KR101013098B1 - 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 콘크리트 속에 보강근으로 사용되는 철근을 대체함으로써, 경량화를 추구함과 동시에 고강성을 가지고, 내부식성 및 내구성이 우수하며, 내진동성이 탁월한 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근에 관한 것이다.

본 발명에 따른 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근은, 폴리 우레탄 재질의 원기둥 형상으로 형성된 보강근 코어와, 상기 보강근 코어의 외주면에 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)가 적층되어 형성된 보강근 기둥과, 상기 보강근 기둥의 외주면에 돌출 형성된 보강근 리브를 포함하여 이루어진다.

콘크리트, 보강근(REBAR), 폴리 우레탄, 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)

Description

섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근{REBAR MADE OF FIBER REINFORCED PLASTICS}

본 발명은 종래 콘크리트 속에 보강근으로 사용되는 철근을 대체함으로써, 경량화를 추구함과 동시에 고강성을 가지고, 내부식성 및 내구성이 우수하며, 내진동성이 탁월한 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근에 관한 것이다.

일반적으로 건축물이나 교량공사에서 시공되는 교각과 같은 구조물은, 도 1에 도시된 바와 같이 콘크리트(1)로 이루어지고, 상기 콘크리트(1) 속에 철근(2)을 심어 보강근(rebar)으로 사용한다. 이 경우, 콘크리트(1)로 이루어진 교각의 형상은 다각기둥이나 원기둥 형상일 수 있고, 내부가 콘크리트(1)로 모두 채워진 중실 또는 도 1에 도시된 바와 같이 중공으로 이루어질 수도 있다. 상기와 같은 다양한 형상은 건축물이나 교량의 설치되는 위치, 크기 및 하중 등을 고려하여 설계된다.

상기와 같은 일반적인 콘크리트 속에 보강근으로 사용되는 철근(2)은 각종 환경적 요인, 예컨대 제설재나 해수환경 등의 영향에 의해 심각한 부식이 발생한 다. 더욱이 이를 방지하기 위해 에폭시 코팅을 하더라도 염화 콘크리트 환경하에서는 이러한 철근 부식에 따른 문제를 극복하기 어렵다.

이러한 환경적 요인에 의해 철근이 부식함으로써 녹이 발생하고, 보강재로 사용되는 철근의 단면적이 감소하여 강도가 저하된다. 그에 따라 건축물이나 교량의 내구성이 저하되고, 높은 하중이나 강한 충격에 의해 감소된 허용 응력의 범위를 초과하여 건축물이나 교량이 무너져 큰 참사를 가져온다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래 콘크리트 속의 철근을 대체하여 섬유강화 복합소재로 만들어진 보강근을 사용하고 있다. 상기 섬유강화 복합소재는 내식, 내열, 내부식성이 우수할 뿐만 아니라, 매우 큰 강도를 지니고 있어 전 산업분야에 걸쳐서 응용분야가 확대되고 있는 반영구적인 신소재이다.

그러나, 종래의 섬유강화 복합소재로 만들어진 보강근은 단순히 중실의 봉형상으로 제작되고, 외부 표면에 콘크리트와의 결합력을 높이기 위해 리브를 형성하고 있을 뿐이다. 그에 따라, 내부식성 및 고강성을 확보할 수는 있으나, 지진이나 충격하중 또는 동적하중에 의한 건축물의 진동 발생시 오히려 철근에 비하여 쉽게 파손되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 종래 콘크리트 속에 보강근으로 사용되는 철근을 대체함으로써, 경량화를 추구함과 동시에 고강성을 가지고, 내부식성 및 내구성이 우수하며, 충격하중 또는 동적하중에 대한 내진동성이 탁월한 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근을 제공하는 데 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근은, 폴리 우레탄 재질의 원기둥 형상으로 형성된 보강근 코어와, 상기 보강근 코어의 외주면에 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)가 적층되어 형성된 보강근 기둥과, 상기 보강근 기둥의 외주면에 돌출 형성된 보강근 리브를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 보강근 코어는 강화용 섬유가 함유된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강근 코어에 함유된 강화용 섬유는, 복수의 가닥으로 끊어져 일정한 방향성이 없이 산개된 것(Non-Axial Type)을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강근 기둥을 이루는 섬유강화 복합소재는, 강화용 섬유가 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지에 함침되어 라미네이트 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강근 기둥을 이루는 섬유강화 복합소재는, 상기 강화용 섬유가 축방향과 나란히 일 방향성(Mono-Axial Type)을 가지도록 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강근 리브는, 상기 보강근 기둥의 외주면에 일정한 간격을 두고 복수가 구비되어 상기 보강근 기둥과 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강근 리브는, 상기 보강근 기둥의 외주면에 길이방향을 따라 나선형으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보강근 기둥 및 보강근 리브의 외부 표면에 겔코우트용 수지를 코팅한 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근.

