KR101094721B1 - 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르 및 보수 보강 공법 - Google Patents

콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르 및 보수 보강 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 조성물 및 보수 보강 공법에 대한 것으로서, 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트를 이용한 보수 모르타르에 미립자의 산화규소를 포함하는 콜로이달 실리카를 부가하는 방법으로 콘크리트 구조물의 중성화를 억제하고, 콜로이달 실리카를 C-S-H 겔 사이로 침투하도록 하여 치밀화를 도모할 수 있는 콘크리트 원형 복원 보수 모르타르 및 보수 보강 공법에 대한 것이다.
상기와 같은 콘크리트 원형 복원 보수 모르타르를 사용할 때 종래의 콘크리트 부식면에 대한 압축강도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 콘크리트의 단면에 대한 적심성을 조절하여 장기간에 걸친 사용에도 염분을 함유하는 수분의 침투를 막을 수 있는 콘크리트 원형 복원 보수 모르타르의 제공이 가능하다.
또한 콘크리트 원형 복원 모르타르를 사용한 보수 공법을 통하여 콘크리트 표면 뿐만 아니라 200mm의 깊이까지 침투하도록 할 수 있어서 치밀화 효과 뿐만 아니라 내산 기능을 가진 콘크리트 단면의 제공이 가능하다.

Description

콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르 및 보수 보강 공법{MORTAR FOR RESTORATION OF CONCRETE STRUCTURES AND RESTORING, REINFORCING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르 및 보수 보강 공법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 내산 기능을 가진 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트(supersulphate metallurgical cement)를 이용하여 콜로이달 실리카(colloidal silica)를 분사시켜 콘크리트 표면의 손상이나 콘크리트 표면 내 보수를 위한 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르 및 보수 보강 공법에 대한 것이다.
콘크리트 구조물은 여러 경로를 통해 유입된 유해 요인에 의해 일차적, 이차적으로 열화된다. 종래에 이를 감소시키기 위하여 다양하지만 유사한 보수 공법이 만들어졌지만, 대부분 콘크리트 중성화 방지나 유입되는 수분에 의한 철분의 부식 방지에 초점을 두고 있다. 대부분의 현존하는 시공방법에 사용되는 보수 모르타르는 1종 보통 포틀란드 시멘트를 사용하고 있다. 주로 시공장비나 시공방법에 대한 공법은 많이 있으나, 재료에 대한 적절한 검토가 이루어지지 않고 있는 실정이다.
1종 보통 포틀랜드 시멘트는 수경성의 C3S, C2S, C3A, C4AF(C=CaO, S=SiO2, A=Al2O3, F=Fe2O3)와 석고 등 소량의 황산염으로 구성되는데, 이 시멘트 수화물 성분 중 칼슘 알루미네이트는 물과 시멘트가 반응하는 초기 과정에서 가장 빨리 반응이 시작되어 알루미네이트 겔을 형성하고 바로 시멘트 내 존재하는 황산염과 반응하여 침상구조로 팽창하는 성질을 가지는 에트링자이트를 형성한다. 알루미네이트 -겔Aluminate gel)이 시멘트가 응결하기 전에 소성상태에서 발생되는 초기 에트링자이트는 시멘트의 응결에 영향을 주며 또한 팽창구조를 이용하여 시멘트의 수축을 보상하는 기구로도 이용하고 있다.
그러나 시멘트가 경화된 이후에 칼슘 알루미네이트가 지하수나 해수 중에 포함되어 있는 황산염과 만나 상호 반응하게 되면, 다시 팽창결정체인 에트링자이트(Ettringite)를 형성하게 된다. 즉, 콘크리트가 양생된 이후 발생되는 후기 에트링자이트를 DEF(delayed ettringite formation)이라고 부르는데, 이 DEF 결정체의 특성인 팽창성 결정구조 때문에 콘크리트가 경화된 이후에 철근콘크리트 표면에 망상형의 균열을 일으킨다. 이 균열이 지속적으로 황산염과 반응하여 경시적으로 그 크기가 성장함에 따라, 이렇게 생긴 균열을 통해 수분이나 염화물이 구조물 내부로 침투하여 결국 콘크리트 구조체의 안정성에 치명적인 손상을 일으키게 된다.
국내 특허출원 공개 제10-2007-0095187호(출원인: 카운슬오브 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치, 인도 뉴델리)에 고로 수쇄 슬래그 및 플라이 애쉬를 이용하여 양호한 압축 강도, 부피 안정성, 우수한 내구성 및 높은 내화성을 가지는 지오폴리머 시멘트를 제조하는 방법이 제시되어 있는데, 이 특허출원 공개 제10-2007-0095187호 발명에서 사용된 고로 수쇄 슬래그는 알루미나(Al2O3)의 함량이 15~25중량%인 슬래그를 사용하고 있다.
독일 규정은 고황산염 시멘트 제조를 위하여 사용되는 슬래그는 반드시 알루미나(Al2O3)의 함량이 13중량% 이상이어야 하며 염기도가 1.6 이상이어야 한다고 규정하고 있다.
