KR20160080298A - 베타-반수석고를 이용한 모르타르 조성물 및 이를 이용한 바닥마감용 모르타르 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 β-반수석고를 이용한 모르타르 조성물 및 이를 이용한 모르타르에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산업 부산물인 β-반수석고와 후기 강도를 보완할 수 있는 슬래그미분말과 건조수축 감소 및 균열방지를 위한 무수석고, 시멘트, 급결재, 탄산칼슘 및 지연제, 소포제 등의 혼화제를 포함함으로써, 친환경적이고 양생기간이 짧아 경제성이 우수하며, 강도 및 셀프레벨링 성능이 보완된 모르타르 조성물 및 이를 이용한 모르타르에 관한 것이다.

Description

베타-반수석고를 이용한 모르타르 조성물 및 이를 이용한 바닥마감용 모르타르{Mortar composition using beta-hemihydrate gypsum and mortar for floor finishing using thereof}
본 발명은 β-반수석고를 이용한 모르타르 조성물 및 이를 이용한 모르타르에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산업 부산물인 β-반수석고와 후기 강도를 보완할 수 있는 슬래그미분말과 건조수축 감소 및 균열방지를 위한 무수석고, 시멘트, 급결재, 탄산칼슘 및 지연제, 소포제 등의 혼화제를 포함함으로써, 친환경적이고 양생기간이 짧아 경제성이 우수하며, 강도 및 셀프레벨링 성능이 보완된 모르타르 조성물 및 이를 이용한 모르타르에 관한 것이다.
공동주택 또는 일반주택 등에 사용되는 바닥마감용 모르타르로는 경제성과 편의성 등을 이유로 시멘트, 잔골재, 혼화제를 주성분으로 하는 시멘트계 모르타르가 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 시멘트계 모르타르는 긴 양생시간으로 인해 시공기간이 길며, 건조수축에 따른 균열, 초기강도 발현의 저하 등이 발생하는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 단점을 개선하고자 화력발전소에서 발생되는 부산물인 탈황석고를 이용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 석고분말은 자체평활성이 있으며, 경화시 약간의 팽창성이 있고 치수 안정성이 우수하여 자기수평 모르타르에 가장 유용한 재료로서, 이수석고(CaSO4·2H2O), 반수석고(α형, β형 CaSO4·1/2H2O), Ⅲ형, Ⅱ형 무수석고 등이 있다. 이 중, α형-반수석고(황산칼슘 알파-반수화물, calcium sulfate alpha-hemihydrate)는 100~150℃의 온도조건에서 오토클레이브(Autoclave) 반응기를 이용하여 제조되기 때문에 생산비가 높아, 의료용이나 공업용 등 특수용도에 한정되어 있다. 반면 β-반수석고(황산칼슘 베타-반수화물, calcium sulfate Beta-hemihydrate, 이하 β-반수석고)는 그 제조비용이 저렴하나, 강도 저하를 이유로 주로 석고보드와 시멘트 응결조절제로 사용하고 있는 실정이다.
탈황석고를 가압수열법으로 처리하여 제조한 α-반수석고를 이용한 모르타르 조성물이 개시된 바 있으나(예컨대, 한국 등록특허 특허 제 10-2009-0114192호 및 제 10-2005-01255541호), 바닥마감재 등에 광범위하게 적용되기 위해서는 시멘트계 모르타르와 같이 대량생산될 필요성이 있기 때문에, 대량 생산에 한계가 있는 α-반수석고를 주성분으로 하는 모르타르의 시공율은 낮은편이다.
그러나, 향후 전력수급을 위한 화력발전소의 증가 및 배연탈황설비의 증설로 인하여 탈황석고의 생산량이 급격하게 증가할 것으로 예상된다. 따라서, 소성비용이 낮고 대량생산이 가능한 산업 부산물인 β-반수석고를 주성분으로 하여 양생시간을 단축함으로써 경제성을 향상시킬 수 있으며, 친환경적이면서, 강도 및 셀프레벨링 성능을 확보할 수 있는 모르타르 조성물의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 산업 부산물인 β-반수석고와 후기 강도를 보완할 수 있는 슬래그미분말과 건조수축 감소 및 균열방지를 위한 무수석고, 시멘트, 급결재, 탄산칼슘 및 지연제, 소포제 등의 혼화제를 포함함으로써, 친환경적이고 양생기간이 짧아 경제성이 우수하며, 강도 및 셀프레벨링 성능이 보완된 모르타르 조성물 및 이를 이용한 모르타르를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은, 조성물 총 100중량부를 기준으로, β-반수석고 50~60 중량부; 무수석고 1~6중량부; 시멘트 1~6 중량부; 슬래그미분말 1~25 중량부; 급결재 1~5 중량부; 탄산칼슘 1~20 중량부; 및 지연제, 소포제, 증점제, 유동화제, 수지 및 이들의 조합으로부터 선택되는 혼화제 0.01~5 중량부;를 포함하는, 모르타르 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 모르타르 조성물을 이용하여 형성된 모르타르가 제공된다.
