KR102175574B1 - Mortar composition comprising carbon fiber coated with silica nanoparticles and fiber reinforced mortar produced therefrom - Google Patents

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Abstract

A mortar composition according to the present invention contains carbon fibers coated with silica nanoparticles, admixtures, cement, aggregate, and water, and a carbon fiber reinforced mortar manufactured from the same has an effect of having excellent compressive strength and flexural strength, and thus has an effect of having excellent dispersibility even when carbon fibers are contained, and having excellent workability due to high fluidity.

Description

실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유를 포함하는 모르타르 조성물 및 이로 제조되는 탄소섬유 보강 모르타르{Mortar composition comprising carbon fiber coated with silica nanoparticles and fiber reinforced mortar produced therefrom}Mortar composition comprising carbon fiber coated with silica nanoparticles and fiber reinforced mortar produced therefrom.

본 발명은 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유를 포함하는 모르타르 조성물 및 이로 제조되는 탄소섬유 보강 모르타르에 관한 것이다.The present invention relates to a mortar composition comprising carbon fibers coated with silica nanoparticles and a carbon fiber reinforced mortar prepared therefrom.

주요 건설재료 중 하나인 시멘트계 모르타르나 콘크리트는 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 시멘트 보강재로서 다양한 섬유를 사용한 시멘트 복합재료가 검토되었지만, 상용화 가능할 정도의 우수한 섬유보강 시멘트 복합재료의 개발은 미흡한 실정이다.Cement mortar or concrete, which is one of the major construction materials, is a construction material with superior mechanical performance and high durability compared to other construction materials, but its flexural strength and tensile strength are about 1/10 of the compressive strength, and under the action of bending and tensile loads. Therefore, it has a brittle property in which the stress rapidly decreases after the initial cracking occurs. In order to compensate for these shortcomings, there is a fiber-reinforced cement composite material that improves brittleness by mixing various fibers, and research on this has been actively conducted mainly in advanced countries such as North America, Europe, and Japan. Even in Korea, cement composite materials using various fibers as cement reinforcing materials have been reviewed, but the development of fiber-reinforced cement composite materials that can be commercialized is insufficient.

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 시멘트 보강재로서 국내외에서 많은 주목을 받고 있다. 특히 탄소섬유는 높은 인장강도 및 인장탄성률을 가진 21세기형의 첨단 복합재료라 할 수 있는 유망한 신소재이다.On the other hand, carbon fiber (CF) refers to a fiber composed of at least 92% or more carbon elements, and is classified into polyacrylonitrile (PAN)-based, pitch-based, and rayon-based, etc. depending on the manufacturing method and raw material. Can be, and can be divided into short fibers and long fibers according to the fiber length. In the early stages of development, due to the increased economic burden, large-scale applications such as construction materials were somewhat difficult, but the mechanical properties of carbon fiber and the mechanical properties such as chemical stability were high, and thus, it is attracting much attention at home and abroad as a cement reinforcement. In particular, carbon fiber is a promising new material that can be called a high-tech composite material of the 21st century with high tensile strength and tensile modulus.

따라서 최근, 탄소섬유가 혼입된 탄소섬유 보강시멘트 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Cement Composites: CFRCC)의 개발을 위한 연구가 진행되고 있으며, 탄소섬유는 시멘트 복합재료로서 휨강도, 인장강도 등을 향상시키는데 사용되고 있다. 이러한 복합재료는 섬유를 포함함으로써 충격하중에 의한 국부적인 파괴를 억제할 수 있으며, 휨 인성 및 충격에 대한 저항성이 향상된다.Therefore, recently, research for the development of carbon fiber reinforced cement composites (CFRCC) mixed with carbon fibers is being conducted, and carbon fibers are used as cement composites to improve flexural strength and tensile strength. . By including the fiber, such a composite material can suppress local destruction due to an impact load, and improve bending toughness and resistance to impact.

그러나 종래까지 탄소섬유 보강시멘트 복합재료는 압축강도 저하 문제, 매트릭스와 부착강도의 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.However, until now, carbon fiber-reinforced cement composites have various problems due to carbon fiber mixing, such as a problem of lowering compressive strength, a problem of matrix and adhesion strength, a problem of lowering dispersibility and workability due to agglomeration of fibers in the manufacturing process. As side effects are accompanied, there is a limit to commercialization, and research to overcome this is needed.

한국등록특허공보 제10-0857475호Korean Registered Patent Publication No. 10-0857475

본 발명의 목적은 모르타르 조성물 내 매트릭스 상에 탄소섬유가 치밀하게 결합되어 부착강도가 현저히 높고, 탄소섬유가 매트릭스 상에 고르게 분산되어 모르타르의 기계적 물성이 현저히 향상된 모르타르 조성물 및 이로 제조되는 탄소섬유 보강 모르타르를 제공하는 것이다.An object of the present invention is a mortar composition with remarkably high adhesion strength due to dense bonding of carbon fibers on a matrix in the mortar composition, and remarkably improved mechanical properties of the mortar by dispersing carbon fibers evenly on the matrix, and a carbon fiber reinforced mortar prepared therefrom Is to provide.

본 발명의 다른 목적은 휨강도가 우수하면서도 압축강도의 저하를 최소화할 수 있도록 하는 모르타르 조성물 및 이로 제조되는 탄소섬유 보강 모르타르를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a mortar composition and a carbon fiber-reinforced mortar made of the mortar composition capable of minimizing a decrease in compressive strength while having excellent flexural strength.

본 발명의 다른 목적은 조성물 내 성분들의 분산성이 우수하고, 유동성이 높아 작업성이 우수한 모르타르 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a mortar composition having excellent dispersibility of components in the composition and high fluidity and excellent workability.

본 발명에 따른 모르타르 조성물은 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유, 혼화재, 시멘트, 골재 및 물을 포함한다.The mortar composition according to the present invention includes a carbon fiber coated with silica nanoparticles, an admixture, a cement, an aggregate, and water.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 탄소섬유는 실란커플링제 및 경화제의 반응에 의해 실리카 나노 입자가 탄소섬유의 표면에 결합되어 코팅될 수 있다.In one example of the present invention, the carbon fiber may be coated by bonding silica nanoparticles to the surface of the carbon fiber by a reaction of a silane coupling agent and a curing agent.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 실리카 나노 입자는 상기 실란커플링제와 상기 경화제가 반응하여 결합된 물질을 링커로 하여 상기 탄소섬유의 표면에 화학적으로 결합될 수 있으며, 상기 실란커플링제의 관능기가 상기 실리카 나노 입자와 결합되고, 상기 경화제의 관능기가 상기 탄소섬유의 표면에 결합되는 것일 수 있다.In an example of the present invention, the silica nanoparticles may be chemically bonded to the surface of the carbon fiber by using a material bonded by the reaction of the silane coupling agent and the curing agent as a linker, and the functional group of the silane coupling agent It is bonded to the silica nanoparticles, and the functional group of the curing agent may be bonded to the surface of the carbon fiber.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 실란커플링제는 하기 화학식 1로 표시될 수 있으며, 상기 경화제는 디아민계 화합물을 포함할 수 있다. 하기 화학식 1에서, X는 에폭시기 또는 글리시독시기로 치환된 (C1-C30)알킬기로부터 선택되고, R은 독립적으로 직쇄 또는 분지쇄의 (C1-C7)알킬기로부터 선택된다.In one example of the present invention, the silane coupling agent may be represented by the following formula (1), and the curing agent may include a diamine-based compound. In the following formula (1), X is selected from an epoxy group or a (C1-C30) alkyl group substituted with a glycidoxy group, and R is independently selected from a linear or branched (C1-C7) alkyl group.

[화학식 1][Formula 1]

X-Si-(OR)3 X-Si-(OR) 3

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 실란커플링제는 글리시독시알킬 알콕시실란을 포함할 수 있으며, 상기 디아민계 화합물은 알킬렌디아민을 포함할 수 있다.In one example of the present invention, the silane coupling agent may include glycidoxyalkyl alkoxysilane, and the diamine-based compound may include alkylenediamine.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 혼화재는 평균입경이 0.01 내지 100 ㎛이며 비표면적이 3천 내지 100만 cm2/g인 무기 입자를 포함할 수 있다.In an example of the present invention, the admixture may include inorganic particles having an average particle diameter of 0.01 to 100 μm and a specific surface area of 3 to 1 million cm 2 /g.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 혼화재는 실리카흄, 포졸란, 플라이애시, 고로슬래그, 화산유리 및 왕겨재 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.In one example of the present invention, the admixture may include any one or two or more selected from silica fume, pozzolan, fly ash, blast furnace slag, volcanic glass and rice husk ash.

본 발명의 일 예에 따른 모르타르 조성물은 강도 보강제를 더 포함할 수 있으며, 상기 강도 보강제는 알칸올아민계 화합물; 및 하기 화학식 2의 카본산계 중합체; 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 하기 화학식 2에서, R1, R2 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, R3는 수소 또는 (C1-C30)지방족 탄화수소기이며, M들은 서로 독립적으로 수소, 알칼리 금속, 암모늄 또는 유기 아민기이며, X가 수소 또는 메틸기인 경우 Z는 -CH2COOM1이거나, X가 -COOM1일 경우 Z는 수소 혹은 메틸기이고, 이때 M1은 수소, 알칼리 금속, 암모늄 또는 유기 아민기이며, t 및 u는 서로 독립적으로 0 내지 15인 정수이며, P1O 및 P2O는 서로 독립적으로 옥시(C2-C4)알킬렌기의 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.The mortar composition according to an embodiment of the present invention may further include a strength reinforcing agent, and the strength reinforcing agent may include an alkanolamine-based compound; And a carboxylic acid polymer of the following formula (2); Any one or more selected from among may be included. In Formula 2 below, R 1 , R 2 and R 4 are each independently hydrogen or a methyl group, R 3 is hydrogen or a (C1-C30) aliphatic hydrocarbon group, and M are independently of each other hydrogen, alkali metal, ammonium or organic When X is a hydrogen or methyl group, Z is -CH 2 COOM 1, or when X is -COOM 1 , Z is hydrogen or methyl, and M 1 is hydrogen, alkali metal, ammonium or organic amine group, t and u are each independently an integer of 0 to 15, and P 1 O and P 2 O are each independently a mixture of one or two or more repeating units of an oxy(C2-C4)alkylene group, and two or more It is added in a block form or added in a random form, and 1 and m are each independently an integer of 1 to 100, and p, q, r and s are each independently 10 to 1,000.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019133479731-pat00001
Figure 112019133479731-pat00001

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.In one example of the present invention, the alkanolamine compound is N-methyl-N-ethanolamine, N-ethyl-N-ethanolamine, N-propyl-N-ethanolamine, N-isopropyl-N-ethanol Any one or two or more selected from amine, N,N-diethanolamine, N,N-diisopropanolamine, triethanolamine, diisopropylethanolamine, and diethanolamine may be included.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 강도 보강제는 조성물 전체 중량에 대하여 0.01 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.In an example of the present invention, the strength reinforcing agent may be included in an amount of 0.01 to 5% by weight based on the total weight of the composition.

본 발명의 일 예에 따른 모르타르 조성물은 탄소섬유 0.1 내지 5 중량%, 혼화재 0.5 내지 15 중량%, 골재 30 내지 80 중량%, 시멘트 10 내지 50 중량% 및 잔량의 물을 포함할 수 있다.The mortar composition according to an embodiment of the present invention may include 0.1 to 5% by weight of carbon fiber, 0.5 to 15% by weight of admixture, 30 to 80% by weight of aggregate, 10 to 50% by weight of cement, and the balance of water.

본 발명은 상기 모르타르 조성물로 제조되는 탄소섬유 보강 모르타르를 제공한다.The present invention provides a carbon fiber reinforced mortar made of the mortar composition.

본 발명의 일 예에 따른 탄소섬유 보강 모르타르는 재령 28일에서의 압축강도가 20 MPa 이상일 수 있고, 중앙점 재하법에 의한 휨강도가 3 MPa 이상일 수 있다.The carbon fiber reinforced mortar according to an example of the present invention may have a compressive strength of 20 MPa or more at 28 days of age, and a flexural strength of 3 MPa or more by the center point loading method.

본 발명에 따른 모르타르용 강도 보강 섬유의 제조 방법은, 실리카 나노 입자, 실란커플링제 및 경화제를 포함하는 코팅 혼합물을 탄소섬유의 표면에 코팅하는 코팅 단계 및 상기 탄소섬유에 코팅된 코팅 혼합물을 열처리하는 열처리 단계를 포함한다.The method for producing a strength reinforcing fiber for mortar according to the present invention includes a coating step of coating a coating mixture including silica nanoparticles, a silane coupling agent, and a curing agent on the surface of the carbon fiber, and heat treatment of the coating mixture coated on the carbon fiber. And a heat treatment step.

본 발명의 일 예에 따른 모르타르용 강도 보강 섬유의 제조 방법은, 상기 코팅 단계 전에, 탄소섬유의 표면을 무기산으로 처리하는 표면 처리 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing the strength reinforcing fiber for mortar according to an embodiment of the present invention may further include a surface treatment step of treating the surface of the carbon fiber with an inorganic acid before the coating step.

본 발명의 일 예에 따른 모르타르용 강도 보강 섬유의 제조 방법은, 상기 코팅 단계 전에, 코팅 혼합물의 pH를 4 이하로 조절하는 pH 제어 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing the strength reinforcing fiber for mortar according to an embodiment of the present invention may further include a pH control step of adjusting the pH of the coating mixture to 4 or less before the coating step.

본 발명에 따른 모르타르 조성물로 제조되는 탄소섬유 보강 모르타르는 모르타르 조성물 내 매트릭스 상에 탄소섬유가 치밀하게 결합되어 부착강도가 현저히 높고, 탄소섬유가 매트릭스 상에 고르게 분산되어 모르타르의 기계적 물성이 현저히 향상되는 효과가 있다.The carbon fiber reinforced mortar made of the mortar composition according to the present invention has a remarkably high adhesion strength due to the dense bonding of carbon fibers on the matrix in the mortar composition, and the mechanical properties of the mortar are remarkably improved because the carbon fibers are evenly dispersed on the matrix. It works.

또한 본 발명에 따른 모르타르 조성물로 제조되는 탄소섬유 보강 모르타르는 압축강도 및 휨강도가 우수한 효과가 있다.In addition, the carbon fiber reinforced mortar made of the mortar composition according to the present invention has excellent compressive strength and flexural strength.

또한 본 발명에 따른 모르타르 조성물은 탄소섬유가 함유됨에도 분산성이 우수하고 유동성이 높아 작업성이 우수한 효과가 있다.In addition, the mortar composition according to the present invention has excellent dispersibility and high fluidity even when carbon fibers are contained, and thus has excellent workability.

