KR101507934B1 - 폴리머 개질 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 도로 포장 보수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도로 포장 보수용 폴리머 개질 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 도로 포장 보수방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 도로 포장 보수방법은, 보수가 필요한 도로의 포장면을 절개하는 단계와, 레디믹스 콘크리트에 폴리머 에멀젼을 혼합하여 보수 현장으로 이동한 후, 급결성 첨가재를 보수 현장에서 혼합하여 폴리머 개질 콘크리트 조성물을 제조하는 단계 및 폴리머 개질 콘크리트 조성물을 절개된 포장면에 포설 및 양생하는 단계를 포함하여 이루어진다.
그리고 도로를 보수 포장하는데 사용하는 폴리머 개질 콘크리트 조성물은 레디믹스 콘크리트와, 폴리머 에멀젼 및 고강도 급결성 첨가재를 포함한다. 특히 폴리머 에멀젼는 아민계 강도촉진제와 고분자 계면활성제를 포함하며, 고강도 급결성 첨가재는 침강실리카를 포함한다.

Description

폴리머 개질 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 도로 포장 보수방법{Polymer modified concrete compostion and Method for repairing pavement using the same}

본 발명은 아크릴과 같은 폴리머를 혼합한 개질 콘크리트 조성물 및 이 폴리머 개질 콘크리트 조성물을 이용하여 도로의 포장이 파손된 부분을 신속하게 보수할 수 있는 도로 포장 보수방법에 관한 것이다.

도로포장은 아스팔트콘크리트 또는 시멘트콘크리트를 사용한다.

아스팔트콘크리트는 하절기 고온다습한 환경에서 아스팔트의 연화(softening) 현상에 의해 변형 및 균열이 발생하여 포장체가 파손에 이르게 된다. 포장체 내부로 침투한 빗물은 포장체와 하부구조물 사이를 이동하면서 접합부를 이격시키고, 동절기에는 결빙되어 아스콘 포장체의 Pop-out을 유발한다. 이러한 문제로 인해 고속도로의 경우 3년을 주기로 아스팔트콘크리트포장을 보수하고 있다.

시멘트콘크리트포장은 콘크리트 시공시 발생되는 균열과, 동절기 염화칼슘 살포에 의한 염분의 침투 등으로 인해 하부구조물 내의 철근이 부식되고 골재알칼리반응이 촉진되어 콘크리트의 내구성이 현저히 저하되고 결국에는 포장체가 파손되고 있는 실정이다.

그러나 콘크리트포장이 아스팔트콘크리트에 비해 내구성과 내구수명이 우수하다는 장점이 있어 최근 시공량이 점차 늘어나고 있다.

한편, 고속도로와 같이 교통량이 많은 도로의 포장이 파손되면 짧은 기간 동안 보수공사가 완료되어야 한다. 파손된 포장체의 보수방법으로, 종래에는 아스콘 또는 초속경시멘트모르터를 이용한 패칭보수방법이 사용되어 왔으나, 최근에는 고무성질을 갖는 고분자라텍스(SBLatex)를 콘크리트에 혼입하여 시공할 수 있는 기술이 개발되어 시공되고 있다. 이러한 기술은 도 1에 도시된 바와 같이 라텍스를 콘크리트에 균질하게 분산시킴으로써 콘크리트의 부착강도와 휨강도를 증가시키고 콘크리트의 미세공극을 라텍스가 충전하여 염소이온의 확산을 방지하는 장점이 있다.

그러나 현재 사용되는 라텍스 개질 콘크리트는 모바일믹서트럭(Mobile Mixer Truck; M/M)과 같은 특수한 전용 시공장비를 보수 현장에서 설치해서 사용해야만 하는 제약이 있다. 즉, 라텍스 개질 콘크리트의 작업가능 시간은 대략 20분 정도로 매우 짧으므로, 일반 레미콘과 같이 레미콘 공장에서 배합하여 운반할 수가 없기 때문에 현장에서 바로 배합하여 타설할 수 있도록 모바일 믹서를 사용하여 시공하고 있다.

그러나, 상기한 바와 같이 라텍스 개질 콘크리트를 배합하기 위하여 모바일 믹서를 사용하는 경우 많은 문제점이 발생한다.

우선, 배합속도가 매우 느리다. 모바일 믹서는 1시간당 7m³의 콘크리트만을 배합할 수 있기 때문에 시간당 시공할 수 있는 면적이 매우 작다는 문제점이 있다.

또한 모바일 믹서를 사용하는 경우, 시멘트, 골재 등의 원재료를 현장 부근에 적치 보관하므로 혼잡한 도심지에서는 적당한 장소의 확보가 어려울 수 있고, 기상상황에 따라 골재의 함수율 변동이 심해 콘크리트의 단위수량 조절 및 슬럼프 조절이 어려워져 품질관리가 용이하지 않다는 단점이 있다.

그리고, 모바일 믹서의 경우 장비 구성의 한계로 인하여 1종류의 시멘트만을 사용할 수 있으며, 고로 슬래그 미분말, 실리카 흄 등의 다양한 혼합재를 첨가할 수 없어 콘크리트의 내염해성, 강도, 화학적 저항성을 개선하는데 한계가 있다.

마찬가지로, 골재에 있어서도 다양한 입도를 가지는 골재를 사용할 수 없고 단지 1종류의 골재만을 사용해야 하므로 콘크리트의 물성 향상과 품질관리가 용이하지 않다는 문제점이 있다.

