KR102200657B1 - 콘크리트 단면복구재 조성물 및 이를 이용한 중성화, 염해, 화학적 부식의 피해를 입은 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법 - Google Patents

콘크리트 단면복구재 조성물 및 이를 이용한 중성화, 염해, 화학적 부식의 피해를 입은 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 단면복구재 조성물 및 이를 이용한 중성화, 염해, 화학적 부식의 피해를 입은 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법에 관한 것으로서, 구체적으로 콘크리트 단면복구재 조성물은 일반 시멘트 또는 슬라그 시멘트 30 내지 40wt%, 규사 30 내지 58wt%, 팽창재 5 내지 10wt%, 나노금속재 1 내지 10wt%, 혼화재 5 내지 20wt%, 보강재 0.1 내지 1.5wt%, 유동화제 0.2 내지 1.5wt%, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브, 탄소나노플레이트, 판상형 그라파이트, 그래핀, 그래핀옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 나노 탄소재 0.01 내지 3wt%, 및 음이온계 또는 비이온계 분산제 0.5 내지 3wt%를 포함하고, 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법은 콘크리트 구조물의 이물질 및 열화된 부분을 제거하는 단계, 콘크리트 구조물의 이물질을 고압세정수에 세정하는 단계, 콘크리트 구조물에 표면강화재를 도포하는 단계, 표면강화재 도포 부위 위에 콘크리트 단면복구재 조성물을 도포하는 단계, 그 위에 표면보호재를 도포하는 단계, 및 표면보호재 도포후 세라믹 코트재를 균일하게 도포하는 단계를 포함한다.

Description

콘크리트 단면복구재 조성물 및 이를 이용한 중성화, 염해, 화학적 부식의 피해를 입은 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법{SECTION RECOVERY COMPOSITES FOR CONCRETE CONSTRUCTIONS, AND SECTION RECOVERY METHOD OF THE CONCRETE CONSTRUCTION FOR PREVENTING NEUTRALIZATION AND CORROSISION CAUSED BY SALTS AND CHEMICALS USING THE SAME}
본 발명은 콘크리트 단면복구재 조성물과 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 염화물의 침입, 콘크리트의 중성화 및 화학적 부식에 의해 피해가 발생된 콘크리트 구조물의 단면 내 열화현상을 복구하는 단면복구재의 조성물과 콘크리트 구조물 단면 복구 및 보수공법에 관한 것이다.
콘크리트는 일반적으로 건축물에 가장 흔하게 사용되는 건축재인데, 이러한 콘크리트 건축물은 국가의 기반 시설이 되어 오랜 기간 동안 안전하게 수명을 유지해야 국가의 기반 시설로서 국가 경제에 이바지할 수 있다.
그러나 날로 심각해져가는 공해, 산성비 등의 대기환경오염이나 미세먼지나 변화된 환경물질의 방출로 인해 콘크리트 구조물은 더이상 반영구적인 100년 이상의 기대수명을 더이상 기대하기 어렵게 되고 있는 실정이다. 특히 콘크리트는 알칼리성을 유지하여야 구조물의 수명을 오랜기간 동안 유지할 수 있는데, 중성화되거나, 염해 및 화학적 물질 등으로 인한 콘크리트의 부식이 초래되면 이로 인하여 철근 콘크리트 주 재료인 철근이 부식되어 전체적인 콘크리트 구조물의 수명이 현저하게 단축되는 현상이 발생하게 된다.
다시 말하면, 시멘트의 수화반응으로 인하여 생성된 Ca(OH)2에 의해 강알카리성(pH 12∼13)을 가지고 있기 때문에 콘크리트에 매립되어 있는 철근은 일반적으로 부식되지 않는다. 그러나 공기 중의 탄산가스(이산화탄소)의 작용을 장기적으로 받게 되면 콘크리트 중의 수산화칼슘이 서서히 탄산칼슘으로 변하여 pH가 낮아져 콘크리트가 알카리성을 상실해 가는 중성화 또는 탄산화가 발생된다. 화학반응식은 다음과 같다.
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
탄산가스 이외에도 산성의 화학적 물질이 콘크리트에 침입하는 경우에도 콘크리트의 알칼리성이 중화되는 중성화 현상이 발생된다. 자동차의 배기가스, 연탄가스 중의 아황산가스(SO2) 등이 그 대표적 예이다. 더욱이 특수한 중성화 또는 열화의 외인으로는 황산, 염산, 질산 등의 무기산, 석산 등의 유기산이 있다. 중성화가 중요시되는 것은 콘크리트 자체에 관한 것이 아니라 콘크리트 중의 철근이 부식하기 때문이다. 건축물에서 철근보다 안쪽에서 중성화된 경우라면 중성화된 부분에 있는 철근은 부식하기 시작하나 알칼리 부분에 있는 철근은 아직 부식하지 않는다. 철근에 부식이 발생하면 녹으로 인한 체적이 현저하게 증가되고 피복 콘크리트를 파괴하여 철근에 따라 균열이 발생한다. 균열 부분을 통해 부식에 필요한 수분과 산소가 공급되어 철근의 부식은 더욱더 가속되고 이것이 축적되게 되면 피복 콘크리트를 박리, 탈락시켜 철근이 노출된다.
