KR100913255B1

KR100913255B1 - 단면보강용 시멘트 모르타르 조성물 및 사용공법

Info

Publication number: KR100913255B1
Application number: KR1020090042097A
Authority: KR
Inventors: 김영주
Original assignee: 김영주; 주식회사 케이닉스공사; 태경개발(주)
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2009-08-24

Abstract

본 발명의 단면보수 및 단면보강용 시멘트 모르타르 조성물은 포틀랜드 시멘트 20 ~ 40 wt%, 무기계 팽창제 3 ~ 10 wt%, 알루미나시멘트 5 ~ 30 wt%, 규사 35 ~ 60 wt%, 지르코늄(Zr) 3 ~ 8 wt%, 섬유 0.2 ~ 2.5 wt%, 폴리머 0.5 ~ 5.0 wt%, 반응성 조절제 0.3 ~ 2.0 wt%, 발수제 0.1 ~ 1.0 wt%, 계면활성제 0.3 ~ 2.0 wt%를 포함한다. 이는 종래의 보수용 모르타르에 비하여 내구성이 강하고 내구성 강화를 위한 부가적인 공정이 필요하지 않아 경제적인 면에서도 매우 유리한 효과가 있다.

Description

단면보강용 시멘트 모르타르 조성물 및 사용공법 {COMPOSITION OF CEMENT MORTAR FOR REINFORCING OF SECTION AND METHOD OF USING THEREOF }

본 발명은 단면보강용 시멘트 모르타르 조성물에 관한 것으로 더욱 상세하게는 외적인 물리 작용이나 환경에 의해서 열화가 진행된 각종 토목, 건축 콘크리트구조물을 보수, 보강하기 위한 단면보강용 시멘트 모르타르 조성물 및 사용공법에 관한 것이다.

최근 다양한 환경조건 및 시공조건하에서 염해 및 중성화 등에 의한 콘크리트 구조물의 성능저하현상이 크게 부각되고 있어, 성능저하된 콘크리트 구조물의 장수명화 및 내구성 회복에 관한 관심이 크게 증가하고 있다.

이러한 콘크리트구조물의 성능저하요인 중 염해의 경우 바닷모래의 사용량 증가와 동절기 제설재의 사용 등이 원인으로 파악되고 있으며, 중성화의 경우 대기 중의 이산화탄소 농도 증가 및 산성비 등이 원인으로 파악되고 있다.

상기와 같은 원인 등에 의하여 성능저하된 콘크리트구조물의 보수재료로서 유기계도포함침제, 무기계 도포함침제, 유,무기계 혼합형 도포함침제, 방청처리제, 단면복구제 및 표면 피복재 등 다양한 재료의 개발이 이루어지고 있으며, 보수공법에 있어서도 균열보수공법, 단면복구공법, 누수보수공법 및 표면처리공법 등 다양한 공법이 개발되고 있는 상황이다. 그 중 하나가 모르타르로써, 콘크리트구조물의 단면 보호 또는 보수용으로 사용되고 있다.

상기 보수용 모르타르의 경우 대부분이 재유화형 분말 수지나 에멀젼 수지를 고착재료로 사용하는데 이들 수지의 경우 유리전이 온도가 높아 탄성이 낮은 단점이 있다. 탄성이 낮은 경우 콘크리트와의 부착 성능이 저하될 뿐 아니라 콘크리트의 수축 팽창에 대한 대응력이 약하게 되며, 겨울철에는 수지 도막이 쉽게 파괴되어 모르타르의 물성을 저하하거나 박리 되기 쉬운 단점이 있다. 더불어 중량물의 이동에 의하여 표면에 마찰에 의한 마모가 발생하는 곳과 물의 흐름에 의한 마모, 침식이 발생하는 곳에서 내구성이 현저히 떨어진다. 대기의 환경오염에 의한 산성비에 노출이 되는 장소나 지하 하수 관련 구조물과 같이 산성의 환경에 노출이 되는 곳에서는 내식성이 현저히 저하된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 기계적 강도 향상시켜 각종 콘크리트구조물의 열화요인에 대응 및 화학적 침식 저항성을 향상시킬 수 있는 단면 보수용 시멘트 모르타르 조성물을 제공하여 품질시공을 그 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은 포틀랜드 시멘트 20 ~ 40 wt%, 무기계 팽창제 3 ~ 10 wt%, 알루미나시멘트 5 ~ 30 wt%, 규사 35 ~ 60 wt%, 지르코늄(Zr) 3 ~ 8 wt%, 섬유 0.2 ~ 2.5 wt%, 폴리머 0.5 ~ 5.0 wt%, 반응성 조절제 0.3 ~ 2.0 wt%, 발수제 0.1 ~ 1.0 wt%, 계면활성제 0.3 ~ 2.0 wt%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

