마그네시아 燐酸鹽 시멘트를 利用한 超速硬 모르타르 補修材의 特性

국문 초록 (Abstract)

콘크리트 구조물은 건설 후 각종 자연 또는 인위적인 작용을 받아 시간 경과와 함께 물리적 화학적으로 변질, 변형되고 성능이 저하되어 손상이 발생된다.
특히, 사용조건 및 환경조건이 가혹한 경우에는 조기에 성능이 저하되고 손상이 진행되어 구조물로서의 안전성 및 기능성이 저하된다. 이와 같이 저하된 구조물의 성능을 회복하고 그 수명을 연장시키기 위하여 보수는 필수적이라 할 수 있다.
최근 들어 노후화된 건축물이 증가함에 따라 안정성 확보 및 성능회복이라는 필요성이 발생하고 이에 보수를 실시하여 안전성 및 기능성을 회복시키려는 사례가 증가하고 있다. 그러나 성능 회복을 위하여 실시하는 보수 공사 시 건축물로부터 박리, 낙하의 위험성이 수반 될 경우 사람들의 안전에 위험을 미칠 수 있는 잠재적 가능성을 유발시킨다. 이는 안전을 위하여 시행된 행위에 의하여 다른 안전이 위협을 받는 일이 발생하는 것이라 할 수 있다.
보수의 경우 보수 범위는 부분적인 곳도 있고 광범위에 걸쳐 전면보수를 요구하는 곳도 있으나, 모든 경우에서 보수공사 기간에는 업무를 일시적으로 중지하여야 하며, 이는 그 건축물의 기능을 마비시키는 결과를 초래하게 된다.
이에 보수 공사의 경우 단시간에 완료해야 할 필요성이 증가하게 된다. 따라서 보수 공사기간이 단축될수록 경제적이며 안전성도 증가한다. 현재 보수공사용 재료는 다양하게 개발되어 있지만 건축분야에서 일반화 되어 있는 것은 없고, 현재 모색 중이라고 할 수 있다. 이것은 구조재료와 일체화 하고 동시에 같은 정도의 수명을 갖게 하는 것이 매우 곤란하기 때문에 일시적으로는 폴리머 계의 것이 사용되는 경우가 많은데, 최근에는 무기계 수경성 시멘트 또는 무기계 재료의 이용이 추진되고 있다.
현재 제품화 된 초속경 시멘트의 경우 알루미나 시멘트는 내구성에 문제가 있고, 마그네시아 시멘트 및 인산 시멘트는 내수성이 저하되는 단점을 가지고 있다. 한편 실용화 되고 있는 제트시멘트도 온도의 영향을 받기 쉽고, 시공성면에서 문제가 있다. 이와 비교하여 마그네시아 인산염을 조합한 마그네시아 인산염 시멘트는 모재의 콘크리트와 접착성이 뛰어나며, 저온에서도 강도발현이 크다.
또한, 유동성이 뛰어나 시공성이 양호하며 치수 유지성이 우수한 장점을 가지고 있어 건축용 보수재료로서 개발이 기대되는 재료이다.또한, 초속경 시멘트 콘크리트는 양호한 작업성(workability)을 유지하면서 비빔 후 단시간에 소요강도를 얻기 위해서는 응결지연제의 정확한 첨가가 요구되나 첨가량의 부족 또는 과다에 기인한 작업시간부족이나 경화불량이 자주 발생된다. 이에 따라 응결지연제나 기타 혼화제 첨가량의 적정량에 대해서는 보다 심도 있는 연구가 필요한 실정이다.
본 연구는 마그네시아 인산염의 뛰어난 유동성 및 강도발현성, 콘크리트와의 접착성, 치수 유지성 등을 유효하게 이용하여 보다 광범위한 건축 재료로서 이용되어 응용범위가 넓은 재료로 사용되도록 건축 재료로서 필요로 하는 제반 성능을 평가하기 위하여 배합에 따른 기초물성을 평가하였으며, 도출된 배합의 미세구조 분석 및 양생 환경에 따른 강도 특성을 평가하고 최종적으로 모의 부재 시험체를 제작하여 현장 적용성에 대한 검토를 실시하였다.마그네시아 인산염 시멘트를 사용한 초소경 모르타르 보수재료에 관한 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 마그네시아 인산염 시멘트를 사용한 모르타르의 경우 MAP/MgO 비 70%에서의 강도발현성이 가장 우수한 것으로 나타났으며 MAP/MgO 비가 증가할수록 압축강도는 감소하는 경향을 나타내고 있다. MAP/MgO 비 80% 이하의 시험체에서 재령 3시간의 압축강도가 15MPa를 상회하는 것으로 나타났으며 이 후 재령 경과에 따른 강도 증진성은 저하하였다.
