KR101466823B1 - 흡수 제어형 모르타르용 혼화재와 이를 이용한 흡수 제어형 모르타르 조성물, 그리고 그 모르타르 조성물을 이용한 콘크리트 단면보수공법 - Google Patents

흡수 제어형 모르타르용 혼화재와 이를 이용한 흡수 제어형 모르타르 조성물, 그리고 그 모르타르 조성물을 이용한 콘크리트 단면보수공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물의 균열, 열화 등에 의한 손상을 보수 및 복구하기 위한 콘크리트 단면보수 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수분의 침투를 방지하는 기능이 향상되면서도 강도 저하를 방지할 수 있는 흡수 제어형 모르타르 조성물과, 이러한 흡수 제어형 모르타르 조성물에 유리하게 이용하기 위한 흡수 제어형 모르타르용 혼화재, 그리고 그 흡수 제어형 모르타르를 바람직하게 이용한 콘크리트 단면보수공법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 흡수 제어형 모르타르용 혼화재는 고로슬래그와 발수제가 분쇄기에서 분쇄 혼합된 것을 특징으로 한다. 이때 분쇄 혼합과정에는 응집방지제가 더 혼입될 수 있으며, 응집방지제로는 수산화 마그네슘이 바람직하게 이용될 수 있다. 나아가 발수제로는 강도 저하현상이 작은 스테아린산과 왁스 에멀젼 중에서 하나 이상이 바람직하게 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 흡수 제어형 모르타르 조성물은 시멘트와 상기한 흡수 제어형 모르타르용 혼화재를 포함하여 조성된 결합재로 배합하는 것을 특징으로 한다. 이러한 흡수 제어형 모르타르 조성물의 배합에는 재유화형 분말수지, 유동화제 중 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 콘크리트 단면보수공법은 콘크리트 구조물에서 열화 부분을 제거한 후, 제거된 부분에 상기한 흡수 제어형 모르타르 조성물을 충진하는 것을 특징으로 한다. 이때 흡수 제어형 모르타르 조성물을 충진하기 전에, 콘크리트 성능회복제 및 프라이머를 도포할 수 있다.

Description

흡수 제어형 모르타르용 혼화재와 이를 이용한 흡수 제어형 모르타르 조성물, 그리고 그 모르타르 조성물을 이용한 콘크리트 단면보수공법{Admixture for Water Absorbing Control Mortar, Water Absorbing Control Mortar Composition using the Admixture and Concrete Repair Method Using the Mortar}
본 발명은 콘크리트 구조물의 균열, 열화 등에 의한 손상을 보수 및 복구하기 위한 콘크리트 단면보수 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수분의 침투를 방지하는 발수기능이 향상되면서도 강도 저하를 방지할 수 있는 흡수 제어형 모르타르 조성물과, 이러한 모르타르 조성물에 유리하게 이용하기 위한 혼화재, 그리고 모르타르를 바람직하게 이용한 콘크리트 단면보수공법에 관한 것이다.
콘크리트 구조물은 재료 및 배합, 시공, 구조 및 하중, 환경조건 등의 자연적 또는 인위적인 작용에 의해 여러 가지 형태의 균열이 발생한다. 이러한 콘크리트 구조물의 균열은 콘크리트 구조물의 성능 저하를 유발하는데, 이는 콘크리트 구조물의 설계사용년수에 미치지 못하게 하는 원인으로 작용한다. 또한 재료 및 배합, 시공, 구조 및 하중과 같은 인위적인 작용을 배제하여도 외기 조건이나 환경에 따라 시간이 지남에 따라 콘크리트가 열화하여 그 성능이 저하하게 된다. 따라서 콘크리트 구조물은 항상 지속적인 유지관리 행위가 필요하며, 특히 재료나 시공 및 구조 등의 문제가 자연 환경적 요인과 복합적으로 작용할 경우 콘크리트 구조물의 유지관리 수요는 더욱 증가한다.
콘크리트 구조물의 사용 연수를 증가하기 위해서는 인위적인 결함을 최소화해야 하지만 자연환경에 의한 열화 요인에 적극적인 대처가 가능해야 한다. 콘크리트 구조물을 열화시키는 자연적인 요인은 콘크리트 외부의 온도변화나 대기, 토양의 습기를 매개로 하는 이산화탄소, 염소 이온, 황산 이온, 산성 이온 등과 같은 열화인자의 침투이다. 이러한 열화인자의 침투로 콘크리트에 열화가 일어나면 열화부위를 제거한 후 제거된 콘크리트 단면을 복구하는 콘크리트 단면보수공법을 실시한다.
