KR20180104373A - 철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재 - Google Patents

철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재를 제공하기 위한 것으로, 특수시멘트 모르터파우더와 SBR 라텍스와 아미노산계 부식억제제와 물을 포함하여 구성함으로서, 철근콘크리트 구조물의 염해, 중성화 또는 염해 및 중성화 복합현상에 의한 철근의 부식이나 부식될 우려가 있는 철근콘크리트 구조물의 복합열화의 철근부식 보수공법에 사용되는 방청성을 구비하고 염화물이온의 고정화(Cl- 고정)가 가능하다.

Description

철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재{Corrosion inhibition surface coating composition of corrosion inhibiting and chloride ions immobilizing in reinforced concrete structure}
본 발명은 철근콘크리트 구조물의 방청표면피복재에 관한 것으로, 특히 철근콘크리트 구조물의 염해, 중성화 또는 염해 및 중성화 복합현상에 의한 철근의 부식이나 부식될 우려가 있는 철근콘크리트 구조물의 복합열화의 철근부식 보수공법에 사용되는 방청성을 구비하고 염화물이온의 고정화(Cl- 고정)가 가능한 방청표면피복재에 관한 것이다.
일반적으로 시멘트 콘크리트의 표면에 페인트를 도포하거나, 또는 타일 등을 부착하여 시멘트 구조물을 보호하여 왔다. 그러나 최근 환경 악화로 인하여 매연 및 산성비로 인하여 건축물의 외면이 부식하거나, 또는 부착된 타일이 떨어지게 되는 등 여러 문제가 발생하고 있다. 따라서 시멘트 구축물이나 타일 표면에 도막제를 적용하여 내후성, 접착성, 내마모성, 내약품성, 내수성, 난연성 등을 향상시키기 위한 기술이 시도되고 있다.
철근콘크리트조 구조물은 반영구적이라고 생각되어 왔으나 실제로 경년 열세 후 철근 콘크리트조 구조물을 살펴보면 ① 콘크리트 중성화, ② 철근 부식, ③ 콘크리트 균열, ④ 누수, ⑤ 콘크리트 강도변화, ⑥ 대(大) 변형, ⑦ 콘크리트 표면열화, ⑧ 콘크리트 동해 등 열화현상이 발생하고 있어 철근콘크리트 구조물의 내구성 향상 대책이 필요하며, 또한 이러한 열화현상은 대부분 다음과 같이 철근부식으로 이어져 구조물의 내력저하를 초래하고 경우에 따라서는 구조물의 안전성에 심각한 영향을 끼치는 경우도 있다.
- 콘크리트 중성화 -> 철근부식 -> 균열,박리 -> 내력저하
- 콘크리트 염해 -> 철근부식 -> 균열,박리 -> 내력저하
- 콘크리트 동해 -> 균열,박리 -> 철근부식 -> 내력저하
- 콘크리트 균열 -> 주변콘크리트 중성화 및 염해 -> 철근부식 -> 내력저하
특히, 철근콘크리트조 구조물에 있어서 철근부식에 가장 영향을 많이 미치는 열화원인은 콘크리트의 중성화 및 염해이며 철근콘크리트조 구조물의 내구성을 향상시키기 위해서는 중성화 및 염해에 대한 보수공법의 개발 및 이를 구성하는 재료의 개발이 매우 중요하다. 특히, 중성화 및 염해에 의한 철근부식은 전기화학적인 반응에 의하여 일어나는 현상이므로 이를 근본적으로 억제하기 위해서는 화학약품에 의한 근본적인 치료를 실시할 필요가 있다.
