KR102076167B1 - 경량 하이브리드 모르타르를 이용한 보수 및 보강 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물 표면의 전처리 단계(S10); 상기 콘크리트 구조물 표면에 프라이머를 도포하는 단계(S20); 시멘트, 페라이트계 경량골재, 탄산칼슘 분말, 아크릴수지, 비닐수지, 팽창제, 탄산수소칼륨, 무수석고, 보강섬유, 분산제, 기포연행제, 규사를 포함하는 경량 하이브리드 모르타르를 콘크리트 구조물에 타설하는 단계(S30); 타설된 경량 하이브리드 모르타르의 표면에 표면처리제를 도포하는 단계(S40);를 포함하는 경량 하이브리드 모르타르를 이용한 보수 및 보강 공법에 관한 것이다.

Description

경량 하이브리드 모르타르를 이용한 보수 및 보강 공법{Repair and Reinforcement Method using Lightweight Hybrid Mortar}

본 발명은 경량화를 통해 시공효율을 높이면서도 초기, 장기 부착성능을 향상시키고 강도저하를 방지하며 각종 균열에 대한 저항성을 향상시켜 콘크리트 구조물의 장기 내구성능을 향상시킬 수 있는 보수 및 보강 공법에 관한 것이다.

시멘트를 사용한 콘크리트는 건설 재료로 가장 널리 사용되고 있으며, 앞으로도 관련 기술의 발전을 통하여 중추적인 건설 재료로 사용될 것이다. 그러나 콘크리트는 압축강도에 비해 인장강도가 낮은 재료이기 때문에 콘크리트 구조물의 균열발생이 불가피하여 잠재적 위험성을 항상 가지고 있다. 따라서, 콘크리트 부식에 의한 유지관리 및 보수에 많은 사회적 비용이 소요됨으로써 구조물의 유지관리 및 보수분야 사업의 비중이 점차 높아지고 있는 현실이다.

이러한 콘크리트 구조물의 보수/보강을 위한 모르타르 조성물로 다양한 기술이 제시되고 있는 바, 일 예로 대한민국 특허등록 제0975371호에서는 초속경시멘트 16~19 중량%, 직선형 강섬유 4~5 중량%, 잔골재 33~39 중량%, 굵은 골재 34~35 중량%, 물 6~7.9중량%, 고성능감수제 및 지연제 0.5~0.6 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 초속경 강섬유보강콘크리트 조성물 및 이를 이용한 포장보수방법에 대해서 제시한다.

그러나 상기 기술의 경우 콘크리트 구조물과의 역학적 거동을 고려하고 보수 모르타르의 작업성 및 부착성능과 자중에 의한 굳기 전 부착성능 등을 함께 고려한 체계적인 배합 방식이 적용되어 있지 않기 때문에, 외부로부터 가해지는 미세진동, 다층 시공 등의 각종 부착 저해 요소에 의하여 보수 모르타르가 조기에 탈락되거나 균열이 발생될 가능성이 있다는 문제점이 있다.

대한민국 특허등록 제0975371호

따라서 본 발명에서는 상기의 문제점을 해결하고자 중성화, 염해 및 황산염의 침식 등과 같은 각종 열화 현상에 의해 손상된 콘크리트의 보수 후의 단면복구 및 중성화 회복, 표층 강화가 가능하고, 초기 및 장기 강도의 발현이 가능할 뿐 아니라 천정 부분에 50mm 이상의 두께를 한번에 시공이 가능하고 특히 주변 환경에 의한 진동이 존재하는 경우에도 부착이 가능하여 차량의 통행을 방해하지 않고 교량 슬래브 하부 등의 콘크리트 구조물을 보수 및 보강할 수 있는 공법을 제공하고자 함이다.

