KR100500885B1 - 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한규불화염계 액상 항균제 조성물, 그 제조방법 및 이를함유한 항균 콘크리트 조성물 - Google Patents

콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한규불화염계 액상 항균제 조성물, 그 제조방법 및 이를함유한 항균 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 정화조 및 하수관과 같은 콘크리트 하수구조물에 서식하는 황산화세균(Thiobacillus 균주)에 의한 콘크리트의 생화학적 부식(황산화 부식)을 억제하는 규불화염계 액상 항균제 조성물, 그 제조방법 및 이를 함유한 항균 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 콘크리트 정화조 및 하수관을 포함한 콘크리트 하수구조물에서 황산화세균에 의한 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물은 물; 가용성 실리카; 규불화아연(ZnSiF6) 및 규불화마그네슘(MgSiF6)을 포함하는 규불화염계 화합물; 니켈 화합물; 및, 텅스텐 화합물;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 규불화염계 액상 항균제 조성물은 콘크리트 배합시 첨가되는 일종의 혼화제로서 콘크리트와의 혼합성이 좋은 액상 형태이며, 규불화마그네슘(MgSiF6)과 텅스텐 화합물을 더 포함하여 콘크리트의 항균성능의 확보는 물론 콘크리트의 구조적인 물성을 개선시킬 수 있다는데 그 특징이 있다.

Description

콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물, 그 제조방법 및 이를 함유한 항균 콘크리트 조성물{Fluosilicates Salt Based Liquor Antimicrobial Agent for Inhibiting Microbiological Corrosion of Concrete Sewer Structure, Manufacturing process and Antimicrobial Concrete Thereof}
본 발명은 콘크리트 정화조와 같은 콘크리트 하수구조물에 서식하는 황산화세균(Thiobacillus 균주)에 의한 콘크리트의 생화학적 부식(황산화 부식)을 억제하는 규불화염계 액상 항균제 조성물, 그 제조방법 및 이를 함유한 항균 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
콘크리트 하수환경에서 서식하는 황산화세균은 pH조건에 따라 pH= 7.0∼10.0에서 주로 서식하는 티오바실러스 버르수튜스(Thiobacillus Versutus)균, pH= 3.0∼7.0에서 주로 서식하는 티오바실러스 노벨루스(Thiobacillus Novellus)균, pH= 1.0∼3.0에서 주로 서식하는 티오바실러스 페로옥시단(Thiobacillus Ferroxidans)균 혹은 티오바실러스 티오옥시단(Thiobacillus Thiooxidans)균으로 구분된다.
콘크리트 타설 후 초기 양생과정에서 대기 중 탄산가스에 의해 중성화가 진행되면, 약알카리 환경에서 우점종으로 서식하는 티오바실러스 버르수튜스균은 황산화작용을 일으켜 황산을 배출시키고 그 결과 콘크리트의 중성화는 가속된다. 상기 작용에 의해 콘크리트가 pH 7.0 전후의 중성화에 도달되면 콘크리트의 생화학적 부식은 티오바실러스 노벨루스 균주에 의해 주도적으로 진행되며, 이 단계에서는 콘크리트의 생화학적 부식에 의한 침식 및 열화현상이 가속화되므로 티오바실러스 노벨루스 균주의 생장을 근본적으로 억제하여 티오바실러스 페로옥시단 혹은 티오옥시단 균주의 생화학적 부식을 초래하는 다음 단계로의 진행을 차단해야 할 것이다. 이에 따라 콘크리트 하수구조물에는 콘크리트의 중성화단계에서 황산화작용에 의한 생화학적 부식을 효율적으로 억제하기 위하여 티오바실러스 노벨루스 균주의 생장을 근본적으로 방지할 수 있도록 하는 항균성능이 특별히 요구된다.
황산화세균에 의한 콘크리트 부식과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
(1) 황산염 환원작용
SO4 2- + 2C + 2H2O → H2S + 2HCO3 -
콘크리트 정화조 및 하수관을 포함한 콘크리트 하수구조물에 있어서의 황산화세균에 의한 황산화 부식은 산소공급이 되지 않는 혐기성상태에서 침전물 및 다량의 유기물을 함유한 슬러지 등이 콘크리트에 부착되고, 하수중에 함유된 대부분의 황산염과 유기물(C)이 황산염환원세균에 의해 황화수소를 발생시킨다.
(2) 황화수소의 산화작용
H2S + 2O2 →H2SO4
하수중에 생성된 황화수소는 산성영역에서 분자상태의 황화수소로 전이되어 하수의 흐름에 의해 공기중에 확산되며, 공기중에 확산된 황화수소는 콘크리트 상부에 결로(結露) 및 비말수(飛沫水)에 의해 용해되며, 용해된 상태의 황화수소는 호기성(好氣性) 상태에서 황산화세균의 작용에 의해 황산을 생성한다.
(3) 에트린가이트 생성
3CaSO4·2H2O + 3CaO·Al2O3 + 26H2O →3CaO·Al 2O3·3CaSO4·32H2O
콘크리트 표면에 생성된 황산은 콘크리트 수화물과 반응하여 황산칼슘(이수석고)을 생성하고, 일부 이수석고는 시멘트중의 3CaO·Al2O3(C3A)와 반응하면 에트린가이트(Ettringite)를 생성시키고 이는 콘크리트에 팽창, 균열, 박리 등에 의한 철근노출 등의 생화학적 부식현상을 일으키고, 그 결과 콘크리트는 급속히 열화되게 된다.
