KR101136838B1 - 해상 강재 파일 부식 방지용 도포제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해상 강재 파일의 부식을 방지하기 위한 부식 방지용 도포제에 관한 것이다.

본 발명은 중량%로, 백색시멘트: 20~35%, 슬래그미분말: 10~25%, 리그닌 술폰산염류: 0.05~0.1%, 탄소섬유 및 섬유류: 0.5~2.0%, 숯 분말: 0.1~0.3%, 나머지는 실리카 분말을 포함하는 혼합분체와

중량%로, 아크릴산 에스테르 공중합체: 10~39%, 스티렌과 부타디엔 유화공중합체: 60~85%, 아소산 이온 흡착 용액: 1~5%를 포함하는 혼합액체가 혼합된 해상 강재 파일 부식 방지용 도포제에 관한 것이다.

해상 강재 파일, 도포, 부식, 방식

Description

해상 강재 파일 부식 방지용 도포제{COATING MATERIAL FOR PROTECTING CORROSION OF MARINE STEEL PILE}

본 발명은 해상 강재 파일의 부식 방지용 도포제에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부식방지능이 우수하고, 해상 강재에 대한 부착성능이 우수하고, 강도 등의 역학적 특성이 우수한 부식 방지용 도포제에 관한 것이다.

바다 수중에 설치되는 강재 파일에 대하여 부분과 각 부분의 자연 부식 속도는 상부로부터 해상대기부분(0.128mm/year), 비말대 부분(0.272mm/year), 간만대 부분(0.083mm/year), 해수중 부분(0.090m/year), 해저 토중 부분(0.075mm/year)으로 구분되며, 간만의 차이가 큰 지역에서는 비말대 부분과 간만대 부분의 구분은 명확하지 않고 자연 부식 속도에서 비말대 부분과 같은 것으로 알려져 있다.

그 이유는 해상 강재 파일의 자연 부식 속도에서 가장 큰 영향을 주는 인자인 산소와 염소이온을 고려할 때, 비말대 부분은 비말을 맞아 산소공급이 충분하고 간만대 역시 간만의 차이로 인해 산소 공급과 염소이온의 공급이 충분하기 때문이다.

따라서 해상에 설치된 강재 파일에서 도장 공법으로 시공 및 보수가 용이한 해상대기부분과 간만대 일부분 즉, 평균해수면(M.S.L) 상부 부분은 방식처리한다. 부식속도, 유목에 대한 충격 가능성이 가장 큰 부분과 수막에 의한 문제점이 발생되는 부분인 비말대, 간만대, 해수중 부분 즉, 평균해수면(M.S.L) 하부 부분에 대하여 다양한 방법으로 부식을 방지할 수 있는 방법을 모색하고 있다.

상기 부식을 방지할 수 있는 방법의 하나로, 강재의 표면에 거푸집을 형성시키고, 강재 표면과 거푸집 사이에 방청재료를 도포하여 부식을 방지하는 기술이 있다. 이러한 강재파일에 거푸집을 형성하여 부식을 방지하는 종래의 기술은 페트롤레이텀 공법, 유기성 케미컬 재료 주입 기술, 모르타르 라이닝 기술 등이 있다.

상기 페트롤레이텀 공법은 페트롤레이텀계 방식재료에 의해 강재를 피복하고 보호 커버를 설치하는 기술이다. 페트롤레이텀계 방식재료는 원유에서 감압증류에 의해 분리된 석유왁스의 일종인 페트롤레이텀을 주성분으로 하여 부식억제제 등을 첨가한 것으로서 이것을 테이프 모양이나 시트 모양의 부직포에 함침시키고, 점토모양으로 고형화하여 충진재로 사용하는 매스틱 모양의 것과 초벌처리재로 사용하는 페이스트 등이 있다.

페트롤레이텀계 방식재료는 점착성과 유연성이 풍부하여 강재표면에 밀착성 이 좋고 물을 차단하는 성질을 갖고 있으며, 또한 페이스트에 포함되어 있는 탄닌은 강재표면에 탄닌산철 피복을 형성하여 녹의 진행을 저지한다.

그러나, 피복재 설치 후 보호커버를 설치하므로 이들 사이에 공간이 발생하고, 이 공간에 해수가 유입되어 페이스트를 유실시키며, 강도가 크지 않아 유목이나 태풍과 같은 외부충격에 손상을 입기 쉬우며 특히, 유기성 재료이므로 피복작업시 강재표면의 수막에 의해 완전한 밀착이 이루어 지지 않고 자기방청능이 없으므로 적은 공기의 유입에도 녹이 발생하는 문제가 있다.