한편, 종래의 포장 보수공법에서 사용하는 시멘트는 신속한 양생을 위해 초속경시멘트를 사용함으로써 보수시공의 경제성을 저하시키는 주요한 원인으로 작용하고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초속경 시멘트의 사용을 제한하면서도 최적화된 조성의 폴리머에멀젼 및 급결성첨가재를 이용하여 도로 포장 보수의 시공성, 경제성은 물론 포장품질을 향상시킬 수 있는 폴리머 개질 콘크리트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 상기한 폴리머 개질 콘크리트 조성물을 이용하되, 모바일 믹서를 사용하지 않고, 레디믹스 콘크리트와 폴리머에멀젼을 공장에서 미리 안정적으로 혼합할 수 있는 방법을 제공함으로써 시공 품질과 속도를 향상시킬 수 있는 포장 보수방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도로 포장 보수방법은, 보수가 필요한 도로의 포장면을 절개하는 단계와, 레디믹스 콘크리트에 폴리머 에멀젼을 혼합하여 보수 현장으로 이동한 후, 급결성 첨가재를 상기 보수 현장에서 혼합하여 폴리머 개질 콘크리트 조성물을 제조하는 단계 및 상기 폴리머 개질 콘크리트 조성물을 절개된 포장면에 포설 및 양생하는 단계를 포함하여 이루어진다.

폴리머 개질 콘크리트 조성물은, 콘크리트와, 폴리머에멀젼 및 급결성 첨가재를 포함한다. 폴리머에멀젼 수지는 상기 콘크리트 대비 1~15중량%의 범위로 혼합한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 폴리머에멀젼은 아민계 강도촉진제를 포함하며, 에탄올아민과 이소프로판올아민 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 상기 폴리머에멀젼은, 아크릴에멀젼 수지 75~97.5 중량%, 고분자계면활성제 0.05 중량%, 글리세린 0.05~5 중량%, 아민계강도촉진제 0.05~5 중량%, 알루미늄계수화촉진제 0.05~5 중량%, 감수제 0.05~5 중량%의 비율로 혼합가능하다.

그리고, 상기 급결성 첨가재는 침강실리카를 포함하는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 상기 급결성 첨가재는, 고강도재 10~50 중량%, 응결촉진재 0.05~5 중량%, 급결재 30~80 중량%, 발열재 0.05~5 중량%, 안정재 0.05~5 중량%, 지연재 0.05~3 중량%, 감수제 0.05~2 중량%의 비율로 혼합가능하다.

본 발명에서는 폴리머 에멀젼과 고강도 급결성 첨가재를 사용함으로써 기존의 도로 포장 보수용 콘크리트 조성물에 비하여 많은 이점이 나타난다.

먼저, 독특한 조성의 폴리머 에멀젼을 이용함으로써 기존과 달리 작업 조건이 우수한 공장에서 콘크리트를 레디믹스할 수 있으며, 폴리머 에멀젼도 공장에서 혼합하여 도로 보수 현장으로 이송할 수 있다. 즉, 콘크리트 조성물의 유동성을 장시간 확보할 수 있으므로, 콘크리트 조성물을 안정적으로 공장에서 제조하여 콘크리트 조성물의 품질을 보장할 수 있다는 이점이 있다. 더욱이, 기존에는 현장에서 모바일 믹서를 이용하므로 콘크리트를 빠른 시간 내에 다량으로 배합할 수 없었지만, 공장에서 레디믹스 콘크리트를 조성하여 레미콘 차량으로 이동함으로써 단위 시간당 콘크리트 공급량이 획기적으로 증대되며, 시공 기간을 단축시킬 수 있다.

또한, 독특한 조성의 고강도 급결성 첨가재를 사용함으로써, 기존의 도로 보수용 콘크리트에서처럼 초속경 시멘트를 사용하지 않는 바, 시공의 경제성이 탁월하다는 이점이 있다.

도 1은 라텍스와 시멘트의 상호 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도로 포장 보수방법의 개략적 흐름도이다.
도 3은 고강도 급결성 첨가재의 효과를 실험하기 위한 시료의 배합비가 나타난 표이다.
도 4는 도 3에 기재된 시료들에 대한 물성시험 결과가 나타난 표이다.
도 5는 개질 폴리머 에멀젼의 효과를 실험하기 위한 시료의 배합비가 나타난 표이다.
도 6은 도 5에 기재된 시료들에 대한 물성시험 결과가 나타난 표이다.
도 7은 폴리머 에멀젼 사용량을 고정시킨 상태에서 고강도 급결성 첨가재의 배합비를 변경한 효과를 알아보기 위한 실험에서 시료의 배합비가 나타난 표이다.
도 8은 도 7에 기재된 시료들에 대한 물성시험 결과가 나타난 표이다.
도 9는 고강도 급결성 첨가재 사용량을 고정시킨 상태에서 폴리머 에멀젼의 배합비를 변경한 효과를 알아보기 위한 실험에서 시료의 배합비가 나타난 표이다.
도 10은 도 9에 기재된 시료들에 대한 물성시험 결과가 나타난 표이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 도로 포장 보수방법 및 이에 사용되는 폴리머 개질 콘크리트 조성물에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 도로 포장 보수방법의 개략적 흐름도이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도로 포장 보수방법은 크게 3가지 단계로 나뉜다.

첫 번째 단계는 도로 포장면에서 균열이나 pop-out 등 파손된 부분을 제거하는 작업이다. 공지의 장비들을 이용하여 파손된 포장면을 절개하거나 파쇄하여 제거한다. 파손된 부분을 제거한 후에는 포장이 제거된 자리에 고압 세정수를이용하여 열화된 표면을 소지함으로써 포장면 보수의 준비작업을 완료한다.

두 번째 단계는 보수 포장용 콘크리트 조성물을 준비하는 것이다. 본 발명에 따른 폴리머 개질 콘크리트 조성물이 사용된다. 본 발명에 따른 폴리머 개질 콘크리트 조성물은 크게 3가지 성분으로 이루어진다. 즉, 콘크리트와, 폴리머 에멀젼 및 급결성 첨가재이다. 본 발명에서 독특한 점은 기존의 도로 포장 보수공법과는 달리 콘크리트와 폴리머 에멀젼을 공장에서 미리 혼합한 후 레미콘 차량을 이용하여 현장으로 이동한다는 점이다. 그리고 현장에서 고강도 급결성 첨가재를 추가적으로 혼합하여 폴리머 개질 콘크리트 조성물을 배합한다는 점이다.

