KR101683021B1 - 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제 및 그 제조방법 - Google Patents
자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제에 관한 것으로, 시멘트, 규사, 결정질 석영과 은미정질 석영을 배합한 후 고온에서 가열하여 고온 처리된 석영, 탈크(talc) 및 스테아린산아연(Zinc Stearate)이 혼합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 콘크리트에 균열이 발생 시 침투하는 물과 시멘트의 입자들과 반응하여 변형된 규산칼슘수화물 결정체를 형성하여 균열을 채우는 것 외에, 물과 반응 시 생성되는 복합촉매가 변형된 규산칼슘수화물 결정체를 계속적으로 형성하도록 촉진함으로써, 콘크리트에 균열의 발생 시 영구적으로 자가치유가 가능하며, 콘크리트의 강도가 증가되는 효과가 있다.
또한, 결정질 석영을 은미정질 석영보다 더 많이 배합하고 15~25℃/min의 승온속도로 가열 후 소성처리 함으로써 강도와 방청기능이 더욱 우수한 방수제를 만들 수 있는 효과가 있다.
나아가, 탈크 및 스테아린산아연을 혼합함으로써 분체의 응집 억제와 균일한 분산성을 확보함과 동시에 보관시 저장성이 매우 우수하며 배합된 콘크리트의 슬럼프 유지성능에 영향을 미치지 않는다.
본 발명에 따르면, 콘크리트에 균열이 발생 시 침투하는 물과 시멘트의 입자들과 반응하여 변형된 규산칼슘수화물 결정체를 형성하여 균열을 채우는 것 외에, 물과 반응 시 생성되는 복합촉매가 변형된 규산칼슘수화물 결정체를 계속적으로 형성하도록 촉진함으로써, 콘크리트에 균열의 발생 시 영구적으로 자가치유가 가능하며, 콘크리트의 강도가 증가되는 효과가 있다.
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Description
본 발명은 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 토목 및 건축물의 바닥, 옥상, 벽체, 통로 등에 타설되는 콘크리트에 혼입하여 수밀한 콘크리트를 만들어 주며 콘크리트 균열의 발생 시 결정체의 활성화 및 성장을 통해 균열부를 폐쇄하여 누수를 자가치유 할 수 있는 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 건축 구조물에 가장 많이 사용되는 콘크리트는 수화 경화체이므로 잔여수분의 증발에 의한 공극 발생은 필연적 현상이며 이를 통한 외부 유해물질의 침투는 재료의 성능 및 내구성 저하의 결과를 초래하며 또한 취성재료로서 압축력에는 강하지만 인장에는 약한 성질을 보인다. 균열은 콘크리트의 고유 특성이기 때문에 보강된 콘크리트의 구조에서 균열은 파괴로 까지 여기지 않지만 균열의 너비는 설계된 너비한계를 넘지 말아야 한다. 이러한 균열 외에도 수축변형에 의해 미세균열은 일반적으로 콘크리트에 발생하며 막을 수도 없다. 미세균열이 모여 연속 네트워크를 형성하면 콘크리트의 방수성에 큰 영향을 미치며 특히, 콘크리트의 균열을 통하여 물이 침투하면 철근부식 및 중성화가 촉진되어 건축물의 수명에도 커다란 영향을 미친다.
현재 국내 건축물들은 충분한 외부공간이 확보되지 않아 건축물의 외부에서 방수를 하기 어려워 내부에서 방수공사를 시행하고 있으며 이는 콘크리트가 항상 물과 접해 있어 내부에서 누수는 보이지 않지만 철근의 부식을 초래하여 건축물의 내구성에 영향을 미치며 내부에서 시공하는 방수는 그 특성 상 단면 두께 전체를 방수화 할 수 없으며 콘크리트에 균열이 발생되면 방수층에 내균열 저항성능이 부여되지 않아 방수층 또한 같이 파단 되고 물이 침투하여 철근의 부식 및 팽창을 초래하여 콘크리트가 박리되고 균열이 확대되어 건축물의 내구성에 영향을 미치며 주기적으로 보수해야 함으로 경제적인 손실을 가져온다.
