KR101303622B1

KR101303622B1 - 자기치유 특성의 콘크리트 혼화재 및 이를 포함하는 시멘트 혼합물과 자기치유 스마트 콘크리트

Info

Publication number: KR101303622B1
Application number: KR1020130018582A
Authority: KR
Inventors: 정경선; 안상욱; 박동철; 양완희; 박재범; 이정우; 황지순; 황무연
Original assignee: 주식회사 인트켐; 정경선
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2013-09-11

Abstract

본 발명은 콘크리트구조물에 균열이 발생할 경우 콘크리트 내부에 포함하고 있는 재료가 콘크리트에 침투된 물(H2O) 및 이산화탄소와(CO2)와 반응하여 발생한 균열을 스스로 복원하고 치유(Self Healing)하는 스마트 콘크리트(Smart Concrete)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트 혼합물 내지 콘크리트에 혼입되면 물 및 이산화탄소와 반응하여 자기치유 수화물을 생성하는 콘크리트 혼화재와 이를 바람직하게 포함하는 시멘트 혼합물 내지 자기치유 스마트 콘크리트에 관한 것이다.
본 발명에 따른 콘크리트 혼화재는, 수용성 무기질계 겔화재, 알카리 설페이트, 알루민산나트륨(NaAlO₂), 수용성 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하며, 특히 수용성 무기질계 겔화재 5~25중량%, 알카리 설페이트 5~45중량%, 알루민산나트륨 5~25중량%, 수용성 실리카 25~85중량%를 포함하여 조성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 시멘트 혼합물은 상기한 콘크리트 혼화재를 시멘트에 혼합한 것을 특징으로 하며, 여기서 콘크리트 혼화재 1~10중량%와 시멘트 90~99중량%로 혼합하는 것이 적당하다. 본 발명에 따른 자기치유 스마트 콘크리트는 시멘트 혼합물을 결합재로 이용하면서 콘크리트를 배합하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기치유 특성의 콘크리트 혼화재 및 이를 포함하는 시멘트 혼합물과 자기치유 스마트 콘크리트{Concrete Admixture, Cement Compound and Self Healing Smart Concrete Using the same}

본 발명은 콘크리트구조물에 균열이 발생할 경우 콘크리트 내부에 포함하고 있는 재료가 콘크리트에 침투된 물(H2O) 및 이산화탄소와(CO2)와 반응하여 발생한 균열을 스스로 복원하고 치유(Self Healing)하는 스마트 콘크리트(Smart Concrete)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트 혼합물 내지 콘크리트에 혼입되면 물 및 이산화탄소와 반응하여 자기치유 수화물을 생성하는 콘크리트 혼화재와 이를 바람직하게 포함하는 시멘트 혼합물 내지 자기치유 스마트 콘크리트에 관한 것이다.

콘크리트는 지구상에서 가장 널리 사용되고 있는 재료로, 토목 및 건축, 플랜트에 이르기까지 대부분의 구조물은 콘크리트를 사용하여 건설되고 있다. 콘크리트는 타설이나 성형 후 일정 기간이 경과하면, 그 성능이 점차 저하하고 노후되므로 콘크리트 구조물은 항상 보수나 보강과 같은 일정한 유지관리 활동을 해야 한다. 콘크리트의 성능저하에 결정적 영향을 미치는 것이 콘크리트에 발생하는 균열(crack)인데, 콘크리트에 균열(crack)이 발생하면 콘크리트 내부에 유해한 외기나 수분, 화학 성분이 침투하여 콘크리트의 성능저하가 더욱 촉진된다. 나아가 콘크리트 내부에 침투한 수분, 염화물 이온 등에 의해 콘크리트 구조물 내부의 철근에 부식이 발생하여 추가적인 균열이 발생하거나 콘크리트가 탈락하는 현상이 일어나고, 또한 철근 부식에 의해 철근단면이 감소하여 성능이 저하됨으로써 종국에는 구조물이 붕괴하는 정도까지 이를 수 있다.

