KR102184451B1 - 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법 - Google Patents

콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 콘크리트 구조물 바탕면의 열화부위를 제거하고 청소하는 단계(S10); 바텀애쉬의 공극 내에 1차 포자 부착 단계(S20); 셀룰로오스 에테르의 공극 내에 2차 포자 부착 단계(S30); 상기 셀룰로오스 에테르로 코팅된 바텀애쉬를 시멘트, 우레아, 칼슘락테이트 및 골재와 혼합한 콘크리트 균열부 보수액을 상기 열화부위가 제거된 콘크리트 구조물의 균열부에 투입하는 단계(S40); 프라이머를 도포하는 단계(S50); 및 상기 프라이머가 도포된 상부에 수성 실리카 졸, 이산화티탄 졸, 수산화 알루미늄 분산액, 견운모 분산액, 안료 분산액, 탄산마그네슘 분산액, 황산알루미늄칼륨 분산액, 실리콘 수용액 및 알콕시 실란 가수분해물을 교반 혼합하여 제조되는 친환경 표면 코팅제 조성물을 도포 후 양생하는 단계(S60)를 포함하는 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법에 관한 것이다.

Description

콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법{Construction method of protecting surface of concrete structure for improving durability of concrete structure}
본 발명은 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법에 관한 것이다.
콘크리트 구조물은 열화 등에 의해 콘크리트에 균열이 발생하여 시간이 지나게 되면 콘크리트의 압축강도와 철근의 인장강도가 점차 떨어지게 되고, 균열 부위로 통해 노출된 콘크리트는 중성화 현상이 진행되어 철근의 부식이 일어난다. 이러한 철근의 부식 현상이 심해지면 콘크리트 구조물이 결국 붕괴될 수도 있다. 따라서, 콘크리트 구조물이 열화되어 균열이 발생하면 조속하게 열화된 부위를 보수할 필요가 있다.
콘크리트 구조물의 표면 보호를 위한 일반적인 도막공법에는 에폭시계, 우레탄계 및 아크릴계 수지 등과 같은 유기계 성분으로 이루어진 표면보호제가 주로 사용되었는데, 유기계 성분으로 이루어진 종래의 표면보호제의 경우는 가공성이 좋고 접착성 및 유연성이 우수하다는 장점이 있었다. 그러나 종래의 유기바인더 표면보호제는 그 제조와 사용에 있어서, 중금속이나 휘발성 유기 화합물과 같은 여러 공해물질과 유해물질을 배출하는 문제점이 있었다. 또한, 경화 후, 산성비, 자동차 배기가스에 의한 질소산화물, 황산화물, 탄산가스 및 해양환경에서의 염소이온 등과 같은 다양한 환경요소에 의해 쉽게 열화되고, 오존이나 자외선에 의한 황변현상, 수분에 의한 갈라짐, 부풀어 오름 현상에 의해 사용수명이 빠르게 떨어져 내구성의 확보에 어려움이 있었다.
이러한 유기계 표면보호제의 문제점을 해결하기 위한 기술로서, 등록특허 제1789514호는 내식성, 내구성, 부착성, 내열성, 내오존성, 내염소저항성, 내오염성, 난연성, 내마모성, 내용제성 및 세정성 등이 우수한 친환경 표면 코팅제 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 표면 보호 코팅 방법을 개시하고 있다.
한편, 최근에는 콘크리트 균열부에 대해서 콘크리트 타설시 포함된 물질에 의한 자기치유에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예컨대, 등록특허 제1973715호는 우레아(urea)를 분해하여 탄산이온을 생성하는 우레아 분해성 미생물 포자(spore)가 공극 내에 부착되게 전처리한 바텀애쉬를 시멘트와 혼입한 보수액으로 사용함으로써 바텀애쉬의 공극을 충진함과 동시에 미생물이 시멘트 내에서 활성을 유지할 수 있도록 하여, 콘크리트 내부에서 균열이 발생할 경우 미생물에 의한 자기치유 성능을 향상시킬 수 있는 자기치유 콘크리트의 제조방법을 개시하고 있다.
그러나, 상기 종래 기술은 콘크리트 내부에서 균열이 발생할 경우 미생물을 함유하는 보수액을 투입하는 구성으로서, 보수액 투입 후 콘크리트 표면을 종래의 친환경 표면 코팅제 조성물로 코팅할 경우 접착력이 급격히 저하되어 탈리 또는 탈착되는 문제점이 존재하며, 내염소저항성이 상대적으로 높지 않아 염화물이 상기 보수액에 투입되어 미생물 생육을 저해하게 된다. 또한, 상기 종래 기술은 콘크리트 내에서 증식하는 곰팡이에 대한 항곰팡이 특성을 개선시킬 수 있는 기술에 대하여 개시하고 있지 않다.
