유황 폴리머 시멘트 및 콘크리트

유황 폴리머 시멘트 및 콘크리트{Hydraulic Sulfur Polymer Cement and Concrete}

본 발명은 토목 및 건축 재료에 관한 것으로서, 특히 포틀랜드 시멘트를 대체하거나 또는 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 사용함으로써 구조물의 내화학성과 강도를 증진시킬 수 있는 유황 폴리머 시멘트 및 콘크리트에 관한 것이다.

통상적으로 포틀랜드 시멘트를 사용하여 제조된 일반 콘크리트는 알칼리 특성을 나타내고 산에 매우 취약하므로 염해나 중성화에 의한 부식이 콘크리트의 가장 큰 문제점으로 지적된다.

특히 겨울철 제설을 위해 염화칼슘을 뿌리는 경우에 콘크리트 노면의 열화나, 해안가에 위치한 교량, 도로, 구조물 등은 염해에 의한 열화가 심각하게 나타나며, 구조물의 수명을 단축시키는 결과로 이어진다.

이러한 보통 콘크리트의 취약한 내화학성 및 강도 등의 단점을 극복하기 위한 방안으로, 포틀랜드 시멘트를 대체할 재료로서 개질 유황 폴리머 시멘트가 등장하였다. 일부 파이프라인 구조물에서는 유황 폴리머 시멘트 자체만으로 구조물을 구축하기도 하지만, 현재까지는 포틀랜드 시멘트에 유황 폴리머 시멘트를 혼합하여 콘크리트를 제조하는 기술이 활성화되고 있다.

유황이 포틀랜드 시멘트를 대체할 재료로서 각광받는 이유는 내화학성과 강도에 있다. 유황은 산과 화학적으로 반응하지 않으며, 강도가 포틀랜드 시멘트에 비하여 매우 우수하기 때문이다.

유황의 성질, 즉 119 ℃를 넘으면 용해되고 상온에서는 고체인 성질을 이용하여 토목 및 건설 분야에 유황을 적용하는 기술 개발이 지속적으로 시도되고 있다. 예를 들면, 포장 재료 (미국 특허 제4290816호), 건축 재료용 자재 (일본 특공소 55-49024호 공보) 또는 폐기물 고화용 자재 (일본 특공소62-15274호 공보) 등의 결합재 (binder)로서 사용이 검토되고 있다.

그러나, 유황의 연소성과 관련하여, 유황은 인화점이 207 ℃이고, 자연 발화 온도가 245 ℃로서 착화성이 있고 표면에 노출한 유황은 타기 쉬운 문제가 있다. 즉, 화재 등과 관련된 열적 안정성에서 취약하여 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 이러한 문제를 해결한다.

기계적 강도와 관련하여, 유황은 고체 상태로 안정화되어 있고 내부에 결함이 없다면 상기한 바와 같이 고강도를 나타내지만, 용융된 상태에서 냉각 고화되는 경우 사방정계, 단사결정, 부정형 유황의 3종류가 혼재해서 나타나는데, 냉각 조건에 따라 혼재 비율이 변하며, 시간의 경과에 따라 결함이 생기기 쉽고 부서지기 쉬운 취성상의 문제점이 있다.

특히, 유황은 열전도율이 떨어지므로, 몰딩을 설치하고 용융된 유황을 타설하면 표면에서는 유황이 냉각, 고화되지만 내부에서는 용융상태가 좀 더 지속되는 경우가 많다. 표면은 굳어 있는 상태에서 내부에서 유황이 굳어 건조수축되면 표면에 경화된 부분에 크랙이 발생되는 등 구조적인 결함이 발생하게 된다. 따라서, 순수 유황을 결합재로 사용하기에는 그 적용 범위가 매우 한정된다.

결국, 유황은 내화학성과 강도에 있어 포틀랜드 시멘트에 비하여 우수한 성능을 보유하고 있지만, 동결 융해 저항성, 타설 후 급속 냉각에 따른 시험체 내·외부의 온도 차로 인한 표면 함몰 현상, 골재나 거푸집 예열 문제 및 화재 취약성 등으로 인하여 그 적용범위가 한정되어 있는 실정이다.

이러한 단점을 개량하기 위하여 많은 유황 개질제가 검토되었다.

특히, 디시클로 펜타디엔 (dicyclo pentadiene; DCPD)은 경제성이 우수하고, 이와 함께 「New Uses of Sulfur-Ⅱ, 1978, PP. 68-77, 1978」에 나타난 바와 같이, 기계적 강도 등에 있어서 양호한 작용을 하는 것으로 알려져 있다.