도 1은 본 발명에 따른 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유에서, 탄소섬유에 실리카 나노 입자가 코팅되는 원리를 모식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유의 제조 방법을 모식화하여 나타낸 공정도이다.
도 3은 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유(a), 질산으로 산처리된 탄소섬유(b), 실리카 나노입자가 코팅된 탄소섬유(c)를 관측한 주사전자현미경 이미지이다.
도 4는 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유에 대한 FT-IR 분석 결과(a)이고, 실시예 1의 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유에 대한 FT-IR 분석 결과(b)이며, 실시예 1에서 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유가 모르타르 조성물 내 성분과 반응하여 얻어진 공시체 내 탄소섬유에 대한 FT-IR 분석 결과(c)이다.
도 5는 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 13의 모르타르 조성물의 흐름 성능을 나타낸 결과이다.
도 6은 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 13의 모르타르 조성물로 제조된 공시체를 주사전자현미경을 이용하여 그 파단면의 미세구조를 분석한 결과를 나타낸 이미지이다.
도 7은 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 13의 모르타르 조성물로 제조된 시편의 표면부 화상 이미지이다.
도 8은 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 13의 모르타르 조성물로 제조된 공시체의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 9은 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 13의 모르타르 조성물로 제조된 공시체의 휨강도를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view showing a principle of coating silica nanoparticles on carbon fibers in a carbon fiber coated with silica nanoparticles according to the present invention.
2 is a process diagram schematically showing a method of manufacturing a carbon fiber coated with silica nanoparticles according to the present invention.
FIG. 3 is a scanning electron microscope image observing carbon fibers (a) not coated with silica nanoparticles, carbon fibers acid-treated with nitric acid (b), and carbon fibers coated with silica nanoparticles (c).
FIG. 4 is an FT-IR analysis result (a) for carbon fibers coated with silica nanoparticles, and an FT-IR analysis result (b) for carbon fibers coated with silica nanoparticles of Example 1, Example In 1, the result of FT-IR analysis of carbon fibers in the specimen obtained by reacting the carbon fibers coated with silica nanoparticles with the components in the mortar composition (c).
5 is a result showing the flow performance of the mortar compositions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 13.
6 is an image showing the results of analyzing the microstructure of the fracture surface of specimens prepared with the mortar compositions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 13 using a scanning electron microscope.
7 is an image image of a surface portion of specimens made of the mortar compositions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 13.
8 is a graph showing the compressive strength of specimens prepared with mortar compositions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 13.
9 is a graph showing the flexural strength of specimens prepared with the mortar compositions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 13.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유를 포함하는 모르타르 조성물 및 이로 제조되는 탄소섬유 보강 모르타르를 상세히 설명한다.Hereinafter, a mortar composition including carbon fibers coated with silica nanoparticles according to the present invention and a carbon fiber reinforced mortar manufactured therefrom will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

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.The drawings described in this specification are provided as an example in order to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings to be presented and may be embodied in other forms, and the drawings may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention.

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.Unless otherwise defined, technical terms and scientific terms used in the present specification have the meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings A description of known functions and configurations that may unnecessarily obscure will be omitted.

본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.The singular form of terms used in the present specification may be interpreted as including the plural form unless otherwise indicated.

본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.Unless otherwise defined, the unit of% used in this specification means% by weight.

본 발명은 모르타르 조성물 및 이로 제조되는 강도 보강 섬유에 관한 것으로, 후술하는 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유와 혼화재가 사용됨으로써, 분산성 감소, 탄소섬유의 뭉침 현상 등의 문제를 방지하고, 종래 기술 대비 양생되어 제조되는 강보 보강 소재의 기계적 물성(압축강도, 휨강도, 내충격성 등)이 현저히 향상되는 효과를 가진다.The present invention relates to a mortar composition and a strength reinforcing fiber prepared therefrom, and by using a carbon fiber coated with silica nanoparticles and an admixture to be described later, problems such as reduced dispersibility and agglomeration of carbon fibers are prevented, and prior art In contrast, the mechanical properties (compression strength, flexural strength, impact resistance, etc.) of the steel beam reinforcing material produced by curing are remarkably improved.

특히 본 본 발명에 따른 모르타르는 모르타르 조성물 내 매트릭스 상에 탄소섬유가 치밀하고 견고하게 분산되어 있으면서 탄소섬유와 매트릭스의 계면간 결합력이 현저히 높음으로써 압축강도, 휨강도, 내충격성, 부착강도 등의 기계적 물성이 현저히 우수하다.In particular, the mortar according to the present invention has mechanical properties such as compressive strength, flexural strength, impact resistance, adhesion strength, etc. as the carbon fibers are densely and firmly dispersed on the matrix in the mortar composition, and the bonding strength between the interface between the carbon fibers and the matrix is remarkably high. This is remarkably excellent.

이하, 본 발명에 따른 모르타르 조성물을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the mortar composition according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 모르타르 조성물은 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유(Carbon Fiber, CF), 혼화재(混和材), 시멘트, 골재 및 물을 포함한다.The mortar composition according to the present invention includes silica nanoparticles-coated carbon fiber (CF), admixture, cement, aggregate, and water.

상기 탄소섬유는 실란커플링제(Silane coupling agent) 및 경화제의 반응에 의해 실리카 나노 입자가 탄소섬유의 표면에 결합되어 코팅된 것이 바람직하다. 상세하게, 실리카 나노 입자는 실란커플링제와 경화제가 반응하여 결합되는 물질을 링커로 하여 탄소섬유의 표면에 화학적으로 결합될 수 있다. 이때 상기 실란커플링제의 관능기가 상기 실리카 나노 입자와 결합되고, 상기 경화제의 관능기가 상기 탄소섬유의 표면에 결합된다. 이를 만족할 경우, 탄소섬유에 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 경우 또는 다른 수단으로 실리카 나노입자가 코팅된 경우 대비, 탄소섬유의 표면에 결합되는 실리카 나노 입자의 도입량을 더 향상시킬 수 있다. 특히 조성물 내 매트릭스와 탄소섬유가 보다 강한 결합력을 더 장기간 유지할 수 있으며, 매트릭스 내 시멘트 성분과 높은 친화력으로 탄소섬유가 치밀하고 견고하게 분산되어 있으면서 탄소섬유와 매트릭스의 계면간 결합력이 현저히 높음으로써 압축강도, 휨강도, 내충격성, 부착강도 등의 기계적 물성이 현저히 향상된다. 또한 탄소섬유에 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 경우 또는 다른 수단으로 실리카 나노입자가 코팅된 경우 대비 모르타르 조성물의 유동성을 더 향상시켜 작업 효율을 높일 수 있다.The carbon fiber is preferably coated by bonding silica nanoparticles to the surface of the carbon fiber by a reaction of a silane coupling agent and a curing agent. Specifically, the silica nanoparticles may be chemically bonded to the surface of the carbon fiber by using a material to which the silane coupling agent and the curing agent are reacted and bonded as a linker. At this time, the functional group of the silane coupling agent is bonded to the silica nanoparticles, and the functional group of the curing agent is bonded to the surface of the carbon fiber. If this is satisfied, compared to the case where the silica nanoparticles are not coated on the carbon fiber or the silica nanoparticles are coated by other means, the introduction amount of the silica nanoparticles bonded to the surface of the carbon fiber can be further improved. In particular, the matrix and carbon fibers in the composition can maintain a stronger bonding force for a longer period of time, and the carbon fibers are densely and firmly dispersed due to high affinity with the cement component in the matrix, and the bonding strength between the carbon fibers and the matrix is remarkably high. Mechanical properties such as, flexural strength, impact resistance, and adhesion strength are significantly improved. In addition, compared to the case where the silica nanoparticles are not coated on the carbon fiber or the case where the silica nanoparticles are coated by other means, the fluidity of the mortar composition can be further improved, thereby increasing work efficiency.

상기 실란커플링제는 실리카 나노 입자와 결합할 수 있는 것으로서, 바람직하게는 하기 화학식 1로 표시될 수 있으며, 상기 경화제는 디아민계 화합물을 포함할 수 있다.The silane coupling agent may be bonded to silica nanoparticles, and may preferably be represented by Formula 1 below, and the curing agent may include a diamine compound.

[화학식 1][Formula 1]

X-Si-(OR)3 X-Si-(OR) 3

상기 화학식 1에서, X는 에폭시기 또는 글리시독시기로 치환된 (C1-C30)알킬기, 바람직하게는 (C1-C15)알킬기, 보다 바람직하게는 (C1-C5)알킬기로부터 선택되고, R은 독립적으로 직쇄 또는 분지쇄의 (C1-C7)알킬기, 바람직하게는 (C1-C5)알킬기, 보다 바람직하게는 (C1-C3)알킬기로부터 선택된다.In Formula 1, X is selected from a (C1-C30) alkyl group, preferably a (C1-C15) alkyl group, more preferably a (C1-C5) alkyl group substituted with an epoxy group or a glycidoxy group, and R is independently It is selected from a linear or branched (C1-C7) alkyl group, preferably a (C1-C5) alkyl group, and more preferably a (C1-C3) alkyl group.

구체적인 일 예로, 상기 실란커플링제는 글리시독시알킬 알콕시실란(Glycidoxyalkyl alkoxysilane) 및 에폭시알킬 알콕시실란(Epoxyalkyl alkoxysilane) 등에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때 알킬의 탄소수는 (C1-C30), 바람직하게는 (C1-C15), 보다 바람직하게는 (C1-C5)을 예로 들 수 있으며, 알콕시의 탄소수는 (C1-C7), 바람직하게는 (C1-C5), 보다 바람직하게는 (C1-C3)을 예로 들 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 실란커플링제는 글리시독시프로필트리메톡시실란(Glycidoxypropyltrimethoxysilane), 글리시독시프로필메틸디에톡시실란(Glycidoxypropylmethyldiethoxysilane), 글리시독시프로필디에톡시실란(Glycidoxypropyldiethoxysilane), 글리시독시프로필트리에톡시실란(Glycidoxypropyltriethoxysilane), 글리시독시프로필트리메톡시실란(Glycidoxypropyltrimethoxysilane), 글리시독시프로필디에톡시실란(Glycidoxypropyldiethoxysilane), 글리시독시프로필트리에톡시실란(glycidoxypropyltriethoxysilane), 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란(2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane) 및 2-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란(2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 예시할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.As a specific example, the silane coupling agent may include any one or more selected from glycidoxyalkyl alkoxysilane and epoxyalkyl alkoxysilane. At this time, the number of carbon atoms of the alkyl is (C1-C30), preferably (C1-C15), more preferably (C1-C5), and the number of carbon atoms of the alkoxy is (C1-C7), preferably (C1 -C5), More preferably, (C1-C3) is mentioned. More specifically, the silane coupling agent is glycidoxypropyltrimethoxysilane, glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, glycidoxypropyldiethoxysilane, and glycidoxypropyltriene. Glycidoxypropyltriethoxysilane, glycidoxypropyltrimethoxysilane, glycidoxypropyldiethoxysilane, glycidoxypropyltriethoxysilane, 2-(3,4-epoxycyclo Selected from hexyl) ethyltrimethoxysilane (2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane) and 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane (2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane) It can be illustrated that includes any one or two or more. However, this has been described as a preferred example, and the present invention is not necessarily limited thereto.

구체적인 일 예로, 상기 디아민계 화합물은 알킬렌디아민(Alkylenediamine)을 포함할 수 있으며, 이때 알킬의 탄소수는 (C1-C12), 바람직하게는 (C1-C6), 보다 바람직하게는 (C1-C3)을 들 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 알킬렌디아민은 에틸렌디아민(Ethylenediamine), 부탄-1,4-디아민(Butane-1,4-diamine), 펜탄-1,5-디아민(Pentane-1,5-diamine), 헥사메틸렌디아민(Hexamethylenediamine), 페닐렌디아민(Phenylenediamine) 등을 예로 들 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.As a specific example, the diamine-based compound may include alkylenediamine, wherein the number of carbon atoms of the alkyl is (C1-C12), preferably (C1-C6), more preferably (C1-C3) Can be mentioned. More specifically, the alkylenediamine is ethylenediamine, butane-1,4-diamine, pentane-1,5-diamine, hexa Methylenediamine (Hexamethylenediamine), phenylenediamine (Phenylenediamine) and the like may be mentioned. However, this has been described as a preferred example, and the present invention is not necessarily limited thereto.

도 1을 들어 일 예로서 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유를 구체적으로 설명하면, 글리시독시프로필트리메톡시실란의 다수의 메톡시기가 실리카 나노 입자와 결합되고, 글리시독시의 에폭시기가 개환 반응하여 에틸렌디아민의 아민기와 결합하며, 상기 에틸렌디아민의 다른 아민기가 탄소섬유의 표면에 결합된다.Referring to FIG. 1, as an example, when a carbon fiber coated with silica nanoparticles is specifically described, a plurality of methoxy groups of glycidoxypropyltrimethoxysilane are bonded to silica nanoparticles, and the epoxy group of glycidoxy is ring-opening reaction Thus, it is bonded to the amine group of ethylenediamine, and other amine groups of the ethylenediamine are bonded to the surface of the carbon fiber.

전술한 바와 같이 실란커플링제와 경화제가 반응하여 생성되는 화합물을 링커로 하여 탄소섬유에 실리카 나노 입자가 결합됨으로써, 실리카 나노 입자의 도입량을 더 향상시킬 수 있고, 보다 강한 결합력을 더 장기간 유지할 수 있으며, 모르타르 조성물 매트릭스 내 시멘트 성분과 높은 친화력으로 보다 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다.As described above, the silica nanoparticles are bonded to the carbon fiber by using the compound produced by the reaction of the silane coupling agent and the curing agent as a linker, so that the amount of silica nanoparticles introduced can be further improved, and a stronger binding force can be maintained for a longer period. , It is possible to implement more excellent mechanical properties with a high affinity with the cement component in the mortar composition matrix.

도 1의 예를 들면, 상기 실란커플링제와 상기 경화제는 1:1 당량비로 결합되므로, 제조 시 1:1 당량비가 되도록 각 성분의 중량비를 적절히 조절하여 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유를 제조할 수 있다. 하지만 사용되는 실란커플링제 및 경화제의 결합 가능한 관능기의 수 등에 따라 상기 당량비는 달라질 수 있고, 상기 중량비는 실란커플링제 및 경화제의 종류에 따라 달라지므로, 크게 제한되지 않고 적절히 제어될 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 1:1 당량비가 되도록 제한될 필요는 없으며, 상황에 따라 함량비를 적절히 변경할 수 있음은 물론이다.For the example of FIG. 1, since the silane coupling agent and the curing agent are combined in a 1:1 equivalent ratio, the carbon fiber coated with silica nanoparticles can be prepared by appropriately adjusting the weight ratio of each component to be a 1:1 equivalent ratio during manufacture. I can. However, the equivalent ratio may vary depending on the number of functional groups that can be combined with the silane coupling agent and the curing agent used, and the weight ratio is not limited largely and can be appropriately controlled because it varies depending on the type of the silane coupling agent and the curing agent. However, this is only described as a preferred example, and does not need to be limited to a 1:1 equivalent ratio, and of course, the content ratio can be appropriately changed according to circumstances.

