KR100963599B1

KR100963599B1 - 비시멘트계 초속경 분말 조성물

Info

Publication number: KR100963599B1
Application number: KR1020090112677A
Authority: KR
Inventors: 김남호; 이선우
Original assignee: (주) 지오시스
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2010-06-16

Abstract

본 발명은 비시멘트계 초속경 분말 조성물, 특히 시멘트 대체 분말이 배합된 콘크리트의 경화시간을 조절함으로써 콘크리트의 제조 및 운반을 자유롭게 하고 콘크리트에 대한 현장에서의 시공성을 향상시키기 위한 것인 바, 본 발명은 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulpho Aluminate) 함량이 50~80%를 함유하고 있는 CSA계 클링커(Clinker)를 분쇄한 분말 80~95 중량%와; 무수석고와 반수석고를 혼합하여 분쇄한 석고분말 5~20중량%와; 상기 CSA계 클링커(Clinker)를 분쇄한 분말과 상기 분쇄한 석고분말이 혼합된 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 SBR(Styrene-Butadiene Rubber) 라텍스(Latex)또는 아크릴에멀젼의 폴리머 개질제 15~35중량%;를 포함하여 구성되며, 비시멘트계 초속경 분말 조성물 100중량%에 대해 각각 응결지연제 0.1~1.5중량%, 경화촉진제 0.1~3.0중량%, 분말형 고성능 감수제 0.1~3.0중량%, 소포제 0.05~0.5중량% 등이 더 혼합되어 이루어진다.

콘크리트, 시멘트, 폴리머, 라텍스, 개질, 혼합

Description

비시멘트계 초속경 분말 조성물 {COMPOSITION FOR RAPIDLY HARDENING NON-CEMENT POWDER}

본 발명은 비시멘트계 초속경 분말 조성물에 관한 것으로, 상세하게 기존보다 작업시간을 현저하게 향상시키기 위해 기존의 시멘트 대체 분말의 배합비율을 개선하여 최적화시키고 이렇게 개선된 시멘트 대체 분말에 혼합되는 콘크리트 조성물의 배합비율을 최적의 상태로 개선함과 아울러 작업되는 도로의 콘크리트 물성에 대응하여 가장 적절한 혼화제인 응결지연제, 경화촉진제, 분말성 고성능 감수제를 적절한 시기에 혼합하여 콘크리트의 경화시간을 탄력적으로 조절할 수 있는 비시멘트계 초속경 분말 조성물에 관한 것이다.

교통도로의 차단을 전제로 하는 보수공사는 도로정체와 더불어 이용자의 많은 불편을 야기하므로, 주로 교통량이 적은 야간이나 새벽 시간에 시공이 이루어지고 있으며, 특히 콘크리트 타설후 3~5시간 내에 교통을 개방해야 하는바 빠른 시간 내에 경화가 이루어지는 콘크리트가 사용되고 있다.

그러나, 초속경 시멘트를 이용한 속경성 콘크리트는 조기에 높은 강도를 발현하는 장점을 가지고는 있지만, 콘크리트의 타설 초기 높은 수화열로 인한 열과 수분의 이동으로 온도응력과 수축이 콘크리트의 내,외부적으로 발생하여 미세균열을 유발시킬 수 있으며, 이러한 미세균열은 콘크리트 내의 투수성을 증가시킬 뿐만 아니라 동결융해, 표면박리, 마모저장성 등의 내구성을 감소시켜 완공된 콘크리트의 내구성이 일반 포틀랜드 시멘트에 비해 취약해 다시 잦은 재보수를 해야하는 문제점이 있다.

이에 따라 최근에는 콘크리트의 내구성을 보완하기 위해 수성 폴리머의 일종인 SBR 라텍스, 아크릴 수지 등을 사용한 폴리머 초속경 콘크리트가 보수재로서 활발히 이용되고 있다.

이러한 폴리머를 이용한 콘크리트는 동결융해와 스켈링(scaling)에 대한 저항성이 우수하고 방수성과 부착성이 높아 초속경 시멘트와 물, 골재만을 사용할 때의 단점을 크게 보완하고 도로 보수공사의 품질을 높이는데 크게 기여하였다.

지금까지 속경성 콘크리트 제조를 위해 사용되어 온 시멘트는 구성성분에 따라 크게 3가지로 대별할 수 있다.

첫째, 칼슘플로로알루미네이트 광물인 C₁₁A₇CaF₂ (11CaO·7Al₂O₃·CaF₂)을 주성분으로 하는 클링커에 포틀랜드 시멘트와 석고, 혼화제를 넣어 제조하는 방식이다(등록번호 10-0033581, 10-0005309, 일본 특개소 52-139819).

