KR101347550B1 - 콘크리트 보수용 고강도 조성물 - Google Patents

콘크리트 보수용 고강도 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 보수용 고강도 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 칼슘알루미노설페이트 20중량% 내지 30중량%; 포틀랜드 시멘트 60중량% 내지 65중량%; 아크릴계 폴리머 4중량% 내지 6중량%; 멜라민계 고유동화제 0.15중량% 내지 0.2중량%; 및 주석산 0.01중량% 내지 0.02중량%을 포함하되, 총 중량 대비 SiO2 : Al2O3 : CaO의 중량비율이 7.1 : 13.56 : 55.4인 콘크리트 보수용 고강도 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 초속경, 고강도, 내구성 및 우수한 방수기능을 갖고, 오래 시간 경과 후에도 인장변형률이 적고, 우수한 경과 거동을 나타내고, 기존 콘크리트에 비하여 매우 높은 연성을 유지한다.

Description

콘크리트 보수용 고강도 조성물{High strength composition for repairing and reinforcing concrete structure}
본 발명은 콘크리트 보수용 고강도 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 칼슘알루미노설페이트 20중량% 내지 30중량%; 포틀랜드 시멘트 60중량% 내지 65중량%; 아크릴계 폴리머 4중량% 내지 6중량%; 멜라민계 고유동화제 0.15중량% 내지 0.2중량%; 및 주석산 0.01중량% 내지 0.02중량%을 포함하되, 총 중량 대비 SiO2 : Al2O3 : CaO의 중량비율이 7.1 : 13.56 : 55.4인 콘크리트 보수용 고강도 조성물에 관한 것이다.
다양한 건설현장에서 구조재료로 가장 널리 사용되고 있는 콘크리트의 대표적인 시멘트계 재료는 우수한 압축강도, 경제성 및 내구성이 뛰어나나, 인장 및 휨강도가 작고 변형 능력이 작아 유해한 균열발생 후에 응력 및 내구성이 급격히 저하되는 문제점을 가지고 있다.
일반적으로, 콘크리트 구조물은 극심한 기후변화, 공해 등의 환경적 요인과 유지 관리 소홀 등의 인위적 요인에 의해 구조물의 노후화, 성능저하, 내구성 저하가 발생하고 있다. 이 외에도 콘크리트 구조물이 접하게 되는 수분에 의한 건습반복, 염분의 침투에 의한 염해, 이산화탄소 등의 침투로 인한 콘크리트의 중성화, 외기 온도의 심한 변화에 의한 동결융해 및 각종 산 등의 침식에 의한 화학적 침식에 의해 구조물의 내구성이 저하되고 있는 실정이다. 이와 같이 내구성이 저하된 콘크리트 구조물을 방치할 경우 균열, 누수, 철근부식, 박리, 박락 등의 현상이 발생할 수 있으며, 심한 경우 구조물의 붕괴로도 이어지고 있다.
종래에는 이러한 균열 및 파손이 발생했을 때 보수하는 일반적인 방법으로 파손부위를 청소하고, 이 공간에 에폭시 수지를 주입 또는 충전하여 균열부를 보수하거나 보강 콘크리트를 타설하여 채우는 방법을 사용하여 왔다.
그러나 이와 같이 주입 보수나 보강 콘크리트 타설로 보수하는 방법은 연접부위가 견고하게 접착되지 못하고, 타설후 장시간 동안 통행을 통제해야 하므로, 교통대란이 발생되는 문제점이 발생되었으며, 파손공간에 에폭시 수지를 주입 또는 충전하여 보수하는 방법은 보강물이 고결되면 연성이 없어지게 되므로, 일정한 강도 이상의 충격이 가해질 경우, 그 충격을 흡수하지 못하여 충격과 진동이 상단까지 전달되어 부위가 재파손되는 등 문제점이 있었다. 이러한 콘크리트 결합을 유지 및 보수하는 방법 중의 하나로 보수용 모르타르를 이용하는 방법이 있다.