이러한 종래의 문제를 해결하기 위하여, 본 출원인은 ‘콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제’를 2013년 11월 6일에 출원하여(출원번호 제10-2013-0134053호), 2014년 2월 24일에 등록 받았다(등록번호 제10-1368992호).
본 출원인의 등록특허 제10-1368992호는 콘크리트 단면 전체를 수밀화시켜 사후 별도의 방수작업이 필요 없고 콘크리트에 필연적으로 발생하는 균열부를 통한 누수를 자가치유 할 수 있으며, 균열의 발생 시 침투하는 물과 반응하여 생성되는 복합촉매가 변형된 규산칼슘수화물 결정체를 계속적으로 형성하도록 촉진함으로써, 콘크리트에 균열이 발생 시 영구적으로 자가치유가 가능하며 콘크리트의 강도가 증가되는 것을 특징으로 한다.
그러나 등록특허 제10-1368992호는 레미콘 배치 플랜트에서 투입되는 골재 중의 수분, 혼화제 등과의 충돌 등으로 유동성의 증감에 따른 슬럼프 손실 및 슬럼프 증가가 발생하고 사용되는 파쇄 골재에 함유된 염화물에 의해 콘크리트 내부의 철근 부식을 억제하는데 한계가 있으며 방수제의 장기간 보관 및 저장 시 흡습에 의해 굳어가는 현상이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 레미콘 배치 플랜트에서 투입되는 골재 중의 수분, 혼화제 등과의 충돌 등으로 유동성의 증감에 따른 슬럼프 손실 및 증가를 방지하기 위하여 유동화제와 지연제를 혼합하지 않으며, 결정질 석영을 은미정질 석영보다 더 많이 배합하고 소성로에서 15~25℃/min의 승온속도로 가열하여 800 ~ 1470 ℃의 온도가 되도록 한 후 소성처리 함으로써 성능개선과 방청기능이 향상된 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
나아가, 탈크 및 스테아린산아연을 혼합함으로써 분말형 구체방수제의 보관기간을 종래 대비 훨씬 길게 유지할 수 있는 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
또한, 콘크리트에 균열이 발생 시 침투하는 물과 반응하여 생성되는 복합촉매가, 변형된 규산칼슘수화물 결정체를 계속적으로 형성하도록 함으로써, 콘크리트에 균열의 발생 시 영구적으로 자가치유가 가능하고 수밀한 콘크리트를 만들어 주며 또한 강도가 증진되어 콘크리트의 내구성을 확보할 수 있는 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제는 시멘트, 규사, 결정질 석영과 은미정질 석영을 배합한 후 고온에서 가열하여 고온 처리된 석영, 탈크(talc) 및 스테아린산아연(Zinc Stearate)이 혼합된다.
상기 시멘트 100중량부에 대하여 규사 60~85중량부, 고온 처리된 석영 15~25중량부, 탈크 2~5중량부 및 스테아린산아연 2~5중량부가 혼합될 수 있다.
상기 결정질 석영과 은미정질 석영을 4 : 3의 비율로 배합할 수 있다.
상기 결정질 석영과 은미정질 석영을 4 : 3의 비율로 배합한 후 소성로에서 15~25℃/min의 승온속도로 가열하여 800 ~ 1470 ℃의 온도가 되도록 한 후 1시간 내지 2시간 동안 소성 처리하여 제조될 수 있다.
나아가 800 ~ 1470 ℃의 온도가 되도록 한 후 1시간 내지 2시간 동안 소성 후, 변태한 석영 결정체를 직경 0.2mm 이하의 알갱이로 만들어서 사용할 수 있다.
또한, 상기 탈크와 스테아린산아연은 입도가 200mesh~325mesh 이하 일수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제의 제조방법은 혼합기에서 시멘트 100중량부에 대하여 규사 60~85중량부를 20분간 혼합하는 단계(a); 시멘트 100 중량부에 대하여 결정질 석영과 은미정질 석영을 배합한 후 고온에서 가열하여 고온 처리된 석영 15~25중량부를 30분간 추가 혼합하는 단계(b); 및 시멘트 100 중량부에 대하여 탈크 2~5중량부 및 스테아린산아연 2~5중량부를 40분간 추가 혼합하는 단계(c)를 포함한다.
