KR20240040885A - 자기치유 캡슐을 활용한 고화재 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시멘트를 포함하는 결합재; 규산염을 포함하는 코어재와 상기 코어재 표면의 제 1코팅층을 포함하는 자기치유 캡슐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기치유 캡슐을 활용한 고화재 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 무기계 결합재에 무기계 자기치유 캡슐이 포함되어 내부채움에 의해 강도가 보강되고, 초기균열이 제어될 수 있으며, 특히 균열발생시 자기치유가 가능하도록 하는 고화재 조성물에 관한 것이다.
최근 건설현장에서 공사 초기 점토질인 연약지반 토양의 지반안정 문제가 가장 대두되는 문제 중 하나로 거론되고 있다. 이때 연약지반을 고결시키기 위해 보통 포틀랜드 시멘트를 주로 사용하고 있다. 고함수율인 연약한 점토질의 토양을 개량하여 연약지반의 고화처리 및 안정화하고자 하는 것이다.
하지만 시멘트 수화반응을 저하시키는 유기물을 다량 함유하고 있는 지반에서는 시멘트만으로는 효과적인 처리가 불가능하다고 알려져 있다. 또한 다량의 시멘트를 사용할 경우 건조수축 등에 의한 균열이 발생할 가능성이 높은 문제가 있다.
종래기술의 예로 대한민국 특허등록 제10-1870698호에서는 시멘트 24 내지 36 중량부, 슬래그 34 내지 46 중량부로 구성되는 베이스 및 8 내지 12 중량부의 플라이애시, 8 내지 12 중량부의 제지슬러지, 8 내지 12 중량부의 탈황석고로 구성되는 첨가물로 구성되는 점토 지반용 토양고화재를 제시하고 있다.
그런데 상기 기술의 경우 상기에서 언급한 균열에 대한 저항성을 충분히 기대할 수 없으며, 균열발생시 유지 및 보수가 용이하지 않은 문제가 있다.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 무기계 결합재에 무기계 자기치유 캡슐이 포함되도록 하여 강도 및 초기균열을 보강하고, 균열발생시 자기치유가 가능해지도록 하는 고화재를 제공하고자 함이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 자기치유 캡슐을 활용한 고화재 조성물(이하, “본 발명의 조성물”이라함)은, 시멘트를 포함하는 결합재; 규산염을 포함하는 코어재와 상기 코어재 표면의 제 1코팅층을 포함하는 자기치유 캡슐;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 규산염은 규산나트륨, 규산칼륨, 규산리튬 중 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 코어재에는 메틸알코올, 클로로포름, 메틸렌콜로라이드 중 하나 또는 둘이상의 혼합물이 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 코어재에는 탄토텐산칼슘이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 코어재에는 무기섬유가 더 포함되되, 상기 무기섬유는 바잘트섬유사로 구성된 심재; 폴리올, 유기 디이소시아네이트를 포함하는 제 2코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 심재와 상기 제 2코팅층 사이에는 알킬 포스페이트, 카복시메틸 셀룰로오스, 프로필렌글라이콜을 포함하는 중간층이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 제 1코팅층은 코팅액을 이용하여 다단으로 코팅하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 코팅액에는 상변이물질이 포함되는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 무기계 고화재에 무기계 자기치유 캡슐이 포함되어 내부채움에 의해 강도가 보강되고, 초기균열이 제어될 수 있으며, 특히 균열발생시 자기치유가 가능하도록 하는 장점이 있다.
또한 상기와 같은 물성의 발현에 의해 경사지반 긴급복구재, 급결재, 지반안정재 및 연약지반 주입재 등 다양한 용도로 적용될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 구성으로 자기치유 캡슐을 나타내는 사진이고,
도 2는 본 발명을 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명을 나타내는 사진이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 대한 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 본 발명의 한계를 명시하거나 내포하는 것이 아니라 본 발명을 통하여 활용할 수 있는 일반적인 방법을 설명하고 있으므로 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.
본 발명의 조성물은 시멘트를 포함하는 결합재; 규산염을 포함하는 코어재와 상기 코어재 표면의 제 1코팅층을 포함하는 자기치유 캡슐;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 결합재 100중량부에 대해 자기치유 캡슐 1 내지 5중량부로 배합됨이 타당하다.
상기 결합재에는 시멘트 외에 고로슬래그가 포함될 수 있다.