상기한 바와 같이, 폴리머 개질 콘크리트 조성물이 준비되면, 포장을 절개한 부분에 폴리머 개질 콘크리트 조성물을 포설한다. 즉, 콘크리트 조성물을 충진 및 양생하다.

마지막으로 도로 표면에 줄눈을 시공하면 본 발명에 따른 도로 포장 보수방법이 완료된다.

본 발명은 방법적인 측면에서 기존에 시멘트와 골재 및 물을 보수 현장에서 직접 혼합하여 콘크리트를 조성하는 것과 달리, 공장에서 혼합하여 레디믹스 콘크리트를 만들며, 폴리머 에멀젼도 콘크리트에 혼입하는 것도 공장에서 진행한다는 점에서 기존의 도로 보수 포장방법과 큰 차이가 있다. 또한 고강도 급결성 첨가재를 도로 보수 포장용 콘크리트 조성물에 사용한다는 점에서도 기존의 방법과 차이가 있다.

폴리머 개질 콘크리트 조성물은 콘크리트와 폴리머 에멀젼으로 이루어지는데, 상기한 바와 같이 기존에는 모바일 믹서를 이용하여 현장에서 직접 재료를 혼합하는 방식을 사용하였다. 종래 기술처럼 현장에서 재료들을 혼합하면 많은 문제가 발생한다. 우선, 재료들을 현장에 적치해 놓고 있으므로 강우와 기온에 따라 재료들의 함수율 관리가 용이하지 않다. 그리고 모바일 믹서는 1시간당 7m³의 콘크리트만을 배합할 수 있기 때문에 시간당 시공량이 매우 작다. 또한 모바일 믹서의 장치적 한계로 인하여 단일 종류의 시멘트만 사용할 수 있을 뿐, 고로슬래그, 실리카흄 등 다양한 첨가재를 혼합할 수 없어 콘크리트 조성물의 물성을 개선하기가 어렵다. 이러한 문제점에도 불구하고, 종래에 도로 보수시 현장 혼합 방식을 택할 수밖에 없었던 이유는 폴리머 에멀젼을 콘크리트에 혼합하는 경우 콘크리트의 유동성이 20~30분 정도로 짧게 유지되기 때문이다.

그러나 본 발명에서는 시멘트, 골재 및 물을 공장에서 미리 혼합하여 레미콘 차량으로 이동하는 레디믹스 콘크리트를 사용하며, 폴리머 에멀젼도 공장에서 먼저 혼합한 후 레미콘 차량을 통해 현장까지 이동하는 방식을 취한다.

또한, 본 발명에서는 고강도 급결성 첨가재를 사용하여 기존의 보수 포장과 달리 초속경 시멘트는 사용하지 않거나 최소한으로 사용함으로써 시공의 경제성을 획기적으로 향상시킨다.

이를 통해 종래기술에서 문제되었던 품질관리의 문제, 물성 향상의 한계 및 시간당 시공량의 문제를 모두 해결하게 되었다. 이렇게 본 발명에서 종래의 문제점을 해결할 수 있는 이유는 본 발명에 따른 폴리머 개질 콘크리트 조성물의 독특한 조성 및 배합비로부터 기인한다.

이하, 본 발명에서 사용하는 폴리머 개질 콘크리트 조성물에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 폴리머 개질 콘크리트 조성물은 콘크리트와 폴리머 에멀젼 및 고강도 급결성 첨가재로 이루어진다.

본 발명에서 콘크리트는 시멘트와 골재 및 물을 혼합하여 제조하며, 시멘트는 일반적으로 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하지만, (초)조강시멘트나 슬래그시멘트도 사용할 수 있다. 다만, 기존과 같이 초속경 시멘트를 메인 재료로 사용하지는 않는다. 시멘트와 골재 및 물의 혼합비에서는 특별한 조건이 없으며 KS 기준을 그대로 적용한다. 예컨대, 1m³당 시멘트 사용량은 500kg/m³이하, 바람직하게는 100~400kg범위이며, 더 바람직하게는 200~350kg/m³의 범위이다.

폴리머 에멀젼은 고분자 라텍스를 주재료로 하여 콘크리트를 개질하기 위한 것이다. 콘크리트에 균질하게 분산된 라텍스는 콘크리트의 부착강도와 휨강도를 증가시키며, 콘크리트의 미세공극을 채워 염소 이온의 확산을 방지하는 기능을 한다.

본 발명에서 폴리머 에멀젼은 아크릴 에멀젼 수지를 주재료로 하여 고분자 계면활성제, 글리세린, 아민계강도촉진제, 알루미늄계 수화촉진제 등의 개질첨가재를 포함할 수 있다. 다만, 아크릴 에멀젼 수지, 고분자 계면활성제 및 아민계강도촉진제는 필수적 재료로 혼입된다.

아크릴에멀젼 수지는 일반적인 아크릴 에멀젼수지에 성능개선을 위한 첨가제를 첨가한 후 숙성처리를 통해 제조할 수 있다. 보다 구체적으로, 아크릴에멀젼 수지는 반응조에 이온교환수 및 유화제를 투입하고 80℃까지 교반하면서 승온시킨 후, 프리 에멀젼탱크에 이온교환수 및 유화제를 녹여 교반하면서 투입 후, 아크릴계 단량체(C4~C9의 아크릴 모노머 및 아크릴산)를 순서대로 투입하여 프리 에멀젼상태로 만들게 된다. 이후 반응조에 개시제를 투입하고 프리 에멀젼탱크에서 약 3시간 동안 균일하게 드로핑하면서 반응온도를 80~83℃로 유지시키게 된다. 드로핑완료 후 1시간 동안 82℃로 유지시키고 70℃로 냉각한다. 이 후, CHASER 처리를 하고 20분 유지시키고 50℃로 냉각한다. 그리고 암모니아, 소포제, 방부제 및 본 발명에서 제시하는 개질첨가제를 투입후 2시간 동안 교반 및 숙성하여 제조하게 된다.

