KR100368880B1 - 철근 콘크리트 흄관 방식 라이닝 방법 - Google Patents

철근 콘크리트 흄관 방식 라이닝 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존 철근 콘크리트 흄관이 하수관으로 사용될 때 하수에 포함된 유기물에 의해 부식되기 쉬워 그 수명이 매우 짧아 그 수명을 연장시킬 수 있는 방식 라이닝 철근 콘크리트 흄관에 관한 것이다.
라이닝용 폴리머 시멘트 모르타르에 혼입된 시멘트 혼화용 폴리머로서는, St/Ac(스티렌/아크릴 공중합체, Styrene-acrylic Copolymer), SBR(스틸렌 부다지엔 고무 라텍스, Styrene Butadien Rubber Latex), PAE(폴리 아크릴산 에스테르, PolyAcrylic Ester), EP(에폭시 에멀젼, Epoxy Emulsion)을 사용하였다. 폴리머량은 시멘트 중량에 대하여 폴리머 고형분으로서 5내지 30중량부를 사용하였으며, 제작방법은 보통 철근 콘크리트 흄관을 원심력을 이용하여 제작할 때, 공정 마지막에 폴리머 시멘트 모르타르를 투입하여 안쪽 표면을 5mm∼10mm로 라이닝하는 것이다. 양생방법은 에폭시 시멘트 모르타르를 사용한 경우에는 제작 후 바로 증기양생(80℃∼90℃)을 3시간 이상 실시하며, 그 외의 폴리머 디스퍼션을 사용할 시에는 2일간 기중양생(20℃)후, 80℃로 3시간 이상 양생하는 방법과, 제작 후 자연양생(기중양생, 20℃)을 28일간 실시하여 만든 철근 콘크리트 흄관 및 제조방법에 관한 것이다.

Description

철근 콘크리트 흄관 방식 라이닝 방법 {The method for lining of steel concrete pipe}
본 발명은 하수관으로 사용되고 있는 기존 철근 콘크리트 흄관의 수명을 연장시키기 위한 폴리머 시멘트 모르타르를 이용한 철근 콘크리트 방식 라이닝 방법에 관한 것이다.
일반적으로 폴리머 시멘트 모르타르란 보통 시멘트 모르타르에 고분자인 폴리머를 혼입하여 성질을 개선한 모르타르를 말한다. 이 폴리머 시멘트 모르타르의 주된 성질 개선 원리는 보통 시멘트 모르타르 조직 안에서 폴리머입자가 골고루 분산된 후 수분이 증발함에 따라 폴리머 입자가 고형화 하며, 내부에서 3차원의 망(필림)을 형성하며 역학적 성질 및 내구성이 향상되는 것이다.
이러한 성질을 이용하여 철근 콘크리트 흄관의 안쪽에 일정한 두께로 라이닝을 한다면, 하수도관 속의 유기물이 호기성 박테리아로 인하여 황산화 되어 콘크리트 표면의 부식을 방지하여 수명이 연장될 수 있다. 또한 내부에 라이닝함으로서베이스 철근 콘크리트 흄관의 강도를 보강할 수 있다는 점을 이용한 것이다.
철근 콘크리트 흄관 제작시, 폴리머 시멘트 모르타르를 이용하면 생산공정에서 동시성형이 가능하며, 철근 콘크리트 흄관 표면을 라이닝 처리함으로서 하수관에서의 내약품성과 항시 수분에 접촉되어 겨울철의 동해에 따른 저항성이 증대되어 기존 철근 콘크리트 흄관의 수명을 연장시키는 데 목적이 있다.
도1 라이닝 모르타르의 흄관제품 예
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 보통 포틀랜드 시멘트, 시멘트 혼화용 폴리머, [St/Ac(스티렌/아크릴 공중합체, Styrene-acrylic Copolymer), SBR(스틸렌 부다지엔 고무 라텍스, Styrene Butadien Rubber Latex), PAE(폴리 아크릴산 에스테르, Poly acrylic Ester), EP(에폭시 에멀젼, Epoxy Emulsion)], 폴리머 혼입율은 시멘트 중량에 대하여 고형분으로 5내지 30중량부를, 골재로서 규사(N0.5, No.6 및 No.7)를 중량비로서 시멘트: 규사=1:2, 폴리머 시멘트 모르타르의 공기량을 제어하기 위한 소포제(폴리머 고형분에 대하여 0.05%)로 조성된 폴리머 시멘트 모르타르와 그 라이닝 방법에 관한 것이다.
