KR101470307B1 - 콘크리트용 화학 혼화제 및 레미콘 회수수를 사용한 무독성 콘크리트의 제조방법 - Google Patents

콘크리트용 화학 혼화제 및 레미콘 회수수를 사용한 무독성 콘크리트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트용 화학 혼화제를 제조하여, 이를 이용하여 레미콘 회수수를 첨가한 무독성 콘크리트를 제조할 수 있다. 상기 콘크리트용 화학 혼화제는 기존의 화학 혼화제와 비교하여 콘크리트를 제조할 때 콘크리트의 물성 및 내구성 면에서 동등 또는 그 이상의 성능을 보여준다. 또한, 첨가된 레미콘 회수수에 의해 발생된 기포를 안정시킴으로서, 레미콘 회수수에 함유된 미세입자의 양이 줄어들며 그로 인하여 콘크리트 내구성 증대, 수밀성 증대 및 생산 효율 증대 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 콘크리트용 화학 혼화제를 사용함으로써, 콘크리트의 pH의 조절이 가능하며 강알칼리성으로 인한 독성을 중성의 pH로 조절하여 무독성의 콘크리트를 제조할 수 있고, 레미콘 회수수를 첨가하여 콘크리트 제조시 기존에는 강도문제로 인하여 시멘트를 더 추가했어야 했지만 본 발명에서는 시멘트를 더 추가하지 않더라도 강도 확보가 되어 원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.

Description

콘크리트용 화학 혼화제 및 레미콘 회수수를 사용한 무독성 콘크리트의 제조방법{Concrete chemical admixtures and Method for nontoxic concrete used recovered remicon water}
본 발명은 콘크리트용 화학 혼화제 및 레미콘 회수수를 첨가한 무독성 콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것으로, 메틸메타크릴레이트계 고분자, 폴리카르본산계 고분자, 셀룰로스계 증점제 및 실리콘계 소포제를 포함하는 콘크리트용 화학 혼화제와, 이를 사용하여 레미콘 회수수가 첨가된 콘크리트 제조시 발생되는 거품과 압축강도 저하 및 생산효율의 저하를 해소하고, 일반적인 콘크리트의 강알칼리성으로 인한 강알칼리성분이 땅이나 하천, 바다로 침출되는 문제점을 해결할 수 있는 무독성 콘크리트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
콘크리트는 시멘트와 물의 반응에 의해 경화되어 제조되는 수경성 반응물이며, 사용되는 물의 양에 따라서 작업성에 차이가 날뿐만 아니라 경화 후의 압축 강도, 경화 시간 및 내구성 등 물리, 화학적 특성이 달라진다. 이러한 콘크리트는 현대의 건축 및 토목 공사에 있어 기본이 되는 것으로서, 건축물이 고층화, 대형화 되어감에 따라 조기강도 및 고유동성, 고품질, 내구성 및 수밀성 향상 등 여러 가지 다양한 특성을 필요로 한다.
콘크리트에는 시멘트, 물, 골재 이외에 화학 혼화제(chemical admixtures)가 추가로 사용된다. 상기 화학 혼화제는 콘크리트의 물리, 화학적 특성을 변화시키고 작업성을 유지하고 개선시키기 위해서 시멘트 조성물에 첨가되는 화학 물질로, 화학 혼화제의 사용량은 콘크리트에 사용되는 시멘트 중량의 약 0.5~3% 정도로 미미하지만, 화학 혼화제를 사용함으로써 콘크리트의 물리적 특성을 크게 변화시키거나 개선시킬 수 있다. 화학 혼화제는 그 기능에 따라서 크게 AE제, 감수제, 고성능 감수제 및 고성능 AE제로 분류될 수 있다.
AE제는 기포 작용을 하여 동결융해에 대한 저항성을 증대시키고, 감수제는 분산 및 습윤작용을 하여 내동해성(freeze thaw resistance)을 증대시키고, AE 감수제는 분산 및 습윤작용을 하여 내구성을 증대시킬 수 있으며, 고성능 감수제는 크리프(creep) 현상을 감소시켜 고강도 콘크리트를 제조하는데 사용된다. 또한 고성능 AE제는 분산 작용을 하여 고내구성, 고강도 콘크리트를 제조하는데 사용된다.
그러나 상기와 같이 콘크리트 화학 혼화제의 종류가 늘어나고 개발되어도 레미콘 업체에서 항상 대두되는 것은 레미콘 회수수에 관련된 문제이다. 레미콘 회수수는 콘크리트 납품 후 이동거리에 따라 차량에 묻은 콘크리트의 경화를 방지하기 위한 세척시 배출되거나, 배치플랜트(Batch Plant)에서 생산 후 믹서청소에 의하여 배출되기도 하며, 여러 가지 다양한 요인으로 인해 발생되어 배출된다.
이렇게 배출된 레미콘의 회수수는 산업부산물 중의 하나로서, 강알칼리성의 환경오염 물질이다. 레미콘 회수수는 크게 슬러지수와 상징수로 구분될 수 있는데, 슬러지수란 콘크리트의 세척 배수에서 굵은 골재, 잔골재가 분리 회수되고 남은 현탁수를 말하며, 상징수는 슬러지수에서 슬러지 고형분이 침강 또는 기타 방법으로 제거된 물을 의미한다. 이러한 레미콘 회수수는 콘크리트 생산시 사용되는 사용수의 일정부분에 혼합되어 사용된다.
