KR100973497B1 - 속경성 시멘트 조성물, 이를 이용한 속경성 모르타르 조성물 및 콘크리트 구조물의 보수공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 시멘트 15~50 중량%, 칼슘설퍼알루미네이트 20~65 중량% 및 석고 2~35 중량%를 포함하는 시멘트계 혼합물과, 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 수산화칼슘 0.1~10 중량부와, 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 황산아연 0.1~10 중량부와, 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 리튬카보네이트 및 리튬하이드록사이드 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.05~5 중량부를 포함하는 속경성 시멘트 조성물, 이를 이용한 속경성 모르타르 조성물 및 콘크리트 구조물의 보수공법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 속경성 시멘트 조성물에 의하면, 에트린자이트(3CaO·Al₂O₃·3CaO·3SO₃·32H₂O)를 형성시킴으로써 속경 특성을 나타내고, 용해성이 우수한 화학원료를 반응개시제로 하고, Al₂O₃의 분자구조 보강에 의한 초기강도를 증진시킬 수 있는 원료를 적용함으로써, 기존 속경시멘트에 비해 우수한 초기강도를 발현할 수 있으며, 상기 반응개시제는 철근의 음극에 부동태피막을 형성하여 철근의 부식을 방지하는 효과도 얻을 수 있다.

Description

속경성 시멘트 조성물, 이를 이용한 속경성 모르타르 조성물 및 콘크리트 구조물의 보수공법{Rapid setting cement composite, rapid setting mortar composite and repairing method of concrete structure using the composite}

본 발명은 시멘트 조성물, 이를 이용한 모르타르 조성물 및 콘크리트 구조물의 보수공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 황산아연(ZnSO_{4 ·}nH₂O)을 반응개시제로 사용하고 리튬카보네이트(Li₂CO₃) 또는 리튬하이드록사이드(LiOH)를 초기강도 증진제로 사용하는 활성도가 높은 속경성 시멘트 조성물 및 이를 이용한 속경성 모르타르 조성물 및 콘크리트 구조물의 보수공법에 관한 것이다.

일반적으로 시멘트 및 시멘트활용 제품은 약 28일 정도에서 경화되어 제반 특성을 발현하기 때문에, 도로, 교량, 항만, 하수관로 등의 긴급공사에는 속경성 시멘트 및 이를 활용한 제품이 사용되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-0310657호에서는 기본적인 속경성시멘트 제조방법을 제시하고 있고, 대한민국 등록특허 제10-0670458호에서는 속경성시멘트를 활용한 모르타르 제조방법을 제시하고 있으며, 대한민국 등록특허 제10-0755272호에서는 속경성시멘트 제조방법 및 라텍스콘크리트에 대하여 제시하고 있다.

한편 열화된 콘크리트를 보수하는 공법은 다양하며, 열화콘크리트 제거 공정, 알칼리 회복재 및 신구접착재 도포 공정, 철근에 대한 방청재 도포 공정, 모르타르 도포 공정, 보호 코팅재 도포 공정으로 이루어지는 것이 일반적이다. 상기 과정들 중 모르타르와 코팅재는 가장 중요한 재료로서, 그 기능성 향상에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다.

모르타르와 관련하여 대한민국 등록특허 제10-0474665호에서는 모르타르에 항균성을 부여하는 방법을 제시하였으며, 대한민국 등록특허 제10-0627981호에서는 내산성을 부여하는 방법을 제시하고 있다. 보호 코팅재와 관련하여 대한민국 등록특허 10-0814962에서는 유무기복합 불소계 코팅재를 제시하고 있고, 대한민국 등록특허 10-0833870에서는 무기질 불소계 코팅재를 활용한 콘크리트 보호 시스템에 관한 시공방법을 제시하고 있다.

상기 속경성시멘트의 제조방법에 관하여, 공통적으로 사용하는 원료는 일반시멘트, 칼슘설퍼알루미네이트 및 석고이고, 초기 강도발현을 위한 다양한 촉진제가 개발되어 사용되고 있다. 그러나 속경성시멘트 제조에 사용되는 상기의 원료들은 물에 대하여 용해성이 낮아, 초기 강도증진에는 한계가 있다.

한편, 현재 개발된 모르타르는 대부분 속경시멘트를 사용하지 못하고 있으며, 이는 대부분의 모르타르 개발업체가 속경시멘트에 대한 기술의 한계를 가지고 있기 때문이며, 모르타르에 기능성원료를 첨가하는 방법으로 제품을 특화시키고 있는 실정이다. 속경성 모르타르의 경우 초기에 시멘트 구조체를 형성함으로써, 장기적인 물의 증발 등에 의한 변형을 최소화할 수 있기 때문에 균열이 거의 발생하지 않는 안정한 구조체를 만들 수 있다.

