KR101431575B1 - 숏크리트용 급결제 조성물 및 이를 첨가한 숏크리트 조성물 - Google Patents

숏크리트용 급결제 조성물 및 이를 첨가한 숏크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제, 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제, 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말, 유리부산물을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 숏크리트용 급결제 조성물및 이를 첨가한 숏크리트 조성물에 관한 것이다

Description

숏크리트용 급결제 조성물 및 이를 첨가한 숏크리트 조성물{Hardener composition for shotcrete and shotcrete composition using it}
본 발명은 기존 급결제의 초기 경화를 유도하도록 하며, 숏크리트 타설후 경화과정에서 수축에 의한 타설면과의 부착강도 저하를 방지하고, 각 조성간의 충분한 혼합이 이루어진 후에 점성이 발현되도록 하여 성형성 및 물성의 균등성이 발현되도록 하는 숏크리트용 급결제 조성물 및 이를 첨가한 숏크리트 조성물에 관한 것이다.
숏크리트란 압축공기 등에 의해 굴착면 등 타설면에 콘크리트를 뿜어 붙이고 타설면을 평활하게 하여 응력집중을 막음과 동시에 지보작용으로 암반의 이완을 억제하고 굴착면의 안정을 꾀하는 것이다. 이러한 숏크리트는 시공현장의 천정 내지 벽면에 레미콘, 펌프 및 노즐 등을 통해 분사하여 속성으로 경화시키는 방식으로 이용되며, 여기서 속성 경화를 위한 급결제가 필수적으로 사용된다. 급결제는 형상에 따라 분말형과 액상형으로 나누어지는데, 습식 숏크리트에서는 보통 액상형 급결제가 사용된다. 액상형 급결제는 그 성분에 따라 실리케이트계, 알루미네이트계 및 알카리프리계 등으로 나누어진다.
이러한 급결제에는 증점제를 첨가하여 숏크리트의 점성을 증대시킴에 의해 성형성을 확보하도록 하고 있는 바, 예로서 대한민국 특허등록 제464184호에서는 칼슘알루미네이트 비정질화물 분말 등에 증점제로 스티렌 부타디엔을 첨가하는 기술이 제시되며, 대한민국 특허공개 2007-59040호에서는 액상 알루미네이트 등에 알루미노 실리케이트를 증점제로 첨가하는 기술이 제시된다.
그러나 이러한 급결제를 숏크리트에 첨가하는 경우에도 숏크리트 타설후에 경화과정에서 수축이 발생되는 경우 타설면과의 부착강도가 저하되어 탈리가 되거나, 증점제에 의한 점성이 조기발현으로 레미콘 등에서 조성의 혼합과정에 점성이 발현되어 시공성이 저하되는 문제가 있으며, 점성의 조기발현으로 균일한 혼합이 되지 않아 숏크리트의 물성이 저하되는 등의 문제가 있다.
대한민국 특허등록 제464184호 대한민국 특허공개 2007-59040호
이에 본 발명자들은 숏크리트 타설후에 경화과정에서 수축의 발생을 억제하여 타설면과의 부착강도를 향상시키고, 점성의 조기발현을 지연시켜 숏크리트를 구성하는 각 조성이 충분히 혼합된 후 적정의 점성이 발현되도록 하여 성형성을 향상시키고 물성의 균일성을 확보하여 강도저하를 방지할 수 있는 숏크리트용 급결제 조성물 및 이를 첨가한 숏크리트 조성물을 제공하고자 함이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 숏크리트용 급결제 조성물(이하, "본 발명의 급결제"라함.)은 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제, 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제, 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말, 유리부산물을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서 '급결제'란 시멘트의 수화반응을 촉진시켜 분사된 콘크리트의 응결시간을 단축시키고 초기 강도의 발현을 증진시키기 위한 숏크리트용 급결제를 말하는 것으로, 여기서 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제는 일반적인 알루미네이트계(Aluminate) 급결제, 시멘트 광물계 급결제 등을 말하는 것으로, AlO2 - 또는 AlO3 3 - 성분을 함유하며, 시멘트의 수화반응을 촉진시켜 응결시간을 단축시키는 특징이 있다.
