KR102488083B1 - 무기질 반응형 규산염 수용액을 이용한 혼화제 및 이를 포함하는 순환골재 콘크리트 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 성능 감수제와 규산염 수용액이 혼합되어 만들어지며, 순환골재를 사용하는 콘크리트 조성물의 제조시에 투입됨으로써, 모르터와 골재 간의 부착력을 증대시켜서 콘크리트의 압축강도를 크게 향상시킬 수 있게 되는 "무기질 반응형 규산염 수용액을 이용한 혼화제"에 관한 것이며, 더 나아가, "이러한 혼화제를 포함하여 제조되는 순환골재 콘크리트 조성물"에 관한 것이다.
Description
본 발명은 순환골재 콘크리트를 제조하는데 사용되는 혼화제(admixture)와, 이를 포함하는 순환골재 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 구체적으로는 고성능 감수제와 규산염 수용액이 혼합되어 만들어지며, 순환골재를 사용하는 콘크리트 조성물의 제조시에 투입됨으로써, 모르터와 골재 간의 부착력을 증대시켜서 콘크리트의 압축강도를 크게 향상시킬 수 있게 되는 "무기질 반응형 규산염 수용액을 이용한 혼화제"에 관한 것이며, 더 나아가, "이러한 혼화제를 포함하여 제조되는 순환골재 콘크리트 조성물"에 관한 것이다.
콘크리트 조성물을 제조할 때에는, 일반적으로 배합수를 줄이면서도 슬럼프는 증진시켜서 압축강도 확보와 시공성 개선을 동시에 달성하기 위하여 "혼화제(admixture)"로서 일반적으로 고성능 감수제를 사용하고 있다. 한편, 최근에는 자원재활용 등을 위하여 건설폐기물에서부터 생산된 순환골재를 사용하는 콘크리트 조성물("순환골재 콘크리트 조성물")이 대한민국 등록특허 제10-2311713호, 제10-2354482호, 제10-2385043호등에 의해 제시되었다.
순환골재 콘크리트 조성물에 포함되는 순환골재는 천연골재와는 달리 그 표면에 시멘트 분말 등과 같은 이물질이 부착되어 존재할 수 있으며, 이로 인하여 시멘트 와 순환골재 사이의 부착력 감소가 발생할 수 있다. 따라서 일반적으로 순환골재 콘크리트 조성물은 이러한 시멘트와 순환골재 사이의 부착력 저하로 인하여 종래의 보통 콘크리트 조성물에 비하여 압축강도가 저하되는 현상이 단점으로 지적되고 있다.
순환골재 콘크리트 조성물의 경우에도, 분산작용에 의한 배합수 감소 및 슬럼프 증진 내지 유지를 위해서 고성능 감수제가 혼화제로서 첨가되어 사용될 수 있지만, 순환골재 콘크리트 조성물은 위와 같이 "시멘트와 골재 사이의 낮은 부착력 및 이로 인한 압축강도 저하"라는 특성을 가지고 있고, 이는 순환골재와 시멘트(바인더) 간의 낮은 부착강도에 기인한 것인 바, 이러한 원인에 대처하여 문제점을 해결할 수 있는 방안이 강구되어야 한다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 순환골재를 사용하는 콘크리트 조성물의 제조시에 투입됨으로써, 모르터와 골재 간의 부착력을 증대시켜서 콘크리트의 압축강도를 크게 향상시킬 수 있게 되는 "무기질 반응형 규산염 수용액을 이용한 혼화제" 및 "이러한 혼화제를 포함하여 제조되는 순환골재 콘크리트 조성물"을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 고성능 감수제와 규산염 수용액의 혼합으로 이루어져서 순환골재 콘크리트를 제조할 때 첨가되는 혼화제로서, 혼화제의 총 중량을 100중량%라고 할 때, 고성능 감수제는 80 내지 90중량%로 함유되며 규산염 수용액은 10 내지 20중량%로 함유되는 것을 특징으로 하는 혼화제가 제공된다.
본 발명의 혼화제에서, 고성능 감수제는, 폴리카본산계 고성능 감수제 또는 아미노설폰산계 고성능 감수제일 수 있다.
본 발명에서는 상기한 과제를 달성하기 위하여, 순환골재를 포함하는 콘크리트 조성물로서, 상기한 본 발명의 혼화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물이 제공된다.
