KR20010089845A - 커들란과 염기성 물질로 구성되는 분리저감제 조성물 및이를 포함하는 수경성 조성물 - Google Patents

커들란과 염기성 물질로 구성되는 분리저감제 조성물 및이를 포함하는 수경성 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미생물 다당류의 일종인 커들란(curdlan)과 염기성 물질로 구성되는 분리저감제 조성물 및 상기 분리저감제를 포함하는 수경성 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 커들란의 발효액 또는 정제된 커들란 분말을 염기성 용매와 혼합하여 점도가 증가된 커들란 염기성 용액으로 구성되는 분리저감제 및 이를 분리저감제로 포함하는 콘크리트 또는 몰타르와 같은 수경성 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따라 상기 커들란 염기성 용액을 분리저감제 조성물로 사용함으로써, 비교적 적은 양의 커들란으로 재료의 분리가 효과적으로 방지됨과 동시에 유동성이 증가되는 이점이 있다.

Description

커들란과 염기성 물질로 구성되는 분리저감제 조성물 및 이를 포함하는 수경성 조성물{Segregation reducing agent consisting of curdlan and alkaline solution and hydraulic composit containing the segregation reducing agent}
콘크리트 주재료는 시멘트, 물, 잔골재, 굵은 골재로 인식되어 왔으나, 콘크리트의 고강도화, 고내구성화, 시공의 합리화에 대한 중요성이 부각됨에 따라 다양한 기능을 갖는 혼화제의 개발에 박차를 가하게 되었다. 이러한 혼화제의 대표적인 것으로는 AE제(air entrainment agent), 감수제, AE 감수제 등의 화학 혼화제를 들 수 있는데, 이들의 주기능은 콘크리트 작업성의 개선, 동결융해에 대한 저항성 부여, 감수효과에 의한 시멘트 양의 저감 및 강도 증진에 있으며, 콘크리트의 다섯번째 주성분으로서 인식되게 되었다. 이 중 감수제는 사용시 10 내지 30 % 정도의 감수효과를 거둘 수 있으나, 이와 동시에 감수제의 사용량이 많으면 공기량이 증가하거나 재료가 분리되는 등 콘크리트 물성에 나쁜 영향을 끼친다. 이러한 부작용을 억제하기 위하여 다당(polysaccharide)을 콘크리트 혼화제로서 사용하여 왔으며, 이러한 다당의 기능은 콘크리트의 점도를 강화하는 것으로 궁극적으로는 재료분리를 억제하고 유동성을 증가시키는 것이다.
일반적으로 많은 종류의 미생물이 다당을 생산하는 것으로 알려져 있는데, 미생물이 체외로 분비하는 다당류는 생산 균주와 배양 방법 등에 따라 분자량, 구성당의 종류, 결합순서, 결합양식, 결합위치 및 가지(branch) 유무 등의 면에서 크게 다르며, 이들은 젤(gel) 형성능, 유화 안정성, 표면장력 조절능, 물 흡수능, 점착능, 윤활능 및 필름 형성능에 있어서 각기 다른 특성을 갖는다. 미생물이 생산하는 다당은 식품, 화장품, 석유산업 및 제지산업 등 각종 산업의 중요한 소재로 사용되어 왔는데, 식품 산업에서는 안정제, 유화제 또는 점증제로서 사용되며, 석유화학 산업에서는 굴착이나 원유의 회수공정 등에 사용되고 있다. 최근에는 선박의 난류억제(drag reduction) 및 고부가가치 생물소재 의약품으로도 응용되고 있을 뿐만 아니라 건축용 혼화제로서의 새로운 용도가 개발되었다.
