WO2023080428A1 - 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자, 이를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

콘크리트 조기강도 발현용 나노입자, 이를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to nanoparticles for early strength development of concrete and a method for producing the same, more specifically, it is prepared by a co-precipitation method, the early strength enhancement effect may vary depending on the composition, and the early strength development of concrete It relates to nanoparticles that can be used as a co-strengthening agent.
  • Admixture is a material that is added in addition to cement, aggregate, and water, which are the basic materials of concrete manufacturing, to give special performance to concrete or to improve its properties. it means.
  • the development of excellent admixtures is recognized as one of the most important things in the development of concrete materials because the physical properties of concrete change greatly depending on the admixtures used.
  • the mainstream of concrete admixtures are AE water reducing agents, high performance water reducing agents, and high performance AE water reducing agents.
  • Synthetic surfactants, ligninsulfonic acid, naphthalene, melamine, and polycarboxylic acid admixtures are used as main components. Even ultra-short-strength performance is not guaranteed.
  • precast concrete which is produced by pouring concrete into a mold.
  • the strength of concrete is rapidly developed by steam curing using steam, which consumes a large amount of energy. Since precast is to produce molded concrete of a certain shape, the rotation rate of the mold used is one of the important parts. Therefore, the development of early strength of concrete is an important factor in order to use less energy and increase the rotation rate of the mold.
  • Korean Patent Registration No. 10-1963579 discloses an early-strength concrete composition applicable to areas where early-strength development is required.
  • the present invention has been made to solve the problems of the prior art, and the purpose is to provide a hydraulic material, in particular, nanoparticles that can promote the early strength development of concrete, and a composition for forming concrete containing the nanoparticles. .
  • an object of the present invention is to provide a method for producing nanoparticles for early strength development of concrete, in which the early strength enhancement effect can vary depending on the composition.
  • It includes, calcium silicate hydrate; and the molar ratio of calcium to silicon (Ca / Si) of the calcium silicate hydrate is provided with nanoparticles for early strength development of concrete that will be 2 to 10.
  • the nanoparticles may have a size of 10 to 1,000 nm.
  • Another aspect of the present invention is,
  • aggregate aggregate; binder; admixture; and water; and the admixture is provided with a composition for forming concrete comprising nanoparticles for developing the early strength of the concrete.
  • the binder is usually Portland cement, early strong Portland cement, lime cement, slag cement, blast furnace slag cement, slag powder, Portland pozzolan cement, fly ash, bottom ash, gypsum cement, lime cement, silica fume, low heat cement and desulfurized gypsum. It may include one or more selected from the group consisting of.
  • Another aspect of the present invention is,
  • nanoparticles are calcium silicate hydrate It includes, and the molar ratio of calcium to silicon (Ca / Si) of the calcium silicate hydrate is 2 to 10, and a method for producing nanoparticles for early strength development of concrete is provided.
  • the water-soluble calcium compound includes calcium nitrate, calcium chloride, calcium formate, calcium acetate, calcium bicarbonate, calcium bromide, Calcium carbonate, calcium citrate, calcium chlorate, calcium fluoride, calcium gluconate, calcium hydroxide, calcium oxide ( calcium oxide), calcium hypochlorite, calcium iodate, calcium iodide, calcium lactate, calcium nitrite, calcium oxalate ( calcium oxalate, calcium phosphate, calcium propionate, calcium silicate, calcium stearate, calcium sulfate, calcium sulfate hemihydrate ), calcium sulfate dihydrate, calcium sulfide, calcium tartrate, calcium aluminate, tricalcium silicate, dicalcium silicate And it may be one containing one or more selected from the group consisting of hydrates thereof.
  • the water-soluble silicate compound is sodium silicate, potassium silicate, waterglass, aluminum silicate, tricalcium silicate, dicalcium silicate, calcium silicate ( calcium silicate), silicic acid, sodium metasilicate, potassium metasilicate, and hydrates thereof.
  • the nanoparticles may be prepared by a co-precipitation method.
  • the mixture may further include at least one selected from the group consisting of dispersants, alkali metal hydroxides, and combinations thereof.
  • the dispersant may include a polycarboxylate-based compound.
  • the alkali metal hydroxide may include at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), and lithium hydroxide (LiOH).
  • drying the nanoparticles may be further included.
  • the nanoparticles of the present invention can be used as an early strength development accelerator because they can accelerate the early strength development of hydraulic materials, especially concrete, and have an economical effect because they can shorten the construction period and reduce construction costs and labor costs.
  • the nanoparticles for early strength development of concrete of the present invention have an effect that the early strength enhancement effect may vary depending on the molar ratio of calcium to silicon (Ca/Si).
  • FIG. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing nanoparticles for early strength development of concrete according to the present invention.
  • Figure 2 is a graph showing the compressive strength of the composition for forming concrete prepared according to Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 4.
  • the first aspect of the present application is,
  • Calcium silicate hydrate provides nanoparticles for early strength expression of concrete containing.
  • the nanoparticle may include; calcium silicate hydrate.
  • the hydration process of cement is that the cement compound reacts with water to form a hydrate, solidifies as the fluidity is lost, and as time passes, the hydration reaction proceeds and hardens to increase the strength of the structure, so hydration and hardening ( intensity) form a close relationship.
  • C 3 S tricalcium silicate
  • 2CaOSiO 2 dicalcium silicate
  • C 2 S calcium hydroxide
  • CSH Calcium Silicate Hydrate
  • the nanoparticles containing calcium silicate hydrate (C-S-H) according to the present invention when the nanoparticles containing calcium silicate hydrate (C-S-H) according to the present invention are mixed with the concrete mixture, the nanoparticles containing C-S-H act as nucleation seeds, and as they become larger, the pores between the cement particles are formed.
  • the initial hydration process of cement which was the conventional rate-determining step. Therefore, since the curing time of concrete can be drastically reduced, the construction period at the construction site can be shortened by 2/3 compared to the previous one through the realization of early strength that could not be expressed in existing concrete through the addition of this and the development of application technology for this. It has the advantage of increasing efficiency and dramatically saving energy. It also has the effect of reducing construction cost and labor cost.
  • the molar ratio of calcium to silicon (Ca / Si) of the calcium silicate hydrate may be 2 to 10. That is, the molar ratio of silicon (Si) to calcium (Ca) may be 1:2 to 10. If the molar ratio of calcium to silicon (Ca / Si) of the calcium silicate hydrate is out of the above range, that is, if the molar ratio of calcium to silicon (Ca / Si) is less than 2 or exceeds 10, the early strength enhancement effect may be insufficient, , As a result, the compressive strength is significantly lower than that within the above range, which is not preferable.
  • the size of the nanoparticles for early concrete strength expression may be 10 to 1,000 nm.
  • the second aspect of the present application is,
  • the composition for forming concrete may include an aggregate.
  • Aggregate is a mineral material for construction that is a base of the composition for forming concrete and can be aggregated by a binder to form a single lump.
  • the aggregate included in the composition for forming concrete may include fine aggregate and coarse aggregate.
  • the fine aggregate means an aggregate of a particle size that passes 100% through a standard 5 mm sieve.
  • the coarse aggregate means an aggregate of a particle size remaining 100% in a standard 5 mm sieve.
  • the fine aggregate may include crushed sand, natural sand, washed sand, recycled aggregate having a particle size of 0.01 to 5 mm, or any combination thereof.
  • the fine aggregate may preferably be crushed sand, but is not limited thereto.
  • the coarse aggregate may include crushed stone, crushed slag, natural gravel, crushed gravel, recycled aggregate having a particle size of 5 to 25 mm, or any combination thereof.
  • the coarse aggregate may be crushed gravel, but is not limited thereto.
