KR101920271B1 - 고알칼리 우레탄 회합제를 포함하는 급결제 조성물과 이를 이용한 숏크리트 시공방법 - Google Patents

고알칼리 우레탄 회합제를 포함하는 급결제 조성물과 이를 이용한 숏크리트 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기재면의 부착력을 향상시켜 리바운드를 효과적으로 저감시킬 수 있는 새로운 급결제 조성물과 이를 바람직하게 이용한 숏크리트 시공방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 급결제 조성물은, C12A7계 슬래그 100중량부에 대하여, 칼슘설페이트 22~27중량부, 알루미늄설페이트 32~38중량부, 나트륨설페이트 6~15중량부, 열병합보일러애시 15~30중량부, 인산염 5~15중량부, 알루민산나트륨 7~15중량부, 고알칼리 우레탄 회합제 1~5중량부를 포함하여 조성되되, 고알칼리 우레탄 회합제는 실리카졸, 우레탄수지, PVA, NaOH가 pH 11~13으로 조절 혼합되어 분말화된 것임을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 숏크리트 시공방법은, 2성분형 뿜칠 기계 중 한쪽에는 시멘트계 결합재로 배합한 모르타르 내지 콘크리트를 투입하고 다른 한쪽에는 고알칼리 우레탄 회합제를 포함하는 급결제를 투입한 후, 모르타르 내지 콘크리트를 뿜칠하면서 급결제를 뿜칠하여 시공하되, 급결제는 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 4~9중량부 사용하면시 시공하는 것을 특징으로 한다.

Description

고알칼리 우레탄 회합제를 포함하는 급결제 조성물과 이를 이용한 숏크리트 시공방법{Accelerator Composition Including High Alkaline Urethane Associator Shotcrete Construction Method Using the Same}
본 발명은 기재면의 부착력을 향상시켜 리바운드를 효과적으로 저감시킬 수 있는 새로운 급결제 조성물과 이를 바람직하게 이용한 숏크리트 시공방법에 관한 것이다.
숏크리트는 터널 및 지하공간 등의 건설공사나 사면시공 시 굴착면의 안정화를 위해 분사하는 콘크리트이며, 숏크리트 배합에는 안정적인 작업환경과 초기강도 확보를 위해 급결제를 사용한다. 숏크리트는 빠른 급결과 초기 및 장기 강도 확보, 리바운드율 감소 등이 중요한 요구 성능이며, 숏크리트의 품질에 가장 큰 영향을 미치는 급결제의 경우에도 이와 같이 성능이 요구된다.
기존의 숏크리트 급결제는 액상형의 물유리(규산소다)를 주성분으로 하는 실리케이트계와 분말형의 칼슘알루미네이트를 주성분으로 하는 알루미네이트계가 주로 이용되어 왔는데, 이러한 기존의 급결제는 리바운드에 의한 재료손실 및 장기강도 저하가 비교적 큰 한계가 있다.
리바운드에 의한 재료손실을 줄이기 위해 증점제를 첨가한다. 증점제의 종류로는 메틸 셀룰로즈, 하이드록시 에틸셀룰로즈, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로즈 등의 셀룰로즈계, 폴리 아크릴 아미드계 고분자, 웰란검, 커들란 등의 폴리사카라이드계의 바이오 고분자 등이 있으며, 주로 설룰로즈계에서 메틸 셀룰로즈나 하이드록시 프로필 메틸셀룰로즈를 사용하였다.
메틸셀룰로스는 콘크리트 배합 초기부터 과도한 증점효과를 나타내기 때문에 콘크리트 재료의 혼합 효율성을 떨어트리는 단점이 있으며, 이러한 단점을 극복한 것이 하이드록시 프로필 메틸셀룰로즈이다. 하이드록시 프로필 메틸셀룰로즈는 메틸셀룰로즈에 수용성 고분자를 도입한 것으로, 수용성 고분자가 용해된 이후에 메틸셀룰로즈가 증점효과를 나타내게 하여 증점효과의 발현을 지연시킬 수 있다. 그러나 셀룰로스계 증점제는 물을 증점시키는 방식을 증점효과에 한계가 있다. 다시 말해 물 입자를 가지고 있는 상태에서 증점을 하게 되므로 경화 및 건조과정에서 물 제거가 늦어져 급결이나 초기 강도 성능 확보가 어렵다.
KR 1012464070000 B1 KR 1014606280000 B1
본 발명은 점성 부여로 기재면의 부착력을 향상시켜 리바운드를 효과적으로 저감시킬 수 있는 새로운 급결제를 제공하고자 개발된 것으로, 우레탄기가 시멘트계 결합재와 골재 간의 회합결합 구조를 가지게 함으로써 증점효과를 증진시킬 수 있는 고알칼리 우레탄 회합제를 이용한 급결제를 제공하는데 기술적 과제가 있다.
