KR101927310B1 - 콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물 - Google Patents

콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중합된 폴리머 입자의 중심의 하드(Hard)한 성질과, 폴리머 입자 표면의 소프트(Soft)한 성질을 동시에 부여할 수 있는 콘크리트 혼화용 폴리머를 통해 속경성 또는 조강성 내지 초조강성 콘크리트 구조 특성중 요구되는 압축강도 수준을 충족하면서 부착강도로 향상시킬 수 있도록 개선된 콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

Description

콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물{Functional concrete composition using concrete admixture polymer}
본 발명은 콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중합된 폴리머 입자의 중심의 하드(Hard)한 성질과, 폴리머 입자 표면의 소프트(Soft)한 성질을 동시에 부여할 수 있는 콘크리트 혼화용 폴리머를 통해 속경성 또는 조강성 내지 초조강성 콘크리트 구조 특성중 요구되는 압축강도 수준을 충족하면서 부착강도로 향상시킬 수 있도록 개선된 콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
일반적으로, 속경성 또는 조강성 시멘트계 조성물은 콘크리트계 도로, 교량, 구조물, 건축물, 항만 등의 보수용으로 주로 사용된다.
특히, 콘크리트계 도로 및 교량의 경우, 기존 콘크리트 표층부를 일부 절삭 또는 파쇄하여 보수하게 되는데, 시공 연한이 오래된 도로 및 교량의 경우는 자연적 환경인자(비, 바람, 눈, 기온변화 등)와 인위적 영향인자(제설제, 교통량 등)에 의해 시간 경과에 비례하여 콘크리트의 열화 또는 중성화가 심화되어 초기 설계된 기준 강도보다 감소하게 되고 내구성 또한 약화된다.
이러한 조건에서 신규 속경성 또는 조강성 시멘트계 콘크리트를 기존 열화 및 중성화된 콘크리트에 보수용으로 적용할 경우, 신구 콘크리트간 부착 및 일체화에 문제가 발생하여 들뜸, 크랙발생 및 보수한 부위의 재파손 등의 하자가 발생하여 보수용 콘크리트의 내구성에 문제를 야기한다.
이와 같은 문제점을 보완하기 위해 하기한 [선행기술문헌]에서 인용하는 등록특허 제10-0421255호가 개시(開示)된 바 있는데, 이는 콘크리트 공사에 SBR라텍스를 첨가한 라텍스 개질 콘크리트에 관한 것이다.
그런데, 상기 등록특허의 경우에는 SBR 라텍스가 신설교량의 교면포장용으로 특정되어 있고, 상기 라텍스는 일반적인 포트랜트 시멘트(1종 시멘트)에 특화되어 있어 시멘트의 구성성분의 차이가 현저한 속경성 또는 조강성 시멘트에 적용하는데는 사용상 무리가 있으며, 성능 또한 열화 또는 중성화가 진행된 기체 콘크리트와 보수용 라텍스 개질 콘트리트와의 요구된 부착강도를 유지하는데 한계가 있다.
대한민국 등록특허 제10-0421255호(2004.02.23), '합성고무 라텍스를 함유하는 콘크리트 또는 몰탈 및 그들을 이용한 방수포장방법' 대한민국 등록특허 제10-1193390호(2012.10.16.), '폴리머 개질 속경성 시멘트 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 유지보수공법' 대한민국 등록특허 제10-1498502호(2015.02.26.), '폴리머 혼입 조강성 시멘트 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 유지보수공법'
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 중합된 폴리머 입자의 중심의 하드(Hard)한 성질과, 폴리머 입자 표면의 소프트(Soft)한 성질을 동시에 부여할 수 있는 콘크리트 혼화용 폴리머를 통해 속경성 또는 조강성 내지 초조강성 콘크리트 구조 특성중 요구되는 압축강도 수준을 충족하면서 부착강도로 향상시킬 수 있도록 개선된 콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 잔골재 40-45중량%와, 굵은 골재 32-36중량%와, 조강시멘트 혹은 포틀랜트시멘트를 포함하는 시멘트 결합재 13-17중량%와, 콘크리트 혼화용 폴리머 3.1-4.5중량% 및 나머지 배합수로 이루어진 콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물에 있어서;
상기 콘크리트 혼화용 폴리머는 폴리머 전체량을 기준으로 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate) 60-70중량부와, 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트(molecular weight 100.13, solubility 1.6g/100ml(20℃), boiling point 100℃, melting point -47.5℃) 30-40중량부가 중합된 폴리머 입자 표면에 프로-2-에노익산(prop-2-enoic acid)을 1-3중량부 더 공중합시켜 브렌치되게 하는 것에 의해 폴리머 입자의 중심은 경질(Hard)을 유지하고 폴리머 입자의 표면은 연질(Soft)을 유지하는 이중구조로 이루어지고;
상기 콘크리트 혼화용 폴리머 전체량을 기준으로 소디움 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate) 0.1-3.0중량부, 소디움 하이드로겐 카보네이트(sodium hydrogen carbonate) 0.1-2.0중량부, 지방족 에틸렌옥사이드(fatty ethylene oxide) 0.01-1.0중량부, 소디움 데트라데실 설페이트(sodium tetradecyl sulfate) 0.1-1.0중량부 중 어느 하나를 더 첨가하며;
상기 시멘트 결합재는 칼슘설포알루미네이트 10-40중량%와, 알루미나 1-20중량%와, 무수석고 1-5중량%와, 울소나이트 0.01-3.0중량%와, 멜라민계 유동화제 0.01-0.05중량% 및 나머지 조강시멘트로 이루어져 초속경성을 강화시킨 것을 특징으로 하는 콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물을 제공한다.
