KR102048127B1 - 이온 교환 수지를 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물, 및 그 제조 방법 - Google Patents

이온 교환 수지를 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물, 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법이 제공된다. 상기 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법은, 플라이 애쉬(fly ash), 또는 슬래그 분말 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 결합재를 준비하는 단계, 양이온 또는 음이온 중에서, 적어도 어느 하나를 포함하는 이온 교환 수지를 준비하는 단계, 상기 결합재 및 상기 이온 교환 수지를 물과 혼합하여, 혼합물을 제조하는 단계, 및 상기 혼합물을 양생하여, 알칼리 활성 결합재 구조물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

이온 교환 수지를 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물, 및 그 제조 방법{Concrete structure comprising ion exchange resin, and method of fabricating of the same}
본 발명은 알칼리 활성 결합재 구조물 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 이온 교환 수지를 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
콘크리트는 제조의 용이성, 경제성, 내구성 등의 장점으로 인해, 현재 건축 및 토목용 구조재료로서 널리 사용되고 있다. 하지만, 외부의 환경, 타설 조건 등에 따라서, 콘크리트 내에 균열이 발생되는 문제가 있다.
최근 건설 기술은, 기존 구조물에 대해서는 지속적인 보수 및 유지관리를 통해 구조물의 노후화 방지 및 내구수명 증대를 도모하고, 신설 구조물에 대해서는 내구설계를 적용하여 구조물의 열화인자를 차단하는 방향으로 연구 개발되고 있다. 특히, 구조물의 균열 발생은 시설물 전체에 사용성 문제를 발생하기 때문에 이를 제어 할 필요성이 증대되고 있으며, 원전 구조물, 해양 구조물, 터널 등 보수작업이 용이하지 않은 사회기반시설물에 대한 안정적인 보수 공법이 요구되고 있다.
이와 더불어, 콘크리트 구조물의 내구성과 관련하여 균열 저감, 유지, 보수 등에 대한 관심이 증가하고 있으며, 특히 고도 성장기에 제작 된 콘크리트 구조물의 유지보수 비용이 나날이 증가하고 있다. 또한, 녹색 성장 기조아래 지속 가능한 구조물에 대한 관심도 커지고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 등록공보 10-1143435에는 조기강도를 증진시키고, 균열을 저감하며, 내구성이 향상된 시멘트 모르타르 또는 콘크리트 조성물을 제조할 수 있도록, 슬래그 미분말 20 ~ 80 중량%, 무수석고 1 ~ 30 중량% 및 강열감량(Ig.loss)이 13~14%이며, CaO 55 ~ 65 중량 %, SiO2 0.1 ~ 5 중량%, Al2O3 0.1 ~ 3 중량%, MgO 1 ~ 10 중량%, SO3 15 ~ 40 중량%, Fe2O3 0.1 ~ 3 중량%, K2O 0.01 ~ 0.3 중량%, V 0.01 ~ 0.3 중량%를 포함하는 탈황석고 5 ~ 50 중량%를 포함하는 강도증진용 혼화제를 개시하고 있다.
