KR102259809B1

KR102259809B1 - 고 황산염 시멘트 및 이를 이용한 콘크리트 보수 모르타르 및 그 시공 방법

Info

Publication number: KR102259809B1
Application number: KR1020200138874A
Authority: KR
Inventors: 공병하
Original assignee: 공병하
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-06-02

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 고 황산염 시멘트는, 고로슬래그 60 ~ 95 중량% 및 라바스톤 분말 5 ~ 40 중량%를 혼합한 알루미노실리케이트 결합재 76 ~ 86중량%, 무수 황산나트륨 5 ~ 15중량%, 소석회 4~6중량%, 시멘트 1 ~ 2중량%, 및 활성화제 1~3중량%를 함유하는 것을 특징으로 한다.

Description

고 황산염 시멘트 및 이를 이용한 콘크리트 보수 모르타르 및 그 시공 방법{High sulfate cement and concrete repair mortar using the same, and its construction method}

본 발명은 고 황산염 보수 모르타르 및 이를 이용한 시공 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고로슬래그와 천연 화산암 및 황산염 활성화제를 이용하여 황산염에 의한 손상된 콘크리트 단면을 보수하기 용이한 고 황산염 보수 모르타르 및 이를 이용한 시공 방법에 관한 것이다.

시멘트를 사용한 콘크리트 구조물은 일정 시간이 경과하게 되면 여러 가지 열화 요인에 의하여 그 성능이 저하된다. 콘크리트 구조물의 성능이 저하되면 이는 곧 안전과 밀접한 관계가 있어 콘크리트 구조물을 철거하여 재시공하거나 보수·보강을 하는 두 가지 중 하나를 선택하여 한다.

콘크리트 구조물의 보수 방법은 콘크리트 구조체의 손상 정도에 따라 손상 부위를 일정 부분 제거한 후 보수 모르타르 등으로 보수하는 것이다.

콘크리트의 열화 요인은 매우 다양하며, 산이나 염의 침식, 중성화 촉진, 동결 융해 등 다양한 요인이 있다.

황산염에 노출된 콘크리트가 황산염 공격을 받으면 지표면 위에서 표면이 부식되는 손상을 받게 된다. 이러한 종류의 손상은 화학적 황산염에 의한 침해로 생각하여 종종 무시되어 왔다.

또한, 황산염 공격 하에서 콘크리트의 성능을 평가하는 현재의 표준은 황산염 공격의 화학적 측면만을 다루고 있다. 이러한 정보 부족은 물리적 황산염 공격으로 인한 콘크리트 열화 메커니즘에 대한 혼란과 모순된 견해로 이어졌다.

물리적 황산염 공격에 취약한 환경에 노출 콘크리트의 성능은 사용된 시멘트에 의한 효과, 물-물-바인더(w/b) 비율, 물리적 황산염 공격에 노출된 콘크리트의 성능에 대한 다양한 경화 조건이 연구되었다. 또한, 콘크리트에 대한 물리적 황산염 공격을 완화하는 다양한 표면 처리 물질의 효과를 탐구하기도 했다.

특히, 고 황산염 시멘트 같은 알칼리 활성화 슬래그 시멘트는 고로슬래그의 미세함과 성질, 활성 반응제의 성질, 활성 반응제의 사용량, 양생 온도 등에 영향을 받는다.

이러한 시멘트의 물리적 특성은 알칼리 활성제에 따라 달라진다. 사용되는 활성제는 종류에 따라 용액 및 고체 분말로 분류될 수 있다. 현재에는 주로 수산화나트륨(NaOH), 규산염(Na₂SiO₃) 또는 탄산나트륨(Na₂CO₃)이 단일 혹은 복합 활성제로 사용되고 있다.

포틀랜드 시멘트에 대한 연구에 의하면, 황산나트륨(Na₂SO₄)및 황산마그네슘 (MgSO₄)은 황산 침지 실험에 주로 사용되고 있다. 이러한 황산염은 일반 포틀랜드 시멘트의 악화를 일으키는 중요한 요인으로 알려져 있다.

황산염이 콘크리트나 모르타르에 침투하면 콘크리트 내 시멘트의 C-S-H와 결합하여 콘크리트나 모르타르를 구성하는 페이스트를 파괴하기 시작한다. 이후 황산염이 건조하게 되면 에트링자이트라고 불리는 새로운 결정을 형성하게 된다. 이 새로운 결정체는 연속된 침상 구조로 페이스트의 균열을 발생시키고 이후 콘크리트나 모르타르에 구조적 손상을 일으키게 된다.

