KR100772621B1 - 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물 - Google Patents

콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 시멘트 30∼50중량%, 골재 40∼60중량%, 메타 카올린 2∼5중량%, 유기 엑시드 아민 복합형 방청제 1∼10중량%, 칼슘 포메이트 0.01∼2중량%, 비닐아세테이트-비닐버세테이트 폴리머 0.1∼5중량%, 및 2,2-디메틸-1,3프로판디올 0.1∼2중량%를 포함하는 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물에 관한 것이다.
이와 같은 조성은 수분의 침투 억제가 매우 좋고 우수한 방청성을 발현함과 동시에 안정된 물성, 특히 강도를 발현하며 염화물에 노출되었을 경우 콘크리트 구조물을 형성하는 철근의 열화를 감소시켜 보다 안정된 구조체를 유지하는데 매우 유용한 효과를 얻을 수 있다.
콘크리트, 구조물, 보수, 폴리머, 시멘트, 모르타르, 방청제

Description

콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물{Polymer cement mortar composition for repairing concrete structure}
본 발명은 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 교량, 정수시설물, 하수시설물, 지하 암거 등과 같은 철근콘크리트 구조물이 염화물에 노출되었을 경우와 콘크리트에 여러 경로를 통해 유입된 염화물에 의한 철근 콘크리트의 열화를 감소시키기 위해 사용되는 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물에 관한 것이다.
일반 시멘트를 이용하여 만든 철근 콘크리트는 수경성분의 결합력으로 강도가 발현하게 된다. 일반 시멘트 및 골재를 사용한 철근 콘크리트 구조물이 다양한 경로에 의해 염화물에 노출되었을 때 철근의 부식에 의해 철근의 변형을 유도하여 철근 콘크리트 자체의 강도가 저하되어 미관은 물론 구조물에 심각한 영향을 주게 된다. 이때 대부분의 보수방법은 콘크리트의 표면을 제거하고, 산화된 철근의 교체 및 일반 보수용 시멘트 모르타르로 보수 보강조치를 한다.
이러한 철근의 부식을 방지하기 위한 현재의 방청방법은 금속전자와 수산 기(OH), 또는 산소(O)의 접촉을 방청 보수 모르타르로 1차적으로 차단함으로써 부식을 방지하는 방법을 사용하는데, 이러한 방청 보수 모르타르의 대부분이 양극형 방청제를 사용하고, 여기에 사용되는 주요 원료가 아초산염이다. 즉, 부동태 피막을 형성하여 양극반응을 억제하는 아초산염의 기능을 이용한 것이다. 양극형 방청제는 방청력이 매우 커서 비교적 소량으로도 효과를 얻지만 사용량이 불충분하거나 첨가된 아초산염의 분산이 적당하지 않으면 부식이 국부적으로 집중되는 경우가 있으며 초기에 유동성을 급격히 저하시키는 경우가 있어 사용량, 특히 분말 형태의 사용에 있어서 주의가 필요하다.
아울러, 기존의 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물에 관련된 특허문헌을 살펴보면, 한국 등록특허 제0502279호에서는 무기질 결합제(시멘트)와 유기계 결합제(재유화형 분말수지)를 혼합한 결합제에 첨가제로서 몰리브데이트계염과 아질산염을 혼합하여 사용한 철근 방청용 분말형 코팅제 제조방법 및 그 코팅제를 개시하고 있다.
또한, 한국 등록특허 제0499343호에서는 양극형 무기염과 산화방지제인 탄닌을 포함하는 방청기능을 갖는 콘크리트용 방수재 조성물을 제공하고, 한국 등록특허 제0515948호에서는 아질산계 하이드로탈사이트 또는 하이드로칼루마이트를 함유하는 단면복구용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 철근콘크리트 구조물의 철근부식억제 보수공법을 개시하고 있다.
그러나, 현재 사용되고 있는 보수재료의 대부분이 염화물에 재노출되었을 경우 다시 철근의 부식이 진행하게 되어 다시 보수해야 하는 결과를 가져온다.
