KR101302478B1 - 광물계 액상 급결제 및 이의 제조방법 - Google Patents

광물계 액상 급결제 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액상 콘크리트 급결제에 있어서, 4∼6wt% 수산화알루미늄(Al(OH)3), 2∼4wt% 칼슘 설포 알루미네이트, 0.2∼0.9wt% 인산류, 8∼10wt% 불화수소산(HF), 47∼50wt% 황산알루미늄(Al2(SO4)3), 0.5∼0.8wt% 소듐류(Sodium), 0.4∼0.6wt% 아민류, 1.0∼2.5wt% 마그네슘류, 및 28∼32wt% 물을 포함하는 광물계 액상 급결제에 관한 것이다.

Description

광물계 액상 급결제 및 이의 제조방법{MINERAL BASED LIQUID QUICK SETTING AGENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 콘크리트 타설을 위한 속성경화 작업인 숏크리트(shotcrete)용 급결제에 관한 것으로서, 특히 광물계 액상 급결제 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 콘크리트 속성경화 작업인 숏크리트용 급결제는 시멘트의 알루미나(Al2O3)와 황산이온(SO4 2-)의 함량을 증가시켜 기존의 콘크리트보다 뛰어난 급결성과 고강도성을 갖는 콘크리트를 만들기 위한 첨가제를 말한다. 이때, 콘크리트에 포함된 알루미나(Al2O3) 함량이 많아지면 급결성이 좋아지고, 황산이온(SO4 2 -) 함량이 많아지면 고강도성이 나타나는 특성이 있다.
이러한 종래의 숏크리트용 급결제는 알루미나(Al2O3)의 함량이 11wt%, 황산이온(SO4 2 -)의 함량은 19wt%를 함유하는 것이 일반적이다. 왜냐하면, 현재의 기술력으로는 급결제에 포함된 알루미나(Al2O3)와 황산이온(SO4 2-)의 유효함량을 높이기 위해 광물질 원료를 과포화 상태로 용해시키면, 급결제가 상온에서 고체로 변하거나 층분리 또는 침전이 발생하여 사용이 불가능하게 되기 때문이다. 게다가, 안정화 상태로 급결제를 제조하더라도 광물질인 수산화알루미늄 함량을 12wt%이상 올리는 것은 현재까지 한계이다.
한편, 종래의 무기염계 급결제는 급결성이 우수하나 강알칼리 물성으로 환경오염이 유발되며 알카리골재 반응에 의한 내구성 저하가 발생된다. 그리고, 장기(28일) 압축강도 저하 비율이 20 내지 40%로 다소 높다.
또한, 종래의 물유리계 급결제는 비용이 저렴하나 급결력이 약하고 침출수 유출에 의한 환경오염이 유발되며 시멘트 대비 사용량이 과도할 뿐만 아니라 알카리골재 반응에 의한 내구성 저하가 발생된다. 그리고, 장기(28일) 압축강도 저하 비율이 30 내지 60%로 매우 높다.
또한, 종래의 알루민산소다계 급결제는 장기강도는 물유리계 급결제보다 다소 우수하나 무기염계 급결제와 같이 강알칼리 물성으로 환경오염이 유발되며 알카리골재 반응에 의한 내구성 저하가 발생된다. 그리고, 장기(28일) 압축강도 저하 비율이 20 내지 40%로 다소 높다.
또한, 종래의 알카리프리계 급결제는 전술된 세가지 종류의 급결제에 비하여 환경오염 유발이 감소되고 알카리골재 반응이 방지될 뿐만 아니라 장기(28일) 압축강도 저하 비율이 10% 내외로 매우 낮은 편이나, 누수구간 급결력이 다소 낮아지는 문제점이 있다.
이외, 종래의 광물계 분말형 급결제는 전술된 알카리프리계 급결제에 비해 상대적으로 전반적 성능이나 품질이 우수하며, 특히 액상형 알카리프리 급결제에 비해 초기 급결력이 우수한 특성이 있다. 그러나, 액상형 알카리프리 급결제에 비해 장기(28일) 압축강도 저하 비율이 높다는 점, 저장성이 낮다는 점, 시공 장비의 막힘현상이 발생된다는 점, 알카리 함유량이 14wt%이상 함유되어 강알카리성 물질이라는 점, 종래의 액상형 급결제 타설장비 대신 별도의 타설 전용장비가 필요하다는 점 등의 문제점 또는 한계점이 있다.
