KR101838528B1 - 토목구조물 유간(아스팔트, 콘크리트)에 사용되는 탄성력과 내구성이 뛰어난 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트 및 시공방법 - Google Patents

토목구조물 유간(아스팔트, 콘크리트)에 사용되는 탄성력과 내구성이 뛰어난 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트 및 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 천연 폴리올을 포함하는 주제, 및 경화제를 포함하는, 탄성 우레탄 수지 18~22 중량%; 및 충진재 78~82 중량%를 포함하며, 상기 천연 폴리올은 피마자유 29~35 중량%, 대두유 16~19 중량%, 코코넛산 9~12 중량%, 검 로진 9~11 중량, C12-14 알킬 글리시딜 에테르 25~27 중량% 및 과산화수소수 1.5~3.0 중량%를 포함하는 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트 및 이를 이용한 시공방법에 관한 것이다.

Description

토목구조물 유간(아스팔트, 콘크리트)에 사용되는 탄성력과 내구성이 뛰어난 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트 및 시공방법{NATURAL POLYOL-ORGANIC/INORGANIC HYBRID COMPOSITE CONCRETE WITH EXCELLENT ELASTICITY AND DURABILITY USED IN JOINT GAP (ASPHALT, CONCRETE) OF CIVIL ENGINEERING STRUCTURE AND CONSTRUCTION METHOD USIN THE SAME}
본 발명은 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트 및 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 콘크리트 구조물에서 온도 변화에 따른 콘크리트의 수축 팽창을 보상하는 교량이나 지하 차도의 신축 이음 부위의 신축이나 보수, 또한, 콘크리트의 부분적 탈락 부분 등의 보수에 사용하기 위한, 경화 속도가 빠르고, 작업성이 우수하며, 탄성력을 가지고 있어 충격 및 마모에 대한 저항성이 우수한 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트 및 시공방법에 관한 것이다.
교량이나 지하 차도의 주행 아스팔트 포장면 하부에 위치하는 콘크리트는 온도 변화나 진동에 의한 응력에 의해 수축 및 팽창을 반복하게 되며, 이에 따라 아스팔트 포장면까지 균열이 발생하여 이차적인 손상을 유발하게 된다.
이러한 문제에 대처하기 위하여 교량이나 지하 차도 등에는 소정 거리마다 신축 장치가 설치되고 있다. 그러나, 신축 장치를 비롯한 콘크리트 신축 이음 부위 등은 외부 충격 등에 의해 쉽게 파손되며, 이외에도 고속도로, 활주로, 교량 등에 적용된 콘크리트는 다양한 외부 요인에 의해 부분적 탈락이 일어나는 등 파손의 문제를 갖고 있다. 이와 같은 콘크리트 이음 부위나 부분적인 탈락에 있어서 파손 부위의 보수를 위해서는 교통을 빠른 시간 내에 개방하여야 하는 점을 고려하여, 경화 속도가 빠른 초속경 시멘트를 이용한 모르타르나 콘크리트, 또는 에폭시 수지나 메틸메타크릴레이트(MMA) 수지를 이용한 모르타르를 이용하고 있다.
그러나, 초속경 시멘트를 이용한 모르타르나 콘크리트, 또는 에폭시 수지나 메틸메타크릴레이트(MMA) 수지를 이용한 모르타르를 사용하여 신축 장치를 고정하거나 이음 부위를 보수할 경우, 탄성력을 가지고 있지 않아 차량에 의한 하중이나, 진동 또는 충격 등에 의해 쉽게 다시 파손된다. 특히, 연결 부위에 근접되어 있는 기존 아스팔트와 보수된 초속경 시멘트를 이용한 콘크리트 또는 에폭시 모르타르에 있어서, 보수에 이용된 재료는 강도 등은 우수하나 탄성이 없고 아스팔트와 열팽창계수의 차이가 커 보수 부위 주변에서 취성(brittleness)이 약한 아스팔트가 먼저 파손되게 된다. 아스팔트가 파손되면, 파손된 아스팔트와 하부 콘크리트 층간에 물이 스며들게 되고, 물에 약한 아스팔트가 계속적으로 분리되어 탈락되는 현상이 발생한다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 신축 장치의 고정이나 콘크리트 보수에 이용되는 탄성을 갖는 모르타르 개발이 요구되어 왔다.
