KR102290193B1 - 콘크리트용 액상형 수화열 저감제 조성물 및 이를 이용한 수화열 저감 콘크리트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시멘트 수화열에 따른 손상을 최소화하기 위한 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존 레미콘 공장 설비에 그대로 적용할 수 있는 액상형의 혼화제로 시멘트 수화열 저감과 강도성능 회복에 효과를 나타내는 액상형 수화열 저감제와 이를 바람직하게 이용한 수화열 저감 콘크리트에 관한 것이다.
본 발명에 따른 액상형 수화열 저감제 조성물은, 지연제 90~95중량%; 촉진제 3~5중량%; 상변환제 2~5중량%;를 포함하여 조성된 분체 100중량부에 물 150~250중량부가 혼합되는 것으로, 여기서 상변환제는 스테아린산 100중량부에 유화제계 양이온 계면활성화제 0.3~1.2중량부, 비수계 분산제 0.1~0.3중량부가 혼합된 것임을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수화열 저감 콘크리트는, 콘크리트 배합에서 액상형 수화열 저감제 조성물이 결합재 100중량부 대하여 2~5중량부 혼입되어 배합되는 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 따른 수화열 저감 콘크리트는, 콘크리트 배합에서 액상형 수화열 저감제 조성물이 결합재 100중량부 대하여 2~5중량부 혼입되어 배합되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 시멘트 수화열에 따른 손상을 최소화하기 위한 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존 레미콘 공장 설비에 그대로 적용할 수 있는 액상형의 혼화제로 시멘트 수화열 저감과 강도성능 회복에 효과를 나타내는 액상형 수화열 저감제와 이를 바람직하게 이용한 수화열 저감 콘크리트에 관한 것이다.
시멘트에 물을 가하면 다량의 열을 방출하면서 굳어지게 되는데, 이러한 현상을 수화반응이라고 하고 이때 발생하는 열을 수화열이라고 한다. 콘크리트의 경화과정에서 콘크리트의 내부는 수화열에 의하여 50~70℃까지 높아지고 이는 일반적으로 시멘트량이 많을수록, 주변온도가 높을수록, 급격한 수화반응이 진행될수록 더욱 증대된다. 그러나 수화열은 강도 발현 속도가 같다면 가능한 한 작은 것이 좋다. 수화열에 의한 온도 응력으로 내외부 간에 온도차가 발생하여 내부는 팽창하려 하고, 외부는 수축하게 되어서 콘크리트의 표면에서 균열이 발생하기 때문이다.
국내·외에서는 재료, 시공, 설계 및 구조 측면에서 다양한 수화열 및 온도균열 제어 기법이 개발되어 적용되고 있으며, 국내 건설생산현장에서는 경제성 및 적용 용이성 등의 관점에서 수화열 저감제 등 재료적 측면에서의 기법이 주로 적용되는 실정이다. 그러나 기존 재료적 기법의 경우는 수화열 저감 효과가 다소 미미한 수준이거나, 고성능 감수제 첨가율 증가, 공기 지연과 강도 저하 등의 문제점이 제기되고 있다. 또한 관련 종래 기술로 특허 제10-1758174호, 특허 제10-1000862호, 특허 제10-0796534호 등이 있으며, 이들 기술들은 유동성, 강도 등 물리성능에 대한 명확한 검증이 이루어지지 않은 상태이다. 이들 기술들을 개선하기 위해 본 발명자들은 새로운 수화열 저감제를 개발하여 특허 제10-2114016호 등록받은 바 있다.
특허 제10-2114016호에 따른 수화열 저감제는 유무기 재료를 동시에 사용한 것으로, 유기계 재료로 시멘트 수화반응시 발열되는 열을 적절하게 흡수 또는 방출하여 수화열을 제어하고, 무기계 재료로 시멘트 수화반응시 칼슘이온의 반응을 적절하게 제어하여 발열온도를 저하시킬 수 있도록 한 것이다. 이러한 수화열 저감제는 수화열 저감효과와 강도발현 효과가 확인되었으나, 분말 상태의 재료이므로 콘크리트 배합에서 균일한 배합이 어렵다는 단점이 있다. 이러한 단점은 레미콘 공장에서 콘크리트 배합하는 것으로 해결할 수 있으나, 레미콘 공장에서 분말형 수화열 저감제를 사용하려면 기존 레미콘 공장의 시멘트 Silo를 비워야 하는 불합리한 경우가 발생하여 급격한 레미콘 비용의 상승을 초래할 수 있다. 이와 같은 분말형 수화열 저감제의 단점을 개선하기 위해 본 발명을 개발하게 되었다.