뿐만 아니라 광물계 분말형 급결제를 이용한 숏크리트 타설시 시야 확보가 어렵고 작업자의 건강에 유해하며 동절기에는 외부 노출로 인한 온도 저하로 급결력 저하가 우려되고 습기에 반응하여 취급에 주의를 기울려야 하는 단점이 있다. 그리고, 이러한 강알칼리성 급결제는 작업자의 화상을 입히고 환경오염의 원인이 되고 있으며 작업 후 침출수에 유출되는 등 환경에도 악영향을 미치고 있다.
따라서, 초기 급결력을 증가시키면서도 장기적인 내구성이 우수하며 별도의 장비 없이도 시공 가능한 급결제의 제조기술이 요구되는 실정이다.
관련된 선행기술로는 한국등록특허 제10-0858858호(등록일; 2008.9.10, 명칭; 분사용 급결제, 분사 재료, 및 이것을 사용한 분사 공법)가 있다.
본 발명은 시멘트 광물질 원료를 알카리프리계 급결제와 접목하여 안정성과 급결력을 높임으로써 숏크리트용 급결제의 성능이 개선됨과 동시에, 사용성 및 인체유해성이 개선된 광물계 액상 급결제 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 종래보다 숏크리트용 급결제의 생산량을 증대시켜, 대량생산이 가능한 광물계 액상 급결제 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 실시예와 관련된 광물계 액상 급결제는, 액상 콘크리트 급결제에 있어서, 4∼6wt% 수산화알루미늄(Al(OH)3), 2∼4wt% 칼슘 설포 알루미네이트, 0.2∼0.9wt% 인산류, 8∼10wt% 불화수소산(HF), 47∼50wt% 황산알루미늄(Al2(SO4)3), 0.5∼0.8wt% 소듐류(Sodium), 0.4∼0.6wt% 아민류, 1.0∼2.5wt% 마그네슘류, 및 28∼32wt% 물을 포함할 수 있다.
구체적으로는, 상기 인산류는 아인산(phosphorous acid), 메타인산(metaphosphoric acid), 피로인산(pyrophosphoric acid), 및 사인산(tetra-phosphate) 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 아민류는 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 메틸에탄올아민, 에틸에탄올아민, 및 모노에탄올아민 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 소듐류는 가성소다(NaOH), 규산소다(Na2SiO3), 및 황산소다(Na2SO4) 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 마그네슘류는 산화마그네슘, 탄산마그네슘, 황산마그네슘, 수산화마그네슘, 및 과산화마그네슘 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
또한, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 실시예와 관련된 광물계 액상 급결제의 제조방법은, 액상 콘크리트 급결제의 제조에 있어서, 칼슘 설포 알루미네이트와 수산화알루미늄 및 인산류를 물과 혼합시켜 혼합물을 만드는 단계(S1), 상기 혼합물을 불화수소산에 용해시키는 단계(S2), 상기 단계(S2)에서 얻어진 용액에 황산알루미늄을 용해시켜 칼슘 설포 알루미네이트 및 수산화알루미늄과 황산알루미늄의 혼합용액을 제조하는 단계(S3), 상기 혼합용액에 pH조절제을 첨가하여 상기 혼합용액의 pH를 조절하는 단계(S4), 및 상기 단계(S4) 이후에, 상기 혼합용액에 안정제를 투입시켜 상기 혼합용액을 안정화시키는 단계(S5)를 포함할 수 있다.
구체적으로는, 상기 광물계 액상 급결제의 제조방법은, 상기 단계(S1) 내지 단계(S5) 중, 적어도 2가지의 단계가 동시에 시행될 수 있다.
상기 인산류는 아인산(phosphorous acid), 메타인산(metaphosphoric acid), 피로인산(pyrophosphoric acid), 및 사인산(tetra-phosphate) 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 단계(S1)는 100℃ 이상의 온도에서 적어도 1시간 이상의 교반이 실시되어 이루어질 수 있다.
상기 단계(S3)는 65℃∼135℃ 사이의 온도에서 적어도 20분 이상의 교반이 실시되어 이루어질 수 있다.
상기 pH조절제은 가성소다(NaOH), 규산소다(Na2SiO3), 및 황산소다(Na2SO4) 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 혼합용액의 pH는 2.5 내지 3.0 사이의 값으로 조절될 수 있다.
상기 안정제는 응고 반응의 안정성을 증가시키기 위하여 첨가되는 반응안정제로서 아민류로 이루어질 수 있다.
