KR102400870B1 - 콘크리트 개질에 사용하기 위한 sbs 라텍스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강도 특성, 강성 및 연신율이 유의하게 향상된 시멘트 및 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 이는 개질되지 않은 시멘트 및 콘크리트 참고물질과 비교했을 때 양이온성 라텍스에서 스티렌-부타디엔-스티렌 열가소성 공중합체(SBS)에 기초한 시멘트 첨가제를 사용한다.

Description

콘크리트 개질에 사용하기 위한 SBS 라텍스{SBS LATEX FOR USE IN THE MODIFICATION OF CONCRETE}
본 발명은 포틀랜드(Portland) 시멘트 또는 콘크리트에서 첨가제로서 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 라텍스의 용도에 관한 것이다.
시멘트 결합형 층들을 함유하는 포장 시스템은 1세기 이상 동안 전 세계적으로는 매우 성공적으로 사용되어 왔다. 포틀랜드 시멘트는 포장 시스템에서 실질적으로 모든 층에 사용될 수 있다. 전형적인 적용은 노상토의 품질을 향상시키고 기자재를 안정화시키는 것을 포함한다. 다중 시멘트 기반 층들을 포장 설계에 통합시키면 더욱 강력하면서 내구적이고 지속 가능한 포장을 달성하기 위한 비용 효율적인 방법을 제공할 수 있다. 예를 들어, 준비가 되지 않은 노반 상에 놓인 비결합 과립형 베이스와는 대조적으로 시멘트-개질 토양 및 시멘트-처리 베이스를 이용하면 베이스 물질의 목적하는 두께를 줄일 수 있다. 또한 시멘트-처리 베이스는 콘크리트 또는 아스팔트 표면에 대해 요구되는 두께를 감소시킬 수 있으며, 그 결과 재료의 감소 및 전체적인 비용 감소를 초래한다. 새로운 콘크리트 포장 및 콘크리트 오버레이(overlay) 표면의 주용 구성성분이 되는 것 이외에도, 기타 독특한 시멘트표면의 적용은 롤러 다짐 콘크리트(roller compacted concrete; RCC), 프리캐스트 포장(precast pavement) 및 사전의 콘크리트 포장을 포함한다. 시멘트는 또한 다양한 포장 재생 및 교체 적용뿐만 아니라 다수의 포장 보수 기법들에서 사용된다.
콘크리트 포장용 혼합물들은 전형적으로 하기 구성성분들을 혼입한다: 굵은 골재와 잔골재의 블렌드, 포틀랜드 시멘트, 물 및 종종 비산회 및 슬래그(slag) 시멘트 및/또는 화학적 혼합물과 같은 기타 침탄(cementation) 물질(도 1 참조).
시멘트 및 콘크리트 시스템이 다수의 건축 적용을 위해 적절한 특성을 갖고 있을지라도 허용 불가능한 강도 또는 변형과 같은 많은 특성이 존재한다.
포틀랜드 라텍스-개질 포틀랜드 시멘트 시스템들은 개질되지 않은 콘크리트 및 시멘트 모르타르(mortar)에 대해 비교할 경우에 물성에서의 유의한 변화를 나타낸다. 특히 스티렌-부타디엔 중합체 라텍스(SBR 램덤), 아크릴 라텍스, EPDM 및 에틸렌비닐 아세테이트(EVA) 라텍스로부터 강도, 가요성, 접착력, 파단 신장률 등이 개선된 포틀랜드 시멘트에 이르는 라텍스-개질 시멘트 시스템의 용도에 관한 많은 특허가 존재한다. 그러나 SBS 라텍스의 용도에 대해 개시하고 있는 임의의 특허는 존재하지 않는다. 이러한 유형의 라텍스는 콘크리트 개질에 대한 문헌에 보고된 바가 없다.
본 발명은 강도 특성, 강성(modulus) 및 연신율이 유의하게 향상된 시멘트 및 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 이는 개질되지 않은 시멘트 및 콘크리트 참고물질과 비교했을 때 양이온성 라텍스에서 스티렌-부타디엔-스티렌 열가소성 공중합체(SBS)에 기초한 시멘트 첨가제를 사용한다. SBS 라텍스와는 상이한 임의의 기타 라텍스를 개시하고 있는 대부분의 특허 저작물들은 가요성 향상에 대해 제시하고 있지만, 이들 중 어떠한 특허에서도 강도 및 변형의 향상에 대해 제시한 바 없다.