따라서 콘크리트 내부에서 균열이 발생할 경우 미생물을 함유하는 보수액으로 균열을 보수하면서 보수액 투입 후 콘크리트 표면을 친환경 표면 코팅제 조성물로 코팅할 경우 급격히 저하되는 접착력을 개선하고, 콘크리트 구조물의 내구성, 항곰팡이 특성 및 내염성이 개선될 수 있는 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제1789514호 (공고일자 2017. 10. 26)
따라서 본 발명의 목적은 유기계 보수액 사용을 배제한 친환경 표면 코팅제 조성물을 사용함으로써 강도 및 내구성이 개선되고, 탄산칼슘을 형성하는 미생물 포자를 포함하는 콘크리트 균열부 보수액을 사용함으로써 별도의 보수액의 주입 없이 균열을 메울 수 있는 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 콘크리트 균열부 보수액과 프라이머와의 접착력을 개선하고 콘크리트 구조물의 항곰팡이 특성 및 내염성이 개선될 수 있는 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 콘크리트 구조물 바탕면의 열화부위를 제거하고 청소하는 단계(S10); 바텀애쉬의 공극 내에 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)의 포자(spore)를 부착하는 1차 포자 부착 단계(S20); 상기 포자가 부착된 바텀애쉬의 외면에 셀룰로오스 에테르로 코팅하여 셀룰로오스 에테르의 공극을 형성하고, 상기 형성된 셀룰로오스 에테르의 공극 내에 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)의 포자(spore)를 부착하는 2차 포자 부착 단계(S30); 상기 S30단계 이후에, 상기 셀룰로오스 에테르로 코팅된 바텀애쉬를 시멘트, 우레아, 칼슘락테이트 및 골재와 혼합한 콘크리트 균열부 보수액을 상기 열화부위가 제거된 콘크리트 구조물의 균열부에 투입하는 단계(S40); 상기 S40 단계 이후에, 상기 콘크리트 구조물 바탕면의 상부에 아크릴, 아크릴-우레탄, 에틸 비닐 아세테이트 및 스티렌-부타디엔 중에서 선택된 어느 하나 이상인 프라이머를 도포하는 단계(S50); 및 상기 프라이머가 도포된 상부에 수성 실리카 졸, 이산화티탄 졸, 수산화 알루미늄 분산액, 견운모 분산액, 안료 분산액, 탄산마그네슘 분산액, 황산알루미늄칼륨 분산액, 실리콘 수용액 및 알콕시 실란 가수분해물을 2 ~ 24시간 동안 교반 혼합하여 제조되는 친환경 표면 코팅제 조성물을 도포 후 양생하는 단계(S60)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법에 있어서, 상기 포자(spore)는 상기 바텀애쉬를 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)을 배양한 미생물 배양액에 침지하여 상기 바텀애쉬의 공극에 상기 미생물을 충전하는 단계; 및 상기 미생물이 충전된 바텀애쉬를 상기 미생물 배양액에서 꺼낸 후 미생물의 포자(spore)화를 위해 적어도 1일 이상 건조하여 수분을 제거하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법에 있어서, 상기 포자(spore)는 상기 바텀애쉬를 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii), 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum) 및 스트렙토코커스 써모필러스(Streptococcus thermophilus)를 배양한 미생물 배양액에 침지하여 상기 바텀애쉬의 공극에 상기 미생물을 충전하는 단계; 및 상기 미생물이 충전된 바텀애쉬를 상기 미생물 배양액에서 꺼낸 후 미생물의 포자(spore)화를 위해 적어도 1일 이상 건조하여 수분을 제거하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법에 있어서, 상기 S40단계는 상기 시멘트, 골재 및 바텀애쉬의 중량비가 1:2:3인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 유기계 보수액 사용을 배제한 친환경 표면 코팅제 조성물을 사용함으로써 강도 및 내구성이 우수하고 구조물의 사용기간을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 유지보수에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다
또한, 탄산칼슘을 형성하는 미생물을 보수액으로 사용함으로써 콘크리트 균열을 보수하고, 셀룰로오스 에테르로 코팅된 바텀애쉬의 공극에 우레아 분해성 미생물 포자(spore)가 충전되므로 우레아 분해성 미생물이 시멘트와 함께 혼합된 상태에서도 활성을 유지할 수 있게 되고, 콘크리트 내부에서 균열이 발생할 경우 공극에 충전되어 있던 우레아 분해성 미생물에 의해 다량의 탄산칼슘이 생성됨으로써 별도의 보수액의 주입 없이 균열을 메울 수 있게 된다. 아울러 종래의 바텀애쉬의 공극에만 포자가 충전된 경우에 비하여 본 발명의 경우 바텀애쉬 및 셀룰로오스 에테르의 공극에 충전된 포자의 양이 증가함에 따라 생성되는 탄산칼슘의 생성 양을 증가시킬 수 있다.
또한, 셀룰로오스 에테르로 코팅된 바텀애쉬의 공극 내 부착된 미생물에 의해 탄산칼슘이 형성됨과 동시에 곰팡이 생육을 저해하는 항곰팡이 특성이 개선될 수 있다. 아울러, 염소이온 투과성 실험에 따르면 염해에 대한 내염성이 개선되고, 바텀애쉬의 외면에 코팅된 점착성 있는 셀룰로오스 에테르에 의해 프라이머와의 접착력이 강화된다.
