KR101923383B1 - 탄소섬유와 고황산염시멘트를 이용한 콘크리트 인공암 조형물과 이를 시공하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소섬유와 고황산염시멘트를 이용한 콘크리트 인공암 조형물과 이를 시공하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 인공암 조형용 모르타르 조성물은 고황산염시멘트를 사용하여 황산염, 염화물 등의 열화 요인에 대하여 우수한 저항성을 가져 이와 같은 외부로부터 침투되는 모르타르 열화 요인을 최소화함으로써 효율적이고 장기적인 구조물의 내구성을 얻을 수 있다.

Description

탄소섬유와 고황산염시멘트를 이용한 콘크리트 인공암 조형물과 이를 시공하는 방법{Concrete artificial rock sculptures using carbon fiber and Super sulphated cement and how to build them}

본 발명은 해안 및 수중에 설치하는 항로 표지암, 콘크리트 구조물의 외관조성, 경관용 조형암 등 환경친화형 인공암의 시공방법에 관한 것으로, 특히, 탄소섬유강화 콘크리트와 접착증강제 및 안료 등으로 구성되는 인공암용 콘크리트 조성물과 실재하는 자연경관에서 설치하고자 하는 인공암의 형태를 사진촬영, 지리정보 데이터를 기반으로 일정한 축척에 의거 3D 등 그래픽 프로그램을 이용 컴퓨터상에서 축소모형을 시뮬레이션하고 축척에 따른 각부위별 굴곡과 음영, 색상 및 질감 등을 설계 도면화 한 후 실제의 설치현장에서 조형작업을 통하여 실사에 가깝게 재현하여 천연암과 같은 인공암 조형물을 시공하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 해안과 연안지역은 파도나 표사에 의한 해안침식을 방지하고자 콘크리트 구조물을 이용하여 연안 호안 또는 수중에 시공하게 되는데, 이러한 콘크리트 구조물은 제작의 용이성과 시공성에 우선을 두어 시공함으로써, 당초의 목적과는 달리 주변경관과의 이질감으로 인해 자연경관을 해치고 설치시 해양 환경하에서 염해, 파랑 대책 등 해결해야 할 사항이 많아 여러가지 문제점이 있었다.

또한, 콘크리트구조물이 1종 보통 포틀랜드시멘트가 주재료로 사용되고 있으며, 이러한 시멘트는 속경성을 완화시켜 주기 위한 소량의 석고를 함유하고 있고, 기존에 인공암 조형물에 이용되는 콘크리트 또한 대부분 일반 1종 시멘트를 사용하고 있다.

이러한 화학조성은 해수에 포함되어 있는 황산염인 마그네슘 설페이트(Magnesium sulfate)와 반응하여 팽창성 결정인 에트링자이트(Ettringite)를 형성하여 콘크리트 구조물 표면부터 균열을 발생시킨다. 이러한 반응은 콘크리트의 열화를 초래하는 주요 원인인 황산염과의 반응으로, 황산염은 외부에서 침투되는 황산염과 시멘트 제조시 첨가되는 석고 등 내부에 포함되어 있는 황산염으로 구분될 수 있다. 콘크리트의 열화를 초래하는 황산염과의 반응은 대부분 외부에서 침투되는 황산염에 의한 것으로, 황산염이 용해된 지하수나 해수에 노출되는 경우 발생한다. 콘크리트 구조물에 접촉하는 지하수나 해수에 함유된 황산염 이온이 콘크리트에 침투하여 수산화칼슘과 반응함으로써 석고를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 석고는 물이 있는 조건에서 시멘트 내 알루민산삼칼슘(tricalcium aluminate)과 반응하여 침상의 팽창 결정체인 에트링자이트(ettringite)를 형성하게 된다. 에트링자이트는 콘크리트 표면에 망상형의 균열을 발생시키며, 계속하여 균열이 팽창되고, 균열을 통하여 수분이나 염화물이 침투하고, 시멘트와 골재간의 접착력 저하를 가져와 궁극적으로 콘크리트 강도유지에 영향을 미치게 된다.

종래의 기술에서는 육상에서 미리 제작된 암피스로 불특정 형태의 바위의 외관을 형성한 후 암피스의 연결부위를 모르타르를 이용하여 틈새를 막고 내부를 모르타르 등으로 충전하여 마무리하는 방법이 일본 공개특허 특개평6-116922호에 개시되어 있고, 인공암 표면이 형성된 블록을 이용 소정의 위치까지 이동하여 미리 설치된 프레임에 고정시킨 후 내부공간을 모르타르로 충전 마감하거나 또는 미리 설치된 철근 등의 지주에 철망을 설치하고 그 표면을 모르타르 뿜칠을 통하여 조형을 하는 방법이 국내특허 제965427호에 개시되어 있다.