본 발명에 따른 모르타르 조성물은 산업 부산물인 β-반수석고와 후기 강도를 보완할 수 있는 슬래그미분말과 건조수축 감소 및 균열방지를 위한 무수석고, 시멘트, 급결재, 탄산칼슘 및 지연제, 소포제 등의 혼화제를 포함하기 때문에, 친환경적이고 양생기간이 짧아 경제성이 우수하며, 강도 및 셀프레벨링 성능이 보완된 모르타르를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 모르타르 조성물은, 조성물 총 100중량부를 기준으로, β-반수석고 50~60 중량부; 무수석고 1~6중량부; 시멘트 1~6 중량부; 슬래그미분말 1~25 중량부; 급결재 1~5 중량부; 탄산칼슘 1~20 중량부; 및 지연제, 소포제, 증점제, 유동화제, 수지 및 이들의 조합으로부터 선택되는 혼화제 0.01~5 중량부;를 포함한다.
본 발명의 모르타르 조성물은 α-반수석고를 전혀 사용하지 않으며, β-반수석고의 혼입량이 전체 조성물 100중량부에 대해 50~60중량부(보다 바람직하게는 52~60중량부)이므로, 부산물 활용을 극대화할 수 있다. β-반수석고의 사용량이 50중량부 미만이면 산업부산물을 적게 활용하여 제조 원가가 높아지는 문제가 있고, 60중량부를 초과하면 혼수량이 증가하여 요구하는 압축강도를 얻을 수 없다.
β-반수석고, 무수석고, 시멘트, 슬래그미분말, 급결재, 탄산칼슘 및 혼화제를 혼합한 후 물을 첨가하면 수화반응에 의해 에트링가이트(ettringite, 칼슘 설포 알루미네이트(Calcium Sulfor Aluminate, 3CaO·Al2O33CaSO4·32H2O))와 같은 수화물을 생성시키며, 슬래그미분말의 잠재수경성으로 인하여 장기간에 걸쳐 강도가 증가하므로, β-반수석고의 장기강도가 하락하는 단점을 획기적으로 개선할 수 있다.
특별히 한정하지 않으나, 상기 β-반수석고는 평균 입경이 10~50㎛이고, 결정수 1~6중량%를 포함할 수 있다. 예를 들어, 화력발전소로부터 평균 입경이 30~60㎛이고, 자유수분 10%, 순도가 90% 이상인 탈황석고를 입수하여, 1차로 케이스 밀(Case Mill)에서 80~90℃로 건조하여 자유수분을 제거한 다음, 2차로 임팩트 밀(Impact Mill) 150~160℃로 소성 및 분쇄 공정을 거쳐, 평균 입경이 10~50㎛로 제조된 β-반수석고를 본 발명에서 사용할 수 있다.
본 발명의 모르타르 조성물은, 조성물 총 100중량부를 기준으로 무수석고 1~6중량부(보다 바람직하게는 1~5중량부)를 포함한다. 무수석고 사용량이 1중량부 미만이면 응결시간이 단축되어 작업성 확보에 문제가 있으며, 6중량부를 초과하면 응결시간이 지연되며 제조원가가 높아지는 문제가 있다.
상기 무수석고로는, 그 비표면적이 예컨대 3,000 내지 6,000㎠/g 정도로 분말화된 것이 바람직하다.
본 발명의 모르타르 조성물은, 조성물 총 100중량부를 기준으로 시멘트 1~6중량부(보다 바람직하게는 2~5중량부)를 포함한다. 시멘트 사용량이 1중량부 미만이면 모르타르에서 발현되는 압축강도가 낮아 요구하는 강도를 얻을 수 없으며, 6중량부를 초과하면 산업부산물의 활용이 줄어들어 친환경적이 못하다는 문제가 있다.
