KR101465064B1 - 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르 및 이를 이용한 터널 보수 공법 - Google Patents

내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르 및 이를 이용한 터널 보수 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도수로 터널의 벽체 및 바닥 인버트 콘크리트의 보수 공사를 저온, 습윤환경에서 짧은 시간에 신속하게 보수할 수 있는 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르 및 이를 이용한 터널 보수 공법에 관한 것으로, 속경성 무기결합재 혼합물(B), 세골재 및 물(W)을 혼련하여 수득하되, 재령 3시간의 압축강도가 10N/㎟ 이상을 발현하며, 프리플로우 250㎜ 이상이고, 응결 시발 시간이 40분 이후이며, 응결 종결 시간이 80분 이내인, 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르는 고유동성과 속경성이 우수해 터널 벽체 및 바닥 인버트의 콘크리트의 보수 공사를 단시간에 신속히 보수할 수 있는 효과가 있으며, 내염해, 내마모 및 내충격성이 우수하므로, 담수 터널 뿐만 아니라 해수 터널의 보수에 적합한 효과가 있다.

Description

내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르 및 이를 이용한 터널 보수 공법{Repairing mortar having high wear resistance, high shock resistance and high salt damage prevention and a process for repairing tunnel using the same}
본 발명은 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르 및 이를 이용한 터널 보수 공법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도수로 터널의 벽체 및 바닥 인버트 콘크리트의 보수 공사를 저온, 습윤환경에서 짧은 시간에 신속하게 보수할 수 있는 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르 및 이를 이용한 터널 보수 공법에 관한 것이다.
일반 터널이나 수로 터널 및 도수로 등의 복공 콘크리트 표층부 및 바닥 인버트에는 년수가 지남에 따른 마모·세굴·갈라짐 등의 열화가 발생하는데, 이의 보수 공사로서, 통상적으로는 이동식의 센터 형틀을 설치하여 구라우트 펌프 등으로 모르타르를 주입·충전하는 내권 공법이 실시되고 있다. 이때 교통량이 적은 야간 시공 또는 건조기에서 될 수 있는 한 신속히 시공할 수 있는 것이 요망되고 있다. 특히 수력발전소에서는 건설 후 50년 이상 경과한 수리 구조물이 많이 있으며, 이에 대처하기 위해서는, 지구환경의 보전 및 자원순환형 자재의 사용을 고려하면서 산업부산물을 유효 이용하여 보수할 수 있어야 한다.
수로 터널의 보수 공사는, 거의 11월 내지 2월의 건조기의 시공 환경 기온 10℃ 이하의 습윤상태에서 이루어지고 있는데 공기 단축을 위해 이동식 센터 형틀(강제 조립 형틀)을 사용하여 보수 모르타르를 그라우트 펌프로 주입 충전한 후, 타설후 3시간 만에 탈형하는 신속 시공이 요구된다. 또한 담수기준의 수로터널 뿐 아니라 해수를 이용한 수로터널을 감안하여 해수저항성이 강한 구조물을 위해 염해저항성이 강한 모르타르 필요성도 요구된다. 이를 위해서는, 고유동성과 속경성, 그리고 내염해, 내마모 및 내충격성을 구비한 보수 모르타르의 사용이 불가피하다. 일반적으로 모르타르 조성물의 유동성을 높이면 경화가 느려지고, 속경성을 높이면 유동을 유지하고 있는 시간이 짧아져 시공에 필요한 충분한 가사(可使)시간을 확보할 수 없게 된다.
대한민국특허공개 제10-2008-0071844호(2008.08.05.)에는 보수용 모르타르 및 이를 사용한 터널 보수 공법이 개시되어 있다. 상기 특허는 고유동성을 가지며 이의 고유동성을 10분 이상 유지할 수 있는 장점이 있지만, 담수의 수로터널에는 적합하나 해수 터널에 사용하기에는 내염해성이 미흡한 문제가 있다.
이에 따라, 고유동성과 속경성 뿐만 아니라 내염해, 내마모 및 내충격성이 우수한 터널 보수용 모르타르를 개발하였다.
KR 10-2008-0071844 (공개번호) 2008.08.05.
본 발명의 목적은 고유동성과 속경성 뿐만 아니라 내염해, 내마모 및 내충격성이 우수한 보수용 모르타르 및 이를 이용한 터널 보수 공법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 수단을 제공한다.
본 발명은, 속경성 무기결합재 혼합물(B), 세골재 및 물(W)을 혼련하여 수득하되, 재령 3시간의 압축강도가 10N/㎟ 이상을 발현하며, 프리플로우 250㎜ 이상이고, 응결 시발 시간이 40분 이후이며, 응결 종결 시간이 80분 이내인, 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르를 제공한다.
상기 속경성 무기결합재 혼합물(B)과 물(W)의 배합비율인 물/결합재 비(W/B)가 34~36%인 것을 특징으로 한다.
상기 속경성 무기결합재 혼합물(B)은 속경성 결합재, 초미립 활성화재, 팽창재 및 고미분말 수재슬래그를 포함하며, 상기 속경성 무기결합재 혼합물(B)은 실리카흄을 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 속경성 결합재는 4CaO3Al2O3SO3 계로서 800㎏/㎥이하 배합되고, 상기 초미립 활성화제는 분말도 8,000㎠/g 이상의 무수 석고로서 200㎏/㎥이하 배합되고, 상기 팽창재는 칼슘알루미네이트계로서 80㎏/㎥이하 배합되고, 상기 고미분말 수재슬래그는 분말도 8,000㎠/g 이상으로서 150㎏/㎥이하 배합되고, 상기 실리카흄은 50㎏/㎥이하 배합되는 것을 특징으로 한다.
