KR100852392B1 - 액상무기 바인더의 제조방법과 이를 이용한 콘크리트구조물 및 강구조물의 내구성 도막형성공법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액상 무기바인더의 제조방법과 이를 이용한 콘크리트 구조물 및 강구조물의 내구성 도막형성공법에 관한 것으로서, 콘크리트의 구성성분과 유사한 무기질 재료를 원료로 하여 콘크리트 구조물 또는 강구조물과의 친화력을 증대시킬 수 있는 액상 무기질 바인더를 제조하여 이를 활용공법에 적용하여 시공시 콘크리트 구조물 및 강구조물의 부식 및 기타 열화인자를 차단하여 내구성을 증진시키며, 화재시 콘크리트 구조물 및 강구조물의 보호를 위해 내열성과 방청 도장재의 기능을 함께 발현할 수 있음은 물론 유해 중금속의 용출이 없어 인체에 안전한 친환경성 액상 무기질 바인더와 이를 이용한 콘크리트 구조물 및 강구조물에의 내구성 도막형성공법을 제공하는 효과가 있다.
액상무기바인더, 내구성 향상제, 내열성, 방청

Description

액상무기 바인더의 제조방법과 이를 이용한 콘크리트 구조물 및 강구조물의 내구성 도막형성공법{The membrane technique with ceramic liquid binder for enhancing durability performance of concrete and steel structures}
본 발명은 액상 무기바인더의 제조방법과 이를 이용한 콘크리트 구조물 및 강구조물의 내구성 도막형성공법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘크리트의 구성성분과 유사한 무기질 재료를 원료로 하여 콘크리트 구조물 또는 강구조물과의 친화력을 증대시킬 수 있는 액상 무기질 바인더를 제조하고 이를 이용하여 콘크리트 구조물 및 강구조물의 부식 및 기타 열화인자를 차단하여 내구성을 증진시키며, 화재시 콘크리트 구조물 및 강구조물의 보호를 위해 내열성과 방청 도장재의 기능을 함께 발현할 수 있음은 물론 유해 중금속의 용출이 없어 인체에 안전한 친환경성 액상 무기바인더의 제조방법과 이를 이용한 콘크리트 구조물 및 강구조물의 내구성 도막형성공법에 관한 것이다.
오늘날 세계적인 환경보호 추세와 더불어 중금속이나 휘발성 유기화합물의 방 출이 없는 친환경적인 무기질 바인더 코팅재의 개발에 많은 연구가 진행되어 오고 있는 실정이며, 종래의 유기 바인더 코팅재는 경화시 휘발성 유기 화합물의 방출과 경화 후의 다양한 환경요소, 특히 산성비, 자동차 배기가스에 의한 질소산화물, 황산화물, 그을음, 해수의 비례 염분에 의한 염소이온 등에 의해 코팅막이 열화 되며, 자외선에 의한 황변현상, 갈라짐, 부풀어 오름 현상에 의해 사용수명이 빠르게 떨어져 내구성의 확보에 어려움이 심각하게 대두되어 오고 있는 실정이다.
특히, 콘크리트가 공기 중에 노출되면 시멘트 수화물인 수산화칼슘{Ca(OH)2}이 공기 중의 이산화탄소(CO2)와 반응하여 탄산염(탄산칼슘, 탄산수소칼슘)을 생성하게 되며, 이러한 작용으로 알칼리성인 콘크리트가 중성화되어 콘크리트가 열화 되는데 콘크리트의 열화는 표면에서 내부를 향하여 진행되며, 열화가 진행됨에 따라 콘크리트의 알칼리성(PH 12.5~13)인 pH가 8.5~10 정도로 중성화되며, 강알칼리성에서 철근이 부동태 막을 형성하고 있던 것이 이의 영향으로 파괴되어 철근의 부식을 가속화 시키며, 철근이 부식되면 체적이 팽창하게 되는데, 콘크리트 속에서 구속되어 있던 철근의 체적팽창은 콘크리트 구조물의 응력을 가속화시켜 균열을 유발시키고 철근 부착강도 저하, 피복 콘크리트의 박리, 철근의 강도저하 등 철근 콘크리트 구조물의 물리적 성능을 떨어뜨리는바, 종국적으로는 구조물 전체의 위기를 초래한다.
또한, 종래의 유기 바인더는 대부분이 용제형으로 용제의 특성상 유독성이어서 공해문제와 시공시 인체에 심한 악영향을 미치는 문제점을 수반하기 때문에 오 늘날 그 사용을 제한하고 있는 실정이다. 뿐만 아니라 상기와 같은 종래의 유기 바인더는 무기물인 콘크리트나 강구조물과의 이종재료 간의 상이한 특성으로 밀착성 및 접착성에 의한 내구성을 기대하기 어려운 재료적인 문제점이 상존해 있어 왔다.
그래서 이러한 단점을 보완하는 무기질 바인더를 제조하여 이를 콘크리트 구조물이나 강구조물에 적용할 수 있는 공법개발이 요구되어 오고 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 콘크리트의 구성성분과 유사한 무기질 재료를 원료로 하여 콘크리트 구조물 또는 강구조물과의 친화력을 증대시킬 수 있는 액상 무기질 바인더를 제조하여 이를 활용공법에 적용하여 시공시 콘크리트 구조물 및 강구조물의 부식 및 기타 열화인자를 차단하여 내구성을 증진시키며, 화재시 콘크리트 구조물 및 강구조물의 보호를 위해 내열성과 방청 도장재의 기능을 함께 발현할 수 있음은 물론 유해 중금속의 용출이 없어 인체에 안전한 친환경성 액상 무기질 바인더와 이를 이용한 콘크리트 구조물 및 강구조물에의 내구성 도막형성공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A 25~35중량%, 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 B 25~35중량% 및 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 C 25~50중량%를 혼합 교반하여 제조된 혼합물에 수산화칼슘과 이소프로판올로 이루어진 희석액(수산화칼슘:이소프로판올=1:4 중량비)을 첨가하여 전체 혼합물의 pH가 12~13, 산화나트륨 함량이 0.4 중량% 이하가 되도록 호모믹스를 이용하여 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸(복합알카리졸)을 제조하는 제1단계, 상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 80중량부에 대하여 순수 15~25중량부, 수산화칼륨 10~18중량부 및 수산화알루미늄 0.2~0.6중량부를 첨가하여 충분히 교반하여 상기 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸의 나노입자의 기능성기에 알루미늄 이온과 칼륨 이온을 치환시켜 화학적 구조상 안정한 pH 12~13의 중간체를 제조하는 제2단계, 상기 제2단계의 중간체 100중량부에 대하여 올가노알콕시실란 3~7중량부와 올가노 아미노실란 3~7중량부를 첨가하여 80℃에서 3000rpm으로 1시간 반응시키는 제3단계를 포함하여 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A는 이산화규소 고형분 함량이 40~41중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.6중량% 이하이며 pH 9.0~10.5임을 특징으로 한다.