본 발명은 종래 분말형 수화열 저감제의 단점을 개선하고자 개발된 것으로, 새로운 액상형 수화열 저감제를 제공하는데 기술적 과제가 있다.
또한 본 발명은 기존 레미콘 제조 공정에서 혼화제 액상 탱크와 호퍼를 그대로 활용하면서 적용할 수 있는 액상형 수화열 저감제와 이를 바람직하게 이용하여 배합한 수화열 저감 콘크리트를 제공하고자 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 지연제 90~95중량%; 촉진제 3~5중량%; 상변환제 2~5중량%;를 포함하여 조성된 분체 100중량부에 물 150~250중량%가 혼합되되, 상변환제는 스테아린산에 유화제계 양이온 계면활성화제 및 비수계 분산제가 융합된 것임을 특징으로 하는 액상형 수화열 저감제 조성물을 제공한다.
또한 본 발명은 콘크리트 배합에서, 액상형 수화열 저감제 조성물이 결합재 100중량부에 대하여 2~5중량부 혼입되어 배합되는 것을 특징으로 하는 수화열 저감 콘크리트를 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 본 발명의 수화열 저감제는 액상형이기 때문에, 기존 분말형 수화열 저감제의 사용성을 개선할 수 있다. 다시 말해 콘크리트 배합에서 더욱 균일한 배합이 가능하여 안정적인 품질을 확보할 수 있으며, 나아가 기존 레미콘 공장의 설비(혼화제 액상 탱크, 혼화제 개량 호퍼 등)를 그대로 활용하면서 레미콘 비용의 상승 없이 레미콘을 생산할 수 있다.
둘째, 본 발명의 수화열 저감제는 시멘트 수화반응에서 경화 지연으로 발열온도를 저하시키면서도 강도성능을 효과적으로 회복시킬 수 있다. 이로써 본 발명의 수화열 저감제 등을 혼입하여 배합된 콘크리트는 적절한 유동성을 확보하는 것은 물론 압축 강도가 향상된 물리성능을 나타내며, 이러한 콘크리트는 매스콘크리트 공사에 유리하게 적용할 수 있다.
도 1는 본 발명에 따른 액상형 수화열 저감제 조성물에서 상변환제의 제조공정도이다.
본 발명은 액상형 수화열 저감제 조성물과 이를 이용한 수화열 저감 콘크리트에 관한 것이다.
본 발명에 따른 액상형 수화열 저감제 조성물은, 지연제 90~95중량%; 촉진제 3~5중량%; 상변환제 2~5중량%;를 포함하여 조성된 분체 100중량부에 물 150~250중량부가 혼합되며, 여기서 상변환제는 스테아린산에 유화제계 양이온 계면활성화제 및 비수계 분산제가 융합된 것이 된다. 이러한 수화열 저감제 조성물은 물을 용매로 한 액상형의 재료로, 분체가 물에 용해되거나 고르게 분산된 상태로 유지될 수 있으며, 결합재 100중량부 대하여 5중량부 이내로 사용하여도 성능이 발현되어 기존 레미콘 설비에 적용될 수 있다.
