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KR102041976B1 - 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 내산 및 구체 방수 특성을 향상시킨 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 시공방법 - Google Patents

지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 내산 및 구체 방수 특성을 향상시킨 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 시공방법 Download PDF

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KR102041976B1
KR102041976B1 KR1020190015359A KR20190015359A KR102041976B1 KR 102041976 B1 KR102041976 B1 KR 102041976B1 KR 1020190015359 A KR1020190015359 A KR 1020190015359A KR 20190015359 A KR20190015359 A KR 20190015359A KR 102041976 B1 KR102041976 B1 KR 102041976B1
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KR
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organic polymer
mortar composition
mortar
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KR1020190015359A
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Inventor
고흥진
이선영
Original Assignee
고흥진
이선영
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Publication date
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Abstract

본 기술은 지오폴리머 30.0~40.0 중량%, 규사 45.0~65.0 중량%, 유기 폴리머 1.0~2.0 중량%, 황산알루미늄 1.5~3.0 중량%, 수산화칼슘 1.0~2.0 중량%, 징크스테아레이트 0.5~1.5 중량% 및 하소 마그네시아 1.0~3.0 중량%를 포함하는 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물 및 그 시공방법을 제공한다.

Description

지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 내산 및 구체 방수 특성을 향상시킨 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 시공방법{MORTAR COMPOSITION FOR REPAIRING AND REINFORCING CONCRETE USING GEOPOLYMER AND ORGANIC POLYMER WITH SUPERIOR ACID RESISTANCE AND WATER-PROOF PROPERTY, AND CONSTRUCTION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모르타르의 조직 치밀도를 향상시키고, 내산성, 방수성, 발수성 및 강도를 높여 다양한 형태의 콘크리트 구조체에 대한 수분 침투를 차단하여 콘크리트의 손상 및 철근의 부식을 억제하고 구조적인 안정성을 발휘할 수 있도록 하는 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 내산 및 구체 방수 특성을 향상시킨 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 시공방법에 관한 것이다.
콘크리트 구조물의 대부분은 철근 콘크리트로 이루어지며, 이러한 콘크리트 구조물이 물과 접촉하게 되면 콘크리트에 형성된 모세관이나 균열부 사이로 수분이 침투하게 된다. 이 경우, 온도가 영하로 떨어지게 되면 콘크리트 내부에 침투된 수분이 팽창하여 콘크리트를 밀어내게 되어 콘크리트 구조물의 물성을 열화시키는 원인이 된다. 특히, 동절기 제설을 위하여 살포한 염화물이 물에 녹아 철근 콘크리트로 침투하는 경우, 철근에 심각한 영향을 미치게 되어 철근에 국부적으로 심한 부식을 발생시켜 철근 변형을 유도하여 철근 콘크리트 자체의 강도가 현저하게 저하되어, 미관상은 물론이고 콘크리트 구조물에 심각한 영향을 미치게 된다.
또한, 콘크리트 구조물은 강 알칼리성인 1종 보통 포틀랜드 시멘트가 주재료로 사용되고 있으며, 이러한 강 알칼리성 재료가 철근 표면에 부동태 막(passive layer)을 형성하여 철근의 녹 발생을 방지하는 효과를 부여할 수 있다. 그러나, 다양한 경로에 의해 유입된 이산화탄소에 의해 강 알칼리성의 부동태 막이 중성으로 변화되어, 방청 기능을 상실하게 되며 철근에 녹이 발생하는 현상이 진행되어, 콘크리트 구조물의 물성을 열화시키게 된다.
콘크리트의 열화를 초래하는 다른 원인은 황산염과의 반응으로, 황산염은 외부에서 침투되는 황산염과 내부에 포함되어 있는 황산염으로 구분될 수 있다. 콘크리트 열화를 초래하는 황산염과의 반응은 대부분 외부에서 침투되는 황산염에 의한 것으로, 황산염이 용해된 지하수나 해수에 노출됨으로써 발생된다. 콘크리트 구조물에 접촉하는 지하수나 해수에 함유된 황산염 이온이 콘크리트에 침투하여 수산화칼슘과 반응함으로써 석고를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 석고는 물이 있는 조건에서 시멘트 내 알루민산 삼칼슘(tricalcium aluminate)과 반응하여 침상의 팽창 결정체인 에트링자이트(ettringite)를 형성하게 된다. 에트링자이트는 철근 콘크리트 표면에 망상형의 균열을 발생시키며, 계속하여 균열이 팽창되며, 균열을 통하여 수분이나 염화물이 침투하고, 시멘트와 골재간의 접착력 저하를 가져와 궁극적으로 콘크리트 강도가 저하하게 된다.