종래에는 황산화세균에 의한 콘크리트 부식을 방지하는 방법으로 상기와 같은 부식과정상에서 (ⅰ)황화물의 생성을 억제하는 방법, (ⅱ)황화수소의 발생을 억제하는 방법, (ⅲ)황화수소의 농도를 저감시키는 방법 등이 제시되고 있으나 이들은 경제성이 떨어지거나 항균성능에서 그리 좋지 못하다는 문제를 가지고 있었다. 이에 따라 황산화세균의 생성을 억제하는 방법이 실용적인 측면에서 개발되고 있는 실정이다.
종래의 황산화세균의 생성을 억제하기 위한 선행기술로서, 일본 특개평9-60768 [내식성흄관]에서는 은, 구리, 아연, 니켈 및 코발트 등의 금속이온을 함수산화물, 인산염, 안티몬산염 및 제올라이트 등의 무기분말에 담지시켜 내식성흄관을 제조하는 방법이 제시되었고, 일본 특개평11-156839 [내부식성흄관 제조방법]에서는 황산화세균에 대해 생육 장해작용을 프탈로시아닌계 부식방지제를 사용하여 내부식성 흄관을 제조하는 방법이 제시되었다. 그러나, 이러한 종래 기술은 항균성 금속이온을 함유한 무기분말 및 부식방지제의 제조방법에서 상당히 복잡하였는 바, 경제성에 대한 문제점이 있어 이를 개선할 새로운 제품 개발이 요구되었다.
한편, 황산화세균을 억제하는 항균제로서 국내특허출원(10-2002-0047572호)에서는 콘크리트 부식의 원인세균인 황산화세균 등에 대한 우수한 항균효과를 지닌 조성물로 은화합물, 동화합물 및 이온보지화합물을 함유하는 콘크리트용 항균제를 제시하였다. 그러나, 상기 항균제는 은 및 동을 제올라이트라는 다공성 담체에 담지시키는 기술을 통해 항균제를 제조하는 것으로 그 제조기술이 복잡하며, 사용되는 은이나 제올라이트가 매우 고가이어서 실제 실용화에는 기술적 난이성과 경제적 문제 때문에 콘크리트에 직접 적용되지 못하고 다른 분야에 매우 제한적으로 사용되고 있는 실정이다. 또한, 종전 항균제는 대부분 분말의 형태로서 제조되는 것이 일반적이어서, 콘크리트 구조체의 배합 제조시 투입할 경우 시멘트 및 골재 등과 골고루 배합되지 못하여 콘크리트의 구조체에 적용할 때 항균효능이 균일하게 발휘되지 못하는 문제점이 있다.
상기한 종래의 문제점을 개선한 방법으로 국내특허출원 제10-2003-0040911호가 있다. 상기 출원은 콘크리트와 배합시 흡수가 빠르고 전반적으로 고른 배합을 가능케 하는 액상형태의 항균제로서 가용성 실리카를 함유한 불화규산 희석액에 아연염과 니켈원을 투입하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 항균제는 규불화아연에 의한 콘크리트의 수밀성 개선효과 및 니켈원에 의한 pH 6~8 중성영역에서의 항균효과를 발휘하였으나, 콘크리트의 다른 물성인 균열저감성 및 내구성면에서는 개선효과가 미흡하였고 특히 pH 5이하의 산성영역에서는 항균효과를 발휘하지 못한다는 문제가 있었다.
이에, 본 발명자는 상기 국내특허출원 제10-2003-0040911호를 개선하여 중성영역은 물론 산성영역에서 서식하는 황산화세균의 생장을 억제할 수 있고, 나아가 콘크리트 하수구조물 적용시 요구되는 주요 물성(수밀성, 균열저감성, 내구성 등)을 효과적으로 개선시킬 수 있는 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물, 그 제조방법 및 이를 함유한 항균 콘크리트 조성물을 개발하기에 이르렀다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하고자 안출된 것으로서, 콘크리트 하수구조물에 적용되는 콘크리트 배합시 첨가되는 혼화제로서 액상 형태를 가짐으로써 흡수가 빠르고 전반적으로 균일한 배합을 가능케 한 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 콘크리트 하수구조물에 적용시 요구되는 주요 구조적인 물성인 수밀성, 균열저감성 및 내구성을 개선시키는 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 중성영역은 물론 산성영역에서도 서식하는 황산화세균의 생장을 억제할 수 있도록 한 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 콘크리트의 항균성 및 구조적인 물성 개선효과를 가지는 규불화염계 액상 항균제를 함유한 항균콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 콘크리트 정화조 및 하수관을 포함한 콘크리트 하수구조물에서 황산화세균에 의한 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물로서, 물; 가용성 실리카; 규불화아연(ZnSiF6) 및 규불화마그네슘(MgSiF6)을 포함하는 규불화염계 화합물; 니켈 화합물; 및, 텅스텐 화합물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물을 제공한다. 상기 규불화염계 액상 항균제 조성물은 물 40~74.8중량%; 가용성 실리카 20~30중량%; 규불화염계 화합물 5~30중량%; 니켈 화합물 0.5~10중량%; 및, 텅스텐 화합물 0.1~5중량%;로 조성될 수 있다. 상기 규불화아연(ZnSiF6) 및 규불화마그네슘(MgSiF6)은 6.3~9.9:3.7~0.1의 몰비로 조성하도록 구성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 니켈 화합물은 황산니켈(NiSO4·6∼7H2O), 질산니켈(Ni(NO3)2·6∼7H2O), 염화니켈(NiCl2), 산화니켈(NiO)로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 텅스텐 화합물은 텅스텐산나트륨(Na2WO4), 텅스텐산칼슘(CaWO4), 텅스텐분말(W)로 이루어진 군에서 선택된다.