황산염의 침투는 두 가지 원인으로 시멘트 제조 시 첨가되는 석고, 석고 성분을 함유한 골재 사용, 황산염을 가지고 있는 유동화 사용 등 내부적인 요인과 많은 황산염 성분을 가지고 있는 토양, 지하수 산업 폐용수 및 해수 같은 외부적인 요인으로 구분되는데, 외부적 요인이 더 일반적이다. 이러한 황산염과 접촉하는 콘크리트 구조물의 내 황산염 성능을 증가시키기 위하여 많은 보수용 모르타르가 개발되고 있으나 현존하는 대부분의 콘크리트 보수용 모르타르는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하여 제조되고 있어서 이러한 시멘트는 C-S-H 가 풍부하여 황산염에 약하다. 황산염에 의해 콘크리트의 침식은 황산염에 의해 시멘트 경화체에 에트링자이트 (3CaO.Al₂O₃.3CaSO₄.3H₂O) 를 생성시키고 이 팽창성 에트링자이트가 균열을 발생시키기 때문이다. 이후 형성되는 이수석고의 생성으로 콘크리트 구조체의 강도가 약해지고 내구성이 저하된다.

콘크리트에 대한 황산염 침투에 의한 열화 진행은 칼슘이온과 황산염이 시멘트 수화 반응 중에 유리하여 이수석고(CaSO₄.2H₂O)를 생성하게 되며, 이 이수석고는 수용성이기 때문에 용출하여 다공성 조직을 형성하게 된다. 또 황산염 이온과 수산화칼슘알루민산염이 반응하여 에트링자이트를 생성하게 된다. 그러나 이러한 현상은 시멘트가 경화된 이후에도 콘크리트 내부에 혼재되어 있는 황산염이나 지하수나 해수 중에 포함되어 있는 황산염과 반응하게 되면 다시 팽창 결정체인 에트링자이트를 형성하게 된다. 콘크리트가 양생된 이후 발생되는 후기 에트링자이트(DEF, delayed ettringite formation)라고 부르는데 이 DEF 결정체의 특성인 팽창성 결정구조 때문에 콘크리트가 경화된 이후에 철근 콘크리트 표면에 망상형의 균열을 일으킨다.

황산염의 접촉은 콘크리트 열화와 직접 연관되어 접촉을 차단하기 위한 여러 가지 방법이 고안되었다. 그 방법 중 하나가 시멘트 내 알루민산염을 감소시키려는 시도가 있으며 시멘트의 사용량을 줄이고 대체 재료로 교체하는 방법이 고안되었다.

고로슬래그나 플라이 애시 같은 포졸란을 시멘트의 일부 대체하여 사용하는 방법은 이미 오래전부터 알려졌다.

대한민국 등록 특허 10-107541에는 슬래그 분말, 석고, 석회에 황산반토 및 리튬 카보네이트를 함유하는 것을 특징으로 한 고 황산염 금속시멘트를 제안하였으나 사용된 황산반토, 즉 알루미늄 설페이트로 (Al₂(SO₄)₃) 화학 조성이 모르타르 성분 중 시멘트와 반응하여 에트링자이트를 형성하기 쉬운 구조를 갖는 단점이 있다.

대한민국 등록 특허 10-1709240에는 시멘트 바인더 100중량부에 고로슬래그와 플라이 애시를 혼합한 혼화재 5~40중량부를 혼합한 혼합시멘트 100중량부에 20~50중량부의 잔골재와 CSA계 팽창재, 석고 등을 첨가하였으며 여기에 메타카올린, 활성고령토, 벤토나이트 중 1종 이상을 첨가하여 만든 모르타르로 시멘트와 고로슬래그의 혼합 비율이 일반적인 내 황산염 저항성을 갖는 모르타르로 황산염에 대한 저항성 및 산에 대한 저항성이 다소 다르게 나타난다.

보수용 모르타르의 원료로서 알칼리도가 낮은 칼슘 알루미네이트 시멘트 및 내 황산염성 향상 시키기 위해 KSL 5201 포틀랜드 시멘트 항목 중 5종 시멘트를 사용해야 하는데 국내에서는 5종 시멘트 생산이 미미하여 이를 대체하고자 1종 시멘트의 일부를 슬래그 분말과 플라이 애시를 혼합한 블렌드시멘트(blend cement)를 사용하고 있다.

한편 국내 제철소에서 생산되고 있는 고로 수쇄 슬래그에는 알루미나(Al2O3)의 함량이 약 11 ~ 14중량%이나 화학 조성의 관리가 부족하여 단독으로 고 황산염 시멘트를 제조하기에 부적당하며, 이러한 이유로 국내 제철소에서 생산되고 있는 고로 수쇄 슬래그를 사용하고자 할 경우에는 안정된 알루미나(Al2O3)를 공급할 수 있는 수단이 강구될 필요가 있다.

