KR102481335B1 - 탄산화 및 염해 저항성이 향상된 균열 자기치유 보수 모르타르의 제조 방법 - Google Patents

탄산화 및 염해 저항성이 향상된 균열 자기치유 보수 모르타르의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

암거, 저류지 등의 수리 구조물과 해양구조물, 도로구조물, 일반 시설물 등의 노후 단면 복구의 과정에서 사용되는 보수재에서 탄산화 및 염해 저항성을 향상시키면서 보수 재료의 경화 과정에서 필연적으로 발생하는 온도 팽창, 건조 소축 등의 균열에 대한 자기치유 효과를 부여할 수 있는 방법이 개시된다. 본 발명은 무기재료 기반 환(丸) 응집체, 생체광물 형성 박테리아 기반 환(丸) 응집체, 고흡수성 섬유 기반 균열 치유 환(丸) 응집체, 이들 중 하나 이상의 응집체가 투입된 캡슐 또는 이들 중 하나 이상의 응집체가 생분해막 코팅된 자기치유 환(丸) 응집체를 단면 보수재 배합에 사용하여, 보수단면 균열로 수분 유입 시 수화 반응 또는 생체광물 형성을 통해 균열을 치유하는 방법을 제공한다.

Description

탄산화 및 염해 저항성이 향상된 균열 자기치유 보수 모르타르의 제조 방법{Manufacturing method for crack self-healing repair mortars with improved carbonation and salt resistance capacities}
본 발명은 탄산화 및 염해 저항성이 향상된 균열 자기치유 보수 모르타르의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단면 보수재 배합에 사용하여 보수단면 균열을 치유하는 방법에 관한 것이다.
콘크리트 구조물에서 외기 환경에 접하여 탄산화, 동결융해, 염해 및 화학적 열화에 노출된 노후 단면의 복구를 위해 사용되는 보수재는 대표적으로 시멘트 모르타르(콘크리트)가 이용된다. 하지만, 이들 재료에서는 모서리 및 구조물 단부 등과 같이 응력집중으로 인해 발생하는 구조적 요인과 함께 콘크리트 재료의 온도 팽창 및 건조수축을 포함하는 기본적인 특성과 환경적 요인에 의해 균열이 빈번히 발생한다. 구조물 균열 발생의 사후관리 측면에서는 열화 복구 단면에서 고분자 수지 등의 혼입으로 물리적 성능 및 내구성이 다소 향상된 폴리머-시멘트 모르타르(콘크리트) 등을 적용하는 방안이 주로 활용되고 있다. 하지만 이들 재료의 적용은 노후 열화 단면의 복원을 위해 수행되는 기초적인 공정으로 일회성의 단면 복구의 효과만을 기대할 수 있을 뿐 앞서 지적한 바와 같이 복구 단면에서 추가적으로 발생할 수 있는 균열에 대한 대응방안으로 활용되기에는 어려움이 있다. 이에 따라 이들 재료를 이용한 보수를 시행한 구조물의 경우 그 사용수명 또한 비교적 짧으며, 지속적인 유지관리가 필요한 단점을 갖는다. 이에 따라 최근 건설 기술은 기존 구조물의 경우 지속적인 균열 보수 및 유지관리를 통해 구조물의 노후화 방지 및 내구수명 증대를 도모하고 있다.
최근에는 사전·사후의 유지관리 효율성 향상 측면에서 콘크리트에서 균열 발생 시 스스로 균열 부위를 복원 및 치유가 가능한 자기치유 기술이 제시되고 있다. 특히, 신설구조물에서는 균열 치유를 포함하는 내구설계를 적용하여 구조물의 열화인자 차단에 상당한 노력을 기울이고 있다. 더불어 현재 국가 기반 시설물의 약 30%가 노후화됨에 따라 이들 구조물의 안전성 확보와 사용수명을 연장을 위한 유지보수 기술 개발의 요구가 증가하고 있어, 단면 복구 등과 같이 노후 구조물의 보수 기술에서 유지관리 효율성 향상의 자기치유 기술은 그 실용성이 크게 주목받고 있다.
자기치유 콘크리트 또는 보수 기술은 종래 팽윤제, 팽창재 또는 잠재수경성의 포졸란 재료로 구성된 무기계 혼화재를 이용하는 기술과 박테리아의 생체광물 형성 작용에 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-분포되며, 무기계 재료의 경우 보수단면 경화 전 내부 배합수와의 선(先) 수화반응을 통해 향후 균열 발생 부위에서의 반응을 기대하기 어려우며, 박테리아의 경우 보수단면의 경화 및 건조 이후 공극의 감소 및 수분의 감소로 인해 지속적 생장을 통한 균열 치유를 위한 생체광물 형성을 기대하기 어렵다. 한편, 균열이 발생한 구조물에서 균열부 보수를 위해 치유 소재를 액상의 형태로 도포하거나, 분무하는 자기치유 기술도 제시되고 있으나, 이는 단면 보수 공정이 아닌 하자 보수의 형태로 적용됨에 따라 노무작업이 추가로 요구되는 번거로움과 유지관리 효율성 저하의 단점을 갖는다.
이에 대한 대안 기술로서 근래에는 자기치유 소재를 코어 재료로 하여 외부 표면을 폴리머 등의 유기 재료로 코팅한 캡슐제조와 이를 콘크리트 또는 모르타르 배합 시 투입하는 방법이 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 경우 코어 재료의 수화 및 생체광물 형성 작용을 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.
또한 기존 보수 모르타르는 주로 폴리머를 혼입하여 사용하는데, 이들은 비교적 탄산화 저항성 및 염해 저항성 향상이 고려되지 않는다. 따라서 기존 보수 모르타르는 시공 후 내탄산화 및 내염해를 위해 코팅 공정이 추가되고, 이는 시공비 향상의 원인이 된다. 보수 모르타르 자체에서 내탄산화와 내염해 성능이 부여되면 기존 코팅공정이 생략될 수 있다.
[선행특허문헌]
- 한국 공개특허 제10-2020-0058814호(2020.05.28.)
- 한국 등록특허 제10-1917144호(2018.11.05.)
