KR101747915B1 - 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법 - Google Patents

침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신규 및 기존 콘크리트 구조물의 표면에 실란 또는 실록산과 아크릴 수지가 혼합된 수지를 함유하는 실란계 중도 칼라 코팅제와 메틸실록산계 상도 코팅제를 신규 및 기존 콘크리트 구조물의 표면에 복합적으로 도포하여, 중성화 및 염해 등에 의하여 강성 및 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 하는 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법은, 콘크리트 구조물의 시공면을 세척하는 단계; 시공면에 알칼리 회복 접착 강화 프라이머를 도포하는 단계; 알칼리 회복 접착 강화 프라이머가 도포된 시공면에 실란계 중도 칼라 코팅제를 도포하는 단계; 실란계 중도 칼라 코팅제가 코팅된 시공면에 메틸실록산계 상도 코팅제를 도포하는 단계; 및 메틸실록산계 상도 코팅제가 도포된 시공면을 양생하는 단계를 포함한다.

Description

침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법 {Composite coating method for improving durability of concrete structure using permeability nano-silane coating agent}
본 발명은 신규 및 기존 콘크리트 구조물의 표면에 실란 또는 실록산과 아크릴 수지가 혼합된 수지를 함유하는 실란계 중도 칼라 코팅제와 메틸실록산계 상도 코팅제를 신규 및 기존 콘크리트 구조물의 표면에 복합적으로 도포하여, 중성화 및 염해 등에 의하여 강성 및 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 하는 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법에 관한 것이다.
일반적으로, 콘크리트 구조물은 장기간에 걸쳐 산성비, CO2 가스, 오존, 대기오염, 태양열, 동절기 염화칼슘 사용 등의 외부 환경에 의해 열화되어 콘크리트 구조물은 성능과 내구성이 현저히 저하된다.
콘크리트 구조물의 열화의 주된 원인 중 하나는 탄산화에 의한 중성화이다. 콘크리트 탄산화란 최초 양생 후 대기 중의 이산화탄소와 직접 반응하거나 수분과 결합하여 팽창 반응하는 형태를 통해 콘크리트의 결합강도를 유지하는 바인더를 탄산화시킴으로 내부 철근 주위의 급격한 이온변화로 부식을 증대시켜 크랙 및 박리, 박락으로 급속하게 구조체 강도를 진행시키는 현상을 말한다.
콘크리트의 탄산화는 콘크리트 표면으로부터 서서히 탄화가 진행되어 철근의 보호피막을 파괴시킨다. 이와 같이 콘크리트가 알칼리성을 소실하게 되면 방청력을 상실하여 내부에 매입된 철근을 녹슬게 한다. 철근이 부식되면 부식생성물에 의하여 2 내지 10배 정도의 체적 팽창이 생겨 피복 콘크리트를 파괴하고 철근을 따라 균열이 발생하게 된다. 심한 경우 콘크리트를 박리 탈락시켜 철근이 노출되어 콘크리트 구조물의 내구성이 손상된다.
콘크리트 구조물의 열화의 주된 원인 중 하나는 염해이다. 염해는 주로 해수에서 유산염을 포함한 염분이 콘크리트의 모세관 공극으로 침투해서 콘크리트 성분에 팽창 결정을 만듬과 동시에 철근이 녹슬어 팽창함으로써 콘크리트 구조물을 손상시키는 것이 원인이다. 피해 현상은 해상이나 해안에 인접한 구조물에서 많이 나타나며, 추운 산간지방과 도심지역에서는 제설용 염화칼슘 및 자동차 매연으로의 영향을 받아 구조물이 손상되기도 한다.
이와 같이 콘크리트의 중성화 및 염해 등은 콘크리트 표면의 공극이나 균열을 통하여 내부로 침투되어 일어나는 현상이다.
따라서, 기존의 열화가 진행되고 있는 콘크리트 구조물의 경우 균열의 폭이 클수록 열화의 진행속도가 빠르게 되기 때문에 표면 보호가 필요하다.
또한, 신설된 콘크리트 구조물도 그 표면에는 수화반응시 수화생성물이 불충분하여 무수히 많은 미세공극이 형성되게 된다. 또한, 미세공극과 마찬가지로 이때 미세균열(망상크랙)도 발생하게 되는데 미세균열은 건조수축과 수화열로 인한 수분 증발로 발생된다.
이런 콘크리트 구조물의 표면에 생긴 미세공극 및 미세균열은 열화를 촉진시키는 통로이다. 따라서, 신설된 콘크리트 구조물의 표면에는 표면 보호가 요구된다.
