KR20010016267A - 시멘트 콘크리트 균열방지용 팽창재의 제조 - Google Patents

Abstract

1. 청구 범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

시멘트 모르터의 균열방지용 팽창재

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

80년대에 들어 정부의 공동주택 대량공급 정책 및 그에 따른 고층화에 의해 축열층으로 콩자갈과 현장에서 배합하는 건비빔 모르터를 쓰는 기존의 노동집약적 온수온돌 시공법은 골재 부족 및 인건비 상승 등 심각한 생산성 저하를 가져왔다.

이에 대한 해결책으로 콘크리트 슬라브 위에 단열층(경량기포콘크리트)과 온수배관 및 마감모르터(메탈라스 보강)를 시공하는 온돌구조가 일반화되었고, 특히 단열층과 마감모르터에 기계화 시공이 도입되어 생산성이 향상되었다.

그러나 이러한 기계화 시공법은 품질 측면에서 물시멘트비의 증가에 따른 과다한 건조수축 균열, 타설장비의 성능저하, 외부환경(온도,습도,바람)에 의한 소성수축 균열발생 등으로 바닥마감재의 들뜸, 변색을 초래하여 고질적인 하자보수비 투입 및 시공업체의 대외신뢰도 저하를 가져오고 있다.

이에 따라 건설업계에서는 이러한 균열의 저하를 위해 다양한 노력을 해왔으며, 특히 최근 일부 업체에서는 팽창성 혼화제를 자체 개발하여 균열을 근본적으로 저감시키려는 시도를 하고 있으나 콘크리트와 달리 모르터는 타설 두께가 얇아 외부환경에 민감하고, 모르터 특성 및 과량의 물시멘트비, 경제성 등으로 인해 그 성능에 한계가 있어 균열 문제가 쉽게 해결되지 않고 있다.

따라서 본 발명에서는

1) 모르터의 건조수축 억제를 위해선 메탈라스, 섬유보강재보다는 팽창성 혼화재가 훨씬 효과적이나 재현성이 없는 물질이 사용되어 중장기적으로 과다팽창, 이상팽창으로 콘크리트 구조물이 파손되는 사례가 발생하고 있다. 따라서 국내 아파트 시공여건을 고려한 검증된 안정적인 팽창재를 제조하는 것을 주목적으로 한다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명에서는 종래의 팽창재 제조 방법과는 달리, 국내에서 유휴자원으로 대량 매장되어 있는 명반석을 550℃∼650℃로 하소한 하소명반석을 주 원료로하여 팽창재를 제조하는 방법으로서, 팽창재의 부원료로서 공지의 석고나 생석회를 병용하고, 시멘트 건조수축 보상광물인 에트링가이트의 생성에 공지의 칼슘 설포 알루미네이트 대신에 하소 명반석중의 황산 칼리 알루미늄 성분을 이용하는 것을 특징으로 한다. 하소 명반석 중의 황산칼리 알루미늄과 석고중의 황산이온과 생석회 중의 칼슘이온이 결합하여 시멘트 중에 팽창성 광물인 에트링가이트를 최대한 생성시켜 시멘트의 건조수축에 의한 균열을 방지하는 것을 특징으로 한다.

4. 발명의 중요한 용도

공동주택 온돌미장 모르터의 균열방지, 팽창성 콘크리트의 제조, 콘크리트 2차제품의 수축 균열방지. 무수축 그라우트재의 무수축용

Description

시멘트 콘크리트 균열방지용 팽창재의 제조{Manufacture of Expansive Material for Cement and Concrete Crack}

본 발명은 시멘트 콘크리트용 팽창재의 부원료로서 공지의 석고나 생석회를 사용하고, 시멘트 건조수축 보상광물인 에트링가이트의 생성에 공지의 칼슘 설포 알루미네이트 대신에 하소 명반석 중의 황산 칼리 알루미늄 성분을 이용하는 것으로서, 하소 명반석 중의 황산 칼리 알루미늄과 석고중의 황산이온과 생석회 중의 칼슘이온이 결합하여 시멘트 중에 팽창성 광물인 에트링가이트를 최대한 생성시켜 시멘트의 건조수축에 의한 균열을 방지하는 것을 특징으로 한다. 또한 하소 명반석의 황산 칼리 알루미늄의 또다른 특성인 시멘트 조강 특성과 셀룰로오스 화합물의 보습 특성, 스테아린산 염의 시멘트 겔(gel) 내의 자유수의 이동을 원활하게 하는 작용을 활용하여 시멘트 모르터의 초기 소성수축(Plastic Shrinkage)에 의한 수축균열을 방지하여 공동주택 바닥용 온돌 모르터의 균열을 방지하는 것을 특징으로 하는 팽창재의 제조에 관한 것이다.

종래의 공동주택 온돌 미장 모르터의 균열을 방지하기 위한 재료는 크게 두가지로 사용되어 왔다.

