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KR100910129B1 - 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 콘크리트 단면보수용 무기폴리머계 내산모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 단면보수 공법 - Google Patents

액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 콘크리트 단면보수용 무기폴리머계 내산모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 단면보수 공법 Download PDF

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KR100910129B1
KR100910129B1 KR1020080075824A KR20080075824A KR100910129B1 KR 100910129 B1 KR100910129 B1 KR 100910129B1 KR 1020080075824 A KR1020080075824 A KR 1020080075824A KR 20080075824 A KR20080075824 A KR 20080075824A KR 100910129 B1 KR100910129 B1 KR 100910129B1
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KR
South Korea
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silicate
inorganic polymer
concrete
weight
amorphous silicate
Prior art date
Application number
KR1020080075824A
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English (en)
Inventor
안상욱
박동철
이정우
최해영
박재범
Original Assignee
주식회사 인트켐
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 콘크리트 단면 보수용 무기폴리머계 내산모르타르와 이를 이용한 콘크리트 단면보수 공법에 관한 것으로서 내산 및 내열성능이 요구되는 콘크리트 시설물의 부식을 방지하고 부착력, 보수성능, 고강도 등의 내구성을 증대시킴으로써 시설물의 사용기간을 연장시켜 주도록 한 것이다. 본 발명은 상온의 이소프로필알코올 용매를 150~300rpm/min 교반하면서 디메틸디메톡시실란, 메타크릴록시프로필메틸디에톡시실란과 수산화나트륨을 1:1:2 비율로 혼합하여 교반한 용액과 실리카졸 용액을 각각 동시에 투입하여 혼합 후 혼합된 용액 형태의 비정질 실리케이트계 가수분해제와 소듐실리케이트, 포타슘실리케이트, 리튬실리케이트, 칼륨계 탄산염, 소듐하이드록사이드 및 포타슘하이드록사이드 중 하나 이상으로 이루어진 알칼리 실리케이트계 경화제와 알루미노 실리케이트계 결합재와 충진재 및 첨가제로 이루어진 무기폴리머계 내산모르타르 조성물을 제공함으로써 보수면의 우수한 부착력 및 강도성능을 나타내며 특히 액상 형태의 가수분해제가 물과의 1차 반응을 거치지 않고 직접 알칼리 실리케이트계 경화제와의 반응으로 인하여 -Si-O-, -Al-O- 무기폴리머 결합구조를 형성함으로서 우수한 내산특성 및 내열성능을 가지게 되어 산성용액 저장조, 산성물질 이송관, 오폐수처리장, 하수처리장 및 하수관거 등의 내산성 요구 시설물에 유용한 조성물에 관한 것이다.
알칼리 실리케이트, 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제, 무기폴리머, 콘크리트 구조물, 보수, 내산

Description

액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 콘크리트 단면보수용 무기폴리머계 내산모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 단면보수 공법{Inorganic Polymer Acid Resistant Mortar for Concrete Repair Included Liquid Amorphous Silicate Hydrolysis Agent and Concrete Repair Method Using the Mortar}
본 발명은 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 콘크리트 단면보수용 무기폴리머계 내산모르타르와 이를 이용한 콘크리트 단면보수 공법[ASIR공법]에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제를 첨가하여 물과의 1차 반응을 거치지 않고 직접 알칼리 실리케이트계 경화제와의 반응으로 인하여 -Si-O-, -Al-O- 무기폴리머 결합구조를 형성함으로써 콘크리트구조물 보수시 구조물의 내구성 , 내산성 및 내열특성이 향상되어 화학시설물, 하수처리장 및 하수관거 등에 적용 가능한 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 콘크리트 단면 보수용 무기폴리머계 내산모르타르와 이를 바람직하게 이용한 콘크리트 단면보수 공법에 관한 것이다.
