KR20150138957A

KR20150138957A - 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물 및 이를 포함하는 시멘트 모르타르

Info

Publication number: KR20150138957A
Application number: KR1020140066049A
Authority: KR
Inventors: 김영호; 공도경
Original assignee: 한경대학교 산학협력단
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2015-12-11

Abstract

본 발명은 폴리카르복실산 중합체 100 중량부에 대하여, 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체가 0.5 내지 20 중량부 함유된 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물 및 이를 포함하는 시멘트 모르타르에 관한 것으로, 본 발명의 혼화제 조성물은 시멘트 모르타르의 유동성에 영향을 주지 않으면서 수분 흡수 속도를 지연시켜 작업성을 향상시키면서도 압축강도 및 휨강도를 향상시킬 수 있다.

Description

시멘트 모르타르용 혼화제 조성물 및 이를 포함하는 시멘트 모르타르{Admixture composition for cement mortar and cement mortar having the same}

본 발명은 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물 및 이를 포함하는 시멘트 모르타르에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시멘트 모르타르의 조성에 영향을 주지 않으면서 유동성을 향상시키고, 시멘트 모르타르의 압축강도 및 휨강도를 향상시킬 수 있는 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물 및 이를 포함하는 시멘트 모르타르에 관한 것이다.

폴리카르복실산 중합체를 포함하는 시멘트 모르타르용 혼화제는 시멘트 페이스트 (paste), 모르타르 및 콘크리트와 같은 시멘트 조성물로 널리 사용되어 왔다. 이들은 현재 시멘트 조성물로부터 구조물 등을 건축하고, 토목 공학을 시공하는 등에 있어서 필수적이다. 그러한 시멘트 모르타르용 혼화제로서 시멘트 모르타르의 유동성을 증가시켜 시멘트 모르타르에 대한 물의 필요성을 감소시킴으로써, 경화품의 강도, 내구성 등을 향상시키는 감수제(water reducing agent)가 사용되고 있다.

폴리카르복실산 중합체는 나프탈렌 또는 기타 통상의 감수제보다 감수 성능이 우수하다고 알려져 있지만, 시멘트 모르타르용 혼화제는 감수 성능뿐만 아니라, 시멘트 모르타르의 수분 흡수 속도를 낮추어 경화 시간을 늦추어 현장에서의 작업을 용이하게 하는 데에는 한계가 있었다. 상기 경화란 응결과정을 포함하는 개념으로서, 시멘트가 수화하여 강도를 발현하는 과정을 총칭한다. 응결이란 시멘트 모르타르가 유동성을 잃게 되어 작업이 불가능해지는 시점을 말하는 것으로, 응결이 늦어지면 경화 또한 당연히 늦어지게 된다.

대한민국 등록특허 제1006890호 대한민국 등록특허 제0544062호

본 발명은 시멘트 모르타르의 유동성에 영향을 주지 않으면서 수분 흡수 속도를 지연시켜 압축강도와 휨강도를 향상시킬 수 있는 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기 시멘트 모르타르용 혼화제를 포함하는 시멘트 모르타르를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 폴리카르복실산 중합체 100 중량부에 대하여, 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체가 0.5 내지 20 중량부 함유된 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물을 제공한다.

상기 페놀계 화합물은 리그닌 분해물, 페놀 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.

상기 혼합물은 리그닌 분해물과 페놀이 1 : 0.8 내지 1 : 5 중량비로 혼합된 혼합물인 것이 바람직하다.

상기 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체는 리그닌에 수산화나트륨 수용액을 첨가하여 pH 9 내지 10으로 조정하여 리그닌 분해물을 제조하고, 상기 리그닌 분해물에 페놀을 첨가한 후 80 내지 100 ℃로 유지시키며, 설파닐레이트 염 및 포름알데히드를 첨가하여 80 내지 100 ℃에서 중합시켜 제조하는 것이 바람직하다.

상기 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체가 2 내지 6 중량부 함유된 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 상기 혼화제 조성물을 포함하는 시멘트 모르타르를 제공한다.

상기 시멘트 모르타르는 시멘트 100 중량부에 대하여 상기 혼화제 0.1 내지 3 중량부 함유된 것이 바람직하다.

상기 시멘트 모르타르는 소포제가 추가로 함유된 것이 바람직하다.

본 발명은 시멘트 모르타르의 유동성에 영향을 주지 않으면서 수분 흡수 속도를 지연시켜 작업성을 향상시키면서도 압축강도 및 휨강도가 향상된 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물 또는 이를 이용한 시멘트 모르타르를 제공할 수 있다.

