KR101147442B1

KR101147442B1 - 인산염을 함유하는 고강도 결합재 조성물

Info

Publication number: KR101147442B1
Application number: KR20090103208A
Authority: KR
Inventors: 김영도; 손세구
Original assignee: 김영도
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2012-05-21
Also published as: KR20100070983A

Abstract

본 발명은 인산염을 함유하는 고강도 결합재 조성물에 관한 것으로, 고로 슬래그 : 플라이 애쉬의 비율이 90 : 10 ~ 10 : 90인 혼합물에 규산나트륨이 30~70 중량%, 인산염이 1~10중량% 첨가되며, 본 발명의 콘크리트 결합재는 시멘트의 사용 없이도 매우 높은 수준의 초기 및 후기 압축강도를 발휘하며, 강도 발현에 악영향을 주는 급결을 충분히 방지할 수 있다.

인산염, 결합재, 고강도, 규산나트륨, 고로 슬래그, 플라이 애쉬

Description

인산염을 함유하는 고강도 결합재 조성물{High intensity connection part composition having the phosphate}

본 발명은 인산염을 함유하는 고강도 결합재 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하기로는 초기 및 후기 압축강도가 우수하고 급결 지연효과가 뛰어나며, 유동성이 향상된 인산염을 함유한 고강도 결합재 조성물에 관한 것이다.

고로 슬래그, 플라이 애쉬, 폐콘크리트 분말 등을 시멘트 대체재로 활용하기 위한 기술은 최근 많이 개발되고 있다.

한국 특허 제10-0521142호에서는 제강 슬래그 미분말을 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 환경친화형 식생 콘크리트 블록을 제조하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 이 기술은 제강 슬래그를 포틀랜트 시멘트를 대체하여 일부 사용될 뿐이므로 폐자원의 효과적인 활용방안은 되지 못하고 있다. 또한 이 기술에서는 알칼리 성분의 용출을 차단하기 위하여 0.001 내지 5중량%의 인산2암모니움이 사용되고 있으나, 사용시 암모니아 가스가 발생되어 작업자 또는 사용자들에게 악영향을 미치는 문제점도 가지고 있다.

한국 특허 제10-0796534호에서는 콘크리트 조성물의 결합재로, 포틀랜드 시멘트 30~60중량%, 고로 슬래그 미분말 30~60중량%, 플라이 애쉬 10~30중량%로 이루어지는 결합재가 개시되어 있다. 이 기술 역시 고로 슬래그나 플라이 애쉬를 시멘트 대체재로 일부 사용할 뿐이므로 폐자원의 효율적인 재활용 방안은 되지 못하며, 잠열성 혼합물의 구성성분으로 인산수소이나트륨 화합물을 사용하고 있으나 이 화합물을 사용하게 되면 시간의 경과에 따라 백화현상이 발생하게 되는 문제점이 있다.

또한 상기 기술들은 공히 압축강도와 유동성이 부족하다는 문제점도 동시에 가지고 있다. 시멘트가 들어가는 조성물은 유동성 부족 때문에 별도의 감수제, 유동화제 등을 첨가하여 문제점을 해소하고 있다.

본 발명은 상기 선행기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시멘트의 사용이 배제된 콘크리트용 결합재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적은 초기 및 후기의 압축강도가 향상된 콘크리트용 결합재를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 유동성이 향상된 콘크리트용 결합재를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 급결 지연효과가 현저하게 향상된 콘크리트용 결합재를 제공하는 것이다.

본 발명의 결합재는 고로 슬래그 : 플라이 애쉬의 비율이 90 : 10 ~ 10 : 90인 혼합물에 규산나트륨이 30~70 중량%, 인산염이 1~10중량% 첨가되는 것으로 구성된다.

고로 슬래그의 사용량이 상기 범위보다 클 경우에는 압축강도 발현이 어려우며, 급결 및 빠른 유동성 결여, 그리고 수축 및 크랙 발생 등의 문제가 있고, 28일 양생하여도 10MPa 이하로 낮은 압축강도를 나타낸다. 플라이 애쉬의 사용량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 크랙 발생 및 유동성 결여 및 급결 등의 문제는 발생하지 않으나, 반응성이 낮아서 10Mpa 이하의 압축강도를 나타내게 된다.

규산나트륨의 사용량이 상기 범위 미만의 경우에는 유동성이 부족하여 진동 casting 방법에 의한 성형이 어려운 문제점이 발생하게 되며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 몰드의 하단으로 원료가 이탈하는 문제점이 발생하게 된다. 또한 성형이 어렵고, 원료가 이탈하게 되면 원하는 압축강도를 발현하는 것이 어렵다.