또한 손상 부위를 채우는 보강 콘크리트로 통상 사용되는 유기계 모르타르는 경화시간이 빠르고, 접착력이 우수하며, 압축강도와 굴곡강도, 인장강도가 우수한 장점이 있는 반면, 습윤면에는 사용이 불가능하며, 콘크리트 모체와의 탄성계수, 열팽창계수가 달라 발수성을 방해하여 단기간내에 탈락이 발생할 수 있다. 이를 보완한 유.무기계 모르타르 역시 습윤면에 시공이 가능하고, 높은 압축강도, 휨강도가 가능하며, 경화시간이 빨라 긴급타설에 용이하나, 여전히 콘크리트 모체와의 탄성계수, 열팽창계수가 달라 내구성이 떨어지며, 경화시간이 짧아 작업성이 떨어져서 넓은 단면 복구에는 적용되기 어려운 단점을 갖는다.
본 발명은 기존 보강용 시멘트 조성물이 갖는 단점을 보완하여 초속경, 고강도, 내구성 및 방수성이 뛰어난 콘크리트 보수용 고강도 조성물을 제공하는 데 목적이 있다.
특히 본 발명은 필요에 따라 세사, 품질 골재 또는 충진 재료 등을 혼합하여 토목, 건촉, 환경 구조물, 방수 재료, 긴급공사 구조물, 철근 콘크리트 대응 구조물, 부재 보강 구조물 등의 보수 및 보강 재료를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 칼슘알루미노설페이트(Calcium Sulfoaluminate) 20중량% 내지 30중량%; 포틀랜드 시멘트 60중량% 내지 65중량%; 아크릴계 폴리머 4중량% 내지 6중량%; 멜라민계 고유동화제 0.15중량% 내지 0.2중량%; 및 주석산 0.01중량% 내지 0.02중량%을 포함하되, 총 중량 대비 SiO2 : Al2O3 : CaO의 중량비율이 7.1 : 13.56 : 55.4 인 콘크리트 보수용 고강도 조성물을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 칼슘알루미노설페이트는 보크사이트 및 명반석 중에서 선택된 하나 이상에 석회석 및 석고를 혼합하여 1200℃ 내지 1300℃ 에서 소성한 클링커를 분쇄한 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 아크릴계 폴리머는 사염화규소와 폴리메타크릴산을 중합하여 얻은 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 콘크리트 보수용 고강도 조성물은 비표면적이 3,100 내지 130,000 ㎡/㎏임을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 멜라민계 고유동화제는 설포네이트 멜라민 포름알데하이드(Sulfonated Melamine Formaldehyde)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 콘크리트 보수용 고강도 조성물은 초속경, 고강도, 내구성 및 우수한 방수기능을 갖고, 오래 시간 경과 후에도 인장변형률이 적고, 우수한 경과 거동을 나타내고, 기존 콘크리트에 비하여 매우 높은 연성을 유지하는 효과를 갖는다.
본 발명의 콘크리트 보수용 고강도 조성물은 충격에 강하며, 부분 하중에 의한 손상과 균열이 없고, 보수가 자유로와 시공시간 및 작업을 단축할 수 있어, 긴급공사, 고강도 콘크리트 구조물, 내진성 구조물 및 부재의 보강성이 우수한 효과를 갖는다.
본 발명의 콘크리트 보수용 고강도 조성물은 필요에 따라 세사, 품질 골재 또는 충진 재료 등을 혼합하여 토목, 건촉, 환경 구조물, 방수 재료, 긴급공사 구조물, 철근 콘크리트 대응 구조물, 부재 보강 구조물 등의 보수 및 보강 재료로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 콘크리트 보수용 고강도 조성물은 골재와 혼합하여도 강도가 저하되지 않으면서 우수한 강도를 유지하여, 일반적인 시멘트 구조물보다 1/3 두께의 조성물을 통해서도 동일한 강도를 얻을 수 있는 효과를 갖는다.
