KR101737554B1

KR101737554B1 - 콘크리트 구조물용 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체 및 이를 이용한 콘크리트 보강공법

Info

Publication number: KR101737554B1
Application number: KR1020160129093A
Authority: KR
Inventors: 김선규; 문소윤; 송훈; 신현욱; 박상협; 임형미
Original assignee: 한국세라믹기술원; 주식회사 대산이앤지
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2017-05-19

Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물용 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체 및 이를 이용한 콘크리트 보강공법에 관한 것으로, 터널, 교각, 건축물 등의 콘크리트 구조물 표면에 부착하는 방식으로 간단히 시공되어 지진 발생시 콘크리트 구조물의 급작스런 붕괴를 억제하면서도 화재 발생시에는 높은 난연성능을 발휘할 수 있도록 난연/준불연 기준등급 수준의 난연성능까지 보강해주는 것이다.
이러한 본 발명의 콘크리트 구조물용 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체는, 초기 탄성계수가 콘크리트보다 작은 섬유를 소재로 이루어져 지진 발생시 콘크리트 표면에서 콘크리트 파괴에 따른 외관 체적 팽창을 구속할 수 있도록 하며 연성의 시트 형태를 갖는 내진섬유와; 상기 내진섬유에 도포되어 함침되는 수지와; 상기 수지에 첨가되어 난연성을 향상시켜주는 수산화알루미늄(Al(OH)₃), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂), 탄산칼슘(CaCO₃) 중 어느 한 종의 무독성 무기난연제와; 상기 내진섬유 중 콘크리트 구조물 표면에 부착되는 부착면의 반대측 면에 도포되는 난연 마감재를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

콘크리트 구조물용 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체 및 이를 이용한 콘크리트 보강공법{FLAME-RETARDED OR SEMI NONFLAMMABLE EARTHQUAKE-PROOF REINFORCEMENT　FIBER COMPOSITE　FOR CONCRETE STRUCTURE AND CONCRETE REINFORCEMENT METHOD USING THE SAME}

본 발명은 섬유복합체에 관한 것으로, 특히 터널, 교각, 건축물 등의 콘크리트 구조물 표면에 부착하는 방식으로 간단히 시공되어 지진 발생시 콘크리트 구조물의 급작스런 붕괴를 억제하면서도 화재 발생시에는 높은 난연성능을 발휘할 수 있도록 난연/준불연 기준등급 수준의 난연성능까지 보강해주는 콘크리트 구조물용 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체 및 이를 이용한 콘크리트 보강공법에 관한 것이다.

일반적으로, 건축, 토목, 조선, 항공 등의 분야에서 보수 보강에 필요한 보강용 FRP는 합성수지 속에 섬유소재를 혼입시켜 기계적 강도를 향상시킨 수지를 총칭하며, 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 탄소섬유 복합재료로 보강판(FLAT Panel) 또는 로드(ROD) 형태로 제작되어 판매되고 있다.

탄소섬유로 제작된 건축용 보강판은 인장강도와 인장탄성은 높으며, 아라미드의 경우 탄소섬유에 비해 인장강도와 인장탄성이 떨어진다. 아라미드섬유는 탄소섬유 대비 인장강도와 인장탄성이 떨어지지만, 충격강도가 높고, 내마모성이 강하며, 끊어짐에 대한 저항이 크고 탄소섬유에 비해 진동감쇠 효과가 있다.

기존의 제품들은 일방향 프리프레그 이용하여 성형을 하거나, 카본 필라멘트를 이용하여 인발성형으로 제작을 하고 있다. 기존의 일방향 프리프레그나 인발성형으로 제작을 할 경우에는 섬유 길이 방향으로는 강한 힘을 가지나 직각인 방향으로는 수지 결합으로만 결합이 되기 때문에 아주 약한 힘을 가진다. 따라서, 아라미드섬유를 이용하여 직물형태로 제직하여 합성수지로 함침하여 섬유길이 방향뿐만 아니라 직각방향으로도 인장강도가 우수한 보강재료가 제조되고 있다.

그러나 종래 아라미드필라멘트만으로 제조되는 고강도 직물의 경우 아라미드 필라멘트 원사로만 교직되어 직물의 강도나 인장탄성율이 떨어지는 단점뿐만 아니라 고강도섬유의 특성상 직물구성시에 구성원사의 꺾임이 발생되어 제직성이 불량하다는 문제점이 있었다.

나아가 지금까지 콘크리트 구조물을 보강하기 위한 용도로 활용되던 아라미드 직물의 경우 콘크리트 구조물의 급작스런 붕괴를 억제하는 용도로는 사용되고 있었으나 소재의 특성상 콘크리트 구조물의 난연성능을 보강하는 용도로는 적합하지 않은 것으로 여겨지고 있었다.

한국공개특허공보 제1996-0001245호(1996.01.25)

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 터널, 교각, 건축물 등의 콘크리트 구조물 표면에 부착하는 방식으로 간단히 시공되어 지진 발생시 콘크리트 구조물의 급작스런 붕괴를 억제하면서도 화재 발생시에는 높은 난연성능을 발휘할 수 있도록 난연/준불연 기준등급 수준의 난연성능까지 보강해주는 콘크리트 구조물용 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체 및 이를 이용한 콘크리트 보강공법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체는, 콘크리트 구조물 표면에 부착되어 내진성능과 난연성능을 보강해주는 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체로서, 초기 탄성계수가 콘크리트보다 작은 섬유를 소재로 이루어져 지진 발생시 콘크리트 표면에서 콘크리트 파괴에 따른 외관 체적 팽창을 구속할 수 있도록 하며 연성의 시트 형태를 갖는 내진섬유와; 상기 내진섬유에 함침되는 수지와; 상기 수지에 첨가되어 난연성을 향상시켜주는 무독성의 무기난연제와; 상기 내진섬유 중 콘크리트 구조물 표면에 부착되는 부착면의 반대측 면에 도포되는 난연 마감재를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 특징으로 한다.

여기서, 상기 내진섬유는, 아라미드필라멘트, 카본필라멘트, 유리섬유필라멘트, 초고분자량 폴리에틸렌섬유, 바잘트섬유 중 어느 하나 이상으로 형성되는 제1경사와; 상기 제1경사와 교호하게 배열되며 폴리에스테르, 나일론 중 어느 하나 이상인 합성섬유 멀티필라멘트로 형성되는 제2경사와; 폴리에스테르, 나일론 중 어느 하나 이상인 합성섬유 멀티필라멘트로 형성되는 위사를 포함하여 직조된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1경사는 5000~20000d/5~20fila, T/M 50~80인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제2경사는 150~300d/48fila인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 위사는 150~2000d/40~96fila인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 내진섬유에 도포되어 함침된 수지가 경화되기 전에 세리사이트 광물분말을 살포하여 상기 세리사이트 광물분말이 외측으로 돌출되도록 함으로써 상기 콘크리트 표면에 대한 접착면적을 넓힌 것을 특징으로 할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체는, 초기 탄성계수가 콘크리트보다 작은 아라미드 섬유 원사가 나란하게 단방향으로 다열배치되어 지진 발생시 콘크리트 표면에서 콘크리트 파괴에 따른 외관 체적 팽창을 구속할 수 있도록 한 내진섬유와; 상기 내진섬유와 합쳐진 상태에서 판재 형상으로 경화되어 상기 내진섬유의 배열된 형태를 고정시켜주는 수지와; 상기 수지에 첨가되어 난연성을 향상시켜주는 무독성의 무기난연제와; 상기 내진섬유 중 콘크리트 구조물 표면에 부착되는 부착면의 반대측 면에 도포되는 난연 마감재를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