콘크리트 단면보수공법에는 단면보수 모르타르를 이용한다. 단면보수 모르타르는 콘크리트 모체의 지속적인 열화를 방지하기 위하여 자연적인 열화인자가 콘크리트 내부로 침투하도록 도와주는 수분이 침투하는 것을 방지하는 발수기능이 가장 중요한 기능 중의 하나라고 할 수 있다. 단면보수 모르타르에 발수기능을 부여하기 위해 통상 발수제를 혼입하는데, 지금까지 알려진 발수제는 주로 스테아린산(Stearic Acid), 올레인산(Oleic Acid), 칼슘 스테아레이트(Calcium Stearate), 왁스 에멀젼(Wax emulsion) 등의 지방산계 발수제를 혼입했다. 특허 제10-0913255호는 스테아린산 발수제를 혼입한 단면보수 모르타르가 개시되어 있다. 그러나 지방산계 발수제는 종류별 차이가 있으나 모르타르에 혼입될 때 발수성능을 발현하는데 반해 대부분 모르타르의 강도 저하현상을 유발하는 단점이 있다.
본 발명은 종래 발수제 혼입에 따른 단면보수 모르타르의 강도 저하현상 문제를 개선하고자 개발된 것으로서, 수분의 침투를 방지하는 발수기능이 향상되면서도 강도 저하를 방지할 수 있는 새로운 콘크리트 단면보수용 모르타르 조성물과, 이러한 모르타르 조성물에 유리하게 이용하기 위한 혼화재, 그리고 그 모르타르를 바람직하게 이용한 콘크리트 단면보수공법을 제공하는데 기술적 과제가 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 고로슬래그와 발수제가 분쇄기에서 분쇄 혼합된 것을 특징으로 하는 흡수 제어형 모르타르용 혼화재를 제공한다. 이때 분쇄 혼합과정에는 응집방지제가 더 혼입될 수 있으며, 응집방지제로는 수산화 마그네슘이 바람직하게 이용될 수 있다. 나아가 발수제로는 강도 저하현상이 작은 스테아린산과 왁스 에멀젼 중에서 하나 이상이 바람직하게 이용될 수 있다.
또한 본 발명은 시멘트와 상기한 흡수 제어형 모르타르용 혼화재를 포함하여 조성된 결합재로 배합하는 것을 특징으로 하는 흡수 제어형 모르타르 조성물을 제공한다. 이러한 흡수 제어형 모르타르 조성물의 배합에는 재유화형 분말수지, 유동화제 중 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
나아가 본 발명은 콘크리트 구조물에서 열화 부분을 제거한 후, 제거된 부분에 상기한 흡수 제어형 모르타르 조성물을 충진하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 단면보수공법을 제공한다. 이때 흡수 제어형 모르타르 조성물을 충진하기 전에, 콘크리트 성능회복제 및 프라이머를 도포할 수 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 종래 발수제의 단순 혼입에 따른 강도 저하문제를 개선할 수 있는 새로운 콘크리트 단면보수용 모르타르로서 흡수 제어형 모르타르를 제공할 수 있으며, 더불어 이러한 모르타르에 유리하게 활용할 수 있는 흡수 제어형 모르타르용 혼화재를 제공할 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 흡수 제어형 모르타르 조성물은 우수한 발수성으로 유해성분이나 이산화탄소, 수분 등의 침투를 효과적으로 방지하는 것은 물론 압축강도 및 부착강도 발현과 동결융해 저항성 및 염소이온 침투저항성 등도 유리한 효과를 발휘한다. 따라서 본 발명에 따른 흡수 제어형 모르타르 조성물을 이용하여 콘크리트 단면보수공법을 실시하면 높은 부착강도로 콘크리트 모체와의 일체성을 확보할 수 있고, 또한 압축강도 발현과 발수성, 동결융해 저항성 및 염소이온 침투저항성으로 복구된 단면은 물론 콘크리트 모체의 열화 진행을 억제하여 내구연한을 증진시킬 수 있다.