  • the content of the aggregate may be 60 to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the total content of the composition for forming concrete.
  • the content of the aggregate is less than 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the total content of the composition for forming concrete, when preparing concrete from the composition for forming concrete, the compressive strength of concrete increases, but at the same time, the unit cost of concrete manufacturing increases, and the aggregate If the content exceeds 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the total content of the composition for forming concrete, separation between the aggregate and the binder may occur and the quality of the concrete may deteriorate.
  • the fine aggregate ratio (S / A) of the composition for forming concrete may be 35 to 65%.
  • the fine aggregate ratio (S/A) means the percentage of the absolute volume of the fine aggregate (S) relative to the total aggregate (fine aggregate + coarse aggregate, A).
  • the fine aggregate ratio (S/A) of the concrete forming composition is less than 35%, the unit quantity and unit cement quantity decrease, resulting in poor workability and a problem that may be separated from other materials by becoming rough concrete.
  • the fine aggregate ratio (S / A) of the concrete forming composition exceeds 65%, there is a problem in that drying shrinkage, settlement cracks, and plastic shrinkage cracks increase.
  • the composition for forming concrete may include a binder.
  • the binder serves to impart durability and strength to concrete by improving and maintaining adhesion between aggregates (eg, fine aggregate or coarse aggregate) included in the concrete forming composition.
  • aggregates eg, fine aggregate or coarse aggregate
  • the binder is ordinary Portland cement, early strong Portland cement, lime cement, slag cement, blast furnace slag cement, Portland pozzolan cement, fly ash, bottom ash, gypsum cement, lime cement, silica fume, low heat generation cement or any combination thereof.
  • the binder may include normal Portland cement, early-strength Portland cement, or any combination thereof, but is not limited thereto.
  • the content of the binder may be 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the total content of the composition for forming concrete.
  • the content of the binder is within the above range with respect to 100 parts by weight of the total content of the composition for forming concrete, it is possible to reduce the manufacturing cost of concrete and increase watertightness.
  • the water-binder ratio (W / B) of the composition for forming concrete may be 20 to 60%. According to one embodiment of the present application, the water-binder ratio (W / B) of the composition for forming concrete may be 40 to 50%.
  • the water binder ratio (W / B) means a percentage of the amount of water (W) to the binder (B).
  • the composition for forming concrete may include an admixture.
  • the admixture may include nanoparticles for developing early strength of concrete according to the first aspect of the present application.
  • the nanoparticle may include; calcium silicate hydrate.
  • the nanoparticles may be provided as an admixture to promote early strength development of concrete.
  • the nanoparticles When nanoparticles containing calcium silicate hydrate are used as an admixture, the nanoparticles act as nucleation seeds, filling the gaps between cement particles as they grow larger, thereby determining the existing rate. It is possible to omit the initial hydration process of cement, which was a step. Therefore, since the curing time of concrete can be drastically reduced, the construction period at the construction site can be shortened by 2/3 compared to the previous one through the realization of early strength that could not be expressed in existing concrete through the addition of this and the development of application technology for this. It can increase efficiency, significantly reduce energy, and has the advantage of reducing construction and labor costs.
  • the calcium silicate hydrate may have a molar ratio of calcium to silicon (Ca/Si) of 2 to 10. That is, the molar ratio of silicon (Si) and calcium (Ca) of the calcium silicate hydrate may be 1:2 to 10. If the molar ratio of calcium to silicon (Ca / Si) of the calcium silicate hydrate is out of the above range, that is, if the molar ratio of calcium to silicon (Ca / Si) is less than 2 or exceeds 10, the early strength enhancement effect may be insufficient, , As a result, the compressive strength is significantly lower than that within the above range, which is not preferable.
  • the size of the nanoparticles for early concrete strength expression may be 10 to 1,000 nm.
  • the composition for forming concrete may include water.
  • the water can be used as long as it does not contain harmful substances, such as oil, acids, alkalis, salts, and organic substances.
  • the type of usable water is not particularly limited, and underground water, tap water, and the like can be used.
  • the third aspect of the present application is,
  • Preparing a mixture by mixing a first solution containing a water-soluble calcium compound and a second solution containing a water-soluble silicate compound, and stirring the mixture to produce nanoparticles; A manufacturing method is provided.
  • the method for preparing nanoparticles is to prepare a mixture by mixing a first solution containing a water-soluble calcium compound and a second solution containing a water-soluble silicate compound, and stirring the mixture to obtain nanoparticles. It may be to include; manufacturing step.
  • the water-soluble calcium compound is calcium nitrate, calcium chloride, calcium formate, calcium acetate, calcium bicarbonate , calcium bromide, calcium carbonate, calcium citrate, calcium chlorate, calcium fluoride, calcium gluconate, calcium hydroxide (calcium hydroxide), calcium oxide, calcium hypochlorite, calcium iodate, calcium iodide, calcium lactate, calcium nitrite ( calcium nitrite), calcium oxalate, calcium phosphate, calcium propionate, calcium silicate, calcium stearate, calcium sulfate, Calcium sulfate hemihydrate, calcium sulfate dihydrate, calcium sulfide, calcium tartrate, calcium aluminate, tricalcium silicate , dicalcium silicate, and may include one or more selected from the group consisting of hydrates thereof.
  • the water-soluble calcium compound includes calcium nitrate hydrate, preferably calcium nitrate tetrahydrate (Ca(NO 3 ) 2 4H 2 O). it could be
  • the water-soluble silicate compound is sodium silicate, potassium silicate, waterglass, aluminum silicate, tricalcium silicate, dicalcium silicate It may contain at least one selected from the group consisting of dicalcium silicate, calcium silicate, silicic acid, sodium metasilicate, potassium metasilicate, and hydrates thereof. there is.
  • the water-soluble silicate compound may include sodium metasilicate hydrate, preferably sodium metasilicate pentahydrate (Na 2 SiO 3 5H 2 O).
  • the molar ratio (Ca / Si) of the calcium (Ca) component of the water-soluble calcium compound of the first solution and the silicon (Si) component of the water-soluble silicate compound of the second solution is 2 to 10 can If the molar ratio of the calcium component to the silicon component (Ca / Si) is out of the above range, that is, if the molar ratio of the calcium component to the silicon component (Ca / Si) is less than 2 or exceeds 10, the early strength enhancement effect may be insufficient, Due to this, it is not preferable that the compressive strength is remarkably low compared to the case within the above range.
  • the early strength enhancement effect of the nanoparticles for early strength of concrete may vary according to the molar ratio (Ca/Si) of the calcium component and the silicon component.
  • the nanoparticles may be prepared by a co-precipitation method.
  • the co-precipitation method refers to a method in which different ions are simultaneously precipitated from an aqueous or non-aqueous solution.
  • the co-precipitation method is a process in which, when preparing a compound containing a target ion, when a target ion is precipitated from a solution, another ion is precipitated together with the target ion, thereby preparing a compound in which a part of the crystal site of the target ion is doped with another ion. way. That is, the nanoparticles may be prepared by co-precipitation of calcium and silicate ions.
  • the mixture may further include at least one selected from the group consisting of dispersants, alkali metal hydroxides, and combinations thereof.
  • the dispersing agent may include a polymer dispersing agent.
  • the polymer dispersant may include a polycarboxylate-based compound.
  • the dispersant inhibits aggregation between particles of water-soluble calcium compounds, water-soluble silicate compounds, alkali metal hydroxides, etc. used in the method for producing nanoparticles of the present invention, and uses an electrostatic or physical repulsive force to keep the particles apart from each other. can Through this, even strength is expressed in the entire area of cement concrete, and sufficient workability can be secured while reducing the amount of mixed water.
