KR101612800B1 - 내하력 및 내화성능을 증진시키기 위해 격자형 섬유메쉬와 시멘트 매트릭스를 보강재로 이용한 터널, 교량, 공동구 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강공법 - Google Patents

내하력 및 내화성능을 증진시키기 위해 격자형 섬유메쉬와 시멘트 매트릭스를 보강재로 이용한 터널, 교량, 공동구 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철근콘크리트 구조물의 내진 보강공법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 부착력 및 내화성이 향상된 시멘트 매트릭스를 이용하여 터널, 슬래브, 교량, 벽면 및 기둥 등의 철근콘크리트 구조물의 보수, 보강 및 내진보강능력 증진과 더불어 화재에 의한 내화성을 향상시킬 수 있는 내하력 및 내화성능을 증진시키기 위해 격자형 섬유메쉬와 시멘트 매트릭스를 보강재로 이용한 터널, 교량, 공동구 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강공법에 관한 것으로, 시공시 철근콘크리트 구조물을 습윤상태를 유지할 수 있도록 하여 시멘트 매트릭스의 부착강도 저하 및 강도발현 저하 현상을방지할 수 있고, 보강 설계시 컴퓨터 프로그램을 통해 설계를 진행하기 때문에 설계오류 및 시공시 오류를 최소화시킬수 있으며, 부착력 및 내화성이 개선된 시멘트 매트릭스를 이용하여 보강능력 및 내화력을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 철근콘크리트 구조물 중 터널이나 슬래브와 같이 격자형 섬유 메쉬가 자중에 의해 탈락되는 구간에는 임시고정수단을 이용하여 임시고정하고, 집중응력이 발생하는 구간이나 격자형 섬유 메쉬의 탈락이 예상되는 구간에는 라운드를 형성하고 있는 앵커플레이트를 이용해 보강함으로써 격자형 섬유 메쉬의 파손 발생 없이 철근콘크리트 구조물의 보강능력을 형성할 수 있음은 물론, 화재발생시 철근콘크리트 내부의 수분에 의한 폭열현상 방지 및 내화성 향상을 왁스가 코팅된 개질된 폴리프로필렌을 이용하여 실시할 수 있으며, 시멘트 매트릭스 시공 이후 표면보호제를 코팅함으로써 방수 및 염해방지성을 향상시킬 수 있는 내하력 및 내화성능을 증진시키기 위해 격자형 섬유메쉬와 시멘트 매트릭스를 보강재로 이용한 터널, 교량, 공동구 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강공법에 관한 것이다.

Description

내하력 및 내화성능을 증진시키기 위해 격자형 섬유메쉬와 시멘트 매트릭스를 보강재로 이용한 터널, 교량, 공동구 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강공법{Structural repair and Reinforcing method for concrete structures such as tunnel, bridge common duct and building by using fiber mesh and fiber reinforced cementitious matrix}
본 발명은 철근콘크리트 구조물의 보수, 보강 및 내진보강 공법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 부착력 및 내화성이 향상된 시멘트 매트릭스를 이용하여 터널, 슬래브, 교량, 벽면 및 기둥 등의 철근콘크리트 구조물의 보수, 보강 및 내진보강능력 증진과 더불어 화재에 의한 내화성을 향상시킬 수 있는 내하력 및 내화성능을 증진시키기 위해 격자형 섬유메쉬와 시멘트 매트릭스를 보강재로 이용한 터널, 교량, 공동구 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강공법에 관한 것이다.
철근콘크리트 구조물의 보강이란 차량통행 또는 외력, 자중 및 지진시에 저항하기 위한 건설 구조물의 내력이 부족하다고 판단 되었을 경우 피해를 최소화하여 건설 구조물의 붕괴방지 및 콘크리트 구조물의 기능유지, 건설 구조물의 유, 무형의 가치를 보전하기 위해 실시하는 공법이다.
상기와 같은 구조물 보강을 위한 공법은 강판을 접착하는 공법, 섬유시트를 부착하는 공법, 앵커로 고정하는 공법 등 다양한 형태로 이루어지고 있다.
여기서, 상기 공법 중 격자형 섬유 메쉬를 이용한 공법은 P.B.O(polyparaphenylene benzobisoxazole) 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등이 이용되고 있다.
상기와 같은 보수 및 보강공법에 대한 종래의 기술은 대한민국 등록특허 10-0761511호(2007.09.18.) 『복합섬유판과 고강도 그물망을 이용한 콘크리트구조물 내진보강공법』(이하, '특허문헌 1'이라 함.)에서 확인할 수 있다.
상술한 특허문헌 1은 콘크리트 구조물에 격자형상의 유리섬유와 복합섬유판을 타카 또는 고정핀을 이용하여 설치하고, 콘크리트 구조물과 복합섬유판과의 사이에 접착수지를 충전하여 복합섬유를 부착하여 공법을 완료하도록 구성되어 있다.
