KR20010073807A

KR20010073807A - 발포 폴리머 콘크리트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20010073807A
Application number: KR1020000002672A
Authority: KR
Inventors: 정흥석; 유재형; 이민수
Original assignee: 장인순; 한국원자력연구소; 이광표; 주식회사 계림공영
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2001-08-03
Also published as: KR100376231B1

Abstract

본 발명은 발포 폴리머 콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 열경화성 고분자 수지 15∼50 중량, 모래 0∼80 중량, 충전재 5∼50 중량및 발포제 0.1∼1.5 중량로 구성되는 폴리머 콘크리트 조성물을 사용하여 제조되는 발포 폴리머 콘크리트 및 상기 조성물을 100∼200 ℃에서 30분∼2시간 동안 열처리하여 발포와 동시에 경화시켜 내부에 기공을 형성시키는 것을 특징으로 하는 발포 폴리머 콘크리트의 제조방법에 관한 것이며, 본 발명에 의한 발포 폴리머 콘크리트는 기계적 강도가 우수하고 가벼울 뿐만 아니라 단열, 방음 효과도 가지므로 구조재로 사용될 수 있다.

Description

발포 폴리머 콘크리트 및 그 제조방법 {Polymer concrete foam and preparation method thereof}

본 발명은 발포 폴리머 콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 열경화성 고분자 수지 15∼50 중량, 모래 0∼80 중량, 충전재 5∼50 중량및 발포제 0.1∼1.5 중량로 구성되는 폴리머 콘크리트 조성물을 사용하여 제조되는 발포 폴리머 콘크리트 및 상기 조성물을 100∼200 ℃에서 30분∼2시간 동안 열처리하여 발포와 동시에 경화시켜 내부에 기공을 형성시키는 것을 특징으로 하는 발포 폴리머 콘크리트의 제조방법에 관한 것이다.

폴리머 콘크리트를 제조하는 방법에는 일반적으로 세가지 방법이 있다.

첫째 방법으로는 기존의 포틀랜드 시멘트 결합제에 유기 고분자물을 첨가하여 강도를 보완한 PCC (Polymer-modified cement concrete)가 있다. 이 방법은 분산시킬 수 있는 유화입자나 고분자 분말 또는 그 단량체를 시멘트 결합제와 혼합하고 물을 섞음으로써 시멘트의 수화 작용과 동시에 시멘트층 위에 고분자 피막층이형성되어 내부를 보호하는 구조로 이루어진다.

두번째 방법은 골재의 결합제로서 순수한 고분자물을 사용하는 PC (Polymer concrete)이다. 이 방법은 결합제로서 고분자를 사용하기 때문에 일반적으로 보통 콘크리트에 비해서 강도, 접착력, 내구성, 내후성 및 화학적 저항성이 뛰어난 것으로 평가된다.

세 번째 방법으로는 이미 단단해진 시멘트로 이루어진 콘크리트물을 고분자 단량체로 함침시킨 PIC (Polymer Impregnated Concrete)가 있으나 실제 응용이 어렵고 비용이 많이 들어 잘 사용되고 있지는 않다.

이상과 같은 폴리머 콘크리트는 결합제로 시멘트 대신에 고분자를 사용하기 때문에 수분이나 공기의 침투가 용이하지 않아서 외부환경에 대한 내구성이 뛰어나며, 고분자와 골재와의 강한 결합력으로 인해 일반 포틀랜드 시메트를 결합제로 사용하는 시멘트 콘크리트에 비해서 압축 및 휨 강도가 우수하다고 알려져 있다. 따라서 장기간 내구성이 요구되는 통신용 멘홀이나 방사성 폐기물 용기 등의 제작에 사용되기도 하며, 일반 콘크리트로 만들어진 다리, 고속도로, 주차장 등의 보수공사에 이용된다. 그러나 고분자 수지로서 열가소성 수지를 사용하기 때문에 경화 수축의 문제를 피할 수 없었다.

한편, 경량 기포 콘크리트는 콘크리트 몰타르에 소포제와 물을 사용하여 기포를 발생시켜서 제조하는 것이 일반적이다. 이러한 경량 기포 콘크리트는 콘크리트는 저비중의 가벼운 재료로서 방열, 차음 및 진동 방지 재료로서 널리 사용되고 있으나, 충분한 강도를 지니지 못하기 때문에 구조재로는 사용되지 못하고 있는 실정이다.

이와 같이 종래 폴리머 콘크리트는 강도 등의 기계적 특성이 불량하고, 열가소성 수지를 사용하기 때문에 경화 수축의 문제가 있어 콘크리트 대용으로 사용하기에는 한계가 있었다.

이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 노력한 결과, 폴리머 콘크리트 성분으로 열가소성 수지 대신 열경화성 고분자 수지를 사용하고 발포제를 첨가하며 종래와는 달리 발포와 경화가 동시에 일어나는 제조방법을 통해 제조되는 발포 폴리머 콘크리트가 기계적 특성이 향상되고 경화 수축의 문제도 없다는 것을 알아냄으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 새로운 조성의 폴리머 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 상기 조성물을 이용하여 제조되는 기계적 강도가 우수한 발포 폴리머 콘크리트 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 열경화성 고분자 수지와 발포제를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 콘크리트 조성물을 제공한다.

