KR100668077B1 - 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 무기계 표면침투제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1) 부분적으로 가수분해되어 조절된 에틸실리케이트 단량체 50 내지 90 중량%; 및 2) 소수성의 실란, 올리고머 실록산 및 저분자량의 폴리실록산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 유기계 실리콘 화합물 10 내지 50 중량%로 이루어진 조성 100 중량부에 대하여, 3) 글라이콜 에테르계, 탄화수소계, 글리콜 에테르 에스테르계, 및 C₁∼C₄의 알코올로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 유기용매 10 내지 50 중량부로 이루어진 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 무기계 표면침투제에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 표면침투제는 계면활성제 0.05∼0.5 중량부를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명의 표면침투제는 종래의 콘크리트용 표면침투제와는 달리, 콘크리트 표면에 화학결합을 유도하여 소수성을 부여하고, 콘크리트 내부로 깊이 침투하여 외부로부터 수분침입을 방지할 수 있을 뿐 아니라 원활한 콘크리트의 호흡이 가능하다.

콘크리트, 표면침투제, 에틸실리케이트 단량체, 실란, 올리고머 실록산

Description

콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 무기계 표면침투제{INORGANIC SEALER FOR PROTECTION OF CONCRETE AND POROUS SUBSTRATES THEREBY}

도 1은 본 발명의 무기계 표면침투제에 대한 흡수된 물의 양을 측정한 결과이고,

도 2는 본 발명의 무기계 표면침투제에 대한 동결/융해 저항을 측정한 결과이고,

도 3은 본 발명의 무기계 표면침투제에 대한 염분침투성을 측정한 결과이다.

본 발명은 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 콘크리트 구조물의 무기계 표면침투제에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 본 발명은 무기계 표면침투제가 콘크리트 표면에서 화학결합을 유도하여 콘크리트 표면에 장시간 머무는 동시에 무기계 표면침투제가 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 콘크리트 구조물 내부로 깊이 침투할 수 있는 무기계 표면침투제에 관한 것이다.

오늘날, 무기물질로 건축된 현재의 많은 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 콘크리트 구조물은 다양한 환경요소, 특히 염소성분 또는 수분에 의하여 내구성에 약해져 그의 사용 수명이 빠른 속도로 단축되고 있다.

상기 환경요소로는 자동차 배기 가스로 인한 산성비의 영향, 먼지 등의 오염물질의 부착이 있고, 또한 유기 합성 고분자계 도장재나 마감재는 콘크리트의 호흡을 방해하여 콘크리트 구조물을 노후화 시킬 뿐만 아니라, 자외선에 의한 황변현상, 쵸킹, 부풀어오름, 갈라짐, 탈락 등의 결함을 유발하여 철근 콘크리트 구조물을 조기에 부식시킨다.

특히, 해수나 동결방지용의 염분에 의하여 콘크리트 내부로 침투된 염소성분은 철근을 부식시키는 다른 원인으로 작용한다. 이외에도, 공기중의 수분 또는 콘크리트 사용시 투입되는 수분은 콘크리트 표면에 존재시, 동결융해 현상 또는 마감재의 들뜸과 부풀어오름의 원인이 된다. 또한, 콘크리트 페이스트 혼합시 과량으로 유입된 물로 인하여 생성되는 모세 공극(capillary porosity)을 채우고, 모세공극을 계속 방치하면 물을 비롯한 기타 액상 물질이 연속적으로 침투하여 결국, 콘크리트의 부식을 초래한다.

이러한 콘크리트 구조물의 노후화에 따른 보수를 위하여 다양한 노력이 진행되어 왔으며, 대표적으로는 에폭시 또는 우레탄 등의 유기질 합성수지 또는 이러한 유기질 합성수지에 시멘트, 모래, 규사 등을 혼합하여 녹을 제거한 철근 표면에 바르거나, 또는 탈락된 부위에 채워 넣어 수밀하는 방법이 있다.

이외에도 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 구조물 즉, 벽돌 또는 블록 등의 내구성 을 향상시키기 위하여 액상의 침투제가 사용되고 있는데, 최근에 각광받는 액상의 표면침투제로는 무기 물질을 콘크리트와 같은 무기재료의 표면에 적용하여 염분 또는 수분에 의한 영향을 줄이고 특히, 표면층에 소수성을 형성하여 수분함량을 조절하는 것이다. 따라서, 소수성을 제공하는 물질들의 연구로 집중되어 왔으며 대표적인 소수성을 제공하는 물질로는 실란, 알킬알콕시 실란, 실란올, 실록산, 올리고머 실록산, 폴리실록산 등이 있다.