하지만, 상술한 특허문헌 1은 유기용제인 접착수지를 사용하여 유리섬유 및 복합섬유판을 부착하기 때문에 친환경적이지 못하며, 화재 발생시 콘크리트 구조물보다 상대적으로 유리전이온도가 낮은 접착수지가 녹아내리게 되면서 복합섬유 및 유리섬유의 탈락이 이루어지는 문제가 있다.
특히, 일반적으로 탄소 섬유 및 P.B.O(polyparaphenylene benzobisoxazole) 섬유는 인장강도나 탄성계수 등이 아라미드 섬유, 강철에 비해 상대적으로 높게 형성되어 있으나, 이를 단독으로 격자망을 형성하기가 어려워 상술한 바와 같이 상대적으로 강도가 낮은 유리섬유를 통해 격자망을 형성하게 되는데, 이렇게 형성된 유리 섬유 위에 플레이트판 형태의 복합섬유판을 고정할 경우 이형재질 간의 접착력이 저하되어 보강이 원활히 이루어질 수 없는 문제가 발생하게 되었다.
한편, 상술한 특허문헌 1의 문제점을 개선하기 위한 것으로 대한민국 등록특허 제10-1434523호(이하, '특허문헌 2'라 함.)를 제안한 바 있다.
상기 특허문헌 2는 표면처리단계, 섬유 그리드 고정단계 및 무기질계 매트릭스 그라우팅 단계로 이루어져 있으며, 특허문헌 1과는 틀리게 무기질계의 시멘트 메트릭스를 이용하여 특허문헌 1에서의 문제점을 보완하고 있다.
(특허문헌 1) KR10-0761511 B1 복합섬유판과 고강도 그물망을 이용한 콘크리트구조물 내진보강공법
(특허문헌 2) KR10-1434523 B1 무기질계 시멘트 메트릭스와 코팅된 섬유 그리드를 이용한 콘크리트 구조물의 보수 및 내진 보강공법
일반적으로 시멘트 매트릭스는 베이스부재인 시멘트에 물, 기능성을 부여하기 위한 첨가제를 포함하여 제작된다.
이러한, 시멘트 매트릭스는 물에 의해 겔화가 이루어지면서 철근콘크리트 구조물 표면에 부착하게 되기 때문에 부착력을 형성할 수 있을 정도로 수분을 함유하고 있어야 하며, 특히, 시멘트 매트릭스를 그라우팅하기 위한 바탕면이 건조된 상태일 경우 철근콘크리트 구조물 내의 물이 증발하여 철근콘크리트 구조물의 내식성 향상 및 내구성을 향상시킬 수 있는 역할을 수행할 수는 있지만, 건조된 상태의 철근콘크리트 구조물 표면이 이에 부착되는 시멘트 페이스트의 수분을 흡수하게 되어 부착력 저하 현상이 발생할 수 있음은 물론, 강도발현이 원활히 이루어지지 않아 최초 설계시의 보강력을 형성할 수 없는 문제점이 발생하게 되었다.
특히, 철근콘크리트 구조물의 경우 화재 발생에 따른 내화력을 형성하여야 하는데 전술한 특허에서는 내화력 증진에 따른 구성의 미비로 인해 화재에 매우 취약한 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 내하력 및 내화성능을 증진시키기 위해 격자형 섬유메쉬와 시멘트 매트릭스를 보강재로 이용한 터널, 교량, 공동구 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강공법은 습한면을 만들어 시멘트 매트릭스의 부착성능 향상 및 강도발현을 통한 보수 및 보강력을 향상시킬 수 있는 격자형 섬유 메쉬와 화이버 보강형 시멘트 매트릭스를 이용한 터널, 슬라브 및 교량의 보수, 보강공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 보강공사시 컴퓨터 프로그램을 통해 사전에 보강의 최적 설계를 실시함으로써 설계오류 및 시공오류를 최소화할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 부착력 및 내화성이 개선된 시멘트 매트릭스를 이용하여 격자형 섬유 메쉬의 부착력 증진에 따른 보강 및 내진보강력 향상과 더불어 화재시 철근콘크리트 구조물의 내화력을 높일 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 화재 발생시 철근콘크리트 구조물에 흡수된 수증기를 원활히 배출할 수 있도록 하여 열에 의한 폭열현상이 발생하지 않도록 하는데 있다.
본 발명은 시멘트 매트릭스 내의 수분을 철근콘크리트 구조물에서 흡수하지 않도록 철근콘크리트 구조물의 표면정리 후 콘크리트 바탕면의 습윤상태를 유지하기 위한 작업을 실시함으로써 건조된 상태의 철근콘크리트 구조물에 의한 시멘트 매트릭스의 부착력 저하 및 강도저하 현상을 방지할 수 있다.
또한, 보강 설계시 컴퓨터 프로그램을 통해 설계를 진행하기 때문에 설계오류 및 시공시 오류를 최소화시킬수 있다.