또한, 비닐 톨루엔 (vinyl toluene), 디펜텐 (dipentene), 그 밖의 올레핀 올리고머 (olefin oligomer)를 첨가하여 유황의 성상을 개량하고 포장재, 접착재, 방수재 등으로 사용한 사례 (일본 특공평 2-25929호 공보, 일본 특공평 2-28529호 공보)도 알려져 있다.

그러나, 상기한 개질제의 개발에도 불구하고, 유황 폴리머 시멘트는 내염해성에 대한 문제와 건조수축과정에서 취성 파괴의 문제는 아직까지 많은 보완이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 내염해성 및 취성에 강점을 가지도록 구조가 개선된 유황 폴리머 시멘트 및 이를 이용한 콘크리트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트는, 유황; 및 디시클로펜타디엔(dicyclo pentadiene)계 개질제를 포함하여 이루어지며 상기 유황과 중합되는 유황개질제;를 포함하는 것으로서, 상기 유황개질제는 하이드로탈사이트(hydrotalcite)를 더 포함하는 것에 특징이 있다.

본 발명에서, 상기 유황개질제는 상기 유황 100 중량부에 대하여 디시클로펜타디엔(dicyclo pentadiene)계 개질제 1~60 중량부와, 상기 유황 100 중량부에 대하여 하이드로탈사이트 0.1~20 중량부의 비율로 첨가되어 중합된다. 바람직하게는 상기 디시클로펜타디엔계 개질제는 유황에 대하여 1~30 중량부, 상기 하이드로탈사이트는 유황에 대하여 0.1~10 중량부의 비율로 첨가되어 중합된다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 하이드로탈사이트는 다양한 종류가 사용될 수 있지만, 특히 화학식 Mg ₄ Al ₂ (OH) ₁₂ ·CO ₃ ·mH ₂ O으로 규정되는 하이드로탈사이트를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 유황 폴리머 콘크리트는 상기한 조성으로 이루어진 유황 폴리머 시멘트와 보통 포틀랜드 시멘트, 골재 및 물을 혼합하여 이루어진다.

또한, 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트 제조방법은, 유황을 용융하는 단계; 상기 용융된 유황에 디시클로펜타디엔과 하이드로탈사이트를 포함하는 유황개질제를 공급하는 단계; 상기 유황과 유황개질제를 일정 범위의 온도로 가열하여 유황 폴리머 시멘트를 중합하는 단계; 및 상기 유황 폴리머 시멘트를 냉각하여 고화시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 용융된 유황에 디시클로펜타디엔과 하이드로탈사이트를 공급하는데 있어서, 하이드로탈사이트를 디시클로펜타디엔에 용해시킨 후 이 용해액을 용융된 유황에 공급하는 것이 바람직하다. 그리고 디시클로펜타디엔은 용융된 유황에 공급하기 전에 70℃ 정도로 예열하는 것이 좋다. 또한, 예열된 디시클로펜타디엔을 용융된 유황에 먼저 공급한 후, 분말 상태의 하이드로탈사이트를 용융된 유황에 공급할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 유황, 디시클로펜타디엔 및 하이드로탈사이트는 중합반응기에서 중합되며, 점도가 100~200cp 범위, 바람직하게는 140±10 cp의 범위에서 상기 중합반응기에 대한 가열을 종료하고 냉각을 시작하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트는 하이드로탈사이트를 유황개질제로 사용함으로써, 내열성, 내염해성을 비롯한 내화학성이 증대되어 내구성이 향상되는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트는 하이드로탈사이트를 유황개질제로 사용하여 유황 폴리머 시멘트에서 약점으로 지적된 건조 수축시 발생되는 표면 함몰 및 강도 저하가 나타나지 않으며 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 강도가 증진되는 이점이 있다.

본 발명에서 유황개질제로 사용되는 하이드로탈사이트는 디시클로펜타디엔계 개질제와 혼합이 잘 이루어지므로 유황 폴리머 시멘트의 중합이 용이하게 이루어진다는 이점이 있다.

