KR100683131B1

KR100683131B1 - 콘크리트용 상변화 물질 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100683131B1
Application number: KR1020050108716A
Authority: KR
Inventors: 전현규; 손명수; 류종현; 정윤중; 황인동; 이완조
Original assignee: 지에스건설 주식회사
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-02-15

Abstract

본 발명은 콘크리트의 대량타설시 발생되는 발열을 억제하기 위한 방법으로 빠른 초기강도를 확보하여 공사기간을 단축하고 콘크리트의 내부 온도를 낮게 하여 발열에 의한 균열등을 억제하는 콘크리트용 상변화 물질 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명에 따른 콘크리트용 상변화 물질은, 파라핀왁스 38~42 중량부와, 비이온성 계면활성제 8~12 중량부와, 음이온성 계면활성제 18~22 중량부, 및 물 28~32 중량부를 포함하여 이루어지며, 파라핀왁스 38~42 중량부와 비이온성 계면활성제 8~12 중량부를 혼합한 후 융점이상으로 가열하고, 호모믹서를 이용하여 3000rpm으로 교반한 다음, 물 28~32 중량부와 음이온성 계면활성제 18~22 중량부를 첨가하여 교반하며, 5℃ 이하의 중탕에서 에멀전의 온도가 20℃ 이하가 되게 급냉하여 크림상의 상변화 물질을 1차 형성하고, 1차 형성된 크림상의 상변화 물질에 물 48~52 중량부와 실리콘계 또는 지방산계의 소포제 8~12 중량부를 첨가하여 콘크리트에 적합한 최종 상변화 물질로 변화시키는 과정을 통해 제조된다.

파라핀왁스, 비이온성 계면활성제, 물, 음이온성 계면활성제

Description

콘크리트용 상변화 물질 및 그 제조방법{Phase change material of concrete and its manufacturing method}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트용 상변화 물질을 제조하는 공정도.

도 2는 본 발명에 따른 상변화 물질의 주된 원료인 파라핀왁스의 입자형태를 보인 사진.

본 발명은 콘크리트용 상변화 물질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 콘크리트의 대량 타설시 발생되는 발열을 억제하기 위한 방법으로 초기강도를 빠르게 확보하여 공사기간을 단축함과 동시에 콘크리트의 내부 온도를 높게 하지 않아 발열에 의한 균열 등을 억제하는 콘크리트용 상변화 물질 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 구조물의 축조를 위해 많은 양의 콘크리트가 타설되면 콘크리트가 물과 반응하는 과정에서 발생되는 수화열도 크게 증가한다.

이러한 수화열은 콘크리트 구조물의 내부와 외부간에 일반적으로 50℃ 이상의 온도차이를 나타내게 되며, 이러한 온도차이에 의하여 구조물의 내부와 외부간의 응력차가 생겨 균열발생의 위험이 초래된다.

따라서, 구조물의 균열발생을 방지하기 위해 시공 측면에서는 사용원료를 미리 물이나 액체 질소로 냉각하거나 콘크리트 속에 수냉파이프를 묻어서 콘크리트의 수화열을 낮추는 방법이 이용되고 있으며, 재료 측면에서는 가급적 수화열이 낮은 저발열성 시멘트, 즉 클링커 광물중 3CaOAl₂O₃(C₃A)의 함량이 적은 중용열 시멘트나 고도슬래그 및 플라이애쉬 등의 포졸란 반응 물질을 혼화재로 첨가한 혼합시멘트를 사용하고 있다.

그러나 혼화재로 사용되는 고도슬래그나 플라이애쉬 등은 반응성이 낮아 초기강도 발현의 지연과 칼슘부족에 따른 콘크리트 중성화에 의한 열화속도가 빠른 단점이 있다.