  • the first solution containing the water-soluble calcium compound may further include the dispersing agent, and the mixture is formed by mixing the first solution and the second solution containing the water-soluble calcium compound and the dispersing agent. may be manufacturing.
  • a polycarboxylate-based compound as a dispersant and distilled water are first put into a reactor, and then a first solution containing the water-soluble calcium compound and a water-soluble silicate compound are added to the reactor containing the dispersant and distilled water. It may be to simultaneously add and stir the second solution.
  • the stirring may be mechanical stirring, but is not limited thereto.
  • the alkali metal hydroxide may include at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), and lithium hydroxide (LiOH).
  • the alkali metal hydroxide may include sodium hydroxide (NaOH).
  • the method for preparing the nanoparticles may further include drying the nanoparticles after the step of preparing the nanoparticles.
  • the drying step may use one of conventional drying methods, and may be using a method such as natural drying, hot air drying, freeze drying, etc., but is not limited thereto.
  • the method for producing nanoparticles for early strength development of concrete has an early strength enhancement effect of the nanoparticles prepared by adjusting the molar ratio (Ca/Si) of the calcium component of the water-soluble calcium compound and the silicon component of the water-soluble silicate compound. It is characterized by controlling When the molar ratio of calcium to silicon (Ca/Si) is 2 to 10, the early strength enhancement effect of the nanoparticles containing calcium silicate hydrate is excellent, and thus the compressive strength is remarkably high.
  • the manufacturing method of the nanoparticles for early strength development of concrete has a simple process, and only the molar ratio (Ca/Si) of calcium and silicon needs to be adjusted to obtain nanoparticles with excellent early strength enhancement effect, so that desired nanoparticles can be obtained The time and energy required for this are small, and the productivity is excellent.
  • the nanoparticles prepared according to the method for producing nanoparticles for early strength development of concrete have an effect of accelerating the early strength development of concrete, and thus can be used as an admixture for early strength development of concrete, that is, an early strength agent.
  • a second solution was prepared by weighing 45.7 g of sodium metasilicate pentahydrate (Na 2 SiO 3 5H 2 O, Mw: 212 g/mol) and 473.7 g of distilled water in a 1,000 ml beaker and stirring for 30 minutes using a magnetic stirrer. .
  • the first solution and the second solution were simultaneously introduced into the reactor containing the dispersing agent and distilled water. While stirring for 120 minutes at 500 rpm using a mechanical stirrer, nanoparticles were prepared. At this time, the molar ratio (Ca/Si) of the Ca component of the first solution and the Si component of the second solution was 2.0.
  • Preparation Example 1 except for preparing the first solution and the second solution such that the molar ratio (Ca/Si) of the Ca component of the first solution and the Si component of the second solution in Preparation Example 1 is 4.0 instead of 2.0. Nanoparticles were prepared in the same manner as above.
  • Preparation Example 1 except for preparing the first solution and the second solution such that the molar ratio (Ca/Si) of the Ca component of the first solution and the Si component of the second solution in Preparation Example 1 is 6.0 instead of 2.0. Nanoparticles were prepared in the same manner as above.
  • Preparation Example 1 except for preparing the first solution and the second solution such that the molar ratio (Ca/Si) of the Ca component of the first solution and the Si component of the second solution in Preparation Example 1 is 8.0 instead of 2.0. Nanoparticles were prepared in the same manner as above.
  • Preparation Example 1 except for preparing the first solution and the second solution such that the molar ratio (Ca/Si) of the Ca component of the first solution and the Si component of the second solution in Preparation Example 1 is 10.0 instead of 2.0. Nanoparticles were prepared in the same manner as above.
  • Preparation Example 1 except for preparing the first solution and the second solution such that the molar ratio (Ca/Si) of the Ca component of the first solution and the Si component of the second solution in Preparation Example 1 is 1.0 instead of 2.0. Nanoparticles were prepared in the same manner as above.
  • Preparation Example 1 except for preparing the first solution and the second solution such that the molar ratio (Ca/Si) of the Ca component of the first solution and the Si component of the second solution in Preparation Example 1 is 11.0 instead of 2.0. Nanoparticles were prepared in the same manner as above.
  • cement is Asia Cement's quasi-crude steel cement or Ssangyong's OPC cement.
  • the concrete prepared by adding nanoparticles for early strength development of concrete according to the present invention has better compressive strength than concrete (Control) without adding nanoparticles. could It is believed that this is the result of the nanoparticles promoting the early strength development of concrete.
  • the nanoparticles for early strength development of concrete according to the present invention are characterized in that the molar ratio of calcium to silicon (Ca/Si) of the calcium silicate hydrate ranges from 2 to 10, and the Ca/Si molar ratio is 2.0, 4.0, or 6.0. . /Si molar ratio: 11.0) was confirmed to be significantly superior. Therefore, it can be seen that the numerical range of 2 to 10 in the molar ratio of calcium to silicon (Ca/Si) of the nanoparticles for early strength development of concrete according to the present invention has critical significance.
  • the nanoparticles for early strength development of concrete according to the present invention can be used as an admixture for early strength development of concrete. Furthermore, by using the nanoparticles as an admixture, early strength can be realized, and effects such as shortening the construction period and reducing construction costs can be provided.
  • the nanoparticles for early strength development of concrete of the present invention can promote the early strength development of concrete and can be used as an early strength development accelerator, so it is possible to shorten the construction period and reduce construction costs and labor costs.

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Abstract

본 발명은 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 공침(co-precipitation)법에 의해 제조되고, 조성에 따라 조기 강도 증진 효과가 달라질 수 있으며, 콘크리트의 조기 강도 발현을 촉진시키는 조강제로 사용할 수 있는 나노입자에 관한 것이다.

Description

콘크리트 조기강도 발현용 나노입자, 이를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물 및 이의 제조방법
본 발명은 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 공침(co-precipitation)법에 의해 제조되고, 조성에 따라 조기 강도 증진 효과가 달라질 수 있으며, 콘크리트의 조기 강도 발현을 촉진시키는 조강제로 사용할 수 있는 나노입자에 관한 것이다.
혼화제는 콘크리트 제조의 기본재료인 시멘트, 골재, 물 이외에 부가적으로 가해져 콘크리트에 특수한 성능을 부여하거나 성질을 개선하기 위해 첨가되는 재료로 그 사용량이 시멘트에 대해 1% 미만(고형분 기준)인 물질을 의미한다. 그러나 상대적으로 적은 사용량에도 불구하고 우수한 혼화제의 개발이 콘크리트 재료 개발에서 가장 중요한 것 중 하나로 인식되고 있는 것은 사용한 혼화제에 따라 콘크리트의 물성이 크게 바뀌기 때문이다. 현재 콘크리트 혼화제의 주류를 차지하고 있는 것은 AE 감수제, 고성능 감수제, 고성능 AE 감수제 등으로 합성계면활성제, 리그닌술폰산계, 나프탈렌계, 멜라민계, 폴리카본산계 혼화제 등이 주성분으로 사용되고 있으나 이들은 콘크리트의 조기강도 또는 초단기강도 성능까지 담보하지는 못한다.
한편, 시멘트 콘크리트를 제조할 시에 시멘트의 비율을 줄이고 이를 대체할 수 있는 플라이애쉬, 고로슬래그 등의 값싼 산업부산물을 사용하는 것이 요구되고 있다. 이러한 산업부산물의 발생량은 해마다 증가하는 추세에 있고 연간 2,000 만 톤 이상 발생되고 있어 시멘트의 대체제로 바람직하다. 그러나 산업부산물을 적용할 경우에 콘크리트의 조기강도가 감소한다는 문제점이 발생된다. 따라서 이를 해결하기 위해 조강첨가제의 필요성이 점차 대두되고 있다.
