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KR102581530B1 - 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수 방법 - Google Patents

콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수 방법 Download PDF

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KR102581530B1
KR102581530B1 KR1020230017381A KR20230017381A KR102581530B1 KR 102581530 B1 KR102581530 B1 KR 102581530B1 KR 1020230017381 A KR1020230017381 A KR 1020230017381A KR 20230017381 A KR20230017381 A KR 20230017381A KR 102581530 B1 KR102581530 B1 KR 102581530B1
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KR
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concrete
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concrete structure
repair
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윤양실
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주식회사 미래건설안전
윤양실
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Abstract

본 발명은 시공 후 높은 압축강도를 가질 뿐만 아니라 우수한 내염해성을 갖는 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물은, 고로슬래그 미분말과 칼슘설포알루미네이트(CSA), 석회, 무수석고(CaSO4), 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 또는 포틀랜드 시멘트를 포함하는 고로슬래그 시멘트 및 폴리머를 포함하는 결합재; 및 상기 결합재 100중량부에 대해, 표면에 나노구조체가 형성된 산화마그네슘(MgO) 보강섬유 5~10중량부, 산화알루미늄(Al2O3) 분말 5~10중량부, 수산화나트륨과 물유리 및 물로 이루어진 3성분계 알칼리 활성화제 40~60중량부, 증점제 0.3~1.0중량부 및 충전재 10~20중량부를 포함할 수 있다.

Description

콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수 방법{Composition for Concrete Surface Repair And Concrete Section Recovery And Method for Repairing Concrete Structures Using the Same}
본 발명은 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고로슬래그 미분말에 칼슘설포알루미네이트(CSA), 석회, 무수석고(CaSO4), 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 또는 포틀랜드 시멘트를 혼합하여 만들어진 고로슬래그 시멘트 및 폴리머를 결합재로 사용하고, 표면에 나노와이어가 형성된 산화마그네슘 보강섬유 및/또는 산화마그네슘 보강섬유를 포함하는 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수 방법에 관한 것이다.
철근 콘크리트 구조물은 건설 후 염해나 중성화, 알칼리 골재 반응 등 화학적 부식 외에 물의 침투에 의한 철근의 부식 팽창 등으로 구조물이 열화되면서 장기적으로 내구성 및 사용성이 저하된다. 이러한 구조물의 열화가 계속 진행되면 결국 구조물의 붕괴를 초래할 위험성이 있기 때문에 지속적으로 관리하고 보수할 필요가 있다.
구조물 표면의 박리 또는 초기 결함이나 균열의 발생은 열화 요인의 이동을 용이하게 하여 열화의 진행을 촉진시키므로 철근 콘크리트 구조물의 안전성 및 성능 확보를 위해서는 열화 초기에 보수 보강을 실시하여 더 이상의 열화 진행을 억제하고 내구성능을 향상시킬 필요가 있다.
따라서 콘크리트의 열화, 철근의 부식, 기타의 원인에 의해 구조물 단면의 박리나 박락 등의 열화 인자를 포함하는 콘크리트 부분을 제거한 후 단면을 원래의 성능 및 형태로 복원하기 위해 단면보수 재료를 충진하거나 뿜칠 시공을 하여 보수를 실시하는 것이 일반적이다.
일반적으로 콘크리트 단면보수 모르타르는 시멘트, 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 메타카올린, 실리카퓸 등의 결합재와 우레탄수지, 아크릴수지 및 폴리에스테르 수지 등의 분말형 폴리머 수지, 유리분말 등의 충진재, 잔골재 외에 경화제, 유동화제, 증점제 등의 첨가제로 구성된다. 종래에는 통상 단면보수 모르타르에서 보통 포틀랜드 시멘트를 다량 사용하였는데 다만, 염소이온 침투저항성이 부족하여 일부 고로슬래그 미분말 3종(분말도 3,500~4,500㎠/g)과 플라이애시, 실리카퓸을 혼입하여 화학저항성, 장기강도를 확보하고 있다.
최근에는 시멘트의 중금속 용출 문제, 시멘트 소성공정에서의 이산화탄소 배출문제 등이 지적되면서 시멘트의 사용량을 줄이고자 하는 방안이 다양하게 연구되고 있으며, 콘크리트 단면보수 모르타르에도 시멘트 대체재로 고로슬래그의 활용 방안이 연구되고 있다.
고로슬래그 시멘트는 포틀랜드 시멘트(또는 클링커), 석고, 고로슬래그를 혼합하고 분쇄하여 제조되는데, 이렇게 제조된 고로슬래그 시멘트는 보통의 시멘트에 비하여 경화가 느리고 초기 강도가 약한 단점이 있었다.
또한, 종래의 고로슬래그 시멘트를 이용한 콘크리트 단면보수 조성물은 기존 콘크리트 구조물과의 완벽한 결합이 이루어지지 않으며, 이 두 재료 간의 부조화로 인하여 연결부위에 수분이 침투하는 현상이 발생하고 2차적인 파손이 유발된다. 또한, 계절 간의 기온 차가 심한 우리나라의 환경에서 열팽창계수의 차이로 인하여 계절별로 연결부위 간의 편차가 크다는 문제가 있다.
