KR100627981B1 - 콘크리트용 내황산성 보수 모르타르 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 침식에 의한 콘크리트의 노화된 부분을 보수하여 기존 콘크리트의 장기 수명을 연장시킬 수 있는 콘크리트용 내황산성 보수 모르타르 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 콘크리트용 내황산성 보수 모르타르 조성물은 포틀랜드 시멘트 100중량부, 고로 슬래그 미분말 50~100중량부, 팽창재 10~20중량부, 섬유 0.5~5중량부, 고분자 수지 0.1~5 중량부, 고성능감수제 1~3중량부, 무기계 증점제 0.02~0.08 중량부 및 규사 150~300 중량부를 포함한다. 본 발명의 조성물은, 화학적 침식에 열악한 콘크리트의 보수용 모르타르로 적합하며, 1회 도포 가능한 량이 타 모르타르에 많기 때문에 전체적인 공사비 측면에서 경제적이다.

내황산성, 모르타르

Description

콘크리트용 내황산성 보수 모르타르 조성물{SULPHURIC ACID RESISTANT MORTAR COMPOSITION FOR CONCRETE}

도 1은 본 발명의 조성물에 사용된 고로 슬래그 미분말의 입도 분포를 나타내는 그래프이다.

도 2는 본 발명에 따라 분말도가 높은 슬래그를 혼입한 시멘트 경화체를 시차열분석(DTA) 및 열중량 분석(TG)결과를 나타낸 그래프이다.

도 3은 일본 동경도 하수도국 기준에 준하여 본 발명의 조성물에 대한 내황산성(중량 변화율) 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4는 일본 동경도 하수도국 기준에 따라 본 발명의 조성물에 대한 침투 저항성을 측정한 그래프이다.

도 5a 및 도 5b는 각각 비교예 및 본 발명의 실시예에 대해 황산 침지 실험을 행한 후 촬영한 공시체의 파단면 사진이다.

도 6은 콘크리트 판 위에 본 발명의 조성물을 1회 도포한 상태를 나타내는 사진이다.

본 발명은 콘크리트용 내황산성 보수 모르타르 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화학적 침식에 의한 콘크리트의 노화된 부분을 보수하여 기존 콘크리트의 장기 수명을 연장시키는 조성물에 관한 것이다.

콘크리트의 구조물의 노화는 중성화, 염해, 동해, 화학적 침식, 알칼리 골재 반응, 피로, 풍화, 화재 등으로 시간 경과 함께 콘크리트가 원래의 기능을 발휘하지 못하고 특성이 저하한다. 이중 화학적 부식은 콘크리트가 외부에서 화학적 작용을 받아, 시멘트 경화체를 구성하는 수화 생성물이 변질 혹은 분해해서 결합 능력을 잃어 버리는 노화 현상을 총칭하여 화학적 부식이라고 한다.

화학적 부식에 있어서 일반적인 환경에서 화학적 부식이 문제가 생기는 것은 확률적으로 매우 적으며, 생활 하수 등에 포함된 유기물이 세균에 의해 반응을 일으켜 황산 이온을 생성함으로써 콘크리트를 침식하거나, 온천 지대 또는 산성비 등에 의한 산성물질에 의해 콘크리트가 침식되는 경우가 대부분이다. 따라서, 화학적 침식을 받는 구조물로는 화학 공장과 식품 공장 등의 관련 구조물, 토양 오염 및 온천 지대의 지하 구조물, 하수도 관련 하수 관거 및 복개 구조물 등을 들 수 있다.

화학적 침식은 기존의 중성화, 동해, 염해에 의한 노화 현상과 혼동하기 쉽기 때문에, 콘크리트 구조물에 내황산성 보수 모르타르가 아닌 기존의 보수용 모르타르로 타설하여 결국 구조물에 균열 또는 박리 현상 등이 발생함으로써 내구성이 급격히 저하하는 경우가 빈번히 발생하고 있다.

따라서 중성화, 동해, 염해 등과 별도로 화학적 부식이 일어날 가능성이 높은 하수 관거 및 복개 구조물 등의 보수에는 전용 보수용 모르타르 조성물 개발이 시급한 실정이다.

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 화학적 부식에 강한 성분 및 성분비를 적절히 조절함으로써 기존 보수용 모르타르 특성을 보완하여 내화학적 및 내구성이 뛰어난 콘크리트용 내황산성 보수 모르타르 조성물을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명의 콘크리트용 내황산성 보수 모르타르 조성물은 포틀랜드 시멘트 100중량부, 고로 슬래그 미분말 50~100중량부, 팽창재 10~20중량부, 섬유 0.5~5중량부, 고분자 수지 0.1~5 중량부, 고성능감수제 1~3중량부, 무기계 증점제 0.02~0.08 중량부 및 규사 150~300 중량부를 포함한다. 본 발명에서 상기 팽창제는 CSA계 팽창제 5~10 중량부 및 석고계 팽창제 5~10 중량부 포함되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 무기계 증점제는 마그네슘 알루미노 실리케이트 광물과 고로 슬래그 미분말을 포함할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.