나아가 본 발명은 고알칼리 우레탄 회합제를 이용한 급결제를 바람직하게 이용하여 간편하게 숏크리트를 시공하는 방법을 제공하고자 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, C12A7계 슬래그 100중량부에 대하여, 칼슘설페이트 22~27중량부, 알루미늄설페이트 32~38중량부, 나트륨설페이트 6~15중량부, 열병합보일러애시 15~30중량부, 인산염 5~15중량부, 알루민산나트륨 7~15중량부, 고알칼리 우레탄 회합제 1~5중량부를 포함하여 조성되되, 고알칼리 우레탄 회합제는 실리카졸, 우레탄수지, PVA, NaOH가 pH 11~13으로 조절 혼합되어 분말화된 것임을 특징으로 하는 급결제 조성물을 제공한다.
더불어 본 발명은 숏크리트 시공방법으로서, 2성분형 뿜칠 기계 중 한쪽에는 시멘트계 결합재로 배합한 모르타르 내지 콘크리트를 투입하고 다른 한쪽에는 고알칼리 우레탄 회합제를 포함하는 급결제를 투입한 후, 모르타르 내지 콘크리트를 뿜칠하면서 급결제를 뿜칠하여 시공하되, 급결제는 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 4~9중량부 사용하면시 시공하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 시공방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 기대된다.
첫째, 본 발명의 급결제는 C12A7계 슬래그 등과 함께 고알칼리 우레탄 회합제를 이용하기 때문에, 신속한 경화를 가능케 하면서도 높은 접착성능으로 리바운드 손실량을 줄일 수 있다. 이러한 급결제를 이용하여 숏크리트를 시공하면 리바운드 현상이 완화되어 현장 관리가 용이해지며, 나아가 우수한 초기강도 및 장기강도 확보가 가능해진다.
둘째, 본 발명의 급결제는 기존의 2성분형 뿜칠 기계를 이용하여 간편하게 고 숏크리트 공사를 수행할 수 있다.
본 발명은 고알칼리 우레탄 회합제를 포함한 급결제와 이를 바람직하게 이용한 숏크리트 시공기술에 관한 것이다.
먼저 본 발명에 따른 급결제는 C12A7계 슬래그 100중량부에 대하여, 칼슘설페이트 22~27중량부, 알루미늄설페이트 32~38중량부, 나트륨설페이트 6~15중량부, 열병합 보일러애시 15~30중량부, 인산염 5~15중량부, 알루민산나트륨 7~15중량부, 고알칼리 우레탄 회합제 1~5중량부를 포함하여 조성한다.
C12A7계 슬래그는 철강산업의 부산물로 발생하는 슬래그의 일종으로 급결성 광물인 C12A7과 알칼리토금속 광물인 CaO, MgO 등으로 구성된다. 물과 반응하여 곧바로 수화물을 생성시켜 경화체를 급결시키며(12CaO·7Al2O3 + 51H2O -> 6(2CaO·Al2O3·8H2O) + 2Al(OH)3), 또한 반응 생성물인 Al(OH)3는 시멘트의 수화를 촉진시키는 역할을 하게 되므로, 급결재로 활용하기에 적당하다. 또한 C12A7계 슬래그의 일부는 석고 및 석회와 반응하여 에트링자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)를 생성시켜 급결은 물론 시멘트 중에 있는 수산화칼슘을 최소화시킴으로써 동시에 공극을 최소화하여 장기강도 및 내구성이 향상되는 장점을 가짐. 본 발명에서 C12A7계 슬래그는 용융상태의 전기로 환원슬래그를 급속 냉각시켜 안정한 유리질로 만든 다음 이를 비표면적 6000cm2/g 내외로 분쇄하여 준비하는 것이 바람직하며, 이때 Al2O3는 30중량% 이상, CaO + MgO는 50중량% 이상 함유하도록 한다.
칼슘설페이트, 알루미늄설페이트, 나트륨설페이트는 C12A7, C3A, 석회와 반응하여 에트링자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)를 생성시켜 급결성 확보에 기여하며, 반응 생성물인 Al(OH)3, NaOH는 시멘트의 수화를 촉진시킨다. 칼슘설페이트는 C12A7계 슬래그 100중량부에 대하여 22~27중량부 사용하며, 급결 성능의 향상을 위해 CaSO4보다 용해도가 높은 CaSO4·1/2H2O의 활용이 더 적당하다. 알루미늄설페이트는 C12A7계 슬래그 100중량부에 대하여 32~38중량부가 바람직하고, 과도하게 많을 경우 경제성 상실, 장기강도 저하가 우려된다. 나트륨설페이트는 C12A7계 슬래그 100중량부에 대하여 6~15중량부가 바람직하고, 과도하게 많을 경우 장기강도 저하가 우려된다.