또한, 종래의 콘크리트 단면보수 조성물은 염화물에 의한 철근부식 영향으로 콘크리트 구조물의 염해 및 열화 현상을 억제하기 어려운 문제도 있다.
대한민국 등록특허 제10-1384788호 대한민국 등록특허 제10-1119893호 대한민국 등록특허 제10-2251021호 대한민국 등록특허 제10-2150666호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 시공 후 높은 강도를 가질 뿐만 아니라 콘크리트 구조물과의 결합력 및 내염해성이 우수한 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물은, 고로슬래그 미분말과 칼슘설포알루미네이트(CSA), 석회, 무수석고(CaSO4), 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 또는 포틀랜드 시멘트를 포함하는 고로슬래그 시멘트 및 폴리머를 포함하는 결합재; 및 상기 결합재 100중량부에 대해, 표면에 나노구조체가 형성된 산화마그네슘(MgO) 보강섬유 5~10중량부, 산화알루미늄(Al2O3) 분말 5~10중량부, 수산화나트륨과 물유리 및 물로 이루어진 3성분계 알칼리 활성화제 40~60중량부, 증점제 0.3~1.0중량부 및 충전재 10~20중량부;를 포함할 수 있다.
상기 산화마그네슘(MgO) 보강섬유는 길이가 5~20㎜이고 직경이 0.2~1.0㎜인 섬유 형태의 마그네슘 금속을 메탄올 또는 에탄올에 옥살산(oxalic acid)을 용해시킨 용액에 일정 시간 동안 침지하여, 표면에 마그네슘이온(Mg2+)과 C2O4 2- 이온의 반응에 의한 나노구조체를 형성한 후 300~500℃에서 열처리하는 과정을 통해 표면에 돌기 형태의 산화마그네슘(MgO) 나노구조체가 형성된 섬유로 된 것일 수 있다.
상기 산화마그네슘(MgO) 보강섬유는 결합재에 혼합되기 전에 700~1000℃의 온도에서 소성하여 전처리된 것일 수 있다.
본 발명의 콘크리트 구조물의 보수 방법은,
콘크리트 구조물의 손상 부위에 대하여 불순물, 레이턴스 또는 열화된 부위를 제거하는 제1단계;
콘크리트 구조물에 프라이머를 도포하는 제2단계;
프라이머 도포된 상태의 콘크리트 구조물에 상기 보수재 조성물을 도포하거나 단면손상 시 손상 부위를 보수하는 제3단계; 및,
보수재 조성물을 도포하거나 단면손상 시 손상 부위를 보수한 부위의 표면에 내구성 개선 표면코팅제를 도포하는 제4단계;
를 포함할 수 있다.
콘크리트 구조물의 표면에 대한 표면보수를 수행하는 경우, 상기 제1단계에서는 그라인딩으로 표면의 백태나 들뜸 등을 제거하고, 고압수 세척후 건조시킨 다음, 탄산화된 콘크리트에 침투성 알칼리 환원제를 도포하는 공정을 순차적으로 수행하고,
콘크리트 구조물의 박리나 박락, 염해, 중성화 등으로 인한 콘크리트 구조물의 열화가 심하게 진행되어 단면복구를 수행하는 경우, 상기 제1단계에서는 치핑으로 열화부위를 제거하고, 고압수 세척을 통해 이물질을 제거하여 건조시킨 다음, 탄산화된 콘크리트에 침투성 알칼리 환원제를 도포하는 공정을 순차적으로 수행하며,
상기 단면복구를 수행함에 있어 열화된 콘크리트 구조물 부위에 철근 노출이 있는 경우에는 철근 녹제거 및 철근방청제를 도포하는 작업을 추가로 수행할 수 있다.
