KR102528249B1

KR102528249B1 - 보수·보강 모르타르 조성물

Info

Publication number: KR102528249B1
Application number: KR1020220041959A
Authority: KR
Inventors: 이의배; 차경섭; 정우용; 신동호; 김선주; 김영훈; 문기훈; 김성필; 허준
Original assignee: (주)대우건설
Priority date: 2022-04-05
Filing date: 2022-04-05
Publication date: 2023-05-03

Abstract

본 발명은 농업용 여수로, 배수로, 도로 측구, 하수관거 등 다양한 구조물의 보수·보강에 적용될 수 있는 모르타르 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 「결합재, 잔골재 및 배합수를 포함하고, 물-결합재비 18~20 wt%이며, 감수제가 상기 결합재 대비 0.2~0.5 wt% 첨가된 모르타르 조성물로서, 상기 결합재와 잔골재가 1:0.8~1.4의 중량비로 혼합되되, 상기 결합재 대비 30~50 wt%의 탄산칼슘이 상기 잔골재의 동 중량을 대체하도록 적용되고, 무기산이 상기 탄산칼슘 대비 0.2~0.5 wt% 첨가된 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물」을 제공한다.

Description

보수·보강 모르타르 조성물{Mortar Composition for Repair-Reinforcement}

본 발명은 농업용 여수로, 배수로, 도로 측구, 하수관거 등 다양한 구조물의 보수·보강에 적용될 수 있는 모르타르 조성물에 관한 것이다.

지구 온난화 문제로 이산화탄소 저감 문제가 국제적 이슈로 떠오른지 상당한 시간이 흘렀으나 시멘트 생산, 콘크리트 제조 및 시공과정에서 이산화탄소가 다량 발생하는 문제는 지난한 문제로 상존한다.

이에 시멘트 및 건설 산업 분야에서 시멘트 사용량을 줄이는 방안이 다각도로 연구되고 있으나, 등록특허 10-1313720 등과 같이 시멘트 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 탄산칼슘(CaCO₃)을 수득하는 적극적 방안도 제시되어 있다.

탄산칼슘 소요처가 다변화될수록 이산화탄소 포집 탄산칼슘의 수요도 증가할 수 있으므로, 탄산칼슘의 활용 방안을 다양하게 연구하는 것 역시 이산화탄소 저감에 기여하는 방안이 될 수 있다.

또한, 이산화탄소 포집 탄산칼슘 자체를 활용하는 몇 가지 기술이 도출된 바 있다. 등록특허 10-1701996 및 등록특허 10-1877317은 이산화탄소 포집 탄산칼슘을 콘크리트의 고유동성 발현을 위한 원료로 적용한 것이고, 등록특허 10-1897550는 이산화탄소 포집 탄산칼슘을 고인성·고내구성 보수·보강재로 적용한 것이다.

다만, 종래에 탄산칼슘은 모르타르 또는 콘크리트 매트릭스 내에서 반응성 없는 필러 역할만을 수행하는 것으로 인식되어 왔다. 상기 등록특허 10-1877317에는 『이산화탄소 포집 탄산칼슘이 시멘트 중량 대비 5중량% 내지 10중량%가 첨가되도록 하여야 강도저하를 방지할 수 있다』는 점이 시험 데이터와 함께 설명되어 있고, 상기 등록특허 10-1897550에서는 『이산화탄소 포집 탄산칼슘은 충진제로서 배합된다』는 점을 명시하며, 이산화탄소 포집 탄산칼슘 사용량을 시멘트 100중량부에 대해 5 내지 10중량부로 제한하고 있다.

한편, 노후 건축·토목 구조물에 대해서도 신축보다는 보수·보강을 우선 검토하는 것이 자원 보존과 이산화탄소 저감 측면에서 바람직하다. 특히, 국내 농업 시설 중 저수지는 70년 이상의 노후 시설이 절반 이상으로 안전성 확보가 필요하며, 이를 위한 보수·보강 방안이 적극 검토되어야 한다.

