KR101365606B1 - 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르 - Google Patents

방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업부산물을 이용하여 경제적이면서도 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르에 관한 것으로서, 보통포틀랜드시멘트 20~30중량%와, 속경 시멘트 1 ~ 5 중량%와, 아크릭계 폴리머 0.5 ~ 5중량%와, 하이브리드 분말수지 0.5 ~ 5중량%와, 나머지 골재를 포함하여 구성되고, 시멘트량의 20~50%인 나노사이즈의 미분말의 결합재와, 트리 에폭시 실란계 방청재와, PVA섬유를 더욱 포함하여,
모르타르의 제조에 사용되는 시멘트를 철강산업 부산물 및 전력산업 부산물을 이용하여 치환하여 시멘트의 제조시 발생되는 이산화탄소의 발생량을 저감하고 경제적이며, 내수성인 아크릭계 폴리머와 방수성을 갖는 하이브리드 분말수지를 구비하여 방수 및 방청성능이 향상되고, 나노사이즈 미분말의 결합재와 적절한 입도의 모래를 이용하여 모르타르의 내부치밀도를 향상시켜 수밀성을 향상시킴과 동시에 외부 부식물질의 침투를 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있으며, PVA섬유를 구비하여 수성 및 건조수축의 제어가 용이한 이점이 있고, 콘크리트 구조물의 보수보강시에 별도의 방청제를 사용할 필요가 없기 때문에 공정을 간소화할 수 있다.

Description

방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르{ECO-FRIENDLY POLYMER MORTAR WITH HIGH WATERPROOF AND ANTICORROSION}
본 발명은 폴리머 모르타르에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산업부산물을 이용하여 경제적이면서도 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르에 관한 것이다.
일반적으로, 시멘트 모르타르 조성물 또는 콘크리트 조성물은 각종 토목 및 건축공사 및 콘크리트 구조물의 신축, 보수 또는 보강용으로 널리 이용되고 있다.
종래의 시멘트는 그 생산과정에서 막대한 에너지가 소비되며 다량의 이산화탄소를 발생한다고 알려져 있다. 특히 가장 많이 사용되는 보통포틀랜드시멘트는 1톤 생산 시 0.8톤의 이산화탄소가 방출된다. 이는 우리나라의 전체 이산화탄소 발생량의 약 9 %에 해당하며, 향후 건설산업에서 이산화탄소 감축 목표인 25%를 달성하기 위해서는 시멘트의 사용량을 줄여야 한다.
또한 종래의 모르타르는 방청성능이 부여되어 있지 않아 시공시 철근의 방청을 위해 별도의 방청재를 도포하는 공정이 추가되어 공정에 많은 비용과 시간이 소요되는 문제점이 있었으며, 사용되는 OPC의 분말도는 4000 cm2/g 정도로 모르타르 내에 약 1.5 ~ 3.0 % 정도의 공극을 포함 시키고 있어 내부 치밀도를 향상할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제787379호 한국등록특허 제1165785호
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 본 발명의 목적은 철강산업 부산물 및 전력산업 부산물을 이용하여 경제적이면서도 방수 및 방청성능이 향상되고 모르타르 제조시에 이산화탄소의 발생을 감소시킬 수 있는 친환경 폴리머 모르타르를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 모르타르의 모래의 입도와 첨가되는 나노사이즈의 결합재를 이용하여 모르타르의 내부치밀도를 향상시켜 외부의 부식물질의 침투를 방지할 수 있는 친환경 폴리머 모르타르를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르는, 보통포틀랜드시멘트 20~30중량%와, 속경 시멘트 1 ~ 5 중량%와, 아크릭계 폴리머 0.5 ~ 5중량%와, 하이브리드 분말수지 0.5 ~ 5중량%와, 나머지 골재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 친환경 폴리머 모르타르는 결합재를 더욱 포함하며, 상기 결합재는 상기 보통포틀랜드 시멘트와 상기 속경 시멘트를 합한 시멘트량의 20~50%인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 결합재는 플라이애쉬와 고로슬래그가 혼합된 분말도 6000 ㎠/g 이상의 나노사이즈의 미분말인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 친환경 폴리머 모르타르는 트리 에폭시 실란계 방청재 0.005 ~ 0.05중량%를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 친환경 폴리머 모르타르는 0.9 ㎏/㎥의 PVA섬유를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 골재의 입도분포는 4호골재 5~10중량%와 5호골재 25~30중량%와, 6호골재 40~45중량%와 7호골재 20 ~ 25중량%로 혼합된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 아크릭계 폴리머는 스티렌 모노머와 아크릴릭 모노머를 중합시킨 아크릭계 폴리머인 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 하이브리드 분말수지는 실란으로 블랜딩된 EVA기반의 분말수지인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 골재 중 잔골재와 상기 결합재는 S/B가 1 ~ 2의 범위인 것을 특징으로 한다.(여기서 S는 잔골재의 중량, B는 결합재의 중량을 나타낸다)
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 모르타르의 제조에 사용되는 시멘트를 철강산업 부산물 및 전력산업 부산물을 이용하여 치환하여 시멘트의 제조시 발생되는 이산화탄소의 발생량을 저감하고 경제적이며, 내수성인 아크릭계 폴리머와 방수성을 갖는 하이브리드 분말수지를 구비하여 방수 및 방청성능이 향상되고 철근의 부식을 방지할 수 있는 친환경적인 폴리머 모르타르를 제공할 수 있다.