상기 아민류는 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 메틸에탄올아민, 에틸에탄올아민, 및 모노에탄올아민 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 안정제는 상기 혼합용액의 안정성을 확보하기 위하여 첨가되는 과포화액상 안정제로서 마그네슘류로 이루어질 수 있다.
상기 마그네슘류는 산화마그네슘, 탄산마그네슘, 황산마그네슘, 수산화마그네슘, 및 과산화마그네슘 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 광물계 액상 급결제는 종래의 급결제에 비하여 급결력이 상승되어 리바운량을 20~10%로 감소시킬 수 있으며, 이로 인하여 폐기물발생량을 저감시키고 공사 기간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 광물계 액상 급결제는 시멘트 수화반응에 영향을 주지 않으면서 콘크리트 수화반응 억제 방지 효과가 있다. 따라서 이로 인하여 콘크리트의 장기강도 저하 방지가 가능하고 시공된 콘크리트의 내구성을 증진시켜 시공 품질이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 광물계 액상 급결제는 액상형태로 제조되어, 저장성 및 이송이 용이하며 분진발생량을 저감시켜 작업성을 증대시키면서도 인체유해성을 감소시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 광물계 액상 급결제의 제조방법은 종래보다 숏크리트용 급결제의 생산량을 증대시켜, 대량생산이 가능하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 광물계 액상 급결제를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이고,
도 2는 도 1과 같이 제조된 광물계 액상 급결제와 종래의 급결제의 시간에 따른 관입저항값을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
종래의 급결제 중에서는 성능 및 품질 면에서는 광물계 분말형 급결제가 우수하고, 사용성 및 내구성 면에서는 알카리프리계 급결제가 우수하다고 평가되고 있다.
그러나, 종래의 광물계 분말형 급결제는 내구성, 저장성, 사용성이 다소 떨어지며 강알칼리물질로서 환경오염 우려가 있다는 점 등의 한계점이 있고, 종래의 알카리프리계 급결제는 누수구간 급결력이 다소 낮아지는 문제점이 있다. 따라서, 초기 급결력을 증가시키면서도 장기적인 내구성이 우수하며 별도의 장비 없이도 시공 가능한 급결제의 제조기술이 요구되는 실정이다.
본 명세서에서는 광물계 분말 급결제의 장점과 기존 알카리프리계 급결제의 장점을 통합한 기술로, 초기 급결력이 좋고 내구성, 저장성, 사용성이 개선된 광물계 액상 급결제 및 이의 제조방법을 개시하고자 한다.
도 1은 본 발명의 광물계 액상 급결제의 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 광물계 액상 급결제는 칼슘 설포 알루미네이트와 수산화알루미늄 및 인산류를 물과 혼합시켜 혼합물을 만드는 단계(S1), 혼합물을 불화수소산에 용해시키는 단계(S2), 황산알루미늄을 용해시키는 단계(S3), pH를 조절하는 단계(S4) 및 안정제를 첨가시키는 단계(S5)을 포함하여 제조된다.
칼슘 설포 알루미네이트와 수산화알루미늄 및 인산류를 물과 혼합시키는 단계(S1)
먼저 칼슘 설포 알루미네이트와 수산화알루미늄 및 인산류를 물에 혼합시켜 준비한다. 이때, 각각의 물질의 혼합은 별도로 준비된 제1 반응기에서 이루어지는 것이 특징이다. 여기서 제1 반응기는 교반이 용이한 반죽기 또는 죽통일 수 있다.
그리고, 단계(S1)에서는 균일한 혼합 및 원활한 용해를 위하여 기계적 교반이 실시될 수 있다.
이와 같이 혼합되는 칼슘 설포 알루미네이트는 시멘트 광물계로서, 알루미나(Al2O3)와 황산이온(SO4 2-)을 모두 포함하고 있어 급결제로 사용 시 급결력과 고강도성을 매우 증대시키는 효과가 있다. 그리고, 이때 혼합되는 수산화알루미늄은 급결력의 유효성분인 알루미나를 함유하고 있어 급결제의 응결 및 경화 정도에 관여하는 성분이다. 특히 알루미나 성분은 급결제의 초기 응결력에 큰 영향을 준다. 따라서, 광물계 액상 급결제의 제조에 있어서 칼슘 설포 알루미네이트와 수산화알루미늄은 주요 성분이라 할 수 있다.