본 발명은 암거, 저류지 등의 수리 구조물과 해양구조물, 도로구조물, 일반 시설물 등의 노후 단면 복구의 과정에서 사용되는 보수재에서 탄산화 및 염해 저항성을 향상시키면서 보수 재료의 경화 과정에서 필연적으로 발생하는 온도 팽창, 건조 소축 등의 균열에 대한 자기치유 효과를 부여할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 무기재료 기반 환(丸) 응집체, 생체광물 형성 박테리아 기반 환(丸) 응집체, 고흡수성 섬유 기반 균열 치유 환(丸) 응집체, 이들 중 하나 이상의 응집체가 투입된 캡슐 또는 이들 중 하나 이상의 응집체가 생분해막 코팅된 자기치유 환(丸) 응집체를 단면 보수재 배합에 사용하여, 보수단면 균열로 수분 유입 시 수화 반응 또는 생체광물 형성을 통해 균열을 치유하는 방법을 제공한다.
또한 상기 단면 보수재 배합에 사용되는 보수 모르타르 결합재는, 1종 보통포틀랜드 시멘트 25 내지 40 중량%, 플라이애시 15 내지 25 중량%, 고로슬래그 35 내지 50 중량%, 소성준설토 1 내지 10 중량%, 탄산나트륨 1 내지 3 중량%, 아질산나트륨 또는 인산나트륨 1 내지 3 중량% 및 EVA계 폴리머 2 내지 5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 무기재료 기반 환 응집체는 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올 및 급결제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 환 응집체의 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.
또한 상기 생체광물 형성 박테리아 기반 환 응집체는 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료, 알코올 및 급결제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 환 응집체는 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 환 응집체의 조성은 상기 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 52 내지 68 중량%, 상기 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 상기 박테리아가 고정된 재료 5 내지 15 중량%, 상기 알코올 15 내지 25 중량% 및 상기 급결제 1 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 박테리아는 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacteriummultivorum)이고, 상기 알코올은 메틸 알코올이고, 상기 급결제는 규산소다(Na2SiO2ㆍnH2O)인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 고 흡수성 섬유 기반 환 응집체는 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올, 급결제, 박테리아가 다공체에 고정된 재료 및 흡수성 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 환 응집체의 조성은 상기 고로슬래그 미분말 16.5 내지 23.5 중량%, 상기 플라이애시 16.5 내지 23.5 중량%, 상기 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재 5 내지 10 중량%, 상기 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말 3 내지 12 중량%, 상기 알코올 15 내지 25 중량%, 상기 급결제 3 내지 8 중량%, 상기 박테리아가 다공체에 고정된 재료 3 내지 8 중량% 및 상기 흡수성 섬유 1 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 캡슐 재료는 히프로멜로오스(HPMC) 40 내지 70 중량부 및 정제수 1 내지 5 중량부를 혼합하여 제작되고, 내부 부피가 0.5 내지 2 ㎖이고, 20 내지 40℃에서 수분과 접촉 시 30분 이내에 완전 용해되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 생분해막 코팅 재료는 히프로멜로오스(HPMC) 70 내지 100 중량부, 정제수 1 내지 5 중량부 및 메틸알코올 50 내지 100 중량부를 혼합하여 제작된 것을 특징으로 하는 방법.
본 발명에 따르면, 내탄산화 및 내염해성을 갖는 보수 모르타르 배합을 제시하고 여기에 균열 치유 환을 혼입하여 탄산화와 염해 저항성이 향상된 균열 자기치유 보수 모르타르 제조방법을 확립할 수 있다. 균열 치유를 위해 반응성이 제어된 시멘트계 무기재료 또는 생체광물 형성 박테리아를 기반으로 하는 자기치유 환(丸)과 균열 폭 제어의 기능을 갖는 고흡수성 섬유 기반 균열 치유 환(丸), 생분해막 코팅 자기치유 환(丸)을 제작하여 단면 보수재 배합 시 투입함으로써, 배합 시 손상되지 않은 상태로 복구 단면 내부 구조에 고르게 분포하여 온도 팽창 및 건조수축을 포함하는 다양한 요인에 의해 발생하는 균열 발생 부위에서 안정적인 치유를 기대할 수 있다.
이러한 본 발명은 콘크리트 구조물 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 내구성을 향상시키고, 보수재 내부에 투입되는 균열 치유 재료의 안전성을 확보하고, 균열 치유 소재의 치유 가능한 균열면적보다 과다하게 발생할 수 있는 공극의 제어하고, 표면 유기계 코팅재 구성이 없는 환 형태의 응집체 적용에 따라 균열 치유 효율성을 향상시키고, 보수 모르타르 자체의 탄산화 및 염해 저항성 향상을 통해 액상형 균열 보수재 도포, 분무 등의 보수 공정 생략에 의한 공사원가 절감이 가능하고, 철근-콘크리트 구조물의 유지관리 효율성을 극적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 무기재료 기반 환(丸) 응집체, 생체광물 형성 박테리아 기반 환(丸) 응집체 및 고 흡수성 섬유 기반 환(丸) 응집체 각각에 대한 생분해막 코팅된 자기치유 환의 형태를 나타낸 모식도이다.
도 2는 모르타르 배합에 내부에 재료가 투입된 캡슐이 혼합될 경우, 경화 후 외피 캡슐이 용해되어 내부 투입 재료가 표면 손상 없이 콘크리트 내부 공극에 분포하는 모습을 나타낸 사진이다.
도 3은 무기계 더블 캡슐, 박테리아 더블 캡슐 및 하이브리드 더블 캡슐의 형태를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 제작된 자기치유 더블 캡슐의 모습을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 성능 평가 실험에서 재령 변화에 따른 모르타르 시편의 유출수량 및 균열 치유율의 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 성능 평가 실험에서 균열이 유도된 시험체 표면에서 균열 치유 환으로부터 형성된 수화물을 나타낸 광학 현미경 사진이다.
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 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, '보수단면 균열 치유를 위한 시멘트계 무기재료를 이용한 환의 제조방법' 또는 '보수단면 균열 치유를 위한 생체광물 형성능 박테리아 재료를 이용한 환의 제조방법' 또는 ' 균열 폭 제어의 기능을 갖는 고 흡수성 섬유 기반 균열 치유 환의 제조방법'에 따라 제조되는 환 응집체, 또는 이들 중 하나 이상의 응집체가 투입된 캡슐, 또는 이들 중 하나 이상의 응집체가 생분해막 코팅된 자기치유 환(丸) 응집체를 단면 보수재 배합에 사용하여, 보수단면 균열로 수분 유입 시 수화 반응 또는 생체광물 형성을 통해 균열을 치유하도록 한다.