둘째, 칼슘알루미네이트 광물 중 CA(CaO·Al₂O₃), C₂A(2CaO·Al₂O₃), C₁₂A₇ (12CaO·7Al₂O₃)를 주성분으로 하는 알루미나시멘트에 포틀랜드 시멘트와 석고, 혼화제를 넣어 제조하는 방식이다.

셋째, CSA계 클링커라는 칼슘설포알루미네이트 (Calcium Sulpho Aluminate;3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄, Hauyne)를 주성분으로 하는 방식이다(등록번호10-0755272, 10-0310657, 10-0220340, 10-0122033).

이들 중 두번째 방법이 국내에서 1970년대 개발하여 많이 이용되어 왔으나, 수화반응 후 생성물이 천이되어 장기적으로 안정되지 못하고 특히 염화칼슘에 취약한 면이 있어, 겨울철에 사용하는 제설제에 노출되었을 때 표면박리 현상이 심하게 발생하는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 보완하고자 가장 최근에 개량하여 개발된 것이 세번째의 CSA계 시멘트 대체 분말로서, 다른 기술에 비해 클링커의 소성온도가 낮아(1,200~1,350℃) 제조가 용이하며, 보통 포틀랜드 시멘트와 석고, 혼화제 등의 사용 조합비율을 적정하게 맞출 경우, 초기강도 발현성이 우수하고 장기강도도 안정적으로 발현되는 우수한 특성을 나타내고 있어 가장 보편적으로 사용되고 있다.

또한 속경성 콘크리트 제조에 있어서 지금까지는 단순히 CSA계 초속경 시멘트에 소포제와 물에 미리 녹인 응결지연제, 골재, 물을 혼합한 조성물(등록번호 10-0403979)이나, CSA계 초속경 시멘트에 사용되는 라텍스를 SBR라텍스와 아크릴수지를 같이 혼합하여 사용하는 방법(등록 10-0807850, 10-0696313)이 제안되고 있으며, 그 밖에 시멘트 중에 혼화재로서 플라이애쉬나 실리카퓸, 고로 슬래그 미분말 등을 혼합하는 방법(등록 10-0696313,10-0618297, 공개 10-2005-0031097) 등이 연구되고 있다.

이러한 속경성 콘크리트 제조용 시멘트는 통상적으로 물과 혼합하여 3~4 시간 안에 상용강도를 만족하도록 설계되어 있으나, SBR라텍스와 같은 수성 폴리머를 혼합하여 폴리머콘크리트나 모르타르로 사용할 경우에는 기존의 수화반응 기구나 물성발현 특성에 있어서 큰 차이가 있게 된다.

특히 혼합재로 반응성이 느린 플라이애쉬, 슬래그미분말, 실리카퓸 등의 사용은 장기강도 측면에서는 유리할지 몰라도 초기강도를 요구하는 본 기술분야에서는 유효한 방법이 아니다.

초속경 시멘트의 강도발현 기구는 물과 접촉 직후 시멘트와 소석회 등으로부터 용출되는 Ca² ⁺ 이온과 칼슘설포알루미네이트로부터 용출되는 Al³ ⁺이온이 반응을 하여 칼슘알루미네이트 수화물(CaO·Al₂O₃·nH₂O)을 생성하고, 곧이어 시멘트 중의 석고와 반응하여 에트링자이트(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄· 32H₂O)를 생성시켜 급속하게 경화됨으로써 조기에 강도를 발현하는 것이다.

따라서 초속경 시멘트의 강도발현 시기와 강도발현율, 작업성과 같은 품질을 좌우하는 것은 이러한 에트링자이트 광물 생성반응 속도와 생성량의 제어기술, 생성 수화물을 안정적으로 유지하는 기술에 달려있다.

에트링자이트의 생성반응 :

3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄ + 6CaOH₂ +8CaSO₄ => 3(3CaO·Al₂O₃·3CaO₄·32H₂O)

특히 CSA계 클링커 광물(3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄)과 석고,소석회 및 시멘트 일부의 성분들은 물과 혼합시 반응성이 높아 활발하게 수화반응을 일으키므로, 에트링자이트 수화물을 생성시키는 반응이 수분에서 수십분 내에 빠르게 진행하게 된다.

또한 설페이트(SO₄ ^2-)와 결합된 에트링자이트 수화물은 불안정한 수화물로 구성조성을 유지하는 각 성분들의 공급이 부족할 경우 모노설페이트(3CaO·Al₂O₃·CaSO₄· 12H₂O) 와 칼슘알루미네이트 수화물(CaO·Al₂O₃·nH₂O) 등으로 전이되어 강도발현이 낮아지게 된다.

폴리머 라텍스를 혼합할 경우 폴리머가 초속경 시멘트를 구성하는 각 성분의 표면에 피막을 형성하고 이들 성분의 수화활성이 크게 저하되어 전체적인 반응기구도 불안정하게 된다.