1) 물리적인 방법에 의한 재료의 종류

가) 와이어 메쉬(와이어 라스,Wire Laths)

와이어 메쉬는 KSF 4551에 규정되어 있으며 주로 시멘트 모르터의 바탕에 사용 되는 것으로 규정되어 있다. 이는 단열층(기포 콘크리트 등) 위의 온수배관 위에 설치하여 2방향성 인장응력에 의하여 모르터의 균열을 억제한다는 이론에 의해 사용했었으나, 정확한 시공이 어렵고 그 효과가 미흡하여 현재는 거의 사용하지 않고 있다.

나) 메탈 라스(Metal Laths)

메탈라스는 미장공사의 바탕 및 콘크리트의 바탕에 사용하는 재료로서 KSF 4552(메탈라스)에 규정되어 있다. 종류로는 평평라스, 봉우리라스, 파형라스 및 리브라스의 4종류로 구분하며 방청 처리한 것과 처리하지 않은 것으로 구분된다. 현재 물리적 균열방지용 재료로 섬유보강재와 더불어 가장 많이 사용되고 있으며 섬유보강재와 함께 사용하였을 경우 아파트 30평형 기준 하여 발생되는 균열길이는 약 25 m 정도이다. 와이어 메쉬와 마찬가지로 정확한 시공이 어렵고 근본적으로는 균열방지 효과가 부족하며, 기타 모르터 경화 후 모르터 표면 위로 튀어나온 메탈라스 끝 부분을 제거해야 하는 이중 시공하자 부담이 있어 사용이 감소하고 있는 추세이다.

다) 섬유보강재

섬유보강재는 원래 콘크리트 물성 개선용으로 개발 된 것을 국내에서는 온돌미장 모르터 균열저감용으로 응용한 것이다. 주로 폴리프로필렌(비중:0.92)계 섬유 혹은 폴리에스터(비중:1.31) 섬유가 사용되고 있는데 폴리 프로필렌계 제품은 부착력 증대를 위한 표면 개질을 실시한 제품이고, 폴리에스터 제품은 내알카리성 향상을 위한 제품이며 Flexural Strength 및 Tensile Strength의 향상에는 확실하게 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

또 균열 방지용 재료로서 메탈라스는 2차원 평면보강인 반면 섬유보강재는 3차원 입체보강이라는 점에서 메탈라스 보다 우수할 것으로 예상되었으나, 시공 환경 및 특성이 독특한 방바닥 마감 모르터의 경우에는 효과 면에서 메탈라스와 비슷한 정도의 결과가 나타난다.

2) 화학적인 방법에 의한 재료의 종류

가) 석회-석고 계 팽창재

석회-석고 계 팽창재는 온돌미장 모르터의 균열방지용으로 국내에서 최초로 사용한 것은 충남 서산의 현대정유공장에서 원유의 탈황공정에서 나오는 부산물을 이용한 것으로서 저렴한 가격으로 팽창성능을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나 정유공장의 탈황공정의 공정 이상이나 공정개선 혹은 탈황공정에 사용되는 석회석(또는 백운석)의 품위에 따라 품질의 편차가 크고 또 팽창특성의 지속적인 유지 측면에서도 문제가 있어 경제성과 성능을 조화시키는 개선이 필요한 실정이다. 현재 사용되고 있는 석회-석고 계 팽창재는 원유공장의 탈황 부산물이 주종을 이루고 있으며 기타 일부 업체에서 각각의 재료배합에 의한 제품을 판매하고 있다. 또한 혼화재로서의 판매뿐 아니라 일부 시멘트회사에서는 공장배합 모르터 또는 시멘트에 혼합한 상태로서 이용이 되고 있다.

나) 아우인계(CSA) 팽창재

팽창재로서 그라우트용 시멘트 등의 정밀한 성능 발현이 필요한 곳에 많이 사용되고 있으나 가격은 석회-석고계 팽창재 보다 비싼 편이며, 온돌 미장 모르터 용으로는 품질의 불안정한 이유로 인하여 범용적으로 사용되고 있지는 않다. 아우인계(CSA) 팽창재의 개발을 위해서는 CSA가 그 조성에 따라 조강성, 속경성, 팽창성을 나타내는 바 온돌미장 모르터 용으로 적절한 기준을 찾는 것이 중요하며 한편 경제성을 확보하는 것이 주요한 개발 포인트가 되고 있다.

