KR20100011600A - 숏크리트 타설 장치 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의손상부 단면 보수방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 숏크리트 타설 장치 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 손상부 단면 복구방법에 관한 것으로, 특히 손상된 대형 콘크리트 구조물 중에서 깊이가 깊고, 면적이 넓은 보수단면을 숏크리트 타설 장치를 이용하여 친환경 보수모르타르를 타설함에 의해 단기간에 급속 시공할 수 있는 숏크리트 타설 장치 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 손상부 단면 보수방법에 관한 것이다.
본 발명의 숏크리트 타설 장치는 보수모르타르를 수용, 혼합하는 모르타르 믹서기와, 상기 모르타르를 이송시키기 위한 압송펌프와, 압축공기를 제공하는 공기 압축기와, 상기 공기 압축기와 연결되어 급결제를 공급하는 급결제 투입기와, 상기 보수모르타르와 상기 압축공기 및 상기 급결제의 인입과 인출을 제어하는 제어패널과, 상기 압축공기와 함께 보수모르타르를 분사시키는 숏크리트 노즐부를 포함하는 구성으로 이루어진다.
Description
본 발명은 열화된 콘크리트 구조물의 단면복구를 위해서 손상된 콘크리트 부위를 제거하고, 친환경 보수모르타르를 타설하는 숏크리트 타설 장치 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 손상부 단면 보수방법에 관한 것이다.
특히 본 발명은 손상 면적이 상대적으로 깊거나, 넓어서 보수 면적이 대단위이고, 대외적인 공사여건으로 시공기간을 현저히 단축해야 하는 경우에 효과적인 기술이다.
또한 본 발명은 보수 단면의 두께를 1회에 약 300mm 이상 타설이 가능하고, 급결제의 영향으로 모르타르의 굳는 속도가 빨라짐으로서 급속시공이 가능하다,
따라서 본 발명은 보수 단면의 크기가 상대적으로 넓은 항만 구조물이나, 열차 통행으로 시공시간이 상대적으로 짧은 지하철 및 철도 터널과 같은 콘크리트 구조물의 보수공사에 적용성이 우수한 기술이다.
일반적으로 콘크리트는 시멘트, 굵은 골재, 잔골재, 혼화재로 구성되어 있으 므로 다른 건설자재(철근)와 달리 재료의 구성성분이 다양하며, 서로 다른 이질의 물질들이 서로 합쳐서 이루어져 있다. 그러므로 콘크리트의 품질은 구성재료의 품질과 밀접한 관계가 있으며, 배합비, 타설방법, 양생법에 따라서 달라지게 된다.
품질이 좋은 콘크리트는 경제적이고, 반영구적이기 때문에 오래전부터 건설재료에 사용되고 있다. 그러나 품질이 낮은 콘크리트를 생산하거나, 외부로부터 열악한 환경에 콘크리트 구조물이 노출되었을 경우에는 콘크리트는 급속하게 파손된다. 예를 들어 해안에 노출된 콘크리트 구조물은 해수가 가지고 있는 염소이온이 콘크리트 내에 침투하면 철근에 있는 부동태피막이 없어지면서 부식을 일으키게 되고, 오염이 심한 대기에 노출된 콘크리트는 외부로부터 탄산가스가 침입하여 시멘트 수화물과 작용하여 콘크리트 표면을 중성화로 유도하여 결국에는 철근의 부식의 원인이 된다. 그 이외에도 공장의 폐수 및 생활하수 등에 의하여 황산가스 및 박테리아 등이 콘크리트 내에 침투하고, 이것이 철근부식을 가속화한다. 나아가, 콘크리트 내부의 철근이 부식하면 부피가 팽창하여 콘크리트 구조물이 균열되고, 단면탈락 현상이 발생된다.