또한, 피착물이 습윤상태에서도 시공이 가능하고 우수한 접착력을 나타내 기존 유기계 수지에서처럼 건조할 필요가 없어 시공기간을 단축할 수 있어 비용 절감효과를 얻을 수 있다
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법은 콘크리트 구조물 바탕면의 열화부위를 제거하고 청소하는 단계(S10); 바텀애쉬의 공극 내에 포자(spore)를 부착하는 1차 포자 부착 단계(S20); 상기 바텀애쉬의 외면에 셀룰로오스 에테르로 코팅하여 셀룰로오스 에테르의 공극을 형성하고, 상기 형성된 셀룰로오스 에테르의 공극 내에 포자(spore)를 부착하는 2차 포자 부착 단계(S30); 콘크리트 균열부 보수액을 상기 열화부위가 제거된 콘크리트 구조물의 균열부에 투입하는 단계(S40); 프라이머를 도포하는 단계(S50) 및; 친환경 표면 코팅제 조성물을 도포 후 양생하는 단계(S60)를 포함한다.
콘크리트 구조물 바탕면의 열화부위를 제거하고 청소하는 단계(S10)는 콘크리트 구조물 바탕면에 열화된 콘크리트 표면을 갈아내서 열화되지 않은 부분이 나올 때까지 표면을 기계를 이용하여 제거한 후 청소하는 것이다. 상기 콘크리트 구조물의 불순물 또는 열화부위를 그라인더, 평삭기, 숏블라스터, 핸드 워터젯, 고압살수기 등으로 제거하고, 진공 흡입기 등으로 청소할 수 있다.
바텀애쉬의 공극 내에 포자(spore)를 부착하는 1차 포자 부착 단계(S20)는 바텀애쉬의 공극 내에 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)의 포자(spore)를 부착하는 것이다.
바텀애쉬는 다수의 공극이 형성되어 있는 다공성의 산업부산물로, 바텀애쉬를 건조하여 수분을 제거한 후 멸균 처리를 한다. 이어서 바텀애쉬를 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum) 미생물 배양액에 침지하여 바텀애쉬의 공극에 상기 미생물을 충전한다.
바텀애쉬의 공극에 충전된 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)는 우레아 분해성 미생물로서, 콘크리트 내의 우레아(urea)를 분해하여 탄산이온(CO3 2-)을 생성하고, 탄산이온(CO3 2-)은 콘크리트 내의 칼슘이온(Ca2+)과 반응하여 탄산칼슘(calcium carbonate, CaCO3)을 만들어냄으로써 콘크리트의 균열을 메우게 된다. 본 발명은 바텀애쉬의 공극에 우레아 분해성 미생물 포자가 충전되므로 우레아 분해성 미생물인 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)가 시멘트와 함께 혼합된 상태에서도 활성을 유지할 수 있게 된다. 따라서 콘크리트 내부에서 균열이 발생할 경우 바텀애쉬의 공극에 충전되어 있던 우레아 분해성 미생물에 의해 다량의 탄산칼슘을 생성하여 균열을 메울 수 있게 된다.
클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)은 항균성 및 내산성을 가지며 부티르산(butyric acid; 낙산) 및 아세트산(acetic acid)을 생산하는 혐기성의 내생 포자를 형성하는 그람 양성균으로서, 클로스트리디움 부티리쿰이 항균성은 있으나 콘크리트 구조물 내 곰팡이를 저해하는 특성이 있음을 아직까지 알려진 바가 없었다. 본 발명은 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)와 함께 바텀애쉬의 공극에 충전된 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)이 바텀애쉬의 공극 내에 부착된 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)의 탄산칼슘 형성능을 향상시키면서 곰팡이 생육을 저해하는 항곰팡이 특성을 현저히 개선시킬 수 있음을 확인하였다.
바텀애쉬의 외면에 셀룰로오스 에테르로 코팅하여 셀룰로오스 에테르의 공극을 형성하고, 상기 형성된 셀룰로오스 에테르의 공극 내에 포자(spore)를 부착하는 2차 포자 부착 단계(S30)는 상기 전처리된 바텀애쉬의 외면에 셀룰로오스 에테르로 코팅하여 셀룰로오스 에테르의 공극을 형성하고, 상기 형성된 셀룰로오스 에테르의 공극 내에 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)의 포자(spore)가 부착되도록 하는 것이다.
2차 포자 부착 단계(S30)는 바텀애쉬의 외면을 셀룰로오스 에테르로 코팅하여 프라이머와의 부착성을 개선하고, 셀룰로오스 에테르의 공극 구조를 통해 포자의 부착량을 증가시켜 탄산칼슘 생성능을 향상시키기 위한 것이다.