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본 발명에 따르면, 중합된 폴리머 입자의 중심의 하드(Hard)한 성질과, 폴리머 입자 표면의 소프트(Soft)한 성질을 동시에 부여할 수 있는 콘크리트 혼화용 폴리머를 통해 속경성 또는 조강성 내지 초조강성 콘크리트 구조 특성중 요구되는 압축강도 수준을 충족하면서 부착강도로 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 프로-2-에노익산을 폴리머 입자 표면부에 공중합시킴으로서 폴리머 자체의 분산안정성과 저장안정성을 향상시키는 효과도 얻을 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물은 잔골재 40-45중량%와, 굵은 골재 32-36중량%와, 조강시멘트 혹은 포틀랜트시멘트를 포함하는 시멘트 결합재 13-17중량%와, 콘크리트 혼화용 폴리머 3.1-4.5중량% 및 나머지 배합수(물)로 이루어진다.
이때, 상기 잔골재는 콘크리트표준시방서에 따른 기준치를 만족하도록 5mm 이하의 입도를 갖는 것을 사용하며, 40중량% 미만으로 첨가되면 콘크리트 표면의 평탄성이 불량해지고, 45중량%를 초과하여 첨가되면 콘크리트의 강도가 저하되기 때문에 상기 범위로 한정되어야 한다.
그리고, 상기 굵은 골재는 콘크리트표준시방서에 따른 기준치를 만족하도록 20mm 이하의 입도를 갖는 것을 사용하며, 32중량% 미만으로 첨가되면 콘크리트의 강도가 떨어지고, 36중량%를 초과하여 첨가되면 콘크리트의 혼화 균일성 및 평탄성이 불량해지므로 상기 범위로 한정되어야 한다.
아울러, 상기 시멘트 결합재는 조강시멘트를 포함하는 초속경성 시멘트 결합재와, 포틀랜트시멘트를 포함하는 초조강성 시멘트 결합재로 구분되며, 13-17중량%의 범위 내에서 첨가되어야 하는데, 만약 17중량%를 초과하여 첨가되면 시멘트 결합재의 과다 사용에 따른 점성증가로 인해 작업성과 가사시간 조절이 어려워지고 과도한 수밀성 증대에 따른 건조수축 균열이 발생할 수 있으므로 그 이하로 첨가되어야 하며, 13중량% 미만으로 첨가되면 콘크리트의 점성 부족과 브리딩 발생가능성이 커지고 소성크랙 발생가능성도 높아지며 투수저항성이 감소하기 때문에 상기 범위로 첨가되어야 한다.
여기에서, 상기 초속경 시멘트 결합재의 경우는 칼슘설포알루미네이트 10-40중량%와, 알루미나 1-20중량%와, 무수석고 1-5중량%와, 울소나이트 0.01-3.0중량%와, 멜라민계 유동화제 0.01-0.05중량% 및 나머지 조강시멘트로 구성될 수 있다.
이때, 상기 칼슘설포알루미네이트(calcium sulfo-aluminate)는 3CaO·3Al2O3·CaSO의 화합물로서, 수화하여 에트링가이트(ettringite)를 생성하는 것으로 40중량%를 초과하면 응결 촉진과 초기 강도 확보는 용이해지나 가사시간 확보가 어려워지고 작업성이 불량해지며, 10중량% 미만으로 첨가되면 초기 강도 확보 및 균열발생 억제 효과가 떨어지므로 상기 범위로 한정하여야 한다.
그리고, 상기 알루미나(alumina)는 알루미늄의 산화물로서 내열성 향상은 물론 콘크리트의 강도를 향상시키기 위해 첨가된다.
이러한 알루미나는 20중량%를 초과하여 첨가될 경우 초기 수화열을 높일 수 있어 조기 강도 확보가 용이해지나 초기 가사시간 조절이 어려워지고 그 영향으로 원활한 작업성과 평탄성을 확보하기 어려워지기 때문에 그 이하로 첨가해야 하며, 1중량% 미만으로 첨가되면 초기 강도가 급격히 감소하고 후기 강도 또한 저하되어 콘크리트의 내구성이 떨어지게 되므로 상기 범위로 한정하여야 한다.
