코어셀 중합반응 아크릴 폴리머가 포함된 초속경 콘크리트 조성물

코어셀 중합반응 아크릴 폴리머가 포함된 초속경 콘크리트 조성물{RAPIDLY HARDENED CONCRETE COMPOUND COMPRISING ACRYLIC POLYMER BY CORE-CELL POLYMERIZATION}

본 발명은 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머가 포함된 초속경 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조기 강도의 발현 및 내구성이 필요한 속경형의 콘크리트를 제조하기 위해 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머가 포함된 초속경 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

도로포장의 많은 부분은 유지보수가 필요한 상태이고, 유지보수 중에는 공용중인 도로의 교통차단이 불가피하여 도로 이용자의 불편함을 야기하므로 공사 개시 후 빠른 시간 내에 교통을 개방해야 하는 특성상 조기 강도 발현 및 내구성이 필요한 속경형의 콘크리트가 사용되고 있다.

종래 속경형 콘크리트 제조는 단순히 아윈계 초속경 시멘트에 소포제와 지연제를 혼합한 조성물(대한민국 등록특허 제0403979호)이나, 아윈계 초속경 시멘트에 SBR(Styrene Butadiene Rubber) 라텍스를 단독 사용 하거나 아크릴 수지를 같이 혼합하여 사용 하는 방법(대한민국 등록특허 제0807850호), 시멘트 중에 혼화재로서 플라이애쉬나 실리카퓸, 고로 슬래그 미분말 등을 혼합하는 방법(대한민국 등록특허 제0696313호) 등이 있다. 그러나 단순히 아윈계 초속경 시멘트에 소포제와 지연제를 혼합한 경우 강도 발현이 빠른 장점이 있지만 초속경 시멘트의 구성광물 특성상 내수성, 내동해성, 장기내구성 등이 취약해 재보수를 해야 하는 문제점이 있다.

또한, 폴리머 라텍스를 혼합할 경우 폴리머가 초속경 시멘트를 구성하는 각 성분의 표면에 피막을 형성하고 있어 수화활성에 불안정한 요소를 가지고 있다. 이러한 문제를 개선하고자 아윈계 초속경 시멘트에 포틀랜드 시멘트, 석고, 응결조절제, 경화촉진제 등을 적절하게 혼합하는 방법(대한민국 등록특허 제0755272호)이나 라텍스와 함께 사용되는 초속경 시멘트 재료의 품질을 속경성 콘크리트 요구 물성에 맞도록 최적화 하는 방법(대한민국 등록특허 제0880932호) 등이 연구 되고 있다.

그러나 콘크리트 포장도로나 교량의 교면 포장은 직접적으로 장기간 햇빛에 노출되면서 자외선에 의해 콘크리트에 형성된 라텍스 필름막이 불균질한 조막형성으로 인한 폴리머 입자가 쉽게 파괴될 수 있으며, 양생 시 라텍스를 사용하는 경우에는 포설 후 반드시 습윤 양생포와 폴리에틸렌 필름 등을 덮어 습윤 양생을 하여야 하는데, 대규모 면적의 경우 소요재료, 소요인력, 소요시간의 측면에서 불합리한 문제점이 있다.

또한, 현장 시공 시 습윤 상태의 잔골재를 사용하면서 함유된 수분량에 따라 배합오차가 발생하여 제품의 품질 편차가 발생하는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 조기 강도의 발현 및 내수성, 내동해성, 장기내구성이 뛰어난 초속경 콘크리트 조성물을 제공하는 데에 있다.

본 발명인 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머가 포함된 초속경 콘크리트 조성물은 1종 포틀랜드 시멘트 4.80~8.10 중량%, 5.0mm 이하의 조립율과 1.0~4.0의 입도를 가지는 건조사 24~37 중량%, 최대치수가 13㎜인 굵은 골재 37~41 중량%, 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머 3~8 중량%, K형 팽창재 0.24~0.81 중량%, 내구성 증진재 0.24~0.54 중량%, 소포제 0.05~0.10 중량%, 물 3~5 중량%, 조강형 칼슘설포 알루미네이트 5.76~10.80 중량%, 분말도 3,000~6,000㎠/g인 무수석고 미분말 2.40~5.40 중량%, 200mesh 체를 모두 통과하는 입자크기로서 산화칼슘의 함량이 70% 이상인 소석회 0.10~0.81 중량%, 혼화제 2~3 중량%를 포함하여 구성된다.

