KR102218193B1 - 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물 및 표면보호제를 이용한 콘크리트 구조물의 단면 보수 보강 공법 - Google Patents

개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물 및 표면보호제를 이용한 콘크리트 구조물의 단면 보수 보강 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물 및 표면보호제를 이용한 콘크리트 구조물의 단면 보수 보강 공법에 관한 것으로서, 구체적으로는 고 습윤 환경에서의 염해, 중성화 및 화학적 조건에 대한 저항성이 강하고 응결속도를 향상시켜 조기 강도 개선에 효과적이고 내구성 및 물리적 특성이 우수한 동시에 내화 성능이 발휘될 수 있는 콘크리트 구조물 보수 보강용 모르타르 조성물 및 상기 보수 보강용 모르타르 조성물을 이용하여 손상된 콘크리트 구조물을 보수 보강 시공하는 공법을 제공한다.

Description

개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물 및 표면보호제를 이용한 콘크리트 구조물의 단면 보수 보강 공법{Modified ceramic polymer mortar composition and method of repairing and reinforcing cross section of concrete structure using the same}
본 발명은 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물 및 표면보호제를 이용한 콘크리트 구조물의 단면 보수 보강 공법에 관한 것으로서, 구체적으로는 고 습윤 환경에서의 염해, 중성화 및 화학적 조건에 대한 저항성이 강하고 응결속도를 향상시켜 조기 강도 개선에 효과적이고 내구성 및 물리적 특성이 우수한 동시에 내화 성능이 발휘될 수 있는 콘크리트 구조물 보수 보강용 모르타르 조성물 및 상기 보수 보강용 모르타르 조성물을 이용하여 손상된 콘크리트 구조물을 보수 보강 시공하는 공법에 관한 것이다.
콘크리트 구조물에 발생하는 노후화 현상은 구조물의 성능을 점진적으로 저하시키게 되며, 적절한 유지관리를 실시하지 않으면 장기적으로 변화되는 환경과 누적된 노후화 현상 및 균열 확대 등에 의하여 콘크리트 구조물의 안전성에 심각한 위해를 줄 수 있다. 따라서 구조물에 대한 점검을 정기적으로 실시하여 구조물의 성능이 설계상의 허용치 이하로 저하되기 전에 구조물의 성능을 원 상태와 동등 이상으로 회복시켜야 하는 보수 및 보강이 필요하다.
하수관거와 같은 지하 매립형 및 폐쇄형 구조로 이루어진 콘크리트 하수시설은 부실시공 및 응력증가로 인하여 물리적 손상과 내부의 높은 온도, 습도, 유해가스와 각종 오염물 및 침식성 물질이 다량 포함된 하수 등의 존재로 물리적, 화학적 침식에 의한 손상이 가중되어 발생한다. 계속적 침식을 받을 경우 복합 작용에 의한 콘크리트의 손상을 가속화되며 내구성이 급격하게 저하되면 붕괴 및 지반 함몰 등의 대규모 하자를 초래할 수 있기에 고 습윤 환경에서의 화학적 침식, 중성화 등의 화학적 조건에 대한 저항성이 필요하며 또한 조기 응결강도 확보, 내구성 및 물리적 특성의 우수한 성능이 요구된다.
구체적으로 콘크리트의 화학적 침식이란 콘크리트의 시멘트 수화물이 어떤 종류의 화학물질(부식성 물지)과 반응하여 용출됨으로써 시멘트 경화체의 조직이 다공화되거나 반응에 의해 팽창을 일으켜 구조물의 성능이 저하되는 현상으로서, 화학적 침식의 주요인은 산에 의한 침식으로서 주로 황산염 및 황화수소에 의한 발생하는 것이다. 이 중에서 황산염에 의한 침식은 황산염에 의해 시멘트 또는 콘크리트 강화체가 에트린자이트를 생성하고 이로 인해 경화체 내부에 균열이 발생하기 때문에 열화가 급격하게 진행되는 것으로 알려져 있다. 이러한 황산염 침식이 진행되면 궁극적으로는 시멘트 수화물의 조직 와해, 콘크리트 박리, 박락, 철근의 노출 및 부식을 유발시켜 콘크리트의 내구성을 저하시킨다.
기존의 콘크리트 구조물의 보수 공법은 단면 증가공법, 강판 접착공법, 콘크리트 표면 보강공법 등 다양한 유지, 보수 공법이 존재하며, 손상된 콘크리트 부분을 제거한 후 단면을 원래의 성능 및 형태로 복원하기 위해 단면 복구 재료를 충진하거나 뿜칠 시공을 하여 보수를 실시하는 것이 일반적이다.
종래의 구조물 복구를 위한 보수보강재는 주로 시멘트계 모르타르나 폴리머 시멘트 모르타르 등을 사용하였는데, 이러한 종래의 보수보강재는 기존 구조물의 열화를 억제하고 현재 이상의 내구 성능을 향상시키는 것을 목적으로 하여 강도를 높이거나 최초 시공시 부착 성능을 향상시키는 것에만 초점을 맞춘 것이 대부분이므로 시공 후 얼마 되지 않아 표면이 다시 쉽게 손상되기 때문에 보수 보강 공사를 자주 해야 하는 문제가 있었다.
예로서, 대한민국 공개특허 제2006-0079447호에서는 CSA(Calcium sulfoaluminate)와 소정의 고미분말 결합재를 첨가하여 모르타르 조성물을 제조하는 방법을 제안한다. 그러나, 상기 재료를 이용하여 제조된 모르타르 조성물은 고가의 아윈(Hauyne)계 시멘트를 사용하므로 시공 단가의 상승을 유발하고 초기 응결 시간 및 강도 면에서 충분한 결과를 얻지 못하였다.
또한, 기존의 보수 보강 방법으로 시공할 경우 표면에서 수분과 산소가 미세한 틈으로 스며들기 때문에 산소에 의한 철근의 부식이 진행되고 수분에 의한 콘크리트의 열화가 발생하여 보수 보강 효과가 오래 지속되기 어렵기 때문에 보수 보강 공사를 자주 실시해야 하는 문제점이 있었다.
예를 들어 대한민국 등록특허 제10-0582840호는 폴리머시멘트모르타르, 단섬유, 내화분말 및 배합수를 일정 비율로 혼합하여 고인성, 고내화성 모르타르 조성물을 제조함으로써 건축 및 토목 구조물의 내구 성능 향상과 화재에 의한 차열성 및 폭열 저항성 등의 내화 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 고인성, 고내화성 혼합 모르타르 조성물을 제안한다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-0659458호는 시멘트, 고로슬래그미분말, 석회석미분말 등으로 이루어진 혼화재와 잔골재, 팽창제, 수축 저감제 등으로 이루어진 건조모르타르에 폴리프로필렌 분말, 유리비드, 수지비드 등을 혼합한 흡열물질, 유기섬유, 감수제 및 배합수를 혼합하여 제조된 내화 충전 모르타르를 콘크리트 부재의 표면과 마감 패널 사이에 형성된 공간에 주입 경화시킴으로써 자기 충전에 의해 내화 차열 성능을 발휘하도록 하는 기술을 제안한다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1117634호는 시멘트, 슬래그 및 팽창제를 포함하는 결합재와 실리카 미분말, 규불화염, 황산칼륨을 포함하는 무기염계 첨가제, EVA 수지, PP 수지를 포함하는 보조제, 멜라민계 유동화제, 증점제 등을 포함하는 혼화제 및 골재를 포함하여 이루어지는 내화 모르타르 조성물로서, 상기 무기염계 첨가제를 첨가함으로써 안정적인 내화 성능을 발휘할 수 있으며, 압축강도 및 내구성이 우수하고 고온에 대한 저항성을 향상시킨 기술을 제안한다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1016156호는 결합재, 화이버, 멜라민계 유동화제 및 골재로 이루어진 내화 모르타르를 콘크리트 구조물의 표면에 처리하되, 화이버의 첨가량을 증대시켜 우수한 강도를 부여하고 내화성 및 단열성을 향상시키는 콘크리트 구조물의 내화 공법에 관한 기술을 제안한다.
이와 같이, 종래의 대부분의 기술들은 콘크리트 조성 중에서 일부 조성의 비율을 조절하거나 재료를 추가하여 단열 성능 및 내구성 향상 효과가 있다고 주장하는 기술들이나 그 개선의 정도는 크지 않은 것으로 파악된다.
