KR102598393B1 - 내구성 및 강도가 향상된 초속경 시멘트 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포틀랜드 시멘트를 주성분으로 하는 시멘트 원료에 산화칼슘, 황산알루미늄 및 이온성 아크릴계 고분자를 혼합하여 내구성과 강도를 높이고 양생과정에서의 균열을 방지한 초속경 시멘트 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 초속경 시멘트 조성물은 포틀랜드 시멘트를 포함하는 시멘트 원료 70~95중량%와 강도증진용 첨가제 5~30중량%를 포함하고, 상기 강도증진용 첨가제는 산화칼슘, 황산알루미늄 및 이온성 아크릴계 고분자를 포함한다. 본 발명의 시멘트 조성물은 에트링가이트 구조의 무기물의 형성을 촉진하고 수화과정 초기에 팽창응력을 부여하여 양생 후 시멘트의 수축에 기인하는 인장응력에 의한 균열의 발생을 방지하며, 초기 강도 및 내구성이 우수하고 최종 수화 후에 고강도를 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 내구성 및 강도가 향상된 초속경 시멘트 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 포틀랜드 시멘트를 주성분으로 하는 시멘트 원료에 산화칼슘, 황산알루미늄 및 이온성 아크릴계 고분자를 혼합하여 내구성과 강도를 높이고 양생과정에서의 균열을 방지한 초속경 시멘트 조성물에 관한 것이다.
시멘트의 강도는 수화 과정에서 이루어지는 다양한 형태의 무기 조성물들의 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 옐멘나이트와 같은 광물은 수화 과정에서 에트링가이트(Ettringite)를 형성해 강도를 개선하는 역할을 하는 것으로 알려져 있는데, 이런 구조물의 형성으로 시멘트의 강도가 높아지는 것으로 보고되었다. 유사한 조성의 시멘트라 할지라도 수화 과정에서 생성되는 혼합 무기물의 구조에 따라 다양한 강도를 보이고 있다.
시멘트의 강도를 높이고 양생과정에서의 균열을 방지하기 위하여 다양한 연구들이 수행되어 오고 있다. 대표적인 방법으로는 고분자형 첨가제를 배합하는 방법, 칼슘이 풍부한 무기물을 배합하는 방법 등이 있다. 이러한 방법 외에도 다양한 방법으로 시멘트를 제조하여 초기 및 최종 강도를 개선하고 양생과정에서의 균열을 방지하려는 노력들이 시도되고 있다. 그러나, 철로와 같이 높은 하중과 진동이 적용되는 경우에는 충분한 내구성이 보장되지 않아 건설공사 이후에 잦은 보수를 필요로 하게 되므로 결국 운영비용의 상승을 유발한다.
따라서 공사 초기부터 충분한 강도를 확보하면서도 내구성이 우수하여 균열의 발생을 방지할 수 있는 시멘트의 필요성이 여전히 강하게 대두되고 있다.
또한 양생 초기의 수화과정에서 발생하는 팽창응력을 이용해 포틀랜드 시멘트의 수화 수축과정에서 발생하는 수축에 기인한 인장응력을 상쇄시키는 방법에 대하여 오랫동안 연구되어 왔다. 그러나 팽창응력과 수축시의 인장응력의 상쇄에 의한 균열방지 기작이 시멘트의 강도를 높이는 효과는 제한적이어서 충분한 효과를 얻기 어렵다.
팽창시의 압축응력과 수축시의 인장응력의 상쇄를 이용하여 균열을 방지하고, 초기 수화반응과정에서 강도를 높이는 구조체를 형성하는 반응속도를 높여 균열을 방지하고 초기 강도를 높이며, 전 수화과정을 통하여 최종 강도를 높일 수 있는 시멘트가 요구되고 있다.
본 발명은 포틀랜드 시멘트를 주성분으로 하는 시멘트 원료에 산화칼슘, 황산알루미늄 및 이온성 아크릴계 고분자를 혼합하여, 에트링가이트 구조의 무기물이 형성되는 반응을 촉진하고 반응속도를 조절함으로써 초기 강도 및 최종 강도가 다른 시멘트에 비해 매우 높은 동시에 양생과정에서의 균열을 최소화할 수 있는, 내구성 및 강도가 향상된 초속경 시멘트 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는,
포틀랜드 시멘트를 포함하는 시멘트 원료 70~95중량%와 강도증진용 첨가제 5~30중량%를 포함하고, 상기 강도증진용 첨가제는 0.7:1~1:0.7의 몰비로 혼합된 산화칼슘과 황산알루미늄 혼합물 70~99중량%와 이온성 아크릴계 고분자 1~30중량%를 포함하는, 내구성 및 강도가 향상된 초속경 시멘트 조성물을 제공한다.
