KR20200135108A - 플라이 애쉬를 이용한 알긴산 라텍스 프리캐스트 콘크리트 조성물 - Google Patents

플라이 애쉬를 이용한 알긴산 라텍스 프리캐스트 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 라텍스를 사용하는 데에 따르는 단가 상승, 재료 수급의 어려움, 시공성 저하 등의 문제점을 보완하기 위해 알긴산을 도입하고, 나아가 플라이 애쉬를 이용하여 유동성 및 경제성을 향상시킨 알긴산 라텍스 프리캐스트 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 시멘트 100 중량부, 그리고 골재 400 ~ 500 중량부, 그리고 라텍스 3 ~ 15 중량부, 그리고 알긴산 0.1 ~ 0.8 중량부, 그리고 플라이 애쉬를 포함하는 혼화제를 포함하여 구성된다.

Description

플라이 애쉬를 이용한 알긴산 라텍스 프리캐스트 콘크리트 조성물{ALGINATE LATEX PRECAST CONCRETE COMPOSITION USING FLY ASH}
본 발명은 프리캐스트 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 라텍스를 사용하는 데에 따르는 단가 상승, 재료 수급의 어려움, 시공성 저하 등의 문제점을 보완하기 위해 알긴산을 도입하고, 나아가 플라이 애쉬를 이용하여 유동성 및 경제성을 향상시킨 알긴산 라텍스 프리캐스트 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
콘크리트는 도로, 교량, 건물 등 산업 전반에 걸쳐 일정 형태를 갖는 구조물을 제작하기 위해 사용되는 가장 근본적인 재료로, 액화상태에서 도포되어 경화됨으로써 특정 형상을 유지하게 된다.
이러한 콘크리트의 일 종류로, 압축강도 향상, 휨강도 향상, 부착강도 향상 등의 효과를 누리기 위해 고무나무에서 추출되는 천연고무의 입자인 라텍스를 시멘트와 혼합한 라텍스 개질 콘크리트가 있다.
라텍스 개질 콘크리트에 관한 종래의 기술로, 등록특허 제10-1239075호(2013년02월26일)(이하 종래기술)가 있는데, 종래기술은 종래의 초속경 라텍스개질 콘크리트보다 열 흡수율이 높아 외기온도변화에 따른 영향을 최소화하고 결빙 예방이 가능하여 콘크리트 구조물의 내구성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 차선의 야간 시인성과 통행 안정성을 증진시키고 쾌적한 주행환경을 조성할 수 있는 초속경 라텍스 개질 콘크리트 조성물을 제시하고 있다.
그러나 라텍스 자체는 상당히 고가의 재료이고, 고무나무에서 채취되는 만큼 그 수급량이 한정되어 있어서 수급이 원활하지 않다는 단점을 가지고 있다. 따라서 라텍스를 사용하는 것은 상기한 많은 장점에도 불구하고 경제적인 부담과 재료 수급에 대한 부담이 존재하는 것이 사실이다.
또한 콘크리트의 핵심 물성은 유동성(워커빌리티), 압축강도, 경제성 등이 있는데, 종래의 라텍스 개질 콘크리트로부터 이를 향상시킬 수 있는 기술의 필요성이 재고되는 바이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 라텍스를 사용하는 데에 따르는 단가 상승, 재료 수급의 어려움, 시공성 저하 등의 문제점을 보완할 수 있도록 라텍스 사용량을 최소화하는 것을 목적으로 한다.
또한 라텍스 개질 콘크리트의 핵심 물성 중, 특히 유동성 및 경제성을 대폭 향상시키는 것을 목적으로 한다.
상기 과제의 해결을 목적으로 하는 본 발명은 시멘트 100 중량부, 그리고 골재 400 ~ 500 중량부, 그리고 라텍스 3 ~ 15 중량부, 그리고 알긴산 0.1 ~ 0.8 중량부, 그리고 플라이 애쉬를 포함하는 혼화제를 포함하여 구성된다.
상기 구성을 갖는 본 발명은 알긴산을 도입함으로써 라텍스의 사용량을 최소화하고, 이를 통해 라텍스를 사용하는 데에 따르는 단가 상승, 재료 수급의 어려움, 시공성 저하 등의 문제점을 개선하였다.
또한 혼화제로서 플라이 애쉬를 채용하고, 그 함량을 적절히 조절함에 따라 라텍스 개질 콘크리트의 핵심 물성 중에서도 특히 유동성 및 경제성을 대폭 향상시켰다는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명과 종래기술 간의 경제성을 비교한 도표.