콘크리트의 제조시에 일반적으로 사용하는 고성능 감수제는 슬럼프 유지 내지 증진의 효과를 발휘할 수는 있지만, 콘크리트의 압축강도 개선에는 실제로 관여하지 않는다. 그러나 본 발명에서는 고성능 감수제에 규산질 수용액을 더 포함하여 혼화제를 이루는 바, 이러한 본 발명의 혼화제를 콘크리트에 추가하게 되면, 골재와 바인더 간의 부착력이 크게 증가되고, 그에 따라 슬럼프의 유지 내지 증진은 물론이고 콘크리트의 압축강도도 크게 향상되는 바, 콘크리트의 강도 개선과 시공성 확보가 동시에 가능하게 되는 장점이 발휘된다.
특히 본 발명에 의하면, 규산질 수용액의 화학적 반응기전을 통해서, 순환골재와 모르터의 부착계면에서 견고한 화학적 결합이 형성되고, 그에 따라 순환골재와 모르터의 부착력 증대 및 이를 통해서 순환골재를 포함하는 순환골재 콘크리트의 강도개선에 유효하게 작용하게 되는 효과가 발휘된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 예시된 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 혼화제(admixture)는, 순환골재 콘크리트를 제조할 때 첨가되는 조성물로서, 고성능 감수제와 규산염 수용액의 혼합으로 이루어져 있다. 본 발명의 혼화제에서, 고성능 감수제와 규산염 수용액은 중량비로서 9:1 내지 8:2의 비율로 혼합된다. 즉, 혼화제의 총 중량을 100중량%라고 할 때, 고성능 감수제는 80 내지 90중량%로 함유되며 규산염 수용액은 10 내지 20중량%로 함유되는 것이다.
고성능 감수제는 콘크리트의 유동성 개선과 슬럼프 확보를 위하여 사용되는 것으로서, 예를 들어 폴리카르본산계 고성능 감수제 또는 아미노설폰산계 고성능 감수제일 수 있다.
이러한 고성능 감수제에 규산염 수용액을 혼합함으로써 본 발명의 혼화제를 만들게 되는데, 이 때, 양 재료의 혼합비율은 중량비로서 9:1 내지 8:2의 범위에 있다.
규산염 수용액은 물에 규산염을 혼합한 것으로서, 규산염 수용액의 총 100중량%에서 규산염은 10 내지 20중량%이고 물은 80 내지 90중량%가 되도록 혼합된 것이다. 규산염 15중량%와 물 85중량%이 혼합된 규산염 수용액이 가장 바람직하다. 이러한 규산염 수용액은 "무기질 반응형 개질제"에 해당한다. "무기질 반응형 개질제"는 본래 다공질 재료인 콘크리트나 모르터 등으로 만들어진 물체의 표면에 도포되었을 때, Ca, Mg, Al 등의 이온과 반응하여, 물체의 내부에서 유리(Glass)상의 물질을 형성하게 되며, 이를 통해서 물체의 강도, 방수성, 내마찰성 등을 향상시키는 효과를 발휘하는 무기질계 개질제이다. 즉, "무기질 반응형 개질제"는 유기고분자계의 방수-개질제와는 달리 콘크리트, 모르터 등의 다공질 재료로 만들어진 물체의 표면에 도포됨으로써, 암모늄 이온과 할로겐 이온의 존재 하에서 규산칼슘과 콜로이드 규산을 생성시켜서 공극을 완전히 충전함으로써 무공화할 수 있는 무색, 무취의 수용액이다.
이러한 "무기질 반응형 개질제"의 물성이 표 1에 정리되어 있다.
규산염 수용액이 포함된 본 발명의 혼화제를 콘크리트 조성물에 투입하게 되면, 콘크리트 내의 이온과 SiO3가 결합된 규산염이 발생된다. 이러한 규산염 발생 반응이 진행되면서 콜로이드 규산이 순환골재의 표면공극을 충전하게 된다. 따라서 순환골재의 내외부 표면에 유리(glass)상의 불용성 결정체가 형성되고, 이와 더불어 콘크리트 내부에서는 규산염 수용액이 Ca, Mg, Al의 이온과 반응하여 결정력(結晶力)을 높이게 된다. 규산염 수용액은 이러한 화학적 반응기전을 바탕으로 순환골재와 모르터의 부착계면에서 견고한 화학적 결합이 이루어지는데 도움을 주게 되고, 그에 따라 순환골재와 모르터 간의 부착력이 증가되어 순환골재 콘크리트의 강도가 증가된다.
