KR101133782B1

KR101133782B1 - 고분자 융합 신소재와 탄소 나노튜브 단면 보수재를 이용한 콘크리트 구조물의 내구성 증대를 위한 표면 처리 공법과 그 콘크리트 구조물

Info

Publication number: KR101133782B1
Application number: KR1020110132156A
Authority: KR
Inventors: 김유석; 김종우; 박태영
Original assignee: 주노이씨엠 주식회사; 김유석; (주)세기건설안전엔지니어링
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2012-04-09

Abstract

탄소 나노튜브와 상 전이 물질을 함유하는 삼중층의 콘크리트 구조물 표면의 보호 도막과 그 시공 방법을 제공한다. 이 보호 도막은 방수층이며, 변성 에폭시 수지, 부착력 강화 시멘트와 탄소 나노튜브를 함유하는 하도, 석재 질감을 구현하는 층이며, 변성 아크릴 유탁액, 충전재, 규조토, 이산화티타늄, 물 및 무기 안료를 포함하는 중도와 내구성 증대를 위한 층이며, 세라믹 수지, 아세트산부티르산셀룰로오스 및 상 전이 물질을 포함하는 상도의 삼중층을 포함한다. 한 바람직한 실시 형태에서 이 보호 도막은 상기 콘크리트 구조물 표면과 하도 사이에 보통 포틀랜드 시멘트와 알루미나 시멘트, 규사, 충전재, 탄소 나노튜브, 섬유소, 재유화형 수지 및 유동화제를 갖춘 단면 보수층을 더 포함할 수 있다. 이 보호 도막은 기계화 시공이 가능하며 표준적인 보호 도막 시공법을 적용하여 형성할 수 있다.

Description

고분자 융합 신소재와 탄소 나노튜브 단면 보수재를 이용한 콘크리트 구조물의 내구성 증대를 위한 표면 처리 공법과 그 콘크리트 구조물{Concrete Structure with Strengthened Durability by Means of Novel Polymer Composite Material and Crack Reparing Material Comprising Carbon Nanotubes and Finishing Method for the Same}

본 발명은 콘크리트 표면 처리법에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명은 기능성 고분자 재료를 이용하여 콘크리트 표면을 보호 또는 복구하는 마감재와 그 시공 방법에 관한 것이다.

콘크리트 구조물은 시멘트를 주재로 하여 형성된 구조물로서, 시멘트는 물과의 수화 반응을 통하여 안정한 물질을 생성하는 수경성의 재료이다. 이 수화 반응에서 시멘트량의 약 1/3에 해당하는 수산화칼슘이 생성되는데, pH 12～13 정도의 강알칼리성을 나타낸다. 철근 콘크리트 구조물에서 이 수산화칼슘은 구조물 내부의 철근 주위에 부동태 피막을 생성하여 철근의 부식울 막고 구조물의 강도를 유지하여 준다. 그러나, 콘크리트 구조물은 특성상 초기 양생 과정에서 많은 미세 균열이 발생하게 된다. 이러한 균열의 틈 사이로 물이 침투하게 되면, 온도 변화에 따른 물의 동결 융해의 반복에 의하여 콘크리트 구조물의 균열이 가속화되어 내구성이 현저히 저하된다. 특히, 비래 염분이나 이산화탄소, 산성비 유래의 황산염과 같은 산성 물질이 콘크리트 구조물 내부로 침입하면, 콘크리트의 염해 및 중성화가 진행되어 콘크리트 구조물의 강도 유지를 위해 내부에 매설한 철근이 부식을 촉진한다.

이와 같은 콘크리트 구조물의 열화 문제에 대처하기 위해 최근 구미나 일본 등 선진국에서는 콘크리트의 피복 두께를 늘리는 등의 법적 규제를 강화하고 있으며, 모르타르나 콘크리트의 내구성을 증진시키기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 구조 열화에 대응하는 한 가지 방법은 시멘트 복합체 자체의 성질을 개질함으로써 복합체의 물리적 성질을 개선하는 것이다. 국내에서 고분자 시멘트 모르타르는 주로 보수용 단면 복구재로 사용되고 있다. 단면 복구공법은 콘크리트 구조물이 성능 저하로 당초 단면을 손실한 경우의 복구나 중성화, 염화물 이온 등의 성능 저하 요인을 포함하고 있는 콘크리트 피복을 철거한 경우의 단면 복구에 적용하는 보수 공법이다. 이 공법은 일반적으로 프라이머 혹은 철근 방청재 등을 바르고 단면 보수재를 결손부에 충전한다.

그러나 이러한 합성수지 도장재는 도막 형성후 시간이 지남에 따라 도막의 들뜸, 갈라짐, 벗겨짐 등의 접착 손상이 자주 발생하여 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 합성수지 도막층의 접착 손상은 콘크리트나 철재 등의 피도포체의 표면 품질, 피도포체와 도막층의 접착 계면에서 발생하는 수증기압 등 다양한 요인이 작용한다. 특히, 유기 재료인 합성수지 도막층은 피도포체인 콘크리트나 강재와의 재료적 차이로 인하여 접착력이 떨어지고, 열팽창 계수나 신장률 등의 변형 특성 또한 큰 차이를 나타내므로, 도막층의 접착 손상이 빨리 일어난다.

