KR100378381B1

KR100378381B1 - 콘크리트 구조물의 원형복원공법

Info

Publication number: KR100378381B1
Application number: KR10-2000-0035507A
Authority: KR
Inventors: 김무홍
Original assignee: 홍진리모델링 주식회사
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2003-03-29
Also published as: KR20020003689A

Abstract

본 발명은 보수될 부위에 콜로이드 실리카(colloidal silica)를 60 내지 80 중량%로 함유하는 겔타입의 무기질 재료의 액상형 침투성 접착강화제를 도포하는 제 1단계, 상기 도포된 침투성 접착강화제 상에 무기계 폴리머 시멘트 복합재료를 살포하여 단면을 복구하는 제 2단계 및 상기 무기계 폴리머 시멘트 복합재료 상에 침투성 접착강화제를 코팅하는 제 3단계를 포함함으로써 구 콘크리트가 강화되고, 신·구 콘크리트의 접착력이 증대되며, 방수 효과가 우수하도록 원형을 일정하게 복원할 수 있는 콘크리트 구조물 원형복원 공법을 제공하는 것이다.

Description

콘크리트 구조물의 원형복원공법{Method of restoring concrete constructions}

본 발명은 콘크리트 구조물의 원형복원공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트 구조물 내의 철근이 부식되고 콘크리트가 파손됨으로써 사용성이 떨어진 콘크리트 구조물의 원형을 복원시키는 공법에 관한 것이다.

콘크리트 구조물은 우수한 내구성으로 인해 반영구적 구조물의 건설 재료로 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 콘크리트 구조물이 해양 환경에 오랜 기간 노출될 경우 해수의 작용에 의하여 콘크리트가 침식되고 철근이 부식을 일으키며 체적 팽창에 의해 콘크리트가 균열 및 박리를 일으킴으로써, 결과적으로 콘크리트 구조물의 성능이 저하되게 된다. 또한 겨울철에는 콘크리트가 동결 및 융해 작용으로 인해 콘크리트의 파손이 발생하기도 하고, 자동차의 배기가스에 오랜 기간 노출될 경우 중성화 현상으로 인해 내부 철근이 부식되고 콘크리트가 균열 또는 탈락되는 경우가 발생하기도 한다. 이와 같은 원인들 외에도, 콘크리트 구조물의 중성화, 알칼리골재반응, 공장 폐수 및 생활하수 등에 의해서도 철근이 부식되고 콘크리트가 손상될 수 있다.

위와 같은 원인들에 의해 내부 철근이 부식되고 콘크리트가 균열 또는 탈락된 경우 그 구조물을 안정적으로 계속해서 사용하기 위해서는 그것을 원형 상태로 복원시켜야할 필요성이 대두되었고 그에 따라 다양한 콘크리트 구조물 원형복원 공법이 현장에서 사용되고 있다.

그러나, 종래의 콘크리트 구조물 원형복원 공법은 신·구 콘크리트의 접착보조제로서 유기계 에폭시 수지 또는 아크릴 수지를 사용함으로써 시공 초기에는 큰 접착강도를 나타내지만, 건조에 의한 수축 및 열팽창 등에서 콘크리트와 이질적인 특성을 갖기 때문에 장기적으로는 접착 성능이 저하되어 신·구(新·舊) 콘크리트 접착면에서 탈락이 발생되는 문제점이 있었다.

또한 콘크리트 구조물의 원형복원을 위해 사용된 재료는 유기계 수용성 액상 폴리머와 무기계 시멘트 모르타르(mortar)를 현장에서 배합하여 사용함으로써 현장의 품질관리 여하에 따라 보수 모르타르의 품질이 크게 달라지는 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 이들 재료는 구 콘크리트와 물리적, 역학적 성능이 달라 장기적으로 신·구 콘크리트 사이에서 균열 및 탈락이 발생하였다. 또한 지금까지 구 콘크리트 내부에 염분이나 황산염 등 유해한 화학이온이 함유되어 있을 경우 이를 제거할 수 있는 방법이 없었기 때문에 보수 후에도 다시 콘크리트의 열화와 철근의 부식이 재발하게 되는 문제점이 있었다.