개질첨가제로인 고분자 계면활성제는 콘크리트 위응결 방지 및 아크릴입자의 응집방지를 위해 사용된다. 콘크리트 위응결방지를 위한 고분자 계면활성제는 디클로로디페닐디(트리)콜로로에탄(TDE; p,p'-dichlorodiphenyldi(tri)chloroeth ane), 노닐페놀(NP; nonylphenol), 소디움라우릴설페이트(SLES; Sodium laureth sulfate), α-올레핀술폰산소다(AOS;α-olefin sulfonate) 중 적어도 하나가 혼합될 수 있다.

글리세린(또는 글리세롤)은 폴리머 개질 콘클기트의 재료분리 방지를 위한 것으로서, 무색, 무취의 액체이며 점성이 매우 높은 특징이 있어 콘크리트에 혼합시 재료분리를 방지하고 작업성을 향상시킨다.

아민계 강도촉진제는 콘크리트의 초기강도를 증진시켜 시공 기간을 단축시킴과 동시에 콘크리트의 강도를 증대시킨다.

콘크리트 강도증가를 위한 아민계강도촉진제는 암모니아(NH₃)의 수소원자를 1~3개의 탄화수소기(R)로 치환한 화합물로 모노에탄올아민(MEA; Monoethanolamine), 디에탄올아민(DEA; Diethanolamine), 트리에탄올아민(TEA; Triethanolamine), 모노이소프로판올아민(MIPA; Monoisopropanolamine), 디이소프로판올아민(DIPA; Diisopropanolamine), 트리이소프로판올아민(TIPA; Triisopropanolamine) 중 적어도 어느 하나를 혼합한다.

초기강도의 발현을 위하여 알루미늄계수화촉진제를 추가적으로 사용할 수 있다. 알루미늄계수화촉진제로는 소디움알루미네이트(NaAlO₂; Sodium aluminate), 알루미늄설페이트(Al₂(SO₄)₃; Aluminum sulfate) 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.

또한 작업성 확보를 위하여 폴리카본산계 고성능 감수제를 혼합할 수 있으며, 콘크리트의 슬럼프변화 방지를 위해 시멘트 수화지연제를 혼합할 수 있다

시멘트 수화지연제는 탈타릭에시드(Tartaric Acid), 쇼디움글루코네이트(Sodium Gluconate), 씨트릭에시드(Ctric Acid), 파스페이트(Phosphate), 글루코스(Glucose) 중 하나 이상을 혼합한다. 소포제로는 실리콘계 또는 알콜계를 첨가할 수 있다.

폴리머 에멀젼은 콘크리트 대비 1~15중량%의 비율로 콘크리트에 혼합가능하다. 본 발명의 일 실시예에서, 아크릴에멀젼 수지 75~97.5 중량%, 고분자계면활성제 0.05 중량%, 글리세린 0.05~5 중량%, 아민계강도촉진제 0.05~5 중량%, 알루미늄계수화촉진제 0.05~5 중량%, 감수제 0.05~5 중량%의 비율로 혼합한다.

상기한 조성의 폴리머 에멀젼에서 본 발명에서 중요한 재료는 고분자 계면활성제와 아민계 강도촉진제이다.

기존에 폴리머 개질 콘크리트를 현장에서 배합할 수 밖에 없었던 이유는 아크릴에멀젼 수지를 혼합하면 콘크리트에 위응결과 슬럼프 손실이 발생하기 때문이었다. 본 발명에서는 상기한 재료의 고분자 계면활성제를 사용함으로써 이러한 문제를 해결하였다.

또한 아민계 강도촉진제는 콘크리트 자체의 강도를 증가시킬 뿐만 아니라, 특히 초기강도를 높게 형성하므로, 보수를 위한 차량 통행 억제시간을 최소한으로 단축시킬 수 있다.

한편, 고강도 급결성 첨가재는 폴리머 개질 콘크리트의 속경성 발현을 위한 것이다. 종래의 도로 보수용 폴리머 개질 콘크리트는 속경성 발현을 위하여 고가의 초속경 시멘트를 주재료로 사용하였으며, 이는 도로 보수용 콘크리트의 시공 경제성을 상승시키는 주요 원인으로 작용하였다. 본 발명에서는 고강도 급결성 첨가재를 현장에서 콘크리트에 배합함으로써, 고가의 초속경 시멘트를 사용하지 않고도 시공 기간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 콘크리트의 강도도 증대시킨다.

고강도 급결성 첨가재는 고강도재, 급결재, 발열재, 응결촉진재, 안정재, 지연제, 고성능 감수제로 이루어진다.

본 발명에서 고강도재로는 침강실리카를 사용한다. 또한 실리카흄과 Ⅱ형 무수석고를 함께 사용할 수도 있다.

침강실리카는 BET 비표면적이 220~350cm²/g 정도의 입자로, 규산알칼리 수용액과 산을 반응시켜 석출하여 제조된 것으로서, 입경이 매우 작아 콘크리트의 더 미세한 공극을 채우는 효과가 뛰어나다. 또한 미립자의 화학적 변화에 있어 실리카흄보다 더 높은 수준의 반응성을 나타낸다. 다만 입자 표면에 물을 흡수하는 특성 때문에 배합수가 증가할 우려가 있으므로 그 사용량은 시험을 통해 조정해서 사용하는 것이 좋다.