도 2는 본 발명과 종래기술 간의 품질을 비교한 도표.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서 기재한 ~제1~, ~제2~ 등은 서로 다른 구성 요소들임을 구분하기 위해서 지칭할 것일 뿐, 제조된 순서에 구애받지 않는 것이며, 발명의 상세한 설명과 청구범위에서 그 명칭이 일치하지 않을 수 있다.
본 발명은 라텍스를 사용하는 데에 따르는 단가 상승, 재료 수급의 어려움, 시공성 저하 등의 문제점을 보완하기 위해 알긴산을 도입하고, 나아가 플라이 애쉬를 이용하여 유동성 및 경제성을 향상시킨 알긴산 라텍스 프리캐스트 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 알긴산 라텍스 프리캐스트 콘크리트 조성물(이하 본 조성물)에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
본 조성물은 크게 시멘트, 골재, 라텍스, 알긴산 및 혼화제를 포함한다.
각 조성물 별로, 시멘트는 100중량부가 포함될 수 있다. 여기에서 시멘트를 100중량부로 고정한 것은 다른 조성물의 비율을 혼합되는 시멘트를 기준으로 변경할 수 있도록 하기 위함이다. 시멘트는 일반적으로 콘크리트를 조성하는 기본 물질로, 대표적으로 포틀랜드 시멘트가 사용될 수 있다. 콘크리트 조성물에 시멘트를 포함하는 개념은 이미 널리 알려진 것으로, 시멘트에 관한 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이러한 시멘트는 물에 혼합되는 것이 바람직하며, 물과 시멘트 간의 비율은 약 35 W/C(%)인 것이 바람직하다.
다음으로, 본 조성물은 골재를 더 포함하는데, 골재는 콘크리트 조성물의 일반적인 구성으로, 시멘트 100 중량부 대비 400 ~ 500 중량부가 포함되는 것이 바람직하다.
또한 골재는 잔골재와 굵은 골재를 포함할 수 있는데, 잔골재의 잔골재율은 56 S/a(%)로 구성되는 것이 바람직하고, 굵은 골재의 최대 치수는 19mm로 구성되는 것이 바람직하다.
이러한 골재는 잔골재와 굵은 골재의 비율이 약 1: 0.7 ~ 0.8 정도로 구성되는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 조성물은 라텍스를 더 포함하는데, 라텍스는 고무나무에서 액체 형태로 추출되는 천연고무의 입자로, 비중은 0.98, 성분은 물 60%, 고무 35%, 비누, 지방산, 스테롤 등이 1%, 무기물 0.4% 등을 포함하는데, 원심분리법, 클리닝법, 증발법 등 여러 방법에 의해 고무성분 함유량을 60 ~ 70%까지 농축하여 활용된다. 이러한 라텍스는 대표적으로 SB라텍스가 사용될 수 있다.
이러한 라텍스는 콘크리트의 유동성을 향상시켜 작업성을 향상시키고, 라텍스가 포함된 프리캐스트 콘크리트는 접착성, 방수성, 휨강도가 우수하다는 장점을 갖는다. 또한 자체적으로 미끄럼방지 기능을 구비할 수 있다는 장점 역시 갖는다.
본 조성물에서 라텍스는 시멘트 100중량부 대비, 3 ~ 15 중량부가 포함되는 것이 바람직한데, 3 중량부 미만 사용 시에는 그 효과가 미미하고, 15 중량부를 초과하여 사용되는 경우 경제성이 저하되는 문제가 있다.
특히 본 발명은 라텍스를 사용하는 데에 있어서, 라텍스 자체가 상당히 고가의 재료이고, 그 수급량이 한정되어 있어서 수급이 원활하지 않다는 단점이 있는 바, 라텍스의 함유량을 최소화하는 것이 경제성 및 시공성 측면에서 이득을 갖기 때문에, 본 발명은 이러한 라텍스의 함량을 최소화하면서도 라텍스가 제공하는 효과는 더욱 향상시키는 데에 주된 목적이 있다.
다음으로, 본 조성물은 알긴산을 더 포함하는데, 알긴산은 해조류, 그 중에서도 특히 갈조류(예: 다시마, 미역 등)에 함유되어 세포막을 구성하는 다당류의 일종으로, 우론산의 카복시기로 인해 산의 성질을 나타내며, 그 분자량은 약 15000이고, 물에는 녹지 않고 팽윤하는 성질을 갖고, 특히 알긴산은 불용성이지만 나트륨염은 물에 녹으며 점성도가 매우 높다는 특징 역시 가지고 있다.
