KR20210098107A - 자기치유 조성물 및 그 코팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기치유 조성물 및 그 코팅방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무기계 결정촉진제를 코팅함으로써 콘크리트의 수화 과정에서 무기계 결정촉진제의 반응을 억제하고 장기적으로 무기계 결정촉진제를 미반응 상태로 남겨 놓균열 발생시 빠르게 침투한 수분과 반응하여 자기치유 성능을 발현, 향상시킬 수 있는 자기치유 조성물 및 그 코팅방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 자기치유 조성물은 무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여 유기계 코팅제 20~100중량부를 포함한다.

Description

자기치유 조성물 및 그 코팅방법{SELF-HEALING AGENT AND COATING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 자기치유 조성물 및 그 코팅방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무기계 결정촉진제를 코팅함으로써 콘크리트의 수화 과정에서 무기계 결정촉진제의 반응을 억제하고 장기적으로 무기계 결정촉진제를 미반응 상태로 남겨 놓아 균열 발생시 빠르게 침투한 수분과 반응하여 자기치유 성능을 발현, 향상시킬 수 있는 자기치유 조성물 및 그 코팅방법에 관한 것이다.

최근 구조물의 노후화로 인해 내구성능 및 유지보수에 대한 관심이 높아지면서, 콘크리트 구조물에 발생한 균열을 스스로 치유하여 내구성능을 향상시키고 유지보수 비용을 절감시킬 수 있는 균열 자기치유 콘크리트에 대한 관심이 높아지고 있다.

이에, 콘크리트 구조물의 균열 발생에 따른 문제를 해결하기 위한 방안으로서 최근에는 콘크리트 구조물에 균열이 발생하였을 때, 외부의 인위적인 작용 없이 콘크리트 내부의 물질에 의하여 스스로 균열을 복구하여 원래의 기능을 유지하게 만드는 자기치유 콘크리트(Self Healing Concrete)의 개발이 큰 관심을 얻고 있다.

일반 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, 균열발생을 제어하는 것이 콘크리트 구조물의 내구성을 유지하고 유지보수비용을 감소시키는데 중요한 요소로 작용한다.

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, 자기치유 콘크리트 기술로 무기계 결정촉진제는 균열 발생 시 침투한 수분과 반응하여 탄산칼슘 및 silicate gel 등의 물질을 생성하여 균열을 치유하는 소재이다. 무기계 결정촉진제는 다른 자기치유 소재에 비해 상대적으로 가격이 저렴하고 강도 및 workability에 미치는 영향이 적기 때문에 일본 등을 중심으로 개발이 이루어지고 있다.

하지만 무기계 결정촉진제의 높은 반응성으로 인해 초기 수화과정에서 물과 반응하여 장기적으로 자기치유 성능을 확보하기 어렵다는 문제가 발생하고 있고, 이러한 무기계 결정촉진제의 한계를 극복하기 위한 방법으로 무기계 결정촉진제를 캡슐화하여 균열 발생 시 까지 반응하지 않도록 하는 방법을 연구하고 있다.

하지만 캡슐로 인해 콘크리트의 강도가 저하되는 문제와 균열 발생 시 캡슐이 파괴되지 않아 오히려 자기치유 성능이 감소하는 문제가 발생하고 있다.

특허출원 제10-2017-16600호 특허출원 제10-2018-93715호 특허출원 제10-2016-0178856호 일본 공개특허 제2011-236072

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 콘크리트의 수화 과정에서 무기계 결정촉진제의 반응을 억제하고 장기적으로 무기계 결정촉진제를 미반응 상태로 남겨 놓을 수 있는 자기치유 조성물 및 그 코팅방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 수분과의 접촉 시간이 지남에 따라 성능이 저하되어 균열의 발생 여부와 관계없이 자연적으로 코팅제가 파괴되어 내부 물질인 무기계 결정촉진제가 콘크리트 내부에 반응 가능한 상태로 남아 있게 되어 균열 발생시 빠르게 반응이 가능한 자기치유 조성물 및 그 코팅방법을 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 자기치유 조성물은 무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여 유기계 코팅제 20~100중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 무기계 결정촉진제는 석고(CaSO₄)분말 30 ~ 50 중량% 및 망초(Na₂SO₄)분말 50 ~ 70 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 유기계 코팅제는 포화지방산인 것이 바람직하다.

