라텍스 개질 콘크리트용 Carboxylated Styrene Butadiene 라텍스의 제조와 적용 특성 Preparation and Application Characteristics of Carboxylated Styrene Butadiene Latex for Latex Modified Concrete원문보기
라텍스 개질 콘크리트의 혼화용 라텍스를 개발할 목적으로 carboxylated styrene butadiene 라텍스를 이단계 유화중합법으로 제조하고 콘크리트에 적용하는 실험을 수행하였다. 음이온 유화제로는 sodium dodecylbenzene sulfonate와 sodium salt of lauryl sulfate를 선정하였고, 라텍스 안정제로는 nonylphenoxy poly(ethyleneoxy) ethanol 계열의 동족체들(n=10, 20, 40)을, 그리고 potassium persulfate와 sodium bisulfite를 redox 개시제로, $Na_2HPO_4$와 $K_2CO_3$를 전해질로 각각 사용하였다. 중합안정성에 대한 음이온 유화제의 종류와 사용량의 영향 및 입자크기의 전해질 농도 의존성을 실험적으로 고찰하여 LMC용 라텍스 제조에 적합한 중합처방을 제시하였다. 이 중합처방으로 제조한 라텍스의 LMC 용도에 대한 적용성을 시험한 결과, 슬럼프와 공기량은 한국도로공사의 품질기준을 충족하며, 역학적 물성시험 결과에서는 28일간 경화시킨 시편의 압축강도와 휨강도가 품질기준보다 각각 39.6, 87.3% 더 높은 증진효과가 발현됨을 확인하였다.
라텍스 개질 콘크리트의 혼화용 라텍스를 개발할 목적으로 carboxylated styrene butadiene 라텍스를 이단계 유화중합법으로 제조하고 콘크리트에 적용하는 실험을 수행하였다. 음이온 유화제로는 sodium dodecylbenzene sulfonate와 sodium salt of lauryl sulfate를 선정하였고, 라텍스 안정제로는 nonylphenoxy poly(ethyleneoxy) ethanol 계열의 동족체들(n=10, 20, 40)을, 그리고 potassium persulfate와 sodium bisulfite를 redox 개시제로, $Na_2HPO_4$와 $K_2CO_3$를 전해질로 각각 사용하였다. 중합안정성에 대한 음이온 유화제의 종류와 사용량의 영향 및 입자크기의 전해질 농도 의존성을 실험적으로 고찰하여 LMC용 라텍스 제조에 적합한 중합처방을 제시하였다. 이 중합처방으로 제조한 라텍스의 LMC 용도에 대한 적용성을 시험한 결과, 슬럼프와 공기량은 한국도로공사의 품질기준을 충족하며, 역학적 물성시험 결과에서는 28일간 경화시킨 시편의 압축강도와 휨강도가 품질기준보다 각각 39.6, 87.3% 더 높은 증진효과가 발현됨을 확인하였다.
For the purpose of development of the latex suitable for latex modified concrete, experimental researches on the preparation of carboxylated styrene butadiene latex by the method of the two-step emulsion polymerization and application to concrete were performed. Sodium dodecylbenzene sulfonate and s...
For the purpose of development of the latex suitable for latex modified concrete, experimental researches on the preparation of carboxylated styrene butadiene latex by the method of the two-step emulsion polymerization and application to concrete were performed. Sodium dodecylbenzene sulfonate and sodium salt of lauryl sulfonate were selected as anionic emulsifiers, and nonylphenoxy poly(ethyleneoxy) ethanols (n=10, 20, 40) as latex stabilizer. Potassium persulfate and sodium bisulfite were used as redox initiator, besides $Na_2HPO_4$ and $K_2CO_3$ as electrolytes. Polymerization recipe of latex suitable for latex modified concrete were suggested from the experimental researches on the effects of anionic emulsifiers and their concentration on the polymerization stability, and the effect of electrolytes concentration on the particle size of latex. Physical properties, such as slump, air contents, compressive and flexural strength, of latex prepared by suggested polymerization recipe were examined. The experimental results showed that latex modified concrete satisfied the quality standards in slump and air contents. Furthermore, it was turned out that the compressive and the flexural strength of latex modified concrete with 28 days curing time showed appreciably improvements.