이러한 공법들은 구축되는 구조물의 내구성과 안정성을 위해 내부를 몰탈 등으로 충진 마감하게 되는데 수면과 접촉되는 지역에서는 시공이 까다롭고 특정한 형태의 조형에는 형태적으로 왜곡이 심하게 되며 실재하는 실사의 미세 표현을 필요로 하는 조형에는 어려움이 많았다.

특히 철망을 이용한 뿜칠 공법의 경우 조형물 외부표면용으로 뿜칠되는 모르타르 재료가 철망에 부착되지 못하고 내측으로 상당량이 유실됨으로써 경제적인 측면에서 바람직하지 못하고 재료의 구성에 있어서 해양의 가혹한 환경에 노출될 경우 내염성, 내마모성, 동결 융해 저항성, 건조수축 등 염분과 표사, 파도같은 제반환경에 맞는 구조적인 특성이 요구되며 특히 해양생태계의 영향도 고려된 친환경적인 재료의 선택도 중요한 요소이다.

한편, 육상 조경용으로 사용되는 인공암에 있어서 FRP, GFRC, GRC 등의 표면재료를 이용한 다양한 공법이 사용되고 있는데, 재료의 구성에서 유리섬유를 사용하는 GFRC, GRC의 경우 내염성, 내알카리성의 특성이 요구되기 때문에 유리섬유보강 콘크리트를 해양환경에 적용할 경우, 지르코니아 성분이 20%이상 함유된 유리섬유를 사용해야 하는데 그 경우 생산단가가 고가이며 범용으로 생산되고 있지 않아 수급에 어려움이 있어서 육상의 구조적인 내력이 요구되지 않는 암벽용, 인공 폭포용, 조경용 등으로 활용되고 있는 실정이다.

특히 이러한 암피스를 제작하는데 사용되는 시멘트가 1종 보통시멘트로 상기에서 언급한 바와 같이 시멘트 제조시 첨가된 황산염, 즉 석고의 존재로 해수와 만나면 해수에 포함된 황산염 즉 황산 마그네슘과 반응하여 표면에 황산염에 의한 침해(Sulfate attack)를 받아 모체가 손상되기 시작하며 이렇게 손상되어 유출된 시멘트 성분은 해양 오염의 한 원인이 되기도 한다.

한편, 기존의 포틀랜드시멘트를 대체할 수 있는 재료로 고황산염시멘트(Super sulphated cement)를 사용하는데, 알루미노실리케이트 성분이 풍부한 고로슬래그나 플라이애쉬 등을 이용한 알칼리액티베이트 시멘트(Alkali activated cement)이다. 고황산염시멘트는 일반 포틀랜드시멘트와 달리 칼슘을 포함하지 않으며 뛰어난 미세한 구조를 가지고 있어 산, 황산염 또는 염화물 등에 대하여 우수한 저항성을 갖는다. 고황산염시멘트는 Si-O-Al 폴리머 망목 구조로 보고되는 무기 광물로 구성되어 있으며, 강알칼리 조건에서 Al과 Si 전구체의 중합에 의해 얻어지는 구조적인 강도를 활용한다. 고황산염시멘트는 비정질상의 4가의 동일한 상태를 갖는 알루미늄과 실리카에 의해서 Si-O-Al-O 결합으로 나타내어지는 삼차원 폴리머 사슬이나 고리구조로서 표현될 수 있으며, 활성화제에 의한 강알칼리성 조건하에서 실리케이트를 포함한 다양한 알루미네이트, 실리케이트 사이에서의 화학반응에 의해 산소와 공유 결합하는 사면 구조체의 SiO₄나 AlO₄망목 구조를 형성하게 된다.

알칼리액티베이트 시멘트인 고황산염시멘트를 만들기 위해서 소량의 1종 시멘트와 석고를 사용한다. 이렇게 만든 시멘트는 초기 강도 발현과 표면에서 포말상태가 발현하고 수축 정도가 커서 인공암으로 제작하는데 어려움이 있었다.

1. 국내등록특허 제0965427호 1. 국내등록특허 제1669917호 1. 국내등록특허 제1490878호 1. 국내등록특허 제1678062호 1. 국내등록특허 제1490878호 1. 국내등록특허 제1407970호 1. 일본공개특허 특개평 6-116922호