상기 문제점을 개량하고자 부직포에 고강도인 수중 에폭시를 함침시킨 피복재를 사용함으로써 외부충격에 의한 손상과 페이스트의 유실을 방지하였지만, 이를 통해서도 공간 발생으로 인한 문제점과 유기성재료의 특성으로 발생하는 수막문제는 해결하지 못한다.

한편, 유기성 케미컬재료 주입 기술은 강재 표면에 FRP 거푸집을 설치하고 수밀성과 부착력이 있는 유기성 재료 즉, 에폭시나 우레탄 등을 주입하여 충진하는 기술로 내부를 완전히 충진시킴으로 공간이 발생하지 않고, 외부충격에 강하고, 수밀이 확보되므로 유실을 방지하여 방식능력이 페트롤레이텀 공법보다 뛰어나다.

그러나 방청재료 내부에 잔존하는 염화물로 인하여 장기 부식이 일어나, 수 막을 제거하지 못하고 자기방청능이 없으므로 작은 균열에도 녹이 발생할 가능성을 가지고 있다.　또한 유기성 도포재료에서 수막을 제거하고 도포할지라도 초기에는 큰 부착강도를 발휘하지만, 강재와 유기성재료는 열팽창계수에 큰 차이가 있으므로 연중 기온의 변화가 심한 지역에서는 부착력의 저하가 현저히 발생하여 강재와 도포제가 분리되어 녹이 발생하기 쉬운 문제가 있다.　　　　　

한편, 모르타르 라이닝 기술 부분은 무기질 도포로 강재 파일에 FRP 거푸집을 설치하고 시멘트 모르타르나 콘크리트를 타설하여 피복을 형성시키는 공법을 총칭한 것이다. 모르타르나 콘크리트가 갖는 알카리성에 의해 강재의 표면에 자기방청막을 형성해서 방식하는 것으로 모르타르의 두께는 염분의 투과, 중성화 등에 의한 풍화, 유목의 충격 등에 의한 충격 등을 고려하여 10~15cm로 하는 것이 일반적이지만, 중량이 무겁고 강재의 변형에 의해 분리되고, 건조수축에 의해 균열이 발생하여 방식기능이 저하되는 문제가 있다.

또한 이와 같은 문제점을 해결하고자 강재 파일과 거푸집 사이에 철근을 용접 배근하는 CRUS 공법이 개발되었고, CRUS 공법은 중량에 대한 처짐, 강재에 변형에 의한 분리 문제를 해결하였으나, 건조수축에 대한 균열과 과다한 비용으로 경제성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

본 발명의 일측면은 상기 문제점을 해결하고, 해상 강재 파일의 부식 억제능이 우수하고, 강재의 밀착성과 강도가 우수한 부식 방지용 도포제를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 중량%로, 백색시멘트: 20~35%, 슬래그미분말: 10~25%, 리그닌 술폰산염류: 0.05~0.1%, 탄소섬유 및 섬유류: 0.5~2.0%, 숯 분말: 0.1~0.3%, 나머지는 실리카 분말을 포함하는 혼합분체와

중량%로, 아크릴산 에스테르 공중합체: 10~39%, 스티렌과 부타디엔 유화공중합체: 60~85%, 아소산 이온 흡착 용액: 1~5%를 포함하는 혼합액체가 혼합된 해상 강재 파일 부식 방지용 도포제를 제공한다.

본 발명 도포제에 의하면, 강재 표면에 알카리피막을 형성하고 자기방청능을 발휘하여 부식을 방지할 뿐만 아니라, 녹의 전이를 방지하여 우수한 부식방지능을 확보할 수 있다. 특히 잔류 염분을 이온교환 및 경화에 의해 이중적으로 제거하여 부식방지능이 탁월하다.

또한, 본 발명의 도포제는 수용성으로 강재표면의 수막을 혼합 제거하여 도포제가 강재에 직접적으로 밀착하도록 하여 강한 부착력과 내구성을 가지게 되고, 경화하여 고강도를 발휘하므로 외부충격에 강하다. 열팽창 계수가 강재와 차이가 크지 않으므로 장기적인 부착력을 유지할 수 있으며, 신축성 및 유연성이 크므로 강재의 변형에 박리되지 않고, 건조 수축균열이 방지되고 인장강도가 커서 우수한 수밀성을 갖는다.

또한, 얇은 도막으로도 방식기능을 발휘하여 중량에 의한 처짐이 발생하지 않으며, 도포제의 성분이 대부분 무기질 재료로 수용성이어서 해수오염이 적고, 휘발성 화합물을 사용하지 않아 인체에 영향이 적어 작업원의 안전이 보장된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 도포제는 다액형으로 혼합분체와 혼합액체가 혼합된 형태로 이루어진다.