또한, 보호 코팅재의 경우 자외선이나 화학물질에 대한 저항성이 기존 코팅재에 비해 우수한 불소계를 사용하는 방법이 최근에 개발되고 있다. 대한민국 등록특허 10-0833870의 무기질 불소계 코팅재의 경우 가격이 저렴한 특성이 있으나, 신율이 거의 없기 때문에 균열 발생에 대한 대응능력이 떨어지고, 대한민국 등록특허 10-0814962의 유무기복합 불소계 코팅재는 균열대응성을 포함한 특성은 우수하나, 가격 경쟁력이 다소 떨어지는 단점이 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 에트린자이트(3CaO·Al₂O₃·3CaO·3SO₃·32H₂O)를 형성시킴으로써 속경 특성을 나타내고, 용해성이 우수한 화학원료를 반응개시제로 하고, Al₂O₃의 분자구조 보강에 의한 초기강도를 증진시킬 수 있는 원료를 적용함으로써, 기존 속경시멘트에 비해 우수한 초기강도를 발현할 수 있으며, 상기 반응개시제는 철근의 음극에 부동태피막을 형성하여 철근의 부식을 방지하는 효과도 얻을 수 있는 속경성 시멘트 조성물을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는 상기 속경성 시멘트 조성물을 이용함으로써 방청기능이 강화되어 하부의 철근이 부식되는 것을 방지할 수 있고, 빠르게 경화되는 특성이 있어 공사기간을 단축할 수 있으며, 치수적으로 매우 안정되어 균열 발생을 방지할 수 있는 속경성 모르타르 조성물을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 초기에 안정적 구조체를 형성하여 건조수축 또는 크랙의 발생이 억제되고, 빠르게 경화되는 속경성 모르타르 조성물을 도포함에 따라 공사기간을 단축할 수 있으며, 물리화학적 특성이 매우 우수하고 저온에서의 균열대응성도 우수하며 속경성 모르타르 조성물과의 부착력이 우수하고 내산성이 우수한 아크릴-실리콘계 불소코팅재로 코팅하여 표면 마무리하는 콘크리트 구조물의 보수공법을 제공함에 있다.

본 발명은, 시멘트 15~50 중량%, 칼슘설퍼알루미네이트 20~65 중량% 및 석고 2~35 중량%를 포함하는 시멘트계 혼합물과, 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 수산화칼슘 0.1~10 중량부와, 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 황산아연 0.1~10 중량부와, 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 리튬카보네이트 및 리튬하이드록사이드 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.05~5 중량부를 포함하는 속경성 시멘트 조성물을 제공한다.

상기 속경성 시멘트 조성물은 황산알루미늄을 더 포함할 수 있으며, 상기 황산알루미늄은 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 0.1~10 중량부 함유되는 것이 바람직하다.

상기 속경성 시멘트 조성물은 유기산 또는 유기산염 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 더 포함할 수 있으며, 상기 유기산 또는 유기산염 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 0.05~2.5 중량부 함유되는 것이 바람직하다.

상기 속경성 시멘트 조성물은 나프탈렌설폰산염계, 멜라민설폰산염계 및 폴리카르본산염계 중에서 선택된 1종 이상의 감수제를 더 포함할 수 있으며, 상기 감수제는 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 0.05~2.5 중량부 함유되는 것이 바람직하다.

상기 속경성 시멘트 조성물은 글리콜계 및 실리콘계 중에서 선택된 1종 이상의 소포제를 더 포함할 수 있으며, 상기 소포제는 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 0.01~1.5 중량부 함유되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은, 상기 속경성 시멘트 조성물 20~55 중량%, 분말 수지 0.5~12중량%, 실리카질 혼합재 1~15 중량%, 섬유 0.01~3 중량% 및 규사 30~78 중량%를 포함하는 속경성 모르타르 조성물을 제공한다.

상기 분말 수지는 에틸렌비닐아세테이트, 스티렌부타디엔 고무 및 아크릴계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 실리카질 혼합재는 실리카흄과 슬라그로 이루어지거나 실리카흄과 플라이애쉬로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 섬유는 나일론 및 폴리비닐아세테이트 중에서 선택된 1종 이상의 친수성 섬유로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은, 열화된 콘크리트 부위를 컷팅하여 제거하는 단계와, 노출된 철근의 부식 부위를 제거하고, 보수대상면에 존재하는 이물질을 청소하는 단계와, 철근방청재를 도포하여 코팅하는 단계와, 상기 철근방청재 상부에 부착력 향상을 위해 수성아크릴에멀젼계 프라이머를 도포하는 단계와, 상기 수성아크릴에멀젼계 프라이머 상부에 상기 속경성 모르타르 조성물을 도포하여 단면 복구하는 단계 및 속경성 모르타르 조성물을 양생하고, 아크릴-실리콘계 불소코팅재를 코팅하는 단계를 포함하는 콘크리트 구조물의 보수공법을 제공한다.

상기 아크릴-실리콘계 불소코팅재는, 하기의 화학식 1을 포함하는 불소 함유 실리콘 에스테르계 화합물로 이루어진 것일 수 있다.

[화학식 1]

[(R_fO)₃-Si-(CH₂)_m-COO-(CH₂)_n-CF₃]_x

(여기서, R_f는 탄소수 1 ~ 5의 알킬기이고, m＋n은 2 ~ 7의 정수이며, x는 중합도에 따라 10 ~ 500에 분포하는 값임).