또한 이러한 유형의 SBS 라텍스들은 콘크리트의 탄성률을 향상시키는 반면, 대부분의 기타 라텍스들은 시멘트에서의 강도를 향상시키기 위해 사용된다. 탄성률 향상은 교량에서 기둥 및 원주와 같은 구조적 지지체에 있어서 중요한 변수이다.
가소성이 콘크리트에 있어서 중요한 변이인 유정 시멘트 작업(well cementing)과 같은 적용이 몇몇 존재하며, 여기서 일단 경화된 콘크리트는 구멍의 형태를 취할 수 있거나, 유정 천공 도중에 배관의 안정화로 채택될 수 있다. 여기서, 강도 및 변형의 향상은 이들 특성이 가소성과 관련이 있기 때문에 중요한 변수이다. 본 발명에서 제안된 중합체 라텍스는 유정 시멘트 작업에서 가소성을 증가시키는데 도움이 된다.
도 1은 콘크리트 조성물의 주요 성분 및 일반적인 개요를 개시하고 있다.
도 2는 SBS 라텍스를 제형화하기 위해 사용될 수 있는 SBS 중합체들의 서로 상이한 구조적 형태들을 개시하고 있다. 본 연구에서, 선형 SBS만이 포함되지만, 나머지는 추후 개발 및 특허 저작물을 위한 참고물질로서 사용될 수 있다.
도 3은 개질되지 않은 콘크리트와 대비하여 개질된 콘크리트 시료(표 3의 샘플 2)의 응력 압축에 의한 탄성률의 유사한(심지어는 더욱 양호한) 성능을 나타낸다.
도 4는 개질되지 않은 콘크리트(통상적인 콘크리트)와 대비하여 개질된 콘크리트 시료(표 3의 샘플 3)의 응력 압축에 의한 탄성률의 유사한(심지어는 더욱 양호한) 성능을 나타낸다. 또한 이들 결과에 따르면 개질된 콘크리트 제형에서 SBS 라텍스가 양호하게 개선되는 것으로 확인된다.
도 5는 또한 개질되지 않은 콘크리트(통상적인 콘크리트)와 대비하여 개질된 콘크리트 시료(표 3의 샘플 4)의 응력 압축에 의한 탄성률의 더욱 양호한 성능을 나타낸다. 또한 이들 결과에 따르면 개질된 콘크리트 제형에서 SBS 라텍스가 양호하게 개선되는 것으로 확인된다.
도 6은 또한 개질되지 않은 콘크리트(통상적인 콘크리트)와 대비하여 개질된 콘크리트 시료(표 3의 샘플 5)의 응력 압축에 의한 탄성률의 더욱 양호한 성능을 나타낸다. 또한 이들 결과에 따르면 개질된 콘크리트 제형에서 SBS 라텍스가 양호하게 개선되는 것으로 확인된다.
도 7은 응력/변형률 곡선 하의 영역의 비율이 개질되지 않은 콘크리트에 비해 1.5%의 SBS 중합체에 SBS 라텍스를 사용한 개질된 콘크리트에서 더 높다는 것을 보여준다. 이러한 성능은 개질된 콘크리트 시료에서 더욱 양호한 가소성을 한정한다.
도 7뿐만 아니라 도 8은 응력/변형률 곡선 하의 영역의 비율이 개질되지 않은 콘크리트에 비해 3%의 SBS 중합체에 SBS 라텍스를 사용한 개질된 콘크리트에서 더 높다는 것을 보여준다. 이러한 성능은 개질된 콘크리트 시료에서 더욱 양호한 가소성을 한정한다.
본 발명은 시멘트 모르타르 및 최종 콘크리트 제형에서 인장 강도, 탄성률 및 가소성을 향상시키기 위해 포틀랜드 시멘트 또는 콘크리트에서 첨가제로서 스티렌-부타디엔-스티렌 열가소성 공중합체(SBS) 라텍스의 용도에 초점이 맞춰져 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "포틀랜드 시멘트"란 용어는 연마 이후에 생성물 전체가 소결되는 온도까지 석회-점토 혼합물 또는 시멘트암(cement rock)을 가열함으로써 수득되는 유형의 생성물을 지칭한다. 상기 생성물 조성물은 상당량의 알루민산염과 규산 이칼슘 및 규산 삼칼슘의 혼합물을 포함할 수 있다. 서로 상이한 첨가제들은 포틀랜드 시멘트 제조 실습 가이드에 따라 서로 상이한 특성 및 급속 경화(fast curing)를 달성하기 위해 포함될 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 그리고 본 발명자들이 수경 시멘트로 지칭한 것을 평가하기 위해 상기에서 사용된 시멘트는 알류미늄산칼슘 시멘트로서 공지되어 있다.