특허문헌 1은 탄성혼합물 100중량부 기준으로, 경화혼합물 80 내지 100중량부; 납화합물 0.1 내지 3중량부; 카본블랙 1 내지 5중량부; 소포제 0.05 내지 3중량부; 골재 30 내지 1,000중량부; 충진제 10 내지 30중량부; 분리방지제 1 내지 10중량부; 가소제 0.5 내지 5중량부; 유동화제 0.1 내지 5중량부; 및 세라믹 결합제 3 내지 8중량부를 포함하는 탄성 모르타르 조성물 및 이를 이용한 시공방법을 개시하고 있다.
특허문헌 2는 (A) 아이소사이아네이트, 폴리올, 및 첨가제의 혼합물 10 내지 20 중량부, (B) 충전재 5 내지 15 중량부, 및 (C) 골재 65 내지 85중량부를 포함하는 폴리우레탄 수지 모르타르로서, ASTM D 695에 따른 방법으로 5%의 하중 조건하에 측정한 변형 회복도가 70% 이상인 탄성회복성능을 갖는 것을 특징으로 하는 폴리우레탄 수지 모르타르를 개시하고 있다.
그러나, 특허문헌 1 및 2에 개시된 탄성을 갖는 모르타르 조성물은 보수용 모르타르 조성물에 요구되는 제반 특성을 충분한 정도로 충족시키지 못할 뿐 아니라, 폴리에테르 폴리올, 폴리에스테르 폴리올과 같은 합성 폴리올 단독, 또는 합성 혼합 폴리올을 이용하는 것으로, 환경친화적 측면에서 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 최근 산업 전반적인 분야에서 환경 오염을 감소시키고, 에너지 사용량 및 이산화탄소 발생량을 저감시키기 위한 각종 방안들이 주목받고 있으며, 특히 사람과의 노출 빈도가 많은 도로, 교량, 토목구조물 등에 다양하게 사용되는 보수용 모르타르 조성물에 있어서 환경친화성을 높이는 것이 중요시되고 있다.
이에, 토목구조물 보수에 요구되는 다양한 특성을 충분하게 확보할 수 있으면서 동시에 환경친화성을 높일 수 있는 탄성콘크리트 개발에 대한 요구가 여전히 존재한다.
특허문헌 1: 대한민국 등록특허 제10-1512966호(2015.04.21.) 특허문헌 2: 대한민국 등록특허 제10-655227호(2006.12.08.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 교량, 지하 차도, 도로 등에 있어서 일정 간격에 일정 크기로 설치된 신축 이음부나 콘크리트의 부분적 탈락 부위 보수에 사용되어 온도 변화에 의해 반복되는 수축, 팽창, 압축, 인장을 흡수하고, 진동 및 활하중에 대한 대응력을 높일 수 있으며, 속경성, 시공성, 탄성력, 내마모성 및 내구성이 우수하고, 충격에 대한 저항성이 우수하며 환경친화적인 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트 및 시공방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 천연 폴리올을 포함하는 주제, 및 경화제를 포함하는, 탄성 우레탄 수지 18~22 중량%; 및 충진재 78~82 중량%를 포함하며, 상기 천연 폴리올은 피마자유 29~35 중량%, 대두유 16~19 중량%, 코코넛산 9~12 중량%, 검 로진 9~11 중량, C12-14 알킬 글리시딜 에테르 25~27 중량% 및 과산화수소수 1.5~3.0 중량%를 포함하는 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 제공한다.
또한, 본 발명이 다른 일 실시예는 연결 장치 주변의 콘크리트를 절단하는 공정; 절단 부위를 파쇄하는 공정; 절단 부위에 거푸집을 설치하는 공정; 절단 부위에서 이물질 또는 수분을 제거하고, 절단면에 접착 증강제를 도포하는 공정; 상기 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 타설하는 공정; 및 상기 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 양생한 후, 거푸집을 제거하는 공정을 포함하는 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 이용한 시공방법을 제공한다.
본 발명에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 유동성이 우수하여 작고 좁은 공간에도 쉽게 충진될 수 있으며, 시공성이 우수하여 신축 이음 부위의 연결 장치의 고정이나 보수, 콘크리트 구조물의 부분적 탈락 부위 보수 등에 유용하게 적용될 수 있고, 속경성으로 조기에 교통 개방이 가능하여 효율적이다.