또한, 혼화재로 리그닌, 글루코산소다, 타르타르산 등과 같은 일련의 지연제를 사용하여 시멘트의 반응속도를 늦추어 발열량을 제어하는 경우가 있으나, 이 경우에는 콘크리트의 초기강도 28일 강도와 비교하여 50%의 강도가 얻어지기 때문에 거푸집 탈형의 지연에 의해 공사가 늦어지며, 설계강도인 목표 강도값을 확인하기 위하여 시험 측정 기간을 60일 이후까지 관찰하여야 하는 단점이 있다.

한편, 대한민국 공개특허 특2003-0085368호에는 상변화 물질을 이용한 도료 조성물을 이용하여 난방 또는 냉방시 도료 조성물에 전달된 열에너지를 효과적으로 축열하였다가 난방 또는 냉방이 종료된 후에도 일정시간 이상 보온 또는 보냉 효과를 가져다줄 수 있는 도료 조성물이 정의되어 있으나, 이 특허에 의해 제조된 잠열캡슐은 콘크리트와 혼합하여 사용할 경우 부상하거나 강도를 저하시킬 수 있기 때문에 콘크리트나 모르타르에 혼합하여 사용하기에는 부적합한 문제점이 있다.

또한, 대한민국 공개특허 특2001-0045384호에는 마이크로캡슐형 잠열미립자 슬러리를 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 이 특허에서는 계면활성제로서 멜라민 포름알데히드 축합체를 이용하고 있어 이를 콘크리트나 모르타르에 적용할 경우 슬럼프의 증가 또는 강도 저하를 초래하게 되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 콘크리트의 대량 타설시 발생되는 발열을 억제하기 위한 방법으로 초기강도를 빠르게 확보하여 공사기간을 단축함과 동시에 콘크리트의 내부 온도를 높게 하지 않아 발열에 의한 균열 등을 억제할 수 있는 콘크리트용 상변화 물질 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 콘크리트용 상변화 물질은, 상변화 온도가 60~90℃인 파라핀왁스 38~42 중량부와, poly oxyethylene strearyl ether계열의 비이온성 계면활성제 8~12 중량부와, 황산염계열 또는 폴리카르본산염계열의 음이온성 계면활성제 18~22 중량부, 및 물 28~32 중량부를 포함하여 이루어진 것에 기술적 특징이 있다.

삭제

본 발명에 따른 콘크리트용 상변화 물질의 제조방법은, 파라핀왁스 38~42 중량부와 비이온성 계면활성제 8~12 중량부를 혼합한 후 융점이상으로 가열하고, 호모믹서를 이용하여 3000rpm으로 교반한 다음, 물 28~32 중량부와 음이온성 계면활성제 18~22 중량부를 첨가하여 고속 교반하며, 5℃ 이하의 중탕에서 에멀전의 온도가 20℃ 이하가 되게 급냉하여 크림상의 상변화 물질을 1차 형성하고, 1차 형성된 크림상의 상변화 물질에 물 48~52 중량부와 실리콘계 또는 지방산계의 소포제 8~12 중량부를 첨가하여 콘크리트에 적합한 최종 상변화물질로 변화시키는 과정으로 이루어진 것에 기술적 특징이 있다.

전술한 구성에 있어서, 최종 상변화 물질에 반응 지연제를 추가로 첨가하는 과정을 더 거친다.

이하, 본 발명에 따른 콘크리트용 상변화 물질 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 통하여 전술한 바와 같은 구성들의 특징과 그 작용을 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 콘크리트용 상변화 물질은, 파라핀왁스 38~42 중량부와, 비이온성 계면활성제 8~12 중량부와, 물 28~32 중량부, 및 음이온성 계면활성제 18~22 중량부를 포함하여 이루어진다.

상변화를 위해 사용되는 파라핀왁스는 상변화 온도 범위가 분자량 및 분자식에 의하여 달라질 수 있는데, 그 가운데 상변화 온도가 40~130℃ 범위 이내인 것이 적당하다. 보다 바람직하게는 콘크리트의 상승온도에 따라 제조되어야 하나 보통 콘크리트나 모르타르의 발열시 온도가 60~90℃에 도달하게 되므로 상변화 온도가 60~90℃ 범위 이내인 파라믹왁스를 사용한다.

