KR101219632B1 - 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도 침목에 사용되는 수지 모르타르 조성물에 있어서, 바인더 수지로서 우레탄 아크릴레이트 수지를 포함할 경우, 목분과 모래 입자들이 서로 상기 우레탄 아크릴레이트 수지에 의해 결합됨으로써, 반복적인 하중에 의한 소성변형 및 온도변화에 따른 균열의 발생이 억제될 수 있도록 한 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목은 목분 50 중량부와, 모래 25 중량부와, 탄산칼슘 50 중량부로 구성되는 모르타르 조성물 100 중량부와; 상기 모르타르 조성물 100 중량부에 대하여 우레탄 아크릴레이트 수지 20 중량부로 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목 제조방법은 통상의 침목 제조방법에 있어서, 상기 침목은 목분 50 중량부와, 모래 25 중량부와, 탄산칼슘 50 중량부로 구성되는 모르타르 조성물 100 중량부와; 상기 모르타르 조성물 100 중량부에 대하여 우레탄 아크릴레이트 수지 20 중량부를 혼합하여 제조함을 특징으로 한다.

Description

수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목 및 이의 제조방법{The railroad tie for which resin mortar composition was used and this production technique}

본 발명은 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 침목은 노반에 적당한 간격으로 나열 설치하여 그 위에 레일을 설치하여 열차의 하중을 노반에 전달하는 것으로, 초기에는 목재 침목을 사용하였다.

이와 같은 목재 침목은 열에 의한 신축이 전혀 없고, 취급이 용이하며, 진동을 흡수하는 효과가 탁월한 장점이 있음에 비하여, 비바람에 의해 쉽게 부식되며, 목재에 자생하는 여러 가지 유충에 의하여 손상을 받기 때문에 침목의 표면에 부식과 해충 방지용 오일을 수시로 도포해야 하고, 침목으로 사용하기 위해서는 상당한 수령의 원목을 사용해야하므로 자원의 낭비가 심하고, 근래에는 목재 자원의 고갈로 인하여 원목의 확보에도 많은 어려움이 있다.

따라서, 상기와 같은 목재 침목의 문제점을 해소하기 위하여 현재에는 콘크리트 침목이 개발되어 사용되고 있다.

여기서, 상기 콘크리트 침목은 내부에 철근을 삽입하여 제작된 것으로, 재질이 단단하고 오랜 시간이 지나도 부식되지 않을 뿐만 아니라 해충이나 기타의 손상에 의한 관리비가 소요되지 않는 장점이 있다.

그러나 상기 콘크리트 침목은 사용중 시간이 흐르면 콘크리트 내부에 물기가 쉽게 침투되어 겨울철에 동파되는 일이 빈번하고, 여름철에는 누전의 위험이 상존하고 있다.

또한, 콘크리트 침목은 제작상 내부에 삽입되는 철근의 배열구조가 특수한 공법에 의해 제작됨으로 인하여 고비용의 부담이 있고, 차량의 진동을 흡수하지 못하여 소음과 진동으로 인해 생활에 많은 곤란을 겪고, 특히 교량이나 고가철도 또는 지하철 등에서는 그 소음이 심한 관계로 레일과 침목이 맞닿는 부분에는 충격을 흡수하기 위한 고무판을 부설해야되는 단점이 있다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 철도 침목에 사용되는 수지 모르타르 조성물에 있어서, 바인더 수지로서 우레탄 아크릴레이트 수지를 포함할 경우, 목분과 모래 입자들이 서로 상기 우레탄 아크릴레이트 수지에 의해 결합됨으로써, 반복적인 하중에 의한 소성변형 및 온도변화에 따른 균열의 발생이 억제될 수 있도록 한 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목은 목분 50 중량부와, 모래 25 중량부와, 탄산칼슘 50 중량부로 구성되는 모르타르 조성물 100 중량부와; 상기 모르타르 조성물 100 중량부에 대하여 우레탄 아크릴레이트 수지 20 중량부로 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목 제조방법은 통상의 침목 제조방법에 있어서, 상기 침목은 목분 50 중량부와, 모래 25 중량부와, 탄산칼슘 50 중량부로 구성되는 모르타르 조성물 100 중량부와; 상기 모르타르 조성물 100 중량부에 대하여 우레탄 아크릴레이트 수지 20 중량부를 혼합하여 제조함을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목 및 이의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 친환경적 재료인 수지 모르타르 조성물을 사용하여 제작함으로써, 무독성으로 인체에 무해하고, 내마모성이 강해서 철도 침목의 내구성이 우수한 장점이 있다.

