KR101891243B1 - 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 단면 보수 공법 - Google Patents

콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 단면 보수 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 단면 보수 공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트의 중성화로 인한 강도 및 내구성 저하를 방지할 수 있고, 염소이온을 고정시켜 철근의 부식과 이로 인한 콘크리트의 단면 탈락을 방지할 수 있는 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 단면 보수 공법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 단면 보수 공법은 콘크리트 구조물의 중성화 및 염해 각각 및 복합열화에 대한 저항 성능이 우수하여 콘크리트 구조물의 강도 및 내구성 저하를 방지할 수 있고, 이를 통해 콘크리트 구조물의 사용수명과 내구수명을 연장할 수 있는 효과가 있고 콘크리트 구조물의 유지관리 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 단면 보수 공법{Mortar composite for repairing cross-section of concrete structures and method of repairing concrete structures by using the same}
본 발명은 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 단면 보수 공법에 관한 것으로서, 콘크리트 구조물이 중성화, 염해 및 이들의 복합에 의해 열화되는 것을 방지할 수 있는 모르타르 조성물 및 이를 이용한 보수 공법에 대한 것이다.
콘크리트는 성형성, 내화성, 경제성 등이 우수하여 건설재료로서 많이 사용되어 왔으며, 특히 철근과 콘크리트의 높은 부착력과 유사한 열팽창 계수에 의해 압축은 콘크리트가 부담하고 인장은 철근이 부담하는 철근 콘크리트가 많이 사용되고 있다.
콘크리트가 이산화탄소(CO2)에 노출되면 화학식 1과 같이 시멘트의 C-S-H (Calcium Silicate Hydrate) 계열의 수화물[(CaO)3(SiO2)2(H2O)3]과 이산화탄소가 반응하여 중성인 탄산칼슘이 형성되는 중성화(탄산화)가 발생되고, 이로 인해 시멘트 매트릭스에서 칼슘이온(Ca2+)의 용출이 가속화되어서 콘크리트의 공극률이 증가될 뿐만 아니라 시멘트의 C-S-H계 수화 생성물로부터 칼슘 성분의 분리가 촉진되어 함수 실리카(Hydrous Silica)가 형성되고, 이로 인해 콘크리트의 강도 및 내구성이 저하된다.
[화학식 1]
[(CaO)3(SiO2)2(H2O)3] + 3CO2 → 3CaCO3 + 2SiO2 + 3H2O
또한, 콘크리트 내의 철근 표면에는 콘크리트가 강알칼리성이 때문에 20 내지 60 Å 두께의 부동태 피막(γ-Fe2O3·nH2O)이 형성되어져 있기 때문에 철근이 부식으로부터 보호된다.
그러나 화학식 2와 같이 고알칼리성의 시멘트 수화물인 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 이산화탄소가 반응하여 중성인 탄산칼슘(CaCO3)이 형성되는 중성화(탄산화)나 유해한 이온의 침투(염해)에 의해 콘크리트의 pH가 약 10 이하로 내려가서 부동태 피막이 파괴되어 철근에 수분과 산소가 접촉되면 철근의 부식이 진행되고, 철근의 부식으로 철근의 체적이 팽창되면 콘크리트 균열과 단면 탈락 이 발생된다.
[화학식 2]
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
콘크리트 내의 철근 부식을 촉진시키는 유해한 이온으로는 할로겐 이온(Cl-, F-, I-, Br-), 황산이온(SO4 2-) 등의 음이온이 있는데, 이 중에서 염소이온(Cl-)은 화학식 3과 같이 철근 표면에 형성되어 있는 부동태 피막의 약점에 흡착하여 부동태 피막을 국부적으로 파괴하여 철근의 부식을 촉진시켜서 콘크리트의 균열과 단면 탈락 등을 일으키는 주된 음이온이다.
[화학식 3]
양극 : Fe → Fe2+ + 2e-
음극 : O2 + H2O + 2e- → 2(OH-)
Fe + 2Cl- → FeCl2 + 2e-
FeCl2 + 2OH- → Fe(OH)2 + 2Cl-
2Fe(OH)2 + O2 → Fe2O3 + 2H2O (녹 발생)
한편, 콘크리트 구조물은 중성화 및 염해의 복합열화 환경에 노출된 경우가 대부분이며, 중성화 및 염해 각각의 열화에 노출된 경우보다 복합열화에 노출되었을 때 중성화 깊이와 염소이온의 침투 깊이가 증가되어 철근의 부식이 더욱 촉진된다.