상변화 물질이 적용되는 콘크리트는 물을 사용하므로 계면 활성제를 사용하여 파라핀왁스를 유화하여야 하며, 이 때 사용되는 계면활성제는 전기적 이중층을 구성하는 형태로 제조된다.

유화제로는 일반적으로 사용되는 HLB값이 높은 것과 낮은 것을 동시에 사용될 경우 보다 안정하며 음이온성 계면활성제와 비이온성 계면활성제가 같이 이용되는 것이 바람직하다. 이 때, HLB값이 너무 높거나 낮은 경우 시멘트계 내의 계면장력의 변화에 따라 필요로 되는 공기량의 변화가 발생하여 실제 적용상에 어려움이 많아진다.

이러한 계면활성제는 전체 중량분율의 30%를 초과하지 않는 것이 바람직하며 이보다 높은 경우에는 계면장력의 변화에 따른 콘크리트의 기포발생을 유발하여 콘크리트의 압축강도가 작아지게 되는 단점이 있다. 계면활성제의 비율이 20%이하인 것이 보다 바람직하다.

계면활성제로는 비이온성 계면활성제와 음이온성 계면활성제가 함께 사용되며, 비이온성 계면활성제로는 폴리 옥시 에틸렌 스테아릴산 에테르(poly oxyethylene strearyl ether) 계열이 사용되고 음이온성 계면활성제로는 친수성이 큰 황산염계열이나 폴리카르본산염계열이 사용될 경우 안정한 유화상을 형성하며 콘크리트의 물성에 보다 적합하다.

이하에서는 전술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 콘크리트용 상변화 물질의 제조방법을 첨부된 도 1을 참조로 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 파라핀왁스 38~42 중량부와 비이온성 계면활성제 8~12 중량부를 혼합한 후 융점이상으로 가열하고, 호모믹서를 사용하여 3000rpm 이상으로 고속 교반한다. 이 때, 파라핀 왁스의 양이 많은 경우 유화하는 과정에서 응집하여 왁스 덩어리로 뭉쳐 분산이 어려운 경우가 많다. 또한 왁스의 사용량이 이보다 적은 경우 콘크리트나 모르타르의 온도를 제어하기 위한 상대적 왁스량이 감소하여 사용량이 너무 많아지는 단점이 있다.

이 후, 물 28~32 중량부와 음이온성 계면활성제 18~22 중량부를 첨가하고 고속교반하며 5℃ 이하의 중탕에서 에멀전의 온도가 20℃ 이하가 되게 급냉하여 크림상의 상변화 물질을 얻는다.

이와 같이 제조된 크림상의 상변화 물질에 물 48~52 중량부와 실리콘계 또는 지방산계의 소포제를 8~12 중량부 첨가하여 사용하기 편리한 정도의 낮은 점도로써 콘크리트에 적합한 상변화 물질을 얻을 수 있다.

이 때, 물은 점도 유지를 위하여 제조공정 중간에 적절히 투입할 수 있으나 냉각시 너무 많은 에너지 소모를 동반할 수 있거나 에멀전 입자의 크기가 과도하게 커 콘크리트에 사용할 때 압축강도의 저하 등의 나쁜 영향을 줄 수 있다.

또한 상변화 물질은 다른 콘크리트 혼화제와 혼용상의 문제를 발생시키지 않아야 하며 글루콘산소다 등의 반응 지연제를 포함할 경우 발열량을 더욱 낮출 수 있다. 지연제로는 글루콘산 염, 시트릭산 염, 타르타르산 염, 당류, 규불화 마그네슘염, 아클릴산 염 등 일련의 시멘트 반응 지연제 모두를 포함할 수 있다.