상기 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 콘크리트 보수용 고강도 조성물은 칼슘알루미노설페이트(Calcium Sulfoaluminate) 20중량% 내지 30중량%; 포틀랜드 시멘트 60중량% 내지 65중량%; 아크릴계 폴리머 4중량% 내지 6중량%; 멜라민계 고유동화제 0.15중량% 내지 0.2중량%; 및 주석산 0.01중량% 내지 0.02중량%을 포함하고, 총 중량 대비 SiO2 : Al2O3 : CaO의 중량비율이 7.1 : 13.56 : 55.4 인 콘크리트 보수용 고강도 조성물을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 칼슘알루미노설페이트(Calcium Sulfoaluminate, 4CaO·3Al2O3·SO3)는 시멘트 및 콘크리트 건조수축에 의한 균열방지용 팽창제, 초속경 시멘트, 초조강 시멘트, 급결재 등의 원료로 사용되는 특징을 갖는다. 또한, 칼슘알루미노설페이트는 보크사이트 및 명반석 중에서 선택된 하나 이상에 석회석 및 석고를 혼합하여 1200℃ 내지 1300℃ 에서 소성한 클링커를 분쇄하여 제조된 것이 바람직하다. 상기보다 낮거나 높은 온도에서는 칼슘알루미노설페이트 클링커의 소성 효율이 감소한다. 상기 칼슘알루미노설페이트는 조성물 전체 중량 대비 20중량% 내지 30중량%로 포함되는 것이 가장 바람직하다. 상기 중량보다 더 적게 포함되는 경우에는 시멘트의 경화 수축을 충분히 보상할 수 없어 수축으로 인하여 원래 구조물과의 분리 가능성이 증가하고, 상기 중량보다 더 많이 포함되는 경우에는 경화시간이 과도하게 단축될 수 있어(순결현상) 바람직하지 않다.
본 발명의 포틀랜드 시멘트는 주로 석회질 원료와 점토질 원료를 적당한 비율로 혼합하여, 필요에 따라 규산질 원료와 산화철 원료를 첨가하기도 하여 미분쇄한 후, 일부가 용융할 때까지(약 1,450℃) 소성하여 얻어지는 클링커에, 약간의 석고를 가하여 미분쇄하여 만든다. 포틀랜드 시멘트의 주성분은 석회 CaO, 실리카 SiO2, 알루미나 Al2O3 및 산화철 Fe2O3 등이다. 포틀랜드 시멘트 클링커의 구성화합물은 규산삼석회 3CaO·SiO2, 규산이석회 2CaO·SiO2, 알루민산삼석회 3CaO·Al2O3 및 철(鐵)화합물 4CaO·Al2O3·Fe2O3이다. 3CaO·SiO2를 주로 하고 약간의 Al2O3·MgO 등을 고용한 고용체를 앨라이트(alite), 2CaO·SiO2 중 β형의 것을 주로 한 고용체를 벨라이트(belite)라 한다. 본 발명의 포틀랜드 시멘트는 KS 규격에 규정된 것을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 포틀랜드 시멘트를 본 발명의 조성물 총 중량 대비 60중량% 내지 65중량%로 포함하는 경우 본 발명의 조성물이 우수한 강도 및 유연성을 갖춘다. 상기 중량보다 더 많이 포함하거나 더 적게 포함하는 경우에는 기존 시멘트 구조물과의 물성 차이로 인하여 분리 가능성이 증가할 수 있다.
