KR101309088B1

KR101309088B1 - 카본아미노실리카블랙이 화합된 고성능감수제를 사용한 콘크리트

Info

Publication number: KR101309088B1
Application number: KR20110063757A
Authority: KR
Inventors: 강석화; 구자술; 이상래; 유승엽; 류해윤; 조상제; 최석경; 박무수; 한천구
Original assignee: 오씨아이 주식회사; 동양시멘트 주식회사
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-09-16
Also published as: KR20130002662A

Abstract

본 발명은 카본블랙에 아미노실리카 화합물을 합성하여 제조한 카본아미노실리카블랙이 화합된 고성능감수제를 사용하여 콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것으로, 카본아미노실리카블랙이 콘크리트의 모세관 공극을 감소시켜 콘크리트의 압축강도, 인장강도, 탄성계수 등의 역학적 성능을 향상시킬 수 있고, 콘크리트에서 중요한 문제점으로 제기되는 수축을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 콘크리트의 모세관 공극 감소로 인한 염소 이온, 탄산가스, 수분 등 유해 물질의 침투를 억제함으로써 콘크리트 구조물의 내구성을 향상시키고 수명을 연장시키는 콘크리트 제조방법을 개시한다.

Description

카본아미노실리카블랙이 화합된 고성능감수제를 사용한 콘크리트{ Concrete comprising superplasticizer combined carbon amino silica black}

본 발명은 카본블랙에 아미노실리카 화합물을 합성하여 제조한 카본아미노실리카블랙이 화합된 고성능감수제를 사용한 콘크리트에 관한 것으로, 종래의 콘크리트보다 압축강도, 인장강도, 탄성계수, 수축 길이변화율 및 내구성 등이 우수한 고품질의 콘크리트에 관한 것이다.

최근 건설기술의 비약적인 발전으로 건축구조물이 초고층화, 복잡화, 대형화 및 특수화되고 있어, 부재 단면적 축소를 통한 효율적인 내부공간의 확보, 시공의 합리화, 구조물의 내구성 향상 등의 효과를 얻기 위해 콘크리트는 고강도화 되고 있는 상황이다.

일반적으로 콘크리트를 고강도화 하는 방법에는 결합재의 강도를 증진시키는 방법, 양질의 골재를 사용하는 방법, 골재와 결합재의 부착성능을 개선하는 방법 등이 있는데, 그중 결합재의 강도를 증진시키는 것이 무엇보다도 중요하다.

결합재의 강도를 증진시키기 위해서는 고성능감수제를 사용하여 낮은 물결합재비로 콘크리트를 제조하는 방법과 결합재에 고로슬래그미분말, 플라이애시, 실리카퓸 등의 광물질 혼화재를 치환하여 결합재의 입도 분포를 연속 입도 상태로 만들고, 광물질 혼화재의 잠재수경성 및 포졸란 반응으로 수화물을 생성시켜, 궁극적으로 시멘트 페이스트 내에서 자유수에 의해 발생하는 모세관 공극을 감소시키는 방법 등이 있다.

모세관 공극은 0.01~ 1 μm 크기로 콘크리트에 분포되어 있고, 그 비율은 콘크리트 전체 공극의 70~ 80 %를 차지하며, 콘크리트의 강도, 수축 및 내구성 등에 큰 영향을 미치게 되므로 모세관 공극을 감소시키는 것은 콘크리트의 품질향상에 있어 매우 중요하다.

기존의 콘크리트에서 모세관 공극을 감소시키는 방안으로는 평균 직경이 0.1 μm인 실리카퓸 등의 혼화재료를 사용하는 방법과 충전재를 사용하는 방법 등 다양한 방법이 사용되고 있으나, 종전의 기술은 레미콘 배쳐 플랜트에 적용 시 수동으로 투입해야 하는 어려움이 있고, 콘크리트 제조 시 제조원가에서 차지하는 비중이 크기 때문에 비경제적인 문제점이 있다.