또한, 콘트리트 내부에 포함되는 황산염의 경우, 시멘트 제조시 경화 속도를 조절하기 위하여 석고가 첨가되는데, 이 때 첨가된 과다량의 석고가 황산염과 반응하여 팽창 결정체인 에트링자이트를 형성함으로써 콘크리트의 열화를 일으키게 된다.
기존의 시멘트 방수 모르타르는 대부분 세 가지 종류의 재료를 사용하는 것이 일반적이다. 첫 번째 재료는 결합제인 일반 시멘트, 팽창 시멘트 등을 포함할 수 있으며, 두 번째 재료는 골재인 규사 등을 포함할 수 있고, 세 번째 재료는 첨가제인 성능 개선제, 증점제, 점착제, 섬유, 방수제 등을 포함할 수 있다.
특허문헌 1에는, 시멘트 결합재 8~80중량%, 잔골재 15~85중량%, 성능개선제 0.01~20중량% 및 물 0.1~20중량%를 포함하며, 상기 성능개선제는 아크릴-우레탄 40~99중량%, 폴리 알킬아크릴레이트 0.1~20중량%, 에틸렌-아크릴산 0.1~20중량%, 테트라 플루오르 에틸렌 0.01~20중량%, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 0.01~20중량%, 폴리 에틸렌 옥사이드 0.01~15중량% 및 아크릴로니트릴 0.01~15중량%를 포함하고, 상기 시멘트 결합재는 보통 또는 백색 포틀랜드 시멘트 5~80중량%, 고로슬래그 분말 5~45중량%, 폐활성탄 5~20중량%, 무수석고 1~20중량%, 칼슘설포알루미네이트 0.1~15중량%, 맥반석 분말 0.1~15중량%, 산화아연 0.01~10중량%, 알루미나 실리케이트계 세노스페어 분말 0.01~10중량%, 벤토나이트 0.01~10중량%, 산화티탄 0.01~10중량% 및 황산 알루미늄 칼륨 0.01~10중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방수용 시멘트 모르타르 조성물이 개시되어 있다.
특허문헌 2에는, 보통포틀랜드시멘트 40 내지 80중량%, 분말도가 3500 내지 5000cm2/g인 고로 수재슬래그 미분말 5 내지 45중량%, 팽창재 1 내지 20중량%, 스테아린산염 발수제 0.01 내지 5중량% 및 에틸렌초산비닐계 수지 분말 1 내지 5중량%를 포함하고, 상기 팽창재는 생석회, 알루미나클링커분말, 아윈클링커분말, 무수석고, 이수석고 및 반수석고로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 혼합물이며, 상기 발수제는 스테아린산 칼슘, 스테아린산 아연 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 콘크리트 방수제 조성물이 개시되어 있다.
그러나, 이러한 종래 조성물들은 유기 폴리머를 주로 사용하거나, 다양한 첨가제를 사용하여 모르타르의 개질에 영향을 주게 되며, 부분적으로는 방수 효과를 증진시킬 수 있으나, 모르타르 내부로의 물의 침투를 근본적으로 차단하기에는 한계를 갖는다.
한편, 특허문헌 3에는 지르코닐 클로라이드 및 지르코닐 나이트레이트 하이드레이트(Zirconyl nitrate hydrate) 중 어느 하나를 0.5 중량% 내지 1.5 중량%, 슬래그 분말을 80 중량% 내지 85 중량%, 석고를 5 중량% 내지 10 중량%, 석회를 3 중량% 내지 5 중량%, 1종 시멘트를 1 중량% 내지 5 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 내산 지오폴리머 시멘트 조성물이 개시되어 있다. 특허문헌 3에 개시된 내산성을 갖는 지오폴리머 시멘트 조성물은 내산콘크리트 구조체가 산, 특히 황산 및 황산염에 노출되었을 경우 콘크리트 보수에 사용될 수 있으나, 방수 특성 측면에서는 그 효과가 불충분하다.
삭제
대한민국 등록특허 제10-1672693호(2016.11.07.) 대한민국 공개특허 제10-2016-0056867호(2016.05.27.) 대한민국 등록특허 제10-1095349호(2011.12.16.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 모르타르의 조직 치밀도를 향상시키고, 내산성, 방수성, 발수성 및 강도를 높여, 콘크리트 구조체에 대한 수분 침투를 차단하여 콘크리트의 손상 및 철근의 부식을 억제하고 구조적인 안정성을 발휘할 수 있도록 하는 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 내산 및 구체 방수 특성을 향상시킨 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물 및 이를 이용한 시공방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 지오폴리머 30.0~40.0 중량%, 규사 45.0~65.0 중량%, 유기 폴리머 1.0~2.0 중량%, 황산알루미늄 1.5~3.0 중량%, 수산화칼슘 1.0~2.0 중량%, 징크스테아레이트 0.5~1.5 중량% 및 하소 마그네시아 1.0~3.0 중량%를 포함할 수 있는 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 콘크리트 구조물의 열화 부위를 제거하는 단계; 콘크리트 보수 부위의 부식된 철근을 교체하고 녹을 제거하는 단계; 및 상기 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물을 사용하여 콘크리트 보수 부위에 구체 방수 시공하는 단계를 포함할 수 있는 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물의 시공방법을 제공한다.