본 발명은 칼슘설포 알루미네이트 광물, 나노 실리카, K형 팽창제 및 건조사로 조성되어 있는 초속경 건식 모르타르에 굵은 골재와 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머를 사용한 배합 조성물을 도출하여 조기 강도의 발현 및 내수성, 내동해성, 장기내구성이 뛰어난 초속경 콘크리트 조성물을 제조할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 의한 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머가 포함된 초속경 콘크리트 조성물의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

먼저 본 발명인 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머가 포함된 초속경 콘크리트 조성물은 1종 포틀랜드 시멘트 4.80~8.10 중량%, 5.0mm 이하의 조립율과 1.0~4.0의 입도를 가지는 건조사 24~37 중량%, 최대치수가 13㎜인 굵은 골재 37~41 중량%, 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머 3~8 중량%, K형 팽창재 0.24~0.81 중량%, 내구성 증진재 0.24~0.54 중량%, 소포제 0.05~0.10 중량%, 물 3~5 중량%, 조강형 칼슘설포 알루미네이트(3CaO·3Al ₂ O ₃ ·CaSO ₄ ) 5.76~10.80 중량%, 분말도 3,000~6,000㎠/g인 무수석고 미분말 2.40~5.40 중량%, 200mesh 체를 모두 통과하는 입자크기로서 산화칼슘의 함량이 70% 이상인 소석회 0.10~0.81 중량%, 혼화제 2~3 중량%를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머가 포함하여 구성된다.

상기 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머는 다음과 같은 특징으로 갖고 있다.

종래 도로보수용 콘크리트에 사용되는 폴리머는 라텍스를 단독으로 사용하거 나 아크릴 수지와 라텍스의 혼합형으로 사용하였다. 그러나 본 발명은 아크릴 폴리머를 단독으로 사용하는 콘크리트 조성물로서 라텍스를 사용할 경우 포설 후 양생 시 반드시 습윤 양생포와 폴리 에틸렌 필름 등으로 덮는 습윤 양생을 하여야 하는데 대규모 면적의 경우 소요재료, 소요인력, 소요시간의 측면에서 현실적으로 불가능하고 불합리한 문제점이 있다. 하지만 상기 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머를 사용한 콘크리트는 대기 중 양생이 가능하고, 또한 상기 라텍스보다 투입량이 절반 정도만 소요되어 경제적으로도 훨씬 유리한 장점이 있다.

상기 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머는 1차적으로 반응한 코어(core)의 입자의 존재 하에 그와 다른 조성의 모노머를 새로운 마이크로셀(miccell)을 형성 시키지 않고 유화제량으로 조절 첨가하여 셀(cell)을 형성시키는 다단 중합법에 의한 것이다. 불규칙 공중합체(Random copolymer)로 얻어진 라텍스 폴리머는 일반 계면활성제 필름막을 형성한 후에도 친수성을 가지므로 내수성의 저하 원인이 되지만, 본 발명의 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머는 반응성 계면 활성제를 사용하므로 필름막을 형성한 후에 친수성을 상실하여 내수성을 향상시키는 장점이 있다.

도 1의 (a)는 라텍스 폴리머, (b)는 코어셀 중합반응 폴리머의 입자 구조를 나타낸 것이다. 라텍스 폴리머는 강도를 높이면 조막성능이 저하되고, 조막성능을 높이면 강도가 저하된다. 이에 비하여 코어셀 중합반응 폴리머는 코어에 필름의 강도가 높은 수지가 형성되고, 셀에 조막성능이 높은 수지가 형성된다.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 라텍스 폴리머의 입자 구조는 도시된 바와 같이 불균질한 조막형성을 하지만, (b)에 도시된 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머는 균질한 조막형성을 하여 탄성 및 내수성이 우수한 장점이 있다.

도 3은 도 2의 단면을 확대 도시한 것이다. (a)는 불균질한 조막형성 상태이고, (b)는 균질한 조막형성 상태이다.

한편, 본 발명의 조성물 중에서 조강형 칼슘설포 알루미네이트, 무수석고 미분말, 소석회, 1종 포틀랜드 시멘트, K형 팽창재, 내구성 증진재, 혼화제 및 건조사(이하 초속경 건식 모르타르라고 한다)는 초속경 건식 모르타르의 전체 중량을 기준으로 할 때 분말도 3,000~6,000㎠/g인 조강형 칼슘설포 알루미네이트 12~20 중량%, 분말도 3,000~6,000㎠/g인 무수석고 미분말 5~10 중량%, 200mesh 체를 모두 통과하는 입자크기로서 산화칼슘 함량 70% 이상인 소석회 0.2~1.5 중량%, 1종 포틀랜드 시멘트 10~15 중량%, K형 팽창재 0.5~1.5 중량%, 내구성 증진재 0.5~1 중량%, 혼화제 2~3 중량%, 5.0mm 이하의 조립율과 1.0~4.0의 입도를 가지는 건조사 50~70 중량%로 이루어진다.

