KR0153089B1 - 초조강성 무수축 그라우트 조성물 - Google Patents

초조강성 무수축 그라우트 조성물

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Abstract

본 발명은 입도 조절된 칼슘 알루미노 설페이트계 시멘트 100중량부에 대해서 분산제, 증점제, 분말수지, 소포제 및 지연제 등이 적량 배합된 혼합물 2~10중량부로 구성됨을 특징으로 하는 초조강성 무수축 그라우트 조성물에 관한 것이다.

Description

초조강성 무수축 그라우트 조성물
본 발명은 초조강성 무수축 그라우트 조성물에 관한 것으로서, 특히 충분한 작업시간을 가지면서도 조기에 높은 강도를 발현하며 별도의 팽창성 혼화재를 첨가하지 않고도 건조수축이 없는 초조강성 무수축 그라우트 조성물에 관한 것이다.
일반적인 무수축 그라우트 조성물에 관해서는 이미 여러 특허 문헌등에 개시되어 있으며, 그 요지를 살펴보면 다음과 같다.
일본 특허공개 소53-16410호 및 소55-109255호에는 무수축 그라우트는 보통 포틀랜드 시멘트와 팽창성 혼화제, 유동화제 및 세골재 등을 적절히 배합하는 방법이 개시되어 있고, 일본 특허공개 소52-150434호 및 소60-221355호에는 압축강도 증진을 목적으로 초미립 층진재나 활성 실리카 등을 첨가하는 방법이 알려져 있으나, 보통 포틀랜드 시멘트를 주재료로 하는 무수축 그라우트재는 무수축성을 위해 석회계 혹은 칼슘 설포 알루미네이트와 무수석고 및 유리 생석회로 이루어진 CSA계의 팽창재(일본 특허공개 소53-21219호, 특허공보 소55-10554호)를 사용하는 것이 필수적이며 이들 팽창재의 특성에 따라 그라우트재의 물성이 크게 영향을 받는다.
즉 석회계 내지 CSA계 팽창재는 빠른 수화활성을 가져 쉽게 풍화하는 등 품질 안정성의 확보가 어렵고 수중 양생일 때에 비해 기중 양생에서 수축보상 및 팽창효과가 저하되는 문제점이 있어 실제 활용상의 품질관리가 어렵게 되고, 팽창재의 과도한 사용은 팽창에 의한 균열 및 강도의 저하 등을 초래하기도 한다.
한편 조기에 고강도를 실현하기 위해 초속경 시멘트를 사용하거나(일본 특허공개 소61-191550호), 칼슘 알루미네이트(3CaO·Al2O3) 함량을 높인 시멘트를 사용하기도 하나(일본 특허공개 소53-19614호) 작업시간이 수분에 지나지 않는 등 사용상 문제점이 있어 국소 부위의 충진, 보수 등 사용범위가 한정되어 있다.
따라서 본 발명은 이러한 CSA계 팽창재를 혼합 사용하는 그라우트의 단점인 품질 안정성 문제와 초속경 시멘트 및 칼슘 알루미네이트 함량을 증가시킨 시멘트 사용에 따른 작업시간 제약등의 문제를 극복하여, 충분한 유동성과 작업시간을 유지하면서도 조기에 높은 강도를 발현하고 별도의 팽창성 혼화재를 첨가하지 않고도 건조 수축이 전혀 없어 시공이 간편하고 품질관리가 용이한 새로운 초조강성 무수축 그라우트 조성물을 발명한 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 입도 조절된 칼슘 알루미노 설페이트계 시멘트 100중량부에 대해서 분산제, 증점제, 분말수지, 소포제 및 지연제 등이 적량 배합된 혼합물 2~10중량부 및 100~150중량부로 구성됨을 특징으로 하는 초조강성 무수축 그라우트 조성물을 제공하는 것이다.
이하 본 발명의 그라우트 조성물을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 사용된 칼슘 알루미노 설페이트계 시멘트는 SiO26 내지 12중량%, Al2O315 내지 30중량%, CaO 35 내지 45중량%, Fe2O30.7 내지 2.5중량% 및 SO39 내지 16중량%로 이루어진 클링커 소성물에 난용성 무수석고를 적정량 첨가하여 10μm 이하 입자의 분율이 5중량%를 넘지 않도록 하고 25 내지 45μm 크기의 입자 분율이 40 내지 65중량%가 되도록 입도 조절하여 분쇄한 것이다.
또한 본 발명에 사용한 혼화제는 분산제로서 멜라민 설폰산 포름알데히드 고축합물을 10 내지 20중량%, 증점제로서 하이드록시에틸셀룰로즈를 1 내지 10중량%, 분말 수지로서 에틸렌초산비닐공중합체를 50 내지 75중량%, 소포제로서 폴리카본산계염을 5 내지 15중량% 및 응결조절제로서 글루콘산염을 2 내지 10중량%으로 배합되어 있는 혼합물을 전술한 시멘트 100중량부에 대하여 2 내지 10중량부를 사용하였다.
한편 세골재는 천연사를 상기 시멘트 100중량부에 대하여 100 내지 150중량부를 사용하였다.