따라서, 본 발명은 상기와 같이 철근 콘크리트가 염화물에 노출되었거나 노출의 위험이 있는 철근콘크리트 보수에 관한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 철근콘크리트가 염화물에 노출되었을 때 철근의 부식을 억제하여 구조적인 안정을 발휘하도록 방청성능이 높은 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물은 시멘트 30∼50중량%, 골재 40∼60중량%, 메타 카올린 2∼5중량%, 유기 엑시드 아민 복합형(Organic Acid amine complex) 방청제 1∼10중량%, 칼슘 포메이트(Calcium formate) 0.01∼2중량%, 비닐아세테이트-비닐버세테이트 폴리머(vinylacetate-vinyl versatate polymer) 0.1∼5중량%, 및 2,2-디메틸-1,3프로판디올 0.1∼2중량%를 포함한다.
이하, 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물을 이용한 방청 방법은 금속전자와 수산기(OH) 및/또는 산소(O)의 접촉을 차단하는 1차적인 방법 외에 주변 환경으로부터 부식 반응이 일어나는 싸이클을 차단함으로써 보다 안정된 방청효과를 가져오는 방법이다. 즉, 방청제 성분과 금속표면의 금속 이온이 공유 결합하여 OH 및/또는 O기의 접촉을 차단하여 방청효과를 주는 것 이외 에 방청제의 물리적 차단 효과(공기 및/또는 습기의 차단)에 의해 OH 및/또는 O기의 통과를 차단하여 추가적인 방청 작용을 한다.
본 발명에서는 시멘트 및 골재로 구성된 콘크리트 구조물 보수용 시멘트 모르타르 조성물의 주 방청제로 흡착성 방청제인 유기 엑시드 아민 복합형(Organic Acid amine complex) 방청제를 사용하고, 그 사용량은 전체 모르타르 조성물에 대하여 1∼10중량%이다. 상기 유기 엑시드 아민 복합형 방청제는 철근의 표면에 흡착하여 부식성 물질인 염화물이 철의 표면에 접촉하는 것을 저지하는 기능을 한다.
상기 유기 엑시드 아민 복합형 방청제로는 알킬암모니움 염(Alkyammonium salt), 아미노카복실레이트 염(Aminocarboxylate salt) 등이 있으며, 이의 사용량이 1중량% 미만이면 부식 억제 능력이 저하되며, 10중량%를 초과하면 모르타르의 응결 및 강도발현이 저하되는 단점이 있다.
본 발명에서는 상기 유기 엑시드 아민 복합형 방청제 이외에 수분의 침투를 억제하기 위하여 발수성이 우수한 칼슘 포메이트를 같이 사용하였으며, 피착면과의 접착을 증가시키기 위하여 비닐아세테이트-비닐버세테이트 폴리머를 재분산 수지로 첨가하였다.
한편, 작업성 향상을 위해서는 일반적으로 계면활성제를 사용하는데, 이러한 계면 활성제가 스프레이 할 때 분사관 내의 마찰력에 의해 추가적인 계면활성이 이루어져 모르타르가 피착면에 부착되었을 때 흘러내리는 현상이 자주 나타나 본 발명에서는 이러한 계면 활성제를 사용하지 않았으며 골재와 상기 폴리머를 이용해 동일한 작업성을 가지도록 조정하였다.
본 발명에 있어서, 상기 칼슘 포메이트의 사용량이 0.01중량% 미만이면 발수 능력이 매우 낮게 되며, 2중량%를 초과하면 방수 능력은 향상하나 작업성이 저하되며 강도의 저하를 가져오는 경향이 있고, 상기 비닐아세테이트-비닐버세테이트 폴리머의 사용량이 0.1중량% 미만이면 접착력 증강에 영향을 주지 않으며, 5중량%를 초과하면 모르타르의 점력이 증가하며 작업성이 저하되며 몰탈 가격을 상승시키는 단점이 있다.
일반적으로 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물은 시멘트가 주 결합제로 시멘트는 물을 사용하여 경화되는 수경재료이다. 따라서 시멘트 입자의 표면 장력에 의해 물 분자가 상당량 결합되어 전체적으로 팽윤이 되어 소성상태에서 균열의 원인이 되기도 한다. 본 발명에서는 시멘트 입자의 표면 장력을 감소시켜 물 사용량을 감소시켜 소성 상태에서의 균열을 감소시키기 위해 표면장력 감소제인 2,2-디메틸-1,3프로판디올(이하 "NP 글리콜(Glycol)"이라고도 함)을 첨가하였다.