미생물이 생산하는 다당류 중 커들란은 애그로박테리움(Agrobacterium) 속 균주와 알칼리제네스 패칼리스(Alcaligenes faecalis) 균주가 미생물 체외로 배출하는 다당류로, 포도당 단량체가 베타-1,3으로 결합한 불수용성인 중성 다당이다.이 단일 다당(homopolymer)은 열을 가하였을 때 비가역적으로 젤을 형성하는 특이한 물리화학적 특성을 가지고 있어 식품에 점증제로서 첨가될 뿐만 아니라 젤리식품, 식이섬유, 필름 및 고정화 담체 등의 폭넓은 용도로 사용되고 있다(Paul et al.,Biotechnol. Adv., 4: 245-259, 1986). 특히 이 커들란의 콘크리트 재료 분리저감제로의 용도에 대해서는 이미 여러 특허들이 출원되어 있다.
대성건설과 다케다 약품공업은 대한민국 특허 제144454호(1998년)에, 분말 형태의 베타-1,3-글루칸을 초성형제를 함유하는 수경성 조성물에 첨가하여, 수경성 조성물의 점도를 증가시킴으로써, 재료의 분리를 억제하고 콘크리트의 유동성을 증가시킬 수 있음을 기재하고 있다. 그러나 이 발명에서는 사용된 커들란의 양이 콘크리트 단위 부피(m3) 당 최소 1.36 내지 2.96 kg으로 그 사용량이 많고 이로 인해 콘크리트의 가격이 크게 상승되는 문제점이 있다.
또한, 다께다는 커들란 자체만으로는 점도가 충분히 높지 않아 콘크리트 제조시 분리저감의 효과가 적은 단점을 해결하기 위하여 커들란 생산 용액에 점도가 높은 쟌탄(xanthan) 또는 메틸화 셀룰로오스(methylated cellulose) 등과 같은 고점도의 다당류를 혼합하여 분말화한 다음 분리저감제로 사용하는 방법을 미국 특허 제5376173호(1994년)에 보고하였다. 그러나, 이 방법 역시 사용된 커들란과 다른 다당류의 혼합물의 양이 1.6 kg/(m3콘크리트)로 제조비용이 비싼 단점이 있다.
또한, 미국특허 제5573589호는 커들란을 화학적으로 변형시켜서 이용하는 방법으로 커들란에 설페이트(SO3-)를 처리하여 커들란 설페이트를 만들어 사용하는방법을 제시하였다. 이때 커들란 설페이트 제조에 사용된 커들란의 양은 용도에 따라 1.75 내지 3.15 kg/(m3콘크리트) 이었다.
이러한 일련의 선행발명을 살펴볼 때 커들란 또는 그 유도체들을 콘크리트 분리저감제로 사용하기 위해서는, 분말을 제조하는 공정이 필요하고 그에 따른 경비가 소요되며, 점도를 배가하기 위하여 사용되는 유도체 또는 보조물에 대한 부대 비용이 필요하며, 또한 분리저감제로서의 효과를 거두기 위해서는 분말 상태의 제제를 콘크리트 1 루베(1 m3)당 1.0 kg 이상 첨가하여야 한다.
따라서, 이러한 비용을 절감하고 제반 공정을 단순화하기 위해서 제조방법이 간단하고 적은 양의 커들란 사용으로도 그 효과가 뛰어난 분리저감제의 개발이 요구되어 왔다.
이에 본 발명자들은 효과가 뛰어나고 간단히 제조할 수 있는 커들란을 이용한 분리저감제를 연구하던 중, 커들란의 분말 또는 커들란을 포함한 발효액을 염기성 용액으로 만들어 커들란 용액의 점도를 높임으로써 약 0.48 kg/(m3콘크리트)의 적은 양의 커들란으로 분리저감 효과를 극대화할 수 있으며, 커들란의 생산 발효원액을 사용함으로써 분말화에 필요한 장치 및 공정비용을 절감할 수 있음을 발견하고 보다 효과적인 수경성 물질용 분리저감제를 제공함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 미생물 다당류의 일종인 커들란(curdlan)과 염기성 물질로 구성되는 분리저감제 조성물 및 상기 분리저감제를 포함하는 수경성 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 커들란의 발효액 또는 정제된 커들란 분말을 염기성 용매와 혼합하여 점도가 증가된 커들란 염기성 용액으로 구성되는 분리저감제 및 이를 분리저감제로 포함하는 콘크리트 또는 몰타르와 같은 수경성 조성물에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 커들란 발효액 또는 커들란 분말에 염기성 물질을 가하여 커들란 염기성 용액을 만들어 점도를 극대화한 분리저감제 조성물 및 이를 포함하는 수경성 조성물을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 탄소원으로 설탕 또는 원당을, 질소원으로 염화암모늄을, 그리고 기타 무기염을 배지조성으로 하는 발효배지에서, 미생물을 배양하여 미생물이 생산하여 세포 외로 배출한 커들란을 사용하는데, 본 발명에서는 정제되지 않은 형태의 커들란이 사용되지만 필요하다면 정제하여 사용할 수 있다.
