KR102416220B1 - 콘크리트 균열 치유를 위한 시멘트계 무기재료를 이용한 환의 제조방법 - Google Patents

콘크리트 균열 치유를 위한 시멘트계 무기재료를 이용한 환의 제조방법 Download PDF

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Abstract

반응성이 제어된 시멘트계 무기재료를 기반으로 하는 자기치유 환(丸)을 이용한 콘크리트의 균열을 치유하는 방법이 개시된다. 본 발명은 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올 및 급결제를 포함하는 자기치유 환을 콘크리트 배합에 사용하여, 콘크리트 균열로 수분 유입 시 수화 반응을 통해 균열을 치유하는 방법을 제공한다.

Description

콘크리트 균열 치유를 위한 시멘트계 무기재료를 이용한 환의 제조방법{Preparing method of pill for healing concrete crack using cemetitious inorganic material}
본 발명은 콘크리트 균열 치유를 위한 재료의 제조방법에 관한 것이다.
콘크리트 구조물에서 발생하는 균열의 경우 개구부 모서리, 기둥 단부 등과 같이 응력집중으로 인해 발생하는 구조적 균열과 함께 콘크리트 재료의 건조수축을 포함하는 기본적인 특성과 환경적 요인에 발생하는 균열이 있다. 이들 균열들은 구조물의 미관과 사용성 및 내구성에 악영향을 미친다. 콘크리트에 발생한 균열은 구조체 내부에 유해한 외기나 수분, 화학 성분의 침투를 유발하며 콘크리트의 성능 저하를 촉진한다. 이에 따라 콘크리트의 본질적인 재료 특성과 예기치 못한 시공 중의 결함, 환경 요인 등에 의하여 불가피하게 균열이 발생할 수 있으며, 이러한 균열은 공용 중의 유지관리를 통해 지속적으로 보수해야 한다. 이에 따라 최근 건설 기술은 기존 구조물의 경우 지속적인 균열 보수 및 유지관리를 통해 구조물의 노후화 방지 및 내구수명 증대의 확보를 도모하고, 신설 구조물에서는 균열치유를 포함하는 내구설계를 적용하여 구조물의 열화인자 차단에 상당한 노력을 기울이고 있다.
구조물의 균열 발생을 최소화하기 위한 사전적 개념의 내구설계 방안으로서 균열 발생 저감의 성능을 갖는 각종 섬유를 콘크리트와 혼합하여 타설하는 방법, 와이어매시 등을 콘크리트 구조물 내부에 설치하는 방법 등이 있으나 구조적 특성 및 재료·환경적 요인으로 필연적으로 발생하는 균열의 발생을 완벽히 제어하는 데 있어 다소 제한이 따른다. 구조물 균열 발생의 사후관리 측면에서는 열화 부위에 고분자 수지 등의 혼입으로 물리적 성능, 내구성, 작업성 등이 다소 향상된 폴리머 시멘트계 보수재료를 적용하는 방안이 주로 활용되고 있는데, 이들 재료의 적용은 결국 일회성의 보수 효과만을 기대할 수 있을 뿐 향후 보수 부위에서 추가적인 균열이 쉽게 발생하여 지속적인 유지관리가 필요한 단점이 있다. 결국 사전·사후 개념의 기존 균열 제어의 기술들은 예기치 못하게 반복적으로 발생하는 구조물의 균열 제어 및 지속적인 균열 보수 효과를 기대할 수 없다는 점에서 유지관리에 어려움이 따른다. 이에 따라 최근에는 균열이 발생할 경우 콘크리트 스스로 균열 부위 복원 및 치유가 가능한 자기치유 기술이 제시되고 있으며, 이들 기술은 콘크리트 구조체의 유지관리를 최소할 수 있을 것으로 기대된다.
자기치유 콘크리트 기술은 종래 팽윤제, 팽창재 또는 잠재수경성의 포졸란 재료로 구성된 무기계 혼화재를 이용하는 기술과 박테리아의 생체광물 형성작용에 기반한 생태학적 균열 치유 기술을 예로 들 수 있다. 이들 재료는 균열 치유를 위해 균열 발생 부위로의 수분 유입을 필요로 하며, 수분 유입의 조건이 만족될 경우 무기계 재료의 수화 반응 및 박테리아의 생장 활동을 통해 균열을 치유하게 된다.
하지만 종래의 기술에서 이들 재료는 가공되지 않은 원재료의 형태로 단순 투입을 통해 콘크리트와 혼합 및 분포되며, 무기계 재료의 경우 콘크리트 경화 전 내부 배합수와의 선(先) 수화반응을 통해 향후 균열 발생 부위에서의 반응을 기대하기 어렵고, 박테리아의 경우 콘크리트의 경화 및 건조 이후 공극의 감소 및 수분의 감소로 인해 지속적 생장을 통한 균열치유를 위한 생체광물 형성을 기대하기 어렵다.
