KR102615391B1

KR102615391B1 - 균열 자기 치유용 ｐｃｃ 조성물

Info

Publication number: KR102615391B1
Application number: KR1020210063457A
Authority: KR
Inventors: 최세진; 김지환; 배성호; 이재인
Original assignee: 원광대학교산학협력단
Priority date: 2021-05-17
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2023-12-20
Also published as: KR20220156141A

Abstract

본 발명은 시멘트 경화체의 균열 자기 치유용 분말 압축 캡슐(PCC; Powder Compacted Capsule) 조성물, 분말 압축 캡슐의 제조방법 및 분말 압축 캡슐을 포함한 자기 치유 모르타르에 관한 것이다.
본 발명은 「시멘트에 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 어느 한 가지 이상의 혼화재가 혼합된 분체; 및 상기 분체 대비 2.0~3.0 wt% 첨가된 감수제; 를 포함하고, 배합수를 물-분체비 5~20 wt%가 되도록 혼합한 것을 특징으로 하는 PCC(Powder Compacted Capsule) 조성물」을 제공한다.

Description

균열 자기 치유용 ＰＣＣ 조성물{PCC composition for self-healing cracks}

본 발명은 시멘트 경화체의 균열 자기 치유용 분말 압축 캡슐(PCC; Powder Compacted Capsule) 조성물, 분말 압축 캡슐의 제조방법 및 분말 압축 캡슐을 포함한 자기 치유 모르타르에 관한 것이다.

콘크리트는 강도가 높고 경제성이 있어 오래전부터 널리 사용되는 건축재료이나, 인장강도 및 휨강도에 취약한 특성이 있어 철근과 함께 사용하지만 균열을 제어하기는 어렵다.

콘크리트의 균열 제어 방법으로 자기치유 기술에 대한 관심이 증가하고 있으며, 자기 치유(Self-healing) 기술은 기술개발 초기 단계로서 국내에서도 원천 기술 확보를 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.

자기 치유 기술 중 PCC(Powder Compacted Capsule) 기술은 시멘트와 포졸란 반응성 및 잠재수경성이 있는 분말을 캡슐 형태로 응집시켜 제조한 후 이를 모르타르 또는 콘크리트 조성물에 혼입하여 경화시킴으로써, 이후 경화체 내부에 균열 발생 시 상기 캡슐이 파괴되고, 캡슐 내부의 분말 성분이 수분에 노출되어 시멘트의 수화반응과 포졸란 반응 및 잠재수경성 반응에 의한 생성물질이 균열 발생 부위에 채워지며 자기 치유(Self-healing) 작용이 진행되도록 하는 것이다.

이러한 PCC 기술은 시멘트 경화체 성분과 유사하게 구성된 치유 물질이 전술한 메커니즘에 의해 균열 발생 초기부터 자기 치유가 이루어지게 되므로 구조물의 일체화 및 균열 치유 성능이 우수하게 발현될 것으로 사료된다.

1. 등록특허 10-1761608 "시멘트 복합재료에 혼합이 가능한 자기치유 고상캡슐 제조방법 및 이에 의해 제조되는 고상캡슐" 2. 등록특허 10-1761609 "무기질재료를 포함하는 자기치유 액상캡슐" 3. 등록특허 10-1782343 "비정질 금속파우더 캡슐을 이용한 자기치유 시멘트 복합재 조성물"

1. 유병철, "콘크리트 균열대응형 자기치유 표면처리시스템 연구", 강원대학교, 2012. 2. 오성록, "균열 자기치유를 위한 캡슐 활용 시멘트 복합재료 개발 및 특성에 관한 연구", 세명대학교, 2017. 3. 최연왕, 오성록, 김철규, 남은준, 이상협, 최욱, "자기치유 고상캡슐 크기에 따른 시멘트 복합재료의 균열 치유 성능에 관한 실험적 연구", 한국콘크리트학회 학술대회 논문집, Vol.30 No.2, 2018. 11.

본 발명은 시멘트와 혼화재(고로슬래그 미분말 및 플래이애시 중 어느 한가지 이상)가 잔골재 사이즈의 캡슐 형태로 응집되도록 하여, 콘크리트 또는 모르타르 조성물에 혼입 시 경화체에 발생하는 균열에 대해 자기 치유(Self-healing) 작용을 할 수 있도록 하는 PCC 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 「시멘트에 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 어느 한 가지 이상의 혼화재가 혼합된 분체; 및 상기 분체 대비 2.0~3.0 wt% 첨가된 감수제; 를 포함하고, 배합수를 물-분체비 5~20 wt%가 되도록 혼합하되, 상기 배합수의 50 wt% 이상을 PEG(Polyethylene glycol)로 치환한 것을 특징으로 하는 PCC 조성물」을 제공한다.

