KR102158535B1 - 노후된 철근콘크리트 구조물의 장수명화를 위한 보수 및 보강용 조성물 및 이를 이용한 공법 - Google Patents

노후된 철근콘크리트 구조물의 장수명화를 위한 보수 및 보강용 조성물 및 이를 이용한 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구조물의 보수 및 보강대상에 도포되어 프라이머층을 형성하며, 아크릴수지, 실록산, 아미노화합물, 인산, 아질산염을 포함하는 프라이머 조성물; 상기 프라이머층에 타설되어 단면보수층을 형성하며, 시멘트, 규사, 칼슘설포알루미네이트, 실리카퓸을 포함하는 단면보수 조성물; 상기 단면보수층에 타설되어 표면층을 형성하며, 폴리머 수지, 실리카, 실란, 광촉매, 침투경화제를 포함하는 표면보호제 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

노후된 철근콘크리트 구조물의 장수명화를 위한 보수 및 보강용 조성물 및 이를 이용한 공법{Repair and reinforcement composition for long life of aged reinforced concrete structure and construction method using same}
본 발명은 노후된 철근콘크리트 구조물의 장수명화를 위해 열화단면의 보수 및 보강 시 미세균열 등에 침투성을 향상시키고, 신ㆍ구 재료의 부착력을 향상시키며, 내구성을 향상시키고, 표면의 내마모성 등을 향상시킬 수 있는 조성물 및 이를 이용한 공법에 관한 것이다.
기존의 범용화 된 침투제 기술로는 실리케이트계, 실록산계, 실란계, 변성계 및 복합계가 있으며, 단면보수 공법으로는 중성화 억제, 염해 억제 및 철근부식 억제 등 다양한 기능을 부여한 보수 모르타르를 사용한 단면보수 공법들이 있다.
기존 침투제의 경우 콘크리트 열화부의 알칼리 회복 기능과 안정적 철근 방청을 동시에 구현 할 수 있는 기술은 전무하며, 수용성으로 알칼리물질 용출에 따른 백화문제와 콘크리트 내부로의 침투성을 확보한 제품은 전무한 실정이다. 또한, 기존에 습한 환경조건에서 시공되는 보수 모르타르의 경우 시공의 편의성을 확보하기위해 금속성 물질을 포함하고 있어 철근의 부식에 따른 추가적인 하자가 발생되는 문제점이 있다. 특히, 현재 국내의 경우 환경성 문제로 기존에 방청제의 원료로 사용되었던 아질산염의 사용이 제한적이므로 국내산 방청 보수몰탈은 전무한 실정이다.
아울러, 국내의 경우 건설시장이 성숙단계에 접어들어 30년을 초과한 노후 인프라시설이 2018년 서울기준 10%에 육박하고 있으며, 2015년 한국건설산업연구원의 자료에 따르면 서울시 주요공공시설의 성능수준 평가는 31.1%가 우수하지 않은 것으로 조사되었다. 이에 그동안 부족했던 유지관리비용을 점진적으로 늘리고 2018년 서울시 안전마스터 플랜을 공표하였으며, 노후 인프라 시설물에 대한 대대적 정비를 준비하고 있는 시점이다.
따라서, 향후 2차 보수 시 발생 될 수 있는 상기 문제점들을 개선하고 구조물의 열화 상태 및 환경에 따른 선택적 기능을 부여함과 동시에 시공의 간편화, 경제성 확보 및 안정적인 내구성을 확보할 수 있는 철근콘크리트 구조물의 보수 재료 및 시공방법 개발의 필요성이 있다.