상기 세골재는 규사 및 석탄회를 포함하되, 석탄회가 세골재의 30부피% 이하며, 상기 석탄회의 평균 입자 직경이 5㎜ 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 보수용 모르타르는 재령 28일의 압축강도가 40N/㎟ 이상을 발현하는 것을 특징으로 한다.
상기 프리플로우, 응결 시발 시간 및 응결 종결 시간은 기온 10℃, 상대 습도 80%의 조건하에서 측정된 값인 것을 특징으로 한다.
상기 보수용 모르타르는 분산제, 소포제, 강도 촉진제, 지연제 및 증점제로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 혼화제를 추가적으로 포함하되, 상기 분산제는 20㎏/㎥이하, 상기 소포제는 1㎏/㎥이하, 상기 강도 촉진제는 1㎏/㎥이하, 상기 지연제는 1㎏/㎥이하, 상기 증점제는 1㎏/㎥이하를 배합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 일반 터널, 수로 터널 또는 해수 터널의 내벽 또는 바닥에 형틀을 설치하고, 상기 내벽 또는 바닥 복공콘크리트와 형틀과의 공간에 보수용 모르타르를 충전하는 터널의 내권 공법에 있어서, 상기 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르를 사용하는 것을 특징으로 하는 터널 보수 공법을 제공한다.
본 발명에 따른 보수용 모르타르는 고유동성과 속경성이 우수해 터널 벽체 및 바닥 인버트의 콘크리트의 보수 공사를 단시간에 신속히 보수할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 보수용 모르타르는 내염해, 내마모 및 내충격성이 우수하므로, 담수 터널 뿐만 아니라 해수 터널의 보수에 적합한 효과가 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명자들은 노후화된 터널의 콘크리트 열화의 문제를 해결하기 위해, 복공 콘크리트의 내측에 이동식의 강철제 형틀을 설치하고 고유동성 모르타르를 충전하여 단시간에 탈형하면서 충전 범위를 바꾸어 가는 센터 형틀 사용의 내권 공법이 단시간 시공성의 점과, 보수 품질의 점에서 우수한 것에 착안하고, 내권 공법에 적합한 보수 모르타르를 수득하기 위해 여러 가지 검토를 한 결과, 가능한 한 산업부산물 자재를 원료로 하면서, 내권 공법의 이점을 충분히 도출할 수 있는 보수 모르타르를 개발하였다.
본 발명에 따른 보수 모르타르는 속경성 결합재, 초미립자 활성화재, 고미분말 슬래그, 실리카흄, 팽창재, 규사 및 석탄회를 사용하여, 물/결합재 비를 34 내지 36%로 설정하고, 재령 3시간의 압축 강도 10N/㎟ 이상, 프리플로우 250 ㎜이상, 응결 시발 시간 40분 이상, 응결 종결 시간 80분 이내를 발현시키는 것을 특징으로 한다.
다음은 본 발명에 따른 보수 모르타르에서 특정하는 사항을 설명한다.
[속경성 결합재]
4CaO3Al2O3SO3 입자를 미세화한 결합재이고, 분말도 5,000 내지 6,000㎠/g의 속경성 무기계 결합재로서 초미립자 활성화제와 반응하여 경화속도를 높인다. 상기 4CaO3Al2O3SO3 계 속경성 결합재는 물과의 수화 반응이 빠르며, 또한 결합 매트릭스의 조직을 치밀화하기 때문에 일반 CA계 속경성 시멘트보다도 초기 강도가 높아지고 장기 강도도 증가하게 된다. 본 발명에서는 상기 속경성 결합재를 800 ㎏/㎥ 이하, 바람직하게는 500 내지 800 ㎏/㎥ 의 배합으로 사용함으로써, 보수 모르타르의 속경성과 고강도화를 추진한다. 속경성 결합재의 배합량이 500 ㎏/㎥ 미만인 경우에는 이러한 작용을 충분히 발휘할 수 없으며 강도도 부족한 문제가 있으며, 800 ㎏/㎥ 을 초과하는 배합에서는 재령 3시간의 압축 강도 10N/㎟ 을 확보할 수 없는 경우도 발생할 수 있기 때문에, 500 내지 800 ㎏/㎥ 의 배합으로 사용하는 것이 바람직하다.
[세골재]
본 발명에서 사용하는 세골재는 규사 및 천연사 중 어느 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 적절한 입도 분포를 갖는 규사 또는 천연사를 사용함으로써 보수용 모르타르의 유동성 및 치밀성을 향상시킬 수 있다. 세골재의 배합은 물/결합재 비와 석탄회 입도 및 배합량에도 의존하지만, 600 내지 1,000 ㎏/㎥ 의 범위, 바람직하게는 700 내지 950 ㎏/㎥ 의 범위인 것이 바람직하다. 상기 규사에 대한 석탄회의 대체량이 많을수록, 산업부산물의 유효 이용이 가능해진다.
