WO2021075776A1 - 혹한의 동절기 환경과 냉동창고 바닥 보수시공이 가능한 자기발열 세라믹 모르타르 조성물 및 이를 이용한 동절기 콘크리트 구조물의 시공 방법 - Google Patents

혹한의 동절기 환경과 냉동창고 바닥 보수시공이 가능한 자기발열 세라믹 모르타르 조성물 및 이를 이용한 동절기 콘크리트 구조물의 시공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혹한의 동절기 와 영하-20℃이하의 냉동창고 보수시공이 가능한 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물을 제공하고 이를 이용하여 동절기 콘크리트 구조물의 시공방법에 관한 것으로 산화마그네슘과 인산염의 산-염기반응(acid-base reaction)에 의해 급속하게 반응하여 화학적으로 결합하는 세라믹 경화체의 기본 메커니즘에 기초하여 초기 급속한 발열반응과 저온에서도 수화반응이 진행되는 점을 통해 경화 시 발생하는 자기발열로 인하여 극저온의 상태에서도 동결되지 않고 자체적으로 경화되는 자기발열 세라믹 모르타르는 조강성, 불투수성, 우수한 단열성, 수축과 팽창이 거의 없기 때문에 혹한의 동절기 와 영하-20℃이하의 냉동창고 보수시공이 가능한 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물은 마그네시아(MgO) 15~30 중량부, 인산염(phosphate) 20~40 중량부, 발열촉진제 1~10 중량부, 규회석(Wollastonite) 5~20 중량부, 무기결합제 5~15 중량부, 세노스피어 5~10 중량부, 실리카샌드 30~55 중량부, 기능성첨가제 10~20 중량부를 포함한다.

Description

혹한의 동절기 환경과 냉동창고 바닥 보수시공이 가능한 자기발열 세라믹 모르타르 조성물 및 이를 이용한 동절기 콘크리트 구조물의 시공 방법
본 발명은 혹한의 동절기 영하 -20℃ 이하의 악천후 조건에서도 냉동창고 보수시공이 가능한 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물을 제공하고 이를 이용하여 동절기 콘크리트 구조물의 시공방법에 적용될 수 있는 기술분야의 발명이다.
본원은 산화마그네슘과 인산염의 산-염기반응(acid-base reaction)에 의해 급속하게 반응하여 화학적으로 결합하는 세라믹 경화체의 기본메카니즘을 기초로 활용하여 초기 급속한 발열반응과 저온에서도 수화반응이 진행되는 점을 통해 경화 시 발생하는 자기발열로 인하여 극저온의 악천후 조건에서도 동결되지 않고 자체적으로 경화되는 원리를 이용하고자 하는 기술이다.
따라서 본원에서 제공하고자 하는 자기발열 세라믹 모르타르는 조강성, 불투수성, 우수한 단열성, 수축과 팽창이 거의 없기 때문에 혹한의 동절기와 영하 20℃ 이하의 냉동창고 내부에서도 보수시공이 가능한 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물을 제공하고 이를 이용하여 동절기 콘크리트 구조물의 시공 방법을 제공하고자 하는 기술분야의 발명이다.
동절기 공사가 많은 지역에서는, 굳지 않은 모르타르 및 콘크리트가 동결하지 않고 최적의 압축강도를 발휘하도록 적용되기 위해서는 초기양생이 매우 중요한바, 모르타르가 초기 양생시 동해의 영향을 받게 되면 양생이 이루어진 후 강도증진 및 내구성이 떨어지므로, 또 다른 대비책으로 한중콘크리트 시공이 불가피하였다.
한국의 국토교통부 시방서에 따르면 한중콘크리트 적용은 일일 평균 기온이 4℃ 이하인 날로 규정하고 있으며, 기온이 0℃ 이하로 떨어지는 경우 물공사 중단을 실시하도록 지방자치단체와 토지주택공사의 경우 이에 따르고 있다.
지방자치단체의 경우 한중콘크리트의 시공이 년중 31~160일이고 토지주택공사의 경우 년중 20~120일에 이르고 있어 공사중단에 따른 막대한 손실을 초래하고 있는 실정이고 콘크리트의 동해를 방지하기 위해서는 먼저 강도나 내구성 등의 요구 성능을 만족시켜야 하며 굳지 않은 상태의 시공성과 경화 시의 수화반응이 충실히 이루어지도록 하지 않으면 안되는 문제를 해결하기 위한 고육책이다.
동절기 콘크리트 공사에 사용되는 한중콘크리트에 대한 연구는 한중콘크리트 제조기술과 가열 보온양생 방법에 관한 연구로 구분할 수 있는바 한중콘크리트 제조기술이란 물과 골재를 가열하여 콘크리트의 온도를 높이는 일반적인 방법과 내한 촉진제를 사용하여 동결온도 이하에서 상당량의 수분이 동결하지 않고 경화가 진행되도록 하는 방법이 적용되고 가열 보온양생 방법으로는 제트히터, 갈탄 등 열원 공급을 통한 가열보온 양생을 실시하거나. 거푸집 등에 열선을 넣어 가열하는 단열 양생방법 등이 채용되어 사용되고 있다.
한편, 종래의 내한 촉진제 연구방향을 보면, 콘크리트 배합수의 어는점을 낮추는 연구가 진행되어 왔으며, 극한환경(0 ~ -20℃ 등)에서 콘크리트가 동결되는 것을 방지하기 위하여 내한 촉진제를 사용하도록 개발되어 왔으나 내한 촉진제를 과도하게 사용하여 모르타르의 강도를 조절할 경우 장기 재령에서 강도 발현이 문제점이 되고, 특히 철근부식 우려가 있어 구조물의 내구성에 문제를 가져올 수 있으므로 적용하기 어려운 상태였다.
한편, 전 세계적으로 식품위생의 중요성이 인식되면서 냉동식품의 유통이 글로벌화 되고 있는 추세이고, 국내에서도 냉동, 냉장식품의 생산 및 유통이 전문화 되고 있는 현실에서 냉동, 냉장창고의 건설은 대형화 되고 있으며 그 수는 날로 증가하고 있는 추세이다.