상기 분체는, 시멘트 10~40 wt%; 및 상기 혼화재 60~90 wt%; 를 포함하여 조성된 것을 적용할 수 있다.
상기 배합수 중 PEG로 치환되지 않은 잔여 배합수의 일부를 물풀로 치환하여, 물과 물풀의 중량비가 1:0.5~2.0이 되도록 하되, 상기 물풀은 PVA(Poly Vinyl Alcohol)와 물의 중량비 1:0.1~3.0으로 조성된 것을 적용할 수 있다.

삭제

1. 물-분체비 5~20 wt% 조건에서 감수제 함량을 분체 대비 2.0~3.0 wt% 범위에서 적용함으로써, 입경 2.4 ㎜ 전·후의 분체 응집체 생성률을 높일 수 있다.

2. 배합수의 전부 또는 일부를 점성이 있는 PEG(Polyethylene glycol)로 치환 적용함으로써 분체의 응집성을 높일 수 있다.

3. 배합수는 일부를 PVA를 함유하는 물풀로 치환함으로써 분체의 응집성을 높일 수 있다.

4. 상기 응집체 표면을 코팅하여 PCC(Powder Compacted Capsule)를 제조할 수 있으며, 상기 PCC는 모르타르 또는 콘크리트 조성물에 첨가되어 재령별 압축강도 향상 및 균열에 대한 자기 치유 능력 강화에 기여한다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 아래와 같이 정의된다.

- PCC(Powder Compacted Capsule) 조성물 : PCC 제조를 위해 분체, 물(배합수) 및 감수제를 혼합한 후, 믹싱 전-중-후 상태 물질의 통칭(단, 체가름 전 상태 물질로 한정함)

- 믹싱 : 모르타르 혼합용 기계식 믹서에 의해 100~300 rpm 조건에서 수행되는 혼합 작업

- 믹싱 결과물 : 상기 “PCC 조성물”의 믹싱 후 상태의 물질을 한정하여 지칭

- 응집체 : 상기 “믹싱 결과물”을 체가름하여 수득한 알갱이 상태의 물질

- PCC(Powder Compacted Capsule) : 상기 “응집체”에 코팅이 이루어진 상태의 물질

- 물풀 : PVA(Poly Vinyl Alcohol)과 물의 혼합물

- 물-분체비 : 시멘트와 혼화재가 혼합된 분체와 물의 중량비{(물 중량 / 분체 중량)×100}, 물풀에 포함된 물의 중량은 제외된 조건에서 산출

삭제

이하에서는 본 발명 도출 과정 상의 여러 가지 시험 결과와 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

[시험 1]

본 시험 1은 시멘트와 혼화재(고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 어느 한 가지 이상)가 혼합된 분체를 응집체로 제조하기 위한 기본 조건을 도출하기 위한 것으로서, 물-분체비와 분체량 대비 감수제량에 변화를 주어 실험을 진행하였다.

통상적으로 감수제는 시멘트 분말을 분산시켜 콘크리트의 워커빌리티(workability)를 얻기 위한 단위 수량을 감소시키고 이에 따라 강도 및 내구성이 향상되도록 하는 혼화제로서, 시멘트(결합재) 중량의 0.2~1.0 wt% 정도를 첨가한다.

그러나, 본 발명에서는 분체 중 시멘트를 10~40 wt% 포함시키고, 나머지는 철강산업 부산물이며 잠재수경성이 있는 고로슬래그 미분말과, 화력발전소 부산물이며 포졸란 반응성이 있는 플라이애시 중 어느 한 가지 이상을 포함하는 혼화재로 조성하고, 물-분체비를 20 wt% 이하로 낮춤으로써, 응집체가 형성되되 전체적인 경화체는 형성되지 않도록 하였다.

다만, 일반적인 수화반응 기준으로는 물이 과소량 적용되었으므로, 반대로 감수제는 과다량 적용 조건을 검토하였고, 구체적인 시험체 배합 조건과 시험체별로 2.5 ㎜체에 잔존하는(즉, 입경 2.5 ㎜ 이상의) 응집체량은 아래 [표 1]에 나타난 바와 같다. 시험체들의 믹싱 시간이 지속됨에 따라 응집체의 입경이 작아지는 경향을 보이므로, 본 시험에서는 믹싱 시간을 1분으로 고정하였다.

