KR102365874B1 - 열화 콘크리트 구조물 보수용 방청 및 경량 폴리머 모르타르 조성물 - Google Patents

열화 콘크리트 구조물 보수용 방청 및 경량 폴리머 모르타르 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트, 마이크로 시멘트, 고로슬래그, CSA계 팽창재, CaO계 팽창재, 조기강도 증진재, 천연경량골재, 이산화규소, 소포재, 보습재, 수축저감재, 칼슘계 방청재, 폴리머 수지, 보강섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 열화 콘크리트 구조물 보수용 방청 및 경량 폴리머 모르타르 조성물에 관한 것이다.

Description

열화 콘크리트 구조물 보수용 방청 및 경량 폴리머 모르타르 조성물{Anti-corrosion and lightweight polymer mortar components for repair of deteriorated concrete structures}
본 발명은 열화 콘크리트 구조물은 물론 진동이 발생되는 구조물에 적합한 보수용 모르타르 조성물에 관한 것이다.
일반적으로, 철근콘크리트 구조물은 동결융해, 염해, 중성화, 화학약품, 하수에서 발생하는 각종 균과 황화가스(S) 등과 같은 여러 가지 요인에 의하여 손상을 입는 열화가 일어나게 되는 바, 손상이 심한 경우에는 콘크리트가 탈락되고 콘크리트 중의 철근이 노출되거나 내부에서 부식되어 그 내구성 및 내하력이 저하되는 결과를 초래함에 따라 구조물의 사용연한이 줄어드는 등의 문제가 발생하게 된다.
이러한 철근콘크리트 구조물의 열화 부위를 보수 또는 보강하기 위해, 열화 손상된 콘크리트를 제거하여 철근에 대한 보수 또는 보강을 실시한 후 콘크리트가 제거된 부분을 다시 원상으로 복구하기 위하여 미장 또는 뿜어 붙이기에 의한 시공법이 적용되고 있다.
상기 뿜어 붙이기 보수공법의 모르타르에 대해서는 국내 등록특허 제 0412339호(발명의 명칭 : 구조물 보수재 조성물)와, 국내 공개특허 제 2005-0032358호(발명의 명칭:조강형 수중 불분리 단면복구 시멘트 조성물), 국내 공개 특허 제 2005-0032359호(발명의 명칭:단면 주입용 저수축 그라우트 몰탈 조성물), 국내 등록특허 제 0405022호(발명의 명칭:콘크리트 보수용 몰타르 조성물) 등의 기술이 제안되어 있는 상태인 바, 이러한 기술을 활용한 뿜어 붙이기 보수공법들은 간편하고 신속하게 보수할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 이러한 종래의 콘크리트 보수 방법에 적용되는 모르타르 조성물은 다양한 원인에 의해 발생되는 열화에 대한 저항성을 부여하지 않은 모르타르 조성물로, 염해 등에 의해 장기적인 내구성을 확보할 수가 없다는 문제점이 있다.
대한민국 특허등록 제0412339호
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 염해 등을 포함하는 각종 열화에 대한 저항성이 우수함과 동시에 교량 등 진동발생 구조물 등에도 적용이 가능한 모르타르 조성물을 제공하고자 함이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열화 콘크리트 구조물 보수용 방청 및 경량 폴리머 모르타르 조성물(이하 "본 발명의 조성물"이라함)은, 시멘트, 마이크로 시멘트, 고로슬래그, CSA계 팽창재, CaO계 팽창재, 조기강도 증진재, 천연경량골재, 이산화규소, 소포재, 보습재, 수축저감재, 칼슘계 방청재, 폴리머 수지, 보강섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 폴리머 수지는 아민계 수지, 염화비닐계 수지, EVA수지 중 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 니트록시 라디칼이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 석신산이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 포졸란계 초미분말 및 지르코늄 혼합물이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 수축저감재는 아크릴 에멀젼이 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 천연경량골재에는 화산재가 적용되되, 상기 화산재는 유기 탄화수소 가스에 의해 증착처리 되어 폐기공율을 향상시킨 개질 화산재인 것을 특징으로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 조성물은 천연경량골재 등을 사용하여 내산성, 내화학성 등 물성을 향상시키고, 칼슘계방청재를 사용하여 친환경적인 장점이 있다.