For the purpose of development of the latex suitable for latex modified concrete, experimental researches on the preparation of carboxylated styrene butadiene latex by the method of the two-step emulsion polymerization and application to concrete were performed. Sodium dodecylbenzene sulfonate and sodium salt of lauryl sulfonate were selected as anionic emulsifiers, and nonylphenoxy poly(ethyleneoxy) ethanols (n=10, 20, 40) as latex stabilizer. Potassium persulfate and sodium bisulfite were used as redox initiator, besides $Na_2HPO_4$ and $K_2CO_3$ as electrolytes. Polymerization recipe of latex suitable for latex modified concrete were suggested from the experimental researches on the effects of anionic emulsifiers and their concentration on the polymerization stability, and the effect of electrolytes concentration on the particle size of latex. Physical properties, such as slump, air contents, compressive and flexural strength, of latex prepared by suggested polymerization recipe were examined. The experimental results showed that latex modified concrete satisfied the quality standards in slump and air contents. Furthermore, it was turned out that the compressive and the flexural strength of latex modified concrete with 28 days curing time showed appreciably improvements.
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문제 정의
라텍스 개질 콘크리트의 혼화용 라텍스를 개발할 목적으로 carboxylated styrene butadiene 라텍스를 이단계 유화중합법으로 제조하고 LMC 적용성을 시험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 실험에서는 LMC용 라텍스 제조에 적합한 전해질의 종류와 농도를 결정하기 위하여 전해질을 제외한 물질들의 사용량은 고정시키고 전해질의종류와 사용량을 변화하여 라텍스의 입자크기와 중합안정성을 실험한 결과를 Table 2에 나타내었다. Table 2에서 전해질을 첨가하지 않은 경우(S-1) 응고물량은 한국도로공사의 LMC용 라텍스 품질기준(0.
본 연구에서는 LMC 혼화용에 적합한 물성을 가진 carboxylated styrene butadiene 라텍스를 제조하고 그 적용성을 검토할 목적으로 무유화제 유화중합법을 적용하여 음이온 유화제 사용량을 현저하게 감소시키고, LMC용 라텍스 품질기준에 적합한 입자크기로 제어하기 위하여 seed 라텍스를 이용하는 이단계 유화중합법을 적용하였다. 라텍스 물성에 영향을 주는 음이온 유화제 및 전해질의 종류와 사용량이 라텍스의 입자크기에 미치는 영향을 고찰하여 LMC의 요구물성을 발현할 수 있는 라텍스의 중합처방(polymerization recipe)을 제시하였으며, 또 이 중합처방으로 합성한 라텍스를 혼화한 LMC의 슬럼프와 공기량에 대한 한국도로공사 품질기준의 충족여부를 확인하였으며, 역학적 물성시험 결과 품질기준에 대한 압축강도와 휨강도의 증진효과를 검토하였다.
제안 방법
(1) 음이온 유화제 DOWFAX-2A1, SLS, DBS-Na 및 ES-528을 사용량 0.3~1.0 phm 범위에서 중합안정성과 총 고형분함량 및 겔함량을 시험한 결과 유화제종류와 사용량에는 큰 차이를 보이지 않는 결과를 얻었으며, 본 실험에서는 중합안정성과 라텍스안정성 및 시멘트와의 혼화성을 고려하여 DBS-Na와 ES-528을 음이온 유화제로 선정하였다.
LMC의 역학적 강도는 stainless steel 몰드 휨강도용(KS F 2408)과압축강도용(KS F 2405)으로 공시체를 제작하여 시험 전까지 양생온도 20±2℃, 상대습도 95% 이상의 항온항습실에서 양생시킨 후 재령 7, 14, 28일의 압축강도와 휨강도를 측정하였다.
0 phm 사용(S-8)한 경우는 응고물량이 과다 발생하였다. Na2HPO4와 K2CO3를 각각 0.5 phm 사용한 경우(S-7)는 입자크기와 응고물량이 품질기준을 충족하여 이후 본 실험에 적용하였다. Fig.