또한, 본 발명에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 우수한 탄성력을 가지고 있어 온도 변화에 의해 반복되는 수축, 팽창, 압축, 인장을 흡수하고, 진동 및 활하중에 대한 대응력을 높일 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 내마모성이 높고, 계면박리를 일으키지 않는 우수한 내구성을 가지고 있어 신축 이음 부위가 있는 콘크리트 구조물 등의 토목구조물에 적용되어 토목구조물의 물성을 효과적으로 보완하고 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 천연 폴리올을 사용함으로써 화석 연료의 소비를 감소시키고 이산화탄소 발생량을 저감시킬 수 있어 환경친화성을 높일 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트에 대한 압축강도 및 변형회복도 시험에 있어서 하중을 받은 부위에 발생한 변형을 나타내는 사진이고, 도 1b는 하중을 제거한 후 변형이 회복된 상태를 나타내는 사진이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트에 대한 유동성 시험에 사용된 몰드를 나타내는 사진이고, 도 2b는 몰드를 위로 들어 제거한 경우 이 몰드에 주입된 탄성콘크리트가 수평으로 퍼져 직경이 증가한 형태를 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트에 대한 압축강도 및 변형회복도 시험에 있어서, 시험을 완료한 시료를 횡단면 방향으로 절단하여 페이스트와 골재의 분리 성상을 관찰한 사진이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 이용하여 교량 구조물의 이음장치를 고정하기 위한 시공 전 사진이고, 도 4b는 시공 후 사진이다.
도 5a 및 5b는 신축 이음 부위에 시공된 콘크리트가 부분적으로 탈락되어 파손된 상태를 나타내는 사진이고, 도 5c 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 이용한 부분적 탈락 부위를 보수한 상태를 나타내는 사진이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예는 초속경 시멘트를 사용하여 만든 초속경 콘크리트, 에폭 또는 MMA 모르타르의 단점을 보완하여, 우수한 물리적 특성을 유지하면서 동시에 우수한 탄성력 및 내구성을 가져 콘크리트 구조물의 신축 이음 부위의 고정이나 부분적 탈락 부위의 보수 등에 효율적으로 적용될 수 있는 친환경적인 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 천연 폴리올을 포함하는 주제, 및 경화제를 포함하는, 탄성 우레탄 수지 18~22 중량%; 및 충진재 78~82 중량%를 포함할 수 있으며, 상기 천연 폴리올은 피마자유 29~35 중량%, 대두유 16~19 중량%, 코코넛산 9~12 중량%, 검 로진 9~11 중량, C12-14 알킬 글리시딜 에테르 25~27 중량% 및 과산화수소수 1.5~3.0 중량%로부터 형성될 수 있다.
천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트에 포함되는 탄성 우레탄 수지는 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트에 있어서 결합제의 역할을 하는 것이다.
탄성 우레탄 수지의 함량은 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트 총 중량을 기준으로 18~22 중량%일 수 있다. 탄성 우레탄 수지의 함량이 18 중량% 미만인 경우에는 유동성이 떨어져 작업성이 저하되고 탄성 회복력도 저하되며 강도가 충분히 확보되지 않는 문제가 있으며, 22 중량%를 초과하는 경우에는 유동성이 지나치게 증가하여 콘크리트 성형이 어려워지며, 경화 상태에서 하중이 가해지는 경우 변형의 정도가 크게 나타난다.
탄성 우레탄 수지는 천연 폴리올을 포함하는 주제; 및 경화제를 포함할 수 있다.
본 실시예에 사용되는 천연 폴리올은 천연 재료를 원료로 하여 제조된 바이오 폴리올로서, 합성 폴리올 사용에 비하여 온실 가스 발생을 저감시킬 수 있는 환경친화적인 결합제이다. 천연 폴리올을 이루는 천연 재료로는 식물성 천연 수지를 예로 들 수 있으며, 이러한 천연 수지는 글리세롤 1 분자에 3개의 지방산이 결합된 트리글리세라이드로 이루어진다. 천연 폴리올은 분자량과 평균 하이드록실기 함유량에 따라 점도에 있어서 차이를 갖는다. 즉, 높은 분자량과 하이드록실기 함유량을 갖는 폴리올일수록 점도가 더 높다.
본 실시예에서, 천연 폴리올은 하이드록실기를 갖는 피마자유와 하이드록실기를 갖지 않는 대두유를 주원료로 하여 형성될 수 있다.
피마자유를 구성하는 지방산의 90%는 C12와 탄소-탄소 이중 결합의 하이드록실기를 갖는 리시놀산(ricinoleic acid)이다. 이와 같이 피마자유는 하이드록실기를 갖고 있으므로 직접 천연 폴리올로 이용될 수 있으며, 추가적으로 더 많은 하이드록실기를 결합시켜 천연 폴리올로 이용될 수 있다.
대두유는 피마자유와 같은 탄소-탄소 이중 결합을 갖지만 하이드록실기를 갖고 있지는 않다. 따라서, 대두유를 비롯한 식물성 수지는 천연 폴리올로 사용되기 위하여 하이드록실기를 결합시켜야 한다.