이외, 인산류는 계면활성 작용을 하여 상태 안정화에 기여하므로 광물계 액상 급결제가 제조된 이후 장기간 보관하면서 사용 가능하도록 안정성 및 저장수명을 확보시켜 준다. 또한, 인산류는 수산화알루미늄의 용해도가 증가되도록 돕는다. 이때, 인산류의 첨가는 소량의 첨가만으로도 큰 효과를 나타내는 특징이 있으며, 혼합되는 인산류는 아인산(phosphorous acid), 메타인산(metaphosphoric acid), 피로인산(pyrophosphoric acid), 사인산(tetra-phosphate) 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 혼합될 수 있다. 그리고, 인산류의 혼합으로 인한 pH 저하를 보완하기 위하여 소듐류를 더 첨가하여 적정 pH 수준을 유지하게 할 수 있다.
그러나, 단 인산류를 적정량 이상으로 과도하게 사용시 pH가 낮아져 이를 보완하기 위하여 소듐류, 즉 나트륨 이온(Na+)의 함량을 늘릴 수밖에 없는 상황이 발생 될 수 있다.
혼합물을 불화수소산에 용해시키는 단계(S2)
다음으로, 제조된 혼합물을 제2 반응기로 이송시키고, 이송된 혼합물에 물과 불화수소산(HF)을 첨가하여 먼저 첨가된 칼슘 설포 알루미네이트 및 수산화알루미늄을 용해시킨다. 여기서, 제2 반응기는 혼합 물질 사이의 반응에 의한 온도 및 압력에 내구성이 있는 재질로 이루어진 반응탱크 등이 바람직하다.
그리고, 단계(S2)에서는 균일한 혼합 및 원활한 용해를 위하여 기계적 교반이 실시될 수 있다.
이때, 물이 함께 첨가되는 것은 물이 불화수소산과 반응을 일으키면서 자체 발열이 유도되기 때문이다. 이렇게 발생 된 열은 단계(S2)의 제2 반응기를 일정 온도 이상(약 100℃이상)으로 유지하여 용해 반응을 활성화한다.
이때 첨가되는 불화수소산(HF)은 수산화알루미늄을 용해시키기 위한 용매역할을 한다. 왜냐하면, 수산화알루미늄은 강알칼리이므로 강산은 불화수소산(HF; 이하 '불산'이라고도 함)과 가장 잘 반응하기 때문이다. 단, 불산이 적정수준보다 과량 첨가되면 폭발의 위험이 있고, 소량 첨가되는 경우 수산화알루미늄과 반응이 일어나지 않아 용해가 이루어지지 않을 수도 있어 적절한 양의 조절이 요구된다. 한현, 수산화알루미늄의 용해(단계(S2)) 시, 수산화 알루미늄이 완전히 용해되지 않으면 pH가 떨어지고 제조된 급결제의 안정성이 떨어진다.
그리고, 불화수소산 첨가 시에는 황산(H2SO4)을 더 첨가하여 칼슘 설포 알루미네이트 및 수산화알루미늄의 용해도를 더 높일 수도 있다. 그러나, 과량 첨가시 강산성 물질로서 장비를 부식시키거나 제조자에게 유해한 단점이 발생되므로 적절한 양이 첨가되도록 조절되어야 한다.
한편, 단계(S2)의 반응은 온도가 100℃ 이상으로 유지된 상태에서 진행되는 특징이 있다. 이렇게 반응온도가 100℃ 이상으로 유지되면, 물과 혼합된 칼슘 설포 알루미네이트 및 수산화알루미늄이 불화수소산 또는 황산에 용해되는 반응이 촉진된다.
또한, 단계(S2)의 마지막 과정으로 이와 같이 제조된 칼슘 설포 알루미네이트 및 수산화알루미늄 용액의 투명도를 확인하여 혼합된 칼슘 설포 알루미네이트 및 수산화알루미늄의 용해가 완료되었는지 확인할 수 있다. 즉, 용액 내부에 이물질이 없이 투명한 상태를 확인함으로써 용해가 완료된 것으로 판단하게 되는 것이다.
황산알루미늄을 용해시키는 단계(S3)
이후, 단계(S2)을 통하여 제조된 칼슘 설포 알루미네이트 및 수산화알루미늄 용액에 황산알루미늄(Al2(SO4)3)을 더 혼합시켜 용해시킨다. 구체적으로 우선 제조된 수산화알루미늄 용액에 소량의 물을 첨가하여 혼합용액의 농도를 조절한 이후 황산알루미늄을 첨가하여 용해시킨다.