또한 본 발명에서 사용되는 규산나트륨은 NaOH, KOH 등을 이용하여 SiO₂/M₂O의 비율(몰비)이 3.2인 시판되고 있는 공업용 물유리를 SiO₂/M₂O의 비율(몰비)이 1.0~2.5가 되도록 조절하여 pH 13.0 이상이 되도록 하여 사용하는 것이 바람직하다. 사용되는 규산나트륨의 SiO₂/M₂O의 비율이 상기 범위 미만의 경우에는 크랙이 발생하고 강도가 발현되지 않게 되며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 성형 전 급결이 발생하여 손으로도 파괴할 수 있는 정도의 압축강도를 나타내게 된다.

인산염의 첨가량이 상기 범위 미만의 경우에는 고로슬래그와 플라이 애쉬의 혼합물이 급결되어 성형 전에 굳어버리는 문제와 빠른 경화에 의한 크랙 등의 발생으로 높은 수준(초고강도=80MPa 이상으로 정의됨)의 압축강도를 얻을 수 없으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 더 이상의 압축강도 향상효과는 없는 반면, 제품의 원가가 지나치게 상승하게 된다.

본 발명에서 사용 가능한 인산염으로는 1인산칼륨, 2인산칼륨, 3인산칼륨, 1인산소다, 2인산소다, 3인산소다, 인산알루미늄, 인산아연, 폴리인산암모늄, 소디움핵사메타포스페이트, 1인산칼슘, 2인산칼슘, 3인산칼슘 등을 들 수 있다.

인산염을 첨가할 경우 결합재의 초결 시간이 연장되는 것을 확인할 수가 있으며, 제품을 제조할 때 연장된 시간은 제품의 성형이 가능하고, 원료의 재배열 시간을 유도하여 제품 내의 크랙발생을 억제하는 역할을 하게 된다. 또한 사용되는 인산염의 종류에 따라서 초결종결시간이 다양하게 연장되었음을 알 수가 있는데, 이러한 장점은 현장에 따라서 그 적용성이 매우 확대할 수 있음을 나타내는 것이다.

또한 고로슬래그 내의 40% 이상의 CaO 와 플라이 애쉬 내의 14% 이상의 CaO 가 규산나트륨과 접촉할 때 매우 급격한 반응을 하기 때문에 급결이 필요한 현장, 공사장의 뒷채움재나 그라우팅제 등으로 사용이 가능한 장점이 있었으나, 사용분야가 매우 한정되는 문제와 압축강도가 5MPa 이하로 너무 낮아 구조물이나 토목현장에서의 지지역할을 하는 제품으로는 적용할 수 없는 문제가 있었다. 이와 같은 이 유로 본 발명에서는 초기 CaO 가 규산나트륨 내의 Si(OH)₄모노머와 만나서 급결반응하는 것을 첨가하는 인산염의 PO₄ ^-이온이 CaO 와 먼저 반응하게 함으로써 Ca₃(PO₄)₂를 형성하여 초결시간을 늦추는 역할을 하도록 하였다.

본 발명의 콘크리트 결합재는 시멘트의 사용 없이도 매우 높은 수준의 초기 및 후기 압축강도를 발휘하며, 강도 발현에 악영향을 주는 급결을 충분히 방지할 수 있다. 이러한 결합재는 모래, 골재 등과 함께 사용될 수도 있으며, 도로포장재, 건축재료, 보수재 등으로 효과적으로 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예는 아래와 같다.

(실시예 1~5 및 비교예 1~5)

고로 슬래그 : 플라이 애쉬의 혼합 비율을 70 : 30로 하고, SiO₂/M₂O의 비율을 1.8로 조절한 규산나트륨을 아래의 표1과 같은 조성비로 5X5X5cm의 3연형 큐브몰드로 성형하고 50℃의 온도에서 8시간 동안 양생시킨 다음 측정한 시편의 압축강도는 아래의 표2와 같았다.