많은 실시예에서, 본 발명의 시멘트 조성물을 골재 물질과 조합하여 수경 콘크리트 또는 시멘트를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 관련하여, 바람직한 골재 물질은 모래이지만, 석조, 자갈, 화강암, 대리석 칩, 운모 등을 포함한 임의의 입자상 물질이 사용될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "스티렌-부타디엔-스티렌" 라텍스란 용어는 SBS로부터의 임의의 수성 콜로이드 분산액을 의미한다. 이러한 SBS는 도 2에 도시된 바와 같이 선형, 방사형 또는 멀티암(multiarm) 구성과 같이 서로 다른 구성을 가질 수 있다.
이러한 SBS 라텍스에서, 스티렌 함량은 중합체에 기초하여 10 내지 50중량%의 범위 내에 있고, 부타디엔 함량은 50 내지 90중량%의 범위 내에 있다. 상기 중합체 라텍스 중의 총 고체 함량은 20 내지 70중량%의 범위 내에 있다. 이러한 중합체는 시간이 지남에 따라 임의의 침전물 없이 안정한 시스템 중의 유화제(들)를 함유하는 물에서 유화된다. 미셀(micelle)의 크기는 2 내지 60㎛의 범위 내에 있다.
본 특허에서 적용 실시예에 있어서, 선형 SBS 라텍스가 사용된다. 제 1 실시예에서, 상기 SBS 라텍스는 상기 제형 내에 골재를 충전하는 임의의 충전제 없이 시멘트 개질제로서 사용되며, 이때 ASTM C109 방법 하에 제조된 시료에서 압축 강도는 개질되지 않은 시멘트와 대비하여 개질된 시멘트에서 증가한다. 이러한 방법은 일측이 2인치의 크기인 정육면체의 물질을 이용하여 모르타르의 압축 강도를 시험하는 기술에 대해 개시하고 있다.
적당한 압축 압반(platen)들이 구비된 기계적 시험 장치는 시험용으로 사용된다. 상기 압반들 중 하나는 시료의 면들이 완벽하게 평행하지 않는 경우에 약간의 기울기 조절을 허용하도록 구형으로 안착되어야 한다. 상기 시험 장치는 사양에 에 나타나 있는 부하량 범위 내에서 느린 시험 속도로 압축 하에 작동한다. 일단 적당한 부하량이 달성되면, 샘플 파단(sample break)을 통해 일정한 이동 속도를 유지한다. 일단 샘플이 산출되고 궁극적으로는 파단이 시작되면 이동 속도를 유지하기 위해 정확한 속도 제어가 요구된다. 수경 압축 시험기들은 이들의 높은 힘 용량(force capacity)으로 인해 이들 시험용으로 바람직하다.
상기 적용의 제 2 실시예에서, 상기 선형 SBS 라텍스는 콘크리트 개질제로서 사용되었으며, 이때 제어된 미립자 측정법에 의해 골재는 상기 콘크리트 제형에 혼입된다. 여기서, 개질되지 않은 콘크리트와 대비하여 개질된 콘크리트에 의해 성형된 시료들에서 탄성률의 유의한 증가가 있다.
최종적으로, 제 3 실시예에서, 상기 선형 SBS 라텍스는 콘크리트 개질제로서 사용되었으며, 상기 실시예들에서는 개질되지 않은 콘크리트와 대비하여 개질된 콘크리트에서 가소성이 증가하는 것으로 나타난다. 본 실시예에서, 시멘트와 SBS 라텍스의 조합 이외에도 굵은 골재뿐만 아니라 잔골재 부분도 포함된다. 강도-변형 곡선 영역은 개질되지 않은 콘크리트 대비 개질된 콘크리트의 경우에서 더욱 크며, 최대치를 얻기 위해서는 경화 시간이 중요하다.
실시예 1
시멘트 모르타르에서 SBS 라텍스의 평가
시멘트 모르타르는 호바트(Hobart) 혼합기를 이용하여 표 1에 언급된 성분들을 혼합함으로써 강도 시험용으로 제조되었다.