상기 결정질 석영과 은미정질 석영을 4 : 3의 비율로 배합할 수 있다.
상기 고온 처리된 석영은 결정질 석영과 은미정질 석영을 4 : 3의 비율로 배합한 후 소성로에서 15~25℃/min의 승온속도로 가열하여 800~1470℃의 온도가 되도록 한 후 1시간 내지 2시간 동안 소성 처리하여 제조될 수 있다.
나아가 800~1470℃의 온도가 되도록 한 후 1시간 내지 2시간 동안 소성하여 변태한 석영 결정체를 직경 0.2mm 이하의 알갱이로 만들어서 사용할 수 있다.
또한, 상기 탈크와 스테아린산아연은 입도가 200mesh~325mesh이하 일수 있다.
본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제에 의하면, 콘크리트 제조 시 배치플랜트(batch plant)에 투입함으로써, 콘크리트 단면 전체를 수밀화시켜 사후 별도의 방수 작업이 필요 없고 콘크리트에 필연적으로 발생하는 균열부를 통한 누수를 자가치유하여 철근의 부식과 콘크리트의 박리를 막고 건축물의 내구성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 콘크리트에 균열이 발생 시 침투하는 물과 시멘트의 입자들과 반응하여 변형된 규산칼슘수화물 결정체를 형성하여 균열을 채우는 것 외에, 물과 반응 시 생성되는 복합촉매가 변형된 규산칼슘수화물 결정체를 계속적으로 형성하도록 촉진함으로써, 콘크리트에 균열의 발생 시 영구적으로 자가치유가 가능하며, 콘크리트의 강도가 증가되는 효과가 있다.
또한, 결정질 석영을 은미정질 석영보다 더 많이 배합하고 15~25℃/min의 승온속도로 가열 후 소성처리 함으로써 자가치유 기능 및 방청기능이 더욱 우수하며 이에 따른 강도가 증가되는 방수제를 만들 수 있는 효과가 있다.
나아가, 탈크 및 스테아린산아연을 혼합함으로써 슬럼프 유지성능을 확보하고 방수제의 보관기간을 10년 정도로 길게 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 콘크리트에 형성된 틈새에서 물과 반응하여 형성된 자가치유 물질인 규산칼슘수화물 결정체의 모습을 보여주는 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제가 적용된 콘크리트의 품질시험성적서이다.
도 3은 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제를 적용하여 철근의 부식을 시험한 방청시험성적서이다.
도 4는 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제가 적용된 콘크리트의 품질시험성적서이다.
도 3은 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제를 적용하여 철근의 부식을 시험한 방청시험성적서이다.
도 4는 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제의 제조방법의 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시 예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시 예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.
또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 일 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 4를 참조하면, 본 발명은 레디믹스트 콘크리트(Ready-mixed concrete) 제조 시 배치플랜트(batch plant)에서 시멘트 100 중량부에 대해서 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제 0.8~2중량부를 투입하여 콘크리트에 있는 물과 시멘트 입자 등과 반응하여 복합적인 결정체 성장과정을 유발하여 콘크리트 단면 전체를 수밀화 시키고, 콘크리트를 타설 후 균열이 발생하면 침투하는 물과 시멘트의 입자들과 반응하여 변형된 규산칼슘수화물 결정체가 형성되고, 촉매가 변형된 규산칼슘수화물 결정체를 계속적으로 형성하도록 촉진함으로써, 누수를 차단하고 영구적으로 자가치유가 가능한 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 구체방수제에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제는 시멘트, 규사, 결정질 석영과 은미정질 석영을 배합한 후 고온에서 가열하여 고온 처리된 석영, 탈크(talc) 및 스테아린산아연(Zinc Stearate)이 혼합된다.
시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트이며, 그 화학 조성과 물리적 성능은 포틀랜드 시멘트의 기준에 맞는 것을 사용한다.
규사(실리카샌드)는 세립자가 많으면 콘크리트의 유동성이 증가하나 크기에 따라 유동성, 펌핑성, 공기연행성에 영향을 미치므로 인위적으로 부순 고른 입도를 가져 품질을 향상시킬 수 있는 직경 약 150 mesh 이하의 규사를 사용하는 것이 바람직하다. 150 mesh 이상의 규사를 사용하는 경우 서로 잘 분리되는 경향이 있으며 유동성이 떨어져 펌핑성을 저하시킨다.
