KR20010007854A - 경량기포 콘크리트용 기포 혼화제의 제조 - Google Patents

Abstract

1. 청구 범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

경량기포 콘크리트용 기포 혼화제의제조

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

국내 공동주택 단열용 경량기포 콘크리트의 소포, 시멘트의 건조수축에 의한 균열저감 및 압축강도 증진, 균일한 흡수율의 유지 등을 목적으로, 생성된 기포의 안정성 및 기포 콘크리트의 균열방지용 혼화제의 제조

3. 발명의 해결방법의 요지

경량 기포 콘크리트의 균열발생 및 압축강도 저하는 생성된 기포의 소포와 시멘트의 건조수축에 의한 현상으로서, 본 발명에서는 기포의 안정성과 소포를 방지하여 기포 콘크리트의 압축강도를 증진시키기 위하여 균일한 크기의 미세한 입자를 생성시키고자 하였으며 이를 위한 방법으로 폴리 에틸렌 글리콜과 카르복실 셀루로오스를 활용하였으며, 시멘트의 건조수축을 보상하기 위하여 알루미늄염 화합물인 액체상의 황산 알루미늄을 사용하였다. 황산알루미늄은 시멘트 중의 생석회 성분과 반응하여 침상의 팽창성 광물인 에트링가이트를 생성하여 시멘트의 건조수축을 보상하게 된다.

4. 발명의 중요한 용도

경량기포 콘크리트의 제조에 있어서 주발포화합물인 기포제와 혼용되어 경량기포 콘크리트의 소포에 의한 균열 및 시멘트 건조수축에 의한 균열방지용으로 사용되며, 이러한 경량기포 콘크리트는 연약지반의 성토용, 공동주택의 단열용으로 사용됨.

Description

경량기포 콘크리트용 기포 혼화제의 제조{Manufacture of foaming admixtures for light weight foamed concrete}

경량기포콘크리트의 주 사용재료인 기포제는 계면활성제로 시멘트의 응결지연 및 강도저하를 초래한다. 따라서 조기강도 발현을 위하여 시멘트용 조강제 및 Ettringite의 생성으로 속경성 및 팽창성을 부여하여 조기강도 발현 및 건조수축에 의한 균열을 방지하고자 하였다. Ettringite는 침상결정의 생성상태 및 량에 의해 속경성 및 팽창성을 나타내게 되는데 혼화제가 액체상태 이어야하는 점을 감안하여 다음과 같은 화학량론 반응에 의하였다.

6Ca(OH)₂+ Al₂(SO₄)₃+26H₂O = 3CaO Al₂O₃3CaSO₄32H₂O

Ca(OH)₂는 시멘트 중의 CaO의 수화 생성물로 하고, Al₂(SO₄)₃는 Ettringite 생성을 위한 혼화제의 주재료이다. 또한 경량 기포의 흡수율은 생성된 기포의 크기 및 기포의 분포, 또는 독랍기포 혹은 연속기포에 의해 차이가 있으므로 본 발명에서는 미세하고 균일한 독립기포를 생성시키기 위하여 Foam Stabilizer로 카르복실 셀루롱스와 폴리 에틸렌 글리콜을 사용하였다.

현행 경량기포콘크리트 자체의 문제점으로서는 단열성능의 저하 등의 문제점이 있지만, 상부의 모르터에 영향을 미치는 것이 더욱 큰 문제점으로 대두되고 있다. 경량기포콘크리트의 조기강도발현, 균열억제, 소포저감 및 균일한 흡수율 등은 후속공정의 품질에 상당히 중요한 영향을 미치게 된다. 즉 상부의 시멘트 모르터 타설 시 모르터의 균열에 심각한 영향을 미치게 된다. 조기강도 발현 저하로 후속작업이 진행되면서 작업중량에 의한 균열, 편칭파괴, 지압파괴 등이 일어나서 경량기포콘크리트 층이 조각조각 부서지거나 함몰하게 되고, 건조수축에 의해 심한 균열이 발생하게 된다. 이러한 경우 온수배관 파이프의 고정불가로 온수배관 파이프 따라 발생하는 상부 시멘트 모르터의 침하 균열 발생과, 하지의 경량기포콘크리트 층의 불균일한 흡수에 의한 상부 모르터 미장마감시간의 지연 및 불균일에 의한 미장 품질저하와 소성수축에 의한 모르터의 균열 등을 유발하게 된다. 따라서 경량기포콘크리트의 조기강도발현 및 균열억제는 상부 모르터의 품질에 상당히 중요한 역할을 하게된다.