또한, 전 세계적으로 CO2 감축이 중요한 사안이기 때문에, 건설산업분야에서도 탄소배출의 최소화 및 산업폐기물의 재활용에 관한 연구가 상당수 진행되고 있다. 이를 위해, 슬래그 분말 및 플라이 애쉬가 활용되고 있으며, 일반적으로 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 사용된다. 최근에는 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않고, 슬래그 분말 또는 플라이 애쉬만을 사용한 알칼리 활성을 이용한 무시멘트 결합재의 제조가 활발히 이루어지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 이온 교환 수지를 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 고신뢰성의 알칼리 활성 결합재 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 장수명의 알칼리 활성 결합재 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 염소 이온에 의한 열화를 최소화시킬 수 있는 알칼리 활성 결합재 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 해양 환경에 최적화된 알칼리 활성 결합재 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 친환경적인 알칼리 활성 결합재 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 작업 및 취급이 용이한 알칼리 활성 결합재 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법은, 플라이 애쉬(fly ash), 또는 슬래그 분말 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 결합재를 준비하는 단계, 양이온 또는 음이온 중에서, 적어도 어느 하나를 포함하는 이온 교환 수지를 준비하는 단계, 상기 결합재 및 상기 이온 교환 수지를 물과 혼합하여, 혼합물을 제조하는 단계, 및 상기 혼합물을 양생하여, 알칼리 활성 결합재 구조물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 이온 교환 수지는, OH- 음이온을 포함하고, 상기 이온 교환 수지의 OH- 음이온에 의해, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물로 침투된 Cl- 이온이 상기 이온 교환 수지에 트랩(trap)될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 이온 교환 수지는, Na+ 양이온을 포함하는 양이온 교환 수지, 및 OH- 음이온을 포함하는 음이온 교환 수지를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 이온 교환 수지를 준비하는 단계는, 상기 이온 교환 수지를 분쇄하는 것을 포함하고, 분쇄된 상기 이온 교환 수지가 상기 결합재 및 상기 물과 혼합되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 결합재는, 상기 플라이 애쉬 및 상기 슬래그 분말을 포함하고, 상기 이온 교환 수지는, 양이온 교환 수지, 및 음이온 교환 수지를 포함하고, 상기 플라이 애쉬 및 상기 슬래그 분말의 비율에 따라서, 상기 양이온 교환 수지 및 상기 음이온 교환 수지의 비율을 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 슬래그 분말 대비, 상기 플라이 애쉬의 비율이 증가되는 경우, 상기 음이온 교환 수지 대비, 상기 양이온 교환 수지의 비율을 증가시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 이온 교환 수지는, 양이온 교환 수지, 및 음이온 교환 수지를 포함하고, 상기 혼합물은, 상기 결합재 100g 당, 상기 양이온 교환 수지 및 상기 음이온 교환 수지는 각각 2.5g을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 알칼리 활성 결합재 구조물을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물은, 플라이 애쉬(fly ash) 또는 슬래그 분말 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 결합재, 음이온 교환 수지, 및 물을 포함하는 혼합물이 양생된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혼합물은 NaHCO3를 포함하는 활성제를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혼합물 내에서, 상기 음이온 교환 수지의 함량이 상기 활성제의 함량보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법은, 플라이 애쉬(fly ash) 또는 슬래그 분말 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 결합재, 이온 교환 수지를 물과 혼합하여, 혼합물을 제조하는 단계, 및 상기 혼합물을 양생하여, 알칼리 활성 결합재 구조물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이온 교환 수지는, 양이온 교환 수지 및/또는 음이온 교환 수지를 포함할 수 있다. 상기 양이온 교환 수지 및 상기 음이온 교환 수지에 의해 알칼리 활성 반응이 일어날 수 있고, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물로 침투되는 염소 이온이, 상기 음이온 교환 수지에 의해 트랩되어, 염소 이온에 의한 열화 및 철근의 부식이 최소화될 수 있고, 수명 및 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물에 포함된 이온 교환 수지를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 균열 및 염소 이온 침입을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물에 침입된 염소 이온의 트랩을 설명하기 이한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실험 예 1-1 내지 실험 예 1-4에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 FTIR 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험 예 1-2에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 염소 이온 트랩 효과를 설명하기 이한 EPMA 결과 사진이다.
도 8은 본 발명의 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-4에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 FTIR 결과 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실험 예 2-5 내지 실험 예 2-11, 및 실험 예 2-13에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 FTIR 결과 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실험 예 2-12 및 실험 예 2-14에 따른 혼합물의 양생 결과를 촬영한 사진이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법에 따라 제조된 알칼리 활성 결합재 구조물의 활용 예를 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물에 포함된 이온 교환 수지를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 균열 및 염소 이온 침입을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물에 침입된 염소 이온의 트랩을 설명하기 이한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 플라이 애쉬(flay ash) 또는 슬래그 분말 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 결합재가 준비된다(S110).