또한 캐미스트리 오프 시멘트 앤드 콘크리트(the chemistry of cement and concrete p481 저자 ;Frederick M Lea)에서도 고황산염 시멘트(supersulphate cement)를 제조하기 위해서는 슬래그는 반드시 알루미나(Al2O3)의 함량이 13중량% 이상이어야 한다고 제시하고 있다.
보수용 모르타르의 원료로서 알칼리도가 낮은 칼슘 알루미네이트 시멘트 및 내황산염성 향상시키기 위하여 KSL 5201 포틀란드 시멘트 항목 중 5종 시멘트를 사용해야 하는데 국내에서는 5종 시멘트 생산이 미미하여 이를 대체하고자 1종 시멘트의 일부를 슬래그 분말과 플라이 애시를 혼합한 브랜드 시멘트(blend cement)를사용하고 있다.
한편 국내 광양 제철소에서 생산되고 있는 고로 수쇄 슬래그는 알루미나(Al2O3)의 함량이 적절하다.
이러한 고로 수쇄 슬래그를 사용하지 않고도 내산성이 우수한 철근 콘크리트 구조물을 건축할 필요가 있다. 일반적으로 생활하수가 지나가는 하수관에는 바이오제닉 박테리아(biogenic bacteria)에 의해 황화 수소가스(H2S gas)가 생성되고, 상기 황화수소가스가 하수관 내부의 수분과 결합하여 황산(H2SO4)를 만들어 강 알카리성 재료인 일반시멘트를 사용한 콘크리트나 모르타르 표면의 알칼리와 반응하여 구조적인 결함을 야기하게 된다.
또한 모르타르 표면에는 모르타르 제작에 사용된 물의 유출 경로에 의해 생기는 많은 모세관 및 타설 과정에서 불량으로 인한 결함, 모르타르나 콘크리트 수축에 의한 균열 등이 있다. 이러한 균열을 통해 수분이 들어오면 수분에 의한 철근 부식과 겨울철의 경우 침투된 수분이 영향의 온도에서 체적 팽창으로 인한 콘크리트 파손 등이 발생하게 된다. 하지만 아직까지 이러한 수분의 침투를 막을 수 있는 보수 보강 공법은 현실화되고 있지 않은 상황이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 철근 콘크리트 원형 복원 보수시 방수기능의 확보 및 산에 노출된 콘크리트 구조체의 안정된 보수가 필요로 한 시공 부위에 대한 보강 공법으로서, 종래의 보수 모르타르로 보수한 후 염화물이나 황산이 함유된 수분의 침투에 의해 발생 가능한 이차 열화에 의한 콘크리트 손상으로 인한 콘크리트 내 철근 부식에 관한 문제점을 해결할 수 있는 콘크리트 구조물의 원형 복원용 보수 공법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 방수 기능 및 내산 기능이 강화되어 DEF의 발생가능성이 낮아지고, 바이오제닉 박테리아에 의하여 생성된 황화 수소 가스와 그에 따 황산의 생성을 억제할 수 있는 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르를 제공함에 있다.
본 발명은, (a) 콘크리트 원형 복원을 위한 보수 공법에 있어서, 콘크리트의 중성화도를 결정하고 치핑(chipping) 깊이를 결정하는 단계(S10)와, (b) 보수면을 정리하고, 상기 정리된 면을 치핑하는 단계(S20)와, (c) 상기 치핑된 면에 대하여 녹을 제거하는 단계(S30)와, (d) 상기 녹이 제거된 콘크리트 면에 대하여 콜로이달 실리카를 도포하는 단계(S40) 및 (e) 상기 콜로이달 실리카가 도포된 면에 대하여 내산 모르타르를 시공하는 단계(S50)를 포함하고, 상기 내산 모르타르는, 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트 44~57중량%, 백운석 규사 38~53중량%, 보강섬유 0초과~0.3중량%, 실리콘계 소포제 0초과~1중량%, 재분산성 아크릴 분말인 폴리머 0초과~3중량% 및 수축저감제인 디메틸올프로판 0초과~1중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 원형 복원용 보수 공법을 제공한다.
상기 (c)단계 후에, 방청제를 도포하는 단계(S32)를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 콜로이달 실리카의 침투 깊이는 20~200 mm 인 것이 바람직하다.
상기 콜로이달 실리카에서 콜로이달 실리카의 구성성분인 실리카는 10nm~10㎛의 입자크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 (e)단계 후에, 콜로이달 실리카를 도포하는 단계(S60)를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 콜로이달 실리카의 침투 깊이는 20~200mm인 것이 바람직하다.
상기 콜로이달 실리카의 입자크기는 10nm~10㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에 의해 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트 44~57중량%, 백운석 규사 38~53중량%, 보강섬유 0초과~0.3중량%, 실리콘계 소포제 0초과~1중량%, 재분산성 아크릴 분말인 폴리머 0초과~3중량%, 수축저감제인 디메틸올프로판 0초과~1중량% 및 콜로이달 실리카 0.1~0.8중량%를 포함하는 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르를 얻는다.