그런데 본 발명에서는 이러한 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제에 더하여 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제를 더 첨가하게 되는 바, 이는 숏크리트 타설후 경화과정에서 수축에 의해 타설면에서의 부착강도가 저하되는 것을 방지하기 위한 것이다. 즉 상기 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제는 생석회와 석고 및 알루미나를 조합 소성한 4CaOㆍ3Al2O3ㆍCaSO4로, 광물명을 에트링가이트라 한다. 이것을 시멘트에 적당량을 혼합하여 수화하면 시멘트 바실러스를 다량 생성하며 팽창하여 경화과정에서의 수축을 보상하게 되는 것이다.
이에 더하여 본 발명의 급결제에는 증점제를 첨가하여 숏크리트의 성형성을 높이는 바, 본 발명의 급결제에 첨가되는 증점제는 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말이 사용된다. 일반적인 증점제를 사용하는 경우 숏크리트를 구성하는 조성들과 급결제를 교반하는 과정에서 조기에 증점효과가 발생되어 조성간의 충분한 교반이 이루어지지 않아 물성의 균일성이 확보되지 않는 문제가 있다. 이에 본 발명에서는 상기 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말을 사용하는 바, 상기 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말은 일반 메틸셀롤로오즈(MC)와 달리 메틸셀롤로오즈(MC)에 수용성 고분자를 도입한 것으로, 숏크리트 조성재료 혼합 시 즉각적인 증점효과가 나타나지 않고, 수용성 고분자가 용해된 이후에 메틸셀롤로오즈(MC)가 증점효과를 나타내기 때문에 증점효과가 나타나는 시기가 다소 지연된다. 즉 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말은 시멘트와 타 조성의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있도록 교반시간을 제공하게 되며, 숏크리트 조성이 충분히 혼합된 후에 숏크리트 분사에 의한 타설시 점성이 발현되어 성형성을 극대화시키게 되며 물성의 균일성을 이뤄 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.
또한, 본 발명의 급결제에는 유리부산물이 더 첨가되는 바, 상기 유리부산물이 첨가됨에 의해 강도 즉 초기강도는 물론 장기강도가 더욱 보강되도록 하는 것이다.
상기와 같은 조성의 본 발명의 급결제는 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제 80 내지 90중량부, 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제 5 내지 12중량부, 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말 3 내지 6중량부 및 유리부산물 1 내지 5중량부로 배합됨이 바람직하다.
상기 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제를 상기와 같이 한정하는 이유는 5중량부미만이면 시멘트 페이스트 내에서 수축저감의 효과가 미미한 것이며, 12중량부를 초과하면 오히려 팽창균열에 의해 타설면과의 부착성능이 저하되어 이와 같이 한정하는 것이다.
또한, 상기 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말을 상기와 같이 한정하는 이유는 3중량부미만인 경우 성형성의 발현효과가 미미하고, 6중량부를 초과하는 경우 점성의 과하여 오히려 시공성이 저하되는 바, 이와 같이 한정하는 것이다.
또한, 상기 유리부산물을 상기와 같이 한정하는 이유는 1중량부미만으로 첨가하면 강도발현의 효과가 미미하고, 5중량부를 초과하는 경우 경화지연에 의해 초기강도가 발현되는 것을 저해하므로 이와 같이 한정하는 것이다.
한편 본 발명에서는 상기 본 발명의 급결제가 첨가된 숏크리트 조성물(이하 "본 발명의 숏크리트"라함)에 대해서도 제시한다.
여기서 본 발명의 급결제는 결합재(시멘트와 잔골재 포함) 100중량부에 대해 0.5 내지 2.0중량부로 배합됨이 타당하다. 이와 같이 본 발명의 급결제의 조성을 한정하는 이유는 0.5중량%미만이면 급결제의 첨가효과가 미미하고, 2.0중량%를 초과하면 본 발명의 숏크리트에 있어 유동성이 오히려 저하되고, 응결 및 수화가 지연되어 비경제적인 배합이 되며, 특히 강도가 저하되는 문제가 있으므로 이와 같이 한정한다.