본 발명의 경량 하이브리드 모르타르를 이용한 보수 및 보강 공법(이하 "본 발명의 공법"이라함)은, 콘크리트 구조물 표면의 전처리 단계; 상기 콘크리트 구조물 표면에 프라이머를 도포하는 단계; 시멘트, 페라이트계 경량골재, 탄산칼슘 분말, 아크릴수지, 비닐수지, 팽창제, 탄산수소칼륨, 무수석고, 보강섬유, 분산제, 기포연행제, 규사를 포함하는 경량 하이브리드 모르타르를 콘크리트 구조물에 타설하는 단계; 타설된 경량 하이브리드 모르타르의 표면에 표면처리제를 도포하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 페라이트계 경량골재는 유기실란화합물을 포함하는 증기에 노출시킨 개질 페라이트계 경량골재가 사용되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 경량 하이브리드 모르타르에는 황화칼슘이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 표면처리제에는 황장석 분말이 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 모르타르의 경량화를 통해 구조물 주변에 상존하는 진동에도 콘크리트 표면에 부착이 가능하여 시공성을 향상시킬 수 있으며, 차량통행을 전면 통제하여야 하는 교량 슬래브 및 콘크리트 구조물의 보수시 부분적 통제 또는 통제 없이 시공이 가능한 장점이 있다.

또한 시공시 사용하는 재료 자체에 재료 분리 저항성을 향상시키고, 각종 균열에 대한 저항성을 향상시키며, 경량화에도 강도저하를 방지할 수 있어 구조적 건전성을 배가시킨 보수 및 보강이 이루어지는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 공법을 나타내는 블록도이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 공법은 도 1에서 보는 바와 같이 콘크리트 구조물 표면의 전처리 단계(S10); 상기 콘크리트 구조물 표면에 프라이머를 도포하는 단계(S20); 시멘트, 페라이트계 경량골재, 탄산칼슘 분말, 아크릴수지, 비닐수지, 팽창제, 탄산수소칼륨, 무수석고, 보강섬유, 분산제, 기포연행제, 규사를 포함하는 경량 하이브리드 모르타르를 콘크리트 구조물에 타설하는 단계(S30); 타설된 경량 하이브리드 모르타르의 표면에 표면처리제를 도포하는 단계(S40);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

우선 본 발명의 공법은 콘크리트 구조물 표면의 전처리 단계(S10)를 갖는다. 중성화, 염해 및 황산염의 침식 등과 같은 각종 열화 현상에 의해 손상된 콘크리트 구조물의 표면은 보강 및 보수를 위해 전처리 단계(S10)를 거친다.

전처리 단계(S10)는 예를 들어, 열화된 콘크리트를 수공구 또는 전동공구 등을 사용하여 완전히 제거하는 취핑 작업, 표면 이물질을 제거하는 고압수 세정작업, 침투성 알칼리 회복제의 도포 작업 등이 될 수 있는 바, 이러한 작업들에는 다양한 공지기술이 존재하므로 그 상세 설명은 생략한다.

그 다음으로 상기 콘크리트 구조물 표면에 프라이머를 도포하는 단계(S20)를 갖는다. 보수 및 보강이 필요한 부위에 전처리 단계(S10)가 완료된 후 프라이머가 도포되도록 하는 것이다.

상기 프라이머는 이하에서 설명할 경량 하이브리드 모르타르의 접착 증진을 위해 수용성 콘크리트 프라이머 등이 사용될 수 있고, 바람직하게는 방청성이 부여된 신ㅇ구 콘크리트 프라이머가 사용될 수 있다.

이렇게 방청성이 부여된 신/구 콘크리트 프라이머는 분말 조성물과 액상 수지를 적정한 배합비로 혼합하여 제조될 수 있다. 분말조성물은 다양한 공지기술이 적용될 수 있으며, 일 예로 시멘트, 실리카, 실리가 퓸, CSA계 속경제, 에틸렌-아세테이트계 중합체 분말수지 및 분말 소포제를 포함하는 분말조성물이 적용될 수 있다.

또한 액상수지도 다양한 공지기술이 적용될 수 있으며, 일 예로 부틸아크릴레이트-아크릴로니트릴의 중합체, 액상 소포제, 아질산염계 방청제 및 물을 포함한액상수지가 적용될 수 있다.

그 다음으로 시멘트, 페라이트계 경량골재, 탄산칼슘 분말, 아크릴수지, 비닐수지, 팽창제, 탄산수소칼륨, 무수석고, 보강섬유, 분산제, 기포연행제, 규사를 포함하는 경량 하이브리드 모르타르를 콘크리트 구조물에 타설하는 단계(S30)를 갖는다.