또한, 상기 무수석고(anhydrous gypsum)는 결정수를 갖지 않는 황산 칼슘염으로서 콘크리트의 초기 강도 확보를 위해 첨가되지만, 5중량%를 초과하여 첨가되면 작업성이 어려워지며 경제성이 떨어진지고, 1중량% 미만으로 첨가되면 초기 강도를 확보하기 어려워 상기 범위로 한정되어야 한다.
뿐만 아니라, 상기 울소나이트(Ursolite)는 침상의 흡수성이 우수한 분체로 유기 증점제를 대체하여 분체 입자표면에 폴리머 입자를 흡착시켜 콘크리트의 슬럼프가 높거나 보수시 교행하는 진동원에 의해 폴리머 입자가 콘크리트의 표층으로마이그레이션(migration)하는 것을 억제하기 위해 첨가되며, 최대의 효과를 얻기 위해서는 경도 4.5-5.0, 비중 2.9, 입자크기 30㎛±5, aspect ratio 15:1의 조건을 만족시키는 것을 사용함이 바람직하다.
이러한 울소나이트는 시멘트-울소나이트-폴리머 입자간 결합형태로 보수되는 모재의 표면 굴곡 및 표면 내부 공극으로의 침투가 용이하여 계면 부착강도를 높이는데 효과가 있으며, 자체 경도가 높은 수준의 울소나이트 분체 입자와 반응한 시멘트-폴리머 구조는 계면의 경시 부착강도를 높일 수 있다.
다만, 초미립자 크기의 분체 입도를 갖는 관계로 0.01중량% 미만으로 첨가되면 콘크리트의 증점효과 및 폴리머의 마이그레이션 효과를 반감시키고, 3중량%를 초과하면 정해진 배합수(配合水) 투입량 하에서 콘크리트의 점도 상승에 의해 표면 마감성이 떨어질 수 있으며 경제성 또한 악화되므로 상기 범위로 한정하여야 한다.
그리고, 유동화제(high-range water-reducing agent)는 콘크리트의 품질을 저하시키지 않으면서 콘크리트의 시공성을 개선할 목적으로 사용되는 성분으로서, 나프탈린계, 멜라민계, 리그닌계, 카르복실계 등이 있지만, 본 발명에서는 유동화 후의 슬럼프 로스와 시공상의 제약을 줄이고 유동화 과정에서 발생하는 재료의 분리현상을 막기 위해 멜라민계 유동화제를 0.01-0.05중량% 범위로 사용함이 바람직하다.
아울러, 상기 조강시멘트는 KS에 규정한 것을 사용하는 것이 바람직하며, 초기 강도가 저하와 콘크리트의 초결 지연을 막기 위한 초속경 시멘트 결합재의 베이스 성분이다.
뿐만 아니라, 상기 시멘트 결합재가 초조강 시멘트 결합재의 경우는 칼슘설포알루미네이트 10-40중량%와, 알루미나 1-20중량%와, 무수석고 1-10중량%와, 울소나이트 0.01-3.0중량%와, 멜라민계 유동화제 0.01-0.05중량% 및 나머지 포틀랜트시멘트로 구성될 수 있다.
이때, 상기 초조강 시멘트 결합재는 베이스 성분이 포틀랜트시멘트라는 점과 무수석고의 함량을 더 늘려 초기 강도를 충분하게 확보할 수 있다는 점만 다를 뿐 나머지 성분들은 앞서 설명한 초속경 시멘트 결합재와 동일하다.
한편, 상기 콘크리트 혼화용 폴리머는, 시멘트 콘크리트의 경우 결합재가 시멘트 수화물로서 늦은 경화시간, 작은 인장강도, 큰 건조수축, 낮은 내약품성 등의 결점을 갖고 있기 때문에 고분자화학 공업의 소산인 폴리머(polymer)를 사용해서 이러한 단점들을 보완 또는 개선할 수 있도록 첨가되는 물질이다.
이와 관련하여, 본 발명에서는 콘크리트 혼화용 폴리머가 초속경 또는 초조강 시멘트 결합재 및 시멘트와 혼화될 때 폴리머 내부의 하드(hard)한 성질을 이용하여 콘크리트의 압축강도를 유지하면서 폴리머 외부의 소프트(soft)한 성질을 이용하여 콘크리트의 휨강도, 부착강도 및 인장강도를 향상시킬 수 있도록 구성된다.
이를 위해, 상기 콘크리트 혼화용 폴리머는 폴리머 전체량을 기준으로 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate) 60-70중량부와 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트(methyl 2-methylprop-2-enoate) 30-40중량부가 중합된 폴리머 입자 표면에 프로-2-에노익산(prop-2-enoic acid)을 1-3중량부 더 공중합시킨 것을 사용한다.
다시 말해, 상기 콘크리트 혼화용 폴리머는 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)와 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트가 중합된 폴리머; 및 상기 폴리머의 입자 표면에 브렌치된 프로-2-에노익산을 포함한다.