커들란의 정제 방법은 다음과 같다. 커들란을 다량으로 함유하고 있는 미생물의 발효액의 배양말기 pH는 5.5가 되도록 조절하는데, 이때 커들란은 불용성 상태로 존재한다. 커들란은 중성의 용액 상태에서는 녹지 않기 때문에 발효액 중의 커들란을 세포와 분리하기 위해서는 배양액을 염기화하여 커들란을 용해시킨 후 원심분리 또는 여과를 통해 세포를 제거하여야 한다. 세포 제거 후 얻어진 용액을 수용성 유기용매와 접촉시키거나 상기 용액을 중화시키면 커들란이 침전되므로 이를 원심분리하여 분리한 후 건조시켜 정제된 커들란 분말을 얻을 수 있다.
본 발명의 커들란과 염기성 물질로 구성되는 분리저감제 조성물은 커들란 발효액 자체를 사용하거나, 커들란 분말을 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 분리저감제는 다음과 같이 제조하여 수경성 조성물에 혼합되어 이용된다.
먼저 커들란 발효액 자체를 이용한 수경성 조성물의 분리저감제는 상기 발효액에 NaOH, KOH, NH4OH, Ca(OH)2 등의 염기물 중 1 또는 2 이상의 물질을 가하여 만들어진 pH 10 이상의 커들란 염기성 용액으로 구성되며, 이에 따라 제조된 염기성 용액을 콘크리트 또는 몰타르 등의 수경성 조성물의 분리저감제로 사용한다.
예를 들어 NaOH를 사용할 경우 상기 발효액 리터 당 2.0 내지 20.0 g을 가하도록 한다. 수경성 조성물은 시멘트, 물, 모래, 자갈 등을 포함하며, 일반적으로 공기연동제, 공기연동감수제, 감수제 등의 부가적인 혼화제를 첨가할 수 있다. 이러한 예로서는 나프탈렌 유형 제제, 멜라민 유형 제제, 카르복실산 유형 제제 및 리그닌 유형 제제 등이 있다.
또한, 본 발명에서는 커들란의 염기성 분리저감제 용액은 커들란의 발효액 자체에 염기성 물질을 첨가하여 만든 용액 뿐만 아니라, 발효액으로부터 분리하여 분말화한 커들란에 염기성 물질을 가하여 만든 염기성 용액을 포함한다. 상기 커들란 분말은 상기 커들란 배양액을 건조시킨 다음 분쇄하거나 상기한 정제방법에 따라 배양액으로부터 커들란을 정제하여 만들 수 있다.
상기 분리저감제의 커들란은 비교적 적은 양인 콘크리트 등의 수경성 조성물 1 루베 당 약 0.48 ㎏ 이하에서도 분리저감효과를 나타낼 수 있으며, 그 이상으로 함유되는 경우에는 재료분리가 발견되지 않으며 압축강도도 높게 나타나나, 그 이하의 양이 함유된 분리저감제를 사용한 경우에도 또한 약간의 재료분리가 있을 뿐 압축강도나 슬럼프 값의 면에서 큰 차이를 보이지 아니함을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명과 같이 커들란을 염기성 물질과 혼합하여 만들어지는 분리저감제 조성물을 사용함으로써 기존의 분리저감제와는 달리 적은 양의 커들란을 사용하여서도 분리저감의 효과를 극대화할 수 있다.