분체에서 지연제는 시멘트의 수화반응을 지연시킴으로써 수화열 상승 지연을 통해 수화온도를 낮추는 주요한 재료가 된다. 지연제는 분체에서 90~95중량% 사용하는데, 90중량% 미만이면 수화반응 지연효과기 미미하여 수화열 저감효과 또한 미미하게 되고, 95중량% 초과하면 응결지연 및 강도저하가 우려된다. 지연제는 트리폴리인산염(TPP, TriPolyPhosphate) 10~20중량%; 알도헥소스(Aldohexose) 80~90중량%로 조성하여 사용하는 것이 바람직하다. TPP는 시멘트의 수화반응 저하에 따른 작업성 향상, 수화열 상승 지연에 유리하고, 알도헥소스는 시멘트의 수화반응 지연에 따른 순차적인 수화반응 유도, 수화열의 상승 저하에 유리하다. TTP는 10중량% 미만이면 수화반응 저하효과가 미미하여 작업성 개선도 미미하고 20중량% 초과하면 장기강도를 떨어드린다. 알도헥소스는 80중량% 미만이면 지연효과가 미미하고, 90중량% 초과하면 응결지연 및 강도저하가 따른다.
분체에서 촉진제는 지연효과를 상쇄시켜 수화반응을 적절하게 조절함으로써 초기 경화성능을 확보할 수 있게 하고 장기적으로는 강도성능이 발현되게 한다. 촉진제는 분체에서 3~5중량% 사용하는데, 3중량% 미만이면 응결지연으로 초기강도 확보가 미미하고, 5중량% 초과하면 작업성 저하 및 장기강도 저하가 우려된다. 촉진제는 티오시안산나트륨(TSCN, Sodium thiocyanate) 30~50중량%와 아질산나트륨(Sodium Nitrite) 50~70중량%로 조성하여 사용하는 것이 바람직하다. TSCN는 초기 수화반응을 촉진시킴에 따라 빠르게 강도를 증진시켜 지연제로 지연되는 수화반응을 적절하게 조절하는데 유리하고, 아질산나트륨은 물과 시멘트가 반응하여 생성되는 C-S-H(Calcium silicate hydrate) 결합물 생성을 촉진시켜 강도(특히 장기강도) 증진에 유리하다. TSCN은 30중량% 미만이면 초기강도 증진이 미미하고, 50중량% 초과하면서 장기강도 저하가 우려된다. 아질산나트륨은 50중량% 미만이면 초기강도 증진이 미미하고, 70중량% 초과하면 작업성 저하가 우려된다.
분체에서 상변환제는 상환변환을 통해 수화열을 적절하게 흡수 및 방출하여 수화열을 저감시키는 역할을 한다. 다시 말해 상변환제는 시멘트 수화반응 초기에 발열이 일어나면 열을 흡수하여 액상화되면서 주변 온도를 저감시키게 되고, 열을 흡수한 후 점차적으로 주변 온도가 낮아지면 액상화된 상변환제가 열을 방출하여 고체화되면서 물리성능을 발현시키는 것이다. 상변환제는 분체에서 2~5중량% 사용하는데, 2중량% 미만이면 수화열 저감 효과가 미미하고, 5중량% 초과하면 강도저하가 우려된다.
특히 본 발명에서는 상변환제로 스테아린산에 유화제계 양이온 계면활성화제 및 비수계 분산제가 융합된 상변환제를 제안한다. 스테아린산은 실질적인 상변환물질이 되는데, 스테아린산은 물에 혼합될 때 물보다 가벼운 비중으로 잘 섞이지 못하고 분리되어 표면에 부유하기 쉽다. 이러한 스테아린산의 단점을 최소화하고자 본 발명에서는 스테아린산에 유화제계 양이온 계면활성화제 및 비수계 분산제가 융합된 상변환제를 제안한 것이다. 비수계 분산제는 스테아린산이 액상의 상태에서 고르게 분산시키는 역할을 하고, 유화제계 양이온 계면활성화제는 비수계 분산제와 스테아린산을 융합시키는 역할을 한다. 양이온계 계면활성화제는 아민염계, 4차암모늄염계 중 하나 이상 선택하여 사용하고, 비수계 분산제는 알킬벤젠술폰산염, 디옥틸술폰말레인산나트륨, 스티렌-무수말레인산 공중합체 중에서 하나 이상 선택하여 사용하면 적당하다. 이러한 상변환제는, 바람직하게는 스테아린산 100중량부에 유화제계 양이온 계면활성화제 0.3~1.2중량부, 비수계 분산제 0.1~0.3중량부, 물 20~35중량부를 70℃~80℃에서 액상으로 혼합한 후 40℃~50℃ 챔버에 분무 분사하여 융합소립자로 제조할 수 있다(도 1 참조). 유화제계 양이온 계면활성화제, 비수계 분산제를 70℃~80℃에서 용융하여 액상화하는 한편 물 용매에 고르게 분산되게 한 후에, 40℃~50℃에서 분사 분무함으로써 경화시켜 분말화하는 것이다. 유화제계 양이온 계면활성화제와 비수계 분산제 및 물의 함량은 융합과 분산효과 등을 고려한 결과이다.