상기 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 B는 이산화규소 고형분 함량이 20~21중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.2중량% 이하이며 pH 8.5~9.0임을 특징으로 한다.
상기 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 C는 이산화규소 고형분 함량이 20~21중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량%이하, 암모니아 함량은 0.2중량%이하이며 pH 9.0~10.0임을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A 25~35중량%, 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 B 25~35중량% 및 수성 콜로이드상의 금속산화물 C 25~50중량%를 혼합 교반하여 제조된 혼합물에 아세트산과 이소프로판올로 이루어진 희석액(아세트산:이소프로판올=1:4 중량비)을 첨가하여 전체 혼합물의 pH가 3~6, 산화나트륨 함량이 0.04 중량% 이하가 되도록 호모믹스를 이용하여 복합콜로이드상의 나노 금속산화물졸(복합산성졸)을 제조하는 제1단계, 상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 70중량부에 대하여 순수 28~32중량부와 에탄올 28~32중량부를 첨가하여 30분 이상 충분히 교반한 후 이렇게 제조된 혼합물 130중량부에 대하여 올가노 알콕시실란 68~72중량부를 30분 이상에 걸쳐서 드롭핑하면서 상온에서 300rpm으로 반응시켜 중간체인 올가노졸을 제조하는 제2단계, 상기 제2단계의 중간체 100중량부에 대하여 실리콘카바이드 8~12중량부, 카본블랙 0.1~0.7중량부, 지르코늄옥사이드졸 1~3중량부, 티타늄옥사이드졸 1~3 중량부를 첨가하여 호모믹스 후 다이노밀에서 2시간 이상 교반 분쇄하는 제3단계를 포함하여 강구조물용 액상 무기 바인더의 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A는 이산화규소 고형분 함량이 30~31중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량% 이하이며 pH 3.5~5.0임을 특징으로 한다.
상기 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 B는 이산화규소 고형분 함량이 34~35중량%이고, 입도크기는 10~15㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량% 이하이며 pH 2.8~3.0임을 특징으로 한다.
상기 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 C는 이산화규소 고형분 함량이 15~20중량%이고, 입도크기는 5~6㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량% 이하이며 pH 9.0~9.1임을 특징으로 한다.
이하, 액상 무기 바인더의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의해 제조되는 액상 무기 바인더는 pH12~13의 복합 콜로이드상의 금속산화물졸(복합알카리졸)의 나노입자의 기능성기에 화학 구조상 알카리성 pH 12~13을 갖도록 고안된 칼륨이온과 알루미늄 이온을 치환시킨 콜로이드상의 중간체에 올가노 알콕시실란과 올가노 아미노실란을 배합하여 콘크리트 수화물의 구성성분인 실리케이트가 알카리성에서 화학적 결합을 이루도록 하는 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더와; 나노입자의 복합콜로이드상의 금속산화물(복합산성졸, pH3~6)에 올가노 알콕시 실란을 가수분해시킨 올가노졸과 금속산화물 또는 금속화합물을 배합하여 제조된 강구조물용 액상 무기 바인더로 구분한다.
먼저, 바탕모체가 콘크리트인 경우는 시멘트 수화물인 수산화칼슘에 의해 강한 알칼리성을 띠고 있으며, 콘크리트의 내구성에 미치는 영향 중 콘크리트의 중성화에 의해 열화가 가장 빠르게 진행되므로 액상 무기질 바인더로 인한 중성화에 영향을 미치지 않아야 되는 점을 착안하여 액상 무기질 바인더가 화학 구조상 알칼리성을 갖도록 하는 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더를 제조한다.
본 발명의 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더의 제조단계별로 설명하면 다음과 같다.
제1단계
이산화규소 고형분 함량이 40~41중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.6중량% 이하이며 pH 9.0~10.5임을 특징으로 하는 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A 25~35중량%;
이산화규소 고형분 함량이 20~21중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.2중량% 이하이며 pH 8.5~9.0임을 특징으로 하는 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 B 25~35중량%;
및 이산화규소 고형분 함량이 20~21중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량% 이하, 암모니아 함량은 0.2중량% 이하이며 pH 9.0~10.0임을 특징으로 하는 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 C 25~50중량%를 혼합 교반한다.
이렇게 제조된 상기 혼합물에 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 이소프로판올(isopropanol;(CH3)2CHOH)로 이루어진 희석액(수산화칼슘:이소프로판올=1:4 중량비)을 첨가하여 전체 혼합물의 pH가 12~13, 산화나트륨(Na2O) 함량이 0.4 중량% 이하가 되도록 호모믹스를 이용하여 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸(복합알카리졸)을 제조한다.
상기 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A, B, C 중 한 종류만 사용할 경우에는 바인더의 저장안정성이 떨어져 도막의 상태가 거칠어지며 내수성도 떨어지므로 수성 콜로이드상의 나노 금속산화물 A, B, C 세종류를 모두 사용하는 것이 바람직하다.
또한 상기의 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 중에 함유되어있는 실리케이트는 도막의 고경도화, 투명성, 내오염성을 도입할 목적으로 사용한다.
여기서 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸(복합알카리졸)의 pH가 12~13, 산화나트륨(Na2O) 함량이 0.4 중량% 이하가 되도록 하기 위하여 상기의 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A와 B의 함량은 25~35중량%로 하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A와 B의 함량이 각각 30중량%인 것이 가장 바람직하다.
마찬가지로, 상기의 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 C의 함량도 25~50중량%로 하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 C의 함량이 40중량%인 것이 가장 바람직하다.
제2단계
상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 80중량부에 대하여 순수(pure water) 15~25중량부, 수산화칼륨(KOH) 10~18중량부 및 수산화알루미늄(Al(OH)3) 0.2~0.6중량부를 첨가하여 충분히 교반하여 상기 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸의 나노입자의 기능성기에 알루미늄 이온(Al3 +)과 칼륨 이온(k+)을 치환시켜 화학적 구조상 안정한 pH 12~13의 중간체를 제조한다.
상기 복합알카리졸의 실리케이트 나노입자에 칼륨과 알루미늄의 금속이온을 치환시킨 콜로이드상의 입자는 10~20㎚사이즈로 pH는 12~13 되도록 하여 바인더 원료로 사용한다.
여기서 상기 중간체의 pH가 12~13이 되도록 하고 알루미늄 이온과 칼륨 이온의 치환이 용이하게 하기 위하여 상기 순수의 함량은 상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 80중량부에 대하여 15~25중량부인 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 순수의 함량이 40중량부인 것이 가장 바람직하다.
