KR102265922B1 - 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물 및 이를 이용한 단면보수공법 - Google Patents

콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물 및 이를 이용한 단면보수공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포틀랜드 시멘트, 혼화재로 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그, 결정격자형 점토광물 및 비결정질광물의 혼합광물을 포함하고, 혼화제로 폐유리분말과 굴패각분말의 혼합분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물 및 이를 이용한 단면보수공법을 제공한다.

Description

콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물 및 이를 이용한 단면보수공법{Cement Composition for Concrete Construct Repairing and Concrete Repairing Method Using The Same}
본 발명은 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물 및 이를 이용한 단면보수방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물과 함께 배합하여 보수가 요구되는 구조물(예로, 교각, 교량, 건물 등)을 절삭하고, 평삭작업, 청소 및 및 건조단계를 거친 상태의 단면에 처리하는 것으로 간단하게 보수할 수 있으며, 이에 의하면, 수분침투율이 낮고, 동결융해저항성이 높아 열화 및 균열이 억제되고, 압축강도, 휨강도가 우수함과 동시에 내구성이 커 수명이 오래가고 유지보수가 간단하면서도 이에 소요되는 비용을 크게 절감할 수 있는 콘크리트 단면보수용 시멘트조성물 및 이를 이용한 단면보수공법에 관한 것이다.
콘크리트는 지구상에서 가장 널리 사용되고 있는 재료로, 토목 및 건축, 플랜트에 이르기까지 대부분의 구조물은 콘크리트를 사용하여 건설되고 있다. 콘크리트는 타설이나 성형 후 일정 기간이 지나면 그 성능이 점차 저하하고 노후화된다. 특히 콘크리트에 균열(crack)이 발생하면 콘크리트 내부에 유해한 외기나 수분, 화학 성분이 침투하여 콘크리트의 성능저하가 더욱 촉진된다. 나아가 콘크리트 내부에 침투한 수분, 염화물 이온 등에 의해 콘크리트 구조물 내부의 철근에 부식이 발생하여 추가적인 균열이 발생하거나 콘크리트가 탈락하는 현상이 일어나고, 또한 철근 부식에 의해 철근단면이 감소하여 성능이 저하됨으로써 종국에는 구조물이 붕괴하는 정도까지 이를 수 있다.
콘크리트 구조물에 손상이 있으면 콘크리트 구조물의 성능이 설계 연수에 미치지 못하므로, 콘크리트 구조물의 시공시 균열을 제어할 수 있는 방법이나 균열 내지 열화가 발생한 경우 보수 및 복구방법이 제안되고 있다. 균열제어방법은 균열발생을 저감할 수 있는 각종 섬유를 콘크리트에 혼입하여 타설하거나 와이어매시(Wire mesh)를 콘크리트 구조물 내부에 설치하는 방법이고, 보수 및 복구방법은 균열부나 열화부에 특정한 성분의 혼입으로 물리성능 및 내구성, 작업성 등이 다소 향상된 시멘트계 보수재료를 바르는 방법이다.
그런데 기존의 균열제어기술은 콘크리트 구조물에 발생하는 균열을 완벽히 방지하지 못하므로 추가적인 보수가 필요하여 근본적인 대책이 될 수 없었으며, 보수 및 복구방법 또한 보수된 부분에서 추가적인 균열이 쉽게 발생하여 지속적인 유지관리가 필요한 단점이 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 물과 함께 배합하여 보수가 요구되는 구조물(예로, 교각, 교량, 건물 등)을 절삭하고, 평삭작업, 청소 및 건조단계를 거친 상태의 단면에 처리하는 것으로 간단하게 보수할 수 있으며, 이에 의하면, 수분침투율이 낮고, 동결융해저항성이 높아 열화 및 균열이 억제되고, 압축강도, 휨강도가 우수함과 동시에 내구성이 커 수명이 오래가고 유지보수가 간단하면서도 이에 소요되는 비용을 크게 절감할 수 있는 콘크리트 단면보수용 시멘트조성물 및 이를 이용한 단면보수공법을 제공함에 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.
