KR20230160982A - 공기단축을 위한 조기강도 발현성이 우수한 콘크리트 조성물 - Google Patents

공기단축을 위한 조기강도 발현성이 우수한 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트를 포함하는 결합재, 물, 폴리카르복실레이트계를 주재로 하며 질산염계 첨가제, 아민계 첨가제, 글리콜계 첨가제, 알칼리형 촉진 첨가제가 포함되는 혼화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기단축을 위한 조기강도 발현성이 우수한 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

Description

공기단축을 위한 조기강도 발현성이 우수한 콘크리트 조성물{High Performance Concrete Composition Having Improved Early-Strength Characteristics for Shortening of Period}
본 발명은 저온환경에서도 조기강도가 발현되고 급격한 로스가 제어되어 공기를 단축할 수 있는 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
콘크리트 또는 시멘트 모르타르 등과 같은 시멘트 조성물은 시멘트와 물과의 반응으로 경화되는 수경성 반응물로서 물의 사용량에 따라 경화 후 압축강도 등의 물성이 바뀔 수 있다. 일반적으로 물의 첨가량이 증가하면 작업성이 향상되나 압축강도 등을 저하시키고 균열 발생을 초래할 수 있으므로, 시멘트 조성물에 대한 물의 사용량이 제한되며, 이러한 물성의 약화를 극복하기 위해 혼화제를 더 첨가하기도 한다.
일반적으로 혼화제는 크게 AE제(air entraining admixture), 감수제(water reducing admixture), 고성능 감수제(high range water reducing admixture) 등이 사용된다. 이 중 AE제는 감수제 또는 고성능 감수제와 혼합되어 AE 감수제 및 고성능 AE 감수제로 분류되어 있다.
그러나 기존 혼화제만의 사용으로는 근래에 요구되는 높은 감수성과 충분한 유동성을 만족하기가 쉽지 않으며, 응결시간 단축을 통한 공기 단축 및 거푸집 해체 기준강도를 도달하기가 쉽지 않은 실정이다. 특히 골조공사의 공기를 단축하기 위해 타설된지 2일 이내에 거푸집을 무분별하게 제거하고 있으며, 이로 인해 콘크리트 구조물의 품질저하를 초래하고 있으나, 초기강도를 효과적으로 개선하기 위한 혼화제의 개발은 아직 요원한 시점이다.
일 예로 대한민국 특허등록 제10-1625075호에서는 “콘크리트 액상 혼화제; 및 조강 시멘트를 포함하되, 양생 6시간 이내에 10MPa 이상의 압축강도를 발현하기 위한 조기강도 발현용 콘크리트 조성물로서, 상기 콘크리트 액상 혼화제는 조강 시멘트 100 중량부에 대하여 10 내지 15 중량부의 범위로 포함되고, 상기 콘크리트 액상 혼화제는, 액상 혼화제 전체 100 중량%를 기준으로, 질산칼륨 1~50 중량%; 티오시안산 나트륨 0.1~3 중량%; 칼슘 포메이트 0.1~5 중량%; 분산제, 유지제, 방청제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제 2.2~40 중량%; 및 상기 콘크리트 액상 혼화제 100 중량%를 만족시키는 잔량의 물을 포함하여 조성되는 콘크리트 조성물에 대해서 개시하고 있다.
그런데 상기 기술의 경우 조강성의 확보는 기대되나, 조강성의 확보에 따른 작업성 저하의 문제가 상존하는 것으로 보이는 바, 특히 저온환경에서 공기단축을 기대할 수 없는 문제가 있다.
대한민국 특허등록 제10-1625075호
따라서, 본 발명은 저온환경에서도 조기강도가 발현되고 급격한 로스가 제어되어 공기를 단축할 수 있는 콘크리트 조성물을 제공하고자 함이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 공기단축을 위한 조기강도 발현성이 우수한 콘크리트 조성물(이하, “본 발명의 조성물”이라함)은, 시멘트를 포함하는 결합재, 물, 폴리카르복실레이트계를 주재로 하며 질산염계 첨가제, 아민계 첨가제, 글리콜계 첨가제, 알칼리형 촉진 첨가제가 포함되는 혼화제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 시멘트는 1종 조강형시멘트인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 혼화제에는 이소스테아르산이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 혼화제에는 수산화마그네슘이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 혼화제에는 코폴리에스테르계 수지, 에폭시화아민을 포함하는 코팅층에 의해 표면개질 된 석회석을 포함하는 팽창첨가제가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 조성물은 저온에서도 조기강도가 발현되며 슬럼프로스가 적어 공기를 단축할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 조성물은 조기강도가 확보되면서도 균열에 대한 저항성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
이하 본 발명의 실시 예 및 실험 예를 첨부되는 도면을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 조성물은, 시멘트를 포함하는 결합재, 물, 폴리카르복실레이트계를 주재로 하며 질산염계 첨가제, 아민계 첨가제, 글리콜계 첨가제, 알칼리형 촉진 첨가제가 포함되는 혼화제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 이하에서 설명하는 혼화제에 시멘트를 포함하는 결합재, 물을 포함하는데, 여기서 결합재에는 시멘트 외에 플라이애시, 고로슬래그 등이 포함될 수 있다.