또한 본 발명에서는 상기 폴리머 콘크리트 조성물로 제조되는 발포 폴리머 콘크리트 및 이의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 폴리머 콘크리트 조성물은 열경화성 고분자 수지와 발포제를 포함하고 있는 것이 특징이다. 종래 폴리머 콘크리트에서는 열가소성 수지를 사용하였으나 강도 등의 기계적 특성이 불량하고 경화 수축이 발생하는 문제점이 있었다. 반면 본 발명에서는 열경화성 수지를 사용함으로써 폴리머 콘크리트의 기계적 특성이 향상되었다. 또한 본 발명에 의한 폴리머 콘크리트 조성물은 발포제를 포함함으로써 상기 조성물로 제조되는 폴리머 콘크리트가 경화 수축되는 문제점도 경감되었다.

구체적으로 본 발명에 의한 폴리머 콘크리트 조성물은 열경화성 고분자 수지 15∼50 중량, 모래 0∼80 중량, 충전재 5∼50 중량및 발포제 0.1∼1.5 중량로 구성되는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하기로는 상기 폴리머 콘크리트 조성물은 열경화성 고분자 수지 15∼25 중량, 모래 45∼60 중량, 충전재 10∼30 중량및 발포제 0.7∼1.4 중량로 구성된다.

수지의 함량이 너무 작으면 입자간 결합력이 약해지고 기공이 잘 형성되지 않으므로 상기와 같은 조성비가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.

모래는 상기 조성물에 포함되지 않아도 발포된 경화체, 즉 발포 폴리머 콘크리트를 제조할 수 있으며, 상기 폴리머 콘크리트 조성물을 사용하여 발포 폴리머 콘크리트를 제조하는데 있어 모래의 함량은 제한이 되지 않는다.

충전재가 전혀 포함되지 않으면 상기 조성물을 사용하여 경화체를 제조할 때 기공 형성이 불량할 수도 있으므로 첨가하는 것이 바람직하나 50 중량는 넘지 않도록 하며, 본 발명에 있어 5∼50 중량, 더욱 바람직하게는 10∼30 중량첨가한다.

발포제는 일정 함량을 초과하게 되면 내압의 영향으로 상기 폴리머 콘크리트 조성물이 충분히 발포되지 않아 발포 효율이 감소하게 된다. 따라서 본 발명에서는 0.1∼1.5 중량, 더욱 바람직하게는 0.7∼1.4 중량 첨가한다.

본 발명에 의한 상기 폴리머 콘크리트 조성물에서 상기 열경화성 고분자 수지는 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 아크릴레이트 수지 및 스티렌 수지를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 불포화 폴리에스테르 수지를 사용한다.

일반적으로 폴리머 콘크리트에는 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 아크릴레이트 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등의 고분자 수지가 사용되고 있다. 에폭시 수지는 경화 거동을 조절하기가 용이하지 않아서 실제 콘크리트 제작에 어려움이 따르기는 하지만, 반응시 낮은 수축율과 골재와의 강한 결합력 등의 장점을 갖고 있다. 폴리우레탄은 에폭시 수지와 마찬가지로 축합 반응을 통해 결합하기 때문에 경화 반응을 조절하기가 용이하지는 않은 면이 있다. 이에 비해서 아크릴레이트수지나 불포화 폴리에스터 수지는 라디칼 반응을 통해서 경화가 일어나므로 용이하게 고형화를 조절할 수 있다. 특히 아크릴레이트 수지는 휘발성이 강하며 골재와의 결합력이 충분하지 않기도 하지만, 단량체로 주로 메틸 메타크릴레이트 (methyl methacrylate, MMA)를 사용하므로 낮은 점성으로 인해 쉽게 골재와 섞을 수 있다는 장점이 있다. 불포화 폴리에스테르는 폴리머 콘크리트 결합제로서 가장 널리 사용되는 물질로서, 골재와의 결합력이 좋고 분자량도 큰 장점이 있다. 액상의 불포화 폴리에스테르 등의 상기 고분자 수지는 하나의 분자에 여러 개의 미반응 이중 결합을 포함하고 있으며, 이 부분이 라디칼 반응을 하면서 경화를 유도하게 된다. 또한 불포화 폴리에스테르 외에도 스티렌 단량체를 수지 내부에 희석제로 첨가하여 수지의 점성을 낮춤으로써 작업성을 향상시킬 뿐만 아니라 가교도를 조절할 수 있다.