계면활성제는 멜라민(Melamine)계, 나프탈렌(Naphthalene)계, 카르복실(Carboxyl)계유동화제를 사용할 수 있다.

섬유는 나일론(Nylon)계, 폴리프로필렌(Polypropylene)계, 아크릴(Acrylic)계, 아크릴아미드(AcrylicAmide)계, 셀룰로오스(Cellulose)계, 폴리비닐알콜(PolyvinylAlcohol)계, 스틸계 중에서 선택하여 사용할 수 있다.

반응성 조절제는 구연산, 소듐 글루코네이트(SodiumGluconate), 주석산, 규불화염, 메틸셀룰로오스(MethylCellulose), 에틸셀룰로오스(EtylCellulose), 보릭애시드 중에서 적어도 하나를 선택하여 사용할 수 있는 것을 특징으로 한다.

시멘트 모르타르 조성물 사용공법은 시멘트 모르타르 조성물과 물을 배합하는 단계와 상기 배합물을 대상물에 도포하는 단계를 포함하되, 상기 배합단계는 조성물 100중 대비 물 16.5를 배합하는 것을 특징으로 한다 .

본 발명에 따른 단면 보수용 시멘트 모르타르 조성물은 표면에 마찰에 의한 마모가 발생하는 곳이나 대기의 환경오염에 의한 산성비 노출이 되는 장소나 중성화 및 염해피해, 동결융해, 화학적 부식 등으로 단면보수 및 보강일 필요한 곳, 지하 상,하수관련 구조물과 같이 산성의 환경에 노출이 되는 곳에서는 기존에 범용적으로 사용되는 제품보다 내구성 및 내식성이 높다.

또한 본 발명에 따른 단면보수 및 단면보강용 시멘트 모르타르 조성물은 표면 강도가 대단히 우수하고 각종 산에 의한 부식(침식)환경으로부터 뛰어난 저항성을 가진 지르코늄(Zr)을 사용하여 높은 내식성이 있기 때문에 별도로 표면에 산에 강한 에폭시 피막을 도포하는 등의 2차 작업공정이 필요하지 않아서 경제적인 면에서도 매우 유리하다.

또한 나일론(Nylon)계, 폴리프로필렌(Polypropylene)계, 아크릴(Acrylic)계, 아크릴아미드(AcrylicAmide)계, 셀룰로오스(Cellulose)계, 폴리비닐알콜(PolyvinylAlcohol)계, 스틸계의 섬유를 2.5 wt%사용함으로써 휨강도에서 우월한 효과가 있다. 부착강도에 있어서도 아크릴(Acrylic)계, 에틸렌비닐아세테이트(EVA)계, 스티렌부타디인고무(SBR)계, 폴리비닐아세테이트(PVA)계의 폴리머를 사용하여 종래의 제품에 비하여도 우수한 효과를 보이고 있다.

본 발명의 단면보수 및 단면보강용 시멘트 모르타르 조성물은 포틀랜드 시멘 트, 무기계 팽창, 알루미나시멘트, 규사, 지르코늄(Zr), 섬유, 폴리머, 반응성 조절제, 발수제, 계면활성제를 포함한다.

상기 포틀랜드 시멘트(Portland cement)는 경화체의 물리적 강도를 확보하기 위하여 사용되는 성분이다. 포틀랜드 시멘트는 물과 반응을 하여 주요 수화생성물인 칼슘 실리케이트 수화물(Calcium Silicate Hydrate) 및 칼슘 알루미네이트 수화물(Calcium Aiminate Hydrate)을 생성함으로써 물리적인 강도를 발현시키게 한다.