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고 다양한 시공 목적을 실현하기 위해 제안된 것으로, 본 발명은 육상뿐만이 아니라 수중 설치시 수면과의 접촉이 배제된 기초사석과 상치구조물로 기반을 구축하고 그 상부에 인공암 조형물을 설치함으로써 환경 친화적인 실사형태의 자연경관을 제공하여 연안역의 부가가치를 창출하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 황산염 및 염화물 등에 대한 저항성을 향상시켜 인공구조물의 구조적인 안정성을 높이고 수명을 연장시킬 수 있으며, 1종 시멘트가 해수와 반응할 때 발생 가능한 오염을 저감시킬 수 있는 고황산염시멘트를 이용한 뿜칠이 가능한 인공조형물용 모르타르 조성물 및 우수한 친환경적인 시공 방법을 제공하는 데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 과제 해결 수단은 환경 친화적이고 실사형태의 자연경관을 위해 조형물의 외부표면용 인공암을 구성하는 재료에서 일차적으로 고황산염시멘트를 만들고 이차적으로 이를 이용하여 뿜칠이 가능한 인공암 등 구조물 제작을 위한 모르타르를 제조하는 것이다.

상기 고황산염시멘트는 고로슬래그와 플라이애쉬와 알칼리 액티베이트를 첨가하여 만든다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 사용된 고황산 시멘트 조성물은 고로슬래그 100중량부에 대하여, 플라이애쉬 50 ~ 100중량부, 무수석고 5 ~ 10중량부, 1종시멘트 10 ~ 15중량부, 바륨카보네이트 5 ~ 10중량부, 산화마그네슘 2 ~ 4중량부, 소석회 5 ~ 10중량부, 리튬하이드록사이드 2 ~ 4중량부 및 마그네슘하이드록사이 드 2 ~ 4중량부로 조성된다.

이렇게 조성된 고황산 시멘트 조성물은 해수에 강하고 수축을 억제하며, 초기응결을 촉진시킨다. 상기 고황산염시멘트를 이용하여 뿜칠이 가능한 인공암 등 해안 구조물 제작을 위한 모르타르는 탄소섬유강화 콘크리트(CFRC : Carbon Fiber Reinforced Cement & Concrete)이다.

탄소섬유강화 콘크리트를 제조함에 있어 본 발명에서는 상기 고황산염시멘트100중량부에 대하여, 규사 50 ~ 100중량부, 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene Oxid e)수지 1 ~ 2중량부, 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol) 2 ~ 3중량부, 폴리비닐알콜(Polyvinyl a lcohol) 2 ~ 6중량부 및 탄소섬유 0.2 ~ 0.4중량부를 포함한다.

이때, 보강재로 사용되는 탄소섬유(CF)는 탄소를 90중량% 이상 함유하고 고강도, 고탄성, 내피로강도, 진동 감쇄성, 내열성, 내마모성 및 부착성의 고유특성을 갖는 피치계(PITCH)의 범용성 섬유를 사용한다. 피치계(PITCH)의 범용성 섬유의 형상은 C-TYPE, 휨인성 지수 Vf=2%, 크기 및 형태는 절단섬유(chopped strand)의 경우 6㎜, 분쇄형(milled fiber)은 9㎛를 사용할 수 있다

여기서 분쇄형을 사용하여 혼합할 경우는 다용도 믹서기(omni mixer)를 이용하여 앞에서 열거한 재료를 넣고 2~3분 예비 혼합을 한 후에 탄소섬유(CF)의 일부와 소포제 및 수축저감제를 넣고 2-3분간 혼합한 후, 잔량의 탄소섬유(CF)를 넣고 혼합하여 탄소섬유강화 시멘트모르타르를 조성한다.

또한, 현장 시공시 무기안료(bayferrox) 1~2중량비와 펌프에이드 1중량비를 첨가하여 혼합 믹싱 한 후 CFRC : 프라이머(접착력과 인공암의 표면경도 증진용) : 규사의 혼합비율은 3 : 1 : 1로 혼합하여 강도 및 경도를 확보하고 외부측 표면을 표현하는 인공암 조형재료로 사용한다.

본 발명에 따른 조형암용 모르타르 조성물은 고황산염시멘트를 사용하여 황산염, 염화물 등의 열화 요인에 대하여 우수한 저항성을 가져 이와 같은 외부로부터 침투되는 모르타르 열화 요인을 최소화함으로써 효율적이고 장기적인 구조물의 내구성을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

상기의 조성물로 외부를 표현하는 인공암 조형물은 설치하고자 하는 자연경관에서 3DS 스캐너 촬영 등으로 지리적인 정보와 데이터를 수집하고 수집된 실제의 형상과 구조를 바탕으로 3DS 그래픽 프로그램을 통하여 일정한 축척으로 대상물의 외곽선, 볼륨, 굴곡, 음영, 색상 및 질감을 재현하고 미리 구획된 범위내에서 설치하고자 하는 위치, 순서에 따라 시뮬레이션한 후, 시공을 위한 설계도면으로 변환하는 방법으로 현장시공시 정밀도를 최대화하는 것이다.

시뮬레이션의 절차는 다음과 같다.