콘크리트 구조물에 손상이 있으면 콘크리트 구조물의 성능이 설계 내용연수에 미치지 못하므로, 콘크리트 구조물의 유지관리를 위해 콘크리트 구조물의 시공시 균열을 제어할 수 있는 공법이나 다양한 방법의 보수공법을 도입할 필요가 있다. 균열제어공법은 균열발생을 저감할 수 있는 각종 섬유를 콘크리트에 혼입하여 타설하거나 와이어매시(Wire mesh)를 콘크리트 구조물 내부에 설치하는 방법이고, 균열보수공법은 열화된 기존 콘크리트를 제거하고, 시멘트 재료에 고분자 수지 등을 혼입하여 물리성능 및 내구성, 작업성 등을 다소 향상시킨 폴리머 시멘트 모르x타르를 충진하여 보수하는 방법이다.

그런데 기존의 균열제어공법은 콘크리트 구조물에 발생하는 균열을 완벽히 방지하지 못하므로 추가적인 보수가 필요하여 근본적인 대책이 될 수 없다. 또한 균열보수공법은 보수된 부분도 추가적인 균열이 발생할 수 있어 지속적인 유지관리가 필요한 단점이 있으며, 특히 터널이나 지하구조물 같이 지표면 아래에 설치되는 콘크리트 구조물의 경우 지하수의 활동에 따라 균열부를 통해 누수 현상이 발생하여 이에 대해 보수공사를 진행할 경우 구조물의 지속적인 활용에 제약이 되고 막대한 공사기간과 비용이 발생하는 문제가 있다.

위와 같은 기존 콘크리트 구조물의 균열제어공법이나 균열보수공법의 문제를 개선하고자 자기치유 콘크리트에 대한 기술이 제안되었다. 자기치유 콘크리트 기술은 콘크리트 구조물에 균열이 발생할 경우 콘크리트 스스로 복원하고 치유하기 때문에 추가적인 보수공사가 필요하지 않은 기술로서, 콘크리트의 사용기간을 연장시키고 유지관리 비용을 절감할 수 있다.

기존 자기치유 콘크리트 기술은 팽윤재, 팽창재, 탄산화제로 구성된 혼화재를 이용하는 방식이다. 균열이 발생한 콘크리트에 물이 침투하면 팽윤재와 팽창재가 물과 반응하여 팽윤 및 팽창 작용을 하여 균열이 복원되도록 하고, 침투된 이산화탄소(CO2)에 의해 탄산화제가 탄산화 반응을 하여 복원된 균열부를 더욱 밀실하고 안정하게 치유하는 작용을 하게 한 것이다. 다시 말해 팽윤제는 균열부를 통해 콘크리트 내부에 침투된 수분과 반응하여 팽윤하기 때문에 균열부에 팽창성 반응물의 점착이 유도되며, 팽창재는 침투된 수분과 반응하여 팽창성 수화물을 생성하기 때문에 균열부가 복원되며, 균열부의 복원과정에서 이산화탄소(CO2)가 공급되어 탄산화제에 의해 탄산화 반응물이 생성되기 때문에 치유속도 개선 및 균열부 경도 증진네 기여하게 되는 것이다. 그러나 기존 자기치유 콘크리트 기술은 고가의 CSA계 팽창재 및 탄산화 유도 첨가제의 사용으로 비경제적이고, 콘크리트 타설 초기에 팽윤제의 영향으로 유동성 감소와 지연제의 활용과 팽윤제의 활용으로 콘크리트 초기강도가 저하하는 문제가 있다.