양이온 또는 음이온 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 이온 교환 수지(100)가 준비된다(S120). 상기 이온 교환 수지(100)는, 상기 양이온을 포함하는 양이온 교환 수지 또는 상기 음이온을 포함하는 음이온 교환 수지 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 양이온 교환 수지는, Na+ 이온을 포함할 수 있고, 상기 음이온 교환 수지는, OH-이온을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양이온 교환 수지 및 상기 음이온 교환 수지는, 분쇄될 수 있다. 구체적으로, 상기 양이온 교환 수지 및 상기 음이온 교환 수지는 건식 볼밀 공정을 이용하여, 분쇄될 수 있다. 이에 따라, 후술되는 바와 같이, 상기 이온 교환 수지(100)를 이용하여 제조된 알칼리 활성 결합재 구조물이, 상기 이온 교환 수지(100)에 의해, 강도 저하 되는 것이 방지되는 동시에, 상기 결합재와 용이하게 결합될 수 있다.
상기 결합재 및 상기 이온 교환 수지(100)를 물과 혼합하여, 혼합물이 제조될 수 있다(S130).
상기 혼합물을 양생하여, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물을 제조하는 과정에서, 상기 결합재, 상기 이온 교환 수지(100), 및 상기 물이 혼합된 상기 혼합물의 알칼리 활성 반응이 진행될 수 있다. 구체적으로, 상기 알칼리 활성 반응에 의해, 상기 결합재가 상기 플라이 애쉬를 포함하는 경우, (Na, K) - Al - Si - H의 결합이 주로 생성되고, 상기 결합재가 상기 슬래그 분말을 포함하는 경우, Ca - Al - Si - H의 결합이 주로 생성될 수 있다. 이 과정에서, Na+, K+와 같은 금속 이온이 촉매로 작용할 수 있다.
상기 플라이 애쉬의 경우, Ca 함량이 상대적으로 낮을 수 있고, 이에 따라, 상기 결합재에서 상기 플라이 애쉬의 비율이 상대적으로 높은 경우, 용이한 알칼리 활성 반응을 위해, Ca+ 이온 또는 Na+ 이온이 추가적으로 필요할 수 있다.
또한, 상기 슬래그 분말의 경우, 다량의 Ca 성분으로 인해 Ca - Al - Si - H의 결합이 주로 생성되지만, Na 함량이 높은 경우, Na - Al - Si - H 결합의 생성이 유도되어, 상기 슬래그 분말을 이용한 알칼리 활성 결합재 구조물 특성이 변화될 수 있다.
이에 따라, 상기 플라이 애쉬 및 상기 슬래그 분말의 비율에 따라서, 상기 양이온 교환 수지 및 상기 음이온 교환 수지의 비율이 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 슬래그 분말 대비, 상기 플라이 애쉬의 비율이 증가되는 경우, 상기 음이온 교환 수지 대비, 상기 양이온 교환 수지의 비율이 증가될 수 있다. 이로 인해, 상술된 바와 같이, 상기 플라이 애쉬의 비율이 상대적으로 높아, 상기 혼합물 내에 Ca의 함량이 상대적으로 낮은 경우에도, 용이하게 알카리 활성 반응이 진행되고, (Na, K) - Al - Si - H의 결합이 생성될 수 있다. 반면, 상기 플라이 애쉬 대비, 상기 슬래그 분말의 비율이 증가되는 경우, 상기 양이온 교환 수지 대비, 상기 음이온 교환 수지의 비율이 증가될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혼합물에서, 상기 플라이 애쉬 및 상기 슬래그 분말을 포함하는 상기 결합재의 양에 따라서, 상기 양이온 교환 수지 및 상기 음이온 교환 수지를 포함하는 상기 이온 교환 수지(100)의 양이 제어될 수 있다. 구체적으로, 예를 들어, 상기 결합재 100g 당 상기 양이온 교환 수지 및 상기 음이온 교환 수지는 각각 2.5g이 상기 혼합물에 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 혼합물에, 상기 결합재, 상기 이온 교환 수지(100), 및 상기 물 이외에, 활성제가 더 첨가될 수 있다. 이 경우, 상기 활성제는 양이온을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성제는, NaOH, Na2CO3, 또는 NaHCO3 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