또한, 본 발명은 콘크리트 정화조 및 하수관을 포함한 콘크리트 하수구조물에서 황산화세균에 의한 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제의 제조함에, 15∼50중량% 농도의 불화규산 수용액 30~60중량%에 물 25∼65중량%를 혼합하여 가용성 실리카를 함유한 불화규산 희석액을 생성하는 단계(S1000); 상기 불화규산 희석액에 아연염 2∼10중량%와 마그네슘염 0.1∼2.5중량%를 투입하여 규불화아연과 규불화마그네슘으로 이루어진 규불화염계 화합물 수용액을 생성하는 단계(S2000); 및, 니켈 화합물 0.5∼10중량%와 텅스텐 화합물 0.1∼5중량%를 투입 용해시켜 규불화염계 액상 항균제를 완성하는 단계(S3000);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 황산화 세균에 의한 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지용 규불화염계 액상 항균제 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 콘크리트 배합에서, 규불화염계 화합물; 니켈 화합물; 및, 텅스텐 화합물;를 포함하여 구성된 규불화염계 액상 항균제를 시멘트 중량대비 0.5~2.0중량% 첨가하는 것을 특징으로 하는 황산화세균에 의한 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한 항균 콘크리트 조성물을 제공한다. 이때, 상기 규불화염계 액상 항균제는 콘크리트 하수구조물의 수밀성, 균열저감성 및 내구성을 개선시키는 용도로도 사용된다.
이하, 본 발명을 도면 및 실시예를 참고하여 상세히 설명한다.
1. 규불화염계 액상 항균제 조성물
본 발명의 콘크리트 정화조 및 하수관을 포함한 콘크리트 하수구조물에서 황산화세균에 의한 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물은 가용성 실리카를 함유한 수용액; 규불화아연(ZnSiF6) 및 규불화마그네슘(MgSiF6)을 포함하는 규불화염계 화합물; 니켈 화합물; 및, 텅스텐 화합물;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 규불화염계 액상 항균제 조성물은 콘크리트 배합시 첨가되는 일종의 혼화제로서 콘크리트와 혼합성이 좋은 액상 형태이며, 규불화마그네슘(MgSiF6)과 텅스텐 화합물을 더 포함하여 콘크리트 항균성능의 확보는 물론 콘크리트의 물성을 개선시킬 수 있다는데 그 특징이 있다.
가용성 실리카(SiO2 )는 콘크리트의 강도를 향상시키고 콘크리트 경화조직을 치밀화하는 주요 물질이다. 즉, 콘크리트의 시멘트 성분과 반응해서 규산칼슘수화물(C-S-H)을 형성시켜 콘크리트의 수밀성 향상에 기여하고 콘크리트 내의 알카리 성분을 저하시켜 중성화를 억제시키는 등 내구성을 개선시키는 역할을 한다. 상기 가용성 실리카는 본 발명의 항균제 조성물 내에서 20~30중량%로 함유되어 있다.
규불화염계 화합물에서 규불화아연(ZnSiF6)은 모세관공극, 간극 등의 콘크리트 결함부를 충전하는 CaF2, NaF 등의 난용성 금속불화물의 생성원으로서 수밀성 및 강도를 개선하는 역할을 하며, 규불화마그네슘(MgSiF6)은 콘크리트의 건조수축 감소, 수화온도 저감 등의 특성을 발휘하여 균열발생을 저감시키고 중성화를 억제시키는 등 내구성을 향상시키는 역할을 한다. 규불화염계 화합물(규불화아연 및 규불화마그네슘)은 전체 항균제 중량의 5~30중량%로 하는 것이 적당하다. 이는 상기 규불화염계 화합물이 과포화상태로 침전되지 않도록 화학적으로 안정하게 용해된 액상형태로 콘크리트에 첨가되어 콘크리트 중에 잘 분산되도록 함으로써 균일한 성능을 확보하는 동시에 이들 성분의 편중에 의한 콘크리트의 물성저하를 유발하지 않기 위함이다. 이때, 규불화아연(ZnSiF6) 및 규불화마그네슘(MgSiF6)의 몰비가 6.3~9.9:3.7~0.1로 하는 것이 상호 복합적인 효과를 충분히 발휘시키는 바, 상기와 같은 몰비가 콘크리트의 물성 개선에 가장 효과적이다. 하기 [표 1]은 규불화아연 및 규불화마그네슘의 몰비영역에 따른 콘크리트 물성을 정리한 표로서, 규불화아연 및 규불화마그네슘의 몰비를 6.3~9.9:3.7~0.1로 할 때, 규불화아연에 의한 콘크리트 수밀성과 규불화마그네슘에 의한 균열저감성이 가장 우수한 것으로 확인되었다.