위와 같은 재료 조성과 조합으로 준비된 분체가 물과 혼합되면 곧 본 발명에 따른 액상형 수화열 저감제가 되는데, 분체 100중량부에 물 150~250중량부가 혼합되는 것이 바람직하다. 물이 150중량부 미만이면 점도가 높아 액상형 수화열 저감제가 혼화제로서 콘크리트에 골고루 분산되지 아니하여 강도 저하의 원인이 되고, 250중량부 초과하면 콘크리트의 바인더 대비 물의 함량이 증가하여 강도 저하의 요인이 된다.
본 발명에 따른 액상형 수화열 저감제는 콘크리트 배합에서 결합재 100중량부에 대하여 2~5중량부 혼입하는 것이 바람직하다. 2중량부 미만이면 수화열 저감효과가 낮고, 5.0중량부 초과하면 초기반응이 저하하여 강도발현이 낮고 경제성도 상실한다. 이러한 콘크리트 배합은 기존의 레미콘 공장에서 기존 설비(혼화제 액상탱크, 혼화제 개량 호퍼 등)를 그대로 이용하면서 간편하게 레미콘으로 생산할 수 있으며, 수화열 저감과 함께 유동성 및 강도 확보가 가능하여 매스콘크리트로 유리하게 적용할 수 있다.
이하에서는 시험예에 의거하여 본 발명을 상세히 살펴본다. 다만, 아래의 시험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.
[제조예] 상변환제 제조
스테아린산(비중 0.93) 100중량부에, 유화제계 양이온 계면활성화제(아민염계, 비중 1.44) 0.75중량부, 비수계 분산제(스티렌-무수말레인산 공중합체의 부분아미드화, 비중 1.83) 0.2중량부, 물 30중량부를 70℃~80℃에서 혼합하여 액상으로 용융시킨 후에, 40℃~50℃ 챔버에 에어 스프레이형의 분무기를 통해 분사하여 미분화된 융합소립자를 제조하였다. 이렇게 제조한 상변화제는 비중 0.96, 분말도 5600~6300cm2/g을 나타냈다.
[시험예] 수화열 저감 콘크리트 특성
1. 수화열 저감제 조성
제조예에 따라 제조한 상변환제를 이용하여 아래 [표 1]과 같이 조성으로 제료를 준비하고 액상형 수화열 저감제를 제조하였다. 액상형 수화열 저감제는 먼저 상변환제를 물과 강하게 1시간 이상 교반한 후, 지연제 및 촉진제를 첨가하여 지연제 및 촉진제가 모두 용해될 수 있도록 30분 이상 교반하여 제조하였다.
| 구분 |
비교예1 | 실시예1 | 실시예2 | ||
| 분체 | 지연제 | TTP | 18 | 18 | 18 |
| 알도헥소스 | 72 | 72 | 72 | ||
| 촉진제 | TSCN | 1.5 | 1.5 | 1.5 | |
| 아질산나트륨 | 3.5 | 3.5 | 3.5 | ||
| 상변환제 | - | 5 | 5 | ||
| 합계 | 95 | 100 | 100 | ||
| 물 | 190 | 185 | 185 | ||
| #TPP(TriPolyPhosphate): 용해도 121g/100g (20℃) #알도헥소스(Aldohexose): 용해도 132g/100g (20℃) #TSCN(Sodium thiocyanate): 용해도 139g/100g (20℃) #아질산나트륨(Sodium Nitrite): 용해도 85 g/ 100 g (20℃) |
|||||
2. 콘크리트 배합
위의 [표 1]의 수화열 저감제를 이용하여 아래 [표 2]와 같이 콘크리트 배합하였다.