일반적으로 수지는 경화제를 사용하여 반응시키고 있으나, 본 발명에서는 경화제를 사용하지 않고 단지 열을 가하는 것만으로 경화 반응을 유도할 수 있다. 왜냐하면 본 발명에서는 상기 폴리머 콘크리트 조성물에 열을 가해 수지의 라디칼 반응을 유도할 뿐만 아니라 이와 동시에 발포도 같이 진행시키기 때문이다. 따라서 본 발명의 폴리머 콘크리트 조성물에 사용할 수 있는 수지에는 상기 언급된 종류 외에도 열경화가 가능한 모든 종류의 수지가 포함된다.

또한 본 발명에 의한 상기 폴리머 콘크리트 조성물에서 모래는 평균 직경이 1 ㎜ 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 평균 직경이 1∼0.1 mm의 가는모래를 사용한다. 모래는 그 크기가 작을수록 발포되는 기공의 분포를 균일하게 하는 효과가 있다. 또한 모래의 입자가 크게 되면 모래의 하중 때문에 수지층과 모래층이 분리되는 문제가 발생할 수 있고 경화체의 부피가 팽창할 때 전체적으로 불균일해질 수 있다.

충전재는 탄산 칼슘 (CaCO₃) 또는 플라이 애쉬 (fly ash)를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 평균 직경이 0.001∼0.1 ㎜인 것을 사용한다. 탄산 칼슘 또는 플라이 애쉬 미세 분말은 모래 사이에 스며들어 수지의 필요량을 감소시키고 경화체의 기계적 강도를 증가시키는 역할을 한다. 또한 상기 충전재는 발포시 생성된 기체가 모래 사이의 틈을 통해 외부로 빠져나가는 것을 막아 주고 경화되는 시간 동안 기공끼리 결합되는 것을 상당 부분 지연시키는 역할을 한다. 따라서 본 발명에 있어 수지와 모래만으로 이루어진 경화체보다는 상기 충전재가 첨가된 경화체가 발포 공정이 더욱 효율적이다.

본 발명의 발포제는 열에 의해 화학 작용으로 기체가 발생하는 화합물이면 모두 사용할 수 있으며, 일반적으로 미분말 형태이다. 바람직하기로는 아조 (azo)계 화합물을 사용한다.

또한 본 발명에 의한 폴리머 콘크리트 조성물은 상기 폴리머 콘크리트 조성물에 더하여 경화제를 0.2 중량이하 더 포함할 수도 있다. 이 때 경화제는 퍼록사이드 (peroxide)계 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서는 상기 폴리머 콘크리트 조성물로 제조되는 발포 폴리머 콘크리트를 제공한다.

또한 본 발명에서는 상기 폴리머 콘크리트 조성물을 100∼200 ℃에서 30분∼2시간 동안 열처리하여 발포와 동시에 경화시켜 내부에 기공을 형성시키는 것을 특징으로 하는 발포 폴리머 콘크리트의 제조방법을 제공한다.

일반적으로 수지를 포함하는 폴리머 콘크리트에서는 경화제를 사용하여 반응시키고 있으나, 본 발명에서는 경화제를 사용하지 않고 단지 열을 가하는 것만으로 경화 반응을 유도할 수 있다.

한편 본 발명에서는 발포 온도와 경화 온도의 조건이 중요하다. 경화가 먼저 진행되면 발포되지 않으며, 발포되고 오랜 시간이 지난 후에 경화가 일어나면 기포 폴리머 몰타르와 미경화 폴리머 몰타르가 분리되기 때문이다. 따라서 상기 폴리머 콘크리트 조성물이 발포된 후 곧바로 경화되도록 할 필요가 있다. 또한 온도가 너무 낮으면 발포 효율이 낮아지고, 더 낮아지게 되면 열경화가 일어나지 않게 된다. 반면 온도가 너무 높으면 발포 속도에 비해 경화 속도가 더 빨라지고, 온도가 더 높아지면 오히려 유기 결합제, 즉 열경화성 수지가 열분해될 수도 있다. 상기 요인을 고려해 볼 때 발포 및 경화 온도는 사용하는 발포제의 하한 발포 온도와 비슷하게 하는 것이 바람직하며, 본 발명에 있어 좀 더 구체적으로는 100∼200 ℃가 바람직하다.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다.

단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1∼13> 발포 폴리머 콘크리트의 제조 및 특성

하기 표 1과 같은 조성비의 폴리머 콘크리트 조성물을 혼합하고 표 1의 온도와 시간 조건으로 발포 폴리머 콘크리트를 제조하였다.

성형 몰드는 두 가지 형태의 알루미늄 금형 (직경 25 mm, 길이 50 mm 원통형 5개가 직렬로 배열된 형태와 두께 20 mm, 너비 20 mm, 길이 90 mm인 빔 형태의 틀 5개가 직렬로 배열된 형태)을 사용하였다. 금형은 상부를 금속판으로 밀폐하고 금형 상단에 너비 2mm×두께 3mm 크기의 창을 대칭으로 2개 만들어 발포되어 넘치는 내용물이 외부로 빠져나가도록 하였다. 혼합물이 담긴 금형은 미리 가온된 고온실에서 정해진 시간 동안 방치하여 발포시켰다. 실험 후 경화된 시험체는 분쇄하여 기공의 유무와 기공의 크기를 확인하였다.