Table 3의 중합처방에 의해서 제조한 라텍스를 혼화한 LMC의 역학적 물성을 조사하기 위하여 한국도로공사의 교면포장용 LMC의 배합기준에 의거하여 굵은 골재 최대치수 13 mm, 물/시멘트 비(W/C) 33 wt%, 잔골재율(s/a) 58 wt%, 단위 라텍스량(고형분함량)을 단위시멘트 중량의 15 wt% 혼화한 LMC를 가공하여 슬럼프(slump), 공기량, 휨강도 및 압축강도를 시험하였다.
본 연구에서는 LMC 혼화용에 적합한 물성을 가진 carboxylated styrene butadiene 라텍스를 제조하고 그 적용성을 검토할 목적으로 무유화제 유화중합법을 적용하여 음이온 유화제 사용량을 현저하게 감소시키고, LMC용 라텍스 품질기준에 적합한 입자크기로 제어하기 위하여 seed 라텍스를 이용하는 이단계 유화중합법을 적용하였다. 라텍스 물성에 영향을 주는 음이온 유화제 및 전해질의 종류와 사용량이 라텍스의 입자크기에 미치는 영향을 고찰하여 LMC의 요구물성을 발현할 수 있는 라텍스의 중합처방(polymerization recipe)을 제시하였으며, 또 이 중합처방으로 합성한 라텍스를 혼화한 LMC의 슬럼프와 공기량에 대한 한국도로공사 품질기준의 충족여부를 확인하였으며, 역학적 물성시험 결과 품질기준에 대한 압축강도와 휨강도의 증진효과를 검토하였다.
라텍스의 총고형분함량은 반응이 완료된 시료를 적외관식 건조기에서 건조한 후 칭량하여 계산하였으며, 중합수율은 중합반응이 완료된 후 Juang 등[11]의 중량법으로 계산하였다. 라텍스의 입도분석은 Malvern Zetasizer (1000HSA, Malvern Instrument Co., UK)로 측정하였으며, 전자현미경사진은 TEM (Jeol 1220, Japan)을 이용하여 60 keV에서 100,000 배율로 촬영하였다. 라텍스의 기계적 안정성은 Maron Tester (Richenseiki No.
본 실험에서는 무유화제 유화중합의 원리를 적용하여 친수성 공단량체인 methyl methacrylate (MMA), methacrylic acid (MAA) 및 acrylic acid (AA)를 사용[9,10]하여 음이온 유화제의 사용량을 현저 하게 줄임으로써 시멘트와의 응결현상을 방지하고 라텍스의 안정성, 저 발포성, 유동성 향상 및 필름의 인장강도를 증대시켜 내수성, 내식성, 내습성 및 박리접착강도를 증진시켰다.
LMC 용도의 라텍스로서 중요한 물성중의 하나가 라텍스를 콘크리트와 기계적인 혼합 시 강한 고속 교반에 수반되어 나타나는 전단 응력과 시멘트의 강알카리성 반응에 견딜 수 있는 기계적, 화학적 안정성이 요구된다. 본 실험에서는 반응 종료 후 안정제로서 비이온성 유화제로서 nonyl phenoxy poly(ethyleneoxy)ethanol 계열의 동족체(n=10:NP-10, n=20:NP-20, n=40:NP-40)를 각각 1 phm씩 넣고, 공기량과 강도에 영향을 미치는 실리콘 계열의 소포제 dimethyl siloxane 을 0.6 phm 첨가하였다.
LMC 용도에 적합한 carboxylated styrene butadiene 라텍스를 제조하기 위하여 음이온 유화제 및 전해질의 선정과 사용량을 고찰한 결과를 검토하여 중합처방을 작성 Table 3에 제시하였다. 유화제와 전해질을 제외한 성분들의 종류와 사용량은 특허[15]를 검토하여 결정하였다. 또, 이 중합처방에 따라서 제조한 라텍스의 물성을 시험한 결과 입자크기 156.
음이온 유화제의 종류와 사용량을 결정하기 위하여 음이온 유화제를 제외한 성분들의 사용량은 고정시키고, sodium monododecylphenyl benzene sulfonate (DOWFAX-2A1), sodium dodecyl benzene sulfonate (DBS-Na), sodium lauryl sulfonate (SLS) 및 sodium salt of lauryl sulfonate (ES-528)의 음이온 유화제 사용량에 대한 중합안정성, 총고형분함량 및 겔함량을 실험한 결과를 Table 1에 나타내었다. Table 1에서 보면 4종류의 음이온 유화제를 사용한 결과가 종류와 양에 관계없이 중합안정성, 총 고형분함량 및 겔함량이 거의 대동소이한 값을 나타내고 있다.
