KR101373754B1 - 염화리튬과 콜레마나이트를 이용한 뿜칠이 가능한 지오폴리머 보수 모르타르 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지오폴리머 시멘트를 사용한 보수 모르타르의 조성물에 관한 것이며, 특히 슬러리(Slurry)의 농도(濃度) 및 응결시간을 조정됨으로써 뿜칠(Spray)할 수 있는 보수 모르타르가 제공된다.
지오폴리머 시멘트 조성물에 염화리튬 및 콜레마나이트를 추가하여 이 시멘트를 사용한 폴리머는 경화시간을 조절함으로써 뿜칠(스프레이)가능하다.

Description

염화리튬과 콜레마나이트를 이용한 뿜칠이 가능한 지오폴리머 보수 모르타르 조성물{Sprayable Geopolymer Repair mortar Formulation using Lithium chloride and Colemanite for concrete repair}
본 발명은 지오폴리머 시멘트를 사용한 보수 모르타르의 조성물에 관한 것이며, 특히 슬러리(Slurry)의 농도(濃度) 및 응결시간을 조정하여 뿜칠(Spray)이 가능한 보수 모르타르를 제시하는데 있다.
지오폴리머 슬러리(Geopolymer slurry) 조성물은 매우 우수한 혼합성(mixability)과 분사성(Sprayability)을 지니게 되면 응결되는 동안에 매우 높은 압축강도가 발현되며 통기성(Permeability)도 우수하게 된다. 본 발명은 콘크리트 구조물 보수에 사용되는 보수 모르타르 중 지오폴리머계 보수 모르타르에 관한 것이다.
산업이 발전함에 따라 건축 및 도로 등에 콘크리트 수요가 증가하고 있다. 콘크리트의 사용이 증가하면서 콘크리트의 주성분인 포틀랜드시멘트의 생산량이 급증하고 있는데, 시멘트 산업은 철강산업, 전력산업과 함께 다량의 이산화탄소를 발생하는 산업이다. 이산화탄소의 증가는 지구 온난화의 한 원인으로 지목되는 물질로서 최근 환경보전을 위해 이산화탄소의 발생을 줄이려는 노력이 다방면으로 이루어지고 있다.
이러한 흐름의 하나로, 시멘트 콘크리트 분야에서도 기존의 포틀랜드시멘트를 대체할 수 있는 재료에 대한 요구가 커지고 있으며, 이러한 요구에 따라 알루미노실리케이트 성분이 풍부한 고로슬래그나 플라이애시 등을 이용한 지오폴리머 개발 및 실용화를 위한 연구개발이 이루어지고 있다.
풍부한 알루미노 실리케이트 성분을 가지고 있는 플라이애시 및 고로슬래그는 고열처리 과정을 거치 이미 비정질의 잠재 수경성을 가진 원료로서, 적절한 알칼리 자극제(Alkali Activator)를 첨가하면 시멘트와 유사한 성능을 발현할 수 있는 지오폴리머가 될 수 있다.
지오폴리머는 그 주원료가 플라이애시, 고로슬래그 등으로 그 제조 시 생기는 이산화탄소량이 일반 시멘트를 제조할 때 생기는 이산화탄소량의 약 80% 정도로 훨씬 적어 에코시멘트(Echo cement) 또는 그린 시멘트(Green cement)라고 불린다.
본 발명은 바로 이런 에코시멘트 또는 그린시멘트로 불리는 지오폴리머에 관한 것으로, 제철산업에서 발생되는 산업 부산물인 고로슬래그를 80% 이상 사용한 것을 특징으로 한다. 이런 지오폴리머 시멘트는 일반 시멘트 사용량을 줄여 시멘트 산업에서 발생되는 이산화탄소 배출량을 줄이는 한편 산업부산물을 재활용하는 것이어서 친환경(Environmental-friendly) 시멘트일 뿐만 아니라 이렇게 만든 지오폴리머 시멘트에 다양한 규격의 골재를 혼합하여 만든 모르타르 및 콘크리트는 일반 시멘트를 사용하여 만든 모르타르 및 콘크리트보다 내산(耐酸)성능이 우수하고 염(鹽)에도 강한 특징이 있다.