또한 상기 탄소섬유에 대한 실란커플링제의 사용 함량은 실란커플링제의 구체 종류 등에 따라 적절히 조절 될 수 있으며, 예컨대 탄소섬유 100 중량부에 대하여 실란커플링제가 0.001 내지 10 중량부, 구체적으로 0.01 내지 5 중량부로 사용될 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.In addition, the amount of the silane coupling agent used for the carbon fiber may be appropriately adjusted according to the specific type of the silane coupling agent, for example, 0.001 to 10 parts by weight, specifically 0.01 to 5 parts by weight of the silane coupling agent per 100 parts by weight of the carbon fiber. It can be used in parts by weight. However, this has been described as a preferred example, and the present invention is not necessarily limited thereto.

아울러 상기 탄소섬유에 대한 실리카 나노 입자의 사용 함량은 적절히 조절 될 수 있으며, 예컨대 탄소섬유 100 중량부에 대하여 실리카 나노 입자가 0.001 내지 10 중량부, 구체적으로 0.01 내지 5 중량부로 사용될 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.In addition, the content of the silica nanoparticles for the carbon fiber may be appropriately adjusted, and for example, the silica nanoparticles may be used in an amount of 0.001 to 10 parts by weight, specifically 0.01 to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the carbon fiber. However, this has been described as a preferred example, and the present invention is not necessarily limited thereto.

상기 탄소섬유는 다양한 분야의 보강 소재로서 사용되는 것일 수 있으며, 일 예로 건설재료의 보강재로서 사용될 수 있는 탄소섬유일 수 있다. 이의 바람직한 일 예를 든다면 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 탄소섬유를 들 수 있으며, 폴리아크릴로나이트릴계 탄소섬유가 사용될 경우, 전술한 효과를 제대로 구현할 수 있어 바람직하다.The carbon fiber may be used as a reinforcing material in various fields, for example, it may be a carbon fiber that can be used as a reinforcing material for construction materials. A preferred example thereof may be a polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fiber, and when a polyacrylonitrile-based carbon fiber is used, the above-described effects can be properly implemented, so it is preferable.

상기 탄소섬유의 평균길이는 분산성, 유동성, 작업성, 압축강도 등의 저하에 따른 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.The average length of the carbon fibers can be appropriately adjusted as long as mechanical properties such as flexural strength and impact resistance can be improved without causing problems due to deterioration of dispersibility, fluidity, workability, and compressive strength. For example, it may be 3 to 24 mm, preferably 4 to 16 mm. However, since this has been described as a preferred example, of course, the present invention is not necessarily limited thereto.

상기 탄소섬유의 평균직경은 분산성, 유동성, 작업성, 압축강도 등의 저하에 따른 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.The average diameter of the carbon fiber can be appropriately adjusted as long as mechanical properties such as flexural strength and impact resistance can be improved without causing problems due to a decrease in dispersibility, fluidity, workability, and compressive strength. Examples include 1 to 15 μm, specifically 3 to 12 μm, but are not limited thereto.

상기 탄소섬유의 평균밀도는 분산성, 유동성, 흐름성 등의 작업성 및 압축강도 등의 저하에 따른 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.The average density of the carbon fibers may be appropriately adjusted so long as mechanical properties such as flexural strength and impact resistance can be improved without causing problems due to a decrease in workability such as dispersibility, fluidity, and flowability, and compressive strength. It may be, for example, 1.3 to 2.5 g/cm 3 , specifically 1.5 to 2.1 g/cm 3 , but is not limited thereto.

상기 탄소섬유의 인장강도(Tensile strength), 인장탄성률(Tensile modulus) 및 신장율(Elongation)는 분산성, 유동성, 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.Tensile strength, tensile modulus, and elongation of the carbon fiber are flexural strength, impact resistance, etc. without causing fatal problems due to deterioration of dispersibility, fluidity, workability and compressive strength, etc. As long as the mechanical properties of the material can be improved, it may be appropriately adjusted, and examples include, but are not limited to, 3,000 to 10,000 MPa, 100 to 500 GPa, and 1 to 5%, respectively.

상기 실리카 나노 입자의 평균입경은 나노 단위로서, 그 구체적 값은 크게 제한되는 것은 아니나, 1 내지 50 nm, 바람직하게는 3 내지 30 nm, 보다 바람직하게는 10 내지 20 nm인 것이 좋을 수 있다. 이를 만족할 경우, 전술한 화학식 1의 실란커플링제와 경화제가 반응하여 생성되는 화합물을 링커로 하여 탄소섬유에 실리카 나노 입자가 보다 잘 결합되어 상술한 효과를 더 잘 구현할 수 있다.The average particle diameter of the silica nanoparticles is a nano unit, and the specific value is not limited thereto, but it may be 1 to 50 nm, preferably 3 to 30 nm, more preferably 10 to 20 nm. If this is satisfied, silica nanoparticles are better bonded to the carbon fiber by using the compound produced by the reaction of the silane coupling agent of Formula 1 and the curing agent as a linker, so that the above-described effect may be better implemented.

상기 혼화재(混和材)는 그 자체의 용적이 조성물 내 혼합 시 용적에 포함되는 것으로서, 그 용적에 실질적으로 포함되지 않는 것으로 간주될 수 있는 혼화제(混和劑)와 상이한 것으로 분류된다. 구체적인 일 예로, 상기 혼화재는 실리카흄(Silica Fume), 포졸란(Pozzolan), 플라이애시(Fly-ash), 고로슬래그(Blast-furnace slag), 화산유리 및 왕겨재 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으며, 바람직한 일 실시예로 실리카흄을 예로 들 수 있다. 상기 혼화제는 예를 들어 공기연행제(AE제), 감수제, AE감수제, 발포제 등을 들 수 있다.The admixture (混和材) is that its own volume is included in the volume when mixing in the composition, and is classified as different from the admixture (混和劑) which may be considered to be substantially not included in the volume. As a specific example, the admixture includes any one or two or more selected from silica fume, pozzolan, fly ash, blast-furnace slag, volcanic glass and rice husk ash, etc. It can, and a preferred embodiment may be a silica fume. Examples of the admixture include an air entraining agent (AE agent), a water reducing agent, an AE water reducing agent, and a foaming agent.

본 발명에 따른 모르타르 조성물에서, 탄소섬유, 혼화재, 골재, 시멘트, 물 등의 사용 함량은 크게 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어 조성물 전체 중량에 대하여 탄소섬유 0.1 내지 5 중량%, 혼화재 0.5 내지 15 중량%, 골재 30 내지 80 중량%, 시멘트 10 내지 50 중량% 및 잔량의 물, 좋게는 탄소섬유 0.1 내지 3 중량%, 혼화재 1 내지 10 중량%, 골재 40 내지 70 중량%, 시멘트 20 내지 40 중량% 및 잔량의 물을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 여기서 상기 물은 조성물 전체 중량이 100 중량%가 되도록 조절되면 무방하며, 그 값의 예시로 3 내지 30 중량%, 구체적으로 5 내지 50 중량%를 들 수 있다.In the mortar composition according to the present invention, the content of carbon fiber, admixture, aggregate, cement, water, etc., is not limited, but, for example, 0.1 to 5% by weight of carbon fiber, 0.5 to 15% by weight of admixture based on the total weight of the composition %, 30 to 80% by weight of aggregate, 10 to 50% by weight of cement and the remaining amount of water, preferably 0.1 to 3% by weight of carbon fiber, 1 to 10% by weight of admixture, 40 to 70% by weight of aggregate, 20 to 40% by weight of cement And it may be desirable to include the remaining amount of water. Here, the water may be adjusted so that the total weight of the composition is 100% by weight, and examples thereof include 3 to 30% by weight, specifically 5 to 50% by weight.

상기 탄소섬유의 경우, 모르타르 조성물에 지나치게 많이 함유되면 분산성, 유동성, 작업성 등의 저하, 그리고 압축강도 저하를 가져올 우려가 있을 수 있으므로, 조성물 전체 중량에 대하여 5 중량% 이하, 바람직하게는 3 중량% 이하, 보다 바람직하게는 1.6 중량% 이하, 매우 바람직하게는 1.2 중량% 이하인 것이 좋을 수 있다. 여기서 탄소섬유의 하한 값은 전술한 효과를 구현할 수 있을 정도면 무방하며, 일 예로 0.1 중량%, 구체적으로 0.3 중량%를 들 수 있다. 하지만 이는 바람직한 예로서 설명된 것이므로, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것이 아님은 물론이다.In the case of the carbon fiber, if too much is contained in the mortar composition, there may be a risk that dispersibility, fluidity, workability, etc., and compressive strength may decrease, so 5% by weight or less, preferably 3, based on the total weight of the composition. It may be good to be less than or equal to 1.6% by weight, more preferably less than or equal to 1.6%, very preferably less than or equal to 1.2% by weight. Here, the lower limit value of the carbon fiber may be sufficient as long as it can realize the above-described effect, for example, 0.1% by weight, specifically 0.3% by weight. However, since this has been described as a preferred example, of course, the present invention is not necessarily limited thereto.

본 발명에서는 전술한 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유와 함께 혼화재가 사용됨으로써, 분산성이 우수하고 탄소섬유의 뭉침현상이 방지되며, 압축강도, 휨강도 등의 기계적 물성이 현저히 향상된다. 혼화재가 사용되지 않을 경우, 분산성이 좋지 못하고, 탄소섬유의 뭉침현상이 발생할 수 있으며, 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유에 의한 우수한 기계적 물성 효과가 제대로 구현되지 못한다.In the present invention, by using an admixture together with the above-described silica nanoparticle-coated carbon fiber, it is excellent in dispersibility, agglomeration of carbon fibers is prevented, and mechanical properties such as compressive strength and flexural strength are significantly improved. If admixtures are not used, dispersibility is poor, agglomeration of carbon fibers may occur, and excellent mechanical properties are not properly realized by the carbon fibers coated with silica nanoparticles.

상술한 효과를 제대로 구현하기 위한 측면에서, 상기 혼화재는 평균입경이 0.01 내지 100 ㎛이며 비표면적이 3천 내지 100만 cm2/g인 무기 입자를 포함하는 것이 바람직하다. 이를 위한 혼화재의 구체적 종류로, 실리카흄, 포졸란, 플라이애시, 고로슬래그, 화산유리 및 왕겨재 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것을 예로 들 수 있다. 바람직하게는 상기 혼화재가 실리카흄, 화산유리인 것이 좋고, 보다 바람직하게는 실리카흄인 것이 더 좋으며, 이를 만족할 경우, 전술한 혼화재에 의한 효과가 보다 높게 구현될 수 있다. 바람직한 일 예로, 전술한 효과의 높은 구현 측면에서 평균입경이 0.01 내지 100 ㎛, 구체적으로 0.01 내지 10 ㎛이며 비표면적이 3만 cm2/g 이상, 구체적으로 10만 cm2/g 이상, 보다 구체적으로 15만 cm2/g 이상인 무기 입자가 바람직하며, 이때 상한 값은 제한되지 않으나 일 예로 100만 cm2/g, 구체적으로 50만 cm2/g을 들 수 있다.In terms of properly implementing the above-described effect, the admixture preferably includes inorganic particles having an average particle diameter of 0.01 to 100 µm and a specific surface area of 3,000 to 1,000,000 cm 2 /g. Specific types of admixtures for this may include those containing one or two or more selected from silica fume, pozzolan, fly ash, blast furnace slag, volcanic glass and rice husk ash. Preferably, the admixture is silica fume or volcanic glass, and more preferably silica fume is better, and if this is satisfied, the effect of the admixture described above can be realized higher. As a preferred example, in terms of high implementation of the above-described effect, the average particle diameter is 0.01 to 100 µm, specifically 0.01 to 10 µm, and a specific surface area of 30,000 cm 2 /g or more, specifically 100,000 cm 2 /g or more, more specifically Inorganic particles of 150,000 cm 2 /g or more are preferable, and the upper limit value is not limited, but an example may be 1 million cm 2 /g, specifically 500,000 cm 2 /g.

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.Various types of cement may be used, for example, ordinary Portland cement, medium heat Portland cement, crude steel Portland cement, ultra-rough steel Portland cement, sulfate-resistant Portland cement, white Portland cement, oil well cement, colloidal cement, blast furnace cement, ply -Ash cement, silica cement, ultra-low heat-generating cement, geothermal cement, RCCP cement, alumina cement, ultra-fast-hardening cement, low alkali cement for GRC, etc., and of course, various kinds of cement can be used. .

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. 상기 골재의 비중은 크게 제한되는 것은 아니며, 일 예로 2.5 내지 3.5인 것을 들 수 있다. 상기 골재의 구체적인 일 예로, 강모래, 강자갈, 바다모래, 바다 자갈, 육상 모래, 육상 자갈, 산모래, 산자갈 등의 다양한 것들을 수 있다. 잔골재의 구체적 종류의 예로 모래 등을 들 수 있으며, 굵은 골재의 경우 자갈 등을 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되지 않음은 물론이다.The aggregates may be used in various fields as long as they are used in fields such as concrete or mortar, and may include fine aggregates (such as sand), coarse aggregates (such as gravel), or a mixture of these aggregates. The specific gravity of the aggregate is not largely limited, and an example may be 2.5 to 3.5. As a specific example of the aggregate, there may be various things such as river sand, river gravel, sea sand, sea gravel, land sand, land gravel, mountain sand, mountain gravel, and the like. Specific examples of fine aggregates include sand, and coarse aggregates include gravel. However, this is only described as a specific example, of course, the present invention is not interpreted as being limited thereto.

바람직한 일 예에 따른 모르타르 조성물은 압축강도, 휨강도 등의 특성 향상은 물론, 매트릭스의 시멘트 성분과 다른 분산된 성분, 특히 탄소섬유간 친화력을 더 향상시키면서 부착강도를 보다 향상시킬 수 있는 측면에서 카본산계 중합체 및 알칸올아민계 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.The mortar composition according to a preferred example is a carbonic acid-based in terms of improving properties such as compressive strength and flexural strength, as well as improving adhesion between the cement component of the matrix and other dispersed components, especially the affinity between carbon fibers. Any one or more selected from a polymer and an alkanolamine-based compound may be further included.