1. 등록특허 10-1313720 "생석회를 이용한 배출가스 이산화탄소 제거 장치" 2. 등록특허 10-1701996 "이산화탄소 포집 부산물을 이용한 유동성 혼합조성물" 3. 등록특허 10-1877317 "이산화탄소 포집 탄산칼슘이 포함된 저분체 고유동 콘크리트 조성물" 4. 등록특허 10-1897550 "이산화탄소(CO2) 포집 탄산칼슘을 활용한 고인성·고내구성 보수·보강 혼합 조성물 및 이를 이용한 보수·보강 공법"

본 발명은 모르타르 내에서 제한적으로 사용되어 온 탄산칼슘을 대량 사용하면서 보수·보강재로서의 모르타르 물성을 향상시킬 수 있는 기술 방안을 제공함으로써 이산화탄소 포집 탄산칼슘의 소비량을 늘리고, 이에 이산화탄소 포집 기술 적용 수요를 확보하여 이산화탄소 배출 저감에 기여하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명은 「결합재, 잔골재 및 배합수를 포함하고, 물-결합재비 18~20 wt%이며, 감수제가 상기 결합재 대비 0.2~0.5 wt% 첨가된 모르타르 조성물로서, 상기 결합재와 잔골재가 1:0.8~1.4의 중량비로 혼합되되, 상기 결합재 대비 30~50 wt%의 탄산칼슘이 상기 잔골재의 동 중량을 대체하도록 적용되고, 무기산이 상기 결합재 대비 0.1~0.2 wt% 첨가된 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물」을 제공한다.

또한 본 발명은 「팽창재가 상기 결합재 대비 7~9 wt% 더 포함된 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물」을 함께 제공한다.

또한 본 발명은 「상기 결합재는 시멘트 75~90 wt%; 고로슬래그 미분말 8~20 wt%; 및 실리카퓸 2~5 wt%; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물」을 함께 제공한다.

또한 본 발명은 「길이 5~20 ㎜의 섬유가 상기 결합재 대비 0.1~0.2 wt% 더 포함되고, 상기 섬유는 나일론 섬유, PVA 섬유, 강섬유, 바잘트 섬유 중 어느 한 가지 이상인 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물」을 함께 제공한다.

또한 본 발명은 「제올라이트가 상기 결합재 대비 3~5 wt% 더 포함된 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물」을 함께 제공한다.

또한 본 발명은 「폴리머가 상기 결합재 대비 1~2 wt% 더 포함된 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물」을 함께 제공한다.

또한 본 발명은 「소포제가 상기 결합재 대비 0.1~0.2 wt% 더 포함된 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물」을 함께 제공한다.

또한 본 발명은 「상기 탄산칼슘은 이산화탄소 포집 탄산칼슘인 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물」을 함께 제공한다.

본 발명이 제공하는 보수·보강 모르타르 조성물은,

종래에 모르타르 또는 콘크리트 조성물에서 혼합량이 소량으로 제한되었던 탄산칼슘을 다량 사용하면서 보수·보강재로서의 기본 물성을 갖추고 압축강도는 더욱 높게 발현된다.

이에 따라 농업용 여수로, 배수로, 도로 측구, 하수관거 등 다양한 구조물의 보수·보강 품질 향상에 기여할 수 있으며,

아울러, 이산화탄소 포집 탄산칼슘의 소비량을 확보하여 이산화탄소 포집 기술 적용 수요를 증대시킴으로써 이산화탄소 발생 저감에 적극적으로 기여할 수 있다.

[도 1]은 시험체별 모르타르 플로우 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
[도 2]는 시험체별 재령 7일 압축강도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
[도 3]은 시험체별 재령 7일 휨강도 시험 결과를 나타낸 그래프이다.

상기 결합재는 1종보통포틀랜드시멘트를 기반으로 산업부산물 혼화재(고로슬래그 미분말 및 실리카퓸)를 일부 치환 적용할 수 있다. 잠재수경성 반응을 하는 고로슬래그 미분말은 초기강도 확보를 위해 결합재의 8~20 wt% 범위에서 적용하고, 초미립자인 실리카퓸은 모르타르의 강도, 수밀성, 기밀성 등을 향상시키나 경제성, 유동성 및 경화시간 등을 고려하여 결합재의 2~5 wt% 범위에서 적용하는 것이 바람직하다. 정리하면 본 발명에서 결합재는 시멘트 75~90 wt%; 고로슬래그 미분말 8~20 wt%; 및 실리카퓸 2~5 wt%로 조성하는 것이 바람직하다.