결합제인 불포화 폴리에스테르 수지는 KL-103 (III액형) (애경 화학)을 사용하였고, 모래는 직경 0.2∼0.6 mm의 진성소재 6호 규사를 사용하였으며, 충전재로는 탄산칼슘 분말 (1급 시약) (동양 화학)을 사용하였다.

발포제는 발포 온도가 다른 것으로 발포 온도 200∼230 ℃인 UNICELL-D1100 (동진 쎄미켐)와 발포 온도 140∼145 ℃인 UNICELL-DL31 (동진 쎄미켐)을 사용하였다. UNICELL-D1100은 아조디카본아미드 (Azodicarbonamide 또는 Azobisformamide)계 물질로서 일반 플라스틱과 고무 등에 효과적인 발포제로 알려져 있으며, 실제 발포 온도인 200∼230 ℃보다 낮은 온도에서도 발포가 가능한 물질이다. 또한 UNICELL-DL31은 아조디카본아미드를 변형시켜 빠른 분해 속도를 갖게 한 물질이다.

경화제는 메틸에틸케톤 퍼록사이드 (Methyl ethyl ketone peroxide, MEKP, 애경 화학)를 사용하였고 경화촉진제는 코발트 옥토에이트 (Cobalt Octoate, 애경 화학)를 사용하였다. 계면 활성제는 소듐 도데실벤젠 설포네이트 (Sodium Dodecylbenzene sulfonate) (Junsei Chemical)를 사용하였고, 이응제는 녹는점 60∼70℃인 파라핀을 사용하였다. 이하 모든 실시 예에서 특별한 언급이 없는 한 사용한 물질 및 금형은 이상 언급된 것과 같다.

폴리머 콘크리트 조성물 및 발포 조건

실시예번호	폴리머 콘크리트 조성물의 함량 (g)	발포 조건
실시예번호	수지	경화제	모래	충진재	발포제	계면활성제	온도(℃)	시간
1	17	0.34	66.4	16.6	0.68^a	0	190	1
2	17	0	66.4	16.6	0.68^a	0	190	1
3	17	0	60	16	0.68^a	0	170	2
4	17	0	60	16	0^a	0	170	2
5	17	0	60	16	1.4^a	0	170	2
6	17	0	60	0	0.68^a	0	170	2
7	36	0	60	16	0.68^a	0	170	2
8	17	0	0	16	0.68^a	0	170	2
9	17	0	60^c	16	0.68^a	0	170	2
10	27.5	0	60	20	0.68^b	0	150	2
11	20	0	64	20	0.7^b	2.7	150	2
12	20	0	64	20	0.7^b	0.2	150	2
13	28	0	0	28	0.7^b	0	110	-
a : UNICELL-D1100 (발포온도 200∼230℃, 동진 쎄미켐)b : UNICELL-DL31 (발포온도 140∼145℃, 동진 쎄미켐)c : 모래 대신 직경 약 10 mm인 쇄석암을 사용함

(1) 경화제 첨가 유무에 따른 영향 (실시예 1∼실시예 2)

경화제가 포함된 상기 실시예 1의 경우 제조된 경화체 (발포 폴리머 콘크리트)는 내부에 직경 1 ㎜ 이하의 미세한 기공이 소량 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이 경우 경화제의 효과로 인해 발포되는 것이 비해 폴리머 콘크리트의 경화가 더 빠르게 진행되는 것으로 판단되었다.

반면 경화제를 포함하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건인 실시예 2의 경우, 제조된 경화체는 내부에 직경 0.1∼5 ㎜인 상대적으로 크기가 큰 기공이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 또한 이 경우 발포 온도를 상대적으로 고온인 190℃로 설정하였기 때문에 수지에 함유되어 있던 스티렌 단량체 중 일부가 외부로 증발하였다.

(2) 폴리머 콘크리트 조성물의 성분 및 비율 변화에 의한 영향 (실시예 3∼실시예 9)

발포제의 함량이 0.68 g (0.73 중량)인 실시예 3의 경우, 제조된 경화체에는 크기가 비교적 큰 기공이 형성되었다. 이때 발포제로 사용한 물질의 발포 온도인 200∼230℃보다 낮은 온도인 170℃에서도 경화체를 발포시킬 수 있었으며, 단지 기체 발생 속도가 느려질 뿐이었다.

발포제를 첨가하지 않는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 조건인 실시예 4의 경우, 경화체 표면에서는 공기 구멍을 발견할 수 있었다. 그러나 경화체를 분쇄하여 내부를 관찰했을 때에는 육안으로는 기공이 형성된 것을 발견할 수 없었다. 상기 표면의 기공은 불포화 폴리에스테르에 함유되어 있는 스티렌 단량체의 끓는점이 낮아 이것이 증발되어 형성된 것으로 생각된다.