대한민국 등록 특허 10-107541호 (2011년 10월 19일) 대한민국 등록 특허 10-1709240호 (2017년 02월 23일) 대한민국 등록 특허 10-1923383호 (2019년 02월 22일)

본 발명은 철근 콘크리트가 황산에 노출되어 손상을 입을 경우 그 손상부위의 보수가 용이한 모르타르를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 국내 고로슬래그 품질의 불안정성을 극복하여 균일하고 안정적인 품질과 성능을 갖는 고 황산염 보수 모르타르를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 활성화제는 무수 황산마그네슘, 수산화 마그네슘 및 바륨하이드록사이드 모노 하이레이트를 하나 이상 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 수축 보상제 2~3 중량%를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 수축 보상제는 600 ~ 900℃로 소성된 산화 마그네슘일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고 황산염 콘크리트 보수용 모르타르는

고로슬래그 60 ~ 95 중량% 및 라바스톤 분말 5 ~ 40 중량%를 혼합한 알루미노실리케이트 결합재 76 ~ 86중량%, 무수 황산나트륨 5 ~ 15중량%, 소석회 4~6중량%, 시멘트 1 ~ 2중량%, 및 활성화제 1~3중량%를 함유하는 고 황산염시멘트 44 ~ 55 중량%, 규사 35 ~ 55 중량%, 재분산성 아크릴 수지분말 1 ~ 3중량%, 및 수축 보상제로 산화마그네슘(hard-burned magnesium oxide) 3 ~ 5중량%를 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 고 황산염 콘크리트 보수용 모르타르는 보강섬유 0.1 내지 0.3 중량% 이하 및 소포제 0.1 내지 1중량%를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고 황산염 보수 모르타르 시공 방법은 보수 부위의 이물질을 제거하는 단계; 이물질이 제거된 보수 부위면을 수직으로 절단하는 단계; 절단된 부분에 고 황산염 콘크리트 보수용 모르타르를 보충하는 단계; 양생하는 단계를 포함하고, 상기 고 황산염 콘크리트 보수용 모르타르는 청구항 1의 고 황산염시멘트 44 ~ 55 중량%, 규사 35 ~ 55 중량%, 보강섬유(폴리프로필렌 섬유) 0.1 ~ 0.3 중량%, 소포제 0.1~ 1중량%, 재분산성 아크릴 수지분말 1 ~ 3중량%, 및 수축 보상제로 산화마그네슘(hard-burned magnesium oxide) 3 ~ 5중량%를 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 과 황산염 폴리머 보수 몰탈 조성물은 보수에 필요한 강도 이상을 발현하며 황산염은 물론 5% H₂SO₄ 에 침적한 결과 일반 1종 보통 시멘트를 사용한 보수 모르타르와 비교하여 우수한 결과를 보였다. 이러한 보수 모르타르는 터널 및 암거와 같은 지하 구조물의 보수 및, 해안 구조 등의 황산염에 노출되어 손상 입은 철근 콘크리트 구조물의 열화된 부분의 보수에 사용하여 콘크리트 보수 후 황산염에 후속적으로 훼손되는 것을 감소시키기 위해 사용될 것이며 내산 특성으로 인해 폐수 처리장 같은 화학 성분이 높은 지역의 보수에도 적합하다.

도 1은 본 발명에 따른 일반 모르타르와 본 발명에 따른 고 황산염 모르타르를 비교한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고 황산염 모르타르의 보수 방법을 나타낸 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면 본 발명의 실시예에 대해 상세히 살펴본다.

본 발명의 실시예에 따른 고 황산염 시멘트는 고로슬래그 60 ~ 95 중량% 및 라바스톤 분말 5 ~ 40 중량%를 혼합한 알루미노실리케이트 결합재 76 ~ 86 중량%, 무수 황산나트륨 5 ~ 15중량%, 소석회 4 ~ 6 중량%, 시멘트 1 ~ 2 중량%, 및 활성화제 1 ~ 3중량%를 포함할 수 있다.

고 황산염 시멘트 제조를 위하여 사용되는 슬래그는 반드시 알루미나(Al₂O₃)의 함량이 13중량% 이상 이어야 하며 염기도가 1.6이상이어야 한다.

상기 알루미노 실리케이트 결합재는 76 내지 86 중량%의 범위 내에서 유지되는 것이 바람직하다. 상기 결합재가 76 중량% 미만의 경우 응결 시간이 늦어지고 강도가 저하되며 86 중량%를 초과하는 경우 응결시간이 응결시간이 빠르고 강도 발현이 빠르나 작업 시간에 필요한 적절한 시간보다 짧아져 작업에 어려움이 있다.