(1) 포틀랜드 시멘트, 혼화재로 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그, 결정격자형 점토광물 및 비결정질광물의 혼합광물을 포함하고, 혼화제로 폐유리분말과 굴패각분말의 혼합분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물.
(2) 상기 (1)에 있어서, 플라이애쉬, 실리카퓸, 및 고로슬래그는 중량비로 1.0:0.3~0.4:0.5~0.7로 조성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물.
(3) 상기 (2)에 있어서, 혼화제로 폐유리분말과 굴패각분말이 중량비로 1.0:0.1~0.8로 조성된 장기강도증진제 1.0~5.0중량% 첨가된 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물.
(4) 상기 (3)에 있어서, 결정격자형 광물은 할로이사이트, 사포나이트, 바이오타이트 중에서 선택된 적어도 1종의 광물이고, 비결정질광물인 깁사이트, 고타이트 중에서 선택된 적어도 1종의 광물인 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물.
(5) 상기 (3)에 있어서, 결정격자형 광물은 할로이사이트, 사포나이트, 바이오타이트가 중량비로 1.0:0.5~1.0:0.1~0.2로 혼합된 광물이고, 비결정질광물인 깁사이트와 고타이트가 중량비로 1.0:0.2~0.5로 혼합된 광물인 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물.
(6) 상기 (3)에 있어서, 상기 폐유리분말과 굴폐각분말의 분산성을 개선하기 위해 수산화나트륨을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 선택된 어느 하나의 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물을, 절삭되어 평삭작업 및 건조단계가 완료된 건물 내지 구조물의 단면에 포설하는 단계를 포함하는 콘크리트 구조물의 단면보수공법.
상술한 바와 같이 본 발명은 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물은 물과 함께 배합하여 보수가 요구되는 구조물(예로, 교각, 교량, 건물 등)을 절삭하고, 평삭작업, 청소 및 건조단계를 거친 상태의 단면에 처리하는 것으로 간단하게 보수할 수 있으며, 이에 의하면, 수분침투율이 낮고, 동결융해저항성이 높아 열화 및 균열이 억제되고, 압축강도, 휨강도가 우수함과 동시에 내구성이 커 수명이 오래가고 유지보수가 간단하면서도 이에 소요되는 비용을 크게 절감할 수 있는 장점을 제공한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 살펴보기로 한다.
본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물은 포틀랜드 시멘트, 혼화재로 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그, 결정격자형 점토광물 및 비결정질광물의 혼합광물을 포함하고, 혼화제로 폐유리분말과 굴패각분말의 혼합분말을 포함한다.
포틀랜드 시멘트는 바람직하게는 60~80중량%, 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그, 결정격자형 점토광물 및 비결정질광물의 혼합광물을 포함하는 혼화재는 15~35중량%, 폐유리분말과 굴패각분말의 혼합분말을 포함하는 혼화제는 1~5중량% 포함한다.
상기 혼화재는 바람직하게는 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그, 및 혼합광물은 혼화재의 중량대비 각각 40~50중량%, 10~20중량%, 20~30중량%, 및 10~20중량% 포함한다. 상기 혼화재 중 플라이애쉬, 실리카퓸, 및 고로슬래그는 중량비로 1.0:0.3~0.4:0.5~0.7로 조성되고, 보다 바람직하게는 1.0:0.3:0.5이다. 상기와 같은 조건하에 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그를 혼합함으로써 콘크리트의 양생은 최적의 시간동안 일어나면서도 강도는 장기적으로 안정적으로 유지되어지며, 특히 부착강도, 휨강도, 압축강도 등이 개선된다.