셀룰로오스 에테르는 셀룰로오스의 수산기를 에테르화한 셀룰로오스 에테르를 말한다. 즉, 셀룰로오스의 에테르화 반응에 의해서, 셀룰로오스 구조내의 수산기 중 일부를 블록킹(blocking) 하거나, 수산기 중의 수소를 다른 치환체로 치환함으로써 셀룰로오스 에테르를 형성한다. 이때, 셀룰로오스의 주쇄는 절단되지 않고 유지되지만 셀룰로오스 내의 수소결합이 변화하는 방식인 셀룰로오스가 비결정 구조로 변환되기 때문에 고분자량의 수용성 셀룰로오스 에테르가 얻어진다.
이러한 셀룰로오스 에테르에 공극이 형성된 구조는 다음과 같은 제조공정에 따른다. 빙초산 150g, 셀룰로오스 프탈레이트 150g, 아세트산 무수물 750g, 숙신산 무수물 45g, 무수 아세트산나트륨 190g을 2L 용적의 용기 안으로 넣는다. 빙초산은 셀룰로오스 프탈레이트 분말에 의해 쉽게 흡수된다. 용기 내 덩어리는 에테르화시키기 위해 85℃에서 35시간 동안 가열하고, 85℃에서 덩어리는 교반될 수 있었지만 균일한 혼합물을 만들기 위해 에테르화 및 부분 탈중합을 진행시킨다. 반응의 완료 후 35시간 후 균질한 반응 용액이 형성되고, 18L의 냉수를 교반 하에 반응 용액에 부가하여 셀룰로오스 에테르를 침전하였다.
침전된 셀룰로오스 에테르를 바텀애쉬의 외면에 부착하고 55℃에서 건조하여 공극 구조를 구비하는 셀룰로오스 에테르가 외면에 코팅된 바텀애쉬가 제조된다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, 염해에 대한 내염성을 개선하기 위하여, 상기 미생물 배양액은 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii), 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum) 및 스트렙토코커스 써모필러스(Streptococcus thermophilus)를 배양한 미생물 배양액을 사용할 수 있다.
콘크리트 균열부 보수액을 상기 열화부위가 제거된 콘크리트 구조물의 균열부에 투입하는 단계(S40)는, 상기 S30단계 이후에 상기 셀룰로오스 코팅된 바텀애쉬를 시멘트, 우레아, 칼슘락테이트 및 골재와 혼합한 콘크리트 균열부 보수액을 상기 열화부위가 제거된 콘크리트 구조물의 균열부에 투입하는 것이다.
우레아 및 칼슘락테이트는 우레아 분해성 미생물에 의한 탄산이온(CO3 2-)의 생성 및 칼슘이온(Ca2+)의 생성을 위해 첨가된 것이다. 골재로서 모래를 사용하는 경우, 시멘트, 골재 및 바텀애쉬의 배합비가 중량비로 1:2:3인 것이 바람직하며, 우레아 및 칼슘락테이트는 시멘트 중량의 1~5 중량%인 것이 바람직하다.
프라이머를 도포하는 단계(S50)는 상기 열화부위가 제거된 콘크리트 구조물 바탕면의 상부와 친환경 표면 코팅제 조성물의 접착을 용이하게 하기 위하여 프라이머를 도포하는 것이다.
상기 프라이머는 아크릴, 아크릴-우레탄, 에틸 비닐 아세테이트 및 스티렌-부타디엔 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 프라이머는 용제, 분산제, 침강방지제, 경화촉매 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 이 때 사용될 수 있는 용제로는 방향족 계열의 탄화수소를 사용하는 것이 바람직한데, 예를 들어 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등을 사용할 수 있다. 분산제와 침강방지제는 프라이머의 제조과정인 분산 공정에 투입되어 프라이머 내의 내부성분을 안정화시키고 저장기간 중 침강을 방지하기 위해 사용한다. 본 발명에서는 공지의 일반적인 분산제를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 산성 그룹을 가진 블록 공중합체의 알킬 암모늄염계 분산제를 사용한다. 침강방지제 역시 공지의 일반적인 침강방지제를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 변성 헥토라이트계 침강방지제를 사용한다.
친환경 표면 코팅제 조성물을 도포 후 양생하는 단계(S60)는 상기 프라이머가 도포되어 건조된 후에 외부 표면에 친환경 표면 코팅제 조성물을 붓, 롤러, 에어리스, 뿜칠 장비 등을 추가로 도포한 후 양생하는 것이다.
상기 친환경 표면 코팅제 조성물은 수성 실리카 졸, 이산화 티탄 졸, 수산화 알루미늄 분산액, 견운모 분산액, 안료 분산액, 탄산마그네슘 분산액, 황산알루미늄칼륨 분산액, 실리콘 수용액 및 알콕시 실란 가수분해물을 포함함으로써 내식성, 내구성, 부착성, 내열성, 내오존성, 내염소저항성, 내오염성, 난연성, 내마모성, 내용제성 및 세정성 등이 우수한 코팅제를 제공하는 효과를 갖는다.