시멘트 모르타르를 제조하기 위한 성분 및 제법
성분 참고물질(g) 조성물 1(g) 조성물 2(g) 조성물 3(g)
표준 규사 1.950 1.950 1.950 1.950
포틀랜드 시멘트 450 450 450 450
SBS 라텍스 0 114 231 285
물 459 345 228 174
상기 모르타르는 ASTM 방법에 따라 1평방 인치 크기의 단면을 갖는 2인치 크기의 육면체 및 인장 조개탄(tensile briquette)으로 성형하였다. 상기 시료들은 24시간 동안 습식 경화하고, 72℉ 및 50%의 상대습도에서 30일 동안 공기 중에서 경화하였다. 상기 시료의 절반은 압축 강도 및 인장 강도에 대해 시험하였다. 나머지 절반은 7일 동안 물에 담근 후, 습식 시험하였다. 본 실험에서, 고체 함량이 55중량%인 선형 SBS 라텍스는 표 1에 개시된 비율로 사용되었다. 압축 강도 결과는 표 2에 개시되어 있다.
압축 강도 및 인장 강도의 증가는 벽 및 천정(티롤(Tyrol))용 시멘트 코팅뿐만 아니라 시유 타일(glazed tile) 및 세라믹스용 접착제 시멘트 페이스트로서의 적용을 위한 중요한 변수이다.
시멘트 모르타르에 대한 압축 강도의 결과
압축강도(PSI; ASTM C109에 따름) 시멘트 결과
SBS 라텍스 부재 하의 모르타르 시멘트의 참고물질 SBS 라텍스 존재 하의 개질된 모르타르 시멘트(조성물 1) SBS 라텍스 존재 하의 개질된 모르타르 시멘트(조성물 2) SBS 라텍스 존재 하의 개질된 모르타르 시멘트(조성물 3)
제 1 조건: 14일 및 풍건 5,467 7,277 8,344 9,941
제 2 조건: 14일 풍건 및 14일 물에 담금 4,768 5,301 5,578 7,011
인장 강도(PSI)(ASTM C109)
14일 풍건 및 14일 물에 담금 462 599 698 792
실시예 2
개질된 콘크리트에서 SBS 라텍스를 이용한 탄성률의 평가
콘크리트 개질 연구는 표 3에 개시된 제형을 이용하여 수행되었다.
콘크리트 제형
성분 샘플 1: 개질되지 않은 콘크리트용 참고물질 샘플 2: SBS 라텍스를 이용한 개질된 콘크리트a 샘플 3: SBS 라텍스를 이용한 개질된 콘크리트b 샘플 4: SBS 라텍스를 이용한 개질된 콘크리트a 샘플 5: SBS 라텍스를 이용한 개질된 콘크리트
시멘트(중량%) 15 14.25 13.5 14.3 13.5
물(중량%) 5 4.25 3.5 4.2 3.5
라텍스(중량%) 0 1.5 3 1.5 3.0
잔골재(중량%) 35 35 35 20 20
굵은 골재(중량%) 45 45 45 60 60
비고:
a: 최종적으로는 완성된 개질된 콘크리트 중에 약 0.75%의 SBS를 갖는다.
b: 최종적으로는 완성된 개질된 콘크리트 중에 약 1.5%의 SBS를 갖는다.
반면, 표 4에는 본 연구에 사용된 골재 각각에 대한 입자 크기 곡선이 개시되어 있다.
본 연구에서 사용된 골재에 대한 입자 크기 곡선
입자 크기 체(sieve) 잔골재(통과량(%)) 굵은 골재(통과량(%))
7.62센티미터 0
5.08센티미터 0
3.81센티미터 100
1센티미터 99.6
1.90센티미터 63.6
1.27센티미터 15.1
0.95센티미터 100 6.7
4호 90.9 2.5
8호 70.6 1.9
16호 53.8
30호 44.3
50호 38.4
100호 30.9
200호 23.3
표 3에 개시된 제법(recipe)에 따른 골재 둘 모두의 조합은 ASTM C39에 따라 탄성률을 측정하기 위한 실린더형 시료를 성형하는 것을 가능케 하였다. SBS 라텍스는 최종 조성물 중의 0.75중량% 및 1.5중량%의 SBS 중합체를 이용하는 콘크리트 제형에서 첨가제로서 사용되었다. 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6은 3단계의 콘크리트 세트 경화 수준에서 개질되지 않은 콘크리트 대비 개질된 콘크리트의 성능을 나타낸다.
상기 ASTM C39 방법은 성형된 실린더 및 시추 코어와 같은 실린더형 콘크리트 시료의 압축 강도를 결정하는 단계를 포함한다. 이는 800㎏/㎥(50lb/ft3) 초과의 밀도를 갖는 콘크리트에 제한되지 않는다.