본 발명의 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물은, 결합재 및 알칼리 활성화제와 함께 혼합되는 산화마그네슘(MgO) 보강섬유가 압축강도를 대폭 증대시키는 작용을 함과 동시에, 산화마그네슘(MgO) 보강섬유와 산화알루미늄(Al2O3)의 반응에 의해 보수재 내에서 Mg-Al 결합구조를 가지는 하이드로탈사이트(Hydrotalcite) 생성이 촉진될 수 있으며, 보수재 내에서 생성된 하이드로탈사이트의 이온교환 효과로 염화물 침투를 효과적으로 억제할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 포틀랜드 시멘트를 대부분 고로슬래그와 칼슘설포알루미네이트(CSA)를 첨가한 무시멘트로 치환함으로써 친환경적이며, 기존 제품보다 월등한 초기 및 후기강도를 발현하고, 제품 수화반응시 에트린자이트를 생성하여 기존 보수재 제품의 가장 큰 문제인 건조수축에 의한 균열 발생을 억제하며, 내구성을 극대화할 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 보수 방법에서 사용되는 침투성 알칼리환원제는 중성화된 콘크리트에 침투하여 알칼리 회복성을 극대화하고 콘크리트의 표면 강도를 증진시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 보수 방법에서 사용되는 표면코팅제는 선형 구조인 아크릴 에멀션을 재가교화를 통해 3차원 망상 구조로 개질시켜 내화학성, 내마모도를 증진시킨 망상구조 아크릴 에멀션을 바인더로 사용하고, 서브 마이크로 크기의 입자를 가진 무기 충진재 및 각종 혼화제를 적용하여, 외부의 열화 환경에 대한 내구성을 더욱 증진시켰으며, 1액형으로 제조되어 사용 전 별도의 혼합 공정이 필요 없고, 건조시간 및 경화시간을 획기적으로 단축함으로써 공사 기간을 대폭 단축할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물을 이용하여 콘크리트 구조물의 표면보수를 하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물을 이용하여 콘크리트 구조물의 단면복구를 하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물을 구성하는 산화마그네슘(MgO) 보강섬유를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물을 구성하는 산화마그네슘(MgO) 보강섬유의 나노구조체를 확대하여 나타낸 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물의 실시예 및 비교예에 대한 TD/DTG 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시예들에 의한 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수 방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에 따른 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물은, 고로슬래그 미분말과 칼슘설포알루미네이트(CSA), 석회, 무수석고(CaSO4), 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)를 포함하는 고로슬래그 시멘트, 및 폴리머를 포함하는 결합재에 표면에 나노구조체가 형성된 산화마그네슘(MgO) 보강섬유와 산화알루미늄(Al2O3) 분말을 혼합하고, 여기에 알칼리 활성화제와 증점제, 충전재를 포함하는 조성으로 이루어져 콘크리트 구조물의 손상 부위에 도포될 수 있도록 한 것으로, 제품 수화반응시 에트린자이트(ettringite)를 생성하여 기존 제품의 가장 큰 문제인 건조수축에 의한 균열 발생을 억제하며 내구성을 극대화함과 동시에, 상기 산화마그네슘(MgO) 보강섬유와 산화알루미늄(Al2O3) 분말의 반응에 의해 보수재 내에서 하이드로탈사이트의 생성이 촉진될 수 있도록 한 것이다.
바람직하기로, 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물은, 고로슬래그 시멘트 및 폴리머를 포함하는 결합재 100중량부에 대해, 표면에 나노구조체가 형성된 산화마그네슘(MgO) 보강섬유는 5~10중량부, 산화알루미늄(Al2O3) 분말은 5~10중량부, 수산화나트륨과 물유리 및 물로 이루어진 3성분계 알칼리 활성화제는 40~60중량부, 증점제는 0.3~1.0중량부, 충전재는 10~20중량부를 혼합한 조성으로 이루어질 수 있다.
고로슬래그 시멘트는 중량 기준으로 고로슬래그를 최대 성분으로 포함하고 있으며, 수화반응을 통하여 에트린자이트(3CaO·Al2O3·CaSO4·2H2O)를 생성할 수 있도록 칼슘설포알루미네이트(CSA), 석회, 무수석고(CaSO4), 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)를 부가적인 성분으로 포함하고 있다. 이때 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)의 일부를 보통 포틀랜드 시멘트로 치환하여 사용할 수 있다.
고로슬래그 시멘트의 성분을 구체적으로 살펴보면, 고로슬래그 45~65중량%, 석회 5~8중량%, 무수석고 5~15중량%, 칼슘설포알루미네이트(CSA) 5~15중량%, 감수제 또는 고유동화제 0.3~2.5중량%, 및 잔부의 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)를 포함할 수 있다.
고로슬래그 시멘트의 수화 반응에 의해 생성되는 에트린자이트는 침상결정체로서 부피가 상당히 크기 때문에 수화 초기에 약간의 팽창성을 나타내며, 이로 인해 일반 포틀랜드 시멘트에서의 문제점인 침하현상이나 건조 수축이 거의 없는 우수한 특성을 갖는다.
잠재 수경성인 고로슬래그는 자극제인 무수석고(CaSO4)나 소석회(Ca(OH)2) 또는 생석회(CaO)를 첨가하면 수화가 진행된다. 본 발명에서는 수화를 더욱 적극적으로 촉진시키기 위해 칼슘설포알루미네이트(CAS)를 첨가하여 경화를 촉진하고 초기강도를 대폭 증진시키도록 한다. 이때 칼슘설포알루미네이트(CAS)-석회-무수석고 혼합물은 고로슬래그의 강도 발현 촉진뿐만 아니라 수화 초기에 에트린자이트 수화물(3CaO·Al2O3·CaSO4·2H2O)을 생성하여 건조수축에 의한 균열 발생을 억제하게 된다.