공장폐수시험방법 KSM 0111에 의하면, 레미콘 회수수는 고형분 3 % 범위에서 재사용되도록 규정되어 있으나, 강알칼리성을 띄고 있어 이를 재활용하여 콘크리트를 제조할 경우에는 강알칼리성의 콘크리트 제품이 제조된다. 상기 강알칼리성 콘크리트 제품은 충분한 양생 기간을 거치 않고 물과 접촉시에, 높은 알칼리성분이 토양, 강, 하천 및 바다 등으로 침출되어 식물이나 동물에게 영향을 줄 경우 폐사하거나 성장장애를 일으킬 수 있으며, 사람에게도 아토피 같은 각종 피부질환을 유발하거나 두통 등의 심한 스트레스를 줄 수 있는 문제점이 있다.
더욱이, 레미콘 회수수는 콘크리트 화학 혼화제의 AE제와 반응하여 콘크리트 표면에 기포를 발생시키는데, 이러한 기포들이 미세입자와 결합하면 증점이 생겨 기포가 터지지 않는 문제가 발생된다. 2차적인 문제로, 레미콘 회수수를 사용하면 콘크리트 내부의 공기량의 변화가 발생하고, 기포에 붙은 미세입자에 의해서 콘크리트의 강도저하 및 유동성 부족 현상이 발생하고, 이에 따라 내구성이 감소하게 된다. 이러한 문제를 처리하기 위해 상대적으로 시멘트량을 늘리게 되면, pH 증가 요인이 발생되고 혼화제 사용량이 증가되는 문제점이 발생한다.
공개특허공보 제2014-0017711호에는 무기결합제의 일종으로 알칼리 성분 소재 40~48 wt%, 중성 성분 소재 40~45 wt% 및 산성 성분 소재 7~20 wt%로 조성된 pH 중성결합재조성물을 첨가하여 콘크리트나 콘크리트 2차 제품을 제조하는 방법에 제시되어 있다.
일본공개특허공보 제2000-143326호에는 아윈, 비라이트, 페라이트 상 및 황산칼슘을 주성분으로 하는 저칼슘형태 시멘트 클린커를 이용하여 이에 고로 슬래그분말 및 실리카 흄을 포함한 저알칼리성 결합재 조성물의 제조 방법이 제시되어 있다.
하지만 상술한 종래의 기술들은 화학 혼화제를 저알칼리성이나 중성의 조성물을 사용하여 콘크리트를 제조하는 방법을 제시하고 있으나, 이는 강알칼리성인 레미콘 회수수를 이용하여 제조된 콘크리트의 강알칼리성을 해결하려는 소정의 목적을 충족시키지 못하거나, 레미콘 회수수에 의해 발생된 기포에 붙은 미립분에 의하여 콘크리트의 강도 저하 및 유동성 부족이 발생하여 내구성 감소를 일으키는 문제를 해결하지는 못한다.
공개특허공보 제2014-0017711호 (2014.02.12. 공개) 일본공개특허공보 제2000-143326호 (2000.05.23. 공개)
본 발명은 상술한 종래의 기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레미콘 회수수를 첨가한 콘크리트 제조시 발생되는 거품과 압축강도 저하 및 생산효율의 저하를 해소하고, 기존의 강알칼리성으로 인하여 물과 접촉시 높은 알칼리성분이 땅이나 하천, 바다로 침출되어 식물이나 동물에서 영향을 주는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 메틸메타크릴레이트계 고분자와 폴리카르본산계 고분자, 셀룰로스계 증점제 및 실리콘계 소포제를 포함하는 콘크리트용 화학 혼화제를 사용함으로써, 콘크리트 제조시에 사용되는 레미콘 회수수의 사용량을 늘리면서 동시에 중성의 무독성 콘크리트를 제조하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서 제시하는 콘크리트용 화학 혼화제는 물 32~45 중량부, 메틸메타크릴레이트계 고분자 20~30 중량부, 폴리카르본산계 고분자 10~15 중량부, 셀룰로스계 증점제 10~20 중량부 및 실리콘계 소포제 0.5~3 중량부를 포함한다.
상기 콘크리트용 화학 혼화제에는, 글루콘산 나트륨(Sodium Gluconate) 10~15 중량부 및/또는 로르산(Lauric acid) 1~2 중량부가 추가로 더 포함될 수 있으며, 상기 메틸메타크릴레이트계 고분자는, 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate, PMMA) 및/또는 폴리메타크릴레이트(Polymethacrylate, PMA)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 폴리카르본산계 고분자는 폴리카르본산계 공중합체로서, 알콜시폴리알킬렌글리콜모노(메타) 아크릴산 에스테르계 단량체, (메타)아크릴산계 단량체 및 (메타)아크릴산 에스테르계 단량체로 이루어진 군 중에서 적어도 하나 이상 선택된 화합물의 공중합체를 포함하고, 상기 셀룰로스계 증점제는 하이드록시프로필 메틸 셀룰로스(Hydroxypropyl Methyl Cellulose, HPMC) 및/또는 하이드록시에틸 메틸 셀룰로스(Hydroxyethyl Methyl Cellulose, HEMC)인 것이 바람직하다.
상기 셀룰로스계 증점제는 분자량 50,000~180,000의 하이드록시프로필 메틸 셀룰로스 분체(순도 98%)를 200배의 부피비로 희석시킨 희석액이며, 상기 실리콘계 소포제는 실리콘 수지, 실리콘 오일 및 실리콘 중합체로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나 이상이 실리카 분말과 혼합된 실리카실리콘계 소포제이다.