대한민국 등록특허 제10-1402284호('콘크리트 구조물에 대한 중성화 및 항균 염해 방지와 성능개선을 위한 보호 코팅 공법', 2014.07.08)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 콘크리트 구조물의 표면 보호를 위하여 중성화 및 항균 염해를 방지하면서 내구성능을 개선시킬 수 있는 방수 코팅 공법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 콘크리트 구조물 내부로 침투가 용이한 분자량을 갖는 나노 크기의 실란으로 구성되는 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물의 표면 보호를 위한 복합 코팅 공법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법은, 콘크리트 구조물의 시공면을 세척하는 단계; 상기 시공면에 알칼리 회복 접착 강화 프라이머를 도포하는 단계; 상기 알칼리 회복 접착 강화 프라이머가 도포된 시공면에 실란계 중도 칼라 코팅제를 도포하는 단계; 상기 실란계 중도 칼라 코팅제가 코팅된 시공면에 메틸실록산계 상도 코팅제를 도포하는 단계; 및 상기 메틸실록산계 상도 코팅제가 도포된 시공면을 양생하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 시공면에 알칼리 회복 접착 강화 프라이머를 도포하는 단계 이전에 바탕조정제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 실란계 중도 칼라 코팅제는 알킬알콕시실란(alkylalkoxysilane)과 아크릴 수지가 혼합된 실란계 수지를 함유할 수 있다.
이때, 상기 알킬알콕시실란은 트리알콕시-모노알킬 실란일 수 있다.
이때, 트리알콕시-모노알킬 실란은 아미노프로필트리메톡시실란 (aminopropytrimethoxysilane), 아미노프로필트리에톡시실란 (aminopropytri ethoxysilane), 글리시독시프로필트리메톡시실란 (glycidoxypropyltrimethoxysilane), 글리시독시프로필트리에톡시실란 (glycidoxypropyltriethoxysilane), 이소시아나토프로필트리메톡시실란 (isocyanatopropyltrimethoxysilane), 이소시아나토프로필트리에톡시실란 (isocyanatopropyltriethoxysilane), 메르캅토프로필트리메톡시실란 (mercaptopropyltrimethoxysilane), 메르캅토프로필트리에톡시실란 (mercaptopropyltriethoxysilane) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 알킬알콕시실란을 혼합한 것일 수 있다.
이때, 상기 실란계 중도 칼라 코팅제는, 상기 실란계 수지 32 ~ 48중량%, 착색안료 8 ~ 12중량%, 축광안료 3 ~ 7중량%, 체질안료 8 ~ 12중량%, 항균제 0.5 ~ 1중량%, 분산제 0.1 ~ 0.2중량%, 소포제 0.2 ~ 0.3중량%, 크랙방지제 0.5 ~ 1.5중량% 및 잔부는 물로 구성될 수 있다.
이때, 상기 메틸실록산계 상도 코팅제는 실록산계 화합물에 의해 개질된 아크릴 수지를 함유할 수 있다.
이때, 상기 실록산계 화합물은 폴리디메틸실록산일 수 있다.
이때. 상기 알칼리 회복 접착 강화 프라이머는 폴리실란(Polysilane)을 함유할 수 있다.
이때, 상기 알칼리 회복 접착 강화 프라이머는, 리튬 실리케이트(Lithium silicate) 10 ~ 20중량%, 나트륨 실리케이트(Sodium silicate) 10 ~ 15중량%, 폴리실란 5 ~ 10중량% 및 잔부는 물로 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면 신규 및 기존 콘크리트 구조물의 보호 목적으로 그 표면에 도포되어 외부에서 침투하는 이산화탄소, 산성비, 염해성분, 수분 등의 열화인자를 근본적으로 차단하여 구조물의 중성화 및 염해에 의한 열화를 방지하여 내구성능을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 콘크리트 구조물 내부로 침투가 용이한 분자량을 갖는 나노 크기의 실란으로 구성되는 코팅제를 이용하여 콘크리트 구조물 내부로의 수분의 침투와 동결 융해작용을 방지할 뿐만 아니라 염화물(염소이온)의 침투도 방지하는 한편, 통기성이 있으므로 내부의 수분이 증기로 배출되어 코팅면의 표면을 보호할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 중성화 방지 성능, 내화학성, 방청성, 방수성, 항균성, 내염성, 유해가스 저항성 등을 개선시켜 콘크리트 구조물의 지속적이고 영구적인 열화현상을 방지하고 내구성을 향상시켜 주며, 우수한 방수성능으로 인하여 이끼류 및 백화현상 등을 방지할 수 있는 방수 공법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따라 기존 콘크리트 구조물의 표면에 프라이머 및 코팅제를 도포하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 복합 코팅 공법이 적용된 콘크리트 구조물을 나타낸 사진이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 콘크리트 구조물의 시공면에 프라이머 및 코팅제를 도포하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법은, 콘크리트 구조물(100)의 시공면(표면)을 세척하는 단계(S11); 상기 세척된 콘크리트 구조물의 시공면에 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)를 도포하는 단계(S12); 상기 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)가 도포된 콘크리트 구조물의 시공면에 실란계 중도 칼라 코팅제(120)를 도포하는 단계(S13); 상기 실란계 중도 칼라 코팅제(120)가 도포된 시공면에 메틸실록산계 상도 코팅제(130)를 도포하는 단계(S14); 및 상기 메틸실록산계 상도 코팅제(130)가 도포된 콘크리트 구조물의 시공면을 양생하는 단계(S15)를 포함한다.
상기 콘크리트 구조물의 표면 보호를 위한 공법에 있어서, 상기 콘크리트 구조물(100)은 신규 또는 기존의 콘크리트 구조물일 수 있으며, 예를 들면 교각이나 기둥일 수 있다. 특히, 해풍, 파도, 조풍, 파랑 및 부유물질 등에 의한 물리적인 작용 및 해수중의 이온에 의한 화학적 침식작용을 요하는 다목적 내해수성해안, 해양 항만 수리구조물일 수 있다.