본 발명에 따른 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물은 수분의 침투 억제성이 매우 높아 콘크리트 구조물에 대하여 우수한 방수 성능 및 발수 성능을 부여할 수 있으며, 치밀 한 모르타르 조직에 의해 높은 물리적 물성을 발휘할 수 있다.
이와 같은, 우수한 방수 능력 및 치밀한 구조체 형성에 의해 콘크리트 구조물에 대한 물의 침투를 효과적으로 억제하여 특히 염화물을 함유한 물에 노출된 경우, 그 침투를 억제함으로써 콘크리트 구조체의 강도를 유지하는 철근의 부식을 방지하고 콘크리트의 손상을 억제하여 보다 안정된 구조체를 유지하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물은 무기폴리머인 지오폴리머를 사용함으로써 일반 시멘트가 갖고 있는 독성이 없어 인체 및 환경에 대한 부담을 감소시키는 환경친화적인 장점을 갖는다.
나아가, 본 발명에 따른 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물은 무기폴리머인 장점인 산에 대한 우수한 저항성을 나타내므로, 생활 하수가 지나가는 하수관거, 암거 및 폐수 처리장 등의 다양한 콘크리트 구조물의 보수 보강에 효과적으로 사용될 수 있다. 또한, 구체 방수 능력이 향상되고 강 알칼리성이 아니므로, 수영장이나 농수로에의 적용을 용이하게 할 수 있다.
도 1은 실시예 3의 조성물에 대한 투수시험 및 습기투과 저항성 시험 결과.
도 2a, 2b는 실시예 3의 시편 표면에서의 발수성 시험 결과.
도 2c, 2d는 비교예 3의 시편 표면에서의 발수성 시험 결과.
도 3a는 실시예 3의 시편 내부 표면에서의 발수성 시험 결과.
도 3b는 비교예 3의 시편 내부 표면에서의 발수성 시험 결과.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물은 지오폴리머 30.0~40.0 중량%, 규사 45.0~65.0 중량%, 유기 폴리머 1.0~2.0 중량%, 황산알루미늄 1.5~3.0 중량%, 수산화칼슘 1.0~2.0 중량%, 징크스테아레이트 0.5~1.5 중량% 및 하소 마그네시아 1.0~3.0 중량%를 포함할 수 있다.
상기 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물은 콘크리트 구조물의 구체 방수 모르타르로 적용될 수 있다. 구체 방수 공법은 콘크리트 자체의 투수성 및 흡수성을 감소시켜 구조체 자체에 방수성을 부여함으로써 구조물 전체를 방수화하는 공법으로, 레미콘이나 모르타르 등의 제조시 구체 방수재를 혼입하여 사용하기 때문에 별도의 방수작업이 필요없어 경제적일 뿐만 아니라, 내구성과 내식성이 향상되고 결함을 자체 치유하는 작용이 있다. 이러한 구체 방수 공법은 도막 방수나 멤브레인 방수와 비교하여 장점을 갖는다. 예를 들어, 도막 방수나 멤브레인 방수의 경우 시공 후 후속 공정에 의해 도막이나 멤브레인 방수재가 손상되면 방수 기능 또한 저하되나, 구체 방수는 이러한 손상에 의한 기능 저하가 없다. 또한, 구체 방수의 경우에는, 도막이나 멤브레인 방수재의 들뜸이나 분해에 의한 손상이 없어 경제적으로 효율적이다.
지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 지오폴리머는 모르타르 조성물의 결합제로서 작용할 수 있다. 종래 콘크리트 보수재에 결합제로 사용되는 1종 보통 포틀랜드 시멘트는 강알칼리성 재료로서 산 및 황산염이 함유되어 있는 지하수나 해수에 약한 특성을 갖는다. 본 실시예에 있어서는, 이와 같은 1종 보통 포틀랜드 시멘트 대신에 무기 폴리머인 지오폴리머를 사용함으로써, 산에 대한 저항성을 향상시키고, 모르타르 조직의 치밀도를 높여 높은 물리적 물성을 발휘하고 구체 방수 효과를 증가시킬 수 있으며, 시멘트 제조 시 발생되는 이산화탄소 배출량을 현저하게 감소시키고 산업 부산물을 재활용하여 친환경성을 높일 수 있다.
