KR101339584B1 - 교통개방시간 단축이 가능한 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물 및 그를 이용한 보수 포장법 - Google Patents

교통개방시간 단축이 가능한 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물 및 그를 이용한 보수 포장법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수에 있어서 공용 접착력, 공용 압축강도 및 휨강도 발현이 3시간 이내에 구현할 수 있음과 동시에 융설-융빙제에 대한 뛰어난 내염성과 표면 박리 저항성, 팽창 수축에 대한 물리적 안정성, 동결융해 저항성이 우수하고 가사시간 조절이 용이한 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 인산염 마그네시아 무기질 바인더 함량이 17~40 중량%, 잔골재 35~55 중량%, 플라이 애쉬 8.5~32중량%, 규회석(Wallastonite) 1.5~12 중량%, 합성 섬유 Fiber 0.1~0.5 중량%, 유동화제 0.1~0.5 중량%, 붕산 0.5~2.0 중량% 및 배합수 13~20 중량%인 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물이 제공된다. 가사 시간 조절이 용이하여 수월한 시공성을 제공함과 동시에 시공 후 3시간 이내에 교통 가능한 공용 접착력 1.4㎫ 이상 및 공용 압축강도 21㎫ 이상, 공용 휨강도 4.5㎫ 이상의 물성이 발현됨으로써, 획기적인 교통 개방이 가능하고, 공기 양생이 가능한 보수 시스템으로서 경제적이며 노후 콘크리트와의 뛰어난 접착 성능 및 수밀성, 내염성 및 팽창 수축 안정성 융설-융빙제에 대한 내염성 및 표면 박리 저항성, 동결 융해 저항성이 월등하다.

Description

교통개방시간 단축이 가능한 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물 및 그를 이용한 보수 포장법{The high performance repair compositions having a dramatically rapid traffic opening ability for a old damaged cement concrete pavement and a repairing method using the same}
본 발명은 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수에 있어서 공용 접착력, 공용 압축강도 및 휨강도 발현이 3시간 이내에 구현될 수 있음과 동시에 융설-융빙제에 대한 뛰어난 내염성과 표면 박리 저항성, 팽창 수축에 대한 물리적 안정성, 동결융해 저항성이 우수하고 가사시간 조절이 용이한 신규 무기물 보수재 조성물 및 그를 이용한 노면 보수방법에 관한 것이다.
국내 고속도로 총 연장은 2011년 기준, 28개 노선 1차로 환산연장으로 약 15,232㎞에 이르고 있고, 이 중 시멘트 콘크리트 포장이 약 60%를 차지하고 있다. 통상 국내 시멘트 콘크리트 포장의 공용 수명은 20년을 설계 기준으로 포장 및 유지 관리를 하고 있으며 2011년 한국도로공사의 "고속도로 포장 상태 조사 보고서"에 의하면 공용 기간이 16년 이상 된 노후 시멘트 콘크리트의 파손 및 스폴링(Spalling)등 노면 손상이 심한 중부 고속도로 및 경부 고속도로 구간에서 많이 발생하여 이에 대한 보수 방안 및 기타 사전 예방 유지 보수 방안 수립이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
그럼에도 불구하고 체계적인 노후 시멘트 콘크리트 포장의 유지 및 보수 관리 시스템에 대해 미국 NRC(National Research Council)의 NCHRP(National Cooperative Highway Research Program) 보고서에서도 "A process for selecting strategies for rehabilitation of rigid pavements"에 기술된 바와 같이 주로 유지보수공법의 의사 결정 절차에 관한 연구만 진행되고 FHWA(Federal Highway Administration)의 "Life-Cycle Cost Analysis in Pavement Design"에서도 수명 주기 비용 산정 절차에 대한 검토만 이루어지고 있는 등 실질적인 구체적 보수 방법에 대한 연구가 초보 단계에 머물러 있다. 동시에 국내에서도 단순히 "다이아몬드 그라인딩 공법 혹은 단순 단면 보수 또는 아스팔트 콘크리트 덧씌우기 공법"에 의존하고 있어, 공용성이 우수한 보수 공법에 대한 연구가 절실하게 요구되고 있는 실정이다.
이제까지의 국내외 시멘트 콘크리트 포장체의 보수 공법으로는 아스팔트 덧씌우기 보수재, 포틀랜드 시멘트 몰탈 보수재, 에폭시 몰탈 및 Methyl Metacrylic 몰탈 등과 같은 폴리마 몰탈계 보수재, 라텍스 시멘트 몰탈(LMC, Latex Modified Cements), 초속경 몰탈 등을 이용하는 기술이 소개되어 있다. 통상의 아스팔트 덧씌우기 공법의 경우, 열가소성인 아스팔트 바인더를 사용하기 때문에 시공 후 교통 개방시간이 짧아서 유리한 반면에 이들 열가소성 바인더의 물리-화학적 특성으로 인하여 자동차 윤하중에 의한 소성 변화 가능성이 큰 단점을 갖고 있으며, 시멘트 몰탈 보수 공법의 경우, 시멘트 무기 결합에 의한 내하중 강도가 우수하기 때문에 소성 변화 가능성이 거의 없는 장점으로 인하여 수명주기 비용 측면에서 매우 우수한 포장체임에도 불구하고 이들 시멘트 콘크리트 포장 시공 후 공용 강도를 발현을 위한 양생 시간이 매우 길어 교통 개방 시간이 긴 단점과 함께 이들 시멘트 결합이 대기 중의 이산화탄소 혹은 산성비 및 융설제인 염류에 대한 중성화 및 염손상에 의한 내구수명 저하 유발로 인한 성능 저하와 팽창 수축 등 물리적인 변화에 의한 크랙 발생 등 2차적인 성능 저하와 같은 단점을 갖고 있다.