상술한 중성화와 염해에 의해 단면이 탈락된 콘크리트 구조물을 보수하기 위해 보수용 모르타르 개발 및 공법에 관한 많은 연구가 진행되고 있으나, 종래에 고로슬래그, 실리카흄 등의 광물질 혼화재를 사용하여 포졸란 반응으로 모르타르의 공극을 치밀하게 하여 이산화탄소나 염소이온의 침투를 억제하는 방법은 모르타르 내에 미세한 균열이 발생되는 경우 균열을 통해 이산화탄소나 염소이온이 침투되는 문제점이 있었고, 모르타르에 알코올계 방청제나 음이온 교환 수지를 사용하여 염소이온을 고정시키는 방법은 염소이온을 고정시키지만 이산화탄소를 고정시키지 못하는 문제점이 있었으며, 염소이온을 확실하게 결합시킬 수 없기 때문에 염소이온이 자유 염화이온으로 되고 철근에 흡착되어 철근의 부식을 촉진시키는 문제점이 있기 때문에 이산화탄소와 염소이온을 차단하기 위한 고정화 방법이나 제거 방법에 관한 연구가 절실히 요구되고 있다.
한국 공개특허 제10-2010-0004834호 한국 공개특허 제10-2015-0033475호 한국 등록특허 제10-1051761호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 의한 것으로서, 콘크리트의 중성화로 인한 강도 및 내구성 저하를 방지할 수 있고, 염소이온을 고정시켜 철근의 부식과 이로 인한 콘크리트의 단면 탈락을 방지할 수 있는 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 단면 보수 공법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 전체 조성물 총 중량을 기준으로 (1) 시멘트 24.68 내지 25.18 중량%, (2) 규사 61.76 내지 62.28 중량%, (3) 인산수소칼슘 2.28 내지 2.48 중량%, (4) 파이로오라이트 3.53 내지 3.76 중량%, (5) 조강재 1.18 내지 1.27 중량%, (6) 재유화형 분말 폴리머 4.72 내지 4.78 중량%, (7) 보강섬유 0.68 내지 0.96 중량%, (8) 고성능 감수제 0.31 내지 0.36 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 단면 보수용 건식 모르타르 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 철근이 노출되지 않은 박리 또는 박락된 콘크리트 단면을 보수하는 공법에 있어서, (A) 상기 콘크리트의 하지면 처리 단계, (B) 프라이머 도포 단계, (C) 유동식 모르타르 조성물 충전 단계, (D) 표면 보호 코팅재 도포 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근 비노출 박리 또는 박락 콘크리트 단면 보수 공법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 철근이 노출된 콘크리트 단면을 보수하는 공법에 있어서, (a) 콘크리트의 하지면 처리 단계, (b) 철근 녹 제거 단계, (c) 철근 방청재 도포 단계, (d) 프라이머 도포 단계, (e) 유동식 모르타르 충전 단계, (f) 표면 보호 코팅재 도포 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근 노출 콘크리트 단면 보수 공법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 콘크리트 구조물을 보수하기 위한 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물을 보수하기 위한 공법은 콘크리트 구조물의 중성화 및 염해 각각 및 복합열화에 대한 저항 성능이 우수하여 콘크리트 구조물의 강도 및 내구성 저하를 방지할 수 있고, 이를 통해 콘크리트 구조물의 사용수명과 내구 수명을 연장할 수 있는 효과가 있고 콘크리트 구조물의 유지 관리 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박리 또는 박락된 콘크리트 구조물의 보수 공법 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 박리 또는 박락된 콘크리트 구조물의 보수 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 철근이 부식된 콘크리트 구조물의 보수 공법 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 철근이 부식된 콘크리트 구조물의 보수 단면도이다.
도 5는 부착강도 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 휨강도 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 압축강도 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 화학 저항성 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 중성화 저항성 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 염소이온 침투 저항 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 11은 부식 저항 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 12는 중성화 및 염해 복합열화에 의한 중성화 저항 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 13은 중성화 및 염해 복합열화에 의한 염소이온 침투 저항 성능 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면은 전체 조성물 총 중량을 기준으로 (1) 시멘트 24.68 내지 25.18 중량%, (2) 규사 61.76 내지 62.28 중량%, (3) 인산수소칼슘 2.28 내지 2.48 중량%, (4) 파이로오라이트 3.53 내지 3.76 중량%, (5) 조강재 1.18 내지 1.27 중량%, (6) 재유화형 분말 폴리머 4.72 내지 4.78 중량%, (7) 보강섬유 0.68 내지 0.96 중량%, (8) 고성능 감수제 0.31 내지 0.36 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 단면 보수용 건식 모르타르 조성물에 관한 것이다.
일 구현예에 따르면, 상기 규사는 입자 크기가 0.2 내지 0.8 mm이고, 상기 인산수소칼슘은 입자 크기가 0.1 내지 0.2 μm이며, 상기 파이로오라이트는 입자 크기가 0.5 내지 1.0 μm이고, 상기 재유화형 분말 폴리머는 입자 크기가 0.2 내지 0.5 μm이며, 상기 보강섬유는 길이가 20 내지 60 mm, 직경이 0.3 내지 1.0 mm이다.