지오폴리머는 공유결합으로 결합된 무기물 분자의 체인이나 네트워크로서, 무기 폴리머라고도 하며, 일반 시멘트를 제조하는 과정 중에 발생되는 다량의 이산화탄소와 비교하여 매우 적은 양의 이산화탄소만을 배출하여, 그린 시멘트라고도 불려진다. 지오폴리머는 일반 포틀랜드 시멘트와 비교하여 칼슘이 적고 미세구조를 가지게 되어 산성 환경에 대하여 매우 우수한 저항성을 가지며, 미생물이 유발하는 부식에 대하여도 우수한 저항성을 갖는다.
지오폴리머의 주원료로서는 고로슬래그 및 플라이애쉬가 잘 알려져 있으며, 이들은 풍부한 알루미노실리케이트 성분을 가지고 있으며 고열처리 과정을 거쳐 이미 비정질의 잠재 수경성을 가진 원료로서 지오폴리머의 주원료로 사용될 수 있다.
플라이애쉬는 화력발전소 등에서 발생되는 석탄재 중 미분탄 연소 보일러의 집진기로 포집되는 입자상의 물질로서, 알루미노실리케이트 성분을 풍부하게 함유하고 있어 잠재 수경성 재료로 이용될 수 있으며, 비중이 가벼워 시공성을 높일 수 있다.
고로슬래그는 제철 산업에서 발생되는 철 이외의 불순물로 이루어진 산업 부산물로서, 알루미노실리케이트 성분을 풍부하게 함유하고 있어 잠재 수경성 재료로 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 지오폴리머로서 지오폴리머 총 중량을 기준으로, 슬래그 분말 80~85 중량%, 석고 5~10 중량%, 석회 3~5 중량% 및 1종 시멘트 1~5 중량%를 포함하는 지오폴리머를 이용할 수 있다.
상기 실시예에서, 슬래그 분말은 6000~8000 ㎠/g의 비표면적을 갖는 고로슬래그 분말을 이용할 수 있다. KSF 2563 2종에 규정된 6000~8000 ㎠/g의 비표면적을 갖는 고로슬래그 분말은 KSF 2563 3종에 규정된 고로슬래그 비표면적 4000~6000 ㎠/g과 비교하여 매우 미세한 크기를 갖는다. 이와 같이, 매우 미세한 크기의 슬래그 분말을 이용함으로써, 모르타르의 조직을 더욱 치밀하게 형성하고 수밀성을 확보할 수 있어, 구체 방수 효과를 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 지오폴리머로서 특허문헌 3에 개시된 것과 유사한 내산 지오폴리머 시멘트를 사용할 수 있다. 예를 들어, 특허문헌 3에 개시된 내산 지오폴리머 시멘트를 사용하되, 특허문헌 3에 사용된 KSF 2563 3종의 고로슬래그 분말 대신에, KSF 2563 2종에 규정된 6000~8000 ㎠/g의 비표면적을 갖는 고로슬래그 분말을 사용하여 모르타르가 더 치밀한 조직 구조를 갖도록 할 수 있다. 또한, 다른 예로, 특허문헌 3에 개시된 내산 지오폴리머 시멘트에 포함되는 지르코닐 클로라이드 또는 지르코닐 나이트레이트 하이드레이트를 제외하고 지오폴리머를 제조하여 이용할 수 있다. 이와 관련하여 특허문헌 3의 개시내용은 전체적으로 참조로 본 명세서에 포함된다.
본 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 지오폴리머의 함량은 30.0~40.0 중량%일 수 있다. 지오폴리머의 함량이 30.0 중량% 미만인 경우에는 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물의 물리적 성능이 저하될 수 있으며, 40.0 중량%를 초과하면 작업성이 저하되며 모르타르 표면에 균열이 발생할 수 있다.
지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 규사는 모르타르의 뼈대를 이루는 골재로서 작용할 수 있다.
일 실시예에서, 규사는 등급화된 규사일 수 있으며, 0 초과 2.5 mm 이하의 입자 직경을 가질 수 있다.
본 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 규사의 함량은 45.0~65.0 중량%일 수 있다. 규사의 함량이 45.0 중량% 미만인 경우에는 모르타르의 점착력 증가로 작업성이 저하될 수 있으며, 65.0 중량%를 초과하는 경우에는 작업성은 높아질 수 있으나, 콘크리트 보수 표면이 거칠게 형성되는 문제가 있다.
지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 유기 폴리머는 모르타르의 레올로지 및 접착 성능을 향상시키는 작용을 할 수 있다.
일 실시예에서, 유기 폴리머는 폴리비닐알코올 분말 수지를 포함할 수 있다. 이와 같이 분말 형태의 폴리비닐알코올 수지를 이용함으로써, 모르타르의 물성을 향상시킬 수 있으며, 분말 형태의 다른 구성성분과 함께 공장에서의 배합이 가능하여 현장 배합시 발생하는 에러를 최소화할 수 있다.