발포제의 함량을 1.4 g (1.48 중량)으로 증가시킨 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 조건인 실시예 5의 경우, 제조된 경화체는 뚜렷한 발포량의 증가가 보이지 않았다. 이것은 몰드 내부의 압력으로 인해 발포로 인한 팽창이 방해받기 때문인 것으로 생각된다.

충전재를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 조건인 실시예 6의 경우, 제조된 경화체에서 기공을 발견할 수 없었다. 이것은 경화되기 전에 이미 발포제로부터 생성된 기체가 모두 외부로 빠져나갔기 때문으로 생각된다.

수지의 함량을 36 g (61.9 중량)로 과량 첨가한 것을 제외하고는 실시예 3과동일한 조건인 실시예 7의 경우, 발포량이 증가하였다. 그러나 모래가 경화체의 하부에 집중적으로 분포되고 상부에는 모래 성분보다는 수지와 충전재가 집중적으로 분포되었다. 또한 수지 성분이 많아 폴리머 몰타르의 점도가 낮아지게 되어 모래와 수지의 밀도차로 인해 경화되기 전에 모래가 가라앉았다.

모래를 아예 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 조건인 실시예 8의 경우, 제조된 경화체 내에서 크기가 큰 기공을 많이 발견할 수 있었다. 반면 약한 충격에도 경화체가 쉽게 파손되는 단점이 있었다.

모래 대신에 골재로서 직경 약 10 ㎜로 균일한 크기를 가진 쇄석암을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 조건인 실시예 9의 경우, 제조된 경화체 내에서 크기가 큰 풍부한 기공을 발견할 수 있었다. 그러나 발포로 인해 경화체의 부피가 팽창했음에도 불구하고 골재는 움직이지 않고 나머지 성분들만 팽창되는 단점이 있었다.

(3) 발포제 종류에 따른 영향 (실시예 10)

실시예 3에서 사용한 발포제 (발포 온도 200∼230℃)보다 발포 온도가 낮은 발포제 (발포 온도가 140∼145℃)를 사용하여 150℃에서 발포시킨 실시예 10의 경우, 제조된 경화체를 분쇄하여 내부에 생성된 기공과 무게의 차이를 조사하였으나 실시예 3의 경우와 비교하여 발포 효과의 차이는 발견할 수 없었다.

(4) 계면 활성제 첨가에 따른 영향 (실시예 11∼실시예 12)

일반적으로 계면 활성제는 폴리머 몰타르 내 수지와 모래 및 생성되는 기체의 안정성을 도모하기 위해 첨가되고 있다. 본 발명에 의한 폴리머 콘크리트 조성물에서도 계면 활성제를 첨가하여 이러한 효과를 얻을 수 있는지 알아보았다.

계면 활성제를 2.7 g 첨가한 실시예 11의 경우, 제조된 경화체는 내부 기공이 경화체 중심부에 밀집하여 기공의 분포가 불균일해지는 단점이 나타났다. 또한 몰드 금형에 바른 파라핀 이응제가 계면 활성제의 영향으로 경화체 내부로 섞여 들어가게 되며, 몰드 금형과 경화체와의 이응성이 불량해졌다.

계면 활성제의 함량을 0.2 g으로 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 11과 동일한 조건인 실시예 12의 경우, 경화체 내부 중심부로 기공이 모여 있었다. 몰드 금형과 경화체와의 이응성은 실시예 11에 비하면 좋아지긴 하였으나 여전히 불량하였다.

(5) 발포 온도에 따른 발포 시간 변화 (실시예 13)

실시예 13은 모래를 빼고 실시예 3에서 사용한 발포제 (발포 온도 200∼230℃)보다 발포 온도가 낮은 발포제 (발포 온도가 140∼145℃)를 사용하여 상부가 열린 투명한 병에서 110℃의 저온으로 발포시켰다. 이 때 열처리를 시작하고 나서 10∼20분 정도가 지나면서 병 속의 몰타르 내에서 기포가 형성되면서 팽창하였으며, 5회에 걸쳐 반복 실험하였으나 발포되기 시작하는 시간은 일정하였다.

<실시예 14∼20> 발포 폴리머 콘크리트의 제조 및 밀도 분석

하기 표 2와 같은 조성비의 폴리머 콘크리트 조성물은 혼합하고 혼합물이 담긴 금형을 하기 표 2의 고온으로 가온된 고온실에 2시간 동안 방치하여 발포 폴리머 콘크리트를 제조하였다. 이 때 수지, 모래 및 충전재는 상기 실시예 1∼실시예 13에 기재된 것을 사용하였고, 발포제는 발포 온도가 발포 온도 140∼145 ℃인 UNICELL-DL31 (동진 쎄미켐)을 사용하였다. 상기와 같이 제조된 원통형 시편 (금형은 실시예 1∼실시예 13에 기재된 것을 사용)의 무게를 측정하고 이를 바탕으로 시편의 밀도를 계산하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