본 발명에 따른 유황 폴리머 콘크리트는 보통 포틀랜드 시멘트와 비교하여 강도와 내염해성이 우수하면서도, 시공성에서도 차이가 발생하지 않으므로, 염해 환경에 노출된 구조물에 널리 사용될 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트 제조방법의 개략적 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트를 이용하여 유황 폴리머 콘크리트 공시체를 제조한 후 강도를 시험한 결과가 나타난 표이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트는 유황과, 이 유황의 개질제를 혼합한 조성물이다.

본 발명에서 사용되는 유황은 통상의 유황 단량체이고, 천연 유황, 또는 석유나 천연 가스의 탈황에 의해 생성되는 부산물 유황을 포함한다. 유황 폴리머 시멘트를 제조하기 위해서는 유황을 120℃ 이상, 또는 130℃, 또는 바람직하게는 125 ~ 145 ℃에서 가열 용융한 용융 유황 또는 석유나 천연 가스의 탈황 플랜트에서 액상으로 운송되는 용융 유황을 사용할 수 있다.

유황은, 앞에서도 설명한 바와 같이, 산과 반응하지 않는 것을 포함하여 내화학성이 우수할 뿐만 아니라, 구조적 강도의 면에서도 포틀랜드 시멘트에 비하여 매우 우수하다는 이점이 있다.

본 발명에서 유황 개질을 위하여 사용되는 개질제로는 디시클로펜타디엔계 (dicyclopentadiene; DCPD) 개질제와 하이드로탈사이트(hydrotalcite)가 사용된다.

디시클로펜타디엔계 개질제는 상온에서 액체의 형태로 존재한다. 디시클로펜타디엔계 개질제는 미국, 일본 및 한국 등의 공개 특허들에 개시된 것처럼, 개질 성분으로 디시클로펜타디엔 (DCPD) 단량체를 포함한다. 이러한 DCPD는 단량체를 단독으로 사용할 수도 있고, 또는 DCPD 단량체에 시클로펜타디엔 (cyclopentadiene; CPD) 단량체, DCPD 유도체, CPD 유도체(예컨대, 메틸시클로펜타디엔 (MCP), 메틸디시클로펜타디엔 (MDCP) 등) 중 적어도 하나가 첨가된 혼합물이 사용될 수도 있다.

이러한 디시클로펜타디엔계 개질제의 예시적인 조성으로서 상기한 유황 개질제에서 DCPD 약 65~75 중량부, CPD 약 10~20 중량부, 이들의 유도체 (MCP, MDCP 등) 약 10~20 중량부, 그리고 기타 성분 약 0.1 ~ 1.5 중량부의 비율로 혼합 제조될 수 있다.

또한, 고리족 탄화수소 화합물계(cyclic hydrocarbon compounds)인 디펜텐 (dipentene), 리모넨(limonene), 비닐톨루엔(vinyltoluene), 스티렌(styrene), 메틸스티렌(methylstyrene), 디시클로펜텐(dicyclopentene), 피넨(pinen), 인덴 (indene) 또는 방향족 탄화수소 화합물계(aromatic hydrocarbon compounds) 중 하나의 화합물 등의 올레핀계 (olefin) 화합물과 혼합된 형태로 사용될 수도 있다.

디시클로펜타디엔계 개질제는, 일본 특개 2002-60491호 공보와 한국공개 특허 10-2005-26021호에 개시된 것처럼, DCPD 단량체의 함유량이 약 70 중량% 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 85중량% 이상인 소위 디시클로펜타디엔 (DCPD)을 사용한다.

본 발명의 중요한 특징 중 하나는 유황 개질제로서 하이드로탈사이트(hydrotalcite)를 사용한다는 것이다.

하이드로탈사이트는 음이온성 점토(anion clay mineral) 또는 층상혼합금속수산화물(layered mixed metal hydroxide)로서 노르웨이나 우랄 산지에서 천연 광물로 일부 존재하지만, 전 세계적으로 매장량은 2,000~3,000톤 정도로 매우 미량에 불과하다. 천연의 하이드로탈사이트는 페니나이트(penninite)와 머스코바이트(muscovite)와 같은 다른 광물들을 포함하고 있으며, 중금속도 다량 함유하고 있다. 이러한 불순물의 제거는 용이하지 않아 산업적 활용이 제한되어 있다.

본 발명에서 유황 개질제로 사용하는 하이드로탈사이트는 , 천연 광물로서의 하이드로탈사이트를 배제하지는 않지만, 인공적으로 제조된 하이드로탈사이트류 화합물(hydrotalcite-like compound)을 의미한다. 즉, 본 명세서에서 '하이드로탈사이트'는 천연광물 및 인공 화합물을 통칭하는 개념으로 사용한다.