또한 동절기에 콘크리트를 타설하게 되면 콘크리트의 강도 발현이 현저히 지연됨에 따라 공사기간도 길어지게 되는데, 이를 해결하기 위해 타설된 콘크리트 주위에 열을 가하여 강도 발현 시간을 단축하기도 한다. 하지만 이는 공사 비용의 증가로 이어지기 때문에 콘크리트의 강도 발현 시간의 단축은 주요한 과제가 되고 있다.
이밖에도 성형틀에 콘크리트를 부어 제작하는 프리캐스트 콘크리트에서도 콘크리트 조기강도 발현은 중요한 부분이다. 특히 프리캐스트에서는 증기를 이용한 스팀 양생으로 콘크리트의 강도를 빠르게 발현하게 되는데, 이때 많은 양의 에너지를 소모하게 된다. 프리캐스트는 일정한 모양의 성형된 콘크리트를 제작하는 것이기에 사용되는 성형틀의 회전율이 중요한 부분 중에 하나이다. 따라서, 적은 에너지를 사용하고 성형틀의 회전율을 높이기 위해 콘크리트의 조기강도 발현은 중요한 요소가 된다.
종래 시멘트 콘크리트의 조기강도를 높일 수 있도록 다양한 물질을 적용하고 있으나, 이러한 물질을 적용하여 시멘트 콘크리트를 제조할 때 필요한 물질을 각각 혼합함에 따라 사용하기가 번거로운 단점이 있다. 또한, 이러한 물질은 단순 혼합 시 침전, 반응 등의 문제가 발생되기도 한다.
이와 관련하여, 한국등록특허 10-1963579호는 조기강도 발현이 요구되는 부분에 적용 가능한 조기강도 발현 콘크리트 조성물에 관하여 개시하고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 수경성 재료 특히, 콘크리트의 조기 강도 발현을 촉진시킬 수 있는 나노입자 및 이를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 조성에 따라 조기 강도 증진 효과가 달라질 수 있는 콘크리트 조기 강도 발현용 나노입자의 제조방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은,
칼슘 실리케이트 수화물;을 포함하고, 상기 칼슘 실리케이트 수화물의 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)는 2 내지 10인 것인 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자가 제공된다.
상기 나노입자의 크기는 10 내지 1,000nm인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은,
골재; 결합재; 혼화제; 및 물;을 포함하고, 상기 혼화제는 상기 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자를 포함하는 것인 콘크리트 형성용 조성물이 제공된다.
상기 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 석회 시멘트, 슬래그 시멘트, 고로 슬래그 시멘트, 슬래그파우더, 포틀랜드 포졸란 시멘트, 플라이애쉬, 바텀애쉬, 석고 시멘트, 석회 시멘트, 실리카퓸, 저발열시멘트 및 탈황석고로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은,
수용성 칼슘 화합물을 포함하는 제1 용액 및 수용성 실리케이트 화합물을 포함하는 제2 용액을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 교반하여 나노입자를 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 나노입자는 칼슘 실리케이트 수화물;을 포함하는 것이고, 상기 칼슘 실리케이트 수화물의 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)는 2 내지 10인 것인 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법이 제공된다.
상기 수용성 칼슘 화합물은 칼슘 나이트레이트(calcium nitrate), 칼슘 클로라이드(calcium chloride), 칼슘 포메이트(calcium formate), 칼슘 아세테이트(calcium acetate), 칼슘 바이카보네이트(calcium bicarbonate), 칼슘 브로마이드(calcium bromide), 칼슘 카보네이트(calcium carbonate), 칼슘 시트레이트(calcium citrate), 칼슘 콜레이트(calcium chlorate), 칼슘 플로라이드(calcium fluoride), 칼슘 글루코네이트(calcium gluconate), 칼슘 하이드록사이드(calcium hydroxide), 칼슘 옥사이드(calcium oxide), 칼슘 하이포클로라이트(calcium hypochlorite), 칼슘 아이오데이트(calcium iodate), 칼슘 아이오다이드(calcium iodide), 칼슘 락테이트(calcium lactate), 칼슘 나이트라이트(calcium nitrite), 칼슘 옥살레이트(calcium oxalate), 칼슘 포스페이트(calcium phosphate), 칼슘 프로피오네이트(calcium propionate), 칼슘 실리케이트(calcium silicate), 칼슘 스테아레이트(calcium stearate), 칼슘 설페이트(calcium sulfate), 칼슘 설페이트 헤미하이드레이트(calcium sulfate hemihydrate), 칼슘 설페이트 디하이드레이트(calcium sulfate dihydrate), 칼슘 설파이드(calcium sulfide), 칼슘 타르트레이트(calcium tartrate), 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate), 트라이칼슘 실리케이트(tricalcium silicate), 디칼슘 실리케이트(dicalcium silicate) 및 이들의 수화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 수용성 실리케이트 화합물은 소듐 실리케이트(sodium silicate), 포타슘 실리케이트(potassium silicate), 물유리(waterglass), 알루미늄 실리케이트(aluminium silicate), 트리칼슘 실리케이트(tricalcium silicate), 디칼슘 실리케이트(dicalcium silicate), 칼슘 실리케이트(calcium silicate), 규산(silicic acid), 소듐 메타실리케이트(sodium metasilicate), 포타슘 메타실리케이트(potassium metasilicate) 및 이들의 수화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 나노입자는 공침(co-precipitation)법에 의해 제조되는 것일 수 있다.
상기 혼합물은 분산제, 알칼리 금속 수산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 분산제는 폴리카르복실레이트계 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
상기 알칼리 금속 수산화물은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 및 수산화리튬(LiOH)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 나노입자를 제조하는 단계 이후에, 상기 나노입자를 건조하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 나노입자는 수경성 재료 특히, 콘크리트의 조기 강도 발현을 촉진시킬 수 있어 조기 강도 발현 촉진제로 사용할 수 있으며, 공사기간 단축 및 공사비용, 인건비 절감이 가능해 경제적인 효과가 있다.
또한, 본 발명의 콘크리트 조기 강도 발현용 나노입자는 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)에 따라 조기 강도 증진 효과가 달라질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 실시예 1 내지 10 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 콘크리트 형성용 조성물의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.
덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본원의 제1측면은,
칼슘 실리케이트 수화물;을 포함하는 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자를 제공한다.
이하, 본원의 제1측면에 따른 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자에 대해 자세히 설명하도록 한다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 나노입자는 칼슘 실리케이트 수화물(Calcium silicate hydrate);을 포함하는 것일 수 있다.
통상 시멘트의 수화과정은 시멘트 화합물이 물과 반응하여 수화물을 생성하고 유동성이 없어지면서 응결하고 시간이 더 경과함에 따라 더욱 수화 반응이 진행되어 경화되는 과정을 거쳐 구조물의 강도를 높이므로 수화와 경화(강도)는 밀접한 관계를 형성한다. 이러한 수화물은 알라이트(alite, C3S)라고 일컬어지는 규산삼칼슘(3CaOSiO2)과 벨라이트(belite, C2S)라고 통용되는 규산이칼슘 (2CaOSiO2)으로 이루어지는데 그 중 C3S는 시멘트 화합물 중에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 것으로 이것이 물과 반응하면 곧바로 수산화칼슘 [Ca(OH)2]과 규산칼슘수화물(C-S-H, Calcium Silicate Hydrate, 이하, "CSH"라 약칭함)을 생성하게 된다. 이 때 시멘트 화합물의 최종 수화 생성물인 CSH의 초기 생성 속도가 콘크리트의 조기강도 확보 여부에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며 그 속도가 보통 적게는 6시간, 많게는 10시간 정도 걸리는 수화과정의 속도결정단계로 알려져 있다.
