KR101157504B1

KR101157504B1 - 친환경 탄성 모르타르

Info

Publication number: KR101157504B1
Application number: KR20100039309A
Authority: KR
Inventors: 장지한; 이상택
Original assignee: 케이엠비(주)
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2012-06-15
Also published as: KR20110119899A

Abstract

본 발명은 도로나 교량의 신축이음과 같이 지속적인 변형력이 가해지는 곳에 적용하기 적합하고 재생 소재를 원료로 사용함으로써 환경 친화적인 탄성 모르타르에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄성 모르타르는, 이소시아네이트, 폴리올 및 첨가제를 포함하는 폴리우레탄 수지 조성물 5 내지 20 중량%; 제강 슬래그볼로 이루어진 골재 70 내지 90 중량%; 보강섬유 0.1 내지 3.0 중량%; 및 충진제 3 내지 20중량%; 을 포함한다. 상기 폴리올은 그 전체의 30중량%까지 재생 폴리올이 사용된다.

Description

친환경 탄성 모르타르{Environment Friendly Elastic Mortar}

본 발명은 건축용 모르타르에 관한 것이며, 보다 상세하게는 도로나 교량의 신축이음과 같이 지속적인 변형력이 가해지는 곳에 적용하기 적합한 환경 친화적인 탄성 모르타르에 관한 것이다.

교량을 포함한 각종 도로 구조물에는, 온도변화, 크리프(creep), 건조수축(shrinkage), 시공오차, 재하 하중, 지반의 침하 등의 여러 원인에 의한 변형 응력이 작용하는 바, 구조물에 이런 변형력이 그대로 구속되어 있으면 해당 구조물에 균열을 발생시키고 파손시킬 우려가 있다.

따라서 이런 도로 구조물에는 일정구간마다 유격(이음틈새)을 형성하는 한편 벌어진 이음틈새를 신축이음장치로 폐쇄함으로써, 구조물의 변형에 따른 동적거동을 원활히 수용하도록 하면서, 누수 등을 방지하고 차량의 통행에 지장이 없도록 하는 신축이음시공을 하고 있다.

이와 같은 신축이음장치는 매우 다양한 구조로 개발되어 있으며, 도1은 교량에 적용된 예시적인 신축이음의 개략도이다.

도시된 바와 같이, 교각(1)에 의해 지지된 상판(2)과 상판 사이에는 일정 유격의 이음틈새(3)가 형성되어 있고, 이음틈새(3)의 상부에는 소정의 신축이음장치(4)가 장착된다.

이와 같은 신축이음구조에 있어서, 신축이음장치(4)의 상부나, 상판(2)과 신축이음장치(4) 사이 공간에는 필요에 따라 아스콘(5)의 높이에 맞게 모르타르(6)를 타설하는바, 신축이음부위는 신축이음의 반복적인 신축작용과 통행 차량에 의한 충격 등 극한 환경에 노출되기 때문에, 일반적인 시멘트 모르타르를 적용할 경우에 쉽게 균열 및 파손되어 잦은 보수를 요하고 노면 불량으로 인한 교통사고를 유발할 수 있으며, 따라서 신축이음부위에는 충격을 완충할 수 있는 탄성이 부가된 모르타르를 적용할 필요가 있다.

본 발명의 목적은, 신축이음과 같이 변형력이 가해지는 곳에 적용하기 적합한 탄성 모르타르를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 목적은, 원료로 재생소재를 주로 사용함으로써 폐기물을 재활용하고 관련 비용을 절감할 수 있는 친환경적인 탄성 모르타르를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 목적은, 현장 시공시에 모르타르의 재료분리를 방지하고, 점성과 타설 표면의 상태를 조절 할 수 있음으로써, 작업성이 개선된 탄성 모르타르를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따라 친환경 탄성 모르타르가 제공된다.

본 발명에 따른 친환경 탄성 모르타르는, 이소시아네이트(isocyanate), 폴리올(polyol) 및 첨가제를 포함하는 폴리우레탄 수지 조성물 5 내지 20 중량%, 제강 슬래그볼로 이루어진 골재 70 내지 90 중량%, 보강섬유 0.1 내지 3.0 중량%, 및 충진제 3 내지 20 중량%를 포함하는 조성으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 폴리올은 전체 폴리올에 대해 30중량%까지 재생 폴리올을 사용할 수 있다.