또한, "BET 비표면적"이란, 에스. 브루노르, 피이. 에이치. 에메트, 이이. 텔러(S. Brunaure, P. H. Emmett, E.Teller)에 의한 J. Am. Chem. Soc., 60, 309(1938)에 기재된 다분자층 흡착 이론을 응용하여 측정되는 비표면적이며, 실리카의 평균 1차 입자경에 상당한다고 생각된다. 예를 들면, 분체 공학회편「개정 증보 분체 물성 도설」(1985)에도 기재되어 있는 바와 같이, 1차 입자를 구형(球形)으로 가정하면, 비표면적과 1차 입자의 평균 지름 사이에는 하기 식(1)의 관계가 있어, 비표면적이 클수록 평균 1차 입자경은 미소하게 된다.

D=6/(S·ρ) ... 식(1)

(여기서, D는 평균 1차 입자경, S는 비표면적이고 ρ는 입자의 밀도를 나타냄)

실리카흄은 실리콘이나 페로실리콘 등의 규소합금을 전기아크식 로에서 제조할 때 배출가스에 부유하여 발생하는 부산물의 총칭이며, 규소합금의 원료로서 규석, 석탄, 목편, 철가루 등과 환원제로써 코우크스를 전기로에 투입하여 약 2,000℃의 고온으로 페로실리콘을 제조하게 된다. 이때 중간생성물인 SiO가 가스화하여 이것이 공기에 의해 산화하여 SiO₂로 되고 다시 응축하여 초미립자로 생성되는 것이다. 생성된 초미립자는 전기집진장치를 이용하여 회수함으로써 실리카흄이 얻어진다. 실리카흄은 90%이상이 구형으로 구성되어 있고, 입경이 1μm이하, 평균입경은 0.1μm정도, 비표면적이 약 20m²/g정도, 비중이 약 2.1~2.2정도의 비정질로써 시멘트알칼리(Ca(OH)₂)와 포졸란 반응에 의해 콘크리트 미세공극을 충전하고 수화물을 생성시킴으로써 고강도를 발현시킨다.

Ⅱ형무수석고는 천연무수석고를 분쇄기를 통해 50m²/g이상의 고미분말도로 분쇄한 것으로써, 결정구조로 이루어져 알칼리환경에서 반응성을 가지며, 시멘트 수화물(CSH; calcium silicate hydrate) 및 A1₂O₃와 반응하여 콘크리트 공극내에 침상의 결정체인 Ettringite를 생성시키고 조직을 치밀화시켜 고강도를 발현할 수 있다.

본 실시예에서, 급결재로는 비정질칼슘알루미네이트(Amorphous 12CaO·7Al₂O₃; C12A7), CSA(3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄; C₄A₃S)를 하나 이상 사용할 수 있다.

비정질칼슘알루미네이트는 보크사이트(Bauxite)와 석회석(Limestone)을 전기로에서 소성후 직경 1~2mm이하의 작은 알갱이형태로 급냉시켜 제조되는 비정질의 광물로써 분말도 50m²/g이상으로 분쇄하여 제조되며, 바람직하게는 50~70m²/g의 범위이다. 시멘트수화물인 Ca(OH)₂ 및 Ⅱ형천연무수석고와 반응하여 급격하게 Ettringite를 생성시키고 시멘트를 경화시킨다. 그러나 사용량이 높을 경우 초기 과다하게 큰 결정체(Ettringite)가 급격하게 생성되어 응결이 매우 짧아지고 강도가 발현되지 않는 결과가 나오게 된다.

CSA는 Bauxite, CaCO₃ 및 CaSO₄를 전기로에서 소성후 상온에서 냉각하여 제조되는 광물로써 분말도는 50m²/g이상이며, 바람직하게는 60m²/g~80m²/g의범위이고, 시멘트수화물 및 Ⅱ형천연무수석고와 반응하여 급격하게 Ettringite를 생성시켜 속경성을 나타내게 된다. ACA와는 달리 사용량이 높아도 응결시간이 급격하게 짧아지지 않고 안정적인 고강도 속경성을 나타내게 된다.

초속경재료의 경화는 수화열량과 밀접하게 관계가 있다. 시멘트광물의 수화반응은 발열반응의 형태를 나타내게 되고, 발열량의 크기에 따라 초기강도의 발현이 좌우된다. 본 발명에서는 콘크리트의 초기강도 증진을 위한 광물계 발열재로 탄산칼륨(potassium carbonate, K₂CO₃)과 산화칼슘(calcium oxide, CaO)을 하나 이상 사용할 수 있다.

탄산칼륨은 물과 반응하여 0.2103J/g의 용해열을 발산하고, 산화칼슘은 물과 반응하여 1.0679의 용해열을 발산한다. 그러나 산화칼슘은 물을 흡수하여 수산화칼슘(Ca(OH)₂)화 되고 체적이 2배로 증가하는 문제점이 발생될 수 있다. 따라서 적당한 량의 발열재를 사용하여야 한다.

응결촉진재로 규산나트륨분말(Na₂SiO₃; sodium silicate), 터널화이트(Al₂O₃ 함량이 80%이상인것), 리튬카보네이트를 하나 이상 사용할 수 있다. 규산나트륨분말은 시멘트의 CaO와 반응하여 규산칼슘수화물(CSH)을 생성하고 시멘트의 응결을 촉진한다. 터널화이트(Tunnel White)는 보크사이트(Bauxite)를 전기로에서 소성하여 제조한 비정질의 백색분말로써, Al₂O₃ 함량이 80%이상을 함유하고 있으며, ACA(Amorphous Calcium aluminate) 및 CSA(Calcium Sulfo aluminate)의 Ettringite 생성반응을 촉진시킨다. 리튬카보네이트(Li₂CO₃; Lithum carbonate)는 알칼리금속중 원자량이 가장 작은 원료이며 백색의 단사정계 분말로 콘크리트 중의 알칼리이온 농도를 급격하게 증대시켜 콘크리트의 응결을 촉진하고 초속경성을 나타내게 한다.

