KR102323780B1 - 서냉 슬래그 분말을 활용한 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수 공법 - Google Patents

서냉 슬래그 분말을 활용한 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서냉 슬래그 분말을 활용한 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수 공법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 산업부산물인 고로 급냉 슬래그 미분말 및 고로 서냉 슬래그 미분말을 이용하여 콘크리트 구조물 보수용 모르타르를 구성하고, 이를 이용하여 콘크리트 구조물을 보수 시공함으로써 친환경성, 균열저항성 향상, 내산성향상, 부착성향상, 인장강도 및 내구성 향상, 동결융해 저항성 향상이 가능함에 따라 보수 시공의 장기 내구성이 증대될 수 있는 친환경 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수 공법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 서냉 슬래그 분말을 활용한 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물은 시멘트 사이의 공극을 치밀하게 메울 수 있으므로 공극을 통한 유해 화학물질이나 염화물 등의 침투를 막을 수 있으므로 콘크리트 구조물의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있으며, 압축강도, 휨강도 등의 물리적 특성이 우수하고, 보수 기간을 연장할 수 있으므로 보수에 따른 인력과 비용을 대폭 절감할 수 있는 장점이 있으며, 산업 현장에서 다량 발생하는 부산물인 고로급냉슬래그 분말, 고로서냉슬래그 분말 등을 재활용함으로써 자원 재활용성을 높일 수 있는 동시에 폐기되는 부산물의 양을 줄일 수 있으므로 폐기물에 의한 2차적 환경 오염을 방지하여 친환경성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

서냉 슬래그 분말을 활용한 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수 공법{Environmentally Friendly Mortar Composition for Repairing Concrete Structure Using Cold-Warm Slag Powder and Method for Repairing Concrete Structure Using the Same}
본 발명은 서냉 슬래그 분말을 활용한 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수 공법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 산업부산물인 고로 급냉 슬래그 미분말 및 고로 서냉 슬래그 미분말을 이용하여 콘크리트 구조물 보수용 모르타르를 구성하고, 이를 이용하여 콘크리트 구조물을 보수 시공함으로써 친환경성, 균열저항성 향상, 내산성향상, 부착성향상, 인장강도 및 내구성 향상, 동결융해 저항성 향상이 가능함에 따라 보수 시공의 장기 내구성이 증대될 수 있는 친환경 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수 공법에 관한 것이다.
고로급냉슬래그는 철을 생산하는 용광로에서 석회석과 같이 녹은 철광석 중 암석성분이 녹아 쇳물 위에 떠있는 것을 흘러내려 물로 급격히 냉각시켜 작은 모래입자의 모양으로 만든 후, 분쇄리고 분쇄하여 제조한 것이다. 고로급냉슬래그는 잠재수경성이 있으며, 그 자체에 경화하는 성질이 취약하지만 보통포틀랜드시멘트와 혼합하는 경우, 수산화칼슘과 황산염의 작용으로 수화가 촉진되어 수화열 감소, 장기강도 향상 및 수밀성 증대 등을 나타낸다.
고로슬래그의 주요화학성분은 SiO2, Al2O3, CaO 및 MgO로 전체 화학성분 중 약 94∼97%를 차지한다. 보통포틀랜드시멘트의 경우 MgO가 5%를 초과하게 되면 유리마그네시아가 생성되어 팽창의 원인이 되지만, 고로급냉슬래그는 15%정도를 포함해도 팽창이 일어나지 않는다. 또한, 고로급냉슬래그에 석고를 첨가할 경우 초기강도 개선, 건조수축 감소 및 수화열 억제가 가능하다.
고로슬래그는 보통포틀랜드시멘트처럼 물과 접하는 것만으로 자기 촉발적 수화반응을 개시할 수 없는 잠재수경성 물질이다. 즉 고로슬래그와 물이 접촉하게 되면 슬래그 입자의 표면에 치밀한 불투수성 겔박막이 형성되므로 입자 속까지 물이 침투하는 것이 방해되고 더 이상 반응이 일어나지 못한다. 그러나 알칼리(Ca(OH)2, KOH, NaOH) 및 황산염(CaSO4)등의 자극을 받아 겔박막이 파괴되면서 군도구조의 겔로 변화하고 고로급냉슬래그로부터 이온의 용출과 불용성 물질이 석출되면서 경화하기 시작하는데 이러한 수화기구를 잠재수경성이라 한다. 고로급냉슬래그를 콘크리트에 활용하게 되면 장기강도 증진, 수밀성 향상, 수화열 억제 및 화학 저항성 향상 등의 효과가 나타나지만, 초기 건조수축 증가, 초기강도 감소 및 탄산화의 문제가 나타날 수 있다.
고로서냉슬래그는 고로에서 배출된 용융상태의 고로슬래그를 가압수에 의한 공정을 거치지 못하고 야적장에 적재되어 결정화한 고로슬래그를 고로서냉슬래그라 한다. 고로슬래그는 주로 노반재료, 규산질 비료 및 성토용 골재 등으로 사용되고 있는 실정이다. 그러나 최근 고로서냉슬래그의 특성을 활용하려는 실험이 다방면으로 시행되고 있다. 석회석을 혼합한 저강도 32.5MPa Class 시멘트에 석회석을 대체하여 고로서냉슬래그를 사용하는 연구가 진행되고 있으며, 고로서냉슬래그는 가용성 황 성분이 고로급냉슬래그보다 상대적으로 많고 티오황산이온(S2O3 -2)의 비율이 높은 것으로 보고되고 있다. 고로서냉슬래그 중의 티오황산 이온이 유동성 향상에 효과가 있으며 구성광물인 Melilite 및 Wollastonite는 탄산화 억제에 효과가 있는 것으로 보고되는 등 새로은 콘크리트 혼화재로서의 가능성이 모색되고 있다.
고로서냉슬래그는 고로급냉슬래그와 유사한 화학조성을 가지고 있으며, 우수한 분쇄 특성을 나타내고 있다.고로서냉슬래그는 고로급냉슬래그보다 약 2배 이상의 분쇄 성능을 나타내고 있는데, 이는 고로서냉슬래그 생성 시 발생하는 서냉 효과로 인해 다량의 가스가 생성되어 괴상 상태에서 다량의 큰 기공이 형성되기 때문이다.
한편, 현재 국내에 건설된 콘크리트 구조물 중 지상 및 지하구조물의 경우 상당수의 구조물이 현재 보수가 필요한 실정이다.
이러한 구조물들은 설계시의 강도 및 내구성을 유지하기 위해서 기초적인 보수부터 환경적/구조적으로 파손된 콘크리트의 경우 단면의 전체적인 보수, 복구 또는 보강까지 정기적인 점검과 유지관리 필요하게 되었으며, 사회적으로 싱크홀 및 지진 내구성대한 경각심이 부각되면서 이러한 사항들의 중요성이 커지고 있는 실정이다.
콘크리트 구조물의 보수에 사용되는 재료는 보수부위, 사용조건, 환경조건 및 시공조건에 따라 그 성능을 충족시켜야 한다. 특히 시공조건에 따라 재료의 선정이 매우 중요하다 할 수 있다.
하수암거, 하수관거, 정수장 등 지하 배수 구조물의 경우 구조물의 특성상 침입수 및 오염물질의 완벽한 제거에 어려움 있어 이러한 보수 복구가 제약이 많다.
이에 본 발명에서는 친환경성, 균열저항성 향상, 내산성향상, 부착성향상, 인장강도 및 내구성 향상, 동결융해 저항성 향상을 확보하여 오염물질에 대한 저항성을 극대화하고 또한 침입수가 다량 있는 악조건에서도 원활하게 작업할 수 있는 공법을 제시하고자 한다.
콘크리트 구조물의 보수 시공과 관련된 기술을 보면 아래와 같다.
먼저, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2016-0108901(2016.08.26)호 "코코스 섬유를 혼입한 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수방법(MORTAR COMPOSITION WITH COCOS FIBER FOR REPAIRING CONCRETE STRUCTURE AND REPAIRING METHOD OF CONCRETE STRUCTURE THEREWITH)"은 결합재 3∼85중량%, 잔골재 5∼95중량%, 기능 개선 혼화제 0.01∼20중량% 및 물 0.01∼15중량%를 포함하며, 상기 결합재는, 조강 포틀랜드 시멘트 15∼90중량%, 고로슬래그 분말 5∼50중량%, 칼슘알루미나시멘트 1~20중량%, 마그네슘설포알루미네이트 1∼20중량%, 탈황석고 1∼20중량%, 코코스 섬유 0.01∼15중량%, 탄산마그네슘 0.01∼15중량%, 카올리나이트 0.01∼15중량%, 수산화칼륨 0.01~10중량% 및 지연제 0.001∼10중량%을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수방법에 관한 것으로, 강도 및 내구성, 특히 내산 및 내염해성이 우수하여 하수관거, 맨홀 및 관련 지하구조물, 지수구조물, 지중구조물, 해양콘크리트 구조물, 화학공장 바닥, 열악한 환경하의 콘크리트 구조물 등의 화학적 침식으로 인한 콘크리트 부식을 방지할 수 있어 이에 사용되는 유지관리 비용을 현저히 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있는 기술에 관한 것이다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2011-0060982 (2011.06.23)호 "탄각이 함유된 친환경 모르타르 조성물을 이용한 콘크리트 구조물의 보수공법(Environment-friendly Mortar Composition)"은 탄각이 함유된 모르타르 조성물을 마련한 후, 콘크리트 구조물의 표면이 파손되면 파손된 부위에 상기한 탄각이 함유된 모르타르 조성물이 타설되어 콘크리트 구조물의 표면이 보수될 수 있도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 백시멘트, 잔골재로 이루어진 규사, 안료, 수용성 아크릴 바인더를 각각 준비하는 기본 재료 준비단계; 모르타르 조성물 기초재료가 준비되면 사용하고난 탄각(炭殼)을 수거한 후 탄각을 분말화하고 탄각에 함유된 불순물을 제거하는 분말화된 탄각 준비단계; 준비된 백시멘트 87중량%, 잔골재로 이루어진 규사 5중량%, 분말화된 탄각 5중량%, 안료 2중량%, 수용성 아크릴 바인더 1중량%의 비율로 혼합하여 모르타르 조성물에 탄각이 포함되게 하는 모르타르 조성물 혼합단계; 모르타르 조성물 혼합단계를 거친 모르타르 조성물과 물을 믹서기 내부에 투입하여 교반한 다음 교반된 모르타르 조성물은 제1압송펌프를 통하여 제2압송펌프로 1차 압송되고, 1차 압송된 모르타르 조성물은 제2압송펌프를 통하여 스프레이건측으로 2차 압송되게 하는 모르타르 조성물 이중 압송단계; 스프레이건측으로 압송된 모르타르 조성물은 에어콤퓨레셔와 연결된 고압이송호스를 통하여 분사되면서 콘크리트 건축물의 표면에 타설되도록 하는 기술에 관한 것이다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2014-0045202(2014.04.16)호 "비소성 결합재를 활용한 친환경 모르타르 조성물(Eco-Mortars Composition Usnig Non-firing Binder)"은 산업부산물로 발생하는 고로슬래그 미분말, 플라이애시 및 알파 반수석고 등의 비소성 결합재를 활용하여 환경부하가 저감되고, PET섬유를 사용함으로써 경화시의 내구성이 향상될 수 있는 비소성 결합재를 활용한 석고계 친환경 모르타르 조성물에 관한 것이다.