본 발명의 기술적 과제는 균열 등으로 열화된 콘크리트 구조물 표면을 반영구적으로 보수?보호할 수 있으면서 석재 질감을 표현하여 미관도 개선할 수 있는 콘크리트 표면의 보호 도막과 그를 위한 시공 방법을 제공하는 데 있다.

이러한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 삼중층 구조의 콘크리트 구조물 표면의 보호 도막을 제공한다. 본 발명의 삼중층 보호 도막은 10~20 ㎛ 두께의 상도, 100~150 ㎛ 두께의 중도와 1~2 mm 두께의 하도로 이루어진다. 상기 상도는 전체 상도 중량 기준으로 세라믹 수지 50~70 중량%, 아세트산부티르산셀룰로오스 15~25 중량% 및 상 전이 물질 10~25 중량%를 포함한다. 상기 중도는 전체 중도 중량 기준으로 변성 아크릴 유탁액 23~28 중량%, 충전재 40~56 중량%, 규조토 5~8 중량%, 이산화티타늄 5~10 중량%, 물 10~15 중량% 및 무기 안료 1~10 중량%를 포함한다. 상기 하도는 전체 하도 중량 기준으로 변성 에폭시 수지 30~40 중량%와 부착력 강화 시멘트 55~67 중량% 및 탄소 나노튜브 0.1~5 중량%를 포함한다.

본 발명의 한 바람직한 실시 형태에서 전술한 보호 도막은 상기 콘크리트 구조물 표면과 상기 하도 사이에 단면 보수층을 더 포함한다. 이 단면 보수층은 보통 포틀랜드 시멘트(OPC) 40~50 중량%, 알루미나 시멘트 1.5~4 중량%, 규사 30~55 중량%, 충전재 1~4 중량%, 탄소 나노튜브 0.1~5 중량%, 섬유소 0.1~0.8 중량%, 재유화형 수지(redispersible resin) 1~5 중량%를 함유하는 주재를 포함한다. 아울러 단면 보수층은 주재 100 중량부에 대하여 유동화제 0.05~0.5 중량부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서 상기 상도의 세라믹 수지로는 알콕시실란과 실란 커플링제와 10~30 nm 크기의 금속 산화물을 포함하는 투명 수지 혼합물을 가수분해한 뒤 경화한 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서 상기 상도의 상 전이 물질은 폴리에틸렌글리콜, 파라핀류, 디메틸프로판디올(DMP), 하이드록시메틸로페네디올(HMP), 탄화지르코늄, 산화지르코늄 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택하는 첨가제를 부가한 것이다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서 상기 상도의 부착력 강화 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트에 증점제, 유동화제 및 소포제 중에서 선택한다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서 상기 탄소 나노튜브는 튜브 직경 5~20 nm의 다중벽 탄소 나노튜브를 사용할 수 있다.

본 발명의 콘크리트 표면의 보호 도막은 콘크리트 구조물의 내구성 증대, 탄산화와 염해 방지, 방식 효과가 뛰어나므로 콘크리트 구조물의 내후성을 향상시켜 준다. 게다가 석재의 질감과 색상을 효과적으로 구현할 수 있으므로 콘크리트 구조물의 미관을 개선하여 주며, 실제 석재를 사용하지 않고도 유사한 미관을 연출하여 경제성 효과도 뛰어나다.

이하 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다. 이하 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어를 해석하는 데 있어서는, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 반드시 통상적이거나 사전적인 의미로만 이러한 용어나 단어를 한정해서 해석할 것이 아니며, 본 명세서에서 기재하는 바에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석하여야 한다는 것을 밝혀 둔다.

본 발명의 한 측면에서는 콘크리트 표면의 보호 도막을 제공한다. 본 발명을 적용할 수 있는 콘크리트 구조물은 옹벽 등의 단순한 콘크리트 구조물은 물론 철근 콘크리트 구조, 지하 구조나 산성 침적물에 노출된 교량, 항만 등 다양하다. 본 발명의 콘크리트 표면의 보호 도막은 상도, 중도, 하도의 삼중층으로 이루어진다.

본 발명의 보호 도막에서 하도는 콘크리트 구조물의 바탕 조정층 역할을 하며 아울러 석재 질감을 표현하기 위한 엠보싱 있는 표면을 연출한다. 하도는 1차 방수층을 형성하여 열화된 구조물의 표면을 보호하고 콘크리트의 성능을 열화하는 수분, 탄산염 등의 침투를 차단한다. 그리고 하도는 콘크리트 구조물과 동일하게 시멘트가 주성분이 되므로 구조물과 일체화를 실현할 수 있다.

본 발명의 하도는 하도의 전체 중량 기준으로 변성 에폭시 수지 30~40 중량%와 부착력 강화 시멘트 55~67 중량% 및 탄소 나노튜브 0.1~5 중량%를 포함한다.

상기 변성 에폭시 수지는 아민 변성 에폭시, 고무 변성 에폭시 등 콘크리트 보호 도막 분야에서 통상적으로 쓰이는 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 변성 방향족 아민을 경화제로 하는 변성 에폭시 수지를 사용할 수 있다. 변성 에폭시가 하도 전체 중량의 30 중량% 미만이면 에폭시 수지의 절대량이 부족하여 기지 재료(matrix)로서의 바인더 역할을 할 수 없어 경화제와의 가교 결합시 가교 밀도가 떨어지게 되어 내산성, 내알칼리성과 같은 물성이 나빠진다. 반면에 하도내 변성 에폭시 함량이 40 중량%를 초과하면 흐름성이 증가하고 기타 성분의 함량이 부족하여 물성 및 작업성이 불량하게 된다.