| 구 성 | 대조예 | 비교예1 | 실시예1 | 실시예2 | |
| W/B(%) | 40.0 | ||||
| S/a(%) | 45.0 | ||||
| binder(kg) | opc | 308 | |||
| FA | 132 | ||||
| 소계 | 440 | ||||
| 잔골재(kg) | 727 | ||||
| 굵은골재(kg) | 905 | ||||
| 혼합수(kg) | 176 | ||||
| 혼화제(kg) | 준PC | 3.52 | |||
| AE제 (10%희석액) |
1.5 | ||||
| 수화열저감제(kg) (결합재 100중량부 대비) |
- | 8.8 (2중량부) |
8.8 (2중량부) |
13.2 (3중량부) |
|
3. 콘크리트 특성
[표 2]와 같은 배합으로 배합한 콘크리트에 대해 슬럼프, 공기량, 재령별 압축강도, 길이변화율, 수화온도를 측정하였다. 그 결과 아래 [표 3]과 같이 나타냈다.
| 대조예 | 비교예1 | 실시예1 | 실시예2 | |
| slump(mm) | 180 | 190 | 190 | 185 |
| 공기량(%) | 4.64 | 4.2 | 4.1 | 4.45 |
| 압축강도(3d,㎫) | 7.7 | 11.5 | 10.4 | 10.1 |
| 압축강도(7d,㎫) | 15.6 | 24.6 | 24.1 | 22.4 |
| 압축강도(28d,㎫) | 26.8 | 33.7 | 37.1 | 35.9 |
| 길이변화율(%) | -0.0408 | -0.0429 | -0.0377 | -0.0386 |
| 수화(최고)온도(℃) | 53.1 | 57.2 | 49.5 | 44.5 |
위의 [표 3]에서와 같이 수화열 저감제를 적용하지 아니한 대조예와 비교할 때, 지연제와 촉진제만으로 조성된 수화열 저감제를 적용한 비교예1은 촉진제의 영향이 크게 작용하여 대조예보다도 높은 수화온도와 길이변화율을 나타냈다. 이에 반하여, 본 발명에 따라 지연제, 촉진제 및 상변환제로 조성된 수화열 저감제를 적용한 실시예1,2는 대조예1보다 낮은 수화온도를 나타내고, 길이변화율 또한 개선된 결과를 나타냈다. 이와 같은 결과에 따라 본 발명의 수화열 저감제는 유리하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
Claims (5)
- 삭제
- 지연제 90~95중량%; 촉진제 3~5중량%; 상변환제 2~5중량%;를 포함하여 조성된 분체 100중량부에, 물 150~250중량부가 혼합되되,
상기 상변환제는, 스테아린산 100중량부에, 유화제계 양이온 계면활성화제 0.3~1.2중량부, 비수계 분산제 0.1~0.3중량부, 물 20~35중량부가 70℃~80℃에서 액상으로 혼합된 후 40℃~50℃ 챔버에 분무 분사되어 융합소립자로 제조된 것임을 특징으로 하는 콘크리트용 액상형 수화열 저감제 조성물. - 제2항에서,
상기 유화제계 양이온 계면활성화제는, 아민염계, 4차암모늄염계 중 하나 이상 선택되며,
상기 비수계 분산제는, 알킬벤젠술폰산염, 디옥틸술폰말레인산나트륨, 스티렌-무수말레인산 공중합체 중에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 콘크리트용 액상형 수화열 저감제 조성물. - 제2항 또는 제3항에서,
상기 지연제는, 트리폴리인산염(TPP, TriPolyPhosphate) 10~20중량%와 알도헥소스(Aldohexose) 80~90중량%로 조성된 것이고,
상기 촉진제는, 티오시안산나트륨(TSCN, Sodium thiocyanate) 30~50중량%와 아질산나트륨(Sodium Nitrite) 50~70중량%로 조성된 것임을 특징으로 하는 콘크리트용 액상형 수화열 저감제 조성물. - 콘크리트 배합에서,
제4항에 따른 콘크리트용 액상형 수화열 저감제 조성물이 결합재 100중량부에 대하여 2~5중량부 혼입되어 배합되는 것을 특징으로 하는 수화열 저감 콘크리트.
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