한편, 황산으로 인하여 화학적 침식을 받는 지하 하수도 구조물 및 염해 환경에 처한 구조물, 각종 오염시설 및 일반 콘크리트 구조물의 유지 보수 및 보강을 위해서는 내화학성, 특히 내산성의 특성이 부여되는 모르타르를 이용하여 보수 작업을 진행할 필요가 있다. 현재 보편적으로 사용되고 있는 1종 포틀랜트시멘트나 폴리머가 주요 구성 재료인 폴리머모르타르의 경우 우수한 물성에도 불구하고 화학적 부식이 강하게 일어나는 환경에서는 열악하다는 문제가 있다.
종래의 대부분의 보수용 모르타르 조성물에 관한 연구의 경우 내구성 및 물리적 성능이 부족하고, 특히 열악한 환경에서의 내화학성과 내화성 향상을 증가시키기 위한 기술에 대해서는 연구 개발이 부진한 상황이었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 및 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 스프레이 건을 이용해 콘크리트 구조물의 표면 또는 단면에 간단히 시공될 수 있는 보수 보강용 모르타르 조성물을 이용하여 콘크리트 구조물의 손상 부분을 보수 보강 시공하는 공법으로서, 구체적으로는 염해 및 화학적 작용에 대한 내화학성이 우수하여 지하 오폐수용 구조물 등 열악한 환경에서의 보수 시공에 적합하고 내구성도 우수하며 리바운드량도 적고 압축강도 및 휨강도 등의 물성도 우수한 동시에 응결속도를 향상시켜 조기 강도 확보에 효과적인 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물 및 표면보호제를 이용한 콘크리트 구조물의 보수 시공 공법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은
(1) 보수가 필요한 콘크리트 구조물의 단면을 치핑(chipping)하여 손상되지 않은 부분이 나올 때까지 다듬는 단계;
(2) 상기 다듬어진 콘크리트 단면에 프라이머를 도포하는 단계; 및
(3) 상기 프라이머가 도포된 단면의 표면에
결합재 20~40 중량부에 대하여, 마그네슘알루미나설파이트 또는 칼슘알루미나설파이트 1~5 중량부, 고로슬래그 분말 2~10 중량부 및 플라이애시 1~5 중량부를 혼합하여 얻어진 제1재, 아크릴계 유기 경량재 0.01~1.0 중량부, 보강섬유 0.01~3.0 중량부, 재유화형 폴리머 분말 0.01~3.0 중량부 및 수팽윤성 폴리사카라이드계 폴리머 분말 0.1~3.0 중량부를 혼합하여 얻어진 제2재, 칼슘알루미네이트 미분말 0.01~2.0 중량부, 실리카 미분말 0.01~2.0 중량부 및 폴리비닐알코올 분말 0.01~2.0 중량부를 혼합하여 얻어진 제3재, 감수제 0.1~5 중량부, 소포제 0.1~5 중량부, 금속염계 증점제 0.5~5 중량부를 혼합하여 얻어진 제4재 및 규사 10~100 중량부 및 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재 0.5~10 중량부를 혼합하여 얻어진 제5재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물을 도포하는 단계; 및
(4) 상기 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물이 도포된 표면에 표면 보호제를 시공하는 단계;를 포함하며, 상기 표면 보호제의 시공은 에폭시 주제와 아민계 경화제 및 물을 포함하여 이루어진 수성 에폭시계 도료를 도포하며, 상기 수성 에폭시계 도료가 도포된 표면에 수분산성 아크릴 우레탄 수지, 체질안료 및 실란을 포함하여 이루어진 수성 우레탄계 도료를 도포하여 시공하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 단면의 보수 보강 공법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 결합재는 포틀랜트시멘트, 백색포틀랜트시멘트, 알루미나시멘트, 조강포틀랜트시멘트 및 초조강시멘트 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 시멘트를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 규사는 입도의 크기가 0.3~3.0 mm 인 입자를 90~99 중량% 포함하고 모스경도(Mohs Hardness) 6.0~10.0인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보강섬유는 유리섬유, 강섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 폴리프로필렌(PP) 섬유, 셀룰로오스 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재는 수용성 수지를 스프레이 방식으로 유리분말 분쇄물에 도포하고 반죽한 후 킬른에서 소성하여 얻어진 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물 및 표면보호제를 이용한 콘크리트 구조물의 단면 보수 보강 공법의 특징 및 장점을 설명하면 다음과 같다.
1. 우선, 제1재에 고로슬래그 분말과 플라이애시를 사용함으로써 상기 재료의 반응 유효 성분인 활성 이산화규소(SiO2)로 인해 유해 가스, 특히 황산 가스로 인해 야기될 수 있는 화학적 부식에 강한 특성을 나타낸다.
2. 또한, 제1재에 마그네슘알루미나설파이트 또는 칼슘알루미나설파이트를 작용함으로써 고로슬래그와 플라이애시의 활성도를 증가시키고 조기 경화를 유도하며 균열을 방지하는 특성도 부여된다.
3. 또한, 제2재에 아크릴계 유기 경량제와 보강 섬유를 포함함으로써 뿜칠 두께가 증가되고 처짐성이 방지되며 화재시 증기압의 토출 통로로 활용되므로 내화성을 증대시킬 수 있다.
4. 또한, 상기 제2재에 수팽윤성 폴리사카라이드계 폴리머 및 재유화형 폴리머 분말을 포함함으로써, 콘크리트와의 접착 강도가 증대되고 외부 유해 물질의 침투가 차단됨으로써 모르타르의 내구성이 증대되고, 또한, 화재시 증기압의 토출 통로로 활용되므로 내화성을 증대시킬 수 있다.
5. 또한, 제3재에 칼슘알루미네이트 미분말 및 실리카 미분말이 포함됨으로써 모르타르의 소성이 촉진되어 소성 강도가 증대되고 가축성이 향상되며, 폴리비닐알코올 분말이 포함됨으로써 모르타르의 접착력이 증대되고 성분들간의 마찰이 감소되어 분산성이 향상될 수 있다.
6. 또한, 결합재로서, 일반 포틀랜트시멘트 외에, 인조대리석 폐분말과 인산부산이수석고 또는 배연탈황이수석고를 사용할 경우 빠른 경화를 유도하며, 슬래그 함유 혼합물 적용으로 결합재와 시공 대상 콘크리트 면과의 접착 강도를 강화할 수 있고, 초속경성과 콘크리트와의 부착성이 우수한 마그네시아 시멘트 및 제1인산암모늄을 혼합함으로써 기존 재료에 비하여 속경성과 콘크리트와의 접착 강도를 더욱 강화할 수 있으며, 셀룰로오스 섬유와 EVA 수지를 결합재에 혼합 사용함으로써 수축 팽창률이 낮아지고 경화 구조체의 치밀성이 강화되며, 수화열에 따른 온도 균열이 방지될 수 있다. 또한, 상기 결합재에 포함되는 슬래그 함유 혼합물 내에 고로 슬래그와 석회, 석고 및 킬른 더스트를 미세하게 분말화한 혼합물을 사용할 경우 보수 보강 면의 압축 강도 등 물리적 강도가 강화되며, 콘크리트 면과의 접착 강도가 강화되어 내구성과 내수성이 향상됨으로써 보수 보강 효과를 장기간 유지할 수 있는 장점이 있다.
7. 또한, 경화 구조체의 치밀성이 강화되며, 수화열에 따른 온도 균열이 억제될 수 있고, 결합재에 포함되는 미세 분말화한 첨가제를 사용하여 보수 보강 면의 압축 강도 등 물리적 강도가 강화되며, 콘크리트 면과의 접착 강도가 강화되어 내구성과 내수성이 향상됨으로써 보수 보강 효과를 장기간 유지할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 단면의 보수 보강 공법은
(1) 보수가 필요한 콘크리트 구조물의 단면을 치핑(chipping)하여 손상되지 않은 부분이 나올 때까지 다듬는 단계;
(2) 상기 다듬어진 콘크리트 단면에 프라이머를 도포하는 단계; 및
(3) 상기 프라이머가 도포된 단면의 표면에 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물을 도포하는 단계; 및
(4) 상기 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물이 도포된 표면에 표면보호제를 시공하는 단계;를 포함하여 구성된다.
이하에서는 이러한 본 발명의 각 단계별로 구체적으로 설명한다.
1. 콘크리트 구조물 단면 치핑(chipping)
콘크리트 구조물에서 열화 등에 의해 콘크리트에 균열이 발생하여 시간이 지나게 되면 콘크리트의 압축강도와 철근의 인장강도가 점차 떨어지게 되고 균열 부위로 노출된 콘크리트는 중성화 현상이 진행되어 철근의 부식이 일어난다. 안전 진단 및 점검을 실시하여 이와 같은 현상이 발행하면 콘크리트 구조물의 단면을 보수해야 건물의 수명을 오랫동안 유지할 수 있다.
