KR101603270B1

KR101603270B1 - 폴리머 보수·보강 모르타르 조성물

Info

Publication number: KR101603270B1
Application number: KR1020140047183A
Authority: KR
Inventors: 장지한; 전준영; 최해영; 김영희
Original assignee: 케이엠비(주); 피에스엔지니어링(주); 화인켐 주식회사
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2016-03-15
Also published as: KR20150121734A

Abstract

본 발명은 시멘트 100중량부에 대해 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 조강시멘트 3 내지 12중량부, 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재 4 내지 18중량부, 소석회 1 내지 6중량부, 폴리비닐알코올(PVA) 수지 0.6 내지 6중량부, 알루미늄 파우더 0.002 내지 0.006중량부, 분산제 0.4 내지 1.2중량부, 세골재 100 내지 180중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 보수ㅇ보강 모르타르 조성물에 관한 것이다.

Description

폴리머 보수·보강 모르타르 조성물{Composition of polymer repairing and reinforcing mortar}

본 발명은 조강특성을 부여하여 공기를 단축할 수 있으며, 균열제어 등을 통해 내화학성을 증진시켜 내구성이 우수한 보수·보강이 가능한 폴리머 모르타르 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 콘크리트 구조물은 높은 내구성에도 불구하고 시간경과에 따른 열화현상에 의해 구조적 문제점이 도출된다. 이러한 열화현상은 다양하게 나타나고 있으나 콘크리트 물성자체가 갖고 있는 건조수축, 온도수축 등에 의해 균열부위가 발생하며, 이러한 구조물의 균열부위에서 콘크리트의 중성화가 촉진됨과 동시에 콘크리트 부분에서 열화현상이 복합적으로 발생되어 구조물 표면이 박리, 박락의 현상을 보이는 문제가 있다.

이에 이러한 콘크리트 구조물에서는 시간의 경과에 따라 열화현상, 외부하중의 변화와 같은 구조적인 문제 등에 의해 보수/보강이 필연적이며 이러한 보수/보강 모르타르로서 다양한 폴리머 모르타르가 제시되고 있다.

그런데 이러한 폴리머 모르타르는 응결지연으로 인하여 초벌, 재벌, 정벌과정을 거치므로 공사기간 지연으로 인하여 전반적으로 동절기 공사 부재 및 공사비용이 증가되어 시공업체의 애로사항이 가중되는 문제가 있으며, 폴리머 모르타르에 의하더라도 콘크리트의 균열문제는 상존하고 있다.

이에 대한민국 특허등록 제635464호에서는 10~39.5중량%의 시멘트; 30~35중량%의 세골재; 10~15중량%의 플라이애시; 5~10중량%의 세라믹 재질이며, 비중이 0.8~1이고, 입경이 60~150μm인 경량비드; 3~5중량%의 CSA팽창재; 2~5중량%의 실리카흄; 0.2~0.5중량%의 유동화제; 10~19.5중량%의 물; 및 전체 체적의 1~3%의 각각의 길이가 8 내지 12mm인 PVA 보강섬유;를 포함하는 섬유로 보강된 모르타르를 제시하고 있다.

그런데 보강섬유만에 의해서는 균열제어가 충분하지 않으며 보강섬유 혼입량을 증가시키면 엉킴현상 등에 의해 강도가 저하되는 문제가 있고 상기 기술에 의하더라도 폴리머 콘크리트의 단점인 응결지연 및 이에 따른 초기강도 저하의 문제를 해결할 수 없다.