마찬가지로, 상기 수산화칼륨의 함량도 상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 80중량부에 대하여 10~18중량부인 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 순수의 함량이 14중량부인 것이 가장 바람직하다.
마찬가지로, 상기 수산화알루미늄의 함량도 상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 80중량부에 대하여 0.2~0.6중량부인 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 순수의 함량이 0.4중량부인 것이 가장 바람직하다.
제3단계
상기 제2단계의 중간체 100중량부에 대하여 올가노 알콕시 실란(Organo alkoxy silane; RSi(OR')3) 3~7중량부와 올가노 아미노실란(Organo aminosilan) 3~7중량부를 첨가하여 80℃에서 3000rpm으로 1시간 반응시켜 최종적으로 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더를 제조한다.
여기서 올가노 알콕시 실란은 도막의 고경도화 및 내열성 있는 도막형성을 위해서 메틸기(Methyl group) 도입의 필요성에 따라 테트라메톡시실란(Tetramethoxysilan; Si(OCH3)4), 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilan; CH3Si(OCH3)3), 트리메틸메톡시실란(Trimethylmethoxysilan; (CH3)3SiOCH3), 디메틸디메톡시실란(Dimethyldimethoxysilane; (CH3)2Si(OCH3)2), 트리에틸메톡시실란(Triethylmethoxysilan; (C2H5)3SiOCH3), 에틸트리메톡시실란(Ethyltrimethoxysilan; C2H5Si(OCH3)3), 디에틸디메톡시실란(Diethylmethoxysilan; (C2H5)2Si(OCH3)2) 등으로 이루어진 군에서 사용하는 것이 바람직하며, 상기 제2단계의 중간체 100중량부에 대하여 3~7중량부인 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 순수의 함량이 5중량부인 것이 가장 바람직하다.
또한, 올가노 아미노실란은 콘크리트 표면 도막에 내수성을 높이기 위해 소수성 배향막과 콘크리트 기재와 도막의 화학적 커플링을 향상시키기 위하여 사용되는 것으로서 N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필-트리메톡시실란{(CH3O)SiCH2CH2CH2NHCH2CH2NH2}, 아미노에틸아미노프로필트리에톡시실란{NH2(CH2)2NHC3H6Si(OCH2CH3)3}, N-2-(벤질아미노)-에틸-3-아미노프로필-트리메톡시실란{(CH3O)3Si(CH2)3NHCH2NH2}, N-2-(비닐벤질아미노)-에틸-3-아미노프로필-트리메톡시실란{(CH3O)3Si(CH2)3NH(CH2)2NHCH2} 중에서 사용하는 것이 바람직하며, 상기 제2단 계의 중간체 100중량부에 대하여 3~7중량부인 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 순수의 함량이 5중량부인 것이 가장 바람직하다.
올가노 알콕시실란과 콜로이드상의 수산화알루미늄의 반응 메카니즘은 다음과 같다.
RSi(OR′)3 + Al(OH)3 + 3H2O → RSi(OH)3 · Al(OH)3 + 3R′OH →
RSi(OH)3 · Al(OH)3 → RSiO3/₂· Al(OH)3 + 3/2H2O
R: 여러 가지 폴리머들과 반응하는 organo-functional group
OR': alcoxy group
한편, 바탕모체가 강재인 경우는 부식을 방지하기 위한 코팅막의 내수성 향상과 코팅막의 밀착성을 증진시키며, 화재시 높은 온도에 대응할 수 있는 불연성의 도막을 형성하여 강구조물의 내구성을 갖도록 본 발명의 강구조물용 액상 무기 바인더를 제조한다.
강구조물용 액상 무기 바인더 제조 단계별로 설명하면 다음과 같다.
제1단계
이산화규소 고형분 함량이 30~31중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량% 이하이며 pH 3.5~5.0임을 특징으로 하는 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A 25~35중량%;
이산화규소 고형분 함량이 34~35중량%이고, 입도크기는 10~15㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량% 이하이며 pH 2.8~3.0임을 특징으로 하는 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 B 25~35중량%;
및 이산화규소 고형분 함량이 15~20중량%이고, 입도크기는 5~6㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량% 이하이며 pH 9.0~9.1임을 특징으로 하는 수성 콜로이드상의 금속산화물 C 25~50중량%를 혼합 교반한다.
이렇게 제조된 혼합물에 아세트산과 이소프로판올로 이루어진 희석액(아세트산:이소프로판올=1:4 중량비)을 첨가하여 전체 혼합물의 pH가 3~6, 산화나트륨 함량이 0.04중량% 이하가 되도록 호모믹스를 이용하여 복합콜로이드상의 나노 금속산화물졸(복합산성졸)을 제조한다.
여기서 상기 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸(복합산성졸)의 pH가 3~6 이상 증가함에 따라 바인더 도막의 물에 대한 접촉각이 저하되어 표면 발수성이 떨어지며 콘크리트 구조물의 장기 내구성을 향상시키는데 제한적이기 때문에 바인더의 안정성과 바인더 제조시 반응속도가 빠르게 진행 되도록 하기 위하여 pH는 3~6 범위가 바람직하다.
또한, 상기 수성 콜로이드상의 나노 금속산화물 A, B, C 중 한 종류만 사용할 경우에는 바인더의 저장안정성이 떨어져 도막의 상태가 거칠어지며 내수성도 떨어지므로 수성 콜로이드상의 나노 금속산화물 A, B, C 세 종류를 모두 사용하는 것이 바람직하다.
상기의 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 중에 함유되어있는 실리케이트는 도막의 고경도화, 투명성, 내오염성을 도입할 목적으로 사용한다.
여기서 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸(복합산성졸)의 pH가 3~6, 산화나트륨(Na2O) 함량이 0.4 중량% 이하가 되도록 하기 위하여 상기의 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A와 B의 함량은 25~35중량%로 하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A와 B의 함량이 각각 30중량%인 것이 가장 바람직하다.
마찬가지로, 상기의 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 C의 함량도 25~50중량%로 하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 C의 함량이 40중량%인 것이 가장 바람직하다.
제2단계
상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 70중량부에 대하여 순수 28~32중량부와 에탄올 28~32중량부를 첨가하여 30분 이상 충분히 교반한 후 이렇게 제조된 혼합물 130중량부에 대하여 올가노 알콕시실란 68~72중량부를 30분 이상에 걸쳐서 드롭핑하면서 상온에서 300rpm으로 반응시켜 중간체인 올가노졸을 제조한다.