이러한 기존 철근 콘크리트 구조물의 염해, 중성화 및 화학적 부식에 대한 방지 및 보수기술로서는 열화를 받은 구조물 표면 이물질을 제거한 후 세정 작업을 실시하고 에폭시계 및 일반 분말 파우더 성질을 가진 표면 보호재를 직접 미장으로 도포한 후 에폭시계 및 우레탄계 코트 재료로 마감하는 일반적인 보수 공법이 있다,
그러나 일반적인 표면보호재는 두께가 1㎜ 이상으로 도포되면 미장 표면에서 균열이 발생되는 문제가 있고, 주성분 제형이 분말 파우더이어서 미장 작업이 불가능한 어려움이 있다. 또한 도장재는 에폭시계 및 우레탄 계열로 주로 사용되고 있으나 에폭시계 표면보호재는 자외선에 노출시 색상이 변화하는 문제점이 있으며, 우레탄 계열은 온도 수축에 민감하여, 들뜸 현상이 일어날 수 있는 문제점이 있다.
기존 철근콘크리트 구조물의 염해, 중성화 및 화학적부식에 대한 또다른 방지 기술로서는 표면탈락 및 박리 단면에 일반적인 신구접착제 도포 후 모르타르를 도포하고 에폭시 코팅제를 도포하여 보수를 하는 것이 복구방법이 있다.
그러나 일반적인 신구접착제는 콘크리트 표면에 이질층을 형성하며, 이로 인하여 모체와 모르타르가 재탈락되는 원인이 되었다. 또한 단면복구용 모르타르는 단면복구 기능만 부여할 뿐이고, 도장재 에폭시 및 우레탄을 주성분으로 하는 유기계는 도포된 후 취성파괴가 되거나 자외선으로 인한 색상 변질, 및 통기성이 없어 콘크리트 속의 수분이 표면으로 밀려 나와 도장재 부착부분의 탈리 현상이 일어나는 등의 부작용이 있었다.
따라서, 중성화, 염해, 화학적 부식의 피해를 입은 콘크리트 구조물의 철근 부식을 방지하기 위한 단면 복구 공법에 사용되는 단면복구재로서, 적용이 용이하고, 자외선이나 외부 온도에 유연하게 대응하며 균열이 생기지 않도록 외부 환경을 견고하게 차단할 수 있는 단면복구재의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 중성화, 염해, 화학적 부식의 피해를 입은 콘크리트 구조물의 철근 부식 등 단면 피해를 방지하기 위한 단면 복구 공법에 사용되는 단면복구재를 개발하는 것이다. 특히, 콘크리트 구조물에 적용이 용이하고, 자외선이나 외부 온도에 유연하게 대응하며 균열이 생기지 않도록 부착강도가 우수하고, 물투수계수 및 습기투과성이 낮은 콘크리트 구조물의 단면복구재 조성물을 제공하여 콘크리트 구조물을 신속하게 보수하고 부식을 억제하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 콘크리트 구조물의 부식을 억제하는 단면복구재를 사용한 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법을 제안함과 아울러, 발수성과 표면이 강화된 단면 복구 효과를 부여하고, 통기성을 확보하여 부착성 및 재열화성을 억제하며, 항균성 기능을 부가하여 콘크리트 표면에 공생하는 곰팡이, 박테리아, 세균 등의 생성 및 활성을 억제하여 기존의 코팅제가 파괴되어도 항균성 단면복구재가 화학적 부식에 저항하는 기능을 확보한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 단면복구재 조성물은 일반 시멘트 또는 슬라그 시멘트 30 내지 40wt%, 규사 30 내지 58wt%, 팽창재 5 내지 10wt%, 나노금속재 1 내지 10wt%, 혼화재 5 내지 20wt%, 보강재 0.1 내지 1.5wt%, 유동화제 0.2 내지 1.5wt%, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브, 탄소나노플레이트, 판상형 그라파이트, 그래핀, 그래핀옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 나노 탄소재 0.01 내지 3wt%, 및 음이온계 또는 비이온계 분산제 0.5 내지 3wt%를 포함하고, 상기 나노 탄소재는 상기 다중벽 탄소나노튜브와 상기 판상형 그라파이트가 2:1의 비율로 포함된다.