(2) MAP가 증가에 따른 강도의 저하는 다량의 MAP 첨가 시 MAP의 잔존으로 인한 산성 주위부를 조성하여 마그네시아 염이 산성 환경 하에서 역수용성이 됨에 따라 미 반응된 마그네시아를 잔존시킴으로서 반응속도가 저하하여 강도발현이 저하하는 것으로 판단된다.
(3) 마그네시아 시멘트의 흡수율은 일반 콘크리트의 흡수율보다 미세하게 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 초기수화반응이 급격하게 진행될 경우 다수의 공극을 포함한 불안정적인 물리구조를 생성하게 되어 다공성이 되고 이에 따라 내부에 많은 공극이 채워지지 않은 상태로 존재하게 되어 흡수율이 다소 증가되는 것을 확인하였다.
(4) 마그네시아 인산염 시멘트를 사용한 보수용 초속경 모르타르로서 목표압축강도 및 플로우 그리고 작업시간을 만족하는 배합은 물결합재비 45% MAP/MgO비 70% 및 지연제 종류 C.A 3%에 플라이애시 4% 치환하는 것이 가장 적합한 것으로 나타났다.
(5) X선 회절 시험 결과 MgO 및 MAP의 산·염기 반응에 의한 생성물은 인산마그네슘 암모늄 6염화수소(Struvite)로 분석되었으며 SEM 관찰결과 사각판상형태를 가진 사방정계의 결정이 성장하는 것이 확인하었다.
(6) 양생에 따른 압축강도 실험 결과 가장 높은 강도발현은 고온양생이고, 가장 낮은 강도 발현은 표준 수중양생이라는 것을 알 수 있었다. 표준 수중양생의 강도 발현이 낮은 것은 마그네시아 인산염 시멘트가 보통시멘트와 비교하여 큰 모세관공극을 가지고 있어 물의 침입이 용이하며 이에 따라 결정의 성장이 지연된 것을 확인하였다.
(7) 칩핑 처리를 한 시험체가 표면 처리를 한 시험체 보다 약 40% 우수한 강도발현을 하였으며, 건식처리가 습식처리보다 약 20～50% 우수한 강도발현을 하는 것으로 나타났다. 바닥면 처리와 건습의 상황에 따른 부착강도의 크기는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 경우와 거의 유사한 경향을 나타내고 있다.
(8) 칩핑 건식 시험체의 경우 온도에 관계없이 재령 28일의 접착강도는 3.0MPa이상의 높은 강도를 발현하는 것으로 나타났다. 이는 현재 보수용 모르타르로 사용되고 있는 폴리머 모르타르의 요구 접착강도인 2.0MPa의 1.5배 이상의 매우 높은 접착성능으로써 우수한 접착성능이 요구되는 보수재료로서의 활용을 기대할 수 있다.
(9) 마그네시아 인산염 시멘트를 사용한 보수 모르타르의 재령 28일의 건조 수축량은 0.17×10^(-4)로 거의 수축이 발생되지 않는 것으로 나타났다. 마그네시아 인산염 시멘트의 건조 수축량이 기존에 사용되는 무기질 재료의 수축량과 비교 시 수축량이 매우 저감 된 것은 겔화 부분에 포함되는 수분이 수화 반응에 의하여 소비됨으로써 자유수를 감소시키며 이에 따라 건조에 의한 수축을 저감시킨 것으로 판단된다.
본 연구를 통하여 현재 국내에서는 생소한 마그네시아 인산염 시멘트를 사용한 초속경 모르타르에 대한 기초적 자료를 제공함으로써 앞으로 마그네시아 인산염 시멘트를 사용하는데 이바지 할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A building made of concrete physically and chemically deteriorate, transform and decrease in function as time progress owing to all kinds of unnatural or natural effects thereby develop damage.
In particular, the building's function decline and progress in the early stage if environment and condition of usage are severe which would inevitability decline its performance and stability as a structure.
Amid increase of the old buildings in the recent days, recovering functions of the bundlings and the stability by performing repair job as being increased. However, there is potential risk of danger of falling objects and exploitation from the building while repairing to reinstate its function which would be danger for people. This safety action could provoke threat to other safety matter.