여기서, 상기 내진섬유와 수지와 무기난연제로 이루어진 내진난연 복합부재는 풀트루전(Pulltrusion) 공정에 의해 상기 내진섬유의 원사가 상기 무기난연제 첨가된 수지와 함께 압출되어 경화되는 과정에 의해 연속성형된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 무기난연제는 수산화알루미늄(Al(OH)₃), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂), 탄산칼슘(CaCO₃) 중 어느 한 종인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 무기난연제에는 수산화알루미늄-멜라민 복합입자가 더 포함되며, 상기 복합입자의 코어성분은 수산화알루미늄(Al(OH)₃)이고, 멜라민이 상기 수산화알루미늄 입자의 표면에 쉘의 형태로 결합되어 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 무기난연제는 수산화알루미늄-멜라민 복합입자이며, 상기 복합입자의 코어성분은 수산화알루미늄(Al(OH)₃)이고, 멜라민이 상기 수산화알루미늄 입자의 표면에 쉘의 형태로 결합되어 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 수산화알루미늄-멜라민 복합입자에 상기 복합입자 총 중량 대비 0.3 내지 5 중량%의 인이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체.

또한, 상기 수지는 에폭시인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 무기난연제와 수지를 포함하는 난연 수지조성물에서 상기 무기난연제는 난연 수지조성물 총 중량 대비 10 내지 60중량% 첨가된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 무기난연제와 수지를 포함하는 난연 수지조성물에서 상기 무기난연제는 난연 수지조성물 총 중량 대비 20 내지 40중량% 첨가된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 내진섬유와 수지와 무기난연제로 이루어진 내진난연 복합부재는 0.1 내지 3mm 두께의 것으로 구비되고, 상기 난연 마감재는 0.1 내지 5mm의 두께로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 내진섬유와 수지와 무기난연제로 이루어진 내진난연 복합부재와 콘크리트 사이에서 다열배치된 상태로 상기 내진난연 복합부재와 함께 콘크리트에 부착되어 연성인 상기 내진난연 복합부재의 강도를 보강할 수 있도록 한 아라미드 스트립이 더 구비되며, 상기 아라미드 스트립은 초기 탄성계수가 콘크리트보다 작아 지진 발생시 콘크리트 표면에서 콘크리트 파괴에 따른 외관 체적 팽창을 구속할 수 있도록 한 아라미드 섬유 원사가 나란하게 다열배치된 상태에서 난연성 무기분말 첨가된 에폭시 수지와 함께 풀트루전(Pulltrusion) 공정에 의해 압출되어 경화된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 아라미드 스트립에 포함된 난연성 무기분말은 수산화알루미늄(Al(OH)₃), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂), 탄산칼슘(CaCO₃) 중 어느 한 종인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 난연성 무기분말에는 수산화알루미늄-멜라민 복합입자가 더 포함되며, 상기 복합입자의 코어성분은 수산화알루미늄(Al(OH)₃)이고, 멜라민이 상기 수산화알루미늄 입자의 표면에 쉘의 형태로 결합되어 이루어진 것으로 100nm 내지 5㎛의 입경을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체 및 이를 이용한 콘크리트 보강공법은, 콘크리트 구조물에 부착되는 간단한 시공에 의해 지진 발생시 콘크리트 파괴에 따른 외관 체적 팽창을 효과적으로 구속하여 콘크리트 구조물의 붕괴를 억제하는 것은 물론, 화재 발생시에는 높은 난연성능을 발휘할 수 있도록 난연/준불연 기준등급 수준의 난연성능까지 보강해준다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체의 구성을 설명하기 위한 사시도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 내진난연 복합부재의 구성을 설명하기 위한 사시도
도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 내진난연 복합부재의 구성을 설명하기 위한 측단면도
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 내진난연 복합부재의 직물 구조를 설명하기 위한 표면 사진
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체의 실험 결과를 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 마감재를 종류별로 적용한 경우의 실험 결과를 나타낸 그래프
도 9는 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 수지에 무기난연제 첨가한 경우의 부착강도를 살펴보기 위한 실험사진
도 10은 본 발명의 제2실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체의 구성을 설명하기 위한 사시도
도 11은 본 발명의 제2실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 내진난연 복합부재와 아라미드 스트립의 시공을 설명하기 위한 참조도
도 12는 본 발명의 제3실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체의 구성을 설명하기 위한 사시도
도 13은 본 발명의 제3실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체의 실험 결과를 나타낸 그래프
도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체를 사용한 콘크리트 보강공법을 보여주는 일련의 시험시공 사진들

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예들에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.

또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

<제1실시예>

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체의 구성을 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 내진난연 복합부재의 구성을 설명하기 위한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 내진난연 복합부재의 구성을 설명하기 위한 측단면도이며, 도 4 및 도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 내진난연 복합부재의 직물 구조를 설명하기 위한 표면 사진이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체는, 내진섬유(10)와, 수지(20)와, 무독성의 무기난연제(30)와, 난연 마감재(120)를 구성요소로 이루어지며, 터널, 교각, 건축물 등의 콘크리트 구조물 표면에 부착하는 방식으로 간단히 시공된 후 지진이 발생하면 콘크리트 구조물의 급작스런 붕괴를 억제하는 것은 물론, 화재 발생시에는 높은 난연성능을 발휘할 수 있도록 난연/준불연 기준등급 수준까지 난연성능을 화보해준다.

이하, 상기 각 구성요소들을 중심으로 본 발명의 실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

상기 내진섬유(10)는 초기 탄성계수가 콘크리트보다 작은 초연성의 섬유를 소재로 이루어져 지진 발생시 콘크리트 표면에서 콘크리트 파괴에 따른 외관 체적 팽창을 구속하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 내진섬유(10)는 도 4 및 도 5의 사진으로 볼 수 있는 것처럼 연성 아라미드필라멘트, 카본필라멘트, 유리섬유필라멘트, 초고분자량 폴리에틸렌섬유, 바잘트섬유 중 어느 하나 이상으로 형성되는 제1경사(1)와, 폴리에스테르, 나일론 중 어느 하나 이상인 합성섬유 멀티필라멘트를 사용하여 상기 제1경사(1)와 교호하게 배열된 제2경사(2)와, 폴리에스테르, 나일론 중 어느 하나 이상인 합성섬유 멀티필라멘트를 사용하여 위사(3)가 직조되어 이루어진다.

이 중 상기 제1경사(1)에 사용되는 아라미드필라멘트, 카본필라멘트, 유리섬유필라멘트, 초고분자량 폴리에틸렌섬유, 바잘트섬유는 모두 초기 탄성계수가 콘크리트보다 작은 초연성 섬유로서 콘크리트 파괴에 따른 외고나 체적 팽창을 구속할 수 있으면서도 고강도섬유로서 섬유복합체 구성시에 발생되는 경사의 꺾임을 최대한 줄이고 일직성을 향상시켜 높은 인장강도와 높은 인장탄성율을 갖도록 하여 구조물 강도보강 효과를 향상시키는 역할을 한다. 이같은 상기 제1경사(1)를 5000~20000d/5~20fila, T/M 50~80으로 구성하면 제직성을 최대한 좋게 할 수 있을 뿐만 아니라 제조되는 섬유복합체의 강도를 극대화할 수 있어 바람직하다.