본 발명의 다른 실시 형태로 레미콘 회수수를 첨가한 무독성 콘크리트 제조방법이 있으며, 셀룰로스계 증점제 10~20 중량부, 물 32~45 중량부, 메틸메타크릴레이트계 고분자 20~30 중량부, 폴리카르본산계 고분자 10~15 중량부 및 실리콘계 소포제 0.5~3 중량부를 혼합 및 교반하는 콘크리트용 화학 혼화제 준비 단계; 충전재 70~77 중량부, 시멘트 13~19 중량부, 레미콘회수수 2~10 중량부 및 사용수 5~13 중량부를 혼합한 후, 상기 콘크리트용 화학 혼화제를 시멘트 중량을 기준으로 1~1.5 wt%를 배합하는 콘크리트 혼합물 배합 단계; 및 상기 콘크리트 혼합물을 성형틀에 넣어 양생시키는 단계;를 포함한다.
상기 충전재는 잔골재 및 굵은 골재를 포함하며, 상기 시멘트는, 상기 충전재의 전체 무게의 3~5 %의 플라이애쉬 및/또는 슬래그 미분말의 혼화재를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시 형태는 이러한 레미콘 회수수를 첨가한 무독성 콘크리트 제조방법으로 제조된 무독성 콘크리트를 포함한다.
본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제를 사용하여 레미콘 회수수가 첨가된 무독성 콘크리트를 제조할 수 있다. 상기 콘크리트용 화학 혼화제는 기존의 화학 혼화제와 비교하여 콘크리트의 물성 및 내구성 면에서 동등 또는 그 이상의 성능을 보여준다. 또한, 첨가된 레미콘 회수수에 의해 발생된 기포를 안정화시켜, 레미콘 회수수에 함유된 미세입자의 양이 줄어들며 그로 인하여 콘크리트 내구성 증대, 수밀성 증대 및 생산 효율 증대 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제를 사용함으로써, 콘크리트의 pH의 조절이 가능하며 강알칼리성으로 인한 독성을 중성의 pH로 조절하여 무독성의 콘크리트를 제조할 수 있고, 레미콘 회수수를 첨가하여 콘크리트 제조 시 기존에는 강도문제로 인하여 시멘트를 더 추가했어야 했지만 본 발명에서는 시멘트를 더 추가하지 않더라도 강도 확보가 되어 원가를 절감할 수 있다.
본 발명은 메틸메타크릴레이트계 고분자와 폴리카르본산계 고분자, 셀룰로스계 증점제 및 실리콘계 소포제를 포함하는 콘크리트용 화학 혼화제와 이를 이용하여 레미콘 회수수를 첨가한 무독성 콘크리트 제조하는 방법이다.
본 발명에서 제시하는 콘크리트용 화학 혼화제는, 물 32~45 중량부, 메틸메타크릴레이트계 고분자 20~30 중량부, 폴리카르본산계 고분자 10~15 중량부, 셀룰로스계 증점제 10~20 중량부 및 실리콘계 소포제 0.5~3 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 조성들은 각 성분들의 효과를 상쇄시키지 않고 최적의 효과를 발휘할 수 있는 비율들로 중요한 의미를 갖는다.
본 발명에서 분산제는 메틸메타크릴레이트계 고분자를 사용하였다. 분산제는 시멘트 입자에 흡착된 분자가 정전기적으로 작용하여 시멘트입자를 분산시키는 원리로 작용하는 계면활성제 성분으로서, 습윤, 유화 및 가용화하는 특성이 있어 콘크리트 내에서 시멘트입자분산, 유동성 부여, 균일한 시멘트 수화반응 및 콘크리트의 작업성을 향상시키는 역할을 한다.
본 발명에서 사용되는 분산제는 공지의 분산제 중에서 선택될 수 있으나, 특히 옥신카르본산염, 폴리옥시에틸렌 알킬 아릴에테르 유도체, 알킬 알릴술폰산염, 폴리아민 축합물 및 폴리카르본산계 고분자 화합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하다.
특히, 말단기에 술폰산기(-SO3), 카르복실기(-COO), 수산화기(-OH) 등의 친수기를 수반하는 폴리메타크릴레이트계를 들 수 있는데, 바람직하게는 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate, PMMA) 및/또는 폴리메타크릴레이트(Polymethacrylate, PMA)이다. 이러한 분산제를 사용한 경우, 콘크리트 제조시 물의 함량을 기존의 콘크리트 제조 시보다 20~30% 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 콘크리트 유동성을 높혀 작업효율을 높일 수 있으며, 양생된 콘크리트의 강도를 화강암 수준까지 높일 수 있어 고층빌딩, 도로, 교량 또는 교각 등의 높은 강도를 요하는 특수구조물에도 적합하게 사용할 수 있다.
따라서 본 발명에서 상기 메틸메타크릴레이트계 고분자의 조성비율은 20~30 중량부인 것이 바람직하다. 상기 메틸메타크릴레이트계 고분자가 20 중량부 미만으로 투입될 경우, 콘크리트 제조 시 사용수의 사용량의 증가로 인해 블리딩이 발생하여 내구성이 떨어지는 문제가 발생하며, 30 중량부 초과일 경우, 콘크리트의 재료분리, 경화불량으로 인한 내구성 저하, 작업효율의 저하 등의 문제가 발생 된다.
