KR100944207B1 - 방청성과 내진성능을 갖는 콘크리트 구조물 보수용 모르터조성물 - Google Patents

방청성과 내진성능을 갖는 콘크리트 구조물 보수용 모르터조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모르터 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트 구조물의 보수에 사용되는 모르터 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 의한 콘크리트 구조물 보수용 모르터 조성물은 시멘트; 실란 커플링제를 이용하여 제조되는 표면개질 처리액에, 알루미늄 실리케이트를 주성분으로 하는 미세 중공체 분말을 침지, 여과하여 얻어지는 표면개질 처리된 미세 중공체 분말; 상기 표면개질 처리액에 천연 셀룰로스 섬유을 침지, 여과하여 얻어지는 표면개질 처리된 천연 셀룰로스 섬유; 재유화형 분말 수지; 소포제; 아연; 실란 커플링제의 산 수용액에 흑연을 침지, 여과하여 얻어지는 표면개질 처리된 흑연; 규사; 슬래그; 실리카퓸; 및 유동화제를 포함한다. 본 발명에 의한 모르터 조성물은 철근의 부식을 방지하고, 반복되는 진동에 대한 균열 저항성을 가진다.
모르터, 보수용, 알루미늄 실리케이트, 실록산 가교결합, 중공체, 방청성, 내진성, 천연 셀룰로스 섬유

Description

방청성과 내진성능을 갖는 콘크리트 구조물 보수용 모르터 조성물{RUST-RESISTANT AND EARTHQUAKE-RESISTANT MORTAR COMPOSITION FOR REPAIR OF CONCRETE STRUCTURE}
본 발명은 모르터(mortar) 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트 구조물의 보수에 사용되는 모르터 조성물에 관한 것이다.
교량, 항만, 발전소등 대부분의 콘크리트 구조물이 열화되어 부식이 진행된 경우, 열화 부위를 제거하고 이 부위에 보수 및 충진을 위하여 보수용 모르터를 사용하게 된다.
그러나, 기존의 보수용 모르터의 경우, 철근의 부식 또는 구조물의 진동에 의한 균열 등으로 인하여 보수 후 균열이 다시 발생되어 구콘크리트로부터 충진 모르터가 탈락되는 현상이 발생된다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로서, 철근의 부식을 방지하고, 반복되는 진동에 대한 균열 저항성을 갖는 콘크리트 구조물 보수용 모르터 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 방청성과 내진성능을 갖는 콘크리트 구조물 보수용 모르터 조성물은 시멘트; 실란 커플링제를 이용하여 제조되는 표면개질 처리액에, 알루미늄 실리케이트를 주성분으로 하는 미세 중공체 분말을 침지, 여과하여 얻어지는 표면개질 처리된 미세 중공체 분말; 상기 표면개질 처리액에 천연 셀룰로스 섬유을 침지, 여과하여 얻어지는 표면개질 처리된 천연 셀룰로스 섬유; 재유화형 분말 수지; 소포제; 아연; 실란 커플링제의 산 수용액에 흑연을 침지, 여과하여 얻어지는 표면개질 처리된 흑연; 규사; 슬래그; 실리카퓸; 및 유동화제를 포함한다.
본 발명에 의한 방청성과 내진성능을 갖는 콘크리트 구조물 보수용 모르터 조성물은 철근의 부식을 방지하고, 반복되는 진동에 대한 균열 저항성을 가진다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 방청성과 내진성능을 갖는 콘크리트 구조물 보수용 모르터 조성물은 시멘트, 미세 중공체 분말, 천연 셀룰로스 섬유, 재유화형 분말 수지, 소포제, 아연, 흑연, 규사, 슬래그(slag), 실리카퓸(silica fume), 및 유동화제를 포함한다. 여기서, 미세 중공체 분말과 천연 셀룰로스 섬유는 실란 커플링제를 이용하여 제조되는 표면개질 처리액으로 표면개질 처리된 것을 사용하게 되고, 흑연은 실란 커플링제로 표면개질 처리된 것을 사용하게 된다.