또한 본 발명의 조성물은 교량의 교각, 상판 등 진동이 발생되는 구조물의 보수에 적합한 장점이 있다.
아래에서는 본 발명에 따른 양호한 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명의 조성물은 시멘트, 마이크로 시멘트, 고로슬래그, CSA계 팽창재, CaO계 팽창재, 조기강도 증진재, 천연경량골재, 이산화규소, 소포재, 보습재, 수축저감재, 칼슘계 방청재, 폴리머 수지, 보강섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 시멘트는 바인더 기능 및 역할을 하고, 철근의 표면에 부동태의 알칼리 보호피막을 형성한다. 시멘트로는 KS L 5201에서 규정하는 포틀랜드 시멘트나 플라이애시 시멘트 중 1가지 이상을 사용할 수 있다.
상기 CSA계 팽창재 및 CaO계 팽창재는 모르타르 양생시 시멘트의 체적이 급격하게 줄어들어 균열이 생기는 것을 방지하기 위한 것이다.
팽창재의 함량이 이하에서 설명하는 적정의 배합범위 미만이면 그 사용량이 너무 적어서 팽창재 사용으로 인한 효과를 볼 수 없고, 상기 배합범위를 초과하여 사용하면 팽창재 영향으로 인해 오히려 접착성, 부착성이 떨어지거나, 양생 후 콘크리트의 치밀도가 낮아져서 강도가 약해지는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
상기 천연경량골재는 그 종류를 한정하지 않으나 바람직하게 화산재가 사용되는 것이 바람직한 바, 화산재는 고열 고압 가스 에너지에서 천연 소생 다공질로 이루어진 쇠설질이 퇴적된 것으로 화산 폭발시 1600 내지 1800℃로 천연 고온 소성되어 기공이 많고 가벼우며, 견고하여 흡음율 및 보온성이 우수할 뿐만 아니라 인체에 유익한 원적외선을 방출한다. 또한 화산재의 첨가로 내산성, 내화학성 등을 향상시키게 되는 것이다.
상기 이산화규소는 열전도율이 낮추고 온도 편차를 줄여 온도 변화 및 습도 변화에 대한 저항성을 높이는 기능 및 역할을 한다.
상기 폴리머 수지는 모르타르의 경화 과정에서 폴리머 필름을 형성하여 수분 증발을 억제하며, 소성 수축 현상을 방지하고, 경화된 후에 외부에서 침입하는 수분 또는 이산화탄소 등의 유해물질을 차단하여 내구성을 향상시키는 역할을 수행하는 것으로서, 그 종류를 특별히 한정하지 않으나 아민계 수지, 염화비닐계 수지, EVA수지 중 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 폴리머 수지의 함량은 하기 배합범위 미만이면 부착성능이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 하기 배합범위를 초과하면 양생시간이 너무 길어지고 작업성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
상기 수축저감제는 모르타르가 경화된 후에 그로부터 수분이 증발할 경우 표면장력을 저하시키고 응결 및 수화반응을 촉진하는 물리작용으로 모르타르의 수축을 저감시키는 기능 및 역할을 한다.
상기 수축저감제는 그 종류를 한정하지 않으나, 일 예로 아크릴 에멀젼이 적용될 수 있다. 아크릴 에멀젼으로는 아크릴 수지, 메틸메타크릴레이트 수지, 부틸아크릴레이트 수지, 폴리비닐메틸에테르, 폴리비닐아민, 폴리에틸렌글리콜 모노메타크릴레이트, 알킬페놀 수지로 이루어진 것을 사용할 수 있다.
