KR100958728B1

KR100958728B1 - 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재의 제조방법 및 이를 통해 제조된 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재

Info

Publication number: KR100958728B1
Application number: KR1020090083562A
Authority: KR
Inventors: 지상호; 유병철; 지성호; 전효성
Original assignee: 삼중씨엠텍(주)
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2010-05-18

Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재의 제조방법 및 이를 통해 제조된 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재에 관한 것으로서, 이는 아크릴 에멀젼 중합체 및 알콕시 실란계 화합물을 혼합한 합성수용액을 제조하는 제1 단계와; 산화티탄(TiO2), 실리카흄 분말 및 규조토 분말로 이루어진 분체와 소포제, 분산제 및 증점제로 이루어진 첨가제의 혼합물을 제조하는 제2 단계와; 상기 합성수용액 및 혼합물을 믹싱하는 제3 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하여, 고품질의 콘크리트 표면 처리재 제조를 가능하게 한다.

콘크리트, 표면 처리재, 유지보수, 열화방지, 중성화방지

Description

콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재의 제조방법 및 이를 통해 제조된 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재{METHOD FOR MANUFACTURING HYBRID SURFACE TREATMENT MATERIAL FOR PREVENTING DETERIORATION AND NEUTRALIZATION OF CONCRETE STRUCTURE AND HYBRID SURFACE TREATMENT MATERIAL FOR PREVENTING DETERIORATION AND NEUTRALIZATION OF CONCRETE STRUCTURE}

본 발명은 콘크리트 구조물 표면처리재의 제조방법 및 이를 통해 제조된 콘크리트 구조물 표면처리재에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 보수재로써 친환경적인 재료와 간단한 제조방법을 통해 획득될 수 있고 우수한 특성을 가짐에 따라 열악한 환경조건 하에 노출되는 콘크리트 구조물의 유지보수에 적용가능한 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재의 제조방법 및 이를 통해 제조된 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재에 관한 것이다.

콘크리트 구조물의 사회적 요구가 늘어감에 따라 구조적인 안정성과 함께 내구성 문제가 중요한 문제로 인식되고 있다. 특히, 우리나라의 건설산업은 1970년대부터 국가 경제의 고도 성장 정책에 따라 비교적 짧은 기간 동안에 많은 건설 구조물들이 대량으로 지어지기 시작하였으며, 이에 따라 대규모 신도시가 개발되어 많은 주택이 건설되었고, 사회기반 시설물인 토목구조물들도 확충하게 되었다. 이러한 건설 구조물들은 시간의 경과에 따라 여러 외부 요인 및 자체 노후화에 따라 열화가 진행되어 구조적 안전성이 사회적 문제점으로 부각되어 이에 대한 대처 방안이 요구되어져, 건축물의 경우 재개발 등을 통하여 재신설하는 방안을 강구하였으나 재신설의 경우 비용 부담 및 많은 사회적 문제점을 야기하고 있다.

또한 기존 신축 지상주의 개념으로 대량 축조된 RC 구조물의 경우, 그 구조 안전성을 최우선 목표로 한 반면, 내구성 및 유지관리에 관한 지침, 매뉴얼 및 시스템이 없는 상태에서 주변 환경 조건 따른 재료의 경년변화를 고려하지 않은 결과, 균열 발생 및 철근 부식으로 인한 내구성 저하로 인한 유지관리에 막대한 비용이 들어가는 문제점이 있고, 현재 구조물의 목표 내용년수를 100년 이상으로 하는 국가 주요 철근콘크리트 구조물(서해대교, 고가도로, 인천공항, 항만시설, 원자력 발전소 등)은 매우 가혹한 환경(염해 및 중성화)하에 노출되 있어, 과학적이고 공학적인 기술 바탕위에 효율적인 유지관리 대책을 조속히 세워 내구성을 향상시켜야 할 필요성이 있으며, 또한 국내 건축 시공기술은 세계적 수준이나 엔지니어링 및 유지관리 기술이 상대적으로 취약하여 건축수요 중에서 건축물 유지관리 비중은 현재 약 26.7%이나, 2015년에는 약 40%로 선진국 수준으로 돌입할 것으로 예상되어 구조물의 유지관리를 위해 효율적이며 친환경적인 대체재료의 개발이 절실히 요구되고 있다.

한편으로 현재의 콘크리트 표면 처리재는 톨루엔과 같은 유기성 용제를 주로 사용하기 때문에 표 1과 같이 유기성 용제에 함유된 휘발성 물질과 포름알데히드의 성분이 환경에 유해한 영향을 미치는 문제가 있다.