그리고 외부로부터 침입한 여러 가지 열화인자에 의하여 콘크리트가 팽창하고 결국에는 단면이 탈락하여 붕괴의 원인이 될 수 있다. 특히 최근에는 항만 시설물과 같은 대형 콘크리트 구조물의 손상이 많아지면서, 넓고, 깊은 단면을 보수해야 하는 경우가 많아지고, 교통이 혼잡해 지면서 보수공사 시간 단축 필요성이 절실해 져 시공 기술자가 많은 어려움을 겪고 있다. 따라서 손상 구조물을 단시간 내에 많은 단면을 급속하게 보수할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 감안하여, 손상된 대형 콘크리트 구조물 중에서 깊이가 깊고, 면적이 넓은 보수단면을 친환경 보수모르타르를 타설함에 의해 단기간에 급속 시공할 수 있는 숏크리트 타설 장치 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 손상부 단면 보수방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 숏크리트 타설장치는 보수모르타르를 타설하여 콘크리트 구조물의 손상부 단면을 복구하는 숏크리트 타설 장치로서, 상기 보수모르타르를 수용, 혼합하는 모르타르 믹서기(10)와, 상기 모르타르를 이송시키기 위한 압송펌프(30)와, 압축공기를 제공하는 공기 압축기(50)와, 상기 공기 압축기(50)와 연결되어 급결제를 공급하는 급결제 투입기(70)와, 상기 보수모르타르와 상기 압축공기 및 상기 급결제의 인입과 인출을 제어하는 제어패널(90)과, 상기 압축공기와 함께 보수모르타르를 분사시키는 노즐부(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 노즐부(500)는 모르타르가 주입되어 이송 및 토출이 이루어지는 노즐 본체(100)와, 상기 노즐 본체(100)에 부착되는 부속 노즐부(300)로 이루어지며, 상기 노즐 본체는 모르타르 주입구(110), 모르타르 토출구(150) 및 상기 모르타르 주입구(110)와 상기 모르타르 토출구(150)의 사이에 연결된 연결구(130)로 이루어지고, 상기 부속 노즐부(300)는 상기 노즐본체(100)의 외측에 설치되는 급결제 분사기(310)와, 상기 노즐본체의 연결구 헤드부(131) 내측으로 압축공기를 공급하는 압축공기 투입기(330)를 포함하는 구성이 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한 상기 급결제 분사기(310)는 날개 모양의 연결관(311)과, 상기 연결관(311)의 각 단부에 결착된 급결제 분사노즐(313)과, 급결제의 분사를 조절하는 급결제 분사밸브(315)로 이루어지도록 한다.
본 발명의 상기 노즐 본체(100)의 가운데 위치한 연결구(130)는 선단측에 헤드부(131)가 구비되고, 상기 헤드부(131)의 내측에 압축공기가 유입되는 (133)이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 제어패널(90)은 장치의 메인 전원을 비롯하여 압송펌프(30)의 압력, 급결제 투입기(70)의 압력, 공기 압축기(50)의 압력을 조절할 수 있도록 구성되며, 날개식으로 분리된 두개의 급결제 분사노즐(313)은 노즐 본체(110)의 분사 방향에 대해 60도-70도의 기울기를 유지하도록 하여 노즐 본체(100)에서 동시에 타설되는 모르타르와 급결제와의 혼합이 보다 잘 이루어지고 응결시간이 단축되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 숏크리트 타설장치를 이용한 콘크리트 구조물의 손상부 단면 보수방법은 콘크리트 구조물의 손상부 표면의 이물질을 제거하는 표면처리 단계와, 상기 콘크리트 구조물 표면에 보수모르타르를 타설 하기 위해 상기 본 발명의 숏크리트 타설 장치를 설치하는 단계와, 보수모르타르를 상기 숏크리트 타설 장치를 이용하여 급결제와 함께 타설하는 단계와, 상기 타설된 보수모르타르를 양생하는 단계를 포함하는 구성으로 이루어짐을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 보수모르타르는 시멘트와 슬래그로 구성되는 바인더, 골재, 규불아연, 실리카흄, 혼화재(mineral admixture), 혼화제(chemical admixture)를 일정 비율로 혼합하여 형성된 친환경 보수모르타르가 되도록 한다.
본 발명의 상기 보수모르타르는 포틀랜드 시멘트 30~50 중량부, 골재 40~55 중량부, 혼화재(mineral admixture) 12.0~12.5 중량부, 혼화제(chemical admixture) 2~ 3 중량부의 비율로 혼합되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 손상된 콘크리트 구조물의 단면 보수시 시공성 및 경제성이 향상되고, 지하철이나 철도터널 등과 같이 보수공사를 할 수 있는 시간이 지상에 있는 다른 구조물에 비해서 상대적으로 짧아 종래의 기술로는 시공이 어렵고, 하자가 발생할 가능성이 높은 단면을 급속하게 시공 할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 1회에 타설할 수 있는 모르타르의 두께를 300mm 이상 할 수 있어 기존의 시공상의 어려움을 해결하는 효과를 갖는다.
아울러, 내부에 나선식 홈을 갖는 노즐과 날개식의 이중 급결제 분사기를 이용하여 급속시공이 가능하고, 종래의 보수모르타르에 비해 품질 향상을 도모하는 효과를 발휘한다.
또한, 건설폐기물인 순환골재와 산업부산물인 슬래그를 포함하는 친환경 보수모르타르를 제조함에 의해 폐기물 방치로 인한 환경오염 방지와 자원의 재활용을 도모할 수 있는 효과를 발휘한다.
본 발명의 설명에 앞서, 설명의 편의상, 숏크리트 타설장치에 장착되는 급결제 투입기의 일반적인 현황에 대해 먼저 설명하기로 한다.
현재 숏크리트 공사현장에서 사용하는 급결제 투입기는 크게 실리케이트계 급결제 투입기와 알루미네이트계 급결제 투입기로 구분된다.
실리케이트계 급결제는 반응속도가 대단히 빠르기 때문에 급결제 투입은 노즐부위에 위치한 믹싱챔버(mixing chamber)에서 이루어진다.