이러한 수축저감제는 자기수축 감소와 유동성 증진의 효과를 얻을 수 있고, 이를 통해 균열방지 및 외부로부터 염소이온, 탄산가스, 수분 등 유해물질의 침투를 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
상기 칼슘계 방청재는 철근의 표면에 보호막을 형성하여 부식 등을 방지하는 방청성능을 향상시키는 기능 및 역할을 한다. 특히 본 발명에서는 아초산계, 아질산계 방청재의 사용없이 수산화 칼슘, 질산칼슘에 유기계 활성제 혼합시킨 칼슘계 방청재를 사용함으로써 친환경적인 장점을 갖게 되는 것이다.
더욱 바람직하게 상기 방청재는 pH가 6 내지 9이며 수분함유량이 2% 이하이고 부피 밀도가 0.45kg/ℓ인 분말형을 사용하는 것이 타당하다.
상기 보강섬유는 가교작용을 통해 균열저항성을 향상시키기 위한 구성으로서 그 종류를 한정하지 않으나, 바람직하게 셀룰로오스 섬유와 나일론 섬유의 혼합물을 사용하는 것이 타당하다.
바람직하게 상기 조성들은 시멘트 100중량부에 대해, 마이크로 시멘트 20 내지 80중량부, 고로슬래그 20 내지 80중량부, CSA계 팽창재 5 내지 15중량부, CaO계 팽창재 3 내지 10중량부, 조기강도 증진재 20 내지 80중량부, 천연경량골재 20 내지 80중량부, 이산화규소 20 내지 80중량부, 소포재 0.05 내지 0.1중량부, 보습재 5 내지 10중량부, 응결조절재 5 내지 10중량부, 수축저감재 5 내지 10중량부, 칼슘계 방청재 3 내지 15중량부, 아민계 수지 5 내지 10중량부, 염화비닐계 수지 5 내지 10중량부, EVA수지 5 내지 10중량부, 셀룰로오스 섬유 1 내지 5중량부, 나이론 섬유 1 내지 5중량부로 배합되는 것이 타당하다.
한편 종래 콘크리트 보수재에 사용되는 1종 보통 포틀랜드 시멘트는 강알칼리성 재료로서 산 및 황산염이 함유되어 있는 지하수나 해수에 약한 특성을 갖는다. 이에 본 발명의 조성물에는 콘크리트 내부로 침투된 염화물이온을 고정화시킬 목적으로 니트록시드(nitroxide) 라디칼이 첨가되도록 한다.
상기 니트록시드 라디칼은 리빙라디칼 중합에 의한 분자량 분포가 좁은 고분자의 중합체의 제조나 텔로머(telome)의 제조에 이용된다. 상기 니트록시드 라디칼은 페이스트 내에서 염소이온은 에너지를 받아 염소라디칼로 전이될 때 철근과의 산화반응이 진행되므로 니트록시드 라디칼은 염소이온이 염소라디칼로 전환하는 것을 억제해 줌으로써 철근의 부식을 억제하는 기능을 발현하게 되는 것이다.
또한, 니트록시드 라디칼은 염소 라디칼과 반응하여 안정한 형태의 화합물을 형성하므로 염화물의 고정화가 이루어진다.
상기 니트록시드 라디칼은 시멘트 100중량부에 대해 0.1 내지 1중량부로 배합됨이 타당하다.
또한 본 발명의 조성물에는 석신산이 더 첨가될 수 있는데, 상기 석신산은 폴리머 수지의 첨가에 따른 작업성 저하를 방지하기 위한 것이다. 즉 석신산의 첨가에 의해 응결속도를 적절한 수준으로 조절하기 위한 것으로, 응결속도가 지나치게 빨라질 경우 작업공정이 어려워지고 성능이 떨어지는 문제점을 해결할 수 있다.
상기 석신산은 시멘트 100중량부에 대해 0.1 내지 1중량부로 배합됨이 타당하다.