본 발명에 따른 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근은, 섬유강화 복합소재로 이루어진 보강근 기둥과 보강근 리브를 통하여 경량화를 추구함과 동시에 고강성을 가지고, 내부식성 및 내구성이 우수한 콘크리트용 보강근을 제공할 수 있다.

또한, 보강근 기둥의 내부에 폴리 우레탄 재질의 보강근 코어를 형성하여 충격 하중 및 동적 하중에도 진동을 용이하게 흡수할 수 있고, 강화용 섬유가 보강근 코어에 함유됨으로써 내진동성과 함께 고강성을 유지할 수 있다.

또한, 보강근 리브를 통해 콘크리트와의 결합력을 높일 수 있으며, 보강근 기둥과 보강근 리브의 외부 표면에 겔코우트용 수지를 코팅하여 내후성, 내수성, 내유성 및 내산화성이 우수한 콘크리트용 보강근을 제공할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근의 바람직한 실시예를 도시한 정면도이며, 도 3은 도 2의 실시예 중 보강근 코어의 일 실시예를 도시한 정면도이고, 도 4는 도 2의 실시예 중 보강근 기둥의 일 실시예를 도시한 정면도이며, 도 5는 도 2의 실시예 중 보강근 리브의 일 실시예를 도시한 정면도이고, 도 6은 도 2의 실시예 중 보강근 리브의 다른 실시예를 도시한 정면도이다.

본 발명에 따른 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근(10)은, 도 2 내지 6에 도시된 바와 같이 보강근 코어(100), 보강근 기둥(200) 및 보강근 리브(300)를 포함하여 이루어지고, 겔코우트용 수지(400)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 보강근 코어(100)는 폴리 우레탄(U) 및 강화용 섬유(F)로 이루어질 수 있고, 상기 보강근 기둥(200)은 강화용 섬유(F')가 일 방향성을 가지도록 수지(P)에 함침된 섬유강화 복합소재로 이루어질 수 있다.

보강근 코어(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 콘크리트용 보강근(10)의 중심을 이루는 심재로서 폴리 우레탄(U) 재질의 원기둥 형상으로 형성된다. 상기 보강근 코어(100)의 재질인 폴리 우레탄(U)은 디이소시안산염(2개의 -NCO 작용기를 포함하고 있는 유기화합물)과 글리콜처럼 이(二)작용기 화합물을 반응시켜 만드는 유기 중합체 계열에 속하는 합성 화합물이다. 이러한 폴리 우레탄(U)은 함유된 발포제가 분해되거나 상변화에 의하여 기체를 발생시켜 기포를 형성시킴으로써 폴리 우레탄 폼(foam)이 된다. 상기와 같이 보강근 코어(100)는 폴리 우레탄 폼이 됨으로써, 일반적으로 기계적 강성은 저하되지만 낮은 밀도에 의한 경량화, 재료의 절약, 충격 흡수력과 비강도의 향상을 가져오고, 모재의 경화시 밀도 변화에 의한 체적 수축을 보상하여 치수를 안정화하는 장점이 있다. 그에 따라, 상기 보강근 코어(100)는 후술할 보강근 기둥(200)에 가해지는 충격 하중이나 동적 하중에 따른 충격이나 진동을 용이하게 흡수할 수 있는 것이다. 이러한 보강근 코어(100)는 폴리 우레탄(U) 수지를 원기둥 형상, 즉 장형의 봉 형상으로 인발, 압출 또는 압축 및 사출에 의한 몰드 성형법을 이용해 대량, 고속 생산할 수 있다.

