KR101166686B1 - 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법 - Google Patents

구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법 Download PDF

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(주)홍지디씨에스
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Abstract

본 발명의 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법은 구조물 표면의 이물질을 제거하는 단계; 폴리올과 이소시아네이트의 중합으로 형성되는 프리폴리머 및 아민기를 갖는 화합물인 경화제 화합물의 반응으로 이루어지는 폴리우레아와, 폴리우레아 100중량부를 기준으로 석분 또는 세라믹 파우더 0.1~20중량부, 인계 화합물 또는 할로겐계 화합물로 이루어진 난연성재료 0.1~20중량부, 중성화방지제 0.1~10중량부, 자외선안정제 0.1~10중량부 가 혼합된 첨가제를 혼합하여 도포하는 단계;를 포함하여 이루어져, 구조물의 보수 및 보강시에 구조물의 표면에 폴리우레아를 도포하여 보수 및 보강하기 때문에, 불필요한 계면이 없어 일체 거동을 유도할 수 있으며, 불연속면이 존재하지 않아 부착성능이 우수한 효과가 있다. 또한, 폴리우레아와 강도증가 및 여러 성능향상을 위한 첨가제의 혼합으로 인하여 강도가 증가되어 구조물의 보수?보강용으로서의 사용이 가능할 뿐만 아니라 기본적으로 반응성이 빠르고 경화시간이 매우 짧은 폴리우레아 수지를 이용하므로 저온?고습한 조건 하에서도 시공이 가능한 매우 유용한 효과가 있다.

Description

구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법{structure repair and reinforce construction method using polyurea resin composition}
본 발명은 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리올과 이소시아네이트의 중합으로 형성되는 프리폴리머와, 아민기를 갖는 화합물인 경화제 화합물을 반응시켜 생성되되, 상기 중합시에 강성 증가를 위하여 석분 또는 세라믹 파우더를 혼합하고, 난연성 재료 등의 첨가제가 추가로 혼합하여 생성한 폴리우레아를 구조물의 표면에 분사하여 보수?보강함으로써, 폴리우레아의 우수한 방수성능에 부가하여 부착력이 강하고 불필요한 계면이 없어 연속성이 가능하며 경제적이면서도 시공이 간편하고 구조물의 내력과 연성이 동시에 확보되며, 해안 구조물의 부식 및 방식효과가 뛰어나고, 구조물의 내력과 연성이 동시에 확보가능한 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법에 관한 것이다.
최근 들어 기존 구조물의 고강도화 및 환경문제로 인한 내구성능 저하에 따른 구조적 보수?보강뿐 아니라 구조물의 노후화나 내진규정의 강화에 따른 구조물의 내진보강에 대한 요구가 증가되고 있다. 기존 가설된 구조부재의 보수?보강 및 내진성능을 향상시키기 위한 방법으로는 단면증대 공법이나 철판보강방법 등이 많이 사용되어 왔으나, 1990년대 이후에는 타재료 및 공법과 비교하여 여러 가지 장점을 가지고 있는 FRP를 이용한 보강공법의 사용이 증가하고 있다. 그 결과 에폭시 수지와 같은 실링재로 밀봉하는 방법과 에폭시계 접착제와 같은 그라우트재료를 주입하는 공법, 퍼티재를 이용하여 보강하는 방법 등이 개발되어 구조물의 보수?보강용으로 사용되고 있다.
특히, 1990년대에 개발된 FRP를 이용한 보수보강 공법은 강도 증진, 내구성 향상 및 시공성 증가면에서 다른 재료 및 공법들에 비해 많은 장점을 가지고 있어 현재까지도 가장 각광받는 보강공법으로 활용되고 있다. 그러나, FRP 시트를 이용한 보강공법은 시공과정이 단순하지만, 균일한 품질을 확보하기 어려우며, 부착성능에 영향을 주는 결함이 종종 발생하는 문제점이 있었으며, FRP 시트에 의한 부착공법은 접착제의 성능에 따라 보강성능이 결정되며, 접착제에 의한 불필요한 계면이 만들어져 시간의 경과에 따라 열화, 탈락 등의 문제를 발생시키는 문제점도 있었다. 또한, FRP의 연속적인 배치가 불가능하고 상층 피복과 하층 피복이 동일한 지점에서 끝나도록 하는 것이 어려워 FRP의 불연속성을 갖는 단점이 있었다. 현재 FRP 재료는 대부분 해외 수입에 의존하고 있어 막대한 경제적 손실을 입고 있으며 FRP 재료의 원자재가도 매우 높아 구조물의 보수 및 보강시에 시공비 상승의 원인이 되기도 하였다.