그리고, 이러한 단계(S3)의 반응을 더욱 원활하게 하기 위하여 약 20분 이상의 기계적 교반이 실시될 수 있음은 물론이다.
이때, 물이 함께 첨가되는 것은 전 공정인 단계(S2)에서 발열반응에 의하여 상승된 온도를 저하시켜 반응을 안정화시키기 위한 것이다. 그리고, 이때 혼합되는 황산알루미늄(Al2(SO4)3)은 급결력의 유효성분인 알루미나(Al2O3)와 고강도성의 유효성분인 황산이온(SO4 2-)을 모두 함유하고 있다. 따라서, 황산알루미늄은 시멘트의 알민산3석회(C3A; 3CaO·Al2O3)와 반응하여 에트린가이트(3CaO·Al2O3·CaSO4·32H2O)를 초기에 다량 생성시켜 콘크리트의 응결속도 및 조기강도를 증진시킨다.
한편, 단계(S3)의 반응은 온도가 65~135℃ 사이로 유지된 상태에서 적어도 20분 동안 진행되는 특징이 있다. 이렇게 반응온도가 65~135℃ 사이로 유지되면, 황산알루미늄이 칼슘 설포 알루미네이트 및 수산화알루미늄 용액에 용해되어 혼합용액이 되는 반응이 원활하게 된다.
또한, 단계(S3)의 마지막 과정으로 이와 같이 제조된 혼합용액의 투명도를 확인하여 혼합된 황산알루미늄의 용해가 완료되었는지 확인할 수 있다. 즉, 용액 내부에 이물질이 없이 투명한 상태를 확인함으로써 용해가 완료된 것으로 판단하게 되는 것이다.
pH를 조절하는 단계(S4)
이후, 단계(S3)를 통하여 제조된 혼합용액의 pH를 적정수준으로 조절한다.
구체적으로, 우선 제조된 혼합용액을 제3 반응기로 이송시키고, 이송된 혼합용액에 pH조절제를 첨가 혼합하여 혼합용액의 pH를 조절한다. 여기서, 제3 반응기는 단계(S3)에서의 제2 반응기와 별도로 구비된 것이다.
이때 pH조절제는 혼합용액의 pH를 상승시켜 2.5 내지 3.0 사이의 값으로 조정한다. 이러한 pH 조절 시에는 약 20분 이상의 교반을 실시하여 원활한 반응을 돕는다. 한편, 이러한 pH조절제는 가성소다(NaOH), 규산소다(Na2SiO3), 황산소다(Na2SO4) 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
안정제를 첨가시키는 단계(S5)
마지막으로, 혼합용액의 pH가 적정수준으로 조절되면, 혼합용액에 광물계 액상 급결제의 안정성을 확보하기 위하여 반응안정제 및 과포화액상 안정제를 첨가 혼합한다.
반응안정제는 pH조절을 돕고 응고 반응의 안정성을 확보하게 되는데, 이러한 반응안정제의 첨가시에는 약 30분 이상의 반응 시간을 확보하는 것이 좋고, 이와 같이 반응안정제의 첨가에 의한 반응이 일어나는 동안 교반을 실시하여 원활한 반응을 돕는다.
한편, 이러한 반응안정제는 아민류가 사용될 수 있다. 왜냐하면, 아민류는 시멘트의 규산3석회(C3S) 및 규산2석회(C2S)의 수화반응을 가속하여 응결속도를 증진시키고 응고시간을 단축시키는 특징이 있어, 광물계 액상 급결제의 안정성을 확보하여 주기 때문이다. 특히, 이러한 아민류는 초기 콘크리트의 급결 효과를 높이는 특징이 있다. 한편, 이러한 아민류의 구체적인 예로는 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 메틸에탄올아민, 에틸에탄올아민, 및 모노에탄올아민 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
또한 혼합용액에 첨가되는 과포화액상 안정제는 전술된 단계(S1) 내지 단계(S3)를 통하여 칼슘 설포 알루미네이트, 수산화알루미늄, 및 황산알루미늄이 과포화상태로 용해된 혼합용액의 안정성을 확보하기 위하여 첨가되는 것이다. 이러한 과포화액상 안정제는 균일한 혼합을 위하여 별도의 용기에서 물과 혼합시킨 이후에 혼합용액에 첨가 혼합시킬 수 있다. 또한, 이러한 과포화액상 안정제의 첨가에 의한 반응 시간 동안 교반을 실시하여 원활한 반응을 돕는다.