특히 오래된 냉동창고 뿐 아니라 신축된 냉동창고 바닥이나 벽체에 크랙이 발생 하거나 부분적으로 파손되는 경우 냉동효율이 극격히 떨어지므로 보수공사가 필요한데, 보수공사가 수행되는 경우 중장비나 지게차의 운행 시 위험을 초래하고 분진이 발생하게 되며 이런 하자가 발생한 냉동창고를 보수하기 위한 종래 방법은 가동 중인 냉동창고를 모두 중단하고 하자 보수시공을 새롭게 해야되는 경우 냉동중단에 따른 손실비용과 보수공사에 따른 시간이 너무 많이 들어 막대한 손실을 초래하고 있는 실정이다.
따라서, 혹한의 동절기 상황 또는 영하 -20℃ 이하를 유지해야 하는 냉동창고에 하자보수공사가 필요한 경우 벽체나 바닥타설에서 콘크리트의 강도발현 원천소재인 세라믹 모르타르 조성물이 스스로 발열하게 된다면 이러한 초기 동해를 최소화할 수 있으며 초기 압축강도를 증진시키고 장기적으로는 콘크리트의 안정성 및 내구성을 확보하는데 크게 기여할 수 있음은 물론이다.
상기와 같은 동절기 공사를 가능케 하기 위한 과제를 포함하여 개발된 관련 선행기술을 살펴보면, 대한민국 공개특허공보 제10-1561003호(발명의 명칭 : 자기발열 슬래그를 포함한 시멘트 조성물, 이를 포함한 한중 콘크리트 조성물 및 이를 이용한 구조물의 시공방법에서 C3A(3CaO·Al 2O 3 )을 주요광물로 포함하며, Al 2O 3 를 20 중량% 이상 함유하는 자기발열 슬래그, 시멘트 및 석고를 포함하는 조성물이 제시되어 있으나, 본원 기술과는 칼슘-알루미네이트계 광물인 자기발열 슬래그와 고분말도 시멘트, 석고를 사용하여 자기발열을 일으키도록 적용되는 부분에서 차이를 갖고 상기 구성으로는 본원이 제공하는 혹한의 동절기 및 영하 -20℃ 이하의 극저온 상태에서 경화되는 효과를 얻을 수 없는 기술로 판단 된다.
또한 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0003759호(발명의 명칭: 발열 콘크리트용 내한촉진제 조성물)에는 조기강도를 발현할 수 있는 발열 콘크리트용 내한촉진제 조성물은 방동성을 부여하기 위하여 첨가되고, 질산칼슘, 아질산칼슘 및 아질산리튬을 포함하는 제1 혼화제; 콘크리트의 응결시간 및 발열시간을 조절하기 위해 첨가되고, 포타슘포메이트(PF), 포타슘아세테이트(PA), 칼슘포메이트(CF), 질산칼륨, 주석산 및 리튬카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 제2 혼화제; 및 상기 제1 혼화제 및 제2 혼화제를 혼합하기 위하여 사용되는 배합수를 포함하는 구성을 이루고 배합수에 질산칼슘, 아질산칼슘 및 아질산리튬을 포함하는 혼화제를 혼합하고 응결시간 및 발열시간 조절을 위해 시멘트 종류에 따라 최적의 비율로 배합된 혼화제를 더 첨가함으로써 액상형태로 제조된 내한촉진제를 사용하는 기술이 제시되어 있으나 본원 기술과는 발열 콘크리트 방동제를 일반 포틀랜드 시멘트, 조강용시메트, 알루미나 시멘트 등에 사용하여 한중콘크리트에 적용함으로써 영하 조건 온도에서도 콘크리트의 동결을 방지하는 부분에서 차이를 갖고 상기 구성으로는 본원이 제공하는 장기 재령에서 강도 발현에 문제가 발생되지 않는 부분과 상기 기술은 방동제가 과량 사용될 경우 철근부식의 우려가 있고 내구성이 저하되는 문제점이 있으나 본원기술은 이를 극복하는 효과가 있는 것으로 판단된다.
또한 대한민국 등록특허 제10-1006890호(발명의 명칭: 한중 모르타르용 시멘트 조성물, 한중 모르타르 및 이를 이용한 단면 복구 방법)에는 조강 시멘트, 섬유석고, 내한촉진제, 섬유 보강재, 폴리카르복실산계 감수제 및 유동화제를 포함하는 한중 모르타르 및 이를 이용한 철근 콘크리트 구조물의 단면복구 방법에 사용되는 한중 모르타르용 시멘트 조성물 및 이를 이용한 단면 복구방법 등이 제시되어 있으나, 본원 기술과는 내한촉진제를 사용하여 초기동해를 방지하는 부분에서 차이를 갖고 상기 구성으로는 자가발열 효과가 미미하여 최적의 압축강도와 부착강도를 증진시키는 부분에서 본원이 제공하는 효과를 얻을 수 없는 기술로 판단된다.
본원은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 기술로써, 본 발명은 혹한의 동절기 공사가 가능한 것은 물론 영하 20℃ 이하의 냉동창고 보수시공이 가능한 자기발열 세라믹 모르타르 조성물을 제공하고 이를 이용한 동절기 콘크리트 구조물의 시공방법을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.
본원은 더욱 구체적으로 극저온 환경, 특히 혹한의 동절기 및 영하 -20℃ 이하 냉동창고의 극한 환경에서 콘크리트의 강도발현 원천재료인 세라믹 모르타르 조성물이 스스로 발열(發熱)되도록하여 가혹한 조건에서도 동결안정성을 가지면서 초기 압축강도를 증진시키도록 하여 조기강도를 발현할 수 있을 뿐만 아니라 장기적으로는 콘크리트의 안정성 및 내구성을 확보할 수 있는 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본원은 전술한 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물을 적용하여 극저온 환경하에서 실시되는 콘크리트 구조물의 시공 및 보수방법을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.