본 발명은 기존 자기치유 콘크리트 기술의 문제를 개선하고자 개발된 것으로, 비교적 저렴한 재료의 사용으로 비용 절감이 가능한 것은 물론 콘크리트의 유동성 저하 방지와 콘크리트의 조기강도 확보가 가능한 새로운 자기치유 스마트 콘크리트 기술과, 이러한 자기치유 스마트 콘크리트 기술에 바람직하게 이용하기 위한 콘크리트 혼화재와 시멘트 혼합물을 제공하는데 기술적 과제가 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 물 및 이산화탄소와 반응하여 자기치유 수화물을 생성하는 콘크리트 혼화재로서, 수용성 무기질계 겔화재, 알카리 설페이트, 알루민산나트륨(NaAlO₂), 수용성 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 혼화재를 제공한다. 여기서 수용성 무기질계 겔화재는 Al₂(SO₄)₃, AlK(SO₄)₂ 중에서 하나 이상 채택하고, 알칼리설페이트는 CaSO₄, CaSO₄2H₂O, CaSO₄1/2H₂O 중 하나 이상 35~70중량%와 Na₂SO₄, K₂SO₄ 중 하나 이상 30~65중량%로 채택하며, 수용성 실리카는 실리카퓸, 반응성 실리카 분말 중 하나 이상 채택하는 것이 바람직하다. 나아가 수용성 무기질계 겔화재 5~25중량%, 알카리 설페이트 5~45중량%, 알루민산나트륨 5~25중량%, 수용성 실리카 25~85중량%를 포함하여 조성하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 자기치유 수화물을 생성하는 콘크리트 혼화재를 시멘트에 혼합한 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물을 제공하며, 여기서 콘크리트 혼화재 1~10중량%와 시멘트 90~99중량%로 혼합하는 것이 적당하다. 더불어 본 발명은 이와 같은 시멘트 혼합물을 결합재로 이용하면서 콘크리트를 배합하는 것을 특징으로 하는 자기치유 스마트 콘크리트를 제공한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 본 발명에 따른 콘크리트 혼화재는 수용성 무기질계 겔화재, 알카리설페이트, 알루민산나트륨, 수용성 실리카로 구성되기 때문에, 고가의 팽창재 및 탄산화제를 사용하지 않아 상대적으로 재료비용 절감이 가능하고, 또한 팽윤제를 사용하지 않아 콘크리트의 유동성 저하 방지가 가능하며, 나아가 초기의 시멘트 수화반응을 촉진하므로 조기강도 성능 확보에도 기여한다.

둘째, 본 발명에 따른 자기치유 스마트 콘크리트는 자기치유 효과가 우수하기 때문에, 균열에 의한 추가적인 하자의 발생이 빈번한 건물의 지하층, 지하상가, 지하시설물 등은 물론, 보수작업이 어렵고 보수에 의한 복원효과가 기대하기 어려운 터널, 하수박스, 전력구, 통신구, 수처리 구조물, 원전구조물 등의 신축공사에 유리하게 적용하여 우수한 내구연한을 발휘하는 구조물로 완성할 수 있다.

도 1은 콘크리트 투수시험 과정을 보여준다.
도 2는 콘크리트 투수시험 장치와 콘크리트 투수시험체를 보여준다.
도 3은 콘크리트 투수시험에 대한 시험결과를 보여준다.
도 4는 투수시험 후 콘크리트 투수시험체의 전자현미경 관찰사진을 보여준다.

본 발명은 물 및 이산화탄소와 반응하여 자기치유 수화물을 생성하는 콘크리트 혼화재에 관한 것으로 수용성 무기질계 겔화재, 알카리설페이트, 알루민산나트륨(NaAlO₂), 수용성 실리카를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때 콘크리트 혼화재는 수용성 무기질계 겔화재 5~25중량%, 알카리 설페이트 5~45중량%, 알루민산나트륨 5~25중량%, 수용성 실리카 25~85중량%로 조성하는 것이 반응성과 경제성을 고려할 때 바람직하다.

