KR101305536B1 - 콘크리트용 화학 혼화제 및 이를 위한 첨가제 - Google Patents

콘크리트용 화학 혼화제 및 이를 위한 첨가제 Download PDF

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Abstract

콘크리트용 화학 혼화제 및 이를 위한 첨가제가 제공된다. 일 실시예에 따른 콘크리트용 화학 혼화제에 첨가되는 첨가제는 상기 콘크리트용 화학 혼화제의 주요 화학 성분인 폴리카르본산계염, 나탈렌 설폰산염, 리그닌 설폰산염, 또는 멜라닌 설폰산염에 대하여 1~30 중량%의 치오시안산나트륨과 1~50 중량%의 메틸디에탄올아민(Methyl Di-Ethanol Amine)이 포함되어 있다. 그리고 일 실시예에 따른 콘크리트용 화학 혼화제는 폴리카르본산계염, 나탈렌 설폰산염, 리그닌 설폰산염, 및 멜라닌 설폰산염 중에서 어느 하나로 이루어진 콘크리트용 화학 혼화제의 주요 화학 성분, 주요 화학 성분에 대하여 1~30 중량%의 치오시안산나트륨, 및 주요 화학 성분에 대하여 1~50 중량%의 메틸디에탄올아민(Methyl Di-Ethanol Amine)을 포함한다. 여기서, 메틸디에타올아민은 정유 공정에서 탈황 공정 이후에 발생하는 폐메틸디에탄올아민에 대하여 탈취 공정 및 불순물 제거 공정을 수행하여 제조된 것일 수 있다.

Description

콘크리트용 화학 혼화제 및 이를 위한 첨가제{Chemical admixtures for concrete and additives for the chemical admixtures}
본 발명은 콘크리트를 형성하기 위한 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로 콘크리트용 화학 혼화제와 그 첨가제에 관한 것이다.
콘크리트는 시멘트 조성물과 물과의 반응으로 경화되어 생성되는 수경성 반응물이다. 콘크리트는 사용되는 물의 양에 따라서 작업성에 차이가 날 뿐만 아니라 경화 후의 압축 강도, 경화 시간, 내구성 등의 물리, 화학적 특성이 다르다. 통상적으로, 물의 사용량이 증가하면 유동성이 증가하여 작업성도 향상되지만 압축 강도 등을 떨어뜨리고 균일이 발생하거나 내구성을 떨어뜨리는 문제가 있다. 따라서 콘크리트 제조 시에 물의 사용량은 가능한 적은 것이 바람직하지만, 작업성을 유지하기 위하여 일정한 범위 내에서 물의 사용은 피할 수가 없다.
콘크리트에는 시멘트, 물, 골재 이외에 화학 혼화제(chemical admixtures)가 추가로 사용되고 있다. 화학 혼화제는 콘크리트의 물리, 화학적 특성을 변화시키고 작업성을 유지 및 개선시키기 위하여 시멘트 조성물에 첨가되는 화학 물질을 통칭한다. 화학 혼화제의 사용량은 콘크리트에 사용되는 시멘트 중량의 약 0.5~2.5% 정도로 미미하지만, 화학 혼화제를 사용함으로써 콘크리트의 물리적 특성은 크게 변화, 개선될 수 있다. 예를 들어, 화학 혼화제에 의하여 내구성은 물론 내후성, 내화학성 역시 크게 향상되는 것으로 확인되고 있다. 뿐만 아니라, 동절기와 같은 저온 환경, 수중 등과 같은 극한 환경, 60층 이상의 초고층 빌딩의 건축 환경 등에서 콘크리트를 타설하기 위해서는 화학 혼화제의 사용이 필수적이라고 알려져 있다.
화학 혼화제는 콘크리트의 작업성의 향상, 물의 사용량 감소, 콘크리트의 내구성 향상 등의 목적으로 사용되고 있다. 화학 혼화제는 그 기능에 따라서 크게 AE제(Air Entraining admixture), 감수제(water reducing admixture), 및 고성능 감수제(high range water reducing admixture)로 분류될 수 있다. 이러한 화학 혼화제들은 단독 또는 복합적으로 구성되어 콘크리트 제조 시에 첨가되어서 콘크리트의 물리적, 화학적 특성을 변화 및 개선시킬 수 있다.
