KR101617722B1

KR101617722B1 - 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물

Info

Publication number: KR101617722B1
Application number: KR1020150175617A
Authority: KR
Inventors: 김원화
Original assignee: 장산씨엠주식회사
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2016-05-04

Abstract

고반응성 메타카올린(Metakaolin)을 사용한 마모저항성이 있는 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물에 관한 것으로, 상기 조성물 100중량부에 대하여 포졸란 활성을 갖는 플라이애쉬(fly-ash) 또는 슬래그(slag) 55 내지 75중량부, 실리카흄(silica-fume) 6 내지 12중량부, 재분산성 분말 수지 0.5 내지 5중량부, 고급지방산계 금속염 6 내지 12중량부, 고성능 감수제 4 내지 9중량부, 메타카올린(metakaolin) 6 내지 12중량부를 포함하는 구성을 마련하여, 방수성뿐만 아니라 마모저항성까지 증대시킬 수 있다.

Description

콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물{Waterproofing Admixture Composition for Concrete}

본 발명은 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물에 관한 것으로, 특히 고반응성 메타카올린(Metakaolin)을 사용한 마모저항성이 있는 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물에 관한 것이다.

인간 정주 환경과 도시주거환경 등 사회기반 시설의 대부분을 차지하고 있는 사람의 휴먼쉘터(Human Shelter)인 콘크리트 숲을 잘 가꾸고 사랑하여 방재와 안전면에서 안심할 수 있는 국가와 사회를 만드는데 공헌할 수 있도록 해야 한다. 현재 인구감소와 고령화 시대에서 콘크리트 구조물의 주택공급 상황이 과잉 공급된 휴먼쉘터를 영속적으로 유지하기 위해서는 그야말로 메인테넌스 프리(maintenance free)라는 국가건축정책의 목표를 설정하지 않으면 대량으로 건설된 각종 국가사회 인프라(infrastructure)인 콘크리트 구조물의 유지관리 문제가 국가적인 큰 부담이 되지 않도록 하는 것이 중요하다.

현재 육상과 해상에서 건설되는 콘크리트 구조물은 지속적으로 초고층화, 대규모화, 고성능화, 고기능화 및 고내구성화가 추구되고 있으며 장래에는 이러한 경향이 더욱 심화될 전망이다. 따라서 방재와 안전 측면에서 더 큰 진전이 필요할 뿐만 아니라 그 사용 목적에 접합하도록 콘크리트 구조물의 내구성, 시공성, 사용성 그리고 심미성(審美性) 등을 확보할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

건축, 토목분야의 기술발달로 인한 구조물의 대형화 및 고층화가 진행되어짐에 따라 철근 콘크리트에 시공성 향상과 내구성 증진을 위하여 재료의 특성이 강하게 요구되고 있다. 이러한 시공성과 내구성 특성을 가지는 고성능 콘크리트를 제조하는 방법에는 새로운 시공방법과 건설재료의 개발 등 많은 방법이 연구되고 있다.

대부분의 콘크리트 시설물은 수분에 노출되어 있으면서 사용목적에 따라 차량이나 이동하중이 반복적으로 사용되는 콘크리트 구조물의 경우, 성능저하의 요인이 수분과의 접촉으로 인한 중성화와 표면 마모가 내구성을 현저하게 저하시킨다.

즉, 콘크리트 및 모르타르는 제조공정 및 타설 공정에 요구되는 품질 및 작업성을 확보하기 위해서, 시멘트의 경화에 필요한 혼합 수량 이외의 과량의 물을 사용하게 되는데, 콘크리트에 사용된 과량의 혼합수로 인하여 콘크리트는 다량의 공극을 가지게 된다. 콘크리트 구조물에 생성된 균열은 방수성을 현저하게 감소시키며, 콘크리트 외부에서 내부로 각종 화학 물질의 이동을 촉진하여 콘크리트의 내구성을 크게 저하시키게 된다.

콘크리트 구조물이 가지는 이러한 문제점을 보완하기 위하여 현재 사용되는 콘크리트 구조물에는 다양한 방식의 방수 시공을 실시하고 있으나, 콘크리트 표면에 방수층을 형성하는 일반적인 방법으로는 콘크리트 구조체가 처한 다양한 외부환경에서 항상 만족할 만한 성과를 나타낼 수 없는 실정이다.