본 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 유기 폴리머의 함량은 1.0~2.0 중량%일 수 있다. 유기 폴리머의 함량이 1.0 중량% 미만인 경우에는 모르타르의 방수성 및 레올로지가 저하될 수 있으며, 2.0 중량%를 초과하는 경우에는 강도가 저하될 수 있으며, 모르타르 가격 상승 요인이 된다.
지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 수산화칼슘 및 황산알루미늄은 모르타르 혼합수 하에서 서로 빠르게 반응하여 콜로이달 분산물 또는 침전물을 형성하며, 이 콜로이달 분산물 또는 침전물이 수분의 침투 경로를 차단하여 방수 효과를 상승시키는 작용을 할 수 있다. 콜로이달 분산물 또는 침전물은 알루미늄 하이드록사이드로 젤리 형태를 가져 모르타르 내부의 수분의 침투 경로, 예를 들면 모세관 등을 효과적으로 차단하여 방수성을 높일 수 있다.
Al2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 → 3CaSO4 + 2Al(OH)3
2Al3+ + 3SO4 2- + 3Ca2+ + 6OH- → 3CaSO4 + 2Al(OH)3
일 실시예에서, 수산화칼슘 및 황산알루미늄은 1:1 내지 1:3의 중량비, 바람직하게는 약 1:1.5의 중량비로 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 수산화칼슘의 함량은 1.0~2.0 중량%일 수 있으며, 황산알루미늄의 함량은 1.5~3.0 중량%일 수 있다. 수산화칼슘 및 황산알루미늄의 함량이 상기 범위 미만인 경우에는 이들 사이의 반응이 충분치 않아 방수성 향상 효과가 미미할 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 작업성 및 강도가 저하될 수 있다.
지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 징크 스테아레이트는 시멘트와 친화성을 나타내며 높은 발수 성능을 발휘하여 모르타르 표면에서의 수분 침투를 억제하는 작용을 할 수 있다. 징크 스테아레이트는 "zinc soap"으로도 불리며, 백색 분말 형태로 소수성 특성을 나타낸다.
본 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 징크 스테아레이트의 함량은 0.5~1.5 중량%일 수 있다. 징크 스테아레이트의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우에는 발수 성능이 저하될 수 있으며, 1.5 중량%를 초과하는 경우에는 소수성으로 인하여 모르타르 배합시 작업시 저하될 수 있다.
지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 하소 마그네시아는 수축 보상제의 역할을 할 수 있다.
일반적으로, 시멘트를 사용한 모르타르의 경우 수축 보상을 위하여 칼슘 설포알루미네이트(CSA) 시멘트를 주로 사용한다. 이 칼슘 설포알루미네이트 시멘트는 1종 시멘트에 존재하는 황산염, 즉 석고와 물의 존재 하에서 반응하여 팽창 구조인 침상의 에트링자이트를 형성하면서 모르타르의 수축을 보상해준다. 이러한 메커니즘은 트리칼슘 알루미네이트(C3A)가 석고와 물과 반응할 때에도 동일하게 적용된다. 그러나, 무기 폴리머인 지오폴리머에서는 시멘트의 사용량이 극히 제한되므로, 이러한 효과를 얻기가 어렵다. 이에, 본 실시예에서는 하소 마그네시아를 첨가하여, 하소 마그네시아가 물과 반응하여 마그네슘 하이드록사이드로 변환될 때의 부피 팽창에 의해 모르타르의 수축을 보상하는 작용을 할 수 있다.
하소 마그네시아는 경소 마그네시아로도 불리며, 600~1000℃의 저온에서 수산화마그네슘 또는 탄산마그네슘 등을 하소하여 얻어지는 산화마그네슘으로서, 높은 표면적(1.0~250 ㎡/g)과 화학적 반응성을 갖는다. 하소 마그네시아는 매우 빠르게 수화되고 거의 불용성인 마그네슘 하이드록사이드를 형성하면서, 전형적으로 약 45 ~ 55%, 종종 약 50 ~ 51% 정도 부피가 현저하게 증가할 수 있다. 본 실시예예에서는 이와 같은 하소 마그네시아가 마그네슘 하이드록사이드로 변환될 때의 부피 팽창을 이용하여 모르타르의 수축에 대한 보상을 할 수 있다.