한편, 이러한 과포화액상 안정제는 마그네슘류가 사용될 수 있다. 이와 같은 마그네슘류의 첨가에 의하여 상기 혼합용액의 안정성이 확보된다. 한편, 이러한 마그네슘류의 구체적인 예로는 산화마그네슘, 탄산마그네슘, 황산마그네슘, 수산화마그네슘, 및 과산화마그네슘 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
전술된 광물계 액상 급결제의 제조방법에서는 제1, 2, 및 3 반응기를 구분하여 각각의 공정을 진행하는 것이 특징이다. 구체적으로는, 단계(S1)은 제1 반응기에서 진행되고, 단계(S2)과 단계(S3)은 제2 반응기에서 진행되며, 단계(S4)과 단계(S5)은 제3 반응기에서 진행된다.
이와 같이 순서에 따라 반응기를 각각 구분하는 것은 각각의 공정 단계의 특징에 따라 최적화된 반응기를 사용할 수 있게 하면서도, 각각의 반응기에서 각 단계별 반응이 일어나도록 구분하여 혼합물의 이송이나 반응을 위하여 대기하는 시간을 최소화하고 각각의 반응기를 동시에 활용할 수 있도록 하기 위함이다.
이렇게 각각의 반응기를 동시에 활용할 수 있도록 하는 일례로, 제2 반응기에서 단계(S3)이 완료된 이후 혼합용액이 제3 반응기로 이송되어 단계(S4)과 단계(S5)이 진행되는 동안, 제1 반응기에서 단계(S1)을 동시에 진행할 수 있다.
이로써, 본 발명의 광물계 액상 급결제의 생산량이 극대화되고, 제품 생산이 완료된 이후에 가열이 가능한 교반 탱크를 추가로 설치하여 고온에서 교반의 실시와 함께 숙성반응을 진행하여 발명품의 안정성을 더욱 높일 수도 있게 된다.
이와 같은 방법에 의하여 제조된 본 발명의 광물계 액상 급결제는, 4∼6wt% 수산화알루미늄(Al(OH)3), 2∼4wt% 칼슘 설포 알루미네이트, 0.2∼0.9wt% 인산류, 8∼10wt% 불화수소산(HF), 47∼50wt% 황산알루미늄(Al2(SO4)3), 0.5∼0.8wt% 소듐류(Sodium), 0.4∼0.6wt% 아민류, 1.0∼2.5wt% 마그네슘류, 및 28∼32wt% 물이 포함된다.
구체적으로 본 발명의 광물계 액상 급결제에는 4∼6wt% 수산화알루미늄이 포함된다. 이때 수산화알루미늄이 4wt% 미만 첨가되면 급결력의 확보가 미미할 수 있고, 수산화알루미늄이 6wt% 초과 첨가되면 응결속도 및 강도가 저하되는 등의 급결제로서의 물성이 저하되고 불안정하여 침전물이 생성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 광물계 액상 급결제에는 2∼4wt% 칼슘 설포 알루미네이트가 포함된다. 이때 칼슘 설포 알루미네이트는 급결제의 급결력과 고강도성을 매우 증대시키고, 콘크리트의 경화시간을 단축시키는 데 중요한 역할을 한다.
그리고, 본 발명의 광물계 액상 급결제에는 0.2∼0.9wt% 인산류가 포함된다. 이때 인산류는 소량의 투입으로도 큰 효과를 볼 수 있으나, 0.2wt% 미만 첨가되면 그 양이 적어 안정성 확보가 미미하고, 인산류가 0.9wt% 초과 첨가되면 혼합용액이 겔화(gelation)될 수 있다.
그리고, 본 발명의 광물계 액상 급결제에는 8∼10wt% 불화수소산이 포함된다. 여기서 포함되는 불화수소산의 농도는 50∼60% 사이의 값을 갖는 것이 보통이며, 본 발명의 원활한 실시를 위하여는 불화수소산의 농도가 55%인 것이 좋다. 이때 불화수소산이 8wt% 미만 첨가되면 소량의 불화수소산이 수산화알루미늄과 반응하지 않아 용해가 이루어지지 않으며, 불화수소산이 10wt% 초과 첨가되는 경우 강산인 불산이 과반응을 일으켜 반응 시 폭발위험이 있고 완제품으로 제조된 광물계 액상 급결제의 pH가 낮아 장비부식 등의 문제를 발생시킨다.