피마자유 및 대두유에 대하여 다양한 방법에 의해 지방산 탄소 체인에 하이드록실기를 결합시킬 수 있는데, 예를 들면, 탄소-탄소 이중 결합을 산화시키고, 에폭시화한 후, 무기산으로 개화 반응시킴으로써 천연 폴리올로 형성될 수 있으며, 알킬 글리시딜 에테르로 더 많은 하이드록실기를 결합시킬 수 있다.
일 실시예에서, 천연 폴리올은 피마자유 29~35 중량%, 대두유 16~19 중량%, 코코넛산 9~12 중량%, 검 로진 9~11 중량, C12-14 알킬 글리시딜 에테르 25~27 중량% 및 과산화수소수 1.5~3.0 중량%를 이용하여, 이들 재료를 혼합 및 혼련시켜 제조될 수 있다.
상기 실시예에서 천연 폴리올 제조에 이용되는 각각의 구성성분 및 함량은 쳔연 폴리올의 물성 및 효과를 최대화시킬 수 있는 측면을 고려하여 설정된 것이다.
천연 폴리올의 제조에 이용될 수 있는 구체적인 방법은 당업계에 널리 공지되어 있으며, 공정 조건 및 환경 등을 고려하여 공지된 방법 중 적절한 방법을 선택하여 제조할 수 있다.
이와 같이 형성된 천연 폴리올을 이용하여 형성된 재료는 합성 폴리올을 이용하여 형성된 재료보다 반응성은 낮으나 열안정성과 내산화성이 우수한 특징을 갖는다. 이는, 천연 폴리올이 석유계 합성 폴리올에 비하여 탄화수소 함량이 높기 때문이다. 즉, 천연 폴리올은 탄화수소 함량이 높으므로 큰 분자량을 가질 수 있고, 분자량이 큰 경우 분자 안정성이 커질 수 있다.
천연 폴리올은, 주제 총 중량을 기준으로, 60~65 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 천연 폴리올의 함량이 60 중량% 미만인 경우에는 주제를 이루는 천연 폴리올 수지의 함량이 적어 탄성이나 강도 등 물성 저하를 초래하며, 65 중량%를 초과하는 경우에는 수지의 함량이 많아 강도가 저하되며 유동성이 증가하여 시공시 흐름이 발생한다.
일 실시예에서, 천연 폴리올을 포함하는 주제는, 가소제, 가교제, 경화 촉진제, 수분 흡수제 및 착색제로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상을 더 포함할 수 있다.
가소제는 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트의 유연성을 증가시키고, 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 이용될 수 있는 가소제는 디옥틸프탈레이트(DOP), 디옥틸아디페이트(DOA) 및 트리크레실포스페이트(TCP)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
가소제의 함량은, 천연 폴리올을 포함하는 주제 총 중량을 기준으로, 13~15 중량%일 수 있다. 가소제의 함량이 13 중량% 미만인 경우에는 탄성 우레탄 수지의 가소성 및 기계적 물성 향상 효과가 충분치 못할 수 있고, 15 중량%를 초과하는 경우에는 오히려 탄성 우레탄 수지의 물성을 저하시킬 우려가 있다.
가교제는 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트에 있어서 가교 결합을 향상시켜 기계적 강도를 높일 수 있다.
본 실시예에 이용될 수 있는 가교제는 아지리딘 가교제를 포함할 수 있으며, Crosslinker CL-427(제조사 Menadiona)를 예로 들 수 있다.
가교제의 함량은, 천연 폴리올을 포함하는 주제 총 중량을 기준으로, 13~15 중량%일 수 있다. 가교제의 함량이 13 중량% 미만인 경우에는 탄성 우레탄 수지의 점력이 낮아지게 되며, 양생이나 경화가 늦어지고 강도가 낮아지며, 15 중량%를 초과하는 경우에는 탄성 우레탄 수지의 점력이 지나치게 상승하여 혼합성이 낮아지며, 양생 및 경화 속도가 빨라져 작업성이 저하된다.
경화 촉진제는 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트의 경화를 더욱 촉진시킬 수 있다.
본 실시예에 이용될 수 있는 경화 촉진제는, 탄성콘크리트의 경화를 촉진시킬 수 있는 당업계에 공지된 경화 촉진제로부터 적절하게 선택하여 이용할 수 있으며, CYTEC사의 Conacure AH-40 또는 Beyond Industries Limited의 Baytec 1604를 예로 들 수 있다.