이하에서 본 발명의 조성물의 각 성분을 구체적으로 설명한다.
먼저, 시멘트는 통상 사용되는 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것이 바람직하다.
미세 중공체 분말은 알루미늄 실리케이트를 주성분으로 하고, 통상 30~100㎛ 크기를 가지며, 폐쇄 공기층의 세라믹 피막을 형성하여 경량화와 단열효과를 나타낸다. 또한, 8대 유해 중금속은 물론 휘발성 유기 화합물도 함유되어 있지 않고 독성이 전혀 없는 환경 친화적인 소재로서, 용융점이 약 1,800℃인 불연 소재이다.
또, 피막의 압축 강도가 3,000N/cm3 정도로서 매우 단단한 구조로 이루어져 있고 내구성이 뛰어나며, 반영구적인 단열 효과를 발현하는 소재이다. 이는 여름철 태양 복사열 차단 효과(유리 섬유 200mm, 우레탄폼 100mm와 대등)는 물론, 겨울철 실내 대류에 의한 열손실 차단 효과(유리 섬유 50mm, 우레탄폼 25mm와 대등)가 매우 탁월하며, 또한 겨울철 실내외 온도차에 의한 결로 방지 효과도 매우 우수하다.
이밖에 자외선을 약 89% 차단시켜 주고, 자외선에 의한 체감 온도 상승을 억제하며, 물성 측면에서는 부식 방지 성능(내산성, 내알칼리성 및 내후성)이 탁월하 며, 방충성, 방음성, 내마모성, 내충격성 등이 우수하다.
하기 표 1은 전술한 미세 중공체 분말의 물리, 화학적 성능을 나타낸 것이다.
Figure 112008054566503-pat00001
한편, 도 1의 (a)는 미세 중공체 분말을 확대 촬영한 사진이고, (b)는 미세 중공체 분말을 분쇄하여 구형 중공체가 파단된 상태를 확대 촬영한 사진이다.
이 사진들로부터 미세 중공체 분말이 구형 입자로 이루어져 있으며, 이 구형 입자가 중공체라는 것을 확인할 수 있다.
한편, 실란 커플링제는 가수분해 반응을 통하여 실록산 가교결합된 구조를 형성하고, 이것이 중공체 표면의 수산기와 결합되어 분산이 용이하고 화학적으로 안정된 상태를 달성하게 된다. 이러한 실란 커플링제로서는 메틸트리메톡시실란, 데실트리메톡시실란, 에폭시실란, 아미노실란, 페닐실란, 테트라에톡시실란, 그리시독시트리트리메톡시실란 중 적어도 하나인 이상인 것이 바람직하다.
Figure 112008054566503-pat00002
[그림 1]
상기 그림 1은 실록산 가교결합이 형성되는 과정을 설명하기 위한 것이다. 실란 커플링제가 반응하여 실록산 결합이 형성되고, 가수분해, 중축합(탈수, 탈알콜) 반응을 통하여 실록산 가교결합된 구조가 형성된다. 특히 상기 탈수 반응을 통해서는 실록산의 3차원 망목구조가 형성된다.
상기 가수분해, 중축합(탈수, 탈알콜) 반응의 반응식은 아래와 같다.
- 가수분해 반응 : Si(OR)n＋XH2O → Si(OH)x(OR)n-x＋ROH
- 중축합 반응
탈수 반응 : -Si-OH＋H-O-Si- → -Si-O-Si-＋H2O (3차원 망목구조 형성)
탈알콜 반응 : -Si-OH＋R-O-Si- → -Si-O-＋ROH
이러한 반응과정을 통하여 생성된 실록산 가교결합된 실록산계 생성물은 분자량이 2,000∼3,000의 저분자 형태를 띠기 때문에 다공성의 무기재료에 대하여 침투력이 우수할 뿐만 아니라 불용성 구조로서 미량의 수분과도 반응하지 않는 성질무기질계 폴리머 박막을 얻을 수 있다.