또한, 상기 제2경사(2)는 폴리에스테르, 나일론 중 어느 하나 이상인 합성섬유 멀티필라멘트로 형성되며 제직성 향상을 위해 150~300d/48fila로 이루어진다. 종래 아라미드필라멘트로 제조되는 고강도 섬유의 경우 아라미드 필라멘트 원사로만 교직되어 섬유복합체의 강도나 인장탄성율이 떨어지는 단점이 있으므로 상기 제2경사(2)에 의해 그와 같은 단점을 보완할 수 있다. 150d/48fila 미만인 경우에는 섬유복합체의 충분한 강도가 발현되지 못하며, 300d/48fila 초과시에는 제직성이 좋지 않고 원사에서 핀사가 발생하는 문제점이 발생한다. 여기서, 상기 제2경사(2)를 이루는 폴리에스테르, 나일론 중 어느 하나 이상인 합성섬유 멀티필라멘트는 상기 제1경사(1)만으로 섬유복합체를 구성하는 경우에 발생되는 원사의 꺾임 현상을 보완하고 제1경사(1)인 아라미드 등의 원사의 표면을 보호하게 된다.

한편, 상기 내진섬유(10)에서 위사(3)는 150~2000d/40~96fila의 폴리에스테르, 나일론 중 어느 하나 이상인 합성섬유 멀티필라멘트로 구비되는 것이 제직성 측면에서 유리하다. 전술된 것처럼 제1경사(1), 제2경사(2) 및 위사(3)가 직조되어 이루어진 내진섬유(10)는 9~12본/인치, 위사밀도는 8~12본/인치인 것이 바람직하며, 제직 후 길이가 1m일 경우, 제1경사(1)가 1m의 길이를 가지는 것을 특성으로 한다. 이때의 오차범위는 0.5% 이내이다. 이같은 내진섬유(10)는 지진 발생시 콘크리트 표면에서 콘크리트 파괴에 따른 외관 체적 팽창을 구속하는데 적당하고, 인장강도 및 인장탄성율이 높아 콘크리트 구조물의 보수 보강 용도로도 사용할 수 있다.

상기 수지(20)는 내진섬유(10)에 도포된 후 함침되어 콘크리트 표면에 대해 상기 내진섬유(10)를 접착시켜주는 역할과 무기난연제(30)를 상기 내진섬유(10)에 고착시켜주는 역할을 한다. 이처럼 상기 내진섬유(10)를 콘크리트 표면에 부착되도록 하기 위해서 상기 수지(20)로 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 수지(20)가 에폭시로 구비되어 그 자체로 접착제로서의 역할을 할 수 있지만 콘크리트 표면에 대한 내진섬유(10)의 접착을 위해 별도의 접착제를 사용할 수 있음은 물론이다. 이같은 수지(20)와 관련하여 상기 수지(20)의 함침으로 인해 내진섬유(10)가 직물 특유의 연성을 잃어버리지 않도록 해야 한다는 점을 주의해야 한다. 즉, 상기 수지(20)를 내진섬유(10)에 도포하여 함침시키는 양은 수지(20)에 경화가 진행되더라도 내진섬유(10)의 유연한 성질을 잃지 않을 정도의 양으로만 사용되어야 한다. 그러면 상기 내진섬유(10)에 무기난연제(30)가 첨가된 수지(20)를 함침시켜 내진난연 복합부재(110)를 공사 현장에서 제조할 수 있다. 여기서, 상기 내진난연 복합부재(110)는 도 2 및 도 3에서 볼 수 있는 것처럼 연성의 시트 형태를 갖는 내진섬유(10)와, 상기 내진섬유에 함침된 수지(20)와, 무기난연제(30)로 이루어진다. 이처럼 공사 현장에서 제조된 내진난연 복합부재(110)를 콘크리트 표면에 부착할 때 상기 수지(20)가 완전히 경화되어 작업성이 떨어지는 문제가 없으며, 수지(20)의 사용량이 불필요하게 남용되는 것도 방지할 수 있다.

여기서, 상기 내진난연 복합부재(110)를 콘크리트(140) 표면에 부착할 때는 이미 상기 콘크리트(140) 표면의 거친 표면이 취핑과정에 의해 잘 다듬어져 있고, 그 위에 프라이머(150)가 도포된 상태로 준비되는 것이 바람직하다.

상기 무기난연제(30)는 상기 수지(20)에 첨가되어 난연성을 향상시키는 주된 역할을 한다. 이같은 무기난연제(30)는 내진난연 복합부재(110) 전체에서 수산화알루미늄(Al(OH)₃)을 30중량% 첨가해주는 것으로 한다. 상기 수산화알루미늄의 첨가량은 전체 내진난연 복합부재(110) 대비 30중량% 전후로 하는 것이 난연성 향상 측면에서 가장 바람직하지만, 10~60중량% 범위 내에서 첨가되는 것도 가능하다. 만일 수산화알루미늄의 첨가량이 10 중량% 이하일 경우에는 난연성 향상의 효과가 적으며, 60중량% 이상일 경우에는 점도가 높아져 시공성이 급격히 저하되는 문제점이 발생하므로 바람직하지 않다.

여기서, 상기 무기난연제(30)는 수산화알루미늄(Al(OH)₃)만으로 제한되지 않고 수산화알루미늄(Al(OH)₃)과 마찬가지로 무독성의 난연특성을 갖는 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)이나 탄산칼슘(CaCO₃)을 적용할 수도 있다.

나아가, 상기 무기난연제에는 수산화알루미늄-멜라민 복합입자가 더 포함되어 복합되는 형태로 구비될 수도 있다. 이같은 복합입자의 코어성분은 수산화알루미늄이고, 멜라민이 상기 수산화알루미늄 입자의 표면에 쉘의 형태로 결합되어 이루어진다. 이같이 무기난연제에 수산화알루미늄-멜라민 복합입자가 더 포함되는 경우 더 향상된 난연성능을 기대할 수 있으며, 이에 대해서는 아래에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.

먼저 상기 복합입자의 코어성분인 수산화알루미늄의 경우 무기계 난연제로 분류된다. 수산화알루미늄은 온도가 상승하면 탈수반응에 의해 수증기를 발산하고, 흡열반응으로 주변의 열을 흡수하여 가연성 물질의 온도를 감소시키고 발화시간을 연장시키는 효과가 있어 합성수지 등에 첨가하여 난연제로 사용된다. 또한 상기 멜라민도 합성수지에 첨가하여 난연제로 사용이 가능하다. 멜라민은 할로겐계 난연제에 비해 연소시 다른 난연성분에 비해 독성기체의 발생이 적으며 취급이 용이한 특성이 있는 것으로 알려져 있다.

이같은 수산화알루미늄과 상기 멜라민의 경우 그 각각이 난연 효과를 가지지만 이들을 복합화하는 경우 각 성분의 상승효과로 인해 기존의 난연제에 비해 적은 양을 사용하여도 더욱 우수한 난연제로서의 성능을 발휘할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명에 포함된 무기난연제의 일부로 적극 활용하고자 한 것이다.