본 단계(S30)에서 적용되는 경량 하이브리드 모르타르(이하 "본 발명의 모르타르"라함)는 시멘트, 페라이트계 경량골재, 탄산칼슘 분말, 아크릴수지, 비닐수지, 팽창제, 탄산수소칼륨, 무수석고, 보강섬유, 분산제, 기포연행제, 규사를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 본 발명의 모르타르는 상온, 대기압의 조건에서 시멘트 100중량부에 대해 페라이트계 경량골재 10 내지 50중량부, 탄산칼슘 분말 10 내지 50중량부, 아크릴수지 0.5 내지 2중량부, 비닐수지 1 내지 4중량부, 팽창제 1 내지 10중량부, 탄산수소칼륨 0.1 내지 2중량부, 무수석고 1 내지 10중량부, 보강섬유 0.1 내지 1중량부, 분산제 0.1 내지 1중량부, 기포연행제 0.05내지 0.1중량부, 규사 80 내지 150중량부를 포함하도록 배합되는 것이 타당하다.

상기 페라이트계 경량골재는 밀도가 0.03~0.25kg/ℓ인 매우 가벼운 골재로서 모르타르나 콘크리트의 단위 중량을 낮출 수 있으며, 화학적으로 중성인 불연성 무기질 재료이므로 인체에 해가 없다.

그런데 상기 페라이트계 경량골재는 표면에 개방 공극을 보유하고 있고, 내부 공극사이의 간막이 벽은 형성된 틈이나 균열로 인하여 내부공극과 외부에 개방된 공극이 연결되어 있어서 강도가 낮고 수분과의 접촉시 수분이 쉽게 내부까지 침투되기 때문에 흡수성이 매우 높다.

즉 페라이트계 경량골재의 첨가에 의해 강도가 저하되는 문제가 있으며, 배합시 물을 너무 많이 흡수하여 배합비 조절이 어려운 것은 물론 건조수축 등 균열을 유발할 수 있는 문제가 있다.

이에 본 발명에서는 상기 페라이트계 경량골재는 유기실란화합물을 포함하는 증기에 노출시킨 개질 페라이트계 경량골재가 사용되도록 하여 상기와 같은 문제를 해결토록 하는 예를 제시한다.

페라이트계 경량골재 원재료를 유기실란화합물을 포함하는 증기에 노출시켜 내부공극에 유기실란화합물이 충진되도록 하는 것이다.

상기 유기실란화합물은 소수성으로 표면처리 된 나노 콜로이드 졸과 가수분해 및 축중합 반응을 하여 고온에서의 안정성과 내구성을 향상시키도록 하는 것인데 이러한 유기실란화합물이 페라이트계 경량골재의 내부공극에 충진되도록 하여 강도를 보강토록 하는 것이며 유기실란화합물의 소수성으로 인해 수분의 흡수율을 저하시키도록 하는 것이다.

즉 페라이트계 경량골재의 내부공극에 유기실란화합물에 의한 코팅층이 도포되도록 하여 내부 공극 사이의 간막이 벽에 형성된 틈이나 균열을 메우게 되어 강도가 보강되는 것이며, 이러한 내부 공극을 소수화시켜 물의 흡수를 제어토록 하는 것이다.

상기 유기실란화합물은 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 비닐메틸디메톡시실란, 비닐메틸디에톡시실란, 비닐메틸디에톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 테트라에톡시실란, 에톡시메틸비닐실란, 부톡시트리메틸실란, 부틸트리메톡시실란, 디페닐에톡시비닐실란, 메틸트리이소프로폭시실란, 부톡시트리메틸실란, 부틸트리메톡시실란, 디페닐에톡시비닐실란, 메틸트리이소프로폭시실란, 메틸트리아세톡시실란, 테트라페톡시실란, 테트라프로폭시실란, 비닐트리이소프로폭시실란 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.

여기서 반응성 유기실란화합물을 포함하는 증기에 페라이트계 경량골재의 노출은 전형적으로 감압 하에 실행되며, 승온에서(예를 들어, 20℃ 내지 40℃ 범위에서) 실행될 수 있다. 반응성 유기실란화합물의 증기압이 어느 정도 고압(400pa 정도)으로 페라이트계 경량골재에 노출되도록 하여야 유기실란화합물이 내부기공으로 충진이 되는 것이다.

이와 같이 개질된 페라이트계 경량골재의 사용으로 하기 표 1에서 보는 바와 같이 개질되지 않은 페라이트계 경량골재가 혼입되는 시료에 비해 압축강도면에서 유리한 효과가 발현되는 것을 알 수 있으며, 개질된 페라이트계 경량골재의 경우 흡수율을 저하시켜 작업성에 있어서도 유리한 효과가 발현되는 것을 알 수 있다. 실시예 1 및 실시예 2는 상기에서 언급한 본 발명의 모르타르의 조성과 동일하게 배합하되, 실시예 1은 개질되지 않은 페라이트 경량골재가 첨가된 경우이며 실시예 2는 개질된 페라이트 경량골재가 첨가된 경우이다.