[물/결합재 비]
본 발명에 따른 보수 모르타르는, 물/결합재 비를 34 내지 36%로 하여 혼련한다. 물/결합재 비의 산출에 있어서, 결합재는 속경성 결합재와 초미립 활성화재, 팽창재, 고분말슬래그 및 실리카흄의 총량으로 하여 물/(속경성 결합재+초미립 활성화재+팽창재+고분말슬래그+실리카흄)의 백분율로 나타낸다. 물/결합재 비가 34% 미만인 경우에는 보수용 모르타르의 프리플로우 250㎜ 를 안정적으로 확보하는 것이 곤란해지며, 36%를 초과하면 강도를 의도하는 곳까지 높이는 것이 곤란해지고, 재료 분리가 생기기 쉬워진다.
본 발명의 보수용 모르타르는, 결합재로서 4CaO3Al2O3SO3 계 속경성 결합재와 분말도가 8000㎠/g 이상인 초미립자 수재슬래그를 사용하고 세골재의 30부피% 이하를 석탄회(조분 10~15% 포함)로 대체하며 물/결합재 비를 34 내지 36%로 한 기본 배합을 채용하여, 상기 기본 배합물을 혼련함으로써, 10℃이하의 저온 환경에서 프리플로우 250㎜ 이상, 바람직하게는 270㎜ 이상의 양호한 유동성을 가지면서 재령 3시간의 압축 강도 10N/㎟ 이상을 발현하고, 응결 시발 시간이 40분 이후이고, 응결 종결 시간이 80분 이내인 초기 경화 특성을 나타낸다. 또한 재령 28일의 압축 강도 40N/㎟ 이상을 확보할 수 있다.
상기 기본 배합의 보수용 모르타르에 의하면 10℃이하의 저기온 환경하에 있어서도 터널의 인버트 내권 공법을 양호한 시공성으로 실시할 수 있다. 즉, 일반 터널 또는 수로 터널의 바닥에 부착성능이 강하면서도 내마모성, 내충격성 및 내염해성이 우수한 본 발명의 보수용 모르타르를 양호하게 자기 충전해 가고, 더구나 혼련으로부터 40분 이내에는 경화가 시작되지 않기 때문에, 혼련물을 주입 개시할 때까지 충분한 여유를 가질 수 있는 동시에, 3시간 후에는 탈형 가능한 10N/㎟ 이상의 강도를 나타내기 때문에 시공 시간과 시기에 제한을 받는 터널 바닥 보수 공법의 시공법의 개선에 크게 공헌할 수 있다.
본 발명에 따르는 보수용 모르타르는 상기 기본 배합의 보수용 모르타르에 대하여, 더욱 적절한 혼화재 및 혼화제를 배합하여 이의 특성을 더욱 개선한 것을 제공한다. 본 발명에서 사용하는 혼화재 및 혼화제는 다음과 같다.
혼화재
[칼슘알루미네이트계 팽창재]
칼슘알루미네이트계 팽창재를 배합하면, 수화 반응 초기의 시멘트 매트릭스 조직을 치밀화하여 시멘트 경화제를 팽창시키는 작용이 있고, 이로 인해 시멘트의 자기 수축을 보상하여 장기적으로 건조 수축을 방지할 수 있다. 본 발명의 보수용 모르타르에 있어서도, 이러한 칼슘알루미네이트계 팽창재를 배합하면 보수 개소의 건조 수축이 억제되기 때문에, 장기에 걸쳐 안정된 품질을 갖는 보수를 할 수 있다. 본 발명의 보수용 모르타르에 대한 칼슘알루미네이트계 팽창재의 배합량으로는 60 내지 80㎏/㎥ 의 범위가 바람직하다.
[고미분말 수재슬래그]
고로 수재슬래그를 분말도 8,000㎠/g 이상으로 미세 분쇄하여 고미분말화 시킨 입자를 말한다. 일반적으로 고로 분말 수재슬래그(3,500~4,500㎠/g)는 시멘트에 대한 치환율이 클수록 초기의 강도 증진이 작게 되는 경향이 있고 잠재 수경성 반응에 의하여 장기재령으로 갈수록 강도는 증진된다. 또한 잠재수경성에 의해 생성된 C-S-H 겔이 공극구조를 개선하기 때문에 수밀성이 향상되고, 이러한 수밀성의 향상에 의하여 황산염, 염소이온의 침투 등에 대한 저항성을 증가시키는 재료로 알려져 있다. 그러나 고미분말 수재슬래그는 분말도는 8,000㎠/g 이상 10,000㎠/g 이상까지 높인 초미립자이기 때문에 물과의 수화 반응이 빠르며, 또한 시멘트 매트릭스의 조직을 치밀화하기 때문에 보통 시멘트보다도 초기 강도가 높아지고 장기 강도도 증가하게 된다. 본 발명에서는 이러한 고미분말 수재슬래그를 150㎏/㎥ 이하, 바람직하게는 120 내지 150㎏/㎥ 의 배합으로 사용함으로써, 보수용 모르타르의 속경성과 고강도화를 촉진시킨다. 고미분말 수재슬래그의 배합량이 120㎏/㎥ 미만인 경우에는 이러한 작용을 충분히 발휘할 수 없으며 강도도 부족하며, 150㎏/㎥를 초과하는 배합에서는 재령 3시간의 압축 강도 10N/㎟ 를 확보할 수 없는 경우도 발생할 수 있기 때문에, 120 내지 150㎏/㎥ 의 배합으로 사용한다.