따라서 단지 콘크리트 표면의 방수성능을 개선하는 것보다는, 콘크리트 구조체 전체의 수밀성을 향상시킴으로써 콘크리트 자체의 방수성능을 향상시키는 것이 바람직하며, 이와 동시에 콘크리트의 건조수축을 억제하여 균열의 생성을 억제하는 것이 보다 효과적이다. 또한, 콘크리트 자체의 방수성능을 향상시키기 위해서는 콘크리트에 사용되는 다양한 재료, 예를 들어 플라이애쉬, 고로수쇄 슬래그 미분말, 실리카흄, 메타카올린, 콘크리트용 화학혼화제 등에 방수재를 포함시키더라도 콘크리트 자체의 성능이 저하되지 않도록 해야 한다.

이러한 기술의 일 예가 하기 문헌 등에 개시되어 있다.

예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 철근콘크리트에 적합한 강도증진과 철근 부식에 의한 성능저하 요인이 없는 방수성능을 얻을 수 있도록, 포졸란(Pozzolan) 활성제(活性劑)를 이용한 콘크리트 구체(軀體)방수 조성물에서 플라이에쉬 1,416중량부와 실리카흄 250중량부를 주재로 스테아린산 아연 225중량부, 나프탈렌설포네이트 92중량부, 에칠렌 초산비닐 17중량부로 이루어지고, 포졸란 활성제를 이용한 콘크리트 구체방수재를 시멘트중량에 3.75%∼5.0%중량 퍼센트로 투입 혼합하여 사용하는 콘크리트 구체방수재의 조성물에 대해 개시되어 있다.

또 하기 특허문헌 2에는 응회암(tuff), 화산재(volcanic ash), 진주암(perlite)을 포함하여 구성되며, 구성 광물에 비정질 실리카, 필립사이트, 소듐칼슘 알루미늄 실리케이트를 포함하는 천연무기광물 10 ~ 60중량%, 실리카흄 10 ~ 30중량%, 플라이애쉬 또는 고로수쇄슬래그 미분말 10 ~ 40중량% 그리고 황산염 5 ~ 25중량%를 포함하는 구체 방수재에 대해 개시되어 있다.

또 하기 비특허문헌 1에는 실리카흄 대체재로 활용 가능한 메타카올린의 치환율에 따른 고강도 콘크리트의 품질특성에 관한 실험적 연구로서, 실리카흄 대체재로 활용 가능한 메타카올린의 치환율에 따른 고강도 콘크리트의 품질특성을 비교 분석하기 위하여 메타카올린은 국내산, 국외산 및 실리카흄의 3수준과 물-결합재 비는25%, 치환율은 0, 10, 20, 30(%)의 4수준으로 설정하였고, 실험 결과, 목표유동성 확보하기 위한 고성능 감수제의 첨가량은 각 혼화재의 치환율이 높아질수록 증가하였으며, 메타카올린이 실리카흄의 높은 분말도로 인해 고성능 감수제의 첨가량은 감소하는 경향을 나타내고, 강도 특성에서는 각 혼화재의 치환율이 높아질수록 강도가 증가하였으며, 메타카올린이 실리카흄에 비해 우수한 강도를 나타내었다는 기술이 개시되어 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0356354호(2002.10.19 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-0655260호(2006.12.01 등록)

한국콘크리트학회 2008년 가을 학술대회 논문집, 이 승민 등, '실리카흄 대체재로 활용 가능한 메타카올린의 치환율에 따른 고강도 콘크리트의 품질특성에 관한 실험적 연구'

그러나 상술한 바와 같은 특허문헌 1에 개시된 기술에서 방수재 조성물은 기존의 다른 조성물에 비해 다소 높은 방수성을 얻을 수 있었으나, 상기 방수재 조성물은 초기강도가 낮은 점과 마모저항성을 얻을 수 없어서 콘크리트 포장도로나 바닥 콘크리트용으로 사용하는 데에는 부족한 내구성으로 유지보수 비용이 증가된다는 문제가 있었다.

또, 구체방수재 조성물에 멜라민계나 나프탈렌계의 감수제를 사용하게 되면 현장에서 사용하는 콘크리트 재료와의 호환성이 없어서 슬럼프가 현저하게 떨어져 작업성이 나빠지는 문제점이 있다.