포틀랜드 시멘트는 내마모성 단면복구재의 용도에 따라서 1종에서 5종의 시멘트를 사용할 수 있으며, 특히 보강을 위한 대상물이 해양 환경 및 지하에 놓인 구조물인 경우에는 황산염에 대한 침식 저항성이 우수한 5종 포틀랜드 시멘트인 내황산염 시멘트나 슬래그 시멘트 등을 사용할 수 있다. 포틀랜드 시멘트는 조성물 중 20 ~ 40wt%가 함유될 수 있다. 20wt% 미만일 경우에는 압축 및 휨강도가 낮아지는 문제점이 있고, 40wt% 초과일 경우에는 시멘트 모르타르 경화체의 수축률이 증가하여 균열의 발생 가능성이 커진다.

상기 무기계 팽창제는 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al₂O₃), 삼산화황(SO₃) 를 포함한다. (이하CaO는 C로, Al₂O₃는 A로, SO₃는

로 약칭하기로 한다.) 구체적으로 상기 무기계 팽창제는

인 물질로서 석고 및 산화칼슘(CaO) 또는 수산화칼슘[Ca(OH)₂]와 반응을 하여 팽창성 수화물인 에트링자이트(ettringite)를 생성시킨다. 이 수화물은 시멘트의 건조수축 및 경화수축에 의한 용적의 감소를 방지 함으로써 단면 복구제에 발생하기 쉬운 균열 및 들뜸을 방지하는 역할을 하는 것으로서 3 ~ 10wt%를 포함할 수 있다. 3 wt% 미만인 경우에는 경화체의 수축을 감소시키는 역할을 하지 못하고, 10 wt% 초과인 경우에는 과도한 팽창을 발생시킴으로써 팽창에 의한 균열발생, 압축강도의 저하 등 경화체에 나쁜 영향을 발생시킬 수 있다.

상기 알루미나 시멘트는 C₁₂A₇, CA, CA₂로 이루어져 있다. 알루미나 시멘트는 수화반응속도가 대단히 신속하게 일어나기 때문에 초기에 신속한 강도의 확보와 주위 환경에서 기인하는 산으로부터의 화학적 침식저항성을 높이기 위한 목적으로 첨가되는 것으로서 5 ~ 30wt%가 포함될 수 있다. 함량이 5wt% 미만일 때는 상기의 목적에 적합하지 못하다. 30wt%를 초과할 때에는 모르타르의 반응이 매우 빨라져서 시공 작업시 펌프의 압송성에 어려움을 초래한다.

상기 규사는 6호 입도의 규사와 5호 규사의 혼합물일 수 있으며, 6호 입도 규사를 40 ~ 60 wt%를 넣을 때 나머지를 5호 입도의 규사로 채워 조합하여 사용할 경우 모르타르의 작업성이 가장 우수하며, 6호 입도의 규사 비율이 증가할수록 모르타르의 작업성이 감소한다. 함량은 전체 비율의 35 ~ 60wt%를 포함할 수 있다.

상기 지르코늄(Zr)은 경도가 약 7.5로서 표면 강도가 대단히 우수하고 각종 산에 의한 부식(침식)환경으로부터 뛰어난 저항성이 있다. 본 발명에서는 325메쉬(mesh) 이하의 입자가 될 수 있으며, 내마모성 단면복구 모르타르의 마모에 대한 저항성과 각종 산에 의한 침식저항성을 높이기 위한 목적으로 첨가되는 것으로 3 ~ 8wt%를 포함할 수 있다. 이때 3wt% 미만일 때에는 마모 저항성을 높이는데 큰 효과가 없고 8wt% 초과를 사용할 경우에는 마모에 대한 저항성은 높아지지만 모르타르의 작업성능이 감소한다.