상기 칼슘설포알루미네이트(4CaO·3Al2O3·SO3)는 CaO 성분으로서 석회석, Al2O3 성분으로서 보크사이트 또는 Al2O3 성분을 가진 무기재료, 및 SO3 성분으로서 석고를 포함하되, Cm(석회포화비 = C-0.7(F+T+S')/1.87S+0.55A)이 0.60 이상이고, A/S'(알루미나무수황산비)가 2.0~4.5 범위가 되도록 배합된 원료를 1,200~1,500℃의 온도에서 소성하여 제조된 것을 특징으로 한다. (여기서, C: CaO중량%, F: Fe2O3중량%, T: TiO2중량%, S': SO3중량%, S: SiO2중량%, A: Al2O3중량%임)
또한, 고로슬래그 미분말은 알칼리 활성화제와 반응하여 역학적/물리적 특성이 우수한 지오폴리머를 생성한다. 지오폴리머는 아래와 같은 수화반응을 통해서 N-A-S-H를 생성하는데, 이 N-A-S-H는 C-S-H gel보다 내구성 측면에서 우수하다.
SiO2, Al2O3 + alkali metal ion → 축합반응 → Alumino-silicate gel(N-A-S-H)
고로슬래그를 활용한 알칼리활성 지오폴리머는 초기 반응속도가 매우 빠르며, 이는 수축 및 균열의 원인이 됨과 동시에 강도 저하를 야기할 수 있기 때문에 고로슬래그와 함께 폴리머를 소정의 중량비로 혼합하여 결합재로써 사용한다.
고로슬래그 미분말과 혼합되는 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)는 보통포틀랜드 시멘트(OPC)에 비하여 압축 및 부착강도가 더 우수할 뿐만 아니라 염소이온 침투저항성도 더 우수한 이점이 있다. 하지만 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)가 높은 온도와 습도에 노출되면 준안정성(metastable) 육각 알루미네이트 하이드레이트가 안정성(stable) 입방(cubic) 칼슘알루미네이트 하이드레이트로 유해하게 전환된다. 안정성 입방 칼슘알루미네이트 하이드레이트는 준안정성 육각 알루미네이트 하이드레이트에 비해 밀도가 높기 때문에 내부 수축이 일어나게 되며, 이러한 내부 수축은 다공성 미세구조 및 강도의 약화를 일으킬 수 있다. 이러한 유해한 전환으로 인하여 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)는 염화물 공격과 탄산화와 같은 다른 내구성 문제에 취약해질 수 있다.
칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)의 유해한 전환은 산화마그네슘(MgO) 보강섬유에 의해 억제될 수 있다. 산화마그네슘(MgO) 보강섬유는 보수재 조성물의 압축강도를 대폭 증가시킬 뿐만 아니라, 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)의 안정성 하이드레이트로의 전환을 억제하고, 준안정성 하이드레이트와 반응하여 하이드로탈사이트를 생성한다. 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)의 유해한 전환을 억제하고, 하이드로탈사이트를 생성하기 위한 산화마그네슘(MgO) 보강섬유의 배합비는 결합재 100중량부에 대해 5~10중량부로 혼합되는 것이 바람직한 것으로 확인되었다.
폴리머는 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate, EVA)계, NR(Natural Rubber)계, NBR(Natural Rubber-Butadiene Rubber)계, SBR(Styrene-Butadiene Rubber)계 및 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate)계 수지에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 폴리머는 결합재 전체 중량의 0.5~1.5중량%로 혼합되는 것이 바람직하다.
산화마그네슘(MgO) 보강섬유(10)는 도 3 및 도 4에 도시한 것과 같이 소정의 길이를 갖는 섬유 형태의 마그네슘 금속의 표면에 무수한 돌기 형태 또는 섬유 형태의 산화마그네슘(MgO) 나노구조체(11)를 형성한 것으로, 산화알루미늄(Al2O3) 및 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)와의 반응에 의해 Mg-Al 결합 구조의 하이드로탈사이트를 생성한다.
산화마그네슘(MgO) 보강섬유(10)는 길이가 5~20㎜이고 직경이 0.2~1.0㎜인 섬유 형태의 마그네슘 금속을, 메탄올 또는 에탄올에 옥살산(oxalic acid)을 용해시킨 용액에 일정 시간동안 침지하여 표면에 마그네슘이온(Mg2+)과 C2O4 2- 이온의 반응에 의한 나노구조체를 형성한 후 300~500℃에서 열처리하는 과정을 통해 표면에 돌기 형태 또는 섬유 형태의 산화마그네슘(MgO) 나노구조체가 형성된 것이다.
좀 더 구체적으로, 1M의 옥살산(oxalic acid)을 메탄올 또는 에탄올 용매에 용해시킨 용액에 섬유 형태의 마그네슘 금속을 침지하고, 교반한 후 대략 25~30℃의 온도에서 1시간~4시간 동안 유지하면, 용액 내의 수소이온이 마그네슘 표면에서 격렬히 반응한 결과 마그네슘을 Mg2+ 이온으로 산화시킴과 동시에 수소 기체로 환원된다. 계속적으로 용출된 Mg2+ 이온은 용액 내의 C2O4 2- 이온과 결합하여 표면에 침전되면서 마그네슘 옥살레이트 나노구조체를 형성한다.