대한민국 특허등록 제1235641호
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명은 고성능 침투로 구조물 열화부 회복 가능범위를 확대하여 구조물 열화부 파취면적을 최소화하고, 향후 2차 보수 시 재료의 이질성으로 발생될 수 있는 재보수 및 하자의 문제점들을 개선하며, 구조물의 열화 상태 및 환경에 덜 영향을 받아 적용성을 높일 수 있어 시공의 간편화, 경제성 확보 및 안정적인 내구성을 확보할 수 있는 구조물의 보수 및 보강 조성물 및 공법을 제공하고자 함이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 노후된 철근콘크리트 구조물의 장수명화를 위한 보수 및 보강용 조성물(이하 "본 발명의 조성물"이라함)은, 보수대상에 도포되어 프라이머층을 형성하며, 아크릴수지, 실록산, 아미노화합물, 인산, 아질산염을 포함하는 프라이머 조성물; 상기 프라이머층에 타설되어 단면보수층을 형성하며, 시멘트, 규사, 칼슘설포알루미네이트, 실리카퓸을 포함하는 단면보수 조성물; 상기 단면보수층에 타설되어 표면층을 형성하며, 폴리머 수지, 실리카, 실란, 광촉매, 침투경화제를 포함하는 표면보호제 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 단면보수 조성물에는 알긴산나트륨이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 단면보수 조성물에는 에틸렌디아민테트라아세트산나트륨이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 단면보수 조성물에는 소디움헥사메토포스페이트가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 표면보호제 조성물에는 침강 탄산염이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 구조물의 보수 및 보강을 위한 공법(이하 "본 발명의 공법"이라함)은, 구조물의 보수 및 보강 대상에 대해 열화부위를 파취하고 청소하는 단계(S10); 구조물의 보수 및 보강 대상에 아크릴수지, 실록산, 아미노화합물, 인산, 아질산염을 포함하는 프라이머 조성물을 도포하여 프라이머층을 형성하는 단계(S20); 상기 프라이머층에 시멘트, 규사, 칼슘설포알루미네이트, 실리카퓸, 알긴산나트륨, 에틸렌디아민테트라아세트산나트륨, 소디움헥사메토포스페이트를 포함하는 단면보수 조성물을 타설하여 단면보수층을 형성하는 단계(S30); 상기 단면보수층에 폴리머 수지, 실리카, 실란, 광촉매, 침투경화제, 침강탄산염를 포함하는 표면보호제 조성물을 도포하여 표면층을 형성하는 단계(S40);를 포함되는 것을 특징으로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 조성물 및 공법은 침투성 확보, 안정적 방식성능 확보, 내구성 확보, 표면강화 성능 등이 발현될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 조성물 및 공법이 적용된 예를 도시한 도면이다.
아래에서는 본 발명에 따른 양호한 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명의 조성물은 도 1에서 보는 바와 같이 구조물의 보수 및 보강대상에 도포되어 프라이머층(1)을 형성하며, 아크릴수지, 실록산, 아미노화합물, 인산, 아질산염을 포함하는 프라이머 조성물; 상기 프라이머층(1)에 타설되어 단면보수층(2)을 형성하며, 시멘트, 규사, 칼슘설포알루미네이트, 실리카퓸을 포함하는 단면보수 조성물; 상기 단면보수층(2)에 타설되어 표면층(3)을 형성하며, 폴리머 수지, 실리카, 실란, 광촉매, 침투경화제를 포함하는 표면보호제 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 프라이머 조성물에는 아크릴수지를 주제로 하여 첨가제가 포함되는데, 상기 첨가제에는 실록산(Siloxane), 아미노화합물(Amino Compound), 인산(Phosphoric Acid)이 포함되며, 아질산염(Nitrite)이 소량으로 더 포함될 수 있는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 실록산 100중량부에 대해, 아미노화합물 30 내지 80중량부, 인산 30 내지 60중량부, 아질산염 5 내지 15중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실록산은 시멘트 콘크리트 경화체 내부의 Micro Pore에 침투하여 시멘트 수화반응에 의해 생성된 수산화칼슘(Calcium Hydroxide)과 반응하여 Calcium Silicate Hydrate(C-S-H)를 형성함으로 시멘트 콘크리트 내부의 조직을 치밀하게 하고 강도를 향상시킴과 동시에 수밀성을 향상시키게 되는 것이다.
상기 프라이머 조성물에는 3개의 1차 알코올이 포함된 아미노화합물 및 인산을 포함하고, 물에 용해 시 알칼리 자유이온을 만드는 아질산염이 포함되도록 하는 것이다.