바람직한 구현예에 따르면, ① 상기 건조 규사는 입자 크기가 0.2 내지 0.3 mm인 세립자와 입자 크기가 0.7 내지 0.8 mm인 조립자의 혼합물이고, ② 상기 파이로오라이트는 입자 크기가 0.5 내지 0.6 μm인 세립자와 입자 크기가 0.9 내지 1.0 μm인 조립자의 혼합물이며, ③ 상기 재유화형 분말 폴리머는 입자 크기가 0.2 내지 0.3 μm인 세립자와 입자 크기가 0.4 내지 0.5 μm인 조립자의 혼합물일 뿐만 아니라, ④ 특히 상기 보강섬유는 길이가 20 내지 30 mm, 직경이 0.9 내지 1.0 mm인 단 종횡비(aspect ratio) 보강섬유와 길이가 50 내지 60 mm, 직경이 0.3 내지 0.4 mm인 장 종횡비 보강섬유의 혼합물이다.
위 ① 내지 ④의 조건을 모두 만족하는 경우, 위 건식 조성물과 물을 혼합하여 단면을 보수한 후에 어떠한 외부 요건 하에서도 위 성분들이 서로 균일하게 섞여 재료 분리가 발생하지 않는 반면, 위 ① 내지 ④ 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우, 일정한 외부 요건 하에서는 재료 분리가 발생할 수 있다는 점을 확인하였다.
가장 바람직한 구현예에 따르면, 위 ① 내지 ④ 조건을 충족함과 동시에, ⑤ 상기 건식 조성물 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 0.2 중량부의 금속 그래프팅 다공성 구조체를 추가로 포함하는 것이다.
이와 같이, 위 ① 내지 ④에 추가로 ⑤의 조건까지 모두 만족하는 경우, 어떠한 외부 요건 하에서도 단면 보수의 대상이 되는 콘크리트보다 먼저 단면 보수된 모르타르에 균열이 발생하지 않는 반면, 위 ① 내지 ⑤ 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우, 일정한 외부 요건 하에서 단면 보수의 대상이 되는 콘크리트보다 먼저 단면 보수된 모르타르에 균열이 발생할 수도 있다는 점을 확인하였다.
일반적으로, 다공성 물질 중에서 균일한 크기의 기공이 균일하게 배열된 물질을 분자체(molecular sieve)라고 한다. 미국의 모빌사에서 개발된 MCM (Mobile Crystalline Material) 중 MCM-41은 실리카 판 위에 일정한 크기를 갖는 일직선 모양의 기공이 육각형 배열, 즉 벌집 모양으로 균일하게 채널을 형성하고 있는 구조를 갖는 물질이다. MCM-41은 최근까지의 연구 결과에 의하면 액정 주형 경로를 통하여 제조된다고 알려져 있다.
즉, 계면 활성제가 수용액 내에서 액정구조를 형성하고 이 주위를 규산염 이온이 둘러싸면서 수열 반응(hydrothermal reaction)을 통해 계면활성제와 MCM-41의 접합체가 형성되고 계면활성제를 500 내지 600 ℃의 온도에서 소성 처리하여 제거하게 되면 MCM-41을 얻을 수 있다. 이때, 계면활성제의 종류를 변화시키거나 다른 유기 물질을 넣어주는 등 제조 조건을 변화시키게 되면 기공 크기를 1.6 내지 10 nm까지 변화시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 이러한 MCM-41과 같은 다공성 구조체 자체를 사용하는 것이 아니라 이러한 다공성 구조체의 합성 시 에 금속염화물을 첨가함으로써 금속이 그래프팅된 다공성 구조체를 제조하여 사용한다는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 금속 그래프팅 다공성 구조체의 예시로서 Al 그래프팅 MCM-41을 들 수 있는데, 이는 이하에서는 Al-MCM-41로 나타낸다. 상기 Al이 그래프팅되었다는 의미는 다공성 구조체의 제조시에 실리콘과 산소의 사이에 Al이 삽입되어 결합을 하고 있는 구조라고 할 수 있으며, MCM-41의 경우는 육각형 모양의 균일한 채널을 이루는 벽이 SiO2(실리카)로 이루어져 있기 때문에 양자는 화학적 구조가 전혀 다르다.
본 발명의 다른 측면은 철근이 노출되지 않은 박리 또는 박락된 콘크리트 단면을 보수하는 공법에 있어서, (A) 상기 콘크리트의 하지면 처리 단계, (B) 프라이머 도포 단계, (C) 유동식 모르타르 조성물 충전 단계, (D) 표면 보호 코팅재 도포 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근 비노출 박리 또는 박락 콘크리트 단면 보수 공법에 관한 것이다.