하이드로탈사이트의 특성으로는, 염기성, 음이온 교환, 음이온 가교화, 낮은 열적 안정성, 팽윤 현상을 들 수 있다. 이러한 특성을 이용하여, 하이드로탈사이트는 PVC 안정제로 널리 사용되고 있다.

하이드로탈사이트는 다양한 형태로 존재하며, 본 실시예에서는 Mg-Al-CO ₃ 구조가 사용된다. 보다 구체적으로, 본 실시예에서 사용되는 하이드로탈사이트는 화학식 Mg ₄ Al ₂ (OH) ₁₂ ·CO ₃ ·mH ₂ O으로 규정된다.

본 실시예에서 사용되는 하이드로탈사이트는 산업적으로는 PVC 안정제로 사용되는데, 본 출원인은 하이드로탈사이트가 내열성과 내염해성이 우수하다는 사실에 기초하여 이를 유황 개질제로 사용하였다. 특히, 하이드로탈사이트는 HCL을 포함하기 때문에 이온성 염화물이 형성되지 않으므로 염해 환경에서도 열해가 일어나지 않으며 구조적 안정성을 유지하는 장점이 있다.

또한 하이드로탈사이트는 유황 폴리머 시멘트의 점착력을 향상시키는 장점이 있으므로, 상기한 바와 같이, 유황의 열전도성이 떨어지면서 나타나는 표면 함몰, 내부 균열의 문제를 해결할 수 있어 유황 개질제로서 큰 이점이 있다.

더욱이, 강도의 측면에서 고려하면, 하이드로탈사이트를 유황 개질제로 사용한 경우 유황 폴리머 시멘트의 압축강도, 특히 14일과 28일 재령에서 강도가 보통 포틀랜드 시멘트보다 현저하게 높게 나타난다.

또한, 하이드로탈사이트는 인체에 무해한 재료로서 친환경적이며, DCPD와 혼합이 잘 이루어져 중합도 용이하게 이루어지는 이점이 있다.

이와 같이, 하이드로탈사이트는 유황 개질제로 사용하면, 유황 폴리머 시멘트의 점착력, 내염화성, 내열성 및 압축강도를 향상시키므로, 기존의 유황 폴리머 시멘트의 문제점을 해결할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트는 유황과, 디시클로 펜타디엔계 개질제와, 하이드로탈사이트를 중합하여 제조되는데, 이하에서는 배합비율에 대하여 설명한다.

본 발명에서 디시클로펜타디엔계 개질제는 유황 100 중량부에 대하여 넓게는 1~60 중량부의 비율로 혼합가능하며, 바람직하게는 1~30 중량부의 범위로 배합한다.

본 발명에서 디시클로 펜타디엔계 개질제의 첨가량 범위가 기존의 선행 특허와 비교하여 상대적으로 넓고 많은 이유에 대하여 설명한다.

즉, 선행 특허에서는 중합 반응이 종료된 액상 상태의 반응결과물(유황 폴리머 시멘트)을 탱크 내에서 액상으로 그대로 유지시킨다. 이를 위해서는 탱크 내 온도를 일정하게 유지해야 하는데, 액상의 유황 폴리머 시멘트는 반응 온도 범위 내에서 계속적으로 중합 반응이 진행되어서 최종적으로는 고무와 같은 점탄성 물질로 변하며, 반응 탱크에도 큰 손상을 끼친다. 이에 저장 탱크 내에서 장시간 저장시에도 안정적이고 일정한 점도를 유지하도록, 반응이 진행되지 못하게 하거나 매우 느리게 진행되도록 저점도 범위를 목표로 설정한 것이다.

그러나, 본 발명은 비록 고점도의 액상 개질 유황 결합재가 생성되더라도 이를 상온에서 바로 냉각하여 고체 상태로 제조한 다음, 현장에서 80 ℃ 이하의 온도로 가열하여 용해시키는 것이 가능하기 때문에 바람직한 최종 생성물의 점도를 저점도 범위로 한정할 필요는 없고, 이에 따라 디시클로펜타디엔계 개질제의 첨가 비율을 기존 특허 범위 정도로 제한할 필요는 없다.

또한 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트는 빠른 시간 내에 경제적으로 중합반응을 완료한 후, 상온 냉각시킨 후 구조물 시공시 다시 용융하여 사용하는 것이므로, 중합 반응의 억제라는 선행 특허와 대비하여, 디시클로펜타디엔계 개질제의 배합 비율을 훨씬 넓은 범위에서 유동적으로 조절할 수 있다.