경화 촉진제의 함량은, 천연 폴리올을 포함하는 주제 총 중량을 기준으로, 2~5 중량%일 수 있다. 경화 촉진제의 함량이 2 중량% 미만인 경우에는 탄성콘크리트의 경화 속도가 다소 늦어져 차량 통행 기간이 지연될 수 있으며, 5 중량%를 초과하는 경우에는 탄성콘크리트의 경화 속도가 빨라져 작업성이 저하될 수 있다.
수분 흡수제는 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트에 있어서 수분을 흡수하여 제거할 수 있다.
본 실시예에 이용될 수 있는 수분 흡수제는 탄성콘크리트의 수분을 흡수 및 제거할 수 있는 당업계에 공지된 수분흡수제로부터 적절하게 선택하여 이용할 수 있으며, 앵거스 케미칼사의 졸딘 MS-플러스를 예로 들 수 있다.
수분 흡수제의 함량은, 천연 폴리올을 포함하는 주제 총 중량을 기준으로, 1.0~2.0 중량%일 수 있다. 수분 흡수제의 함량이 1.0 중량% 미만인 경우에는 재료에 수분이 잔류하여 팽창하게 되어 부피와 강도 등을 적절하게 맞추기 어렵고, 2.0 중량%를 초과하는 경우에는 생산 가격이 상승한다.
착색제는 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트에 원하는 색상을 부여할 수 있다.
본 실시예에 이용될 수 있는 착색제는 카본 블랙을 포함할 수 있다.
착색제의 함량은, 천연 폴리올을 포함하는 주제 총 중량을 기준으로, 3.0~5.0 중량%일 수 있다. 착색제의 함량은 탄성콘크리트의 물성에 직접적인 영향을 미치지는 않으나, 착색제의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 색상이 기존 아스팔트와 차이가 있게 된다.
천연 폴리올을 이용한 주제를 경화시키기 위한 경화제는 이소시아네이트 경화제를 포함할 수 있다. 이소시아네이트 경화제는 톨루엔 디이소시아네이트(TDI), 메틸 디페닐 디이소시아네이트(MDI), 나프탈렌 디이소시아네이트(NDI), 톨루이딘 디이소시아네이트(TOD), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 자일렌 디이소시아네이트(XDI), 또는 그 조합을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 TDI 또는 MDI를 이용할 수 있다. 구체적인 예는, 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(제조사: BASF)를 포함할 수 있다.
탄성 우레탄 수지 총 중량을 기준으로, 천연 폴리올을 포함하는 주제는 65~75 중량%, 경화제는 25~35 중량% 포함될 수 있다.
천연 폴리올을 포함하는 주제의 함량이 65 중량% 미만이고, 경화제의 함량이 35 중량%를 초과하는 경우에는 경화 속도가 다소 빠르게 나타나고 탄성콘크리트의 강도가 저하되며, 천연 폴리올을 포함하는 주제의 함량이 75 중량%를 초과하고, 경화제의 함량이 25 중량% 미만인 경우에는 경화가 늦어지며 탄성콘크리트에 존재하는 미반응 주제로 인하여 강도가 저하된다.
천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트에 포함되는 충진재는 결합제인 탄성 우레탄 수지와 결합되는 골재의 역할을 할 수 있다.
본 실시예에 이용되는 충진재는 백운사, 글라스 비드, 장석, 소석회 및 합성 제올라이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 충진재는, 충진재 총 중량을 기준으로, 40~47 중량%의 백운사, 35~40 중량%의 글라스 비드, 10~15 중량%의 장석, 4~6 중량%의 소석회 및 1~2 중량%의 합성 제올라이트를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 이와 같이 특정하게 구성된 충진재를 이용함으로써 천연 폴리올을 이용하는 탄성 우레탄 수지의 탄성 복원력, 유동성 및 작업성을 유지 및 최적화시킬 수 있으며, 기계적 강도를 발현할 수 있다.
예를 들어, 백운사 및 글라스 비드는 다른 무기 골재에 비하여 흡유율이 낮아 적절한 유동성 및 작업성 확보에 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 유동성이 우수하여 시공되는 신축 이음 부위 등에 균일하게 충전될 수 있고, 경화된 후 콘크리트나 아스팔트와의 부착성, 내충격성, 내마모성이 우수하고, 속경성이므로 교통 개방이 단시간 내에 이루어질 있고, 우수한 탄성회복 성능 및 강도를 가지므로 온도 변화나 진동에 의한 파손 발생을 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 변형회복도가 70%이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 교량이나 지하 차도 등에 설치된 연결 장치를 고정하거나, 신축 이음부 또는 콘크리트 구조물의 부분적 탈락 부위를 보수하는데 효과적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 이용한 시공방법은 연결 장치 주변의 콘크리트를 절단하는 공정; 절단 부위를 파쇄하는 공정; 절단 부위에 거푸집을 설치하는 공정; 절단 부위에서 이물질 또는 수분을 제거하고, 절단면에 접착 증강제를 도포하는 공정; 본 발명의 일 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 타설하는 공정; 및 상기 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 양생한 후, 거푸집을 제거하는 공정을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 접착 증강제는 에폭시계 수용성 접착 증강제를 포함할 수 있다.