또한, 상기 종래 기술에서는 메타카올린을 실리카흄 대신 사용하는 실험에 대해서만 기재되어 있을 뿐 메타카올린과 실리카흄을 최적의 조건으로 배합하여 마모저항성과 콘크리트 자체 방수성을 증대시키는 기술에 대해서는 게시되어 있지 않았다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 콘크리트 표면의 마모저항성과 콘크리트 자체 방수성을 증대시킨 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고반응성 메타카올린을 이용하여 마모저항성을 증대시킨 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 콘크리트 성능향상을 위하여 사용되는 각종 화학 혼화재와의 호환성을 높여 슬럼프 감소를 막아 작업성을 향상시키면서 조기강도를 촉진시키고 콘크리트 내부조직을 치밀하게 형성시켜 자체 방수성뿐만 아니라 마모저항성까지 증대시킨 콘크리트용 구체방수재 조성물을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물은 콘크리트 표면의 마모저항성과 콘크리트 자체 방수성을 증대시킨 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물로서, 상기 조성물 100중량부에 대하여 포졸란 활성을 갖는 플라이애쉬(fly-ash) 또는 슬래그(slag) 55 내지 75중량부, 실리카흄(silica-fume) 6 내지 12중량부, 재분산성 분말 수지 0.5 내지 5중량부, 고급지방산계 금속염 6 내지 12중량부, 고성능 감수제 4 내지 9중량부, 메타카올린(metakaolin) 6 내지 12중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물에서, 상기 조성물은 콘크리트 제조시 시멘트 100중량부에 대하여 3.0~5.0중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물에서, 상기 고성능 감수제로서 리그닌설폰산염(lignin sulphonate)계를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물에서, 상기 실리카흄은 SiO₂(silicon oxide) 91~94중량%를 포함하고, 상기 메타카올린은 SiO₂(silicon oxide) 50~55중량%와 Al₂O₂(aluminium oxide) 40~45중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물에서, 상기 조성물은 플라이애쉬 64.8중량%, 실리카흄 9.25중량%, 고급지방산계 금속염 11.25중량%, 재분산성 분말 수지 0.85중량%, 리그닌설폰산염 4.6중량%, 메타카올린 9.25중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물에 의하면, 고반응성 메타카올린(metakaolin) 소재를 추가로 사용하여 수산화칼슘과 빠르게 반응하여 초기강도를 증가시키고 중장기적으로는 시멘트와 반응시 포졸란 반응으로 콘크리트 내부조직을 치밀하게 형성시켜 자체 방수성뿐만 아니라 마모저항성까지 증대시킨다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 따른 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물에 의하면, 콘크리트 제조시 첨가할 경우 화학혼화제와의 호환성이 높아 작업성이 향상되고, 물리 화학적 작용으로 수밀한 콘크리트 경화체와 내수성이 강한 수화조직을 생성시켜 콘크리트 자체 방수성을 증대시키고, 고반응성 메타카올린의 반응으로 초기강도를 높여주고 마모저항성과 충분한 방수성능을 얻을 수 있다는 효과도 얻어진다.

도 1은 본 발명에 따라 양생된 콘크리트 바닥에 대해 스틸 볼 베이링으로 실험 하는 상태를 나타내는 도면.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

본 발명에 따른 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물은 콘크리트 표면의 마모저항성과 콘크리트 자체 방수성을 증대시킨 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물로서, 조성물 100중량부에 대하여 포졸란 활성을 갖는 플라이애쉬(fly-ash) 또는 슬래그(slag) 55 내지 75중량부, 실리카흄(silica-fume) 6 내지 12중량부, 재분산성 분말 수지 0.5 내지 5중량부, 고급지방산계 금속염 6 내지 12중량부, 고성능 감수제 4 내지 9중량부, 메타카올린(metakaolin) 6 내지 12중량부를 포함한다.

상술한 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물의 각 성분에 대해 설명한다.

포졸란(Pozzolan)이란 활성이 큰 부정형(amorphous)의 실리카를 가지는 미세한 분말이며, 그 자체로는 수경성이 없으나 시멘트와 결합할 경우 시멘트의 수화반응시 생성된 Ca(OH)₂와 반응하여 안정한 불용성의 칼슘실리케이트 수화물(Calcium Silicate Hydrate; CaO-SiO₂-nH₂O)을 생성하게 되는데, 이러한 반응을 포졸란 반응이라 한다. 포졸란 반응을 통해 생성된 칼슘실리케이트 수화물은 콘크리트의 수밀성을 향상시키고 장기 재령에서 높은 강도를 발현하며, 콘크리트 유동성 개선, 수화열 감소, 알칼리 골재반응의 억제, 황산염에 대한 저항성 향상 등과 같이 콘크리트 품질을 높여준다.