또한 상기 유기계 코팅제는 액상의 팔미트산(PALMITIC ACID)인 것이 바람직하다.

또한 상기 무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여 유성용매 500 ~ 1,000 중량부가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한 상기 유성용매는 액상의 에탄올인 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 자기치유물질 코팅방법은 분말 형태의 무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여, 액상의 유기계 코팅제 20~100중량부와, 액상의 유성용매 500 ~ 1,000 중량부를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 건조하여 상기 유성용매를 증발시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유성용매를 증발시키는 단계는 상기 유기계 코팅제의 용융점 이하의 온도에서 건조되는 것이 바람직하다.

또한 상기 무기계 결정촉진제는 석고분말 30 ~ 50 중량% 및 망초분말 50 ~ 70 중량%를 포함하고, 상기 유기계 코팅제는 액상의 팔미트산(PALMITIC ACID)이며, 상기 유성용매는 액상의 에탄올인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 무기계 결정촉진제를 코팅함으로써 콘크리트의 수화 과정에서 무기계 결정촉진제의 반응을 억제하고 장기적으로 무기계 결정촉진제를 미반응 상태로 남겨 놓을 수 있는 효과가 있다.

따라서 균열 발생시 빠르게 침투한 수분과 반응하여 자기치유 성능을 발현, 향상시킬 수 있는 것이다.

특히, 본 발명에 의한 코팅제는 수분과의 접촉 시간이 지남에 따라 자연적으로 성능이 저하되어 균열의 발생 여부와 관계없이 무기계 결정촉진제가 콘크리트 내부에 반응 가능한 상태로 남아 있게 되어 균열 발생시 빠르게 반응이 가능하다.

도 1은 무기계 결정촉진제의 코팅유무에 따른 미반응물의 양을 나타낸 것이다.
도 2는 무기계 결정촉진제의 코팅유무에 따른 용해도를 나타낸 것이다.
도 3은 무기계 결정촉진제의 코팅유무에 따른 균열면에 존재하는 미반응 결정촉진제의 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 무기계 결정촉진제의 코팅유무에 따른 자기치유 성능을 나타낸 것이다.
도 5는 무기계 결정촉진제의 코팅방법을 나타낸 것이다.
도 6은 수분에 의한 코팅두께의 감소를 나타낸 것이다.
도 7은 코팅두께에 따른 용해 개시시기를 나타낸 것이다.
도 8은 시간에 따른 이온의 농도를 나타낸 것이다.
도 9는 Water flow test 수행결과를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.

본 발명은 콘크리트의 초기 재령에서 반응을 억제하고 장기적으로 무기계 결정촉진제를 미반응 상태로 남아 있도록 하여 장기 자기치유 성능을 향상시킬 수 있는 무기계 결정촉진제 코팅 기술 및 이를 이용한 자기치유 콘크리트 제조에 관한 것이다.

구체적으로 본 발명에 따른 자기치유 조성물은 무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여 유기계 코팅제 20~100중량부와 유성용매 500 ~ 1,000중량부를 포함한다.

상기 무기계 결정촉진제는 망초(Na₂SO₄)와 석고(CaSO₄)를 분말형태로 혼합하여 이루어진다.

상기 망초는 Na⁺와 SO₄ ^2-로 용해되어 SO₄ ^2-는 침상형 수화물인 Ettringite와 판상형 수화물인 monosulfate를 형성하여 균열을 치유하고, Na⁺는 높은 확산 속도로 균열이 발생한 위치로 빠르게 이동하여 균열에서 Na-계 화합물을 형성하여 균열을 치유한다.