그러므로 본 발명에 따른 칼슘 실리케이트 수화물(C-S-H)을 포함하는 나노입자를 콘크리트 혼합체와 배합하게 되면 C-S-H를 포함하는 나노입자가 핵생성 시드(nucleation seed)로 작용하여, 이들이 점점 커지면서 시멘트 입자 사이의 공극을 메움으로써 기존 속도결정단계였던 시멘트의 초기 수화 과정을 생략할 수 있게 된다. 따라서 콘크리트의 양생시간이 획기적으로 줄 수 있게 되므로 이의 첨가를 통해 기존 콘크리트에서 발현될 수 없었던 조기강도 구현 및 이의 응용기술 개발을 통해 건설현장의 공사기간을 기존 대비 2/3으로 단축시킬 수 있으므로 공정효율을 높이며 에너지를 획기적으로 절감할 수 있는 장점이 존재한다. 또한 공사비용 및 인건비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 칼슘 실리케이트 수화물의 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)는 2 내지 10인 것일 수 있다. 즉, 규소(Si)와 칼슘(Ca)의 몰비가 1: 2 내지 10인 것일 수 있다. 상기 칼슘 실리케이트 수화물의 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)가 상기 범위를 벗어날 경우, 즉 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)가 2 미만이거나 10을 초과하면 조기 강도 증진 효과가 미비할 수 있으며, 이로 인해 상기 범위 이내일 경우에 비해 압축강도가 현저히 낮아 바람직하지 않다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 크기는 10 내지 1,000nm인 것일 수 있다.
본원의 제2측면은,
골재; 결합재; 혼화제; 및 물;을 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제공한다.
이하, 본원의 제2측면에 따른 콘크리트 형성용 조성물에 대해 자세히 설명하도록 한다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 형성용 조성물은 골재를 포함하는 것일 수 있다.
골재는 상기 콘크리트 형성용 조성물의 베이스가 되는 것으로서 결합재에 의하여 뭉쳐져 하나의 덩어리를 이룰 수 있는 건설용 광물질 재료이다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 형성용 조성물에 포함된 골재는 잔골재 및 굵은 골재를 포함할 수 있다. 본 명세서에 있어서, 잔골재란 표준망체 5mm 체를 100% 통과하는 입도의 골재를 의미한다. 본 명세서에 있어서, 굵은 골재란 표준망체 5mm 체에 100% 남는 입도의 골재를 의미한다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 잔골재는 부순 모래, 천연 모래, 세척사, 입자 크기가 0.01~5 mm인 순환골재 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 상기 잔골재는 바람직하게는 부순 모래일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 굵은 골재는 쇄석, 부순 슬래그, 천연 자갈, 부순 자갈, 입자 크기가 5~25 mm인 순환골재 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 상기 굵은 골재는 부순 자갈일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 골재의 함량은 상기 콘크리트 형성용 조성물의 총 함량 100 중량부에 대하여 60 내지 90 중량부일 수 있다. 상기 골재의 함량이 상기 콘크리트 형성용 조성물의 총 함량 100 중량부에 대하여 60 중량부 미만일 경우 상기 콘크리트 형성용 조성물로부터 콘크리트를 제조하는 경우 콘크리트 압축강도는 높아지나 동시에 콘크리트 제조 단가가 높아지며, 상기 골재의 함량이 상기 콘크리트 형성용 조성물의 총 함량 100 중량부에 대하여 90 중량부 초과일 경우, 골재와 결합재 사이의 분리가 일어날 수 있으며 콘크리트 품질이 저하될 우려가 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 형성용 조성물 중 잔골재율(S/A)은 35 내지 65%일 수 있다. 여기서, 상기 잔골재율(S/A)은 전체 골재(잔골재+굵은 골재, A)에 대한 잔골재(S)의 절대용적의 백분율을 의미한다. 상기 콘크리트 형성용 조성물의 잔골재율(S/A)이 35% 미만이 될 경우, 단위수량, 단위 시멘트량이 감소하여 작업성이 떨어지며, 거친 콘크리트가 되어 타 재료와 분리되는 현상을 보일 수 있는 문제가 있고, 상기 콘크리트 형성용 조성물의 잔골재율(S/A)이 65% 초과가 될 경우, 건조 수축, 침하균열 및 소성 수축균열 등이 증가하는 문제가 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 형성용 조성물은 결합재를 포함하는 것일 수 있다.
상기 결합재는 상기 콘크리트 형성용 조성물에 포함된 골재(예를 들어, 잔골재 또는 굵은 골재) 사이의 접착력을 향상시키고 유지함으로써 콘크리트에 내구성 및 강도를 부여하는 역할을 한다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 석회 시멘트, 슬래그 시멘트, 고로 슬래그 시멘트, 포틀랜드 포졸란 시멘트, 플라이애쉬, 바텀애쉬, 석고 시멘트, 석회 시멘트, 실리카퓸, 저발열시멘트 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 또는 이의 임의의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 결합재의 함량은 상기 콘크리트 형성용 조성물의 총 함량 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부일 수 있다. 상기 결합재의 함량이 상기 콘크리트 형성용 조성물의 총 함량 100 중량부에 대하여 상기 범위 이내일 경우 콘크리트의 제조 비용을 감소시키고 수밀성을 높일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 형성용 조성물 중 물-결합재 비(W/B)는 20 내지 60%일 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 형성용 조성물 중 물-결합재 비(W/B)는 40 내지 50%일 수 있다. 여기서, 상기 물결합재 비(W/B)는 결합재(B)에 대한 물(W)의 양에 대한 백분율을 의미한다. 상기 콘크리트 형성용 조성물 중 물-결합재 비(W/B)가 20% 미만일 경우 상기 콘크리트 형성용 조성물로부터 제조된 콘크리트의 유동성이 저하될 수 있고, 상기 콘크리트 형성용 조성물 중 물-결합재 비(W/B)가 60% 초과일 경우 상기 콘크리트 형성용 조성물로부터 제조된 콘크리트의 내구성 및 강도가 저하될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 형성용 조성물은 혼화제를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 혼화제는 본원의 제1측면에 따른 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 나노입자는 칼슘 실리케이트 수화물;을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 나노입자는 콘크리트 조기 강도 발현을 촉진시키는 혼화제로서 제공되는 것일 수 있다.
상기 칼슘 실리케이트 수화물(Calcium silicate hydrate);을 포함하는 나노입자를 혼화제로 사용할 경우, 상기 나노입자가 핵생성 시드(nucleation seed)로 작용하여, 이들이 점점 커지면서 시멘트 입자 사이의 공극을 메움으로써 기존 속도결정단계였던 시멘트의 초기 수화 과정을 생략할 수 있게 된다. 따라서 콘크리트의 양생시간이 획기적으로 줄 수 있게 되므로 이의 첨가를 통해 기존 콘크리트에서 발현될 수 없었던 조기강도 구현 및 이의 응용기술 개발을 통해 건설현장의 공사기간을 기존 대비 2/3으로 단축시킬 수 있으므로 공정효율을 높이며 에너지를 획기적으로 절감할 수 있으며, 공사 비용, 인건비를 절감할 수 있는 장점이 존재한다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 칼슘 실리케이트 수화물의 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)가 2 내지 10인 것일 수 있다. 즉, 상기 칼슘 실리케이트 수화물의 규소(Si)와 칼슘(Ca)의 몰비가 1: 2 내지 10인 것일 수 있다. 상기 칼슘 실리케이트 수화물의 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)가 상기 범위를 벗어날 경우, 즉 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)가 2 미만이거나 10을 초과하면 조기 강도 증진 효과가 미비할 수 있으며, 이로 인해 상기 범위 이내일 경우에 비해 압축강도가 현저히 낮아 바람직하지 않다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 크기는 10 내지 1,000nm인 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 형성용 조성물은 물을 포함하는 것일 수 있다.
