시멘트계 방수재료

3.8.1 개요

콘크리트조, 목조, 석조, 철골조 등 각종 구조물에는 반드시 물의 침입을 막기 위한 대책이 필요하고, 그 대책을 수행하기 위해서는 적절한 재료를 선택하여 사용한다.

시멘트계 방수재는 아스팔트계, 시트계, 도막계의 멤브레인 성형품 재료와는 달리 무기질 시멘트계(분말형) 및 유기질 고분자계(액체형)등의 비성형품 재료를 콘크리트 및 모르터에 혼입하거나, 표면에 도포하여 방수층을 형성하는 재료를 총칭한다.

학술적으로 시멘트계 방수재료는 초기단계에 방수재로 불러왔고, (방수재 : Integral waterproofing admixture/agent)란 콘크리트 및 모르터의 흡수, 투수에 대한 저항성능을 높이기 위하여 혼입하는 혼화제로 정의하고 있다.

건축분야에서는 주로 시멘트모르터에 혼입하여 부엌, 화장실, 발코니와 같은 건물의 실내나 수조, 지하실, 핏트, 공동구 등의 지하구조물의 바닥 및 벽에 도포하는 시멘트 모르터 방수(시멘트 액체방수)로 사용된다.

토목분야에서는 토목구조물의 콘크리트에 혼입하여 사용하는 구체혼화방수로 구분되어 사용되어 왔다. 최근에는 고분자 화합물인 아크릴 폴리머 계통의 방수재가 등장하여 시멘트와 혼합해 사용함으로써 방수성능의 개선을 꾀하고 있다.

우리나라에 있어서 사용되고 있는 시멘트계 방수재는 크게 3분야로 분류하고 있다.

3.8.2 시멘트 액체 방수재

3.8.2.1 방수특성

콘크리트나 모르터 중에 존재하는 과잉(過剩)의 혼합수에 의한 수극(水隙), 비빔시에 연행되는 공기, 블리딩 등에 의해 표면으로 향하는 모세관 등의 공극을 미세한 물질로 충전함으로써 물리적으로 흡수 및 투수에 대한 저항성을 증대시킨다.

발수성 물질의 작용에 의해 주로 흡수 및 투수에 대한 저항성을 증대시킨다.

콘크리트나 모르터의 워커빌리티 개선에 의해 혼합수를 감소시켜 경화 후의 공극을 적게한다.

콘크리트나 모르터의 건조수축을 저감시켜 신장능력을 크게 함으로써 균열을 억제시킨다.

3.8.2.2 화학적 메카니즘

시멘트의 수화반응을 촉진시켜 시멘트겔(Gel)에 의해 초기 공극을 충전함으로써 주로 초기 흡수 및 투수에 대한 저항성을 향상시킨다.

시멘트 수화반응의 결과로 생성되는 가용성 물질을 불용화(不溶化)함과 동시에 불용성 혹은 발수성의 염류를 형성함으로써, 콘크리트 및 모르터 조직에서의 공극 충전 혹은 발수성 부여로 흡수와 투수에 대한 저항성을 높인다.

모르터나 콘크리트 내부에 불투수성 혹은 발수성을 갖는 층 혹은 막을 형성하여 흡수와 투수를 막는다.

3.8.2.3 염화칼슘계

모르터나 콘크리트의 수밀성은 시멘트 수화반응의 진행에 동반하여 향상하기 때문에 염화칼슘(CaCl₂ 혹은 CaCl·6H₂O)을 혼입함으로써 시멘트의 수화반응을 촉진하여 빠르게 경화시키고 모르터나 콘크리트를 치밀하게 함으소써 방수성을 높힐 수 있다.

방수효과는 초기에 확실히 증대하지만, 그 후는 차례로 저하하기 때문에 장기에 있어서는 그 효과가 거의 인정되지 않는 한편, 염화칼슘은 철근, 매입철물 등의 녹발생을 촉진시키기 때문에 직접 강재에 접촉하는 곳에서는 사용하지 않는다. 또 모르터나 콘크리트의 건조수축을 크게 하여 균열이 생기는 폐해도 발생한다.

