KR102130565B1 - 알칼리 활성 슬래그 콘크리트용 화학혼화제 제조방법 및 이에 의해 제조되는 화학혼화제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디아크릴레이트(Di-Acrylate)를 사용하여 합성한 유지형 폴리카르본산계 원료와 pH가 6.0이상인 분산형 폴리카르본산계 원료를 중량비로 (40 내지 60):(60 내지 40)으로 혼합하여 원액을 제조하는 단계(S10);를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리 활성 슬래그 콘크리트용 화학혼화제 제조방법에 관한 것이다.

Description

알칼리 활성 슬래그 콘크리트용 화학혼화제 제조방법 및 이에 의해 제조되는 화학혼화제{Method for preparing chemical admixtures for alkali activated slag concrete and chemical admixtures manufacture by the same}

본 발명은 알칼리 활성 슬래그 콘크리트의 배합 및 타설시 강알칼리 환경하에서도 작업성의 지속성을 유지할 수 있는 화학혼화제 제조방법 및 이에 의해 제조되는 화학혼화제에 관한 것이다.

알칼리 활성 슬래그 콘크리트는 슬래그가 알칼리 환경 하에서 반응하여 수화물을 생성하는 원리를 이용하여 시멘트를 대체하거나 사용하지 않고 슬래그미분말과 강알칼리 성분의 알칼리 활성화제를 사용하여 강도를 발현토록 하는 것이다.

이러한 알칼리 활성 슬래그 콘크리트는 종래부터 개발되어 왔으며, 일 예로 대한민국 특허등록 제10-1095381호에서 화학적 침식에 강한 고 내구성의 가축축사용 알칼리 활성 슬래그 콘크리트 제조 방법에 대하여 제시하고 있다.

상기에서 언급한 바와 같이 알칼리 활성 슬래그 콘크리트는 강알칼리 성분의 활성화제의 사용이 필수적이다. 그런데 이러한 알칼리 활성 슬래그 콘크리트에도 콘크리트의 작업성을 확보하기 위해 콘크리트용 화학혼화제가 사용되는 바, 이러한 콘크리트용 화학혼화제는 대부분 산성제품으로 강알칼리 성분의 알칼리 활성화제와 함께 콘크리트에 사용할 경우 화학혼화제의 성능이 감소하여 작업성 확보가 어려운 문제가 있다.

한편 콘크리트용 화학혼화제는 그 화학 성분에 따라 리그닌계(리그닌설폰산염), 나프탈렌계(나프탈렌 술폰산 포르말린 축합물), 멜라민계(멜라민술폰산 포르말린 축합물),및 폴리카본산계(폴리카르본산염)로 분류되어 사용되고 있다.

리그닌계, 멜라민계 및 나프탈렌계 화학혼화제의 경우에는 감수성 및 유동성이 우수하여 고강도, 고유동 및 고내구성 콘크리트 제조가 가능하였으나, 슬럼프로스가 크다는 단점을 가지고 있다. 이에 비하여 폴리카르본산계의 화학혼화제의 경우에는 기존에 사용하던 화학혼화제에 비하여 우수한 감수성능을 발휘할 뿐만 아니라, 슬럼프 로스가 적고, 또한 우수한 혼련성을 가진다.

그러나 이러한 폴리카르본산계 화학혼화제의 경우도 알칼리 활성 슬래그 콘크리트에 적용되는 경우 상기에서 언급한 문제점으로 강알카리환경하에서 제기능의 발현이 어려운 문제가 있는 것은 동일하다.

대한민국 특허등록 제10-1095381호

따라서, 본 발명은 강알칼리 환경하에서도 폴리카르본산계의 특성으로 유동성 및 감수효과를 지속적으로 발현할 수 있도록 하여 작업성 및 성형성을 향상시킬 수 있는 화학혼화제의 제조방법 및 이에 의한 화학혼화제를 제공하고자 함이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 알칼리 활성 슬래그 콘크리트용 화학 혼화제 제조방법은, 디아크릴레이트(Di-Acrylate)를 사용하여 합성한 유지형 폴리카르본산계 원료와 pH가 6.0이상인 분산형 폴리카르본산계 원료를 중량비로 (40 내지 60):(60 내지 40)으로 혼합하여 원액을 제조하는 단계(S10);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 원액 100중량부에 대해 AE제 20 내지 40중량부, AF감수제 10 내지 20중량부, 물 100 내지 150중량부를 포함하도록 혼합하는 단계(S20);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 S20단계에서는, 원액 100중량부에 대해 양이온교환기를 가지는 수용성 분말수지 1 내지 3중량부가 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명에서는 상기 제조방법에 의해 제조되는 알칼리 활성 슬래그 콘크리트용 화학 혼화제를 개시한다.