상기 수성 실리카 졸은, 수성 실리카 졸의 입자 표면에 알콕시 실란(alkoxy silane)을 투입하여 가수분해 반응을 시킨다. 상기 가수분해 반응은 용매와 촉매를 이용할 수 있는데, 용매로는 에탄올과 같은 알콜류 또는 물 등을 사용할 수 있고 촉매로는 산 또는 알칼리계 촉매를 사용할 수 있다. 산계 촉매로는 염산, 황산, 질산, 초산 등을 사용할 수 있고, 알칼리계 촉매로는 수산화암모늄, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 유기 아민 등을 사용할 수 있다. 이때, 수성 실리카 졸은 5~60 중량부 정도 첨가하며, 바람직하게는 20~40 중량부 정도 첨가한다. 알콕시 실란은 1~50 중량부 정도 첨가하며, 바람직하게는 5~20 중량부 정도 첨가한다. 용매는 30~40 중량부 정도 첨가하며, 촉매는 0.1~10 중량부 정도 첨가한다. 상기 가수분해 반응은 20 ~ 90℃ 정도의 온도에서 실시할 수 있다.
상기 가수분해에 의해 가수분해물이 단분산 실리카 졸의 입자 표면에 생성됨과 함께 중축합반응을 일으켜 부분 소수화된 수성 실리카 졸을 얻을 수 있다. 수성 실리카 졸에 알콕시 실란을 처리하는 것에 의해 실리카 입자가 부분적으로 소수화되어 친수 및 소수성의 특성을 발현하게 된다.
상기 이산화 티탄 졸은 알콕시 티탄을 용제, 산, 물의 존재 하에서 가수분해 및 축중합을 통해 10~50nm 크기의 단분산 형태의 미립자 형상을 갖는다.
상기 알콕시 티탄은 티탄 이소프로폭사이드(Titanium Isopropoxide), 티탄 부톡사이드(Titanium Butoxide)의 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 출발 물질인 알콕시 티탄은 알콕시기가 물에 의해 가수분해되어 수산화기를 형성되고, 이를 통해 형성된 수산화기는 다른 알콕시 티탄과의 수산화기 또는 알콕시 간의 축합반응을 통해서 이산화 티탄 졸을 형성한다.
이산화 티탄 졸을 제조할 시 반응속도를 조절하기 위해 촉매를 사용하게 되는데, 사용 가능한 촉매로는, 예를 들어, 염산, 아세트산, 질산, 황산, 클로로술폰산, 요오드산, 필로인산 등의 산 촉매; 암모니아, 수산화칼륨, 수산화바륨, 이미다졸 등의 염기 촉매가 있으며, 또한 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되어 사용될 수 있다. 촉매의 양은 특별히 제한되지 않으나, 산 촉매 및 염기 촉매의 경우 알콕시 티탄 약 100 중량부에 대하여 약 0.0001 내지 약 0.01 중량부를 첨가할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
알콕시 실란 가수분해물은 물의 존재 하에 알콕시 실란 간의 가수분해와 축합반응을 통해 제조된다. 상기의 가수분해 및 축합반응은 상온에서 약 2 ~ 24시간 정도 교반에 의해 진행될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
상기 친환경 표면 코팅제 조성물에서 수산화 알루미늄 분산액은 흡습성이 우수하여 재료분리를 방지하기 위하여 사용되며 기재와 밀착성을 증진시키는 역할을 한다. 상기 수산화 알루미늄 분산액은 상기 친환경 표면 코팅제 조성물에 대하여 1~20중량부를 함유하는 것이 바람직하다.
상기 견운모 분산액은 방수, 자기치유성, 단열성, 항균, 방오성능을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 견운모 분산액은 상기 친환경 표면 코팅제 조성물에 대하여 1~20중량부를 함유하는 것이 바람직하다.
상기 안료 분산액은 칼라를 연출하기 위하여 사용한다. 사용가능한 안료는 적색 산화철, 황색 산화철, 녹색 산화철, 산화크롬, 자색 산화철, 흑색 산화철 및 카본블랙 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 안료 분산액은 상기 친환경 표면 코팅제 조성물에 대하여 1~20중량부를 함유하는 것이 바람직하다.
상기 탄산마그네슘 분산액은 단열성, 내마모성을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 황산알루미늄칼륨 분산액은 수분을 흡착하는 성능이 우수하고, 경화 시 치밀한 결정화 구조물을 형성시키기 위하여 사용한다. 상기 실리콘 수용액은 발수, 방수성능을 개선하기 위하여 사용한다. 상기 탄산마그네슘 분산액, 상기 황산알루미늄칼륨 분산액 및 상기 실리콘 수용액은 상기 친환경 표면 마감제 조성물에 대하여 각각 0.01~15중량부를 함유하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예 및 실험예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
<실시예 1>
콘크리트 구조물 바탕면의 열화부위를 제거하고 청소하기 위하여, 콘크리트 구조물의 불순물 또는 열화부위를 그라인더로 제거하고 진공 흡입기로 청소하였다.