한편, 본 발명의 목적인 노후 시멘트 콘크리트의 물리 화학적 특성에 부합되는 보수재의 개발에 있어서 국내의 경우, 미국 등 선진국에서와 같이 이들 보수재를 이용하여 훼손된 도로를 보수할 때 교통을 우회시킬 수 있는 우회도로 확보가 어렵고, 이에 따른 교통 지연에 따른 민원 및 사회 간접비용 문제 및 보수 공사 이후 되도록 빠른 교통 개방에 대한 요구가 크고 단위 도로당 교통 하중 부하량이 큼에 따른 내하중 성능 요구가 큼과 동시에 경제성에 대한 요구가 큰, 이율 배반적인 보수재의 성능을 요구하고 있는 실정이다.
이에, 대한민국 등록특허 제0618297호에는 교량 상판, 콘크리트 도로 및 각종 콘크리트 구조물의 긴급 보수용 초속경 폴리머 개질 콘크리트 조성물이 개시되어 있다. 인용 기술은 골재, 무기계 결합제, 폴리머 개질제 및 물로 구성되어 있으며, 무기계 결합제로는 통상의 포틀랜드 시멘트 100 중량부에 초속경 시멘트 68~80 중량부, 칼슘설포알루미네이트 팽창제 5~20 중량부 및 고로 슬래그 50~70 중량부로 구성하여, 초속경에 의한 교통 개방 단축 기술로서 초속경 시멘트의 초기 응결 시 발생하는 높은 수화열에 의한 미세 균열 방지를 위하여 팽창제인 칼슘설포알루미네이트를 활용하여 미세 균열을 방지하고자함과 동시에 폴리머 개질제로 SB-Latex를 상기 무기 결합제 100 중량부에 대하여 5~20 중량부, 골재로 세골재 120~150 중량부, 굵은 골재 130~160 중량부 및 물 20~30 중량부로 구성시켜 양생 시간 3시간에 압축강도 250Kgf/㎠ 이상, 휨강도 50Kgf/㎠ 이상을 발현할 수 있음을 강조하고 있다. 그러나 인용 기술은 시멘트 수화에 의한 반응 기제(reaction mechanism) 관점에서 보면, 대기 온습도 및 노면 온습도에 따라 초기 응결 속도에 커다란 영향을 받기 때문에, 이들 온습도 조건에 따른 초기응결 시간의 편차가 커서 3시간 이내 교통 개방 유도가 곤란함과 동시에 보수재로서의 또 다른 주요한 인자인, 노후 콘크리트 포장면에 대한 접착 성능 및 온도 변화에 따른 치수 변화에 대한 기술적 접근이 부족하여, 보수재로서의 올바른 성능을 인지하기에 문제점이 있다.
대한민국 특허등록 제0696313호에는 초속경 폴리머 개질 콘크리트 조성물이 개시되어 있으며, 폴리머 개질제로서 SB-latex와 아크릴 에멀젼수지를 특정 비율로 혼합한 것을 사용함으로써 콘크리트 혼합물의 작업성과 가사 시간을 조절하는 기술이 개시되어 있다. 강도 보강제로서 실리카 흄을 사용하여 실리카 흄 5~10중량부가 함유된 초속경 시멘트 15~17 중량%, 잔골재 44~52.3 중량% 굵은 골재 25.7~29 중량% 물 3~4 중량%로 구성된 조성물이 개시되어 있다. 이 인용 특허 또한 상기 인용 특허와 거의 동일한 물리적 강도 특성 발휘를 강조하고 있으나, 실리카 흄 사용에 따른 콘크리트 조성물의 점도가 높아서 마무리 불량과 부착성 저하 등의 문제와 더불어 공용 중 소성 수축 균열과 고강성으로 인한 자가 수축량 증가에 의한 균열 발생 등의 문제점이 있는 것으로 보고되고 있다.
상기와 같은 수화 반응에 의한 시멘트 결합 시스템의 경우, 시공 후 교통 개방 시간 단축을 위하여 초기 응결 속도가 빠른 초속경 시멘트의 도입이 필수적이나 이들 초속경 시멘트는 물과의 수화 반응에 의한 초기 수화열 상승에 따른 미세균열 발생 가능성이 매우 높고, 또한 초기 응결 속도가 빠르기 때문에 시공을 위한 가사 시간이 너무 짧아서 필연적으로 응결 지연제를 함께 운영할 수밖에 없는 시스템이다. 안정적 시공 품질 구현 및 균질성 그리고 균열 억제에 의한 수밀성 향상을 위한 연구가 아직까지는 초보 단계이며 산성 분위기, 즉 산성비나 융설제인 염화물과 같은 염류에 대한 염해손상, 대기 중 이산화탄소에 의한 중성화 열화 등을 개선하기 위한 보다 체계적인 연구가 지속적으로 필요한 실정이다.