1-1배합은 물-분체비 20 wt%, 분체 대비 감수제 0.2 wt%로 통제하고, 상기 분체는 시멘트(C) 40 wt%, 고로슬래그 미분말(BFS) 30 wt% 및 플라이애시(FA) 30 wt%로 조성하였다. 이러한 1-1배합 시험체는 믹싱 후에도 아래 [참고도 1]에 나타난 바와 같이 대부분 분체 상태가 유지되어, PCC(Powder Compacted Capsule) 조성물로는 부적절한 것으로 판정되었다. 응집체 형성을 위한 수화반응이 충분히 일어나지 않은 것으로 판단된다.

[참고도 1]

1-2배합은 상기 1-1배합에서 감수제 첨가량을 분체량 대비 1 wt% 첨가한 시험체이다. 이 경우 역시 아래 [참고도 2]에 나타난 바와 같이 응집체 생성량이 극히 적어 PCC 조성물로 부적절한 것으로 판정되었다.

[참고도 2]

1-3배합은 상기 1-2배합에서 감수제 첨가량을 분체량 대비 2 wt%로 올린 시험체이다. 이 경우 2.5 ㎜ 체가름 시험 결과 응집체가 224 g 생성되었다([참고도 3] 참조). 분체(Binder) 500 g 중 40 wt% 이상이 입경 2.5 ㎜를 초과하는 잔골재 처럼 응집된 것이며, 정확한 측정은 이루어지지 않았으나 입경 2.5 ㎜ 이하의 응집체도 상당량 생성되었다. 감수제가 시멘트의 수화반응성을 높여 응집체 생성량이 증가한 것으로 판단된다.

[참고도 3]

1-4배합은 1-3배합에서 물-분체비를 15 wt%로 낮춘 시험체로서, 감수제 첨가량이 충분한 경우 물 배합량을 얼마나 줄일 수 있는지를 테스트 하기 위한 것이었으나, 2.5 ㎜ 체가름 시험 결과 응집체가 231 g 생성되어([참고도 4] 참조), 3배합 보다 오히려 응집 성능이 높아진 것으로 나타났다.

[참고도 4]

1-5배합은 1-4배합보다 물 배합량을 더욱 적게 하여, 물-분체비가 10 wt%가 되도록 한 시험체이다. 이 경우 2.5 ㎜ 체가름 시험 결과 응집체가 244 g 생성되어([참고도 5] 참조) 응집체 잔존량이 가장 많았으므로, 감수제 첨가량을 분체 대비 최소 2.0 wt% 확보하면, 물-분체비가 10 wt%라도 충분한 응집력이 발휘되는 것으로 나타났다.

[참고도 5]

1-6배합은 수화반응을 일으키는 시멘트 함량을 10 wt%로 최소화하고, 고로슬래그 미분말과 플라이애시를 각각 45 wt% 씩 혼합한 분체를 적용한 시험체이다. 이 경우에도 2.5 ㎜ 체가름 시험 결과 응집체가 242 g 생성되어([참고도 6] 참조), 시멘트량을 줄이고 산업부산물인 고로슬래그 미분말과 플라이애시 사용량을 늘리더라도 응집체 생성에 큰 지장이 없는 것으로 나타났다.

[참고도 6]

1-7배합은 상기 6배합에서 물 배합량을 더욱 낮춰, 물-분체비가 5 wt%가 되도록 한 시험체이다.

이 경우 2.5 ㎜ 체가름 시험 결과 응집체 생성량이 190 g으로 크게 떨어져,([참고도 7] 참조) 물-분체비 5 wt%에서는 응집력이 저하된 것으로 사료된다.

[참고도 7]

1-8배합은 물 배합 없이 오로지 감수제만으로 분체에 응집력이 작용하는지를 검토하기 위한 시험체로서, 2.5 ㎜ 체가름 시험 결과 소량의 응집체(94 g)가 생성되어 상기 1-3배합 내지 1-6배합 보다는 응집력이 저하되나, 배합수 없이도 일정 수준의 응집력은 발현된다는 점이 확인되어([참고도 8] 참조), 감수제가 PCC 조성물의 입자화에 기여한다고 사료된다.

[참고도 8]

1-9배합은 상기 1-8배합 시험체에 배합수를 첨가하여 물-분체비 5 wt%가 되도록 한 시험체이다. 물이 첨가되면서 응집력이 크게 향상되어 2.5 ㎜ 체가름 시험 결과 184 g의 응집체가 생성되었으나([참고도 9] 참조), 분체량 500 g 대비 40 wt% 미만의 응집체가 생성되었다.