상기 콘크리트 구조물(100)의 표면을 세척하는 단계(S11)에서, 고압살수기 500bag 이상의 장비를 이용하여 고압물 세척과 같은 방법을 통해 기존 및 신규 콘크리트 구조물의 시공면의 분진 및 공극 속의 이물질을 깨끗히 제거하는 것이다. 특히 기존 콘크리트 구조물의 경우 물을 살수하여 내부는 포화되고 표면은 건조한 상태가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 콘크리트 구조물(100)의 시공면을 세척하기 전에 콘크리트 구조물의 중성화되어 있는 시공면을 그라인더, 브레이커 등을 사용하여 제거함으로 정리하는 단계를 거치는 것이 바람직하다. 또한, 면갈이 또는 치핑과 같은 방법으로 표면처리할 수 있다.
이어서, 세척된 콘크리트 구조물(100)의 시공면에 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)를 도포하는 단계(S12)가 진행된다. 여기서, 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)는 콘크리트 구조물의 수밀도에 따라 표면으로부터 공극 내부에 깊숙이(10 내지 20mm) 침투하여 공극을 밀실하게 충진 팽창함으로써, 기존 콘크리트 구조물의 강도, 내수성, 내마모성 등의 내구성을 개선함과 동시에 알칼리 회복에 의한 중성화 방지 및 신구 콘크리트의 부착강도를 증진시킬 수 있는 무기계 침투성 구조체 개질제이다.
본 발명에서 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)는 수용성 무기 화합물인 리튬 실리케이트(Lithium silicate) 10 ~ 20중량%, 물에 대한 용해성이 높은 액상의 나트륨 실리케이트(Sodium silicate) 10 ~ 15중량%, 액상의 폴리실란(Polysilane) 5 ~ 10중량% 및 잔부는 물로 구성된다. 이때, 상기 액상의 폴리실란(Polysilane)은 할로겐족 원소를 포함하는 디클로로메틸페닐실란(dichloromethylphenylsilane), 디클로로디메틸실란(dichlorodimethylsilane), 디클로로디페닐실란(dichlorodiphenyllsilane), 디클로로헥실메틸실란(dichlorohexylmethylsilane), 디클로로비닐메틸실란(dichlorovinylmethylsilane) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 실란계 단량체를 유기 용매(톨루엔, 크실렌, 에탄올, 메탄올 및 테트라하이드로퓨란 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이 혼합된 용매)에 혼합하여 형성한 분산계에 금속 촉매(은, 아연, 세슘 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금)를 분산시켜 중합하여 폴리실란 중합체를 형성하고, 폴리실란 중합체를 필터링하여 실리콘 고분자를 분리한 후에 유기 용매에 용해시켜 얻을 수 있다. 액상 폴리실란은 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110) 전체 중량에 기초하여 5 내지 10중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다. 5중량% 미만으로 사용되는 경우 콘크리트 공극 깊숙이 침투하지 않아서 표면에만 막이 생겨 구조체를 보호하는데 문제가 생길 수 있으며, 10중량%를 초과하여 사용하는 경우 콘크리트 구조체 표면에 단단한 코팅 막을 형성하여 부착력 저하 및 박리 문제가 생길 수 있다.
본 발명에 따른 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)의 특성은 하기의 표 1과 같다.
항목 점도(20℃) 비중(20℃) pH
특성 7cP 1.04 11
하기의 표 2와 같은 깊이별 pH 농도를 나타내는 열화된 콘크리트 구조물의 표면에 롤러 및 붓을 사용하여 본 발명에 따른 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)를 1㎡ 당 0.3 ~ 0.4kg을 시간 간격을 두지 않고 2회 과량 도포한 후 일정 기간 간격 및 깊이 별로 pH를 측정(시편 40g 정도를 파쇄하여 증류수 200g에 24시간 동안 침지시킨 후 분쇄한 시편과 증류수를 분리하여 증류수의 pH를 측정)한 결과는 하기의 표 3과 같다.
측정 깊이(mm) 0 ~ 5 5 ~ 10 10 ~ 15
pH 9.45 10.12 10.48
측정 깊이(mm) pH
회복 1주 회복 2주 회복 10주 회복 20주
0 ~ 5 11.03 11.18 11.56 11.42
5 ~ 10 11.25 11.34 11.48 11.39
10 ~ 15 11.78 12.04 11.98 12.07
표 2 및 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 열화된 콘크리트 구조물의 표면에 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)를 도포한 후 회복 1주, 회복 2주에 따른 pH의 변화는 0 ~ 5mm에서는 1.58 ~ 1.73, 5 ~ 10mm에서는 1.13 ~ 1.22, 10 ~ 15mm에서는 1.3 ~ 1.56 정도를 나타낸다. 아울러, 10주 및 20주 간의 외기에 폭로시킨 경우에도 회복 1주 또는 회복 2주와 같이 pH가 11 이상을 상회하고 있으므로, 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)의 도포 전에 비하여 110%를 상회하고 있는 것을 확인할 수 있다. 탄산화 현상에 따른 알칼리 농도의 저하를 통해 철근 표면의 부동태 피막의 파괴로 철근의 방청, 콘크리트의 박락 등의 내구성이 저하된 콘크리트 구조물에 대하여, 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)의 도포로 탄산화 부분의 pH를 재알칼리화시켜 pH 11 ~ 12 이상의 강알칼리성을 나타내도록 하여 탄산화 현상에 따른 내구성 저하를 방지할 수 있다.
