜 | 도파민 | ||
| 실시예 1 | 100 | 100 | 50 | 4.0 | 2.0 | - | - | 71.1 |
| 실시예 2 | 100 | 100 | 50 | 4.0 | - | 2.0 | - | 61.2 |
| 실시예 3 | 100 | 100 | 50 | 4.0 | - | - | 2.0 | 68.8 |
| 비교예 1 | 100 | 100 | 50 | - | - | - | - | 21.0 |
상기 표 3을 참조하면, 다양한 카테콜계 유기 화합물을 이용하여 휨 강도를 향상 할 수 있는 폴리머 시멘트 복합체 조성물 제조가 가능함을 확인하였다.
본 발명에 따른 콘크리트 강도 증진용 결합제는 빌딩과 같은 콘크리트 구조물의 제작에 사용 가능하다.
Claims (9)
- 카테콜계 유기 화합물 및 아민계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 강도 증진용 결합제.
- 제1항에 있어서,
상기 카테콜계 유기 화합물은 L-도파(L-Dopa), 피로갈롤(Pyrogallol), 도파민(Dopamine), 피로카테콜(Pyrocatechol), 노르에피네프린(norepinephrine), 3,4-디히드록시 신남산(3,4-dihydroxycinnamic acid, DHCA), 갈릭산(Gallic acid), 가수분해형 탄닌(Hydrolysable tannin) 및 축합형 탄닌(Condensed Tannin)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 강도 증진용 결합제. - 제1항에 있어서,
상기 아민계 고분자는 폴리에틸렌이민, 폴리아미드아민, 폴리비닐아민, 폴리아미도이민, 폴리알릴아민, 폴리라이신 및 키토산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 강도 증진용 결합제. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 콘크리트 강도 증진용 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물.
- 제4항에 있어서,
상기 폴리머 시멘트 복합체 조성물은 폴리머 시멘트 콘크리트 조성물 또는 폴리머 시멘트 모르타르 조성물인 것을 특징으로 하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물. - 제5항에 있어서,
상기 폴리머 시멘트 모르타르 조성물은 시멘트, 잔골재 및 콘크리트 강도 증진용 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물. - 제5항에 있어서,
상기 폴리머 시멘트 콘크리트 조성물은 시멘트, 잔골재, 굵은 골재 및 콘크리트 강도 증진용 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물. - 제4항에 있어서,
상기 콘크리트 강도 증진용 결합제는 폴리머 시멘트 복합체 조성물 내 시멘트 100 중량부에 대해 1.0 내지 50 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물. - 제4항에 따른 폴리머 시멘트 복합체 조성물을 이용하여 시공된 것을 특징으로 하는 구조물.
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|---|---|---|---|
| KR1020170006418A KR20180083756A (ko) | 2017-01-13 | 2017-01-13 | 콘크리트 강도 증진용 결합제 및 이를 포함하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물 |
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|---|---|---|---|
| KR1020170006418A KR20180083756A (ko) | 2017-01-13 | 2017-01-13 | 콘크리트 강도 증진용 결합제 및 이를 포함하는 폴리머 시멘트 복합체 조성물 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20170113 |
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| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20180905 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20170113 Comment text: Patent Application |
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20200323 Patent event code: PE09021S01D |
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| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20200618 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20200323 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |