산업의 지속적인 발전과 기술의 향상, 그리고 해외 모르타르 분사기계의 도입 및 개량을 통해 우리나라의 기계식 분사 및 미장 기술은 최근 몇 년 동안 크게 발전했습니다. 기계식 분사 모르타르는 일반 모르타르와 달리 높은 보수성, 적절한 유동성 및 일정 수준의 처짐 방지 성능이 요구됩니다. 일반적으로 모르타르에는 하이드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC)가 첨가되는데, 그중 셀룰로오스 에테르(HPMC)가 가장 널리 사용됩니다. 모르타르에서 HPMC의 주요 기능은 점도 증가, 유동성 조절, 그리고 우수한 보수성입니다. 그러나 HPMC의 단점도 간과할 수 없습니다. HPMC는 공기 연행 효과가 있어 모르타르 내부에 결함을 더 많이 발생시키고 모르타르의 기계적 강도를 심각하게 저하시킵니다. 산둥 천방정밀화학 유한회사는 거시적 관점에서 HPMC가 모르타르의 수분 보유율, 밀도, 공기 함량 및 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하고, 미시적 관점에서 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HPMC)가 모르타르의 L 구조에 미치는 영향을 연구하였다.
1. 테스트
1.1 원자재
시멘트: 시판되는 P.0 42.5 시멘트, 28일 굽힘강도 및 압축강도는 각각 6.9MPa 및 48.2MPa임; 모래: 청더산 미세강모래, 40-100메쉬; 셀룰로오스 에테르: 산둥 천방정밀화학유한공사에서 생산한 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 에테르, 백색 분말, 공칭 점도 40, 100, 150, 200Pa·s; 물: 깨끗한 수돗물.
1.2 시험 방법
JGJ/T 105-2011 "기계식 분무 및 미장 시공 규정"에 따르면, 모르타르의 반죽질도는 80~120mm이고, 함수율은 90% 이상이어야 합니다. 본 실험에서는 석회-모래 비율을 1:5로 설정하고, 반죽질도는 (93+2)mm로 조절했으며, 셀룰로오스 에테르는 시멘트 질량을 기준으로 외부에서 첨가했습니다. 모르타르의 기본 물성(습윤 밀도, 공기 함량, 함수율, 반죽질도)은 JGJ 70-2009 "건축 모르타르 기본 물성 시험 방법"을 참고하여 측정하였고, 공기 함량은 밀도 측정법에 따라 측정 및 계산했습니다. 시편의 제작, 휜강도 및 압축강도 시험은 GB/T 17671-1999 "시멘트 모르타르 모래 강도 시험 방법(ISO 방법)"에 따라 수행했습니다. 유충의 직경은 수은 기공 측정법으로 측정하였다. 사용된 수은 기공 측정기는 AUTOPORE 9500 모델이며, 측정 범위는 5.5 nm ~ 360 μm이다. 총 4세트의 실험을 수행하였다. 시멘트-모래 비율은 1:5, HPMC의 점도는 100 Pa·s, 첨가량은 0, 0.1%, 0.2%, 0.3%였다(숫자는 각각 A, B, C, D로 표시).
2. 결과 및 분석
2.1 HPMC가 시멘트 모르타르의 수분 보유율에 미치는 영향
수분 보유력은 모르타르가 물을 удержи하는 능력을 의미합니다. 기계 분사 모르타르에 셀룰로오스 에테르를 첨가하면 수분 보유력을 높이고 블리딩 속도를 줄여 시멘트계 재료의 완전 수화 요건을 충족할 수 있습니다. 본 연구는 HPMC가 모르타르의 수분 보유력에 미치는 영향을 살펴봅니다.
