KR101296111B1 - 흙콘크리트 조성물 및 이를 이용한 흙콘크리트 구조체 - Google Patents

흙콘크리트 조성물 및 이를 이용한 흙콘크리트 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 황토 흙콘크리트 및 이를 이용한 황토 흙콘크리트 구조체 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분산성이 높은 황토를 이용한 새로운 황토 황토 흙콘크리트 조성물 및 이를 이용한 고강도의 황토 황토 흙콘크리트 구조체 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 시멘트, 물 및 골재를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 시멘트 100 중량부에 대하여 이산화티탄 0.5~20중량부; 수분산 콜로이드 실리카, 황토, 실란 결합제, 이온성 블록 공중합체 마이셀로 이루어진 0.5~5 중량부 발색제, 및 흄드실리카 0.5~2 중량부;를 포함하는 황토 흙콘크리트 조성물을 제공한다.
본 발명에 따라서 다양한 색감의 황토 흙콘크리트를 제조할 수 있는 방법이 제공되었다. 본 발명에 따른 제조 방법은 색의 발현성이 좋아 소량의 이산화티탄을 사용하면서도 황토 고유의 기능성 및 다양한 황토 색상을 발현할 수 있어, 회색콘크리트에 대해 강도 저하가 적고 또한 친환경적인 느낌의 흙콘크리트 구조체 구현에 유리하다.

Description

흙콘크리트 조성물 및 이를 이용한 흙콘크리트 구조체{OCHER CLAY CONCRETE COMPOSITION AND OCHER CLAY CONCRERE STRUCTURE USING THEREOF}
본 발명은 흙콘크리트 및 이를 이용한 흙콘크리트 구조체 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 황토의 분산성을 높인 새로운 황토 흙콘크리트 조성물 및 이를 이용한 고강도의 황토 흙콘크리트 구조체 제조 방법에 관한 것이다.
흙콘크리트의 회색 외관을 개선하기 위해서, 제조 과정에서 안료를 사용하는 방안들이 사용되어 왔다. 안료의 사용은 콘크리트의 강도 특성을 저하시키는 문제가 있기 때문에, 칼라 콘크리트는 도로와 같은 바닥재 분야에 주로 사용되고 있다. 바닥재의 경우, 구조체에 비해서 요구되는 강도가 낮을 뿐만 아니라, 칼라 콘크리트를 도로의 표면에만 별도로 시공할 수 있어, 전체적인 강도를 유지하기도 용이하고, 안료의 사용에 따라 비용 문제가 적다.
고강도가 요구되는 구조체용 콘크리트의 칼라화를 위한 방안들도 개발되고 있다. 삼성 물산에 허여된 대한민국 특허 제588192호에서는 백색칼라의 콘크리트를 구현할 수 있게 되며 동시에 소요강도 및 내구성을 구비하여 설계자의 요구 또는 구조물의 특성에 부응하는 백색칼라 콘크리트 구조물을 완성할 수 있도록, 단위결합재량 320~500㎏/㎥, 단위수량 155~175㎏/㎥, 단위잔골재량 700~980㎏/㎥, 단위굵은골재량 900~1000㎏/㎥, 물-결합재의 중량비 35.0~50.0%, 잔골재율 45.0~50.0%로 하면서 결합재에 대하여 5~10 중량%의 산화티탄계 백색안료를 더 포함하여 배합되되, 상기 결합재는 백시멘트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색칼라 콘크리트 조성물을 개시하고 있다.
삼성물산은 또 다른 특허출원 공개 제2005-0098606호에서 물-시멘트의 중량비가 30.0~50.0%이고, 잔골재율이 40.0~50.0%이며, 무기계콘크리트 안료 혹은 산화철(Fe3O4)은 시멘트에 대하여 5~10 중량%이고, 카본 블랙(Carbon Black)은 시멘트에 대하여 0.3~2 중량%로 하여 배합되는 것을 특징으로 하는 흑색칼라 콘크리트 조성물을 개시하고 있다.
또한, 주식회사 삼표에 허용된 대한민국 특허 제686254호에서는 백색 시멘트 100 중량부에 대하여, 이산화티탄(TiO2)-메타카올린(metakaolin)계 백색 안료 2 내지 20 중량부를 포함하는 백색 칼라콘크리트 조성물을 개시하고 있다. 이 특허는 분산성이 우수한 이산화티탄-메타카올린계 백색 안료를 사용함에 따라 종래의 이산화티탄 안료에 비하여 적은 양(이산화티탄 기준)으로도 구조물 전반에 균일한 색상을 발현할 수 있을 뿐만 아니라, 콘크리트 구조물의 강도를 향상시킬 수 있음을 공개한다.