[표 1] 규불화아연 및 규불화마그네슘의 몰비영역별 콘크리트 물성
물성구분 규불화아연의 몰비 규불화마그네슘의 몰비
6.3이하 6.3~9.9 3.7~0.1 3.7이상
균열저감성 O O ◎ △
수밀성 × ◎ O △
내구성 △ O O O
평가기준 ◎:매우우수, O:우수, △:보통, ×:불량
니켈 화합물과 텅스텐 화합물은 황산화세균의 생장을 주로 억제하는 기능을 하며, 특히 니켈 화합물은 티오바실러스 노벨루스균주의 생장을 억제하는 효과를 발휘하고, 텅스텐 화합물은 콘크리트의 생화학적 부식이 더욱 진전되어 pH가 5.0이하가 될 때 주로 서식하는 티오바실러스 페로옥시단 혹은 티오옥시단에 대한 항균효과를 발휘한다. 황산화세균에 대한 항균효과와 경제성을 고려하여 니켈 화합물은 0.5~10중량%, 텅스텐화합물은 0.1~5중량%가 적당하다.
상기 니켈 화합물 및 텅스텐 화합물로는 본 발명이 물을 포함하는 액상 상태의 항균제임을 감안하여 물에 잘 용해될 수 있도록 수용성염인 황산염, 질산염, 염화물염 중 선택하는 것이 바람직하며, 더욱 구체적으로 니켈 화합물은 황산니켈(NiSO4·6∼7H2O), 질산니켈(Ni(NO3)2·6∼7H2O), 염화니켈(NiCl2), 산화니켈(NiO) 중 선택하고, 텅스텐 화합물은 텅스텐산나트륨(Na2WO4), 텅스텐산칼슘(CaWO4), 텅스텐분말(W) 중 선택한다.
2. 규불화염계 액상 항균제의 제조
도 1 및 2에서는 본 발명에 따른 규불화염계 액상 항균제의 제조방법에 관한 순서도와 제조과정에 관한 구성도가 도시되어 있다.
(1) 15∼50중량% 농도의 불화규산(100) 수용액 30~60중량%에 물(400) 25∼65중량%를 교반기(500)에서 혼합 교반하여 가용성 실리카를 함유한 불화규산 희석액을 생성한다(S1000).
상기 불화규산(100) 수용액은 인산 및 불산 제조공정 중 공정부산물로 회수되는 것을 사용하는 것이 자원재활용을 위해 바람직하다. 불화규산 희석과정은 가수분해반응에 의해 가용성 실리카를 생성시키고 불화규산이 침전되지 않도록 하면서 안정화를 유도하기 위하여 마련된다.
(2) 상기 불화규산 희석액에 아연염(200) 2∼10중량%와 마그네슘염(250) 0.1∼2.5중량%를 투입하여 규불화아연과 규불화마그네슘으로 이루어진 규불화염계 화합물과 가용성 실리카를 함유한 수용액을 생성한다(S2000). 이때, 규불화염계 화합물 중 규불화아연/규불화마그네슘의 몰비가 6.3/3.7∼9.9/0.1로 이루어지도록 마그네슘염을 조절하여 투입한다.
규불화염계 화합물은 콘크리트 물성에 영향을 미치므로 콘크리트의 물성을 해치지 않는 범위에서 그 양을 조절해야 할 것이다. 즉, 아연염(200)은 규불화아연의 생성으로 콘크리트의 수밀성 및 강도증진 효과가 발휘되도록 2중량%이상 투입하되 콘크리트 경화시 팽창을 유발하여 수밀성 및 강도증진효과를 방해하지 않도록 10중량%이하로 투입하며, 마그네슘염(250)은 규불화마그네슘의 생성으로 콘크리트의 균열저감성 및 내구성의 개선효과가 발휘되도록 0.1중량%이상 투입하되 콘크리트의 응결시간을 지연시켜 초기강도 발현에 지장을 주지 않도록 2.5중량%이하로 투입한다.
상기 아연염(200)은 산화아연(ZnO), 탄산아연(ZnCO3), 황산아연(ZnSO4) 및 수산화아연(Zn(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택하며, 상기 마그네슘염(250)은 산화마그네슘(MgO), 탄산마그네슘(MgCO3), 황산마그네슘(MgSO4) 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어진 군에서 선택한다.
(3) 니켈 화합물(300) 0.5∼10중량%와 텅스텐 화합물(350) 0.1∼5중량%를 투입 용해시켜 규불화염계 액상 항균제를 완성한다(S3000). 여기서 니켈 화합물(300)과 텅스텐 화합물(350)은 분말상태로 투입되며, 투입 이후 약 240 RPM으로 제1스크류(510) 및 제2스크류(520)를 약 30분동안 회전시킨다. 상기 니켈 화합물과 텅스텐 화합물의 조성범위는 항균효과와 경제성을 고려하여 결정된다.
전술한 바와 같이 상기 니켈 화합물은 황산니켈(NiSO4·6∼7H2O), 질산니켈(Ni(NO3)2·6∼7H2O), 염화니켈(NiCl2), 산화니켈(NiO)로 이루어진 군에서 선택하며, 상기 텅스텐 화합물은 텅스텐산나트륨(Na2WO4), 텅스텐산칼슘(CaWO4), 텅스텐분말(W)로 이루어진 군에서 선택한다.
상기와 같은 순서에 의해 제조 완성된 규불화염계 액상 항균제는 수용액상의 2성분 규불화염과 니켈원 및 텅스텐원의 항균성분이 포함된 액상의 항균제로 제조됨으로써, 콘크리트 재료와의 혼합성을 좋게 하며, 그 결과 하수관, 정화조와 같은 콘크리트 하수구조물에 적용될 때 구조물 전반에 걸쳐 골고루 분포되어 항균성능이 균일하게 발휘될 것이다.