또 다른 기술로는 1940년 Prosen과 Earnshaw가 발명한 산화마그네슘과 인산 혹은 오산화인을 반응시켜 소위 마그네슘 세라믹 주조 합금체 제조 원리와 같은 널리 공지된 기술을 활용하여 콘크리트 구조물 혹은 도로를 보수하는 시스템을 예로 들 수 있다. 이들 마그네슘 인산염 세라믹체는 반응 형성물이 매우 견고한 결정체로서 구조적 강도가 우수하고, 인체 적합성이 뛰어나기 때문에, 주로 인공치아 혹은 인공 뼈를 제조하는 데 사용되고 있는 시스템으로서 본래 세라믹체는 고온에서 소결에 의한 용융 융합에 의한 결정체임에 반하여 이들 수경성 마그네슘 인산염 시스템은 시멘트처럼 상온에 물과 반응에 의한 세라믹체를 형성하기 때문에 화학반응형 인산염 마그네슘 시멘트(Chemically bonded Magnesium Phosphate Cement)라 불리기도 한다.
이들 화학 반응형 인산염 마그네슘 시멘트는 마그네슘과 인산염의 산-염기 반응에 의해 생성된 마그네시아 인산염 결정 구조체가 높은 강도, 내화학성을 가지며, 기존의 포틀랜드 시멘트의 pH가 12~14인 데 비하여 이들 결정 구조체의 pH는 이론적으로 거의 중성(산업용의 pH는 9~11)이기 때문에 저알카리성 특성을 발현하고, 중금속 과 방사성 폐기물에 대한 고정화 능력이 뛰어난 내침출성을 갖고 있으며, 반응 시 발열 반응에 의한 반응열이 높기 때문에 일반 포틀랜드 시멘트가 구현하지 못하는 저온 지역에서도 사용이 가능한 장점이 있음과 동시에 매우 빠른 반응 속도에 의한 조기 강도 발현이 가능하여 주로 구미 선진국에서는 핵폐기물 봉합재로 사용되고 있다. 최근에는 이 같은 화학 반응형 인산염 마그네슘 시멘트의 물리 화학적 특성을 이용하여 콘크리트 구조물에 대한 긴급 보수재로서의 활용 범위를 넓히려는 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나 이 같은 반응형 인산염 마그네시아 시멘트의 매우 우수한 물리 화학적 특성을 구현함에 있어서 이들 물질의 반응 속도가 수분 이내에 이루어지기 때문에, 이제까지는 극히 소량의 뱃치 사이즈 규모의 배합량으로 수십분 이내에 신속히 작업할 수밖에 없는 매우 짧은 가사 시간으로 인하여, 극히 제한적인 범위 내에서만 운영할 수밖에 없는 단점이 있다.
이에, 이들 공지의 초보 단계 기술인 반응형 인산염 마그네시아 시멘트의 물리 화학적 특성을 유지하면서 대량 시공이 가능하도록 가사 시간을 연장할 수 있는 방안으로서, 사용 원료의 물리 화학적 변화, 반응 지연제로 각종 유-무기 산류의 도입 및 최적의 가사 시간 발현을 위한 배합 구성 변화에 관한 많은 연구가 지속적으로 진행되고 있다.
국내에서는 대한민국 등록특허 제0136728호에서 도로, 교량 및 활주로의 빠른 보수용으로 인산염 마그네슘 화합물 즉 포스포마그네시아 시멘트의 제조 방법이 개시되어 있다. 인산염 마그네슘의 빠른 수경화 반응에 의한 보수 능력과 이때 형성된 수경화물의 내수성 향상을 위하여 실리콘 화합물을 첨가하는 특징이 있는 기술로서 모래와 실리카 흄 또는 플라이 애쉬로 구성하되, 이중 실리카 흄 또는 플라이 애쉬가 4~6 중량부인 응집물 60~90 중량부, 인산염 화합물(P2O5중량 환산값 )에 대한 마그네슘 화합물(MgO 중량 환산값) 비율이 1~3인 인산염 마그네시아 화합물이 10~40 중량부, 지연제 4 중량부 이하, 실리콘 화합물 2중량부 이하 및 물 15 중량부 이하로 구성되어 있다.
상기 특허는 주로 인산염 마그네시아 시멘트의 수분에 대한 강도 저하 현상 개선을 목적으로 하여 데이터를 건조 14일 강도 측면에서 산출하고 있으며 도로 보수용으로서의 조기 교통 개방에 필요한 영향성 및 노후 콘크리트면과의 접착력 자료 및 내염성, 내후성에 관한 기술적 접근이 부족하여 올바른 성능을 인지하기에 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제2009-0093612호에는 통상의 마그네시아 시멘트 100중량부에 대해 제1인산 암모늄을 60~90 중량부, 응결 지연제로 무수구연산을 2~4 중량부, 포졸란 반응체인 플라이 애쉬를 4~18 중량부, 물 40~50 중량부로 구성된 초속경성 모르타르 조성물이 개시되어 있다. 인산염 마그네슘 시멘트를 이용하여 초속경성 노후 콘크리트 보수용 모르타르에 적용 목적을 두었으나, 조기 교통 개방을 위한 3시간 이내의 압축 강도 및 휨강도의 발현이 부족하고 아울러, 노후 콘크리트와의 요구 접착력 1.4㎫ 이상 발현이 가능한 양생 시간이 3일 이상 소요되기 때문에 바람직하지 못하다.