AE제는 콘크리트 내부에 미세 공기의 양을 증가시키는 기능을 수행한다. 콘크리트에 포함된 미세 공기는 시멘트 입자에 미끄러짐 현상을 발생시키므로, 이를 포함한 콘크리트는 작업성이 개선될 수 있다. AE제의 주요 화학 성분은 설펀산 라아레이트염이다. 그리고 감수제와 고성능 감수제는 각각 물의 사용량을 약 10 중량%와 약 18 중량% 이상씩 감소시키는 역할을 수행한다. 콘크리트에 사용되는 물의 양이 감소하면, 내구성을 비롯한 내화학성이 크게 개선될 수 있다. 뿐만 아니라, 물의 양이 적으면 저온 환경에서도 작업이 가능할 수 있으며 뛰어난 슬럼프 유지 성능을 가진다. 감수제의 주요 화학 성분은 리그닌 설폰산염이며, 고성능 감수제의 주요 화학 성분은 나탈렌 설폰산염, 멜라닌 설폰산염, 또는 폴리카르본산계염 등이 있다.
이러한 기존의 감수제 또는 고성능 감수제는 전술한 효과에도 불구하고 경화 지연이 상대적으로 큰 단점이 있다. 경화 지연이 크게 생기면 콘크리트의 응결 시간이 길어지므로, 콘크리트의 강도가 발현되는 시간이 지연되고 결국 공사 기간을 단축시키는 것이 어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 여러 가지 화학 성분의 화학 혼화제가 제안되었는데, 특히 1990년대 중반 이후에 수용성 비닐 공중합체를 주요 성분으로 하는 화학 혼화제는 어느 정도의 응결 시간 단축 효과를 보였지만, 그 효과가 충분하지 않다.
본 발명이 해결하려는 과제는 조기 강도 발현을 통해 기존의 화학 혼화제에 비하여 콘크리트의 응결 시간을 보다 단축시킴으로써 공사 기간을 단축시킬 수 있는 콘크리트용 화학 혼화제 및 이를 위한 첨가제를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트용 화학 혼화제에 첨가되는 첨가제는 상기 콘크리트용 화학 혼화제의 주요 화학 성분인 폴리카르본산계염, 나탈렌 설폰산염, 리그닌 설폰산염, 또는 멜라닌 설폰산염에 대하여 1~30 중량%의 치오시안산나트륨과 1~50 중량%의 메틸디에탄올아민(Methyl Di-Ethanol Amine)이 포함되어 있다.
상시 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 메틸디에타올아민은 정유 공정에서 탈황 공정 이후에 발생하는 폐메틸디에탄올아민에 대하여 탈취 공정 및 불순물 제거 공정을 수행하여 제조된 것을 특징으로 하는 첨가제.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트용 화학 혼화제는 폴리카르본산계염, 나탈렌 설폰산염, 리그닌 설폰산염, 및 멜라닌 설폰산염 중에서 어느 하나로 이루어진 콘크리트용 화학 혼화제의 주요 화학 성분, 상기 주요 화학 성분에 대하여 1~30 중량%의 치오시안산나트륨, 및 상기 주요 화학 성분에 대하여 1~50 중량%의 메틸디에탄올아민(Methyl Di-Ethanol Amine)을 포함한다.
상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 메틸디에타올아민은 정유 공정에서 탈황 공정 이후에 발생하는 폐메틸디에탄올아민에 대하여 탈취 공정 및 불순물 제거 공정을 수행하여 제조된 것이다.
본 발명에 따른 첨가제는 콘크리트용 화학 혼화제에 첨가되어 사용되는데, 이러한 첨가제가 첨가된 콘크리트용 화학 혼화제는 콘크리트의 조기 강도 발현을 증진시켜 준다. 예를 들어, 첨가제가 첨가된 콘크리트용 화학 혼화제를 사용하면, 첨가제를 사용하지 않은 경우에 비하여 18시간 또는 1일 강도가 약 30% 이상이 증진된다. 그리고 이러한 첨가제를 사용함으로써 화학 혼화제의 사용량을 줄일 수 있고 또한 원유의 정제 과정에서 생기는 폐 메틸디에탄올아민(Methyl Di-Ethanol Amine, MDEA)을 사용하기 때문에 콘크리트의 제조 원가를 절감할 수가 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
현재 콘크리트에는 시멘트, 물, 골재 이외에 화학 혼화제(chemical admixtures)가 거의 필수적으로 사용되고 있다. 화학 혼화제는 시멘트 중량의 약 0.5~2.5% 정도로 콘크리트에 포함되는 양은 많지가 않지만, 콘크리트의 내구성, 내후성, 내화학성 등을 향상시키는 효과가 있다. 콘크리트의 용도에 따라서 감수제 또는 고성능 감수제로서 기능하는 화학 혼화제가 일반적으로 사용되고 있는데, 감수제 화학 혼화제의 주요 화학 성분은 리그닌 설폰산염이며, 고성능 감수제의 주요 화학 성분은 나탈렌 설폰산염, 멜라닌 설폰산염, 또는 폴리카르본산계염이다.