둘째, 본 발명은 기존의 수지 침목을 외국에서 수입하여 사용함에 따른 외화낭비에 침목 단가 상승의 요인을 국내 기술로 제작 사용함으로써, 건설비 절감 및 수입대체 효과가 있다.

셋째, 본 발명은 내구성 저하시 원래의 수지침목을 재사용할 수 있으므로, 폐기물 처리 및 이에 따른 환경오염을 저감할 수 있다.

넷째, 본 발명은 침목의 제작에 있어서, 길이 및 형상의 다양성으로 인하여 폭넓은 적용성을 확보할 수 있다.

다섯째, 본 발명은 수지침목의 특성상 현장 체결장치 조립홀의 제작이 가능함에 따라 사용의 편의성이 향상되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목을 도시한 사시도.

이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목을 도시한 사시도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목은 통상의 침목에 있어서, 상기 침목은 목분 50 중량부와, 모래 25 중량부와, 탄산칼슘 50 중량부로 구성되는 모르타르 조성물 100 중량부와; 상기 모르타르 조성물 100 중량부에 대하여 우레탄 아크릴레이트 수지 20 중량부로 구성된다.

즉, 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목은 모르타르 조성물과 우레탄 아크릴레이트 수지로 구성된다.

여기서, 상기 모르타르 조성물은 목분, 모래, 탄산칼슘으로 구성된다.

<목분>

본 발명에 따른 모르타르 조성물에서 골격을 이루는 목분은 압출 성형시 수증기가 발생하여 냉각시 기포가 발생되므로 함수율이 3% 이내이며, 30～150메쉬인 것을 사용한다.

<모래>

본 발명에 따른 모르타르 조성물에서 골격을 이루는 모래는 그 입경이나 모래 입자의 거칠기에 따라 모르타르 조성물의 현장 작업시 작업성에도 영향을 미칠 수 있기 때문에, 모르타르 조성물이 이용되는 침목의 조건에 따라 적절한 입경이나 거칠기를 갖는 모래를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 모래 사이의 공극을 최대한 감소시키고, 모래 간의 맞물림 현상을 증대시켜 내구성을 증가시키기 위해, 입경이 상이한 모래 2종 이상을 혼합할 수 있다.

예컨대, 입경이 0.2～0.4㎜ 범위인 모래와 입경이 0.4～0.8㎜ 범위인 모래를 1:1의 중량비율로 혼합할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 염분을 포함한 모래도 사용할 수 있다.

왜냐하면, 모래 내 염분을 후술하는 아크릴레이트 수지가 흡수할 수 있기 때문에 침목의 강도에 영향을 미치지 않는다.

다만, 모래 내 염분의 함량은 모래 100 중량부를 기준으로 1 내지 20 중량부 범위인 것이 적절하다.

또한, 본 발명에서는 아랍 및 아프리카 지역(ex. 아랍에미레이트 연합 등)의 토양, 특히 사막지역의 모래를 사용할 수 있다.

아랍토양은 국내토양과 달리 SiO₂와 CaCO₃가 함유되어 있으며, 특히 SiO₂가 많이 함유되어 있는 실리카 계열의 토양이다.

이러한 실리카 계열의 아랍토양, 특히 사막의 모래는 입자가 작아서 공극이 감소될 수 있어 침목의 강도가 증가될 수 있다.

예컨대, 본 발명에서 사용 가능한 사막 모래의 입경은 약 1～1000㎛ 바람직하게는 약 30～50㎛일 수 있다.

이렇게 입경이 작은 사막 모래의 경우에는 모래 사이의 공극이 적어 공극을 채우는 탄산칼슘을 적게 사용할 수 있고, 또한 모래의 가격이 저렴하기 때문에 침목 제조시 비용이 감소될 수 있다.

상기 모래의 예로는 백사, 규사 등이 있다. 이중 규사(silica sand)를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 규사는 석영의 알갱이로 이루어진 모래로, 산성암의 풍화로 인해 생기며, 그 화학조성은 주로 무수규산 SiO₂로 이루어진다.

이러한 모래가 모르타르 조성물 내에서 너무 많은 양이 포함될 경우, 침목의 공극이 증가하여 강도 저하를 초래할 수 있다.

이런 이유로 본 발명에서는 모르타르 조성물 100 중량부에 대하여 25 중량부 범위의 함량으로 포함하는 것이 적절하나, 이에 한정되지는 않는다.

상기 모래 이외에 골격을 이루는 물질로서 자갈을 포함할 수 있다.