본 발명은 흡수 제어형 모르타르용 혼화재를 구성함에 있어 고로슬래그와 발수제를 분쇄기에서 분쇄 혼합한다는데 특징이 있다. 지금까지 알려진 발수제는 주로 스테아린산(Stearic Acid), 올레인산(Oleic Acid), 칼슘 스테아레이트(Calcium Stearate), 왁스 에멀젼(Wax emulsion) 등의 지방산계 발수제인데, 이들 지방산계 발수제는 종류별 차이는 있으나 모르타르에 혼입하여 사용할 경우 발수 성능을 나타내는데 반해 대부분 모르타르의 강도 저하 현상을 유발한다. 이에 따라 본 발명에서는 발수제를 사용하고도 강도 저하 현상이 발생하지 않게 하기 위하여 발수제를 고로슬래그와 함께 분쇄 혼합할 것을 제안한다. 고로슬래그와 발수제를 함께 분쇄 혼합함으로써 고로슬래그 미분말과 발수제가 양호하게 분산 혼합되게 하고 더불어 고로슬래그는 더 미분이 되게 한 것이다. 아래 시험예에서는 고로슬래그와 발수제를 함께 분쇄 혼합한 혼화재를 사용한 모르타르의 경우 강도 저하현상이 방지되는 것을 확인할 수 있었다.
고로슬래그와 발수제는 볼밀에서 30분간 분쇄 혼합하면 적당하며, 여기서 고로슬래그는 이미 분쇄된 미분말 형태는 물론 5mm 내외의 잔골재 형태로 수집되는 분쇄전 상태의 고로슬래그도 가능하다.
한편 분쇄 과정에서 고로슬래그와 발수제가 서로 엉겨 붙는 응집현상을 완화시키기 위해 수산화 마그네슘과 같은 응집방지제를 더 혼입하여 분쇄 혼합하는 것이 바람직하다. 발수제는 비교적 강도 저하 현상이 작은 스테아린산과 왁스 에멀젼을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 응집방지제로 수산화 마그네슘을 사용하고, 발수제로 스테아린산과 왁스 에멀젼을 사용하면서 혼화재를 제조한다면, 고로슬래그 75~95중량%, 수산화 마그네슘 1~5중량%, 스테아린산 1~10중량%, 왁스 에멀젼 1~10중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 조성범위는 분쇄효율과 함께 모르타르의 성능발현을 고려한 결과이다.
상기와 같이 고로슬래그와 발수제를 분쇄 혼합한 흡수 제어형 모르타르용 혼화재는 시멘트와 함께 흡수 제어형 모르타르 배합시 결합재로 이용하면 된다. 이때, 부착력, 방수성, 탄성 등을 개선하기 위해 재유화형 분말수지를 더 혼입하거나 유동성 개선을 위해 유동화제를 더 혼입하여 배합할 수 있다. 더욱 바람직하게는 시멘트 40~60중량부, 흡수 제어형 모르타르용 혼화재 5~35중량부, 초속경 시멘트 5~50중량부로 결합재를 조성하고, 잔골재(규사) 50~300중량부, 재유화형 분말수지 0.1~2중량부, 유동화제 0.1~2중량부로 배합한다. 이러한 배합범위는 발수성능, 강도성능, 시공성, 경제성 등을 고려한 결과이다.
위와 같은 흡수 제어형 모르타르는 강도, 발수성, 염소이온 침투저항성, 동결융해 저항성 등에서 우수한 성능을 발휘하기 때문에 콘크리트 단면보수에 유리하게 적용할 수 있다. 즉, 콘크리트 구조물에서 열화 부분을 제거한 후, 제거된 부분에 본 발명에 따른 흡수 제어형 모르타르 조성물을 충진한다면 복구된 콘크리트 단면은 물론 콘크리트 모체 또한 내구성이 향상되면서 콘크리트 단면보수이 이루어질 것이다. 다만 흡수 제어형 모르타르를 충진하기 전에 콘크리트 성능회복제 및 프라이머를 도포하는 것이 콘크리트 모체의 성능 회복 및 흡수 제어형 모르타르의 부착력 향상을 위해 더욱 바람직하다. 콘크리트 성능회복제는 콘크리트의 알칼리 회복제가 적당하고, 프라이머는 아크릴계 프라이머, EVA계 프라이머가 적당하다.