그의 일례로는 대한민국특허 제2002-3714호에서는 올가노알콕시실란 또는 올가노아세톡시실란 중 적어도 하나 이상의 실란화합물 1∼30%를 산성 또는 중성의 수용액에 용해시킨 다음, 이 수용액에 수용성 규산리튬, 수용성 규산칼륨 및 수용성 규산나트륨 중 적어도 하나 이상의 규산염 화합물을 0.5∼20%를 첨가하여 용해시켜 이 수용액을 pH 11∼12의 알칼리 상으로 조정하고 알칼리성 수용액에 용해되는 산화아연, 산화알루미늄 산화안티몬 및 산화 텅스텐 중 적어도 하나 이상의 금속산화물 0.5∼15%를 용해시켜 무기질계 건자재 보호제를 제공하고 있다. 그러나 내수성이 가장 양호하다고 알려져 있는 상기 규산리튬이 아황산 가스 등과 같은 부식성 가스와 쉽게 반응하며, 무기질계 건자재를 보호하기는 하나, 알칼리성이 강하고, 아울러, 유기화합물질과의 친화성이 떨어지기 때문에 건자재의 수복 또는 보호를 위하여 발라지는 유기화합물을 주성분으로 하는 마감재의 탈락을 촉진시킨다.

또한, 다른 예로는 고분자량의 메틸실리콘 수지 100 중량부에 50∼80 중량부의 저분자량의 알콕시 실란, 200∼300 중량부의 유기용제 및 20∼50 중량부의 발수특성증진제로 이루어진 실리콘계 침투성 방수제 조성물이 공지되어 있다[대한민국특허 제2002-90434호].

이외에도, 독일특허 제2356142호는 소수성 표면을 제공하기 위하여 탄소 수 8개를 포함하는 아릴 또는 알킬 그룹을 갖는 유기계 폴리실란 또는 유기계 실록산과 메탄올, 에탄올, n-프로판올 또는 이소프로판올 등의 알코올; 메틸에틸케톤, 톨루엔, 자이롤, 트리메탈벤졸, 디아세톤알코올 등의 케톤류; 및 트리클로로에틸렌 및 사이클로 헥산온 등의 염소치환된 탄화수소류 등의 용매로 이루어진 조성물을 개시하고 있다. 그러나 상기 발명은 조성물과 콘크리트 간의 접착력이 낮아, 실제 콘크리트 구조물에 적용하면 고유 성질 변형 및 색상변화의 문제점이 지적되었다. 따라서, 유리용매와 접착력을 향상시키기 위하여 몬트모릴로나이트 타입을 첨가하는 방법[유럽특허 제177 824호]이 공지되었으며, 미국특허 제5782961호는 실란 및/또는 실록산을 용매가 없는 조건에서 벤토나이트 또는 몬트모릴로나이트 등의 점토를 혼합하여 젤 상의 침투제를 제시하고 있다.

그러나, 종래의 표면침투제는 건자재의 표면에 단순히 피막을 형성하기만 할 뿐, 건설재료와 어떠한 화학적 결합물을 형성하지 않고, 초기 발수효과가 불충분하거나, 또는 장기적인 지속성이 떨어지는 등의 결함이 있다.

따라서, 다공성 콘크리트 구조물의 표면침투제가 장기간 보호효과를 이루고, 표면처리된 표면 외층에 적절한 수분조건을 제공하기 위해서는 표면침투제가 콘크리트 구조물 내부로 가능한 한 깊숙이 침투되어야 한다.