본 발명의 알칼리 활성 슬래그 콘크리트용 화학혼화제 제조방법 및 이에 의해 제조되는 화학혼화제는 알칼리환경 하에서도 작업성능을 유지시켜 복잡한 가축축사용 구조 등에서도 높은 성형성을 가질 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 알칼리 활성 슬래그 콘크리트용 화학혼화제 제조방법을 설명하는 블록도.
도 2는 일반 유지형 폴리카르본산계 원료와 개량된 유지형 폴리카르본산계 원료의 입자 비교예를 나타내는 도면.
도 3은 일반 유지형 폴리카르본산계 원료와 개량된 유지형 폴리카르본산계 원료의 GPC 분석결과 비교예를 나타내는 도면.
도 4는 개량 유지형 폴리카르본산계 원료와 분산형 폴리카르본산계 원료의 배합비에 따른 시료에 대한 공기량 및 슬럼프의 실험 결과를 나타내는 그래프.

이하 본 발명의 실시 예 및 실험 예를 첨부되는 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 알칼리 활성 슬래그 콘크리트용 화학혼화제 제조방법은 도 1에서 보는 바와 같이 디아크릴레이트(Di-Acrylate)를 사용하여 합성한 유지형 폴리카르본산계 원료와 pH가 6.0이상인 분산형 폴리카르본산계 원료를 중량비로 (40 내지 60):(60 내지 40)으로 혼합하여 원액을 제조하는 단계(S10);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉 본 발명은 우선 유지형 폴리카르본산계 원료와 분산형 폴리카르본산계 원료를 상기 배합범위로 배합하여 원액을 제조하는 단계(S10)를 갖는다.

상기 S10단계에서 유지형 폴리카르본산계 원료와 분산형 폴리카르본산계 원료를 배합하는 시간은 60초 내지 120초로 수행되도록 하는 것이 타당하다. 이는 하기 표 1에서 보는 바와 같이 일반적으로 폴리카르본산계 혼화제에 사용되는 원료보다 본 발명의 원료들의 점도가 높기 때문에 일정시간 이상은 혼합하여야 하나 혼합시간이 과도하게 높을 경우 제조시간이 길어질 수 있는 문제가 있어 혼합시간을 60초 이상 120초로 한정한 것이다.

특히 본 단계(S10)에서는 개량된 유지형 폴리카르본산계 원료가 사용되는데 여기서 개량이라 함은 디아크릴레이트(Di-Acrylate)를 사용하여 합성한 것을 정의하는 것으로 디아크릴레이트(Di-Acrylate)를 사용하여 합성한 유지형 폴리카르본산계 원료는 도 2에서 보는 바와 같이 도면상 2중구조의 주쇄와 긴 측쇄를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.

여기서 일반적인 유지형 폴리카르본산계 원료는 1개의 주쇄와 측쇄로 구성되어 주쇄는 시멘트 입자의 간격을 넓혀 혼합수가 효과적으로 시멘트와 접촉하여 수화반응을 원활하게 하는 기능을 하여 주로 콘크리트의 감수효과를 높이는 역할을 하고, 측쇄는 시간에 따라 감소하는 콘크리트의 유동특성을 지연시켜 작업성을 높이는 역할을 하는 것이다.

그런데 알칼리환경 특히 알칼리활성화제의 사용에 의해 더욱 높은 알칼리환경을 가지게 되는 슬래그 콘크리트에 있어서는 주쇄와 측쇄의 기능이 무용화 되어 감수효과는 물론 작업성 향상의 효과가 발현되지 않는 문제가 있다.

이에 본 발명은 디아크릴레이트(Di-Acrylate)를 사용하여 합성한 유지형 폴리카르본산계 원료가 배합되도록 하여 도 2에서 보는 바와 같이 2중구조의 주쇄에 의해 시멘트 입자의 간격을 더욱 넓혀 혼합수가 효과적으로 시멘트와 접촉하여 수화반응을 원활하게 하는 기능을 배가시킴에 의해 콘크리트의 감수효율을 더욱 높이게 되고, 측쇄의 길이가 길어 알칼리환경하에서도 시간에 따라 감소하는 콘크리트의 유동특성을 지연시켜 작업성을 높이는 효과가 발현되도록 하는 것이다.

상기 표 1에서 보는 바와 같이 디아크릴레이트(Di-Acrylate)를 사용하여 합성한 유지형 폴리카르본산계 원료에 있어 측쇄분자량을 측정한 결과(3,000)가 일반적인 유지형 폴리카르본산계 원료의 측쇄분자량(1,200)에 비해 월등히 큰 것을 알 수 있는 바, 본 발명에서 사용되는 개량된 유지형 폴리카르본산계 원료의 경우 긴 측쇄를 가지는 것을 알 수 있다.

