KR101933677B1 - 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재 및 이를 이용한 콘크리트 단면 보수 방법 - Google Patents

콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재 및 이를 이용한 콘크리트 단면 보수 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재 및 이를 이용한 콘크리트 단면 보수 방법에 관한 것으로, 콘크리트 구조물과의 접착강도와 표면 보호 및 단열성능의 향상을 통해 콘크리트 구조물의 수명을 연장하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재는, 포틀랜트 시멘트와 칼슘 설포 알루미네이트 시멘트가 중량비율로 1 : 3~4로 혼합된 시멘트 100중량부에 대하여 실리카 샌드 28 내지 32중량부, 카르복실레이트-스티렌-부타디엔 수지 35~50중량부, 수성 알키드 수지 10~20중량부, 우레탄계 수지 10~15중량부, 아크릴계 재유화형 수지 5~7중량부, 석탄 경석 미분 7~15중량부, 지방산염계 방수재 3 ~ 10중량부를 포함한다.

Description

콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재 및 이를 이용한 콘크리트 단면 보수 방법{CONCRETE REPAIR MATERIALS FOR IMPROVED DURABILITY OF CONCRETE STRUCTURE, AND METHOD FOR REPAIRING CONCRETE STRUCTURE USING THIS SAME}
본 발명은 콘크리트 구조물의 보수에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 콘크리트 구조물과의 접착강도와 표면 보호 및 단열성능의 향상을 통해 콘크리트 구조물의 수명을 연장하는 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재 및 이를 이용한 콘크리트 단면 보수 방법에 관한 것이다.
이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.
콘크리트 구조물은 우수한 내구성으로 인해 반영구적 구조물의 건설 재료로 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 콘크리트 구조물이 해양 환경에 오랜 기간 노출될 경우 해수(해풍)의 작용에 의하여 콘크리트가 침식되고 철근이 부식을 일으키며 체적 팽창에 의해 콘크리트가 균열 및 박리를 일으킴으로써, 결과적으로 콘크리트 구조물의 성능이 저하되게 된다. 또한 겨울철에는 콘크리트가 동결 및 융해 작용으로 인해 콘크리트의 파손이 발생하기도 하고, 자동차의 배기가스에 오랜 기간 노출될 경우 중성화 현상으로 인해 내부 철근이 부식되고 콘크리트가 균열 또는 탈락되는 경우가 발생하기도 한다.
이러한 원인들 외에도, 콘크리트 구조물의 열화, 중성화, 알칼리골재반응, 공장 폐수 및 생활하수 등에 의해서도 철근이 부식되고 콘크리트가 손상될 수 있다.
이와 같은 다양한 원인들에 의해 내부 철근이 부식되고 콘크리트가 균열 또는 탈락된 경우 그 구조물을 안정적으로 계속해서 사용하기 위해서는 그것을 원형 상태로 복원시켜야할 필요성이 대두되었고 그에 따라 다양한 콘크리트 구조물 원형복원 공법이 현장에서 사용되고 있다.
콘크리트 구조물의 일반적인 보수 방법은 보수 모르타르의 도포(타설)에 의해 이루어지는 것이다.
종래 보수 모르타르는 1종 보통포틀랜드 시멘트가 주로 사용되고 있다.
1종 보통 포틀랜드 시멘트는 수경성의 C3S, C2S, C3A, C4AF(C=CaO, S=SiO2, A=Al2O3, F=Fe2O3)와 석고 등 소량의 황산염으로 구성되는데, 이 시멘트 수화물 성분 중 칼슘 알루미네이트는 물과 시멘트가 반응하는 초기 과정에서 가장 빨리 반응이 시작되어 알루미네이트 겔을 형성하고 바로 시멘트 내 존재하는 황산염과 반응하여 침상구조로 팽창하는 성질을 가지는 에트링자이트를 형성한다. 알루미네이트 -겔Aluminate gel)이 시멘트가 응결하기 전에 소성상태에서 발생되는 초기 에트링자이트는 시멘트의 응결에 영향을 주며 또한 팽창구조를 이용하여 시멘트의 수축을 보상하는 기구로도 이용하고 있다.