본 발명에서, 상기 강도 보강제로 카본산계 중합체가 더 사용될 경우, 하기 화학식 2로 표시되는 카본산계 중합체가 사용되는 것이 바람직하다.In the present invention, when a carboxylic acid-based polymer is further used as the strength reinforcing agent, it is preferable to use a carboxylic acid-based polymer represented by Formula 2 below.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019133479731-pat00002
Figure 112019133479731-pat00002

상기 화학식 2에서, R1, R2 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, R3는 수소 또는 (C1-C30)지방족 탄화수소기이며, M들은 서로 독립적으로 수소, 알칼리 금속, 암모늄 또는 유기 아민기이며, X가 수소 또는 메틸기인 경우 Z는 -CH2COOM1이거나, X가 -COOM1일 경우 Z는 수소 혹은 메틸기이고, 이때 M1은 수소, 알칼리 금속, 암모늄 또는 유기 아민기이며, t 및 u는 서로 독립적으로 0 내지 15인 정수이며, P1O 및 P2O는 서로 독립적으로 옥시(C2-C4)알킬렌기의 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.In Formula 2, R 1 , R 2 and R 4 are each independently hydrogen or a methyl group, R 3 is hydrogen or a (C1-C30) aliphatic hydrocarbon group, and M are independently of each other hydrogen, alkali metal, ammonium or organic When X is a hydrogen or methyl group, Z is -CH 2 COOM 1, or when X is -COOM 1 , Z is hydrogen or methyl, and M 1 is hydrogen, alkali metal, ammonium or organic amine group, t and u are each independently an integer of 0 to 15, and P 1 O and P 2 O are each independently a mixture of one or two or more repeating units of an oxy(C2-C4)alkylene group, and two or more It is added in a block form or added in a random form, and 1 and m are each independently an integer of 1 to 100, and p, q, r and s are each independently 10 to 1,000.

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.p, q, r, and s represent the appearance fraction (molar ratio) of each repeating unit in the polymer. The ratio of p, q, r and s is not significantly limited, for example, 1:0.2-5:0.2-5:0.2-5, preferably 1:0.5-2:0.2-1.2:0.21.2 days I can. In addition, each value of p, q, r and s is not significantly limited, and for example, may be 10 to 1,000 independently of each other. In addition, the weight average molecular weight of the carboxylic acid-based polymer may be appropriately adjusted according to each value of Formula 1, for example, may have a range of 10,000 to 200,000. However, this is only described as a specific example, of course, the present invention is not interpreted as being limited thereto.

특히 본 발명에 따른 모르타르 조성물이 강도 보강제로 상기 화학식 2로 표시되는 카본산계 중합체 및 알칸올아민계 화합물을 모두 포함할 경우, 양생되어 제조되는 탄소섬유 보강 모르타르는 현저히 높은 압축강도와 함께 매트릭스 내 시멘트와 탄소섬유간 친화력을 보다 더 향상시키면서 부착강도를 현저히 향상시킬 수 있으며, 조성물 제조 과정에서 각 성분들의 혼합 시 유동성의 향상도 도모할 수 있다. 구체적으로, 상기 화학식 2로 표시되는 카본산계 중합체 및 알칸올아민계 화합물이 함께 사용될 경우, 압축강도가 현저히 향상되는 반면, 강도 보강제로 상기 화학식 2로 표시되는 카본산계 중합체 또는 알칸올아민계 화합물이 단독으로 사용될 경우, 압축강도가 현저히 저하된다. 즉, 상기 화학식 2로 표시되는 카본산계 중합체 및 알칸올아민계 화합물이 함께 사용되어야만 높은 휨강도는 물론, 압축강도가 현저히 증가하는 효과가 구현된다.In particular, when the mortar composition according to the present invention contains both the carboxylic acid polymer and the alkanolamine compound represented by Formula 2 as a strength reinforcing agent, the carbon fiber reinforced mortar prepared by curing is cemented in the matrix with remarkably high compressive strength. It is possible to significantly improve the adhesion strength while further improving the affinity between the carbon fiber and the carbon fiber, and improve the fluidity when mixing each component in the composition manufacturing process. Specifically, when the carboxylic acid polymer represented by Formula 2 and the alkanolamine compound are used together, compressive strength is remarkably improved, whereas the carboxylic acid polymer or alkanolamine compound represented by Formula 2 as a strength reinforcing agent When used alone, the compressive strength is significantly lowered. That is, only when the carboxylic acid-based polymer and the alkanolamine-based compound represented by Formula 2 are used together, the effect of remarkably increasing the compressive strength as well as high bending strength is realized.

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.Various types of the alkanolamine-based compound may be used, for example, N-methyl-N-ethanolamine, N-ethyl-N-ethanolamine, N-propyl-N-ethanolamine, N-isopropyl-N -Ethanolamine, N,N-diethanolamine, N,N-diisopropanolamine, triethanolamine, diisopropylethanolamine, diethanolamine, and the like may contain any one or two or more selected from. However, this has been described as a preferred example, and the present invention is not necessarily limited thereto.

상기 강도 보강제가 사용될 경우, 이의 사용 함량은 크게 제한되는 것은 아니지만, 조성물 전체 중량에 대하여 0.01 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 3 중량%로 포함되는 것이 강도 보강제의 사용에 따른 효과가 제대로 구현될 수 있는 측면에서 좋을 수 있다.When the strength reinforcing agent is used, the content of the strength reinforcing agent is not largely limited, but it is contained in an amount of 0.01 to 5% by weight, preferably 0.1 to 3% by weight, based on the total weight of the composition. It can be good in terms of what it can be.

상기 강도 보강제로 상기 화학식 2로 표시되는 카본산계 중합체 및 알칸올아민계 화합물을 모두 포함할 경우, 이들의 중량비는 크게 제한되는 것은 아니며, 일 예로 1:0.2~5, 바람직하게는 1:0.5~2, 보다 바람직하게는 1:0.7~1.5를 들 수 있다. 이를 만족할 경우, 전술한 휨강도 및 압축강도의 향상이 더 증가될 수 있다.When the strength reinforcing agent includes both the carboxylic acid-based polymer and the alkanolamine-based compound represented by Formula 2, the weight ratio thereof is not largely limited, for example 1:0.2 to 5, preferably 1:0.5 to 2, More preferably, 1:0.7 to 1.5 are mentioned. If this is satisfied, the above-described flexural strength and compression strength may be further increased.

본 발명의 일 예에 따른 모르타르 조성물은 혼화제(混和劑)를 더 포함할 수 있으며, 상기 혼화제는 감수제, AE감수제, 공기연행제(AE제), 발포제, 소포제 등을 더 포함할 수 있다. 혼화제가 더 사용될 경우, 이의 사용 함량은 크게 제한되는 것은 아니며, 일 예로 조성물 전체 중량에 대하여 0.01 내지 5 중량%, 구체적으로 0.1 내지 3 중량%로 사용되는 것이 좋을 수 있다.The mortar composition according to an embodiment of the present invention may further include an admixture, and the admixture may further include a water reducing agent, an AE water reducing agent, an air entraining agent (AE agent), a foaming agent, a defoaming agent, and the like. When the admixture is further used, the content of the admixture is not limited, and for example, it may be preferably used in an amount of 0.01 to 5% by weight, specifically 0.1 to 3% by weight, based on the total weight of the composition.

또한 본 발명의 일 예에 따른 모르타르 조성물은 기타 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 예를 들어 계면활성제, 경화 촉진제, 유동화제 등의 댜앙한 것들을 들 수 있다. 기타 첨가제가 더 사용될 경우, 이의 사용 함량은 크게 제한되는 것은 아니나, 조성물 전체 중량에 대하여 0.01 내지 5 중량%, 구체적으로 0.1 내지 3 중량%로 사용되는 것을 예로 들 수 있다. 하지만 이 외에도 성능 향상을 위한 공지된 다양한 것들이 다양한 함량으로 사용될 수 있음은 물론이다.In addition, the mortar composition according to an example of the present invention may further include other additives, and for example, various things such as a surfactant, a curing accelerator, and a fluidizing agent may be mentioned. When other additives are further used, the content of the additives is not greatly limited, but may be used in an amount of 0.01 to 5% by weight, specifically 0.1 to 3% by weight, based on the total weight of the composition. However, in addition to this, a variety of known things for improving performance can be used in various amounts.

본 발명은 상기 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유, 즉, 모르타르용 강도 보강 섬유 및 이의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a carbon fiber coated with the silica nanoparticles, that is, a strength reinforcing fiber for mortar and a method for producing the same.

본 발명에 따른 모르타르용 강도 보강 섬유의 제조 방법은, 실리카 나노 입자, 실란커플링제 및 경화제를 포함하는 코팅 혼합물을 탄소섬유의 표면에 코팅하는 코팅 단계 및 상기 탄소섬유에 코팅된 코팅 혼합물을 열처리하는 열처리 단계를 포함한다.The method for producing a strength reinforcing fiber for mortar according to the present invention includes a coating step of coating a coating mixture including silica nanoparticles, a silane coupling agent, and a curing agent on the surface of the carbon fiber, and heat treatment of the coating mixture coated on the carbon fiber. And a heat treatment step.

상기 코팅 혼합물은 실리카 나노 입자, 실란커플링제 및 경화제를 포함하며 이때 각 성분들은 용매(분산매) 상에 용해 또는 분산되어 있을 수 있다. 즉, 상기 코팅 혼합물은 실리카 나노 입자, 실란커플링제, 경화제 및 용매를 포함할 수 있다. 상기 용매의 사용 함량은 실리카 나노 입자, 실란커플링제, 경화제 등의 성분이 잘 용해/분산될 수 있을 정도라면 무방하며, 예컨대 코팅 혼합물 전체 중량에 대하여 용매가 10 내지 90 중량%, 구체적으로, 20 내지 80 중량%로 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않음은 물론이다.The coating mixture includes silica nanoparticles, a silane coupling agent, and a curing agent, and each component may be dissolved or dispersed in a solvent (dispersion medium). That is, the coating mixture may include silica nanoparticles, a silane coupling agent, a curing agent, and a solvent. The content of the solvent may be such that components such as silica nanoparticles, silane coupling agent, and curing agent can be easily dissolved/dispersed.For example, the solvent is 10 to 90% by weight, specifically, 20 to the total weight of the coating mixture. It may be used in an amount of to 80% by weight, but is not limited thereto.

상기 용매는 물, 유기용매 등 각 성분이 잘 용해/분산될 수 있도록 하는 액상이라면 무방하며, 일 예로 물 및 유기용매를 포함하는 혼합용매일 수 있다. 물과 유기용매의 혼합용매일 경우, 이들의 중량비는 크게 제한되지 않으며, 예컨대 1:0.5~2를 들 수 있다. 상기 유기용매의 일 예로, 메탄올, 에탄올, 프로판올 등의 저급 알코올; 산소함유 비양자성 극성용매; 또는 이의 혼합물;을 들 수 있다.The solvent may be in a liquid form such as water and an organic solvent in which each component is well dissolved/dispersed, and may be a mixed solvent including water and an organic solvent. In the case of a mixed solvent of water and an organic solvent, the weight ratio thereof is not greatly limited, and for example, 1:0.5-2 may be mentioned. Examples of the organic solvent include lower alcohols such as methanol, ethanol, and propanol; Oxygen-containing aprotic polar solvent; Or a mixture thereof; may be mentioned.

상기 코팅 혼합물 내 실리카 나노 입자, 실란커플링제 및 경화제의 조성비는 전술한 바와 같은 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유의 조성비를 만족할 수 있도록 적절히 조절되면 무방하다. 구체적인 일 예로, 실리카 나노 입자 100 중량부에 대하여 실란커플링제 0.5 내지 10 중량부, 경화제 0.01 내지 3 중량부로 사용될 수 있다.The composition ratio of the silica nanoparticles, the silane coupling agent, and the curing agent in the coating mixture may be appropriately adjusted to satisfy the composition ratio of the carbon fiber coated with the silica nanoparticles as described above. As a specific example, 0.5 to 10 parts by weight of a silane coupling agent and 0.01 to 3 parts by weight of a curing agent may be used based on 100 parts by weight of the silica nanoparticles.

본 발명의 일 예에 따른 모르타르용 강도 보강 섬유의 제조 방법은, 상기 코팅 단계 이전에, 코팅 혼합물의 pH를 4 이하, 구체적으로, 3 이하로 조절하는 pH 제어 단계를 더 포함할 수 있다. 코팅 혼합물의 pH를 4 이하로 제어함으로써, 실란커플링제의 관능기와 실리카 나노 입자의 결합 반응을 향상시킬 수 있다. pH 제어 수단은 공지된 산을 코팅 혼합물에 첨가함 방법을 예로 들 수 있으며, 상기 산의 구체적인 예로 질산, 황산, 염산 등의 무기산을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않음은 물론이다.The method of manufacturing a strength reinforcing fiber for mortar according to an embodiment of the present invention may further include a pH control step of adjusting the pH of the coating mixture to 4 or less, specifically, 3 or less, before the coating step. By controlling the pH of the coating mixture to 4 or less, the bonding reaction between the functional group of the silane coupling agent and the silica nanoparticles can be improved. The pH control means may be exemplified by a method of adding a known acid to the coating mixture, and specific examples of the acid include inorganic acids such as nitric acid, sulfuric acid, and hydrochloric acid, but are not limited thereto.

보다 구체적이며 바람직한 일 예로, 상기 코팅 혼합물의 제조 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, a) 실란커플링제와 용매의 제1 혼합물을 제조하는 단계; b) 상기 제1 혼합물의 pH를 제어하는 단계; c) pH가 제어된 제1 혼합물에 실리카 나노 입자를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; d) 상기 제2 혼합물에 경화제를 혼합하여 코팅 혼합물을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 a) 단계는 4 내지 30℃에서 5 내지 60 분 동안 교반되어 제1 혼합물이 제조될 수 있고, 상기 b) 단계는 산이 투입되고 50 내지 90℃에서 5 내지 20 시간 동안 교반되어 pH가 제어될 수 있으며, 상기 c) 단계는 50 내지 90℃에서 12 내지 48 시간 동안 교반되어 제2 혼합물이 제조될 수 있고, 상기 d) 단계는 30 내지 60℃에서 0.5 내지 5 시간 동안 교반되어 코팅 혼합물이 제조될 수 있다. 하지만 온도 및 시간 조건은 용해, 분산 및/또는 반응이 잘 일어나도록 적절히 제어될 수 있으므로 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이다.In a more specific and preferred example, the method for preparing the coating mixture may include: a) preparing a first mixture of a silane coupling agent and a solvent; b) controlling the pH of the first mixture; c) preparing a second mixture by mixing silica nanoparticles with the first mixture whose pH is controlled; d) preparing a coating mixture by mixing a curing agent with the second mixture. As a specific example, step a) may be stirred at 4 to 30°C for 5 to 60 minutes to prepare a first mixture, and step b) is added with acid and stirred at 50 to 90°C for 5 to 20 hours The pH can be controlled, and the step c) is stirred at 50 to 90°C for 12 to 48 hours to prepare a second mixture, and the d) step is stirred at 30 to 60°C for 0.5 to 5 hours Coating mixtures can be prepared. However, since the temperature and time conditions can be appropriately controlled so that dissolution, dispersion and/or reaction occur well, the present invention is not limited thereto.