상기 단면 보수재 배합에 사용되는 보수 모르타르 결합재는, 1종 보통포틀랜드 시멘트 25 내지 40 중량%, 플라이애시 15 내지 25 중량%, 고로슬래그 35 내지 50 중량%, 소성준설토 1 내지 10 중량%, 탄산나트륨 1 내지 3 중량%, 아질산나트륨 또는 인산나트륨 1 내지 3 중량% 및 EVA계 폴리머 2 내지 5 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
균열 치유 환을 포함하는 보수 모르타르의 탄산화는 수화 생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 대기 중의 이산화탄소(CO2)가 반응하여 탄산칼슘이 형성됨으로써 수화 생성물인 수산화칼슘이 소모되면서 알칼리성이 저하되어 결국 내구성에 영향을 미친다. 이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 탄산나트륨을 보수 모르타르 결합재 중에 1 내지 3 중량% 및 소성준설토를 1 내지 10 중량% 첨가하여 미세공극 충진 메커니즘을 유도하도록 한다.
또한 균열 치유 환을 포함하는 보수 모르타르의 염해 저항성에 있어, 내부 공극이 증가할 수 있어 염소이온 확산이 빠르게 진행될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 고로슬래그 미분말을 35 내지 50 중량% 및 아질산나트륨 또는 인산나트륨을 1 내지 3 중량% 첨가하여 수화 생성물의 미세 공극을 줄이고, 또한 염소이온을 내부에서 고정화시켜 염소이온 확산을 늦추도록 한다.
이하, 상기한 각각의 환 제조방법을 구체적으로 설명한 후 단면 보수재 제조방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
보수단면 균열 치유를 위한 시멘트계 무기재료를 이용한 환의 제조
본 발명에서 무기재료 기반 환(丸) 응집체를 이용한 방법은 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올 및 급결제를 포함하는 자기치유 환을 단면 보수재 배합에 사용하여, 보수단면 균열로 수분 유입 시 수화 반응을 통해 균열을 치유하는 방법이다.
본 발명에서 자기치유 환은 단면 보수재 배합 시 단면 보수 후 보수단면에 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 단면 보수재 배합 시 미반응성, 즉, 단면 보수재 배합 과정에서 단시간 내에는 수화 반응이 억제되고, 고화 후 콘크리트 구조체에서 장시간이 경과한 후에는 알코올 및 급결제에 의한 응집력이 약화되어 보수단면의 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 단면 보수재 배합 시에는 무기재료의 미반응성을 유지하고 이후 보수단면 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 단면 보수재 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.
[무기재료 기반 환 제조예]
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.
보수단면 균열 치유를 위한 생체광물 형성능 박테리아를 이용한 환의 제조
본 발명에서 생체광물 형성 박테리아 기반 환(丸) 응집체를 이용한 방법은 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료, 알코올 및 급결제를 포함하는 자기치유 환을 단면 보수재 배합에 사용하여, 보수단면 균열로 수분 유입 시 상기 박테리아의 생체광물 형성을 통해 균열을 치유하는 방법이다.
본 발명에서 자기치유 환은 단면 보수재 배합 시 단면 보수 후 보수단면에 균열이 발생하게 되면 환을 구성하는 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료가 균열 발생 부위에 수분 유입 시 생체광물 형성 반응을 통해 균열 부위를 치유한다.
여기서, 상기 자기치유 환은 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 및 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말을 더 포함함으로써 박테리아의 생체광물 형성 반응과 함께 균열 발생 부위에서 시멘트계 무기재료의 수화 반응을 통해 복합적인 균열 치유도 가능하다.
이러한 자기치유 환은 환의 제조 과정에서 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료와 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 단면 보수재 배합 시 미반응성, 즉, 단면 보수재 배합 과정에서 단시간 내에는 수화 반응이 억제되고, 고화 후 콘크리트 구조체에서 장시간이 경과한 후에는 알코올 및 급격제에 의한 응집력이 약화되어 보수단면의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시 환 형태의 응집체 표면이 쉽게 박리 또는 붕괴됨으로써 박테리아의 생체광물 형성 반응과 시멘트계 무기재료의 수화 반응을 효과적으로 유도할 수 있게 된다.
이와 같이 단면 보수재 배합 시에는 박테리아와 무기재료의 미반응성을 유지하고 이후 보수단면 균열 시에는 박테리아의 효과적인 생체광물 형성 반응과 무기재료의 효과적인 수화 반응을 구현하는, 반응성이 제어되도록 하는 자기치유 환의 성분 조합은 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료, 알코올 및 급결제를 포함하는 것이 이상적이고, 나아가 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시와 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말을 포함하는 것이 더욱 바람직한 것으로 확인되었고, 이때 반응성 제어능력을 극대화하기 위해서는 상기 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 52 내지 68 중량%, 상기 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 상기 박테리아가 고정된 재료 5 내지 15 중량%, 상기 알코올 15 내지 25 중량% 및 상기 급결제 1 내지 10 중량%의 조성을 갖도록 할 수 있고, 바람직하게는 상기 고로슬래그 미분말 또는 플라이애시 52 내지 60 중량%, 상기 수산화칼슘 미분말 5 내지 12 중량%, 상기 박테리아가 고정된 재료 7 내지 13 중량%, 상기 알코올 17 내지 23 중량% 및 상기 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.
또한 본 발명에서 박테리아 고정을 위한 다공체 재료로는 다공성의 양이온 교환 능력이 우수한 다공성 재료가 사용될 수 있으며, 예컨대, 팽창질석, 우레탄, 펄라이트 및 히드로겔로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있고, 바람직하게는 팽창질석이 사용될 수 있다. 상기 팽창질석의 경우 고정화 효율 극대화를 위해 밀도가 0.2 내지 0.3 g/㎤인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 제시된 박테리아 고정을 위한 재료들은 재료 표면에 존재하는 교환성 양이온(Mg2+, Ca2+ 등)에 의하여 유기물을 흡착하는 성질이 있어 박테리아 및 박테리아 생장에 필요한 유기성 영양분(배지 성분)을 흡수한다. 또한 pH가 6 내지 9로서 미생물이 생장하기 위한 최적 환경 조성에 가장 이상적인 재료이다.