상기 물은 유해물질 예를 들어, 기름, 산, 알칼리, 염류 및 유기물 등을 포함하지 않은 것이면 모두 사용 가능하다. 사용 가능한 물은 그 종류가 특별히 한정되지 않고, 지하수, 수돗물 등을 사용할 수 있다.
본원의 제3측면은,
수용성 칼슘 화합물을 포함하는 제1 용액 및 수용성 실리케이트 화합물을 포함하는 제2 용액을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 교반하여 나노입자를 제조하는 단계;를 포함하는 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법을 제공한다.
이하, 본원의 제3측면에 따른 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법에 대해 자세히 설명하도록 한다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 나노입자의 제조방법은 수용성 칼슘 화합물을 포함하는 제1 용액 및 수용성 실리케이트 화합물을 포함하는 제2 용액을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 교반하여 나노입자를 제조하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 수용성 칼슘 화합물은 칼슘 나이트레이트(calcium nitrate), 칼슘 클로라이드(calcium chloride), 칼슘 포메이트(calcium formate), 칼슘 아세테이트(calcium acetate), 칼슘 바이카보네이트(calcium bicarbonate), 칼슘 브로마이드(calcium bromide), 칼슘 카보네이트(calcium carbonate), 칼슘 시트레이트(calcium citrate), 칼슘 콜레이트(calcium chlorate), 칼슘 플로라이드(calcium fluoride), 칼슘 글루코네이트(calcium gluconate), 칼슘 하이드록사이드(calcium hydroxide), 칼슘 옥사이드(calcium oxide), 칼슘 하이포클로라이트(calcium hypochlorite), 칼슘 아이오데이트(calcium iodate), 칼슘 아이오다이드(calcium iodide), 칼슘 락테이트(calcium lactate), 칼슘 나이트라이트(calcium nitrite), 칼슘 옥살레이트(calcium oxalate), 칼슘 포스페이트(calcium phosphate), 칼슘 프로피오네이트(calcium propionate), 칼슘 실리케이트(calcium silicate), 칼슘 스테아레이트(calcium stearate), 칼슘 설페이트(calcium sulfate), 칼슘 설페이트 헤미하이드레이트(calcium sulfate hemihydrate), 칼슘 설페이트 디하이드레이트(calcium sulfate dihydrate), 칼슘 설파이드(calcium sulfide), 칼슘 타르트레이트(calcium tartrate), 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate), 트라이칼슘 실리케이트(tricalcium silicate), 디칼슘 실리케이트(dicalcium silicate) 및 이들의 수화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 수용성 칼슘 화합물은 칼슘 나이트레이트 수화물(Calcium nitrate hydrate), 바람직하게는 칼슘 나이트레이트 4수화물(Calcium nitrate tetrahydrate, Ca(NO3)2 · 4H2O)을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 수용성 실리케이트 화합물은 소듐 실리케이트(sodium silicate), 포타슘 실리케이트(potassium silicate), 물유리(waterglass), 알루미늄 실리케이트(aluminium silicate), 트리칼슘 실리케이트(tricalcium silicate), 디칼슘 실리케이트(dicalcium silicate), 칼슘 실리케이트(calcium silicate), 규산(silicic acid), 소듐 메타실리케이트(sodium metasilicate), 포타슘 메타실리케이트(potassium metasilicate) 및 이들의 수화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 수용성 실리케이트 화합물은 소듐 메타실리케이트 수화물, 바람직하게는 소듐 메타실리케이트 5수화물(sodium metasilicate pentahydrate, Na2SiO3·5H2O)을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 용액의 수용성 칼슘 화합물의 칼슘(Ca) 성분과 상기 제2 용액의 수용성 실리케이트 화합물의 규소(Si) 성분의 몰비(Ca/Si)는 2 내지 10인 것일 수 있다. 칼슘 성분과 규소 성분의 몰비(Ca/Si)가 상기 범위를 벗어날 경우, 즉 칼슘 성분과 규소 성분의 몰비(Ca/Si)가 2 미만이거나 10을 초과하면 조기 강도 증진 효과가 미비할 수 있으며, 이로 인해 상기 범위 이내일 경우에 비해 압축강도가 현저히 낮아 바람직하지 않다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 칼슘 성분과 규소 성분의 몰비(Ca/Si)에 따라 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 조기 강도 증진 효과가 달라질 수 있는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 나노입자는 공침(co-precipitation)법에 의해 제조되는 것일 수 있다. 공침법이란 여러가지 서로 다른 이온들을 수용액 혹은 비수용액에서 동시에 침전시키는 방법을 일컫는다. 구체적으로 공침법이란 목적 이온이 함유된 화합물 제조 시, 용액 상에서 목적 이온을 침전시킬 때 다른 이온을 목적 이온과 함께 침전시킴으로써, 목적 이온의 결정 자리 일부에 다른 이온이 도핑된 화합물을 제조할 수 있는 방법이다. 즉, 상기 나노입자는 칼슘과 실리케이트 이온의 공침법에 의해 제조되는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합물은 분산제, 알칼리 금속 수산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 분산제는 고분자 분산제를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 분산제는 폴리카르복실레이트계 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
상기 분산제는 본 발명의 나노입자의 제조방법에서 사용되는 수용성 칼슘 화합물, 수용성 실리케이트 화합물, 알칼리 금속 수산화물 등의 입자간 응집을 저해하고, 정전기적 또는 물리적 반발력을 이용하여 상기 입자들이 서로 이격되도록 하는 것일 수 있다. 이를 통해 시멘트 콘크리트의 전체 영역에서 고른 강도가 발현되고, 배합되는 물의 양을 적게 하면서도 충분한 작업성을 확보할 수 있게 된다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 수용성 칼슘 화합물을 포함하는 제1 용액은 상기 분산제를 더 포함하는 것일 수 있으며, 상기 수용성 칼슘 화합물과 분산제를 포함하는 제1 용액과 제2 용액을 혼합하여 혼합물을 제조하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 반응기에 분산제인 폴리카르복실레이트계 화합물과 증류수를 먼저 넣은 후, 상기 분산제와 증류수가 들어있는 반응기에 상기 수용성 칼슘 화합물을 포함하는 제1 용액 및 수용성 실리케이트 화합물을 포함하는 제2 용액을 동시에 투입하여 교반하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 교반은 기계적 교반일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 알칼리 금속 수산화물은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 및 수산화리튬(LiOH)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 알칼리 금속 수산화물은 수산화나트륨(NaOH)을 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 나노입자의 제조방법은 상기 나노입자를 제조하는 단계 이후에, 상기 나노입자를 건조하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 건조 단계는 통상의 건조 방법 중 하나를 사용할 수 있으며, 자연건조, 열풍건조, 동결건조 등의 방법을 사용하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본원의 제3측면에 따른 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법은 수용성 칼슘 화합물의 칼슘 성분과 수용성 실리케이트 화합물의 규소 성분의 몰비(Ca/Si)를 조절함으로써 제조된 나노입자의 조기 강도 증진 효과를 조절하는 것이 특징이다. 상기 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)가 2 내지 10인 경우, 칼슘 실리케이트 수화물을 포함하는 나노입자의 조기 강도 증진 효과가 우수하며, 이로 인해 압축강도가 현저히 높은 효과가 있다. 또한, 상기 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법은 공정이 단순하며, 조기 강도 증진 효과가 우수한 나노입자를 얻기 위해 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)만을 조절하면 되기 때문에 원하는 나노입자를 얻기 위해 소요되는 시간 및 에너지가 적고, 생산성이 우수한 효과가 있다. 상기 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법에 따라 제조된 나노입자는 콘크리트 조기 강도 발현을 촉진시키는 효과가 있으며, 따라서 콘크리트 조기 강도 발현용 혼화제 즉, 조강제로서 사용될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
< 실시예 >
제조예 1 내지 5: 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자 제조
제조예 1
질산칼슘 4수화물((CaNO3)2·4H2O, Mw: 236 g/mol) 101.9g과 증류수 43.7g을 500ml 비이커에 계량하고 자력교반기를 사용하여 30분간 교반하여 완전히 용해시켜 제1 용액을 제조하였다.
