KR102160910B1 - 탄소섬유를 포함하는 모르타르 조성물 및 이로 제조되는 섬유보강 모르타르 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 모르타르 조성물은 분산성 및 유동성의 작업성이 우수한 효과가 있으며, 이로 제조되는 섬유보강 모르타르는 휨강도 및 내충격성이 우수한 것을 물론, 압축강도도 우수한 효과가 있다.

Description

탄소섬유를 포함하는 모르타르 조성물 및 이로 제조되는 섬유보강 모르타르{Mortar compositions comprising carbon fiber reinforced mortar produced therefrom}
본 발명은 탄소섬유를 포함하는 모르타르 조성물 및 이로 제조되는 섬유보강 모르타르에 관한 것이다.
주요 건설재료 중 하나인 모르타르는 다른 건설재료에 비해 요구되는 역학적 성능이 우수하고 내구성이 높은 건설재료이지만 휨강도 및 인장강도가 압축강도 대비 1/10 정도 수준이며, 휨 및 인장하중 작용 하에 있어서 초기 균열이 발생한 이후 응력이 급격히 저하되는 취성 특성을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 각종 섬유를 혼입하여 취성적인 성질을 개선한 섬유보강 시멘트 복합재료가 있으며, 이에 관한 연구가 북미, 유럽, 일본 등의 선진국을 중심으로 활발히 진행되어 왔다. 국내의 경우에도 모르타르 분야에서 보강재로서 다양한 섬유를 사용한 시멘트 복합재료가 검토되었지만, 상용화 가능할 정도의 우수한 시멘트 복합재료의 개발은 미흡한 실정이다.
한편, 탄소섬유(Carbon Fiber, CF)는 적어도 92% 이상의 탄소원소로 이루어진 섬유를 칭하는 것으로, 제조 방법 및 원료에 따라 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계, 피치계 및 레이온계 등으로 대별할 수 있으며, 섬유길이에 따라 단섬유와 장섬유로 구분될 수 있다. 개발 초기, 경제적 부담 증가로 건설재료 등과 같은 대규모의 활용에는 다소 어려움이 있었으나, 탄소섬유의 기계적 특성과 화학적 안정성 등 역학적 성질이 높아 모르타르의 보강재로 국내외에서 많은 주목을 받고 있다. 특히 탄소섬유는 높은 인장강도 및 인장탄성률을 가진 21세기형의 첨단 복합재료라 할 수 있는 유망한 신소재이다.
따라서 최근, 탄소섬유가 혼입된 탄소섬유 보강시멘트 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Cement Composites: CFRC)의 개발을 위한 연구가 진행되고 있으며, 탄소섬유는 시멘트 복합재료로서 휨강도를 향상시키는데 사용되고 있다. 이러한 복합재료는 섬유를 포함함으로써 충격하중에 의한 국부적인 파괴를 억제할 수 있으며, 휨 인성 및 충격에 대한 저항성이 향상된다.
그러나 종래까지 탄소섬유 보강시멘트 복합재료는 압축강도 저하에 따른 문제, 제조 과정에서 섬유의 뭉침현상에 의한 분산성 저하 및 작업성(Workability) 저하 문제 등의 탄소섬유 혼입에 따른 다양한 부작용이 동반됨에 따라 실제 상용화하기에는 한계가 있어, 이를 극복할 수 있는 연구가 필요하다.
한국공개특허공보 제10-0857475호
본 발명의 목적은 휨강도 및 내충격성이 우수하면서도 압축강도의 저하를 최소화할 수 있도록 하는 모르타르 조성물 및 이로 제조되는 섬유보강 모르타르를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 분산성 및 유동성의 작업성이 우수한 모르타르 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 모르타르 조성물은 물, 시멘트, 골재, 첨가제 및 평균길이가 3 내지 24 mm인 탄소섬유를 포함한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 첨가제는 알칸올아민계 화합물 및 하기 화학식 1의 카본산계 중합체 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 강도 보강제를 더 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112019069107119-pat00001
상기 화학식 1에서, R1, R2 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 30의 지방족 탄화수소기이며, M들은 서로 독립적으로 수소, 알카리 금속, 암모늄 또는 유기 아민기이며, X가 수소 또는 메틸기인 경우 Z는 -CH2COOM1이거나, X가 -COOM1일 경우 Z는 수소 혹은 메틸기이고, 이때 M1은 수소, 알카리 금속, 암모늄 또는 유기 아민기이며, t 및 u는 서로 독립적으로 0 내지 15인 정수이며, P1O 및 P2O는 서로 독립적으로 탄소수가 2 내지 4인 옥시알킬렌기의 1종 또는 2종 이상의 반복단위인 혼합물이고, 2종 이상인 경우 블록상으로 부가되어 있거나 또는 랜덤상으로 부가되어 있으며, 1 및 m은 서로 독립적으로 1 내지 100인 정수이며, p, q, r 및 s는 서로 독립적으로 10 내지 1,000이다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 강도 보강재는 상기 알칸올아민계 화합물 및 상기 화학식 1의 카본산계 중합체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 알칸올아민계 화합물은 N-메틸-N-에탄올아민, N-에틸-N-에탄올아민, N-프로필-N-에탄올아민, N-이소프로필-N-에탄올아민, N,N-디에탄올아민, N,N-디이소프로판올아민, 트리에탄올아민, 디이소프로필에탄올아민 및 디에탄올아민 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 강도 보강재는 조성물 전체 중량에 대하여 0.01 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 탄소섬유는 조성물 전체 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 탄소섬유는 폴리아크릴로나이트릴계 탄소섬유일 수 있다.