상기 시멘트로는 백색 포틀랜드 시멘트가 사용가능하며, 이는 Fe2O3, SO3 및 MgO로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있고, 이 경우, 예를 들어 Fe2O3를 0.5중량% 이하로, SO3를 3.5중량% 이하로, MgO를 5.0중량% 이하로 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 모르타르 조성물은, 조성물 총 100중량부를 기준으로 슬래그미분말 1~25중량부(보다 바람직하게는 16~21중량부)를 포함한다. 슬래그미분말 사용량이 1중량부 미만이면 모르타르의 장기 강도가 저하되는 문제가 있으며, 25중량부를 초과하면 모르타르의 초기 강도가 저하되는 문제가 있다.
특별히 한정하지 않으나, 슬래그미분말로는 MgO 4.0~8.0중량% 및 SO3 2.0~3.0중량%를 포함하고, 밀도 2.80~2.95g/㎤, 평균입경 8~12㎛, 비표면적 4,000~6,000㎠/g인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 모르타르 조성물은, 조성물 총 100중량부를 기준으로 급결재 1~5중량부(보다 바람직하게는 1~3중량부)를 포함한다. 급결재 사용량이 1중량부 미만이면, 고유동 모르타르의 제조는 가능하지만 원하는 강도를 얻을 수 없으며, 5중량부를 초과하면 압축강도에는 좋으나 응결시간이 빨라져 작업시간 확보에 문제가 있다.
바람직하게는, 상기 급결재로서 칼슘 설포 알루미네이트(CSA), Na2SO4 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 상기 칼슘 설포 알루미네이트는 예를 들어, CaO 50.0~53.6 중량%, SO3 27.0~31.0 중량% 및 Al2O3 12.0~15.0 중량%를 포함하고, 비중이 2.8~3.0이고, 비표면적 2,000 내지 3,000 ㎠/g이며, 염화물량이 0.05이하인 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 모르타르 조성물은, 조성물 총 100중량부를 기준으로 필러로 사용되는 탄산칼슘 1~20중량부(보다 바람직하게는 13~16중량부)를 포함한다. 탄산칼슘 사용량이 1중량부 미만이면 필러로써 요구하는 효과를 얻을 수 없으며, 20중량부를 초과하면 제조가 원가가 높아져 경제성이 낮아진다.
특별히 한정하지 않으나, 탄산칼슘으로는 밀도가 2.65~2.72 g/㎤이고, 평균입경이 9~11㎛이며, 수분이 0.2 중량% 이하이고, 2㎛ 이하(%) ≥15인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 모르타르 조성물은, 조성물 총 100중량부를 기준으로 지연제, 소포제, 증점제, 유동화제, 수지 및 이들의 조합으로부터 선택되는 혼화제 0.01~5 중량부(보다 바람직하게는 0.04~0.3중량부)를 포함한다.
본 발명의 모르타르 조성물은, β-반수석고의 급결성을 지연시켜 작업시간을 확보하기 위해, 조성물 총 100중량부를 기준으로 지연제 0.01~1중량부를 포함한다. 상기 지연제로서 폴리아미드 화합물, 시트르산, 타르타르산 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 상기 폴리아미드 화합물로는 예를 들어 칼슘이 첨가된 폴리아미드 화합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 모르타르 조성물은, 모르타르의 기포를 제거하여 깨끗한 마감면을 얻고, 강도증진을 확보하기 위해, 조성물 총 100중량부를 기준으로 소포제 0.01~1중량부를 포함한다. 상기 소포제로서 에스테르계, 지방산계, 광유계, 알콜계, 아미드계, 실리콘계 및 이들의 조합으로 부터 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어 Ph 7.5이고, 밀도가 0.55g/㎤인 분말형태의 소포제를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 모르타르 조성물은, 접착력 및 작업성을 향상시키고, 재료의 분리를 방지하여 시공성을 향상시키기 위해, 조성물 총 100중량부를 기준으로 증점제 0.01~1중량부를 포함한다. 상기 증점제로서 메틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 카복시메킬셀룰로오스, 에틸셀루로오스, 하이드록시에틸셀룰로스 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 모르타르 조성물은, 단위수량을 감소시켜 워커빌리티 및 강도를 개선하고 유동성 향상, 경화시간 단축, 감수효과 등을 위해, 조성물 총 100중량부를 기준으로 유동화제 0.01~1중량부를 포함한다. 상기 유동화제로서 멜라민계, 폴리카본산계, 나프탈렌계, 리그닌계 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 모르타르 조성물은, 부착 및 휨강도를 증진시키고, 내마모성을 증가시키기 위해, 조성물 총 100중량부를 기준으로 수지 0.01~1중량부를 포함한다. 상기 수지로서 비닐아세테이트-에틸렌 코폴리머, 아크릴수지, 유리섬유, 실리카계 수지, 초산비닐수지 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기의 성분들로 배합된 모르타르 조성물은 약간의 팽창성을 가지고 있으므로 시멘트계 모르타르에 비하여 균열 발생이 적고, 석고 자체가 갖는 평활성을 바탕으로 유동성이 높다는 장점을 갖는다. 이러한 본 발명의 모르타르 조성물은, 응결시간으로서 바람직하게는 1시간 이상의 초결 시간(예컨대, 1시간 ~4시간, 보다 바람직하게는 1~3시간) 및 15시간 이내의 종결 시간(예컨대 4~15시간, 보다 바람직하게는 4~8시간)을 나타낼 수 있다. 또한, 평활성을 갖는 β-반수석고로 인해 셀프레벨링 성능이 뛰어나므로, 건축물의 바닥면에 붓기만하면 자체적으로 수평면이 형성되므로 별도의 마감공정이 요구되지 않으며, 시공 후 석고 자체의 치수안정성에 의해 균열발생이 없다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 모르타르 조성물을 이용하여 형성된 모르타르가 제공된다.