치핑 단계는 이와 같이 안전 진단 및 점검 결과 보수가 필요한 콘크리트 구조물에 대하여 균열이 발생한 콘크리트와 노출된 철근을 제거하여 열화되지 않은 콘크리트가 나올 때까지 단면을 파쇄기 또는 워터젯과 같은 기계를 이용하여 파쇄하고 다듬는 과정이다. 이 때 다듬어진 콘크리트의 최외 표면은 모르타르의 부착이 용이하도록 거친 표면을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
2. 프라이머 도포
상기 다듬어진 콘크리트 단면에 프라이머를 도포한다.
본 발명에서 사용되는 프라이머는 구조체의 내수성, 내구성을 향상시킴과 아울러, 이후 형성되는 모르타르 표면과의 결합력을 강화하기 위해 사용된다.
본 발명에서 사용되는 프라이머는 시멘트, 혼화재, 액상 나트륨 실리케이트, 액상 폴리실란 및 물을 포함하는 성분으로 구성되는 것을 사용할 수 있다.
구체적으로는 본 발명에서 사용되는 프라이머는 시멘트 10~30 중량부, 혼화재 5~20 중량부, 액상 나트륨 실리케이트 15~45 중량부, 액상 폴리실란 5~20 중량부 및 물 55~80 중량부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 시멘트와 혼화재는 외부 환경으로 인한 구조물의 손상 부위에 침투하여 구조물을 유해물질로부터 보강하고 내구 연한을 증대시키는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 혼화재는 슬래그 미분말과 플라이애쉬를 약 10:1~5의 비율로 혼합한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 액상 나트륨 실리케이트는 물에 수용성인 나트륨 실리케이트를 용해시켜 얻어지며, 혼합비율은 물:나트륨 실리케이트가 약 100:20~100의 중량비로 혼합, 용해될 수 있다.
상기 액상 폴리실란은 실란 단량체를 유기용매에 혼합한 후 중합하여 얻어진다. 더욱 구체적으로는 디클로로메틸페닐실란, 디클로로디메틸실란, 디클로로디페닐실란, 디클로로헥실메틸실란, 디클로로비닐메틸실란 중에서 선택된 1종 이상의 실란 단량체를 유기용매에 혼합한 후 금속 촉매를 분산시키고 중합을 실시하여 형성된 중합체를 여과하여 실리콘 고분자를 분리한 후 다시 유기 용매에 용해시켜 얻어진 것을 사용할 수 있다.
상기 조성으로 얻어지는 프라이머는 구조물 표면의 공극을 밀실하게 충진하고 팽창함으로써 이후 도포되는 모르타르와의 접착 결합력을 강화할 수 있고 내수성, 내구성 등 물성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 프라이머로는 고무 라텍스계 프라이머를 사용할 수도 있다.
상기 고무 라텍스계 프라이머는 스티렌-부타디엔 라텍스, 폴리아크릴 에스테르, 아크릴 및 에틸렌 비닐 아세테이트 등의 라텍스 계열 프라이머를 사용할 수도 있으며, 고형분은 약 10 중량%로 유지되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 프라이머로는 침투 방수형 프라이머를 사용할 수도 있으며, 예를 들어 카복실아민 등 아민계 프라이머를 사용할 수도 있다.
이어서, 선택적으로, 상기 프라이머가 시공된 콘크리트 구조물에 보강재를 설치할 수 있다.
상기 보강재는 부식의 정도가 매우 심하여 철근으로서의 구조적 기능을 상실한 경우 철근을 절단하고 새로운 철근, 탄소봉, 로드 등의 보강재를 삽입하여 앵커 클립 등을 이용해 설치하는 공정으로서, 이 때 사용될 수 있는 보강재로는 탄성 와이어 메쉬, 탄성 패드, 탄성봉 등이 바람직하다.
이어서, 상기 프라이머가 도포되고 양생되어 표면의 택기가 없는 상태에서(또는 상기 보강재가 설치된 상태에서) 기계식 분사 장치를 사용하여 하기의 모르타르 조성물을 분사하여 도포한다.
3. 모르타르 조성물 도포
상기 콘크리트 단면을 치핑(chipping)하여 열화 부위의 콘크리트와 부식 철근을 제거하고 프라이머를 도포한 후 모르타르 조성물을 도포하여 보수한다.
본 발명에서 사용되는 모르타르 조성물은 내화학성, 내화성, 속경성 및 콘크리트 구조물과의 부착 강도 확보를 위해 하기의 조성을 갖는 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물을 사용한다.
본 발명에 따른 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물은 화학적 침식에 따른 열화가 발생하기 쉬운 고습윤 환경에서 적용하기 위한 모르타르 조성물로서 제1재 내지 제5재를 각각 형성하고 상기 제조된 제1재 내재 제5재를 혼합하는 방법으로 제조된다.
이하에서는 위 각 성분에 상세히 설명한다.
먼저, 제1재는 결합재 20~40 중량부, 마그네슘알루미나설파이트 또는 칼슘알루미나설파이트 1~5 중량부, 고로슬래그 분말 2~10 중량부 및 플라이애시 1~5 중량부를 혼합하여 형성된다.
본 발명에서 상기 결합재로는 일반 시멘트(주시멘트)를 사용할 수도 있고, 상기 일반 시멘트(주시멘트)에 보조 시멘트를 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 주시멘트로는 포틀랜트시멘트, 백색포틀랜트시멘트, 알루미나시멘트, 조강포틀랜트시멘트 및 초조강시멘트 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
혼합 사용시 본 발명에서 상기 주시멘트는 상기 결합재 성분 중 30 ~ 60 중량%를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 보조시멘트로는 산업 부산물인 인조대리석 폐분말을 이용한 것으로서 구체적으로는, 인조대리석 폐분말 100 중량부와 슬래그 함유 혼합물 20 ~ 50 중량부, 인산부산이수석고 또는 배연탈황이수석고 20 ~ 40 중량부, 소결 마그네시아 시멘트 10 ~ 30 중량부 및 제1인산암모늄 2 ~ 20 중량부를 포함하여 이루어진 것을 사용한다.
본 발명에서 상기 인조대리석 폐분말은 Al2O3의 공급원으로 사용하기 위하여 포함되는 것으로서 아크릴계 수지 또는 불포화폴리에스테르계 수지로 제조되는 인조대리석의 연마 공정에서 분말 형태로 발생되는 건축 폐기물로, 주성분은 수산화알루미늄이다. 상기 인조대리석 폐분말을 이용하여 보조시멘트를 제조함으로써 환경 폐기물을 재활용할 수 있으며, 인조대리석 폐분말의 주성분인 수산화알루미늄은 고온에서 결정수가 탈리되어 산화알루미늄으로 됨으로써 CaO 또는 황산칼슘과 결합하여 칼슘알루미네이트와 칼슘설포알루미네이트를 생성시킴으로써 속경성을 발휘하는 효과가 있다.
본 발명에서 상기 슬래그 함유 혼합물은 구체적으로 비표면적이 6,000 내지 7,000 cm2/g인 고로슬래그 65 내지 80 중량%, 석회 10 내지 20 중량%, 석고 5 내지 15 중량% 및 8,000cm2/g 내지 20,000cm2/g의 분말도를 갖고 평균입경이 1~10㎛인 킬른 더스트 5 내지 20 중량%로 구성된 혼합물을 진동밀에서 혼합 분쇄 처리를 통하여 비표면적이 10,000 내지 20,000 cm2/g이 되도록 처리된 혼합물인 것을 특징으로 한다. 이하에서는 본 발명에 사용되는 상기 슬래그 함유 혼합물의 각 성분에 관하여 상세히 설명한다.
먼저, 상기 고로슬래그는 제철소에서 선철을 생산할 때 부산물로 제조되는 것으로서 급냉에 의해 비결정질 상태로 형성되며, 염기도는 1.6 내지 2.0 범위에 속한다. 상기 고로슬래그는 일반적으로 CaO 40 내지 50 중량%, MgO 1 내지 10 중량%, Al2O3 10 내지 25 중량% 및 SiO2 33 내지 38 중량%를 포함하여 이루어진다. 상기 고로슬래그는 콘크리트용 혼화재로도 사용되는데, 콘크리트용 혼화재로 사용되는 고로슬래그의 경우 비표면적이 4,000 내지 5,000cm2/g 정도인데, 본 발명에서는 보다 반응성을 높이기 위해 볼밀 등을 사용하여 분쇄함으로써 6,000 내지 7,000cm2/g정도의 비표면적을 가지도록 하여 사용한다. 상기 고로슬래그는 65 내지 80 중량%가 첨가되는데, 65 중량% 미만인 경우 상대적으로 석회와 석고의 중량%가 커짐으로 인해 반응성이 커져 수화열이 증가하고 크랙의 발생이 커지는 문제점이 있고, 80 중량%를 초과하는 경우에는 초기 반응과 응결시간이 늦어져서 초기강도 확보에 어려움이 있다.