열병합 보일러애시는 CaO 함량이 높은 플라이애시의 일종으로 석탄화력 부산물로 발생하여 경제적이며, CaO 및 SO3 성분에 의해 에트링자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) 생성에 기여할 수 있으므로, 급결제 제조에 활용하기에 적당하다. 열병합 보일러애시는 분말도 6000㎠/g 이상, CaO 함량 10중량% 이상 SO3 함량 5중량% 이상인 것이 바람직하며, 특히 분말도가 높아야 초기에 적절한 반응 가능하다. 열병합 보일러애시는 나트륨설페이트는 C12A7계 슬래그 100중량부에 대하여 15~30중량부가 바람직한데, 15중량부 미만이면 경제성 확보가 미흡하고, 30중량부 초과하면 성능 저하가 우려된다.
인산염은 MgO 및 CaO와 반응하여 불용성의 경화체를 형성하며, 그 반응이 순간적으로 일어나므로 급결제 제조에 활용하기 적당하다. 또한 인산염은 알루미늄설페이트의 Al3+ 이온이 촉진제인 Al(OH)3가 빠르게 생성되도록 기여한다. 인산염으로는 KH2PO4가 경제적이고 적당하다. 인산염은 C12A7계 슬래그 100중량부에 대하여 5~15중량부를 사용하는 것이 적당하며, 과도하게 많을 경우 시멘트의 수화를 지연시키므로 숏크리트 배합에서 결합재 전체 중량 대비 0.4% 이하로 제한한다.
알루민산나트륨은 석고와 빠르게 반응하여 결과적으로 시멘트 중 수화반응이 가장 빠른 C3A 수화를 촉진시킨다. 알루민산나트륨 C12A7계 슬래그 100중량부에 대하여 7~15중량부 사용하는 것이 바람직하며, 7중량부 미만이면 급결성능이 미미하고 15중량부 초과하면 경제성을 상실한다.
고알칼리 우레탄 회합제는 증점효과를 부여하여 기재면과의 부착력을 향상시키고 리바운드를 저감시키기 위한 재료인데, 실리카졸, 우레탄수지, PVA(poly vinyl alcohol), NaOH가 pH 11~13으로 조절 혼합되어 분말화된 것이다. 이러한 회합제는 시멘트 혼합물에 혼입되면, PVA가 혼합수인 물에 용해되면서 유동성을 향상시키고, 우레탄기가 결합재와 골재간의 회합결합 구조를 이끌어 점성을 부여되며, 나아가 점성 부여에 따라 기재면에 도포하면 부착력을 향상시켜 리바운드량을 저감시킨다. 이와 같이 기존 증점제에 비해 향상된 증점효과를 부여하게 되므로 과도한 혼합수의 사용이나 반응수 감소에 의한 강도성능 저하를 방지할 수 있다. 고알칼리 우레탄 회합제는 알루민산나트륨 C12A7계 슬래그 100중량부에 대하여 1~5중량부 사용하는 것이 성능발현, 경제성을 고려할 때 적당하다.
고알칼리 우레탄 회합제는 바람직하게 고형분 30~40중량%인 실리카졸 100중량부에, 고형분이 30~40중량%인 우레탄수지 10~20중량부를 혼합하고 수평균분자량이 4,000~20,000이면서 고형분이 30~50중량%인 PVA용액을 5~20중량부를 혼합한 후, NaOH용액을 투입하면서 pH 11~13이 되도록 조절한 다음, 건조하여 분말 상태로 제조한다. 여기서 재료선택과 재료조성은 사용성, 경제성, 성능발현 등을 고려한 결과이다.
위와 같이 조성된 급결제는 숏크리트용으로 유리하게 적용할 수 있다. 이때 2성분형 뿜칠 기계를 이용하여 숏크리트 시공에 적용하는 것이 바람직하다. 다시 말해 2성분형 뿜칠 기계 중 한쪽에는 시멘트계 결합재, 골재, 물을 적절하게 배합한 모르타르 내지 콘크리트를 투입하고 다른 한쪽에는 급결제를 투입하여 준비하고, 모르타르나 콘크리트를 뿜칠하여 타설하는 과정에서 타설과 동시에 급결제를 뿜칠하는 것이다. 이때, 급결제는 시멘트계 결합재 100중량부에 4~9중량부 사용하는 것이 경제성과 성능발현을 고려할 때 바람직하다.
이하에서는 제조예 및 시험예에 의거하여 본 발명을 상세히 살펴본다. 다만, 아래의 제조예 및 시험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.