본 발명에 따른 모르타르 조성물은 조성물 전체 중량에 대하여 물 3 내지 30 중량%, 시멘트 10 내지 50 중량%, 골재 30 내지 80 중량%, 첨가제 0.01 내지 5 중량% 및 탄소섬유 0.1 내지 5 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 모르타르 조성물로 제조되는 섬유보강 모르타르를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 섬유보강 모르타르는 KS L 5105 규정에 의한 재령 28일에서의 압축강도가 20 내지 50 MPa일 수 있고, 중앙점 재하법에 의한 휨강도가 3 내지 10 MPa일 수 있다.
본 발명에 따른 모르타르 조성물로 제조되는 섬유보강 모르타르는 휨강도 및 내충격성이 우수한 것은 물론, 압축강도도 우수한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 모르타르 조성물은 분산성 및 유동성의 작업성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 실시예 1 내지 실시예 8의 모르타르 조성물과 비교예 1의 모르타르 조성물의 탄소섬유 혼입률 및 섬유길이 변화에 따른 흐름 성능을 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1 내지 실시예 8의 모르타르 조성물 또는 이로 제조된 섬유보강 모르타르와 비교예 1의 모르타르 조성물 또는 이로 제조된 모르타르의 탄소섬유의 혼입률 및 섬유길이 변화에 따른 단위용적질량을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 내지 실시예 8의 모르타르 조성물로 제조된 섬유보강 모르타르와 비교예 1의 모르타르 조성물로 제조된 모르타르의 탄소섬유의 혼입률 및 섬유길이 변화에 따른 압축강도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1 내지 실시예 8의 모르타르 조성물로 제조된 섬유보강 모르타르와 비교예 1의 모르타르 조성물로 제조된 모르타르의 탄소섬유의 혼입률 및 섬유길이 변화에 따른 휨강도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1 내지 실시예 8의 모르타르 조성물로 제조된 섬유보강 모르타르와 비교예 1의 모르타르 조성물로 제조된 모르타르의 탄소섬유의 혼입률 및 섬유길이 변화에 따른휨 휨 응력과 변위 곡선관계을 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1 내지 실시예 8의 모르타르 조성물로 제조된 섬유보강 모르타르와 비교예 1의 모르타르 조성물로 제조된 모르타르의 탄소섬유의 혼입률 및 섬유길이 변화에 따른 CFRC 시편과 보통 모르타르 시편에 대한 초기 균열 및 완전파괴까지의 낙하횟수를 나타낸 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 탄소섬유를 포함하는 모르타르 조성물 및 이로 제조되는 섬유보강 모르타르를 상세히 설명한다.
본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.
본 발명에 따른 모르타르 조성물은 물, 시멘트, 골재, 첨가제 및 평균길이가 3 내지 24 mm인 탄소섬유(Carbon Fiber, CF)를 포함한다. 상기 모르타르 조성물은 평균길이가 3 내지 24 mm인 탄소섬유를 포함함으로써 휨강도 및 내충격성이 현저히 증가된다.
상기 첨가제는 혼화제, 강도 보강재, 계면활성제, 소포제, 경화 촉진제 및 유동화제 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 상기 혼화제로 AE 감수제 등을 예로 들 수 있으며, 상기 강도 보강재로 카본산계 중합체, 알칸올아민계 화합물 등을 예로 들 수 있다. 이 외에도 공지된 다양한 종류의 첨가제가 사용되어도 무방하다.
바람직하게는, 상기 강도 보강재로 카본산계 중합체가 사용될 경우, 하기 화학식 1로 표시되는 카본산계 중합체가 사용되는 것이 좋다.
[화학식 1]
Figure 112019069107119-pat00002
상기 화학식 1에서, R1, R2 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 30의 지방족 탄화수소기이며, M들은 서로 독립적으로 수소, 알카리 금속(리튬, 나트륨, 칼륨 등), 암모늄 또는 유기 아민기이며, X가 수소 또는 메틸기인 경우 Z는 -CH2COOM1이거나, X가 -COOM1일 경우 Z는 수소 혹은 메틸기이고, 이때 M1은 수소, 알카리 금속, 암모늄 또는 유기 아민기이며, t 및 u는 서로 독립적으로 0 내지 15인 정수이며, P1O 및 P2O는 서로 독립적으로 탄소수가 2 내지 4인 옥시알킬렌기의 1종 또는 2종 이상의 반복단위인 혼합물이고, 2종 이상인 경우 블록상으로 부가되어 있거나 또는 랜덤상으로 부가되어 있으며, 1 및 m은 서로 독립적으로 옥시알킬렌기의 평균 부가 몰수로서 1 내지 100인 정수이다.
p, q, r 및 s는 중합체에서 각 반복단위체의 출현 분율(몰비)을 나타낸다. p, q, r 및 s의 비는 크게 제한되는 것은 아니며, 일 예로, 1:0.2~5:0.2~5:0.2~5, 바람직하게는 1:0.5~2:0.2~1.2:0.21.2일 수 있다. 또한 p, q, r 및 s의 각 값은 크게 제한되는 것은 아니며, 일 예로, 서로 독립적으로 10 내지 1,000일 수 있다. 아울러 상기 카본산계 중합체의 중량평균분자량은 상기 화학식 1의 각 값에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 일 예로, 10,000 내지 200,000의 범위를 가질 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되지 않음은 물론이다.