상기 석회와 석고는 활성화제로 사용되는데 고로슬래그 분말은 물과 접촉하면 슬래그 입자 표면에 치밀한 불투수성의 산성피막이 생기게 되는데 반응을 계속하기 위해서는 활성화제에 의한 산성피막의 파괴가 필요하며 그 활성화제로 석회와 석고가 사용되는 것이다.
상기 석회와 석고의 활성화 작용에 의해 고로슬래그 표면에서 용해 반응이 일어나면 그 용액으로부터 불용성 물질이 석출되어 경화되기 시작하며, 이 때 고로슬래그는 석회와 물과의 반응에 의해 생성되는 Ca(OH)2와 결합하여 수화물을 형성한다. 고로슬래그의 수화물은 상기 활성화제에 의해 칼슘실리케이트 수화물을 포함하는 경우도 있고, 에트린자이트나 수산화알루미늄을 형성하기도 하며 이에 의해 경화체의 수축을 보상하고 치밀한 조직을 형성하며 압축강도를 상승시키는데 기여한다. 또한, 석고는 슬래그 미분말의 특성인 잠재 수경성 반응에서 자극제 역할을 함으로써 슬래그 미분말의 반응성을 높여 강도를 보다 증진시키는 보조제의 역할을 한다.
상기 석회는 10 내지 20 중량%가 첨가되는 것이 바람직한데, 10 중량% 미만인 경우 고로슬래그 미분말의 수화 및 에트린자이트 생성에 기여하는 Ca(OH)2의 양이 부족하게 되어 미반응 고로슬래그가 존재하게 되어 강도가 떨어지게 되고, 20 중량%를 초과하여 첨가되면 반응하지 않고 남는 Ca(OH)2가 팽창의 원인으로 작용하여 문제가 발생할 수 있다.
상기 석고는 무수석고, 반수석고 또는 이수석고 중 어느 한 종류의 석고 또는 두 종류 이상의 석고의 혼합물을 사용할 수 있으며, 5 내지 15 중량%가 첨가되는 것이 바람직한데, 5 중량% 미만으로 첨가되면 초기 강도가 너무 낮아지는 경향이 생겨 문제가 있고, 15 중량%를 초과하여 첨가되면 에트린자이트의 양이 너무 많아져서 조직을 팽창시키고 원활한 강도 발현을 저해하여 문제가 될 수 있다.
본 발명에서 상기 킬른 더스트(kiln dust)는 시멘트 제조 과정에서 부산되는 미립의 집진 분말로서 현재는 공정 중에 피드백되어 일정량이 재순환되는 형태를 취하고 있으나, 시멘트 제조 공정 중 원료의 성분 분리를 발생시킬 뿐만 아니라 미량 함유 성분이나 재투입 과정에서의 불균일 혼합 등은 공정 불안이나 제품 품질 변동의 원인이 되기도 한다. 이러한 킬른 더스트는 주요 성분이 CaCO3로서 슬래그 미분말의 자극성 성분인 삼산화황(SO3), 알칼리(K2O), 염분(NaCl) 등을 미량 포함하고 있다.
본 발명에서는 산업부산물인 고로 슬래그 분말과 석회 및 석고 외에 시멘트 제조 공정에서 부산되는 미립의 집진 분말인 킬른 더스트를 혼합 사용하기 때문에 원가를 절감하는 효과가 있고, 조기 수화 촉진이 가능하여 초기 강도의 하락을 방지하고 장기간에 걸친 내구성을 확보할 수 있게 된다.
본 발명에서 상기 킬른 더스트는 8,000 cm2/g이상, 더욱 바람직하게는 8,000~20,000 cm2/g의 분말도를 갖고 평균입경이 1~10㎛인 것을 5 내지 20 중량%로 혼합물에 포함시키는 것이 바람직하다.
상기 고로슬래그, 석고, 석회 및 킬른 더스트의 혼합물은 미세 분말 및 활성화 처리에 의해 혼합물의 비표면적을 10,000 내지 20,000cm2/g로 처리된다.
또한, 본 발명에서 상기 보조시멘트에 포함되는 상기 인산부산이수석고 또는 배연탈황이수석고는 CaSO4의 공급원으로 사용하기 위하여 사용되는 것이다. 그 함량은 인조대리석 폐분말 100 중량부에 대하여, 20 ~ 40 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 20 중량부 미만으로 사용하는 경우 칼슘설포알루미네이트 성분이 충분히 생성되지 않아 조직 치밀화에 의한 초기강도를 증진시키기 어려우며, 40 중량부를 초과하는 경우는 반응하지 않는 석고가 잔존하므로 비효율적이다.
본 발명에서 상기 보조시멘트에 포함되는 소결 마그네시아 시멘트는 약 800~1500℃에서 소결된 소결 마그네시아 시멘트를 사용한다. 상기 소결 마그네시아 시멘트는 속경성이 우수하고 양이온과의 반응성이 우수하여 콘크리트와의 부착 강도를 강화시킨다. 본 발명에 따른 상기 속경시멘트에 포함되는 소결 마그네시아 시멘트는 인조대리석 폐분말 100 중량부를 기준으로 10 ~ 30 중량부의 범위에서 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 소결 마그네시아 시멘트를 활성화시키기 위한 물질로서 제1인산암모늄을 추가로 사용한다. 상기 제1인삼암모늄의 화학식은 NH4H2PO4이고 공기 중에서 안정하며 비중은 약 1.8이고, 수용액에서의 pH는 4.3~5.0를 갖는다. 본 발명에 따른 상기 속경시멘트에 포함되는 소결 마그네시아 시멘트는 인조대리석 폐분말 100 중량부를 기준으로 5 ~ 20 중량부의 범위에서 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 보조시멘트를 형성하기 위해서는 인조대리석 폐분말, 슬래그 함유 혼합물, 인산부산이수석고 또는 배연탈황이수석고, 소결 마그네시아 시멘트 및 제1인산암모늄을 혼합한 후, 1000 ~ 1200℃에서 0.5 ~ 1시간 동안 소성 후, 평균입도가 10 ~ 20㎛가 되도록 분쇄한 것을 사용하는 것이 콘크리트 구조물의 보수 보강용으로 사용하기에 적합한 속경성을 발휘하고 모르타르에 적용 시에 조직의 치밀성을 향상시키므로 바람직하다. 평균입도가 상기 범위보다 더 작을 경우 속경성은 더 크게 향상되나 모르타르에 적용시키기 위해서는 가사 시간을 위해 지연제를 사용해야 하므로 비효율적이다. 본 발명에서 상기 보조시멘트는 전체 결합재 성분 중 20 ~ 50 중량%를 사용하는 것이 바람직하다. 20 중량%를 미만일 경우 모르타르 강도가 저하되고 빠른 경화시간을 얻을 수 없으며, 50 중량%를 초과하는 경우 빠른 경화 특성을 얻을 수 있으나 과팽창으로 인한 균열이 발생할 수 있다.
본 발명에서 오일 코팅된 셀룰로오스 섬유는 상기 결합재 성분에 포함되는 시멘트와 각종 첨가제 등 경량 재료의 비산을 방지하여 첨가제의 효과가 제대로 발휘되도록 하며 작업자의 건강을 비롯하여 작업 환경을 개선하는 역할을 한다. 또한, 본 발명에서 오일 코팅된 셀룰로오스 섬유는 휨 강도 및 인장 강도를 증진시키고 양생시 표면 크랙을 줄이며, 모르타르 시공 후 초기 시공 안정성에 효과적이고 초기 분산성을 높이는 역할도 한다. 본 발명에서 상기 오일 코팅된 셀룰로오스계 섬유는 탄소수 20~40의 알칸(alkane)계 미네랄 오일(예: 파라핀 오일)을 셀룰로오스 섬유의 표면에 분사하여 코팅한 후 길이 2~10mm를 갖도록 절단된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 오일 코팅된 셀룰로오스 섬유는 결합재 중에 약 0.1~10 중량%의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 결합재 성분에 포함되는 EVA 수지는 모르타르 조성물의 경화 전 상태에서는 유동성을 증가시키고 작업성을 개선시키는 역할을 하며, 모르타르 조성물의 경화 후 상태에서는 표면 부착력 증가, 응집력 증가, 굴곡 강도 증가, 굴곡성 증진 및 방수력 증대 등의 효과를 발휘한다. 본 발명에서 상기 EVA 수지는 결합재 중에 5 ~ 10 중량%의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 EVA 수지의 함량이 5 중량% 미만이며 표면 부착력 강화 효과가 미미하고, 10 중량%를 초과하면 수화 반응시 수화 생성물의 생성을 방해하여 강도가 저하되는 단점이 나타난다.