한편, 철근 콘크리트조 구조물의 염해란 콘크리트중의 염화물이 철근을 부식시켜 철근 및 콘크리트가 열화하는 현상을 말하는데, 일반적으로 염화물이 콘크리트 구조물에 혼입되는 과정은 ① 세골재로서 충분히 세정하지 않은 해사를 사용한 경우, ② 염화물을 다량 포함한 혼화제를 사용하는 경우, ③ 융설제를 콘크리트 표면에 도포한 경우, ④ 해안에서 해염 입자가 콘크리트 구조물에 비래하여 침투하는 경우 등이 있다. 여기서, ①과 ②를 내재염분, ③과 ④를 비래염분이라고 하며, 염해 피해란 콘크리트 내에 혼입되는 염화물이 철근을 부식시켜 철근콘크리트 구조물에 균열 및 내력저하를 초래하여 최종적으로 구조물의 안전성, 사용성, 내구성을 저하시키는 현상을 말한다.
콘크리트 내부는 pH가 높기 때문에 철근 부식은 크게 억제되지만 이러한 환경 하에서도 염소이온이 존재하면 염소이온에 의해 부동태 피막이 파괴되고 혹은 부동태화가 방해 받게된다. 이들 현상 메카니즘은 ① 염소이온의 산화철 피막에 대한 해질작용, ② 흡착에 의한 철 이온의 용해촉진, ③ 생성물 연속반응의 진행, ④ 아노드 반응에 대한 촉매작용, ⑤ 철과 직접반응에 의한 중간생성물의 생성, ⑥ pH의 저하, ⑦ 전기 전도도의 증대로 설명되고 있다.
이와 같이 염소이온의 작용은 간접적이고 촉매적인 것이라고 생각되지만 이 문제에 대하여는 아직 충분히 해명되지 않은 점도 많고 금후의 연구 과제로 남아있다.
콘크리트내 염소이온량과 철근부식과의 관계에 대한 조사 결과, 콘크리트 중의 철근 부식 한계 염화물 이온농도는 전체적으로 0.3∼1.2kg/㎥정도의 농도를 한계치로 하는 경우가 많다. 또한 대부분의 규정에서 염소이온이 시멘트 중량의 0.4% 이하, NaCl량이 모래 절건 중량의 0.04% 이하로 되어있고 이를 염화물 이온 총량 규제로 산정하면 염화물 이온 총량 0.3kg/m 3 에 해당하므로 철근이 전혀 부식하지 않는다는 조건하에 설정된 안전값으로 철근콘크리트 구조물의 한계 염화물 함유량은 이 값이 적절하다고 판단된다. 따라서 콘크리트 제조시 콘크리트 사용재료에서 염소이온이 혼입되지 않도록 하거나 규정 혼입량 이하로 하는 것이 매우 중요하며, 기존 구조물의 경우 융설제나 해안가의 비래염분이 콘크리트내로 침투하지 않도록 방지하는 것이 매우 중요하다.
그래서 기존 철근콘크리트 구조물의 염해 방지 기술로서는 구조물 신축시에 내재 염화물 혼입 및 비래 염화물 침투에 대비한 예방적 대책과 기존 구조물의 내재 염화물 및 비래 염화물에 의하여 철근이 부식하고 콘크리트 균열 발생 및 박락이 발생한 경우의 보수ㅇ보강 대책으로 크게 나눌 수 있다.
구조물 신축시 내재 염화물에 대한 염해 대책은 ① 충분히 세정한 해사 사용(레미콘 염화물 총량 규제 0.3kg/m 3 이하 확인), ② 철근 표면 처리, ③ 콘크리트 밀실화, ④ 철근 피복두께 증가, ⑤ 방청제 사용, ⑥ 전기방식 등이 있다.
한편, 비래 염화물 침투에 대한 대책으로서는 산소, 수분, 염소이온 침투를 방지하기 위한 콘크리트 표면 피복이 주로 사용되고 있어 구조물 신축시의 염해 대책 기술은 거의 완성되어 있다고 할 수 있다.
