KR101395038B1 - 수경성 유황 폴리머 시멘트 및 콘크리트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유황 폴리머 시멘트 및 이를 이용한 유황 폴리머 콘크리트에 관한 것이다.
본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트는 유황 및 유황 100 중량부에 대하여 디시클로 펜타디엔(dicyclo pentadiene)계 개질제 0.1~100 중량부와, 유황 100 중량부에 대하여 산화연(lead oxide) 0.1~100 중량부의 비율로 포함되어 있는 유황 개질제를 포함하는 것에 특징이 있다.
또한 본 발명에 따른 유황 폴리머 콘크리트는 일반 시멘트, 골재와 함께 산화연이 개질제로 포함된 유황 폴리머 시멘트를 물과 함께 배합하여 제조되는 것에 특징이 있다.

Description

수경성 유황 폴리머 시멘트 및 콘크리트{Hydraulic Sulfur Polymer Cement and Concrete}
본 발명은 유황 폴리머 시멘트에 관한 것으로서, 특히 80℃ 이하의 낮은 온도에서 재용융이 가능하며 압축강도, 내화학성, 내폭열성, 내취성, 내염해성 등의 물성이 향상된 유황 폴리머 시멘트에 관한 것이다.
통상적으로, 포틀랜드 시멘트를 사용하여 제조된 보통 콘크리트는 알칼리 특성을 나타내고 산에 매우 취약한 특성을 나타내는데, 콘크리트의 열화는 상당 부분이 화학적인 반응에 의한 것이다. 이 중 가장 일반적인 것은 콘크리트 구조물의 염해나 중성화에 의해 발생하는 부식 상황으로, 특히 염해 환경에 노출되어 있는 콘크리트 구조물은 철근의 부식에 따른 조기 열화가 큰 문제로 대두되고 있다.
이러한 보통 콘크리트의 취약한 내화학성 및 강도 등의 단점을 극복하기 위한 방안으로, 포틀랜드 시멘트 대신에 개질 유황 성분을 결합재(바인더)로 사용하고, 이를 각종 골재와 혼합하여 모르타르 또는 콘크리트를 제조하는 개질 유황 콘크리트 기술이 개발되었다.
좀 더 구체적으로 살펴보면, 유황의 성질, 즉 119 ℃를 넘으면 용해되고 상온에서는 고체인 성질을 이용하여 토목 및 건설 분야에 유황을 적용하는 기술 개발이 지속적으로 시도되고 있다. 예를 들면, 포장 재료 (미국 특허 제4290816호), 건축 재료용 자재 (일본 특공소 55-49024호 공보) 또는 폐기물 고화용 자재 (일본 특공소62-15274호 공보) 등의 결합재 (binder)로서 사용이 검토되고 있다.
그러나, 유황의 연소성과 관련하여, 유황은 인화점이 207 ℃이고, 자연 발화 온도가 245 ℃로서 착화성이 있고 표면에 노출한 유황은 타기 쉬운 문제가 있다. 또한, 기계적 강도와 관련하여, 유황은 안정적인 고체 상태에서 결함이 없으면 고강도를 나타낸다. 그러나 용융된 액체 상태로부터 냉각 고화되는 경우 사방정계, 단사결정, 부정형 유황의 3종류가 혼재해서 나타나는데, 냉각 조건에 따라 혼재 비율이 변하며, 시간의 경과에 따라 결함이 생기기 쉽고 부서지기 쉬운 취성상의 문제점이 있다. 따라서, 순수 유황을 결합재로 사용하기에는 그 적용 범위가 매우 한정된다.
또한 유황 콘크리트는 동결 융해 저항성, 타설 후 급속 냉각에 따른 시험체 내·외부의 온도 차로 인한 표면 함몰 현상, 골재나 거푸집 예열 문제 및 화재 취약성 등으로 인하여 그 적용범위가 한정되어 있는 실정이다.
이러한 단점을 개량하기 위하여 많은 유황 개질제가 검토되었다.
특히, 디시클로 펜타디엔 (dicyclo pentadiene; DCPD)은 염가이므로 경제성이 우수하고, 이와 함께 「New Uses of Sulfur-Ⅱ, 1978, PP. 68-77, 1978」에 나타난 바와 같이, 기계적 강도 등에 있어서 양호한 작용을 하는 것으로 알려져 있다.