상기 섬유는 내마모성 모르타르의 휨강도를 높이기 위한 목적으로 첨가하는 것으로서 0.2 ~ 2.5wt%를 포함할 수 있다. 구체적으로는 나일론(Nylon)계, 폴리프로필렌(Polypropylene)계, 아크릴(Acrylic)계, 아크릴(Acrylic)아미드계, 셀룰로오스(Cellulose)계, 폴리비닐알콜(PolyvinylAlcohol)계, 스틸계 등의 섬유를 사용할 수 있다. 0.2 wt% 미만을 사용할 경우에는 휨강도의 향상에 큰 효과가 없고, 2.5 wt% 초과일 경우에는 모르타르의 원활한 분산ㆍ혼합성능을 크게 저해시키기 때문에 함량을 제한한다.

상기 폴리머는 콘크리트나 모르타르로 되어 있는 보수 대상물의 바탕 면 조건에 따라 크게 영향을 받지 않고 부착력을 높이기 위하여 첨가되는 것으로 0.5 ~ 5.0wt%를 포함할 수 있다. 아크릴(Acrylic)계, 에틸렌비닐아세테이트(EVA)계, 스티렌부타디인고무(SBR)계, 폴리비닐아세테이트(PVA)계를 사용할 수 있다. 사용량이 0.3 wt% 미만일 경우에는 부착력의 향상에 큰 효과가 없고 5.0 wt % 초과일 경우에는 경화체의 강도가 많이 감소하고 모르타르의 점성이 증가하게 되어 표면의 마감작업이 어렵게 된다.

상기 반응성 조절제는 시멘트의 반응속도를 조절하기 위한 목적으로 사용하는 것으로서 구연산, 소듐 글루코네이트(SodiumGluconate), 주석산, 규불화염, 메틸셀룰로오스(Cellulose), 에틸셀룰로오스(Cellulose), 보릭애시드 등의 성분 중에 서 2 ~ 4가지를 조합하여 사용할 수 있다. 함량은 0.3 ~ 2.0wt% 포함할 수 있으며, 2.0 wt% 초과하여 사용할 경우에는 시멘트의 응결시간이 매우 늦어지게 되어 시공 작업을 어렵게 하는 영향을 초래한다. 0.3wt% 미만인 경우에는 빠르게 시멘트가 응결되어 여름철에 적절한 작업시간의 확보를 어렵게 한다.

상기 발수제는 함량이 0.1 ~ 1.0wt% 포함할 수 있으며 스테아린산(CH₃(CH₂)₁₆COOH)염인 칼슘염 또는 나트륨염과, 실란계 화합물을 사용할 수 있으며, 물이 단면 보수재의 내부로 침투되어 들어감으로써 장기적으로 발생하는 구조물의 열화를 방지하는 역할을 한다. 0.2wt% 미만인 경우에는 물의 내부 확산을 방지하는 효과가 미미하고, 2wt%를 초과하여 사용할 경우에는 단면 보수재의 강도 및 부착성을 감소시키게 된다.

상기 계면활성제는 모르타르의 작업성을 향상시키기 위하여 첨가하는 것으로, 0.3 ~ 2.0wt%를 포함하며 멜라민(Melamine)계, 나프탈렌(Naphthalene)계, 카르복실(Carboxyl)계 유동화제를 사용한다. 유동화제는 0.3% 미만에서는 유동성 증진효과가 미약하기 때문에 KS규격에 오염이 되지 않은 깨끗한 물이 다량 사용되어 압축강도 및 휨강도의 감소를 유발시키며, 2.0% 초과하여 사용할 경우에는 유동성의 증진에 큰 효과가 없을 뿐만 아니라, 응결지연 및 재료분리 현상 등을 초래하기 때문에 함량을 제한한다.

실시예 1

슬래그 시멘트 23.5 wt%, 팽창제 5.0 wt%, 알루미나 시멘트 15.0 wt%, 입도조정 규사 45.0wt%, 지르코늄(Zr) 5.0wt%, 섬유 1.2 wt%, 폴리머 3.0 wt%, 반응성 조절제 1.0wt%, 발수제 0.3wt%, 계면활성제 1.0 wt%로 이루어진 속경형 내마모성 모르타르 조성물에 대하여 압축강도, 휨강도, 부착강도, 내마모성 시험을 하였으며, 그 결과는 [표 1]과 같다.