상기 다공체 재료를 이용한 박테리아의 흡착에는 컨테이너에서 침지 공정이 이용될 수 있고, 침지 공정에서 박테리아의 최적 흡수 효율을 위해서는 박테리아 배양액 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부, 바람직하게는 5 내지 20 중량부 함량으로 다공체 재료가 완전히 침지되도록 수행될 수 있다.
또한 상기 침지 공정은 음압 조건에서 수행될 수 있다. 침지 공정이 음압 조건에서 수행됨으로써 다공체 재료 내부에 존재하는 공기들이 빠져나오면서 박테리아 배양액이 고정화 재료 안으로 용이하게 침투, 즉, 고정화 재료에 박테리아뿐 아니라 다량의 수분과 배지 영양분이 포함될 수 있게 된다.
상기 음압 조건은 1 내지 50 torr, 바람직하게는 10 내지 30 torr의 음압을 10 내지 100분, 바람직하게는 20 내지 50분 동안 가하는 방식으로 적용될 수 있다. 이때, 습도는 50 내지 70 %RH 및 온도는 10 내지 30℃를 유지하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 컨테이너에 박테리아 배양액을 투입 및 다공체 재료를 침지시키고 음압 조건에서 박테리아 배양액을 고정화하되, 상기 컨테이너 하부에 구비된 회전팬을 구동시킴으로써 배양액에 투입되어 부유될 수 있는 고정화 재료의 교반을 통해 박테리아와 배양액 영양요소가 고르게 혼합 및 고정화되도록 할 수 있다.
상술한 음압 교반형 고정화 방법에 사용되는 박테리아로서 음압 교반 조건에서 상기 다공체 재료를 이용한 침지 과정에 적합한 박테리아라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacteriummultivorum)이 음압 교반 조건에서 다공체 재료를 이용한 침지 과정에 사용될 경우, 이를 이용하여 자기치유 환을 제조하고, 단면 보수재 배합 및 경화 후 보수단면의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시 박테리아의 생체광물 형성 반응이 효과적으로 구현됨을 확인하였다.
여기서, 본 발명에서는 상기 박테리아의 최적 배양환경을 조성하기 위하여 특수한 배지 조성에 대해 연구한 결과, 상기 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacteriummultivorum)은 정제수 1 ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 0.05 내지 1 g, 펩톤(Peptone) 1 내지 10 g 및 요소(urea) 10 내지 30 g을 포함하는 배지에서 pH 5 내지 9, 5 내지 50℃ 환경의 인큐베이터에서 108 내지 1010cells/㎖의 농도로 배양되는 것이 이상적인 것을 확인하였다.
본 발명에서 상기 자기치유 환의 제조는 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료와 고로슬래그 미분말 또는 플라이 애시와 수산화칼슘을 포함하는 응집체에 알코올 및 급결제가 순차적으로 분무되어 환 형태로 경화되는 과정을 거쳐 수행된다.
즉, 본 발명에서 자기치유 환의 제조는 (a) 생체광물 형성능을 갖는 박테리아가 다공체에 고정된 재료를 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 단면 보수재 배합 과정에서는 단시간 내에 박테리아의 생체광물 형성 반응 및 무기재료의 수화 반응이 억제되고, 고화 후 콘크리트 구조체에서 장시간이 경과한 후에는 보수단면의 균열 발생 부위에서 수분 유입 시 박테리아의 생체광물 형성 반응 및 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.
[생체광물 형성 박테리아 기반 환 제조예]
(1) 내부 교반형 멸균 음압 컨테이너를 이용한 박테리아가 고정된 다공체 재료 제조
정제수 1 ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 3 g, 펩톤(Peptone) 5 g 및 요소(urea) 20 g을 포함하는 배지에서 pH 6 내지 8, 35 내지 45℃ 환경의 인큐베이터에서 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacterium multivorum)을 접종하고 109 cells/㎖의 농도로 배양된 박테리아 배양액을 무수한 기공에 다공질의 구조를 갖는 밀도 0.25 g/㎤ 의 팽창질석에 하기 방법으로 고정하였다.
내부 교반형 멸균 음압 컨테이너에 상기 제조된 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacterium multivorum) 배양액을 투입하고, 박테리아 배양액 100 중량부에 대하여 10 중량부 함량의 팽창질석을 상기 배양액에 침지시킨 후 도어를 닫고, 약 15 torr의 음압 환경이 되도록 밸브를 조절하고, 300 rpm 속도로 회전팬을 구동하여 30분 동안 흡착을 실시하였으며, 이후 박테리아가 고정된 팽창질석을 회수하였다.
(2) 생체광물 형성 박테리아 기반 환 제조
상기 제조된 박테리아가 고정된 팽창질석 75 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.
균열폭 제어의 기능을 갖는 고 흡수성 섬유 기반 균열 치유 환(丸)의 제조
본 발명에서 고 흡수성 섬유 기반 환(丸) 응집체를 이용한 방법은 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재, 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 알코올, 급결제, 박테리아가 다공체에 고정된 재료 및 흡수성 섬유를 포함하는 자기치유 환을 단면 보수재 배합에 사용하여, 보수단면 균열로 수분 유입 시 시멘트계 무기재료 및 박테리아의 생체광물 형성을 통한 균열 치유 및 제어하는 방법이다.
균열 폭 제어의 기능을 갖는 고 흡수성 섬유 기반 균열 치유 환의 제조를 위한 재료로서는 예컨대, 밀도 2.8 g/㎤ 및 분말도 4,000 ㎠/g 이상의 고로슬래그 미분말, 밀도 1.95 g/㎤ 및 분말도 3,000 ㎠/g 이상의 플라이애시, 밀도 2.8 내지 2.9 g/㎤ 및 분말도 2500 ㎠/g 이상이며, CaO의 함량이 48 내지 53 중량%인 CSA계 팽창재, 순도 98% 이상의 수산화칼슘(Ca(OH)2) 미분말, 농도 84 %(v/v) 이상의 메틸알코올, 규산소다(Na2SiO2ㆍnH2O)를 주요 성분으로 하는 밀도 1.25 g/㎤의 실리케이트계 액상 급결제가 이용될 수 있다.