여기서 상기 팽창재는 칼슘 설포 알루미네이트(calcium sulfo-aluminate), 산화칼슘(Ca0), 황산칼슘(CaSO4), 알루미나시멘트(Alumina cement), 칼슘알루미네이트(calcium aluminate) 수화물, 및 칼슘 설포 알루미네이트가 포함된 포틀랜드시멘트(portland cement)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인일 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
상기 나노금속재는 입경이 1 내지 100nm인 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 알루미늄(AI), 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 게르마늄(Ge), 백금(Pt), 텅스텐(W), 및 이들 금속의 산화물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한 상기 혼화재는 포졸란(pozzolan) 및/또는 플라이애쉬(flyash)일 수 있다.
상기 보강재는 PP(polypropylene) 섬유, 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nano-fiber), 셀룰로오스(cellulose), PE(polyethylene) 섬유, 및 아라미드 섬유로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인 섬유강화복합재료일 수 있으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
그리고, 상기 유동화제는 멜라민계, 나프탈렌계, 카르복실계 유동화제로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로서 콘크리트 단면복구재 조성물은 콘크리트 구조물의 차폐성이나 견고성을 높여주는 기능을 할 수 있는 추가적인 물질을 더 포함할 수 있는데, 구체적으로 질화붕소(BN) 0.01 내지 3wt% 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법은, 콘크리트 구조물의 이물질 및 열화된 부분을 제거하는 단계, 콘크리트 구조물의 이물질을 고압세정수에 세정하는 단계, 콘크리트 구조물에 표면강화재를 도포하는 단계, 표면강화재 도포 부위 위에 콘크리트 단면복구재 조성물을 도포하는 단계, 그 위에 표면보호재를 도포하는 단계, 및 표면보호재 도포후 세라믹 코트재를 균일하게 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 표면강화재는 침투성 계면활성제, 반응성 실리카, 실리카계 발수제로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
또한 상기 표면보호재는 시멘트, 규사, 아크릴계 폴리머(Acryl base polymer), 및 계면활성제를 포함한 혼합체일 수 있는데, 시멘트와 규사는 미량 포함되거나 포함되지 않도록 구성될 수도 있다.
본 발명은 일반 시멘트 또는 슬라그 시멘트, 규사, 팽창재, 나노금속재, 혼화재, 보강재, 유동화제, 나노 탄소재, 및 음이온계 또는 비이온계 분산제를 포함하는 콘크리트 단면복구재 조성물을 개발하고 콘크리트 구조물의 중성화된 부위에 도포하는 단면 복구 공법이 제안되고 있어, 중성화로 인한 콘크리트 건축물의 철근 부식을 억제하고, 콘크리트 구조물의 수명을 연장할 수 있다.
그리고, 본 발명은 주재료가 무기질계로 구성되어 있어, 보수 대상인 콘크리트 구조물과 물리화학적 거동이 유사하여 열화 보수 부위에 부착성을 향상시키고, 통기성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 단면복구재는 항균성기능이 부가되어 있어, 콘크리트 표면에 공생하는 곰팡이, 박테리아 세균 등의 생성 및 활성을 억제하는 효과가 있다.
아울러, 본 발명의 단면복구재 조성물은 그 성분 물질의 입경을 조정하여 파우더간 최적의 연속입도분포를 갖도록 조성되어 있어 보수 단면에 대한 부착/젖음성이 높기 때문에 로울러 및 마장작업이 모두 가능한 보수 편의성을 제공하며, 이로 인한 우수한 작업성을 확보하고, 작업시간을 단축할 수 있는 등 다양한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물 단면 복구 공법에 의해 보수된 콘크리트 구조물의 간략한 모식도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법을 나타낸 흐름도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명은 특정한 실시 형태에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 콘크리트 단면복구재의 조성물 구성성분은 일반 시멘트 또는 슬라그 시멘트, 규사, 팽창재, 나노금속재, 혼화재, 보강재, 유동화제, 나노 탄소재, 및 음이온계 또는 비이온계 분산제를 포함한다.
구체적인 조성비는 일반 시멘트 또는 슬라그 시멘트 30 내지 40wt%, 규사 30 내지 58wt%, 팽창재 5 내지 10wt%, 나노금속재 1 내지 10wt%, 혼화재 5 내지 20wt%, 보강재 0.1 내지 1.5wt%, 유동화제 0.2 내지 1.5wt%, 나노 탄소재 0.01 내지 3wt%, 및 음이온계 또는 비이온계 분산제 0.5 내지 3wt%를 포함하는데 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
일반시멘트를 주성분으로 사용할 수 있으나 슬라그 시멘트 또는 내황산염 시멘트를 사용할 수 있는데 특히 해양환경 조건하에 놓여있는 구조물인 경우에는 슬라그시멘트나 내황산염 시멘트를 사용하는 것이 내구성에 우수한 특징을 나타낸다. 시멘트의 함량은 단면복구재 조성물 전체 중량대비 30 내지 40wt%로 구성되는데, 30wt% 이하인 경우에는 부착력이 감소하게 되며, 40wt% 이상인 경우에는 규사(모래)와 혼합된 모르타르에 있어서 표면 강도 등이 증가하나 재료의 점성이 높아지게 되어 현장 시공성이 감소하게 되는 단점이 있기 때문에 보수 공사 대상이 되는 콘크리트 구조물 자체의 특성이나 외부 환경에 따라 적정한 함량비를 선택한다.