NaHCO3는, NaOH 및 Na2CO3와 비교하여, 상대적으로 낮은 알칼리성을 가지고, 취급이 용이하고, 안정성이 우수하고, 친환경적일 수 있다. 하지만, NaHCO3만을 활성제로 사용하는 경우, 상기 혼합물을 양생하여 상기 알칼리 활성 결합재 구조물을 제조하는 것이 용이하지 않다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 활성제로 NaHCO3를 사용하는 동시에, 상기 혼합물에 상기 음이온 교환 수지가 투입될 수 있다. 이에 따라, NaHCO3 활성제 및 상기 음이온 교환 수지를 포함하는 상기 혼합물로부터 상기 알칼리 활성 결합재 구조물이 용이하게 양생될 수 있다. 이로 인해, 후술되는 바와 같이, 상기 혼합물로부터 상기 알칼리 활성 결합재 구조물의 양생이 용이해질 수 있고, 친환경적이고, 작업이 용이한 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 상기 활성제로 NaHCO3가 사용되고, 상기 음이온 교환 수지가 사용되는 경우, 상기 혼합물 내에서, 상기 음이온 교환 수지의 함량이 상기 활성제의 함량보다 높을 수 있다. 이에 따라, 후술되는 바와 같이, 상기 혼합물로부터 상기 알칼리 활성 결합재 구조물이 용이하게 양생될 수 있다.
상기 혼합물을 양생하여, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물이 제조될 수 있다(S140).
상기 혼합물의 양생 과정에서, 상기 양이온 교환 수지 및 상기 음이온 교환 수지에 의해, 상술된 바와 같이, 알카리 활성 반응이 진행될 수 있다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 양이온 교환 수지가 Na+ 이온을 포함하고, 상기 음이온 교환 수지가 OH- 이온을 포함하는 경우, 상기 양이온 교환 수지의 Na+ 이온과 주변의 Ca+ 및 Mg2+ 이온이 교환되고, 상기 음이온 교환 수지의 OH- 이온과 주변의 HSO4 -, HCO3 -, 및 HSiO3 - 이온이 교환되어, 알칼리 활성 반응이 진행될 수 있다.
상기 알칼리 활성 결합재 구조물 내에, 상기 음이온 교환 수지가 제공되는 경우, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물 내로 침투하는 염소 이온이 상기 음이온 교환 수지에 트랩(trap)될 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 물리적 충경, 화학적 부식, 또는 노후화로 인해, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물 내에 균열(120)이 생성될 수 있다. 이 경우, 상기 균열(120)을 통해 염소 이온이 상기 알칼리 활성 결합재 구조물 내로 침투될 수 있고, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물 내로 침투된 염소 이온에 의해, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물 및/또는 상기 알칼리 활성 결합재 구조물 내의 철근(110)이 부식될 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물 내에 상기 음이온 교환 수지가 제공될 수 있고, 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 음이온 교환 수지의 음이온(예를 들어, OH-)와 염소 이온이 교환되고, 이에 따라, 염소 이온이 상기 음이온 교환 수지에 트랩될 수 있다. 이로 인해, 염소 이온에 의해 상기 알칼리 활성 결합재 구조물 및 상기 철근(110)의 부식이 최소화될 수 있고, 결과적으로, 장수명 및 고신뢰성을 갖고, 염소 이온의 침투가 용이한 해양 환경의 사용에 최적화된 알칼리 활성 결합재 구조물 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 구체적인 실험 예가 설명된다.
실험 예 1-1 내지 실험 예 1-4에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물 제조
Polystyrene + Divinylbenzen 모체를 기반으로 SO3 - (Sulfonate)를 작용기로 가지며, Na+가 결합된 양이온 교환 수지를 준비하였다. 상기 양이온 교환수지는 약 600 ㎛의 입도를 가지고, 비중은 약 1.28이다.