생체광물형성 박테리아 재료로서는 Beast extract 및 Peptone 등으로 이루어진 배지에 접종되어 5 내지 50℃ 환경의 인큐베이터에서 109 cell/mL의 농도로 배양된 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacterium multivorum) 배양액을 무수한 기공에 다공질의 구조를 갖는 밀도 0.25 g/㎤의 팽창질석에 고정한 재료가 이용될 수 있다. Sphingobacterium multivorm박테리아를 배양하기 위한 배지 조성은 상기 생체광물 형성능 박테리아를 이용한 환의 제조에서와 같다. 고정화 재료로의 박테리아 배양액 고정은 멸균 음압 컨테이너(10-30 torr, 30분)를 이용한 흡착을 통해 이루어지며, 박테리아 배양액의 고정화가 완료된 팽창질석은 박테리아 세포뿐만 아니라 다량의 수분과 배지 영양분을 포함하게 된다.
균열 폭 제어의 기능을 위해 사용되는 섬유는 예컨대, 지름 0.01 내지 0.05 mm, 길이 1.0 mm 이하, 탄성계수 5,000 MPa 이상, 밀도 1.1 내지 1.2 g/㎤ 및 흡수율 2.5% 이상의 나일론 섬유(Nylon)일 수 있다.
고 흡수성 섬유 기반의 균열 치유 환의 제작을 위한 조성은 고로슬래그 미분말 16.5 내지 23.5 중량%, 플라이애시 16.5 내지 23.5 중량%, CSA계 팽창재 5 내지 10 중량%, 순도 98 %(v/v) 이상의 수산화칼슘 미분말 3 내지 12 중량%, 메틸알코올 15 내지 25 중량%, 실리케이트 급결제 3 내지 7 중량%, 박테리아 고정화 재료 3 내지 8 중량% 및 나일론(Nylon) 섬유 1 내지 3 중량%일 수 있다.
고 흡수성 섬유 기반 균열 치유 환의 제작을 위한 장비로서는 D-350 mm의 원형팬 회전식 제환기가 이용될 수 있다. 고로슬래그 미분말, 플라이 애시, CSA계 팽창제, 수산화칼슘 및 박테리아 고정화재료를 30 rpm의 속도로 회전하는 제환기 팬에 투입하여 약 1분간 회전-혼합 시킨 후 압축 분무기를 이용하여 20 mL/회의 용량으로 메틸알코올을 분사한다. 메틸알코올 분사 이후 환(丸)의 형태로 응집된 자기치유 재료는 표면에 나일론 섬유를 흩뿌려 혼합한다. 이후 압축 분무기를 이용하여 10 mL/회의 용량으로 실리케이트계 급결제를 분무하여 경화시킨다.
[고 흡수성 섬유 기반 환 제조예]
(1) 내부 교반형 멸균 음압 컨테이너를 이용한 박테리아가 고정된 다공체 재료 제조
정제수 1 ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 3 g, 펩톤(Peptone) 5 g 및 요소(urea) 20 g을 포함하는 배지에서 pH 6 내지 8, 35 내지 45℃ 환경의 인큐베이터에서 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacterium multivorum)을 접종하고 109 cells/㎖의 농도로 배양된 박테리아 배양액을 무수한 기공에 다공질의 구조를 갖는 밀도 0.25 g/㎤ 의 팽창질석에 하기 방법으로 고정하였다.
내부 교반형 멸균 음압 컨테이너에 상기 제조된 스핑고박테리움 멀티보룸(Sphingobacterium multivorum) 배양액을 투입하고, 박테리아 배양액 100 중량부에 대하여 10 중량부 함량의 팽창질석을 상기 배양액에 침지시킨 후 도어를 닫고, 약 15 torr의 음압 환경이 되도록 밸브를 조절하고, 300 rpm 속도로 회전팬을 구동하여 30분 동안 흡착을 실시하였으며, 이후 박테리아가 고정된 팽창질석을 회수하였다.
(2) 고 흡수성 섬유 기반 환 제조
고로슬래그 미분말(밀도 2.8 g/㎤ 및 분말도 5,000 내지 6,000 ㎠/g) 20 중량부, 플라이애시(밀도 1.95 g/㎤ 및 분말도 4,000 내지 5,000 ㎠/g) 20 중량부, 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재(유리석회 25 중량부, 칼슘설포알루미네이트 25 중량부 및 무수석고는 50 중량부 함유, 칼슘설포알루미네이트 성분 중 산화칼슘(CaO) 함량 50 중량%) 8 중량부, 수산화칼슘 미분말(순도 99%) 10 중량부, 상기 제조된 박테리아가 고정된 팽창질석 5 중량부를 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 중량부 함량으로 분무하고, 환(丸)의 형태로 응집된 재료 표면에 고 흡수성 섬유로서 나일론(Nylon) 섬유(지름 0.01 내지 0.03 mm, 길이 0.1 내지 1 mm, 탄성계수 10,000 내지 20,000 MPa, 밀도 1.1 내지 1.2 g/㎤ 및 흡수율 5 내지 7 중량%)를 2 중량부 함량으로 흩뿌려 혼합하고, 이후, 압축 분무기를 이용하여 10 ㎖/회의 용량으로 실리케이트계 액상 급결제로서 규산소다(밀도 1.25 g/㎤)를 5 중량부 함량으로 분무한 후 경화시켜 평균직경 약 1 mm의 균열 치유 환을 제조하였다.
생분해막 코팅 자기치유 환(丸) 제작 방법
본 발명에서 생분해막 코팅을 위한 재료로서 히프로멜로오스(HPMC) 70 내지 100 중량부, 정제수 1 내지 5 중량부 및 메틸알코올 50 내지 100 중량부를 혼합하여 제작된 것이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 히프로멜로오스(HPMC) 80 내지 90 중량부, 정제수 2 내지 4 중량부 및 메틸알코올 50 내지 100 중량부를 혼합하여 제작된 것이 사용될 수 있다.