본 발명에 의한 속경성 시멘트 조성물에 의하면, 에트린자이트(3CaO·Al₂O₃·3CaO·3SO₃·32H₂O)를 형성시킴으로써 속경 특성을 나타내고, 용해성이 우수한 화학원료를 반응개시제로 하고, Al₂O₃의 분자구조 보강에 의한 초기강도를 증진시킬 수 있는 원료를 적용함으로써, 기존 속경시멘트에 비해 우수한 초기강도를 발현할 수 있으며, 상기 반응개시제는 철근의 음극에 부동태피막을 형성하여 철근의 부식을 방지하는 효과도 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 속경성 모르타르 조성물에 의하면, 상기 속경성 시멘트 조성물을 이용함으로써 방청기능이 강화되어 하부의 철근이 부식되는 것을 방지할 수 있고, 빠르게 경화되는 특성이 있어 공사기간을 단축할 수 있으며, 치수적으로 매우 안정되어 균열 발생을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 콘크리트 구조물의 보수공법에 의하면, 초기에 안정적 구조체를 형성하여 건조수축 또는 크랙의 발생이 억제되고, 빠르게 경화되는 속경성 모르타르 조성물을 도포함에 따라 공사기간을 단축할 수 있으며, 아크릴-실리콘계 불소코팅재로 코팅함으로써 물리화학적 특성이 매우 우수하고 저온에서의 균열대응성도 우수하며 속경성 모르타르 조성물과의 부착력이 우수하고 내산성이 우수하다. 탄성, 내산성, 방수성 등의 특성이 매우 우수한 상기 아크릴-실리콘계 불소코팅재를 적용함으로써, 무기계 불소코팅재가 가지지 못하는 콘크리트 하부의 잠재적 균열 대응성을 강화시킬 수 있고, 외부의 침식물질에 대한 차단성을 강화시킬 수 있다.

도 1은 팔면체 구조를 이루는 알루미네이트를 도시한 도면이다.
도 2는 콘크리트 구조물의 보수공법을 설명하기 위하여 도시한 공정순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

속경성 시멘트가 CaO, SO₃, Al₂O₃의 3성분계로 이루어진 에트린자이트(3CaO·Al₂O₃·3CaO·3SO₃·32H₂O)를 형성시킴으로써 속경 특성을 나타내며, 이를 위한 원료 공급원으로 시멘트, 석고, 칼슘설퍼알루미네이트를 사용함에 따라, 상기의 원료가 물에 대한 용해성이 낮아 급격한 초기 강도발현성이 떨어지는 점에 근거하여, 상기의 원료 외에 상기의 성분을 갖는 용해성이 우수한 화학원료를 반응개시제로 하고, Al₂O₃의 분자구조 보강에 의한 초기강도를 증진시킬수 있는 원료를 적용함으로써, 기존 속경시멘트에 비해 우수한 초기강도를 발현하는 속경성 시멘트 조성물을 제시한다. 상기 반응개시제는 철근의 음극에 부동태 피막을 형성하여, 철근의 부식을 방지하는 부가적인 효과도 얻을 수 있다.

또한, 모르타르가 안정적 구조를 형성하기 위해서는 장시간에 걸친 양생이 필요하고, 장시간에 걸친 양생기간 중 물의 증발 등에 의한 건조수축 또는 크랙 등의 문제가 발생하는데, 초기에 안정적 구조체를 형성함으로써 상기의 문제점을 해결할 수 있고, 공사기간 단축 등의 부수적인 효과를 나타내는 속경성 모르타르 조성물을 제시한다.

또한, 물리·화학적 특성이 우수한 유·무기복합 불소계 코팅재의 특성을 보유하면서도 가격경쟁력을 개선시킨 유·무기복합 아크릴-실리콘계 불소코팅재를 적용한 콘크리트 구조물의 보수공법을 제시한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 속경성 시멘트 조성물은 주 반응 원료인 시멘트, 칼슘설퍼알루미네이트 및 석고를 포함하고, 물속에서 순간적인 이온화형태가 가능한 단량체 형태의 화합물인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 황산아연(ZnSO_4·nH₂O)을 반응개시제로 포함하며, 리튬카보네이트(Li₂CO₃) 및 리튬하이드록사이드(LiOH) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 초기강도 증진제로 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 속경성 시멘트 조성물은 시멘트 15~50 중량%, 칼슘설퍼알루미네이트 25~65 중량% 및 석고 2~35 중량%로 이루어진 시멘트계 혼합물을 포함하며, 반응개시제로서 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 수산화칼슘 0.1~10 중량부 및 황산아연 0.1~10 중량부를 포함하고, 초기강도 증진제로서 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 리튬카보네이트 및 리튬하이드록사이드 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.05~5 중량부를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 속경성 시멘트 조성물은 응결조절제 0.05~2.5 중량부, 감수제 0.05~2.5 중량부 또는 소포제 0.01~1.5 중량부를 더 포함할 수 있다.

상기 반응개시제로 황산알루미늄을 더 포함할 수 있으며, 상기 황산알루미늄은 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 0.1~10 중량부 함유되는 것이 바람직하다.

상기 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트일 수 있고, 상기 보통 포틀랜드 시멘트는 KS에 규정된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 석고는 초기 강도 개선을 위하여 첨가하고, 무수석고 또는 이수석고를 사용할 수 있다. 석고의 함량이 증가하면 빠른 경화특성을 나타내며, 시멘트계 혼합물에 대하여 그 함량이 2중량% 미만일 경우 속경성 시멘트 조성물의 초기강도 개선 효과가 미약하고, 35중량%를 초과할 경우에는 빠른 경화 특성으로 인해 좋은 물성을 얻을 수 있으나 작업성이 저하될 수 있다.

상기 응결조절제는 유기산 또는 유기산염 중에서 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 유기산은 구연산, 타르타릭산, 글루코닉산 등일 수 있으며, 상기 유기산염은 구연산염, 타르타릭산염, 글루코닉산염 등일 수 있다.

상기 감수제는 나프탈렌설폰산염계, 멜라민설폰산염계 및 폴리카르본산염계 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 소포제는 글리콜계 또는 실리콘계 중에서 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 속경성 시멘트 조성물의 분말도는 약 5,000~7,000 cm²/g 범위가 적정하며, 5,000 cm²/g 이하에서는 충분한 초기강도를 얻기가 어렵고, 7,000 cm²/g 이상에서는 응결시간이 너무 빨라 충분한 작업시간 확보가 어려워질 수 있다.