그리고 부착력 및 내화성이 개선된 시멘트 매트릭스를 이용하여 보강력 및 내화력을 높일 수 있다.
또한, 철근콘크리트 구조물 중 터널이나 슬래브와 같이 격자형 섬유 메쉬가 자중에 의해 탈락되는 구간에는 임시고정수단을 이용하여 임시고정하고, 집중응력이 발생하는 구간이나 격자형 섬유 메쉬의 탈락이 예상되는 구간에는 라운드를 형성하고 있는 앵커플레이트를 이용해 보강함으로써 격자형 섬유 메쉬의 파손 발생 없이 철근콘크리트 구조물의 보수, 보강 및 내진보강력을 형성할 수 있다.
그리고 철근콘크리트 구조물 보강시 시멘트 매트릭스에 왁스로 코팅된 개질 프로필렌을 적용하여 화재발생시 철근 콘크리트 구조물에 흡수된 수분이 수증기화되었을 때에 시멘트 매트릭스 내부에서 외부로 이동할 수 있는 통로를 형성함으로써 철근콘크리트 구조물이 열에 의한 폭열현상 방지 및 내화성을 향상시킬 수 있다.
또한, 개질된 폴리프로필렌을 사용하여 평상시에는 충격강도 및 경도를 향상시켜 내구성을 향상시키고, 화재시에는 녹아내려 수증기를 외부로 배출할 수 있다.
아울러, 시멘트 매트릭스 시공 이후 표면보호제를 코팅함으로써 방수 및 염해방지성을 향상시킬 수 있는 유용한 발명이다.
도 1은 본 발명의 보수, 보강 공법을 도시한 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 격자형 섬유 메쉬를 도시한 사시도.
도 3은 철근콘크리트 구조물의 내화성 시험을 도시한 예시도.
도 4는 본 발명의 보강 공법을 시공한 상태를 도시한 단면도.
도 5는 본 발명에서의 앵커플레이트를 도시한 사시도.
도 6은 철근콘크리트 구조물이 터널일 때에 시공한 상태를 도시한 상태도.
도 7은 본 발명에서의 철근콘크리트 구조물이 슬래브 및 벽체일 때에 시공한 상태를 도시한 상태도.
이하에서는 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
1. 격자형 섬유 메쉬
본 발명에서의 격자형 섬유 메쉬(10)는 도 2에서와 같이 종방향으로 연장되는 종방향 섬유(11)와 횡방향으로 연장되는 횡방향 섬유(12)가 서로 교차하여 격자무늬 형상으로 형성되는 구조로 이루어져 있다. 이러한, 격자형 섬유 메쉬(10)는 종방향 섬유(11) 및 횡방향 섬유(12)를 동일 재질로 형성하거나 또는 서로 다른 재질로 형성할 수 있으며, 특히, 종, 횡방향 섬유(11, 12)의 번수 및 가닥수를 달리하여 형성할 수 있다.
이는, 터널이나 슬래브, 교량, 벽면, 기둥 등 다양한 형태로 이루어져 있는 철근콘크리트 구조물(C)의 보강시 철근콘크리트 구조물(C)의 크기 및 요구되는 설계하중에 따라 달리 형성할 수 있음을 의미한다.
따라서, 위의 조건에 부합되는 격자형 섬유 메쉬(10)를 하기 표 1에서 선정한 후에 작업이 이루어져야 할 것이다.
격자형 섬유 메쉬 사양
기술자료 메쉬L600
(일방향
탄소섬유)		 메쉬L500
(일방향
탄소섬유)		 메쉬
200/200
(양방향
탄소섬유)		 메쉬
500/500
(양방향
탄소섬유)
구성
(주방향으로 탄소섬유)		 3×1,600
tex/줄
(주방향)
58.5 줄/m		 2×1,600
tex/줄
(주방향)
58.5 줄/m		 2×800tex/줄
(길이방향)
1×1,600tex/줄
(횡방향)
50줄/m		 2×1,600tex/줄
(길이방향)
1×3,200tex/줄
(주방향)
58.5줄/m
탄성계수 [kN/㎟] ≥240 ≥240 ≥240 ≥240
설계탄성계수 [kN/㎟] 160 160 160 160
인장강도 [N/㎟] ≥4,300 ≥4,300 ≥4,300 ≥4,300
주방향 섬유의 무게 [g/㎡] 281 187 je80 je 187
밀도 [g/㎡] 1.79 1.79 1.79 1.79
파단신율 [%] 1.75 1.75 1.75 1.75
주방향 탄소섬유 두께 [㎜] 0.157 0.105 0.044 0.105
주방향 섬유의 이론 단면[㎟/m] 157 105 44 105
극한인장강도 [kN/m] 675 450 185 450
설계인장강도(권장사항)
굽힘(∼800N/㎟)
(극한상태에서 인장제한=0.50%)
[kN/m]
축(∼650N/㎟)
(극한상태에서 인장제한=0.40%)
[kN/m]


125


102


84


68


35


29


84


68
2. 시멘트 매트릭스
본 발명에서의 시멘트 매트릭스(20)는 시멘트 매트릭스는 시멘트 28 ∼ 34중량%, 실리카흄 및 포졸란 첨가제 1.5 ∼ 2.2중량%, 입도 0.1 ∼ 0.7㎜인 제1규사 34 ∼ 39중량%, 입도 0.5 ∼ 2.0㎜인 제2규사 23 ∼ 27중량%, 폴리머, 가소제, 소포제, 수축보완제 및 왁스로 코팅된 개질 폴리프로필렌이 포함된 농축분말 1.7 ∼ 2.2중량%로 이루어져 있다.