상기 잔골재는 표준 입도 분포 내의 자연사, 세척사, 부순 모래 등을 적용할 수 있으며, 상기 결합재와 잔골재는 1:0.8~1.4의 중량비로 혼합된다. 본 발명에서는 상기 잔골재의 일부를 탄산칼슘으로 대체 적용하는데, 상기 탄산칼슘은 상기 결합재 대비 30~50 wt% 범위의 중량만큼을 상기 잔골재에서 대체한다.

상기 탄산칼슘은 분말도 4,000~6,000 ㎠의 미분말 상태로 잔골재의 매크로 특성을 대체할 수는 없으나 기본적으로 매트릭스의 공극을 메우는 필러로 기능하여 모르타르의 수밀성을 증대시키고 재료분리를 억제한다.

다만, 종래에는 상기 탄산칼슘이 미분말 상태인 점에 따라 시멘트에서 치환 적용하였고, 이에 시멘트 수화반응량 및 강도 발현을 확보하기 위해 탄산칼슘 치환 범위를 시멘트의 5~10 wt% 범위의 소량으로 제한해 왔다.

그러나 본 발명에서는 탄산칼슘을 적용하면서도 시멘트를 포함한 결합재량은 줄이지 않고, 적용되는 탄산칼슘 중량 만큼의 잔골재를 덜어내는 방식으로 기본 수화반응량은 확보되도록 하였다.

아울러, 무기산(황산, 염산, 질산, 인산, 설파민산, 과염소산, 크롬산, 아황산, 아질산 등)을 상기 탄산칼슘 대비 0.2~0.5 wt% 첨가함으로써, 상기 탄산칼슘이 해리되어 Ca²⁺ 이온이 생성되고, 상기 Ca²⁺ 이온은 배합수와 반응하여 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 생성시키며 강도 발현에 기여하고, 이러한 수산화칼슘은 고로슬래그 미분말을 활성화시켜 수화물 생성을 유도한다.

무기산으로 염산을 적용한 경우를 예로 들면, 배합수가 포함된 본 발명 모르타르 조성물에서는 아래 [화학식 1] 내지 [화학식 4] 과정을 통해 Ca²⁺ 이온이 생성된다.

[화학식 1] CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

[화학식 2] CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl^-

[화학식 3] CO₂ + H₂O → H₂CO₃

[화학식 4] CaCO₃ + H₂CO₃ → Ca² + 2HCO₃ ^-

즉, 본 발명에서 탄산칼슘은 무기산과 배합수의 연속 반응으로 자체적으로 수화물을 생성하는 기능, 고로슬래그 미분말을 활성화시키는 기능 및 반응에 참여하지 않고 잔존하는 상태에서의 필러 기능을 함께 수행하여 모르타르 강도 향상에 기여한다.

다만, 무기산의 과량 첨가시 과도한 기포가 발생하고, 시멘트의 수화반응 메커니즘을 교란시킬 수 있으므로 상기 무기산이 상기 결합재 대비 0.1~0.2 wt% 범위에서 첨가하여 반응량을 통제하고, 탄산칼슘의 일정량은 필러로 잔존토록 제어하는 것이 바람직하다.

이산화탄소 포집 탄산칼슘은 일반 탄산칼슘과 화학 성분이 동일하므로, 본 발명에 적용하여 전술한 바와 같은 작용·효과가 나타나도록 할 수 있다.

상기 탄산칼슘의 해리와 함께 발생하는 기포는 본 발명 모르타르 조성물에 소포제를 첨가하여 제거할 수 있다. 상기 소포제는 상기 결합재 대비 0.1~0.2 wt% 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명 모르타르 조성물에는 팽창재를 상기 결합재 대비 7~9 wt% 더 포함시켜, 상기 탄산칼슘 해리에 의해 수화반응이 증가함에 따른 온도균열이 저감되도록 할 수 있다. 상기 팽창재에는 무수석고, CSA계 등을 단종 또는 혼종으로 적용할 수 있다.