아울러, 상기 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)는 콘크리트 구조물의 내부에 깊숙이 침투하여 불용성 결정체를 형성함으로써, 강도가 높아지고 내마모성을 좋아지게 하며, 콘크리트 구조물의 조직이 치밀해져 산성비, 습기, 염분 등에 노출된 환경에 표면 변화를 억제시켜 구조물의 수명을 연장한다. 또한, 공극을 메워줌으로서 중성화, 동결 융해에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다.
상기 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)의 도포는 대단위 면적일 경우 스프레이건을 사용하여 도포를 하는 것이 편리하며, 소규모 면적일 경우 붓, 롤러 등을 사용하여 시공할 수도 있다. 또한, 일반적으로 2회 도포를 표준으로 하며 시공면의 흡수도가 높거나 알칼리도가 많이 떨어진 경우에는 1회차 과량 도포하여 이온의 침투가 깊이 될 수 있도록 시공한다. 또한, 도포 시 시공면에는 이물질, 분진, 먼지 등이 없는 청결한 상태여야 하며 충분히 건조된 상태에서 도포해야 구조체 깊숙이 침투할 수 있다.
알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)를 도포하기 전에 공극부 퍼티몰탈 또는 바탕조정재를 더 도포하는 것이 바람직하다.
상기 공극부 퍼티몰탈은 신규 콘크리트 구조물의 표면 보호를 위한 시공인 경우에 사용되는 것이 바람직하며, 이들은 콘크리트의 모체에 입자가 깊이 삽입하여 표면조직의 기공을 막아 자체강도를 강화시켜주는 전처리용 시멘트 풀로 접착강도 및 내구성을 개선시킨다. 공극부 퍼티몰탈의 도포는 헤라 또는 스크래퍼를 이용할 수 있다. 마찬가지로, 상기 공극부 퍼티몰탈 또한 현장 여건에 적합한 자재를 사용되는 것이 바람직하다.
상기 바탕조정재는 콘크리트 구조물에 장기간 걸쳐 산성비, CO2 가스, 오존, 대기오염, 태양열, 동절기 염화칼슘 및 나트륨 사용 등의 외부 환경으로 인한 구조물의 손상(곰보, 피홀, 결손 등) 부위에 도포하여 시멘트와 물, 특수혼화제의 수화반응 시 발생하는 결정체가 공극을 침투 및 안착함으로서 콘크리트 구조물을 유해물로부터 보호하고 내구년한을 증대시켜 줌과 동시에 굴곡이 있는 바탕면을 평탄하게 만들어 주는 4성분계의 자재, 포틀랜드 시맨트 약 5에, 제철소의 슬래그 3에, 화력발전소 플라이애쉬 1에 실리카흄 분말 1의 비율로 혼합된 시멘트를 사용할 수 있다. 이는 단시간 내에 고강도 발현, 저온에서의 발현 및 수밀성, 내화성(450℃에 상당 시간 가열한 후에야 비로소 내부 조직이 붕괴), 내구성이 우수하고, 생산 시에 재분산성 수지를 공장에서 무중력 상태로 균등하게 혼합하여 현장에서 물(용해력이 가장 큼)을 투입 교반하면 무기질 접착재로 융해되어 부착력이 우수해진다. 이러한 바탕조정재는 염화물에 대한 침투저항성이 우수(비산재를 치환한 3성분계의 제조)하고, 콘크리트와 동질의 성질을 가진 자재로 도포되어 무해하고 무독성이며 부착력이 우수하다. 또한, 방청력이 우수하여 콘크리트 구조물 내부의 철근을 보호하고 중성화를 지연시키며, 3성분계 입자들이 시멘트 페이스트화(반고체)하여 공극을 밀실하게 메워주는 효과가 있다. 바탕조정재는 물과 혼합 시에 반죽을 충분히 해야 하며, 사용 시에 자주 거듭 비비기를 해야 하며, 시용 도중에 반죽이 되었을 때에는 물을 추가하여 되비비기를 하지 않는 것이 바람직하다.
이어서, 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)가 도포된 콘크리트 구조물(100)의 시공면에 실란계 중도 칼라 코팅제(120)를 도포한다(S13).
여기서, 상기 실란계 중도 칼라 코팅제(120)는 실란계 수지 32 ~ 48중량%, 착색안료 8 ~ 12중량%, 축광안료 3 ~ 7중량%, 체질안료 8 ~ 12중량%, 항균제 0.5 ~ 1중량%, 분산제 0.1 ~ 0.2중량%, 소포제 0.2 ~ 0.3중량%, 크랙방지제 0.5 ~ 1.5중량% 및 잔부는 물로 구성된다.