[표 1]

시험항목	단위	재령(일)	측정값
압축강도	kgf/cm²	1	240
		7	412
		28	510
휨강도	kgf/cm²	7	92
휨강도	kgf/cm²	28	115
부착강도	kgf/cm²	7	20
부착강도	kgf/cm²	28	27
마모율	%(1,000회전)		12.2
내산성	%(5% H₂SO₄ 용액침지, 28일)		-4.5
혼합수량	wt %		16.0

비교예 1

실시예 1의 배합으로 이루어진 속경형 고인성 모르타르 조성물을 종래의 단면보수 및 단면보강용 모르타르 조성물(이하 비교제품 A라 한다)과 비교하였으며, 그 결과는 [표 2]과 같다.

[표 2]

시험항목	단위	재령(일)	측정값
시험항목	단위	재령(일)	실시예1	비교예1
압축강도	kgf/cm²	1	240	75
		7	412	357
		28	510	424
휨강도	kgf/cm²	7	92	57
휨강도	kgf/cm²	28	115	78
부착강도	kgf/cm²	7	20	12
부착강도	kgf/cm²	28	27	18
마모율	%(1,000회전)		12.2	42.2
내산성	%(5% H₂SO₄ 용액침지, 28일)		-4.5	-20.4
혼합수량	wt %		16.0	16.0

상기의 [표 2]에서와 같이 범용적으로 사용되고 있는 비교제품 A는 마모가 발생하지 않는 환경에서나, 산에 대한 침식이 우려되지 않는 환경에서는 KS에 규정한 품질기준을 만족하기 때문에 사용에 문제가 없으나, 표면에 마찰에 의한 마모가 발생하는 중량물의 이동이 발생하는 곳과 물의 흐름에 의한 마모ㆍ침식이 발생하는 곳에서는 마모율이 42.2%로 내구성이 현저히 저하됨을 알 수 있다. 또한 대기의 환경오염에 의한 산성비에 노출이 되는 장소나 지하 하수관련 구조물과 같이 산성의 환경에 노출이 되는 곳에서는 기존에 범용적으로 사용이 되는 비교제품A는 -20.4%로 본발명의 -4.5%에 비해 내산성이 매우 낮기 때문에 부적절함을 알 수 있다.

상기와 같은 환경조건에서는 기존의 제품을 사용할 경우에는 별도로 표면에 산에 강한 에폭시 피막을 도포하는 등의 2차 작업공정이 필요하였으나 본 발명은 부가적인 추가 작업공정이 필요하지 않으므로 경제적인 면에서도 매우 유리함을 알 수 있다.

상기 실시예 1 내지 비교예 1의 시험은 KS F 4042에 규정된 "콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르" 시험방법에 준하여 실험을 하였으며, 내마모성 시험은 KS F 2508의 시험방법을 적용하였다.

상기 보수용 시멘트 모르타르 조성물을 이용하여 시공하는 방법은 다음과 같다.

충분한 물성발휘를 위하여 모르타르 조성물이 완전히 혼합되었는지 확인한 다음, 흙손 또는 뿜칠기를 이용하여 강하게 힘을 주어 여러 번 나누어 혼합한다. 다음에 물 배합 및 모르타르 분말의 투입량은 제조사의 지시에 따르고, 표면상태와 작업조건에 따라 증감할 수 있으며, 배합비(중량부)는

[모르타르 분말 : 물 = 100 : 16.5]

이에 따라 작업할 수 있다.

상기 혼합물은 흙손 또는 뿜칠기를 이용하여 노출된 철근 부근, 단면복구부분을 균일하게 작업하여 준다. 이 단계에서 뿜칠기는 배치믹서(강제식)와 연속펌프(모르타르용)로 구성되며 연속펌프의 압송능력에 따라 배치믹서의 용량이 결정된다. 연속펌프의 호퍼(hopper)부분에 재료가 10분 이상 머물게 되면 슬럼프(slump)저하 등으로 관 막힘 현상이 발생할 수 있으므로 1회 혼합량을 펌프의 토출량에 따라 결정한다. 제품의 신선도를 유지하기 위하여 30분 이내에 풀어 사용할 수 있는 모르타르와 물의 양을 선정한다. 처음 시공 시에는 깨끗한 물을 압송관내에 통과시켜 모르타르와 압송관 사이에서 발생하는 마찰저항을 줄여야 하며 시공 후에는 관 내부를 깨끗이 청소한다. 정량의 물을 배합기에 투입 후 모르타르 조성물을 서서 히 투입하면서 5분 정도 배합한다. 뿜칠은 지그재그로 좌에서 우 또는 우에서 좌 방향으로 진행하면서 서서히 시공두께를 높이며, 매끄럽게 마무리하는 방법을 따른다.

