KR100979529B1 - 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 폴리머 개질제 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무기계 시멘트 결합재, 폴리머 개질제, 골재 및 물을 포함하여 제조되는 폴리머개질 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 무기계 시멘트 결합재는 시멘트와 시멘트 중량 대비 30 ~ 50 중량%의 무기계 혼합재로 구성되어, 고내구성 및 변형 저항성, 그리고 기존 구체와의 완전부착에 의한 일체화 거동 특성을 요구하는 교면포장과, 구조부재의 단면 보강 등에 요구되는 콘크리트의 제조를 위하여 기존 폴리머개질 콘크리트에 비해 보다 경제적인 재료의 첨가 및 친환경 요소의 가미를 통해 콘크리트 제조시의 CO2 발생량을 저감할 수 있는데, 특히 무기계 혼화재가 첨가된 결합재를 사용함으로서 폴리머 개질제의 사용량이 감소되는 경우에도 내구성능의 확보가 가능하며, 이로 인해 초기 재령에서 발생할 수 있는 소성수축균열의 방지가 가능하고, 아울러 장기 압축강도의 개선 및 고내구성의 확보가 가능한 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 폴리머개질 콘크리트 조성물을 제안하고자 한다.

Description

무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물{High Durability Polymer Modified Concrete Mixture with Inorganic Mineral Admixture}
본 발명은 고내구성 및 변형 저항성, 그리고 기존 구체와의 완전부착에 의한 일체화 거동 특성을 요구하는 교면포장과, 구조부재의 단면 보강 등에 요구되는 콘크리트의 제조를 위하여 기존 폴리머개질 콘크리트에 비해 보다 경제적인 재료의 첨가 및 친환경 요소의 가미를 통해 콘크리트 제조시의 CO2 발생량을 저감할 수 있는데, 특히 무기계 혼화재가 첨가된 결합재를 사용함으로서 폴리머 개질제의 사용량이 감소되는 경우에도 내구성능의 확보가 가능하며, 이로 인해 초기 재령에서 발생할 수 있는 소성수축균열의 방지가 가능하고, 아울러 장기 압축강도의 개선 및 고내구성의 확보가 가능한 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
종래에는 교면포장은 주행차량의 양호한 평탄성을 제공하고, 교량 상부 바닥판을 보호할 목적으로 침투식, 쉬트식 및 도막식 등의 방수층을 설치하고 아스콘으로 포장하는 방식이 있으나,
이러한 아스콘을 이용한 교면포장은 일반 토공부 위에 건설되는 포장에 비해, 구조물이 진동을 쉽게 받고, 변화하는 온도차 등에 노출되며, 하중이 상판면상에 집중되는 특성 등으로 인하여 비교적 큰 파손 및 기능 저하요인을 가지고 있다.
이에 따라 중차량 통행에 따른 소성변형과, 충격에 따른 파손, 포장체에 침투한 수분에 의한 동결융해, 방수처리기능의 부적절함, 접착층의 기능발휘 부적합 등에 의해 교면포장이 파손되고 있는 실정이며,
따라서 평균 5년마다 재포장하게 되어 아스콘의 절삭 이후 재포장 시 방수층의 파손, 교면의 방수기능 상실, 철근 콘크리트 바닥판의 철근 부식 촉진, 바닥판 구조의 균열 발생 및 내구성 저하가 초래되는 문제가 있다.
상기한 바와 같이 교량은 일반 도로포장에 비해 환경적 변화에 대한 영향을 많이 받는 구조물로서 안전한 주행성능 및 장기적인 내구성능 확보와, 효율적인 유지관리를 목적으로 교량바닥판을 보호하기 위한 별도의 포장층이 요구되며 근래에 들어 폴리머를 혼입한 개질 콘크리트가 교면포장으로 널리 적용되고 있는 실정이다.