여기서, 상술한 시멘트는 다양한 형태로 형성할 수 있겠지만 본 발명에서는 내화성을 향상시키기 위해 알루미나 시멘트를 이용하는 것이 좋다.
다음으로, 실리카 흄 및 포졸란 첨가제는 시멘트 매트릭스의 그라우팅 후 강도발현 및 경화성을 촉진해 조기에 양생이 이루어질 수 있도록 첨가한다.
특히, 상기 포졸란 첨가제는 화산재, 산성 백토, 규조토, 플라이 애쉬 중 선택된 어느 1종 이상을 이용한다.
다음으로, 부착력 증진 및 내화성 증진을 위해 포함되는 농축분말은 폴리머, 가소제, 소포제, 수축보완제 및 왁스로 코팅된 개질 폴리프로필렌이 포함되어 구성된다.
우선, 상술한 폴리머는 시멘트를 개질시키기 위해 분말 형태의 분말 개질 폴리머를 사용한다. 상기 분말 개질 폴리머는 유리전이온도가 7℃인 것을 사용하여 발생하는 열에 의해 상태가 변환하여 고무와 같은 유연성을 형성해 철근콘크리트 구조물의 변화에 따라 유연하게 대처할 수 있게 된다.
이러한, 유연성은 철근콘크리트 구조물에서 발생하는 균열에 의한 방수성능저하 및 투수성이 높아지는 현상을 방지하게 된다.
여기서, 상술한 유리전이온도는 통상적으로 고분자 물질에서 발생하는 상태변환을 말하는 것으로, 일반적인 고체상태의 저분자의 경우 열을 가하게 되면 고체에서 액체로 상태변환이 이루어지지만, 고체상태의 고분자의 경우 분자간의 연결고리가 탈락하는 현상으로 인해 고무와 같이 재질이 부드러워지는 현상을 말하는 것이다.
즉, 본 발명에서는 상기에서 언급한 유리전이온도가 낮은 분말 개질 폴리머를 사용함으로써, 앞서 설명한 바와 같이 콘크리트 구조물의 균열 등의 변화가 발생하더라도 유연하게 대처할 수 있게 되는 것이다.
특히, 본 발명에서는 개질된 폴리머로서 비닐 아세트산염, 비닐아세테이트 중 선택된 어느 하나를 이용하게 된다.
이는, 알루미네이트 시멘트와의 융화성을 많은 실험을 통해 얻은 것으로, 융화성이 떨어질 경우 알루미네이트 시멘트의 개질이 이루어질 수 없기 때문이다.
한편, 가소제는 염화비닐, 아세트산비닐 같은 열가소성 플라스틱에 첨가하여 열가소성을 증대시킴으로서 고온에서 성형가공을 용이하게 하는 유기물질로, 섞임성 및 가소성 이외에도 내열성, 내한성, 내연성, 전기적 성능을 향상시키는 것으로, 본 발명에서는 멜라민 포름알데히드 응축물의 나트륨 염을 이용한다.
다음으로, 소포제는 분말 소포제를 사용한다. 상기 분말 소포제는 1액형 폴리머 시멘트 혼합물의 배합시 발생하는 공기량을 줄이도록 사용되며, 상기와 같은 구성들과 더불어 물을 혼합하여 1액형 폴리머 시멘트 혼합물이 완성된다.
다음으로, 수축보완제는 건조시 발생하는 수축을 줄여줌과 동시에 건조수축을 보완하기 위해 이용한다.
다음으로, 왁스로 코팅된 개질된 폴리프로필렌은 철근시멘트에 도포 후 화재 발생시 철근콘크리트 구조물의 폭열현상을 방지함과 동시에 내화성을 증진시키기 위해 사용된다.
한편, 본 발명에서의 철근콘크리트 구조물(C)은 고강도로 이루어져 있으며, 철근콘크리트 구조물에는 표면에 미세한 기공이 형성되어 있어 주변의 습기를 흡수하는 성질이 있다.
이러한, 철근콘크리트 구조물(C)은 화재 발생시 시멘트 매트릭스에 포함되어 있는 알루미나 및 철성분에 의해 내화성을 형성하고 있다.