여기서 도막의 고경도화 및 내열성 있는 도막형성을 위해서 첨가되는 올가노 알콕시 실란의 가수분해를 효과적으로 하기위하여 상기 순수의 함량은 상기 제1단 계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 70중량부에 대하여 28~32중량부인 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 70중량부에 대하여 30중량부가 가장바람직하다.
마찬가지로, 상기 에탄올의 함량은 상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 70중량부에 대하여 28~32중량부인 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 70중량부에 대하여 30중량부가 가장바람직하다.
상기 올가노졸(유기물로 이루어진 분산매에 콜로이드입자가 분산하고 유동성을 가지고 있는 계)은 올가노 알콕시 실란의 가수분해에 의해 생성되며 반응식은 다음과 같다.
RSi(OR′)3 + 3H2O → RSi(OH)3 + 3R'OH
RSi(OH)3 → RSiO3/2 + 3/2H2O
R: 여러 가지 폴리머들과 반응하는 organo-functional group
OR': alcoxy group
올가노졸은 건조과정에서 축합중합하여 실록산(siloxane; 실록산 결합 Si-O로 이루어져 있는 화합물의 총칭으로, 실란(SinH2n +2)의 할로겐 치환체에 물을 작용시키면 생긴다) 분자가 거대화하여 도막이 되며 도막의 물성은 알킬기(예; 메틸기, 에 틸기, 프로필기, 부틸기)의 종류에 따라 다르다.
또한, 올가노 알콕시 실란은 도막의 고경도화 및 내열성 있는 도막형성을 위해서 메틸기(Methyl group) 도입의 필요성에 따라 테트라메톡시실란{Tetramethoxysilan; (CH3O)4Si(OCH3)4}, 메틸트리메톡시실란{methyltrimethoxysilan; CH3Si(OCH3)3}, 트리메틸메톡시실란{Trimethylmethoxysilan; (CH3)3Si(OCH3)}, 디메틸디메톡시실란(Dimethylmethoxysilan; (CH3)2Si(OCH3)2), 트리에틸메톡시실란{Triethylmethoxysilan; (C2H5)3Si(OCH3)}, 에틸트리메톡시실란{Ethyltrimethoxysilan; C2H5Si(OCH3)3}, 디에틸디메톡시실란{Diethylmetoxysilan; (C2H5)2Si(OCH3)2} 등으로 이루어진 군에서 사용하는 것이 바람직하며, 순수와 에탄올 혼합물 130중량부에 대하여 68~72중량부인 것이 바람직하다. 가장 바람직하기로는 순수의 함량이 70중량부인 것이 가장 바람직하다.
제3단계
상기 제2단계의 중간체 100중량부에 대하여 실리콘카바이드(silicon carbide) 8~12중량부, 카본블랙(carbon black) 0.1~0.7중량부, 지르코늄옥사이드(zirconium oxide; ZrO2)졸 1~3중량부, 티타늄옥사이드(titanium oxide; TiO2)졸 1~3중량부를 첨가하여 호모믹스 후 다이노밀에서 2시간 이상 교반 분쇄하여 최종적으로 강구조 물용 액상 무기 바인더를 제조한다.
상기의 실리콘카바이드는 금속산화물 또는 금속화합물로서 다양한 컬러와 요구물성에 따라 산화알루미늄(Al2O3), 탄산칼슘(CaCO3), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 삼산화이철(Fe2O3), 산화마그네슘(MgO), 삼산화이크롬(Cr2O3), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 토론(Tn), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 셀렌(Se), 은(Ag) 등으로 대체 활용 할 수 있으며, 상기 제2단계의 중간체 100중량부에 대하여 8~12중량부인 것이 바람직하다.
본 발명의 강구조물용 액상 무기바인더의 제조시 사용되는 금속 화합물 및 금속 산화물은 경화시 나노입자 복합콜로이드상의 금속산화물 중 실리케이트(Silicate)의 실란올(Silanol, Si-OH)기와 축합중합하고 3차원화하여 경화한다. 이때 경화제인 지르코늄옥사이드졸 또는 티타늄옥사이드졸은 실란올기와 반응하여 SiO4 4-의 규산 사면체 골격을 금속 이온으로 가교하거나 알칼리성 금속과 반응하여 알칼리 금속을 고정하는 것에 의해 규산겔의 생성을 진행하는 등의 메카니즘으로 내수성 경화체를 생성하므로 카본블랙(carbon black) 0.1~0.7중량부, 지르코늄옥사이드(zirconium oxide; ZrO2)졸 1~3중량부, 티타늄옥사이드(titanium oxide; TiO2)졸 1~3중량부로 하는 것이 바람직하다.
또한, 콘크리트구조물용 액상 바인더를 이용한 강구조물의 내구성 향상을 위 한 도막을 형성하는 공법은 상기의 방법으로 제조된 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 산화알루미늄 10~15중량부, 탄산칼슘 7~10 중량부, 이산화티타늄 3~5중량부, 카본블랙 0.5~1 중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조한 후 콘크리트 표면에 도포하여 콘크리트 구조물의 내구성 향상을 위한 도막을 형성하는 공법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 산화알루미늄(Al2O3)은 기재(예: 콘크리트)에 대한 도막의 밀착성 향상과 상도성(탑코팅 시공성)향상, 도막형성 후 도막이 양전하가 되기 때문에 정전기 방지막으로서의 기능을 도입할 목적으로 첨가하는 것으로 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 10 중량부 미만 및 15중량부 초과 범위에서는 도막강도가 강하되는 문제가 있어 10~15중량부로 첨가하는 것이 바람직하며, 탄산칼슘(CaCO3)은 체질안료로서 필러(filler) 역할을 위해 첨가하는 것으로 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 7중량부 미만 및 10중량부 초과 범위에서는 체질안료로서 초과시 도막강도가 저하되는 문제가 있어 7~10중량부로 첨가하는 것이 바람직하고, 이산화티타늄(TiO2)은 콘크리트 바탕에 대한 은폐력을 부여하기 위해 첨가하는 것으로 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 3중량부 미만인 경우에는 콘크리트 바탕에 대한 은폐력이 떨어지고 및 5중량부 초과 범위에서는 콘크리트 바탕에 대한 은폐력 향상의 효과가 미미하여 3~5중량부로 첨가하는 것이 바람직하며, 카본블랙(Carbon black)은 도막의 조색작용을 위해 첨가하는 것으로 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 0.5중량 부 미만인 경우에는 조색작용이 미미하며 1중량부 초과 범위에서는 전체 도막색상이 퇴색되는 현상이 발생하여 0.5~1중량부로 첨가하는 것이 바람직하다.