상기 수산화알루미늄-멜라민 복합입자에 있어서, 복합입자 총 중량 대비 0.3 내지 5 중량%의 범위 내에서 인을 포함하는 것이 바람직한데 이는 인계 난연제는 연소시 응축상에서의 분해를 방해하고 탄화율을 높이는 작용을 하여 수지에 난연성을 부여하며, 특히 셀룰로오스나 열가소성 폴리우레탄 수지와 같이 수지 내 산소 함량이 높은 수지에 매우 효과적인 것으로 알려져 있다. 따라서 상기 수산화알루미늄-멜라민 복합입자에 복합입자 총 중량 대비 0.3 내지 5 중량부의 인이 더 포함되도록 복합입자를 제조하는 경우 인이 가지고 있는 난연특성이 부가되어 더욱 우수한 난연 복합입자를 제조할 수 있다.

한편, 상기 수산화알루미늄-멜라민 복합입자의 크기가 특별히 한정되는 것은 아니지만 10nm 내지 10㎛ 인 것이 바람직하다. 상기 복합입자의 크기가 10㎚ 미만이면 합성수지 등 가연성 물질과 혼합할 때 복합입자가 서로 응집하여 분산성이 저하되며 이로 인하여 난연특성이 감소된다. 상기 복합입자의 10㎛를 초과하면 합성수지에 첨가하였을 때 수지와의 접촉면이 줄어 열안정성이 떨어지므로 상기 복합입자는 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 반면에, 본 발명의 복합입자를 포함하는 난연 수지조성물에는 상기 수지조성물 100중량% 대비 10중량% 내지 65중량%의 복합입자가 포함된다. 이때 포함되는 복합입자는 합성수지의 기계적 강도의 저하, 외관불량 등의 문제를 일으키지 않고 난연화를 달성할 수 있도록 필러로서의 성질을 유지하는 것이 중요한다.

따라서 상기와 같은 점을 고려하였을 때, 복합입자의 입경은 10nm 내지 10㎛인 것으로 하며, 바람직하게는 100nm 내지 5㎛, 더욱 바람직하게는 500nm 내지 2㎛인 것으로 한다. 복합화 전후에 입경 변화는 편차범위 내에서 유사한 수준으로, 비표면적도 복합화 전후에 큰 변화는 없고, 초기 수산화알루미늄의 크기에 따라 1~100m²/g 범위이다.

한편, 상기 수산화알루미늄-멜라민 복합입자의 제조방법은, 수산화알루미늄(Al(OH)₃)과 멜라민 모노머를 물 등의 용매에 분산시켜 혼합 슬러리를 제조하는 단계, 상기 혼합 슬러리에 무기산을 첨가하여 pH를 9 내지 11로 조절하는 단계, 상기 무기산이 첨가된 혼합 슬러리를 가온 및 교반하면서 숙성시키는 단계, 상기 숙성 된 슬러리를 냉각시키는 단계, 상기 내각된 슬러리를 필터링한 후 건조시키는 단계를 포함한다.

이때 상기 멜라민 모노머는 특별히 한정하지 않고 멜라민, 멜람, 멜론, 아멜린, 아멜리드 등 멜라민계 모노머에서 하나 이상을 선택하여 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 무기산으로는 인산, 질산 혹은 염산을 사용할 수 있다. 상기 무기산 중 인산을 사용하는 경우에는 최종적으로 합성된 복합입자에 인이 소정량 포함되도록 할 수 있다. 상기한 바와 같이 복합입자에 인이 포함되도록 함으로써 더욱 우수한 난연효과를 갖는 복합입자를 제공할 수 있다.

상기 인산계 무기산으로는 포스포릭액시드, 올소포스포릭액시드, 피로포스포릭액시드, 트리포스포릭액시드, 메타포스포릭액시드, 포스포러스액시드, 하이드로포스포러스액시드, 포스피닉액시드, 포스피노스액시드 또는 포스파인옥사이드 중에서 하나 이상을 선택하여 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다. pH의 경우 9보다 작은 경우에는 과량의 산이 중화반응으로 진행되어, 수득률이 낮고 인과 멜라민 로딩을 오히려 저하시키는 문제점이 있고, 11보다 큰 경우에는 인산의 로딩이 적고, 멜라민이 표면에 부착되는 량이 현저하게 떨어지게 된다. 따라서 수산화알루미늄의 입자 복합화를 pH 9 내지 11 범위에서 진행하였을 때에 비하여 보다 안정적인 복합입자를 얻을 수 있다.

상기 무기산이 첨가된 혼합 슬러리를 알루미늄과 멜라민의 반응성을 높이기 위해 80 내지 120℃로 가온하고, 교반하면서 숙성하는 단계를 거치도록 한다. 여기서 상기 교반은 상기 수산화알루미늄과 멜라민이 결합하여 복합입자를 얻을 수 있도록 충분한 시간동안 이루어지도록 하며, 바람직하게는 2 내지 7시간인 것이다.

상기 숙성과정을 거쳐 반응이 완료되면, 상기 반응 종료 후의 수득물을 0 내지 10℃로 냉각한다. 상기 냉각 과정에 있어서, 실온에 방치하는 등 시간이 지체되는 경우에는 수득물의 점도가 증가하여 복합입자의 응집성을 증가시킬 수 있다. 따라서 상기 냉각은 냉동고를 이용하거나 얼음물에 담그는 등 신속히 이루어지는 것이 바람직한데, 대체로 30분 내지 1시간의 범위 내에서 이루어지도록 한다.

상기 복합입자의 제조방법에 있어서, 원료로서 사용되는 수산화알루미늄(Al(OH)₃)은, 입자의 크기가 10nm 내지 10㎛인 것이라면 특별히 한정되지는 않는다. 원료로서 사용되는 수산화알루미늄 입자는 상업적으로 판매하는 것을 사용하는 것이 가능하며, 수산화알루미늄-멜라민 복합입자는 수산화알루미늄 원료로서 입경이 10nm 내지 10㎛인 브루사이트 분쇄입자를 사용하거나 직접 제조한 크기와 표면상태가 다른 수산화알루미늄 입자를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 직접 수산화알루미늄을 사용하는 방법 이외에도 산화알루미늄을 수화반응시켜 수산화알루미늄 입자를 얻는 것도 가능하며 염화알루미늄과 알칼리물질을 수성 매체 중에서 반응시키고, 여기서 얻어진 수산화알루미늄 입자 슬러지를 수열처리하여 수산화알루미늄 입자를 얻을 수 있다.

한편 위와 같은 내진난연 복합부재(110)의 구성에서 그 표면에는 도 3에서 볼 수 있는 것처럼 세리사이트(Sericite) 광물분말(40)이 돌출된 형태를 갖도록 수지(20)가 경화되기 전에 살포된다. 이같이 상기 내진난연 복합부재(4) 표면에 세리사이트 광물분말이 돌출된 형태로 구비된 구성에 따르면 콘크리트 표면에 대한 미끄러짐을 방지하고 접착면적을 넓혀주어 부착력을 배가시킬 수 있게 된다. 특히 세리사이트(Sericite) 광물분말(40)은 친수성 광물로서 콘크리트 구조물의 시멘트와 수소결합에 의해 더욱 견고한 부착이 가능하다는 점에 주목할 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 내진섬유가 인장강도 및 인장탄성율에서 장점을 보인다는 점이 하기의 실험예 1의 실험을 통해 확인되었다.