속경성 시멘트는 아래의 식과 같이 속경성을 발현하는 주요 수화물인 에트린자이트를 수화반응 초기에 효과적으로 생성시키는 것이 핵심기술이며, 이는 Ca²⁺, SO₄ ^2-, Al³⁺ 이온을 반응초기에 형성시킴으로써 가능하다. 아래의 반응식 1은 에트린(Ettringite)를 형성하는 반응식이다.

[반응식 1]

3CaO + Al₂O₃ + 3(CaSO₄·2H₂O) + 26H₂O → 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O

상기 에트린자이트를 형성하는 이온공급의 주요 원료로는, CaO 공급원료로 포틀랜드 시멘트, Al₂O₃ 공급원료로 칼슘설퍼알루미네이트계 시멘트 또는 칼슘알루미네이트계 시멘트를 사용하며, SO₄ 공급원료로는 석고(CaSO₄), 특히 무수석고를 사용한다. 그러나 상기의 원료들은 비교적 안정한 혼합 화합물 형태로 존재하기 때문에 물속에서의 용해성이 낮고, 이온화가 서서히 진행되어 초기에 높은 요구강도를 만족시키기가 어렵다. 특히 유기물 수지를 사용하는 모르타르나 라텍스 콘크리트의 경우에는 유기물 피막에 의한 이온화 방해로 더욱 그러하다.

따라서, 본 발명에서는 물에 대한 용해성이 뛰어나, 물속에서 순간적인 이온화가 가능한 단량체 형태의 화합물 원료를 반응개시제로 사용함으로써 급격히 초기 에트린자이트를 형성시킬 수 있도록 반응성을 촉진시키고, 이 때 발생하는 반응열이 시멘트, 석고, 칼슘설퍼알루미네이트를 활성함으로써 빠른 에트린자이트 형성에 의한 높은 초기강도를 발현시키도록 한다.

보다 상세하게 각각의 반응 개시제의 기능을 보면 아래와 같다.

수산화칼슘의 경우 물에 대한 용해성은 낮으나 이온화 경향은 강하기 때문에 Ca²⁺ 이온을 공급하는 원료로 사용한다. 아래의 반응식 2는 수산화칼슘의 이온화되는 반응을 보여주고 있다.

[반응식 2]

Ca(OH)₂ → Ca^{2 +} + 2OH^-

그러나, 수산화칼슘을 과량 사용할 경우 과포화용액에 의해 이온화된 칼슘이 수산화칼슘으로 재석출되며, 이는 장기재령에서의 강도 및 내구성 저하 원인이 될 수 있기 때문에 적정량의 선택이 필요하다. 이와 같은 점을 고려하여 수산화칼슘은 속경성 시멘트 조성물에 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 0.1~10 중량부 함유되는 것이 바람직하다.

황산아연(ZnSO₄)과 황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃)은 물에 대한 용해성이 우수해서 쉽게 이온화되기 때문에 SO₄ ^2- 이온 또는 Al³⁺ 이온을 공급하는 원료로 사용한다. 아래의 반응식 3은 황산아연이 물에 용해되어 이온화되는 반응을 보여주고, 아래의 반응식 4는 황산알루미늄이 물에 용해되어 이온화되는 반응을 보여주고 있다.

[반응식 3]

ZnSO₄ → Zn^{2 +} + SO₄ ^{2 -}

[반응식 4]

Al₂(SO4)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄ ^2-

상기 SO₄ ^2- 이온을 공급하는 원료 중 황산알루미늄은 반응성이 매우 높아 단독으로 사용 시 작업시간 확보를 위해 사용하는 지연제의 양을 증가시키기 때문에, 초기 에트린자이트 형성반응에 의한 강도증진 효과가 지연제의 증량 사용에 의한 강도감소 효과로 상쇄되기 때문에 초기의 높은 강도증진 효과를 기대하기 어렵다. 황산아연의 경우는 초기 반응성이 낮아 단독으로 사용할 경우 오히려 지연제의 감소 조건에서도 SO₄ ^2- 이온을 공급할 수 있기 때문에, 속경성 시멘트의 초기강도 증진효과를 기대할 수 있다. 황산알루미늄과 황산아연을 혼합 사용할 경우는 SO₄ ^2- 이온뿐 아니라 Al³⁺ 이온을 공급하는 효과도 있고, 지연제량의 증량 없이도 에트린자이트의 초기 형성 효과를 얻을 수 있어 초기강도 증가의 효과가 크다. 한편 황산아연 중의 Zn²⁺ 이온은 음극에서 알칼리와 반응하여 불용성 염인 수산화아연(Zn(OH)₂)의 부동태 피막을 만들어 철근의 보호피막 역할도 한다. 아래의 반응식 5는 Zn²⁺ 이온이 알칼리와 반응하여 부동태 피막을 형성하는 반응을 보여주고 있다.