본원은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본원에서 새롭게 개시되는 기술사상은 혹한의 동절기와 영하 -20℃ 이하의 냉동창고 보수시공이 가능한 자기발열 세라믹 모르타르 조성물의 원료 조성으로 마그네시아(MgO) 15~30 중량부, 인산염(phosphate) 20~40 중량부, 발열촉진제 1~10 중량부, 규회석(Wollastonite) 5~20 중량부, 무기결합제 5~15 중량부, 세노스피어 5~10 중량부, 실리카샌드 30~55 중량부, 기능성첨가제 10~20 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 마그네시아는 마그네사이트 열처리 온도에 따라 600 ∼1,000℃에서 소성하여 제조한 경소마그네시아와 1,450℃ 이상에서 소성한 사소마그네시아가 80 : 20 내지 70 : 30의 비율로 혼합된 마그네시아를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 인산염은 제1인산칼륨(KH 2PO 4)과 제1인산나트륨(NaH 2PO 4)이 90 : 10 ~ 85 : 15의 중량부로 혼합된 인산염을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 발열촉진제는 제1인산암모늄 (NH 4)H 2PO 4, 제2인산암모늄 (NH 4) 2HPO 4, 제3인산암모늄 (NH 4) 3PO 4) 중 하나인 것이 바람직하다.
그리고 규회석(Wollstonite)은 침상구조를 이루고, 평균입경 60±5메쉬 입도크기로 사용될 수 있으며, 무기결합제는 마이크로 실리카흄, 메타카올린, 슬래그, 플라이애쉬 중에서 선택되는 어느 하나 또는 그 이상일 수 있으며, 세노스피어는 용적대비 표면적이 낮은 구형의 경량 충진제 일 수 있으며, 상기 기능성 첨가제는 유동화제 3~10 중량부, 발수제 1~5 중량부, 섬유화이버 0.5~2 중량부를 혼합하여 이루어진다.
아울러 실리카샌드는 석영(Quarts)으로 평균입경 0.15~3mm가 혼합된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 혹한의 동절기 영하-20℃ 이하의 냉동창고 보수시공이 가능한 자기발열 세라믹 모르타르 조성물의 시공방법은 시공장소의 바닥 잔해물 및 오염물질을 제거하고 표면을 깨끗하게 정리하는 제1단계 공정과 일반 물로 제공되는 배합수 90 ~ 99 중량부에 제1인산암모늄(NH 4)H 2PO 4, 제2인산암모늄(NH 4) 2HPO 4, 제3인산암모늄 (NH 4) 3PO 4) 중에서 하나가 선택되는 발열촉진제 1~10 중량부를 투입하여 공정배합수를 얻는 제2단계 공정과 상기 제2단계 공정이 진행된 공정배합수 100 중량부 기준에 마그네시아(MgO) 15~30 중량부, 인산염(phosphate) 20~40 중량부, 규회석(Wollastonite) 5~20 중량부, 무기결합제 5~15 중량부, 세노스피어 5~10 중량부, 실리카샌드 30~55 중량부, 기능성첨가제 10~20 중량부가 포함되는 자가발열 세라믹 모르타르 조성물을 얻는 제3단계 공정과 상기 제3단계 공정이 수행된 자기발열 세라믹 모르타르를 시공대상 장소에 타설하는 제4단계 공정을 포함하여 이루어지는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물 시공방법으로 적용될 수 있다.
또한 본원의 시공방법 적용에서 상기 제3단계 공정이 혹한의 동절기 시공이나 영하 -15℃ 냉동창고 시공이 필요할 경우 제1인산암노늄(NH 4)H 2PO 4) 3~7 중량부를 추가하여 발열 촉진을 상승시키도록 적용하는 것을 특징으로 하는 기술사상의 발명이다.
본 발명에 의한 혹한의 동절기와 영하 -20℃ 이하의 냉동창고 보수시공이 가능한 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물은 초기 높은 발열반응으로 세라믹 모르타르 조성물의 반응을 활성화시켜주는 산화마그네슘과 인산염의 산-염기반응(acid-base reaction)에 의해 급속하게 반응하여 자기발열을 일으키는 마그네슘 인산염 복합체를 적용함으로써 혹한의 겨울철 시공과 냉동창고 보수에 있어 초기 압축강도를 증진시키고 조강성, 단열성, 불투수성, 우수한 접착성, 경화 후 수축과 팽창이 거의 없어 콘크리트의 내구성을 향상 시킬 수 있는 효과를 제공한다.
따라서 동절기에 겨울공사 중단에 따른 막대한 손실을 줄이고 고용증대 측면에서도 효과를 제공한다.
본 발명에 따른 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물은 현장의 필요나 조건에 따라 혼화제, 충진제 등을 혼합하여 저온환경에서의 건축물 또는 구조물의 건축, 보수, 보강 등에 이용될 수 있으며, 상기 구조물의 시공은 주택, 학교, 빌딩, 아파트 등과 같은 건축물 또는 구조물의 신축, 보수 및 보강 그리고 도로, 철도, 댐, 교각, 터널, 항만, 각종 수처리시설, 상하수도시설, 축산시설 등의 신축, 보수, 보강 등의 토목공사 뿐 아니라 영하 20℃ 이하의 농,수산물, 육가공, 축산품, 등의 냉동, 냉장창고 보수 보강의 적용성을 높이는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 콘크리트 구조물의 보수공법 공정도.
도 2는 조강 포틀랜드 시멘트, 실시 예 1~2, 비교 예 1의 조성물을 각각 이용하여 저온(-15℃)에서의 단열온도 상승결과를 나타내는 분석그래프.