상기 망초는 Na⁺ 공급재료로서 자기치유에는 유리하지만, Na²⁺ 이온이 강도 발현에 나쁜 영향을 미치기 때문에 일부를 석고 분말로 대체하는 것이다.

상기 석고는 Ca²⁺와 SO₄ ^2-로 용해되어 SO₄ ^2-는 침상형 수화물인 Ettringite와 판상형 수화물인 monosulfate를 형성하여 균열을 치유하고, Ca²⁺는 CO₃ ^2-와 반응하여 탄산칼슘(CaCO₃)를 형성하여 균열을 치유한다.

구체적으로 석고(CaSO₄)분말 30 ~ 50중량% 및 망초(Na₂SO₄)분말 50 ~ 70중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 유기계 코팅제는 액상의 포화지방산으로서, 팔미트산(PALMITIC ACID)인 것이 바람직하다.

상기 팔미트산은 일정 시간 동안 수분을 차단하는 역할을 하지만, 수분과의 지속적인 접촉을 통해 그 성능이 상실되는 물질이다.

상기 팔미트산은 양 끝이 소수기와 친수기로 구성되어 있으며 친수기의 음전하가 결정촉진제의 양전하와 결합하여 결정촉진제 주변을 코팅하며 반대편이 소수기로 되어 있기 때문에 수분과의 접촉을 차단하게 된다.

이러한 특성을 통해 팔미트산은 망초와 석고를 포함하는 상기 무기계 결정촉진제의 반응성을 일정 시간 지연시키는 작용을 하며, 시멘트의 수화 과정에서 물과의 지속적인 접촉에 의해 일정 시간이 지난 후 소실되어 결정촉진제가 반응이 가능한 상태로 만들 수 있다.

따라서 팔미트산을 이용한 코팅을 통해 장기적으로 무기계 결정촉진제를 콘크리트 내부에서 미반응 상태로 남아 있도록 할 수 있으며, 장기적으로 자기치유 성능을 향상시킬 수 있다.

특히, 상기 유기계 코팅제의 양에 따라 코팅의 두께가 달라지고 코팅의 두께가 두꺼워질수록 용해 속도가 달라지기 때문에 이를 고려하여 상기 유기계 코팅제는 무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여 20~100중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

다만, 유기계 코팅제가 많이 사용될 경우 강도 발현과 무관한 소재를 사용하는 것이기 때문에 콘크리트의 강도 저하 등의 문제가 발생할 수도 있다.

상기 유성용매는 액상의 에탄올인 것이 더욱 바람직하다.

또한 상기 유성용매는 상기 무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여 500~1,000중량부가 포함되는 것이 바람직하다.

도 1은 무기계 결정촉진제의 코팅유무에 따른 미반응물의 양을 나타낸 것이다. 도 1에서 원재료는 망초와 석고가 혼합된 무기계 결정촉진제를 일컫는다.

이를 통해 알 수 있는 바와 같이, 코팅되지 않은 무기계 결정촉진제(일반소재)는 콘크리트 배합 직후 물에 용해되기 때문에 균열 발생 시기에는 소량만 남아 있게 된다.

반면 본 발명에 따라 유기계 코팅제에 의해 코팅된 무기계 결정촉진제(코팅소재)는 유기계 코팅제가 무기계 결정촉지제가 수분과의 접촉을 차단하여 장기재령까지 미반응 상태로 남아 있게 된다.

그러나 균열 발생의 여부와 관계없이 코팅막의 성능 저하가 발생하면 무기계결정촉진제가 용해되는데, 이미 주변에 수화물에 생성되었기 때문에 초기 재령과 동일한 양이 반응하지는 않으며, 상대적으로 많은 양이 미반응 상태로 남아 있게 된다.