[석탄회]
석탄회는 화력 발전소에서 발생하는 산업부산물로서, 바텀애쉬, 신더애쉬, 플라이애쉬 등을 일컫는 용어지만 여기서는 매립장에 주로 방치되어 있는 석탄재를 말한다. 정제된 플라이애쉬는 주로 시멘트의 원료와 레디믹스 콘크리트 공장 및 건설현장에서의 콘크리트 제조시 시멘트의 대체재로 사용되고 있지만, 플라이애쉬 발생량의 전부가 여기에 사용되고 있는 것은 아니며, 불사용분(미정제분)은 매립용 등으로 처리되고 있다. 본 발명에서는, 이러한 불사용분의 플라이애쉬와 함께 혼입되어 있는 석탄재(조분량 10~15% 포함)를 될 수 있는 한 다량으로 사용함으로써, 노후화된 터널 콘크리트의 보수 모르타르로서 유효하게 이용할 수 있도록 하였다. 석탄회 중 미정제분 플라이애쉬는 물과는 직접 반응하지 않으며, 무기계 결합재와 물의 반응에 의해서 생성되는 수산화칼슘과 반응하여 경화 작용을 한다. 또 석탄회 조분은 골재의 표준입도 범위내에서 일부 규사 대체재로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명의 보수용 모르타르에서는 강한 기능성 속경성 무기계 결합재와 함께 일부 규사대체재로 사용될 수 있고 그중 플라이애쉬 성분은 보조 결합재로서의 기능을 하는 잠재 수경성 물질로서 사용되고 일반 포틀랜드 시멘트보다 강도 발현은 느리고 화학 저항성에 강한 성질이 있으며, 이에 의해 장기 강도의 증가를 도모할 수 있다. 또한 석탄회의 미분성분은 무기결합재 매트릭스의 조직을 치밀화하는데 기여하여 구조물의 내구성을 높히고, 보조 모르타르의 고유동성과 점성에 작용을 미친다. 본 발명의 보수용 모르타르에서는, 상기 무기계 결합재의 30중량% 이하를 석탄회로 대체하여 사용할 수 있다. 구체적으로는 150 ㎏/㎥ 이하의 배합으로 사용하는 것이 양호하다. 150 ㎏/㎥ 를 초과하는 배합에서는 재령 3시간 강도 10N/㎟ 이상을 확보하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.
[초미립 활성화재]
초미립 활성화재는 분말도 8,000㎠/g 이상의 초미립자의 무수석고로 이루어진다. 이러한 초미립 활성화재를 본 발명의 보수용 모르타르에 배합하면, 속경성 무기계 결합재가 물과 접촉하여 급결하는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 시공작업에 필요한 가사시간을 안정적으로 확보할 수 있다. 일정한 시간이 경과한 후에는, 이러한 초미립 활성화재는 속경성 무기계 결합재와 화학반응하여 초기 강도의 확보에 기여하며, 조직의 치밀화에 유효하게 작용한다. 그러나, 초기에 반응하지 않았던 미반응의 무수석고는 장기간에 걸쳐 반응을 일으킨다. 본 발명의 보수용 모르타르에 대한 초미립 활성화재의 배합량으로서는 125 내지 200㎏/㎥ 의 범위가 바람직하다.
[실리카흄]
고미분말(8,000㎠/g 이상) 수재슬래그의 일부를 비압축 실리카흄(순도 90%이상)으로 대체하여 사용할 수 있다. 실리카흄을 사용한 경우에는, 상기 실리카흄의 양을 결합재의 양에 산입하여 물/결합재 비를 산출한다.
상기 혼화재는, 어느 것이나 보수용 모르타르의 강도에 영향을 주는 결합재 중의 일종이라고 말할 수 있다. 이로 인해 이러한 혼화재를 사용하는 경우의 물/결합재 비의 산출에 있어서는, 상기 혼화재도 결합재로 산입한다. 또한, 상기 혼화재 중, 칼슘알루미네이트계 팽창재 및 초미립 활성화재에 관해서는, 분말상태로 속경성 무기계 결합재와 미리 혼합해 두고, 이러한 혼합분말을 무기분체 결합재로서 사용할 수 있다. 그리고 물/ 결합재 비의 산출에 있어서는, 이러한 혼화재를 혼합한 무기계 결합재를 그대로 결합재의 양에 산입하여 적용한다.
또한 이러한 혼화재를 배합하였을 때의 물/결합재 비에 관해서는, 기본 배합에서 설명한 바와 같이 34 내지 36%로 하는 것이 바람직하다.
혼화제
시공환경에 따라서는 보수용 모르타르의 유동성이나 강도 특성을 적절히 조절하는 것이 필요해지는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 다음의 혼화제를 첨가하여 보수용 모르타르를 혼련하는 것이 바람직하다.
[소포제]
연행 공기의 발생에 의해 공기량이 증가하는 경우에, 이를 억제하기 위해서 첨가하는 것으로, 폴리에스테르계, 실리콘계, 에틸알콜 및 에틸렌글리콘 중의 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있고, 시장에서 입수 가능한 것을 사용할 수 있다. 첨가량으로는 1 ㎏/㎥ 으로 충분하다.
