KR102116817B1 - 유해성분을 난용성 화합물로 착염화시키는 혼화제 및 이를 이용한 콘크리트 레미콘 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리카르본산(Polycarbonic)감수제, Iron lignin, 질산철 수용액 및 AE제를 물에 혼합한 콘크리트 혼화제로 상기의 혼화제는 아래 반응식과 같이 암모니아 및 6가 크롬과 반응하여 유해성분을 착염화하는 혼화제에 관한 발명이다.
4CrO4 2-+2NH4 ++2Fe(NO3)3 ° 9H2O → (NH4)Fe(CrO4)2 + 3NO32 - + 9H2O

Description

유해성분을 난용성 화합물로 착염화시키는 혼화제 및 이를 이용한 콘크리트 레미콘{Admixtures for Complex Salting Harmful Components with Soluble Compounds and Concrete Ready Mixed Concrete}
본 발명은 콘크리트 혼화제 및 이를 이용한 친환경 레미콘에 관한 것으로, 구체적으로는 콘크리트의 작업성과 품질을 향상시키며, 유해성분을 난용성 화합물로 착염화시키는 혼화제 및 이를 이용한 콘크리트 제조에 관한 것이다.
콘크리트는 일반적으로 시멘트, 모래 및 골재의 3 요소에 의해 어느 정도까지 만족할 수 있지만, 최근 콘크리트에 대한 친환경성 등의 높은 요구를 충족시키거나 여러가지 결점을 해결하여 보다 경제적인 콘크리트를 제조한다는 측면에서 혼화재료들을 빼놓을 수 없다.
콘크리트 혼화재료란 콘크리트에 어떤 기능을 얻기 위해서 첨가하거나 필요에 따라 어떤 성분을 첨가하는 재료로써, 상기의 시멘트, 모래 및 골재 이외의 것을 말하며, 실무적으로는 혼화재와 혼화제로 구분하여 지칭한다. 혼화재는 콘크리트 총 무게의 5% 이상을 차지하는 것들로 플라이애쉬나 규조토, 화산회, 규산백토, 고로슬래그 등을 말하며, 혼화제는 콘크리트 총 무게의 1% 이하인 것으로 AE제, AE감수제, 유동화제, 촉진제, 지연제, 방수제, 기포제, 발포제 및 방청제 등을 말한다.
또한 혼화제는 한 종류의 것이 여러가지 목적을 겸하고 있으므로 그 종류를 성질에 따라 분류하는 것은 어렵지만, 그 중에서도 특히 많이 사용되고 있는 것은 분산제(分散劑)와 AE제(air entraining agent)이며, 이 양자만으로 전 혼화제의 90% 가까이를 차지하고 있다. 이들의 혼화제는 그 밖에 경화촉진이나 지연작용도 갖으며, 분산제로서 공기연행작용(空氣連行作用)을 겸해서 사용된다.
과거에는 시멘트 제조시 석회석이나 규사 등 천연 광물 등을 사용하여 제조하였으나, 근래에는 천연자원 고갈과 산업부산물이나 폐기물 재활용 정책에 따라 각종 슬래그, 주물사, 하수 슬러지, 소각장재 등을 시멘트 대체원료로 사용함에 따라 이들 대체 원료들에는 유해물질인 중금속(6가 크롬 등)과 시멘트 독인 암모니아 성분 등이 상당량 함유되어 있으나, 종래 통상적으로 사용되는 콘크리트 혼화제들은 이들 유해물질인 6가 크롬이나 시멘트 독인 암모니아를 저감시키지 못하거나, 오히려 증대시키는 문제점이 있다.
이에 따라, 상기 유해성분들을 저감시키기 위한 친환경적인 콘크리트 혼화제의 개발이 절실히 요구되고 있고, 상기 문제점을 해결하고자 선행기술들이 제시되고 있다.
일예로, 국내등록특허 제1406926호에서는 도데실벤젠설폰산철염과 나프탈렌포름알데히드설폰산철염을 사용하여, 유해한 6가크롬을 3가크롬으로 환원시키며, 철이온은 시멘트에 함유된 암모니아와 염을 형성하여 암모니아 방출을 저감시키는 기술이 개시되어 있다. 또한, 국내 등록특허 제1152361호에는 온천수에 다량 함유되어 있는 (CO3)2-, (HCO3)1-, (SO4)2- 등의 음이온과 시멘트에 함유되어 있는 암모니아나 6가 크롬을 반응시켜 암모니아의 발생을 저감시키며, 또한, Fe 철염과 6가 크롬을 반응시켜 화학식 1과 같이 3가 크롬으로 환원시키는 기술이 개시되어 있다.
<반응식 1>
6Fe2 + Cr2O2 + 14H2O → 2Cr3 + 6Fe3 + 7H2O
또한 국내등록특허 제0888243호에는 동절기 플라이애쉬의 혼화율을 증대시키기 위한 촉진형 혼화제 조성물로 폴리카르복실산염 15 내지 40 중량%, 트리에탄올아민 1 내지 5 중량%, 티오시안산나트륨 2 내지 7 중량%, 글리신 2 내지 7 중량% 및 나머지량의 물로 이루어지는 것을 특징으로 혼화율을 증대시키기 위한 촉진형혼화제 조성물이 개시되어 있으며, 국내등록특허 제1042817호에는 폴리카르본산계 감수제 100중량부에 대하여, 황산염계 화합물 1~5중량부가 첨가된 것을 특징으로 하는 콘크리트의 이온화 촉진을 위한 혼화제 조성물이 개시되어 있으며, 국내등록특허 제1409828호에는 결합제, 재생골재, 순환골재, 혼화제 등으로 이루어지는 콘크리트 성분에 항균력과 탈취력 등의 특성이 부여되는 항균제를 첨가함으로써, 콘크리트 성형물이 장기간 유지되어도 항균제로 인해 여러가지 효소, 생산물, 분비물을 발산하여 활성산소, 유해화학물질, 생활악취를 분해 소거하여 미생물의 접근을 방지하고 콘크리트의 독성을 해소하기 위한 콘크리트조성물이 개시되어 있다.
또한, 출원이 개발한 국내등록특허 제1613906에는 시멘트 혼화제의 주성분인 감수제의 기능을 개선시킨 기능성 감수제, 유지제, 강도증진제, AE제로 이루어진 암모니아 저감용 소취형 시멘트 혼화제에 관한 기술이 개시되어 있다.