또한, 기존의 구조물 보수보강 재료 및 공법 중에서 가장 대표적으로 활용되고 있는 공법은 FRP 시트에 에폭시를 도포하여 감싸는 공법으로 다른 재료 및 공법에 비해 시공이 단순하고 성능이 우수하나 접착제의 성능에 따라 구조물의 보강성능이 정해지기 때문에 균일한 품질을 확보하기 어려우며 FRP 재료 자체가 대부분 해외에 의존하고 있어 재료비가 고가인 문제점이 있었다. 또한, 낱장으로 이루어지는 FRP시트를 구조물의 표면을 감싸도록 하는 구조이기 때문에, 구조물의 표면에 불연속면이 나타날 수밖에 없으며, 에폭시의 사용에 의한 부착력 저하현상과 인력시공 시 작업량에 한계가 있었다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 특허등록 제0708058호 "콘크리트 구조물 보강용 에프알피(FRP) 패널"(특허문헌 1)이 있다. 상기 배경기술에서는 도 5에서와 같이 철근콘크리트의 구조물을 보강하기 위한 패널의 상/하면을 구성하고 규사 60목과 4호를 배합한 혼합잔골재와 에폭시 레진으로 이루어진 에폭시 모르타르와, 상기 상/하 에폭시 모르타르의 사이에 삽입되고 상기 패널의 강도를 높이기 위한 탄소에프알피 시트로 구성된 콘크리트 구조물 보강용 에프알피 패널에 있어서, 상기 에폭시 모르타르는 상기 규사 60목과 4호를 1:3의 비율로 혼합잔골재를 배합한 다음, 상기 에폭시 레진과 상기 혼합 잔골재의 비율을 1:4로 배합하여 제조된 것임을 특징으로 하는 콘크리트 구조물 보강용 에프알피 패널을 제안한다.
그러나 상기 배경기술 역시 접착제의 성능에 따라 구조물의 보강성능이 정해지기 때문에 균일한 품질을 확보하기 어려우며 FRP 재료 자체가 대부분 해외에 의존하고 있어 재료비가 고가인 문제점이 있었으며, FRP 시트에 에폭시를 도포하여 감싸기 때문에 단부에서의 불연속면이 존재하는 문제점이 있었다.
특허등록 제0708058호 "콘크리트 구조물 보강용 에프알피(FRP) 패널"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구조물의 보수 및 보강시에 구조물에 폴리올과 이소시아네이트의 중합으로 형성되는 프리폴리머와, 아민기를 갖는 화합물인 경화제 화합물을 반응시켜 생성되되, 상기 중합시에 강성증가를 위하여 석분 또는 세라믹 파우더를 그리고 난연성재료 등의 첨가제가 추가로 혼합하여 생성한 폴리우레아를 구조물의 표면에 분사하여 보수?보강함으로써, 폴리우레아의 우수한 방수성능에 부가하여 부착력이 강하고 불필요한 계면이 없어 연속성이 가능하며 경제적이면서도 시공이 간편하고 구조물의 내력과 연성이 동시에 확보되며, 해안 구조물의 부식 및 방식효과가 뛰어나고, 구조물의 내력과 연성이 동시에 확보가능한 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 구조물 표면의 이물질을 제거하는 단계; 폴리올과 이소시아네이트의 중합으로 형성되는 프리폴리머와, 아민기를 갖는 화합물인 경화제 화합물과, 폴리우레아 100중량부를 기준으로 석분 또는 세라믹 파우더 0.1~20중량부, 인계 화합물 또는 할로겐계 화합물로 이루어진 난연성재료 0.1~20중량부, 중성화방지제 0.1~10중량부, 자외선안정제 0.1~10중량부 가 혼합된 첨가제를 혼합하여 붓 또는 롤러를 이용하여 도포하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법을 제공하고자 한다.
또한, 상기 이물질이 제거된 구조물에 표면부착력 증가와 핀홀 방지를 위한 프라이머를 도포하는 단계를 추가로 구성하거나, 구조물 표면의 이물질을 제거하는 단계 이후 구조물의 표면에 에폭시를 도포한 후 에프알피 시트를 랩핑하는 단계 및 에프알피 시트에 에폭시를 함침시키는 단계를 추가로 구성한 후 폴리우레아를 도포하여 에프알피 시트와 폴리우레아를 병행 구성하여 위험구조물의 보수 및 보강을 하도록 할 수 있다.
또한, 기둥 및 교각의 보수시에 에프알피 시트를 낱장으로 구성하지 않고 나선형으로 회전하면 끊어짐 없이 랩핑하도록 구성하도록 할 수 있다.