[실시예 1] 규불화염계 액상 항균제 제조
56.8중량%로 11.36kg의 물에 25중량% 농도의 불화규산(H2SiF6) 수용액 32.5중량%로 6.50kg을 넣고, 240 RPM으로 30분 동안 교반하면서 5.2중량%로 1.04kg의 산화아연(ZnO), 1.2중량%로 0.24kg의 산화마그네슘(MgO), 3.6중량%로 0.72kg의 황산니켈(NiSO4·6∼7H2O)과 0.7중량%로 0.14kg의 텅스텐산나트륨(Na2WO 4) 넣고 20kg 단위의 규불화염계 액상 항균제를 제조하였다.
3. 항균 콘크리트 조성물
본 발명의 항균 콘크리트 조성물은 통상의 콘크리트 배합에서 전술한 규불화염계 액상 항균제를 일종의 혼화제로서 시멘트 중량대비 0.5~2.0중량% 첨가하는 것을 특징으로 한다. 상기 항균제의 함량은 그 첨가로 인한 기대효과와 경제적인 면을 고려한 것이다. 즉, 0.5중량%이하로 첨가하는 경우에는 항균성능 및 물성개선 효과가 불충분할 것이며, 2.0중량%이상 첨가하는 경우에는 항균제가 콘크리트의 과도한 응결지연 및 팽창을 유발하고 그에 따른 균열발생 등 물성을 저하시키는 요인으로 작용함은 물론 경제성을 떨어뜨릴 것이다. 이때, 항균 콘크리트 배합은 레미콘 공장의 배쳐 플랜트에서 자동계량 투입하여 균질한 상태로 조성되도록 하는 것이 바람직하다.
콘크리트 하수구조물에 항균 콘크리트가 적용되면 규불화염계 액상 항균제 중 함유된 니켈원 및 텅스턴원에 의해 황산화세균의 생장을 억제하여 생화학적 부식을 방지하는 효과가 발휘될 것이다. 또한, 규불화염계 액상 항균제 중 함유된 가용성 실리카는 콘크리트 내의 알카리 성분을 저하시키고 강도를 증가시키며 수밀성을 향상시키는 기능을 하고, 규불화아연은 콘크리트 결함부를 충전하는 CaF2, NaF 등의 난용성 금속불화물의 생성원으로서 수밀성을 향상시키며, 규불화마그네슘은 콘크리트의 건조수축 감소, 수화온도 저감 등의 특성 발휘에 의해 균열발생을 저감시키고 중성화 억제 등 내구성을 향상시킨다. 이로써, 항균 콘크리트가 적용된 하수관 및 정화조 등과 같은 콘크리트 하구구조물은 생화학적 부식이 억제되면서 우수한 구조적인 성능을 발휘하게 될 것이다.
[실시예 2] 항균 콘크리트의 배합
본 발명 실시예에서의 항균 콘크리트 조성물은 1m3 당 최대 치수가 25mm인 975kg의 굵은 골재, 786kg의 잔골재, 382kg의 시멘트, 45중량%의 물-시멘트비로 구성된 것을 대상으로 하였다. 시멘트는 비중 약 3.15, 분말도 약 3,300㎠/g인 보통 1종 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 잔골재는 비중이 약 2.59, 굵은 골재는 비중이 약 2.63이며, 최대 골재크기는 약 25mm인 것을 사용하였다. 시험체 제작에 사용되는 고성능 AE감수제는 시중에 일반적으로 판매되는 제품으로 비중이 1.185인 것을 사용하였으며, 공기량 조절을 위해 AE제를 고성능 AE감수제 사용량의 1.0%로 균일 첨가하였다.
본 발명의 항균제의 첨가로 인한 항균 콘크리트의 성능을 시험하기 위한 콘크리트 시험체의 재료배합비는 [표 2]에 상세히 나타내었다. 콘크리트 배합에서 항균제가 첨가되지 않은 시험체를 [대조구]로, 분말상태의 비교 항균제가 첨가된 시험체를 [비교구]로, 본 발명에 의한 항균제가 첨가된 시험체를 [시험구]로 구분하였다. [비교구]에서의 비교 항균제는 일본에서 콘크리트 생화학적 부식 방지용 방균제(품명: RCF-95)로 수입되는 항균제로서, 시멘트 희석재료에 항균금속을 함유시킨 제품이며, 시험에 사용한 첨가량은 시멘트 중량의 1.0%를 첨가하고 동량의 시멘트를 치환하여 적용하였다. 시험구에서 본 발명의 [실시예 1]의 항균제를 시멘트 중량의 1.0중량% 외할 첨가하는 것으로 하였다.
[표 2]에 기재한 배합비의 시멘트, 골재 및 해당량의 물과 항균제 및 고성능 AE 감수제(AE제)를 첨가하여 혼합기로 균일하게 혼합한 후 콘크리트 배합물을 시험체로 제작하였다. 시험체의 제작은 KS F 2403의 압축강도 시험용 시험체 제작에 준하여 압축강도 측정을 위한 ø10 ×20cm 시험체와 내구성 및 항균특성 평가를 위한 10×10×40cm 시험체로 구분하여 제작하였다. 단, 균열저감성 측정을 위한 시험체는 별도 규격에 의해 제작하였다. 모든 시험체의 양생은 KS에서 규정하는 표준양생 기준에 따라 실시하였으며, 균열저감성을 평가하기 위한 시험체는 성형 후 7일간 습윤양생 후 측정 재령까지 기건양생하였다.
