KR20150014026A - 블랙 폴리머 디스퍼션을 사용한 콘크리트-폴리머 복합체 - Google Patents

블랙 폴리머 디스퍼션을 사용한 콘크리트-폴리머 복합체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카본블랙 또는 카본블랙에 아미노실리카 화합물을 합성하여 제조한 카본아미노실리카블랙이 화합된 나프탈렌계 또는 폴리카르본산계 흑감수제를 폴리머 디스퍼션과 모터의 교반수단을 통해 고속 믹싱(mixing)하여 제조한 블랙 폴리머 디스퍼션을 사용한 콘크리트-폴리머 복합체에 관한 것이다.

Description

블랙 폴리머 디스퍼션을 사용한 콘크리트-폴리머 복합체{Concrete-polymer composite using black polymer dispersion}
본 발명은 콘크리트-폴리머 복합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카본블랙, 또는 카본블랙에 아미노실리카 화합물을 합성하여 제조한 카본아미노실리카블랙이 화합된 나프탈렌계 또는 폴리카르본산계 흑감수제를 폴리머 디스퍼션과 고속 믹싱(mixing)하여 제조한 블랙 폴리머 디스퍼션을 사용한 콘크리트-폴리머 복합체를 개시한다.
일반적인 콘크리트는 무기질 시멘트와 같은 결합재와 골재의 결합으로부터 얻어지는 2중 복합재료를 의미하는데 비해 콘크리트-폴리머 복합체는 무기질 재료인 포틀랜드시멘트를 사용하는 일반적인 콘크리트의 결점을 보완하기 위해 유기질 재료인 폴리머를 시멘트의 일부 또는 전부를 대체하여 콘크리트 내의 조직을 강화시킨 재료를 총칭한다.
콘크리트-폴리머 복합체의 제조 방법은 폴리머 디스퍼션에 의한 방법, 재유화형 분말수지에 의한 방법, 수용성 폴리머에 의한 방법, 액상 폴리머에 의한 방법이 있는데, 그중 폴리머 디스퍼션에 의한 방법은 폴리머 디스퍼션에 혼합되어 있는 계면활성제와 폴리머 미립자가 시멘트 페이스트 속에 분산되어 굳지 않은 콘크리트-폴리머 복합체에서 계면활성제의 분산 효과, 폴리머 입자의 볼 베어링 효과 등에 의해 워커빌리티, 공기연행성, 재료분리에 대한 저항성 등이 개선되고, 폴리머 입자의 응집에 따라 접착성이 개선된다. 경화 콘크리트-폴리머 복합체에서는 시멘트 수화물과 폴리머 필름이 서로 일체가 된 co-martix상의 형성에 의해 수밀성, 기밀성, 내약품성, 내동결융해성 등이 개선되며, 인장강도나 휨강도, 신장능력, 내마모성 등의 기계적 성질이 개선된다.
이러한 콘크리트-폴리머 복합체는 부착성, 방수성, 내약품성, 내마모성, 내동결융해성 등에 있어서 일반적인 콘크리트에 비해 월등이 우수한 이점이 있어 고강도 경량 구조부재 외에 도로의 덧씌우기 재료, 공장제품 재료, 보수 보강용 재료로 폭넓게 사용되고 있으나, 국내에서는 콘크리트-폴리머 복합체의 성능과 가격의 밸런스 문제로 그 사용범위가 제한되어 있고, 또한 시멘트 혼입용 폴리머가 비교적 고가로 가격 경쟁력에서 불리하기 때문에 사용의 제약요인이 되고 있다.
전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명은 고무 제품의 강화제, 합성수지 착색제, 잉크, 안료 및 도료 제조 시 검정색의 발현 등을 위해 각종 산업에서 광범위하게 활용되고 있는 초미립 재료인 카본블랙 또는 카본아미노실리카블랙을 포함한 흑감수제 (출원번호 : 10-2009-0066410, 10-2010-0108363호)의 응용에 관한 것으로 흑감수제를 모터의 교반수단(도 1참조)을 통해 폴리머 디스퍼션과 고속 믹싱(mixing)하여 제조한 블랙 폴리머 디스퍼션을 사용한 콘크리트-폴리머 복합체를 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 시멘트 4.4~18.9 중량%, 고로슬래그미분말 0~11.8 중량%, 플라이애시 0~5.8 중량%, 실리카퓸 0~2.0 중량%, 잔골재 32.7~43.9 중량%, 굵은 골재 24.0~32.3중량%, 입자크기와 비표면적이 10~100 nm, 50~200 m2/g 범위인 카본블랙 또는 카본아미노실리카블랙을 0.1~30 중량% 포함한 흑감수제를 폴리머 디스퍼션에 0.1~50 중량%를 첨가하고 모터의 교반수단을 통해 고속 믹싱(mixing)하여 제조한 블랙 폴리머 디스퍼션 0.1~3.9 중량%을 사용하는 특징으로 하는 콘크리트-폴리머 복합체를 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 콘크리트-폴리머 복합체는 나노입자인 카본블랙 또는 카본아미노실리카블랙이 충전제로서 콘크리트-폴리머 복합체의 모세관 공극을 감소시키고, 강화제로서 폴리머의 경도와 인장력을 강화시켜 콘크리트-폴리머 복합체의 압축 및 인장강도 등의 역학적 특성을 향상시킬 수 있으며, 콘크리트-폴리머 복합체의 모세관 공극 감소와 co-matrixt상의 형성으로 인해 염소 이온, 탄산가스 등 유해 물질의 침투를 억제하게 되므로 구조물의 내구성을 향상시키게 된다. 