KR20200058814A - 무기계 자기치유 소재를 배합한 자기치유 콘크리트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무기계 자기치유 소재를 배합한 자기치유 콘크리트에 관한 것이다.
본 발명은 콘크리트 균열 발생시 신속한 자기치유 물질 생성량을 증가시킬 수 있는 신규한 무기계 자기치유 소재로서, 보통 포틀랜드 시멘트에 나노 칼사이트(Nano-Calcite)를 배합함으로써, 나노 칼사이트의 시드(seed) 효과로 낮은 이온 농도 환경에서도 지속적인 수화(further hydration)에 의한 자기치유 수화물의 생성 및 칼사이트 생성을 촉진시켜, 동일 이온 농도조건에서 자기치유 물질 생성량을 현저하게 증가시키고, 상기 나노 칼사이트 배합시 혼입량과 평균입자크기를 최적화하여, 균열 폭 0.25㎜ 이상에서도 자기치유성능을 달성할 수 있다.

Description

무기계 자기치유 소재를 배합한 자기치유 콘크리트{SELF HEALING CONCRETE CONTAINING INORGANIC SELF HEALING MATERIAL}

본 발명은 무기계 자기치유 소재를 배합한 자기치유 콘크리트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘크리트 균열 발생시 신속한 자기치유 물질 생성량을 증가시킬 수 있는 신규한 무기계 자기치유 소재로서, 보통 포틀랜드 시멘트에 나노 칼사이트(Nano-Calcite)를 배합함으로써, 나노 칼사이트의 시드(seed) 효과로 낮은 이온 농도 환경에서도 지속적인 수화(further hydration)에 의한 자기치유 수화물의 생성 및 칼사이트 생성을 촉진시켜, 동일 이온 농도조건에서 자기치유 물질 생성량을 현저하게 증가시키고, 상기 나노 칼사이트 배합시 혼입량과 평균입자크기를 최적화하여, 균열 폭 0.25㎜ 이상에서도 자기치유성능이 확보된, 자기치유 콘크리트에 관한 것이다.

일반적으로 콘크리트 구조물의 경우 시공과정에서 발생하는 수축 및 하중에 의한 인장력 등으로 인해 균열이 발생되는데, 상기 균열이 유해이온의 이동통로로 작용하여 콘크리트 구조물의 내구성을 급격하게 감소시킨다. 이에, 균열 발생을 제어하는 것이 콘크리트 구조물의 내구성을 유지하고 유지보수비용을 감소시키는데 중요한 요소로 작용한다.

그러나 현장에서 균열 발생을 제어하는 것은 매우 어렵기 때문에 최근에는 콘크리트 구조물에 발생한 균열을 스스로 치유하여 내구성능을 향상시키고 유지보수 비용을 절감시킬 수 있는 자기치유 콘크리트기술에 대한 관심이 높아지고 있다.

시멘트 페이스트에는 수화과정 중 수분에 접하지 못하였거나, 수분이 충분하지 못하기 때문에 완전히 수화 반응이 일어나지 않은 미수화 반응물이 존재한다. 시멘트 페이스트에 균열이 발생하는 경우, 미수화 반응물이 균열면에 노출되고 여기에 수분이 침투되면, 침투된 수분에 상기 미수화 반응물이 용해된다.

시간이 흐름에 따라 미수화 반응물은 지속적으로 용해되고, 시멘트 페이스트의 이온이 확산으로 인해 균열면으로 지속적으로 용출되면 균열 내 용액의 농도가 증가하게 되고, 용액 농도가 포화 상태에 이르게 되면 침전물이 발생하게 된다. 이에, 시간흐름에 따라 균열 내 침전물이 지속적으로 쌓여 균열이 자기치유되는 것으로, 자기치유에 의한 균열 채움 효과를 나타낸다.