본 발명에서 사용하는 알루미노 실리케이트 재원의 화학 조성(%)은 아래 표 1과 같다.

[표1]

고로슬래그와 라바스톤은 모두 일종 시멘트보다 알루미나(Al₂O₃) 함량이 높아 고 황산염 시멘트를 만들기에 적합하다. 하지만, 라바스톤 분말은 비록 알루미나(Al₂O₃) 함량은 만족하나 염기도가 부족하다.

상기 고로슬래는 KSF 2635에 따라 분류된 고로슬래그 미분말 1종일 수 있다.

국내에서 공급되는 고로슬래그는 고 황산염 시멘트 제조에 적합한 알루미나 함량 및 염기도를 만족하지만, 고로슬래그의 종류(1종~3종)에 따라 알루미나의 함량이 일정하지 않다. 국내 고로슬래그는 KS F 2563에 규정되어 있는데, 품질 규정에 알루미나 함량에 대한 규정이 없어, 알루미나에 대한 품질 관리가 어렵다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 고로슬래그 분말의 알루미나 함량의 변동에 대비하여 보다 많은 알루미나 함량을 가진 라바스톤 분말로 일부 대체하였다.

아래 표 2는 라바스톤과 고로슬래그의 혼합 비율에 따른 알루미나 함량 및 염기도를 나타낸 것이다. 혼합비율(%)은 라바스톤 : 고로슬래그의 비율이다.

[표2]

표 2를 참조하면, 라바스톤의 혼합 비율이 증가할수록 알루미나(Al₂O₃)함량이 증가하나 염기도는 감소하는 것을 확인할 수 있다.

고로슬래그 분말은 60 내지 95 중량% 범위에서 사용될 수 있다. 슬래그 분말을 60% 미만으로 사용하면 알루미나 함량은 높아지나 염기도가 떨어지고, 슬래그 분말이 95 중량%를 초과하면 염기도는 만족하지만 알루미나 함량 관리가 불안해진다.

라바스톤 분말은 5 내지 40 중량% 범위 내에서 사용될 수 있다. 라바스톤 분말을 5중량% 미만을 사용하면 염기도는 만족하나 알루미나 함량 관리가 불안하고 40중량%를 초과하면 알루미나 함량 관리는 좋아지지만 염기도가 떨어진다. 따라서 위 범위 내에서 유지하는 것이 중요하다.

상기 알루미노 실리케이트 결합재는 고 황산염 시멘트를 만들 때 사용량이 높을수록 염화물 확산 계수가 낮게 나타나고 구조물이 치밀하여서 수분침투 저항성이 높아진다.

일종시멘트는 시멘트 페이스트의 pH를 상승시켜 수화 과정 중 알루미나 성분의 용해를 향상시킬 수 있다.

수화 반응 향상 및 응결 시간 조절을 위해 활성화제가 사용되었다. 알루미노 실리케이트는 잠재 수경성을 가지므로 활성화제를 사용함으로써 수화반응을 향상시킬 수 있다.

활성화제는 가성 알칼리 계열(MOH), 비규산계 약산염(M₂CO₃, M₂S, MF), 규산염 (M₂O(n)SiO₂) 등이 많이 사용되고 있으며, 수산화나트륨(NaOH)과 규산나트륨(Na₂SiO₃)은 다른 활성화제에 비하여 우수한 것으로 보고되고 있다 이러한 활성화제는 슬래그 등 알루미노 실리케이트에 수산화 이온이 흡착되면 유리구조를 파괴하여 이산화규소(SiO₂₎, 알루미나(Al₂O₃), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO)의 용출을 촉진시키기 때문에 액상중에 각 이온의 농도가 높아져 수경성이 나타난다.

본 발명의 실시예서, 상기 활성화제는 황산마그네슘(MgSO4), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂), 그리고 바륨 하이드록사이드 모노하이드레이트((barium hydroxide monohydrate, Ba(OH)₂·H₂O) 중 하나 이상을 사용할 수 있다.

상기 활성화제는 1 내지 3 중량%의 범위 내에서 사용될 수 있다.

상기 황산마그네슘 및 수산화마그네슘 사용은 2 중량%를 초과하지 않아야 하는데 초과할 경우 응결이 빠르게 진행되나 강도가 저하되는 문제점이 있다.

수산화 바륨 모노하이드레이트는 1중량% 미만일 경우 응결은 늦어지고 강도 발현이 늦어지며 2중량%를 초과 할 경우 빠른 응결로 작업성이 저하되나 초기 강도는 증가한다.