상기 시멘트는 종류에 한정하지 않으며, 바람직하게는 일반 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 초조강 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트 및 초속경 시멘트 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니며, 시멘트 분말형태 뿐만 아니라 클링커 형태도 사용 가능하다. 다만 시멘트 클링커를 사용하는 경우 전처리로 소성 및 분쇄과정을 거친 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 고로슬래그는 선철 제조 공정의 부산물인 수재슬래그를 미분쇄한 것으로 고화재의 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 유동성을 유지시키면서 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 자기치유 캡슐은 규산염을 포함하는 코어재와 상기 코어재 표면의 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 코어재는 고상화 된 분체를 사용하는 것에 특징이 있는 바, 이와 같이 고상화 된 분체를 사용하기 때문에 기존에 액상 코어재를 사용하는 캡슐에 비해 강도가 우수하여 캡슐 자체가 충진재로서 기능을 함으로써 이러한 캡슐이 포함되는 것 자체로 강도가 보강되도록 하는 것이다.
여기서 “분체”라함은 고체입자들이 모여 일정 입경을 형성하는 집합체를 정의하는 것으로, 일정 입경은 용도에 따라 다양하게 구성될 수 있는 바, ㎛단위로 자유롭게 제조가 가능하며, 입도분포의 경우 단일 입경을 활용할 수 있으며 연소입경을 활용할 수 있고, 입형의 경우도 이를 한정하지 않고 둥근형태, 원기둥, 모가진 형태 등 다양하게 구성될 수 있다.
상기 코어재에는 규산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 바, 상기 코어재는 규산염(Silicate, A2SiO2 + H2O)과 무기계 고화재의 미 수화물(Hydrate, Ca(OH)2)이 반응하여 C-S-H 생성물(CaSiO3 · xH2O)과 알칼리(2AOH)가 얻어져 균열 표면에 석출되게 함으로써 균열이 치유되도록 하는 메커니즘을 갖고 있다.
즉 상기 코어재에 무기질 재료로서 규산염이 첨가되도록 함으로써 균열발생시 균열면의 시멘트 알카리반응시 생성되는 수산화칼슘과 반응을 통하여 규산칼슘수화물을 생성시키며, 생성된 규산칼슘수화물은 페이스트의 미세기공에 충진되어 결국 균열면의 밀실한 충진이 이루어지도록 함으로써 견고하게 균열보강이 이루어지도록 하는 것이다.
바람직하게 규산염은 상기에서 언급한 바와 같이 규산칼륨(Potassium Silicates) 100중량부에 대해 규산나트륨(Sodium Silicates) 50 내지 90중량부, 규산리튬(Lithium Silicates) 10 내지 80중량부가 포함된 혼합물인 것을 사용하는 것이 타당하다.
그런데 상기 규산칼슘수화물의 생성반응에서는 수산화나트륨(NaOH)이 생성되는데 이렇게 생성되는 수산화나트륨은 물에 대한 용해도가 높기 때문에 수분이 존재하면 재용해되어 용출되는 문제점이 있다.
따라서 상기에서 언급한 바는 없으나, 수산화나트륨과 반응을 하여 불용화하고, 규산염과 같이 시멘트 성분과 화학반응하여 미세공극을 충진시키는 규불화염이 상기 코어재에 더 첨가되도록 할 수 있다.
즉 규불화염의 첨가됨으로써 균열에 보강된 페이스트를 완전히 밀실한 구조가 되게 한다. 즉 규불화염은 균열면에서 시멘트 알카리반응시 생성되는 수산화칼슘과 반응하여 불용성의 미세한 입자를 생성시켜 균열에 보강된 페이스트의 미세기공을 충진시킴으로써 강도를 더욱 강화시키게 되는 것이다.
이러한 규불화염은 규불화아연, 규불화마그네슘, 규불화니켈, 규불화철, 규불화코발트 중 1 또는 2 이상의 혼합물을 사용하는 것이 타당하다.
이렇게 규불화염이 더 첨가되는 경우 규산염 및 규불화염 혼합물에 있어 규산염과 규불화염의 배합비는 중량비로 규산염:규불화염 = (5 ~ 15):(2 ~ 4)인 것이 타당하다.