본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
실시예1
시멘트 혼화용 폴리머로서 에폭시에멀젼(EP)를 사용하여, 폴리머 혼입율은 시멘트 중량에 대하여 고형분으로 5중량부를, 골재로서 규사(N0.5 및 No.7)를 시멘트 중량에 대하여 200중량부, 폴리머 시멘트 모르타르의 공기량을 제어하기 위한 소포제(폴리머 고형분에 대하여 0.05중량부)로 조성된 폴리머 시멘트 모르타르를 콘크리트 흄관 제작 공정 마지막에 투입하여 안쪽 표면을 5mm∼10mm로 라이닝하여 동시성형한 후, 흄관을 바로 증기양생(80℃ 3시간)하여 동시성형 철근 콘크리트 흄관 제품을 제조 하였다.
실시예2
시멘트 혼화용 폴리머로서 SBR(스티렌 부다지엔 고무)라텍스(Styrene Butadien Rubber)를 사용하여, 폴리머 혼입율은 시멘트 중량에 대하여 고형분으로 15중량부를, 골재로서 규사(N0.5 및 No.7)를 시멘트 중량에 대하여 200중량부, 폴리머 시멘트 모르타르의 공기량을 제어하기 위한 소포제(폴리머 고형분에 대하여 0.05중량부)로 조성된 폴리머 시멘트 모르타르를 콘크리트 흄관 제작 공정 마지막에 투입하여 안쪽 표면을 5mm∼10mm로 라이닝하여 흄관에 라이닝 동시성형한 후, 흄관을 2일 기중양생(20℃) 후, 증기양생(80℃∼90℃)을 3시간하여 동시성형 철근 콘크리트 흄관 제품을 제조하였다.
실시예3
시멘트 혼화용 폴리머로서 St/Ac(스티렌/아크릴 공중합체)를 사용하여, 폴리머 혼입율은 시멘트 중량에 대하여 고형분으로 30중량부를, 골재로서 규사(N0.5 및 No.7)를 시멘트 중량에 대하여 200중량부, 폴리머 시멘트 모르타르의 공기량을 제어하기 위한 소포제(폴리머 고형분에 대하여 0.05중량부)로 조성된 폴리머 시멘트 모르타르를 콘크리트 흄관 제작 공정 마지막에 투입하여 안쪽 표면을 5mm∼10mm로 라이닝하여 흄관에 동시성형한 후, 흄관을 2일 기중양생(20℃) 후, 증기양생(80℃∼90℃) 3시간하여 동시성형 철근 콘크리트 흄관 제품을 제조하였다.
본 발명의 실시예에서 사용한 시멘트 혼화용 폴리머 디스퍼션 및 에폭시 수지의 성질은 표 1 및 표 2와 같다.
표 1. 시멘트 혼화용 폴리머의 일반적 성질
Type of Polymer pH(20℃) Viscosity(mPa ·s, 20℃) Specific Gravity(20℃) Total Solids(%)
SBR 9.7 64 1.020 50.0
St/Ac 8.0 200 1.048 47.5
PAE 5.0 2,000 1.09 50.1
표 2. 에폭시 수지의 일반적 성질
EpoxideEquivalent MolesularWeight Viscosity(mPa ·s, 20℃) Specific Gravity(20℃) Hue(Gardner)
185 380 13500 1.19 0.2-0.4
경화제로서는 에폭시 수지의 경화를 위하여 폴리아미드 변성 자기 유화형 경화제를 사용하였으며, 이는 수중에서 분산되어 에폭시 에멀젼 형태를 가능하게 한다.
콘크리트 흄관 라이닝용 폴리머 시멘트 모르타르의 성질을 파악하기 위하여 실험을 실시한 예는 다음과 같다.