올가노 아미노실란을 첨가한 본 발명의 콘크리트용 액상 무기 바인더의 경우에는 표면의 친수성기재(예: 콘크리트)에 도포하면 실란올(Silanol, Si-OH)기와 기재(콘크리트)의 활성부분 HO-, HOO-에서 탈수축합반응이 일어나고 Si-O-기재의 공유결합이 형성되어 밀착성이 우수한 불용성 도막을 형성하며 반응 메카니즘은 다음과 같다.
Si-O-NH4-n-Rn + HO-기재 → Si-O-기재 + Rn·NH3-n + H2O
콘크리트의 구성물질 중 시멘트는 규산삼석회(에일라이트, 3CaO·SiO2, C3S), 규산이석회(벨라이트, 2CaO·SiO2, C2S), 알루민산삼석회(3CaO·Al2O3, C3A) 철알루민산사석회(4CaO·Al2O3·Fe2O3, C4AF)등의 화합물로 구성되어 있다. 에일라이트는 시멘트 중에 가장 많이 존재하는 광물로서 약간의 Al, Mg, Fe, 알칼리성분 등이 용융된 고용체이며, 벨라이트는 약간의 Al, Mg, Fe, 알칼리성분 등이 고용된 고용체이다. 이러한 복합화합물인 시멘트가 물과 방응하면 수산화칼슘(CH)과 규산칼슘(C-S-H) 수화물을 생성한다. 즉 시멘트가 물을 만나 반응하면 곧 칼슘이온(Ca+2)이 용출되고 액상은 높은 알칼리성이 되며, 반응 종결시 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 규산칼슘(calcium silicate; CaSiO3, Ca2SiO4, 3CaO·SiO2 등) 수화물이 만들어지고 다양한 미반응의 칼륨이온(k+), 칼슘이온(Ca2 +), 마그네슘이온(Mg2 +), 나트륨이온(Na+), 알루미늄이온(Al3+)이 존재하게 된다. 따라서 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더가 콘크리트 구조물 표면에 도포되면 상기의 시멘트 수화물이나 상기의 미반응의 유리 이온과 화학작용으로 불용성의 염을 형성하여 콘크리트 표면에 도막을 형성한다. 이러한 불용성의 도막은 시멘트 콘크리트 중 구성성분인 무기물과 본 발명의 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더가 화학작용에 의해 생성된 불용성의 염으로서 기재인 콘크리트와 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더가 같은 무기질의 고용체를 형성함으로 동종재료간의 화학 작용으로 3차원의 그물구조를 형성하며 콘크리트의 내구성을 증진 시킬 수 있는 다양한 열화인자를 차단하는 효과에 기인하여 콘크리트 구조물의 내구 수명을 연장하는 역할을 한다.
또한, 강구조물용 액상 바인더를 이용한 강구조물의 내구성 향상을 위한 도막을 형성하는 방법은 제1단계의 강구조물의 중방식용 희생 양극 프라이머를 제조하는 단계; 제2단계의 강구조물의 내열방식 도막제를 제조하는 단계; 및 상기 제1단계에서 제조된 강구조물의 중방식용 희생 양극 프라이머를 강구조물 표면 처리 후 도장한 다음, 상기 제2단계에서 제조된 강구조물의 내열방식 도막제를 강구조물의 표면에 도장하는 제3단계를 포함하여 강구조물의 내구성 향상을 위한 도막을 형성하는 공법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
여기서 각 단계별로 설명하면 다음과 같다.
강구조물의 중방식용 희생 양극 프라이머를 제조하는 제1단계는 상기의 방법으로 제조된 강구조물용 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 5㎛ 이하 크기의 아연분말 150~200중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조하여 강구조물의 중방식용 희생 양극 프라이머를 제조한다.
상기 중방식용 희생 양극 프라이머를 제조하는 제1단계에서의 아연분말은 희생양극으로 활용되는 금속분말 소재로서 액상의 강구조물용 무기 바인더 100중량부에 대하여 150중량부 미만의 경우에는 흐름성이 크게 됨으로서 프라이머로서 도장 작업성이 저하 되는 문제가 있으며 200중량부 초과 범위에서는 흐름성이 작게 됨으로서 프라이머로서 도장 작업성이 저하되는 문제가 있어 150~200중량부로 하는 것이 바람직하며, 또한 아연분말의 크기를 5㎛를 초과하면 프라이머의 도장 밀착성 및 도장 균일성이 떨어지는 문제가 있어 5㎛ 이하의 크기를 사용하는 것이 바람직하다.
강구조물의 내열방식 도막제를 제조하는 제2단계는 3가지 방법이 있다.
첫째, 상기의 방법으로 제조된 강구조물용 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여, 아연분말 100중량부에 대하여 삼산화이크롬(Cr2O3) 5중량부를 혼합한 금속산화물 120~150중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조하여 내열온도 900℃ 이하의 강구조물의 내열방식 도막제를 제조하는 방법이 있다.
둘째, 상기의 방법으로 제조된 강구조물용 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 산화알루미늄 80~100중량부와 산화마그네슘 70~100중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조하여 내열온도 1300℃이하의 강구조물의 내열방식 도막제를 제조하는 방법이 있다.
마지막으로 상기의 방법으로 제조된 강구조물 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 산화알루미늄 20~50중량부, 탄화규소 80~120중량부 및 이산화티타늄 5~10중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조하여 내열온도 1700℃이하의 강구조물의 내열방식 도막제를 제조하는 방법이 있다.
이와 같이, 강구조물용 액상 무기 바인더 조성물 중 금속산화물을 첨가함에 따라 불연성 및 내열성을 갖도록 하였는데, 금속산화물 첨가에 따른 내열온도는 ⅰ)Zn + Cr2O3 배합조성의 경우는 800℃~ 900℃정도, ⅱ)Al2O3 + MgO 배합조성의 경우는 1200℃~1300℃정도, ⅲ)ZrO + SiC 배합조성의 경우는 1700℃이하에서 안정한 내열성의 강구조물 내구성 도막 형성 공법을 실현시킬 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 콘크리트의 구성성분과 유사한 무기질 재료를 원료로 하여 콘크리트 구조물 또는 강구조물과의 친화력을 증대시킬 수 있는 액상 무기질 바인더를 제조하여 이를 활용공법에 적용하여 시공시 콘크리트 구조물 및 강구조물의 부식 및 기타 열화인자를 차단하여 내구성을 증진시키며, 화재시 콘크리트 구조물 및 강구조물의 보호를 위해 내열성과 방청 도장재의 기능을 함께 발현할 수 있음은 물론 유해 중금속의 용출이 없어 인체에 안전한 친환경성 액상 무기 질 바인더와 이를 이용한 콘크리트 구조물 및 강구조물에의 내구성 도막형성공법을 제공하는 효과가 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 다음의 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당업자에 의한 통상적인 변화가 가능하다.