또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2011-0012746(2011.02.14)호 "개질 셀룰로오스계 1차 탄화물을 함유하는 친환경 모르타르 조성물(ENVIRONMENTAL FRIENDLY MORTAR COMPOSITION COMPRISING MODIFIED CHARCOAL)"은 기존의 바닥 시공용 모르타르의 물성을 유지하면서도 실내 유해가스를 제거할 수 있는 친환경 모르타르 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 친환경 모르타르 조성물은 기존의 바닥재용 모르타르 조성물의 슬럼프-플로우, 응결시간, 압축강도와 같은 기초 물성을 만족하면서도 톨루엔, 암모니아, 포름알데히드와 같은 유해 가스를 효과적으로 제거하는 우수한 효과를 갖도록 하는 기술에 관한 것이다.
그러나 상기 기술들은 폐수 등이 유입 가능한 악조건에서도 친환경적이면서도 오랜 기간 균열저항성 향상, 내산성향상, 부착성향상, 인장강도 및 내구성 향상, 동결융해 저항성 향상이 동시에 가능한 원활하게 작업할 수 있는 친환경 모르타르 및 공법을 제시하지 못하는 한계점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 상황을 고려하여 개발된 것으로서, 콘크리트용 구조물의 보수용 모르타르에, 결합재로서 시멘트 이외에 산업부산물인 고로급냉슬래그 및 고로서냉슬래그를 포함하는 결합재를 이용하여 콘크리트용 조성물을 구성하고, 이를 이용하여 콘크리트 구조물을 보수 시공함으로써 균열저항성 향상, 내산성향상, 부착성향상, 인장강도 및 내구성 향상, 동결융해 저항성 향상이 가능함에 따라 보수 시공의 장기 내구성을 증대시킬 수 있는 동시에, 산업부산물을 재활용함으로써 친환경성을 확보할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는
콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 고로급냉슬래그 분말, 고로서냉슬래그 분말 및 제3성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물을 제공한다.
이때, 상기 콘크리트용 결합재는 시멘트 : 고로급냉슬래그 분말 : 고로서냉슬래그 분말 : 제3성분을 각각 40~60 : 5~30 : 5~30 : 5~100 중량비로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제3성분은 섬유 0.1 내지 10 중량부, 제올라이트(Zeolite) 미분말 0.1 내지 5 중량부, 초산비닐계 폴리머 0.1 내지 5 중량부, 팽창재 0.1 내지 5 중량부, 폴리카본산계 고유동화제 0.1 내지 5 중량부, 규사 30 내지 150 중량부를 포함하며,
수용성 개질 라텍스 0.1 내지 5 중량부, 알콕시 실란 가수분해물 0.1 내지 2 중량부, 실리코네이트계 액상 성분 0.1 내지 3 중량부를 포함하고,
클링커 0.5 내지 10 중량부, 이수석고 및 반수석고 혼합물 1 내지 10 중량부, 플라스터 0.5 내지 10 중량부, 탈황석고 0.5 내지 10 중량부, 실리카퓸 0.1 내지 5 중량부, 플라이애쉬 0.01 내지 5 중량부, 석회석 0.5 내지 10 중량부, 슬래그 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 분말 성분을 포함하며,
활성촉진제 0.1 내지 2 중량부 및 리튬계 반응촉진제 0.01 내지 1 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고로급냉슬래그 분말 및 고로서냉슬래그 분말은 2.85 ~ 2.95 g/m3의 밀도를 갖는 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수용성 개질 라텍스는 아크릴 수지 10~20 중량비, SBR(Styrene-Butadiene rubber) 고무 10~20 중량비, 하이드록실 아크릴레이트 모노머 0.1~5 중량비, 불포화 폴리에스테르 수지 15~30 중량비, 갈산 0.1~5 중량비, 금속 양이온 1~10 중량비, 분산제 0.5~5 중량비 및 물 40~70 중량비의 비율로 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 탈황석고는 배연탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고 및 석탄 코크스 탈황석고 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 탈황석고는 2.65 ~ 2.75 g/m3의 밀도를 갖는 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 탈황석고는 4,430 ~4,4520 cm3/g의 분말도를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고로급냉슬래그 분말 및 고로서냉슬래그 분말은 4,200 ~4,280 cm3/g의 분말도를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 구현예는
치핑 및 고압수 세척을 통해 바탕면을 정리하는 제 1 단계;
바탕면이 정리된 상태에서 철근 녹제거 및 철근방청제를 도포하는 제 2 단계;
철근방청제가 도포된 면에 프라이머를 도포하는 제 3 단계; 및
프라이머가 도포된 면에 본 발명에 따른 상기 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물을 도포하는 제 4 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 콘크리트 구조물 보수 공법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제 4 단계 이후, 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물의 도포가 수행된 외부면에 표면보호용 코팅제를 도포하는 제 5 단계; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제 4 단계의 콘크리트 구조물 보수용 친환경 친환경 모르타르 조성물 도포시 타설 방법으로, 스프레이 뿜칠 시공, 미장시공, 슈트 및 연속시공 중 하나로 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 친환경성 모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수 공법에 따르면, 고로급냉슬래그 및 고로서냉슬래그 분말을 포함하는 결합재 성분과 함께, 친환경 섬유 및 제올라이트 미분말을 첨가하여 친환경성, 균열저항성 향상, 내산성향상, 부착성향상, 인장강도 및 내구성 향상, 동결융해 저항성 향상의 효과를 볼 수 있다.
또한, 친환경 섬유를 함유함으로써, 높은 인장강도, 뛰어난 흡습성(균열제어 성능 우수), 친환경 용매 아민옥사이드 사용으로 친환경성, 폐기시에도 생분해성 특징를 가져 무공해성, 우수한 내구성(내산성, 내화학성)을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제올라이트 미분말을 포함함으로써, 양이온 교환 특성 향상, 우수한 흡착성 향상, 동결융해에 대한 저항성 증가을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 구조물 피도면과의 부착성과 내구성이 우수하고, 특히 내화학성, 방수성, 염해 저항성 등의 특성도 우수하여 구조물의 보수 효과가 뛰어나다.
또한, 산성 환경에 대한 내부식성이 우수하고 특히 미생물 증식이 억제되어 미생물로 인한 강도 저하의 문제가 방지될 수 있으며 내후성 및 표면 강도 향상 효과를 가져 구조물의 보수 효과가 우수하고 그 효과가 장기간 유지될 수 있는 장점이 있다.
또한, 피도물인 콘크리트 구조물의 중성화 방지에 탁월하며, 내마모성이 우수하여 구조물의 수명 연장 효과가 우수한 동시에, 중성화방지, 염해방지 및 중방식 기능 등 화학적 성능이 우수하며 내구성이 우수하여 이를 통한 유지 보수 절감 효과를 볼 수 있으며 화학 약품 냄새가 없어 밀폐된 공간이나 공공장소에서도 시공이 가능하여 안전성 및 친환경성이 증대될 수 있다.
도 1 내지 도 7은 본 발명에 사용되는 고로급냉슬래그 및 고로서냉슬래그를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 모르타르 조성물 이용한 콘크리트 구조물 보수 공법을 나타내는 흐름도이다.
이하에서는 본 발명에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.
고로슬래그는 고로에서 선철을 만드는 과정에서 생성되는 산업부산물이다. 고로에서는 철광석, 코크스, 석회석 등의 원료를 상부에서 투입하고, 하부의 우구에서 열풍을 불어 넣어 로내에서 코크스를 연소시켜 발생한 환원성 가스(CO)로 철광석을 환원 및 용해시켜 용선과 용융 슬래그를 분리하고 있으며, 용융상태의 고온 슬래그를 물, 공기 등으로 급냉하여 입상화한 것을 고로 슬래그(Granulated blast furnace slag)라고 한다. 선철 1t당 약 300kg 생성하며, 고로에서 생성되는 슬래그는 1,500℃ 이상의 고온 용융상태이고, 그 냉각방법의 차이에 따라 완전히 서로 다른 물성을 가지는 슬래그가 된다. 고온의 용융성능으로부터 열처리와 가공처리의 방법에 의해서 섬유상이나 과립상, 다공질 경량 용암 또는 치밀한 암석모양의 큰 덩어리로 되어 유리질, 반정질 및 결정질의 형태가 된다. 도 1은 고로슬래그의 제조과정을 나타낸 것이다.