상기 니트록시드 라디칼의 첨가에 의해 내염해성을 향상시키도록 하나 니트록시드 라디칼의 첨가량을 증가시켜 내염해성을 더욱 향상시키고자 하는 경우 과도한 라디칼 반응으로 철근과 모르타르의 부착성능 저하 등의 문제가 야기될 수 있는 바, 이에 본 발명에서는 페이스트의 내염해성 등을 더욱 향상시키기 위해 포졸란계 초미분말 및 지르코늄 혼합물이 더 포함되는 예를 제시하고 있다.
상기 포졸란계 초미분말은 페이스트의 공극을 치밀하게 하는 기능으로서 포졸란계 초미분말의 첨가에 의해 밀실한 페이스트가 구현되어 내구성을 확보할 수 있도록 하는 것이며, 상기 포졸란계 초미분말은 염소이온의 응집작용에 의해 염소이온의 침투저항성을 향상시키고, 안정화시키는 효과를 통해 내염해성을 확보하는 작용을 한다.
그런데 상기 포졸란계 초미분말은 시멘트 조성물 중의 알칼리성분과 반응시 미세한 수소가스를 발생시켜 페이스트를 팽창시켜 균열을 제어하는 기능도 하는데, 이 과정에서 발생한 수소가스에 의해 공극형성에 의한 강도저하, 표면 공극형성에 의한 표면마감제 등과의 들뜸현상 등을 초래하게 될 수 있다.
이에 본 발명에서는 포졸란계 초미분말 및 지르코늄 혼합물이 더 첨가되도록 하는 것으로, 지르코늄의 더 첨가에 의해 포졸란계 초미분말의 첨가에 의한 내염해성을 확보하면서 이 과정에서 발생될 수 있는 수소가스를 제거하여 수소가스에 의해 공극형성에 의한 강도저하, 표면 공극형성에 의한 표면마감제 등과의 들뜸현상 등의 문제를 제어토록 하는 것이다.
바람직하게 포졸란계 초미분말 및 지르코늄 혼합물은 시멘트 100중량부에 대해 5 내지 15중량부로 배합되는 것이 타당하고, 포졸란계 초미분말 및 지르코늄은 중량비로 (7 : 3) 내지 (8 : 2)의 혼합비로 배합토록 하는 것이 타당하다.
한편 화산재의 경우 내부에 존재하는 기공은 개기공과 폐기공으로 구성되어 있으며, 특히 골재 내부는 표면층에서 내부 영역으로 갈수록 기공의 크기가 커지는 현상이 발생하기도 한다. 그런데 내부에 다량의 개기공을 형성되면 수분 흡수가 매우 크고, 이에 작업성 저하, 균열발생 등의 문제가 발생된다. 그러므로 화산재에 존재하는 기공을 주로 폐기공화 하여 수분흡수 및 이동을 억제할 수 있도록 하는 것이 바람직한데, 이에 본 발명에서는 개질 화산재가 적용되도록 하고 있으며, 화산재의 개질은 화산재를 유기 탄화수소 가스에 의해 증착처리 되도록 하여 폐기공율을 향상키도록 하는 것이다.
즉 화산재를 유기 탄화수소 가스와 반응시켜 입자 표면에 탄화규소 피막이 도포되도록 하고, 내부에도 탄화규소 피막이 충진되어 폐기공율을 향상시키는 것이다. 화산재와 유기 탄화수소 가스를 반응시키는 방법은 다양한 공지기술이 적용될 수 있으며, 예로 화산재를 900 ℃ 내지 1200 ℃에서 유기 탄화수소 가스, 유기 탄화수소 증기 또는 이들의 혼합물로 열 화학증착 처리한 후, 표면의 과잉 유리 탄소층을 가열에 의해 산화 제거토록 할 수 있는 것이다. 이러한 과정을 거치게 되면 화산재 입자의 표면은 물론 내부에도 부분적으로 탄화규소층 피막이 형성되어 폐기공율을 높이게 되는 것이다. 결과적으로 개질에 의해 수분흡수율을 제어하게 되는 것이다.