상기 조성물에서, 상기 시멘트 원료는 고로슬래그, 석회, 이들의 혼합물 중 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 조성물에서, 상기 시멘트 원료는 포틀랜드 시멘트 100중량부에, 고로슬래그, 석회, 이들의 혼합물 중 어느 하나를 1~100중량부로 혼합한 것임이 바람직하다.
상기 조성물에서, 상기 산화칼슘과 황산알루미늄은 1:1의 몰비로 혼합된 것임이 바람직하다.
상기 조성물에서, 상기 이온성 아크릴계 고분자는 분자량이 20,000~150,000Da인 것이 바람직하다.
상기 조성물에서, 상기 이온성 아크릴계 고분자는 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다. 특히 상기 이온성 아크릴계 고분자는 폴리아크릴산과 폴리메타크릴산을 1:9 내지 9:1의 중량비로 혼합한 것임이 바람직하다.
본 발명은 산화칼슘, 황산알루미늄 및 이온성 아크릴계 고분자를 혼합한 강도증진용 첨가제를 포틀랜드 시멘트 원료에 혼합하여 사용함으로써 산화칼슘과 황산알루미늄이 시멘트와 혼합되었을 때 강도를 높이는 에트링가이트 구조의 무기물이 형성되고 이온성 아크릴계 고분자가 이러한 반응을 촉진하여 시멘트의 초기 강도를 높일 수 있다. 또한, 수화과정 초기에 팽창응력을 부여하여 양생 후 시멘트의 수축에 기인하는 인장응력에 의한 균열 발생을 방지할 수 있고, 최종 수화 후 우수한 내구성과 고강도를 구현할 수 있다.
본 발명의 시멘트 조성물을 사용하면 시멘트의 초기 강도가 일반 포틀랜드 시멘트를 포함한 다른 시멘트에 비해 월등히 높아 도로나 건물의 건설기간을 단축하고 비용을 절감할 수 있으며, 최종 내구성 및 강도가 높아져 철로와 같이 높은 하중과 반복되는 진동에서도 균열없이 유지할 수 있으므로 보수비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 시멘트 조성물의 양생시간에 따른 팽창율 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 시멘트 조성물의 시간에 따른 탄성강도의 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 시멘트 조성물의 수화 전 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 시멘트 조성물의 수화 후 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 시멘트 조성물의 수화 후 에트링가이트 구조를 XRD 분석한 결과이다.
도 2는 본 발명의 시멘트 조성물의 시간에 따른 탄성강도의 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 시멘트 조성물의 수화 전 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 시멘트 조성물의 수화 후 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 시멘트 조성물의 수화 후 에트링가이트 구조를 XRD 분석한 결과이다.
본 발명의 내구성 및 강도가 향상된 초속경 시멘트 조성물은, 포틀랜드 시멘트를 포함하는 시멘트 원료와 강도증진용 첨가제를 포함한다.
상기 시멘트 원료는 포틀랜드 시멘트를 포함한다. 포틀랜드 시멘트를 단독으로 사용할 수도 있으며, 필요에 따라 통상적으로 시멘트 원료로 사용되는 다른 성분들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 포틀랜드 시멘트 외에 고로슬래그, 석회, 이들의 혼합물 중 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 상기 시멘트 원료는 포틀랜드 시멘트 100중량부에, 고로슬래그, 석회, 이들의 혼합물 중 어느 하나를 1~100중량부로 혼합한 것이며, 더욱 바람직하게는 10~80중량부로 혼합한 것이다.
상기 강도증진용 첨가제는 산화칼슘(CaO), 황산알루미늄{Al2(SO4)3} 및 이온성 아크릴계 고분자를 포함한다. 바람직하게는 산화칼슘과 황산알루미늄의 혼합물 70~99중량%와 이온성 아크릴계 고분자 1~30중량%를 포함한다.
산화칼슘과 황산알루미늄은 0.7:1~1:0.7의 몰비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 0.9:1~1:0.9의 몰비로 혼합하여 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
산화칼슘과 황산알루미늄의 혼합물은 시멘트 원료와 배합되어 강도를 높이는 에트링가이트 구조의 무기물을 형성함으로써 초기부터 강도를 높여주게 된다.
이온성 아크릴계 고분자는 산화칼슘과 황산알루미늄이 에트링가이트 구조로 전환되는 수화반응을 촉진해 에트링가이트 구조의 무기물이 빠르게 형성되도록 한다. 따라서 이러한 구조체가 빠르게 형성되는 양생과정 초기에 팽창응력이 발생하여 이후의 양생과정에서 발생하는 수축에 의한 인장응력을 상쇄하는 효과를 발생시키므로, 양생 후 시멘트의 수축에 기인하는 인장응력에 의한 균열의 발생을 방지할 수 있다. 수축에 의한 인장응력에 대항하기 위하여 압축응력을 이용할 때에는 수축보상을 위한 에트링가이트구조를 갖는 바인더가 조기에 형성되는 것이 중요하다. 에트링가이트 구조체가 조기 형성되면 팽창으로 유발되는 균열의 위험을 방지하도록 팽창기작을 통제할 수 있다. 팽창이 조기에 완료되지 않으면 확장이 지연되어 국지적인 팽창이 발생해 균열이 발생할 수 있다.