상기 무수 황산나트륨은 5 내지 15 중량% 범위 내에서 사용될 수 있다. 상기 무수 황산나트륨 사용량이 5 중량% 미만일 경우에는 슬래그 분말 중 알루미네이트와 반응하여 칼슘설포알루미네이트를 형성이 낮아지며 초기 경화가 늦어지며 15 중량%를 초과하면 경화체의 부피가 증가하고 강도가 감소한다.

상기 소석회는 4 내지 6 중량% 범위 내에서 사용될 수 있다. 상기 소석회의 사용량이 4 중량% 미만일 경우, 고 황산염시멘트의 pH가 낮아져 알루미나 용해 촉진이 낮아져 초기 응결이 늦어지며 6 중량%를 초과할 경우 빠른 응결로 인해 작업성이 저하된다.

상기 시멘트는 1종 시멘트일 수 있으며, 상기 시멘트의 사용량이 1 중량% 미만일 경우, 고 황산염 시멘트의 pH가 낮아져 알루미나 용해촉진이 낮아져 초기 응결이 늦어지며 2중량%를 초과할 경우 빠른 응결로 작업성이 저하된다.

이하에서는 상기와 같은 고 황산염 시멘트에 대한 물성 시험 결과를 살펴보도록 한다.

물성 시험

1) 시험 항목

- 응결 시간

- 압축 강도

- 플로 (Flow)

- 내산성

2) 시험 방법

가) 시멘트 반죽 조제

① 시멘트 /모르타르 시험량인 2kg을 계량한다.

② 표준반죽질기를 얻기에 적당한 물의 양을 재어 혼합용 용기에 넣는다.

(시멘트 배합은 w/b = 28%. 모르타르는 w/b = 0.18 로 하여 혼합하였다)

③ 시편을 물에 넣고 물을 흡수하도록 30초간 둔다. 혼합기를 사용하여 제1속으로 30초 혼합한다.

④ 혼합기를 정지하고 15초 동안 멈추고 모르타를 긁어 모은다.

⑤ 혼합기를 제 2속으로 바꾸어 60초 동안 혼합한다.

나) 응결 시험

① 반죽된 시편을 원뿔형 링의 큰 쪽으로 밀어 넣고, 링을 반죽으로 완전히 채운다. 큰 쪽 끝에 있는 여분의 시멘트 반죽을 손바닥으로 한 번에 떼어 낸다.

② 링의 큰 쪽 끝을 밑으로 하여 유리판 위에 놓고, 작은 쪽 끝에 있는 여분의 반죽은 링의 윗면에 대해서 조금 기울여 잡은 예리한 흙손 날로 한번에 경사지게 문질러 링 윗부분을 잘라낸다. 필요하다면 흙손의 뾰족한 끝을 몇 번 가볍게 대 어 위 면을 매끄럽게 한다.

③ 비카트 장비를 이용하여 응결 시간을 측정한다.

다) 압축강도

① 반죽된 시편을 크기 4x4x16cm 몰드 깊이 1/2 정도 붓고 다짐봉으로 다진다.

② 몰드를 흔들어 수평을 맞춘다.

③ 다시 나머지 깊이 1/2를 시편을 붓고 다짐봉으로 다진다.

④ 흙손이나 헤라를 이용하여 수평을 맞춘다.

⑤ 24시간 대기 양생 후 약 20~25℃유지하는 수조에서 양생시킨다.

⑥ 압축강도 측정기를 이용하여 강도 측정한다.

라) 플로시험

① KSF2476 규정의 플로우 테이블을 사용한다.

② 혼합한 모르타르를 건조한 천으로 잘 닦은 플로 테이블 위의 중앙 위치에 놓는다

③ 플로콘 높이 1/2 정도 채운 후 다짐봉으로 15회 다진다.

④ 나머지 플로콘 1/2 을 채운 후 표면을 고르게 한다.

⑥ 플로콘을 수직으로 들어 제거한다.

⑥ 10초 동안 5회 낙하 운동을 하여 모르타르가 펴지게 한다.

⑦ 최대라고 생각하는 부위와 이것에 직각인 부위의 직경을 측정하여 평균값으로 한다.

마) 내산 시험

① 모르타르를 일정한 크기로 만들어 대기 중에 7일간 양생시킨 후 무게를 측정하였다.

② 황산 5% 용액을 만들어 용기에 담고 양생이 끝난 모르타르를 황산 5%용액에 침적시켜 모르타르 표면의 변화를 육안으로 측정하였다.

③ 5% 황산용액은 24시간마다 교체하였다.

④ 침적 7일 후 모르타르 시편을 꺼내 드라이 오븐에서 건조시킨 후 무게를 측정하였다.