일반적인 콘크리트 구조물 보수모르타르는 시멘트 내지 석고와, 고로슬래그 분말, 슬라이애쉬, 메타카올린, 실리카흄 및 카올린계 광물 등의 결합재와, 우레탄수지, 아크릴수지 및 폴리에스테르수지 등의 분말형 폴리머수지와, 규사, 유리분말 및 실리카 등의 충진재와, 경화제와, 분산제, 유동화제 및 증점제 등의 첨가제로 구성되고 있다.
산성 환경에 시설물이 노출될 경우 시설물 표면에서 산성에 의한 중성화가 시작되면서 장기적으로 산성화 및 시설물 내부까지 산성화가 진행되어 모르타르의 열화현상 발생과 함께 내부로 공기가 침투하여 철근표면이 산화되면서 팽창하여 시설물의 박리, 팽창크랙 및 붕괴현상까지 발생하게 되는 것이다. 일반적으로 발전소, 실험실 및 하수관거 등의 시설물 등은 배출되는 산성가스를 흡수, 산화 등의 반응으로 인해서 표면에서 산에 의한 부식이 발생하거나 산성폐수환경에 노출되게 된다. 이러한 산성환경 노출에 의한 부식을 방지하기 위해서 현재까지 지속적으로 모르타르에 여러 가지 방법이 이용되어 왔으나 재료 자체의 문제점을 개선하지는 못하였다. 또한 산성화에 의한 시설물의 피해는 외적으로 드러나는 것뿐만 아니라 표면적으로 드러나 있지 않은 지하매설 시설물이나 수중시설물에 대해서도 발생하고 있으며 심각한 문제로 나타나고 있다.
따라서 이러한 문제해결을 위해 현재 국내에서는 포틀랜드시멘트에 아크릴계 내지 에폭시계 폴리머수지를 혼합한 폴리머시멘트계 보수모르타르를 적용하여 시공하고 있으며 부착성능, 휨·압축강도 등의 개선으로 물리적 성능은 우수하나 유기폴리머 수지를 적용함으로써 장기적으로 산성이나 고온 환경하에 노출시에 부식으로 인한 침식과 열화현상으로 인한 구조물의 문제점이 발생하고 있어 개선이 필요한 상황이다.
또한 부착력을 향상시킨 유무기복합형 코팅제 또는 Si성분을 주성분하거나 플로오르화 비닐화합물로 구성된 단량체를 가지게 함으로써 발수성능을 가지는 코팅제를 도포해 모르타르면의 내산특성을 부여하고자 하였다. 그러나 코팅제 고유특성상 발수성능은 우수하나 주변온도 및 열 변화에 따른 코팅제와 모르타르와의 열팽창특성이 다르기 때문에 온도변화로 인한 코팅제 박리 현상이 나타나 장기적인 내산특성에 한계가 있다.
한편, 대한민국 특허 736884호의 하이브리드 보수 모르타르를 이용한 보수공법은 기존의 시멘트계 보수제와 차별하여 규소계 결합제에 반응성 무기충진제, CSA 및 유기폴리머를 첨가하여 시멘트계 결합과 유기결합을 적용한다고 특성화하여 콘크리트 구조물 보수시 높은 강도와 내구성을 부여할 수 있다고 하였다. 그러나 내구성면에서는 우수하나 기존 열화면에 대한 부착성능 부족과 함께 재료비중이 높아 천정보수시 보수면 중량증가에 따른 탈락현상이 발생하게 되며 또한 유기, 시멘트계 조성물로서 내산성 부분에 있어서는 취약한 것이 단점이다.
그리고, 대한민국 특허 제405022호 역시 콘크리트 보수용 모르타르 조성물로 고분자 수지를 적용 신보수면 및 열화면에 대한 부착성능은 우수하나 시멘트를 기본으로 하기 때문에 시멘트 자체의 내산특성 부족으로 인해 산성환경하의 시설물보수에 부적합하다.