대한민국 특허등록 제635464호

이에 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 폴리머 모르타르의 조강성을 확보하면서도 균열을 제어하고 내화학성이 우수하며 강도가 확보되는 보수·보강용 폴리머 모르타르를 제공하고자 함이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폴리머 보수·보강 모르타르 조성물은 시멘트 100중량부에 대해 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 조강시멘트 3 내지 12중량부, 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재 4 내지 18중량부, 소석회 1 내지 6중량부, 폴리비닐알코올(PVA) 수지 0.6 내지 6중량부, 알루미늄 파우더 0.002 내지 0.006중량부, 분산제 0.4 내지 1.2중량부, 세골재 100 내지 180중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉 본 발명에서는 폴리머 모르타르의 단점인 응결지연에 의한 초기강도 저하 등을 제어하기 위해 시멘트를 주제로 하고 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 조강시멘트를 배합하며 이를 보조하기 위해 소석회를 배합하도록 하여 폴리머 모르타르의 조강성을 확보하고 초기강도를 보완하도록 하는 것이다.

단, 이러한 조성의 배합에 의해 속경성이 확보됨에 따라 수축에 의한 균열의 문제가 발생될 수 있는 바, 본 발명에서는 이를 보완하기 위해 초기수축에 대해서는 알루미늄 파우더를 배합하고 장기수축에 대해서는 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재를 더 배합하도록 하여 수축에 의한 균열의 문제를 해결토록 한 것이다. 즉 균열을 제어함으로써 이로 인해 발생될 수 있는 구조적 건전성 저하, 열화 등의 문제를 제어토록 하는 것이다.

또한, 본 발명에서는 상기 조성들에 의한 조기응결에 의해 작업성이 저하되는 것을 방지하고자 분산제가 더 첨가되도록 하였는 바, 분산제는 그 종류를 한정하지 않으나, 멜라민계, 나프탈렌계, 폴리카르본산계 분산제 중 하나 또는 이들의 혼합물이 배합되도록 할 수 있다.

또한 상기 세골재는 그 종류를 한정하지 않으나 바람직하게는 규사 또는 강모래(3호사 내지 7호사)를 배합토록 하는 것이 타당하다.

또한, 본 발명에서는 상기 조성들 외에도 시멘트 100중량부에 대해 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 수지 0.6 내지 6중량부, 스티렌 부타디엔 러버(SBR) 수지 0.6 내지 6중량부, 폴리 에틸렌 옥사이드(PEO) 수지 0.6 내지 6중량부가 더 배합되도록 할 수 있다.

상기 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 수지는 모르타르 경화후의 부착강도가 우수하며, 강도를 높여줌으로써 보수/보강을 위한 모르타르 타설후에 탈착을 방지하도록 하는 것이다.

상기 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 수지가 0.6중량부 미만으로 배합되는 경우 부착강도에 기여하는 효과가 미미하고, 6중량부를 초과하는 경우 점도가 높아져 작업성이 저하될 수 있어 상기 배합비로 한정하는 것이다.

상기 스티렌 부타디엔 러버(SBR) 수지는 모르타르 내부에 폴리머 필름을 형성하여 휨, 인장강도를 증진시킴과 동시에 폴리머 필름막으로 인하여 내구성을 향상시키게 되는 것으로 0.6중량부 미만인 경우 강도기여가 미미하고, 6중량부를 초과하는 경우 경제성이 저하되어 상기와 같이 한정하는 것이다.

상기 폴리 에틸렌 옥사이드(PEO) 수지는 셀프 레벨링을 개선하기 위한 구성에 해당한다.

한편 보수/보강을 요하는 구조물의 경우는 이미 중성화 등 열화가 진행되어 모르타르를 이용하여 보수/보강을 하더라도 이미 진전된 열화가 전이되기 용이한 문제가 있다.

이에 본 발명에서는 상기에서 언급한 조성 외에도 시멘트 100중량부에 대해 전기로 정련 슬래그 10 내지 30중량부와 염화암모늄(NH₄Cl) 0.05 내지 3중량부가 더 배합되도록 하는 예를 제시한다.

본 발명에서 전기로 정련 슬래그 및 염화암모늄을 더 첨가하는 이유는 중성화의 원인이 되는 탄산가스(CO₂)를 제거함으로써 열화의 원인을 근본적으로 해결하고 그 결과물로 발생되는 침강성 탄산칼슘(CaCO₃)이 충진제로서 기능을 하게 되므로 강도를 더욱 보강하게 되기 때문이다.