덧붙여, 상기 콘크리트 혼화용 폴리머에는 유화성을 높이기 위해 유화제가 더 포함될 수 있는데, 바람직한 유화제로는 계면활성 기능을 갖는 소디움 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate), 소디움 하이드로겐 카보네이트(sodium hydrogen carbonate), 지방족 에틸렌옥사이드(fatty ethylene oxide), 소디움 데트라데실 설페이트(sodium tetradecyl sulfate)를 예시할 수 있으며, 또한 강력한 산화에 의해 중합을 개시하는 중합개시제로 포타슘 퍼설페이트(potassium persulfate)를 예시할 수 있다.
또한, 상기 유화제는 상기 콘크리트 혼화용 폴리머 전체량을 기준으로 소디움 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate) 0.1-3.0중량부, 소디움 하이드로겐 카보네이트(sodium hydrogen carbonate) 0.1-2.0중량부, 지방족 에틸렌옥사이드(fatty ethylene oxide) 0.01-1.0중량부, 소디움 데트라데실 설페이트(sodium tetradecyl sulfate) 0.1-1.0중량부가 바람직하며, 포타슘 퍼설페이트(potassium persulfate)는 0.01-1.0중량부가 바람직하다.
여기에서, 유화제를 포함한 콘크리트 혼화용 폴리머를 제조하는 방법을 예시적으로 덧붙이자면 다음과 같다.
즉, 본 발명에 따른 콘크리트 혼화용 폴리머를 제조하는 방법은 소디움 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate), 소디움 하이드로겐 카보네이트(sodium hydrogen carbonate), 지방족 에틸렌옥사이드(fatty ethylene oxide) 및 소디움 데트라데실 설페이트(sodium tetradecyl sulfate)를 포함하는 유화제를 투입하는 단계; 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate), 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트 및 프로-2-에노익산을 투입하는 단계; 포타슘 퍼설페이트(potassium persulfate)를 투입하여 반응을 개시하는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate) 투입하는 단계에서, 상기 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)를 전체 투입량 중 40%는 반응 초기에서 중반부까지 투입하고, 나머지 60%는 반응 중반부터 투입함이 바람직하며; 상기 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트는 반응 초기부터 중반부까지 전체 투입량의 50%를 투입하고, 나머지는 반응 중반부터 종료시까지 투입함이 바람직하다.
또한, 상기 포타지움 퍼설페이트를 투입하는 단계에서, 상기 중합개시제는 전체 투입량의 50%를 반응 초기에 투입하고, 나머지 50%는 반응 중반부 상기 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)와 같이 투입할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 유화제는 반응 중반부에서 상기 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)가 투입 전 일괄 투입할 수 있다.
또한, 상기 프로-2-에노익산은 반응 중반부 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)와 포타지움 퍼셀페이트의 투입과 더불어 투입될 수도 있다.
예를 들어, 유화제를 80℃로 승온하고, 반응 주 단량체인 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate) 24-28중량부와 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트 15-20중량부를 반응기에 투입하여 반응을 개시하고 나머지는 중합 중반부터 투입할 수 있다.
이때, 상기 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)(molecular weight 128.17, solubility 0.14g/100ml(20℃), boiling point 145℃, melting point -64.6℃)는 폴리머 필름의 연성, 충격보강 및 접착성을 부여하고 폴리머 혼입 시멘트 및 콘크리트 조성물의 휨강도, 부착강도 및 부착모재와의 접착력을 증진 및 조절하는 역할을 한다.
따라서, 상기 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)의 1차 투입량이 24중량부 미만이면 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트 공중합된 폴리머의 내부가 경성화되어 폴리머 필름의 스티프하게 변질되어 시멘트 및 콘크리트계 조성물의 내충격성이 저하되고, 28중량부를 초과하면 폴리머 내부가 연성화되어 시멘트 및 콘크리트꼐 조성물의 압축강도가 저하된다.
그리고, 2차 투입되는 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate) 투입량이 36중량부 미만이면 중합된 폴리머 필름의 표면부가 연성화되어 폴리머 혼입 시멘트 및 콘크리트의 압축강도는 증진되나 휨강도 및 부착강도는 목표한 개선효과를 얻을 수 없고, 42중량부를 초과하면 폴리머 혼입 시멘트 및 콘크리트의 부착강도는 현저히 증진되나 요구된 압축강도 수준을 얻을 수 없다.
또한, 상기 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트(molecular weight 100.13, solubility 1.6g/100ml(20℃), boiling point 100℃, melting point -47.5℃)는 폴리머 필름의 스티프니스를 부여하고 폴리머 혼입 시멘트 및 콘크리트 조성물의 압축강도, 내약품성 향상 및 조절하는 역할을 한다. 이러한 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트의 투입량이 30중량부 미만이면 중합된 폴리머 필름이 연성화되어 휨강도, 부착강도 및 내충격성은 향상되나 목표한 압축강도를 얻을 수 없으며, 40중량부를 초과하면 폴리머 혼입 시멘트 및 콘크리트의 압축강도는 향상되나 부착강도 등이 감소된다.