상기 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트는, 슬래그 80~85중량%, 석고 6~13중량%, 석회 3~8중량%, 유산반토 2~5중량% 및 소다회 0.1~1중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방수성과 내산성을 가진 조성물은 비록 강도에서 일반 모르타르에 비교할 때 낮은 강도 발현을 나타내지만, 우수한 방수 능력을 보일 뿐만 아니라 내산 특성을 보여준다. 상기와 같은 결과 바이오 제닉 박테리아에 의해 생성된 황산에 노출되는 하수관은 물론이고, 수분의 침투로 인해 철근 콘크리트 구조물 특히 교량 및 콘크리트 도로 보수에 사용될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 콘크리트 원형복원을 위한 보수 공법은 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트를 이용하여 콘크리트 단면 보수에 사용되는 콜로이달 실리카를 분사시키는 방법으로 콘크리트 보수면에 대한 물의 흡수를 저하시키고, 산성 및 화학적 열화에 강한 저항성을 부여하여 콘크리트 원형 복원에 대한 보수 및 보강이 가능한 공법이다.
도 1a와 도 1b는 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 원형 복원을 위한 보수 공법을 보여주는 절차도이다.
도 2는 형광발색법에 따라 콜로이달 실리카의 침투깊이를 측정한 것을 보여주는 사진이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따라 콜로이달 실리카를 공시체의 표면에 침투시킬 때 압축 강도가 210kgf/㎠인 경우 침투시간에 따른 침투량과 침투 깊이의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따라 콜로이달 실리카를 공시체의 표면에 침투시킬 때 압축 강도가 150kgf/㎠인 경우 침투시간에 따른 침투량과 침투 깊이의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 일반시멘트(a), 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트(b), 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트에 콜로이달 실리카를 첨가한 경우(c)에 대한 물의 침투 실험에 대한 결과를 보여주는 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 콜로이달 실리카를 포함하는 콘크리트 구조물의 단면에 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르가 도포된 것을 보여주는 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 콜로이달 실리카(15)를 포함하는 콘크리트 구조물의 단면에 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르(13)와 콜로이달 실리카(15)가 도포된 것을 보여주는 모식도이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 콘크리트 구조물의 원형 복원용 보수 공법으로서, (a) 콘크리트의 중성화도를 결정하고 치핑 깊이를 결정하는 단계, (b) 보수면을 정리하고, 상기 장리된 면을 치핑하는 단계, (c) 상기 치핑된 면에 대하여 녹을 제거하는 단계, (d) 상기 녹이 제거된 콘크리트 면에 대하여 콜로이달 실리카를 도포하는 단계 및 (e) 상기 콜로이달 실리카가 도포된 면에 대하여 내산 모르타르를 시공하는 단계를 포함하고, 상기 내산 모르타르는, 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트 44~57중량%, 백운석 규사 38~53중량%, 보강섬유 0초과~0.3중량%, 실리콘계 소포제 0초과~1중량%, 재분산성 아크릴 분말인 폴리머 0초과~3중량% 및 수축저감제인 디메틸올프로판 0초과~1중량%를 포함한다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명에서 사용되는 내산 시멘트와 상기 내산 시멘트를 이용한 내산 폴리머 보수 모르타르 및 콜로이달 실리카는 다음과 같다.
내산 시멘트는 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트이고, 슈퍼 설페이트 메탈루지칼 시멘트는 슬래그 분말이 80~85중량%, 석고가 6~13중량%, 석회가 3~8중량%, 유산반토가 2~5중량% 및 소다회는 0.1~1중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 사용된 슬래그는 고로 슬라그 미분말로서 KSF 2563 3종의 것을 사용하였다. 상기 고로 슬라그 미분말은 밀도가 2900kg/㎥이고, 비표면적은 4000㎠/g 이상이고 Al2O3의 함량은 13.0중량% 이상이다. 또한 염기도가 1.6 이상이고, 삼산화황은 4.0중량% 이하이다. 활성화제로 유산반토와 소디움카보네이트를 사용한다.
유산반토는 황산알루미늄으로서, 화학식 Al2(SO4)3. 무수물과 6, 10, 16, 18, 27 수화물이 있는데 상온에서는 18 수화물이 가장 안정하다. 무색의 결정으로서 물, 산, 알칼리에 녹는다. 매염제, 포말소화제, 의약품, 응집제 등으로 쓰인다. 응집제 주입률은 일반적으로 10~100ppm의 범위로 사용된다. 응집반응의 최적 pH는 6.0~7.0이다.
석고 사용량이 6~13 중량%로서 석고 사용량이 6중량% 미만일 경우에는 슬래그 분말 중 알루미나(Al2O3)와 반응하여 칼슘설포알루미네이트의 형성이 적어지며, 초기 경화가 늦어진다. 13 중량%를 초과하면, 잉여된 석고의 지연 역할이 활발해져 초기 경화가 늦어진다.
석회는 3~8 중량%로서 석회의 사용량이 3중량% 미만일 때에는 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트의 pH가 낮아져 초기 응결이 늦어지며, 8중량%를 초과하면, 빠른 응결로 인해 작업성이 나빠진다.