상기 고로슬래그는 화학적 성분이 시멘트와 유사하고 잠재수경성을 지니고 있어 콘크리트의 혼화재로서 크게 활용되어지고 있다. 도 2는 고로슬래그의 용도별 사용량을 나타낸 것이다(단위:천톤).
고로급냉슬래그(Water-cooled slag)는 다량의 물로 급냉되어, 급격한 점성의 상승에 의해 원자배열이 행해지지 않는 채로 고결하여 유리질(비경질)로 되고, 주요 화학성분은 철광석의 맥석, 코크스의 회분, 석회석 등에서 온 SiO2, CaO, MgO 및 Al2O3로 이루어져 있으며, 전체 화학성분 중 약 95%정도를 차지한다. 그 외에 소량의 유황분 및 알칼리(Na2O, K2O) 등을 포함하고 있다.
고로급냉슬래그는 단순히 물과 접촉하여도 치밀한 수화물이 생성 피복되고, 그 이상의 수화가 저해된다. 그러나 포틀랜드시멘트(PC) 및 소석회 등의 알칼리성 용액에서는 치밀한 피막이 깨져 PC클링커와 같이 스스로 수화하기 시작한다. 또, 일반적으로 액상에 충분한 Ca2+와 SO42-가 존재하기 때문에 슬래그로부터 실리게이트와 알루미네이트의 산성성분의 용출이 높아지고, 시멘트 경화체의 모세관 공극의 액상 중에도 포졸란 반응이 일어난다. 따라서, 혼화재로서의 혼합성이나 분산성이 뛰어나고, 경화체는 치밀해져 강도발현이 향상되며, 외부로부터 침식작용 등에 대해 내구성을 발휘한다.
고로급냉슬래그의 미분말은 일반적으로 염기도 및 유리질 율이 높을수록 반응성이 크게 되는 경향이 있으며, KS F 2563에 콘크리트용 고로슬래그 미분말에 사용하는 고로급냉슬래그 미분말의 염기도는 1.6으로 규정하고 있다.
Figure 112021050323011-pat00001
국내 고로슬래그 미분말에 대하여 “콘크리트용 고로 슬래그 미분말(KS F 2563)” 과 “고로슬래그시멘트(KS L 5210)”에 대하여 KS에 규정되어 있으며, KS F 2563에 관한 규정은 도 3과 같다. 도 4는 고로급냉슬래그 미분말에 대한 각국의 규격을 나타낸 것이다.
상기 고로급냉슬래그는 물과 접하면 수화반응을 일으키어 경화되는 포틀랜트시멘트와는 달리, 물과 접촉되어도 수경성을 나타내지 않는 잠재수경성을 갖는다. 고로급냉슬래그는 고석회 알루미노실리케이트 유리질 때문에 강한 잠재수경성을 가지지만 물을 주입한 직후 Ca2+가 용출하고, 그 표면에 투과성의 나쁜 부정형의 ASH6의 막을 형성하고, 이 막이 고로급냉슬래그 입자로의 물의 침투 및 입자에서의 이온의 용출을 억제하기 때문에 수화는 진행되지 않는다. 또한 수산화칼슘 및 수산화나트륨과 같은 알칼리성 자극제는 고로급냉슬래그의 유리질 구조를 파괴하여 SiO2, CaO, MgO의 용출을 촉진시키게 되어, 포틀랜트시멘트의 경우와 같은 규산칼슘 수화물 및 알루미산칼슘 수화물을 생성하여 경화하게 된다.
고로서냉슬래그는 공기 중 서서히 냉각되어 괴상이 되고, 화학적으로 안정한 구조인 결정질이 되어, 수경성은 거의 갖지 않는다. 고로서냉슬래그의 주요광물은 겔나이트(2CaO·Al2O3·SiO2)와 오겔마나이트(2CaO·MgO·2SiO2)의 고용체인 Melilite 및 β-다이칼슘실리케이트(β-2CaO·SiO2)이지만, 슬래그의 화학조성에 따라서는 아노사이트(CaO·Al2O3·SiO2), 멜나이트(3CaO·MgO·2SiO2) 등의 규산염화물을 석출하고, 소량의 유황분은 메트릭스 중에 CaS의 형태로 존재한다. 또한, 국내 연구결과에 따르면, Rietveld법에 의한 정량결과 Melitie가 68.2%, α-Wollastonite가 16.8%, β-Larnite가 15.0%로 구성되어진다고 보고되어지고 있다.
또한, 해외 연구결과에 따르면 고로서냉슬래그는 가용성 황 성분이 수쇄슬래그 보다 상대적으로 높고, 특히 S2O3-2의 비율이 높은 것으로 보고되고 있다. 또한, 고로서냉슬래그의 황 성분 이온분포가 특정 지역에 매우 높게 분포되어있으며, 이러한 일정한 입자에 분포된 황 성분은 대부분 결정질로서 황화칼슘으로 주로 존재하는 것으로 보고되어진다.또한, 고로서냉슬래그의 황산칼슘은 물과 접촉하면 Ca2+과 음이온 S2O3 2-로 해리되어 용출되는 것으로 판단되며, 이때 용출되는 S2O3 2-이온은 C3A의 수화억제 작용에 의하여 초기 유동성을 증진시키고, 유동성 유지기능이 있다는 보고가 있다. 도 5는 고로서냉슬래그의 골재 및 SEM 사진을 나타낸 것이다. 사진에서 보듯이, 고로서냉슬래그 생성 시, 서냉의 의해 결정질의 형태인 괴상의 형태를 확인할 수 있다.
고로서냉슬래그는 냉각되는 과정에서 슬래그 내부의 다량의 가스가 생성되어 도 6과 같이 다공질의 형상을 보여준다. 이러한 형상은 고로서냉슬래그를 분쇄 시, 고로급냉슬래그보다 빠른 분쇄효과를 보여준다. 도 7은 괴상의 고로서냉슬래그를 실험실에서 제조하는 과정을 간략하게 나타낸 것이다.
서냉슬래그는 다량 폐기되어지거나, 골재 및 도로노반재 등으로 활용되어지고 있지만, 최근 해외 및 국내에서 서냉슬래그를 콘크리트용 혼화재로 적용하기 위하여 많은 연구가 진행되어 오고 있다. Mostafa에 의해 서냉슬래그 미세구조 및 특성에 대하여 연구가 진행되었으며, 그 화학성분이 급냉슬래그와 유사한 성질을 지니며, F-CaO 및 F-MgO가 거의 존재하지 않기 때문에 내구성 관점에서 슬래그와 달리 전처리가 불필요한 것으로 알려지고 있다.
또한, Shoaib에 의해 서냉슬래그 적용시킨 모르타르를 제작하여 열 안정성에 대한 연구를 수행하였으며, El-Didamony의 의해 서냉슬래그를 사용하여 강도특성 대한 연구가 진행되었다. 서냉슬래그 미분말를 CAC(Calcium aluminate cement)와 혼합하여, 경화시 발생하는 수화생성물, 물리적특성 및 화학적성분에 대하여 Heikal에 의하여 수행되었고, 현재는 서냉슬래그의 대하여 중성화 억제, 수화열 감소 및 유동성 향상 등으로 인해 콘크리트 혼화재로서 가능성 여부 대하여 검토되어지고 있다.
한편, 서냉슬래그는 황 성분인 S2O3 2-이온이 유동성에 영향을 끼치는 것으로 서냉슬래그는 급냉슬래그보다 상대적으로 가용성 S성분이 높고, 특히 티오황산이온(S2O3 -2)의 높은 것으로 보고되고 있고, 박설우 등의 연구결과에 따르면, 황 성분은 주로 CaS로 공기와 접촉하면 산화되어 CaS2O3로 변화가 일어나고, 물과 접촉하면 음이온인 S2O3 -2이온이 용출되며, 용출시간에 따라 그 양이 증가 한다. 이때 용출되는 S2O3 -2의 이온은 시멘트 광물 중 C3A의 수화를 지연시켜 유동성을 향상시키는 것으로 결론짓고 있다.
또한, 서냉슬래그의 분쇄능에 대하여 박설우 등의 연구결과에 따르면, 서냉슬래그의 분쇄능이 높은 이유는 서냉슬래그 발생 당시 서냉의 효과로 다량의 가스가 발생되어 괴상의 상태에서 다공질의 형상을 하고 있으며, 급냉슬래그와 달리 결정질로 이루어져 있어, 각 입자의 경계가 결함으로 작용하여 분쇄능이 높게 나타나는 것으로 고찰된다. 이러한 결과에서 서냉슬래그의 분쇄 비용이 급냉슬래그에 비하여 매우 적게 소모될 것으로 결론짓고 있다. 서냉슬래그의 중성화 특성에 대한 박효상 등의 연구결과에 따르면, 촉진 중성화를 실시한 서냉슬래그 모르타르의 압축강도는 탄산화에 의하여 강도증진이 크며, 기공률 또한 높게 측정됨으로써, 탄산화 반응에 의하여 표면이 치밀화되어 중성화를 억제시켜주는 것이 가능한 것으로 결론짓고 있다.