안정재로 고보수성폴리머(SAM; Super absorbency material)를 사용할 수 있다. 이것은 콘크리트 초기 혼합시에 잉여수를 흡수하여 보유하고, 콘크리트가 경화과정에서 필요한 수분을 서서히 공급하는 역할을 수행한다. 따라서 콘크리트는 양생과정에서 충분한 수분공급이 이루어져 장기내구성 및 강도가 증가할 수 있다.

지연제로 탈타릭에시드(Tartaric Acid), 쇼디움글루코네이트(Sodium Gluconate), 씨트릭에시드(Ctric Acid)를 하나 또는 2개 이상 사용할 수 있다.

고성능감수제는 폴리카본산계분말(Polycarboxylate powder), 나프탈린파우더(Naphthalin powder), 멜라민분말(Melamine powder), 니그린분말(Lignin powder)를 하나 사용할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 공장에서 레디믹스 콘크리트를 배합하고, 또한 공장에서 레디믹스 콘크리트에 폴리머 에멀젼을 혼합한 후, 이를 레미콘 차량을 이용하여 도로 보수 현장으로 이송한다. 그리고 도로 보수 현장에서 전단 믹서를 이용하여 고강도 급결성 첨가재를 혼합하여 도로 보수를 수행한다.

본 발명에서는 콘크리트 조성물에 아크릴에멀전 수지가 포함되어 있음에도 유동성을 유지할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 콘크리트 조성물은 이송거리 및 시간에 관계되지 않고 장거리 운송이 가능하고, 더불어 해상운송이나 펌프카를 이용한 원거리 이송 또한 가능하게 된다.

상기한 바와 같이, 공장에서 콘크리트를 배합할 수 있다는 것은 콘크리트의 품질 관리 측면에서 매우 큰 이점이 있다. 즉, KS인증을 받은 콘크리트 생산공장에서 콘크리트를 제조함으로써 원재료의 상태를 일정하게 유지할 수 있으며, 모든 재료의 정량계량이 가능하고, 생산된 콘크리트의 슬럼프 및 공기량이 요구 품질에 적합한 콘크리트만 출하되게 할 수 있다.

또한 본 발명에서는 고강도 급결성 첨가재를 사용하여 기존의 도로 포장 보수용 콘크리트에 초속경 시멘트를 사용함으로써 초래된 경제성의 문제를 해결할 수 있다는데 큰 장점이 있다.

본 연구진은 폴리머 개질 콘크리트 조성물의 물성을 실험하였다.

우선 고강도 급결성 첨가재의 각 재료의 혼합에 따른 효과를 알아보는 실험을 수행하였다. 도 3에는 고강도 급결성 첨가재를 혼합하지 않은 시료1과, 일부의 재료들만 혼합한 시료2~시료5, 모든 첨가재를 혼합한 시료6의 조성과 배합비가 나타나 있다. 그리고 도 4에는 도 3에 기재된 시료들에 대한 물성 시험결과가 나타나 있다.

도 3의 표에 나타난 대로, 6개의 시료를 만들어 공기량, 슬럼프 및 강도에 대한 물성을 실험하였다.

도 3을 참조하면, 물-시멘트비와 모래-골재비 및 고성능 감수제 사용량을 일정하게 하고, 총시멘트량에서 고강도급결재를 내비로 치환하고 고강도급결재 조성비율을 변경하면서 각각의 배합에 대한 성능을 확인하였다.

시료1의 경우, 시멘트, 모래, 자갈 및 물과, 고성능감수제만을 사용하여 일반적인 콘크리트를 제조하였으며, 통상의 비율로 콘크리트를 배합하였다. 예견한 대로, 시료1에서는 도로포장체 보수를 위한 속경성이 발현되지 않는 문제와 응결 초기에 고강도가 발현되지 않는 문제가 나타났다.

시료2~6에서는 급결성과 고강도를 나타내기 위해 급결재, 고강도재, 발열재, 응결촉진재, 안정재 및 지연제를 각각 추가적으로 사용하였으며, 그 결과로써 초기강도발현과 초기고강도를 확보할 수 있었다.

실험결과를 참고하면, 슬럼프는 KS F 2402에 따라 진행하였으며, 시료1은 초기 슬럼프가 210mm를 나타낸 후 시간이 경과함에 따라 200mm, 180mm까지 감소하는 결과를 나타내었다. 시료2는 시멘트량의 120kg를 급결재로 내비치환하여 사용하였다. 초기슬럼프는 180mm를 나타낸 반면 재령 15분 경과후 100mm이하로 저하되었고, 시료3~6에서도 경시변화량이 점차 감소하는 경향을 보이고 있다. 경시변화가 감소 결과를 참고하면, 시료2~6은 초속경콘크리트 시공을 위한 최소한의 작업성 확보가 가능하다는 것을 확인하였다.

본 발명에서 가장 중요한 것은 재령 4시간 압축강도이다. 공용중인 도로의 긴급보수 시공을 수행하기 위해서는 시공초기에 높은 강도를 발현하는 것이 가장 중요하다. 그러나 종래 기술에서는 초속경시멘트를 전량사용하여 초속경폴리머콘크리트를 제조하는 것만이 유일한 방법이었으나, 본 발명에서는 초속경 발현을 위한 첨가재를 시멘트의 20~40%를 치환사용하여 초속경폴리머콘크리트를 제조할 수 있다.

시료1은 일반콘크리트로써 재령4시간에 경화가 되지 않아 강도 측정이 불가능 하였으며, 1일(24시간)이후에 강도 측정이 가능하였다. 시료2~6에서는 고강도 혼합재의 조성을 변경하여 혼합하고 강도를 측정하였다. 시료2에서와 같이 급결성재료만을 첨가할 경우는 초기 응결이 너무 빨리 진행되어 오히려 강도가 상대적으로 저하되는 현상이 나타났으며, 고강도재 및 발열재 응결촉진재 등을 사용한 시료3~6은 강도가 증가되는 현상이 나타나고 있다. 시료6은 안정재를 사용함으로써 4시간 강도는 시료5와 유사하면서 1일 이후 강도는 더 높게 발현되는 결과를 나타내고 있다. 따라서, 고강도 급결성 첨가재의 모든 재료들을 혼합하였을 때 가장 높은 초기강도를 확보할 수 있음을 확인하였다.