규사는 적절한 입도로 조정된 규사를 단면복구재 조성물 전체 중량대비 30 내지 58wt%로 사용한다. 일반시멘트 또는 슬라그 시멘트 및 규사의 중량비는 특별히 제한되지 않으나, 복구 대상체인 콘크리트 구조물 단면의 특성에 맞도록 혼합비가 조정된 모르타르가 사용될 수 있도록 1:1 또는 1:3의 배합비로 사용될 수 있다.
규사의 입경은 특별히 제한되지는 않으나, 0.05mm 내지 2mm 의 범위 내 소정의 입경으로 균일하게 조정된 것을 사용한다. 이는 복구 시공대상의 콘크리트 구조물의 특성과 목적성에 따라 단면복구재의 분산성과 복구 공사 후 콘크리트의 기공에 있어 통기성에 영향을 주지 않도록 하기 위함이다.
상기 팽창재의 구성비는 특별히 제한되지 않으나, 전체 중량대비 5 내지 10wt%로 구성될 수 있다. 팽창재는 칼슘 설포 알루미네이트(calcium sulfo-aluminate), 산화칼슘(Ca0), 황산칼슘(CaSO4), 알루미나시멘트(Alumina cement), 칼슘알루미네이트(calcium aluminate) 수화물, 및 칼슘 설포 알루미네이트가 포함된 포틀랜드시멘트(portland cement) 중에서 적어도 하나 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
무기계 팽창재는 시멘트의 수축균열을 방지하기 위하여 첨가하는 것으로 5wt% 미만인 경우에는 시멘트의 수축에 의한 균열 발생을 감소시키는데 효과가 없고, 10% 이상인 경우에는 팽창에 의한 부풀음이나 팽창균열 등을 발생 시키게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예로서 단면복구재 내에 포함되는 무기계 팽창재는 CSA계 광물, 즉 칼슘 설포 알루미네이트(calcium sulfo-aluminate)를 주성분으로 사용할 수 있는데, 물과 반응하면 팽창성 물질인 에트링자이트(ettringgite)를 생성시켜 시멘트 경화체의 건조수축을 줄이고 균열 발생을 감소시키게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노금속재는 콘크리트 단면복구재에서 곰팡이, 박테리아성 세균, 기타 유해 미생물에 대한 생리 활성을 방해하는 항균 기능을 부여한다.
나노금속재는 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 크기로 형성된 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 알루미늄(AI), 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 게르마늄(Ge), 백금(Pt), 텅스텐(W), 및 이들 금속의 산화물 중에서 선택할 수 있다. 바람직하게는 입경이 1 내지 100nm인 크기 수준의 금속재일 수 있다.
더욱 바람직하게는 입경이 1 내지 100nm인 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 니켈(Ni), 게르마늄(Ge), 이산화티타늄(TiO2) 중에서 선택될 수 있으며 경제성 측면을 고려하여 나노구리 또는 나노게르마늄 등이 사용될 수 있다.
나노금속재의 함량은 1 내지 10wt%로 제안되는데, 바람직하게는 3wt% 내지 7wt% 일 수 있다. 3wt% 미만인 경우에는 항균성 효과가 미미한 것으로 나타났고, 10wt% 이상인 경우에는 유동성의 저하 및 압축강도, 부착강도 등의 제반 물성의 감소가 크게 나타났다.
본 발명의 일 실시예로서 단면복구재에 포함되는 혼화재는 전체 중량대비 5 내지 20wt% 포함되고, 바람직하게는 8 내지 10wt% 로 포함된다.
혼화재는 장기적인 내구성을 향상시키기 위하여 사용되는 것으로, 포졸란(pozzolan) 및/또는 플라이애쉬(flyash)를 사용할 수 있다. 포조란이나 플라이애쉬나 슬라그 분말은 콘크리트 구조체에 수밀성을 부여하고, 습윤에 따른 체적변화와 동결 융해에 대한 저항성을 향상시켜준다. 다만, 혼화재는 단면복구재 전체 중량대비 5 내지 20wt% 로 사용할 수 있는데, 20wt% 이상을 사용할 경우에는 초기 압축강도의 감소를 유발시키므로, 20wt% 이하로 제한하여 사용한다.