<실험예 1>

본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 내진섬유에 대응하도록 제1경사로 아라미드필라멘트의 연사물(5400d/10fila, 80T/M)을, 제2경사로 폴리에스테르 멀티필라멘트(150d/48fila)를 사용하고, 위사로 폴리에스테르 멀티필라멘트(150d/48fila, 0T/M)를 사용하여 경사밀도는 11.5본/인치, 위사밀도는 10본/인치로 제직하였다. 이때 제1경사는 직선 상태를 유지하도록 직조하였다.

한편, 위 내진섬유와 비교하기 위한 비교 내진섬유로서 경사 및 위사로 아라미드필라멘트(5400d/10fila)를 사용하여 경사밀도는 11.5본/인치, 위사밀도는 10본/인치로 평직조직으로 제직하였다. 제직된 비교 내진섬유는 아라미드 섬유가 서로 엮여 경사의 꺾임이 많은 구조를 보이고 있다.

본 발명에 따른 내진섬유와 비교 내진섬유를 대상으로 비교하여 물성시험을 수행한 결과, 얻어진 인장강도와 인장탄성율 수치는 아래와 같다.

구분	인장강도(㎏/㎠)	인장탄성율(㎏/㎠)
내진섬유	26,457.1	1,217,160.1
비교 내진섬유	21,498	1,566,290

위 실험을 통해 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에 적용되는 내진섬유는 인장강도 및 인장탄성율과 관련하여 모두 우수한 특성을 보였으며, 특히 인장강도는 경사와 위사 모두 아라미드필라멘트를 사용한 비교 내진섬유와 비교해도 더 우수한 것을 확인할 수 있었다.

<실험예 2>

본 실험을 위해 실험예 1에서 사용된 것과 동일한 내진섬유에 대하여 에폭시 수지를 도포하여 함침시키되 함침 후 120℃에서 30분 건조하였으며 무기난연제로서 수산화알루미늄을 첨가하여 내진난연 복합부재를 구성하였다.

이때 내진난연 복합부재를 형성하는 수지 조성물의 함량은 내진난연 복합부재 전체 대비 60중량%이었으며, 상기 수산화알루미늄의 함량은 상기 내진난연 복합부재 대비 30중량%이었다. 또한, 상기 수산화알루미늄으로는 나노텍 세라믹스의 'TAJIMA-A'(No.2)와, 'TAJIMA-A'에 비해 표면 개질된 타입으로 난연성 향상을 보다 더 기대할 수 있는 'TAJIMA-H1-C2'(No.3)의 2종을 사용하여 구분하였다.

한편, 본 실험을 위한 비교대상은 위 내진난연 복합부재와 비교하여 무기난연제인 수산화알루미늄의 첨가 없이 에폭시 수지만을 도포한 것으로 준비하였다.(No.1)

위와 같이 준비된 시편들에 대하여 콘칼로리미터법에 따라 난연특성 평가 실험을 실시한 결과 아래 표 2에 정리한 바와 같았다.

No.	TTI¹ (sec)	PHRR² (kW/m²)	THR³ (MJ/m²)	EHC⁴ (Kcal/g)	200kW/m² HRR 초과시간
1	11	308.87	35.9	10.6	63
2	20	241.14	31.1	12	42
3	26	211.06	27.8	3.99	19

실험 결과를 나타낸 위 표 2와 도 6을 통해 확인할 수 있는 것처럼 무기난연제로서 수산화알루미늄을 사용한 2종의 실험대상이 비교대상과 비교하여 착화시간 지연, PHRR, THR 수치가 감소된 결과를 보이고 있어 난연성이 향상되었음을 확인할 수 있었다. 그리고 난연제로서 개질된 형태인 'TAJIMA-H1-C2'를 첨가한 쪽이 'TAJIMA-A'를 첨가한 쪽보다 난연성 측면에서 비교 우위에 있음도 확인되었다.

이같은 실험에서 무기난연제로서 사용된 수산화알루미늄을 대신하여 무기난연제인 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)이나 탄산칼슘(CaCO₃)을 사용하더라도 난연성이 향상되는 유사한 양상을 보일 것으로 기대된다. 나아가 전술된 수산화알루미늄-멜라민 복합입자가 무기난연제에 함께 포함되는 경우 난연성능은 더욱 향상될 것으로 기대할 수 있다.

<실험예 3>

본 실험에서는 실험예 2에 사용된 실험대상인 내진난연 복합부재에 대하여 표 3과 같이 난연 마감재를 추가하지 않은 경우와, 난연 마감재를 추가하여 두께별로 적용한 경우를 비교하였다.

(단, 본 실험을 위하여 초기 수지 함량 및 건조 후 수지 함량을 파악하였으며, 일정 범위 내(60±3 %) 수지 함량을 갖는 내진난연 복합부재를 선정하였다. 그리고 난연 마감재의 도포 및 건조는 두께별로 상이하나 약 5mm 기준 상온에서 일주일 이상 건조하여 난연 마감재의 함수율을 3±2%로 유지하였다. 그리고 본 실험에서 사용된 무기난연제로는 나노텍 세라믹스의 'Airlon'을 사용하였다.)

No.	섬유	난연수지		불연 마감재
No.	섬유	수지	난연제	건조 후 두께(mm)
0	아라미드	에폭시 수지	기본 난연제	-
1	섬유		첨가	1.75
2				3.6
3				4.32
4				5.35
5			개질난연제	1.51
6			첨가	2.72
7				3.43

위와 같이 준비된 시편들에 대하여 콘칼로리미터법에 따라 다양한 지표들에 의해 난연특성 평가 실험을 실시한 결과를 아래 표 4에 정리하였다.

No.	TTI¹ (sec)	PHRR² (kW/m²)	THR³ (MJ/m²)		EHC⁴ (Kcal/g)	200kW/m² HRR 초과시간
No.	TTI¹ (sec)	PHRR² (kW/m²)	5분	10분	EHC⁴ (Kcal/g)	200kW/m² HRR 초과시간
0	20	241.14	27.1	31.1	12.0	42
1	174	64	4.3	13.3	6.82	0
2	312	81.16	0.2	14.3	8.97	0
3	308	69.4	0.1	13.2	10.1	0
4	440	51.33	0.7	1.9	1.36	0
5	166	75.04	7.6	13.1	6.20	0
6	206	63.87	1.3	11.2	3.37	0
7	332	24.55	0.0	5.1	2.15	0

실험 결과를 나타낸 표 4와, 도 7을 통해 확인할 수 있는 것처럼 난연 마감재를 사용하지 않고 내진난연 복합부재만을 사용한 경우와 난연 마감재를 함께 사용한 경우를 비교하면 그 결과를 쉽게 예상할 수 있는 것처럼 착화시간 지연, PHRR, THR 등에서 난연 마감재를 함께 사용한 쪽이 그렇지 않은 쪽보다 전반적으로 우수함을 알 수 있다.

또한, 유사한 마감재 두께를 갖는 시편들을 비교하였을 때 개질된 난연 무기난연제를 사용한 경우(No.5,6,7)가 그렇지 않은 무기난연제를 사용한 경우(No.1,2,3,4)에 비해 난연성이 향상된 것을 확인할 수 있다.