구체적으로는, 시멘트 100중량부에 대하여 규사 60~85중량부, 고온 처리된 석영 15~25중량부, 탈크 2~5중량부 및 스테아린산아연 2~5중량부를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
규사는 시멘트에 대한 작업성을 고려하여 시멘트 100중량부에 대해 60~85중량부의 비율을 가지는 것이 바람직하다. 60중량부 미만으로 사용하는 경우 분말형 구체방수제의 강도에 영향을 미치며 85중량부를 초과 사용하는 경우 방수 및 방청 효율을 저하시키는 문제가 발생한다.
탈크와 스테아린산아연은 각각 2중량부 미만으로 사용할 경우 분체의 응집 억제와 균일 분산성이 저하될 수 있으며, 5중량부를 초과 사용할 경우 혼합시 다른 혼합물들과 배합불량을 초래하는 것을 확인하였다. 따라서 탈크와 스테아린산아연은 각각 2~5중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
탈크와 스테아린산아연은 입도가 200~325 mesh 미만이면 다른 혼합물과 배합 불량이 발생하고, 초과하면 배치플랜트 투입 시 미립분화되어 다른 혼합물과 분리될 수 있다. 따라서 탈크와 스테아린산아연은 입도가 200~325 mesh인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
고온 처리된 석영은 결정질 석영과 은미정질 석영을 배합한 후 고온에서 가열하여 얻을 수 있다.
고온 처리된 석영은 15중량부 미만을 사용하면 결정체 성장이 적어져 콘크리트 공극 및 균열의 자가치유 기능이 떨어지고 이에 따라 부수적인 강도증가, 방청성 등의 기능(방청기능)을 제대로 발휘하지 못하며, 25중량부를 초과 사용하면 과다 사용에 의한 고비용으로 인해 경제성이 떨어지고 다른 혼합물들과 배합불량을 초래하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 결정질 석영과 은미정질 석영을 4 : 3의 비율로 배합한다. 또한, 결정질 석영과 은미정질 석영을 4 : 3의 비율로 배합한 후 소성로에서 15~25℃/min의 승온속도로 가열하여 800 ~ 1470 ℃의 온도가 되도록 한 후 1시간 내지 2시간 동안 소성하여 사용한다.
결정질 석영과 은미정질 석영을 적절하게 배합하는 것이 중요하다. 이 둘 중에서 어느 하나만을 배합하는 경우보다 두 가지를 같이 배합함으로써 결정체의 활성화 및 방청과 콘크리트 강도 증진 효과를 극대화 할 수 있다.
결정질 석영보다 은미정질 석영을 더 많이 배합하는 경우 방청기능 저하 및 콘크리트의 강도 저하의 문제가 발생할 수 있다. 결정질 석영이 은미정질 석영보다 모스경도가 크며 결정체 성장을 활성화 하기 때문에 결정질 석영을 은미정질 석영보다 많이 배합하는 것이 콘크리트에 혼입되는 염화물에 의해 철근의 부식을 막는데 더 효과적일 뿐만 아니라 콘크리트의 강도 증진에도 더욱 효과적이다. 따라서 결정질 석영과 은미정질 석영을 4 : 3의 비율로 배합하는 것이 바람직하다.
결정질 석영과 은미정질 석영을 4 : 3의 비율로 배합한 후 소성로에서 15℃/min 이하로 진행할 경우 장시간의 처리가 필요하므로 생산성 저하의 문제가 발생하며, 25℃/min 이상으로 진행할 경우 급격한 온도 상승으로 인해 소성처리 전 석영의 물성에 변화를 일으켜 하기에서 살펴볼 변태한 석영 결정체가 규산칼슘수화물 결정체의 생성을 저하시키는 문제가 발생하는 것을 확인하였다. 따라서, 소성로는 15~25℃/min의 승온속도로 가열하는 것이 바람직하다.
결정질 석영과 은미정질 석영을 배합하여 고온에서 가열하면 850 ℃에서 트리디마이트(tridymite)로 변태하고 다시 1450 ℃에서 크리스토발라이트(cristobalite)로 변태한다.
