KR101455364B1 - 탄소섬유 보강판을 이용한 건물 및 교량 등의 콘크리트 구조물 보강방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물리적 성능이 뛰어난 탄소섬유 보강판 적용 및 탄소섬유 보강판 과 건물, 교량, 터널, 거더박스, 공동구와 같은 콘크리트 구조물과의 부착력 증대를 통하여 기존 콘크리트 구조물에 대한 내하력을 향상시키기 위한 탄소섬유 보강판을 이용한 건물 및 교량 등의 콘크리트 구조물 보강방법에 관한 것으로, 콘크리트 구조물에서 내하력 보강을 실시해야 할 위치를 선정한 후 선정된 위치의 콘크리트 구조물 표면을 샌드블라스팅 또는 와이어 브러쉬가 포함된 표면처리기를 이용해 콘크리트 구조물의 표면처리와 더불어 탄소섬유 보강판이 부착될 위치에 에폭시 접착제와 탄소섬유 보강판의 부착력이 향상되도록 요철을 형성하는 표면처리단계와; 상기 표면처리단계 이후 보강 설계에 따라 결정된 탄소섬유 보강판 부착 위치를 먹줄을 이용해 마킹하는 탄소섬유 보강판 부착 위치 마킹단계와; 탄소섬유 보강판에서 콘크리트 구조물과 맞닿는 면의 이물질 제거 및 에폭시 접착제를 도포한 후 콘크리트 구조물 중 탄소섬유 보강판의 위치를 마킹한 위치에 탄소섬유 보강판을 배치 및 압착 롤러를 이용해 접착시키는 탄소섬유 보강판 부착단계;로 이루어져 있어, 높은 탄성계수 또는 높은 인장 강도를 형성한 탄소섬유 보강판을 적용하여 보강력을 더욱 향상시킬 수 있고, 탄소섬유 보강판을 콘크리트 구조물에 부착시 콘크리트 구조물 표면에 요철을 형성함으로써 에폭시 접착제와 탄소섬유 보강판의 부착력을 향상시킬 수 있으며, 탄소섬유 보강판을 콘크리트 구조물에 부착시 먹줄을 이용해 마킹을 함으로써 강도설계시의 정확한 위치에 부착할 수 있음은 물론, 탄소섬유 보강판을 부착하기 위한 접착제를 에폭시 계열의 2액형 수지에 몰탈을 혼합하여 형성함으로써 부착력이 더욱 향상될 수 있는 탄소섬유 보강판을 이용한 건물 및 교량 등의 콘크리트 구조물 보강방법을 제공한다.

Description

탄소섬유 보강판을 이용한 건물 및 교량 등의 콘크리트 구조물 보강방법{Structural Reinforcing Methods for Concrete Structures by using Carbon Fibre Reinforced Polymer Laminates}

본 발명은 물리적 성능이 뛰어난 탄소섬유 보강판 적용 및 탄소섬유 보강판과 건물, 교량, 터널, 거더박스, 공동구와 같은 콘크리트 구조물과의 부착력 증대를 통하여 기존 콘크리트 구조물에 대한 내하력을 향상시키기 위한 탄소섬유 보강판을 이용한 건물 및 교량 등의 콘크리트 구조물 보강방법에 관한 것이다.

통상, 콘크리트 구조물을 보강하는 방법으로는 그 구조물에 별도의 보수자재를 부착하여 보강하는 보강방법이 가장 보편적으로 시행되는 방법이다.

현재, 공지된 보강재로는 강판 및 특수섬유재가 있으며 상기 특수섬유재로는 탄소섬유시트, 탄소판 컴퍼지트, 아라미드 섬유, 유리섬유 등이 있다.

한편, 기존 보강방법으로는 콘크리트 구조물의 보강하고자 하는 면에 보강재를 단순히 부착하는 방법이 널리 시행되고 있으며, 보다 구체적으로는 구조물의 보강하고자 하는 부위를 치핑(chipping)하는 치핑단계, 치핑된 면을 고압세척하는 고압세척단계, 고압세척된 면을 고르게 정리하는 볼륙조정(leveling)단계, 볼륙조정된 면에 접착제를 도포하는 접착단계, 및 접착제가 도포된 면에 보강재를 부착하는 부착단계로 이루어진다.