본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제에서 유지제로 사용되는 폴리카르본산계 고분자는, 유동성 유지나 점성 유지를 위한 효과만을 위해서 사용되므로 초기에는 유동성을 나타내지 않는 것이 콘크리트의 유동성이나 점성의 제어를 하기 위해서 바람직하다. 상기 폴리카르본산(Polycarboxylate)계 유지제는 측쇄(side chanin)가 긴 폴리카르본계 고분자의 카르복실기(COO-)의 주쇄가 시멘트의 수화물의 생성물에 매립되면 측쇄의 2차 분산 능력으로 장시간 작업성을 유지된다. 이때, 폴리카르본계 유지제는 10~15 중량부의 범위로 사용되는 것이 바람직한데, 상기 폴리카르본계 유지제가 10 미만 중량부 일 경우에는 경시변화가 크게 발생되어 작업효율이 저하될 수 있고, 15 초과 중량부 일 경우에는 경화불량에 의한 내구성 저하가 발생될 수 있다.
폴리카르본산계 고분자는 폴리카르본산계 공중합체로서, 알콜시폴리알킬렌글리콜모노(메타) 아크릴산 에스테르계 단량체, (메타)아크릴산계 단량체 및 (메타)아크릴산 에스테르계 단량체로 이루어진 군 중에서 적어도 하나 이상 선택된 화합물의 공중합체로 이루어지는 것이 바람직한데, 알콕시폴리알킬렌글리콜모노 (메타)아크릴산 에스테르계의 거대 단량체에 (메타)아크릴산계 단량체 및 기능성 아크릴산 에스테르계 단량체를 조합하여 공중합체시킨 폴리카르본산계 단량체를 기본으로 하는 공중합체 고분자를 콘크리트용 화학 혼화제에 포함하여 사용함으로써, 고감수율의 영역에서 콘크리트 조성물의 유동성을 높이고, 얻어진 유동성의 경시적인 저하를 장시간 동안 획기적으로 방지할 수 있음과 동시에, 적절한 공기량을 연속적으로 운행시켜 양호한 작업성을 부여할 수 있다.
폴리옥시알킬렌알케닐에테르 설페이드염은 카르본산계 공중합체에 단위 단량체로 포함되는 반응성 계면활성제로 소수성기와 친수성기를 모두 가지고 있어 고분자의 수용성을 높여주며, 시멘트 입자에 고분자가 물리적 흡착을 일으킬 수 있는 성질을 증가시켜줌으로써 시멘트 입자의 분산성의 지속화를 도와주는 작용을 통해 콘크리트 조성물의 경시적인 유동성 저하를 억제하여 유지력을 지속시키는 역할을 한다.
또한, 폴리옥시알킬렌알케닐에테르 설페이드염은 라디칼 반응에 참여할 수 있는 이중결합을 가지고 있어 단량체들과 공중합체를 하여 고분자 계면활성제로 작용을 하게 된다. 이러한 계면활성제의 소수성 부분은 시멘트 입자에 흡착을 돕고, 이온성 부분은 전기 이중층을 형성하여 제타 전위를 증가시키고 분산 입자 간의 정전기적 반발력 및 안정성을 증대시킨다. 따라서 폴리알킬렌글리콜쇄의 친수성과 입체반발에 의한 시멘트 분산 효과뿐만 아니라 계면활성제 말단의 술폰산에 의한 정전기적 반발력을 동시에 갖게 되어 분산력 및 연행된 공기의 안정성을 보다 향상시킨다.
알콕시폴리알킬렌글리콜 모노(메타)아크릴산 에스테르 단량체 및 폴리옥시알킬렌알케닐에테르 설페이드염은, 라디칼 반응에 참여할 수 있는 이중결합을 가지고 있어서, 단량체들과 공중합체를 하여 분산입자 간의 정전기적 반발력 및 안정성을 유도할 수 있으며, 이에 의하여 장시간 동안 유동성을 유지시켜 콘크리트 조성물의 경시 변화를 최소화시켜준다.
상기 폴리카르본산계 공중합체는 중합 개시제를 사용하여 상기 단량체 성분들을 공중합체를 통해 제조될 수 있고, 공중합체 방법은 용액 중합이나 괴상 중합 등의 방법에 의해 실시될 수 있으나, 이들의 방법으로 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 사용되는 증점제는 실리콘계 증점제로서, 콘크리트 조성물에 점도를 증가시켜서 콘크리트의 재료분리 저항성을 증진하여 보습성을 유지하고 품질관리가 용이하게 해주는 장점이 있다.
셀룰로스 증점제는 하이드록시프로필 메틸 셀룰로스(Hydroxypropyl Methyl Cellulose, HPMC)와 하이드록시에틸 메틸 셀룰로오스(Hydroxypropyl Methyl Cellulose, HEMC)를 혼합하거나 각각 사용할 수 있는데, 이는 콘크리트 속에서 공극형성이 균일하고 용해도와 분산도가 뛰어나 콘크리트 충전성이 우수해진다.
HEMC는 물에 용해하면 점성 및 점착성 있는 수용액이 된다. 이 점성 때문에 일반 콘크리트와 달리 중력작용에 대한 반응에 시간이 걸리고, 슬럼프 시험시 완만한 변형이 보여지는 듯한 특이한 유동성을 나타낸다. 또한 HEMC는 물에 용해될 때에 보수성을 나타내므로, HEMC를 첨가한 콘크리트에서는 블리딩이 발생하지 않으며, 콘크리트 중의 혼합수가 물속으로 분산되지 않도록 한다.