또한 본 발명의 주재료인 칼슘 알루미노 설페이트계 시멘트 및 혼화제, 세골재 등의 부재료에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 사용된 칼슘 알루미노 설페이트 시멘트에 있어서 주된 광물 조성은 칼슘 알루미노 설페이트(3CaO·3Al2O3·CaSO4:이하 C4A3S라 칭함), 디칼슘 실리케이트(2CaO·SiO2:이하 C2S라 칭함)와 칼슘 알루미노 페라이트(6CaO·2Al2O3·Fe2O3:이하 C6A2S라 칭함) 및 클링커 소성반응 후 칼슘 설페이트(이하 f-CaSO4라 칭함)등으로서 C4A3S는 f-CaSO4및 첨가된 난용성 무수석고와 수화반응에 의해 에트린자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·S2H2O)를 생성시켜 조기에 높은 강도를 발현하고 수화물의 팽창압에 의해 수축을 막아주며 C2S는 칼슘 실리케이트 수화물(이하 C-S-H)를 생성시켜 장기에도 높은 강도를 유지하게 해준다.
이와 같은 칼슘 알루미노 설페이트 시멘트는 기존의 C4A3S, CaSO4및 CaO로 이루어진 CSA계 팽창성 혼화재와는 그 작용이 근본적으로 다른 결합재로서의 역할을 한다. 즉, CSA계 팽창재는 팽창재 내의 CaO의 수화반응으로부터 생성된 Ca(OH)2혹은 시멘트 수화중에 생성되는 Ca(OH)2로부터 빠르게 용해되는 Ca 이온과 C4A3S 및 CaSO4가 매우 빠르게 수화반응하여 크기가 매우 작은 에트린자이트 결정을 생성함에 따른 팽창력 및 CaO 자체의 수화 팽창에 의해 그 팽창율이 매우 크기 때문에 그 자체로는 결합재로의 역할을 하지 못하고 보통 시멘트에 혼합되어 시멘트의 수축을 저감시키거나 팽창력을 부여하는 역할을 한다.
이에 반하여 상기 칼슘 알루미노 설페이트 시멘트는 CaO가 함유되어 있지 않으므로 에트린자이트의 생성반응 속도가 비교적 느려 생성되는 에트린자이트 결정의 크기가 상대적으로 길고 큰 침상이며 이렇게 생성된 에트린자이트는 CSA계 팽창재로부터 생성된 것에 비하여 팽창력이 작게 되어 그 경화체는 무수축성을 갖게 된다. 또한 침상의 에트린자이트 결정은 경화체의 조직을 3차원적으로 강고하게 결합시켜 주므로 조기에 매우 높은 강도를 발현할 수 있게 된다. 따라서 C4A3S, C2S, C6A2F 광물 및 f-CaSO4등으로 이루어진 칼슘 알루미노 설페이트 시멘트는 그 자체로서 초조강성 및 무수축성을 갖는 매우 우수한 결합재로 이용할 수 있다.
본 발명에 사용된 칼슘 알루미노 설페이트 시멘트의 조성에 있어 SiO2가 6중량% 이하 혹은 Al2O3가 30중량% 이상일 때에는 C2S의 함량이 15% 이하로서 장기강도 발현에 필요한 C-S-H의 생성량이 충분치 못하게 된다. 또한 SiO2함량이 12중량% 이상이거나 Al2O3함량이 15중량% 이하일 때는 상대적으로 C2S 함량이 높고 C4A3S 함량이 20% 이하로 낮아져 초기강도 발현의 부족과 함께 팽창효과 저하에 따른 건조수축을 유발한다.
한편 SiO2가 6 내지 12중량%, Al2O3가 15 내지 30중량%일 때 화학양론적으로 클링커 중의 C2S 및 C4A3S 생성에 필요한 CaO는 35 내지 45중량%, C4A3S 생성에 필요한 SO3는 9 내지 16중량%가 되며 난용성 무수석고를 첨갛마은 수화초기에 생성되는 에트린자이트가 시간이 경과함에 따라 SO3의 부족에 따라 저유산염형 수화물인 칼슘 아루미노 모노 설페이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·12H2O)로 전이되는 것을 방지하기 위함이다.
즉, 난용성 무수석고의 첨가로 수화초기 이후에 석고로부터 서서히 Ca 및 SO4이온이 용출되어 지속적으로 에트린자이트를 생성시켜 경화체를 더욱 치밀하게 만들어 주어 강도 증진 및 무수축성이 증진된다. 이때 첨가되는 난용성 무수석고의 양은 소성물 중에 유리된 CaSO4의 SO3함량과 합하여 그 SO3의 총 함량이 소성물중 Al2O31몰에 대하여 0.5~2몰이 되는 것이 바람직하다.
상기 시멘트 조성물은 분쇄함에 있어 10μm 이하 크기의 입자 분율이 5중량% 이상이 되면 초기 경화 속도가 빨라져 초기에 유동성이 손실되어 충분한 작업시간을 얻기 어렵다. 또한 25 내지 25μm 크기의 입자 분율을 40 내지 65중량% 범위로 조절함은 강도발현에 영향을 미치지 않는 범위내에서 시멘트의 입도분포를 좁게 조절하여 우수한 유동성을 갖도록 하기 위함이다. 즉, 25 내지 45μm 크기의 입자분율이 40중량% 이하에서는 입도분포 조절에 의한 유동성 향상 효과를 얻기 어려우며 64중량% 이상이 되면 시멘트의 평균입경이 지나치게 조대해져 강도 발현에 악영향을 미치게 된다.