하지만, 철근콘크리트 구조물(C) 내부로 흡수된 수분의 경우 급격한 온도변화에 의해 부피가 팽창하게 되고, 이렇게 팽창된 수증기가 외부로 배출되지 못하면 고강도의 철근콘크리트 구조물은 열에 의해 폭열 현상이 발생하게 된다.
이에 본 발명에서는 상술한 왁스가 코팅된 개질 폴리프로필렌을 이용하여 화재 발생시 수증기가 외부로 배출될 수 있는 통로의 형성은 물론, 내부에 공간을 확보하여 열에 의한 철근콘크리트 구조물의 폭열현상을 방지할 수 있게 된다.
즉, 상술한 개질된 폴리프로필렌 표면에 코팅된 왁스는 저온시에는 고체상태를 유지하다 열이 가해지면 흐름성이 급격히 높아지게 되는 성질이 있다.
따라서, 화재발생시 왁스가 녹으면서 시멘트 매트릭스(20) 내에서 공간을 형성하여 철근콘크리트 구조물(C) 내에 흡수되었던 수증기가 철근콘크리트 구조물(C)의 표면 및 시멘트 매트릭스(20) 내에 형성된 통로를 통해 수증기가 외부로 배출되어 수증기의 체적변화에 따른 철근콘크리트 구조물(C)의 폭열 현상을 방지하게 된다.
여기서, 본 발명에서의 왁스는 용융점이 102℃인 마이크로크리스탈린왁스로 구성된다.
상기 마이크로크리스탈린왁스는 마이크로왁스 또는 미정랍이라고도 부르며 고분자량의 포화지방족 탄화수소로 이루어져 있으며, 상온에서 굳어졌을 때 약간의 결정성을 지니며, 파라핀왁스보다 점성이 높고 접착성이 뛰어난 성질이 있다.
따라서, 평상시 경화된 상태에서는 딱딱하게 굳어 결정을 이루고 있다가 상술한 바와 같이 열의 발생시에는 녹아내려 시멘트 매트릭스(20) 내에서 통로를 형성하여 철근콘크리트 구조물(C) 내에서 발생하는 수증기가 철근콘크리트 구조물(C) 표면 및 시멘트 매트릭스(20)를 통해 외부로 빠져나갈 수 있는 통로를 형성할 수 있게 되는 것이다.
한편, 통상적으로 철근콘크리트 구조물(C)의 내화성 실험은 도 3에서와 같이 철근콘크리트 구조물(C) 내에 카본섬유로 이루어진 격자형 섬유 메쉬(10) 및 시멘트 매트릭스(20)를 그라우팅 및 양생한 후 철근콘크리트(C)의 철근 및 격자형 섬유 메쉬(10)의 카본에 각각 온도센서를 부착하고, 열을 가하여 120분을 기준으로 철근에서는 200 ∼ 250℃가 측정되거나 카본에서 500℃의 온도가 측정되는 시점이 120분 이내 여부를 측정하여 내화성 유, 무를 판단하게 된다.
본 발명에서는 상술한 격자형 섬유 메쉬(10) 및 철근콘크리트 구조물(C)에 전달되어 내화성을 판단하는 기준 임계점 온도 이전에 폴리프로필렌이 녹을 수 있도록 개질시킴으로써 이 또한, 왁스와 마찬가지로 철근콘크리트 구조물(C) 내로 흡수된 수증기가 이동할 수 있는 통로를 확보함으로써 열에 의한 철근콘크리트 구조물(C)의 폭열현상을 방지할 수 있게 된다.
특히, 상기와 같이 왁스 및 개질된 폴리프로필렌이 녹아 없어진 자리에 형성된 통로는 수증기의 배출과 더불어 외부 공기를 유입시킬 수 있는 통로로서 이용되어 화재에 의한 온도 상승시 냉각작용을 하게 되어 내화성을 높일 수 있는 작용을 하게된다.
즉, 본 발명에서는 개질된 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 외측에 코팅된 왁스가 열에 의해 녹아내리면서 시멘트 매트릭스(20) 내에서 수증기가 이동할 수 있는 통로를 형성함과 동시에 시멘트 매트릭스(20) 내부에서 통로 또는 공간을 형성해 수증기가 이동할 수 있는 공간 및 외부로 배출될 수 있는 통로를 형성함으로써 화재 발생시 철근콘크리트(C)가 열에 의한 폭열이 발생할 수 있는 문제점을 해결할 수 있게 되는 것이다.