그러나 기존 건축물에 규정량 이상의 내재염분이 존재하여 철근이 부식할 우려가 있는 구조물에 대한 염해 보수 시스템공법은 아직 확립되어 있지 않으며 콘크리트내의 염소이온을 제거하지 않는 한 염해에 대한 철근 부식 방지 근본 대책이 될 수 없었다. 따라서 콘크리트내에 염분이 내재하고 있는 경우는 철근 주위의 염소이온을 제거하거나 염소이온을 고정화시키고 철근의 부동태를 재생시키는 도포형 방청제의 개발이 필요하였다.
기존 개발된 도포형 방청제는 제조 단가가 고가인 점, 방청성분이 낮은 점, 철근위치까지 깊이 침투시킬 수 없는 점 등 문제점을 가지고 있어 이를 해결하기 위하여 저가이면서도 수성타입의 고 농도 방청제의 개발이 요청되고 있는 것이 현 실정이다.
더욱이, 철근 콘크리트에 발생하는 중성화 및 염해는 개별적으로 진행되는 것이 아니라 동시에 복합적으로 이루어지므로 이에 대한 대책이 필요하나 중성화 및 염해 대책을 동시에 해결할 수 있는 재료 및 공법은 현재까지 개발되어 있지 않아 이에 대한 개발이 요청되고 있었다.
한편 한국등록특허 제10-1498235호의 "철근콘크리트 구조물의 수산화칼슘 대량함유, 방청성 확보, 이산화탄소 고정, 및 염소의 고정이 있는 방청표면피복재"가 제시된 바 있다. 이는 특수시멘트 모르터파우더, SBR(Styrene Butadiene Rubber) 라텍스, 유기계방청제, 및 물을 포함하여 구성함으로서, 철근콘크리트 구조물의 염해, 중성화 또는 염해 및 중성화 복합현상에 의한 철근의 부식이나 부식될 우려가 있는 철근콘크리트 구조물의 염해 및 중성화 억제공법 및 철근부식 보수시스템 공법에 사용할 수 있게 되었다. 그러나 종래기술의 유기계방청제로는 방청성 및 염화물이온 고정화 측면에서 더욱 뛰어난 성능을 보이기 어려워, 이를 극복하기 위한 새로운 조성물의 개발이 필요하게 되었고, 이에 따라 본 발명을 제시하게 되었다.
KR 10-1498235 B
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 철근콘크리트 구조물의 염해, 중성화 또는 염해 및 중성화 복합현상에 의한 철근의 부식이나 부식될 우려가 있는 철근콘크리트 구조물의 복합열화의 철근부식 보수공법에 사용되는 방청성을 구비하고 염화물이온의 고정화(Cl- 고정)가 가능한 철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재는 다음과 같이 구성된다.
특수시멘트 모르터파우더의 중량비를 100 중량으로 할 경우, 특수시멘트 모르터파우더 100 중량, SBR 라텍스 120~122 중량, 아미노산계 부식억제제 3~5 중량, 물 0.05~0.1 중량을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 특수시멘트 모르터파우더는, 특수시멘트 및 소석회계의 혼합물 중량비 1과 실리카질골재 중량비 2로 구성하고, 특수시멘트 및 소석회계의 혼합물 중량비 1에서 상기 특수시멘트는 75~95 중량, 상기 소석회계는 5~25 중량%로 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 SBR 라텍스는, 스틸렌과 부타디엔 중합체로 이루어진 수성 에멀젼으로 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 아미노산계 부식억제제는, H2N(CH2)3COOH 75~95 중량%와 NaOH 4~10 중량% 수용액과 실란계 1~2 중량%를 혼합하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재는 철근콘크리트 구조물의 염해, 중성화 또는 염해 및 중성화 복합현상에 의한 철근의 부식이나 부식될 우려가 있는 철근콘크리트 구조물의 복합열화의 철근부식 보수공법에 사용되는 방청성을 구비하고 염화물이온의 고정화(Cl- 고정)가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 방청표면피복재의 최적 배합실험 예를 보인 도면이다.
도 2는 도 1에서 실험데이터 1~9의 실험결과를 보인 도면이다.
도 3은 도 1에서 실험데이터 10~17의 실험결과를 보인 도면이다.