또한, 비닐 톨루엔 (vinyl toluene), 디펜텐 (dipentene), 그 밖의 올레핀 올리고머 (olefin oligomer)를 첨가하여 유황의 성상을 개량하고 포장재, 접착재, 방수재 등으로 사용한 사례 (일본 특공평 2-25929호 공보, 일본 특공평 2-28529호 공보)도 알려져 있다.
그러나 상기한 유황 결합제를 사용한 시멘트(또는 콘크리트)는 고체의 덩어리 형태로 제조되는데 이를 골재 등과 혼합하기 위해서는 다시 재용융을 해야 하는 문제점이 있었다. 즉, 다시 유황 결합제를 재용융하기 위해서는 120℃ 이상에서 가열해야 하므로 현장에서 시공에 어려움이 많았다.
최근에는 유황 결합제로서 디시클로 펜타디엔과 함께 아민 등의 물질을 첨가하여 재용융 온도를 100℃ 이하로 낮추는 성과가 있었다.
그러나 재용융 온도를 낮춘 유황 결합제의 경우에도 이를 중합반응기에서 가열하면서 중합하는데 있어서 많은 시간이 소모되어 경제적인 제조가 불가능하다는 문제점이 있으며, 재용융 온도도 현장 시공에 적합하도록 더욱 낮출 필요가 제기되고 있다.
또한, 시멘트의 압축강도, 휨강도, 취성, 내염해성 등 물성에 있어서도 아직까지 많은 한계점을 노출하고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 80℃ 이하의 낮은 온도에서 재용융이 가능하면서도, 중합반응 시간이 획기적으로 단축되어 경제적으로 제조할 수 있으며, 압축강도, 휨강도, 내구성 등의 물성이 개선된 유황 폴리머 시멘트를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트는, 유황 및 상기 유황 100 중량부에 대하여 디시클로 펜타디엔(dicyclo pentadiene)계 개질제 0.1~100 중량부와, 상기 유황 100 중량부에 대하여 산화연(lead oxide) 0.1~100 중량부의 비율로 포함되어 있는 유황 개질제를 포함하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 산화연은 일산화연(PbO), 이산화연(PbO2), 삼산화이연(Pb2O3) 및 사산화삼연(Pb3O4) 중 선택된 어느 하나 또는 적어도 2개를 혼합한 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 디시클로펜타디엔계 개질제는, 디시클로펜타디엔 단량체 단독, 또는 상기 DCPD 단량체에 시클로펜타디엔 (cyclopentadiene;CPD) 단량체, DCPD 유도체, CPD 유도체 중 적어도 하나가 첨가된 혼합물, 또는 상기 디시클로펜타디엔 단량체 단독 또는 상기 DCPD 단량체에 시클로펜타디엔 단량체, DCPD 유도체, CPD 유도체 중 적어도 하나가 첨가된 혼합물에 용매 역할을 고리족 탄화수소 화합물계 (cyclic hydrocarbon compounds)인 디펜텐(dipentene), 리모넨(limonene), 비닐톨루엔(vinyltoluene), 스티렌(styrene), 메틸스티렌(methylstyrene), 디시클로펜텐 (dicyclopentene), 피넨(pinen), 인덴(indene) 또는 방향족 탄화수소 화합물계 (aromatic hydrocarbon compounds) 중 적어도 하나가 첨가된 올레핀계(olefin) 혼합물인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 산화연은 상기 유황 100 중량부에 대하여 0.1~30 중량부의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 유황 및 유황 개질제의는 70~125분 내에서 중합되어 제조될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 유황 폴리머 콘크리트는, 포틀랜트 시멘트, 골재, 물 및 상기한 조성으로 이루어진 유황 폴리머 시멘트를 혼합하여 제조된다.
상기 유황 폴리머 시멘트는 유황 폴리머 콘크리트 전체 중량에서 1~10 중량%의 비율로 혼합된다.