최근에 모세관 공극의 추가적인 감소를 위해 기존에 사용하는 광물질 혼화재료 외에 나노 실리카, 카본블랙 등의 나노입자를 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그중 카본블랙은 합성수지 착색제, 잉크, 안료 및 도료 제조 시 검정색의 발현과 전극첨가제 및 태양열 흡수도료의 전기 전도도 향상 등을 위해 각종 산업에서 광범위하게 활용되고 있는 초미립 재료로, 최근에 아미노실리카 화합물과의 합성을 통해 카본아미노실리카블랙 등의 제품으로 생산이 가능해져 콘크리트에 활용 시 공극 충전 효과와 포졸란 반응에 의한 공극 구조의 개선이 가능할 것으로 사료된다. 또한, 카본아미노실리카블랙은 카본블랙의 표면에 염기성을 부여함으로써 폴리카르본산계 고성능감수제와 산염기반응으로 화합이 가능하게 되었다.[참조: 한국특허출원 제10-2010-0108363호]

따라서, 본 발명은 상기 특허의 응용기술에 관한 것으로서 카본아미노실리카블랙이 화합된 고성능감수제를 사용한 콘크리트를 제공한다.

상술한 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 입자크기 및 비표면적이 10~ 200 nm 및 50~ 300 m²/g 범위인 카본아미노실리카블랙이 화합된 고성능감수제를 사용한 콘크리트를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 W/B(물과 결합재 비율)가 15 ~50%인 콘크리트에 실리카 조성비율이 0.1~ 20 중량%인 카본아미노실리카블랙을 0.1~ 30 중량%로 화합한 폴리카르본산계 고성능감수제를 콘크리트 결합재의 0.5∼ 10 중량%로 첨가하는 것을 특징으로 하는 콘크리트를 제공한다.

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 카본아미노실리카블랙이 화합된 고성능감수제를 콘크리트에 사용하게 되면 콘크리트의 모세관 공극을 감소시켜 콘크리트의 압축강도, 인장강도, 탄성계수 등의 역학적 성능을 향상시킬 수 있고, 콘크리트에서 중요한 문제점으로 제기되는 수축을 감소시킬 수 있다. 또한, 콘크리트의 모세관 공극 감소로 인한 염소 이온, 탄산가스, 및 수분 등 유해 물질의 침투를 억제하게 되므로 콘크리트 구조물의 내구성을 향상시키고 수명을 연장하게 된다.

도 1은 재령별 카본아미노실리카블랙 혼입율 변화에 따른 시멘트 페이스트의 압축강도를 나타낸 그래프,
도 2는 도 1에서 제시된 콘크리트의 재령 28일에서의 세공분포를 나타낸 그래프,
도 3은 도 1에서 제시된 콘크리트의 재령 28일에서의 누적세공분포를 나타낸 그래프,
도 4는 카본아미노실리카블랙에 의한 모세관 공극 충전의 개념도를 나타낸 예시도,
도 5는 도 1에서 제시된 콘크리트의 재령 28일에서의 SEM 촬영 결과를 나타낸 사진,
도 6은 카본아미노실리카블랙의 실리카 조성비율 변화에 따른 시멘트 페이스트의 압축강도를 나타낸 그래프,
도 7은 재령경과에 따른 모르타르의 압축강도 및 압축강도 발현율을 나타낸 그래프,
도 8은 재령경과에 따른 콘크리트의 압축강도 및 압축강도 발현율을 나타낸 그래프,
도 9는 고성능감수제 종류에 따른 자기수축 길이변화율을 나타낸 그래프, 및
도 10은 고성능감수제 종류에 따른 염화물 확산계수를 나타낸 그래프이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 콘크리트의 제조 시 단위결합재에 대하여 질량의 0.5∼10 %로 카본아미노실리카블랙이 화합된 고성능감수제를 사용한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 방법을 이용한 초고강도 콘크리트의 모세관 공극 저감 방법에 대하여 보다 상세하게 설명을 한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석하여서는 안 되고, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

실시예 1

카본아미노실리카블랙이 화합된 고성능감수제(이하 CASB 화합 고성능감수제)의 모세관 공극 충전 효과를 분석하기 위하여 일반 폴리카르본산계 고성능감수제(이하 N)에 카본아미노실리카블랙(이하 CASB) 혼입율을 표 1과 같이 화합시켜 제조한 CASB 화합 고성능감수제를 시멘트 페이스트에 적용하여 표 1의 계획에 의거하여 실험을 실시하였다.

