탈황 석고는 황 함유 연료(석탄, 석유) 연소 시 발생하는 배기가스, 탈황 정제 과정에서 발생하는 산업 고형 폐기물, 그리고 반수화물 석고(화학식 CaSO4·0.5H2O)로 구성되며, 천연 건축용 석고와 유사한 성능을 나타냅니다. 따라서 탈황 석고를 천연 석고 대신 사용하여 셀프 레벨링 재료를 생산하는 연구 및 응용 사례가 점차 증가하고 있습니다. 감수제, 보수제, 지연제와 같은 유기 고분자 혼화제는 셀프 레벨링 모르타르 재료 조성에 필수적인 기능성 성분입니다. 이들 혼화제와 시멘트질 재료 간의 상호작용 및 메커니즘은 중요한 연구 과제입니다. 탈황석고는 제조 공정의 특성상 입자 크기가 작고(주로 40~60μm 범위에 분포), 분말 입도 분포가 불규칙하여 유동성이 좋지 않습니다. 따라서 탈황석고로 제조한 모르타르 슬러리는 분리, 층분리, 블리딩 현상이 쉽게 발생합니다. 셀룰로오스 에테르는 모르타르에 가장 일반적으로 사용되는 혼화제이며, 감수제와의 병용은 탈황석고 기반 셀프 레벨링 재료의 시공 성능 및 이후의 기계적, 내구성 성능과 같은 종합적인 성능을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다.
본 논문에서는 유동성 값(퍼짐 정도 145mm±5mm)을 제어 지표로 사용하여 셀룰로오스 에테르 함량 및 분자량(점도)이 탈황 석고 기반 자가 레벨링 재료의 물 소비량, 시간 경과에 따른 유동성 감소, 응고 시간 및 초기 역학적 특성과 같은 기본 물성의 영향 법칙에 미치는 영향을 중점적으로 연구하였다. 동시에, 셀룰로오스 에테르가 탈황 석고 수화 시 발열량 및 발열 속도에 미치는 영향 법칙을 검증하고, 탈황 석고 수화 과정에 미치는 영향을 분석하며, 이러한 유형의 혼합물이 탈황 석고 겔화 시스템과의 적합성에 대해 초기적으로 논의하였다.
1. 원료 및 시험 방법
1.1 원자재
석고 분말: 탕산에 있는 회사에서 생산한 탈황 석고 분말로, 주성분은 반수화물 석고이며, 화학 조성은 표 1에, 물리적 특성은 표 2에 나타나 있습니다.
그림
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혼합물에는 셀룰로오스 에테르(하이드록시프로필 메틸셀룰로오스, 줄여서 HPMC), 고성능 감수제 WR, 소포제 B-1, EVA 재분산성 라텍스 분말 S-05가 포함되며, 이들은 모두 시중에서 구할 수 있습니다.
골재: 천연 강모래, 0.6mm 체로 걸러낸 자체 제작 고운 모래.
1.2 시험 방법
고정된 탈황 석고: 모래: 물 = 1:0.5:0.45, 적절한 양의 기타 혼화제, 유동성을 제어 지표(팽창 145mm ± 5mm)로 하여 물 소비량을 조절하고, 시멘트질 재료(탈황 석고 + 시멘트)와 셀룰로오스 에테르(HPMC-20,000)를 각각 0, 0.5‰, 1.0‰, 2.0‰, 3.0‰ 비율로 혼합한다. 셀룰로오스 에테르의 투입량을 1‰로 고정하고, 분자량이 다른 HPMC-20,000, HPMC-40,000, HPMC-75,000, HPMC-100,000(각각 H2, H4, H7.5, H10) 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스 에테르를 선택하여, 셀룰로오스 에테르의 투입량 및 분자량(점도) 변화가 석고계 셀프 레벨링 모르타르의 물성에 미치는 영향과, 이 두 가지가 탈황 석고 셀프 레벨링 모르타르 혼합물의 유동성, 응결 시간 및 초기 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 구체적인 시험 방법은 GB/T 17669.3-1999 "건축용 석고의 기계적 특성 측정"의 요구사항에 따라 수행하였다.
수화열 시험은 탈황 석고의 공시료와 셀룰로오스 에테르 함량이 각각 0.5‰ 및 3‰인 시료를 사용하여 수행하며, 사용된 기기는 TA-AIR형 수화열 시험기이다.
2. 결과 및 분석
2.1 셀룰로오스 에테르 함량이 모르타르의 기본 물성에 미치는 영향
함량이 증가함에 따라 모르타르의 작업성과 응집력이 크게 향상되고, 시간 경과에 따른 유동성 손실이 현저히 감소하며, 시공 성능이 더욱 우수해졌습니다. 또한, 경화된 모르타르에서 박리 현상이 발생하지 않고, 표면 평활도, 매끄러움 및 미관이 크게 개선되었습니다. 그러나 동일한 유동성을 얻기 위한 모르타르의 물 소비량은 크게 증가했습니다. 5‰ 함량에서 물 소비량은 102% 증가했으며, 최종 경화 시간은 100분 연장되어 대조군 시료의 2.5배에 달했습니다. 모르타르의 초기 기계적 특성은 셀룰로오스 에테르 함량이 증가함에 따라 크게 저하되었습니다. 셀룰로오스 에테르 함량이 5‰일 때, 24시간 굽힘 강도와 압축 강도는 대조군 시료의 각각 18.75%와 11.29%로 감소했습니다. 압축 강도는 대조군 시료의 각각 39.47%와 23.45% 수준이었습니다. 주목할 점은 보수제 첨가량이 증가함에 따라 모르타르의 부피 밀도가 0‰일 때 2069 kg/m³에서 5‰일 때 1747 kg/m³로 15.56% 크게 감소했다는 것입니다. 모르타르의 밀도가 감소하고 공극률이 증가하는 것은 모르타르의 기계적 특성이 현저히 저하되는 주요 원인 중 하나입니다.