본 발명에서 상기 제1재에 포함되는 상기 마그네슘알루미나설파이트 또는 칼슘알루미나설파이트는 물과 혼합되어 수화하면 콘크리트 수축을 보상하는 현상이 발생하여 모르타르의 균열을 방지하고 조직을 치밀하게 하는 역할을 한다. 본 발명에서 사용되는 마그네슘알루미나설파이트 또는 칼슘알루미나설파이트는 초기 강도를 확보하고 빠른 경화 및 부착 성능 발휘를 위해 1~5 중량부의 범위에서 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1~3 중량부이다.
본 발명에서 상기 제1재에 포함되는 상기 고로슬래그 분말과 플라이애시는 모르타르의 두께를 형성하고 잠재 수경성 반응에 의해 장기 강도를 증진시키는 역할을 한다. 본 발명에 사용되는 상기 고로 슬래그 분말과 플라이애시는 약 6,000 cm2/g 이상이고 평균입경이 5㎛ 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 고로슬래그 분말은 2~10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하고, 상기 플라이애시는 1~5 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
이어서, 제2재는 아크릴계 유기 경량재 0.01~1.0 중량부, 보강섬유 0.01~3.0 중량부, 재유화형 폴리머 분말 0.01~3.0 중량부 및 수팽윤성 폴리사카라이드계 폴리머 분말 0.1~3.0 중량부를 혼합하여 제조한다.
본 발명에서 상기 아크릴계 유기 경량재 및 보강섬유는 모르타르 시공시 두께를 증가시키고 균열을 방지하며 처짐성을 방지하는 역할을 하고, 화재시 용융 분해되어 증기압 토출 통로를 형성한다.
본 발명에서 상기 아크릴계 유기 경량재로는 아크릴산 에스테르 또는 메타크릴산 에스테르 수지로 이루어진 분말형 수지로서 대표적인 물질로는 메타크릴산메틸 수지를 들 수 있다. 본 발명에서 사용되는 상기 아크릴계 유기 경량재는 0.01~1.0 중량부의 범위에서 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.01~0.5 중량부이다.
본 발명에서 상기 보강섬유는 휨 강도, 인장 강도 증진은 물론 양생 시 표면 크랙(균열)을 줄여 모르타르 시공 후 초기 시공 안정성에 효과적이며, 초기 분산성을 높이는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 보강섬유는 일정 정도의 친수성을 갖는 섬유를 사용하는 것이 바람직한데, 예를 들어 유리섬유, 강섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 폴리프로필렌(PP) 섬유, 셀룰로오스 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 중에서 선택되는 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 보강섬유의 길이는 0.01~3.0mm 범위를 갖는 것을 사용하는 것이 적당하다. 본 발명에서 사용되는 상기 보강섬유는 0.01~3.0 중량부의 범위에서 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.01~1.5 중량부이다.
본 발명에서 상기 재유화형 폴리머 분말은 모르타르의 접착력을 증대시켜 기계적 성능을 좋게 하고 모르타르 표면에 피막을 형성하여 방수, 방습 효과를 제공한다. 또한, 상기 재유화형 폴리머 분말은 Tg가 매우 낮으므로 화재시 용융, 분해되어 증기압의 토출 통로를 형성한다. 본 발명에서 상기 재유화형 폴리머 분말은 아크릴계 수지와 EVA(ethylene-vinyl actete) 수지를 적당 비율, 예를 들어 약 3:1 ~ 2:2의 중량비율로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 발명에서 사용되는 상기 재유화형 폴리머 분말은 0.01~ 3.0 중량부의 범위에서 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.01~1.5 중량부이다.
본 발명에서 상기 수팽윤성 폴리사카라이드계 폴리머 분말은 모르타르의 재료 분리 저항성을 증대시키는 역할을 하며 레올로지 특성을 부여하는 역할을 한다. 또한 상기 수팽윤성 폴리사카라이드계 폴리머 분말은 화재시 용융, 분해되어 증기압의 토출 통로를 형성한다. 발명에서 사용되는 상기 수팽윤성 폴리사카라이드계 폴리머 분말은 0.01~ 3.0 중량부의 범위에서 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.01~1.5 중량부이다.
이어서, 상기 제3재는 칼슘알루미네이트 미분말 0.01~2.0 중량부, 실리카 미분말 0.01~2.0 중량부 및 폴리비닐알코올 분말 0.01~2.0 중량부를 혼합하여 제조한다. 상기 칼슘알루미네이트 미분말 및 실리카 미분말은 보강섬유와 아크릴계 유기 경량재 간을 충진시키고, 모르타르의 소결을 촉진시켜 소성 강도를 증대시키는 역할을 한다. 또한, 상기 폴리비닐알코올은 모르타르의 접착력을 증대시키고 압송시 원료의 마찰을 감소시켜 분산성을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 칼슘알루미네이트 미분말 및 실리카 미분말은 각각 0.01~2.0 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.01~1.0 중량부이다. 또한, 본 발명에서 상기 폴리비닐알코올 분말은 0.01~2.0 중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.01~1.0 중량부이다.
이어서, 상기 제4재는 감수제 0.1~5 중량부, 소포제 0.1~5 중량부, 금속염계 증점제 0.5~5 중량부를 혼합하여 형성된다.
본 발명에서 상기 감수제는 상기 모르타르 조성물에서 물-시멘트 비율을 감소시켜 유동성을 확보하고 내구성 저하를 방지하는 역할을 하며, 나프탈렌계, 멜라민계, 술폰산계, 폴리카르본산계 감수제 등을 시용할 수 있다. 상기 감수제는 조성물 중에서 약 0.1~0.5 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 소포제는 모르타르 내의 거대 기공을 제거하여 모르타르의 강도와 외관을 좋게 하기 위하여 사용되는 성분으로, 일반적으로 휘발성이 적고 확산력이 큰 기름상의 물질 또는 수용성이 계면활성제가 이용되며, 예로는 등유, 유동 파라핀 등과 같은 광유계 소포제; 동식물유, 참기름, 피마자유와 이들의 알킬렌옥사이드 부가물 등과 같은 유지계 소포제; 올레인산, 스테아린산과 이들의 알킬렌옥사이드 부가물 등과 같은 지방산계 소포제; 글리세린모노리시놀레이트, 알케닐호박산 유동체, 솔비톨모노라울레이트, 솔비톨트리올레이트, 천연 왁스 등과 같은 지방산 에스테르계 소포제; 폴리옥시알킬렌류, (폴리)옥시알킬에테르류, 아세틸렌에테르류, (폴리)옥시알킬렌지방산에스테르류, (폴리)옥시알킬렌솔비탄지방산에스테르류, (폴리)옥시알킬렌알킬(아릴)에테르황산에스테르염류, (폴리)옥시알킬렌알킬인산에스테르류, (폴리)옥시알킬렌알킬아민류, (폴리)옥시알킬렌아미드 등과 같은 옥시알킬렌계 소포제; 옥틸알콜, 헥사데실알콜, 아세틸렌알콜, 글리콜류 등과 같은 알콜계 소포제; 아크릴레이트폴리아민 등과 같은 아미드계 소포제; 인산트리부틸, 나트륨옥틸포스페이트 등과 같은 인산에스테르계 소포제; 알루미늄스테아레이트, 칼슘올레이트 등과 같은 금속비누계 소포제; 디메틸실리콘유, 실리콘 페이스트, 실리콘 에멀젼, 유기변성폴리실록산(디메틸폴리실록산 등의 폴리오르가노실록산), 플루오로실리콘유 등과 같은 실리콘계 소포제를 사용할 수 있다. 본 발명에서 상기 재유화형 분말수지는 콘크리트 구조체와의 일체화를 위한 접착성, 공극 충진에 의한 물 및 유해 물질의 침투 방지성 및 내마모성, 휨 및 충격에 대한 저항성, 재료 분리를 방지하는 점성 부여 등의 역할을 하는 것으로서, EVA(Ethylene vinyl acetate), SBR(Styrene butadienerubber)또는 아크릴계를 사용할 수 있고, 조성물 중 약 0.1~5 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 금속염계 증점제는 응결속도를 증가시켜 조기 강도 발현이 가능하도록 하는 역할을 한다.
