KR102323611B1 - 고인장성 섬유를 이용한 콘크리트 구조물의 보수·보강 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고인장성 섬유를 이용한 콘크리트 구조물의 보수·보강 공법에 관한 것으로서, 비닐론 섬유와 카본 마이크로 토일을 포함한 보수재 조성물을 이용하여, 염화물의 침입, 콘크리트의 중성화 및 화학적 부식에 의해 피해가 발생한 콘크리트 구조물의 단면 내 열화현상을 복구하고 휨인장 특성을 향상시키는 콘크리트 구조물의 보수공법에 관한 것이다.

Description

고인장성 섬유를 이용한 콘크리트 구조물의 보수·보강 공법{Method of repairing and reinforcing concrete structures using high tensile fiber}

본 발명은 콘크리트 구조물의 보수·보강 공법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 염화물의 침입, 콘크리트의 중성화 및 화학적 부식에 의해 피해가 발생한 콘크리트 구조물의 단면 내 열화현상을 복구하고 휨인장 특성이 향상된 보수재의 조성물을 이용한 콘크리트 구조물의 보수·보강 공법에 관한 것이다.

콘크리트는 일반적으로 물, 시멘트, 모래, 자갈 등의 골재를 구성성분으로 하여, 시멘트와 물이 반응하여 굳어지는 수화 반응을 이용하여 건축 구조물을 형성하는데 이용된다.

콘크리트 내구성이란 기후, 화학적 침식, 마모, 기타 열화 공정에 저항하는 콘크리트의 능력으로 정의하고 있는데, 이는 콘크리트 구조물의 열화가 다양한 원인에 의하여 발생하는 것을 의미한다.

일반적으로, 보수재가 적용되는 부위의 콘크리트 구조물의 열화 원인은 화학적 열화, 물리적 열화로 나눌 수가 있으며, 화학적 열화의 원인은 알칼리-골재반응에 의한 열화, 황산염 및 산에 의한 열화, 철근 부식에 의한 열화 등이 있고, 물리적 열화의 원인은 동결융해에 의한 열화, 수축 및 하중에 의한 균열 열화 등이 있으며, 기타 화재 등의 특수한 경우의 열화 등으로 나눌 수 있다.

이와 같은 열화의 발생으로 인하여, 손상이 심한 경우에는 콘크리트가 탈락하고 콘크리트 중의 철근이 노출되거나 내부에서 부식되어 그 내구성 및 내하력이 저하되는 결과를 초래함에 따라 구조물의 사용연한이 줄어드는 등의 문제가 발생하게 된다.

콘크리트 구조물의 보수·보강을 위한 보수재 조성물로 다양한 기술이 제시되고 있는 데, 일 예로 대한민국 특허등록 제0975371호에서는 초속경시멘트 16~19 중량%, 직선형 강섬유 4~5 중량%, 잔골재 33~39 중량%, 굵은 골재 34~35 중량%, 물 6~7.9중량%, 고성능감수제 및 지연제 0.5~0.6 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 초속경 강섬유보강콘크리트 조성물 및 이를 이용한 포장보수방법이 기재되어 있다.

그러나 상기 특허에 의하면 초속경시멘트를 사용하여 긴급공사가 가능하도록 하나 초속경시멘트의 사용으로 수반될 수밖에 없는 조기응결에 의한 균열의 문제가 있고, 균열저항성을 위해 강섬유를 첨가하나 고인성이 확보되지 않아 반복하중 등에 의해 사후적인 균열이 발생되어 열화 등 내구성 저하의 문제를 제어할 수 없는 문제가 있다.