초속경 시멘트의 수화 활성 저하는 강도발현과 발현시기를 지연시키고 급결 또는 지연과 같은 작업성의 변동으로 급속보수에 필요한 속경성 콘크리트의 실용강도와 가사시간을 얻지 못하게 한다.

이러한 문제를 개선하여, 폴리머 라텍스가 사용되는 혼합물 조건에서 초기에 높은 강도를 발현하고 안정적으로 증진시키기고자, 광물조성 중에 특정량의 유리 CaSO₄를 인위적으로 존재하도록 한 CSA계 클링커 분쇄물과 포틀랜드 시멘트, 석고, 응결조절제, 경화촉진제 등을 적절하게 혼합하여 제조한 방법(등록번호 10- 0755272)도 제안되고 있다.

그러나 1,250~1,350℃ 고온에서 소성되는 CSA계 클링커 합성과정에서 황산(SO₄ ^2-)은 다른 성분에 비해 휘발성이 높아 고용이 어렵고, 다른 알칼리금속염류(Na⁺,K⁺)와 우선적으로 반응하는 특성으로 인해 유리 CaSO₄ 를 요구함량대로 일정하게 클링커 내에 존재시키는 것이 어렵다.

특히 1,300℃ 정도의 고온에서 생성된 유리 CaSO₄는 사실상 수화되지 않아 사석고(死石碍)라고 알려진 I형 무수석고 형태로 존재하기 때문에, CSA계 초속경 시멘트의 에트링자이트 생성작용에는 큰 영향은 미치지 못한다.

이러한 특성으로 인해 속경성 콘크리트의 제조시 초기에 소요강도를 얻기 위해서는, 배합설계상 상당히 많은 양의 초속경 시멘트가 사용되어야 하는데, 이는 콘크리트 배합설계의 경제성 측면에서 문제점으로 지적되고 있다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 폴리머 라텍스를 이용한 도로포장 및 도로보수용 속경성 콘크리트 조성물과 달리 폴리머 라텍스와 함께 배합되는 시멘트 대체 분말의 배합비를 작업되는 도로의 콘크리트 물성에 가장 적절한 강도, 내구성, 경제성을 발현할 수 있도록 최적화시키며, 최적화된 시멘트 대체 분말에 적절한 혼화제를 적절한 시기에 혼합하여 콘크리트의 경화시간을 조절함으로써 기존보다 작업시간을 현저하게 향상시킬 수 있는 개선된 비시멘트계 초속경 분말 조성물을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비시멘트계 초속경 분말 조성물은 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulpho Aluminate) 함량이 50~80%를 함유하고 있는 CSA계 클링커(Clinker)를 분쇄한 분말 80~95 중량%와; 무수석고와 반수석고를 혼합하여 분쇄한 석고분말 5~20중량%와; 상기 CSA계 클링커(Clinker)를 분쇄한 분말과 상기 분쇄한 석고분말이 혼합된 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 SBR(Styrene-Butadiene Rubber) 라텍스(Latex)또는 아크릴에멀젼의 폴리머 개질제 15~35중량%;를 포함하여 구성된다.

CSA계 클링커를 분쇄한 분말은 블레인 비표면적이 3,000~8,000cm²/g 인 것으 로 구성되며, 분쇄한 석고분말은 반수석고 100중량%에 대해 무수석고 1~100중량%를 혼합분쇄하여 블레인 비표면적이 3,000~8,000cm²/g 인 것으로 구성된다.

비시멘트계 초속경 분말 조성물에는, 구연산, 타타르산, 붕산, 글루콘산 및 이들 각각의 금속염 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 응결지연제가 더 혼합되되, 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 응결지연제는 0.1~1.5중량% 인 것으로 구성되고, 소석회, 황산알루미늄, 알칼리 탄산염 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 경화촉진제가 더 혼합되되, 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 경화촉진제는 0.1~3.0중량%인 것으로 구성되며, 나프탈렌설폰산염계 축합물, 멜라닌계 축합물, 폴리카본산염계 축합물 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 분말형 고성능 감수제가 더 혼합되되, 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 분말형 고성능 감수제는 0.1~3.0중량%인 것으로 구성된다. 또한 비시멘트계 초속경 분말 조성물에는, 실리콘계, 알콜계, 유기극성 화합물계 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 소포제가 더 혼합되되, 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 소포제는 0.05~0.5중량%인 것으로 구성된다.

본 발명에 따른 비시멘트계 초속경 분말 조성물은,

첫째, 기존의 폴리머 라텍스를 이용한 도로포장 및 도로보수용 속경성 콘크리트 조성물과 달리 폴리머 라텍스와 함께 배합되는 시멘트 대체 분말의 배합비를 작업되는 도로의 콘크리트 물성에 가장 적절한 강도, 내구성, 경제성을 발현할 수 있도록 최적화시킬 수 있는 장점이 있다.

