KR101219010B1 - 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물, 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수공법 - Google Patents

수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물, 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물, 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수공법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 물 40 내지 50중량%, 계면활성제 1 내지 5중량%, 메틸메타크릴레이트 10 내지 40중량%, 부틸아크릴레이트 10 내지 40중량%, 메타크릴산 0.1 내지 2중량%, 소듐퍼술페이트 0.1 내지 0.2중량%, γ메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 1 내지 4%, 콜로이드상 실리카 1 내지 4%를 혼합하여 제조되는 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물, 이를 이용한 코팅 조성물 및 콘크리트 구조물 보수공법이다.
본 발명은 콘크리트 구조물의 내구성을 증진시키고, 나아가 콘크리트 구조물의 내구연한(Life Cycle)을 증가시킬 수 있다.

Description

수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물, 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수공법{AQUEOUS SILICONE EMULSION RESIN COMPOSITION, COATING COMPOSITION USING THE AQUEOUS SILICONE EMULSION RESIN COMPOSITION AND CONCRETE STRUCTURE REPAIR METHOD USING THE SAME}
본 발명의 일 실시예는 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물, 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수공법에 관한 것이다.
콘크리트는 우수한 토목 구조물의 재료로 수백 년에 걸쳐 입증된 재료이지만 열악한 시공조건 및 동해, CO2, 염해 등과 같은 환경조건에 의해 열화가 발생하고, 구조재로 사용하는 콘크리트의 열화는 직접적으로 철근을 부식시키며, 콘크리트의 성능저하를 촉진시킨다.
최근 들어 건설시장이 침체되면서 신설 구조물보다는 기존 구조물의 효과적인 유지관리에 대한 관심이 높아지고 있으며, 실제로 신설 비용보다는 유지보수 관리비용이 더 큰 비중을 차지하고 있다.
이러한 토목 구조물은 외부에 의한 환경조건에 의해 열화가 되며 본인의 자중, 차량에 의한 활하중, 풍하중, 설하중, 충돌하중 등 무수히 많은 외부환경에 의해 토목 구조물이 파손되며, 콘크리트 열화가 발생되어 구조물의 내구성이 저하되고 내구수명을 단축하는 실정이다.
콘크리트 구조물은 내진성, 내구성, 내화성이 우수한 구조이며, 경제적인 소재로서 토목 구조물의 교대, 교각, 콘크리트 슬래브, 지하차도 등과 같은 건설 구조물의 구조재료로 많이 사용되고 있다.
콘크리트 구조물은 콘크리트의 건조수축, 인장측 콘크리트에는 인장응력으로 말미암아 균열이 발생한다. 일반적으로, 적절하게 설계 시공된 콘크리트 부재의 균열 폭은 구조물의 내구성을 해칠 정도로 큰 것은 아니다. 그러나, 균열폭이 어느 한도 이상으로 크면 주위의 공기와 습기의 침입으로 말미암아 철근을 부식시키고, 또 물이 침입해서 동결 팽창하여 콘크리트를 파손시키는 경우도 있다. 또한, 균열은 구조물의 미관을 해치고 불안감을 불러일으킨다.
그러므로, 콘크리트는 구조물의 사용 목적과 주위의 환경 조건에 따라 콘크리트의 균열 폭이 어느 한도 이하로 되도록 설계할 필요가 있다. 또한, 콘크리트는 콘크리트 건조 수축, 온도 변화 등에 의해서도 균열이 발생하므로, 이러한 균열의 발생을 방지하고 평소 운영 중에 보수 및 보강이 필요하다.
토목 구조물의 내구수명 및 내구성을 증진시키기 위해 철근에 방청, 콘크리트 보수, 콘크리트 보호를 하게 되는데, 이러한 보수 및 보강과 관련한 다양한 공법 및 재료들이 무수히 많으며, 폴리머 시멘트 모르터계, 수지계 재료 등이 널리 적용되고 있다.
이러한 보수 및 보강재료들이 보편화되어 사용되는 요즘 검증되지 않은 보수재의 사용으로 인하여, 모재와의 탈락에 의한 철근 부식이 촉진되고 이에 따른 경제적 손실 등이 문제점으로 대두되고 있으며, 이러한 문제점의 발생을 최소화하면서 품질확보를 위한 성능개선이 요구되고 있다.
한편, 대부분 철근 콘크리트로서 사용되는 콘크리트는 강 알칼리성이므로 철근의 방청보호 역할을 하고 있으나, 시간의 경과와 함께 공기중의 탄산가스의 작용을 받아 알칼리성을 잃어가는 특성을 가진다. 이러한 현상을 중성화라 하며 중성화에 의하여 철근에 녹이 발생하고, 이 때문에 철근의 체적이 팽창하여 콘크리트 내부에 균열을 발생시킨다. 또한, 이러한 현상은 철근 부착강도의 저하, 피복 콘크리트의 박리, 철근 단면적 감소로 인한 물리적 열화의 진행과 함께 철근 콘크리트 구조물의 내구성을 저하시키는 원인이 된다.
이러한 중성화 현상에 의해서 콘크리트 내구성이 저하된 구조물의 보수공법의 절차는, 일반적으로 열화한 콘크리트부를 제거하고 열화되지 않은 콘크리트부 및 제거된 부분에 철근의 방청처리 또는 철근을 교체하고 단면수복을 하여 콘크리트 표면의 피복을 한다.