이에 먼저 혼합분체에 대하여 상세히 설명한다.

상기 도포제를 이루는 혼합분체는 중량%로, 백색시멘트: 20~35%, 슬래그미분말: 10~25%, 리그닌 술폰산염류: 0.05~0.1%, 탄소섬유 및 섬유류: 0.5~2.0%, 숯 분말: 0.1~0.3%, 나머지는 실리카 분말을 포함한다.

상기 백색시멘트는 수화반응에 의해 강도가 발현하며, 주입재료의 강도부분 주재료이다. 주요 구성 성분인 Ca(OH)₂로 인하여 강알칼리성(pH 약12)을 나타내며, 피도포체인 강재 파일의 표면에 자기방청능이 있는 알카리막을 형성하여 부식을 방 지한다. 또한 잠재수경성 재료인 슬래그 미분말을 자극하여 규산칼슘 생성반응을 일으키는 역할을 하여 주입재료의 장기강도를 향상시킨다. 상기 역할에 필요한 최적 함량은 중량%로, 20~35%인 것이 바람직하다.

상기 슬래그 미분말은 제철소에서 발생되는 수재슬래그를 미분말로 가공한 것으로 아크릴산 에스테르 공중합체와 스티렌과 부타디엔 유화공중합체의 물 성분과 접하면 슬래그 미분말 입자 표면에 치밀한 불투수층의 산성피막이 형성되기 때문에 자체적으로는 경화하지 않으므로, 백색시멘트의 강알칼리 이온(OH^-)에 의해 피막을 파괴시켜서 반응이 되도록 하며, 이 반응에 의해 생성되는 규산칼슘 수화물은 안정한 불용성염이다. 상기 반응은 주로 수산화칼슘(Ca(OH)₂)에 의해 이루어지며, 슬래그 미분말은 장기적으로 슬래그 미분말양의 약10~15%에 상당하는 수산화칼슘과 결합하게 된다.

슬래그 미분말은 상기 백색시멘트와 반응하여 규산칼슘 수화물을 형성하고 이는 도포제의 장기간 강도를 확보하는 역할을 한다. 또한 규산칼슘은 부착강도, 수밀성 및 내구성을 증진시킨다. 상기 슬래그 미분말은 도포제의 균열 원인인 수화열 발생속도를 지연시키고, 수축균열 방지 및 수밀성 증진은 부식에 치명적인 염소이온의 침투를 억제하고, 화학적 저항성을 향상시킨다. 상기 기능을 확보하기 위해서, 슬래그 미분말의 함량은 10~25%를 포함하는 것이 바람직하다.

리그닌 술폰산 염류는 펄프 생산에서 발생하는 부산물로 유동성을 개선하여 작업성을 향상시키고, 혼합분체의 첨가비를 크게하여 강도를 향상시키는 계면활성제로의 역할을 수행하고, 해수에 있는 염분이온과 이온교환반응하여 염분을 제거하는 이온교환 기능이 탁월한 재료이다. 본 발명의 도포제에서는 계면활성, 이온교환 기능을 확보하기 위해서 0.05~0.1%를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 리그니 술폰산 염류로는 칼슘 리그노설포네이트(calcium lignosulfonate)가 대표적이며, 이외에도 적용이 가능하다.

탄소섬유 및 섬유류, 특히 탄소섬유는 탄소원소만으로 된 섬유이며, 우주용 기기와 항공기 분야에 적용하고자 개발된 화학적으로 안정하며, 경량이고 고강도 소재이다. 상기 탄소섬유 및 섬유류를 첨가하여 도포제의 인장강도 및 신축성을 향상시키고 건조 수축균열을 방지하여 수밀성 및 염분침투를 방지한다. 이를 위해 상기 탄소섬유 및 섬유류를 0.5~2.0% 첨가하는 것이 바람직하다.

숯 분말은 혼합분체에서 이온 흡착능이 있어, 염분 이온을 흡착하여 부식을 방지하는 기능을 가지며 도포제의 양생 후 관리에 필요한 색소 기능을 갖는다. 따라서 숯 분말을 0.1~0.3% 포함하는 것이 바람직하다.

상기 혼합분체에서 나머지는 실리카(SiO₂) 분말로 이루어진다. 상기 실리카 분말은 화학적으로 가장 안정된 화합물이며 물리적으로도 충분한 역학 강도 및 내구성을 갖는다. 상기 실리카 분말은 다른 재료와 달리 골격을 이루는 골재로, 섬유류간의 정전기를 차단하여 분산시키는 역할을 한다. 바람직하게는 실리카 분말을 40~60% 포함한다.