이에, 본 발명자들은 콘크리트 구조물의 노후화현상을 근원적으로 치유하고, 내구 성을 보다 향상시키기 위하여 노력한 결과, 종래의 실란계, 실리콘 화합물 등의 소수성 물질과 부분적으로 가수분해되어 조절된 에틸실리케이트 간의 화학결합을 유도하여 콘크리트 표면에 장시간 머무는 동시에 내부로 깊이 침투할 수 있는 표면침투제를 제공하고, 상기 표면침투제가 콘크리트 내부의 모세 공극 및 계면 사이에 미세 크랙 내로 깊이 침투하여 외부로부터 수분침입을 방지할 수 있을 뿐 아니라 콘크리트의 호흡이 원활함을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 종래의 실란계 및 실리콘 화합물의 소수성 물질과 부분적으로 가수분해되어 조절된 에틸실리케이트 간의 화학결합을 유도하여 콘크리트 표면에 장시간 머무는 동시에 내부로 깊이 침투할 수 있는 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 표면침투제를 제공하는 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명의 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 표면침투제는 1) 부분적으로 가수분해되어 조절된 에틸실리케이트 단량체 및 2) 소수성의 실란, 올리고머 실록산 및 저분자량의 폴리실록산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 유기계 실리콘 화합물과 화학적 결합을 유도함으로써, 콘크리트 표면에 소수성을 부여하여 장시간 머물게 하고, 동시에 글라이콜 에테르계, 탄화수소계, 글리콜 에테르 에스테르계; 및 C₁∼C₄의 알코올로 이루어진 군에서 선택된 하나의 유기용매 또는 계면활성제를 추가로 포함함으로써, 액상의 표면침투제의 표면장력을 낮춰 콘크리트 내부로 보다 깊이 침투시킬 수 있다.

본원발명의 무기계 표면침투제는 1) 부분적으로 가수분해되어 조절된 에틸실리케이트 단량체 50 내지 90 중량%; 및 2) 소수성의 실란, 올리고머 실록산 및 저분자량의 폴리실록산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 유기계 실리콘 화합물 10 내지 50 중량%로 이루어진 조성 100 중량부에 대하여, 3) 글라이콜 에테르계, 탄화수소계, 글리콜 에테르 에스테르계, 및 C₁∼C₄의 알코올로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 유기용매 10 내지 50 중량부로 이루어진 군에서 선택된 하나의 유기용매 잔량을 포함하여 이루어진다.

또한 본 발명의 표면침투제가 콘크리트 내부로 깊숙이 침투하기 위하여, 계면활성제 0.05∼0.5 중량부를 추가로 포함할 수 있으며, 본 발명의 무기계 표면침투제를 표면에 적용할 때, 계면활성제는 액상의 표면장력을 낮춰 콘크리트 내부로 보다 깊이 침투되도록 한다.

종래의 표면침투제는 소수성 물질을 용매 또는 담체 등에 함유하는 형태로서, 수분함량이 많은 콘크리트 표면에 브러쉬 또는 스프레이 방식으로 도포되면, 상호 접착력이 약하고, 표면침투제가 침투되는 과정에 용매가 증발되어 침투를 방해하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 소수성 물질을 콘크리트 내부로 깊숙이 침투시키는 목적을 달성하기 위하여, 콘크리트 표면에 소수성 물질과 화학적 결합이 가능한 친수성의 물질 을 동시에 포함하고, 액상의 표면장력을 낮추는 계면활성제를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 구조물의 무기계 표면침투제 조성에 대하여 상세히 설명하고자 한다.

1. 부분적으로 가수분해된 에틸실리케이트

본 발명의 친수성 물질은 에틸실리케이트, 보다 구체적으로는 부분적으로 가수분해되어 조절된 에틸실리케이트 단량체 50 내지 90 중량%를 사용하는 것이다. 이때, 50 중량% 이하이면, 미세공극의 빈공간을 채우기 위해 요구되는 고체 이산화규소의 양이 부족하고, 90 중량% 이상이면, 표면에서 미세공극을 채우는 고체 이산화규소의 과잉 생성으로 표면침투제가 다공체 내로 보다 깊이 침투되는 것을 방해하여 바람직하지 않다.

보다 구체적으로 살펴보면, 에틸실리케이트[Si(0C₂H₅)₄]는 물에 의해 완전한 가수분해 결과, 콘크리트의 주성분인 실리카(SiO₂)가 생성되지만, 실제 반응에 있어서는 부분적으로 가수분해되어, 친수성기를 하나 이상 포함하게 되며[(0C₂H₅)_4-nSi-(OH) _n], 이때 n은 1 내지 2가 바람직하다. 또한, 부분적으로 가수분해된 에틸실리케이트 두 개 이상이 존재하면 자체 축합반응하여 분자량이 증가한다. 또한, 콘크리트 내 공존하는 산화나트륨, 산화칼륨, 수산화칼슘 등의 염기로 인한 촉매화 반응은 가수 분해 되고 축합반응을 거침에 따라, 분자량이 증가되어 콘크리트의 미세공극의 작은 공간에 침투되지 못한다. 특히, 수산화칼슘은 부분적으로 가수분해된 에틸실리케이트와 반응하여 칼슘 유기계 실리케이트 염을 형성하게 되고, 이때 형성된 칼슘 실리케이트 염은 콘크리트 페이스트 구조 안으로 유입되어 미세공극을 막고, 표면침투제가 콘크리트의 미세공극 내로 깊숙이 침투되지 못하도록 한다.