일반적으로 보통 포틀랜드 시멘트는 균열을 스스로 치유하는 자연 치유(autogenous healing) 특성을 가지고 있지만, 자연 치유에 의한 균열 치유 성능은 0.1mm 이하로 미비하기 때문에 시멘트 자체의 성능만으로는 콘크리트에 발생한 균열을 효과적으로 치유하지 못하는 것으로 알려져 있다.

이에, 최근에는 무기계 혼합재료를 활용하여 자연 치유 성능을 향상시킨 콘크리트 기술이 제시되고 있으나, 균열 폭이 증가하는 경우 침투한 물 대비 내부의 낮은 이온 농도로 인해 포화에 도달하지 못하고 균열을 치유할 수 있을 만큼 충분한 침전물이 생성되지 않는 문제가 있다.

종래 자기치유 콘크리트 기술은 사용하는 자기치유 소재에 따라 무기계 혼합재료 활용 기술, 박테리아 활용 기술[특허문헌 1], 마이크로캡슐 활용 기술[특허문헌 2, 특허문헌 3] 등으로 구분할 수 있다.

이중 무기계 혼합재료 활용 자기치유 콘크리트 기술은 균열 발생 시 균열 면에 위치한 미반응 무기계 혼합재료의 지속적인 수화 반응에 의한 자기치유 수화물 생성과 Calcite(CaCO₃)의 침전을 통해 균열을 채우는 기술이 사용되고 있으나, Calcite의 생성에 의해 자기치유 성능 향상에는 한계가 있다.

이를 위해 개선하고자, 종래에는 고로슬래그 미분말, 플라이 애시, 실리카 퓸과 같은 시멘트 대체 재료와 팽창제, 팽윤제, 결정촉진제를 활용하여 균열 내 자기치유 수화물 생성량을 증가시키는 방법이 시도된 바 있다.

그러나, 무기계 자기치유 소재 활용 자기치유 콘크리트는 박테리아 및 캡슐 활용 기술에 비해 콘크리트와의 접합성을 확보하기 쉽고 경제적이라는 장점이 있으나, 종래 기술에 의한 자기치유 콘크리트는 균열 폭이 0.25mm(250㎛) 이상 증가한 경우에는 균열 내 수분량이 증가하여 균열 내 이온 농도가 감소하여 수화 반응에 의한 침전물 생성이 어려워지고, 생성된 자기치유 수화물에 의한 균열 채움 효율이 크게 감소하여 궁극적으로 자기치유 성능을 확보하기 어려운 단점이 있다.

따라서 균열 폭이 0.25mm(250㎛) 이상인 경우에는 신규한 무기계 자기치유 소재에 의한 자기치유 성능을 확보가 요구된다.

최근 나노 소재기술의 발전과 더불어 산업계에 활발한 적용되는 나노 소재로서 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 등이 있으나, 상기 나노 소재들이 고가의 문제로 인해, 상기 소재보다는 비용이 매우 저렴한 나노 칼사이트(Nano-Calcite)가 부각되고 있다.

이에, 본 발명에서는 자기치유 콘크리트가 신속한 자기치유 물질 생성량을 증가시킬 수 있는 신규한 무기계 자기치유 소재를 탐색한 결과, 보통 포틀랜드 시멘트에 나노 칼사이트를 소량 배합하는 것만으로도 동일 이온 농도조건에서 자기치유 물질 생성량이 현저하게 증가함을 확인하고, 나노 칼사이트의 최적의 혼입량과 평균입자크기에 따라 자기치유성능을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.

특허문헌 1: 대한민국 등록특허공보 제10-1779935호(2017.09.19. 공고) 특허문헌 2: 대한민국 등록특허공보 제10-1897046호(2018.09.12. 공고) 특허문헌 3: 대한민국 등록특허공보 제10-1810897호(2017.12.20. 공고)

본 발명의 목적은 균열 폭 0.25㎜ 이상에서 자기치유성능이 확보된, 무기계 자기치유 소재를 배합한 자기치유 콘크리트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 무기계 자기치유 소재로서 나노 칼사이트를 배합한 자기치유 콘크리트를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 보통 포틀랜드 시멘트에 무기계 자기치유 소재를 배합된 자기치유 콘크리트에 있어서, 상기 무기계 자기치유 소재로서 나노 칼사이트가 배합되고, 균열 폭 0.25㎜ 이상에서 자기치유성능이 확보된 자기치유 콘크리트를 제공한다.

