KR100561098B1 - 구조물 강도 증대를 위한 모르타르 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 시멘트 50.00 내지 80.00 중량%, 실리카흄(silica fume), 고미분말 슬래그 및 메타카올린(metakaolin)으로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 포졸란계 초미분말 1.00 내지 10.00 중량%, 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulfo-aluminate: CSA)계 팽창제, 산화칼슘(CaO)계 팽창성 무기질 혼합재 또는 이들의 혼합물인 수축보상재 1.00 내지 15.00 중량%, 충진재 10.00 내지 30.00 중량%, 폴리카본산계(Polycarboxy) 분말 유동화제 0.10 내지 1.00 중량%, 비메탈계 가스 발생제 0.01 내지 1.00 중량%, 점도가 1000 내지 5000cps인 분말 증점제 0.01 내지 0.10 중량%를 포함하여, 모세관 현상에 의하여 모르타르에 블리딩층이 형성되는 현상과 양생 중의 모르타르의 부피가 감소되는 현상과 모르타르 내부에 인입되는 케이블이 부식되는 현상을 방지함으로써 구조물의 강도를 증대시키고, 모르타르의 유동성을 증대시킴으로써 그라우팅 작업성을 향상시킬 수 있는 모르타르 조성물을 제공한다.

모르타르, 블리딩, 그라우팅, 강도, 유동성

Description

구조물 강도 증대를 위한 모르타르 조성물{Mortar composite for increasing strength of structure}

도 1은 그라우팅이 완료된 종래 포스트 텐션 구조물의 단면도이다.

도 2는 양생이 완료된 종래 포스트 텐션 구조물의 단면도이다.

본 발명은 구조물의 강도를 증대시키기 위한 모르타르 조성물에 관한 것으로, 더 상세하게는 블리딩(Bleeding) 현상과 부피 수축 현상이 방지되고 유동성이 향상되도록 포졸란계 초미분말과 수축보상재와 유동화제가 첨가된 모르타르 조성물에 관한 것이다.

건축물이나 교량 시공 시, 내압축성과 내인장성이 요구되는 부위에는 포스트 텐션 방식의 구조물이 사용되는데, 일반적으로 포스트 텐션 방식의 구조물은 덕트 내부에 인입되는 케이블과 덕트 내부를 채우는 시멘트계 모르타르를 포함하도록 구성된다. 이와 같은 포스트 텐션 방식의 구조물은 시멘트의 내압축성과 강선의 내인 장성을 함께 갖는다는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 포스트 텐션 구조물에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 그라우팅이 완료된 종래 포스트 텐션 구조물의 단면도이고, 도 2는 양생이 완료된 종래 포스트 텐션 구조물의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래 포스트 텐션 구조물(10)은, 덕트(12) 내부에 케이블(14)이 인입된 후 시멘트계 모르타르(16)로 덕트(12) 내부가 그라우팅된다.

이때 케이블(14)은 여러 가닥의 강선들이 다발로 묶여지도록 구성되는데, 강선 사이의 틈이 매우 좁아 시멘트 입자는 강선 사이로 인입되지 못하고 물 입자만이 인입될 수 있다. 강선 사이로 인입된 물 입자는 모세관 현상에 의해 케이블(14)을 따라 상측으로 올라가게 되고, 시간이 지남에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 덕트(12)의 상단부에는 물 입자가 모여 블리딩층(B)이 형성된다.

또한 시멘트계 모르타르(16)는 양생 과정에서 부피가 줄어드는 특성이 있으므로, 시멘트계 모르타르(16)와 덕트(12) 사이에 공극(G)이 발생될 수 있다. 공극(G) 발생을 방지하기 위하여 가스발생제와 같은 팽창성 첨가물을 시멘트계 모르타르(16)에 소량 혼합한 후 그라우팅하는 공법이 활용되고 있으나, 상기와 같은 가스발생제는 시멘트계 모르타르(16)가 경화되기 이전에만 가스 발생으로 인한 팽창효과로 덕트 내의 공간을 밀실하게 채워주고 시멘트계 모르타르(16)가 어느 정도 경화된 이후에는 공극(G) 발생 방지효과가 없으므로, 장시간이 지난 후에는 도 2에 도시된 바와 같이 공극(G)이 형성된다.