또한 경량기포콘크리트의 소포성은 조기 강도발현에도 영향을 미치나, 소포에 의한 부피감소로 상부의 모르터 층의 두께가 넓어져 설계량 이상의 재료가 소용되는 원가상승의 요인이 되며, 온수배관의 들뜸으로 인한 모르터의 파이프 밑으로의 충진으로 파이프를 따라서 발생하는 균열의 원인이 되기도 한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 상기의 여러 가지 문제점은 시공방법이나 장비개선 등으로는 개선할 수 없는 문제점으로서 이를 개선하기 위하여 별도의 혼화제를 개발하였다. 본 발명은 경량기포 콘크리트의 안정성을 유지하여 소포를 방지하고, 경량기포 콘크리트 중의 시멘트의 건조수축을 방지하여 경량기포 콘크리트의 균열발생을 방지하고자 하였다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 황산알루미늄 용액(알루미나 함량 8% 이상) 약 50 내지 90 중량%와 카르복실 셀루로오스 약 3 내지 5 중량%와, 폴리 에틸렌글리콜 약 1 내지 2% 및 기타 청정수 약 5 내지 40 중량%의 배합비율로 혼합된 것을 특징으로 하며, 이것을 1분당 100회전 이상의 회전속도로 혼합시킨 후 상온에서 약 6시간 동안 숙성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 황산 알루미늄과 시멘트 중의 석회 성분과 반응하여 시멘트 조직 내부에 침상의 팽창성 결정광물인 에트링가이트를 생성 시키고, 이때 에트링가이트의 생성시기는 경량기포 콘크리트의 수화 3일 후에 최대 생성하도록 폴리 에틸렌 글리콜을 사용하였다. 기존의 기포는 금속염에 의해 소포 되는 것이 일반적이나, 본 발명에서는 폴리 에틸렌 글리콜을 사용하여 수화 초기에는 금속염과 발생 기포 사이의 반응을 지연시키게 하였으며, 약 3일 후 생성기포가 안정이 된 후 시멘트 중의 석회 성분과 반응하여 에트링가이트를 생성시키도록 하였다. 이때 기포의 안정성 및 미세입자의 기포를 유지하기 위하여 카르복실 셀루로오스를 사용하였다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 예로 들어 설명하기로 하며, 후술한 실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

실시예 1에서는 경량 기포 콘크리트 1입방미터를 생성한다고 할 때, 기포제1kg과, 시멘트 320kg과, 물 192kg, 그리고 본발명의 혼화제(황산 알루미늄 550g, 폴리 에틸렌 글리콜 2g, 카르복실 셀루로오스 3g, 청정수 445g의 혼합물)1kg으로 배합하였다. 기포 발생기 및 혼합용기를 제자리에 배치하고 1배치의 재료를 다음의 순서에 따라 혼합한다.

① 동물성 기포제를 부피비로 물과 1:40의 비율로 혼합하여 희석한다.

② 희석된 기포액을 2.5∼2.7 bar의 압력으로 발포시킨다.

③ 혼합기 안에 시멘트와 물을 넣고 100rpm의 속도로 1분간 혼합한다.

④ 혼합기를 정지하고, ②항에 의한 생기포를 투입한다. 이때 미리 시간당 발생되는 기포의 량을 파악한 후 필요량만큼의 시간동안 기포를 투입한다.

⑤ 다시 100 rpm의 속도로 3분간 혼합한 후 혼합을 마친다.

상기와 같은 본 발명의 혼화제 특성을 확인하기 위해 각종 물리적 실험을 행하였다. 그 결과를 나타내었다.

1) XRD 및 SEM 분석결과

혼화제를 첨가한 기포 콘크리트(이하 "시험 콘크리트"라 한다) 및 혼화제를 첨가하지 않은 기포 콘크리트(이하 "기준 콘크리트"라 한다)의 재령 7일에서의 분말 X-선 회절분석 결과는 그림 1과 같다

그림에서 보면 기준 콘크리트는 재령 7일에서 C-H 수화물만 나타나고 있으며, 시험 콘크리트는 C-H 수화물 및 Ettringite의 생성 Peak를 확인할 수 있다. 일반적으로 보통 포트란드 시멘트에서 수화 초기에 시멘트 중의 C3A와 시멘트 응결조절제로 첨가된 석고의 반응에 의하여 Ettringite가 생성되나 이는 곧 Mono Sulfate로 상전이가 이루어져 Ettringite가 소멸된다. 기준 콘크리트에서 재령 7일 후의 XRD 결과는 이러한 원인에 의한 것으로 판단되며, 시험 콘크리트의 경우에는 재령 7일에서도 혼화제에 의해 Ettringite가 충분히 생성되어 있음을 확인할 수 있다. 시험 콘크리트의 재령 7일에서의 주사형 전자현미경 사진에서도 Ettringite의 생성을 확인할 수 있었다.

2) 밀도변화 시험결과

그림-3에 재령에 따른 밀도변화 시험결과를 나타내었다. 물/시멘트=60%, 배합밀도는 450kg/m³으로 하여 기준 콘크리트(a)와 혼화제를 시멘트량에 대해 중량비로 0.5% 혼합하여 시험한 시험 콘크리트(b)를 비교하였다.

