KR101346668B1 - 방청제 압입장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철근콘크리트 구조물에 방청제 압입구멍을 천공한 후 방청제 압입장치를 이용하여 고압으로 일정 시간 콘크리트 내부에 방청제를 주입하여 철근이 배근된 위치까지 광범위하게 방청제가 침투 및 확산되도록 하는 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입시스템에 관한 것으로, 철근콘크리트 구조물에 구비된 천공홀에 끼워져 고정되는 고정앵커 및 상기 고정앵커에 연결되고 내부에 채워진 방청제를 지속적인 가압으로 상기 천공홀에 충전하는 주입실린더를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 고정앵커와 주입실린더의 원활한 연통을 위해 연결배관이 추가로 구비될 수 있으며, 천공홀에 고정된 상기 고정앵커와 직접 연결되어 천공홀의 잉여 공간에 직접 방청제를 주입하거나, 상기 주입실린더와 연결되어 주입실린더에 방청제를 채워주는 방청제 주입펌프를 포함하는 방청제 주입장치도 제공한다.

Description

방청제 압입장치{Corrosion inhibitor injection apparatus}

본 발명은 방청제 압입시스템에 관한 것으로, 더욱 상세히는 철근콘크리트 구조물에 방청제 압입구멍을 천공한 후 방청제 압입장치를 이용하여 고압으로 일정 시간 콘크리트 내부에 방청제를 주입하여 철근이 배근된 위치까지 광범위하게 방청제가 침투 및 확산되도록 하는 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입시스템에 관한 것이다.

콘크리트는 다공성 재료로써 타설 직후부터 사용년한 동안 각종 환경에 노출되어 물리적 혹은 화학적인 영향을 받게 된다. 특히, 외부에 존재하는 황산염, 염화물 이온, 이산화탄소 등과 같은 유해성분들은 장기간에 걸쳐 용액 혹은 기체 상태로 콘크리트 내부로 침투되어 콘크리트 구성물들과 물리적 혹은 화학적 상호작용을 일으켜 콘크리트 내에 매설된 철근의 부식을 야기시켜 콘크리트의 내구년한과 내력을 감소시키게 된다.

또한 최근 몇 년 사이에 급등하고 있는 건설재료 수요 증가에 따른 양질의 하천골재 부족으로 인하여 콘크리트용 골재로 상당량의 바다모래를 사용하게 되었으며, 염분을 충분히 제거하지 않은 해사를 그대로 사용함으로써 철근 콘크리트 구조물의 내구성이 크게 저하되며, 더구나 콘크리트 피복 두께 부족과 같은 현상이 겹치면서 철근 부식으로 인해 콘크리트 구조물의 성능저하의 주요한 요인이 되고 있다.

금속들은 대부분이 물이나 공기 등과 반응을 일으켜 부식하게 된다. 다시 말해서 금속은 수분이나 산소가 존재하는 환경과 접하여 열역학적으로 불안정하게 되며 따라서 산화물(Oxide)또는 함수산화물로 변하면서 에너지를 방출하려는 경향을 가진다. 그러므로 금속 그 자체는 자연적으로 존재하는 화합물, 즉 광석에 에너지를 공급하여 환원시킨 것이므로 그들의 본래 상태인 산화물로 되돌아가는 과정이 부식이라고 할 수 있다.

인장에 취약한 콘크리트의 단점을 보완하기 위해 사용되는 보강재 즉 철근의 경우, 콘크리트가 알칼리성을 상실하거나 염화물의 농도가 침투확산에 의해 임계치에 달하면 철근의 보호막인 부동태 피막(Passivity Film)의 파괴로 인해 부식환경에 그대로 노출됨으로써 부식을 피할 수 없다.

염화물이 철근 콘크리트 구조물에 미치는 영향은 콘크리트 내의 철근의 부식뿐만 아니라 콘크리트 구조물 자체에 대한 화학적 침식으로 성능저하를 야기시키고 그 수명을 단축하게 된다. 유해이온들이 철근의 위치까지 도달할 경우, 부식은 다음과 같이 시작된다. 철근은 단면적감소와 그에 따른 기계적 성능이 저하되고 콘크리트는 부식 부산물의 팽창에 의해 균열이 발생하게 된다. 이들의 복합적인 열화로 인해 콘크리트 구조물의 안전과 수명은 영향을 받게 된다.

콘크리트 중의 철근부식은 전기화학적 반응에 의해서 일어나며 부식반응은 건전지에서 일어나는 산화·환원반응과 유사하다. 콘크리트 중의 철근의 부식계는 전기화학적 산화(oxidation)가 일어나는 애노드(anode)와 전기화학적 환원(deoxidation)이 일어나는 캐소드(cathode), 전기전도체 그리고 전해질의 역할을 하는 콘크리트 중의 시멘트 페이스트 공극용액으로 구성된다. 콘크리트 중의 철근은 다음과 같은 여러 반전지(half-cell) 반응 중의 하나에 의해 애노드에서 산화된다.

(식 1) Fe -> Fe^{2 +} + 2e^-

애노드에서 방출된 전자들은 철근을 통해 캐소드지역으로 그림 1과 같이 이동하고 그 곳에서 캐소드 반전지 반응에 의해 소비된다. 공극용액이 알칼리성이고 이미 공기 중에 노출된 보통의 콘크리트 구조물에서 이는 용존산소의 환원반응이다.

(식 2) 2H₂O +O₂ +4e^- ->4OH^-

이러한 애노드와 캐소드 반응은 단독으로 일어날 수 없으며 항상 동시에 반응하게 된다. 철근의 부식 반응은 식 1 및 식 2의 양 반응을 조합한 반응으로, 식 3과 같이 수산화 제1철(Fe(OH)₂)이 철 표면에 생성된다.

(식 3) 2Fe + O₂ + 2H₂O -> 2Fe^{2 +} + 4OH^- ->2Fe(OH)₂

이 화합물은 콘크리트 세공용액 중에 녹아있는 용존산소에 의해 산화되어 수산화 제2철(Fe(OH)₃)이 된다. 더욱이 이 화합물은 물을 잃어 붉은 녹(FeOOH)과 검은 녹(Fe₂O₄)이 되고 철 표면에 녹층을 생성한다.

부식의 원인은 음극과 양극의 생성은 부식계의 이종특성 때문이다. 이러한 이종특성은 동일 전해질 속에 연결되어 침지된 2가지 다른 금속의 예에서 볼 수 있으며, 단일 금속표면에서도 존재할 수 있는데 금속학적인 분리, 다른 입자방향, 혹은 전해질 내에서의 농도의 변화로 인한 국부적인 차이 때문이다. 또한 부식반응은 음극과 양극 그리고 그들의 상대면적의 분포에 의존한다. 그러므로 애노드와 캐소드는 철근표면에 불규칙적으로 분포하고, 만일 부식반응이 진행되는 동안 이들 지역에 변화가 있다면 그 침식은 다소 균일하게 될 것이다. 한편 만일 애노드가 고정된 지점에 위치하고 애노드/캐소드 면적비가 작다면 국부적인 침식이 일어난다.

[그림 1]

Pourbaix는 각종 금속들의 부식에 대한 열역학적인 자료들을 pH-전위도표로 요약하였는데, 이 표는 부식속도를 알 수는 없지만 모든 금속의 전기화학적 부식에 관해서 유용한 정보를 제공해 준다. 그림 2는 Cl^-이온을 함유하지 않은 경우, 그림 3은 Cl^-이온을 355ppm 포함한 수용액에 놓인 철의 전위-pH도이다. 이들 그림을 고찰해 보면 Cl^-이온을 포함하지 않은 수용액 중에 놓인 철은 그림 2에 나타난 바와 같이 양전위 영역에 광범위한 부동태 영역 ②가 존재한다. 그러나 Cl^-이온을 포함한 수용액에 놓인 철의 경우는 그림 3에 나타낸 바와 같이 pH<6에서는 부동태화가 일어나지 않고, 전면 부식 영역 ①만이 존재하지만 pH>6에서는 공식영역 ②, 불완전 부동태 영역 ③ 및 완전 부동태 영역 ④가 나타난다. 만약 Cl^-이온 농도가 355ppm보다 작은 경우에는 공식영역 ②는 그림의 왼쪽 위로 축소되고, 부동태 영역 ④는 같이 방향으로 확대된다.