[표 1]

구분	슬래그-플라이애쉬	규산나트륨	급결지연제
실시예 1	66 wt%	33 wt%	1 wt%(인산칼륨)
실시예 2	65 wt%	33 wt%	2 wt%(인산칼륨)
실시예 3	64 wt%	33 wt%	3 wt%(인산칼륨)
실시예 4	62 wt%	33 wt%	5 wt%(인산칼륨)
실시예 5	57 wt%	33 wt%	10 wt%(인산칼륨)
비교예 1	66 wt%	33 wt%	1 wt%(인산)
비교예 2	65 wt%	33 wt%	2 wt%(인산)
비교예 3	66 wt%	33 wt%	1 wt%(액상인산알루미늄)
비교예 4	65 wt%	33 wt%	2 wt%(액상인산알루미늄)
비교예 5	67 wt%	33 wt%	-

[표 2]

구분	압축강도(MPa)
구분	3일	7일	28일
실시예 1	82.3	95.2	120.0
실시예 2	92.0	103.2	126.5
실시예 3	104.6	105.6	134.3
실시예 4	124.7	140.8	179.5
실시예 5	106.2	126.8	152.4
비교예 1	65.6	65.6	94.9
비교예 2	39.6	55.5	71.3
비교예 3	64,3	67.3	103.3
비교예 4	53.7	64.1	94.0
비교예 5	69.4	77.6	88.1

(비교예 6)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 고로 슬래그 : 플라이 애쉬의 비율을 95 : 5로 변경하였다. 얻어진 시편의 3일 압축강도는 33.9MPa, 7일 압축강도는 46.2MPa, 28일 압축강도는 71.0Mpa였다.

(비교예 7)

*실시예 4와 동일하게 시행하되, 고로 슬래그 : 플라이 애쉬의 비율을 5 : 95로 변경하였다. 얻어진 시편의 3일 압축강도는 21.0MPa, 7일 압축강도는 29.8Mpa, 28일 압축강도는 53.1MPa이었다.

(비교예 8)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 사용되는 규산나트륨의 SiO₂/M₂O 비율을 3.2인 것으로 변경하였다.

얻어진 시편은 3일 압축강도는 73.0MPa, 3일 압축강도는 62.0MPa, 28일 압축강도는 76.2MPa이었다.

(비교예 9)

실시예 4와 동일하게 시행하되, 사용되는 규산나트륨의 SiO₂/M₂O 비율을 0.75인 것으로 변경하였다.

얻어진 시편은 3일 압축강도는 47.0MPa, 3일 압축강도는 47.8.0MPa, 28일 압축강도는 61.9MPa이었다.

(실시예 6)

인산염의 종류에 따른 초결, 종결시간의 지연효과를 확인하기 위하여 실시예 1에서 사용된 고로 슬래그, 플라이 애쉬 및 규산나트륨 혼합물(GP)에 여러 종류의 인산염을 첨가하여 경화시간을 확인하였다. 결과는 아래의 표3과 같았으며, 사용되는 인산염의 종류에 따라 경화시간이 다양하게 지연됨을 확인할 수 있었다.

[표 3]

분말	인산염		경화시간		비 고
분말	종류	첨가량	초결	종결	비 고
GP	-	-	4분	6분
	K₃PO₄	5%	30분	38분
	K₂HPO₄	5%	55분	80분
	KH₂PO₄	5%	14분	25분
	Na₃PO₄	5%	50분	65분
	Na₂HPO₄	5%	48분	90분
	NaH₂PO₄	5%	45분	80분
	Ca₃(PO₄)₂	5%	10분	15분
	Ca₂HPO₄	5%	8분	15분
	Ca(H₂PO₄)₂	5%	19분	30분
	AlPO₄	5%	22분	35분
	Zn₃(PO₄)₂4H₂O	5%	35분	45분
	Sodium hexametaphosphate	5%	14분	23분
	Ammonium polyphosphate	5%	15분	19분

Claims

고로 슬래그 : 플라이 애쉬의 비율이 90 : 10 ~ 10 : 90인 혼합물에 전체 조성물에 대하여 규산나트륨이 30~70 중량%, 인산염이 1~10중량% 첨가되는 고강도 결합재 조성물.
제1항에 있어서, 규산나트륨은 SiO₂/Na₂O 비율이 1.0~2.5인 것을 특징으로 하는 고강도 결합재 조성물.
제2항에 있어서, 규산나트륨의 pH는 13.0 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 결합재 조성물.
제1항에 있어서, 3일 압축강도가 80MPa 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 결합재 조성물.
제1항에 있어서, 인산염은 1인산칼륨, 2인산칼륨, 3인산칼륨, 1인산소다, 2인산소다, 3인산소다, 인산알루미늄, 인산아연, 폴리인산암모늄, 소디움핵사메타포스페이트, 1인산칼슘, 2인산칼슘, 3인산칼슘 중 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 결합재 조성물.