<표 1> 톨루엔과 물의 성상 분석

성상		물	톨루엔
자원량		방출된 시너는 복잡한 경로로 순환하여 되돌아온다	방출된 시너는 되돌아오지 않는다. 석유수명 약 50년
용제성	단독 용제	친수성 물질에 대한 용해성이 가장 뛰어나다. 일부 소수성 물질에서도 수소의 힘으로 수화구조를 만든다	소수성 물질만을 용해한다
유화성	유화성	유화제로 emulsion을 만든다	톨루엔은 물에는 용해되지 않지만 계면활성제의 도움으로 emulsion을 만든다
연소성		불연	인화성
비점(℃)		100	110
마취성		무해	일시적으로 흥분, 마취, 중독
유해성		무독	상하 기도 장애, 눈, 신경장애, 간장, 신장
취급 법규		적다	많다
증발 잠열(cal/g)		587	99
표면 장력(dyne/cm²)		72.1(수은을 제외하고 최대)	28.5

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 유기성 재료를 배제한 재료의 단순 혼합을 통해 제조가능하고 보수재로써 내구성, 내화학성, 점착성 등에서 고품질 특성을 가짐에 따라 건설 구조물의 수명 연장을 가능하게 하여 유지보수에 대한 비용절감과 환경 오염을 방지할 수 있는 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재의 제조방법 및 이를 통해 제조된 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 아크릴 에멀젼 중합체 및 알콕시 실란계 화합물을 혼합한 합성수용액을 제조하는 제1 단계와; 산화티탄(TiO2), 실리카흄 분말 및 규조토 분말로 이루어진 분체와 소포제, 분산제 및 증점제로 이루어진 첨가제의 혼합물을 제조하는 제2 단계와; 상기 합성수용액 및 혼합물을 믹싱하는 제3 단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 알콕시 실란계 화합물은 포타슘실리게이트, 실리코네이트 및 메톡시실란으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1 단계에서의 합성수용액은 아크릴 에멀젼 60~70중량%, 포타슘 실리케이트 3~5중량%, 실리코네이트 2~3중량%로 이루어지고, 상기 제2 단계에서의 혼합물은 메톡시 실란 2~3중량%, 산화티탄(TiO₂) 10~15중량%, 실리카흄 분말 3~5중량%, 규조토 분말 5~9중량%, 소포제 0.3~0.5중량%, 분산제 0.3~0.5중량% 및 증점제 1~2중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재의 제조방법 및 이를 통해 제조된 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재는 유기성 용제가 아닌 환경 친화적 아크릴 에멀젼 중합체 및 알콕시 실란계 화합물의 합성수용액과 분체 및 첨가제의 적절한 배합을 통해 제조가능하고, 보수재로써 내구성, 내화학성, 점착성 등에 우수한 특성을 갖는 이유로 열악한 환경에 노출되는 각종 콘크리트 건축물의 유지보수를 위해서도 사용가능하며, 비용효율적으로 장기간 그러한 건축물의 보존을 가능하게 할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재의 제조방법 및 이를 통해 제조된 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재를 도면을 참조로 하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재의 제조방법은 기본적으로 아크릴 에멀젼 중합체 및 알콕시 실란계 화합물을 혼합한 합성수용액을 제조하는 제1 단계와, 산화티탄(TiO2), 실리카흄 분말 및 규조토 분말로 이루어진 분체와 소포제, 분산제 및 증점제로 이루어진 첨가제의 혼합물을 제조하는 제2 단계와, 상기 합성수용액 및 혼합물을 믹싱하는 제3 단계로 구성되는데, 여기서 상기 알콕시 실란계 화합물은 포타슘실리게이트, 실리코네이트 및 메톡시실란으로 이루어지며, 상기 제1 단계에서의 합성수용액은 아크릴 에멀젼 60~70중량%, 포타슘 실리케이트 3~5중량%, 실리코네이트 2~3중량%로 이루어지고, 상기 제2 단계에서의 혼합물은 메톡시 실란 2~3중량%, 산화티탄(TiO₂) 10~15중량%, 실리카흄 분말 3~5중량%, 규조토 분말 5~9중량%, 소포제 0.3~0.5중량%, 분산제 0.3~0.5중량% 및 증점제 1~2중량%로 이루어진다.

상기 제 1단계에서 사용되는 아크릴 에멀젼 중합체는 각 재료와의 혼화성, 콘크리트 표면처리재로써의 내수성, 압축강도, 인장강도, 부착강도, 내약품성, 자외선 등에 대한 안정성을 제공하기 위한 것이고, 알콕시 실란계 화합물은 수소결합 형태의 3차원 망목구조를 가짐에 따라 콘크리트 수화물과 결합하기 쉽도록 하기 위한 것이다. 알콕시 실란계 화합물로 사용되는 포타슘 실리게이트는 무취, 무공해의 친환경적인 재료로 알칼리성의 천연원료이므로 인체에 유해한 세균 및 곰팡이의 서식을 방지하고 살균하는 효과가 있으며 내후성과 내구성 및 난연성이 우수하고 콘 크리트 및 벽돌 등과 같은 무기계 소지에 침투하여 물리적, 화학적 결합을 이룸으로써 표면처리재의 강도를 더욱 강화시키는 역할을 한다. 또한 실리코네이트는 표면처리재에 내인화성 및 발수성을 부여하며, 메톡시실란은 표면처리재의 점착성, 인장강도, 굴곡 강도, 압축강도, 가공성 등의 향상시키기 위한 것이다.