[반응식 5]

Zn²⁺ + 2OH^- →Zn(OH)₂ (부동태피막)

한편, 알루미네이트의 경우 도 1에 도시된 바와 같이 분자구조학적으로 팔면체 구조를 이루고 있으며, 이 때 Al³⁺ 이온이 구조의 핵의 역할을 수행한다. 팔면체 구조에는 Al³⁺ 이온이 채워지지 않은 빈 핵자리가 존재하며, Li⁺ 이온은 가장 작은 금속이온으로 침투성이 우수하기 때문에, 이 핵의 빈자리에 채워져 완성된 팔면체구조를 증가시키며, 이는 초기 강도증가의 효과로 나타나게 된다. 또한 Li⁺ 이온은 시멘트 반응에 직접 관여하지 않고 알루미네이트에 구조적인 관여를 하기 때문에, 가사시간 확보를 위한 지연제 증량이 필요하지 않다. 한편 과도한 Li⁺ 이온은 리튬알루미네이트수화물을 형성하며, 이는 강도저하의 원인이 될 수 있기 때문에 적정 사용량의 선정이 매우 중요하다. Li⁺ 이온을 공급하는 원료로는 리튬카보네이트(Li₂CO₃)나 리튬하이드록사이드(LiOH)가 가능하며, 이온화는 리튬하이드록사이드가 용이하기 때문에 보다 빠른 강도 증진 효과를 기대할 수 있으나, 조해성이 있어 보관상 어려움이 있고, 가격이 비싼 단점이 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 속경성 모르타르 조성물은 상술한 속경성 시멘트 조성물, 분말 수지, 내산성 실리카질 혼합재 및 섬유를 포함하며, 여기에 지연제, 감수제, 소포제 등과 같이 기능성을 부여하는 원료를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 속경성 모르타르 조성물은 상기 속경성 시멘트 조성물 20~55 중량%, 분말 수지 0.5~12중량%, 실리카질 혼합재 1~15 중량%, 섬유 0.01~3.0 중량% 및 규사 30~78 중량%를 포함한다.

상기 분말 수지는 속경성 모르타르 조성물의 사용 시 물에 재분산되어 콘크리트 구조체와의 일체화를 위한 접착성 부여, 공극 충진에 의한 물 및 유해물질의 침투 방지, 수축저감, 내마모성 부여, 휨 및 충격에 대한 저항 특성 부여, 작업 중의 재료분리를 방지하는 점성 부여 등의 역할을 수행하는 것으로, 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate; EVA), 스티렌부타디엔 고무(Styrene Butadiene Rubber; SBR) 및 아크릴계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 실리카질 혼합재는 실리카흄, 슬라그 및 플라이애쉬 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 사용하는 것이 바람직하나, 실리카흄은 비교적 초기재령에서 그 특성이 발현되고, 슬라그 및 플라이애쉬는 장기재령에서 특성이 발현되기 때문에, 실리카흄 및 슬라그, 또는 실리카흄 및 플라이애쉬의 조합으로 사용하는 것이 효과가 크다. 이러한 실리카질 혼합재는 아래의 반응식 6과 같이 시멘트 수화물의 가용성 성분인 Ca(OH)₂와 반응하여 불용성 수화물인 CSH(CaO·SiO₂·H₂O)겔을 형성시켜, 강도를 증진시키고, 모세관을 충진시켜 물의 침입을 방지함과 아울러 침식물질의 유입을 방지함으로써 내수성 및 내화학성을 증진시킨다. 아래의 반응식 6은 실리카질 혼합재가 CSH겔을 형성하는 반응을 보여주고 있다.

[반응식 6]

lSiO₂ + mCa(OH)₂ + nH₂O → mCaO·lSiO₂·nH₂O

상기 섬유는 속경성 모르타르 조성물을 천정부 또는 벽면부에 시공 시 재료가 처지거나 떨어지는 것을 방지해주는 시공 안정성을 부여하고, 속경성 시멘트 조성물과 일체화되어 균열 저항성을 증가시켜 모르타르의 치수안정성을 부여하는 것으로, 본 발명에서는 나일론 및 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate; PVA) 중에서 선택된 1종 이상의 친수성 섬유를 사용한다.

규사는 0.15~2.5㎜ 입도 범위의 분쇄규사를 선별 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 콘크리트 구조물의 보수공법은 열화 콘크리트 제거 공정, 알칼리 회복재 및 신구접착재 도포 공정, 철근에 대한 방청재 도포 공정, 모르타르 도포 공정, 보호코팅재 도포 공정을 적용한다.

모르타르 상부에 도포하는 코팅재는, 유기계 물질로서 아크릴을 적용하고 무기계 물질로서 실리콘기 및 불소 말단기를 도입시킨 유·무기복합 아크릴-실리콘계 불소코팅재를 적용함으로써 기존의 유무기 복합 불소코팅재인 FEVE(Fluoro ethylene Alkylvinyl ether)와 유사한 특성을 발현하면서도 가격이 저렴한 장점이 있다.

상기 아크릴-실리콘계 불소코팅재는 상온에서 유기용재에 가용성이고, 상온에서 경화성이며, 불소함유 공중합체의 고유성질, 즉, 고내후성, 고내약품성, 고방수성, 저마찰성, 고내용제성, 고내수성, 고내열성 및 고투명성 등을 보유하고, 프라이머의 처리없이 단일 도장성이 우수한 불소함유 공중합체 조성물이다.

상기 아크릴-실리콘계 불소코팅재는 하기의 화학식 1로 구성되어 있는 불소 함유 실리콘 에스테르계 화합물이다.

[화학식 1]

[(R_fO)₃-Si-(CH₂)_m-COO-(CH₂)_n-CF₃]_x

위의 화학식 1에서 R_f는 탄소수 1 ~ 5의 알킬기이고, m＋n은 2 ~ 7의 정수이며, x는 중합도에 따라 10 ~ 500에 분포하는 값이다.

이하에서, 본 발명에 따른 속경성 시멘트 조성물의 실시예들을 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 실시예 1 내지 실시예 3의 특성을 보다 용이하게 파악할 수 있도록 비교예들을 제시하며, 비교예 1 내지 비교예 4는 실시예 1 내지 실시예 3과 단순히 비교하기 위하여 제시한 것이고 본 발명의 선행기술이 아님을 밝혀둔다.