시멘트 수화반응의 촉진에 따라 발열이 커지기 때문에 동절기 공사에는 좋은 경우지만, 여름공사에는 그 혼입률에 충분히 주의하여 사용할 필요가 있다.

염화칼슘의 혼입율은 시멘트에 대하여 1∼2%(중량비)이지만, 이 혼입률을 적당히 변화시킴으로써 급결제나 방결제로서 사용하는 방법도 있다.

3.8.2.4 규산소다계

규산소다(Na₂O, nSiO₂)는 일반적으로 물유리로 불리우며 규산(SiO₂)과 산화나트륨(소다 ; Na₂O)의 혼합물이다.

규산소다를 모르터나 콘크리트에 혼입하면 시멘트의 수화반응 결과 생기는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 결합하여 불용성의 규산칼슘(nCaO·SiO₂)를 생성함으로써 고정되고 이것이 모르터나 콘크리트 속의 공극을 충전하여 치밀한 조직을 만든다고 알려져 있다.

그러나 실제로 이러한 반응이 일어나기에는 높은 온도와 장시간이 필요하기 때문에 방수효과는 의문시된다.

현재 우리나라의 시판 방수재로 규산소다를 주성분으로 하는 것이 많고 값이 저렴하기 때문에 많이 사용되고 있지만 외국에서는 사용하는 일은 드물다.

규산소다의 혼입률은 시멘트에 대해서 1∼2%(중량비)이지만, 혼입률을 많게 하면 급결제로도 사용할 수 있다.

3.8.2.5 고급지방산계

현재 우리나라에서 많이 사용되고 있는 시멘트 액체방수재의 주요 재료이다. 모르터나 콘크리트에 고급지방산을 혼입하면, 시멘트의 수화반응에 따라 생기는 수산화칼슘과 결합하여, 발수성이 있는 고급지방산칼슘으로 된다. 고급지방산염(금속비누) 및 고급지방산에스텔은 그들 자체 발수성이 뛰어난 물질이며, 이러한 화합물이 모르터나 콘크리트 속의 모세관에 의한 흡수를 감소시킨다.

고급지방산계 방수재가 지닌 단점은 장기의 수침(水浸)에 의한 방수성의 저하, 혼입률의 증가에 따르는 모르터나 콘크리트의 강도감소, 겹쳐바름이나 이어치기시에 있어서 접착불량, 응결지연, 모르터나 콘크리트와 혼합되기 어려운 점이 있다. 이 계통의 방수재는 염화칼슘이나 규산소다와 병행되는 경우가 많다. 고급지방산계 방수재의 혼입률은 시멘트에 대해서 3%(중량비)정도다.

3.8.2.6 파라핀 에멀죤계 및 아스팔트 에멀죤계

파라핀 및 아스팔트는 발수성이 풍부한 물질이기 때문에 이러한 에멀죤을 모르터나 콘크리트에 혼입하면, 고급지방산 염류와 같은 모양으로 그 발수작용에 따라 모르터나 콘크리트의 모세관에서의 흡수를 감소시킨다.

특히 파라핀에멀죤의 경우, 미세한 파라핀입자의 볼베어링 작용에 의한 워커빌리티 증진, 함수효과 등을 기대할 수 있고, 시멘트겔 사이의 공극이 파라핀 입자에 의해 충전된다.

이러한 방수재의 성능은 파라핀이나 아스팔트의 발수작용보다도 에멀죤 제조시의 유화제 종류나 유화방법에 따라 현저하게 영향을 받는다. 예를 들어, 너무 많은 공기를 연행하거나 에멀죤이 응고하면 분산이 나쁘게 되기 때문에 이 점에 충분히 주의할 필요가 있다. 파라핀에멀죤계 방수재의 혼입률은 파라핀/시멘트비로서 3∼10%(중량비), 아스팔트에멀죤계의 그것은 아스팔트/시멘트비로서 10∼20%(중량비)다.