바람직한 일 예에 따른 모르타르용 강도 보강 섬유의 제조 방법은, 상기 코팅 단계 전에, 탄소섬유의 표면을 무기산으로 처리하는 표면 처리 단계를 더 포함할 수 있다. 실리카 나노 입자가 탄소섬유의 표면에 코팅되기 전에, 상기 탄소섬유의 표면을 무기산으로 개질할 경우, 표면 요철 형성 및 표면 거칠기가 향상되어, 이후 실리카 나노 입자의 코팅 시 실리카 나노 입자와 탄소섬유간 물리적 결합을 향상시켜, 전술한 바와 같은 높은 화학적 결합과 함께 높은 물리적 결합을 통하여 높은 부착 특성을 구현할 수 있다. 무기산의 일 예로 질산, 황산, 염산 또는 이들의 혼합산을 예로 들 수 있다.The method of manufacturing the strength reinforcing fiber for mortar according to a preferred example may further include a surface treatment step of treating the surface of the carbon fiber with an inorganic acid before the coating step. Before the silica nanoparticles are coated on the surface of the carbon fiber, when the surface of the carbon fiber is modified with an inorganic acid, the formation of surface irregularities and surface roughness are improved. By improving the bonding, it is possible to implement high adhesion characteristics through high physical bonding with high chemical bonding as described above. As an example of the inorganic acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, or a mixed acid thereof may be mentioned.

상기 코팅 단계에서, 코팅 수단 및 코팅의 구체적 조건은 공지된 코팅 수단 및 조건을 이용하면 무방하다. 구체적으로, 붓 도포, 분사 도포, 침지 등 다양한 코팅 수단을 예로 들 수 있다.In the coating step, the coating means and specific conditions of the coating may be any known coating means and conditions. Specifically, various coating means, such as brush application, spray application, and immersion, are exemplified.

상기 열처리 단계에서, 열처리를 통해 탄소섬유에 도포된 코팅 혼합물의 경화속도를 증대시킬 수 있으며, 예컨대 50 내지 100℃에서 0.5 내지 3 시간 동안 열처리가 수행될 수 있다.In the heat treatment step, the curing speed of the coating mixture applied to the carbon fiber may be increased through heat treatment, and for example, the heat treatment may be performed at 50 to 100° C. for 0.5 to 3 hours.

본 발명에 따른 모르타르 조성물은 다양한 제법을 통해 제조될 수 있고, 공지문헌을 참고할 수 있으며, 구체적으로 다음과 같은 방법을 이용하는 것이 분산성, 유동성, 작업성 등의 확보 측면에서 바람직할 수 있으나, 이에 본 발명이 제한되어 해석되지 않음은 물론이다.The mortar composition according to the present invention can be prepared through various preparation methods, and publicly known literature can be referred to, and in particular, it may be preferable in terms of securing dispersibility, fluidity, workability, etc. to use the following method. It goes without saying that the present invention is limited and not interpreted.

본 발명의 일 예에 따른 모르타르 조성물의 제조 방법은, a) 혼화재, 시멘트 및 골재를 건식 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계, b) 상기 제1 혼합물에 탄소섬유를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계 및 c) 상기 제2 혼합물에 물을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.A method for preparing a mortar composition according to an embodiment of the present invention includes: a) dry mixing an admixture, cement, and aggregate to prepare a first mixture, b) mixing carbon fibers with the first mixture to prepare a second mixture And c) mixing water into the second mixture.

상기 모르타르 조성물이 알칸올아민계 화합물, 상기 화학식 2의 카본산계 중합체 등의 강도 보강제를 포함할 경우, 상기 c) 단계에서, 강도 보강제가 상기 제2 혼합물에 더 혼합될 수 있다.When the mortar composition includes an alkanolamine-based compound or a strength reinforcing agent such as a carboxylic acid-based polymer of Formula 2, in step c), a strength reinforcing agent may be further mixed with the second mixture.

또한 상기 모르타르 조성물이 기타 첨가제를 더 포함할 경우, 상기 a) 단계 및/또는 상기 b) 단계에서 상기 제1 혼합물에 기타 첨가제가 더 혼합될 수 있다.In addition, when the mortar composition further includes other additives, other additives may be further mixed with the first mixture in step a) and/or step b).

본 발명은 전술한 모르타르 조성물로 제조되는 탄소섬유 보강 모르타르를 제공할 수 있다. 상기 탄소섬유 보강 모르타르는 상술한 모르타르 조성물을 적절한 조건 하에 양생시켜 제조될 수 있다. 모르타르 조성물의 양생 조건은 본 기술분야에서 널리 공지된 사항이므로 공지문헌을 참고하면 무방하다.The present invention can provide a carbon fiber reinforced mortar made of the above-described mortar composition. The carbon fiber reinforced mortar may be prepared by curing the above-described mortar composition under appropriate conditions. Curing conditions of the mortar composition are well known in the art, so it is safe to refer to the known literature.

본 발명의 일 예에 따른 탄소섬유 보강 모르타르는 재령 28일에서의 압축강도가 20 MPa 이상, 바람직하게는 25 MPa 이상, 보다 바람직하게는 30 MPa 이상, 매우 바람직하게는 35 MPa 이상일 수 있고, 중앙점 재하법에 의한 휨강도가 3 MPa 이상, 바람직하게는 3.5 MPa 이상, 보다 바람직하게는 4 MPa 이상일 수 있다. 여기서 압축강도의 상한 값 및 휨강도의 상한 값은 높을 수록 좋으므로 제한되지 않으며, 예를 들어 각각 70 MPa 및 15 MPa를 들 수 있다. 상기 압축강도 또는 상기 휨강도는 KS L ISO 679 규정에 의하여 측정된 것일 수 있다.The carbon fiber reinforced mortar according to an example of the present invention may have a compressive strength of 20 MPa or more, preferably 25 MPa or more, more preferably 30 MPa or more, very preferably 35 MPa or more, at 28 days of age, and The flexural strength according to the point loading method may be 3 MPa or more, preferably 3.5 MPa or more, and more preferably 4 MPa or more. Here, the upper limit value of the compressive strength and the upper limit value of the flexural strength are not limited because the higher the value is, the better, for example, 70 MPa and 15 MPa, respectively. The compressive strength or the flexural strength may be measured according to KS L ISO 679 regulations.

이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples, but these are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

[실시예 1 내지 실시예 4][Examples 1 to 4]

하기 표 1의 조성비로 탄소섬유, 혼화재(실리카흄), 시멘트, 잔골재, 혼화제 및 물을 포함하는 모르타르(Carbon fiber reinforced mortar, CFRM) 조성물을 제조하였다.A mortar (Carbon fiber reinforced mortar, CFRM) composition including carbon fiber, admixture (silica fume), cement, fine aggregate, admixture, and water was prepared in the composition ratio of Table 1 below.

구체적으로, 섬유의 뭉침현상(Fiber ball) 방지와 균일한 분포를 위해, 시멘트, 실리카흄 및 잔골재를 혼합기에 먼저 투입하고 건비빔으로 30 초 동안 혼합한 후에 탄소섬유를 투입하여 90 초 동안 추가 혼합하였다. 이어서 상기 혼합기에 물과 혼화제를 더 투입하여 150 초 동안 추가 혼합하였다. 이후 30 초간 정지시킨 후, 붙은 모르타르를 제거하고, 마지막으로 다시 혼합기를 작동시켜 60 초 동안 혼합하였다. 총 혼합 시간은 약 5 분이었으며, 목표 플로우는 약 190±10 mm 이상이 되도록 배합하였다.Specifically, for the prevention of fiber ball and uniform distribution, cement, silica fume, and fine aggregate were first added to the mixer and mixed for 30 seconds with dry bibeam, and then carbon fibers were added and mixed for 90 seconds. . Subsequently, water and an admixture were further added to the mixer and further mixed for 150 seconds. After stopping for 30 seconds, the attached mortar was removed, and finally, the mixer was operated again and mixed for 60 seconds. The total mixing time was about 5 minutes, and the target flow was blended to be about 190±10 mm or more.

탄소섬유Carbon fiber 실리카흄Silica fume 시멘트cement 잔골재Fine aggregate 혼화제Admixture water (wt%)(wt%) (vol%)(vol%) (wt%)(wt%) 실시예 1Example 1 0.400.40 0.500.50 1.101.10 20.9820.98 66.2566.25 0.220.22 11.0511.05 실시예 2Example 2 0.800.80 1.001.00 1.101.10 20.9020.90 65.9965.99 0.220.22 10.9910.99 실시예 3Example 3 1.201.20 1.501.50 1.101.10 20.8120.81 65.7365.73 0.220.22 10.9410.94 실시예 4Example 4 1.601.60 2.002.00 1.091.09 20.7320.73 65.4665.46 0.220.22 10.9010.90 ※ wt%는 모르타르 조성물 전체 중량에 대한 대상의 질량 분율을 나타내며, vol%는 25℃ 및 1 atm에서 모르타르 조성물 전체 부피에 대한 대상의 부피(용적) 분율을 나타낸다.※ wt% represents the mass fraction of the object relative to the total weight of the mortar composition, and vol% represents the volume (volume) fraction of the object relative to the total volume of the mortar composition at 25°C and 1 atm.

그리고 사용된 탄소섬유, 혼화재, 시멘트 및 잔골재는 구체적으로 다음과 같다.And the carbon fiber, admixture, cement and fine aggregate used are specifically as follows.

<탄소섬유><Carbon fiber>

상기 탄소섬유로, 하기 표 2의 특성을 갖는 폴리아크릴로나이트릴계(PAN계) 고강도 탄소섬유를 이용하여 도 2 및 다음과 같은 방법으로 제조된 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유가 사용되었다.As the carbon fiber, a carbon fiber coated with silica nanoparticles prepared in Fig. 2 and the following method using a polyacrylonitrile-based (PAN-based) high-strength carbon fiber having the characteristics of Table 2 below was used.

[표 2] 탄소섬유[Table 2] Carbon fiber

Figure 112019133479731-pat00003
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글리시독시프로필트리메톡시실란(Glycidoxypropyl trimethoxysilane, GPTMS) 3.6 g을 150 ㎖ 에탄올 및 150 ㎖ 증류수의 혼합액에 투입하고 균일하게 혼합한 후, pH가 2가 되도록 질산을 첨가하고, 70℃에서 12 시간 동안 교반하였다. 이어서 평균입경 15 nm의 실리카 나노 입자가 30 중량%로 분산된 콜로이드 실리카 졸(SS-SOL 30A, S-Chemtech) 445.5 g을 상기 혼합액에 더 첨가하고 70℃에서 24 시간 동안 반응시켰다. 그리고 글리시독시프로필트리메톡시실란의 에폭시기 개환을 목적으로 경화제인 에틸렌디아민(Ethylene diamine, EDA) 0.54 g을 적가하고 40℃에서 2 시간 동안 더 교반하여 코팅 혼합물을 제조하였다.3.6 g of glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTMS) was added to a mixture of 150 ml ethanol and 150 ml distilled water, and after uniformly mixing, nitric acid was added so that the pH was 2, and then at 70°C for 12 hours. While stirring. Subsequently, 445.5 g of colloidal silica sol (SS-SOL 30A, S-Chemtech) in which 30% by weight of silica nanoparticles having an average particle diameter of 15 nm was dispersed was further added to the mixture and reacted at 70° C. for 24 hours. In addition, 0.54 g of ethylene diamine (EDA), a curing agent, was added dropwise for the purpose of opening the epoxy group of glycidoxypropyltrimethoxysilane, and further stirred at 40° C. for 2 hours to prepare a coating mixture.

아세톤으로 상기 표 2의 특성을 가진 탄소섬유에 부착된 불순물을 제거한 후, 표면 활성도를 증가시키기 위해 질산 용액에 상기 탄소섬유를 24 시간 동안 담지하여 산화시킨 후, 산화된 탄소섬유를 증류수로 세정 처리하고 110℃ 오븐에서 충분히 건조시켜 산처리된 탄소섬유를 제조하였다.After removing impurities attached to the carbon fibers having the characteristics of Table 2 with acetone, the carbon fibers are oxidized by supporting the carbon fibers in a nitric acid solution for 24 hours to increase surface activity, and then the oxidized carbon fibers are washed with distilled water. And sufficiently dried in an oven at 110° C. to prepare acid-treated carbon fibers.

그리고 상기 산처리된 탄소섬유 200 g을 상기 코팅 혼합물에 12 시간 동안 담지하여 실리카 나노입자를 탄소섬유의 표면에 부착시킴과 함께 탄소섬유를 친수성으로 표면 개질시킨 후, 오븐을 이용하여 80℃에서 1 시간 동안 경화 및 열처리하였다. 이어서 열처리된 탄소섬유를 증류수로 세정한 뒤, 120℃에서 2 시간 동안 건조시켜 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유를 제조하였다.Then, 200 g of the acid-treated carbon fiber was supported on the coating mixture for 12 hours to attach the silica nanoparticles to the surface of the carbon fiber, and the carbon fiber was surface-modified to be hydrophilic, and then at 80°C using an oven. Cured and heat treated for hours. Subsequently, the heat-treated carbon fiber was washed with distilled water and then dried at 120° C. for 2 hours to prepare a carbon fiber coated with silica nanoparticles.

<시멘트 및 혼화재><Cement and admixture>

상기 시멘트 및 상기 혼화재로 각각 하기 표 3의 특성을 갖는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary portland cement, OPC) 및 실리카흄(Silica fume)이 각각 사용되었다. 이때 상기 실리카흄의 평균입경은 0.15 ㎛(45 ㎛를 초과하는 입자는 전체 실리카흄의 0.1 중량% 이하)이다.As the cement and the admixture, ordinary Portland cement (OPC) and silica fume having the characteristics of Table 3, respectively, were used. At this time, the average particle diameter of the silica fume is 0.15 μm (particles exceeding 45 μm are less than 0.1% by weight of the total silica fume).

[표 3] 시멘트 및 실리카흄[Table 3] Cement and silica fume

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<잔골재><fine aggregate>

상기 잔골재로 KS L ISO 679에서 규정하는 이산화규소(SiO2)가 함유되어 있고 하기 표 4의 특성을 갖는 잔골재인 표준사가 사용되었다.As the fine aggregate, silicon dioxide (SiO 2 ) specified in KS L ISO 679 is contained, and standard yarn, which is a fine aggregate having the characteristics of Table 4 below, was used.