이하, 상기 혼합분체외에 혼합액체에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 도포제를 이루는 혼합액체는 혼합액체 전체의 중량%로, 아크릴산 에스테르 공중합체: 10~39%, 스티렌과 부타디엔 유화공중합체: 60~85%, 아소산 이온 흡착 용액: 1~5%를 포함한다.

상기 아크릴산 에스테르 공중합체는 아크릴 수지의 평균 입자경이 200~400nm이며, 분자량 300,000이상의 아크릴계 수지 고분자의 현탁액으로서, 고형분 27±1.0%, 20℃에서의 점도 1,000cps 이하, pH 중성 및 비이온성인 고분자 현탁액이다.

상기 아크릴산 에스테르 공중합체는 강재와의 부착성이 크고, 신축성이 있으므로 강재 변형에도 부착력을 발휘한다.　또한 건조 수축균열을 방지하여 수밀성을 향상하고, 염분침투를 방지하는 역할을 한다. 이를 위해서, 중량%로 10~39%를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 스티렌과 부타디엔 유화공중합체는 입자경이 200~1000nm이며, 고형분 30±1.0%, 25℃에서의 점도 2,500cps 이하, 25℃에서 pH 10이하인 고분자 현탁액이다. 상기 스티렌과 부타디엔 유화공중합체는 강재와의 부착성이 우수하고 신축성이 있으므로, 강재의 변형에도 부착력을 발휘한다. 또한 건조 수축균열을 방지하여 수밀성을 향상하고 염분의 침투를 방지하는 역할을 한다. 상기 스티렌과 부타디엔 유화공중합체는 중량%로 60~85% 함유하는 것이 바람직하다.

상기 아소산 이온 흡착 용액은 해수에서 강재의 부식에 가장 큰 영향을 주는 염소이온을 제거하는 기능을 하며 혼합량은 잔류 해수량을 거푸집 내부 부피의 30%까지 고려하여 중량%로, 1~5%를 포함하는 것이 바람직하다.

상기　아소산 이온 흡착 용액은 염해억제재로 잔류 해수중의 염소 이온을 흡착하고 흡착과 동시에 흡착된 아소산 이온을 방출하여 염소이온과 아소산 이온교환 반응을 일으켜서 염소이온을 제거한다.

본 발명의 도포제는 상기 혼합액체와 혼합분체는 중량비로, 1.0 : 1.6~2.3 (혼합액체 : 혼합분체)의 비로 혼합하는 것이 바람직하다. 혼합분체와 혼합액체의 비는 두 물질이 수화반응을 효과적으로 일으키는데 필요한 비율이고, 또한, 두 물질을 혼합하여 슬러리상을 형성하여 작업할 때, 작업성이 확보되는 적절한 유동성을 가지는데 필요한 비율이며, 양생되었을 때 재료분리가 최소로 발생하는 비율이다.

본 발명의 도포제를 사용한 일예를 도 1 및 2에 나타내었다. 도 1은 본 발명의 도포제를 이용하여 해상 강재 파일에 도포한 것을 나타낸 사진이며, 도 2는 본 발명의 도포제를 이용하여 거푸집을 이용하여 해상 강재 파일에 도포하는 경우에, 거푸집에 주입한 후의 사진이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

본 발명의 도포제(발명예)와 표준 모르타르 라이닝(비교예)의 성능을 시험하였다. 상기 도포제는 혼합분체가 중량%로, 백색시멘트: 25%, 슬래그 미분말: 10%, 칼슘 리그노 설포네이트: 0.06%, 탄소섬유 및 섬유류: 0.5%, 숯 분말: 0.2%, 실리카 분말: 64.24%로 이루어지고, 혼합액체는 중량%로, 아크릴산 에스테르 공중합체: 20%, 스티렌과 부타디엔 유화공중합체: 77%, 아소산 이온 흡착 용액: 3%로 이루어져 있다.

본 발명의 도포제는 상기 혼합분체와 혼합액체를 1.0:2.0로　혼합한 도포제를 KS F 4042, KS L 5104 규격에 따라 역학특성 시험인 압축강도, 인장강도 시험을 실시하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

시험항목	단위	발명도포제	표준 모르타르	시험방법
휨강도(7일)	㎏/㎠	59.2	34.0	KS F 4042
압축강도(7일)	㎏/㎠	201	167	KS F 4042
부착강도(7일)	㎏/㎠	11.7	6.5	KS F 4042 KS L 5104
인장강도(7일)	㎏/㎠	22.9	12.1
신율(7일)	%	0.37	0.30

시험결과 발명 도포제는 표준 모르타르보다 휨 강도가 1.74배, 인장강도가 1.89배, 신율이 0.07% 큰 것으로 나타내었으며, 이것은 탄소섬유, 에멀젼의 효과이며, 이것은 강재가 변형할 때 박리현상을 방지하는 효과가 있는 것으로 평가된다.