둘째, 최적화된 비시멘트계 초속경 분말 조성물을 이용하여 콘크리트를 제조하는 과정에서 응결지연제와 경화촉진제의 적절한 양의 혼합에 의해 수화반응을 조절하여 콘크리트의 운반 및 타설작업을 위한 시간을 탄력적으로 조절할 수 있다는 장점이 있다.

셋째, 상기와 같이 콘크리트의 운반 및 타설작업을 위한 콘크리트의 경화시간을 탄력적으로 조절함으로써 전국에 산재해 있는 레미콘 배치플랜트에서 콘크리트의 제조 및 운반이 가능하게 되고 이로 인해 기존의 콘크리트 생산방식에 비해 생산비가 현저히 절감되는 효과가 있다.

넷째, 콘크리트의 시공현장에서는 콘크리트 펌프카에 의한 타설이 가능해져 기존에 초속경시멘트, 모래, 자갈, 폴리머 등의 원재료를 현장까지 따로 운반하여 현장에서 모바일 믹서에 의해 콘크리트를 생성하던 번거로움이 사라져 콘크리트의 생성을 위한 작업의 노동생산성이 현저히 향상되는 효과도 있다.

다섯째, 본 발명에 따른 비시멘트계 초속경 분말 조성물을 이용하여 생성된 콘크리트를 도로에 포장하는 작업을 하는 경우 콘크리트를 타설한 이후 대략 3~4시간 내에 교통의 재개가 가능하다는 유용한 효과도 있다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 비시멘트계 초속경 분말 조성물은 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulpho Aluminate) 함량이 50~80%를 함유하고 있는 CSA계 클링커(Clinker)를 분쇄한 분말 80~95 중량%와; 무수석고와 반수석고를 혼합하여 분쇄한 석고분말 5~20중량%와; 상기 CSA계 클링커(Clinker)를 분쇄한 분말과 상기 분쇄한 석고분말이 혼합된 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 폴리머 개질제 15~35중량%;를 포함하여 구성된다. 또한, 폴리머 개질제는 SBR(Styrene-Butadiene Rubber) 라텍스(Latex) 또는 아크릴에멀젼으로 이루어지며, 바람직하게는 아크릴에멀젼으로 구성된다.

바람직하게, 본 발명에 따른 비시멘트계 초속경 분말 조성물을 배합하여 콘크리트를 제조하는 과정은 먼저, 초속경 시멘트 조성물, 골재를 건배합물로 혼합하고, 점도가 높은 라텍스와 같은 폴리머 개질제는 별도로 물과 혼합하여 배합수를 제조한 후, 건배합물과 배합수를 다시 혼합하는 방식을 따른다.

시멘트 대체 분말은, 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulpho Aluminate) 함량이 50~80%를 함유하고 있는 CSA계 클링커(Clinker)를 분쇄한 분말 80~95 중량%와; 무수석고와 반수석고를 혼합하여 분쇄한 석고분말 5~20중량%;를 포함하여 구성된다. 시멘트 대체 분말의 양을 기존에 비해 적게 소요하면서 동시에 속경성 콘크리트의 제조시 초기에 소요되는 강도를 얻을 수 있는 최적의 배합설계를 나타낸다. 이 경우 CSA계 클링커를 분쇄한 분말은 석고분말보다 비율을 대략적으로 5배 정도 높이게 되는데, 이는 시멘트 대체 분말에 폴리머 라텍스를 혼합하여 콘크리트를 제조하는 과정에서 폴리머 라텍스의 피막코팅에 의해 수화 활성이 감소되는 것을 방지하기 위함이다.

바람직하게 CSA계 클링커를 분쇄한 분말은 블레인(Blaine) 비표면적이 3,000~8,000cm²/g 인 것으로 구성되며, 분쇄한 석고분말은 반수석고 100중량%에 대해 무수석고 1~100중량%를 혼합분쇄하여 블레인 비표면적이 3,000~8,000cm²/g 인 것으로 구성된다. 이는 시멘트 대체 분말 전체의 비표면적이 3,000~8,000cm²/g 의 범위에 해당되는 경우 콘크리트의 강도발현이 우수하며, 과다한 응결지연제를 사용하지 않은 상태에서도 경화되기 전의 작업시간을 확보할 수 있게 된다.

비시멘트계 초속경 분말 조성물에는, 구연산, 타타르산, 붕산, 글루콘산 및 이들 각각의 금속염 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 응결지연제가 더 혼합되되, 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 응결지연제는 0.1~1.5중량% 인 것으로 구성된다. 응결지연제는 콘크리트 생성시 수화되지 않은 시멘트의 입자표면에 흡착하여 시멘트의 수화반응을 일시적으로 방해하여 경화되기 전의 작업시간을 확보하는 역할을 하고 유기계, 무기계가 있으며 이들을 병용하기도 한다.