수용성 무기질계 겔화제는 무기질계 응집제로서 초기에는 물리화학적 응집 현상에 기여하고 경화 후에는 겔화 형태를 유지하여 수분이 공급시 이온의 용출을 통하여 delayed ettringite 생성하는 작용을 한다. 가령 수용성 무기질계 겔화제의 대표격인 황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃·xH₂O)은 무기전해질로서 물에 용해되어 액체 속의 입자의 표면전위를 거의 0에 가깝게 하여 입자 상호 간의 전기적 반발력을 없애 줌으로써 고점도의 응집현상을 일으키고, 더불어 물에 용해되어 SO4² ^- 이온과 Al³ ⁺ 이온을 공급함으로써 시멘트 수화물 중의 Ca(OH)₂에서 Ca² ⁺ 이온과 반응하여 Ettringite(3CaO·Al₂O₃·3Ca(SO)₄·32H₂O) 생성에 기여한다. 수용성 무기질계 겔화제는 황산알루미늄과, 황산칼륨알루미늄(AlK(SO₄)₂·xH₂O) 중에서 하나 이상 채택하면 적당하며, 반응성을 고려할 때 비중이 1.5~1.9이고, 용해도가 8%이상(25℃)이 며 Al₂O₃함량이 15%이상 것이 바람직하다.

알카리 설페이트는 아래 반응식에서와 같이 수분이 공급되면 팽창성 수화물(ettringite, 3CaO·Al₂O₃·3Ca(SO)₄·32H₂O)을 생성하여 균열부를 복원하는데 기여한다.

3R₂SO₄+3CaO·Al₂O₃ + 3Ca(OH)₂ + 32H₂O -> 3CaO·Al₂O₃·3Ca(SO)₄·32H₂O + 6R(OH)

위 반응식에서 3CaO·Al₂O₃, 3Ca(OH)₂는 시멘트 성분에서 공급되는데, 시멘트의 수화반응 초기에 시멘트의 3CO·Al₂O₃가 설페이트 이온(SO4² ^-)과 급격하게 반응하기 때문에 xCaO·yAl₂O₃·zH₂O가 생성되는 수화반응이 지연되면서 유동성이 확보된다. 또한 재령 초기에는 아래 반응식에서와 같이 알칼리 환경을 제공하여 시멘트의 수화반응을 촉진함으로써 강도 증진에도 기여한다.

(XCaO + YSiO₂ + ZH₂O)(Condition : pH 12~13) -> xCaO·yAl₂O₃·zH₂O

위 반응식에서 CaO, SiO₂ 는 시멘트 성분에서 공급되며, pH 12~13의 환경은 Alkali Sulfate의 용해에 의한 ROH의 생성으로 pH가 12~13의 조건이 되며, 또한 시멘트의 수화과정에서 발생하는 Ca(OH)₂의 생성도 pH 조건에 기여한다. 이러한 반응을 통해 생성되는 칼슘실리케이트 수화xCaO·yAl₂O₃·zH₂O은 강도발현을 하는 대표적인 시멘트 수화물로 우수한 강도를 발현한다.

알카리 설페이트는 CaSO₄, CaSO₄2H₂O, CaSO₄1/2H₂O 중 하나 이상 35~70중량%와 Na₂SO₄, K₂SO₄ 중 하나 이상 30~65중량%를 혼합하여 사용하는 것이 반응성을 고려할 때 바람직하다.

알루민산나트륨(Al₂O₃·nNa₂O)은 일반적으로 물에 용해되면 NaOH와 Al(OH)₃를 생성하여 알카리성을 나타내는데(Al₂O₃·nNa₂O + 5H₂O -> xNaOH + yAl(OH)₃), 이때 생성되는 NaOH는 시멘트 페이스트의 pH를 높여 시멘트의 수화반응을 촉진함으로써 칼슘실리케이트 수화물(xCaO·yAl₂O₃·zH₂O)를 신속하게 생성시켜 자기치유 석출물의 초기 석출 및 성장에 기여하며, Al(OH)₃는 황산알루미늄과 함께 Ettringite 생성하여 초기재령 강도 증진에 기여한다. 알루민산나트륨은 화학식이 Al₂O₃nNa₂O(n=1.3~1.8)이고, Na₂O 함량이 35중량%이상이고, 겉보기밀도가 0.4~0.7g/㎤d인 것이 반응성을 고려할 때 바람직하다.