일반적인 고성능 감수제는 폴리카본산이나 아미노설폰산 등의 성분을 사용하여 정전기적 반발력 이외에 고분자 흡착층의 상호작용에 의한 입체적 반발력을 이용하는 혼화제이다. 고성능 감수제는 슬럼프를 유지하기 위하여 반응성 고분자 성분을 포함할 수 있으며, 이를 통해서 입체적 반발력을 가미하여 복합작용을 유도한다. 특히, 폴리카본산계 또는 아미노설폰산계 고성능 감수제는 수용성 고분자인 분산제 성분이 시멘트 입자에 흡착되어 전기 이중층 만의 분산성이 아니라 제타전위 유지를 통한 시멘트 입자간의 2차 응집이 일정시간 일어나지 않게 하는 원리를 이용하고 있다. 즉, 종래의 폴리카본산계 또는 아미노설폰산계 고성능 감수제에 의해 발생되는 화학적 작용은, 시멘트와의 반응에 의해 발생하게 되는 것이다.
이와 달리, 본 발명의 혼화제는, 폴리카본산계 또는 아미노설폰산계 고성능 감수제에 규산염 수용액이 혼합되는 구성을 가진다. 앞서 설명한 것처럼 규산염 수용액은 "무기질 반응형 개질제"에 해당하는 것이므로, 이와 같이 규산염 수용액이 포함된 본 발명의 혼화제가 콘크리트의 배합시에 투입되었을 때, 규산염 수용액은 시멘트가 아닌 골재와 반응하면서 골재의 표면에서 반응형 개질작용을 발생시키며 골재와 모르터 간의 부착력을 증대시킨다.
그런데 규산염 수용액의 과도하게 투입될 경우, 고성능 감수제의 역할과 화학적 메커니즘에 악영향을 줄 수 있다. 따라서 고성능 감수제의 역할이 그대로 발휘될 수 있도록 함과 동시에 골재와 모르터 간의 부착력을 증대시킬 수 있도록 본 발명에서 규산염 수용액은 혼화제의 총 100중량%에서 10 내지 20중량%로 함유된다. 따라서 본 발명의 혼화제에서 고성능 감수제는 혼화제의 총 100중량%에서 80 내지 90중량%로 함유된다.
아래에서는 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 대해 설명한다. 본 발명에 따른 혼화제의 효과를 확인하기 위하여, 우선 규산염 수용액의 농도 즉, 규산염과 물의 혼합비율을 달리한 규산염 수용액을 각각 제조하고, 이를 표준 배합의 모르터에 혼합한 후, 양생된 모르터의 표준 시편에 대해 각각 3일, 7일, 14일 및 28일 압축강도를 측정하였다.
아래의 표 2에는 시험에 사용한 모르터의 표준 배합설계가 정리되어 있으며, 표 3에는 이러한 표준 배합설계의 모르터에, 규산염 수용액의 농도 즉, 물과 혼합된 규산염 고형분의 함량을 달리한 것을 투입하여 제작한 시편에 대해 3일, 7일, 14일 및 28일 압축강도를 측정한 결과가 정리되어 있다. 아래의 표 2의 배합에서 W/C 즉, 물/시멘트 비(중량비)는 45%로 하였으며, 시멘트 대비 혼화제의 함유량(중량비)는 0.7%로 하였다. 즉, 시멘트의 중량을 100%라고 하였을 때 0.7%에 해당하는 중량의 혼화제가 함유되었다. 잔골재로는 천연잔골재가 100% 사용되었다. 아래의 표 2에서 OPC는 보통 시멘트(Ordinary Portland Cement)를 의미한다.
위 표 3에서 알 수 있듯이, 규산염 수용액의 총 100중량%에서 규산염 10중량%와 물 90중량%로 혼합된 배합명 A10, 규산염 수용액의 총 100중량%에서 규산염 15중량%와 물 85중량%로 혼합된 배합 A15, 및 규산염 수용액의 총 100중량%에서 규산염 20중량%와 물 80중량%로 혼합된 배합 A20의 경우, 양호한 3일, 7일 14일, 28일 압축강도에서 모두 양호한 결과를 보였다. 특히 규산염 15중량%와 물 85중량%이 혼합된 배합 A15의 규산염 수용액이 가장 양호한 압축강도 결과를 보이는 것을 확인할 수 있다.
다음으로는 규산염 수용액과 고성능 감수제의 혼합 비율에 따른 혼화제의 성능을 확인하기 위한 실시예와 비교예에 대하여 설명한다.