또한 상기 제2 단계에서 사용되는 산화티탄은 점착성을 증가시키도록 첨가되고 열원과 접촉하여 연소되더라도 유독가스를 발생시키지 않을 뿐만 아니라 탄화 흔적을 거의 나타내지 않으며 표면 처리재 자체에 투명감을 부여함과 동시에 내구성, 인장강도, 인렬강도 등을 향상시키기 위한 것이고, 실리카흄 분말은 단일입자 크기를 약 100~200nm로 하는 나노 크기의 분말로 표면처리재의 수밀성 및 강도를 향상시키기 위한 것이며, 규조토 분말은 낮은 밀도, 높은 흡수성, 화학적 안정성 등의 특성을 통해 표면처리재의 건조기간을 단축시키고 표면처리재에 색소 투입 시 이의 역할을 방해하지 않으며 콘크리트 구조물에 접착되는 정도를 증가시키기 위한 것이다. 상기 소포제, 분산제 및 증점제는 당업계에 공지된 바와 같은 기능을 부여하도록 추가된다.

하기에서는 본 발명에 따라 제조된 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재의 성능 평가를 통해 이의 물성에 대해 살펴보기로 한다.

본 발명의 표면처리재 성능 평가 항목은 크게 물리적 성능과 현장 적용성으 로 나눠지며 그 세부사항은 <표 2>와 같다.

<표 2> 본 발명의 표면 처리재 성능 평가 항목

*물리적 성능 평가

가. 시편제작

시험실의 환경조건은 KS A 0006에서 규정하는 온도 20±2℃, 습도 65±20%로 하고 양생실의 환경은 온도 20±2℃, 습도 65±10%로 한다. 본 발명의 표면 처리재 도막(이하 '도막'이라 함)의 도포는 유기계(A)와 유무기계(B) 2종류로 시공하였으며, 시험용 콘크리트 밑판은 시험항목에 따라 <표 3>과 같이 한다.

주(1): 형틀은 휨이 없고, 평활면으로서 도막을 성형한 후에 쉽게 탈형할 수 있도록 처리된 것으로 한다.

주(2): KS F 2476의 7.3.1에서 규정하는 방법으로 배합한 모르타르를 각각의 치수 에 맞는 금속제 또는 합성수지 형틀을 사용 성형시켜, 온도 20±2℃, 상대습도 90% 이상의 상태에서 48시간 양생한 후, 탈형하여 5일 동안 20±2℃의 물속에서 양생하고, 상대습도 65±20%, 온도 20±2℃에서 7일 이상 양생한다. 그 후 KS L 6003에서 규정하는 150번 연마지를 사용하여 모르타르를 다져 넣을 때의 밑면을 연마하고 청소한 것을 시험용 밑판으로 한다.

주(3): KS L 5114에서 규정하는 플렉시블판을 시험용 밑판으로 한다.

나. 성능 평가 시험

1) 도막 형성 후의 겉모양

가) 시험편 제작

도막의 도포는 형틀에 시료를 기포가 없도록 흘려 넣어 도막을 균일한 두께로 마무리한다. 그 후 온도 20±2℃, 습도 65±10%의 양생 조건하에서 7일간 양생한 후, 형틀로부터 탈형하여 도막을 뒤집어서 다시 계속적으로 7일간 양생시킨 것을 표준양생 시험편으로 하며, 시험편의 크기는 100×100mm로 한다.

나) 시험 방법

① 촉진내후성 시험 후 : 제작된 시험편을 KS F 2274 4.에 규정한 선샤인 카아본 아아크등(WS형)을 사용하여 시험하며, 촉진 노출시간은 250시간으로 한다.

② 온·냉반복 시험 후 : 제작된 시험편을 KS F 4715 5.9.2에 규정하는 방법에 따라 시험한다.

③ 내알칼리성 시험 후 : 제작된 시험편을 KS M 8070에 규정하는 수산화칼 슘[Ca(OH)₂] 포화용액 속에 표준양생 시험편을 168시간 동안 완전히 침지한 후 시험편을 꺼내어 즉시 물로 표면에 묻어 있는 시험액을 씻어내고, 물기를 닦아낸다. 그 후 시험편을 3시간 동안 조용히 놓아둔다.