특히 본 발명에 따른 모르타르 조성물은 강도 보강재로 상기 화학식 1로 표시되는 카본산계 중합체 및 알칸올아민계 화합물을 모두 포함할 경우, 양생되어 제조되는 섬유보강 모르타르는 현저히 높은 압축강도를 가지며, 조성물 제조 과정에서 각 성분들의 혼합 시 유동성의 향상도 도모할 수 있다. 구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 카본산계 중합체 및 알칸올아민계 화합물이 함께 사용될 경우, 압축강도가 현저히 향상되는 반면, 강도 보강재로 상기 화학식 1로 표시되는 카본산계 중합체 또는 알칸올아민계 화합물이 단독으로 사용될 경우, 압축강도가 현저히 저하된다. 즉, 상기 화학식 1로 표시되는 카본산계 중합체 및 알칸올아민계 화합물이 함께 사용되어야만 높은 휨강도는 물론, 압축강도가 현저히 증가하는 효과가 구현된다.
상기 강도 보강재로 상기 화학식 1로 표시되는 카본산계 중합체 및 알칸올아민계 화합물을 모두 포함할 경우, 이들의 중량비는 크게 제한되는 것은 아니며, 일 예로 1:0.2~5, 바람직하게는 0.5 내지 2, 보다 바람직하게는 0.8 내지 1.2를 들 수 있다. 이를 만족할 경우, 전술한 휨강도 및 압축강도의 향상이 더 증가될 수 있다.
상기 알칸올아민계 화합물은 다양한 종류가 사용될 수 있으며, 일 예로, N-메틸-N-에탄올아민, N-에틸-N-에탄올아민, N-프로필-N-에탄올아민, N-이소프로필-N-에탄올아민, N,N-디에탄올아민, N,N-디이소프로판올아민, 트리에탄올아민, 디이소프로필에탄올아민 및 디에탄올아민 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 모르타르 조성물의 조성비는 유동성, 흐름성 등의 작업성 및 압축강도 등의 저하에 따른 치명적인 문제가 발생하지 않으면서 휨강도, 내충격성 등의 기계적 물성이 향상될 수 있을 정도라면 적절히 조절될 수 있으며, 일 예를 든다면, 조성물 전체 중량에 대하여 물 3 내지 30 중량%, 시멘트 10 내지 50 중량%, 골재 30 내지 80 중량%, 첨가제 0.01 내지 5 중량% 및 탄소섬유 0.1 내지 5 중량%를 포함하는 것, 보다 구체적으로, 물 5 내지 20 중량%, 시멘트 20 내지 40 중량%, 골재 40 내지 70 중량%, 첨가제 0.1 내지 3 중량% 및 탄소섬유 0.1 내지 3 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 탄소섬유의 경우, 모르타르 조성물에 지나치게 많이 함유되면 분산성 및 유동성의 작업성 저하 및 압축강도 저하를 가져올 우려가 있을 수 있기 때문에 조성물 전체 중량에 대하여 5 중량% 이하, 바람직하게는 3 중량% 이하인 것이 좋을 수 있다. 하지만 이는 바람직한 예로서 설명된 것이므로, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것이 아님은 물론이다.
상기 탄소섬유는 건설재료의 보강재로서 사용될 수 있는 것이라면 다양한 것들이 사용될 수 있으며, 일 예를 든다면 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 탄소섬유를 들 수 있다.
상기 첨가제가 혼화제 및 강도 보강재를 포함할 경우, 이들의 중량비는 크게 제한되는 것은 아니며, 일 예로 1:0.2~5, 구체적으로 0.5 내지 2, 보다 구체적으로 0.8 내지 1.2를 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 탄소섬유의 평균길이는 분산성 및 유동성의 작업성 및 압축강도 등의 저하에 따른 치명적인 문제가 발생하지 않으면서 휨강도, 내충격성 등의 기계적 물성이 향상될 수 있을 정도라면 적절히 조절될 수 있으며, 일 예를 들면 3 내지 24 mm, 바람직하게는 4 내지 16 mm일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 예로서 설명된 것이므로, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것이 아님은 물론이다.