또한, 본 출원인이 발명한 대한민국 특허 제0833871호는 건조 제조한 가수분해제를 사용하고 있어 무기폴리머 반응을 위해 고형분 50중량% 이상의 알칼리 실리케이트계 경화제를 사용하고 있고 이에 따라 추가적인 물의 사용이 필수적이며 혼합시 미용융된 고형물이 잔존하여 무기폴리머 반응이 완전하지 못해 내산성능을 완벽하게 발휘하지 못하는 단점이 있다.
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따라서 본 발명의 목적은 액상 형태의 비정질 실리케이트계 가수분해제를 제조 혼합 적용하여 미용융 고형물의 발생을 억제하고 고형분 30중량% 이하의 알칼리 실리케이트계 경화제를 사용하여 경제적이면서도 추가적인 물의 사용이 없이 사용이 용이하며, -Si-O-, -Al-O- 무기폴리머 결합구조를 형성함으로써 산성환경하에 있는 구조물 보수에 적용시 부착력, 내구성 향상뿐만 아니라 내산성이 우수하다는 것을 특징으로 하는 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 콘크리트 단면보수용 무기폴리머계 내산모르타르 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 단면보수 공법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 무기폴리머계 내산모르타르를 이용한 콘크리트 단면보수 공법에 있어서, 디메틸디메톡시실란, 메타크릴록시프로필메틸디에톡시실란, 수산화나트륨 및 실리카졸로 이루어져 있는 액상 형태로서 고형분 40~60중량%, 반응기 2 이상인 것을 특징으로 하는 비정질 실리케이트계 가수분해제 5.4~11중량%와; 소듐실리케이트, 포타슘실리케이트, 리튬실리케이트, 칼륨계 탄산염, 소듐하이드록사이드 및 포타슘하이드록사이드 중 하나 이상으로 이루어져 있으며, Si:K:Na=1:0.01~0.25:0.05~0.80mol ratio를 특징으로 하는 알칼리 실리케이트계 경화제 12.5~24중량%, 알루미노 실리케이트계 결합재 22~38중량%와; 충진재 19~60중량% 및 첨가제 0.1~8중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 무기폴리머계 내산모르타르 조성물에 의해 달성된다. 즉, 상기한 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 무기폴리머계 내산모르타르 조성물을 단면보수 대상 콘크리트에 바름으로써 콘크리트 단면보수 공법을 구현하는 것이다. 여기서 콘크리트 단면보수 공법을 통한 보수시에 전처리로 행해지는 열화부분 제거, 철근부식방지용 방청 도포, 표면강화제 도포, 하도 도포 등의 공정은 통상적으로 콘크리트 단면보수 공정에서 사용되는 공정으로서 보수하고자 하는 현장 부위에 따라 전체단계 또는 일부단계를 적용하는 것이 바람직하다.
상기 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제는 상온의 이소프로필알코올 용매를 150~300rpm/min 교반하면서 디메틸디메톡시실란, 메타크릴록시프로필메틸디에톡시실란과 수산화나트륨을 1:1:2 비율로 혼합한 용액과 실리카졸 용액을 각각 동시에 투입하여 일정시간 혼합하여 제조되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 혼합시간은 15~60분이 적당하며 혼합시간이 벗어날 경우 반응된 선형입자들의 분산성이 낮아지거나 엉김현상이 발생하게 된다.
또한, 상기 알루미노 실리케이트계 결합재는 고로슬래그 분말, 슬라이애쉬, 메타카올린, 실리카흄 및 카올린계 광물 중 하나 이상이며 분말도 4,000~15,000㎠/g 이고 Al:Si=1:0.5~2.5mol ratio로 구성되는 것이 효과적이다.