본 발명은 상기와 같은 고로급냉슬래그 및 고로서냉슬래그를 이용하여 콘크리트 구조물 보수용 모르타르의 결합재로 사용하기 위한 기술이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 보수용 모르타르 조성물은 콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 고로급냉슬래그 분말, 고로서냉슬래그 분말 및 제3성분을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 콘크리트용 결합재는 시멘트 : 고로급냉슬래그 분말 : 고로서냉슬래그 분말 : 제3성분을 각각 40~60 : 5~30 : 5~30 : 5~100 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 고로급냉슬래그 분말 및 고로서냉슬래그 분말은 4,200 ~4,280 cm3/g의 분말도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 제3성분은 섬유 0.1 내지 10 중량부, 제올라이트(Zeolite) 미분말 0.1 내지 5 중량부, 초산비닐계 폴리머 0.1 내지 5 중량부, 팽창재 0.1 내지 5 중량부, 폴리카본산계 고유동화제 0.1 내지 5 중량부, 규사 30 내지 150 중량부를 포함하며,
수용성 개질 라텍스 0.1 내지 5 중량부, 알콕시 실란 가수분해물 0.1 내지 2 중량부, 실리코네이트계 액상 성분 0.1 내지 3 중량부를 포함하고,
클링커 0.5 내지 10 중량부, 이수석고 및 반수석고 혼합물 1 내지 10 중량부, 플라스터 0.5 내지 10 중량부, 탈황석고 0.5 내지 10 중량부, 실리카퓸 0.1 내지 5 중량부, 플라이애쉬 0.01 내지 5 중량부, 석회석 0.5 내지 10 중량부, 슬래그 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 분말 성분을 포함하며,
활성촉진제 0.1 내지 2 중량부 및 리튬계 반응촉진제 0.01 내지 1 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물은 제3분으로서 친환경 섬유, 제올라이트(Zeolite) 미분말, 초산비닐계 폴리머, 팽창재, 폴리카본산계 고유동화제, 규사를 혼합하고, 여기에 액상성분, 분말성분 및 촉진제 성분을 혼합하여 구성된다.
구체적으로는 섬유 0.1 내지 10 중량부, 제올라이트(Zeolite) 미분말 0.1 내지 5 중량부, 초산비닐계 폴리머 0.1 내지 5 중량부, 팽창재 0.1 내지 5 중량부, 폴리카본산계 고유동화제 0.1 내지 5 중량부, 규사 30 내지 150 중량부를 포함하며,
수용성 개질 라텍스 0.1 내지 5 중량부, 알콕시 실란 가수분해물 0.1 내지 2 중량부, 실리코네이트계 액상 성분 0.1 내지 3 중량부를 포함하고,
클링커 0.5 내지 10 중량부, 이수석고 및 반수석고 혼합물 1 내지 10 중량부, 플라스터 0.5 내지 10 중량부, 탈황석고 0.5 내지 10 중량부, 실리카퓸 0.1 내지 5 중량부, 플라이애쉬 0.01 내지 5 중량부, 석회석 0.5 내지 10 중량부, 슬래그 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 분말 성분을 포함하며,
활성촉진제 0.1 내지 2 중량부 및 리튬계 반응촉진제 0.01 내지 1 중량부를 포함하는 촉진제 성분을 혼합하여 형성된다.
본 발명에서 상기 결합재 중 시멘트는 현장여건을 감안하여 일반적인 경우 OPC(포틀랜트 시멘트)를 사용할 수 있으며, 조기강도가 필요한 경우 조강시멘트 및 알루미나 시멘트 등을 적절히 사용하여 제조할 수 있다. 구체적으로는 포틀랜트 시멘트 100 중량비와 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트, 마그네슘알루미네이트 및 마그네슘설포알루미네이트의 혼합물 20~50 중량비의 혼합물로 이루어진 것을 사용할 수 있다.
구체적으로 일반 포틀랜트 시멘트(OPC)는 주요 성분이 C3S 51%, C2S 25%, C3A 9%, C4AF 9%, CaSO4 4% 정도이며, 비표면적은 3,300cm2/g 전후인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트(CSA), 마그네슘알루미네이트 및 마그네슘설포알루미네이트는 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 알루미나 함량이 상대적으로 높은 시멘트로서, 화학적 저항성이 우수하며, 산성 분위기 하에서 사용할 수 있는 장점이 있으며, 경화시간이 짧은 조강 시멘트 일종으로서, 보통 포틀랜드 시멘트와 적정 비율로 사용할 수 있다.
본 발명에서 상기 섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 친환경 섬유 중 적어도 하나 이상을 사용할 수 있으며, 본 발명에 따른 친환경 모르타르의 처짐, 방수막 크랙 등의 발생을 방지하고 내열성과 내한성에 우수하도록 할 수 있다. 여기서 섬유는 미세한 그물조직으로 밀실한 조직을 형성하여 콘크리트의 크랙을 방지하고 수명을 연장시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 섬유는 친환경 섬유를 사용할 수 있으며, 구체적으로는 리오셀 섬유, 셀룰로오스 섬유, PLA 섬유 등을 사용할 수 있다.
상기 리오셀(Lyocell) 섬유는 대표적인 환경친화형 신섬유로 기존 이산화탄소, 가성소다 등 유독성 화학물질을 용매로 사용하지 않으며, 제조공정이 간단하고 용매를 다시 회수해 재사용할 수 있어 친환경적이며 또한 경제적이다.
리오셀 섬유는 일체의 화학적인 변형없이 천연 펄프를 무공해성 아민옥사이드 용매에 직접녹여 제조하여 일체의 화학적인 변형없이 섬유소(Cellulose) 만을 추출한 것을 사용하며, 폐기시에도 땅속에서 생분해가 되어 일체의 공해발생이 없는 것이 특징이다.
보다 구체적으로, 리오셀 섬유의 물리적 성능으로는 높은 인장강도, 뛰어난 흡습성(균열제어 성능 우수), 친환경 용매 아민옥사이드 사용으로 친환경성, 폐기시에도 생분해성 특징를 가져 무공해성, 우수한 내구성(내산성, 내화학성)을 갖는 것을 특징으로 한다.
리오셀 섬유를 단독으로 사용할 수 있으나, 강도 향상을 위해서 셀룰로오스 나노 섬유가 코팅된 PLA 복합체를 포함하는 PLA 복합 수지와 리오셀 섬유를 중량비 6 내지 7 : 3 내지 4의 비율로 혼합하여 사용할 수 있다.
즉, 셀룰로오스 나노 섬유가 코팅된 PLA 복합체를 생성하기 위해 셀룰로오스 나노섬유는 상업용 목재펄프(활엽수 또는 침엽수)를 TEMPO((2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-일)옥시)를 사용하여 산화시킨 후, 기계적 처리로 제조(수율 90% 이상)한 것을 사용할 수 있으며, 카르복시기 함량이 3.2 내지 3.9 mmol/g, 셀룰로오스 섬유폭은 20 내지 30 nm, 섬유길이는 50 내지 60 μm인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
즉, 셀룰로오스 나노섬유를 PLA(PolyLactic Acid) 복합체의 표면을 메쉬 타입으로 코팅 처리하여 생성될 수 있으며, PLA 복합체 100 중량부를 기분으로 셀룰로오스 나노섬유 15.2 내지 17.4 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 셀룰로오스 나노섬유로 코팅된 PLA 복합체인 메쉬(mesh) 타입으로 코팅하여 표면처리를 수행한 것은, 단순히 PLA 복합체를 사용한 것에 비해 인장강도 및 내절강도, 그리고 파열강도가 모두 향상될 수 있다.
뿐만 아니라, 셀룰로오스 나노섬유로 코팅된 PLA 복합체는 셀룰로오스 나노 섬유의 높은 비표면적과 비강도 및 낮은 밀도를 가지고 있어 우수한 물성을 나타낼 뿐만 아니라, 극소량만으로도 열적 및 기계적 특성이 우수한 복합체를 얻을 수 있고, 친환경성 및 경량특성으로 적용될 수 있다.
한편, PLA는 옥수수 전분을 주원료로 한 천연 식물계 원료로, 합성수지(PC, ABS 등)를 포함하지 않고 자연 조건 하에서 100% 분해된다. 또한, 다이옥신 등의 유해물질 발생 및 기타 환경오염을 방지할 수 있다. PLA(PolyLactic Acid)는 사출 및 압출플라스틱에 대한 대체가 가능하며, 범용적인 물적 특성을 가진 획기적 친환경 수지로 제품화가 가능하다. 한편, PLA는 결정성, 자연순환형, 생체적합, CO2 저감 등에 대한 특성을 갖으며, PLA는 식물계 원료로 제품의 자연적 분해가 가능한 친환경 소재이다.
본 발명에서 사용되는 PLA 복합체는 PLA 단섬유와 탄소 섬유를 5.1 내지 7.3 : 1.2 내지 2.3의 중량비로 하여 카딩기에 넣어, 웹을 형성하여 시트 형태로 생성된 것을 사용하거나, 천연섬유에 해당하는 PLA 단섬유와 합성섬유를 혼합하여 제조한 시트층을 발포시켜서 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 합성섬유로는 저융점 폴리에스터, 폴리에스터 또는 폴리프로필렌 등이 단독 혹은 혼합사용될 수 있으며, 바람직하게는 폴리프로필렌이 사용된다. 이때, 합성섬유와 천염섬유의 혼합비는 특별히 한정되지는 않으나, 천연섬유 100 중량부에 대해서 합성섬유 12 내지 15 중량부, 황토 2 내지 3 중량부, 갯벌 흙(머드) 2 내지 5 중량부, 각섬석분말 1 내지 2 중량부, 광석분말 1.5 내지 1.8 중량부, 경화제 4.2 내지 4.5 중량부, 물 20 중량부를 포함하며, 선택적으로 색상을 갖는 광석분말은 원하는 색상을 갖는 광석분말을 더 포함할 수 있다. PLA 단섬유와 합성섬유와의 혼합공정에서의 합성섬유는 굵기가 20 내지 30 데니어이고, 길이는 43 내지 56nm인 것일 수 있다.
