콘크리트

콘크리트가 양생이 되면 칼슘실리케이트수화물(calcium silicate hydrate, C-S-H)이 형성되어 강도가 발현되지만, 부산물로 수산화칼슘과 에트링가이트가 함께 만들어져 차후 콘크리트 열화(deterioration)의 원인이 된다. 또한 양생된 콘크리트는 다공질이어서, 콘크리트 표면의 수산화칼슘은 공기 중의 수분, CO2 가스, 산성 공해물질과 쉽게 만나 중화반응을 하게 되고, 콘크리트 표면부터 부식이 진행되어 심각한 구조적 결함을 가져오게 할 수도 있다.

콘크리트 표면이 수분이나 공기 중의 CO2 가스, 산성 공해물질과 쉽게 반응하지 않도록 콘크리트와 일체화될 수 있는 성분으로 콘크리트 표면을 처리해 준다면, 콘크리트를 보호하고 수명연장을 시킬 수 있다.

가용성실리케이트

수(水)중에 녹아 있을 수 있는 가용성실리케이트는 실리카(SiO2)와 알칼리금속(M2O)의 화합물이다. 가용성 규산염(soluble silicate) 또는 물유리(water glass)라고 한다. 알칼리금속이 Na인 경우를 소듐실리케이트(규산 나트륨), K인 경우를 포타슘실리케이트(규산칼륨), Li인 경우를 리튬실리케이트라고 한다.
실리케이트가 가용성을 유지하기 위해서는 실리카 성분 대비 일정 비율의 알칼리금속이 반드시 필요하다. 가용성 실리케이트의 물성은 알칼리금속의 종류, 실리카 대 알칼리금속의 몰비(molar ratio), 용액의 농도에 의해 결정이 된다. 실리카 대 알칼리의 몰비는 중량비와는 다름을 이해하여야 한다. 몰비는 실리카 분자 대 알칼리금속 분자의 결합 비율이다. 예를 들어, 몰비 3.2에 대하여, 실리카 대 알칼리금속의 무게비는 액상규산나트륨의 경우 3.1, 액상규산칼륨의 경우 2.0, 리튬실리케이트의 경우 6.4가 된다. 따라서, 실리케이트는 알칼리금속 함량으로만 단순히 평가해서는 안 된다. 그림1은 실리케이트별 알칼리금속의 분자량 차이를 반영하여 같은 몰비의 액상 실리케이트를 개념적으로 나타낸 것이다. 같은 몰비와 농도를 갖는 실리케이트라도 알칼리금속의 종류에 따라 물성이 다름도 이해해야 한다.
일반적으로 수용액의 온도가 올라가면 실리케이트의 용해도가 높아지는 특징이 있는데, 리튬실리케이트는 수용액의 온도가 올라가면 리튬실리케이트가 석출되고 상온으로 수용액의 온도가 내려오면 다시 녹는 특이한 특징이 있다. 알칼리금속 자체를 보았을 때, 리튬알칼리의 용해도는 나트륨알칼리나 칼륨알칼리의 용해도에 비하여 매우 낮다.

액상실리케이트에서 알칼리금속 이온은, 특히 Na+, K+, Li+ 이온은 반응성이 매우 높아 산성 물질 또는 이온성 물질과 매우 빨리 반응한다. 예를 들면, 산, 수용성 중성염, 수산화물, 다가 알코올 등. 또한 용액의 농도 변화, 심지어 용액의 온도 변화만으로도 위치를 바꾸며 액상 실리케이트의 물성에 영향을 준다. 알칼리 금속 이온의 위치 변화는 실리카 분자 형태도 함께 변한다는 것을 의미한다.

가용성실리케이트와 콘크리트의 반응

콘크리트의 표면은 내부보다 공극이 더 많고 잉여의 미반응된 수산화칼슘이 존재한다. 이것은 양생 중 과량의 물이 위로 올라오면서 나타난 결과이다. 콘크리트 표면의 공극과 수산화칼슘은 콘크리트 표면이 수분이나 공기 중의 CO2 가스, 산성 공해물질과 쉽게 반응하도록 하여 콘크리트 열화(deterioration)를 촉진한다. 가용성실리케이트는 이 문제를 해결하는 최고의 솔루션이다.
콘크리트 공극 내로 잘 침투되도록 설계된 가용성실리케이트를 콘크리트 표면에 뿌려주면 가용성실리케이트는 표면의 공극과 미세크랙으로 침투하여 콘크리트의 미반응 수산화칼슘과 화학적으로 반응하여 콘크리트 공극 내에 불용성의 칼슘실리케이트수화물(calcium silicate hydrate, C-S-H)을 생성시켜 콘크리트와 일체화된다. 처리된 콘크리트의 표층 밀도와 강도, 내화학성이 향상된다.

가용성실리케이트의 실리카 분자에서 Si와 결합하고 있는 말단의 산소는 ☰Si-OH의 상태로 존재하고, 알칼리 금속이온이 가까이 있는 산소는 ☰Si-O-Na+, ☰Si-O-K+ 또는 ☰Si-O-Li+ 상태로 존재한다. 물이 증발하거나 액상규산염의 상태가 불안해지면 인접한 ☰Si-OH와 ☰Si-OH 사이에서 중축합이 일어나 ☰Si-O-Si☰ 결합이 3차원적으로 발달하게 된다. 콘크리트 표면으로 가용성실리케이트가 침투하면, 콘크리트의 Ca+2 이온이 1가의 알칼리금속 이온들과 치환되면서 ☰Si-O-Ca-O-Si☰ 형태로 칼슘실리케이트수화물을 형성하며 실리카 결합에 참여한다.

콘크리트 공극 내에 추가 생성된 C-S-H는 콘크리트 표층의 밀도를 향상시켜서, 콘크리트 표면의 강도, 내마모성, 내흡수성 등이 상승하게 된다. 콘크리트 표면의 수산화칼슘 성분이 이미 실리케이트와 반응하여 화학적으로 안정화되었기 때문에, 수분이나 공기 중의 CO2 가스, 산성 공해물질과 접촉하여도 반응하지 않게 됨으로써 화학적으로 안정화된다. 결국 가용성실리케이트로 처리된 콘크리트는 내구성이 향상되고 수명이 연장된다.

콘크리트를 위한 특별한 가용성실리케이트 “내추럴실러NS"

“내추럴실러NS"는 콘크리트 표면 강화처리 목적으로 설계된 특별한 가용성실리케이트이다. 내추럴실러NS는 콘크리트 보호 및 수명 연장(Green Enhancement of Concrete)을 위한 콘크리트 표면강화제이다.

모든 실리케이트가 강화제로서 우수하지는 않다. 일반 그레이드의 실리케이트는 다량의 알칼리금속 이온을 포함한 점성이 있는 액체로, 콘크리트 깊숙이 침투하지 못 하고 콘크리트 표면에 실리케이트 필름을 형성한다. 처음에는 표면에서 광이 나는 것처럼 보이지만 곧 실리케이트 필름이 수분이나 물을 만나면 다량의 알칼리금속 이온이 용출되어 공기 중의 CO2와 반응하면서 백화현상(efflorescence)이 지속적으로 발생하게 된다. 콘크리트가 실리케이트와 제대로 반응하지 않았기 때문에 콘크리트 표층 밀도가 상승되지 않고 결국 기대하는 강화효과를 얻을 수 없다. 실리케이트 강화제 기술의 핵심은 콘크리트와 실리케이트의 내구적인 결합을 완성시키는 것이다. 내추럴실러 NS는 (주)영일화성의 변성실리케이트(Specifically Modified Silicates) 제조기술을 바탕으로 개발된 제품이다.