국내에서 많이 사용되는 시파(Cifa) 장비는 노즐부위에서 압축공기와 급결제의 투입이 동시에 이루어지나 메이코(Meyco) 장비에서는 압축공기와 급결제를 먼저 혼합시킨 후 노즐에서 콘크리트와 혼합시키는 방식을 사용하기도 하며, 노멧(Normet) 장비에서는 노즐의 한쪽에서 급결제와 압축공기를 동시에 투입하는 방식을 사용하기도 한다.
급결제를 밀어내는 급결제 투입 펌프(dosing pump)는 급결제 특성에 맞는 것을 사용해야 한다. 그러나 국내에서 실리케이트계 급결제의 투입과정에서 장비와의 조합으로 문제가 발생되는 경우는 거의 없다.
참고로 현재 국내에 사용 중인 숏크리트 타설장치의 다수를 차지하는 시파 장비는 점성이 높은 (250~350cps) 실리케이트 급결제에 적합한 기어 펌프(gear pump)이다.
실리케이트계 급결제를 사용할 때의 압축공기의 투입량은 콘크리트 압송량의 1/2 ~ 2/3 로 하며, 압축공기의 투입압은 7 ~ 12bar 정도이다.
국내에 도입되어 있는 노멧(Normet)의 장비의 경우 공기압축기(air compressor)가 내장되어 있는데, 압축공기의 투입압은 7bar 이고 투입량은 9.5㎡/h 이다. 급결제의 투입압은 장비에 따라 다른데, 시파 장비의 경우 약 12bar 정도이다.
현재 국내에서 사용되고 있는 숏크리트 타설장치는 주로 콘크리트를 타설하기 위한 것으로 모르타르 타설을 위해서 급결제를 사용한 사례는 없다.
본 발명은 손상 면적이 넓고 깊은 콘크리트 단면에 모르타르를 타설하기 위해서 급결제 사용의 필요성을 인지하고, 급결제를 투입할 수 있는 모르타르용 숏크리트 타설장치이다.
본 발명에서는 친환경 급결제인 알칼리 프리계를 사용하였으며, 이것은 실리케이트계나 알루미네이트계 급결제와 다르게 다량의 부유물질을 포함하고 있고, 일반 숏크리트와 다르게 일정한 두께로 모르타르를 타설 해야 하기 때문에 토출압력이 일정하지 않고, 모르타르 이송거리가 짧은 피스톤 펌프나, 스크루 방식의 펌프는 사용이 부적절하다.
이를 고려하여 본 발명에서는 타설 두께가 일정한 스퀴즈(Squeeze) 펌프(도 1 참조)를 장착한 타설장치를 이용하여 급결제 투입이 가능한 모르타르용 숏크리트 타설장치를 개발한 것이다.
도 1 은 스퀴즈 펌프의 작동 원리를 설명한 도면으로, 펌프의 내측 모르타르가 이송되는 원주면상에 길이 방향을 따라 굴곡진 구조로 형성함에 의해 펌프의 토출압력이 일정하게 유지되도록 한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 발명의 적합한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 숏크리트 타설 장치의 전체 구조를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 3a 는 상기 도 2 에 도시된 본 발명의 숏크리트 타설 장치의 노즐부의 전체 구조를 도시한 사시도이고,
도 3b 는 상기 도 3a 의 상부에서 본 상태를 평단면도 형태로 나타낸 도면이며,
도 3c 는 상기 노즐 본체 연결구 헤드부의 상세도이다.
상기 도면을 함께 참조하면, 본 발명에 따른 숏크리트 타설 장치는 보수모르타르를 수용, 혼합하는 모르타르 믹서기(10)와, 상기 보수모르타르를 이송시키기 위한 압송펌프(30)와, 압축공기를 제공하는 공기 압축기(50)와, 급결제 투입기(70)와, 상기 보수모르타르와 상기 압축공기 및 상기 급결제의 인입과 인출을 제어하는 제어패널(90)과, 상기 압축공기와 함께 보수모르타르를 분사시키는 숏크리트 노즐부(500)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기 구성에서, 급결제 투입기(70), 제어패널(90), 노즐부(500)의 구성은 본 발명에서 새로이 개발하여 추가된 구성부재들이다.
먼저, 본 발명의 제어패널(90)은 숏크리트 타설 장치를 이루는 구성부재의 기능을 한곳에서 제어할 수 있는 구성부재로서, 장치의 메인 전원을 비롯해서 스퀴즈 펌프의 압력, 급결제 투입기(70)의 압력, 압축기(50)의 압력을 등을 편리하게 조절할 수 있도록 한다.
본 발명의 노즐부(500)는 보수모르타르가 주입되어 이송 및 토출이 이루어지는 노즐 본체(100)와, 상기 노즐 본체(100)의 외측에 부착되는 부속 노즐부(300)로 크게 구성된다.
상기 노즐 본체(100)는 보수모르타르가 주입되어 이송 및 토출되는 원형의 관 형상으로 형성되며, 전방과 후단에 각각 위치한 모르타르 주입구(110)와 모르타르 토출구(150) 및 상기 모르타르 주입구(110)와 상기 모르타르 토출구(150)의 사이에 연결된 연결구(130)로 이루어진다.