본 발명에 사용되는 분체 즉, 고로 슬래그 미분말은 밀 등의 분쇄 수단을 이용하여 입도 분포가 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 예컨대 상기 고로 슬래그 분말은 평균 직경 약 6 ㎛가 되도록 분쇄될 수 있다. 고로 슬래그 미분말을 분쇄하여 사용하는 이유는 다음과 같다.

먼저, 통상의 시멘트의 평균 입자 크기는 16㎛로 시멘트 입자를 둥근 입자로 가정했을 때, 그 공극에 들어갈 수 있는 입자의 크기는 약 6㎛이다. 고로 슬래그 미분말을 약 6㎛로 분쇄하여 시멘트 입자 사이를 매워줌으로서 충진율이 높아져, 치밀화되어 물리적 특성이 향상된다. 본 발명에 조성물에 사용된 고로 슬래그 미분말의 입도 분포를 도 1에 나타내었다.

또 다른 고로 슬래그 미분말의 분쇄 이유는 Ca(OH)₂의 생성량 억제에 있다. 포틀랜드 시멘트에서 가장 많은 양을 차지하고 있는 규산 칼슘 화합물인 C₂S와 C₃S의 수화 반응 및 생성물은 다음과 같다.

2C₃S + 6H _→ C₃S₂H₃ + 3CH

2C₂S + 4H _→ C₃S₂H₃ + CH

수화 생성물은 크게 규산 칼슘 수화물(calcium silicate hydrate)와 수산화 칼슘이 발생하는 데 보통 시멘트 경화체내에 약 20~30% 정도의 수산화 칼슘이 발생한다. 이 수산화 칼슘은 황산에 매우 약하여 다음 반응을 통해 석고가 발생한다.

Ca(OH)₂ + H₂SO_{4 →} CaSO₄·2H₂O

생성된 석고는 팽창 파괴를 일으키는 원인이 되는 에트린쟈이트를 생성시키는 물질로 작용하여 화학적 부식에 의한 균열, 박리 현상이 발생하게 된다.

도 2에 분말도가 높은 슬래그를 혼입한 시멘트 경화체를 시차열분석(DTA) 및 열중량 분석(TG)결과를 나타내었다. 슬래그 혼입 시멘트내에는 그림에서와 같이 칼슘 실리케이트(CSH)수화물이 다량 생성되지만, 산에 약한 수산화칼슘은 전혀 생성되지 않는 것을 알 수있다. 이는 수산화 칼슘이 생성되면, 약 450 ~ 500℃ 부근에서 탈수에 의한 열중량 감소(TG) 피크가 발생하지만, 도 2에서 알 수 있듯이 수산화 칼슘의 생성과 관련된 피크는 나타나지 않았다. 따라서 본 조성물은 내황산성에도 뛰어난 효과를 발휘한다.

또한, 본 발명의 조성물에서 상기 고로 슬래그 미분말은 포틀랜드 시멘트 100중량부에 대해 약 50~100중량부 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 팽창제로 CSA계 팽창재는 칼슘 설포 알루미네이트(calsium sulpho aluminate)계를 의미하며 모르타르 자체의 물리적 특성에 나쁜 영향을 주지 않고 팽창성능을 부여함으로서 외부 환경에 의한 건조 수축 등을 억제하여 석고계 팽창재와 더불어 모르타르의 균열을 방지하고 부착 강도를 향상 시킨다. 상기 팽창제는 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대해 약 10 ~ 20 중량부 사용되는 것이 바람직하다. 또한 팽창제로 CSA계 팽창제와 석고계 팽창제를 모두 사용하는 경우 각각 5 ~ 10 중량부 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 섬유는 평균 길이가 4mm로 조성물의 유동성에 방해가 되지 않고, 균질하게 모르타르 조성물 내에 분산되어 모르타르 조성물의 경화 후에 균열을 방지하는 역할과 동시에 휨 강도를 향상시킨다. 본 발명에서 상기 섬유는 폴리에틸렌 섬유과 같은 통상의 유기 섬유가 사용될 수 있다.