여기서, 상술한 폴리프로필렌은 석유화학공장에서 나프타를 분해할 때 에틸렌과 함께 생긴다. 치글러나타촉매(대표적인 것은 삼염화타이타늄과 다이에틸염화알루미늄으로 이루어진 착염)를 핵산 속에서 만들고, 그 속에 프로필렌을 약 70℃, 5atm에서 통하면 쉽게 합성된다. 아이소택틱(isotactic) 구조를 가지며, 따라서 구조식과 같이 메틸기(基)가 같은 방향으로 정연하게 배열되어 있다. 녹는점은 165℃이고, 하중(荷重) 하에서 연속사용이 110℃에서 가능하다. 밀도는 0.9∼0.91이며, 결정도(結晶度)는 크지만 성형한 후에는 70% 이하로 저하된다. 전기적 성질은 탄소와 수소만으로 이루어져 있기 때문에 우수하며, 폴리에틸렌에 버금간다.
본 발명에서는 상술한 폴리프로필렌을 개질시킨 것을 이용한다.
즉, 앞서 설명한 바와 같이 보수된 철근콘크리트 구조물(C)의 내화성의 실험은 철근에서는 200 ∼ 250℃, 격자형 섬유 메쉬(10)의 카본에서 500℃의 온도 중 먼저 도달되는 온도가 120분을 기준으로 이전에 측정되면 내화성이 결여되고, 이를 초과해서 온도가 도달하게 되면 내화성이 있는 것으로 판단하게 된다.
이때에, 시멘트 매트릭스(20) 내부 온도는 철근콘크리트 구조물(C) 내의 온도가 상승하여 철근콘크리트 구조물(C)에 흡수된 수분이 수증기되기 이전에 이미 높은 온도를 유지하고 있게 된다.
따라서, 본 발명에서는 평상시에는 높은 경도 및 굴곡강도, 내충격성을 형성하도록 하되, 화재 발생시에는 녹아내려 철근콘크리트 구조물(C) 내의 수증기가 시멘트 매트릭스(20)를 통해 외부로 배출될 수 있도록 호모 폴리프로필렌에 미세탈크를 블랜딩하여 개질시킨 개질된 폴리프로필렌을 이용하게 된다.
이때에 미세탈크의 혼합량은 개질된 폴리프로필렌 100중량% 대비 0.2 ∼ 0.3중량%를 혼합하여 개질 폴리프로필렌을 제조할 수 있다.
3. 보수, 보강 및 내진보강공법
이하에서는 상술한 격자형 섬유 메쉬(10) 및 시멘트 매트릭스를 이용하여 철근콘크리트 구조물(C)의 보수, 보강 및 내진보강을 위한 공법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은,
가. 보수, 보강 및 내진보강을 실시하고자 하는 철근콘크리트 구조물의 보강 설계를 위한 보수, 보강 및 내진보강 설계단계,
나. 철근콘크리트 구조물 표면을 건전한 상태로 형성하면서 습윤상태를 유지하기 위한 표면정리 및 습윤면 형성단계,
다. 시멘트 매트릭스를 1차로 도포하는 시멘트 매트릭스 1차 그라우팅 단계,
라. 격자형 섬유 메쉬를 고정하기 위한 격자형 섬유 메쉬 고정단계,
마. 격자형 섬유 메쉬가 도포된 철근콘크리트 구조물 표면에 시멘트 매트릭스를 도포하여 시공을 완료하는 시멘트 매트릭스 2차 그라우팅 단계,
바. 시멘트 매트릭스를 보호하기 위한 표면보호제를 코팅하는 표면보호제 코팅단계;로 이루어져 있다.(도 4 참조.)
가. 보수, 보강 및 내진보강 설계단계
본 단계는 철근콘크리트 구조물(C)의 보수, 보강 및 내진보강을 위해 미국 콘크리트학회의 보강방법 및 설계기준인 ACI 549.4R-13에 준해 보강하고자 하는 터널이나 교량, 벽면, 슬래브, 기둥 중 어느 하나로 이루어진 철근콘크리트 구조물(C)의 보강량을 설계프로그램을 이용하여 최적의 설계를 도출함으로써 설계오류나 시공시 발생할 수 있는 오류를 사전에 예방할 수 있도록 진행하게 된다.
나. 표면정리및 습윤면 형성단계
본 단계는 상술한 보수, 보강 및 내진보강 설계단계에서의 설계를 바탕으로 철근콘크리트 구조물(C)의 보수, 보강 및 내진보강을 위해 바탕면의 정리 및 습윤상태를 유지하기 위한 작업을 실시하게 된다.
본 단계에서의 표면정리는 습식 모래분사방법, 고압세척수 분사방법 등을 이용하여 바탕면에 부착된 이물질을 제거하는 작업을 실시한다.
그런 후, 바탕면의 정리가 완료된 시점에서 바탕면을 습윤상태로 형성하기 위한 작업을 실시하게 되며, 이때에 습윤면의 형성은 세척 고압수를 통해 실시할 수 있다.
이는, 철근콘크리트 구조물(C) 표면이 건조한 상태일 경우 철근콘크리트 구조물(C) 표면에 1차로 그라우팅되는 시멘트 매트릭스(20)에 포함되어 있는 수분을 철근콘크리트 구조물(C)이 흡수하여 시멘트 매트릭스(20)의 부착력이 저하됨은 물론, 충분한 강도가 발현되지 않기 때문에 표면정리 이후 철근콘크리트 구조물(C) 표면을 습윤상태로 형성하는 것이다.