노즐 본체(100)의 선단에 위치한 상기 토출구(150)의 내측에는 압축공기가 유입되는 통로인 홈(151)이 형성되며, 이 홈(151)은 나선형 홈으로 형성됨으로써 기존 방식과 다르게 압축공기의 흐름이 와류가 되게 하고, 이 와류 상태의 압축공기가 모르타르를 밀어냄으로써 토출되는 보수모르타르의 압력이 일정할 뿐만 아니라, 회전력을 지니고 있어 타설되는 모르타르가 골고루 퍼지고, 균일한 두께로 유지되면서 콘크리트 바탕면(S)에 타설되게 한다.
따라서 모르타르의 콘크리트 바탕면(S)에 대한 부착력이 높아지고, 노줄에서 분출된 모르타르가 급결제와 혼합되면서, 급결제의 성능이 충분히 발휘 된다.
본 발명의 부속 노즐부(300)는 상기 노즐본체(100)의 외측, 예컨대 노즐 본체(100)의 상측에 설치되는 급결제 분사기(310)와, 상기 노즐 본체(100)의 가운데 연결구 헤드부(131) 내측으로 압축공기를 공급하는 압축공기 투입기(330)로 구성된다.
상기 급결제 분사기(310)는 노즐 본체(100) 상부에서 노즐 본체(100)가 연장되는 길이 방향에 대해 수직으로 연장되어 나온 날개 모양의 연결관(311)과, 상기 연결관(311)의 각 단부에 결착된 이중 구조의 급결제 분사노즐(313)과, 상기 급결제의 분사를 조절하는 급결제 분사밸브(315) 및 급결제 연결 커플링(317) 등을 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기 급결제 연결 커플링(317)은 급결제 투입기(70)와 호스(미도시)로 연결되는 부위로서, 급결제 투입기(70)에 수용된 급결제가 연결된 공기 압축기(50)의 공기압에 의해 급결제 분사기(310)로 이송되도록 한다.
또한, 본 발명의 노즐 본체(100)에 있어서, 중간부에 위치한 상기 노즐 본체 연결구(130)는 노즐 본체(100)의 모르타르 토출구(150)와 연결되는 전방에 헤드부(131)를 구비하며, 상기 헤드부(131)의 내측에는 압축공기가 유입되는 홈(133)이 형성되며, 이 홈(133)은 공기 투입기(330)와 연결된다.
상기 공기 투입기(330)는 공기 압축기(50)와 연결된 공급라인을 통해 압축공기를 제공받는다.
한편, 도 3d 는 콘크리트 구조물 단면상에 보수모르타르와 급결제가 분사되는 상태를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 보수하고자 하는 구조물의 콘크리트 바탕면(S)의 정면으로 노즐 본체(100)의 선단에 위치한 토출구(150)를 통해 보수모르타르가 분사되고, 이와 함께 일정 각도 경사를 이룬 급결제 분사노즐(313)을 통해 급결제가 함께 분사된다.
본 발명의 상기 급결제 분사노즐(313)은 노즐 본체의 토출구(150)를 통해 분사되는 모르타르의 분사 방향에 대해 60도 - 70도의 기울기를 갖도록 하여, 분사되는 급결제와 모르타르간의 혼합이 보다 잘 이루어지도록 한다.
도 4 는 본 발명의 숏크리트 타설 장치에 있어서, 제어패널(90)의 구성 예를 도시한 도면이다.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어패널(90) 상에는 압축공기의 유입 및 배출, 모르타르와 급결제의 유입 및 배출의 속도를 용이하게 제어할 수 있도록 일련의 조절수단이 구비되어 있다.
예컨대, 현재 상태의 모르타르, 압축공기 및 급결제의 유입 및 배출 속도를 시각적으로 쉽게 파악할 수 있도록 하는 계기와, 상기 속도를 제어하는 조절버튼 등의 기기 등을 구비토록 할 수 있다.
도 5 는 본 발명의 숏크리트 타설 장치와 종래의 숏크리트 타설 장치의 사용시의 상태를 비교 도시한 도면으로,
도 5 의 (a)는 종래의 경우이고, 도 5 의 (b)는 본 발명에 따른 숏크리트 타설 장치의 경우이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 숏크리트 타설 장치의 노즐부(500)의 구조에서는 회전력이 부여됨으로써 모르타르가 균일한 두께로 타설 되지만, 종래의 숏크리트 타설 장치의 노줄 구조에서는 일직선 방향으로만 타설이 이루어지게 되므로 타설 두께가 일정하지 않고, 마치 덧질을 한 것 같은 층이 이루어지므로 품질이 떨어지게 된다.