이하에서는 제조예 및 시험예에 의거하여 본 발명을 상세히 살펴본다. 다만, 아래의 제조예 및 실험예예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.
[제조예] 흡수 제어형 모르타르용 혼화재
아래 [표 1]과 같은 조성을 재료를 준비하고, 이들 재료를 볼밀에서 30분간 분쇄 혼합하여 흡수 제어형 모르타르용 혼화재를 제조하였다.
흡수 제어형 모르타르용 혼화재 재료 조성(중량%)
재료 조성 특성
고로슬래그 85 비중 2.9, 분말도 4200
응집방지제 3 수산화 마그네슘 : 비중 2.4
발수제1 4 왁스 에멀젼: 백색 에멀젼, 비중 0.98, pH 6.5~7.0, 점도(cP) 6~8, 왁스입자크기(㎛) 0.5~1.0, 고형분함량(%) 30
발수제2 8 스테아린산: 백색 고체, 화학식 C17H35COOH, 비중 0.87,
녹는점(℃) 69~72
[시험예] 흡수 제어형 모르타르 특성
1. 모르타르 배합
상기 제조예에 따른 흡수 제어형 모르타르용 혼화재를 이용하면서 아래 [표 2]와 같은 조성으로 모르타르를 배합하였다.
재료 조성(중량부)
구분 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5 실시예1 실시예2
시멘트 55 55 55 55 55 55 55
일반 고로슬래그 15 15 15 15 15
흡수 제어형 모르타르용 혼화재 15 15
초속경 시멘트 30 30 30 30 30 30 30
스테아린산 0.5 1.0
왁스 에멀젼 0.5 1.0
재유화형 아크릴 분말수지 1
표준사 150 150 150 150 150 150 150
나프탈렌계 유동화제 1 1 1 1 1 1 1
W/C(%) 47 47 47 47 47 47 47
2. 모르타르 특성 시험방법
[표 1]에 따른 조성의 모르타르에 대하여 유동성, 압축강도, 투수성, 염화물 침투, 동결융해 시험을 실시하였다. 유동성 시험은 KS L 5105에 의한 플로우 시험을 통하여 원지름을 mm로 표시하였다. 압축강도 시험은 KS F 2405에 따라 3일, 7일, 28일일의 각 재령으로 실시하였으며, 시험체는 KS F 2403에 따라 제작하였다. 투수성 시험은 40×40×60mm 시험체를 제작하고 재령 14일간 수중 양생한 후 높이 30mm의 수조에 시험체를 세워 수조의 물이 시험체로 흡수되어 올라가는 높이를 측정하였다. 흡수된 물의 높이는 수조 높이 30mm 위부분을 기준으로 하여 측정하였다. 측정의 정확성을 위하여 수조에 진청색 잉크를 풀어 물의 높이를 확인하여 측정하였다.
염화물 침투시험은 NT BUILD 492에 규정에 의해 시험을 실시하였다. 시험체는 시험 전 원주형 공시체의 중앙부를 50mm 두께로 절단하여 염분침투를 촉진하기 위한 3시간의 진공처리를 실시하였다. 염화물 침투깊이는 시험이 종료된 후 시험편을 할렬하여 절단면에 0.1M의 질산은(AgNO3) 용액을 분무하였을 때 은회색으로 변색된 부위를 측정하였다. 측정은 시험체 양단의 10mm를 제외하고 중심에서 외측방향으로 10mm 간격씩 7곳을 측정하여 그 평균 깊이를 염화물의 침투 깊이로 하였다. 이 때 시험체는 28일간 수중 양생한 후 실시하였다.
동결융해 시험은 KS F 2456의 기중 급속동결 후 수중 융해 시험방법에 준하여 실시하였다. 동결융해 시험의 온도범위는 공시체 중심온도를 -18~4로 하고 1cycle의 시간은 3시간 30분으로 하여 36사이클마다 1차 공명 진동수와 시험체 질량을 300cycle까지 측정하여 다음 식에 의해 상대동탄성계수를 구하였다.
Figure 112014062878404-pat00001
여기서, Pc : 동결융해 C사이클 후의 상대동탄성계수(%), n0 : 초기의 1차 공명 진동수(Hz), nc : 동결융해 C사이클 후의 1차 공명 진동수(Hz) 이다.