상기 이온성 아크릴계 고분자는 분자량 20,000~150,000Da인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이온성 아크릴계 고분자는 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 폴리아크릴산과 폴리메타크릴산을 혼합하여 사용하는 경우 1:9 내지 9:1의 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 3:7 내지 7:3의 중량비로 혼합하여 사용하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 초속경 시멘트 조성물은 포틀랜드 시멘트를 포함하는 시멘트 원료 70~95중량%와 강도증진용 첨가제 5~30중량%를 포함한다.
강도증진용 첨가제의 함량이 5중량% 보다 적은 경우에는 첨가제의 효과를 얻기 어렵고, 함량이 30중량%를 초과하는 경우 균열이 증가하므로 강도증진용 첨가제는 조성물 중 5~30중량% 포함되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 시멘트 원료 80~97중량%와 강도증진용 첨가제 7~20중량%를 포함한다.
본 발명의 초속경 시멘트 조성물은 150번 메쉬를 90% 통과하는 입자크기를 가지는 것이 바람직하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 이들은 본 발명을 예시하는 것으로서 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
산화칼슘 56g, 황산알루미늄 342g, 폴리아크릴산(분자량 1,000,000Da) 60g을 배합하여 강도강화용 첨가제를 제조하였다.
제조된 강도강화용 첨가제, 포틀랜드 시멘트 및 고로슬래그를 20:70:10의 중량비로 혼합하여 시멘트 조성물을 제조하였다.
<실시예 2>
산화칼슘 56g, 황산알루미늄 342g, 폴리아크릴산(분자량 1,000,000Da) 60g을 배합하여 강도강화용 첨가제를 제조하였다.
제조된 강도강화용 첨가제, 포틀랜드 시멘트 및 고로슬래그를 15:75:10의 중량비로 혼합하여 시멘트 조성물을 제조하였다.
<실시예 3>
산화칼슘 56g, 황산알루미늄 342g, 폴리아크릴산(분자량 1,000,000Da) 60g을 배합하여 강도강화용 첨가제를 제조하였다.
제조된 강도강화용 첨가제, 포틀랜드 시멘트 및 고로슬래그를 5:85:10의 중량비로 혼합하여 시멘트 조성물을 제조하였다.
<비교예 1>
포틀랜드 시멘트와 고로슬래그를 90:10의 중량비로 혼합하여 시멘트 조성물을 제조하였다.
<실험예 1>
광물학적 구성 확인
본 발명의 시멘트 조성물의 광물학적 구성을 결정하기 위해 정량적 X선 회절(QXRD) 분석을 수행하였다.
실험시료로는 실시예 1의 시멘트 조성물을 사용하였다.
분석결과, 실시예 1의 시멘트 조성물의 조성은 C4A3S 17~22%, CSH2, 15~17%, CSH 9~10% CSH0.5 33~35% C2S, 2~3% C4AF이고, 이때 사용된 포틀랜드 시멘트의 조성은 C3S 62%, C2S 14%, C3A 10%, C4AF 5%이었다.
<실험예 2>
시멘트의 팽창율 변화 확인
실시예 1 내지 3의 시멘트 조성물과 물을 각각 65:45의 중량비로 혼합하여 25mm×25mm×285mm 크기의 프리즘 시편을 제조하였다. 비교를 위하여 비교예 1의 강도증진용 첨가제를 사용하지 않은 시멘트 조성물을 사용하여 동일한 방법으로 프리즘 시편을 제조하였다.
제조된 프리즘 시편의 길이변화를 측정하여 시멘트 조성물의 팽창율 변화를 확인하였다.
주물 후 제조된 프리즘 시편은 처음 밀봉된 상태에서 24시간 동안 경화시킨 후 22℃에서 양생하여 준비하였다.
실시예 1 내지 3의 시멘트 조성물로 제조한 프리즘 시편의 양생기간에 따른 팽창율 변화를 비교예 1의 시멘트 조성물로 제조한 프리즘 시편과 비교하여 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 20%는 실시예 1의 시편, 15%는 실시예 2의 시편, 5%는 실시예 3의 시편, 0%는 비교예 1의 시편을 나타낸다.
도 1의 결과에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 강도증진용 첨가제를 사용한 시멘트 조성물은 초기부터 일정하게 팽창하는 것을 볼 수 있는데 강도증진용 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1의 시편은 초기에는 팽창하다가 결국 수축하였다.