여기서 전기로 정련 슬래그를 사용하는 이유는 슬래그에 있어 산화칼슘(CaO)의 함량이 제일 높기 때문으로 타 슬래그를 사용하는 경우보다 탄산가스(CO₂) 제거에 의해 열화를 방지하고 그 결과물로서 침강성 탄산칼슘(CaCO₃)이 생성되도록 하여 강도에 기여하는 바가 크기 때문이다.

이러한 조성의 작용기는 염화암모늄이 전기로 정련 슬래그의 CaO와 반응하여 염화칼슘(CaCl₂)과 수산화암모늄(NH₄OH)이 생성되도록 하는 것이며, 염화칼슘(CaCl₂), 수산화암모늄(NH₄OH), 탄산가스(CO₂)가 반응하여 침강성 탄산칼슘(CaCO₃)이 생성되도록 하는 것이다.

즉 탄산가스가 콘크리트와 직접 반응하는 것을 차단토록 하며 염화암모늄(NH₄Cl)에 의해 중성화 방지를 위한 별도의 첨가제가 필요없이 pH저하를 방지할 수 있게 되는 것이다. 또한, 전기로 정련 슬래그는 그 자체만으로도 모르타르의 강도향상에 기여한다.

한편 상기에서 언급한 바와 같이 본 발명은 시멘트 100중량부에 대해 알루미늄 파우더 0.002 내지 0.006중량부를 배합하도록 하여 초기 균열을 제어하도록 하는 바, 경우에 따라서 충분한 초기 균열을 제어할 수 없어 상기 알루미늄 파우더의 배합량을 늘리는 경우 팽창에 의해 초기 균열을 제어할 수는 있으나 물리적으로 과도한 팽창에 의해 오히려 강도 및 작업성이 감소하는 문제가 발생될 수 있다.

이에 본 발명에서는 알루미늄 파우더의 배합량을 한정하면서 시멘트 100중량부에 대해 스테아르산 0.001 내지 0.01중량부가 더 배합되도록 하는 예를 제시한다.

상기 스테아르산은 일정한 상전이온도(phase transition temp)에서 상변화에 필요한 열량을 외부에서 흡수하는 특성을 지니는 것으로, 모르타르에 첨가되는 경우 시멘트의 수화반응으로 인한 수화온도가 해당 상전이온도에 도달하게 되면 물리적인 상변화에 의해 시멘트의 수화열을 흡수함에 따라 전체 모르타르의 수화열을 저감시키도록 하는 것으로 이러한 수화열 저감에 따라 초기 수축에 의한 균열을 제어할 수 있게 되는 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명의 폴리머 보수·보강 모르타르는 기존 폴리머 모르타르의 단점인 조강성을 도입하여 공기단축이 가능하며, 조강성 도입에 따른 수축균열을 제어하여 열화를 방지하고 부착강도를 향상시키며, 이에 더하여 강도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이하, 실험 예를 통하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.

본 실험에 있어 사용될 폴리비닐알콜(PVA)수지는 폴리초산비닐을 검화 탈초산하여 얻어지는 고분자 화합물로 점도가 45,000~65,000cps인 것을 사용하였다.

또한, 본 실험에 있어 사용될 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 조강형 시멘트 및 팽창재의 물성은 하기 표 1과 같다.

구분	화학성분(%)
구분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃
CSA ESC (조강재)	6.3	36.7	0.6	42.7	1.5	10.4
CSA EC (팽창재)	7.2	15.1	0.9	41.3	0.7	34.0

또한, 본 실험에 있어 사용될 나일론 섬유의 물성은 하기 표 2와 같다.

구분	나일론 섬유 특성
	비중	직경	길이	인장강도	탄성계수
	1.04~1.16	12.23~36micron	3~19mm	min. 800MPa	min. 3.5GPa

또한, 본 실험에 있어 사용될 분산제의 물성은 하기 표 3과 같다.