반면에, 상기 칼슘 유기계 실리케이트 염뿐 만 아니라, 에틸실리케이트 가수분해 산물 및 연속적인 축합반응의 산물은 크기의 증가로 인하여 표면침투제의 유입을 억제하는 동시에 자체가 친수성이기 때문에 물의 통과를 허용하게 된다. 이러한 물의 유입은 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 콘크리트 구조물의 부식을 야기시킬 수 있다.

2. 소수성의 유기계 실리콘 화합물의 선택

따라서, 본 발명의 소수성의 실란, 올리고머 실록산 및 저분자량의 폴리실록산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 유기계 실리콘 화합물 10 내지 50 중량%를 도입하는 것이다.

상기 유기계 실리콘 화합물은 부분적으로 가수분해된 에틸실리케이트와의 칼슘 실리케이트 염의 생성을 억제하고, 콘크리트 표면상에서 상기 에틸실리케이트와 화학반응하여 소수성을 제공한다. 따라서, 표면상에서 형성된 소수성은 콘크리트 내부로 수분의 침투를 억제하는 반면, 표면침투제가 모세공극 및 계면 사이에 미세 크랙으로 깊이 침투하도록 한다.

유기계 실리콘 화합물 중, 소수성의 실란은 하기 화학식 1로 표시된다.

[(R¹)_nSi(OR²)_4-n]

(상기에서, R¹은 C₁∼C₈의 직쇄상 또는 분쇄상의 알킬기이고, R² 는 C₁∼C₃의 알킬기이고, 1≤n≤3이다.)

상기 R¹은 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸 및 이소-옥틸로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며, R²는 메틸, 에틸 또는 프로필이며, 보다 바람직하게는 메틸 또는 에틸이다.

보다 구체적으로는 상기 실란이 이소옥틸 트리메톡시 실란, 이소옥틸 트리에톡시 실란, 이소부틸 트리메톡시 실란, 및 이소부틸 트리에톡시 실란으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 유기계 실리콘 화합물의 다른 예로는 올리고머 실록산(화학식 2) 및 저분자량의 폴리실록산(화학식 3)을 사용할 수 있다.

(상기에서, R¹은 C₁∼C₈의 직쇄상 또는 분쇄상의 알킬기이고, R² 는 C₁∼C₃의 알킬기이다.)

상기 R¹은 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸 및 이소-옥틸로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며, R²는 메틸, 에틸 또는 프로필이며, 보다 바람직하게는 메틸 또는 에틸이다. 보다 구체적으로는 상기 올리고머 실록산이 올리고머 이소옥틸 트리메톡시 실록산, 올리고머 이소옥틸 트리에톡시 실록산, 올리고머 이소부틸 트리메톡시 실록산, 및 올리고머 이소부틸 트리에톡시 실록산으로 이루어진 군에서 선택된 것이 바람직하다.

(상기에서, R¹은 C₁∼C₈의 직쇄상 또는 분쇄상의 알킬기이고, R² 는 C₁∼C₃의 알킬기이 고, n>4 이고, 보다 바람직하게는 4 < n < 1,000이다.)

상기 R¹은 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸 및 이소-옥틸로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이며, R²는 메틸, 에틸 또는 프로필이며, 보다 바람직하게는 메틸 또는 에틸이다.

상기 유기계 실리콘 화합물 중, 실란과 부분적으로 가수분해된 에틸실리케이트와의 반응을 살펴보면 반응식 1과 같다. 먼저, 실란(1)은 물(2)과 반응하여 소수성의 R¹을 제외하고 잔기가 Si-OH로 가수분해된 실란 화합물이 제조되고(3), 상기 가수분해된 실란 화합물과 부분적으로 가수분해된 에틸실리케이트(4)가 반응하여, 소수성이 부여된 화합물(5)을 얻을 수 있다.

