KR101605691B1 - 내충격 및 방폭 강화용 초고성능 시멘트 조성물 - Google Patents

내충격 및 방폭 강화용 초고성능 시멘트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멘트에 강섬유가 혼입되어 있고, 더 나아가 폴리머로서 스틸렌/아크릴산 에스테르계 공중합 에멀젼으로 이루어진 폴리머(polymer)가 혼입되어 있어서 시멘트 매트릭스의 인성을 향상시킴으로써, 물과 혼합되어 시멘트 구조물을 제작하였을 때, 시멘트 구조물의 내충격성과 방폭성능을 크게 향상시키며 130MPa 이상의 높은 압축강도가 발휘될 수 있도록 하는 내충격 방폭 강화용 초고성능 시멘트 조성물에 관한 것이다.
본 발명에서는 폴리머는 시멘트의 100중량부에 대해, 3 내지 5중량부로 함유되고; 광물질계 혼화재는 시멘트의 100중량부에 대해 20 내지 30중량부로 함유되며; 잔골재는 시멘트의 100중량부에 대해 100 내지 130중량부로 함유되고; 규사분말은 시멘트의 100중량부에 대해 10 내지 30중량부로 함유되며; 강섬유는 시멘트 조성물에 대한 체적비로서 2vol%로 함유되고; 감수제는 시멘트의 100중량부에 대해 1 내지 3중량부로 함유되며; 소포제는 시멘트의 100중량부에 대해 0.5 내지 5중량부로 함유되는 것을 특징으로 하는 내충격성 및 방폭 성능이 향상된 초고성능 시멘트 조성물이 제공된다.

Description

내충격 및 방폭 강화용 초고성능 시멘트 조성물{Non-explosion and High Resistance - High Performance Cement Composition}
본 발명은 시멘트 조성물에 관한 것으로서, 구체적으로는 시멘트에 강섬유가 혼입되어 있고, 더 나아가 폴리머로서 스틸렌/아크릴산 에스테르계 공중합 에멀젼으로 이루어진 폴리머(polymer)가 혼입되어 있어서 시멘트 매트릭스의 인성을 향상시킴으로써, 물과 혼합되어 시멘트 구조물을 제작하였을 때, 시멘트 구조물의 내충격성과 방폭성능을 크게 향상시키며 130MPa 이상의 높은 압축강도가 발휘될 수 있도록 하는 내충격 및 방폭 강화용 초고성능 시멘트 조성물에 관한 것이다.
종래의 일반적인 초고성능 시멘트 조성물은, 굵은 골재를 사용하지 않으며 광물질계 혼화재와, 모래(잔골재) 그리고 고성능 감수제의 혼합으로 이루어진다. 이러한 종래의 초고성능 시멘트 조성물의 경우, 매우 높은 압축강도를 가지고 있는데 반하여, 그 파괴 모드는 취성파괴의 양상을 보이게 되며, 따라서 내충격성 및 방폭 성능이 부족하다는 문제를 가지고 있다.
이러한 초고성능 시멘트 조성물의 높은 취성 및 그에 따른 낮은 내충격성과 낮은 방폭 성능을 해결하려는 방안의 하나로서, 대한민국 등록특허 제10-0945204호에서는 시멘트 조성물에 섬유를 혼입하는 방안을 제시하고 있다.
시멘트 조성물로 이루어진 구조체의 내충격성과 방폭 성능은 휨강도와 휨인성에 좌우된다. 즉, 휨강도와 함께 휨인성이 높을수록 내충격성과 방폭 성능이 향상된다. 그런데 시멘트 조성물에 함유되는 섬유의 경우, 시멘트 조성물로 이루어진 구조체가 항복강도에 도달되어 섬유가 파단되기 이전에 섬유가 뽑혀져 나오는 현상이 발생하게 되는 바, 섬유의 함유만으로는 내충격성과 방폭 성능을 좌우하는 구조체 인성의 큰 향상을 기대하기 어렵다는 한계가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0945204호(2010. 03. 03. 공고).
본 발명은 굵은 골재를 사용하지 않는 시멘트 조성물로서, 130MPa의 높은 압축강도를 가지면서도, 높은 휨강도와 휨인성을 가지고 있어서 향상된 내충격성과 방폭 성능을 가지는 시멘트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 시멘트에 강섬유를 혼입하여 인성을 향상시키는 것에 더하여 폴리머를 더 혼입하여 시멘트 메트릭스의 인성을 향상시켜서 내충격성과 방폭 성능이 크게 강화된 시멘트 조성물이 제공된다.