아울러, 상기 프로-2-에노익산은 중합된 폴리머의 입자표면에 공중합된 상태로 다가 중금속 이온을 다량 포함하는 시멘트와 혼합시 시멘트 입자표면을 이온적으로 중화시켜 분산성을 향상시키며, 분산속도를 높이는 역할을 한다. 따라서 속경성 또는 조강성 시멘트 결합재 분산시 사용되는 지연제 사용량을 높임으로서 초기 강도 확보에 유리하다. 또한 속경성 또는 조강성 시멘트 결합재와 폴리머 분산시 폴리머의 분산 균일성을 확보함으로써 상기 콘크리트 혼화용 폴리머와 (초)속경성 또는 (초)조강성 시멘트 및 콘크리트 조성물의 국부적 강도 불균일성을 개선하는 효과가 있다.
이러한 프로-2-에노익산의 투입량이 1중량부 미만이면 중합된 폴리머의 저장안정성이 떨어짐은 물론 상기 폴리머 혼입 시멘트 및 콘크리트 조성물의 분산성이 감소하여 초기 강도 저하 및 조성물의 불균일한 강도 편차의 원인이 된다. 또한 상기 프로-2-에노익산의 투입량이 3중량부를 초과하면 중합된 폴리머의 분산안정성이 과도하게 높아지고, 속경성 또는 조강성 시멘트 및 콘크리트 조성물의 제조시 배합수 조절에 매우 민감하게 작용하여 슬럼프 조절이 어렵게 된다.
이하, 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 구체적인 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명에서 중요한 인자로 사용되는 콘크리트 혼화용 폴리머의 제조예에 대하여 먼저 설명하기로 한다.
[제조예 1]
콘크리트 혼화용 폴리머 전체량을 기준으로 소디움도데실설페이트 0.5중량부, 소디움 하이드로겐 카보네이트 0.2중량부, 지방족에틸렌옥사이드 0.05중량부로 구성된 유화제를 반응기 내에 넣고, 반응기 온도가 80(±3℃) 승온한 후, 주 단량체 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate) 25중량부, 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트는 20중량부를 투입하면서 포타지움 퍼설페이트 0.1중량부를 투입하여 반응을 개시하였다. 반응 개시 5시간 후, 소디움 테트라 데실설페이트 0.5중량부를 투입한 다음, 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate) 35중량부, 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트는 20중량부, 프로-2-에노익산 2중량부와, 포타슘 퍼설페이트 0.1중량부를 투입하여 4시간 2차 반응 후 1시간 가량 안정화시간으로 반응 종결하였다.
[제조예 2]
콘크리트 혼화용 폴리머 전체량을 기준으로 소디움도데실설페이트 0.5중량부, 소디움 하이드로겐 카보네이트 0.2중량부, 지방족에틸렌옥사이드 0.05중량부로 구성된 유화제를 반응기 내에 넣고, 반응기 온도가 80(±3℃) 승온한 후, 주 단량체 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)는 25중량부, 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트는 20중량부를 투입하면서 포타지움 퍼설페이트 0.1중량부를 투입하여 반응을 개시하였다. 반응 개시 5시간 후, 소디움 테트라 데실설페이트 0.5중량부 투입 후, 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)는 40중량부, 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트는 15중량부, 프로-2-에노익산은 2중량부와 포타슘 퍼설페이트 0.1중량부를 투입하여 4시간 2차 반응 후 1시간 가량 안정화시간으로 반응 종결하였다.
[제조예 3]
콘크리트 혼화용 폴리머 전체량을 기준으로 소디움도데실설페이트 0.5중량부, 소디움 하이드로겐 카보네이트 0.2중량부, 지방족에틸렌옥사이드 0.05중량부로 구성된 유화제를 반응기 내에 넣고, 반응기 온도가 80(±3℃) 승온한 후, 주 단량체 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)는 25중량부, 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트는 20중량부를 투입하면서 포타지움 퍼설페이트 0.1중량부를 투입하여 반응을 개시하였다. 반응 개시 5시간 후, 소디움 테트라 데실설페이트 0.5중량부 투입 후, 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)는 45중량부, 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트는 10중량부, 프로-2-에노익산은 2중량부와 포타슘 퍼설페이트 0.1중량부를 투입하여 4시간 2차 반응 후 1시간 가량 안정화시간으로 반응 종결하였다.
[제조예 4]
콘크리트 혼화용 폴리머 전체량을 기준으로 소디움도데실설페이트 1.0중량부, 소디움 하이드로겐 카보네이트 0.2중량부, 지방족에틸렌옥사이드 0.05중량부로 구성된 유화제를 반응기 내에 넣고, 반응기 온도가 80(±3℃) 승온한 후, 주 단량체 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate)는 60중량부, 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트트는 40중량부, 프로-2-에노익산 2중량부를 투입하면서 포타지움 퍼설페이트 0.2중량부를 투입하여 반응을 개시하여 반응 종료 1시간 전 안정화 단계를 저쳐 반응 종결하였다.