이와 같이 표면에 마그네슘 옥살레이트 나노구조체가 형성된 섬유 형태의 마그네슘 금속을 300~500℃의 온도 범위에서 열처리하면, 산화마그네슘(MgO) 나노구조체(11)가 형성된 산화마그네슘(MgO) 보강섬유(10)가 완성된다.
상기 산화마그네슘(MgO) 보강섬유(10)는 그 표면에 형성된 무수한 돌기 형태 또는 섬유 형태의 산화마그네슘(MgO) 나노구조체(11)로 인해 분말 상의 산화마그네슘(MgO)에 비하여 하이드로탈사이트 생성이 더욱 활발하게 진행될 수 있는 이점이 있다.
산화마그네슘(MgO) 보강섬유(10)와 산화알루미늄(Al2O3)의 혼입으로 보수재 조성물 내부에서 생성된 Mg-Al 결합구조의 하이드로탈사이트는 이온교환 효과로 인해 모르타르 내부에서 염소이온 확산을 저감시키고, 이로써 콘크리트 구조물의 철근 부식을 방지하여 안전성을 높이는 효과를 제공할 수 있다.
상기 산화마그네슘(MgO) 보강섬유의 반응성을 더욱 높이기 위하여, 상기 산화마그네슘(MgO) 보강섬유는 상기 결합재에 혼합하기 전에 700~1000℃의 온도에서 소성하여 전처리하는 것이 더욱 바람직하다. 700~1000℃의 온도에서 소성한 상기 산화마그네슘(MgO) 보강섬유는 소성하지 않은 산화마그네슘(MgO) 보강섬유 및, 1000℃를 넘는 고온에 소성한 상기 산화마그네슘(MgO) 보강섬유보다 반응성이 더욱 커서 하이드로탈사이트 생성 반응을 더욱 활발하게 일으키며, 수축 저감의 효과가 있는 것으로 확인되었다.
산화알루미늄(Al2O3) 분말은 순도 95% 이상의 분말로 된 것이 적합하다.
알칼리 활성화제는 결합재에 혼합되어 보수재를 생성하게 되는데, 알칼리 활성화제는 수산화나트륨과 물유리 및 물로 이루어진 3성분계 알칼리 활성화제를 사용할 수 있으며, 결합재 100중량부에 대해 40~60중량부로 혼합될 수 있다.
증점제는 에틸셀룰로스계, 메틸셀룰로스계, 아크릴계 중 1종 이상을 사용할 수 있으며, 결합재 100중량부에 대해 0.3~1.0중량부로 사용될 수 있다.
충전재는 규산지르코늄(ZrSiO4) 분말을 사용할 수 있다. 규산지르코늄(ZrSiO4)은 열팽창계수가 적으며 소결체에서 탄성률, 굴절장력은 규산염 세라믹 중에서 가장 우수하다. 규산지르코늄(ZrSiO4) 분말을 포함하는 충전재는 결합재 및 알칼리 활성화제와 함께 혼합되면서 상온 환경에서 보수재가 높은 압축강도를 갖도록 하며, 콘크리트의 균열 보수나 단면복구의 주입 공법과 충전 공법에 적용 시 가사시간을 늘리고, 주입성 및 충전성을 향상시키는 작용을 한다.
상술한 것과 같은 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물을 이용하여 콘크리트 구조물의 표면보수 및 단면복구를 하는 방법을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 콘크리트 구조물의 손상 부위에 대하여 불순물, 레이턴스 또는 열화된 부위를 제거하는 제1단계(S110, S210); 콘크리트 구조물에 프라이머를 도포하는 제2단계(S120, S220); 프라이머가 도포된 상태의 콘크리트 구조물에 상기 보수재 조성물을 도포하거나 단면손상 시 손상 부위를 보수하는 제3단계(S130, S230); 및 보수재 조성물을 도포하거나 단면손상 시 손상 부위를 보수한 부위의 표면에 내구성 개선 표면코팅제를 도포하는 제4단계(S140, S240)의 시공 순서로 순차 진행된다.
콘크리트 구조물의 표면에 백태나 들뜸 등이 발생하여 표면보수를 수행하는 경우, 도 1에 도시한 것과 같이 제1단계(S110)에서는 그라인딩으로 표면의 백태나 들뜸 등을 제거하고(S111), 고압수 세척후 건조시킨 다음(S112), 탄산화된 콘크리트에 침투성 알칼리 환원제를 도포하여 콘크리트의 알칼리성을 회복시키는 과정으로 진행될 수 있다(S113).
콘크리트 구조물의 표면보수를 수행하는 경우에는 콘크리트 구조물에 상기 보수재 조성물을 도포하거나 단면손상 시 손상 부위를 보수하는 단계(S130)를 생략할 수도 있다.
그리고 콘크리트 구조물의 박리나 박락, 염해, 중성화 등 콘크리트 구조물의 열화가 심하게 진행되어 단면복구를 수행하는 경우, 도 2에 도시한 것과 같이 제1단계(S210)에서는 치핑으로 열화부위를 제거하고(S211), 고압수 세척을 통해 이물질을 제거하여 건조시킨 다음(S213), 탄산화된 콘크리트에 침투성 알칼리 환원제를 도포하여 콘크리트의 알칼리성을 회복시키도록 한다(S215).