다. 시멘트 매트릭스 1차 그라우팅 단계
다음으로, 상기와 같이 철근콘크리트 구조물(C) 표면의 습윤상태를 유지한 상태에서 상술하였던 시멘트 매트릭스(20)를 그라우팅하도록 하며, 이때에, 시멘트 매트릭스(20)의 도포 두께는 특별히 한정하는 것은 아니지만 5 ∼ 15㎜의 두께로 표면이 평탄할 수 있도록 작업하도록 한다.
여기서, 시멘트 매트릭스(20)의 도포 두께가 5㎜ 미만일 경우에는 평탄면을 형성하기가 어려울 뿐만 아니라, 격자형 섬유 메쉬(10)와의 충분한 부착력이 형성되지 않게 되고, 시멘트 매트릭스(20)의 도포 두께가 15㎜를 초과하게 될 경우에는 시멘트 매트릭스(20)의 부착력이 저하되어 실효성이 없다.
라. 격자형 섬유 메쉬 고정단계
본 단계는 상기와 같이 1차 도포된 시멘트 매트릭스(20) 표면에 상술하였던 격자형 섬유 메쉬(10)를 부착하는 과정이다.
이때에, 상기 격자형 섬유 메쉬(10)는 시멘트 매트릭스(20)가 완전히 경화되기 전에 작업을 진행하여야 한다.
여기서, 본 발명에서의 철근콘크리트 구조물(C)은 돔형태의 터널의 상부이거나, 슬래브, 벽면, 기둥일 수 있다.
특히, 철근콘크리트 구조물(C)이 도 6 내지 도 7에서와 같이 돔 형태의 터널 또는 벽체 또는 도면에서는 도시하지 않았지만 슬래브일 경우에는 격자형 섬유 메쉬(10)의 자중에 의해 시멘트 매트릭스(20)에서 탈락될 수 있다.
이럴 경우에는 임시고정수단(J1)을 이용하여 시멘트 매트릭스(20)에 격자형 섬유 메쉬(10)를 고정시키는 작업을 실시하는 것이 좋다.
또한, 철근콘크리트 구조물(C) 중 하중이 많이 발생하는 부분에는 앵커플레이트(30)를 이용하여 덧댐 시공을 실시함으로써 하중 발생에 따른 철근콘크리트 구조물(C)의 보호 및 이에 보강되어 있는 격자형 섬유 메쉬(10)의 파손을 방지할 수 있다.
예컨대, 돔 형태의 터널의 경우에는 곡선구간과 직선구간이 만나는 부분에서 많은 하중이 발생하게 되는데, 이럴 경우에는 앵커플레이트(30)를 이용하여 덧댐시공을 실시한 후 이를 앵커볼트(A)를 이용하여 고정함으로써 보강을 실시할 수 있게 된다.
여기서, 상술한 앵커플레이트(30)는 도 5에서와 같이 알루미늄 재질로 이루어져 있어 부식되지 않으며, 내측에는 앵커볼트(A)가 삽입할 수 있는 앵커볼트홀(31)이 형성되어 있고, 격자형 섬유 메쉬(10)가 감기는 면에는 라운드(32)를 형성하여 앵커플레이트(30)에 격자형 섬유 메쉬(10)를 감았을 때에 앵커플레이트(30) 모서리에 의해 격자형 섬유 메쉬(10)가 찢어지는 현상을 방지하도록 작용하게 된다.
특히, 상술한 앵커볼트(A)는 메커니컬 앵커로 구성하여 화재 발생시에도 고정력을 유지할 수 있도록 하는 것이 좋다.
한편, 본 발명에서의 철근콘크리트 구조물(C)은 터널 이외에, 슬래드, 벽면, 기둥 등 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 이때에, 상술한 격자형 섬유 메쉬(10)는 철근콘크리트 구조물(C)의 표면에 그라우팅된 시멘트 매트릭스(20)에 부착된 후 철근콘크리트 구조물(C)이 외력을 받아 응력 발생하였을 때에 일정 강도의 정착력이 발생되어야만 보강능력을 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 시멘트 매트릭스(20)에서 탈락이 가장 빈번하게 발생하는 격자형 섬유 메쉬(10)의 단부에 앵커플레이트(30)를 1 ∼ 2회 말아 팽팽한 상태를 유지한 상태에서 철근콘크리트 구조물(C) 및 1차로 그라우팅된 시멘트 매트릭스(20)에 앵커볼트(A)를 설치하여 이를 너트(N)를 이용해 고정하여 정착력을 형성함으로써 보강능력을 형성할 수 있게 된다.
특히, 상술한 앵커볼트(A)는 메커니컬 앵커로 구성하여 화재 발생시에도 고정력을 유지할 수 있도록 하는 것이 좋다.