이와 같이 블리딩층(B)이나 공극(G)이 형성되는 부위는. 시멘트계 모르타르(16)가 밀실하게 채워지지 아니하고, 시멘트계 모르타르(16)와 덕트(12) 사이의 결합력이 약해지므로, 포스트 텐션 구조물(10)의 강도가 저하된다는 문제점이 있다.

또한, 팽창성 첨가물로 활용되는 종래의 가스발생제로는 주로 알루미늄 금속 분말이 사용되고 있는데, 알루미늄 금속 분말은 시멘트와의 반응으로 수소가스를 발생시켜 케이블(14)의 부식을 초래한다는 문제점이 있다.

또한, 시멘트계 모르타르(16)는 하절기와 같이 주변 온도가 섭씨 30~40도로 높은 경우 경화 속도가 매우 빠르므로, 유동성이 현저히 저하되어 덕트(12) 내부로의 주입 및 충진 작업이 어려워진다는 문제점도 있다.

또한, 종래에 사용되는 시멘트계 모르타르의 경우 현장에서 1종 보통 포틀랜드 시멘트, 소량의 경화전 팽창재와 혼합하여 주입하고 있으나, 이와 같이 사용할 경우 상술한 바와 같은 문제점뿐만 아니라 시멘트의 품질변동에 따른 추가적인 품질문제가 발생될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 모르타르로 그라우팅을 할 때 모세관 현상에 의한 블리딩층 형성과 양생 중의 부피 감소 현상과 모르타르 내부에 인입되는 케이블의 부식현상이 방지됨으로써 구조물의 강도를 증대시킬 수 있고, 모르타르의 유동성 증대를 통해 작업성을 향상시킬 수 있는 미리 혼합된(Pre-packed) 모르타르 조성물을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 모르타르 조성물은, 시멘트 50.00 내지 80.00 중량%, 포졸란계 초미분말 1.00 내지 10.00 중량%, 수축보상재 1.00 내지 15.00 중량%, 충진재 10.00 내지 30.00 중량%를 포함한다.

또한 본 발명에 의한 모르타르 조성물은 분말 유동화제 0.10 내지 1.00 중량%, 비메탈계 가스 발생제 0.01 내지 1.00 중량%, 분말 증점제 0.01 내지 0.10 중량%를 더 포함할 수 있다. 이때 분말 유동화제는 폴리카본산계(Polycarboxy) 분말 유동화제고, 분말 증점제는 점도가 1000 내지 5000cps인 것이 바람직하다.

포졸란계 초미분말은 실리카흄(silica fume), 고미분말 슬래그 및 메타카올린(metakaolin)으로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물이고, 수축보상재는 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulfo-aluminate: CSA)계 팽창제, 산화칼슘(CaO)계 팽창성 무기질 혼합재 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 모르타르 조성물은, 일반 포틀랜트 시멘트에 충진재와 각종 첨가물이 혼합되어, 모세관 현상에 의한 블리딩(Bleeding) 현상을 방지하고 양생 시 모르타르의 부피가 감소되는 현상을 방지하는데 주된 목적이 있다.

케이블이 인입된 덕트 내부를 시멘트계 모르타르로 그라우팅하는 경우, 통상적으로 케이블은 다발로 묶여진 다수의 강선으로 이루어지며 강선 사이의 간극은 시멘트 입자는 인입되지 못하고 물입자만이 인입될 수 있도록 미세하게 구성되므로, 모르타르 내부의 물은 모세관 현상에 의해 케이블을 타고 덕트의 상단에 고이 게 된다.

그러나 본 발명에 의한 조성물에는 강선 사이의 간극으로 인입될 수 있도록 입자의 크기가 매우 작은 포졸란계 초미분말이 포함되어 있으므로, 본 발명에 의한 조성물로 제조되는 모르타르를 이용하는 경우 강선 사이의 간극이 포졸란계 초미분말로 채워져 상기와 같은 블리딩 현상이 발생되지 아니한다.

본 발명에 의한 조성물에 포졸란계 초미분말이 1.00 중량% 미만으로 포함되는 경우 강선 사이의 간극을 완전히 채우지 못하게 되어 블리딩 현상 방지효과가 미미해지므로 1.00 중량% 이상의 포졸란계 초미분말이 함유됨이 바람직하다. 또한 포졸란계 초미분말의 함량비가 커질수록 블리딩 현상 방지효과는 향상되지만, 포졸란계 초미분말의 함량비가 10.00 중량%를 초과하게 되면 블리딩 현상 방지효과는 더 이상 향상되지 아니하므로, 포졸란계 초미분말의 함량비는 1.00 내지 10.00 중량%로 설정됨이 바람직하다.