구체적으로는, 800 ~ 1470 ℃의 온도에서 1시간 내지 2시간 동안 소성 후, 크리스토발라이트로 변태한 석영 결정체를 직경 0.2mm로 무수히 천공되어 있는 로드밀에 통과시켜 지름 지름 0.2mm의 알갱이로 만들어서 혼합 사용한다.
1시간 미만 동안 소성하는 경우 불순물이 완전히 제거되지 않아 크리스토발라이트로 완전한 변태가 이루어지지 않으며, 2시간을 초과하여 소성하는 경우 하기에서 살펴볼 Ca와 결합된 촉매제(복합촉매)의 생성을 저하시켜 규산칼슘 수화물의 생성률을 떨어뜨리는 것으로 확인하였다. 따라서, 800 ~ 1470 ℃의 온도에서 1시간 내지 2시간 동안 소성 처리하는 것이 바람직하다.
크리스토발라이트로 변태한 석영 결정체가 함유된 방수제가 콘크리트에 균열 발생 시 침투한 물과 시멘트의 입자들과 반응하여 Ca와 결합된 촉매제(복합촉매)를 생성하고, Ca와 결합된 촉매제가 규산칼슘 수화물의 생성을 촉진시킴으로써, 크리스탈 형태의 변형된 규산칼슘수화물 결정체가 균열을 채우는 것이다.
촉매가 물과 시멘트의 입자들과 반응하여 변형된 규산칼슘수화물 결정체를 생성하는 반응을 콘크리트가 수화된 후에도 계속하여 영구적으로 진행함으로써, 콘크리트의 균열을 자가치유 할 수 있고 강도가 증진되어 콘크리트의 내구성을 확보할 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 콘크리트의 표면에 흰색으로 형성된 물질은 콘크리트에 형성된 틈새에서 물과 시멘트의 입자들이 반응하여 형성된 자가치유 물질(변형된 규산칼슘수화물 결정체)이 성장하여 콘크리트의 균열을 채운 모습을 나타낸다.
변형된 규산칼슘수화물 결정체의 성장과정에 대해서는 이하에서 자세히 살펴본다.
본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제는 소수성 물질과 달리 친수성이며, 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제를 투입 시 콘크리트에 있는 물과 시멘트 입자와 반응하는 복합적인 결정체 성장과정을 유발하며, 이 반응은 시멘트 수화과정에서 콘크리트에 포함된 여러 가지 금속산화물뿐만 아니라 수산화칼슘 및 알루미늄을 포함한 미수화되거나 부분적으로 수화된 시멘트 입자들과도 반응을 한다.
이 촉매 반응은 습기가 콘크리트에 존재할 때 반응을 유지한다. 즉, 물이나 습기와 접촉하게 되면 반응을 영구적으로 수행한다.
본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제는 콘크리트 내에서 복합적인 결정체 성장과정을 유발하는데, 그 과정은 다음 3단계의 반응에 기반한다.
[1단계 반응]
1단계 반응에서 생성된 CaCo3 결정체가 형성되며 물의 침투를 차단하는데 이는 모세관 차단이며 또한 반응에서 생성된 수용성규산염에 의해 2단계 반응이 일어난다.
[2단계 반응]
수용성 규산염(이산화 규소) + Ca(OH)2 -> C-S-H 결정체<변형된 규산칼슘수화물결정체>
수용성 규산염이 콘크리트 내에 존재하는 Ca(OH)2 와 반응하여 변형된 C-S-H 결정체(CaSiO3ㆍnH2O)를 만드는데 이것이 불투수성 콘크리트를 만들어준다.
[3단계 반응]
Ca와 결합된 촉매제 + 물 -> 크리스탈 생성반응(변형된 규산칼슘수화물 결정체 생성반응) -> 촉매제의 환원 -> Ca와 결합된 촉매제
결정질 석영과 은미정질 석영을 고온에서 소성하여 변태시킨 결정체가 함유된 방수제가 물과 만나면 Ca3 + 와 Mg3 + 와 결합하여 Ca와 결합된 촉매제가 만들어지고 3단계 반응이 시작된다. 이 Ca와 결합된 촉매제는 물속이나 물과 만나면 두 개의 음이온으로 나누어져 Ca2 + 양이온과 결합하여 Ca2 + 를 SiO3 2 - 에 제공하고 사방으로 흩어지는 복합촉매원소이다. 이러한 기능은 3단계 반응의 연속적인 연계 반응을 위한 매개체 역할을 하는 것이다.