상기 실란계 수지는 실란과 아크릴 수지가 혼합된 에멀젼수지로서, 상기 실란은 알킬알콕시실란(alkylalkoxysilane)인 것이 바람직하다. 알킬알콕시실란은 실록산(siloxane) 결합(Si-O-Si)을 주쇄로 하며 6 내지 20개의 탄소원자를 갖는 최소 하나 이상의 알킬기와 메톡시, 에톡시 및 프로톡시로부터 선택된 최소 하나 이상의 알콕시기가 실리콘 원자에 직접 결합된 화합물로부터 선택된다. 알킬알콕시실란의 가수분해성 알콕시기는 수중, 공기 중의 수분, 콘크리트 구조물의 표면에 흡착한 수분에 의해 가수분해 되어 실란올(Si-OH)을 생성한다. 실란올은 콘크리트 구조물에 침투하여 무기재료(M-OH)와의 사이에서 옥산 결합(Si-O-M)을 형성하여 무기재료와 결합하여 금속 산화물을 형성함으로써 콘크리트 기공 또는 모세관의 표면이 실란화(silanized) 되어 물과 공기의 침투를 차단하게 된다. 이때, 실리콘 원자에 직접 결합되는 알킬기가 6개 미만의 탄소원자를 가지는 경우의 알킬알콕시실란은 극도로 높은 가수분해성 및 휘발성을 보일 수 있으며, 알킬알콕시실란 분자 부분이 기질 표면에 적용 직후 기질 표면과 너무 빠르게 반응하게 되어 침투성이 지연될 수 있다. 이에 따라, 발수 성분이 콘크리트 구조물 표면에만 부여된다. 또한, 실리콘 원자에 직접 결합된 알킬기가 20개를 초과하는 탄소원자를 가지는 경우 그 분자량이 너무 크기 때문에 콘크리트 구조물 내부로 쉽게 침투되지 않는다. 따라서, 본 발명에서는 분자량이 크지 않으면서 콘크리트 구조물 내부로의 침투가 용이한 나노 크기의 알킬알콕시실란으로서 트리알콕시-모노알킬 실란(trialkoxy-monoalkyl silane)을 사용하는 것이 가장 바람직하며, 예를 들면 아미노프로필트리메톡시실란 (aminopropytrimethoxysilane), 아미노프로필트리에톡시실란 (aminopropytri ethoxysilane), 글리시독시프로필트리메톡시실란 (glycidoxypropyltrimethoxysilane), 글리시독시프로필트리에톡시실란 (glycidoxypropyltriethoxysilane), 이소시아나토프로필트리메톡시실란 (isocyanatopropyltrimethoxysilane), 이소시아나토프로필트리에톡시실란 (isocyanatopropyltriethoxysilane), 메르캅토프로필트리메톡시실란 (mercaptopropyltrimethoxysilane), 메르캅토프로필트리에톡시실란 (mercaptopropyltriethoxysilane) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 알킬알콕시실란을 혼합하여 사용할 수 있다. 여기서, 알킬알콕시실란을 단량체로 하는 실란계 공중합체는 알킬알콕시실란 단량체를 유기 용매(톨루엔, 크실렌, 에탄올, 메탄올 및 테트라하이드로퓨란 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이 혼합된 용매)에 혼합하여 형성한 분산계에 금속 촉매(은, 아연, 세슘 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금)를 분산시켜 중합하고 #110메시의 나일론 필터로 여과하여 불순물을 제거하여 얻을 수 있다. 상기 실란계 수지는 실란계 중도 칼라 코팅제(120) 전체 중량에 기초하여 32 내지 48중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다. 32중량% 미만으로 사용되는 경우 코팅 막의 파괴 및 유동성에 문제가 생길 수 있으며, 48중량%를 초과하여 사용되는 경우 과다 광택 및 흐름성에 문제가 생길 수 있다.
착색안료(coloring pigment)는 중금속을 함유하지 않은 친환경적인 무기계 착색안료를 사용하는 것이 바람직하다. 무기계 착색안료는 천연 광물성 착색안료라고도 불리며 자연산과 인공으로 된 종류(금속 화합물을 원료로 하여 만들어진다)가 많이 알려져 있다. 무기계 착색안료는 일반적으로 내후성 및 내약품성이 좋고 유기계 착색안료에 비해 대체로 안정하며 색이 변하지 않으며 내광성 및 내열성이 좋아 황변현상이 적다. 상기 무기계 착색안료는 실란계 중도 칼라 코팅제(120) 전체 중량에 기초하여 8 내지 12중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다. 8중량% 미만으로 사용되는 경우 원하는 색상을 얻지 못하는 문제가 생길 수 있으며, 12중량%를 초과하여 사용되는 경우 짙은 색상의 코팅제를 제조할 수 있으나, 다른 성분 등의 함량이 부족하게 되어 코팅제의 원하는 특성을 얻기 어려운 문제가 생길 수 있다.