그러나 각 지표들에서 유의할 점은 반드시 난연 마감재의 두께와 비례하여 더 향상된 결과를 나타내고 있지는 않다는 점이다. 이같은 결과는 본 발명의 제1실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체의 경우 난연 마감재의 두께를 최소화하면서도 각 상황에 따라 요구되는 난연성을 충분히 확보할 수 있다는 긍정적인 가능성을 보여주는 것이라 하겠다.

한편, 본 실험과 병행하여 no.1과 no.4에 대하여 가스유해성 시험을 진행한 결과 불연 재료, 준불연 재료, 난연 재료에서 공통적으로 요구하고 있는 바와 실험용 쥐의 평균 행동 정지 시간이 9분 이상에 달해 등급 기준을 달성하는 것으로 나타났다.

그러므로 위 실험결과들을 종합한 결과 수지에 무기난연제를 첨가한 상태에서 난연 마감재 2mm를 도포하는 경우 난연 등급을 만족하였고, 무기난연제를 첨가한 상태에서 난연 마감재를 5mm 도포하는 경우 준불연 등급을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.

<실험예 4>

본 실험에서는 난연 마감재를 종류별로 적용하여 그에 따른 난연특성의 향상 여부를 비교하고자 하였다. 적용된 마감재는 표 5와 같이 A(무기물을 소재로 하는 나노텍세라믹스의 Airlon), B(유기물 포함되고 접착성 향상된 마감재), C(유기물 포함되고 접착성 향상된 마감재), D(일반 시멘트계열 마감재), E(내화, 난연도료-기존 사용제품)이었으며, 수지 함침 및 건조 후 수지 함침량 파악하였고, 일정 범위 내 (60±3 %) 수지 함량을 갖는 내진난연 복합부재를 선정하여 난연 마감재를 도포하고 건조하는 과정을 거쳤다.

No.	섬유	난연수지		마감재 종류	건조 후 두께 (mm)
No.	섬유	수지	난연제	마감재 종류	건조 후 두께 (mm)
1	아라미드섬유	에폭시 수지	첨가	A	4.91
2				B	4.32
3				C	4.92
4				D	5.70
5			미첨가	E	0.1

위와 같이 준비된 시편들에 대하여 콘칼로리미터법에 따라 다양한 지표들에 의해 난연특성 평가 실험을 실시한 결과를 아래 표 6에 정리하였다.

No.	TTI¹ (sec)	PHRR² (kW/m²)	THR³ (MJ/m²)	EHC⁴ (Kcal/g)	200kW/m² HRR 초과시간
1	-	3.57	0.5	0.01	0
2	70	129.3	34.9	8.31	0
3	127	167.24	52.9	6.97	0
4	546	45.53	2.2	0.82	0
5	12	238.9	23.6	6.1	19

실험 결과를 나타낸 표 6과, 도 8을 통해 확인할 수 있는 것처럼 난연 마감재를 무기물로 이루어진 나노텍세라믹스의 무기물질 마감재인 Airlon(A)로 적용한 경우 난연특성이 가장 우수한 것으로 나타났다.

<실험예 5>

본 실험에서는 실험예 4에서 난연등급을 만족하는 것으로 나타난 난연 마감재에 대한 부착성이 적합한지 여부를 살펴보고자 하였다. 실험에 사용된 마감재는 앞선 실험에서 난연등급을 만족하는 것으로 나타난 A(무기물질로 이루어진 나노텍세라믹스 Airlon), D(일반 시멘트계열 마감재)였으며 실험결과는 아래 표 7에 정리하였다.

마감재	FRP-마감재부착강도(kgf/cm²)	부착성
A	4	o
D	0.72	x

실험결과를 정리해보면, 기존에 사용하는 내화/난연 도료 및 유기물이 첨가된 마감재의 경우 난연등급 만족하지 못하는 것으로 나타났으며, 수경성 시멘트 계열 마감재의 경우 난연성은 만족하나 부착성이 떨어져 마감재로 사용이 곤란한 것으로 나타났다.

<실험예 6>

본 실험에서는 수지에 무기난연제인 수산화알루미늄을 첨가하는 경우 부착강도를 평가하여 제품화 가능한지 여부를 판단하고자 하였다. 부착강도 측정 결과는 콘크리트와의 접착강도를 평가한 것으로 KS M 3734 기준을 따랐고, 콘크리트 28일 양생, 콘크리트 강도 40kgf/cm2 이상이 조건에서 실험이 진행되었다.

콘크리트에 시편을 접착하기 위해 사용된 접착제는 G-bond 100 이었으며, 무기난연제인 수산화알루미늄 분말을 첨가한 경우와 미첨가한 경우 모두 모재파괴 형태로 나타났고 시공품질은 모두 양호한 것으로 나타났다. 따라서 수지에 무기난연제를 첨가하여도 부착성에는 큰 영향이 없는 것을 확인할 수 있었다. 참고로 도 9는 수지에 무기난연제를 첨가하여 실험을 진행한 측정 전, 후의 사진이다.

<제2실시예>

도 10은 본 발명의 제2실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체의 구성을 설명하기 위한 사시도이고, 도 11은 본 발명의 제2실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에서 내진난연 복합부재와 아라미드 스트립의 시공을 설명하기 위한 참조도이다.

도시된 것처럼, 본 발명의 제2실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체는 제1실시예와 비교하여 내진난연 복합부재(110)와 콘크리트(140) 사이에서 다열배치된 상태로 상기 내진난연 복합부재(110)와 함께 콘크리트에 부착되어 연성인 상기 내진난연 복합부재(110)의 강도를 보강할 수 있도록 한 아라미드 스트립(130)이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 아라미드 스트립(130)은 내진난연 복합부재(110)와 함께 콘크리트에 선택적으로 부착되어 연성인 내진섬유(10) 또는 내진난연 복합부재(110)를 보조하면서 강도를 보강하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 아라미드 스트립(130)은 상기 내진섬유(10)와 같이 초기 탄성계수가 콘크리트보다 작아 지진 발생시 콘크리트 표면에서 콘크리트 파괴에 따른 외관 체적 팽창을 구속할 수 있도록 한 아라미드 섬유 원사(111)가 나란하게 다열배치된 상태에서 난연성 무기분말이 첨가된 에폭시와 함께 풀트루전(Pulltrusion) 공정에 의해 압출되어 경화되는 방식으로 연속성형된다. 이처럼 상기 아라미드 스트립(130)의 경우 연성의 내진난연 복합부재(110)와 달리 길게 형성된 딱딱하고 얇은 판재인 스트립으로 구비된다. 이처럼 상기 아라미드 스트립(130)이 길고 폭이 좁은 스트립의 형태로 구비되면 면적이 비교적 넓은 콘크리트 벽면뿐만 아니라 기둥과 같이 비교적 협착한 평면에도 그 개수를 조절하는 방식에 의해 얼마든지 부착이 가능하다는 점에서 연성의 내진내화 복합부재와 함께 용이하게 시공할 수 있는 장점이 있다. 참고로 도 11은 본 발명에 의한 섬유복합체를 이용한 콘크리트 보강공법 중에서 콘크리트 기둥에 아라미드 스트립(130)이 먼저 부착된 후, 그 위로 내진난연 복합부재(110)가 둘러싸는 형태로 부착되고 있는 모습을 보여준다. 이처럼 내진난연 복합부재(110)가 부착된 후에는 그 위에 난연 마감재(120)를 도포하게 된다.