즉, W/B 20%에 대하여, 고로슬래그미분말, 플라이애시, 실리카퓸을 각각 30 %, 10 %, 8 %씩 치환하였고, 혼화제로는 N과 CASB를 표 1과 같이 혼입한 CASB 화합 고성능감수제를 사용하였다.

실험사항으로 굳지않은 시멘트 페이스트에서 미니 슬럼프 플로, 소성점도, 경화 페이스트에서 압축강도, 포로시메터, SEM을 측정하였다.

실험계획

실험요인		실험수준 및 평가항목
배합 사항	W/B(%)	1	·20
	혼화제 종류	1	·N
	CASB 혼입율(%)	5	·0 ·5 ·10 ·15 ·20
실험 사항	굳지 않은 페이스트	2	·미니 슬럼프 플로 ·소정 점도
실험 사항	경화 페이스트	3	·압축강도 (3, 7, 28일) ·포로시메터(28일) ·SEM (28일)

이하 실시예 1의 결과를 상세히 설명한다.

(1) 굳지않은 시멘트 페이스트의 특성

표 2는 CASB 혼입율별 CASB 화합 고성능감수제를 사용한 굳지않은 시멘트 페이스트의 특성을 나타낸 것이다.

전반적인 경향으로 CASB를 혼입하지 않은 배합의 미니 슬럼프 플로가 가장 크게 나타났고, CASB 혼입율 변화에 따라서는 CASB 5 % 혼입의 경우에서 가장 크게 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 CASB 혼입에 따른 점성증가에 기인한 결과로 분석되고, CASB 5 % 이상 혼입의 경우에서는 다시 증가하는 경향으로 나타났는데, 이는 100∼ 200 m²/g 정도의 비표면적을 가진 CASB의 혼입율 증가에 따른 결합재의 입도분포 개선 효과로 구속수가 방출되고, 방출된 구속수가 자유수로 작용함으로써 페이스트의 유동성을 향상시킨 결과로 판단된다.

CASB 혼입율별 굳지않은 시멘트 페이스트의 특성

CASB 혼입율 (AD×%)	미니 슬럼프 플로 (mm)	소성점도 (×10 cP·s)
0	155	103
5	146	188
10	150	205
15	154	197
20	156	239

소성점도는 CASB를 혼입하지 않은 N을 사용한 배합에서 가장 작게 나타났고, CASB를 5 % 이상 혼입한 배합의 소성점도는 N을 사용한 배합의 소성점도 보다 크게 나타났지만, 단 5 % 이상에서는 완만한 증가로서, 이는 미니 슬럼프 플로에서 분석한 바와 같이 입자 사이즈가 10∼ 100 nm 정도의 CASB에 의한 점성증진 효과 및 입도분포 개선 효과에 기인한 결과로 분석된다.

(2) 경화 시멘트 페이스트의 성질

도 1은 재령별 CASB 혼입율 변화에 따른 시멘트 페이스트의 압축강도를 나타낸 것이다.

전반적인 경향으로 압축강도는 재령이 경과할수록 증가하는 것으로 나타났다. 또한, CASB 혼입율이 증가할수록 압축강도는 비례적으로 증가하는 경향을 나타내었는데, 이는 CASB 혼입율이 증가할수록 모세관 공극을 충전하는 성능이 향상됨에 기인한 결과로 판단된다.

도 2는 CASB 혼입율 변화에 따른 페이스트의 세공분포를 나타낸 것이고, 도 3은 CASB 혼입율 변화에 따른 페이스트의 누적 세공분포를 나타낸 것이다.