[참고도 9]

1-10배합은 상기 9배합에서 감수제 첨가량을 분체 대비 3.0 wt%로 줄인 시험체이다. 상기 1-10배합에서는 2.5 ㎜ 체가름 시험 결과 203 g의 응집체가 생성되어([참고도 10] 참조), 분체량 500 g 대비 40 wt%를 약간 초과하는 응집체가 생성되었음을 알 수 있다.

감수제의 분체 분산 효과가 수화반응성 향상에 이바지 하나, 소량의 배합수 조건에서 과량의 감수제가 응집체 생성에 부정적 영향을 미칠 수 있다는 가능성에 기반하여 시험을 진행한 것으로서, 상기 1-10배합 시험체 시험에 따라 PCC 조성물의 물-분체비는 5~20 wt% 범위가 적정하고, 감수제 첨가량은 분체 대비 2.0~3.0 wt%가 적정한 것으로 파악된다.

[참고도 10]

위의 [시험 1]을 통해 PCC(Powder Compacted Capsule) 조성물은 시멘트에 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 어느 한 가지 이상의 혼화재가 혼합된 분체; 및 상기 분체 대비 2.0~3.0wt% 첨가된 감수제; 를 포함하고, 물-분체비 5~20 wt%인 것으로 특정할 수 있으며, 상기 분체는, 시멘트 10~40wt%; 및 상기 혼화재 60~90wt%로 특정할 수 있다. 상기 혼화재는 고로슬래그 미분말 및 플라이애시를 중량 기준으로 1 : 1로 혼합한 것을 사용할 수 있다.

[시험 2]

전술한 바와 같이 PCC 조성물의 믹싱 시간이 길어짐에 따라 응집체의 입경이 작아지는 경향을 보였다. 이에 믹싱 시간을 5분으로 설정하고, 시험체별로 생성된 응집체를 체가름을 통해 2.5 ㎜ 이상, 1.2~2.5 ㎜ 및 0.6~1.2 ㎜로 입도 선별하여 각 입도별 중량을 측정하였다.

구체적인 시험체 배합 조건은 아래 [표 2]에 나타난 바와 같고, 시험체별 선별 입도별 응집체량은 아래 [표 3]에 나타난 바와 같다.

2-1배합은 시멘트 40 wt%, 고로슬래그 미분말 30 wt%, 플라이애쉬 30 wt%로 분체를 조성하고, 물-분체비 5 wt%, 분체 대비 감수제 2 wt% 첨가 조건으로 배합한 시험체이다.

2.5 ㎜, 1.2 ㎜, 0.6㎜ 체가름 시험 결과 응집체량이 각 98 g, 118 g, 38 g 으로 입경 1.2~2.5 ㎜ 범위의 응집체량이 46.4 wt%로 가장 많았고, 투입된 분체량 대비 생성된 응집체의 총량은 50.8 wt%로 산출되었다([표 4] 참조).

2-2배합은 시멘트 10 wt%, 고로슬래그 미분말 45 wt%, 플라이애쉬 45 wt%로 분체를 조성하고, 물-분체비 5 wt%, 분체 대비 감수제 2 wt% 첨가 조건으로 배합한 시험체이다.

2.5 ㎜, 1.2 ㎜, 0.6㎜ 체가름 시험 결과 응집체량이 각 68 g, 160 g, 68 g 으로 입경 1.2~2.5 ㎜ 범위의 응집체량이 54.0 wt%로 가장 많았고, 투입된 분체량 대비 생성된 응집체의 총량은 59.2 wt%로 산출되었다([표 5] 참조).

2-3배합은 시멘트 40 wt%, 고로슬래그 미분말 30 wt%, 플라이애쉬 30 wt%로 분체를 조성하고, 물-분체비 10 wt%, 분체 대비 감수제 2 wt% 첨가 조건으로 배합한 시험체이다.

2.5 ㎜, 1.2 ㎜, 0.6㎜ 체가름 시험 결과 응집체량이 각 78 g, 114 g, 62 g 으로 입경 1.2~2.5 ㎜ 범위의 응집체량이 44.9 wt%로 가장 많았고, 투입된 분체량 대비 생성된 응집체의 총량은 50.8 wt%로 산출되었다([표 6] 참조).

2-4배합은 시멘트 10 wt%, 고로슬래그 미분말 45 wt%, 플라이애쉬 45 wt%로 분체를 조성하고, 물-분체비 10 wt%, 분체 대비 감수제 2 wt% 첨가 조건으로 배합한 시험체이다.