상기 NP 글리콜의 사용량은 0.1∼2중량%가 바람직하고, 0.1중량% 미만이면 모르타르의 균열 감소에 영향을 주지 못하며, 2중량%를 초과하면 모르타르의 응결에 영향을 주어 초기 강도를 저하하는 경향이 있다.
한편, 본 발명에서는 시멘트, 골재(경량 골재 포함) 및 미세충진제로 메타 카올린을 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물의 통상적인 범위인 각각 30∼50중량%, 40∼60중량%, 및 2∼5중량%의 범위로 사용하며, 이러한 범위가 보수된 콘크리트 구조물의 기계적 특성을 유지할 수 있어 바람직하다.
이와 같이, 본 발명은 방청 효과가 우수한 유기 엑시드 아민 복합형 방청제와 칼슘 포메이트 및 수축 보상을 위해 수축 저감제인 순도 90%이상의 2,2-디메틸-1,3-프로판디올, 그리고 재분산 수지, 미세 충진제 및 시멘트와 골재로 구성된 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물이다.
이 외에 본 발명에 따른 조성물은 칼슘 설포알루미네이트 시멘트 2∼8중량%, 습윤제(Wetting agent) 0.1∼2중량%, 섬유 0.1∼0.3중량% 또는 이들의 혼합물 등을 더욱 포함하여 각 성분의 기능성이 부가된 형태로 조성될 수 있으며, 상기 성분의 사용량의 범위는 당 업계에 통상적으로 알려진 범위 내에서 적절히 조절이 가능하며, 특별히 제한받는 것은 아니다.
이와 같은 조성은 보수된 구조물의 모르타르 내 수분의 침투 억제가 매우 좋고 우수한 방청성을 발현함과 동시에 안정된 물성, 특히 강도를 발현하며 염화물에 노출되었을 경우 콘크리트 구조물을 형성하는 철근의 열화를 감소시켜 보다 안정된 구조체를 유지하는데 매우 유용한 효과를 얻을 수 있다.
이하 실시 예 및 비교 예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시 예 1
보통 포틀랜드 시멘트 45중량%, 메타카올린 3중량%(수입사: 케미우스, 제품명: 메타멕스), 골재(규사) 48중량%, 유기 엑시드 아민 복합형 방청제(제조사: 하 록스, 제품명: 하록스570) 2중량%, 칼슘 포메이트 0.5중량%, 비닐아세테이트-비닐버세테이트 폴리머(제조사: 에로텍스, 제품명: WS73) 1중량%, 및 2,2-디메틸-1,3프로판디올 0.5중량%로 이루어진 폴리머 시멘트 모르타르 100중량부에 물 18중량부를 혼합시켜 본 발명의 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물을 제조하였다.
실시 예 2
보통 포틀랜드 시멘트 40중량%, 메타카올린 3중량%, 골재(규사) 48중량%, 유기 엑시드 아민 복합형 방청제(제조사: 하록스, 제품명: 하록스 570) 4.5중량%, 칼슘 포메이트 0.5중량%, 비닐아세테이트-비닐버세테이트 폴리머(제조사: 에로텍스, 제품명: WS73) 3중량%, 및 2,2-디메틸-1,3프로판디올 1중량%로 이루어진 폴리머 시멘트 모르타르 100중량부에 물 18중량부를 혼합시켜 본 발명의 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물을 제조하였다.
비교 예 1
보통 포틀랜드 시멘트 49.3중량%, 골재(규사) 50중량%, 폴리머(셀룰로오즈계)(제조사: 허쿨레스, 제품명: 나트로졸250) 0.7중량%로 이루어진 시멘트 모르타르 100중량부에 물 18중량부를 혼합시켜 시멘트 모르타르 조성물을 제조하였다.