열화된 콘크리트 구조물 부위에 철근 노출이 있을 경우에는 철근 녹제거(S212) 및 철근 방청제를 도포하는 작업(S214)을 추가로 수행한다.
상기 침투성 알칼리 환원제는, 바인더로서 수용성 규산염 무기화합물 10~50중량%에 희석제로 증류수 10~50중량%를 첨가하고 30℃ 온도를 유지하며 150~200rpm으로 60분간 교반하여 가수분해하는 단계; 전단계에서 가수분해된 혼합물에 리튬 화합물 20~50중량%를 적하하고, 30℃ 온도를 유지하며, 150~200rpm으로 30분간 교반하는 단계; 전단계에서 리튬 화합물이 혼합된 혼합물에 졸 상태의 금속 산화물 10~50중량%를 적하하고, 50℃ 온도를 유지하며, 150~200rpm으로 60분간 교반하는 단계; 전단계에서 금속 산화물이 혼합된 혼합물을 50℃ 온도를 유지하며, 150~200rpm으로 교반한 상태에서 실란 커플링제 5~20중량%를 30분에 걸쳐 서서히 적하하고, 2시간 동안 교반하는 단계; 전단계에서 실란 커플링제가 혼합된 혼합물에 습윤제를 0.1~5중량% 첨가하여, 10분간 교반하는 단계를 통해 완성할 수 있다.
이러한 침투성 알칼리 환원제는 중성화된 콘크리트에 침투하여 알칼리 회복성을 극대화하고 콘크리트의 표면 강도를 증진시키게 된다.
상기 제2단계에서 사용하는 프라이머는, 바인더로서 수용성 규산염 무기화합물 10~50중량%에 희석제로 증류수 10~50중량%, 시멘트 또는 콘크리트의 표면에 침투 반응하여 강한 결합을 형성하는 특성에 의해 중성화 방지, 표면 강화를 수행하는 리튬 화합물 20~50중량%, 조성물의 내수성을 증진시키고, 조성물의 경화시간을 단축시키며, 콘크리트 표면의 내화학성을 증진시키기 위한 졸 상태의 금속 산화물 10~50중량%, 침투력을 증진시키고 상기 화합물의 양호한 분산을 유도하기 위한 실란 커플링제 5~20중량%, 습윤제 0.1~5중량%로 이루어질 수 있다.
상기 프라이머에서, 수용성 규산염 무기화합물은 비중 1.38, SiO2/Na2O 몰비 3.10~3.30의 물성을 가진 규산 나트륨, 비중 1.30, SiO2/K2O 몰비 3.3~3.6의 물성을 가진 규산 칼륨 중 1종 또는 그 이상의 혼합물로 이루어진 것을 사용하며, 리튬 화합물은 비중 1.15~1.20, SiO2/Li2O 몰비 4.5~5.0의 물성을 가진 리튬실리케이트, 99% 이상의 순도를 가진 아질산 리튬 1종 또는 그 이상의 혼합물로 이루어진 것을 사용하며, 금속 산화물은 10~20nm의 입자 크기의 수분산 형태를 보이는 실리카 졸, 알루미나 졸, 산화티탄 졸, 지르코니아 졸 중 1종 또는 그 이상의 혼합물로 이루어진 것을 사용하며, 실란 커플링제는 유기 금속 알콕시 실란 화합물로서 MPTMS(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane), GPTMS(3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane), APTES( 3-Aminopropyltriethoxysilane), Acryloxypropyltrimethoxysilane, Vinyltriethoxysilane, (Methacryloxymethyl)phenyldimethylsilane 중 1종 또는 그 이상의 혼합물로 이루어진 것을 사용한다.
상기 제3단계에서 보수재 조성물을 표면보수 용도로 사용할 경우에는 보수재 조성물을 그대로 콘크리트 표면에 도포할 수 있다. 하지만 보수재 조성물을 단면복구 용도로 사용할 경우에는, 보수재 조성물에 물과 잔골재를 소정량 배합하여 보수재 모르타르로 만들어서 단면손상 부위를 보수할 수 있다.
상기 제4단계에서 사용하는 내구성 개선 표면코팅제는, 에멀션 수지 20~70중량%에 희석제로 증류수 10~30중량%, 무기 충진재와의 크로스링킹, 침투성, 내화학성, 내마모성 증진을 위해 유기 금속 알콕시 실란 화합물 10~20중량%, 촉매로서 질산(HNO3) 0.5~5중량%, pH조절제로서 암모니아(NH4OH, 28%) 0.5~5중량%, 분산제로서 폴리인산나트륨 0.5~5중량%, 무기 충진재로서 아나타제 타입의 이산화티탄 분말 5~40중량%, 발색제로서 산화철(Fe3O4) 안료 1~5중량%, 증점제 0.5~5중량%, 습윤 분산제 0.1~5중량%, 소포제 0.5~5중량%로 이루어진 유·무기 복합 1액형의 표면코팅제를 사용한다.