대한민국 등록특허 제1187409호에는 마그네시아 실리케이트 인산염계 복합체에 의한 단면 결손 건축 구조물의 긴급 보수 또는 도로면 부위의 부분 긴급 보수재에 관한 것이 개시되어 있다. 산화 마그네슘 20~54 중량%, 인산염 5~20 중량%, 실리케이트 분말 10~40 중량% 및 지연제 50~83.5중량%, 유동화제 5~20 중량%, 발수제 1~10 중량%, 섬유 0.5~2 중량% 및 소석회 또는 생석회 10~20 중량%를 혼합한 기능성 첨가제 1~10 중량%, 잔골재 20~50 중량% 및 물 10~30 중량%로 구성되어진다. 도로 보수용 특성 구현 및 보수재로서의 성능 표현이 잘 명시되어 있으나, 화학 양론적인 측면에서 살펴보면 통상 인산염 마그네시아 결정체 형성은 마그네시아 1 mole에 대하여 인산염 1 mole의 반응이 정상적이며(하기 반응식 1과 2 참조), 이때 실리케이트 분말을 filling재로 사용할 경우 이론적으로 인산염 1 mole에 대하여 마그네시아를 약 3.5 mole 까지 운영함이 타당하다. 상기 특허의 경우 인산염 1 mole에 대해 마그네시아 10 mole 가량 운영된 시스템으로서 이론적 배경에서 보면 과도한 과잉의 미반응 마그네시아의 존재에 의한 흡습성 증가 및 알카리 용출성이 문제 및 강도의 경시변화가 예상되어 바람직하지 못하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수에 있어서 공용 접착력, 공용 압축강도 및 휨강도 발현이 3시간 이내에 구현할 수 있음과 동시에 융설-융빙제에 대한 뛰어난 내염성과 표면 박리 저항성, 팽창 수축에 대한 물리적 안정성, 동결융해 저항성이 우수하고 대량 시공을 위한 가사시간 조절이 용이한 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 상기 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물을 이용한 노면 보수방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 인산염 마그네시아 무기질 바인더 17~40 중량%, 잔골재 35~55 중량%, 플라이 애쉬 8.5~32중량%, 규회석(Wallastonite) 1.5~12 중량%, 합성섬유 파이버(Fiber) 0.1~0.5 중량%, 유동화제 0.1~0.5 중량%, 붕산 0.5~2.0 중량% 및 배합수 13~20 중량%를 포함하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물이 제공된다. 상기 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물에는 통상의 분산제, 소포제등이 더욱 포함될 수 있다. 이 때, 상기 인산염 마그네시아 무기질 바인더는 마그네시아/인산염 몰비(mole ration)가 1.2~3.2인 것이 더욱 바람직하다. 상기 인산염 마그네시아 무기질 바인더는 전체 조성물 중량에 대하여 마그네시아 4.5~19.5 중량%, 제1인산암모늄 2.5~4.0 중량%, 인산2수소칼륨 10~16.5 중량%로 이루어지는 경우에 더욱 우수한 효과를 나타낸다.
상기 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물에 있어서, 마그네시아는 사소 마그네시아(Dead Burnt Magnesia)인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 잔골재는 5 mm 메쉬를 95% 이상 통과하는 정도의 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 플라이애쉬는 Class F의 플라이 애쉬인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물은 다음과 같은 단계에 의하여 제조되는 것이 바람직하다.
믹서기에 사소마그네시아 4.5~19.5 중량%, 인산2수소칼륨 10~16.5 중량%, 제1인산 암모늄 2.5~4.0 중량%과 지연제인 붕산 0.5~2.0 중량%를 투입하고 균질 혼합하여 사소마그네시아 표면을 Lunebergite(Mg3B2(PO4)2(OH)6ㆍH2O)로 전환시키는 단계; 잔골재 35~55 중량%, 플라이 애쉬 8.5~32중량%, 규회석(Wallastonite) 1.5~12 중량%, 합성섬유 파이버(Fiber) 0.1~0.5 중량%, 유동화제 0.1~0.5 중량% 및 붕산 0.5~2.0 중량%를 추가로 투입 혼합하여 분말상의 보수재를 제조하는 단계; 및 배합수를 투입하여 균질 혼합하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조되는 것이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 파손 구간에 대한 보수 면적 및 절삭 깊이를 산출하여 보수재 수량을 결정하고 그에 따른 가사 시간을 결정하는 단계; 파손 부위를 절삭하고 청소하는 단계; 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물을 배합하고 포설하는 단계; 공기 중에서 양생하고 공용 강도를 확인하는 단계; 및 타이닝 공사 및 줄눈을 설치하는 단계를 포함하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수방법이 제공된다.
본 발명은 종래의 급속한 반응 속도로 인한 가사 시간 확보가 어려워 대량으로 노후 콘크리트 노면 보수 공사가 곤란한 인산염 마그네시아 시멘트 보수재 시스템을, 가사 시간 조절이 용이토록 함으로서 수월한 시공성을 제공한다. 그와 동시에 시공 후 3시간 이내에 교통 가능한 공용 접착력 1.4㎫ 이상 및 공용 압축강도 21㎫ 이상, 공용 휨강도 4.5㎫ 이상의 물성이 발현됨으로써, 획기적인 교통 개방시간 단축이 가능함 동시에 기존의 속경성 모르타르와 같은 수화반응에 의한 시스템과는 차별되게 별도의 양생포 혹은 양생 처리를 필요로하지 않는 공기 양생이 가능한 보수 시스템으로서 경제적이다. 또한 노후 콘크리트와의 뛰어난 접착 성능 및 수밀성, 내염성 및 팽창 수축 안정성 융설-융빙제에 대한 내염성 및 표면 박리 저항성, 동결 융해 저항성이 월등하여 노후 콘크리트 포장의 기능 회복에 의한 도로 포장 유지보수 비용 절감에 기여한다는 우수한 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 보수재 조성물을 이용하여 노후 콘크리트 노면을 보수하는 방법에 관한 시공 순서를 나타내는 공정도이다.