상기 단면보수 조성물은 도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이 상기 프라이머층(1)에 타설되어 단면보수층(2)을 형성하며, 시멘트, 규사, 칼슘설포알루미네이트, 실리카퓸을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 칼슘설포알루미네이트는 팽창제로서 첨가되는 것으로 페이스트의 경화시 수축에 의한 균열을 제어하여 시멘트 콘크리트 내부의 조직을 치밀하게 하고 강도를 향상시킴과 동시에 수밀성을 향상시키기 위한 것이다.
또한 상기 실리카퓸의 경우도 강도를 보강하기 위해 첨가되는 것이다.
또한 상기 단면보수 조성물에는 알긴산나트륨이 더 포함되는 것을 특징으로 한다. 상기 알긴산나트륨의 첨가에 의해 점착성 및 점도를 증가시켜 부착력을 향상시키는 것이며, 특히 고온에서도 점도가 유지되어 하절기 등에 부착력이 저하되는 문제가 제어되는 것이다.
특히 상기 알긴산나트륨은 자신 무게의 수백 배에 달하는 수분을 보유하는 특성이 있어 보습제로서 기능도 발현되도록 하여 건조수축에 의한 균열도 제어하게 되는 것이다. 즉 상기 칼슘설포알루미네이트의 첨가에 의해 페이스트의 수축에 의한 균열을 제어토록 함에 더하여 알긴산나트륨의 첨가에 의해 수분증발에 의한 건조수축에 대한 저항성도 향상시키도록 하는 것이다.
또한 상기 단면보수 조성물에는 에틸렌디아민테트라아세트산나트륨이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
에틸렌디아민테트라아세트산나트륨은 2가 및 3가의 금속이온과 안정한 수용성 킬레이트를 형성하는 안정화제로서 기능을 하는 것이다.
본 발명의 조성물에 의한 염화물 이온의 고정 메커니즘은 프라이머 조성물에 있어 아미노화합물 및 인산 유도체 말단의 알콜기인 OH-와 Cl-이 만나 R-NH-Cl 또는 R-PO-CL을 형성하게 되고 외부로 OH-이온을 방출하는 특성을 나타내어 부식부의 장벽 역할을 하여 부동태피막을 유지한다. 또한, 시멘트 내 C3A가 초기에 염화물을 흡착하였다가 탄산화가 진행되면서 해리상태가 되나 아미노화합물 유도체는 Cl-의 이온 친화력에 의해 고정화 되어 안정된 상태이다. 특히, 단면보수 조성물에서 에틸렌디아민테트라아세트산나트륨은 2가 및 3가의 금속이온과 안정한 수용성 킬레이트를 형성하고, 킬레이트성 방청피막을 형성시킴으로써 페이스트 내 철근의 부식 또는 녹의 용출을 막아주는 역할을 한다.
이에 더하여 에틸렌디아민테트라아세트산나트륨에 있어 양이온(Na+)의 정전기적 반발력으로 콘크리트의 경화 전 물성(작업성)을 개선시키는 작용을 하게 되는 것이며, 아질산염이 물에 용해 시 알칼리 자유이온을 형성함에 의해 시멘트 중 C3A 및 C2S 물질의 수화에 기여함에 따라 콘크리트의 경화 후 물성(압축강도)을 개선시키는 작용을 하게 되는 것이다.
한편 본 발명의 단면보수 조성물에는 상기에서 본 바와 같이 알긴산나트륨, 에틸렌디아민테트라아세트산나트륨 등이 첨가되어 모세관현상에 의해 표면으로 나트륨이온이 용출되거나 페이스트에 존재하는 금속이온이 모세관현상에 의해 표면으로 용출되어 단면보수층(2)과 표면층(3) 사이에 공극이 존재함에 따라 들뜸 등의 문제가 발생될 수 있다.
이에 본 발명의 단면보수 조성물에는 소디움헥사메토포스페이트가 더 포함되도록 하는데 소디움헥사메토포스페이트이 나트륨이온, 금속이온 등 양이온을 흡착제거토록 함으로써 양이온의 용출에 의한 공극형성을 제어하게 되는 것이다.