그러나, 본 발명의 경우, 구조물의 콘크리트 바탕면(S) 상에 모르타르와 급결제가 분사와 동시에 균일한 혼합이 이루어 지면서 일정한 두께로 적층이 이루어진다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 급속시공을 위해 필요한 혼화제인 급결제는 노즐 본체(100)의 분사 방향에 대해 일정 각도 경사진 구조, 예컨대 65도의 각도를 형성하면서 양쪽에 분리된 급결제 분사노즐(313)을 통해서 분사되도록 구성되어 있다. 이러한 구성에 의해 급결제와 모르타르간의 혼합이 순간적으로 원활히 이루어지게 된다.
즉, 노즐 본체(100)의 토출구(150) 토출되는 모르타르와 이중 구조의 날개식 급결제 분사기(310)에서 분사되는 혼화제가 적절히 혼합되고, 콘크리트 바탕면에 도달하면서 급속하게 급결제 반응이 이루어지도록 유도된다.
한편, 본 발명에서는 모르타르 타설용 노즐과 급결제 분사기의 효율성을 조사하기 위해서, 급결제와 모르타르의 양을 일정하게 유지하면서, 노즐 윗쪽에 부착된 급결제 분사기(310)의 분사노즐(313)을 40도 - 70도 기울기 범위로 설치한 다음, 타설하면서 토출되는 모르타르의 시료를 채취하여 물성치를 시험한 결과를 아래 <표 1> 에 도시하였다.
<표 1> 분사각도에 따른 응결시간
상기 <표 1> 에 도시된 바와 같이, 급결제 분사기(310)의 분사노즐(313)이 노즐 본체(100)의 선단 토출구(150)의 분사방향에 대해 60도 - 70도의 기울기 범위에 위치 할 경우에 급결제(시멘트의 7% 혼합)의 응결시간이 짧고, 이로 인해 손실량이 가장 적은 것으로 조사되었다.
따라서 상기 실험결과를 기초로 하여, 모르타르 타설용 분사노즐과 급결제 분사기(313)간의 기울기는 65 도로 형성하는 것이 바람직하다.
아래의 <표 2>는 본 발명의 숏크리트 타설 장치와 종래의 숏크리트 타설 장치와의 구성상의 차이를 비교 도시한 것이다.
<표 2> 본 발명의 숏크리트 장치와 종래 장치와의 비교
본 발명의 숏크리트 타설 장치는 모르타르를 타설하기 위해 일정한 압력을 펌프에 부여하는데, 일반적으로 펌프의 속도는 0 - 280 RPM, 최대압력은 40 Bar 정도이다.
그러나 본 발명에서는 현장에서 주로 사용하는 펌프압력인 20 Bar 를 고려하여 장치를 개발하였다. 따라서 숏크리트 펌프의 속도가 90 - 120 RPM 이고, 압력이 약20 Bar 인 경우에 모르타르의 토출량을 현장시험을 통해서 조사한 결과, 시간당 약 1,080L 의 모르타르가 토출되었다.
그리고 본 발명에서는 급결제 분사기(310)의 분사각도를 65 도로 하여서, 친환경모르타르와 골고루 혼합하도록 하였으며, 급결제 분사기(310)의 분사노즐(313) 1개의 출구당 약 15L/시간의 급결재를 배출(총 30L/시간)하고, 토출압력은 7kg 이 되도록 하였다.
모르타르의 토출양은 모르타르의 점성, 배합수의 양, 응결시간, 타설길이에 따라서 차이가 있으나, 본 발명에서는 친환경 모르타르의 특성을 고려해서 노즐의 속도, 압력 등을 정하였다. 따라서 압송펌프(30)의 속도를 100 RPM, 압력을 20 Bar로 하고, 급결제의 분사 압력을 7kg 으로 하여 모르타르를 타설하는 경우에, 급결제는 시멘트 대비 약 7% 가 혼합되는 것을 알 수 있었다. 따라서 압송펌프(30)의 속도를 100 RPM 으로 하고, 급결제의 압력을 7kg 으로 할 경우 가장 적절한 배합비로 이루지는 것으로 판단되어진다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 숏크리트 타설 장치에 있어서, 노즐 본체(100)의 선단에 위치한 토출구(150)의 내측에는 앞에서 설명한 바와 같이, 나선형의 홈(151)이 형성되어 있으므로, 이 홈(151)을 통해 압축공기가 유입될 경우, 유입되는 압축공기의 흐름이 회전하여 와류로 변하게 되고, 와류로 변화된 상태의 압축공기는 종래의 직선형의 공기흐름에 비해 모르타르를 보다 세차게 밀어주게 된다. 이러한 구조는 종래의 직선식 홈으로 된 노즐 구조에 비해 모르타르를 밀어주는 회전력과 압력이 훨씬 높으며, 이에 의해 모르타르 타설 및 분사능력이 우수하게 된다.
또한, 압송펌프(30)의 속도 조절로 모르타르의 타설 압력이 달라지고, 이에 의해 장거리를 타설 하는 경우와 콘크리트 바탕면과 노즐의 거리가 부득이하게 먼 경우에도 좋은 부착력을 유지하면서 타설이 가능하게 되는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명에 적용되는 친환경 보수모르타르의 특성에 대해서 설명하기로 한다.