구분	나프탈렌 셀포네이트 나트륨염
	고형분 농도	SO₄ ^-2 농도	pH	이온성
	min. 92%	max. 3.5%	8~10	음이온성

또한, 본 실험에서 사용될 알루미늄 파우더의 물성은 하기 표 4와 같다.

성분(%)	Bi	Mg	Fe	Mn	Al
성분(%)	0.03	0.006	0.094	0.001	99.86

상기에서 언급한 조성들을 가지고 하기 표 5 및 표 6에 도시된 바와 같이 시료를 각각 제작하였다.

재료		1	1-1	1-2	1-3	1-4	2	2-1	2-2	3	3-1	3-2	3-3	3-4	3-5
A	OPC	46	43.7	41.4	43.2	42.7	39.2	38.3	37.5	39.2	39.2	39.2	39.2	39.2	39.2
	CSA ESC		2.3	4.6	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3
	Ca(OH)₂				0.5	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
B	CSA EC						3.5	4.4	5.2	3.5	3.5	3.5	3.5	3.5	3.5
B	AP									0.001	0.0015	0.002	0.004	0.001	0.001
C	PVA
D	SP	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
E	NP
F	BSF
G	N
H	S													0.002	0.006
I	FA	54	54	54	54	54	54	54	54	54	54	54	54	54	54

재료		4	4-1	4-2	5	5-1	5-2	6	6-1
A	OPC	38.9	38.7	38.5	38.65	38.6	38.5	38.6	28.6
	CSA ESC	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3	2.3
	Ca(OH)₂	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
B	CSA EC	3.5	3.5	3.5	3.5	3.5	3.5	1.5	1.5
B	AP	0.0015	0.0015	0.0015	0.0015	0.0015	0.0015	0.0015	0.0015
C	PVA	0.3	0.5	0.7	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
D	SP	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
E	NP				0.05	0.10	0.20	0.10	0.10
F	BSF							10	20
G	N							0.05	0.1
H	S	0.002	0.002	0.002	0.002	0.002	0.002	0.002	0.002
I	FA	54	54	54	54	54	54	54	54

A: OPC(1종 보통 포틀랜드시멘트), CSA ESC(칼슘 설포 알루미네이트계 조강시멘트), Ca(OH)₂(수산화칼슘)

B: CSA EC(칼슘 설포 알루미네이트계 팽창재), AP(알루미늄 파우더)

C: PVA(폴리비닐알콜),

D: SP(멜라민계 분산제)

E: NP(나일론 섬유)

F: BSF(전기로 정련 슬래그 미분말)

G: N(염화암모늄)

H: S(스테아르산)

I: FA(세골재)

< CSA 계 조강형 시멘트, CSA 계 팽창재 등에 의한 압축강도 실험>

상기 시료에 대한 압축강도실험을 하였으며 그 결과가 하기 표 7에 도시되고 있다.

구분	압축강도(MPa)
구분	3일	7일	28일
1	24.0	38.7	46.3
1-1	29.5	42.6	55.0
1-2	36.4	46.8	52.7
1-3	32.2	45.9	58.2
1-4	34.7	48.1	61.4
2	33.5	47.3	59.5
2-1	31.8	46.0	57.0
2-2	30.6	44.5	53.8
3	33.3	47.1	59.5
3-3	29.4	40.4	57.1
3-4	33.4	47.8	59.6
3-5	34.1	47.6	59.5

상기 표 7에서 보는 바와 같이 일반 1종 포틀랜드시멘트만을 배합한 시료 1에 비해 CSA계 조강형 시멘트가 첨가된 타 시료들이 재령3일 압축강도가 증가되는 것을 알 수 있었다.

이는 초기에 에트린자이트생성 수화물에 의해 치밀한 경화체가 생성되었기 때문이며, 속경성 보조재인 수산화칼슘을 첨가한 시료 1-3 등은 초기 물과의 급격한 반응으로 인하여 초기강도 및 장기강도가 우수하게 나타나는 것을 알 수 있었다.