바람직하게 단면보수 조성물은 시멘트 100중량부에 대해 규사 10 내지 100중량부, 칼슘설포알루미네이트 1 내지 10중량부, 실리카퓸 1 내지 10중량부, 알긴산나트륨 0.5 내지 1중량부, 에틸렌디아민테트라아세트산나트륨 0.5 내지 1중량부, 소디움헥사메토포스페이트 0.01 내지 0.5중량부를 포함하도록 배합하는 것이 타당하다.
또한 본 발명의 조성물에는 도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이 상기 단면보수층(2)에 타설되어 표면층(3)을 형성하며, 폴리머 수지, 실리카, 실란, 광촉매, 침투경화제를 포함하는 표면보호제 조성물이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 광촉매는 이산화티탄 등 그 종류를 한정하지 않으며, 광촉매의 첨가에 의해 유기물의 분해 등이 이루어지도록 하는 것이다. 즉 광촉매의 첨가에 의해 표면에 유기물의 축적에 의한 부식 등을 방지토록 하는 것이다.
그런데 상기 폴리머 수지를 주재로 하는 경우 실리카, 광촉매 등 타 조성이 균일한 분산이 용이하지 않아 물성의 불균일성을 초래할 수 있고 특히 광촉매의 경우 상호간 응집에 의해 불균일한 물성발현은 물론 강도저하를 초래할 수 있다.
이에 본 발명에서는 침강 탄산염이 더 첨가되도록 하는 예를 도시하고 있다.
상기 침강 탄산염의 첨가에 의해 광촉매 등에 미세한 코팅막이 형성되도록 하여 광촉매 간 반발력이 증가하여 응집현상을 제어하게 되는 것이다. 바람직하게 는 광촉매와 침강 탄산염이 혼합물로서 보관되어 혼합물로 첨가되도록 함으로써 보관과정에서도 입자 간에 뭉침현상을 방지해 주는 역할을 하도록 하는 것이 타당하다. 상기 침강 탄산염은 염수과 같은 알칼리 토금속 함유수와 같이, 물에서부터 침강된 준안정성(metastable) 탄산염 화합물로 침강된 결정 및/또는 무정형 탄산염 화합물이 포함된다.
바람직하게 폴리머수지 100중량부에 대해 실리카 20 내지 40중량부, 광촉매 1 내지 10중량부, 실란 1 내지 10중량부, 침투경화제 0.1 내지 1중량부, 침강 탄산염 0.1 내지 1중량부를 포함하는 것이 타당하다.
이하에서는 실험 예에 의해 본 발명에 대해 설명한다.
<프라이머 조성물에 대한 시험>
프라이머 조성물의 유효성분은 100중량부를 기준으로 7중량부 이며, 사용량은 0.3 kg/m2으로 적용하여 시료를 제작하였으며, 각각의 실험결과가 하기 표 1에 도시되
Figure 112020036182400-pat00001
<단면보수 조성물에 대한 시험>
Figure 112020036182400-pat00002
Figure 112020036182400-pat00003
<표면보호제 조성물에 대한 시험>
상기 표면보호제 조성물의 유효성분은 100중량부를 기준으로 80중량부로 제조하였으며, 사용량은 0.3kg/m2으로 적용하여 시료를 제작하였고, 각각의 실험결과가 하기 표 4에 도시되고 있다.
Figure 112020073722333-pat00006
한편 본 발명의 공법은 도 1에서 보는 바와 같이 구조물의 보수 및 보강 대상에 대해 열화부위를 파취하고 청소하는 단계(S10); 구조물의 보수 및 보강 대상에 아크릴수지, 실록산, 아미노화합물, 인산, 아질산염을 포함하는 프라이머 조성물을 도포하여 프라이머층을 형성하는 단계(S20); 상기 프라이머층에 시멘트, 규사, 칼슘설포알루미네이트, 실리카퓸, 알긴산나트륨, 에틸렌디아민테트라아세트산나트륨, 소디움헥사메토포스페이트를 포함하는 단면보수 조성물을 타설하여 단면보수층을 형성하는 단계(S30); 상기 단면보수층에 폴리머 수지, 실리카, 실란, 광촉매, 침투경화제, 침강탄산염를 포함하는 표면보호제 조성물을 도포하여 표면층을 형성하는 단계(S40);를 포함되는 것을 특징으로 한다.
