KR101058266B1

KR101058266B1 - 내부양생 혼합재 조성물 및 상기 조성물이 첨가된 레미콘

Info

Publication number: KR101058266B1
Application number: KR1020080119656A
Authority: KR
Inventors: 이상호; 조인성; 이종성
Original assignee: 대림산업 주식회사
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2011-08-22
Also published as: KR20100060875A

Abstract

본 발명은 콘크리트 배합과정에서 투입됨으로써 콘크리트 품질의 향상 및 시공성을 확보하며, 구조물의 형태나 위치에 상관없이 양생이 가능하며, 콘크리트 양생에 소요되는 작업인력 및 비용을 대폭 절감하고, 공기를 단축할 수 있는 내부양생혼화제 및 그가 첨가된 레미콘에 관한 것이다.

본 발명은, 에틸렌 옥사이드(Ethylen Oxide), 폴리에틸렌 옥사이드(Poly Ethylen Oxide), 셀룰로스(Cellulose)계열중 선택된 하나의 물질 10 ∼ 70중량%와; 헤비글리콜(Hevyglycol), 알킬 알코올(Alkyl Alcohol), 알콕시 알킬 알코올(Alkoxy Alkyl Alcohol)중 선택된 하나의 물질 30 ∼ 90중량%를 혼합한 고형분말 40 ∼ 90중량%를 물 10 ∼ 60 중량%를 혼합항 제조된 것을 특징으로 하는 내부양생 혼화제 조성물을 제공한다. 또한, 본 발명은 1종 보통포틀랜드 시멘트(OPC), 상기 1종 보통포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬의 혼합재(OPC/FA), 상기 1종 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그의 혼합재(OPC/GGBFS)중 선택된 하나의 주제에 일본 폴리카르본산계(PC계) 혼화제 또는 나프탈렌(PNS)계 혼화제중 선택된 하나의 보조제를 혼합하는 레미콘에 있어서의 상기 주제 100중량부에 대하여, 상기한 내부양생 혼화제 0.5 ∼ 2.5 중량부가 투입되어 배합되는 내부양생 혼화제 조성물 및 그가 첨가된 레미콘을 제공한다.

내부양생 혼화재, 콘크리트, 기건양생, 피막양생

Description

내부양생 혼합재 조성물 및 상기 조성물이 첨가된 레미콘{Internal curing admixture composition and remicon added the same}

본 발명은 콘크리트 배합시 혼입하여 사용하는 양생재인 내부 양생 혼합재 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 표면 습윤 양생이나 피막 양생시 소요되는 많은 노동력과 비용을 대폭 절감할 수 있으며, 양생공정에 대한 공사기간을 단축시킬 수 있는 내부양생 혼합재 조성물 및 상기 조성물이 첨가된 레미콘에 관한 것이다.

최근의 건설 트렌드는 건축의 초고층화 및 토목 구조물의 대형화되는 추세이다. 그리고, 과거에 비해 거대하고 복잡해진 구조물의 건설이 활발하게 진행되고 있으며, 이에 따라 콘크리트 품질관리의 필요성이 증대되고 있다. 콘크리트의 양생은 초기의 건조수축을 막고 콘크리트의 강도감소를 야기 시킬 수 있는 수화물의 생성을 억제하며 화학적 저항성에 약한 투수성이 있는 기공이 많은 미세구조가 되는 것을 막기 위한 필수적인 과정이다.

건축 및 토목 구조물공사에 있어 콘크리트 양생에 소요되는 노동력과 비용 절감 및 공사기간 단축을 위해서는 콘크리트 타설 이후에 양생을 하는 것이 아니라 배합 과정에서 양생제를 첨가하여 구조물의 형태나 위치에 상관없이 양생이 가능하도록 하여 타설 후 양생 과정을 없애는 것이 가장 유효한 방법이며, 이를 위해서는 콘크리트 제조 시 적절한 배합설계의 실시 이외에도 양생제의 선택이 상당히 중요하다고 할 수 있다.

콘크리트 양생 방법으로는 기건양생, 수중양생, 표면습윤양생, 스팀양생, 피막양생(Membrane)법 등이 있다. 이중에서 일반적인 구조물 양생은 기건양생과 양생제 살포에 의한 피막양생이 주를 이루고 있다. 그러나, 초고층 건물 및 대형 구조물의 경우 구조물의 형태나 방향, 위치 등에 따라 제약이 심하기 때문에 피막양생의 적용이 어려워 대부분 기건양생을 적용하고 있는 실정이다.

상기한 양생방법들은 콘크리트의 건조수축을 충분히 저감시킬 수가 없었고, 주탑과 같이 높은 교각이나 옹벽에 적용시 위험요소가 증진되고 양생제 도포를 위해 1일의 공기가 소요되기 때문에 현장에서의 적용상에 많은 애로사항을 가지고 있다.

상기 기건양생공법의 경우, 수중양생에 비해 강도, 수밀성, 내구성, 건조수축률, 크리프 등에 있어서 저하된 특성을 가지며 수화반응을 진행해간다. 따라서, 굳지 않은 콘크리트나 굳은 콘크리트 상태 모두 노출된 콘크리트 표면에서의 물의 증발은 수화반응을 하는데 필요한 습윤상태 조건을 저하시키기 대문에 적용상 많은 문제점을 내포하고 있다. 게다가 피막양생이 가능한 경우에도 많은 노동력과 비용, 시간이 소요되며 양생제 살포작업 시 작업자의 안전사고 위험이 뒤따르는 문제점이 있다.

멤브레인(Membrane)에 의한 피막양생공법의 경우 아크릴 폴리머(Acryl Polymer), 왁스(Wax)계, 레진(Rosine)계와 물을 결합하여 피막양생제를 조성하게 되는데, 이 양생제는 수분 증발을 일시적으로 차단할 수 있으나 재료의 한계에 의해 건조수축균열을 완전히 제어할 수 없는 단점이 있다. 그리고, 내구성 측면에서 일반콘크리트와 비교하여 장점을 가지고 있지 않다.