실재하는 자연경관의 대상물에 대한 3D 스캐너 사진자료, 국토지리정보원의 대상물 관련 위치, 표면적, 체적 및 등고선 자료 등의 데이터 베이스를 3DS 프로그램에 입력하고 화면상에서 재현하고자 하는 대상물의 방위, 축척을 결정한 후 등고선 간격을 2~5m로 재설정 한다.

실시예 1,2)

상기의 자료에서 좀더 상세한 자료 추출을 위해서 단순한 폴리곤을 사용한 그래픽과 복잡한 폴리곤을 사용한 자료를 합성한다.

합성된 결과로 전체 대상물의 부분 전개면을 구성한 후 구성된 단면의 질감을 없앤다.

실시예 3)

추출된 그래픽 자료를 포토샵 프로그램을 사용하여 실제의 대상물의 굴곡, 음영, 색상, 질감을 표현한다.

실시예 4)

굴곡, 색상, 음영, 질감 등의 표현이 완료되면 굴곡과 음영에 따라 최대한의 절점 요소를 구성하여 외부 표면을 따라 그물망식의 작업을 한다.

실시예 5)

상기의 작업 완료후 입체화된 대상물을 평면화하고 대상물의 기저부 외곽선을 설치하고자 하는 장 소의 범위내에 위치하도록 평면투영 배치한다.

실시예 6)

투영된 평면도에서 가로, 세로 각기 1.5m 간격의 그리드(grid) 작업을 한다. 등고선도와 작업이 완료된 그리드선을 일치시킨다. 등고선도상의 각각의 피크점에서 그리드선까지 수직 교차점을 설정하고 조형물 설치용 메인 프레임 포스트의 기초앵커 위치를 배치한다.

실시예 7)

작업된 결과에서 입체화된 대상물의 전,후 및 좌,우측면으로 위치를 변화시키면서 각기의 앵커의 위치에서 수직으로 포스트를 세우는데 대상물의 표면에서 0.1~0. 2m의 간격을 둔다. 계속해서 배치된 포스트의 높이 방향으로 1.8m의 간격으로 포스트와 직교하는 가로 프레임을 배치하는데 각기 대상물 표면에서 0.1~0.2m 의 간격을 두는 방식으로 철골 구조도를 완성한다.

실시예 8)

배치된 포스트와 가로 프레임의 말단부를 라인연결 작업을 한다.

라인연결 작업이 완료되면 라인으로 표 현된 외곽선을 따라 최대한 작은 크기의 그물망을 덧씌우는 작업을 통하여 굴곡과 음영을 구성하면서 전체 외부표면을 표현한다.

실시예 9)

상기의 작업 후 각기의 전후좌우 4방향에서 그리드 2개의 간격을 넓이로 하고 높이를 1.8m로 하는 표면 절단면을 설정하고 절단면을 부분 추출한다.

추출된 절단면의 표면굴곡, 음영, 질감, 색채 등의 상세 랜더링 작업을 한다.

실시예 10)

순서에 따라 상기의 작업을 완료한 후 각기의 절단면을 원래의 부위에 위치시킨 후 대상물 전체의 표면 질감 표현을 한다.

실시예 11)

상기의 절단면 추출과 표면 질감 표현의 절차 도면을 만든다.

상기, 일련의 시뮬레이션 과정 중 각기 의 완료 작업 후 결과물은 캐드파일로 변환 후 설계도면으로 사용한다.

삭제

표면의 추출단면과 외부표면 표현작업이 완료된 단면, 외부 그물망 덧씌우기 작업이 완료된 도면은 조형물의 현장 시공과정중 시공 가이드 맵으로 사용할 수 있어서 보다 정밀하고 실사에 근접하는 조형물을 재현할 수 있다.

현장 설치시공시 상기의 시뮬레이션을 통한 단계별로 순서를 정하여 수행한다.