상기 포졸란 활성을 갖는 실리카 혼화재는 당해 분야에서 일반적으로 사용되는 것에서 선택하여 사용할 수 있으며, 예를 들어 천연적인 것으로 규산백토(硅酸白土), 화산회(火山灰), 규조토(硅藻土), 응회암, 진주암 등에서 선택된 것을 사용할 수 있으며, 인공적인 것으로는 플라이애쉬, 고로 슬래그, 실리카 흄, 소성점토(燒成粘土), 소성혈암(燒成頁岩) 등에서 선택된 것을 사용할 수 있다.

본 발명에서는 포졸란 활성을 갖는 플라이애쉬(fly-ash) 또는 슬래그(slag)와 실리카흄(silica-fume)을 사용한다.

플라이애쉬는 화력발전소 등의 연소보일러에서 미분탄을 연료로 사용하여 대략 1400℃ 정도의 고온연소과정에서 배출되는 폐가스 중에 포함된 석탄재를 집진기에 의해 회수한 것으로서 주성분은 실리카와 알루미나이다. 플라이애쉬는 통상적으로 비표면적이 3000∼4500㎠/g이고, 비중이 1.9∼2.3이며, 입자의 크기는 1∼150㎛ 정도이다.

또한, 실리카 흄은 실리콘이나 페로실리콘 등의 규소합금을 전기로에서 제조할 때 배출가스에 섞여 부유하여 발생하는 초미립자 부산물로서, 주성분은 비결정질의 실리카이다. 상기 실리카 흄은 통상적으로 비중이 2.2 정도이고, 입자의 크기는 대부분 1㎛ 이하로 평균 0.1㎛ 정도이며, 비표면적은 평균 200,000㎠/g정도이다.

본 발명에서는 조성물 100 중량부에 대해 플라이애쉬(fly-ash) 또는 슬래그(slag) 55 내지 75중량부와 실리카흄(silica-fume) 6 내지 12중량부를 적용하지만, 이에 한정되는 것은 아니고 콘크리트의 적용 분야에 따라 가감할 수 있다.

재분산성 분말 수지는 물에 첨가시 안정하게 분산되는 것으로서, 건조나 경화 후 물에 녹지 않는 비가역적인 폴리머 필름을 형성하게 된다. 즉, 콘크리트 제조시 시멘트 페이스트 속에 균일하게 분산되어 시멘트 수화에 의한 시멘트 겔(Gel)을 형성함과 동시에 시멘트 겔 표면에 폴리머 입자가 침착(沈着)되어 불용성의 피막을 형성하거나 모세관, 겔공극을 충진하게 된다. 따라서 부재의 휨강도를 증가시키고, 시멘트 수축 등에 의해 생기는 크랙을 방지함과 동시에 시멘트의 건조 또는 경화과정에서 바인더로 작용함으로써 유기 및 무기 바탕면과의 접착력, 시멘트 모르타르의 내마모성 및 유연성을 증가시킨다.

상기 재분산성 분말 수지로는 방수재 조성물 제조시 일반적으로 사용되는 비닐 아세테이트 단중합 폴리머(Vinyl acetate Homopolymers), 비닐 아세테이트/에틸렌 공중합 폴리머(Vinyl acetate/ethylene Copolymers), 스타이렌-아크릴 공중합 폴리머(Styrene-acrylate Copolymer) 또는 에틸렌/비닐 라우레이트/비닐 클로라이드 삼중 중합 폴리머(Ethylene/vinyl laurate/vinyl chloride Terpolymer)에서 선택된 것을 사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 재분산성 분말 수지는 조성물 100 중량부에 대해 0.5 내지 5중량부의 범위로 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 적용되는 고급지방산계 금속염은 시멘트의 수화반응에 따라 생기는 가용성의 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응을 하여 수산기에 지방산기가 결합하여 발수성이 큰 고급지방산 칼슘을 생성하며, 발수성이 뛰어나므로 콘크리트 속의 모세관에 의한 수분의 흡수를 감소시키는 작용을 한다.

상기 고급지방산계 금속염으로는 스테아린산 아연, 스테아린산 칼슘, 스테아린산 암모늄, 올레인산 칼슘, 올레인산 알루미늄, 부틸 스테아레이트를 사용할 수 있으며, 그 첨가량은 통상의 구체방수재 조성물의 제조시 사용되는 범위 내에서 첨가할 수 있다.