이때, 본 발명에서 사용되는 자갈의 종류나 입경은 특별히 제한되지 않는다.

다만, 자갈의 입경은 침목의 강도에 영향을 미치는 공극률과 밀접한 관계가 있기 때문에, 약 2～15㎜ 범위인 것이 적절하다.

만약, 자갈의 입경이 2㎜ 미만인 경우에는 형성되는 침목의 투수성은 증가되지만 공극이 증가하여 강도를 감소시킬 수 있다.

다만, 침목의 강도를 보완하기 위해서는 예컨대 탈크나 탄산칼슘과 같은 미세 입자를 적절하여 배합하여 공극을 적절하게 감소시키는 것이 바람직하다.

<탄산칼슘>

본 발명에 따른 모르타르 조성물에서는 모래 입자들 사이에 형성되는 미세한 공극을 제거하기 위해 탄산칼슘을 첨가한다.

상기 탄산칼슘에 의해서 미세 공극이 충전됨으로써, 형성되는 침목의 강도가 높아질 수 있다.

상기 탄산칼슘은 광물학적으로 방해석(CalCite), 즉 CaCO₃를 주성분으로 형성된 광석으로, CaO₃ 약 56%, CO₂ 약 44%를 함유하고 있으며, Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃ 등 미량의 불순물을 함유한다.

상기 탄산칼슘은 단순 물리적 가공으로 제조되는 중질 탄산칼슘과 화학적 재결정에 의해 제조되는 경질 탄산칼슘으로 구분된다.

이중 물리적 성질 및 가공성이 우수하며, 가격이 저렴한 중질 탄산칼슘을 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 탄산칼슘의 입경은 특별히 제한되지 않는다.

다만, 입경이 너무 큰 탄산칼슘을 사용할 경우, 모래 입자들 사이의 틈을 제대로 충전하지 못해 침목의 공극이 증가하여 침목의 강도가 낮아질 수 있다.

또한, 상기 틈에 탄산칼슘 대신 바인더 수지가 충전됨으로써 다량의 바인더 수지가 사용될 수 있고, 이로 인해 침목의 제조시 비용이 높아질 수 있다.

따라서, 입경이 약 10～80㎛ 범위인 탄산칼슘을 사용하는 것이 적절하다.

이와 같이 탄산칼슘의 함량은 모르타르 조성물 100 중량부에 대하여 50 중량부인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.

만약, 탄산칼슘의 함량이 2 중량부 미만인 경우에는 모래 입자들 사이의 공극이 탄산칼슘에 의해 충전되지 못하여 침목의 강도가 저하될 수 있다.

한편, 탄산칼슘의 함량이 50 중량부를 초과하는 경우에는 모래 입자들 사이의 공극이 탄산칼슘에 의해서 너무 많이 막혀서 투수성이 불량해질 수 있다.

<우레탄 아크릴레이트 수지>

본 발명에 따른 수지는 우레탄 아크릴레이트 수지로 구성된다.

상기 우레탄 아크릴레이트 수지는 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물로 형성된 침목에 내구력을 부여함과 동시에 침목이 형성되는 면에 침목을 부착시킬 수 있고, 또한 모래 입자들을 서로 단단히 결합시킬 수도 있다.

특히, 염분을 함유한 모래를 사용할 때는 염분의 화학작용으로 인해 강도의 저하를 초래할 수 있는데, 상기 우레탄 아크릴레이트 수지가 모래 내 포함된 염분을 흡수함으로써, 염분의 화학작용이 일어나지 않아 침목의 강도저하가 발생되지 않는다.

상기 우레탄 아크릴레이트 수지는 우레탄의 특성과 아크릴레이트의 특성을 모두 갖고 있는 하이브리드(hybride) 수지이다.

이러한 우레탄 아크릴레이트 수지는 일반적으로 우레탄 프리폴리머(urethane prepolymer)와 하이드록시 알킬 아크릴레이트와의 중합반응에 의해 제조된다.

상기 우레탄 프리폴리머는 폴리올(polyol)과 이소시아네이트(isocyanate)의 중합반응에 의해서 형성되며, 그 종류는 다양하다.

또, 상기 하이드록시 알킬 아크릴레이트의 예로는 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate), 2-하이드록시 에틸메타크릴레이트(2-hydroxy ethylmethacrylate), n-부틸 아크릴레이트(n-butyl acrylate) 등이 있다.

이러한 우레탄 아크릴레이트 수지는 모르타르 조성물 100 중량부에 대하여 20 중량부 범위인 것이 적절하다.