아래의 표 1에 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 속경성 시멘트 조성물의 성분들과 그 함량을 나타내었으며, 또한 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 시멘트 조성물의 성분들과 함량도 나타내었다.

아래의 표 1에 나타낸 배합조건 중 시멘트계 혼합물은 보통 포틀랜드 시멘트, 칼슘설퍼알루미네이트 및 무수석고를 30:55:15의 중량비로 혼합한 것이며, 혼화제는 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 응결조절제 1.0중량부, 감수제 0.5중량부, 소포제 0.5 중량부를 혼합한 것이다. 응결조절제는 구연산을 사용하였고, 감수제는 폴리카르본산염계 감수제를 사용하였으며, 소포제는 글리콜계 소포제를 사용하였다. 아래의 표 1에 나타낸 수산화칼슘, 황산아연, 황산알루미늄, 리튬카보네이트, 리튬하이드록사이드의 함량은 상기 시멘트계 혼합물 100중량부에 대한 것이다. 배합은 속경성 시멘트 조성물과 물을 100:35(속경성 시멘트 조성물:물)의 비율로 하여 이루어졌다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
시멘트계 혼합물	100	100	100	100	100	100	100
수산화칼슘	2.0	2.0	2.0	0	2.0	2.0	2.0
황산아연	1.0	1.0	2.0	1.0	0	1.0	0
황산알루미늄	1.0	1.0	0	1.0	2.0	1.0	0
리튬카보네이트	1.0	0	1.0	1.0	1.0	0	1.0
리튬하이드록사이드	0	1.0	0	0	0	0	0
혼화제	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0
계	107.0	107.0	107.0	105.0	107.0	107.0	105.0

아래의 표 2에 실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 조성물의 응결시간과 압축강도 특성을 나타내었다.

		실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예4
응결시간 (분)	초결	31	34	45	66	11	29	29
	종결	38	37	51	93	26	49	36
압축강도 (N/㎟)	3시간	43.2	45.6	41.3	26.8	45.2	36.2	34.3
	28일	72.7	73.2	71.3	45.6	70.2	59.8	62.8

위의 표 1 및 표 2를 참조하면, 실시예 1 및 비교예 1을 비교하여 보면시 수산화칼슘이 첨가된 경우 응결시간이 단축되고, 강도도 증가하는 것으로 확인되었다. 실시예 2 및 비교 예 2를 비교하여 보면, 반응개시제 중 황산아연이 첨가되지 않고, 황산알루미늄 단독으로 사용한 경우, 응결시간이 단축됨에도 불구하고, 강도의 증가는 없는 것으로 나타났다. 실시예 1, 2 및 비교예 3을 비교하여 보면, 리튬염이 첨가되지 않은 경우, 종결시간이 늦게 발현되며 강도 저하를 나타냈다. 비교예 4와 같이 황산아연 및 황산알루미늄이 첨가되지 않은 경우, 응결시간은 유사하나 강도가 저하되는 것으로 나타났다. 상기 시험결과 반응개시제와, 리튬카보네이트 및 리튬하이드록사이드는 속경성 시멘트의 초기강도 및 장기강도에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

이하에서, 본 발명에 따른 속경성 모르타르 조성물의 실시예를 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 실시예 1의 특성을 보다 용이하게 파악할 수 있도록 비교예들을 제시하며, 비교예 1 내지 비교예 4는 실시예 1과 단순히 비교하기 위하여 제시한 것이고 본 발명의 선행기술이 아님을 밝혀둔다.

아래의 표 1에 나타낸 혼화제는 감수제, 지연제, 촉진제 및 소포제의 기능성 재료를 사용한 것이다. 배합은 플로우 170㎝를 표준주도로 하여 실시하였다. 표 3에 제시된 속경성 시멘트 조성물은 앞서 설명한 표 1의 실시예 1에 제시된 속경성 시멘트 조성물이다. 섬유는 길이 6㎜의 나일론 섬유를 사용하였다. 분말 수지는 에틸렌비닐아세테이트를 사용하였다.

	실시예 1	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
속경성 시멘트 조성물	36.0	-	36.0	36.0	36.0
일반시멘트	-	30.0	-	-	-
CSA	-	2.5	-	-	-
무수석고	-	2.5	-	-	-
분말 수지	5.0	5.0	-	5.0	5.0
실리카흄	1.5	1.5	1.5	-	1.5
슬래그	7.0	7.0	7.0	-	7.0
섬유	0.5	0.5	0.5	0.5	-
혼화제	-	1.0	-	-	-
규사	50.0	50.0	55.0	58.5	50.5
계	100.0	100.0	107.0	107.0	105.0

아래의 표 4에 실시예 1과 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 조성물의 응결시간, 압축강도, 휨강도, 부착강도, 내산성 및 길이변화 특성을 나타내었다.