본 발명은 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수에 있어서 보수 시공 후 3시간 이내에 공용 접착력, 공용 압축 강도 및 공용 휨강도 발현이 가능한 획기적인 교통 개방 성능을 발현함과 동시에 대량 공사 시에도 가사 시간 조절이 용이한 고성능 신규 무기질 보수재를 제공함에 있어서, 반응형 사소 마그네시아 복합인산염 바인더 시스템을 도입하여 최적의 바인더 함량 및 마그네시아/인산염 몰(mole)비를 연구 도출하고 바인더 원료의 표면을 서방 용해성 처리에 의한 신규 반응 지연 시스템을 연구 도입하는데 기술적 특징이 있다.
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따르면, 인산염 마그네시아 무기질 바인더 17~40 중량%, 잔골재 35~55 중량%, 플라이 애쉬 8.5~32중량%, 규회석(Wallastonite) 1.5~12 중량%, 합성섬유 파이버(Fiber) 0.1~0.5 중량%, 유동화제 0.1~0.5 중량%, 붕산 0.5~2.0 중량% 및 배합수 13~20 중량%를 포함하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물이 제공된다. 상기 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물에는 통상의 분산제, 소포제 등이 더욱 포함될 수 있다.
이 때 상기 인산염 마그네시아 무기질 바인더에서, 인산염은 산성(Acid)물질로서 염기성(Base)물질인 마그네사아의 용해 속도 및 산염기 반응 속도를 최적화시키기 위하여 인산염의 포화 농도(Saturation concentration)에서의 pH가 3.8인 제1인산암모늄과 pH가 4.1인 인산2수소칼륨의 최적 비율로 조합하여 이루어지는 것이 바람직한데, 일 실시예에 따르면 제1인산암모늄 2.5~4.0 중량%, 인산2수소칼륨 10~16.5 중량% 되도록 구성되며, 마그네시아의 경우 이들 산성 물질인 복합 인산염에 대한 용해 속도 조정을 위하여 1450℃ 이상에서 소성시킨 사소 마그네시아(Dead burnt magnesia)가 사용되는 것이 바람직하다. 이때 최적의 반응속도와 강도 발현을 위하여 마그네시아/인산염 몰비(mole ration)가 1.2~3.2이 되도록 사소마그네시아를 4.5~19.5 중량% 되게 구성하는 것이 바람직하다.
상기 마그네시아와 인산염 중 인산2수소칼륨과의 반응식은 다음과 같다
MgO + KH2PO4 + 5H2O → MgKPO4-6H2O
즉, 마그네시아 1 mole 과 인산2수소칼륨 1 mole 그리고 물 5 mole이 반응하여 밀도가 높고 견고한 결정체인 Struvite 구조의 MgKPO4-6H2O를 생성하게 된다.
한편, 마그네시아와 제1인산암모늄과의 반응식은 다음과 같다.
MgO + NH4H2PO4 + 5H2O → MgNH4PO4-6H2O
즉, 마그네시아 1 mole 과 제1인산암모늄 1 mole 그리고 물 5 mole이 반응하여 밀도가 높고 견고한 결정체인 Struvite 구조의 MgNH4PO4-6H2O를 생성하게 된다.
이때, 제1인산암모늄의 경우 인산2수소칼륨과는 달리 암모니아 가스를 방출하게 되어 환경적인 문제를 일으키는 단점이 있으나 Struvite 구조 형성율이 높기 때문에 일부를 운영함이 산업적으로 유리하다.
본 발명의 조성물 중 인산염의 조성에 있어서 상기와 같은 물리 화학적 근거에 의해 연구한 결과 제1인산암모늄/인산2수소칼륨 비율이 (2.5~4.0)/(10~16.5)일 때 최적의 물성을 구현할 수 있었다.
또한, 상기 반응식과 같이 화학양론적으로 마그네시아와 인산염이 1 : 1 몰(mole)반응이 원론적으로 합당하나, 마그네시아의 반응 참여률이 낮고 실제 반응에 있어서 Ceramic Seeding 효과를 위하여 인산염 1 몰(mole)에 대하여 마그네시아가 1.2~3.2 몰(mole)이 되도록 Excess mole로 운영할 때 최적의 물성을 구현할 수 있었다.
아울러, 본 발명의 마그네시아 인산염 무기 바인더의 함량이 17 중량% 미만에서는 소정의 강도를 얻을 수 없었고, 40 중량% 초과하는 경우에는 물성 측면에서 더 더욱 양호할 수 있으나, 경제성 측면에서 바람직하지 못하다.
상기 조성물에 있어서, 마그네시아(MgO)는 1450℃ 이상에서 소성시켜 활성도(Activity)를 낮춘 비표면적이 0.81㎡/g이고, 비중이 3.61g/㎤인 사소마그네시아(dead burnt magnesia)의 사용이 바람직하다. 1450℃ 이하에서 소성시킨 경소 마그네시아 혹은 활성 마그네시아의 경우, 인산염과의 반응 속도가 매우 급속하게 빠르기 때문에 충분한 Struvite 결정 성장이 이루지지 않아서 강도 발현이 부족하여 바람직하지 못하다.