현장에서 설치장소의 특정한 범위를 정하고 조형물 외곽선의 투영 배치를 통하여 제공되는 내부의 공간에 일정한 크기(가로×세로:1.5m×1.5m)를 갖는 그리드 선을 표시하고 조형물 상부 각각의 피크점에서 수직선을 내려 그리드 선과의 교차점에 지주 프레임 설치를 위한 인서트 앵커의 위치를 설정하는 단계와; 조형물의 설치와 구조적 안정성을 확보하기 위한 메인 프레임 포스트를 설치하는 단계와; 메 인 프레임 포스트에 1.8m의 높이로 가로, 세로의 방향으로 조형물의 외곽 표면 형성을 위한 보조 프레임을 설치하는 단계와; 메인 포스트와 보조 프레임의 단부를 연 결하고 다른 일방향에서 보조 프레임의 간격을 연결하는 와이어 철선을 설치하고 조형물의 특징적인 외부 골격을 구성하는 단계와; 와이어 작업을 통하여 완성된 외부 골격에 철망을 사용하여 표현 하고자 하는 조형물의 세부 특징과 음영을 구성하는 단계와; 와이어의 안쪽으로 유실 방지 및 접착력 증대를 위하여 섬유재질 또는 얇은 철판 등으로 유실 방지망을 보강하는 단계와; 조형물의 표면용 재료인 CFRC몰탈과 접착력 증대 및 표면경도 확보용 프라이머, 무기안료 및 펌프 에이드 등을 현장 배합하는 단계와;
준비된 CFRC조성물을 포터블 믹서를 이용하여 혼합하고 1차 초벌 분무를 하여 일정한 두께를 갖는 표면을 조성하여 1차의 경화 시간을 파악하는 단계와; 2차로 중벌 분무를 하여 표면의 굴곡과 음영을 구성하며 조소, 조형하고, 3차 정벌 분무를 하여 표면의 미세한 질감을 완성하며, 내부 공간을 일반 콘크리트를 사용하여 밀실하게 충진하고, 소정의 구간까지 반복시공 후 천연안료(광석안료)가 배합된 색상으로 주변 경관과의 조화를 고려하며 에이징하는 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명의 일실시 예에 따른 고황산염시멘트를 이용한 인공조형물을 제작하기 위한 모르타르 조성물은, 고로슬래그와 플라이애쉬와 알칼리액티베이트를 첨가하여 만든다.

상기 과제를 해결하기 위한 일실시 예는 고로슬래그(공급사 : 기초소재, KSF2563, 3종) 100중량부, 플라이애쉬(공급처 : 고려FA, KSL5404, 1종) 50 ~ 100중량부, 무수석고(공급사 : 청해) 5 ~ 10중량부, 1종 시멘트(공급사 : 쌍용양회) 10 ~ 15중량부, 바륨카보네이트(공급사 : 미래켐, 순도 99.2%, 비중 4.43) 5 ~ 10중량부, 산화마그네슘(공급사 : 클린케미칼, 순도 98%이상) 2 ~ 4중량부, 소석회(㈜충무화학 1급) 5 ~ 10중량부 그리고 리튬하이드록사이드(공급사 : 진안보스케미칼, 순도 99%, MW 41.96) 2 ~ 4중량부 혹은 마그네슘하이드록사이드(공급사 : WuxiZehui Chemical, 순도 98%, M W 58.32) 2 ~ 4중량부를 구성하여 만든다. 이렇게 만든 고황산염시멘트는 해수에 강하고 수축을 보상하고 초기 응결을 촉진하게 된다.

또한, 상기 고황산염시멘트의 제조시 고로슬래그와 플라이애쉬 사용량은 상호 비례적으로 가감할 수 있으며, 즉, 플라이애쉬 사용량이 100중량부를 초과할 경우, 응결속도가 빨라져 작업성이 저하되고, 50중량부 미만일 경우 작업성은 좋아지나 초기 응결 속도 및 강도가 저하된다.

상기 무수석고는 고로슬래그와 플라이애쉬의 활성화를 위해 첨가되는 원료로 사용량이 5중량부 미만일 경우, 응결시간이 길어지고 초기강도가 낮아지며 10중량부 초과할 경우, 응결이 빨라지고 초기 강도는 좋아지나 작업성이 저하된다.

상기 1종 시멘트는 고로슬래그 및 플라이쉬시 활성화에 필요한 알칼리분을 제공하며 사용량이 10중량부 미만일 경우, 강도 발현이 저하되며 15중량부를 초과할 경우 황산염에 대한 저항성이 낮아진다.

상기 바륨카보네이트는 모르타르내 시멘트가 황산염과 반응시 형성하는 에트링자이의 형성을 억제시키며 사용량이 5중량부 미만일 경우, 모르타르내에 에트링 자이트 생성 가능성이 높아지고 10중량부를 초과할 경우, 표면에 포말 현상이 나타난다.

상기 산화 마그네슘은 마그네슘이 황산염과 반응하여 팽창 구조를 유도하여 수축을 보상시키기 위해 사용되며 사용량이 2중량부 미만일 경우, 수축 현상이 나타나며 4중량부를 초과하면 과팽창으로 강도가 저하된다.

상기 소석회는 고로슬래그와 플라이애쉬의 활성을 높이기 위해 사용되는 알칼리분 제공하며 사용량이 5중량부 미만일 경우, 초기 응결 속도가 저하되며 강도 발현이 늦어지나 10중량부를 초과하면 응결 속도가 빨라 작업성이 저하된다.

