KR102240724B1 - 시멘트 함량을 저감시킨 무수축 내열 그라우트재. - Google Patents

시멘트 함량을 저감시킨 무수축 내열 그라우트재. Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트의 사용량을 줄이면서도 내산성, 내알카리성, 주입성, 유입성, 내충격성, 내크랙성, 부착성, 및 저장성을 동시에 만족시킬 수 있는 시멘트 함량을 저감시킨 무수축 내열 그라우트재 관한 것으로서, 특히, 300 내지 800℃ 고온에서 운전되는 발전소, 석유화학공장, 섬유화학공장 등에서 내산성, 내알카리성, 내충격성, 내크랙성을 갖고 변형이 없도록 적용될 수 있는 시멘트 함량을 저감시킨 무수축 내열 그라우트재에 관한 것이다.

Description

시멘트 함량을 저감시킨 무수축 내열 그라우트재.{Non-Shrink Grout Material}
본 발명은 시멘트 함량을 저감시킨 무수축 내열 그라우트재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트의 사용량을 줄이면서도 내산성, 내알카리성, 주입성, 유입성, 내충격성, 내크랙성, 부착성, 및 저장성을 동시에 만족시킬 수 있는 무수축 내열 그라우트에 관한 것이다.
무수축 내열 그라우트재는 300 내지 800℃의 고온 조건에 적용되는 것으로서 내산성, 내알카리성, 내충격성, 내크랙성을 갖고 변형이 없어야 한다. 이러한 고온 조건에서 운전되는 구조물로는 제철소의 기초바닥재나 높은 반응열을 소화해야 하는 화학공장, 섬유공장, 발전소 등을 들 수 있으며, 내산성, 내알카리성, 내충격성, 내크랙성 등의 물성이 요구된다.
내열 그라우트는 초기에는 시멘트, 물, 점토 등을 사용한 시멘트계 그라우트가 주로 사용되었으나, 1919년 내열 그라우트가 발명되어 그 후로는 내열 그라우트도 많이 사용되고 있으며, 최근에는 비닐 중합체 또는 크롬 리그닌의 발견으로 내열 그라우트재 관련 기술은 급진전되었으며, 이러한 내열 그라우트는 주로 지수나 지반의 개량 및 구조물의 보수, 보완용으로 주로 사용되어 오고 있다.
종래의 내열 그라우트재로 가장 널리 사용되는 것은 에폭시 수지를 주성분으로 하는 내열 그라우트재가 사용되었으나 에폭시 수지를 주성분으로 하는 내열 그라우트재는 에폭시 수지의 변성 정도, 첨가제의 종류에 따라서 주입속도, 강도, 부착력이 상이하므로, 다양한 크랙 부위에 적절하게 적용하는 것이 용이하지 않고 특히 300~800℃ 범위로 높은 온도조건에서 운전되는 발전소, 석유화학공장, 섬유화학공장 등에서 내산성, 내알카리성, 내충격성, 내크랙성을 갖고 변형이 없도록 적용되는 발전소, 석유화학공장, 섬유화학공장 등에서 재균열이 발생하지 않는 무수축 내열 그라우트재가 요구되어 왔다.
대한민국 등록특허공보 10-1684920호에서는 고온 조건에서도 적용할 수 있는 무수축 내열 그라우트재가 개시되고 있으나, 이러한 그라우트재는 다량의 시멘트를 사용하기 때문에 내열성, 균열 방지에는 한계가 있어 물성을 더욱 향상시킬 필요가 있다. 특히, 시멘트 사용량을 줄일 수 있는 고로슬래그와 같은 대체 물질로서 고온 조건에서 적용이 가능한 성분 및 조성에 대한 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 내산성, 내알카리성, 주입성, 유입성, 내충격성, 내크랙성, 부착성, 및 저장성을 동시에 만족시킬 수 있는 무수축 내열 그라우트재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 시멘트의 사용량을 저감시키면서도 종래의 그라우트재와 물성에 차이가 없는 무수축 내열 그라우트재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 무수축 내열 그라우트재는 고형분 기준으로 시멘트 10 내지 15 중량%, 페로니켈 슬래그 25 내지 35 중량%, 4호 규사 10 내지 20 중량%, 5호 규사 29 내지 39 중량%, 바룬(balloon) 0.5 내지 2 중량%, CSA(Calcium sulfer aluminate) 2 내지 3 중량%, 유동화제 0.1 내지 0.5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 그라우트재는 소포제 0.06 내지 0.1 중량%, 폴리프로필렌 화이버 0.06 내지 0.1 중량%를 추가적으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 유동화제로는 실리카알루미나(SiO2-Al2O3) 60 내지 70 중량%, 황산망간 (MnSO4·nH2O) 10 내지 20 중량%, 산화마그네슘(MgO) 9 내지 18 중량%, 산화철(Fe2O3) 2 내지 5 중량%, 산화칼슘(CaO) 2 내지 5 중량%로 이루어진 조성물을 적용할 수 있다.