보강근 코어(100)는 폴리 우레탄(U)을 주재로 하고 있으나, 도 3에 도시된 바와 같이 강화용 섬유(F)를 함유할 수도 있다. 폴리 우레탄(U)의 고유 특성인 탄성 및 충격 흡수력과 함께 강화용 섬유(F)를 함유시킴으로써 보다 고강도의 보강근 코어(100)를 제작할 수 있는 것이다. 강화용 섬유(F)에는 유리섬유, 탄소섬유, 케블라섬유, 보론섬유, SiC섬유 및 Al₂O₃섬유 등이 있으며, 후술하겠지만 강화용 섬 유(F)의 배치방식에도 여러 가지가 있다. 상기와 같은 강화용 섬유(F)의 종류나 배치방식에 따라 기계적 물성, 생산 단가 및 가공의 어려움 등이 달라진다. 특히, 본 발명에서는 보강근 코어(100)에 함유되는 강화용 섬유(F)의 종류로 어떠한 섬유를 사용해도 무방하나, 섬유의 배치방식에 대해서는 촙드 스트랜드(chopped strand) 방식을 사용하고자 한다. 즉, 상기 보강근 코어(100)의 강화용 섬유(F)는, 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 가닥으로 끊어져 일정한 방향성이 없이 산개된 Non-Axial Type으로 보강근 코어(100)의 주재인 폴리 우레탄(U)에 함유된다. 본 발명에서의 보강근 코어(100)의 역할은 강도의 향상보다는 내충격 및 내진동성을 확보하고자 함에 특징이 있기 때문에 Non-Axial Type이 바람직하며, 더욱이 폴리 우레탄(U) 수지에 흩뿌리듯이 함침시킴으로써 용이하게 가공할 수 있기 때문이다.

보강근 기둥(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 보강근 코어(100)의 외주면에 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)가 적층되어 형성된다. 보강근 기둥(200)은 본 발명의 콘크리트용 보강근(10)의 기계적 물성, 즉 고강성을 확보하는 기능을 하는 것으로서 종래의 철근을 대체하는 역할을 수행한다. 상기 보강근 코어(100)를 제외한다면, 보강근 기둥(200)은 도 4에 도시된 바와 같이 중공의 원기둥 형상이 되는데, 원기둥에 있어서 중실과 중공의 강성을 비교해보면 동일한 중량에 대하여 중실이 고강도를 가짐은 익히 알려진 바이다. 더욱이, 보강근 기둥(200)의 내부에는 보강근 코어(100)가 충진되어 있어 보다 큰 강도의 향상을 가져옴과 더불어 내충격 및 내진동성이 향상된 콘크리트용 보강근(10)을 제공할 수 있는 것이다.