또한, 본 발명 모르타르 조성물에는 섬유를 혼입시켜 균열 제어에 기여토록 할 수 있다. 상기 섬유는 나일론 섬유, PVA 섬유, 강섬유 중 어느 한 가지 이상을 적용할 수 있으며, 길이는 5~20 ㎜ 범위에서 제한하고, 함량은 결합재 대비 0.1~0.2 wt%로 제한함으로써 섬유가 고르게 분산되도록 할 수 있으며, 과도한 점성 증가를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명 모르타르 조성물에는 균열저항성, 부착성, 내산성 및 인장강도 향상을 위해 제올라이트(Zeolite)를 상기 결합재 대비 3~5 wt% 더 포함시킬 수 있다.

또한, 본 발명 모르타르 조성물에는 부착성, 방수성 등을 향상시키는 폴리머를 상기 결합재 대비 1~2 wt% 더 포함시킬 수 있다. 상기 폴리머는 아크릴계와 우레탄계를 혼합 사용하는 것이 타당하며, 이들은 중량비 10:90~90:10이 되도록 혼합하는 것이 바람직하다.

결합재 대비 0.2~0.5 wt% 첨가되는 감수제는 모르타르의 워커빌리티를 개선한다.

이하에서는 시험예와 함께 본 발명을 설명하기로 한다.

[표 1]은 1,2그룹 시험체들의 모르타르 배합표이다. 2그룹 시험체 중 S15 내지 S25 시험체는 본 발명의 기술 범위에 속하는 시험체이고, 1그룹 시험체 전부 및 S00 시험체는 본 발명과의 대비를 위한 대조군 시험체이다.

본 발명의 [표 1]에서 각 시험체는 배합수를 제외한 원료의 총 중량(이하 '총 중량'으로 약칭)을 기준으로 각 원료의 함량을 wt%로 나타냈다. 배합수는 1,2그룹 모두 결합재 대비 18 wt% 비율로 혼합하였다. 탄산칼슘은 모두 이산화탄소 포집 탄산칼슘을 적용하였다.

1그룹 시험체들(C00 ~ C25)은 종래와 같이 무기산을 첨가하지 않고 탄산칼슘 배합량을 일정 단위로 늘려 적용한 것이다. 1그룹 시험체들은 타 성분 함량이 동일하되, 탄산칼슘 배합 중량을 늘리는 만큼 잔골재 배합 중량을 줄였다. 1그룹의 모든 시험체는 총 중량 대비 결합재가 50 wt%, 팽창재가 3.66 wt%이므로 팽창재는 결합재 대비 7.32 wt%이며, 결합재는 1종보통포틀랜드시멘트(OPC) 92 wt%, 실리카퓸(SF) 8 wt%로 조성하였다. 시험체별로 탄산칼슘은 결합재 대비 0~50 wt% 범위에서 10 wt%씩 늘렸다. 이 밖에 나일론 섬유, 감수제, 소포제 및 폴리머를 각각 상기 결합재 대비 0.16 wt%, 0.2 wt%, 0.01 wt%, 0.1 wt% 첨가하였다.

2그룹 시험체들(S00~S25)은 결합재량과 탄산칼슘 배합량을 전술한 1그룹과 동일하게 맞추되, 무기산을 일정량씩 첨가한 것이다. 2그룹의 각 시험체에서 무기산은 총 중량 대비 0.07 wt%, 결합재 대비 0.14 wt%로 동일하게 통제하였다. 2그룹에서는 결합재에 고로슬래그 미분말(SP)을 포함시켜, 결합재가 1종보통포틀랜드시멘트(OPC) 72 wt%, 고로슬래그 미분말(SP) 20 wt% 및 실리카퓸(SF) 8 wt%로 조성되도록 하였다. 2그룹 시멘트에는 모두 제올라이트를 결합재 대비 3 wt% 더 혼입시켰으며, 나일론 섬유, 감수제, 소포제 및 폴리머는 1그룹과 동일하게 결합재 대비 0.16 wt%, 0.2 wt%, 0.01 wt%, 0.1 wt% 첨가하였다.

첨부된 [도 1]은 시험체별 모르타르 플로우 시험 결과를 나타낸 그래프이다. 1그룹에서는 탄산칼슘 함량 증가에 따라 모르타르 플로우가 감소하는 것으로 나타났으나 2그룹에서는 탄산칼슘 함량을 결합재 대비 50 wt%까지 증가시켜도 모르타르 플로우가 150 ㎜ 수준을 유지하는 것으로 나타났다.