[표 4] 잔골재[Table 4] Fine aggregate

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또한 다음과 같은 방법으로 상기 모르타르 조성물을 KSL ISO 679 시험 규정에 따라 양생하여 공시체를 제조하였다.In addition, the mortar composition was cured according to KSL ISO 679 test regulations in the following manner to prepare a specimen.

<혼화제><Admixture>

상기 혼화제로 하기 표 5의 특성을 갖는 폴리카르복실산계 고성능 AE감수제(Air entraining and water reducing agent)가 사용되었다.As the admixture, a polycarboxylic acid-based high-performance air entraining and water reducing agent having the characteristics of Table 5 was used.

[표 5] 혼화제[Table 5] Admixture

Figure 112019133479731-pat00006
Figure 112019133479731-pat00006

[실시예 5][Example 5]

실시예 3에서, 하기 표 6의 조성비로서 제1 강도 보강제인 상기 화학식 1의 카본산계 중합체를 더 사용한 것을 제외하고, 실시예 3과 동일하게 수행하였다. 이때 상기 화학식 1의 카본산계 중합체는 다음과 같은 방법으로 제조되었다.In Example 3, it was carried out in the same manner as in Example 3, except that the carboxylic acid-based polymer of Formula 1, which is the first strength reinforcing agent, was further used as the composition ratio of Table 6 below. At this time, the carboxylic acid-based polymer of Formula 1 was prepared by the following method.

<카본산계 중합체 제조 공정><Carbon acid-based polymer manufacturing process>

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.Into a glass reactor equipped with a thermometer, stirrer, dropping funnel, nitrogen inlet pipe, and reflux cooling device, 120 parts by weight of maleic anhydride and 90 parts by weight of distilled water are injected and completely dissolved, and then allyl alcohol-polyoxyethylene glycol (average addition of allyl alcohol-ethylene oxide 20 moles of moles) 220 parts by weight and 250 parts by weight of allyl alcohol-polyoxyethylene glycol sulfoethoxyester (average number of moles added of allyl alcohol-ethylene oxide 10 moles), and nitrogen-substituting in the reactor under stirring to raise the temperature to 80°C under a nitrogen atmosphere I did. Next, 80 parts by weight of methacrylic acid and 100 parts by weight of an aqueous ammonium sulfate solution (5.5 wt%) as an initiator were added dropwise for 6 hours. After the addition of the monomer initiator was completed, 55 parts by weight of a 2 wt% aqueous ammonium sulfate solution was added dropwise for 1 hour, and the unreacted monomer was completely polymerized while maintaining at 80° C. for 2 hours. After cooling the reaction mixture to room temperature, 300 parts by weight of distilled water was added, and 270 parts by weight of caustic soda (50 wt% aqueous solution) was slowly added to the water-soluble copolymer having a weight average molecular weight of 19,500 g/mol and a polydispersity of 2.25. A carboxylic acid polymer was obtained.

[실시예 6][Example 6]

실시예 3에서, 하기 표 6의 조성비로서 제2 강도 보강제인 트리에탄올아민을 더 사용한 것을 제외하고, 실시예 3과 동일하게 수행하였다. 이때 상기 화학식 1의 카본산계 중합체는 다음과 같은 방법으로 제조되었다.In Example 3, it was carried out in the same manner as in Example 3, except that the second strength reinforcing agent triethanolamine was further used as the composition ratio of Table 6 below. At this time, the carboxylic acid-based polymer of Formula 1 was prepared by the following method.

[실시예 7][Example 7]

실시예 3에서, 하기 표 6의 조성비로서 제1 강도 보강제인 상기 화학식 1의 카본산계 중합체 및 제2 강도 보강제인 트리에탄올아민을 더 사용한 것을 제외하고, 실시예 3과 동일하게 수행하였다. 이때 상기 화학식 1의 카본산계 중합체는 실시예 5에 기재된 방법으로 제조되었다.In Example 3, it was carried out in the same manner as in Example 3, except that the carboxylic acid polymer of Formula 1 as the first strength reinforcing agent and triethanolamine as the second strength reinforcing agent were further used as the composition ratio of Table 6 below. At this time, the carboxylic acid-based polymer of Formula 1 was prepared by the method described in Example 5.

탄소섬유Carbon fiber 실리카흄Silica fume 시멘트cement 잔골재Fine aggregate 혼화제Admixture water 카본산계 중합체Carboxylic acid polymer 트리에탄올아민 Triethanolamine (wt%)(wt%) (vol%)(vol%) (wt%)(wt%) 실시예 5Example 5 1.21.2 1.51.5 1.101.10 20.9820.98 66.2566.25 0.220.22 9.259.25 1.01.0 -- 실시예 6Example 6 1.21.2 1.51.5 1.101.10 20.9020.90 65.9965.99 0.220.22 9.599.59 -- 1.01.0 실시예 7Example 7 1.21.2 1.51.5 1.101.10 20.8120.81 65.7365.73 0.220.22 9.949.94 0.60.6 0.40.4 ※ wt%는 모르타르 조성물 전체 중량에 대한 대상의 질량 분율을 나타내며, vol%는 25℃ 및 1 atm에서 모르타르 조성물 전체 부피에 대한 대상의 부피(용적) 분율을 나타낸다.※ wt% represents the mass fraction of the object relative to the total weight of the mortar composition, and vol% represents the volume (volume) fraction of the object relative to the total volume of the mortar composition at 25°C and 1 atm.

[비교예 1 내지 비교예 4][Comparative Examples 1 to 4]

실시예 1 내지 실시예 4에서 탄소섬유로 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유 대신 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유, 즉, 상기 표 2의 탄소섬유를 그대로 사용한 것을 제외하고, 실시예 1 내지 실시예 4와 동일하게 각각 수행하였다.Examples 1 to 4, except that the carbon fiber without silica nanoparticles, that is, the carbon fiber of Table 2, was used instead of the carbon fiber coated with the silica nanoparticles with the carbon fiber. Each was performed in the same manner as in Example 4.

[비교예 5 내지 비교예 8][Comparative Examples 5 to 8]

실시예 1 내지 실시예 4에서 혼화재(실리카흄)를 사용하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1 내지 실시예 4와 동일하게 각각 수행하였다. 이때 사용되지 않은 혼화재(실리카흄)의 함량을 시멘트 함량에 더하는 것으로 적용하여 100 중량%가 되도록 조절하였다.Examples 1 to 4 were carried out in the same manner as in Examples 1 to 4, except that no admixture (silica fume) was used. At this time, the content of the unused admixture (silica fume) was added to the cement content and adjusted to be 100% by weight.

[비교예 9 내지 비교예 12][Comparative Examples 9 to 12]

비교예 1 내지 비교예 4에서 혼화재(실리카흄)를 사용하지 않은 것을 제외하고, 비교예 1 내지 비교예 4와 동일하게 각각 수행하였다. 이때 사용되지 않은 혼화재(실리카흄)의 함량을 시멘트 함량에 더하는 것으로 적용하여 100 중량%가 되도록 조절하였다.In Comparative Examples 1 to 4, each was carried out in the same manner as in Comparative Examples 1 to 4, except that no admixture (silica fume) was used. At this time, the content of the unused admixture (silica fume) was added to the cement content and adjusted to be 100% by weight.

[비교예 13][Comparative Example 13]

실시예 1에서 탄소섬유 및 혼화재(실리카흄)를 사용하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 수행하였다. 이때 사용되지 않은 탄소섬유 및 혼화재(실리카흄)의 함량을 시멘트에 더하는 것으로 적용하여 100 중량%가 되도록 조절하였다.In Example 1, except that the carbon fiber and admixture (silica fume) was not used, it was carried out in the same manner as in Example 1. At this time, the content of unused carbon fibers and admixtures (silica fume) was added to the cement and adjusted to be 100% by weight.

이하, 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1 내지 비교예 13에 따른 모르타르 조성물을 도면을 참고하여 설명하며, 이때 각 도면에 따른 탄소섬유의 혼입량은 vol%(0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%) 단위로 표기하여 설명한다.Hereinafter, the mortar compositions according to Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 13 will be described with reference to the drawings, wherein the amount of carbon fibers incorporated in each drawing is vol% (0.5%, 1.0%, 1.5%) , 2.0%).

<탄소섬유의 표면 구조 분석><Surface structure analysis of carbon fiber>

실시예 1의 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유, 실시예 1의 산처리된 탄소섬유 및 비교예 1의 탄소섬유 각각을 고분해능주사전자현미경(Ultra high resolution scanning electrone microscope, UHR-SEM)(MIRA LMH, TESCAN)을 이용하여 탄소섬유의 표면을 분석하였다. 이때 분석은 교류전압(ACC voltage) 10 kv에서 실시되었고, 아르곤(Ar) 가스 하에서 탄소섬유 시료를 백금으로 코팅한 뒤, 5,000 배율에서 탄소섬유의 표면을 관찰함으로써, 탄소섬유의 포면에 실리카 나노입자가 부착되어 있는지의 여부, 부착 균일성 등을 관찰하였다. 이의 결과는 도 3에 도시되어 있다. The carbon fiber coated with the silica nanoparticles of Example 1, the acid-treated carbon fiber of Example 1, and the carbon fiber of Comparative Example 1 were each treated with an ultra high resolution scanning electron microscope (UHR-SEM) (MIRA LMH). , TESCAN) was used to analyze the surface of the carbon fiber. At this time, the analysis was carried out at an ACC voltage of 10 kv, and after coating a carbon fiber sample with platinum under argon (Ar) gas, by observing the surface of the carbon fiber at 5,000 magnification, silica nanoparticles on the surface of the carbon fiber Whether or not was adhered, adhesion uniformity and the like were observed. The results are shown in FIG. 3.

도 3에서, (a)는 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유, (b)는 질산으로 산처리된 탄소섬유, (c)는 실리카 나노입자가 코팅된 탄소섬유를 관측한 주사전자현미경 이미지이다.In Figure 3, (a) is a carbon fiber not coated with silica nanoparticles, (b) is a carbon fiber acid-treated with nitric acid, (c) is a scanning electron microscope image of the carbon fiber coated with silica nanoparticles. .

(a)의 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유와 비교하면, (b)의 질산으로 산처리된 탄소섬유는 축 방향으로 줄이 생성되어, 탄소섬유의 표면 거칠기가 형성 및 증가되었음을 확인할 수 있다. 산처리를 통해 탄소섬유의 표면 거칠기를 증가시키고, 산화 반응을 통해 탄소섬유의 표면에 COOH, OH 등의 친수기의 도입 및 친수기의 도입 함량을 증가시켜 탄소섬유의 표면에 실리카 나노입자를 쉽게 부착시킬 수 있으며, 부착 함량을 향상시킬 수 있다. Compared with the carbon fiber not coated with the silica nanoparticles of (a), it can be seen that the carbon fiber acid-treated with nitric acid of (b) has a string formed in the axial direction, so that the surface roughness of the carbon fiber is formed and increased. . The surface roughness of the carbon fiber is increased through acid treatment, and the introduction of hydrophilic groups such as COOH and OH to the surface of the carbon fiber through an oxidation reaction and the content of the hydrophilic group are increased. It can be, and the adhesion content can be improved.

(c)는 탄소섬유에 실리카 나노입자가 코팅된 것으로, 탄소섬유의 표면에 실리카 나노입자가 균일하게 분산되어 결합되어 있음을 확인할 수 있다.(c) shows that the silica nanoparticles are coated on the carbon fiber, and it can be seen that the silica nanoparticles are uniformly dispersed and bonded to the surface of the carbon fiber.

<탄소섬유의 표면 성분 분석><Surface component analysis of carbon fiber>

실시예 1의 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유, 실시예 1에서 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유가 모르타르 조성물 내 성분과 반응하여 얻어진 공시체 내 탄소섬유 및 비교예 1의 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유 각각을 푸리에 변환 적외선 분광 장치(Fourier transform infrared spectoscopy, FT-IR)(Cary 630, Agilent Technologies)를 이용하여 탄소섬유의 표면 성분을 분석하였다. 이때 상기 장치로 400~4,000 cm-1 범위의 파장 영역을 측정하여 탄소섬유의 표면에 결합된 입자가 실리카 나노 입자인지 정성 분석하였다. 이의 결과는 도 4에 도시되어 있다.The carbon fibers coated with the silica nanoparticles of Example 1, the carbon fibers in the specimen obtained by reacting the carbon fibers coated with the silica nanoparticles in Example 1 with the components in the mortar composition, and the silica nanoparticles of Comparative Example 1 were not coated. Each of the carbon fibers was analyzed for surface components of the carbon fibers using a Fourier transform infrared spectoscopy (FT-IR) (Cary 630, Agilent Technologies). At this time, a wavelength range in the range of 400 to 4,000 cm -1 was measured with the device to qualitatively analyze whether the particles bonded to the surface of the carbon fiber were silica nanoparticles. The results are shown in FIG. 4.

도 4에서, (a)는 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유에 대한 FT-IR 분석 결과이고, (b)는 실시예 1의 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유에 대한 FT-IR 분석 결과이며, (c)는 실시예 1에서 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유가 모르타르 조성물 내 성분과 반응하여 얻어진 공시체 내 탄소섬유에 대한 FT-IR 분석 결과이다.In FIG. 4, (a) is an FT-IR analysis result of a carbon fiber coated with silica nanoparticles, (b) is an FT-IR analysis result of a carbon fiber coated with silica nanoparticles of Example 1. , (c) is the result of FT-IR analysis of carbon fibers in the specimen obtained by reacting the carbon fibers coated with silica nanoparticles with the components in the mortar composition in Example 1.

(a)의 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유에 비해, (b)의 실리카 나노 입자로 코팅된 탄소섬유는 1,040 cm-1에서 Si-O-Si 신축진동(Streching vibration)에 기인한 강한 흡수피크가 확인됨으로써 탄소섬유에 실리카 나노입자가 부착된 것임을 알 수 있다.Compared to the carbon fiber without the silica nanoparticles of (a), the carbon fiber coated with the silica nanoparticles of (b) has a strong absorption due to the Si-O-Si stretching vibration at 1,040 cm -1 . As the peak is confirmed, it can be seen that silica nanoparticles are attached to the carbon fiber.