일 구현예에 따르면, 상기 유동식 모르타르 조성물은 본 발명의 여러 구현예에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 건식 모르타르 조성물과 물을 1 : 0.15 내지 0.17의 중량비로 혼합한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 철근이 노출된 콘크리트 단면을 보수하는 공법에 있어서, (a) 콘크리트의 하지면 처리 단계, (b) 철근 녹 제거 단계, (c) 철근 방청재 도포 단계, (d) 프라이머 도포 단계, (e) 유동식 모르타르 충전 단계, (f) 표면 보호 코팅재 도포 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근 노출 콘크리트 단면 보수 공법에 관한 것이다.
일 구현예에 따르면, 상기 유동식 모르타르 조성물은 역시 본 발명의 여러 구현예에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 건식 모르타르 조성물과 물을 1 : 0.15 내지 0.17의 중량비로 혼합한 것이다.
이하에서는, 본 발명의 여러 측면과 구현예에 대해서 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에서 시멘트는 모르타르 조성물을 결합시키고 모르타르의 역학성능을 발현시키기 위한 것으로서, 온도 및 공사기간에 따라 보통 시멘트, 조강성 시멘트, 초속경 시멘트를 사용할 수 있다.
함량은 전체 조성물 중량을 기준으로 24.68 내지 25.18 중량%로 포함될 수 있고, 상기 수치 범위를 초과하는 경우에는 수화열이 많아져 균열이 발생되고 비경제적인 모르타르가 되는 문제점이 있을 수 있고, 미만인 경우에는 조성물과 물의 배합시간이 길어지고 모르타르의 점성이 낮아져 재료분리가 발생되는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에서 규사는 모르타르 내에서 발생하는 미세 균열이 진행하는 것을 방지하고 경제적인 모르타르를 제조하기 위한 것으로서, 입자의 크기에 제한을 두는 것은 아니나 모르타르의 흐름성과 미장 마감성을 고려하여 입자 크기가 0.2 내지 0.8 mm인 건조된 규사가 바람직하다.
함량은 전체 61.76 내지 62.28 중량%로 포함될 수 있고, 상기 수치 범위를 초과하는 경우에는 공기량 및 혼합수량의 증가로 강도가 저하되는 문제점이 있을 수 있고, 미만인 경우에는 부배합의 모르타르가 이루어져 모르타르 내에서 발생하는 미세균열의 진행을 방지하는 성능이 부족한 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에서 인산수소칼슘은 중성 칼슘염의 용액에 인산알칼리를 가하여 얻어지는 무기 물질이며 콘크리트 구조물의 이산화탄소에 의한 중성화와 이로 인한 강도 및 내구성 저하를 방지하기 위한 것으로서, 열역학적 및 화학적으로 안정적인 수산화인회석(Hydroxy apatite)을 형성하여 이산화탄소 환경에 노출된 콘크리트 구조물의 내구성을 증진시켜 중성화 반응으로부터 시멘트의 C-S-H계 수화생성물을 보호하는데, 입자의 크기에 제한을 두는 것은 아니나 균등 분산과 작업성을 고려하여 입자 크기가 0.1 내지 0.2 μm인 분말이 바람직하다.
함량은 전체 조성물 중량을 기준으로 2.28 내지 2.48 중량%로 포함될 수 있을 수 있고, 상기 수치 범위를 초과하는 경우에는 조성물 내 시멘트의 수화반응을 지연시켜 초기 강도 발현이 부족한 문제점이 있을 수 있고, 미만인 경우에는 모르타르의 중성화 방지 성능이 부족한 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에서 사용되는 파이로오라이트는 2가 금속 양이온과 3가 금속 양이온 층의 사이에 이온 교환이 가능한 음이온 층으로 구성된 염기성의 탄산염 물질이며, 염소이온에 의한 콘크리트 내부의 철근이 부식되는 것을 방지하기 위한 것이다.
콘크리트 구조물의 내부에 존재하거나 외부로부터 침투되는 염소이온을 양이온 층 사이에 삽입시켜 염소이온을 고정시킴으로써 철근의 부식과 그로 인한 콘크리트의 탈락을 방지할 수 있다.
입자의 크기에 제한을 두는 것은 아니나 균등 분산과 작업성을 고려하여 입자 크기가 0.5 내지 1.0 μm인 분말이 바람직하다.
함량은 전체 조성물 중량을 기준으로 3.53 내지 3.76 중량%로 포함될 수 있고, 상기 수치 범위를 초과하는 경우에는 모르타르의 점성이 높아져 작업성이 저하되는 문제점이 있을 수 있고, 미만인 경우에는 모르타르의 염해 방지 성능이 부족한 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에서 조강재는 모르타르의 초기 강도를 발현시키기 위한 것으로서, 산화칼슘 32.54 내지 33.84 중량%, 산화알루미늄 33.75 내지 34.82 중량%, 황산알루미늄 32.16 내지 33.23 중량%로 구성된 혼합물을 사용할 수 있다.