이에 대한 대안 기술로서 근래에는 자기치유 소재를 코어 재료로 하여 외부 표면을 폴리머 등의 유기 재료로 코팅한 캡슐 제조방법이 제시되었다. 자기치유 소재를 캡슐화하는 경우 콘크리트로의 투입 및 혼합 시 무기계 재료의 반응성을 제어할 수 있으며, 박테리아의 사멸을 방지할 수 있는 이점이 있다. 하지만 이들 재료는 표면을 유기계 재료로 코팅함에 따라 코팅 재료가 박리 또는 붕괴되지 않는 경우가 많아 코어 재료의 수화 및 생체광물 형성작용을 위한 수분의 유입을 기대하기 어렵다. 또한 수분이 유입되어 코어 재료가 자기치유를 위한 수화 및 생체광물 형성을 이룬다 하더라도 콘크리트를 구성하는 시멘트 복합재료와 상이한 재료 특성을 갖는 유기계 재료가 균열 부위 내부 혹은 표면에 존재함에 따라 우수한 성능의 균열 치유를 기대하기 어렵다.
[선행특허문헌]
- 한국 공개특허 제10-2020-0058814호(2020.05.28.)
- 한국 등록특허 제10-1917144호(2018.11.05.)
본 발명은 반응성이 제어된 시멘트계 무기재료를 기반으로 하는 자기치유 환(丸)을 이용한 콘크리트의 균열을 치유하는 방법으로서, 콘크리트와 혼합 타설 후 콘크리트 균열 발생 부위에서 시멘트계 무기재료의 수화 반응을 통해 균열을 치유할 수 있는 방법과, 이러한 자기치유 환을 효과적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올 및 급결제를 포함하는 자기치유 환을 콘크리트 배합에 사용하여, 콘크리트 균열로 수분 유입 시 수화 반응을 통해 균열을 치유하는 방법을 제공한다.
또한 상기 자기치유 환의 조성은 상기 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 63 내지 72 중량%, 상기 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 상기 알코올 15 내지 25 중량% 및 상기 급결제 1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 알코올은 메틸 알코올이고, 상기 급결제는 규산소다(Na2SiO2ㆍnH2O)　인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, (a) 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 제환기 팬에 투입하여 회전-혼합 시키는 단계; (b) 알코올을 분사하여 환(丸)의 형태로 응집된 재료를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 환 형태의 재료 표면에 급결제를 분무 및 경화시키는 단계;를 포함하는 콘크리트 균열 치유를 위한 자기치유 환을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 반응성이 제어된 시멘트계 무기재료를 기반으로 하는 자기치유 환(丸)의 제조방법을 제공하며, 이 재료는 제조 과정에서 알코올 및 급결제를 포함함으로써, 콘크리트 구조체의 시멘트 복합재료와 동일한 성질의 무기재료를 기반으로 하는 미반응성의 환(丸) 응집체로 제조되므로, 콘크리트와 혼합 타설 시 콘크리트 경화 과정에서 선(先) 수화반응을 억제하고, 추후 콘크리트의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시에는 환 형태의 응집체 표면이 쉽게 박리 또는 붕괴되어 시멘트계 무기재료의 수화 반응을 통해 효과적인 균열 치유를 기대할 수 있다.
이러한 본 발명은 철근 콘크리트 구조물의 균열 부위 자기치유에 의한 내구성을 향상시키고, 표면 유기계 코팅재 구성이 없는 환 형태의 응집체 적용에 따라 균열 치유 효율성을 향상시키고, 철근-콘크리트 구조물의 유지관리 효율성을 극적으로 향상시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올 및 급결제를 포함하는 자기치유 환을 콘크리트 배합에 사용하여, 콘크리트 균열로 수분 유입 시 수화 반응을 통해 균열을 치유하는 방법을 개시한다.
본 발명에서 자기치유 환은 콘크리트 배합 시 혼합 타설 후 콘크리트에 균열이 발생하게 되면 환을 구성하는 시멘트계 무기재료가 균열 발생 부위에 수분 유입 시 수화 반응을 통해 균열 부위를 치유한다.