2.5 ㎜, 1.2 ㎜, 0.6㎜ 체가름 시험 결과 응집체량이 각 18 g, 146 g, 88 g 으로 입경 1.2~2.5 ㎜ 범위의 응집체량이 65.8 wt%로 가장 많았고, 투입된 분체량 대비 생성된 응집체의 총량은 44.4 wt%로 산출되었다([표 7] 참조).

위의 시험을 통해, 믹싱 시간을 증가시킴에 따라 응집체의 입도가 작아지면서 응집체 생성량은 증가하는 경향이 있음을 확인하였다.

동일한 물-분체비 조건에서 분체 성분을 다르게 특정한 2-1배합과 2-2배합, 2-3배합과 2-4배합을 대조할 때, 물-분체비 5 wt%의 경우 시멘트를 적게 사용한 2-2배합에서 응집체 생산량이 증가함에 반해, 물-분체비 10 wt%의 경우에는 시멘트를 적게 사용한 2-4배합의 응집체 생산량이 저하되는 것으로 나타났다.

분체 조성이 시멘트 40 wt%, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 각 30 wt%로 동일한 2-1배합과 2-3배합의 경우, 물-분체비 5~10 wt% 범위에서는 배합수의 가감이 응집체 생성에 큰 영향이 없는 것으로 나타났다.

분체 조성이 시멘트 10 wt%, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 각 45 wt%로 동일한 2-2배합과 2-4배합의 경우에는, 물-분체비가 5 wt%에서 10 wt%로 증가함에 따라 응집체 생성량이 저하하는 것으로 나타났다.

또한, 분체 성분 비 및 물-분체비가 변화함에 따라 생성되는 응집체의 입도 변화가 발생하므로, 믹싱 시간과 함께 분체 성분 비 및 물-분체비를 조절함으로써 응집체의 입도 분포를 조절할 수 있다.

[시험 3]

PCC 조성물의 응집력 향상을 위해 배합수의 일부 또는 전부를 점성이 있는 PEG(Polyethylene glycol)로 치환하여 실험을 진행하였다. 분체는 시멘트 40 wt%, 고로슬래그 미분말 30 wt% 및 플라이애시 30 wt%로 조성하고, 분체 대비 감수제 첨가량은 2 wt%로 고정시켰다. 물-분체비는 10 wt% 기준으로하여, 물의 일부(50 wt%) 또는 전부(100 wt%)를 상기 PEG로 치환한 시험체(3-1배합, 3-2배합)에 대하여 믹싱 시간을 5분으로 설정하고, 시험체별로 생성된 응집체에 대한 체가름을 통해 2.5 ㎜ 이상, 1.2~2.5 ㎜ 및 0.6~1.2 ㎜로 입도 선별하여 각 입도별 중량을 측정하였다.

구체적인 시험체 배합 조건은 아래 [표 8]에 나타난 바와 같고, 시험체별 선별 입도별 응집체량은 아래 [표 9]에 나타난 바와 같다.

3-1배합은 2.5 ㎜, 1.2 ㎜, 0.6㎜ 체가름 시험 결과 응집체량이 각 79 g, 152 g, 95 g 으로 입경 1.2~2.5 ㎜ 범위의 응집체량이 47.1 wt%로 가장 많았고, 투입된 분체량 대비 생성된 응집체의 총량은 64.6 wt%로 산출되었다([표 10] 참조).

3-2배합은 2.5 ㎜, 1.2 ㎜, 0.6㎜ 체가름 시험 결과 응집체량이 각 118 g, 132 g, 48 g 으로 입경 1.2~2.5 ㎜ 범위의 응집체량이 44.3 wt%로 가장 많았으나, 입경 2.5 ㎜ 이상의 응집체량도 39.6 wt%로 타 시험체에 비해 많게 나타났다. 투입된 분체량 대비 생성된 응집체의 총량은 59.6 wt%로 산출되었다([표 11] 참조).

위와 같이 배합수의 전부 또는 일부를 PEG로 치환함에 따라 응집체 생성량이 다소 증가하는 것으로 나타났으며, 생성된 응집체 입도 분포에도 변화를 보이므로, 응집체의 입도 분포 조절을 위해 배합수의 전부 또는 일부를 PEG로 치환하는 방안을 고려할 수 있다.