[실시예]

본 발명에 따른 상변화 물질의 주된 원료인 파라핀왁스를 특성에 따라 여섯가지로 구분하여 아래의 표-1에 나타내었다.(참고로, 본 발명에 적용되는 파라핀왁스의 입자는 구형을 형성하고 있으며, 입경이 도 2에 도시된 바와 같이 약 13~21㎛인 것을 사용하였다.)

구분	물질명	융점(℃)	색상	침입도(0.1mm)	비중
1	파라핀왁스	49.4	백색	30	0.769
2	파라핀왁스	56.7	백색	30	0.774
3	파라핀왁스	66.5	백색	30	0.779
4	파라핀왁스	75	백색	30	0.779
5	파라핀왁스	84	백색	30	0.779
6	파라핀왁스	94	백색	30	0.779

표-1

표-1에 나타낸 바와 같이 다양한 조건들을 갖는 파라믹 왁스 40중량부와 폴리 옥시에틸렌 알킬 에테르(poly oxyethylene strearyl ether계열의 비이온성 계면활성제) 10중량부를 3000rpm 이상의 고속으로 교반하고 융점이상으로 가열한 후 이것에 알킬황 나프탈렌 설폰산염(황산염계열의 음이온성 계면활성제) 20중량부와 물 30중량부를 첨가하여 크림상의 상변화 물질을 형성하는 제1공정과, 제1공정을 통해 얻어진 크림상의 상변화 물질에 물 50중량부와 폴리 실록산 용액(실리콘계 소포제) 10중량부를 혼합하여 최종의 상변화 물질들을 제조하는 제2공정을 아래의 표-2에 나타내었다.

구분	제 1 공정				제 2 공정		비고
구분	파라핀 왁스	비이온성 계면활성제	음이온성 계면활성제	물	물	소포제	파라핀왁스의 종류
실시예1	40	10	20	30	50	10	구분1
실시예2	40	10	20	30	50	10	구분2
실시예3	40	10	20	30	50	10	구분3
실시예4	40	10	20	30	50	10	구분4
실시예5	40	10	20	30	50	10	구분5
실시예6	40	10	20	30	50	10	구분6

표-2

표-2에 나타낸 각 실시예들에 의해 최종적으로 제조된 상변화 물질들은 아래의 표-3과 같은 입경(㎛)과 융점(℃)을 갖는다. 입경의 측정은 광학현미경 ICS-P305B(제조자:sumtec, 한국)으로 1000배 확대 촬용하여 직접 측정을 실시하였으며 융점은 DSC(Differential Scanning Calorimeter, DSC-2110 제조자:Tainstrument, 미국)을 이용하여 측정하였다.

	입경(㎛)	융점(℃)
실시예1	13	48
실시예2	24	56.7
실시예3	18	64.5
실시예4	19	73.3
실시예5	21	82.7
실시예6	19	90.9

표-3

이와 같은 특징을 갖는 실시예들에 의해 제조된 상변화 물질의 온도 제어능력을 평가하기 위하여 혼화제로서 상변화 물질이 아닌 다른 물질을 첨가하는 경우(비교예1,2)와 혼화제로서 상변화 물질(실시예1,2,3)이 첨가된 콘크리트의 배합비를 아래의 표-4에 나타내었다.(이 때, 콘크리트는 고강도 콘크리트로서 단위 시멘트량 이 500㎏을 초과하고 압축강도가 28일 40N/㎟으로 설계되었다.)