본 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 포함되는 하소 마그네시아는 1.0~3.0 중량%일 수 있다. 하소 마그네시아의 함량이 1.0 중량% 미만인 경우에는 모르타르의 수축에 대한 보상 효과가 미미하여 모르타르 표면에 균열이 발생할 수 있으며, 3.0 중량%를 초과하는 경우에는 강도가 저하될 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물은 특정 구성성분 및 조성비에 의해 치밀한 구조체를 형성하고, 모르타르 표면 및 내부의 수분 침투를 효과적으로 억제하고 우수한 방수성 및 발수성을 발휘하는 것과 동시에 안정된 물성, 특히 높은 강도를 발현할 수 있다. 이에, 특히 염화물에 노출된 경우 콘크리트 구조체를 형성하는 철근의 열화를 억제 또는 감소시켜 보다 안정한 구조체를 유지하는데 매우 유용한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물의 시공방법은 콘크리트 구조물의 열화 부위를 제거하는 단계; 콘크리트 보수 부위의 부식된 철근을 교체하고 녹을 제거하는 단계; 및 전술한 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물을 사용하여 콘크리트 보수 부위에 구체 방수 시공하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 콘크리트 구조물의 열화 부위를 제거하는 단계 후에, 콘크리트 보수 부위의 이물질 및 오염물을 제거하는 단계; 및 모체 콘크리트에 수분을 공급하여 표면 포화 상태를 유지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
콘크리트의 열화 부위를 제거하는 단계는, 콘크리트 보수 부위를 측정하여 열화 원인 및 보수 정도를 결정한 후, 콘크리트 열화 부위를 치핑하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 열화 부위의 치핑은 전기 해머, 공기타격식 해머 등의 장비를 이용하여 열화 부위를 완전히 제거함으로써 이루어질 수 있다.
열화 부위 치핑 후 이물질 및 오염물을 제거하기 전에, 치핑된 콘크리트 표면에 대하여 페놀프탈레인 시약을 이용하여 적색 반응(pH 12 이상)을 확인한다.
적색 반응이 확인되면, 콘크리트 보수 부위의 이물질 및 오염물을 제거할 수 있다. 일 실시예에서, 이물질 및 오염물 제거는 고압 세척기를 이용한 세척에 의해 이루어질 수 있다. 고압 세척기는 100 bar 이상의 압력에서 적용될 수 있다.
이물질 및 오염물 제거 후, 모체 콘크리트에 수분을 공급하여 표면 포화 상태를 유지시킬 수 있다. 표면 포화 상태를 유지 후 잔류하는 잉여수를 제거할 수 있다.
이어서, 콘크리트 보수 부위의 부식된 철근을 교체하고 녹을 제거할 수 있다. 구체적으로, 철근의 부식 정도에 따라 부식이 심할 경우에는 절단하여 새로운 철근을 용접 연결할 수 있다. 녹 제거는 노출된 철근에 대하여 금속 브러쉬나 연마기 등을 이용하여 물리적으로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라 녹환원제를 이용하여 이루어질 수도 있다.
녹환원제는 산화철을 환원시켜 철근 주변에 겔 형태를 막을 형성함으로써 녹 진행이 매우 느려지는 안정된 구조를 갖게 할 수 있다.
녹환원제의 예는 탄닌산(tannic acid), 오르토인산(orthophosphoric acid) 등을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 녹의 재발생을 방지하기 위하여 철근에 방청제를 도포하여 방청 공정을 더 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 콘크리트 보수 부위의 부식된 철근을 교체하고 녹을 제거하는 단계 후에, 콘크리트 보수 부위에 접착 증강제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
접착 증강제는 후속 공정에서 적용되는 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물의 접착력을 증강시키기 위하여 필요에 따라 채용될 수 있다.
접착 증강제의 예는 카르복실화 부타디엔 스티렌을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물을 사용하여 콘크리트 보수 부위에 구체 방수 시공할 수 있다.
지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물은 소수성을 갖는 징크 스테아레이트를 포함하고 있으므로, 시공 전에 초기에 물과 혼련하여 사용되며, 물과의 혼련은 강제식 혼합기 및 핸드믹서를 이용하여 이루어질 수 있다.
구체 방수 시공 방법은 당해 기술분야에 공지된 방법 중 시공 조건 및 환경에 따라 적절한 방법을 선택할 수 있다. 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 대해서는 전술한 실시예에서 상세하게 기재하였으므로, 반복을 피하기 위하여 본 실시예에 있어서는 그 상세한 내용 기재를 생략한다.
일 실시예에서, 지오폴리머 및 유기폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물을 사용하여 콘크리트 보수 부위에 구체 방수 시공하는 단계 후에, 콘크리트 표면에 콘크리트 표면 보호재를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
콘크리트 표면 보호재를 적용함으로써, 열화 인자를 포함한 수분의 침투를 차단하고, 콘크리트 표면 강도를 높일 수 있다.