널리 알려진 바와 같이, 폴리우레탄 수지는, 이소시아네이트와 폴리올의 우레탄 결합에 의한 중합반응에 의해 제조되는 바, 본 발명의 친환경 탄성 모르타르는, 폴리우레탄 수지 원료인 이소시아네이트, 폴리올 및 첨가제의 폴리우레탄 수지 조성물에, 골재로서 제강 슬래그볼을, 그리고 보강섬유와 충진제를 혼합하여 조성한 모르타르로서, 이들 조성물을 균일하게 혼합한 본 발명의 모르타르를 시공부위에 타설하면, 폴리우레탄 수지 조성물에 골재와 보강섬유 등이 혼합된 상태로 우레탄 중합반응이 일어나 폴리우레탄 수지로 경화되면서, 목적하는 물성을 가진 탄성 모르타르가 되는 것이다.

상기 폴리우레탄 수지 조성물은, 널리 알려진 바와 같이, 이소시아네이트, 폴리올 및 첨가제를 포함하는 조성으로 이루어지며, 이런 폴리우레탄 수지를 위한 조성물의 조성은 관련 기술분야의 알려진 기술을 본 발명에 맞게 적용할 수 있다.

상기 이소시아네이트로는, 알려진 바와 같이, 톨루엔디이소시아네이트(TDI), 디페닐메탄디이소시아네이트(MDI), 중합체성 MDI, 톨리딘디이소시아네이트(TODI), p-페닐렌이소시아네이트 등의 방향족 이소시아네이트, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 수소 첨가 MDI, 아이소포론 디이소시아네이트 등의 지방족 이소시아네이트 등이 있으며, 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.

상기 폴리올로는, 폴리옥시프로필렌글리콜, 폴리옥시프로필렌폴리옥시에틸렌글리콜, 폴리옥시부틸렌글리콜, 폴리옥시테트라메틸렌글리콜, 폴리옥시프로필렌트리올, 폴리옥시프로필렌폴리옥시에틸렌트리올, 폴리옥시프로필렌폴리옥시에틸렌폴리옥시프로필렌트리올 같은, 말단 히드록실기를 갖는 폴리에테르계 폴리올; 프탈산, 아디프산, 말레산 같은 폴리카복실산과 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 트리메틸올프로페인, 글리세린, 펜타에리트리톨 같은 다가 알코올로부터 유도되는 말단 히드록실기를 갖는 폴리에스터계 폴리올 등을 들 수 있고, 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.

바람직하게, 상기 폴리올로서는 재원 재활용의 측면에서 적어도 일부(예, 폴리올 전체의 30중량% 까지)를 재생 폴리올로 사용할 수 있다. 재생 폴리올은 예를 들어 대한민국 등록특허 제10-0627209호(2006. 09. 15. 등록)에 기재된 방법과 같은 공지의 방법에 의해 제조될 수 있다.

상기 폴리우레탄 수지 조성물의 첨가제로서는, 폴리히드록시아민 등과 같은 아민류, 소포제, 각종 지방산류 등을 적용할 수 있다. 폴리우레탄 수지에 사용되는 첨가제에 관련하여서도 관련 기술분야의 종래기술을 본 발명에 맞게 적용할 수 있다.

이소시아네이트와 폴리올의 혼합비는 이소시아네이트 중의 이소시아네이트기와 폴리올 중의 히드록실기의 당량비가 대략 1에 근접하도록 하는 것이 바람직하며, 이를 벗어나면 우레탄 결합이 불충분할 수 있어 바람직하지 않다. 이때 첨가제는 폴리올 100 중량부에 대하여 각각 0.2 내지 3 중량부의 범위로 사용할 수 있다.

이소시아네이트, 폴리올 및 첨가제를 포함하는 폴리우레탄 수지 조성물은, 본 발명의 전체 모르타르에 대해 5 내지 20 중량%의 범위, 바람직하게 약 10중량% 사용된다.

이때 전체 모르타르에서 폴리우레탄 수지 조성물 함량이 과다하면, 상대적으로 골재의 양이 적어지게 되고, 이로써 결과 모르타르의 강도 저하, 재료분리, 마모성 저하, 경제성 악화의 문제가 있고, 그 함량이 과소하면 결과 모르타르의 유동성, 접착성 및 탄성력이 저하되고 작업성이 불량해진다.

상기 골재로는 제강 슬래그볼(바람직하게 직경 5mm 이하)이 사용된다.

제강 슬래그볼은 제철소의 제강 과정에서 발생하는 불안정한 용융상태의 제강 슬래그를 아토마이징 처리하여 제조한 비드(볼) 형상의 재생골재이다.