이후, 콘크리트 구조물의 균열부에 포자가 부착된 바텀애쉬를 투입하기 위하여 다음과 같이 수행하였다. 먼저, 바텀애쉬를 건조하여 수분을 제거한 후 오토클레이브(autoclave)와 같은 멸균기에서 멸균 처리를 하였다. 이어서 바텀애쉬를 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum) 미생물 배양액에 침지하여 바텀애쉬의 공극에 상기 미생물을 충전하였다. 상기 미생물 배양액은 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum) 균주 각각의 단일집락을 100 ml TSB(tryptic soy broth, Difco, USA)에 접종하여 30℃에서 18시간 동안 배양한 것이다. 바텀애쉬를 미생물 배양액에 침지하는 단계는 미생물의 활성도가 가장 높은 20~35℃의 온도 범위에서 72시간 이상 진행하였다. 그 다음 미생물이 침지된 바텀애쉬를 배양액에서 꺼낸 후 미생물의 포자(spore)화를 위해 적어도 1일 이상 건조하여 수분을 제거하고 공극 내 미생물을 1차 포자화함으로써 바텀애쉬를 전처리하였다.
상기 전처리된 바텀애쉬의 외면에 셀룰로오스 에테르로 코팅하여 셀룰로오스 에테르의 공극을 형성하고, 상기 셀룰로오스 에테르로 코팅된 바텀애쉬를 재차 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum) 미생물 배양액에 침지하여 셀룰로오스 에테르의 공극에 동일한 방법으로 상기 미생물을 충전하였다. 그 다음 셀룰로오스 에테르의 공극에 미생물이 침지된 바텀애쉬를 배양액에서 꺼낸 후 미생물의 포자(spore)화를 위해 적어도 1일 이상 건조하여 수분을 제거하고 셀룰로오스 에테르의 공극 내 미생물을 2차 포자화하였다.
셀룰로오스 에테르 코팅된 바텀애쉬는 공극 내에 미생물이 충전된 상태에서 시멘트와 우레아, 칼슘락테이트(Calcium Lactate) 및 모래와 혼합한 혼합물을 제조하였다. 시멘트와 골재와 바텀애쉬의 배합비가 중량비로 1:2:3이고, 우레아 및 칼슘락테이트는 시멘트 중량의 3 중량%이다. 상기 제조된 혼합물 대비 물을 동량의 중량비로 투입하여 콘크리트 균열부 보수액을 제조하고 이를 콘크리트 구조물의 균열부에 투입하였다.
콘크리트 구조물의 균열부에 콘크리트 균열부 보수액이 투입된 후, 열화부위가 제거된 콘크리트 구조물 바탕면의 상부와 친환경 표면 코팅제 조성물의 접착을 용이하게 하기 위하여 아크릴을 프라이머로 하여 100~300g/m2으로 도포하였다.
프라이머가 도포되어 건조된 후에 외부 표면에 수성 실리카 졸, 이산화 티탄 졸, 수산화 알루미늄 분산액, 견운모 분산액, 안료 분산액, 탄산마그네슘 분산액, 황산알루미늄칼륨 분산액, 실리콘 수용액 및 알콕시 실란 가수분해물을 포함하는 친환경 표면 코팅제 조성물을 롤러를 사용하여 추가로 50 ~ 60㎛의 두께로 도포하한 후 양생하였다. 상기 친환경 표면 코팅제 조성물은 다음과 같이 제조하였다.
- 수성 실리카 졸 제조
5ℓ 반응기에 수성 실리카 졸 35kg을 투입 교반하고, 반응기의 온도를 약 60℃로 유지하면서, 알콕시 실란의 일종인 클로로프로필트리메톡시실란 0.4kg을 정량펌프를 이용하여 20㎖/min의 속도로 투입하고, 그 온도에서 12시간 동안 부분가수분해 중합반응하여 부분소수화 처리된 수성 실리카 졸을 만들고 상온까지 냉각한다. 상기 냉각은 부분소수화 처리된 수성 실리카 졸을 상온에 두어 자연적으로 냉각하는 방법으로 실시하였다. 상기 가수분해는 용매와 촉매를 이용할 수 있는데, 용매로는 에탄올을 사용하고 촉매로는 산계 촉매인 염산(HCl)을 사용한다. 용매는 35 중량부 정도 첨가하며, 촉매는 1 중량부 정도 첨가한다.
- 이산화 티탄 졸 제조
10ℓ 반응기에 티탄 부톡사이드 1kg와 공업용 이소프로필알코올 45kg을 투입 교반하고, 반응기의 온도를 80℃로 유지하면서, 순수 3kg와 염산 50g을 혼합한 용액을 정량펌프를 이용하여 20㎖/min의 속도로 투입하고, 그 온도에서 12시간 동안 부분가수분해 중합반응하여 이산화 티탄 졸을 만들다. 제조된 이산화 티탄의 입자 크기는 약 25nm 정도이다.