3) 시험 절차

표 2의 시료 중 1번, 3번, 5번 시료를 선택하고, 석회와 일반 시멘트, 황산마그네슘 및 알루미늄 하이드록사이드 함량을 고정시켜 무수 황산나트륨 변화에 따른 물성 변화를 측정하였다.

아래 표 3은 무수 황산나트륨 변화에 따른 물성 변화를 나타낸 것이다.

[표 3]

표 3에서, 결합재, 무수황산나트륨, 소석회, 1종 시멘트, 활성화제1 및 활성화제2의 단위는 중량%이다. 응결의 단위는 분이며 압축 강도는 단위 면적당 가해지는 압축하중을 의미한다.

활성화제1은 황산마그네슘과 수산화마그네슘이고, 활성화제2는 바륨 하이드록사이드 모노하이드레이트이다.

표 3을 참조하면, 무수 황산나트륨의 양이 증가할수록 고 황산염 시멘트의 응결속도는 빠르게 진행하였으며 초기 강도도 높게 발현되었으나 후기 강도는 무수 황산나트륨이 10 중량% 일때 가장 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

따라서 무수 황산나트륨을 10 중량%로 고정하고, 소석회 함량을 변화시키면서 물성변화를 시험하였다. 아래 표 4는 무수 황산나트륨이 10 중량 %인 시료1-1을 선택하고, 소석회 함량을 변화시켜 물성 변화를 시험한 결과를 나타낸 것이다.

[표 4]

위 시료를 각각 테스트하기 위해 아래와 같은 조건으로 물성시험을 하였다.

표 4에서, 결합재, 무수황산나트륨, 소석회, 1종 시멘트, 활성화제1 및 활성화제2의 단위는 중량%이다.

표 4를 참조하면, 소석회 양이 증가할수록 응결 시간이 빠르고 초기 강도가 증가하였다. 그러나 후기 강도 발현에는 큰 영향을 주지 못하였다.

표 4의 배합 중 후기 강도가 가장 높은 1-1-1 배합을 선택하고, 활성제 1,2 함량을 변화시켜 물성 변화를 시험하였다.

아래 표 5는 소석회 비중을 5 중량%로 고정하고, 활성화제 1, 2의 함량을 변화시키면서 물성 변화를 시험한 결과를 나타낸 것이다.

[표 5]

표 5를 참조하면, 활성화제의 양이 증가할수록 응결 시간이 빠르고 초기 강도가 증가할 뿐만 아니라 후기 강도도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 시료 1-1-1-5에서 초기 강도 및 후기 강도가 가장 강하다.

아래 표 6은 내산 시험 결과를 나타낸 것이다. 고 황산염 시멘트와 일반 시멘트를 선택하여 규사와 1:2로 배합한 후 침식율을 시험한 결과를 나타낸 것이다.

[표 6]

표 6을 참조하면, 고 황산염 시멘트를 이용하여 만든 시편이 일반 시멘트를 사용하여 만든 시편에 비해 무게 변화가 작고, 침식율이 적은 것을 확인할 수 있다. '수화물 중 C3A가 물과 황산을 만나 급격히 이수 석고나 에트링자이트를 형성하면서 시편의 표면에서부터 떨어져 나간 것으로 추정된다.

상기와 같은 고 황산염 시멘트에 규사 외 다른 성분을 첨가물을 추가하여 고 황산염 보수 모르타르를 제조할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 고 황산염 보수 모르타르 조성물은 고 황산염 시멘트 44 내지 55 중량%, 규사 35 내지 55 중량%, 재분산 폴리머 1~3 중량%, 산화마그네슘 3 내지 5 중량%를 포함할 수 있다. 그리고 보강 섬유 0.1 ~ 0.3 중량% 이하 및 소포제 0.1 ~ 1 중량% 이하를 더 포함할 수 있다.

상기 고 황산염 시멘트의 사용량이 44 중량% 미만일 경우 모르타르의 강도가 저하되며 55 중량%를 초과할 경우 모르타르의 강도는 상승하나 모르타르의 점력이 증가하여 작업성이 저하된다.

상기 규사는 사용량이 35 중량% 이하일 경우 모르타르의 점력이 증가하여 작업성이 떨어져 물의 사용량이 증가한다. 따라서 모르타르 강도저하의 요인이 될 수 있다. 규사 사용량이 55 중량%를 초과할 경우 모르타르의 점력이 저하되어 분사가 어려워진다.

상기 재분산 폴리머는 점착력 및 유동성 증가를 위한 것으로, 폴리머의 사용량이 1 중량% 미만이면 점착력이 약해지고, 3 중량%를 초과하면 모르타르에 점착력이 증가하여 분사할 때 작업 저하를 가져오며 제조단가가 상승한다.