아토마이징은 제강 슬래그를 용융 상태 그대로 낙하시키면서 슬래그의 낙하 방향과 교차하는 또 하나의 방향으로 가스와 물로 이루어진 혼합 기체를 분사하여 냉각시킴으로써 낙하하는 슬래그를 미세 액적으로 형성되게 하는 한 것을 말한다. 이런 과정으로 형성된 미세 액적은 표면장력으로 인하여 구형의 형상을 가지게 되고 공기와 물 등과 같은 냉각매체에 의하여 급속 냉각되어 고상의 슬래그볼로 형성되며, 결과의 슬래그볼은 통상의 서냉법으로 처리된 괴상의 제강 슬래그와는 다른 물성을 가진다.

즉, 제강 슬래그볼은, 아토마이징 과정에서 안정화된 스피넬(Spinel) 구조가 되면서, 풍화와 같은 화학적, 물리적 요인에 대해 매우 강한 저항성을 갖는 경고하고 안정화된 입자가 되고, 일반 제강 슬래그의 문제점인 자유 CaO를 용출하지 아니하고 다른 유해 중금속도 용출되지 아니하여, 실질적으로 공해 문제를 일으키지 않는 것으로 보고되고 있다.

제강 슬래그볼은 일반적인 제강 슬래그와 같이 CaO, Fe₂O₃, SiO₂가 주성분을 이루고 있으나, F-CaO가 0.15% 이하이며, 이는 대부분의 CaO가 Fe₂O₃, SiO₂와 반응하여 2CaO?Fe₂O₃와 2CaO?SiO₂의 화합물 상태, 즉 스피넬구조로 존재하기 때문으로 알려져 있다.

이런 제강 슬래그볼에 관하여서는 대한민국 등록특허 제10-0481196호(2005. 03. 26. 등록) 등에 기재된 제강 슬래그볼을 참조할 수 있다.

즉, 본 발명에 골재로서 적용하는 제강 슬래그볼은, 강도, 내풍화성 및 내식성이 강하면서 유해물질의 용출이 없는 무공해 재생 골재인 것이다.

또한, 본 발명의 탄성 모르타르에 적용되는 골재에 수분이 함유되어 있을 경우에 이소시아네이트와 폴리올의 우레탄 반응에서 발포 현상이 발생하여 목적하는 모르타르의 물성을 얻을 수 없음으로, 적용하는 골재로부터 최대한 수분을 제거하여야 하는 바, 본 발명에서는 골재로서 실질적으로 수분을 거의 포함하지 않은 제강 슬래그볼을 사용함에 따라 에너지소모적인 골재의 건조과정을 전혀 요하지 아니한다.

제강 슬래그볼(골재)은 전체 모르타르에 대해 70 내지 90 중량%의 범위, 바람직하게 80중량% 내외로 사용된다. 이때 골재의 함량이 과다하면 결과 모르타르의 유동성, 접착성 및 탄성력이 저하되고 작업성이 불량해지고, 반대로 과소하면 결과 모르타르의 강도 저하, 재료분리, 마모성 저하, 경제성 악화의 문제가 있게 된다.

본 발명에 적용하는 골재로서 제강 슬래그볼 이외에 모래와 같은 통상적인 다른 골재를 부분적으로 첨가하는 것은 배제되지 아니한다.

상기 보강섬유는, 폴리우레탄 수지 조성물과 제강 슬래그볼 사이의 결합력을 강화하여 재료분리 형상을 방지하고 인장강도를 보강한다.

또한 보강섬유는 모르타르의 점성과 시공된 모르타르의 표면 거칠기를 조정하는 작용도 한다. 즉, 보강섬유는 그 첨가량이 많을수록 점성이 높아지고, 결과로 시공된 모르타르의 표면을 더 거칠게 함으로, 목적하는 표면 거칠기에 맞는 양으로 조절하여 함유시킬 수 있다.

특히, 일반 골재에 비하여 비중이 1.3배 이상인 고밀도의 제강 슬래그볼은 그 자중에 의해 혼합된 폴리우레탄 수지 조성물 내에서 쉽게 침전하여 재료분리 현상을 발생시킬 수 있는 바, 본 발명에 적용된 보강섬유는 모르타르 내에 분산되어서 제강 슬래그볼의 침전을 차단함으로써, 폴리우레탄 수지 조성물과 제강 슬래그볼 사이의 재료분리를 방지하는 작용을 한다.

보강섬유로는 폴리프로필렌 파이버, 아크릴 파이버, 천연 파이버 등 건축용으로 사용하기 적합한 통상의 섬유를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있고, 바람직하게 0.5 내지 10mm의 길이를 가진 섬유를 전체 모르타르에 대해 0.1 내지 3 중량%로 혼합하며, 바람직하게 0.3 중량% 내외로 혼합한다.