이러한 알긴산은 특히 콘크리트에서, 생고분자(gel)를 생성하고, 분산, 유화 및 접착성을 가져, 콘크리트의 혼합을 돕고, 도포 및 시공성을 향상시키며, 견고한 접착 및 점성을 제공한다.
본 조성물에서 알긴산은 시멘트 100 중량부 대비, 0.1 ~ 0.8 중량부가 포함되는 것이 바람직한데, 0.1 중량부 미만 사용 시에는 그 효과가 미미하고, 알긴산은 상기한 라텍스보다 더욱 고가라는 점을 감안, 0.8 중량부를 초과하여 사용되는 경우 경제성이 떨어지고 압축강도가 기준치 이하가 되는 단점이 있다.
본 발명은 라텍스의 함량 최소화를 위해 알긴산을 도입함으로써 라텍스의 함량을 대폭 줄여서 경제성을 향상시키고, 알긴산의 상기 장점을 부가하여 품질이 향상된 프리캐스트 콘크리트를 제공한다는 효과를 갖는다.
일 실시예로, 본 조성물은 알긴산이 시멘트에 해조류가 혼합됨으로써 포함될 수 있음을 특징으로 하는데, 해조류, 특히 그 중에서도 갈조류를 시멘트나 라텍스의 혼합 과정에서 직접 혼합하는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 묽은 황산으로 해조류를 세척하는 작업은 선행되는 것이 바람직하다.
상기 실시예에서, 알긴산의 추출이 시멘트나 라텍스의 혼화 과정에서 발생하는 열에 의해 자연스럽게 수행될 수 있다는 장점이 있고, 특히 수화열에 의해 해조류가 녹으면서 콘크리트 조성물 내부에 발생하는 공극을 용융된 해조류의 잔해가 메워준다는 이점이 있다.
본 발명과 종래기술 간의 경제성을 비교한 도표인 도 1과 본 발명과 종래기술 간의 품질을 비교한 도표인 도 2를 참고하여 본 발명의 효과를 살펴보기로 한다.
도 1은 초속경 시멘트 400kg/m3에 혼합된 라텍스의 비율을 도시하고 있다. 기존 공법은 라텍스가 120kg/m3가 사용된 반면, 본 발명은 20kg/m3가 사용된 것을 알 수 있다. 본 발명은 알긴산을 1.2kg/m3를 더 사용함으로써 라텍스의 함유량을 100kg/m3 줄인 것이다. 라텍스의 단가는 kg 당 2800원이고, 알긴산의 단가는 kg 당 10000원이며, 이에 전체 단가가 기존 공법 대비 20% 수준으로 절감하였음을 확인할 수 있다.
도 2는 초속경 시멘트만 사용한 경우, 초속경 시멘트와 라텍스를 사용한 경우, 초속경 시멘트와 라텍스와 알긴산을 사용한 경우의 품질 비교를 도시하고 있다.
먼저 '초속경 시멘트'와 '초속경 시멘트+라텍스'를 사용한 경우를 비교하면, 초속경 시멘트와 라텍스를 혼합 사용한 경우가 압축강도, 휨강도 및 부착강도 모든 면에서 뛰어남을 확인할 수 있다.
다음 '초속경 시멘트+라텍스'를 사용한 경우와 '초속경 시멘트+라텍스+알긴산'을 사용한 경우를 비교하면, 초속경 시멘트와 라텍스와 알긴산을 혼합 사용한 경우에 압축강도, 휨강도, 부착강도 및 동결융해저항성 모든 면에서 우수함을 확인할 수 있고, 이를 통해 초속경 시멘트+라텍스+알긴산'을 사용한 경우에 품질 면에서 우수하거나 또는 최소한 동일한 품질 정도를 보장할 수 있다는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명은 라텍스와 초속경 시멘트를 혼합한 콘크리트 조성물에 비해 그 품질이 동일 또는 우수하며, 경제성에서는 확연한 이점을 갖는다는 것을 명확하게 알 수 있다.
