[논문]시멘트 재료의 수밀성에 대한 스테아르산의 영향

라승현; 강현주; 송명신

doi:10.4191/kcers.2009.46.4.365

시멘트 재료의 수밀성에 대한 스테아르산의 영향
Effects of Stearic Acid on the Watertightness Properties of the Cementitious Materials 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.46 no.4 = no.323, 2009년, pp.365 - 371

라승현 (강원대학교 화학공학연구소) , 강현주 (강원대학교 화학공학연구소) , 송명신 (강원대학교 화학공학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

It is well known that the properties of concrete such as the compressive strength, water permeability, water tightness and durability are affected by micro-structure in hardened cement paste. Especially, for durability of concrete, watertightness of cementitious materials is the most critical property among various properties. Recently, many types of materials as organic and/or inorganic materials are used for watertightness of concrete. In this study, The effect of Stearic Acid at $0.5\;wt%{\sim}3.0\;wt%$ adding ratios on the hydration and watertightness property of cement were investigated. And we also discussed the changing of microstructure in hardened cement paste by addition of Stearic Acid. Cement paste with Stearic Acid showed improvement of watertightness by reducing of cement total pore volume and decomposition of Stearic Acid.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 스테아르산이 시멘트의 수밀성에 미치는 영향을 검토하기 위하여, 스테아르산의 첨가량 변화에 따른 시멘트 수화응결, 물 흡수계수, 압축강도, porosity 및 수화생성물을 검토하였으며 그 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 유기 지방산계 수밀성 재료로서 스테아르산을 사용하여 지방산이 시멘트 재료의 수화특성에 미치는 영향과 수밀성능 향상에 기여하는 mechanism에 대하여 연구하였다.

제안 방법

본 연구에서는 시멘트 페이스트의 공극율을 측정하기 위하여 mercury intrusion porosimetry(MIP)를 사용하였으면 수은 압입압력은 최대 50 kpsi로 하였다.
본 연구에서의 실험계획은 Table 1과 같으며 스테아르산은 시멘트 대비 0.5 wt%, 1.0 wt%, 1.5 wt%, 2.0 wt%, 2.5 wt%, 3.0 wt%를 plain을 제외한 6 type으로 구분하여 시멘트 모르타르에 적용하였다. 시멘트 모르타르의 배합은 Table 2와 같이 W/C 48.
스테아르산의 첨가에 따른 수화물의 특성을 분석하기 위하여 분말 X-선 회절 분석, FT-IR 분석 및 SEM 분석을 실시하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용하는 시멘트는 국내산 보통 포틀랜트 시멘트로서 2800 cm³/g의 비표면적을 가지며 비중이 3.15인 1종 보통 포틀랜드 시멘트(D社시멘트. 한국)와 증류수를 사용하였으며 cement의 화학 조성 및 물리적 성질은 Table 3과 Table 4에 나타내었다.
본 실험에 사용한 잔골재는 강원도 주문진산 강모래로서, 사용 전 비중과 흡수율(KS F 2504), 조립율(KS F 2502), 단위용적중량 및 입형판정실적율(KS F 2505), No.200체 통과량(KS F 2511) 등을 확인하였는데, 그 물리적 성질은 Table 5와 같다.

이론/모형

물 흡수계수는 KS F 2609(건축재료의 물 흡수계수 측정방법)에 의해 측정하였다. 측면이 방수처리 된 기건상태의 시험체를 준비한 후, Fig.
시멘트 모르타르의 유동성은 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험방법)로 진행하였으며 cement, 모래, 물의 비율을 1:2.45:0.485의 비율로 하고, 응결시간은 KSL 5108(비카드침에 의한 시멘트의 응결시간 측정방법)에 의해 진행하였다.
시멘트 모르타르의 혼합은 KS L 5109(수경성 시멘트 반죽 및 모르타르의 기계적 혼합방법)에 의하여 혼합하였다.
압축강도는 KS F 5105에 준하여 모르타르의 압축강도 시험을 실시하였으며, 압축강도 측정은 재령 3, 7, 28일에 실시하였다.