본 발명의 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법은 구조물의 보수 및 보강시에 구조물의 표면에 폴리우레아를 도포하여 보수 및 보강하기 때문에, 불필요한 계면이 없어 일체 거동을 유도할 수 있으며, 불연속면이 존재하지 않아 부착성능이 우수한 효과가 있다. 또한, 폴리우레아와 강도증가 및 여러 성능향상을 위한 첨가제의 혼합으로 인하여 강도가 증가되어 구조물의 보수?보강용으로서의 사용이 가능할 뿐만 아니라 기본적으로 반응성이 빠르고 경화시간이 매우 짧은 폴리우레아 수지를 이용하므로 저온?고습한 조건 하에서도 시공이 가능한 매우 유용한 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법의 제1실시예를 도시한 기본 개념도,
도 2는 본 발명의 제2실시예를 도시한 기본 개념도,
도 3은 본 발명의 제3실시예를 도시한 기본 개념도,
도 4는 상기 도 3의 에프알피 랩핑방법을 도시한 도,
도 5는 종래의 콘크리트 구조물 보강용 에프알피(FRP) 패널의 구성을 보이고 있는 단면도.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이하 바람직한 실시예에 따라 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법의 제1실시예를 도시한 기본 개념도이다.
본 발명의 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법의 제1실시예는 구조물(10)의 표면의 이물질을 제거한 후, 폴리우레아(30)를 도포하여 보수 및 보강작업을 완료한다.
구조물(10) 표면의 이물질을 제거하는 단계는 구조물 표면의 레이턴스(laitance), 먼지, 유지류, 및 기존 구도막 등과 같이 부착을 방해하는 각종 오염물질을 그라인더, 샌드블라스트, 고압수 등으로 깨끗이 제거하는 단계이다.
폴리우레아 도포단계는 폴리올과 이소시아네이트의 중합으로 형성되는 프리폴리머 및 아민기를 갖는 화합물인 경화제 화합물의 반응으로 이루어지는 폴리우레아와, 폴리우레아 100중량부를 기준으로 석분 또는 세라믹 파우더 0.1~20중량부, 인계 화합물 또는 할로겐계 화합물로 이루어진 난연성재료 0.1~20중량부, 중성화방지제 0.1~10중량부, 자외선안정제 0.1~10중량부 가 혼합된 첨가제를 혼합하여 붓 또는 롤러를 이용하여 도포하는 단계이다.
일반적으로 슬래브, 벽체, 보 등은 작업이 까다롭고 협소한 공간이 많기 때문에, 폴리우레아의 도포시에는 붓이나 롤러 등을 사용하여 도포하는 것이다. 따라서, 제1실시예는 협소한 공간 및 소규모 작업에 적당한 보수?보강 방법이다.
이때, 고압으로 분사되는 스프레이식 장비를 사용하지 않기 때문에 프라이머를 도포하지 않아도 된다. 폴리우레아는 무촉매의 초속경화형이기 때문에, 경사면과 수직면에서도 흘러내리는 등의 현상이 나타나지 않으며, 촉매를 따로 사용하지 않기 때문에 반응성이 균일하여 동일한 품질로 시공할 수 있는 장점이 있다.
도 2는 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법의의 제2실시예를 도시한 기본 개념도이다.
본 발명의 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법의 제2실시예에서는, 구조물(10) 표면의 이물질을 제거하는 단계 이후에, 이물질이 제거된 구조물에 표면부착력 증가와 핀홀 방지를 위하여 프라이머(11)를 도포하고, 프라이머(11)가 도포된 구조물(10)의 표면에 고압의 스프레이 장비를 이용하여 폴리우레아(30)를 도포하여 보수 및 보강작업을 완료한다.
구조물 표면의 이물질을 제거하는 단계는 구조물 표면의 레이턴스(laitance), 먼지, 유지류, 및 기존 구도막 등과 같이 부착을 방해하는 각종 오염물질을 그라인더, 샌드블라스트, 고압수 등으로 깨끗이 제거하는 단계이다.
프라이머 도포단계는 구조물 표면의 이물질이 제거된 이후에 구조물의 표면에 프라이머를 도포하는 단계이다.
프라이머(primer)는 물체 표면을 부식이나 물리적인 충격으로부터 보호하며 이후의 도장이 원활하게 이루어지도록 하기 위해 물체표면에 최초로 도장하는 것을 말한다.
프라이머 도포는 구조물의 표면을 매끄럽게 도장하는 역할을 하며 고압으로 분사되는 스프레이 장비를 사용하기 때문에 핀홀이 발생하는 것을 방지하여 줄 수 있으며, 추후 폴리우레아의 도포시에 구조물의 표면에 폴리우레아가 용이하게 부착되는 역할을 하기도 한다.