상기 혼화재를 구성하는 혼합광물은 결정격자형 점토광물과 비결정질광물이 중량비로 1.0:0.2~1.0이고, 보다 바람직하게는 1.0:1.0으로 한다. 상기 결정격자형 점토광물은 바람직하게는 할로이사이트, 사포나이트, 바이오타이트 중에서 선택된 적어도 1종의 광물이고, 비결정질광물은 바람직하게는 깁사이트, 고타이트 중에서 선택된 적어도 1종의 광물이다.
보다 바람직하게는 상기 혼합광물은, 결정격자형 광물은 할로이사이트, 사포나이트, 바이오타이트가 중량비로 1.0:0.5~1.0:0.1~0.2로 혼합된 광물이고, 비결정질광물은 깁사이트와 고타이트가 중량비로 1.0:0.2~0.5로 혼합된 광물이다.
본 발명에서 상기 결정격자형 점토광물과 비결정질광물로 구성되는 혼합광물은 수분흡수에 따른 팽창율이 적어 균열의 위험을 최소화하고, 나아가 외부 충격 등에 의해 균열이 발생한 경우라도 결정격자와 비결정격자의 공극에 흡수된 수분에 의해 CSH겔화 반응을 지속적으로 유도하여 장기적인 강도의 안정성을 스스로 도모할 수 있게 한다.
상기 혼화제를 구성하는 폐유리분말과 굴패각분말은 바람직하게는 중량비로 1.0:0.1~0.8, 보다 바람직하게는 중량비로 1.0:0.5로 조성된다. 상기 폐유리분말과 굴패각분말은 산화칼슘의 지속적인 공급원으로 오랜기간 사용 후 콘크리트에 균열이 발생한 경우 공기에 함유된 수분 혹은 강우의 유입에 의해 스며든 물과 반응하여 CSH겔을 형성하여 장기적인 강도의 안정성을 보다 강화하는데 이바지 한다.
상기 폐유리분말과 굴폐각분말의 분산성을 개선하기 위해 수산화나트륨을 더 포함한다. 바람직하게는 상기 수산화나트륨은 혼화제의 중량대비 10~20중량%로 첨가한다. 수산화나트륨을 첨가한 경우 CSH겔의 형성부위를 전체적으로 균일하게 조성할 수 있을 뿐만 아니라 플라이애쉬와 실리카퓸의 포졸란 반응을 보다 촉진하여 장기적인 강도의 안정성 측면에서 상승적인 효과를 제공한다.
이하 본 발명의 내용을 실시예를 참조하여 보다 구체적으로 설명하고자 하나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 제시된 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어져서는 아니될 것이다.
[실시예 1]
포틀랜드 시멘트 60 중량%(전체 조성물 중량기준), 플라이애쉬(50 중량%-혼화재 중량기준), 실리카퓸(15 중량%-혼화재 중량기준), 고로슬래그(25 중량%-혼화재 중량기준), 결정격자형 점토광물[5 중량%-혼화재 중량기준: 할로이사이트(3.1 중량%-혼화재 중량기준), 사포나이트(1.6 중량%-혼화재 중량기준), 바이오타이트(0.3 중량%-혼화재 중량기준)] 및 비결정질광물[5 중량%-혼화재 중량기준: 깁사이트(3.3중량%-혼화재 중량기준), 고타이트(1.7중량%-혼화재 중량기준)]의 혼합광물을 포함하는 혼화재는 35중량%(전체 조성물 중량기준), 폐유리분말(3.3 중량%-전체조성물 중량기준)과 굴패각분말(1.7 중량%-전체조성물 중량기준)의 혼합분말을 포함하는 혼화제는 5중량%(전체 조성물 중량기준)로 이루어진 단면보수용 시멘트조성물을 믹서에 투입하여 교반한 후, 상기 포틀랜드 시멘트의 중량대비 40중량부의 물을 투입하여 10분간 교반하였다.
[실시예 2]
수산화나트륨을 혼화제의 중량대비 10중량% 추가 첨가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법 및 조건으로 단면보수용 시멘트조성물을 조제하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1에서 포틀랜드 시멘트 95중량%[혼화재 무첨가]을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조성으로 단면보수용 시멘트조성물을 조제하였다.