상기 탄소섬유의 평균직경은 분산성 및 유동성의 작업성과 압축강도 등의 저하에 따른 치명적인 문제가 발생하지 않으면서 휨강도, 내충격성 등의 기계적 물성이 향상될 수 있을 정도라면 적절히 조절될 수 있으며, 일 예로 1 내지 15 ㎛, 구체적으로 3 내지 12 ㎛를 들 수 있으나 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 탄소섬유의 평균밀도는 유동성, 흐름성 등의 작업성 및 압축강도 등의 저하에 따른 치명적인 문제가 발생하지 않으면서 휨강도, 내충격성 등의 기계적 물성이 향상될 수 있을 정도라면 적절히 조절될 수 있으며, 일 예로 1.3 내지 2.5 g/cm3, 구체적으로 1.5 내지 2.1 g/cm3를 들 수 있으나 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 탄소섬유의 인장강도(Tensile strength), 인장탄성률(Tensile modulus) 및 신장율(Elongation)는 분산성 및 유동성의 작업성 및 압축강도 등의 저하에 따른 치명적인 문제가 발생하지 않으면서 휨강도, 내충격성 등의 기계적 물성이 향상될 수 있을 정도라면 적절히 조절될 수 있으며, 일 예로 각각 3,000 내지 10,000 MPa, 100 내지 500 GPa 및 1 내지 5%를 들 수 있으나 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 시멘트는 다양한 종류가 사용될 수 있으며, 일 예로, 보통 포틀랜드 시멘트, 중용열 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 초조강 포틀랜드 시멘트, 내황산염 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트, 유정 시멘트, 콜로이드 시멘트, 고로 시멘트, 플라이-애쉬 시멘트, 실리카 시멘트, 초저발열 시멘트, 지열정 시멘트, RCCP용 시멘트, 알루미나 시멘트, 초속경 시멘트, GRC용 저알카리 시멘트 등을 들 수 있으며, 이 외에도 다양한 종류의 시멘트가 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 골재는 콘크리트나 모르타르 등의 분야에서 사용되는 것이라면 다양한 것들이 사용될 수 있으며, 예컨대 잔골재(모래 등), 굵은 골재(자갈 등) 또는 이들의 혼합 골재를 들 수 있다. 여기서 잔골재는 5 mm 체를 통과하고 0.08 mm 체에 남는 골재를 의미할 수 있으며, 굵은 골재는 5 mm 체에 거의 다 남는 골재를 의미할 수 있다. 상기 골재의 비중은 크게 제한되는 것은 아니며, 일 예로 2.5 내지 3.5인 것을 들 수 있으나 이에 제한되지 않음은 물론이다. 상기 골재로서, 강모래, 강자갈, 바다모래, 바다 자갈, 육상 모래, 육상 자갈, 산모래, 산자갈 등의 다양한 것들이 예시될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되지 않음은 물론이다.
본 발명에 따른 모르타르 조성물은 다양한 제법을 통해 제조될 수 있으며, 공지문헌을 참고할 수 있으나, 바람직하게는 다음과 같은 방법을 이용하는 것이 분산성 및 유동성의 작업성 확보 측면에서 바람직할 수 있다.
바람직한 일 예에 따른 모르타르 조성물의 제조 방법은, a) 시멘트 및 골재를 건식 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계, b) 상기 제1 혼합물에 탄소섬유를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계 및 c) 상기 제2 혼합물에 물 및 첨가제를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 모르타르 조성물이 알칸올아민계 화합물, 상기 화학식 1의 카본산계 중합체 등의 강도 보강재를 포함할 경우, 상기 c) 단계에서, 알칸올아민계 화합물 및 상기 화학식 1의 카본산계 중합체 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 강도 보강재가 상기 제2 혼합물에 더 혼합될 수 있다.
본 발명은 상기 모르타르 조성물로 제조되는 섬유보강 모르타르를 제공할 수 있다. 상기 섬유보강 모르타르는 상기 모르타르 조성물을 적절한 조건 하에 양생시켜 제조될 수 있다. 양생 조건은 본 기술분야에서 널리 공지된 사항이므로 공지문헌을 참고하면 무방하다.
본 발명의 일 예에 따른 섬유보강 모르타르는 KS L 5105 규정에 의한 재령 28일에서의 압축강도가 20 내지 50 MPa, 바람직하게는 25 내지 50 MPa, 보다 바람직하게는 30 내지 50 MPa일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 섬유보강 모르타르는 중앙점 재하법에 의한 휨강도가 3 내지 10 MPa, 바람직하게는 3.5 내지 8 MPa, 보다 바람직하게는 3.7 내지 6 MPa일 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1 내지 실시예 4]
하기 표 1의 조성비로 물, 시멘트, 잔골재, 탄소섬유 및 첨가제를 포함하는 모르타르(Carbon fiber reinforced mortar, CFRM) 조성물을 제조하였다.
구체적으로, 섬유의 뭉침현상(Fiber ball) 방지 및 균일하게 분포되도록 하기 위해, 시멘트 및 잔골재를 혼합기에 먼저 투입하고 건비빔으로 90 초 동안 혼합한 후에 탄소섬유를 투입하여 60초 동안 추가 혼합하였다. 이어서 30 초간 정지시킨 후, 붙은 모르타르를 제거하고, 마지막으로 다시 혼합기를 작동시켜 60 초 동안 혼합하였다. 이때 목표 플로우는 약 190±10 mm이었으며, 총 혼합 시간은 약 5 분이었다.
물(wt%) 시멘트(wt%) 잔골재(wt%) 첨가제(wt%) 탄소섬유
(wt%) (vol%)
실시예 1 13.7 28.8 56.8 0.3 0.4 0.5
실시예 2 13.7 28.8 56.4 0.3 0.8 1.0
실시예 3 13.7 28.8 55.6 0.3 1.6 2.0
실시예 4 13.7 28.8 54.8 0.3 2.4 3.0
비교예 1 13.7 28.8 57.5 - - -
※ wt%는 모르타르 조성물 전체 중량에 대한 대상의 질량 분율을 나타내며, vol%는 25℃ 1 atm에서 모르타르 조성물 전체 부피에 대한 대상의 부피(용적) 분율을 나타낸다.