상기 프라이머로는 침투성 저점도 무용제 에폭시 수지가 바람직하다. 구체적으로, 콘크리트 도장 시스템용 저온 침투성 프라이머를 사용할 수 있다. 상기 에폭시 프라이머를 콘트리트 구조물 표면에 도포하면 이 프라이머가 콘크리트면에 침투되어 그 구조물 표면을 강화시키는 역할을 한다. 또한 상기 콘크리트 구조물 내부에서 기포가 형성되는 것을 억제하고, 폴리우레아와 결합하여 접착력을 향상시킨다. 구체적으로, 상기 에폭시 프라이머가 도포된 경우에는 콘크리트 구조물면과 폴리우레아의 접착력이, 에폭시 프라이머를 도포하지 않은 경우보다 3배 이상 향상된다.
폴리우레아 및 첨가제의 도포단계는 프라이머가 도포된 구조물의 표면에 폴리우레아의 도포시에 프리폴리머와 경화제 화합물의 반응으로 생성되는 폴리우레아와 첨가제를 미리 혼합 반응시켜 하나의 공급조에서 스프레이 장비로 공급노즐을 통하여 공급할 수 있으며, 프리폴리머와 경화제 화합물의 반응으로 생성되는 폴리우레아와 첨가제를 각각 다른 공급조에서 공급하여 충돌혼합 스프레이 기계를 사용하여 공급노즐을 통하여 분사되도록 할 수 있다.
스프레이 장비를 사용하여 폴리우레아를 도포하는 방법은 시공시 비산분진이 발생하며 이는 대기중으로 날아가 환경오염의 원인을 제공하며, 동시에 개방된 공간에서 적용을 해야 하는 한계가 있다. 따라서, 폴리우레아의 시공 시에 발생할 수 있는 비산물의 흡입구와 석션(suction) 등으로 구성된 흡입장치를 설치하여 폴리우레아 수지 분사시 발생할 수 있는 비산분진의 문제를 해결하도록 할 수 있다.
이때 공급노즐에는 예비히터를 구성하여 분사전에 미리 예열시켜 분사시에 혼합반응 및 시공이 더욱 용이하게 이루어지도록 할 수 있다. 일반적으로 폴리우레아의 경우에는 시공가능한 온도가 -40℃ ? 135℃의 범위이고, 온도가 낮을 시에는 분사시 뭉침 등의 현상이 나타날 수 있기 때문에, 공급노즐에 예비히터를 설치하여 공급노즐을 미리 예열하여 분사시에 가장 적절한 온도로 가열하여 분사할 수 있는 것이다. 가열온도는 20~90℃의 범위가 바람직하다.
폴리우레아 수지를 알맞게 혼합, 시공하시 위해서는 스프레이 장비가 필요한데, 스프레이식 장비에는 고압 뿜칠기(proportioner)와 스프레이 건 또는 푸어 건(pour gun) 등을 사용할 수 있다. 상기와 같은 장비로 폴리우레아의 분사시에는 토출량이 2 kg/min ~ 10 kg/min 이 되도록 분사하는 것이 바람직하다. 이는 폴리우레아가 무촉매의 초속경화형의 재료이기 때문에 분사 후에 3 내지 5초의 겔타임을 갖게 되기 때문에, 구조물의 보수 및 보강을 위한 균일한 품질을 얻기 위해서는 일정한 시간에 맞는 일정한 두께로 분사가 필요하기 때문이다. 2 kg/min이하도 분사될 경우에는 분사량이 적어 목적하는 보수 및 보강효과가 발현할 수 없으며, 10 kg/min 이상으로 분사될 경우에는 구조물의 표면에서 뭉침이나 흘러내림 현상이 나타날 수 있기 때문에, 토출량이 2 kg/min ~ 10 kg/min이 되도록 하는 것이 바람직하다.
도 3은 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법의 제3실시예를 도시한 기본 개념도로써, 도 3a는 위험도가 높은 구조물의 보강시 슬래브 벽체 등 면의 보강시의 실시예를 도시한 도이고, 도 3b는 기둥이나 교각과 같은 구조물의 보강시의 실시예를 도시한 도이다.
본 발명의 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법의 제3실시예에서는 구조물(10)의 표면의 이물질을 제거한 이후에, 에폭시(12)를 도포하고, 에프알피 시트(20)를 랩핑한 이후에 폴리우레아(30)를 도포하여 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 보수?보강을 마무리한다. 본 발명의 제3실시예는 에프알피 시트(20)와 폴리우레아(30) 수지를 병행하여 구성하여 강도를 증가시킴으로써, 위험도가 높은 구조물의 보수 및 보강에 적합하다.