상기 무수축 내열 그라우트재는 구조물의 표면에 코팅 또는 피복하여 적용할 수 있으며, 용기의 표면에 피복하여 내열용기를 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 무수축 내열 그라우트재는 시멘트의 사용량을 저감시키면서도 종래의 그라우트재와 물성에 차이가 없고, 내산성, 내알카리성, 주입성, 유입성, 내충격성, 내크랙성, 부착성, 및 저장성을 동시에 만족시키는 효과를 나타낸다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무수축 내열 그라우트재는 고형분 기준으로 시멘트 10 내지 15 중량%, 페로니켈 슬래그 25 내지 35 중량%, 4호 규사 10 내지 20 중량%, 5호 규사 29 내지 39 중량%, 바룬(balloon) 0.5 내지 2 중량%, CSA(Calcium sulfer aluminate) 2 내지 3 중량%, 유동화제 0.1 내지 0.5 중량%, 소포제 0.06 내지 0.1 중량%, 폴리프로필렌 화이버 0.06 내지 0.1 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 그라우트재의 성분 및 함량은 대한민국 등록특허공보 10-1684920호와 대체로 동일한 것이나, 본 발명에서는 시멘트의 사용량을 종래기술의 그라우트재에 비해 약 30% 이상 저감시키고 대신 산업폐기물 자원을 이용하더라도 종래기술의 그라우트재와 동일한 정도의 물성을 확보하는 것을 그 목적으로 하기 때문에 시멘트의 함량이 줄어들고 이를 대체하기 위한 페로니켈 슬래그가 첨가되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명에서 사용하는 시멘트는 종래기술에서 널리 사용되고 있는 일반적인 시멘트라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으며 작업성을 고려하여 포틀랜드 1종 시멘트를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 시멘트는 고형분 기준으로 시멘트 10 내지 15 중량%의 범위에서 사용하는데, 이는 종래기술에 비해 30 내지 35 중량% 정도 사용량이 저감된 것으로서, 이를 대신하여 산업 폐기물인 페로니켈 슬래그를 사용하게 된다.
상기 페로니켈 슬래그는 연간 240만 톤이 산업 폐기물로 발생하며 이를 재활용함으로써 그라우트재의 기존 단가 대비 40%의 원가 절감이 가능한 효과를 나타낸다. 이와 더불어 상기 페로니켈 슬래그를 함유하면서도 기존의 그라우트재에 비해 물성이 향상되는 효과를 얻는데, 이는 각 성분의 조성의 최적화에 따른 것이다. 상기 페로니켈 슬래그는 25 내지 35 중량%의 범위에서 함유되는데 페로니켈 슬래그의 함량이 너무 많으면 그라우트재의 물성이 급격히 저하되는 문제점이 발생하며, 너무 적으면 종래기술의 그라우트재와 물성에 차이가 없는 것으로 나타나며 자원 재활용의 면에서도 효과가 저감되므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 규사는 백운석(dolomite)계 규사를 사용한다. 상기 백운석계 규사는 칼슘마그네슘탄산염(CaMg(CO3)2)의 광물로서 산에 의한 발포도는 방해석에 비해 낮고 내화성은 수성암계 석회석에 비해 우수하므로 본 발명에서와 같은 무수축 내열 그라우트재에 적합하다. 상기 규사는 4호 규사와 5호 규사를 혼합하여 사용하는데, 이를 통해 성분의 배합 및 작업성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 상기 4호 규사 및 5호 규사의 배합비는 종래기술에 따른 것으로서 상기 범위 내에서 그라우트재의 물성을 확보할 수 있음은 종래기술을 통해 입증된 것이다.