이러한 기존 양생법의 한계에 따라 양생법의 개선이 지속적으로 요구되어 왔으며 최근에는 콘크리트 배합시 혼입하여 사용하기 위한 내부 양생제에 대한 관심이 커지고 있으나, 실제적으로 기존의 양생제에 비해 콘크리트의 물성을 향상시킬 수 있는 내부양생제는 아직 제안된 바 없다.

따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서,콘크리트 배합과정에서 투입됨으로써 콘크리트 품질의 향상 및 시공성을 확보할 수 있는 내부양생혼화제의 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 콘크리트 배합과정에서 투입됨으로서 구조물의 형태나 위치에 상관없이 양생이 가능하며, 콘크리트 양생에 소요되는 작업인력 및 비용을 대폭 절감하고, 공기를 단축할 수 있는 내부양생혼화제가 첨가된 레미콘을 제공함에 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 에틸렌 옥사이드(Ethylen Oxide), 폴리에틸렌 옥사이드(Poly Ethylen Oxide), 셀룰로스(Cellulose)계열중 선택된 하나의 물질 10 ∼ 70중량%와; 헤비글리콜(Hevyglycol), 알킬 알코올(Alkyl Alcohol), 알콕시 알킬 알코올(Alkoxy Alkyl Alcohol)중 선택된 하나의 물질 30 ∼ 90중량%를 혼합한 고형분말 40 ∼ 90중량%를 물 10 ∼ 60 중량%를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 내부양생 혼화제 조성물을 제공한다.

여기서, 상기 고형분말과 물은 4:6의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 1종 보통포틀랜드 시멘트(OPC), 상기 1종 보통포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬의 혼합재(OPC/FA), 상기 1종 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그의 혼합재(OPC/GGBFS)중 선택된 하나의 주제에 일반 폴리카르본산계(PC계) 혼화제 또는 나프탈렌(PNS)계 혼화제중 선택된 하나의 보조제를 혼합하는 레미콘에 있어서, 상기 주제 100중량부에 대하여, 에틸렌 옥사이드(Ethylen Oxide), 폴리에틸렌 옥사이드(Poly Ethylen Oxide), 셀룰로스(Cellulose)계열중 선택된 하나의 물질 10 ∼ 70중량%와; 헤비글리콜(Hevyglycol), 알킬 알코올(Alkyl Alcohol), 알콕시 알킬 알코올(Alkoxy Alkyl Alcohol)중 선택된 하나의 물질 30 ∼ 90중량%를 혼합한 고형분말과 물을 4: 6의 비율로 혼합된 내부양생제를 0.5 ∼ 2.5 중량부가 투입되어 배합되는 내부양생 혼화제 조성물을 이용한 레미콘을 제공한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 특징에 따르면, 에틸렌 옥사이드(Ethylen Oxide), 폴리에틸렌 옥사이드(Poly Ethylen Oxide), 셀룰로스(Cellulose)계열중 선택된 하나의 물질과 헤비글리콜(Hevyglycol), 알킬 알코올(Alkyl Alcohol), 알콕시 알킬 알코올(Alkoxy Alkyl Alcohol)중 선택된 하나의 물질 및 물을 혼합하여 제조한 내부양생제를 콘크리트 배합시에 투입함으로써 콘크리트의 품질(조기압축강도 및 내구성) 및 시공성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 상기한 내부양생제를 레미콘 공장에서 콘크리트 믹싱시 선 투입하여 콘크리트 전체를 양생대상으로 함으로써, 작업자의 투입이 어려운 곳 예를들어 교각의 주탑이나 옹벽등과 같은 곳에서의 양생제 살포작업에 따른 위험요소를 미연에 방지할 수 있고, 압축강도와 같은 역학특성 뿐만이 아니라 내구성 측면에서는 상당히 뛰어난 효과를 발휘하며, 양생제 도포를 위한 별도의 시간이 필요없어 공기를 단축할 수 있는 다른 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 내부양생혼화제 조성물 및 상기 조성물이 첨가된 레미콘은 콘크리트 품질 및 시공성을 향상시키고, 콘크리트의 타설 및 양생의 일련의 과정에서 공정을 대폭 감소시킴으로써 공기를 단축할 수 있도록 구현한 것이다.

먼저, 본 발명의 개념에 대하여 설명한다.

본 발명의 내부양생제는 콘크리트 배합 시 혼입하여 콘크리트 물성을 향상시키기 위한 조성물로서, 자기 양생제(self curing admixture)라고도 한다. 이는 배합수와의 수소결합(Hydrogen bond)을 형성하여 수분의 증발을 억제함으로써 수분 증발에 의한 건조수축을 저감하게 된다.

상기한 내부양생제(ICA:Internal Curing Admixture)의 분자식 구조는 하기와 같다.

상기한 분자구조를 갖는 ICA는 콘크리트 배합 시 혼입함으로써 구조물의 형태나 방향, 위치 등에 무관하게 사용이 가능하며 피막양생과는 달리 양생제 살포의 과정이 없기 때문에 노동력과 비용이 절감되고 공사기간의 단축을 기대할 수 있다.

ICA(Internal Curing Admixture)의 조성에 대하여, 본 발명의 실시예에서는 에틸렌 옥사이드(Ethylen Oxide), 폴리에틸렌 옥사이드(Poly Ethylen Oxide), 셀룰로스(Cellulose)계열중 선택된 하나의 제1 물질 10 ∼ 70중량%와; 헤비글리콜(Hevyglycol), 알킬 알코올(Alkyl Alcohol), 알콕시 알킬 알코올(Alkoxy Alkyl Alcohol)중 선택된 하나의 제2 물질 30 ∼ 90중량%를 혼합한 고형분말 40 ∼ 90중량%를 물 10 ∼ 60 중량%를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 내부양생 혼화제 조성물을 제공한다.