상기 분리저감제를 수경성 조성물 중 콘크리트 혼화제로 사용하여 분리저감의 효과를 확인하기 위하여, 다음과 같은 콘크리트 수경성 조성물을 제조하고, 그의 분리저감 효과 및 유동성 증가의 효율성을 측정한다. 콘크리트 조성을 위하여 사용한 배합비는 콘크리트 1 루베(m3) 당 150∼200 kg의 물과 300∼500 kg의 시멘트를 포함하는 결합제, 350∼900 kg의 모래, 600∼1000 kg의 자갈, 5∼15 kg의 감수제 및 상기와 같이 제조한 커들란을 포함하는 분리저감제 5∼50 kg으로 이루어진다. 이 때, 콘크리트 1루베 당 사용하는 커들란의 양은 0.15∼1.5 kg이 되도록 함이 바람직하다. 상기 조성물 중 시멘트와 모래 그리고 자갈을 직경이 75 cm인 교반기에 넣어 물이 없는 상태에서 1분 동안 저어주고 물, 감수제 및 분리 저감제를 넣어 함께 3분 동안 교반속도 30 rpm으로 교반하여 콘크리트 수경성 조성물을 제조한 다음, 유동성, 강도를 측정한다.
한편, 상기와 같이 제조된 분리저감제를 몰타르용 혼화제로 사용하기 위하여, 다음과 같은 몰타르 수경성 조성물을 제조하고, 그의 분리저감 효과 및 유동성 증가의 효율성을 측정한다. 몰타르 제조 시 사용한 배합비는 1 루베(m3) 당 물 500∼650 kg, 시멘트 700∼850 kg, 모래 1600∼1900 kg, 나프탈렌 계 감수제 100∼200 g, 그리고 0.2 내지 1 kg의 커들란을 함유한 분리저감제로 구성된다. 분리저감제로서의 효과를 확인하기 위하여, 상기 조성물 중 시멘트와 모래를 직경이 75 cm인 교반기에 넣어 물이 없는 상태에서 1분 동안 저어주고, 물, 감수제 및 분리 저감제를 넣은 다음 함께 3분 동안 교반속도 30 rpm으로 교반하여 몰타르용 수경성 조성물을 제조하고 유동성과 재료분리 정도를 측정한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 커들란 발효액을 이용한 분리저감제를 포함하는 수경성 조성물의 제조
커들란을 생산하는 미생물을 탄소원으로 설탕 또는 원당, 질소원으로 염화암모늄, 그리고 기타 무기염을 배지조성으로 하는 발효조에서 4 일간 배양하여 생산되는 배양액 단위부피 당 65 g의 커들란을 사용하였다. 배양 말기 배양액의 pH는5.5이었으며 이 때 커들란은 불용성 상태로 존재하였다. 이 배양 발효액에 배양액 단위 부피(ℓ) 당 2.0 내지 4.0 g의 가성소다(NaOH)를 가하여 배양액의 pH가 11.4내지 12가 되도록 함으로써 염기성 분리저감제 용액을 제조하였으며, 결과적으로 제조된 분리저감제 용액 중의 커들란 농도는 60 g/ℓ이었다.
콘크리트 조성을 위하여 사용한 배합비는 콘크리트 1 루베(m3)를 타설하기 위한 양의 33 분의 1로 하였는데, 시멘트 13.5 kg과 모래 25.67 kg 그리고 자갈 24.63 kg을 직경이 75 cm인 교반기에 넣어 물이 없는 상태에서 1분 동안 저어준 다음, 물 5.16 kg, 감수제 391.5 kg 및 상기에서 제조한 분리저감제 용액 240 ml을 을 넣어 3분 동안 교반속도 30 rpm으로 교반하여 콘크리트 수경성 조성물을 제조하였다. 이 때, 염기성 분리저감제 용액(pH 10 이상)내에 녹아 있는 커들란의 양은 14.5 g이었으며, 이는 1 루베를 기준으로 0.48 kg에 해당하는 양이다.