본 발명의 아크릴계 폴리머는 두 가지 이상의 무기 규소 수지계 재료간에 각각 다른 상용성을 개량시켜 최상의 극성 특성을 갖도록 공유결합시켜 환원한 것으로, 사염화규소(SiCl4)와 폴리메타크릴산(CH2=C(CH3)COOH)을 중합하여 얻은 것임을 특징으로 한다. 이를 제조하기 위하여 인산나트륨(Na2HPO4)을 촉매로 가하여 프로피온산 염화규소를 얻고, 여기에 폴리메타크릴산을 가한 후, 염화나트륨 및 인산나트륨을 침전제거시킨 다음에 규산나트륨을 가해 중화건조하여 분말을 얻는다. 상기의 아크릴계 폴리머는 조성물 내에서 무기성 분말 간의 접착력을 향상시키고 보강 대상인 기존 구조물과의 접착력을 향상시키고 강도도 현저하게 개선시킨다. 상기 효과를 달성하기 위하여 아크릴계 폴리머는 조성물 총 종량 대비 4중량% 내지 6중량%로 포함되는 것이 가장 바람직하다. 상기 아크릴계 폴리머를 본 발명의 조성물 총 중량 대비 4중량% 내지 6중량%로 포함하는 경우 본 발명의 조성물이 우수한 접착력및 강도를 갖는다. 상기 중량보다 더 적게 포함하는 경우에는 접착력 및 강도 강화 효과를 실질적으로 발휘하기 어렵고, 상기 중량보다 더 많이 포함하는 경우에는 아크릴계 폴리머의 함유량 증가 대비 접착력 및 강도의 증가 정도가 감소하므로 효율면에서 바람직하지 않다.
본 발명의 멜라민계 고유동화제는 경화 촉진 역할을 하고, 물의 함량을 줄이는 반면 유동성을 증가시키고, 사용 도중에 운용성을 증가시키기 위해 첨가된다. 즉, 본 발명의 조성물에 물이 첨가된 경우 반죽 안에서 조성물 입자의 분산을 일으키게 하여 유동성을 좋게 할 뿐 아니라, 입자들의 분산으로 물과의 접촉면이 커서 물을 적게 첨가할 수 있으므로 초기 및 종결 강도를 현저히 증가시키고, 블리딩 현상도 방지할 수 있다. 최적의 유동성을 발휘하면서도 경제성을 갖추기 위해서는 상기 멜라민계 고유동화제는 0.15중량% 내지 0.2중량%로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 중량보다 더 적게 포함하는 경우에는 유동성 강화 효과를 실질적으로 발휘하기 어렵고, 상기 중량보다 더 높게 포함하는 경우에는 유동화제 함유량 증가 대비 유동성 증가 정도가 감소하므로 효율면에서 바람직하지 않다. 또한 멜라닌계 고유동화제 중에서 설포네이트 멜라민 포름알데하이드(Sulfonated Melamine Formaldehyde)가 시멘트 조성물 내에서 우수한 유동성 증가 효과를 발휘한다.
본 발명의 주석산(tartaric acid)는 흰색결정을 지닌 유기산(하이드록실산)의 일종으로 타타르산이라고 불리기도 한다. 주석산의 첨가로 인해 본 발명의 조성물의 pH를 약간 낮추는 효과를 갖고, 상기 조성물에 물을 첨가한 반죽에 가소성, 유연성 및 교질성을 부여하여 우수한 작업성을 확보할 수 있다. 이를 통해 종래 시멘트나 모르타르의 반죽으로는 만들 수 없었던 정교한 제품이나 수정작업이 필요한 제품을 만들 수 있게 한다. 상기 주석산은 0.01중량% 내지 0.02중량%를 포함하는 경우 조성물의 pH를 적정하게 낮추어 주고 우수한 가소성 및 유연성을 부여한다. 상기 중량보다 더 적게 포함하는 경우에는 pH감소 효과가 낮고 가소성 및 유연성 효과를 실질적으로 발휘하기 어렵고, 상기 중량보다 더 많이 포함하는 경우에는 주석산 함유량 증가 대비 가소성 및 유연성의 증가 정도가 감소하므로 효율면에서 바람직하지 않다.