상기 조성물 중 잔골재에 있어서 입도는 도로공사 기준에 부합된 5㎜ 메쉬 95% 이상 통과 물질로서 사용량은 35~55 중량%가 합당하다. 35중량% 미만에서는 본 발명의 목적하는 소정의 강도를 상회한 높은 강도가 발현되나 Cost down 효과가 없으며 55 중량%을 초과하는 경우에는 소정의 강도 발현이 어렵기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 조성물 중 플라이 애쉬는 Class F 플라이 애쉬를 사용하는 것이 바람직하다. Class F 플라이 애쉬는 화력발전소의 연소 가스 포집물로서 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3)로 구성되어 있으며, 국내에서는 ASTM Class F grade인 플라이애쉬 1종 과 2종으로 분류되어 주로 시멘트 에트링자이트 반응물로 활용되고 있는 물질이다. 이 같은 플라이 애쉬는 시멘트와는 달리 물에 의해 수화 반응에 의한 수경화는 형성되지 않으나 시멘트가 수화되어 형성된 수산화 칼슘과는 서서히 반응하여 양생에 따른 후기 강도 증진 목적 및 수화열 감소 그리고 알카리 반응 저항성, 건조 수축 완화에 의한 강도 보강 효과가 있는 물질이다. 본 발명의 조성물에 있어서는 마그네시아와 인산염과의 반응열을 완화시킴으로서 가사시간을 길게 하는 효과와 더불어 인산염과 서서히 반응되어 반응 생성물인 Struvite 간의 공극을 채워 밀도를 증가시키는 역할을 활용하였다. 본 발명에 있어서 8.5중량% 미만에서는 그 효과가 미미하였으며 32 중량% 초과하는 경우에는 오히려 강도 저하를 시키기 때문에 바람직하지 못하였다.
상기 조성물 중 규회석(wallastonite)은 CaSiO3 화학물질로서 본 발명의 인산염과 반응에 의해 유리질(Glassy Phase)인 Calcium hydrophosphate(CaHPO4)를 생성시킴으로서 강도를 향상시키는 역할을 하는 물질이다. 그 사용량에 있어서 1.5 중량% 미만에서는 소정의 목적 강도를 얻을 수 없었고 12 중량% 초과에서는 반응 속도 조절에 문제가 있어서 바람직하지 못하였다.
상기 조성물 중 합성 섬유 Fiber는 특별한 제한은 없으나, 폴리프로필렌 Fiber, 폴리에틸렌 Fiber , 나일론 Fiber 등의 비흡수성 Fiber를 사용함이 바람직하다. 이들 합성섬유 Fiber는 6~19 mm 길이로 첨가되며, 고강도 Fiber는 그 종류가 제한되지 않는다. 보수재의 휨강도 향상에 기여할 목적으로 사용되며 사용량이 0.1 중량% 미만에서는 효과가 미미하며 0.5 중량% 초과에서는 작업성이 나빠져 바람직하지 못하였다.
상기 조성물 중 유동화제로는 통상의 리그닌 설페이트, 폴리카르복실산 계열의 시멘트 콘크리트 감수제, 혹은 재분산성 폴리아크릴 수지 중 단독 혹은 2이상 조합하여 사용할 수 있다. 이들 유동화제는 본 발명의 보수재 조성물의 배합수량을 감소시킴과 동시에 유동성을 향상시켜 강도 증진 및 작업성과 표면 마감성을 향상시키는 역할의 물질로서, 그 사용량이 0.1 중량% 미만에서는 효과가 거의 없고, 0.5중량% 초과에서는 초기 반응 응결 속도를 지연시키기 때문에 바람직하지 못하였다.
상기 조성물에는 작업성과 배합물 안정성 측면에서 분산제 및 소포제가 추가로 사용될 수 있다.
상기 조성물 중 배합수는 본 발명의 반응 media 물질로서 그 사용량이 매우 중요한 역할을 한다. 그 사용량이 13 중량% 미만에서는 조성물의 점도가 너무 높고 반응열의 조절이 곤란하기 때문에 바람직하지 못하고, 20 중량% 초과에서는 반대로 강도가 저하하는 현상이 크기 때문에 바람직하지 못하였다.
상기의 보수재 조성물을 제조함에 있어서는 가사시간 조정을 위하여 다음과 같은 제조방법에 의하여 제조되는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하면, 상기 무기질 보수재의 대량 시공에 요구되는 가사 시간 확보를 위하여 상기 조성물 배합에 있어서 먼저, 믹서기에 사소마그네시아 4.5~19.5 중량%, 인산2수소칼륨 10~16.5 중량%, 제1인산 암모늄 2.5~4.0 중량%와 지연제인 붕산 0.5~2.0 중량%를 투입 균질 혼합하여 분말상의 주 바인더를 제조한다. 이에 의하여 사소 마그네시아 표면을 붕산과 반응에 의한 Lunebergite(Mg3B2(PO4)2(OH)6ㆍ6H2O)를 형성시킴으로서, 사소마그네시아의 용해 속도를 완만하게 하여 반응 속도 지연에 따른 가사시간 조절 용이성을 확보하도록 하였다.