상기 고형분말과 물은 4:6의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 제1 물질의 혼합비율중 70중량% 이상이 첨가될 경우에는 수화속도를 지연시키고, 10중량% 이하에서는 양생효과를 저감시킬 뿐만 아니라, 수분증발에 의한 균열의 발생 가능성이 커지는 문제점이 있다.

또한 제2 물질의 혼합비율중 90중량%이상일 경우에는 수화속도를 지연시키고, 30중량% 이하에서는 양생효과를 저감시킬 뿐만 아니라, 수분증발에 의한 균열의 발생 가능성이 커진다.

상기한 조성을 이루는 ICA는 레미콘에 투입된다.

레미콘은 1종 보통포틀랜드 시멘트(OPC), 상기 1종 보통포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬의 혼합재(OPC/FA), 상기 1종 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그의 혼합재(OPC/GGBFS)중 선택된 하나의 주제(제1재료)에 일반 폴리카르본산계(PC계) 혼화제 또는 나프탈렌(PNS)계 혼화제중 선택된 하나의 보조제(제2재료)를 혼합하여 제조된다. 본 발명의 실시예에서는 상기 구성의 레미콘에 있어서, 주제 100중량부에 대하여 상기 내부양생제(ICA)가 0.5 ∼ 2.5 중량부가 투입되어 배합된다.

이때, 상기 내부양생제의 투입비율이 0.5중량%이하일 경우에는 콘크리트의 내부양생 효과가 없고, 2.5중량% 이상일 경우에는 재료분리 현상이 발생할 우려가있다.

시험예

레미콘의 배합과정에서 상기한 바와 같은 ICA 조성물을 첨가한 콘크리트의 현장적용 가능성에 대하여 시멘트의 종류, 혼화제의 종류, 양생방법등에 따른 특성 을 살펴본다.

본 시험예에서는 ICA가 첨가된 콘크리트의 조기 압축강도, 내구성, 동결융해 저항성, 건조수축 길이변화, 탄산화, 마모저항성, 염소이온 침투저항성을 기존의 기건양생 및 피막양생과 비교하면 다음과 같다.

[표1] 시험인자 및 수준

시험인자	시험수준
시멘트& 혼화재	OPC(1종 보통포틀랜드 시멘트)
	OPC + 플라이애시(fly-ash)
	OPC + 고로슬래그(GGBFS)
혼화제(AE감수제) 종류	일반 PC계 혼화제
혼화제(AE감수제) 종류	나프탈렌(PNS)계 혼화제
양생방법	기건양생(No curing)
	피막양생(Membrane)
	내부양생(ICA)

먼저, 상기한 시험인자 및 수준을 기초로 하여 콘크리트 양생법과 배합에 따른 조기 압축강도시험을 실시하였다.

1) 조기압축강도 시험

시험에는 일반적으로 사용되어지는 OPC(Ordinary Portland Cement)배합, OPC/FA(Fly-ash)배합, OPC/GGBFS(Ground Granulated Blast Furnace Slag)배합을 선정하였고, 양생방법은 초고층이나 대형 구조물에 적용 가능한 기건양생(No curing)과 피막양생(Membrane)을 선정하여 ICA를 사용하여 양생한 콘크리트와의 조기압축강도 평가시험을 실시하였다. 실내시험의 콘크리트 배합비는 [표2]와 같고, 양생방법에 따른 압축강도 시험결과는 도1a 및 도1b에 도시하였다. 도1a는 재령7일에서의 압축강도를 나타내고, 도1b는 재령 28일에서의 압축강도를 나타낸다.

[표2] 실내시험 콘크리트 배합비

구분	W/C(%)	s/a(%)	Unit Weigt(kg/㎥)							비고
구분	W/C(%)	s/a(%)	W	C	FA	GGBFS	S	G	ICA	비고
OPC	40.0	37.5	188	470	0	0	565	940	5
OPC/FA	40.0	37.5	188	352.5	117.5	0	565	940	5
OPC/GGBFS	40.0	37.5	188	165	0	305	565	940	5

상기의 배합비를 통하여 압축강도 시험결과를 살펴보면, 도1a 및 도1b에 도시한 바와 같이 기건양생에 비해 피막양생과 ICA를 사용한 내부, 양생의 경우가 전반적으로 조기강도가 증진되는 경향을 확인할 수 있었다. 28일 압축강도의 경우는 피막양생보다도 증진되는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 ICA를 사용할 때 콘크리트 내부조직을 치밀하게 하여 강도증진 효과가 발생하는 것으로 판단된다. 배합을 달리하며 압축강도 시험을 실시한 결과, 다양한 배합 조건에서도 ICA에 의한 양생 효과가 나타남으로써 현장 적용시 기존의 배합을 조정하지 않고도 ICA를 사용한 양생이 가능할 것으로 판단된다.

2) 내구성 시험

콘크리트는 내구성이 우수하여 반영구적인 구조재료로 인식되어 왔으나, 근래에 들어 여러 가지 환경적, 물리적 및 화학적 요인들에 의해 콘크리트 구조물의 성능이 저하됨으로써 콘크리트의 내구성에 대한 문제가 사회적으로 대두되고 있다.

콘크리트 내구성의 상실은 공기 중의 일산화탄소 및 탄산가스 등에 노출된 경우 콘크리트가 탄산화되거나, 온도의 변화에 의한 동결융해, 세척하지 않은 해사의 사용이나 해안가 등에 축조되는 구조물의 경우, 염화물이 침투 확산되어 콘크리트가 성능 저하되는 것에서 원인을 찾을 수 있다. 또한, 콘크리트 속에 묻힌 철근이나 PS 강재가 부식됨으로써 콘크리트의 균열 및 박리 등이 발생하여 철근콘크리트 구조물의 성능을 크게 저하시키고, 반응성 골재를 사용한 알칼리-골재반응, 여 러 화학적 및 생물학적 침식에 의한 콘크리트의 성능저하 및 화재에 대해서도 콘크리트의 성능이 저하되는 원인이 되고 있다.