상기 접착제로는 에폭시 접착제가 널리 사용되고 있고, 상기 보강재로는 앞서 언급한 특수섬유재가 흔히 채택된다.

한편, 본 발명자는 이 출원에 앞서 대한민국 등록특허 제10-0426257호(2004.03.31), 『보강재 수평 삽입식 구조물의 보강방법』을 제안한 바 있다.

상기 특허는 콘크리트 구조물에 홈을 형성한 후 이 홈에 보강재 및 미장을 순차적으로 실시하여 외부에서 보강재가 노출되지 않아 외관의 미려함과 더불어 화재의 위험성을 예방할 수 있도록 구성하였다.

하지만, 상술한 등록특허의 경우 콘크리트 구조물 자체의 훼손을 실시하여야 하기 때문에 콘크리트 구조물의 구조적 강도가 문제가 발생하는 일이 잦았다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 탄소섬유 보강판을 이용한 건물 및 교량 등의 콘크리트 구조물 보강방법은 높은 기계적 강도를 가진 탄소섬유 보강판과 부착력이 뛰어난 에폭시 접착제를 적용해 콘크리트 구조물의 보강력을 향상시키는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 탄소섬유 보강판이 부착되는 콘크리트 구조물의 바탕면 수평도가 일정하지 않은 경우 레벨링 작업이 필요하며, 이때 레벨링 작업시 부착력이 뛰어난 보수자재를 도입하여 콘크리트 구조물의 내하력을 향상시키는데 있다.

본 발명은 높은 탄성계수 및 인장 강도를 갖는 탄소섬유 보강판을 적용하여 보강 능력을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 탄소섬유 보강판을 에폭시 접착제를 통하여 교량 및 교량 등의 콘크리트 구조물에 부착시 콘크리트 구조물 표면에 요철을 형성함으로써 부착 단면적이 증대되어 탄소섬유 보강판의 부착력을 향상시킬 수 있다.

탄소섬유 보강판을 콘크리트 구조물에 부착시 먹줄을 이용해 마킹을 함으로써 내하력 보강 설계시의 정확한 위치에 부착할 수 있다.

그리고 탄소섬유 보강판을 부착하기 위한 접착제를 에폭시 계열의 2액형 수지에 몰탈을 혼합하여 형성함으로써 부착력이 더욱 향상될 수 있는 유용한 발명이다.

도 1은 본 발명에서의 레벨링 작업을 완료한 사진.
도 2는 본 발명에서의 표면처리 과정을 도시한 사진.
도 3은 도 2를 다른 각도에서 촬영한 사진.
도 4는 본 발명에서의 탄소섬유 보강판 위치 마킹을 도시한 사진.
도 5는 본 발명에서의 탄소섬유 보강판을 절단하는 사진.
도 6은 본 발명에서의 탄소섬유 보강판 표면에 에폭시 접착제를 도포하는 사진.
도 7은 본 발명에서의 탄소섬유 보강판을 콘크리트 구조물에 부착하는 사진.
도 8은 본 발명을 통해 탄소섬유 보강판을 통한 보강방법이 완성된 건물사진.
도 9는 본 발명을 통해 탄소섬유 보강판을 통한 보강방법이 완성된 교량사진.

이하, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 구성에 대해 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

본 발명은 콘크리트 구조물 표면을 정리하는 표면처리단계, 표면처리된 콘크리트 구조물에 탄소섬유 보강판을 부착할 위치를 선정하는 탄소섬유 보강판 부착 위치 마킹단계, 접착제가 도포되어 있는 탄소섬유 보강판을 부착하는 탄소섬유 보강판 부착단계로 이루어져 있다.

우선, 표면처리단계는 도 2 내지 도 3에서와 같이 건물 및 교량 등의 콘크리트 구조물(이하, '콘크리트 구조물'이라 칭함) 중 보강을 실시해야 할 위치를 보강 전에 검사하여 선정한 후 샌드 블라스팅 또는 와이어 브러쉬를 포함한 표면처리기를 이용해 정리하는 단계이다.