<실시예 1>
콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더의 제조
제1단계
이산화규소 고형분 함량이 40중량%이고, 입도크기는 10㎚, 산화나트륨 함량은 0.6중량%이며 pH 9.0인 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A 30g과
이산화규소 고형분 함량이 20중량%이고, 입도크기는 10㎚, 산화나트륨 함량은 0.2중량%이며 pH 8.5인 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 B 30g 및
이산화규소 고형분 함량이 20중량%이고, 입도크기는 10㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량%, 암모니아 함량은 0.2중량%이며 pH 9.0인 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 C 40g을 혼합 교반한 후 수산화칼슘과 이소프로판올로 이루어진 희석액(수산화칼슘:이소프로판올=1:4)을 첨가하여 전체 혼합물의 pH를 12~13이 되도록 조절하고 호모믹스를 이용하여 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸(복합알카리졸) 100g을 제조하였다. 이때 전체 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸(복합알카리졸) 중에 포함된 산화나트륨 함량이 0.4중량% 이하가 되도록 하였다.
제2단계
상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노 금속산화물졸 80g에 대하여 순수20g, 수산화칼륨 14g 및 수산화알루미늄 0.4g을 첨가하여 충분히 교반하여 상기 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸의 나노입자의 기능성기에 알루미늄 이온과 칼륨 이온을 치환시켜 화학적 구조상 안정한 pH 12~13의 중간체 114g을 제조하였다.
제3단계
상기 제2단계의 중간체 100g에 대하여 메틸트리메톡시실란 5g과 N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필-트리메톡시실란 5g을 첨가하여 80℃에서 3000rpm 으로 1시간 반응시켜 최종적으로 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더를 제조하였다.
<실시예 2>
강구조물용 액상 무기 바인더의 제조
제1단계
이산화규소 고형분 함량이 30중량%이고, 입도크기는 10㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량%이며 pH 3.5인 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A 30g과
이산화규소 고형분 함량이 34중량%이고, 입도크기는 10㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량%이며 pH 2.8인 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 B 30g 및
이산화규소 고형분 함량이 15중량%이고, 입도크기는 5㎚, 산화나트륨 함량은 0.04중량%이며 pH 9.0인 수성 콜로이드상의 금속산화물 C 40g을 혼합 교반한 후 아세트산과 이소프로판올로 이루어진 희석액(아세트산:이소프로판올=1:4)을 첨가하여 전체 혼합물의 pH가 3~6이 되도록 조절하고 호모믹스를 이용하여 복합콜로이드상의 나노 금속산화물졸(복합산성졸) 100g을 제조하였다. 이때 전체 복합콜로이드상의 나노 금속산화물졸(복합산성졸) 중에 포함된 산화나트륨 함량이 0.04중량% 이하가 되도록 하였다.
제2단계
상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노 금속산화물졸 70g에 대하여 순수 30g과 에탄올 30g을 첨가하여 30분 이상 충분히 교반한 후, 이렇게 제조된 혼합물 130g에 대하여 메틸트리메톡시실란 70g을 30분 이상에 걸쳐서 드롭핑(Dropping)하면서 상온에서 300rpm으로 반응시켜 중간체인 올가노졸 200g을 제조하였다.
제3단계
상기 제2단계의 중간체 100g에 대하여 실리콘카바이드 10g, 카본블랙 0.7g, 지르코늄옥사이드졸 3g, 티타늄옥사이드졸 3g을 첨가하여 호모믹스 후 다이노밀에서 2시간 이상 교반 분쇄하여 최종적으로 강구조물용 액상 무기 바인더를 제조하였다.
<실시예 3>
콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더를 이용한 콘크리트 구조물에의 내구성 도막형성공법
상기 실시예 1의 액상 무기 바인더 100g에 대하여 산화알루미늄 10g, 탄산칼슘 7g, 이산화티타늄 3g, 카본블랙 0.5g을 첨가하여 4시간 이상 볼밀에서 분쇄하여 균일한 분산 코팅액을 제조하였다.
이때 금속산화물의 입도가 5㎛이하가 되도록 하여 콘크리트 구조물 내구성 향상 열화방지제로 사용하였다.
콘크리트 구조물에 적용시 공시 콘크리트구조물 바탕 정리 후 스프레이, 로울러, 붓 등의 도장 방법으로 콘크리트 표면에 도포함으로서 무용제 액상 무기 바인더를 이용한 친환경적인 내구성 향상 열화 방지 코팅막을 얻을 수 있었다.
상기 실시예3의 방법으로 콘크리트 구조물에 적용시 내구성 향상 열화 방지 코팅막의 물성 확인을 위해 다음과 같은 시험을 통하여 적용 성능을 확인하였다.
내구성 시험
본 발명의 공법에 따라 형성된 실험체의 시간 경과에 따른 염화이온 침투 저항을 KSF-4930에 의해 측정하였다. 콘크리트 구조물은 염화이온에 의해 급격히 열 화 되므로 염화이온에 대한 콘크리트 침투 저항성 시험은 내구성 향상 및 콘크리트 구조물의 열화방지 성능을 측정하는 척도로 활용되며, 이에 염화이온 침투에 대한 저항성이 우수 할수록 내구성이 우수하다고 할 수 있다.
KSF-4930 기준에는 염화이온 침투저항성능을 3.0㎜ 이하로 규정하고 있다.
더욱 가혹한 조건인 KSD-9502에 의한 염수분무 시험 3000시간 후에서도 도막의 열화에는 이상이 없음을 알 수 있었으며, 열화물 침투 저항에 대한 정량적 데이터를 구하기 위해 KSF-4936에 대한 통전 시험을 실시하였다.
그 결과를 표 1에 나타내었다.
Figure 112008003410123-pat00001
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더를 이용하여 콘크리트 구조물에 도막을 형성 시킬 경우 염화이온을 침투시키지 않음으로써 내구성을 향상 시킬 수 있음을 확인 할 수가 있었다.
내투수성 시험
KSF-4930에 따라 내투수성 시험을 측정하였고, KSF-4919에 따라 흡수량을 측정하였다.
내투수성 시험체는 KSF-4930, KSF-4919에 의한 시험체와 KSF-4009에 의한 콘크리트 (28일 양생) 시험체의 강도는 40.4 N/㎜2, 도장 두께는 100㎛이하로 하였다.
내투수성 시험을 하는 목적은 콘크리트 구조물을 열화시키는 인자(산성비, 염수, CO2, 공기 중 질소산화물, 황산화물 등)가 물을 매개로 하여 용해되어 침투 될 때 구조물의 내구성을 저하시키기 때문에 열화매개 인자인 물의 투수 저항성을 측정하기 위함이다.
