KR20190127293A

KR20190127293A - 칼슘설퍼알루미네이트 조강재 및 이를 포함하는 저중량 보수 모르타르 조성물

Info

Publication number: KR20190127293A
Application number: KR1020180051744A
Authority: KR
Inventors: 김중연; 박헌철; 김득모
Original assignee: 대호산업개발(주)
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2018-05-04
Publication date: 2019-11-13
Also published as: KR102121560B1

Abstract

본 발명은 칼슘 알루미네이트 시멘트 50~60 중량%, 칼슘 플라이애시 30~40중량%, 및 수화촉진제 5 ~ 10중량%를 포함하여 구성된 칼슘설포알루미네이트 조강재와, 여기에 폐인조석 골재를 포함하는 것을 특징으로 하는 저중량 보수 모르타르 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 종래 산업부산물로 폐기되는 고칼슘 플라이애시를 재활용하여 기존 천연 석고를 대체할 수 있는 고강도용 칼슘설퍼알루미네이트를 제조할 수 있게 되었다. 또한, 상기 고강도 칼슘설퍼알루미네이트에 특정 평균입도를 가지는 비중이 낮은 폐인조석 경량 골재를 규사 형태로 분쇄하여 자연 규사를 대체함으로 고중량에 의한 벽면의 슬립 현상을 억제할 수 있는 저중량 보수 모르타르 조성물을 제조할 수 있으며, 이러한 본 발명의 저중량 보수 모르타르 조성물은 콘크리트 구조물의 보수 부위의 2차 하자를 방지하고 흡수율이 낮으면서 고내구성을 갖는 효과를 가진다.

Description

칼슘설퍼알루미네이트 조강재 및 이를 포함하는 저중량 보수 모르타르 조성물{CALCIUM SULFUR ALUMINATE HIGH EARLY STRENGTH MATERIAL, AND COMPOSITION FOR LOW WEIGHT REPAIR MORTAR COMPRISING THEREOF}

본 발명은 칼슘설퍼알루미네이트 조강재 및 이를 포함하는 저중량 보수 모르타르 조성물에 관한 것으로서, 상세하게는 고칼슘 플라이애시를 사용하여 칼슘설퍼알루미네이트 조강재를 제조하고, 여기에 보수 모르타르의 중량 저감을 위하여 폐인조석 경량 골재를 포함하는 저중량 보수 모르타르 조성물에 관한 것이다.

콘크리트 구조물은 외부의 열화인자에 의해 시간이 지남에 따라 중성화, 염해, 동결융해 등으로 인해 표면부의 침식, 피복콘크리트 부위의 균열로 인한 침식 촉진, 철근의 부식과 부식팽창에 의한 2차 균열 등으로 인한 내구 연한을 다하게 된다.

현대의 대부분의 건축물은 콘크리트 구조물로 구성되어 있으며, 30년 이상의 노후 구조물에서는 콘크리트 열화에 의한 구조물의 이상이 유발될 가능성이 크다. 이러한 노후 구조물의 내구 연한을 지속적으로 증가시키기 위해서는 표면의 열화부위를 제거하고 보수 모르타르를 상부에 시공함으로 건축물의 내구 연한을 증진시킬 수 있다.

특히, 고가 도로나 고층 구조물 및 천정부와 같은 중력을 영향을 크게 받는 구조물에서의 보수 공사는 고중량의 보수모르타르가 중력에 의한 슬립현상으로 인해 경화 전에 박리 박락되는 문제점이 있어 경량 골재를 사용한 보수 모르타르를 사용하고 있다.

그러나 경량 보수 모르타르를 제조하기 위한 주요 소재인 경량 골재는 흡수율이 약 20% 정도로 높고, 내부의 공극이 많아 물리적 성질이 낮은 문제점이 있다.

비교적 물리적 성질이 높은 일반 플라스틱을 골재로 사용할 수 있으나 적정 입도를 얻기 위한 분쇄 과정에서 충격을 통한 적정 입도를 도출할 수 있는 적절한 취성이 요구되는 플라스틱만이 사용 가능하며, 순수한 상태의 플라스틱으로 제조할 경우 가격이 kg당 약 2,000원 이상으로 모르타르의 가격 상승이 급격하게 되는 문제점이 있다.

한편 슬립현상을 억제하기 위한 또 다른 방안으로 모르타르 시공 후 적절한 작업시간 이후의 응결시간을 단축함으로 경화를 촉진하는 방법이 있다. 그러나 경화를 촉진하기 위한 방법에는 칼슘설퍼알루미네이트(이하 “CSA”라 한다)나 리튬카보네이트와 같이 고가의 소재 사용이 필수적이다.