Polystyrene + Divinylbenzen 모체를 기반으로 N+(CH3)2C2H4OH를 작용기로 가지며, OH-가 결합된 음이온 교환 수지를 준비하였다. 상기 음이온 교환 수지의 비중은 약 1.13이다.
활성제로 5M 및 10M의 NaOH를 준비하였다.
결합재로 아래의 <표 1>과 같은 조성을 갖는 플라이 애쉬를 준비하였다.
플라이 애쉬의 화학조성 (wt.%)
CaO SiO2 Al2O3 MgO Fe2O3 Na2O K2O SO3
4.14 60.35 20.63 0.86 8.50 0.56 1.37 0.98
증류수, 상기 플라이 애쉬, 활성제, 상기 양이온 교환 수지, 및 상기 음이온 교환 수지를 아래의 <표 2>와 같이 혼합하여, 실험 예 1-1 내지 실험 예 1-4에 따른 혼합물을 제조하고, 상온에서 6시간, 및 3일간 밀봉 양생하여, 실험 예 1-1 내지 실험 예 1-4에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물을 제조하였다. 실험 예 1-3의 경우 5M의 NaOH를 사용하였고, 실험 예 1-4의 경우 10M의 NaOH를 사용하였다.
구분 중량 (g)
플라이 애쉬 NaOH 양이온
교환수지		 음이온
교환수지		 증류수
실험 예 1-1 100 0 0 0 50
실험 예 1-2 100 0 10 10 50
실험 예 1-3 100 10 0 5 50
실험 예 1-4 100 20 10 10 50
도 5 및 도 6은 본 발명의 실험 예 1-1 내지 실험 예 1-4에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 FTIR 결과 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 실험 예 1-1 내지 실험 예 1-4에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 FTIR(Fourier transform infrared)을 수행하였다. Na+ 양이온의 활성화에 의해, 공기 중의 CO2와 반응하여, 1439cm-1에서 피크가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 실험 예 1-1에 따라서 NaOH 활성제, 양이온 교환 수지, 및 음이온 교환 수지를 첨가하지 않은 경우, 1439cm-1에서 피크가 관찰되지 않았으며, 실험 예 1-2 내지 실험 예 1-4에 따른 경우 1439cm-1에서 피크가 관찰되었다. 특히, 실험 예 1-2에 따라서 NaOH 활성제를 첨가하지 않고, 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지를 첨가한 경우에도, 알칼리 활성 반응이 일어나, 1439cm-1에서 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, NaOH 활성제의 사용 없이, 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지를 이용하여, 알칼리 활성 반응이 일어날 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 1058cm-1에서도 피크가 관찰되어, Si-O-Al 결합이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실험 예 1-2에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 염소 이온 트랩 효과를 설명하기 이한 EPMA 결과 사진이다.
도 7을 참조하면, 실험 예 1-2에 따라 제조된 알칼리 활성 결합재 구조물에 염소 이온을 침투시키고, 염소 이온의 트랩 효과를 확인하기 위해, EPMA 분석을 수행하였다. 도 7에 도시된 바와 같이, 음이온 교환 수지에 의해, 알칼리 활성 결합재 구조물 내로 침투한 염소 이온이 트랩되는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 실시 예에 따라서, 음이온 교환 수지를 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물을 제조하는 경우, 염소 이온 침투에 의한 철근 부식을 최소화할 수 있음을 확인할 수 있다.
실험 예 2-1 내지 실험 예 2-14에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물 제조
실험 예 1-1 내지 실험 예 1-4를 참조하여 설명된 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지를 준비하고, 활성제로 NaOH, Na2CO3, NaHCO3를 준비하였다.
또한, 결햅재로, 아래의 <표 3>과 같은 조성을 갖는 슬래그 분말을 준비하였다.
슬래그 분말의 화학조성 (wt.%)
CaO SiO2 Al2O3 MgO Fe2O3 SO3
42.69 36.59 14.2 3.57 0.47 1.80
증류수, 상기 슬래그 분말, 활성제, 상기 양이온 교환 수지, 및 상기 음이온 교환 수지를 아래의 <표 4>와 같이 혼합하여, 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-14에 따른 혼합물을 제조하고, 상온에서 1일, 3일간 밀봉 양생하거나, 상온에서 1일간 밀봉 양생 후 2일간 수중 양생하여, 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-14에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물을 제조하였다.