본 발명은 혹한기 동절기 공사에서 가장 중요한 요소로 굳지 않은 콘크리트가 동결하지 않고 소정의 압축강도를 발휘하여 초기 동해를 방지함과 동시에, 가열 보온 양생으로 인한 불균일한 열원 공급 등에 의한 품질저하 요인 및 환경공학적 문제점들을 해결하기 위한 과제를 갖고 시작된 발명으로 본원에서는 혹한의 동절기와 영하 -20℃ 이하의 냉동창고 보수시공이 가능한 자기발열 세라믹 모르타르 조성물을 통하여 종래기술의 문제점을 해결할 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.
본 발명에 따른 혹한의 동절기와 영하 -20℃ 이하의 냉동창고 보수시공이 가능하도록 제공되는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물은 마그네시아(MgO) 15~30 중량부, 인산염(phosphate) 20~40 중량부, 발열촉진제 1~10 중량부, 규회석(Wollastonite) 5~20 중량부, 무기결합제 5~15 중량부, 세노스피어 5~10 중량부, 실리카샌드 30~55 중량부, 기능성첨가제 10~20 중량부가 혼합되는 조성을 통하여 본원의 목적을 달성할 수 있다.
도 1의 본 발명의 기술사상에 따른 콘크리트 구조물의 보수공법 공정도를 참조하여 본 발명에 따른 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물의 시공방법의 개요를 살펴 보면 아래와 같다.
먼저, 시공장소의 바닥 잔해물 및 오염물질을 제거하고 표면을 깨끗하게 정리한다.(W510).
이후 배합수에 발열촉진제 1~10 중량부를 투입한다.(W520)
그 후, 마그네시아(MgO) 15~30 중량부, 인산염(phosphate) 20~40 중량부, 발열촉진제 3~7 중량부, 규회석(Wollastonite) 5~20 중량부, 무기결합제 5~15 중량부, 세노스피어 5~10 중량부, 실리카샌드 30~55 중량부, 기능성첨가제 10~20 중량부를 혼합함으로써 제조된 자기발열 세라믹 모르타르 조성물을 발열촉진 배합수에 투입하여 혼합한다. (W530)
이후, 혼합된 자기발열 세라믹 모르타르를 시공대상 장소에 타설한다. (W540)
더욱 구체적으로 제조예를 통하여 본 발명의 실시양태를 상세히 설명하고자 하나 본원에서 개시되는 제조예는 단순히 본 발명의 일 적용양태를 예시하기 위한 것일뿐 본 발명의 범위가 상기 제조예에 의해 제한되는 것이 아님은 자명하다.
하기 표 1은 실시 예 1, 실시 예 2 및 비교 예 1의 자기발열 세라믹 모르타르 조성물 시료들에 대한 배합비를 각각 나타낸 것이다.
구 성 성 분 함량(wt%)
비교 예 1 실시 예 1 실시 예 2
결 합 재 마그네시아 인산염 복합체 36 36 36
충 진 재 규 회 석 7 7 7
세노스피어 3 3 3
무기결합재 마이크로 실리카흄 2 2 2
플라이애쉬 9 9 9
혼 화 재 유동화제 3 3 3
발수제 1 1 1
마이크로 화이버 0.5 0.5 0.5
실리카샌드 4호사 + 5호사 + 6호사 38.5 37 33.5
발열촉진제 제1인산암모늄 0 1.5 5
합 계 100
[실험 예 1. 자기발열 특성 평가]
본 발명에서 가장 중요한 요소인 자기발열 가능 여부를 확인하기 위한 기초시험으로, KS L ISO 679(시멘트의 강동 시험 방법) 규정에 따라 모르타르를 제조하여 단열온도(Tokyo Rico사의 ACM-202L-6F) 분석을 수행하였다.
여기서, 온도 시작은 일반적인 시험조건인 상온 4℃와 동절기 영하의 특수한 환경의 조건인 영하 15℃로 각각 나누어 진행하였으며, 이때 분석조건은 5분 간격이었다.
<상온 4℃에서의 단열온도 상승 결과>
하기 표 2는 온도 시작 조건을 영상 4℃로 하여 이들의 단열온도 상승을 평가한 결과로서 동절기 영하온도의 환경하에서의 정확한 시험을 위하여 혼합되는 물은 일반적으로 사용되는 방동제를 사용하였으며, 재료 및 측정 용기는 시험 전에 항온항습기 영상 4℃에 24시간 이상 보관한 후 제조하여 평가하였다.
조 성 물 단열온도 상승실험(℃)
재료 믹서직후 1시간 2시간 3시간
조강 포틀랜드 시멘트 4 9.5 19.8 24.5 29.4
비교 예 1 4 24.7 31.6 39.1 43.8
실시 예 1 4 21.4 27.8 35.8 41.6
실시 예 2 4 19.7 23.5 31.7 37.4
영상 4℃의 재료를 믹서한 직후의 온도를 기준으로 볼 때, 비교 예 1의 상승온도가 가장 높았으며, 그 다음으로 각각 실시 예 1 및 실시 예 2, 조강 포틀랜드 시멘트의 순서로 볼 수 있으며 3시간 경과 후의 단열온도 상승 곡선을 온도순으로 나열하면, 비교 예 1 > 실시 예 1> 실시 예 2> 조강 포틀랜드 시멘트로 나타났으며, 이를 통해 일반 조강 포틀랜드 시멘트보다 자기발열 세라믹 모르타르 조성물 비교 예 1은 14.4도 상승 하였으나, 발열촉진제 5 중량부를 추가한 실시 예 2는 8℃ 정도 높은 결과를 확인 할 수 있었다.