한편, 셀룰로오스 나노 섬유가 코팅된 PLA 복합체를 포함하는 PLA 복합 수지 상에서 셀룰로오스 나노 섬유가 코팅된 PLA 복합체와 PLA 수지의 중량비는 3 내지 4 : 6 내지 7로 형성되는 것이 인장강도, 내절강도, 그리고 파열강도에 대한 측정의 결과는 다른 비율에 비해 유의미한 효과를 얻었다.
다음으로, 제올라이트(Zeolite) 미분말에 대해서 살펴본다.
본 발명에 따른 제올라이트 미분말에 사용하는 합성 제올라이트는 알칼리, 물, 유기 기질의 혼합물로 구성된 실리카 알루미나겔을 느리게 결정화시켜 만들어진다. 이렇게 제올라이트를 합성으로 생산하면 오염되지 않은 순수한 최종 제품(합성 제올라이트)을 얻을 수 있다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 합성 제올라이트는 천연제올라이트보다 견고한 제올라이트를 생성할 수 있도록 해준다.
본 발명에 사용되는 제올라이트 미분말의 성능으로는 양이온 교환 특성, 우수한 흡착성, 동결융해에 대한 저항성 증가을 갖는 것을 특징으로 한다.
먼저, 양이온 교환 특성에 대해서 살펴보면, 제올라이트의 대표적인 특성중 하나로 양이온이 쉽게 교환되며 공동의 크기에 따라 특정 양이온을 선택적으로 교환할수 있는 선택적 교환특성을 가진다. 이러한 특성으로 인해 토질 및 수질개량제 및 폐수처리, 방사성 폐기물 처리 등에 활용되고 있으며 특히 제올라이트 미분말이 첨가된 모르타르의 경우 하수구조물의 특성상 폐수가 항상 존재함으로 보수보강시 탁월한 성능을 나타낼수 있다.
다음으로, 우수한 흡착성에 대해서 살펴보면, 제올라이트 미분말은 적합한 크기와 형태의 무기 및 유기분자들을 선택적으로 흡착할 수 있어서, 공동의 크기에 따라 서로 섞여 있는 다른 분자들을 각각 분리할 수 있는 분자체 기능(molecular sieving)의 특성을 갖게 된다. 제올라이트의 흡착 및 분자체 특성과 관련된 응용 분야로는 각종 가스의 전조제로의 응용 및 천연가스 및 LPG에서의 불순 가스 제거 등이 있다. 이러한 특성상 하수구조물의 경우 다량의 가스가 존재할 수 있으므로 이또한 작업시 안정성을 확보할수 있다.
또한, 동결융해에 대한 저항성 증가에 대해서 살펴보면, 합성 제올라이트는 아스팔트의 생산 공정에서 첨가제로 사용되는데, 이러한 활용은 1990년대 독일에서 시작되었다. 합성 제올라이트 미분말은 아스팔트의 제조나 설치시 발생하는 열을 낮춰 주어, 이산화 탄소, 에어로솔 및 증기를 덜 방출하도록 도움을 준다. 또한 고온 상태에서는 아스팔트가 더욱 촘촘하게 압축되어, 추운 날씨나 장시간 동안 도로포장하는 것이 가능하게 되었다. 이러한 성능은 제올라이트를 모르타르에 첨가했을시 모르타르가 겨율철 낮은 온도에 노출되어도 손상을 현저하게 덜받을 수 있도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 제올라이트 미분말은 단독으로 사용되지 않고 본 발명의 다른 실시예로, 강도, 내열성, 내약품성 및 고화학성을 향상시키기 위해 폴리페닐렌설파이드(PPS)를 추가하되, PPS 수지가 본래 가지는 우수한 기계적 강도를 포함하는 제성질을 크게 해하지 않으도록 PPS 수지 100 중량부를 기준으로 폴리아미드 수지 20 내지 30 중량부, 용매로 N-methyl-2-pyrrolidone 중합체 1 내지 5 중량부, 돌가루 2 내지 3 중량부로, 중탄 5 내지 7 중량부, 금속 수산화물 30 내지 40 중량부를 포함하여 이루어지는 제올라이트 미분말 복합 수지를 사용할 수 있다.
여기서, 돌가루는 석면을 불포함하고, 마그네슘으로 이루어진 규산염에 해당하는 Talcum을 사용함으로써, 제올라이트 미분말 복합 수지를 포함하는 친환경 리오셀 섬유 및 합성 제올라이트 미분말을 포함하는 친환경 모르타르의 강도를 높이며, 중탄은 은폐력 향상, 체질안료(extender pigments)로서 작용하기 위해 포함될 수 있다.
이어서, 상기 초산비닐계 폴리머는 신구 접착력증대 및 리바운드량을 감소시키기 위해 추가된다. 초산비닐계 폴리머는 본 발명에 따른 친환경 모르타르 조성물의 경화 전 상태에서는 유동성을 증가시키고 작업성을 개선시키는 역할을 하며, 본 발명에 따른 친환경 모르타르의 경화 후 상태에서는 표면 부착력 증가, 응집력 증가, 굴곡 강도 증가, 굴곡성 증진 및 방수력 증대 등의 효과를 발휘한다.
상기 팽창재는 본 발명에 따른 친환경 모르타르의 도포 후 경화시 수축에 따른 균열을 억제하기 위한 것으로 임계치 미만일 경우에는 팽창효과가 적어 균열억제 효과를 얻을 수 없으며 임계치를 초과할 경우 물성이 저하된다.
이러한 팽창재는 섬유보강재 100 중량부, 무기팽창재 30 내지 65 중량부, 금속분말계 팽창재 3 내지 5 중량부, 안정제 2 내지 3 중량부, 강도증진제 25 내지 35 중량부, 알칼리자극제 15 내지 25 중량부로 이루어진 하이브리드 팽창재를 사용할 수 있다.
즉, 하이브리드 팽창재를 구성하는 무기팽창재는 모르타르의 경화 후 수축에 대한 보상 팽창을 하도록 하여 모르타르의 경화 후 건조수축이 발생하는 균열을 억제하기 위한 구성이다.
시멘트의 단점인 경화 후 수축을 고려하여 사용되는 구성으로 임계치 미만일 경우 팽창효과가 미미하여 수축균열을 억제하지 못하게 되고, 임계치를 초과할 경우에는 과팽창되어 경화체가 파괴되는 현상이 발생함은 물론 전체적인 물성이 급격하게 저하되는 문제가 발생하게 된다.
그리고 팽창재를 구성하는 섬유보강재는 모르타르의 인장력 증대, 국부적 균열의 생성 및 성장을 억제하면서 역학적 성질을 개선 및 보강하기 위해 이용하는 것으로, 모르타르 내에서 불연속적이며 단상인 섬유질 재료를 분산시켜 사용하게 된다.
이어서, 상기 폴리카본산계 고유동화제는 모르타르의 입자 표면에 흡착하여 입자 표면에 전하를 주어 입자들끼리 상호 반력을 일으키므로, 응집된 입자를 분산시켜 유동을 증가시켜 감수 효과로 인한 강도 증진이 가능하게 하는 역할을 한다.
유동화제로서는 폴리카본산계 외에 멜라민셀폰산계, 나프탈렌셀폰산계, 폴리카본산계, 리그닌슬폰산계 또는 알킬아릴슬폰산계 유동화제를 사용할 수 있으며, 더욱 구체적으로는 리그닌술포네이트, 폴리나프탈렌술포네이트, 폴리멜라민술포네이트 또는 폴리카복실레이트계 감수제로 이루어진 군으로부터 단독 또는 둘 이상 혼합 사용이 가능하다.
특히, 유동화제 사용시 응결시간에 영향을 주므로 응결시간 조절제를 적절히 포함하여 사용할 수 있다.
이어서, 상기 규사는 모르타르 혼합재로 사용되며, 평균 입경이 0.3 내지 1.5 mm인 세사를 사용하는 것이 바람직하며, 이는 본 발명에 따른 친환경 모르타르의 유동성 및 치밀성을 향상시키기 위함이다.
이어서, 본 발명에서 상기 수용성 개질 라텍스는 합성수지계 에멀젼 라텍스로서, 구체적으로는 아크릴 수지 10~20 중량비, SBR(Styrene-Butadiene rubber) 고무 10~20 중량비, 하이드록실 아크릴레이트 모노머 0.1~5 중량비, 불포화 폴리에스테르 수지 15~30 중량비, 갈산 0.1~5 중량비, 금속 양이온 1~10 중량비, 분산제 0.5~5 중량비 및 물 40~70 중량비의 비율로 포함되어 구성되는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 아크릴 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 폴리 아크릴레이트 하이브리드 에멀젼을 사용할 수 있다. 상기 아크릴 수지는 건조가 빠르고 외부 폭로조건에서도 우수한 내후성, 내구성, 자외선안정성을 나타내며 수용성으로 이루어져 있어 친환경적이다.
상기 SBR 고무는 탄성을 유지하기 위해 고형분이 50% 이상인 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 표면에서 부식을 방지하는 역할을 하는 동시에 용매에 분산되어 있는 형태를 하고 있으며, 용액 상태에서 상기 갈산을 분산 및 용해시켜 갈산의 효과를 증대시키도록 하는 역할을 하기도 한다. 상기 용매로는 에틸렌 글리콜계의 2가 알코올을 사용할 수 있다.