[표 2] 콘크리트 시험체 배합설계비
대조구 비교구 시험구
물/결합재비(%) 45 45 45
콘크리트 단위부피당시멘트량(kg/m3) 382.2 378.4 382.2
콘크리트 단위부피당잔골재량(kg/m3) 786 786 786
콘크리트 단위부피당굵은골재량(kg/m3) 975 975 975
콘크리트 단위부피당혼합수량(kg/m3) 172 172 172
콘크리트 단위부피당고성능AE감수제량(kg/m3) 3.06 3.06 3.06
콘크리트 단위부피당AE제량(kg/m3) 0.0306 0.034 0.034
콘크리트 단위부피당항균제량(kg/m3) 0.0 3.8(시멘트 치환 첨가) 3.8(외할 첨가)
[시험예 1] 콘크리트 압축강도 시험
상기 [표 2]의 배합비에 의해 제조된 콘크리트 시험체의 압축강도는 KS F 2405에서 규정한 콘크리트의 압축강도 시험방법에 준하여 최대하중을 측정한 후 하기 [수학식 1]에 의하여 시험체의 압축강도를 산정하였다.
[수학식 1] σc = P/A (kgf/㎠)
상기 식에서, σc는 압축강도(kgf/㎠)이고, P는 최대하중(kgf)이며, A는 시험체의 단면적(㎠)이다. 상기 시험방법에 따라 [표 2]의 배합비로 제조된 콘크리트 시험체 시험체의 재령별(3일, 7일, 14일, 28일 및 56일)압축강도 측정 결과를 요약하면 하기의 [표 3]과 같다.
[표 3] 콘크리트 압축강도 측정결과
대조구 비교구 시험구
3일(Mpa) 25.31 26.11 22.79
7일(Mpa) 37.83 39.17 38.95
14일(Mpa) 44.28 44.84 48.46
28일(Mpa) 50.90 50.40 55.03
56일(Mpa) 54.54 52.08 60.17
이와 같이 본 발명에 따른 항균 콘크리트 조성물로서 구성된 시험구의 압축강도가 초기 재령 3일에서는 약간 저하하였으나 재령 7일 이후에는 최대 10%이상 향상된다는 것을 알 수 있다. 반면 비교구의 경우 7일 이후 장기재령으로 갈수록 대조구에 비해 압축강도가 저하됨을 알 수 있다.
[시험예 2]
상기 [표 2]의 콘크리트 배합에서 굵은 골재를 배제한 상태로 배합한 모르타르 시험체를 기건 양생한 후 재령 21일 이상이 경과된 상태에서 KS F 2451의 규정에 따라 시험체의 투수량(g)을 100시간별로 1000시간까지 측정한 후 이를 대조구 대비 투수율(%)을 계산하였으며, 이를 하기 [표 4]에 나타내었다.
[표 4] 콘크리트(굵은골재 배제 모르타르) 투수율 측정결과
구분 투수시간별 투수율(%)
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
대조구 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
비교구 87.39 57.18 44.66 41.45 42.05 42.05 41.94 41.94 41.94 41.94
시험구 83.19 37.16 18.27 13.33 13.38 14.29 13.94 14.06 14.06 14.06
상기 결과와 같이 대조구에 비해 비교구의 경우 투수시간 1000시간 기준의 경우 투수율이 약 60% 정도 감소하였으며, 본 발명에 의한 시험구는 약 86% 정도 투수율이 감소되는 것으로 확인되었다. 이로부터 비교 항균제가 첨가된 비교구 및 본원 발명에 의한 항균 콘크리트 조성물인 시험구의 경화조직이 치밀해진 결과 투수에 대한 저항성이 대조구에 비해 크게 향상되었으나 비교구보다 시험구에 있어서 수밀성이 보다 개선되는 효과를 알 수 있었다.
이외에 상기 투수율 시험체를 대상으로 공극율(porosity) 및 경화조직을 SEM을 이용하여 분석한 결과 대조구에 비해 공극율이 감소되며, 경화조직이 치밀해지는 특성을 알 수 있었다. 또한 이러한 경향은 비교예보다도 우위에 있는 것으로 확인되었다.
[시험예 3] 콘크리트 균열저감성
콘크리트 균열저감 시험은 구속건조수축과 판상시험체의 균열패턴 시험을 통해 확인하였다.
(1) 구속건조수축 시험
[표 2] 배합의 콘크리트를 17×10×100cm의 구속균열몰드에 성형한 시험체를 7일간 습윤양생하고, 탈형 후 온도 20±1℃, 습도 60±5%의 조건에서 재령 55일까지 구속상태에서의 건조수축길이를 연속적으로 측정하였다. 측정결과는 도 3에 나타내었다.
구속건조수축을 측정한 결과 시험구(도 3의 3)는 대조구(도 3의 1)와 비교구(도 3의 2)에 비해 건조수축길이가 감소하였으며, 대조구의 경우 건조재령 41일에 균열이 발생되었고, 비교구는 건조재령 32일에 균열이 발생되었으나 시험구는 측정기간중 균열발생이 관찰되지 않았다.