<-15℃에서의 단열온도 상승 결과>
하기 표 3은 온도 시작 조건을 영하 -15℃로 하여 이들의 단열온도 상승을 평가한 결과이다. 이때 극저온의 냉동창고 영하온도 환경하에서의 정확한 시험을 위하여 혼합되는 물은 일반적으로 사용되는 방동제 사용하였으며, 재료 및 측정 용기는 시험 전에 항온항습기 영하 -15℃에 24시간 이상 보관한 후 제조하여 평가하였다.(도 2 및 표 3 참조)
조 성 물 단열온도 상승실험(℃)
재료 믹서직후 1시간 2시간 3시간
조강 포틀랜드 시멘트 -15 -5.5 1.7 4.4 9.8
비교 예 1 -15 -3.5 3.5 5.7 11.4
실시 예 1 -15 -1.6 7.8 10.8 14.6
실시 예 2 -15 14.7 24.6 31.1 45.8
영하 -15℃의 재료를 믹서한 직후의 온도를 기준으로 볼 때, 실시예 2의 상승 온도가 가장 높았으며, 조강포틀랜드 시멘트 및 비교 예 1, 실시 예 1은 모두 0℃이하에 머물러 있는 것을 볼 수 있는바, 영상 4℃의 온도에서는 조강 포틀랜드 및 비교 예 1, 실시 예 1, 실시 예 2 모두 온도가 상승하여 경화체를 형성하는 과정에 있으나, 영하 -15℃에서는 실시 예 2를 제외한 모든 재료가 영하에 머물러 있어 발열촉진제의 투입 함량이 최소한 5 중량부 이상 이어야 혹한의 기온에서 얼지 않고 경화체를 형성하는 결과를 나타내었다.
전술한 온도발현 결과들은 본 발명의 조성물 구성성분 중 발열촉진제인 제1인산암모늄이 온도 상승을 유발하는 발열 효과가 있음을 보여주고 있으며, 이는 조강 포틀랜드 시멘트 및 발열촉진제가 혼합되지 않은 세라믹 모르타르 보다 높은 결과를 보여 주었다. 특히 영하의 극한 환경에서도 우수한 결과를 발휘하였는데, 그 중에서도 수화 초기 3시간에 상대적으로 더 높게 나타남을 알 수 있었다.
[실험 예 2. 저온 환경하에서 압축강도 특성 평가]
본 발명의 조성물이 저온 환경하에서 우수한 강도를 발현할 수 있는지를 알아보기 위한 기초시험으로, KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험 방법) 규정에 따라 모르타르를 각각 제작한 후 온도별(4℃, -5℃, -15℃) 재령시간에 따른 압축강도를 평가 하였다. 이후 그 결과를 하기 표 4 내지 표 6에 각각 나타내었다.
정확한 실험을 위하여 모든 온도 조건은 항온항습기를 이용하여 시험일 24시간 전에 재료 및 측정 용기를 보관하여 동일자에 비교 평가하였다. 본 시험은 3회 이상 비교 평가하여 나타낸 결과이다.
<상온 4℃ 모르타르의 압축강도 평가 시험>
조 성 물 압축강도(MPa)
24시간 48시간 72시간
조강 포틀랜드 시멘트 12.5 23.7 29.9
비교 예 1 23.8 35.9 49.5
실시 예 1 18.4 24.7 32.8
실시 예 2 21.5 32.8 39.8
상기 표 4는 4℃에서의 압축강도 결과를 나타낸 것으로서, 가장 우수한 재료는 비교 예1로 나타났는바, 비교 예 1은 양생 모든 기간에 걸쳐 우수한 결과를 나타냈으며, 조강 포틀랜드 시멘트는 가장 낮은 결과를 나타내었으며, 실시 예 1 과 실시 예 2와 비교하여도 우수한 결과를 나타냈으며, 특히 양생기간 72시간에서는 조강 포틀랜드 시멘트 보다 약 20 MPa 정도 우수한 결과를 얻었다.
<영하 -5℃ 모르타르의 압축강도 평가 시험>
조 성 물 압축강도(MPa)
24시간 48시간 72시간
조강 포틀랜드 시멘트 4.5 11.7 14.9
비교 예 1 11.8 19.9 28.5
실시 예 1 14.4 22.7 31.6
실시 예 2 19.5 27.8 39.8
표 5는 영하 -5℃에서의 압축강도를 나타낸 것으로서, 가장 우수한 재료는 발열촉진제가 포함된 실시 예2로 나타났다. 보다 구체적으로, 실시 예 2는 24시간 강도에서 조강 포틀랜드 시멘트 보다 4배 이상 높은 결과를 얻었으며, 48시간 과 72시간 모두 2배 이상의 높은 결과를 얻었다.
<영하 -15℃ 모르타르의 압축강도 평가 시험>
조 성 물 압축강도(MPa)
24시간 48시간 72시간
조강 포틀랜드 시멘트 경화체 동결 경화체 동결 경화체 동결
비교 예 1 3.7 8.9 12.4
실시 예 1 7.4 12.5 15.6
실시 예 2 14.9 23.8 30.8
표 6은 영하 -15℃ 극저온에서의 압축강도를 나타낸 것으로서, 가장 우수한 재료는 발열촉진제가 혼합된 실시 예 2로 나타났다. 보다 구체적으로, 영하 -15℃의 극저온에서 조강 포틀랜드 시멘트는 경화체가 동결되어 압축강도를 측정할 수가 없었다.
실시 예 2는 24시간 및 48시간 강도에서 비교 예 1보다 3배 이상, 실시 예 1 보다 2배 이상 높은 결과를 얻었으며, 72시간 강도에서도 가장 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
전술한 온도 조건별 압축강도 결과들로 볼 때, 본 발명에서 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물의 성분으로 혼합되는 발열촉진제는 일반 상온 온도보다도 저온 영역 특히 극저온의 상태에서 보다 우수한 결과를 발휘한다는 것을 확인할 수 있었는바 이는 발열촉진제의 수화반응으로 발생되는 상대적인 높은 열로 인해, 조성물 전체의 수화가 촉진되는 것을 의미하는 것으로, 특히 저온 및 극한 환경에서 그 특성이 기존의 조강 포틀랜드 시멘트 보다 우수하게 나타났다.