한편, 유동화제는 단면복구재 중량대비 0.2 내지 1.5wt%로 포함될 수 있는데, 바람직하게는 0.8 내지 1wt%를 포함한다.
콘크리트 구조물의 보수공법에서의 작업성을 부여하기 위하여 첨가하는 고성능 유동화제로서 멜라민계, 나프탈렌계, 카르복실계 유동화제 중 하나 또는 2 이상을 복합적으로 사용한다. 또한, 상기 고성능 유동화제는 0.2wt% 이하에서는 유동성 증진효과가 없었고, 1.5wt% 이상을 사용할 경우에는 유동성의 증진에 큰 효과가 없으며, 또한 고가의 물질로서 많은 양을 사용할 때에는 경제성이 크게 감소되므로 함량을 제한하였다.
보강재는 PP(polypropylene) 섬유, 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nano-fiber), 셀룰로오스(cellulose), PE(polyethylene) 섬유, 및 아라미드 섬유 등에서 선택된 섬유강화복합재료를 사용할 수 있다.
바람직하게는 PP(polypropylene) 섬유, 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nano-fiber), 셀룰로오스(cellulose)를 1:1:1 또는 1:0.5:1의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.
보강재는 단면복구재 전체 중량대비 0.1 내지 1.5wt%로 포함될 수 있는데, 바람직하게는 0.8 내지 1wt%를 포함한다.
섬유강화복합재료는 콘크리트 단면 복구 공법시 친환경적이고 반영구적인 내구성을 강화시키고, 콘크리트 부식을 방지하고 내화성과 방수기능까지 부여할 수 있어 염해, 화학적부식, 곰팡이나 박테리아 세균, 병원성 미생물 등으로 인한 피해를 최소화하도록 유지할 수 있다.
본 발명의 단면복구재에 포함되는 나노탄소재는 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브, 탄소나노플레이트, 판상형 그라파이트, 그래핀, 그래핀옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있는데, 바람직하게는 상기 다중벽 탄소나노튜브와 상기 판상형 그라파이트가 2:1의 비율로 포함된다.
나노탄소재는 전체 표면보호재 중량대비 0.01 내지 3wt%로 포함될 수 있는데, 바람직하게는 0.5 내지 2wt%를 포함한다.
이들 나노 탄소재는 판상형으로 수평 면적이 극대화되어 수분 배리어 특성과 수분 이동을 방해하는 기능을 월등하게 수행할 수 있으며, 다른 단면복구재의 조성물질과 결합시 인장 강도가 증가하므로 단면복구재 조성물을 이용하여 콘크리트 구조물의 단면 복구 공사를 시공할 때 강도와 가공성을 향상시킬 수 있다.
나노 탄소재 중 탄소나노튜브는 튜브 형상을 이루는 벽의 수에 따라 단일벽, 이중벽, 다중벽 탄소나노튜브로 구분할 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에서 단면복구재 조성물에 사용되는 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브를 사용하여 수분 차폐 기능의 효율도 높게 할 수 있다.
또한 다발형 탄소나노튜브나 탄소나노플레이트를 사용하여 수평 면적을 확대한 나노 탄소재로부터 수분 차단력과 강도를 크게 할 수 있으므로 단면 복구 공사 후 콘크리트 구조물이 시간이 경과해도 수화 또는 공해나 화학물질로 인한 부식성을 견고하게 예방할 수 있다.
바람직한 실시예로서 나노 탄소재는 다중벽 탄소나노튜브를 주 재료로 하여, 판상형 그라파이트, 그래핀, 그래핀 옥사이드 중에서 선택된 물질을 보조적으로 추가하여 구성될 수 있는데, 그 함량 비율은 2:1일 수 있다.
나노 탄소재의 직경은 1 내지 50nm 일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 30nm일 수 있다. 직경이 50nm가 초과할 경우 단면복구재 도포층에서 고분자와의 복합 입자의 형성 효율이 감소되는 문제가 있고, 나노 탄소재의 길이가 길어지면 상호간 엉킴으로 인해 균일한 입도를 얻기 어려운 문제가 있다.
바람직한 실시예로서 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브, 탄소나노플레이트, 판상형 그라파이트, 그래핀의 나노 탄소재는 고분자와의 복합체를 형성할 때 분산성을 높이기 위해서 표면 처리할 수 있다.
나노 탄소재의 표면 처리는 산화제 또는 산의 처리 등을 통해 나노 탄소재의 표면에 카르복시가(-COOH), 수산화기(-OH), 또는 에폭시기가 도입될 수 있다.
상기 표면처리를 위한 산은 일반적으로 황산, 염산, 질산 중에서 선택된 무기산 수용액을 사용할 수 있고, 산화제로서는 과산화수소 등을 이용할 수 있다.