야외에서 캐스팅되고 경화된 실린더는 생산 24 내지 48시간 이내에 실험실로 전송된다. 이어 실린더는 수중(높은 습도의 챔버)에서 소정의 경화 기간(예를 들어, 7일, 28일 등)동안 경화된다. 상기 실린더가 소정의 시간 동안 경화된 그 날짜에 물탱크로부터 실린더를 제거하고, 보고된 강도 및 고장 모드(failure mode)와 함께 압축 하에 시험하였다.
교량용 기둥 및 원주의 구조적 지지체로서 사용된 수경 콘크리트에 있어서 탄성률의 증가는 중요하다.
실시예 3
개질된 콘크리트에서 SBS 라텍스를 이용한 가소성 평가
표 5에 개시된 제형 및 표 4로부터의 골재를 이용하여 ASTM C39에 따라 응력/변형률 값을 결정하였으며, 그 결과 시험 시료에서 파단일 일어날 때까지 40% 이상의 변형이 일어났다.
가소성 연구용 개질 및 개질되지 않은 콘크리트의 제형
성분 샘플 1: 개질되지 않은 콘크리트용 참고물질 샘플 2: SBS 라텍스를 이용한 개질된 콘크리트 샘플 3: SBS 라텍스를 이용한 개질된 콘크리트
시멘트(중량%) 15 13.5 12
물(중량%) 5 3.5 2
라텍스(중량%) 0 3 6
잔골재(중량%) 35 35 35
굵은 골재(중량%) 45 45 45
비고:
a: 최종적으로는 완성된 개질된 콘크리트 중에 약 1.5%의 SBS를 갖는다.
b: 최종적으로는 완성된 개질된 콘크리트 중에 약 3.0%의 SBS를 갖는다.
도 7 및 도 8은 개질된 콘크리트 중의 2개의 서로 상이한 SBS 라텍스 농도에 의한 응력/변형률 값을 나타낸다.
응력/변형률 곡선 하의 영역의 증가에 의해 가소성이 한정된다. 상기 영역이 더욱 높을수록 상기 가소성은 더욱 높다. SBS 라텍스는 유정 시멘트 작업의 적용을 위한 성분들일 수 있는 콘크리트에서 가소성을 향상시키며, 이때 수경 콘크리트는 유정을 펌핑하도록 하기 위해 오일 배관이 도입된 동공 내에 성형될 필요가 있다. 상기 적용은 포틀랜드 시멘트 표준 품질 및 H 및 G 등급(유정 시멘트 작업용)에 사용하도록 고려될 수 있다.

Claims (9)

  1. 포틀랜드 시멘트 및/또는 콘크리트 조성물에서 첨가제로서 사용되는 SBS 라텍스로서,
    상기 SBS 라텍스는 수성 라텍스 중에 20 내지 70중량%의 SBS 중합체를 포함하고, 상기 SBS 중합체는 10 내지 45중량%의 스티렌 조성물 및 55 내지 90중량%의 부타디엔 조성물로 이루어져 있는 SBS 라텍스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 SBS 라텍스는 상기 조성물 전체의 3중량%의 비율로 시멘트와 조합되는 것을 특징으로 하는 SBS 라텍스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 SBS 중합체는 선형, 방사형 또는 멀티암(multiarm) 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 SBS 라텍스.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 SBS 라텍스의 존재는 건식 시료 중에서 81.84%의 압축 강도의 향상을 허용하고, 습식 시료 중에서 47.04%의 압축 강도의 향상을 허용하는 것을 특징으로 하는 SBS 라텍스.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 SBS 라텍스의 존재는 건식 시료 중에서 71.43%의 인장 강도의 향상을 허용하는 것을 특징으로 하는 SBS 라텍스.
  6. 14.3중량%의 시멘트, 20중량%의 잔골재, 60중량%의 굵은 골재 및 4.2중량%의 물을 포함하는 콘크리트 조성물로서,
    상기 조성물은 1.5중량%의 SBS 라텍스를 더 포함하며, 상기 SBS 라텍스는 수성 라텍스 중에 20 내지 70중량%의 SBS 중합체를 포함하고, 상기 조성물에서 22.96%의 탄성률의 증가가 관측되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  7. 12중량%의 시멘트, 35중량%의 잔골재, 45중량%의 굵은 골재 및 2중량%의 물을 포함하는 콘크리트 조성물로서,
    상기 조성물은 6중량%의 SBS 라텍스를 더 포함하며, 상기 SBS 라텍스는 수성 라텍스 중에 20 내지 70중량%의 SBS 중합체를 포함하고, 상기 조성물에서 4 내지 21%의 인장 강도의 증가 및 8 내지 30%의 변형률의 증가가 관측되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
  8. 삭제
  9. 삭제
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