이때 포졸란계 초미분말은, 실리카흄(silica fume), 고미분말 슬래그 및 메타카올린(metakaolin)으로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 선택될 수 있다.

또한 본 발명에 의한 조성물에는 모르타르의 양생 시 부피 변화를 방지하기 위하여 수축보상재가 함유된다. 수축보상재의 함유량이 1.00 중량% 미만인 경우에는 모르타르의 부피 변화 방지효과가 충분히 얻어지지 아니하고, 15.00 중량%를 초과하는 경우에는 경화 모르타르의 부피가 과대 팽창되어 그 팽창압에 의해 크랙이 발생될 우려가 있으므로 본 발명에 의한 조성물에는 수축보상재가 1.00 내지 15.00 중량% 함유됨이 바람직하다. 이때 수축보상재는, 칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulfo-aluminate: CSA)계 팽창제, 산화칼슘(CaO)계 팽창성 무기질 혼합재 및 이들의 혼합물 중 어느 하나로 선택될 수 있다.

이와 같이 모르타르에 수축보상재가 함유되면, 양생이 완료되더라도 덕트 내부는 모르타르로 밀실하게 채워진 상태가 유지되므로, 각 부위별로 고른 강도를 얻을 수 있고 케이블과 덕트 사이의 결합력이 강화된다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의한 조성물에는 모르타르 경화 전의 수축을 방지하기 위하여 팽창제 역할을 하는 가스발생제가 0.01 내지 1.00 중량% 함유되고, 모르타르의 고유동성을 발현시키고 첨가될 물의 양을 최소화시키기 위하여 분말 유동화제가 0.10 내지 1.00 중량% 함유되며, 모르타르의 충진성을 향상시키고 블리딩을 억제하기 위한 분말 증점제가 0.01 내지 0.10 중량% 함유될 수 있다.

상기 가스발생제가 0.01중량% 미만이면 팽창제로서의 역할이 미미하게 되고 1.00중량%를 초과하게 되면 경화 전 과대 팽창에 의해 부풀어 올라 경화제체의 밀도를 감소시켜 강도하락의 원인이 될 수 있으며, 분말 유동화제가 0.10중량% 미만이면 유동성이 좋지 못하게 되고 1.00 중량%를 초과하면 경화시간이 길어져 생산성이 좋지 못할 뿐만 아니라, 분말 증점제가 0.01중량% 미만이면 그 효과가 미미하게 되고 0.10중량%를 초과하면 유동성이 저하되므로, 상기와 같은 조성비로 함유됨이 바람직하다.

이때 가스발생제는 활성이 없는 가스를 발생시키는 비메탈계 분말이고, 분말 유동화제는 소량으로 고유동성을 발현시킬 수 있는 폴리카본산계 물질인 것이 바람직하다. 또한 분말 증점제는, 점도가 너무 낮은 경우(1000cps 미만일 경우)에는 증점제의 효과가 저하되고 점도가 너무 높은 경우(5000cps를 초과할 경우)에는 유동성을 저하시킬 수 있으므로, 점도가 1000 내지 5000cps인 것이 바람직하다.

이하 첨부된 표를 참조하여 본 발명에 의한 조성물의 실시예 및 실험결과를 상세히 설명한다.

[표 1]

각 실시예 및 비교예에 따른 배합비 (단위 : 중량%)

성분 조성물	시멘트	포졸란계 초미분말	수축 보상재	분말 증점제	유동화제		가스발생제		충진재
					나프탈렌계	폴리카본산계	메탈계	비메탈계
실시예	65.00	5.00	5.00	0.04	-	0.60	-	0.06	24.30
비교예 1	70.00	-	5.00	0.04	1.20	-	-	0.06	23.70
비교예 2	70.00	-	5.00	0.04	-	0.50	-	0.06	24.40
비교예 3	99.00	-	-	0.01	0.50	-	0.004	-	0.486

상기 표 1에 기재된 바와 같이, 실시예와 비교예에 따른 조성물에는 중량%를 동일하게 맞추기 위하여 충진재가 서로 다른 배합비로 포함되어 있다. 이때 충진재는 미립 탄산칼슘(CaCO₃)으로 적용되는데, 이와 같은 충진재는 통상의 모르타르에 포함되는 충진재와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