본 발명의 콘크리트 보수용 고강도 조성물은 SiO2 : Al2O3 : CaO의 중량비율은 조성물 총 중량대비 7.1 : 13.56 : 55.4인 것이 바람직하다. 상기 조성 비율을 갖는 경우 고강도 유연성이 확보되고 압축강도가 높은 효과를 달성하고, 그 범위를 벗어나는 경우에는 우수한 강도, 유연성, 연성 및 부착력을 발휘하기 어렵다.
본 발명의 콘크리트 보수용 고강도 조성물은 비표면적이 3,100 내지 130,000 ㎡/㎏임을 특징으로 한다. 상기보다 비표면적이 상기보다 낮은 경우에는 입자간의 분산성이 좋지 않고 고르게 배합되기 어려우며, 반면 상기보다 비표면적이 높은 경우에는 조성물 내 분말이 비산하는 성질이 높아 작업하기 용이하지 않다.
본 발명의 콘크리트 보수용 고강도 조성물은 칼슘알루미노설페이트와 시멘트, 석고, 아크릴계 폴리머 및 주석산의 적절한 배합을 통하여 고강도에 침투성, 밀봉성, 내후성, 내수성 및 인장력이 우수하다. 특히 일반 콘크리트에 비하여 낮은 물의 계수와 높은 강도, 유연성 및 휨강도를 발휘하며, 저온에서 경화 가능하며, 온도팽창계수는 강철과 유사하게 7×10-6/inch 값을 갖는다.
본 발명의 콘크리트 보수용 고강도 조성물은 충격에 강하며, 부분 하중에 의한 손상과 균열이 없고, 보수가 자유로와 시공시간 및 작업을 단축할 수 있어, 긴급공사, 고강도 콘크리트 구조물, 내진성 구조물 및 부재의 보강성이 우수한 효과를 발휘한다.
특히 본 발명의 조성물은 물과 혼합시 반수용화되어서 침투성이 좋고, 비누체계를 사용하지 않고도 성막을 형성하여 무기 재료에 밀봉성, 내약품성이 우수하다. 따라서 필요에 따라 세사, 품질 골재 또는 충진 재료 등을 혼합하여 토목, 건축, 환경 구조물, 방수 재료, 긴급공사 구조물, 철근 콘크리트 대응 구조물, 부재 보강 구조물 등의 보수 및 보강 재료로 활용할 수 있다.
또한 본 발명은 폴리메타크릴산과 사염화규소의 중합체와 같은 아크릴계 폴리머의 첨가를 통해 강력한 공유결합과 수밀성을 확보하고, 적절한 미세구조가 조정을 이루고, 비표면적이 비교적 큰 조성물로 제조하여 공극을 최소화하여 초속경, 고강도, 내구성 및 우수한 방수기능을 갖는다. 이를 통해 본 발명은 오래 시간 경과 후에도 인장변형률이 적고, 우수한 경과 거동을 나타내고, 기존 콘크리트에 비하여 매우 높은 연성을 유지한다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.
[실시예]
1. 실시예의 제조
칼슘알루미노설페이트(Calcium Sulfoaluminate, 4CaO·3Al2O3·SO3)는 명반, 석회석 및 석고를 1200 내지 1300℃에서 고온 소성하여 제조한 클리커를 분쇄하여 제조하였다.
포틀랜드 시멘트는 한국산업규격 KSL 5201에 따른 보통 시멘트를 사용하였다.
아크릴계 폴리머는 사염화 규소를 폴리메타크릴산에 결합시키기 위하여 인산나트륨(Na2HPO4)을 촉매로 가하여 SiCl2로 환원시킨 후, 프로피온산 염화규소를 얻고, 여기에 폴리메타크릴산을 가한 후, 염화나트륨 및 인산나트륨을 침전 제거 시킨 다음 물을 가한다. 상기 산성용액에 규산나트륨을 가해 중화 건조하여 백색의 초미세 분말을 얻는다.