CSA의 제조 방식에는 크게 C3A의 주요성분을 소성하여 제조하는 방식과 알루미나시멘트에 대하여 석고 및 생석회를 혼입하여 제조하는 방식 두 가지가 있다.

한국특허 출원번호 2014-0158866

이에 본 발명은 경량 골재를 사용하는 경량 보수 모르타르가 물리적 성능이 향상될 수 있는 고강도용 칼슘설퍼알루미네이트 조강재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 고강도용 칼슘설퍼알루미네이트 조강재를 사용하여 기존 경량 골재를 대체할 수 있는 저중량 보수 모르타르 조성물을 제공하는 데 있다.

본 발명에 의한 고칼슘 플라이애시를 사용하여 제조한 칼슘설퍼알루미네이트 조강재와, 여기에 폐인조석을 분쇄하여 잔골재를 사용한 저중량 보수 모르타르 조성물은 다음과 같은 해결 수단을 구비한다.

본 발명에 따른 칼슘설포알루미네이트 조강재는 칼슘 알루미네이트 시멘트 50~60 중량%, 칼슘 플라이애시 30~40중량%, 및 수화촉진제 5 ~ 10중량%를 포함할 수 있다.

또한, 상기 알루미나 시멘트는 Al₂O₃ 함량이 50 ~ 70% 이며, CaO 함량이 15 ~ 30%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 칼슘설포알루미네이트 조강재에는 주석산, 구연산, 말레인산 중에서 선택되는 1종 이상의 유기산 지연제를 전체 조강재 100중량%에 대하여 0.001~0.090 중량%로 더 포함될 수 있다.

또한, 상기 수화촉진제는 칼슘포매이트로 카르복실산계열의 칼슘염이 바람직하다.

본 발명에 따른 저중량 보수 모르타르 조성물은 상기 칼슘설포알루미네이트 조강재와 폐인조석 골재를 포함할 수 있다.

또한, 상기 저중량 보수 모르타르 조성물은 CSA 조강재 5 ~ 10 중량부를 포함하는 시멘트 기준 분체 100중량부에 대하여, 평균입도 0.3 ~ 0.6mm 범위의 폐인조석 경량 골재 40 ~ 50 중량부, 및 평균입도 0.1 ~ 0.35mm 범위의 천연 규사 50 ~ 60 중량부로 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종래 산업부산물로 폐기되는 고칼슘 플라이애시를 재활용하여 기존 천연 석고를 대체할 수 있는 고강도용 칼슘설퍼알루미네이트 조강재를 제조할 수 있게 되었다.

또한, 상기 고강도 칼슘설퍼알루미네이트에 특정 평균입도를 가지는 비중이 낮은 폐인조석 경량 골재를 규사 형태로 분쇄하여 자연 규사를 대체함으로 고중량에 의한 벽면의 슬립 현상을 억제할 수 있는 저중량 보수 모르타르 조성물을 제조할 수 있으며, 이러한 본 발명의 저중량 보수 모르타르 조성물은 콘크리트 구조물의 보수 부위의 2차 하자를 방지하고 흡수율이 낮으면서 고내구성을 가질 수 있다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 발명은 경량 보수 모르타르를 제조하기 위하여 주요 성능 개선제인 칼슘설퍼알루미네이트(CSA) 조강재와, 이를 포함하는 저중량 보수 모르타르 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 CSA 조강재는 알루미나 시멘트의 반응성을 조절하고 강도를 구현하기 위한 분체로 기존 천연 무수석고를 대체한 고칼슘 플라이애시를 사용하여 적절한 팽창성과 강도를 구현하고자 한 데 특징이 있다.

본 발명에 따른 CSA 조강재에서는 특별히 칼슘알루미네이트 시멘트가 수화반응 속도가 빨라 조기에 고강도를 얻을 수 있으며, 내화학성이 높은 소재로 알려져 있으나 과도한 수화속도로 인해 초기 균열 억제가 반드시 필요한 점에 착안하여, 적절한 팽창성 유도를 위한 천연무수석고 대체제인 고칼슘 플라이애시를 혼입하고 유기산 지연제와 수화촉진제를 사용하여 경쟁 흡착 반응에 따른 적절한 작업시간 도출을 통해 이를 제어하고자 하였다.

