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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 기 발표된 보문8)에서와 같이 아크릴산(AA)과 메틸 아크릴레이트(MA)를 단량체로 사용하여, 시멘트 콘크리트용 혼화제로 적합한 PC계 서방성 고분자{Poly-(AA-co-MA)}를 합성하고, 시중에서 현재 유통되고 있는 PC계 지방형 분산제(SP-8N)와 시멘트 모르타르에서의 분산성과 분산 유지성 및 모르타르의 기계적 물성에 대하여 비교 연구하였다.
제안 방법
- KS L 5105에 준해서 4 X 4 X 16 cm3 3연형 JIS 규격 몰드를 사용하여 모르타르를 성형하고, 수중 양생하면서 재령 3, 7, 28일에 미하에리스 굴곡강도 시험기와 UTM 을 사용하여 모르타르의 휨강도와 압축강도를 각각 측정 하였다.
- 릴산(MA) 단량체의 배합비를 7 : 3으로 하고, 단량체의 농도와 연쇄이동제(티오글리콜산)의 농도를 조정하여 점 도법에 의해서 측정한 수평균 분자량(Mn)이 Table 1과 같이 다른 시멘트 콘크리트용 PC계 서방성 고분자(Cod, Co-2, Co-3)를 합성하여 혼화제로 사용하였다. PC계 고분자의 구조식은 Scheme 1 과 같다.
- 시멘트 : 모래 = 1 : 2.45 배합의 모르타르 흐름도가 110±5 %로 되도록 적당량의 배합 수와 PC계 분산제를 첨가하여 KS L 5109에 따라서 혼합하고, KS L 5105에 따라서 모르타르의 흐름도를 15분 간격으로 90분간 측정하였다. 흐름도 측정 사이에는 모르타르를 습포로 덮어서 정치 보관하였다.
- 시멘트 : 모래 = 1 : 2.45 배합의 모르타르에 PC계 분산제를 시멘트 중량의 0.4%, 0.6%, 0.8 %씩 배합수에 섞어서 첨가하고 KS L 5109에 따라서 혼합하고 KS L 5106에 따라서 흐름도를 측정하여, 모르타르의 흐름도가 110±5 %로 되는 WC를 구하여 혼화제의 감수성을 판단하였다.
- 시멘트 콘크리트용 혼화제로 사용되는 폴리카르본산계 분산제 중에서 서방성(반응성) 고분자를 주성분으로 하는 poly-(AA-co-MA)와 지방성 고분자를 주성분으로 하는 SP-8N의 분산성 및 분산유지성과 시멘트 모르타르에 대 한 물성을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 시멘트는 국내 S사 제품의 보통 포틀랜드 시멘트。%) 를 사용하였으며, 잔골재는 압축강도 측정용 주문진 표준 사를 사용하였으며, 시멘트의 화학적 성분과 모래의 잔골재는 Table 2와 같다.
- 또한 시멘트 모르타르에서 PC계 서방성 고분자의 분산 성 및 분산 유지성과 모르타르의 물성을 PC계 지방성 혼 화제와 비교하기 위하여, 국내 K사에서 시멘트 콘크리트 용 고성능AE감수제로 공급하고 있는 폴리카르본산 에테르계의 복합체(SP-8N)를 평가 기준시료로 사용하였다.
이론/모형
- 물/시멘트(W/C) 48.5%, 시멘트 : 모래 = 1 : 2.45 배합 의 모르타르에 PC계 혼화제를 시멘트 중량의 0.4 % 0.6 % 0.8 %씩 배합수에 섞어서 KS L 5109(수경성 시멘트 반죽 및 모르타르의 기계적 혼합방법^ 따라서 혼합하고, KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에 따 라서 모르타르의 흐름도를 측정하여 혼화제의 분산성을 판단하였다.
성능/효과
- 1) Poly-(AA-co-MA)를 주성분으로 하는 서방성 분산제와 폴리카르본산계 지방성 분산제로 알려진 SP-8N의 시멘트 모르타르에서의 분산성과 감수성은 거의 같다.