구분	유동성(㎜)		압축강도(MPa)
	직후	30분	3일	7일	28일
실시예1	180	160	18.5	29.1	45.4
실시예2	190	175	20.6	30.9	47.1

상기 팽창제는 모르타르의 수축을 물리적으로 보상하기 위한 구성으로서 페이스트의 수축에 의한 균열에 대한 저항성을 향상시키도록 하는 것이다. 바람직하게 상기 팽창제는 CSA계 팽창제 및 CaO계 팽창제를 혼용하여 사용하는 것이 타당한데, CSA계 팽창제는 재령 7일까지 수축을 억제할 수 있는 역할을 하고, CaO계 팽창제는 재령 21일까지의 수축을 억제할 수 있는 역할을 한다.

상기 아크릴 및 비닐수지는 고분자 입자의 볼베어링 효과에 의해 모르타르의 유동성을 향상시키는 역할을 하며, 모르타르의 점성을 높게 하여 분리를 방지하고, 자체의 부착력으로 기존 콘크리트와의 부착성능을 향상시키면서 휨강도 및 모르타르의 표면 경도가 증가될 수 있도록 할 뿐만 아니라, 피막 형성에 의한 각종 화학물질 및 수분의 침투를 저하시키므로 중성화 방지 효과가 있고 보수 후 철근의 부식을 미연에 방지할 수 있도록 한다.

상기 보강섬유는 그 종류를 한정하지 않으며, 일 예로 나일론섬유는 표준 길이가 6㎜이고 인장 강도가 800MPa 이상을 갖는 직경 20micron의 단섬유로서, 본 발명의 모르타르의 제조시에 혼합하여 가교작용에 의한 균열저항성을 향상시키도록 하는 것이다.

한편 본 발명에서 상기와 같이 팽창제, 보강섬유에 의해 수축에 의한 균열 등을 제어토록 하고 있으나 이러한 균열을 제어하기 위해 팽창제를 과다 첨가하는 경우 시멘트 페이스트의 물리적결합의 약화로 강도가 저하될 수 있다.

또한 가교작용을 통해 균열을 제어하기 위해 보강섬유를 과다 첨가하는 경우 섬유간 뭉침, 비균일 분산 등의 문제로 부분적 강도저하 등의 문제가 있다. 이에 본 발명에서는 팽창제, 보강섬유를 상기 배합범위로 첨가하면서 이에 더하여 탄산수소칼륨이 배합되도록 하고 있다.

상기 탄산수소칼륨은 수화열 발생시 수화열 일부를 흡수함으로써 전체 수화열을 저하시키도록 하는 것으로 이러한 작용에 의해 수화열에 의한 균열을 제어할 수 있도록 하는 것이다.

한편 수화열을 저감시키기 위해 탄산수소칼륨을 다량 함유하는 경우 탄산수소칼륨 자체가 경도가 취약하여 전체 강도를 저하시킬 수 있어 본 발명에서는 탄산수소칼륨에 더하여 황화칼슘이 더 배합되도록 하는 예를 제시한다.

황화칼슘은 액상중에서 S₂O₃ ^-2 이온으로 용출되어, 시멘트 구성광물 중에서 유동성에 가장 큰 영향을 미치는 C₃A 성분과 반응하여 에트린자이트 생성 등으로 수화반응 지연으로 인한 수축저감 효과가 발현되도록 하여 균열저항성을 더욱 배가시키도록 하는 것이다.

즉 반응지연을 목적으로 첨가되는 황화칼슘의 첨가에 의해서 모르타르의 수축을 상당히 억제할 수 있다. 이것은 시멘트 클링커 광물 중 수화 반응성이 가장 큰 C₃A가 황화칼슘과 반응하여 에트링자이트(ettringite) 침상결정을 생성시켜 그 침상결정의 성장압에 의하여, 시멘트 입자 사이 또는 수화물 사이를 밀어내면서 틈을 조밀하게 하기 때문이다.