상기 제조예 1,2,3,4의 물성은 다음 [표 1]과 같이 확인되었다.
구 분/ 단위 % solids 1) pH 2) Viscosity 3) 입자크기 4)
% cPs nm
제조예 1 47.1 8.9 81 125
제조예 2 47.5 8.8 94 130
제조예 3 47.3 8.7 106 139
제조예 4 47.8 8.9 68 132
이때, 1), 2), 3)의 시험기준은 KSM 6516-2016이었고, 4)는 KSA ISO 13320-2014 이었다.
상기 [표 1]에서와 같이, 본 발명에 의해 제조된 제조예 1 내지 3의 콘크리트 혼화용 폴리머는 유사한 고형분농도, pH, 입자크기를 보여 준 반면, 제조예 4는 점도가 상대적으로 낮게 나타났다.
이러한 결과는 제조예 1 내지 3의 경우, 폴리머 입자 표면의 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate) 공중합 양이 상대적으로 많아 알카리 분산 조건하에서 폴리머 입자의 팽윤현상에 의해 점도가 높은 것을 알 수 있었다.
[실시예 1-4]
하기 [표 2]에 기재된 배합조건으로 초속경 시멘트 결합재, 잔골재, 굵은골재를 정량 계량하여 강제식 혼합믹서에 투입 후, 건배합 조건으로 2분간 혼합하고 제조예 1 내지 4에서 제조한 각각의 폴리머와 배합수를 동시에 투입하여 1분 30초간 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하였다.
즉, 실시예 1은 제조예 1의 콘크리트 혼화용 폴리머를 [표 2]의 조건으로 배합하였고, 실시예 2는 제조예 2의 콘크리트 혼화용 폴리머를 사용하였으며, 실시예 3은 제조예 3의 콘크리트 혼화용 폴리머를 사용하였고, 실시예 4는 제조예 4의 콘크리트 혼화용 폴리머를 사용하였다.
다시 말해, [표 2]에 제시된 배합조건대로 하되, 콘크리트 혼화용 폴리머를 제조예 1-4에 따라 제조된 것으로 바꾸어 사용하였다.
이때, 초속경 시멘트 결합재는 칼슘설포알루미네이트 30중량%, 알루미나 20 중량%, 무수석고 5중량%, 울소나이트 1중량%, 멜라민계 유동화제 0.03중량% 및 나머지 조강시멘트로 조성하였으며, 이러한 초속경 시멘트 결합재의 물성은 하기 [표 3]에 나타내었다.
아울러, 비교를 위해 비교예 1,2를 함께 준비하였다.
[비교예 1]
하기 [표 2]에서, 콘크리트 혼화용 폴리머를 스티렌과 부타디엔으로 공중합된 라텍스(%solids 47.3, pH 9.5, viscosity 183mPa.s, P/size 250㎛)를 사용하여 동일한 콘크리트 배합조건으로 콘크리트 조성물을 제조하였다.
[비교예 2]
상기 초속경 시멘트 결합재 조성중 울소나이트가 함유되지 않은 시멘트 결합재를 사용하고, 제조예 1을 적용하여 하기 [표 2]의 혼합조건으로 콘크리트 조성물을 제조하였다.
구 분 단위량(kg/m3)
배합수 시멘트 잔골재 굵은골재 폴리머
실시예 1 내지 실시예 4
비교예 1 내지 2		 85 320 960 810 82
시 험/시험항목 단 위 시 험 방 법 측 정 값
비 중 g/cm3 KSL 5110 : 2016 2.92
분 말 도 cm2/g KSL 5201 : 2016 5730
응결시간 초 결 분 45
종 결 시간 : 분 58
안정도(오토클레이브) % 0.06
압축강도 4시간 MPa 28.4
28일 46.8
이러한 실시예와 비교예의 물성중 슬럼프 특성을 확인하기 위해 KS F 2402에서 규정한 방법에 따라 슬럼프를 측정하였고, 그 결과를 하기 [표 4]에 나타내었다.
구 분 단위 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
슬럼프 mm 185 180 178 175 215 210
상기 [표 4]에서와 같이, 실시예 1 내지 4는 비교예 2 대비, 동일한 배합수 투입량 하에서 낮은 슬럼프 값을 나타냈으며, 이러한 결과는 울소나이트가 유기 증점제와 같은 역할을 한 것으로 판단된다.
또한, 실시예 1 내지 4는 비교예 1 대비, 슬럼프가 낮은 것으로 나타났으며 동일한 배합수 사용하에서 경사진 보수부위 작업시 평탄성을 확보하는데 유리할 것으로 예상된다.
뿐만 아니라, 상기 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 폴리머 혼입 콘크리트 조성물과 비교예 1 내지 2에 따라 제조한 콘크리트 조성물을 KS F 2405에서 규정한 방법에 따라 각각 압축강도(양생 4시간 후, 재령28일)를 측정하였고, 그 결과는 하기 [표 5]에 나타내었다.