상기 시멘트로 하기 표 2의 특성을 갖는 보통 포틀랜드 시멘트가 사용되었다.
[표 2] 시멘트
Figure 112019069107119-pat00003
상기 잔골재로 KS L ISO 679에서 규정하는 98 중량% 이상의 이산화규소(SiO2)가 함유되어 있고 하기 표 3의 특성을 갖는 표준사가 사용되었다.
[표 3] 잔골재
Figure 112019069107119-pat00004
상기 탄소섬유로 하기 표 4의 특성을 갖는 평균길이가 6 mm인 폴리아크릴로나이트릴계 고강도 탄소섬유가 사용되었다.
[표 4] 탄소섬유
Figure 112019069107119-pat00005
상기 첨가제로 하기 표 5의 특성을 갖는 폴리카르복실산계 고성능 AE감수제(Air entraining and water reducing agent)가 혼화제로서 사용되었다.
[표 5] 첨가제
Figure 112019069107119-pat00006
[실시예 5]
실시예 1에서 평균길이가 6 mm인 탄소섬유 대신 평균길이가 12 mm인 탄소섬유를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 모르타르(Carbon fiber reinforced mortar, CFRM) 조성물을 제조하였다.
[실시예 6]
실시예 2에서 평균길이가 6 mm인 탄소섬유 대신 평균길이가 12 mm인 탄소섬유를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 모르타르(Carbon fiber reinforced mortar, CFRM) 조성물을 제조하였다.
[실시예 7]
실시예 3에서 평균길이가 6 mm인 탄소섬유 대신 평균길이가 12 mm인 탄소섬유를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 모르타르(Carbon fiber reinforced mortar, CFRM) 조성물을 제조하였다.
[실시예 8]
실시예 4에서 평균길이가 6 mm인 탄소섬유 대신 평균길이가 12 mm인 탄소섬유를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 모르타르(Carbon fiber reinforced mortar, CFRM) 조성물을 제조하였다.
[실시예 9]
실시예 3에서, 첨가제로 폴리카르복실산계 고성능 AE감수제 0.3 wt% 대신 하기 첨가제 혼합물을 사용한 것을 제외하고, 즉, 하기 표 6의 조성비로서 실시예 1과 동일한 방법으로 모르타르(Carbon fiber reinforced mortar, CFRM) 조성물을 제조하였다.
상기 첨가제 혼합물은 폴리카르복실산계 고성능 AE감수제 0.1 wt% 및 상기 화학식 1의 카본산계 중합체 0.2 wt%를 포함하며, 상기 화학식 1의 카본산계 중합체는 다음의 방법으로 제조되었다.
온도계, 교반기, 적하깔때기, 질소 도입관 및 환류 냉각장치가 구비된 유리제 반응기에 무수말레인산 120 중량부 및 증류수 90 중량부를 주입하여 완전히 녹인 후 알릴알코올-폴리옥시에틸렌글리콜(알릴알코올-에틸렌옥사이드 평균 부가 몰수 20몰) 220 중량부 및 알릴알코올-폴리옥시에틸렌글리콜설포에톡시에스터(알릴알코올-에틸렌옥사이드 평균 부가 몰수 10몰) 250 중량부를 넣고 교반 하에 반응기 내를 질소 치환하여 질소 분위기하에서 80℃까지 승온하였다. 다음 메타크릴산 80 중량부와 개시제로서 암모늄설페이트 수용액(5.5 wt%) 100 중량부를 6 시간 동안 적하하였다. 단량체 개시제 적하 완료 후 2 wt% 암모늄설페이트 수용액 55 중량부를 1 시간 동안 적하하고 2 시간 동안 80℃를 유지하면서 미반응 단량체를 완전히 중합시켰다. 반응 혼합물을 실온으로 냉각한 후 증류수 300 중량부를 첨가하고, 가성소다(50 wt% 수용액) 270 중량부를 서서히 투입하여 중량평균분자량이 19,500 g/mol이고 다분산성이 2.25의 수용성 공중합체인 상기 화학식 1의 카본산계 중합체를 얻었다.
[실시예 10]
실시예 3에서, 첨가제로 폴리카르복실산계 고성능 AE감수제 0.3 wt% 대신 하기 첨가제 혼합물을 사용한 것을 제외하고, 즉, 하기 표 6의 조성비로서 실시예 1과 동일한 방법으로 모르타르(Carbon fiber reinforced mortar, CFRM) 조성물을 제조하였다.
상기 첨가제 혼합물은 폴리카르복실산계 고성능 AE감수제 0.1 wt% 및 트리에탄올아민 0.2 wt%를 포함한다.
[실시예 11]
실시예 3에서, 첨가제로 폴리카르복실산계 고성능 AE감수제 0.3 wt% 대신 하기 첨가제 혼합물을 사용한 것을 제외하고, 즉, 하기 표 6의 조성비로서 실시예 1과 동일한 방법으로 모르타르(Carbon fiber reinforced mortar, CFRM) 조성물을 제조하였다.
상기 첨가제 혼합물은 폴리카르복실산계 고성능 AE감수제 0.1 wt%, 실시예 9에서 제조된 카본산계 중합체 0.1 wt% 및 트리에탄올아민 0.2 wt%를 포함한다.