(상기에서, R¹ 및 R²는 앞에서 정의한 바와 같다.)

또한, 반응식 2에 나타난 바와 같이, 가수분해된 실란 화합물(3)은 수화된 콘크리트 생성물인 폴리실리케이트(6)와 반응하여 콘크리트 표면에 소수성이 부여된 화합물(7)을 얻을 수 있다. 따라서, 실란은 표면침투제에 소수성을 부여하여 표면상에서 장시간 머물러 외부로부터 수분침투를 억제하고, 동시에 표면침투제가 콘크리트 페이스트 내부로 깊이 침투할 수 있도록 한다.

(상기에서, R¹은 앞에서 정의한 바와 같다.)

3. 용매의 선택

또한, 본 발명의 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 콘크리트 구조물의 무기계 표면침투제는 상기 테트라에틸실리케이트 단량체 단독으로 사용할 수도 있다. 가령, 다공도가 높은 경우 용매 없이 사용하여 가능한 한 고체 물질의 많은 양이 침투되도록 하는 것이 바람직하다.

그러나 이외에 테트라에틸실리케이트 단량체를 적절한 용매에 희석시켜 유동성을 제공함으로써, 콘크리트 내 모세공극과 콘크리트 페이스트 구조 내 빈 공간으로 효과적으로 침투시킬 수 있다.

이때, 용매는 글라이콜 에테르계, 탄화수소계, 글리콜 에테르 에스테르계 및 C₁∼C₄의 알코올로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이다.

용매는 용해가 가능한 모든 유기용매를 사용할 수 있으며, 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 아세테이트류, C₁∼C₄의 알코올, 헵탄 및 헥산을 포함하는 지방족 나프타, 염화메틸렌과 같은 염소 치환된 용매, 에스테르 바람직하게는 디부틸 아세테이트를 포함하고, 글리콜 에테르, 케톤, 자일렌 등을 포함하는 방향족 용매, 글리콜 에테르 에스테르 및 기타 아마인류 오일을 사용할 수 있다.

보다 바람직하게는, 그의 일례로는 DPM, TPM, DPMA, PnP, DpnP, TPnP, PnB, DPnB, TPnB, PPh 및 DMM로 이루어진 군에서 선택된 글라이콜 에테르류; 톨루엔, 자일렌, 및 미네랄 스피리트(spirit)를 포함하는 탄화수소류; 글리콜 에테르 에스테르류; C₁∼C₁₂ 직쇄상 또는 분쇄상의 알코올류이다. 더욱 바람직하게는 글라이콜 에테르계 또는 알코올을 사용하는 것이고, 특히, 더욱 바람직하게는 디프로필렌 글라이콜 메 틸 에테르(DPM), 트리프로필렌 글라이콜 메틸 에테르(TPM) 또는 이소프로필 알코올 사용시 가장 바람직하다.

4. 계면활성제의 선택

계면활성제는 표면장력을 감소시키는 성질로 가짐으로써, 본 발명의 표면침투제를 콘크리트 구조물에 적용시, 보다 넓게 분포하고 콘크리트 페이스트의 모세공극, 상기 콘크리트 페이스트와 그들의 집합체 간의 형성된 미세 균열 및 다공성 계면 내로 깊이 침투시킬 수 있다. 단, 다공성이 큰 구조의 경우에는 계면활성제를 사용할 필요가 없다.

사용할 수 있는 계면활성제로는 탄화수소계 계면활성제, 실리콘계 계면활성제, 및 불소계 계면활성제에 특별히 제한하지 않고 사용할 수 있으나, 보다 바람직하게는 불소계 계면활성제를 사용한다.

상기 불소계 계면활성제는 불소원자를 함유하고 있는 소수성 직쇄 분자 말단에 수용성 관능기가 치환된 것으로, 물과 기름에 대한 반발력이 우수하고 특히, 유기용매에 대한 표면활성 효과가 우수하며, 트리메틸암모늄염이 함유된 퍼플로로 올리고머형(perfluoro oligomer)의 양쪽성 계면활성제가 대표적이다.