본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트는 80℃ 이하의 낮은 온도에서 재용융이 가능하면서도, 중합반응 시간이 획기적으로 단축되어 경제적으로 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트를 첨가한 유황 폴리머 콘크리트는 내염해성 등의 화학적 성질은 물론 내구성, 압축강도, 휨강도 등의 물성이 개선되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 수경성 유황 폴리머 시멘트에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에서 사용하는 '수경성'의 의미는, KS L 0005 (수경성 시멘트 분야의 표준 용어)에서 '시멘트성 물질 또는 수화성 물질'의 용어 정의에서 표현한 것처럼, 무기 물질 또는 무기 물질의 혼합물로서 물과의 화학적 반응에 의하여 수화물이 생성되며, 그로 인하여 응결 및 강도의 발현을 나타내는 물질을 말한다. 좀 더 구체적으로, 개질 유황 결합재에 수경성 재료와 물을 혼합하면 화학적으로 반응이 일어나서 상온에서 경화되어 강도의 발현을 나타내며, 최종적으로는 매우 치밀하고 단단한 경화체로 제작되는 능력을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트는 유황과, 이 유황의 개질제를 혼합한 조성물이다.
본 발명에서 사용되는 유황은 통상의 유황 단량체이고, 이러한 유황으로는 천연 유황, 또는 석유나 천연 가스의 탈황에 의해 생성되는 부산물 유황을 들 수 있고, 유황을 120 ℃ 이상, 바람직하게는 125 ~ 140 ℃에서 가열 용융한 용융 유황 또는 석유나 천연 가스의 탈황 플랜트에서 액상으로 운송되는 용융 유황을 사용할 수 있다.
본 발명에서 유황 개질을 위하여 사용되는 개질제로는 디시클로펜타디엔계 (dicyclopentadiene; DCPD) 개질제와 산화연(또는 산화납)이 사용된다.
디시클로펜타디엔계 개질제는 상온에서 액체의 형태로 존재한다. 디시클로펜타디엔계 개질제는 미국, 일본 및 한국 등의 공개 특허들에 개시된 것처럼, 개질 성분으로 디시클로펜타디엔 (DCPD) 단량체를 포함한다. 이러한 DCPD는 단량체를 단독으로 사용할 수도 있고, 또는 DCPD 단량체에 시클로펜타디엔 (cyclopentadiene; CPD) 단량체, DCPD 유도체, CPD 유도체(예컨대, 메틸시클로펜타디엔 (MCP), 메틸디시클로펜타디엔 (MDCP) 등) 중 적어도 하나가 첨가된 혼합물이 사용될 수도 있다.
이러한 디시클로펜타디엔계 개질제의 예시적인 조성으로서 상기한 유황 개질제에서 DCPD 약 65~75 중량부, CPD 약 10~20 중량부, 이들의 유도체 (MCP, MDCP 등) 약 10~20 중량부, 그리고 기타 성분 약 0.1 ~ 1.5 중량부의 비율로 혼합 제조될 수 있다.
또한, 고리족 탄화수소 화합물계(cyclic hydrocarbon compounds)인 디펜텐 (dipentene), 리모넨(limonene), 비닐톨루엔(vinyltoluene), 스티렌(styrene), 메틸스티렌(methylstyrene), 디시클로펜텐(dicyclopentene), 피넨(pinen), 인덴 (indene) 또는 방향족 탄화수소 화합물계(aromatic hydrocarbon compounds) 중 하나의 화합물 등의 올레핀계 (olefin) 화합물과 혼합된 형태로 사용될 수도 있다.
디시클로펜타디엔계 개질제는, 일본 특개 2002-60491호 공보와 한국공개 특허 10-2005-26021호에 개시된 것처럼, DCPD 단량체의 함유량이 약 70 %중량부 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 85 %중량부 이상인 소위 디시클로펜타디엔 (DCPD)이라고 통칭되는 시판품의 대부분을 사용 가능하다.
한편, 본 발명에서는 유황 개질제로서 특히 산화연을 사용한다는 데에 특징이 있다. 본 발명에서 사용하는 산화연으로는 일산화연, 이산화연, 삼산화이연, 사산화삼연 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 형태이다.