상기 코어재에는 메틸알코올·클로로포름·메틸렌콜로라이드 중 하나 또는 이들의 혼합물이 포함되도록 할 수 있다.
메틸알코올·클로로포름·메틸렌콜로라이드 중 하나 또는 이들의 혼합물은 무기계재료들 간의 응집제로서 첨가되는 것이다.
그런데 상기 응집제만을 첨가하는 경우 점성이 증가에 의해 분산이 용이하지 않은 문제가 있을 수 있다. 이에 상기 첨가재료에는 상기 응집제에 더하여 탄토텐산칼슘이 더 포함되는 예를 제시하고 있다.
상기 판토텐산칼슘이 더 첨가됨에 의해 배합과정에서 분산이 용이하게 이루어지도록 하는 것이다.
바람직하게 규산염 100중량부에 대해 상기 응집제와 판토텐산칼슘 혼합물이 0.01 내지 1중량부로 배합되는 것이 타당하고, 상기 응집제와 판토텐산칼슘은 중량비로 (8:2) 내지 (9.8:0.2)의 중량비로 혼합되는 것이 타당하다.
또한 상기 코어재에는 무기섬유로서 바잘트섬유가 첨가되는 예가 제시되는데, 상기 바잘트섬유는 환경친화적 이면서도 원료가 풍부하고, 비교적 저렴한 특징이 있다.
이러한 바잘트섬유는 천연 현무암을 섬유화한 것으로 인장강도, 내열성, 탄성, 흡음성 등 물성이 우수해서 자동차 부품, 카시트, 내장재 등은 물론 가정용 단열, 난연 등의 특성을 지닌 침구·침낭·가구, 의료·치과용 인공삽입재 및 경량 보조기구, 친환경적 오일·정수 필터, 경량 건축자재 및 불연 내장재에 이르기까지 쓰이지 않는 분야가 없을 정도로 다양하게 활용되고 있다.
이렇게 코어재에 바잘트섬유가 함유되어 점도 및 강도 증진의 효과가 발현되는 것이며, 바잘트섬유의 첨가에 의해 분체 자체의 제조과정, 보관과정 등에서 가교작용에 의해 균열, 취성파괴를 방지토록 하는 것이다.
또한 상기 바잘트섬유는 무기계 섬유로서 코어재 자체와도 융합이 용이한 것이며, 균열발생시 콘크리트 재질과도 융합이 용이하도록 하는 것이다.
상기 바잘트섬유는 페이스트의 가교작용을 통해 균열저항성을 향상시키도록 하는 것인데 더욱 바람직하게는 상기 바잘트섬유는 바잘트섬유사로 구성된 심재; 폴리올, 유기 디이소시아네이트를 포함하는 제 2코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 심재는 복수의 바잘트섬유사로 이루어지는데, 페이스트의 가교작용, 골재와 페이스트 간 맞물림 응력증대 등이 기능이 발현되도록 하는 것이다.
한편 상기 제 2코팅층은 저융점 열가소성 수지로 구성되어 수화반응시 발생하는 수화열에 의해 제 2코팅층이 용융되도록 하는 것이다.
이렇게 제 2코팅층이 구성되어 코어재 제조과정 등에서 섬유간 응집이 제어되도록 하여 분산성을 확보토록 하는 것이며, 충분히 균일하게 배합되어 코어재가 형성된 후에는 균열발생시 경화열에 의해 용융되도록 하여 페이스트의 수밀성이 확보되도록 하는 것이다.
상기 제 2코팅층은 폴리올, 유기 디이소시아네이트가 포함되는 조성물에 의해 형성되며, 이에 더하여 에틸렌글리콜이 더 포함되는 조성물에 의해 형성된다.
바람직하게 중량평균분자량이 1,200 ~ 1,500인 폴리올 100중량부에 대해 에틸렌글리콜 10 내지 30중량부, 유기 디이소시아네이트 20 ~ 50 중량부를 배합토록 하는 것이 타당하다.
상기 폴리올은, 폴리에스테르 디올, 폴리에테르 디올 및 폴리카보네트 디올 중에서 하나 이상을 사용하고, 상기 유기 디이소시아네이트는 디페닐메탄 디이소시아네이트, 톨루엔 디이소시아네이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 디시클로헥실메탄 디이소시아네이트, 이소포론디이소시아네이트 및 나프탈렌 디이소시아네이트 중에서 하나 이상을 사용하는 것이 타당하다.