즉, Ca와 결합된 촉매제는 물속이나 물과 만나면 Ca2 + 를 SiO3 2 - 에 주어 변형된 C-S-H 결정체(CaSiO3 ㆍnH2O)를 만들고 이 반응 형성 후 다시 환원되어 Ca와 결합된 촉매제로 된다.
Ca와 결합된 촉매제는 콘크리트가 수화된 후에도 새로이 발생하는 균열들에 의한 습기나 물이 있으면 다시 활성화되어 변형된 C-S-H 결정체를 만드는데 이러한 촉매제의 역할은 순환 싸이클로 되며 영구적이다.
본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제는 전술한 콘크리트 배합 시에 성능 개선을 위하여 투입되는 각종 혼화제와 혼화제와의 충돌로 인하여 발생될 수 있는 응결 시간차, 압축 강도, 방수성 및 방청성 등에 문제가 있는지를 알아보기 위해 시험을 하였다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제가 적용된 콘크리트의 시험(시험방법 KS F 4926:2012)결과를 나타낸다.
응결 시간차, 경시 변화에 따른 공기량 변화, 길이 변화율, 동결 융해에 대한 저항 성능, 탄산화 깊이비, 압축 강도비(1, 3, 7, 28, 91일), 물흡수 계수비, 투수비, 염소 이온 침투깊이 등의 모든 항목에서 시험기준을 만족하는 것을 알 수 있다.
특히, 동결 융해에 대한 저항 성능(상대 동탄성 계수)은 91%로서 기준(80% 이상) 대비 상당히 우수한 것을 알 수 있고, 동결 융해에 대한 저항 성능(재령 28일 압축강도 비율)은 92%로서 기준(80% 이상) 대비 상당히 우수한 것을 알 수 있다.
압축 강도비(91일)는 1.20으로 기준(1.0 이상) 대비 우수한 것을 확인하였으며, 물흡수 계수비는 0.6으로 기준(0.7 이하) 대비 우수하고, 투수비는 0.5로 기준(0.7 이하) 대비 우수한 것을 확인하였다. 시험결과, 본 발명은 콘크리트의 강도 증진효과뿐만 아니라, 방수 기능 또한 뛰어난 것을 확인하였다.
특히, 염소 이온 침투 깊이는 0.7로서 기준(3.0 이하) 대비 상당히 우수한 것을 확인하였다. 이는 본 발명이 콘크리트 내부의 철근이 부식되는 것을 방지하는 방청기능이 상당히 뛰어남을 알 수 있는 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제가 적용된 콘크리트의 철근부식 촉진시험(시험방법 KS F 2561-‘13)결과를 나타낸다.
방청률은 다음의 식에 의하여 산출한다.
l = (∑P0.2 - ∑l0.2)/∑P0.2 Ⅹ 100
l : 방청률(%)
∑P0.2 : 시험 콘크리트(P0.2)의 철근 6개의 합계 부식 면적(mm2)
∑l0.2 : 본 발명에 따른 방청제 사용 콘크리트(l0.2)의 철근 6개의 합계 부식 면적(mm2)
방청률이 95% 미만이고 또한 기준 콘크리트(P0.04)의 철근 6개의 합계 부식 면적이 20mm2를 넘는 경우 재시험을 하도록 하였다.
염분 용액은 표 1에 있는 각 약품을 정해진 질량만 용해하고 전량이 1L의 수용액이 되도록 제조한 것으로 한다. 다만, 염분 용액은 시험을 할 때마다 제조하였다. 표 1은 염분 용액의 조성을 나타낸다.