- 2) Poly-(AA-co-MA)를 주성분으로 하는 서방성 고분 자의 수평균 분자량이 2, 000~3, 000으로 작은 것보다는 5, 000 정도로 약간 큰 분산제가 시멘트계 재료의 물성을 크게 향상시키며, 최적 첨가량은 시멘트 중량의 0.6% 이 다.
- 3) 저분자량의 poly-(AA-co-MA) 분산제는 시멘트 모르타르에 혼입되면, 다량의 공기가 연행되며 압축강도 및 휨강도가 심하게 저하된다.
- 4) PolyTAA-co-MA)를 주성분으로 하는 폴리카르본산 계 서방성 분산제의 시멘트 모르타르에서의 흐름도 유지 성능은 SP-8N 분산제에 비하여 현저히 떨어진다.
- Co-1, Co-2 분산제는 첨가량이 시멘트 중량의 0.4% 일 경우에는 plain의 압축 및 휨강도와 거의 같지만, 분산제 첨가량이 0.6%, 0.8 %로 증가함에 따라 강도가 크게 감소되는 것으로 나타났다.
- Fig. 5에서 볼 수 있는 바와 같이 시멘트 모르타르에 사용한 PC계 분산제의 종류에 관계없이 분산제 첨가량이 0.4 %에서 0.8 %로 증가함에 따라 WC는 10-15 % 정도 감수되며, 각 첨가량별 감수폭도 모든 분산제에서 거의 같 은 정도로 작게 나타났다.
- PC계 서방성 고분자 중에서 비교적 Mn이 작은 Co-1 분산제는 첨가량이 증가함에 따라서 모르타르의 비중이 크게 감소되는 것으로 보아, 분산제 사용에 따른 공기연행 효과가 큰 것을 알 수 있다. 반면, Mr*] 비교적 큰 Co-2 와 Co-3 그리고 SP-8N 분산제는 첨가량이 0.
- SP-8N을 첨가한 모르타르의 강도는 혼화재 첨가에 따른 감수효과로 전반적으로 plain 모르타르의 강도 보다 향상되며, 혼화제 첨가량이 0.6% 일 경우에 가장 높은 강도를 나타냄을 알 수 있다. 또한 SP-8N 분산제는 첨가량이 증가함에 따라서 모르타르의 강도가 감소하지만, 그 감소 폭이 크지 않음을 알 수 있다
- 그리고 Co-1 과 Co-2 분산제 첨가량이 0.6 % 이상으로 증가하면, 모르타르의 비중이 약 12% 크게 감소되는 반면, Co-3과 SP-8N 분산제는 첨가량이 증가함에 따라 모르타르의 비중도 거의 비례적으로 감소됨을 알 수 있다. 이와 같이 분산제 사용에 따른 모르타르 비중의 감소는 주로 분산제의 공기연행 효과에 의한 것으로 판단된다.
- 6% 일 경우에 가장 높은 강도를 나타냄을 알 수 있다. 또한 SP-8N 분산제는 첨가량이 증가함에 따라서 모르타르의 강도가 감소하지만, 그 감소 폭이 크지 않음을 알 수 있다
- 또한 분산제 첨가에 따른 감수효과로 분산제 첨가량이 0.4 %로 적은 모르타르의 강도가 증가되어야 하는데 강도가 증진되지 않는 이유는, 분산제 첨가에 따른 감수 및 분 산 효과에 의한 강도 증진효과와 PC 계 서방성 고분자중 에서 저분자들에 의한 시멘트 수화반응의 방해에 의한 강도 감소현상이 거의 같은 정도로 상쇄되므로 plain 모르타르의 강도와 비슷하게 나타나는 것으로 판단된다
- 반면 PC계 지방성 분산제(SP-8N)를 첨가한 시멘트 모르타르의 흐름도는 분산제 첨가량이 0.6 % 이상일 경우에 흐름도가 90 % 이상 증가되지만, 첨가량이 0.4 %로 적은 경우에는 서방성 분산제를 사용한 것에 비하여 흐름도의 증가폭이 작은 것으로 나타났다.