도 4는 도 1~3에 의해 최적 배합비에서 도출된 본 발명의 방청표면피복재와 기존기술(A, B, C)을 비교측정한 결과를 보인 도면이다.
도 5는 본 발명과 기존기술에 대해 염소이온침투저항성 및 가용성염화물의 고정화 정도를 비교측정한 결과를 보인 도면이다.
도 6은 시차열 중량분석 시험을 한 비교결과를 보인 도면이다.
도 7은 염수분무(CASS) 방식성능 평가 실험을 한 비교결과를 보인 도면이다.
도 8은 공극률의 비교측정 결과표를 보인 도면이다.
도 9는 공극률의 비교측정 결과그래프를 보인 도면이다.
도 10은 투기계수의 측정을 위한 장비 상태를 보인 도면이다.
도 11은 투기계수의 비교측정 결과표를 보인 도면이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
먼저 본 발명은 철근콘크리트 구조물의 염해, 중성화 또는 염해 및 중성화 복합현상에 의한 철근의 부식이나 부식될 우려가 있는 철근콘크리트 구조물의 복합열화의 철근부식 보수공법에 사용되는 방청성을 구비하고 염화물이온의 고정화(Cl- 고정)가 가능하게 하고자 한 것이다.
도 1은 본 발명의 방청표면피복재의 최적 배합실험 예를 보인 도면이다.
* 방청표면피복재 = ① 특수시멘트 모르터파우더 + ② SBR 라텍스 + ③ 아미노산계 부식억제제 + ④ 물(시공년도조정, 소량)
배합비 = ① 특수시멘트 모르터파우더 = 중량비 100 : ② SBR 라텍스(120~122 중량) + ③ 아미노산계부식억제제(3~5 중량) + ④ 물(시공년도조정, 소량)
- 특수시멘트 모르터파우더 = [(특수시멘트 + 소석회계)= 중량비 1] + [(실리카질골재) = 중량비 2] -> 중량비 1 : 2
특수시멘트 75~95 중량% + 소석회계 5~25 중량% = 중량비 1
실리카질골재 100% = 중량비 2
- SBR 라텍스 = 스틸렌과 부타디엔 중합체로 이루어진 수성 에멀젼
- 아미노산계 부식억제제 = H2N(CH2)3COOH 75~95 중량% + NaOH 4~10 중량% 수용액 + 실란계 1~2 중량%
- 물(시공년도조정-소량)
도 2는 도 1에서 실험데이터 1~9의 실험결과를 보인 도면이고, 도 3은 도 1에서 실험데이터 10~17의 실험결과를 보인 도면이다.
이처럼 도 2 및 도 3에서와 같이, 실험데이터 중에서 2, 16, 17이 우수한 성능을 보인 것으로 나타났다.
도 4는 도 1~3에 의해 최적 배합비에서 도출된 본 발명의 방청표면피복재와 기존기술(A, B, C)을 비교측정한 결과를 보인 도면이다.
도 4에서와 같이, 본 발명은 기존기술과 비교하여, 부착강도, 중성화 저항성, 투수량, 염화물이온 침투 저항성, 동결융해 저항성에서 모두 우수한 성능을 보였다.
도 5는 본 발명과 기존기술에 대해 염소이온침투저항성 및 가용성염화물의 고정화 정도를 비교측정한 결과를 보인 도면이다.
도 5에서와 같이, 본 발명에 의한 방청표면 피복재는 기존기술과 비교하여 염화물량이 낮아, 염소이온 침투 저항성에서 높은 성능을 보였다.
도 6은 시차열 중량분석 시험을 한 비교결과를 보인 도면이다.
이는 시차열중량분석 시험(TG-DTA)으로 수산화칼슘량, 탄산칼슘량을 산출하였다.
도 7은 염수분무(CASS) 방식성능 평가 실험을 한 비교결과를 보인 도면이다.