본 발명의 자기치유 콘크리트가 0.25㎜ 이상의 균열 폭에 자기치유성능을 달성하기 위하여, 상기 나노 칼사이트는 0.5 내지 0.9중량%로 배합되는 것이 바람직하고, 상기 나노 칼사이트의 평균입자크기는 30 내지 50nm일 때, 나노 칼사이트의 시드 효과로 낮은 이온 농도 환경에서도 지속적인 수화에 의한 자기치유 수화물의 생성 및 칼사이트 생성을 촉진시켜, 동일 이온 농도조건에서 자기치유 물질 생성량을 현저하게 증가시키고, 상기 나노 칼사이트 배합시 혼입량과 평균입자크기를 최적화하여, 0.25㎜ 이상의 균열 폭에도 자기치유성능이 확보된, 자기치유 콘크리트에 관한 것이다.

본 발명에 따라, 무기계 자기치유 소재로서 나노 칼사이트(Nano-Calcite)를 배합한 자기치유 콘크리트를 제공할 수 있으며, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 등의 나노소재 대비 가격이 저렴하면서, 나노 칼사이트의 시드 효과로 낮은 이온 농도 환경에서도 지속적인 수화에 의한 자기치유 수화물의 생성 및 칼사이트 생성을 촉진시켜, 동일 이온 농도조건에서 자기치유 물질 생성량을 현저하게 증가시켜, 균열 폭 0.25㎜ 이상에서도 자기치유성능을 달성할 수 있다.

또한, 보통 포틀랜드 시멘트에 배합되는 나노 칼사이트(Nano-Calcite)의 최적 비율 및 최적 입도를 최적화함으로써, 나노 칼사이트의 시드 효과를 통한 자기치유 성능을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 나노 칼사이트의 시드 효과에 의한 수화 생성물 형성에 대한 모식도이고,
도 2는 본 발명의 나노 칼사이트의 시드 효과에 의한 균열 치유 효과를 나타내는 모식도이고,
도 3은 자기치유 콘크리트의 자기치유 성능평가를 위한 균열 유도 시험체의 사진이고,
도 4는 자기치유 콘크리트의 자기치유 성능평가를 위한 투수법의 실시형태를 촬영한 사진이고,
도 5는 본 발명의 나노 칼사이트가 배합된 모르타르에 대하여 균열 내 이온 농도에 따른 자기치유 물질 생성량을 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 나노 칼사이트가 배합된 모르타르에서 나노 칼사이트 혼입량에 따른 28일 시편의 투수량 감소율과 28일 압축강도를 측정한 결과이고,
도 7은 본 발명의 나노 칼사이트가 배합된 모르타르에서 나노 칼사이트의 평균입자크기별 투수량 감소율 및 슬럼프 플로우(slump flow) 결과를 나타낸 것이고,
도 8은 본 발명의 나노 칼사이트가 배합된 모르타르에서 28일 기간동안 물의 흐름변화를 통한 자기치유 콘크리트의 자기치유 성능평가이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 보통 포틀랜드 시멘트에 무기계 자기치유 소재를 배합된 자기치유 콘크리트에 있어서, 상기 무기계 자기치유 소재로서 나노 칼사이트(Nano-Calcite)가 배합되고, 균열 폭 0.25㎜ 이상에서 자기치유성능이 확보된 자기치유 콘크리트를 제공한다.

상기 나노 칼사이트(Nano-Calcite)는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene)에 비해 비용이 매우 저렴하며, 수화 반응을 통해 시멘트 페이스트에 완전히 결합되기 때문에 추후 다시 공기 중으로 유포되어 환경 오염을 유발시키지 않는다는 측면에서 건설재료로서 유용하다.