또한 나노 탄소재의 분산성을 향상시키기 위해서 초음파를 이용할 수도 있는데, 산이나 산화제를 통한 표면 처리와 초음파 처리를 병행하여 사용할 수도 있다.
본 발명에서 콘크리트 구조물의 단면복구재 조성물로 사용되는 나노 탄소재는 다른 물질과 복합체를 형성하여 인장 강도를 증가시키고, 수분 차단 특성을 증가시키며, 장기적으로 내열성을 가지기 때문에 콘크리트 단면 복구 공사 시공 이후에 보수된 콘크리트 구조물의 안정성을 높게 유지 시킬 수 있다.
추가적으로 나노 탄소재의 기능을 극대화시키기 위한 다른 실시예로서 상기 단면복구재 조성물은 질화붕소(BN) 0.01 내지 3wt% 를 더 포함할 수 있다.
층상 흑연인 질화붕소는 나노 탄소재와 마찬가지로 수분 차단력과 강도를 높이는 기능을 할 수 있다. 질화붕소(BN)는 0.01 내지 3wt%로 추가될 수 있으나, 바람직하게는 나노 탄소재의 함량 대비 5 내지 20%의 수준으로 추가될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 단면복구재에는 음이온계 또는 비이온계 분산제가 전체 중량 대비 0.5 내지 3wt%로 사용될 수 있다.
상기 음이온계 또는 비이온계 분산제가 0.5wt% 미만인 경우에는 무기물질의 균일한 분산성을 얻기 어렵고, 3wt% 초과인 경우에는 과분산으로 재료의 침강현상이 발생할 수 있다.
이하에서는 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 단면복구재를 활용하는 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물 단면 복구 공법에 의해 보수된 콘크리트 구조물의 간략한 모식도이고 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법을 나타낸 흐름도이다.
즉 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법의 순서를 나타낸 도 2에 따라 보수공사를 완료한 후의 콘크리트 구조물의 간략한 모식도를 나타낸다.
도 2의 콘크리트 구조물의 단면 복구 방법은 콘크리트 구조물의 보수 대상인 단면 부분에서 이물질 또는 열화된 부분을 제거하고 표면을 처리하는 표면처리단계(S1), 상기 표면처리된 콘크리트 구조물의 이물질을 고압세정수에 세정하는 열화부 세정단계(S2), 상기 이물질이 제거된 콘크리트 구조물에 표면강화재를 도포하는 표면강화재 도포단계(S3), 상기 표면강화재 도포된 그 위에 콘크리트 단면복구재를 도포하는 단계(S4), 상기 단면복구재 도포 부위 위에 표면보호재를 도포하는 단계(S5), 및 상기 표면보호재 도포후 세라믹 코트재를 균일하게 도포하여 마무리 하는 단계(S6)로 이루어져 있다.
도 2의 보수 공법에 따라 단면이 복구, 시공된 콘크리트 구조물의 간략한 모식도를 나타내는 도 1을 참조하면, 콘크리트 구조물(10)의 일부 열화된 부분에 표면강화재(20)가 도포되어 부착되고, 그 위에 본 발명의 기술적 특징으로 구성된 단면복구재(30)가 충진되고, 그 위에 추가적으로 표면보호재(40)가 도포되고, 최상위면에 세라믹 코트재(50)가 소정의 두께로 도포되어 경화된 것을 알 수 있다.
구체적인 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법의 각 단계를 살펴보면, 상기 표면처리단계(S1)는 염해, 중성화(탄산화) 및 화학적 부식 등과 같은 노후화 현상에 의해 발생된 콘크리트 구조물의 단면으로부터 피복재를 탈락시키거나, 노출된 조골재를 채워 보상하거나, 물곰보를 제거하거나, 녹물 오염된 부분을 제거하거나, 들뜸부위 및 부식을 제거하는 등의 모든 다양한 형태의 현상을 처리하는 것이다. 가장 중요한 전처리 단계로서, 먼저 열화된 콘크리트 단면부를 그라인더와 같은 공구 등을 사용하여 완전히 제거하여 표면을 평탄화시키고 치밀하고 밀도있게 처리하는 과정이다.
그런 다음 상기 고압세정단계(S2)는 상기 표면처리된 콘크리트 구조물의 단면부 상에 존재하는 이물질을 고압세정수로 세정하는 과정인데, 그라인더로 열화부 표면을 100~150㎏/m2 의 고압세정기를 사용하여 이물질을 완전히 씻겨 나가게 하여 제거한다.
그리고나서 상기 표면강화재 도포단계(S3)는 상기 이물질이 완전히 제거된 콘크리트 구조물에 표면강화재를 도포하는 과정이다.