즉, 전술한 발열촉진제가 혼합된 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물이 혹한의 동절기 및 냉동창고의 극한 온도 환경하에서 응결경화 초기에 동해를 방지하고 강도를 증진하는 보다 더 특화된 한중 모르타르 및 한중 콘크리트 재료로 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
상기와 같은 실시예 이외에도 본 발명의 기술사상은 다양하게 변형될 수 있음은 물론이고 본원 권리범위가 상기 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고 청구범위에 제시된 기술사상에 의해 유사형태의 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 혹한의 동절기 공사가 가능한 것은 물론 영하 20℃ 이하의 냉동창고 보수시공이 가능한 자기발열 세라믹 모르타르 조성물을 제공하고 이를 이용한 동절기 콘크리트 구조물의 시공방법을 제공하고자 하는 기술로, 본원 기술로 제공되는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물은 마그네시아(MgO) 15~30 중량부, 인산염(phosphate) 20~40 중량부, 발열촉진제 1~10 중량부, 규회석(Wollastonite) 5~20 중량부, 무기결합제 5~15 중량부, 세노스피어 5~10 중량부, 실리카샌드 30~55 중량부, 기능성첨가제 10~20 중량부가 혼합되는 조성을 통하여 본원 목적을 달성하고자 하는 기술사상의 발명이다.
본원의 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물에서 15~30 중량부를 포함하도록 적용되는 마그네시아는 금속마그네슘(Mg)을 포함하는 마그네사이트로 탄산마그네슘(MgCO 3)의 형태로 매장되어 있으며, 이 탄산마그네슘을 고온으로 가열하면 650℃에서 이산화탄소가 빠져나가면서 산화마그네슘(MgO)이 생성되는데 이것을 마그네시아라고 한다.
이때 상기 마그네시아는 마그네사이트 열처리 온도에 따라 600 ∼1,000℃에서 소성하여 제조한 순도 87~92% 범위의 경소마그네시아와 1,450℃ 이상에서 소성한 순도 98% 이상의 고순도 사소마그네시아가 80 : 20 내지 70 : 30의 비율로 혼합된 마그네시아를 사용하는 것이 바람직하다.
여기서 경소마그네시아와 사소마그네시아가 혼합된 마그네시아는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물의 조기강도와 경화시간을 조절하는 역할을 하는데 마그네시아의 함량이 15 중량부 미만이면 초기 발열이 일어나지 않아 조기강도와 초기 경화시간이 지연되고, 마그네시아 함량이 30 중량부를 초과하면 급결성으로 인한 작업시간을 확보할 수 없으며 또한 가격이 높아져 시장 경쟁력이 떨어지므로 상기 범위로 사용됨이 바람직하다.
본원의 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물에서 인산염은(phosphate) 20~40 중량부 범위로 혼합되는데 이때 인산염은 산화마그네슘과 반응하여 접착성을 높혀주고 제품의 성형이 가능하도록 하는 역할을 하며, 자기발열 세라믹 모르타르의 화학적 반응을 일으키도록 하는 촉매 역할도 하게 되는바, 인산염의 함량이 20 중량부 미만으로 사용되면 접착력이 저하되고 경화되는 초결시간과 종결시간이 지연되어 혹한기 동절기 시공이 어려워지며, 인산염의 함량이 40 중량부를 초과하면 제품의 성형이 너무 빨라 작업성이 저하되며 단가 상승으로 인하여 시장 경쟁력이 떨어지므로 상기 범위로 사용됨이 바람직하다.
이때 제1인산칼륨(KH 2PO 4)과 제1인산나트륨(NaH 2PO 4)이 90 : 10 ~ 85 : 15의 중량비율로 혼합된 복합인산염을 사용하는 것이 바람직하다.
인산칼륨은 제1인산칼륨, 제2 및 제3인산칼륨이 있지만, 제2 및 제3인산칼륨은 공기 중에서 조해성을 나타내므로, 안정성을 위하여 제1인산칼륨을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제1인산칼륨의 순도는 98% 이상이고, P 2O 2 함량은 52% 이상, K 2O 함량은 34% 이상, pH는 3~5의 범위가 가장 바람직하다.
상기 제1인산칼륨은 마그네시아와 반응하여 구형결정인 인산칼륨마그네슘 제6염화수소를 생성하는데, 인산칼륨마그네슘, 제6염화수소는 3차원적으로 경화체를 형성하게 되어 우수한 내충격성, 부착성능을 발휘하고, 통기성과 불연성이 뛰어난 특성을 제공한다.
또한 상기 인산나트륨으로 제1인산나트륨은 약간의 조해성을 갖고 나트륨에 의한 백화현상을 나타내기 때문에 소량으로 복합해서 사용하는 것이 바람직하며, 제1인산나트륨의 순도는 97% 이상이어야 하며, pH는 4~5의 범위가 가장 바람직하다.
그리고 상기 제1인산나트륨은 마그네시아와 반응하여 구형결정인 인산나트륨마그네슘, 제6염화수소를 생성하고, 인산나트륨마그네슘, 제6염화수소는 3차원적으로 경화체를 형성하게 되어 우수한 내수성 및 내마모성을 발휘하고, 불연성과 수축 제어 성능이 뛰어난 특성을 제공한다.
또한 본원의 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물에서 발열촉진제는 인산암모늄을 사용하는데 상기 인산암모늄은 제1인산암모늄(NH 4H 2PO 4), 제2 및 제3인산암모늄이 있지만, 제2 및 제3인산암모늄은 공기 중에서 서서히 분해되는 성질로 인해 암모니아가 부분적으로 소실되고 공기 중에서 불안정하여 사용이 어렵기 때문에 본 발명에서는 제1인산암모늄이 사용되며, 순도는 98% 이상, pH는 3~5의 범위가 가장 바람직하다.
이러한 제1인산암모늄은 산화마그네슘과 반응하여 판상결정인 인산마그네슘, 제6염화수소를 생성하고, 인산마그네슘, 제6염화수소는 3차원적으로 경화체를 형성하게 되는데, 이때 내부 자체 발열이 발생하여 극저온에도 조기강도발현이 가능하고 우수한 내마모성 및 고강도화를 실현하게 된다.