최근 구조물이 다양화되면서 콘크리트의 작업성 및 내구성에 대한 관심이 크게 증가함에 따라 ICA(Internal Curing Admixture)를 사용한 콘크리트의 동결융해 저항성 시험, 건조수축 길이변화 시험, 탄산화시험을 통해 기건양생을 적용한 콘크리트에 비해 얼마나 내구성이 뛰어난지의 특성을 살펴본다.

내구성 시험에 사용된 콘크리트의 기본 배합비는 [표3]과 같다.

[표3] 내구성 시험 콘크리트 배합비

구분	W/C(%)	s/a(%)	Unit Weigt(kg/㎥)							ICA
구분	W/C(%)	s/a(%)	W	C	FA	GGBFS	S	G	AD	ICA
OPC	50.0	48.0	165	330	0	0	853	928	2.85	5
OPC/FA	50.0	48.0	175	315	35	0	868	923	2.55	5
OPC/GGBFS	50.0	48.0	175	175	0	175	857	911	2.55	5

위의 세 배합에 대하여 일반 PC계 혼화제와 나프탈렌계 혼화제를 각각 혼입하고 ICA를 사용한 경우와 일반 기건양생(No curing)을 적용한 경우로 나누어 총 12가지 배합 선정하였으며, 내구성 시험에 앞서 압축강도 시험을 실시한 결과는 도2a(재령7일) 및 도2b(재령28일), 도3a(재령7일) 및 도3b(재령28일)와 같다.

도2 및 도3에서 보인 바와 같이, PC계 혼화제와 나프탈렌계 혼화제를 사용한 경우에 비해 ICA를 사용한 경우의 압축강도가 더 우수하게 나타남으로써 타 혼화제의 종류에 무관하게 ICA를 적용할 수 있음을 확인하였다.

2.1) 동결융해 저항성 시험

동결융해작용에 의한 콘크리트 구조물의 성능저하 메커니즘을 살펴보면 수압 가설(Hydraulic pressure hypothesis)과 동결작용가설(Frost action hypothesis) 두 가지로 나누어진다. 동결융해 작용에 대한 초기의 연구는 이 공극수압가설이 지배적인 견해였으나, 이후 Powers의 연구에 의해 이 가설이 반드시 시험결과와 일치하지 않음을 발견하였다.

Powers는 1933년부터 1961년까지 동결융해에 대한 폭넓은 연구를 수행한 바 있으며, 콘크리트 내부 공극의 물이 동결하게 되면 9%의 체적팽창을 하고, 물의 체적이 공극의 크기보다 커지게 되면 팽창압이 발생하여 동결하지 않은 물이 공극의 외부로 이동함에 따라 수압이 발생하게 되며, 이로 인하여 굳은 콘크리트에 미세균열을 발생시켜 성능저하를 일으킨다고 보고하고 있다. 만약 콘크리트가 동결과 융해의 반복 작용을 받는다면 누적효과에 의해 피로파괴가 발생하며 동결 시에 발생한 미세균열은 계속 진전된다. 그러나 콘크리트 내부에 적당량의 연행공기가 존재하면 동결되지 않은 물의 이동에 의한 수압을 완화시켜 동결융해에 의한 파괴력에 대해 높은 저항력을 갖는다. 콘크리트의 강도는 연행공기량에 의해 거의 비례하여 감소하지만 동결융해에 노출된 콘크리트의 강도 감소량도 동결융해 저항성의 개선량에 비하면 훨씬 적게 된다. 이후, Powers와 Helmuth는 시멘트의 동결동안 수분은 먼저 얼기 시작하는 방향으로 이동한다는 사실을 알았다. 공극에 따른 공극수의 상이한 빙점에 의해 얼지 않은 부분의 공극수가 동결부분의 수분이 소실되는데 대한 저항력으로 공극수압이 발생하고 모세관 작용으로 동결부분의 공극은 점진적으로 팽창하게 된다. 또 연속적인 공극수의 동결과 융해가 일어나는 경우 체적변화가 심화되고 반복되는 동결융해는 누적효과를 나타낸다. 이 작용은 주로 시멘트 경화체 에서 일어나고 콘크리트 배합 시에 공극이 공기로 채워지면 이로 인해 동결융해작용은 점진적으로 진행되는 손상의 누적과정으로 부분적으로 콘크리트의 열전달율에 기인하고, 또 부분적으로 얼지 않은 공극수에 용해된 알칼리 성분의 점차적인 농축과 부분적으로 공극의 크기에 따른 동결점의 다양함에 기인한다. 공극내부의 얼음체에 표면인장력은 체적이 작을수록 크게 되며, 따라서 동결은 큰 공극으로부터 시작하여 작은 공극으로 전개된다.

한편, 콘크리트가 0℃가 되었을 때 공극내의 물이 일제히 동결되는 것은 아니다. 미세공극 내의 물은 표면장력의 영향에 의해 공극지름이 작을수록 동결온도가 저하되는데 이것을 모세관 응축액의 동결저하이론 이라하며 공극지름과 동결온도와의 관계는 하기의 <수식1>과 같다.

여기서 T_r: 반경 r 세공내 물의 동결온도

T_o : 물의 빙점, γ : 세공반경, A : 2σM/pQ(σ: 물과 얼음의 계면장력, M: 물의 분자량, Q: 얼음의 분자 융해열, p: 얼음의 밀도

ACI Committee 201에서는 낮은 물-시멘트비, 수분의 최소화를 고려한 구조물의 설계, 적절한 AE제의 사용, 품질관리, 동결융해 전의 적절한 양생, 건설시공 시 주의 깊은 관심으로서 동결융해에 저항할 수 있는 내구성이 뛰어난 콘크리트를 제조할 수 있다고 제안하고 있다.