또한, 상기 바룬(balloon)은 시라스(화산재)를 미립자로 가공하여 얻은 독립기포를 갖는 무기질의 경량 초립자이며, 다공성으로 인하여 단열효과를 제공하고 경화되거나 건조되는 경우에도 수축이 없는 효과를 제공한다. 또한, 다공성 구조이므로 체적의 증가에 따른 시멘트의 사용량을 줄이는 효과도 나타낸다. 상기 바룬은 0.5 내지 2 중량%의 범위에서 사용되는데, 상기 사용범위 내에서 그라우트재의 단열효과 및 수축저감 효과를 얻을 수 있다.
또한, CSA(Calcium sulfer aluminate)는 팽창제로 널리 사용되는 성분으로서 본 발명에서는 2 내지 3 중량%의 범위에서 사용함으로써 그라우트재의 물성을 최적화시킬 수 있다.
본 발명에서는 시멘트의 사용량을 줄이고 페로니켈 슬래그를 사용하고 있으므로, 이에 따른 작업성의 확보가 필요하다. 종래기술에서도 유동화제를 사용함으로써 시멘트 입자와 입자 사이에 반발력(electrostatic repulsion)을 높여주어 감수성 및 작업성을 향상시키며 동일한 작업성(유동성) 조건에서 압축강도를 증가시키는 효과를 얻고 있다.
본 발명에서는 페로니켈 슬래그가 적용됨으로써 시멘트를 사용할 때와는 다른 유동화제의 물성이 요구되는데, 다양한 실험을 거친 결과, 실리카알루미나(SiO2-Al2O3) 60 내지 70 중량%, 황산망간 (MnSO4·nH2O) 10 내지 20 중량%, 산화마그네슘(MgO) 9 내지 18 중량%, 산화철(Fe2O3) 2 내지 5 중량%, 산화칼슘(CaO) 2 내지 5 중량%로 이루어진 조성물을 사용하는 것이 적합한 것으로 나타났다. 종래기술에서는 유동화제로서 실리카 50 내지 70 중량%, 알루미나 8 내지 12 중량%, 산화마그네슘 9 내지 18 중량%, 산화철 2 내지 5 중량%, 산화칼슘 2 내지 5 중량%로 이루어진 조성물을 사용하고 있으나, 시멘트의 함량이 저감되는 경우 상기 유동화제를 적용하여 충분한 유동성을 확보할 수 없어 압축강도가 저하되는 문제점이 발생하였다. 상기 유동화제는 0.1 내지 0.5 중량%의 범위에서 사용되는데, 상기 범위에서 함유됨으로써 그라우트재의 물성에 대한 최적의 효과를 달성할 수 있다.
실리카-알루미나는 실리카, 알루미나 입자와는 달리 실리카와 알루미나가 화학결합을 이루어 다공성 구조를 형성하는 것이며, 표면적이 500 내지 1,000㎡/g이므로 유동화제에 함유됨으로써 시멘트의 함량이 저감되는 경우에도 유동성을 확보할 수 있게 해 줄 수 있다. 상기 실리카-알루미나로는 실리카 80 내지 85 몰% 및 알루미나 15 내지 20 몰%의 함량으로 이루어지는 것이 바람직한데, 알루미나의 함량이 지나치게 적거나 너무 많은 경우 유동화제에 적용했을 때 충분한 유동성을 확보할 수 없는 것으로 나타났다.
또한, 상기 실리카-알루미나와 함께 황산망간이 부가되는데, 상기 황산망간은 수화물 형태로서 유동화제에 함유됨으로써 페로니켈 슬래그와의 상용성을 향상시키는 효과를 나타낸다.
또한, 상기 그라우트재는 소포제 및 폴리프로필렌 화이버를 포함할 수 있는데, 상기 그라우트재 및 콘크리트 혼합물에서 기포가 발생하면 과도한 부피팽창과 박리현상이 발생하여 강도저하 현상을 유발할 수 있으므로 소포제를 상기 범위로 사용하여 강도저하 현상을 방지할 수 있다. 또한, 폴리프로필렌 화이버는 체적의 0.1% 정도나 또는 1.5kg/㎥ 을 혼합하여 사용하는 경우 공온상태 또는 화재발생시 섬유가 녹은 자리로 내부 수증기를 방출시켜 폭영현상을 방지하고 40MPa 이상의 고가강도 구조물을 유지하도록 적용될 수 있다.
상기 무수축 내열 그라우트재는 구조물의 표면에 코팅 또는 피복하여 적용하거나, 용기의 표면에 피복하여 내열용기를 형성할 수 있다.