성능/효과

(1) 스테아르산이 첨가될 경우 시멘트 수화시 용출되는 Ca²⁺이온은 강알칼리 조건하에서 분해된 스테아르산과의 반응에 의한 염의 생성반응에 기여하며, 스테아르산염의 생성으로 스테아르산의 혼입량이 증가할수록 수화는 지연되는 것으로 나타났다.
(2) Porosity 측정 결과, 스테아르산의 혼입량이 증가할수록 pore volume이 감소하는 경향을 나타내었으며, SEM 분석결과 혼입된 스테아르산이 강알칼리 조건에서 분해 되는 것을 확인 할 수 있었는데, 이것으로 보아 스테아르산은 시멘트 수화시 분해되며, 분해된 스테아르산과 시멘트 수화시 생성되는 Ca²⁺ 이온과의 반응에 의한 염이 시멘트 수화물 사이의 공극을 채워줌으로써 흡수율이 현저히 저감되고 따라서 수밀성 증진에 효과를 나타내는 것으로 판단된다.
8에 물 흡수계수를 나타내었다. SA0은 0.1535, SA1은 0.1544, SA2은 0.1434, SA3은 0.125, SA4은 0.1234, SA5은 0.1184, SA6은 0.1039로 나타났으며 0.5%를 혼입한 SA1은 Plain보다 0.1544로 가장 높은 흡수량을 나타내었고 혼입율을 1%씩 증가시켰을 경우 물 흡수 저항성이 6.5% 정도 증가함을 알 수 있었다. 이는 SA가 첨가된 경우 시멘트 수화 시에 용출되는 Ca²⁺ ion과의 반응에 의해 생성될 수 있는 염이 시멘트 수화물 사이에 공극을 채워줌으로써 흡수율이 현저히 저하하는 것으로 판단된다.
9는 Porosity 측정결과를 나타낸 그래프이다. SA의 첨가량이 증가할수록 공극율이 감소하는 것으로 나타났으며, 미세 공극분포도도 적은 것으로 나타나 물 흡수계수 결과와 동일한 결과를 나타냄을 알 수 있었다. 즉, 유기 지방산인 스테아릭 산이 시멘트에 첨가된 경우 스테아릭 산은 알칼리 조건에서 분해되고, 시멘트 수화 시 용출되는 Ca²⁺ ion과의 반응에 의하여 염이 생성되며, 생성된 염은 시멘트 공극에 위치하여 시멘트 pore 구조를 변화시킴으로 인하여 porosity를 감소시키는 것으로 판단된다.
7은 혼입율에 따른 압축강도 특성을 나타낸 그래프이다. 대체로 혼입율이 증가할수록 압축강도는 감소하였으며 특히 SA 첨가량 1.5 wt% 이상에서는 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 이는 시멘트 수화 시 용출된 Ca²⁺ ion이 알카리 조건에서 분해된 SA와 의 반응에 의하여 스테아르산 염을 생성하는데 소비됨으로 인하여 plain 대비 C-S-H의 생성이 부족하였기 때문으로 판단된다.
0 wt% 첨가한 경우는 Ca(OH)₂ band intensity를 확인할 수 없었다. 따라서 XRD 분석결과 및 FT-IR 분석결과에 의하면, 시멘트에 유기 지방산인 스테아르산을 첨가한 경우, 시멘트 초기 수화 반응에서 용출되는 Ca²⁺ ion은 시멘트의 수화에 기여하기 보다는 강알칼리 조건 하에서 분해된 스테아르산과의 반응에 기여하여 염을 생성하는 것으로 판단되며, 이는 Ghosh⁶⁾가 발표한, 시멘트 재료에 스테아르산을 첨가한 경우 시멘트 수화 초기에 Ca(OH)₂ 생성이 감소하는데 이는 다음의 식과 같이 스테아르산과 시멘트의 주성분인 Ca²⁺이 부분적으로 반응하여 스테아린산 칼슘을 형성한다는 이론과 잘 일치함을 알 수 있다.
5 wt% 이상 첨가의 경우는 유동성이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 응결 시간 측정결과 flow 특성과 유사하게 SA 첨가량 1.5 wt% 이상에서부터 응결시간이 약간씩 빨라지는 것으로 나타났다. 이는 강알칼리 조건에서 분해된 SA와 시멘트 중의 Ca²⁺ ion과의 반응에 의한 것으로 판단된다.
6은 굳지 않은 모르타르의 flow의 특성과 응결시간을 나타낸 것이다. 유동성 측정 결과, SA 첨가량1 wt%까지는 유동성 변화가 없었으나 1.5 wt% 이상 첨가의 경우는 유동성이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 응결 시간 측정결과 flow 특성과 유사하게 SA 첨가량 1.