여기서, 상기 충진재는 규사, 유리분말 및 실리카 중 1종 이상 사용하며 바람직하게는 2종 이상 혼합한 입도 d50 0.4~1.2mm 사이인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 첨가제는 분산제, 유동화제, 증점제 및 섬유 등으로 구성되며 섬유는 PP(폴리프로필렌)섬유, PE(폴리에틸렌)섬유, 탄소섬유 및 유리섬유 중 하나 이상이며 길이 1mm~30mm 인 것이 효과적이다.
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이와 같은 본 발명은 보수모르타르의 내구성 및 내화학성을 향상시키기 위해서 상온의 이소프로필알코올 용매를 150~300rpm/min 교반하면서 디메틸디메톡시실란, 메타크릴록시프로필메틸디에톡시실란과 수산화나트륨을 1:1:2 비율로 혼합한 용액과 실리카졸 용액을 각각 동시에 투입하여 일정시간 혼합하여 제조된 비정질 실리케이트계 가수분해제, 알루미노 실리케이트계 결합재, 알칼리 실리케이트계 경화제, 충진재 및 첨가제를 혼합하여 구성된 무기폴리머계 내산모르타르 조성물을 제공하며 이를 이용한 콘크리트구조물 단면보수 공법을 제공함으로써 추가적인 물의 사용이 없이 사용이 용이하며, -Si-O-, -Al-O- 무기폴리머 결합구조 형성을 통해 우수한 부착력과 강도성능으로 인해 구조물의 수명연장과 함께 내산성 향상에 우수한 효과가 있다.
상기 목적 달성을 위해 본 발명은 상온의 이소프로필알코올 용매를 150~300rpm/min 교반하면서 디메틸디메톡시실란, 메타크릴록시프로필메틸디에톡시실란과 수산화나트륨을 1:1:2 비율로 혼합하여 10분 동안 교반한 용액과 실리카졸 용액을 각각 동시에 투입하여 5~10분 동안 혼합 후 혼합된 용액 형태의 비정질 실리케이트계 가수분해제와 소듐실리케이트, 포타슘실리케이트, 리튬실리케이트, 칼륨계 탄산염, 소듐하이드록사이드 및 포타슘하이드록사이드 중 하나 이상으로 이루어진 알칼리 실리케이트계 경화제와 알루미노 실리케이트계 결합재와 충진재 및 첨가제로 이루어진 무기폴리머계 내산모르타르 조성물과 함께 이를 이용한 콘크리트 단면보수 공법을 제공함에 의해 달성된다.
보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제는 이소프로필알코올 용매를 150~300rpm/min 교반하면서 디메틸디메톡시실란, 메타크릴록시프로필메틸디에톡시실란과 수산화나트륨을 1:1:2 비율로 혼합하여 10분 동안 교반한 용액과 실리카졸 용액을 각각 동시에 투입하여 5~10분 동안 혼합 후 혼합된 용액 형태로 전체 중량 대비 3~11중량% 함유되는 것이 바람직하다. 3중량% 미만시 경화제와의 균일한 -Si-O-폴리머 결합반응이 이뤄지지 않아 부착력이 낮아지게 되며 11중량부 초과시 경화제와 미반응된 -Si-O-폴리머가 서로 엉김 현상이 생겨 보수면의 경도저하가 발생하게 된다.
알칼리 실리케이트계 경화제는 소듐실리케이트, 포타슘실리케이트, 리튬실리케이트, 칼륨계 탄산염, 소듐하이드록사이드 및 포타슘하이드록사이드 중 하나 이상으로 이루어지며 전체 중량 대비 12~34중량%를 함유하는 것이 바람직하다. 12중량% 미만시에 결합재와의 반응비가 부족해 완전경화가 안되는 문제가 있으며 34중량% 초과시 과량으로 인해 경화속도가 빨라 작업성 부족현상과 함께 표면급결 후 건조시 내부에서 증발되는 수분에 의한 표면크랙 현상하는 문제점이 있다.