특히, 단면수복을 위한 보수재료가 침투성 등의 방청성능을 가지고 있다고 하더라도 지금까지 사용된 접착보조제, 즉 에폭시 수지 또는 아크릴 수지가 불침투성 막을 형성하기 때문에 그 침투성능을 온전히 발휘하지 못하였고, 결과적으로 보수재료가 단순히 단면수복용 재료의 역할만 할 뿐 염분이나 중성화 등에 의한 철근의 부식을 방지할 수 있는 효과가 미비하였다. 특히 특허출원 제1999-39326호에는 접착모르타르를 도포하고, 슈퍼폴리머 모르타르를 수복하고, 표면을 정리하는 공법이 개시되어 있는데, 이러한 공법 및 유기계 수용성 액상 폴리머(접착모르타르)의 경우, 콘크리트 내부 침투성이 없는 단순한 접착 모르타르를 분사하는 것에 불과한 것이다. 즉, 외부 표면에 스프레이 분사된 접착모르타르는 폴리머모르타르를 접착시키기 위한 것으로서, 콘크리트 자체에 침투하여 보강하기 위한 것이 아니며, 이러한 모르타르는 열화 및 균열이 발생되고 강도가 저하되는 현상까지 일으키게 된다.

본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 침투성 접착강화제를 도포하고, 상기 도포된 침투성 접착강화제 상에 무기계 폴리머 시멘트 복합재료를 살포하여 단면을 복구하고, 상기 무기계 폴리머 시멘트 복합재료 상에 침투성 접착강화제를 코팅하는 단계를 순차적으로 수행함으로써 구 콘크리트가 강화되고, 신·구 콘크리트의 접착력이 증대되고, 방수 효과가 우수하며, 재하자의 발생을 미연에 방지할 수 있도록 원형을 일정하게 복원할 수 있는 콘크리트 구조물 원형복원 공법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 침투성 접착강화제를 도포하기 직전에 고압수로 표면을 처리하는 단계를 더 포함함으로써 손상된 부분에 불필요한 충격을 주지 않으면서 열화된 콘크리트, 철근의 부식물질 및 그 밖의 이물질을 제거할 수 있는 콘크리트 구조물 원형복원 공법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 원형복원공법의 공정도

도 2는 본 발명에 따라 원형이 복원된 콘크리트 구조물의 단면도

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 ---------- 구(舊) 콘크리트, 12 ---------- 침투성 접착강화제

13 ---------- 무기계 폴리머 시멘트 복합재료

14 ---------- 침투성 접착강화제

이하에서는 본 발명에 따른 콘크리트 건조물의 원형복원 공법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 원형복원 공법의 공정도를 나타낸 것으로서, 먼저 콘크리트 속의 철근이 부식되고 콘크리트가 균열, 박리 또는 탈락됨으로써 사용성이 떨어진 구조물의 보수 범위를 결정하고, 본 발명의 실시에 필요한 자재 및 공구를 준비한다.

보수 범위가 결정되고 필요한 자재 및 공구가 준비되면, 최고 압력 700 bar의 고압수를 살포하여 열화된 콘크리트, 철근 부식물질 및 이물질을 제거하는 것이 바람직한데, 접착보조제로서 에폭시 수지 또는 아크릴 수지를 사용하는 종래기술에서는 기계적 도구를 사용하여 손상된 부분을 제거하였기 때문에 그 충격에 의해 콘크리트가 오히려 약화될 수 있었으나, 본 발명에서는 아래에서 설명될 우수한 침투성을 가지고 있는 침투성 접착강화제(12, 14)를 사용함으로써 상술한 '고압수에 의한 표면처리'만으로도 충분할 수 있는 것이다.