(2) 판상시험체의 균열패턴 시험
판상시험체의 ACI Materials Journal에 제시된 [소성수축 균열에 의한 균열특성 시험]에 준하여 구속력을 부여하기 위해 10mm 철근을 관통시켜 볼트로 고정한 600×600×50mm의 판상형 성형몰드에 [표 2] 배합의 콘크리트를 성형한 후 온도 28±3℃, 습도 40±5%의 조건에서 시험체 표면에 풍속 4.5∼5.0m/s을 불어주어 균열을 인위적으로 발생시킨 상태에서 시험체 표면의 균열패턴을 확인하였다. 측정결과는 도 4에 나타내었다.
균열패턴을 비교한 결과 대조구에서는 망상형의 균열이 시험체 표면 전체에 걸쳐 발생하였고, 비교구는 오히려 대조구에 비해 연속상의 균열이 망상형으로 발생되는 경향이 더욱 현저한 것으로 확인되었다. 시험구의 경우에는 망상형 균열이 관찰되지 않고, 비연속상의 균열이 국부적으로 발생되는 것으로 확인되었다.
따라서 본 발명에 의한 항균 콘크리트인 시험구에 있어서, 대조구 및 비교구에 비해 콘크리트 균열발생에 대한 저항성이 향상됨을 알 수 있었다.
[시험예 4] 콘크리트 내구성
본 발명에서는 콘크리트의 화학저항성 및 내구성을 평가하기 위한 시험으로 촉진 중성화시험을 선택하여 대조구, 비교구 및 시험구를 각각 비교하였다.
촉진 중성화시험은 KS F 4926에 준하여 실시하였고, 시험체는 [표 2]의 콘크리트 배합에서 굵은 골재를 배제한 상태에서 100×100×400mm 규격으로 성형하였으며, 24시간 경과하면 탈형하여 20±2℃의 수중에서 27일간 양생한 후 1일간 온도 20±2℃, 습도 60±5%에서 건조시켰다. 건조된 시험체는 중성화시험기에 넣고 온도 20±2℃, 습도 50±5℃에서 CO2 농도를 5%로 고정하고 10일 간격으로 140일 동안 중성화시킨 시험체의 중성화깊이를 측정하여 평가하였다.
중성화시험 결과는 도 5와 같으며, 대조구에 비해 비교구의 중성화 깊이가 작고, 시험구의 중성화깊이가 가장 작은 것으로 관찰되었으며, 중성화처리기간이 증대됨에 따라 중성화깊이 차이가 더욱 커지는 것으로 나타났다. 즉, 콘크리트 하수구조물에서 CO2에 의한 중성화속도를 억제하는 것은 콘크리트의 pH를 서서히 저하시킴으로써 특정 pH에서 서식하는 황산화세균에 의한 생화학적 부식이 개시되는 시기를 지연시키는 효과를 명시한다.
따라서 본 발명에 의한 항균 콘크리트가 황산화세균에 의한 생화학적 부식 이전의 CO2에 의한 중성화를 억제한다는 것은 전술한 수밀성의 증진효과와 함께 콘크리트의 내구성 및 황산화세균에 의한 생화학적 부식억제에 있어서 매우 중요한 의미를 지닌다.
[시험예 5] 콘크리트 항균성
본원 발명에 의한 항균 콘크리트의 항균효과에 대한 평가는 KS F 4403에서 규정하는 [무기항균제가 첨가된 공시체의 항균효과 시험방법]에 준하여 실시하였다.
시험 균주로는 콘크리트의 생화학적 부식에 가장 큰 영향을 미치는 티오바실러스 노벨루스(Thiobacillus novellus) 균주(KCTC 2845)를 선택하였으며, 비색변화를 관찰하기 위한 지시약으로는 브로모 크레졸 퍼플(bromocresol purple, 변색 pH = 5.2∼6.8, 시험결과 6.6이하에서 황색으로 변색)을 사용하여 적정 조건에서 시험 균주를 배양하였다. 시험편은 [표 2]의 콘크리트 배합에 준하여 대조구, 비교구 및 시험구로 구분하였으며 콘크리트의 알카리도에 의한 영향을 배지하기 위해 8% 중탄산소다(NaHCO3) 용액에 20℃에서 14일간 침적하여 중성화시켰다. 중성화 처리 후 시험 균주 배양액을 시험편(규격 : 40×40×10mm)에 접종한 후 배양액의 색상이 보라색에서 황색으로 변화하면 항균효과가 없는 것으로 판단하고, 황색으로 변하지 않을 때 항균효과가 있는 것으로 판단하였다. 항균효과를 평가하기 위한 시험 순서 및 구체적 조건은 도 6에 도시하였다.
도 7과 같이 시험 균주를 접종한 초기에는 대조구, 비교구 및 시험구 모두 지시약에 의한 적자색이 관찰되었으나 4주 경과 후 항균제가 첨가되지 않은 대조구에서는 시험균주의 증식과 황산을 시험액측으로 배출하는 황산화작용에 의해 pH가 저하된 결과 황색으로 변화되는 것이 관찰되었다. 비교구의 경우에 있어서도 서서히 황색으로 변화되는 것이 관찰되었으나 시험구에서는 황색으로의 색상변화가 나타나지 않고 적자색을 유지하여 항균효과가 지속되는 것으로 확인되었다. 또한, 황산배출농도를 기준으로 산출한 황산 배출속도비에서 시험구에 비해 대조구의 경우 6.83배, 비교구의 경우 3.01배로 증가되는 것을 확인되었다.