실록산 가교결합이 형성된 표면개질 처리액을 이용하여 전술한 미세 중공체 분말을 표면개질 처리하게 된다. 표면개질 처리는 미세 중공체 분말을 표면개질 처리액에 침지한 다음 여과하여 건조시키는 방법으로 행해진다.
이렇게 결합된 결합체는 친수기와 소수기를 동시에 갖기 때문에, 친수기는 유기재료와의 결합이 용이하고, 소수기는 무기재료와의 결합이 용이한 특성을 갖게 된다.
이렇게 표면개질 처리된 미세 중공체 분말은 진동에 의한 탄성 거동 유도 및 완충 작용으로 모르터 자체의 진동에 대한 유도 및 저항성을 가지게 한다.
한편, 천연 셀룰로스 섬유는 콘크리트 구조물에 첨가하는 첨가제로 개발된, 나무의 펄프에서 취한 천연 섬유를 말한다. 이러한 천연 셀룰로스 섬유로서 바람직한 것으로는, 섬유의 길이가 약 2,000㎛이고, 밀도가 약 20g/ℓ이며, 색상이 흰색인 것을 들 수 있다.
이러한 천연 셀룰로스 섬유는 합성 수지계 섬유와 달리 천연 목재에서 추출된 섬유로서 환경 친화적이고, 섬유 표면이 친수성이므로 물리적인 수분의 흡착이 용이하여 젖음성이 양호하고, 접착 기구 측면에서 적합한 성질을 가지고 있다.
일반적으로 섬유 강화 콘크리트의 응력을 나타내는 식을 살펴보면 σ= 1/2VfgΓ(Lf/df)의 형태로 표시되는데, 여기서 혼입되는 섬유에 관한 것으로 가장 중요한 것은 Lf/df항이다. Lf는 섬유의 길이, df는 섬유의 직경을 나타내며, 이는 섬유의 형상을 나타낸다.
섬유 직경의 경우, 일반적으로 탄소 섬유는 8~20㎛, 합성 수지는 10~200㎛, 강섬유는 150~500㎛ 정도인데, 섬유 직경은 기계적 성능에 중요한 영향을 미치는 인자이다.
또 다른 중요한 사항은 식의 Γ값인데, 이는 섬유와 콘크리트 간의 계면 접착력을 나타내고, 이의 개선을 위하여 섬유 표면의 개질 처리가 요구된다. 본 발명에서는 이점에 주안점을 두고, 모르터에 섬유를 혼입하기 전에 섬유 표면을 코팅 처리하는 공법을 도입하였는데, 이 코팅 처리에 사용되는 것이 바로 전술한 표면개질 처리액이다. 하기 그림 2는 상기 표면개질 처리액으로 처리된 천연 셀룰로스 섬유를 모식적으로 나타낸 것이다.
Figure 112008054566503-pat00003
[그림 2]
상기 그림 2에서 알 수 있는 바와 같이, 표면개질 처리된 천연 셀룰로스 섬유의 표면은 섬유에 친수기가 존재하고, 바깥쪽에 실록산 구조의 수소기가 결합되어 있다. 이러한 섬유가 보수용 모르터 내의 시멘트 성분이 수화되면서 시멘트 겔체가 형성되어 실록산 부분과 수소 결합이 진행되기 때문에, 콘크리트와 화학적으로 일체화된 화학 결합을 유도할 수 있다.
이러한 이유로 인하여 섬유와 콘크리트 간의 계면 상태는 약한 수소 결합을 유지하면서, 섬유 표면 특성이 소수성으로 바뀌기 때문에 수분의 접촉을 반발하고자 하는 성질을 가지게 된다.
따라서, 이러한 구조물에 내부적 응력이나 외부적 응력이 가해질 때, 일정한 응력 한계값을 초과하게 될 경우, 섬유와 콘크리트 간의 약한 수소 결합이 끊어지고, 계면에서는 소수성의 제2의 표면이 생성되면서 오일 효과(oil effect)에 의하여 미끄러지는 현상이 반복되는 결과를 나타내게 된다. 즉, 섬유가 파단되지 않고 콘크리트로부터 뽑히는 현상(pull off)이 발생되어, 계면에서 크랙 가교(crack bridge)역할을 하기 때문에 보수용 모르터의 균열 저항성이 대폭 향상된다.