또한, 건조수축을 방지하기 위하여 CSA계 팽창재가 첨가되는 시료 2등은 시료 1 내지 1-4에 비하여 첨가비율에 따라 에트린자이트 생성에 의한 팽창압으로 압축강도가 다소 감소됨을 알 수 있었다.

그러나 시료 2의 경우(3.5중량% 첨가시) 초기 침상의 에트린자이트 생성 및 이들 팽창이 기공을 메움으로 팽창으로 인한 건조수축 저감효과를 얻을 수 있음은 물론 공극채움효과가 부가되어 압축강도 감소 저감효과가 있는 것을 알 수 있었다.

또한, 시료 3 내지 3-5는 시료 2와 동일하게 배합하면서 알루미늄 파우더(AP)의 배합량을 달리하며 시료 3-4 및 시료 3-5는 이에 더하여 스테아르산이 더 첨가되도록 하였다.

상기 표 7에서 보는 바와 같이 시료 3-3의 경우 시료 3과 대비 초기압축강도(1일, 3일)가 급격히 저하되는 것을 알 수 있었다.

이에 초기 균열의 제어를 위해 알루미늄 파우더의 배합량을 과다하게 하는 경우 페이스트의 물리적 팽창으로 인해 오히려 강도가 감소되는 것을 알 수 있었다.

이에 반해 시료 3-4 및 3-5의 경우는 초기 균열의 제어를 위해 알루미늄 파우더는 시료 3과 동일하게 배합하되 스테아르산을 더 배합한 결과 초기강도가 저하되는 것을 제어할 수 있음을 알 수 있었다. 초기균열 제어에 대한 효과는 이하 실험결과에서 제시하고 있다.

< CSA 계 팽창재 , 알루미늄 파우더 등에 의한 길이변화율 실험>

시료에 대한 길이변화율 실험을 하였으며 그 결과가 하기 표 8에 도시되고 있다.

구분	길이변화율(%)
구분	1일	3일	7일	28일
1	-0.008	-0.042	-0.070	-0.14
2	0.006	-0.0003	-0.0017	-0.0021
2-1	0.008	0.0001	-0.0004	-0.0012
2-2	0.014	0.009	0.002	-0.0007
3	0.023	0.010	0.006	0.002
3-1	0.035	0.019	0.012	0.008
3-2	0.042	0.026	0.020	0.013
3-4	0.024	0.008	0.002	0.001
3-5	0.023	0.007	0.002	0.0007

상기 표 8에서 보는 바와 같이 길이변화율은 CSA계 팽창재를 첨가한 경우 재령의 경과에 따라 CSA계 팽창재를 첨가하지 않은 시료 1에 비하여 길이변화율이 감소하는 것을 알 수 있는바, CSA계 팽창재를 첨가함에 따라 건조수축을 감소시켜 보수/보강 모르타르의 균열발생 저감 및 열화현상에 의한 보수비용을 줄일 수 있음을 알 수 있었다.

또한, 초기수축의 경우 CSA계 팽창재만을 첨가하는 경우 그 효과가 미비하여 시료 3 등에서는 알루미늄 파우더(AP)를 일정량 첨가함으로써 초기 수축제어가 가능한 것을 알 수 있었다.

이에 더하여 시료 3-4 및 3-5의 경우는 알루미늄 파우더에 더하여 스테아르산을 첨가하였는 바, 시료 3에 비해 초기 길이변화율이 더욱 감소되는 것을 알 수 있었으며 본 실험을 통해 상기 압축실험에서 본 바와 같이 알루미늄 파우더와 스테아르산을 같이 첨가하는 경우가 초기강도저하를 방지하면서도 균열제어효과를 배가시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.

< 폴리머 , 전기정련슬래그 등의 첨가에 따른 압축강도, 휨강도, 부착강도 실험>

폴리머, 전기정련슬래그 등의 첨가에 따른 압축강도, 휨강도, 부착강도 실험을 하였으며 그 결과를 하기 표 9에 도시한다.