		실시예 1	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예4
응결시간 (분)	초결	75	95	59	68	71
	종결	94	243	72	89	92
압축강도 (N/㎟)	6시간	33.2	2.7	35.3	34.6	34.2
	28일	59.3	54.2	60.2	49.7	60.3
휨강도 (N/mm2)	6시간	7.8	측불	6.5	8.1	7.4
	28일	13.6	12.9	9.6	11.2	12.9
부착강도 (N/㎟)	6시간	1.6	측불	0.4	1.6	1.7
	28일	2.5	2.6	0.7	1.9	2.6
내산성	%	-0.84	-1.02	-3.41	-2.52	-0.78
	N/mm2	57.3	52.3	42.1	46.7	58.8
길이변화(%,28일)		0.002	0.01	0.004	0.002	0.007

표 3 및 표 4를 참조하면, 실시예 1의 속경성 모르타르 조성물과 비교예 1의 일반 모르타르 조성물을 비교하면, 실시예 1의 속경성 모르타르 조성물이 초기강도 및 길이변화에서 우수한 특성을 나타낸다. 분말 수지가 첨가되지 않은 비교예 2의 경우에 비해서는 휨강도, 부착강도, 내산성 측면에서 모두 양호한 결과를 나타냈으며, 실리카질 혼합재가 첨가되지 않은 비교예 3의 경우에 비해서는 장기재령의 강도 및 내산성 측면에서 우수한 결과를 나타냈으며, 섬유가 첨가되지 않은 비교예 4에 비해서는 길이 변화면에서 우수한 특성을 나타냈다.

상기 아크릴-실리콘계 불소코팅재의 특성은 아래의 표 5에 나타내었다.

형상	우유 빛 액상
고형분	5~10%
pH	7~9
이온특성	양이온 또는 음이온계
입자크기	0.2㎛ 이하
비중 (25℃기준)	1.10
MFFT(도막형성온도)	5 ℃ 이상

상기와 같은 아크릴-실리콘계 불소코팅재는 폴리머 중에서 가장 안정적인 내산성, 내열성, 절연성, 내마모성 등의 특성을 구비한다.

상기 아크릴-실리콘계 불소코팅재의 성능을 시험하기 위하여 시험예 1 및 시험예 2를 실시하였으며, KS F4936에 규정한 시험을 실시하여 아래의 표 6에 그 결과를 나타내었다. 시험예 1은 콘크리트 보호용 도막재인 아크릴-실리콘계 불소코팅재의 물리적, 화학적 시험에 대한 결과이며, 시험예 2는 본 발명의 속경성 모르타르 조성물로 제작 및 양생한 시편을 바탕면으로 사용하여, 아크릴-실리콘계 불소코팅재를 2회 도포한 후 실시한 시험결과이다.

시험항목			시험예		품질기준 (KS F 4936)
			1	2
도막형성 후의 겉모양	표준양생 후		이상없음	-	주름, 잔갈림, 핀홀, 변형 및 벗겨짐이 생기지 않을 것
	촉진 내후성 시험 후		이상없음	-
	온냉 반복 시험 후		이상없음	-
	내알칼리성 시험 후		이상없음	-
	내염수성 시험 후		이상없음	-
중성화 깊이 (mm)			0	-	1.0 이하
염화물이온 침투 저항성 (Coulombs)			0	-	1000 이하
투습도(g/㎡·day)			2.4	-	50.0 이하
내투수성			0	-	투수되지 않을 것
부착강도 (N/㎟)	표준양생 후		3.6	3.5	1.0 이상
	촉진 내후성 시험 후		3.3	3.4
	온냉 반복 시험 후		3.4	3.3
	내알칼리성 시험 후		3.5	3.5
	내염수성 시험 후		3.5	3.4
균열대응성	-20℃		이상없음	-	잔갈림 및 파단되지 않을 것
	20℃		이상없음	-
	촉진내후성 시험 후		이상없음	-
내산성	H2SO4 5%용액	%	-	0	-
		(N/㎟)	-	59.2	-
	H2SO4 10%용액	%	-	0	-
		(N/㎟)	-	59.9	-

시험 결과, 본 발명에 사용된 아크릴-실리콘계 불소코팅재는 물리화학적 특성이 매우 우수할 뿐만 아니라, 저온에서의 균열대응성도 탁월한 것으로 나타났다. 또한 단면복구 모르타르에 적용한 경우에 있어서도, 부착강도의 저하가 없으며, 산성 용액내에서도 안정적인 도막특성을 유지하는 것으로 나타났다.

본 발명의 속경성 모르타르 조성물을 이용한 콘크리트 구조물의 보수공법은 다음과 같다. 이하에서, 콘크리트 구조물이라 함은 콘크리트로 이루어진 모든 구조물 즉, 교량, 도로, 터널, 옹벽, 댐, 항만구조물, 암거, 하천 복개구조물, 저수조, 콘크리트 건축물을 포함하는 의미로 사용한다. 도 2는 콘크리트 구조물의 보수공법을 설명하기 위하여 도시한 공정순서도이다.

도 2를 참조하면, 성능 저하된(열화된) 콘크리트 부위와 건전한 콘크리트 경계면에 콘크리트 컷터기 등을 사용하여 성능 저하된 콘크리트 깊이 만큼 컷팅을 실시한다. 컷팅 완료 후 전동 브레이커, 샌드블라스터, 고압수 표면처리기, 착암기 등의 공구 또는 장비를 사용하여 열화된 콘크리트를 제거한다(S10).

철근의 부식 부위는 브러쉬, 샌드블라스팅, 그라인더 등의 공구를 이용하여 부식을 깨끗이 제거한다(S20).

성능 저하된 콘크리트 및 철근 부식을 제거 후 보수대상면에 남아 있는 이물질을 고압수 세척기 또는 진공 청소기 등을 이용하여 완전하게 제거 청소한다(S30).