- PC계 서방성 고분자 중에서 비교적 Mn이 작은 Co-1 분산제는 첨가량이 증가함에 따라서 모르타르의 비중이 크게 감소되는 것으로 보아, 분산제 사용에 따른 공기연행 효과가 큰 것을 알 수 있다. 반면, Mr*] 비교적 큰 Co-2 와 Co-3 그리고 SP-8N 분산제는 첨가량이 0.6 %일 경우에 모르타르의 비중이 7 % 정도 감소되지만, 첨가량이 0.8 %로 증가되어도 비중의 감소 폭이 작은 것으로 나타났다. 이러한 현상으로부터 PC계 서방성 고분자의 분자량이 일정 수준 이상이면 모르타르에서의 공기연행 효과가 작게 나타남을 알 수 있다.
- 반면, SP-8N 분산제는 첨가량의 증가에 크게 관계없 이 시간 경과에 따른 흐름도의 변화가 plain 모르타르와 거의 같은 정도로 작게 나타났다.이러한 현상은 재시험을 통하여 재확인하였으며, 이와 같이 PC계 서방성 고분자가 기존의 주장과는 달리 분산 유지성이 나타나지 않는 현상 은, 현재 일반적으로 알려져 있는 PC계 서방성(반응성) 고분자의 시멘트계 재료에서의 분산성 유지성능은 “알킬 아크릴레이트에 있는 반응성 에스테르 결합(ROOOR)이 강알칼리(pH = 약 12)성을 나타내는 시멘트 반죽에서 서서히 가수분해되어, 음이온계면활성제 역할을 할 수 있는 카르복실기를 지속적으로 방출하여 콘크리트의 유동성을 유지한다”는 반응성 고분자 이론2, 7)과, , 폴리카르본산계 고 성능감수제는 비교적 유연한 분자구조를 가지므로 시멘트에 흡착될 경우 loop를 형성하여, 수화반응이 진행됨에 따 라 고성능 감수제의 농도가 감소되어도 고분자의 농도가 일정치 이상이 될 때까지는 고분자의 입체적 장애효과와 정전기적 반반발력이 유지되므로 장시간 슬럼프가 유지된다, 12)는 주장이 적용되지 않음을 알 수 있다
- 서방성 고분자 분산제 모두 시멘트 모르타에서 분산제의 첨가량이 시멘트 중량의 0.4 %로 적은 경우에는 plain 모르타르의 강도와 거의 같은 정도를 나타내지만, 분자량이 비교적 작은 Co-1 와 Co-2 분산제는 첨가량이 0.6 % 이상으로 증가되면 모르타르의 강도가 급격히 감소되는 반면, 분자량이 비교적 큰 Co-3 분산제는 첨가량 증가에 따른 모르타르 강도의 감소 폭이 상대적으로 작게 나타났다.
- 시멘트 모르타르에서의 분산성은 PC계 서방성 분산제 와 SP-8N 분산제가 비슷하며, 분산제 첨가량이 0.8 %일 경우 ().6% 첨가하였을 경우보다 분산성이 중가하지 않거나 오히려 감소하는 것으로 보아 이들의 최적 첨가량은 시멘트 중량의 0.6% 임을 알 수 있다
- 한편 PC계 지방형 혼화제인 SP-8N을 사용한 모르타르의 강도는 분산제의 첨가량이 0.6 % 이상으로 많은 경우, 재령 28일 강도에서 10-15 % 감소되지만, 전반적으로 plain 모르타르의 강도와 거의 같은 수준의 강도를 발현하는 것으로 나타났다
후속연구
- 또한 KS M 0065{화학제품의 산값, 비누화값, 에스테 르값, 요오드값, 수산기값 및 비누화 안된것의 시험방법} 에서 에스테르 가수분해반응 방법에서 제시하는 바와 같 이, 시멘트 반죽과 같은 강알칼리성 분위기라도 에스테르 결합의 가수분해 반응은 일반적으로 100 °C 이상의 높은 온도에서 느리게 진행됨을 감안할 때, poly-(AA-co-MA) 계통의 폴리카르본산계 분산제의 서방성 현상은 새로운 각도에서 보다 깊은 연구를 요한다.
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