특히, 상기 나노 칼사이트(Nano-Calcite)는 보통 포틀랜드 시멘트에 배합함으로써, 나노 칼사이트의 시드 효과를 발생하는데, 낮은 이온 농도 환경에서도 지속적인 수화(further hydration)에 의한 자기치유 수화물의 생성 및 칼사이트 생성을 촉진시켜, 동일 이온 농도조건에서 자기치유 물질 생성량을 현저하게 증가시켜 균열 폭 0.25㎜ 이상에서도 자기치유성능을 달성할 수 있다.

따라서, 본 발명은 균열 폭이 증가하여 침투하는 수분의 양이 증가하고 이로 인해 균열 내부의 이온 농도가 감소하는 경우에도 자기치유 물질이 침전될 수 있도록 하여, 균열 폭이 증가하여도 자기치유 성능을 확보할 수 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 나노 칼사이트의 시드 효과에 의한 수화 생성물 형성에 대한 모식도로서, 일반 배합의 경우 다양한 위치에서 수화 생성물이 형성되어 크기가 커져가는 반면, 본 발명의 나노 칼사이트를 혼입한 배합의 경우 나노 칼사이트 주변으로 수화생성물이 형성되며, 일반 배합에 비해 빠르게 수화생성물이 형성되는 것을 확인할 수 있다.

도 2는 본 발명의 나노 칼사이트의 시드 효과에 의한 균열 치유 효과를 나타내는 모식도를 나타낸 것으로, 구체적으로는, 일반 시편의 경우 지엽적으로 자기치유 생성물이 형성되는데, 이는 균열 폭이 증가하는 경우 균열 내부의 이온 농도가 감소하여 자기치유 수화물이 형성되기에 필요한 농도가 확보되지 못한 결과이고, 따라서 균열 내부의 낮은 농도로 인해 자기치유 생성물의 크기가 성장하지 못하여 균열 내부가 충분히 채워지지 못하게 된다. 그러나 나노 칼사이트가 혼입되는 경우 나노 칼사이트의 시드 효과를 인해 자기치유 수화물의 성장이 촉진되어 동일한 균열 폭의 경우에도 자기치유 성능이 향상된다.

나아가, 본 발명은 균열 폭 0.25㎜ 이상에서 자기치유성능을 달성하기 위하여 보통 포틀랜드 시멘트에 배합되는 나노 칼사이트의 최적 비율 및 최적 입도를 최적화함으로써, 나노 칼사이트의 시드 효과를 통한 자기치유 성능을 극대화시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 나노 칼사이트가 배합된 모르타르에 대하여 균열 내 이온 농도에 따른 자기치유 물질 생성량을 나타낸 것으로서, 일반 배합에 비해 나노 칼사이트 혼입 자기치유 배합의 경우, 동일 이온 농도에서 자기치유 물질 생성량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 자기치유 성능의 향상을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 나노 칼사이트가 배합된 모르타르에서 나노 칼사이트 혼입량에 따른 28일 시편의 투수량 감소율과 28일 압축강도를 측정한 결과로서, 상기 결과로부터 나노 칼사이트의 최적 혼입량을 산정할 수 있다. 상기 도 4에서 나노 칼사이트 혼입율이 0.7%일 때 가장 높은 투수 감소율을 보이고, 나노 칼사이트 혼입율 0.5 내지 0.9중량%일 때, 투수감소율이 약 90% 정도로 높아진 결과를 보인다. 반면에, 나노 칼사이트 혼입율이 1.1중량% 이상일 경우에는 자기치유 성능이 오히려 감소하는 경향을 확인할 수 있다.

또한, 나노 칼사이트 혼입율에 따른 압축 강도 측정 결과, 나노 칼사이트 0.5중량% 혼입 시 압축 강도가 가장 높았으며, 0.9중량%까지는 유사하다가 혼입율이 1.1중량% 이상인 경우 크게 감소함으로써, 상기 압축강도 및 투수 감소율 결과를 토대로, 바람직한 나노 칼사이트 혼입율은 0.5 내지 0.9중량%로 선정할 수 있다.