보다 구체적으로 설명하면, 일산화연(PbO)은 일산화납·산화제일납이라고도 하며, 오렌지색 또는 붉은색을 띠며 저온에서 안정한 형태와 노란색을 띠며 고온에서 안정한 형태가 있다. 일산화연은 비중 약 9.5, 녹는점 약 880℃의 성질을 가진다. 일산화연을 제조하는 방법으로는 금속납을 산화로(酸化爐)에 넣고 융해하여 제조하는 용융산화법과, 납을 융해하여 입상(粒狀)으로 하고 회전드럼 속에서 뜨거운 공기를 통하여 제조하는 연분법(鉛粉法)이 있다. 일산화연은 주로 염화비닐의 안정제로 사용되는 외에 농약, 도료, 안료, 축전지, 광학유리, 크리스탈 유리, TV브라운관 방사성 차단재, 고무 등에 사용된다.
이산화연(PbO2)은 이산화납이라고도 불리며, 흑갈색의 가루로 비중 9.375이다. 가열하면 산소를 방출하고 일산화납이 된다. 물에는 녹지 않지만, 염산에는 염소를 발생하면서 녹는다. 또 진한 수산화알칼리 수용액에도 잘 녹으며, 진한 질산이나 황산에는 약간 녹는다. 일산화납이나 연단(鉛丹) 등을 염소수·브로민수·하이포염소산나트륨·과산화수소 등의 산화제를 써서 산화시키면, 검은색 가루로서 얻는다. 또 납염의 수용액을 전기분해하면 비늘 모양의 고체로 양극에서 얻을 수 있다. 또한 일산화납을 염소산알칼리 등과 함께 융해시켜 얻을 수도 있으며, 공업적으로는 아세트산납을 클로르칼크로 산화시켜 얻을 수 있다. 축전지의 양극판, PVC 안정제로 쓰이는 외에 산화제로서도 사용된다.
삼산화이연(Pb2O3)은 삼이산화납이라고 불리며, 황적색의 비결정성 물질이며 가열하면 분해하여 사삼산화납이 된다. 산·알칼리에는 녹지만, 찬물에는 녹지 않으며, 가열하면 물에 녹아 분해하는 성질을 가진다. 제조방법으로는 사삼산화납의 아세트산 용액에 옅은 암모니아수를 서서히 가하면 생성된다.
사산화삼연(Pb3O4)은 연단(鉛丹)·광명단(光明丹)·적연(赤鉛)으로도 불리며, 납을 융해하여 공기를 통과시키고 노란색의 일산화연으로 만든 다음 노(爐) 속에서 400~450℃로 충분히 산화하여 만든다. 비알칼리성을 나타내며, 철의 방청제 페인트, 축전지의 전극판재료, 납유리, 도자기의 유약 등에 사용된다.
위에서 설명한 바와 같이, 산화연은 일반적으로 비중이 높고 강도가 커서 강화유리의 강도 보강을 위해 사용되는데, 유황의 개질제로 사용하는 경우 유황 폴리머 시멘트의 압축강도를 향상시키는 작용을 한다. 또한, 산화연은 플라스틱 제품이 쉽게 깨지는 취성의 단점을 보완하기 위하여 사용되는데, 유황 폴리머 시멘트에 첨가하는 경우 인장강도(내취성) 및 휨강도를 높이는 작용을 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 수경성 유황 폴리머 시멘트는 유황과, 디시클로 펜타디엔계 개질제와, 산화연을 혼합하여 제조되는데, 이하에서는 배합비율에 대하여 설명한다.
본 발명에서 디시클로 펜타디엔계 개질제는 유황 100 중량부에 대하여 넓게는 0.1~100 중량부의 비율로 혼합가능하며, 바람직하게는 0.1~30 중량부의 범위로 배합한다.
본 발명에서 디시클로 펜타디엔계 개질제의 첨가량 범위가 기존의 선행 특허와 비교하여 상대적으로 넓고 많은 이유에 대하여 설명한다.
즉, 선행 특허 (일본 특개 2002-60491호 공보)에서 20-500 mPa·s 점도 범위가 가장 바람직한 것으로 개시되어 있는 이유는, 중합 반응이 종료된 액상 상태의 반응결과물 (개질 유황 결합재)은 저장 탱크 내에서 저장 중인 경우에도 반응 결과물을 제조할 때의 반응 온도 범위 이내에서는 계속적으로 중합 반응이 진행되어서 최종적으로는 고무와 같은 점탄성 물질로 변하여 반응 탱크 자체에 큰 손상을 끼치기 때문이다. 이에 저장 탱크 내에서 장시간 저장시에도 안정적이고 일정한 점도를 유지하기 위해서는 반응이 진행되지 못하게 혹은 매우 느리게 진행시키기 위하여 저점도 범위를 목표로 설정한 것이다.