상기 하이드록실 아크릴레이트 모노머는 가교밀도를 향상시켜 망목상 상태를 증대시키는 역할을 하여 물성을 향상시키는 기능을 한다. 이러한 하이드록실 아크릴레이트 모노머로는 하이드록실 에틸아크릴레이트, 하이드록실 프로필아크릴레이트, 하이드록실 에틸메틸아크릴레이트 등을 사용할 수 있다.
상기 불포화 폴리에스테르는 산과 글리콜류 화합물의 축합 중합에 의해 형성되는 것으로서, 예를 들어 푸마르산과 디에틸렌글리콜의 반응에 의해 형성되는 산가 18~20mg/KOH의 범위에 드는 것을 사용할 수 있다. 상기 불포화 폴리에스테르는 모르타르의 내후성, 내광성, 내스크래치성을 강화하는 역할을 한다.
상기 갈산은 탄닌을 산 또는 알칼리 가수분해하여 얻어지는 페놀카르복시산으로 C7H6O5·H2O의 분자식을 갖는 화합물로서, 표면의 방청, 방수성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 금속 양이온은 구체적인 예로서 Ca2+, Mg2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+ 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다.
상기 분산제는 수용성 라텍스의 혼합시 액상 내에서 내부 성분을 고르게 분산시켜 균일성을 향상시키기 위한 것으로, 본 발명에서는 비이온 타입의 폴리옥시알킬렌형 계면활성제 또는 음이온 타입의 폴리카르복실염계 계면활성제 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명에서, 상기 알콕시 실란 가수분해물은 졸-겔 공정을 통해 실란을 실리카겔 형상으로 형성하고, 이와 같이 얻어진 실리카겔의 세공중에 메타크릴산 메틸을 넣은 후 이를 중합 및 가수분해하여 얻어진 것을 사용할 수 있다. 본 발명에서 상기 메타크릴산 메틸의 함량은 알콕시 실란 함량 100 중량부를 기준으로 0.5~5 중량부의 범위로 포함될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 실리코네이트계 액상 성분은 칼륨메틸실리코네이트 0.1~5 중량비, 3-아이오도-2-프로피닐-N-부틸 카바메이트 0.1~5 중량비, 에폭시계 바인더 수지 0.1~10 중량비 및 플루오르(F)기를 함유한 무기계 폴리머 0.1~5 중량비의 비율로 포함하여 구성된다.
본 발명에서 상기 칼륨메틸실리코네이트는 본 발명에 따른 모르타르 조성물의 강화 성분을 모재 콘크리트 구조물 내부로 침투시켜 주는 역할을 함과 동시에 발수성을 증대시키는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 칼륨메틸실리코네이트는 상기 실리코네이트계 액상 성분 중에 0.1~3 중량비의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 칼륨메틸실리코네이트는 고형분 함량이 30~40 중량%이고 pH 12~14인 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 3-아이오도-2-프로피닐-N-부틸 카바메이트는 본 발명에 따른 모르타르 조성물에 사용될 경우 콘크리트의 각종 유해 성분들이 외부로 용출되는 것을 방지하여 환경 오염을 유발하는 것을 방지하는 효과가 있다. 본 발명에서 상기 3-아이오도-2-프로피닐-N-부틸 카바메이트는 상기 실리코네이트계 액상 성분 중에 0.1~5 중량비의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 에폭시계 바인더 수지는 조성물의 각 성분들 간의 결합력을 증진시키며 콘크리트 내부의 기계적 강도 및 수밀성을 높이는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 에폭시계 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 그 함량은 상기 실리코네이트계 액상 성분 중에 0.1~10 중량비의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 플로오르(F)기를 함유한 무기계 폴리머는 본 발명에 따른 모르타르 조성물이 도포된 후 표면이 산성 조건에 노출될 경우 내산 특성을 강화시켜 산에 의한 콘크리트의 부식을 방지하는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 플로오르(F)기를 함유한 무기계 폴리머는 알루미노 실리케이트와 플루오르 알칼리 실리케이트가 50~65:35~50의 중량비로 혼합된 혼합물로 구성된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 알루미노 실리케이트의 함량이 상기 범위보다 적을 경우에는 강도 저하의 문제가 있으며, 상기 범위를 초과할 경우에는 모르타르의 겉마름 현상으로 인해 크랙이 발생할 수 있다.
본 발명에서 상기 플로오르(F)기를 함유한 무기계 폴리머는 상기 실리코네이트계 액상 성분 중에 0.1~10 중량비의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.1 중량비 미만이면 내산 강화 효과가 미미하며, 10 중량비를 초과하면 상용성이 문제될 수 있다.
본 발명에서 클링커는 규산칼슘인 알라이트, 베라이트 및 세라이트 등으로 구성된다. 상기 클링커는 분말성분과 액상성분의 혼합을 촉진시키는 역할을 한다. 상기 클링커는 0.5 중량부 내지 10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 클링커의 함량이 0.5 중량부 미만인 경우는 분말성분과 액상성분의 혼합이 용이하지 않으며, 10 중량부를 초과하는 경우는 강도가 저하되는 문제가 있다.
본 발명에서 상기 이수석고 및 반수석고는 점성을 증가시켜 부착성을 향상시키는 역할을 한다. 상기 이수석고 및 반수석고는 1 중량부 내지 10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 함량이 1 중량부 미만인 경우는 점성 및 부착성이 저하되는 문제가 있으며, 10 중량부를 초과하는 경우는 강도가 낮아지는 문제가 있다.
본 발명에서 상기 플라스터(plaster)는 분말 성분에 포함된 성분이 액상성분과 용이하게 혼합되도록 하는 역할을 한다. 상기 플라스터는 0.5 중량부 내지 10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직한데, 따라서, 상기 플라스터의 함량이 0.5 중량부 미만인 경우는 분말 성분에 포함된 다양한 성분이 액상성분과 용이하게 혼합되기 어려운 문제가 있고, 10 중량부를 초과하는 경우는 강도 및 내화학성 등이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에서 상기 탈황석고는 고로급냉슬래그 및 고로서냉슬래그의 산성 피막을 파괴하여 슬래그 내부에서 이온 방출을 가속화시키고 이들과 반응하여 수화 초기에 에트린자이트를 다량 생성해주는 역할을 하며, 재령 경과에 따라 칼슘실리케이트 수화물을 생성해 강도를 발현해주는 역할을 한다.
본 발명에서 상기 탈황석고는 배연탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고 및 석탄 코크스 탈황석고 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 탈황석고의 제조과정의 일 예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 수용성 황산화물이 흡수탑에 통과할 시 분사된 물에 흡수되는 흡수반응이 일어나고, 분사된 물에 흡수된 산성의 황산화물과 물에 용해된 알칼리 흡수제인 석회석과 즉각 반응하여 환상화물이 반수석고로 중화반응을 일으킨다. 또한 반수석고와 수용성 황산화물은 역반응이 쉽게 일어나 반응성을 저하시키고 불안정한 상태의 물질로 반응의 안정과 반응물질의 회수를 용이하게 하기 위해 압축공기를 강제 공급하여 산소와 결합시키는 과정인 산화반응을 거쳐 결정화 반응을 일으킨다. 결정화 반응은 황산화물과 석회석이 반응해 생성된 Seed(결정핵)를 중심으로 100∼150
Figure 112021050323011-pat00002
까지 성장한다. 이 단계에서는 완전히 산화되지 않은 부반응과 정상적으로 산화되어 역반응이 일어나지 않는 주반응이 있다.
상기 탈황석고의 주성분은 CaO 및 SO3 이며, 적절한 품질은 CaSO4·2H2O가 95% 이상, 미반응 CaCO3가 1.5% 이하, CaSO3·1/2H2O가 0.5% 이하 및 Al2O3+Fe2O3가 최대 1.0% 이하이며, pH 5-9를 나타내어야 한다. 인산석고에 비해 상대적으로 pH가 중성이며, 높은 순도의 균일한 품질을 가지고 있는 특징이 있다.
본 발명에서 상기 탈황석고는 2.65 ~ 2.75 g/m3의 밀도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하고, 4,430 ~4,4520 cm3/g의 분말도를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 실리카퓸(silica fume)은 비정질의 활성 실리카로서 평균입경이 0.15㎛ 정도이며, 완전 구형에 가까운 입자이다. 실리카퓸은 구상입자의 특성에 의해 분말성분 입자 사이의 충진 효과에 의하여 방수성 및 내화학성을 향상시키며, 모르타르의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 특히, 실리카퓸은 모르타르의 부착성능을 향상시키는 역할을 하기도 한다. 상기 실리카퓸은 0.1 중량부 내지 5 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 실리카퓸의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우는 모르타르의 방수성 및 내화학성이 저하되고 강도가 낮아지는 문제가 있으며, 5 중량부를 초과하는 경우는 균열이 발생할 수 있는 문제가 있다.
상기 플라이애쉬(fly ash)는 화력발전소 등 석탄을 연료로 사용하는 시설에서 석탄을 태우고 남은 성분들이 산화물 형태로 남아 산화 실리콘(SiO2)나 산화 알루미늄(Al2O3)성분의 미세한 먼지로 남은 것을 의미한다. 상기 플라이애쉬를 코팅제에 혼합하여 사용하면 작업성이 개선되고 장기적인 강도 및 수밀성이 향상되어 경제적이다. 상기 플라이애쉬는 0.01 중량부 내지 5 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 플라이애쉬의 함량이 0.01 미만인 경우는 모르타르의 부착성능이 저하되며, 5 중량부를 초과하는 경우는 내화학성이 저하되는 문제가 있다.