구 분 재 령 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
압축강도
(MPa.)		 4시간 24.5 23.5 23.1 22.8 25.6 25.4
28일 45.2 44.2 42.6 39.5 45.2 45.5
상기 [표 5]에서 알 수 있듯이, 실시예 1 내지 3은 비교예 1 내지 2와 유사한 압축강도를 갖는 것으로 나타났으나, 실시예 4는 압축강도가 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 실시예 4의 폴리머 표면부가 연성화된 결과 콘크리트의 압축강도에 반영된 결과로 분석된다.
또한, 상기 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 폴리머 혼입 콘크리트 조성물과 비교예 1 내지 2에 따라 제조한 콘크리트 조성물을 KS F 2407에서 규정한 방법에 따라 각각 휨강도(양생 4시간 후, 재령28일)를 측정하였고, 그 결과는 하기 [표 6]에 나타내었다.
구 분 재 령 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
휨강도
(MPa.)		 4시간 4.6 4.8 5.1 5.3 4.1 4.3
28일 7.5 7.8 8.1 8.4 6.3 6.8
상기 [표 6]에서와 같이 실시예 1 내지 4는 비교예 1에 비해 휨강도가 우수하였고 이러한 결과는 폴리머의 내부와 표면부의 조성 차이가 시멘트 결합재 및 사용된 골재와의 접착력이 우수한 결과에 기인한 것으로 분석된다.
아울러, 상기 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 폴리머 혼입 콘크리트 조성물과 비교예 1 내지 2에 따라 제조한 콘크리트 조성물을 KS F 2762에서 규정한 방법에 따라 각각 부착강도(양생 4시간 후, 재령28일)를 측정하였고, 그 결과는 하기 [표 7]에 나타내었다.
구 분 재 령 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
부착강도
(MPa.)		 4시간 1.45 1.48 1.51 1.54 1.21 1.40
28일 1.75 1.79 1.83 1.85 1.67 1.70
상기 실시예 1 내지 4는 비교예 1에 비해 부착강도가 상당히 향상된 것으로 나타났으며, 실시예 1은 비교예 2 대비 부착강도가 우수한 것으로 나타났다. 또한 실시예 1 내지 4 자체 비교에서는 폴리머 표면부가 연성화될수록 부착강도는 증가한 것으로 알 수 있었다.
[실시예 5 내지 8]
하기 [표 8]에 기재된 배합조건으로 초조강 시멘트 결합재, 잔골재, 굵은골재를 정량 계량하여 강제식 혼합믹서에 투입 후, 건배합 조건으로 2분간 혼합하고 제조예 1 내지 4에서 제조한 각각의 폴리머와 배합수를 동시에 투입하여 1분 30초간 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조하였다.
이때, 상기 초조강 시멘트 결합재는 칼슘설포알루미네이트 30중량%, 알루미나 20중량%, 무수석고 3 중량%, 울소나이트 1중량%, 멜라민계 유동화제 0.03중량% 및 나머지 포틀랜트시멘트로 조성하였으며, 초조강 결합재 시멘트의 물성은 하기 [표 9]에 나타내었다.
구 분 단위량(kg/m3)
배합수 시멘트 잔골재 굵은골재 폴리머
실시예 5 내지 실시예 8
비교예 3 내지 4		 93 350 930 766 89
시 험/시험항목 단 위 시 험 방 법 측 정 값
비 중 g/cm3 KSL 5110 : 2016 2.95
분 말 도 cm2/g KSL 5201 : 2016 5530
응결시간 초결 분 55
종결 시간 : 분 1: 15
안정도(오토클레이브) % 0.06
압축강도 12시간 MPa 26.8
28일 41.1
아울러, 비교를 위해 비교예 3,4를 함께 준비하였다.
[비교예 3]
상기 [표 8]에서, 콘크리트 혼화용 폴리머를 스티렌과 부타디엔으로 공중합된 라텍스(%solids 47.3, pH 9.5, viscosity 183mPa.s, P/size 250㎛)를 사용하여 동일한 콘크리트 배합조건으로 콘크리트 조성물을 제조하였다.
[비교예 4]
상기 초속경 시멘트 결합재 조성 중 울소나이트가 함유되지 않은 시멘트 결합재와 제조예 1을 사용하여 상기 [표 8]의 혼합조건으로 콘크리트 조성물을 제조하였다.
그리고, 상기 실시예 5 내지 8와 비교예 3 내지 4에 따라 제조된 폴리머 혼입 콘크리트 조성물과 비교예 3 내지 4에 따라 제조한 콘크리트 조성물을 KS F 2402에서 규정한 방법에 따라 슬럼프를 측정하였고, 그 결과를 하기 [표 10]에 나타내었다.
구 분 단위 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 비교예 3 비교예 4
슬럼프 mm 193 190 186 182 230 225
상기 실시예 5 내지 8은 비교예 3 대비, 슬럼프 값이 낮은 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 실시예 5 내지 8이 비교예 3보다 콘크리트의 흐름성을 완화시켜 경사진 보수부위 적용에 보다 유리할 것으로 판단된다. 또한 실시예 5 내지 8은 비교예 4 대비, 슬럼프 차이를 보이는데 이러한 결과는 울소나이트의 증점효과에 기인한 것으로 분석된다.