기준 콘크리트의 경우 콘크리트 타설 직후의 밀도보다 재령이 경과 할수록 밀도가 높아지는데 이는 발생된 기포가 시간이 경과하면서 소포되어밀도가 높게 나타난 것으로 판단된다. 시험-1 콘크리트의 경우는 재령 7일이후 완만하게 밀도가 저하된 것을 볼 수 있으며 시험-2 콘크리트는 콘크리트 혼합 초기부터 밀도가 설계값보다 상당히 높게 나타난 것을 알 수 있다. 이는 역시 발생된 기포의 소포성과 관련이 있는 것으로 판단된다.

콘크리트 타설 초기에의 소포는 생성된 기포의 불안정성, 시멘트의 초기 수화반응, 수화열, 수화속도 등과 관련 있는 것으로 판단되나 시멘트 수화반응(수화열, 수화속도)과 기포의 소포와의 관계는 좀더 정확히 검토가 필요할 것으로 판단된다. type-2는 구성성분 상 시멘트의 수화속도 및 수화열이 보통 시멘트의 수화에 비하여 빠른 재료로 구성되어 있다. type-1은 시멘트의 조강성분이 주축이 되어 있어 성분상으로만 분석한다면 콘크리트의 초기 수화속도는 시험-2》 시험-1〉기준의 순서로 빠르게 나타난다. 기포 콘크리트의 초기의 밀도 차이는 초기 기포 막 주위를 둘러싼 시멘트 페이스트의 수화열에 의한 기포의 소포량과 관계되어진다고 추측된다. 시간이 경과 할수록 기준 콘크리트는 밀도가 증가하나 시험 콘크리트는 밀도가 감소하거나. 변화가 거의 미미한 상태를 보이고 있다. 이는 시멘트 페이스트가 초기에 빠른 수화가 일어나 안정된 상태로 존재하기 때문에 시험 콘크리트의 경우 밀도의 변화가 적은 것으로 추측된다.

그림 3 b)는 혼화제 type-1을 시멘트 paste 및 기포제에 혼합하였을 때의 밀도 변화를 나타낸 것으로서 콘크리트 혼합 초기에는 기준 콘크리트가 밀도가 적게 나타나나 시간이 경과하면서 소포 된 것을 알 수 있다. 또한 혼화제를 시멘트 페이스트에 혼합한 경우와 기포제에 혼합한 경우를 비교하여보면 기포제에 혼화제를 혼합한 경우가 밀도가 낮게 나타난 것을 볼 수 있다. 이는 혼화제가 생성된 기포를 안정화 시켜 소포를 방지하기 때문인 것으로 판단된다.

3) 압축강도 시험결과

기준 콘크리트와 혼화제 type-1, type-2가 혼합된 시험 콘크리트의 압축강도를 시험한 결과를 그림 4.에 나타내었는데, 역시 그림 3의 결과와 같이 단위체적중량이 클수록 압축강도가 크게 나타남을 알 수 있다. 그러나 혼화제를 사용한 콘크리트의 경우 초기재령(7일)에서 기준 콘크리트와 시험-1의 결과는 오히려 압축강도가 그림 3.4의 결과와 반대로 나타났다. 이는 혼화제에 의한 영향으로 판단되며, 혼화제에 의하여 수호초기의 조강성에 의하여 압축강도 증진의 효과가 나타난 것으로 추측된다. Fig.4-5의 결과를 보면 혼화제를 시멘트 페이스트에 넣어 혼합한 것이 압축강도의 발현이 큰데, 역시 상기에서 언급한대로 시멘트 페이스트에 혼화제를 혼합한 것이 시멘트 수화를 촉진시킴으로 인하여 압축강도가 크게 나타난 것으로 판단된다.

4) 균열발생 여부 시험결과

경량기포 콘크리트의 균열발생 여부를 시험하기 위하여 다음과 같은 몰드를 제작하여 시험하였으며. 몰드의 크기는 가로 50cm, 세로 30cm 높이 5cm로 하였다.

기준 콘크리트의 경우 재령 15일 이후부터 미세한 균열이 발생하기 시작하였으며 재령 23일에서는 완전히 코너부분을 관통하였다. 그러나 시험 콘크리트의 경우 재령 35일까지 전혀 균열의 발생이 없었다. 즉 혼화제 사용 경량기포 콘크리트는 현저하게 균열이 저감되는 효과를 확인할 수 있었다.

Claims (4)

1. 황산알루미늄 용액(알루미나 함량 8% 이상) 약 50 내지 90 중량%와 카르복실 셀루로오스 약 3 내지 5 중량%와, 폴리 에틸렌글리콜 약 1 내지 2% 및 기타 청정수 약 5 내지 40 중량%의 배합비율
2. 제 1 항에 있어서,

   팽창성 광물인 에트링가이트를 생성 시키기위한 재료로서 황산 알루미늄 수용액을 사용하는것
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   에트링가이트를 3일 후에 생성시킬 수 있도록 제어하기 위해 폴리 에틸렌 글리콜과 카르복실 셀루로오스를 사용하는 것
4. 제 1항에 있어서,

   미세하고 균일한 기포의 생성을 위하여 카르복실 셀루로오스를 사용하는 것