함량은 전체 조성물 중량을 기준으로 1.18 내지 1.27 중량%로 포함될 수 있고, 상기 수치 범위를 초과하는 경우에는 모르타르의 빠른 응결로 인한 작업성이 저하되는 문제점이 있을 수 있고, 미만인 경우에는 모르타르의 초기 강도 발현이 부족한 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에서 재유화형 분말 폴리머는 모르타르 내에서 탄성의 막을 형성하여 모르타르의 수밀성을 증진시키고, 콘크리트 구조물의 하지면과 모르타르 경계에서의 부착력을 증진시키기 위한 것이다.
입자의 크기에 제한을 두는 것은 아니나 모르타르에 물을 혼합했을 때 균등하게 분산되는 것을 고려하여 입자 크기가 0.2 내지 0.5 μm인 분말형태의 아크릴, 스티렌부타디엔고무, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리비닐아세테이트 중 어느 하나 또는 혼합물을 사용할 수 있다.
함량은 전체 조성물 중량을 기준으로 4.72 내지 4.78 중량%로 포함될 수 있고, 상기 수치 범위를 초과하는 경우에는 모르타르 조성물 중의 시멘트, 인산수소칼슘, 파이로오라이트 상호간의 반응이 방해를 받아 강도 저하, 중성화 방지 및 염해 방지 성능이 저하되는 문제점이 있을 수 있고, 미만인 경우에는 모르타르의 부착력과 수밀성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에서 보강 섬유는 모르타르의 휨강도와 인장강도를 증진시키고 화재 발생 시에 모르타르의 폭열현상을 방지하기 위한 것으로서, 섬유의 길이와 직경에 제한을 두는 것은 아니나 균일한 분산과 마감 미장면의 외관을 고려하여 길이는 20 내지 60 mm, 직경은 0.3 내지 1.0 mm이고 인장강도는 500 MPa 이상인 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유 중 어느 하나 또는 혼합물을 사용할 수 있다.
함량은 전체 조성물 중량을 기준으로 0.68 내지 0.96 중량%로 포함될 수 있고, 상기 수치 범위를 초과하는 경우에는 조성물과 물의 배합 시에 섬유 뭉침 현상이 발생되고 마감면이 불량한 문제점이 있을 수 있고, 미만인 경우에는 모르타르의 휨강도와 인장강도 성능이 부족한 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에서 고성능 감수제는 모르타르에 혼합되는 물의 양을 감소시켜 양호한 작업성과 높은 강도 확보를 하기 위한 것으로서, 나프탈렌계, 폴리카본산계, 멜라민계, 리그닌계 중 어느 하나 또는 혼합물을 사용할 수 있다.
함량은 전체 조성물 중량을 기준으로 0.31 내지 0.36 중량%로 포함될 수 있고, 상기 수치 범위를 초과하는 경우에는 모르타르의 점성이 낮아져 작업성이 저하되는 문제점이 있을 수 있고, 미만인 경우에는 모르타르에 혼합되는 물의 양을 감소시키는 성능이 저하되어 많은 양의 물을 혼합해야 되기 때문에 모르타르의 강도가 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에 따른 보수 공법 중 박리 또는 박락된 콘크리트 구조물의 보수 공법은 아래 단계를 포함할 수 있다.
(A) 콘크리트의 하지면 처리 단계(M101)
(B) 프라이머 도포 단계(M102)
(C) 보수용 모르타르 충전 단계(M103)
(D) 표면 보호 코팅재 도포 단계(M104)
여기서, 콘크리트 하지면 처리 단계(M101)는 콘크리트 구조물과 보수용 모르타르의 부착력 저하를 방지하기 위한 것으로서, 현장 여건에 따라 핸드 브레이커, 워터젯, 샌드워터젯 및 기타 적합한 방법으로 실시하는데, 콘크리트 구조물의 열화된 부위, 오염부위, 유류 및 기타 이물질 등을 완전히 제거하는 것이 바람직하다.
프라이머 도포 단계(102)는 콘크리트 구조물과 보수용 모르타르의 부착력을 증진시키기 위한 것으로서, 아크릴, 에폭시, 폴리초산비닐 중 어느 하나 또는 혼합물을 사용할 수 있는데, 현장 여건에 따라 붓, 롤러, 에에리스 및 기타 적절한 방법으로 실시할 수 있고, 상기 처리된 하지면에 누락된 부분이 없이 균등하게 도포하는 것이 바람직하다.
보수용 모르타르 충전 단계(M103)는 탈락된 단면을 원래의 형태로 복구하는 것으로서, 충전해야 할 단면이 넓거나 두께가 큰 경우에는 뿜칠장비를 사용하여 복구하는데, 뿜칠 장비의 노즐은 충전해야 할 단면으로부터 0.5 내지 1.0m 정도의 간격을 두는 것이 바람직하고, 충전해야 할 단면이 좁거나 분산되어 있는 경우에는 작업의 효율성과 경제성을 고려하여 흙손이나 헤라 및 기타 적절한 도구를 사용하여 인력으로 실시하는 것이 바람직하다.