한편, (c)는 공시체 내의 탄소섬유로서 1,437 cm-1에서의 C-O 신축진동에 기인한 흡수피크(Papadakis, V.G et al. 1989)가 생성되었음을 확인할 수 있다. 이는 C-S-H가 대기 중 이산화탄소(CO2)와의 반응으로 생성된 탄산칼슘의 C-O로 확인되며, C-S-H의 생성여부를 확인할 수 있는 근거가 된다. 또한 탄소섬유의 표면에 실리카 나노 입자들이 제대로 부착되어 있고, 이는 산처리에 의해 탄소섬유의 표면이 친수성으로 개질된 것에 기인한 것으로도 볼 수 있다. 반면, 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유의 경우 1,040 cm-1 및 1437 cm-1에서 신축진동에 의한 피크가 형성되지 못함을 확인할 수 있다.On the other hand, (c) is a carbon fiber in the specimen, it can be confirmed that the absorption peak (Papadakis, VG et al. 1989) due to the CO stretching vibration at 1,437 cm -1 was generated. This is confirmed as the CO of calcium carbonate produced by the reaction of CSH with carbon dioxide (CO 2 ) in the atmosphere, and is the basis for confirming whether CSH is produced. In addition, silica nanoparticles are properly attached to the surface of the carbon fiber, which can be seen as a result of the hydrophilic modification of the surface of the carbon fiber by acid treatment. On the other hand, in the case of the carbon fiber not coated with the silica nanoparticles, it can be seen that peaks due to stretching vibration were not formed at 1,040 cm -1 and 1437 cm -1 .

<유동성 분석><liquidity analysis>

실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 13의 모르타르 조성물의 흐름 성능을 평가하기 위해서 플로우 시험은 KS L 5111에서 규정하는 플로우 테이블 및 플로우 콘을 이용하여 KS L 5105에 준하여 측정하였다. 구체적으로, 모르타르 조성물이 배출된 직후 하부 직경 100±0.5 mm, 상부 직경 70±0.5 mm, 높이 50±0.5 mm의 원뿔형 몰드에 2 층으로 부어 넣고 20 회씩 다짐하였다. 원뿔형 몰드를 들어 올린 후, 즉시 15 초 동안 25 회 12.7 mm의 높이를 낙하시킨 다음 흐름 값을 측정하였으며, 낙하 후 퍼짐이 멈추었을 때 중심을 지나는 대각선 3 방향의 지름을 측정하여 그 평균값을 흐름 값으로 정하였다. 이의 결과는 도 5에 도시되어 있다.In order to evaluate the flow performance of the mortar compositions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 13, the flow test was measured according to KS L 5105 using a flow table and a flow cone specified in KS L 5111. Specifically, immediately after the mortar composition was discharged, it was poured into a conical mold having a lower diameter of 100±0.5 mm, an upper diameter of 70±0.5 mm, and a height of 50±0.5 mm and compacted 20 times. After lifting the conical mold, immediately dropping a height of 12.7 mm 25 times for 15 seconds, and then measuring the flow value, and measuring the diameter in three diagonal directions passing through the center when the spreading stops after dropping, and the average value is the flow value It was set as. The results are shown in FIG. 5.

도 5에서, 탄소섬유 및 실리카흄이 사용되지 않은 비교예 13의 보통 모르타르 조성물의 경우, 흐름 값이 192 mm로서 목표 흐름 값 190 mm 이상을 만족하여 흐름 성능이 양호한 것을 확인할 수 있다. 반면, 실리카흄이 사용되지 않고 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유가 사용된 비교예 5 내지 비교예 8의 경우, 흐름 값이 114~160 mm이였고, 실리카흄이 사용되지 않고 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유가 사용된 비교예 9 내지 비교예 12의 경우, 흐름 값이 110~146 mm로 더 낮게 측정되었다. 이로부터 탄소섬유의 표면에 실리카 나노 입자가 코팅된 것이 사용됨으로써 더 높은 흐름 값을 가짐을 확인할 수 있다.In FIG. 5, in the case of the ordinary mortar composition of Comparative Example 13 in which carbon fibers and silica fume were not used, the flow value was 192 mm, which satisfies the target flow value of 190 mm or more, so that the flow performance was good. On the other hand, in the case of Comparative Examples 5 to 8 in which silica fume was not used and carbon fibers coated with silica nanoparticles were used, the flow value was 114 to 160 mm, and silica fume was not used and silica nanoparticles were not coated. In the case of Comparative Examples 9 to 12 in which carbon fibers were used, the flow value was measured to be lower, 110 to 146 mm. From this, it can be confirmed that the silica nanoparticles coated on the surface of the carbon fiber have a higher flow value.

또한 위 결과와 함께 실시예 1 내지 실시예 4의 경우로부터, 실리카흄의 사용 유무에 따른 흐름 값 변화는 실질적으로 거의 없음을 도 5로부터 확인할 수 있다.In addition, from the case of Examples 1 to 4 along with the above results, it can be seen from FIG. 5 that there is substantially no change in the flow value according to the use of silica fume.

<모르타르 내 미세구조 분석><Microstructure Analysis in Mortar>

실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 13의 모르타르 조성물로 제조된 공시체를 주사전자현미경을 이용하여 그 파단면의 미세구조를 분석하였다.Specimens prepared with the mortar compositions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 13 were analyzed for microstructures of their fracture surfaces using a scanning electron microscope.

섬유와 시멘트 매트릭스의 계면 사이의 두께는 약 10∼50 ㎛로서, 이러한 계면의 두께가 강도 및 내구성에 영향을 미칠 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유와 실리카흄이 사용된 경우, 섬유의 표면에 크고 작은 C-S-H가 거친 형상으로 균일하게 분포되어 있는 것을 알 수 있으며, 기공이 거의 관찰되지 않았다. 이는 시멘트 수화생성물의 결정이 주변에 많이 형성됨과 함께 높은 친화력에 의해 시멘트 매트릭스 내에서 균일하게 분산된 것에 기인하는 것으로 판단된다.The thickness between the interface of the fiber and the cement matrix is about 10-50 μm, and the thickness of this interface can affect the strength and durability. As shown in FIG. 6, when carbon fibers coated with silica nanoparticles and silica fume are used, it can be seen that large and small CSH are uniformly distributed in a rough shape on the surface of the fiber, and pores are hardly observed. . This is considered to be due to the formation of a large number of crystals of the cement hydration product around and uniform dispersion in the cement matrix due to high affinity.

반면, 실리카 흄이 사용되지 않고 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유가 사용된 경우는 섬유의 표면에 C-S-H가 다소 결합되어 있기는 하나, 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 미세한 균열들이 관찰되었다.On the other hand, when silica fume was not used and carbon fibers coated with silica nanoparticles were used, although C-S-H was somewhat bonded to the surface of the fiber, microscopic cracks between the fiber and the cement matrix were observed.

실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유와 실리카흄이 사용된 경우는 섬유의 표면에 C-S-H가 약간 결합되어 있기는 하나, 충분한 강도를 확보하지 못하고 부착성능 저하로 인해 섬유의 분리(fiber debonding) 또는 뽑힘(pull out)현상으로 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 이탈이 관찰되었다.When carbon fiber and silica fume without silica nanoparticles are used, CSH is slightly bonded to the surface of the fiber, but sufficient strength is not secured, and fiber debonding or pulling ( The separation between the fiber and the cement matrix was observed due to the pull out phenomenon.

실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유가 사용되고 실리카흄이 사용되지 않은 경우는 섬유 표면의 형상이 아주 깨끗하고 상당히 매끄러운 것을 알 수 있으며, 미세한 기공이 시멘트 수화물 주변에 형성됨을 관찰하였다. 또한 시멘트 수화생성물의 결정이 생기기 곤란하여 친화력이 적어 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 계면 결합력이 낮아 섬유의 분산이 원활하지 못하여 뭉침현상을 확인하였다.When carbon fiber without silica nanoparticles was used and silica fume was not used, it was found that the shape of the fiber surface was very clean and fairly smooth, and it was observed that fine pores were formed around the cement hydrate. In addition, since crystals of the cement hydration product were difficult to occur, the affinity was low, and the interfacial bonding between the fibers and the cement matrix was low, and thus the dispersion of the fibers was not smooth, and agglomeration phenomenon was confirmed.

<모르타르 표면 이미지 분석><Mortar surface image analysis>

모르타르의 매트릭스 내 탄소섬유의 분산 정도를 확인하기 위해, 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 13의 모르타르 조성물로 제조된 시편의 표면부 화상촬영 이미지를 관찰하였다.In order to confirm the degree of dispersion of the carbon fibers in the matrix of the mortar, imaging images of the surface portion of the specimens made of the mortar compositions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 13 were observed.

그 결과, 도 7에 도시된 바와 같이, 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유와 실리카흄이 사용된 실시예 1 내지 실시예 4는 양생되어 제조된 모르타르 내에서 탄소섬유가 고르게 분산되어 존재함을 확인할 수 있다.As a result, as shown in FIG. 7, it can be confirmed that the carbon fibers coated with silica nanoparticles and Examples 1 to 4 in which the silica fume are used are evenly dispersed in the mortar prepared by curing. have.

반면, 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유가 사용되거나 실리카흄이 사용되지 않은 비교예 1 내지 비교예 12는 탄소섬유가 고르게 분산되어 존재하지 못하고, 탄소섬유가 상대적으로 많은 영역 및 탄소섬유가 상대적으로 적은 영역이 다수 존재함을 확인할 수 있다.On the other hand, in Comparative Examples 1 to 12 in which carbon fibers not coated with silica nanoparticles were used or silica fume was not used, carbon fibers were not evenly dispersed, and there were relatively many areas and carbon fibers. It can be seen that there are many small areas.

<모르타르의 압축강도 및 휨강도 분석><Analysis of compressive strength and flexural strength of mortar>

실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 13의 모르타르 조성물로 제조된 공시체의 압축 및 휨강도 시험을 수행하기 위해, 모르타르 공시체를 제작하여, 재령 28일에서의 강도를 측정하였다. 이의 결과는 도 8에 도시되어 있다.In order to perform the compressive and flexural strength tests of the specimens prepared from the mortar compositions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 13, a mortar specimen was prepared and the strength at the age of 28 was measured. The results are shown in Figure 8.

구체적으로, 압축강도 및 휨강도 시험은 KS L ISO 679(2016) 시험방법에 준하여 40×40×160 mm의 몰드를 제작하고, 모르타르 조성물을 넣고 양생이 완료된 육면체 시편을 사용하였다.Specifically, for the compressive strength and flexural strength tests, a 40×40×160 mm mold was prepared in accordance with the KS L ISO 679 (2016) test method, and a hexahedral specimen was used with a mortar composition and cured.

휨강도의 경우, 100 kN 용량의 만능시험기(Universal Testing Machine, UTM)(UT-100F, MTDI Co)를 이용하여 원형 단면의 강재 롤러 위에 시편을 설치하여 하중제어 방식으로 50 N/s의 조건에서 중앙점 재하법으로 휨강도를 측정하였으며, 하기 수식 1로부터 그 값을 계산하였다.In the case of flexural strength, a specimen is installed on a steel roller with a circular cross section using a universal testing machine (UTM) (UT-100F, MTDI Co) with a capacity of 100 kN, and the load is controlled in the center at 50 N/s. The flexural strength was measured by the point loading method, and the value was calculated from Equation 1 below.

[수식 1][Equation 1]

Figure 112019133479731-pat00007
Figure 112019133479731-pat00007

상기 수식 1에서, fr는 휨강도(MPa), P는 최대하중(N), L은 지점간 거리(mm), b는 시편의 폭(mm), h는 시편의 높이(mm)이다.In Equation 1, f r is the flexural strength (MPa), P is the maximum load (N), L is the distance between points (mm), b is the width of the specimen (mm), and h is the height (mm) of the specimen.

압축강도의 경우, 상기 만능시험기를 이용하여 휨강도를 먼저 측정하여 파단된 시편을 압축강도 측정용 가압몰드에 장착하여 압축강도를 측정하였다. 압축강도의 재하속도는 2,400 N/s의 조건에서 일정한 속도로 가력하였으며, 압축강도는 하기 수식 2로부터 그 값을 계산하였다.In the case of compressive strength, the flexural strength was first measured using the universal testing machine, and the fractured specimen was mounted on a pressing mold for compressive strength measurement to measure the compressive strength. The loading speed of the compressive strength was applied at a constant speed under the condition of 2,400 N/s, and the compressive strength was calculated from Equation 2 below.

[수식 2][Equation 2]

Figure 112019133479731-pat00008
Figure 112019133479731-pat00008

상기 수식 2에서, fcu는 압축강도(MPa), P는 최대하중(N), b는 시편의 폭(40 mm),h는 시편의 높이(40 mm)이다.In Equation 2, f cu is the compressive strength (MPa), P is the maximum load (N), b is the width of the specimen (40 mm), and h is the height of the specimen (40 mm).

도 8은 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 13의 모르타르 조성물로 제조된 공시체의 압축강도를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the compressive strength of specimens made of the mortar compositions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 13.

휨강도를 측정한 후 파단된 각각 3 개의 시편을 2 회에 걸쳐 측정한 재령 28 일에서의 비교예 13의 보통 모르타르의 압축강도는 평균 30.6 MPa 수준으로 측정되었다. 실리카흄이 사용되고 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유가 사용된 실시예 1 내지 실시예 4는 압축강도가 약 28~38 MPa인 반면, 실리카흄이 사용되고 실리카 나노 입자가 코팅되지 않은 탄소섬유가 사용된 비교예 1 내지 비교예 4는 압축강도가 약 25~35 MPa로 더 낮았다.After measuring the flexural strength, the compressive strength of the common mortar of Comparative Example 13 at 28 days of age, when each of the three fractured specimens was measured twice, was measured at an average level of 30.6 MPa. Examples 1 to 4 in which silica fume was used and carbon fibers coated with silica nanoparticles were used have a compressive strength of about 28 to 38 MPa, whereas silica fume was used and carbon fibers not coated with silica nanoparticles were used. Comparative Examples 1 to 4 had a lower compressive strength of about 25 to 35 MPa.

일반적으로 섬유가 모르타르 조성물에 혼입될 경우, 섬유의 분산성이 저하되고 뭉침 현상이 발생하여 압축강도 저하에 큰 영향을 받는다고 보고되어 있다. 실리카흄이 사용되지 않을 경우, 약 30 MPa 이하로 탄소섬유에 실리카 나노 입자가 코팅된 경우 및 코팅되지 않은 경우 모두에서 압축강도가 현저히 감소됨을 확인할 수 있다. 이는 평균입경이 0.15 ㎛이고 공시체 내 공극에 분포한 넓은 비표면적을 갖는 실리카흄인 실리카흄이 수화 생성처 역할을 하고, 수화반응을 촉진하여 공극을 밀실하게 하고 미세한 기포를 감소시킴으로써, 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유에 의해 압축강도가 향상됨에 따른 것으로 판단된다. In general, when fibers are incorporated into the mortar composition, it has been reported that the dispersibility of the fibers is reduced and agglomeration occurs, which is greatly affected by the decrease in compressive strength. It can be seen that when silica fume is not used, the compressive strength is significantly reduced in both the case where the silica nanoparticles are coated on the carbon fiber to about 30 MPa or less and the case where it is not coated. Silica fume, which is a silica fume having an average particle diameter of 0.15 µm and a large specific surface area distributed in the pores in the specimen, serves as a source of hydration, and promotes the hydration reaction to close the pores and reduce fine bubbles, thereby coating the silica nanoparticles. It is believed that the compressive strength is improved by the carbon fiber.