구분	압축강도(MPa)	휨강도(MPa)	부착강도(MPa)
2	59.5	9.1	1.7
4	61.2	10.4	1.9
4-1	64.7	11.5	2.0
4-2	60.6	12.2	2.2
5	65.2	12.8	2.3
5-1	64.8	13.0	2.5
5-2	61.0	11.7	2.0
6	66.4	13.1	2.1
6-1	67.1	14.1	2.2

휨강도의 경우 PVA 폴리머량이 첨가됨에 따라 증가되었으며, 부착강도는 섬유의 첨가량이 과도하면 섬유자체가 균일하게 혼합되지 않고 엉킴현상이 발생하므로 오히려 휨강도, 부착강도가 저하됨을 알 수 있었다.

또한, 시료 6 및 6-1은 타 시료의 조성과 동일하되 전기로 정련 슬래그 및 염화암모늄을 더 첨가한 것으로 전기로 정련 슬래그 자체가 첨가됨에 의함은 물론 전기로 정련 슬래그와 염화암모늄의 반응에 의해 침강성 탄산칼슘이 생성되어 충진제로서 기능을 함으로써 압축강도 및 휨강도가 증가되는 것을 알 수 있었다.

< 폴리머 , 전기로 정련 슬래그 등의 첨가에 따른 내화학성 실험>

폴리머, 전기로 정련 슬래그 등의 첨가에 따른 염화물 이온 침투저항성 및 내산성에 대한 실험을 하였으며, 그 결과가 하기 표 10에 도시되고 있다.

구분	염화물이온 침투깊이(mm)	내상성(5% H₂SO₄)
1	3.2	4.2
5-1	1.7	2.8
6	1.4	2.2
6-1	1.1	1.6

일반 포틀랜드시멘트만을 배합한 시료 1에 비해 폴리머, 조강재 등이 더 배합된 시료 5-1이 내화학성이 우수한 것을 알 수 있으며, 특히 전기로 정련 슬래그가 더 첨가된 시료 6 및 시료 6-1의 경우가 더욱 내화학성이 우수한 것을 알 수 있었다.

이는 전기로 정련 슬래그가 장기재령에서 포졸란반응으로 CSH 수화물이 생성되도록 하여 경화체의 기공율 감소 및 잉여 Ca(OH)₂를 감소시킴에 기인한 것으로 예측되며, 또한 전기로 정련 슬래그가 염화암모늄과 반응하여 탄산가스를 제거함으로써 중성화를 방지하고 또한 반응의 결과물로 생성되는 침강성 탄산칼슘이 충진되어 밀실한 구조가 형성되도록 함에 기인한 것으로 판단된다.

Claims

시멘트 100중량부에 대해 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 조강시멘트 3 내지 12중량부, 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재 4 내지 18중량부, 소석회 1 내지 6중량부, 폴리비닐알코올(PVA) 수지 0.6 내지 6중량부, 알루미늄 파우더 0.002 내지 0.006중량부, 분산제 0.4 내지 1.2중량부, 세골재 100 내지 180중량부, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 수지 0.6 내지 6중량부, 스티렌 부타디엔 러버(SBR) 수지 0.6 내지 6중량부, 폴리 에틸렌 옥사이드(PEO) 수지 0.6 내지 6중량부가 배합되며,
이에 더하여 시멘트 100중량부에 대해 전기로 정련 슬래그 10 내지 30중량부와 염화암모늄(NH₄Cl) 0.05 내지 3중량부가 더 배합되도록 하여 전기로 정련 슬래그와 염화암모늄의 반응에 의해 중성화의 원인이 되는 탄산가스(CO₂)를 제거하고 반응의 결과물로 발생되는 침강성 탄산칼슘(CaCO₃)이 충진제로서 기능을 하게 하는 것을 특징으로 하는 폴리머 보수·보강 모르타르 조성물.
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제 1항에 있어서,
시멘트 100중량부에 대해 스테아르산 0.01 내지 0.1중량부가 더 배합되는 것을 특징으로 하는 폴리머 보수·보강 모르타르 조성물.