콘크리트 표면의 피복은 바탕을 조정하고, 보호 및 마감처리 한다. 보수 및 보강 공정은 손상이나 열화의 정도에 따라 다르지만 일반적인 공정으로서 사용하는 재료도 일련의 시스템화되어 이용되는 경우가 많다.
수성 실리콘 에멀젼은, 코팅 및 봉합 조성물의 성분으로 유용한 중합체의 수성 기재 분산액이 환경오염, 자원 보존 및 안전한 작업환경을 제공하는데 관련된 문제로 인해, 유기 용매 기재 중합체 조성물의 대체품으로 제안되어왔다. 특히, 반응성 중합체 에멀젼 및 분산액에 관심이 집중되어 왔는데, 그 이유는 그들이 내수성 및 내용매성과 같은 개선된 특성을 용이하게 제공하기 때문이다.
이러한 반응성 중합체는 성질 개선에 필요한 실란 함량이 충분한 계에서 실행 불가능할 정도의 짧은 시간에 걸쳐 허용할 수 없는 점도 증가 및 겔 화를 일으키는 그들의 경향으로 인해, 용매 기재 중합체의 성질을 갖지 못하였다. 이러한 저장 안정성의 결여는 유기 중합체의 팬던트 실릴기에서 일어나는 가교 결합 반응 때문이다. 이러한 문제를 해결하고자 하는 수많은 해결책이 제안되어왔다.
상기 해결책들에 대하여 예를 들어 설명하자면, 우선 실릴화 중합체 에멀젼을 함유하는 저장 안정성의 조성물을 사용하는 방식이 있다. 실릴화 중합체 에멀젼의 저장 안정성은 실릴 에스테르기의 가수 분해를 느리게 하고, 실릴기에 결합되어 있는 입체 장애 알콕시기를 사용함으로써 달성된다. 이러한 접근은 실질적으로 계의 반응성을 감소시키므로, 발명자들은 경화를 가속시키는 촉매를 추천하고, 구별없이 넓은 범위의 촉매를 제안하였다. 그러나, 이들 군에서 선택된 많은 촉매들은 표면에 개구 및 과립 모양의 입자를 가지는 필름을 제조하고 이 필름에서 불균일한 가교 결합을 생성한다.
또한, 공중합체 상에 MeSi(OEt)3를 흡착시키고 실란을 중합하여 제조되는 코팅 조성물을 사용하는 것이 있다. 또한, 불포화 수-유화성 실릴화 폴리에스테르 수지, EVA 공중합체, 및 비닐 아세테이트와 예비 가수 분해된 수용성 유기실란의 공중합체를 함유하는, 유리 섬유를 위한 수성 폴리에스테르 사이즈 에멀젼을 사용하는 방식과, 비닐아세테이트와 공중합된 저농도의 실란, 수용성 실란, 비이온 계면활성제, 폴리에틸렌 함유 중합체, 유리 섬유 윤활제, 탄화수소산 및 물을 함유하는 실릴화 폴리비닐아세테이트 라텍스의 수성 사이징 조성물을 사용하는 방식이 있다. 이러한 방식에서 사용되는 단량체성 실란은 에폭시실란 및 아미노실란이며, 이들은 아크릴레이트 함유 수용성 실란과 혼합시킬 수 있다. 이때, 이들 조성물의 저장 수명은 일반적으로 72시간 미만이다.
또한, 트리알콕시실란 에멀젼을 사용하는 방식이 있는데, 이때 사용되는 실란은 방수제로서 사용되는 비치환 또는 할로겐화 알킬트리알콕시실란이다. 또한, 치환 및 비치환 알킬실란으로부터 폴리(실세스퀴옥산)의 안정한 수성 에멀젼의 제조 방법을 이용하는 방식이 있다. 그러나, 상기 기술에서 가교 결합시키는 이들 안정한 실란 에멀젼의 사용을 시도하지 않았고 수성 실릴화 유기 중합체의 최종 용도 특성을 개선하지 못한다는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시예는 콘크리트 구조물의 내구성을 증진시키고, 나아가 콘크리트 구조물의 내구연한(Life Cycle)을 증가시킬 수 있는 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물, 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양상은,
전체 조성물 100 중량부에 대해,
물 40 내지 50중량%;
계면활성제 1 내지 5중량%;
메틸메타크릴레이트 10 내지 40중량%;
부틸아크릴레이트 10 내지 40중량%;
메타크릴산 0.1 내지 2중량%;
소듐퍼술페이트 0.1 내지 0.2중량%;
γ메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 1 내지 4%; 및
콜로이드상 실리카 1 내지 4%를 혼합하여 제조된 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 양상은,
전체 조성물 100 중량부에 대해,
수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물 40 내지 79.8중량%;
물 10 내지 30중량%;
안료 10 내지 30중량%;
분산제 0.1 내지 1중량%; 및
소포제 0.1 내지 1중량%를 혼합하여 제조된 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 양상은,
콘크리트 구조물에서 열화된 콘크리트를 제거하고 에폭시 도료를 사용하여 철근을 방청처리하는 제1 단계;
콘크리트 몰탈에 라텍스(SBS) 1.3%를 혼합하여 상기 콘크리트 표면으로부터 내부 방향으로 아초산염을 침투시켜 상기 콘크리트의 단면을 수복하는 제2 단계; 및
상기 콘크리트의 표면에 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물을 피복하는 제3 단계를 포함하는 콘크리트 구조물의 보수공법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물, 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수공법에 따르면, 수계 아크릴 도료에 비해 부착성, 내수성, 광택, 내염수성 및 내후성 등이 우수한 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용하여 콘크리트 구조물을 보수함으로써, 콘크리트 구조물의 물성을 강화시킬 수 있고, 이를 통하여 콘크리트 구조물의 내구성을 증진시킴과 아울러 콘크리트 구조물의 내구연한을 증가시킬 수 있다
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물 보수공법을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명에 관하여 보다 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물, 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물의 제조과정에 관하여 설명한다.