상기 석회석은 본 발명에 따른 모르타르 조성물의 부착성을 보조적으로 향상시키는 역할을 한다. 상기 석회석은 0.5 중량부 내지 10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 석회석의 함량이 0.5 중량부 미만인 경우는 부착성 향상 효과가 저하되며, 10 중량부를 초과하는 경우는 내화학성이 저하되는 문제가 있다.
상기 슬래그는 제철소 등에서 철강을 제조하는 과정에서 발생하는 부산물로서, 슬래그의 주성분은 알루미나 규산염이며, 이를 분말성분에 혼합하는 경우 모르타르의 내구성 및 내화학성을 높이는 역할을 한다. 특히 슬래그는 투수성이 낮아 본 발명에 따른 모르타르의 방수성을 향상시키는 역할을 한다. 상기 슬래그는 0.01 중량부 내지 5 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 슬래그의 함량이 0.01 중량부 미만인 경우는 내구성, 내화학성 및 방수성이 저하되는 문제가 있으며, 5 중량부를 초과하는 경우는 균열이 발생할 수 있고 무게가 증가하는 문제가 있다.
본 발명에서 상기 활성촉진제는 초기 응결 속도를 조절하기 위해 사용되며, 모르타르의 기능을 활성화시키고 부착성능을 강화하는 역할을 하는 것으로서, 예를 들어, 칼슘, 마그네슘, 망간 또는 알루미늄의 활성 다가 금속이온을 포함하는 염화물염, 탄산염, 황산염 또는 수산염을 사용할 수 있고, 그 사용량은 0.5~2 중량부의 범위로 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 리튬계 반응촉진제는 응결(종결) 이후 시멘트 수화물이 생성을 촉진하여 강도 발현에 영향을 미치고 미세 공극을 치밀하게 하는 역할을 하는 것으로서, 예를 들어 탄산리튬, 황산리튬, 수산화리튬, 산화리튬, 염화리튬, 인산리튬, 질산화리튬, 리튬 실리케이트 등을 사용할 수 있으며, 그 사용량은 0.5~1 중량부의 범위로 사용되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 모르타르 조성물에 있어서 난연 효과를 발휘하도록 하기 위하여 난연제를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 난연제는 몰리브덴산 안티몬, 수산화알미늄, 산화몰리브덴, 수산화마그네슘 중 어느 하나 또는 2종 이상 혼합한 것을 사용할 수 있다. 특히 수산화알미늄(Al(OH)3)은 열이 가해져서 500℃ 이상이 되면 활성알루미나로 변화되어 흡착 성능을 가지게 되므로 연소시 발생하는 다이옥신, 염화수소가스(HCl) 등 유해 물질을 흡착하며 열 분해시 흡열 반응을 하여 냉각 효과도 있고 불연성으로서 내수, 내산성이 우수하도록 하며, 난연제들을 병용 사용하여 난연 효과의 향상을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물은 충진제를 더 포함할 수 있다. 상기 충진제의 입경은 2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 것으로, 이산화규소(SiO2), 황산바륨(BaSO4), 산화알루미늄(Al2O3), 탄산칼슘(CaCO3), 탈크 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군일 수 있다.
본 발명에서 상기 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물은 기능성 충진제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 기능성 충진제로는 실리카 분말과 팽창성 흑연의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 실리카 분말로서는 콜로이달실리카, 흄드실리카 및 마이크로나이즈드 실리카 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 이용할 수 있다.
상기 기능성 충진제는 모르타르 조성물의 바인딩 효과를 더욱 증대시키는 역할을 함으로써 물리적 효과를 증대시키는 역할을 한다. 본 발명에서 상기 실리카 분말과 팽창성 흑연의 혼합 비율은 100:50~200 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기능성 충진제를 사용할 때는 분말을 바로 사용하는 것도 가능하지만, 표면을 처리하여 유기실란으로 처리하여 코팅함으로써 바인딩 효과 증대로 인한 내구성 증대 효과를 볼 수 있다.
즉, 실리카 분말 단독 또는 팽창성 흑연 분말의 혼합물이 용매에 분산된 콜로이드상 용액을 유기 실란에 분산시킨 후 약 1~10시간 동안 교반하여 처리할 수 있다. 구체적으로, 실리카 분말 단독 또는 팽창성 흑연 분말의 혼합물 용액 100 중량부를 기준으로 유기 실란 약 0.1~50중량부를 상기 용액에 첨가하여 용액 내에서 분말 입자 표면에 유기기를 형성하고 반응기를 통과시켜 탈수 및 축합반응을 통해 유기기로 표면 처리된 분말을 형성시킨다. 이때 상기 용액은 실리카 분말이나 팽창성 흑연 분말이 물이나 알코올과 같은 용매 내에 콜로이드 상태로 분산되어 있는 것으로서 콜로이드 용액 상태로 유기 실란과 접촉하는 것이 바람직하다.
상기 유기실란의 구체적인 예로는 디메틸디메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 테트라에톡시실란 등을 들 수 있다. 이 때 유기 실란으로 분말 표면을 처리하는 것은 상온에서 1~10 시간 정도 교반 처리하여 유기기가 형성된 무기물을 형성하고 이를 반응기에 통과시켜 형성한다. 이 때 상기 반응기는 가열장치로서 온도를 100 ~ 300℃로 승온하여 1~10시간 동안 용매와 유기기가 형성된 무기물을 탈수 및 축합반응시켜 표면 처리가 완료된 분말상의 무기물 입자를 제조할 수 있다.
이와 같이 제조되는 실리카 분말 및 팽창성 흑연 분말은 표면에 실란이 형성되어 있으므로 바인딩 효과가 우수하고 이에 따라 내구성이 더욱 향상될 수 있다.
본 발명에서 상기 기능성 충진제는 0.1~10 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 얻어지는 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물을 이용하여 콘크리트 구조물의 손상 부분을 보수 시공할 수 있다. 그 시공 방법은 하기와 같다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 모르타르 조성물 이용한 콘크리트 구조물 보수 공법을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 먼저, 보수 보강이 필요한 대상물, 즉 손상된 콘크리트 구조물의 바탕면 정리한다(치핑 및 고압수 세척)(S110). 보다 구체적으로, 보수면에 대한 전처리 과정으로 보강대상 콘크리트 구조물 표면의 매립용 홈파기 작업으로 표면에 치핑 공정을 수행하으로써, 본 발명에 따른 친환경 모르타르와 기존 지하구조물을 일체화할 수 있는 공정이므로 정밀한 컷팅 작업을 통하여 홈파기를 진행함으로써, 최적의 접착환경을 조성하여 고품질 시공이 가능하도록 한다. 이를 위해 먼저 시공위치를 확인하고, 그루빙(홈파기) 작업을 수행한 뒤, 고압수 세척(이물질 제거) 공정을 수행하는 것이다.
상기 단계(S110) 이후, 철근 녹제거 및 철근방청제를 도포한다(S120).
보다 구체적으로, 고압수 세척 공정이 완료된 콘크리트 외부로 노출된 철근의 녹을 제거하고, 철근 방청 도료 도포(철근 방청)을 수행하는 것이 바람직하다.
즉, 녹제거형 방청제를 도포하되, 녹제거형 방청제는 주성분이 인산계로 이루어지며, 비중 1.18 내지 1.28, 건조성 1 내지 2시간(15 내지 30℃)의 물성을 갖는 것을 사용하며, 콘크리트 외부로 노출된 철근의 부식된 부분을 중화하여 녹을 추가로 제거하고, 내산성에 의한 철근의 부식을 방지하는 역할을 수행한다.
상기 단계(S120) 이후, 프라이머를 도포한다(S130).
표면처리가 된 보수면에 모르타르 증강효과와 강력한 접착력을 보유한 바라 에멀전 57(Barra Emulsion 57)로 되거나 다양한 재료에 해당하는 프라이머를 도포할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 바라에멀전 57(Barra Emulsion 57)은 스티렌과 부타디엔 중합체로 이루어진 수성의 에멀젼으로 방수성, 내마모성, 결합성을 증진시키기 위해 모르타르나 콘크리트에 사용될 수 있는 것으로서, 특히 시멘트계와 조화성이 우수하여 시멘트 모르타르 증강제 및 접착제에 해당한다.
상기 단계(S130) 이후, 상기 설명된 본 발명에 따른 친환경 모르타르 조성물을 이용해 보수 단면에 보수 모르타르 충진을 수행한다(S140). 여기서 친환경 모르타르 조성물을 충진시 타설 방법으로, 스프레이 뿜칠 시공, 미장시공, 슈트 및 연속시공 중 하나로 수행되는 것이 바람직하다.
상기 단계(S140) 이후, 보수 모르타르 충진이 수행된 외부면에 표면보호용 코팅제를 도포한다(S150).
이하에서는 본 발명을 실시예예 의거하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
(실험예)
(실시예 1)
고로급냉슬래그 분말과 고로서냉슬래그 분말을 2.85 ~ 2.95 g/m3의 밀도를 갖는 것을 선별하여 사용하였다. 상기와 같은 고로급냉슬래그 분말 및 고로서냉슬래그 분말을 각각 50:25 중량비로 혼합하고 여기에 제3성분을 90 중량비로 혼합하였다.