상기 그림 2에서와 같이 섬유 표면에는 수용성 합성 수지가 결합되어 있고 외측에는 비정질형의 무기질 실록산 결합이 분포되어 있기 때문에, 시멘트 성분의 수화 과정에 실록산과 수소 결합이 가능하도록 하였다. 따라서 모르터 내에서 섬유의 분산이 용이하여 경화 후에 섬유가 균일하게 분포되어, 기존의 섬유 혼입에서 문제가 되었던 분산성을 해결하였으며, 이로 인해 모르터의 균열 저항성이 크게 증가된다.
한편, 본 발명의 모르터 조성물은 재유화형 분말 수지를 포함한다. 재유화형 분말 수지로서는 비닐아세테이트/아크릴레이트 공중합체, 스티렌/아크릴레이트 공중합체, 비닐아세테이트/비닐에스테르 공중합체, 비닐아세테이트/VeoVa/아크릴산에스테르 터폴리머 등을 들 수 있다. 이 중에서 스티렌/아크릴레이트 공중합체가 바람직하다. 이러한 재유화형 분말 수지를 모르터에 첨가함으로써 높은 강도를 유지함과 동시에 내구성과 작업성을 확보할 수 있게 된다.
또, 본 발명의 모르터 조성물은 아연, 및 실란 커플링제로 표면개질 처리된 흑연을 포함한다. 아연은 희생 양극, 표면개질 처리된 흑연은 아연과 철근을 이어주는 전도 역할을 하는 전기 방식을 적용하여, 적은 함수량에도 방식을 가능케 할 뿐만 아니라, 강재의 근접 부위 방식에서 내부 방식의 효과를 갖게 한다. 흑연을 실란 커플링제로 표면개질 처리하는 것은, 소수성을 갖는 흑연분말을 친수성으로 처리하여, 모르터 내부에서 적은 함수량에도 방식을 가능케 할 뿐만 아니라, 강재의 근접 부위 방식에서 내부 방식의 효과를 갖게 하기 위해서이다.
이밖에 본 발명의 모르터 조성물은 소포제, 규사, 슬래그(slag), 실리카퓸(silica fume), 및 유동화제를 포함한다. 이들은 보수용 모르터 조성물에 통상적으로 사용되는 것으로서 이미 알려져 있는 것들이다. 따라서 그 설명을 생략한다.
본 발명의 모르터 조성물은 시멘트 20~35중량%, 표면개질 처리액으로 표면개질 처리된 미세 중공체 분말 6~20중량%, 표면개질 처리액으로 표면개질 처리된 천연 셀룰로스 섬유 0.5~4중량%, 재유화형 분말 수지 0.5~4중량%, 소포제 0.1~1중량%, 아연 5~20중량%, 실란 커플링제로 표면개질 처리된 흑연 2~6중량%, 규사 25~40중량%, 슬래그 0.5~4중량%, 실리카퓸 1~6중량%, 및 유동화제 0.5~2중량%를 함유하는 것이 바람직하다.
시멘트의 함량이 20중량% 미만이면 소요의 압축강도가 저하되고, 그 함량이 35중량%를 초과하면 압축강도는 증가하나 소요의 작업성이나 가사시간이 감소된다.
표면개질 처리액으로 표면개질 처리된 미세 중공체 분말의 함량이 6중량% 미만이면 전술한 중공체의 성능을 발휘하기가 어렵고, 그 함량이 20중량%를 초과하면 중공체의 성능은 증가하나 작업성이 나빠진다.
표면개질 처리액으로 표면개질 처리된 천연 셀룰로스 섬유의 함량이 0.5중량% 미만이면 전술한 섬유의 성능을 발휘하기가 어렵고, 그 함량이 4중량%를 초과하면 작업성이 나빠진다.