즉, 상기 무수축 내열 그라우트재를 쇳물 등을 이동하는 용기의 외피에 일정두께로 코팅하면 내열용기를 이룰 수 있는데, 상기 내열용기를 300 내지 800℃의 고온의 내용물을 담고 이동 또는 보관하는 용도로 사용될 수 있다.
또한, 상기 무수축 내열 그라우트재를 산성이나 알카리성 약품저장탱크 등의 내산성 및 내알카리성을 요하는 시설 저부나 표면에 코팅 또는 피복함으로써 내약품성과 강도를 향상시키는 용도로 사용할 수도 있다.
이하에 본 발명의 실시예를 개시하나, 이들은 예시의 목적으로 든 것이지 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실리카알루미나(SiO2:Al2O3 = 85:15, 비표면적 600㎡/g) 64 중량%, 황산망간(MnSO4·nH2O) 16 중량%, 산화마그네슘(MgO) 14 중량%, 산화철(Fe2O3) 3 중량%, 산화칼슘(CaO) 3 중량%를 혼합하여 유동화제를 제조하였다.
고형분을 기준으로 시멘트 12.5 ㎏, 페로니켈 슬래그 32 ㎏, 5호규사 35.0 ㎏, 4호규사 16.1 ㎏, 바룬(화산재) 1.5 ㎏, CSA(Calcium sulfer aluminate) 2.5 ㎏, 유동화제 0.4 ㎏를 혼합하여 무수축 내열 그라우트재를 제조하였으며, 상기 무수축 내열 그라우트재의 물성을 아래와 같이 시험하였다(시험체 1).
그라우트재의 배합비는 그라우트재 25 ㎏ 및 물 4 ㎏의 비율로 하였으며, W/M = 15%로 하였다. 물성을 분석한 결과는 표 1과 같다.
시험항목( HICON-L 샘플) 단위 성능 시험방법
물사용량(물/그라우트재) % 15.0 제조사기준
응결시간 초결 시간 : 분 5.5 KSF 4044
종결 7.6
압축강도 3일 MPa 42
7일 57
28일 70
팽창높이 3일 % 0.00
28일 0.01
열팽창계수 m/m/℃ 1.0×10-6 KSF 2608
표 1의 결과를 살펴보면, 시멘트의 사용량을 저감시켰음에도 불구하고 대한민국 등록특허공보 10-1684920호에 개시된 종래의 그라우트재와 물성의 차이가 거의 없는 것으로 나타나 시멘트 사용량을 줄이더라도 무수축 내열 그라우트재로서 적용이 가능한 것을 확인하였다.
또한, 무수축 내열 그라우트재로 고형분 기준으로 시멘트 11.5 ㎏, 페로니켈 슬래그 31 ㎏, 5호 규사 33.3 ㎏, 4호 규사 15.0 ㎏, 바룬(화산재) 6.2 ㎏, CSA(Calcium sulfer aluminate) 2.5 ㎏, 유동화제 0.3 ㎏, 소포제(제품명 : B-107F) 0.1 ㎏, P.P(PolyPropylene) 화이버 0.1 ㎏를 혼합하여 무수축 내열 그라우트재를 제조하였으며, 상기 무수축 내열 그라우트재의 물성을 아래와 같이 시험하였다(시험체 2). 물성을 분석한 결과는 표 2와 같다.
시험항목( HICON-L 샘플) 단위 성능 시험방법
물사용량(물/그라우트재) % 15.0 제조사기준
응결시간 초결 시간 : 분 5.0 KSF 4044
종결 7.0
압축강도 3일 MPa 43
7일 60
28일 71
팽창높이 3일 % 0.00
28일 0.01
열팽창계수 m/m/℃ 1.0×10-6 KSF 2608
표 2의 결과를 살펴보면, 무수축 내열 그라우트재로서 적용이 가능한 정도의 물성을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
시험체 1 및 2에 대하여 폭렬방지 공법이 도입된 고강도 콘크리트에 대한 내화인증 시험을 실시하였다. 시험은 온도 31 내지 33℃, 상대습도 32 내지 34%RH 조건을 갖는 내화실험실에서 수행하였다. 내화성능 확인실험을 국토해양부 고시 제2008-334호, "고강도 콘크리트 내화성능 관리기준, KS F 2257-1;2005(건축구조부재의 내화시험방법에 준하여 실시하였으며 그 시험결과는 표 3에 나타내었다.