A. 수성 실리콘 아크릴 에멀젼 수지 조성물의 제조
실리콘 아크릴 에멀젼의 중합
가열 맨틀, 교반기, 온도계, 질소공급라인 및 반응물 공급라인이 갖추어진 1리터 반응 용기 내에 탈이온수(500g) 및 계면활성제 Byk192(30g)를 채웠다. 반응 혼합물을 85℃까지 올리고 메틸메타크릴레이트(30g), 부틸아크릴레이트(25g), 메타크릴산(0.7g), 소듐퍼술페이트(0.9g)의 혼합물을 20분의 시간에 걸쳐 공급라인을 통하여 교반된 반응 혼합물로 혼합시켰다.
부틸아크릴레이트(180g), 메틸메타크릴레이트(190g), 메타크릴산(5g)의 두 번째 혼합물을 반응 혼합물의 온도가 90℃가 유지되도록 하여 반응 용기 내로 투입하였다. 부틸아크릴레이트(20g), 메틸메타크릴레이트(20g), 메타크릴산(0.5g) 및 γ메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(20g) 콜로이드상 실리카(20g)의 혼합물을 90℃로 유지하면서 20분간에 걸쳐 투입하였다. 반응 혼합물을 120분간 추가로 교반하였다.
t-부틸히드로퍼옥시드(0.1g)을 반응 혼합물에 천천히 첨가한 후 2% 소듐포름알데히드술폭실레이트용액(11g)을 첨가하였다. 농축 수산화암모늄을 사용하여 반응혼합물의 pH를 7.4로 조정하였다. 상온까지 냉각시킨 후 반응 혼합물을 걸러 고형입자를 제거하였다.
상기와 같이, 본 발명은 안정한 알콕시실란 함유 조성물 및 비가수분해된 수불용성 및 약간 가용성의 알콕시 실란, 콜로이드상 실리카, 유화제, 물 및 알콕시실란 관능기를 포함하는 수분산성 또는 유화중합체를 함유하는 안정한 알콕시 실란 함유 조성물을 제조할 수 있다.
수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물의 제조
저장안정성 조성물의 제조를 위한 방법은 수불용성 또는 약간 가용성의 알콕시실란을 유화제와 함께 수용액 중에 분산시켜 수성 에멀젼을 얻는 단계 및 화학적으로 알콕시 실란 관능기 및 골로이드상 실리카가 결합되어 있는 수분산성 또는 유화 유기 중합체에 실란 에멀젼을 첨가하는 단계를 포함한다. 이와 같이 반응성의 수분산액으로부터 코팅 조성물을 제조할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물, 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물의 성분을 상세하게 설명하기로 한다.
수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물의 성분
(Ⅰ) 실란
본 발명에서 사용되는 수불용성 또는 약간 가용성의 알콕시 실란은 Y~R1 aR3 bSi(OR2)4-a-b 의 구조를 가진다. 여기서, R1은 2 내지 30 개의 탄소 원자를 가질 수 있는, 유기관능기로 치환된 알킬렌, 아릴렌 또는 아르알킬렌기이고, R2는 2 내지 10 개의 탄소 원자를 가지는 알킬 또는 알콕시로 치환된 알킬, 아릴 또는 아르알킬기이고, R3는 1 내지 16 개의 탄소원자를 가지는 알킬, 아릴 또는 아르알킬기이며, a는 0 내지 2 이고 b도 0 내지 2 이되, a+b는 1 또는 2 이며 Y는 유기관능기이다. 또한, 각 R기는 환, 분지쇄 또는 직쇄일 수 있고, 탄소 원자 대신에 예를 들어 황 또는 산소원자와 같은 헤테로 원자로 치환될 수 있다. 각 R은 유리 라디칼 메카니즘에 의해서 중합될 수 있는 탄소-탄소 이중 결합을 가지지 않는 것이 바람직한데 그 이유는 상기 불포화는 본 발명의 조성물이 경화된 후에 조차 예를 들어, 산화를 거치는 것과 같은 반응을 할 수 있기 때문이다. 그러한 불포화가 없는 실란을 이후 “포화”실란이라 하며, 이 용어는 아릴, 아르알킬실란 및 다른 방향족 환 구조를 포함한다. 반응성이 요구될 경우 불포화 실란을 본 발명에서 사용할 수 있지만, 그러한 경우에 실란은 중합체를 제조하는데 사용되는 단량체와는 다르며, 예를 들어 우레탄 중합체는 비닐 실란과 함께 사용되어야 한다. Y는 메르캅토, 할로, 아미노, 비닐, 카르복실, (메트)아크릴, 에스테르, 시아노, 알데히드, 산, 에폭시, 실릴에스테르 등을 포함할 수 있는 유기관능기이다. 실란은 통상 실질적으로 비가수분해 형태로 제공된다. 알콕시 실란은 실리카산의 에스테르와의 유사성으로 인해 실란 기술 분야에서 “실란 에스테르”로 자주 일컬어진다.