<실험예 3>
압축강도 및 탄성강도 확인
실시예 2의 시멘트 조성물과 물을 각각 65:45의 중량비로 혼합하여 40mm×40mm×150mm 크기의 시편을 제조하였다. 비교를 위하여 비교예 1의 시멘트 조성물을 사용하여 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
주물 후 제조된 시편은 처음 밀봉된 상태에서 24시간 동안 경화시킨 후 22℃에서 양생하였다.
ASTM C215에 따른 동적 계량 시험 방법으로 각 시편의 양생시간에 따른 압축강도를 측정하였다.
그 결과, 강도증진용 첨가제를 사용한 실시예 2의 시멘트 조성물로 제조한 시편은 수화반응 1시간 후에 이미 25MPa의 압축강도를 나타내었고 2시간 이후부터는 35Mpa 이상의 압축강도를 나타내었다. 그러나, 강도증진용 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1의 시멘트 조성물을 제조한 시편의 강도는 15MPa 이하로 낮았으며 지속적인 수화 작용으로 다공성이 감소하며 본 발명의 시멘트 조성물에 비해 강도가 낮아졌다.
또한 각 시편의 시간에 따른 탄성강도를 측정하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2의 결과에서, 강도증진용 첨가제를 사용한 실시예 2의 시멘트 조성물로 제조한 시편이 탄성강도도 강도증진용 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1의 시멘트 조성물로 제조한 시편에 비해 훨씬 높게 나타나는 것을 볼 수 있다.
즉, 실시예 2의 시편은 7일에 16GPa의 탄성강도를 보이는 반면 비교예 1의 시편은 10GPa의 탄성강도를 나타내어 실시예 2의 시편이 초기에 보이는 탄성강도에 불과한 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 강도증진용 첨가제를 사용한 시멘트 조성물은 강도증진용 첨가제를 사용하지 않은 시멘트 조성물에 비해 매우 강한 초기 및 최종 압축강도와 높은 탄성 강도를 보이는 것을 알 수 있다.
<실험예 4>
수화에 따른 구조변화 확인
강도증진용 첨가제를 사용한 본 발명의 시멘트 혼합물의 수화에 따른 구조 변화를 확인하였다.
수화 전 시멘트 조성물의 구조를 도 3에 나타내고, 수화 후 시멘트 조성물의 구조를 도 4에 나타내었다.
도 3과 4의 결과에서, 강도증진용 첨가제를 사용한 본 발명의 시멘트 조성물은 수화반응에 의하여 팽창과 수축이 현저히 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 에트링가이트 구조를 초기에 형성할 수 있는 산화칼슘과 황산알루미늄과 반응을 촉진시키는 이온성 아크릴계 고분자의 수화반응에 의한 것으로 볼 수 있다.
반면 비교예 1의 시멘트 조성물은 수화 과정에서 4~5% 정도의 팽창을 보였으며 결국 균열이 발생하였다.
수화반응 후 본 발명의 시멘트 조성물의 에트링가이트 구조를 XRD 분석하여 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서 본 발명의 시멘트 조성물은 수화반응 후에 상당한 양의 에트링가이트 구조가 형성된 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 시멘트 조성물은 수화반응 전에는 이러한 에트링가이트와 유사한 회절을 보이지 않았다.
Claims (7)
- 고로슬래그, 석회, 이들의 혼합물 중 어느 하나와 포틀랜드 시멘트로 구성된 시멘트 원료 70~95중량%와 강도증진용 첨가제 5~30중량%로 구성되고,
상기 강도증진용 첨가제는 0.7:1~1:0.7의 몰비로 혼합된 산화칼슘과 황산알루미늄 혼합물 70~99중량%와; 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 이온성 아크릴계 고분자 1~30중량%로 구성되며,
상기 강도증진용 첨가제 중 산화칼슘과 황산알루미늄은 상기 시멘트 원료와 혼합하면 에트링가이트 구조의 무기물을 형성하고, 상기 이온성 아크릴계 고분자는 상기 에트링가이트 구조의 무기물 형성을 촉진하는 것을 특징으로 하는, 내구성 및 강도가 향상된 초속경 시멘트 조성물. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 시멘트 원료는 포틀랜드 시멘트 100중량부에, 고로슬래그, 석회, 이들의 혼합물 중 어느 하나를 1~100중량부로 혼합한 것임을 특징으로 하는, 초속경 시멘트 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 산화칼슘과 황산알루미늄은 1:1의 몰비로 혼합된 것임을 특징으로 하는, 초속경 시멘트 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 이온성 아크릴계 고분자는 분자량이 20,000~150,000Da인 것을 특징으로 하는, 초속경 시멘트 조성물. - 삭제
- 제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 이온성 아크릴계 고분자는 폴리아크릴산과 폴리메타크릴산을 1:9 내지 9:1의 중량비로 혼합한 것임을 특징으로 하는, 초속경 시멘트 조성물.
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