[분산제]
단위 수량을 과잉으로 하지 않고 모르타르의 유동성을 확보하고, 수밀성 향상 및 동결 융해의 저항성을 개선시켜 내구성을 증진시키는 데 사용된다. 또한, 프레쉬한 모르타르의 점성과 유동성을 동시에 부가하여, 압축이 불필요한 유동성을 갖기 위해서 사용한다. 분산제로서는 시장에서 입수할 수 있는 고성능 감수제를 사용할 수 있고, 폴리카르복실산계, 나프탈렌계, 멜라민계 및 리그닌계의 고성능 감수제 중의 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 첨가량으로서는 20 ㎏/㎥ 이하에서 목적을 달성할 수 있다.
[강도 촉진제]
본 보수용 모르타르의 3시간 이후의 강도 발현을 촉진시키는 것이 필요할 때에 사용한다. 강도 촉진제 종류로는 탄산리튬(LiCO3), 황산나트륨(Na2SO4), 질산나트륨(NaNO3), 시안화나트륨(NaSCN), 질산칼슘(CaNO3) 등이 있으며, 단독 또는 혼합하여 사용하는 것이 가능하다. 첨가량으로는 1 ㎏/㎥ 이하에서 목적 달성이 가능하다.
[지연제]
시공 환경에 따라서는 반죽에서부터 타설까지 가사 시간을 길게 조정하는 것이 필요할 때가 있다. 이러한 경우에 속경성 무기계 결합재 및 칼슘알루미네이트계 팽창제와 수화 반응을 지연시킬 수 있는 지연제를 사용한다. 상기 지연제는, 나트륨 글루코네이트, 시트르산, 타르타르산 및 붕산 중 단독으로 또는 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 첨가량으로서는 1 ㎏/㎥ 이하로 충분하다.
[증점제]
본 보수용 모르타르의 재료분리를 막기 위해 분리 저감제(SFCA, 증점제 일종)를 사용할 수 있다. 분리 저감제의 경우 산어부산물 미분의 응집효과가 뛰어나 일정량까지는 사용효과가 있으나, 과다 사용시 급격한 처짐현상이 나타나며, 미리 혼합하여 사용하지 않는 것이 바람직하다.
상기 혼화재 및 혼화제를 배합하여 개선한 배합 예를 표 1에 기재하였다.
W/B
(%)
#1		 속경성 무기결합재 혼합물(㎏/㎥ ) 혼화제(㎏/㎥ ) 석탄회
(㎏/㎥ )
 세골재
(㎏/㎥ )규사 또는 천연사
속경성
결합재		 혼화재 #2 분산제 소포제 촉진제 지연제 증점제
a b c d
34~36 800
이하		 125~
200		 60~80 50
이하		 150
이하		 20
이하		 1이하 1이하 1이하 1이하 150이하 1000이하
# 1 : 물(W)을 속경성 무리결합재(B)로 나눈 값
# 2 a: 초미립 활성화재, b: 칼슘알루미네이트계 팽창제,
c: 실리카흄, d: 고미분말 수재슬래그
이하, 실시 예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 실시예에서 사용한 원재료의 종류와 이들의 물성을 표 2에 기재하였다. 상기 원재료를 표 3에 기재한 배합으로 혼련하여, 나타난 각 모르타르의 배합의 결과를 표3에 병기하였다. 시험은, 건조기에 수로 터널 바닥 보수를 실시하는 것을 상정하고, 기온 10℃, 상대 습도 80%의 조건으로 설정하였다.
속경성 결합재에 초미립자 활성화재와 칼슘알루미네이트계 팽창제, 고미분말 수재슬래그를 미리 혼합한 속경성 무기결합제 혼합물을 사용하였다. 본 실시예에서 사용한 속경성 무기결합재 혼합물의 각 재료별 혼합 비율은 속경성 결합재 62.7중량%, 칼슘알루미네이트계 팽창제 6.6중량%, 초미립 활성화재 15.7중량%, 고분말 슬래그 15중량% 이다.
표 3의 배합예에 있어서, 이러한 속경성 무기결합재 혼합물 중의 각 재료의 배합 비율은 모르타르 1㎥ 당 단위 중량 기준으로 나타내면, 속경성 결합재 572~662 ㎏/㎥, 칼슘알루미네이트계 팽창제 60~78 ㎏/㎥, 초미립 활성화재 125~143㎏/㎥, 고분말 슬래그 46~137 ㎏/㎥ 가 된다.
조합은 표 3에 기재한 바와 같이 배합예 1~6에 있어서는 물/결합재 비(W/B)를 34%, 단위 결합재 양을 912 ㎏/㎥, 하고, 속경성 무기결합재 혼합물의 0~137 ㎏/㎥를 대체 수준을 바꿔 고분말 슬래그로 대체하였다. 또한 전체 골재량의 30%에 상당하는 분을 석탄회(석탄회 조분 10~15%)로 대체하였다.
실제 현장에서는 시공시에 단위 수량을 정량적으로 계량하는 것이 곤란하기 때문에, 배합예 7~12에 있어서 단위 수량만을 증가한 경우의 성상 변화를 조사하였다. 즉, 고미분말 슬래그의 혼입량 46, 91, 137 ㎏/㎥ 의 배합에 있어서 물/결합재 비를 34%와 36%로 하여, 이들의 성상 변화를 조사하였다.