이는 실험을 통해서도 증명되는데, 도 3은 일반적인 유지형 폴리카르본산계 원료와 본 발명의 개량된 유지형 폴리카르본산계 원료에 대한 GPC분석결과를 도출한 것으로 빨간색으로 표시된 영역에서 개량된 유지형 폴리카르본산계 원료가 일반적인 유지형 폴리카르본산계 원료보다 2배 큰 결과를 나타내는 것을 알 수 있다. 즉 개량된 유지형 폴리카르본산계 원료의 긴 측쇄(분자량이 큰 측쇄)에 기인하여 작업성의 지속성을 길게 가져갈 수 있는 것을 알 수 있다.

또한 본 단계(S10)에서는 개량된 유지형 폴리카르본산계 원료에 pH가 6.0이상인 분산형 폴리카르본산계 원료가 혼합되어 원액이 제조되는데 pH가 6.0이상인 분산형 폴리카르본산계 원료가 혼합되어 알칼리 환경하에서도 상기에서 언급한 기능발현저하를 방지하기 위한 것이다.

상기 표 2에서 보는 바와 같이 일반적인 분산형 폴리카르본산계 원료는 대부분 pH가 3.0 수준으로 산성에 가까워 알칼리 활성 슬래그 콘크리트에 적용하기 어려운 문제가 있으나, 본 발명에 사용된 분산형 폴리카르본산계 원료는 pH가 6.0이상으로 약산성을 나타내므로 알칼리환경의 영향을 덜 받아 상기에서 언급한 기능발현저하를 방지하게 되는 것이다.

그 다음으로 도 1에서 보는 바와 같이 상기 원액 100중량부에 대해 AE제 20 내지 40중량부, AF감수제 10 내지 20중량부, 물 100 내지 150중량부를 포함하도록 혼합하는 단계(S20);를 갖는다.

상기 단계(S10)에서 제조된 원액은 상기에서 언급한 바와 같이 알칼리환경 하에서도 콘크리트에서 화학적 작용에 의해 분산 및 유지효과를 발휘하며 작업성능을 향상시키는 효과가 있으며, AE제와 AF감수제는 미세공기포를 이용하여 물리적인 분산효과로 작업성을 향상시키는 효과가 있다.

AE제는 콘크리트 내에 공기포 입가 크기가 큰 갇힌 공기를 입자 크기가 작은 연행공기로 바꾸어 동결융해 저항성을 높이기 위한 목적으로 사용된다. 콘크리트 내에 공기포가 많을 경우 콘크리트 압축강도가 낮아지는 단점이 있어 상기와 같이 배합범위를 한정한다.

AF감수제는 공기포를 제거하는 역할을 하며 AE제에 의해 발생한 연행공기 중에서 마이크로 단위의 작은 공기포를 제외한 연행공기는 모두 제거한다. 이때 마이크로 단위의 작은 공기포는 콘크리트 공기량 시험에서 측정되지 않은 정도의 작은 크기의 공기포이며, 콘크리트 압축강도에 영향을 거의 주지 않으나, 마이크로 공기포로 인해 시멘트는 물리적인 분산효능이 높아지는 효과가 있다.

상기 단계(S20)에서 혼합방법은 먼저 AE제와 AF감수제를 액체교반기를 사용하여 500~1,000rpm의 속도로 1분 ~ 2분간 혼합한다. 그 다음으로 원액과 물을 넣고 프로펠라형 액체교반기를 사용하여 1,000 ~ 2,500rpm의 속도로 1분 내지 3분 교반하는 것이 바람직하다.

상기 AE제는 고속회전 혼합시 거품이 발생하여 제조상의 문제가 발생할 수 있으므로 AF감수제를 넣고 저속으로 혼합하여야 하며, 혼합시간은 1분 이상 혼합하되 2분 이하로 혼합하는 것이 적절하다.

원액, AE제, AF감수제를 혼합한 혼합물과 물을 혼합하는 과정에서 폴리카르본산계 원료들은 고분자물질이므로 고속회전 하여 혼합하여야 하지만 AE제로 인한 거품이 다량 발생할 수 있으므로 혼합속도는 1,000 ~ 2,500rpm 수준으로 혼합하되 혼합시간은 1분 이상 혼합하여야 하며, 3분 이상 혼합시 거품이 발생할 수 있으므로 혼합시간은 1분 ~ 3분으로 하는 것이 타당하다.