상기 시멘트는 바람직하게 1종 조강형 시멘트를 사용하는 것이 타당하다. 상기 1종 조강형 시멘트는 1종 보통 포틀랜트 시멘트와 3종 조강 포틀랜트 시멘트 중간 정도의 조강 성능을 발휘하는 시멘트로서, 1종 보통 포틀랜트 시멘트 대비 2,000~3,000㎠/g 높은 분말도를 보임에 따라 초결 및 종결을 나타내는 응결시간 빠른 특성을 갖는다.
상기 물은 종류에 한정하지 않으나, 불순물이 없고 깨끗하게 정제된 물을 사용하는 것이 좋다. 또한 물과 결합재(W/B)는 설계기준강도 및 배합강도와 같은 콘크리트의 강도와 내구성 등을 결정하는 수치로서, W/B가 30 내지 55 중량%가 되도록 하는 것이 콘크리트의 건조수축, 재료 분리 등이 일어나지 않는 조건으로 바람직하다.
상기 고로슬래그는 선철 제조 공정의 부산물인 수재슬래그를 미분쇄한 것으로 시멘트의 장기강도를 높여주고, 수밀성, 내해수성을 증대시키는 역할을 하게 된다. 상기 고로슬래그는 분말도 2,000 내지 15,000㎠/g, 바람직하게는 4,000 내지 8,000㎠/g 을 사용하는 것이 콘크리트 조성물의 유동성을 유지시키면서 콘크리트 조성물의 강도발현이 저하되지 않아 좋다.
또한 상기 고로슬래그는 전체 100 중량% 중에서 2 내지 6 중량%의 무수황산(SO3)을 포함하는 것이 좋으며, 바람직하게는 2 내지 3 중량% 첨가하는 것이 좋다. 상기 무수황산은 고로슬래그를 미분쇄할 때 첨가되는 것이며, 보조자극제의 역할을 수행하게 된다.
상기 플라이애시는 포졸란 반응에 의하여 콘크리트의 장기 강도를 증진시키고 콘크리트 조직의 수밀성, 내구성, 내화학성을 강화시키는 역할을 하는 것으로, 화력발전소에서 석탄을 사용하고 남은 석탄재로서 완전히 연소되어 비중이 2.0 내지 2.4, 바람직하게는 2.1 내지 2.2 범위에 드는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 분말도는 3,500 내지 4,500㎠/g, 강열 감량은 5% 미만인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 조성물에는 상기에서 언급한 바는 없으나 굵은 골재와 잔 골재가 더 포함되는데, 상기 굵은 골재는 일반적으로 자갈(gravels)로도 불리며, 당업계에서 일반적으로 사용하는 것이라면 종류에 한정하지 않는다. 상기 굵은 골재는 부순 골재 또는 천연골재를 사용하는 것이 좋으며, 바람직하게는 KS F 2502 또는 KS F 2527을 만족하는 것을 사용하는 것이 좋다.
상기 잔골재는 일반적으로 모래라고 통칭되는 것으로 미세골재, 거친골재 모두 사용이 가능하다. 상기 미세골재는 4번 체(ASTM C125, 4.75mm)를 거의 완전하게 통과하는 물질이 좋으며, 실리카 모래 등을 사용하는 것이 좋다.
상기 거친 골재는 4번 채(ASTM C125, 4.75mm)에 주로 남아있는 물질, 예를 들어 실리카 모래, 석영, 대리석, 화강암, 석회석, 방해석, 장석, 충적사, 기타 모래 등 다른 내구성 골재 또는 이들의 혼합물이 좋다. 또한 본 발명에서는 콘크리트의 유동성을 결정하기 위하여 잔골재율(S/a)이 35 내지 55 부피%를 만족하는 것이 좋은데, 이는 전체 골재(모래+자갈, a)체적에 대한 모래(S)의 체적비로 계산할 수 있다.