그러나 콘크리트 중에 있어서 철근의 거동은 전술한 용액 중에 있는 것과 반드시 일치하지는 않는다.

[그림 2]

[그림 3]

이것은 콘크리트 중에 있는 철근은 시멘트 페이스트 공극용액의 강알칼리성에 의해 pH가 약 13 정도인 알칼리 환경에 놓여있기 때문이다. 이러한 강알칼리 환경에 존재하는 철근의 표면에는 20∼60 Å 정도 두께의 산화피막(γ-Fe₂·nH₂O)이 형성되어 철근은 부동태화 되기 때문에 부식으로부터 보호된다고 알려져 있다.

부동태는 부식산물이 불용성이고 접착성이기 때문에 금속표면에 초강력 보호막을 형성할 때 일어난다. 부동태화한 철근의 경우, 부식은 실제로 멈춘 것은 아니지만 부동태피막의 옴(ohm)저항에 의해 엄격히 제한된다. 이러한 부동태 조건하에서 철근의 부식속도는 표면으로부터 약 0.1㎛/year의 용해 혹은 산화에 상당히 강하고 이는 대부분 콘크리트 구조물의 기대수명에서 볼 때 무시할만하다. 콘크리트 중의 철근의 부동태유지는 높은 pH를 필요로 하고 물과 산소 둘 다 존재해야 한다.

(식 4) 2H₂O + 2e^- -> H₂ +2OH^-

산소가 없고 pH가 9 이상이면 부식반응은 계속될 것이지만 캐소드 반전지 반응처럼 산소의 환원반응 대신 식 4와 같이 수소가 방출된다. 이러한 조건하에서 부식속도는 부동태화된 철근보다 큰 차수이지만 1㎛/year라는 여전히 허용할 만한 낮은 수치라는 보고가 있다.

이러한 이유로 선진 각국에서는 염화물의 영향을 받는 콘크리트 구조물의 축조시 염해에 대한 대책을 충분히 고려할 뿐만 아니라, 이미 건설된 구조물의 경우에도 유지관리 및 내구성 진단, 평가에 대책을 강구하고 있는 실정이며, 특히 염해를 입은 콘크리트 구조물의 경우에는 보수에 대한 방안이 실용화 단계에 이르고 있다.

이 같은 염해환경하에 있는 콘크리트 구조물의 철근의 부식 억제 방법에는 피복 두께를 증가시키는 방법, 에폭시 도막 철근의 사용, 방청제 사용법 및 전기방식법 등이 있으며, 이들 중 방청제 사용법은 콘크리트 내 철근방식의 가장 실용적인 수단 중 하나로 알려지고 있다.

방청제를 사용한 보수 방법에는 표면에 방청제를 도포하는 방법(표면도포법)이 주로 사용되고 있으나, 콘크리트 표면에 방청제를 도포하면 철근 위치까지 방청성분을 확실하게 침투시키기가 어려운 점이 있다. 다른 보수 방법으로 철근이 배근된 부분까지의 콘크리트를 벗겨내고 직접 방청제를 철근에 도포하는 방법(단면복구법)이 사용되고 있으나, 이는 시공상의 어려움이 많고 비용 및 시간이 많이 소모된다는 단점이 있다.

이에 최근에는 보수용으로서 콘크리트 표면에 방청제를 함침시켜, 염화물을 포함하고 있는 콘크리트 내 철근의 부식을 억제하는 공법도 개발되어 있지만, 방청제를 보수용으로 사용하는 것에는 콘크리트 표면에서 철근 표면까지의 아질산 이온의 침투성, 침투시킨 아질산이온의 철근 부식 억제효과의 두 가지 관점에서 명확히 할 필요가 있다. 이 두 가지 방면에서 집중적으로 진행되고 있으며, 부가적으로 마크로셀 부식에 관한 연구도 이루어지고 있다. 그러나 방청제 수용액을 콘크리트 표면에 도포 함침하는 방법에는 콘크리트의 함수율의 영향을 미치기 때문에 적정량을 산정하는 것에 곤란함이 발생하는 경우도 많다. 또한 철근 부식에 의해 발생된 균열을 통하여 방청제 수용액을 저압으로 주입하는 방법에는 직접 철근 위치에 방청제를 고농도로 부여하는 것이 가능하여 효과가 높은 방법이지만 국소적인 보수에만 그치는 문제점을 가지고 있다.

따라서 염해를 입은 해양환경하에서의 콘크리트 구조물을 보수하기위한 방법으로 고농도의 방청제를 콘크리트내 철근위치까지 유효하게 침투시킬 방법 및 이에 사용되는 장치가 요구된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명은 철근콘크리트 구조물 내에 방청제를 간단하고 확실하게 주입하는 공법을 시행할 수 있도록 이에 사용되는 장치를 제공하고자 한다. 또한, 이를 이용하면 방청제의 압입시공을 편리하고 간단하게 할 수 있도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방청제 압입 장치는 소정 길이를 갖는 몸체부의 선단 측에 구비되고 철근 콘크리트 벽체 또는 천정에 구비되는 천공홀에 삽입되어 고정되도록 구비되는 선단부와, 상기 몸체부의 말단 측에 구비되고 상기 몸체부의 외주면에 나사 결합되어 천공홀을 마감하고 말단 측에 상기 나사 결합 부분의 말단부를 외부와 연통하는 관통구를 구비하는 앵커고정너트를 포함하는 고정앵커; 및 상기 앵커고정너트의 관통구와 연결배관에 의해 연결되어 방청제를 가압 주입하는 주입실린더;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방청제 압입 장치에서 상기 주입실린더는, 소정 내부공간을 구비하는 하우징; 상기 하우징의 내부공간을 방청제 채움공간과 탄성공간으로 기밀 구획하고 길이 방향으로 움직이는 피스톤; 상기 방청제 채움공간을 연결배관과 연통시키는 방청제 주입구; 상기 탄성공간을 제1 및 제2 탄성공간으로 구획하는 분리디스크; 상기 제1 탄성공간에 채워지는 탄성볼; 및 상기 제2 탄성공간에 길이방향으로 탄성력이 발현되도록 장착되는 탄성스프링;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방청제 압입 장치에서 상기 하우징에는 상기 탄성공간을 외부와 연통하는 끼움구가 구비되고, 상기 끼움구로 삽입되어 상기 분리디스크에 연결되어 상기 분리디스크를 후퇴시킬 수 있도록 구비되는 피스톤 후퇴수단을 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방청제 압입 장치에서 상기 하우징의 외주면에는 상기 피스톤 후퇴수단이 분리디스크를 후퇴시킨 후 고정될 수 있는 걸림쇠가 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방청제 압입 장치에서 상기 연결배관의 외주면에는 마그네트가 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방청제 압입 장치에서 상기 앵커고정너트에는 선단 측으로 직경이 감소하도록 단턱이 구비되고, 상기 단턱에는 와셔가 끼움되어 천공홀 입구 주위 부분에 걸림되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방청제 압입 장치에서 상기 피스톤에는 상기 하우징과 접하는 부분에 피스톤링이 더 구비될 수 있다.

본 발명을 활용하면,

첫째, 종래 방청제를 사용하여 철근콘크리트 구조물의 철근부식을 방지하던 공법의 단점을 보완하여 방청제가 확실하게 철근의 외주면에 부동태 피막을 형성할 수 있도록 한다.

둘째, 콘크리트 구조물의 철근의 부식 억제 방법으로 방청제를 사용하면서도 시공이 간단하고 비용이 적게 소요되는 장치의 제공이 가능하다.

셋째, 콘크리트 구조물의 철근의 부식 억제를 위해 방청제를 압입하는 장비의 제공이 가능하며, 본 장비는 반영구적인 재활용이 가능하므로 장비의 효율성을 높일 수 있다.