본 발명의 계면활성제의 바람직한 사용량은 올리고머 실리케이트에 대하여, 0.05∼0.5 중량부를 사용하고, 더욱 바람직하게는 불소계 계면활성제를 사용할 경우 0.02∼0.2 중량부를 사용한다. 이때, 0.05 중량부 미만이면 그들의 효과가 낮고, 0.5 중량부를 초과하면, 계면활성제의 필요 이상의 양이 사용되어 깊은 침투가 어렵다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 이용하여 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

에틸실리케이트 단량체(silbond 사, 시리즈 번호 001) 40.00 중량%, 이소부틸 트리메톡시 실란 40.00중량% 및 용매인 디프로필렌 글라이콜 메틸 에테르(DPM) 18.80 중량%를 교반하여 혼합하고, 불소계 계면활성제 0.2 중량%를 첨가하여, 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 콘크리트 구조물의 무기계 표면침투제 조성물을 제조하였다.

<실시예 2∼6>

상기 이소부틸 트리메톡시 실란 대신에 하기 표 1에 기재된 바와 같이 유기계 실리콘 화합물을 사용하고 0.1 중량%의 불소계 계면활성제를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 콘크리트 구조물의 무기계 표면침투제 조성물 2∼6을 제조하였다.

<실시예 7>

계면활성제를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 콘크리트 구조물의 무기계 표면침투제 조성물을 제조하였다.

<비교예 1>

유기계 실리콘을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 콘크리트 구조물의 무기계 표면침투제 조성물을 제조하였다.

<실험예 1>

상기 실시예에서 제조된 콘크리트 및 이를 이용한 다공성 콘크리트 구조물의 무기계 표면침투제에 대하여 하기와 같이 성능을 실험하였다.

1. 물흡수율(%) 측정

상기 실시예에서 제조된 무기계 표면침투제의 방수능을 실험하기 위하여, 상기 실시예 1∼7 및 비교예 1의 표면침투제를 충분히 건조시킨 후, 부식성의 칼륨용액에 6 시간동안 침지한 후 5일 동안 방치하고, 표면침투제 일면에 에폭시 코팅하였다. 이후 48 시간동안 물에 재침지한 후 물흡수율(%)을 측정하였다. 물흡수율은 하기 수학식 1에 의하여 산출하였으며, 이에 대한 결과는 표 1 및 도 1에 기재하였다.

(상기에서 A: 물흡수율(%), W₁: 흡수전의 표면침투제의 무게(g), 및 W₂: 흡수전의 표면침투제의 무게(g)이다.)

표 1로부터, 유기계 실리콘 화합물은 소수성을 제공하기에 알킬기 길이가 길수록 무기계 표면침투제의 물흡수율은 낮았으며, 따라서, 이소부틸 트리메톡시실란, 올리고머 메틸 메톡시-실록산의 경우 비교예 1에 비하여 50% 이상의 방수성능을 보였으며, 가장 바람직하게는 이소옥틸트리메톡시 실란 또는 올리고머 이소-옥틸 메톡 시-실록산의 경우이다.

도 1은 상기에서 가장 우수한 효과를 보인 실시예 2의 무기계 표면침투제를 콘크리트 표면에 처리한 경우와 처리하지 않은 경우에 대하여, 흡수된 물의 양을 비교한 것이다. 특히, 72 시간의 경과 후, 표면침투제로 처리하지 않은 경우, 65g의 물이 흡수된 결과를 보이는 반면에, 실시예 2의 무기계 표면침투제로 표면처리한 경우 10g 정도의 물이 흡수되었다.

2. 동결/융해(Freeze/thaw) 저항 측정

상기 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 무기계 표면침투제에 대한 동결/융해(Freeze/thaw) 저항정도를 측정하기 위하여 3%의 염화나트륨 용액에 -12℃에서 20℃의 온도에서 12 시간동안 유지시킨 후, 무게 변화를 관찰하여 도 2에 나타내었다.

도 2의 결과, 본 발명의 무기계 표면침투제(B)는 동결/융해 싸이클수에 항상 일정하게 유지된 반면, 비교예의 무기계 표면침투제(A)는 사이클수가 20 회를 거치면서 급격히 무게 손실의 변화를 보였다.

따라서, 본 발명의 무기계 표면침투제는 공기 중의 수분 또는 유입된 물에 의한 체적팽창의 영향이 적으므로 콘크리트의 내구성 강화에 유리하다.

3. 염분에 대한 저항 측정

콘크리트 표면에 상기 실시예 2에서 제조된 무기계 표면침투제를 브러쉬로 도포한 후, 염분침투정도를 측정하였다(도 3).