또한, 폴리머 에멀젼의 효과에 대해서도 실험하였다.

도 5에는 콘크리트에 폴리머 에멀젼의 조성을 달리하여 시료1~6을 배합하였다. 즉, 시료1은 폴리머 에멀젼과 고강도 급결재를 사용하지 않고 일반콘크리트배합을 적용하였으며, 시료2는 고강도 급결재와 함께 일반 아크릴에멀젼을 사용하였고, 시료3~6에서는 고강도급결재와 함께 일반 아크릴에멀젼수지에 본 발명에서 사용하는 개질제를 추가적으로 혼합하였다.

도 6에는 시료들의 실험 결과가 나타나 있다.

일반 콘크리트 배합을 한 시료1에서는 슬럼프가 재령 60분 동안 유지되는 결과를 나타내고 있으며, 일반아크릴에멀젼과 고강도급결재를 사용한 시료2에서는 고강도급결재의 영향으로 초기슬럼프 측정 이후 급격하게 응결이 진행되어 재령 15분 후 슬럼프가 115mm로 낮아지는 결과를 나타내고 있다. 그 이후에도 계속적으로 급하게 응결이 진행되어 30분에서는 측정이 불가능하였다. 시료3~6은 개질제를 사용하여 아크릴에멀젼수지의 성능을 개선한 것으로서, 계면활성제가 아크릴 입자에 흡착되어 시멘트와 혼합시 입자간의 급격한 응집을 방지하며, 고강도급결재와 시멘트의 수화반응을 적절하게 조절하고 있다. 시료3은 계면활성제만을 사용한 것으로서 슬럼프가 60분까지 유지되는 결과를 나타내고 있으며, 실시예3~5 또한 계면활성제의 영향으로 시료2에 비해 상대적으로 우수한 슬럼프 유지시간을 나타내고 있다.

압축강도를 측정한 결과, 시료1은 초기 4시간에 응결이 진행되지 않아 강도 측정이 불가능 하였으며, 재령1일(24시간)이후부터 강도 측정이 가능하였다. 시료2는 일반아크릴수지와 고강도급결재를 사용한 영향으로 비교예에 비해 초기강도가 매우 향상되는 결과를 나타내고 있다. 개질제로써 계면활성제 만을 사용한 실시예2는 실시예1에 비해 상대적으로 낮은 초기강도를 발현한다. 이것은 계면활성제 사용에 따른 고강도급결재의 수화반응 지연작용에 의한 것으로 판단된다. 실시예3~5는 상기의 아크릴에멀젼의 개질에 따른 강도저하를 방지하기 위한 개질제 사용에 의한 물성변화를 나타내고 있다. 실시예2에 비해 경시변화는 약간 커지는 경향이 나타났지만, 초기강도가 증가하는 현상을 보이고 있으며, 장기강도에서도 우수한 강도를 발현하고 있다.

염소이온 침투성능을 측정한 결과 시료1은 2,750coulomb의 높은 통과전하량을 나타내는 반면, 고강도급결재와 일반아크릴에멀젼(시료2) 또는 개질아크릴에멀젼수질를 사용한 조성물(시료3~6)에서 300~500coulomb정도의 매우 낮은 통과전하량을 나타냄으로써 염소이온에 대한 저항성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있다.

부착강도 측정결과 시료1은 일반적인 콘크리트의 부착강도를 나타내는 반면, 시료2~6은 매우 향상된 부착강도를 나타냈다.

또한 본 연구진은 폴리머 에멀젼 사용량을 고정시키고, 고강도 급결성 첨가재의 조성비를 변경하여 시료를 조성하여 물성시험을 진행하였다. 도 7은 시료의 조성비를 나타낸 표이며, 도 8은 실험결과가 나타난 표이다.

시료1에서는 고강도 급결성 첨가재를 사용하지 않았으며, 시료2~6에서는 고강도 급결성 첨가재 사용량을 63kg/m³에서 315kg/m³까지 증가시킨 콘크리트의 물성결과를 나타내고 있다.

시료1은 슬럼프 경시변화량이 적어 유지성능은 우수하나 압축강도 발현이 저하되어 긴급보수용 콘크리트에는 적합하지 않은 결과를 나타내고 있으며, 염소이온 통과 전하량도 낮아지기는 하지만 다른 시료들과 비교할 때 상대적으로 높은 값을 나타내었다. 이것은 고강도 급결성 첨가재가 시멘트 수화물과 반응함으로써, 콘크리트의 모세관 공극에 수화물을 생성시켜 콘크리트 메트릭스를 더욱 치밀하게 형성시키는 결과로 판단된다.

시료2~6은 고강도 급결성 첨가재의 사용량이 증가함에 따라 재령 4시간의 초기강도가 증가하는 경향을 나타내고 있으나, 사용량이 과다하게 높아지는 시료5~6은 오히려 시료3~4에 비해 강도가 저하되는 결과를 나타낸다. 이는 초기 급결성 수화물의 생성반응의 영향으로 초기 급결재량이 과다하게 높을 경우, 급결성수화물의 크기가 매우 커지고 오히려 시멘트 수화물의 생성 및 확장이 방해를 받아 모세관 공극량이 늘어나고 콘크리트의 메트릭스가 느슨하게 형성되는 결과라고 할 수 있다.