그런데 기존의 지오폴리머 슬러리는 알루미노실리케이트(aluminosilicate)를 풍부하게 함유한 고로슬래그를 주원료로 하고 자극제(Activator)로 알칼리계 자극제(Alkali activator)를 혼합 사용하였으나 이 조성으로는 지오폴리머 슬러리의 응결시간 이 짧아(응결이 곧바로 이루어져) 모르타르를 분사하는 방식으로 시공하는 데에 어려움이 있었다.
본 발명은 이러한 어려움을 극복하기 위하여 고안된 방법으로 지오폴리머 슬러리의 응결을 지연하기 위하여 콜레마나이트(colemanite)를 사용한 것을 특징으로 한다. 본 발명은 기존의 지오폴리머 조성중에 특징적으로 콜레마나이트를 더 혼합하여 슬러리의 농도 및 응결시간을 조정함으로써 뿜칠(Spray)이 가능한 보수 모르타르를 제공한 것이다.
본 발명에 따라 응결시간이 조정된 지오폴리머 슬러리는 지오폴리머 시멘트를 사용한 모르타르가 물과 혼합된 후 실제 작업 현장까지 펌핑되어 운송되는 과정 중 발생되는 응결의 문제를 해소하게 되어 규모가 큰 작업에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래 기술을 좀 더 상세히 기술한다
본 발명은 지하구조물이나 해안 건물 등의 콘크리트 구조체가 산이나 황산염에 노출되어 열화(劣化)된 경우 그 열화된 콘크리트를 보수하기 위해 고안된 뿜칠(Spray)할 수 있는 내산 및 내황산염 폴리머 보수 몰탈 조성물에 관한 것이다.
현존하는 대부분의 보수용 모르타르는 1종 보통 포틀랜드시멘트를 사용하고 있는데, 이 1종 보통 포틀랜드시멘트는 강한 알칼리성 재료로서 산 및 황산염이 포함되어 있는 지하수나 해수에 약하다.
1종 보통 시멘트의 성분 중 칼슘 알루미네이트(C3A, C4AF : C=CaO, S=SiO2, A=Al2O3, F=Fe2O3)는 황산염과 만나면 침상(針狀)구조의 팽창 결정체인 에트링자이트(Ettringite)를 형성하게 되는데, 이 에트링자이트로 인해 생기는 팽창이 과도하거나 또는 그 팽창이 콘크리트가 응결이 완전히 끝난 후에 생기면 콘크리트 표면에 망(網)상형의 균열을 일으키게 되며, 이 균열을 통해 수분이나 염화물이 침투할 경우 콘크리트 구조체의 안정성에 치명적인 손상을 야기한다.
과거 내황산염(耐黃酸鹽)을 향상시키기 위해 5종 시멘트 및 시멘트의 일부를 슬래그 분말과 플라이애시를 혼합한 브랜드시멘트(blended cement)를 사용하고 있다.
본 발명은 1종 시멘트를 사용한 보수모르타르의 문제를 해결하기 위하여 고안된 것으로 지오폴리머 보수 모르타르가 가지고 있는 문제점인 빠른 응결 및 이로 인한 작업성 저하를 해결하기 위해 고안된 것이다.
친환경 지오폴리머와 관련한 종래기술로는 고로슬래그, 플라이애시 등 알루미노 실리케이트에 중합조절제로 물유리 등을 이용한 등록특허 제10-0441739호가 있으며, 동일한 알루미노 실리케이트인 플라이애시와 알칼리 자극제로 규산소다(물유리) 및 저급 규사를 이용한 지오폴리머 모르타르를 연구한 논문으로는 Journal of the Korea Ceramic Society Vol 45, No 7 pp395, 2008가 있으며 대한환경공학회지 논문 810 ~ 819. 2007에 알칼리 활성반응을 이용한 플라이애시/슬래그 시멘트가 발표되어 지오폴리머에 대한 연구가 활성화되고 있다.