폴리머 콘크리트 조성물의 조성비, 발포 온도 및 경화체의 밀도

실시예번호	폴리머 콘크리트 조성물의 함량 (g)	발포 온도(℃)	밀도^a(g/cm³)
실시예번호	수지	발포 온도(℃)	밀도^a(g/cm³)	모래	충전재	발포제
14	140	300	120	4	170	1.631±0.088
15	140	250	170	4	170	1.725±0.006
16	140	400	120	4	170	1.739±0.043
17	140	300	120	8	170	1.437±0.014
18	140	300	120	8	100∼110	1.805±0.008
19	140	300	120	8	140	1.470±0.006
20	140	300	120	8	150	1.533±0.007
a: 5개 시편의 평균

상기 표 2에서 볼 수 있듯이, 전체적으로 밀도가 작고 균일하여 본 발명에 의한 폴리머 콘크리트에 기공이 많이 생겨 경량화 효과를 이룰 수 있음을 확인하였다. 한편 발포제를 소량 첨가한 경우 (실시예 14, 0.7 중량)보다는 동일한 조건에서 발포제를 보다 많이 첨가한 경우 (실시예 17, 1.4 중량)에 밀도가 더 낮았다. 모래의 경우 함량이 어느 이상으로 증가하면 밀도가 약간 증가하였다 (실시예 14의 53.2 중량및 실시예 16의 60.2 중량). 발포 온도의 경우 발포제의 발포 온도인140∼145℃와 같게 한 경우 밀도가 가장 낮았으며, 그보다 높거나 낮은 경우, 특히 낮은 경우에는 밀도가 약간 증가하였으나 여전히 우수한 밀도를 보였다.

이와 같이 본 발명에 따른 폴리머 콘크리트 조성물을 사용하여 발포 폴리머 콘크리트를 제조할 경우, 그 밀도가 작아 경량화 효과를 이룰 수 있고 내부에 많은 기공을 포함하고 있으므로 열전도도가 낮으며 방음, 단열 효과가 우수하다.

<실시예 21∼24> 변형된 금형을 사용한 발포 폴리머 콘크리트의 제조

금형의 구조가 폴리머 콘크리트의 특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 변형된 금형을 사용하여 하기 실험을 실시하였다.

두 가지 형태의 금형 (직경 25 mm, 길이 50 mm인 원통형 5개가 직렬로 배열된 형태와 두께 20 mm, 너비 20 mm, 길이 90 mm인 빔 형태 틀 5개가 직렬로 배열된 형태)의 홀수번째 칸에 하기 표 3의 폴리머 콘크리트 조성물을 채웠다. 금형의 상부는 금속판으로 밀폐되었으며 금형 상단에 너비 2 mm × 두께 3 mm 크기의 창을 대칭으로 2개 만들어 발포되어 넘치는 내용물이 외부로 빠져나가도록 하였다. 이와는 별도로 금형 상단에 너비 15 mm × 두께 2 mm 크기의 창을 대칭으로 2개 만들어 발포되어 넘치는 내용물이 원활하게 옆 칸 (짝수번째 칸)으로 빠져나가도록 하였다. 폴리머 콘크리트 조성물이 담긴 금형을 하기 표 3의 발포 온도로 미리 가온시킨 고온실에서 두 시간 동안 방치하여 발포 폴리머 콘크리트를 제조하였다. 본 실시예에서 사용한 폴리머 콘크리트 조성물의 조성비, 발포 온도 및 제조된 발포 폴리머 콘크리트 (경화체)의 밀도를 하기 표 3에 나타내었다.

실시예번호	폴리머 콘크리트 조성물의 함량 (g)	발포온도(℃)	밀도^a(g/cm³)
실시예번호	수지	발포온도(℃)	밀도^a(g/cm³)	모래	충전재	발포제
21	98	210	84	5.6	130~140	1.350±0.044
22	98	210	84	5.6	140~150	1.427±0.010
23	98	210	84	2.8	140	1.335±0.030
24	130	130	130	5.6	140	1.175±0.009
a : 3개 시편의 평균

중량비로 수지 : 모래 : 충전재 : 발포제 = 24.6 : 52.8 : 21.1 : 1.4 의 조성을 갖는 조성물을 사용하여, 변형된 금형에서 제조된 실시예 21 및 실시예 22의 발포 폴리머 콘크리트는 밀도가 각각 1.350±0.044 g/㎤, 1.427±0.010 g/㎤ 이었다. 반면 이와 동일한 조성비의 조성물로 제조된 상기 실시예 19 및 실시예 20의 폴리머 콘크리트는 밀도가 각각 1.470±0.006 g/㎤, 1.533±0.007 g/㎤ 이었다. 즉 변형된 금형을 사용한 경우 같은 조건에서 발포시 기포가 훨씬 원활하게 생성되어 밀도가 작아진 것을 알 수 있었다. 따라서 경화체를 발포시킬 때에는 내용물이 압력을 받지 않도록 몰드 금형을 개량하여 사용하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.