그리고, 본 발명의 광물계 액상 급결제에는 47∼50wt% 황산알루미늄이 포함된다. 황산알루미늄은 급결력의 유효성분인 알루미나(Al2O3)와 고강도성의 유효성분인 황산이온(SO4 2-)을 모두 함유하고 있다. 따라서, 황산알루미늄이 47wt% 미만 포함되면 급결력 및 고강도성을 기대할 수 없으며, 황산알루미늄이 50wt% 초과 포함되면 오히려 장기강도 저하율을 적게하여 고강도성을 유발시키는 황산이온(SO4 2-)의 과도한 함유 정도에 의하여 초기 응결력이 저하될 수 있다.
그리고, 본 발명의 광물계 액상 급결제에는 0.5∼0.8wt% 소듐류(Sodium)가 포함된다. 소듐류(Sodium)는 pH 조절을 위해 투입되는 것으로서, 본 발명에서의 소듐류(Sodium) 조성범위는 바람직한 범위를 나타내며, 과량(5wt% 이상) 투입 시 콘크리트 알칼리 골재 반응을 유도하여 내구성에 문제를 발생시키게 된다.
그리고, 본 발명의 광물계 액상 급결제에는 0.4∼0.6wt% 아민류가 포함된다. 아민류는 수화반응을 촉진하여 초기 콘크리트의 급결력을 부여하고 안정성을 확보하기 위해 투입되는 것으로서, 본 발명에서의 아민류 조성범위는 바람직한 범위이다.
그리고, 본 발명의 광물계 액상 급결제에는 1.0∼2.5wt% 안정제가 포함된다. 상기 안정제는 상기 혼합용액의 안정성을 확보하기 위하여 첨가되는 과포화 액상 안정제는 마그네슘류로 이루어질 수 있다.
이외, 본 발명의 광물계 액상 급결제에는 미량의 황산이 더 포함될 수 있다. 황산은 불화수소산의 첨가시 미량이 부가적으로 첨가되어 불산과 함께 칼슘 설포 알루미네이트 및 수산화알루미늄을 용해시키는 역할을 하지만, 과도하게 첨가되면 강산성 물질이 되어 제조 장비를 부식시키거나 제조자에게 유해한 단점이 발생되므로 적절한 양이 첨가되도록 조절되어야 한다.
광물계 액상 급결제의 물성
이와 같이 제조된 본 발명의 광물계 액상 급결제(실시예)는 <표 1>과 같이 뿌연 하얀색의 안정화된 액상 상태로서, pH 값이 2.5∼3.0 사이의 약 산성 값을 나타낸다.
물성 값 비고
상태 - 뿌연하얀색/안정화된 액상
pH 2.74 약산성
비중 1.461 -
이러한 실시예의 물성을 종래의 급결제(비교예1~4)와 비교하여 살펴보면, <표 2>에 나타난 바와 같이, 고형분의 함량이 높아져 비중이 다소 증가 된 것을 확인할 수 있다.
구분 pH(ㅀ) 고형분(wt%) 비중(at 20℃)
비교예1 2.37 42.470 1.388
비교예2 2.81 39.61 1.392
비교예3 3.05 39.337 1.372
비교예4 2.77 35.88 1.350
실시예 2.74 50.785 1.461
광물계 액상 급결제의 응결시험
한편, 본 발명의 광물계 액상 급결제의 응결시간에 따른 저항값을 측정하였다. 여기서 응결시간은 콘크리트 급결제의 응결실험에서 일반적으로 사용되는 프록터 관입저항기를 이용하여 측정하였고, 저항값은 각각의 급결제가 첨가된 모르타르 내부에 프록터 관입침을 10초 동안에 25mm 깊이까지 관입시켜 저항값을 측정하였다.
종래(비교예1~4) 및 본 발명(실시예)의 급결제의 응결 시험 결과는 <표 3>과 같으며, 이를 확인하기 용이하도록 도 2의 그래프로 나타내었다. <표 3> 및 도 2를 참조하면, <표 2>의 설명에서 전술된 바와 같이 고형분의 함유량이 50.785wt%로 가장 많은 본 발명의 광물계 액상 급결제의 관입 저항값이 가장 높게 측정되어 종래의 급결제(비교예1~4)에 비해 뛰어난 급결력을 보임을 확인할 수 있다.