또한, 블랙 폴리머 디스퍼션을 사용함으로써 부가적으로 콘크리트-폴리머 복합체에 검정색상을 부여하게 된다.
도 1은 블랙 폴리머 디스퍼션 제조에 사용되는 모터의 교반수단을 나타낸 예시도,
도 2는 결합재 및 폴리머 종류별 콘크리트-폴리머 복합체의 슬럼프를 나타낸 그래프,
도 3은 결합재 및 폴리머 종류별 콘크리트-폴리머 복합체의 공기량을 나타낸 그래프,
도 4 및 5는 결합재 및 폴리머 종류별 콘크리트-폴리머 복합체의 재령 28일 압축강도 및 인장강도를 나타낸 그래프,
도 6은 결합재 및 폴리머 종류별 콘크리트-폴리머 복합체의 재령 28일 염소이온 침투저항성을 나타낸 그래프, 및
도 7은 결합재 및 폴리머 종류별 콘크리트-폴리머 복합체의 내구성지수를 나타낸 그래프이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 시멘트 4.4~18.9 중량%, 고로슬래그 미분말 0~11.8 중량%, 플라이애시 0~5.8 중량%, 실리카퓸 0~2.0 중량%, 잔골재 32.7~43.9 중량%, 굵은 골재 24.0~32.3중량%, 입자크기와 비표면적이 10~100 nm, 50~200 m2/g 범위인 카본블랙 또는 카본아미노실리카블랙을 0.1~30 중량% 포함한 흑감수제를 폴리머 디스퍼션에 0.1~50 중량%를 첨가하고 모터의 교반수단을 통해 고속 믹싱(mixing)하여 제조한 블랙 폴리머 디스퍼션 0.1~3.9 중량%을 사용한다. 이하, 실시예를 통하여 본 발명의 방법을 이용한 콘크리트-폴리머 복합체의 특성에 대하여 보다 상세하게 설명을 한다.
실시예
카본블랙 또는 카본아미노실리카블랙을 20 중량% 포함한 흑감수제를 폴리머 디스퍼션 PD-, PD-에 20 중량%를 첨가하고 모터의 교반수단을 통해 고속 믹싱(mixing)하여 제조한 블랙 폴리머 디스퍼션 BPD-, BPD-를 콘크리트-폴리머 복합체의 적용하여 표 1의 실험계획에 의거하여 실시하였다.
실험사항으로 굳지않은 콘크리트-폴리머 복합체에서 슬럼프, 공기량, 경화 콘크리트-폴리머 복합체에서 압축강도, 인장강도를 측정하였고, 내구특성으로 염소이온침투저항성을 측정하고 동경융해시험에 의한 내구성 지수를 구하였다.
실험계획
실험요인 실험수준 및 평가항목
배합
사항		 W/B(%) 1 배합실험을 통해 결정
S/a(%) 1 55
B(kg) 1 400
결합재 종류 2 1종 시멘트 혼합시멘트1 )
폴리머 디스퍼션 종류 4 PD-
PD- 		BPD-
BPD-
폴리머 디스퍼션 사용비율(%) 2 B×15% B×12%2)
실험
사항		 굳지않은
콘크리트-폴리머 복합체		 2 슬럼프 공기량
경화
콘크리트-폴리머 복합체		 2 압축강도(28일) 인장강도(28일)
내구특성 2 염소이온침투저항성 내구성 지수
1) OPC:BFS:FA:SF=40:40:15:5
2) 1종 시멘트, 폴리머 BPD-, BPD-에 한해 적용
이하 실시예 1의 결과를 상세히 설명한다.
(1) 굳지않은 콘크리트-폴리머 복합체의 특성
도 2 및 도 3은 결합재 및 폴리머 종류별 굳지않은 콘크리트-폴리머 복합체의 슬럼프 및 공기량을 나타낸 그래프로 슬럼프 및 공기량은 표 2의 배합사항과 같이 배합설계에 의해 모두 목표 범위를 만족하는 것으로 나타났다.
배합사항
기호 결합재
종류		 폴리머
디스퍼션
종류		 폴리머
디스퍼션
사용비율
(%)		 L/B
(%)		 S/a
(%)		 질량 배합(kg/m3)
W OPC BFS FA SF S G PD
A 1종
시멘트		 PD- 15 45.0 55 120 400 - - - 1005 835 60
B PD- - - -
C BPD- 38.5 94 - - - 1042 865 60
D BPD- - - -
E BPD- 12 41.5 106 - - - 1025 851 48
F BPD- - - -
G 혼합