수용성 실리카는 혼화재의 균질한 혼합 및 분산 등에 기여하여 혼화재의 제조성과 안정적인 성능을 확보할 수 있게 한다. 또한 시멘트 입자 사이의 충전재가 되어 시멘트의 수화반응이 진행될수록 중장기 재령 강도를 증진시키고, 나아가 규산이온에 의해 칼슘실리케이트 수화물(xCaO·yAl₂O₃·zH₂O)을 생성하여 중장기 재령 강도를 증진시키기도 한다. 수용성 실리카는 실리카퓸, 반응성 실리카 분말 중 하나 이상이면 적당하며, 작용효과를 고려할 때 입자 크기가 5㎛ 이하이면서 SiO₂ 함량이 90% 이상이고 비중이 2.1~2.8이며 분말도도가 10,000~200,000㎠/g인 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성의 콘크리트 혼화재를 시멘트에 혼합하면 자기치유 스마트 시멘트 혼합물이 된다. 이때 콘크리트 혼화재 1~10중량%와 시멘트 90~99중량%로 혼합하는 것이 경제성과 반응성을 고려할 때 바람직하다. 이러한 시멘트 혼합물을 콘크리트 배합에서 결합재로 이용한다면 자기치유 스마트 콘크리트가 되며, 이러한 자기치유 스마트 콘크리트는 터널라이닝 콘크리트, 포장 콘크리트, 공장제조 제품용 콘크리트, 수처리 콘크리트, 원자력 발전소용 콘크리트, 해양 콘크리트 등으로 유리하게 활용할 수 있다.

이하에서는 실시예에 의거하여 본 발명을 상세히 살펴본다. 다만, 아래의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.

[실시예] 자기치유 스마트 콘크리트 특성

1. 콘크리트 배합

아래 [표 1]의 콘크리트 혼화재와 [표 2]의 결합재를 이용하여 [표 3]과 같이 콘크리트 배합하였다.

콘크리트 혼화재 조성

구분	재료의 특성	조성
구분	재료의 특성	A형 (실시예1)	B형 (실시예2)
수용성 무기질계 겔화재	비중: 1.69, 용해도: 11%(25℃) Al₂O₃함량 17%인 Al₂(SO₄)₃	13	18
알카리설페이트	Na₂(SO)₄	20	25
알루민산나트륨	Na₂O 함량: 42%, Al₂O₃nNa₂O(n=1.4) 겉보기밀도 : 0.6g/㎤	7	12
수용성 실리카	SiO₂ 함량: 92%,,비중 : 2.2, 분말도: 100,000㎠/g인 Silica fume	60	45
계		100	100

결합재 조성

	비교예1	비교예2	실시예1	실시예2
시멘트	100%	94%	94%	96%
콘크리트 혼화재	-	6% (일본 S사 제품)	6% (조성 A)	4% (조성 B)
계	100%	100%	100%	100%

콘크리트 배합

fck (MPa)	골재최대 치수(mm)	슬럼프 (cm)	공기량 (%)	W/C (%)	S/a (%)	단위재료사용량(kg/㎥)
						물	결합재	잔골재	굵은 골재	AE 감수제
24	25	15	5~7	50	42	167	335	739	1,041	2.004

2. 콘크리트 물성

[표 3]의 콘크리트에 대해 유동성, 압축강도를 시험하였으며, 그 결과는 아래 [표 4]와 같다.

콘크리트 물성

구분		비교예1	비교예2	실시예1	실시예2
콘크리트 슬럼프(cm)	초기	19.0	17.5	18.0	18.5
콘크리트 슬럼프(cm)	60분 경과후	16.0	14.5	17.0	17.0
압축강도 (MPa)	3일	14.2	12.8	16.3	15.6
	7일	20.6	18.7	23.7	23.1
	28일	28.9	26.4	29.5	29.2
	56일	33.6	31.9	34.5	33.8

위의 [표 4]에서와 같이 본 발명에 따른 콘크리트 혼화재를 혼입한 자기치유 스마트 콘크리트(실시예1,2)는 기존 자기치유 콘크리트에 비해 우수한 유동성과 압축강도를 발휘하는 것을 알 수 있다.