이러한 방법으로 제작된 생분해막 코팅 재료로 혼합된 용액을 시멘트계 무기재료 기반 자기치유 환(丸), 생체광물 형성 박테리아를 기반으로 하는 자기치유 환(丸) 또는 균열폭 제어의 기능을 갖는 고흡수성 섬유 기반 균열 치유 환(丸)의 외피에 분무하는 형태로 생분해막 코팅 자기치유 환을 제작할 수 있으며, 이때, 자기치유 환(丸) 응집체를 손상 없이 보호 및 환(丸) 응집체가 경화된 콘크리트 내부 구조에 고르게 분포하고, 손상되지 않은 환 응집체가 수분과 직접 반응할 수 있도록 하기 위한 생분해 코팅막의 바람직한 형성 두께는 10 내지 50 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 20 내지 40 ㎛일 수 있다. 도 1에서는 무기재료 기반 환(丸) 응집체, 생체광물 형성 박테리아 기반 환(丸) 응집체 및 고 흡수성 섬유 기반 환(丸) 응집체 각각에 대한 생분해막 코팅된 자기치유 환의 형태를 모식적으로 나타내고 있다.
보수단면 균열 치유를 위한 자기치유 더블 캡슐 제조
본 발명에서 더블 캡슐 제작을 위한 외피 캡슐 재료로서 히프로멜로오스(HPMC) 40 내지 70 중량부 및 정제수 1 내지 5 중량부를 혼합하여 제작된 것이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 히프로멜로오스(HPMC) 50 내지 60 중량부 및 정제수 1 내지 2.5 중량부를 혼합하여 제작된 것이 사용될 수 있다. 캡슐의 내부 부피는 배합 및 타설 과정에서 손상되지 않은 환(丸) 응집체가 보수단면 경화 이후 발생하는 균열면에서 수분과 균열치유 재료가 직접 반응함에 있어 그 효율을 향상시키는 측면에서 0.5 내지 2 ㎖인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1 ㎖일 수 있다.
이러한 캡슐은 수분과 접촉될 경우 용해되는 성질을 갖는 것이 사용되며, 구체적으로 20 내지 40℃에서 수분과 접촉 시 30분 이내에 완전 용해되는 것이 사용될 수 있다. 하기 표 1에서는 후술하는 실험예에 사용된 외피 캡슐의 수중 침지 용해 속도 측정 결과를 나타내고 있다.
침지 시간 (분) 물 온도
20℃ 30℃ 40℃
0
Figure 112022098293391-pat00001
Figure 112022098293391-pat00002
Figure 112022098293391-pat00003
10
Figure 112022098293391-pat00004
Figure 112022098293391-pat00005
Figure 112022098293391-pat00006
20
Figure 112022098293391-pat00007
Figure 112022098293391-pat00008
Figure 112022098293391-pat00009
30
Figure 112022098293391-pat00010
 - -
이에 따라 외피 캡슐은 모르타르 배합에 투입될 경우 외피 캡슐이 용해되어 내부 투입 재료가 표면 손상 없이 단면 보수재 내부 공극에 분포할 수 있게 된다. 도 2에서는 단위수량 160 kg/㎥ 및 플로우(a) 150 mm 수준의 모르타르 배합에 내부에 재료가 투입된 캡슐이 혼합될 경우, 경화 후 재령 1일에서 외피 캡슐이 용해되어 내부 투입 재료가 표면 손상 없이 콘크리트 내부 공극에 분포하는 모습(b)을 나타내고 있다. 이러한 더블 캡슐은 내부에 투입되는 자기치유 환 응집체의 종류에 따라 3가지 타입, 즉, 무기계 더블 캡슐, 박테리아 더블 캡슐 및 하이브리드 더블 캡슐로 분류할 수 있으며(도 3 참조), 하기 표 2에서는 자기치유 더블 캡슐(내부 부피 0.5 내지 1 ㎖)의 조성예를 나타내었고, 도 4에서는 제작된 자기치유 더블 캡슐의 모습을 나타내었다.
Type 자기치유 환 응집체 투입량 (g)
무기계 자기치유 환 박테리아 기반 자기치유 환
무기계 더블 캡슐(Double capsule) 0.3~0.45 -
박테리아 더블 캡슐(Double capsule) - 0.25~0.4
하이브리드 더블 캡슐(Double capsule) 0.15~0.22 0.13~0.2
무기계 더블 캡슐의 경우 외피 캡슐 내부에 1 mm 이하의 입경으로 제작된 무기계 자기치유 환을 0.3 내지 0.45 g 투입할 수 있다. 또한 박테리아 더블 캡슐의 경우 외피 캡슐 내부에 1 mm 이하의 입경으로 제작된 생체광물 형성 박테리아 기반 자기치유 환을 0.25 내지 0.4 g 투입할 수 있다. 또한 하이브리드 더블 캡슐의 경우 외피 캡슐 내부로 무기계 환 및 박테리아 기반 환이 혼합 투입되며, 그 투입 중량은 각각 0.15 내지 0.22 g 및 0.13 내지 0.2 g일 수 있다. 하이브리드 더블 캡슐의 경우 보수단면 균열 발생 부위에서 무기계 재료의 수화 반응에 의한 균열치유와 박테리아의 생체광물 형성 작용을 통한 균열치유 효과를 동시에 기대할 수 있다.
균열 치유 환 기반의 자기치유 단면 보수재
균열 자기치유 환을 포함하는 자기치유 단면 보수재는 기존 구제와의 일체성, 시공성 등을 고려하여 개발된 혼합물로서, 결합재는 1종 보통포틀랜드 시멘트, 플라이애시, 고로슬래그 미분말 및 폴리머 분말이 이용된다. 각 재료의 조성 비율은 1종 보통포틀랜드 시멘트 25 내지 40 중량%, 플라이애시 15 내지 25 중량% 및 고로슬래그 35 내지 50 중량%이다. 추가로, 단면 보수재의 탄산화 저항성 향상을 위해 소성준설토를 보수 모르타르 결합재 중에 1 내지 10 중량% 첨가할 수 있다. 소성준설토로서 바람직하게는 400 내지 600℃에서 약 0.5 내지 2.5시간 소성시킨 후 밀링 과정을 통해 비표면적이 3,500 내지 5,500 ㎠/g으로 제조된 것이 사용될 수 있다. 소성준설토의 혼합은 신축 이음재(보수단면)에서 시멘트의 경화 과정에서 발생하는 수산화칼슘을 보다 치밀한 미세구조를 이루는 C-S-H 형성의 포졸란 반응으로 소비할 수 있게 하며, 이는 신축 이음재와 콘크리트 계면의 모세관 공극을 감소시켜 보다 치밀한 구조를 이루도록 한다. 결과적으로, 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘을 형성하는 수산화칼슘의 탄산화 현상 저해와 함께, 모세관공극 감소에 의한 보수재 심부로의 수분 및 이산화탄소 등의 유입을 저해시킬 수 있다.