콘크리트 표면 보호재의 예는 실리카 아크릴 하이브리드 코팅재를 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 지오폴리머 및 유기폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물의 시공방법에 의하면, 우수한 방수 및 발수 능력 및 치밀한 구조체 형성에 의해 콘크리트 구조물에 대한 물의 침투를 효과적으로 억제하여 특히 염화물을 함유한 물에 노출된 경우, 그 침투를 억제함으로써 콘크리트 구조체의 강도를 유지하는 철근의 부식을 방지하고 콘크리트의 손상을 억제하여 보다 안정된 구조체를 유지하도록 할 수 있다. 또한, 무기폴리머인 장점인 산에 대한 우수한 저항성을 나타내므로, 생활 하수가 지나가는 하수관거, 암거 및 폐수 처리장 등의 다양한 콘크리트 구조물의 보수 보강에 효과적으로 사용될 수 있다. 또한, 구체 방수 능력이 향상되고 강 알칼리성이 아니므로, 수영장이나 농수로에의 적용도 용이하게 할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
1. 지오폴리머 및 유기폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물의 제조
하기 표 1에 표시된 함량에 따라 각 성분을 혼합함으로써 지오폴리머 및 유기폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물을 제조하였다. 함량은 중량%로 표시된다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
지오폴리머 30.0 35.0 40.0 25.0 45.0
규사 63.0 55.8 48.7 71.5 41.5
폴리비닐알코올 1.0 1.5 2.0 0.5 2.5
황산알루미늄 1.5 2.3 3.0 - 3.8
수산화칼슘 1.0 1.5 2.0 - 2.5
징크 스테아레이트 0.5 0.9 1.3 - 1.7
하소 마그네시아 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0
이용된 지오폴리머는 특허문헌 3에 개시된 내용에 따라 제조하되, 지르코늄 클로라이드 또는 지르코늄 나이트레이트 하이드레이트는 포함하지 않았으며, 각 구성성분은 KSF 2563 2종 고로슬래그 분말 85.0 중량%, 석고 8.5 중량%, 석회 4.2 중량%, 1종 포틀랜드 시멘트 2.3 중량%로 하였다.
2. 지오폴리머 및 유기폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물에 대한 시험
(1) 물리적 강도
상기 표 1에서 제조된 각각의 조성물에 대하여 KSF 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 모르타르)를 기준으로 압축강도, 휨강도 및 부착강도에 대한 시험을 실시하였으며, 시험결과를 하기 표 2에 나타낸다.
KSF 4042 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2

압축강도		 3일
20.0 이상		 12.3 17.5 19.2 9.2 10.4
7일 29.2 29.9 31.2 118 22.1
28일 41.2 45.2 48.3 19.8 38.2
휨 강도 28일 6.0 이상 7.2 7.5 8.1 3.4 5.6
부착강도 1.0 이상 1.1 1.4 1.8 0.4 0.9
상기 표 2의 결과로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 비교예 1의 경우 구체 방수 효과를 발현하는 재료가 포함되지 않았고, 결합제의 양이 부족하여 강도 발현에 문제가 있었으며, 비교예 2의 경우 결합제의 양은 오히려 많았으나, 구체 방수 효과를 발현하는 재료의 양이 과도하게 많아 모르타르 구조체를 형성하는데 방해가 되어 강도 발현에 악영향을 미친 것으로 판단된다.
반면, 실시예 1 내지 3의 경우, 결합제 및 골재의 사용량이 적절하면서도, 각 구성성분이 최적의 효과를 나타내도록 조합되어 우수한 물리적 특성을 발휘할 수 있다. 특히, 방수력을 향상시키는 작용을 하는 황산알루미늄과 수산화칼슘의 적정한 조합 및 징크 스테아레이트의 적정 조합에 의해 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 모르타르로 적합한 강도를 발휘할 수 있다.
(2) 투수시험 및 습기투과 저항성 시험
KSF 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 모르타르)에 따라 투수시험 및 습기투과 저항성 시험을 실시하였다. 시험에 사용된 시료는 상기 표 1의 실시예 3에 따른 조성물과, 비교예 3으로서 특허문헌 3에 따라 제조된 모르타르 조성물을 이용하였다. 비교예 3의 모르타르 조성물은, 지오폴리머(표 1에 이용된 것과 동일하게 제조됨) 47.25 중량%, 규사 51.5 중량%, 보강섬유 0.15 중량%, 소포제 0.1 중량% 및 웨팅제 1.0 중량%를 혼합하여 제조하였다.
실시예 3의 조성물에 대한 투수시험 및 습기투과 저항성 시험 결과를 도 1에 도시하며, 비교예 3과의 비교를 하기 표 3에 나타낸다.