여기서, 상기 표면처리단계는 콘크리트 구조물 표면을 고르게 처리하는 단계로서, 바람직하게는 치핑, 고압세척을 통한 이물질 제거 작업이 선행되어야 한다.

여기서, 상기 표면처리단계는 콘크리트 구조물 표면의 이물질을 제거하는 작업만 실시하는 것이 아니라, 콘크리트 구조물의 노후화로 인해 발생한 중성화면의 일부를 제거 및 보수하는 작업이 포함될 수 있으며, 특히, 후술할 탄소섬유 보강판의 부착력을 증대시키기 위해 요철을 형성하게 된다.

이러한, 요철 형성은 후술할 접착제와 맞닿는 면이 더 많아지도록 하여 부착력을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있게 된다.

여기서, 상기 요철을 형성하기 위한 표면처리기는 샌드 블라스팅 또는 통상적으로 이용하는 핸드 그라인더에 와이어 브러쉬 타입의 연마재를 결합하여 실시할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

한편, 콘크리트 구조물의 보강 전(前) 콘크리트 구조물 검사시에 콘크리트 구조물이 평활하지 않을 경우, 다시 말해, 콘크리트 구조물의 수평도가 2m당 5㎜를 초과한 경우에는 이에 대한 보강(구조물 수평 레벨링 단계)을 한 후 표면처리단계를 실시하도록 한다.(도 1 참조.)

상기 구조물 수평 레벨링 단계에서의 보수자재는 비스페놀계 에폭시수지 20 ∼ 80중량%, 네오펜틸글리콜디글리시딜에테르 20 ∼ 80중량%로 이루어진 주제와, 폴리(옥시프로필렌)디아민 37 ∼ 49중량%, 트리에틸렌테트라아민 37 ∼ 49중량%, 피페라진 6 ∼ 12중량%, 아미노에틸피페라진 0.25 ∼ 2.5중량%로 이루어진 경화제를 4 : 1의 중량비율로 혼합한 에폭시 접착제와 몰탈을 1 : 1의 중량비율로 혼합하여 형성하게 된다.

이를 상세히 살펴보면,

- 주제

우선, 주제를 구성하고 있는 비스페놀계 에폭시수지는 우수한 접착력 유지 및 재료의 내구성 등을 향상시킬 목적으로 사용되는 조성물의 주성분으로서, 1분자 중 적어도 2개 이상의 에폭시기를 가지고, 에폭시 당량이 100~500g/eq인 것이 바람직하며, 150~300g/eq인 것이 더욱 바람직하다.

상기 에폭시수지로는, 비스페놀A, 비스페놀E, 비스페놀F, 비스페놀M, 비스페놀S, 비스페놀H 등의 비스페놀형 에폭시수지, 글리시딜 에테르계 에폭시수지, 글리시딜 아민계 에폭시수지, 페놀 노볼락형 에폭시수지, 크레졸 노볼락형 에폭시수지, 다이머산 변성 에폭시수지 등을 들 수 있다.

이 중 본 발명에서는 비스페놀A계 에폭시수지를 이용하며, 이에 대한 함량비율은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 20 ∼ 80중량%를 혼합하여 사용하도록 한다.

만약, 상기 임계치 미만으로 혼합할 경우 조성물의 기계적 물성이 불량해지며, 이를 초과할 경우 조성물의 압축강도가 저하되는 문제점이 발생하게 된다.

다음으로, 본 발명에서는 상술한 비스페놀계 에폭시수지를 희석하기 위한 반응 희석제로서 네오펜틸글리콜디글리시딜에테르를 이용하고 있다.

상기 반응성 희석제인 네오펜틸글리콜디글리시딜에테르의 혼합량은 20 ∼ 80중량%를 혼합하는데, 만약, 임계치 미만으로 혼합하게 될 경우 주제의 점도가 높아져 작업성이 저하되고, 임계치를 초과하게 될 경우에는 강도와 내화학성이 나빠지며, 경제적이지 못하는 문제가 발생하게 된다.