고압수에 의한 표면처리에 의해 열화된 콘크리트, 철근 부식물질 및 이물질을 제거한 후에는 침투성 접착강화제(12, 14)를 보수 부위에 2회 정도 스프레이나 붓으로 도포한다. 본 발명에서 사용되는 침투성 접착강화제(12, 14)는 겔(gel) 타입의 무기질 재료가 바람직하고, 콜로이드 실리카(colloidal silica)를 60 내지 80% 정도 함유하는 겔타입의 무기질 재료가 특히 바람직한데, 이러한 재료는 상품명 하이드로-시디에스{HYDRO-CDS : 미국 ACTI사 제품}로서 구입 가능하다. 콜로이드 실리카는 실리카 입자의 크기가 물 분자보다 매우 작기 때문에 콘크리트의 모세관 공극 및 미세한 균열을 통한 침투가 용이하여 100 내지 150mm 정도 침투하여 중성화된 콘크리트 부위를 재알칼리화 시키고, 염분이 함유된 콘크리트의 경우에는 염분을 고정화시켜 주기 때문에 철근의 부식을 방지하며, 팽창성 물질을 분해하여 이를 100% 불용성 고형 침전물로 환원시키며, 구 콘크리트의 표면을 보호하고 방수층을 형성하여 방수하는 작용을 갖는다. 또한 본 발명에서 사용되는 콜로이드 실리카는 무기 액상형 침투성 반응 강화제이기 때문에 기존의 유기계인 폴리머와 달리 구 콘크리트와의 물리적 그리고 역학적 성질이 동일한 무기계인 폴리머 시멘트 복합재료를 단면 복구용으로서 사용 가능하게 하고, 그로 인해 오랜 기간 신·구 콘크리트를 일체화시키는 접착성능을 유지할 수 있도록 한다.또한 콘크리트는 다공체 물질이므로 시공 중에 물-시멘트 비를 적게 하고 중성화 경향이 적은 재료를 사용하였다 하더라도 시멘트 경화체(C-S-H)의 ㎛∼㎚ 크기의 미세구조 내부에서 발생되는 열화문제는 극복할 수 없는 단점이 있다. 본 발명에서 사용되는 액상형 침투성 접착 강화제인 HYDRO-CDS(콜로이드 실리카 함유)는 콘크리트 표면상태와 상관없이 나노미터 크기의 시멘트 수화물 내의 공극 사이까지 깊숙이 침투하여 콘크리트의 열화요인을 근본적으로 치유하는 성능을 갖는다. 콘크리트 중성화는 경화체 내부의 물리화학적인 반응(예를 들어, 경화체 기공분포의 증대, PH의 상실 등) 과정이므로 종래 기술과 같이 표면층에 대한 보수, 보강으로는 근본적인 치유를 할 수 없다. HYDRO-CDS는 입자크기가 나노미터 범위의 초미립자로서 일반적으로 시멘트 경화체 열화의 주원인으로 알려져 있는 미세한 공극 내부까지 침투하므로 콘크리트 내구성 저하에 대한 근본적인 치유가 가능하게 된다.앞서 제시한 종래의 특허출원 제1999-39326호에 개시된 접착 모르타르는 콘크리트 표면 접착을 위해서 표면에 도포하는 것으로서, 35∼50%의 시멘트를 함유 하고 있어, 10∼20%의 물과 혼합하는 경우 수산화칼슘{Ca(OH)₂}, 에트링가이트, 모노셜페이트를 발생시킨다. 이 중에서 수산화 칼슘은 수십 ㎛의 육각판상으로서 층상으로 쌓여 잔존하게 되며, 이것이 수중이나 대기중의 탄산가스(CO₂), 유해물질 등과 반응을 일으켜 중성화된다. 이는 곧 열화의 원인이 되면서 크랙의 확장을 촉진시켜 크게 팽창하게 되어 결국 수산화 칼슘은 강도 저하와 조직 열화에 결정적 역할을 하게 된다. 또한 에트링가이트 및 모노셜페이트는 수㎛ 이하의 침상 또는 육각판상의 적층구조로 이루어져 있으며 거대한 물분자의 결합수를 취하게 되면 크게 팽창된다. 따라서 시멘트 경화체의 강도 증진과 조직 치밀화를 위한 내구성 향상을 위해서는 수산화칼슘 결정체를 없애주어야 하는데, 종래의 접착모르타르는 시멘트를 사용하는 것으로서 오히려 수산화 칼슘 등의 수화물 결정체를 만들어 내게 된다.

시멘트 조성광물				수화생성물
3CaOSiO₂(C₃S)	+	H₂O	→	C-S-H + Ca(OH)₂
2CaOSiO₂(C₂S)
CaSO₂H₂O (석고)				3CaOAl₂O₃3CaSO₄32H₂O(에트링가이트)3CaOAl₂O₃CaSO₄12H₂O(모노셜페이트)
3CaOAl₂O₃(C₃A)
4CaOAl₂O₃Fe₂O₃(C₃AF)

<시멘트를 포함한 접착모르타르의 수화반응>HYDRO-CDS는 시멘트 모르타르를 사용하는 공정을 포함하고 있지 아니하는, 콜로이드 실리카를 사용하는 액상형 침투 강화제로서 콘크리트의 수화 반응시 발생한 수화생성물{Ca(OH)₂}과 포졸란 반응(Pozzolan Reaction)하여 C-S-H gel을 만들어 내게 된다.

C₃S, C₂S 등(시멘트) + H₂O → C-S-H + Ca(OH)₂Ca(OH)₂+ HYDRO-CDS → C-S-H gel

종래의 일반적인 유기계 방수제는 거대 기공이나 모세관 기공을 통해 표면으로부터 약간(약 2∼3㎜) 침투한다고 할 수 있으나, C-S-H는 0.002㎛ 내외의 조직이므로 깊게 침투를 하지 못한다. 그러나 콜로이드 실리카는 입자의 크기가 0.002㎛ 이하이므로 물분자보다 작아 C-S-H 기공에 자연적 침투가 용이하여 양생기간이 긴 경우 최종적으로 100∼150mm 정도 까지 침투가 가능하다.