응결지연제는 배합비율이 너무 많아지면 작업성 및 작업시간은 더 확보되지만, 초기강도의 발현을 크게 떨어트려 가능하면 최소량을 사용하는 것이 바람직하다. 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 응결지연제는 0.1~1.5중량%의 적은 비율로 구성되며, 시멘트 대체 분말 자체의 배합비와 연동하여 콘크리트에서 최적의 강도발현을 도모한다.

비시멘트계 초속경 분말 조성물에는, 소석회, 황산알루미늄, 알칼리 탄산염 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 경화촉진제가 더 혼합되되, 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 경화촉진제는 0.1~3.0중량%인 것으로 구성된다. 이는 시멘트 대체 분말의 수화반응을 조절하여 콘크리트와 모르타르의 응결시간 및 초기수화속도를 촉진하게 되며, 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 경화촉진제는 0.1~3.0중량%로 구성되는 경우 최적의 초기강도를 발현시킨다.

비시멘트계 초속경 분말 조성물에는, 나프탈렌설폰산염계 축합물, 멜라닌계 축합물, 폴리카본산염계 축합물 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 분말형 고성능 감수제가 더 혼합되되, 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 분말형 고성능 감수제는 0.1~3.0중량%인 것으로 구성된다. 분말형 고성능 감수제는 감수제는 콘크리트 중의 시멘트 입자를 정전기적으로 활성화하여 분산시킴으로써, 시멘트 입자끼리 서로 반발하여 작업성(Workability)을 향상시키는 기능을 수행하며, 실험에 의하면, 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 분말형 고성능 감수제는 0.1~3.0중량%로 구성됨이 가장 바람직하다.

슬럼프(Slump)는 반죽이 흘러 내려 줄어든 높이를 치수값으로 나타낸 것이고 플로우(Flow)는 반죽이 퍼져 넓어진 거리를 치수값으로 나타낸 것이며, 슬럼프(Slump) 및 플로우(Flow)의 치수값이 작을수록 된 반죽이고, 클수록 진 반죽을 나타낸다. 또한, 블리딩(Bleeding)은 굳지 않은 콘크리트 또는 모르타르에서 중력작용에 의해 골재 등 중량물질은 침강하고 석고 등 경량물질은 물과 함께 유리하여 상승하는 현상을 말하는 것으로서, 분말형 고성능 감수제의 주성분에는 응결지연성이 없으므로 사용량을 증감하여도 응결지연제와 상충되는 결과를 나타내지 않으며, 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 0.1~3.0중량%의 분말형 고성능 감수제를 혼합하는 경우 콘크리트는 단위수량의 감소로 동일한 슬럼프(Slump) 및 플로우(Flow)를 나타내는 일반 콘크리트에 비해 블리딩(Bleeding) 양이 훨씬 줄어든다.

비시멘트계 초속경 분말 조성물에는, 실리콘계, 알콜계, 유기극성 화합물계 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 소포제가 더 혼합되되, 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 소포제는 0.05~0.5중량%인 것으로 구성되는 경우 콘크리트의 배합시 발생되는 공기포를 효과적으로 제거하여 경화된 콘크리트의 우수한 강도를 발현할 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 폴리머개질 콘크리트 조성물의 각 구성비에 따른 기능을 알아보기 위해 실시한 실험 및 그 결과는 아래의 표와 같다.

[표 1]은 본 발명의 시멘트 대체 분말 중 CSA(Calcium Sulpho Aluminate)계 클링커(Clinker)를 분쇄한 분말에 대한 최적의 조성비를 나타낸 데이터 값이다.

광물조성
C₄A₃S	C₂S	C₁₂A₇	C₄AF	f-CaSO₄	f-CaO
67	21	3	5	3	1

(단위 : 중량%)

C₄A₃S : 3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄

C₂S: 2CaO·SiO₂

C₁₂A₇ : 12CaO·7Al₂O₃

[표 2]는 본 발명의 시멘트 대체 분말의 배합비를 달리하여 실험한 복수 회의 실시예와, 각각의 실시예와 대비하기 위해 포클랜드 시멘트를 사용한 복수 회의 비교예를 나타낸 데이터 값이다.

[표 1]에 나타낸 광물조성을 가진 CSA계 클링커를 분말도 6,000cm²/g이 되도록 분쇄한 분말에 석고 혼합물의 조성을 달리하여 시멘트 대체 분말의 기본조성을 구성하였다. [표 2]에서 나타낸 석고분말은 반수석고는 알파형 반수석고, 무수석고는 천연무수석고를 각각 분말도 6,500cm²/g이 되도록 분쇄하여 혼합한 것을 사용하였다.