콘크리트는 일체의 재료분리가 발생하지 않아야 하므로 증점제는 물과 작용하여 충분한 보습성이 유지되고 온도 의존성이 둔감해지도록 설계되어야 한다. 사용하는 증점제는 셀룰로스계로 물의 표면장력에 의한 물과의 혼합이 어려울 수 있으므로 에스테르화 반응으로 표면처리하고 또한, 서로 다른 분자량의 HPMC를 3가지 이상 조합하여 보습성과 온도의존성을 개선한 HPMC를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 분자량 50,000~180,000의 셀룰로스 증점제를 200배 부피비의 물에 용해시킨 후 희석액으로 10 내지 20 중량부를 사용한다. 상기 셀룰로스 증점제의 분자량이 50,000 보다 낮으면 레미콘 회수수의 슬러지와 부착력이 강해져 덩어리가 생길 수 있고, 분자량이 180,000 보다 크면 부착력이 약해져 재료분리가 일어날 수 있다. 또한, 상기 셀룰로스 증점제의 사용량이 10 중량부 미만이면 투입량이 너무 적어 점도 증가 효과를 기대할 수 없고, 20 중량부를 초과하면 콘크리트의 점도가 증가하여 시공성이 어렵게 된다.
본 발명에서 사용되는 소포제는 실리콘계이며, 콘크리트 혼합물의 제조시에 레미콘 회수수를 사용할 경우 급속하게 발생되는 기포를 억제하기 위한 것이다. 이러한 실리콘계 소포제는 실리콘수지, 실리콘오일 및 실리콘 중합체로 이루어진 군 중에서 적어도 하나 이상 선택되는 물질을 실리카 분말과 혼합시킨 실리카실리콘계 소포제로, 바람직하게는 실리콘 오일에 실리카 고형분을 25 wt% 포함된 실리카실리콘계 소포제이다.
본 발명에서는 실리콘계 소포제를 0.5~3 중량부 사용한다. 0.5 중량부 미만이면 기포 발생으로 인하여 레미콘 회수수의 거품을 제대로 제거하지 못하며, AE제와 표면에 기포를 발생시켜 콘크리트의 강도 저하와 유동성 부족 현상이 발생하고, 3 중량부를 초과하면 비경제적일 뿐만 아니라 공기량 부족으로 콘크리트의 유동성 저하 및 동결융해에 의한 내구성 저하가 우려된다.
본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제에 추가적으로 사용될 수 있는 글루콘산계 화합물, 바람직하게는 글루콘산 나트륨(Sodium gluconate)은 시멘트 조성물이 응결되는 속도를 지연시키는 역할을 한다. 구체적으로, 글루콘산계 화합물은 콘크리트 조성물이 소정의 응결 속도 이상으로 빨리 응결되는 것을 방지하여, 콘크리트 조성물의 시공성 및 내구성이 떨어지는 것을 방지하는 역할을 한다.
본 발명에서는 글루콘산 나트륨을 10~15 중량부 사용되는 것이 바람직한데, 글루콘산 나트륨이 10 중량부 미만일 경우 콘크리트 조성물이 빨리 응결되어, 시공성 및 내구성이 떨어질 수 있으며, 15 중량부 초과일 경우 콘크리트 조성물의 응결이 지연되어 시공성 및 내구성이 떨어지는 문제점이 발생한다.
상기 글루콘산계 화합물과 함께, 본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제에 추가적으로 사용될 수 있는 로르산(Lauric acid)은, 지방산염의 하나로, 지방산금속염 또는 지방산에스테르 중에서 선택될 수 있으나, 지방산에스테르의 경우 시멘트 수화반응에 장애를 일으키거나 접착력을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 지방산금속염을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 지방산금속염으로는, 로르산아연, 로르산칼슘 및 로르산알루미늄이 바람직하며, 1 내지 2 중량부의 범위로 사용되는 것이 바람직한데, 이는 상기 로르산의 함유량이 1 중량부 미만이면 그 사용량이 너무 적어서, 공기량 저하 방지 효과를 볼 수 없으며, 그 사용량이 2 중량부를 초과하는 경우에는 콘크리트의 공기포 안정성이 떨어져 콘크리트의 강도를 약화시킬 수 있는 단점이 있다.
또한, 상기 로르산은 시멘트 수화반응을 통해 배출되는 Ca2 + 이온의 전기적인 영향에 대한 저항성이 증가하게 하여 시멘트에 흡착되는 것을 막아주게 된다. 따라서 굳지 않은 콘크리트에서 원하는 초기 공기량을 얻을 수 있고, 경시변화 이후 공기량 손실을 적게 할 수 있다. 또한, 지방산금속염의 경우, 그 입자크기가 작을수록 발휘되는 효과가 크기 때문에 5 ㎛이하의 입자경을 가진 분말형을 선택하는 것이 바람직하다.
로르산금속염 또는 로르산에스테르를 콘크리트 내에 투여하는 방법으로는, 콘크리트에 직접 투여하여 공극 내에 존치시키는 방법과 혼화제와 혼합하여 콘크리트 내 투입하는 방법이 있는데 본 발명에서는 혼화제와 혼합하여 콘크리트 내 투입하는 방법을 통하여 로르산 1~2 중량부 투여한다.
본 발명의 다른 실시형태로, 레미콘 회수수를 첨가한 무독성 콘크리트를 제조하는 방법을 들 수 있는데, 앞서 언급한 본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제를 레미콘 회수수를 사용하는 콘크리트 혼합물의 제조 과정에 첨가하여 사용함으로써 무독성 콘크리트를 제조하는 방법으로 들 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 셀룰로스계 증점제 10~20 중량부, 물 32~45 중량부, 메틸메타크릴레이트계 고분자 20~30 중량부, 폴리카르본산계 고분자 10~15 중량부 및 실리콘계 소포제 0.5~3 중량부를 혼합 및 교반하여 콘크리트용 화학 혼화제를 준비하는 단계; 충전재 70~77 중량부, 시멘트 13~19 중량부, 레미콘회수수 2~10 중량부 및 사용수 5~13 중량부의 혼합물에 상기 콘크리트용 화학 혼화제를 시멘트의 중량을 기준으로 1~1.5 wt%의 범위로 배합하는 콘크리트 혼합물 배합단계; 및 상기 콘크리트 혼합물을 성형틀에 넣은 후 양생하는 단계;를 포함한다.