구분 중량 (g)
슬래그 NaOH Na2CO3 NaHCO3 양이온
교환수지		 음이온
교환수지		 증류수
실험 예 2-1 100 0 0 0 0 0 50
실험 예 2-2 100 2 0 0 0 0 50
실험 예 2-3 100 2 0 0 0 5 50
실험 예 2-4 100 0 0 0 10 10 50
실험 예 2-5 100 0 0 0 5 5 50
실험 예 2-6 100 0 0 0 2.5 5 50
실험 예 2-7 100 0 0 0 1 5 50
실험 예 2-8 100 0 0 0 2.5 2.5 50
실험 예 2-9 100 0 5 0 0 0 50
실험 예 2-10 100 0 1 0 0 5 50
실험 예 2-11 100 0 5 0 0 5 50
실험 예 2-12 100 0 0 5 0 0 50
실험 예 2-13 100 0 0 1 0 5 50
실험 예 2-14 100 0 0 5 0 5 50
도 8은 본 발명의 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-4에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 FTIR 결과 그래프이다.
도 8을 참조하면, 실험 예 2-1 내지 실험 예 2-4에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물에 대해서 FTIR를 수행하였다. 실험 예 2-1에 따라서 활성제, 양이온 교환 수지, 및 음이온 교환 수지를 첨가하지 않은 경우, 900cm-1 좌측 및 우측의 피크가 명확하게 관찰된 반면, 실험 예 2-2 내지 실험 예 2-4에 따라서, NaOH 활성제, 양이온 교환 수지, 및 음이온 교환 수지를 포함하는 경우, 900cm-1 좌측 및 우측의 피크가 무뎌지는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 알칼리 활성 반응에 의해, 금속 및 실리콘의 결합이 생성된 것을 확인할 수 있다.
또한, 3500 cm-1의 부근에서의 피크는 O-H 결합의 분자 운동을 나타내는 것으로, Ca - Al - Si - H 결합 또는 Na - Al - Si - H 결합이 생성된 것을 확인할 수 있다.
또한, 실험 예 2-2에 따라서, 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지를 포함하지 않고, NaOH 활성제를 포함하는 경우, 양생 방법(밀봉 양생 또는 수중 양생)에 따른 알칼리 활성 반응의 차이가 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 반면, 실험 예 2-4에 따라서, 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지를 포함하는 경우, 밀봉 양생을 수행하는 경우 알칼리 활성 반응이 미미한 것과 비교하여, 수중 양생을 수행하는 경우, 알칼리 활성 반응이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 수중 양생 방법이 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지의 이온 교환 효과를 향상시키는 효율적인 방법인 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실험 예 2-5 내지 실험 예 2-11, 및 실험 예 2-13에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 FTIR 결과 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실험 예 2-12 및 실험 예 2-14에 따른 혼합물의 양생 결과를 촬영한 사진이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 실험 예 2-5 내지 실험 예 2-14에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물에 대해서 FTIR을 수행하였다. 실험 예 2-5 내지 실험 예 2-8에 따른 FTIR 결과에 도시된 바와 같이, 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지를 각각 2.5g씩 첨가한 경우, 3500cm-1에서 명확하게 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있다, 즉, 양이온 교환 수지 및 음이온 교환 수지를 각각 2.5g씩 첨가된 경우, 알칼리 활성 반응이 효과적으로 발생되어, Ca - Al - Si - H 결합 또는 Na - Al - Si - H 결합이 생성된 것을 확인할 수 있다.
또한, 실험 예 2-9 내지 실험 예 2-11에 따른 FTIR 결과에 도시된 바와 같이, Na2CO3를 활성제로 사용하는 경우, 실험 예 2-10 및 실험 예 2-11에 따라서 음이온 교환 수지가 첨가되면, 오히려, 알칼리 활성 반응이 저하되어, 3500cm-1에서 명확하게 피크가 관찰되지 않은 것을 확인할 수 있다.