상기 부착력 강화 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)에 첨가제를 가하여 부착력을 증진한 것이다. 부착력 강화 시멘트는 콘크리트 구조물의 주성분인 시멘트와 친화력이 크므로 피도면과 일체성을 꾀하여 치밀한 바탕 조정층을 형성할 수 있게 하여 준다. 본 발명의 한 실시 형태에서는 상기 첨가제를 증점제, 유동화제 및 소포제 중에서 하나 이상 선택할 수 있다. 증점제는 물에 용해될 때 소정의 점도를 증대시키기 위한 것으로, 재료의 분리를 방지하고 응집성과 윤활성을 증대시키는 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 용융 실리카, 폴리아크릴 유화액 증점제, 폴리우레탄계 증점제 등과 같이 공지의 증점제를 사용할 수 있다. 소포제는 시멘트와 혼합하여 반죽할 때 발생하는 거품을 방지하여 과도한 기포 형성을 막고 도막이 피도면에 밀착되도록 하며 도막의 밀도를 치밀하고 작업의 유연성도 향상시킨다. 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드 등과 같은 공지의 소포제를 사용할 수 있다. 유동화제는 강력한 분산 효과를 나타내어 강도의 저하 없이 작업성을 증가시키며, 유동화제의 고감수 효과는 초기 및 종결 강도를 현저히 증가시키고 시멘트 사용량을 감소시키는 역할을 한다. 유동화제로는 공지물을 사용하면 무방한데, 예를 들어 나프탈렌술폰산계 유동화제를 사용할 수 있다.

부착력 강화 시멘트에서 증점제의 함량은 0.3~0.7 중량% 정도이면 적당하다. 부착력 강화 시멘트에 대한 소포제의 함량은 0.1~1 중량%이면 적당하다. 부착력 강화 시멘트에서 유동화제의 함량은 0.3~1 중량%이면 인성 및 탄성의 저하 없이 기포를 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명의 하도에서 탄소 나노튜브는 종래의 시멘트 모르타르에서 섬유소를 대체하는 효과를 발휘함과 동시에 우수한 열전도성 덕택에 양생시 발생하는 수화열에 대한 저항성을 확보하고 균열을 예방하여 준다. 탄소 나노튜브를 사용하면 내구성, 내식성이 탄소 섬유나 셀룰로오스 등의 통상적인 섬유를 사용하는 경우보다 우수하게 발현되며, 하도의 시멘트와 혼합도 원활하다. 비슷하게 열과 전기의 양도체인 탄소 섬유를 사용하는 경우와 비교하여도, 도막의 성분을 교반할 때 탄소 섬유처럼 탄소 나노튜브가 뭉치는 일이 생기지 않기 때문에 탄소 나노튜브를 사용하는 본 발명의 하도 쪽의 작업성이 더 우수하다. 본 발명의 하도에서 사용할 수 있는 탄소 나노튜브로는 특별한 제한이 없다. 제한적이지 않은 예를 들자면, 두께가 5~20 nm인 다중벽 탄소 나노튜브를 사용하면 성능과 비용의 조화 측면에서 적절하다.

본 발명의 하도층은 콘크리트 구조물 표면에 또는 후술하는 콘크리트 구조물 표면 위에 형성된 단면 보수층 위에 공지의 방법을 써서, 예를 들어 붓, 롤러, 모르타르 건으로 도포할 수 있다. 하도의 두께는 1~2 mm 정도인 것이 바람직하다. 특히 본 발명의 하도층은 별도의 퍼티 작업이 없이도 엠보싱 효과를 낼 수 있어서 석재 질감을 표현하는데 이바지한다. 엠보싱 구조는 모르타르 건으로 피도면에 도포할 때 두드러지게 나타난다. 이후 이 엠보싱 표면을 쇠흑손으로 밀 수도 있다.

본 발명의 보호 도막에서 중도는 기능성 입자들을 혼합하여 석재 질감과 색채를 구현하는데 가장 큰 역할을 담당하고, 나아가 표면을 보호하는 기능성 층이다. 본 발명의 중도는 전체 중도 중량 기준으로 변성 아크릴 유탁액 23~28 중량%, 충전재 40~56 중량%, 규조토 5~8 중량%, 이산화티타늄 5~10 중량%, 물 10~15 중량% 및 무기 안료 1~10 중량%를 포함한다. 중도는 100~150 ㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

변성 아크릴 유탁액은 실리콘 변성을 통하여 발수성을 향상시킨 아크릴 수지의 유탁액(emulsion)이다. 변성 아크릴 유탁액은 중도와 상도가 부착력을 유지할 수 있게 하는 바인더로서 역할을 하며, 추가적으로 내후성 및 강도 증진을 위한 첨가재를 혼합할 수 있다. 아크릴 수지는 투명하므로 석재의 색깔을 구현할 안료와 배합하기에 적절하고 내수성, 내후성, 부착력이 우수하다.