접착 증강제는 0.2~0.4 kg/㎡의 양으로 도포될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 이용한 시공방법에 따르면, 교량이나 차도 등의 신축 이음부의 신설이나 보수, 또한 콘크리트 구조물의 부분적 탈락 부위의 보수에 적용되어, 탄성력과 강도를 함께 발현할 수 있어, 온도 변화에 의해 반복되는 수축, 팽창, 압축, 인장을 흡수하고, 진동 및 활하중에 대한 대응력을 높일 수 있으며, 우수한 내구성 및 내마모성을 발휘할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
1. 탄성 우레탄 수지의 제조
(1) 천연 폴리올 함유 주제의 제조
하기 표 1에 기재된 함량비에 따라 각 성분을 혼합함으로써 상기 (1)에서 제조된 천연 폴리올을 함유하는 주제를 제조하였다.
구성 성분 함량(중량%)
천연 폴리올 63.2
가소제 14.4
가교제 14.0
경화 촉진제 3.4
수분 흡수제 1.5
착색제 3.5
상기 표 1에서 이용된 각각의 구성 성분은 다음과 같다.
- 천연 폴리올: 피마자유 34.6 중량%, 대두유 17.7 중량%, 코코넛산 10.1 중량%, 검 로진 9.1 중량%, C12-14 알킬 글리시딜 에테르 27 중량% 및 과산화수소수 1.5 중량%로 이루어진 천연 폴리올(직접 주문에 의해 공급처: S.E.A Chemical로부터 수입함)
- 가소제: 디옥틸 프탈레이트(DOP)(공급처: 대진케미칼(주))
- 가교제: Crosslinker CL-427(제조사 Menadiona)
- 경화 촉진제: Conacure AH-40(공급처: CYTEC), Baytec 1604(공급처: Beyond Industries Limited)
- 수분 흡수제: ZOLDIN MS-PLUS(공급처: ANGUS Chemical)
- 착색제: 카본블랙(공급처: 태성안료)
(2) 탄성 우레탄 수지의 제조
상기 (1)에서 제조된 천연 폴리올 함유 주제 68.4 중량% 및 경화제 31.6 중량%를 혼합함으로써 탄성 우레탄 수지를 제조하였다. 경화제로는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI: 제조사 BASF)를 사용하였다.
2. 충진재 제조
하기 표 2에 기재된 함량비에 따라 각 구성 성분을 혼합함으로써 충진재를 제조하였다.
구성 성분 함량비(중량%)
백운사 45
글라스 비드 36.2
장석 13.6
소석회 4.0
합성 제올라이트 1.2
상기 표 2에서 이용된 각각의 구성 성분은 다음과 같다.
- 백운사: #4호사, #5호사(공급처: 진성소재)
- 글라스 비드: 직경 1.2 mm 이하(공급처: (주)바이넥스)
- 장석: #200 메시(공급처: 조은소재)
- 소석회: 소석회 1급(공급처: 충무화학)
- 합성 제올라이트: JST-MSP(공급처: (주)지심테크)
3. 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트 제조
상기 1에서 제조된 탄성 우레탄 수지 및 상기 2에서 제조된 충진재를 하기 표 3에 기재된 함량비에 따라 혼합함으로써 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 제조하였다.
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 2
탄성 우레탄 수지(중량%) 16 18 20 22 24
충진재
(중량%)		 84 82 80 78 76
4. 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트에 대한 물성 시험
상기에서 제조된 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 및 2의 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트의 물성 평가를 위하여 하기 시험들을 수행하였다.
(1) 시험방법
1) 압축강도
4 ㎝ × 4 ㎝ × 16 ㎝ 몰드를 이용하여 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 및 2의 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트로 시편을 제작하고, 23℃에서 양생한 후 재령 5시간 및 3일째에 KSF 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 모르타르)에 의해 압축강도를 측정하였다.
2) 변형회복도
4 ㎝ × 4 ㎝ × 16 ㎝ 몰드를 이용하여 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 및 2의 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트로 시편을 제작하고, 23℃에서 양생한 후 재령 3일째에 KSF 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 모르타르)에 압축강도 측정을 위해 가해진 하중값의 변화가 없는 지점에서 하중을 제거하고, 시편의 변형이 안정된 후 변형된 높이를 측정하였다. 변형회복도는 하기 식에 따라 구하였다. 하기 식에서 초기 시편의 높이는 4 cm이다.