3) 소성수축 균열

소성수축 균열은 온돌미장 모르터 시공 직후에서 하루 이틀 사이에 발생하는 균열로 기후 요인에 의해 타설 된 모르터가 응결되기 전에 급격히 물을 잃으면서 발생하는 균열이다. 그런데 원인은 정확히 밝혀지지 않고 있으나 최근 들어 건조기(봄, 가을)에 타설하는 온돌미장 모르터에서 소성수축 균열의 발생이 눈에 띄게 증가하고 있는데, 이는 작업성을 심각히 저해할 뿐만 아니라 시공 품질 차원에서 감리측과 많은 마찰을 불러일으키고 있다. 또한 하자보수비를 증가시키는 동시에 양생된 모르터의 일체성 부족으로 건조수축 균열을 많이 유발시키는 것으로 나타나 이에 대책이 시급한 실정이지만 현재로서는 이에 대한 뚜렷한 대책이 없는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 팽창재의 제조 방법과는 달리, 국내에서 유휴자원으로 대량 매장되어 있는 명반석을 주원료로 하였으며, 이때 팽창성 광물인 에트링가이트를 생성하기 위해 명반석을 550℃∼650℃로 하소하여 광물의 특성을 황산 칼리 알루미늄으로 전이 시키고, 온돌미장 모르터의 초기 소성수축을 제어하기 위하여 보습 특성이 강한 셀루로오스 화합물과 소성수축의 가장 중요한 요인인 시멘트 겔 내의 자유수의 이동을 원활히 하기 위하여 스테아린산 염을 사용한다. 이렇게 제조된 팽창재는 시멘트의 초기 소성수축에 의한 균열의 제어가 원활하게 되고, 팽창성 광물인 에트링가이트의 생성에 의해 건조수축에 의한 균열을 방지하게 된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 명반석을 550℃∼650℃, 1시간 동안 하소한 후 무수석고, 생석회, 메틸 셀루로오스, 스테아린산 아연 등을 혼합하여 팽창재로 하였다. 본 발명에서 사용된 명반석의 화학조성 및 분말 X-선 회절분석 결과를 표 1과 그림 1에 나타내었다. 그림 2에 명반석의 시차 열분석 결과를 나타내었다.

표 1. 명반석의 화학조성

그림 1. 명반석의 분말 X-선 회절 분석

그림 2. 명반석의 시차 열분석 결과

명반석 1,000g을 승온속도 10℃/분의 승온속도로 하여 최고온도 650℃에서 1시간 소성하여 하소 명반석 약 720 g을 제조하였다. 제조한 하소 명반석 150 중량부 내지 350 중량부, 생 명반석 50 중량부 내지 150 중량부, 무수석고 400 중량부 내지 550 중량부, 생석회 150 중량부 내지 200 중량부, 메틸 셀루로오스 1 중량부 내지 5 중량부, 스테아린산 아연 1 중량부 내지 5 중량부를 고르게 혼합하여 공동주택 온돌 바닥 모르터용 팽창재를 제조하였다. 이를 시멘트 중량의 10 중량부를 첨가하여 팽창성 광물의 생성을 검토하였다. 그 결과를 그림 3의 전자현미경 및 그림 4의 분말 X-선 회절분석결과로 나타내었다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 예로 들어 설명하기로 하며, 후술할 실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

실시예 1에서는 1000kg의 팽창재 배합량을 배합한다고 할 때, 하소 명반석 192kg과, 명반석 125kg, 석고 508kg과, 생석회 162kg, 메틸 셀루로오스 5kg, 스테아린산 아연 6kg, 기타 2kg을 혼합하여 팽창재를 제조하였다. 다시 시멘트 450kg과 제조된 팽창재 50kg, 모래 1,500kg, 물 300kg혼합하여 공동주택 바닥 온돌용 모르터로 하였다.

상기와 같은 본 발명의 팽창재가 최적의 상태인 것을 확인하기 위하여 실시예 1과 동일한 배합 및 조건으로 사용하여 균열저감 효과를 확인하였다. 균열저감 효과에 대한 물리적 성질은 표 2와 같고, 직접 시공현장에 적용한 결과는 그림 5, 표 3과 같다. 아래의 결과에서 알수 있드시 본 발명의 팽창재는 온돌미장용 모르터의 균열방지에 최적효과를 나타냄을 알 수 있었다.

표 2. 팽창재를 사용한 모르터의 물리적 성질

표 3. 팽창재적용 현장의 균열발생 특성

Claims (3)

1. 하소 명반석 150 중량부 내지 350 중량부, 생 명반석 50 중량부 내지 150 중량부, 무수석고 400 중량부 내지 550 중량부, 생석회 150 중량부 내지 200 중량부, 메틸 셀루로오스 1 중량부 내지 5 중량부, 스테아린산 아연 1 중량부 내지 5 중량부를 고르게 혼합한 팽창재의 비율
2. 제 1 항에 있어서,

   1분당 섭씨10도의 승온속도로 섭씨 650도까지 상승시킨 후 이 온도에서 약 60분 내지 2시간 동안 소성시간을 유지하여 하소 명반석을 제조하는 것
3. 제 1 항 있어서,

   소성수축을 방지하기 위하여 보습제로 셀루로오스 염을 사용하는 것