구분 1분
(MPa)		 2분
(MPa)		 5분
(MPa)		 10분
(MPa)		 15분
(MPa)
비교예1 0.46 1.42 4.33 8.23 9.28
비교예2 0.34 1.05 3.9 7.06 10.62
비교예3 0.33 0.89 3.64 6.41 7.28
비교예4 0.33 0.74 2.76 4.03 5.33
실시예 0.34 0.87 3.84 8.64 15.36
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 광물계 액상 급결제는 종래의 급결제에 비하여 급결력이 상승되어 리바운량을 20~10%로 감소시킬 수 있으며, 이로 인하여 폐기물발생량을 저감시키고 공사 기간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 광물계 액상 급결제는 시멘트 수화반응에 영향을 주지 않으면서 콘크리트 수화반응 억제 방지 효과가 있다. 따라서 이로 인하여 콘크리트의 장기강도 저하 방지가 가능하고 시공된 콘크리트의 내구성을 증진시켜 시공 품질이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 광물계 액상 급결제는 액상형태로 제조되어, 저장성 및 이송이 용이하며 분진발생량을 저감시켜 작업성을 증대시키면서도 인체유해성을 감소시키는 효과가 있다.
따라서, 본 발명의 광물계 액상 급결제는 터널이나 댐, 해저공사 등에 급결시공을 필요로 하는 토목/건설산업분야 등에 적용될 시 시공재의 탈락률을 최소화하고 공정을 단축시켜 폐기물 발생을 억제하고 경제성 있는 시공이 가능하게 되며, 또한 터널이나 댐 등의 균열보수공사는 물론 이외 다양한 기술분야에 적용될 수 있다.
상기와 같은 광물계 액상 급결제 및 이의 제조방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 액상 콘크리트 급결제의 제조에 있어서,
    칼슘 설포 알루미네이트와 수산화알루미늄 및 인산류를 물과 혼합시켜 혼합물을 만드는 단계(S1);
    상기 혼합물을 불화수소산에 용해시키는 단계(S2);
    상기 단계(S2)에서 얻어진 용액에 황산알루미늄을 용해시켜 칼슘 설포 알루미네이트 및 수산화알루미늄과 황산알루미늄의 혼합용액을 제조하는 단계(S3);
    상기 혼합용액에 pH조절제을 첨가하여 상기 혼합용액의 pH를 조절하는 단계(S4); 및
    상기 단계(S4) 이후에, 상기 혼합용액에 안정제를 투입시켜 상기 혼합용액을 안정화시키는 단계(S5);를 포함하는 광물계 액상 급결제의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 광물계 액상 급결제의 제조방법은,
    상기 단계(S1) 내지 단계(S5) 중, 적어도 2가지의 단계가 동시에 시행되는 광물계 액상 급결제의 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 인산류는 아인산(phosphorous acid), 메타인산(metaphosphoric acid), 피로인산(pyrophosphoric acid), 및 사인산(tetra-phosphate) 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 광물계 액상 급결제의 제조방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 단계(S1)는 100℃ 이상의 온도에서 적어도 1시간 이상의 교반이 실시되어 이루어지는 광물계 액상 급결제의 제조방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 단계(S3)는 65∼135℃ 사이의 온도에서 적어도 20분 이상의 교반이 실시되어 이루어지는 광물계 액상 급결제의 제조방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 pH조절제은 가성소다(NaOH), 규산소다(Na2SiO3), 및 황산소다(Na2SO4) 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 광물계 액상 급결제의 제조방법.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 혼합용액의 pH는 2.5 내지 3.0 사이의 값으로 조절되는 광물계 액상 급결제의 제조방법.
  13. 청구항 6에 있어서,
    상기 안정제는 응고 반응의 안정성을 증가시키기 위하여 첨가되는 반응안정제로서 아민류로 이루어지는 광물계 액상 급결제의 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 아민류는 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 메틸에탄올아민, 에틸에탄올아민, 및 모노에탄올아민 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 광물계 액상 급결제의 제조방법.
  15. 청구항 6에 있어서,
    상기 안정제는 상기 혼합용액의 안정성을 확보하기 위하여 첨가되는 과포화액상 안정제로서 마그네슘류로 이루어지는 광물계 액상 급결제의 제조방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 마그네슘류는 산화마그네슘, 탄산마그네슘, 황산마그네슘, 수산화마그네슘, 및 과산화마그네슘 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 광물계 액상 급결제의 제조방법.
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