본 발명에서 상기 고급지방산계 금속염은 조성물 100 중량부에 대해 6 내지 12중량부의 범위로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 고급지방산 금속염의 함량이 6중량부 미만이면 고급지방산이 방수효과를 발휘하기 힘들고, 12 중량부를 초과하면 제조과정에서 점도 상승으로 인한 에멀존화의 어려움이 있고 지방산함유량이 과다하여 콘크리트의 강도를 약화시킬 수 있다.

또한, 콘크리트는 시멘트, 골재, 화학혼화제, 물로 구성되는데 제조원가를 줄이고 성능향상을 위하여 화학혼화제(공기연행제, 감수제, 고성능 감수제)를 각각의 품질규정에 따라 사용하여 물결합재비를 낮추고 적절한 유동성과 강도증진에 사용한다. 콘크리트용 화학혼화제는 대부분 계면활성제로 리그닌 설폰산염(lignin sulphonate), 나프탈렌 설폰산염(naphthalene sulphonate), 멜라민 설폰산염(melamine sulphonate), 폴리카르본산계(poly carboxylic copolymer) 등이 있다. 그러나 구체방수재 조성물에 멜라민계나 나프탈렌계의 감수제를 사용하게 되면 콘크리트 재료와의 호환성이 없어서 슬럼프가 현저하게 떨어져 작업성이 나빠지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위해서 본 발명에서는 모든 화학혼화제와 호환성이 있고 시멘트의 분산성을 높여주는 리그닌설폰산염(lignin sulphonate)계 고성능 감수제를 사용하였다. 본 발명에서는 고성능 감수제는 조성물 100 중량부에 대해 4 내지 9중량부를 첨가하였다.

기존 콘크리트용 구체방수재 조성물은 기존의 다른 조성물에 비해 다소 높은 방수성을 얻을 수 있었으나, 초기강도가 낮은 점과 마모저항기능을 얻을 수 없어서 실리카흄과 유사한 기능을 발휘하지만 초기강도 증진을 위하여 본 발명에서는 고반응성 메타카올린을 사용하여 마모저항성을 미첨가한 콘크리트보다 약 3배 이상 증진시켰다.

즉, 본 발명은 고성능 콘크리트의 제조시 사용되는 혼화재료 중 하나인 고반응성 메타카올린(metakaolin)을 콘크리트 구체방수재에 적용하여 마모저항성과 방수성이 동시에 고성능화된 새로운 건설소재를 개발하게 되었다.

콘크리트 구체방수재는 포틀랜트 시멘트 수화반응시 생성되는 수산화칼슘{Ca(OH)2}와 수화하여 불용성 수화물을 만들어 시멘트 경화물을 치밀하게 하고 수밀성과 재료분리 저항성을 개선한다. 구체방수재에 사용되는 혼화재료로서 새롭게 마모저항성과 강도가 증진된 콘크리트를 제조할 수 있는 재료로 카올린족 광물의 메타카올린(metakaolin)을 혼합 사용하여 콘크리트와 유사한 성질 외에 시공성 향상과 자체 방수성이 콘크리트 수명과 동일한 방수 내구성을 지니고 있어 특수한 목적에 맞도록 선택하여 사용되고 있다.

메타카올린은 카올린(kaolin)을 활성화하여 카올린 내부의 결합수 및 층간수를 탈수 시킴으로서 잠재수경성을 갖도록 한 것이며, 실리카흄과 유사한 성능을 가지는 새로운 혼화재료로써 콘크리트 건설 산업에 사용되는 광물질 혼화재이다. 콘크리트에 혼합할 경우 콘크리트 내부의 수산화칼슘과 반응하여 포졸란(pozzolan) 반응을 일으키는 재료로써 메타카올린의 특성은 실리카흄과 유사하고 그 성능이 많이 비교된다.