다만, 본 발명에서도 디시클로펜타디엔계 개질제는 0.1~30중량부로 배합하는 것이 바람직하다. 즉 유황 폴리머 시멘트에 디시클로펜타디엔계 개질제의 첨가량을 증가시키면 시멘트의 난연성, 내화학성 등의 성질이 개선되는데, 그 배합비율이 유황 100 중량부에 대하여 30 중량부를 넘는 경우 개선 효과가 적다. 즉, 유황 100 중량부에 대하여 30중량부의 범위 내에서 디시클로펜타디엔계 개질제를 혼합하는 경우 중합반응이 종료된 후 불필요한 중합반응을 억제할 수 있을 뿐만 아니라 유황 폴리머의 내화학성, 내염해성 등의 물성이 개선될 수 있기 때문이다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 디시클로펜타디엔계 개질제의 배합 비율을 유동성있게 조절할 수 있으며, 중합반응에 있어서 목표 점도는 대략 140 ± 10 cp 정도, 약간 넓게는 100~200cp 정도로 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서 새롭게 유황의 개질제로 사용하는 하이드로탈사이트의 경우 시멘트 100 중량부에 대하여 0.1~20 중량부의 범위로 배합할 수 있으며, 바람직하게는 0.1~10 중량부의 범위로 배합한다.

하이드로탈사이트는 앞에서도 설명한 바와 같이 유황 폴리머 시멘트의 내열성, 내염해성 및 강도를 향상시키고, 취성 파괴의 문제점를 보완한다. 또한, 유황 폴리머 시멘트의 융합시간을 단축시키는 장점도 있다.

그러나 하이드로탈사이트가 유황 100 중량부에 대하여 20 중량부를 초과하는 경우 유황 폴리머 시멘트의 중합은 이루어지지만, 굳어진 상태에서 재용융이 일어나지 않는다. 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트는 중합 후 냉각되어 굳어진 것을 현장에서 다시 멜팅하여 사용하는 방식이다. 본 출원인은 많은 실험을 통해 관찰한 결과, 하이드로탈사이트의 배합비율이 시멘트에 대하여 20 중량부를 넘어가는 경우 중합 후 재용융이 일어나지 않는 것을 발견하였다. 이에 따라 하이드로탈사이트는 유황을 100으로 보았을 때, 유황 대비 0.1~20 중량부, 바람직하게는 0.1~10 중량부의 범위로 혼합된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조방법에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유황 폴리머 시멘트의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유황 폴리머를 제조하기 위해서, 유황 10kg, 디시클로펜타디엔 3kg, 하이드로탈사이트 300g의 배합비율로 중합을 시행하였다.

본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트를 제조하기 위하여 우선 고체 상태의 유황을 유황 저장탱크에서 용융시킨다. 즉, 유황 저장탱크의 온도는 대략 130℃ 정도를 유지하고 교반기의 회전 속도는 5RPM을 유지하면서 분말 유황(99.9 %)을 저장탱크에 투입한 후 130℃ 정도로 가열하여 완전히 용해되게 한다. 용융이 완료되는 시점에서 저장탱크의 상시온도는 125℃ 또는 130℃로 유지하며 융용 유황을 저장한다. 본 실시예에서 유황 저장탱크는 100L의 용량을 사용한다.

저장탱크에서 용융된 액체유황은 이송펌프에 의하여 이송라인을 통해 중합반응기로 투입된다. 이때 중합반응기의 가열온도는 135℃로 하고 교반기의 속도는 20~40RPM으로 유지한다.

용융된 유황의 투입이 완료되면 상온에서 액체 상태로 유지되는 DCPD(Dicyclopentadine=97%)를 70~80℃온도로 정량펌프를 이용하여 중합반응기로 공급하며, 이 때 분말 상태의 하이드로탈사이트는 디시클로펜타디엔에 먼저 용해시킨 후 전체 용해액을 중합반응기로 투입할 수 있다. 또는 예열된 디시클로펜타디엔을 먼저 중합반응기에 투입한 후, 후속적으로 상온에서 분말 상태로 존재하는 하이드로탈사이트를 중합반응기에 투입할 수 있다.