다음으로, 본 조성물은 플라이 애쉬를 포함하는 혼화제를 더 포함하는데, 플라이 애쉬는 미세한 고형 입자 형태로 시멘트 입자의 공극을 충전하는 마이크로 필러 효과와 골재 입자, 모르타르와 펌프 및 운송호스 사이의 마찰을 감소시킴으로써 워커빌리티(wordability)와 펌퍼빌리티(pumpability)를 증가시키고 모르타르의 점착성, 재료분리 저항성을 개선하며 블리딩을 감소시키는 역할을 한다.
특히 플라이 애쉬는 실리카 흄 등과 같은 다른 포졸란 반응성 혼화제에 비하여 가격이 저렴하다는 장점이 있는데, 이를 통해 원가 절감을 통한 경제성 향상 효과를 제공할 수 있다.
상기한 플라이 애쉬는 시멘트 100 중량부 대비, 1 내지 5 중량부가 포함되는 것이 바람직한데, 1 중량부 미만으로 사용되는 경우 효과 발현이 미미하고, 5 중량부를 초과하여 사용되는 경우 유동성이 과도해져 강도가 저하되는 문제가 있고, 특히 초기 강도 발현 시간이 지연되는 문제가 발생한다. 가장 바람직한 플라이 애쉬의 사용량은 4.23 중량부이다.
[실험예]
반복 실험을 통해 도출된 본 조성물의 가장 이상적인 배합비는 다음 표 1과 같다.
실험 방법으로는, 물, 시멘트, 잔골재, 굵은 골재, 라텍스, 미역, 혼화제, 지연제를 믹서기에 투입하고 혼합한 다음, 혼합된 본 조성물을 시험용 콘크리트 블록 제조를 위한 틀에 붓고, 다짐, 미장, 양생 과정을 거쳐 시험용 콘크리트 블록을 제조하였다.
물
(kg)		 시멘트
(kg)		 잔골재
(kg)		 굵은골재(kg) 라텍스
(kg)		 미역
(kg)		 혼화제
(kg)		 지연제
(kg)
1.000 3.550 9.100 7.200 0.030 0.004 0.150 0.010
상기 표 1의 배합비에 따라 배합된 프리스캐스트 콘크리트의 물성은 다음 표 2와 같이 나타났고, 이를 통해 우수한 유동성 및 압축강도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
Slump(cm) 압축강도(Mpa) 21Mpa 기준
21 21.0 O.K.
한편, 본 조성물은 시멘트 100 중량부 대비, 기능성 첨가제 0.1 중량부를 더 포함할 수 있음을 특징으로 한다. 이 기능성 첨가제는 시멘트 입자 사이에서 자체적으로 입자화되어 구조적 안정성 및 방청성을 향상시키는데, 특히 태양광에 의한 자체 발열을 통해 시멘트 입자와 골재, 라텍스, 미역, 혼화제 등 상호간의 혼련 성능을 강화한다.
이러한 기능성 첨가제는 테트라클로로금(Ⅲ)산 100 중량부 대비, 이산화망간 5 중량부, 실리카겔 3 중량부, 계면활성제 3 중량부, 벤토나이트 1 중량부, 하이드록시에틸아크릴레이트 40 중량부 및 에틸렌디아민테트라아세테이트 3 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
테트라클로로금(Ⅲ)산, 이상화망간 및 실리카겔(이하 발열입자)은 태양광을 받아 자체 발열하여 본 조성물의 시멘트 및 각 조성물 간의 융화와 혼련이 자체적으로 이루어질 수 있도록 하기 위해 부가되며, 상온에서는 이 혼련 시간이 24시간 이상으로 길기 때문에, 약 40 ~ 60℃의 온도 조건을 제공하여 혼련 시간을 30분 이내로 단축시키기 위해 구비되는 구성이다.
각 조성물 별로, 테트라클로로금(Ⅲ)산(HAuCl4)은 금을 왕수(王水)에 녹이거나 염화금(Ⅲ)을 염산에 용해시켜 취득하는 담황색의 결정으로, 입경에 따라 발열 효율이 다르기 때문에 평균 입경이 15 ~ 30nm인 것이 사용되는 것이 바람직하다. 이하의 기능성 첨가제를 구성하는 조성들은 테트라클로로금(Ⅲ)산 100 중량부를 기준으로 결정된다.