그러나 종래의 폴리머개질 콘크리트 조성물은 일반적으로 보통 포틀랜트 시멘트를 사용하고 폴리머 개질제의 첨가량이 폴리머의 고형분량을 중심으로 첨가량이 결정되었기 때문에
많은 양의 폴리머가 투입됨으로서 초기의 소성수축균열의 발생 및 재료 제조원가의 상승은 물론 폴리머개질 콘크리트의 물성이 첨가된 폴리머에 의해 크게 좌우되는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
콘크리트의 고내구성 확보가 가능한 무기계 혼화재의 첨가를 통해 폴리머 개질제의 사용량을 조절함으로서 폴리머 개질제에 의한 콘크리트의 성능 및 품질의 영향을 최소화하고,
또한 폴리머개질 콘크리트의 장기 내구성의 확보가 가능하도록 하여 폴리머개질 콘크리트의 제조원가의 절감 및 친환경적인 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 무기계 결합재를 사용한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물은 무기계 시멘트 결합재, 폴리머 개질제, 골재 및 물을 포함하여 제조되는 폴리머개질 콘크리트 조성물에 있어서, 상기 무기계 시멘트 결합재는 시멘트와 시멘트 중량 대비 30 ~ 50 중량%의 무기계 혼합재로 구성된 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 상기 무기계 시멘트 결합재의 중량 대비 10 ~ 35 중량%의 폴리머 개질제와, 조성물 전체 중량 대비 2 ~ 6 중량%의 물과, 65 ~ 75 중량%의 골재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 상기 무기계 혼화재는 고로슬래그, 실리카 퓸, 플라이애쉬 및 이들의 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
더 나아가 본 발명에 따른 상기 폴리머 개질제는 SB(Styrene-Butadiene) 라텍스, PAE 에멀젼, EVA 에멀젼, 에폭시 수지, 아크릴 수지 및 폴리에스터 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무기계 결합재를 사용한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물은 재료 점성의 증가로 인한 재료 분리 및 초기 소성수축균열 발생을 저감시킬 수 있고,
또한 물리적 특성인 압축강도의 증가 및 장기 강도의 증진시킬 수 있으며, 장기적인 내구성의 증가를 기대할 수 있다.
아울러 폴리머개질 콘크리트 조성물 대비 시멘트의 사용량 감소로 인한 CO2 발생량의 저감시켜 친환경적인 폴리머개질 콘크리트의 제조가 가능함은 물론,
기존 폴리머개질 콘크리트보다 폴리머 사용량을 줄일 수 있어 폴리머개질 콘크리트의 제조원가를 절감시킬 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명에 따른 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 고내구성 폴리머 개질제 콘크리트 조성물의 재료 배합비에 대한 다양한 실시예와 비교예를 나타낸 막대그래프,
도 2는 도 1의 각 실시예와 비교예에 대한 압축강도를 나타낸 막대그래프,
도 3은 도 1의 각 실시예와 비교예에 대한 휨강도를 나타낸 막대그래프,
도 4는 도 1의 각 실시예와 비교예에 대한 부착강도를 나타낸 막대그래프,
도 5는 도 1의 각 실시예와 비교예에 대한 염소이온투과시험 결과를 나타낸 막대그래프,
도 6은 도 1의 각 실시예와 비교예에 대한 마모저항성을 나타낸 막대그래프.
본 발명에 따른 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물을 첨부된 도면 및 표를 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물은 시멘트와 무기계 혼화재가 혼합된 결합재를 사용하는 것을 특징으로 하며 무기계 혼화재는 시멘트 중량 대비 30~50 중량%를 사용한다.
또한 전체 무기계 시멘트 결합재 중량 대비 10내지 35 중량%의 폴리머 개질제를 사용하며 이와 함께 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물 전체 중량 대비 2 내지 6 중량 %의 물과, 65 내지 75 중량 %의 골재가 포함되어 구성된다.
이하, 본 발명에 의한 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물을 각 조성 원료 및 이들 조성 원료가 전체 조성물 내에서 발휘하는 작용을 더욱 상세하게 설명한다.
상기 시멘트는 소요품질의 콘크리트를 경제적이고 안정하게 얻을 수 있도록 KS에 규정된 보통 포틀랜트 시멘트를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 무기계 혼화재는 폴리머 개질제의 사용량 감소 및 조성물의 성능을 향상시킬 목적으로 사용되는데,
무기계 혼화재의 잠재수경성을 통한 콘크리트의 강도 증진 및 시멘트 수화반응으로 발생하는 수화열을 저하시켜 콘크리트에 발생하는 균열의 억제 및 예방이 가능하다.
또한 시멘트 수화반응 생성물인 수산화칼슘이나 수산화알칼리 혼합물을 고정하여 시멘트 페이스트 내의 공극을 채움으로써 콘크리트의 침투성 및 화학물질에 대한 저항성을 개선시켜 콘크리트의 내구성을 증진시키는 효과가 있다.