In terms of repair, there is range of repair that requires wide area of repair or partial repair however, in all cases, the entire business of the building must be halted for momentary during the repairing period which would invite paralyzing the function of the building.
Hence, the necessity to complete repair construction in a short period of time is crucial. The shorter the repair construction period, the stability will increase including economical aspect. Currently, there are various kinds of materials developed for repair however, there is no generalized material in the architecture field which seem to be still under evaluation. In many cases, Polymer is used due to a difficulty of having integration with structuring materials and the same length of lifespan but recently, inorganic hydraulic cement or inorganic materials are being used.
In terms of the commercialized ultra high early strength cement, alumina cement has a problem with durability while Magnesia cement and ammonium magnesium phosphate cement have shortcomings in water-resisting qualities. Even the jet cement, which is becoming to practical use, is vulnerable with temperature and could cause a problem in terms of construction. In comparison, the Magnesia-Phosphate mixed cement has excellent bonding performance with concrete of parent material and has high strength development in the low temperature as well. It also has a great liquidity and execution material to be developed and anticipated as a repairing material for architecture.
In order for the ultra high early strength cement concrete to maintain fair workability and acquire the required strength in given time frame, accurate annexing of retarder is required however, problems frequently occur such as strength defect or insufficient working hours owing to excessive or insufficient amount of annexing. Hence, in depth of study is necessary for reasonable annexing amount of admixture or other retarder.
The study attempted to effectively utilized bonding, dimension retainability of concrete and excellent liquidity, strength development of Magnesia-Phosphate in order to apply them as building materials in a wide range of area. In addition, the study has evaluated the basic property in accordance with mix proportion and evaluated overall performance of material to be used a building material and to use the material in wide range of application. The study then reviewed the applicability of the material for site, evaluates character of strength in accordance with aging environment and analyzed fine-structure constant of mix proportion and finally produced a testing sample.
The following is a result of the analysis on the ultra high early strength mortar material using the Magnesia-Phosphate cement.
(1) In case of the mortar that used the Magnesia-Phosphate cement, the strength development was at its best performance in 70% MAP/MgO proportion however, as the MAP/MgO proportion increases, the compressive strength demonstrated declined tendency. Under 80% MAP/MgO proportion testing sample, the compressive strength exceeded 15MPa in 3 hours of aging then the strength enhancement became dull in accordance with aging progressed.
(2) For declining tendency of strength in accordance with MAP increase, the test estimated the factor is due to decline of strength development cause of decline of responsive speed by remaining of the non-responsive Magnesia as the Magnesia-Phosphate becomes inverse condemnation in the acid surrounding due to theremaining of MAP when the vast amount of MAP was added.
(3) The test showed water absorption of the Magnesia cement is slightly higher than other general concrete. The test showed that when the early hydration response progresses rapidly, it would create unstable physical structure including a number of air gaps which would result to porosity and this would let cement to maintain with lots of air gap inside.
(4) The best mix proportion that satisfied working hours, flow and targeted compressive strength as the ultra high early strength mortar for repairing using the Magnesia-Phosphate cement is water binding proportion 45%, 70% MAP/MgO, C.A 3% retarder types and replace with 4% of fly ash.
(5) As a result of X line diffraction test, the created substance in accordance with acid & base response of MgO and MAP were ammonium magnesium phosphate 6 Hydrochloric Acid (Struvite) and as of an SEM observation result, the test confirmed crystal growth of orthorhombic system that has a quadrangle plate pattern.
(6) As a result of the compressive strength test in accordance with aging, the highest strength development was high temperature aging while the lowest strength development is standard aging-in-water. The cause of low strength development in the standard aging-in-water was confirmed that it was due to the fact that the Magnesia-Phosphate cement has large size capillary pore compare to regular cement which allows inflow of water thus the growth of crystal was delayed.
(7) The testing sample with chipping treated showed excellent strength development than the surface treated testing sample and the one with dry process showed excellent strength development compare to the wet process one. The size of bond strength in accordance with situation of humidity degree and bottom process showed close similarly in case the regular Portland cement was used.
(8) In case of the testing sample for chipping degree of humidity, the bond strength of 28 days aging showed high strength development of more than 3.0MPa regardless of temperature. This is very high bonding performance that is 1.5 times of 2.0Mpa which is the bonding strength required from polymer mortar that is currently being used as repairing mortar and can be utilized as repairing material.