콘크리트용 화학 혼화제 준비단계에서 물의 온도는 15~25 ℃에서 교반하는 것이 바람직하다. 상기 물의 온도가 15 ℃ 이하일 경우, 원료들의 점도가 높아져 혼합에 시간이 오래 걸리거나 혼합이 잘 안되는 문제가 발생할 수 있고, 25 ℃ 를 초과하는 경우에는 점도 조절 효과가 거의 나타나지 못한다.
콘크리트 배합단계에서 사용되는 충전재는 잔골재 및 굵은 골재를 포함하고, 상기 충전재는 잔골재 및 굵은 골재를 포함하고, 상기 시멘트에는 상기 충전재 전체 무게의 3~5 %의 범위로 플라이애쉬 및/또는 슬래그 미분말의 혼화재가 포함되는 것이 바람직하며, 상기 콘크리트용 화학 혼화제 준비단계에서, 콘크리트용 화학 혼화제에, 옥신카르본산염, 폴리옥시에틸렌 알킬 아릴에테르 유도체, 알킬 알릴술폰산염 및 폴리아민 축합물로 이루어진 군 중에서 선택되어지는 적어도 하나 이상을 포함한 화합물이 더 포함될 수 있다.
또한, 상기 콘크리트 혼합물에 포함된 시멘트 중량에 대해서 상기 콘크리트용 화학 혼화제는 1~1.5 wt% 사용하여 제조하는 것이 바람직하다. 이는 물과 시멘트가 결합되어 수화반응을 할 경우 포졸란 반응이 일어나 강도가 증가하는 것인데, 콘크리트용 화학 혼화제 사용량이 1 중량부 이하로 적게 사용될 경우 강도 저하 및 침하 크랙의 원인이 될 수도 있다. 또한, 콘크리트의 구조물에 따라 콘크리트용 화학 혼화제가 1.5 wt% 이상 사용되는 경우가 있으나, 일반적인 경우에는 1.5 wt%이상 사용될 경우 재료분리 및 경화불량로 인하여 내구성 저하, 작업효율 저하 등의 문제가 발생될 수 있다.
레미콘 회수수를 첨가하여 콘크리트를 제조할 때는 콘크리트 배합에서 단위 시멘트량에 대한 슬러지 고형분(슬러지는 105~110 ℃에서 건조시켜 얻어진 것)의 중량비를 백분율로 환산한 슬러지 고형분율이 3 wt% 이내인 콘크리트의 품질 규격을 만족시키는 레미콘 회수수를 사용해야 한다. 슬러지수의 품질이 규격 수준에 이르지 못할 때는 콘크리트 응결시간이 단축되며 슬럼프의 변화도 20~30분 정도 앞당겨지게 되고, 압축강도도 15~20% 감소하며, 공기량은 고형분 1 wt% 증가에 따라 AE제가 8~10% 증가하는 등의 콘크리트 품질에 악영향을 미치게 되는 것이다. 그러므로, 레디믹스 콘크리트 제조 공장에서는 슬러지수를 사용할 때 그 슬러지수의 농도를 측정하고 이에 따라 슬러지수의 농도를 품질규격 수준에 맞도록 조절하여 사용해야 한다.
통상적으로 레미콘 회수수는 슬러지 고형분율이 3 wt%를 초과하지 않는 한도내에서 기존에는 사용수 100 중량부에 대하여 레미콘 회수수 20~30 중량부를 사용하였으나, 본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제를 사용하여 콘크리트를 제조시, 레미콘 슬러지 고형분율이 3 wt% 초과하지 않은 한도 내에서 사용수 100 중량부에 대하여 40~77 중량부까지 사용이 가능하게 된다.
따라서, 본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제를 사용하여 콘크리트를 제조할 때 강알칼리성인 레미콘 회수수의 사용량을 증가시켜도 기존의 콘크리트의 압축강도 및 내구성이 비슷하거나 더 뛰어나고, 무독성 콘크리트를 제조할 수 있어 환경친화적이고 경제적인 이점이 있다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 하지만 본 발명은 후술되는 특정한 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
[ 실험예 1]
콘크리트용 화학 혼화제 제조
폴리메타크릴레이트 25 중량부(CP-WRM50 : LG화학), 폴리카르복실산레이트 15 중량부(RX-7 : 산노프코), 셀룰로스계 증점제 15 중량부(Hydroxypropyl methyl cellulose, 분자량:125,000, 200배의 부피비로 희석된 희석액)를 투입하고 10분 동안 3000 rpm 으로 교반하여 기포가 발생하는 것을 확인했다. 기포가 발생된 상기 혼합물 55 중량부를 20℃ 물 44 중량부를 혼합하여 기포의 발생과 기포의 크기가 작아지는 것을 확인한 후에 추가적으로 교반기에서 25분 동안 3000 rpm 으로 교반시켰다.
추가 교반된 상기 혼합물에 실리콘 소포제 1 중량부를 첨가하고 교반기에서 30분간 교반시켜 기포가 모두 제거된 콘크리트용 화학 혼화제를 제조하였다. 이렇게 제조된 콘크리트용 화학 혼화제에 대하여 다시 진동기에서 5분, 교반기에서 6000 rpm 으로 10분 동안 교반한 후, 기포의 발생 여부를 확인하였으며, 추가적인 기포의 발생이 없는 것을 확인하였다.