소다회는 소디움카보네이트로서, 무수물을 소다회라고 한다. 10수화물은 세탁소다, 결정소다라고도 한다. 화학식은 Na2CO3이고, 무수물은 백색분말로서 흡습성이 강하다. 일반적으로 1수화물, 7수화물, 10수화물이 알려져 있다. 100g의 물에 0℃에서 7.1g, 100℃에서 45.5g이 용해된다. 알코올 에테르 등에는 녹지 않는다. 수용액은 화학식 1과 같이 분해하여 약알칼리성을 나타낸다.
Figure 112011047489491-pat00001
수용액은 화학식 2와 같이 분해하여 알카리성을 나타낸다. 염산이나 황산 등의 강한 산을 가하면, 이산화탄소를 생성한다.
Figure 112011047489491-pat00002
소다회의 사용은 1중량%를 초과하지 않아야 하는데, 초과할 경우 응결이 빠르게 진행되어 작업성이 저하된다.
상기와 같이 준비된 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트를 포함하는 내산 폴리머 보수 모르타르를 사용한다.
이하에서는 콘크리트 구조물의 원형 복원을 위한 보수 보강 공법에 대하여 설명한다.
도 1a와 도 1b는 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 원형 복원을 위한 보수 공법을 보여주는 절차도이다. 도 1a는 철근이 내재되어 있는 경우 철근 콘크리트에 대한 방청작업이 더 포함되어 있다. 하지만 도 1b는 철근이 포함되어 있지 않은 경우로서 방청작업을 수행하지 않아도 무방하다.
먼저 보수 공법을 적용할 수 있는 콘크리트 구조물에 대한 중성화도를 측정하여야 한다(S10). 경화된 콘크리트는 시멘트의 수화생성물인 수산화 석회 때문에 강한 알카리성을 지니고 있는 것으로 알려져 있다. 시멘트의 수화에 있어서 대표적인 반응식은 다음의 화학식 3 내지 화학식 6으로 표시된다.
Figure 112011047489491-pat00003
Figure 112011047489491-pat00004
Figure 112011047489491-pat00005
Figure 112011047489491-pat00006
따라서 시멘트가 완전히 수화되면, 최고 35% 정도의 수산화 석회가 유리되어 경화에 중요한 역할을 한다. 한편, 대기 중에는 약산성 탄산가스가 0.03% 포함된다. 그 결과 수산화칼슘과 탄산가스가 화학식 5에 의하여 탄산칼슘을 생성한다. 탄산칼슘으로 된 부분의 pH는 8.5~10 정도로 약알카리성이 없어지고 중성화되며, 이것을 콘크리트의 중성화라고 한다.
따라서 콘크리트 구조 부재의 노화 진행정도를 측정하기 위한 방법으로 가장 대표적인 것이 중성화 반응을 검사하는 중성화 시험이다.
상기와 같은 중성화 시험 결과로부터 치핑 깊이를 결정한다. 치핑은 표면 절삭 작업이라고 할 수 있는데 치핑 작업을 통해서 콘크리트의 내부가 드러나게 된다. 치핑 깊이에 대한 설정이 이루어지고 나면 상기 치핑 깊이가 결정된 면을 치핑하는 작업을 수행한다(S20).
치핑 작업이 종료되면 콘크리트 면 50mm 두께의 내부의 철근이 드러나게 되므로 드러난 철근에 대한 녹을 제거하는 작업을 수행한다(S30).
상기와 같이 녹이 제거된 철근이 내재되어 있을 시 방청제 코팅이 필요하다(S32). 상기 방청제는 금속이 부식하기 쉬운 상태일 때 도포함으로써 녹을 방지하기 위해 사용하는 물질이다.
수용액으로 사용되는 것에는 예로부터 알려져 있는 크로뮴산염, 인산염, 규산염등이 있는데, 방청제가 녹아 있는 수용액은 약산성이며 철의 녹 방지에 주로 사용된다.
녹이 제거된 면에 대하여 콜로이달 실리카를 도포한다. 상기 콜로이달 실리카는 산화규소를 주성분으로 하는 콜로이드 상태의 물질을 말하는데, 유백색으로 액상이고, 철의 주조(Steel casting), 표면 친수화(hydrophilizing surface), 섬유에 대한 결합재, 무기 결합재 및 유기 폴리머의 강화에 사용된다.
본 발명에 따른 콜로이달 실리카의 경우 SiO2가 50~80중량%를 이루고, Na2O는 0.1~0.7중량%이고, 물의 비율이 15~35중량%를 이룬다. 콜로이달 실리카의 비중은 1.19~1.22이고, 점도는 10cps 이하이다. 또한 콜로이달 실리카의 pH는 9~13으로 약알칼리성이다.
상기와 같은 콜로이달 실리카를 액상으로 만들어 철근에 대한 녹이 제거된 면에 대하여 도포한다(S40). 상기와 같이 콜로이달 실리카를 철근에 대한 녹이 제거된 면에 도포하면, 콜로이달 실리카는 산화규소가 나노미터 크기를 가지고 있는 상태로 상기 철근에 대한 녹이 제거된 면으로 침투한다.