바람직하게는 본 발명의 숏크리트에는 본 발명의 급결제에 더하여 프로필렌 카르보네이트 0.1 내지 0.2중량부가 더 포함되도록 함이 바람직하다. 상기 프로필렌 카르보네이트는 본 발명의 급결제가 숏크리트 조성물에서 균일한 분산이 되도록 하는 것으로, 이는 본 발명의 급결제가 점성이 향상됨에 따라 비균일한 분산에 의해 숏크리트의 물성이 비균일하게 되는 것을 방지하도록 하는 것이다. 즉 본 발명의 숏크리트에서 본 발명의 급결제의 균일한 분산이 가능하도록 하여 균일한 물성을 발휘하도록 하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 숏크리트용 급결제 조성물 및 이를 첨가한 숏크리트 조성물은 기존 급결제의 초기 경화를 유도하도록 하며, 숏크리트 타설후 경화과정에서 수축에 의한 타설면과의 부착강도 저하를 방지하고, 각 조성간의 충분한 혼합이 이루어진 후에 점성이 발현되도록 하여 성형성 및 물성의 균등성이 발현되도록 하는 장점이 있다.
도 1은 시료에 따른 점도 및 항복응력을 나타내는 그래프.
도 2는 시료에 따른 SHEAR RATE에 따른 전단응력을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 실시 예 및 비교 예를 현장적용한 사진.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시 예에 한정되지는 않는다.
<실험 예 1>
본 발명의 급결제 조성으로 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3), 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제(CSA), 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말(HPMC), 유리부산물(SiO2)을 급결제로 배합하되, 표 1과 같이 각 시료의 조성을 달리하여 초결시간과 종결시간을 측정하였다. 본 실험에서 모르타르 조성은 표 2와 같다.
no. Al2O3 CSA HPMC SiO2 초결 종결
KS기준 5분이내 15분이내
1 100 0 0 0 4:10 12:50
2 90 10 4:15 13:10
3 80 20 4:35 14:10
4 70 30 5:25 17:25
5 95 5 4:30 12:25
6 90 10 6:15 12:30
7 95 5 4:05 13:55
8 90 10 5:15 16:30
9 79 10 6 5 4:50 12:55
10 82 10 3 5 4:40 14:20
11 84 5 6 5 4:45 12:45
12 87 5 3 5 4:20 13:50
13 84 10 6 0 4:30 12:50
14 92 5 3 0 4:15 12:55
15 83 10 5 2 4:35 12:50
상기 표 1에서 보는 바와 같이 최소 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3), 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제(CSA), 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말(HPMC)을 배합하여 급결제를 구성하는 경우가 그 조성의 배합을 달리하여도 초결, 종결에 대한 KS기준을 만족하고 있 것을 알 수 있다.
<실험 예 2>
본 실험에서는 하기 급결제를 모르타르에 배합하여 압축강도를 측정하였다. 모르타르 조성은 표 1에 도시된 바와 같고, 급결제를 배합하는 시료의 경우 각각의 급결제 조성을 실험 예 1의 NO 1, 9, 14로 하여 그 첨가량을 달리하여 실험을 하였다. 이에 압축강도에 대한 실험결과를 표 2에 도시하고 있다.
구 분 AC 혼입량 (g) 1일강도
(MPa)		 28일강도
(MPa)		 56일강도
(MPa)
No.1 No.9 No.14
KS기준 9.0이상
1 - - - 8.6 35.7 45.3
2 50 9.2 38.3 46.6
3 90 10.5 36.8 46.1
4 70 13.9 41.7 52.7
5 50 12.8 43.4 53.6
6 30 11.6 42.0 50.2
7 90 10.1 38.4 46.7
8 70 11.1 41.1 49.9
9 50 10.6 40.7 50.1
10 30 10.9 41.4 47.9
상기 실험예에서 보면 표 2에서 보는 바와 같이 NO 1의 급결제(일반적인 급결제로 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3))만을 모르타르에 첨가한 경우(구분 1,2)보다 NO 14의 급결제(삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3), 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제(CSA), 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말(HPMC))를 모르타르에 첨가한 경우(구분 7, 8, 9, 10)가 초기강도(1일강도) 및 장기강도(56일강도)에 있어 우수한 효과가 발현됨을 알 수 있다. 특히 NO 9의 급결제(삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3), 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제(CSA), 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말(HPMC), 유리부산물(SiO2))를 모르타르에 첨가한 경우(구분 4, 5, 6)가 타 시료에 비해 초기강도 및 장기강도에 있어 우수한 효과가 나타남을 알 수 있다. 즉 유리부산물이 초기강도 및 장기강도의 보강효과에 기능을 발휘하고 있음을 알 수 있다. 단, 구분 3의 경우 NO 9(결합재(시멘트와 잔골재의 합) 100중량부에 대해 2.2중량부)의 급결제를 모르타르에 첨가한 경우이나 오히려 초기강도 및 장기강도가 저하됨을 알 수 있다. 즉 본 발명의 급결제의 경우 일정 한도를 넘는 배합의 경우 점도의 지나친 증가 등에 의해 오히려 강도가 감소됨을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 급결제는 숏크리트 배합시 결합재 100중량부에 대해 0.5 내지 2.0중량부로 한정하는 것이 타당하다.