3.8.2.7 기타계

질코늄화합물의 큰 발수성에 주목하여 수산화질코늄이나 초산질코늄이 지방족아민 혹은 지방산나트륨과 함께 모르터나 콘크리트에 혼입된다. Sodium Methyl Siliconate 는 응결지연효과가 있기 때문에 모르터나 콘크리트의 시멘트에 대하여 2∼3%(중량비)의 범위로 혼입되고 그 발수효과 때문에 주로 흡수성이 작아진다.

3.8.3 폴리머 시멘트 모르터 방수재

3.8.3.1 폴리머 디스퍼죤계

수지에멀죤이나 고무라텍스같은 폴리머디스퍼죤을 혼입한 모르터 및 콘크리트를 일반적으로 폴리머 시멘트 모르터 및 폴리머 시멘트 콘크리트라고 부른다. 폴리머 시멘트 모르터나 폴리머 시멘트 콘크리트에서 시멘트는 수화하여 시멘트경화체를 만들고, 한편, 수지에멀죤이나 라텍스는 시멘트의 물을 빼앗아 탈수, 건조시켜 자착성(自着性)과 접착성이 있는 수지나 고무의 연속한 필름을 만들어 시멘트 경화체와 골재를 강고하게 결합하는 구조를 형성한다. 그러므로 모르터나 콘크리트는 투수 및 흡수에 대하여 저항성이 현저하게 증대하고 방수효과가 커진다.

일반적으로 방수재로서 사용되는 수지에멀죤이나 고무라텍스에 요구되는 성질은 다음과 같다.

① 화학적 및 기계적으로 안정할 것.

② 시멘트의 수화반응에 악영향을 주지 않을 것

③ 고무나 수지자체의 내수성, 내알칼리성, 내후성 등이 우수할 것.

④ 모르터나 콘크리트를 이겨섞을 때에 현저하게 발포하지 않을 것.

다른 방수재를 혼입한 모르터 및 콘크리트와 비교하여 폴리머 시멘트 모르터 및 콘크리트의 이점은 인장강도, 휨강도, 변형능력, 탄성, 접착성 등의 향상에 있다.

일반적으로 폴리머시멘트모르터나 콘크리트성질은 주로 수지에멀죤이나 고무라텍스의 시멘트에 대한 혼입률, 즉, 폴리머시멘트비(시멘트중량에 대한 수지에멀죤이나 고무라텍스 중 유효 고형분량을 중량(%)으로 표시한 것)에 의하여 지배된다.

일반적으로 폴리머시멘트비는 5∼30%이다. 고혼입율로 사용하면 가격이 비싸지만 방수성은 다른 방수재에 비하여 현격하게 우수하다.

재유화형 분말수지를 모르터나 콘크리트에 혼입하면 곧 재유화하여 수지 에멀죤의 경우와 같은 모양으로 거동함으로써 방수효과를 발휘한다.

3.8.3.2 수용성 폴리머계

수용성폴리머를 모르터나 콘크리트에 혼입하면 물시멘트비가 감소하고 워커빌리티, 보수성(保守性), 블리딩에 대한 저항성 등이 개선되기 때문에 비교적 치밀한 조직이 완성되며, 더욱이 수지에멀죤의 경우와 유사한 효과에 의해 방수성을 발휘한다. 특히 메틸세룰로즈 등은 물에 대한 팽윤작용으로 방수효과가 나타낸다. 이러한 종류의 방수재는 시멘트에 대한 혼입률은 0.05∼3%(중량비)이다.

이 계통의 방수재는 일반적으로 보수성의 개량에 주목하여 미장마감 모르터나 타일접착용 모르터 등의 워커빌리티 개선을 목적으로 한 혼화제로서 사용되는 경우가 많다.