넷째, 콘크리트 구조물의 철근의 부식 억제를 위해 방청제를 압입하는 장비는 구성이 매우 간단하고 조작이 편리하여 쉽게 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치의 개략도이고,
도 2a는 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치 중 실린더의 내부를 보여주는 투시도이며,
도 2b는 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치 중 실린더에서 피스톤 후퇴수단을 잡아당겨 걸림쇠에 걸어주는 실시예를 보여주는 참고도이고,
도 3은 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치 중 고정앵커의 단면도이며,
도 4는 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치의 실시예의 사진이고,
도 5은 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치의 실시예 중 고정앵커의 사진이며,
도 6은 본 발명에 따른 방청제 압입공법의 공정순서를 보여주는 순서도이고,
도 7a 내지 도 7g는 본 발명에 따른 방청제 압입공법을 설명하기 위한 참고도이며,
도 8은 본 발명에 따른 방청제 압입공법에서 천공홀의 간격을 나타내는 참고도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.

본 발명은 방청제 압입공법의 실시를 위해 사용되는 방청제 압입장치에 관한 것으로서, 방청제 압입장치는 천공홀에 고정되는 고정앵커 및 상기 고정앵커에 연결되어 방청제를 압입하는 주입실린더를 포함하여 구성되며, 추가적으로 상기 고정앵커에 연결되어 천공홀에 방청제를 예비충전하거나 상기 주입실린더에 연결되어 주입실린더에 방청액을 충전시켜주는 방청제 주입펌프를 사용하게 된다. 이러한 방청제 압입장치를 먼저 설명하고, 추가적으로 방청제 압입공법을 설명하기로 한다.

그리고, 본 발명에서는 방청제를 사용하여 철근을 방식하는 공법을 사용하게 되는데, 방청제 압입공법을 설명하기 전에 방청제의 방청 메커니즘을 간단히 살펴본다.

철근 콘크리트에는 염화물이 혼입되지 않도록 하는 것이 중요하며 해사의 세척이 불충분하여 염화물이 혼입되거나, 해양환경하와 같은 염화물의 침투를 피할 수 없는 경우에는 적절한 방청제를 사용하는 것이 좋다. 방청제는 애노드 반응 또는 캐소드 반응의 제어를 통해 부식속도를 조절하며, 그림 4는 애노드형 방청제와 캐소드형 방청제를 이용한 전위 및 부식속도의 변화를 나타낸 그림이다. 그림 4 (a)에서 볼 수 있듯이 방청제를 첨가하지 않고 염화물이 존재할 때에는 애노드 곡선(A₁)과 캐소드 곡선(C₁)이 W에서 만난다.

이 때의 부속속도는 I₀이다. 애노드형 방청제를 투입했을 경우, 애노드곡선(A₂)은 부동태 피막의 형성에 의해 전위 E_p가 증가한다. 따라서 애노드 곡선과 캐소드 곡선의 교차점이 W에서 X로 이동하여 부식속도는 I_i가 된다. 즉 I₀와 I_i의 차이만큼 부식속도를 줄이는 것이 가능하게 된다.

그림 4 (b)는 캐소드형 방청제를 투입했을 경우의 곡선으로서 염화물에 의한 애노드 곡선은 A₁이고 방청제를 투입하지 않은 캐소드 곡선은 C₁이다. 이들 두 곡선은 W에서 만나고 부식속도는 I₀이다. 그러나 캐소드형 방청제를 투입했을 경우, 캐소드 곡선 C₁은 캐소드 반응의 억제에 의해 C₂로 이동함으로써 부식속도도 I₀에서 I_i로 줄어든다. 그러나 대부분의 캐소드형 방청제는 애노드형 방청제보다 그 성능이 떨어지는 편이다.

[그림 4]

방청제의 종류는 상술한 바와 같이 애노드형과 캐소드형이 있으며, 애노드형 방청제로 정인산염(Orthophosphates), 규산염(Silicate), 아질산염(Nitrite), 크롬산염(Chromate), 안식향산염(Benzoate) 등이 있으며, 캐소드형 방청제로 석회, 폴리인산염 등이 있다.

본 발명에서는 아질산계 방청제를 사용하는 것을 예로 들도록 한다. 콘크리트내 철근은 콘크리트의 높은 알칼리성에 의해서(pH=12 이상) 부동태피막이 생성되어, 부식으로부터 보호되고 있다. 그러나, 일단 콘크리트가 중성화(pH=10 이하)가 되면, 부동태피막이 불안정하게 되어 부식이 발생할 수 있다. 또한 콘크리트 내에 염분이 포함되어 있다면, pH가 저하되지 않은 경우라도 부동태피막이 염소이온에 의해 부분적으로 파괴되어 부식이 발생된다. 아질산 이온은 파괴된 부동태피막을 재생시켜 안정한 물질이 되므로 부식의 발생과 진행을 방지시킨다. 이러한 방청메커니즘은 아래와 같이 잘 설명되어있다.

부동태피막은 치밀한 철의 산화물(Fe₂O₃)로 구성되어 있다. 염화물이온(Cl^-)은 그 부동태피막 위에 메탈의 철을 용해시킨다(2가의철이온 : Fe^{2 +}로서 용출된다). 아질산이온(NO₂ ^-)은 그 2가의 철이온(Fe²⁺)과 반응하여 부동태피막을 재생한다(식 5 및 그림 5 참조).

(식 5) Fe^{2 +} + 2OH^- + 2NO₂ ^- -> Fe₂O₃ + H₂O + 2NO

[그림 5]

- 방청제 압입장치

철근콘크리트 구조물에 방청제를 주입하는 방청제 압입공법은 철근콘크리트구조물 내부에서의 가압침투류를 이용하게 되며 이에 대한 이론은 후술하겠다. 그러므로 이를 구현하기 위해서는 지속적으로 압력을 가하면서 방청제를 주입해주는 장치가 구비되어야 한다. 물론, 이러한 장치는 펌프 등 별도의 동력을 이용하여 철근콘크리트 구조물에 구비된 천공홀로 방청제를 압입하는 것이 가능한데, 이는 단가가 높고 장비가 한정되어 시공에 어려움이 있다.

이에, 본 발명에서는 별도의 동력을 이용하지 않고, 장비 자체의 복원력에 의해 압력이 발생하여 방청제를 압입할 수 있는 장치를 제안한다.

도 1은 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치의 개략도이고, 도 2a는 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치 중 실린더의 내부를 보여주는 투시도이며, 도 2b는 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치 중 실린더에서 피스톤 후퇴수단을 잡아당겨 걸림쇠에 걸어주는 실시예를 보여주는 참고도이고, 도 3은 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치 중 고정앵커의 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치의 실시예의 사진이고, 도 5은 본 발명에 따른 방청제 압입공법에 사용되는 방청제 압입장치의 실시예 중 고정앵커의 사진이다.

도 1 및 도 4에서 보듯이, 본 발명은 철근콘크리트 구조물의 천공홀(10)에 끼워져 고정되는 고정앵커(100) 및 상기 고정앵커(100)에 연결되고 내부에 채워진 방청제를 지속적인 가압으로 상기 천공홀(10)에 충전하는 주입실린더(300)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 고정앵커(100)와 주입실린더(300)의 원활한 연통을 위해 연결배관(200)이 추가로 구비될 수 있다.

또한, 천공홀에 고정된 상기 고정앵커(100)와 직접 연결되어 천공홀의 잉여 공간에 직접 방청제를 주입하거나, 상기 주입실린더(300)와 연결되어 주입실린더에 방청제를 채워주는 방청제 주입펌프(미도시)도 부수적이지만 본 발명의 시행에는 필요하게 된다.

이하, 각 구성요소를 상세히 설명한다.

- 고정앵커(100)

도 3 및 도 5에서 보듯이, 상기 고정앵커(100)는 철근콘크리트 구조물에 구비된 천공홀(10)에 끼워져 고정되는 장치로, 선단부에 천공홀에 단단히 고정될 수 있는 수단을 구비해야 한다.

이에 상기 고정앵커(100)는 몸체부(110), 확장슬리브(120), 콘너트(130), 압착패킹(140), 와셔(150), 앵커고정너트(160), 앵커밸브(170)를 포함하여 구성되고, 상기 와셔(150)와 앵커고정너트(160) 사이에는 오링(180)이 구비될 수 있다.