그러나 시멘트가 경화된 이후에 칼슘 알루미네이트가 지하수나 해수 중에 포함되어 있는 황산염과 만나 상호 반응하게 되면, 다시 팽창결정체인 에트링자이트(Ettringite)를 형성하게 된다. 즉, 콘크리트가 양생된 이후 발생되는 후기 에트링자이트를 DEF(delayed ettringite formation)이라고 부르는데, 이 DEF 결정체의 특성인 팽창성 결정구조 때문에 콘크리트가 경화된 이후에 철근콘크리트 표면에 망상형의 균열을 일으킨다. 이 균열이 지속적으로 황산염과 반응하여 경시적으로 그 크기가 성장함에 따라, 이렇게 생긴 균열을 통해 수분이나 염화물이 구조물 내부로 침투하여 결국 콘크리트 구조물의 안정성에 치명적인 손상을 일으키게 된다.
이와 같은 콘크리트 구조물의 보수(복구)를 위한 특허문헌들은 다음과 같다.
특허문헌 1(등록특허 제10-0220562호)은 일반노출 보수보강용 보수보강(분체)제로 가아네트(GARNET [Mineral name ; Almandine](300 -600 )50 , 백색포틀랜드시멘트[Whiteport-land cement]40 , 알루미나시멘트[Alumina cement]10 로 보수보강 분체(A제)를 조성하고, 보수보강혼화(에멀젼)제로 아크릴공중합체 수지에멀젼[특수 Multi-functional group을 포함하는 Polyacry-lateco-polymer Emulsion] 30-35 (중량비)와, 정수된 이온수(water)65-70 와, 경화제[Reactive surface Active Agent]0.2-0.3 와, 소포제[Non-Silicone Deformen]0.2-0.3(중량비)와, 방부제(1)[In-camPreservative]0.2 (중량비) 및 방부제[Fungicide]0.5 [fungicide]0.5(중량비)와, 향료[banana]0.1 (중량비)와, 수성무기안료[Inorganic pigment]를 소량을 선택적으로 혼합하여 보수보강 혼화제(에멀젼)(B제)를 조성으로 하며, 염해와 동해 및 내화학성 모두가 가능하지 못하다.
특허문헌 2(등록특허 제10-1352903호)는 결합재 5~50 중량%, 충전재 10~40 중량% 및 골재 20~70 중량%를 포함하는 콘크리트 구조물 보수 보강용 모르타르 조성물로서, 상기 결합재는 인조대리석 폐분말 100 중량부와 슬래그 함유 혼합물 20 ~ 50 중량부, 및 인산부산이수석고 또는 배연탈황이수석고 20 ~ 40 중량부를 포함하여 이루어진 속경시멘트 20 ~ 50 중량%; 포틀랜트 시멘트 30 ~ 60 중량%; 셀룰로오스 섬유 5~ 20 중량%; 및 EVA 수지 5 ~ 10 중량%를 포함하여 이루어지며, 상기 슬래그 함유 혼합물은 비표면적이 6,000 내지 7,000 cm2/g인 고로슬래그 65 내지 80 중량%, 석회 10 내지 20 중량%, 석고 5 내지 15 중량% 및 8,000cm2/g 내지 20,000cm2/g의 분말도를 갖고 평균입경이 1~10㎛인 킬른더스트 5 내지 20 중량%로 구성된 혼합물을 진동밀에서 혼합 분쇄하는 메카노케미컬 활성화 처리된 혼합물이며, 단기적인 보수는 가능하겠지만 장기적인 강도 증진이 부족하고 초기 강도 발현
등이 미약하다.