구체적으로 본 발명에서는 시멘트, 폴리머, 광물질계 혼화재, 잔골재, 규사분말, 강섬유, 감수제 및 소포제를 포함하여 구성되며; 폴리머는 시멘트의 100중량부에 대해, 3 내지 5중량부로 함유되고; 광물질계 혼화재는 시멘트의 100중량부에 대해 20 내지 30중량부로 함유되며; 잔골재는 시멘트의 100중량부에 대해 100 내지 130중량부로 함유되고; 규사분말은 시멘트의 100중량부에 대해 10 내지 30중량부로 함유되며; 강섬유는 시멘트 조성물에 대한 체적비로서 2vol%로 함유되고; 감수제는 시멘트의 100중량부에 대해 1 내지 3중량부로 함유되며; 소포제는 시멘트의 100중량부에 대해 0.5 내지 5중량부로 함유되는 것을 특징으로 하는 내충격성 및 방폭 성능이 크게 향상된 초고성능 시멘트 조성물이 제공된다.
본 발명에 의하면, 130MPa의 높은 압축강도를 가지면서도, 높은 휨강도와 휨인성을 가지고 있어서 향상된 내충격성과 방폭 성능을 가지는 시멘트 조성물이 제공된다.
본 발명에 의한 시멘트 조성물은, 시멘트, 폴리머, 광물질계 혼화재, 잔골재, 규사분말, 강섬유, 감수제 및 소포제를 포함하여 구성된다.
구체적으로 본 발명의 시멘트 조성물에서, 폴리머는 시멘트의 100중량부에 대해, 3 내지 5중량부로 함유된다. 즉, 시멘트의 중량을 100이라고 하였을 때, 폴리머는 3 내지 5로 포함되는 것이다. 본 발명의 시멘트 조성물에서 폴리머는 시멘트 조성물에 의해 제작되는 구조체가 연성거동을 할 수 있게 만드는 재료 중의 하나로서, 시멘트에 폴리머가 함유됨으로써, 시멘트 매트릭스에 연성이 부여되어 충격에너지를 흡수 및 소산시키게 되고, 그에 따라 내충격성 및 방폭 성능의 향상을 기대할 수 있게 된다. 본 발명의 시멘트 조성물에서 폴리머의 함유량이 3중량부 미만일 경우, 폴리머에 의한 시멘트 매트릭스 내의 필름 형성이 원활하지 되지 않기 때문에, 원하는 휨강도와 휨인성의 증가 및 그에 따른 내충격성 및 방폭 성능 향상을 기대할 수 없게 된다. 반면에 본 발명의 시멘트 조성물에서 폴리머의 함유량이 5중량부를 초과하는 경우에는, 압축강도가 감소되는 현상이 발생하게 된다. 따라서 폴리머는 시멘트의 100중량부에 대해, 3 내지 5중량부로 함유되어야 한다.
폴리머로는 스틸렌/아크릴산 에스테르계 공중합 에멀젼으로 이루어진 것을 사용한다. 콘크리트 분야에 사용되는 폴리머로서 SBR 계열은 시멘트와의 혼화성이 낮다는 문제점이 있으며, EVA 계역은 Tg 조절이 용이하지 않다는 단점이 있다. 에폭시 계열이 폴리머의 경우에는 고가이기 때문에 경제성이 낮다는 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는 기계적 성질이 우수하고 Tg의 조절이 자유로우며 경제성도 우수한 스틸렌/아크릴산 에스테르계 공중합 에멀젼으로 이루어진 폴리머를 사용한다.
특히, 폴리머는 평균입자 크기가 0.05 내지 2.0㎛이고, 점도 100cps 이하, pH 6-8, Tg는 섭씨 10도 이하인 것이 바람직하다. 또한 폴리머는 전체 폴리머의 중량을 100중량%라고 할 때 고형분이 약 45 내지 50중량%로 함유된 것이 바람직하다.
본 발명의 시멘트 조성물에서, 광물질계 혼화재로는 플라이애쉬 또는 고로슬래그가 사용되는데, 시멘트의 100중량부에 대해 20 내지 30중량부로 함유된다. 광물질계 혼화재를 20중량부 미만으로 함유하게 되면 압축강도 저하의 문제가 발생하게 되고, 그에 따라 휨강도 및 인장강도가 저하되며, 특히 유동성이 저하되어 시공성이 나빠지는 문제점이 있다.