구조물 표면의 이물질을 제거하는 단계는 구조물 표면의 레이턴스(laitance), 먼지, 유지류, 및 기존 구도막 등과 같이 부착을 방해하는 각종 오염물질을 그라인더, 샌드블라스트, 고압수 등으로 깨끗이 제거하는 단계이다.
구조물의 표면의 이물질을 제거하고 난 후에는 구조물의 표면에 에폭시를 도포한 후 에프알피 시트를 랩핑한다. 에폭시는 구조물의 표면에 도포되는데, 추후 랩핑되는 에프알피 시트와의 접착력 형성 및 구조물 표면의 후막형성을 위하여 도포된다. 이후에 에프알피 시트를 구조물의 표면에 에프알피 시트를 랩핑하고, 에프알피 시트에 에폭시를 함침시켜 일체화시킨다.
본 발명에서는 열경화성 복합재료인 에프알피 시트를 사용한다.
에프알피(FRP ; Fiber Reinforced Plastics)는 섬유 강화 플라스틱이란 말로 합성 고분자 재료에 각종 무기물(Fiber계)을 첨가하여 특정한 물성의 향상, 기능부여 등의 목적으로 사용되는 고분자 복합재료를 뜻한다.
사용되는 수지의 종류에 따라 에프알피는 크게 열경화성 복합재료(FRTs ; Fiber Reinforced Thermosets)와 열가소성 복합재료(FRTp ; Fiber Reinforced Thermoplastics)으로 나뉘어진다. 1960년대에 이르러 유리섬유, 카본, 아라미드 섬유 같이 강도와 탄성이 우수하면서 직경이 6～10㎛로 가느다란 섬유가 개발됨에 따라 금속에 견줄만한 강도, 탄성을 가진 고분자 소재가 등장하게 된다. 열경화성 복합재료는 흔히 유리섬유(Glass Fiber)와 불포화 Polyester수지가 복합된 것이 일반적이다.
도 4는 상기 도 3의 에프알피 랩핑방법을 도시한 도이다.
구조물(10)이 기둥 또는 교각의 경우에는 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 에프알피 시트(30)는 나선형으로 회전하면 끊어짐 없이 랩핑하도록 할 수 있다. 일반적으로 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 에프알피 시트(20)를 한장 한장 끊어서 구조물(10)의 표면에 붙이게 된다. 따라서 한장씩 끊어서 붙이는 방법은 에프알피 시트의 연속적인 배치가 불가능하고, 상층 피복과 하충 피복이 동일한 지점에서 끝나도록 하는 것이 어려워 에프알피 시트의 불연속성이 나타날 수 있다. 따라서, 기둥 또는 교각과 같은 구조물(10)에서는 한 장의 긴 에프알피 시트(20)를 상부에서 하부 또는 하부에서 상부로 나선형으로 돌려서 감게되면 에프알피 시트의 연속성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법으로 보수 및 보강된 기둥 시편 및 슬래브 시편을 가지고 아래와 같이 성능시험을 해보았다.
Control : 무보강시편
P3 : 폴리우레아 3mm 도포
P5 : 폴리우레아 3mm 도포
P7 : 폴리우레아 3mm 도포
CF : 탄소섬유 보강 시편
GF : 유리섬유시트 보강 시편
CFP3 : 탄소섬유보강 후 폴리우레아 3mm 도포
GFP3 : 유리섬유 보강 후 폴리우레아 3m 도포
(시험예 1) 기둥 시편의 성능시험
각기 다른 기둥 시편으로 성능시험을 실시하였다.
표본 control P3 P5 P7 CF CFP3
Load(kN) 278 323 392 410 374 456
지름(mm) 15.5
길이(mm) 57.5


시험결과
Figure 112012014128519-pat00001
Figure 112012014128519-pat00002
Figure 112012014128519-pat00003
Figure 112012014128519-pat00004
Figure 112012014128519-pat00005
Figure 112012014128519-pat00006
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 기둥시편의 하중재하 시험에서는 무보강시편보다는 폴리우레아, 탄소섬유, 탄소섬유 및 폴리우레아로 보강한 기둥시편이 항복하중이 높았고, 폴리우레아, 탄소섬유 단일로 보강한 기둥시편보다 탄소섬유보강 후 폴리우레아를 도포한 기둥시편의 항복하중 값이 컸다.
(시험예 2) 슬래브 시편의 성능시험
각기 다른 기둥 시편으로 성능시험을 실시하였다.