추가로, 탄산화 방지를 위한 재료로서 순도 98% 이상의 탄산나트륨(Na2CO3) 분말을 보수 모르타르 결합재 중에 1 내지 3 중량% 첨가할 수 있다. 탄산나트륨(Na2CO3)의 첨가는 시멘트의 클링커 광물인 C3S와 C2S의 반응을 촉진시켜, 경화 초기 경화체의 미세구조를 보다 치밀하게 하고 조기 강도 발현 증진의 효과를 부여한다. 그리고 C3A의 반응 또한 가속화시킴에 따라 팽창성 수화물인 에트린자이트 및 AFt(Al2O3-Fe2O3-tri)의 생성을 촉진하여 시멘트 경화체 내부구조를 더욱 치밀하게 한다. 결과적으로 내부구조가 보다 치밀해진 경화체 내부로의 이산화탄소 침투는 크게 감소될 수 있다.
또한 추가로 단면 보수 부위로 침투 가능한 염화물에 의한 열화를 방지하기 위해 인산나트륨(Na2HPO4) 또는 아질산나트륨(NaNO2)을 1 내지 3 중량% 첨가할 수 있다. 아질산나트륨을 혼합하는 경우 시멘트 수화물의 Afm 상과 NO2 이온의 반응으로 인하여 아질산염-AFm 상을 형성하며, 이는 신축 이음재 뿐만 아니라 이음 타설되는 콘크리트와의 계면 사이 기공을 감소시켜 염화물 이온이 보수재 내부로 침투되는 것을 저해시킨다. 또한 NO2 이온은 콘크리트 내부에 설치된 철근에서 부식인자인 염소이온(Cl-)과 경쟁적으로 반응으로 이루어, 하기 수학식 1과 같이 철 이온과 반 응시 안정적인 부동태 피막인 γ-FeOOH를 형성하여 철근 부식을 저해한다.
[수학식 1]
Figure 112022098293391-pat00011
인산염을 혼합하는 경우에는 하기 수학식 2와 같이, 인산염 이온과 철(Ⅲ) 이온 사이의 반응으로 형성되는 스트렝자이트(strengite) 또는 제2철 인산염 보호층의 형성으로 철근의 부식을 보호할 수 있다. 용해-침전 메커니즘을 통해 형성된 인산염이 점차적으로 인산염 제2철로 산화되고, 전도성이 매우 낮은 제2철 인산염(FePO4)은 철근 외부에 얇은 층을 형성하여 산소의 확산을 느리게 하고 금속막 계면에서 추가 산화 과정을 저해한다.
[수학식 2]
Figure 112022098293391-pat00012
한편, 폴리머 분말의 경우 자기치유 보수재의 접착성능 향상을 위해 EVA계 재료가 이용될 수 있고, 보수 모르타르 결합재 중에 2 내지 5 중량% 함량으로 혼합될 수 있다. 또한 보수재의 팽창, 수축 등의 변형을 방지하기 위한 재료로서 폴리에틸렌 섬유(평균 직경 100 내지 150 ㎛, 바람직하게는 110 내지 130 ㎛)를 전체 보수재 100 부피부에 대하여 0.1 내지 0.2 부피부가 되도록 혼합할 수 있다. 잔골재는 규사(silica sand)가 이용되 수 있고, 예컨대, 0.05 내지 0.17 mm, 0.17 내지 0.25 mm 및 0.25 내지 0.7 mm의 입경을 갖는 재료를 1 : 0.8 내지 1.2 : 0.8 내지 1.2의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다. 이때 잔골재-결합재비(sand to binder ratio, S/B)는 1.5 내지 2.5일 수 있고, 바람직하게는 1.8 내지 2.2일 수 있다. 균열 자기치유 환은 보수재가 적용되는 구조물의 특성 및 환경을 고려하여 전술한 재료들이 단독 또는 복합적으로 사용될 수 있다. 자기치유 환은 골재 부피의 2 내지 15 부피%로 치환하여 혼합될 수 있다.
균열 치유 환 기반 자기치유 단면 보수재의 제조예
1종 보통포틀랜드 시멘트 30 중량부, 플라이애시 20 중량부, 고로슬래그 40 중량부, 소성준설토 3 중량부, 탄산나트륨이 2 중량부, 아질산나트륨 2 중량부 및 EVA계 폴리머 3 중량부 조성으로 결합재를 준비하고, 폴리에틸렌 섬유(평균 직경 120 ㎛)를 전체 보수재 100 부피부에 대하여 0.15 부피부가 되도록 준비하고, 잔골재로서 규사(평균 입경 0.05 mm 내지 0.7 mm)를 잔골재-결합재비(sand to binder ratio, S/B)가 2 중량비가 되도록 하고, 물-결합재비(water to binder ratio, W/B)가 30 중량%(25 내지 38 중량%에서 선택 가능)가 되도록 배합하여 자기치유 단면 보수재를 제조하였다.
균열 자기치유 환은 단면 보수재의 골재 대비 5 부피% 의 혼합 비율로 첨가하고, 믹서기로 혼합하여 최종 단면 보수재를 제조하였다. 균열치유 환 기반 자기치유 단면 보수재의 배합상세는 하기 표 3에 나타내었다. 이때 균열 자기치유 환의 치환량은 보수재 제작의 목표 성능 또는 시공자의 결정에 따라 각각 골재 대비 2 내지 15 부피%로 다양하게 변화시킬 수 있다.