본 발명에서 적용되는 보수 모르타르는 친환경 보수모르타르로서, 그 결합반응으로 크게 포졸란 반응과 촉진반응으로 구분된다. 포졸란 반응으로 보통의 포졸란 재료는 그 자체가 수화하지 않고 Ca(OH)2, 알카리 등을 첨가하는 것에 의해 수화하여 경화된다. 포졸란 재료의 생성수화물은 보통 포틀랜드 시멘트의 경우와 거의 동일하나, 생성하는 C-S-H의 양은 포틀랜드시멘트 경우보다 낮다. 포졸란 재료중의 SiO2, Al2O3 는 공급되는 알칼리의 공급량이 많을수록 수화물의 생성량이 많아지고, 생성되는 칼슘도 많아지게 된다.
알칼리를 공급하는 활성화제는 Ca(NO3)2 와 CaCl2가 있으며, 이것들은 칼슘염의 해리에 의해서 Ca(OH)2의 생성을 촉진시킨다. 특히 Na2SO4 는 에트린자이트(Ettringite) 생성으로 인하여 Ca(OH)2 의 생성량이 줄어들지만, 조기 강도 발현이 우수하다.
포졸란 재료를 다량 치환하여 혼합한 경우, 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 Ca 이온 농도가 낮고, Alite의 수화반응이 늦어지기 때문에 조기강도 발현의 저하 및 수화열의 감소현상이 나타난다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 Na2SO4 로 구성되는 알카리 무기염계를 사용하여 초기에 보다 높은 강도발현을 나타내도록 하였다. 일반적인 포졸란 수화반응은 C3S 의 경우와 거의 비슷하며, 에트링자이트, 모노설페이트 수화물, C-A-H, C-S-H 등이 포졸란 입자표면에 필림상으로 형성되거나 알루미네이트(aluminate) (C3A) 입자 표면에 수화물 층을 형성한다. 이 때의 생성수화물의 종류 및 양은 Ca2+, SO3 이온의 농도에 의존한다. 알카리 무기염계 혼화제로부터 공급된 SO3 이온은 초기재령에서 포졸란 재료 Al2O3 성분의 용출을 촉진시켜 유리질상, 결정상의 구조를 파괴함으로 인해 반응표면적을 증가시키고, 다량의 에트링자이트를 생성시키는 것으로 인해 조기에 높은 강도를 발현한다. 특히 본 발명의 친환경 보수모르타르 제품은 많은 양의 산업부산물인 포졸란 재료를 사용함으로서 내구성이 현저히 증가하는 특징을 지니고 있다. 포졸란 반응으로 모르타르 내부의 공극이 기존 모르타르에 비해서 많이 감소함으로서, 염화물 이온 침투 저항성이 현저히 높아지고, 물 흡수 계수가 떨어지면서 외부에서 침투하는 열화인자를 차단시키는 역할을 하게 된다.
또한 본 발명에서는, 친환경 보수 모르타르를 개발하기 위해서 산업 부산물인 슬래그와 산업폐기물인 순환골재를 이용하였다. 슬래그는 제철공장에서 수거되는 석탄재이고, 시멘트를 일부 치환하기 위해서 사용하였다. 순환골재는 재건축, 재개발에서 수거된 폐콘크리트를 대형 크러셔(Jaw Crusher)로 1차 파쇄를 하고, 2 차와 3차에서 콘 크러셔(Con Crusher)와 충격 크러셔(Impact Crusher)를 이용해서 파쇄된 골재로부터 선별된 잔골재(모래)를 규사 대체용으로 모르타르에 적용하였으며, 선별된 순환 잔골재와 슬래그의 물성치는 아래의 <표 3> 및 <표 4>와 같다.
<표 3> 선별된 순환 잔골재와 슬래그의 물성치
<표 4> 슬래그의 화학적 특성
한편, 순환 골재를 기존 보수 모르타르에 잔골재용으로 사용하기 위해서 현재 사용하고 있는 규사의 사용량을 10% 에서 50% 까지 대체해서 압축강도를 조사한 결과, 30% 까지는 압축강도에 변화가 없었으나, 40% 부터는 압축강도가 조금 저하하는 것을 시험을 통해서 규명하였다.
따라서 본 발명에서는 모르타르에 사용하고 있는 규사의 총 사용량에 약 30%를 순환 골재로 대체해서 사용하고, 산업부산물인 슬래그를 시멘트 대체재로 사용함으로서 친환경 보수모르타르를 개발하였다
또한, 본 발명에서는 친환경 보수모르타르를 개발하기 위해서, 바인더(시멘트, 슬래그), 골재, 규불아연, 실리카흄, 혼화제를 일정한 비율로 혼합해서 친환경 보수 모르타르를 개발하였다.
아래의 <표 5>는 우수한 친환경 보수모르타르를 개발하기 위한 실시예의 배합비를 나타낸 것이고, <표 6>은 배합비에 따른 물성치를 실험한 결과를 나열한 것이다.