충전재는 안료 등의 고가 성분을 대체하여 부피를 늘려 주는 성분이다. 아울러 충전재는 바탕면을 고르게 조정하거나, 함습 작용 등으로 도료가 건조될 때 주위 환경 조건이 급변하여도 중도의 건조 특성을 유지하여 주는 기능을 하거나, 안료 성분들이 달라붙는 것을 억제할 수도 있다. 충전재는 특별히 한정되지 않으며 이 분야에서 충전재로 흔히 쓰이는 것을 쓸 수 있다. 예를 들어 탄산칼슘과 실리카를 사용할 수 있다. 탄산칼슘은 구조물 표면에 석재 질감을 위한 엠보싱 효과를 부여할 수 있다. 실리카는 안료들의 뭉침을 막고, 보호 도막에 내마모성, 긁힘(scratch)과 충격에 대한 저항성을 부여한다. 한 구체적인 실시 형태에서는 전술한 23~28%의 충전재를 25~34 중량%의 탄산칼슘과 15~22 중량%의 실리카로 구성할 수 있다.

본 발명의 중도에서 규조토는 밀도가 낮고 공극률이 높아 표면적이 크므로 도막의 건조를 촉진하면서 벗겨짐을 방지한다. 또한 중도와 나머지 층들 사이의 접착력도 높여 주며, 광택과 번쩍거림을 죽여 주는 억제제로 기능한다.

본 발명의 중도에서 이산화티타늄은 백색을 구현하는 주원료로서 다른 색상과 섞여서 석재의 혼합색을 구현한다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서 중도는 규산화물(silicate)의 나노입자를 더 포함할 수 있다. 규산화물 나노입자는 콘크리트 모체면의 공극을 채워 바탕면을 고르게 하는 역할을 수행한다.

본 발명의 보호 도막에서 상도는 콘크리트 구조물 표면의 오염과 황변을 방지하고 내충격성을 부여하는 투명 마감재이다. 이러한 상도는 전체 상도 중량 기준으로 세라믹 수지 50~70 중량%, 아세트산부티르산셀룰로오스 15~25 중량% 및 상 전이 물질 10~25 중량%를 포함한다.

세라믹 수지는 투명한 수지에 금속 산화물 등의 세라믹 입자를 분산한 것으로서 표면의 경도를 향상시켜 준다. 세라믹의 수지로는 이 분야에서 통상적으로 사용되는 투명 수지와 세라믹 입자의 분산물을 사용할 수 있다. 예를 들어 에폭시 수지와 멜라민 수지의 혼합 수지를 투명 수지로 사용하고 여기에 실란 커플링제를 사용하여 접착력을 향상시킨 것을 쓸 수 있다. 또는 중합이 가능한 아크릴기 등의 유기 작용기를 갖춘 유기알콕시실란을 투명 수지로 사용할 수도 있다. 본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는 알콕시실란 커플링제와 10~30 nm 크기의 금속 산화물을 포함하는 투명 수지 혼합물을 가수분해한 뒤 경화한 것을 세라믹 수지로 사용한다. 이 때 트리메틸아민 등의 아민 촉매를 경화제로 사용할 수 있다. 내마모성을 위한 세라믹 입자로는 알루미나졸, 실리카졸, 티타늄졸 등 다양한 종류를 사용할 수 있다.

본 발명에서 아세트산부티르산셀룰오스는 상도의 소성 수축 균형을 억제하고 안정화하여, 인성, 내충격성 및 인장 강도 등을 증진시킴으로써 역학적 성질을 개선한다. 이 덕택에 피로 거동에 대한 상도의 저항력이 향상되어 보호 도막의 내구성이 커진다.

본 발명의 상도에서 상 전이(相轉移) 물질은 콘크리트 구조물에 열이 가해지자는 열을 흡수하거나 구조물에서 열이 빠져 나갈 때 열을 방출하면서 상 전이를 일으키는 물질이다. 이러한 원리로 상 전이 물질은 콘크리트 구조물이나 보호 도막의 삼중층들이 열팽창 또는 수축하지 못하도록 보호하는 구실을 한다. 본 발명에서 사용할 수 있는 상 전이 물질로는 폴리에틸렌글리콜(PEG), 특히 분자량 800~1,500 정도의 폴리에틸렌글리콜, 파라핀, 특히 직쇄형 파라핀, 디메틸프로판디올(DMP), 하이드록시메틸페네디올(HMP), 등의 수산기를 지니는 물질이 있다. 이 중에서 폴리에틸렌글리콜은 분자량을 선택함으로써 녹는점과 융해점을 조절할 수 있는 특성이 있다. 이 중에서 파라핀은 상 전이의 온도 범위가 가장 넓고 잠열 저장 기능이 크며 비용도 저렴한 장점이 있다. 디메틸프로판디올과 하이드록시메틸페네디올 등의 수산기 함유 물질은 융해점보다 낮은 온도에서 상 변화 없이도 흡열과 방열을 할 수 있는 특징이 있다. 또한 상 전이 물질에는 흡광 축열성 금속 화합물도 있다. 이러한 흡광 축열성 금속 화합물의 예로는 탄화지르코늄, 산화지르코늄을 들 수 있다.

본 발명의 한 바람직한 실시 형태에서는 상기 보호 도막이 콘크리트 구조물 표면과 상기 하도 사이에 단면 보수층을 더 포함한다. 단면 보수층은 콘크리트 구조물 표면의 보수용 고분자 모르타르 역할을 수행하는데, 탄소 나노튜브를 함유하므로 균열에 대한 저항성과 부착 강도, 압축 강도가 향상된 기능성 고분자 모르타르이다.