일반 PC계 혼화제와 나프탈렌계 혼화제로 나누어 실시하였고 동결융해 저항시험기를 이용하여 30 Cycle 단위로 300 Cycle의 동결융해작용을 반복하여 공시체의 질량변화, 질량 감소율을 산출해 보았다.

본 시험에서는 PC계 혼화제를 사용한 배합에 대하여 ICA의 적용 유무로 나누어 동결융해 저항성 시험을 실시하였고 그 결과는 하기의 [표4]와 같다.

[표4] 동결융해에 의한 질량변화 결과(PC계 혼환제)

Cycle＼배합	OPC (ICA)	OPC	OPC/FA (ICA)	OPC/FA	OPC/GGBFS (ICA)	OPC/GGBFS
0	7423	7490	7372	7400	7249	7301
30	7412	7474	7357	7387	7243	7296
60	7402	7468	7350	7363	7243	7296
90	7394	7465	7336	7305	7243	7296
120	7376	7454	7311	7258	7241	7292
150	7350	7440	7272	7153	7239	7288
180	7336	7419	7240	7117	7238	7288
210	7322	7397	7208	7080	7237	7288
240	7294	7355	7144	7008	7236	7287
270	7266	7312	7079	6935	7234	7287
300	7238	7269	7015	6862	7232	7286

나프탈렌계 혼화제를 사용한 배합에 대하여 ICA의 적용 유무로 나누어 동결융해 저항성 시험을 실시하였고 그 결과는 하기의 [표5]와 같다.

[표5] 동결융해에 의한 질량변화 결과(나프탈렌계 혼환제)

Cycle＼배합	OPC (ICA)	OPC	OPC/FA (ICA)	OPC/FA	OPC/GGBFS (ICA)	OPC/GGBFS
0	7369	7514	7386	7187	7422	7428
30	7358	7506	7376	7181	7416	7428
60	7348	7498	7370	7171	7416	7428
90	7339	7494	7358	7151	7416	7428
120	7323	7486	7344	7130	7415	7428
150	7298	7474	7318	7089	7414	7428
180	7283	7456	7307	7073	7413	7427
210	7268	7437	7295	7057	7412	7425
240	7239	7401	7272	7025	7410	7423
270	7209	7364	7249	6992	7408	7420
300	7179	7327	7226	6960	7406	7417

PC계 혼화제를 사용한 배합에 대하여 동결융해에 의한 질량감소율 결과는 다 음의 [표6]과 같다.

[표6] 동결융해에 의한 질량감소율 결과(PC계 혼화제)(%)

Cycle＼배합	OPC (ICA)	OPC	OPC/FA (ICA)	OPC/FA	OPC/GGBFS (ICA)	OPC/GGBFS
30	0.148	0.214	0.203	0.176	0.083	0.068
60	0.283	0.294	0.298	0.500	0.083	0.068
90	0.391	0.334	0.488	1.284	0.083	0.068
120	0.633	0.481	0.827	1.919	0.110	0.123
150	0.983	0.668	1.356	3.338	0.138	0.178
180	1.172	0.953	1.792	3.829	0.150	0.181
210	1.361	1.238	2.228	4.321	0.162	0.185
240	1.738	1.809	3.100	5.304	0.186	0.192
270	2.115	2.380	3.971	6.287	0.210	0.199
300	3.492	2.951	4.843	7.270	0.235	0.205

나프탈렌계 혼화제를 사용한 배합에 대하여 동결융해에 의한 질량감소율 결과는 [표7]과 같다.

[표7] 동결융해에 의한 질량감소율 결과(나프탈렌계 혼화제)(%)

Cycle＼배합	OPC (ICA)	OPC	OPC/FA (ICA)	OPC/FA	OPC/GGBFS (ICA)	OPC/GGBFS
30	0.149	0.106	0.135	0.083	0.081	0
60	0.285	0.213	0.217	0.223	0.081	0
90	0.407	0.266	0.379	0.501	0.081	0
120	0.624	0.373	0.569	0.793	0.094	0
150	0.963	0.532	0.921	1.364	0.108	0
180	1.165	0.777	1.076	1.588	0.121	0.019
210	1.367	1.021	1.232	1.812	0.135	0.037
240	1.771	1.511	1.543	2.261	0.162	0.074
270	2.175	2.000	1.855	2.710	0.189	0.111
300	2.578	2.489	2.166	3.158	0.216	0.148

도5 내지 도7은 동결융해저항시험을 실시하면서 30 cycle당 공시체의 질량변화를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 알 수 있듯이 총 300 cycle을 시험해본 결과 배합이나 혼화제의 종류에 무관하게 ICA(Internal Curing Admixture)를 사용하여 양생한 콘크리트의 질량 감소분이 일반 콘크리트의 질량 감소분보다 적은 것으로 나타났다. 동결융해 저항성이 큰 배합의 경우에는 ICA를 사용한 콘크리트와 일반 콘크리트의 차이가 없으나 동결융해 저항성이 작은 Fly-Ash 배합의 질량감소율은 ICA를 사용한 콘크리트의 질량감소율에 비해 약 50 % 더 크게 나타났다. 이는 ICA를 사용한 콘크리트의 경우 초기재령에서 콘크리트의 조직이 보다 치밀해져 동해저항성에 있어 뛰어난 성능을 발휘한 것으로 보인다.

2.2) 건조수축 길이변화시험

일반적으로, 콘크리트는 상당량의 물(水)로 이루어져 있는데 이것은 건조수축에 의해 거미줄과 같은 방사상의 건조수축균열을 일으키는 주원인이 되고 있다. 실제로 배합에 관여하여 시멘트와 반응하는 단위수량은 시멘트의 약 40% (중량비) 정도라고 연구자들은 보고하고 있다. 그 이외의 잉여수들은 주변의 바람과 온습도의 영향으로 표면에서 갑자기 증발하여 콘크리트 표면에 건조수축균열을 유발하게 된다. 이러한 건조수축 균열을 방지하기 위해서는 배합설계 이전에 골재 및 사용재료의 선정에 있어서도 신중을 기해야 하고, 타설 이후 양생과정에서의 수분 증발을 억제하는 것이 중요하다.