시료	15일 양생 여의도 공동구 내 콘크리트	3개월 양생 압축강도 210㎏f/㎠ 콘크리트	3개월 양생 압축강도 150㎏f/㎠ 콘크리트
침투깊이(㎝)	2.8, 2.6, 2.7, 2.7, 2.4	3.3	14.8

<HYDRO-CDS의 침투깊이에 대한 한국건설품질시험원의 시험 성적서>

보수 범위에 침투성 접착강화제(12)를 도포한 후에는 그 위에 무기계 폴리머 시멘트 복합재료(13)를 미장 또는 스프레이하여 3mm 이상의 두께가 되도록 하여 단면을 복구한다. 본 발명에서 사용되는 무기계 폴리머 시멘트 복합재료(13)는 10 내지 20 중량%의 무기계 폴리머, 25 내지 40 중량%의 시멘트, 30 내지 45 중량%의 규사, 15 내지 18 중량%의 물, 1 내지 5 중량%의 혼화재 및 0.5 내지 1 중량%의 감수제를 포함하는 조성물이 바람직한데, 이것은 상품명 렌드록-에이취제이(RENDROC-HJ : 홍진리모델링사 제품)로서 구입 가능하다. 본 발명에서 사용되는 무기계 폴리머 시멘트 복합재료는 구 콘크리트와 물리적, 역학적 성질이 동일하기 때문에 신·구 콘크리트 간의 장기적 접착성능을 보장한다.

무기계 폴리머 시멘트 복합재료(13)로 단면을 복구한 후에는, 무기계 폴리머시멘트 복합재료(13), 즉 신 콘크리트의 손상을 방지하기 위하여 침투성 접착강화제(14)를 1회 정도 스프레이나 붓으로 코팅한다. 이를 통해 표면을 보호하고, 방수효과를 갖게 할뿐만 아니라 유해 물질의 침투를 억제함으로써 재하자의 발생을 방지할 수 있다.

도 2는 본 발명에 의한 콘크리트 구조물 원형복원 공법에 의해 원형이 복원된 콘크리트 구조물의 단면을 도시한 것으로서, 손상된 구 콘크리트(11) 상에 침투성 접착강화제(12)가 도포되고, 그 위에 무기계 폴리머 시멘트 복합재료(13)가 살포되어 일정 두께로 형성되고, 그 위에 침투성 접착강화제(14)가 코팅된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 손상된 교량, 터널, 복개구조물 및 기타 토목건축용 철근콘크리트 구조물의 원형복원을 위한 본 발명의 콘크리트 구조물 원형복원 공법은 접착성을 강화시켜주고 침투성이 우수한 침투성 접착강화제, 특히 겔타입의 무기질 재료와 더불어 구 콘크리트와 물리적, 역학적 성질이 동등한 무기계 폴리머 시멘트 복합재료를 사용함으로써, 중성화된 콘크리트 부위의 재알칼리화, 가용성 염화물의 고정화 및 팽창성 물질인 에트링가이트(ettringite)의 분해 등을 통해 손상된 구 콘크리트를 침투 강화시키는 한편, 신·구 콘크리트 간의 접착력을 향상시켜 그 접착성능을 오랜 기간 동안 유지할 수 있도록 보장하고, 원형복원된 콘크리트 구조물의 표면을 보호함으로써 재하자 발생을 미연에 방지하며, 우수한 방수 효과를 갖는 등 그 작용·효과가 현저히 우수하다.그리고 침투성 접착강화제가 접착과 동시에 콘크리트에 침투하여 콘크리트와 일체화되는 바 콘크리트 단순 복원 이상으로 콘크리트 내부 구조의 보강 효과가 뛰어나다.또한 본 발명은 무기계 재료를 사용한 복원공법으로 유기계 재료를 사용한 복원공법에 비해 환경친화적인 효과도 얻을 수 있다.

Claims

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보수될 부위에 콜로이드 실리카(colloidal silica)를 60 내지 80 중량%로 함유하는 겔타입의 무기질 재료의 액상형 침투성 접착강화제를 도포하는 제 1단계,

상기 도포된 액상형 침투성 접착강화제 상에 무기계 폴리머 시멘트 복합재료를 살포하여 단면을 복구하는 제 2단계 및

상기 무기계 폴리머 시멘트 복합재료 상에 상기 액상형 침투성 접착강화제를 코팅하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 원형복원 공법.
제 3항에 있어서, 상기 무기계 폴리머 시멘트 복합재료는 10 내지 20 중량%의 무기계 폴리머, 25 내지 40 중량%의 시멘트, 30 내지 45 중량%의 규사, 15 내지 18 중량%의 물, 1 내지 5 중량%의 혼화재 및 0.5 내지 1 중량%의 감수제를 포함하는 조성물인 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 원형복원 공법.
제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 제 1단계 전에 고압수에 의한 표면처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 원형복원 공법.