④ 내염수성 시험 후 : 제작된 시험편을 KS M 8115에 규정하는 염화나트륨(NaCl) 3% 수용액을 침지액으로 하여 KS M 5000 3411에 규정하는 방법으로 168시간 놓아둔 후 시험편을 꺼내어 즉시 물로 표면에 묻어 있는 시험액을 씻어내고, 물기를 닦아낸다. 그 후 시험체를 3시간 동안 조용히 놓아둔다.

다) 평가 방법

도막형성 후의 겉모양의 평가는 표준양생 시험편을 기준으로 하여 시험방법에 따라 열화처리된 시험편에 대하여 도막 표면에 주름, 잔갈림, 핀홀, 변형, 벗겨짐 및 변색 등의 현상이 나타났는지 유무를 육안으로 관찰한다.

2) 중성화 깊이 측정

시험용 밑판에 도막재를 도포하고 7일간 양생한다. 양생 종료 1일 전에 공시체의 4측면 및 밑면을 에폭시 수지로 밀봉하고, 에폭시 수지를 24시간 경화시킨다. 온도 20±2℃, 상대습도 65±10%, CO₂농도 5.0%로 고정된 중성화 시험기에 넣은 후 28일 동안 중성화시킨다. 시험방법은 단면복구재의 시험방법과 동일하다.

3) 염소이온 침투저항성 시험

염소이온 침투저항성 시험은 KS F 2711의 규정에 따른다.

4) 투습도 시험

가) 시험체의 제작

본 발명에 따른 표면 처리재(도막재)의 도포는 형틀에 시료를 기포가 없도록 흘려 넣어 도막을 균일한 두께로 마무리한다. 그 후 규정된 양생 조건하에서 7일간 양생한 후, 형틀로부터 탈형한다. 탈형한 후 도막을 뒤집어서 다시 계속적으로 7일간 양생시킨 것을 시험편으로 한다. 시험편의 크기는 지름 150mm의 원형으로 제작하고 온도 23±2℃, 상대 습도 50±10%에서 항량시킨 것을 시험편으로 한다.

나) 시험방법

① 시험편의 두께 측정

시험편의 두께 측정은 시험편의 중앙을 중심으로 지름 100mm 원을 그리고 그 안에 정방형 격자를 표시하여 9개 부위를 0.01mm까지 측정하고, 측정값 중 최고값과 최저값을 제외한 7개의 측정값을 평균하여 도막 두께로 한다.

② 시험편의 설치 시험편의 설치는 다음에 따른다.

a) 용기 바닥에 흡습제(CaCl₂)를 100g이상 투입한다. 이 때 흡습제의 표면이 평활하도록 한다.

b) 시험편을 용기에 설치한다. 그 때 시험편은 그 재료의 용도에 따른 방향으로 한다.

c) 규정된 밀봉재를 시험편의 투습 범위(Ø100mm) 이외의 부분에 도포하고 투습 범위 이외에서 투습이 없도록 밀봉한다.

d) 시험용기에 흡습제를 넣지 않고 같은 방법에 의해 시험편을 설치한다. 이것을 블랭크 용기라 한다.

비고) 시험편이 밑으로 처지는 경우 밀봉이 떨어지지 않도록 알루미늄 테이프 등으로 주위를 밀봉할 수 있다.

③ 측정

측정은 다음 순서로 한다.

a) 시험편을 설치한 용기를 온도 23±2℃ 및 상대습도 50±2%로 설정한 항온 항습조 내에 두고 적당한 시간 간격으로 용기를 꺼내어 용기의 질량 증가를 측정하고 시험편의 투습량을 구한다.

b) 모든 시험은 블랭크 용기의 질량 증감을 측정하고 a)에서 구한 투습량에서 가감하여 보정한다.

c) 측정 간격은 시험편 투습량의 증가가 0.01~10g의 범위가 되는 시간으로 한다. 이 측정한 용기의 질량과 이 직전에 측정한 용기 질량의 차에서 1시간당 환산한 질량의 증가량을 구한다. 이 증가량을 연속하여 5회 이상 측정하고, 2 간격(48시간) 이상 시험용기의 질량이 일정하게 증가하면 시험을 종료한다.

4) 결과의 산출 측정결과의 계산은 다음 식에 따른다.

a) 다음식에 따라 투습량을 계산한다.

Q = │W_n - W_n+1│

Q : 투습량 (g)

W_n : 질량측정 n회째에서의 시험편을 포함한 시험용기의 질량(g)

W_n+1 : 질량측정 n+1회째에서의 시험편을 포함한 시험용기의 질량(g)

b) 다음식에 따라 투습도를 계산하고 소수점이하 한자리로 끝맺음 한다.

M =

M : 투습도 (g/m²·day)

: 마지막으로 측정된 투습량 (g)

A : 투습면적 (0.00785m²)

t : 마지막의 질량측정과 그 1회 앞의 질량 측정과의 시간간격

5) 내투수성 시험

가) 시험체 제작

시험체는 시험용 밑판에 제품에 표시된 방법으로 도막재를 기포가 없도록 균일하게 도포한 후 규정된 양생 조건하에서 7일간 양생한 후 도막재가 도포된 면을 제외한 측면을 에폭시 수지 등으로 완전히 도포하여 1일 이상 양생한 것을 시험체로 한다.