도 1은 실험예 1에서 제조예 1의 리그닌(Lignin) 및 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체(MSPF)의 FT-IR 분광분석 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 실험예 3에서 소포제를 첨가하지 않고 MSPF의 농도를 달리한 S1 내지 S4의 시료로부터 압축강도 및 휨강도를 측정한 결과 그래프이다.
도 3은 실험예 3에서 소포제를 첨가하고 MSPF의 농도를 달리한 S5 내지 S8의 시료로부터 측정한 압축강도 및 휨강도를 측정한 결과 그래프이다.
도 4는 실험예 4에서 제조예 2의 시멘트 모르타르 중 S1 내지 S4 시료의 7일간 양생한 고화체의 에 대해서 고화체의 일부분을 채취하여 측정한 주사전자 현미경 사진이다.
도 5는 실험예 5에서 제조예 1의 MSPF를 0, 1, 3, 10%의 농도별로 시멘트가 MSPF를 흡수하는 속도를 측정한 수분 흡수 속도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실험예 6에서 제조예 1의 MSPF를 0, 1, 3, 10%의 농도별로 ring이 MSPF의 표면에 접촉하였을 때의 힘을 측정하였을 때의 시간에 따른 표면장력의 그래프이다.

본 발명은 폴리카르복실산 중합체 100 중량부에 대하여, 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체가 0.5 내지 20 중량부, 바람직하게는 2 내지 6 중량부 함유된 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물에 관한 것이다.

상기 페놀계 화합물은 리그닌 분해물, 페놀 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 리그닌 분해물과 페놀의 혼합물이고, 리그닌 분해물과 페놀이 1 : 0.8 내지 1 : 5 중량비, 더더욱 바람직하게는 1 : 1 내지 1 : 2 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. 페놀의 중량비가 상기 하한치 미만인 경우에는 목표로 하는 모르타르의 유동성을 얻을 수 없고, 페놀의 중량비가 상기 상한치를 초과하는 경우에는 수분 흡수 속도가 빨라지면서 가격이 높아진다.

상기 시멘트 모르타르는 시멘트 100 중량부에 대하여 상기 혼화제 0.1 내지 3 중량부 함유된 것이 바람직하다. 혼화제의 함량이 상기 범위를 벗어날 경우 시멘트 모르타르의 유동성이 감소하면서 압축강도 및 휨강도도 감소한다.

상기 시멘트 모르타르는 소포제가 추가로 함유된 것이 바람직하다. 소포제는 특별히 한정할 필요는 없으나 미네랄 오일 소포제, 지방 또는 오일 소포제, 지방산 소포제, 옥시알킬렌 소포제, 알코올 소포제, 아미드 소포제, 포스페이트에스테르 소포제, 금속 비누 소포제, 실리콘 소포제 등이 사용될 수 있다. 상기 소포제는 시멘트 100 중량부에 대하여 0.001 내지 0.1 중량부로 사용될 수 있다.

상기 시멘트 모르타르에는 상기 본 발명의 혼화제 이외에 별도의 첨가제로 폴리아크릴산 (나트륨염), 폴리메타크릴산 (나트륨염), 폴리말레산 (나트륨염) 및 아크릴산-말레산 공중합체 나트륨염과 같은 불포화 카르복실산 중합체; 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌 글리콜과 같은 폴리옥시에틸렌 또는 폴리옥시프로필렌 중합체 또는 그의 공중합체 ; 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 카르복시에틸셀룰로오스 및 히드록시프로필셀룰로오스와 같은 비이온성 셀룰로오스 에테르; 효모 글루칸, 잔탄검, β-1,3-글루칸 (직쇄형 또는 분지형일 수 있다; 예, 커드란 (curdlan), 파라밀럼 (paramylum), 복령 (pachyman), 스클레로글루칸(scleroglucan), 라미나란 (laminaran)) 과 같이 미생물 발효에 의해 생산되는 폴리사카라이드; 폴리아크릴아미드 ; 폴리비닐알콜; 전분; 전분 포스페이트; 나트륨 알기네이트; 겔라틴; 아미노-함유 아크릴산 공중합체 및 그들로부터 유도된 4 차화 반응 생성물; 등의 수용성 중합체가 추가로 사용될 수 있다.

또한 상기 시멘트 모르타르에는 상기 본 발명의 혼화제 이외에 별도의 첨가제로 옥시카르복실산 (또는 그것의 염) 및 무기 또는 유기염, 예컨대, 글루콘산, 글루코헵톤산, 아라본산, 말산 및 시트르산, 및 그의 나트륨, 칼슘, 칼륨, 마그네슘, 암모늄 및 트리에탄올아민염; 사카라이드, 예를 들어, 모노사카라이드, 디사카라이드, 트리사카라이드 및 동종 올리고사카라이드, 예컨대, 글루코오스, 과당, 갈락토오스, 사카로오스, 자일로오스, 아피오스, 리보오스 및 이성화된 사카라이드, 덱스트린과 같은 올리고사카라이드, 폴리사카라이드, 예컨대, 덱스트란, 당밀 및 이들을 함유하는 동종 혼합물; 소르비톨과 같은 당류 알콜 (sugar alcohol); 마그네슘 플루오로실리케이트; 인산 및 그의 염 또는 보레이트 에스테르; 아미노카르복실산 및 그의 염; 알칼리-용해성 단백질; 흄산 (humic acid); 탄닌산; 페놀; 글리세롤과 같은 다가 알콜; 아미노트리(메틸렌포스폰산), 1-히드록시에틸리덴-1,1-디포스폰산, 에틸렌디아민테트라 (메틸렌포스폰산), 디에틸렌트리아민펜타 (메틸렌포스폰산) 과 같은 포스폰산 및 그것의 유도체, 및 이들의 알칼리 금속염과 알칼리토금속염; 등의 지연제가 사용될 수 있다.