만약, 우레탄 아크릴레이트 수지의 함량이 20 중량부 미만이면 모래와 제대로 혼합되지 않아 모래 입자들을 제대로 결합시킬 수 없고, 우레탄 아크릴레이트 수지의 함량이 60 중량부를 초과하면 경화 후 블리딩 현상이 일어날 수 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물을 이용한 침목 제조에 대해 설명한다.

<우레탄 아크릴레이트 수지의 제조>

아디프산(adipic acid) 약 20 중량부와 이소시아네이트(isocyanate) 약 25 중량부를 반응기에서 열중합하여 우레탄 프리폴리머(urethane prepolymer)를 제조하였다.

여기에, 메틸 메타크릴레이트 약 30 중량부, 2-하이드록시 에틸 메타크릴레이트(2-hydroxy ethyl methacrylate) 약 25 중량부 및 알코올 약 0.3 중량부를 첨가한 후, 열중합하여 우레탄 아크릴레이트 수지를 제조하였다.

<모르타르 조성물 제조>

규사 5호(입경이 0.4～0.8㎜) 약 50 중량부와 규사 6호(0.2～0.4㎜) 약 50 중량부가 혼합된 모래 25 중량부를 제조하였다.

목분은 미세하게 분쇄하되, 바람직하게는 30～150메쉬 정도로 만든 상태에서 수분 함수율이 3% 미만인 상태로 만든다.

이와 같이 건조된 목분 50 중량부와 모래 25 중량부를 혼합한 혼합물에 탄산칼슘 50 중량부를 첨가하여 균일하게 혼합하였다.

얻어진 혼합물에 상기에서 제조된 우레탄 아크릴레이트 수지 약 20 중량부를 넣고, 균일하게 혼합하여 수지 모르타르 조성물을 제조하였다.

그런 다음, 압출기에서 상기 수지 모르타르 조성물을 투입하여 압출하고, 상기 압출된 수지 모르타르 조성물을 건조로에서 70℃ 온도로 1시간 건조한 뒤, 물과 에어로 2시간 정도 공랭시켜 온도를 낮춰서 침목을 제조한다.

여기서, 상기 침목(10)의 형상은 일체형 침목, 독립적 단블록 침목, 외부로 철근이 돌출되는 철근 조립형 침목, 분기기 침목, 전철기 침목, 다지형 침목 등을 형성할 수 있다.

또한, 이들 침목(10)에는 상면에 다양한 형태의 클립숄더(40)를 설치하거나, 침목(10)에 레일을 고정하기 위한 체결장치를 설치할 수도 있음을 밝혀둔다.

상기한 바와 같은 구성 및 제조로 이루어진 본 발명에 따른 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목은 신축율이 매우 낮으며, 치수안정성이 높고, 시공이 간편하며, 경량으로 내구성이 뛰어나 철도 분기기나 교량과 같이 치수의 정확성을 요구하거나 침목의 중앙에 제약을 받는 곳에 부설할 수 있다.

또한, 종래의 콘크리트 침목을 수지침목으로 대체함으로써, 콘크리트와 같이 수명완료시 폐기물 처리를 위한 비용 및 환경오염의 우려가 없이 수명 완료 후, 재가공이 가능함으로 환경오염의 피해를 줄일 수 있다.

10: 침목 40: 클립숄더

Claims (18)

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4. 통상의 침목에 있어서,
   상기 침목은 목분 50 중량부와, 모래 25 중량부와, 탄산칼슘 50 중량부로 구성되는 모르타르 조성물 100 중량부와; 상기 모르타르 조성물 100 중량부에 대하여 우레탄 아크릴레이트 수지 20 중량부로 구성되고, 상기 모래는 염분을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 염분의 함량은 모래 100 중량부를 기준으로 1 내지 20 중량부 범위인 것을 특징으로 하는 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목.
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13. 통상의 침목 제조방법에 있어서,
    상기 침목은 목분 50 중량부와, 모래 25 중량부와, 탄산칼슘 50 중량부로 구성되는 모르타르 조성물 100 중량부와; 상기 모르타르 조성물 100 중량부에 대하여 우레탄 아크릴레이트 수지 20 중량부를 혼합하여 제조하고, 상기 모래는 상이한 입경을 가진 모래 2종류 이상을 혼합하며, 상기 모래는 염분을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목 제조방법.
14. 제 13항에 있어서,
    상기 염분의 함량은 모래 100 중량부를 기준으로 1 내지 20 중량부 범위인 것을 특징으로 하는 수지 모르타르 조성물을 이용한 철도 침목 제조방법.
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