본 발명에 사용한 혼화제는 분산제, 증점제, 분말수지, 소포제 및 응결지연제가 적정량 배합된 혼합물로서 전술한 시멘트에 대하여 2 내지 10중량부를 첨가하게 되는데 2중량부 이하로 첨가하면 무수축 그라우트 공사를 하기에 필요한 유동성이 저하되며, 10중량부 이상을 첨가하게 되면 세골재의 침강에 따른 재료분리가 발생하여 표층부에는 수분증발에 의해 발생되는 소성균열(plastic shrinkage)이 발생되므로 더욱 바람직하기로는 4 내지 8중량부를 첨가하는 것이 좋다.
이때, 혼화제의 구성재료 중 분산제는 멜라민설폰산 포름알데히드고축합물, 나프탈린설폰산 고축합물, 리그닌설폰산고축합물 등이 사용될 수 있으며, 증점제로는 저점도의 메틸셀루로즈(MC), 하이드록실메틸셀루로즈(HPMC), 에틸셀루로즈(EC), 하이드록실에틸셀루로즈(HEC) 등이 사용될 수 있다. 이때 본 발명으로 조성된 무수축 그라우트 조성물의 물성을 더욱 향상시키기 위해 분말수지, 소포제 및 응결지연제가 각각 첨가되는데 분말수지의 경우, 본 발명으로 조성된 가수혼합물의 경화체에 탄성영역을 강화시켜 줌으로써 균열의 전파를 방지해 주며, 더욱 나아가서는 좁은 부위의 시공에서 고강도화에 따른 용력의 집중을 완화시켜 경화체의 국부적인 변형을 감소, 수축이나 팽창에 의한 균열발생을 억제시켜 주는 역할을 한다.
이때, 소포제는 분말수지가 용해되면서 발생되는 기포를 제거하기 위해 첨가되는데 소포제를 첨가하므로써 본 발명으로 조성된 가수혼합물을 경화체 내부의 공극(pore)이 대폭 저감되어 물성을 향상시켜 준다. 한편, 응결지연제로는 글루콘산, 규불화산, 주석산, 구연산, 붕산 또는 이들의 금속염 및 각종 당류 등이 사용될 수 있는데 응결지연제의 첨가에 의해 본 발명으로 제조된 가수혼합물은 대량으로 장시간 사용해도 초기의 반죽질기(consistency)를 유지하는 효과를 발휘하게 된다.
세골재와 시멘트 조성물의 배합 비율은 전기한 범위(시멘트 100중량부:세골재 100~150중량부) 이상과 이하 모두 그라우트의 유동성을 저하시키게 된다. 세골재의 입도와 입자 형태는 그라우트의 유동성에 영향을 미치며 통상 3mm 이하의 천연사를 사용하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
[실시예 1~4]
본 실시예에서 사용된 칼슘 알루미노 설페이트 시멘트는 석회석, 규석, 산업폐부산물인 티타늄 부산석고, 폐알루미나를 원료로 하여 C4A3S, C2S, C4AF 및 유리 CaSO4광물조성이 되도록 로타리 킬른에서 1250~1300℃의 온도로 소성한 소성물에 난용성 무수석고를 시멘트중 SO3/Al2O3몰비가 1:1이 되도록 첨가하여 볼밀에서 10μm 이하의 입자분율이 3중량%, 25 내지 45μm 크기의 입자 분율이 50중량%가 되도록 분쇄하였다.
상기 시멘트에 시멘트 유동화제 및 세골재를 배합한 그라우트 제조 조건은 다음 표 2에, 그라우트의 물리성능 시험결과를 표 3에 나타내었다.
[비교예 1~3]
실시예 1~4와 동일한 방법으로 제조하였으며 시멘트 유동화제 및 세골재의 배합조건을 변화시켰다. 그라우트 제조 조건 및 그라우트 물리성능 시험 결과 표 4, 표 5에 나타내었다.
이상의 결과로부터 CAS, CS, CAF 광물 및 유리 CaSO를 주재로 한 시멘트에 분산제, 증점제, 분말수지, 소포제 및 응결조절제가 적절히 혼합된 혼화제와 세골재를 적절히 배합함으로써 재료분리나 블리딩이 없고 조기에 높은 강도를 발현하며 건조 수축이 없는 초조강성의 무수축 그라우트 조성물의 제조가 가능함을 알 수 있다.
[실시예 5~7]
실시예 1 내지 4와 동일한 조성의 칼슘 알루미노 설페이트 시멘트를 사용하여 입도조절에 의한 영향을 측정한 결과를 표 6에 나타내었다. 이때 그라우트의 배합비는 시멘트 100중량부와 혼화제 7중량부 및 세골재 120중량부로 동일하게 하였으며 혼합수량은 그라우트 100중량부에 대하여 15중량부로 하였다.
[비교예 4~5]
실시예 5~7과 동일한 방법으로 실시하였다. 입도 조절에 의한 영향을 측정한 결과는 표 7에 나타내었다.
실험 결과 칼슘 알루미노 설페이트 시멘트의 입도분포를 적절히 조절함에 의해 우수한 유동성과 충분한 작업시간을 확보할 수 있는 초조강성 그라우트 조성물이 됨을 알 수 있다.