전반적인 세공분포 특성으로 Plain 배합보다 CASB를 혼입한 배합이 CASB 혼입율에 관계없이 100 nm (0.1 μm) 이상의 공극량은 감소하는 것으로 나타났고, 100 nm 이하의 공극량은 감소하거나 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 CASB의 입자 사이즈가 10∼ 100 nm 범위로서 도 4와 같이 CASB가 모세관 공극을 양호하게 충전한 것에 기인한 결과로 판단된다.

도 5는 N을 사용한 배합과 CASB를 20 % 혼입한 배합의 재령 3일 및 28일에서의 SEM 촬영결과를 나타낸 것이다.

전반적으로 CASB 0 %인 N을 사용한 배합보다 CASB를 20 % 혼입한 배합의 조직이 치밀한 것으로 나타났는데, 이는 CASB가 모세관 공극을 충실히 충전시킨 결과로 분석된다.

실시예 2

CASB의 실리카 조성비율에 따른 CASB 화합 고성능감수제의 특성을 분석하기 위하여 CASB의 실리카 조성비율을 표 3과 같이 변화시킨 CASB 화합 고성능감수제를 시멘트 페이스트에 적용하여 표 3의 계획에 의거하여 실험을 실시하였다.

즉, W/B는 고강도 콘크리트인 30 %에 대하여, 1종 포틀랜드 시멘트를 100 중량% 사용하였고, 혼화제로는 표 3과 같은 실리카 조성비율을 가진 CASB 화합 고성능감수제를 사용하였다.

실험사항으로 굳지않은 페이스트에서 미니 슬럼프 플로, 경화 페이스트에서 압축강도를 측정하였다.

실험계획

실험요인		실험수준 및 평가항목
배합 사항	W/B(%)	1	·30
	혼화제 종류	1	·CASB 화합 고성능감수제
	실리카 조성비율(%)	5	·0 ·2.5 ·5 ·7.5 ·10
실험 사항	굳지 않은 페이스트	2	·미니 슬럼프 플로
실험 사항	경화 페이스트	3	·압축강도 (3, 7, 28일)

이하 실시예 2의 결과를 상세히 설명한다.

(1) 굳지않은 시멘트 페이스트의 성질

표 4는 CASB의 실리카 조성비율에 따른 굳지않은 시멘트 페이스트의 특성을 나타낸 것이다. CASB의 실리카 조성비율 변화에 따른 미니 슬럼프 플로는 거의 차이가 없는 것으로 나타났다.

(2) 경화 시멘트 페이스트의 성질

도 6은 CASB의 실리카 조성비율 변화에 따른 시멘트 페이스트의 압축강도를 나타낸 것이다.

전반적으로 압축강도는 재령이 경과할수록 CASB의 실리카 조성비율이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 CASB의 실리카 조성비율 증가로 C-S-H 등의 수화물이 증가한 것에 기인한 결과로 분석된다.

CASB의 실리카 조성비율별 굳지않은 시멘트 페이스트의 특성

혼화제 종류	실리카 조성비율 (CASB×%)	미니 슬럼프 플로 (mm)
CASB 화합 고성능감수제	0	142
	2.5	143
	5.0	143
	7.5	142
	10	141

실시예 3

모르타르 및 콘크리트에서 CASB 화합 고성능감수제의 효과를 분석하기 위하여 N과 CASB 화합 고성능감수제를 모르타르 및 콘크리트에 적용하여 표 5의 계획에 의거하여 실험을 실시하였다.

즉, W/B는 80 MPa 급으로 설계되는 22.5 % 1수준에 대하여 결합재 및 화학 혼화제 종류를 표 5와 같이 2수준씩으로 변화시켜, 모르타르 및 콘크리트 총 8수준의 실험을 실시하였다.