선행 특허에서 개시된 디시클로 펜타디엔계 개질제의 첨가량 범위는, 예컨대 유황 100 중량부에 대하여 0.01∼30 중량부(일본 특개 2004-2112호 공보), 2∼50 중량부(일본 특개 2002-60491호 공보), 2∼4 중량% (한국 공개특허 2006-101878) 등이다.
그러나, 본 발명은 비록 고점도의 액상 개질 유황 결합재가 생성되더라도 이를 상온에서 냉각하여 고체 상태로 제조한 다음, 현장에서 80 ℃ 이하의 온도로 가열하여 용해시키는 것이 가능하기 때문에 바람직한 최종 생성물의 점도를 저점도 범위로 한정할 필요는 없고, 이에 따라 디시클로 펜타디엔계 개질제의 첨가 비율을 기존 특허 범위 정도로 제한할 필요는 없다.
또한 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 빠른 시간 내에 경제적으로 중합반응을 완료할 수 있고, 중합된 수경성 유황 폴리머 시멘트가 저온에서 용융가능하면서도 물성을 개선시키는 데에 있다. 따라서 일정 조건하에서의 중합 반응의 억제라는 선행 특허의 목적에 비하여, 본 발명에서는 디시클로 펜타디엔계 개질제의 배합 비율을 훨씬 넓은 범위에서 유동적으로 조절할 수 있다.
다만, 본 발명에서도 디시클로 펜타디엔계 개질제는 0.1~30중량부로 배합하는 것이 바람직하다. 즉 유황 폴리머 시멘트에 디시클로 펜타디엔계 개질제의 첨가량을 증가시키면 시멘트의 난연성, 내화학성 등의 성질이 개선되는데, 그 배합비율이 유황 100 중량부에 대하여 30 중량부를 넘는 경우 개선 효과가 적다. 즉, 유황 100 중량부에 대하여 30중량부의 범위 내에서 디시클로 펜타디엔계 개질제를 혼합하는 경우 중합반응이 종료된 후 불필요한 중합반응을 억제할 수 있을 뿐만 아니라 유황 폴리머의 내화학성, 내염해성 등의 물성이 개선될 수 있기 때문이다.
본 발명에서는 상기한 바와 같이 디시클로 펜타디엔계 개질제의 배합 비율을 유동성있게 조절할 수 있으며, 중합반응에 있어서 목표 점도는 대략 150cp 정도로 설정하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에서 새롭게 유황의 개질제로 사용하는 산화연의 경우 시멘트 100 중량부에 대하여 0.1~100 중량부의 범위로 배합할 수 있으며, 바람직하게는 0.1~30 중량부의 범위로 배합한다. 위에서도 설명한 바와 같이, 산화연은 유황 폴리머 시멘트의 압축강도, 휨강도를 향상시키고, 취성 파괴의 문제점를 보완하는 한편, 무엇보다도 유황 폴리머 시멘트의 융합시간을 단축시키는 장점이 있다.
그러나 산화연이 유황 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만으로 되는 경우 상기한 효과들이 온전히 발현되지 않고, 산화연의 비중이 높은 이유로 30 중량부를 초과하는 경우 유황 폴리머 시멘트의 융합에 있어 효율성과 경제성에 영향을 미친다. 이에 따라 산화연은 유황 100 중량부에 대하여 0.1~100 중량부의 함량을 포함될 수도 있지만, 바람직하게는 0.1~30 중량부의 범위로 혼합되는 것이 더욱 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 시험은 유황 10kg, 디시클로 펜타디엔 3kg에 산화연의 종류와 함량을 달리하여 배합하면서 시행하였다. 시료1에서는 일산화연 1.5kg을 혼합하였으며, 시료2에서는 삼산화연 1kg을, 시료3에서는 이산화연 1kg을, 시료4에서는 삼산화연 0.5kg을, 마지막으로 시료5에서는 이산화연 0.5kg을 혼합하였다.