표면 보호 코팅재 도포 단계(M104)는 콘크리트 구조물의 외관 향상 및 내구성 증진을 위한 것으로서, 아크릴, 에폭시, 우레탄, 우레아 중 어느 하나 또는 혼합물을 사용할 수 있고 현장 여건에 따라 붓, 롤러, 에에리스 및 기타 적절한 방법으로 실시할 수 있다. 또한 보수용 모르타르로 단면이 복구된 부위와 원래의 콘크리트 구조물 표면에 도포할 수 있고, 표면 보호 코팅재를 도포하는 것이 필요하지 않을 경우에는 생략할 수 있다.
본 발명의 보수 공법 중 철근이 부식된 콘크리트 구조물의 보수 공법은 아래 단계를 포함할 수 있다.
(a) 콘크리트의 하지면 처리 단계(M201)
(b) 철근 녹 제거 단계(M202)
(c) 철근 방청재 도포 단계(M203)
(d) 프라이머 도포 단계(M204)
(e) 보수용 모르타르 충전 단계(M205)
(f) 표면 보호 코팅재 도포 단계(M206)
여기서, 콘크리트 내의 철근이 노출되어 부식되었거나 부식의 우려가 있는 경우이므로 하지면 처리 단계 이후에 철근 녹 제거 단계와 철근 방청재 도포 단계가 추가적으로 포함되며, 이후의 단계에서의 실시 방법과 조성물 및 조성비는 상기 본 발명에 따른 박리 또는 박락 단면 보수 공법에서 실시하는 것과 동일하다.
철근 녹 제거 단계(M202)는 노출된 철근과 철근 방청재의 부착력 저하를 방지하기 위한 것으로서, 현장 여건에 따라 와이어브러시, 워터젯, 샌드워터젯 및 기타 적할 한 방법으로 실시하는데, 노출된 철근 표면에 느슨하게 붙어 있는 녹을 완전히 제거하는 것이 바람직하다. 또한 노출된 철근이 심하게 부식되어 단면 손실면적이 크기 때문에 역학적으로 문제가 있는 경우에는 새로운 철근이나 보강섬유봉 등의 보강재로 콘크리트 구조물을 먼저 보강하는 것이 바람직하다.
철근 방청재 도포 단계(M203)는 노출된 철근의 표면에 보호막을 형성시켜 철근의 부식 방지를 증진시키기 위한 것으로서, 아크릴, 에폭시, 아질산칼슘 중 어느 하나 또는 혼합물을 사용할 수 있는데, 현장 여건에 따라 붓, 롤러, 에에리스 및 기타 적절한 방법으로 실시할 수 있고, 상기 처리된 철근 표면에 누락된 부분이 없이 균등하게 도포하는 것이 바람직하다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
실시예
이하에서는 상기 접착재 조성물과 방수재 조성물을 사용하여 교면 방수를 하는 방법과 교면 방수 구조에 대해 설명한다.
실시예: 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르의 조성물의 제조
우선, 시멘트 24.74 중량%, 규사 61.86 중량%, 인산수소칼슘 2.46 중량%, 파이로오라이트 3.72 중량%, 조강재 1.23 중량% (산화칼슘 33.12 중량%, 산화알루미늄 34.25 중량%, 황산알루미늄: 32.63 중량%로 제조한 조강재), 재유화형 분말 폴리머 4.72 중량%, 보강섬유 0.95 중량%, 고성능 감수제 0.32 중량%를 혼합하여 건식 모르타르 조성물을 제조하였다.
이렇게 제조한 건식 모르타르 조성물과 물을 1 : 0.16 중량비로 혼합하여 유동식 모르타르 조성물을 제조하였다.
필요에 따라서, 위에서 제조한 건식 조성물 100 중량부를 기준으로 0.15 중량부의 금속 그래프팅 다공성 구조체로서 MCM-41을 추가로 포함시켜 보완된 건식 조성물을 제조한 후, 보완된 건식 모르타르 조성물과 물을 1 : 0.16 중량비로 혼합하여 콘크리트 구조물 단면 보수용 유동식 모르타르 조성물을 제조할 수도 있다.
비교예 1 및 2
비교예 1과 2에서 각각 국내 H사와 국외 F사의 보수용 모르타르를 사용하여 실시예와 동일한 방법으로 시험체를 제작하고 동일한 방법으로 성능을 평가하였다.
시험예: 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르, 국내 H사 및 국외 F사의 콘크리트 보수용 모르타르의 성능 비교 평가
<부착강도 시험>
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 부착강도를 측정하기 위해 KS F 4042 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르에 따라 시험체를 제작하고 대기 중에서 28일 동안 양생시킨 후 표준조건에서 부착강도를 측정하였다.
부착강도 측정 결과 도 5 같이 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 시험체가 비교예 1 및 비교예 2의 보수용 모르타르 시험체에 비해 부착강도가 높게 나타나 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 부착강도가 우수함을 알 수 있었다.