제3성분으로는 리오셀 섬유 2 중량부, 제올라이트 미분말 3 중량부, 초산비닐계 폴리머 1.5 중량부, 팽창재 0.2 중량부, 폴리카본산계 고유동화제 0.5 중량부, 규사 100 중량부를 포함하고, 아크릴수지(15 중량비), SBR 고무(15 중량비), 불포화 폴리에스테르 수지(20 중량비), 하이드록실 아크릴레이트 모노머(1 중량비), 갈산(1 중량비), 금속 양이온(3 중량비) 및 분산제(1 중량비)를 혼합하고 물을 혼합하여 얻은 수용성 개질 라텍스 8 중량부를 혼합하였다. 이어서, 실란을 실리카겔 형상으로 형성하고 실리카겔의 세공중에 메타크릴산 메틸을 넣고 중합 및 가수분해하여 얻어진 알콕시 실란 가수분해물 0.5 중량부를 혼합하고, 이어서, 칼륨메틸실리코네이트 1 중량비, 3-아이오도-2-프로피닐-N-부틸 카바메이트 2 중량비, 에폭시 바인더 수지 5 중량비 및 플루오르(F)기를 함유한 무기계 폴리머(알루미노 실리케이트와 플루오르 알칼리 실리케이트가 60:40의 중량비로 혼합된 혼합물) 1 중량비의 비율로 혼합하여 얻어진 실리코네이트계 액상 성분 3 중량부와, 클링커 5 중량부, 이수석고 및 반수석고 혼합물 5 중량부, 플라스터 5 중량부, 탈황석고 5 중량부, 실리카퓸 3 중량부, 플라이애쉬 3 중량부, 석회석 7 중량부, 슬래그 3 중량부를 혼합한 후, 활성촉진제 1.0 중량부 및 반응촉진제(탄산리튬, 황산리튬, 수산화리튬의 혼합물) 1.0 중량부를 혼합하여 얻어진 것을 사용하여, 보수용 모르타르 조성물에 제조하였다.
(비교예 1)
시멘트 100 중량부를 기준으로 제올라이트 미분말 13 중량부, 초산비닐계 폴리머 1.5 중량부, 팽창재 0.2 중량부, 폴리카본산계 고유동화제 1.5 중량부, 규사 100 중량부를 포함하고, 첨가제를 혼합하여 형성하되, 시멘트는 포틀랜트 시멘트 40 중량비, 조강시멘트 35 중량비 및 슬래그 시멘트 30 중량비로 혼합하여 생성하였으며, 규사는 평균 입경이 0.3 내지 1.5 mm인 세사를 사용하여 모르타르 조성물을 제조하였다.
(비교예 2)
시멘트 100 중량부를 기준으로 리오셀 섬유 13 중량부, 초산비닐계 폴리머 1.5 중량부, 팽창재 0.2 중량부, 폴리카본산계 고유동화제 1.5 중량부, 규사 100 중량부를 포함하고, 첨가제를 혼합하여 형성하되, 시멘트는 포틀랜트 시멘트 40 중량비, 조강시멘트 35 중량비 및 슬래그 시멘트 30 중량비로 혼합하여 생성하였으며, 규사는 평균 입경이 0.3 내지 1.5 mm인 세사를 사용하여 모르타르 조성물을 제조하였다.
(비교예 3)
시멘트 100 중량부를 기준으로 초산비닐계 폴리머 4.5 중량부, 팽창재 1.0 중량부, 폴리카본산계 고유동화제 1.5 중량부, 규사 100 중량부를 포함하고, 첨가제를 혼합하여 형성하되, 시멘트는 포틀랜트 시멘트 40 중량비, 조강시멘트 35 중량비 및 슬래그 시멘트 30 중량비로 혼합하여 생성하였으며, 규사는 평균 입경이 0.3 내지 1.5 mm인 세사를 사용하여 모르타르 조성물을 제조하였다.
[성능 평가]
(1) 모르타르 조성물의 물성
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 모르타르 조성물을 이용하여 시험체를 제조하여 하기 시험 방법에 의해 물성을 측정하였다.
1) 응결시간 : KSF 2436
2) 휨강도 : KS F 2476「폴리머 시멘트 모르타르의 강도시험 방법」
3) 압축강도 : KSF 2405
4) 부착강도 : KS F 4716 「폴리머 시멘트 모르타르의 강도시험 방법」
5) 길이변화율 : KS F 2424 모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험 방법에 따라 측정하였다. 그 값은 초기 시공체의 값을 0으로 하여, “-”는 수축율을 나타내는 것이며, “+”는 팽창율을 나타내는 것이다.
6) 플로우 : KS L 5220에 준하여 실시하였다.
그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
항목 실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
응결시간(분) 초결 24 36 39 59
종결 30 55 60 110
휨강도
(N/mm2)		 기중 23 15 13 8
수중 18 12 10 7
압축강도
(N/mm2)		 기중 76 54 49 42
수중 71 49 42 37
부착강도
(N/mm2)		 기중 7.9 3.7 3.5 2.7
수중 6.8 1.7 1.4 1.1
길이변화율(%) +0.006 +0.05 +0.03 +0.10
플로우(mm) 81 150 141 139
상기 표 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 친환경 모르타르 조성물의 경우, 종래의 모르타르 조성물에 비하여 물성이 현저하게 우수하며, 특히 기중 및 수중에서의 휨강도, 압축강도 및 부착 강도가 현저히 우수할 뿐만 아니라 길이변화율도 현저히 상대적으로 우수한 성능을 제공하는 것을 확인할 수 있다.
(2) 단면복구 성능 평가
1) 내후성 평가
ASTM G 155에 따라 400시간 측정하였다.
2) 표면 경도 평가
KS D 6711에 따라 연필경도를 측정하였다.
3) 내수성 평가
120℃ 열수에서 연속으로 표면 변형(균열, 블리스터 등)이 일어나는 시간을 측정하였다.
상기 평가 결과를 표 2에 나타내었다.
내후성(백색) 표면경도 내수성
실시예 1 △E1.6 6H 890hr
비교예 1 △E2.1 3H 510hr
비교예 2 △E3.3 3H 410hr
비교예 3 △E4.2 2H 320hr
상기 표 1 및 표 2의 결과로부터 본 발명에 따른 친환경 모르타르 조성물을 이용하여 콘크리트의 단면 보수 보강 시공하면 모르타르의 성능도 우수하고, 콘크리트와의 부착성도 뛰어나며, 내후성, 내수성 등의 물성도 우수하므로 지하 콘크리트 구조물의 보수 보강을 효율적으로 할 수 있으므로, 보수 보강의 장기적 내구성을 증진할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물 및 이를 이용한 구조물 보수 공법에 관하여 실시예를 참고하여 상세하게 설명하였다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (12)

  1. 콘크리트용 결합재로서 시멘트 이외에 고로급냉슬래그 분말, 고로서냉슬래그 분말 및 제3성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물로서,
    상기 제3성분은 섬유 0.1 내지 10 중량부, 제올라이트(Zeolite) 미분말 0.1 내지 5 중량부, 초산비닐계 폴리머 0.1 내지 5 중량부, 팽창재 0.1 내지 5 중량부, 폴리카본산계 고유동화제 0.1 내지 5 중량부, 규사 30 내지 150 중량부를 포함하며,
    수용성 개질 라텍스 0.1 내지 5 중량부, 알콕시 실란 가수분해물 0.1 내지 2 중량부, 실리코네이트계 액상 성분 0.1 내지 3 중량부를 포함하고,
    클링커 0.5 내지 10 중량부, 이수석고 및 반수석고 혼합물 1 내지 10 중량부, 플라스터 0.5 내지 10 중량부, 탈황석고 0.5 내지 10 중량부, 실리카퓸 0.1 내지 5 중량부, 플라이애쉬 0.01 내지 5 중량부, 석회석 0.5 내지 10 중량부, 슬래그 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 분말 성분을 포함하며,
    활성촉진제 0.1 내지 2 중량부 및 리튬계 반응촉진제 0.01 내지 1 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하되,
    상기 수용성 개질 라텍스는 아크릴 수지 10~20 중량비, SBR(Styrene-Butadiene rubber) 고무 10~20 중량비, 하이드록실 아크릴레이트 모노머 0.1~5 중량비, 불포화 폴리에스테르 수지 15~30 중량비, 갈산 0.1~5 중량비, 금속 양이온 1~10 중량비, 분산제 0.5~5 중량비 및 물 40~70 중량비의 비율로 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 콘크리트용 결합재는 시멘트 : 고로급냉슬래그 분말 : 고로서냉슬래그 분말 : 제3성분을 각각 40~60 : 5~30 : 5~30 : 5~100 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 고로급냉슬래그 분말 및 고로서냉슬래그 분말은 2.85 ~ 2.95 g/m3의 밀도를 갖는 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황석고는 배연탈황석고, 페트로 코크스 탈황석고 및 석탄 코크스 탈황석고 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황석고는 2.65 ~ 2.75 g/m3의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황석고는 4,430 ~4,4520 cm3/g의 분말도를 갖는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 고로급냉슬래그 분말 및 고로서냉슬래그 분말은 4,200 ~4,280 cm3/g의 분말도를 갖는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물.
  10. 치핑 및 고압수 세척을 통해 바탕면을 정리하는 제 1 단계;
    바탕면이 정리된 상태에서 철근 녹제거 및 철근방청제를 도포하는 제 2 단계;
    철근방청제가 도포된 면에 프라이머를 도포하는 제 3 단계; 및
    프라이머가 도포된 면에 청구항 1에 따른 콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물을 도포하는 제 4 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 콘크리트 구조물 보수 공법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 제 4 단계 이후,
    콘크리트 구조물 보수용 친환경 모르타르 조성물의 도포가 수행된 외부면에 표면보호용 코팅제를 도포하는 제 5 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수 공법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 제 4 단계의 콘크리트 구조물 보수용 친환경 친환경 모르타르 조성물 도포시 타설 방법으로, 스프레이 뿜칠 시공, 미장시공, 슈트 및 연속시공 중 하나로 수행되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보수 공법.
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