상기 알루미노 실리케이트계 결합재 통상적인 것을 사용할 수 있으며 고로슬래그 분말, 플라이애쉬, 메타카올린, 실리카흄 및 카올린계 광물 중 하나 이상으로 전체 중량 대비 20~48중량%를 함유하며 분말도 4,000~15,000㎠/g 이고 Al:Si=1:0.5~2.5mol ratio로 구성되는 것이 바람직하다. 20중량% 미만시에는 결합재의 Al 함량 부족으로 경화시 불규칙한 -Al-Si-결합구조를 가지게 되어 콘크리트 구조물 보수면의 물리적 성능이 떨어지게 되며 48중량% 초과시 반응에 참여하지 못하는 결합재로 인해 시공면 파손이 발생하는 문제점이 있다.
상기 충진재는 통상적인 것을 사용할 수 있으며 규사, 유리분말 및 실리카 중 1종 내지는 2종 이상 혼합하여 사용하며 바람직하게는 2종 이상 혼합한 입도 d50 0.4~1.2mm 인 것이 적당하며 전체 중량 대비 30~60중량%를 가지는 것이 바람직하다. 30중량% 미만시에 끈적임으로 작업성이 떨어지게 되며 60중량% 초과시에는 과량으로 인해 작업시 도포면에 갈라짐 현상이 발생하며 부착력이 낮아 도포면의 박리나 파손이 발생하게 된다.
상기 첨가제로는 분산제, 유동화제, 증점제 및 섬유 등을 0.1~8중량% 첨가함으로써 보수모르타르 도포시 작업성 향상과 우수한 재료 혼합특성을 얻을 수 있으며 섬유는 PP(폴리프로필렌)섬유, PE(폴리에틸렌)섬유, 탄소섬유 및 유리섬유 중 하나 이상이며 길이는 1mm~30mm 인 것이 적합하고, 0.1미만시에는 작업시 흐름성이 높아 시공두께 증가에 한계가 있게 되며 8중량% 초과시에 혼합 재료의 균일한 분산성 저하로 뭉침 현상과 함께 기포를 다량 함유하게 되어 강도 저하가 나타나게 된다.
이하 본 발명은 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제를 제조 적용을 통한 콘크리트 단면보수용 무기폴리머계 내산모르타르 조성물과 이를 이용한 보수공법을 발명하였으며 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하며 발명이 실시예에 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1~3 및 비교예 1~3]
실시예 1~3 및 비교예 1~3의 혼합조성에 대해 하기 <표 1>에 기재하였으며 알루미노 실리케이트계 결합재, 충진재 및 첨가제를 먼저 균일하게 혼합 한 후 혼합조성에 따라 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제, 알칼리 실리케이트계 경화제를 투입 혼합하여 JIS R 5201규정에 따라 혼합하여 시편을 제조하였다. 제조된 시편은 온도 20±1℃, 상대습도 90% 이상인 항온항습기에서 양생 후 24시간이 경과된 시편을 탈형하여 28일 수중양생 후 측정시험을 하였으며 결과를 하기 <표 1>에 기재하였다.