[비교예 2]
혼화재의 성분으로 플라이애쉬 30 중량%(혼화재 중량기준), 실리카퓸 30 중량%(혼화재 중량기준), 고로슬래그 40 중량%(혼화재 중량기준)를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조성으로 단면보수용 시멘트조성물을 조제하였다.
[비교예 3]
혼화재 중 혼합광물의 조성을 결정격자형 점토광물[할로이사이트(6.2 중량%-혼화재 중량기준), 사포나이트(3.2 중량%-혼화재 중량기준), 바이오타이트(0.6 중량%-혼화재 중량기준)]로만 10 중량%(혼화재 중량기준) 조성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 조성으로 단면보수용 시멘트조성물을 조제하였다.
[비교예 4]
혼화재 중 혼합광물의 조성을 비결정질광물[깁사이트(6.6중량%-혼화재 중량기준), 고타이트(3.4중량%-혼화재 중량기준)]로만 10 중량%(혼화재 중량기준) 조성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 조성으로 단면보수용 시멘트조성물을 조제하였다.
[실험예 1]
상기 각 실시예에 따른 단면보수용 시멘트조성물과 비교예에 의해 제조된 시멘트조성물을 공시된 방법에 따라 압축강도, 휨강도, 투수성, 동결융해 저항성 및 부착강도에 관하여 실험한 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
시험항목 실시예1 실시예2 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
압축강도
(Kg/㎠):3hrs		 283 298 208 237 252 248
휨강도
(Kg/㎠):3hrs 		52 57 41 43 45 42
투수시험(g) 2.1 2.0 4.8 3.6 3.2 3.1
내구성 지수 98 99 47 57 63 65
부착강도
(N/㎟)		 1.43 1.49 1.02 1.12 1.21 1.23
* 압축강도: KS F 2405, 휨강도: KS F 2408, 투수시험: KS F 4916, 동결융해 저항성[내구성]: KS F 2456, 부착강도: KS F 4716
상기 표 1에 의하면, 본 발명에 따른 조성물이 제반 물성에 있어서, 비교예 1의 조성물에 비하여 전반적으로 크게 개선이 있음을 확인할 수 있다. 또한, 혼화재의 구성을 달리한 비교예 2 내지 3의 경우 본 발명에 따른 혼화재를 첨가하지 않은 비교예 1보다는 전반적으로 우수하고, 나아가 혼화재의 조성을 달리하여 조제한 비교예 2 내지 3에 비하여도 전체적인 특성에서 우수한 것으로 나타난다. 특히 혼합광물에서 결정질점토광물과 비결정질광물 중 어느 하나만을 넣고 조제한 비교예 3 및 비교예 4에 비하여 결정질점토광물과 비결정질광물 모두를 넣은 실시예 1 및 실시예 2의 경우에서 강도 내지 내구성의 측면에서 개선된 효과가 있음을 확인할 수 있다. 또한 실시예 1의 경우 보다는 수산화나트륨을 첨가한 실시예 2의 경우에서 전반적인 특성이 개선된 것으로 확인된다.
[실험예 2]
실시예 1~2 및 비교예 1~4에서 얻어진 시멘트조성물을 이용하여 10cm×10cm×40cm의 직방체 형상의 콘크리트 공시체를 2체씩 제작하였다. 상기 콘크리트 공시체는, 20℃ 항온하에서 재령 7일까지 봉함한 상태로 보관하고, PC 강봉에 의해 외적으로 구속을 주었다. 재령 7일에 있어서, 각 콘크리트 공시체에 균열을 1개소 도입하였다. 균열은 각 공시체에 인장력을 작용시켜 발생시켰으며, 콘크리트 공시체 부분에 발생시킨 균열폭은 0.3mm로 고정하였다.