[제조예] 고알칼리 우레탄 회합제 제조
실리카졸(고형분 33%) 100중량부에, 우레탄수지(고형분 34%) 15중량부를 혼합하고, PVA용액(고형분 40%)을 10중량부 혼합한 후, NaOH용액(고형분 35%)을 이용하여 pH 12가 되도록 조절하여 균질한 분산상태가 되도록 한 후 분무 열풍 건조하였다. 이로써 분말 상태의 고알칼리 우레탄 회합제가 제조되었다.
[시험예] 숏크리트용 급결제 성능
1. 급결제 조성
급결제는 C12A7계 슬래그 100중량부에, 칼슘설페이트(CaSO4·1/2H2O) 25중량부, 알루미늄설페이트(Al2SO4) 35중량부, 나트륨설페이트(Na2SO4) 10중량부, 열병합 보일러애시 22중량부, 인산염(KH2PO4) 7중량부, 알루민산나트륨(NaAlO2) 10중량부, 고알칼리 우레탄 회합제 3중량부로 조성하여 혼합하였다. 여기서, C12A7계 슬래그는 비중 2.81, 분말도 5950cm2/g, Al2O3 함량 33.5중량%, CaO + MgO 함량 54.3중량%인 특성을 가지는 것이고, 열병합 보일러애시는 분말도 6130㎠/g, 비중 2.92, CaO 함량 11.8중량%, SO3 함량 5.9중량%인 특성을 가지는 것이며, 고알칼리 우레탄 회합제는 [제조예]에서 제조한 것이다.
2. 숏크리트용 급결제 평가
위에서 조성한 준비한 숏크리트용 급결제를 이용하여 아래 [표 2]과 같이 시험 배합하였다.
시험 배합
구분 비교예1 실시예1
결합재 1종 OPC 450g 1종 OPC 450g
급결제 U 사 제품 31.5g 실시예 조성 31.5g
골재류 표준사 1350g 표준사 1350g
혼합수 225g 225g
3. 성능 평가
위에서 배합한 시험배합에 대한 성능을 시험하였다. 응결시간 시험은 KS F 2782 숏크리트용 급결제에 의거하여 실시하고, 압축강도 시험은 KS L ISO 679 시멘트의 강도 시험 방법으로 실시하고, 슬럼프 시험은 KS F 2402 콘크리트의 슬럼프 시험 방법으로 실시하였다. 리바운드량 시험은 도로공사 표준시방서 숏크리트 반발률 측정에 의거하여 콘크리트 벽면에 뿜칠하여 바닥에 떨어진 양(반발재)을 측정하여 아래와 같은 수식으로 산출하였다(리바운드량(%)=(반발재의 전 중량/ 뿜칠 재료의 전 중량)×100). 시험결과는 아래 [표 3]과 같이 나타냈다.
성능
구분 비교예1 실시예1
응결시간 초결(분) 2:50 2:30
종결(분) 9:30 8:45
압축강도
(MPa)		 1일 15.1 16.1
28일 43.5 47.1
리바운드량(%) 12.3 5.1
위에서와 같이 본 발명에 따른 숏크리트 배합이 응결시간은 단축되고, 초기는 물론 중장기 압축강도는 소폭 향상되며, 리바운드량은 현저히 저감되었다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. C12A7계 슬래그 100중량부에 대하여, 칼슘설페이트 22~27중량부, 알루미늄설페이트 32~38중량부, 나트륨설페이트 6~15중량부, 열병합보일러애시 15~30중량부, 인산염 5~15중량부, 알루민산나트륨 7~15중량부, 고알칼리 우레탄 회합제 1~5중량부를 포함하여 조성되되,
    상기 고알칼리 우레탄 회합제는, 고형분 30~40중량%인 실리카졸 100중량부에, 고형분이 30~40중량%인 우레탄수지 10~20중량부를 혼합하고 수평균분자량이 4,000~20,000이면서 고형분이 30~50중량%인 PVA(poly vinyl alcohol)용액을 5~20중량부를 혼합한 후, NaOH용액을 투입하면서 pH 11~13이 되도록 조절한 다음, 건조하여 분말 상태로 제조된 것임을 특징으로 하는 급결제 조성물.
  3. 제2항에 따른 급결제 조성물을 이용한 숏크리트 시공방법으로,
    2성분형 뿜칠 기계 중 한쪽에는 시멘트계 결합재로 배합한 모르타르 또는 콘크리트를 투입하고 다른 한쪽에는 제2항에 따른 급결제 조성물을 투입한 후, 모르타르 또는 콘크리트를 뿜칠하면서 급결제를 뿜칠하여 시공하되,
    상기 급결제 조성물은 시멘트계 결합재 100중량부에 대하여 4~9중량부 사용하면시 시공하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 시공방법.
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