<휨강도 평가>
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 휨강도를 측정하기 위해 KS F 4042 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르에 따라 시험제를 제작하고 대기 중에서 3일, 7일, 28일 동안 양생시킨 후 휨강도를 측정하였다.
휨강도 측정 결과 도 6과 같이 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 휨강도가 비교예 1 및 비교예 2의 보수용 모르타르 시험체의 휨강도보다 더 높게 측정되어 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 휨강도가 우수함을 알 수 있었다.
<압축강도 시험>
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 압축강도를 평가하기 위해 KS F 4042 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르에 따라 휨강도를 평가한 후 KS F 4042 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르에 따라 두 토막으로 잘려진 시험체로 압축강도를 측정하였다.
압축강도 평가 결과, 도 7과 같이 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 압축강도가 비교예 1 및 비교예 2의 모르타르에 비해 압축강도가 더 높게 측정되어 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 압축강도가 우수함을 알 수 있었다.
<화학 저항성 시험>
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 화학약품에 대한 저항 성능을 평가하기 위해 50mm ㅧ 50mm ㅧ 50mm의 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르에 따라 모르타르 시험체를 제작하여 대기 중에서 28일 동안 양생시키고, ASTM C 267 (Standard Test Methods for Chemical Resistance of Mortars, Grouts, and Monolithic Surfacings and Polymer Concretes) 및 ASTM C 579 (Standard Test Methods for Compressive Strength of Chemical-Resistant Mortars, Grouts, Monolithic Surfacings, and Polymer Concretes)에 따라 제조한 5%의 황산(H2SO4) 용액 및 10%의 염화수소산(HCl) 용액에 28일 동안 침지시킨 후 침지 전의 모르타르 중량에 대한 침지 후의 모르타르 중량비로 모르타르의 중량 변화율을 측정하였다.
화학약품에 대한 저항 성능 평가 결과, 도 8과 같이 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 중량 감소가 비교예 1 및 비교예 2의 모르타르의 중량 감소에 비해 더 작게 나타나 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 화학 저항 성능이 우수함을 알 수 있었다.
<중성화 저항성 시험>
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 중성화에 대한 저항 성능을 평가하기 위해 KS F 4042 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르에 따라 모르타르 시험체를 제작하고 대기 중에서 28일 동안 양생시킨 후 중성화를 촉진시켜 중성화 깊이를 측정하였다.
중성화에 대한 저항 성능 평가 결과, 도 9와 같이 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 중성화 깊이가 비교예 1 및 비교예 2의 모르타르의 중성화 깊이에 비해 더 작게 나타나 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 중성화 저항 성능이 우수함을 알 수 있었다.
<염소이온 침투 저항 성능 평가>
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 염소이온 침투에 대한 저항 성능을 평가하기 위해 KS F 4042 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르에 따라 모르타르 시험체를 제작하여 28일 동안 대기 중에서 양생시킨 후 통과전하량을 측정하여 표 1과 같이 KS F 2711 전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험방법에 의해 염소이온 침투 저항 성능을 평가하였다.
통과전하량(Coulombs) 염소이온 침투성
> 4,000 높음
2,000 내지 4,000 보통
1,000 내지 2,000 낮음
100 내지 1,000 매우 낮음
< 100 무시할 만함
염소이온 침투에 대한 저항 성능 평가 결과, 도 10과 같이 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 통과전하량이 비교예 1 및 비교예 2의 모르타르의 통과전하량에 비해 더 작게 나타나 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 염소이온 침투 저항 성능이 우수함을 알 수 있었다.
<부식 저항 성능 평가>
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 철근 부식에 대한 저항 성능을 평가하기 위해 ??10mm의 원형 강봉을 80mmㅧ80mmㅧ100mm의 모르타르 내부에 매입시키고 2일 동안 대기 중에서 양생시킨 후, 양 단면을 에폭시로 코팅하여 12일 동안 대기 중에서 양생시켰다. 이후 3.5%의 염화나트륨 용액에 약 20mm 정도를 6개월 동안 침지시키면서 자연전위를 측정하여, 표 2와 같이 ASTM C 876-1991 Standard Test Method for Corrosion Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete에 의해 부식 저항 성능을 평가하였다.
자연전위 (mV) 철근 부식 여부
E > -200 90% 이하의 확률로 부식 발생 없음
-200 ≥ E > -350 불확실
E ≤ -350 90% 이상의 확률로 부식 발생
부식에 대한 저항 성능 평가 결과, 도 11과 같이 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 자연전위는 비교예 1 및 비교예 2의 모르타르의 자연전위에 비해 더 높게 측정되었고, 콘크리트 내에 존재하는 건전한 철근의 자연전위 범위가 -100 내지 -200mv인 것을 고려하면 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 부식 저항 성능이 우수함을 알 수 있었다.