상기 리튬하이드록사이드 및 마그네슘하이드록사이드는 고로슬래그와 플라이애쉬의 활성도를 증가시키기 위해 사용되며 사용량이 2량부 미만이면 응결 시간이 늦어져 강도 발현이 늦어 지고 4중량부 이상일 경우 작업성이 저하된다.

이와 같은 고황산염시멘트를 이용하여 뿜칠이 가능한 인공암 등 해안 구조물 제작을 위한 CFRC(carbon fiber reinforced cement & concrete) 제작에 있어서, 본 발명의 일실시예는,

상기 고황산염시멘트 100중량부에 대하여, 등급된 규사 50 ~ 100중량부, 폴리에틸렌옥사이드(Polyethylene Oxide) 수지 1 ~ 2중량부, 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol) 2 ~ 3중량부, 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol) 2 ~ 6중량부, 탄소보강 섬유 0.2 ~ 0.4중량부를 포함하는 고황산염시멘트를 이용한 모르타르 조성물로 이루어져 있다.

상기 모르타르를 제조할 때 고황산염시멘트 사용량이 100중량부 미만일 경우, 시멘트가 적어 작업성이 저하되며 강도가 낮아지며, 100중량부를 초과하면 시멘트 양이 많아 작업성이 저하되나 강도는 증가된다. 등급된 규사의 사용량이 50중량부 미만일 경우, 전체 분말의 양이 많아 작업성이 저하되며, 100중량부를 초과하면 강도가 저하된다.

폴리에틸렌옥사이드(제조사 : JST chemical, 제품명: PEO))는 고점성의 수지로서 수지의 사용량이 1중량부 미만일 경우, 해수에 의한 씻김으로 인공암의 형태가 변형되고, 2중량부를 초과할 경우 생산하는데 어려움이 있다.

폴리에틸렌글리콜(제조사 : Shangh ai Ruizheng Chemical, 제품명 : PEG-1500)은 시멘트 입자간 표면장력을 저하시켜 물의 사용량을 줄이면서 작업 성능을 개선하고, 강도 등의 물리적 기능을 향상시키고, 모르타르 표면의 균열 발생을 방지하는 등 보수표면 상태를 조정하는 역할을 할 수 있다. 사용량이 2중량부 미만일 경우, 수축에 대한 보상이 작아져 균열 발생 가능성이 높아지며, 3중량부를 초과하면, 제조 단가가 상승한다.

폴리비닐알콜은 모르타르의 레올로지 및 접착력을 부여하는 역할을 할 수 있다. 사용량이 2중량부 미만일 경우, 모르타르의 레올로지가 낮아져 모르타르 형 태 및 뿜칠이 어렵고, 6중량부를 초과하면, 모르타르의 점도가 상승하여 작업성이 저하된다.

탄소보강섬유의 사용량이 0.2중량부 미만일 경우, 모르타르간 상호 연동성이 저하되고 균열 발생 가능성이 높아지며, 0.4중량부를 초과하면, 제조할 때 어려움과 제조 단가가 높아져 경쟁력이 저하된다.

종래 모르타르에 사용되는 1종 보통 포틀랜드시멘트는 강알칼리성 재료로서 산 및 황산염이 함유되어 있는 지하수나 해수에 약한 특성을 갖는다.

본 실시예에 있어서는, 이와 같은 1종 보통 포틀랜드시멘트 대신에 잠재 수경성 재료인 고로슬래그와 플라이애쉬를 주원료로 하는 고황산염시멘트를 사용함으로써, 산, 황산염, 염화물 등의 콘크리트 열화 요인에 대하여 우수한 저항성을 가져 이와 같은 외부로부터 침투되는 콘크리트 열화 요인을 최소화시킬 수 있으며, 동시에 시멘트 제조시 발생되는 이산화탄소 배출량을 현저하게 감소시키고 산업 부 산물을 재활용하여 친환경성을 높일 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명 의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

1.고황산염시멘트의 배합비

구성 성분	실시예 (중량부)
고로슬래그(KSF 2563 3종	100
플라이애쉬(KSL 5405 1종)	50 ~ 100
무수석고	5 ~ 10
1종 시멘트	10 ~ 15
바륨카보네이트	5 ~ 10
산화마그네슘	2 ~ 4
소석회	5 ~ 10
리튬하이드록사이드	2 ~ 4

2. 고황산염시멘트를 이용한 인공암 제작용 모르타르 조성물의 제조

하기 [표 2]에 표시된 함량비에 따라 각 성분을 혼합함으로써 실시예에 따른 고황산염시멘트를 이용한 콘크리트 단면 보수용 모르타르 조성물을 제조하였다.