실험계획

실험요인		실험수준 및 평가항목
배합 사항	W/B(%)	1	22.5
	결합재 종류	2	B2¹⁾ B3²⁾
	목표 미니 슬럼프 플로 (mm)	1	300±50
	목표 슬럼프 플로 (mm)	1	700±50
	혼화제 종류	2	N CASB 화합 고성능감수제
	실험의 종류	2	모르타르 콘크리트
실험 사항	모르타르	3	미니 슬럼프 플로 공기량 압축강도
실험 사항	콘크리트	3	슬럼프 플로 공기량 압축강도

1) OPC 80 %, FA 20 %

2) OPC 75 %, FA 20 %, SF 5 %

이하 실시예 3의 결과를 상세히 설명한다.

(1) 굳지않은 모르타르 및 콘크리트의 성질

표 6 및 표 7은 굳지않은 모르타르 및 콘크리트의 특성을 나타낸 것이다. 유동성의 경우 상기 모두 목표 미니 슬럼프 플로 및 슬럼프 플로 범위를 만족하고 있었다.

굳지않은 모르타르의 실험결과

구 분				모르타르 미니 슬럼프 플로 (mm)	공기량 (%)
기호	결합재 종류	혼화제
		종류	사용량 (%)
B2-N	B2	N	1.8	335	4.4
		CASB		305	3.7
B3-C	B3	N		295	3.4
		CASB		310	3.5

굳지않은 콘크리트의 실험결과

구 분				슬럼프 플로 (mm)	공기량 (%)
기호	결합재 종류	혼화제
		종류	사용량 (%)
B2-N	B2	N	1.8	740	2.0
		CASB		710	3.0
B3-C	B3	N		710	2.1
		CASB		715	2.3

(2) 경화 모르타르 및 콘크리트의 성질

도 7은 재령경과에 따른 모르타르의 압축강도 및 압축강도 발현율을 나타낸 것이고, 도 8은 재령경과에 따른 콘크리트의 압축강도 및 압축강도 발현율을 나타낸 것이다.

모르타르 및 콘크리트의 재령경과에 따른 압축강도는 B2 배합보다 B3 배합이, N 보다 CASB 화합 고성능감수제를 사용한 배합이 높게 나타났다.

모르타르의 재령 28일 압축강도 발현율은 B2-N 보다 B2-CASB가 약 17 %, B3-N가 약 12 %, B3-CASB가 약 23 % 증진되는 것으로 나타났고, 콘크리트의 재령 28일 압축강도 발현율은 B2-N 보다 B2-CASB가 약 16 %, B3-N이 약 25 %, B3-CASB가 약 35 % 증진되게 나타났는데, 이는 SF의 포졸란 반응에 의해 생성된 규산칼슘수화물로 모르타르의 조직이 치밀해진 것과 도 5의 B와 같이 CASB가 모세관 공극을 충전한 것에 기인한 결과로 분석된다.

실시예 4

콘크리트에서 자기수축 및 염해 저항성을 평가하기 위하여 N과 CASB 화합 고성능감수제를 적용하여 표 8의 계획에 의거하여 실험을 실시하였다. 즉, W/B는 고강도 콘크리트인 30, 20 %에 대하여, BFS, FA 및 SF를 각각 30, 10, 8 중량%씩 치환하였고, 혼화제로는 N과 CASB 화합 고성능감수제를 사용하였다. 이때 목표 슬럼프 플로치는 600±100 mm, 목표 공기량은 2.0±1.0 %로 하였다.

실험사항으로 굳지않은 콘크리트에서 슬럼프 플로, 공기량, 경화 콘크리트에서 압축강도, 자기수축 길이변화율, 염화물 확산계수를 측정하였다. 이때, 염화물 확산계수는 W/B 30%에 한하여 실시하였다.

실험계획

실험요인		실험수준 및 평가항목
배합 사항	W/B(%)	2	·30 ·20
	목표 슬럼프 플로 (mm)	1	·600±100
	목표 공기량 (mm)	1	·2.0±1.0
	혼화제 종류	2	·N ·CASB
실험 사항	굳지않는 콘크리트	2	·슬럼프 플로 ·공기량
실험 사항	경화 콘크리트	5	· 압축강도 · 인장강도 · 탄성계수 · 자기수축 길이변화율 · 염화물 확산계수¹ ⁾

1) W/B 30 %에 한해 실시함

이하 실시예 4의 결과를 상세히 설명한다.