균열의 고정 후, 1m의 수두(水頭)를 주어 콘크리트 경화체의 균열간에 항상 물이 흐르는 상태로 하여 균열의 자기 치유 성상을 관찰하였다. 이 때의 동수구배는 10m/m였다. 해당 평가에 있어서는, (i) 상시 투수 상태로 하여 전술한 투수량을 측정해서 얻어진 지수성의 평가에 더하여, (ii) 상시 투수 상태로 하여 균열부를 현미경에 의해 관찰하고, 그 균열폭이 감소하는 정도에 관해서도 평가하였다.
※ 지수성의 평가
◎: 7일간에서 투수량이 초기 투수량의 50분의 1 이하가 되는 경우, ○: 7일간에서 투수량이 초기 투수량의 50분의 1보다 크고, 10분의 1 이하가 되는 경우, △: 7일간에서 투수량이 초기 투수량의 10분의 1보다 크고, 2분의 1 이하가 되는 경우, ×: 7일간에서 투수량이 초기 투수량의 2분의 1보다 큰 경우
※ 균열폭의 평가
균열의 고정 후, 콘크리트 경화체를 각각 상수도수 20리터 넣은 폴리프로필렌제 컨테이너에 침지하고, 20℃ 항온 실내에서 수중 양생을 실시하였다. 그 후, 1일간 간격으로 콘크리트 경화체의 균열 형성부에 관하여 현미경을 이용해서 관찰을 실시하여, 균열 자기 치유 성능에 관하여 평가를 실시하였다.
◎: 28일간에서 균열폭이 0.1mm 이상 감소했을 경우, ○: 28일간에서 균열폭의 감소가 0.05mm 이상, 0.1 mm 미만이었을 경우, △: 28일간에서 균열폭의 감소가 0.025mm 이상 0.5mm 미만이었을 경우, ×: 28일간에서의 균열폭의 감소가 0.025mm 미만인 경우.
시험
항목		 실시예1 실시예2 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
지수성 ◎ ◎ × △ △ △
균열폭 ◎ ◎ × △ △ △
상기 표 2에 의하면, 본 발명에 따른 조성물이 지수성과 균열폭 실험에 있어서, 비교예 1의 조성물에 비하여 전반적으로 크게 개선이 있음을 확인할 수 있다. 또한, 혼화재의 구성을 달리한 비교예 2 내지 4의 경우 혼화재를 첨가하지 않은 비교예 1보다는 전반적으로 우수하지만, 실시예 1 내지 2에 의한 조성물에 비하여 특성에서는 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 또한 실시예 1의 경우 보다 수산화나트륨을 첨가한 실시예 2의 경우에서 지수성은 10%, 균열폭의 경우에는 8%의 개선효과가 있는 것으로 확인된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 포틀랜드 시멘트, 혼화재로 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그, 결정격자형 점토광물 및 비결정질광물의 혼합광물을 포함하고, 혼화제로 폐유리분말과 굴패각분말의 혼합분말을 포함하되,
    플라이애쉬, 실리카퓸, 및 고로슬래그는 중량비로 1.0:0.3~0.4:0.5~0.7로 조성되고,
    폐유리분말과 굴패각분말이 중량비로 1.0:0.1~0.8로 조성된 혼화제가 1.0~5.0중량% 첨가되며,
    결정격자형 점토광물은 할로이사이트, 사포나이트, 바이오타이트가 중량비로 1.0:0.5~1.0:0.1~0.2로 혼합된 광물이고, 비결정질광물은 깁사이트와 고타이트가 중량비로 1.0:0.2~0.5로 혼합된 광물인 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 폐유리분말과 굴폐각분말의 분산성을 개선하기 위해 수산화나트륨을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물.
  7. 제 1항 또는 제 6항의 콘크리트 구조물의 단면보수용 시멘트조성물을, 절삭되어 평삭작업 및 건조단계가 완료된 건물 내지 구조물의 단면에 포설하는 단계를 포함하는 콘크리트 구조물의 단면보수공법.


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