본 발명의 보호 도막에서 상기 단면 보수층은 보통 포틀랜드 시멘트 40~50 중량%, 알루미나 시멘트 1.5~4 중량%, 규사 30~55 중량%, 충전재 1~4 중량%, 탄소 나노튜브 0.1~5 중량%, 섬유소 0.1~0.8 중량% 및 재유화형 수지(redispersible resin) 1~5 중량%를 함유하는 주재와 상기 주재 100 중량부에 대하여 유동화제 0.05~0.5 중량부를 포함한다.

콘크리트 구조물의 단면 보수를 위한 고분자 시멘트 모르타르는 계면 결합력을 증진시키기 위하여 무기 재료인 시멘트에 유기 재료인 고분자 혼화제를 첨가하여 만든 복합 재료이다. 고분자 유탁액(polymer emulsion)을 혼화하여 시멘트의 성능을 개선시킨 고분자 시멘트 모르타르는 보통의 시멘트 모르타르에 비해 휨 및 인장 강도, 신장 능력, 접착성, 방수성, 염화 이온 침투에 대한 저항성, 중성화에 대한 저항성, 내마모성 등의 특성이 우수하다.

본 발명의 단면 보수층은 수용성 고분자 유탁액을 분말화한 재유화형 수지를 적용한 시멘트 모르타르이므로, 액상의 고분자 유탁액을 취급하면서 생기는 불편함이 없어 편리하다.

본 발명의 단면 보수층에서 쓰일 보통 포틀랜드 시멘트로는 특별한 제한이 없다. 바람직하게는 규사(SiO₂) 함량이 45 % 이상이고 비중이 1.95 이상 비표면적이 2400 cm²/g 이상인 것을 사용하면 무방하다.

본 발명의 단면 보수층에서 알루미나 시멘트는 속경 특성을 부여하여 작업 시간을 단축하고 균열을 제어하여 준다. 한 바람직한 실시 형태에서 알루미나 시멘트로는 CaO 함량이 35~40%, Al₂O₃ 함량이 36~42%이고 블레인 비표면적이 4000 cm²/g인 것을 사용할 수 있다.

팽창재로는 무수 석고 등의 통상적인 팽창재를 쓸 수 있다.

섬유소로는 통상의 강화 복합 재료용 섬유소, 예를 들어, 셀룰로오스, 나프타계 폴리비닐알코올(PVA) 섬유를 사용하며 섬유 길이는 3~5 mm인 것을 사용할 수 있다. 그 밖에도 섬유소로 아크릴 섬유, 에틸렌-아세트산비닐(EVA) 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유 등을 사용 할 수 있다.

본 발명의 단면 보수층에서 탄소 나노튜브는 수화열에 대한 저항성을 확보하고 균열을 예방할 수 있다. 특히 재유화형 수지를 사용하기 때문에 동일한 수지의 고분자 유화액을 사용하는 경우보다 악화할 수 있는 건조 수축을 개선하여 준다.

본 발명의 단면 보수층에서 재유화형 수지로는 폴리비닐알코올 섬유, 아크릴 섬유, 에틸렌-아세트산비닐 섬유 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에서는 전술한 보호 도막을 시공하는 방법을 제공한다. 본 발명의 보호 도막 시공 방법은 기계화 작업으로 이루어질 수 있으므로 작업성이 뛰어나다. 본 발명에 따른 보호 도막의 각 층을 적층하는 시공 방법은 이 분야에서 표준적으로 쓰이는 방법을 사용하면 무방하며, 특별히 제한되지 않는다. 따라서 이하에서는 개략적인 시공 방법만을 나타낸다.

본 발명의 보호 도막을 형성하는 경우에 콘크리트 구조물 표면(하지면)을 먼저 조정하여 주는 것이 바람직하다. 하지면의 처리는 콘크리트 구조물 표면의 바탕 처리와 하지면의 세척을 포함할 수 있다. 콘크리트 바탕면 처리는 이물질을 세척을 통하여 제거하고, 필요할 경우 열화된 콘크리트 구조물 표면의 부분을 제거하는 공정이다. 신규 콘크리트 구조물의 경우 표면에 묻은 이물질, 먼지 또는 유분들을 고압수(300 bar 이상) 세척을 통하여 제거한다. 표면에 물방울이 맺혀있을 경우 유분이 남아있는 것이므로 그라인딩 등을 통해 제거하여 주도록 한다. 열화된 콘크리트의 철거 두께 등을 결정한 후, 제거를 위해서는 콘크리트 구조물의 현장 여건을 검토하여 치핑, 샌드블라스터, 고압수 표면 처리기 및 착암기 치핑, 기타 적절한 공법을 채택하여 시행한다.

콘크리트 구조물 표면의 열화 부분을 제거한 후 접착력 증대를 위해 먼지 등 이물질을 고압수 세척기, 진공 청소기 등을 이용하여 완전하게 제거한다. 이 때 콘크리트 구조물이 모르타르의 수분을 급격히 흡수하는 것을 방지하기 위하여 작업 전에 하지면 콘크리트 표면이 포화 상태가 되도록 충분한 양의 물을 뿌려 적셔 둔다. 물을 뿌려 두는 것은 예를 들어, 24 시간 전에 실시할 수 있다. 그리고 작업 시작 1시간 전에 접착력 증대에 저해되는 수분이나 먼지(레이턴스) 등을 고압 공기를 이용하여 제거한다.