본 발명의 시멘트 조성물에서, 실리카퓸은 필요에 따라 함유될 수 있는 것으로서, 실리카퓸을 사용할 경우 시멘트의 100중량부에 대해 10중량부 이하로 함유된다. 즉, 본 발명의 시멘트 조성물에서, 실리카퓸은 시멘트의 100중량부에 대해 0 내지 10중량부로 함유되는 것이다. 실리카퓸은 강도 증진에 기여하지만, 고가이므로 10중량부를 초과하여 함유하게 되면 경제성이 매우 낮아지게 된다.
본 발명의 시멘트 조성물에서, 잔골재는 시멘트의 100중량부에 대해 100 내지 130중량부로 함유되며, 그 중 120중량부로 함유되는 것이 가장 바람직하다. 잔골재로는 5mm 이하의 크기를 가진 석영질 규사로 이루어진 것(특히, 규사 전체의 중량을 100중량%라고 할 때 SiO2가 90중량% 이상 함유된 것)을 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 잔골재의 크기가 5mm 이하로 되면, 시멘트 조성물의 균질성이 우수해지며 그에 따른 강도의 향상 효과가 커지게 된다.
본 발명의 시멘트 조성물에는, 잔골재로서의 규사 이외에, 규사분말이 더 함유된다. 규사분말은 SiO2가 96중량% 이상 함유된 것으로서, 밀도가 2.10g/㎤이고 비표면적 200,000㎠인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 규사분말은 시멘트와 잔골재 사이의 공극을 메워 시멘트 조성물의 공극을 채워주는 필러 효과를 발휘하게 되고, 그에 따라 시멘트 매트릭스의 강도를 증진시키는 역할을 한다. 본 발명에서 규사분말은 시멘트 100중량부에 대해 10 내지 30중량부로 함유되며, 그 중 20중량부로 함유되는 것이 가장 바람직하다.
본 발명의 시멘트 조성물에서, 강섬유는 시멘트 조성물에 대한 체적비로서 2vol%로 함유된다. 즉, 시멘트 조성물의 전체 체적을 100vol%라고 하였을 때, 강섬유는 2vol%로 함유되는 것이다. 강섬유로는 직경 0.1 내지 0.5mm의 원형 단면을 가지는 직선형 강섬유로서 길이는 10 내지 20mm인 것을 사용하는 것이 바람직하며 이 때 강섬유의 인장강도는 2,500MPa 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 시멘트 조성물에서, 감수제는 시멘트 100중량부에 대해 1 내지 3중량부, 바람직하기로는 2중량부로 함유되며, 소포제는 시멘트의 100중량부에 대해 0.5 내지 5중량부로 함유된다.
다음에서는 본 발명의 실시예와 비교예에 대해 설명한다.
<실시예 1>
본 발명에 따른 시멘트 조성물의 실시예로서, 시멘트, 폴리머, 광물질계 혼화재, 잔골재, 규사분말, 강섬유, 감수제 및 소포제를 포함하여 구성되어 있되, 시멘트 100중량부에 대해 스틸렌/아크릴산 에스테르계 공중합 에멀젼으로 이루어진 폴리머가 3중량부로 함유되고, 광물질 혼화재로는 고로슬래그가 12.5중량부로 함유되며, 실리카퓸은 12.5중량부로 함유되고, 잔골재로는 크기가 5mm 이하인 것으로서 중량부로 함유되며, 규사분말은 110중량부로 함유되었다. 그리고 강섬유는 직경 0.1mm의 원형 단면을 가지는 직선형 강섬유로서 길이는 12~13mm인 것을 시멘트 조성물에 대한 체적비로서 2vol%로 함유하였다. 또한 감수제는 시멘트 100중량부에 대해 2중량부로 함유하였으며, 소포제는 시멘트 100중량부에 대해 0.5중량부로 함유하였다. 물과 시멘트의 비는 0.2로 하였다.
<실시예 2>
본 발명에 따른 시멘트 조성물의 실시예로서, 폴리머의 함유량을 시멘트 100중량부에 대해 5중량부로 하고, 나머지 조성성분 및 조성비는 위의 실시예 1과 동일하게 하였다.