또한, 나노사이즈 미분말의 결합재와 적절한 입도의 모래를 이용하여 모르타르의 내부치밀도를 향상시켜 수밀성을 향상시킴과 동시에 외부 부식물질의 침투를 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, PVA섬유를 구비하여 수성 및 건조수축의 제어가 용이한 이점이 있고, 콘크리트 구조물의 보수보강시에 별도의 방청제를 사용할 필요가 없기 때문에 공정을 간소화할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 의한 시멘트량 대비 결합재의 치환에 따른 플로우와 재령별 압축강도를 나타내는 도면이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 의한 방청재 첨가량에 따른 부식율 저하를 나타내는 그림이다.
도 3a 및 3b는 각각 본 발명의 실시예에 의한 잔골재/결합재 비율에 따른 플로우와 압축강도를 나타내는 그림이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르에 대하여 실시예로써 상세하게 설명한다.
본 발명에 의한 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르는, 시멘트와, 골재와, 폴리머와, 결합재와, PVA섬유와, 방청재를 포함하여 구성된다.
본 실시예에 있어서, 상기 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트와, 상기 폴리머 모르타르의 초기강도를 증진시키기 위하여 속경 시멘트를 포함하여 구성된다. 상기 보통포틀랜드시멘트는 상기 폴리머 모르타르 전체의 중량에 대해 20~30중량%를 가지며, 속경 시멘트 1 ~ 5 중량%를 갖도록 구성된다.
또한, 상기 친환경 폴리머 모르타르는 결합재를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 상기 결합재는 철강산업의 부산물과 전력산업 부산물인 플라이 애쉬나 고로슬래그 미분말인 것을 예로 한다. 고로슬래그는 철강산업의 부산물로써 CO2 배출량이 보통포틀랜드 시멘트의 1/5수준으로 친환경적이며 보통포틀랜드 시멘트에 비해 80~90% 수준의 가격이므로 경제적이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 의한 시멘트량 대비 결합재의 치환에 따른 플로우와 재령별 압축강도를 나타내는 도면이다. 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이, 결합재로서 상기 고로슬래그가 시멘트량에 대비하여 20% 이상 첨가되면 플로우가 증가하고, 고로슬래그의 첨가율이 증가함에 따라 초기 압축강도는 낮ㅈl만, 장기 압축강도의 발현율이 높음을 알 수 있다.
또한, 고로슬래그가 시멘트 중량대비 75% 이상 첨가되면 3일 압축강도가 치환되지 않은 모르타르의 38% 수준으로 초기강도 발현에 문제를 보이므로, 본 발명에 의한 친환경 폴리머 모르타르를 구성함에 있어서는, 친환경성, 경제성, 시공성 및 역학적 특성을 고려할 때 고로슬래그 중량비율은 시멘트 중량대비 20~50%가 적절하며, 그 이하에서는 첨가에 따른 효과를 확인하기 어려우며, 그 이상에서는 압축강도가 낮아 품질에 문제가 된다.
또한, 본 실시예에 있어서 결합재로 사용되는 고로슬래그는 분말도가 증가할 수록 결합재의 비표면적이 증가하여 수화반응율이 증가하므로 압축강도가 증가한다. 본 실시예에 있어서는, 상기 결합재는 나노사이즈의 미분말로 구성하고 후술하는 바와 같이 모래의 입도를 조절하여 모르타르 내부를 치밀하게 구성하는 것이 바람직하다.