상기 몸체부(110)는, 천공홀(10)에 삽입되는 선단부(111)의 외주면에 수나사산을 구비하고, 외주면에 플랜지(113)를 구비하며, 천공홀(10)의 입구에 위치하는 말단부(112)의 외주면에 수나사산을 구비하고, 끝단부(114)에는 회전수단에 의해 회전력을 가할 수 있는 형태로 구비되며(볼트헤드(115), 또는 일자, 십자 홈), 상기 선단부(111) 및 말단부(112)의 외주면에는 길이방향으로 각각 하나 이상의 레일홈(116, 117)이 형성된다.

여기서, 상기 회전수단은 스패너, 렌치, 스크류 드라이버 등 회전력을 가할 수 있는 수단이면 충분하며, 회전수단을 활용하여 상기 몸체부(110)를 회전시킬 수 있도록 끝단부(114)는 볼트헤드(115) 형상을 구비하거나 스크류 드라이버로 회전시킬 수 있도록 끝단부(114)에 일자 혹은 십자형 홈을 구비할 수 있다.

또한, 상기 선단부(111)에 구비되는 레일홈(116)은 상기 플랜지(113)에도 구비되어야 한다. 그래야만 추후에 주입될 방청제가 용이하게 천공홀의 내부 전체에 채워질 수 있기 때문이다.

다음으로, 상기 확장슬리브(120)는, 상기 몸체부(110)의 선단부(111)에 끼워져 슬리브헤드(121)가 상기 플랜지(114)에 걸리되, 상기 슬리브헤드(121)에 구비되어 선단 부분의 가압에 의해 외경이 확장되는 슬리브(122)를 구비한다.

여기서, 상기 슬리브(122)의 외주면에는 보강엠보가 구비되어 마찰력을 충분히 확보할 수 있는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 슬리브(122) 또는 슬리브헤드(121)의 외주면에는 링 형상의 헛돌림방지수지(123)가 구비되어 천공홀(10)에 최초 삽입된 고정앵커(100)의 선단부가 마찰에 의해 끼움고정될 수 있도록 한다. 상기 헛돌림방지수지(123)는 플라스틱 재질로 가압에 의해 형상이 변경될 수 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 슬리브(122)의 외경이 확장되어 천공홀(10)의 내주면에 밀착될수록 상기 헛돌림방지수지(123)도 압착되어 외경이 커지게 되므로 이 또한 마찰력을 추가적으로 제공하게 된다.

또한, 상기 콘너트(130)는 내주면에 암나사산이 구비되어 상기 몸체부(100)의 선단부(111)의 외주면에 구비된 수나산상에 직경이 큰 부분이 선단을 향하도록 나사결합되어, 상기 몸체부(110)의 회전에 의해 나사결합이 진행되면서 상기 확장슬리브(120)의 슬리브(122) 외경이 확장되도록 가압하는 역할을 하게 된다.

상기 콘너트(130)의 가압에 의해 상기 확장슬리브(120)의 슬리브(122)가 확장되어 상기 천공홀(10)의 내주면에 단단히 밀착되면서 고정앵커(100)가 천공홀(10)에 단단히 고정되게 된다.

또한, 상기 앵커고정너트(160)는 내부에 관통구(161)를 형성하고 내주면에 암나사산을 구비하여 상기 몸체부(110)의 말단부(112) 외주면에 구비된 수나사산과 나사결합되면서 상기 몸체부(110)가 천공홀(10)에 고정된 상태로 단단히 조여주는 역할을 한다.

물론, 상기 앵커고정너트(160)에는 단턱(164)이 구비되어 상기 천공홀(10)의 입구 둘레에 걸려야 하며, 일부는 직경이 작아서 상기 천공홀(10)의 입구부분으로 삽입되는 삽입부(165)를 구비하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 앵커고정너트(160)에서 암나사산이 구비되어 상기 몸체부(110)와 결합되는 부분에는 길이방향으로 하나 이상의 레일홈(163)이 구비되어 방청제가 주입되는 추가적인 통로로 활용될 수 있다.

또한, 상기 압착패킹(140)은 고무재질로 와셔 형상으로 구비되어 상기 앵커고정너트(160)를 상기 몸체부(110)에 조여주는 과정에서 상기 천공홀(10)의 외주면을 단단히 밀폐하여 주입되는 방청제가 새어나가지 않도록 하는 역할을 한다.

또한, 상기 와셔(150)는 상기 압착패킹(140)을 전체적으로 가압할 수 있는 형상으로 구비되어 상기 압착패킹(140)과 상기 고정너트(160) 사이에 구비되어 상기 고정너트(160)를 조여주는 과정에서 상기 압착패킹(140)을 더욱 단단히 조이도록 도와주는 역할을 한다. 상기 와셔(150)는 임의적 구성요소로 굳이 구비되지 않더라도 본 발명의 활용에 지장이 있는 것은 아니다.

또한, 상기 오링(180)은 상기 와셔(150)가 구비되는 경우에 사용되는 것으로, 통상 금속재질로 구비되는 상기 와셔(150) 및 상기 앵커고정너트(160) 사이에 끼워져서 밀착력을 높여주는 역할을 하게 된다.

또한, 상기 앵커밸브(170)는 상기 앵커고정너트(160)의 관통구(161)와 연통되도록 구비되어 천공홀(10)로 방청제를 주입하는 경우에는 열어주고, 방청제가 주입된 상태에서는 새어나가지 않도록 닫아주는 역할을 하게 된다. 특히, 앵커밸브(170)는 상기 방청제 주입공법에서 설명한 예비충전단계(S5)를 시행하고 방청제 주입펌프(미도시)를 제거하고 주입실린더(300)를 연결하는 과정에서 주요하게 사용된다.

또한, 추가적으로 상기 앵커밸브(170)에는 퀵 커플링 수단(190, 암수모두 가능)이 구비되어 이하 설명할 연결배관(200), 주입실린더(300), 방청제 주입펌프(미도시)에 구비된 퀵 커플링 수단(암수모두 가능하다 상기 앵커밸브(170)에 구비된 것과 짝을 이루도록 구비)과 신속하고 간단하게 결합되는 것이 가능하다. 본 발명에서 활용되는 퀵 커플링 수단은 공지의 다양한 방식이 활용 가능하며, 이에 대한 상술은 생략한다.

- 주입실린더(300)

도 2a 및 도 2b에서 보듯이, 상기 주입실린더(300)는 상기 고정앵커(100)에 연결되어 지속적으로 압력을 가하면서 상기 천공홀(10)에 방청제를 일정 시간동안 주입할 수 있도록 하는 장치로, 지속적으로 압력을 가할 수 있는 수단이 구비되는 것이 중요하다.

이에 상기 주입실린더(300)는, 내부가 중공인 하우징(310)과, 상기 하우징(310)의 내부에 구비되어 방청제 채움공간(330)과 탄성공간(340, 350)을 분할하고 상하로 움직이는 피스톤(320)과, 상기 피스톤(320)의 측부에 형성된 홈에 끼워져 상기 피스톤(320)과 상기 하우징(310) 사이의 기밀을 유지하는 피스톤링(321)과, 상기 방청제 채움공간(330)에 방청제가 주입되도록 상기 하우징(310)의 상단에 구비되는 방청제 주입구(311), 상기 탄성공간(340, 350)에 구비되어 이를 상부의 제1탄성공간(340)과 하부의 제2탄성공간(350)으로 분할하는 분리디스크(360)와, 상기 제1탄성공간(340)에 채워지는 하나 이상의 탄성볼(370), 및 상기 제2탄성공간(350)에 끼워지는 하나 이상의 탄성스프링(380)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 하우징(310)의 하단에는 끼움구(312)가 구비되어 상기 끼움구(312)로 끼워져 상기 분리디스크(360)의 하단에 고정되어 상기 분리디스크(360)를 외력에 의해 후퇴시키는 피스톤 후퇴수단(314)을 추가로 구비할 수 있다.