시멘트		 PD- 15 47.0 128 160 160 60 20 955 794 60
H PD-
I BPD- 41.0 104 989 822 60
J BPD-
실험결과
기호 결합재
종류		 폴리머
디스퍼션
종류		 폴리머
디스퍼션
사용비율
(%)		 슬럼프
(mm)		 공기량
(%)		 28일 압축
강도
(MPa)		 28일 인장
강도
(MPa)		 통과
전하량
(C)		 내구성
지수
A 1종
시멘트		 PD- 15 185 4.6 32.8 3.30 1339 92.29
B PD- 15 195 4.6 32.5 3.03 1362 91.91
C BPD- 15 190 4.8 37.9 3.65 1243 93.14
D BPD- 15 205 5.0 37.2 3.58 1263 93.05
E BPD- 12 185 5.1 42.4 4.08 1192 93.82
F BPD- 12 190 5.3 41.2 3.89 1220 93.50
G 혼합
시멘트		 PD- 15 185 4.5 36.9 3.58 1281 92.87
H PD- 15 190 4.8 35.7 3.36 1311 92.67
I BPD- 15 175 4.8 44.2 4.26 1154 94.69
J BPD- 15 185 5.1 43.9 4.17 1174 94.22
(2) 경화 콘크리트-폴리머 복합체의 특성
도 4 및 5는 결합재 및 폴리머 종류별 경화 콘크리트-폴리머 복합체의 재령 28일 압축강도 및 인장강도를 나타낸 것이다. 전반적으로 결합재 및 폴리머 디스퍼션의 종류에 관계없이 블랙 폴리머 디스퍼션을 사용한 배합의 압축강도 및 인장강도가 높은 것으로 나타났다. 또한, 결합재로 1종 시멘트를 사용한 경우에 폴리머 디스퍼션 보다 블랙 폴리머 디스퍼션의 사용량이 20% 절감하여도 압축강도 및 인장강도가 높은 것으로 나타났다.
(3) 콘크리트-폴리머 복합체의 내구특성
도 6은 결합재 및 폴리머 종류별 경화 콘크리트-폴리머 복합체의 재령 28일 염소이온침투저항성 실험 결과를 나타낸 것이다. 전반적으로 결합재 및 폴리머 디스퍼션의 종류에 관계없이 블랙 폴리머 디스퍼션을 사용한 배합의 통과전하량이 낮은 것으로 나타났다. 또한, 결합재로 1종 시멘트를 사용한 경우에 폴리머 디스퍼션 보다 블랙 폴리머 디스퍼션의 사용량이 20% 절감하여도 통과전하량이 낮은 것으로 나타났다.
도 7은 결합재 및 폴리머 종류별 경화 콘크리트-폴리머 복합체의 동결융해시험에 의한 내구성지수를 나타낸 것이다. 전반적으로 결합재 및 폴리머 디스퍼션의 종류에 관계없이 블랙 폴리머 디스퍼션을 사용한 배합의 내구성 지수가 높은 것으로 나타났다. 또한, 결합재로 1종 시멘트를 사용한 경우에 폴리머 디스퍼션 보다 블랙 폴리머 디스퍼션의 사용량이 20% 절감하여도 우수한 내구성지수를 보이는 것으로 나타났다.
이상의 결과로 블랙 폴리머 디스퍼션을 콘크리트-폴리머 복합체에 사용하면콘크리트-폴리머 복합체의 압축강도, 인장강도 및 내구성을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.

Claims (3)

  1. 시멘트 4.4~18.9 중량%, 고로슬래그미분말 0~11.8 중량%, 플라이애시 0~5.8 중량%, 실리카퓸 0~2.0 중량%, 잔골재 32.7~43.9 중량%, 굵은 골재 24.0~32.3 중량%, 블랙 폴리머 디스퍼션 0.1~3.9 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트-폴리머 복합체.
  2. 제 1항에 있어서,
    블랙 폴리머 디스퍼션은, 입자크기와 비표면적이 10~100 nm 및 50~200 m2/g 범위인 카본블랙 또는 카본아미노실리카블랙을 0.1~30 중량% 포함한 흑감수제를 폴리머 디스퍼션에 0.1~50 중량%를 첨가하여 모터의 교반수단을 통해 고속 믹싱(mixing)하여 혼합한 것을 특징으로 하는 콘크리트-폴리머 복합체.
  3. 제 1항에 있어서,
    폴리머 디스퍼션은 천연고무 또는 합성고무의 라텍스, 합성수지 폴리머의 수성 디스퍼션인 것을 특징으로 하는 콘크리트-폴리머 복합체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105776991A (zh) * 2015-12-23 2016-07-20 东南大学 一种生态纳米改性胶凝材料及其制备方法
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