한편 본 발명의 혼화제는 특히 알칼리 활성 슬래그 콘크리트용으로서 이러한 콘크리트에는 슬래그의 활성을 부여하기 위해 알칼리활성화제가 첨가된다. 이러한 알칼리활성화제의 첨가에 의해 배합시 나트륨이온(Na+) 등이 과다하게 존재하는 경우 점성이 너무 커져서 작업성을 저해하는 요인으로 작용할 수 있다.

이에 본 발명에서는 상기 S20단계에서 원액 100중량부에 대해 양이온교환기를 가지는 수용성 분말수지 1 내지 3중량부가 더 혼합되는 예를 제시하고 있다.

양이온교환기를 포함하는 분말수지가 더 첨가되도록 하여 양이온교환기를 포함하는 분말수지에 의해 페이스트에 잔존하는 나트륨이온(Na+) 등을 이온교환을 통해 제거토록 하여 나트륨이온 등의 과다에 따른 작업성 저하를 방지토록 하는 것이다.

바람직하게 상기 양이온교환기는 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)로 구성된 군에서 선택된 하나 또는 하나 이상인 것이 바람직하다.

또한 분말수지는 그 종류를 한정하지 않으나 수용성 분말수지가 사용되도록 하여 배합시 물에 수용되도록 하는 것이 타당하다.

상기와 같은 제조방법에 의해 제조되는 본 발명의 화학혼화제는 콘크리트 배합에서 결합재량에 0.8 내지 1.2중량%로 혼입하여 사용하는 것이 타당하다. 함량이 0.8중량% 미만인 경우 분산효과가 낮아져 목표 작업성능을 만족하지 못하며, 유지성능도 급격하게 저하될 수 있다. 또한 함량이 1.2중량%를 초과하는 경우 과도한 사용량으로 인한 페이스트와 골재의 재료분리 현상이 발생할 수 있으므로 상기와 같이 한정하는 것이다.

이하에서는 실험 예에 의해 본 발명에 대해 설명한다.

상기 표 3에서 보는 바와 같이 비교예(P)로 기존 콘크리트용 혼화제(폴리카르본산계 혼화제)를 첨가한 시료와 실시 예(D-1, D-2, D-3)로 개량 유지형 폴리카르본산계 원료와 pH가 6.0이상인 분산형 폴리카르본산계 원료를 배합비를 달리하며 첨가한 시료를 제작하였으며, 이러한 시료에 대해 공기량 및 슬럼프에 대한 실험을 하였는 바, 그 결과가 하기 표 4 및 도 4에 도시되고 있다.

표 4 및 도 4에서 보는 바와 같이 실시예의 경우가 비교예에 비해 슬럼프감소율 및 공기량감소율이 현저히 작은 것을 알 수 있다.

실시예의 경우 표 4 및 도 4에서 보는 바와 같이 Slump가 배합 직후 대비 30분에 90~97%를 수준이며, 경과시간 60분에 88~96% 수준의 성능을 발현하는 것을 알 수 있으며, 공기량은 배합 직후 대비 경과시간 30분에 85~97% 수준이며, 경과시간 60분에 75~90% 수준을 유지하는 것을 알 수 있다.

즉 알칼리활성 슬래그 콘크리트에 비교예와 같이 일반 혼화제를 사용할 경우 투입방법에 따라 목표작업성은 확보할 수 있으나 시간 경과에 따른 작업성의 급격한 저하 현상을 방지할 수 없다. 하지만 실시예와 같이 본 발명의 화학혼화제를 배합하는 경우 배합 후 경과시간 60분에도 슬럼프는 배합 직후 대비 88~96%수준을 만족하며, 공기량은 배합 직후 대비 75~90% 수준을 만족하고 있어 작업성이 지속성에있어서 높은 효능이 발현되는 것을 알 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (4)

1. 디아크릴레이트(Di-Acrylate)를 사용하여 합성한 유지형 폴리카르본산계 원료와 pH가 6.0이상인 분산형 폴리카르본산계 원료를 중량비로 (40 내지 60):(60 내지 40)으로 혼합하여 원액을 제조하는 단계(S10); 및
   상기 원액 100중량부에 대해 AE제 20 내지 40중량부, AF감수제 10 내지 20중량부, 물 100 내지 150중량부를 포함하도록 혼합하는 단계(S20);를 포함하되,
   상기 S20단계에서는,
   원액 100중량부에 대해 양이온교환기를 가지는 수용성 분말수지 1 내지 3중량부가 더 혼합되도록 하여 알칼리 환경에서 페이스트에 잔존하는 나트륨이온(Na+)이 이온교환을 통해 제거되도록 하는 것을 특징으로 하는 알칼리 활성 슬래그 콘크리트용 화학혼화제 제조방법.
   
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4. 제 1항의 제조방법에 의해 제조되는 알칼리 활성 슬래그 콘크리트용 화학혼화제.

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