재유화형 분말 수지의 함량이 0.5중량% 미만이면 내구성과 작업성이 저하되고, 그 함량이 4중량%를 초과하면 강도 저하와 건조 수축에 의한 균열이 발생할 수 있다.
소포제의 함량이 0.1중량% 미만이면 거품발생과 강도 저하의 요인이 되고, 그 함량이 1중량%를 작업성과 부착성이 저하된다.
아연의 함량이 5중량% 미만이면 모르터 내부의 방청성이 저하되고, 그 함량이 20중량%를 초과하면 모르터의 수화반응이 정상적으로 진행되지 않는다.
실란 커플링제로 표면개질 처리된 흑연의 함량이 2중량% 미만이면 모르터 내부에서 전도 역할이 부족하여 방청성을 저하시키게 되고, 그 함량이 6중량%를 초과하면 방청성 저하와 모르터의 강도 저하의 요인이 된다.
규사의 함량이 25중량% 미만이면 소요의 압축강도와 응결속도 및 작업성에 나쁜 영향을 주고, 그 함량이 40중량%를 초과하면 역시 소요의 압축강도와 응결속도 및 작업성에 나쁜 영향을 준다.
슬래그의 함량이 0.5중량% 미만이면 소요의 압축강도와 응결속도 및 작업성에 나쁜 영향을 주고, 그 함량이 4중량%를 초과하면 역시 소요의 압축강도와 응결속도 및 작업성에 나쁜 영향을 준다.
실리카퓸의 함량이 1중량% 미만이면 소요의 압축강도와 응결속도 및 작업성에 나쁜 영향을 주고, 그 함량이 6중량%를 초과하면 역시 소요의 압축강도와 응결속도 및 작업성에 나쁜 영향을 준다.
유동화제의 함량이 0.5중량% 미만이면 소요의 작업성이 나빠지고, 그 함량이 2중량%를 초과하면 역시 소요의 작업성이 나빠진다.
본 발명의 모르터 조성물에서, 아연 및 표면개질 처리된 흑연의 중량비가 2:1~4:1인 것이 바람직하며, 3:1인 것이 더 바람직하다. 그 중량비가 2:1 미만이면(즉, 아연의 비가 2보다 작으면) 방청성능이 저하되고, 4:1을 초과하면(즉, 아연의 비가 4보다 크면) 응결속도 및 수화반응에 나쁜 영향을 준다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
<실시예>
제조예 1 ( 표면개질 처리액의 제조)
증류수에 질산을 용해시켜 pH가 2~3이 되도록 희석한 질산 수용액 21.6중량%, 이소프로필알코올 25.2중량%, 에틸알코올 21.6중량%, 노르말 헥산 2.7중량%, 실란 커플링제로서 메틸트리메톡시실란(TSL8113(상품명, 일본 도시바사 제조)) 16.2중량%, 실란 커플링제로서 데실트리메톡시실란(KBM3103C(상품명, 일본 신에츠사 제조)) 1.8중량%, 아크릴 수지 10중량%, 아세톤 0.9중량%를 혼합하여 표면개질 처리액을 제조한다.
제조예 2 ( 표면개질 처리액으로 표면개질 처리된 미세 중공체 분말의 제조)
상기 제조예 1에서 제조된 표면개질 처리액에, 알루미늄 실리케이트를 주성분으로 하고 크기가 30~100㎛인 미세 중공체 분말을 침지한다. 다음에 미세 중공체 분말을 여과하고 300~400℃에서 2~3시간 건조시켜 표면개질 처리된 미세 중공체 분말을 제조한다.
제조예 3 ( 표면개질 처리액으로 표면개질 처리된 천연 셀룰로스 섬유의 제조)
상기 제조예 1에서 제조된 표면개질 처리액에, 천연 셀룰로스 섬유로서 ARBOCEL FIF 400(상품명, 독일 J. RETTENMAIER ＆ SOHNE GMBH+ CO 제조)을 침지한다. 다음에, 천연 셀룰로스 섬유를 여과하고 건조시켜 표면개질 처리된 천연 셀룰로스 섬유를 제조한다.