본 발명에서는 상기 방청제 주입구(311)를 통해 방청제를 주입하게 되는데, 방청제의 주입은 방청제 주입펌프(미도시)에 의해 상기 주입실린더(300)의 피스톤(320)을 가압하면서 방청제를 상기 방청제 채움공간(330)에 채워주게 된다. 하지만, 이 경우에는 상기 피스톤(320)을 가압하면서 방청제를 채워야 하므로 방청제 주입펌프(미도시)의 펌핑력이 매우 강해야 하므로 이는 비효율적일 수 있다.

이에, 본 발명에서는 상기 분리디스크(360)에 열결된 피스톤 후퇴수단(314)을 구비하여 방청제 주입펌프(미도시)에 의해 방청제를 주입하기 전에 상기 피스톤 후퇴수단(314)을 이용하여 분리디스크(360)를 후퇴시켜 상기 제2탄성공간(350)의 탄성스프링(380)을 잡아당겨 상기 방청제 주입펌프(미도시)가 부담하는 압력을 덜어줄 수 있다. 여기서 상기 피스톤 후퇴수단(314)은 스트링, 봉, 막대 등 다양한 것들의 사용이 가능하며, 상기 하우징(310)에는 상기 피스톤 후퇴수단(314)에 의해 상기 분리디스크(360)를 후퇴시키고 상기 피스톤 후퇴수단(314)을 고정할 수 있는 걸림쇠가 구비되는 것이 바람직하다. 물론, 잡아당긴 상태로 신속하게 방청제를 주입실린더(300)에 주입하는 것도 가능하므로 걸림쇠의 구비가 필수적인 것은 아니다.

도 5b에서 보듯이, 상기 걸림쇠의 일예로 상기 피스톤 후퇴수단(314)이 스트링으로 구비되고 끝단은 'T' 형상으로 구비되어, 상기 피스톤 후퇴수단(314)을 후퇴시킨 후 상기 하우징(310)의 외주면을 감싸안으면서 상기 하우징(310)의 외주면에 구비된 걸림쇠(313)에 걸리는 방식이 가능하다.

상기 주입실린더(300)는 탄성력의 보강을 위해 탄성볼(370) 및 탄성스프링(380)이라는 두 가지 타입의 탄성체를 하나 이상씩 이용하게 된다. 왜냐하면, 본 발명에서는 천공홀(10)로 방청제를 최대한 정해진 압력으로 주입하는 것이 가장 이상적인 경우인데, 본 발명에서와 같이 별도의 외력 없이 자체적으로 압력을 발생시켜 방청제를 주입하는 경우에는 일반적으로 압력을 지속적으로 가해주는 것이 어렵기 때문에, 최대한 다수의 탄성체를 이용하여 탄성력을 가해줌으로써 다수의 탄성체가 일정량씩의 탄성력을 공급할 수 있도록 하여 탄성력의 감소에 따른 압력감소를 최소화하기 위함이다.

그리고, 상기 제1탄성공간(340)에 채워지는 탄성볼(370)은 다양한 재질로 이뤄진 탄성볼일 수 있으며, 내부에 채워지는 가스에는 제한이 없으나 본 발명에서 목적으로 하는 적당한 압력을 제공할 수 있는 것이면 어느 가스나 무관하다. 상기 가스는 순수가스, 혼합가스 등 다양한 것이 가능하다.

또한, 상기 주입실린더(300)의 방청제 주입구(311)에는 압력계(391)가 구비되어 상기 주입실린더(300)에 의해 발생되는 압력을 실시간으로 측정하는 것이 가능하다.

또한, 상기 주입실린더(300)의 방청제 주입구(311)에는 실린더밸브(392)가 구비되어 방청제의 주입과 방출을 조절해야 한다. 특히, 상기 주입실린더(300)에 방청제 주입펌프(미도시)를 연결하여 방청제를 충전하고, 방청제 주입펌프(미도시)를 해체하는 경우에는 상기 실린더밸브(392)를 필수적으로 잠궈주어야만 상기 주입실린더(300)의 자체 압력에 의해 방청제가 새어나오는 것을 방지할 수 있다. 물론, 상기 주입실린더(300)를 상기 고정앵커(100)와 연결하여 방청제를 주입하는 경우에는 상기 실린더밸브(392)를 열어야 한다.

- 연결배관(200)

상기 연결배관(200)은 일단은 상기 고정앵커(100)와 연통되고 타단은 상기 주입실린더(300)와 연통되도록 연결되어 방청제의 주입을 안내하는 것으로, 방청제의 주입이 원활하도록 구비되는 임의적 구성요소이다.

상기 고정앵커(100)는 통상 수직으로 입설된 철근콘크리트 구조물의 외벽에 구비된 천공홀(10)에 상기 외벽에 수직하게 삽입되어 고정된 후 상기 주입실린더(300)를 연결하여 방청제를 압입하게 되는데, 상기 주입실린더(300)를 상기 구조물의 외벽에 수직한 상태로 상기 고정앵커(100)에 연결하게 되면 자중에 의해 상기 고정앵커(100)와 상기 주입실린더(300)의 연결부에 과도한 모멘트가 걸려서 방청제 주입장치가 파손될 수 있다.

이에, 상기 고정앵커(100)와 상기 주입실린더(300)의 연결부는 절곡이 가능한 배관을 이용하여 연결하여 상기 주입실린더(300)는 철근콘크리트 구조물의 외벽에 매달린 형상으로 구비되게 하는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 연결배관(200)의 외주면을 감싸는 마그네트(210)가 구비되어 상기 연결배관(200)으로 안내되는 방청제의 흐름을 원활하게 유도할 수 있다.

어떠한 물체든지 분자라는 단위의 집합체로 이루어져 있으며 각 분자들은 고유 진동을 가지고 있다. 하나의 분자는 여러 개의 원자로 구성되어 있으며, 이 원자들은 서로 결합되어 있지 않고 계속 움직이고 있으며, 이 움직임이 바로 분자진동(브라운운동효과)을 유발시킨다. 배관의 외주면에 감싸진 마그네트는 이러한 기본 진동에 '간섭진동'을 주며 마그네트에서 발산하는 진동이 녹과 스케일의 생성을 억제, 제거하며 이러한 효과는 관내에 매우 짧은 시간 내에 골고루 퍼지게 된다. 이러한 원리로 관의 내부관경이 빠른 속도로 복원되는 것이 가능하여 배관 내로 흐르는 유체의 흐름을 원활하게 한다.

결국, 마그네트에 의해 발생되는 진동이 간섭의 효과를 주어 유체에 녹아 있는 스케일 성분들의 진동의 크기가 작아지므로 포화상태에 미치지 못하게 되어 스케일이 석출되는 일이 없으며 오히려 물의 용해도가 증가하여 기존의 스케일을 녹여서 신속히 배출하게 된다. 그림 8은 마그네트 링의 작용효과를 보여주는 개념도이다.

[그림 6]

- 방청제 압입공법

도 6은 본 발명에 따른 방청제 압입공법의 공정순서를 보여주는 순서도이고, 도 7a 내지 도 7g는 본 발명에 따른 방청제 압입공법을 설명하기 위한 참고도이며, 도 8은 본 발명에 따른 방청제 압입공법에서 천공홀의 간격을 나타내는 참고도이다.

도 6에서 보듯이, 본 발명은 방청제 압입공법에 관한 것으로, 더욱 상세히는 철근콘크리트 구조물에 방청제 압입구멍을 천공한 후 방청제 압입장치를 이용하여 고압으로 일정 시간 콘크리트 내부에 방청제를 주입하여 철근이 배근된 위치까지 광범위하게 방청제가 침투 및 확산되도록 하는 방청제 압입공법에 관한 것이다.