모르타르의 내부를 치밀하게 할 경우 수분 침투에 따른 문제점(철근의 부식, 동결융해에 따른 균열 및 중성화)으로 인한 콘크리트 열화요인을 제거할 수 있다. 이에 본 발명에서는 모르타르의 내부를 치밀하게 하기 위해 최밀충전이론을 적용한다. 즉, 동일한 부피에 가장 많은 물건을 넣기위해서는 입자가 크고 작은 것들이 다양하게 존재하여야 하고, 특히 입자와 입자사이의 공극을 완전히 채우기 위해서는 입자의 크기가 매우 작아지면 효과적이므로, 본 발명에서는 나노사이즈의 결합재를 사용하는 것이 바람직하다.
나노사이즈의 결합재는 공극을 채워줄 뿐만아니라 넓은 비표면적으로 인해 물과의 반응이 촉진되어 초기강도가 높으며, 결합재의 수화반응도를 높일수 있어 장기적인 강도 또한 증가된다.
본 실시예에 있어서는, 상기 결합재는 플라이애쉬와 고로슬래그가 혼합된 분말도 6000 ㎠/g 이상의 나노사이즈의 미분말인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 실시예에 있어서는, 상기 결합재와 결합하는 모래의 중량비율 및 입도분포를 최적화하여 모르타르의 내부치밀도를 향상시킬 수 있다.
도 3a 및 3b는 각각 본 발명의 실시예에 의한 잔골재/결합재 비율에 따른 플로우와 압축강도를 나타내는 그림이다. 도 3a 및 3b에 나타낸 바와 같이, 결합재의 중량 대비 잔골재의 중량이 증가할 수록 모르타르의 슬럼프 및 압축강도는 감소함을 알 수 있고, 특히 결합재 중량 대비 잔골재 중량의 비율이 2이상인 경우에는 모르타르의 압축강도가 급격히 감소함을 알 수 있다.
이에 따라 본 실시예에 있어서는, 상기 골재 중 잔골재와 상기 결합재는 S/B가 1 ~ 2의 범위인 것이 바람직하다.
여기서, S는 잔골재의 중량, B는 결합재의 중량을 나타낸다.
또한, 상술한 바와 같이, 상기 결합재를 나노사이즈의 미분말로 구성하고 모래의 입도를 조절하여 모르타르 내부를 치밀하게 구성하여 수밀성을 향상시켜 모르타르에 외부의 부식물질이 침투하는 것을 방지할 수 있다.
No. 4호 5호 6호 7호 단위중량(kg/m 3 )
1 0 50 50 0 1412
2 5 45 45 5 1435
3 10 40 40 10 1432
4 15 35 35 15 1414
5 10 35 45 10 1465
6 10 30 50 10 1486
7 10 25 55 10 1473
8 10 25 50 15 1491
9 10 25 45 20 1500
10 10 25 40 25 1490
표 1은 최밀충전이론에 따라 건조된 모래의 단위용적중량을 실험한 결과를 나타내는 표이다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 동일한 공간내에 최대의 모래가 첨가되어 모르타르의 치밀도를 높이기 위한 건조된 모래의 최적 혼합비율은 4호골재 5~10중량%와 5호골재 25~30중량%와, 6호골재 40~45중량%와 7호골재 20 ~ 25중량%로 혼합된 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 친환경 폴리머 모르타르는 상기 모르타르가 충진되는 콘크리트 구조물의 철근의 부식을 방지하고 방수 및 방청성능이 향상시키기 위하여 내수성인 아크릭계 폴리머와 소수성을 갖는 하이브리드 분말수지를 포함한다.
본 실시예에 있어서, 상기 아크릭계 폴리머는 스티렌 모노머(Styrene monomer)와 아크릴릭 모노머(Acrylic monomer)를 중합시킨 아크릭계 폴리머인 것이 바람직하다.
또한, 상기 하이브리드 분말수지는 Polyurethane-Veova과 Vinyl Acetate을 반응시켜 형성되며, 실란으로 블랜딩된 EVA기반의 분말수지인 것을 예로 한다.