실험방법
라이닝용 폴리머 시멘트 모르타르 제작 :
라이닝용 폴리머 시멘트 모르타르는 KS F 2476(시험실에서 폴리머 시멘트 모르타르를 만드는 방법)에 준하여 표 3과 같은 배합에 의하여 제작하였으며, 28일간 기중양생을 실시하였다. 압축강도, 휨강도 및 내산성시험은 4x4x16cm의 몰드를 사용하였으며, 인장접착강도는 피착체(보통 모르타르) 위에 폴리머 시멘트 모르타르를 두께 1cm로 타설하였다. 또한 동결융해 시험은 8x8x40cm의 몰드를 사용하였다.
표 3 라이닝용 폴리머 시멘트 모르타르의 배합표
Type of Mortar Cement : Sand(by Weight) Polymer-Cement Ratio(%) W/C(%) Flow
Plain 1 : 2 0 46.6 168
SBR-Modified 10 43.0 165
20 31.4 168
30 30.5 175
St/Ac-Modified 10 36.6 175
20 30.9 171
30 30.3 173
PAE-Modified 10 45.3 175
20 42.9 170
30 41.6 166
Epoxy-Modified 10 47.0 169
20 47.0 171
압축강도 :
폴리머 시멘트 모르타르의 압축강도 시험은 KS F 2477(폴리머 시멘트 모르타르의 강도시험 방법)에 준하여 실시하였다.
그림 1은 각종 폴리머를 혼입한 폴리머 시멘트 모르타르의 종류에 따른 압축강도를 나타내고 있다.
SBR과 St/Ac를 혼입한 폴리머 시멘트 모르타르의 압축강도는 폴리머 혼입량의 증가에 따라 증가하였으며, 보통 시멘트 모르타르의 압축강도에 비해 큰 강도를나타냈다. 그러나 PAE 및 Epoxy의 경우에는 보통 시멘트 모르타르보다 낮게 나타났다. 일반적으로 시멘트 혼화용 폴리머 디스퍼션으로 시멘트의 성질을 개선시킬 경우 보통 시멘트 모르타르에 비해 압축강도는 거의 개선되지 않는 것이 보통이나, 폴리머 디스퍼션의 혼입에 따른 같은 시공연도에서의 필요한 물 시멘트비가 크게 감소되기 때문에 결과적으로 강도의 상승효과를 가져올 수 있다.
휨강도 :
폴리머 시멘트 모르타르의 휨강도 시험은 KS F 2477(폴리머 시멘트 모르타르의 강도시험 방법)에 준하여 실시하였다.
그림 2는 각종 폴리머를 혼입한 폴리머 시멘트 모르타르의 종류에 따른 휨강도를 나타내고 있다. 폴리머의 종류에 관계없이 대부분의 폴리머 시멘트 모르타르의 휨강도는 보통 시멘트 모르타르 보다 크게 나타났다. St/Ac를 20% 및 30% 혼입한 경우의 휨강도는 보통 시멘트 모르타르의 비해 1.9∼2.1배 높게 나타났다. 여기에서 압축강도에 비해 휨강도가 크게 향상된 것은 시멘트 매트릭스 속에 존재하는 폴리머 필림에 의한 것이다.
인장접착강도 :
보통 시멘트 모르타르 피착체 위에 1cm 두께로 타설된 폴리머 시멘트 모르타르를 28일 양생후, 4x4cm의 크기로 절단하여, 그 위에 강제형틀을 접착, 인장접착강도 시험기를 이용하여 실험을 실시하였다.
그림 3은 각종 폴리머를 혼입한 폴리머 시멘트 모르타르의 종류에 따른 인장접착강도를 나타내고 있다. 폴리머 시멘트 모르타르의 인장접착강도는 보통시멘트 모르타르에 비해 1.9∼2.3배의 높은 강도를 나타내고 있다. 라이닝용 재료는 기존 콘크리트와 동시 성형시에 그 접착력이 아주 중요하다. 폴리머 종류에 따라서는 St/Ac를 혼입한 경우가 가장 크게 나타났으며, 내황산염 시멘트를 사용한 경우에도 보통 시멘트 모르타르에 비해 큰 인장접착강도를 나타내고 있다. 또한 인장접착강도 실험 후의 파괴성상을 살펴보면, SBR을 사용한 경우, 10%에서는 부착경계면, 20%와 30%에서는 피착체의 응집파괴현상을 보였다. St/Ac를 혼입한 경우 모든 피착체에서 응집파괴를 보였으나 PAE를 혼입한 경우에는 폴리머 시멘트비 10%와 20%에서는 부착경계면의 파괴, 30%에서는 폴리머 시멘트 모르타르 부분의 파괴를 보여 파괴성상으로 인장접착강도의 경향을 알 수 있었다.