[시험 4]

PCC 조성물의 응집력 향상을 위해 배합수의 일부를 물풀로 치환하여 실험을 진행하였다. 분체는 시멘트 40 wt%, 고로슬래그 미분말 30 wt% 및 플라이애시 30 wt%로 조성하고, 분체 대비 감수제 첨가량은 2 wt%로 고정시켰다. 물-분체비는 15 wt% 기준으로 하여, 배합수의 일부를 상기 물풀로 치환한 시험체들에 대하여 믹싱 시간을 5분으로 설정하고, 시험체별로 생성된 응집체에 대한 체가름을 통해 2.5 ㎜ 이상, 1.2~2.5 ㎜ 및 0.6~1.2 ㎜로 입도 선별하여 각 입도별 중량을 측정하였다.

상기 물풀은 물에 친수성 물질로 점성이 있는 PVA(Poly Vinyl Alcohol)를 중량비 1:0.1~3.0으로 혼합하여 조성된 것을 적용할 수 있으며(물풀 치환량, 물풀-분체비 등에 따른 조건 변경 가능), 본 시험에서는 물과 PVA 중량비가 1:1인 것을 적용하였다.

구체적인 시험체 배합 조건은 아래 [표 12]에 나타난 바와 같고, 시험체별 선별 입도별 응집체량은 아래 [표 13]에 나타난 바와 같다.

4-1배합은 물풀을 첨가하지 않은 대조군 시험체로서, 2.5 ㎜, 1.2 ㎜, 0.6㎜ 체가름 시험 결과 응집체량이 각 72 g, 108 g, 76 g 으로 입경 1.2~2.5 ㎜ 범위의 응집체량이 42.2 wt%로 가장 많았고, 투입된 분체량 대비 생성된 응집체의 총량은 51.2 wt%로 산출되었다. 배합 조건이 동일한 1-4배합 보다 믹싱 시간을 늘림에 따라 응집체 직경이 감소하고, 응집체 총량은 증가하는 경향을 보였다.

4-2배합은 물과 물풀을 중량비 1:1로 적용한 시험체로서, 2.5 ㎜, 1.2 ㎜, 0.6㎜ 체가름 시험 결과 응집체량이 각 38 g, 162 g, 104 g 으로 입경 1.2~2.5 ㎜ 범위의 응집체량이 53.3 wt%로 가장 많았고, 투입된 분체량 대비 생성된 응집체의 총량은 60.8 wt%로 산출되어, 물풀 혼입에 따라 PCC 조성물의 응집력이 크게 향상됨을 확인할 수 있다.

4-3배합은 물과 물풀을 중량비 2:1로 적용한 시험체로서, 2.5 ㎜, 1.2 ㎜, 0.6㎜ 체가름 시험 결과 응집체량이 각 52 g, 146 g, 112 g 으로 입경 1.2~2.5 ㎜ 범위의 응집체량이 47.1 wt%로 가장 많았으나, 입경 0.6~4.2 ㎜ 범의의 응집체량도 36.1 wt%로 높게 나타났다. 투입된 분체량 대비 생성된 응집체의 총량은 62.0 wt%로 산출되어, 시험체 중 응집체 생성량이 가장 높게 나타났다.

4-4배합은 물과 물풀을 중량비 1:2로 적용한 시험체로서, 2.5 ㎜, 1.2 ㎜, 0.6㎜ 체가름 시험 결과 응집체량이 각 24 g, 158 g, 108 g 으로 입경 1.2~2.5 ㎜ 범위의 응집체량이 54.5 wt%로 가장 많았고, 투입된 분체량 대비 생성된 응집체의 총량은 58.0 wt%로 산출되었다.

따라서, 배합수의 일부를 물풀로 치환하여, 상기 물과 물풀의 중량비가 1:0.5~2.0으로 조성할 때 응집체 생성량이 전반적으로 증가함을 확인할 수 있다.

또한, 위의 응집체 생성량에 산입하지는 않았으나 상기 4-2배합 내지 4-4배합 시험체의 믹싱 결과물에 대한 0.3 ㎜ 체가름 시험에 따라 입경 0.3~0.6 ㎜ 범의의 응집체량도 각각 22 g, 64 g, 90 g으로 측정되었다([표 14] 참조). 이러한 미세 잔골재 역시 응집체 입도 분포 조절에 활용될 수 있다.

[시험 5]

본 시험 5는 위와 같은 응집체에 대해 수화반응성을 테스트한 것이다.

응집체 생성량이 가장 많았던 4-3배합 시험체에 물을 가하여 수화반응 진행상황을 확인한 결과, 아래 [표 15]에 나타난 바와 같이 재령 1일에 수화반응이 진행되는 상황을 육안으로 확인할 수 있었다.