상기 섬유는 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대해 약 0.5~5중량부 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 고분자 수지는 내산성이 있는 아크릴계 분말 수지로 프리믹스트형(pre-mixed type)의 모르타르 조성물을 위해 재유화형 분말 수지(redispersable polymer powder)로서 분체 혼합시 분말 상태로 혼합하여 사용 할 수 있다. 상기 아크릴계 분말 수지의 중량평균 분자량은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 일반적으로 10⁵ ~ 10⁶ 인 것이 바람직하다. 시멘트 성분과 적절하게 혼합하여 사용하는 경우에는 시멘트 수화물 사이에 수지막을 형성하기 때문에 시멘트의 모세 공극을 메워주는 역할을 함으로 치밀성 및 부착 강도를 증가시킨다. 본 발명에서 상기 고분자 수지는 상기 포트랜드 시멘트 100 중량부에 대해 0.1~5 중량부 포함되는 것이 바람직하다.

고성능 감수제는 멜라민계 또는 나프탈렌의 것이 바람직하나 폴리카르본산계를 사용해도 무방하다. 상기 고성능 감수제는 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대해 약 1~3중량부 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 무기계 증점제는 점도 향상 외에 점착력 및 응집력을 향상시켜 재료 분리를 억제하며, 보수용 모르타르의 특징인 노화된 콘크리트 구조물 벽체 또는 천정에 바르거나 스프레이할 때에 바름 두께를 재료의 손실 없이 최대한으로 하여 매우 경제적으로 보수할 수 있다는 장점을 갖는다.

상기 무기계 증점제는 섬유와 같은 침상의 구조를 가지며 표면에 정전기를 띠 고 있는 것이 바람직하다. 상기 침상 무기계 증점제는 길이가 약 1.5 ~ 2.0 ㎛이며, 직경이 약 30 Å이다. 상기 무기계 증점제는 시멘트 성분 및 물과 혼합하여 노화된 콘크리트 구조물 벽체나 천정에 바르는 경우에는 무기계 증점재는 힘(shear stress)을 가하지 않으면 침상의 증점재가 불규칙적으로 배향하여 결국 재료가 분리되지 않고 균질하게 혼합되어 있지만, 힘을 가하면 즉, 모르타르 조성물을 노후화된 콘크리트 벽체에 바르면 한쪽 방향으로 배향하고 유동성이 향상되어 한번에 최대의 두께를 재료 손실없이 바를 수 있어 매우 경제적이라고 말 할 수 있다. 반면, 기존의 유기계 증점제는 점도가 향상으로 인해 재료 분리 등을 방지할 수 있지만, 점도가 향상된 채로 존재하기 때문에 바르거나 할 때 유동성이 좋지 않은 단점과 함께 점도로 인하여 흙손 등에 달라붙기도 하고 청소 등이 곤란하다는 단점이 있다. 상기 무기계 증점제는 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대해 약 0.02~0.08 중량부 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 조성물은 골재로 규사를 포함하며, 상기 골재는 포틀랜드 시멘트 150~300 중량부 포함되는 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 건조 모르타르 조성물은 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 대해 배합수 약 15 ~ 20 중량부를 혼합하여 시공된다.

이하 본 발명을 바람직한 실시예 및 비교예를 들어 더욱 상세하게 설명하나 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예

본 발명의 모르타르 실시예 조성물은 아래 표 1과 같다. 물 분체비는 16%로 고정하였다. 표 2는 압축강도, 휨강도, 부착강도, 길이변화율의 물리적 특성 결과이다. 부착 강도 및 휨 강도는 일본 건연식 방법으로, 압축 강도는 KS F 5105, 길이 변화율은 KS F 2424에 의해 측정하였다. 응결 시간은 길모아 시험법으로 측정하였다.

내황산성 보수 모르타르 특성은 일본 동경도 하수도국 기준에 의하였으며, 이 기준은 표 3과 같은 특성을 요구하고 있다.

구분	시멘트	고로슬래그 미분말	팽창재	증점재	고성능 감수제	고분자 수지	섬유	모래
								#4	#5	#6
실시예1	24	22	2.4	0.012	0.36	0.72	0.52	10	20	20
실시예2	25	20.75	2.5	0.0125	0.375	0.75	0.61
실시예3	26	19.7	2.6	0.013	0.39	0.78	0.52
실시예4	27	18.52	2.7	0.0135	0.405	0.81	0.54
비교예1	45	-	-	-	1	4

물리특성		실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	비교예1
압축강도 (MPa)	3일	41.9	42.3	40.6	43.6	45.5
	7일	52.5	51.5	50.9	56.3	56.3
	28일	64.5	65.8	63.2	65.7	68.5
휨강도 (MPa)	3일	7.2	7.1	6.8	6.9	1.7
	7일	8.6	8.5	8.6	8.5	2.5
	28일	12.5	11.5	13.5	12.6	3.5
부착강도 (MPa)	14일	5.8	5.9	5.5	5.4	1.0
	28일	6.8	6.9	6.5	7.0	1.2
길이변화율(×10-4)		-3.6	-3.8	-3.4	-3.6	-8.0
응결시간	초결(분)	120	120	130	125	115
	종결(분)	270	280	280	290	280