또한, 도 7은 본 발명의 나노 칼사이트가 배합된 모르타르에서 나노 칼사이트의 평균입자크기별 투수량 감소율 및 슬럼프 플로우(slump flow) 결과를 나타낸 것이다.

상기 도 5에서 나노 칼사이트의 평균 직경이 작을수록 직경에 따른 투수 감소율 및 슬럼프 플로우가 감소하여 작업성이 떨어지는 결과를 확인할 수 있으며, 평균 직경이 증가할수록 시드 효과가 나타나지 않아 자기치유 성능이 감소하는 결과를 보인다. 따라서, 도 5의 결과로부터, 나노 칼사이트의 시드 효과를 통한 자기치유 성능과 작업성도 확보할 수 있는 최적의 나노 칼사이트의 평균직경은 30 내지 50nm인 것으로 선정된다.

도 8은 본 발명의 나노 칼사이트가 배합된 모르타르에서 28일 기간 동안 물의 흐름변화를 통한 자기치유 콘크리트의 자기치유 성능평가를 나타낸 것이다. 상기 도 8의 결과로부터 본 발명의 나노 칼사이트가 배합된 경우 시간경과에 따라 최대 95%이상 투수량이 감소한 반면에, 나노 칼사이트가 배합되지 않은 일반배합의 경우 시간경과에 따라 최대 40% 정도만 감소한 결과를 확인할 수 있다. 이상으로부터, 본 발명의 나노 칼사이트를 최적 함량과 최적의 평균입자크기로 배합한 콘크리트는 나노 칼사이트의 시드 효과로 인해 균열 내부의 자기치유 생성물 형성을 촉진시킬 수 있으므로 궁극적으로 자기치유성능이 향상된 콘크리트를 제공할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1∼2>

하기 표 1에 제시된 조성으로 배합하여, 직경 100mm, 높이 50mm의 디스크 형태의 시편을 제작하여 자기치유 콘크리트의 자기치유 성능을 평가하였다. 이때, 나노 칼사이트는 상용제품을 사용하였으며, 그 평균입경은 40nm이었다.

<실시예 4∼5>

하기 표 2의 나노 칼사이트를 평균입자크기별로 배합한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

1. 균열 유도

상기 실시예 1에서 제작된 시편을 배합 이후 1일 간 23±1℃, RH 100% 챔버에서 양생하였으며, 이후 23±1℃ 수조에서 27일간 수중 양생하였다. 재령 28일의 시편을 수조에서 꺼내 UTM을 이용하여 관통 균열을 낸 후 구리선(copper wire)을 넣어 균열 폭이 250 ± 20㎛이 되도록 고정시켜 균열을 유도하였다.

도 3은 자기치유 콘크리트의 자기치유 성능평가를 위한 균열 유도된 시험체의 사진을 제시하였다.

2. 균열 자기치유 성능평가

도 6에서 균열 유도된 시험체를 도 4에 도시된 투수법(water flow test)에 따라, 세팅한 후 시간에 따른 투수량 변화를 측정하였다. 이때, 실험기간은 총 28일간 수행하였으며, 투수량 감소율이 클수록 자기치유 성능이 뛰어난 것으로 간주한다.

<실험예 1> 이온 농도에 따른 자기치유 물질 생성량 분석

상기 실시예 1 에서 제작된 시편에 균열 유도한 것과 동일하게 비교예 1에서 제작된 시편에도 동일한 방법으로 균열 유도하고, 총 28일 동안 균열 내 이온 농도에 따른 자기치유 물질 생성량을 분석하였다.

그 결과를 도 5에 나타내었으며, 비교예 1(일반 배합)에 비해, 실시예 1의 시편에서 동일 이온 농도에 대하여, 자기치유 물질 생성량이 현저히 증가하였다. 따라서, 나노 칼사이트를 함유하여 배합한 콘크리트는 자기치유 성능 향상을 확인하였다.