이러한 본 발명의 CSA 조강재는 칼슘알루미네이트 시멘트 50~60 중량%, 칼슘플라이애시 30~40중량%, 및 수화촉진제 5 ~ 10중량%를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 CSA 조강재에 포함되는 칼슘알루미네이트 시멘트는 Al₂O₃ 함량이 50% 이상, 바람직하기로는 50 ~ 70 %이며, CaO 함량이 30% 이하, 바람직하기로는 15 ~ 30 %인 것이다. 상기 Al₂O₃ 함량이 50 % 미만인 경우 응결지연 및 초기 강도 발현이 낮아지는 문제가 있고, 또한 70 %를 초과하는 경우 초기 응결이 급격하게 빨라져 장기강도가 저하되는 것과 가격이 급격하게 상승하여 경제성의 문제점이 있어 바람직하지 못하다.

또한, 상기 CaO 함량이 15 % 미만인 경우 수화촉진에 요구되는 CaO의 공급량의 저하로 응결이 지연되는 문제가 있고, 또한 30% 를 초과하는 경우 과량의 CaO로 인한 발열로 표면의 균열이 발생할 수 있어 바람직하지 못하다.

이러한 특징을 가지는 칼슘알루미네이트 시멘트는 전체 CSA 조강재 조성물 중 50~60 중량%로 포함되는데, 그 함량이 50% 미만일 경우, 초기 강도가 낮아지는 문제점이 있으며, 60%초과일 경우 장기 강도가 저하되어 바람직하지 못하다.

본 발명의 CSA 조강재에 포함되는 고칼슘 플라이애시는 산업부산물로 폐기되는 물질이나, 본 발명에서는 적절한 팽창성 유도를 위한 천연 무수석고의 대체제로서 사용하였다.

상기 고칼슘 플라이애시는 전체 CSA 조강재 조성물 중 30~40중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 그 함량이 30중량% 미만일 경우 장기 강도가 저하되는 문제점이 있으며, 40중량%를 초과한 경우에는 황산염에 의한 알루미나와의 반응에 의한 발열억제와 수화지연에 의하여 응결시간이 지연되고 초기 강도가 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 CSA 조강재 조성물에 포함되는 상기 수화촉진제로는 칼슘포매이트로 카르복실산 계열의 칼슘염이 바람직하며, 그 함량은 전체 CSA 조강재 조성물 중 5~10중량%로 포함될 수 있다. 상기 수화촉진제의 함량이 5중량% 미만일 경우에는 응결시간이 지연되는 문제점이 있으며, 10중량%를 초과하는 경우에는 수화촉진제에 의한 내부 수화물의 급격한 생성으로 인한 수화물의 구조가 치밀하게 생성되지 못하여 초기 강도 및 장기강도의 증진이 제대로 이루어질 수 없다.

또한, 본 발명의 CSA 조강재 조성물에는 주석산, 구연산, 말레인산 등을 포함한 당류계 지연제인 유기산 지연제를 전체 CSA 조강재 조성물 100중량%에 대하여 중 0.001~0.090 중량%로 포함시키는 것이 적절한 응결지연을 통한 작업성 확보 측면에서 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 상기 제조된 CSA 조강재와 폐인조석 경량골재를 포함하는 저중량 보수 모르타르 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 상기 조성물은 CSA 조강재 5 ~ 10 중량부를 포함하는 시멘트 기준 분체 100 중량부에 대하여, 평균입도 0.3 ~ 0.6mm 범위의 폐인조석 골재 40 ~ 50 중량부, 및 평균입도 0.1 ~ 0.35mm 범위의 천연 규사 50 ~ 60 중량부로 포함되는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 상기 시멘트 기준 분체는 CSA 조강재를 약 10중량% 이하로 치환한 것으로, 예를 들어, 1종 보통 포틀랜드 시멘트 60 중량부와 3종 고로슬래그 30 중량부를 포함하는 일반 시멘트 90 중량부와 상기 제조된 CSA 조강재를 10 중량부로 포함하는 조성일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제조된 CSA 조강재는 전체 시멘트 기준 분체 100 중량부 중 10 중량부 이하, 바람직하기로는 5 ~ 10 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 모르타르 조성물에서는 상기 CSA 조강재와 함께 평균입도 0.3 ~ 0.6mm 범위의 폐인조석 골재를 시멘트 기준 분체 100중량부에 대하여 40 ~ 50 중량부로 포함할 수 있다.