3. 모르타르 특성 시험결과
앞서 살펴본 시험방법에서 따라 모르타르의 특성을 시험한 결과 아래 [표 2]와 같은 결과를 얻었다.
모르타르 특성 시험결과
구분 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5 실시예1 실시예2
Flow(%) 225 233 235 230 232 235 232
부착강도(MPa) 1.12 0.87 0.65 0.94 0.83 0.97 1.18
압축강도
(MPa)		 3일 23.4 21.6 19.4 22.3 21.4 23.2 22.8
7일 42.5 39.4 36.7 39.9 38.4 42.7 40.8
28일 56.7 52.5 53.2 56.3 55.7 55.8 54.3
발수성
(수분 흡수높이, mm)		 68 32 24 28 23 17 18
염화물이온 침투시험
(침투깊이, mm)		 7.4 4.5 3.7 4.8 3.3 3.6 3.4
동결 융해 저항성
(300cycle, 상대동탄성계수(%))		 83 NA 89 NA 91 93 NA
한 위의 [표 2]에서와 같이 스테아린산이나 왁스 에멀젼을 사용할 경우 수분 흡수 높이가 저하하나 부착강도와 압축강도가 저하하는 현상을 확인할 수 있었다(비교예1~5). 이에 반해 본 발명에 따른 흡수 제어형 모르타르용 혼화재(고로슬래그와 발수제를 분쇄 혼합)를 사용할 경우에는 부착강도의 저하가 크지 않고 또한 압축강도의 저하도 크지 않는 것을 확인할 수 있었다(실시예1,2). 특히 실시예2와 같이 재유화형 아크릴 분말수지를 동시에 사용할 경우에는 부착강도를 더욱 향상시킬 수 있었다. 또한 발수성능도 실시예가 비교예보다 더 양호한 성능을 나타냈으며, 동결융해 저항성은 발수제를 사용할 경우 개선되는 경향을 나타냈는데, 특히 실시예1과 같이 발수제를 고로슬래그와 함께 분쇄 혼합하여 혼입한 경우가 단순 혼입한 경우(비교예3,5)보다 다소 우수한 성능을 나타냈다.
이상과 같이 발수제를 고로슬래그와 혼합분쇄하여 사용할 경우, 부착강도와 압축강도 저하 현상을 완화하고, 우수한 발수 성능을 확보할 수 있는 것으로 확인되었다. 나아가 동결융해 저항성과 염소이온 침투저항성도 모두 향상되었다. 이에 따라 본 발명에 따른 흡수 제어형 모르타르 조성물을 이용하면 흡수 제어형 모르타르 자체의 내구성능 뿐만 아니라 그 모체 콘크리트의 내구성 향상에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

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  4. 고로슬래그 75~95중량%, 수산화 마그네슘 1~5중량%, 스테아린산 발수제 1~10중량%, 왁스 에멀젼 발수제 1~10중량%를 포함하여 조성되어 분쇄기에서 분쇄 혼합된 것을 특징으로 하는 흡수 제어형 모르타르용 혼화재.
  5. 시멘트와 제4항에 따른 흡수 제어형 모르타르용 혼화재를 포함하여 조성된 결합재로 배합하는 것을 특징으로 하는 흡수 제어형 모르타르 조성물.
  6. 제5항에서,
    재유화형 분말수지, 유동화제 중 하나 이상의 첨가제를 더 포함하여 배합하는 것을 특징으로 흡수 제어형 모르타르 조성물.
  7. 제6항에서,
    시멘트 40~60중량부, 흡수 제어형 모르타르용 혼화재 5~35중량부, 초속경 시멘트 5~50중량부로 결합재를 조성하는 한편, 잔골재 50~300중량부, 재유화형 분말수지 0.1~2중량부, 유동화제 0.1~2중량부로 배합하는 것을 특징으로 하는 흡수 제어형 모르타르 조성물.
  8. 콘크리트 구조물에서 열화 부분을 제거한 후, 제거된 부분에 제5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 흡수 제어형 모르타르 조성물을 충진하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 단면보수공법.
  9. 제8항에서,
    상기 흡수 제어형 모르타르 조성물을 충진하기 전에, 콘크리트 성능회복제 및 프라이머를 도포하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 단면보수공법.
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