[시험 6]

시험 6은 PCC의 코팅막 형성 방법 검토를 위해 진행된 것이다.

위 시험 5에 나타난 바와 같이 응집체에 물을 가할 때 수화반응이 진행되므로, 상기 응집체에 코팅막을 형성시킴으로써 물 속에서 수화반응을 차단하고 응집 상태가 유지되도록 할 필요가 있다.

PCC(Powder Compacted Capsule)의 자기치유 작용 메커니즘은 콘크리트 또는 모르타르 경화체에 균열이 발생할 때 상기 PCC가 함께 파괴되면서 파괴면이 수분에 노출됨에 따라 PCC 내부 분말 성분(시멘트, 고로슬래그 미분말 및 플라이애시)의 반응으로 생성된 반응물질이 상기 경화체의 균열을 메우는 것이므로, PCC의 응집 상태가 유지될 필요가 있는 것이다.

상기 응집체를 코팅하는 물질(코팅액)로는 상기 PCC 조성물의 배합수에 치환 적용될 수 있는 PEG(Polyethylene glycol)와 상기 물풀의 주요 성분인 PVA(Poly Vinyl Alcohol)를 적용할 수 있다. 응집체의 입도 분포에 따라 상기 PEG와 PVA의 희석 농도를 조절할 수 있다.

코팅 방법으로는 아래 [표 16]에 나타난 바와 같이 1) 회전 분산 코팅 방법, 2) 코팅액 내 응집체 침전 방법, 3) 코팅액 분사 방법을 검토하였다. 아래 시험에서는 코팅액으로 PEG 400(화학식 : (C₂H₆O₂)n;H(OCH₂CH₂)nOH)을 적용하였다.

상기 회전 분산 코팅 방법은 응집체와 코팅액이 함께 분산되면서 응집체 전 부위에 고르게 코팅막이 형성되지 않았고, 상기 코팅액 내 응집체 침전 방법은 응집체 전 부위에 코팅막이 형성되지만 코팅액의 점성 때문에 응집체에 코팅액이 코팅된 PCC가 과도하게 뭉치는 문제가 있었으나, 상기 코팅액 분사 방법을 통해 응집체에 전체적으로 적정 코팅막이 형성되었다.

[시험 7]

시험 7은 콘크리트 조성물에 PCC를 혼입시킴에 따라 균열에 대한 자기 치유 효과를 검토하기 위한 것이다. 본 시험 7에 적용된 PCC는 상기 4-3배합 시험체에서 생성된 응집체 표면을 상기 코팅액 분사 방법을 이용하여 PVA로 코팅한 것을 적용하였다.

아래 [표 17]은 잔골재의 1~3 vol%를 PCC로 치환함에 따른 모르타르 플로우의 변화와 자기 치유 효과를 검토하기 위해, 물-시멘트비를 64 wt%로 고정시킨 모르타르 비교예(Plain)와 시험예들의 배합표이다.

시험예별 PCC 혼입량은 비교예(Plain)의 잔골재량을 기준으로 1~3 vol% 치환량으로 결정하였다. 상기 비교예(Plain)에서 PCC3 시험예까지 잔골재량은 20g씩 줄지만, PCC 혼입량은 상기 비교예(Plain)에서 PCC3 시험예까지 23g씩 증가하였다(PCC1 : PCC 23 g, PCC2 : 46g, PCC3 : 69 g).

감수제(AD) 첨가량은 상기 비교예와 시험예들 모두 시멘트(C) 대비 0.48 wt%로 고정하였다(3g 씩 첨가).

상기 비교예와 시험예들에 대한 모르타르 플로우는 PCC 첨가량이 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다([참고도 11] 참조).

[참고도 11]

재령별 압축강도 및 자기 치유 효과 검토를 위한 모르타르 시험체는 KS L 5105의 콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법에 준하여 가로, 세로, 높이가 각각 50 ㎜인 큐브형 시험편을 성형하여 수중 양생을 실시하여 제작하였다.

각 시험체는 재령 3일 수중 양생을 실시 후 만능시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 30초 동안 10 MPa의 하중을 가함으로써, 시험체에 임의 균열을 유발시켰다.

아래 [표 18]은 PCC 혼입량에 따른 모르타르 시험체의 재령별 압축강도를 균열 미유도, 균열 유도 상태로 구분하여 시험한 결과를 정리한 것이다.