<표 5> 단면복구재(ERM 450) 배합비
<표 6> 단면복구재(ERM 450) 물성치 실험결과
단면복구 모르타르(ERM450)는 재령 28일의 압축강도 49∼51 N/mm2 범위로서 KS F 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르)에서 규정하는 재령 28일 압축강도 기준(20.0 N/mm2 을 만족하였으며, 재령 28일 측정한 휨 강도의 결과는 10.0∼10.4 N/mm2 범위로서, KS F 4042의 기준 6.0 N/mm2 이상을 약 2배 가량 상회하였다.
부착강도는 모르타르 제품에서 가장 중요한 품질성능 항목으로서, KS F 4042 에서는 표준상태와 동결융해 조건 후의 성능을 규정하고 있다. 시험결과 표준양생시 평균 2.0 N/mm2 으로 나타났으며 폴리머 모르타르의 규정 및 일반 모르타르의 규 정을 모두 만족하는 결과를 보였다.
단면복구 모르타르(ERM450)의 내알칼리성을 평가하기 위하여 포화 수산화칼슘(Ca(OH)2) 용액에 28일 동안 침지 후 KS L 5105에 의해 측정한 압축강도 시험결과는 47∼49.8 N/mm2 범위로 나타났다.
현재 KS F 4042에서는 내알칼리성에 대하여 20.0 N/mm2 이상으로 규정하고 있으며, 표준상태에서 양생한 재령 28일 압축강도와 동일하게 나타나 알칼리 저항성이 우수하다.
CO2에 의한 단면복구 모르타르(ERM450)의 중성화 저항성을 측정한 결과, 재령 28일에서는 중성화의 진행이 거의 없는 것으로 나타났다. KS F 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르)에서는 보수보강용 모르타르의 투수량을 20g 이하로 규정하고 있으며, 이에 대하여 보수모르타르를 대상으로 실험한 결과 평균 투수량 7.0g 으로 나타나 규정을 만족하는 것으로 나타났다.
KS F 4042에서는 폴리머 모르타르의 물 흡수계수를 0.5 kg/(m2h0.5) 이하로 규정하고 있으며, 단면복구 모르타르(ERM450)는 평균 0.07 kg/(m2h0.5) 로 나타나 물 흡수에 대한 저항성이 우수한 것으로 나타났다.
습기투과성능이 0.4m 로 나타나 KS F 4042 에서 규정하는 2m 이하 규정을 만족하는 것으로 나타났다.
KS F 2711(전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투저항성) 시험방법을 사용하여 평가한 결과, 100 이하로 나타나 KS F 4042의 규정치를 만족하는 것으로 나타났다.
단면복구 모르타르(ERM450)의 평균 길이변화율은 -0.024 % 로 나타나 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
이상의 시험 결과에서 모든 배합이 KS 기준을 만족했으며, 그 중에서도 실시예 3 의 배합이 가장 우수한 특성을 지닌 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명에서는, 알카리프리계의 급결제를 사용해서 응결시간을 단축하고, 덧씌우기의 두께를 최대화하기로 하였다.
아래의 <표 7>은 시험배합을 통해서 선택된 실시예 3의 배합과 알카리프리계 급결제를 혼합한 친환경 보수모르타르의 응결시간을 나타낸 것이다.
상기 <표 7>에서 나타난 바와 같이, 알칼리프리 급결제를 사용할 경우 초결은 2분에서 15분, 종결은 15분에서 60분으로 응결시간이 형성되고 있어 급결제를 사용하지 않은 친환경 보수모르타르에 비해서 응결시간이 현저히 감소하는 것을 알 수 있다.
그러나 상기 급결제의 사용으로 압축강도와 휨강도가 다소 감소하게 된다.특히 급결제 사용량의 증가시 초기 강도가 현저히 떨어지는 것을 발견했다. (<표 8> 참조)
<표 8>은 급결제 양에 따른 압축강도의 변화를 도시한 표이다.
<표 7> 급결제 양에 따른 응결시간
<표 8> 급결제 양에 따른 압축강도
한편, 본 발명에서 개발된 친환경 보수모르타르의 성능을 규명하기 위해서 콘크리트 구조물의 슬래브, 벽체 등에 적용한 결과, 아래의 <표 9>에서와 같이 급결제의 양이 증가할수록 1회 타설높이가 급결제를 사용하지 않은 배합보다 약 3배에서 3.5배 까지 현저히 증가하는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 숏크리트 타설 장치와 친환경 보수모르타르를 급결제와 같이 사용하면 1회 타설 높이가 증가함으로써 시공속도 및 타설 시간을 종래의 모르타르 타설 방법보다 현저히 줄일 수 있게 된다.