또한, 부착강도가 1.80배 큰 것은 에멀젼의 효과이며, 이로 인해 강재의 변형에 의한 박리나 온도변화에 의한 탈락을 방지할 수 있고, 압축강도는 1.20배 증가한 것으로 나타났으며, 이것은 실리카 분말과 혼화재의 효과이며, 이것은 외부의 충격에 강한 저항성 및 내구성의 향상된 것을 나타낸다.

또한 상기 도포제를 KS F 2451, KS F 4715, KS D 9502 규격에 따라 성능 및 내구성 시험을 실시하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

시험항목	단위	발명 도포제	표준모르타르	시험방법
투수성(1.0㎏/㎠)	용적/%	0.4	4.2	KS F 2451
흡수성(24hr)	용량/%	2.5	15.2	KS F 4715
저온안정성	-	이상없음	이상없음	KS F 4715
염수분무시험	800㎛	이상없음	녹발생	KS D 9502

본 시험 결과에서 발명 도포제는 표준 모르타르보다 투수성이 9.5%에 불과하고, 흡수성이 16.4%에 불과한 것으로 나타났다. 이것은 혼합분체의 입자배열과 에멀젼의 효과이며, 수밀성의 향상, 부식 인자의 침투방지 등으로 부식능을 향상시키기 때문이다. 또한 염수분무시험에서 이상이 없는 것으로 나타난 것은 알카리성에 의한 효과와 아소산 이온 흡착용액에 의한 염소제거 효과로서, 방식성능이 탁월한 도포제라는 것을 나타낸다.

또한 본 발명의 도포제에 대하여 폭로(暴露) 시험을 행한 사진을 도 3 및 4에 나타내었다. 특히, 도 4는 도 3에서 도포제의 흠집부를 관찰한 사진으로서, 본 발명의 도포제는 흠집이 생긴 흠집부에서 녹이 발생하더라도, 녹이 번져나가지 않고, 흠집부에만 녹이 형성되는 것을 관찰할 수 있다. 즉, 녹의 전이를 방지하는 우수한 자기방청능이 있음을 확인할 수 있다.

도 1은 해상 강재 파일에 본 발명의 도포제가 적용된 상태의 사진이다.

도 2는 해상 강재 파일에 본 발명의 도포제를 거푸집을 이용하여 주입한 사진이다.

도 3은 본 발명의 도포제를 폭로(暴露) 시험한 사진이다.

도 4는 본 발명의 도포제를 폭로(暴露) 시험에서 흠집부의 자기방청능을 관찰한 사진이다.

Claims (5)

1. 중량%로, 백색시멘트: 20~35%, 슬래그미분말: 10~25%, 리그닌 술폰산염류: 0.05~0.1%, 탄소섬유 및 섬유류: 0.5~2.0%, 숯 분말: 0.1~0.3%, 나머지는 실리카 분말을 포함하는 혼합분체와

   중량%로, 아크릴산 에스테르 공중합체: 10~39%, 스티렌과 부타디엔 유화공중합체: 60~85%, 아소산 이온 흡착 용액: 1~5%를 포함하는 혼합액체가 혼합된 해상 강재 파일 부식 방지용 도포제.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 혼합액체와 혼합분체는 중량비로, 혼합액체 1.0에 대하여 혼합분체가 1.6~2.3의 비율로 혼합된 해상 강재 파일 부식 방지용 도포제.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 아크릴산 에스테르 공중합체는 아크릴 수지의 평균 입자경이 200~400nm이며, 분자량 300,000이상의 아크릴계 수지 고분자의 현탁액인 해상 강재 파일 부식 방지용 도포제.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 아크릴산 에스테르 공중합체는 고형분 27±1.0%, 20℃에서 점도 1,000cps 이하, pH 중성 및 비이온성 고분자 현탁액인 해상 강재 파일 부식 방지용 도포제.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 스티렌과 부타디엔 유화공중합체는 입자경이 200~1000nm이며, 고형분 30±1.0%, 25℃에서의 점도 2,500cps 이하, 25℃에서의 pH 10이하인 고분자 현탁액인 해상 강재 파일 부식 방지용 도포제.

Images