본 발명의 다른 실시예로 상기 K형 팽창재는 칼슘설포 알루미네이트(3CaO·3Al ₂ O ₃ ·CaSO ₄ ), 석고(CaSO ₄ ) 및 산화칼슘(CaO)이 포함되고, 분말도 3,000~4,000㎠/g인 것이 바람직하다.

건조수축은 초기 균열 및 장기적인 내구성에 큰 영향을 미치는 인자로서 기존의 속경형 콘크리트에는 팽창재로 무수석고, 생석회가 사용되었지만 본 발명에서는 무수석고, 생석회 외에 K형 팽창재를 첨가하여 수축균열 방지 및 수밀성을 높여 초기 균열 및 장기적인 내구성 높였다.

본 발명의 또 다른 실시예로 상기 내구성 증진재는 분말도 150,000~300,000㎠/g인 분말상(undensified) 실리카퓸, 1~50㎚ 크기의 나노실리카 및 평균입자 0.1㎛(100㎚)인 마이크로실리카가 포함된 것이 바람직하다.

상기 나노실리카는 수성 실리카(Silica)와 졸(Sol)의 합성에 의해 제조된 것으로 크기는 1~50㎚이고, 이를 액상 그대로 사용하거나 분말화하여 사용할 수 있다. 나노실리카를 고내구성 초속경 콘크리트에 혼합할 경우 5~50㎚의 마이크로 모세관 공극을 채움으로써 콘크리트의 내구성을 향상시킬 수 있다.

마이크로 실리카는 전기아크 용광로에서 실리콘금속 또는 규소철 합금과정에서 얻어지는 부산물로서 미세 분말형 비결정질 실리카이다. 마이크로 실리카는 1㎛미만인 입자가 95% 이상이고, 평균 입경이 약 0.1㎛(100㎚)인 구형의 유리질 입자이다. 마이크로 실리카를 콘크리트의 혼합할 경우 50㎚~100㎚의 매크로한 모세관 공극을 채워주고 또한 포졸란 반응에 의해 콘크리트를 수밀한 조직으로 만들어 주어 콘크리트의 내구성을 향상시킬 수 있다.

수화 초기단계에서의 콘크리트 공극은 물이 차지하는 공극, 혼합 시 공기가 연행되어 발생되는 갇힌 기포와 공기연행제에 의해 생성되는 연행기포로 분류된다. 여기서 물이 차지했던 공극은 시멘트의 수화물 생성에 따라 점차 그 크기가 감소하여 겔공극과 모세관공극으로 변하게 된다.

일반적으로 수화가 거의 완료된 재령 28일 이후의 콘크리트 공극은 5㎚이하의 겔공극, 5㎚~100㎚의 모세관 공극, 10㎛이상의 혼합 시 갇힌 공극과 연행공극으로 분류되고, 모세관공극은 다시 5~50㎚의 마이크로 공극과 50~100㎚의 매크로 공극으로 분류할 수 있다. 5㎚~50㎚의 마이크로 공극은 시멘트 경화제의 건조수축 및 크리프(creep)에 영향을 크게 미치고, 50㎚~100㎚의 매크로 공극은 강도와 이온의 침투성에 큰 영향을 준다. 따라서 콘크리트로 도로포장 및 교량 상판의 교면포장을 하는 경우 모세관 공극을 제어하는 것에 따라 콘크리트의 건조수축, 강도, 내구성 향상에 큰 영향을 준다.

최근에는 염화물 및 수분에 의한 콘크리트의 부식을 방지하기 위하여 라텍스 수지를 첨가한 라텍스 개실 콘크리트 및 긴급 보수용 초속경 라텍스 개질 콘크리트가 개발되어 콘크리트 도로의 보수 및 교량의 교면보수에 이용되고 있다. 그러나 라텍스는 장기간 햇빛에 노출되면 자외선에 의해 콘크리트에 형성된 라텍스 필름막이 파괴될 수 있어 라텍스만으로 콘크리트의 장기 내구성을 보장할 수 없다.

따라서 콘크리트 도로 및 교량의 교면 보수에 1~50㎚ 크기의 나노실리카와 평균입자가 0.1㎛(100㎚) 마이크로 실리카를 이용하는 것이 효과적이다.

상기의 물질들을 혼합하여 콘크리트 조성물을 제조할 때에는 현장에서 혼합 시 잔골재에 함유된 수분량과 혼합수인 물을 첨가할 때 제품의 품질 편차가 발생하기 쉬우므로 본 발명의 도로보수용 초속경 건식 모르타르는 시멘트, 혼화제 및 건조된 모래를 미리 공장에서 배합하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 초속경 건식 모르타르는 벌크 시스템으로 대규모 현장에 공 급이 가능하며 이동성이 뛰어나 공사비용 및 작업시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.