도 3에 따르면, 시멘트 300 kg/m3, 물 128.5 kg/m3, 염분 용액 48.5 kg/m3, 잔골재 800 kg/m3, 굵은골재 1,093 kg/m3 및 본 발명에 따른 분말형 구체방수제를 3 kg/m3 혼합하여 시험한 결과, 방청률(l)이 95.8 %를 나타내었다. 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제를 혼합한 콘크리트는 방청률이 95% 이상을 나타내는 것으로서 상당히 우수한 방청률을 나타내는 것을 확인하였다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제의 제조방법은 먼저, 혼합기에서 시멘트 100중량부에 대하여 규사 60~85중량부를 혼합하여 600rpm으로 20분 동안 교반한다(단계(a), S410). 시멘트와 규사의 충분한 혼합을 위해 20분의 교반 시간을 필요로 한다.
다음으로, 시멘트 100 중량부에 대하여 결정질 석영과 은미정질 석영을 배합한 후 고온에서 가열하여 고온 처리된 석영 15~25중량부를 혼합하여 600rpm으로 30분 동안 교반한다(단계(b), S420). 고온 처리된 석영의 충분한 혼합을 위해 단계(a)보다 더 긴 시간인 30분 정도 교반하여야 한다.
고온 처리된 석영은 결정질 석영과 은미정질 석영을 4 : 3의 비율로 배합한 후 소성로에서 15~25℃/min의 승온속도로 가열하여 800~1470℃의 온도가 되도록 한 후 1시간 내지 2시간 동안 소성 처리하여 제조하며, 800~1470℃의 온도가 되도록 한 후 1시간 내지 2시간 동안 소성하여 변태한 석영 결정체를 직경 0.2mm 이하의 알갱이로 만들어서 사용한다.
마지막으로, 시멘트 100 중량부에 대하여 탈크 2~5중량부와 스테아린산아연 2~5중량부를 혼합하여 600rpm으로 40분 동안 교반한다(단계(c), S430). 탈크와 스테아린산아연은 소량이기 때문에 충분한 혼합을 위해 단계(b)보다 더 긴 시간인 40분 정도 교반하여야 충분함을 확인하였다. 탈크와 스테아린산아연은 입도가 200~325mesh인 것을 혼합하여 사용한다.
이하, 하기의 실험예 및 비교예를 통해 본 발명에 따라 제조된 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 다음의 실험예 및 비교예는 본 발명을 좀 더 상세히 설명하는 것이지만, 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.
<실험예>
혼합기에서 시멘트 100 중량부와 규사 70중량부를 600rpm으로 20분 동안 교반하고, 결정질 석영과 은미정질 석영을 배합한 후 고온에서 가열하여 고온 처리된 석영 20중량부를 추가 혼합하여 600rpm으로 30분 동안 교반하고, 탈크 4중량부, 스테아린산아연 3중량부를 추가 혼합하여 600rpm으로 40분 동안 교반하여 분말형 구체방수제를 제조하였다. 규사는 직경이 약 150mesh 인 것을 사용하고, 탈크와 스테아린산아연은 입도가 200~325 mesh 인 것을 사용하였다.
여기서 고온 처리된 석영은 결정질 석영과 은미정질 석영은 4 : 3의 비율로 배합하였고, 소성로에서 20 ℃/min의 승온속도로 가열하여 820 ℃의 온도가 되도록 한 후 40분 동안 소성 처리하고, 1450 ℃의 온도가 되도록 한 후 1시간 동안 소성 처리하여 제조하였다. 소성 후 변태한 석영 결정체를 직경 0.2mm 이하의 알갱이로 만들어 사용하였다.
이외의 구체적인 조건은 상술한 분말형 구체방수제의 제조방법에 기재되어 있는 바와 동일하게 적용하여 제조하였다.
<비교예>
시멘트 100중량부와 규사 70중량부, 결정질 석영과 은미정질 석영을 배합한 후 고온에서 가열하여 고온 처리된 석영 20중량부, 유동화제 1중량부, 지연제 1중량부를 600rpm으로 70분간 혼합하여 제조한 분말형 구체방수제를 준비하였다. 규사는 직경 150mesh 인 것을 사용하고, 유동화제는 폴리카본산계분말유동화제를 사용하였으며, 지연제는 타르타르산을 사용하였다.
고온 처리된 석영은 결정질 석영과 은미정질 석영을 2 : 3의 비율로 배합한 후 소성로에서 820 ℃의 온도가 되도록 한 후 40분 동안 소성 처리하고, 1450 ℃의 온도가 되도록 한 후 1시간 동안 소성 처리하여 제조하였다. 소성 후 변태한 석영 결정체를 직경 0.2mm 이하의 알갱이로 만들어 사용하였다.