원재료 물성
고미불말 미립자 수재슬래그 밀도 2.9g/㎤, 비표면적 8,300㎠/g, 염기도 1.7
속경성 결합재 밀도 2.85g/㎤, 분말도 5,258㎠/g, 강열감량 3.54%
주구성광물 4CaO3Al2O3SO3
칼슘알루미네이트 팽창재 밀도 2.90g/㎤, 분말도 2,800㎠/g, 유리-CaO량 16.0%
주구성광물 3CaO3Al2O3CaSO4
초미립 활성화재 밀도 2.93g/㎤, 분말도 8,100㎠/g, 분자량 136.14
CaSO4 98%
석탄회(조분 10~15%포함) 비중 2.169, 국내산, 비표면적 1,150㎠/g, 강열감량 0.34%
규사 절건밀도 2.60g/㎤, 표건밀도 2.62g/㎤
실리카흄 순도 92% 비압축
배
합
예		 W/B
(%)
#1		 단위량(㎏/㎥ ) 프리
플로우
(㎜)		 J14
(초)
 공기량
(%)
 응결시간(분)
물 속경성결합재 초미립
활성화재		 팽창재 고분말슬래그 세골재
#2		 시발 종결
1

34

310


 662 125 78 46 912 280 35.2 2.5 59 74
2 662 130 73 46 912 281 31.5 2.9 58 73
3 617 133 70 91 912 277 42.4 2.1 55 67
4 617 139 64 91 912 271 43.2 2.3 56 67
5 572 137 66 137 912 260 50.1 1.8 49 62
6 572 143 60 137 912 257 52.3 1.9 46 61
7
35
319
 662 130 73 46 912 289 35.3 2.1 60 75
8
35
319
 617 139 64 91 912 275 44.4 2.0 57 71
9 572 143 60 137 912 260 51.4 2.0 52 66
10
36
328
 662 130 73 46 912 302 23.4 2.4 62 77
11 617 139 64 91 912 290 26.7 2.1 60 74
12 572 143 60 137 912 285 30.8 1.7 59 73
#1 B 는 속경성 무기계결합재 혼합물(속경성결합재+초미립 활성화재+팽창재+고분말슬래그)
#2 세골재는 규사 및 석탄회(골재 전체량의 30%)를 혼합한 것을 나타냄(질건질량)
[시험 항목과 시험 방법]
각 배합의 시험 방법은 다음과 같다.
프리플로우 시험 : KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 플로우 시험)에 준하여, 낙하 운동을 하지 않는 자유 플루우값을 측정하였다.
J14 로트 시험 : JSCE-F541(충전 모르타르의 유동성 시험)에 준하였다.
공기량과 단위 용적 질량의 측정 : KS L 3136(수경성 시멘트 모르타르의 공기량 측정방법)에 준하였다.
응결 시간의 측정 : KS F 4044(수경성 무수축 그라우트의 응결시간 시험)에 준하였다.
압축 강도의 측정 : KS F 4042(폴리머 시멘트 모르타르의 압축강도 시험)에 준하여, 측정 재령을 3시간, 7일, 28일로 하고, 양생 조건은 2일 항온항습(10±2℃), 5일 수중양생(10±2℃), 21일 항온항습(10±2℃)으로 하였다.
길이 변화 시험 : KS F 4042(폴리머 시멘트 모르타르의 길이 변화 시험)에 준하여, 시험체의 치수 40×40×160㎜으로 하고, 2일 항온항습(10±2℃), 5일 수중양생(10±2℃)하여 28일 동안 측정하였다.
부착시험 : KS F 4042(폴리머 시멘트 모르타르의 부착 강도 시험)에 준하여, 40×40×20㎜의 몰드를 사용하여 시험체를 제작하고 2일 항온항습(10±2℃), 5일 수중양생(10±2℃), 21일 항온항습(10℃)으로 양생한 후 시험체와 상부 인장용 지그를 접착제로 접착하여 24시간 후 표준 조건, 냉온 반복 2가지를 측정한다. 측정값은 공시체 3개의 평균값을 산출한다.
마모시험 : ASTM C 779 콘크리트 표면의 내마모 시험 방법의 A법(회전 원반기)에 준하여 실시하였다. 시험체는 300×300×50㎜의 평판으로 하고, 재령 28일까지 10℃ 수중에 침지 양생후 1주간 20℃, 60% R.H.로 기건 양생을 실시하고, 0분, 30분, 60분, 90분, 120분까지의 마모 시험을 실시하였다. 마모량의 측정방법은 시험체의 네 모퉁이에 측정판의 다리부를 고정시키기 위한 칩을 붙이고 측정판을 설치하여, 상부 표면으로부터 시험체 상부 표면까지의 깊이를 마모면 24점에 관해서 디지털 게이지로 평균치를 구하였다.
충격시험 : 충격시험체와 복공콘크리트로서 실제강도 24N/㎟ 의 콘크리트를 이용해서 300×300×200㎜ 의 공시체를 제작하고, 재령 28일까지 수중양생을 실시했다. 그후, 2종류의 콘크리트와 200㎜ 3종류의 모르타르는 50㎜ 를 타설하고, 재령 28일 까지 습윤양생을 실행한 후, 충격시험을 실행했다. 충격시험은 철공에 낙하에 따른 박리상황을 파악했다. 시험방법은 직경 46.8㎜, 무게 390g의 철공을 이용해서 높이 1.3m에서 초속 5.0m(mgh=1/2mv)로 낙하하는 것을 상정한다. 낙하회수는 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 50 회로 하고, 파인 상황의 목시관찰과 최대 파인 깊이의 측정을 실시했다.