그러나, 상기의 선행기술 중 국내등록특허 제1406926호에 철이온과 시멘트 중 암모니아가 반응하여 암모늄철염을 생성시키며, 철이온이 6가 크롬을 3가 크롬으로 환원시키는 기술이 개시되어 있으나, 상기의 생성물들은 암모늄철염과 3가 크롬염으로 각각 존재하게 되므로, 양생 건조된 콘크리트가 수분과 접촉시 콘크리트 중에 존재하는 수용성인 두 성분이 알카리 상태에서 분해되어 암모니아 가스가 재방출되는 문제점이 있으며, 또한, 콘크리트가 공기와 산성비의 접촉에 의해 중성화되면서 3가 크롬이 다시 6가 크롬으로 산화되는 현상이 발생되는 문제점이 있어, 다년간 연구 끝에 이를 개량한 본 발명을 외성하게 되었다.
1. 국내등록특허 제1406926호 1. 국내 등록특허 제1152361호 1. 국내등록특허 제0888243호 1. 국내등록특허 제1042817호 1. 국내등록특허 제1409828호 1. 국내등록특허 제1613906
본 발명의 목적은 상기와 같은 선행기술의 문제점을 보완 개선시켜 콘크리트 혼화제 성능을 높이는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 유해물질 재방출을 방지하는 기능을 갖는 혼화제를 개발하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 혼화제를 사용하여 친환경 콘크리트 레미콘을 개발하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 폴리카르본산(Polycarbonic)감수제, Iron lignin, 질산철 수용액 및 AE제를 물에 혼합한 콘크리트 혼화제를 제조함에 있다.
또한, 본 발명은 질산철 수용액을 이용하여 콘크리트 내에 암모늄철염과 3가 크롬염으로 각각 존재하는 수용성인 두가지 유해성분을 난용성인 하나의 성분으로 변화시켜 유해성분을 착염화함으로서 이들 유해성분들의 재방출을 방지함에 있다.
또한, 콘크리트 중에 존재하는 수용성 암모니아염과 수용성 크롬염을 하나의 난용성 복합염으로 제조하기 위하여 산화철이 많이 함유된 제철 슬래그 100중량부에 질산 30중량부를 반응시켜, 비중이 1.34인 연갈색 수용액인 질산철을 제조함에 있다.
본 발명의 콘크리트 혼화제는 시멘트, 골재, 슬래그, 플라이애쉬 등에 Na2CrO4, K2CrO4로 존재하는 크롬과 NH4 +로 존재하는 암모니아를 질산철 수용액(Fe(NO3)3ㆍ 9H20과 반응시켜 물에 난용성인 화합물을 생성함으로써 유해물질의 발생 및 유출을 차단 내지 저감시키며, 방사선 방출을 저감하는 효과와 크리트 제조시 유동성 및 분산성을 증대시켜 작업성을 향상시키고, 콘크리트의 강도증대와 내구성을 높이는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 실시예 등을 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하며, 본 발명에 서술된 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가며, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련, 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일하게 해석되어야 하며, 본 출원서에 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 콘크리트 혼화제는 질산철염 수용액과 폴리카르본산계 감수제, 공기연행제 및 리그닌철염을 함유한다. 상기의 폴리카르본산계 감수제 및 공기연행제는 콘크리트의 작업성 및 유동성을 증가시키며, 리그린 철염은 콘크리트의 내구성이나 강도를 증진시키고, 질산철(Iron nitrate)은 유해물질을 난용성염으로 고착화하는 기능과 방사선 물질의 흡착재로도 사용되고 있어 방사선 방출을 저감하는 등의 친환경적인 복합기능을 발휘 할 수 있다.
특히. 질산철염은 콘크리트에 Na2CrO4, K2CrO4로 존재하는 수용성 크롬염과 시멘트, 골재, 슬래그, 플라이애쉬 등에 NH4 +로 존재하는 수용성 암모니아염을 하나의 난용성 복합염으로 제조하기 위하여 필요하며, 산화철이 많이 함유된 제철 슬래그에 30% 질산을 반응시켜 아래 <반응식 2>와 같이 비중이 1.34인 연갈색 수용액인 질산철을 제조한다.
<반응식 2>
2Fe + 6HNO3 → 2Fe(NO3)3 ° 9H2O + 3H2 ↑
상기의 질산철수용액은 Fe3 + + NO3 - 로 구성되며 이 질산철 수용액이 CrO4 2 - 와 NH4 + 과 반응하여 애래 <반응식 3>과 같이 난용성인 Ammonium ferric chromate가 생성된다.
<반응식 3>
4CrO4 2 -+2NH4 ++2Fe(NO3)3 ° 9H2O → (NH4)Fe(CrO4)2 + 3NO32 - + 9H2O
<실시예1>
교반기가 장착된 혼화조에 폴리카르본산 50중량%, AE제 4중량%, lignin Fe(Iron lignin) 20중량% 및 질산철 수용액(비중 1.34) 26중량%를 투입하여 균일하게 혼합하여 [표 1]과 같은 혼화제를 제조하였다.
본 발명의 혼화제의 성분 및 조성비율
성분 중량%
Polycarbonic(폴리카르본산) 감수제 50
AE제 4
lignin Fe(Iron lignin) 20
질산철 수용액(비중 1.34) 26
<실시예 2> 및 <대조예>
암모니아 및 6가 크롬에 대한 비교시험을 위하여 상기 <실시예1>에서 제조한 본 발명의 시멘트 혼화제를 사용하여 <실시예 2>의 레미콘을 제조하였고, 기존에 시판하고 있는 시멘트 혼화제(혼화제 모델 금영CT-AF)를 사용한 <대조예>의 레미콘을 제조하였으며, 배합비율 등은 아래 [표 2]와 같다.
본 발명의 레미콘 및 대조예의 레미콘의 배합비