상기 산화마그네슘((Hard-burned Magnesium oxide)은 수축 보상을 위해 사용되는 첨가제로, 사용량이 3 중량% 미만일 경우 수축되어 균열이 발생할 수 있고, 사용량이 5 중량%를 초과하게 되면 모르타르의 강도가 저하되고 균열일 발생할 수 있다.

상기 보강섬유는 0.3 중량%를 초과하면 모르타르를 조제할 때 혼합 및 포장에 어려움을 가져올 수 있다. 보강섬유를 사용하지 않을 경우 모르타르의 레올로지 및 건조후 균열을 발생할 수 있다.

상기 소포제의 사용량이 1 중량%를 초과하면 모르타르 내 기포가 상승하여 강도가 저하되며 뿜칠 작업에 영향을 줄 수 있다. 소포제를 사용하지 않을 경우 모르타르에 잔존하는 기포로 인해 강도가 저하되며 모르타르 분사 속도가 저하된다.

마지막으로, 표 5에서 압축강도가 가장 좋은 시료 1-1-1-5를 선정하여 규사 등을 다양한 비율로 추가하여 고 황산염 보수 모르타르를 제조하였다.

표 7은 본 발명의 실시예에 따른 고 황산염 보수 모르타르의 시험 결과를 나타낸 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 모르타르는 앞서 살펴본 바와 같이, 고 황산염 시멘트는 44 내지 55 중량%인 것이 바람직하다. 표 7에서 실시예 1내지 실시예 4는 고 황산염 시멘트의 농도가 위 범위 이내에서 실험한 것이고, 비교예 1내지 비교예3은 위 범위를 벗어나 시험한 것이다. 물결합재비(W/B ratio)는 대략 19%이다.

아래 표 7에서 재유화는 분말상태의 폴리머가 물과 만나서 용해되는 것을 의미하고, 플로는 모르타르의 퍼짐성을 나타낸다.

[표 7]

본 개발에서 사용된 재료는 KSF 2563에 따라 분류된 고로슬래그 미분말 1종을 사용하였으며 활성화제로서 무수 황산마그네슘 및 수산화 마그네슘 그리고 수산화 바륨 모노하이드레이트를 이용하였다. 일반 골재로는 등급화된 규사를 사용하였으며, 접착 성능의 개선 및 몰탈 자체의 점착력 증가 및 유동성(Rheology)증가를 위하여 폴리머를 첨가하였으며 폴리머는 재분산성 아크릴분말 수지를 사용하였다. 모르타르의 균열을 막기 위하여 보강 화이버를 첨가하였으며 소성균열(Plastic crack)을 감소시키기 위해 산화마그네슘(Hard-burned magnesium oxide)를 사용하였다.

표 7을 참조하면, 본 발명의 실시예가 비교예에 비해 응결시간이 길어 작업 시간 확보에 유리하며, 압축강도가 월등히 뛰어남을 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일반 모르타르와 본 발명에 따른 고 황산염 모르타르를 비교한 것으로. 5% 황상 용액에 28일 동안 침적하여 시험한 것이다.

도 1을 참조하면, 일반 모르타르에 비해 고 황산염 모르타르가 황산에 더 저항성을 가진 것을 확인할 수 있다.

그리고, 황산염이나 산에 의해 손상된 콘크리트 보수 방법은 일반 시멘트를 이용한 보수 모르타르와 다소 다르다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고 황산염 보수 방법을 나타낸 것이다.

고 황산염 모르타르 보수 방법은 보수면을 절단하는 단계(S1), 보수면 1차 청소 단계(S2), 보수면 2차 청소 및 수분 공급 단계(S3), 고 황산염 모르타르 충진 단계(S4), 및 양생 단계(S5)를 포함한다.

보수면 절단 단계(S1)시에는 먼저 고압수로 세척하고 보수면의 상태를 확인하고 보수면을 절단한다. 이때 보수면은 최소 10cm 이상 수직으로 절단하여야 한다. 그리고 절단 측면은 둥글게 하는 것이 바람직하다.

모든 열화되거나 손상된 콘크리트는 보수 작업 전에 모두 제거해야 하는데, 필요에 따라 치핑 해머(Chipping hammer), 숏 블라스팅(shot blasting), 샌드 블라스팅(sand blasting), 스크래블러(scabbler) 등을 이용하여 제거할 수 있다.