후속연구

일반적으로 시멘트 수화 초기에 용출되는 Ca²⁺ ion이 수화물이 아닌 다른 염의 생성 반응에 소모될 경우 시멘트 응결시간은 지연되고 유동성은 증가하여야 하나 본 연구의 결과에서는 전혀 다른 상이한 결과가 나타났다. 이는 분해된 SA와 Ca2+ ion과의 반응열에 의한 것으로 판단되나, 이에 대한 mechanism은 추후 세세히 밝혀져야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물의 침입으로부터 구조물을 보호하기 위해 어떤 특성 확보가 중요한가?	이와 같은 시멘트 경화체로의 흡수 및 투수는 구조물의 강도저하, 체적변화, 단열성 저하, 중량 증가 및 동결융해 저항성 감소 등 성능저하요인으로 작용하거나 또는 각종 마감재의 오염, 건물 및 생활용구의 내구성 저하 등 궁극적으로 구조물의 수명을 단축시키는 커다란 요인으로 작용하게 된다. 따라서 이러한 물의 침입으로부터 구조물을 보호하기 위해서는 수밀성을 확보하는 것이 중요하다 할 수 있다. 특히 무기질재료는 재료의 물성에 따라 외부로부터의 물의 차단정도가 결정된다.
	콘크리트의 내부에는 무수한 공극을 함유하고 있으며 건물의 지하구조물, 옥상과 같은 물에 접하게 되는 구조체 부위에 대해 거의 대부분의 콘크리트 및 모르타르가 물의 침투가 허용되고 있는 이유는?	그럼에도 불구하고 콘크리트의 내부에는 무수한 공극을 함유하고 있으며 건물의 지하구조물, 옥상과 같은 물에 접하게 되는 구조체 부위에 대해 거의 대부분의 콘크리트 및 모르타르가 물의 침투가 허용되고 있다. 이는 굳지 않은 콘크리트나 모르타르가 경화하는 과정에서 과다한 물의 사용과 함께 블리딩(bleeding)량이 증가하게 되며 표면이 건조되어 인장응력의 발생과 함께 물이 빠져나간 자리가 연결통로로 전환되기 때문이다1).
	시멘트 재료의 수밀성능 향상을 위해 사용되는 재료는?	콘크리트의 내구성능은 시멘트 재료의 수밀성능과 밀접한 관계가 있다고 할 수 있다. 콘크리트의 내구성능 향상을 목표로 매우 다양한 수밀성능 개선 재료가 시멘트 재료에 단독 혹은 복합적으로 사용되고 있는데, 이러한 시멘트 재료의 수밀성능 향상을 위해 사용되는 재료로서는 천연 mineral계, 유기 지방산계, 지방산 염계 등이 사용되고 있다. 그러나 이들 재료가 시멘트 재료의 수화특성에 미치는 영향은 서로 차이가 있으며, 또한 수밀성 mechanism 역시 차이가 있는 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (6)

H. J. Kang, M. S. Song, and S. K. Lee, 'A Study on the Watertightness of Shotcrete with Watertightness Materials(in Korean),' J. Kor. Ceram. Soc., 45 [6] 350-57 (2008)

원문보기 상세보기
A. S. El-Dieb, R. D. Hooton, 'Water-permeability Measurement of High Performance Concrete using a High-pressure Triaxial Cell', Cem. Concr. Res., 25 [6] 3199-208 (1995)

상세보기
L. R. Roberts, J. P. Skalny, Pore Structure and Permeability of Cementitious Materials pp. 209-14, Materials Research Society, Pittsburgh, 1989
B. K Nyame and J. M. Illston, 'Relationship Between Permeability and Pore Structure of Hardened Cement Paste', Mag. Concr. Ret., 33 [116] 139-46 (1981)

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A. S. El-Dieb and R. D. Hooton, 'A High Pressure Triaxial Cell with Improved Measurement Sensitivity for Saturated Water Permeability of High Performance Concrete', Cem. Concr. Res., 24 [5] 854-62 (1994)

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S. N. Ghosh, Handbook of Analytical Techniques in Concrete Science and Technology, pp. 184-98, William Andrew Publishing, New York, 2001

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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