Figure 112017085727113-pat00001
3) 유동성
평평한 유리판상에서, 도 2a와 같은 직경 30 mm, 높이 50 mm의 원형통 몰드에 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 및 2의 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 채우고, 원형통 몰드를 위로 들어 제거한 후, 탄성콘크리트가 자연적으로 퍼지게 되면, 퍼진 형태의 너비를 측정하였다.
4) 골재의 분리
압축강도 측정 및 변형회복 시험을 완료한 시료를 횡단면 방향으로 절단하여 페이스트와 골재의 분리 성상을 육안으로 관찰하였다.
5) 응결시간
응결시험은 KSL 5207에 따라 수행되었으며, 상부 직경 75±3 mm, 하부직경 85±3 mm, 높이 40±0.5 mm의 몰드에 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 및 2의 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 주입한 후 종결침을 낙하시켰다. 탄성콘크리트 표면에 종결침을 낙하시켜도 내부로 삽입되지 않고 표면에 흔적이 남지 않는 시간을 응결시간으로 결정하였다.
(2) 시험결과
하기 표 4 및 도 1 내지 도 3에 각각의 시험결과를 나타낸다.
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 2
유동성(mm) 74 82 86 93 113
골재 분리 없음 없음 없음 없음 약간 발생
압축강도
(N/㎟)		 5시간 8.5 11.3 12.1 11.3 9.7
3일 11.5 14.8 16.7 17.4 13.2
변형회복도(%)-3일 파손 72.1 76.7 80.3 파손
응결시간(분) 67 48 42 42 59
도 1a는 압축강도 및 변형회복도 시험에 있어서 하중을 받은 부위에 발생한 변형을 나타내는 사진이다. 이후, 하중을 제거한 경우 실시예 1 내지 3의 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 탄성력에 의해 변형이 회복되었으며, 도 1b는 원형 표시선 내에 변형이 회복된 상태를 나타낸다. 반면, 비교예 1 및 2의 경우 하중을 받은 부위가 변형 후 회복되지 못하고 파손되었다.
도 2a는 유동성 측정에 사용된 직경 30 mm, 높이 50 mm의 원형통 몰드를 나타내며, 도 2b는 몰드를 위로 들어 제거한 경우, 이 몰드에 주입된 직경 30 mm의 탄성콘크리트가 수평으로 퍼져 직경이 증가한 형태를 나타낸다. 실시예 1 내지 3의 경우 직경이 80 mm 이상으로 크게 증가한 반면, 비교예 1의 경우 실시예 1 내지 3에 비하여 유동성 증가가 크지 않았으며, 비교예 2의 경우 유동성이 지나치게 증가하여 성형이 어려울 수 있음을 확인할 수 있다.
도 3은 압축강도 측정 및 변형회복 시험을 완료한 시료를 횡단면 방향으로 절단하여 페이스트와 골재의 분리 성상을 관찰한 사진이다. 실시예 1 내지 3의 경우 골재가 분리되지 않고 균일하게 분포하고 있음을 확인할 수 있다.
5. 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트의 시공 시험
실시예 1 내지 3에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 신축 이음 부위가 있는 콘크리트 구조물, 예를 들어 교량 구조물의 비-앵커형 강철제 이음장치를 고정하기 위해 이음장치와 주변 콘크리트 연결부위에 시공하였다.
먼저, 신축 이음부 주변의 콘크리트 면을 커터를 이용하여 절단하고, 파쇄기를 이용하여 절단 부위 콘크리트를 파쇄한 후, 파쇄된 콘크리트를 제거하고 청결하게 한 후, 신축 이음장치와 콘크리트 주변부에 탄성콘크리트를 도입하기 위해 절단부 끝부분에 탄성콘크리트가 흘러내려가지 않도록 거푸집을 설치하였다. 절단된 콘크리트면에 접착 증강제를 도포하였다.
접착 증강제 적용은, 절단면 절단시 물을 사용하게 되어 수분을 함유하고 있으므로 수분 함량이 8% 이하가 되도록 건조시킨 후 적용하거나, 또는 콘크리트가 함수하고 있는 경우에 우수한 부착력을 발휘하는 수용성 접착 증강제를 적용하는 방법이 있다. 접착 증강제의 사용량은 0.2~0.4 kg/㎡ 정도가 바람직할 수 있다.