상기 무기계 혼화재는 제철소의 선철제조 시 용광로(고로)에서 생산되는 시멘트와 거의 유사한 성분을 갖는 부산물인 고로슬래그를 사용하는 것이 가장 바람직하고,
실리콘 금속이나 실리콘 합금의 제조 과정에서 나오는 실리카 퓸 또는 화력발전소 등에서 미분말 형태의 석탄을 연소할 때 발생하는 재의 미립자를 집진장치로 포집한 플라이애쉬 등도 사용가능하며,
또한 고로슬래그, 실리카 퓸 및 플라이애쉬 등의 혼합물의 사용하는 것이 가능하여 폐기물 자원화를 이룸으로써 자원의 재활용성을 높일 수 있게 된다.
이 때, 본 발명의 조성물에 사용되는 무기계 혼화제는 시멘트 분말과 혼합하여 사용하는데,
시멘트 중량 대비 30~50%를 사용하는 것이 바람직하며 무기계 혼화재의 함량이 30% 미만인 경우 무기계 혼화재 첨가에 따른 효과가 미미하고,
무기계 혼화재의 함량이 50%를 초과하게 되면, 콘크리트의 초기 강도 발현이 저하되기 때문이다.
상기 폴리머 개질제는 조성물의 부착성 및 작업성을 개선하기 위하여 사용하는 것으로,
입자 간의 자착성 및 흡착성을 갖는 점성적 성질 및 계면활성작용으로 콘크리트의 첨가 시 유동성 증가를 통한 작업성 향상 및 단위수량을 감소시킬 수 있다.
또한 시멘트 페이스트 및 골재 사이를 라텍스 입자로 채우고 필름막을 형성하여 콘크리트의 수밀성 및 내염화이온 투과성능 및 기존 구체와의 부착성능 향상이 가능하다.
이 때, 상기 폴리머 개질제는 스틸렌(Styrene) 및 부타디엔(Butadiene)으로 이루어진 단량체 혼합물을 중합 반응하여 제조된 미세 구형의 폴리머 입자를 계면활성제로 코팅하여 물속에 분산시킨 반투명 상태의 수용액인 SB(Styrene-Butadiene) 라텍스를 사용하는 것이 가장 바람직하며,
PAE 에멀젼, EVA 에멀젼, 에폭시 수지, 아크릴 수지 및 폴리에스터 등도 사용 가능하다.
여기서 상기 폴리머 개질제는 전체 무기계 시멘트 결합재 중량 대비 10내지 35 중량%의 범위에서 사용되는 것이 바람직하며,
폴리머 개질제의 사용량이 10% 이하이면 조성물의 부착성능이 떨어져 소요의 성능을 확보할 수 없으며 35%를 초과할 경우에는 부착성능, 작업성 등에서 좋은 물성을 얻을 수 있으나 제조원가의 상승으로 인해 경제적이지 못하다.
상기 골재 및 물은 소요 품질의 콘크리트를 얻을 수 있기 위하여 KS에 규정된 기준에 적합한 재료를 사용하여야 하며,
본 발명의 폴리머개질 콘크리트 조성물 전체 중량 대비 2 내지 6 중량 %의 물과, 65 내지 75 중량 %의 골재가 포함되도록 구성하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 실시예를 도 1 내지 도 6을 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 하나,
이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 제시된 다양한 실시예 중 일부 실시예를 소개한 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.
<실시예 1>
무기계 혼화재 및 시멘트 결합재 400kg, 모래 1003kg, 골재 732kg, 폴리머 개질제 80kg, 혼합수 92kg를 첨가한다.
<실시예 2>
무기계 혼화재 및 시멘트 결합재 450kg, 모래 987kg, 골재 720kg, 폴리머 개질제 68kg, 혼합수 99kg를 첨가한다.
<실시예 3>
무기계 혼화재 및 시멘트 결합재 450kg, 모래 974kg, 골재 711kg, 폴리머 개질제 90kg, 혼합수 86kg를 첨가한다.
<비교예 1>
보통포틀랜트 시멘트 400kg, 모래 964kg, 자갈 719kg에 라텍스 128kg, 혼합수 64kg를 첨가한다.
이때, 각 실시예 및 비교예의 성분을 계량하여 강제식 교반믹서에 투입한 후 믹싱하여(mixing)하여 제조하였으며 하기 표 1은 각 실시예 및 비교예의 성분별 배합비를 표로 나타낸 것이며, 표 2는 각 실시예 및 비교예에 대한 각종 시험결과를 나타낸 것이다.