도 6 및 도 7에서 보듯이, 본 발명에 따른 방청제 압입공법은 철근콘크리트 구조물의 부식을 진단하는 부식진단단계(S1), 방청제 주입이 요구되는 철근콘크리트 구조물의 철근 배근 위치를 조사하는 철근위치조사단계(S2), 조사된 철근 위치를 바탕으로 방청제를 주입할 천공홀을 선정하여 천공하는 압입위치천공단계(S3), 상기 압입위치천공단계(S3)에서 천공된 천공홀에 고정앵커를 설치하는 앵커설치단계(S4), 상기 앵커설치단계(S4)에서 설치된 고정앵커에 방청제 주입펌프를 연결(S51)하여 천공홀을 예비충전(S52)하는 예비충전단계(S5), 상기 앵커설치단계(S4)에서 설치된 고정앵커에 주입실린더를 연결(S61)하여 천공홀을 메인충전(S62)하는 메인충전단계(S6), 설치된 고정앵커 및 주입실린더를 제거하는 압입장치 제거단계(S7), 및 압입장치가 제거된 천공홀에 밀봉재를 채워주는 천공홀복구단계(S8)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 예비충전단계(S5)는 임의적 단계로 메인충전단계(S6)를 진행하기 전에 천공홀에 설치된 고정앵커가 차지하는 공간을 제외한 나머지 공간을 먼저 채워줘서 추후에 시행할 메인충전에서 주입실린더가 채워 넣어야 할 공간을 감소시킴으로써 주입실린더의 압력감소를 최소화하기 위한 것이다. 그러므로 상기 예비충전단계(S5)를 거치지 않고 메인충전단계(S6)를 진행하더라도 무방하다.

또한, 상기 천공홀복구단계(S8)를 거친 이후에는 방청제가 목표하는 위치까지 충분한 양이 주입되었는지 확인하는 주입확인단계(S9)를 추가로 포함할 수 있다. 이는 실질적으로 시공현장에서는 진행하지 않는 경우가 많을 것이나 방청제의 주입을 명확히 하기 위해서 거칠 수 있는 임의적 단계에 해당한다.

이하, 각 단계를 상세히 설명한다.

1) 부식진단단계( S1 )

본 단계는 철근콘크리트 구조물의 부식을 진단하는 단계로 본 발명에 따른 방청제 압입공법을 시행하기 위한 전조사단계라 할 수 있다.

금속(철근)은 그 본래의 상태인 산화물로 되돌아가려는 귀소본능의 경향이 있다. 사실상 금속은 그 자체가 자연속에 존재하는 산화물 상태의 광석(철광석)에 에너지를 가하여 얻은 것이기 때문에 에너지적으로 불안정하다. 그러므로 금속은 에너지를 방출함으로써 금속으로 존재하는 것보다 더욱 안정한 상태인 상화물 상태, 즉 부식상태로 되돌아 가려는 자연적인 경향이 있다.

따라서 부식이란 금속이 그 주위의 여러 가지 환경과 화학적 또는 전기화학적 반응을 통하여 금속제품의 성능을 저하시키고 마침내 사용할 수 없게 되는 현상을 말한다. 이와 같이 부식현상은 금속구조물을 포함한 각종 시설물, 강교, 지하매설물, 기계류, 화공장치, 철근콘크리트 구조물 등 많은 부분에서 발생하게 된다.

여기서, 본 발명과 연관된 철근콘크리트 구조물에서 철근의 부식화를 설명한다. 철근의 부식화에는 공기 중의 탄산이 투입되어 탄산화(Carbonation)되는 경우와 철근콘크리트 구조물이 해안가 등에 설치되는 경우 염소이온이 침투하여 염해(Chloride)를 일으키는 경우가 있다.

탄산화의 경우는 일반적으로 건전한 콘크리트의 pH는 13 정도로 알칼리성인데, 여기에 대기중으로부터 탄산가스 증이 침투되어 pH가 중성측으로 변하는 것을 콘크리트의 중성화라 하는데, 시멘트의 주성분인 수산화칼슘과 탄산가스가 반응하여 탄산칼슘을 생성, 용출하여 중성화되는데, 탄산화 정도의 측정은 페놀프탈레인을 분무해 색상의 변화로 체크가 가능하다. 이의 반응식은 하기의 식 6과 같다.

(식 6)

Ca(OH)₂ + CO₂ -> CaCO₃ + H₂O

콘크리트 중의 철근은 pH13 정도에서는 부동태역(不動態域)에 위치하므로, 자연전위도 높은 전위를 나타내 부식되지 않는다. 그러나 중성화가 발생하거나 염분침투로 인해 염분농도가 높아지면 부동태피막은 파괴되어 수분이나 산소의 존재하에서 철근이 부식된다. 콘크리트 중성화의 진행속도는 환경조건을 비롯해 콘크리트의 성상, 피복두께 등에 따라 달라지는데, 염화물을 포함하는 콘크리트 중의 철근부식은 중성화가 철근표면에 도달하기 전에 이미 시작된다. 중성화 및 염화물의 영향으로 인해 철근표면이 활성화되어 철근의 자연전위가 낮아지므로 자연전위를 측정하면 철근의 부동태화 상태인지 활성태(活性態) 상태인지의 판정이 가능하다.

철근의 부식평가는 각종 인자의 측정결과로부터 종합 판정하게 되지만, 일반적으로 자연전위에 의한 부식상태의 판정이 주로 이루어진다. 콘크리트 중의 철근 부식상태에 대해서 자연전위의 범위에 의해 부식확률로서 평가되는 예를 하기의 표 1에 나타낸다.

자연전위(V)	부식확률(%), ASTM C876-91	부식확률(%), B8 7361 Part1 1991
-0.2V보다 높은 전위	90%이상의 확률로 부식없음	5%이하의 확률로 부식있음
-0.2~-0.35V	확정적이지 않음	50% 확률로 부식있음
-0.35V보다 낮은 전위	90%이상의 확률로 부식있음	95%이상의 확률로 부식있음

표 1에서 보듯이 철근의 부식이 있을 확률을 자연전위의 측정에 의해 판단할 수 있게 된다.

본 발명에서는 철근의 부식이 일어나기 전에 방청제를 압입하여 철근의 부동태피막을 다시 형성하게 하는 것이므로 자연전위가 -0.2~-0.35V 정도로 측정되어 철근이 부식에 가까워지는 경우에는 본 발명에 따른 공법을 시행하여 철근에 부동태피막이 다시 형성되도록 하는 것이 바람직할 것이다.

이외에도, 부식을 진단하거나 측정하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 대표적인 방법으로는 육안검사, 자연전위 측정, 분극시험(양분극 시험, 음분극 시험), 피복 두께 측정, 비파괴 검사(초음파 탐사, X-Ray 검사), 전기화학적 임피던스 분광법, 기타 부식환경에서의 기계적 시험(응력부식시험, 부식피로시험 등)이 있다.

2) 철근위치조사단계( S2 )

본 단계는 상기 부식진단단계(S1)에서 철근의 부식이 조만간 발생할 수 있는 경우라 판단되어 방청제의 압입이 결정된 경우에 철근콘크리트 구조물의 철근 배근 상태를 파악하여 이후 단계에서 방청제를 주입할 천공홀을 뚫을 위치를 선정하는 단계이다.

본 단계에서는 철근 콘크리트 구조체의 내부에 배근되어 있는 철근의 위치, 방향, 피복두께 등을 추정하기 위하여 구조체 내부로 송신된 전자파가 전기적 특성이 다른 물질인 철근의 경계에서 반사파를 일으키는 성질을 이용한 측정 기구인 철근탐사기(PROFOMETER)를 사용하여 철근탐사를 실시한다. 철근 탐사기는 자기 감응원리에 의한 비파괴 검사 장비로 구조물의 슬래브, 벽체 등에서 실시함으로서 각 부재의 철근 배근 상태를 탐지한다.

철근탐사기의 종류에는 R.C-Radar(Radio Detection And Ranging), FERROSCAN 등을 이용할 수 있으며, 이들은 공지되어 다양한 분야에서 사용되는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.

3) 압입위치천공단계( S3 )

본 단계는 상기 철근위치조사단계(S2)에서 조사된 철근 위치를 바탕으로 방청제를 주입할 천공홀을 선정하여 천공을 시행하는 단계이다.