나) 시험 방법

내투수성 시험은 도 1과 같은 투수 시험 장치에 시험체를 고정시킨 후 0.1N/mm²의 수압을 1시간 가한다. 수압을 가한 후 시험 장치로부터 시험체를 분리하여 KS M 7602에 규정하는 2종의 거름종이로 약 10초 동안 가볍게 닦은 후 시험체 중앙부를 2분할하여 도막 아래의 밑판에 물이 투수되어 젖어 있는지를 관찰한다.

6) 부착강도 시험

시험체는 시험용 밑판에 제품에 표시된 방법으로 도막재를 기포가 없도록 균일하게 도포한 후 규정된 양생조건하에서 7일간 양생한 후 규정된 열화조건(촉진내후성 시험후, 온냉반복시험후, 내알카리성 시험후, 내염수성시험후)에 노출시킨 후 실시하며 시험방법은 앞절의 단면복구재와 동일하다.

7) 균열대응성 시험

제작된 시험체를 온도 -20±2℃ 및 20±2℃에서 1시간 이상 보관한 후 KS F 2620 4.의 A형으로 하고 홈 깊이는 4mm로 하여 2등분하고, KS F 3211 6.4.1의 인장시험기를 이용하여 시험체를 5mm/min으로 신장한 후, 시험시 온도 -20℃의 경우 신장 0.2mm 이내, 20℃의 경우 0.4mm 이내에서 도막재에 잔갈림 및 파단이 발생하였는지 관찰한다. 촉진내후성 시험 후에는 촉진 열화시킨 시험체에 대하여 온도 20℃에서 0.2mm 이상 신장하여 갈라짐이 발생하는지 여부를 관찰한다.

다. 성능평가결과

유기계 및 유무기계혼합 2종류의 콘크리트 표면보호재에 대한 성능평가결과는 <표 4>와 같다. 성능평가결과 본 발명에 따른 콘크리트 표면처리재는 KS의 품질시험기준을 만족하는 수준으로 평가되었다.

○ 열충격

1) 개요

본 실험은 BS EN 13687-2을 기초로 했으며 콘크리트 구조물 보수/보호용 단면복구재, 표면보호재 및 균열주입재에 모두 적용가능한 시험이다. 열충격을 받은 보수/보호재료의 표면상태 및 콘크리트 모체 계면에서의 박락여부를 평가하고, 부착강도시험을 통해 열충격에 따른 부착강도 저하 여부를 평가한다.

2) 원리

본 발명의 표면 처리재를 콘크리트 밑판위에 단면복구재, 표면보호재 및 균열주입 재로 적용한 후 기중온도 60℃, 수중온도 12℃의 열충격을 가해 표면 손상여부를 외관조사를 통해 평가하고, 단면복구재 및 표면보호재의 경우에는 부착강도시험을 통해 보수재의 부착력 저하여부를 평가하고 균열주입재의 경우에는 직접경사전단시험을 통해 주입재의 접착강도를 평가한다.

3) 온도범위 설정

폭로시험장에서 도 2와 같이 일년간 블랙 및 화이트 시험판의 일최고온도 및 일최저온도를 측정한 결과 연중 일최고온도는 60.7℃였고 일일 최대 온도차는 40℃에 이르는 것으로 조사되었다. 따라서 이러한 계측결과를 기준으로 최대온도차에 안전율을 20% 고려해서 기중 60℃에 수중 12℃의 열충격 온도시험 범위를 선정하였다. 실제로 이러한 시험온도범위는 소나기가 빈번한 한여름에 옥상바닥면이 최고온도에 도달했다가 강우로 인해 급속하게 하강하는 현상을 보다 가혹한 조건으로 모사하는 시험이라고 판단한다.

4) 실험 방법

① 콘크리트 시험체 300mm×300mm×100mm를 EN 1766에 따라 제작하여 양생한 후 단면복구재, 표면보호재를 KS F 4042, 4043, KS F 4936에 따라 제작하여 도포하고 양생한다.

② 만든 시험체를 24시간 동안 표준상태에서 정치한 후 60℃±5℃에서 5시간 45분, 12℃±3℃에서 45분을 1사이클로 하고 10사이클을 반복하여 열충격을 가한다.

열충격시험에 따른 표면보호재의 부착강도 변화특성 및 외관조사 결과는 <표 5> 및 <표 6>과 같고 싸이클수 변화에 따른 부착강도 변화특성을 도 3에 나타내었다.

○ 자외선 저항성

표면보호재에 대한 자외선 노출시간에 따른 부착강도 변화특성 및 외관조사는 <표 7> 및 <표 8>에 나타내었고, <표 8>에 나타낸 노출시간과 부착강도의 상관관계를 도 4에 나타내었다.