아질산계 또는 인산염계 철근방청재를 붓 또는 스프레이 등의 공구를 이용하여 철근에 1㎜ 이내 두께로 도포하여 코팅한다(S40)

단면 복구 실시 전 부착력 향상을 위한 수성아크릴에멀젼계 프라이머를 고형분 10~15% 범위로 희석하여 붓 또는 스프레이 등의 공구를 사용하여 도포한다(S50).

수성아크릴에멀젼계 프라이머 도포 후 1~3시간 내에 속경성 모르타르 조성물을 흙손 또는 몰탈뿜칠용 장비를 사용하여 도포(타설)하여 단면 복구한다(S60).

속경성 모르타르 조성물을 양생 후, 아크릴-실리콘계 불소코팅재를 로울러나 붓, 에러스프레이건을 사용하여 통상 2회 코팅 마감한다(S70). 1회 도포 코팅 후 1~2시간 경과 후 2회 도포 코팅하여 최종 마감하며, 이때 도막 두께는 150~200㎛가 되도록 하는 것이 바람직하다.

상술한 아크릴-실리콘계 불소코팅재를 이용한 콘크리트 구조물의 단면을 다음과 같은 방법으로 마감처리할 수도 있다.

콘크리트 표면부의 성능 저하된(열화된) 부분을 전동 그라인더 등의 공구를 사용 연마하여 표면 성능 저하된 콘크리트를 제거한다.

표면 성능 저하 부위 제거 후 보수대상면에 남아 있는 이물질을 고압수 세척기 또는 진공 청소기 등을 이용하여 완전하게 제거 청소한다.

표면 보호코팅 실시 전 부착력 향상을 위한 수성아크릴에멀젼계 프라이머를 고형분 10~15% 범위로 희석하여 붓 또는 스프레이 등의 공구를 사용하여 도포한다.

수성아크릴에멀젼계 프라이머 도포후 1~3시간 내에 아크릴-실리콘계 불소코팅재를 로울러나 붓, 에러스프레이건을 사용하여 통상 2회 코팅 마감한다. 1회 도포 코팅 후 1~2시간 경과 후 2회 도포 코팅하여 최종 마감하며, 이때 도막 두께는 150~200㎛가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (11)

1. 시멘트 15~50 중량%, 칼슘설퍼알루미네이트 20~65 중량% 및 석고 2~35 중량%를 포함하는 시멘트계 혼합물과, 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 수산화칼슘 0.1~10 중량부와, 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 황산아연 0.1~10 중량부와, 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 리튬카보네이트 및 리튬하이드록사이드 중에서 선택된 1종 이상의 물질 0.05~5 중량부를 포함하는 속경성 시멘트 조성물.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 속경성 시멘트 조성물은 황산알루미늄을 더 포함하며, 상기 황산알루미늄은 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 0.1~10 중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 속경성 시멘트 조성물.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 속경성 시멘트 조성물은 유기산 또는 유기산염 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 더 포함하며, 상기 유기산 또는 유기산염 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 0.05~2.5 중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 속경성 시멘트 조성물.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 속경성 시멘트 조성물은 나프탈렌설폰산염계, 멜라민설폰산염계 및 폴리카르본산염계 중에서 선택된 1종 이상의 감수제를 더 포함하며, 상기 감수제는 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 0.05~2.5 중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 속경성 시멘트 조성물.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 속경성 시멘트 조성물은 글리콜계 및 실리콘계 중에서 선택된 1종 이상의 소포제를 더 포함하며, 상기 소포제는 상기 시멘트계 혼합물 100 중량부에 대하여 0.01~1.5 중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 속경성 시멘트 조성물.
   
6. 제1항에 기재된 속경성 시멘트 조성물 20~55 중량%, 분말 수지 0.5~12중량%, 실리카질 혼합재 1~15 중량%, 섬유 0.01~3 중량% 및 규사 30~78 중량%를 포함하는 속경성 모르타르 조성물.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 분말 수지는 에틸렌비닐아세테이트, 스티렌부타디엔 고무 및 아크릴계 수지 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 속경성 모르타르 조성물.
   
8. 제6항에 있어서, 상기 실리카질 혼합재는 실리카흄과 슬라그로 이루어지거나 실리카흄과 플라이애쉬로 이루어진 것을 특징으로 하는 속경성 모르타르 조성물.
   
9. 제6항에 있어서, 상기 섬유는 나일론 및 폴리비닐아세테이트 중에서 선택된 1종 이상의 친수성 섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 속경성 모르타르 조성물.
   
10. 열화된 콘크리트 부위를 컷팅하여 제거하는 단계;
    노출된 철근의 부식 부위를 제거하고, 보수대상면에 존재하는 이물질을 청소하는 단계;
    철근방청재를 도포하여 코팅하는 단계;
    상기 철근방청재 상부에 부착력 향상을 위해 수성아크릴에멀젼계 프라이머를 도포하는 단계;
    상기 수성아크릴에멀젼계 프라이머 상부에 제6항에 기재된 속경성 모르타르 조성물을 도포하여 단면 복구하는 단계; 및
    속경성 모르타르 조성물을 양생하고, 아크릴-실리콘계 불소코팅재를 코팅하는 단계를 포함하는 콘크리트 구조물의 보수공법.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 아크릴-실리콘계 불소코팅재는, 하기의 화학식 1을 포함하는 불소 함유 실리콘 에스테르계 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 보수공법.
    [화학식 1]
    [(R_fO)₃-Si-(CH₂)_m-COO-(CH₂)_n-CF₃]_x
    (여기서, R_f는 탄소수 1 ~ 5의 알킬기이고, m＋n은 2 ~ 7의 정수이며, x는 중합도에 따라 10 ~ 500에 분포하는 값임)

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