(9) The dry-shrinkage of 29 days ageing of mortar that used the Magnesia-Phosphate cement showed almost no shrinkage at 0.17×10-4. The cause of severe dry-shrinkage depreciation of Magnesia-Phosphate cement in comparing the shrinkage with existing inorganic materials is due to consumption of hydration reaction of moisture that is contained in Gelation which reduced free water and thereby depreciates shrinkage in accordance with dry.
This study will be able to contribute in using the Magnesia-Phosphate cement rather unfamiliar material in Korea by providing fundamental data on the ultra high early strength cement mortar.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 = 1
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구의 방법 및 범위 = 4
• 1.3 기존 연구동향 = 7
• 1.3.1 국외 연구동향 = 7
• 1.3.2 국내 연구동향 = 10
• Ⅱ. 이론적 고찰 = 13
• 2.1 초속경 시멘트 = 13
• 2.1.1 개요 = 13
• 2.1.2 초속경 시멘트의 수화반응 = 17
• 2.1.3 초속경 시멘트의 응결 및 경화 = 19
• 2.1.4 초속경 시멘트의 적용가능 분야 = 19
• 2.2 초속경 시멘트를 사용한 조기강도 콘크리트 = 21
• 2.2.1 개요 = 21
• 2.2.2. 조기강도 콘크리트의 종류 및 특성 = 22
• 2.3 마그네시아 인산염 시멘트 = 25
• 2.3.1 마그네시아 시멘트와 제 1인산암모늄의 특성 = 25
• 2.3.2 마그네시아 인산염 시멘트의 수화 메카니즘 = 26
• Ⅲ. 초속경 모르타르의 기초적 특성분석 = 33
• 3.1 실험개요 = 33
• 3.2 실험계획 = 34
• 3.2.1 시험체 제작 = 38
• 3.2.2 사용재료 = 39
• 3.3 실험방법 = 43
• 3.4 실험결과 = 50
• 3.4.1 굳지 않은 마그네시아 인산염 모르타르 특성 = 50
• 3.4.2 경화 마그네시아 인산염 모르타르 특성 = 59
• 3.4.3 마그네시아 인산염 모르타르의 압축강도와 휨강도의 관계 = 71
• 3.4.4 마그네시아 인산염 모르타르의 내구적 특성 = 75
• 3.4.5 마그네시아 인산염 모르타르의 배합에 따른 특성 평가 = 86
• 3.4.6 마그네시아 인산염 모르타르의 경제성 = 89
• 3.4.7 작업시간 증가를 위한 지연제 첨가량 실험 = 91
• 3.4.8 유동성 증가를 위한 혼화재 치환율 실험 = 98
• 3.4.9 마그네시아 인산염 시멘트 제조를 위한 배합 평가 = 108
• 3.5 소결 = 109
• Ⅳ. 초속경 모르타르의 수화 특성분석 = 112
• 4.1 실험개요 = 112
• 4.2 실험계획 = 114
• 4.2.1 사용재료 = 115
• 4.2.2 배합 = 116
• 4.2.3 혼합방법 = 117
• 4.2.4 시험체 제작 = 117
• 4.3 실험방법 = 118
• 4.3.1 XRD 분석 및 SEM 촬영 = 118
• 4.3.2 압축강도 실험 = 119
• 4.3.3 휨강도 실험 = 119
• 4.4 실험결과 = 120
• 4.4.1 XRD 결과 및 분석 = 120
• 4.4.2 SEM 결과 및 분석 = 122
• 4.4.3 양생환경에 따른 강도특성 126 4.5 소결 = 133
• Ⅴ. 현장 적용성 평가 = 135
• 5.1 실험개요 = 135
• 5.2 실험계획 및 방법 = 136
• 5.2.1 사용재료 = 138
• 5.2.2 배합 = 139
• 5.2.3 모의시험체 제작 = 140
• 5.2.4 부재 보수 모르타르의 접착강도 실험 = 141
• 5.2.5 코어 공시체의 압축강도 실험 = 141
• 5.2.6 길이변화 실험 = 141
• 5.2.7 동결융해 실험 = 141
• 5.3 실험결과 = 143
• 5.3.1 보수방법에 따른 접착강도 = 143
• 5.3.2 보수방법에 따른 코어강도 = 145
• 5.3.3 초속경 보수 모르타르의 건조수축 = 148
• 5.3.4 피복두께에 따른 동결융해 저항성 = 149
• 5.4 소결 = 153
• Ⅵ. 결론 = 155
• [參考文獻] = 158
• [ABSTRACT] = 162
• [부록] = 168