상기 콜로이달 실리카(15)가 도포된 면에 대하여 내산 모르타르(13)를 시공한다(S50). 상술한 바와 같이 내산 모르타르(13)는 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트 44~57중량%, 백운석 규사 38~53중량%, 보강섬유 0초과~0.3중량%, 실리콘계 소포제 0초과~1중량%, 재분산성 아크릴 분말인 폴리머 0초과~3중량% 및 수축저감제인 디메틸올프로판 0초과~1중량%를 포함한다.
상술한 바와 같이 내산 모르타르는 콘크리트 원형 복원 보수 모르타르이고, 내산성이 우수하다.
상기 콘크리트 원형 복원 보수 모르타르가 시공된 면에 대해서 다시 한번 콜로이달 실리카(15)를 도포한다(S60). 철근의 녹이 제거된 면에 대하여 콜로이달 실리카를 도포하고 난 후 다시 한번 콜로이달 실리카를 도포하는 경우 방수성도 우수해진다.
상기 콜로이달 실리카는 주된 구성 성분이 실리카이고 상기 실리카는 입자크기가 10nm~10㎛인 것이 바람직하다.
상기 콜로이달 실리카를 콘크리트 원형 복원 보수 모르타르가 시공된 면에 대하여 시공한 뒤, 마감재를 도포한다(S70).
이렇게 마감재의 도포까지 종료되면, 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르의 시공은 종료된다. 상기와 같은 콜로이달 실리카(15)의 도포에서 침투 깊이는 내산 기능과 방수 기능에 결정적인 역할을 하기 때문에 이것에 대한 측정과 조절이 필요하다. 특히 상술한 바와 같이, 콜로이달 실리카의 입자가 OH-기를 가지고 있어서 콜로이달 실리카의 침투 깊이에 따라 콘크리트의 중성화도가 결정되므로 콜로이달 실리카의 침투 깊이를 측정하였다.
표 1은 콜로이달 실리카의 침투깊이를 보여주는 표이다.
시험 종목 단위 1 2 시험방법
침투 깊이 mm 27 24 -
표 1을 참조하면, 콜로이달 실리카가 2개의 공시체에 대하여 각각 27mm와 24mm 침투하였다는 것을 알 수 있다. 여기에서 사용된 콘크리트 코어 부분에 대한 콜로이달 실리카의 침투 깊이에 대한 측정은 콘크리트 코어 파단면에 대한 형광 발색법을 사용하여 침투 깊이를 측정하였다.
도 2는 형광발색법에 따라 콜로이달 실리카의 침투깊이를 측정한 것을 보여주는 사진이다.
도 2를 참조하면, 콘크리트 공시체에 대하여 콜로이달 실리카가 침투된 깊이에 따라 형광 발색면이 드러난다는 것을 확인할 수 있다.
종래에 사용되는 일반적인 유기계 도막이 형성되는 방수제는 균열 부위와 콘크리트 다공질의 표면 기공에 2~3mm의 두께로 함침되어 도막이 형성된다. 하지만 상기와 같은 도막의 두께로는 콘크리트 구조물 내부에 이미 조성된 미세한 기공 사이로 깊게 침투하는 역할을 하지 못한다.
그러나 콜로이달 실리카는 입자의 크기가 10nm~10㎛이므로 콘크리트 공시체 내에 형성되어 있는 C-S-H 기공 사이로 깊게 침투가 가능하다. 결국 표면에 대한 양생기간 동안에 최종적으로 100~150mm 까지 침투가 가능하다.
콜로이달 실리카는 물이나 에탄올 같은 용매에 미립자인 실리카를 교반시킨 상태라고 할 수 있다. 콜로이달 실리카는 쉽게 제조하는 것이 어렵기 때문에 규산 나트륨같은 용질에 대하여 이온 교환법으로 만들어진다.
본 발명에 따른 콜로이달 실리카의 경우에는 SiO2가 50~80중량%인 것이 바람직하다.
콜로이달 실리카는 침강이 일어나지 않고 용매에 안정적으로 분산되어 있는 상태이다. 콜로이달 실리카는 표면에 다수의 OH-기를 가지고 있으며, 내부에는 실록산 결합(Si-O-Si)을 이루고 있으므로 결합성, 내열성, 조막성 및 흡착성이 우수하다고 알려져 있다.
콜로이달 실리카의 중성화 억제 메카니즘에 대하여 설명하면 다음과 같다. 상술한 바와 같이, 공기 중의 이산화 탄소가 콘크리트 표면으로부터 침투 확산되면, 콘크리트 중의 수산화 칼슘과 이산화탄소의 중화반응이 일어나며, 이에 따라 콘크리트는 서서히 중성화되며 내부로 확산된다.
중성화가 진행되면, 콘크리트 내부로 H2O가 확산되는 바, 이를 저해하기 위해 콘크리트 내부의 용해성 알칼리는 표면으로 역이동하여 알칼리이온 농도를 저감시키고, 이로써 중성화 속도는 느려진다. 따라서 본 발명에 따라 콜로이달 실리카를 경화가 진행되어 가는 콘크리트 공시체의 표면에 발라주면, 콘크리트 내부의 건전한 H+, OH- 이온의 표면 역 이동 확산을 촉진시켜 비용해성 칼슘염, 즉 Ca(OH)2를 이미 중성화된 부분의 공극에 정치시켜 알칼리성을 회복할 수 있다.