염화물 이온 침투 저항성 시험 : KS F 4042(폴리머 시멘트 모르타르의 염화물 이온 침투 저항성 시험)에 준하여 φ 100×50㎜ 몰드로 시험체를 제작하여 2일 항온항습(10±2℃), 4일 수중양생(10±2℃), 1일 진공포화하여 7일 저항성을 측정하고 2일 항온항습(10±2℃), 24일 수중양생(10±2℃), 1일 진공포화하여 28일 저항성을 측정하였다.
[시험 결과]
1. 프리플로우는 슬래그의 혼입량 46㎏/㎥, 91㎏/㎥ 과 137㎏/㎥에 있어서 물/결합재 비를 변화시킨 경우에 프리플로우는 슬래그의 혼입량이 증가하면 작아지는 경향이 있지만, 물/결합재 비 34~36%에서는 250~310㎜를 나타낸다.
2. 공기량에 관해서는 모든 조합에 있어서 1.2 내지 2.9%의 범위이고, 슬래그의 혼입량과 물/결합재 비의 변화에 의한 영향은 거의 보이지 않는다.
3. 석탄회의 혼입량에 의한 J 로트의 충전 유동성의 결과와 관련 석탄회를 혼입한 보수용 모르타르에서는, 슬래그의 혼입량이 증가할수록 J 로트의 유하 시간이 느려지는 경향이 있고, 20 내지 55초 정도이다. 또한, 물/결합재 비가 저하되면 유하 시간이 느려지는 경향이 있고, 물/결합재 비 34% 보수용 모르타르는 물/결합재 비 36%인 것보다 1.3~1.6배 정도 느리다.
4. 모든 배합에 있어서 응결 시발 시간이 46 내지 62분, 종결 시간이 61 내지 77분이고, 시발에서 종결까지 약 15분 정도이다. 보수용 모르타르의 보수 공법으로의 실용화에 있어서는, 반죽하면서 그라우트 펌프에 의한 주입까지 20분 정도의 시간을 요하기 때문에, 30분 이상의 가사 시간의 확보가 필요해지지만, 본 예의 모르타르는 시발 시간이 46분 이상을 나타내고 있기 때문에, 가사 시간을 충분히 확보할 수 있다.
5. 재령 3시간의 압축 강도는 슬래그의 상대적 혼입량이 증가함으로써 저하되는 경향이 있지만, 모두 10N/㎟ 이상으로 목표 범위이다.
6. 고미분말 슬래그의 양이 증가함에 따라 시발 시간은 빨라지지만, 3시간 압축 강도는 작아지는 경향을 나타낸다. 슬래그의 혼입량에 의한 시발 시간의 차는 최대 15분 정도이다. 결합재 양에 대한 슬래그의 혼입량의 조정에 의해 시발 시간을 조정할 수 있다.
7. 결합재/물 비(B/W)의 차이에 의한 압축강도 변화와 관련, 고미분말 슬래그의 혼입량 46㎏/㎥ 와 91㎏/㎥ 및 137㎏/㎥에 관해서, 재령 3시간의 압축 강도는 결합재/물 비의 차이에 의한 영향은 적고, 어느 결합재/물 비에서도 10N/㎟ 이상을 나타낸다. 재령 28일의 압축 강도는 결합재/물 비가 증가하면 커지는 경향이 있지만, 어느 것이나 40N/㎟ 를 상회한다. 본 발명에 따르는 보수용 모르타르에서는, 고미분말 슬래그의 혼입량 및 단위 수량의 가감에 의한 물/결합재 비의 변화에 대한 압축 강도는, 고미분말 슬래그의 혼입량이 150㎏/㎥ 이하이면, 설정한 목표치를 만족시키는 것을 알 수 있다. 따라서, 단위 수량의 가감에 의한 물/결합재 비의 허용 범위로서, 계획 조합에 있어서 물/결합재 비가 ±1%(단위 수량±9㎏/㎥) 정도이더라도, 이의 압축 강도의 품질을 확보할 수 있다.
8. 상기 모든 배합예에 있어 재령 60일부터 길이는 거의 안정적이고, 재령 91일에서는 5.0×10-4 내지 5.5×10-4 범위이다. 또한 고미분말 슬래그 혼입량에 의한 길이 변화에는 큰 차이가 없다.
9. 재령 14일의 부착 강도는, 에폭시 수지계 프라이머를 제외하고, 1.5N/㎟ 를 크게 상회하고 있다. 재령 28일의 부착 강도는 2.1 내지 2.9N/㎟를 나타낸다. 에폭시 수지계 프라이머를 제외하고, 프라이머의 도포에 의해 부착 강도가 약간 증가하는 경향이 있다. 프라이머 성분에 착안하면 아크릴계 중합체의 부착 강도가 높다.