여기서, 상기 아라미드 스트립(130)에 포함되는 난연성 무기분말은 수산화알루미늄-멜라민 복합입자로 구비되며, 상기 수산화알루미늄-멜라민 복합입자의 경우 제1실시예에서 무기난연제(30)에 포함되는 수산화알루미늄-멜라민 복합입자와 동일한 것이다. 그러므로 그 구성, 효과 및 제조방법에 대한 구체적인 내용은 생략하기로 한다.

<제3실시예>

계속해서 아래에서는 본 발명의 제3실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체에 대해 설명하기로 한다.

도 12는 본 발명의 제3실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체의 구성을 설명하기 위한 사시도이다.

본 발명의 제3실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체의 경우, 내진섬유와 수지와 무기난연제가 내진난연 복합부재(110)를 이루고, 난연 마감재가 도파되는 구성에서 제1실시예와 유사하지만, 내진난연 복합부재(110)가 제1실시예와는 다르게 연성의 시트가 아닌 풀트루전(Pulltrusion) 공정에 의한 연속성형에 의해 고형화된 판재로 이루어졌다는 점에서 차별적인 특징이 있다.

이처럼 내진난연 복합부재(110)가 풀트루전 공정에 의해 고형화된 판재로 연속성형되도록 한 제3실시예의 구성에 의하면 생산성이 비약적으로 향상되는 것은 물론, 제1실시예에서 직물에 수지를 함침시켜 콘크리트에 부착하는 것에 비해 시공이 매우 간편하다는 장점이 있다. 특히 콘크리트 표면의 면적이 넓은 경우에 시공이 매우 유리해지는 장점이 있다.

또한, 가장 주목할만한 점은 제1실시예에 따른 내진난연 복합부재(110)에 비해 보다 치밀한 조직으로 형성되기 때문에 표면에 굴곡이 적어 복사열을 받는 면적이 상대적으로 적어지므로 콘칼로리미터 측정시 우수하며 높은 난연성을 기대할 수 있다는 점이다.

이같이 제3실시예에서 풀트루전 공정에 의해 판재로 성형된 내진난연 복합부재(110)의 구성을 살펴보면, 내진난연 복합부재(110)의 내진섬유는 도 12에서 볼 수 있는 것처럼 초기 탄성계수가 콘크리트보다 작은 아라미드 섬유 원사(111)가 나란한 형태로 단방향 다열배치되어 지진 발생시 콘크리트(140) 표면에서 콘크리트 파괴에 따른 외관 체적 팽창을 구속하는 역할을 한다. 이처럼 내진섬유가 직물의 형태가 아닌 아라미드 섬유 원사(111)가 나란히 다열배치된 형태로 이루어지면 필요로 하는 역할을 충분히 수행하면서도 직물을 짜는데 소요되는 공정 및 시간을 절약하는데 기여하게 된다. 이같은 내진섬유의 아라미드 섬유 원사(111)가 플트루전 공정에 의해 금형에서 수지통을 거치면서 무기난연제(30) 첨가된 수지(20)와 함께 압출되어 경화되는 것이다.

한편, 제2실시예에서 사용되는 무기난연제(30)나 난연 마감재의 경우 제1실시예와 비교하여 대동소이하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

<실험예 7>

본 실험에서는 풀트루전(Pulltrusion) 공정에 의해 아라미드 섬유의 원사를 무기난연제 첨가된 에폭시 수지와 함께 압출하여 제조하였다. 여기서 무기난연제로서 수산화알루미늄을 첨가하였으며 내진난연 복합부재(아라미드 섬유 원사 + 에폭시 수지 + 무기난연제)에서 난연 수지조성물(에폭시 수지 + 무기난연제)이 차지하는 함량은 40중량%이었고, 상기 수산화알루미늄은 난연 수지조성물 대비 30중량%가 되도록 첨가하였다.

이와 같이 준비된 내진난연 복합부재에 대하여 난연 마감재(나노텍 세라믹스의 'Airlon' 사용)의 도포 두께를 달리하여 아래 표 8에 정리한 바와 같이 4종류의 섬유 복합체 시편을 마련하였다.

No.	샘플명	내진난연 복합부재 두께(mm)	난연 마감재 두께 (mm)	섬유복합체 (mm)
1	AP-1.16	1.42	1.13	2.55
2	AP-1.97	1.42	1.97	3.39
3	AP-2.55	1.42	2.55	3.97
4	AP-2.81	1.43	2.81	4.24

준비된 시편들에 대하여 콘칼로리미터법에 따라 난연특성 평가 실험을 실시한 결과 아래 표 9에 정리한 바와 같았다.

No.	TTI¹ (sec)	PHRR² (kW/m²)	THR³(MJ/m²)		EHC⁴ (Kcal/g)	200kW/m² HRR 초과시간
No.	TTI¹ (sec)	PHRR² (kW/m²)	5분	10분	EHC⁴ (Kcal/g)	200kW/m² HRR 초과시간
1	170	49.7	3.8	12.1	6.66	0
2	563	12.6	0	0.5	4.06	0
3	370	33.3	0	5.1	3.98	0
4	371	28.7	0	2.1	5.17	0

실험 결과를 나타낸 위 표 9 및 도 13을 통해 확인할 수 있는 것처럼 아라미드 섬유 원사와 에폭시 수지와 수산화알루미늄 입자를 풀트루전 공정에 의해 내진난연 복합부재를 판재로 성형시켜 경화한 경우, 실험예 3과 같이 직조된 아라미드 섬유에 에폭시 수지와 수산화알루미늄이 도포되어 시트 형태로 이루어진 경우보다 난연특성이 우수하여 난연 마감재를 더 얇게 도포하여도 난연특성 확보에 유리함을 알 수 있었다.

이같은 실험예 7의 실험에서 무기난연제로서 사용된 수산화알루미늄에 더하여 전술된 수산화알루미늄-멜라민 복합입자가 함께 포함된다면 난연성능은 더욱 향상될 것으로 기대할 수 있으며, 이를 위한 수산화알루미늄-멜라민 복합입자를 마련하기 위해서는 다음의 과정을 거칠 수 있다.

수산화알루미늄-멜라민 복합입자 중 수산화알루미늄을 마련하기 위해, 2M 농도의 염화알루미늄 용액(AlCl₃6H₂O) 250ml를 준비하고 여기에 마스터플렉스(masterflex)를 이용하여 3M 농도의 수산화나트륨 용액 250ml을 일정한 속도(20ml/min, 총 25분 소요)로 첨가하면서 혼합하며, 상기 혼합용액을 3시간 교반하면서 숙성한다. 숙성된 혼합용액을 물로 3회 세척한 후 실온에서 진공건조 한다. 이로써 수산화알루미늄입자(1차 입경 0.1㎛(주사전자현미경 사용), 평균 입경 0.4㎛(동적광산란법 사용)를 제조 가능하다.