이렇게 제조된 콘크리트 조성물의 유동성 및 강도를 측정하였다. 유동성의 평가를 위해, 표준규격 슬럼프 몰드(밑지름 20 cm, 윗지름 10 cm, 높이 30 cm)에 상기 콘크리트를 꽉 채운 후 몰드를 들어 올렸을 때 콘크리트가 퍼진 길이로 슬럼프 값을 측정하였다. 또한, 강도의 평가를 위해서는 지름 10 cm인 몰딩(molding)을 통하여 양생된 콘크리트의 3일-7일-28일 경과 후의 강도를 측정하였다. 그 결과를표 1에 나타내었다.
커들란의 발효액에 염기성 용액을 첨가하여 제조한 분리저감제를 사용한 콘크리트 조성물의 물성 평가
No. 분리저감제의 pH 슬럼프(㎝) 강도(3일-7일-28일)(㎏·f/㎤) 재료분리
1 11.4 68 ×66 216-441-538 약간 있음
2 11.6 65 ×66 204-427-562 약간 있음
3 11.8 63 ×63 212-470-581 없음
4 12.0 62 ×61 170-442-477 없음
콘크리트의 유동성을 측정한 결과, 염기성 물질 즉 NaOH를 3.0 g/ℓ 미만 첨가한 분리저감제에 대한 콘크리트 시료 No.1과 No.2에서는 점성이 다소 약하고 탈수현상이 관찰되었으나, NaOH를 3.0 g/ℓ 이상 첨가한 분리저감제에 대한 콘크리트 시료 No.3 과 No.4의 경우에는 재료분리가 일어나지 않고 높은 유동성이 확인되었으며, 첨가한 NaOH 양에 비례하여 점성이 증가하였다. 강도를 측정한 결과에 있어서도 NaOH를 3 g/ℓ 이상 첨가하였을 때 초기 강도는 약간 떨어지나 시간이 지남에 따라 매우 견고해지는 우수한 효과를 나타내었다.
<실시예 2> 커들란 분말을 사용한 분리저감제를 포함하는 수경성 조성물의 제조
커들란 생산 발효액을 원심분리하여 미생물 및 커들란을 분리하고 이를 상온에서 건조한 다음, 분쇄기를 이용하여 분체의 평균 직경의 크기가 0.09 mm가 되도록 분쇄하였다. 이 때 건조시료 중 80 중량 %가 커들란이고, 나머지는 균체와 무기물이었다. 이 커들란 분말 자체를 분리저감제로 첨가하여실시예 1의 방법에 따라 콘크리트 수경성 조성물(No.1)을 제조하였다. 또한, 커들란 분말을 물에 풀어만든 용액이나 0.1 N의 NaOH 용액을 가하여 염기성으로 만든 용액을 분리저감제로 첨가하여실시예 1의 방법에 따라 콘크리트 수경성 조성물(No.2, No.3)을 제조하였다. 이 때, 수경성 조성물에 첨가된 커들란의 양은 14.5 g이었다.
이렇게 제조된 콘크리트 수경성 조성물(No.1, No.2, No.3)의 유동성 및 강도를 측정하고, 간극 통과성 박스(box) 실험을 통해 충진성과 재료분리 저항성을 평가하였다. 유동성 및 강도의 측정은실시예 1과 동일하게 수행하였으며, 충진성은 콘크리트 높이차로써, 재료의 균질성은 양단의 시료를 채취하여 체가름 실험을 통한 간극 통과 정도로 평가하였다. 그 결과를표 2에 나타내었다.
커들란 분말 그대로, 물에 풀어서 또는 염기성 용액에 녹여서 제조한 분리저감제를 사용한 콘크리트 조성물의 물성 평가
No. 분리저감제 슬럼프 값(㎝) 강도(3일-7일-28일)(㎏·f/㎤) 재료분리
1 커들란 분말 72 ×75 126-196-276 있음
2 커들란 분말을 물에 녹임 70 ×71 129-208-295 있음
3 커들란 분말의 염기성용액(0.1N NaOH) 64 ×65 125-265-382 없음
커들란 분말을 그대로 사용하였을 경우(No.1)와 물에 풀어서 사용한 경우(No.2), 유동성은 크나 재료분리가 심하게 일어나고 압축강도도 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 간극 통과성 박스(box) 실험시 재료의 분리로 인해 간극 통과에 어려움이 있었으며, 충진성에 문제가 있는 것으로 관찰되었다.