3.8.4 수화응고형 도포방수재

3.8.4.1 재료특성

수화응고형(水和凝固型)방수재란 물과 반응하여 경화되는 시멘트계의 무기질(칼슘실리케이트나 알루네이트 성분)과 건조 또는 축합반응에 의해 경화하는 수중분산형의 합성수지에멀젼(폴리머 디스퍼젼)성분으로 구성된 방수재료를 말한다.

구성성분 중에 합성수지성분이 20%전후의 폴리머 시멘트모르터나 수%의 시멘트 액체방수재보다 풍부한 100∼200%정도의 신소재로서 방수바탕의 습윤상태에 크게 영향을 받지 않고, 바탕재의 거동에 대응할 수 있는 탄력성(내균열성)을 갖는 도막형의 방수재료로서 수화응고형 방수재 혹은 무기유기질 혼합 방수재, 무기질 탄성형 방수재 등으로 불려 오고 있다.

3.8.4.2 경화기구

수화응고형방수재는 물과 분리하여 경화하는 성분(합성수지 에멀젼)과 물을 끌어들여(친화)경화하는 성분(시멘트)으로 구성되어있다.

일반적으로 합성수지 에멀젼은 고형분 농도가 약 80%정도이면 경화가 시작되고 시멘트 성분은 시멘트 량에 대해 약 40%의 수분을 취하면 경화가 시작된다.

수화응고형방수재의 투수억제 기능(방수성)은 사용하는 합성수지(EVA계 에멀젼, 공중합고분자 에멀젼, 아크릴 에멀젼 등)의 성분에 따라 다르기 때문에 어떠한 종류의 수지를 사용할 것인가. 어떤 계열의 분산액을 사용할 것인가가 중요하고, 또한 어떠한 조율의 수경성 시멘트를 사용할 것인가에 다라 크게 영향을 받는다.

합성수지 성분은 본래 소수성(疏水性)이 큰 물질이지만, EVA계 에멀젼 등은 수중에서 분산시키면 물과 잘 섞이고, 이것은 콘크리트 바탕에 바르면 물 및 구성성분인 시멘트와 함께 공극으로 스며들며, 농축, 경화하고 공중으로 수분이 증발함에 따라 고화(固化)한다.

또한 시멘트 성분에 기능에 의해서도 방수성능이 크게 영향을 받는다. 다시 말해, 물에 용해된 시멘트성분이 바탕콘크리트와 일체되어 방수재와 바탕재간의 강력한 결합력을 갖게 한다.

수화응고형 도포방수재는 수지성분과 시멘트성분과 환경적으로 추가되는 물을 포함한 수분의 비율을 효과적으로 관리함으로써 다습표면(多濕表面)은 물론 소습표면(所習表面)에 이르기까지 광범위한 습도 범위의 바탕에서 시공할 수 있는 재료이다.

수화응고형방수재는 도막형의 방수재로서 시멘트성분 친화성과 합성수지에멀젼이 가지고 있는 탄력성을 조화시킨 방수재로서 일반적인 우레탄고무계, 고무아스팔트계 등의 유기질 합성고분자 방수재료에서 기대하기 어려운 습윤바탕에서의 시공성의 개선, 바탕콘크리트의 수분 증발에 의한 수증기의 투과 성능 향상 등 일반 도막방수의 단점을 극복하기 위해 개발된 재료이다.

그러나 실용상의 특성에 있어서 바탕의 수분이 어느 정도 존재할 때 가장 효과적인 접착성을 보유할 것이다. 시멘트와 합성수지에멀젼의 혼합비와 수증기 투과성능의 관계 등은 더욱 연구 검토되어져야 한다.

수화응고형 방수재의 시공특성으로 도막형의 방수재료로서 방수층의 적층이나, 보강바름, 이어바름(겹쳐바름), 신구방수층의 연결 및 하자부분에 대한 보수의 간단성 등 커다란 장점도 가지고 있다.

□ 사용상의 유의 사항

① 바탕콘크리트에 유수(流水)나 고인물이 없을 것.

② 표면이 결로 상태가 아닐 것

③ 배면 혹은 측면으로부터의 침입수가 없을 것

④ 완전 건조상태가 아닐 것