이같은 내구성 개선 표면코팅제로 사용되는 유·무기 복합 1액형의 표면코팅제에서 에멀션 수지는, 고형분이 40~50중량%, pH 8~10, 점도 1,000~3,000, 유리전이온도(Tg) -10℃의 특성을 가진 음이온성이며, 상기 유기 금속 알콕시 실란 화합물은 유기 금속 알콕시 실란 화합물로서 MPTMS(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane), GPTMS(3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane), APTES( 3-Aminopropyltriethoxysilane), Acryloxypropyltrimethoxysilane, Vinyltriethoxysilane, (Methacryloxymethyl)phenyldimethylsilane 중 1종 또는 그 이상의 혼합물이며, 상기 증점제는 에틸셀룰로스계, 메틸셀룰로스계, 아크릴계 중 1종인 것이 바람직하다.
상기 콘크리트 내구성 개선 표면코팅제는 선형 구조인 아크릴 에멀션을 재가교화를 통해 3차원 망상 구조로 개질시켜 내화학성, 내마모도를 증진시킨 망상구조 아크릴 에멀션을 바인더로 사용하고, 서브 마이크로 크기의 입자를 가진 무기 충진재 및 각종 혼화제를 적용함으로써, 외부의 열화 환경에 대한 내구성을 더욱 증진시켰다. 그리고 1액형으로 제조하기 때문에 사용 전 별도의 혼합 공정이 필요 없고 건조시간 및 완전 경화시간을 획기적으로 단축함으로써 공사 기간을 대폭 단축할 수 있다.
여기서 내구성 개선 표면코팅제로 사용되는 유·무기 복합 1액형의 표면코팅제는, 아크릴 에멀션 수지 20~70중량%에 증류수 10~30중량%를 첨가하고, 30℃ 온도를 유지하며, 200~250rpm으로 10분간 교반하는 단계; 전단계에서 증류수가 혼합된 혼합물에 유기 금속 알콕시 실란 2종 이상의 혼합물 10~20중량%를 1시간에 걸쳐 적하하고, 50℃ 온도를 유지하며, 100~150rpm으로 1시간 동안 교반하여, 축합반응을 일으키는 단계; 전단계에서 유기 금속 알콕시 실란 2종 이상의 혼합물이 혼합된 혼합물에 질산 0.5~5중량%를 적하하고, 50℃ 온도를 유지하며, 100~150rpm으로 2시간 동안 교반하여 축합반응을 완료하는 단계; 전단계에서 질산이 혼합된 혼합물에 암모니아수 0.5~5중량%를 적하하고, 30℃ 온도를 유지하며, 100~150rpm으로 2시간 동안 교반하여 pH를 조절하는 단계; 전단계에서 암모니아수가 혼합된 혼합물에 폴리인산나트륨 0.5~5중량% 첨가하여, 100~150rpm으로 상온으로 자연 냉각시까지 교반하여 안정화하는 단계; 전단계에서 폴리인산나트륨이 혼합된 혼합물에 이산화티탄 분말 5~40중량%, 산화철(Fe3O4) 안료 1~5중량%, 하드록시프로필메틸셀룰로스(HPMC) 0.5~5중량%, 습윤 분산제 0.1~5중량%, 소포제 0.5~5중량%를 호모 믹서를 이용하여 2,000rpm으로 30분간 혼합하는 단계;를 거쳐 제조할 수 있다.
이러한 본 발명의 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물은, 결합재 및 알칼리 활성화제와 함께 혼합되는 산화마그네슘(MgO) 보강섬유가 압축강도를 대폭 증대시키는 작용을 함과 동시에, 산화마그네슘(MgO) 보강섬유와 산화알루미늄(Al2O3)의 반응에 의해 보수재 내에서 Mg-Al 결합구조를 가지는 하이드로탈사이트(Hydrotalcite) 생성이 촉진될 수 있으며, 보수재 내에서 생성된 하이드로탈사이트의 이온교환 효과로 염화물 침투를 효과적으로 억제할 수 있다.
특히 산화마그네슘(MgO) 보강섬유가 결합재 100중량부에 대해 5~10중량부로 혼합되어 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)의 안정성 하이드레이트로의 유해한 전환을 억제하고, 준안정성 하이드레이트와 반응하여 하이드로탈사이트를 생성하여, 내부 수축에 의한 다공성 미세구조 및 강도의 약화를 방지할 수 있는 이점도 있다.