카올린 점토에 적용할 수 있는 광물학상 어원인 ‘kaolinate'는 카올린의 대부분을 구성하고 있는 hydrated aluminum di-silicate로 보통 광물과 같이 정의된다. 카올린족 광물은 기본화학식이[Al₂SiO₂O₅(OH)₄] 또는 [Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O]이며 이에 속하는 동질 이상체로서 카올린라이트(kaolinite), 나크라이트(nacrite), 딕카이트(dickite), 할로이사이트(halloysite)의 4가지가 있으며 이 중 할로이사이트 기본 조성은 카올린나이트나 기타 이상체와 같지만 과잉 수분을 함유하여 [Al₂O₃·2SiO₂·4H₂O]로 되어 있는 것이 있고, 결정도도 낮은 광물이다. 할로이사이트의 층간수는 약한 가열에 의하여도 탈수되므로 시험시료를 제조할 때 매우 주의 깊게 해야 한다. 600℃ 부근의 흡열 피크는 OH기의 형태를 이루면서 결정격자(lattice)에 들어가 결정수의 탈수에 의한 것으로, 이 반응으로 카올린족 광물은 [Al₂O₃·2SiO₂]의 화학식으로 표시되는 메타카올린(meta-kaolin)으로 변한다. 이 탈수에 의한 반응열은 약 136cal/gr이다. 이 흡열 피크가 시작되는 온도는 500~530℃인데 피크의 정점은 광물의 종류에 따라서 다르다. 메타할로이사이트는 약 570℃이고, 카올린나이트의 경우는 약 600℃이지만 결정도(crystalinity)가 낮은 경우는 570℃까지 낮아진다.

열간 반응을 기초로 하여 카올린을 소성하여 메타카올린을 제조하게 되는데 조제공정은 일반적인 세라믹제조 공정과 유사하다. 먼저, 원료를 투입 후 분쇄하여 1차 건조 후 로터리 킬른(Rotary kiln)에서 소성한 후 생성된 클링커를 입도 분포를 조절하여 분쇄하여 제조하게 되는데 역시 이러한 공정에서도 중요한 변수는 많이 작용한다. 소성시간, 소성온도, 입도 분포, 원료의 성분 등 이러한 인자들을 정확하게 제어하지 못하면 균일한 제품의 메타카올린을 얻기 힘들기 때문이다. 특히 콘크리트에 사용되는 메타카올린의 경우 포졸란 특성을 가지고 있어야 하는데 이러한 재료의 특성을 가지게 하기 위해서는 카올린이 가능하면 과열이 없이 거의 완전하게 탈수가 이루어져야 한다.

메타카올린은 제조된 지역의 카올린 광물에 따라 약간의 화학조성이 변할 수도 있으며 색깔 또한 백색 및 연황색 등이 있다. 이러한 색상차이는 함유된 미량성분에 따라 변하게 되는데 주로 Fe₂O₃ 성분에 의해 차이가 발생한다. 주성분은 SiO₂와 Al₂O₃이며 S/A의 이론적 비는 1.18 정도이다. 국내에서 생산되는 메타카올린의 경우 할로이사이트질의 카올린을 원료로 하기 때문에 다른 것과 달리 Fe₂O₃ 성분 함량이 다소 높아 연황색을 띠고 있다.

메타카올린을 이용한 콘크리트의 특성은 다음과 같다.

플라이애쉬 및 슬래그를 사용할 경우 콘크리트 초기 재령의 압축강도 저하를 줄이는 한 방법으로 메타카올린을 사용하고 있으나 본 출원인이 보유한 특허 제10-0356254호의 구체방수재에 사용되는 실리카흄(Silica fume)은 높은 포졸란반응과 큰 비표면적을 가지는 특성 때문에 콘크리트의 역학적 성능 및 화학저항성을 향상시킨다. 실리카흄과 유사한 성질을 가지는 새로운 혼화재료로써 메타카올린을 실리카흄과 함께 사용하여 시험한 결과 초기 재령의 압축강도 저하를 줄이고 마모저항성이 향상됨을 알 수 있다.

메타카올린이란 균질하게 성분 조합한 점토질 카올린(kaolin)을 특수한 전 처리를 거친 후 이를 소정의 조건으로 소성하여 활성화 시킨 다음 일정한 입도로 미분화한 알루미노실리케이트(alumino-silicate)질 물질이며 시멘트에 혼합함으로써 콘크리트의 각종 물성을 현저하게 개선시키는 효과가 있다고 보고되고 있다. 또한, 단기적으로 에트린자이트(ettringite)의 생성과, 시멘트 중의 주요광물인 알라이트(alite)의 활성화로 인한 수산화칼슘과 빠르게 반응하여 초기강도를 증가시키고 중장기적으로는 시멘트와 반응시 포졸란 반응으로 콘크리트 조직이 치밀화 되어 강도 증진과 마모저항성을 향상시킨다.

본 발명에서는 메타카올린(metakaolin)는 조성물 100 중량부에 대해 6 내지 12중량부를 첨가하였다.

본 발명에 따른 콘크리트 구체방수재 조성물의 배합은 다음과 같다.