이는 KS D 9502(중성, 아세트산 및 캐스 분무시험)의 염수분무시험에 준하여 실시하였다.
방청표면피복재의 MIP(Mercury Intrusion Porosimetry, 수은압입법) 장비에 의한 미세구조를 파악하였다.
그래서 경화된 시험체의 공극 분포 및 공극률을 측정하기 위하여, MIP를 이용하여 공극률을 측정하였다.
도 8은 공극률의 비교측정 결과표를 보인 도면이고, 도 9는 공극률의 비교측정 결과그래프를 보인 도면이다.
도 8 및 도 9에서와 같이, 본 발명은 기존기술과 비교하여, 공극률이 작아 미세구조 형성에 있어 우수한 성능을 보였다.
도 10은 투기계수의 측정을 위한 장비 상태를 보인 도면이다.
이는 TORRENT 계측장비를 이용하여 투기성을 측정하여 평가한다. TORRENT 계측장비는 콘크리트의 투기성을 비파괴적으로 측정하는 장비로 도 10과 같이 이중으로 되어 있는 진공실에서 콘크리트 내부의 공기가 표면의 수직방향으로 빨려 들어가 내측 진공실의 기압에 변화를 주는 것을 720초 동안 측정함으로써 콘크리트의 투기성을 평가한다.
여기서 측정된 투기성계수(K)는 TORRENT가 제안한 이론적 모델에 의하여 계산되며 다음의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서, K : 투기계수(m2)
Figure pat00002
: 시간 t에 대한 미분항(Nm-2S-1)
Figure pat00003
: 기체의 동점도(Nsm-2)
Vc : 챔버 내부용량(m3)
Figure pat00004
: 콘크리트의 공극(m-3)
A : 내부 챔버와의 접촉면적(m2)
PI : 내부 챔버의 압력(Nm-2s-1)
Pa : 대기압(Nm-2)
도 11은 투기계수의 비교측정 결과표를 보인 도면이다.
도 11에서와 같이, 본 발명은 기존기술과 비교하여, 투기성계수가 우수한 성능을 보였다.
이처럼 본 발명은 철근콘크리트 구조물의 염해, 중성화 또는 염해 및 중성화 복합현상에 의한 철근의 부식이나 부식될 우려가 있는 철근콘크리트 구조물의 복합열화의 철근부식 보수공법에 사용되는 방청성을 구비하고 염화물이온의 고정화(Cl- 고정)가 가능하게 된다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 특수시멘트 모르터파우더의 중량비를 100 중량으로 할 경우, 특수시멘트 모르터파우더 100 중량, SBR 라텍스 120~122 중량, 아미노산계 부식억제제 3~5 중량, 물 0.05~0.1 중량을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 특수시멘트 모르터파우더는,
    특수시멘트 및 소석회계의 혼합물 중량비 1과 실리카질골재 중량비 2로 구성하고, 특수시멘트 및 소석회계의 혼합물 중량비 1에서 상기 특수시멘트는 75~95 중량, 상기 소석회계는 5~25 중량%로 구성한 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 SBR 라텍스는,
    스틸렌과 부타디엔 중합체로 이루어진 수성 에멀젼으로 구성한 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 아미노산계 부식억제제는,
    H2N(CH2)3COOH 75~95 중량%와 NaOH 4~10 중량% 수용액과 실란계 1~2 중량%를 혼합하여 구성된 것을 특징으로 하는 철근콘크리트 구조물의 방청성과 염화물이온 고정화를 구비한 방청표면피복재.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109879642A (zh) * 2019-04-01 2019-06-14 浙江三门永泰建材有限公司 一种防锈混凝土及其制作方法
CN112125565A (zh) * 2020-09-04 2020-12-25 中国石油天然气集团公司 一种混凝土防腐阻锈剂及其制备方法
CN116924749A (zh) * 2022-04-01 2023-10-24 江苏苏博特新材料股份有限公司 一种适用于海水环境的混凝土修补注浆材料

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