KR101204368B1 - 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 및 이의 제조방법 - Google Patents

현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 현무암은 잘게 부서지고 매우 작은 미립자로 파괴되는 특성을 이용하여 뛰어난 성형성이 있고, 주변에서 쉽게 구할 수 있을 뿐만 아니라 생산공정이 간편하여 생산비용이 비교적 저렴하므로 이를 이용하여 현무암 섬유를 제조하고, 상기 현무암 섬유에 수지조성물을 함침시켜 탄성계수와 화학적 특성이 우수하고, 콘크리트의 중성화 및 염해에 대한 저항성이 우수하며, 기계적 성능이 내충격성도 우수한 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널은 현무암 섬유와 상기 현무암 섬유에 함침되는 수지조성물로 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 제조방법은 노볼락수지, 저수축제, 이형제, 충전제, 고온경화제, 저온경화제, 희석제로 구성되는 수지조성물을 제조하는 단계; 로빙형태의 현무암 섬유를 상기 수지조성물에 함침시키는 단계; 함침된 로빙형태의 현무암 섬유를 금형에 투입하여 80～160℃의 고온에서 성형하여 패널을 제조하는 단계; 상기 제조된 패널을 연속적으로 인발하는 단계; 상기 인발된 패널의 접착면을 샌딩하는 단계; 상기 샌딩된 패널을 일정한 크기로 절단함과 동시에 천공하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 및 이의 제조방법{Panel for reinforced concrete structure repair and reinforcement which used basalt fiber and this production technique}
본 발명은 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 특히 현무암 섬유에 노볼락수지, 저수축제, 이형제, 충전제, 고온경화제, 저온경화제, 희석제로 구성되는 수지조성물을 함침한 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 철근콘크리트구조물 보수보강공법으로는 강판보강공법과 섬유시트보강공법 그리고 섬유판 보강공법으로 나눌 수 있고, 시공방식에 따라 현장 함침보강공법, 압착보강공법, 접착보강공법, 매립보강공법으로 나눌 수 있다.
여기서, 상기한 강판보강공법은 검증된 보강효과와 시공성 때문에 실제 구조물에 폭넓게 적용되어 왔지만, 강판의 무거운 중량과 부식에 취약하여 시공성과 유지관리적 측면에서 문제점이 있다.
특히, 강판의 과도한 자중으로 인해 시공시에는 중장비가 필요하고. 용접작업 등으로 인한 화재의 위험도 상존하여 부식을 막기 위해 별도의 방청도장이 필요하다.
또한, 상기한 강판보강공법은 통기성 결여로 인한 밀폐현상으로 대상 구조물과 보강재의 계면에서 발생되는 부착력의 약화 등 내구성에 문제점이 있다.
그리고 현장함침 보강공법은 주로 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등의 섬유강화복합소재를 이용한 보강공법으로 운송비가 저렴하고, 취급이 용이하며, 빠르고 간편한 시공성, 우수한 내구성 때문에 지속적으로 증가되어 왔다.
그러나 상기한 탄소섬유는 제품의 가격이 매우 고가이기 때문에 적용이 용이하지 않으며, 전도체로서 고압전류가 흐르는 곳에서는 사용이 적합하지 않은 등의 문제가 있다.
또한, 상기한 유리섬유는 가격이 탄소섬유에 비해 상대적으로 저렴한 특성이 있고, 저탄성재료로서의 이점이 있으나, 유리섬유의 제작, 재단 및 시공시 유리분진에 의하여 시공성이 문제가 있으며, 내화성이 떨어질 뿐만 아니라 폐기시 환경에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 최근에는 발암가능성 물질로 분류되어 그 사용이 제한되고 있다.
그리고 상기한 아라미드섬유의 경우에는 기계적, 역학적 성능이 유리섬유나 탄소섬유에 비하여 현저히 떨어지므로 최근에는 그 사용이 감소하고 있는 실정이다.