<중성화 및 염해 복합열화에 대한 저항 성능 평가>
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 중성화 및 염해 복합열화에 대한 저항 성능을 평가하기 위해 80mmㅧ80mmㅧ100mm의 모르타르 시험체를 제작하고 대기 중에서 28일 동안 양생시켰다.
이후 복합열화 챔버를 활용하여 모르타르 시험체에 5%의 이산화탄소를 지속적으로 공급하고 4시간 동안 3.5%의 염화나트륨 용액을 분무한 후 20시간 동안 건조시키는 것을 1사이클로 하여 50사이클 동안 진행한 후 중성화 및 염해 복합열화 작용에 의한 중성화 깊이와 염소이온 침투 깊이를 측정하였다.
중성화 깊이는 모르타르 시험체를 할렬하여 1% 페놀프탈레인 용액을 분무한 후 변색되지 않은 부위를 중성화 깊이로 하였고, 염소이온 침투 깊이는 모르타르 시험체를 할렬하여 0.1N 질산은 용액을 분무하여 변색된 부위를 염소이온 침투 깊이로 하였다.
중성화 및 염해 복합열화에 대한 저항 성능 평가 결과, 도 12 및 도 13과 같이 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 중성화 깊이와 염소이온 침투 깊이가 비교예 1 및 비교예 2의 모르타르의 중성화 깊이와 염소이온 침투 깊이에 비해 더 작게 나타나 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 모르타르 조성물의 중성화 및 염해 복합열화에 대한 저항 성능이 우수함을 알 수 있었다.

Claims (9)

  1. 전체 조성물 총 중량을 기준으로 (1) 시멘트 24.68 내지 25.18 중량%, (2) 규사 61.76 내지 62.28 중량%, (3) 인산수소칼슘 2.28 내지 2.48 중량%, (4) 파이로오라이트 3.53 내지 3.76 중량%, (5) 조강재 1.18 내지 1.27 중량%, (6) 재유화형 분말 폴리머 4.72 내지 4.78 중량%, (7) 보강섬유 0.68 내지 0.96 중량%, (8) 고성능 감수제 0.31 내지 0.36 중량%를 포함하는 콘크리트 구조물 단면 보수용 건식 모르타르 조성물로서,
    상기 규사는 입자 크기가 0.2 내지 0.3 mm인 세립자와 입자 크기가 0.7 내지 0.8 mm인 조립자의 혼합물이고,
    상기 파이로오라이트는 입자 크기가 0.5 내지 0.6 μm인 세립자와 입자 크기가 0.9 내지 1.0 μm인 조립자의 혼합물이며,
    상기 재유화형 분말 폴리머는 입자 크기가 0.2 내지 0.3 μm인 세립자와 입자 크기가 0.4 내지 0.5 μm인 조립자의 혼합물이고, 상기 보강섬유는 길이가 20 내지 30 mm, 직경이 0.9 내지 1.0 mm인 단 종횡비(aspect ratio) 보강섬유와 길이가 50 내지 60 mm, 직경이 0.3 내지 0.4 mm인 장 종횡비 보강섬유의 혼합물이며,
    상기 건식 모르타르 조성물 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 0.2 중량부의 금속 그래프팅 다공성 구조체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 단면 보수용 건식 모르타르 조성물.
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  5. 삭제
  6. 철근이 노출되지 않은 박리 또는 박락된 콘크리트 단면을 보수하는 공법에 있어서,
    (A) 상기 콘크리트의 하지면 처리 단계,
    (B) 프라이머 도포 단계,
    (C) 유동식 모르타르 조성물 충전 단계,
    (D) 표면 보호 코팅재 도포 단계를 포함하는 철근 비노출 박리 또는 박락 콘크리트 단면 보수 공법으로서,
    상기 유동식 모르타르 조성물은 제1항에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 건식 모르타르 조성물과 물을 1 : 0.15 내지 0.17의 중량비로 혼합한 것을 특징으로 하는 철근 비노출 박리 또는 박락 콘크리트 단면 보수 공법.
  7. 삭제
  8. 철근이 노출된 콘크리트 단면을 보수하는 공법에 있어서,
    (a) 콘크리트의 하지면 처리 단계,
    (b) 철근 녹 제거 단계,
    (c) 철근 방청재 도포 단계,
    (d) 프라이머 도포 단계,
    (e) 유동식 모르타르 조성물 충전 단계,
    (f) 표면 보호 코팅재 도포 단계를 포함하는 철근 노출 콘크리트 단면 보수 공법으로서,
    상기 유동식 모르타르 조성물은 제1항에 따른 콘크리트 구조물 단면 보수용 건식 모르타르 조성물과 물을 1 : 0.15 내지 0.17의 중량비로 혼합한 것을 특징으로 하는 철근 노출 콘크리트 단면 보수 공법.
  9. 삭제
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