구성 성분	실시예 (중량부)
고황산염시멘트 : 표1	100
등급된 규사	50 ~ 100
폴리에틸렌옥사이드	1 ~ 2
폴리에틸렌글리콜	2 ~ 3
폴리비닐알콜	2 ~ 6
탄소섬유(CF)	0.2 ~ 0.4

3. 고황산염시멘트를 이용한 인공암 제작용 모르타르 조성물에 대한 시험

(1) 물리특성 시험

KSF 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 모르타르)를 기준으로 압축강도, 휨강도 및 부착강도에 대한 시험을 실시하였고, 응결 시간을 측정하였으며, 시편은 4㎝Х4㎝Х16㎝ 몰드를 이용하였다. 시험 결과를 하기 [표 3]에 나타낸다.

		KSF 4042	실시예
압축강도 (N/㎟)	3일	20.0 이상	31.4
	7일		44.2
	28일		58.2
휨강도 (N/㎟)	1일	6.0 이상	7.8
	3일		9.1
	28일		10.7
응결 시간 (hr)	초결	해당 사항 없음	1.35
	종결		4.30
부착강도 (N/㎟)	표준 조건	1.0 이상	1.7
	온냉 반복후		1.5

상기 [표 3]의 결과로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 고황산 염시멘트를 이용한 모르타르 조성물은 물리적 특성 측면에서 KSF 4042의 기준을 충족하였다.

Claims (6)