한편, 용어 “수불용성 또는 약간 가용성의 실란”은 25℃의 물에서 0 내지 8.0 중량%의 용해도를 가지는 알콕시 실란을 포함한다. 25℃의 물에서 0 내지 1 중량%의 용해도를 가지는 수불용성 알콜시 실란이 바람직하다. 수용성 알콕시 실란은 사용되지 않는데, 그러한 실란으로 제조된 조성물은 연장된 시간, 즉 주위 조건에서 2 내지 3일 이상 안정하지 않기 때문이다. 따라서, R기는 물에서 실란의 용해도가 확실히 결여되도록 선택되어야 한다.
Y의 예로는 메르캅토, 글리디실옥시, 시클로지방족 에폭시, 메타크릴옥시, 아크릴옥시, 클로로, 브로모, 요오도, 시아노, 비닐, 케톤, 알데히드, 카르복실레이트, 실릴기(예를 들어, -SiR3 b(OR2)3-b), 아미노, 알킬아미노 또는 디알킬아미노, 아릴아미노 또는 디아릴아미노가 있고, R1의 예로는 에틸렌, 프로필렌, 이소프로필렌, 이소부틸렌, 옥틸, 페닐렌, 톨릴렌, 크실렌, 벤질, 시클로헥실렌, 페닐에틸 등이 있다. R2의 예로는 에틸, n-프로필, n-부틸, n-헥실, n-헵틸, n-옥틸, n-노닐, n-데실, 시클로펜틸, 시클로헥실, 시클로헵틸, 시클로옥틸, 이소부틸, sec-부틸, 이소부틸, sec-아밀 및 4-메틸-2-펜틸이 있다. R3의 예로는 메틸, 에틸, n-프로필, n-부틸, n-헥실, n-헵틸, n-옥틸, 라우릴, 이소프로필, 이소부틸, 이소아밀, 이소펜틸 및 페닐이 있다. R2 및 R3은 환 구조로 결합될 수 있다.
상술한 실란 화합물의 예로는 메틸트리스-(이소부톡시)실란, 디메틸디프로폭실란, 에틸트리스-(이소프로폭시)실란, 프로필트리스-(이소부톡시)실란, 부틸트리부톡시실란, 옥틸트리에톡시실란, 아밀트리부톡시실란, 아밀트리에톡시실란, β-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리스-(이소부톡시)실란, 3-글리시독시프로필트리스-(이소부톡시)실란, 3-메타크릴옥시프로필트리스-(이소부톡시)실란, 도데실트리에톡시실란, 비닐트리스-(이소프로폭시)실란, 비닐트리스-(이소부톡시)실란, 페닐트리에톡시실란, 3-아크릴옥시프로필트리에톡시실란, 3-메르캅토프로피트리에톡시실란, 디메틸비스-(이소부톡시)실란, 디에틸디프로폭시실란, 디부틸비스-(이소프로폭시)실란, 디페닐디프로폭시실란, 비닐메틸비스-이소프로폭시)실란, 3-에타크릴옥시프로필메틸-디부톡시실란, 및 비스 또는 트리스 실란, 예를 들어 1,2 비스-(알콕시)실릴 에탄 및 트리스(3-트리에톡시실릴프로필)이소시아누레이트가 있다.
실란은 목적하는 특성 개선의 정도에 따라서 총 조성물 [(Ⅰ) 내지 (Ⅳ)]의 0.1 내지 20 중량%로 존재한다. 바람직한 농도는 총 조성물의 약 0.1 내지 10 중량%이다. 성분 (Ⅰ) 내지 (Ⅲ)에 의해서 정의되는 바와 같은, 실란 에멀젼 전구 물질을 제조하는데 있어서, 실란은 0.1 내지 60 중량%로 존재한다.
(Ⅱ) 유화제
본 발명에서 사용하는 유화제로는 비이온, 음이온 또는 양이온성 계면활성제 또는 음이온 또는 양이온성 계면활성제와 비이온성 계면 활성제의 혼합물이 있다. 비이온성 계면활성제의 예로 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬 페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르, 소르비탄 지방산 에스테르, 및 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스테르가 있다. 음이온 계면활성제의 예로 지방산 염, 알킬 술페이트 에스테르 염, 알킬 벤젠 술포네이트, 알킬 포스페이트, 알킬알릴 술페이트 에스테르 염, 및 폴리옥시에틸렌 알킬포스페이트 에스테르가 있다. 양이온 계면활성제의 예로 4급 암모늄염, 예를 들어 장쇄 알킬 트리메틸암모늄 염, 장쇄 알킬 벤질 디메틸 암모늄 염, 및 디(장쇄 알킬) 디메틸 암모늄 염이 있다.
유화제는 총 조성물 [(Ⅰ) 내지 (Ⅳ)]의 0.05 내지 30 중량%의 범위로, 바람직하게는 총 조성물의 0.2 내지 20 중량%로 존재해야 한다. 알콕시 실란 에멀젼 전구 물질에서, 유화제는 알콕시 실란 (Ⅰ)의 0.1 내지 50 중량%로 존재하여야 한다.
(Ⅲ) 물
물은 총 조성물 (Ⅰ) 내지 (Ⅳ)의 30 내지 99 중량% 범위의 양으로 존재할 수 있다. 실란 에멀젼 전구 물질 (Ⅰ) 내지 (Ⅲ)을 중합체 없이 제조할 경우, 약 39 내지 99.25 중량%의 물이 존재해야 한다. (Ⅱ) 내지 (Ⅳ)의 전구 물질 용액을 제조할 경우, 약 29.2 내지 99.8 중량%의 물이 존재해야 한다.