이러한 칼라 콘크리트 제조 방법은 강도의 유지를 위해서 특정 조성 범위를 사용하거나, 이산화티탄-메타카올린과 같은 별도의 안료를 제조해야 하는 문제가 있었다. 이에 따라, 보다 간편하게 사용할 수 있으며, 분산성이 좋은 새로운 칼라 콘크리트에 대한 요구가 계속되고 있다.
한편, 친환경적인 이미지 때문에 황토색 콘크리트에 대한 수요가 계속되고 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 황토 흙콘크리트 구조체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 황토 흙콘크리트 구조체 조성물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 황토색 발현성이 좋고, 강도가 높은 새로운 고강도 황토 흙콘크리트 구조체를 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 시멘트, 물 및 골재를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 시멘트 100 중량부에 대하여 이산화티탄 0.5~20중량부; 수분산 콜로이드 실리카, 황토안료, 실란 결합제 및 이온성 블록 공중합체 마이셀로 이루어진 0.5~5 중량부 발색제; 및 흄드 실리카 0.5~2 중량부를 포함하는 황토 흙콘크리트 조성물을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 이산화티탄은 황토 흙콘크리트에 사용되는 무기 안료로서 루틸(Rutile), 아나타제(Anatase) 및 브루카이트(Brookite) 결정계를 갖는 이산화티탄(Titanium dioxide, TiO2)이 주로 사용된다. 이산화티탄은 콘크리트의 색상과 시멘트에 포함되는 백시멘트의 함량에 따라 조절될 수 있으며, 시멘트 100 중량부에 대해서 0.5~20 중량부, 바람직하게는 1~10중량부, 보다 더 바람직하게는 2~5 중량부가 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 발색제는 수분산 콜로이드 실리카 30~80 중량%, 실란 결합제 5~40 중량%, 이온성 블록 공중합체 5~30 중량%, 황토 5~30 중량% 로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 수분산 콜로이드 실리카(colloid silica)는 실리카졸(silica sol)이라고도 불리우며, 일반적으로 입자 크기가 1-100nm이며, 침강이 일어나지 않고 용매에 안정적으로 분산한 입자가 콜로이드로 용질이 실리카인 것을 의미한다. 상기 수분산 콜로이드 실리카는 -SiOH 그룹과 -OH 이온이 입자표면에 존재하며, 알칼리 이온에 의해 이중전기층 구조를 가지며, 같은 음전하를 띤 입자들 사이의 반발력 때문에 안정된 상태를 이루게 된다. 콜로이드 실리카는 발색제와 시멘트의 상용성을 부여하는 발색제의 기재로 작용하며, 상기 콜로이드 실리카의 함량이 적을 경우 발색제의 분산성이 떨어지게 되며, 상기 콜로이드 실리카의 함량이 과다할 경우 발색제의 다른 성분들과의 상용성이 떨어지게 된다.
상기 콜로이드 실리카는 이한철 등의 J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 17, No. 4, August 2006, 386-390에서 공개된 방법으로 제조하는 것도 가능하며, 상업적으로 구입하여 사용하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 콜로이드 실리카는 (주)에스켐텍의 SS-SOL 30E, SS-SOL 30, SS-SOL 30F, SS-SOL 30FH, SS-SOL 30FH2, SS-SOL 3080, SS-SOL 40, SS-SOL 50H, SS-SOL 30A 등을 상업적으로 구입하여 사용할 수 있다. 상기 수분산 콜로이드 실리카는 제품 보관상의 안정을 위해 고형분의 함량이 50 중량% 이하의 제품을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 실란 결합제는 수분산 콜로이드 실리카와 황토 안료 사이의 상용화제로 작용한다. 상기 실란 결합제는 3-aminopropyltriethoxysilane (3-APTES), 3-mercaptopropyltrimethoxysilane(MPS),γ-glycidyloxypropyltrime thoxy silane(GOTMS) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 3-APTES이다. 상기 실란 결합제의 함량이 적을 경우 실리카와 황토 안료와의 상용성이 떨어지게 되며, 상기 실란 결합제의 함량이 과다할 경우 발색제의 다른 함량들이 지나치게 낮아지는 문제가 발생한다.