내황산성 시험 :
28일간 양생된 폴리머 시멘트 모르타르를 황산(5%)용액에 28일간 침적 후 침식깊이와 압축강도 및 휨강도를 실시하여, 시험전과 비교함으로서 황산용액에 대한 저항성을 평가하였다.
그림 4와 5는 황산 5% 용액에 28일간 침적한 후 압축강도 및 휨강도를 측정한 결과를 나타내고 있다. 보통 시멘트 모르타르의 황산용액 침적 후 압축강도 및 휨강도는 시험전의 압축강도에 비해 39% 및 24%의 강도저하를 보였다. 한편, SBR를 혼입한 경우에는, 8.4∼27.2% 및 11.2∼16.8%, St/Ac를 혼입한 경우, 12.5∼13.9% 및 17.4∼23.3%로 보통 시멘트에 비해 낮게 나타났으며, 침적후의 강도 역시 최대 1.8∼2.3배를 나타내 폴리머 시멘트 모르타르를 라이닝 재료로 사용하는 경우 황산에 침적되어도 잔존 보유 강도가 커 콘크리트 흄관의 내구성 증진에 커다란 도움이 될 수 있다. 그러나 폴리머 종류의 선택에 있어서의 중요성이 강조된다. 또한 내황산염 시멘트를 사용한 경우에 비교해 보아도 SBR 및 St/Ac를 혼입한 경우에는 황산에 대한 저항성이 우수하였다.
본 실험은 황산 5%용액으로 촉진 실험을 실시한 것으로서 실제에는 이 보다 훨씬 내구적이다. 또한 낮은 농도에서의 장기간의 침식은 폴리머 시멘트 모르타르 보다 보통 시멘트 모르타르의 경우가 더욱 치명적일 것이라 추정된다.
동결융해시험 :
동결융해시험은 KS F 2443(급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험 방법)에 준하여 실험을 실시하였으며, 동결융해저항성의 평가는 30사이클 주기로 상대동탄성계수를 측정하였다. 실험전의 샘플에 대하여 계속 동결융해 작용의 반복됨에 따른 공시체의 동탄성계수가 떨어지는 관계를 표현한 것이다.
그림 6은 라이닝용 폴리머 시멘트 모르타르의 동결융해 시험 300 사이클에 있어서의 폴리머 종류에 따른 상대동탄성계수를 나타내고 있다. 결과에서 알 수 있는 바와 같이 보통 시멘트 모르타르의 경우에는 동결융해 사이클 90회에서 상대동탄성계수가 60% 이하로 떨어졌으나, PAE를 제외한 폴리머 시멘트 모르타르의 경우에는 300 사이클에서도 85∼98%의 높은 상대동탄성계수를 보여주고 있다. 특히 SBR과 St/Ac를 20% 혼입한 폴리머 시멘트 모르타르의 경우 94% 및 98%로서 동결융해에 대한 저항성이 아주 우수하였다.
시멘트 콘크리트 흄관의 내구성 저하의 커다란 요인으로서 황산염에 의한 침식과 동결융해 현상을 들 수 있는데 상시 물과 접촉하여 수분을 함유하고 있기 때문에 동절기의 동해에 대한 피해가 클 수 있다. 따라서 폴리머를 시멘트 모르타르의 개질재로 사용한다면 폴리머 종류 및 혼입량에 따라 그 정도의 차이는 있으나, 두 가지 내구성능을 높일 수 있었다.