메타규산소다 5수화물(Na2SiO3·5H2O, Mw: 212 g/mol) 45.7g과 증류수 473.7g을 1,000ml 비이커에 계량하고 자력교반기를 사용하여 30분간 교반하여 제2 용액을 제조하였다.
2L 4구 플라스크 반응기에 분산제로서 실크로드시앤티 사의 제품인 폴리카르복실레이트계 분산제 100g과 증류수 235g을 계량하여 넣은 후, 상기 분산제와 증류수가 들어있는 반응기에 상기 제1 용액과 제2 용액을 동시에 투입하면서 기계식 교반기를 사용해 500rpm으로 120분 간 교반하여 나노입자를 제조하였다. 이때, 상기 제1 용액의 Ca 성분과 제2 용액의 Si 성분의 몰비(Ca/Si)는 2.0이었다.
제조예 2
제조예 1에서 상기 제1 용액의 Ca 성분과 제2 용액의 Si 성분의 몰비(Ca/Si)가 2.0인 대신에 4.0이 되도록 제1 용액 및 제2 용액을 제조하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 나노입자를 제조하였다.
제조예 3
제조예 1에서 상기 제1 용액의 Ca 성분과 제2 용액의 Si 성분의 몰비(Ca/Si)가 2.0인 대신에 6.0이 되도록 제1 용액 및 제2 용액을 제조하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 나노입자를 제조하였다.
제조예 4
제조예 1에서 상기 제1 용액의 Ca 성분과 제2 용액의 Si 성분의 몰비(Ca/Si)가 2.0인 대신에 8.0이 되도록 제1 용액 및 제2 용액을 제조하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 나노입자를 제조하였다.
제조예 5
제조예 1에서 상기 제1 용액의 Ca 성분과 제2 용액의 Si 성분의 몰비(Ca/Si)가 2.0인 대신에 10.0이 되도록 제1 용액 및 제2 용액을 제조하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 나노입자를 제조하였다.
비교제조예 1
제조예 1에서 상기 제1 용액의 Ca 성분과 제2 용액의 Si 성분의 몰비(Ca/Si)가 2.0인 대신에 1.0이 되도록 제1 용액 및 제2 용액을 제조하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 나노입자를 제조하였다.
비교제조예 2
제조예 1에서 상기 제1 용액의 Ca 성분과 제2 용액의 Si 성분의 몰비(Ca/Si)가 2.0인 대신에 11.0이 되도록 제1 용액 및 제2 용액을 제조하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 나노입자를 제조하였다.
제조예 1 내지 5와 비교제조예 1 및 2에서 사용된 (CaNO3)2·4H2O, Na2SiO3·5H2O, 폴리카르복실레이트계 분산제, 증류수의 양과 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)를 아래 표 1에 나타내었다.
구분 제1 용액 제2 용액 반응기 Ca/Si 몰비
(CaNO3)2·4H2O 증류수 Na2SiO3·5H2O 증류수 폴리카르복실레이트계 분산제 증류수
제조예 1 101.9g 43.7g 45.7g 473.7g 100g 235g 2.0
제조예 2 117.6g 50.4g 26.4g 470.6g 100g 235g 4.0
제조예 3 124.1g 53.2g 18.6g 469.2g 100g 235g 6.0
제조예 4 127.6g 54.7g 14.3g 468.4g 100g 235g 8.0
제조예 5 129.8g 55.6g 11.7g 468.0g 100g 235g 10.0
비교제조예 1 79.9g 34.3g 71.8g 479.0g 100g 235g 1.0
비교제조예 2 130.6g 56.0g 10.7g 467.8g 100g 235g 11.0
실시예 1 내지 5: 콘크리트 형성용 조성물 (준조강 시멘트 포함)실시예 1
하기 표 2와 같은 조성으로, 제조예 1에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
실시예 2
하기 표 2와 같은 조성으로, 제조예 2에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
실시예 3
하기 표 2와 같은 조성으로, 제조예 3에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
실시예 4
하기 표 2와 같은 조성으로, 제조예 4에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
실시예 5
하기 표 2와 같은 조성으로, 제조예 5에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
비교예 1
하기 표 2와 같은 조성으로, 비교제조예 1에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
비교예 2
하기 표 2와 같은 조성으로, 비교제조예 2에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
구분 사용된 나노입자 W/B
(%)		 S/A
(%)		 Unit weight (kg/m3) Ad
(%)		 Sample
(%)
Water Cement Sand Gravel
실시예 1 제조예 1 48.5 51 165 340 908 892 0.3 1.3
실시예 2 제조예 2
실시예 3 제조예 3
실시예 4 제조예 4
실시예 5 제조예 5
비교예 1 비교제조예 1
비교예 2 비교제조예 2
W/B: 물/결합재
S/A: 전체 골재(잔골재 + 굵은골재, A)에 대한 잔골재의 절대용적의 백분율
Cement: 준조강 시멘트(아세아시멘트社)
Sand: 쇄사
Gravel: 직경 25mm의 굵은 골재
Ad: 폴리카르복실레이트계 분산제 20% Solution
Sample: 제조예 1 내지 5, 비교제조예 1 및 2에 따라 제조된 나노입자
실시예 6 내지 10: 콘크리트 형성용 조성물 (OPC 시멘트 포함)실시예 6
하기 표 3과 같은 조성으로, 제조예 1에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
실시예 7
하기 표 3과 같은 조성으로, 제조예 2에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
실시예 8
하기 표 3과 같은 조성으로, 제조예 3에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
실시예 9
하기 표 3과 같은 조성으로, 제조예 4에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
실시예 10
하기 표 3과 같은 조성으로, 제조예 5에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
비교예 3
하기 표 3과 같은 조성으로, 비교제조예 1에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
비교예 4
하기 표 3과 같은 조성으로, 비교제조예 2에 따라 제조된 나노입자를 포함하는 콘크리트 형성용 조성물을 제조하였다.
구분 사용된 나노입자 W/B
(%)		 S/A
(%)		 Unit weight (kg/m3) Ad
(%)		 Sample
(%)
Water Cement Sand Gravel
실시예 6 제조예 1 48.5 51 165 340 908 892 0.3 1.3
실시예 7 제조예 2
실시예 8 제조예 3
실시예 9 제조예 4
실시예 10 제조예 5
비교예 3 비교제조예 1
비교예 4 비교제조예 2
W/B: 물/결합재
S/A: 전체 골재(잔골재 + 굵은골재, A)에 대한 잔골재의 절대용적의 백분율
Cement: OPC(쌍용社)
Sand: 쇄사
Gravel: 직경 25mm의 굵은 골재
Ad: 폴리카르복실레이트계 분산제 20% Solution
Sample: 제조예 1 내지 5, 비교제조예 1 및 2에 따라 제조된 나노입자
< 실험예 >
실험예 1: 콘크리트 성능 평가
실시예 1 내지 10 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 콘크리트 형성용 조성물의 콘크리트 조강 성능을 평가하기 위하여 양생온도 및 양생시간별 압축강도를 측정하였다. 하기 표 4의 조성으로 대조예(Control)의 콘크리트 형성용 조성물을 제조하여 압축강도를 비교하였다.