염소이온 통과전하량은 모든 조성비율에서 폴리머 에멀젼의 사용으로 1,000coulomb이하의 낮은 결과를 나타내고 있으나, 고강도 급결성 첨가재의 사용량이 증가함에 따라 전하량은 270coulomb까지 낮아지는 결과를 나타내고 있다.

실험 결과를 토대로, 본 발명에서 고강도 급결성 첨가재는 폴리머 개질 콘크리트 조성물 전체에서 2.7~14 중량%의 범위로 혼합될 수 있으며, 초기 압축강도의 측면에서는 5.5~8.5 중량%의 범위로 혼합되는 것이 바람직하다는 것을 확인하였다.

또한 본 연구진은 고강도 급결성 첨가재 사용량을 고정시키고, 폴리머 에멀젼의 조성비를 변경하여 시료를 조성하여 물성하였다. 도 9는 시료의 조성비를 나타낸 표이며, 도 10은 실험결과가 나타난 표이다.

시료1은 폴리머 에멀젼을 사용하지 않았고, 시료2~7은 폴리머 에멀젼의 사용량을 점차 증가시켰다. 도 9의 표에서 고성능감수제는 콘크리트의 초기 슬럼프 값을 일정하게 유지시키기 위하여 사용량을 변경하여 사용하였다.

폴리머 에멀젼을 사용하지 않은 시료1은 초기슬럼프 발현 이후 급격한 슬럼프 손실이 발생되었으며, 반면에 압축강도는 가장 높은 결과를 나타내었다. 그리고 폴리머 에멀젼의 사용량을 증가시킨 시료2~7은 사용량이 증가함에 따라 슬럼프 경시변화량이 점차 적어지고 있으며 시료7의 경우 재령60분에도 슬럼프가 115mm를 유지하고 있었다. 그러나, 압축강도는 폴리머 에멀젼의 사용량의 증가에 따라 초기 4시간 재령 강도가 감소되는 현상이 나타나고 있다. 이는 폴리머 에멀젼의 수화반응 지연현상의 결과라고 할 수 있으며, 따라서 현장적용시는 현장여건과 작업시간에 따라 사용량을 적절하게 조정할 필요가 있다는 것을 확인하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리머 개질 콘크리트 조성물은 레디믹스콘크리트를 공장에서 제조하고 폴리머 에멀젼을 혼입한 후 콘크리트 조성물을 시공 현장으로 이송한다. 도로 보수 현장에서는 혼합장치에서 공장으로부터 이송된 콘크리트 조성물에 고강도 급결성 첨가재를 고속 혼합하다.

따라서 기존의 도로 포장 보수용 콘크리트 조성물과 비교시, 동일한 시간 동안 내에 많은 양의 폴리머 개질 콘크리트를 제조할 수 있어 시공속도가 향상되며, 콘크리트 제조를 위한 원재료를 현장에 준비할 필요가 없게 되는 장점이 있다.

또한, 레디믹스콘크리트를 사용함으로써 원재료의 변화를 최소화 시킬 수 있음으로 콘크리트 품질을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

무엇보다도, 콘크리트 제조를 위해서 초속경 시멘트를 사용하지 않음으로써, 기존 기술에 비해 경제성이 획기적으로 향상된다는 장점이 있다.

참고로, 도 3, 도 5, 도 7 및 도 9의 표에서 데이터가 표시되지 않은 부분은 해당 재료를 첨가하지 않았다는 것을 의미한다. 그리고 도 4, 도 6, 도 8 및 도 10의 표에서 경시변화 부분에서 체크되지 않은 부분은 모두 경시변화가 100mm 이하이거나, 측정이 불가한 경우이다. 강도 부분에서 기입하지 않은 부분은 경화가 이루어지지 않은 것을 의미한다.

Claims (10)

1. 도로를 보수 포장하는데 사용하는 폴리머 개질 콘크리트 조성물로서,
   콘크리트와, 폴리머에멀젼 및 급결성 첨가재를 포함하며,
   상기 폴리머에멀젼은, 아크릴에멀젼 수지 80~97.5 중량%, 글리세린 0.05~5 중량%, 아민계강도촉진제 0.05~5 중량%, 알루미늄계수화촉진제 0.05~5 중량%, 감수제 0.05~5 중량%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 폴리머 개질 콘크리트 조성물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 폴리머에멀젼은 아민계 강도촉진제를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 개질 콘크리트 조성물.
3. 제2항에 있어서,
   상기 아민계강도촉진제는 에탄올아민을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 개질 콘크리트 조성물.
4. 제2항에 있어서,
   상기 아민계강도촉진제는 이소프로판올아민을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 개질 콘크리트 조성물.
5. 제1항에 있어서,
   상기 폴리머에멀젼은 고분자계면활성제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 개질 콘크리트 조성물,
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 급결성 첨가재는 침강실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 개질 콘크리트 조성물.
8. 제1항에 있어서,
   상기 급결성 첨가재는,
   고강도재 10~50 중량%, 응결촉진재 0.05~5 중량%, 급결재 30~80 중량%, 발열재 0.05~5 중량%, 안정재 0.05~5 중량%, 지연재 0.05~3 중량%, 감수제 0.05~2 중량%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 폴리머 개질 콘크리트 조성물.
9. 보수가 필요한 도로의 포장면을 절개하는 단계;
   레디믹스 콘크리트에 폴리머 에멀젼을 혼합하여 보수 현장으로 이동한 후, 급결성 첨가재를 상기 보수 현장에서 혼합하여 폴리머 개질 콘크리트 조성물을 제조하는 단계; 및
   상기 폴리머 개질 콘크리트 조성물을 절개된 포장면에 포설 및 양생하는 단계:를 포함하며,
   상기 폴리머 개질 콘크리트 조성물은 상기 청구항 1 내지 청구항 5 또는 청구항7 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재되어 있는 폴리머 개질 콘크리트 조성물인 것을 특징으로 하는 도로 포장 보수방법.
10. 삭제

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