본 발명의 모르타르는, 예컨대 상기 모르타르 조성물 100중량부에 대하여 물 35~60중량부, 보다 구체적으로는 물 40~55중량부를 혼합하여 제조될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 본 발명의 모르타르는 기존의 β-반수석고계 모르타르가 갖는 강도 저하의 문제점을 개선한 것으로서, 200kgf/㎠ 이상(예컨대, 200~500kgf/㎠)의 압축강도(재령 7일 기준)를 나타낼 수 있다. 본 발명의 모르타르는 건축재로서 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 예를 들어 바닥마감 용도(즉, 바닥마감재 용도)로 사용될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 이들로 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
표 1에 나타낸 조성으로 배합된 모르타르 조성물을 이용하여 모르타르를 제조한 후, 유동성, 압축강도 및 응결시간을 측정하여 표 1에 나타내었다.
모르타르의 제조는 KS L 5109 수경성시멘트 페이스트 및 모르타르의 기계적 혼합방법에 따라 실시하였고, KS L 5109에 규정하는 방법에 따라 모르타르 조성물의 유동성을 측정하였으며, KS L 5105 수경성시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법에 따라 재령 3일과 7일, 28일에 각각 모르타르의 압축강도를 측정하였다. 측정된 물성을 표 2에 나타내었다.
[원료 성분]
β-반수석고: 평균 입경 25㎛, 결정수 5중량% 함유
무수석고: 천연무수석고(청해소재), 비표면적 약 4,000㎠/g
시멘트: 백색 보통포틀랜드시멘트(유니온)
슬래그미분말: 밀도 2.90 g/㎤, 평균입경 10 ㎛, 잔분45㎛ 1.0%, 수분 0.2%, 비표면적 5,000㎠/g
탄산칼슘: 밀도 2.68 g/㎤, 평균입경 10㎛, 수분 0.2 중량% 이하, 2㎛ 이하(%) ≥15
지연제: 칼슘이 첨가된 폴리아미드 화합물[PLAST RETARD PE, (SICIT 2000 S.p.A)]
소포제: - Agitan P841
증점제: Bermocoll M10, M30(저점도, 고점도 증점제 사용)
유동화제: Conpac 149S
수지: VINNAPAS 5111L
실시예 1
표 1에 나타낸 조성의 성분들을 혼합하여 모르타르 조성물을 제조한 뒤, 이 모르타르 조성물 100중량부를 기준으로 물 45중량부를 혼합하여 모르타르를 제조하였다.
실시예 2
표 1에 나타낸 조성의 성분들을 혼합하여 모르타르 조성물을 제조한 뒤, 이 모르타르 조성물 100중량부를 기준으로 물 45중량부를 혼합하여 모르타르를 제조하였다.
실시예 3
표 1에 나타낸 조성의 성분들을 혼합하여 모르타르 조성물을 제조한 뒤, 이 모르타르 조성물 100중량부를 기준으로 물 50중량부를 혼합하여 모르타르를 제조하였다.
비교예 1
표 1에 나타낸 조성의 성분들을 혼합하여 모르타르 조성물을 제조한 뒤, 이 모르타르 조성물 100중량부를 기준으로 물 45중량부를 혼합하여 모르타르를 제조하였다.
비교예 2
표 1에 나타낸 조성의 성분들을 혼합하여 모르타르 조성물을 제조한 뒤, 이 모르타르 조성물 100중량부를 기준으로 물 50중량부를 혼합하여 모르타르를 제조하였다.