이러한 자기치유 환은 환의 제조 과정에서 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시와 수산화칼슘을 포함하는 무기재료의 응집체에 알코올 및 급결제가 순차적으로 분무되어 환 형태로 경화됨으로써, 콘크리트 구조체의 시멘트 복합재료와 동일한 성질의 무기재료를 기반으로 하여 콘크리트 배합 시 미반응성, 즉, 콘크리트 배합 과정에서 단시간 내에는 수화 반응이 억제되고, 고화 후 콘크리트 구조체에서 장시간이 경과한 후에는 알코올 및 급격제에 의한 응집력이 약화되어 콘크리트의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시 환 형태의 응집체 표면이 쉽게 박리 또는 붕괴됨으로써 시멘트계 무기재료의 수화 반응을 효과적으로 유도할 수 있게 된다.
이와 같이 콘크리트 배합 시에는 무기재료의 미반응성을 유지하고 이후 콘크리트 균열 시에는 무기재료의 효과적인 수화 반응을 구현하는 반응성이 제어되도록 하는 자기치유 환의 성분 조합은 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올 및 급결제를 포함하는 것이 이상적인 것으로 확인되었고, 이때 반응성 제어능력을 극대화하기 위해서는 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 63 내지 72 중량%, 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 알코올 15 내지 25 중량% 및 급결제 1 내지 10 중량%의 조성을 갖도록 할 수 있고, 바람직하게는 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 63 내지 70 중량%, 수산화칼슘 미분말 5 내지 12 중량%, 알코올 17 내지 23 중량% 및 급결제 3 내지 7 중량%의 조성을 갖도록 할 수 있다.
여기서, 반응성 제어능력 극대화를 위한 재료의 구체적인 성상은 다음과 같다. 즉, 상기 고로슬래그 미분말은 밀도가 2.5 내지 3 g/㎤ 및 분말도가 4,000 내지 10,000 ㎠/g이고, 상기 플라이애시는 밀도가 1.8 내지 2.1 g/㎤ 및 분말도가 3,000 내지 8,000 ㎠/g이고, 상기 수산화칼슘 미분말은 순도가 98% 이상이고, 상기 알코올은 농도 80 내지 99 %(v/v)의 메틸 알코올이 가장 바람직하고, 상기 급결제는 밀도 1.1 내지 1.4 g/㎤의 실리케이트계 액상 급결제로서 규산소다(Na2SiO2ㆍnH2O)가 가장 바람직한 것으로 확인되었다.
본 발명에서 상기 자기치유 환의 제조는 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시와 수산화칼슘을 포함하는 무기재료의 응집체에 알코올 및 급결제가 순차적으로 분무되어 환 형태로 경화되는 과정을 거쳐 수행된다.
즉, 본 발명에서 자기치유 환의 제조는 (a) 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 제환기 팬에 투입하여 회전-혼합 시키는 단계; (b) 알코올을 분사하여 환(丸)의 형태로 응집된 재료를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 환 형태의 재료 표면에 급결제를 분무 및 경화시키는 단계;를 포함하여, 자기치유 환이 콘크리트 배합 과정에서는 단시간 내에 수화 반응이 억제되고, 고화 후 콘크리트 구조체에서 장시간이 경과한 후에는 콘크리트의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시 시멘트계 무기재료의 수화 반응이 효과적으로 유도되도록 하는 성질을 갖는 자기치유 환을 용이하게 제조할 수 있도록 한다.
이때 제조되는 자기치유 환의 크기는 평균직경이 0.5 내지 5 mm일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 2 mm일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 구체적인 실시예를 들어 설명한다.
실시예 1
고로슬래그 미분말(밀도 2.8 g/㎤ 및 분말도 5,000 내지 6,000 ㎠/g) 65 중량% 및 수산화칼슘 미분말(순도 99%) 10 중량%를 30 rpm의 속도로 회전하는 제환기 팬(D-350 mm의 원형팬 회전식 제환기)에 투입하여 약 1분간 회전-혼합 시킨 후, 압축 분무기를 이용하여 20 ㎖/회의 용량으로 메틸 알코올(85 %(v/v) 농도)을 20 중량% 함량으로 분무하고, 환(丸)의 형태로 응집된 재료 표면에 압축 분무기를 이용하여 10 ㎖/회의 용량으로 실리케이트계 액상 급결제로서 규산소다(밀도 1.25 g/㎤)를 5 중량% 함량으로 분무한 후 경화시켜 평균직경 1 내지 2 mm 크기의 자기치유 환을 제조하였다.