이로써, 본 발명의 규불화염계 액상 항균제가 첨가된 시험구의 항균효과를 검증할 수 있었으며, 항균효과면에서도 비교 항균제를 첨가한 비교구보다도 더욱 우수한 것으로 나타났다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.
이상과 같은 본 발명에 따른 콘크리트 하수구조물의 황산화세균에 의한 생화학적 부식을 방지하기 위한 규불화염계 액상 항균제를 콘크리트 배합시 첨가하면, 니켈원 및 텅스텐원에 의해 중성영역은 물론 산성영역에 서식하는 티오바실러스 균주의 생장이 억제되어 생화학적 부식이 방지되고, 규불화염과 가용성 실리카에 의해 콘크리트 구조물에 있어서 주요 물성인 수밀성, 균열저감성 및 내구성이 개선되는 효과를 발휘한다. 또한, 본 발명에 따른 항균제가 콘크리트 배합시 첨가되는 혼화제로서 액상 형태를 가짐으로써 콘크리트 배합시 분산이 우수하여 전반적으로 균일한 배합을 가능케 하고 그 결과 콘크리트 구조체 전반에 걸쳐 균일한 항균성능 및 물성 개선효과를 구현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 규불화염계 액상 항균제의 제조방법에 관한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 규불화염계 액상 항균제의 제조과정을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 규불화염계 액상 항균제를 첨가한 콘크리트(시험구)와 무첨가 콘크리트(대조구) 및 비교 항균제를 첨가한 콘크리트(비교구)의 구속건조수축 시험결과 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 규불화염계 액상 항균제를 첨가한 콘크리트(시험구)와 무첨가 콘크리트(대조구) 및 비교 항균제를 첨가한 콘크리트(비교구)의 균열패턴 시험결과 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 규불화염계 액상 항균제를 첨가한 콘크리트(시험구)와 무첨가 콘크리트(대조구) 및 비교 항균제를 첨가한 콘크리트(비교구)의 중성화 깊이 시험결과 그래프이다
도 6은 본 발명에 따른 규불화염계 액상 항균제를 첨가한 콘크리트(시험구)와 무첨가 콘크리트(대조구) 및 비교 항균제를 첨가한 콘크리트(비교구)의 항균효과 평가방법을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명에 따른 규불화염계 액상 항균제를 첨가한 콘크리트(시험구)와 무첨가 콘크리트(대조구) 및 비교 항균제를 첨가한 콘크리트(비교구)의 항균효과 평가결과 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 불화규산 수용액 200: 아연염
250: 마그네슘염 300: 니켈 화합물
350: 텅스텐 화합물 400: 물
500: 교반기 510: 제1스크류
520: 제2스크류

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 콘크리트 하수관을 포함한 콘크리트 하수구조물에서 황산화세균에 의한 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물로서,
    물 40~74.8중량%;
    가용성 실리카 20~30중량%;
    규불화아연(ZnSiF6)과 규불화마그네슘(MgSiF6)을 포함하는 규불화염계 화합물 5~30중량%;
    니켈 화합물 0.5~10중량%; 및,
    텅스텐 화합물 0.1~5중량%;
    로 조성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물.
  3. 제2항에서, 상기 규불화염계 화합물은
    규불화아연(ZnSiF6)과 규불화마그네슘(MgSiF6)의 몰비가 6.3~9.9:3.7~0.1인 것을 특징으로 하는 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제 조성물.
  4. 삭제
  5. 콘크리트 하수관을 포함한 콘크리트 하수구조물에서 황산화세균에 의한 생화학적 부식방지를 위한 규불화염계 액상 항균제의 제조함에,
    15∼50중량% 농도의 불화규산 수용액 30~60중량%에 물 25∼65중량%를 혼합하여 가용성 실리카를 함유한 불화규산 희석액을 생성하는 단계(S1000);
    상기 불화규산 희석액에 아연염 2∼10중량%와 마그네슘염 0.1∼2.5중량%를 투입하여 규불화아연과 규불화마그네슘으로 이루어진 규불화염계 화합물과 가용성 실리카를 함유한 수용액을 생성하는 단계(S2000); 및,
    니켈 화합물 0.5∼10중량%와 텅스텐 화합물 0.1∼5중량%를 투입 용해시켜 규불화염계 액상 항균제를 완성하는 단계(S3000);
    를 포함하여 이루어지되,
    상기 규불화염계 화합물과 가용성 실리카를 함유한 수용액을 생성하는 단계(S2000)는,
    규불화아연과 규불화마그네슘의 몰비가 6.3~9.9:3.7~0.1로 이루지도록 마그네슘염을 조절 투입하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 황산화 세균에 의한 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지용 규불화염계 액상 항균제 제조방법.
  6. 콘크리트 배합에서,
    제2항 또는 제3항의 규불화염계 액상 항균제를 시멘트 중량대비 0.5~2.0중량% 첨가하는 것을 특징으로 하는 황산화세균에 의한 콘크리트 하수구조물의 생화학적 부식방지를 위한 항균 콘크리트 조성물.
  7. 제6항에서,
    상기 규불화염계 액상 항균제는 콘크리트 하수구조물의 수밀성, 균열저감성 및 내구성을 개선시키는 용도로 사용되는 것을 특징으로 하는 항균 콘크리트 조성물.
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KR100841789B1 (ko) 2007-02-13 2008-06-27 주식회사 석진레미콘 국문 : 구조용 항균 레디믹스트 콘크리트 제조방법

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