<표 1>실시예1~3 및 비교예1~3 조성물(중량부)
성 분 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3
포틀랜드 시멘트 - - - - - 상용폴리머모르타르 86
석 고 - - - - -
알루미노 실리케이트계 결합재 35 35 35 35 35
분말형 비정질 실리케이트계 가수분해제 - - - 7 5
액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제 7 5 4 - -
알칼리 실리케이트계 경화제 21 26 31 21 26
분말형 폴리머수지 - - - - -
충진재 36 33 30 36 33
첨가제 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
물 - - - - - 14
계 100 100 100 100 100 100

<표 2>실시예1~3 및 비교예1~3 성능평가
항 목 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3
휨강도(28일,㎏f/㎠) 98 102 109 89 92 62
압축강도(28일,㎏f/㎠) 570 590 620 520 544 430
부착 강도(㎏f/㎠) 33 35 38 30 34 26
flow(cm) 27 26 25 25 23 24
내산성(wt%) -1.8 -1.2 -0.8 -3.6 -3.4 -33

상기 <표 2>에서 내산성 평가는 시편을 20±1℃, 5% 황산용액에 28일 침지 후 꺼내어 세척수로 세척 후 건조하여 시편 무게변화율을 측정하였다. 상기 <표 2>에서 기존 폴리머모르타르 조성물인 비교예 1~3과 비교하여 실시예 1~3같이 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제를 혼합한 보수모르타르 개발기술은 콘크리트 구조물의 내구성능을 향상시킬 수 있으며 내산성 부분에 있어서 비교예보다 우수한 특성을 가질 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 액상 형태의 비정질 실리케이트계 가수분해제를 제조 혼합 적용하여 미용융 고형물의 발생을 억제하고 고형분 30중량% 이하의 알칼리 실리케이트계 경화제를 사용한 무기폴리머계 내산모르타르를 이용 추가적인 물의 사용이 없이 -Si-O-, -Al-O- 무기폴리머 결합구조를 형성 경화 후 강한 무기결합력을 가지게 되며 이러한 무기폴리머계 내산모르타르를 적용한 콘크리트 단면보수 공법을 통해 물리적 특성이 개선되는 것을 알 수 있다.
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Claims (5)

  1. 콘크리트 단면보수용 무기폴리머계 내산모르타르 조성물에 있어서,
    디메틸디메톡시실란, 메타크릴록시프로필메틸디에톡시실란, 수산화나트륨 및 실리카졸로 이루어져 있는 액상 형태로서 고형분 함량 40~60중량%, 반응기 2 이상인 것을 특징으로 하는 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제 5.4~11중량%와;
    소듐실리케이트, 포타슘실리케이트, 리튬실리케이트, 칼륨계 탄산염, 소듐하이드록사이드 및 포타슘하이드록사이드 중 하나 이상으로 이루어져 있으며 Si:K:Na=1:0.01~0.25:0.05~0.80mol ratio를 특징으로 하는 알칼리 실리케이트계 경화제 12.5~24중량%와;
    알루미노 실리케이트계 결합재 22~38중량%, 충진재 19~60중량% 및 첨가제 0.1~8중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 콘크리트 단면보수용 무기폴리머계 내산모르타르 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제는, 상온의 이소프로필알코올 용매를 150~300rpm/min 교반하면서 디메틸디메톡시실란, 메타크릴록시프로필메틸디에톡시실란과 수산화나트륨을 1:1:2 비율로 혼합한 용액과 실리카졸 용액을 각각 동시에 투입하여 일정시간 혼합 후 혼합 제조되는 것을 특징으로 하는 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 콘크리트 단면보수용 무기폴리머계 내산모르타르 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미노 실리케이트계 결합재는 고로슬래그 분말, 슬라이애쉬, 메타카올린, 실리카흄 및 카올린계 광물 중 하나 이상이며 분말도 4,000~15,000㎠/g 이고 Al:Si=1:0.5~2.5mol ratio로 구성되는 것을 특징으로 하는 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 콘크리트 단면보수용 무기폴리머계 내산모르타르 조성물.
  4. 콘크리트의 단면 보수공법에 있어서,
    상기 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 액상형 비정질 실리케이트계 가수분해제가 포함된 콘크리트 단면보수용 무기폴리머계 내산모르타르 조성물을 단면 보수 대상 콘크리트에 바르는 것을 특징으로 하는 콘크리트 단면보수 공법.
  5. 제4항에서,
    상기 무기폴리머계 내산모르타르 조성물을 단면보수 대상 콘크리트에 바르기에 앞서 전처리 공정을 진행하되, 상기 전처리 공정은, 열화부분 제거, 철근부식방지용 방청 도포, 표면강화제 도포, 하도 도포 중에서 하나 이상의 단계를 선택하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 단면보수 공법.
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