특히, 상기한 현장함침보강공법은 보강성능에 비해 시공이 힘들고, 작업자의 숙련도, 노하우에 따라 품질이 많이 좌우된다.
이 또한 전면시공으로 인한 통기성의 결여, 유지관리의 어려움 등의 문제점이 있다.
한편, 섬유판 보강공법은 재료적 물성은 우수하나 보강대상 구조물과의 부착성능을 에폭시 접착제에만 의존할 수밖에 없는 메커니즘으로 단부박리 등 부착성능의 한계가 있고 이러한 부착성능의 한계를 해결하기 위하여 별도의 보강철물이 필요하며, 이 공법 또한 전면시공으로 인한 통기성의 결여, 유지관리의 어려움 등의 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 현무암은 잘게 부서지고 매우 작은 미립자로 파괴되는 특성을 이용하여 뛰어난 성형성이 있고, 주변에서 쉽게 구할 수 있을 뿐만 아니라 생산공정이 간편하여 생산비용이 비교적 저렴하므로 이를 이용하여 현무암 섬유를 제조하고, 상기 현무암 섬유에 수지조성물을 함침시켜 탄성계수와 화학적 특성이 우수하고, 콘크리트의 중성화 및 염해에 대한 저항성이 우수하며, 기계적 성능이 내충격성도 우수한 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널은 현무암 섬유와 상기 현무암 섬유에 함침되는 수지조성물로 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 제조방법은 노볼락수지, 저수축제, 이형제, 충전제, 고온경화제, 저온경화제, 희석제로 구성되는 수지조성물을 제조하는 단계; 로빙형태의 현무암 섬유를 상기 수지조성물에 함침시키는 단계; 함침된 로빙형태의 현무암 섬유를 금형에 투입하여 80～160℃의 고온에서 성형하여 패널을 제조하는 단계; 상기 제조된 패널을 연속적으로 인발하는 단계; 상기 인발된 패널의 접착면을 샌딩하는 단계; 상기 샌딩된 패널을 일정한 크기로 절단함과 동시에 천공하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 및 이의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명의 현무암 섬유는 현무암이 잘게 부서지고, 매우 작은 미립자로 파괴되는 특성을 이용한 복합 신소재로서, 뛰어난 성형성이 있고, 주변에서 쉽게 구할 수 있을 뿐만 아니라 생산공정이 간편하여 생산비용이 비교적 저렴하여 경제적인 특성이 있다.
둘째, 본 발명은 섬유보강재의 사용온도가 -265～700℃로 기존의 섬유보강재에 비해 열에 대한 특성이 우수하고, 유리섬유와 비교하여 탄성계수와 화학적인 특성이 우수함에 따라 콘크리트의 중성화 및 염해에 대한 저항성이 우수하며, 기계적 성능인 내충격도 우수한 특성이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널의 제조과정을 도시한 예시도.
이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널을 도시한 사시도이다.
이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널은 현무암 섬유와 상기 현무암 섬유에 함침되는 수지조성물로 구성된다.
여기서, 상기 패널은 현무암 섬유 79.57중량%와 상기 현무암 섬유에 함침되는 수지조성물 20.43중량%로 구성된다.
상기 현무암 섬유는 SiO2 56.81중량%, Al2O3 16.89중량%, Fe2O3 10.77중량%, MgO 2.40중량%, CaO 9.68중량%, Na2O 1.94중량%, K2O 1.51중량%로 구성된다.
특히, 상기한 현무암 섬유는 유리섬유와의 화학적 성질이 서로 상당히 유사하다.
즉, 유리와 현무암 모두 실리카를 주성분으로 하는 비결정성 소재이다.
유리섬유는 활용이 다양화되면서 전세계 연평균 생산량도 약 300만톤에 달하고 있다.
또한, 상기 유리섬유 또한 다양한 종류가 있으나, 물량을 기준으로 보면 유리섬유(E glass)가 주요 제품이다.
일반 유리섬유와 현무암 섬유를 비교해 보면 유리섬유는 다양한 성분으로 되어 있고, 밀도가 2.6～2.7g/㎤ 정도로 낮았지만 현무암 섬유는 고강도, 고내열성이며, 복합재료로 사용시 기능이 우수하다.
또한, 강도보강시 요구되는 금액이 적고, 다양한 용도로 사용이 가능하다.
현무암 섬유와 유리섬유와의 비교