그 결과를 표 2에 나타내었다.
Figure 112008003410123-pat00002
상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더를 이용하여 콘크리트 구조물에 도막을 형성 시킬 경우 열화매개 인자인 물의 침투를 차단하여 내구성을 향상 시킬 수 있음을 확인 할 수가 있었다.
촉진탄산화시험
KSF-2584 콘크리트 촉진 탄산화 시험방법과 KSF 2596 콘크리트 탄산화 깊이 측정방법을 이용하여 탄산화 깊이를 측정하였다.
콘크리트 구조물은 공기 중의 이산화탄소를 흡수하여 시멘트 수화물인 수산화칼슘과 반응{Ca(OH)₂+ CO₂→ CaCO₃+H2O}하여 탄산칼슘이 되어 중성화되며 이로 인한 백화가 형성되어 콘크리트 구조물을 열화시킨다. 따라서 이산화탄소에 대한 투과 저항성이 있는 도막을 형성함으로써 콘크리트의 열화를 억제하며 내구성을 증진시킬 수 있다.
따라서, 본 촉진탄산화시험에서는 콘크리트가 탄산화되어 콘크리트의 pH를 떨어뜨림으로서 콘크리트 구조물속에 있는 철근의 부식을 막아주고, 철근 부식으로 인한 구조물의 균열 발생의 근원을 차단하기 위한 시험이다.
그 결과를 표 3에 나타내었다.
Figure 112008003410123-pat00003
상기 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 미도포 기준콘크리트의 경우 10.3mm 까지 탄산화가 진행되었으나 본 발명의 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더를 이용하여 콘크리트 구조물에 도막을 형성시킨 실시예 3에서는 탄산화가 전혀 이루어지지 않았음을 알 수 있었다. 따라서 본 발명의 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더를 이용하여 콘크리트 구조물에 도막을 형성 시킬 경우 공기 중의 이산화탄소에 대한 투과저항성이 아주 우수하여 이산화탄소 투과에 의한 열화가 진행되지 않음을 알 수 있었다.
<실시예 4>
강구조물용 액상 무기 바인더를 이용한 강구조물에의 내구성 도막 형성방법
(1)프라이머 제조
강구조물의 중방식용 희생양극 프라이머로 사용하기 위한 조성물로서, 상기 실시예 2의 액상의 강구조물용 무기 바인더 100g에 대하여 5㎛이하의 아연분말 150g를 첨가하여 균일한 분산 코팅액 250g을 제조하였다.
(2)내열방식 도막재 제조
강구조물의 내구성 향상 도막형성과 화재로 인한 강구조물의 보호를 위한 내열 방식 도막재로 사용하기 위한 조성물로서, 실시예 2의 액상의 강구조물용 무기 바인더 100g에 대하여 산화알루미늄 50g, 탄화규소 120g, 이산화티타늄 10g을 첨가하고 여기에 다양한 색상실현을 위한 조색안료 10g를 첨가하여 균일한 분산 코팅액 290g을 제조하였다.
강구조물에 적용 시공시 강구조물 표면을 바탕정리 후 상기(1)의 프라이머를 스프레이, 로울러, 붓 등의 도장 방법으로 강구조물에 도포하여 건조시킨 후 상기(2)의 내열 방식 도막재를 스프레이, 로울러, 붓 등으로 강구조물에 도장하여 강구조물의 내구성 도막을 형성하였다.
내염도료 기준 시험
상기 실시예 2의 강구조물용 액상 무기 바인더를 이용한 강구조물에 내구성 도막 형성공법의 성능을 확인하기 위해 도로교 표준시방서 강교용 도료의 품질관리 기준의 내염도료 기준을 적용하여 시험하였다.
그 결과를 표 4에 나타내었다.
Figure 112008003410123-pat00004
상기 표 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 건설교통부 도료교 표준시방서 강교용 도료의 품질관리 기준 중 내염도료 기준을 적용하여 시험한 결과 모두 합격하는 결과를 얻을 수 있었다.
세라믹계 도료 품질기준시험
상기 실시예 2의 강구조물용 액상 무기 바인더를 이용한 강구조물에 내구성 도막 형성 공법의 도막의 성능을 확인하기 위해 도로교 표준시방서 강교용 도료의 품질관리 기준의 세라믹계 도료 기준을 적용하여 시험하였다.
그 결과를 표 5에 나타내었다.
Figure 112008003410123-pat00005
상기 표 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 건설교통부 도로교 표준시방서 강교용 도료의 품질관리 기준 중 세라믹계 도료 기준을 적용하여 시험한 결과 품질 관리 기준에 모두 합격하는 결과를 얻을 수 있었다.
금속산화물 첨가에 따른 내열성 측정
실시예 2의 강구조물용 액상 무기 바인더를 이용한 강구조물에 내구성 도막 형성 후 화재시 강구조물의 보호를 위한 내열 방식 도막으로의 성능을 알아보기 위해 내열성 시험을 실시하였다. 상기 실시예 4의 강구조물용 액상 무기 바인더를 이용한 내구성 도막재를 알루미나 기판에 도포한 다음 전기로를 이용하여 대기 분위기에서 열처리한 후 냉각하여 시편의 외관을 관찰하였다.
열처리 시험조건은 아래와 같다.
1단계 : 850℃에서 1분간 유지 후 상온으로 냉각 후 도막표면 관찰
2단계 : 1250℃에서 1분간 유지 후 상온으로 냉각 후 표면 관찰
3단계 : 1650℃에서 1분간 유지 후 상온으로 냉각 후 표면 관찰
그 결과를 표 6에 나타내었다.