- 경화제

우선, 폴리(옥시프로필렌)디아민은 제2급아민으로서 신장률과 인장강도 및 경화속도를 조정하기 위해 혼합하는 것으로, 임계치 미만으로 혼합할 경우 신장율이 현저히 저하됨은 물론, 경화속도가 느려서 그 이후의 공정작업에 지장을 초래하게 되고, 임계치를 초과할 경우 신장율과 인장강도는 증가하지만 내마모성이 떨어지고, 경화속도가 너무 빨라 균일한 도포가 어려운 문제가 발생하게 된다.

다음으로, 트리에틸렌테트라아민은 분자당 2개 이상의 질소 원자를 함유하며 분자당 질소 원자가 결합되어 있는 활성수소를 2개 이상 함유하는 폴리아민 화합물로서 주로 에폭시수지의 경화 시 사용된다.

본 발명에서 트리에틸렌테트라아민을 임계치 미만으로 혼합할 경우 가교 밀도가 낮아져서 기계적인 강도가 저하되는 현상이 있고, 임계치를 초과할 경우에는 가교 밀도가 높아져서 저온에서의 기계적 강도가 저하되는 경향이 발생하게 된다.

다음으로, 피페라진은 경화제에서 경화성을 촉진하기 위한 촉진제로서 속경화 또는 저온 경화가 가능하도록 하여 경화제의 특성을 강화시킬 수 있도록 사용한다.

여기서, 상기 피페라진을 임계치 미만으로 혼합할 경우 경화 촉진제로서의 역할을 할 수 없고, 임계치를 초과할 경우에는 경화제 특성을 발휘할 수 없어 경화가 제대로 되지 않는 문제점이 있다.

다음으로, 아미노에틸피페라진은 3급 아민으로 2급 아민인 폴리(옥시프로필렌)디아민과 더불어 경화속도를 조절하도록 작용하게 된다.

이러한, 아미노에틸피페라진을 임계치 미만으로 혼합할 경우 경화 반응속도가 느려 작업성 및 접착제 안정성은 향상되나 기계적 강도 및 경도가 저하되고, 임계치를 초과하게 될 경우 경화 반응속도가 빨라 급속히 겔화가 진행되므로 작업성 및 접착제 안정성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.

여기서, 상기 에폭시 접착제와 혼합하는 몰탈은 다양한 종류를 이용할 수 있으나 석영성분이 90%이상 함유되어 있는 규사를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 상기와 같은 에폭시 접착제와 규사로 이루어진 몰탈을 혼합한 보수자재는 콘크리트 구조물과의 접착력이 뛰어난 효과를 얻을 수 있게 된다.

다음으로, 상기 표면처리단계를 통해 표면이 정리되어 있는 콘크리트 구조물 표면에 콘크리트 구조물 보강량 설계시 결정한 위치에 정확하게 탄소섬유 보강판을 부착하기 위해 위치를 마킹한다.(탄소섬유 보강판 부착 위치 마킹단계)

상기 위치를 마킹하는 작업은 도 3에서와 같이 먹물을 먹인 실을 이용하여 콘크리트 구조물 표면에 라인을 마킹한다.(도 4 참조.)

다음으로, 상기와 같이 탄소섬유 보강판의 위치 마킹이 완료되면 탄소섬유 보강판을 준비하도록 한다.

여기서, 상기 탄소섬유 보강판 부착단계에서의 탄소섬유 보강판은 탄성계수가 205,000N/㎟ 이상이고, 인장강도는 2,400 ∼ 2,600N/㎟인 탄성계수가 높은 제품, 또는, 탄성계수가 165,000N/㎟ 이상이고, 인장강도는 2,700 ∼ 3,000N/㎟인 인장강도가 높은 제품 중 어느 하나의 제품을 선택적으로 사용하도록 하며, 이때에, 상기 탄소섬유 보강판은 콘크리트 구조물의 부착면에서 모체의 부착강도가 1.5N/㎟이어야 탄소섬유 보강판의 보강능력이 콘크리트 구조물에 설계대로 전달될 수가 있다.