또한 콜로이달 실리카를 이용한 콘크리트 중성화 억제 효과에 대해서 설명하면 다음과 같다. 먼저 시멘트의 수화과정은 화학식 3 내지 4에 나타낸 바와 같고, 화학식 3 내지 6의 반응은 에이라이트, 비라이트의 수화반응에 따른 수산화 칼슘 등의 생성반응이라고 할 수 있다. 상기와 같은 수산화 칼슘 등으로 인해 모르타르나 콘크리트의 pH는 12.8 이상의 강알칼리성이 된다.
공시체의 표면을 통해 투입된 콜로이달 실리카는 공기 중의 이산화 탄소와 반응을 유도하여 콘크리트의 경화에 따른 중성화를 저해한다.
또한 콜로이달 상태의 실리카이면서 미세 입자로 구성되어 있기 때문에 내부에 대한 침투성이 우수하고, 이에 따라 시멘트로 이루어진 공시체에 대한 침투성이 우수하여 내부로 들어가 비워져 있는 공극을 메워주는 효과를 낳는다.
콜로이달 실리카는 상기와 같은 효과에 의하여 압축강도 뿐만 아니라 인장강도까지 증가시키는 효과를 낳는다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따라 콜로이달 실리카를 공시체의 표면에 침투시킬 때 압축 강도가 210kgf/㎠인 경우 콜로이달 실리카의 침투시간에 따른 침투량과 침투 깊이의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3a와 도 3b를 참조하면, 압축강도가 210kgf/㎠인 경우에는 치밀한 미세구조를 가지고 있기 때문에 콜로이달 실리카의 침투 시간에 따른 침투량이 그리 많지 않고, 침투 시간에 따른 침투 깊이도 40시간 동안에 약 20~25mm의 침투 깊이를 갖는다.
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따라 콜로이달 실리카를 공시체의 표면에 침투시킬 때 압축 강도가 150kgf/㎠인 경우 콜로이달 실리카의 침투시간에 따른 침투량과 침투 깊이의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 도 3a의 경우와 달리 약 10시간 동안에 25cc(cubic square centimeters)가 콘크리트 공시체 내부로 침투해 들어간다. 도 4b를 참조하면, 콜로이달 실리카의 침투 시간에 따라 침투 깊이가 직선적으로 비례하여 증가한다. 결국 50시간 동안에 70mm 까지 콜로이달 실리카가 침투해 들어가고, 콘크리트 공시체 내부에 형성되어 있는 기공 사이로 콜로이달 실리카가 들어 가서 C-S-H 사이의 기공을 메울 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이, 산에 강한 슈퍼 설페이트 메탈루지칼 시멘트를 사용한 보수 모르타르와, 초미립의 콜로이달 실리카를 사용하여 방수 기능 및 내산 기능이 향상되어 DEF의 발생 가능성이 낮아지고, 바이오 제닉 박테리아에 의한 황산에 강하여 2차 열화요인이 감소된다. 상기와 같이 2차 열화 요인이 감소함에 따라 콘크리트 구조물이 안정화된 상태를 이루게 된다.
본 발명에 사용된 슈퍼 설페이트 메탈루지칼 시멘트를 사용한 보수 모르타르는 이하와 같은 구성을 가진다.
콘크리트 구조 원형 복원 보수 모르타르는 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트 44~57중량%, 백운석 규사 38~53중량%, 보강섬유 0초과~0.3중량%, 실리콘계 소포제 0초과~1중량%, 재분산성 아크릴 분말인 폴리머 0초과~3중량% 및 수축저감제인 디메틸올프로판 0초과~1중량%를 포함한다.
슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트가 44중량% 미만일 경우 모르타르의 강도가 저하되며, 57% 초과할 경우 모르타르의 강도는 상승하나 모르타르의 강도는 상승하나 모르타르의 점도가 증가하여 작업성이 저하된다.
백운석 규사의 사용량이 38% 중량 이하일 경우 모르타르의 점도가 증가하여 작업성이 떨어져 물의 사용량이 증가하며, 모르타르 강도 저하의 요인으로 작용되며, 53중량%를 초과할 경우 모르타르의 점도가 저하되어 분사(Spray)가 어려워진다.
보강 섬유의 사용량이 0.3중량%를 초과하면, 모르타르 제조할 때 혼합 및 포장에 어려움을 가져온다.
실리콘계 소포제는 물과 반응할 때 기포를 제거하는 역할을 한다. 소포제는 고가의 원료로서 사용량이 1중량%를 초과하면 모르타르 제조 생산단가가 상승한다.
재분산성 아크릴 수지 분말은 고가의 원료로서 사용량이 3중량%를 초과하면 모르타르에 점착력이 증가하여 분사할 때 작업저하를 가져오며, 모르타르 제조 생산단가가 상승한다.