실시예 2
실시예 1에서 고로슬래그 미분말 대신 플라이애시(밀도 1.95 g/㎤ 및 분말도 4,000 내지 5,000 ㎠/g)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 자기치유 환을 제조하였다.
실시예 3
실시예 1에서 고로슬래그 미분말을 32.5 중량% 함량으로 사용하고, 플라이애시(밀도 1.95 g/㎤ 및 분말도 4,000 내지 5,000 ㎠/g)를 32.5 중량% 함량으로 추가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 자기치유 환을 제조하였다.
비교예
실시예 1에서 메틸 알코올을 사용하지 않고 급결제를 25 중량% 함량으로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 환을 제조하였다.
시험예
상기 제조된 환을 골재 부피대비 10% 치환하여 제작한 재령 28일의 콘크리트 시험편에 0.3 mm 폭의 균열을 유도하고, 균열 유도 직후 및 균열 유도 이후 14일이 경과한 시험체에 대하여 정수위 투수 시험을 실시하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 투수감소율 (%)
균열 유도 직후 균열 치유 14일 후
실시예 1 0 75
실시예 2 0 80
실시예 3 0 78
비교예 0 29
표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시와 수산화칼슘을 포함하는 무기재료의 응집체에 알코올 및 급결제가 순차적으로 분무되어 환 형태로 제작될 경우 균열 유도 14일 후 투수감소율이 현저히 높아진 것으로부터 콘크리트 배합에 사용될 경우 콘크리트의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시 수화 반응을 효과적으로 유도할 수 있음을 확인할 수 있다.
이에 대하여 무기재료의 응집체에 급결제만으로 분무하여 환 형태로 제작될 경우에는 균열 유도 14일 후에도 수화반응에 의한 균열치유의 효과를 기대하기 어려운 것을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

  1. 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올 및 급결제를 포함하는 자기치유 환을 콘크리트 배합에 사용하여, 콘크리트 균열로 수분 유입 시 수화 반응을 통해 균열을 치유하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기치유 환의 조성은 상기 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 63 내지 72 중량%, 상기 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 상기 알코올 15 내지 25 중량% 및 상기 급결제 1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알코올은 메틸 알코올이고, 상기 급결제는 규산소다(Na2SiO2ㆍnH2O)　인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. (a) 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시 및 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 제환기 팬에 투입하여 회전-혼합 시키는 단계;
    (b) 알코올을 분사하여 환(丸)의 형태로 응집된 재료를 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 환 형태의 재료 표면에 급결제를 분무 및 경화시키는 단계;
    를 포함하는 콘크리트 균열 치유를 위한 자기치유 환을 제조하는 방법.
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KR102532637B1 (ko) * 2022-11-29 2023-05-16 주식회사 지엔씨환경솔루션 건물에 발생된 균열을 보강하는 자가 치유 펠렛의 제조 방법

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