이와 같이 선행 과정에 의한 주 바인더의 반응 속도 조절 처리 후, 잔여 부속 원료들을 균질 혼합하여 본 발명의 소정의 목적에 부합된 물성 구현이 가능한 분체상의 무기물 보수재를 제조한다. 여기에 배합수를 가하여 최종적으로 조성물을 제조하여 도로 보수공사에 사용한다.
도 1은 본 발명의 보수재 조성물을 이용하여 노후 콘크리트 노면을 보수하는 방법에 관한 시공 순서를 나타내고 있다.
본 발명의 노후 콘크리트 노면 보수 방법은 파손 구간, 보수재 수량 결정 및 그에 따른 가사 시간 결정 단계, 파손 부위 절삭 및 청소 단계, 본 발명의 신규 무기질 보수재조성물의 배합 및 포설 단계, 공기 중 양생 및 공용 강도 확인 단계, 타이닝 및 줄눈 설치 단계를 포함하여 이루어진다. 아래에서는 상기 각 단계에 관하여 구체적으로 살펴본다.
파손 구간, 보수재 수량 결정 및 가사 시간 결정 단계
2009년 한국도로공사 [시멘트 콘크리트 포장공사] 지침에 의거 파손 구간에 대한 보수 면적 및 절삭 깊이를 산출하여 보수재 수량을 결정하며 보수 시공 위치의 동선을 계획하여 각 보수 요망 위치별 단위 보수재 소요량을 산출하여 가사 시간을 결정하고 그에 따른 배합비를 설계한다.
파손 부위 절삭 및 청소 단계
2009년 한국도로공사 [시멘트 콘크리트 포장공사] 지침에 의거 파손 부위를 절삭하고 청소한다.
노면 보수용 조성물 배합 및 포설단계
상기 깨끗이 청소된 절삭 부위에 본 발명의 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물을 포설하는 단계로서 보수재 시공 후 3시간 이내에 교통이 가능한 공용 접착력 1.4㎫ 이상, 공용 압축강도 21㎫ 이상 및 공용 휨강도 4.5㎫ 이상의 성능을 발현해야만 한다. 본 발명의 배합 설계를 통하여 최적화된 배합물을 2009년 한국도로공사 [시멘트 콘크리트 포장공사] 지침에 의거 절삭 면에 프라이머 처리 없이 직접 보수 시공을 한다.
공기 중 양생 및 공용 강도 확인 단계
본 발명의 보수재로 보수 시공 후 공기 양생 2~3시간에 현장에서 Sampling한 시료에 대한 압축강도(KS F 2405), 휨강도(KS F 2408) 및 접착강도(ASTM C 1404)시험에 의거 교통 가능한 공용 접착력, 압축강도 및 휨강도를 측정한다.
타이닝 및 줄눈 설치 단계
2009년 한국도로공사 [시멘트 콘크리트 포장공사] 지침에 의거 미끄럼 저항성을 확보하기 위한 타이닝 공사 및 줄눈을 설치한다.
이어서 모든 제반 물성치를 확인 후 교통 개방을 실시하게 된다.
[실시예]
이하, 실시예 및 시험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽도록 하기 위한 예시에 불과한 것이므로, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이를 다양하게 변형하여 실시할 수 있을 것임은 자명한 것이다. 따라서 그러한 변형 예들은 청구 범위에 기재된 바에 의해 본 발명의 권리 범위에 속한다고 할 것이다.
실시예 1:노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 제조
㈜흥진정밀의 5 quart용량 KS 표준 주전원 운동식 몰탈 믹서에 선행 Step으로 사소마그네시아(NedMag-99, nedmag industries mining & manufacturing) 318그램, 제1인산암모늄(영진화학) 67그램, 인산2수소칼륨(영진화학) 268그램, 붕산(OCI) 19그램을 투입 후, 1단 속도로 60초간 균질 교반하여 마그네시아(NedMag-99) 표면을 Lunerbergite로 전환시킨 뒤, 이어서 KS F 2526 규격의 잔골재(입도 5mm이하 95% 이상 통과) 1340그램, Class F 2종 플라이 애쉬(삼표) 327그램, 규회석 SWG-325(성신) 65그램, 슈퍼 스트롱 화이버(에스에스산업) 3.5그램, GPS(윈플로) 3.5그램, BYK-190 (BYK) Trace를 투입하여 추가로 약 30초간 균질 혼합 후 배합수를 580그램 투입하여 약 3분간 균질 혼합 후 취출하여 인산염 마그네시아 무기질 바인더 함량 21.79 중량%, 마그네시아/인산염 몰비 3.09, 제1인산암모늄/인산2수소칼륨 비율이 2.224/8.95로 설계된 조성물을 제조하였다.
실시예 2:노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 제조
상기 실시예 1에 있어서, 인산염 마그네시아 무기질 함량을 30 중량%로, 마그네시아/인산염 몰비를 1.93로 변경하여 배합제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 조성물을 제조하였다.
실시예 3:노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 제조
상기 실시예 1에 있어서, 인산염 마그네시아 무기질 함량을 40 중량%로, 마그네시아/인산염 몰비를 1.21로 배합을 변경하여 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 조성물을 제조하였다.
비교 실시예 1:노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 제조
상기 실시예 1에 있어서 사소마그네시아(Nedmag-99) 대신에 경소마그네시아(Magnesium Oxide H-30, Richard Baker Harrison)로 변경하여 동일한 배합과 동일한 프로세스로 제조하여 비교 실시예 1로 하였다.