건조수축 길이변화시험은 ASTM C 1202에 따라 2.5 × 2.5 × 28.5cm의 모르타르로 공시체를 제조하여 소정의 기간 동안 표준양생한 후, 모르타르의 재령별 길이변화를 KS F 2424의 다이얼게이지 방법에 의하여 측정하여 <수식2>로 계산하였다.

여기서, Δ_ㅣ : 길이변화(%), ℓ_t: 침지후 재령별 모르타르의 길이, ℓ_o:침지전 모르타르의 길이

기간양생, 피막양생, ICA에 대한 건조수축 길이변화 시험결과는 도8과 같다.

도면에 도시한 바와 같이, 26주간(약 6달) 재령별로 길이변화를 시험한 결과 길이변화가 기건양생(No curing) > 피막양생(Membrane) > ICA(Internal Curing Admixture)를 사용한 콘크리트의 순으로 ICA를 사용한 콘크리트의 경우 건조수축 길이변화가 적어 건조수축에도 유리함을 확인할 수 있었다. 이는 ICA가 수소결합(Hydrogen bond)에 의해 물 분자를 끌어당겨 표면수의 증발을 억제함으로써 건조수축에 유리한 것으로 판단이 된다.

2.3) 탄산화시험

콘크리트 또는 모르타르가 탄산가스에 노출될 때, 수분과 함께 반응하여 탄산염을 만드는 반응이 진행된다.

일반적으로, 수화된 포틀랜드시멘트의 모든 구성물질은 공기 중에 존재하거나 물에 용해된 CO₂에 의해 실제적으로 탄산화 되며, 탄산화에 의한 영향은 발생시기, 범위, 환경조건 등에 따라 이로울 수도 있고 해로울 수도 있다.

한편, 제조 과정에서의 의도적인 탄산화는 콘크리트 강도, 경도 그리고 치수 안전성을 향상시킬 수 있으나, 탄산화는 표면 가까이 있는 철근의 부식을 초래하는 성능저하와 시멘트 페이스트의 pH 저하를 유발한다. 공기 중에 이산화탄소와 수화 된 포틀랜드시멘트의 탄산화 반응속도에 영향을 미치는 인자에는 상대습도, 온도, 콘크리트의 투수성, CO₂의 농도 등이 있으며, 일반적으로 50 ~ 75 %의 상대습도일 때 탄산화 속도가 빨리 발생되는 것으로 보고되고 있다. 25 % 이하의 상대습도에서 탄산화의 발생정도는 매우 미약하고, 75 % 이상일 경우에는 공극의 수분이 CO₂의 침투를 억제하게 된다. 상대적으로 투수성이 높은 콘크리트의 탄산화 속도는 다짐과 양생이 잘된 콘크리트보다 빠르고 광범위하게 탄산화가 진행된다. 낮은 물-결합재비와 다짐이 잘된 것은 투수성을 감소시키고 표면의 탄산화를 억제한다.

지하수에 의한 탄산화 속도도 대기 중에 존재하는 CO₂의 작용과 유사하며, 침투속도도 콘크리트의 품질과 CO₂의 농도에 의해 좌우된다. CO₂의 농도의 경우, CO₂를 20 ppm 이상 함유한 지하수는 수화된 시멘트페이스트의 급격한 탄산화를 발생시킨다는 연구결과가 있지만, 지하 구조체와 관련된 환경조건은 매우 다양하게 변화되기 때문에 아직까지 CO₂의 농도와 관련하여 일치된 제한값이 제시되지 않고 있는 것이 현실이다. 콘크리트의 탄산화는 시멘트의 수화로 인해 발생된 pH 12 ~ 13의 강알칼리성 수산화칼슘이 대기 중의 탄산가스와 장기간 화학 반응하여 탄산칼슘으로 변화되면서 pH 8.5 ~ 10정도로 알칼리성이 줄어들며 철근콘크리트 부재의 내구성이 저하되는 현상으로서 화학반응에 대한 탄산화 메커니즘은 다음과 같다.

시멘트 수화물과 함께 생성된 수산화칼슘은 대기 중의 이산화탄소나 우수나 지하수에 포함된 산성성분과 접촉하게 되면 반응을 시작하며 탄산칼슘과 다른 물질 로 분해된다. 이러한 반응에 의해 발생된 수산화칼슘은 보통 포틀랜드시멘트가 완전히 수화할 때 시멘트 중량으로 환산하여 약 25 ~ 28 % 정도가 생성된다.

또한, 이러한 형태의 초기 수산화칼슘은 콘크리트 내부의 공극수에 용해되나, 대부분은 고체로 존재하고, 공극수용액은 수산화칼슘의 포화수용액이 되며, 시멘트의 수화에 의해 생성되는 콘크리트는 초기 수산화칼슘의 포화수용액에 의해 약 pH 12.6의 강알칼리성을 가지게 된다. 따라서 이러한 강알칼리성인 콘크리트 내부의 철근의 표면은 부동태 피막으로 보호되고, 염소이온의 침입과 내부에서 침투해 오는 부식 촉진하지 않는 한 부식에 대해 안정 상태에 놓여 있게 된다. 참고로 철의 부동태화는 pH 11.0 이상에서 지속된다. 그러나 콘크리트 중의 수산화칼슘 및 규산칼슘 수화물 겔 등은 주로 대기 중의 이산화탄소 가스와 탄산화 반응을 하게 되며, 탄산칼슘으로 변하여 콘크리트는 표면에서 다음의 반응식에 의해서 강알칼리성을 상실하게 된다.

즉, 하기의 <화학식3> 및 <화학식4>와 같이 콘크리트 내부의 염기 중에서 이산화탄소가 작용하여 수산화칼슘과 결합하여 탄산칼슘을 생성하면서 콘크리트의 강알칼리성이 저하하게 된다.