1. 고로슬래그 100중량부에 대하여, 플라이애쉬 50 ~ 100중량부, 무수석고 5 ~ 10중량부, 1종 시멘트 10 ~ 15중량부, 바륨카보네이트 5 ~ 10중량부, 산화마그네슘 2 ~ 4중량부, 소석회 5 ~ 10중량부, 리튬하이드록사이드 2 ~ 4중량부 및 마그네슘하이드록사이드 2 ~ 4중량부를 혼합하여 고황산염시멘트를 제조하는 단계와;
   상기 고황산염시멘트 100중량부에 대하여, 등급된 규사 50 ~ 100중량부, 폴리에틸렌옥사이드 (Polyethylene Oxide)수지 1 ~ 2중량부, 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol) 2 ~ 3중량부, 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol) 2 ~ 6중량부 및 탄소섬유 0.2 ~ 0.4중량부를 혼합하여 다용도 믹서기에 넣고 2~3분 예비 혼합을 한 후에 다시 탄소 보강섬유의 일부와 소포제 및 수축저감제를 넣고 2~3분 혼합한 후 잔량의 탄소섬유(CF)를 넣어 탄소섬유강화 콘크리트 조성물을 제조하는 단계와
   상기 탄소섬유강화 콘크리트 조성물과 모르타르의 접착력 증대 및 표면경도의 증진을 위한 프라이머와 무기안료를 함께 배합한 재료를 현장에서 펌프장비로 뿜어 붙이기하여 표면을 구성하고 조각, 조형 기법을 통하여 외형과 질감을 표현하는 인공암 조형물을 설치하는 단계와;
   상기 인공암 조형물은 자연경관에서 3D 스캐너 촬영으로 지리적인 정보와 데이터를 수집하고, 수집된 실제의 형상과 구조를 바탕으로 3DS 그래픽 프로그램을 통하여 설정된 축척으로 대상물의 외곽선, 볼륨, 굴곡, 음영, 색상 및 질감을 재현하고, 미리 구획된 범위내에서 설치하고자 하는 위치, 순서에 따라 시뮬레이션한 후, 시공을 위한 설계도면으로 변환하는 방법으로 현장시공시 정밀도를 최대화하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유와 고황산염시멘트를 이용한 콘크리트 인공암 조형물 시공방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 탄소섬유는 탄소를 90중량% 함유하고 고강도, 고탄성, 내피로강도, 진동감쇄성, 내열성, 내마모성 및 부착성의 고유특성을 갖는 피치계(PITCH)의 범용성 섬유를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유와 고황산염시멘트를 이용한 콘크리트 인공암 조형물 시공방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 시뮬레이션 절차는 실재하는 자연경관의 대상물에 대한 3DS 스캐너 사진자료, 국토지리 정보원의 대상물 관련 위치, 표면적, 체적 및 등고선 자료의 데이터 베이스를 3DS 프로그램에 입력하고 화면상에서 재현하고자 하는 대상물의 방위, 축척을 결정한 후 등고선 간격을 2~5m로 재설정하는 단계;
   상기 자료에서 상세한 자료 추출을 위해 단순한 폴리곤을 사용한 그래픽 과 복잡한 폴리곤을 사용한 자료를 합성하고 합성 결과로 전체 대상물의 부분 전개면을 구성한 후 구성된 단면의 질감을 없애는 단계;
   추출된 그래픽 자료를 포토샵 프로그램을 사용하여 실재의 대상물의 굴곡, 음영, 색상 및 질감을 표현한 후 굴곡과 음영에 따라 최대한의 절점 요소를 구성하여 외부 표면을 따라 그물망식의 작업을 하는 단계;
   상기 작업 완료후 입체화된 대상물을 평면화하고 대상물 기저부의 외곽선을 설치하고자 하는 장소의 범위내에 위치하도록 평면투영으로 배치하는 단계;
   상기 투영된 평면도에서 가로×세로:1.5m×1.5m 간격의 그리드 작업을 한 후 등고선도와 작업이 완료된 그리드선을 일치시키고, 등고선도상의 각각의 피크점에서 그리드선까지 수직 교차점을 설정하고 조형물 설치용 메인 프레임 포스트의 기초앵커 위치를 설정하는 단계;
   상기 작업된 결과에서 입체화된 대상물의 전, 후, 좌, 우측면으로 위치를 변화 시키면서 각기의 앵커의 위치에서 수직으로 포스트를 세우고, 대상물의 표면에서 0.1~0.2m의 간격을 두고, 포스트의 높이 방향으로 1.8m의 간격으로 포스트와 직교 하는 가로 프레임을 배치하되, 대상물의 표면에서 0.1~0.2m의 간격을 두는 방식으 로 철골 구조도를 완성하는 단계;
   배치된 포스트와 가로 프레임의 말단부를 라인 연결 작업을 하고, 라인 연결 작업이 완료되면 라인으로 표현된 외곽선을 따라 최대한 작은 크기의 그물망을 덧씌우는 작업을 통하여 굴곡과 음영을 구성하면서 전체 외부표면을 표현하는 단계;
   상기 작업후 각기의 전, 후 및 좌, 우 4방향에서 2개의 그리드 간격을 넓이로 하고 높이를 1.8m로 갖는 표면 절단면을 설정하고 절단면을 부분 추출하고, 추출된 절단면의 표면 굴곡, 음영, 질감, 색채의 상세 랜더링 작업을 하는 단계;
   순서에 따라 상기의 작업을 완료한 후 각기의 절단면을 원래의 부위에 위치시킨 후 대상물 전체의 표면 질감 표현을 하는 단계; 및
   상기의 절단면 추출과 표면 질감 표현의 절차 도면을 만들고, 일련의 시뮬레이션 과정중 각기의 완료작업 후 결과물은 캐드파일로 변환 후 설계도면으로 사용하는 단계;
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유와 고황산염시멘트를 이용한 콘크리트 인공암 조형물 시공방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 인공암 조형물시공 단계는 현장에서 설치장소의 특정한 범위를 정하고 조형물 외곽선의 투영 배치를 통하여 제공되는 내부의 공간에 가로×세로 = 1.5 m×1.5m를 갖는 그리드선을 표시하고, 조형물 상부 각각의 피크점에서 수직선을 내려 그리드선과의 교차점에 지주 프레임 설치를 위한 인서트 앵커의 위치를 설정하는 단계;
   조형물의 설치와 구조적 안정성을 확보하기 위한 메인 프레임 포스트를 설치하는 단계;
   메인 프레임 포스트에 1.8m의 높이로 가로 및 세로방향으로 조형물의 외곽 표면 형성을 위한 보조 프레임을 설치하는 단계;
   메인 프레임 포스트와 보조 프레임의 단부를 연결하고 다른 일방향에서 보조 프레임의 간격을 연결하는 와이어 철선을 설치하고 조형물의 특징적인 외부 골격을 구성하는 단계;
   와이어 작업을 통해 완성된 외부 골격에 철망을 사용하여 표현하고자 하는 조형물의 세부 특징과 음영을 구성하는 단계;
   와이어의 안쪽으로 유실 방지 및 접착력 증대를 위하여 섬유재질 또는 얇은 철판 등으로 유실 방지망을 보강하는 단계;
   조형물의 표면용 재료인 탄소섬유강화 콘크리트 조성물(carbon fiber reinforced cement & concrete)과 접착력 증대 및 표면경도 확보용 프라이머, 무기안료 및 펌프 에이드를 현장 배합하는 단계;
   준비된 상기 탄소섬유강화 콘크리트 조성물을 포터블 믹서를 이용하여 혼합하고 1차 초벌 분무를 하여 두께를 갖는 표면을 조성하여 1차의 경화시간을 파악하는 단계; 및
   2차로 중벌 분무를 하여 표면의 굴곡과 음영을 구성하여 조소, 조형하고, 3차 정벌 분무하여 표면의 미세한 질감을 완성하며, 내부 공간을 일반 콘크리트를 사용하여 밀실하게 충진하고, 소정의 구간까지 반복시공 후 무기안료가 배합된 색상으로 주변 경관과의 조화를 고려하여 에이징하는 단계;
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유와 고황산염시멘트를 이용한 콘크리트 인공암 조형물 시공방법.
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