포졸란 재료 중 실리카흄의 경우 장기 고강도 및 화학적 내구성이 우수한 특성이 있어 국내에서도 고강도 콘크리트 제조시 사용되고 있으나 주로 수입에 의존해야 하는 실정 때문에 사용시 많은 애로점이 있지만 향후 국내에 풍부한 카올린 재료를 이용하여 제조 가능하기 때문에 수입대체 효과를 기대할 수 있다고 본다. 메타카올린의 경우 조기강도 및 고기능성 콘크리트에 사용할 경우 실리카흄 보다 조기강도 및 마모저항성은 증가하지만 사용량의 증가에 따라 실리카흄 보다 유동성이 감소하는 단점이 있다. 실리카흄과 메타카올린의 물리 화학적 성질과 화학 조성은 다음과 같다.

본 발명에 적용되는 실리카흄은 SiO₂(silicon oxide)가 91~94% 정도이며, 메타카올린은 SiO₂(silicon oxide) 50~55%, Al₂O₂(aluminium oxide) 40~45%로 구성되어 있다.

실리카흄과 메타카올린의 물리 화학적 성질은 하기 표 1과 같다.

구분	비중	비표면적(cm²/g)	평균 입도(㎛)	L.O.I(%)
실리카흄	2.2	180,000~200,000	0.1	1.5
메타카올린	2.5	150,000	1.5	0.89

[실시 예]

본 발명에서는 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물로서, 포졸란 활성을 갖는 실리카 혼화재로 플라이애쉬 64.8 중량%와 실리카흄 9.25중량%를 주재료로 하고, 고급지방산계 금속염 11.25중량%, 재분산성 분말 수지 0.85중량%, 고성능 감수제 4.6중량%, 메타카올린 9.25중량%를 첨가한 합성조성물을 마련하였다.

상기 구체방수재를 중량배합비로 시멘트 중량부에 대해 1.0~7.0중량부를 투입하여 시험한 배합 표는 하기 표 2와 같다.

표 2는 본 발명에 따른 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물을 적용한 콘크리트 배합표이다.

상기 표 2에서 W는 물(water), C는 시멘트(cement), S는 잔골재(sand), a는 골재(aggregate : 잔골재와 굵은골재의 합)를 의미하는 것으로서 W/C는 시멘트에 대한 물의 비율을 나타내고, S/a는 총골재에 대한 잔골재의 비율을 나타낸다. 상기 표 2에서 사용된 잔골재의 비중은 2.63, 굵은 골재의 비중은 2.6이다.

상기 표 2에 따라 제조된 콘크리트에 대해 방수성 시험을 하였다.

즉, 본 발명에 따라 제조된 구체방수재를 시멘트 100중량부에 대하여 각각 1중량부 내지 7중량부를 KS F 4926에 준하여 콘크리트 및 모르타르를 제조하여 콘크리트의 슬럼프, 공기량, 응결시간, 압축강도, 상대동탄성 계수를 측정하고, 모르타르의 투수비, 흡수계수비를 측정한 결과는 표 3과 같다.

상기 표 3에서 콘크리트 혼입용 방수재에 대한 방수성에 대한 평가 결과, 무첨가(기준콘크리트)조건에 비해 콘크리트 작업성(slump)과 압축강도 및 물의 흡수 및 투수에 대한 저항성이 좋아지는 것으로 나타났으며, 종래의 방수재에 비하여 동일한 조건에서 월등한 콘크리트 품질수준을 확인할 수 있다.

방수성 향상은 콘크리트 자체에 물의 흡수를 막아 동결융해에 따른 콘크리트 상대동탄성계수 저하가 무첨가 조건에 비해 작아져서 내구성이 양호한 것으로 나타났다. 특히 구체방수재의 첨가량이 시멘트 100중량부에 대하여 3중량부를 첨가한 경우부터 효과가 있으며, 5중량부를 초과하는 경우부터는 효과가 그 이상 크게 증진되지 않음을 알 수 있다.

또 상기 표 3에서 보는 바와 같이 구체방수재를 본 발명의 범위보다 과량으로 첨가한 경우에는 메타카올린과 실리카흄의 특성으로 인해 콘크리트 공기량이 떨어지고, 워커빌리티(workability) 저하, 응결시간 지연 등 굳지 않은 콘크리트의 품질이 나빠져서 오히려 콘크리트 품질향상과 작업성이 반감되는 것을 알 수 있다.