또한, 실시예 5 내지 8에 따라 제조된 폴리머 혼입 콘크리트 조성물과 비교예 3 내지 4에 따라 제조한 콘크리트 조성물을 KS F 2405에서 규정한 방법에 따라 각각 압축강도(양생 4시간 후, 재령28일)를 측정하였고, 그 결과는 하기 [표 11]에 나타내었다.
구 분 재 령 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 비교예 3 비교예 4
압축강도
(MPa.)		 12시간 28.5 26.3 25.6 24.2 24.6 26.4
28일 47.5 46.9 46.1 44.5 44.2 45.1
상기 [표 11]에서 알 수 있듯이, 실시예 5 내지 8은 비교예 3 내지 4보다 유사하거나 약간 높은 압착강도를 나타내었다.
아울러, 상기 실시예 5 내지 8에 따라 제조된 폴리머 혼입 콘크리트 조성물과 비교예 3 내지 4에 따라 제조한 콘크리트 조성물을 KS F 2407에서 규정한 방법에 따라 각각 휨강도(양생 4시간 후, 재령28일)를 측정하였고, 그 결과는 하기 [표 12]에 나타내었다.
구 분 재 령 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 비교예 3 비교예 4
휨강도
(MPa.)		 4시간 4.6 4.8 5.1 5.3 4.1 4.3
28일 7.5 7.8 8.1 8.4 6.3 6.8
[표 12]에서와 같이, 실시예 1 내지 4는 비교예 3에 비해 휨강도가 우수하였고 이러한 결과는 실시예 5 내지 8의 폴리머의 인장력과 접착력이 비교예 3보다 높았던 것에 기인한 것으로 분석되며, 실시예 5는 비교예 4 대비 장기 휨강도가 높은 것으로 나타났다.
뿐만 아니라, 상기 실시예 5 내지 8에 따라 제조된 폴리머 혼입 콘크리트 조성물과 비교예 3 내지 4에 따라 제조한 콘크리트 조성물을 KS F 2762에서 규정한 방법에 따라 각각 부착강도(양생 4시간 후, 재령28일)를 측정하였고, 그 결과는 하기 [표 13]에 나타내었다.
구 분 재 령 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 비교예 3 비교예 4
부착강도
(MPa.)		 12시간 1.43 1.47 1.53 1.58 1.21 1.41
28일 1.60 1.69 1.72 1.78 1.58 1.55
상기 실시예 5 내지 8는 비교예 3에 비해 부착강도가 상당히 향상된 것으로 나타났으며, 비교예 3은 비교예 4 대비 부착강도가 우수한 것으로 나타났다. 또한 실시예 5 내지 8은 비교예 3 내지 비교예 4에 비해, 장기 부착강도에서 차이가 커지는 것으로 나타났다.

Claims (3)

  1. 잔골재 40-45중량%와, 굵은 골재 32-36중량%와, 조강시멘트 혹은 포틀랜트시멘트를 포함하는 시멘트 결합재 13-17중량%와, 콘크리트 혼화용 폴리머 3.1-4.5중량% 및 나머지 배합수로 이루어진 콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물에 있어서;
    상기 콘크리트 혼화용 폴리머는 폴리머 전체량을 기준으로 부틸-2-프로페노에이트(butyl-2-propenoate) 60-70중량부와, 메틸 2-메틸프로-2-에노에이트(molecular weight 100.13, solubility 1.6g/100ml(20℃), boiling point 100℃, melting point -47.5℃) 30-40중량부가 중합된 폴리머 입자 표면에 프로-2-에노익산(prop-2-enoic acid)을 1-3중량부 더 공중합시켜 브렌치되게 하는 것에 의해 폴리머 입자의 중심은 경질(Hard)을 유지하고 폴리머 입자의 표면은 연질(Soft)을 유지하는 이중구조로 이루어지고;
    상기 콘크리트 혼화용 폴리머 전체량을 기준으로 소디움 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate) 0.1-3.0중량부, 소디움 하이드로겐 카보네이트(sodium hydrogen carbonate) 0.1-2.0중량부, 지방족 에틸렌옥사이드(fatty ethylene oxide) 0.01-1.0중량부, 소디움 데트라데실 설페이트(sodium tetradecyl sulfate) 0.1-1.0중량부 중 어느 하나를 더 첨가하며;
    상기 시멘트 결합재는 칼슘설포알루미네이트 10-40중량%와, 알루미나 1-20중량%와, 무수석고 1-5중량%와, 울소나이트 0.01-3.0중량%와, 멜라민계 유동화제 0.01-0.05중량% 및 나머지 조강시멘트로 이루어져 초속경성을 강화시킨 것을 특징으로 하는 콘크리트 혼화용 폴리머를 이용한 기능성 콘크리트 조성물.
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