축광안료(phosphorescent pigment)는 태양광, 전등광, 자외선 등의 조사에 의해 저장된 에너지를 어두운 상태에서 광으로 변화시켜 발광시키는 안료이다. 상기 축광안료는 MAl2O4(M은 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 중에서 선택된 1종 또는 2종의 금속임)을 모결정으로 하고, 상기 모결정에 부활제로서의 유로퓸(Eu)이 첨가되거나 공부활제로서의 디스프로슘(Dy), 테크네튬(Tc) 또는 오스뮴(Os)이 첨가된 축광안료를 사용하는 것이 바람직하다. 축광 안료의 함유량은 코팅제의 물성에 영향을 줄 수 있으므로 축광안료의 분산성 및 휘도를 고려하여 그 함량이 결정되는데, 본 발명에서 축광안료는 실란계 중도 칼라 코팅제(120) 전체 중량에 기초하여 3 내지 7중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다. 3중량% 미만으로 사용되는 경우 만족스러운 수준의 반사도 및 발광 지속시간을 얻기 힘들며, 7중량%를 초과하여 사용하는 경우 코팅제의 안정성이 감소하고 점도가 상승하여 작업성을 저하시킬 우려가 있으므로 축광안료의 함량을 조절함으로써 발광 상태, 발광 지속시간, 반사도 및 식별거리가 우수한 코팅제를 제조할 수 있다.
체질안료(extender pigment) 는 백색도가 좋기 때문에 백색의 티탄늄안료 대용으로 원가절감 차원에 사용하거나, 착색안료와 섞어서 색조를 바꾸거나 은폐력 보완 및 도막의 경도를 개선해 주기 위해 사용하는 체질안료로서, 활석분(Talc), 아연화(亞鉛華:산화아연), 리토폰(lithopone), 연백(鉛白), 형광안료등이 사용될 수 있다. 상기 체질안료는 실란계 중도 칼라 코팅제(120) 전체 중량에 기초하여 8 내지 12중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다. 8중량% 미만으로 사용되는 경우 은폐력 및 경도가 약해지며 12중량%를 초과하여 사용하는 경우 도막이 두꺼워져 부착력, 광택감소, 내화학성, 작업성의 문제가 생길 수 있다.
항균제는 예컨대 항곰팡이 억제제를 포함할 수 있으며, 실란계 중도 칼라 코팅제(120) 전체 중량에 기초하여 0.5 내지 1중량%으로 함유할 수 있다. 이는 부식의 원인이 되는 유황산화균(H2S + 2O2 -> H2SO4)에 효과적인 구리, 아연, 은이온 등을 무기물질에 치환시켜 화학 물리적으로 안전하게 만든 제품을 구입하여 생산과정에서 고속 믹서기에 균등하게 혼합 생산하여 이용할 수 있다.
분산제(dispersing agent)는 특히 안료습윤분산제(wetting and dispersing additives)가 사용될 수 있으며, 상기 안료습윤분산제는 안료 입자와 수지의 결합을 촉진시킴으로서 침전방지 및 색분리를 방지하는 것으로, 구체적으로 저분자량 폴리카르복실릭산 폴리머의 알킬암모늄염이 사용될 수 있다. 이는 실란계 중도 칼라 코팅제(120) 전체 중량에 기초하여 0.1 내지 0.2중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다.
소포제(deformer)로는 습윤제, 유화제, 보호콜로이드에 의해 발생되는 기포를 제거하는 기능을 가지는 물질로, 불소실리콘(폴리실록산의 용액)이 사용될 수 있지만, 과량 사용시에는 흐름성에 방해를 주어 코팅제 표면에 표면분화구(crater)가 발생할 수 있다. 따라서, 이는 실란계 중도 칼라 코팅제(120) 전체 중량에 기초하여 0.2 내지 0.3중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다.
크랙방지제(noncrack additive)는 코팅제의 건조속도에 따라 표면에 발생될 수 있는 크랙을 미연에 방지하기 위해 사용되는 것으로, 예를 들면 천연 셀룰로오스 섬유(natural cellulose fiber)가 사용될 수 있다. 상기 크랙방지제는 실란계 중도 칼라 코팅제(120) 전체 중량에 기초하여 0.5 내지 1.5중량%의 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다. 0.5중량% 미만으로 사용되는 경우 재료분리, 윤활성, 응집력이 문제가 생길 수 있으며, 1.5중량%를 초과하여 사용하는 경우 작업시간 확보 및 수분증발을 억제하지 못하여 크랙을 방조하는 문제가 생길 수 있다.
잔부를 구성하는 물(water)은 상기 성분들을 혼합시키기 위하여 사용된다.
실란계 중도 칼라 코팅제(120)는 핸드믹서기로 충분히 혼합한 후 저압 스프레이나 로라로 콘크리트 구조물(100)의 시공면에 균등하게 도포되어 코팅층을 형성하고, 형성된 코팅층은 80마이크론 내지 120마이크론의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 80마이크론 미만으로 도포하는 경우 외부 환경조건에 취약하며, 120마이크론을 초과하여 도포하는 경우 현장의 대기온도, 풍속에 따라 피막의 주름 및 크랙발생, 불순물 침착으로 건조지연이 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 실란계 중도 칼라 코팅제(120)의 양생시간은 21℃ 및 50% 습도 중에서 약 4시간 정도이며, 낮거나 높은 습도 중에서는 양생시간이 길어질 수 있다.
이어서, 실란계 중도 칼라 코팅제(120)가 도포된 콘크리트 구조물(100)의 시공면에 메틸실록산계 상도 코팅제(130)를 도포한다(S14).