1) 개요

본 실험 방법은 BS EN 1062-11를 기초로 한 촉진내후성 시험의 일종으로 2000시간의 자외선 노출에 따른 보수재료 표면열화여부를 관찰함으로서 내구성능을 평가한다.

2) 원리

기준 콘크리트 위에 표면보호재를 적용한 후 UV radiation을 2000시간 가해 표면 손상 여부를 검사하거나 pull-off 시험을 하여 평가한다.

3) 시험시간 및 파장의 선정

① 시험기 특성

자외선 저항성 시험을 위해서 선샤인 카본아크 내후성 시험기 및 자외선 노화시험기를 사용하였다. 이는 KS F 2274에서 콘크리트 표면 보호재에 대해 선샤인 카본 아크등(WS형)을 사용한 250시간 촉진 내후성시험을 규정한 것에 기초한 것이다. 카본아크 내후성 시험기는 1900년대 초반 빛에 의해 염색된 직물의 색상변화를 평가하기 위한 것으로 그 이후로 장비의 개선을 통하여 현재의 선샤인 카본아크 시험기에 이르게 되었다. 선샤인 카본아크 시험기는 한 쌍의 탄소봉에 50볼트(V), 60암페어(A)의 전압과 전류를 인가하여 탄소봉 사이에 아크방전을 발생시켜 이때 발생한 플라즈마를 스펙트럼의 광원으로 사용한다. 이 광원은 유리필터를 통하여 시험편 표면에 방사조도가 255±(10%) W/㎡(파장역 300~700㎚)인 일정한 스펙트럼을 사용한다. 이 스펙트럼은 자외선 영역인 300㎚ 이하의 파장에서 자연광과는 다소 상이한 스펙트럼을 보이며, 이로 인해 특히 고분자재료의 열화속도를 가속화하는 경향을 보인다. 또한 자연광과는 상이한 스펙트럼 특성으로 인해 자연환경보다는 아주 열악한 시험조건에 해당하나, 기상환경인자를 정확하게 시뮬레이션하지 못하는 단점이 있으며, 실제 사용환경에서는 발생되지 않는 현상이 발생할 수도 있다. 한편 자외선노화시험기는 형광 UV램프를 광원으로 이용하여 자외선 파장하에서의 재료 및 제품의 내후성능을 시험하는 장비이다. 자외선 형광램프는 저압 수은 아크로부터 발생하는 방사를 이용하는 형광물질로 통상 파장의 피크값 주변의 비교적 좁은 파장범위의 연속 스펙트럼을 생성한다. 형광램프의 종류에 따라 Ⅰ형 자외선 형광램프와 Ⅱ형 자외선 형광램프로 구별하며, Ⅰ형 자외선 형광램프 중 UVA-340은 다른 자외선 형광램프보다도 300~400㎚의 자연광을 더 잘 재현하는 특성을 가지고 있다.

② 시험파장선정이유

자연광에는 총 3종류의 UV가 존재한다. 파장범위가 280㎚이하의 UV를 UV-C라 하며, UV-C는 태양광이 대기층을 통과하면서 오존층 등에 의해 소멸되어 지표에는 도달되지 않는다. 지표에 도달되는 UV는 UV-A(315~400㎚)와 UV-B(280~315㎚)이다. 따라서 자외선시험기의 형광램프도 지표에 도달되는 UV를 모사하기 위해 UV-A램프 와 UV-B램프가 있으며, 대표적인 UV램프로는 UVB-313, UVA-340, UVA-351이 있다. 한편, UV 노출시험을 규정한 ASTM G 154-04에서는 노출조건으로 <표 9>를 제안하였다.

UVB-313 램프가 방사하는 자외선은 일반적인 자연광 파장범위 중 낮은영역으로서, 짧은 파장은 때때로 폴리머에 급속한 열화를 촉진시키기도 하고 재료가 자연광에 노출되었을 때 발생할 수 없는 기구에 의해 열화를 촉진시키는 등 자연광에 비해 코팅재료에 보다 가혹한 자외선 노출조건을 제공하는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 실험에서는 자연광의 특성을 기초로 코팅재료의 시험에 가장 넓게 적용되고 있는 cycle 2를 시험파장으로 선정하여 시험을 진행하였다.

4) 실험 결과

열충격을 가한 실험체의 표면 상태를 관측하고, 부착강도시험을 실시한다.