우선 구조물의 보수대상에 대해 열화부위를 파취하고 청소하는 단계(S10)를 갖는다. 여기서 열화부위를 파취하고 청소하는 기술은 다양한 공지기술의 적용이 가능하므로 그 상세 설명은 생략한다.
그 다음으로 상기에서 언급한 프라이머 조성물을 도포하여 프라이머층(1)을 형성하는 단계(S20)를 갖는다.
그 다음으로 상기 프라이머층(1)에 상기에서 언급한 단면보수 조성물을 타설하여 단면보수층(2)을 형성하는 단계(S30)를 갖게 되며 그 다음으로 단면보수층(2)에 상기에서 언급한 표면보호제 조성물을 도포하여 표면층(3)을 형성하는 단계(S40)를 갖게 되는 것이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.
1 : 프라이머층 2 : 단면보수층
3 : 표면층

Claims (6)

  1. 구조물의 보수 및 보강대상에 도포되어 프라이머층을 형성하며, 아크릴수지, 실록산, 아미노화합물, 인산, 아질산염을 포함하는 프라이머 조성물;
    상기 프라이머층에 타설되어 단면보수층을 형성하며, 시멘트 100중량부에 대해 규사 10 내지 100중량부, 칼슘설포알루미네이트 1 내지 10중량부, 실리카퓸 1 내지 10중량부, 알긴산나트륨 0.5 내지 1중량부를 포함하되, 킬레이트성 방청피막을 형성함과 동시에 콘크리트의 경화전 작업성을 개선시키기 위해 에틸렌디아민테트라아세트산나트륨 0.5 내지 1중량부가 더 포함되는 단면보수 조성물;
    상기 단면보수층에 타설되어 표면층을 형성하며, 폴리머 수지, 실리카, 실란, 광촉매, 침투경화제를 포함하는 표면보호제 조성물;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 노후된 철근콘크리트 구조물의 장수명화를 위한 보수 및 보강용 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 단면보수 조성물에는 소디움헥사메토포스페이트가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 노후된 철근콘크리트 구조물의 장수명화를 위한 보수 및 보강용 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 표면보호제 조성물에는 침강 탄산염이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 노후된 철근콘크리트 구조물의 장수명화를 위한 보수 및 보강용 조성물.
  6. 구조물의 보수 및 보강 대상에 대해 열화부위를 파취하고 청소하는 단계(S10);
    구조물의 보수 및 보강 대상에 아크릴수지, 실록산, 아미노화합물, 인산, 아질산염을 포함하는 프라이머 조성물을 도포하여 프라이머층을 형성하는 단계(S20);
    상기 프라이머층에 시멘트 100중량부에 대해 규사 10 내지 100중량부, 칼슘설포알루미네이트 1 내지 10중량부, 실리카퓸 1 내지 10중량부, 알긴산나트륨 0.5 내지 1중량부, 소디움헥사메토포스페이트 0.5 내지 1중량부를 포함하되, 킬레이트성 방청피막을 형성함과 동시에 콘크리트의 경화전 작업성을 개선시키기 위해 에틸렌디아민테트라아세트산나트륨 0.5 내지 1중량부가 더 포함되는 단면보수 조성물을 타설하여 단면보수층을 형성하는 단계(S30);
    상기 단면보수층에 폴리머 수지, 실리카, 실란, 광촉매, 침투경화제, 침강탄산염를 포함하는 표면보호제 조성물을 도포하여 표면층을 형성하는 단계(S40);
    을 포함되는 것을 특징으로 하는 노후된 철근콘크리트 구조물의 장수명화를 위한 보수 및 보강용 조성물을 이용한 공법.
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