[실험 예]

이하 본 발명의 효과를 알아보기 위한 실험예에 관하여 설명한다.

속경성 콘크리트의 압축강도, 휨강도, 부착강도, 동결융해저항성, 박리저항성, 염분침투저항성, 건조수축을 표 1과 같은 실험규격에 의해 측정 하였다

[표 1]

본 발명에서 제시한 첨가 범위 내인 실시예와 비교를 하기 위해 첨가제 범위를 제시 수준에서 벗어나게 시험을 실시하였으며, 실시예 및 비교예에 대한 세부 내용은 아래 표 2와 같다.

[표 2]

표 3의 비교예1은 기존 아윈계 초속경 시멘트에 라텍스 폴리머를 사용한 것이고, 실시예1은 초속경 건식 모르타르 제품에 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머를 사용한 것이며 콘크리트 조성물의 배합비를 나타낸 것이다.

[표 3]

표 4는 상기의 실시예 및 비교예의 배합에 의해 제조된 콘크리트의 물성시험 결과를 나나낸 것이다.

[표 4]

상기 표에서 알 수 있듯이 본 발명의 코어셀 중합반응 아크릴폴리머를 사용한 경우 단위 사용량이 라텍스 사용량에 절반만 사용하여도 압축강도, 휨강도, 부착강도, 동결융해 저항성, 염분 침투저항성 및 박리저항성 특성에서의 동등 이상의 물성이 확인되어 코어셀 중합반응 아크릴폴리머를 사용하는 것이 라텍스 폴리머를 사용하는 것에 비해 경제성이 높은 것을 확인할 수 있다.

표 5의 비교예2-1 및 2-2는 본 발명의 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머 함유량을 벗어난 콘크리트 배합비를 나타낸 것이다.

[표 5]

표 6은 상기의 실시예 및 비교예의 배합에 의해 제조된 콘크리트의 물성시험 결과를 나나낸 것이다.

[표 6]

시험결과 표 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머 함유량의 범위를 벗어난 초속경 건식 모르타르 전체 중량을 기준으로 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머의 함유량이 0%인 경우에는 압축강도 특성은 유사하나 휨강도 특성은 상대적으로 감소하는 것으로 나타났으며, 내구성 특성인 염분 침투 저항성 또한 측정값이 높게 나타나 침투 저항성이 떨어지는 것으로 나타났다.

코어셀 중합반응 아크릴 폴리머의 함유량이 0%인 경우에는 사용량 대비 효과가 미미하여 경제성을 고려할 때 본발명이 효과적인 것을 알 수 있다.

표 7의 비교예3-1 및 3-2는 본 발명의 K형 팽창재 특성을 비교하기 위한 콘크리트 배합비를 나타낸 것이다.

[표 7]

도 4는 상기의 실시예 및 비교예의 배합에 의해 제조된 콘크리트의 물성시험 결과를 도시한 것이다. 시험결과에서 알 수 있듯이 초속경 콘크리트의 초기 균열 및 장기적인 내구성 향상을 위하여 사용된 K형 팽창재는 팽창재를 사용 안한 것이 건조수축이 높은 것으로 나타났으며, 초속경 건식 모르타르의 전체 중량을 기준으로 하여 K형 팽창제의 함유량이 1%과 2% 것을 K형 팽창재를 사용하지 않은 것과 비교해 보면, 건조수축 효과는 유사하여 이에 대한 본 발명의 K형 팽창재가 효과적인 것을 알 수 있다.

표 8의 비교예4는 본 발명의 내구성 증진재 특성을 비교하기 위한 콘크리트 배합비를 나타낸 것이다.

[표 8]

[표 9]

표 9에서 나타나듯이 내구성 증진재를 사용하는 것이 염분 침투 저항성, 동경융해 저항성, 표면박리 저항성의 성능이 사용하지 않는 것보다 높게 발휘하는 것으로 나타났다.

상기의 시험결과에서 알 수 있듯이 본 발명은 칼슘설포 알루미네이트 광물, 나노 실리카, K형 팽창제 및 건조사로 조성되어 있는 초속경 건식 모르타르에 굵은 골재와 코어셀 중합반응 아크릴 폴리머를 사용한 배합 조성물을 도출하여 조기 강도의 발현 및 내수성, 내동해성, 장기내구성이 뛰어난 초속경 콘크리트 조성물을 제조할 수 있는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명과 비교예의 폴리머 입자 구조를 나타낸 확대도

도 2은 본 발명과 비교예에 따른 조막형성 상태를 나타낸 평면 확대사진.

도 3은 본 발명과 비교예에 따른 조막형성 상태를 나타낸 단면 확대도.

도 4는 본 발명과 비교예의 물성시험 결과를 나타낸 그래프.