특허문헌 3(등록특허 제10-1764895호)은 본 발명의 출원인에 의해 특허받은 것으로, 포틀랜트 시멘트와 칼슘 설포 알루미네이트 시멘트가 중량비율로 1 : 3~4로 혼합된 시멘트 100중량부에 대하여 평균 입경이 0.1 내지 1.2mm인 실리카 샌드 28 내지 32중량부, 포졸란 파우더 12 내지 16 중량부, 평균 굵기가 65 내지 75 ㎛ 이고 평균길이가 3 내지 6mm인 PP섬유와 마닐라삼이 혼합되어 이루어진 섬유보강재 1.8 내지 2.2중량부, 유동화제 1.8 내지 2.2 중량부, 무수석고 11 내지 13중량부, 비표면적 4000~4500 cm2/g의 입자크기를 갖는 폐유리 분말 7 내지 9 중량부, 아크릴계 재유화형 수지 5 내지 7중량부, 수축저감용 CSA계 팽창제 11 내지 13 중량부, 주석산 0.35 내지 0.45 중량부, 칼슘포메이트 0.35 내지 0.45중량부, 고로슬래그 3 ~ 10중량부, 실리카흄 3 ~ 10중량부, 지방산염계 방수재 3 ~ 10중량부를 포함하고, 상기 실리카 샌드는 평균 입경이 0.1 내지 0.2mm인 실리카 샌드 15 내지 25중량%, 평균 입경이 0.3 내지 0.6mm 인 실리카 샌드 45 내지 55 중량%, 평균입경이 0.7 내지 1.2mm인 실리카 샌드 25 내지 35중량%의 혼합으로 이루어지며, 상기 지방산염계 방수재는 3가지 입도의 상기 실리카 샌드와 먼저 혼합되어 상기 3가지 입도의 상기 실리카 샌드에 코팅 및 상기 실리카 샌드의 공극에 채워진 후 사용되는 백화 방지와 염해와 동해 및 내화학성이 우수한 콘크리트 보수재이며, 초기 강도 발현과 강도 증진 등 다양한 효과가 있지만, 접착강도와 우수성과 단열성의 단점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 콘크리트 구조물과의 접착강도와 표면 보호 및 단열성능의 향상을 통해 콘크리트 구조물의 수명을 연장하는 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재 및 이를 이용한 콘크리트 단면 보수 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재는, 포틀랜트 시멘트와 칼슘 설포 알루미네이트 시멘트가 중량비율로 1 : 3~4로 혼합된 시멘트 100중량부에 대하여 실리카 샌드 28 내지 32중량부, 카르복실레이트-스티렌-부타디엔 수지 35~50중량부, 수성 알키드 수지 10~20중량부, 우레탄계 수지 10~15중량부, 아크릴계 재유화형 수지 5~7중량부, 석탄 경석 미분 7~15중량부, 지방산염계 방수재 3 ~ 10중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재 및 이를 이용한 콘크리트 단면 보수 방법에 의하면, 보수재의 작업성과 시공성 향상을 통해 공기 단축과 시공비용을 절감하는 효과를 도출하고, 보수층과 콘크리트 구조물 간의 접착 강도 증진과 콘크리트 구조물의 표면 보호가 우수하여 콘크리트 구조물의 수명을 연장하고 보수 비용을 절감하는 효과도 있으며, 콘크리트 구조물의 열전달을 차단하여 보수층의 박리와 콘크리트 구조물의 열변형을 줄이는 효과가 있다.
그리고, 석탄 경석의 폐기물을 이용하여 폐기물의 방치로 인한 환경오염 방지, 폐기물의 처리를 위한 비용 절감 및 자원재활용에 의한 부가가치 창출의 효과가 있다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재는, 포틀랜트 시멘트와 칼슘 설포 알루미네이트 시멘트가 중량비율로 1 : 3~4로 혼합된 시멘트 100중량부에 대하여 실리카 샌드 28 내지 32중량부, 카르복실레이트-스티렌-부타디엔 수지 35~50중량부, 수성 알키드 수지 10~20중량부, 우레탄계 수지 10~15중량부, 아크릴계 재유화형 수지 5~7중량부, 석탄 경석 미분 7~15중량부, 지방산염계 방수재 3 ~ 10중량부를 포함한다.
시멘트는 다양한 효과를 얻기 위하여 포틀랜드 시멘트와 칼슘 설포 알루미네이트 시멘트가 혼합(중량비율로 칼슘 설포 알루미네이트 : 포틀랜드 시멘트 = 1 : 3 ~ 4) 사용된다.
실리카 샌드(규사)는 보수재에 의한 보수층의 강도 향상을 위하여 사용되며, 0.1 내지 1.2mm 입도로서 시멘트 100중량부에 대하여 28~32 중량부가 혼합되고, 특히 공극을 줄이면서도 큰 강도 발현을 위하여 3가지 입도 분포의 실리카 샌드가 사용되는 것이 바람직하다.
3가지 입도의 실리카 샌드는 0.1 내지 0.2mm인 실리카 샌드, 0.3 내지 0.6mm인 실리카 샌드, 0.7 내지 1.2mm인 실리카 샌드이며, 전술한 혼합 비율 안에서 자유롭게 혼합되어 사용된다.