로울러나 도료작업용 붓 또는 에어스프레이건 등을 사용하여 표면강화재의 원액 그대로 0.32 ㎏f/cm2 의 수준으로 함침시켜 균일하게 도포한다. 상기 표면강화재는 통상의 시판되는 표면강화재를 사용할 수도 있으며, 침투성 계면활성제, 반응성 실리카, 실리카계 발수제 중에서 선택하여 단독으로 사용하거나 또는 2이상으로 혼합하여 사용할 수 있다.
다음으로 상기 단면복구재를 도포하는 단계(S4)에서는, 일반 시멘트 또는 슬라그 시멘트 30 내지 40wt%, 규사 30 내지 58wt%, 팽창재 5 내지 10wt%, 나노금속재 1 내지 10wt%, 혼화재 5 내지 20wt%, 보강재 0.1 내지 1.5wt%, 유동화제 0.2 내지 1.5wt%, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브, 탄소나노플레이트, 판상형 그라파이트, 그래핀, 그래핀옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 나노 탄소재 0.01 내지 3wt%, 및 음이온계 또는 비이온계 분산제 0.5 내지 3wt%의 조성비로 구성된 단면복구재를 도포한다. 특히 상기 나노탄소재는 상기 다중벽 탄소나노튜브와 상기 판상형 그라파이트가 2:1의 비율로 포함되는 조성물일 수 있다.
상기 단면복구재는 직접 손으로 하는 미장 또는 롤러 등을 사용하여 1회 1 내지 1.5㎝ 정도의 두께로 도포하는데, 단면부의 손상 두께에 따라 수차례에 걸쳐 반복적으로 도포할 수 있음은 물론이다. 예를 들어 복구 대상인 콘크리트 구조물의 단면 두께가 3㎝ 라며, 상기 단면복구재를 66.2㎏/m2 의 양으로 2회에 걸쳐 도포한다.
다른 실시예로서, 상기 콘크리트 구조물의 보수대상 단면에서 단면복구재를 도포할 때 시공 두께가 표면보다 약 2㎜ 이상이 되도록 두께를 확보하는 것이 중요하다. 이렇게 시공 두께를 약 2㎜ 이상으로 확보하는 것은 콘크리트 구조물의 최외각 바탕면의 요철 및 결함부를 처리하기 위한 최소 필요두께이기 때문이다.
다음으로 S5 단계에서 표면보호재를 도포한다, 상기 표면보호재는 통상적으로 시판되는 표면보호재를 사용할 수도 있으나, 시멘트 또는 슬러그, 규사, 아크릴계 폴리머(Acryl base polymer), 및 계면활성제가 혼합된 믹스처를 사용할 수 있다. 표면보호재는 직접 손으로 미장하여 도포하되, 1회 도포시 1.5㎜(2.2㎏/m2) 정도의 두께로 도포한다.
마지막의 과정은 세라믹 코트재를 도포하는 단계(S6)인데, 롤러나 도료용 작업붓, 에어 스프레이건 등을 사용하여 세라믹 코트재를 상기 표면보호재 상부에 원액 그대로 0.1 내지 0.3㎜(0.44 내지 0.46㎏/m2) 정도로 균일하게 도포한다.
본 발명의 다른 실시예로서 마지막 마무리 과정에서 표면코트재로 사용하는 것은 세라믹계와 함께 아크릴계 폴리머나 다공성 물질의 혼합물을 사용할 수도 있다.
본 발명의 콘크리트 구조물의 단면복구재 조성물을 사용한 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법으로 시공된 건축물 또는 교량 등은 부착성, 통기성, 경도 등이 우수하여 콘크리트 구조물의 수명을 연장시킬 수 있고, 곰팡이나 병원성 미생물 또는 박테리아성 세균 등의 생육 활성을 막는 항균기능을 보유할 수 있으며, 그 외에도 편리한 작업성으로 인해 공사 시간이 줄어드는 장점이 있다.
본 발명의 구체적인 실시예로서 단면복구재를 하기와 같은 성분 물질과 조성비로 하여 소정의 콘크리트 블록의 보수 대상 단면부에 3mm로 도포하고, 동일 두께의 타사 A의 콘크리트 단면복구 모르타르 제품과 타사 B의 콘크리트 단면복구 모르타르 제품과의 물성을 비교하였다.
(본 발명의 구체적 실시예에 따른 단면복구재 조성비)
일반 시멘트 또는 슬라그 시멘트 35wt%,
규사 35wt%,
CSA계 팽창재 8wt%,
나노구리 분말 7wt%,
포졸란 11wt%,
PP섬유 및 셀룰로오스 혼합 보강재 1wt%,
유동화제 1wt%
나노 탄소재 1.5wt%, 및
음이온계 또는 비이온계 분산제 0.5wt%
본 발명에 따른 실시예와 타사 A, B 각각의 비교예 1 및 2에 대해 물성 특성값은 부착강도, 압축강도, 휨강도, 길이변화율, 응결시간, 항곰팡이 시험을 하였는데, 단면 복구 공법을 실시하고 난 후 재령일은 모두 10일로 시험하였으며, 그 결과는 다음의 표와 같다.