표본		 Initial cracking Yielding state Ultimate state
δ max
(mm)
Ductility Index
P cr
(kN)		 δ cr
(mm)		 P y
(kN)		 δ y
(mm)		 P u
(kN)		 δ u
(mm)
control 22.2 0.84 88.6 5.02 129.2 26.34 28.16 5.61
CF 36.8 1.19 128.6 5.70 162.5 34.94 35.18 6.17
GF 37.6 1.45 135.8 6.51 157.9 36.57 37.01 5.69
P3 30.2 1.10 100.4 5.08 143.0 44.69 63.61 12.52
P5 30.8 1.33 102.6 5.83 144.2 32.60 76.40 13.10
CFP3 35.8 1.19 123.4 6.08 164.6 18.48 46.82 7.70
GFP3 36.2 1.89 127.4 6.13 166.4 19.54 61.63 10.05
P cr : 균열하중, P y : 항복하중, P u : 극한하중, δ cr : 균열하중 시 변위, δ y : 항복하중 시 변위, δ u : 극한하중 시 변위, δ max : 최대 변위, Ductility Index: 연성지수
연성지수(Ductility Index)를 파괴하중 시 변위와 항복하중 시 변위에 대한 비로 정의하였다.
상기 표2에 나타난 바와 같이, 슬래브시편의 시험에서는 무보강시편보다는 폴리우레아, 섬유, 섬유 및 폴리우레아로 보강한 기둥시편이 연성지수가 컸다.
본 발명의 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법에 사용되는 폴리우레아 수지는 폴리올과 이소시아네이트의 중합으로 형성되는 프리폴리머 및 아민기를 갖는 화합물인 경화제 화합물의 반응으로 이루어지는 폴리우레아와, 폴리우레아 100중량부를 기준으로 석분 또는 세라믹 파우더 0.1~20중량부, 인계 화합물 또는 할로겐계 화합물로 이루어진 난연성재료 0.1~20중량부, 중성화방지제 0.1~10중량부, 자외선안정제 0.1~10중량부 가 혼합된 첨가제를 추가하여 혼합하여 이루어진다.
또한, 폴리우레아 수지를 구조물(10)의 표면에 분사하여 보수?보강함으로써, 부착력이 강하고 불필요한 계면이 없고 단절되지 않고 연속성이 가능하며 경제적이면서도 시공이 간편하고 구조물의 내력과 연성이 동시에 확보되며, 해안 구조물의 부식 및 방식효과가 뛰어난 폴리우레아의 우수한 방수성능에 부가하여 종래의 폴리우레아 수지의 단점으로 지적되었던 강성의 증가를 실현할 수 있다.
일반적으로 폴리우레아 수지는 고분자량의 폴리올과 과량의 이소시아네이트의 중합으로 형성되는 프리폴리머와, 아민기를 갖는 화합물인 경화제 화합물을 20~90℃에서 반응시켜 폴리우레아(POLYUREA)를 형성하게 된다. 이때, 첨가제를 프리폴리머 또는 경화제 화합물에 혼합한 후 프리폴리머와 경화제 화합물을 반응시켜 폴리우레아를 제조한다.
이소시아네이트(isocyanate)는 “-NCO" 관능성기를 1개 이상 가진 화합물로써 MDI(Methylenediphenyl diisocyanate), polymeric MDI(polymeric isocyanate), crude MDI, IPDI, HDI(Hexamethylene diisocyanate), H12MDI, TDI(Tolylene diisocyanate), modified MDI 등 1개 내지 2개 이상의 혼합물로 구성되며, 폴리올(polyol)은 분자량 1000이상 4000이하의 탄화수소 화합물로써 1개 이상의 반응성 "-OH" 관능기를 갖는 것으로서 PPG, PTMG, PEG, PCD, PCL, poly BD 등의 1개 내지 2개 이상의 혼합물로 구성된다.
콘크리트 구조물에 사용하기 위해서는 사용되는 구조물, 장소 등의 환경에 따라 점도를 조절해야 하는데, 점도를 조절하기 위해서 용제를 사용할 수 있다.
용제류는 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene), MEK(메틸에틸케톤:Methyl Ethyl Ketone), 아세톤(Acetone), 에탄올(EtOH), 메탄올(MeOH), IPA(이소프로필알코올:Isopropyl alcohol), DMF, NMP, THF, DMAC(N,N-Dimethylacetamide), Anon(시클로헥사논:Cyclohexanone), PC(폴리카보네이트) 등이 사용되며 이들을 첨가하여 점도를 조절할 수 있다.