라이닝 폴리머 시멘트 모르타르의 콘크리트 흄관에의 적용
본 실험에서 사용한 폴리머 시멘트 모르타르는 열가소성 및 열경화성 수지를 사용하고 있다. 현재 생산되고 있는 콘크리트 흄관과 동시성형이 가능해야 새로운 공정이 발생되지 않아 경제적이다. 그리고 양생에 있어서도 가능하면 콘크리트 흄관 제작 후 바로 고온 증기양생(80∼90℃) 방법에 적용될 수 있어야 한다. 그러기 위한 내열시험을 실시한 결과와 실제 현장에서의 라이닝 적용성을 평가한 결과는 표 4와 같다. 결과에서 알 수 있는 바와 같이 폴리머의 종류와 양생조건에 따라 적용성에 차이가 많았다. 폴리머 시멘트 모르타르를 라이닝 재료로 사용할 경우 제작 후 서서히 비교적 낮은 양생온도(20℃∼60℃)에서 양생한 후, 라이닝 모르타르가 어느 정도 경화된 후, 높은 온도(80℃∼100℃)로 다시 양생하는 것이 바람직하다. 그러나 에폭시 수지를 사용할 경우에는 제작 후 일반 콘크리트 흄관과 같은 방법으로 증기양생을 실시하여도 라이닝이 가능하였다. 이는 열경화성인 에폭시 수지는 온도의 상승에 따라서 경화가 진행될 수 있었기 때문이다. 그러나 열가소성 수지를 사용한 경우에 있어서의 균열발생은 급격히 높은 온도에서의 폴리머가 시멘트 매트릭스 안에서 팽창되었기 때문으로 사료된다. 폴리머 종류에 따라서는 PAE가 역학적 성질에서는 떨어지지만 내열성이 우수하게 나타났다.
표 4 내열시험 및 현장 라이닝 실험 결과
모르타르종류 내열 시험 조건(건조로) 현장적용실험 결과(증기양생)
80℃, 3시간 60℃, 5시간 40℃, 5시간 2일 20℃+80℃ 5시간 제작 후, 바로 증기양생(80∼90℃) 2일 20℃+증기양생(80∼90℃)
SBR 10% 3 1 1 1 폴리머 시멘트비 10%에서는 라이닝 표면에 약간의 보통 균열이 발생하였고, 20%에서는 보통균열과 들뜸현상이 발생하였다.(3) 모든 폴리머 종류에서 라이닝 표면에 균열의 발생이 없이 우수하게 처리되었다.(1)
20% 4 4 4 1
St/Ac 10% 5 3 1 1
20% 5 4 3 1
PAE 10% 2 1 1 1
20% 2 1 1 1
Epoxy 10% 1 1 1 1 라이닝이 우수하게 처리되었다.(1)
20% 1 1 1 1
주) 5 : 아주 심한 균열 4: 심한 균열 3 : 보통균열
2 : 약간균열 1: 균열 없음
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 시멘트 혼화용 폴리머를 혼입하여 만든 폴리머 시멘트 모르타르를 기존 철근 콘크리트 흄관의 라이닝 재료로 사용한다면, 내구성 및 역학적 성질을 증진시켜 수명을 크게 연장시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 철근 콘크리트 흄관의 방식 라이닝의 제조방법에 있어서 시멘트 혼화용 폴리머 혼입율은 시멘트 중량에 대하여 고형분으로 5중량부내지 30중량부, 골재로서 규사(N0.5 및 No.7)를 시멘트 중량에 대하여 200중량부, 폴리머 시멘트 모르타르의 공기량을 제어하기 위한 소포제(폴리머 고형분에 대하여 0.05중량부)로를 혼합하여 혼합한 폴리머 시멘트 모르타르를 콘크리트 흄관 제작 공정 마지막에 투입하여 흄관 안쪽 표면에 5mm∼10mm로 라이닝 동시성형한 후, 에폭시 에멀젼을 사용한 경우에는 성형후 바로 증기양생(80℃ 3시간)하며, 그 외의 폴리머 디스퍼션의 경우 2일 기중양생(20℃) 후, 증기양생(80℃∼90℃) 3시간 이상으로 제작되는 동시성형하여 제조됨을 특징으로 하는 철근 콘크리트 흄관의 방식 라이닝의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서 상기 시멘트 혼화용 폴리머는 St/Ac(스티렌/아크릴 공중합체, Styrene-acrylic Copolymer), SBR(스틸렌 부다지엔 고무 라텍스, Styrene Butadien Rubber Latex), PAE(폴리 아크릴산 에스테르, Poly acrylic Ester), EP(에폭시 에멀젼, Epoxy Emulsion)에서 선택된 어느하나 또는 둘이상임을 특징으로 하는 철근콘크리트 흄관의 방식라이닝의 제조방법.
  4. 삭제
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