요구성능항목			성능지표	시험방법
강도특성 (압축강도: MPa)	재령	3일	25이상	JIS R 5201(20 ℃)
		28일	45이상
강도특성 (휨강도 : MPa)	재령	3일	3이상
		28일	7이상
침투확산 저항성			3이하	5% 황산용액 1주마다 교환
무수축성			-0.001이하	JIS R 5201(20 ℃)
부착 강도			1.5이상	건연식(20 ℃)
내황산성(30일간 침적후) (중량 변화율)			±10이하	5% 황산용액 1주마다 교환
시공성(흙손, 뿜칠)			1회 도포량두께 2cm까지 가능

위 표들로부터 알 수 있는 바와 같이, 측정된 물리적 특성은 일본 동경도 하수도국 기준에 모두 만족하였고, 부착 강도의 경우 KS F 4175(엷은 마무리용 벽 바름재)시험 방법으로도 측정한 결과 모두 만족하는 것으로 나타났다. 또한 상기 물리적 특성 값은 일반 보수용 모르타르로 사용해도 무관할 정도의 물성 값을 나타낸다.

도 3은 일본 동경도 하수도국 기준에 준하여 내황산성(중량 변화율) 실험한 결과를 나타낸 것이며, 도 4는 일본 동경도 하수도국 기준에 의한 침투 저항성을 나타낸 그래프이다. 도 5a 및 도 5b는 각각 비교예 및 실시예의 황산 침지 실험 후 공시체의 파단면 사진이다. 내황산성은 공시체를 제작하여 30일간 수중 양생한 후 5% 황산 용액에 침적하여 1주 마다 공시체를 꺼내어 중량 감소율과 침투 저항성을 관찰하였다. 5% 황산 용액은 1주마다 교환하였다.

도 5a 및 도 5b의 사진에서 점선 부분은 원공시체의 크기(5×5×5cm)를 나타낸다. 먼저, 도 5a를 참조하면, 비교예의 조성에 의한 일반 모르타르는 황산 침식에 의하여 공시체의 형태를 유지하지 못하고 떨어져 나간 것을 알 수 있다. 그러나, 도 5b의 실시예의 경우 모르타르의 원래 형태를 그대로 유지하는 것을 알 수 있다. 사진에서 흰 부분은 겉 표면이 황산염과 반응하여 나타난 생성물을 나타내는 것으로 황산의 침투 깊이로 나타난다.

황산 침지 실험 결과를 통하여 본 발명의 모르타르 조성물은 보수 모르타르 외에도 황산에 노출된 각종 콘크리트 구조물에 적용하며 매우 뛰어난 내구 성능을 발휘하는 것을 알 수 있다.

한편, 본 실시예의 조성물은 1회 도포시 일본 동경도 하수도국 기준인 2cm 이상을 도포할 수 있었으나, 비교예의 경우 2cm의 도포 두께를 얻기 위해 3 ~ 4회의 도포 작업이 필요하였다. 도 6은 콘크리트 판 위에 본 발명의 조성물을 1회 도포한 상태를 나타내는 사진이다.

본 발명의 조성물은 다음의 점에 있어서 노화된 콘크리트 구조물의 원래 기능을 회복시킴으로서 내구적인 콘크리트 구조물 사용에 매우 효과적이다.

1) 본 발명에서 제시한 모르타르 조성물은 점도가 증가 하지 않고 우수한 유동성이 나타나 1회 도포량이 타 모르타르에 비해 두껍게 발라져 전체적인 공사비가 절감되어 매우 경제적인 보수용 모르타르이다.

2) 특히 화학적 침식을 받는 구조물은 화학 공장과 식품 공장 등의 관련 구조물, 토양 오염 및 온천 지대의 지하 구조물, 하수도 관련 하수 관거 및 복개 구조물 등 효과가 탁월하여 화학적 침식을 받은 콘크리트 보수에는 매우 적합한 제품이라고 할 수 있다.

3) 또한 산업 부산물을 재활용하여 환경적인 면에서도 기여하고 있다.

Claims (2)

1. 포틀랜드 시멘트 100중량부;

   고로 슬래그 미분말 50~100중량부;

   팽창재 10~20중량부;

   섬유 0.5~5중량부;

   고분자 수지 0.1~5 중량부;

   고성능감수제 1~3중량부;

   무기계 증점제 0.02~0.08 중량부; 및

   규사 150~300중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트용 내황산성 보수 모르타르 조성물.
2. 삭제

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