Claims (3)

  1. 입도 조절된 칼슘 알루미노 설페이트계 시멘트 100중량부에 대해서 분산제, 증점제, 분말수지, 소포제 및 응결조절제를 적정량 배합된 혼합물 2~10중량부 및 100~150중량부로 구성됨을 특징으로 하는 초조강성 무수축 그라우트 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 칼슘 알루미노 설페이트계 시멘트는 SiO26~12중량%, Al2O315 내지 30중량%, CaO 35~45중량%, Fe2O30.7~2.5중량% 및 SO39~16중량%로 이루어진 클링커 소성물에 난용성 무수석고를 적정량 첨가하여 10μm 이하 입자의 분율이 5중량%를 넘지 않도록 하고 25~45μm 크기의 입자 분율이 40~65중량%가 되도록 입도 조절하여 분쇄한 것임을 특징으로 하는 초조강성 무수축 그라우트 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 혼합물은 분산제로서 멜라민 설폰산 포름알데히드 고축합물을 10~20중량%, 증점제로서 하이드록시에틸셀룰로즈를 1~10중량%, 분말 수지로서 에틸렌초산비닐공중합체를 50~75중량%, 소포제로서 폴리카본산계염을 5~15중량% 및 응결조절제로서 글루콘산염을 2~10중량%으로 배합되어 있는 혼합물임을 특징으로 하는 초조강성 무수축 그라우트 조성물.
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