하지면의 처리를 한 후 손상된 콘크리트, 시멘트 레이턴스, 부식성 물질, 먼지, 유제 및 기타 하지면과 보수 재료와의 접착력을 감소시키는 물질의 존재 여부를 확인하고 문제가 있을 경우 바로 적절한 조치를 취하여 준다. 이어서 하지면의 부착력을 측정한다. 한 구체적인 실시 형태에서는 평균 부착력이 1.0 MPa 이상이 되도록 한다. 아울러 접착력을 저하시키는 수막이 있는지 여부를 확인한 후 표면에 고압 공기를 분사한다.

이어서 하도를 도장한다. 단면 보수층이 있는 경우는 그를 먼저 적층하는데, 그 방법은 일반적인 시멘트 모르타르 적층과 동일하게 할 수 있다.

부착력 강화 시멘트와 변성 에폭시 수지를 정해진 배합 방식에 따라 충분히 교반하여 준다. 교반은 예를 들어, 최소 2~3분간 교반기를 이용하여 교반하도록 한다. 하도의 목표 두께는 1,000~2,000 ㎛이다. 하도의 도포는 붓, 롤러 등을 사용하는 수작업(미장)으로 할 수도 있고 모르타르 건 등의 장비를 사용하는 기계 타설도 가능하다.

본 발명에 따른 하도 또는 단면 보수층의 도포를 위한 미장 시공의 구체적인 실시 형태를 예로 들면 다음과 같다.

(1) 1회 바름 두께는 약 7 mm를 표준으로 하여, 여러 번 나누어 발라 원하는 두께까지 되풀이한다. 바탕면에 발생할 수 있는 기포(에어포켓) 제거 및 부착력 향상을 위하여 힘껏 눌러 미장한다.

(2) 연속 미장하여 원하는 두께를 확보하여야 할 경우, 전회 도포 후의 마감면은 브러쉬 등을 사용하여, 거친 면으로 하여 둔다.

(3) 통풍이 좋고, 건조한 곳에서는 바탕 표면 및 시공 마감면을 습윤하게 하여 급격한 표면 건조를 방지한다.

(4) 최종 도포시에는 구석이나 모서리 등에 적당한 간격으로 기준 바름을 하여 마무리 두께를 표시한다.

본 발명에 따른 하도 또는 단면 보수층의 도포를 위한 기계 타설의 구체적인 실시 형태를 예로 들면 다음과 같다.

(1) 시공 두께를 확인할 수 있는 스페이서를 정착시킨다.

(2) 작업시 표준 분사거리는 30~100 cm로 하며, 건의 각도는 90도로 한다.

(3) 1회 도포량을 시험 시공 등을 실시하여 미리 산정하고, 단계별로 도포한다.

(4) 내화학성 방청 고분자 모르타르의 도포 두께는 최초 1회에 한하여 약 7 mm 정도로 하고, 바탕면과의 사이에 기포(에어포켓)가 생기지 않도록, 또는 충분한 부착력을 확보할 수 있도록 토출압과 토출량을 가능한 한 일정하게 유지될 수 있도록 한다. 본 발명의 더욱 구체적인 한 실시 형태에서는 하도의 도포 작업을 모르타르 건 스프레이로 수행하는데, 예를 들어 노즐 구경 2~2.5 mm, 팁 구경 6~8 mm의 모르타르 스프레이 장비의 분사 압력을 3~5 kg/㎠로 하여 1회 또는 2회 도포한다.

(5) 최초 도포후 표면이 건조되기 전에 같은 요령으로 최대 시공 두께 범위내에서 여러 번 나누어 도포한다.

(6) 수직면 도포시에는 상부에서 하부 방향으로 도포하는 것이 좋다.

본 발명의 한 구체적인 실시 형태에서는 하도의 도포시 줄눈 시공을 할 수 있다. 줄눈의 모양 및 크기는 자연석의 느낌을 부여하는데 중요한 요소이므로 외벽 디자인에 따라 정확히 간격대로 시공하며 줄눈의 위치와 굵기 및 간격을 조정하여 예정선에 도포한다. 도장이 건조된 후 예정된 줄눈 위치에 줄눈의 크기와 동일한 폭으로 마스킹 테이프를 붙인다(기준 두께 T = 30~50 ㎛).

이어서 중도를 도포한다. 목표 두께는 100~150 ㎛로 한다. 중도의 도포에는 모르타르 건을 통한 뿜칠 작업이나 본타일 건을 사용할 수 있다. 한 구체적인 실시 형태에서는 변성 아크릴 유탁액의 일액형 수용성 에멀젼 속에 구형 색소 캡슐이 분산되어 있는 원료를 사용할 수 있다. 이 때는 교반시 장비를 사용하지 말고 최대한 구형 색소 캡슐이 깨지지 않도록 주의하여 천천히 교반 후 중압식 스프레이 장비를 이용하여 도포한다. 색소의 콜로이드 상태가 유동성이 떨어진 경우 희석재로서 5% 이내의 물 첨가가 가능하며, 첨가 후 천천히 교반한다.