이어서, 도포한 접착 증강제의 표면이 손으로 만졌을 때 끈적거리면 실시예에 따른 탄성콘크리트를 혼련하여 거푸집내로 타설하였다. 양생이 끝난 후, 거푸집을 제거하였다.
도 4a는 시공전 사진이고, 도 4b는 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 시공한 후의 사진이다.
또한, 실시예 1 내지 3에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 콘크리트 구조물에 있어서 부분적 탈락 부위의 보수에도 적용될 수 있다. 부분적 탈락 부위의 보수 방법은 당해 기술분야에서 공지된 방법, 예를 들면 전술한 신축 장치의 고정과 유사한 방법으로 이루어질 수 있다.
도 5a 및 5b는 신축 이음 부위에 시공된 콘크리트가 부분적으로 탈락되어 판손된 상태를 나타내는 사진이고, 도 5c, 5d 및 5e는 실시예에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 이용하여 부분적 탈락 부위를 보수한 상태를 나타내는 사진이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 유동성 및 시공성이 우수하여 신축 이음 부위가 있는 콘크리트 구조물 등에 유용하게 적용될 수 있으며, 속경성으로 조기에 교통 개방이 가능하여 효율적이다. 또한, 본 발명에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 우수한 탄성력을 가지고 있어 온도 변화에 의해 반복되는 수축, 팽창, 압축, 인장을 흡수하고, 진동 및 활하중에 대한 대응력을 높일 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트는 내마모성이 높고, 계면박리를 일으키지 않는 우수한 내구성을 가지고 있어 신축 이음 부위가 있는 콘크리트 구조물 등의 토목구조물에 적용되어 토목구조물의 물성을 효과적으로 보완하고 수명을 연장시킬 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (11)

  1. 천연 폴리올을 포함하는 주제, 및 경화제를 포함하는, 탄성 우레탄 수지 18~22 중량%; 및
    충진재 78~82 중량%를 포함하며,
    상기 천연 폴리올은 피마자유 29~35 중량%, 대두유 16~19 중량%, 코코넛산 9~12 중량%, 검 로진 9~11 중량%, C12-14 알킬 글리시딜 에테르 25~27 중량% 및 과산화수소수 1.5~3.0 중량%로 이루어지며,
    상기 충진재는, 상기 충진재 총 중량을 기준으로, 40~47 중량%의 백운사, 35~40 중량%의 글라스 비드, 10~15 중량%의 장석, 4~6 중량%의 소석회 및 1~2 중량%의 합성 제올라이트를 포함하며,
    탄성을 가지며, 토목 구조물의 신축 이음부에 사용되는
    천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 우레탄 수지는, 상기 탄성 우레탄 수지 총 중량을 기준으로, 상기 천연 폴리올을 포함하는 주제 65~75 중량% 및 경화제 25~35 중량%를 포함하는
    천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 천연 폴리올을 포함하는 주제는, 가소제, 가교제, 경화 촉진제, 수분 흡수제 및 착색제로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상을 더 포함하는
    천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 천연 폴리올을 포함하는 주제는, 상기 주제 총 중량을 기준으로, 60~65 중량%의 천연 폴리올, 13~15 중량%의 가소제, 13~15 중량%의 가교제, 2~5 중량%의 경화 촉진제, 1~2 중량%의 수분 흡수제 및 2~5 중량%의 착색제를 포함하는
    천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 경화제는 톨루엔 디이소시아네이트(TDI), 메틸 디페닐 디이소시아네이트(MDI), 나프탈렌 디이소시아네이트(NDI), 톨루이딘 디이소시아네이트(TOD), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 자일렌 디이소시아네이트(XDI), 또는 그 조합으로 선택되는 이소시아네이트 경화제인
    천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트.
  6. 연결 장치 주변의 콘크리트를 절단하는 공정;
    절단 부위를 파쇄하는 공정;
    절단 부위에 거푸집을 설치하는 공정;
    절단 부위에서 이물질 또는 수분을 제거하고, 절단면에 접착 증강제를 도포하는 공정;
    제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 타설하는 공정; 및
    상기 천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 양생한 후, 거푸집을 제거하는 공정을 포함하는
    천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 이용한 시공방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접착 증강제는 에폭시계 수용성 접착 증강제를 포함하는
    천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 이용한 시공방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 접착 증강제는 0.2~0.4 kg/㎡의 양으로 도포되는
    천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 이용한 시공방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 시공방법은 신축 이음 장치를 포함하는 연결 장치의 고정 또는 콘크리트 구조물의 부분적 탈락 부위의 보수에 이용되는
    천연 폴리올 유무기 복합 탄성콘크리트를 이용한 시공방법.
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