보강섬유의 함유량이 과다하면 폴리우레탄 수지 조성물이 상대적으로 부족하게 되어 믹싱이 어렵고 골재에 대한 결합력이 저하되며, 반대로 함유량이 과소하면 골재의 침전에 따른 재료분리가 일어날 수 있다.

상기 충진제로서는 포틀랜드 시멘트, 플라이애쉬, 슬래그분말, 포졸란 분말, 탄산칼슘 분말 등, 통상적인 충진제를 적용할 수 있으며, 바람직하게 전체 모르타르에 대해 3 내지 20중량%의 범위로 혼합한다.

충진제가 과다하게 사용되면 결과의 모르타르의 점성이 높아져 유동성과 작업성이 나빠지고, 과소하게 사용되면 강도의 저하가 일어나며 재료분리 현상을 유발할 수 있다.

폴리우레탄 수지 조성물, 제강 슬래그볼(골재), 보강섬유 및 충진제로 조성되는 본 발명에 따른 모르타르는, 기본적으로 각 조성성분을 분리한 상태로 보관 및 운반되며, 시공 현장에서 이들 성분들을 혼합하여 타설한다. 이때 폴리올과 첨가제의 혼합물을 이소시아네이트와 혼합하여 균일하게 교반하고, 이 교반액을 골재, 보강섬유 및 충진제의 혼합물과 혼합하는 순서로 이들 각각 혼합물을 혼합하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 탄성 모르타르의 시공은, 모르타르가 타설될 신축이음부위의 각 면들에서 불순물을 제거하는 등의 전처리를 하는 과정, 전처리된 면에 프라이머(예, 에폭시 수지)를 도포하는 과정, 본 발명의 모르타르를 타설하는 과정, 및 타설한 모르타를 양생하는 과정으로 이루어진다.

이때 신축이음의 구성에 따라 필요할 경우 프라이머 도포 전에 거푸집을 설치하여 타설할 수 있으며, 거푸집은 모르타르가 어느 정도 양생된 후에 제거된다.

본 발명에 따른 모르타르는, 탄성의 폴리우레탄 수지 조성물에 제강 슬래그볼과 보강섬유가 균일하게 혼합된 상태에서 우레탄 중합반응에 의해 경화되는 모르타르로서, 폴리우레탄 수지로부터 기원한 탄성복원력과 제강 슬래그볼과 보강섬유로부터 기원한 강도가 유기적으로 결합됨에 따라, 도로나 교량의 신축이음부위와 같이 지속적인 변형력이 가해지는 곳에 본 발명의 모르타르를 타설하면, 가해지는 변형력을 탄성적으로 내구성 있게 완충할 수 있으므로, 해당 부위의 파손으로 인한 유지보수 비용을 현격하게 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 모르타르는, 골재로서 제강 슬래그볼을 사용하고, 바람직하게 폴리올로서 재생 폴리올을 사용함에 따라, 폐기물 재활용에 따른 비용절감과 환경오염 방지에 바람직하다.

아울러 본 발명에 따른 모르타르는 보강섬유의 함량을 조절함으로써, 모르타르의 재료분리를 방지하고 점성과 타설된 모르타르의 표면 거칠기를 현장 상황에 맞게 조절할 수 있으므로, 작업성이 향상된다.

도1은 본 발명에 따른 모르타르가 적용되는 예시적인 신축이음의 개략도.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명에 따른 친환경 탄성 모르타르를 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명에 따른 친환경 탄성 모르타르를 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.

실시예 1 내지 실시예 5

우선, 본 발명의 모트타르의 제조에 사용되는 폴리우레탄 수지 조성물로서, 시판되는 이소시아네이트(MDI), 폴리올(폴리에테르계 폴리올), 아민 및 소포제를 사용하였으며, 이때 이소시아네티드 50 중량부에 대해, 폴리올 100중량부, 아민 10 중량부 및 소포제 5 중량부의 비율로 적용하였으며, 폴리올 중에 30중량%는 재생 폴리올을 사용하였다.

준비된 폴리우레탄 수지 조성물, 시판의 제강 슬래그볼(직경: 1mm 내외), 보강섬유(아크릴파이버: 길이 5mm 내외) 및 충진제(포틀랜드 시멘트)를 혼합하여 본 발명에 따른 실시예1의 모르타르를 제조하였다. 조성성분의 함량을 달리하여 마찬가지의 방법으로 본 발명에 따른 실시예 2 내지 실시예 5의 모르타르를 제조하였다.