석고, 설포네이트 멜라민 포름알데하이드(Sulfonated Melamine Formaldehyde)와 주석산은 시중에서 판매되고 있는 제품을 사용하였다.
혼합시 비교적 넓은 비표면적의 입도 분포를 확보하기 위하여 공기 부양식 교반혼합장치를 사용하였다.
2. 실시예의 성분
상기에서 제조한 실시예의 성분 분석결과는 하기 표 1과 같다.
항목 SiO2 Fe2O3 TiO2 Al2O3 CaO MgO Na2O SO3 비표면적
(㎡/㎏)
% 7.1 2.4 0.61 13.56 55.4 0.48 0.32 8.3 3,100
~130,000
3. 실시예에 대한 물성평가
상기 제조한 실시예 100g에 물 30g을 첨가한 후 경화하여 하기의 물성평가를 시행하였다. 그 결과는 하기 표 2와 같다.
항목 시험방법 측정값
압축강도 (kgf/㎠) KSL5106-97 600 ~ 800
인장강도 (kgf/㎠) KSM3006-98 100 ~ 200
휨강도 (kgf/㎠) KSM3006-98 200 ~ 300
충격강도 (kgf/㎠) KSM3055-98 8.0 ~ 9.5
흡수율(%) 23+3℃, 증류수, 24시간 0.3 ~ 0.5
내열성 100℃, 2시간 불연성
4. 제조예에 대한 물성평가
상기 제조한 실시예 35g에 석재골재 65g을 혼합한 것에 물 30g을 첨가한 후, 두께 T/30㎜ 제품으로 만들어 물성평가를 실시하였다. 상기 물성평가 결과는 하기 표 3과 같다.
항목 시험방법 측정값
경도 KSM3043-95 91
압축강도 (MPa) KSL5106-97 73.8
인장강도 (MPa) KSM3006-98 18.2
휨강도 (MPa) KSM3006-98 26.1
충격강도 (kgf/㎠) KSM3055-98 9.1
흡수율(%) 23+3℃, 증류수, 24시간 0.2
내열성 100℃, 2시간 이상없음
밀도 A법, KSM3016-95 1.65
내약품성 염산, 황산, 질산, 10% 수산화나트륨, 95% 메칠알코올 이상없음
상기 결과를 통해 골재와 혼합하여 보수 보강을 하는 경우에도 높은 연성을 유지하고, 나아가 종래 시멘트 구조물 보다 1/3 정도의 두께만으로도 기존 구조물과 동등한 정도의 경도를 확보할 수 있다는 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항 들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 칼슘알루미노설페이트 20중량% 내지 30중량%;
    포틀랜드 시멘트 60중량% 내지 65중량%;
    아크릴계 폴리머 4중량% 내지 6중량%;
    멜라민계 고유동화제 0.15중량% 내지 0.2중량%; 및
    주석산 0.01중량% 내지 0.02중량%을 포함하되,
    총 중량 대비 SiO2 : Al2O3 : CaO의 중량비율이 7.1 : 13.56 : 55.4 인 콘크리트 보수용 고강도 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 칼슘알루미노설페이트는 보크사이트 및 명반석 중에서 선택된 하나 이상에 석회석 및 석고를 혼합하여 1200℃ 내지 1300℃ 에서 소성한 클링커를 분쇄한 것임을 특징으로 하는 콘크리트 보수용 고강도 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아크릴계 폴리머는 사염화규소와 폴리메타크릴산을 중합하여 얻은 것임을 특징으로 하는 콘크리트 보수용 고강도 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 콘크리트 보수용 고강도 조성물은 비표면적이 3,100 내지 130,000 ㎡/㎏임을 특징으로 하는 콘크리트 보수용 고강도 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 멜라민계 고유동화제는 설포네이트 멜라민 포름알데하이드(Sulfonated Melamine Formaldehyde)인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보수용 고강도 조성물.
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