HPMC 함량이 증가함에 따라 모르타르의 수분 보유율은 점차 증가합니다. 점도가 100, 150, 200 Pa·s인 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스 에테르의 곡선은 기본적으로 동일합니다. 함량이 0.05%~0.15%일 때 수분 보유율은 선형적으로 증가하며, 0.15%일 때 수분 보유율은 93% 이상입니다. HPMC 함량이 0.20%를 초과하면 수분 보유율의 증가 추세가 완만해지는데, 이는 HPMC 함량이 포화 상태에 가까워졌음을 나타냅니다. 점도가 40 Pa·s인 HPMC 함량이 수분 보유율에 미치는 영향 곡선은 대략 직선입니다. 함량이 0.15%를 초과하면 모르타르의 수분 보유율은 동일한 점도를 가진 다른 세 종류의 HPMC보다 현저히 낮습니다. 셀룰로오스 에테르의 수분 보유 메커니즘은 일반적으로 다음과 같이 알려져 있습니다. 셀룰로오스 에테르 분자의 하이드록실기와 에테르 결합의 산소 원자가 물 분자와 결합하여 수소 결합을 형성함으로써 자유수가 결합수로 바뀌어 우수한 수분 보유 효과를 나타냅니다. 또한, 물 분자와 셀룰로오스 에테르 분자 사슬 간의 상호 확산으로 인해 물 분자가 셀룰로오스 에테르 고분자 사슬 내부로 침투하여 강한 결합력을 형성함으로써 시멘트 슬러리의 수분 보유력을 향상시키는 것으로 여겨집니다. 우수한 수분 보유력은 모르타르의 균질성을 유지하고, 재료 분리를 방지하며, 우수한 혼합 성능을 제공하는 동시에 기계적 마모를 줄이고 모르타르 분사기의 수명을 연장합니다.
2.2 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HPMC)가 시멘트 모르타르의 밀도 및 공기 함량에 미치는 영향
HPMC 함량이 0~0.20%일 때, 모르타르의 밀도는 HPMC 함량이 증가함에 따라 2050kg/m³에서 약 1650kg/m³로 급격히 감소하여 약 20% 낮아집니다. HPMC 함량이 0.20%를 초과하면 밀도는 더 이상 감소하지 않습니다. 점도가 다른 4가지 종류의 HPMC를 비교했을 때, 점도가 높을수록 모르타르의 밀도는 낮아집니다. 150Pa·s와 200Pa·s의 HPMC를 혼합한 모르타르의 밀도 곡선은 거의 일치하는데, 이는 HPMC의 점도가 계속 증가하면 밀도가 더 이상 감소하지 않음을 나타냅니다.
모르타르의 공기 함량 변화 법칙은 모르타르 밀도 변화 법칙과 반대입니다. 하이드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC) 함량이 0~0.20%일 때, HPMC 함량이 증가함에 따라 모르타르의 공기 함량은 거의 선형적으로 증가합니다. HPMC 함량이 0.20%를 초과하면 공기 함량은 거의 변화하지 않는데, 이는 모르타르의 공기 연행 효과가 포화 상태에 가까워졌음을 나타냅니다. 점도가 150 Pa·s 및 200 Pa·s인 HPMC의 공기 연행 효과는 점도가 40 Pa·s 및 100 Pa·s인 HPMC보다 더 큽니다.
셀룰로오스 에테르의 기포연행 효과는 주로 분자 구조에 의해 결정됩니다. 셀룰로오스 에테르는 친수성 그룹(하이드록실기, 에테르기)과 소수성 그룹(메틸기, 포도당 고리)을 모두 가지고 있으며, 계면활성제로서 표면 활성을 나타내어 기포연행 효과를 보입니다. 도입된 가스는 모르타르 내에서 볼 베어링 역할을 하여 모르타르의 작업성을 향상시키고, 부피를 증가시켜 생산량을 늘리는 데 도움이 되므로 제조업체에 유리합니다. 그러나 기포연행 효과는 경화 후 모르타르의 공기 함량과 다공성을 증가시켜 유해한 기공을 늘리고 기계적 특성을 크게 저하시킵니다. HPMC는 어느 정도 기포연행 효과를 가지고 있지만, 기포연행제를 완전히 대체할 수는 없습니다. 또한, HPMC와 기포연행제를 동시에 사용할 경우 기포연행제의 기능이 저하될 수 있습니다.