<실험예 2> 나노 칼사이트 혼입율에 따른 자기치유 콘크리트의 자기치유 성능평가

상기 표 1의 모르타르 배합비 대로 제작된 시편을 도 3의 방법에 따라 균열을 유도하고, 도 4에 제시된 투수법(water flow test)에 따라, 투수량 감소율을 측정하였다.

그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 28일간 물의 흐름 변화를 측정한 결과, 실시예 1 내지 3의 시편의 경우, 약 95% 이상 투수량이 감소된 반면, 비교예 1(일반 배합)의 시편에서는 40% 정도 감소된 것으로 나타났다.

또한, 나노 칼사이트 혼입율에 따른 압축 강도 측정 결과, 나노 칼사이트 0.5중량% 혼입된 실시예 1의 경우, 압축 강도가 가장 높았으며, 0.9%까지는 유사하다가 혼입율이 1.1% 이상인 경우 크게 감소한 결과를 보였다.

상기 압축강도 및 투수 감소율 결과로부터 바람직한 나노 칼사이트 혼입율은 0.5 내지 0.9중량%일 때, 나노 칼사이트를 함유하여 배합한 콘크리트의 자기치유 성능 향상을 기대할 수 있다.

<실험예 3> 나노 칼사이트의 평균입자크기별 자기치유 콘크리트의 자기치유 성능평가

상기 표 2의 나노 칼사이트의 평균입경크기별 배합하여 제작된 시편을 도 3의 방법에 따라 균열을 유도하고, 도 4에 제시된 투수법(water flow test)에 따라, 투수 감소율 및 슬럼프 플로우(slump flow)를 측정하였다.

그 결과를 도 7에서 도시하였는바, 나노 칼사이트의 평균 직경이 작을수록 직경에 따른 투수 감소율 및 슬럼프 플로우가 감소하여 작업성이 떨어지는 결과를 확인할 수 있었으며, 평균 직경이 증가할수록 시드 효과가 나타나지 않아 자기치유 성능을 기대할 수 없었다.

따라서, 도 7의 결과로부터, 나노 칼사이트의 시드 효과를 통한 자기치유 성능과 작업성도 확보할 수 있는 최적의 나노 칼사이트의 평균입자크기는 30 내지 50nm인 것으로 선정되었다.

<실험예 4> 시간경과에 따른 자기치유 콘크리트의 자기치유 성능평가

상기 실시예 1에서 제작된 시편과 비교예 1에서 제작된 시편에 균일 폭 250±20㎛으로 유도한 후 28일 기간동안 물의 흐름을 측정하였다.

그 결과를 도 8에 도시하였고, 실시예 1의 시편의 경우 시간경과에 따라 최대 95%이상 투수량이 감소한 반면에, 비교예 1(일반배합)의 경우 시간경과에 따라 최대 40% 정도만 감소한 결과를 확인하였다.

이상으로부터, 본 발명의 나노 칼사이트를 최적 함량과 최적의 평균입자크기로 배합한 콘크리트는 상기 나노 칼사이트의 시드 효과로 인해 균열 내부의 자기치유 생성물 형성을 촉진시킬 수 있으므로 궁극적으로 자기치유성능이 향상된 콘크리트를 제공할 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (3)

1. 보통 포틀랜드 시멘트에 무기계 자기치유 소재를 배합된 자기치유 콘크리트에 있어서,
   상기 무기계 자기치유 소재가 나노 칼사이트이고, 0.25㎜ 이상의 균열 폭에 자기치유성능이 확보된, 자기치유 콘크리트.
2. 제1항에 있어서, 상기 나노 칼사이트가 0.5 내지 0.9중량% 배합된 것을 특징으로 하는 무기계 광물질이 함유된 자기치유 콘크리트.
3. 제1항에 있어서, 상기 나노 칼사이트가 평균입자크기 30 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 무기계 광물질이 함유된 자기치유 콘크리트.

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