KSF 4042 실시예 3 비교예 3
투수시험 20(g) 이하 1.6 3.0
습기투과 저항성 시험 2m 이하 0.8 1.2
상기 표 3의 결과로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 지오폴리머 및 유기폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물은 기존 지오폴리머를 이용한 모르타르 제품인 비교예 3에 비하여 수분 침투에 대한 저항성이 우수하여 높은 방수성을 발휘할 수 있다.
(3) 발수성 시험
상기 실시예 3 및 비교예 3의 모르타르 조성물을 이용하여 시편을 제작하여 동량의 물을 피펫을 이용하여 표면에 떨어뜨려 표면에서의 물의 흡수 거동을 육안으로 측정하였다. 시험은 1) 시편 표면, 및 2) 시편을 파쇄한 후 내부 표면에 대하여 각각 실시하였다. 시험 결과를 도 2 및 3에 나타낸다.
도 2a, 2b는 실시예 3에 따른 시편의 표면 사진이고, 도 2c, 2d는 비교예 3에 따른 시편의 표면 사진이다. 도 3a는 실시예 3에 따른 시편의 내부 표면 사진이고, 도 3b는 비교예 3에 따른 시편의 내부 표면 사진이다.
도 2 및 3으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 지오폴리머 및 유기폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물은 비교예 3에 비하여 표면에서 물을 차단하는 우수한 발수 능력을 발휘하였다.
따라서, 본 발명에 따른 지오폴리머 및 유기폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물은 더 치밀한 조직을 가지고, 모르타르 내부의 수분 침투 경로를 효과적으로 차단하고 우수한 발수성으로 표면에서의 수분 침투를 억제하여, 방수성, 발수성 및 적절한 강도를 갖는 구체 방수 모르타르로 이용될 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (13)

  1. 구체 방수 모르타르로 이용되며,
    지오폴리머 30.0~40.0 중량%, 규사 45.0~65.0 중량%, 유기 폴리머 1.0~2.0 중량%, 황산알루미늄 1.5~3.0 중량%, 수산화칼슘 1.0~2.0 중량%, 징크스테아레이트 0.5~1.5 중량% 및 하소 마그네시아 1.0~3.0 중량%를 포함하며,
    상기 유기 폴리머는 모르타르의 레올로지 및 접착 성능을 향상시키기 위하여 사용되는 폴리비닐알코올 분말 수지를 포함하며,
    상기 수산화칼슘 및 상기 황산알루미늄은 서로 반응하여 알루미늄 하이드록사이드를 포함하는 콜로이달 분산물 또는 침전물을 형성하며, 상기 콜로이달 분산물 또는 침전물이 수분의 침투 경로를 차단하여 방수 효과를 상승시키는 작용을 하도록 1:1 내지 1:3의 중량비로 사용되며,
    상기 징크스테아레이트는 발수 성능을 가져 모르타르 표면에서의 수분 침투를 억제하며,
    상기 하소 마그네시아는 물과 반응하여 마그네슘 하이드록사이드로 변환될 때의 부피 팽창에 의해 모르타르의 수축을 보상하는
    지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지오폴리머는, 지오폴리머 총 중량을 기준으로, 슬래그 분말 80~85 중량%, 석고 5~10 중량%, 석회 3~5 중량% 및 1종 시멘트 1~5 중량%를 포함하는
    지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 슬래그 분말은 6000~8000 ㎠/g의 비표면적을 갖는 고로슬래그 분말을 포함하는
    지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물.
  4. 콘크리트 구조물의 열화 부위를 제거하는 단계;
    콘크리트 보수 부위의 부식된 철근을 교체하고 녹을 제거하는 단계; 및
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물을 사용하여 콘크리트 보수 부위에 구체 방수 시공하는 단계를 포함하는
    지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물의 시공방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 콘크리트 구조물의 열화 부위를 제거하는 단계 후에,
    콘크리트 보수 부위의 이물질 및 오염물을 제거하는 단계; 및
    모체 콘크리트에 수분을 공급하여 표면 포화 상태를 유지시키는 단계를 더 포함하는
    지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물의 시공방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 콘크리트 보수 부위의 부식된 철근을 교체하고 녹을 제거하는 단계 후에, 콘크리트 보수 부위에 접착 증강제를 도포하는 단계를 더 포함하는
    지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물의 시공방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물을 사용하여 콘크리트 보수 부위에 구체 방수 시공하는 단계 전에,
    상기 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물을 물과 혼련시키는 단계를 더 포함하는
    지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물의 시공방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물을 사용하여 콘크리트 보수 부위에 구체 방수 시공하는 단계 후에,
    콘크리트 표면에 콘크리트 표면 보호재를 도포하는 단계를 더 포함하는
    지오폴리머 및 유기 폴리머를 이용한 콘크리트 보수 보강용 모르타르 조성물의 시공방법.
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