따라서 실리카흄이 함께 사용되면서 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유가 사용되어야만 탄소섬유의 실리카 나노 입자 코팅에 따른 효과가 크게 구현됨을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the effect of the silica nanoparticle coating of the carbon fiber is greatly realized only when the silica fume is used together and the carbon fiber coated with the silica nanoparticles is used.

아울러 도 8으로부터 탄소섬유가 2 vol%(1.6 wt%) 미만에서 압축강도가 보다 우수함을 확인할 수 있어, 실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유의 사용 함량은 2 vol%(1.6 wt%) 미만인 것이 압축강도의 향상 측면에서 보다 바람직함을 알 수 있다.In addition, it can be seen from FIG. 8 that the compressive strength of the carbon fiber is better at less than 2 vol% (1.6 wt%), so that the amount of carbon fiber coated with silica nanoparticles is less than 2 vol% (1.6 wt%). It can be seen that it is more preferable in terms of improving strength.

도 9은 실시예 1 내지 실시예 4, 비교예 1 내지 비교예 13의 모르타르 조성물로 제조된 공시체의 휨강도를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the flexural strength of specimens prepared with the mortar compositions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 13.

각각 3 개의 시편을 2 회에 걸쳐 측정한 재령 28 일에서의 비교예 13의 보통 모르타르의 휨강도는 평균 3.1 MPa 수준으로 측정되었다. The flexural strength of the common mortar of Comparative Example 13 at 28 days of age, when each of three specimens was measured twice, was measured at an average of 3.1 MPa.

특히 실리카흄이 사용되지 않은 경우에서 탄소섬유가 2 vol%(1.6 wt%) 이상 사용될 경우, 탄소섬유가 1.5 vol%(1.2 wt%) 이하로 사용된 경우보다 오히려 휨강도가 감소되는 것을 도 9로부터 확인할 수 있다. 반면, 실리카흄이 사용될 경우, 탄소섬유가 1.5 vol%(1.2 wt%)를 초과하여 2 vol%(1.6 wt%)로 사용되어도 휨강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.In particular, it can be seen from FIG. 9 that when the silica fume is not used and the carbon fiber is used at 2 vol% (1.6 wt%) or more, the flexural strength is reduced rather than when the carbon fiber is used at 1.5 vol% (1.2 wt%) or less. I can. On the other hand, when silica fume is used, it can be seen that the flexural strength increases even if the carbon fiber exceeds 1.5 vol% (1.2 wt%) and is used in 2 vol% (1.6 wt%).

따라서 탄소섬유와 실리카흄이 함께 사용되어야만 1.5 vol%(1.2 wt%)를 초과하는 탄소섬유의 높은 혼입량에서도 높은 휨강도를 가질 수 있음을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that only when carbon fiber and silica fume are used together can have high flexural strength even at a high mixing amount of carbon fiber exceeding 1.5 vol% (1.2 wt%).

강도 보강제Strength enhancer 압축강도Compressive strength 휨강도Flexural strength 카본산계 중합체(wt%)Carbonic acid polymer (wt%) 트리에탄올아민(wt%) Triethanolamine (wt%) (MPa)(MPa) 실시예 3Example 3 -- -- 32.932.9 5.95.9 실시예 5Example 5 1.01.0 -- 35.635.6 6.06.0 실시예 6Example 6 -- 1.01.0 34.834.8 5.95.9 실시예 7Example 7 0.60.6 0.40.4 41.741.7 6.26.2

또한 실시예 5 내지 실시예 7에 따른 모르타르 조성물로 제조된 공시체에 대한 압축강도 및 휨강도를 측정한 결과, 카본산계 중합체 및 트리에탄올아민이 조합된 그룹에서 각 성분이 단독으로 사용된 실시예 5 및 실시예 6은 실시예 3과 비교하여 압축강도의 향상이 크지 않았다. 반면, 카본산계 중합체 및 트리에탄올아민이 모두 사용된 실시예 7은 놀랍게도 우수한 휨강도의 수준을 유지하면서 각 성분이 단독으로 사용된 실시예 5 및 실시예 6과 비교하여 압축강도가 현저히 향상됨을 확인할 수 있다. In addition, as a result of measuring the compressive strength and flexural strength of the specimen prepared with the mortar composition according to Examples 5 to 7, each component was used alone in the group in which the carboxylic acid polymer and triethanolamine were combined. Example 6 was not significantly improved in compressive strength compared to Example 3. On the other hand, Example 7 in which both the carboxylic acid-based polymer and triethanolamine were used, surprisingly, while maintaining the level of excellent flexural strength, it was confirmed that the compressive strength was significantly improved compared to Examples 5 and 6 in which each component was used alone. .

따라서 카본산계 중합체 또는 트리에탄올 아민이 강도 보강제로 사용될 경우 압축강도가 향상되며, 특히 우수한 휨강도를 유지하면서 압축강도가 현저히 향상되는 효과는 카본산계 중합체 및 트리에탄올아민이 함께 사용됨으로써 구현됨을 알 수 있다.Therefore, when a carboxylic acid polymer or triethanol amine is used as a strength reinforcing agent, the compressive strength is improved, and in particular, it can be seen that the effect of remarkably improving the compressive strength while maintaining excellent flexural strength is realized by the use of the carboxylic acid polymer and triethanolamine together.

Claims (17)

실리카 나노 입자가 코팅된 탄소섬유, 강도 보강제, 혼화재, 시멘트, 골재 및 물을 포함하며,
상기 강도 보강제는 알칸올아민계 화합물; 및 하기 화학식 2의 카본산계 중합체; 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 모르타르 조성물.
[화학식 2]
Figure 112020083881408-pat00019

(상기 화학식 2에서,
R1, R2 및 R4는 서로 독립적으로 수소 또는 메틸기이며, R3는 수소 또는 (C1-C30)지방족 탄화수소기이며,
M들은 서로 독립적으로 수소, 알칼리 금속, 암모늄 또는 유기 아민기이며,
X가 수소 또는 메틸기인 경우 Z는 -CH2COOM1이거나, X가 -COOM1일 경우 Z는 수소 혹은 메틸기이고, 이때 M1은 수소, 알칼리 금속, 암모늄 또는 유기 아민기이며,
t 및 u는 서로 독립적으로 0 내지 15인 정수이며,
P1O 및 P2O는 서로 독립적으로 옥시(C2-C4)알킬렌기의 1종 또는 2종 이 상의 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)
Including carbon fiber coated with silica nanoparticles, strength reinforcing agent, admixture, cement, aggregate, and water,
The strength enhancer is an alkanolamine-based compound; And a carboxylic acid polymer of the following formula (2); Mortar composition comprising any one or more selected from.
[Formula 2]
Figure 112020083881408-pat00019

(In Chemical Formula 2,
R1, R 2 and R 4 are each independently hydrogen or a methyl group, R 3 is hydrogen or a (C1-C30) aliphatic hydrocarbon group,
M are independently of each other hydrogen, alkali metal, ammonium or organic amine groups,
When X is hydrogen or a methyl group, Z is -CH 2 COOM 1, or when X is -COOM 1 , Z is a hydrogen or methyl group, where M 1 is hydrogen, an alkali metal, ammonium or an organic amine group,
t and u are each independently an integer from 0 to 15,
P 1O and P 2O are each independently a mixture of one or two or more repeating units of an oxy(C2-C4)alkylene group, and if two or more are added in a block form or added in a random form,
1 and m are each independently an integer of 1 to 100,
p, q, r and s are each independently 10 to 1,000)
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유는 실란커플링제 및 경화제의 반응에 의해 실리카 나노 입자가 탄소섬유의 표면에 결합되어 코팅되는 모르타르 조성물.
The method of claim 1,
The carbon fiber is a mortar composition in which silica nanoparticles are bonded to the surface of the carbon fiber by a reaction of a silane coupling agent and a curing agent to be coated.
제2항에 있어서,
상기 실리카 나노 입자는 상기 실란커플링제와 상기 경화제가 반응하여 결합된 물질을 링커로 하여 상기 탄소섬유의 표면에 화학적으로 결합되며,
상기 실란커플링제의 관능기가 상기 실리카 나노 입자와 결합되고, 상기 경화제의 관능기가 상기 탄소섬유의 표면에 결합되는 모르타르 조성물.
The method of claim 2,
The silica nanoparticles are chemically bonded to the surface of the carbon fiber by using a material bonded by the reaction of the silane coupling agent and the curing agent as a linker,
A mortar composition in which a functional group of the silane coupling agent is bonded to the silica nanoparticles, and a functional group of the curing agent is bonded to the surface of the carbon fiber.
제3항에 있어서,
상기 실란커플링제는 하기 화학식 1로 표시되며, 상기 경화제는 디아민계 화합물을 포함하는 모르타르 조성물.
[화학식 1]
X-Si-(OR)3
(상기 화학식 1에서,
X는 에폭시기 또는 글리시독시기로 치환된 (C1-C30)알킬기로부터 선택되고,
R은 독립적으로 직쇄 또는 분지쇄의 (C1-C7)알킬기로부터 선택된다)
The method of claim 3,
The silane coupling agent is represented by the following formula (1), and the curing agent is a mortar composition comprising a diamine compound.
[Formula 1]
X-Si-(OR) 3
(In Formula 1,
X is selected from an epoxy group or a (C1-C30) alkyl group substituted with a glycidoxy group,
R is independently selected from straight or branched (C1-C7) alkyl groups)
제4항에 있어서,
상기 실란커플링제는 글리시독시알킬 알콕시실란을 포함하며,
상기 디아민계 화합물은 알킬렌디아민을 포함하는 모르타르 조성물.
The method of claim 4,
The silane coupling agent includes a glycidoxyalkyl alkoxysilane,
The diamine-based compound is a mortar composition comprising an alkylenediamine.
제1항에 있어서,
상기 혼화재는 평균입경이 0.01 내지 100 ㎛이며 비표면적이 3천 내지 100만 cm2/g인 무기 입자를 포함하는 모르타르 조성물.
The method of claim 1,
The admixture is a mortar composition comprising inorganic particles having an average particle diameter of 0.01 to 100 μm and a specific surface area of 3 to 1 million cm 2 /g.
제6항에 있어서,
상기 혼화재는 실리카흄, 포졸란, 플라이애시, 고로슬래그, 화산유리 및 왕겨재 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 모르타르 조성물.
The method of claim 6,
The admixture is a mortar composition comprising any one or two or more selected from silica fume, pozzolan, fly ash, blast furnace slag, volcanic glass, and rice husk ash.
삭제delete 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.
The method of claim 1,
The alkanolamine-based compound is N-methyl-N-ethanolamine, N-ethyl-N-ethanolamine, N-propyl-N-ethanolamine, N-isopropyl-N-ethanolamine, N,N-diethanol Mortar composition comprising any one or two or more selected from amine, N,N-diisopropanolamine, triethanolamine, diisopropylethanolamine and diethanolamine.
제1항에 있어서,
상기 강도 보강제는 조성물 전체 중량에 대하여 0.01 내지 5 중량%로 포함되는 모르타르 조성물.
The method of claim 1,
The strength reinforcing agent is a mortar composition comprising 0.01 to 5% by weight based on the total weight of the composition.
제1항에 있어서,
상기 모르타르 조성물은 탄소섬유 0.1 내지 5 중량%, 혼화재 0.5 내지 15 중량%, 골재 30 내지 80 중량%, 시멘트 10 내지 50 중량% 및 잔량의 물을 포함하는 모르타르 조성물.
The method of claim 1,
The mortar composition is a mortar composition comprising 0.1 to 5% by weight of carbon fiber, 0.5 to 15% by weight of admixture, 30 to 80% by weight of aggregate, 10 to 50% by weight of cement, and the balance of water.
제1항 내지 제7항, 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항의 모르타르 조성물로 제조되는 탄소섬유 보강 모르타르.A carbon fiber reinforced mortar made of the mortar composition of any one of claims 1 to 7 and 9 to 11. 제12항에 있어서,
재령 28일에서의 압축강도가 20 MPa 이상이고, 중앙점 재하법에 의한 휨강도가 3 MPa 이상인 탄소섬유 보강 모르타르.
The method of claim 12,
Carbon fiber reinforced mortar with a compressive strength of 20 MPa or more at 28 days of age, and a flexural strength of 3 MPa or more by the center point loading method.
제1항 내지 제7항, 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항의 모르타르 조성물을 포함하는 코팅 혼합물을 탄소섬유의 표면에 코팅하는 코팅 단계 및
상기 탄소섬유에 코팅된 코팅 혼합물을 열처리하는 열처리 단계를 포함하는 모르타르용 강도 보강 섬유의 제조 방법.
A coating step of coating a coating mixture comprising the mortar composition of any one of claims 1 to 7 and 9 to 11 on the surface of carbon fibers, and
Method for producing a strength reinforcing fiber for mortar comprising a heat treatment step of heat-treating the coating mixture coated on the carbon fiber.
제14항에 있어서,
상기 코팅 단계 전에,
탄소섬유의 표면을 무기산으로 처리하는 표면 처리 단계를 더 포함하는 모르타르용 강도 보강 섬유의 제조 방법.
The method of claim 14,
Before the coating step,
Method for producing a strength reinforcing fiber for mortar further comprising a surface treatment step of treating the surface of the carbon fiber with an inorganic acid.
제14항에 있어서,
상기 코팅 단계 전에,
코팅 혼합물의 pH를 4 이하로 조절하는 pH 제어 단계를 더 포함하는 모르타르용 강도 보강 섬유의 제조 방법.
The method of claim 14,
Before the coating step,
Method for producing a strength reinforcing fiber for mortar further comprising a pH control step of adjusting the pH of the coating mixture to 4 or less.
제14항에 있어서,
상기 실란커플링제는 하기 화학식 1로 표시되며, 상기 경화제는 디아민계 화합물을 포함하는 모르타르용 강도 보강 섬유의 제조 방법.
[화학식 1]
X-Si-(OR)3
(상기 화학식 1에서,
X는 에폭시기 또는 글리시독시기로 치환된 (C1-C30)알킬기로부터 선택되고,
R은 독립적으로 직쇄 또는 분지쇄의 (C1-C7)알킬기로부터 선택된다)
The method of claim 14,
The silane coupling agent is represented by the following formula (1), and the curing agent is a method for producing a strength reinforcing fiber for a mortar comprising a diamine compound.
[Formula 1]
X-Si-(OR) 3
(In Formula 1,
X is selected from an epoxy group or a (C1-C30) alkyl group substituted with a glycidoxy group,
R is independently selected from straight or branched (C1-C7) alkyl groups)
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