특히 본 발명에서는 조기강도가 발현되면서도 작업성을 확보할 수 있게 폴리카르복실레이트계를 주재로 하면서 기타 첨가제가 포함되는 혼화제가 첨가되도록 한다.
상기 폴리카르복실레이트계의 경우 기존에 사용하던 혼화제에 비하여 우수한 감수성능을 발휘할 뿐만 아니라, 슬럼프 로스가 적고, 또한 우수한 혼련성을 가지는 특징이 있다. 이러한 폴리카르복실레이트계는 1개의 주쇄와 측쇄로 구성되어 주쇄는 시멘트 입자의 간격을 넓혀 혼합수가 효과적으로 시멘트와 접촉하여 수화반응을 원활하게 하는 기능을 하여 주로 콘크리트의 감수효과를 높이는 역할을 하고, 측쇄는 시간에 따라 감소하는 콘크리트의 유동특성을 지연시켜 작업성 즉 유동성을 높이는 역할을 하는 것이다.
상기 혼화제에는 질산염계 첨가제, 아민계 첨가제, 글리콜계 첨가제, 알칼리형 촉진 첨가제가 포함됨을 특징으로 한다.
우선 상기 질산염계 첨가제는 일정 강도가 초기에 발현될 수 있도록 할뿐만 아니라 저온에서의 응결촉진 성능이 발현되도록 하여 저온환경에서 조기 거푸집 탈형강도가 발현될 수 있도록 하는 것이다. 또한 상기 질산염계 첨가제는 조기강도가 발현되도록 함에도 어느 정도 유동성이 확보되도록 할 수 있으므로 저온환경에서 조기 거푸집 탈형강도의 발현이 더욱 용이하도록 하는 것이다.
상기 질산염계 첨가제는 그 종류를 한정하지 않으며, 예로 Zn(NO3)2·6H2O 또는 Ca(NO3)2·4H2O에서 선택되는 1종이 될 수 있다.
상기 알칼리형 촉진 첨가제는 조강성을 확보하기 위한 것으로, 특히 결합재에 고로슬래그가 포함되는 경우 고로슬래그의 표면에 형성된 불투수성 피막을 깨뜨리는 자극제 역할을 수행하며, 시멘트의 반응을 활성화시키는 효과가 있다. 이를 상세히 설명하면, 열분해 시 발생하는 이온 및 반응형 라디칼이 시멘트의 주성분과 반응하여 반응성을 크게 향상시키게 된다. 그 결과, 초기 수화 및 응결 반응이 촉진되며, 콘크리트의 조강성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 알칼리형 촉진 첨가제는 그 종류를 한정하지 않으며, 예로 과황산나트륨, 아질산나트륨, 수산화칼륨, 수산화나트륨 및 아질산칼슘 등이 적용될 수 있다.
상기 아민계 첨가제의 경우도 조강성을 향상시키기 위한 것으로 상기 알칼리형 촉진 첨가제는 조강성을 향상시키나 다소 작업성이 저하되는 문제가 있으며, 상기 아민계 첨가제의 경우 조강성은 미미하게 향상시키나 작업성면에서 유리한 작용기작이 있어 상기 알칼리형 촉진 첨가제에 더하여 상기 아민계 첨가제가 첨가되도록 함으로써 작업성 및 조강성이 상호 보완에 의해 더욱 향상되도록 하는 것이다.
상기 아민계 첨가제의 경우도 그 종류를 한정하지 않으며 예로 트리에탄올 아민 등이 적용될 수 있다.
바람직하게 상기 혼화제에는 전체 중량대비 첨가제가 20 내지 50중량부가 배합되도록 하며, 상기 첨가제에는 질산염계 첨가제 100중량부에 대해 아민계 첨가제 20 내지 80중량부, 글리콜계 첨가제 20 내지 80중량부, 알칼리형 촉진 첨가제 20 내지 80중량부가 포함되도록 하는 것이 타당하다.
또한 본 발명에서는 상기 혼화제에는 이소스테아르산이 더 포함되는 것을 특징으로 한다. 상기 이소스테아르산은 저온환경에서 조기강도가 발현되도록 하기 위한 것이다.
바람직하게 질산염계 첨가제 100중량부에 대해 이소스테아르산 2 내지 10중량부가 배합됨이 타당하다.
한편 본 발명의 조성물이 특히 대형 구조물 등의 용도로 사용될 시 경화과정에서 온도수축에 의한 균열은 제어할 수 없는데 상기 혼화제에는 이러한 온도균열을 제어하기 위한 조성으로서 상기 첨가제에 상기 조성들 외에 수산화마그네슘이 더 포함되는 예를 제시하고 있다. 상기 수산화마그네슘의 경우 페이스트의 경화과정에서 발생되는 경화열을 흡수하여 온도균열을 제어토록 하기 위한 것이다.