표면보호재의 UV 노출시간에 따른 부착강도 변화특성을 살펴보면 유무기계(A) 및 유기계(B) 모두 UV 1000시간까지 별다른 변화가 발견되지 않았다. 겉모양은 광학현미경을 이용해서 40배 확대하여 실측했으며 도 5는 자외선 노출전과 1000시간 노출후 표면을 비교한 사진이다. 자외선 노출후 표면보호재A의 경우 약간의 변색과 함께 점식이 발견되었으며, 표면보호재B의 경우에는 변색과 함께 약간의 들뜸현상이 발견되었으나 외관상 큰 변화가 발생되지 않은 것으로 평가된다. 시험결과 UV폭로와 부착강도와는 별다른 상관관계가 없는 것으로 평가되므로 UV 저항성 평가시험에서 UV 폭로후 부착강도시험평가는 불필요할 것으로 평가된다.

○ 중성화 저항성

1) 개요

BS EN 13295, EN 1062-6를 기준으로 한다. 콘크리트 구조물 보수·보호용 단면복구재(BS EN 13295), 표면보호재(EN 1062-6)에 적용한다.

2) 원리

단면복구재나 기준 콘크리트 위에 표면보호재를 적용한 후 이산화탄소에 노출시킨 후 탄산화깊이(d_k)와 이산화탄소 투과저항성을 측정한다. 본 실험에서는 이산화탄소의 투과저항성을 평가하는 계수로 기존의 탄산화깊이 뿐만 아니라 이산화탄소 투과량과 등가공기층 두께를 사용하였다. 이산화탄소 투과량은 일정한 부분적인 압력이나 농도의 차에 의해서 코팅재의 제곱미터 면적을 통해 하루 동안에 투과된 이산화탄소의 량(g/㎡·d)으로 나타낸다. 이산화탄소 등가공기층 두께는 코팅재료와 동일한 이산화탄소 투과성과 동일한 조건을 가지고 있는 부동 공기층의 두 께(m)로 정의된다. 따라서 S_D의 값이 클수록 이산화탄소 투과저항성이 우수한 것으로 평가된다.

3) 이산화탄소 투과성 시험을 도입한 이유

국내에서는 이산화탄소 저항성 시험으로 KS F 2584에서 규정된 촉진탄산화시험을 통해 실시하며 노출후 1,4,8,13,26주에서 중성화깊이를 측정하여 탄산화 저항성을 측정한다. 기존의 방법을 통해 탄산화 속도계수를 구할 경우 페놀프탈레인 분무에 따른 침투깊이 측정시 시험자에 따른 편차가 발생할 가능성이 있고, 탄산화 진행이 끝나는 시점을 정확히 평가하기 힘들다는 단점이 있다. 반면 등가공기층 두께의 산정은 재료 내에서의 이산화탄소확산계수를 산정하는 방법으로 침투깊이를 측정하기 위해 시편을 파괴하지 않고 한 개의 시편으로 계속적인 시험을 진행할 수 있다는 장점이 있으며, 등가공기층 두께값(m)을 통해 재료의 탄산화 저항성을 보다 명확하게 파악할 수 있다는 장점이 있다.

특히나 표면보호재의 경우에는 실험결과 기존의 방법으로는 투과저항성을 파악하기 힘들고 이산화탄소 투과성 시험을 적용해야만 정량적인 평가결과를 도출할 수 있는 것으로 평가되었다. 따라서 표면보호재의 경우 이산화탄소 투과성 시험을 통한 부동공기층 두께의 산정이 보다 합리적인 평가방법으로 판단된다.

4) 이산화탄소 투과성 시험 방법

① 콘크리트 시험체 100mm×100mm×400mm를 EN 1766에 따라 제작하여 양생한 후 단면복구재, 표면보호재를 KS F 4936에 따라 제작하여 도포하고 양생한다.

② 만든 시험체를 24시가 동안 표준상태에서 정치한 후 (60±10)%, (21±2)℃에서 이산화탄소 농도를 10%로 노출시킨다.

③ 시험체의 코팅된 면을 측정용 가스에 노출시키고 이산화탄소 흡수량을 측정한다, 셀 주변으로 가스가 새지 않도록 흡수한 이산화탄소를 담는 측정셀과 시험체를 밀봉한다. 측정셀은 건조상태의 이산화탄소를 대기온도 23±2℃에 보관하며 24시간 간격으로 중량을 체크한다.

④ 이산화탄소 투과성은 중량 증가로 계산한다. 만약 두 번의 측정사이에 무게 증가량이 5㎎ 보다 적다면. 측정간격을 연장한다. 두 번의 연이은 측정에서 시험용 셀의 무게 증가가 변함이 없을 때 시험을 완료한다.

⑤ 측정값을 조정할 목적으로 이산화탄소 투과성을 알고 있는 참고용 필름(표준물질)을 각각의 연속적인 측정시 함께 측정한다.

4) 실험 결과

하기의 수식(1a) 또는 수식(1b)을 사용하여 이산화탄소 투과량(i) 를 계산하고, 단위는 g/(㎡·d)이다.