구분		 배합비(Kg/m3)
물 시멘트 잔골재 굵은 골재 혼화제
실시예 2 174 320 768 992 35
대조예 174 320 768 992 35
<시험예 1>
상기 <실시예 2> 및 <대조예>의 레미콘 시료를 이용하여 공시체를 제작하였다. 공시체는 KS F2403에서 정한 방법에 의하여 제작하고 양생한 재령 28일의 직경 100m/m인 표준공시체로 탈취 시험 방법인 악취공정시험방법(2014)에 의거하여 암모니아(NH3)탈취 시험을 실시하였고, 중금속 함량 시험은 1g의 시료를 50㎖ Alkaline Solution(Na2CO3+NaOH+MgOH+Phosphate Buffer)으로 90℃에서 1시간 동안 추출한 후 UV/VIS Spectrophotometer(540㎚)로 분석하여 6가 크롬의 함량을 측정한 후 이들 암모니아 및 6가 크롬의 검사 결괴를 [표 3]에 나타내었다.
암모니아 및 6가 크롬 저감율
시험항목 실시예 2 대조예 시험방법
암모니아(㎕) 검출 않됨 5.3 악취공정시험방법:2014
6가 크롬(mg/kg) 검출 않됨 2.9 KS L 5221:2007
상기 [표 3]으로부터 알 수 있듯이 본 발명에 따른 시멘트 혼화제를 사용한 레미콘은 유해물질인 암모니아 및 6가 크롬이 검출되지 않음을 확인할 수 있다.

Claims (6)

  1. 폴리카르본산(Polycarbonic) 감수제 50중량%, AE제 4중량%, 리그린 철(Iron lignin) 20중량% 및 하기 <반응식 2>로부터 생성된 질산철염 수용액 26중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 유해성분을 난용성 화합물로 착염화시키는 혼화제 조성물.
    <반응식 2>
    2Fe + 6HNO3 → 2Fe(NO3)3 ° 9H2O + 3H2 ↑
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질산철염 수용액은 제철 슬래그에 30% 질산 수용액을 반응시킨 1.34인 연갈색의 질산철염 수용액인 것을 특징으로 하는 유해성분을 난용성 화합물로 착염화시키는 혼화제 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기의 혼화제 조성물은 콘크리트에 함유되어 있는 암모니아 및 6가 크롬과 하기 <반응식 3>과 같이 반응하여 유해성분을 난용성 화합물로 착염화시키는 것을 특징으로 하는 혼화제 조성물.
    <반응식 3>
    4CrO4 2-+2NH4 ++2Fe(NO3)3 ° 9H2O → (NH4)Fe(CrO4)2 + 3NO32 - + 9H2O
  5. 청구항 1의 유해성분을 난용성 화합물로 착염화시키는 혼화제 조성물을 함유하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 레미콘.
  6. 삭제
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