구분(kg/m3) 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
결합재 400 450 450 400
모 래 1003 987 974 964
자 갈 732 720 711 719
폴리머 개질제 80 68 90 128
혼합수 92 99 86 64
시험항목 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
압축강도
(MPa, 재령(材齡) 28일)		 39.87 38.95 39.92 39.88
휨강도
(MPa, 재령(材齡) 28일)		 6.34 6.25 6.49 6.45
부착강도
(MPa, 재령(材齡) 28일)		 2.14 1.98 2.18 2.24
염소이온투과시험
(Coulomb, 재령(材齡) 28일)		 685 732 659 655
마모저항성
(g/cm3, 재령(材齡) 28일)		 0.011 0.013 0.009 0.010
중성화 저항성
(mm, 재령(材齡) 28일)		 중성화 발생없음 중성화 발생없음 중성화 발생없음 중성화 발생없음
시험예 1 <압축강도 및 휨강도 측정> : 도 1 내지 도 3 참조
각 실시예 및 비교예의 시험결과는 상기 표 2와 같고 시험방법은 한국공업규격 KS F 2403, 2405 및 2408에 규정된 공시체 제작 및 강도측정방법에 의하여 실시하였다.
실시예 3이 상대적으로 비교예1, 실시예 1 내지 2에 비해 더 큰 압축강도를 보이고 있으나 거의 차이가 없고,
그리고 [실시예 3 > 비교예 1 > 실시예 1 > 실시예 2] 순으로 휨강도를 나타내고 있으나, 이 또한 거의 차이가 없음을 알 수 있다.
시험예 2 <부착강도 측정> : 도 1 및 도 4 참조
각 실시예 및 비교예의 시험결과는 상기 표 2와 같다.
비교예 1이 실시예 1 내지 3보다 더 큰 부착강도를 나타내고 있으나, 거의 차이가 없음을 알 수 있다.
시험예 3 <내구성능 - 염소이온 침투저항, 마모저항성, 중성화저항성> : 도 1, 도 5 및 도 6 참조
각 실시예 및 비교예의 시험결과는 상기 표 2와 같고, 시험방법은 KS F 2711(염소이온 침투저항시험), ASTM C 944(마모저항성시험), KS F 2584(중성화저항성시험)의 시험기준에 따라 평가하였다.
각 실시예 및 비교예의 염소이온투과시험에서는 비교예 1일 가장 낮은 투과량을 나타내었고, 다음으로 실시예 3 > 실시예 1 > 실시예 2 임을 알 수 있다.
그리고 콘크리트 표면의 마모에 대한 저항성(Abrasion Resistance)은 실시예 3이 가장 우수한 것으로 나타났으나 거의 차이가 없음을 알 수 있다.
한편, 콘크리트 중성화(콘크리트가 알칼리성을 잃고 중성화되는 현상) 저항성에서는 각 실시예 및 비교예에서 콘크리트의 중성화가 발생하지 않는 것으로 나타나고 있다.
이상에서 첨부된 도면 및 표를 참조하여 본 발명인 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물을 설명함에 각 구성의 특정 수치범위 내에서 설명하였으나, 본 발명의 수처범위 내에서 당업자에 의한 단순한 최적 또는 호적의 수치범위를 선택하는 것이 가능하고, 이러한 최적 또는 호적의 수치범위 선택은 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

  1. 무기계 시멘트 결합재, 폴리머 개질제, 골재 및 물을 포함하여 제조되는 폴리머개질 콘크리트 조성물에 있어서,
    상기 무기계 시멘트 결합재는 시멘트와 시멘트 중량 대비 30 ~ 50 중량%의 무기계 혼합재로 구성되고,
    상기 무기계 시멘트 결합재의 중량 대비 10 ~ 35 중량%의 폴리머 개질제와,
    조성물 전체 중량 대비 2 ~ 6 중량%의 물과, 65 ~ 75 중량%의 골재를 포함하여 이루어지며,
    상기 무기계 혼화재는 고로슬래그, 실리카 퓸, 플라이애쉬 및 이들의 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리머 개질제는 SB(Styrene-Butadiene) 라텍스, PAE 에멀젼, EVA 에멀젼, 에폭시 수지, 아크릴 수지 및 폴리에스터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무기계 혼화재로 시멘트를 대체한 고내구성 폴리머개질 콘크리트 조성물.
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