본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트를 제조하기 위하여 우선 고체 상태의 유황을 유황 저장탱크에서 용융시킨다. 즉, 유황 저장탱크의 온도는 대략 120℃ 정도를 유지하고 교반기의 회전 속도는 5RPM을 유지하면서 분말 유황(99.9 %)을 저장탱크에 투입한 후 130℃ 정도로 가열하여 완전히 용해되게 한다. 용융이 완료되는 시점에서 저장탱크의 상시온도는 125℃로 유지하며 융용 유황을 저장한다. 본 실시예에서 유황 저장탱크는 100L의 용량을 사용한다.
저장탱크에서 용융된 액체유황은 이송펌프에 의하여 이송라인을 통해 중합반응기로 투입된다. 이때 중합반응기의 온도는 120℃로 하고 교반기의 속도는 10RPM으로 유지한다.
용융된 유황의 투입이 완료되면 상온에서 액체 상태로 유지되는 DCPD(Dicyclopentadine=97%) 와 산화연 분말을 혼합 Mixer Tank에서 10RPM으로 교 반하여 70~80℃온도로 정량펌프를 이용하여 중합반응기로 공급한다. 이때 DCPD는 유황 100 중량부에 대하여 30 중량부의 범위로, 산화연은 0.5~1 중량부의 범위로 투입한다.
상기한 바와 같이, 상온 상태의 디시클로피디엔과 산화연을 중합반응기에 투입하면, 중합반응기의 온도가 105~110℃로 하강하므로, 중합반응기를 가열하여 다시 125℃까지 상승시킨다. 온도를 다시 올리는데 걸리는 시간은 대략 30분 정도 소요된다.
제조 공정시간은 125℃에서부터 시작되며 130℃ ~ 140℃로 제조한다. 상기한 바와 같이 중합과정의 초기에는 발열반응이 일어나므로 갑작스러운 온도 상승이 있을 수 있으므로 중합반응기의 온도 제어가 매우 중요하다.
유황의 중합 반응을 화학적으로 설명하면, 먼저 용융 유황과 유황 개질제가 반응하여 환상(ring)의 S8 유황이 개환(ring opening)되어 고리화(cyclic)되는 유황 폴리머 시멘트 전구체(precursor)를 생성하는 초기 혼합 반응단계가 일어난다. 초기 혼합 반응단계 후에는 전구체 생성시의 발열에 의해 유황 폴리머 시멘트 전구체 (precursor)와 용융 유황이 래디컬(radical) 연쇄반응(連鎖反應)을 함으로써 고분자화(polymerization)되는 중합 반응 단계가 일어난다.
중합과정에서는 상기한 바와 같이 발열반응과(mixing), 흡열반응(polymerization)이 순차적으로 이루어지며, 최종적으로 숙성(curing)되면서 중합반응이 완료된다.
숙성은 유황 폴리머 시멘트의 점도가, 예컨대 150 CP가 될 때까지 지속시키며, 최종적으로 암갈색을 띤 유황 폴리머 시멘트를 120℃로 냉각시켜 액체 상태의 유황 폴리머 시멘트를 배출한다. 참고로, 유황 폴리머 시멘트의 점도측정은 “BROOKFIELD DV-11+Pro Viscometer"로 측정하였으며, 측정온도는 140℃에서 50 RPM으로 측정한 점도이다.
상기한 바와 같이, 용융 유황과 디시클로 펜타디엔과 산화연이 중합되는 시간은 시료1에서 시료5에 걸쳐 대략 70분에서 125분 정도로 나타났다. 일산화연을 1.5kg 혼합한 시료1에서 125분으로 가장 길게 나타났으며, 이산화연을 0.5kg 혼합한 시료5에서 가장 짧게 70분으로 나타났다.
중합반응기에서 액체 상태로 배출된 유황 폴리머 시멘트는 자연 상태에서 응고시킨 후 분쇄기로 통해 분말 형태로 제조한다. 분말로 만들어도 온도가 15℃이하에서는 분말상태로 유지된다. 다만, 15℃이상에서는 분말이 서로 붙어버리지만, 유황 폴리머 시멘트는 낮은 온도에서 재용융하므로 사용상의 문제점은 없다. 최종적으로 제조된 분말 상태의 유황 폴리머 시멘트의 재용융 온도는 모든 시료에 걸쳐 대략 75℃ 근처로 확인되었다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 산화연을 이용한 유황 폴리머 시멘트는 기존의 아민계 개질제를 사용한 유황 폴리머 시멘트 또는 아마이드계 개질제를 사용한 유황 폴리머 시멘트의 재용융 온도 80~90℃와 비교할 때 좀 더 낮은 온도를 나타내어 재용융이 용이하다는 것을 확인하였다.