CaOH₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O --------<화학식 3>

3CaO·2SiO₂ ·3H₂O +3CO₂ → 3CaCO₃ + 2SiO₂ + 3H₂O ----<화학식4>

본 시험에서는 일반 PC계 혼화제와 나프탈렌계 혼화제로 나누어 탄산화 시험을 실시하였고, 탄산화 시험기를 이용하여 1주, 2주, 4주, 13주, 26주가 경과한 후 의 탄산화 깊이를 측정하였다. 탄산화 시험기는 온도 20 ℃, 습도 60 %, 이산화탄소 농도 5 %로 고정하여 시험을 진행하였다.

PC계 혼화제를 사용한 배합과 나프탈렌계 혼화제를 사용한 배합에 대하여 ICA의 적용 유무로 나누어 탄산화 시험을 실시하였고, 그 결과는 다음의 [표8], [표9]와 같다.

[표8]탄산화 시험결과(PC계 혼화제)

구분	1주	2주	4주	8주	13주	26주
OPC(ICA)	0	0	0.5	1.7	2.8	3.7
OPC	0	0	0.7	1.9	3.4	4.2
OPC/FA(ICA)	0	0	0.7	1.6	3.1	5.2
OPC/FA	0	0	0.6	1.6	3	5.8
OPC/GGBFS(ICA)	0	0	0	0.4	1.1	2.5
OPC/GGBFS	0	0	0	0.3	1.1	2.3

[표9]탄산화 시험결과(나프탈렌계 혼화제)

구분	1주	2주	4주	8주	13주	26주
OPC(ICA)	0	0	0.4	1	2	4.2
OPC	0	0	0.4	1.1	2.4	4.6
OPC/FA(ICA)	0	0	0.8	1.6	2.4	3.9
OPC/FA	0	0	0.8	1.8	2.6	4.7
OPC/GGBFS(ICA)	0	0	0	1.1	2	2.9
OPC/GGBFS	0	0	0	1	2.3	3.1

도9 및 도10은 탄산화 깊이 시험결과이다. 페놀프탈레인 지시약 법에 의하여 재령 26주까지 약 6개월간에 걸쳐 시험을 실시하였고, 재령 8주까지는 거의 차이가 발생하지 않으나, 이후로는 일반 콘크리트 > ICA(Internal Curing Admixture) 사용 콘크리트로 ICA를 사용한 콘크리트가 탄산화(중성화)에도 뛰어난 내구성을 가짐을 확인할 수 있었다. 이는 ICA사용 콘크리트의 경우 초기에 일반콘크리트에 비해 조직이 보다 치밀해져서 탄산화에 견디는 저항성이 더 우수하다는 것으로 해석된다.

2.4) 마모저항성 시험

콘크리트 또는 모르타르가 물리적인 마찰이 가해질 때 그 표면이 깎여 나가는 것에 저항하는 정도를 마모 저항성이라 하며, 일반적으로 콘크리트의 마모 저항 성능을 확인하기 위한 시험으로 규사의 공기 흐름에 의한 충격을 가한 후 감소한 질량에 의해 그 마모정도를 측정하는 방법을 사용한다.

도11a 및 도11b는 마모저항성 시험결과를 나타낸 그래프로서, 도11a는 100회전 당 마모율을 나타내고, 도11b는 500회전 당 마모율을 나타낸다.

도면에 도시한 바와 같이,마모 저항성은 피막양생(Membrane) > ICA(Internal Curing Admixture) > 기건양생(No curing)의 순으로 나타났다. 피막양생의 경우 양생제가 표면에 집중적으로 도포되어 피막이 마찰에 1차 저항하기 때문에 ICA보다 다소 높게 나타난 것으로 보인다. 그러나 그 차이는 미비하며 기건양생의 경우와 비교해 보면 ICA를 사용한 경우가 10 ~ 45 % 내마모성이 우수한 것으로 나타나 마찰에 쉽게 노출되는 환경의 구조물에도 ICA의 적용이 가능함을 알 수 있다.

2.5) 염소이온 침투 저항성 시험

해양환경에 놓인 콘크리트 구조물은 조수간만에 의한 침식작용, 건습반복에 의한 염의 결정 성장압, 동결융해의 작용, 침투한 유해이온과 시멘트 수화물의 반응 및 염소이온에 의한 철근부식 등의 복합적인 작용으로 인하여 내구성이 저하되며, 이를 일반적으로 염해라고 한다.

해수 중의 전형적인 염의 함량은 무게 비로 3.5 % (35 g/ℓ)이며, 대표적인 이온으로는 나트륨이온(Na⁺), 마그네슘이온(Mg²⁺), 염소이온(Cl^-) 및 황산이온(SO₄ ^2-) 등이 있다. 이들 유해이온의 침투성 및 내구성 저하 메커니즘은 각각 다르지만 현재까지의 연구에 의하면 염소이온의 침투에 의한 철근부식과 이에 따른 성능저하 사례가 가장 많이 보고되고 있다.

일반적으로 해수 중의 물질이 콘크리트 내부로 침투하는 과정은 주로 압력차에 의한 투과(permeation), 모세관 장력에 의한 흡수(capillary suction) 및 농도차에 의한 확산(diffusion) 등의 메커니즘으로 설명된다.

투과에 의한 물질 이동은 압력차에 의한 용액 또는 가스의 흐름으로써 콘크리트의 공극구조와 유체의 점성에 따라 층류 또는 난류가 되며, 염소이온의 침투는 주로 간만대(tidal zone) 및 침수대(submerged zone)에서 지배적으로 일어난다. 또한 모세관 장력에 의한 물질 이동은 공극구조를 갖는 고체상에서 용액의 성질인 점성(viscosity), 밀도(density) 및 표면장력(surface tension)에 의해 영향을 받으며 흡수에 의한 염소이온의 침투는 콘크리트 표면에 국한적으로 발생한다.