비교 예 2
보통 포틀랜드 시멘트 49.3중량%, 골재(규사) 50중량%, 폴리머(셀룰로오즈계)(제조사: 허쿨레스, 제품명: 나트라졸250) 0.5중량%, 아초산계 방청제(제조사: 화인케미칼, 제품명: CA2000) 0.1중량%, 및 증점제(제조사: 삼성정밀화학, 제품명: 40HS) 0.1중량%로 이루어진 시멘트 모르타르 100중량부에 물 18중량부를 혼합시켜 시멘트 모르타르 조성물을 제조하였다.
상기 실시 예 및 비교 예에서 얻은 시편을 이용하여 그 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
항 목 비교 예 1 비교 예 2 실시 예 1 실실시 예 2
압축강도(N/mm2) 51.2 51.6 52.3 53.2
휨강도(N/mm2) 9.4 9.6 9.8 10.2
내알칼리성(N/mm2) 47.8 47.8 49.5 50.8
중성화 저항성(mm) 1.6 1.6 1.2 1.0
투수량(g) 5.3 5.4 4.6 4.4
물흡수계수(kg/(m2.h0 .5) 0.39 0.39 0.30 0.27
습기투과저항성(m) 0.42 0.41 0.32 0.29
부착강도 (N/mm2) 표준조건 0.8 1.6 1.8 2.2
온냉 반복 후 0.6 1.4 1.6 2.0
염화물 이온침투저항성* 814 590 582 560
방청성(∑Ｉ) 85% 88% 94% 98%
* 염화물 이온 침투 저항성: 시험 방법은 KSF 4042 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르의 시험 방법으로 실시하였다. 일반 보수 모르타르(비교 예 1)는 프라이머를 사용하지 않았다.
방청제 성능 시험은 KSF2561 철근 콘크리트용 방청제 시험규격을 응용하여 실시하였고, 부식 시험 장치는 오토클레이브(약 180℃, 1.0MPa-5시간 유지)를 사용하였다.
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 압축강도, 휨강도 및 부착강도와 같은 강도 발현 성능은 결합제인 시멘트의 비율이 유사함에 따라 큰 차이를 보이지 않지만 재분산 수지가 함유된 실시 예 1 및 2가 다소 높게 나타났다. 중성화 저항성 및 투수량은 엑시드 아민계 방청제와 칼슘 포메이트를 사용한 시편이 더 우수한 결과를 나타냈으며 동일 조건에서는 재분산성 수지가 많을수록 성능이 우수해져 졌다. 물 흡수 계수 및 습기 투과 저항성은 재분산 수지 및 칼슘 포메이트를 첨가함에 따라 증가하였다. 이온 침투 저항성은 일반 배합에 비해 방청제를 첨가한 시편에서 우수한 성능을 나타냈으며 재분산 수지가 함유된 시편이 더 우수한 성능을 발현하였다. 특히, 실시 예 1 및 2에 따른 모르타르의 방청성능은 비교 예의 시편과 비교해서는 매우 우수하였다.
일반 보수 모르타르(비교 예 1) 및 기존 방청 보수 모르타르(비교 예 2)와 비교해서 실시 예 1 및 2에 따른 모르타르는 모두 우수한 결과를 얻었으며 특히 실시 예 2에 따른 시편이 매우 우수하게 나타났다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방청 보수 모르타르 조성물은 콘크리트 구조물의 보수에 필요한 강도 이상을 발현하며 콘크리트 열화와 관련된 시험 항목에서 우수한 결과를 보였다. 상대적으로 일반 보수 모르타르와 비교한 결과 이는 매우 우수한 성능이며 염화물의 침투가 예상되는 교량 및 주차장, 해안 건축물의 보수에 우수하게 사용될 수 있음을 보여주는 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물이다.

Claims (3)

  1. 시멘트 30∼50중량%, 골재 40∼60중량%, 메타 카올린 2∼5 중량%, 알킬암모니움 염 방청제 1∼10중량%, 칼슘 포메이트 0.01∼2중량%, 비닐아세테이트-비닐버세테이트 폴리머 0.1∼5중량%, 및 2,2-디메틸-1,3프로판디올 0.1∼2중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 조성물이 칼슘 설포알루미네이트 시멘트 2∼8중량%, 습윤제(Wetting agent) 0.1∼2중량%, 섬유 0.1∼0.3중량% 또는 이들의 혼합물을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르 조성물.
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