즉, 다수의 미세한 에트링자이트 침상결정이 발달됨에 따라 팽창압을 얻음으로 수축에 의한 영향을 줄일 수 있으며, 이에 더하여 밀실한 구조에 의해 동결융해 등에 대한 저항성 등 내구성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다. 바람직하게 황화칼슘은 시멘트 100중량부에 대해 0.1 내지 2중량부가 배합됨이 타당하다.

하기 표 2는 KSL 5107에 준하여 24시간 습윤양생(23℃, RH95%)하고 탈형 후 수중양생 실시한 시료에 대해 길이변화율을 측정할 결과를 나타내는 것으로, 실시예 3은 상기 실시예 2와 동일하게 배합되되, 실시예 3은 시멘트 100중량부에 대해 황화칼슘 1중량부가 더 배합된 시료이다.

하기 표 2에서 보는 바와 같이 실시예 3의 경우가 실시예 2보다 더욱 유리한 효과가 발현되는 것을 알 수 있는데, 이는 실시예 3은 상기에서 언급한 바와 같이 황화칼슘의 첨가로 다수의 미세한 에트링자이트 침상결정이 발달됨에 따라 팽창압을 얻음으로 인해 수축을 제어할 수 있음에 기인한 것으로 판단된다.

구분	길이변화율(%)
	1일	3일	7일	14일	28일
실시예 2	0.010	0.019	0.031	0.038	0.041
실시예 3	0.007	0.013	0.021	0.025	0.022

본 단계(S30)에 있어 본 발명의 모르타르의 타설은 수차례 반복하여 이루어질 수 있다. 예를 들어 타설 또는 미장은 3차에 걸쳐 이루어질 수 있다. 3차에 걸친 타설 또는 미장은 수분 증발에 따른 크랙의 발생을 막기 위함이다. 1차 타설 또는 미장 시에는 5~15㎜, 2차 타설 또는 미장 시에는 20~50㎜, 그리고 3차 타설 또는 미장 시에는 5~15㎜로 타설 또는 미장되는 것이 바람직하다.

그 다음으로 타설된 경량 하이브리드 모르타르의 표면에 표면처리제를 도포하는 단계(S40)를 갖는다. 상기 표면처리제는 붓, 로울러, 스프레이 등에 의해 도포될 수 있다.

본 단계(S40)에 있어 상기 표면처리제는 다양한 공지의 재질이 존재하므로 그 상세 설명은 생략하나, 본 발명에서는 상기 표면처리제에 황장석 분말이 포함되는 예를 제시한다.

표면처리제의 일 조성으로서 황장석(MELLITE) 분말이 첨가되도록 하는 이유는 상기 황장석 분말이 수화반응은 하지 않지만 이산화탄소와 탄산화반응에 의해 경화체 기공량의 감소 및 조직의 치밀화를 유도하여 CO₂가 경화체 내부로 침투되는 것을 제어토록 한다. 즉 중성화에 대한 저항성을 더욱 배가시키도록 하는 것이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

Claims (4)

1. 콘크리트 구조물 표면의 전처리 단계(S10);
   상기 콘크리트 구조물 표면에 프라이머를 도포하는 단계(S20);
   시멘트, 페라이트계 경량골재, 탄산칼슘 분말, 아크릴수지, 비닐수지, 팽창제, 탄산수소칼륨, 무수석고, 보강섬유, 분산제, 기포연행제, 규사를 포함하는 경량 하이브리드 모르타르를 콘크리트 구조물에 타설하는 단계(S30); 및
   타설된 경량 하이브리드 모르타르의 표면에 표면처리제를 도포하는 단계(S40);를 포함하되,
   상기 페라이트계 경량골재는,
   원재료를 유기실란화합물이 포함되는 증기에 노출시켜 내부 공극에 유기실란화합물이 충진된 개질된 페라이트계 경량골재가 사용되어, 내부 공극 사이의 간막이 벽에 형성된 틈 또는 균열을 메워 강도가 보강되며 내부공극의 소수화를 통해 수분의 흡수율을 저하시키도록 하는 것을 특징으로 하는 경량 하이브리드 모르타르를 이용한 보수 및 보강 공법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 경량 하이브리드 모르타르에는 황화칼슘이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 경량 하이브리드 모르타르를 이용한 보수 및 보강 공법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 표면처리제에는 황장석 분말이 포함되는 것을 특징으로 하는 경량 하이브리드 모르타르를 이용한 보수 및 보강 공법.

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