경화제 화합물은 활성아민기를 가지고 있는 화합물(D-2000, T-5000, DETDA, unilink-4200 등)로 구성되며 관능성기를 1개 이상 가진 화합물을 여러 가지 섞은 혼합물이다. 활성아민기(-NH2)를 갖고 있는 아민과 이소시아네이트 그룹(-NCO)를 갖고 있는 이소시아네이트가 부가중합반응에 의하여 우레아 결합을 형성한다. 상기 아민기를 갖는 화합물은 경화제로 사용되는데, 이는 상기 아민 성분이 상기 아이소시아네이트 성분과 반응하거나 경화되어 폴리우레아를 형성하기 때문이다.
첨가제는 폴리우레아 100중량부를 기준으로 석분 또는 세라믹 파우더 0.1~20중량부 및 난연성재료 0.1~20중량부 로 이루어진다.
석분 및 세라믹파우더는 폴리우레아 수지의 강도 및 구속력을 확보하기 위하여 첨가되는 것이며, 0.1중량부 이하로 첨가될 경우에는 강도증가의 효과가 거의 없으며, 20중량부 이상 첨가될 경우에는 폴리우레아의 연속성을 저해하여 쉽게 부서지는 등의 문제점이 발생할 수 있기 때문에, 0.1~20중량부 의 범위에서 첨가되는 것이다.
석분(石粉) 및 세라믹 파우더는 폴리우레아 수지에 균등한 강도를 발현할 수 있도록 동일한 규격으로 분말화하여 사용하는 것이 바람직하다.
석분 및 세라믹 파우더는 보강할 구조물의 상태에 따라 사용될 수 있도록 분말화한 100메쉬～10,000메쉬 상태의 분말로 만들어 첨가한다. 너무 굵은 입자는 폴리우레아 수지의 연속성을 저해하고 구조물의 보수?보강 이후에 전 표면에 걸쳐 고른 강도 발현이 이루어지지 않는 문제점이 있을 수 있기 때문에 100메쉬～10,000메쉬 상태의 분말로 만들어 첨가하는 것이 바람직하다.
난연성 재료는 화재에 대한 안정성을 확보하기 위하여 구성되며, 폴리우레아 100중량부를 기준으로 0.1~20중량부의 범위로 첨가되며, 인계 화합물 또는 할로겐계 화합물이 쓰인다.
일반적으로 널리 사용되고 있는 난연성 재료로는 할로겐(Halogen)계 화합물과 인(Phosphate)계 화합물로 구분되고 첨가제형(비반응형)과 반응형 제품으로 구분할 수 있다. 할로겐계 난연성 재료는 연소에 의해 원자 및 분자인 가스상태로 난연작용을 한다. 인계 난연성재료는 연소에 의해 탈수소/탈수반응을 거쳐 탄화층을 형성시킨다.
난연성 재료는 0.1중량부 보다 적게 첨가되면 난연효과가 나타나지 않으며, 20중량부 이상 첨가되면 첨가되는 양대비 효과가 발현되지 않기 때문에, 0.1~20중량부 의 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.
또한 상기 첨가제에는 콘크리트 구조물의 탄산화를 방지하기 위하여 폴리우레아 100중량부를 기준으로 중성화방지제 0.1~10중량부 가 추가로 혼합되도록 할 수 있다.
중성화방지제는 콘크리트 구조물의 산화 또는 중성화를 방지하기 위하여 추가되는 것이며, 콘크리트 중성화방지제는 유기계의 수지계, 무기질계의 변성실리케이트 계열로, 동일 계열의 재료들을 사용한다.
경화한 콘크리트는 시멘트의 수화생성물로써 수산화 석회를 함유하여 강알칼리성을 나타낸다. 수산화 석회는 시간의 경과와 함께 콘크리트 표면으로부터 공기중의 영향을 받아 서서히 탄산석회로 변하여 알칼리성을 상실하게 된다. 이와 같은 현상을 콘크리트 중성화라고 한다.
중성화방지제는 0.1중량부 이하로 첨가되면 산화 또는 중성화방지효과가 나타나지 않으며, 10중량부 이상 첨가될 경우에는 재료대비 효과가 나타나지 않을 뿐만 아니라 표면에 백화현상이 나타날 가능성이 있기 때문에, 0.1~10중량부 의 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.
외부 노출에 따른 변색을 방지하기 위하여 폴리우레아 100중량부를 기준으로 자외선안정제 0.1~10중량부 가 추가로 혼합되도록 할 수도 있다. 폴리우레아는 외부에 노출됨에 따라 자외선에 의하여 황변현상이 일어날 수 있다. 따라서 자외선안정제를 추가로 혼합하는 것이다. 자외선안정제는 자외선흡수제, 켄쳐, 과산화물분해제, 라디칼포착제, 자외선차단제등 중 하나를 선택하여 사용하거나 선택적으로 병합하여 사용할 수 있다.