물 시멘트 잔골재 첨가제(wt%) 탄소섬유
(wt%) AE감수제 카본산계 중합체 트리에탄올아민 (wt%) (vol%)
실시예 9 13.7 28.8 56.4 0.1 0.2 - 0.8 1.0
실시예 10 13.7 28.8 55.6 0.1 - 0.2 1.6 2.0
실시예 11 13.7 28.8 54.8 0.1 0.1 0.1 2.4 3.0
※ wt%는 모르타르 조성물 전체 중량에 대한 대상의 질량 분율을 나타내며, vol%는 25℃ 1 atm에서 모르타르 조성물 전체 부피에 대한 대상의 부피 분율을 나타낸다.
[비교예 1] 상기 표 1의 조성비로, 즉, 실시예 1에서 탄소섬유 및 첨가제를 사용하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 모르타르 조성물(보통 모르타르)을 제조하였다.
이하, 실시예 1 내지 실시예 11(CFRM) 및 비교예 1(보통 모르타르; Plain)에 따른 모르타르 조성물을 표 및 도면을 참고하여 설명하며, 이때 각 표 및 도면에 따른 탄소섬유의 혼입량은 vol%로서(0.5%, 1.0%, 2.0%, 3.0%) 표기하여 설명한다.
<유동성 평가>
시멘트 모르타르의 흐름 성능을 평가하기 위해서 플로우 시험은 KS L 5111에서 규정하는 플로우 테이블을 이용하여 KS L 5105에 준하여 측정하였다.
도 1은 탄소섬유의 혼입률 및 섬유길이 변화에 따른 실시예 1 내지 실시예 8의 모르타르 또는 이로 제조된 섬유보강 모르타르(이하, 'CFRM'라 함)와 비교예 1의 모르타르 또는 이로 제조된 모르타르(이하, '보통 모르타르' 또는 'Plain'라 함)의 흐름 성능을 나타내었다. 도 1에서 보는 바와 같이 보통 모르타르의 배합에서는 199 mm로 목표 플로우 값 190ㅁ10 mm를 만족하였다. 탄소섬유의 길이별 플로우 값의 변화는 미소하지만, 탄소섬유의 혼입량이 증가함에 따라 흐름 성능이 상당히 감소하는 경향을 보이고 있었다. 또한 탄소섬유를 혼입하였을 때 모르타르 내 작은 lump가 관찰되었으며, 워커빌리티가 급격히 감소함을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 탄소섬유가 탄소벽의 빈 구조를 가지고 있기 때문에 혼합수의 일부 흡수로 인해 모르타르의 점성증가로 섬유의 뭉침 현상에 의한 것으로 보통 모르타르에 비해 플로우 값 감소를 나타낸 것으로 판단된다.
건식 혼합 시 섬유의 뭉침과 편재(偏在)가 일어나며 습식 혼합 시에도 원활한 분산성(Dispersibility)을 어렵게 하는 경향이 있을 뿐만 아니라 섬유혼입량이 증가함에 따라 각 섬유간 엉킴이 쉽게 발생하여 작업성(workability)에도 큰 영향을 주었다. 특히, 3% 혼입한 경우 섬유의 재료분리와 뭉침 현상이 심하게 발생한 것으로 편재로 인해 갈라져 모르타르의 형성이 어려운 상황이었다.
<단위용적질량 평가>
단위용적질량 시험은 KS F 2409 규정에 준하여 실시하였다.
도 2는 탄소섬유의 혼입률 및 섬유길이 변화에 따른 CFRM와 보통 모르타르의 단위용적질량을 나타내었다. 도 2에서 보는 바와 같이 탄소섬유의 혼입량이 증가함에 따라 단위용적질량은 다소 감소하는 경향을 보였으며, 탄소섬유길이와 관계없이 보통 모르타르에 비해 단위용적질량이 모두 감소하였다. 이와 같은 결과는 시멘트 밀도와 탄소섬유의 밀도 차이에 의한 것으로 밀도가 시멘트 보다 상대적으로 작은 탄소섬유가 다량으로 혼입되어 단위용적질량이 감소한 것으로 사료된다. CRFC의 단위용적질량은 탄소섬유의 혼입량이 증가함에 따라 약 4%씩 이상 감소시킬 수 있었으며, 보통 모르타르의 16∼20% 정도 감소시킬 수 있었다.
<압축강도 및 휨강도 특성>
시멘트 모르타르의 압축 및 휨강도 시험을 수행하기 위해 모르타르 공시체를 제작하여, 모두 재령 28일에서의 강도를 측정하였다. 압축강도 시험은 50×50×50 mm 정육면체 몰드를 이용하여 각각 3개씩 제작하였으며, KS L 5105 규정에 준하여 측정하였다. 또한 휨강도 시험은 3점 재하를 기반으로 실시하였으며, 이때 공시체 높이의 3배로 150 mm, 높이 50 mm이다. 중앙점 재하법에 의한 휨강도는 수식 1과 같이 구하였다.
[수식 1]
Figure 112019069107119-pat00007
상기 수식 1에서, fr는 휨강도(MPa), P는 최대하중(N), L은 지점간 거리(mm), b는 시편의 폭(mm), h는 시편의 높이(mm)이다.
압축 및 휨 시험을 위하여 100 kN 용량의 만능시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하였으며, 모든 공시체에 가력속도는 3 kN/min의 일정한 속도로 가력하였다.