항목
단위
현무암 섬유
유리섬유(E glass)

밀도
g/㎤
2.67
2.55

인장강도
MPa
4000～4300
3450～3800

인장탄성율
GPa
84～87
72～76

응력
MPa
3000
2050

탄성계수
GPa
93
76

신율
%
3.5
3.02

사용온도
℃
-260～+560
-60～+460

단기사용온도
℃
700
550

열전도율
W/(m.oK)
0.031～0.038
0.034～0.04
또한, 상기 탄소섬유의 가장 큰 특징으로는 고강도로서 현무암 섬유에 비하여 큰 우위에 있다. 그러나 탄성률이 1.5%로 현무암 섬유 4.2%에 비해 매우 낮아 섬유가공 측면에서 어려운 부분도 있다.
동 섬유들의 강도특성은 사용분야의 선택에서 매우 중요한 요소이다. 원소 1 데니어당 강도를 본다면 탄소섬유는 170cN/tex로 100cN/tex의 현무암 섬유에 비해 매우 높으나, 단위면적당 강도로 본다면 3.0 GPa로 2.7GPa에 비해 큰 차이를 보이지 않는다.
결과적으로 현무암 섬유는 적당한 강도(단위면적당 강도기준), 높은 내산화성, 전기 절연성, 용이한 가공성 및 원료 조달, 매우 저렴한 가격 등의 특징이 있다.
이러한 면에서 탄소섬유의 우위성은 저밀도 및 고강도에 국한된다고 볼 수 있으며, 고가이며 공급이 부족한 탄소섬유에 비해 현무암 섬유가 갖는 장점이 매우 크다.
한편, 상기 수지조성물은 노볼락수지 79.9중량%, 저수축제 11.98중량%, 이형제 1중량%, 충전제 4중량%, 고온경화제 0.96중량%, 저온경화제 0.96중량%, 희석제 1.20중량%로 구성된다.
여기서, 상기 노볼락수지(novolak resin)는 페놀수지의 제조공정 중 페놀을 산성 촉매 하에서 폼알데하이드와 반응시키면 열가소성이 있고 용제에 녹는 노란색의 투명한 수지가 생성되는데, 이것이 노볼락 수지이다. 경도가 높은 평면 상태의 고수지로서 알코올에 녹는다. 알코올성 니스로 이용되며, 알칼리성 물질을 가하면 성능이 우수한 전기절연체가 된다. 즉, 노볼락 수지에 펄프나 목분 등의 충전재와 기타 촉매를 혼합한 상태에서 헥사메틸렌테트라민을 첨가하여 150～160℃로 가열?가압하여 경화시키면 전기절연성이 높은 수지를 얻을 수 있다.
또한, 상기 저수축제는 저수축제는 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트 공중합체, 폴리비닐 아세테이트, 비닐 아세테이트 공중합체, 포화 폴리에스테르, 염화비닐, 폴리카프로락톤, 셀룰로오즈 아세테이트 부티레이트, 개질 폴리우레탄, 및 스티렌-부타디엔 탄성중합체 등을 사용할 수 있는데, 특히 폴리 비닐아세테이트가 바람직하다.
그리고, 상기 고온경화제는 t-부틸페록식 벤조에이트(tert-Butylperoxy benzoate, TBPB), 무수프탈산(Phthalic acid anhydride), 또는 방향족 폴리아민 등을 사용할 수 있으며, 특히 t-부틸페록식 벤조에이트를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 저온경화제로는 비스-(4-t -부틸사이클로헥산)페록시디카보네이트, 폴리메캅탄(Polymercaptan), 메캅탄 부가물 등을 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 특히 비스-(4-t-부틸사이클로헥산)페록시디카보네이트를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 충전제는 유기계 충전제, 무기계 충전제 또는 무기계 난연제를 충전제로서 사용할 수 있는데, 특히 수산화알루미늄를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 희석제는 스티렌 모노머, 비닐 아세테이트(VAc) 또는 메틸 아크릴레이트를 사용할 수 있다.
그리고, 필요에 따라 이형제를 사용할 수도 있음을 밝혀둔다.
이하, 상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 제조에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널의 제조과정을 도시한 예시도이다.
이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 제조방법은 노볼락수지, 저수축제, 이형제, 충전제, 고온경화제, 저온경화제, 희석제로 구성되는 수지조성물을 제조하는 단계; 로빙형태의 현무암 섬유를 상기 수지조성물에 함침시키는 단계; 함침된 로빙형태의 현무암 섬유를 금형에 투입하여 80～160℃의 고온에서 성형하여 패널을 제조하는 단계; 상기 제조된 패널을 연속적으로 인발하는 단계; 상기 인발된 패널의 접착면을 샌딩하는 단계; 상기 샌딩된 패널을 일정한 크기로 절단함과 동시에 천공하는 단계로 이루어진다.
이하, 구체적인 제조공정은 도 2를 참조하여 하기에서 상세히 설명한다.
1. 수지조성물 제조단계
노볼락수지, 저수축제, 이형제, 충전제, 고온경화제, 저온경화제, 희석제를혼합하여 수지조성물을 준비한다.
상기 수지조성물은 노볼락수지 79.9중량%, 저수축제 11.98중량%, 이형제 1중량%, 충전제 4중량%, 고온경화제 0.96중량%, 저온경화제 0.96중량%, 희석제 1.20중량%로 구성된다.
여기서, 로빙타입의 현무암 섬유를 로빙거치대(23)에 준비한다.
로빙타입의 현무암 섬유는 1차 섬유가이드(25)를 통과한 후, 수지조성물이 담겨있는 함침조(27)로 이송된다.
2. 함침단계
이송된 로빙형태의 현무암 섬유는 함침조(27)를 통과하여 수지조성물이 충분하게 섬유에 함침되도록 한다.
이때, 상기 함침조(27)에서 빠져나온 수지가 다시 함침조(27)에 채워질 수 있도록 수지펌프를 설치하여 수지가 함침조(27)에 계속 공급이 될 수 있도록 한다.
함침된 섬유는 2차 섬유가이드(28)를 통과한 다음, 금형(29)으로 이송된다.
3. 성형단계
이송된 로빙형태의 현무암 섬유를 금형(29)에 투입하여 80～160℃의 고온으로 압축 성형하여 패널 형태를 형성시킨다.
이때 상기 금형(29)의 상하부에 히터를 설치하고, 온도제어장치를 설치하여 일정한 온도가 유지되도록 제어한다.
4. 인발단계
인발단계는 제조된 패널을 인발기(30a, 30b)를 이용하여 연속적으로 인발하여 제품을 연속적으로 생산하는 단계로서, 패널이 휘거나 틀어지지 않도록 일직선으로 생산되는지 확인한다.
5. 샌딩단계
인발된 패널의 접착면을 샌딩기(31)로 샌딩하는 단계로 패널의 접착면의 접착성능을 높이기 위하여 접착면을 샌딩처리한다.
6. 천공단계
제조된 패널을 원하는 형태에 맞게 절단기(32)로 절단하고, 앵커홀을 천공하여 패널(20)을 제조한다.
상기한 바와 같은 제조공정에 의해서 제조된 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널은 현무암이 잘게 부서지고, 매우 작은 미립자로 파괴되는 특성을 이용한 복합 신소재로서, 뛰어난 성형성이 있고, 주변에서 쉽게 구할 수 있을 뿐만 아니라 생산공정이 간편하여 생산비용이 비교적 저렴하여 경제적인 특성이 있으며, 섬유보강재의 사용온도가 -265～700℃로 기존의 섬유보강재에 비해 열에 대한 특성이 우수하고, 유리섬유와 비교하여 탄성계수와 화학적인 특성이 우수함에 따라 콘크리트의 중성화 및 염해에 대한 저항성이 우수하며, 기계적 성능인 내충격도 우수한 특성이 있다.
20: 패널 21: 현무암 섬유
23: 로빙거치대 25: 1차섬유 가이드
27: 함침조 28: 2차 섬유가이드
29: 금형 30a: 인발기
30b: 인발기 31: 샌딩기
32: 절단기