자외선흡수제(UV absorbers)는 고분자의 자외선 흡수를 차단하거나 줄이는 역할을 한다. 히드록시벤조페논과 히드록시벤조트리아졸이 가장 많이 사용되는 자외선흡수제이다. 벤조페논계는 가공중 폴리올레핀과의 상용성이 좋다. 벤조트리아졸계는 280~390nm영역에서 강한 자외선 흡수능력을 갖고 가시광선 영역 경계까지 큰 흡수도를 나타내 벤조페논보다 자외선 흡수능력이 크다.
켄쳐(Quncher)는 자외선흡수제보다 다소 늦게 작용하며 자외선 흡수에 의해 들뜬 상태의 발색단으로부터 발생하는 과도한 에너지를 수용하여 바닥상태로 전환시키고 열에너지나 형광 또는 인광으로 발산하게 된다.
과산화물 분해제(Hydroperoxide decomposer)는 자외선에 의해 분해되는 도중 생성되는 불안정한 과산화수소물(ROOH)에 작용하여 고분자에 해가 없는 물질(ROH)로 전환시킨다.
라디칼포착제(Radical scavenger)는 자외선에 의한 분해시 생성되는 자유라디칼을 제거하고 반응을 정지시키는 역할을 한다. 또한 표면 보호작용이 뛰어나 얇은 제품에도 효과적이며 켄쳐와 달리 착색을 부여하지 않고 자외선흡수제나 켄쳐와 병용시 시너지 효과를 낼 수 있다.
자외선차단제(UV screeners)는 불투명 제품의 경우 사용되는 안료가 자외선 차단제의 역할을 수행하며, 대부분의 카본블랙, 프탈로시아닌 블루등 무기안료는 자외선 안정성을 향상시킨다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
10 : 구조물
11 : 프라이머
12 : 에폭시
20 : 에프알피(FRP)시트
30 : 폴리우레아 수지

Claims (5)

  1. 구조물 표면의 이물질을 제거하는 단계;
    폴리올과 이소시아네이트의 중합으로 형성되는 프리폴리머 및 아민기를 갖는 화합물인 경화제 화합물의 반응으로 이루어지는 폴리우레아와, 폴리우레아 100중량부를 기준으로 석분 또는 세라믹 파우더 0.1~20중량부, 인계 화합물 또는 할로겐계 화합물로 이루어진 난연성재료 0.1~20중량부, 중성화방지제 0.1~10중량부, 자외선안정제 0.1~10중량부 가 혼합된 첨가제를 혼합하여 붓 또는 롤러를 이용하여 도포하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법
  2. 구조물 표면의 이물질을 제거하는 단계;
    상기 이물질이 제거된 구조물에 표면부착력 증가와 핀홀 방지를 위한 프라이머를 도포하는 단계;
    폴리올과 이소시아네이트의 중합으로 형성되는 프리폴리머 및 아민기를 갖는 화합물인 경화제 화합물의 반응으로 이루어지는 폴리우레아와, 폴리우레아 100중량부를 기준으로 석분 또는 세라믹 파우더 0.1~20중량부, 인계 화합물 또는 할로겐계 화합물로 이루어진 난연성재료 0.1~20중량부, 중성화방지제 0.1~10중량부, 자외선안정제 0.1~10중량부 가 혼합된 첨가제를 고압분사 스프레이로 토출량이 2 kg/min ~ 10 kg/min 이 되도록 각각 동시에 도포하거나 혼합하여 도포하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 고압분사 스프레이의 공급노즐에는 예비히터가 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법.
  4. 구조물 표면의 이물질을 제거하는 단계;
    구조물의 표면에 에폭시를 도포한 후 에프알피 시트를 랩핑하는 단계;
    에프알피 시트에 에폭시를 함침시키는 단계;
    폴리올과 이소시아네이트의 중합으로 형성되는 프리폴리머와, 아민기를 갖는 화합물인 경화제 화합물과, 폴리우레아 100중량부를 기준으로 석분 또는 세라믹 파우더 0.1~20중량부, 인계 화합물 또는 할로겐계 화합물로 이루어진 난연성재료 0.1~20중량부, 중성화방지제 0.1~10중량부, 자외선안정제 0.1~10중량부 가 혼합된 첨가제를 고압분사 스프레이로 토출량이 2 kg/min ~ 10 kg/min 이 되도록 각각 동시에 도포하거나 혼합하여 도포하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법.
  5. 제 4항에 있어서,
    구조물이 기둥 또는 교각의 경우에는 상기 에프알피 시트는 나선형으로 회전하면 끊어짐 없이 랩핑하는 것을 특징으로 하는 구조물의 내력 향상 및 내진성능 확보를 위한 폴리우레아를 이용한 보수?보강 공법.
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