위의 실험 결과에 따라 규산염 15중량%와 물 85중량%이 혼합된 배합 A15의 규산염 수용액을 실험대상 "기준 규산염 수용액"으로 결정하고, "기준 규산염 수용액"과 고성능 감수제의 혼합 비율을 달리한 혼화제를 제조한 후, 제조된 혼화제를 순환골재 콘크리트 조성물 즉, 순환골재를 사용하는 콘크리트 조성물에 혼합하고, 이러한 콘크리트 조성물의 시편에 대하여 각각 슬럼프와 공기량을 측정하였으며, 3일, 7일, 14일 및 28일 압축강도를 측정하였다.
비교예와 실시예의 순환골재 콘크리트 조성물의 구체적인 배합 구성은 아래의 표 4과 같다. 아래의 표 4에서 OPC는 보통 시멘트(Ordinary Portland Cement)를 의미하며, S/P는 고로 슬래그를 의미하고, F/A는 플라이 애쉬(Fly Ash)를 의미한다. W/B는 물/바인더 비(중량비)를 의미하고, S/A는 잔골재율(중량비)을 의미한다.
실시예 및 비교예에 사용된 순환골재 콘크리트 조성물에서, 바인더는 표 4에 정리된 것처럼 총 분체량 100중량% 중에 OPC, S/P 및 F/A는 각각 75중량%, 15중량% 및 10중량%로 이루어지는데, 이를 단위용적중량(kg/㎥)으로 나타내면 바인더 350.0kg/㎥이 되고, OPC, S/P 및 F/A는 각각 262.5kg/㎥, 52.5kg/㎥, 35.0kg/㎥이 된다.
혼화제는 바인더의 중량을 100%라고 하였을 때 0.7%에 해당하는 중량으로 함유되었으며, 잔골재로는 천연잔골재가 100% 사용되었고, 굵은 골재로는 순환 굵은 골재와 천연 굵은 골재가 혼합되어 사용되었는데, 굵은 골재의 총 중량을 100중량%라고 하였을 때, 순환 굵은 골재는 52.7중량%로, 그리고 천연 굵은 골재는 47.3중량%로 혼합 사용되었다. 표 4에서 하단의 <용적(
)>은 1㎥ 당 각각의 재료가 실제 사용된 부피(리터)를 나타낸다.
아래의 표 5는 본 발명의 실시예와 비교예에 대하여, 각각 타설 직후(0분), 타설 후 30분 후, 60분 후, 그리고 90분 후의 슬럼프와 공기량 측정결과를 정리한 것이다. 아래의 표 5에서 <배합명>에 기재된 각각의 배합명(名)에서 B0 배합은 비교예1에 해당하며, B10 및 B20 배합은 실시예1, 2에 해당하고, B30 및 B40 배합은 각각 비교예2, 3에 해당한다.
위의 표 5에서 알 수 있듯이, 전체 혼화제 100중량%에서 규산염 수용액을 10 내지 20중량%로 하고, 고성능 감수제를 80 내지 90중량%로 혼합하여 만든 본 발명의 혼화제를 사용하였을 경우, 순환골재 콘크리트 조성물의 슬럼프가 증대되는 효과가 발휘되는 바, 우수한 유동성과 작업성을 확보할 수 있음이 확인되었다.
아래의 표 6은 위 표 5에 정리된 본 발명의 실시예와 비교예에 대하여, 각각 3일, 7일, 14일 및 28일 압축강도 측정결과를 정리한 것이다.
위의 표 6에서 알 수 있듯이, 전체 혼화제 100중량%에서 규산염 수용액을 10 내지 20중량%로 하고, 고성능 감수제를 80 내지 90중량%로 혼합하여 만든 본 발명의 혼화제를 사용하였을 경우, 순환골재 콘크리트 조성물의 압축강도가 크게 개선되었다. 이는 순환골재를 사용하는 콘크리트 조성물의 제조시에 본 발명에 따른 혼화제를 투입함으로써, 모르터와 골재 간의 부착력을 증대시켜서 콘크리트의 압축강도를 크게 향상시킬 수 있게 됨을 확인하여 주는 것이다.
Claims (3)
- 고성능 감수제와 규산염 수용액의 혼합으로 이루어져서 순환골재 콘크리트를 제조할 때 첨가되는 혼화제로서,
혼화제의 총 중량을 100중량%라고 할 때, 고성능 감수제는 80중량%로 함유되며 규산염 수용액은 20중량%로 함유되며;
규산염 수용액의 총 100중량%에서 규산염 15중량%와 물 85중량%로 혼합된 것이고;
고성능 감수제는, 폴리카본산계 고성능 감수제인 것을 특징으로 하는 혼화제. - 삭제
- 순환골재를 포함하는 콘크리트 조성물로서,
청구항 제1항의 혼화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조성물.
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