또한 상기 시멘트 모르타르에는 상기 본 발명의 혼화제 이외에 별도의 첨가제로 칼슘 클로라이드, 칼슘 나이트라이트, 칼슘 나이트레이트, 칼슘 브로마이드 및 칼슘 아이오다이드와 같은 용해성 칼슘염; 철 클로라이드 및 마그네슘 클로라이드와 같은 클로라이드; 설페이트염; 칼슘 히드록사이드; 수산화나트륨 ; 카르보네이트염 ; 티오설페이트염; 포름산 및 칼슘 포르메이트와 같은 포르메이트염; 알칸올아민 ; 알루미나 시멘트; 칼슘 알루미노실리케이트; 등의 조강제제 또는 촉진제가 사용될 수 있다.

또한 상기 시멘트 모르타르에는 상기 본 발명의 혼화제 이외에 별도의 첨가제로 수지 비누, 포화 또는 불포화 지방산, 나트륨 히드록시스테아레이트, 라우릴 설페이트, ABS (알킬벤젠설포네이트), LAS (선형 알킬벤젠설포네이트), 알칸설포네이트, 폴리옥시에틸렌 알킬(페닐)에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬(페닐) 에테르 설페이트 및 그의 염, 폴리옥시에틸렌 알킬(페닐) 에테르 포스페이트 및 그의 염, 단백질 물질, 알케닐설포숙신산, α-올레핀설포네이트 등의 AE제제가 사용될 수 있다.

또한 상기 시멘트 모르타르에는 상기 본 발명의 혼화제 이외에 별도의 첨가제로, 다른 계면활성제, 방수제제, 부식저해제, 균열저해제, 팽창성첨가제, 침윤제, 응집제, 강도증가제, 항균제제 등이 사용될 수 있다.

이하 실시예, 비교예 및 제조예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 것일 뿐 이에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

제조예 1: 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체(MSPF)의 제조

리그닌 96 g을 20중량% 수산화나트륨 수용액에 용해하고, 상기 용액의 온도를 90 ℃로 조정한 후 99% 페놀 133 g을 적하시켰다. 90 ℃를 유지하면서 상기 페놀을 적하시킨 용액에 97% 소듐 설파닐레이트와 35% 포름알데히드 168 g을 넣고 중합시켜, 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체(MSPF)를 제조하였다.

실험예 1: FT-IR(Fourier transform infrared) 분광분석

상기 제조예 1의 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체(MSPF)의 중합체 형성여부를 확인하기 위하여, 리그닌(Lignin) 및 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체(MSPF)의 FT-IR 분광분석을 실시하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다.

제조예 2: 시멘트 모르타르의 제조

제조예 1의 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체(MSPF), 시멘트(아세아 시멘트사 제품, 보통 포틀랜드 시멘트), 모래, 폴리카르복실산 중합체 및 소포제를 표 1과 같이 혼합하고, 5리터 용량의 모르타르 혼합기에서 140 rpm에서 30초, 285 rpm에서 1분간 혼합하였다.

구분	시멘트	모래	물	폴리카르복실산	MSPF	소포제
S1	2000	2950	700	5	0	-
S2	2000	2950	700	5	0.05	-
S3	2000	2950	700	5	0.15	-
S4	2000	2950	700	5	0.5	-
S5	2000	2950	700	5	0	0.05
S6	2000	2950	700	5	0.05	0.05
S7	2000	2950	700	5	0.15	0.05
S8	2000	2950	700	5	0.5	0.05

상기 혼합된 시멘트 모르타르는 몰드를 20 ℃, 상대습도 60%인 항온항습기에 24시간 넣고, 수중양생(수온 20 ± 3 ℃)시킨 후, 보존하면서 각각의 특성을 측정하였다.

실험예 2: 시멘트 모르타르의 유동성

제조예 2의 시멘트 모르타르에서 285 rpm에서 1분간 혼합한 직후 모르타르의 유동성을 측정하였고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	유동성(mm)
S1	162.56
S2	151.29
S3	157.5
S4	142.8
S5	542.8
S6	501.75
S7	513.02
S8	522.12

제조예 1의 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체(MSPF)의 첨가로 시멘트 모르타르의 유동성 감소는 없었고, 소포제의 첨가로 유동성은 큰 폭으로 증가되었다.