시험항목 단위 물성값
본 발명의 실시예 비교예1(타사 A) 비교예2(타사 B)
부착강도 kgf/cm2 17.8 15.4 13.0
압축강도 kgf/cm2 423 394 388
휨 강도 kgf/cm2 75 71 73
길이변화율 % 0.012 0.014 0.016
응결시간
(길모아시험)		 초결(min) 180 250 230
종결(hour:min) 4:20 5:05 4:50
항곰팡이 시험
(미생물감소율)		 % 97 75 60
상기 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 단면복구재 조성물은 종래의 제품에 비해 휨강도는 유사하지만, 부착강도, 압축강도에 매우 우수한 효과가 있음을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 공법을 적용한 콘크리트 구조물의 단면부는 길이변화율이 타 비교예에 비해 다소 적었으며 응결시간과 항곰팡이 시험에서는 큰 효과의 차이가 있어 우수성이 입증되었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수 도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 콘크리트 구조물
20 : 표면강화재
30 : 단면복구재
40 : 표면보호재
50 : 세라믹 코트재

Claims (12)

  1. 일반 시멘트 또는 슬라그 시멘트 30 내지 40wt%,
    규사 30 내지 58wt%,
    팽창재 5 내지 10wt%,
    입경이 1 내지 100nm인 알루미늄(AI), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt), 텅스텐(W), 및 이들 금속의 산화물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인 나노 금속재 1 내지 10wt%,
    혼화재 5 내지 20wt%,
    보강재 0.1 내지 1.5wt%,
    유동화제 0.2 내지 1.5wt%
    탄소나노플레이트, 판상형 그라파이트, 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 나노 탄소재 0.01 내지 3wt%,
    질화붕소(BN) 0.01 내지 3wt%, 및
    음이온계 또는 비이온계 분산제 0.5 내지 3wt%를 포함하는 콘크리트 단면복구재 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 팽창재는 칼슘 설포 알루미네이트(calcium sulfo-aluminate), 산화칼슘(Ca0), 황산칼슘(CaSO4), 알루미나시멘트(Alumina cement), 칼슘알루미네이트(calcium aluminate) 수화물, 및 칼슘 설포 알루미네이트가 포함된 포틀랜드시멘트(portland cement)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 단면복구재 조성물.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼화재는 포졸란(pozzolan) 및/또는 플라이애쉬(flyash)인 것을 특징으로 하는 콘크리트 단면복구재 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보강재는 PP(polypropylene) 섬유, 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nano-fiber), 셀룰로오스(cellulose), PE(polyethylene) 섬유, 및 아라미드 섬유로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인 섬유강화복합재료인 것을 특징으로 하는 콘크리트 단면복구재 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유동화제는 멜라민계, 나프탈렌계, 카르복실계 유동화제로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 단면복구재 조성물.
  8. 콘크리트 구조물의 이물질 및 열화된 부분을 제거하는 표면처리단계;
    상기 표면처리된 콘크리트 구조물의 이물질을 고압세정수에 세정하는 열화부 세정단계;
    상기 이물질이 제거된 콘크리트 구조물에 표면강화재를 도포하는 표면강화재 도포단계;
    상기 표면강화재 도포 부위 위에 일반 시멘트 또는 슬라그 시멘트 30 내지 40wt%, 규사 30 내지 58wt%, 팽창재 5 내지 10wt%, 입경이 1 내지 100nm인 알루미늄(AI), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt), 텅스텐(W), 및 이들 금속의 산화물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상인 나노 금속재 1 내지 10wt%, 혼화재 5 내지 20wt%, 보강재 0.1 내지 1.5wt%, 유동화제 0.2 내지 1.5wt%, 탄소나노플레이트, 판상형 그라파이트, 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 나노 탄소재 0.01 내지 3wt%, 질화붕소(BN) 0.01 내지 3wt%, 및 음이온계 또는 비이온계 분산제 0.5 내지 3wt%를 포함하는 콘크리트 단면복구재 조성물을 도포하는 단면복구재 도포단계;
    상기 단면복구재 도포 부위 위에 표면보호재를 도포하는 표면보호재 도포단계; 및
    상기 표면보호재 도포후 세라믹 코트재를 균일하게 도포하는 세라믹 코트재 도포단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 표면강화재는 침투성 계면활성제, 반응성 실리카, 실리카계 발수제로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 표면보호재는 시멘트, 규사, 아크릴계 폴리머(Acryl base polymer), 및 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 단면 복구 공법.

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