구 분		CSA계 클링커 분말	석고 분말		포틀랜드 시멘트
구 분		CSA계 클링커 분말	반수석고	무수석고	포틀랜드 시멘트
본 발명의 실시예들	실시예A-1	85	9	6	-
	실시예A-2	90	5	5	-
	실시예A-3	93	4	3	-
종래 기술의 비교예들	비교예A-1	60	-	10	30
	비교예A-2	50	-	15	35
	비교예A-3	40	-	15	45
	비교예A-4	30	-	20	50

(단위 : 중량%)

삭제

비교예 A-1 내지 비교예 A-4는 종래에 제시된 CSA계 클링커, 석고 및 포틀랜드 시멘트를 기본 조성으로 하는 배합을 비교예로서 제시한 것이다.

[표 2]와 같이 제조된 시멘트 대체 분말의 기본조성에 대하여, 응결지연제로서 타타르산(주석산) 0.4중량%, 경화촉진제로서 리튬카보네이트(알칼리 탄산염) 1.0중량%, 나프탈렌설폰산계 분말형 고성능 감수제를 1.0중량%, 실리콘계 소포제를 0.15중량%를 공통적으로 첨가한 후, 하기의 [표 3]과 같은 방법으로 비시멘트계 초속경 분말 조성물의 물성평가를 하였다.

[표 3]은 [표 2]의 배합비율로 제조된 시멘트 대체 분말에 대해 비시멘트계 초속경 분말 조성물의 물성평가를 실험하기 위해 KS L ISO 679 (시멘트의 강도시험방법)에 규정된 모르타르 배합을 적용한 실험데이터 값이다.

물/시멘트 대체 분말 비	모래/시멘트 대체 분말 비	SBR라텍스/시멘트 대체 분말 비	시멘트 대체 분말	모래	물	SBR라텍스
0.32	3.0	0.31	700g	2,100g	111g	218g

여기에서 사용된 모래는 KS L ISO 679에 규정되어 있는 ISO 표준사를 사용하였으며, 폴리머로서 고형분 48% SBR 라텍스를 사용하여 고형분 함량이 폴리머 개질용 초속경시멘트의 15%가 되도록 사용하였다. 사용된 물의 양은 SBR 라텍스를 희석하기 위한 배합수로 사용되는 물과 시멘트 대체 분말의 건배합에 투입되는 물의 총합이 시멘트 대체 분말의 32%(0.32)가 되도록 배합하였다.

배합된 모르타르의 응결시간은 KS L ISO 9597 (시멘트의 응결 및 안정성 시험방법)에 의해 측정하였으며, 작업성은 KS F4042에 규정되어 있는 플로우 시험방법에 따라 15회 타격을 한 후 모르타르가 펴진 직경을 측정하였다.

이때 플로우의 측정은 배합직후 30분간격으로 2시간 후까지 측정하여 경시변화차이를 알아보았다.

[표 4]는 [표 3]의 각 실험데이터 값에 따라 측정된 모르타르의 플로우, 응결시간, 압축강도를 순차적으로 정리한 물성실험 결과의 데이터 값을 나타낸 것이다.

구 분		플로우 (mm)				응결시간		압축강도 (N/mm²)
구 분		최초	30분	60분	120분	초결	종결	3시간	1일	7일	28일
본 발 명 의 비 교 예 들	실시예 A-1	238	233	228	190	2:15	2:20	24.1	32.4	38.4	46.2
	실시예 A-2	240	238	232	223	2:50	2:54	23.6	31.5	37.1	47.1
	실시예 A-3	243	241	239	226	3:20	3:25	23.2	30.8	36.5	48.2
종 래 기 술 의 비 교 예 들	비교예 A-1	215	196	121	X	1:24	1:37	20.9	28.7	34.5	42.5
	비교예 A-2	211	185	X	X	1:05	1:10	20.1	27.2	35.1	44.7
	비교예 A-3	205	175	X	X	0:51	0:58	19.6	27.6	36.2	46.5
	비교예 A-4	197	162	X	X	0:39	0:43	18.5	26.9	35.9	47.2

- X : 측정불능

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- 3시간, 1일, 7일, 28일 : 응결시간의 종결 이후 진행된 시간

[표 4]에 나타난 결과와 같이 본 발명의 조성물로 제조된 비시멘트계 초속경 분말 조성물은 실시예 A-1 내지 실시예 A-3에서 보면 플로우가 2시간까지도 유지되고 있으며, 로스도 적은 것으로 나타났다. 특히 응결시간이 2~3시간에 나타나 비교예에 비해 늦게 나타나 작업성의 유지가 가능하였고, 종결 이후의 3시간에서의 강도발현은 더 높게 나타나므로 우수한 초기강도 발현성을 나타내었다. 이와 같은 결과는 본 발명의 시멘트 대체 분말의 조성이 기존의 시멘트와 달리 2~3시간 동안 가사시간을 확보할 수 있도록 수화반응을 지연시키는데 효과적이라는 것을 보여주며, 이후에는 에트링자이트의 수화반응이 급격히 일어나, 초기강도를 높게 발현시키고 있어, 비시멘트계 초속경 분말 조성물로 적합함을 보여주고 있다.