실시예는 시멘트 65.00 중량%에 포졸란계 초미분말의 일종인 실리카흄 5.00 중량%, 수축보상재로 칼슘설포알루미네이트계 팽창제 5.00 중량%, 메틸셀룰로오스계 분말 증점제 0.04 중량%, 폴리카본산계 유동화제 0.60 중량%, 비메탈계 가스발생제 0.06 중량%, 충진재로 탄산칼슘 24.30 중량%를 포함하도록 제조되었다.

비교예 1은 시멘트 70.00 중량%에 수축보상재로 칼슘설포알루미네이트계 팽창제 5.00 중량%, 메틸셀룰로오스계 분말 증점제 0.04 중량%, 나프탈렌계 유동화제 1.20 중량%, 비메탈계 가스발생제 0.06 중량%, 충진재로 탄산칼슘 23.70 중량%를 포함하도록 제조되었다.

비교예 2는 시멘트 70.00 중량%에 수축보상재로 칼슘설포알루미네이트계 팽창제 5.00 중량%, 메틸셀룰로오스계 분말 증점제 0.04 중량%, 폴리카본산계 유동화제 0.50 중량%, 비메탈계 가스발생제 0.06 중량%, 충진재로 탄산칼슘 24.40 중량%를 포함하도록 제조되었다.

또한, 비교예 3은, 시멘트 99.00 중량%에 분말 증점제 0.01 중량%, 나프탈렌계 유동화제 0.50 중량%, 메탈계 가스발생제 0.004 중량%, 충진재 0.486 중량%를 포함하도록 제조되었다.

상기와 같은 배합비로 이루어진 4 종류의 조성물로 조제되는 모르타르별 유동성 및 블리딩율을 측정한 결과는 아래의 표 2와 같다.

[표 2]

각 실시예 및 비교예에 따른 유동성 및 블리딩율 측정결과

특성 모르타르 종류	유동성(sec)			블리딩율(%)
	제조 직후	30분 경과	1시간 경과	3시간 경과
실시예로 제조된 모르타르	20.1	20.2	21.4	0.0
비교예 1로 제조된 모르타르	20.4	24.1	30.1	1.5
비교예 2로 제조된 모르타르	20.0	20.3	21.3	1.6
비교예 3으로 제조된 모르타르	18.0	23.5	31.0	3.8

표 2에 기재된 유동성 수치는, 유동성 측정장비의 하나인 ASTM-C939를 이용하여 측정한 데이터이다. ASTM-C939는 용적이 1725㏄인 콘 형상의 용기에 측정물질을 담은 후 측정물질이 모두 배출될 때까지의 시간을 재어 측정물질의 유동성을 측정하도록 구성되어 있다.

예를 들어 비교예 1에 의한 조성물로 이루어진 모르타르의 경우에는, 제조 직후 콘 형상의 용기에 완전히 채워졌다가 완전히 배출될 때 까지 20.5초의 시간이 소요되고, 제조 후 30분이 경과된 때에는 25초의 시간이 소요되며, 제조 후 1시간이 경과된 때에는 31.5초가 소요됨을 나타내고 있다. 시간이 경과됨에 따라 모르타르의 유동성이 점차적으로 낮아지는 것은, 시간 경과에 따라 모르타르가 경화되기 때문이다.

또한, 표 1에 기재된 바와 같이 비교예 1에 의한 조성물과 비교예 3에 의한 조성물에는 나프탈렌계 유동화제가 함유되고 비교예 2에 의한 조성물과 실시예에 의한 조성물에는 폴리카본산계 유동화제가 함유되는데, 표 2에 기재된 바와 같이 비교예 1에 의한 조성물로 제조된 모르타르와 비교예 3에 의한 조성물로 제조된 모르타르가 비교예 2에 의한 조성물로 제조된 모르타르와 실시예에 의한 조성물로 제조된 모르타르에 비해 유동성이 급격히 저하된다는 결과를 통하여 나프탈렌계 유동 화제에 비하여 폴리카본산계 유동화제의 효과가 우수함을 알 수 있었다.

따라서 본 발명에 의한 유동화제는 폴리카본산계 유동화제로 적용됨이 바람직하다.