구분 성능기준 시험결과 내화성능
(시간)
온도(℃) 시간(분)
시험체 1 차열성 주철근 평균온도 538℃이하 410 180 3
주철근 평균온도 649℃이하 532 180
시험체 2 차열성 주철근 평균온도 538℃이하 389 180 3
주철근 평균온도 649℃이하 485 180
표 3의 결과로부터 시험체 1 및 2는 국토해양부고시 제2008-334호(2008.07.21) 제4조의 3시간 내화성능을 만족하는 것으로 확인되었다. 또한, 시험체 1의 조성에서도 국토해양부고시의 내화성능 기준을 만족하나, 소포제와 폴리프로필렌 화이버를 부가한 시험체 2에서 성능이 더 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 무수축 내열 그라우트재가 현장에 적용되는 적용예를 설명하면, 예를 들어, 공장에서 무거운 하중의 기계설비를 설치하는 기초물의 사이즈가 400㎜×400㎜×150㎜이고 수량이 14개소인 기초물에 압축강도 60 MPa 무수축 내열 모르타르를 시공하는 경우로 가정하여 보면, 전체 무수축 내열 그라우트재의 필요수량은 0.336㎥(0.4m×0.4m×0.15m×14개소)가 필요하게 된다.
본 발명에 따른 무수축 내열 그라우트재가 1포에 25kg 규격으로 제공되고 무수축 모르타르 1㎥ 제조시 필요한 양이 약 2,000㎏(80포)이 필요하므로, 상기 전체 무수축 모르타르의 양이 0.336㎥이라면 질문하신 크기와 수량의 무수축 모르타르를 만들기 위해서는 672㎏(2,000×0.336)이 필요하고, 포대로 계산하면 약 27포대(672÷25)로 사용할 수 있으므로 시공 비용 및 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무수축 내열 그라우트재를 이용하여 바닥면 크랙부위(비관통 크랙 : 크랙깊이 70 ㎜, 크랙 너비 1.2 ㎜)를 줄눈 커터기를 사용하여 깊이 10 ㎜, 너비 1.5 ㎜로 줄눈을 형성한 후에 그라우트재를 상부에서 주입하고, 바닥 위의 여부 그라우트는 헤라를 사용하여 제거한 후 경화시켜 하드너로 마감처리된 바닥의 크랙을 보수 보강하고 약 1시간 경과 후 바닥의 줄눈은 시공된 그라우트재가 지게차의 빈번한 이동에서도 전혀 탈락되지 않았고, 크랙 또는 이음매의 벌어짐 현상도 전혀 나타나지 않아 종래기술의 그라우트재와 동일한 정도의 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명에 따른 무수축 내열 그라우트재에 대하여 -20±2℃, 20시간 및 80±2℃, 20시간의 조건으로 동해 및 융해 반복시험을 KSM-5307에 준하여 5회 반복실험을 하였으나 이상이 없었고, 내산성 시험으로 황산(H2SO4) 5% 용액에 168시간 침지시키는 실험결과 및 내알카리성 시험으로 수산화나트륨(NaOH) 5% 용액에 168시간 침지시키는 경우에도 부착강도 및 압축강도 변화가 발견되지 않는 사실로부터 본 발명에 따른 무수축 내열 그라우트재의 내산성 및 내알키리성을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (5)

  1. 고형분 기준으로 시멘트 10 내지 15 중량%, 페로니켈 슬래그 25 내지 35 중량%, 4호 규사 10 내지 20 중량%, 5호 규사 29 내지 39 중량%, 바룬(balloon) 0.5 내지 2 중량%, CSA(Calcium sulfer aluminate) 2 내지 3 중량%, 유동화제 0.1 내지 0.5 중량%를 포함하며,
    상기 유동화제는 실리카알루미나(SiO2-Al2O3) 60 내지 70 중량%, 황산망간 (MnSO4·nH2O) 10 내지 20 중량%, 산화마그네슘(MgO) 9 내지 18 중량%, 산화철(Fe2O3) 2 내지 5 중량%, 산화칼슘(CaO) 2 내지 5 중량%로 이루어진 조성물인 것을 특징으로 하는 무수축 내열 그라우트재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    소포제 0.06 내지 0.1 중량%, 폴리프로필렌 화이버 0.06 내지 0.1 중량%를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 무수축 내열 그라우트재.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 무수축 내열 그라우트재는 구조물의 표면에 코팅 또는 피복하는 것을 특징으로 하는 무수축 내열 그라우트재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 무수축 내열 그라우트재는 용기의 표면에 피복하여 내열용기를 형성하는 것을 특징으로 하는 무수축 내열 그라우트재.
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