CSA계 클링커를 분쇄한 분말의 사용량이 30~60중량% 이고, 보통 포틀랜드 시멘트 및 무수석고를 사용하는 비교예 A-1 내지 비교예 A-4의 결과를 보면 보통 포틀랜드 시멘트로부터 초기에 Ca² ⁺ 의 용출이 많아지고, 이로 인해 에트링자이트의 성장에 필요한 핵의 형성이 많아져 초기 생성량이 많아지기 때문에 응결시간이 짧아짐에 따라 작업성(Workability)의 저하 및 작업시간의 확보가 어려운 것으로 판단된다. 보통 포틀랜드 시멘트의 사용량이 많아질수록 응결시간은 짧아지고 작업성 저하는 크게 나타났으며, 초기강도 발현이 낮게 나타나는 결과를 보였다.

실시예 A-1 내지 실시예 A-3에서는 초기 용해속도가 빠른 반수석고를 혼합하여 사용함에 따라 초기 SO³ ^- 이온의 용출이 많아져 에트링자이트의 생성량 많아짐에 따라 초기 강도발현이 크게 나타나고 있으며, 장기 강도 또한 안정적으로 나타나는 결과를 보였다.

[표 5]는 [표 2]와 같은 시멘트 대체 분말의 조성을 따라 시멘트 대체 분말의 조성에 대한 배합비를 각각 달리하고, 그 각각의 다른 배합비를 가진 각각의 시멘트 대체 분말에 대응되도록 응결지연제, 경화촉진제, 분말 고성능 감수제, 소포제를 배합하여 실험하기 위한 데이터 값을 나타낸 것이다.

구 분		시멘트 대체 분말에 대한 각각의 기본조성 배합비			응결 지연제	경화 촉진제	분말 고성능 감수제	소포제
구 분		실시예A-2	실시예A-3	실시예A-4	응결 지연제	경화 촉진제	분말 고성능 감수제	소포제
본 발 명 의 실 시 예 들	실시예B-1	100			0.4	1.0	1.0	0.15
	실시예B-2	100			0.5	1.0	1.0	0.15
	실시예B-3	100			0.6	1.0	1.0	0.15
종 래 기 술 의 비 교 예 들	비교예B-1		100		0.5	1.0	1.0	0.15
	비교예B-2			100	0.5	1.0	1.0	0.15
	비교예B-3			100	1.0	1.0	1.0	0.15

(단위 : 중량%)

실시예 B-1 내지 실시예 B-3은 실시예 A-2를 기본 조성으로 하고 응결지연제의 사용량을 증가시켰을 때의 콘크리트의 물성변화를 알아보기 위한 예이다.

비교예 B-1은 비교예 A-3를 기존 조성으로 하는 배합이며, 비교예 B-2 및 비교예 B-3은 비교예 A-4를 기본조성으로 하고, 슬럼프 유지를 위해 응결지연제의 사용량을 증가시킨 조성비를 나타낸다.

[표 6]은 [표 5]의 조성의 배합비를 달리한 시멘트 대체 분말에 대한 폴리머개질 초속경 콘크리트의 물성을 측정하기 위하여 적용한 콘크리트의 단위 배합비를 나타낸 것이다.

W/C (%)	S/a (%)	단위배합량 (kg/m²)
W/C (%)	S/a (%)	초속경 시멘트	세골재	조골재	SBR 라텍스	물
33	55	360	964	783	112	60

(W : 물의 중량, C : 시멘트 대체 분말의 중량, S : 세골재의 중량, a : 세골재 및 조골재의 총중량)

세골재는 하천사로서 밀도는 2.58, 조립율 2.64 이였으며, 조골재는 평균직경이 19mm인 쇄석으로서 밀도는 2.65의 것을 사용하였다. [표 6]과 같은 단위배합비로 혼합된 콘크리트의 특성을 평가하기 위해, KS F 2402에 따라 슬럼프를 아래의 [표 7]에서와 같이, 4시간까지 측정하였으며, 공기량은 KS F 2421, 압축강도는 KS F 2405에 준하여 측정하였다.

[표 7]은 [표 6]의 각 실험데이터 값에 따라 생성된 콘크리트의 슬럼프, 공기량, 압축강도를 순차적으로 정리한 물성실험 결과의 데이터 값을 나타낸 것이다.