하이브리드 분말수지 및 아크릭계 폴리머의 첨가량이 증가할수록 모르타르의 플로우는 증가하고, 폴리머 첨가량이 증가할수록 점성이 증가되어 작업성이 저하되므로, 전체 폴리머 첨가량은 10% 이하가 바람직하다. 또한, 하이브리드 분말수지 및 아크릴계 폴리머 첨가량이 증가할수록 모르타르의 압축강도는 감소하고, 하이브리드 분말수지 및 아크릴계 폴리머 첨가량 7%에서 급격하게 압축강도가 감소하므로, 점성과 유동성 및 압축강도를 고려할 때 전제 폴리머 첨가량은 10% 이하가 바람직하며, 단일 폴리머가 7%이상 첨가시 역학적 특성이 저하됨으로 단일폴리머 첨가율은 5% 이하가 적절하다.
이에 본 실시예에 있어서, 상기 아크릭계 폴리머는 0.5 ~ 5중량%, 상기 하이브리드 분말수지는 0.5 ~ 5중량%가 첨가되는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예에 있어서, 상기 친환경 폴리머 모르타르는 철근의 부식을 방지하기 위하여 방청재를 더욱 포함한다. 본 실시예에 있어서, 상기 방청재로는 트리 에폭시 실란계 방청재인 것을 예로 한다.
도 2은 본 발명의 실시예에 의한 방청재 첨가량에 따른 부식율 저하를 나타내는 그림이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 트리에폭시 실란계 방청재를 첨가하지 않은 시험체의 예상 부식율은 약 0.95%였으며, 트리에폭시 실란계 방청재 첨가율이 증가할수록 예상 부식율은 감소함을 알 수 있다. 또한, 트리에폭시 실란계 첨가율이 1% 이상에서는 예상 부식율의 감소율이 둔화되므로, 본 실시예에 있어서 상기 방청재는 0.005 ~ 0.05중량%인 것이 바람직하며, 이로써 철근의 부식을 방지에 효과적이며, 경제적으로 상기 친환경 폴리머 모르타르를 제조할 수 있다.
상기 친환경 폴리머 모르타르에는 상기 방청재와 상기 폴리머 및 하이브리드 분말수지 이외에 분산제, 소포제, 지연제, 유동화제 등을 더욱 포함할 수 있다.
또한, 상기 친환경 폴리머 모르타르는 모르타르의 건조수축에 의한 균열을 제어하기 위하여 섬유성분을 더욱 포함할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 친환경 폴리머 모르타르는 0.9 ㎏/㎥의 PVA섬유를 더 포함하는 것을 예로 한다. 상기 PVA섬유의 첨가에 의해 섬유성분의 완충성능에 의해 상기 모르타르에 작용하는 건조수축에 의한 응력을 해소하여 건조수축 균열을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (9)

  1. 폴리머 모르타르에 있어서,
    보통포틀랜드시멘트 20~30중량%와,
    속경 시멘트 1 ~ 5 중량%와,
    아크릭계 폴리머 0.5 ~ 5중량%와,
    EVA기반 하이브리드 분말수지 0.5 ~ 5중량%와,
    트리 에폭시 실란계 방청재 0.005 ~ 0.05중량%와,
    나머지 골재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 친환경 폴리머 모르타르는 고로슬래그 결합재를 더욱 포함하며,
    상기 고로슬래그 결합재는 상기 보통포틀랜드 시멘트와 상기 속경 시멘트를 합한 시멘트량의 20~50%인 것을 특징으로 하는 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고로슬래그 결합재는 플라이애쉬와 고로슬래그가 혼합된 분말도 6000 ㎠/g 이상의 나노사이즈의 미분말인 것을 특징으로 하는 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    0.9 ㎏/㎥의 PVA섬유를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 골재 중 잔골재의 입도분포는 4호골재 5~10중량%와 5호골재 25~30중량%와, 6호골재 40~45중량%와 7호골재 20 ~ 25중량%로 혼합된 것을 특징으로 하는 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크릭계 폴리머는 스티렌 모노머와 아크릴릭 모노머를 중합시킨 아크릭계 폴리머인 것을 특징으로 하는 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 EVA기반 하이브리드 분말수지는 실란으로 블랜딩된 EVA기반의 분말수지인 것을 특징으로 하는 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 골재 중 잔골재와 상기 고로슬래그 결합재는 S/B가 1 ~ 2의 범위인 것을 특징으로 하는 방수 및 방청성능이 향상된 친환경 폴리머 모르타르.
    (여기서 S는 잔골재의 중량, B는 결합재의 중량을 나타낸다)
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