셀룰로오스 에테르는 비이온성 고분자입니다. 셀룰로오스 에테르 사슬의 하이드록실기와 에테르 결합의 산소 원자는 물 분자와 결합하여 수소 결합을 형성함으로써 자유수를 결합수로 바꾸어 수분 보유에 기여합니다. 거시적으로는 슬러리의 응집성 증가로 나타납니다[5]. 슬러리 점도 증가는 물 소비량 증가뿐만 아니라 용해된 셀룰로오스 에테르가 석고 입자 표면에 흡착되어 수화 반응을 저해하고 경화 시간을 연장시킵니다. 또한 교반 과정에서 다량의 기포가 유입되어 모르타르가 경화됨에 따라 공극이 형성되고, 결국 모르타르의 강도가 저하됩니다. 모르타르 혼합물의 일방적인 물 소비량, 시공 성능, 경화 시간 및 기계적 특성, 그리고 장기적인 내구성 등을 종합적으로 고려할 때, 탈황 석고계 셀프 레벨링 모르타르의 셀룰로오스 에테르 함량은 1‰를 초과해서는 안 됩니다.
2.2 셀룰로오스 에테르의 분자량이 모르타르 성능에 미치는 영향
일반적으로 셀룰로오스 에테르의 점도가 높고 입자가 미세할수록 수분 보유력이 향상되고 접착 강도가 증가합니다. 그러나 분자량이 큰 셀룰로오스 에테르는 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 분자량이 다른 셀룰로오스 에테르가 석고계 셀프 레벨링 모르타르 재료의 기본 특성에 미치는 영향을 추가적으로 조사했습니다. 모르타르의 물 요구량은 어느 정도 증가했지만, 응결 시간과 유동성에는 뚜렷한 영향을 미치지 않았습니다. 동시에, 다양한 상태의 모르타르의 휜강도와 압축강도는 감소하는 경향을 보였지만, 그 감소폭은 셀룰로오스 에테르 함량이 기계적 특성에 미치는 영향보다 훨씬 작았습니다. 요약하자면, 셀룰로오스 에테르의 분자량 증가는 모르타르 혼합물의 성능에 뚜렷한 영향을 미치지 않습니다. 시공 편의성을 고려할 때, 탈황 석고계 셀프 레벨링 재료로는 저점도 및 저분자량의 셀룰로오스 에테르를 선택하는 것이 바람직합니다.
2.3 셀룰로오스 에테르가 탈황 석고의 수화열에 미치는 영향
셀룰로오스 에테르 함량이 증가함에 따라 탈황석고의 수화 발열 피크는 점차 감소하고 피크 발생 시점은 약간 지연되었으며, 수화 발열량은 감소했지만 뚜렷한 변화는 없었다. 이는 셀룰로오스 에테르가 탈황석고의 수화 속도와 수화도를 일정 정도 지연시킬 수 있음을 보여주므로, 첨가량은 과다하지 않도록 1‰ 이내로 조절해야 한다. 셀룰로오스 에테르가 물과 만나 형성된 콜로이드 막이 탈황석고 입자 표면에 흡착되어 2시간 이전의 석고 수화 속도를 감소시키는 것으로 보인다. 동시에, 셀룰로오스 에테르의 독특한 수분 보유 및 점도 증가 효과는 슬러리 수분의 증발과 소산을 지연시켜 후기 탈황석고의 수화에 유리하게 작용한다. 요약하자면, 적절한 투입량을 조절할 경우 셀룰로오스 에테르는 탈황 석고 자체의 수화 속도 및 수화도에 제한적인 영향을 미칩니다. 동시에 셀룰로오스 에테르 함량과 분자량이 증가함에 따라 슬러리의 점도가 크게 증가하고 우수한 수분 보유 성능을 나타냅니다. 탈황 석고 셀프 레벨링 모르타르의 유동성을 확보하기 위해 물 소비량이 크게 증가하는데, 이는 모르타르의 경화 시간 연장으로 이어져 기계적 특성 저하의 주요 원인이 됩니다.
3. 결론
(1) 유동성을 제어지표로 사용할 때, 셀룰로오스 에테르 함량이 증가함에 따라 탈황석고계 셀프레벨링 모르타르의 응결시간이 현저히 길어지고 기계적 특성이 현저히 저하됩니다. 함량 대비 셀룰로오스 에테르의 분자량 증가는 모르타르의 상기 특성에 거의 영향을 미치지 않습니다. 종합적으로 고려할 때, 셀룰로오스 에테르는 분자량이 작은 것(점도값이 20,000 Pa·s 미만)을 선택하고, 첨가량은 시멘트질 재료의 1‰ 이내로 조절해야 합니다.
(2) 탈황석고의 수화열 시험 결과는 이 시험 범위 내에서 셀룰로오스 에테르가 탈황석고의 수화 속도 및 수화 과정에 미치는 영향이 제한적임을 보여줍니다. 물 소비량 증가와 부피 밀도 감소는 탈황석고 기반 모르타르의 기계적 특성 저하의 주요 원인입니다.
게시 시간: 2023년 5월 8일