(Ⅳ) 중합체
본 발명의 반응성 중합체는 바람직하게는 R6R5 eSi(OR4)3- e 의 형태로, 알콕시 실란기(“실릴 에스테르”)를 가지는 것들로서, R5는 탄소 원자 1 내지 10개의 알킬, 아릴 또는 아르알킬기이고, 모든 R4기가 실릴기는 아니라는 조건 하에, R4는 수소원자, 탄소 원자수 1 내지 10의 알킬 또는 알콕시-치환된 알킬, 아릴 또는 아르알킬기 또는 또다른 실릴기이고, e는 0, 1 또는 2의 정수이다. R6은 R6Si가 Si-C결합을 통하여 중합체에 결합된다는 조건 하에, 알킬렌, 아릴렌, 아르알킬렌기 또는 중합체 주쇄 그 자체이다. 그러한 중합체의 예로는 말단 또는 펜던트 실릴기(-R5 eSi(OR4)3-e )를 포함하는 것들이 있다. 이들 반응성 중합체는 300 내지 108 gms/mole의 분자량을 가진다. 반응성 중합체는 알콕시 실란 에멀젼과 반응하기에 충분한 양으로 실릴 에스테르기를 포함한다. 이것은 일반적으로 0.01 내지 20 중량%, 및 바람직하게는 0.1 내지 4.0 중량%이다. 매우 낮은 분자량 중합체는 실란 그 자체의 분자량으로 인해 높은 퍼센트의 실란 함량을 가질 것이다. 중합체에서 실란의 양이 변화시키는 것은 안정성뿐만 아니라 조성물의 수행 특성에 영향을 준다.
본 발명에서 사용될 수 있는 반응성 중합체의 예로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 프로필렌 공중합체, 우레탄, 에폭시, 폴리스티렌 및 우레탄 아크릴 중합체로부터 선택된 실릴화 중합체가 있다. 또한 본 발명에서는 아크릴 단독 중합체, 비닐 중합체, 비닐 아세테이트 중합체, 비닐 아크릴 중합체, 메타크릴 중합체, 스티렌 아크릴 공중합체 및 폴리에스테르가 유용하다. 또한 이들 반응성 중합체는 다른 유기관능기를 포함하며 히드록실, 카르복실 아미드, 비닐 및 할로겐기를 포함하는 중합체가 반응성 중합체 범위 내의 것으로 간주된다.
상기 언급한 식에서 R4로서 사용하기에 적합한 직쇄 탄화수소 라디칼에 대한 예로는 메틸, 에틸, 프로필, n-부틸, n-펜틸, n-헥실, n-헵틸, n-옥틸, n-노닐, n-데실 등 및 시클로 라디칼 예를 들어, 시클로펜틸, 시클로헥실, 시클로헵틸, 시클로옥틸, 비시클로헵틸 등이 있다. R4로서 적합한 분지쇄 탄화수소 라디칼에 대한 예로는 알킬 라디칼, 예를 들어 이소프로필, 이소부틸, sec-부틸, 이소아밀, 이소-옥틸, 1-에틸, 3-메틸 펜틸, 1,5-디메틸 헥실, 4-메틸-2-펜틸 등이 있다. 가장 바람직한 R4는 탄소가 5개 미만인 기이며, 좀 더 바람직하게는 4 탄소 미만, 예를 들어 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, sec-부틸, 이소-부틸 및 sec-아밀이다.
R4기의 입체 장애는 실릴기 R5 eSi(OR4)3- e 의 가수 분해를 느리게 진행시키거나 방해하여, 셀프-오우징(shelf-ozing) 시에 실릴화 중합체 에멀젼의 시딩 또는 과도한 점도의 증가없이 고동도의 실릴기를 중합체 주쇄에 도입하게 하지만, 경화하는 동안 실란 에멀젼과 실릴화 중합체와의 반응을 지연시키거나 방해한다. 따라서, 중합체의 알콕시실릴기의 반응성 및 중합체 내 실란의 농도사이의 균형이 파괴됨이 틀림이 없다. 바람직한 균형은 R4기의 탄소 원자가 4개 미만으로서 중합체 주쇄 중에 실란 0.1 내지 4.0 중량%를 사용하는 것이다.
R5는 1 내지 10개의 탄소 원자를 가지는 일가 탄화수소 예를 들어, 알킬기(예를 들어, 메틸, 에틸, 프로필, 옥틸 또는 데실) 또는 아릴기 (예를 들어 페닐, 벤질, 페네틸 또는 톨릴)이다. R6은 실란 펜던트 또는 말단기를 중합체 주쇄에 연결하는 기이며, 일반적으로 약 1 내지 18 탄소수를 가지는 직쇄 또는 분지 알킬기, 아릴 알킬기 또는 아릴기일 수 있고, 그 위에 치환체를 가지거나 또는 중합체 그 자체일 수 있다. 규소 원자는 R6위에 규소 탄소 결합을 통하여 중합체에 결합되어 있으며, 이는 실릴화 중합체에 가수 분해 및 열 안정성을 제공한다.