실험예 3: 시멘트 모르타르의 압축강도 및 휨강도

제조예 2의 시멘트 모르타르를 양생 후 보존 기간에 따라 동아계측기의 유압형 강도측정 테스트기를 이용하여 압축강도 및 휨강도를 측정하여 도 2 및 3에 나타내었다. 도 2는 소포제를 첨가하지 않고 MSPF의 농도를 달리한 S1 내지 S4의 시료로부터 측정한 결과, 도 3은 소포제를 첨가하고 MSPF의 농도를 달리한 S1 내지 S4의 시료로부터 측정한 결과이다.

소포제를 첨가한 시료나 첨가하지 않는 시료 모두 MSPF를 첨가하였을 때 압축강도나 휨강도가 증가하였고, 특히 MSPF를 3 중량부 넣은 시료에서 압축강도 및 휨강도가 가장 높았다.

실험예 4: 시멘트 모르타르 표면 분석

제조예 2의 시멘트 모르타르 중 S1 내지 S4 시료의 7일간 양생한 고화체의 에 대해서 고화체의 일부분을 채취하여 아세톤에 담가 수화를 정지 시킨후 JEOL(J apan)사의 모델명 JSM-5140 주사전자 현미경 (SEM Scaning Electron Microscopes )을 사용하여 가속전압 20kV으로 5000 배 확대하여 촬영하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4의 (A)는 S1, (B)는 S2, (C)는 S3 그리고 (D)는 S4의 사진이다.

MSPF를 첨가한 시료에서 시멘트 모르타르의 치밀도가 증가하고 특히 MSPF가 3 중량부 첨가된 S3 시료의 치밀도가 가장 우수함을 확인할 수 있었다.

실험예 5: 시멘트 모르타르의 수분 흡수 속도

제조예 1의 MSPF를 QUANTACHROME(US)사의 모델명 Surface Area AND Pore Size, Sigma-70을 사용하여 중량 4 g의 시멘트를 직경 1 cm 높이 3cm의 튜브의 채운 후 이를 MSPF가 농도별로 첨가된 유동화제 수용액을 접촉하여 시간에 따라 흡수된 수용액의 무게를 측정하였고 그 결과를 도 5에 나타내었다.

시간에 따른 수용액의 흡수량이 클수록 시멘트의 수화성이 큰 것이다.

MSPF를 첨가하지 않은 시료(standard)에 비해서 MSPF를 첨가한 시료의 수분 흡수 속도가 현저히 낮았으며, 수분 흡수 속도의 저해 효과는 MSPF의 첨가 농도에 비례하였다.

실험예 6: MSPF 의 표면장력 측정

제조예 1의 MSPF를 실험예 5에서 사용한 장비를 이용해 Standard ring 법으로 MSPF가 농도별로 첨가된 유종화제 수용액을 ring이 MSPF의 표면에 접촉하였다 떨어질 때 의 힘을 측정하였고 그 결과를 도 6에 나타내었다.

MSPF를 첨가하지 않은 시료(standard)에 비해서 MSPF를 첨가한 시료의 표면 장력이 현저히 낮았으며, 표면장력의 크기는 MSPF의 첨가 농도에 비례하였다. 유동화제 수용액의 표면장력이 낮을 수 록 시멘트 유동성이 증가하였다.

Claims

폴리카르복실산 중합체 100 중량부에 대하여, 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체가 0.5 내지 20 중량부 함유된 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 페놀계 화합물은 리그닌 분해물, 페놀 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물.
제 2 항에 있어서, 상기 혼합물은 리그닌 분해물과 페놀이 1 : 0.8 내지 1 : 5중량비로 혼합된 혼합물인 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물.
제 3 항에 있어서, 상기 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체는 리그닌에 수산화나트륨 수용액을 첨가하여 pH 9 내지 10으로 조정하여 리그닌 분해물을 제조하고, 상기 리그닌 분해물에 페놀을 첨가한 후 80 내지 100 ℃로 유지시키며, 설파닐레이트 염 및 포름알데히드를 첨가하여 80 내지 100 ℃에서 중합시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물.
제 4 항에 있어서, 상기 설파닐레이트, 포름알데히드 및 페놀계 화합물의 중합체가 2 내지 6 중량부 함유된 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르용 혼화제 조성물.
청구항 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 혼화제 조성물을 포함하는 시멘트 모르타르.
제 6 항에 있어서, 시멘트 100 중량부에 대하여 상기 혼화제 0.1 내지 3 중량부 함유된 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르.
제 7 항에 있어서, 소포제가 추가로 함유된 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르.