실시예
고로슬래그 시멘트
(g)		 폴리머(g) 포틀랜드 시멘트(g) 산화마그네슘 보강섬유(g) 산화알루미늄(g) 충전재(g) 알칼리 활성화제(g) 증점제(g)
실시예 1 990 10 - 50 100 100 500 5
실시예 2 990 10 - 100 100 100 500 5
비교예 1 10 990 0 0 100 500 5
표 1에 기재한 것과 같은 배합량(g)으로 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물을 혼합한 후, 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물을 몰드에 타설하고 상온에서 양생하여 시편을 제작하였다. 표 1에서 사용한 고로슬래그 시멘트는 고로슬래그 미분말 60중량%, 석회 5중량%, 무수석고 10중량%, 칼슘설포알루미네이트(CSA) 15중량%, 감수제 1.0중량%, 및 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC) 9중량%의 배합비로 혼합되었다. 그리고 폴리머는 에틸렌비닐아세테이트계 수지를 사용하였으며, 산화마그네슘 보강섬유는 700℃에서 소성하여 전처리한 것을 사용하였다. 도 4에 도시한 것과 같이, 상기 실시예 1과 2 및 비교예 1에 대한 TD/DTG 결과, 산화마그네슘 및 산화알루미늄을 함께 혼입한 실시예 1의 경우 하이드로탈사이트의 생성량은 비교예 1과 비교하여 약간 증가하였으나, 실시예 2의 경우에는 하이드로탈사이트의 생성량이 대폭 증가한 것으로 확인할 수 있었다.
또한 아래의 표 2에 나타낸 것과 같이 압축강도 및 염소이온 침투성 시험결과, 실시예 1 및 2는 비교예 1보다 압축강도는 증가하고, 염소이온 침투저항성은 현저히 향상된 것을 확인할 수 있다.
구분 압축강도(MPa) 염소이온침투저항성(Coulomb)
실시예 1 61.2 285
실시예 2 63.3 198
비교예 1 58.4 902
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
10 : 산화마그네슘(MgO) 보강섬유
11 : 산화마그네슘(MgO) 나노구조체

Claims (5)

  1. 고로슬래그 미분말과 칼슘설포알루미네이트(CSA), 석회, 무수석고(CaSO4), 칼슘알루미네이트 시멘트(CAC)를 포함하는 고로슬래그 시멘트 및 폴리머를 포함하는 결합재; 및,
    상기 결합재 100중량부에 대해, 표면에 나노구조체가 형성된 산화마그네슘(MgO) 보강섬유 5~10중량부, 산화알루미늄(Al2O3) 분말 5~10중량부, 수산화나트륨과 물유리 및 물로 이루어진 3성분계 알칼리 활성화제 40~60중량부, 증점제 0.3~1.0중량부, 및 충전재 10~20중량부;
    를 포함하고,
    상기 산화마그네슘(MgO) 보강섬유는 길이가 5~20㎜이고, 직경이 0.2~1.0㎜인 섬유 형태의 마그네슘 금속을 메탄올 또는 에탄올에 옥살산(oxalic acid)을 용해시킨 용액에 일정 시간동안 침지하여, 표면에 마그네슘이온(Mg2+)과 C2O4 2- 이온의 반응에 의한 나노구조체를 형성한 후 300~500℃에서 열처리하는 과정을 통해 표면에 돌기 형태의 산화마그네슘(MgO) 나노구조체가 형성된 섬유로 이루어지며,
    상기 산화마그네슘(MgO) 보강섬유는 결합재에 혼합되기 전에 700~1000℃의 온도에서 소성하여 전처리된 것인 콘크리트 표면보수 및 단면복구용 보수재 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 콘크리트 구조물의 손상 부위에 대하여 불순물, 레이턴스 또는 열화된 부위를 제거하는 제1단계;
    콘크리트 구조물에 프라이머를 도포하는 제2단계;
    프라이머 도포된 상태의 콘크리트 구조물에 제1항에 따른 보수재 조성물을 도포하거나 단면손상 시 손상 부위를 보수하는 제3단계; 및,
    상기 보수재 조성물을 도포하거나 단면손상 시 손상 부위를 보수한 부위의 표면에 내구성 개선 표면코팅제를 도포하는 제4단계;
    를 포함하는 콘크리트 구조물의 보수 방법.
  5. 제4항에 있어서, 콘크리트 구조물의 표면에 대한 표면보수를 수행하는 경우, 상기 제1단계에서는 그라인딩으로 표면의 백태나 들뜸 등을 제거하고, 고압수 세척후 건조시킨 다음, 탄산화된 콘크리트에 침투성 알칼리 환원제를 도포하는 공정을 순차적으로 수행하고,
    콘크리트 구조물의 박리나 박락, 염해, 중성화 등으로 인한 콘크리트 구조물의 열화가 심하게 진행되어 단면복구를 수행하는 경우, 상기 제1단계에서는 치핑으로 열화부위를 제거하고, 고압수 세척을 통해 이물질을 제거하여 건조시킨 다음, 탄산화된 콘크리트에 침투성 알칼리 환원제를 도포하는 공정을 순차적으로 수행하며,
    상기 단면복구를 수행하는 경우 열화된 콘크리트 구조물 부위에 철근 노출이 있는 경우에는 철근 녹제거 및 철근방청제를 도포하는 작업을 추가로 수행하는 콘크리트 구조물의 보수 방법.
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