한편 실시예 23에서는 실시예 21 및 실시예 22과 비교하여 발포제의 양을 절반으로 줄였으나 제조된 폴리머 콘크리트의 밀도는 1.335±0.030 g/㎤로 여전히 우수하였다. 즉 발포제의 양이 일정량 이상이 되면 더 이상 발포 효과가 증가하지 않는다는 것을 알 수 있었다.

<실시예 25> 금형을 사용하지 않은 발포 폴리머 콘크리트의 제조

금형을 사용하지 않을 경우 제조되는 발포 폴리머 콘크리트의 특성을 알아보기 위하여, 얇은 공간에서 폴리머 콘크리트 조성물을 시트 (sheet) 형태로 제조하였다.

금속판으로 이루어진 높이 10 mm 두께의 공간에서 조성비가 상기 실시예 22와 동일한 폴리머 콘크리트 조성물 50 g을 140℃에서 열처리하였다. 폴리머 몰타르가 발포되면서 자유롭게 360도 방향으로 팽창되도록 사방의 면에는 충분한 빈 공간을 두었다. 이때 만들어진 시트는 금형 속에서 만든 경화체에 비해서 기공이 풍부한 장점은 있었으나 기계적 강도는 다소 떨어지는 단점이 있었다.

<비교예> 무발포 폴리머 콘크리트의 제조

발포를 시키지 않고 상온 경화된 폴리머 콘크리트를 제조하여 본 발명의 발포 폴리머 콘크리트와 비교하였다.

골재 300 g, 충전재 120 g, 경화제인 메틸에틸 케톤 퍼록사이드 (Methylethyl Ketone Peroxide) 2 g, 상온 경화시키기 위한 경화 촉진제인 코발트 옥토에이트 (Cobalt Octoate) 4 mg 및 수지 140 g을 골고루 섞고 (조성비는 상기 실시예 24와 동일), 두 가지 형태의 금형 (직경 25mm, 길이 50mm 원통형 5개가 직렬로 배열된 형태와 두께 20mm, 너비 20mm, 길이 90mm 빔 형태의 틀 5개가 직렬로 배열된 형태)에 각각 채웠다. 금형의 상부를 금속판으로 밀폐하고 상온에서 하루 동안 경화시켜 무발포 폴리머 콘크리트를 제조하였다. 제조된 원통형 시편의 무게를 측정하여 밀도를 계산한 결과, 1.964±0.007 g/㎤ 로 매우 높았다.

<실험예 1> 수축성 측정

일반적으로 폴리머 콘크리트의 제조시에는 경화 수축되는 문제가 있으나, 본 발명에 의한 폴리머 콘크리트는 발포와 경화가 동시에 일어나므로 발포시 팽창 특성으로 인해 경화 수축되지 않았다.

한편 열경화된 후 상온으로 식으면서 열수축 현상이 나타났다. 상기 실시예 21 내지 실시예 23의 조성으로 원통형 금형을 사용하여 제조된 원통형 폴리머 콘크리트의 직경 크기를 조사한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

열수축 결과

실시예 번호	원통 직경 감소율
21	0.8∼1.0
22	0.8∼1.0
23	1.6
24	1.8

실시예 21 및 실시예 22의 경우 열수축은 극히 미미하였다. 반면 실시예 23의 경우 직경 감소율이 1.6로 약간 증가하였는데, 이것은 발포제의 양이 감소했기 때문으로 판단된다. 또한 실시예 24의 경우에도 직경 감소율이 1.8로 약간 증가하였는데, 다른 실시예에 비해 열경화성 수지의 함량이 비교적 높아 그만큼 열수축이 많이 일어났기 때문으로 판단된다. 그러나 모든 경우에 있어 열수축율은 2미만으로 극히 작았기 때문에, 본 발명에 의한 폴리머 콘크리트의 제작에는 일반적으로첨가되는 수축 방지제를 첨가할 필요가 없는 것으로 판단되었다.

<실험예 2> 기계적 강도 측정

실시예 14 내지 실시예 24에서 제조된 폴리머 콘크리트에 대하여 강도를 측정하였다.

압축 시험은 직경 25 mm, 길이 50 mm인 원통형 시편을 압축시험기에서 압축력을 가해서 파괴시의 힘을 측정하고, 이 힘의 크기를 시편의 단면적으로 나누어 압축 강도를 산출하였다. 휨 시험은 두께 20 mm, 너비 20 mm, 길이 90 mm인 빔 형태의 시편을 스팬 (Span) 간격 50 mm로 하여 압축시험기를 사용하여 3점 휨 강도 시험을 실시하고, 하기 수학식 1에 의해 휨 강도를 계산하였다.

휨 강도 = (3×스팬×파괴력)/(2×너비×두께2)

그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

기계적 강도

실시예 번호	압축 강도 (kgf/cm²)	휨 강도 (kgf/cm²)
14	516±11	166±10
15	627±01	225±07
16	265±30	165±12
17	480±27	150±24
18	624±01	235±10
19	523±06	169±05
20	574±17	191±09
21	317±23	126±11
22	437±08	156±09
23	173±05	-
24	304±27	142±13
일반 시멘트 콘크리트^a	~200	~40
a : 참고문헌 "Composition and Properties of Concrete",G.E.Troxell et., 2nd Ed., McGRAW-HILL Com., p231.