디메틸올프로판이 1중량%를 초과하게 되면, 모르타르의 점착력이 저하되며 모르타르의 양생시간을 연장시킨다.
본 발명에 따른 내산 폴리머 보수 모르타르의 제조에 사용되는 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트의 제조에 사용되는 슬래그의 성분 분석은 표 2와 같다.
성분 SiO2 Al2O3 MgO CaO Fe2O3 TiO2 P2O5 Na2O K2O
wt% 35.1 14.3 5.85 41.0 0.41 0.6 0.00 0.23 0.34
상기와 같은 슬래그를 사용하여 만든 수퍼설페이트메탈루지칼 시멘트는 일반 시멘트와 비교하여 수화발열 반응속도가 낮으며, 알칼리 골재 반응을 억제하는 효과가 있으며, 수밀성, 염분 차단성, 내해수성, 내약품성을 가지고 있다.
한편, 전술한 특허 10-2007-0095187에서 사용된 활성화제는 산화나트륨, 수산화나트륨, 질산나트륨, 규산칼륨 등을 사용하였으나, 본 발명에서는 유산반토를 사용하여 초기 응결을 촉진하여 조기 강도를 발현시켰다.
고로수쇄 슬래그는 제철산업에서 발생되는 산업 부산물로서 잠재적인 수경성 물질이다. 고로수쇄 슬래그를 시멘트와 혼합하여 사용하는 방법이 많이 알려져 있고, 혼합 정도가 약 50% 정도였으나, 본 발명에서는 고로수쇄 슬래그를 약 80% 정도 사용하고 이에 적정한 활성화제인 유산 반토를 사용하여 산 및 황산염에 강한 시멘트를 만들었다. 이렇게 만든 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트를 주결합재로 하고, 골재로는 백운석계 규사를 사용하고, 재분산성 폴리머 및 섬유, 침윤제(wetting agent)를 첨가하여 내산 폴리머 보수 모르타르를 만들었다.
상기와 같은 조성을 가지고 있는 내산 폴리머 보수 모르타르의 압축강도를 다른 시멘트 혹은 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르만을 사용한 경우와 비교하기 위해서 압축강도를 측정하는 실험을 수행하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르의 실험예들을 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예1> 압축강도 측정실험
본 실험에 사용된 시료는 (a) 일반시멘트를 사용한 모르타르, (b) 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트를 사용한 모르타르, (c) 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트에 콜로이달 실리카를 첨가한 모르타르이었다.
여기에 사용된 시료는 시멘트: 백운석 규사의 중량비를 1:1로 하였으며, 시료를 만들기 위한 물사용비는 일반시멘트(a)의 경우가 18중량%, 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트(b),(c)의 경우가 19.5% 이었다.
표 3은 압축강도 측정결과를 시간 경과에 따라 보여주는 표이다.
시험기간 일반시멘트(a)(kgf/㎠) 수퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트(b)(kgf/㎠) 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트+콜로이달실리카(c)(kgf/㎠)
1일 95 96
3일 235 204 214
7일 364 315 329
28일 495 436 465
7일(내산 시험 황산5중량%) 302 312 326
이때 시편의 크기는 50mm×50mm×50mm의 크기를 갖는 공시체를 사용하였다.
내산 시험은 동일하게 만든 시편을 5중량% 황산 용액에 침적 후 압축강도를 측정한 결과를 말한다.
표 3을 참조하면, 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트의 경우 초기 강도는 낮게 발현되었지만, 내산성이 우수하다는 사실을 확인할 수 있었다.
<실험예 2> 흡수시험
표 4는 흡수율을 보여주는 시험결과이다.
항목 일반시멘트(a) 수퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트(b) 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트+콜로이달실리카(c)
흡수율(%) 2.4% 2.2% 0.8%
흡수율의 측정은 시편의 무게를 측정하는 방법을 사용하였다. 표 4를 참조하면, 콜로이달 실리카를 첨가한 경우 물의 흡수가 거의 발생하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3> 표면 방수시험
본 발명에 사용되는 콜로이달 실리카는 시멘트와 친화성을 보이며, 방수성능을 나타낸다. 물의 침투를 억제하여 동결 융해 및 결로방지에도 효과적이다.
도 5a 내지 도 5c는 일반시멘트(a), 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트(b), 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트에 콜로이달 실리카를 첨가한 경우(c)에 대한 물의 침투 실험에 대한 결과를 보여주는 사진이다.
도 5a 내지 도 5c를 참고하면 콜로이달 실리카를 넣었는가 아닌가에 따라 모르타르의 적심성(wettability)가 달라진다는 것을 확인할 수 있다. 비록 소량의 첨가라고 할지라도 콜로이달 실리카를 넣은 경우가 물에 대한 저항성이 우수하여 물을 흡수하지 않는다.
상기와 같은 결과를 이용하면, 콜로이달 실리카를 넣은 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트를 포함하는 모르타르가 동결 융해 및 결로 방지에도 효과적이라는 것을 예측할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실험예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실험예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
이하에서는 방수성과 내산성이 우수한 콜로이달 실리카를 포함하는 내산 폴리머 보수 모르타르의 조성물에 대하여 상술한다.