경화열은 시멘트의 종류와 혼입량, 첨가제의 종류 등 다양한 원인에 의해 그 범위가 다르지만 대략 최고온도 섭씨 50도 내지 90도의 범위를 가지는 바, 상기 제 2코팅층의 경우도 상기 배합범위에서 섭씨 50도 내지 90도의 저융점이 형성되도록 하는 것이 타당하다.
한편 상기 제 2코팅층이 보관과정 또는 배합초기에 용융되거나 벗겨지는 경우 바잘트섬유사로 이루어진 심재에 마찰로 정전기가 발생되어 섬유간 응집이 발생되거나 타 조성과 응집이 발생되어 균일한 분산을 저해하는 요인으로 작용할 수 있는 바, 본 발명에서는 상기 심재와 상기 제 2코팅층 사이에는 알킬 포스페이트, 카복시메틸 셀룰로오스(carboxylmethyl cellulose), 프로필렌글라이콜을 포함하는 중간층이 더 포함되는 예를 제시한다.
상기 알킬 포스페이트는 심재에 정전기 발생을 방지토록 하는 조성에 해당하며, 상기 카복시메틸 셀룰로오스는 점성제로서 첨가되는데 상기 카복시메틸 셀룰로오스는 점탄성을 향상시킴으로써 심재의 분산과정에서 점성을 낮추어 균일한 분산이 이루어지도록 함과 동시에 분산 후 점성이 복원되도록 하여 페이스트와 심재의 부착강도를 증진시키도록 하는 것이다.
즉 카복시메틸 셀룰로오스는 제 2코팅층이 제거후 페이스트의 수분과 반응을 통해 점진적으로 점성이 발현되도록 함으로써 심재의 충분한 분산이 이루어진 후에 부착강도가 발현되도록 하는 것이다.
상기 프로필렌글라이콜은 심재와 페이스트 사이에 발생될 수 있는 들뜸을 방지하기 위한 것으로, 코어재가 균열에 의한 수분과 반응하여 균열을 충진시킴에 있어 과도하게 수분과 반응함으로써 심재와 페이스트 간의 계면에는 들뜸이 발생될 수 있는데, 이에 본 발명에서는 상기 중간층에 프로필렌글라이콜이 첨가되도록 함으로써 상기 프로필렌글라이콜이 첨가됨에 의해 보습성을 향상시켜 건조수축에 의한 심재와 페이스트의 들뜸을 제어토록 하는 것이다.
바람직하게 상기 중간층은 알킬 포스페이트 100중량부에 대해 카복시메틸 셀룰로오스 10 내지 50중량부, 프로필렌글라이콜 10 내지 50중량부를 포함하도록 배합됨이 타당하다.
상기 제 1코팅층은 코팅액을 이용하여 다단으로 코팅하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 코팅을 다단으로 수행토록 하여 분체화 된 코어재에 제 1코팅층이 적층되도록 하는 이유는 상기 자기치유 캡슐이 고화재에 배합되는 과정에서 타 조성과의 마찰 등에 의해 코어재의 노출 등 내구성 저하요인을 제어하기 위한 것이다.
상기 코팅액은 폴리머, 세라믹 등 다양한 재질이 사용될 수 있는 바, 배합과정에서 상기 자기치유 캡슐이 배합되도록 하기 위해 일정 강도가 발현되는 재질이 사용되어야 한다. 즉 결합재와 직접 혼합되기 때문에 결합재의 구성재료 및 혼합기에 대하여 마찰 및 전단 등의 압력이 가해지므로 손실량을 최소화할 수 있게 다단으로 코팅이 되도록 하는 것이며, 이를 통해 코어재로의 수분차단력을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
그런데 상기 코팅액에 있어 주재로 폴리머를 사용하는 경우 코팅후 경화과정에서 미세균열이 발생되어 강도가 저하될 수 있으며 코어재로 수분의 유입을 제어할 수 없는 문제가 있고, 특히 상기 캡슐을 결합재 등과 혼합하여 배합시 경화과정에서 경화열이 발생되는데 이러한 경화열은 코팅층의 강도를 저하시켜 경화과정에서 발생되는 인장력에 의해 제 1코팅층 자체에 균열이 발생될 수 있다.