본 단계에서 천공홀의 천공은 드릴 등에 의하며, 천공홀의 직경은 본 발명에 사용되는 방청제 주입장치의 구성 중 고정앵커의 직경에 상당하는 정도인 것이 바람직하다. 즉, 고정앵커는 천공홀에 삽입된 후에 고정되어 주입실린더에 의해 방청제를 주입할 수 있도록 하는 것이므로 천공홀 내에 단단히 고정될 수 있어야 하며, 이러한 앵커링을 구현하기 위해서는 천공홀의 직경은 상기 고정앵커가 겨우 들어갈 수 있을 정도의 사이즈로 구비되는 것이 바람직하기 때문이다.

나아가, 천공홀은 하나 이상이 구비되게 되며 통상은 철근콘크리트 구조물에 일정 간격으로 배열되어 수개가 구비되게 된다. 여기서, 상기 천공홀의 배열은 임의로 정하는 것은 아니며 이하 설명할 방식에 의해 정하게 된다.

콘크리트 내에서 수분의 이동 메커니즘은 가압투과류(Pressurizing Penetration Flow), 모관침투류(Capillary Seepage Flow), 가압침투류(Pressurizing Seepage Flow)의 세 가지로 분류된다.

콘크리트의 가압침투류의 경우는 콘크리트가 다공체이기 때문에 압력구배를 따라 물이 흐르게 되며 이는 다르시의 법칙(Darcy's Law)에 따르게 된다. 다르시의 법칙은 다공성 매질을 통과하는 유체의 흐름에 대하여 관찰을 통해 얻은 경험식으로 유도된 법칙이며 식 7과 같다.

(식 7)

여기서,

가압침투류는 압력에 의한 콘크리트 내의 물의 흐름이 발생되는 경우를 의미하며 고압에서의 콘크리트내 압입하는 물의 흐름은 침투확산류, 다르시침투류, 모관침투류로 구분된다.

그림 7에서 보듯이, 압력구배의 경우 침투확산부는 여오차함수의 곡선을 따르며, 다르시침투부와 모관침투부는 선형을 따르게 된다. 나아가, 압력에 따른 콘크리트 내의 물의 흐름은 압력이 0.15MPA 미만인 경우는 다르시 침투류를 0.15MPA 이상인 경우는 침투확산류로 흐르게 된다.

[그림 7]

다르시의 침투류(Darcy Seepage Flow)는 시간과 공간에 대해 일정하기 때문에 동수구배는 선형을 이루게 되므로 식 7은 다음과 같이 쓸 수 있다.

(식 8)

여기서,

여기서, 초기조건 t=0, x=0 일 때, 식 8을 적분하면,

(식 9)

식 9에서 측정된 평균 침투깊이 'x'를 'dm'으로 하고, 'k'를 'K'로 다시 써서 이를 침투계수로 정의하면 식 10과 같다.

(식 10)

여기서,

침투확산류(Seepage diffusion flow)는 고압으로 인한 내부변형을 고려한 비선형 고압침투 모델로서 고압으로 인한 내부 변형이 중요시되는 경우에 적용하게 된다. 이 경우 흐름속도와 동수구배는 시간과 공간에서 다양화되게 된다. 이를 그래프로 표현하면 그림 8로 형상화된다.

[그림 8]

아울러, 그림 7을 수식화해보면 식 11 및 식 12와 같다.

(식 11)

(식 12)

여기서,

상기 식 11 및 식 12에서, 시간 dt 동안 압력증분 dp에 대해서 남아있는 물의 양 △Q는 식 13과 같다.

(식 13)

(여기서, E는 물과 콘크리트를 공통으로 생각할 때의 체적 탄성계수)

여기서, 다시 다르시의 법칙을 적용한 식 7을 미분하면 식 14가 도출되며, 식 14을 다시 식 13에 대입하면 식 15가 도출된다.

(식 14)

(식 15)

식 15는 1차원 고압 침투류에서 압력에 관계된 기초방정식이며, 고압의 침투 흐름은 이 방법으로 압력과 관계된 확산 형식의 미분 방정식을 따르고,

을 확산계수로 정의하고, 이론치와 실험치와의 오차는 이차적인 요인에 의해서 유발되어 시간에 대한 보정계수

를 이용하여 정리하면 식 16이 도출된다.

(식 16)

여기서,

여기서, 상기

는 t^{3 / 7} 로 정할 수 있다.

또한, 반복적인 실험을 통해 침투확산류의 선단 수압은 0.15MPa이며, 수압이 그 이하인 부분은 다르시침투류로 이행하면 관찰이 가능하다.

상기 식 16에서

는 t^{3 / 7} 이고 침투깊이 dm은 압력 P^{1 /2.39} , 시간 t^{1 /3.5} 에 비례한다는 이론을 기반으로 단위를 환산해주면 식 17, 18, 19로 변환이 가능하다.

(식 17)

(식 18)

(식 19)

식 16을 최종적으로 물시멘트비, 압력에 따른 확산계수

과 압력 p, 가압시간 t를 변수로 하고 21.13이라는 비례상수를 결정하여 식 20과 같이 물시멘트비, 압력 별 확산계수와 압력, 가압시간을 대입하면 콘크리트내 방청제 침투깊이를 간편하게 예측하는 예측식을 제안한다.

(식 20)

여기서,

그리고, 물시멘트비와 물의 압력에 따른 확산계수인

는 표 2로 제시된다.

[표 2]

상기 식 20을 이용하면 콘크리트의 물시멘트비, 물의 압력, 가압시간을 이용하여 평균 침투 깊이를 산정하는 것이 가능하다. 침투 깊이의 산정이 가능하면 철근콘크리트 구조물에 있어서 방청제 압입장치의 설치 간격을 산정하는 것이 가능하다. 가령 침투 깊이가 20mm로 산정되었다면, 이는 천공홀을 중심으로 20mm의 반경까지 방청제가 침투될 수 있음을 의미하므로 천공홀의 간격은 40mm로 선정할 수 있게 된다.

물론 실제로는 방청제가 천공홀에서 방청제 압입장치를 철거하고 난 후에도 계속하여 침투될 것이고(모관침투류, 확산 방식 등), 상기 식 20에 오차가 있을 수 있을 것이므로 실제 산정된 침투 깊이(dm)을 이용하여 천공홀 간의 간격 산정은 산정된 침투 깊이(dm)를 최소 침투깊이로 가정하여 천공홀 간의 간격은 2dm 보다 크고 4dm보다 작게 하는 것이 방청제의 침투 깊이 및 시공의 효율성을 감안할 때 가장 바람직할 것으로 판단된다(도 8 참조).

그리고, 참고로 식 20을 이용하기 위해서는 물의 압력(본 발명에서는 주입되는 방청제의 주입압력)이 산정되어 있어야 하며, 이는 주입실린더에 채워진 방청제가 천공홀에 주입되는 압력과 동일하므로 미리 주입실린더를 제조하여 주입 압력을 산정해 두는 것이 바람직하다.

4) 앵커설치단계( S4 )

본 단계는 상기 압입위치천공단계(S3)에서 천공된 천공홀에 고정앵커를 설치하는 단계이다. 고정앵커는 천공홀에 방청제를 주입할 수 있도록 방청제 주입펌프 또는 주입실린더와 연결되고, 방청제 주입펌프 또는 주입실린더와 연결되어 가압에 의해 방청제를 주입하더라도 방청제가 천공홀의 외부로 새어나오지 않도록 천공홀의 입구는 패킹된 상태를 유지할 수 있게 단단히 고정된 상태로 설치되어 지지체 역할을 하게 된다.

이외, 설치 방법 및 상세한 구성은 이하 설명할 방청제 압입장치에서 상술하도록 한다.

5) 예비충전단계( S5 )

본 단계는 상기 앵커설치단계(S4)에서 설치된 고정앵커에 방청제 주입펌프를 연결(S51)하여 천공홀을 예비충전(S52)을 시행하는 단계이다. 본 단계는 임의적인 단계로 메인충전단계(S6)의 진행 전에 상기 천공홀에 고정앵커가 삽입되어 고정된 후, 빈 공간을 미리 방청제 주입펌프로 채워줘서, 추후에 주입실린더를 이용한 방청제 압입주입시 주입실린더의 압력을 최대한 유지하도록 하기 위한 것이다. 그러므로, 본 단계의 진행 없이 바로 메인충전단계(S6)를 진행해도 무방하다.