석재 질감의 연출을 위해서는 중도의 도포시 석재 색채 원료의 배합이 중요하다. 자연석의 색채를 구현하기 위해서는 우선 자연석이 갖는 색상의 개수 및 색상별 비율을 분석한 후, 각 색상별로 도료를 마련하고, 뿜칠을 통해 나타난 최종 색상을 원석과 비교하여 몇 번의 피드백 과정을 거친 후, 원석의 색상과 유사한 느낌이 나는 색상의 배합비를 결정하면 바람직하다. 이러한 색채 결정을 위한 피드백 과정은 먼저 무기 안료를 콜로이드 상태(예를 들어 직경 5 mm)로 (예를 들어 체를 이용하여) 물 속에 분산한 다음 이를 중량 배합한다. 개별 색소들의 중량을 서로 비교하여 비율별로 나눈 다음 서로 혼합하는 것이다. 개별 색소들이 혼합된 이후에도 색소들 간의 콜로이드 상태는 유지되어야만 한다. 만약 개별 색소들이 용제 안에서 서로 결합된다면 그 결과 전혀 다른 통합색이 되어 버려 원석이 가지는 독특한 색조를 구현할 수 없게 되기 때문에 색소별로 자기의 색상을 유지하는 것이 매우 중요하다.

콜로이드 상태의 물 분산매에 섞여 있는 개별 색소들을 교반기에서 교반할 때 교반 속도를 가감하여 캡슐의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어 교반 속도를 최소 200 ~1500 RPM에서 교반하면 200 ~ 3000 ㎛ 형태의 구형 캡슐을 얻을 수 있다.

상도는 전술한 중도 위에 붓, 롤러, 스프레이 등을 이용하여 10~20 ㎛ 두께로 도포할 수 있다.

보호 도막 형성을 위한 전체 공정이 완료된 후 24시간 이내에는 가급적 강우 및 강설에 노출되지 않도록 주의하고 최소 3일간의 양생 기간을 둔다.

[실시예]

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀 더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.

콘크리트 구조물의 단면 보수층

본 발명에 따른 예시 콘크리트 구조물 단면 보수층을 제작하여 성능을 평가하였다. 구체적으로, KS 규격 F 4042 "콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르의 기초 물성 기준"(2007년 기준)에 따라 콘크리트 공시체를 제작하고, 이 공시체 위에 본 발명에 따른 단면 보수층을 피복한 다음, 길이 변화율, 압축 강도, 휨 강도, 부착 강도와 흡수 계수의 지표들을 동 규격의 규정에 따라 평가하였다. 시험에 사용한 단면 보수층의 조성은 표 1에 나타내었다.

성 분	함량(중량)	실제 중량 (kg)
OPC	45.0%	45.0
알루미나 시멘트	2.0%	2.0
규사(5호:6호=25:23)	48.0%	48.0
충전재(무수 석고)	2.0%	2.0
탄소 나노튜브	0.5%	0.5
섬유소	0.25%	0.25
재유화형 수지	2.25%	2.25
계	100%	100
유동화제	0.1 중량부	0.1

알루미나 시멘트로는 알루민산칼슘 시멘트(CaO 함량 37~40%, Al₂O₃ 함량 39~42%, 블레인 4000 ㎠/g)를 사용하였고, 탄소 나노튜브로는 평균 두께가 15 nm인 다중벽 탄소 나노튜브를, 섬유소로는 폴리비닐알코올 섬유(비중 1.26, 길이 3~12 mm, 직경 15 ㎛, 인장 강도 890 Mpa, 탄성계수 14.7 Gpa)를, 재유화형 수지로는 재유화형 아크릴 수지인 영우켐텍의 아크릴계 공중합체 재유화형 분말 수지 epotec 분말을, 유동화제로는 나프탈렌 술폰산계인 남강케미칼의 NK-HR500을 사용하였다.

콘크리트 공시체 제조에는 표건 상태의 부순 자갈 및 바다 모래(세척사)를 사용하였으며, 필요한 콘크리트의 유동성을 확보하기 위한 혼화제로 리그닌계 AE 감수제 표준형을 사용하였다. 굳지 않은 콘크리트 성상이 제조 직후 슬럼프가 150 ± 25 ㎜, 공기량이 4.5 ± 1.5%가 되는 것을 목표로 성분을 배합하였다. 휨 몰드는 KS F 2403(콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법)에 준하여 휨 몰드(150×150×530 mm)를 W/C별로 4개씩 제작하여 총 12개의 휨 몰드를 제작하였다(즉 몰드 제작 수 4개(CO₂ 투입 유무) × 3(W/C별) = 12개). 경화 콘크리트의 성상은 28일 표준 양생(수중) 후 KS F 2584(콘크리트의 촉진 탄산화 시험 방법)에 준하여 상대 습도가 60±5%, 온도 20±2℃, 이산화탄소 투입 유무(5±0.2%)에 따라 시험을 진행하였다. 콘크리트의 촉진 시기(1, 4, 8, 13주)에 따른 비파괴 시험(슈미트헤머, 초음파 속도) 후 압축 강도를 측정하였다.

이러한 콘크리트 공시체만의 비교군과 이 공시체에 표 1의 단면 보수층을 적층한 시험군에 대하여 표 2의 항목들을 평가하였다.

측정 항목	요구 성능	시험 방법
길이 변화율(%)	±0.15 이내	KS F 2424
압축 강도(MPa)	20.0 이상	KS F 4042
휨 강도(MPa)	6.0 이상	KS F 4042
부착 강도(MPa)	1.0 이상	KS F 4042
흡수 계수(kg/m²?hr^1/2)	0.5 이하	KS F 2609

그 평가 시험 결과는 표 3에 정리하였다.

표 3의 데이터로부터 본 발명의 단면 보수층을 적층한 콘크리트 구조물은 단면 보수층이 없는 콘크리트 구조물보다 길이 변화가 적고, 우월한 강도를 더 일찍 발현할 수 있으며, 수분의 흡수도 더 잘 억제할 수 있음을 알 수 있다.