R6기에 대한 치환으로는 규소에 인접한 탄소 원자는 치환되지 않는다는 가정하에, 탄소 원자를 산소, 질소 또는 황과 같은 원자로 대체한 것일 수 있다. 다른 치환으로는 탄소에 붙어있는 수소 원자를 할로겐 원자, 질소, 황, 산소 및 유기관능기, 예를 들어 시아노, 우레아, 에스테르, 아미드, 옥소 등으로 대체한 것이 있다.
중합체는 당업계에서 공지된 임의의 중합 기술, 예를 들어 현탁 중합, 계면 중합, 용액 중합 또는 유화 중합에 의해 제조할 수 있다. 특정 계면활성제의 존재하에 에틸렌성 불포화 단량체의 에멀젼 중합이 비닐 및 아크릴 중합체를 위한 바람직한 중합 기술인데, 그 이유는 그렇게 형성된 라텍스 중합체 입자의 수분산액은 본 발명의 수성 조성물들을 제조하는데 직접 사용되거나 또는 최소한의 마무리 처리를 거쳐 사용될 수 있기 때문이다. 이들 중합을 당업계에서 공지된 대로 수행할 수 있다.
중합체는 목적하는 성능 정도에 따라서, 총 조성물 (Ⅰ) 내지 (Ⅳ)의 0.1 내지 70 중량% 및 전구물질 용액 (Ⅱ) 내지 (Ⅳ)의 0.2 내지 70.1 중량%로 존재해야 한다.
(Ⅴ) 기타 성분
본 발명의 조성물은 추가로 가교 결합제, 예를 들어 메틸롤화 및 (또는) 알콕실화 우레아 및 멜라민 수지, 에폭시 수지, 아지리딘 및 카르보디이미드를 포함할 수 있다. 그러한 제제는 저장하는 동안 조성물을 불안정하게 하지 않는 한 총 조성물의 0.1 내지 20 중량%로 존재할 수 있다.
본 발명의 조성물은 임의로 가수 분해에 안정한 경화 조건들은 조절하기 위한 수용성/유화성/분산성 경화용 촉매를 포함할 수 있으며, 단, 상기 촉매는 저장시 조성물을 불안정하게 하지 않아야 한다. 그러한 촉매의 예로는 유기티탄산염, 유기주석, 킬레이트화 티타늄, 알루미늄 및 지르코늄 화합물, 및 그의 배합물이 있다. 촉매는 반응성 중합체 성분(Ⅳ)을 기준으로 0.01 내지 20 중량%의 양으로 사용할 수 있다.
총 조성물의 pH는 그의 수안정성(hydrostability)에 영향을 줄 수 있다. 조성물의 고알칼리성 또는 고산성은 실란의 알콕시실릴기의 가수 분해 및 축합을 촉진시킨다. 조성물의 pH가 중성에 근접할수록 에멀젼의 안정성은 향상된다. 따라서, 전체 조성물의 바람직한 pH의 범위는 5.5 내지 8.5이다. pH를 조정하기 위해서 사용될 수 있는 물질은 아세트산나트륨, 시트르산나트륨, 탄산나트륨, 중탄산나트륨, 인산수소나트륨, 인산이수소나트륨, 및 상응하는 칼륨 염을 비롯한 유기 또는 무기 완충제이다.
(Ⅵ)콜로이드상 실리카
본 발명에서 사용되는 콜로이드상 실리카는 알콕시 실란과의 가수분해 반응을 일으켜 도막의 치밀성 내구성 및 약품성을 증대시키는 효과가 있다.
이때, PH는 7 - 10으로 유지되는 것이 적당하고 입자의 크기는 10 - 50nm의 것이 좋고 고형분의 경우 30 - 50중량%인 것이 바람직하다.
수성 실리콘 에멀젼 수지를 함유하는 수성 세라믹 도료(코팅 조성물)의 성분
본 발명에서 사용되는 수성 세라믹 도료는 상술한 수성 실리콘 에멀젼 수지를 함유하며, 물, 소포제 및 분산제 등을 포함한다
상기 수성 실리콘 에멀젼 수지는 수계도료 바인더 수지로서 수성 세라믹 도료 제조시 사용량은 도료 조성물의 100중량%에 대하여 50-70중량%인 것이 바람직하고, 물의 함량은 15-25중량%인 것이 바람직하며, 안료는 15-20중량%인 것이 바람직하고, 분산제, 소포제 등 기타 성분은 각각 0.5중량% 이하인 것이 바람직하다.
실시예
수성실리콘 아크릴 에멀젼 60.0
물 18.5
안료 20.0
분산제 0.5
소포제 0.5
기타 0.5
합계 100.0
시험방법
부착성 유리판에 10㎛ 내지 20㎛의 두께로 도막을 형성시켜 완전 건조 후 2mm코로스 컷 후 Taping test
내수성 유리판에 10㎛ 내지 20㎛의 두께로 도막을 형성시켜 완전 건조 후 물을 1g 떨어뜨려 도막의 외관 관찰
광택 60°광택
내후성 촉진시험기 W-O-M 에 700시간 시험 후 도막을 관찰
내염수성 3% Nacl용액에 24시간 침적 후 도막의 상태 관찰
시험결과
시험항목 실시예 비교예(수성 외부용 도료)
부착성 우수 보통
내수성 우수 보통
광택 85 5이하
내염수성 우수 보통
내후성 우수 보통
B. 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 함유하는 코팅 조성물을 이용한 콘크리트 구조물 보수공법
본 발명에서의 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 콘크리트 구조물 보수공법은, 콘크리트 구조물에서 열화된 콘크리트를 제거하고 에폭시 도료를 사용하여 철근을 방청처리하는 제1 단계, 콘크리트 몰탈에 라텍스(SBS) 1.3%를 혼합하여 상기 콘크리트 표면으로부터 내부 방향으로 아초산염을 침투시켜 상기 콘크리트의 단면을 수복하는 제2 단계, 상기 콘크리트의 표면에 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물을 피복하는 제3 단계를 포함한다.