수식(1a)

d _m : 무게의 주기적인 변화에서 두번의 중량의 차이(전후 중량차)(g)

K ₁ : 하루를 시간으로 바꾸는 인자; K ₁ = 24;

K ₂ : 10%(V/V)를 c 로 바꾸는 인자; K ₂ = 10;

t : 계속되는 투과 정도로서 측정시간(h)

A : 시험체 면적(㎡)

C : 시험용 가스중의 이산화탄소 농도 %(V/V)

P _amb : 주변 대기압력(kPa)

P : P _amb 단위 kilopascals 을 1 bar로 바꾸는 인자 , P = 100

수식(1a)을 간단하게 한 것이 수식(1b) 이다.

수식(1b)

등가공기층두께 S _D 계산은 수식(2)와 수식(3)을 사용하며, 단위는 m 이다.

수식(2)

수식(3)

D _CO2 : 날짜(day) 및 면적(㎡)에 따른 공기중에서 이산화탄소 확산 계수

|△ C |: 일반 대기중의 이산화탄소의 농도와 시험하는 공기의 이산화탄소 농도의 차이(kg/㎥)

K ₃ : g을 kg 으로 바꾸는 인자; K ₃ = 1000

NOTE : 이산화탄소 0%(V/V)에서 10%(V/V) 까지 |△ C | 이산화탄소 농도 차이에 대해, 23℃의 시험온도와 100kPa 공기압력에서 D _CO2· |△ C | = 248이며, 10%(V/V) 농도 차이의 S _D 는 수식(4)와 같다.

수식(4)

표면보호재에 대한 이산화탄소 침투깊이 변화특성을 56일간 측정한 결과는 이산화탄소가 침투하지 못한 것으로 평가되었다. 반면 이를 등가 공기층 두께( S _D )로 구하면 각 52.6m, 37.4m를 얻을 수 있어 이산화탄소 침투 저항성을 정량적으로 평가할 수 있었다.

1) 결과분석

단면복구재의 이산화탄소 침투깊이는 노출시간에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며, 일반 콘크리트에 비해서는 우수한 저항성을 가진 것으로 나타났다. 노출시간에 따른 뚜렷한 침투경향성을 나타내므로 기존의 침투깊이 측정법을 통해서 충분히 이산화탄소 저항성을 평가하고 탄산화 속도를 도출할 수 있다고 판단된다.

반면 표면보호재의 경우에는 56일간의 촉진 시험후 침투깊이를 측정하지 못해 정량적인 이산화탄소 저항성을 평가하지 못한 반면, 등가공기층 두께의 산출을 통해서는 정량적인 이산화탄소 침투저항성 평가가 가능하였다.

상기된 실험 데이터를 통해 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 보수 보호용 표면 처리재는 KS F 4936(도막형 콘크리트 표면보호재)의 품질기준을 만족하고 콘크리트 열화인자인 염해, 동결융해, 가시광선, 중성화 등에 대하여 내구성을 가지며, 유기 용제를 사용하지 않음에 따라 실내공기질 관리법에 규정한 TVOC 방출량을 4 mg/m²·hour, 포름알데히드 방출량을 1.4 mg/m²·hour 이하인 표면 처리재 제조가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 콘크리트 구조물 보수 보호용 표면 처리재의 투수성을 실험하기 위한 투수시험 장치를 도시한 도면.

도 2는 시험판의 일최고 최저온도이력을 나타낸 그래프도.

도 3은 표면보호재의 열충격 사이클수에 따른 부착강도를 나타낸 그래프도.

도 4는 표면보호재의 자외선 노출시간에 따른 부착강도를 나타낸 그래프도.

도 5는 본 발명에 따른 표면처리재의 자외선노출 시험을 테스트한 사진.

Claims

아크릴 에멀젼 중합체 및 알콕시 실란계 화합물을 혼합한 합성수용액을 제조하는 제1 단계와;

산화티탄(TiO2), 실리카흄 분말 및 규조토 분말로 이루어진 분체와 소포제, 분산제 및 증점제로 이루어진 첨가제의 혼합물을 제조하는 제2 단계와;

상기 합성수용액 및 혼합물을 믹싱하는 제3 단계;로 구성되되,

상기 알콕시 실란계 화합물은 포타슘실리게이트, 실리코네이트 및 메톡시실란으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재의 제조방법.
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 제1 단계에서의 합성수용액은 아크릴 에멀젼 60~70중량%, 포타슘 실리케이트 3~5중량%, 실리코네이트 2~3중량%로 이루어지고, 상기 제2 단계에서의 혼합물은 메톡시 실란 2~3중량%, 산화티탄(TiO₂) 10~15중량%, 실리카흄 분말 3~5중량%, 규조토 분말 5~9중량%, 소포제 0.3~0.5중량%, 분산제 0.3~0.5중량% 및 증점제 1~2중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재의 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 3에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 열화방지 및 중성화 방지용 하이브리드 표면처리재.