<실험 예 3>
본 실험에서는 상기 실험 예 1의 시료번호(no) 1, 15의 급결제를 각각 시멘트 페이스트에 배합하여 점도를 측정하였다. 시멘트 페이스트는 하기 표 3의 배합에 의해 제조되며, 하기 표 4와 같이 시료 5개(구분 1,2,3,4,5)를 제작하여 각각 점도 및 항복응력을 측정하였고, 그 결과가 하기 표 4 및 도 1에 도시되고 있다.
W/B W C
20 100 500
구분 No.1 No.15 점도 항복응력
1 0 　 0.307 1.4
2 50 　 0.33 5.7
3 　 50 0.53 9.34
4 　 30 0.507 7.74
5 　 70 0.543 11.38
상기 표 4에서 보는 바와 같이 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3), 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제(CSA), 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말(HPMC), 유리부산물(SiO2)을 모두 포함하는 급결제를 첨가한 시멘트 페이스트(구분 3,4,5)가 급결제를 첨가하지 않은 시멘트 페이스트(구분 1) 및 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3)만을 포함하는 일반적인 급결제가 첨가된 시멘트 페이스트(구분 2) 보다 점도가 향상되는 것을 알 수 있다. 즉 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말(HPMC) 등을 급결제의 조성으로 배합하는 것이 시멘트 페이스트의 점도를 향상시키도록 하는 것을 알 수 있다.
상기에서 언급한 동일한 시료(구분 1,2,3,4,5)에 대해 하기 표 5와 같이 shear rate를 달리하며 전단응력(shear stress)을 측정한 결과가 표 5 및 도 2에 도시되고 있다.
Shear Rate 구분1 구분2 구분3 구분4 구분5
43.5 14.6 19.8 32.7 28.3 33.2
40.6 13.8 18.9 30.8 27.4 32.2
37.7 13.2 18.0 28.9 26.4 31.1
34.8 12.6 17.2 27.4 25.5 30.1
31.9 11.9 16.4 26.0 24.3 29.1
29.0 11.1 15.6 24.4 23.0 27.9
26.1 10.4 14.8 23.1 21.8 26.7
23.2 9.5 13.5 22.0 20.7 25.5
20.3 8.8 12.7 20.6 19.1 23.9
17.4 7.6 11.5 19.2 17.5 22.3
14.5 6.5 10.5 17.7 15.9 20.3
11.6 5.4 9.5 15.8 13.8 18.1
8.7 4.4 8.3 14.0 11.7 15.8
5.8 3.0 8.0 12.1 9.6 13.2
2.9 2.2 6.2 9.9 7.5 10.1
상기 표 5 및 도 2에서 보는 바와 같이 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3), 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제(CSA), 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말(HPMC), 유리부산물(SiO2)을 모두 포함하는 급결제가 첨가된 경우(구분 3,4,5)가 급결제를 첨가하지 않은 시멘트 페이스트(구분 1) 및 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3)만을 포함하는 일반적인 급결제가 첨가된 시멘트 페이스트(구분 2) 보다 shear rate가 증가함에 따라 전단응력의 증가율이 커지는 것을 볼 수 있다. 또한, 구분 3, 4, 5의 경우도 급결제의 첨가량이 많은 경우가 적은 경우보다 전단응력의 증가율이 커지는 것을 볼 수 있다. 즉 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3), 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제(CSA), 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말(HPMC), 유리부산물(SiO2)을 모두 포함하는 급결제가 점도면에서 숏크리트용으로 유리한 것을 알 수 있다.