예를 들어, 실리카 샌드 100중량%에 대하여 평균 입경이 0.1 내지 0.2mm인 실리카 샌드 15 내지 25중량%, 평균 입경이 0.3 내지 0.6mm인 실리카 샌드 45 내지 55 중량%, 평균입경이 0.7 내지 1.2mm인 실리카 샌드 25 내지 35중량%의 재료가 사용된다. 3종류의 실리카 샌드는 각각의 입도와 혼합비율을 통해 상대적으로 작은 입도의 실리카 샌드가 큰 입도의 실리카 샌드들 사이의 공극을 채워 공극을 최소화하며 큰 입도의 실리카 샌드가 강도를 발현한다.
카르복실레이트-스티렌-부타디엔 수지(carboxylate-styrene-butadiene resin)는 콘크리트 개질제로서 콘크리트 구조물의 표면과 보수재 간의 접착력을 증강시키며, 35중량부 미만은 이산화탄소, 염화물 및 황산염에 대한 저항력이 약해지고, 콘크리트 구조물의 표면과 콘크리트 표면 보호용 도막재 간의 접착력이 약해지며, 50중량부부를 초과하면 접착력 등 효과에 큰 차이가 없고 다른 재료와의 균형이 깨질 수 있다.
수성 알키드 수지(alkyd resin)는 콘크리트 구조물의 표면 보호를 위하여 사용되며 10~20중량부의 범위를 벗어나면 본 발명의 보수재에 의한 보호 효과가 미약하거나 가성비(재료의 구입 비용 대비 효과)가 좋지 못하다.
우레탄 수지는 저온 경화성, 낮은 점도에 의한 우수한 작업성, 우수한 내후성과 내약품성의 특성이 있으며, 10~15중량부의 범위를 벗어나면 고유 특성의 발현이 어렵다.
아크릴계 재유화형 수지는 시멘트 개질제로서 시멘트에 혼합되어 시멘트가 수화반응을 일으켜 경화될 때 필름을 형성하여 고분자가 갖는 인장강도 및 접착성 등의 특성을 시멘트에 부가하는 역할을 하며, 시멘트 100중량부에 대하여 5중량부 미만은 인장강도와 접착성의 효과를 기대할 수 없고 7중량부를 초과하면 작업성이 좋지 못하다.
석탄 경석은 채광 과정에서 발생하는 폐기물로서 분류되며 SiO2가 40~70%, Al2O3 10~30%, Fe2O3 2~10%, 기타 TiO2, CaO, MgO 등으로 이루어지고, 미분 예컨대 4~6미크론 입도로서 시멘트와 동질감을 주어 재료 간의 분리를 막는 것도 가능하며, 기공의 특성 및 7~15중량부의 혼합비율을 통해 콘크리트 구조물의 열전달을 줄여줌으로써 콘크리트 구조물을 보호한다.
석탄 경석은 공극을 채워 조직을 치밀하게 함으로써 보수층의 강도 향상도 가능하다.
석탄 경석은 탄분이 10%이하가 바람직하다.
지방산염계 방수재는 액체안정성이 높은 팔미트산(palmitic acid)(또는 이의 염), 올레산(oleic acid)(또는 이의 염) 중 하나 이상이 사용(2개 이의 혼합 사용시 자유롭게 조절 가능하며, 예를 들어 동등 비율)되며 시멘트 100중량부에 대하여 3 ~ 10중량부가 혼합되고, 3중량부 미만이 사용되면 방수성이 낮고 10중량부를 초과하면 방수성은 우수하지만 작업성과 콘크리트의 강도 특성의 저하를 초래한다.
지방산염계 방수재는 고상과 유상이 있으며, 고상의 지방산염계 방수재는 공정수에 녹여 사용할 수 있고, 유상의 지방산염계 방수재는 다른 재료와 혼합하여 사용한다.
지방산염계 방수재는 보수재의 도포에 의한 보수층에 전체적으로 분산되도록 현장에서 실리카 샌드와 함께 혼합된 후 다른 재료와 혼합되어 사용될 수 있으며, 특히 지방산염계 방수재가 실리카 샌드에 코팅되는 효과가 있어 3가지 입도의 실리카 샌드를 통해 지방산염계 방수재의 분산 효과를 기대할 수 있고 실리카 샌드의 공극 사이에도 방수층을 형성하는 이점이 있다. 이때, 지방산염계 방수재는 알콜 등의 용해제에 의해 용해된 후 실리카 샌드와 혼합될 수 있다.
이와 함께 본 발명은 주석산(시멘트 100중량부에 대하여 0.35~0.45중량부)가 사용되어 수화반응의 지연을 통해 작업 시간을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 콘크리트 구조물 내부의 철근이 부식되는 것을 막기 위하여 부식방지재가 포함될 수 있다.