(1) 굳지않은 콘크리트의 성질

표 9는 굳지않은 콘크리트의 특성을 나타낸 것인데, 슬럼프 플로 및 공기량은 모두 목표 범위를 만족하고 있었다.

굳지않은 콘크리트의 실험결과

구 분				슬럼프 플로 (mm)	공기량 (%)
기호	W/B	혼 화 제
기호	W/B	종류	사용량(%)
30-8-N	30	N	1.2	575	1.9
30-8-C	30	CASB	1.8	530	2.8
20-8-N	20	N	1.6	700	1.8
20-8-C	20	CASB	2.2	520	2.6

압축강도 실험결과

구 분				압축 강도 (MPa)	인장 강도 (MPa)	탄성 계수 (GPa)
기호	W/B	혼 화 제
기호	W/B	종류	사용량(%)
30-8-N	30	N	1.2	52.8	4.2	33.8
30-8-C	30	CASB	1.8	58.4	4.5	35.7
20-8-N	20	N	1.6	83.7	5.2	34.7
20-8-C	20	CASB	2.2	90.4	6.1	38.2

(1) 경화 콘크리트의 성질

표 10은 고성능감수제 종류에 따른 재령 28일에서의 압축강도, 인장강도 및 탄성계수를 나타낸 것이다. 전반적으로 압축강도, 인장강도 및 탄성계수는 W/B와 관계없이 CASB 화합 고성능감수제를 사용한 배합이 높은 값을 보였는데, 이는 나노입자인 CASB가 콘크리트의 모세관 공극을 밀실하게 충전함으로서 역학적 성능이 향된 것으로 판단된다.

도 9는 고성능감수제 종류에 따른 자기수축 길이변화율을 나타낸 것이다.

전반적인 경향으로 자기수축 길이변화율은 W/B가 작을수록 크게 나타났다. 또한, W/B별 재령 28일에서의 자기수축 길이변화율은 W/B 30%의 경우 30-8-N이 -346×10^-6으로 나타났고, 30-8-C는 -320×10^-6으로 30-8-N에 비하여 약 7 % 감소하는 것으로 나타났고, W/B 20%의 경우 20-8-N이 -541×10^-6으로 나타났고, 20-8-C는 -451×10^-6으로 20-8-N에 비하여 약 10 % 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 CASB가 모세관 공극을 충전함으로서 콘크리트의 공극량이 감소한 것에 기인한 결과로 분석된다.

도 10은 고성능감수제 종류에 따른 염화물 확산계수를 나타낸 것이다.

염화물 확산계수는 30-8-N은 3.53×10^-12, 30-8-C는 2.78×10^-12로 CASB 화합 고성능감수제를 사용한 배합의 경우에 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 CASB 혼입으로 모세관 공극이 충전됨으로서 조직이 치밀해진 것에 기인한 결과로 분석된다.

Claims

실리카 조성비율이 0.1 ~ 20 중량%인 카본아미노실리카블랙을 0.1 ~ 30 중량%로 화합한 폴리카르본산계 고성능감수제를 콘크리트의 결합재에 대하여 0.5 ~ 10 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
제 1항에 있어서, 콘크리트는 물결합재비(W/B)가 15 ~ 50 %이고, 결합재로 시멘트 25 ~100 중량%, 고로슬래그분말 0 ~ 40 중량%, 플라이애시 0 ~ 25 중량% 및 실리카퓸 0 ~ 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
제 1항에 있어서, 카본아미노실리카블랙은 입자크기를 10 ~ 100 nm로 하는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
제 3항에 있어서, 카본아미노실리카블랙은 비표면적을 50 ~ 300 m²/g으로 하는 것을 특징으로 하는 콘크리트.
제 1항에 있어서, 폴리카르본산계 고성능감수제는 중량 평균 분자량이 10,000 ~ 300,000인 것을 특징으로 하는 콘크리트.