도 2는 무기계 결정촉진제의 코팅유무에 따른 용해도를 나타낸 것이다. 코팅되지 않은 무기계 결정촉진제(일반소재)는 물에 넣는 순간 용해되기 시작한 반면 코팅제가 코팅된 무기계 결정촉진제(코팅소재)는 코팅막이 제거된 이후 용해가 시작된다. 이러한 용해 개시 시기의 차이로 인해 장기적으로 자기치유 성능을 향상시킬 수 있다.

도 3과 도 4는 무기계 결정촉진제의 코팅에 따른 균열 주변부의 미반응 무기계 결정촉진제 변화와 그에 따른 자기치유 성능 변화를 나타낸다. 일반 소재는 팅되지 않은 무기계 결정촉진제를 일컫는 것이고, 코팅 소재는 코팅제가 코팅된 무기계 결정촉진제를 일컫는 것이다.

도 3을 보면 무기계 결정촉진제의 코팅 여부에 따라 균열 발생 시기에 존재하는 무기계 결정촉진제의 양이 달리지는 것을 확인할 수 있으며, 도 4와 같이 무기계 결정촉진제의 양의 차이로 인해 치유 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.

도 5는 무기계 결정촉진제의 코팅 방법을 나타낸다.

이와 같은 자기치유물질 코팅방법을 설명한다.

먼저, 분말 형태의 무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여, 액상의 유기계 코팅제 20~100중량부와, 액상의 유성용매 500 ~ 1,000중량부를 혼합한다.

다음으로, 상기 혼합물이 충분히 섞이도록 교반한다.

다음으로, 상기 혼합물을 건조하여 상기 유성용매를 증발시킨다.

무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여 상기 유기계 코팅제인 포화지방산은 20~100중량부를 혼합한다. 상기 포화지방산이 20중량부 미만일 경우에는 지나치게 빠르게 용해되고, 100중량부를 초과하는 경우에는 반대로 너무 느리게 용해가 된다.

무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여 에탄올 500 ~ 1,000중량부를 혼합하는데, 에탄올이 500중량부 미만일 경우에는 유기계 코팅제가 무기계 결정촉진제 표면을 적절하게 둘러싸서 코팅하지 못하는 문제가 있고, 에탄올이 1,000중량부를 초과하는 경우에는 유기계 코팅제가 따로 뭉치는 현상이 발생하고 유성용매의 증발 시간이 오래 걸려 생산성의 문제가 있다.

상기 포화지방산의 용융점 이하의 온도(약 40℃)에서 약 6~12시간 건조하여 에탄올을 휘발시킨다.

상기 포화지방산의 코팅 조건은 다음과 같다.

첫째, 코팅 물질의 반응성을 일정 시간 지연시키는 작용을 한다.

둘째, 시멘트의 수화시 소실되어야 한다.

셋째, 코팅된 분말의 분산작용에 용이한 물설을 나타내야 한다.

넷째, 코팅 후 착염의 생성으로 분말의 표면에 안정적인 코팅 상태를 유지할 수 있어야 한다.

이러한 조건에 부합하는 물질로서 포화지방산은 팔미트산(Palmitic Acid)이 바람직하다.

도 6은 유기계 코팅제가 코팅되지 않은 무기계 결정촉진제(일반 소재)와 유기계 코팅제가 코팅된 무기계 결정촉진제(코팅 소재)를 나타낸 것이다. 코팅막은 지속적인 수분과의 접촉에 의해 사라지며, 코팅이 사라지면 용해가 가능한 상태가 된다.

도 7은 코팅 두께에 따른 용해 개시시기를 나타낸다. 코팅막이 두꺼울수록 용해 개시 시기가 길어지나, 코팅 재료비가 증가하고, 콘크리트 전체 부피에서 유기계 코팅 소재가 차지하는 비용이 증가한다. 따라서 목표로 하는 치유 시기에 맞춰 적절한 코팅 두께를 찾는 것이 필요하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

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

실시예 및 비교예

본 발명에서 제시하고 있는 방법을 통해 제작한 코팅된 무기계 결정촉진제의 시간에 따른 용해도를 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 비교예와 실시예를 증류수에 용해시킨 후 시간에 따라 용해되는 이온의 농도를 Ion chromatography를 통해 측정하였다.