본 발명에 있어서, 상기 이온성 블록 공중합체 마이셀은 음전하를 띄는 마이셀이며, 바람직하게는 강한 이온성 블럭 공중합체이다. 상기 이온성 블록공중합체는 상기 실란 결합제와 함께 수분산 콜로이드 실리카와 황토 안료 사이의 상용화제로 작용하여, 황토 안료의 분산성을 높여주게 된다. 상기 이온성 블록 공중합체의 양이 적을 경우 상용성이 저하될 수 있으며, 상기 이온성 블록 공중합체의 양이 지나치게 많을 경우 발색제의 다른 함량들이 지나치게 낮아지는 문제가 발생한다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 이온성 블럭 공중합체는 이온성 스티렌계 블럭을 포함하며, 예를 들어, 스티렌의 적어도 일부, 바람직하게는 30~80 % 정도가 술폰화된 폴리스티렌설포네이트 블럭을 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 이온성 블록 공중합체는 폴리(스티렌설포네이트-b-메틸부틸렌)이다.
본 발명에 있어서, 상기 황토 안료는 황토를 포함하는 안료로서, 바람직하게는 황토를 50 중량% 이상, 더 바람직하게는 70 중량% 이상, 보다 더 바람직하게는 80 중량% 이상, 가장 바람직하게는 90 중량% 이상 포함한다. 상기 황토 안료는 황토와 함께 아조계, 프탈로시안계, 축합다환계 유기안료를 사용할 수 있으며, 발현시키고자 하는 콘크리트 황토 색상에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 상기 황토안료의 함량이 지나치게 적을 경우 발색제의 색상 발현성이 떨어지게 되며, 상기 황토 안료의 함량이 지나치게 많을 경우, 색상 발현성의 증가 없이 안료의 사용량만 늘어나게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 흄드실리카는 황토 안료의 사용에 따른 구조체 강도 저하를 방지하기 위해서 사용된다. 상기 흄드 실리카는 상업적으로 구입하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 물에 분산될 수 있도록 친수성 흄드실리카를 사용하는 것이 좋다. 상기 흄드 실리카의 함량이 적을 경우 황토 안료 사용에 따른 강도저하가 발생할 수 있으며, 상기 흄드 실리카의 함량이 많을 경우에도 과다한 흄드 실리카 사용에 의한 강도저하가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 황토색 흙콘크리트 조성물은 시멘트, 물, 골재, 이산화티탄 및 발색제를 포함하는 것으로서, 상기 이산화티탄과 발색제를 제외한 성분들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 성분 중에서 선택하여 사용할 수 있으며, 성분비 또한 특별히 제한되지 않는다.
예를 들면, 본 발명에 따른 황토 흙콘크리트 조성물은 바람직한 황토색 칼라 및 구조물 강도를 얻기 위하여 시멘트 결합재(binder) 100 중량부에 대하여, 물(water) 20 내지 55 중량부; 5mm 체에서 중량비로 85% 이상 통과하는 잔 골재 150 내지 400 중량부; 5mm 체에서 중량비로 85% 이상 남는 굵은 골재 150 내지 400 중량부를 포함하는 것이 바람직한다.
상기 시멘트 결합재(binder)는 물과의 수화반응을 통해 콘크리트 구조물의 강도를 발현시키는 성분으로서, 백색 시멘트, 1종 보통 포틀랜드 시멘트 등의 시멘트(cement) 및 고로 슬래그 미분말, 석회석 미분말, 메타카올린 등의 시멘트계 재료(cementitious materials)를 사용할 수 있다. 상기 백색 시멘트는 백색의 수경성 백색 포틀랜드 시멘트로서, 콘크리트 구조물의 강도를 발현함과 동시에 콘크리트 조성물에 색상을 표현하기 위해 사용되는 성분이다.
상기 시멘트계 재료(cementitious materials)는 콘크리트 조성물의 물성에 영향을 주지 않는 함량 범위 내에서 추가성분으로 사용할 수 있으며, 바람직하게는 상기 백색 시멘트 100 중량부에 대하여, 각각 고로 슬래그 미분말 0.001 내지 60 중량부; 석회석 미분말 0.001 내지 30 중량부; 메타카올린 0.001 내지 25 중량부로 포함될 수 있다. 상기 고로 슬래그 미분말, 석회석 미분말 및 메타카올린은 초기 수화온도의 저감 및 장기 강도의 증진 등 콘크리트 조성물의 물성을 개선하기 위해 사용할 수 있는 성분으로서, 백색 시멘트의 대체재로도 사용할 수 있다.