상기 보강근 기둥(200)은 섬유강화 복합소재가 적층되어 형성되는데, 섬유강화 복합소재는 기지의 고분자 재료, 즉 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지 등에 유리섬유 또는 탄소섬유와 같은 강화용 섬유를 첨가함으로써, 첨가되는 재료에 따라 물성이 좌우되는 것으로 금속재료에 비하여 경량으로 구조물을 만들 수 있는 것은 물론, 용이하게 제작이 가능하고 기계적인 강도는 오히려 향상될 수 있다. 특히, 섬유강화 복합소재는 고분자 재료에 첨가되는 강화용 섬유에 의해서 강도를 조절할 수 있고, 비중이 1.6 정도로 제작할 수 있어서 비중 7.85인 스틸재질에 비하여 매우 경량으로 제작할 수 있는 이점이 있다. 이러한 섬유강화 복합소재는 일체성형법으로 핸드 래이업(Hand Lay-up), 스프레이 래이업(Spray Lay-up) 방식 등이 있고, 몰드를 이용한 몰드 성형법으로 사출, 압축 및 레진 트랜스퍼 성형 방식 등이 있다. 또한, 섬유와인딩 성형법으로 프리프래그 테이프 와인딩, 필라멘트 와인딩, 브레이딩 및 적층 굽힘법 등이 있다. 한편, 섬유강화 복합소재의 강화용 섬유로서 사용되는 물질에는 유리섬유, 탄소섬유, 케블라섬유, 보론섬유, SiC섬유 및 Al₂O₃섬유 등이 있으며, 각각의 강화용 섬유에 따라 기계적 물성이 달라진다. 일반적으로 불포화 폴리에스테르 수지에 강화용 섬유를 함침시켜 적층하는데, 강화용 섬유의 방향에 따라 일정한 방향이 없이 산개되어 있는 Non-Axial Type, 하나의 방향성이 있는 Mono-Axial Type, 이방향성의 Biaxial Type 및 그 이상의 방향성을 가진 Multi-Axial Type 등이 있다. 이러한 섬유강화 복합소재를 이용하여 본 발명에 따 른 콘크리트용 보강근(10)을 제작하고자 하는 것이다.

상기 보강근 기둥(200)을 이루는 섬유강화 복합소재는, 도 4에 도시된 바와 같이, 강화용 섬유(F')가 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지(P)에 함침되어 라미네이트(L), 즉 박판(laminate) 형태로 형성된다. 즉, 보강근 기둥(200)은 강화용 섬유(F')가 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지(P)에 함침되어 라미네이트(L) 형태로 형성된 섬유강화 복합소재를 이용해 상기 보강근 코어(100)의 외주면에 적층시켜 형성된 것이다. 상기 보강근 기둥(200)의 강화용 섬유(F')의 배치 방식 역시 여러 가지 방식을 이용할 수 있으나, 본 발명에서는 상기 강화용 섬유(F')가 축방향에 대하여 일 방향성, 즉 Mono-Axial Type을 가지도록 배치함으로써 인장 및 압축 응력에 강한 강성을 가질 수 있고, 이 방향성 또는 그 이상의 방향성을 가지는 것에 비해 생산 단가를 감소시킬 수 있는 것이다.

보강근 리브(300)는 콘크리트의 타설시 보강근(10)에 접촉되는 면적을 넓혀 콘크리트와 보강근(10)의 결합력을 높이기 위한 것으로서, 상기 보강근 기둥(200)의 외주면에 돌출 형성된다. 보강근 리브(300)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 보강근 기둥(200)의 외주면에 일정한 간격을 두고 복수가 구비되어 상기 보강근 기둥(200)과 일체로 형성된다. 즉, 보강근 기둥(200)을 형성할 때, 보강근 리브(300)를 함께 섬유강화 복합소재를 이용하여 형성시킬 수 있는 것이다. 예컨대, 보강근 기둥(200)을 섬유강화 복합소재로 적층 형성한 후, 보강근 리브(300)의 형상에 대응되는 섬유강화 복합소재를 상기 보강근 기둥(200)에 적층하여 형성시키는 것이다. 또한, 상기 보강근 리브(300)는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 보강근 기둥(200)의 외주면에 길이방향을 따라 나선형으로 형성될 수 있다. 이는 보강근 기둥(200)에 순수 전단 하중이 작용할 경우 주응력은 45도 경사방향으로 발생하게 되는데, 보강근(10)의 설치 위치나 환경 요인을 고려하여 보강근 기둥(200)에 상기 보강근 리브(300)를 나선형으로 경사지게 형성함으로써, 전단 하중에 보다 효과적으로 저항하기 위한 것이다.