본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제가 AE제, 감수제, AE감수제 및 고성능AE감수제로 사용될 수 있는지 여부를 확인하기 위해 KS F2560의 규정에 따라 성능 평가 시험을 다음의 표 1과 같이 실시하였다.


항목
요구성능

시험방법
AE제 감수제 AE감수제 고성능
AE 감수제
감수율
6 이하
4 이상
10 이상
18 이상
-
블리딩양의 비
75 이하
100 이하
70 이하
60 이하
KS F 2421
응결시간의차 (min) 초결 -60 ~ +60 -60 ~ +90 -60 ~ +90 -30 ~ +120 KS F 2560
부속서 A
종결 -60 ~ +60 -60 ~ +90 -60 ~ +90 -30 ~ +120
압축 강도비
% 		재령 3일
95 이상
115 이상
115 이상
135 이상
KS F 2405
재령 7일 95 이상 110 이상 110 이상 125 이상
재령 28일 90 이상 110 이상 110 이상 115 이상
길이변화비
%
120 이하
120 이상
120 이하
110 이하
KS F 2424
동결융해에 대한 저항성
%
80 이상
-
80 이상
80 이상
KS F 2456
슬럼프 손실
mm
-
-
-
60 이하
KS F 2560
공기량의 변화량
%
-
-
-
±1.5 이내
KS F 2560
상기 표1은 KS F2560에서 정한 AE제와 표준형 감수제, AE감수제 및 고성능AE감수제에 관한 요구성능을 나타낸 것이며, 이러한 성능 평가 시험에 사용된 콘크리트 재료는 다음과 같다.
a) 시멘트 : KS L 5201에서 규정된 보통 포틀랜드 시멘트
b) 골재 : 잔골재는 자연사(밀도 : 2.59 g/cm3) 및 부순모래(밀도 : 2.60 g/cm3) 5:5 중량비율로 혼합된 걸 사용하였으며, 굵은 골재는 굵은 골재 최대 치수 25mm(밀도 : 2.65 g/cm3)이하인 것을 사용.
c) 혼화제 : 본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제를 시멘트 중량의 1 wt%
상기 시멘트와 골재를 이용한 콘크리트의 제조는 KS F2425에 따라 제조하였으며, 시료 채취는 KS F2401에 규정된 방법으로 채취하였으며, 기존의 화학 혼화제와 본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제를 사용하여 측정된 실험 결과는 다음의 표2와 같다.
시험항목

 시험값
 비교값
(기존 화학혼화제)
슬럼프 80 mm 슬럼프 180mm 슬럼프 180 mm
감수율
19
20
18
블리딩양의 비
51
52
50
응결시간의차 (min) 초결 +38 +35 +39
종결 +45 +44 +48
압축 강도비

% 		재령 3일
137
139
135
재령 7일 129 128 126
재령 28일 119 121 115
길이변화비
%
101
-
-
동결융해에 대한 저항성
%
85
-
-
슬럼프 손실
mm
-
25
27
공기량의 변화량
%
-
0.4
0.6
상기 표2의 시험 결과에 따르면, 본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제는 표1에 제시된 감수제, AE감수제 및 고성능 AE 감수제의 규정(KS F 2560)을 모두 충족함을 확인할 수 있었으며, 기존의 화학 혼화제보다 우수한 압축 강도비를 보여주고 있음을 알 수 있었다.
실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3 : 콘크리트용 화학 혼화제 제조.


구분
 비교예 및 실시예에 따른 화합물의 양 (g)
폴리메타크릴레이트계
(CP-WRM50 : LG화학)		 폴리카르복실산레이트계
(RX-7 : 산노프코)
셀룰로스계
증점제
실리카
소포제
물
비교예1 1250 750 750 0 2200
비교예2 1250 750 750 20 2200
실시예1 1250 750 1000 50 2200
실시예2 1250 750 750 150 2200
비교예3 1250 750 1050 160 2200
실시예1~2와 비교예1~3은 상기 실험예1에 제시된 콘크리트용 화학 혼화제 제조 방법에 따라 제조하며, 상기 표2 에 따라서 화합물의 양을 달리하여 콘크리트용 화학 혼화제를 제조하였다.
비교예 1 내지 3 및 실시예 1과 2는 폴리메타크릴레이트계 25중량부, 폴리카르복실산레이트계 15중량부 및 물 44중량부로 동일하게 포함하고, 셀룰로스 증점제 와 실리카 소포제의 양만 변화시켜 제조하였다.
비교예 1은 실리콘계 소포제 없이 셀룰로스 증점제 15중량부만을 포함하고, 비교예 2는 셀룰로스 증점제 15중량부 및 실리카 소포제 0.4 중량부, 실시예 1은 셀룰로스 증점제 20중량부 및 실리카 소포제 1 중량부, 실시예 2는 셀룰로스 증점제 15중량부와 실리카 소포제 3 중량부, 비교예 3은 셀룰로스 증점제 21중량부와 실리카 소포제 3.2중량부를 각각 포함하도록 조성비를 변화시켜 제조하였다.
[ 실험예 2]
레미콘 회수수를 사용한 무독성 콘크리트의 압축강도 비교
상기 실시예 1과 2 및 비교예 1 내지 3의 조성으로 제조된 콘크리트용 화학 혼화제에 대하여, 각각 H2O 3.2 kg, 시멘트 8 kg, 슬래그미분말 1.2 kg, 플라이애쉬 0.6 kg 및 잔골재 17.4 kg, 굵은골재 18.9 kg로 이루어진 콘크리트 조성물에 상기 제조된 콘크리트용 화학 혼화제 110 g 와 레미콘 회수수 2.4 kg을 사용하였다.