균열치유 환의 종류 물-결합재비(중량%) 잔골재-결합재비 결합재(중량%) 섬유혼입 비율(부피부) 자치기유 환의 치환율(부피%)
1종보통포틀랜드 시멘트 고로슬래그 플라이애시 소성준설토 탄산나트륨 아질산 나트륨 EVA계 폴리머
고흡수성 섬유기반 균열치유 환 25~38 2 25~40 35~50 15~25 1~10 1~3 1~3 2~5 0.1~0.2 2~15
무기재료 기반 균열치유 환 25~38 2 25~40 35~50 15~25 1~10 1~3 1~3 2~5 0.1~0.2 2~15
박테리아 기반 균열치유 환 25~38 2 25~40 35~50 15~25 1~10 1~3 1~3 2~5 0.1~0.2 2~15
생분해막 코팅 자기치유 환 25~38 2 25~40 35~50 15~25 1~10 1~3 1~3 2~5 0.1~0.2 2~15
자기치유 더블캡슐 25~38 2 25~40 35~50 15~25 1~10 1~3 1~3 2~5 0.1~0.2 2~15
균열 치유 환 기반 자기치유 단면 보수재의 균열 치유 성능 평가
상기 제조된 단면 보수재에 대하여 시험규격에 따른 성능평가를 실시하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 표 4에서 일반보수재는 균열치유 환을 혼합하지 않은 경우로서, 비교 평가를 위해 그 결과를 함께 나타내었다.
시험 종목 시험방법 시험 결과
균열 치유 환 기반 자기치유 단면 보수재 일반보수재
고흡수성 섬유기반 균열치유 환 무기재료 기반 균열치유 환 박테리아 기반 균열치유 환 생분해막 코팅 자기치유 환 자기치유 더블캡슐
휨 강도 (MPa) KS F 4042 : 2012 9.6 9.4 8.9 9.2 8.8 8.7
압축강도 (MPa) 49.5 50.1 48.8 48.9 45.1 48.5
부착강도 표준조건 (MPa) 2.2 2.1 2.0 1.9 1.9 2.0
온·냉 반복 후 (MPa) 1.7 1.3 1.4 1.4 1.4 1.3
내알칼리성 (MPa) 46.3 46.6 45.1 45.2 41.2 42.5
중성화 저항성 (mm) 0.4 0.5 0.4 0.8 1.0 1.5
투수량 (g) 2.8 3.1 2.6 3.4 6.2 6.4
물 흡수 계수 (kg/m2h0.5) 0.05 0.08 0.04 0.09 0.14 0.14
습기 투과 저항성(m) 0.5 0.7 0.5 0.8 1.2 1.3
염화물 이온 침투 저항성 (coulombs) 220 255 280 295 400 455
길이변화율(%) 0.03 0.03 0.05 0.05 0.04 0.06
표 4를 참조하면, 본 발명에 따른 단면 보수재는 탄산화 및 염해저항성이 향상된 균열 자기치유 보수 모르타르로서, 이러한 자기치유 단면 보수재는 노후 구조물의 단면 복구를 위해 활용되는 일반적인 보수재의 품질성능(KS F 4042)에 비해 모든 항목에서 동등 이상의 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 고흡수성 섬유기반 환을 혼합한 자기치유 보수재의 물 흡수계수 및 습기 투과성의 경우 일반 보수재의 값에 비해 각각 64% 및 56% 감소된 것으로 나타났다. 또한 동일 배합에서 중성화 깊이가 일반 보수재 대비 1/3 수준이며, 염화물 이온 침투 저항성은 일반 보수재 대비 1/2 수준이다. 결과적으로 균열치유 환을 혼합한 자기치유 보수 모르타르의 품질 성능은 균열치유 환의 종류에 관계없이 KS F 4042에서 요구하는 품질기준 성능을 만족한다.한편, 상기 제조된 단면 보수재 시편에 0.3 mm 폭의 할렬 균열을 유도하여 정수위 투수 시험을 통해 균열 치유 성능을 평가하고, 그 결과를 도 5 및 도 6에 나타내었다. 균열이 유도된 모르타르 시험편의 균열 치유율은 균열 유도 후 초기 유출수량 대비 감소하는 재령별 유출수량의 평가 결과를 바탕으로 산정하였다.
도 5를 참조하면, 일반 보수재는 재령 56일에서의 균열 치유율이 51%인 반면, 균열 치유 환 기반 자기치유 단면 보수재의 경우 재령 56일에서의 균열 치유율은 균열치유 환의 종류에 관계없이 모든 시험체가 90%를 상회하였다. 섬유기반 자기치유 환을 혼합한 자기치유 단면 보수재의 재령 56일 균열 치유율은 93%로 가장 높은 것으로 나타났다.
또한 도 6을 참조하면, 균열이 유도된 시험체 표면에 대한 균열 치유 환으로부터 형성된 수화물의 광학 현미경 촬영 이미지와 미세구조 분석 결과로서, 균열 치유율이 가장 높게 나타난 섬유 기반 균열치유 환을 혼합한 단면 보수재 및 일반 보수재를 분석한 결과, 균열 유도면에 자기치유 단면 보수재에 의해 형성되는 투명한 백색의 균열 치유 수화물이 형성됨을 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 (13)

  1. 무기재료 기반 환(丸) 응집체, 상기 무기재료 기반 환(丸) 응집체가 투입된 캡슐 또는 상기 무기재료 기반 환(丸) 응집체가 생분해막 코팅된 자기치유 환(丸) 응집체를 단면 보수재 배합에 사용하여, 보수단면 균열로 수분 유입 시 수화 반응을 통해 균열을 치유하는 방법으로서,
    상기 단면 보수재 배합에 사용되는 보수 모르타르 결합재는, 1종 보통포틀랜드 시멘트 25 내지 40 중량%, 플라이애시 15 내지 25 중량%, 고로슬래그 35 내지 50 중량%, 소성준설토 1 내지 10 중량%, 탄산나트륨 1 내지 3 중량%, 아질산나트륨 또는 인산나트륨 1 내지 3 중량% 및 EVA계 폴리머 2 내지 5 중량%를 포함하고,
    상기 무기재료 기반 환 응집체는 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%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 알코올은 메틸 알코올이고, 상기 급결제는 규산소다(Na2SiO2ㆍnH2O)인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐 재료는 히프로멜로오스(HPMC) 40 내지 70 중량부 및 정제수 1 내지 5 중량부를 혼합하여 제작되고, 내부 부피가 0.5 내지 2 ㎖이고, 20 내지 40℃에서 수분과 접촉 시 30분 이내에 완전 용해되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 생분해막 코팅 재료는 히프로멜로오스(HPMC) 70 내지 100 중량부, 정제수 1 내지 5 중량부 및 메틸알코올 50 내지 100 중량부를 혼합하여 제작된 것을 특징으로 하는 방법.
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