3. 콘크리트 투수시험

[표 3]의 콘크리트에 대해 투수시험을 수행하였다. 투수시험은 도 1과 같이 할렬된 투수시험용 콘크리트 시험체에 투수용기를 끼워 넣고 투수용기와 시험체 연결면을 실링한 다음, 실링된 투수시험용 콘크리트 시험체 상부에 일정한 높이(12cm, 수압 1.2Kpa)의 물을 투수하되 투수 시험의 시작과 함께 일정한 시간동안 지속적으로 시험체 상부의 물 높이를 유지하면서 투수하고, 이어 재령에 따라 시험체를 통과하여 투수된 물의 양을 일정한 시간(5분)동안 측정하는 방법으로 수행하였다. 이와 같은 투수시험에 이용된 장치와 시험체는 도 2와 같다. 투수시험 결과는 아래 [표 5] 및 도 3과 같이 나타냈다.

투수시험 결과

구분	비교예1		비교예2		실시예1		실시예2
재령(일)	투수량 (㎖/s)	투수율 (%)	투수량 (㎖/s)	투수율 (%)	투수량 (㎖/s)	투수율 (%)	투수량 (㎖/s)	투수율 (%)
0일	0.410	100.0%	0.320	100.0%	0.300	100.0%	0.340	100.0%
1일	0.290	70.7%	0.130	40.6%	0.110	36.7%	0.120	35.3%
3일	0.210	51.2%	0.050	15.6%	0.033	11.0%	0.038	11.2%
5일	0.190	46.3%	0.023	7.2%	0.013	4.2%	0.015	4.4%
7일	0.170	41.5%	0.014	4.3%	0.008	2.7%	0.011	3.1%
14일	0.170	41.5%	0.008	2.3%	0.005	1.5%	0.006	1.6%
28일	0.143	34.9%	0.004	1.3%	0.003	0.8%	0.002	0.6%

위의 [표 5] 및 도 3에서 보는 바와 같이 투수시험결과, 전반적으로 실시예1,2가 시멘트로만 구성되어진 비교예1에 비해 투수저감이 월등히 우수하게 나타나 자기치유 효과를 확인할 수 있으며, 또한 일본 S사 제품인 비교예 2에 비해서도 자기치유 속도 및 효과가 개선됐음을 확인할 수 있다.

4. 복원 후 관찰 결과

재령 14일과 28일의 콘크리트 시험체를 전자현미경으로 관찰하였으며, 그 결과는 도 4와 같다. 보는 바와 같이 실시예1는 비교예1과 비교할 때 균열부에 자기치유 생성물에 의해 균열부가 복원되고 있음을 확인할 수 있다.

Claims

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물 및 이산화탄소와 반응하여 자기치유 수화물을 생성하는 콘크리트 혼화재로서,
Al₂(SO₄)₃, AlK(SO₄)₂ 중에서 하나 이상에 의한 수용성 무기질계 겔화재 5~25중량%; CaSO₄, CaSO₄2H₂O, CaSO₄1/2H₂O 중 하나 이상이 35~70중량%이고, Na₂SO₄, K₂SO₄중 하나 이상이 30~65중량%로 구성된 알카리 설페이트 5~45중량%; Na₂O 함량이 35중량% 이상이면서 겉보기밀도가 0.4~0.7g/㎤인 알루민산나트륨 5~25중량%; 실리카퓸, 반응성 실리카 분말 중 하나 이상에 의한 수용성 실리카 25~85중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기치유 특성의 콘크리트 혼화재.
제5항에 따른 콘크리트 혼화재를 시멘트에 혼합한 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
제6항에서,
상기 콘크리트 혼화재 1~10중량%와 시멘트 90~99중량%로 혼합한 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합물.
콘크리트 배합에서, 제6항에 따른 시멘트 혼합물를 결합재로 이용하여 배합하는 것을 특징으로 하는 자기치유 스마트 콘크리트.
제8항에서,
상기 콘크리트는, 터널라이닝 콘크리트, 포장 콘크리트, 공장제조 제품용 콘크리트, 수처리 콘크리트, 원자력 발전소용 콘크리트, 해양 콘크리트 중 어느 하나로 배합되는 것을 특징으로 하는 자기치유 스마트 콘크리트.