- 분산액 제조
냉각수 자켓이 장착된 10ℓ 반응기에 순수 7kg을 투입하고 반응기의 자켓에 냉각수를 순환하면서 반응물의 온도를 50℃로 유지하면서 순차적으로 수산화 알루미늄 분말, 견운모 분말, 산화철 분말, 탄산마그네늄 분말 및 황산알루미늄칼륨 분말 700g을 천천히 투입하여 교반함으로써 각각의 분산액을 제조한다. 여기서, 수산화 알루미늄 분말은 2시간, 견운모 분말은 4시간, 안료 분산액 제조를 위한 산화철 분말은 4시간, 탄산마그네늄 분말은 2시간, 황산알루미늄칼륨 분말은 4시간 교반을 한다.
- 실리콘 수용액
냉각수 자켓이 장착된 10ℓ 반응기에 순수 7kg을 투입하여 반응기의 자켓에 냉각수를 순환하면서 반응물의 온도를 50℃로 유지하면서 실리콘 분말 700g을 천천히 투입하여 4시간 동안 교반하여 실리콘 수용액을 제조한다.
- 알콕시 실란 가수분해물 제조
테트라메톡시실란 5kg, 페닐트리에톡시실란 4kg을 미리 15L 반응기에 투입하여 40℃에 1시간 동안 충분히 교반 혼합하고, 따로 준비한 순수 3kg와 염산 50g을 순차적으로 투입하여 10시간동안 가수분해, 축합반응을 하여 제조한다.
- 친환경 표면 코팅제 조성물 조제
10L 반응기에 기 제조한 수성 실리카 졸 25kg을 투입하여 교반하면서 상기 제조한 이산화티탄 졸을 25kg을 10ml/min 속도로 투입하여 3시간동안 교반한 후에 상기 제조한 수산화 알루미늄 분산액 500g을 5ml/min 속도로 투입하여 2시간 동안 교반하고, 상기 제조한 견운모 분산액 500g을 5ml/min 속도로 투입하여 2시간 동안 교반하고, 상기 제조한 안료 분산액 500g을 5ml/min 속도로 투입하여 2시간 동안 교반하고, 상기 제조한 탄산마그네슘 분산액 200g을 5ml/min 속도로 투입하여 2시간 동안 교반하고, 상기 제조한 황산알루미늄칼륨 분산액 200g을 5ml/min 속도로 투입하여 2시간 동안 교반하고, 상기 제조한 실리콘 수용액 200g을 10ml/min 속도로 천천히 투입하여 4시간동안 교반한다. 이 용액에 알콕시 실란 가수분해물 3kg을 20ml/min 속도로 천천히 투입한 후 2시간 동안 혼합하여 제조한다.
<실시예 2>
상시 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 염해에 대한 내염성 개선을 위하여 산생성 능력이 우수한 호열성 그람 양성균인 스트렙토코커스 써모필러스(Streptococcus thermophilus)를 실시예 1의 미생물 배양액에 추가로 혼합하였다. 즉, 실시예 1의 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)으로 구성된 미생물 배양액 대신 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii), 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum) 및 스트렙토코커스 써모필러스(Streptococcus thermophilus)으로 구성된 미생물 배양액을 사용하였다.
< 비교예>
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 하되, 비교예 1은 미생물 배양액 제조시 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)만을 사용하고, 셀룰로오스 에테르 코팅 처리는 하지 않았으며, 비교예 2는 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)만을 사용하고, 셀룰로오스 에테르 코팅 처리는 하지 않았다.
비교예 3은 미생물 배양액 제조시 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)만을 사용하고, 셀룰로오스 에테르 코팅 처리를 하였으며, 비교예 4는 미생물 배양액 제조시 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 스트렙토코커스 써모필러스(Streptococcus thermophilus)를 사용하였고, 셀룰로오스 에테르 코팅 처리를 하였다.
성분 스포로사르시나 파스테우리 클로스트리디움 부티리쿰 셀룰로오스 에테르 코팅 스트렙토코커스 써모필러스
비교예 1 O X X X
비교예 2 X O X X
비교예 3 O X O X
비교예 4 O X O O
(O: 투입, X: 미투입)
<실험예>
1. 항곰팡이 특성
스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum) 균주를 10 ml TSB(tryptic soy broth, Difco, USA)에 접종하여 30℃에서 18시간 동안 전배양 하였다. 그 중 2 ml 의 액체배양액을 4℃에서 1000 rpm의 속력으로 원심분리하여 균체만 습득하여 멸균시킨 증류수로 3회 세척하였다. 곰팡이 증식억제능을 시험하기 위한 클라도스포륨 스파에로스퍼르뭄(Cladosporium sphaerospermum) 곰팡이 포자는 105 ~ 106 스포어(spore)/ml의 농도로 조정하여 사용하였다.
시멘트 페이스트 디스크 시험체는 시멘트 파우더(potland cement powder)와 멸균된 증류수를 10:4 중량비로 섞어 35×10 mm 페트리디쉬(style petri-dish; Falcon, Becton Dickinson Labware Co, USA)에 일정량 분주 후 실온에서 24시간 양생하여 제조하였다.