방수, 방청기능 및 콘크리트의 강도를 비교하기 위하며, 본 발명에 따른 실험예로 제조된 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제와 비교예로 준비된 방수제(본 출원인의 등록특허 제10-1368992호에 의해 제조)를 각각 700g씩 준비하여 비교 실험하였다.
먼저, 방수에 관련된 물흡수 계수비를 시험한 결과, 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제의 물흡수 계수비는 0.6 이었고, 비교예에 따른 방수제의 물흡수 계수비는 0.7 이었다(시험방법 KS F 4926:2012).
투수비를 시험한 결과, 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제의 투수비는 0.5 였고, 비교예에 따른 방수제의 투수비는 0.6 이었다(시험방법 KS F 4926:2012).
압축강도를 시험한 결과, 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제의 압축 강도비(91일)는 1.20 이었고, 비교예에 따른 방수제의 압축 강도비(91일)는 1.12 이었다(시험방법 KS F 4926:2012).
방청기능에 관련된 염소 이온 침투 깊이를 시험한 결과, 본 발명에 따른 방수제의 염소 이온 침투 깊이는 0.7 이었으며, 비교예에 따른 방수제의 염소 이온 침투 깊이는 1.6 이었다(시험방법 KS F 4926:2012).
또한, 방청성(콘크리트 중의 철근부식 촉진시험)에 관련된 추가 시험 결과, 본 발명에 따른 방수제의 방청률(l)은 95.8% 이었으며, 비교예에 따른 방수제의 방청률(l)은 92.5% 이었다.
이상의 시험 결과, 비교예에 따른 방수제와 비교하여 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제가 물흡수 계수비 및 투수비가 우수하여 방수 기능이 더 우수함을 확인하였다. 압축강도 비교 결과, 본 발명에 따른 방수제를 사용한 콘크리트의 압축 강도가 더 뛰어남을 알 수 있었다. 또한, 방청성에서도 본 발명에 따른 방수제를 사용한 콘크리트의 방청률이 더 우수함을 확인하였다.
이와 같이 본 발명에 따른 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제는 종래 기술 대비 방수, 방청 및 압축강도에 있어서 뛰어난 효과를 발휘한다.
본 발명에 의하면, 결정질 석영을 은미정질 석영보다 더 많이 배합하고 15~25℃/min의 승온속도로 가열 후 소성처리 함으로써 강도를 증가시키고 방청기능이 더욱 우수한 방수제를 만들 수 있는 효과가 있다.
나아가, 탈크 및 스테아린산아연을 혼합함으로써 방수제에 응집억제와 분성을 부여하여 저장성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 배합된 콘크리트의 슬럼프 유지성능에 영향을 미치지 않는다.
본 발명은 상기한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 되는 것임은 자명하다.
Claims (11)
- 혼합기에서 시멘트 100중량부에 대하여 직경 150mesh 이하의 규사 60~85중량부를 600rpm으로 20분간 혼합하고, 결정질 석영과 은미정질 석영을 배합한 후 고온 처리된 석영 15~25중량부를 600rpm으로 30분간 추가 혼합하고, 탈크(talc) 2~5중량부 및 스테아린산아연(Zinc Stearate) 2~5중량부를 600rpm으로 40분간 추가 혼합하되,
상기 탈크와 스테아린산아연은 입도가 200~325 mesh 이며, 상기 결정질 석영과 은미정질 석영을 4 : 3의 비율로 배합하며, 결정질 석영과 은미정질 석영을 4 : 3의 비율로 배합한 후 소성로에서 20℃/min의 승온속도로 가열하여 820 ℃의 온도가 되도록 한 후 40분 동안 소성 처리하고, 1450 ℃의 온도가 되도록 한 후 1시간 동안 소성 처리 후 변태한 석영 결정체를 직경 0.2mm 이하의 알갱이로 만들어서 사용하는 것을 특징으로 하는 자가치유 기능이 개선된 결정체 성장형 콘크리트 혼입용 분말형 구체방수제.
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