특허출원 공개번호 제10-2007-0095187(출원인 카운슬 오브 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치, 인도뉴델리)에 고로 수쇄 슬래그를 이용한 지오폴리머 시멘트를 제조하는 방법이 출원되었는데 이 특허출원에서 사용된 수쇄 슬래그는 알루미네이트 함량이 15 ~ 25중량%가 함유된 슬래그이다.
또한 등록특허 제10-1075341호에서는 알루미노 실리케이트 공급원으로 고로슬래그에 황산반토 및 소석회를 이용한 고황산염 시멘트 제조를 제안하였으며, 등록특허 제10-1095349는 고로슬래그에 자극제(활성제)로서 지르코닐 클로라이드 혹은 지르코닐 나이트레이트를 사용한 것을 특징으로 하고 있다.
이렇게 만든 지오폴리머 및 이를 이용한 모르타르는 대부분 높은 조기 강도 발현 및 강도 발현의 지속성을 유지한 것이고 또한 일반 시멘트와 비교하여 수화 발열 속도가 낮으며, 알칼리 골재 반응을 억제하는 효과가 있으며, 수밀성, 염분 차단성, 내해수성, 내약품성을 가지는 것을 특징으로 한다.
고로슬래그는 제철 산업에서 발생되는 산업 부산물로서 그 성분이 잠재 수경성을 가지고 있으며 시멘트와 혼합하여 사용하는 방법이 많이 있으나 본 발명에서는 수쇄 슬래그에 적정한 활성화제인 지르코닐 클로라이드를 사용한 지오폴리머 모르타르(특허 제10-1095349)를 기반으로 하고 이를 조정하여 지오폴리머 모르타르가 펌핑이 되어 분사가 가능하도록 응결 시간을 조절한 것을 특징으로 하고 있다.
응결시간의 완급을 조절하는 방법에는 3가지가 있다. 먼저 알칼리 자극제(Alkali Activator)의 양으로 응결 시간을 조절할 수 있으며, 두 번째 방법으로는 응결지연제를 첨가하는 방법으로서, 본 발명에서는 응결지연제로서 항균성능을 가진 지연제로 콜레마나이트(Colemanite)를 사용하였으며, 세 번째 방법으로 경화 촉진제를 사용하는 방법으로서 주로 리튬(Lithium)이나 포타슘(Potassium), theba(sodium)으로 구성된 재료를 이용하는데, 본 발명에서는 경화촉진제로서 염화리튬(Lithium Chloride)를 사용하였다.
세 가지 재료를 단독으로 사용하기도 하나 본 발명에서는 이 세 성분을 동시에 사용하여 지오폴리머의 응결 시간을 조절한 것을 특징으로 하고 있다.
이렇게 만든 지오폴리머 모르타르는 기존의 제품보다 응결시간이 작업에 맞추어 더 연장되어 기존의 재료에 비해 물성은 크게 저하되지 않으나 작업시간이 연장된 우수한 재료를 얻을 수 있게 되었다.
이러한 지오폴리머 모르타르는 지하 구조나 산성 침적물 등에 노출된 콘크리트 구조물의 산에 의해 열화된 부분의 보수하기 위한 보수 몰탈재의 주요 조성물이다. 본 발명에 따른 지오폴리머 모드타르는 내황산염 성능이 일반 시멘트를 사용한 보수 몰탈에 비해 우수하다.