상기 폐인조석 골재로서 상기 평균 입도 범위를 벗어나는 골재를 사용하는 경우 작은 입도로 인해 플로우가 감소하며, 압축강도가 저하되는 문제점이 있어 바람직하지 못하다.

또한, 평균입도 0.3 ~ 0.6mm 범위의 폐인조석 골재의 함량이 시멘트 기준 분체 100중량부에 대하여 40 중량부 미만일 경우에는 폐인조석 골재의 충진성이 상승하여 단위용적중량의 감소가 크지 않으며, 그 함량이 50 중량부를 초과하여 혼입될 경우 폐인조석 골재와 시멘트 페이스트 간의 결합력이 낮아 강도가 저하되는 문제점이 있어 바람직하지 못하다.

상기 본 발명에 따른 평균입도 0.3 ~ 0.6mm 범위의 폐인조석 골재는 종래의 천연 규사의 일부를 대체한 것으로, 본 발명에서는 평균입도 0.1 ~ 0.35mm 범위의 천연 규사를 시멘트 기준 분체 100중량부에 대하여 50 ~ 60 중량부로 포함할 수 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이용하여 예시하였으나, 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

실시예 1~2 및 비교예 1~6 : CSA 조강재 제조

다음 표 1과 같은 조성으로 각 실시예와 비교예에 따른 CSA 조강재를 제조하였다. 물시멘트비와 골재인 표준사는 KS L 5110에 명시된 바와 같이 시멘트성 물질 100중량부에 대하여 물 48.5중량부, 표준사는 주문진 표준사로 245중량부를 사용하도록 기재된 것을 기준으로 사용하였다.

단위 : 중량%	실시예		비교예
단위 : 중량%	1	2	1	2	3	4	5	6
칼슘알루미네이트 시멘트⁽¹⁾	50	60	60	40	70	65	60	60
무수 석고	-	-	30	-	-	-	-	-
고칼슘 플라이애시	40	30	-	60	30	30	37	25
수화촉진제⁽²⁾	10	10	10	10	10	5	3	15
유기산 지연제⁽³⁾	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02
물시멘트비	48.5%
표준사	245
(1)Al₂O₃ 함량이 50%, CaO 함량이 30%인 칼슘알루미네이트계 시멘트임. (2)수화촉진제는 칼슘포매이트(Calcium Formate)98% 시약임 (3)유기산 지연제는 주석산임.

실험예 1 : CSA 조강재의 물성 측정

상기 표 1의 조성으로 제조된 각 CSA 조강재의 물성을 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

항목		실시예		비교예
항목		1	2	1	2	3	4	5	6
응결시간 (H:Min)	초결	4:30	4:15	4:00	5:00	3:30	3:50	5:00	3:00
응결시간 (H:Min)	종결	6:40	6:30	6:50	7:00	5:00	5:15	7:30	4:30
압축강도(N/㎟) : 3일		20.4	23.1	19.5	17.4	26.4	25.4	15.4	21.4
압축강도(N/㎟) : 7일		31.6	30.5	29.8	30.5	28.1	29.8	26.3	23.5
압축강도(N/㎟) : 28일		36.8	38.4	36.7	36.5	31.3	37.3	34.5	28.4

상기 조성물의 칼슘알루미네이트시멘트의 함량이 50중량% 미만인 비교예 2의 경우 초기 강도(3일)가 낮아지는 문제점이 있으며, 60중량%를 초과하는 비교예 3과 4의 경우 장기 강도(7일, 28일)가 저하되는 문제점이 있다.

또한, 고칼슘 플라이애시의 함량이 30중량% 미만인 비교예 6의 경우 장기 강도(28일)가 저하되는 문제점이 있으며, 40중량%를 초과하는 비교예 2의 경우 황산염에 의한 알루미나와의 반응에 의한 발열억제와 수화지연에 의하여 응결시간이 지연되고 초기 강도(3일)가 저하되는 문제점이 있다.

또한, 수화촉진제의 함량이 5중량% 미만인 비교예 5의 경우 응결시간이 지연되는 문제점이 있으며, 10중량%를 초과하는 경우에는 수화촉진제에 의한 내부 수화물의 급격한 생성으로 인한 수화물의 구조가 치밀하게 생성되지 못하여 초기 강도 및 장기강도의 증진이 제대로 이루어질 수 없다.

실시예 3~4 및 비교예 7~10 : 저중량 보수 모르타르 조성물 제조

상기 제조된 CSA 조강재(실시예 1~2, 및 비교예 1~4)와 다음 표 3에 따른 폐인조석 경량골재를 포함하는 저중량 보수 모르타르는 조성물을 제조하였다.