압축강도는 구체방수재의 첨가량이 증가할수록 커지는 경향을 보이는데, 28일에 비해 7일의 조기 강도가 메타카올린의 특성으로 기준콘크리트보다 더 높은 강도를 나타내었다.

따라서 본 발명에 따라 제조된 구체방수재 조성물은 시멘트 100중량부에 대하여 3 내지 5중량부 첨가하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

다음에, 본 발명에 따라 제조된 콘크리트의 마모저항성을 측정하였다.

마모저항성을 측정하기 위하여 ASTM C779-Measuring Abrasion Resistance(B Type)의 시험방법으로 300㎜ x 300㎜ 콘크리트 시편을 각각 3개를 제작하여 23±2℃의 항온조건에서 7일, 28일간 수중 양생 후 재령 28일에 시험을 실시하였다.

마모저항성 시험 결과는 표 4와 같다.

상기 표 4에서의 시험은 방수재 첨가량에 따라 ASTM C 779 (Type B)의 시험방법으로 시험한 결과이다.

메타카올린 사용은 조기강도 증진과 수밀성 증대 효과로 마모저항성이 무첨가 조건에 비해 저항성이 더 좋은 결과를 나타내었다. 특히 방수재의 첨가량이 시멘트 100중량부에 대하여 3중량부를 첨가한 경우부터 효과가 있으며, 6중량부를 초과하는 경우부터는 효과가 더 이상 크게 증진되지 않음을 알 수 있다.

콘크리트 바닥은 무거운 장비의 연속적인 사용으로 잠재적인 손상 및 콘크리트 표면의 마모에 대한 보호기능을 높이기 위해 경화촉진제(hardener)를 표면에 도포하거나 콘크리트 자체의 방수성과 수밀성을 증대시켜 고밀화된 콘크리트를 제조하여야 한다. 이에 대한 저항성 시험은 ASTM C779-(B Type)의 시험 방법으로 도 1과 같이 강한 충격과 높은 응력으로 시험하는 스틸 볼 베이링 타입으로 시험하였다.

도 1은 본 발명에 따라 양생된 콘크리트 바닥에 대해 스틸 볼 베이링으로 실험 하는 상태를 나타내는 도면이다.

콘크리트 표면에 사용하는 경화촉진제를 선택할 때 정보에 입각한 결정을 내리기 위해 표준화된 시험 데이터에 의존하고 있다. 이에 대한 시험 ASTM C779는 콘크리트 표면의 내마모성을 측정하는 '바닥 콘크리트 표면 마모 저항에 대한 표준 시험 방법'이다. 시험은 매일 마모 손상으로부터 콘크리트 바닥면을 보호하기 위해, 표면 경화촉진제의 능력을 평가하기 위한 프레임 워크를 제공한다. 이 방법은 표면의 수명을 예측하는 것이 표면에 경화촉진제를 처리하지 않는 바닥면에 비해 마모에 대한 저항성으로 고밀화의 효과를 확인한다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명에 따른 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물을 사용하는 것에 의해 자체 방수성뿐만 아니라 마모저항성까지 증대시킬 수 있다.

Claims

콘크리트 표면의 마모저항성과 콘크리트 자체 방수성을 증대시킨 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물로서,
상기 조성물 100중량부에 대하여 포졸란 활성을 갖는 플라이애쉬(fly-ash) 또는 슬래그(slag) 55 내지 75중량부, 실리카흄(silica-fume) 6 내지 12중량부, 재분산성 분말 수지 0.5 내지 5중량부, 고급지방산계 금속염 6 내지 12중량부, 고성능 감수제 4 내지 9중량부, 메타카올린(metakaolin) 6 내지 12중량부를 포함하고,
상기 실리카흄은 SiO₂(silicon oxide) 91~94중량%를 포함하고, 상기 메타카올린은 SiO₂(silicon oxide) 50~55중량%와 Al₂O₂(aluminium oxide) 40~45중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물.
제1항에서,
상기 조성물은 콘크리트 제조시 시멘트 100중량부에 대하여 3.0~5.0중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물.
제1항에서,
상기 고성능 감수제로서 리그닌설폰산염(lignin sulphonate)계를 사용하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물.
삭제
제1항에서,
상기 조성물은 플라이애쉬 64.8중량%, 실리카흄 9.25중량%, 고급지방산계 금속염 11.25중량%, 재분산성 분말 수지 0.85중량%, 리그닌설폰산염 4.6중량%, 메타카올린 9.25중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 혼입용 구체방수재 조성물.