<비교예 1>
본 발명의 시멘트 조성물과 비교하기 위한 비교예로서, 폴리머는 전혀 함유하지 않고, 나머지 조성성분과 조성비는 위의 실시예 1과 동일하게 하였다.
<비교예 2>
본 발명의 시멘트 조성물과 비교하기 위한 비교예로서, 폴리머의 함유량을 시멘트 100중량부에 대해 1중량부로 하고, 나머지 조성성분과 조성비는 위의 실시예 1과 동일하게 하였다.
<비교예 3>
본 발명의 시멘트 조성물과 비교하기 위한 비교예로서, 폴리머의 함유량을 시멘트 100중량부에 대해 10중량부로 하고, 나머지 조성성분과 조성비는 위의 실시예 1과 동일하게 하였다.
<비교예 4>
본 발명의 시멘트 조성물과 비교하기 위한 비교예로서, 폴리머의 함유량을 시멘트 100중량부에 대해 15중량부로 하고, 나머지 조성성분과 조성비는 위의 실시예 1과 동일하게 하였다.
위와 같이 준비된 본 발명의 실시예 1과 실시예 2, 그리고 비교예 1 내지 비교예 4에 대해, 압축강도(단위 MPa), 슬럼프 플로우(단위 mm), 휨강도(단위 MPa), 및 휨인성(단위 Nm)을 각각 측정하였는 바, 그 결과는 아래의 표 1과 같다.
비교예1 비교예2 실시예1 실시예2 비교예3 비교예4
압축강도 141 138 134 131 115 98
슬럼프 플로우 222 217 210 204 201 187
휨강도 30 28 27 25 19 17
휨인성 LOP 0.302 0.345 0.355 0.315 0.258 0.118
MOR 44.25 41.808 41.644 38.786 25.514 20.814
L/100 120.02 123.56 135.01 128.83 107.15 81.11
위의 표 1에서 LOP, MOR 및 L/100의 의미는 아래와 같다.
LOP: 초기균열 발생지점(Limit Of Proportionality)
MOR: 최대 휨강도 지점(Modulus Of Rupture)
L/100: 스팬의 1/100과 동일한 순수 처짐(3.0mm)
위의 표에 알 수 있듯이, 폴리머의 함유량이 시멘트 100중량부에 대해 3중량부 및 5중량부로 함유된 본 발명의 실시예1 및 실시예 2는 비교예에 비하여 우수한 압축강도를 보이면서도, 휨강도가 매우 우수하였고, 특히, L/100으로 표현된 휨인성에 있어서 매우 우수함을 나타내었다.
이와 같이 본 발명에서는 130MPa의 높은 압축강도를 가지면서도, 높은 휨강도와 휨인성을 가지고 있어서 향상된 내충격성과 방폭 성능을 가지는 시멘트 조성물이 제공된다.

Claims (6)

  1. 시멘트, 폴리머, 광물질계 혼화재, 잔골재, 규사분말, 강섬유, 감수제 및 소포제를 포함하여 구성되며;
    폴리머는 스틸렌/아크릴산 에스테르계 공중합 에멀젼으로 이루어진 것으로서, 평균입자 크기 0.05 내지 2.0㎛이고, 점도 100cps 이하, pH 6-8이며, Tg는 섭씨 10도 이하이고 고형분이 전체 시멘트 조성물의 중량에 대해 45 내지 50중량%인 것이며, 시멘트의 100중량부에 대해 5중량부로 함유되고;
    광물질계 혼화재는, 고로슬래그와 실리카퓸의 혼합물로서, 고로슬래그는 시멘트의 100중량부에 대해 12.5 중량부로 함유되고 실리카퓸은 12.5 중량부로 함유되며;
    잔골재는 크기가 5mm 이하인 것으로서, 시멘트의 100중량부에 대해 120중량부로 함유되고;
    규사분말은, SiO2가 96중량% 이상 함유되어 있는 것으로서, 시멘트의 100중량부에 대해 20중량부로 함유되며;
    강섬유는 시멘트 조성물에 대한 체적비로서 2vol%로 함유되고;
    감수제는 시멘트의 100중량부에 대해 2중량부로 함유되며;
    소포제는 시멘트의 100중량부에 대해 0.5중량부로 함유되는 것을 특징으로 하는 시멘트 조성물.
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