상기한 바와 같이, 디시클로펜타디엔과 하이드로탈사이트가 중합반응기에 투입하면, 중합반응기의 온도가 105~110℃로 하강하므로, 중합반응기를 가열하여 다시 135℃까지 상승시킨다. 온도를 다시 올리는데 걸리는 시간은 대략 30분 정도 소요된다.

제조 공정시간은 모든 재료가 투입된 후 대략 3시간 정도이다. 중합과정에서 유의할 점은, 중합 초기에 발열반응으로 인하여 갑작스러운 온도 상승이 있을 수 있으므로 중합반응기의 온도를 135℃ 정도로 일정하게 유지하는 것이다.

유황의 중합 반응을 화학적으로 설명하면, 먼저 용융 유황과 유황 개질제가 반응하여 환상(ring)의 S ₈ 유황이 개환(ring opening)되어 고리화(cyclic)되는 유황 폴리머 시멘트 전구체(precursor)를 생성하는 초기 혼합 반응단계가 일어난다. 초기 혼합 반응단계 후에는 전구체 생성시의 발열에 의해 유황 폴리머 시멘트 전구체 (precursor)와 용융 유황이 래디컬(radical) 연쇄반응(連鎖反應)을 함으로써 고분자화(polymerization)되는 중합 반응 단계가 일어난다.

중합과정에서는 상기한 바와 같이 발열반응과(mixing), 흡열반응(polymerization)이 순차적으로 이루어지며, 최종적으로 숙성(curing)되면서 중합반응이 완료된다.

개질된 유황 폴리머 시멘트의 점도가 140±10 cp 정도로 상승하면 중합이 이루어졌다는 것을 의미하며, 점도를 확인한 후 중합 반응기에 대한 가열을 종료한다. 최종적으로 암갈색을 띤 유황 폴리머 시멘트를 120℃로 냉각시켜 액체 상태의 유황 폴리머 시멘트를 배출한다. 다만, 점도의 범위가 140±10 cp에 한정되는 것은 아니며, 넓게는 100~200cp 정도에서 중합이 이루어질 수 있다.

참고로, 본 실험에서는 유황 폴리머 시멘트의 점도측정은 “BROOKFIELD DV-11+Pro Viscometer"로 측정하였으며, 측정온도는 140℃에서 50 RPM으로 측정한 점도이다.

상기한 바와 같이, 용융 유황과 디시클로펜타디엔 및 하이드로탈사이트가 중합되는 시간은 대략 3시간 정도로 나타났다.

중합반응기에서 액체 상태로 배출된 유황 폴리머 시멘트는 자연 상태에서 응고시킨 후 분쇄기로 통해 분말 형태로 제조한다. 분말로 만들어도 온도가 15℃이하에서는 분말상태로 유지된다. 다만, 15℃이상에서는 분말이 서로 붙어버리지만, 유황 폴리머 시멘트는 낮은 온도에서 재용융하므로 사용상의 문제점은 없다. 최종적으로 제조된 분말 상태의 유황 폴리머 시멘트의 재용융 온도는 대략 70~120℃로 확인되었다.

상기한 바와 같은 방법에 의하여 제조된 유황 폴리머 시멘트를 사용한 콘크리트에 대한 강도 실험을 수행하였다. 비교를 위하여 DCPD와 디메틸아세트아마이드를 개질제로 첨가된 유황 폴리머 콘크리트 시료 2종을 준비하였고, 표준배합된 보통 포틀랜드 시멘트를 이용한 콘크리트도 비교예로 준비하였다. 디메틸아세트아마이드로 개질된 유황 폴리머 시멘트의 경우 점도값이 각각 106cp와 103cp로 제조된 것이다.

공시체를 제작하여 '한국교통대학교 토목공학과'에 의뢰하여 압축강도 및 휨강도를 시험하였으며, 그 결과가 도 2에 나타나 있다.

도 2를 참고하면, 7일 재령에서 보통 포틀랜드 시멘트는 37.56Mpa, 28일 재령에서 41.83의 압축강도를 나타냈다. 그러나 디메틸아세트아마이드를 개질제로 첨가한 유황 폴리머 시멘트는 7일 재령에서 37Mpa을 하회하고, 28일 재령에서도 39Mpa을 하회하는 압축강도를 나타내 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 초기 강도가 낮은 것을 확인하였다.