또한, 상기 물(water)은 특별히 제한되는 것은 아니지만 백색도 및 강도에 영향을 줄 수 있는 성분이 포함되어 있지 않은 상수도수 또는 지하수를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 잔 골재는 상기 조건에 맞는 천연 모래 또는 부순 모래를 사용할 수 있으며, 굵은 골재는 상기 조건에 맞는 천연 자갈 또는 부순 자갈을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 황토 흙콘크리트 조성물은 상기 성분들 이외에 감수제(Water Reducing agent) 및 공기연행제(AirEntraining agent) 등의 혼화제를 더욱 포함할 수 있으며, 그 함량은 상기 결합재(binder) 100 중량부에 대하여 0.0015 내지 5 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 혼화제 중에서, 상기 감수제는 콘크리트의 슬럼프 품질 기준에 맞도록 나프탈렌계 또는 폴리카르본산계인 것을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용할 수 있으며, 상기 공기 연행제는 콘크리트 조성물내의 공기량을 증가시키는 성분이다.
본 발명에 따라서 다양한 색감의 황토 흙콘크리트를 제조할 수 있는 방법이 제공되었다. 본 발명에 따른 제조 방법은 색의 발현성이 좋아 소량의 이산화티탄을 사용하면서도 다양한 색상을 발현할 수 있어, 회색 콘크리트에 대해 강도 저하가 적고 또한 황토 고유의 기능성 발현에 유리하다.
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 비록 상세하게 기재되어 있다 할지라도 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니며, 단지 예시하기 위한 것임을 이해해야 한다.
실시예
이온성 블록 공중합체의 제조
S18MB25(50)의 합성.
S18MB25 블럭 공중합체는 poly(styrenesulfonate-b-methylbutylene) (PSS-b-PMB) 공중합체로서, 스티렌(S)과 이소프렌(I) 단량체를 양이온 공중합에 의해서 합성하고, 이소프렌을 선택적으로 수소화하여 메틸부틸렌(MB)사슬을 형성하였다. 정수값은 S 와 MB 유닛의 각각의 중합도를 나타낸다. 용매는 사이클로 핵산을 사용하였다. (50)은 styrene이 50% 술폰화 된 상태를 나타낸다.
sec-부틸 리튬을 개시제로 사용하여, 스티렌이 4h 동안 45 ℃에서 중합되고, 이소프렌의 부가와 중합이 동일 온도에서 4시간 동안 이루어졌다. SI 공중합체의 포화는 호모지니어스 Ni-Al 촉매로 진행되었으며, a 2L Parr 회분식 반응기로 80 ℃ 및 420 psi 압력에서 진행되었다. Ni-Al 촉매를 사용하였으며, 반응 후 10 % 시트릭산 수용액으로 처리하여 제거하였다. S18MB25 copolymer의 수평균 분자량은 1.8-b-1.8 kg/mol이며, 두 폴리머의 분산도는 1.03이하였다. S18MB25 공중합체의 스티렌 체인은 다음 절차를 통해서 부분적으로 설폰화되었다.
40 mL 의 1, 2-dichloroethane과 1g의 S18MB25 가 100 mL 3구 플라스크에 투입되고, 40 ℃까지 가열되어 N2 분위기 하에서 공중합체가 용해될 때까지 교반되었다. 아세틱 설페이트가 1.8 mL 의 아세틱 엔하이드라이드와 5.4 mL 의 디클로로에탄을 밀봉된 N2 퍼징된 둥근 바닥 플라스크에 투입하여 제조되었다. 용액은 0℃ 로 냉각되고, 0.5 mL 의 96% sulfuric acid가 플라스크에 주입되었다. 아세틱 설페이트는 즉시 40 ℃의 S18MB25 / 디클로로메탄 혼합물 플라스크로 투입되었다. 반응은 20 의 2-프로판올로 종결되었다. 상이한 설폰화도(SL)를 가지는 샘플들이 반응시간을 조절하여 얻어졌으며, SL = 50 mol.% 는 5시간 반응으로 얻어졌다. 폴리머는 정제되고, 진공 건조되어 회수되었다. S18MB25(50) 코폴리머의 수평균 분자량은 2.6-b-1.8 kg/mol이었다.
시멘트 배합 원료
콜로이드실리카로는 (주)에스켐텍의 SS-SOL 30E를 사용하였으며, S18MB25 (50)는 상기 제조된 것을 사용하였다. 안료는 황토를 사용하였으며 실란결합제를 3-aminopropyltriethoxysilane(3-APTES) 사용하였으며, 흄드실리카는 기수산업의 실리카(코나실 K-200), 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트와 백시멘트를 혼합하여 사용하였으며, 골재로는 모래와 자갈을 사용하였다.
실시예 1
물 150 중량부, 보통 포트랜드시멘트 230 중량부, 백시멘트 230 중량부, 모래 770 중량부, 자갈 1052 중량부, 및 혼화제 5.52 중량부 배합하고, 여기에 이산화티탄 10 중량부, 콜로이드실리카 4 중량부, 황토 2 중량부, 실란 결합제 2 중량부, 이온성 블록 공중합체 2 중량부, 및 흄드실리카 1 중량부를 배합하고, 이를 고화시켜 황토색 칼라콘크리트를 제조하였다. 강도를 측정하여 표 1에 나타내었다.