여기서, 상기 메틸실록산계 상도 코팅제(130)는 실록산(siloxane)계 화합물에 의해 개질된 아크릴 수지를 함유한다. 이때, 상기 실록산계 화합물은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)인 것이 바람직하다. 즉, 메틸실록산계 상도 코팅제(130)는 아크릴 수지와 폴리디메틸실록산을 졸-겔(Sol-Gel) 반응시켜 제조된 개질된 아크릴 수지와 물로 구성된다. 메틸실록산계 상도 코팅제(130)는 수용화된 아크릴 수지와 발수 성능을 갖는 성분으로 폴리디메틸실록산으로 구성함으로서, 콘크리트 구조물(100)로의 수분의 침투를 차단하여 코팅면의 표면을 보호한다. 메틸실록산계 상도 코팅제(130)는 아크릴 용액 중합 시에 사용되는 일반적인 유기용제를 사용하지 않고 물과 쉽게 용해되는 친수성 용제를 사용하여 물을 희석제를 사용함으로서, 우수한 내후성, 내오염성, 내유성을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따라 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 개질된 아크릴 수지를 함유하는 메틸실록산계 상도 코팅제(130)의 특성은 다음의 표 4와 같다.
항목 비중(20℃) 코팅밀도 침투깊이(평균)
특성 0.89 7.9g/cc 6.1mm
마지막으로, 메틸실록산계 상도 코팅제(130)가 도포된 콘크리트 구조물을 양생하는 단계(S14)가 진행된다. 여기서 양생은 초기경화가 시작된 후 1일 이상 양생시킨다. 시공 완료 후 동해, 비, 수압, 외부 충격으로부터 시공 면을 보호해야 한다. 동절기에 양생 시 대기온도는 5℃ 이상 유지시키는 것이 바람직하다
실시예
다음의 표 5에 본 발명의 일실시예에 따른 실란계 중도 칼라 코팅제(120)를 구성하는 성분과 조성비를 나타내었다.
성분 조성 비고
실란계 수지 40중량% N-(2-아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란
무기계 착색안료 10중량% 활석(TALC)
축광안료 5중량% 유로퓸 이온을 활성화시킨 스트론튬알루마트(SrAl2O4)
체질안료 10중량% 무기형안료
항균제 1중량% 은계 무기항균제
분산제 0.2중량% 폴리카르본산계
소포제 0.25중량% 불소실리콘(폴리실록산의 용액)
크랙방지제 0.5중량% 슬포숙신산 에스테르염 이염기계
물 33.05중량%
합계 100중량%
알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110)가 도포된 콘크리트 구조물(100)의 시공면에 상기 표 5에 기재된 조성을 갖는 실란계 중도 칼라 코팅제(120)를 도포한다. 그리고, 상기 실란계 중도 칼라 코팅제(120)가 도포된 시공면에 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 개질된 아크릴 수지를 함유하는 메틸실록산계 상도 코팅제(130)를 도포한 후 양생한다.
이상과 같이 세척이 완료된 콘크리트 구조물(100)의 시공면에 본 발명에 따른 알칼리 회복 접착 강화 프라이머(110), 실란계 중도 칼라 코팅제(120) 및 메틸실록산계 상도 코팅제(130)를 순차적으로 도포한 후 양생한 콘크리트 구조물(100)에 대해 평가한 결과는 하기의 표 6과 같다.
항목 특성 시험방법
Flash Point > 90 ASTM D 3728, SETA
VOC content(g/L) < 350 EPA method 24
물 흡수력(%) 48시간 0.42 ASTM C 642
50일 1.2
Scaling resistance rating(%) 0 ~ no scaling ASTM C 672
염화물에 대한 저항성 흡수율(%) 13mm에서 1.5기준 < 0.31 AASHTO T 259 & T 260
25mm에서 0.75기준 0.00
물중량 감소비(%) 85 - 기준이상임 NCHRP 244
Series Ⅱ - cube test
염화물 흡수 감소비(%) 99 - 기준이상임 NCHRP 244
Series Ⅱ - cube test
물 방출력(%) 초기 89 Alberta Transportation & Utilities procedure - Type 1b
Post-abrasion performance 89.4
상기 표 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실란계 중도 칼라 코팅제(120)와 메틸실록산계 상도 코팅제(130)는 기존 및 신규 콘크리트 구조물의 표면에 도포되어 콘크리트에 깊게 침투(평균 6.1mm)하는 친환경의 수용성 침투성 발수 오염방지 코팅제로서, 콘크리트 구조물 내부로의 수분 침투와 동결 융해작용을 방지할 뿐만 아니라 염화물(염소이온)의 침투도 방지하는 한편, 통기성이 있으므로 내부의 수분이 증기로 배출되어 코팅 면의 표면을 보호할 수 있다. 또한, 중성화 방지 성능, 내화학성, 방청성, 방수성, 항균성, 내염성, 유해가스 저항성 등을 개선시켜 콘크리트 구조물의 지속적인 열화현상을 방지하고 내구성을 향상시켜주며 우수한 방수성능으로 인해 이끼류, 오염방지 및 백화현상 등을 막아줄 수 있다.
또한, 이상과 같은 본 발명에 따른 복합 코팅 공법이 적용된 콘크리트 구조물 표면의 코팅층에 대해 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.