특히, 상술한 탄소섬유 보강판은 보수시공시에 맞춰 제작되는 것이 아니라 이미 제작된 탄소섬유 보강판을 롤 형태로 포장하여 보관하였다가 보강하고자 하는 보강 길이에 따라 적당한 크기로 절단하여 사용하게 된다.

이때에, 상기 탄소섬유 보강판은 보관, 이동 및 절단시(도 5 참조.) 이물질이 묻게 되며, 이러한 이물질은 탄소섬유 보강판을 콘크리트 구조물 표면에 부착시 부착력 저하가 발생되는 요인으로 작용하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 탄소섬유 보강판의 보관 또는 절단 이후, 콘크리트 구조물과 맞닿는 탄소섬유 보강판 면을 솔벤트를 이용한 세척작업을 선행하도록 하며, 그 이후에 도 6에서와 같이 탄소섬유 보강판 표면에 에폭시 접착제를 도포하는 작업을 실시하게 된다.

여기서, 상기 탄소섬유 보강판에 에폭시 접착제를 도포하는 장치는 탄소섬유 보강판이 연장되는 방향과 직각방향의 중앙 부분의 에폭시 도포 높이가 양 측면의 도포 높이 보다 1 ∼ 2㎜가 더 높게 형성되어 볼록렌즈와 같이 완만한 곡선형상으로 도포될 수 있도록 하는 것이 좋다.

이는, 통상 탄소섬유 보강판을 콘크리트 구조물에 부착시 탄소섬유 보강판 중앙에 도포된 에폭시 접착제가 양 측면으로 밀리게 되면서 탄소섬유 보강판 양 측면의 에폭시 접착제 양이 적어지게 되어 부착력이 저하되는 현상을 방지하기 위함이다.

상기와 같은 에폭시 접착제는 레벨링 단계에서 사용한 비스페놀계 에폭시수지 20 ∼ 80중량%, 네오펜틸글리콜디글리시딜에테르 20 ∼ 80중량%로 이루어진 주제와, 폴리(옥시프로필렌)디아민 37 ∼ 49중량%, 트리에틸렌테트라아민 37 ∼ 49중량%, 피페라진 6 ∼ 12중량%, 아미노에틸피페라진 0.25 ∼ 2.5중량%로 이루어진 경화제를 4 : 1의 중량비율로 혼합하여 제조된 것을 사용하도록 한다.

여기서, 상기 에폭시 접착제는 앞서 설명한 보수자재에서 기술한 성분과 동일한 것으로 탄소섬유 보강판의 부착력을 향상시킬 수 있도록 작용하게 된다.

한편, 상기에서 에폭시 접착제가 도포된 탄소섬유 보강판을 콘크리트 구조물 표면에 형성한 마킹라인 상에 배치 및 부착하도록 한다.