또한, 실험 예 2-13에 따른 FTIR 결과, 및 도 10에 도시된 실험 예 2-14 및 실험 예 2-12의 사진을 참조하면, 활성제로 NaHCO3를 사용하는 경우, 음이온 교환 수지를 첨가하지 않거나(실험 예 2-12), 또는 NaHCO3 활성제와 동일한 양의 음이온 교환 수지를 첨가(실험 예 2-14)하는 경우, 결합 반응이 전혀 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. 반면, NaHCO3 활성제를 사용하는 경우 NaHCO3 활성제보다 많은 양의 음이온 교환 수지를 첨가(실험 예 2-13)하면, 알칼리 활성 반응에 의해 Ca - Al - Si - H 결합 또는 Na - Al - Si - H 결합이 생성된 것을 확인할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법에 따라 제조된 알칼리 활성 결합재 구조물의 활용 예를 설명하기 위한 도면들이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법에 따라 제조된 알칼리 활성 결합재 구조물은 상술된 바와 같이, 양이온 교환 수지 및/또는 음이온 교환 수지를 포함할 수 있다. 상기 양이온 교환 수지 및 상기 음이온 교환 수지에 의해 알칼리 활성 반응이 일어날 수 있고, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물로 침투되는 염소 이온이, 상기 음이온 교환 수지에 의해 트랩되어, 염소 이온에 의한 콘크리트의 열화 및 철근의 부식이 최소화될 수 있고, 수명 및 신뢰성이 향상될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 기술적 사상이 적용된 알칼리 활성 결합재 구조물은, 도 11 및 도 1에 도시된 바와 같이, 해양 구조물에 사용될 수 있다.
다만, 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법에 따라 제조된 알칼리 활성 결합재 구조물의 활용 분야는 이에 한정되지 않고, 다양한 건축, 토목, 등 산업 분야에 활용될 수 있음은 자명하다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 알칼리 활성 결합재는, 골재, 시멘트, 모래 등과 함께 콘크리트 또는 시멘트 구조물을 형성할 수도 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 이온 교환 수지
110: 철근
120: 균열

Claims (10)

  1. 플라이 애쉬(fly ash) 및 슬래그 분말을 포함하는 결합재를 준비하는 단계;
    양이온 및 음이온을 포함하는 이온 교환 수지를 준비하는 단계;
    상기 결합재 및 상기 이온 교환 수지를 물과 혼합하여, 혼합물을 제조하는 단계; 및
    상기 혼합물을 양생하여, 알칼리 활성 결합재 구조물을 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 슬래그 분말 대비, 상기 플라이 애쉬의 비율이 증가되는 경우, 상기 음이온 교환 수지 대비, 상기 양이온 교환 수지의 비율을 증가시키는 것을 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지는, OH- 음이온을 포함하고,
    상기 이온 교환 수지의 OH- 음이온에 의해, 상기 알칼리 활성 결합재 구조물로 침투된 Cl- 이온이 상기 이온 교환 수지에 트랩(trap)되는 것을 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지는, Na+ 양이온을 포함하는 양이온 교환 수지, 및 OH- 음이온을 포함하는 음이온 교환 수지를 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지를 준비하는 단계는, 상기 이온 교환 수지를 분쇄하는 것을 포함하고,
    분쇄된 상기 이온 교환 수지가 상기 결합재 및 상기 물과 혼합되는 것을 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 혼합물은 NaHCO3를 포함하는 활성제를 더 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 혼합물 내에서, 상기 음이온 교환 수지의 함량이 상기 활성제의 함량보다 높은 것을 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지는, 양이온 교환 수지, 및 음이온 교환 수지를 포함하고,
    상기 혼합물은, 상기 결합재 100g 당, 상기 양이온 교환 수지 및 상기 음이온 교환 수지는 각각 2.5g을 포함하는 알칼리 활성 결합재 구조물의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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