이에 본 발명에서는 상기 코팅액에 상변이물질이 전체 코팅액 대비 0.1 내지 1중량%로 배합되는 예를 제시한다.
상기 상변이물질이 상기 코팅액에 첨가되어 코팅후 경화과정에서 경화열을 상기 상변이물질이 흡수합으로써 제 1코팅층의 균열저항성을 향상시키도록 하는 것이다.
이하 실험예를 설명한다.
이하 실험에서 결합재는 시멘트 100중량부에 대해 고로슬래그 50중량부가 포함되도록 하였다.
<실시예 1>
배합토를 점성토로 하고, 고화재는 결합재 100중량부에 대해 물 130중량부, 자기치유 캡슐 1중량부가 포함되도록 하였다.
<실시예 2>
배합토를 사질토로 하고, 고화재는 결합재 100중량부에 대해 물 150중량부, 자기치유 캡슐 1중량부가 포함되도록 하였다.
<실시예 3>
배합토를 사력토로 하고, 고화재는 결합재 100중량부에 대해 물 150중량부, 자기치유 캡슐 1중량부가 포함되도록 하였다.
<비교예 1>
배합토를 점성토로 하고, 고화재는 결합재 100중량부에 대해 물 130중량부가 포함되도록 하였다.
<비교예 2>
배합토를 사질토로 하고, 고화재는 결합재 100중량부에 대해 물 150중량부가 포함되도록 하였다.
<비교예 3>
배합토를 사력토로 하고, 고화재는 결합재 100중량부에 대해 물 150중량부가 포함되도록 하였다.
| 토질 | 배합 | 압축강도(kgf/cm 2 ) | 자기치유 캡슐 | |
| 결합재 | 물 | |||
| 실시예 1 | 1 | 1.3 | 20 | 0.01 |
| 실시예 2 | 1 | 1.5 | 70 | 0.01 |
| 실시예 3 | 1 | 1.5 | 110 | 0.01 |
| 비교예 1 | 1 | 1.3 | 11 | - |
| 비교예 2 | 1 | 1.5 | 56 | - |
| 비교예 3 | 1 | 1.5 | 89 | - |
| 플로우 (mm) : 180±20 내외 | ||||
상기 표 1에서 보는 바와 같이 점성토, 사질토, 사력토 모두에서 고화재(결합재)에 자기치유 캡슐이 포함되는 경우 강도자체가 보강되는 것을 알 수 있다.
Claims (8)
- 시멘트를 포함하는 결합재; 규산염을 포함하는 코어재와 상기 코어재 표면의 제 1코팅층을 포함하는 자기치유 캡슐;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기치유 캡슐을 활용한 고화재 조성물.
- 제 1항에 있어서,
상기 규산염은 규산나트륨, 규산칼륨, 규산리튬 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 자기치유 캡슐을 활용한 고화재 조성물.
- 제 1항에 있어서,
상기 코어재에는 메틸알코올, 클로로포름, 메틸렌콜로라이드 중 하나 또는 둘이상의 혼합물이 포함되는 것을 특징으로 하는 자기치유 캡슐을 활용한 고화재 조성물.
- 제 3항에 있어서,
상기 코어재에는 탄토텐산칼슘이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 자기치유 캡슐을 활용한 고화재 조성물.
- 제 1항에 있어서,
상기 코어재에는 무기섬유가 더 포함되되, 상기 무기섬유는 바잘트섬유사로 구성된 심재; 폴리올, 유기 디이소시아네이트를 포함하는 제 2코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기치유 캡슐을 활용한 고화재 조성물.
- 제 5항에 있어서,
상기 심재와 상기 제 2코팅층 사이에는 알킬 포스페이트, 카복시메틸 셀룰로오스, 프로필렌글라이콜을 포함하는 중간층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 자기치유 캡슐을 활용한 고화재 조성물.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1코팅층은 코팅액을 이용하여 다단으로 코팅하는 것을 포함하는 자기치유 캡슐을 활용한 고화재 조성물.
- 제 7항에 있어서,
상기 코팅액에는 상변이물질이 포함되는 것을 특징으로 하는 자기치유 캡슐을 활용한 고화재 조성물.
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|---|---|---|---|---|
| KR101870698B1 (ko) | 2016-08-22 | 2018-06-25 | 노창석 | 점토 지반용 토양고화재 |
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2022
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