상기 탄소섬유 보강판 부착방법은 작업자가 탄소섬유 보강판을 가압하여 가접착을 시킨 상태에서 플라스틱으로 이루어진 주걱 또는 압착 롤러를 이용해 가압하면서 부착하도록 함으로써 부착력을 향상시킬 수 있으며, 이러한 과정을 동일 반복적으로 수행하여 본 발명의 목적을 달성할 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 콘크리트 구조물 중 내하력 보강작업을 실시해야 할 위치를 선정한 후, 선정된 위치의 콘크리트 구조물 표면을 샌드 블라스팅 또는 와이어 브러쉬가 포함된 표면처리기를 이용하여 콘크리트 구조물의 표면처리와 더불어 탄소섬유 보강판이 부착될 위치에 탄소섬유 보강판의 부착력이 향상되도록 요철을 형성하는 표면처리단계;
   상기 표면처리단계 이후 보강 설계에 따라 결정된 탄소섬유 보강판이 부착될 정확한 위치에 먹줄을 이용해 마킹하는 탄소섬유 보강판 부착 위치 마킹단계;
   탄소섬유 보강판에 콘크리트 구조물과 맞닿는 면의 이물질 제거 및 에폭시 접착제를 도포한 후 콘크리트 구조물에서 탄소섬유 보강판의 위치를 마킹한 위치에 탄소섬유 보강판을 배치한 후 압착 롤러를 이용해 접착시키는 탄소섬유 보강판 부착단계;로 이루어져 있으며,
   상기 탄소섬유 보강판 부착단계에서의 에폭시 접착제는 비스페놀계 에폭시수지 20 ∼ 80중량%, 네오펜틸글리콜디글리시딜에테르(neopentyl glycol diglycidyl ether) 20 ∼ 80중량%로 이루어진 주제와, 폴리(옥시프로필렌)디아민(poly (oxypropylene) diamine) 37 ∼ 49중량%, 트리에틸렌테트라아민(triethylenteramin) 37 ∼ 49중량%, 피페라진(piperazine) 6 ∼ 12중량%, 아미노에틸피페라진(aminoethylpiperazine) 0.25 ∼ 2.5중량%로 이루어진 경화제를 4 : 1의 중량비율로 혼합하여 형성되는 것에 특징이 있는 탄소섬유 보강판을 이용한 건물 및 교량 등의 콘크리트 구조물 보강방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 표면처리단계 이전에 콘크리트 구조물의 수평도가 2m 당 5㎜를 초과한 경우에는 비스페놀계 에폭시수지 20 ∼ 80중량%, 네오펜틸글리콜디글리시딜에테르(neopentyl glycol diglycidyl ether) 20 ∼ 80중량%로 이루어진 주제와, 폴리(옥시프로필렌)디아민(poly (oxypropylene) diamine) 37 ∼ 49중량%, 트리에틸렌테트라아민(triethylenteramin) 37 ∼ 49중량%, 피페라진(piperazine) 6 ∼ 12중량%, 아미노에틸피페라진(aminoethylpiperazine) 0.25 ∼ 2.5중량%로 이루어진 경화제를 4 : 1의 중량비율로 혼합한 에폭시 접착제와 몰탈을 1 : 1의 중량비율로 혼합하여 형성된 보수자재를 이용해 레벨링 작업을 하는 구조물 수평 레벨링 단계를 더 포함하고, 상기 탄소섬유 보강판 부착단계에서의 에폭시 접착제는 비스페놀계 에폭시수지 20 ∼ 80중량%, 네오펜틸글리콜디글리시딜에테르 20 ∼ 80중량%로 이루어진 주제와, 폴리(옥시프로필렌)디아민 37 ∼ 49중량%, 트리에틸렌테트라아민 37 ∼ 49중량%, 피페라진 6 ∼ 12중량%, 아미노에틸피페라진 0.25 ∼ 2.5중량%로 이루어진 경화제를 4 : 1의 중량비율로 혼합하여 형성하는 것에 특징이 있는 탄소섬유 보강판을 이용한 건물 및 교량 등의 콘크리트 구조물 보강방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 탄소섬유 보강판 부착단계에서의 탄소섬유 보강판은 탄성계수 205,000N/㎟ 이상이고, 인장강도는 2,400 ∼ 2,600N/㎟이며 콘크리트 구조물의 부착면에서 콘크리트 모체의 부착강도가 1.5N/㎟이상이거나, 또는, 탄성계수 165,000N/㎟ 이상이고, 인장강도는 2,700 ∼ 3,000N/㎟이며, 콘크리트 구조물의 부착면에서 콘크리트 모체의 부착강도가 1.5N/㎟이상인 것 중 어느 하나인 것에 특징이 있는 탄소섬유 보강판을 이용한 건물 및 교량 등의 콘크리트 구조물 보강방법.
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 탄소섬유 보강판 부착단계에서 탄소섬유 보강판에 도포하는 접착제는 탄소섬유 보강판이 연장되는 직각방향(횡방향)의 중앙 부분의 높이가 양 측면의 높이보다 1 ∼ 2㎜ 더 볼록한 형태로 전체적 형상이 완만한 곡선형상으로 도포하는 것에 특징이 있는 탄소섬유 보강판을 이용한 건물 및 교량 등의 콘크리트 구조물 보강방법.

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