Figure 112008003410123-pat00006
상기 표 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비교예로서 기존의 중방식 도료 3종류와 본 발명의 실시예 4를 비교 시험한 결과 기존제품의 내열성은 1단계 850℃에서 1분간 열처리 시 도막이 모두 탄화되어 2단계와 3단계는 시험이 불가능 했으며 내열성을 기대할 수 없었으나, 본 발명의 실시예 2는 1~3단계 모두 이상없이 도막의 크랙(crack), 흘러내림, 몰림, 조직변화가 나타나지 않았다. 따라서 본 발명의 강구조물용 액상 무기바인더를 내열방식도장재로 활용하여 강구조물의 내구성을 향상 시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (8)

  1. 이산화규소 고형분 함량이 40~41중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.1~0.6중량%이며 pH 9.0~10.5인 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A 25~35중량%, 이산화규소 고형분 함량이 20~21중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.1~0.2중량%이며 pH 8.5~9.0인 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 B 25~35중량% 및 이산화규소 고형분 함량이 20~21중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.01~0.04중량%, 암모니아 함량은 0.1~0.2중량%이며 pH 9.0~10.0인 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 C 25~50중량%를 혼합 교반하여 제조된 혼합물에 수산화칼슘과 이소프로판올로 이루어진 희석액(수산화칼슘:이소프로판올=1:4 중량비)을 첨가하여 전체 혼합액의 pH가 12~13, 산화나트륨 함량이 0.1~0.4 중량%가 되도록 호모믹스를 이용하여 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸을 제조하는 제1단계;
    상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 80중량부에 대하여 순수 15~25중량부, 수산화칼륨 10~18중량부 및 수산화알루미늄 0.2~0.6중량부를 첨가하여 교반하여 상기 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸의 나노입자의 기능성기에 알루미늄 이온과 칼륨 이온을 치환시켜 화학적 구조상 안정한 pH 12~13의 중간체를 제조하는 제2단계;
    상기 제2단계의 중간체 100중량부에 대하여 올가노알콕시실란 3~7중량부와 올가노 아미노실란 3~7중량부를 첨가하여 80℃에서 3000rpm으로 1시간 반응시키는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더의 제조방법.
  2. 이산화규소 고형분 함량이 30~31중량%이고, 입도크기는 10~20㎚, 산화나트륨 함량은 0.01~0.04중량%이며 pH 3.5~5.0인 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 A 25~35중량%, 이산화규소 고형분 함량이 34~35중량%이고, 입도크기는 10~15㎚, 산화나트륨 함량은 0.01~0.04중량%이며 pH 2.8~3.0인 수성 콜로이드상의 나노금속산화물 B 25~35중량% 및 이산화규소 고형분 함량이 15~20중량%이고, 입도크기는 5~6㎚, 산화나트륨 함량은 0.01~0.04중량%이며 pH 9.0~9.1인 수성 콜로이드상의 금속산화물 C 25~50중량%를 혼합 교반하여 제조된 혼합물에 아세트산과 이소프로판올로 이루어진 희석액(아세트산:이소프로판올=1:4 중량비)을 첨가하여 전체 혼합물의 pH가 3~6, 산화나트륨 함량이 0.01~0.04 중량%가 되도록 호모믹스를 이용하여 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸을 제조하는 제1단계;
    상기 제1단계의 복합콜로이드상의 나노금속산화물졸 70중량부에 대하여 순수 28~32중량부와 에탄올 28~32중량부를 첨가하여 30분 동안 교반한 후 이렇게 제조된 혼합물 130중량부에 대하여 올가노 알콕시실란 68~72중량부를 30분 동안 드롭핑하면서 상온에서 300rpm으로 반응시켜 중간체인 올가노졸을 제조하는 제2단계;
    상기 제2단계의 중간체 100중량부에 대하여 실리콘카바이드 8~12중량부, 카본블랙 0.1~0.7중량부, 지르코늄옥사이드졸 1~3중량부, 티타늄옥사이드졸 1~3중량부를 첨가하여 호모믹스 후 다이노밀에서 2시간 동안 교반 분쇄하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강구조물용 액상 무기 바인더의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 올가노 알콕시 실란은 테트라메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 트리메틸메톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 트리에틸메톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 디에틸디메톡시실란 중에서 어느 하나를 사용하고,
    상기 올가노 아미노실란은 N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필-트리메톡시실란, 아미노에틸아미노프로필트리에톡시실란, N-2-(벤질아미노)-에틸-3-아미노프로필-트리메톡시실란, N-2-(비닐벤질아미노)-에틸-3-아미노프로필-트리메톡시실란 중에서 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물용 액상 무기 바인더의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 올가노 알콕시 실란은 테트라메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 트리메틸메톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 트리에틸메톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 디에틸디메톡시실란 중에서 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 강구조물용 액상 무기 바인더의 제조방법.
  5. 상기 제1항 또는 제3항의 방법으로 제조된 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 산화알루미늄 10~15중량부, 탄산칼슘 7~10중량부, 이산화티타늄 3~5중량부, 카본블랙 0.5~1중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조한 후 콘크리트 표면에 도포하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 내구성 향상을 위한 도막형성공법.
  6. 상기 제2항 또는 제4항의 방법으로 제조된 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 1~5㎛ 크기의 아연분말 150~200중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조하여 강구조물의 중방식용 희생 양극 프라이머를 제조하는 제1단계;
    상기 제2항 또는 제4항의 방법으로 제조된 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여, 아연분말 100중량부에 대하여 삼산화이크롬(Cr2O3) 5중량부를 혼합한 금속산화물 120~150중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조하여 내열온도 800~900℃의 강구조물의 내열방식 도막제를 제조하는 제2단계;
    상기 제1단계에서 제조된 강구조물의 중방식용 희생 양극 프라이머를 강구조물 표면 처리 후 도장한 다음, 상기 제2단계에서 제조된 강구조물의 내열방식 도막제를 강구조물의 표면에 도장하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강구조물의 내구성 향상을 위한 도막형성공법.
  7. 상기 제2항 또는 제4항의 방법으로 제조된 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 1~5㎛ 크기의 아연분말 150~200중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조하여 강구조물의 중방식용 희생 양극 프라이머를 제조하는 제1단계;
    상기 제2항 또는 제4항의 방법으로 제조된 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 산화알루미늄 80~100중량부와 산화마그네슘 70~100중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조하여 내열온도 1200~1300℃의 강구조물의 내열방식 도막제를 제조하는 제2단계;
    상기 제1단계에서 제조된 강구조물의 중방식용 희생 양극 프라이머를 강구조물 표면 처리 후 도장한 다음, 상기 제2단계에서 제조된 강구조물의 내열방식 도막제를 강구조물의 표면에 도장하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강구조물의 내구성 향상을 위한 도막형성공법.
  8. 상기 제2항 또는 제4항의 방법으로 제조된 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 1~5㎛ 크기의 아연분말 150~200중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조하여 강구조물의 중방식용 희생 양극 프라이머를 제조하는 제1단계;
    상기 제2항 또는 제4항의 방법으로 제조된 액상 무기 바인더 100중량부에 대하여 산화알루미늄 20~50중량부, 탄화규소 80~120중량부 및 이산화티타늄 5~10 중량부를 첨가하여 균일한 분산코팅액을 제조하여 내열온도 1700℃의 강구조물의 내열방식 도막제를 제조하는 제2단계;
    상기 제1단계에서 제조된 강구조물의 중방식용 희생 양극 프라이머를 강구조물 표면 처리 후 도장한 다음, 상기 제2단계에서 제조된 강구조물의 내열방식 도막제를 강구조물의 표면에 도장하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강구조물의 내구성 향상을 위한 도막형성공법.
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