바람직하게 질산염계 첨가제 100중량부에 대해 수산화마그네슘 2 내지 10중량부가 배합됨이 타당하다.
또한 본 발명에서는 상기 혼화제에는 코폴리에스테르계 수지, 에폭시화아민을 포함하는 코팅층에 의해 표면개질 된 석회석을 포함하는 팽창첨가제가 더 포함되는 예를 제한다.
소성된 석회석은 산화칼슘이 수화되면서 수산화칼슘이 생성되도록 하여 배합시 페이스트를 팽창시키도록 하는 것이다. 이러한 팽창은 공극을 남긴 채로 외관상의 용적팽창을 한다고 알려져 있으며 그 팽창은 2단계의 팽창에 의한다고 알려져 있는데 최초로 미세한 콜로이드상의 수산화칼슘을 생성할 때 처음 팽창을 하고 이것이 완전히 종료한 후에도 계속하여 장대한 이방성의 육각판상 결정으로 성장한다고 알려져 있다.
그런데 소성된 석회석은 수화활성이 매우 높아 배합시 물과 반응하여 단시간에 수화반응을 완결해, 시멘트가 대부분 응결 하고 있지 않는 상태에서 팽창 발현이 종료되어 페이스트에서 팽창성 즉 케미컬 프리스트레스의 도입은 실질적으로 하지 못하고, 또 자기수축에 대한 억제 효과도 얻기 어렵다.
이에 지연제 등을 병용해 소성된 석회석의 수화반응시기를 늦추는 것도 가능하지만, 공존하는 시멘트(cement)에도 지연작용이 일어나 모르타르, 콘크리트 등의 물성에 영향을 주는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 코폴리에스테르계 수지, 에폭시화아민을 포함하는 코팅층에 의해 표면개질 된 석회석이 포함되도록 하는 예를 제시하고 있다.
상기 코팅층은 코폴리에스테르계 수지를 주재로 하고 에폭시화아민을 첨가제로 포함되도록 하는 것인데, 코폴리에스테르계 수지를 주재로 한 코팅층에 의해 석회석 표면이 코팅되도록 함으로써 소성된 석회석의 수화활성을 지연시키도록 하는 것인데, 코폴리에스테르계 수지를 주재로 한 코팅층은 배합과정에서 수화열에 의해 용융이 되어 석회석이 물과의 반응시간을 지연시킴에 기인한 것이다.
상기 코폴리에스테르계 수지는 산(acid)류와 알코올(alcohol)류의 반응으로 합성된 것으로, 코폴리에스테르계 수지로써, 낮은 온도(40 내지 80℃)에서 용융이 됨을 특징으로 한다.
즉 산류는 테레프탈산(terephthalic acid) 40~50mol%과 이소프탈산(isophthalic acid) 50~60mol%로 구성되고, 알코올류는 부탄디올(butanediol)로 구성되며, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol)이 포함된 폴리에스테르(polyester)의 반응으로 코폴리에스테르계 수지가 형성되는 것이다.
또한 보관과정에서 특히 습도가 높은 여름철 등에는 소성된 석회석 등에 수분이 흡수되어 보관과정에서 수분과의 반응이 이루어져 실제 모르타르 또는 콘크리트에 배합시 제 기능의 발현을 기대할 수 없는 바, 본 실시 예와 같이 코팅층이 도포되도록 하여 보관과정에서 수분의 흡수를 제어하도록 하는 것이다.
또한 상기 코팅층에는 에폭시화아민이 더 포함되도록 하는데, 이는 석회석 간의 응집을 제어함으써 균일한 물성발현이 이루어지도록 하기 위한 것이다. 보관과정 및 배합과정에서 마찰 등에 의해 미세한 석회석 분말 간에 응집이 이루어질 수 있는데, 본 발명에서는 상기 코팅층에 에폭시화아민이 더 포함되도록 하여 응집을 제어토록 하는 것이다. 특히 에폭시화아민은 유기성으로 보관 및 배합과정 등에서 물과 반응하지 않아 쓸려나감 없이 입자에서 입자간 응집제어능이 발현되도록 하는 것이다.
상기 팽창첨가제는 질산염계 첨가제 100중량부에 대해 20 내지 80중량부가 배합되도록 하는 것이 타당하다.
이하 실험예를 통해 본 발명의 실시예를 설명한다.