마. 시멘트 매트릭스 2차 그라우팅 단계
상기와 같이 격자형 섬유 메쉬(10)의 고정이 완료되면 그 표면에 시멘트 매트릭스 1차 그라우팅 단계에서 그라우팅하였던 것과 동일한 재질로 이루어진 시멘트 매트릭스(20)를 2차로 도포하도록 하며, 상술한 시멘트 매트릭스(20)는 최소 15㎜의 두께로 그라우팅하는 것이 좋다.
또한, 본 발명에서는 철근콘크리트 구조물(C)의 설계에 따라 다 ∼ 마의 단계를 1 ∼ 3회 더 실시할 수 있다.
바. 표면보호제 코팅단계
본 단계는 시멘트 매트릭스 2차 그라우팅 단계 이후 시멘트 매트릭스(20)의 경화가 완료되는 시점에 실시하도록 하며, 이때에, 이용하는 표면보호제는 시멘트 매트릭스(20)에 통기성을 부여하되 방수성능 및 염해를 방지할 수 있는 재질로 도포하는 것이 좋다.
A : 앵커볼트 N : 너트
10 : 격자형 섬유 메쉬
11 : 종방향 섬유 12 : 횡방향 섬유
20 : 시멘트 매트릭스
30 : 앵커플레이트
31 : 앵커볼트홀 32 : 라운드

Claims (5)

  1. 보수, 보강하고자 하는 철근콘크리트 구조물에 보강량 설계프로그램을 적용하여 콘크리트 구조물의 보강에 따른 설계를 도출하는 보수, 보강 및 내진보강 설계단계;
    보수하고자 하는 철근콘크리트 구조물 표면에 모래분사 또는 고압세척수 분사 또는 모래 및 고압세척수를 분사하여 표면을 정리하고, 습윤상태를 유지하기 위해 수분처리하는 표면정리 및 습윤면 형성단계;
    상기 표면정리 및 습윤면 형성단계 이후 시멘트 28 ∼ 34중량%, 실리카흄 및 포졸란 첨가제 1.5 ∼ 2.2중량%, 입도 0.1 ∼ 0.7㎜인 제1규사 34 ∼ 39중량%, 입도 0.5 ∼ 2.0㎜인 제2규사 23 ∼ 27중량%, 폴리머, 가소제, 소포제, 수축보완제 및 용융점 102℃인 마이크로크리스탈린왁스로 코팅된 호모 폴리프로필렌에 상기 호모 폴리프로필렌 100중량% 대비 0.2 ~ 0.3중량%인 미세탈크를 블랜딩한 개질 폴리프로필렌이 포함된 농축분말 1.7 ∼ 2.2중량%로 이루어져 있는 시멘트 매트릭스를 그라우팅하는 시멘트 매트릭스 1차 그라우팅 단계;
    상기 시멘트 매트릭스 1차 그라우팅 단계에서 형성된 1차 시멘트 매트릭스 표면에 종, 횡방향으로 섬유가 교차하여 격자형상을 형성하고 있는 격자형 섬유 메쉬를 부착하되, 격자형 섬유 메쉬의 양 단부는 모서리 부분이 라운드 처리되어 있는 앵커플레이트를 격자형 섬유 메쉬 단부에 말아서 격자형 섬유 메쉬를 팽팽한 상태로 유지한 상태에서 매커니컬 앵커를 이용해 고정 결합하는 격자형 섬유 메쉬 고정단계;
    상기 격자형 섬유 메쉬 고정단계 이후에 상기 시멘트 매트릭스를 스프레이 분사 방식으로 격자형 섬유 메쉬가 설치된 철근콘크리트 구조물 표면에 그라우팅하는 시멘트 매트릭스 2차 그라우팅 단계;를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있는 내하력 및 내화성능을 증진시키기 위해 격자형 섬유메쉬와 시멘트 매트릭스를 보강재로 이용한 터널, 교량, 공동구 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강공법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 격자형 섬유 메쉬 고정단계에서 철근콘크리트 구조물에 부착하는 격자형 섬유 메쉬가 자중에 의해 탈락되는 부분에 시공할 경우에는 격자형 섬유 메쉬를 임시고정수단을 이용하여 시멘트 매트릭스에 임시고정하는 것에 특징이 있는 내하력 및 내화성능을 증진시키기 위해 격자형 섬유메쉬와 시멘트 매트릭스를 보강재로 이용한 터널, 교량, 공동구 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강공법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 시멘트 매트릭스 2차 그라우팅 단계 이후에 시멘트 매트릭스가 도포된 표면에 표면보호제를 형성하는 표면보호제 코팅단계;가 더 포함되는 것에 특징이 있는 내하력 및 내화성능을 증진시키기 위해 격자형 섬유메쉬와 시멘트 매트릭스를 보강재로 이용한 터널, 교량, 공동구 및 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 보강공법.
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