대한민국 공개특허 제10-2007-0095187 대한민국 등록특허 제10-1075341호 대한민국 등록특허 제10-1095349호
Journal of the Korea Ceramic Society Vol 45, No 7 pp395, 2008 대한환경공학회지 논문 810 ~ 819. 2007
본 발명은 상기와 같이 황산염 등 산에 노출되었거나 그런 노출의 위험이 있는 콘크리트의 보수에 관한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 콘크리트가 산이나 황산염에 노출되었을 때 구조적인 안정을 발휘하도록 내산 성능이 높고 강도가 우수하며 응결시간이 작업 시간에 맞게 적절하게 조정된, 뿜칠(스프레이)가 가능한 보수 몰탈 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 전술한 바와 같은 목적은, 본 발명의 일 특징에 따라,
슬래그 분말 : 78 ~ 82중량%
석고 : 5 ~ 10중량%
석회 : 3 ~ 5중량%
1종시멘트 : 1 ~ 5 중량%
지르코닐클로라이드 : 0.5 ~ 1중량% 이내
염화리튬 : 1~ 2중량%
콜레마나이트 : 5~7중량%
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염화리튬과 콜레마나이트를 이용한 뿜칠이 가능한 지오폴리머 보수 모르타르 조성물에 의해 이루어진다.
또한, 본 발명의 전술한 바와 같은 목적은, 본 발명의 일 특징에 따라,
청구항 1에 규정한 지오폴리머 시멘트 : 43 ~ 55 중량%
백운석규사 : 38 ~ 53 중량%
보강 섬유 : 0 초과~ 2.0 중량%
소포제 : 0 초과~ 1중량%
폴리머 : 0 초과~ 3중량%
수축저감제 : 0 초과~ 1중량%
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염화리튬과 콜레마나이트를 이용한 뿜칠이 가능한 지오폴리머 보수 모르타르 조성물에 의해 이루어진다.
상기에서와 같이 본 발명에 따른 내산 폴리머 보수 몰탈 조성물은 보수에 필요한 강도 이상을 발현하며 5% H2SO4에 침적한 결과 일반 1종 보통 시멘트를 사용한 보수 모르타르와 비교하여 우수한 결과를 보였다. 이러한 보수 모르타르는 터널 및 암거와 같은 지하 구조물의 보수 및 해안 구조 등의 황산염에 노출되어 손상 입은 철근 콘크리트 구조물의 열화된 부분의 보수에 사용하여 콘크리트 보수 후 황산염에 2차로 감염되는 것을 감소시키기 위해 사용될 것이다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하는 일 방법으로 등록특허 제10-1075341호에서 사용한 수쇄 슬래그 분말 및 지르코닐 클로라이드 혹은 지르코닐 나이트레이트를 활성화제로 사용한 지오폴리머 시멘트에, 경화 촉진제로서 염화리튬(Lithium chloride)를, 그리고 지연제로서 콜레마나이트(Colemanite)를 추가로 혼합하여 지오폴리머 시멘트의 경화 속도를 조절하여 작업 시간을 연장한 것으로, 특히 뿜칠(Spray) 작업의 경우 뿜칠 작업이 원활하게 이루어지는데 필요한 작업 시간을 확보한 것이다.
한편 이러한 지오폴리머 시멘트에 점착 및 접착 성능을 높이기 위해 유기 폴리머 및 백운석계 골재를 사용하였다.
이하에서 본 발명을 구체적으로 설명한다.
본 발명에서 사용되는 지오폴리머 시멘트 재료의 성분은 다음과 같다.
1. 고로 슬래그 미분말(KSF2563 3종) :
밀도 : 2.90kg/m3
비표면적 : 4000cm2/g 이상
산화마그네슘 함량 : 10.0% 이하
삼산화황 (SO3) : 4.0%이하
2. 활성화제 : 지르코닐클로라이드(Zircony chloride)
형상 : 백색결정체
비중 : 1.91
3. 석고 :
형상 : 백색분말
4. 석회 :
형상 : 백색분말
5. 보강섬유 :
길이 : 4 ~ 20mm
재질 : 폴리비닐알콜 섬유
6. 디메틸로프로판(Dimethylolpropane (HOCH2C(CH3)2CH2OH)
형상 : 백색 결정체
용해성 : 물에 용해됨
비중 : 1.06
7. 콜레마나이트(Ca2B6O11ㅇ5H2O)
형상 : 무색결정의 붕산광물
8. 염화리튬
형상 : 백색분말
상기 물질 이외에 활성화제로서,
규산소다(규산소다 1~4호) : 고로슬래그미분말 100 중량부 대하여 5~30중량부
수산화나트륨 : 고로슬래그미분말 100중량부에 대하여 1~10중량부를 더 포함할 수 있다.