곰팡이 증식 억제능을 시험하기 위해, 시멘트 페이스트 상에 실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 4의 미생물을 접종한 뒤 16일 동안 곰팡이가 증식하기 가장 좋은 환경인 18℃ 항온실에서 배양하였다.
저항성은 페트리디쉬의 시멘트 페이스트 표면에 곰팡이가 자라는 정도(면적)를 수치로 0~4로 표시하였고, 수치가 낮을수록 곰팡이 저항성이 뛰어난 것을 나타낸다(0: 0%, 1: 10%, 2: 10~30%, 3: 30~60%, 4: 60%~전면적).
구분 곰팡이 저항성
실시예 1 O
실시예 2 O
비교예 1 4
비교예 2 3
비교예 3 4
비교예 4 4
상기 표 2에서와 같이, 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)의 포자(spore)가 부착된 실시예 1 및 실시예 2의 경우 곰팡이 저항성이 우수한 반면, 비교예 1 내지 4의 경우 곰팡이 저항성이 낮음을 확인할 수 있다.
2. 내염성
내염성 특성을 측정하기 위하여 KS F 4936(콘크리트 보호용 도막재)에 의하여 염화물 이온 침투 저항성을 수행하였다. 실시예 1 내지 2, 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 콘크리트 구조물의 표면 보호재를 KS F 4936에 의하여 60V의 직류전원을 6시간동안 통전한 조건에서 매 30분마다 전류를 측정한 통과전하량은 아래의 표 3과 같다.
구분 통과전하량(Coulomb)
실시예 1 217
실시예 2 12
비교예 1 232
비교예 2 243
비교예 3 201
비교예 4 18
상기 표 3에서와 같이, 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii), 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum) 및 스트렙토코커스 써모필러스(Streptococcus thermophilus)를 배양한 미생물 배양액을 사용한 실시예 2가 비교예 1 내지 3, 및 실시예 1에 비하여 염화물 이온 침투 저항성이 높음을 확인할 수 있었다.
한편, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (4)

  1. 콘크리트 구조물 바탕면의 열화부위를 제거하고 청소하는 단계(S10);
    바텀애쉬의 공극 내에 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)의 포자(spore)를 부착하는 1차 포자 부착 단계(S20);
    상기 포자가 부착된 바텀애쉬의 외면에 셀룰로오스 에테르로 코팅하여 셀룰로오스 에테르의 공극을 형성하고, 상기 형성된 셀룰로오스 에테르의 공극 내에 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)의 포자(spore)를 부착하는 2차 포자 부착 단계(S30);
    상기 S30단계 이후에, 상기 셀룰로오스 에테르로 코팅된 바텀애쉬를 시멘트, 우레아, 칼슘락테이트 및 골재와 혼합한 콘크리트 균열부 보수액을 상기 열화부위가 제거된 콘크리트 구조물의 균열부에 투입하는 단계(S40);
    상기 S40 단계 이후에, 상기 콘크리트 구조물 바탕면의 상부에 아크릴, 아크릴-우레탄, 에틸 비닐 아세테이트 및 스티렌-부타디엔 중에서 선택된 어느 하나 이상인 프라이머를 도포하는 단계(S50); 및
    상기 프라이머가 도포된 상부에 수성 실리카 졸, 이산화티탄 졸, 수산화 알루미늄 분산액, 견운모 분산액, 안료 분산액, 탄산마그네슘 분산액, 황산알루미늄칼륨 분산액, 실리콘 수용액 및 알콕시 실란 가수분해물을 2 ~ 24시간 동안 교반 혼합하여 제조되는 친환경 표면 코팅제 조성물을 도포 후 양생하는 단계(S60);
    를 포함하는 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포자(spore)는,
    상기 바텀애쉬를 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 및 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum)을 배양한 미생물 배양액에 침지하여 상기 바텀애쉬의 공극에 상기 미생물을 충전하는 단계; 및
    상기 미생물이 충전된 바텀애쉬를 상기 미생물 배양액에서 꺼낸 후 미생물의 포자(spore)화를 위해 적어도 1일 이상 건조하여 수분을 제거하는 단계;
    를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포자(spore)는,
    상기 바텀애쉬를 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii), 클로스트리디움 부티리쿰(Clostridium butyricum) 및 스트렙토코커스 써모필러스(Streptococcus thermophilus)를 배양한 미생물 배양액에 침지하여 상기 바텀애쉬의 공극에 상기 미생물을 충전하는 단계; 및
    상기 미생물이 충전된 바텀애쉬를 상기 미생물 배양액에서 꺼낸 후 미생물의 포자(spore)화를 위해 적어도 1일 이상 건조하여 수분을 제거하는 단계;
    를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 S40단계는,
    상기 시멘트, 골재 및 바텀애쉬의 중량비가 1:2:3인 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 내구성을 개선하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 보호 시공방법.
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