실험예 1, 2 및 3의 결과로부터 본 발명에 따른 내산 폴리머 보수 모르타르는 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트 44~57중량%, 백운석 규사 38~53중량%, 보강섬유 0초과~0.3중량%, 실리콘계 소포제 0초과~1중량%, 재분산성 아크릴 분말인 폴리머 0초과~3중량%, 수축저감제인 디메틸올프로판 0초과~1중량% 및 콜로이달 실리카0.1~0.8중량%를 포함한다.
도 6은 본 발명에 따른 콜로이달 실리카를 포함하는 콘크리트 구조물의 단면에 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르가 도포된 것을 보여주는 모식도이다.
도 6을 참조하면 콜로이달 실리카(15)는 분사의 방식으로 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르(13)에 포함되어 있지만 스프레이 분사 방식이 아니어도 무방하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 콜로이달 실리카(15)는 내산 폴리머 보수 모르타르(13)에 부가되는 방식도 가능하지만, 일반 콘크리트 구조물(11)에 부가하는 방식으로도 방수성과 내산성을 확보하는 것이 가능하다.
도 6에서 콜로이달 실리카(15)는 먼저 철근에서 녹이 제거된 면에 대해서 도포되어 있다. 그리고 상기 콜로이달 실리카(15)가 분사된 면 위로 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르(13)를 도포하여 내산성과 방수성을 확보한다. 그리고 상기 콘크리트 원형 복원 보수 모르타르가 시공된 다음에 마감재(14)로 마무리한다.
도 7은 본 발명에 따른 콜로이달 실리카(15)를 포함하는 콘크리트 구조물의 단면에 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르(13)와 콜로이달 실리카(15)가 도포된 것을 보여주는 모식도이다.
도 7의 경우에는 콜로이달 실리카가 이중으로 도포되어 있어서 한층 더 우수한 내산성과 방수성을 나타낸다. 상기와 같은 구성을 가지고 콘크리트 구조물의 원형 복원을 시도하면, 단 1회의 복원 처리로 영구적인 방수 기능과 내산 기능을 갖춘 콘크리트 구조물의 실현이 가능하다.
또한 상기와 같은 구성은 콜로이달 실리카(15)를 스프레이 형식으로 분사할 수 있어서, 간단한 시공방법으로 콘크리트 층의 방수와 산에 대한 부식 방지라는 소정의 목적을 달성할 수 있다.
11: 콘크리트 구조물 12: 방청제
13: 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르
14: 마감제 15: 콜로이달 실리카

Claims (9)

  1. (a) 콘크리트의 중성화도를 측정하고 치핑 깊이를 결정하는 단계(S10);
    (b) 상기 치핑 깊이가 결정된 면을 치핑하는 단계(S20);
    (c) 상기 치핑된 면에 대하여 녹을 제거하는 단계(S30);
    (d) 상기 녹이 제거된 콘크리트 면에 대하여 콜로이달 실리카(15)를 도포하는 단계(S40); 및
    (e) 상기 콜로이달 실리카(15)가 도포된 면에 대하여 내산 모르타르(13)를 시공하는 단계(S50)를 포함하고,
    상기 내산 모르타르(13)는, 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트 44~57중량%, 백운석 규사 38~53중량%, 보강섬유 0초과~0.3중량%, 실리콘계 소포제 0초과~1중량%, 재분산성 아크릴 분말인 폴리머 0초과~3중량% 및 수축저감제인 디메틸올프로판 0초과~1중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 원형 복원용 보수 보강 공법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계 후에,
    방청제(12)를 도포하는 단계(S32);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 원형 복원용 보수 보강 공법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 콜로이달 실리카(15)의 침투 깊이는 20~200mm인 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 원형 복원용 보수 보강 공법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 콜로이달 실리카(15)에서 콜로이달 실리카(15)의 구성성분인 실리카는 10nm~10㎛의 입자크기를 갖는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 원형 복원용 보수 보강 공법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (e)단계 후에,
    콜로이달 실리카(15)를 도포하는 단계(S60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 원형 복원용 보수 보강 공법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 콜로이달 실리카(15)의 침투 깊이는 20~200mm인 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 원형 복원용 보수 보강 공법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 콜로이달 실리카(15)의 구성성분인 실리카는 10nm~10㎛의 입자크기를 갖는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 원형 복원용 보수 보강 공법.
  8. 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트 44~57중량%, 백운석 규사 38~53중량%, 보강섬유 0초과~0.3중량%, 실리콘계 소포제 0초과~1중량%, 재분산성 아크릴 분말인 폴리머 0초과~3중량%, 수축저감제인 디메틸올프로판 0초과~1중량% 및 콜로이달 실리카 0.1~0.8중량%를 포함하는 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르.
  9. 제8항에 있어서, 상기 슈퍼설페이트 메탈루지칼 시멘트는,
    슬래그 80~85중량%, 석고 6~13중량%, 석회 3~8중량%, 유산반토 2~5중량% 및 소다회 0.1~1중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 원형 복원 보수 모르타르.
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