상중하도의 보호 도막

본 발명에 따른 3중층의 콘크리트 보호 도막을 제조하여 성능을 평가하였다. 구체적으로, KS 규격 F 4936 콘크리트 표면 보호제의 규정에 따라 콘크리트 공시체를 제조하고, 여기에 표 4 내지 표 6에 각각 정리한 조성을 지니는 상도, 중도, 하도의 보호 도막을 형성하였다.

상도의 구성 성분	함량(중량%)
세라믹 수지	65
아세트산부티르산셀룰로오스	20
상 전이 물질	15
계	100

상도의 두께는 12 ㎛였고, 소요량은 0.09 kg/㎡이었다.

중도의 구성 성분	함량(중량%)
변성 아크릴 유탁액	25
충전재	50
규조토	5
이산화티타늄	5
물	10
무기 안료	5
계	100

중도의 두께는 120 ㎛였고, 소요량은 0.4 kg/㎡이었다.

하도의 구성 성분	함량(중량%)
변성 에폭시 수지	35
부착력 강화 시멘트	64
탄소 나노튜브	1
계	100

하도의 조성에서 탄소 나노튜브로는 평균 두께가 15 nm인 다중벽 탄소 나노튜브를 사용하였다. 이 하도의 두께는 1200 ㎛였고, 소요량은 1.2~1.3 kg/㎡이었다.

전술한 조성으로 제조한 콘크리트 구조물의 보호 도막에 대하여 측정한 보호 특성 데이터를 표 7에 정리하였다.

표 7의 시험 결과로부터 본 발명의 콘크리트 구조물의 보호 도막이 내염성, 내식성, 방수성과 강도로 살필 수 있는 내후성 측면에서 성능이 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있다.

전술한 바와 같이 특정 내용과 일부 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 구체적인 예로써 제시한 설명일 뿐임을 밝혀 둔다. 본 발명은 전술한 실시 형태들로만 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 실시 형태에 대하여 다양한 수정 및 변형을 할 수 있고, 이러한 수정 및 변형도 본 발명의 기술 사상 속에서 망라하고 있다.

따라서 앞에서 설명한 실시 형태들과 후술하는 특허 청구의 범위는 물론, 이 특허 청구 범위의 모든 균등물이나 등가인 변경 실시 형태들도 본 발명 기술 사상의 범주에 속한다.

Claims

콘크리트 구조물 표면의 보호 도막으로서,
상기 보호 도막은 내구성 증대를 위한 10~20 ㎛ 두께의 상도;
석재 질감 구현을 위한 100~150 ㎛ 두께의 중도;
방수를 위한 1~2 mm 두께의 하도를 갖추고 있으며,
상기 상도는 전체 상도 중량 기준으로 세라믹 수지 50~70 중량%, 아세트산부티르산셀룰로오스 15~25 중량% 및 상 전이 물질 10~25 중량%를 포함하고,
상기 중도는 전체 중도 중량 기준으로 변성 아크릴 유탁액 23~28 중량%, 충전재 40~56 중량%, 규조토 5~8 중량%, 이산화티타늄 5~10 중량%, 물 10~15 중량% 및 무기 안료 1~10 중량%를 포함하며,
상기 하도는 전체 하도 중량 기준으로 변성 에폭시 수지 30~40 중량%와 부착력 강화 시멘트 55~67 중량% 및 탄소 나노튜브 0.1~5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호 도막.
제1항에 있어서, 상기 보호 도막은 상기 콘크리트 구조물 표면과 상기 하도 사이에 단면 보수층을 더 포함하며,
상기 단면 보수층은 보통 포틀랜드 시멘트(OPC) 40~50 중량%, 알루미나 시멘트 1.5~4 중량%, 규사 30~55 중량%, 충전재 1~4 중량%, 탄소 나노튜브 0.1~5 중량%, 섬유소 0.1~0.8 중량% 및 재유화형 수지(redispersible resin) 1~5 중량%를 함유하는 주재와 상기 주재 100 중량부에 대하여 유동화제 0.05~0.5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호 도막.
제1항에 있어서 상기 세라믹 수지는 알콕시실란 커플링제와 10~30 nm 크기의 금속 산화물을 포함하는 투명 수지 혼합물을 가수분해한 뒤 경화한 것을 특징으로 하는 보호 도막.
제1항에 있어서, 상기 상 전이 물질은 폴리에틸렌글리콜, 파라핀류, 디메틸프로판디올(DMP), 하이드록시메틸페네디올(HMP), 탄화지르코늄, 산화지르코늄 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택하는 것을 특징으로 하는 보호 도막.
제1항에 있어서, 상기 부착력 강화 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트에 증점제, 유동화제 및 소포제 중에서 선택하는 적어도 하나의 첨가제를 부가한 분말인 것을 특징으로 하는 보호 도막.
제1항에 있어서, 상기 충전재는 중도의 전체 중량을 기준으로 25~34 중량%의 탄산칼슘과 15~22 중량%의 실리카로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보호 도막.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브는 튜브 직경 5~20 nm의 다중벽 탄소 나노튜브인 것을 특징으로 하는 보호 도막.
제2항에 있어서, 상기 섬유소는 셀룰로오스, 폴리비닐알코올 섬유, 아크릴 섬유, 에틸렌-아세트산비닐(EVA) 섬유 및 이들의 혼합물 중에서 선택하는 것을 특징으로 하는 보호 도막.