이하에서는 실험 예에 의해 본 발명에 대해 설명한다.
하기에서 보는 바와 같이 각각 시료를 제작하였으며, 그 실험결과가 표 1에 도시되고 있다.
[실시예 1]
시멘트 100중량부에 대해, 마이크로 시멘트 50중량부, 고로슬래그 50중량부, CSA계 팽창재 5중량부, CaO계 팽창재 3중량부, 조기강도 증진재 20중량부, 화산재 30중량부, 이산화규소 30중량부, 소포재 0.1중량부, 보습재 5중량부, 응결조절재 5중량부, 수축저감재 5중량부, 칼슘계 방청재 5중량부, 아민계 수지 5중량부, 염화비닐계 수지 5중량부, EVA수지 5중량부, 셀룰로오스 섬유 1중량부, 나이론 섬유 1중량부를 포함하도록 배합하여 시료를 제조하였다.
[실시예 2]
시멘트 100중량부에 대해, 마이크로 시멘트 50중량부, 고로슬래그 50중량부, CSA계 팽창재 5중량부, CaO계 팽창재 3중량부, 조기강도 증진재 20중량부, 화산재 30중량부, 이산화규소 30중량부, 소포재 0.1중량부, 보습재 5중량부, 응결조절재 5중량부, 수축저감재 5중량부, 칼슘계 방청재 5중량부, 아민계 수지 5중량부, 염화비닐계 수지 5중량부, EVA수지 5중량부, 셀룰로오스 섬유 1중량부, 나이론 섬유 1중량부, 니트록시 라디칼 0.5중량부를 포함하도록 배합하여 시료를 제조하였다.
[실시예 3]
시멘트 100중량부에 대해, 마이크로 시멘트 50중량부, 고로슬래그 50중량부, CSA계 팽창재 5중량부, CaO계 팽창재 3중량부, 조기강도 증진재 20중량부, 화산재 30중량부, 이산화규소 30중량부, 소포재 0.1중량부, 보습재 5중량부, 응결조절재 5중량부, 수축저감재 5중량부, 칼슘계 방청재 5중량부, 아민계 수지 5중량부, 염화비닐계 수지 5중량부, EVA수지 5중량부, 셀룰로오스 섬유 1중량부, 나이론 섬유 1중량부, 니트록시 라디칼 0.5중량부, 석신산 0.5중량부를 포함하도록 배합하여 시료를 제조하였다.
[실시예 4]
시멘트 100중량부에 대해, 마이크로 시멘트 50중량부, 고로슬래그 50중량부, CSA계 팽창재 5중량부, CaO계 팽창재 3중량부, 조기강도 증진재 20중량부, 화산재 30중량부, 이산화규소 30중량부, 소포재 0.1중량부, 보습재 5중량부, 응결조절재 5중량부, 수축저감재 5중량부, 칼슘계 방청재 5중량부, 아민계 수지 5중량부, 염화비닐계 수지 5중량부, EVA수지 5중량부, 셀룰로오스 섬유 1중량부, 나이론 섬유 1중량부, 니트록시 라디칼 0.5중량부, 석신산 0.5중량부, 포졸란계 초미분말 및 지르코늄 혼합물(중량비로 8 : 2) 10중량부를 포함하도록 배합하여 시료를 제조하였다.
[실시예 5]
시멘트 100중량부에 대해, 마이크로 시멘트 50중량부, 고로슬래그 50중량부, CSA계 팽창재 5중량부, CaO계 팽창재 3중량부, 조기강도 증진재 20중량부, 화산재 30중량부, 이산화규소 30중량부, 소포재 0.1중량부, 보습재 5중량부, 응결조절재 5중량부, 수축저감재 5중량부, 칼슘계 방청재 5중량부, 아민계 수지 5중량부, 염화비닐계 수지 5중량부, EVA수지 5중량부, 셀룰로오스 섬유 1중량부, 나이론 섬유 1중량부, 니트록시 라디칼 0.5중량부, 석신산 0.5중량부, 포졸란계 초미분말 및 지르코늄 혼합물(중량비로 8 : 2) 10중량부를 포함하도록 배합하되, 상기 화산재는 상기에서 언급한 개질 화산재를 사용하여 시료를 제조하였다.