콘크리트용 화학 혼화제의 첨가제는 이러한 기존의 화학 혼화제에 첨가되는 물질이다. 본 발명에 따른 첨가제는 적어도 치오시안산나트륨과 메틸디에탄올아민(Methyl Di-Ethanol Amine, MDEA)을 포함한다. 치오시안산나트륨은 화학 혼화제의 주요 화학 성분, 예컨대 리그닌 설폰산염, 나탈렌 설폰산염, 멜라닌 설폰산염, 또는 폴리카르본산계염의 중량에 대하여 소정 비율, 예컨대 약 1~30 중량 %가 포함될 수 있으며, 메틸디에탄올아민은 화학 혼화제의 상기 주요 화학 성분에 대하여 약 1~50 중량%가 포함될 수 있다. 이외에도 첨가제에는 소포제, 충진제 등과 같이 콘크리트의 성능 개선을 위하여 통상적으로 사용되는 화학 물질이 더 포함될 수도 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 첨가제를 화학 혼화제에 첨가하여 제조된 콘크리트는 응결 시간이 단축되어서 조기에 강도를 발휘하는 것으로 확인되었다. 보다 구체적으로, 이러한 첨가제를 포함하지 않는 기존의 화학 혼화제를 사용할 경우의 콘크리트 강도(일반 기준 강도)에 비하여 18시간 또는 1일 강도가 약 30% 이상이 증진되는 효과가 나타났다. 이와 같이, 콘크리트의 조기강도 발현을 증진시켜주면, 콘크리트를 사용하는 건축에서 공사 기간(예컨대, 아파트나 빌딩 등과 같은 다층 건물에서 각 층에 대한 콘크리트 타설 및 건조에 소요되는 시간)을 줄일 수가 있다.
그리고 본 발명에 의하면, 화학 혼화제에 본 발명의 실시예에 따른 첨가제를 추가하는 대신에 주요 화학 성분 등의 양을 첨가제가 추가되는 양만큼 뺄 수가 있다. 즉, 시멘트에 추가되는 화학 혼화제의 전체적인 양은 변화가 없으면서 대신 시멘트에 추가되는 화학 혼화제의 구성비가 변화한다. 따라서 본 발명에 따르면 기존의 화학 혼화제의 사용량을 줄일 수가 있기 때문에, 콘크리트 제조에 들어가는 원가를 절감할 수 있다. 특히, 첨가제의 주요 성분인 메틸디에탄올아민의 경우에는 정유 공정에서 탈황 공정 이후에 발생하는 폐기물을 이용하여 제조할 수가 있는데, 이 경우에는 원가가 더욱 절감될 뿐만 아니라 산업 폐기물을 줄이는 효과도 있다.
정유 공정에서 메틸디에탄올아민은 탈황 공정에서 사용되는데, 황(S)을 원유 등으로부터 탈취하여 제거하는 탈황 이동체로서 기능한다. 즉, 탈황 공정을 거치고 배출되는 페메틸디에탄올아민에는 황이 다량 함유되어 있는데, 통상적으로 이 페메틸디에탄올아민은 황화수소(H2S2) 및 이와 유사한 형태로 배출되어 버려진다.
그런데, 이러한 페메틸디에탄올아민은 황만 제거하면 다시 활용될 수 있다. 페메틸디에탄올아민으로부터 황을 제거하기 위하여, 먼저 페메틸디에탄올아민을 가열한다. 페메틸디에탄올아민이 가열되면 황화수소가 증발되는데 이를 연소시킴으로써 산소가 공급될 수 있다. 그리고 산소가 공급되는 황화수소가 일정 부분 이산화황(SO2)으로 배출되는데, 이산화황은 수산화마그네슘(Mg(OH)2)으로 흡수 및 침전시킬 수 있다. 이와 같이, 페메틸디에탄올아민으로부터 황이 제거될 수 있으며, 황이 제거된 페메틸디에탄올아민은 본 발명의 첨가제로 활용될 수 있다.