모든 시험예에서 재령 경과에 따라 압축강도는 선형적으로 증가하였으며, PCC를 혼입한 시험예들이 비교예(Plain)에 비해 균열 미유도/ 균열 유도 조건 모두 재령별 압축강도가 전반적으로 높게 발현되었고, PCC 3 시험예에서 가장 높은 압축강도가 발현되었다.

다만, PCC 함량을 PCC 3 시험예 보다 높이는 경우에는 균열 미유도 조건에서의 재령별 압축강도가 비교예(Plain) 대비 동등 이하 수준으로 발현되는 것으로 나타났다.

아래 [표 19]는 PCC 혼입량에 따른 모르타르 시험체의 자기 치유 효과를 균열 유도너비에 따라 시험한 결과를 정리한 것이다.

PCC 1 내지 PCC 3 시험예에서는 PCC 함량 증가에 따라 균열 너비 감소 폭이 증가하는 것으로 나타났다.

[시험 8]

시험 8은 상기 PCC를 체가름 입도 선별하여 입도별 자기 치유 효과를 검토하기 위한 것이다. 본 시험에서는 PCC 입경을 2.4 ㎜ 이상, 1.2~2.4 ㎜, 0.6~1.2 ㎜ 및 0.3~0.6 ㎜ 로 분류하여 시험을 진행하였다.

콘크리트 배합으로 물-시멘트비 64 wt%, 잔골재율 42 vol%로 고정하였고, PPC 혼입율도 잔골재 대비 3 vol%로 고정하였다. 감수제(AD)는 시멘트의 0.5 wt% 첨가하는 것으로 고정하였다. 아래 [표 20]은 본 실험을 위한 콘크리트 조성물의 비교예(Plain)와 실시예의 배합표이다.

아래 [참고도 12]에 나타난 바와 같이 플로우값은 비교예(Plain)와 비교할 때, 각 시험예들이 모두 다소 낮게 나타났다(2~13% 저하). 이는 PCC가 불규칙한 입형의 잔골재 처럼 작용하기 때문으로 사료된다. 다만, 모든 시험예 플로우값이 180 ㎜ 이상의 기준을 만족하므로 유동성에는 문제가 없을 것으로 사료된다.

[참고도 12]

아래 [표 21]은 PCC 입경에 따른 모르타르 시험체의 자기 치유 효과를 균열 유도너비에 따라 시험한 결과를 정리한 것이다.

모든 시험예에서 재령 경과에 따라 압축강도는 선형적으로 증가하였다. PCC3-2.4 시험예에서는 균열 미유도 조건에서 비교예(Plain)에 비해 재령별 압축강도가 다소 낮게 발현되었으나, 균열 유도 조건에서는 재령별 압축강도 향상 효과가 나타났다. 나머지 시험예들은 균열 미유도/ 균열 유도 조건 모두 재령별 압축강도가 전반적으로 높게 발현되었다.

또한, PCC3-0.6 및 PCC3-0.3 시험예에서는 균열 미유도/ 균열 유도 조건에서 모두 입경 선별이 이루어지지 않은 PCC 3 시험예보다 재령별 압축강도가 다소 높게 발현되어, PCC의 입경을 0.3~1.2㎜ 범위에서 선별하여 사용하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.

아래 [표 22]는 PCC 입경에 따른 모르타르 시험체의 자기 치유 효과를 균열 유도너비에 따라 시험한 결과를 정리한 것이다.

입경 선별이 되지 않은 PCC 3 시험예보다 PCC3-0.6 및 PCC3-0.3 시험예에서 균열 너비 감소 폭이 더욱 증가하는 것으로 나타났다.

본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 바람직한 실시예와 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.

Claims

시멘트에 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 중 어느 한 가지 이상의 혼화재가 혼합된 분체; 및
상기 분체 대비 2.0~3.0 wt% 첨가된 감수제; 를 포함하고,
배합수를 물-분체비 5~20 wt%가 되도록 혼합하되,
상기 배합수의 50 wt% 이상을 PEG(Polyethylene glycol)로 치환한 것을 특징으로 하는 PCC 조성물.
제1항에서, 상기 분체는,
시멘트 10~40 wt%; 및 상기 혼화재 60~90 wt%; 를 포함하여 조성된 것을 특징으로 하는 PCC 조성물.
삭제
제1항 또는 제2항에서,
상기 배합수 중 PEG로 치환되지 않은 잔여 배합수의 일부를 물풀로 치환하여, 물과 물풀의 중량비가 1:0.5~2.0이 되도록 하고,
상기 물풀은 PVA(Poly Vinyl Alcohol)와 물의 중량비 1:0.1~3.0으로 조성된 것을 특징으로 하는 PCC 조성물.