2.3 HPMC가 시멘트 모르타르의 기계적 특성에 미치는 영향
HPMC 함량이 0.05%에 불과할 경우, 모르타르의 휜강도는 현저히 감소하여 HPMC를 첨가하지 않은 대조군 시료보다 약 25% 낮아지고, 압축강도는 대조군 시료의 65~80% 수준에 그칩니다. HPMC 함량이 0.20%를 초과하면 모르타르의 휜강도와 압축강도 감소는 뚜렷하지 않습니다. HPMC의 점도는 모르타르의 기계적 특성에 큰 영향을 미치지 않습니다. HPMC는 미세한 기포를 다량 함유하고 있어 모르타르의 공기연행 효과를 증가시키고 내부 공극과 유해 기공을 형성하여 압축강도와 휜강도를 크게 감소시킵니다. 모르타르 강도 감소의 또 다른 원인은 셀룰로오스 에테르의 수분 보유 효과입니다. 셀룰로오스 에테르는 경화된 모르타르 내에 수분을 유지시켜 물-결합재 비율을 높이고, 결과적으로 시험 블록의 강도를 저하시킵니다. 기계적 시공용 모르타르의 경우, 셀룰로오스 에테르는 모르타르의 수분 보유율을 크게 높이고 작업성을 개선할 수 있지만, 사용량이 너무 많으면 모르타르의 기계적 특성에 심각한 영향을 미치므로 두 요소 간의 비율을 적절하게 고려해야 합니다.
하이드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC) 함량이 증가함에 따라 모르타르의 접힘률은 전반적으로 증가하는 경향을 보였으며, 이는 기본적으로 선형적인 관계를 나타냈다. 이는 첨가된 셀룰로오스 에테르가 다량의 기포를 도입하여 모르타르 내부에 더 많은 결함을 발생시키고, 이로 인해 가이드 로즈 모르타르의 압축강도가 급격히 감소하기 때문이다. 굽힘강도 또한 어느 정도 감소하지만, 셀룰로오스 에테르는 모르타르의 유연성을 향상시켜 굽힘강도 감소 속도를 늦추는 데 도움이 된다. 종합적으로 볼 때, 이 두 가지 효과가 복합적으로 작용하여 접힘률이 증가하는 것이다.
2.4 HPMC가 모르타르의 L 직경에 미치는 영향
기공 크기 분포 곡선, 기공 크기 분포 데이터 및 AD 시료의 다양한 통계적 매개변수를 통해 HPMC가 시멘트 모르타르의 기공 구조에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다.
(1) HPMC를 첨가한 후 시멘트 모르타르의 기공 크기가 크게 증가한다. 기공 크기 분포 곡선에서 이미지 영역이 오른쪽으로 이동하고 피크 값에 해당하는 기공 값이 커진다. HPMC를 첨가한 후 시멘트 모르타르의 중간 기공 직경은 대조군 시료보다 현저히 크며, 0.3% 첨가 시료의 중간 기공 직경은 대조군 시료에 비해 2배 증가한다.
(2) 콘크리트의 기공을 무해 기공(≤20 nm), 저해 기공(20-100 nm), 유해 기공(100-200 nm), 다량 유해 기공(≥200 nm)의 네 가지 유형으로 분류한다. 표 1에서 볼 수 있듯이 HPMC를 첨가한 후 무해 기공 또는 저해 기공의 수는 현저히 감소하고 유해 기공 또는 다량 유해 기공의 수는 증가한다. HPMC를 혼합하지 않은 시료의 무해 기공 또는 저해 기공은 약 49.4%이다. HPMC를 첨가한 후에는 무해 기공 또는 저해 기공이 현저히 감소한다. 예를 들어 0.1% 첨가 시 무해 기공 또는 저해 기공은 약 45% 감소하고, 10μm보다 큰 유해 기공의 수는 약 9배 증가한다.
(3) 중앙 기공 직경, 평균 기공 직경, 비 기공 부피 및 비표면적은 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HPMC) 함량 증가에 따라 매우 엄격한 변화 규칙을 따르지 않는데, 이는 수은 주입 시험에서 시료 선택과 관련된 큰 분산과 관련이 있을 수 있습니다. 그러나 전반적으로 HPMC가 혼합된 시료의 중앙 기공 직경, 평균 기공 직경 및 비 기공 부피는 대조군 시료에 비해 증가하는 경향이 있는 반면, 비표면적은 감소합니다.
게시 시간: 2023년 4월 3일