그리고 이산화망간(MnO2)은 망간과 상소가 결합한 화합물로, 발열입자의 분산을 용이하게 하고 태양광 파장의 활용 영역을 최적화하기 위해 첨가되며, 티타늄, 크롬, 니켈, 구리 등 4주기의 전이금속 중 원적외선 영역에서의 복사율 및 복사에너지 효율이 좋아 채택되었다. 이러한 이산화망간은 산소 존재 하에서 약 1000℃로 소결시켜 제조되며, 입경이 작을수록 유도 가열 효과가 증대되므로 평균 입경이 10 ~ 100nm인 것이 사용되는 것이 바람직하고, 그 사용량은 반복 실험 결과 최적의 열전도 효율을 보였던 5 중량부인 것이 바람직하다.
그리고 실리카겔(Silica Gel)은 발열입자의 발열 효과를 지속시키고 발열 포화 시간을 단축시키기 위해 첨가되며, 반복 실험 결과 3 중량부가 포함될 때 최적의 발열 효율을 보이는 것으로 확인되었다.
이러한 발열입자는 테트라클로로금(Ⅲ)산 수용액을 약 100℃에서 10분간 가열한 후에 소량의 구연산을 첨가하여 수용액 상태로 만든 다음, 이에 상기 배합 비율로 이산화망간 및 실리카겔을 혼합 및 분산시킨 후, 소정의 건조 과정을 거쳐 제조된다. 여기에서, 건조 과정에 대한 구체적인 내용은 기 공지된 기술 및 통상의 기술자의 일반 상식을 따르는 것으로 한다.
다음으로, 계면활성제, 벤토나이트, 하이드록시에틸아크릴레이트 및 에틸렌디아민테트라아세테이트(이하 보호입자)는 상기한 플라이 애쉬와 작용하여 본 조성물의 보호 기능 및 방청 기능을 부가하기 위해 사용된다.
각 구성 별로, 계면활성제는 작업성 개선을 위해 첨가되고, 벤토나이트는 탈락 방지를 위한 점탄성 조절제로서 첨가되어 요변제의 기능을 수행한다. 이러한 계면활성제와 벤토나이트는 공지된 기술 및 일반 상식을 참고하여 시판되는 제품을 상기 조성비로 첨가되면 족하다. 상기 조성비를 벗어나는 경우, 흐름성이 기준치에 과도하거나 또는 미달되게 된다.
그리고 하이드록시에틸아크릴레이트(Hydroxyethylacrylate)는 부착증진제로서 첨가되며, 특히 경화성이 뛰어나다는 장점이 있어 채용되었다. 반복 실험 결과, 바람직한 사용량은 40 중량부이며, 상기 조성비 미만으로 사용되는 경우 부착 증진 효과 발현이 미미하며, 상기 조성비를 초과하여 사용되는 경우 휘발도가 높아지고 독성이 강해진다.
그리고 에틸렌디아민테트라아세테이트(Ehtylenediaminetetracetate)는 흡착강화제로서 첨가되며, 보호입자의 초기 생성 시의 흡착력을 강화하여 결과적으로 부착력을 향상시킨다. 반복 실험 결과, 최적의 흡착 강화 효과를 발현하는 사용량은 3중량부로 확인되었다.
이러한 보호입자는 상기한 발열입자와 함께 교반기에 투입하여 혼합 및 교반한 다음, 소정의 건조 및 경화 과정을 거쳐 제조된다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명한 본 발명은 통상의 기술자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

  1. 시멘트 100 중량부;
    골재 400 ~ 500 중량부;
    라텍스 3 ~ 15 중량부;
    알긴산 0.1 ~ 0.8 중량부; 및
    플라이 애쉬를 포함하는 혼화제;
    를 포함하는 알긴산 라텍스 프리캐스트 콘크리트 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라이 애쉬는 상기 시멘트 100 중량부 대비, 1 내지 5 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 알긴산 라텍스 프리캐스트 콘크리트 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 알긴산은 상기 시멘트에 해조류가 혼합됨으로써 포함되는 것을 특징으로 하는 알긴산 라텍스 프리캐스트 콘크리트 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 시멘트 100 중량부 대비, 기능성 첨가제 0.1 중량부를 더 포함하되,
    상기 기능성 첨가제는, 테트라클로로금(Ⅲ)산 100 중량부 대비, 이산화망간 5 중량부, 실리카겔 3 중량부, 계면활성제 3 중량부, 벤토나이트 1 중량부, 하이드록시에틸아크릴레이트 40 중량부 및 에틸렌디아민테트라아세테이트 3 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 알긴산 라텍스 프리캐스트 콘크리트 조성물.
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