한편, 상기 보강근 기둥(200) 및 보강근 리브(300)를 섬유강화 복합소재를 이용하여 적층 형성시킨 후 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 보강근 기둥(200) 및 보강근 리브(300)의 외부 표면에 겔코우트용 수지(400)를 코팅하여 운반 및 조립시 보강근 기둥(200) 및 보강근 리브(300)가 부스러지는 것을 방지하고, 내후성, 내수성, 내유성 및 내산화성이 우수한 콘크리트용 보강근(10)을 제공할 수 있다. 다만, 상기 보강근 기둥(200) 및 보강근 리브(300)를 섬유강화 복합소재로 적층할 때 강화용 섬유(F)를 함침시키는 수지의 종류에 따라 상기 겔코우트용 수지(400)도 달리 적용되어야 한다. 즉, 일반적인 겔코우트용 수지는 폴리 에스테르 수지에는 결합성이 좋아 코팅이 잘 되지만, 에폭시 수지에는 용이하게 결합되지 않아 박리될 염려가 있다. 따라서, 에폭시 수지를 이용해 강화용 섬유(F)를 함침시키는 경우에는 에폭시 겔코우트용 수지를 사용하여 코팅 처리하여야 한다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 일반적인 교량공사에 있어서 교각을 이루는 콘크리트 및 철근을 도시한 사시도이고,

도 2는 본 발명의 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근의 바람직한 실시예를 도시한 정면도이며,

도 3은 도 2의 실시예 중 보강근 코어의 일 실시예를 도시한 정면도이고,

도 4는 도 2의 실시예 중 보강근 기둥의 일 실시예를 도시한 정면도이며,

도 5는 도 2의 실시예 중 보강근 리브의 일 실시예를 도시한 정면도이고,

도 6은 도 2의 실시예 중 보강근 리브의 다른 실시예를 도시한 정면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 보강근

100 : 보강근 코어

200 : 보강근 기둥

300 : 보강근 리브

400 : 겔코우트용 수지

U : 폴리 우레탄

L : 라미네이트

F, F' : 강화용 섬유

P : 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지

Claims (8)

1. 폴리 우레탄 재질의 원기둥 형상으로 형성되며, 강화용 섬유가 함유된 보강근 코어와,

   상기 보강근 코어의 외주면에 라미네이트 형태로 형성된 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)가 적층되어 형성된 보강근 기둥과,

   상기 보강근 기둥의 외주면에 돌출된 형상으로 이루어지며, 섬유강화 복합소재가 적층되어 상기 보강근 기둥과 일체로 형성되는 리브를 포함하여 이루어진 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 보강근 코어에 함유된 강화용 섬유는,

   복수의 가닥으로 끊어져 일정한 방향성이 없이 산개된 것(Non-Axial Type)을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근.
4. 제1항에 있어서,

   상기 보강근 기둥을 이루는 섬유강화 복합소재는,

   강화용 섬유가 폴리 에스테르 또는 에폭시 수지에 함침되어 라미네이트 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근.
5. 제4항에 있어서,

   상기 보강근 기둥을 이루는 섬유강화 복합소재는,

   상기 강화용 섬유가 축방향과 나란히 일 방향성(Mono-Axial Type)을 가지도록 배치된 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근.
6. 제1항에 있어서,

   상기 보강근 리브는,

   상기 보강근 기둥의 외주면에 일정한 간격을 두고 복수가 구비되어 상기 보강근 기둥과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근.
7. 제1항에 있어서,

   상기 보강근 리브는,

   상기 보강근 기둥의 외주면에 길이방향을 따라 나선형으로 형성된 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근.
8. 제1항에 있어서,

   상기 보강근 기둥 및 보강근 리브의 외부 표면에 겔코우트용 수지를 코팅한 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합소재로 만들어진 콘크리트용 보강근.

Images