실시예 2
물 150 중량부, 보통 포트랜드시멘트 230 중량부, 백시멘트 230 중량부, 모래 770 중량부, 자갈 1052 중량부, 및 혼화제 5.52 중량부 배합하고, 여기에 이산화티탄 10 중량부, 콜로이드 실리카 10 중량부, 황토 1.5 중량부 및 적색 안료 0.5 중량부, 실란 결합제 3 중량부, 이온성 블록 공중합체 3 중량부, 및 흄드실리카 1 중량부를 배합하고, 이를 고화시켜 짙은 황토색 칼라콘크리트를 제조하였다. 강도를 측정하여 표 1에 나타내었다.
실시예 3
물 150 중량부, 백시멘트 460 중량부, 모래 770 중량부, 자갈 1052 중량부, 및 혼화제 5.52 중량부 배합하고, 여기에 이산화티탄 10 중량부, 콜로이드 실리카 10 중량부, 적색 안료 0.5 중량부 및 황토 0.5 중량부, 실란 결합제 3 중량부, 이온성 블록 공중합체 3 중량부, 및 흄드실리카 1 중량부를 배합하고, 이를 고화시켜 옅은 황토색 칼라콘크리트를 제조하였다. 강도를 측정하여 표 1에 나타내었다.
실시예 4
물 150 중량부, 보통 포트랜드시멘트 230 중량부, 백시멘트 230 중량부, 모래 770 중량부, 자갈 1052 중량부, 및 혼화제 5.52 중량부 배합하고, 여기에 이산화티탄 20 중량부, 콜로이드실리카 8 중량부, 황토 2 중량부, 실란 결합제 3 중량부, 이온성 블록 공중합체 4 중량부, 및 흄드실리카 1 중량부를 배합하고, 이를 고화시켜 옅은 황토색의 칼라콘크리트가 제조되었다. 강도를 측정하여 표 1에 나타내었다.
비교 실시예 1
물 150 중량부, 백시멘트 460 중량부, 모래 770 중량부, 자갈 1052 중량부, 및 혼화제 5.52 중량부 배합하고, 여기에 이산화티탄 20 중량부를 고화시켜 회색 빛이 감도는 백색 칼라콘크리트가 제조되었다. 강도를 측정하여 표 1에 나타내었다.
비교 실시예 2
물 150 중량부, 보통 포트랜드시멘트 230 중량부, 백시멘트 230 중량부, 모래 770 중량부, 자갈 1052 중량부, 및 혼화제 5.52 중량부 배합하고, 여기에 이산화티탄 10 중량부, 콜로이드실리카 4 중량부, 황토 2 중량부, 실란 결합제 2 중량부, 및 이온성 블록 공중합체 2 중량부를 배합하고, 이를 고화시켜 황토색 칼라콘크리트를 제조하였다. 강도를 측정하여 표 1에 나타내었다.
비고 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
압축강도 500 515 505 520 480 490
압축강도(kgf/㎠)의 기준치는 28일 강도 기준으로 평가하였으며, 본 발명에 따른 각 실시예에 따라 제조된 황토 흙콘크리트의 평균 압축강도를 계산하기 위해, 각 실시예에 따라 제조된 칼라 콘크리트 샘플을 6개를 선정하여 측정된 압축강도의 평균치를 측정하였다.

Claims (7)

  1. 시멘트, 물 및 골재를 포함하는 황토 흙 콘크리트 조성물에서, 시멘트 100 중량부에 대해서
    이산화티탄 0.5~20 중량부;
    수분산 콜로이드 실리카 30~80 중량%, 황토안료 5~30 중량%, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-머켑토프로필트리메톡시실란, γ-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란으로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 실란 결합체 5~40 중량% 및 폴리스티렌-b-폴리메틸부틸렌 블록 공중합체를 술폰화한 이온성 블록 공중합체 5~30 중량%로 이루어진 발색제 0.5~5 중량부; 및
    흄드실리카 0.5~2 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 황토흙콘크리트 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 이온성 블록공중합체는 스티렌 블록의 술폰화도가 50%인 것을 특징으로 하는 황토 흙콘크리트 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 안료는 아조계, 프탈로시안계, 축합다환계 유기안료 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 황토 흙콘크리트 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 흄드실리카는 친수성 흄드실리카인 것을 특징으로 하는 황토 흙콘크리트 조성물.
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