상기 부식방지재는 철근보다 반응성이 빠른(큰) 마그네슘, 아연 등으로서 0.1~2mm 크기의 분말로서 상기 재료와 함께 사용되고 시멘트 100중량부에 대하여 5~15중량부의 양이 사용된다.
따라서, 부식방지재가 철근보다 먼저 산화하여 콘크리트 구조물을 보호하는 효과가 있으며, 부식방지재의 산화를 확인하여 보수층만을 재보수함으로써 보수비용도 절감하는 것이 가능하다.
<실시예>
1. 조성
재료 혼합비율(중량 기준) 비고
시멘트 100 칼슘설포알루미네이트(1), 포틀랜드 시멘트(3) 중량비
실리카 샌드 30 0.1~0.2mm : 20중량%
0.3~0.6mm : 50중량%
0.7~1.2mm : 30중량%
카르복실레이트 스티렌
부타디엔 수지		 35
수성 알키드 수지 15
우레탄계 수지 12
아크릴계 재유화형 수지 6
석탄 경석 12
지방산염계 방수재 7
2. 특성 시험.
표 1의 조성으로 시험체(표 1의 조성에 주석산 0.4중량부를 포함하는 예도 포함)를 제작하고 KS F 4042 시험 방법에 의해 특성을 시험하였으며, 부착강도가 1.0이상(N/mm2)의 기준을 만족하고, 잔갈림이 생기지 않는 것으로 확인되었으며, 또한, 압축강도, 내알칼리성, 투수량 등 KS 품질 기준을 만족하는 것으로 확인되었다.
본 발명에 의한 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재를 이용한 콘크리트 단면 보수 방법콘크리트 단면 보수 방법은, 보수 표면 정리 - 프라이머 도포 - 보수층 형성의 공정으로 이루어지며, 상기 보수 표면 정리 공정은 콘크리트 구조물의 보수가 필요한 부분을 치핑, 그라인딩, 청소 등을 통해 정리하는 것이며, 상기 프라이머 도포 공정은 표면 정리한 곳에 본 발명의 보수재를 도포하여 보수층을 형성하기 위한 전처리 공정으로 보수층과 콘크리트 구조물 간의 접착력 강화를 위하여 프라이머 접착제를 먼저 도포하여 접착층을 형성하는 것이며, 상기 보수층 형성 공정은 상기 접착층 표면에 본 발명의 보수재를 도포(도포 두께는 콘크리트 구조물에 따라 다양하게 실시 가능하므로 수치로 한정하지 않음)하여 보수층을 형성하는 것이다.

Claims (4)

  1. 포틀랜트 시멘트와 칼슘 설포 알루미네이트 시멘트가 중량비율로 1 : 3~4로 혼합된 시멘트 100중량부에 대하여 실리카 샌드 28 내지 32중량부, 카르복실레이트-스티렌-부타디엔 수지 35~50중량부, 수성 알키드 수지 10~20중량부, 우레탄계 수지 10~15중량부, 아크릴계 재유화형 수지 5~7중량부, 석탄 경석 미분 7~15중량부, 지방산염계 방수재 3 ~ 10중량부, 주석산 0.35~0.45중량부, 부식방지재 5~15중량부를 포함하며,
    상기 실리카 샌드는 평균 입경이 0.1 내지 0.2mm인 실리카 샌드 15 내지 25중량%, 평균 입경이 0.3 내지 0.6mm인 실리카 샌드 45 내지 55 중량%, 평균입경이 0.7 내지 1.2mm인 실리카 샌드 25 내지 35중량%의 혼합으로 이루어지며, 상기 지방산염계 방수재는 3가지 입도의 상기 실리카 샌드와 먼저 혼합되어 상기 3가지 입도의 상기 실리카 샌드에 코팅 및 상기 실리카 샌드의 공극에 채워진 후 사용되고,
    상기 부식방지재는 0.1~2mm 크기의 분말인 마그네슘 또는 아연으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 콘크리트 표면을 그라인딩한 후 이물질을 제거하는 제1단계와;
    상기 제1단계 이후 콘크리트 표면에 프라이머를 도포하여 상기 콘크리트 표면에 접착층을 형성하는 제2단계와;
    상기 제2단계에 의해 형성된 접착층에 청구항 1에 의한 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재를 도포하여 보수층을형성하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 내구성 향상을 위한 콘크리트 보수재를 이용한 콘크리트 단면 보수 방법.
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