대상 데이터
그러나 DOWFAX-2A1은 2개의 친수기를 보유하고 있어 LMC를 시공할 때 경화속도가 너무 지연되는 단점이 있으며, SLS는 중합안정성, 라텍스 안정성 및 시멘트와의 혼화성에서 좋지 않은 결과를 초래한다. 따라서 본 실험에서는 중합 안정성과 라텍스 안정성 및 시멘트 혼화성이 좋은 DBS-Na와 ES-528을 음이온 유화제로 선정하였다. 양쪽성(amphoteric) 유화제인 ES-528은 적게 사용하면 반응계의 액성이 산성화되어 중합안정성과 라텍스안정성이 떨어지고, 많이 사용하면 LMC의 내구성과 접착성 및 방수성이 약화됨으로 적절한 양 0.
본 연구에서 사용한 중합반응기는 2L Autoclave Agitator (Jeiotech Co., Korea)를 사용하였다.
이론/모형
굳지 않은 LMC의 작업성은 슬럼프콘 시험방법(KS F 2402)에 따라서 슬럼프를 측정하였으며, 공기량은 공기실압력방법(KS F 2409)으로 측정하였다. LMC의 역학적 강도는 stainless steel 몰드 휨강도용(KS F 2408)과압축강도용(KS F 2405)으로 공시체를 제작하여 시험 전까지 양생온도 20±2℃, 상대습도 95% 이상의 항온항습실에서 양생시킨 후 재령 7, 14, 28일의 압축강도와 휨강도를 측정하였다.
, UK)로 측정하였으며, 전자현미경사진은 TEM (Jeol 1220, Japan)을 이용하여 60 keV에서 100,000 배율로 촬영하였다. 라텍스의 기계적 안정성은 Maron Tester (Richenseiki No.156, Japan)를 이용하여 측정하였다.
라텍스의 총고형분함량은 반응이 완료된 시료를 적외관식 건조기에서 건조한 후 칭량하여 계산하였으며, 중합수율은 중합반응이 완료된 후 Juang 등[11]의 중량법으로 계산하였다. 라텍스의 입도분석은 Malvern Zetasizer (1000HSA, Malvern Instrument Co.
성능/효과
(2) 전해질 Na2HPO4, K2CO3, Na3PO4 및 Na2CO3에 대한 입자크기와 중합안정성을 조사한 결과 LMC 시공시의 경화속도제어를 위해서 Na2HPO4와 K2CO3를 각각 0.5 phm 사용할 때 입자크기와 응고물량에서 품질기준이 충족되었다.
(3) 유화제와 전해질에서 고찰한 결과를 검토하여 LMC용 라텍스 제조에 적합한 중합처방을 작성하여 제시하였으며, 이 중합처방으로 제조한 라텍스의 기본물성이 품질기준에 적합함을 확인하였다.
(4) 본 연구에서 제조한 라텍스의 LMC 용도에 대한 적용성을 시험한 결과, 슬럼프와 공기량은 품질기준을 충족하였으며, 경화시간 28일에서 품질기준보다 압축강도는 39.6%, 휨강도는 87.3% 더 높은 증진효과의 발현 특성을 확인할 수 있었다.
5는 본 실험에서 제조한 라텍스를 15 wt% 혼화하여 가공한 LMC의 역학적 강도를 시험한 결과를 나타낸 그래프이며 압축강도와 휨강도 모두 경화시간 경과에 따라서 증가하고 있다. 경화시간 28일에서 압축강도는 37.7 MPa로 측정되어 한국도로공사 품질기준(27 MPa 이상)에 비해서 39.6% 높은 증진효과를 보이며. 휨강도도 8.