상기 제1 단계인 철근 방청처리단계는 철근의 부식을 막기 위해서 부식요인이 되는 물과 산소의 공급을 차단하고 부식환경을 만드는 유해성분의 탄소가스, 염소이온의 침입을 억제시키기 위하여, 콘크리트 구조물에서 열화된 콘크리트를 제거하고 에폭시 도료를 사용하여 철근을 방청처리하는 단계이다. 이때, 철근 방청처리용 재료로는 녹전환 재료인 수지계 방식도료인 에폭시 수지도료를 사용하며, 산소와 물의 차단에 의한 방청효과를 기대할 수 있다.
상기 제2 단계에인 콘크리트 단면 수복단계에서는 콘크리트 몰탈을 사용하여 콘크리트 단면을 수복하는 단계이다. 상기 콘크리트 몰탈은 폴리머 시멘트계 재료를 사용, 통전성이 콘크리트에 가까운 점과 이들 부식요인의 차단, 중성화 방지기능, 차염 성능을 갖고 있기 때문에, 철근 콘크리트용 방청, 내구성 증진, 중성화를 방지하는 기능을 한다. 이러한 제2 단계는 폴리머 시멘트계에 라텍스(SBS)를 1.3% 혼합하여 콘크리트 표면으로부터 내부에 아초산염을 침투시켜 양(+)극 분극을 증대시키는 것으로 콘크리트 중의 철근의 전위를 +로 돌려 부동태화 시킨데다 폴리머 시멘트계 재료의 차단기능을 복합화 한 것이다. 또한, 폴리머계 시멘트계에 라텍스를 첨가함으로 시공성이 좋고 높은 부착성을 갖고 있으며, 저온에서도 빨리 경화되는 특징이 있다.
상기 제3 단계인 코팅 조성물 피복단계에서는 콘크리트의 표면에 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물을 피복하는 단계이다. 이러한 제3 단계는 마감용 재료로 표면 피복재인 수성실리콘 아크릴 에멀젼을 이용한 세라믹 도료를 통하여, CO2 투과 저항성, 내수성, 내균열성이 뛰어난 재료이며, 콘크리트 본체를 피복하여 중성화 억제효과를 기대할 수 있다.
그런 다음, 제3 단계를 거친 후에, 본체의 보호기능의 향상, 내구성의 부여, 미장 등의 관점으로부터 외벽용 마감재 등에 의해 마감처리가 실시된다.
선택적으로, 상기 제2 단계와 제3 단계 사이에는 콘크리트의 표면에 하이플로 시멘트, 고로 슬래그 미분말, 실리카흄 및 결합재를 포함하는 시멘트 결합재 조성물을 투입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 하이플로 시멘트는 상기 결합재 조성물이 콘크리트에 첨가될 때 조기강도를 발현시키는 역할을 한다. 상기 하이플로 시멘트는 3,500 내지 3,800㎠/g의 분말도를 나타내고, 바람직하게는 3,600㎠/g이상의 분말도와 균질한 입도를 나타낸다. 상기 하이플로 시멘트는 총 알칼리양이 0.60 이하의 저알칼리 특성을 나타내는 시멘트로 구성될 수 있다. 상기 시멘트 중 미량성분인 수용성 알칼리염은 콘크리트 중 혼화제와의 선택적 흡착 때문에 유동성에 미치는 주요인자 중에 하나이다. 상기 하이플로 시멘트의 함량은 특수 광물질 혼화재의 최소 및 최대 첨가량에 따라 결정될 수 있으며, 바람직하게는 결합재 조성물 100 중량부에 대해 50 내지 60 중량부일 수 있다. 상기 하이플로 시멘트의 함량이 50 중량부 미만이면 콘크리트 제조공정에서 충분한 압축강도 향상 효과를 얻을 수 없고, 60 중량부를 초과하면 콘크리트 조성물의 유동성(페이스트 플로) 및 압축강도가 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 하이플로 시멘트의 함량은 고로 슬래그 미분말, 실리카흄, 초고성능 결합재 등과 같은 보조결합재가 최대 첨가량일 경우 단독으로 강도를 발현하는 시멘트의 최소 첨가량을 유지할 수 있다.
상기 고로 슬래그 미분말은 시멘트 결합재 조성물에 적절한 점성 및 유동성을 제공할 수 있다. 상기 고로 슬래그 미분말은 제철소에서 부산된 급냉 슬래그를 미세하게 분쇄한 잠재수경성 혼화재료이며, 4,300 내지 4,800㎠/g의 분말도로 바람직하게는 비표면적4,500㎠/g이하의 분말도를 가진 사용화된 재료를 사용할 수 있다. 상기 고로 슬래그 미분말은 결합재 조성물 100 중량부에 대해 25 내지 35 중량부로 포함될 수 있다. 상기 고로 슬래그 미분말이 25 중량부 미만이면 시멘트 결합재의 점성을 감소시켜 콘크리트의 타설시 작업성을 악화시키고 압축 강도의 개선효과를 얻을 수 없고, 35 중량부를 초과하면 점성에 따른 유동성 향상 효과를 가져올 수 있으나 잠재수경성 혼화재료로서 초기강도 발현효과를 나타내는데 어려움이 있어 바람직하지 않다.