배합구분	W/C	S/a	물	시멘트	모래	자갈	혼화제1	혼화제2	혼화제3
비교예1	33	41	178	539	628	986	5.39	0	10.78
비교예2	33	41	178	539	628	986	10.78	0	0
실시예1	33	41	178	539	628	986	5.39	5.39	0
실시예2	33	41	178	539	628	986	0	10.78	0
실시예3	33	41	178	539	628	986	0	16.17	0

표-4

단, 혼화제1 : 폴리카르본산계 고성능 감수제(20%용액)

혼화제2 : 상변화 물질 실시예3

혼화제3 : 지연제(글루콘산소다 40%용액)

표-4의 콘크리트 배합표에 따른 콘크리트의 물리적 특성과 경화특성에 대한 결과는 표-5에 나타난 바와 같다. 즉, 표-5에서 볼 수 있듯이 비교예1과 같이 지연제를 사용하는 경우 발열 최고온도의 경우 약 68℃로 낮게 측정되나 초기강도 값인 3일 강도의 발현율이 28일을 기준으로 하여 약38%로써 공가기간의 지연을 발생시킨다. 반면 지연제를 사용하지 않고 고성능 폴리카르본산계 감수제만을 사용하는 경우 초기장도인 3일강도는 28일 강도를 기준으로 하여 약 70%를 확보하였으나 최고 온도는 약 72℃까지 상승하여 균열 발생 및 구조상의 중대한 문제를 야기시킬 수 있다. 반면 실시예1의 경우 발열온도는 약 67℃로 낮추어졌으며 사용량 증가에 따라 실시예3의 발열온도는 62℃정도로 낮출 수 있으며 초기강도인 3일 강도 값은 28일을 기준으로 하여 약 70%를 확보할 수 있다.

또한, 실시예1,2,3의 경우 비교예1,2에 비해 흡수비와 투수비가 낮게 측정되어 방수성이 크게 향상된 것을 확인할 수 있다. 여기서 슬럼프 플로우와 공기량 응역시간 압축강도는 KSF 2560(콘크리트용 화학 혼화제)에 의거하여 실시되었으며 흡수비와 투수비는 KSF 2451(건축용 시멘트 방수제 시험 방법)에 의거하여 실시하였다.

배합 구분	슬럼프 플로우(㎝)			공기량	흡수비	투수비	응결시간		압축강도(N/㎟)
	슬럼프 플로우(㎝)			공기량	흡수비	투수비	초결	종결	압축강도(N/㎟)
	0	30분후	60분후	(%)	(%)	(%)	시:분	시:분	3일	7일	28일
비교예1	59	62	64	1.9	100	100	16:30	20:30	243	387	532
비교예2	54	53	52	1.6	101	100	13:30	16:30	373	456	532
실시예1	50	51	52	2.5	52	56	8:30	11:30	382	443	512
실시예2	54	54	52	2.6	44	43	9:30	11:30	380	446	524
실시예3	52	55	53	2.8	28	26	9:30	11:30	403	485	554

배 합 구 분	온 도
배 합 구 분	0	4	8	12	16	20	24	28	32	36	40	44	48	52	56	60	64	68	72	76
비교예1	29	30	30	31	32	32	33	33	46	56	68	55	42	37	31	29	27	26	26	26
비교예2	29	30	30	33	53	68	72	67	61	54	47	44	37	35	33	29	28	27	27	26
실시예1	33	33	36	42	47	55	58	67	65	59	53	47	41	36	33	31	29	27	27	27
실시예2	31	32	32	38	44	48	58	63	66	66	64	59	51	47	44	37	35	34	31	31
실시예3	30	30	30	34	41	46	54	58	58	60	62	58	53	51	46	43	37	33	33	31

표-5

아래의 표-6을 통해 알 수 있는 바와 같이, 실시예4, 5, 6의 경우에서도 유사한 결과를 얻어 이들을 혼화제로 사용할 경우 콘크리트의 발열을 적절히 낮출 수 있을 뿐만 아니라 흡수비와 투수비가 낮게 측정되어 방수성이 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.