비교예 3
표 1에 나타낸 조성의 성분들을 혼합하여 모르타르 조성물을 제조한 뒤, 이 모르타르 조성물 100중량부를 기준으로 물 50중량부를 혼합하여 모르타르를 제조하였다.
Figure pat00001
Figure pat00002
상기 실시예 1~3에서 얻어진 석고계 모르타르의 응결시간 및 압축강도는 바닥마감용 모르타르의 기준[압축강도: 200 kgf/㎠ 이상, 응결시간: 초결 1시간 이상, 종결 15시간 이내]에 적합한 수치임을 확인할 수 있었다. 그러나, 비교예 1과 같이 β-반수석고가 과도하게 포함된 경우 응결시간은 빠르게 진행되어 적합한 작업시간의 확보가 불가능하였으며, 압축강도가 기준치에 미치지 못함을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 2의 경우, 모르타르 조성물이 급결재를 포함하지 않고, 슬래그미분말을 소량으로 포함하면서 규사잔골재를 포함하고 있으므로, 압축강도가 낮고 응결시간이 늦음을 확인할 수 있었고, 비교예 3은 실시예와 유사한 수준의 압축 강도를 보이나 β-반수석고의 함량이 적어 상대적으로 제조원가가 높아져 경제성을 확보할 수 없었다.
이와 같이 본 발명의 모르타르 조성물을 이용하여 적합한 작업성과 압축강도 및 셀프레벨링성을 갖는 석고계 모르타르를 제조할 수 있었다.

Claims (17)

  1. 조성물 총 100중량부를 기준으로, β-반수석고 50~60 중량부; 무수석고 1~6중량부; 시멘트 1~6 중량부; 슬래그미분말 1~25 중량부; 급결재 1~5 중량부; 탄산칼슘 1~20 중량부; 및 지연제, 소포제, 증점제, 유동화제, 수지 및 이들의 조합으로부터 선택되는 혼화제 0.01~5 중량부;를 포함하는, 모르타르 조성물.
  2. 제1항에 있어서, β-반수석고가 10~50㎛의 평균 입경 및 1~6중량%의 결정수 함량을 갖는 것인, 모르타르 조성물.
  3. 제1항에 있어서, β-반수석고는, 탈황석고를 케이스 밀에서 80~90℃로 건조하고, 임팩트 밀에서 150~160℃로 소성 및 분쇄하여 얻어진 것인, 모르타르 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 무수석고의 비표면적이 3,000 내지 6,000 ㎠/g인, 모르타르 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 시멘트가 백색 포틀랜드 시멘트인 것을 특징으로 하는, 모르타르 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 슬래그미분말이 MgO 4.0~8.0중량% 및 SO3 2.0~3.0중량%를 포함하며, 그 밀도가 2.80~2.95g/㎤이고, 평균입경이 8~12㎛이며, 비표면적이 4,000~6,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 모르타르 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄산칼슘의 밀도가 2.65~2.72 g/㎤이고, 평균입경이 9~11㎛이며, 수분이 0.2 중량% 이하이고, 2㎛ 이하(%) ≥15인 것을 특징으로 하는, 모르타르 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 급결재가 칼슘 설포 알루미네이트(CSA), Na2SO4 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 모르타르 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 지연제가 폴리아미드 화합물, 시트르산, 타르타르산 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 모르타르 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 소포제가 에스테르계, 지방산계, 광유계, 알콜계, 아미드계, 실리콘계 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 모르타르 조성물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 증점제가 메틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 카복시메킬셀룰로오스, 에틸셀루로오스, 하이드록시에틸셀룰로스 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 모르타르 조성물.
  12. 제1항에 있어서, 상기 유동화제가 멜라민계, 폴리카본산계, 나프탈렌계, 리그닌계 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 모르타르 조성물.
  13. 제1항에 있어서, 상기 수지가 비닐아세테이트-에틸렌 코폴리머, 아크릴수지, 유리섬유, 실리카계 수지, 초산비닐수지 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인, 모르타르 조성물.
  14. 제1항에 있어서, 응결시간으로서 1시간 이상의 초결 시간 및 15시간 이내의 종결 시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 모르타르 조성물.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 모르타르 조성물을 이용하여 형성된 모르타르.
  16. 제15항에 있어서, 모르타르 조성물 100중량부에 대하여 물 35~55중량부를 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 모르타르.
  17. 제15항에 있어서, 바닥마감 용도인 것을 특징으로 하는 모르타르.
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