그러나, 본 실시예에 따라 DCPD와 하이드로탈사이트를 개질제로 사용하여 중합된 유황 폴리머 시멘트(148cp 점도로 중합)의 경우 7일 재령에서 37.56Mpa로 다른 유황 폴리머 시멘트 및 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 높게 나타났으며, 특히 28일 재령에서는 44.51Mpa로 압축강도가 현저히 높게 나타났다.

또한, 휨강도 시험에서는, 7일 재령에서 보통 포틀랜드 시멘트는 4.41Mpa, 28일 재령에서 6.03의 압축강도를 나타냈다. 디메틸아세트아마이드와 DCPD를 개질제로 첨가한 유황 폴리머 시멘트는 7일 재령에서 5.3Mpa을 상회하고, 28일 재령에서도 6.6Mpa을 상회하는 휨강도를 나타내 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 휨 강도가 높은 것을 확인하였다.

본 실시예에 따라 DCPD와 하이드로탈사이트를 개질제로 사용하여 중합된 유황 폴리머 시멘트(148cp 점도로 중합)의 경우 7일 재령에서 5.72Mpa로 보통 포틀랜드 시멘트는 물론 다른 유황 폴리머 시멘트에 비하여 높게 나타났으며, 28일 재령에서는 6.86Mpa로 휨 강도가 우수함을 확인하였다.

이는 하이드로탈사이트가 유황 폴리머 시멘트가 건조 수축하는 과정에서 내부 균열을 방지하고, 전체적으로 폴리머 시멘트 사이의 접착력과 굳기를 강화한 것으로 이해할 수 있다.

또한, 표에 도시하지는 않았지만, 염소 이온 침투 저항성에 대해서도 실험한 결과 보통 포틀랜드 시멘트는 물론 DCPD와 함께 다른 개질제를 사용한 유황 폴리머 시멘트에 비해서 염소 이온 침투도가 낮게 나타나 내염해성이 매우 우수한 것으로 확인하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 유황 개질제로서 DCPD와 함께 하이드로탈사이트를 사용하여 제조된 유황 폴리머 시멘트는 내염해성 및 강도의 측면에서 다른 개질제를 사용한 유황 폴리머 시멘트에 비하여 그 성능이 우수하다는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트를 혼합하여 제조되는 유황 폴리머 콘크리트는 보통 포틀랜트 시멘트와 골재 및 물을 배합하여 제조된다. 포틀랜트 시멘트와 골재 및 물의 혼합비는 건축 용도에 따라 다르지만 일반적으로 사용되는 범위에서 배합가능하다. 그리고 유황 폴리머 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트의 중량 대비 1~10 중량부의 범위로 배합하여 콘크리트를 제조한다.

그리고 유황 폴리머 시멘트를 이용한 콘크리트의 슬럼프와 공기량, 압축강도를 시험하였는데, 보통 포틀랜드 시멘트와 비교해서 큰 차이가 나타나지 않아 시공성에 있어서 보통 포틀랜드 시멘트와 차이가 없음을 확인하였다.

또한, 콘크리트를 제조할 때 물의 온도에 따른 실험을 수행하였는 바, 물의 온도가 20℃에서 7일 압축강도(3번 시험의 평균값)는 31.73Mpa이었으나, 40℃에서는 오히려 29.93Mpa로 낮아지는 경향을 나타냈다. 그리고 물의 온도를 60℃로 증가시키면서 7일 압축강도가 33.85Mpa로 나타났다. 휨강도의 측면에서도 배합수의 온도 변화에 따라 강도에서 큰 차이를 나타내지 않았다.

또한 배합수의 온도에 따른 슬럼프의 경시변화를 살펴 보기 위해, 20~60℃에서 배합수의 온도를 바꿔 콘크리트를 제조하였다. 배합수의 온도가 올라감에 따라 슬럼프가 크게 나타나긴 하였지만, 전체적으로 시공성에 있어 문제가 없는 것으로 파악된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 유황 폴리머 시멘트를 이용하여 콘크리트를 제조하는 경우, 시공성에 있어서 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 경우와 큰 차이가 나지 않으면서, 내염해성, 내열성 및 강도의 측면에서는 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 훨씬 우수하다.

이에 따라, 유황 폴리머 시멘트와 보통 포틀랜드 시멘트를 혼합하여 제조되는 콘크리트는 보통 포틀랜드 시멘트나 다른 유황 시멘트를 사용한 콘크리트를 대체할 수 있으며, 특히 염해 환경에 노출된 구조물을 축조할 때에는 적극적으로 사용될 수 있다는 점을 확인하였다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.