[표 7]
Figure 112019069107119-pat00008
CFRM와 보통 모르타르에 대한 압축강도 및 흼강도의 시험결과는 상기 표 7과 같다. 표 7은 실시예 1 내지 실시예 4(CFRM 6 mm), 실시예 5 내지 실시예 8(CFRM 12 mm) 및 비교예 1(Plain) 탄소섬유의 혼입률 및 섬유길이 변화에 따른 CFRM와 보통 모르타르의 압축강도에 미치는 영향을 나타내었다. 높은 혼입률은 섬유의 분산성 저하로 인해 뭉침 현상이 발생하여 압축강도 저하에 따른 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. 도 3에서 보는 바와 같이 CFRM의 압축강도는 보통 모르타르에 비해 탄소섬유의 혼입량이 증가함에 따라 점차 감소하는 경향이 더 크게 나타났다. 본 실험결과로부터 탄소섬유를 0.5% 혼입한 경우 보통 모르타르에 비해 압축강도가 약 8.4∼9.9% 감소하는 것으로 나타났으며, 1.0% 혼입한 경우 약 16.8∼20.1% 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 탄소섬유를 2.0% 혼입한 경우 보통 모르타르에 비해 압축강도가 약 23.9∼36.2% 감소하는 것으로 나타났으며, 3.0% 혼입한 경우 약 43.8∼66.5% 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 압축강도는 0.5%와 1.0% 혼입한 경우 0.6∼1.3MPa 정도 감소하여 약간 편차가 발생하였다. 하지만 2%와 3.0% 혼입한 경우 4.8∼8.9MPa 정도 압축강도가 크게 감소함을 확인할 수 있었다. 특히, 탄소섬유 혼입률이 2.0% 이상인 경우 시멘트 매트릭스 내의 섬유가 균일하게 분산시키기가 어렵고 섬유끼리 엉키는 뭉침현상이 발생하며, 충분히 분산되지 않아 오히려 압축강도가 급격히 감소하였다. 또한 탄소섬유 길이 6mm와 12mm의 사용에 따른 압축강도는 0.5%와 1.0% 혼입한 경우 거의 비슷하거나 약간 차이가 있음을 보였는데, 2.0%와 3.0% 혼입한 경우 약 16.1∼40.4% 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 섬유길이가 6mm인 경우 보다는 12mm의 사용이 더 크게 나타내 효율적이었다. 따라서 CFRM의 경우 워커빌리티를 최대한 유지하면서 압축강도 확보 측면에서 0.5∼1.0% 일 때 가장 적정한 섬유혼입률인 것으로 판단된다. 높은 혼입률로 인해 압축강도가 급격히 감소하는 경향을 보여 강도개선을 위한 추가적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.
도 4는 탄소섬유의 혼입률 및 섬유길이 변화에 따른 CFRM와 보통 모르타르의 휨강도에 미치는 영향을 나타내었다. 도 4에서 보는 바와 같이 휨강도는 섬유길이가 6 mm이고 3% 혼입한 경우를 제외한 모든 종류에서 보통 모르타르에 비하여 같거나 다소 높은 휨강도를 발휘하는 것으로 나타났다. 특히 섬유길이가 12 mm이고 2% 혼입한 경우 가장 우수한 휨강도를 나타내었으며, 보통 모르타르에 비해 약 47% 높은 것으로 확인되었다.
이와 같은 결과는 혼입된 섬유가 가교역할을 함으로서 균열의 진전을 막아주고 응력의 재분배를 통해 휨강도를 향상시켰기 때문이라고 판단된다. 섬유혼입률이 2% 까지 섬유혼입 시 휨강도가 향상되었지만 그 이상 혼입 시에는 증가효과가 그리 크지 않으며, 섬유길이가 6 mm이고 3% 혼입한 경우 높은 혼입률로 인해 분산성 및 마감 성능면에서 양호하지 못하기 때문에 가장 낮은 휨강도를 갖고 있음을 알 수 있었다. 또한 압축강도에 대한 휨강도 비는 섬유혼입량 증가에 따라 섬유길이가 6 mm의 경우 1/11.2∼1/6.0과 섬유길이가 12 mm의 경우 1/9.3∼1/6.1 정도로 되어 보통 모르타르의 경우 1/12.3 정도 보다 압축강도에 대한 휨강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다.
도 5는 각각의 공시체 3개에 대해 탄소섬유의 혼입률 및 섬유길이 변화에 따른 CFRM와 보통 모르타르의 휨 응력과 변위 곡선관계를 나타낸 것이다. 도 5에서 보는 바와 같이 보통 모르타르의 경우 휨 응력은 초기에 거의 일정하게 선형거동으로 변위가 증가하다가 최대 휨 응력이 도달한 이후 변위 증가 없이 갑작스럽게 파괴되여 취성적인 거동을 뚜렷하게 나타내었다. 반면 CFRM의 경우 섬유길이 및 혼입량이 증가함에 따라 다른 특성을 보여 주었으나, 최대응력 이후 변위 곡선은 일정 변위까지 유지하다가 하강 기울기가 완만하게 떨어지면서 변위가 증가하는 연성적인 거동을 보여 주었다. 이와 같은 결과는 탄소섬유의 가교작용(bridging effect)으로 인해 균열발생과 어느 정도 균열진전을 막아주고 섬유의 제어효과로 급격한 취성파괴를 방지하기 때문으로 판단된다. 특히, 섬유길이가 12 mm이고 2% 혼입한 경우 가장 우수한 휨 성능을 보였으며, 섬유길이가 6 mm이고 3% 혼입한 경우에는 높은 혼입량으로 인해 섬유의 뭉침 현상 등에 의해 오히려 휨 응력이 급격히 저하되었다.