상기 표면침투제로 처리된 콘크리트 표면을 15%의 염화나트륨 수용액에 50 일동안 침지하였다. 이후, 표면을 완전히 닦고 2 cm 두께의 콘크리트 층에서 염소 함량을 측정하되, 표면 아래의 중앙으로부터 1 cm 지점에서 측정하였다. 이때, 콘크리트 커버는 통상 1 cm보다 더 깊기 때문에, 깊이 1 cm에 대한 표면 오염은 고려하지 않았다.

도 3의 결과, 본 발명의 무기계 표면침투제를 표면에 처리하지 않은 경우는 27,000ppm의 염분이 침투된 결과를 보이는 반면에, 본 발명의 무기계 표면침투제의 경우는 430 ppm의 상당히 낮은 침투결과를 보였다.

<실험예 2>

본 발명 조성으로 이루어진 무기계 표면침투제와 종래 사용된 표면침투제에 대하여 하기의 실험군으로 분류하여, 침투 깊이, 침투율, 물 흡수성, 점도, 표면장력, 다공도 및 가스 침투율에 대하여 실험하였다. 이에 대한 각각의 결과를 표 2에 기재하였다.

A: 포타슘 실리케이트를 함유하는 표면침투제,

B: 소듐 실리케이트를 함유하는 표면침투제,

C: 실란-실록산 조성을 함유하는 표면침투제,

D: 본 발명의 조성을 함유하는 표면침투제,

E: 소듐 실리케이트, 소듐 알기네이트 및 폴리머 용액으로 이루어진 표면침투제,

F: 소듐 실리케이트, 폴리머 분산액(폴리머 라텍스)으로 이루어진 표면침투제.

종류	A	B	C	D	E	F	무처리
침투깊이, mm	26.3	17.0	7.5	13.4	2.46	25.4	-
침투계수, mm/sec.bar	0.107	0.084	0.019	0.050	0.044	0.043	0.164
물흡수율(%)	12.27	13.33	12.28	0.89	12.17	9.9	12.54
가스(공기) 침투율a, Kt(m2)	0.203 ×10-16	0.239 ×10-16	0.186 ×10-16	0.160 ×10-16	0.215 ×10-16	0.215 ×10-16	0.210 ×10-16
점도, cP (T℃)	27.1 (23.5)	28.3 (23.7)	26.4 (23.0)	25.5 (23.9)	32.2 (23.9)	22.00 (22.3)	17.5 (24)
표면장력, dynes/cm	61	38	28	26	35	36	75

a: 측정시간은 720초이다.

상기 조성 중, 실란-실록산을 함유하는 C의 표면침투제가 본 발명의 조성의 일부를 포함하고 있어 본 발명과 가장 유사한 조성을 갖는다. 이에, 상기 두 개의 표면침투제의 결과를 비교하면 표면장력은 다른 표면침투제보다 상대적으로 낮은 수치를 보였다. 그러나, 물 흡수율의 실험에서는 C의 표면침투제가 12.28%를 나타낸 반면 본 발명의 표면침투제(D)는 0.89%로서 극적인 차이를 보이고 있다. 그러므로, 상기 결과로부터, 표면침투제로서 에틸실리케이트 단량체와 소수성의 실란, 올리고머 실록산 및 저분자량의 폴리실록산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 유기계 실리콘 화합물으로 이루어진 본 발명의 조성이 가장 효과적임을 입증하는 것이다. 또한, 가스(공기)침투율의 측정결과, 표면침투제를 처리하지 않은 경우의 0.210 ×10^-16에 대하여 다른 타입의 표면침투제는 거의 변화가 없는 반면, 본 발명의 표면처리제 처리시 0.160 ×10^-16으로 나타남으로써 가스(공기) 이동이 원활하였다.