제조예 4 ( 실란 커플링제로 표면개질 처리된 흑연의 제조)
흑연을 250℃의 히팅 장비에서 1시간 동안 건조시키고 18~22℃로 냉각한다. 그리고 아세톤으로 워싱 처리를 한 후 다시 250℃의 건조로에서 1시간 동안 건조시킨다. 다음에, pH 5~5.5의 산 수용액에 실란 커플링제로서 테오스실란 TS-8124(상품명, 미국 다우코닝사 제조)와 상기 건조된 흑연을 넣고 20분간 교반한 다음, 흑연을 여과하여 120℃의 건조로에서 1시간 동안 건조시킨 후 18~22℃로 냉각하여 표면개질 처리된 흑연을 제조한다.
실시예
포틀랜드 시멘트 27중량%, 상기 제조예 2에 의해 제조된 표면개질 처리된 미세중공체 분말 13중량%, 상기 제조예 3에 의해 제조된 표면개질 처리된 천연 셀룰로스 섬유 2중량%, 재유화형 분말 수지로서 Vinapass LL564(상품명, 케미콘사 제조) 2중량%, 소포제로서 agitan P803(상품명, 케미콘사 제조) 0.5중량%, 아연 12중량%, 상기 제조예 4에 의해 제조된 표면개질 처리된 흑연 4중량%, 규사로서 #4, #6, #8(규격, 진성사 제조) 33중량%, 슬래그 2중량%, 실리카퓸 3.5중량%, 및 유동화제로서 peramin SMF(상품명, 케미콘사 제조) 1중량%를 혼합하여 콘크리트 구조물 보수용 모르터 조성물을 제조한다.
이와 같이 제조된 모르터 조성물은, 전술한 바와 같이 철근의 부식을 방지하고, 반복되는 진동에 대한 균열 저항성을 갖는 외에도, 경량화가 가능하고, 내구성, 난연성, 단열성, 항균성을 가진다.
이상에서 살펴본 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1의 (a)는 본 발명에서 사용되는 미세 중공체 분말을 확대 촬영한 사진이고, (b)는 상기 미세 중공체 분말을 분쇄하여 구형 중공체가 파단된 상태를 확대 촬영한 사진이다.

Claims (3)

  1. 시멘트;
    실란 커플링제를 이용하여 제조되는 표면개질 처리액에, 알루미늄 실리케이트를 포함하는 미세 중공체 분말을 침지, 여과하여 얻어지는 표면개질 처리된 미세 중공체 분말;
    상기 표면개질 처리액에 천연 셀룰로스 섬유을 침지, 여과하여 얻어지는 표면개질 처리된 천연 셀룰로스 섬유;
    재유화형 분말 수지;
    소포제;
    아연;
    실란 커플링제의 산 수용액에 흑연을 침지, 여과하여 얻어지는 표면개질 처리된 흑연;
    규사;
    슬래그;
    실리카퓸; 및
    유동화제를 포함하는 방청성과 내진성능을 갖는 콘크리트 구조물 보수용 모르터 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방청성과 내진성능을 갖는 콘크리트 구조물 보수용 모르터 조성물은 시멘트 20~35중량%, 표면개질 처리된 미세 중공체 분말 6~20중량%, 표면개질 처리된 천연 셀룰로스 섬유 0.5~4중량%, 재유화형 분말 수지 0.5~42중량%, 소포제 0.1~1중량%, 아연 5~20중량%, 표면개질 처리된 흑연 2~6중량%, 규사 25~40중량%, 슬래그 0.5~4중량%, 실리카퓸 1~6중량%, 및 유동화제 0.5~2중량%가 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 방청성과 내진성능을 갖는 콘크리트 구조물 보수용 모르터 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 아연 및 상기 표면개질 처리된 흑연의 중량비가 2:1~4:1인 것을 특징으로 하는 방청성과 내진성능을 갖는 콘크리트 구조물 보수용 모르터 조성물.
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