각각의 화학 혼화제를 사용한 콘크리트 조성물은 KS F 2425의 규격에 따라 제조하였으며, 압축강도는 KS F2405의 규격에 따라 3일, 7일 및 28일의 재령으로 측정하였다. 또한 이러한 콘크리트 공시체는 KS F2403에 따라 제작하였으며, 몰드는 떼어낼 때까지는 온도 21℃의 실온에서 건조되지 않도록 양생하였고, 몰드를 떼어낸 후에는 온도 21℃의 수중 또는 습윤실에서 강도 시험을 할 때까지 양생하였으며, 이러한 비교예들과 실시예들의 표준재령별 압축강도 측정 결과는 표 4에 정리하였다.
비교예1 비교예2 실시예1 실시예2 비교예3
재령 3일 18.9 18.9 19.4 19.5 19.7
재령 7일 28.4 28.7 29.7 29.6 28.5
재령 28일 36.8 37.0 37.7 38.1 35.7
상기 표 4의 실험결과를 살펴보면, 비교예 1 보다 실시예 1과 2에서 우수한 압축강도를 나타내었다. 또한, 소포제의 함량이 0.5 ~ 3 중량부 보다 적거나(비교예 2 : 0.3 중량부), 높은 경우(비교예 3 : 3.2 중량부)에는 실시예 1(1 중량부) 및 실시예 2(3 중량부)와 비교하여 압축강도가 감소되는 결과를 확인할 수 있었다.
[ 실험예 3]
레미콘 회수수를 사용한 무독성 콘크리트의 pH 변화
상기 실시예 1 및 2, 비교예 1 내지 3의 콘크리트용 화학 혼화제 110 g과 레미콘 회수수 2.4 kg을, H2O 3.2 kg, 시멘트 8 kg, 슬래그미분말 1.2 kg, 플라이애쉬 0.6 kg 및 잔골재 17.4 kg, 굵은골재 18.9 kg가 혼합된 콘크리트 조성물에 배합하여 KS F 2425의 규정에 따라 콘크리트 공시체를 제조하였다.
이렇게 제조된 콘크리트 공시체의 pH 변화를 확인하기 위해, 상기 콘크리트 공시체 무게의 7배의 물을 투입한 후, 양생 48시간이 경과된 공시체의 pH를 시간의변화에 따라 측정하였다.
비교예1 비교예2 실시예1 실시예2 비교예3
초기 5.92 5.94 6.08 6.06 6.10
8시간후 7.24 7.21 6.21 6.24 6.80
24시간후 10.46 9.1 6.92 7.01 7.71
48시간후 10.98 10.07 7.86 7.90 8.63
72시간후 11.06 10.65 8.03 8.18 9.1
상기 표 5의 결과에서 확인할 수 있듯이, 비교예 1의 경우에는 8시간이 경과한 후부터 pH가 급격히 상승하면서 72시간 후에는 pH 11 이상으로 강염기성을 나타내었으나, 본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제가 사용된 콘크리트 공시체(실시예 1 및 2)의 경우에는 72시간이 경과하여도 pH가 약 8의 범위의 중성을 유지하고 있음을 알 수 있었다. 실리콘계 소포제의 양이 적은 경우(비교예 2) 및 과량의 경우(비교예 3)에도 시간이 경과함에 따라 pH 10 또는 9 정도로 강염기성 영역을 나타냄을 관찰할 수 있었다.
이렇게 시간이 지남에 따라 강염기의 pH를 갖는 경우에는, 실제 콘크리트 건물로 시공하였을 때에 환경적으로 유해한 독성을 나타낸다. 따라서, 강알칼리성 콘크리트 제품이 사용된 건축물이나 토목공사 구조물이 양생 기간을 통해 충분한 양생이 이루어지지 않았을 경우 높은 알칼리성분이 토양, 강, 하천 및 바다 등으로 침출되어 식물이나 동물에게 영향을 줄 경우 폐사하거나 성장에 장애를 일으킬 수 있다.
본 발명의 콘크리트용 화학 혼화제인 실시예 1 및 2는 pH가 6 ~ 8의 중성 영역이 유지되므로, 이러한 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

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  8. 셀룰로스계 증점제 10~20 중량부, 물 32~45 중량부, 메틸메타크릴레이트계 고분자 20~30 중량부, 폴리카르본산계 고분자 10~15 중량부 및 실리콘계 소포제 0.5~3 중량부를 혼합 및 교반하는 콘크리트용 화학 혼화제 준비 단계;
    충전재 70~77 중량부, 시멘트 13~19 중량부, 레미콘회수수 2~10 중량부 및 사용수 5~13 중량부를 혼합한 후, 상기 콘크리트용 화학 혼화제를 시멘트 중량을 기준으로 1~1.5 wt%를 배합하는 콘크리트 혼합물 배합 단계; 및
    상기 콘크리트 혼합물을 성형틀에 넣어 양생시키는 단계;를 포함하는 레미콘 회수수를 첨가한 무독성 콘크리트 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 충전재는 잔골재 및 굵은 골재를 포함하고,
    상기 시멘트는, 상기 충전재의 전체 무게의 3~5 %의 플라이애쉬 및/또는 슬래그 미분말의 혼화재가 포함되는 것을 특징으로 하는, 레미콘 회수수를 첨가한 무독성 콘크리트 제조방법.
  10. 제8항 또는 제9항의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 무독성 콘크리트.




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