6) 메인충전단계( S6 )

본 단계는 상기 앵커설치단계(S4)에서 설치된 고정앵커에 주입실린더를 연결(S61)하여 천공홀을 메인충전(S62)하는 단계이다. 물론, 상기 예비충전단계(S5) 이후에 진행되는 경우에는 상기 고정앵커에서 방청제 주입펌프를 제거하고 난 후에 진행하게 되며, 방청제 주입펌프를 제거하는 경우에는 상기 고정앵커의 상단에 구비된 밸브를 잠금 상태로 하여 천공홀에 주입된 방청제가 새어나오지 않도록 해야 한다. 메인충전단계(S6)에서는 상기 천공홀의 채우는 의미가 아니가 방청제가 상기 천공홀을 통해 철근콘크리트 구조물의 내부로 스며들어 철근이 위치하는 부분까지 방청제가 충진되도록 하는데 의미가 있다.

또한, 상기 주입실린더는 고정앵커에 연결되기 전에 미리 방청제 주입펌프와 연결하여 주입실린더에 방청제를 채워줘야 하며, 이 과정에서 채워진 방청제가 새어나오지 않도록 주입실린더의 입구에는 밸브가 구비되어야 한다.

이외, 설치 방법 및 상세한 구성은 이하 설명할 방청제 압입장치에서 상술하도록 한다.

7) 압입장치 제거단계( S7 )

본 단계는 상기 설치된 고정앵커 및 주입실린더를 제거하는 단계이다. 본 단계에서의 압입장치 제거는 상기 압입위치천공단계에서 천공홀을 천공하는 과정에서 가정한 침투 깊이(dm)를 산정하는 과정에서 이미 설치유지시간이 산정되었을 것이므로 이에 따라 소정 시간 동안 주입실린더가 설치된 상태로 유지했다가 이를 제거하면 된다.

압입장치의 제거시에는 고정앵커를 천공홀에 설치한 방법과 반대로 진행하면 되며, 고정앵커의 선단부에 구비되어 천공홀의 바닥에 고정되는 이하 설명할 콘너트 및 확장슬리브는 천공홀에 남겨지게 된다. 그러므로, 상기 콘너트 및 확장슬리브는 추후에 부식될 우려가 없는 스테인레스재질(SUS재질)을 사용하는 것이 바람직하다.

8) 천공홀복구단계( S8 )

본 단계는 압입장치가 제거된 천공홀에 밀봉재를 채워주는 단계로, 천공홀은 고정앵커가 설치되어 있었기 때문에 고정앵커를 제거하고 난 공간은 밀봉재를 채워 철근콘크리트 구조물의 단면을 천공홀의 천공 전 상태로 복구해주어야 한다. 상기 밀봉재도 어느 정도 방청제 역할을 수행하는 것이 가능하므로 본 발명에서 방청제로 사용한 방청 성분이 포함된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

9) 주입확인단계( S9 )

본 단계는 상기 천공홀복구단계(S8)를 거친 이후에는 방청제가 목표하는 위치까지 충분한 양이 주입되었는지 확인하는 단계로, 다수의 천공홀 위치 중 몇 개를 선정한 후 코어를 채취한 후 염화물이온과 아질산이온의 몰비([NO₂ ^-]/[Cl^-])가 0.6 이상이 되는지 확인하는 단계이다. 이에 따라 염화물이온이 임계량 1.2kg/m³ 일 때 철근 위치에서 우수한 방청 성능을 확보할 수 있는 몰비 0.6이 되는 아질산이온의 양을 산정하기 위해서는 몰비 0.6이 되는 아질산이온의 양을 x₁ 으로 하면, 염화물이온의 분자량(35.5g/mol)과 아질산이온의 분자량(46g/mol)을 이용하여 식 21에 의해 산정이 가능하다.

(식 21)

식 21을 계산하면 아질산이온의 양(x₁)은 0.932kg/m³ 임을 알 수 있으며, 이의 단위를 환산하면 77mg/l임을 알 수 있다.

그러므로, 이를 감안하여 채위된 코어에서 방청성능을 확보하기 위한 아질산이온의 양은 0.932kg/m³ 또는 77mg/l 이상이 채취됨이 확인되어야 한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 물론이다.

10 : 천공홀
100 : 고정앵커 110 : 몸체부
111 : 선단부 112 : 말단부
113 : 플랜지 114 : 끝단부
115 : 볼트헤드 116, 117 : 레일홈(순서대로 선단부, 말단부)
120 : 확장슬리브 121 : 슬리브헤드
122 : 슬리브 123 : 헛돌림 방지수지
130 : 콘너트 140 : 압착패킹
150 : 와셔 160 : 앵커고정너트
161 : 관통구 163 : 레일홈
164 : 단턱
165 : 삽입부 170 : 앵커밸브
180 : 오링 190 : 퀵 커플링 수단
200 : 연결배관 210 : 마그네트
300 : 주입실린더 310 : 하우징
311 : 방청제 주입구 312 : 끼움구
313 : 걸림쇠 314 : 피스톤 후퇴수단
320 : 피스톤 321 : 피스톤링
330 : 방청제 채움공간 340 : 제1탄성공간
350 : 제2탄성공간 360 : 분리디스크
370 : 탄성볼 380 : 탄성스프링
391 : 압력계 392 : 실린더밸브

Claims (7)

1. 소정 길이를 갖는 몸체부(110)의 선단 측에 구비되고 철근 콘크리트 벽체 또는 천정에 구비되는 천공홀에 삽입되어 고정되도록 구비되는 선단부(111)와, 상기 몸체부(110)의 말단 측에 구비되고 상기 몸체부(110)의 외주면에 나사 결합되어 천공홀을 마감하고 말단 측에 상기 나사 결합 부분의 말단부(112)를 외부와 연통하는 관통구(161)를 구비하는 앵커고정너트(160)를 포함하는 고정앵커(100); 및
   상기 앵커고정너트(160)의 관통구(161)와 연결배관(200)에 의해 연결되어 방청제를 가압 주입하는 주입실린더(300);를 포함하는 방청제 압입 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 주입실린더(300)는,
   소정 내부공간을 구비하는 하우징(310);
   상기 하우징(310)의 내부공간을 방청제 채움공간(330)과 탄성공간(340)(350)으로 기밀 구획하고 길이 방향으로 움직이는 피스톤(320);
   상기 방청제 채움공간(330)을 연결배관(200)과 연통시키는 방청제 주입구(311);
   상기 탄성공간(340)(350)을 제1 및 제2 탄성공간(340)(350)으로 구획하는 분리디스크(360);
   상기 제1 탄성공간(340)에 채워지는 탄성볼(370); 및
   상기 제2 탄성공간(350)에 길이방향으로 탄성력이 발현되도록 장착되는 탄성스프링(380);을 포함하는 방청제 압입 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 하우징(310)에는 상기 탄성공간(340)(350)을 외부와 연통하는 끼움구(312)가 구비되고,
   상기 끼움구(312)로 삽입되어 상기 분리디스크(360)에 연결되어 상기 분리디스크(360)를 후퇴시킬 수 있도록 구비되는 피스톤 후퇴수단(314)을 더 구비하는 방청제 압입 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 하우징(310)의 외주면에는 상기 피스톤 후퇴수단(314)이 분리디스크(360)를 후퇴시킨 후 고정될 수 있는 걸림쇠(313)가 구비되는 방청제 압입 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 연결배관(200)의 외주면에는 마그네트(210)가 구비되는 방청제 압입 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 앵커고정너트(160)에는 선단 측으로 직경이 감소하도록 단턱(164)이 구비되고,
   상기 단턱(164)에는 와셔(150)가 끼움되어 천공홀 입구 주위 부분에 걸림되도록 하는 방청제 압입 장치.
   
7. 제2항에 있어서,
   상기 피스톤(320)에는 상기 하우징(310)과 접하는 부분에 피스톤링(321)이 더 구비되는 방청제 압입 장치.

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