배합 구분	슬럼프 플로우(㎝)			공기량	흡수비	투수비	응결시간		압축강도(N/㎟)
	슬럼프 플로우(㎝)			공기량	흡수비	투수비	초결	종결	압축강도(N/㎟)
	0	30분후	60분후	(%)	(%)	(%)	시:분	시:분	3일	7일	28일
비교예1	59	62	64	1.9	100	100	16:30	20:30	243	387	532
비교예2	54	53	52	1.6	101	100	13:30	16:15	373	456	532
실시예4	53	54	42	2.1	52	58	8:30	11:30	371	444	532
실시예5	55	50	50	1.7	43	46	9:30	11:30	367	436	512
실시예6	56	55	54	1.9	28	21	9:30	11:30	398	455	535

구 분	온 도
구 분	0	4	8	12	16	20	24	28	32	36	40	44	48	52	56	60	64	68	72	76
비교예1	29	30	30	31	32	32	33	33	46	56	68	55	42	37	31	29	27	26	26	26
비교예2	29	30	30	33	53	68	72	67	61	54	47	44	37	35	33	29	28	27	27	26
실시예4	30	30	34	37	46	54	58	65	67	62	56	51	47	39	33	31	29	27	27	27
실시예5	33	33	34	38	44	50	57	63	65	67	64	60	54	49	44	36	33	30	28	28
실시예6	32	32	35	37	41	46	54	58	58	60	62	62	54	51	46	43	35	33	33	31

삭제

표-6

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 콘크리트용 상변화 물질 및 그 제조방법을 설명하였으나, 본 발명은 본 명세서에 상세히 설명된 실시예에 한정되지 아니하며, 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

전술한 바와 같이 구성된 본 발명 콘크리트용 상변화 물질과 그 제조방법에 따르면, 파라핀왁스, 비이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제 및 물을 포함하여 상변화 물질을 제조함으로써, 콘크리트나 모르타르의 대량 타설시 발생되는 발열을 억제하기 위한 방법으로 초기강도를 빠르게 확보하여 공사기간을 단축함과 동시에 콘크리트의 내부 온도를 높게 하지 않아 발열에 의한 균열 등을 억제할 수 있다.

다시 말해, 본 발명에 따른 상변화 물질을 혼화재로 하여 콘크리트에 혼합함으로써, 발열량 조절 및 온도 유지에 의한 콘크리트의 온도 증가에 다른 균열 발생문제나 기존의 저발열 콘크리트의 단점인 초기강도 저하에 따른 공기 연장의 문제를 해결할 수 있으며, 수밀 콘크리트를 형성하여 방수성을 확보할 수 있으며 구조물의 내구성과 내후성을 향상시킬 수 있다.

Claims

상변화 온도가 60~90℃인 파라핀왁스 38~42 중량부와, poly oxyethylene strearyl ether계열의 비이온성 계면활성제 8~12 중량부와, 황산염계열 또는 폴리카르본산염계열의 음이온성 계면활성제 18~22 중량부, 및 물 28~32 중량부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 콘크리트용 상변화 물질.
삭제
삭제
파라핀왁스 38~42 중량부와 비이온성 계면활성제 8~12 중량부를 혼합한 후 융점이상으로 가열하고, 호모믹서를 이용하여 3000rpm으로 고속 교반한 다음, 물 28~32 중량부와 음이온성 계면활성제 18~22 중량부를 첨가하여 고속 교반하며, 5℃ 이하의 중탕에서 에멀전의 온도가 20℃ 이하가 되게 급냉하여 크림상의 상변화 물질을 1차 형성하고, 1차 형성된 크림상의 상변화 물질에 물 48~52 중량부와 실리콘계 또는 지방산계의 소포제 8~12 중량부를 첨가하여 콘크리트에 적합한 최종 상변화물질로 변화시키는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 콘크리트용 상변화 물질의 제조방법.
제 4 항에 있어서,

최종 상변화 물질에 반응 지연제를 추가로 첨가하는 과정을 더 거치는 것을 특징으로 하는 콘크리트용 상변화 물질의 제조방법.