< 실험예 >
* 콘크리트 시험 - 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트(한일시멘트㈜ 제조)를 사용하였으며, 잔골재는 세척사 및 바순모래를 사용하였고, 굵은 골재는 25 mm 골재를 사용하였다. 또한 콘크리트를 시공하는 계절적 요인을 반영하는 시멘트, 잔골재, 굵은 골재, 혼합수를 상온(18 ℃)에서 실험을 실시하기 1 일전 항온 항습실에서 보관하여 사용하였다. 실시예 및 비교예에서 각각 제조한 시멘트 혼화제를 시멘트 중량(바인더)의 0.4중량% (단, 비교예 2는 0.8 중량%)를 혼련하여 콘크리트를 제조하였다. 표 1은 실시예 및 비교예로 사용된 콘크리트 배합비(PNS, 리그닌)이다.
Figure 112011082308805-pat00001
표 1에서 W는 물, C는 시멘트, F/A는 플라이 대위, S1, S2는 각각 모래(잔 골재), G는 자갈(굵은 골재)을 나타낸다.
각각 제조된 콘크리트는 슬럼프(Slump) 및 공기량을 측정한 후, 한국산업규격 KS F 2402 및 KS F 2449 방법에 의거하여 시험제를 성형틀에 투입하고, 10 ℃의 온도에서 보관시킨 다음 16시간 후부터 시험제의 압축강도(MPa)를 측정하였다.
표 2는 본 발명의 실험예에 적용된 콘크리트 혼화제에 첨가되는 첨가제의 구성비를 보여 주는 것이다.
Figure 112011082308805-pat00002
그리고 표 3은 본 발명의 실험예 및 비교예에 사용된 콘크리트용 혼화제의 조성을 각각 보여 주는 것이다. 표 3에서 실시예 1 및 2는 콘크리트용 혼화제에 첨가제를 첨가하지 않은 비교예에 해당되며, 실시예 3, 4, 5, 및 6은 각각 콘크리트용 혼하제에 첨가제를 첨가한 실험예에 해당된다.
Figure 112011082308805-pat00003
그리고 표 4는 표 3에 개시된 실시예에 따른 시험 결과를 각각 보여 주는 것이다. 표 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트용 혼화제(첨가제가 첨가된 것)를 사용했을 경우에, 조기 강도(18시간 또는 1일 강도)가 약 30% 이상이 증진되는 효과가 나타나는 것을 알 수 있다.
Figure 112011082308805-pat00004
이상의 설명은 본 발명의 실시예에 불과할 뿐, 이 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 기술 사상은 특허청구범위에 기재된 발명에 의해서만 특정되어야 한다. 따라서 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위에서 전술한 실시예는 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 콘크리트용 화학 혼화제에 첨가되는 첨가제에 있어서,
    상기 콘크리트용 화학 혼화제의 주요 화학 성분인 폴리카르본산계염, 나탈렌 설폰산염, 리그닌 설폰산염, 또는 멜라닌 설폰산염에 대하여 1~30 중량%의 치오시안산나트륨과 1~50 중량%의 메틸디에탄올아민(Methyl Di-Ethanol Amine)을 포함하고,
    상기 메틸디에탄올아민은 정유 공정에서 탈황 공정 이후에 발생하는 폐메틸디에탄올아민에 대하여 탈취 공정 및 불순물 제거 공정을 수행하여 제조된 것을 특징으로 하는 첨가제.
  3. 삭제
  4. 폴리카르본산계염, 나탈렌 설폰산염, 리그닌 설폰산염, 및 멜라닌 설폰산염 중에서 어느 하나로 이루어진 콘크리트용 화학 혼화제의 주요 화학 성분;
    상기 주요 화학 성분에 대하여 1~30 중량%의 치오시안산나트륨; 및
    상기 주요 화학 성분에 대하여 1~50 중량%의 메틸디에탄올아민(Methyl Di-Ethanol Amine)을 포함하고,
    상기 메틸디에탄올아민은 정유 공정에서 탈황 공정 이후에 발생하는 폐메틸디에탄올아민에 대하여 탈취 공정 및 불순물 제거 공정을 수행하여 제조된 것을 특징으로 하는 콘크리트용 화학 혼화제.
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