지금까지 여러 가지 콘크리트 구조물의 보수공법이 개발되어 왔지만, 새로운 기능을 발현하거나 성능을 고도화하거나 작업성을 편리하게 하는 보수공법의 개발이 계속해서 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 요구를 충족하기 위해 보수재를 구성하는 성분을 개량하고 특정한 기능을 부가한 새로운 보수재를 이용한 콘크리트 구조물의 보수공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 콘크리트 구조물의 이물질 및 열화된 부분을 제거하는 표면처리단계; 상기 표면처리된 콘크리트 구조물의 이물질을 고압세정수에 세정하는 열화부 세정단계; 상기 이물질이 제거된 콘크리트 구조물에 표면강화재를 도포하는 표면강화재 도포단계; 상기 표면강화재 도포 부위 위에, 시멘트 30~40 중량%, 규사 30~50 중량%, 팽창재 5~10 중량%, 혼화재 5~20 중량%, 유동화제 0.2~1.5 중량%, 비닐론 섬유 0.5~5 중량%, 카본 마이크로 코일 0.5~3 중량% 및 폴리머 1~5 중량%를 포함하여 이루어진 보수재를 도포하는 보수재 도포단계; 상기 보수재 도포 부위 위에 표면보호재를 도포하는 표면보호재 도포단계; 및 상기 표면보호재 도포후 세라믹 코트재를 균일하게 도포하는 세라믹 코트재 도포단계;를 포함하는, 고인장성 섬유를 이용한 콘크리트 구조물의 보수·보강 공법을 제공한다.

본 발명에 따르면 본 발명의 보수재를 이용한 보수 공법은 비닐론 섬유와 CMC에 의해 휨강도와 내수성을 향상하여 보수 부위의 내구성을 향상하는 것이 가능해진다.

본 발명의 콘크리트 구조물의 보수 공법은, 콘크리트 구조물의 보수 대상인 부분에서 이물질 또는 열화된 부분을 제거하고 표면을 처리하는 표면처리단계, 상기 표면처리된 콘크리트 구조물의 이물질을 고압세정수에 세정하는 열화부 세정단계, 상기 이물질이 제거된 콘크리트 구조물에 표면강화재를 도포하는 표면강화재 도포단계, 상기 표면강화재 도포된 그 위에 콘크리트 보수재를 도포하는 단계, 상기 보수재 도포 부위 위에 표면보호재를 도포하는 단계, 및 상기 표면보호재 도포후 세라믹 코트재를 도포하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 표면처리단계는 염해, 중성화(탄산화) 및 화학적 부식 등과 같은 노후화 현상에 의해 발생된 콘크리트 구조물의 단면으로부터 피복재를 탈락시키거나, 노출된 조골재를 채워 보상하거나, 물곰보를 제거하거나, 녹물 오염된 부분을 제거하거나, 들뜸 부위 및 부식을 제거하는 등의 모든 다양한 형태의 현상을 처리하는 것이다. 가장 중요한 전처리 단계로서, 먼저 열화된 콘크리트 단면부를 그라인더와 같은 공구 등을 사용하여 완전히 제거하여 표면을 평탄화시키고 치밀하고 밀도있게 처리하는 과정이다.

상기 세정단계는 상기 표면처리된 콘크리트 구조물의 단면부 상에 존재하는 이물질을 고압세정수로 세정하는 과정인데, 그라인더로 열화부 표면을 100~150㎏/㎡의 고압세정기를 사용하여 이물질을 완전히 씻겨나가게 하여 제거한다.

상기 표면강화재 도포단계는 상기 이물질이 완전히 제거된 콘크리트 구조물에 표면강화재를 도포하는 과정이다.

로울러나 도료작업용 붓 또는 에어스프레이건 등을 사용하여 표면강화재의 원액 그대로 0.32 ㎏f/㎠의 수준으로 함침시켜 균일하게 도포한다. 상기 표면강화재는 통상의 시판되는 표면강화재를 사용할 수도 있으며, 침투성 계면활성제, 반응성 실리카, 실리카계 발수제 중에서 선택하여 단독으로 사용하거나 또는 2가지 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 보수재는 직접 손으로 하는 미장 또는 롤러 등을 사용하여 1회 1 내지 1.5㎝ 정도의 두께로 도포하는데, 손상 두께에 따라 수차례에 걸쳐 반복적으로 도포할 수 있음은 물론이다. 예를 들어 보수 대상인 콘크리트 구조물의 단면 두께가 3㎝ 라며, 상기 단면복구재를 66.2㎏/㎡의 양으로 2회에 걸쳐 도포한다.