시험항목 단위 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 시험규격
압축강도 N/mm2 61.9 61 62 66 66 KS F 4042
염소이온 침투저항성 Coulombs 609 639 638 647 649
황산염 침지후 압축강도 N/mm2 51.4 52.5 52.1 63.7 64.5
플로우 mm 150 150 160 160 165
길이변화율 % -0.013 -0.010 -0.011 -0.0003 -0.0007
방청율 % 93.4 95.1 94.9 97.5 98.9 KS F 2561
상기 표 1에서 보는 바와 같이 염소이온 침투저항성을 보면 실시예 1보다 실시예 2에서 더 좋은 결과가 도출되는 것을 알 수 있는데, 이는 실시예 2에 니트록시 라디칼이 더 첨가됨에 기인한 것으로 판단된다. 또한 실시예 2 및 3보다 실시예 4의 경우가 더욱 유리한 결과가 도출되는 것을 알 수 있는데 이는 포졸란계 초미분말 및 지르코늄 혼합물이 첨가되어 밀실한 페이스트가 구현되고 표면공극의 제어에 기인한 것으로 판단된다.
또한 황산염 침지후 압축강도, 길이변화율을 보면 실시예 1, 2, 3에 비해 실시예 4가 유리한 결과를 도출하는 것을 알 수 있는데 이 또한 실시예 4의 경우가 포졸란계 초미분말 및 지르코늄 혼합물이 첨가되어 밀실한 페이스트가 구현되고 표면공극의 제어에 기인한 것으로 판단된다.
또한 방청율 및 길이변화율 등에서 실시예 5가 가장 유리한 결과가 도출되는 것을 알 수 있는데 이는 화산재를 개질하여 폐기공율을 높인 개질 화산재가 적용됨에 기인한 것으로 판단되는데, 이는 화산재의 수분흡수율을 제어하여 균열저항성을 향상시킴에 기인한 것으로 판단된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

Claims (7)

  1. 시멘트, 마이크로 시멘트, 고로슬래그, CSA계 팽창재, CaO계 팽창재, 조기강도 증진재, 천연경량골재, 이산화규소, 소포재, 보습재, 수축저감재, 칼슘계 방청재, 폴리머 수지, 보강섬유, 폴졸란계 초미분말 및 지르코늄 혼합물이 포함되는 것을 특징으로 하되, 상기 시멘트는 포틀랜드 시멘트 또는 플라이애시 시멘트이고, 상기 폴리머수지는 아민계 수지, 염화비닐계 수지, EVA수지 중 하나 이상인 것이며, 상기 보강섬유는 셀룰로오스 섬유 또는 나일론 섬유인 것을 특징으로 하는 열화 콘크리트 구조물 보수용 방청 및 경량 폴리머 모르타르 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    니트록시 라디칼이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 열화 콘크리트 구조물 보수용 방청 및 경량 폴리머 모르타르 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    석신산이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 열화 콘크리트 구조물 보수용 방청 및 경량 폴리머 모르타르 조성물.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    수축저감재는 아크릴 에멀젼이 포함되는 것을 특징으로 하는 열화 콘크리트 구조물 보수용 방청 및 경량 폴리머 모르타르 조성물.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 천연경량골재에는 화산재가 적용되되, 상기 화산재는 유기 탄화수소 가스에 의해 증착처리되어 폐기공율을 향상시킨 개질 화산재인 것을 특징으로 하는 열화 콘크리트 구조물 보수용 방청 및 경량 폴리머 모르타르 조성물.
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