상기 표 5에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의한 폴리머 콘크리트의 기계적 강도는 일반 시멘트 콘크리트의 강도에 비해서 우수하였다.

한편 실시예 14 내지 실시예 16은 밀도가 비슷하였으나, 상기 표 5에서 볼 수 있듯이 모래보다는 충전재를 더 많이 첨가한 경우 (실시예 15) 강도가 우수하였다. 또한 동일한 조건에서 발포 온도를 달리한 실시예 17 내지 실시예 20에서, 발포 온도가 낮을 경우 (실시예 18) 밀도는 약간 높았으나 기계적 강도를 우수하였다.

<실험예 3> 열전도도 측정

본 발명에 의한 폴리머 콘크리트에 대하여 열선법 (KS L 3306, 두 개의 시편 표면 (20 mm×40 mm) 사이에 열선을 집어넣고 내부 표면과 외부 표면의 온도를 측정하여 열전도도를 구함)으로 열전도도를 측정하였다. 사용된 시편의 크기는 두께 10 mm, 폭 20 mm, 길이40 mm 였으며 열선이 닿는 면은 구멍이 드러나지 않은 깨끗한 면을 사용하였다.

열전도도

실시예 번호	21	22	24	25	비교예	일반 시멘트콘크리트
열전도도 (Wm^-1K^-1)	0.465	0.550	0.392^a	0.397	1.167	1.4∼3.6^b
a : 실시예 24의 시편은 표면에 기공이 많았기 때문에 열선과 접촉 문제로열전도도가 약간 다를 수도 있다.b : 참고문헌 "properties of Concrete", A.M. Neville, 3rd ed., Pitman Publishing Ltd., p488.

상기 표 6에서 볼 수 있듯이, 무발포 폴리머 콘크리트인 비교예의 경우 열전도도가 1.167 Wm^-1K^-1이고 일반 시멘트 콘크리트의 경우 1.4∼3.6 Wm^-1K^-1이 일반적이다. 반면 본 발명에 의한 폴리머 콘크리트는 열전도도가 약 0.5 Wm^-1K^-1이하로 우수하였다. 따라서 본 발명에 의한 폴리머 콘크리트는 단열 효과가 우수할 것으로 기대되며 건축 자재로 유용하게 사용될 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 발포 폴리머 콘크리트는 휨 강도나 압축 강도에 있어 일반 시멘트 콘크리트보다 우수한 기계적 강도를 지니고 있으며, 발포제를 첨가함으로써 일반적인 폴리머 콘크리트에서 문제점으로 지적되어 온 경화 수축의 문제가 해결되었다. 또한 내부에 기공이 형성되어 있기 때문에 경량화를 이룰 수 있고 차음 및 진동 방지의 효과가 있으며, 열전도도가 작아 단열효과가 우수하다. 따라서 본 발명에 의한 발포 폴리머 콘크리트는 일반 구조재로 사용될 수 있으며, 건축 구조재로 사용될 경우 구조재 외에 부가적으로 설치되는 방열, 차음 및 진동 방지 재료의 소요량을 상당 부분 낮출 수 있다 또한 발포 폴리머 콘크리트의 가벼운 특성을 이용하면, 구조재를 미리 만든 후 필요한 곳으로 운반하여 설치하는 조립식 건축물 구조 재료로도 유용하게 사용될 수 있다.

Claims

열경화성 고분자 수지 15∼50 중량, 모래 0∼80 중량, 충전재 5∼50 중량및 발포제 0.1∼1.5 중량로 구성되는 폴리머 콘크리트 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 성분에 더하여 경화제를 0.2 중량이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 콘크리트 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 열경화성 고분자 수지는 불포화 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 아크릴레이트 수지 및 스티렌 수지를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폴리머 콘크리트 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 모래는 평균 직경이 1 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 폴리머 콘크리트 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 충전재는 탄산 칼슘 (CaCO₃) 또는 플라이 애쉬 (fly ash)인 것을 특징으로 하는 폴리머 콘크리트 조성물.
제 5 항에 있어서, 충전재는 평균 직경이 0.001∼0.1 ㎜인 것을 특징으로 하는 폴리머 콘크리트 조성물.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 발포제는 아조 (azo)계 화합물인 것을 특징으로 하는 폴리머 콘크리트 조성물.
제 2 항에 있어서, 경화제는 퍼록사이드 (peroxide)계 화합물인 것을 특징으로 하는 폴리머 콘크리트 조성물.
제 1 항의 폴리머 콘크리트 조성물로 제조되는 발포 폴리머 콘크리트.
제 1 항의 폴리머 콘크리트 조성물을 100∼200 ℃에서 30분∼2시간 동안 열처리하여 발포와 동시에 경화시켜 내부에 기공을 형성시키는 것을 특징으로 하는 발포 폴리머 콘크리트의 제조방법.