실시예1 내지 실시예 5에 사용된 폴리우레탄 수지 조성물, 제강 슬래그볼, 보강섬유 및 충진제의 함량(중량%)는 아래의 표1과 같다.

비교예 1 및 비교예 2

각 조성성분의 함량을 달리해 실시예1과 마찬가지의 방법으로 비교예 1 및 비교예 2의 모르타르를 제조하였다. 각 성분의 함량(중량%)은 아래의 표1과 같다.

	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	비교예 1	비교예 2
폴리우레탄 수지 조성물	10.8	11	20	8.5	10.8	5	25
제강 슬래그볼	83.4	83	70	70	80.7	91	70
보강섬유 (아크릴파이버)	0.3	1	0.3	1.5	3	1	0
충진제 (슬래그파우더)	5.5	5	9.7	20	5.5	3	5
유동성(mm)	86	75	92	65	51	41	95
골재분리(재료분리)	없음	없음	없음	없음	없음	없음	발생
압축강도(N/mm²)	17.2	17.1	16.5	16.4	16.9	x	15.7
내충격	없음	없음	없음	없음	없음	발생	발생
변형 회복도(%)	92	90	93	85	83	파손	95
표면 거칠기	약간 거침	거침	약간 광택	거침	매우거침	-	광택

상기 실시예 및 비교예의 모르타르에 대하여 신축이음부위에 적용하는 것에 요구되는 물성인, 유동성, 골재 분리여부, 압축강도, 내충격성 및 변형 회복도에 대하여 각각 측정하였다. 그 측정 방법은 아래와 같으며, 그 결과는 표1에 나타내었다.

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(1). 유동성

평평한 강판 상에서, 직경 30 mm, 높이 50mm의 원뿔형 통에 제조한 모르타르 조성물을 채운 후 통을 제거하여 흐름의 너비를 측정하였다(단위 mm, 온도 25℃).

(2) 골재의 분리(재료분리)

유동성 시험 후의 모르타르 조성물에 대하여 폴리우레탄 수지 조성물에 대한 골재의 분리 여부를 육안 관찰하였다.

(3) 압축 강도

ASTM C 695에 따라, 제조한 모르타르로 0.5×0.5×1인치의 각기둥 시험편을 제작하여 23℃에서 양생한 후 재령 1주일 후에 테스트에 사용하였다.

(4) 내충격

폭 15cm × 높이 15cm × 길이 26cm, 압축 강도(재령 28일) 약 40 N/mm²인 콘크리트를 베이스로 하고, 제조한 모르타르를 두께 6cm로 타설 및 양생하여 시험편을 제작하였다. 20도의 경사각도로 설치한 시험편에 물을 흘리면서 1.0m의 높이로부터 직경 51mm, 질량 535g의 강철구를 연속 낙하시킴으로써 낙구 충격 시험을 수행하였으며, 낙구회수가 1,000회 지난 후에 시험편의 박리, 파손 상태를 육안 관찰하였다.

(5) 변형 회복도

압축력에 의해 5%의 변형을 준 경우의 회복정도(탄성력)를, ASTM C 695에 따라, 0.5 × 0.5 × 1 인치의 각기둥 시험편를 제작하여 재령 7일간 23℃에서 양생한 후 사용하였다. 시험은 ASTM D 695에 의해 시험편에 압축 하중을 부하하여, 5%의 변형이 생긴 시점에서 하중을 제거하고, 시험편의 변형이 충분히 안정된 후에 시험편의 높이를 측정하여, 하중 부여 전의 높이에 대한 비율(단위%)을 산출하였다.

(6). 표면 거칠기

모르타르를 평평하게 타설 및 양생시킨 후에, 그 상대적인 표면 거칠기 정도를 육안 관찰하였으며, 상대적인 정도에 따라, 매우 거침, 거침, 약간 거침, 및 광택으로 평가하였다.

1: 교각
2: 상판
3: 이음틈새
4: 신축이음장치
5: 아스콘
6: 모르타르

Claims

이소시아네이트, 폴리올 및 첨가제를 포함하는 폴리우레탄 수지 조성물 5 내지 20 중량%; 제강 슬래그볼로 이루어진 골재 70 내지 90 중량%; 보강섬유 0.1 내지 3.0 중량%; 및 충진제 3 내지 20중량%; 을 포함하고: 상기 폴리올은 그 전체의 30중량%까지 재생 폴리올이 사용되는 것을 특징으로 하는, 친환경 탄성 모르타르.
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