비교 실시예 2:노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 제조
상기 실시예 1에 있어서 사소마그네시아(NedMag-99)의 표면처리 선행 Step을 사용하지 않고 All Charge방법에 의해 제조하여 비교 실시예 2로 하였다.
비교 실시예 3:노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 제조
㈜흥진정밀의 5 quart용량 KS 표준 주전원 운동식 몰탈 믹서에 시중의 SB-Latex 개질 초속경 몰탈 2450그램에 배합수 490그램을 약 90초간 균질 혼합 취출하여 비교 실시예 3으로 하였다.
시험예 1:노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 성능시험
본 발명의 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 성능 확인을 위하여 다음과 같은 시험을 실시하였다. 성능 확인 시험은 [도로의 구조 시설 기준에 관한 규칙], [도로 공사 시멘트 콘크리트 포장공사 지침] 및 국토해양부의 [시멘트 콘크리트 포장 생산 및 시공 지침]에 준하여 실시하되 접착강도(ASTM C 1404), 압축강도(KS F 2405), 휨강도(KS F 2408), 동결융해 저항성(KS F 2456), 표면 박리 저항성(ASTM C 672), 염소 이온 침투 저항성(KS F 2711), 건조 수축(KS F 2424 & ASTM C 157) 시험 방법에 준하여 행하였다.
상기 실시예 1 ~ 3과 비교실시예 1 ~ 3에 대해 상기 성능 시험법에 준하여 시험한 결과는 아래 표와 같다.
Figure 112012098997942-pat00001
상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 교통 가능한 공용 요구 물성치인 첩착력 1.4㎫ 이상, 압축강도 21㎫ 이상, 휨강도 4.5㎫ 이상을 만족시키는 성능이 시공 후 양생 시간이 2~3시간에서 발현되었다. 반면에 시중의 SB-Latex 개질 속경성 시멘트 몰탈을 이용한 비교 실시예 3은 공용 요구 물성치를 만족시키지 못하는 점으로 미루어 보아 본 발명의 목적인 조기 교통 개방이 가능한 획기적인 성능을 발현하는 것으로 사료된다. 아울러, 비교 실시예 1~2와 비교하여 볼 때, 본 발명 실시예에서의 마그네시아의 선정 및 그들의 선행 표면 처리 공법 도입이 가사 시간 확보 기술로 유의미함을 알 수 있었다.

Claims (11)

  1. 인산염 마그네시아 무기질 바인더 17~40 중량%, 잔골재 35~55 중량%, 플라이 애쉬 8.5~32중량%, 규회석(Wallastonite) 1.5~12 중량%, 합성섬유 파이버(Fiber) 0.1~0.5 중량%, 유동화제 0.1~0.5 중량%, 붕산 0.5~2.0 중량% 및 배합수 13~20 중량%를 포함하며, 상기 인산염 마그네시아 무기질 바인더는 마그네시아/인산염 몰비(mole ration)가 1.2~3.2이며, 인산염 마그네시아 무기질 바인더는 전체 조성물 중량에 대하여 마그네시아 4.5~19.5 중량%, 제1인산암모늄 2.5~4.0 중량%, 인산2수소칼륨 10~16.5 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 마그네시아가 사소 마그네시아(Dead Burnt Magnesia)인 것을 특징으로 하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 잔골재는 5 mm 메쉬를 95% 이상 통과하는 것임을 특징으로 하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 플라이애쉬는 Class F 플라이 애쉬인 것을 특징으로 하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물.
  7. 믹서기에 사소마그네시아 4.5~19.5 중량%, 인산2수소칼륨 10~16.5 중량%, 제1인산 암모늄 2.5~4.0 중량%과 지연제인 붕산 0.5~2.0 중량%를 투입하고 균질 혼합하여 사소마그네시아 표면을 Lunebergite(Mg3B2(PO4)2(OH)6ㆍ6H2O)로 전환시키는 단계;
    잔골재 35~55 중량%, 플라이 애쉬 8.5~32중량%, 규회석(Wallastonite) 1.5~12 중량%, 합성섬유 파이버(Fiber) 0.1~0.5 중량%, 유동화제 0.1~0.5 중량% 및 붕산 0.5~2.0 중량%를 추가로 투입 혼합하여 분말상의 보수재를 제조하는 단계; 및
    배합수를 투입하여 균질 혼합하는 단계를 포함하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 잔골재는 5 mm 메쉬를 95% 이상 통과하는 것임을 특징으로 하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 제조방법
  9. 제7항에 있어서, 상기 플라이애쉬는 Class F 플라이 애쉬인 것을 특징으로 하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 합성섬유 파이버(Fiber)는 6~19 mm 길이의 폴리프로필렌 파이버, 폴리에틸렌 파이버 및 나일론 파이버로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 것임을 특징으로 하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물의 제조방법.
  11. 파손 구간에 대한 보수 면적 및 절삭 깊이를 산출하여 보수재 수량을 결정하고 그에 따른 가사 시간을 결정하는 단계;
    파손 부위를 절삭하고 청소하는 단계;
    제1항에 따른 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수용 조성물을 배합하고 포설하는 단계;
    공기 중에서 양생하고 공용 강도를 확인하는 단계; 및
    타이닝 공사 및 줄눈을 설치하는 단계를 포함하는 노후 시멘트 콘크리트 노면 보수방법.




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