상기 실리카흄은 알칼리 이온과의 높은 결합력을 발휘하고, 콘크리트와의 타설시 구성성분들 간의 혼합성을 향상시킬 수 있다. 상기 실리카흄은 용광로에서 배출되는 가스로부터 농축된 물질로 비결정질 실리콘 제2 산화물을 다량으로 함유하고 있으며, 매우 미세한 구형의 입자일 수 있다. 상기 실리카흄의 밀도는 2.0 내지 2.2g/㎤ 이고, 비표면적 150,000 내지 200,000㎠/g의 분말도를 갖는 초미립자일 수 있다. 상기 실리카흄의 평균 입경은 0.2 내지 0.5㎛일 수 있으며, 바람직하게는 반응성이 높은 포졸란 재료로 작용이 유리한 평균 입경 0.2㎛의 초미립자일 수 있다. 상기 실리카흄을 콘크리트에 적용하면 시멘트-실리카비로도 시멘트 수화작용만의 경우보다 강도발현특성이 우수한 C-S-H겔이 생성된다. 이 때문에 외부의 이온, 특히 알칼리 이온과의 높은 결합력을 발휘할 수 있다. 또한 콘크리트의 블리딩 및 재료분리를 감소시키고, 콘크리트 조성물의 점도를 개선시킬 수 있다. 상기 실리카흄 종류는 포집된 원래의 상태인 분말형(as-produced), 물에 현탁한 슬러지형(slurried), 덩어리형(pelletized), 응축시킨 과립형(densified or compacted) 등일 수 있으며, 바람직하게는 다른 분체와의 혼합성과 작업성을 고려하여 과립형일 수 있다. 상기 실리카흄은 결합재 조성물 100 중량부에 대해 5 내지 15 중량부로 포함될 수 있다.
상기 결합재는 수화반응 촉진제로의 역할을 하고, 이를 통하여 일정크기 이상의 공극을 메움으로서 물리적 성능개선 효과를 제공할 수 있다. 또한, 높은 SO3 함량을 가지므로 시멘트 수화물과의 화학반응을 통해서 강도성능을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다. 상기 초고성능 결합재는 주요구성으로 30~50%중량의 SO3, 20~40%중량의 CaO, 10~30%중량의 SiO2 및 기타 미량 성분을 포함하는 것이 바람직하며, 밀도는 2.9g/㎤, 비표면적이 7,000㎠/g이상, 바람직하게는 7,000 내지 8,000㎠/g의 분말도를 갖는 미립자이다. 상기 결합재는 시멘트 조성물 100 중량부에 대해 2 내지 8 중량부로 포함될 수 있다. 상기 결합재가 2 중량부 미만으로 포함되면 결합재에 의한 수화반응 촉진 효과를 얻을 수 없고, 8 중량부를 초과하면 다량의 결합재에 의해서 콘크리트 타설 이후에 팽창에 의한 균열발생 가능성을 증가시키고, 강도 저하를 일으킬 수 있기에 바람직하지 않다.
상기 시멘트 결합재 조성물은 상기 언급한 구성성분들을 본 기술분야에서 알려진 레미콘 믹서로 교반하고 혼합하여 제조될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물, 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물 보수공법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 전체 조성물 100 중량부에 대해,
    물 40 내지 50중량%;
    계면활성제 1 내지 5중량%;
    메틸메타크릴레이트 10 내지 40중량%;
    부틸아크릴레이트 10 내지 40중량%;
    메타크릴산 0.1 내지 2중량%;
    소듐퍼술페이트 0.1 내지 0.2중량%;
    γ메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 1 내지 4%; 및
    콜로이드상 실리카 1 내지 4%를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물.
  2. 전체 조성물 100 중량부에 대해,
    제1항에 기재된 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물 40 내지 79.8중량%;
    물 10 내지 30중량%;
    안료 10 내지 30중량%;
    분산제 0.1 내지 1중량%; 및
    소포제 0.1 내지 1중량%를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물.
  3. 콘크리트 구조물에서 열화된 콘크리트를 제거하고 에폭시 도료를 사용하여 철근을 방청처리하는 제1 단계;
    콘크리트 몰탈에 라텍스(SBS) 1.3%를 혼합하여 상기 콘크리트 표면으로부터 내부 방향으로 아초산염을 침투시켜 상기 콘크리트의 단면을 수복하는 제2 단계; 및
    상기 콘크리트의 표면에 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물을 이용한 코팅 조성물을 피복하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 보수공법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물은,
    전체 조성물 100 중량부에 대해,
    물 40 내지 50중량%;
    계면활성제 1 내지 5중량%;
    메틸메타크릴레이트 10 내지 40중량%;
    부틸아크릴레이트 10 내지 40중량%;
    메타크릴산 0.1 내지 2중량%;
    소듐퍼술페이트 0.1 내지 0.2중량%;
    γ메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 1 내지 4%; 및
    콜로이드상 실리카 1 내지 4%를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 보수공법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 코팅 조성물은
    전체 조성물 100 중량부에 대해,
    상기 수성 실리콘 에멀젼 수지 조성물 40 내지 79.8중량%;
    물 10 내지 30중량%;
    안료 10 내지 30중량%;
    분산제 0.1 내지 1중량%; 및
    소포제 0.1 내지 1중량%를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 보수공법.
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