이러한 금속염계 증점제로서는 칼슘포메이트를 사용할 수 있으며, 본 발명에서 상기 금속염계 증점제는 조성물 중에 약 0.5~5 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 제5재로는 규사와 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재를 혼합하여 형성한다.
상기 규사로는 규사는 입도의 크기가 0.3~3.0 mm 인 입자를 90~99 중량% 포함하고 모스경도(Mohs Hardness) 6.0~10.0인 것을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 리바운드 방지 및 충진성 증가를 위해 4호사:6호사를 30:70 내지 50:50의 중량비율로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재는 EVA(Ethylene vinyl acetate 공중합체) 수지 또는 아크릴 수지 등의 수용성 수지를 이용하여 유리분말 분쇄물의 표면에 코팅한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 유리분말은 예를 들어 폐유리분말을 미세하게 분쇄한 것을 사용할 수 있으며, 이러한 분쇄물에 수용성 수지를 스프레이하고 이를 페이스트 상태로 반죽한 후 킬른을 이용해 소성 처리한 것을 사용할 수 있다. 이때 소성 온도는 유리상에는 다공 구조를 형성하되 표면의 수용성 수지는 분해시키지 않는 온도 범위에서 진행하는 것이 바람직하다. 이러한 소성 이후에는 사이즈별로 분리하기 위해 시빙(sieving) 과정을 더 진행할 수도 있다.
이렇게 유리 분말을 가공 처리한 다공성 골재는 소성 처리에 의해 내부는 다공 구조를 갖지만, 표면은 수용성 수지로 코팅된 코어-쉘 구조의 2중 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
이러한 유리 분말은 또한 소성 처리에 의해 구형에 가까운 형태를 하고 있으므로 경량체이지만 강도, 내구성 등의 물성 저하는 최소화될 수 있는 동시에, 다공 구조를 하고 있지만 표면 수지 코팅에 의해 흡수율이 줄어들기 때문에 모르타르시 물비(W/C)를 줄일 수 있는 장점이 있어 작업성이 개선되고 잉여수에 따른 문제가 개선될 수 있으며, 소성 처리로 인해 내화성, 내화학성 및 내구성이 향상되도록 하는 역할을 한다.
본 발명은 상기와 같은 조성으로 얻어지는 모르타르 조성물에 필요에 따라 분산제 0.1 ~ 1.0 중량부, 지연제 0.01 ~ 1.0 중량부, 알칼리활성화제 0.1 ~ 1.0 중량부에서 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 분산제는 모르타르의 입자 표면에 흡착하여 입자 표면에 전하를 주어 입자들끼리 상호 반력을 일으키므로, 응집된 입자를 분산시켜 유동을 증가시켜 감수 효과로 인한 강도 증진이 가능하게 한다. 상기 분산제로서는 통상의 감수제를 사용할 수 있으며, 예를 들어 리그닌술포네이트, 폴리나프탈렌술포네이트, 폴리멜라민술포네이트 또는 폴리카복실레이트계 감수제로 이루어진 군으로부터 단독 또는 둘 이상 혼합 사용이 가능하다. 상기 분산제의 함량은 상기 시멘트 100 중량부에 대하여 0.1 ~ 1.0 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 지연제는 모르타르의 수화속도를 조정하여 일정기간 작업성을 확보할 목적으로 첨가될 수 있다. 지연제로는 붕산과 붕사, 붕산나트륨, 붕산칼륨과 같은 붕산염류, 글루콘산, 시트릭산, 타르타르산, 글루코헵톤산, 아라본산, 사과산 또는 구연산 및 이들의 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 암모늄, 트리에탄올아민 등의 무기염 또는 유기염 등의 옥시카복실산; 글루코오스, 프럭토오스, 갈락토오스, 사카로오스, 크실로오스, 아비토오스, 리포오즈, 이성화당 등의 단당류나, 2당, 3당 등의 올리고당, 또는 덱스트린 등의 올리고당, 또는 덱스트란 등의 다당류, 이들을 포함하는 당밀류 등의 당류; 솔비톨 등의 당알콜; 규불화 마그네슘; 인산 및 그의 염 또는 붕산 에스테르류; 아미노카복실산과 그의 염; 알칼리 가용 단백질; 푸민산; 탄닌산; 페놀; 글리세린 등의 다가알콜; 아미노트리(메틸렌포폰산), 1-히드록시에틸리덴-1,1-디포스폰산, 에틸렌디아민테트라(메틸렌포스폰산), 디에틸렌트리아민펜타(메틸렌포스폰산) 및 이들의 알칼리 금속염, 알칼리토류 금속염 등의 포스폰산 및 그 유도체 등을 사용할 수 있다. 그 함량은 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 0.01 ~ 1.0 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 알칼리활성화제는 강도 발현에 영향을 미치는 성분으로, 알칼리 금속수산화물, 염화물, 황산화물 및 탄산화물에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있고, 바람직하게는 탄산나트륨 및 탄산수소나타륨을 사용하는 것이 강도 발현 측면에서 유리하다. 본 발명에서 상기 알칼리활성화제의 함량은 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 0.1~1.0 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 모르타르 조성물은 수중 콘크리트 구조물의 보수 보강을 위하여 수중불분리제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 수중불분리제는 수중에서 모르타르 조성물의 점성을 향상시켜 분해되는 것을 방지하기 위하여 첨가되는 것으로, 메틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 카복시메틸셀룰로오스와 같은 메틸계 셀룰로오스; 에틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 카복시에틸셀룰로오스와 같은 에틸계 셀룰로오스; 히드록시프로필셀룰로오스와 같은 프로필계 셀룰로오스에서 선택되는 셀룰로오스계 증점제를 사용할 수 있다. 필요에 따라 수중에서의 점성을 더욱 증가시키기 위하여 수용성 아크릴계 수지 분말을 더 첨가할 수 있다. 수용성 아크릴계 수지분말은 수중불분리제 중량의 1 ~ 30 중량%로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제1재 내지 제5재를 혼합하여 형성되는 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물을 콘크리트 구조물에 도포함에 있어서는 스프레이건을 이용해 시공하는 것이 바람직하며, 다른 방법으로는 흙손을 이용하여 수행하거나 믹싱 펌핑 장치에 의해 수행할 수도 있다.
상기 단계의 복구 시공(뿜칠 시공)에서 모르타르 조성물을 1차 타설시 5~15 mm, 2차 및 3차 타설시 20~50 mm 및 최종 타설시 5~15 mm 두께로 시공하는 것이 복구 효율 및 내구성 향상을 위해 더욱 바람직하다.
4. 표면보호제 도포
상기 모르타르 조성물을 콘크리트 파쇄 부위에 도포하여 평활하게 마감하고 건조한 후 그 표면에 본 발명에 따른 표면 표면보호제를 얇게 도포함으로써 보수된 표면을 외부조건으로부터 보강하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 표면보호제는 수성 에폭시계 도료를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 수성 에폭시계 도료는 에폭시 주제와 아민계 경화제 및 물을 포함하여 이루어진 수성 에폭시계 도료를 사용한다.
구체적으로 상기 수성 에폭시계 도료는 에폭시 주제와 아민계 경화제 및 물을 포함하여 이루어진 수성 에폭시계 도료로서 상기 에폭시 주제는 액상 에폭시 수지 20~40 중량부, 수산기 함유 폴리에스테르 수지 5~10 중량부, 바나듐산 금속염 0.2~2.0 중량부, 물 10~30 중량부, 분산제 0.5~2.0 중량부, 소포제 0.2~1.0 중량부, 증점제 0.2~2.0 중량부, 체질안료 5~20 중량부, 습윤제 0.2~2.0 중량부를 포함하여 구성되고, 상기 아민계 경화제는 아민 화합물 30~60 중량부, 물 20~40 중량부, 소포제 0.2~2.0 중량부, 증점제 0.2~3.0 중량부를 포함하여 구성되며, 상기 에폭시 주제:아민계 경화제의 혼합비율은 10:3~10의 중량비로 혼합되고 상기 얻어지는 에폭시 주제 및 아민계 경화제의 혼합물 100 중량부에 대하여 물이 100~500 중량부로 후첨가되어 얻어지는 도료를 사용하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 상기 에폭시 주제 성분으로는 액상 에폭시 수지 20~40 중량부, 수산기 함유 폴리에스테르 수지 5~10 중량부, 바나듐산 금속염 0.2~2.0 중량부, 물 10~30 중량부, 분산제 0.5~2.0 중량부, 소포제 0.2~1.0 중량부, 증점제 0.2~2.0 중량부, 체질안료 5~20 중량부, 습윤제 0.2~2.0 중량부를 포함하여 구성된다.