첨가제(wt%) 압축강도 휨강도
AE감수제 카본산계 중합체 트리에탄올아민 (MPa)
실시예 3 0.3 - - 25.0 3.8
실시예 9 0.1 0.2 - 28.1 3.9
실시예 10 0.1 - 0.2 27.4 3.9
실시예 11 0.1 0.1 0.1 36.8 4.1
또한 실시예 9 내지 실시예 11에 따른 모르타르 조성물에 대한 압축강도 및 휨강도를 측정한 결과, 카본산계 중합체 및 트리에탄올아민이 조합된 그룹에서 각 성분이 단독으로 사용된 실시예 9 및 실시예 10의 경우는 실시예 3과 비교하여 압축강도의 향상이 크지 않았다. 반면, 카본산계 중합체 및 트리에탄올아민이 모두 사용된 실시예 11의 경우는 놀랍게도 휨강도의 수준은 비슷하면서 각 성분이 단독으로 사용된 실시예 9 및 실시예 10의 경우와 비교하여 압축강도가 현저히 향상됨을 확인하였다. 따라서 이러한 효과는 카본산계 중합체 또는 트리에탄올아민이 함께 사용됨에 따른 것임을 알 수 있다.
<내충격성 평가>
내충격성 시험은 KS F 2221(건축용 보드류의 충격 시험방법)과 KS F 4041(시멘트계 자기 수평 모르타르)에 준하여 실시하였다. 시편은 400×300 mm의 직사각형이고 두께는 30 mm로 일정하게 하여 각각의 탄소섬유의 길이와 혼입률을 변화시켜 제작되었으며, 시편 제작 후 플라스틱 시트로 덮어 상온에서 2일간 보관하고 성형체를 몰드에서 꺼내고 탈형하고, 시험일까지 재령 28일 동안 기건상태에서 양생하였다. 그리고 시험장치를 제작한 후 모래 위 전체면 지지방법으로 수평으로 놓고, 시편 표면의 거의 중앙의 연직 위에서 구형 추 1,000 g의 쇠 구슬로 크기가 400×300×30 mm의 모르타르 시편에 낙하 높이 90 cm에서 자연 낙하시킨 후 초기균열이 발생한 횟수와 시편이 최종 파괴될 때까지의 횟수를 측정하였다.

Claims (10)

  1. 물, 시멘트, 골재, 첨가제 및 탄소섬유를 포함하는 모르타르 조성물로서,
    상기 첨가제는 강도 보강재를 포함하고, 상기 강도 보강재는 알칸올아민계 화합물 및 하기 화학식 1의 카본산계 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 모르타르 조성물.
    [화학식 1]
    Figure 112020027504262-pat00016

    (상기 화학식 1에서,
    R1, R2 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, R3는 수소 또는 탄소수 1 내지 30의 지방족 탄화수소기이며,
    M들은 서로 독립적으로 수소, 알카리 금속, 암모늄 또는 유기 아민기이며,
    X가 수소 또는 메틸기인 경우 Z는 -CH2COOM1이거나, X가 -COOM1일 경우 Z는 수소 혹은 메틸기이고, 이때 M1은 수소, 알카리 금속, 암모늄 또는 유기 아민기이며,
    t 및 u는 서로 독립적으로 0 내지 15인 정수이며,
    P1O 및 P2O는 서로 독립적으로 탄소수가 2 내지 4인 옥시알킬렌기의 1종 또는 2종 이상의 반복단위인 혼합물이고, 2종 이상인 경우 블록상으로 부가되어 있거나 또는 랜덤상으로 부가되어 있으며,
    1 및 m은 서로 독립적으로 1 내지 100인 정수이며,
    p, q, r 및 s는 서로 독립적으로 10 내지 1,000이다)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유는 평균길이가 3 내지 24 mm인 것인 모르타르 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알칸올아민계 화합물은 N-메틸-N-에탄올아민, N-에틸-N-에탄올아민, N-프로필-N-에탄올아민, N-이소프로필-N-에탄올아민, N,N-디에탄올아민, N,N-디이소프로판올아민, 트리에탄올아민, 디이소프로필에탄올아민 및 디에탄올아민 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 모르타르 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 강도 보강재는 조성물 전체 중량에 대하여 0.01 내지 5 중량%로 포함되는 모르타르 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유는 조성물 전체 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%로 포함되는 모르타르 조성물.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유는 폴리아크릴로나이트릴계 탄소섬유인 모르타르 조성물.
  9. 제1항, 제3항 내지 제6항, 제8항 중 어느 한 항의 모르타르 조성물로 제조되는 섬유보강 모르타르.
  10. 제9항에 있어서,
    KS L 5105 규정에 의한 재령 28일에서의 압축강도가 20 내지 50 MPa이고, 중앙점 재하법에 의한 휨강도가 3 내지 10 MPa인 섬유보강 모르타르.
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