항목 단위 규격 시험방법 시험결과
도막 형성 후의 겉모양 표준 양생 후
-
 주름, 잔갈림, 핀홀, 변형 및 벗겨짐이 생기지 않을 것 KS F 4936 이상없음
내알칼리성 시험 후
내염수성 시험 후
중성화 깊이 mm 1.0 이하 KS F 4936 0.79
염화물 이온 침투 저항성 Coulombs 1,000 이하 KS F 4936 895
투습도 g/㎡.day 50.0 이하 KS F 4936 32
내투수성 - 투수되지 않을 것 KS F 4936 이상없음
부착
강도		 표준 양생 후 N/㎟ 1.0 이상 KS F 4936 1.74
온/냉 반복 시험 후
균열 대응성(20℃) - 잔갈림 침 파단되지 않을 것 KS F 4936 이상없음
내세척성 회 1,000 이상 KS M 5000-2009 이상없음
내오염성 - LH전문시방서
(32700)		 이상없음
상기 표 7에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 코팅 공법이 적용된 콘크리트 구조물 표면의 코팅층은 콘크리트 구조물에 높은 부착력으로 염화물등 유해물 침투저항성이 우수하고, 중성화에 대한 저항성이 우수하며, 유해화학성분 저항성 우수하고, 통기성 및 방수성이 우수(구조체 내부의 수분이 외부로 증발하여 팽창압력이 동일)함을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 복합 코팅 공법이 적용된 콘크리트 구조물을 나타낸 사진이다.
녹색 색상의 실란계 중도 칼라 코팅제(120)로 안전선을 표시하고 메틸실록산계 상도 코팅제(130)를 도포하여 양생한 도로의 중앙분리대(도 3a)와, 실란계 중도 칼라 코팅제(120)로 벽화를 그리고 메틸실록산계 상도 코팅제(130)를 도포하여 양생한 터널 내벽(도 3b)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 코팅 공법을 적용하면, 기존의 칼라 코팅제를 도포 및 양생한 경우에 비하여 색상의 선명성이 뛰어나 일몰 시에도 시인성이 높은 콘크리트 구조물의 표면 코팅을 구현할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 콘크리트 구조물
110 : 알칼리 회복 접착 강화 프라이머
120 : 실란계 중도 칼라 코팅제
130: 메틸실록산계 상도 코팅제

Claims (10)

  1. 콘크리트 구조물의 시공면을 세척하는 단계;
    상기 시공면에 알칼리 회복 접착 강화 프라이머를 도포하는 단계;
    상기 알칼리 회복 접착 강화 프라이머가 도포된 시공면에 실란계 중도 칼라 코팅제를 도포하는 단계;
    상기 실란계 중도 칼라 코팅제가 코팅된 시공면에 메틸실록산계 상도 코팅제를 도포하는 단계; 및
    상기 메틸실록산계 상도 코팅제가 도포된 시공면을 양생하는 단계를 포함하고,
    상기 실란계 중도 칼라 코팅제는 알킬알콕시실란(alkylalkoxysilane)과 아크릴 수지가 혼합된 실란계 수지 32 ~ 48중량%, 착색안료 8 ~ 12중량%, 축광안료 3 ~ 7중량%, 체질안료 8 ~ 12중량%, 항균제 0.5 ~ 1중량%, 분산제 0.1 ~ 0.2중량%, 소포제 0.2 ~ 0.3중량%, 크랙방지제 0.5 ~ 1.5중량% 및 잔부는 물로 구성되는 것을 특징으로 하는, 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 시공면에 알칼리 회복 접착 강화 프라이머를 도포하는 단계 이전에 바탕조정제를 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 알킬알콕시실란은 트리알콕시-모노알킬 실란인 것을 특징으로 하는, 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 트리알콕시-모노알킬 실란은 아미노프로필트리메톡시실란 (aminopropytrimethoxysilane), 아미노프로필트리에톡시실란 (aminopropytri ethoxysilane), 글리시독시프로필트리메톡시실란 (glycidoxypropyltrimethoxysilane), 글리시독시프로필트리에톡시실란 (glycidoxypropyltriethoxysilane), 이소시아나토프로필트리메톡시실란 (isocyanatopropyltrimethoxysilane), 이소시아나토프로필트리에톡시실란 (isocyanatopropyltriethoxysilane), 메르캅토프로필트리메톡시실란 (mercaptopropyltrimethoxysilane), 메르캅토프로필트리에톡시실란 (mercaptopropyltriethoxysilane) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 알킬알콕시실란을 혼합한 것을 특징으로 하는, 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법.
  6. 삭제
  7. 청구항 5항에 있어서,
    상기 메틸실록산계 상도 코팅제는 실록산계 화합물에 의해 개질된 아크릴 수지를 함유하는 것을 특징으로 하는, 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 실록산계 화합물은 폴리디메틸실록산인 것을 특징으로 하는, 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 알칼리 회복 접착 강화 프라이머는 폴리실란(Polysilane)을 함유하는 것을 특징으로 하는, 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 알칼리 회복 접착 강화 프라이머는,
    리튬 실리케이트(Lithium silicate) 10 ~ 20중량%, 나트륨 실리케이트(Sodium silicate) 10 ~ 15중량%, 폴리실란 5 ~ 10중량% 및 잔부는 물로 구성되는 것을 특징으로 하는, 침투성 나노-실란계 코팅제를 이용한 콘크리트 구조물 내구성능 개선을 위한 복합 코팅 공법.
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