한편, 분말 상태의 커들란에 NaOH 용액을 가하여 만든 염기성 용액을 분리저감제로 사용한 경우(No.3), 유동성이 64 x 65 cm로 여전히 높았고, 재료분리는 일어나지 않고 강도도 매우 높았다. 또한 간극 통과성 박스(box) 실험시 재료 분리가 일어나지 않았을 뿐만 아니라 충진성도 뛰어남을 확인할 수 있었다.
본 실시예의 결과는실시예 1의 결과와 더불어 염기성 용액의 효과를 극명하게 보여 주는 것으로, 첨가되는 커들란의 형태(액상 또는 분말상)와는 관계없이 콘크리트 조성물의 제조시에 분리저감제로서 커들란의 염기성 용액을 사용함으로써, 커들란의 사용양을 줄일 수 있으며 그 효과를 배가할 수 있음을 보여준다.
<실시예 3> 커들란 사용량이 분리저감효과에 미치는 영향
실시예 2의 방법에 따라 커들란 분말을 이용하여 제조된 분리저감제를 다양한 양으로 콘크리트 수경성 조성물에 첨가하여 그 사용량에 따른 재료분리저감효과를 측정하였다. 결과는표 3에 나타내었으며,표 3에서 보여주듯이 콘크리트 1 루베(㎥) 당 커들란을 0.5 ㎏이상 사용했을 때 재료분리가 없었으며 슬럼프 값과 압축강도도 우수하게 나타났다. 커들란 사용량이 0.3 ㎏이었을 때는 재료분리가 약간 일어났으나 슬럼프 값과 압축강도에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
분리 저감제 사용량에 따른 재료분리 저감 효과
커들란 사용량(㎏/m3) 슬럼프 슬로우(㎝) 강도(3일-7일-28일)](㎏·f/㎤) 재료분리
0.3 65 65 200-310-483 약간 있음
0.5 65 65 219-344-512 없음
0.7 62 64 202-330-512 없음
본 발명에서는 커들란을 수경성 물질용 분리저감제로 사용함에 있어서, 커들란 발효액 또는 커들란 분말을 염기성 용액으로 만듦으로써 적은 양의 커들란으로 콘크리트의 분리저감 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 미생물에 의해 생산된 커들란 발효액 자체를 사용하므로 분말화에 필요로 되는 커들란 분리, 건조 및 분쇄하는 공정을 줄여 이에 소요되는 장치 및 공정비용을 절감할 수 있으므로 분리저감제의 제조 원가를 현저하게 감소시킬 수 있다. 또한, 이러한 커들란을 염기성 용액에 녹여서 사용하는 방법은 몰타르의 증점효과도 크게 향상시킬 수 있으므로, 콘크리트 제조 뿐만 아니라 몰타르 산업 등에 광범위하게 사용할 수 있는 효과적인 방법이다.

Claims (7)

  1. 커들란과 염기성 물질로 구성되는 분리저감제 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 커들란은 커들란 생산 발효액 자체 또는 정제된 커들란 분말인 것을 특징으로 하는 분리저감제 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 염기성 물질은 NaOH, KOH, Ca(OH)2 및 NH4OH로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 1 또는 2 이상인 것을 특징으로 하는 분리저감제 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 분리저감제는 염기성 물질의 첨가로 pH 10 이상으로 되는 것으로 특징으로 하는 분리저감제 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 염기성 물질은 상기 분리저감제 단위부피(ℓ) 당 2 내지 20 g으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 분리저감제 조성물.
  6. 제 1항의 분리저감제 조성물을 포함하는 수경성 조성물.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 수경성 조성물은 콘크리트 또는 몰타르인 것을 특징으로 하는 수경성 조성물.
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