다음 표 3의 각 실시예와 비교예에서 사용된 기준 분체는 1종 보통 포틀랜드 시멘트 60 중량부와 3종 고로슬래그 30중량부를 포함하는 일반 시멘트 90중량부와 CSA를 10 중량부로 포함하였다. 이 때 물시멘트비는 35%로 구성될 수 있다.

실험예 2 : 저중량 보수 모르타르 조성물의 물성 측정

상기 제조된 각 저중량 보수 모르타르 조성물의 물성을 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

		기준 분체	폐인조석골재		천연 규사⁽³⁾ (7호사)	물시멘트비(%)	단위용적 중량 (kg/㎥)	플로우 (mm)	압축강도(N/mm²)
		기준 분체	7호사⁽¹⁾	6호사⁽²⁾	천연 규사⁽³⁾ (7호사)	물시멘트비(%)	단위용적 중량 (kg/㎥)	플로우 (mm)	3일	7일	28일
실시예	3	100	-	50	50	35%	2,010	180	18.4	22.3	42.8
실시예	4		-	40	50		2,120	175	17.7	21.8	41.9
비교예	7		-	30	70		2,350	170	16.4	21.3	38.6
	8		-	60	40		1,960	185	14.1	17.5	30.2
	9		50	-	50		2,050	150	13.4	16.8	24.8
	10		-	-	100		2,450	170	16.8	20.4	38.6
(1)폐인조석 골재 7호사 : 평균입도 0.1 ~ 0.35mm 범위 (2)폐인조석 골재 6호사 : 평균입도 0.3 ~ 0.6mm 범위 (3)천연규사 7호사 : 평균입도 0.1 ~ 0.35mm 범위

상기 표 3의 결과를 참조하면, 폐인조석 골재로서 7호사를 사용하는 비교예 9의 경우 작은 입도로 인해 플로우가 감소하며, 압축강도가 저하되는 문제점이 있다.

또한, 본 발명과 같이 평균입도 0.3 ~ 0.6mm 범위의 6호사의 폐인조석 골재를 사용하더라도 그 함량이 40 중량부 미만일 경우(비교예 7)에는 단위용적중량은 폐인조석 골재의 충진성이 상승하여 단위용적중량의 감소가 크지 않으며, 그 함량이 50중량부를 초과하여 혼입할 경우(비교예 8) 폐인조석 골재와 시멘트 페이스트 간의 결합력이 낮아 강도가 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명과 같이 고칼슘 플라이애시를 사용하여 제조된 CSA 조강재와 특정 평균입도를 가지는 폐인조석 골재를 최적의 함량으로 포함하는 경우 경량의 보수 모르타르의 제조가 가능하며, 제조된 보수 모르타르는 물리적 성능이 저하되지 않으면서도 산업부산물로 폐기되는 고칼슘 플라이애시를 재활용할 수 있는 효과를 가짐을 알 수 있다.

Claims

칼슘 알루미네이트 시멘트 50~60 중량%, 칼슘 플라이애시 30~40중량%, 및 수화촉진제 5~10중량%를 포함하는 칼슘설포알루미네이트 조강재.
제 1 항에 있어서,
상기 알루미나 시멘트는 Al₂O₃ 함량이 50~70% 이며, CaO 함량이 15~30%인 것인 칼슘설포알루미네이트 조강재.
제 1 항에 있어서,
상기 수화촉진제로는 칼슘포매이트로 카르복실산계열의 칼슘염인 칼슘설포알루미네이트 조강재.
제 1 항에 있어서,
상기 칼슘설포알루미네이트 조강재에는 주석산, 구연산, 말레인산 중에서 선택되는 1종 이상의 유기산 지연제를 전체 조강재 100중량%에 대하여 0.001~0.09 중량%로 포함되는 것인 칼슘설포알루미네이트 조강재.
제 1 항에 따른 칼슘설포알루미네이트 조강재와 폐인조석 골재를 포함하는 것을 특징으로 하는 저중량 보수 모르타르 조성물.
제 5 항에 있어서,
상기 조성물은 CSA 조강재 5 ~ 10중량부를 포함하는 시멘트 기준 분체 100중량부에 대하여,
평균입도 0.3 ~ 0.6mm 범위의 폐인조석 경량 골재 40 ~ 50 중량부, 및 평균입도 0.1 ~ 0.35mm 범위의 천연 규사 50 ~ 60 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 저중량 보수 모르타르 조성물.