10. 마모 시험 결과와 관련 본 발명 모르타르와 보통 시멘트를 사용한 고강도 모르타르(W/C : 36.4%, 재령 28일 60N/㎟, S/C : 1.5, 규사 사용)와 비교하면 마모 깊이는 양자 모두 경과 시간에 따라 직선적으로 커지지만, 경과 시간 120분 에 있어서는 마모 깊이는 양자 모두 약 2㎜ 정도이고, 또한 동등한 경사를 나타내고 있는 점에서, 양자에게는 유의적인 차는 없으며 거의 동동하다.
11. 내충격성 시험은 φ 10㎝ 이상 돌의 충격을 상정한 철구낙하시험으로 직경 46.8㎜, 무게 390g의 철공을 이용해 높이 1.3m 에서 자연낙하 시킴으로써 현상을 관찰하였다. 낙하외수는 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 50 회로 하고, 파인 상황의 목시관찰과 최대 파인 깊이의 측정을 실시한 결과 본 발명 모르타르와 보통 시멘트를 사용한 고강도 모르타르(W/C : 36.4%, 재령 28일 60N/㎟, S/C : 1.5, 규사 사용) 모두 낙하회수가 증가하면 파인 깊이가 깊어지는 경향이 있었으나 본 발명 모르타르는 보통 시멘트를 사용한 고강도 모르타르 보다 철구가 맞는 면적에 충격이 균등하게 분산되고 파인 깊이가 감소되는 현상이 있었다.
12. 염해 저항성 시험
상기 모든 배합에 있어 염화물 이온 침투 저항성은 통과전하량 기준 500 coloumbs 이하로서 단면복구 모르타르 기준인 1,000 coloumbs 이하 보다 훨씬 우수한 제품임이 확인되었다.
본 발명에 따른 보수용 모르타르는 산업부산물인 수재슬래그를 재분쇄한 고미분말 수재슬래그와 석탄회를 주원료로 사용하여 고유동, 속경성, 고강도, 고내구성을 발현한 것이며, 용도로서는 일반 터널, 수로 터널 및 해수 터널에서의 바닥 모르타르 보수공법에 적합하다. 또한 일반 도로 및 다른 구조물의 보수용 재료로 사용하는 것도 가능하며, 특히 내염해성, 내마모성 및 내충격성이 강해 해수환경에 접해 있는 해양구조물 등의 수리 구조물에 적합하다. 본 발명의 보수용 모르타르는 일반적인 보수 모르타르와 비교하면, 유동성, 속경성, 고강도, 고내구성이 우수하기 때문에, 양호한 작업성을 기초로 고품질의 보수 성과를 얻을 수 있으며, 경제적이다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 속경성 무기결합재 혼합물(B), 세골재 및 물(W)을 혼련하여 수득하되, 재령 3시간의 압축강도가 10N/㎟ 이상을 발현하며, 프리플로우가 250㎜ 이상이고, 응결 시발 시간이 40분 이후이며, 응결 종결 시간이 80분 이내이며,
    상기 속경성 무기결합재 혼합물(B)과 물(W)의 배합비율인 물/결합재 비(W/B)가 34~36%인 것을 특징으로 하는 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 속경성 무기결합재 혼합물(B)은 속경성 결합재, 초미립 활성화재, 팽창재 및 고미분말 수재슬래그를 포함하되,
    상기 초미립 활성화재는 분말도 8,000㎠/g 이상의 초미립자의 무수석고로 이루어지며, 상기 고미분말 수재슬래그는 고로 수재슬래그를 분말도 8,000㎠/g 이상으로 미세 분쇄하여 고미분말화 시킨 입자인 것을 특징으로 하는 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 속경성 무기결합재 혼합물(B)은 실리카흄을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 속경성 결합재는 4CaO3Al2O3SO3 계로서 800㎏/㎥이하 배합되고, 상기 초미립 활성화제는 200㎏/㎥이하 배합되고, 상기 팽창재는 칼슘알루미네이트계로서 80㎏/㎥이하 배합되고, 상기 고미분말 수재슬래그는 150㎏/㎥이하 배합되고, 상기 실리카흄은 50㎏/㎥이하 배합되는 것을 특징으로 하는 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 세골재는 규사 및 석탄회를 포함하되, 석탄회가 세골재의 30부피% 이하인 것을 특징으로 하는 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 석탄회의 평균 입자 직경이 5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 보수용 모르타르는 재령 28일의 압축강도가 40N/㎟ 이상을 발현하는 것을 특징으로 하는 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 프리플로우, 응결 시발 시간 및 응결 종결 시간은 기온 10℃, 상대 습도 80%의 조건하에서 측정된 값인 것을 특징으로 하는 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르.
  10. 제 2항에 있어서,
    분산제, 소포제, 강도 촉진제, 지연제 및 증점제로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 혼화제를 추가적으로 포함하되, 상기 분산제는 20㎏/㎥이하, 상기 소포제는 1㎏/㎥이하, 상기 강도 촉진제는 1㎏/㎥이하, 상기 지연제는 1㎏/㎥이하, 상기 증점제는 1㎏/㎥이하를 배합하는 것을 특징으로 하는 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르.
  11. 일반 터널, 수로 터널 또는 해수 터널의 내벽 또는 바닥에 형틀을 설치하고, 상기 내벽 또는 바닥 복공콘크리트와 형틀과의 공간에 보수용 모르타르를 충전하는 터널의 내권 공법에 있어서,
    제 2항의 내마모, 내충격 및 내염해성이 우수한 보수용 모르타르를 사용하는 것을 특징으로 하는 터널 보수 공법.
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