<표 9> 급결제 양에 따른 1회 친환경 보수모르타르 타설 높이
도 1 은 스퀴즈 펌프의 작동 원리를 설명한 도면,
도 2 는 본 발명에 따른 숏크리트 타설 장치의 전체 구조를 개략적으로 도시한 도면,
도 3a 내지 도 3d 는 본 발명에 따른 숏크리트 타설 장치의 노즐부의 구조를 도시한 도면,
도 4 는 본 발명의 숏크리트 타설 장치에 구비된 제어패널의 구성 예를 도시한 도면,
도 5 는 본 발명의 숏크리트 타설 장치와 종래의 숏크리트 타설 장치의 사용시의 상태를 비교 도시한 도면임.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 모르타르 믹서기 30 : 압송펌프
50 : 공기 압축기 70 : 급결제 투입기
90 : 제어패널 100 : 노즐 본체
110 : 주입구 130 : 연결구
150 : 토출구 300 : 부속 노즐부
310 : 급결제 분사기 330 : 압축공기 투입기
500 : 노즐부
Claims (13)
- 보수모르타르를 타설하여 콘크리트 구조물의 손상부 단면을 복구하는 숏크리트 타설 장치로서,상기 보수모르타르를 수용, 혼합하는 모르타르 믹서기(10)와,상기 모르타르를 이송시키기 위한 압송펌프(30)와,압축공기를 제공하는 공기 압축기(50)와,상기 공기 압축기(50)와 연결되어 급결제를 공급하는 급결제 투입기(70)와,상기 보수모르타르와 상기 압축공기 및 상기 급결제의 인입과 인출을 제어하는 제어패널(90)과,상기 압축공기와 함께 보수모르타르를 분사시키는 노즐부(500)를 포함하는 숏크리트 타설 장치.
- 청구항 1 에 있어서,상기 노즐부(500)는 모르타르가 주입되어 이송 및 토출이 이루어지는 노즐 본체(100)와, 상기 노즐 본체(100)에 부착되는 부속 노즐부(300)를 포함하는 숏크리트 타설 장치.
- 청구항 2 에 있어서,상기 노즐 본체는 모르타르 주입구(110), 모르타르 토출구(150) 및 상기 모 르타르 주입구(110)와 상기 모르타르 토출구(150)의 사이에 연결된 연결구(130)로 이루어지는 숏크리트 타설 장치.
- 청구항 2 에 있어서,상기 부속 노즐부(300)는 상기 노즐본체(100)의 외측에 설치되는 급결제 분사기(310)와, 상기 노즐 본체(100)의 연결구 헤드부(131) 내측으로 압축공기를 공급하는 압축공기 투입기(330)를 포함하는 숏크리트 타설 장치.
- 청구항 4 에 있어서,상기 급결제 분사기(310)는 날개 모양의 연결관(311)과, 상기 연결관(311)의 각 단부에 결착된 급결제 분사노즐(313)과, 급결제의 분사를 조절하는 급결제 분사밸브(315)로 이루어지는 숏크리트 타설 장치.
- 청구항 5 에 있어서,상기 급결제 분사기(310)의 선단부 분사노즐(313)은 노즐 본체(100)의 분사 방향에 대해 60도-70도의 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 숏크리트 장치.
- 청구항 4 에 있어서,노즐 본체(100)의 상기 연결구 헤드부(131)의 내측에 압축공기가 유입되는 홈(133)이 형성된 것을 특징으로 하는 숏크리트 타설 장치.
- 청구항 1 에 있어서,상기 제어패널(90)은 장치의 메인 전원을 비롯하여 압송펌프의 압력, 급결제 투입기의 압력, 공기 압축기의 압력을 조절할 수 있도록 구성된 숏크리트 타설 장치.
- 콘크리트 구조물의 손상부 표면의 이물질을 제거하는 표면처리 단계와;상기 콘크리트 구조물 표면에 보수모르타르를 타설하기 위해 청구항 1 내지 청구항 8 의 숏크리트 장치를 설치하는 단계와;보수모르타르를 상기 숏크리트 타설 장치를 이용하여 급결제와 함께 타설하는 단계와,상기 타설된 보수모르타르를 양생하는 단계를 포함하는 콘크리트 구조물의 손상부 단면복구 방법.
- 청구항 9 에 있어서,상기 보수모르타르는 시멘트와 슬래그로 구성되는 바인더, 골재, 규불아연, 실리카흄, 혼화재(mineral admixture), 혼화제(chemical admixture)를 일정 비율로 혼합하여 형성된 친환경 보수모르타르인 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 손상부 단면복구 방법.
- 청구항 10 에 있어서,상기 보수모르타르는 포틀랜드 시멘트 30~50 중량부, 골재 40~55 중량부, 혼화재(mineral admixture) 12.0~12.5 중량부, 혼화제(chemical admixture) 2~3 중량부의 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 손상부 단면복구 방법.
- 청구항 11 에 있어서,상기 혼화재는 실리카흄 1~5 중량부, 팽창제 1~5 중량부 및 석고 1~5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 손상부 단면복구 방법.
- 청구항 11 에 있어서,상기 혼화제는 지연제, 촉진제, 폴리머, 감수제, 유동화제, 방수제 및 발포제로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 2~3 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 손상부 단면복구 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2008-07-25 KR KR1020080072885A patent/KR20100011600A/ko not_active Application Discontinuation
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