본 실험에서의 각 시료는 하기 표 1에서 보는 바와 같은 배합에 의해 제조되었다. 이하 실시예들은 시료에 있어 첨가제는 혼화제 전체 100중량부에 대해 첨가제 30중량부가 포함되도록 하고, 비교예 1은 일반 포틀랜트 시멘트에 일반 혼화제가 첨가된 예이며, 비교예 2는 1종 조강형 시멘트에 일반 혼화제가 첨가된 예이고, 실시예 1은 1종 조강형 시멘트를 적용하면서, 첨가제로 질산염계 첨가제 100중량부에 대해 아민계 첨가제 80중량부, 글리콜계 첨가제 80중량부, 알칼리형 촉진 첨가제 80중량부가 포함된 예이며, 실시예 2는 실시예 1과 동일하되 질산염계 첨가제 100중량부에 대해 이소스테아르산 5중량부가 더 첨가된 예이고, 실시예 3은 실시예 2와 동일하되 질산염계 첨가제 100중량부에 대해 수산화마그네슘 5중량부가 더 첨가된 예이고, 실시예 4는 실시예 3과 동일하되 질산염계 첨가제 100중량부에 대해 코폴리에스테르계 수지, 에폭시화아민을 포함하는 코팅층에 의해 표면개질 된 석회석 20중량부가 더 첨가된 예이다.
구분 W/B S/a Unit weight (kg/m 3 ) AD
W C1 1) C2 2) S CS G
1 비교예 1 47.1 52.0 165 350 - - 942 869 0.8
2 비교예 2 0.8
3 실시예 1 1.2
4 실시예 2 47.1 52.0 165 - 350 - 942 869 1.2
5 실시예 3 1.2
6 실시예 4 1.2
구분 Slump
(mm)
Air
(%)
압축강도(MPa)
항온항습(15℃) 수중양생(20℃)
즉시 60분 즉시 60분 15hr 18hr 24hr 3일 7일 28일
1 비교예 1 200 185 4.5 4.1 0.62 1.32 3.93 18.61 26.68 36.88
2 비교예 2 200 180 4.4 3.9 1.84 3.87 8.52 20.31 30.53 39.66
3 실시예 1 200 185 4.6 4.2 3.56 6.02 11.23 24.05 35.44 42.42
4 실시예 2 200 185 4.5 4.3 4.12 7.58 13.11 25.01 35.48 42.77
5 실시예 3 200 180 4.6 4.2 3.99 6.99 11.85 24.9 35.6 43.1
6 실시예 4 200 185 4.6 4.3 5.30 8.98 14.01 25.2 35.9 45.2
상기 표 2에서 보는 바와 같이 비교예 1과 비교예 2를 대비 1종 조강형 시멘트를 사용한 경우 초기 및 장기강도가 증가하는 경향을 보이는 것을 알 수 있다.
또한 실시예들의 경우 비교예들보다 조기강도가 발현되면서도 로스저하가 거의 동등한 수준을 나타내고 있는 것을 알 수 있다.
또한 실시예 1보다 실시예 2 등에서 우수한 조강성능이 도출되는 것을 알 수 있는데, 이는 이소스테아르산이 더 첨가되어 낮은 온도에서도 조강성이 확보되도록 함에 기인한 것으로 판단된다.
또한 실시예 4의 경우가 타 실시예들보다 강도면에서 유리한 것을 알 수 있는데 이는 상기 팽창첨가제의 작용에 의해 초기(3일)에는 조강성이 발현됨에 기인하고 그 이후에는 페이스트의 팽창에 의한 균일한 균열의 제어에 기인하는 것으로 판단된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (5)

  1. 시멘트를 포함하는 결합재, 물, 폴리카르복실레이트계를 주재로 하며 질산염계 첨가제, 아민계 첨가제, 글리콜계 첨가제, 알칼리형 촉진 첨가제가 포함되는 혼화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기단축을 위한 조기강도 발현성이 우수한 콘크리트 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 시멘트는 1종 조강형시멘트인 것을 특징으로 하는 공기단축을 위한 조기강도 발현성이 우수한 콘크리트 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 혼화제에는 이소스테아르산이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 공기단축을 위한 조기강도 발현성이 우수한 콘크리트 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 혼화제에는 수산화마그네슘이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 공기단축을 위한 조기강도 발현성이 우수한 콘크리트 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 혼화제에는 코폴리에스테르계 수지, 에폭시화아민을 포함하는 코팅층에 의해 표면개질 된 석회석을 포함하는 팽창첨가제가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 공기단축을 위한 조기강도 발현성이 우수한 콘크리트 조성물.
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