구분 W/B
(%)		 S/A
(%)		 Unit weight (kg/m3) Ad
(%)		 Sample
(%)
Water Cement Sand Gravel
Control 48.5 51 165 340 908 892 1.1 -
상기 표 4에서 Cement는 아세아시멘트 사의 준조강 시멘트 또는 쌍용 사의 OPC 시멘트이다.
아세아시멘트 사의 준조강 시멘트를 사용한 실시예 1 내지 5, 비교예 1 및 2의 양생온도 및 양생시간은 각각 13℃, 18시간이었으며, 실시예 1 내지 5, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 콘크리트 형성용 조성물의 압축강도를 아래 표 5 및 도 2에 나타내었다.
구분 Ca/Si 몰비 압축강도(MPa)
Control - 2.1
비교예 1 1.0 3.8
실시예 1 2.0 5.2
실시예 2 4.0 5.7
실시예 3 6.0 6.3
실시예 4 8.0 6.6
실시예 5 10.0 6.5
비교예 2 11.0 3.9
쌍용 사의 OPC를 사용한 실시예 6 내지 10, 비교예 3 및 4의 양생온도 및 양생시간은 각각 15℃, 24시간이었으며, 실시예 6 내지 10, 비교예 3 및 4에 따라 제조된 콘크리트 형성용 조성물의 압축강도를 아래 표 6 및 도 2에 나타내었다.
구분 Ca/Si 몰비 압축강도(MPa)
Control - 1.3
비교예 3 1.0 2.5
실시예 6 2.0 3.7
실시예 7 4.0 4.4
실시예 8 6.0 4.9
실시예 9 8.0 5.3
실시예 10 10.0 5.1
비교예 4 11.0 2.3
상기 표 5, 표 6 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자를 첨가하여 제조한 콘크리트가 나노입자를 첨가하지 않은 콘크리트(Control)에 비해 압축강도가 더 우수한 것을 확인할 수 있었다. 이는 상기 나노입자가 콘크리트의 조기 강도 발현을 촉진시킴으로써 나타나는 결과인 것으로 판단된다. 또한, 본 발명에 따른 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자는 칼슘 실리케이트 수화물의 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)가 2 내지 10의 범위를 가지는 것이 특징인데, Ca/Si 몰비가 2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 10.0인 실시예 1 내지 10의 압축강도는 2 내지 10의 하한범위인 비교예 1 및 비교예 3(Ca/Si 몰비: 1.0)과, 상한범위인 비교예 2 및 비교예 4(Ca/Si 몰비: 11.0)에 비해 현저히 우수한 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)가 2 내지 10이라는 수치범위는 임계적 의의를 갖는다고 볼 수 있다.
콘크리트 성능 평가를 통해 본 발명에 따른 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자는 콘크리트 조기 강도 발현용 혼화제로서 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다. 나아가 상기 나노입자를 혼화제로 사용함으로써 조기 강도 구현이 가능하며, 공사기간 단축 및 공사비용 절감 등의 효과를 제공할 수 있다.
이상, 도면을 참조하여 바람직한 실시예와 함께 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 이러한 도면과 실시예로 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형예 또는 균등한 범위의 실시예가 존재할 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 기술적 사상의 권리범위는 청구범위에 의해 해석되어야 하고, 이와 동등하거나 균등한 범위 내의 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자는 콘크리트의 조기 강도 발현을 촉진시킬 수 있어 조기 강도 발현 촉진제로 사용할 수 있으므로, 공사기간 단축 및 공사비용, 인건비 절감이 가능해 경제적인 효과가 있으므로 산업상 이용가능성 이있다.

Claims (12)

  1. 칼슘 실리케이트 수화물;을 포함하고,
    상기 칼슘 실리케이트 수화물의 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)는 2 내지 10인 것인 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자의 크기는 10 내지 1,000nm인 것을 특징으로 하는 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자.
  3. 골재; 결합재; 혼화제; 및 물;을 포함하고,
    상기 혼화제는 제1항에 따른 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자를 포함하는 것인 콘크리트 형성용 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 석회 시멘트, 슬래그 시멘트, 고로 슬래그 시멘트, 슬래그파우더, 포틀랜드 포졸란 시멘트, 플라이애쉬, 바텀애쉬, 석고 시멘트, 석회 시멘트, 실리카퓸, 저발열시멘트 및 탈황석고로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 형성용 조성물.
  5. 수용성 칼슘 화합물을 포함하는 제1 용액 및 수용성 실리케이트 화합물을 포함하는 제2 용액을 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 교반하여 나노입자를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 나노입자는 칼슘 실리케이트 수화물;을 포함하는 것이고,
    상기 칼슘 실리케이트 수화물의 칼슘과 규소의 몰비(Ca/Si)는 2 내지 10인 것인 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수용성 칼슘 화합물은 칼슘 나이트레이트(calcium nitrate), 칼슘 클로라이드(calcium chloride), 칼슘 포메이트(calcium formate), 칼슘 아세테이트(calcium acetate), 칼슘 바이카보네이트(calcium bicarbonate), 칼슘 브로마이드(calcium bromide), 칼슘 카보네이트(calcium carbonate), 칼슘 시트레이트(calcium citrate), 칼슘 콜레이트(calcium chlorate), 칼슘 플로라이드(calcium fluoride), 칼슘 글루코네이트(calcium gluconate), 칼슘 하이드록사이드(calcium hydroxide), 칼슘 옥사이드(calcium oxide), 칼슘 하이포클로라이트(calcium hypochlorite), 칼슘 아이오데이트(calcium iodate), 칼슘 아이오다이드(calcium iodide), 칼슘 락테이트(calcium lactate), 칼슘 나이트라이트(calcium nitrite), 칼슘 옥살레이트(calcium oxalate), 칼슘 포스페이트(calcium phosphate), 칼슘 프로피오네이트(calcium propionate), 칼슘 실리케이트(calcium silicate), 칼슘 스테아레이트(calcium stearate), 칼슘 설페이트(calcium sulfate), 칼슘 설페이트 헤미하이드레이트(calcium sulfate hemihydrate), 칼슘 설페이트 디하이드레이트(calcium sulfate dihydrate), 칼슘 설파이드(calcium sulfide), 칼슘 타르트레이트(calcium tartrate), 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate), 트라이칼슘 실리케이트(tricalcium silicate), 디칼슘 실리케이트(dicalcium silicate) 및 이들의 수화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 수용성 실리케이트 화합물은 소듐 실리케이트(sodium silicate), 포타슘 실리케이트(potassium silicate), 물유리(waterglass), 알루미늄 실리케이트(aluminium silicate), 트리칼슘 실리케이트(tricalcium silicate), 디칼슘 실리케이트(dicalcium silicate), 칼슘 실리케이트(calcium silicate), 규산(silicic acid), 소듐 메타실리케이트(sodium metasilicate), 포타슘 메타실리케이트(potassium metasilicate) 및 이들의 수화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 나노입자는 공침(co-precipitation)법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 혼합물은 분산제, 알칼리 금속 수산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분산제는 폴리카르복실레이트계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 알칼리 금속 수산화물은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 및 수산화리튬(LiOH)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 나노입자를 제조하는 단계 이후에,
    상기 나노입자를 건조하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 조기강도 발현용 나노입자의 제조방법.
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