상기 액상 에폭시 수지는 비스페놀 A계 액상 에폭시 수지를 사용할 수 있으며, 상기 비스페놀 A계 액상 에폭시 수지는 접착력 및 결합력을 향상시키는 역할을 한다.
상기 수산기 함유 폴리에스테르 수지는 수산기를 함유한 폴리에스테르 수지 또는 그 변성 수지를 이용할 수 있으며, 구체적으로는 다가 알코올과 다염기산의 중축합물을 이용할 수 있다. 이때 상기 다가 알코올로는 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 네오펜틸글리콜, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 폴리카르로락톤 폴리올, 글리세린, 솔비톨 등으로부터 선택될 수 있으며, 상기 다염기산으로는 프탈산, 무수프탈산, 테트라히드로프탈산, 테트라히드로 무수프탈산, 트리멜리트산, 무수 트리멜리트산, 테레프탈산, 푸마르산, 이타콘산, 아디프산, 호박산, 시클로헥산-1,4-디카르복시산 등으로부터 선택되어 사용될 수 있다.
또한, 상기 수산기를 함유한 폴리에스테르 수지의 변성 수지로는 예를 들어 우레탄 변성 폴리에스테르 수지, 에폭시변성 폴리에스테르 수지, 아크릴변성 폴리에스테르 수지, 실리콘변성 폴리에스테르 수지 등을 들 수 있다.
상기 수산기 함유 폴리에스테르 수지 또는 그 변성 수지는 수평균분자량이 3000~50,000이고 유리전이온도가 20~100℃에 포함되는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바나듐산 금속염은 도료의 내식성을 향상시키는 역할을 하며, 수용성으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 구체적인 예로서는 바나듐산 칼슘, 바나듐산 칼륨 등을 사용할 수 있다.
상기 분산제는 주제 혼합시 액상 내에서 체질안료를 분산시켜 색상 균일성을 확보하기 위해 사용된다. 이러한 분산제로서는 비이온 타입 또는 음이온 타입 중에서 선택하여 사용될 수 있다.
상기 소포제는 주제 재의 기포를 억제하여 고른 도막을 형성하기 위해 사용되며 비이온계나 실리콘 계열의 소포제가 사용될 수 있다.
상기 증점제는 체질안료의 침강을 방지하고 작업성을 향상시키기 위해 사용되며, 구체적으로서 벤토나이트계, 우레탄계, 아크릴계 증점제 중 선택하여 사용할 수 있다.
상기 체질안료는 도막 강도를 향상시키고 도막 표면에 요철이 생겨 덧칠 도막과의 밀착성이 향상되는 역할을 하며 이에 따라 내습성, 내수성이 향상되는 역할을 한다. 본 발명에서 사용되는 체질안료로는 탄산칼슘, 황산바륨, 진흙, 탈크, 마이카, 실리카 중에서 선택하여 사용될 수 있다.
본 발명에서 습윤제는 재료에 친수성을 부여하여 수용성으로 이루어지는 수용성 에폭시 수지의 도막 형성이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 역할을 하며, 구체적으로는 히드록시에틸셀룰로오스계 습윤제를 사용할 수 있다.
상기 아민계 경화제는 상기 에폭시 수제 성분의 경화를 촉진하는 역할을 한다.
상기 아민계 경화제의 구체적인 성분으로는 아민 화합물 30~60 중량부, 물 20~40 중량부, 소포제 0.2~2.0 중량부, 증점제 0.2~3.0 중량부를 포함하여 구성된다.
상기 아민 화합물은 지방족, 방향족, 지환족 아민 화합물 중에서 선택되어 사용될 수 있으며, 아민 당량은 100~320 g/eq이고, 상온 점도가 30~40,000 cps인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 소포제, 증점제 등 다른 성분은 상기 에폭시 주제 성분에 사용되는 것과 동일하거나 다른 것을 사용할 수 있다.
본 발명에서 상기 수성 에폭시계 도료를 형성하기 위해서는 상기 에폭시 주제:아민계 경화제의 혼합비율은 10:3~10의 중량비로 혼합되고 상기 얻어지는 에폭시 주제 및 아민계 경화제의 혼합물 100 중량부에 대하여 물이 100~500 중량부로 후첨가되어 얻어지는 도료를 사용하는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 수성 에폭시계 도료가 경화, 양생된 후에 상기 수성 에폭시계 도료가 도포된 표면에 수성 우레탄계 도료를 도포한다.
상기 수성 우레탄계 도료의 도포는 수분산성 아크릴 우레탄 수지, 체질안료 및 실란을 포함하여 이루어진 수성 우레탄계 도료를 도포한다.
구체적으로 상기 수성 우레탄계 도료는 수분산 아크릴 우레탄 수지 50~80 중량부, 분산제 0.2~2.0 중량부, 증점제 0.5~2.0 중량부, 체질안료 5~20 중량부, 소포제 0.2~2.0 중량부, 실란 0.2~2.0 중량부 및 조용제 0.2~5.0 중량부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 수분산 아크릴 우레탄 수지는 2-하이드록시에틸메타크릴산(2-HEMA : 2-hydroxyethyl methacrylate), 메타크릴산메틸(MMA : methyl methacrylate), n-부틸 아크릴레이트(n-BA : n-butyl acrylate) 및 아크릴산(AAc : acrylic acid) 중 선택된 어느 하나의 아크릴레이트 단량체 및 음이온 또는 비이온 유화제 및 개시제를 첨가하여 합성된 폴리우레탄 아크릴레이트 하이브리드 에멀젼을 사용할 수 있다. 상기 수분산 아크릴 우레탄 수지는 건조가 빠르고 외부 폭로조건에서도 우수한 내후성, 내구성, 자외선안정성을 나타내며 수용성으로 이루어져 있어 친환경적이다.
상기 분산제는 수용성 우레탄계 도료의 혼합시 액상 내에서 체질안료를 고르게 분산시켜 균일한 색상의 도막을 형성하기 위한 것으로, 본 발명에서는 비이온 타입의 폴리옥시알킬렌형 계면활성제 또는 음이온 타입의 폴리카르복실염계 계면활성제 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 증점제는 안료의 침강을 방지하고 도장시 작업성을 향상시키기 위한 것으로서, 본 발명에서는 벤토나이트계, 우레탄계, 아크릴계 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 체질안료는 수용성 우레탄계 도료의 색상발현을 위한 것으로서, 적색 산화철, 이산화티타늄, 황색 산화철, 카본블랙 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 소포제는 수용성 우레탄계 도료 내의 기포를 억제하여 고른 도막을 형성하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 비이온계 또는 실리콘계 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 실란은 접착력을 증진시키고, 도막의 내수성, 내구성을 향상시키기 위한 것으로서, 글리시독시프로필 메틸디에톡시 실란, 감마메타아크릴옥시 프로필 트리에톡시실란, 감마글리시독시 프로필 트리에톡시 실란, 감마아미노프로필 트리에톡시 실란, 비닐트리메톡시 실란 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 조용제는 용제의 용해력을 높여 도막형상이 용이하도록 하기 위한 것으로서 텍사놀, 초산부틸, 부칠셀루솔브 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
이상의 방법으로 시공되는 표면 코팅은 상기 상술된 친환경 도료 조성물을 사용함으로써 피도체인 모르타르 표면과의 결합력과 내구성이 우수하고, 부착강도, 압축강도 등의 물리적 특성이 우수하며, 특히 방수성, 염해 저항성, 내화학성, 내화성 등의 특성도 우수하여 콘크리트 구조물의 표면 보강 및 보호 효과가 우수하다. 또한, 수용성으로서 유기 용제나 중금속이 용출되지 않으므로 친환경적이며, 도장의 수명을 연장할 수 있으므로 구조물 표면의 보강 효과가 장기간 유지될 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예예 의거하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
하기 표 1의 배합 조성(단위는 중량부)에 따라 제1재 내지 제5재를 각각 제조하고, 이렇게 제조된 제재를 혼합한 혼합물에 물을 혼합하여 모르타르를 제조하였다.