콘크리트 제거 시 노출된 철근 부위를 보수 보강하려면 특별한 처리가 필요하다. 일반적으로 철근 둘레의 3분의 1 이상이 노출되면 콘크리트를 철근 주변에서 완전히 제거해야 한다. 콘크리트 제거 중에 보강 강철이 노출되는 경우 보강 강철을 완전히 노출시키는 것이 가장 좋다. 하중을 받을 수 있는 콘크리트 보수의 경우, 손상이 작더라도 보강 철근 주변을 제거하는 것이 적절할 수 있다. 보강 철근 하에서 파쇄 깊이는 적어도 보수 재료의 골재 최대 크기와 같게 해야 한다. 일반적으로 최소 25mm 정도 깊이로 파쇄하는 것이 좋다.

철근(re-bar)이 부식된 경우에는 완전히 노출시켜야 한다. 또한, 주변의 모든 콘크리트를 제거해야 한다. 철근 부식이 염화물 오염의 결과인 경우, 주변의 오염된 콘크리트가 제거되지 않으면, 새로 타설한 보수모르타르와 오래된 콘크리트의 교차점 근처에서 강철의 부식이 가속화될 가능성이 있다.

보수면 1청소 단계(S2)에서는 콘크리트 제거 과정에서 취약한 부분이나 미세하게 떨어진 부분을 고압수를 이용하여 제거한다. 그리고 작업 부위는 보수 작업이 이루어질 때까지 깨끗하게 보관하고 손상으로부터 보호해야 한다. 하절기에는 그늘을 제공하여 급속한 수분 공급이나 경화를 줄일 수 있다. 동절기 조건이 존재하는 경우, 수리 지역이 눈이나 얼음으로 덮여지지 않도록 충분한 단열 및 / 또는 열을 제공하기 위해 조치를 취해야 한다.

보수면 2차 청소 및 수분 공급 단계에서는 보수 자재를 사용하기 48시간 전에 저압 워트 제트를 사용하여 결합을 손상시키는 모든 재료를 제거하고 보수면에 충분한 수분을 공급한다. 모든 보수 표면을 철저히 씻어 청결하게 한다 (최대 5,000 psi water jet 사용). 이때 콘크리트 표면의 수분 조건이 보수 재료 요구 사항을 충족하는지 확인하고, 잉여수는 제거해야 한다.

그리고 콘크리트 내부에 알칼리 함량의 저하가 우려될 경우 알칼리 회복제를 철근 주변을 뿌려준다.

상기 고 황산염 모르타르 충진 단계(S4)에서는 고 황산염 콘크리트 보수재를 손상된 콘크리트 면에 충진하여 손상된 부분을 보수한다. 고 황상염 코르리트 보수재는 앞서 살펴본 표 7의 모르타르가 사용될 수 있다.

마지막으로, 양생단계(S5)에서는 양생제를 도포하거나 양생포를 덮어 양생할 수 있다.

상기와 같은 방법에 의해 고황산염 콘크리트를 보수할 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

고로슬래그 95 중량% 및 라바스톤 분말 5 중량%를 혼합한 알루미노실리케이트 결합재 80중량%, 무수 황산나트륨 10 중량%, 소석회 5 중량%, 시멘트 2 중량%, 및 활성화제 3중량%를 함유하고,
상기 활성화제는 무수 황산마그네슘 및 수산화 마그네슘 1 중량%, 바륨하이드록사이드 모노 하이레이트 2 중량%를 포함하는 고 황산염 시멘트.
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청구항 1의 고 황산염시멘트 44 ~ 55 중량%, 규사 35 ~ 51 중량%, 재분산성 아크릴 수지분말 1 ~ 3중량%, 및 수축 보상제로 산화마그네슘(hard-burned magnesium oxide) 3 ~ 5중량%를 함유하는 고 황산염 콘크리트 보수용 모르타르 조성물.
제5항에 있어서, 보강섬유 0.1 내지 0.3 중량% 이하 및 소포제 0.1 내지 1중량%를 더 포함하는 고 황산염 콘크리트 보수용 모르타르 조성물.
보수 부위의 이물질을 제거하는 단계;
이물질이 제거된 보수 부위면을 수직으로 절단하는 단계;
절단된 부분에 고 황산염 콘크리트 보수용 모르타르를 보충하는 단계; 및
양생하는 단계를 포함하고,
상기 고 황산염 콘크리트 보수용 모르타르는 청구항 1의 고 황산염시멘트 44 ~ 55 중량%, 규사 35 ~ 51 중량%, 보강섬유 0.1 ~ 0.3 중량%, 소포제 0.1~ 1중량%, 재분산성 아크릴 수지분말 1 ~ 3중량%, 및 수축 보상제로 산화마그네슘(hard-burned magnesium oxide) 3 ~ 5중량%를 함유하는 고 황산염 보수 모르타르 시공 방법.