이후, 브루사이트 광물 분쇄입자(나노텍 제공, 평균입경 5㎛)인 Al(OH)₃ 100g, 멜라민 모노머 10g을 물에 분산시켜 위 방법으로 제조된 수산화알루미늄의 농도가 30 중량%가 되도록 혼합 슬러리를 제조한다. 상기 혼합 슬러리에 85% 농도의 인산 1.5g을 첨가하고 교반한다. 이후 온도를 100℃로 하여 7시간 동안 교반하고, 얼음물에 30분 동안 담가두어 냉각시키고 이를 필터링한다. 이후 60℃에서 24시간 건조시켜 수산화알루미늄-멜라민 복합입자를 제조할 수 있다.

아래에서는 본 발명의 실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체를 사용하여 콘크리트 구조물을 대상으로 시공하는 콘크리트 보강공법에 대해 간단히 설명하기로 한다.

도 14a 내지 도 14f는 본 발명의 실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체를 사용한 콘크리트 보강공법을 보여주는 일련의 시험시공 사진들이다.(참고로 도 14a 내지 도 14f의 사진들은 시험시공 동영상을 캡쳐한 것으로 사진 속 자막표현들이 하기의 표현들과 일치하지 않는 경우도 있음)

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체를 사용한 콘크리트 보강공법의 경우 시공 대상이 되는 콘크리트 표면을 취핑하고 그라인딩하여 콘크리트 표면을 매끄럽게 다듬는 과정(도 14a, 도 14b), 선택적으로 프라이머를 도포하는 과정, 내진섬유에 대하여 무기난연제가 첨가된 수지를 도포하여 함침시키는 과정(도 14c), 내진섬유에 대하여 무기난연제가 첨가된 수지를 함침시킨 내진난연 복합부재를 콘크리트 표면에 부착하는 과정(도 14d), 콘크리트 표면에 부착된 내진난연 복합부재가 경화된 후 난연 마감재를 도포하는 과정(도 14e)으로 이루어진다. 이후 도포된 난연 마감재가 경화되면 페인트 도포 등의 마감을 통해 시공이 완료된다(도 14f).

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

1 : 제1경사 2 : 제2경사
3 : 위사 10 : 내진섬유
20 : 수지 30 : 무기 난연제
110 : 내진난연 복합부재 120 : 난연 마감재
130 : 아라미드 스트립 150 : 프라이머

Claims

콘크리트 구조물 표면에 부착되어 내진성능과 난연성능을 보강해주는 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체로서,
초기 탄성계수가 콘크리트보다 작은 섬유를 소재로 이루어져 지진 발생시 콘크리트 표면에서 콘크리트 파괴에 따른 외관 체적 팽창을 구속할 수 있도록 연성의 시트 형태를 가지며, 아라미드필라멘트, 카본필라멘트, 유리섬유필라멘트, 초고분자량 폴리에틸렌섬유, 바잘트섬유 중 어느 하나 이상으로 형성되는 제1경사와, 상기 제1경사와 교호하게 배열되며 폴리에스테르, 나일론 중 어느 하나 이상인 합성섬유 멀티필라멘트로 형성되는 제2경사와, 폴리에스테르, 나일론 중 어느 하나 이상인 합성섬유 멀티필라멘트로 형성되는 위사를 포함하여 직조되며, 상기 제1경사는 5000~20000d/5~20fila, T/M 50~80이고, 상기 제2경사는 150~300d/48fila이며, 상기 위사는 150~2000d/40~96fila로 이루어진 내진섬유와;
상기 내진섬유에 도포되어 함침되는 수지와;
수산화알루미늄(Al(OH)₃), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂), 탄산칼슘(CaCO₃) 중에서 선택된 어느 한 종의 무기분말과, 코어성분은 수산화알루미늄(Al(OH)₃)이고 멜라민이 상기 수산화알루미늄 입자의 표면에 쉘의 형태로 결합되어 이루어진 수산화알루미늄-멜라민 복합입자를 포함하여 이루어지며, 상기 수지에 첨가되어 난연성을 향상시켜주는 무독성의 무기난연제와;
상기 내진섬유에 도포되어 함침된 수지가 경화되기 전에 상기 내진섬유의 콘크리트 부착면에 살포되어 외측으로 돌출된 형태로 위치하며 친수성으로서 콘크리트 구조물의 시멘트와 수소결합에 의해 더욱 견고한 부착을 가능하게 하고 콘크리트 표면에 대한 접착면적을 넓혀주도록 한 세리사이트 광물분말과;
상기 내진섬유 중 콘크리트 구조물 표면에 부착되는 부착면의 반대측 면에 도포되되 상기 내진섬유와 에폭시 수지와 무기난연제로 이루어진 내진난연 복합부재 0.1 내지 3mm 두께에 대하여 0.1 내지 5mm의 두께로 도포되는 난연 마감재를 포함하며,
상기 수지는 에폭시 수지로 구비되어 상기 내진섬유에 도포되어 함침된 후 콘크리트 구조물 표면에 대해 상기 내진섬유를 접착시켜주는 역할과 함께 상기 무기난연제를 상기 내진섬유에 고착시켜주는 역할을 하도록 하며,
상기 내진난연 복합부재와 콘크리트 구조물 표면 사이에서 다열배치된 상태로 상기 내진난연 복합부재와 함께 콘크리트에 부착되어 연성인 상기 내진난연 복합부재의 강도를 보강할 수 있도록 한 아라미드 스트립이 더 구비되고, 상기 아라미드 스트립은 초기 탄성계수가 콘크리트보다 작아 지진 발생시 콘크리트 표면에서 콘크리트 파괴에 따른 외관 체적 팽창을 구속할 수 있도록 한 아라미드 섬유 원사가 나란하게 다열배치된 상태에서 난연성 무기분말 첨가된 에폭시 수지와 함께 풀트루전(Pulltrusion) 공정에 의해 압출되어 경화되며, 상기 아라미드 스트립에 포함된 난연성 무기분말은 수산화알루미늄(Al(OH)₃), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂), 탄산칼슘(CaCO₃) 중 어느 한 종이며, 상기 난연성 무기분말에는 수산화알루미늄-멜라민 복합입자가 더 포함되되, 상기 복합입자의 코어성분은 수산화알루미늄(Al(OH)₃)이고, 멜라민이 상기 수산화알루미늄 입자의 표면에 쉘의 형태로 결합되어 이루어진 것으로 100nm 내지 5㎛의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체.
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제1항에 있어서,
상기 수산화알루미늄-멜라민 복합입자에 상기 복합입자 총 중량 대비 0.3 내지 5 중량%의 인이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체.
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제1항에 있어서,
상기 무기난연제와 수지를 포함하는 난연 수지조성물에서 상기 무기난연제는 난연 수지조성물 총 중량 대비 10 내지 60중량% 첨가된 것을 특징으로 하는 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체.
제1항에 있어서,
상기 무기난연제와 수지를 포함하는 난연 수지조성물에서 상기 무기난연제는 난연 수지조성물 총 중량 대비 20 내지 40중량% 첨가된 것을 특징으로 하는 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체.
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제1항, 제10항, 제12항 및 제13항 중 어느 한 항의 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체가 시공된 것을 특징으로 하는 콘크리트 건축 구조물.
제1항, 제10항, 제12항 및 제13항 중 어느 한 항의 난연/준불연 내진 보강 섬유복합체를 사용하여 콘크리트 구조물을 대상으로 시공하는 특징으로 하는 콘크리트 보강공법.