이때 상기 제1인산암모늄의 함량이 3 중량부 미만이면 발열촉진이 늦어져서 모르타르가 경화되기 전에 동결 하거나 경화 후 팽창하여 경화체에 결함이 생길 수 있으며, 상기 제1인산암모늄의 함량이 7 중량부를 초과하면 급결현상이 나타나 작업성이 어려워지기 때문에 발열촉진제로의 제1인산암모늄은 3~7 중량부 범위로 사용되는 것이 바람직하다.
본원의 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물에서 규회석(Wollastonite)은 침상구조를 가진 높은 침상도의 제품으로 평균입경 60±5메쉬 입도크기의 분말이며 수화열 반응의 온도차이로 발생되는 팽창 및 수축으로 인한 미세균열 발생을 줄여줄 뿐 아니라 점성을 증가시켜 배합수가 골고루 분포되도록 하는 역할을 하게 되며 규회석의 함량이 5 중량부 미만이면 균열억제가 효과적으로 이루어지지 않고, 20 중량부를 초과하면 비빔이 어려워지고 물을 더 사용하게 되므로 초기 경화가 늦어지는 문제점이 발생하므로 규회석은 5~20 중량부 범위로 사용하는 것이 바람직하다
본원의 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물에서 무기결합재는 마이크로 실리카흄과 플라이애쉬가 80 : 20 ~ 20 : 80의 중량비율로 혼합된 혼합물이 사용될 수 있는바, 마이크로 실리카흄은 마그네시아 등 광물질 입자와 실리카샌드 사이의 간극을 충진시켜 경화체가 치밀한 조직을 만들게 해주고, 잔골재와의 부착력을 증대시켜 초속경 고강도 발현이 가능하게 해주며, 투수성이나 흡수성을 감소시켜 동해성, 염해성, 동결융해 등에 대한 저항성을 증대시켜 내구성이 우수한 제품을 만들어 주며, 플라이애쉬는 수밀성 및 마모저항성을 향상시키고 시공 시 작업성을 증가시켜주는 역할을 하게되며, 상기 무기결합재의 함량이 5 중량부 미만이면 초기강도, 내구성, 수밀성 및 마모저항성이 저하되고, 상기 무기결합재의 함량이 15 중량부를 초과하면 급결, 빠른 유동성 및 작업성이 결여되기 때문에 무기결합재는 5~15 중량부 범위로 사용되는 것이 바람직하다.
본원의 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물에서 세노스피어 (Cenosphere)는 석탄화력발전소에서 석탄 연소 후 발생되는 플라이애쉬(Fly ash)를 정제한 얇은 벽을 가진 구형의 유리로서 내부에 N 2 또는 CO 2가 충진 되어 있으며 매우 가볍고 절연성, 단열성, 방음성등 다양한 특성을 지닌 소재로 부피밀도 0.35 ~0.8 g/㎤, 입경 3~400 microns, 경도 5~7 mohs의 물리적 특성을 갖는다.
세노스피어는 구형의 형태를 지니므로 우수한 유동성을 갖게 해 주고 분사(spray), 주입(pump), 미장성이 용이하기 때문에 작업성을 개선해 주며, 절연성 및 단열성능이 뛰어나 동토지역의 유정시멘트, 동절기 모르타르, 그라우트 등 다양한 용도로 사용이 가능하게 하며, 상기 세노스피어의 함량이 5 중량부 미만이면 유동성과 단열성이 저하되고, 상기 세노스피어의 함량이 10 중량부를 초과하면 작업성이 떨어지기 때문에 세노스피어는 5~10 중량부 범위로 사용되는 것이 바람직하다.
본원의 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물에서 실리카샌드는 강모래 또는 석영(quarts) 및 백운암(Dolomite)이 주성분으로 이루어진 광물 또는 암석류로서 자기발열 세라믹 모르타르 조성물의 충진제 역할을 하도록 실리카샌드의 입도가 0.15mm ~ 3mm 범위인 것을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며 실리카샌드 함량이 30 중량부 미만이면 초결 및 종결 압축강도가 저하되고, 55 중량부를 초과하면 바인더 성분비가 낮아져 조강성을 발현할 수 없는 문제가 있으므로 30~55 중량부 범위로 사용되는 것이 바람직하다.
본원의 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물에서 기능성첨가제로 유동화제, 발수제, 섬유화이버 등이 사용될 수 있는바, 본원에서 사용가능한 유동화제는 산성인 마그네슘 인산염 복합체의 내부 입자를 화학적 전극반응에 의해 유동성을 향상시키고 산성에서의 반응성을 요하므로 산성계, 즉 석고계 유동화제를 사용하는 것이 바람직하고 유동화제는 5~10 중량부 범위에서 사용하고, 유동화제의 함량이 5 중량부 미만이면 소정의 유동성을 확보하기 어려우며, 10 중량부를 초과하면 조기강도 발현이 지연되고, 제조단가가 높아서 경제성이 떨어진다.
본원의 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물에서 기능성첨가제로 발수제는 물에 녹으면서 내부 입자표면과 경화체 표면에 코팅막을 형성시켜 내수 및 방수 성능을 향상시키며 내수성을 극대화시키기 위해 추가적으로 첨가하는 재료로 본원에서는 Siloxane을 1~5중량부 범위로 발수제로 사용할 수 있는바 상기 발수제를 1 중량부 미만으로 사용하면, 내수성 향상에 효과를 발현하지 못하고, 반면에 5 중량부를 초과하면 비빔성이 불양해지고 제조 단가가 증대되므로 상기 범위가 바람직하다.