이와 같이 얻어진 모르타르를 이용하여 KS F 4042 2007의 기준에 따라 모르타르의 물성(슬러리 밀도, 리바운드량, 압축강도, 휨강도 및 부착강도)을 측정하였으며, 내산성은 28일간 양생된 시편을 5% 황산 용액에 7일간 침지한 후 무게 감소 및 압축강도 감소율을 측정하였다. 열저항성은 900℃ 조건에서 가열 후 잔존 압축강도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[비교예]
실시예 1과 동일하게 실시하되, 각 혼화재의 비율을 하기 표 1의 조성에 따라 달리하여 모르타르를 제조한 후 동일한 방법으로 물성을 평가하고 그 결과를 표 2에 나타내었다.(비교예 1, 2)
원료 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
제1재 1종 포틀랜트 시멘트 25.0 25.0 25.0 25.0
칼슘알루미나설파이트 3.0 0 0 0
마그네슘알루미나설파이트 0 3.0 0 0
고로슬래그 미분말 7.0 7.0 7.0 8.0
플라이애시 3.0 4.0 4.0 4.0
제2재 아크릴계 유기 경량재 0.5 1.0 0 0.5
폴리프로필렌 섬유 0.5 1.0 0 0.5
재유화형 폴리머 분말 2.0 1.0 2.0 0
수팽윤성 폴리사카라이드 폴리머 분말 0.5 0.5 0.5 0
제3재 칼슘알루미네이트 미분말 0.5 0.7 0 0
실리카 미분말 0.5 0.8 0 0
폴리비닐알코올 분말 1.0 0.5 0 0
제4재 감수제 0.3 0.3 0.3 0.3
소포제 0.2 0.2 0.2 0.2
칼슘 포메이트 0.8 0.8 0 0
제5재 규사 56.0 56. 56.0 56.0
유리분말을 가공 처리한 다공성 골재 5.0 5.0 0 0
항목 단위 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
슬러리 밀도 1.91 1.89 2.16 1.95
리바운드량 % 5.6 5.2 14.0 11.6
압축강도 N/mm2 55.5 58.3 51.6 50.4
휨강도 N/mm2 12.3 12.9 11.2 11.3
부착강도 N/mm2 2.3 2.2 2.0 0.7
내산성(5% 황산용액) 무게감소 % -0.01 -0.02 -0.32 -1.92
압축강도 N/mm2 51.8 54.6 45.1 42.5
감소% 5.0 4.5 13.0 15.0
열저항성 잔존압축강도 N/mm2 46.8 49.0 29.0 24.0
상기 표 2에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 모르타르 조성물의 경우, 비교예에 의해 제조되는 모르타르 조성물에 비하여 물성, 즉 슬러리 밀도, 휨강도, 압축강도 및 부착강도는 동등 이상 수준이며, 리바운드량이 훨씬 적어 뿜칠 시공의 효율성이 우수하고, 특히 내화학성(내산성) 및 내화성(열저항성) 면에서 현저히 우수함을 확인할 수 있다.
(2) 내진 성능 및 단면 복구 성능 평가
1) 내후성 평가
ASTM G 155에 따라 400시간 측정하였다.
2) 표면 경도 평가
KS D 6711에 따라 연필경도를 측정하였다.
3) 내수성 평가
90℃ 열수에서 연속으로 표면 변형(균열, 블리스터 등)이 일어나는 시간을 측정하였다.
상기 평가 결과를 표 3에 나타내었다.
내후성(백색) 표면경도 내수성
실시예 1 △E0.8 6H 610hr
실시예 2 △E0.8 6H 580hr
비교예 1 △E2.3 3H 380hr
비교예 2 △E3.1 4H 390hr
상기 표 2에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 모르타르 조성물을 사용하여 콘크리트 구조물을 보수 시공하고 선택적으로 그 표면에 표면보호제를 도포한 경우 종래의 모르타르 조성물을 사용하고 코팅제를 사용한 경우에 비하여 내후성, 표면 경도 및 내수성이 현저하게 우수함을 확인할 수 있다. 상기 표 1 내지 표 3의 결과로부터 본 발명에 따른 모르타르 조성물은 모르타르의 물리적 성능도 우수하고, 콘크리트와의 부착성도 뛰어나며, 내산성 등 내화학성, 내후성, 내수성 등의 물성도 우수하므로 콘크리트 구조물의 보수 효과를 장기간 유지할 수 있고 또한 내진 성능 발휘에도 유리할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명을 실시예를 참조하여 그 특징에 관하여 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. (1) 보수가 필요한 콘크리트 구조물의 단면을 치핑(chipping)하여 손상되지 않은 부분이 나올 때까지 다듬는 단계;
    (2) 상기 다듬어진 콘크리트 단면에 프라이머를 도포하는 단계; 및
    (3) 상기 프라이머가 도포된 단면의 표면에
    결합재 20~40 중량부에 대하여, 마그네슘알루미나설파이트 또는 칼슘알루미나설파이트 1~5 중량부, 고로슬래그 분말 2~10 중량부 및 플라이애시 1~5 중량부를 혼합하여 얻어진 제1재, 아크릴계 유기 경량재 0.01~1.0 중량부, 보강섬유 0.01~3.0 중량부, 재유화형 폴리머 분말 0.01~3.0 중량부 및 수팽윤성 폴리사카라이드계 폴리머 분말 0.1~3.0 중량부를 혼합하여 얻어진 제2재, 칼슘알루미네이트 미분말 0.01~2.0 중량부, 실리카 미분말 0.01~2.0 중량부 및 폴리비닐알코올 분말 0.01~2.0 중량부를 혼합하여 얻어진 제3재, 감수제 0.1~5 중량부, 소포제 0.1~5 중량부, 금속염계 증점제 0.5~5 중량부를 혼합하여 얻어진 제4재 및 규사 10~100 중량부 및 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재 0.5~10 중량부를 혼합하여 얻어진 제5재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물을 도포하는 단계; 및
    (4) 상기 개질 세라믹 폴리머 모르타르 조성물이 도포된 표면에 표면 보호제를 시공하는 단계;를 포함하며, 상기 표면 보호제의 시공은 에폭시 주제와 아민계 경화제 및 물을 포함하여 이루어진 수성 에폭시계 도료를 도포하며, 상기 수성 에폭시계 도료가 도포된 표면에 수분산성 아크릴 우레탄 수지, 체질안료 및 실란을 포함하여 이루어진 수성 우레탄계 도료를 도포하여 시공하는 것을 특징으로 하며,
    상기 (3)에서 상기 결합재는 포틀랜트시멘트, 백색포틀랜트시멘트, 알루미나시멘트, 조강포틀랜트시멘트 및 초조강시멘트 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 주시멘트 30~60 중량%;
    인조대리석 폐분말 5~20 중량부, 슬래그 함유 혼합물 20 ~ 50 중량부, 인산부산이수석고 또는 배연탈황이수석고 20 ~ 40 중량부, 소결 마그네시아 시멘트 10 ~ 30 중량부 및 제1인산암모늄 5 ~ 20 중량부를 포함하여 이루어진 보조시멘트 20 ~ 50 중량%;
    오일 코팅된 셀룰로오스 섬유 1~ 10 중량%; 및
    EVA 수지 5 ~ 10 중량%; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하되,
    상기 오일 코팅된 셀룰로오스 섬유는 탄소수 20~40의 알칸계 미네랄 오일을 셀룰로오스 섬유 표면에 분사하여 코팅한 후 길이 2~10mm로 절단된 것을 특징으로하고,
    상기 규사는 입도의 크기가 0.3~3.0 mm 인 입자를 90~99 중량% 포함하고 모스경도(Mohs Hardness) 6.0~10.0인 것을 특징으로 하며,
    상기 보강섬유는 유리섬유, 강섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 폴리프로필렌(PP) 섬유, 셀룰로오스 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하고,
    상기 금속염계 증점제는 칼슘포메이트를 사용하는 것을 특징으로 하며,
    상기 유리분말을 가공 처리한 다공성 골재는 수용성 수지를 스프레이 방식으로 유리분말 분쇄물에 도포하고 반죽한 후 킬른에서 소성하여 얻어진 것을 사용하되, 수용성 수지를 이용하여 유리분말 분쇄물에 스프레이하고 페이스트 상태로 반죽한 후 킬른을 이용해 소성 처리한 것으로서, 소성 온도가 유리상에는 다공 구조를 형성하되 표면의 수용성 수지는 분해시키지 않는 온도 범위에서 소성 처리함으로써 내부는 다공 구조를 갖지만 표면은 수용성 수지로 코팅된 코어-쉘 구조의 2중 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 단면의 보수 보강 공법.
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