무엇보다도, 아민계 또는 아마이드계 개질제를 사용한 경우에 비하여 중합 시간이 획기적으로 단축되었다. 즉, 동일한 조건에서 디메틸아세트아마이드, 디메틸포름아마이드, 포름아마이드를 혼합한 경우 중합시간이 적게는 160에서 많게는 300분 정도가 소요되었으나, 본 발명에서와 같이 산화연을 사용한 경우 70분에서 125분 정도에서 중합이 이루어져 제조시간이 2배 이상 단축되었다.
한편, 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트를 혼합하여 제조되는 유황 폴리머 콘크리트는 보통 포틀랜트 시멘트와 골재 및 물을 배합하여 제조된다. 포틀랜트 시멘트와 골재 및 물의 혼합비는 건축 용도에 따라 다르지만 일반적으로 사용되는 범위에서 배합가능하다. 그리고 유황 폴리머 시멘트는 최종적으로 제조되는 유황 폴리머 콘크리트의 총 중량에서 1~10 중량%를 차지하도록 첨가된다.
본 출원인은 상기한 과정으로 제조된 유황 폴리머 콘크리트에 대하여 압축 강도 시험을 진행하였다.
즉, 표준콘크리트 배합에 상기한 조성의 유황 폴리머 시멘트를 총중량에서 7.5%의 중량을 차지하도록 첨가하여 5개의 시료를 제조하였다.
7일 재령에서 압축강도는 263.7~292.8Kgf/Cm2였으며, 표준콘크리트의 260Kgf 보다 우수한 것으로 확인되었다. 또한 14일 재령에서 압축강도는 288~358Kgf/Cm2로 조기 압축강도가 매우 큰 것으로 확인되었다.
즉, 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트를 개질제로 사용하여 포트랜트 시멘트와 배합시 압축강도가 표준 콘크리트에 비하여 매우 높으며, 상기한 아민계 또는 아마이드계를 사용한 유황 개질제를 사용한 경우에 비해도 매우 높은 것을 확인하였다.
또한, 압축강도 실험 과정에서 표준콘크리트는 파괴 시점에서 급격하게 붕괴가 일어났으나, 본 발명에서는 산화연을 포함하고 있어 서서히 크랙이 가고 급격한 붕괴가 일어나지 않는 것으로 나타났다. 즉, 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트와 일반 포틀랜트 시멘트를 혼합하여 사용한 경우 휨강도 및 취성 파괴에 있어서도 이점을 보일 것으로 판단된다.

Claims (7)

  1. 유황; 및
    상기 유황 100 중량부에 대하여 디시클로 펜타디엔(dicyclo pentadiene)계 개질제 10~30 중량부와, 상기 유황 100 중량부에 대하여 산화연(lead oxide) 10~30 중량부의 비율로 포함되어 있는 유황 개질제;를 포함하며,
    상기 산화연은 일산화연(PbO), 이산화연(PbO2), 삼산화이연(Pb2O3) 및 사산화삼연(Pb3O4) 중 선택된 어느 하나 또는 적어도 2개를 혼합하고,
    상기 유황 및 유황 개질제는 70~125분 내에서 중합되어 제조되는 것을 특징으로 하는 유황 폴리머 시멘트.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 포틀랜트 시멘트, 골재, 유황 폴리머 시멘트 및 물을 혼합하여 이루어지는 유황 폴리머 콘크리트에 있어서,
    상기 유황 폴리머 시멘트는 상기 청구항 1에 기재된 조성으로 이루어진 유황 폴리머 시멘트인 것을 특징으로 하는 유황 폴리머 콘크리트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유황 폴리머 시멘트는 전체 중량에서 1~10 중량%의 비율로 배합되는 것을 특징으로 하는 유황 폴리머 콘크리트.
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