본원의 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물에서 섬유화이버는 내부 매트릭스를 섬유의 가교작용에 의해 균열발생을 억제시키고 변형률을 감소시키는 역할을 수행하도록 사용되는바, 섬유화이버는 본원에서 수축제어 및 균열제어 성능을 극대화시키기 위해 추가적으로 첨가되어 사용될 수 있는 재료로서, 폴리비닐알코올 섬유(PVA), 폴리프로필렌 섬유(PP), 나일론 섬유(NY), 폴리에틸렌 섬유(PE) 중 하나를 선택하여 사용하고, 길이와 직경은 각각 3~12mm, 10~40㎛ 범의 내의 것을 사용하고 섬유는 0.5~2 중량부 범위로 사용하는데, 만일 0.5 중량부 미만으로 사용하면 경화체의 인성능력이 저하하여 균열제어가 곤란하고, 2 중량부를 초과하여 사용하면 내부에 화이버불(fiber ball)로 인해 내구적 성능을 저하시키며, 강도가 저하되므로 상기 범위 사용이 바람직하다.
본원의 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물에서 기능성첨가제는 상기 유동화제, 발수제, 섬유 이외에 현장 조건에 따라 혼화제, 충진제 등을 혼합되어 10~20 중량부 범위로 사용되어 혹한의 동절기에도 건축물 또는 구조물의 시공이 가능하도록 적용될 수 있다.
본원 기술로 제공되는 자기발열 고성능 세라믹 모르타르 조성물을 이용하는 경우 혹한의 동절기와 영하 -20℃ 이하의 조건에서는 냉동창고 보수시공이 가능하도록 초기 압축강도를 증진시키고 조강성, 단열성, 불투수성, 우수한 접착성, 경화 후 수축과 팽창이 거의 없이 콘크리트의 내구성을 향상 시킬 수 있는 효과를 제공하므로 혹한의 동절기 토목 및 건축현장 그리고 냉동창고 보수공사에 활용도가 높을 것으로 기대된다.

Claims (9)

  1. 산화마그네슘과 인산염의 산-염기반응(acid-base reaction)에 의해 급속하게 반응하여 화학적으로 결합하는 세라믹 경화체의 기본 메커니즘에 기초하여 초기 급속한 발열반응과 저온에서도 수화반응이 진행되는 특성을 이용하여 경화 시 발생하는 자기발열로 인하여 혹한의 동절기 및 극저온의 영하온도(-20℃) 상태에서도 동결되지 않고 자체적으로 경화되는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물에 있어서,
    마그네시아(MgO) 15~30 중량부, 인산염(phosphate) 20~40 중량부, 발열촉진제 3~7 중량부, 규회석(Wollastonite) 5~20 중량부, 무기결합제 5~15 중량부, 세노스피어 5~10 중량부, 실리카샌드 30~55 중량부, 기능성첨가제 10~20 중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 모르타르 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마그네시아는 마그네사이트 열처리 온도에 따라 600 ∼1,000℃에서 소성하여 제조한 경소마그네시아와 1,450℃ 이상에서 소성한 사소마그네시아가 중량부로 80 : 20 내지 70 : 30 비율로 혼합된 마그네시아가 사용되는 것을 특징으로 하는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인산염은 제1인산칼륨(KH2PO4)과 제1인산나트륨(NaH2PO4)이 중량부로 90 : 10 내지 85 : 15 비율로 혼합된 인산염이 사용되는 것을 특징으로 하는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발열촉진제는 제1인산암모늄(NH 4H 2PO 4), 제2인산암모늄(NH 4) 2HPO 4, 제3인산암모늄 (NH 4) 3PO 4) 중 하나가 선택되어 사용되는 것을 특징으로 하는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 규회석(Wollastonite)는 침상구조를 이루고, 평균입경 60±5메쉬 입도크기로 사용되는 것을 특징으로 하는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무기결합제는 마이크로 실리카흄, 메타카올린, 슬래그, 플라이애쉬 중에서 선택되는 결합제가 사용되는 것을 특징으로 하는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 세노스피어는 부피밀도 0.35 ~0.8 g/㎤, 입경 3~400 microns, 경도 5~7 mohs의 물리적 특성과 용적대비 표면적이 낮은 구형 형태의 경량 충진제로 사용되는 것을 특징으로 하는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물.
  8. 산화마그네슘과 인산염의 산-염기반응(acid-base reaction)에 의해 급속하게 반응하여 화학적으로 결합하는 세라믹 경화체의 기본 메커니즘에 기초하여 초기 급속한 발열반응과 저온에서도 수화반응이 진행되는 특성을 이용하여 경화 시 발생하는 자기발열로 인하여 혹한의 동절기 및 극저온의 영하온도(-20℃) 상태에서도 동결되지 않고 자체적으로 경화되는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물의 시공방법에 있어서,
    시공장소의 바닥 잔해물 및 오염물질을 제거하고 표면을 깨끗하게 정리하는 제1단계(W510);
    일반 물로 제공되는 배합수 90 ~ 99 중량부에 제1인산암모늄(NH 4)H 2PO 4, 제2인산암모늄(NH 4) 2HPO 4, 제3인산암모늄 (NH 4) 3PO 4) 중에서 하나가 선택되는 발열촉진제 1~10 중량부를 투입하여 공정배합수를 얻는 제2단계(W520);
    상기 제2단계 공정이 진행된 공정배합수 100 중량부 기준에 마그네시아(MgO) 15~30 중량부, 인산염(phosphate) 20~40 중량부, 규회석(Wollastonite) 5~20 중량부, 무기결합제 5~15 중량부, 세노스피어 5~10 중량부, 실리카샌드 30~55 중량부, 기능성첨가제 10~20 중량부가 포함되는 자가발열 세라믹 모르타르 조성물을 얻는 제3단계(W530);
    상기 제3단계 공정이 수행된 자기발열 세라믹 모르타르를 시공대상 장소에 타설하는 제4단계(W540) 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물 시공방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3단계 공정에서, 혹한의 동절기 시공이나 영하 -15℃ 냉동창고 시공이 필요할 경우 제1인산암모늄(NH 4H 2PO 4) 3~7 중량부를 추가하여 발열 촉진을 상승시키도록 적용하는 것을 특징으로 하는 자기발열 세라믹 모르타르 조성물 시공방법.
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