아래 [표 2]는 시험체별 초기 재령(1일, 3일, 7일) 압축강도 시험 결과를 정리한 것이다(단위는 MPa). 1그룹의 경우 재령 1일 압축강도 발현 양태는 특별한 경향성이 없으나, 재령 3일, 7일 압축강도는 탄산칼슘 함량 증가에 따라 감소하는 경향이 나타났다. 반면 2그룹에서는 초기 재령(1일, 3일, 7일) 압축강도가 탄산칼슘 함량 증가에 따라 모두 증가하는 경향이 나타났다. 다만, 재령 1일 및 재령 3일 압축강도는 2그룹 시험체들이 1그룹 시험체들보다 높은 수준으로 발현된다고 할 수는 없다.

반면, 위의 [표 2] 및 첨부한 [도 2]를 통해 재령 7일 압축강도는 2그룹 시험체들 중 탄산칼슘 함량이 많은 S15 내지 S25 시험체에서 대비 대상인 C15 내지 C25 시험체에 비해 명확히 높은 수준으로 발현되는 것이 확인되었다. 또한, 시멘트 함량을 줄이고 고로슬래그 미분말을 혼입한 S00 시험체의 재령 7일 압축강도가 C00 시험체보다 저하된 점에 비추어볼 때 S15 내지 S25 시험체의 압축강도 향상 효과가 더욱 주의적으로 두드러진다.

S15 내지 S25 시험체에서는 전술한 바와 같이 탄산칼슘이 무기산과 배합수의 연속 반응으로 자체적으로 수화물을 생성하는 기능, 고로슬래그 미분말을 활성화시키는 기능 및 반응에 참여하지 않고 잔존하는 상태에서의 필러 기능이 유기적으로 나타난 것으로 사료된다.

한편, 아래 [표 3] 및 첨부된 [도 3]은 시험체별 재령 7일 휨강도 시험 결과를 정리하여 나타낸 것이다(단위는 MPa). 1,2그룹 시험체들 사이에 재령 7일 압축강도와 같은 극적인 대비점은 나타나지 않으나, 2그룹 시험체들이 휨강도가 모두 8 MPa 전후에서 높게 나타났음이 확인된다.

본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 시험예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이전 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

해당없음

Claims

결합재, 잔골재 및 배합수를 포함하고, 물-결합재비 18~20 wt%이며, 감수제가 상기 결합재 대비 0.2~0.5 wt% 첨가된 모르타르 조성물로서,
상기 결합재와 잔골재가 1:0.8~1.4의 중량비로 혼합되되,
상기 결합재는 시멘트 75~90 wt%; 고로슬래그 미분말 8~20 wt%; 및 실리카퓸 2~5 wt%; 를 포함하고,
상기 결합재 대비 30~50 wt%의 탄산칼슘이 상기 잔골재의 동 중량을 대체하도록 적용되고,
무기산이 상기 결합재 대비 0.1~0.2 wt% 첨가되어,
상기 탄산칼슘은 무기산 및 배합수와의 연속 반응으로 수화물을 생성하는 기능, 고로슬래그 미분말을 활성화시키는 기능 및 수화반응에 참여하지 않은 잔존물에 의한 필러 기능을 함께 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물.
삭제
제1항에서,
팽창재가 상기 결합재 대비 7~9 wt% 더 포함된 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물.
제1항에서,
길이 5~20 ㎜의 섬유가 상기 결합재 대비 0.1~0.2 wt% 더 포함되고,
상기 섬유는 나일론 섬유, PVA 섬유, 강섬유, 바잘트 섬유 중 어느 한 가지 이상인 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물.
제1항에서,
제올라이트가 상기 결합재 대비 3~5 wt% 더 포함된 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물.
제1항에서,
폴리머가 상기 결합재 대비 1~2 wt% 더 포함된 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물.
제6항에서,
소포제가 상기 결합재 대비 0.1~0.2 wt% 더 포함된 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물.
제1항, 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
상기 탄산칼슘은 이산화탄소 포집 탄산칼슘인 것을 특징으로 하는 보수·보강 모르타르 조성물.