반면, 콘크리트에 있어서 확산은 입자, 분자 또는 이온이 농도차를 구동력(driving force)으로 높은 농도 영역에서 낮은 농도 영역으로 이동하는 현상을 말하며, 확산에 영향을 크게 미치는 인자로는 물질의 농도, 시간, 온도, 공극구조 및 콘크리트의 피복두께 등이 있다.

염화물에 의한 부동태피막의 국부적인 파괴에 의하여 야기된 애노드와 캐소드 면적의 분리는 부식형태에 상당한 영향을 미친다. 애노드(anode) 지역에 인접한 콘크리트에서는 철이온(Fe²⁺) 농도가 증가하여 pH는 떨어진다. 한편, 철의 캐소드(cathode) 지역 부근에서는 음극반응의 산물인 수산화이온(OH^-)이 생성된다. 애노드에서 국부적인 pH의 강하 때문에 FeCl₂의 가용성 화합물이 형성될 수 있으며, 이 화합물은 애노드로부터 퍼져나가서 부식이 계속될 수 있다. 또한 양극에서 발생된 수소이온은 철근 표면의 pH를 낮춤으로써 부식에 영향을 미치게 된다. 활발한 부식 반응이 일어나고 있는 철근 부위에서의 pH는 언제나 4.8 ~ 6.0 사이의 범위라고 한다. 이들의 부식반응은 하기의 <화학식5> 및 <화학식6>과 같다.

Fe + 2Cl^- → FeCl₂ + 2e^- ---- <화학식5>

Fecl₂ + 2H₂O → Fe(OH)₂ + 2H⁺+ 2Cl^- ----- <화학식6>

도12는 염소이온 침투저항성 시험결과를 나타낸 그래프이다.

각각의 혼화제사용 콘크리트에 대한 염소이온 침투저항성에 대한 시험결과이며 ASTM C 1202에 의해 총 통과전하량을 구하였다. 도면에 도시한 바와 같이, 염소이온 침투저항성 시험을 91일(3개월) 재령까지 실시한 결과 ICA(Internal Curing Admixture) > 피막양생(Membrane) > 기건양생(No curing) 순으로 ICA를 사용한 콘크리트의 염소이온 침투저항성이 다른 양생법에 비해 뛰어남을 확인할 수 있었다. 이는 조직이 치밀해서 공극률이 낮은 특성 때문에 염소이온 침투에 대한 저항성이 증가되었다고 판단된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도1a 및 도1b는 양생방법에 따른 압축강도 시험결과를 나타낸 그래프도.

도2a 및 도2b는 일반 PC계 혼화제 사용시 압축강도 시험결과를 나타낸 그래프도.

도3a 및 도3b는 나프탈렌계 혼화제 사용시 압축강도 시험결과를 나타낸 그래프도.

도4a 내지 도4c는 PC계 혼화제와 ICA에 대하여 동결융해에 의한 질량변화를 나타낸 그래프도.

도5a 내지 도5c는 나프탈렌계 혼화제와 ICA에 대하여 동결융해에 의한 질량변화를 나타낸 그래프도.

도6a 내지 도6c는 PC계 혼화제와 ICA에 대하여 동결융해에 의한 질량감소율변화를 나타낸 그래프도.

도7a 내지 도7c는 나프탈렌계 혼화제와 ICA에 대하여 동결융해에 의한 질량감소율 변화를 나타낸 그래프도.

도8은 기건양생, 피막양생, ICA의 건조수축길이변화를 나타낸 그래프도.

도9a 내지 도9c는 PC계 혼화제와 ICA에 대하여 탄산화 시험 결과를 나타낸 그래프도.

도10a 내지 도10c는 나프탈렌계 혼화제와 ICA에 대하여 탄산화시험 결과를 나타낸 그래프도.

도11a 및 도11b는 마모저항성 시험결과를 나타낸 그래프.

도12는 염소이온 침투저항성 시험결과를 나타낸 그래프.

Claims

에틸렌 옥사이드(Ethylen Oxide), 폴리에틸렌 옥사이드(Poly Ethylen Oxide), 셀룰로스(Cellulose)계열중 선택된 하나의 물질 10 ∼ 70중량%와; 헤비글리콜(Hevyglycol), 알킬 알코올(Alkyl Alcohol), 알콕시 알킬 알코올(Alkoxy Alkyl Alcohol)중 선택된 하나의 물질 30 ∼ 90중량%를 혼합한 고형분말 40 ∼ 90중량%를 물 10 ∼ 60 중량%를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 내부양생 혼화제 조성물.
제 1 항에 있어서,

상기 고형분말과 물은 4:6의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 내부양생 혼화제 조성물.
1종 보통포틀랜드 시멘트(OPC), 상기 1종 보통포틀랜드 시멘트와 플라이애쉬를 혼합한 혼화재(OPC/FA), 및 상기 1종 보통포틀랜드 시멘트와 고로슬래그를 혼한합 혼화재(OPC/GGBFS)의 3가지 재료 중에서 선택된 하나의 제1재료에, 폴리카르본산계(PC계) 혼화제와 나프탈렌(PNS)계 혼화제의 2가지 혼화제 중에서 선택된 하나의 제2재료를 혼합한 레미콘에 있어서,

상기 제1재료 100중량부에 대하여, 에틸렌 옥사이드(Ethylen Oxide), 폴리에틸렌 옥사이드(Poly Ethylen Oxide), 셀룰로스(Cellulose)계열중 선택된 하나의 물질 10 ∼ 70중량%와; 헤비글리콜(Hevyglycol), 알킬 알코올(Alkyl Alcohol), 알콕시 알킬 알코올(Alkoxy Alkyl Alcohol)중 선택된 하나의 물질 30 ∼ 90중량%를 혼합한 고형분말과 물을 4: 6의 비율로 혼합된 내부양생제를 0.5 ∼ 2.5 중량부가 투입되어 배합되는 내부양생 혼화제 조성물을 이용한 레미콘.