도 8은 증류수에 용해된 시간에 따른 이온의 농도를 나타낸 것이다. 이로부터 코팅제는 이온이 용해되기 시작하는데 약 72시간이 소요되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 실시예가 장기 재령에도 무기계 결정촉진제가 미반응 상태로 남아있으며, 자기치유 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

본 발명에 의한 코팅제를 활용한 자기치유 콘크리트의 자기치유 성능을 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 실험을 위해 표 1은 모르타르 배합비로서 표 1의 배합비를 이용하여 직경 100mm, 높이 50mm의 디스크를 만들었다. 비교예 1과 비교예 2는 실시예와의 성능 비교를 위해 사용되었다.

	물/결합재 비	배합수	시멘트	자기치유 조성물		잔골재
				무기계 결정촉진제	유기계 코팅제
비교예 1	0.40	40	100	-	-	200
비교예 2	0.40	40	95	5	-	200
실시예	0.40	40	95	-	5	200

실험방법 및 평가

1) 균열 유도

시편 배합 이후 1일 간 23±1°C, RH 100% 챔버에서 양생하였으며, 이후 23±1°C 수조에서 재령 28일까지 수중 양생하였다.

재령 28일의 시편을 수조에서 꺼내 UTM을 이용하여 관통 균열을 낸 후 실리콘 시트를 시편 양 끝에 넣어 을 넣어 균열 폭이 250 ± 10㎛이 되도록 고정시킨다.

2) 균열 자기치유 성능평가

water flow test 세팅을 한 후 시간에 따른 투수량 변화를 측정한다.

실험은 총 28일간 수행하였으며, 투수량 감소율이 클수록 자기치유 성능이 뛰어난 것으로 볼 수 있다.

3) 측정결과

도 9에 나타난 바와 같이, 28일간 투수량(water flow) 변화를 측정한 결과 비교예 1은 약 40% 투수량이 감소하였으며, 비교예 2는 약 65% 감소하였다.

반면, 실시예는 투수량이 100% 감소되었는데, 이를 통해 무기계 결정촉진제의 코팅을 통해 자기치유 성능이 향상된다는 것을 확인할 수 있다.

Claims (9)

1. 무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여 유기계 코팅제 20~100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기치유 조성물.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 무기계 결정촉진제는 망초(Na₂SO₄)분말 50 ~ 70 중량% 및 석고(CaSO₄)분말 30 ~ 50 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기치유 조성물.
   
3. 제1항 있어서,
   상기 유기계 코팅제는 포화지방산인 것을 특징으로 하는 자기치유 조성물.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 유기계 코팅제는 액상의 팔미트산(PALMITIC ACID)인 것을 특징으로 하는 자기치유 조성물.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여 유성용매 500 ~ 1,000 중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 자기치유 조성물.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 유성용매는 액상의 에탄올인 것을 특징으로 하는 자기치유 조성물.
   
7. 분말 형태의 무기계 결정촉진제 100중량부에 대하여, 액상의 유기계 코팅제 20~100중량부와, 액상의 유성용매 500 ~ 1,000 중량부를 혼합하는 단계; 및
   상기 혼합물을 건조하여 상기 유성용매를 증발시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기치유물질 코팅방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 유성용매를 증발시키는 단계는 상기 유기계 코팅제의 용융점 이하의 온도에서 건조되는 것을 특징으로 하는 자기치유물질 코팅방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 무기계 결정촉진제는 석고분말 30 ~ 50 중량% 및 망초분말 50 ~ 70 중량%를 포함하고,
   상기 유기계 코팅제는 액상의 팔미트산(PALMITIC ACID)이며,
   상기 유성용매는 액상의 에탄올인 것을 특징으로 하는 자기치유물질 코팅방법.
   

Images