이와 같이 시간이 경과되더라도 모르타르의 유동성이 일정 기준 이상 유지되면, 사용자는 보다 용이하게 그라우팅 작업을 할 수 있다는 장점이 있다.

표 2에 기재된 블리딩율은, 수직으로 세워진 원통 형상의 덕트 내부에 길이방향으로 케이블을 인입시키고 각 모르타르를 그라우팅 하였을 때, 그라우팅 완료 3시간 이후 모르타르 전체 높이 중 상단에 고이는 물의 높이를 백분율로 환산한 값이다. 표 2에 기재된 바와 같이, 포졸란계 초미분말이 함유되어있지 아니한 조성물 즉, 비교예 1에 의한 조성물, 비교예 2에 의한 조성물, 비교예 3에 의한 조성물로 제조된 모르타르에는 블리딩 현상이 발생하고, 포졸란계 초미분말이 함유된 실시예에 의한 조성물로 제조된 모르타르에는 블리딩 현상이 발생하지 아니함을 알 수 있었다.

이와 같은 실험 결과를 통해 블리딩 현상을 방지하는 데에는 포졸란계 초미분말이 가장 큰 역할을 하고 있음을 알 수 있었다.

각 실시예 및 비교예에 따른 조성물로 제조된 모르타르 별 부피변화율 및 강도를 측정한 결과는 아래의 표 3과 같다.

[표 3]

각 실시예 및 비교예에 따른 특성 측정결과

특성 모르타르 종류	부피변화율(%)		밀도 (g/㎤)	압축강도(kg/㎠)
	1일	28일		1일	3일	7일	28일
실시예로 제조된 모르타르	0.02	0.03	2.03	201	356	512	622
비교예 1로 제조된 모르타르	0.01	0.02	2.02	212	313	451	522
비교예 2로 제조된 모르타르	0.02	0.03	2.03	148	315	475	548
비교예 3으로 제조된 모르타르	-1.12	-1.20	1.90	111	215	281	401

표 3에 기재된 바와 같이 수축보상재가 함유된 조성물(실시예, 비교예 1, 비교예 2)로 제조된 모르타르는 부피가 감소되지 아니하지만, 수축보상재가 함유되지 아니한 비교예 3에 의한 조성물로 제조된 모르타르는 시간이 지남에 따라 부피가 감소될 뿐만 아니라 밀도 역시 낮아짐을 알 수 있었다.

또한 압축강도에 있어서도, 수축보상재가 함유된 조성물(실시예, 비교예 1, 비교예 3)로 제조된 모르타르에 비하여 수축보상재가 함유되지 아니한 비교예 3에 의한 조성물로 제조된 모르타르는 강도가 현저히 낮음을 알 수 있었다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

본 발명에 의한 조성물을 사용하면, 모세관 현상에 의하여 모르타르에 블리 딩층이 형성되는 현상과 양생 중의 모르타르의 부피가 감소되는 현상과 모르타르 내부에 인입되는 케이블이 부식되는 현상이 방지되므로 구조물의 강도가 증대되고, 모르타르의 유동성이 증대되므로 작업성이 향상된다는 장점이 있다. 또한 현장에서 시멘트와 첨가제를 직접 혼합하여 사용하는 경우보다 품질변동에 의한 품질문제를 최소화할 수 있다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 시멘트 50.00 내지 80.00 중량%, 포졸란계 초미분말 1.00 내지 10.00 중량%, 수축보상재 1.00 내지 15.00 중량%, 충진재 10.00 내지 30.00 중량%, 분말 유동화제 0.10 내지 1.00 중량%, 비메탈계 가스 발생제 0.01 내지 1.00 중량% 및 점도가 1000 내지 5000cps인 분말 증점제 0.01 내지 0.10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블이 인입된 포스트 텐션 구조물용 모르타르 조성물.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 포졸란계 초미분말은,

   실리카흄(silica fume), 고미분말 슬래그 및 메타카올린(metakaolin)으로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 케이블이 인입된 포스트 텐션 구조물용 모르타르 조성물.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 수축보상재는,

   칼슘설포알루미네이트(Calcium Sulfo-aluminate: CSA)계 팽창제, 산화칼슘(CaO)계 팽창성 무기질 혼합재 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 케이블이 인입된 포스트 텐션 구조물용 모르타르 조성물.

Images