본 발명에 따른 단면 보수용 시멘트 모르타르 조성물은 표면에 마찰에 의한 마모가 발생하는 곳이나 대기의 환경오염에 의한 산성비 노출이 되는 장소나 지하 하수관련 구조물과 같이 산성의 환경에 노출이 되는 곳에서는 기존에 범용적으로 사용되는 제품보다 내구성이 높다.

시멘트 모르타르의 강도가 우수하다는 것은 단순히 마찰이나 충격에 강하다는 의미뿐만 아니라 콘크리트 구조물의 성능저하 요인인 염해, 중성화, 동결융해, 화학적 침식 등 콘크리트의 모든 열화요인에 대하여도 우수하게 대응할 수 있다는 것을 의미한다.

또한 본 발명은 표면 강도가 대단히 우수하고 각종 산에 의한 부식(침식)환경으로부터 뛰어난 저항성을 가진 지르코늄(Zr) 사용하여 높은 내구성이 있기 때문에 별도로 표면에 산에 강한 에폭시 피막을 도포하는 등의 2차 작업공정이 필요하지 않아서 경제적인 면에서도 매우 유리하다.

또한 나일론(Nylon)계, 폴리프로필렌(Polypropylene)계, 아크릴(Acrylic)계, 아크릴아미드(AcrylicAmide)계, 셀룰로오스(Cellulose)계, 폴리비닐알콜(PolyvinylAlcohol)계, 스틸계의 섬유를 2.5 wt%사용함으로써 휨강도에서 우월한 효과가 있다. 부착강도에 있어서도 아크릴(Acrylic)계, 에틸렌비닐아세테이트(EVA)계, 스티렌부타디인고무(SBR)계, 폴리비닐아세테이트(PVA)계의 폴리머를 사용하여 종래의 제품에 비하여도 우수한 효과를 갖는다.

Claims

포틀랜드시멘트 20 ~ 40 wt%, 무기계 팽창제 3 ~ 10 wt%, 알루미나시멘트 5 ~ 30 wt%, 규사 35 ~ 60 wt%, 지르코늄(Zr) 3 ~ 8 wt%, 섬유 0.2 ~ 2.5 wt%, 폴리머 0.5 ~ 5.0 wt%, 반응성 조절제 0.3 ~ 2.0 wt%, 발수제 0.1 ~ 1.0 wt%, 및 계면활성제 0.3 ~ 2.0 wt%를 포함하는 시멘트 모르타르 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 계면활성제는 멜라민계, 나프탈렌계, 카르복실계 및 유동화제 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 섬유는 나일론계, 폴리프로필렌계, 아크릴계, 아크릴아미드계, 셀룰로오스계, 폴리비닐알콜계, 스틸계의 섬유 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 반응성 조절제는 구연산, 소듐 글루코네이트, 주석산, 규불화염, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 및 보릭애시드 중에서 적어도 하나를 선택하여 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르 조성물.
청구항 1에 있어서,

상기 폴리머는 아크릴계, EVA계, SBR계, PVA계 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 시멘트 모르타르 조성물.
슬래그 시멘트 23.5 wt%, 팽창제 5.0 wt%, 알루미나 시멘트 15.0 wt%, 규사 45.0wt%, 지르코늄(Zr) 5.0wt%, 섬유 1.2 wt%, 폴리머 3.0 wt%, 반응성 조절제 1.0wt%, 발수제 0.3wt%, 계면활성제 1.0 wt%로 이루어진 시멘트 모르타르 조성물.
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