<실험 예 4>
본 실험에서는 하기 급결제(NO 1, 15)를 숏크리트에 배합한 시료를 가지고 현장 성능(휨강도 및 리바운드)을 테스트하였다. 숏크리트의 배합비는 하기 표 6와 같다. 그 결과는 하기 표 7, 8에 도시하고 있다.
Gmax W/C S/a W B S1 S2 G 강섬유 급결제 AD
13 43.3 65 158 471 551 585 547 40 23.55 4.71
구분 급결제 휨강도1일 휨강도28일 등가휨강도비 SF혼입율
1 No.1 3.15 5.03 63.75 77
2 No.15 3.22 5.32 68.81 86
구분 급결제 1회 2회 3회 평균
1 No.1 13.5 16.8 14.9 15.07
2 No.15 10.9 12.2 10.4 11.17
상기 실험예에서 보는 바와 같이 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3), 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제(CSA), 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말(HPMC), 유리부산물(SiO2)을 모두 포함하는 급결제가 첨가된 경우(구분 2)가 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제(Al2O3)만을 포함하는 급결제가 첨가된 시멘트 페이스트(구분 1)보다 휨강도면에서 우수한 물성을 나타내는 것을 알 수 있으며, 리바운드에 있어서도 유리한 효과를 나타내는 것을 알 수 있다. 즉 본 발명의 급결제가 일반적인 기존의 급결제에 비해 현장에서 숏크리트 타설후의 물성이 우수하고, 리반운드 면에서도 우수한 효과가 있을 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 구분 1과 같이 일반적인 급결제를 사용하는 경우 숏크리트를 구성하는 조성들과 급결제를 교반하는 과정에서 조기에 증점효과가 발생되어 조성간의 충분한 교반이 이루어지지 않아 숏크리트 타설후 물성의 균일성 및 적절한 성형성을 위한 점성이 확보되지 않는 것으로 보이는 반면, 본 발명의 급결제에 있어서는 증점제로서 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말이 첨가됨에 따라 숏크리트 조성재료 혼합 시 즉각적인 증점효과가 나타나지 않고, 수용성 고분자가 용해된 이후에 메틸셀롤로오즈(MC)가 증점효과를 나타내기 때문에 증점효과가 나타나는 시기가 다소 지연시킴에 기인한 것으로 판단된다. 즉 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말은 시멘트와 타 조성의 혼합이 균일하게 이루어질 수 있도록 교반시간을 제공하게 되며, 숏크리트 조성이 충분히 혼합된 후에 숏크리트 분사에 의한 타설시 점성이 발현되어 성형성을 극대화시킬 수 있게 되는 것이며, 균일한 물성의 발현에 의해 강도면에서도 우수한 효과가 발현되는 것이다.

Claims (5)

  1. 삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제, 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제, 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말, 유리부산물을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 숏크리트용 급결제 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    삼산화알루미늄(Al2O3)기반의 분말형 급결제 80 내지 90중량부, 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 수축저감제 5 내지 12중량부, 히드록실프로필메틸셀룰로오즈계 고점성분말 3 내지 6중량부 및 유리부산물 1 내지 5중량부로 배합됨을 특징으로 하는 숏크리트용 급결제 조성물.
  3. 제 1항 내지 제 2항중 어느 한항의 숏크리트용 급결 조성물이 첨가된 숏크리트 조성물.
  4. 제 3항에 있어서,
    숏크리트용 급결제 조성물은 전체 100중량부에 대해 0.5 내지 2.0중량부로 배합됨을 특징으로 하는 숏크리트 조성물.
  5. 제 4항에 있어서,
    프로필렌 카르보네이트가 전체 100중량부에 대해 0.1 내지 0.2중량부가 더 포함됨을 특징으로 하는 숏크리트 조성물.
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