이때 연행공기는 체적팽창에 의해 나타나는 내부압력에 대해서 완충작용을 하기 때문이다. 공기량은 소포제 사용량으로 조절되며 본 실험에서는 dimethyl siloxane을 0.6 phm 사용했을 때 LMC 공기량이 4.8 vol%로 측정되어 품질기준(6.0 vol% 이하)을 충족하였다.
유화제와 전해질을 제외한 성분들의 종류와 사용량은 특허[15]를 검토하여 결정하였다. 또, 이 중합처방에 따라서 제조한 라텍스의 물성을 시험한 결과 입자크기 156.7 nm, 응고량 0.03%, 고형분 함유량 47.5 wt%, pH 10.5, 표면장력 34 dyne/cm, 점도 60cP로 조사되어 한국도로공사 품질기준을 모두 충족하였으며 LMC 혼화용 라텍스로 적합한 물성임을 확인하였다.
먼저 중합반응기에 주 모노머로 styrene과 butadiene, 카르복실 모노머로 methyl methacrylate, methacrylic acid 및 acrylic acid, 첨가제로서 유화제, 전해질, 분자량 조절제, 가교제 및 탈 이온수를 중합 반응기에 넣고 온도 50~80℃, 상압에서 교반속도 350 rpm으로 두 시간 중합하여 생성된 라텍스를 seed latex로 사용하였다. 제조한 seed latex의 기본물성은 고형분함량 35 wt%, 입자 크기 37.8 nm, pH 2.0, 점도 31cP를 나타내었다.
6% 높은 증진효과를 보이며. 휨강도도 8.4 MPa로 측정되어 품질기준(4.5 MPa 이상)보다 87.3% 높은 강도가 발현되는 특성을 확인하였다. 이것은 LMC 내부에 형성된 폴리머 필름의 인장력에 기인되는 효과로 예상되며, 최근 건설되는 교량들이 주로 장경간 철골구조이므로 휨강도의 큰 증진은 교량 포장재료로서 내구성능을 한층 증대시키는 중요한 물성으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
교량 바닥판 아스팔트 포장재의 공용수명에 영향을 주는 요인은 무엇인가?
종래의 교량 바닥판 아스팔트 포장재는 공용기간 동안 차량하중에 의한 충격, 직접적인 외부의 열화환경인 동결 융해, 높은 투수성에 의한 융빙제나 수분 등의 침투에 의한 부식과 손상으로 공용수명에 심각한 영향을 받아 왔다. 최근에는 교량 바닥판 아스팔트 포장재가 가지는 단점을 효과적으로 방지하기 위하여 고성능 콘크리트의 일환인 라텍스 개질 콘크리트(latex modified concrete ; LMC)를 교면포장에 시공하는 사례가 증가하고 있다[1,2].
라텍스 개질 콘크리트의 특징은 무엇인가?
라텍스를 혼화한 콘크리트는 굳지 않은 상태에서 일반 콘크리트에 비해서 작업성이 현저하게 향상되어 같은 슬럼프 조건에서도 물-시멘트 비의 절감과 더불어 이에 따른 건조수축의 감소와 균열저항성 증진 등의 효과를 나타내게 된다. 또, 경화 후의 상태에서는 라텍스 입자의 불투수성 필름막에 의해 콘크리트의 투수성을 현저히 감소시켜 염분 및 수분침투를 방지하여 철근부식 등으로부터 콘크리트 슬래브를 보호하여 내구성을 향상시키며, 휨과 인장에 대한 강도를 크게 증진시키며 염화물에 대한 저항성을 크게 개선하는 것으로 보고되고 있다[3,4].
최근 교량 바닥판 아스팔트 포장재의 단점을 방지하기 위해 무엇을 하고 있는가?
종래의 교량 바닥판 아스팔트 포장재는 공용기간 동안 차량하중에 의한 충격, 직접적인 외부의 열화환경인 동결 융해, 높은 투수성에 의한 융빙제나 수분 등의 침투에 의한 부식과 손상으로 공용수명에 심각한 영향을 받아 왔다. 최근에는 교량 바닥판 아스팔트 포장재가 가지는 단점을 효과적으로 방지하기 위하여 고성능 콘크리트의 일환인 라텍스 개질 콘크리트(latex modified concrete ; LMC)를 교면포장에 시공하는 사례가 증가하고 있다[1,2].
참고문헌 (15)
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