Claims (9)

  1. SiO2 56.81중량%, Al2O3 16.89중량%, Fe2O3 10.77중량%, MgO 2.40중량%, CaO 9.68중량%, Na2O 1.94중량%, K2O 1.51중량%로 구성된 현무암 섬유 79.57중량%와; 상기 현무암 섬유에 함침되며, 노볼락수지 79.9중량%, 저수축제 11.98중량%, 이형제 1중량%, 충전제 4중량%, 고온경화제 0.96중량%, 저온경화제 0.96중량%, 희석제 1.20중량%로 구성된 수지조성물 20.43중량%로 구성됨을 특징으로 하는 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 노볼락수지 79.9중량%, 저수축제 11.98중량%, 이형제 1중량%, 충전제 4중량%, 고온경화제 0.96중량%, 저온경화제 0.96중량%, 희석제 1.20중량%로 구성되는 수지조성물을 제조하는 단계;
    로빙형태의 SiO2 56.81중량%, Al2O3 16.89중량%, Fe2O3 10.77중량%, MgO 2.40중량%, CaO 9.68중량%, Na2O 1.94중량%, K2O 1.51중량%로 구성된 현무암 섬유79.57중량%를 상기 수지조성물 20.43중량%에 함침시키는 단계;
    함침된 로빙형태의 현무암 섬유를 금형에 투입하여 80～160℃의 고온에서 성형하여 패널을 제조하는 단계;
    상기 제조된 패널을 연속적으로 인발하는 단계;
    상기 인발된 패널의 접착면을 샌딩하는 단계;
    상기 샌딩된 패널을 일정한 크기로 절단함과 동시에 천공하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 현무암 섬유를 이용한 철근콘크리트구조물 보수보강용 패널 제조방법.
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