본 개발에서 사용된 재료는 KS F2563에 따라 분류된 고로슬래그 미분말 3종을 사용하였으며 활성제로서 지르코닐 클로라이드를 이용하였다. 응결 조절을 위해 콜레마나이트와 염화리튬을 사용하였으며 이 두 재료의 사용 비율은 기온의 변화에 따라 가변적이다. 모르타르용 일반 골재로는 등급화된 백운석 규사를 사용하였으며, 접착 성능의 개선 및 몰탈 자체의 점착력 증가 및 유동성(Rheology)을 높이기 위해 폴리머(재 분산성 아크릴 분말분지)를 첨가하였다. 모르타르의 균열을 막기 위하여 보강 화이버를 첨가하였고. 소성균열(Plastic crack)을 감소시키기 위한 수축 저감제(wetting agent)로서 디메틸올프로판 (Dimethylolpropane : HOCH2C(CH3)2CH2OH) 사용하였다.
본 특허에 사용된 지오폴리머 시멘트 및 이 시멘트를 사용한 폴리머 보수 몰탈의 조성비는 아래와 같다.
조성비
1. 지오폴리머 시멘트 조성
슬래그 분말 : 78 ~ 82중량%
석고 : 5 ~ 10중량%
석회 : 3 ~ 5중량%
1종시멘트 : 1 ~ 5 중량%
지르코닐클로라이드 : 0.5 ~ 1중량% 이내
염화리튬 : 1 ~ 2중량%
콜레마나이트 : 5 ~ 7중량%
2. 내산 폴리머 보수모르타르 조성
지오폴리머 시멘트 : 43 ~ 55 중량%
백운사규사 : 38 ~ 53 중량%
보강섬유 : 0 초과 ~ 2.0 중량%
소포제 (물과의 반응시 발생하는 기포 제거 : Silicone계 ): 0 초과 ~ 1중량%
폴리머 (점착력 및 Rheology 증가: Redispersion acryl powder ) : 0 초과~ 3중량%
수축저감제 (Dimethylolpropane :HOCH2C(CH3)2CH2OH) : 0 초과~ 1중량%

Claims (2)

  1. 슬래그 분말 : 78 ~ 82중량%
    석고 : 5 ~ 10중량%
    석회 : 3 ~ 5중량%
    1종시멘트 : 1 ~ 5 중량%
    지르코닐클로라이드 : 0.5 ~ 1중량% 이내
    염화리튬 : 1~ 2중량%
    콜레마나이트 : 5~7중량%
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염화리튬과 콜레마나이트를 이용한 뿜칠이 가능한 지오폴리머 시멘트 조성물
  2. 청구항 1에 규정한 지오폴리머 시멘트 조성물 : 43 ~ 55 중량%
    백운석규사 : 38 ~ 53 중량%
    보강 섬유 : 0 초과~ 2.0 중량%
    소포제 : 0 초과~ 1중량%
    폴리머 : 0 초과~ 3중량%
    수축저감제 : 0 초과~ 1중량%
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염화리튬과 콜레마나이트를 이용한 뿜칠이 가능한 지오폴리머 보수 모르타르 조성물
KR20130065676A 2013-06-10 2013-06-10 염화리튬과 콜레마나이트를 이용한 뿜칠이 가능한 지오폴리머 보수 모르타르 조성물 KR101373754B1 (ko)

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