구 분		슬럼프 (cm)						공기량 (%)	압축강도 (N/mm²)
구 분		최초	30분	1시간	2시간	3시간	4시간	3시간	1일	7일	28일
본 발 명 의 실 시 예 들	실시예B-1	22	21	20	18	X	X	4.2	22.6	32.8	36.4	40.5
	실시예B-2	22	21	20	18	12	X	4.1	21.0	31.5	35.8	39.4
	실시예B-3	22	21	21	19	14	12	4.6	19.1	30.6	36.1	40.7
종 래 기 술 의 비 교 예 들	비교예B-1	22	8	X	X	X	X	4.1	17.5	26.4	33.5	37.7
	비교예B-2	22	6	X	X	X	X	3.9	16.3	27.1	34.8	38.4
	비교예B-3	22	12	5	X	X	X	3.7	10.3	24.1	32.9	35.1

- 3시간, 1일, 7일, 28일 : 응결시간의 종결 이후 진행된 시간

[표 7]에 나타난 결과로부터 본 발명에 의한 비시멘트계 초속경 분말 조성물은 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 응결지연제는 0.1~1.5중량%의 범위에서 응결지연제의 사용량을 증가시킴에 따라 슬럼프의 로스가 적게 나타나고 작업시간을 2~4시간까지 유지하는 것이 가능함을 알 수 있다. 특히 응결지연제의 사용량을 늘려 슬럼프 유지시간을 길게 하더라도 응결이 종결된 3시간 후의 강도는 19N/mm² 이상 발현된다. 비교예 B-1 및 실시예 B-2는 응결지연제 사용량을 실시예 B-2와 같이 0.5중량% 사용하였을 때에 작업성 유지는 30분 정도 가능하였고, 비교예 B-3과 같이 응결지연제 사용량을 1중량%까지 늘린 경우에도 작업성은 1시간 정도 밖에 유지되지 않았고, 응결이 종결된 3시간 후의 강도 또한 10N/mm²밖에 발현되지 않았다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 비시멘트계 초속경 분말 조성물은 기존의 폴리머 라텍스를 이용한 도로포장 및 도로보수용 속경성 콘크리트 조성물과 달리 폴리머 라텍스와 함께 배합되는 시멘트 대체 분말의 배합비를 작업되는 도로의 콘크리트 물성에 가장 적절한 강도, 내구성, 경제성을 발현할 수 있도록 최적화시키며, 최적화된 시멘트 대체 분말에 응결지연제를 혼합하여 콘크리트의 경화시간을 조절함으로써 기존보다 작업시간을 현저하게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims

칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulpho Aluminate) 함량이 50~80%를 함유하고 있는 CSA계 클링커(Clinker)를 분쇄한 분말 80~95 중량%;

무수석고와 반수석고를 혼합하여 분쇄한 석고분말 5~20중량%;

상기 CSA계 클링커(Clinker)를 분쇄한 분말과 상기 분쇄한 석고분말이 혼합된 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 아크릴에멀젼 성분의 폴리머 개질제 15~35중량%;를 포함하여 구성되며,

상기 CSA계 클링커를 분쇄한 분말은 블레인 비표면적이 3,000~8,000cm²/g 이며, 상기 분쇄한 석고분말은 반수석고 100중량%에 대해 무수석고 1~100중량%를 혼합분쇄하여 블레인 비표면적이 3,000~8,000cm²/g 인 것을 특징으로 하는 비시멘트계 초속경 분말 조성물.
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청구항 1에 있어서,

상기 비시멘트계 초속경 분말 조성물에는,

구연산, 타타르산, 붕산, 글루콘산 및 이들 각각의 금속염 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 응결지연제가 더 혼합되되, 상기 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 상기 응결지연제는 0.1~1.5중량% 인 것을 특징으로 하는 비시멘트계 초속경 분말 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 비시멘트계 초속경 분말 조성물에는,

소석회, 황산알루미늄, 알칼리 탄산염 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 경화촉진제가 더 혼합되되, 상기 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 상기 경화촉진제는 0.1~3.0중량%인 것을 특징으로 하는 비시멘트계 초속경 분말 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 비시멘트계 초속경 분말 조성물에는,

나프탈렌설폰산염계 축합물, 멜라닌계 축합물, 폴리카본산염계 축합물 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 분말형 감수제가 더 혼합되되, 상기 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 상기 분말형 감수제는 0.1~3.0중량%인 것을 특징으로 하는 비시멘트계 초속경 분말 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 비시멘트계 초속경 분말 조성물에는,

실리콘계, 알콜계, 유기극성 화합물계 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성되는 소포제가 더 혼합되되, 상기 시멘트 대체 분말 100중량%에 대해 상기 소포제는 0.05~0.5중량%인 것을 특징으로 하는 비시멘트계 초속경 분말 조성물.
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