상기에서 살펴본 결과, 본 발명의 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 표면침투제는 1) 부분적으로 가수분해되어 조절된 에틸실리케이트 단량체 및 2) 소수성의 실란, 올리고머 실록산 및 저분자량의 폴리실록산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 유기계 실리콘 화합물과 화학적 결합을 유도함으로써, 콘크리트 표면에 소수성을 부여하여 장시간 머무게 하고, 동시에 글라이콜 에테르계, 탄화수소계, 글리콜 에테르 에스테르계, 및 C₁∼C₄의 알코올로 이루어진 군에서 선택된 하나의 유기용매 또는 계면활성제를 추가로 포함함으로써, 액상의 표면침투제의 표면장력을 낮춰 콘크리트 내부로 보다 깊이 침투시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 표면침투제가 물흡수율(%)이 현저히 낮고, 염분침투가 낮으므로, 콘크리트 부식원인을 근본적으로 차단하고, 통기성이 부여되어 콘크리트의 호흡이 원활함을 확인하였다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 표면침투제는

첫째, 콘크리트 표면에 단순히 피막을 형성하는 종래의 콘크리트용 표면침투제와는 달리, 콘크리트 표면에 화학결합을 유도하여 소수성을 부여하고, 표면침투제의 깊은 침투를 실현시킴으로써, 장시간 보호효과를 가지며,

둘째, 실란/실록산 만으로 이루어진 종래의 표면처리제는 4∼5 마다 교체를 해야 하는 번거로움이 있는 반면 본 발명의 표면처리제는 콘크리트 표면과 실란(실록산 등)의 화학적 결합으로 생성된 이산화규소가 침투됨으로써 영구적 수명을 갖고,

셋째, 물보다 낮은 표면장력으로 인하여 침투력이 우수하여 종래의 표면침투제보다 물 또는 염의 흡수를 효과적으로 억제하고,

넷째, 콘크리트의 호흡이 원활하고,

다섯째, 콘크리트 상에 도포하는 것으로 시공이 간편하고, 콘크리트 블록, 콘크리트 벽돌 및 콘크리트를 포함하는 이외의 용도, 특히 수경 콘크리트용도에 적합하고, 다공성의 세라믹 또는 천연석제 등의 건축용 세라믹제에도 사용할 수 있다.

Claims (7)

1) 부분적으로 가수분해되어 조절된 에틸실리케이트 단량체 50 내지 90 중량%; 및 2) 소수성의 실란, 올리고머 실록산 및 저분자량의 폴리실록산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 유기계 실리콘 화합물 10 내지 50 중량%로 이루어진 조성 100 중량부에 대하여, 3) 글라이콜 에테르계, 탄화수소계, 글리콜 에테르 에스테르계, 및 C₁∼C₄의 알코올로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 유기용매 10 내지 50 중량부로 이루어진 것을 특징으로 하는 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 무기계 표면침투제.

제1항에 있어서, 상기 표면침투제가 계면활성제 0.05∼0.5 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 상기 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 무기계 표면침투제.

제1항에 있어서, 상기 실란이 하기 화학식 1로 표시된 것을 특징으로 하는, 상기 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 무기계 표면침투제.

화학식 1

[(R¹)_nSi(OR²)_4-n]

(상기에서, R¹은 C₁∼C₈의 직쇄상 또는 분쇄상의 알킬기이고, R²는 C₁∼C₃의 알킬기이고, 1≤n≤3이다)

제3항에 있어서, 상기 실란이 이소옥틸 트리메톡시 실란, 이소옥틸 트리에톡시 실란, 이소부틸 트리메톡시 실란 및 이소부틸 트리에톡시 실란으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 상기 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 무기계 표면침투제.

제1항에 있어서, 상기 올리고머 실록산이 하기 화학식 2로 표시된 것을 특징으로 하는, 상기 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 무기계 표면침투제.

화학식 2

(상기에서, R¹은 C₁∼C₈의 직쇄상 또는 분쇄상의 알킬기이고, R²는 C₁∼C₃의 알킬기이다.)

제5항에 있어서, 상기 올리고머 실록산이 올리고머 이소옥틸 트리메톡시 실록산, 올리고머 이소옥틸 트리에톡시 실록산, 올리고머 이소부틸 트리메톡시 실록산, 및 올리고머 이소부틸 트리에톡시 실록산으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 상기 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 무기계 표면침투제.

제1항에 있어서, 상기 저분자량의 폴리실록산이 하기 화학식 3으로 표시된 것을 특징으로 하는, 상기 콘크리트 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보호용 무기계 표면침투제.

화학식 3

(상기에서, R¹은 C₁∼C₈의 직쇄상 또는 분쇄상의 알킬기이고, R²는 C₁∼C₃의 알킬기이고, n>4 이고, 보다 바람직하게는 4 < n < 1,000이다.)

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