다른 실시예로서, 상기 콘크리트 구조물의 보수대상 단면에서 보수재를 도포할 때 시공 두께가 표면보다 약 2㎜ 이상이 되도록 두께를 확보하는 것이 중요하다. 이렇게 시공 두께를 약 2㎜ 이상으로 확보하는 것은 콘크리트 구조물의 최외각 바탕면의 요철 및 결함부를 처리하기 위한 최소 필요두께이기 때문이다.

상기 표면보호재를 도포하는 단계는 표면보호재를 도포한다.

상기 표면보호재는 통상적으로 시판되는 표면보호재를 사용할 수도 있으나, 시멘트 또는 슬러그, 규사, 아크릴계 폴리머(Acryl base polymer), 및 계면활성제가 혼합된 믹스처를 사용할 수 있다. 표면보호재는 직접 손으로 미장하여 도포하되, 1회 도포시 1.5㎜(2.2㎏/㎡) 정도의 두께로 도포한다.

상기 세라믹 코트재를 도포하는 단계는, 롤러나 도료용 작업붓, 에어 스프레이건 등을 사용하여 세라믹 코트재를 상기 표면보호재 상부에 원액 그대로 0.1 내지 0.3㎜(0.44 내지 0.46㎏/㎡) 정도로 균일하게 도포한다.

본 발명의 다른 실시예로서 마지막 마무리 과정에서 표면코트재로 사용하는 것은 세라믹계와 함께 아크릴계 폴리머나 다공성 물질의 혼합물을 사용할 수도 있다.

본 발명의 콘크리트 구조물의 보수재 조성물을 사용한 콘크리트 구조물의 보수 공법으로 시공된 건축물 또는 교량 등은 부착성, 통기성, 경도 등이 우수하여 콘크리트 구조물의 수명을 연장할 수 있고, 편리한 작업성을 가지는 장점이 있다.

본 발명의 콘크리트 보수재의 조성물 구성성분은 시멘트 30~40 중량%, 규사 30~50 중량%, 팽창재 5~10 중량%, 혼화재 5~20 중량%, 유동화제 0.2~1.5 중량%, 비닐론 섬유 0.5~5 중량%, 카본 마이크로 코일 0.5~3 중량% 및 폴리머 1~5 중량%를 포함한다.

상기 시멘트 성분은 경화체의 압축강도 및 휨강도 등 각종 기계적 강도를 확보하기 위하여 사용되는 주요 성분으로서, 시멘트는 물과 반응을 하여 주요 수화 생성물인 칼슘 실리케이트 수화물 및 칼슘 알루미네이트 수화물을 생성시키게 됨으로써 단단하게 굳어지게 되는데, 이때 기계적 강도가 발휘되어 다양한 용도로 건축, 토목용 재료로 사용이 가능하다.

상기 시멘트는 보수 콘크리트의 용도에 따라서 1종에서 5종의 시멘트를 사용할 수 있으며, 특히 황산염이나 도로의 결빙을 해소하기 위하여 사용이 되는 염화칼슘에 대한 저항성을 높이기 위해서 5종 포틀랜드 시멘트인 내 황산염 시멘트나 슬래그시멘트 등을 사용하는 것이 효과적이다. 또한, 조기강도의 신속한 확보를 위해서는 조강시멘트 또는 알루미나 시멘트를 사용할 수도 있다.

시멘트의 함량은 단면 보수재 조성물 전체 중량대비 30 내지 40wt%로 구성되는데, 30wt% 이하인 경우에는 부착력이 감소하게 되며, 40wt% 이상인 경우에는 규사(모래)와 혼합된 모르타르에 있어서 표면 강도 등이 증가하나 재료의 점성이 높아지게 되어 현장 시공성이 감소하게 되는 단점이 있기 때문에 보수 공사 대상이 되는 콘크리트 구조물 자체의 특성이나 외부 환경에 따라 적정한 함량비를 선택한다.

상기 규사 성분은 적절한 입도로 조정된 규사를 단면 보수재 조성물 전체 중량대비 30 내지 50wt%로 사용한다. 일반시멘트 또는 슬라그 시멘트 및 규사의 중량비는 특별히 제한되지 않으나, 보수 대상체인 콘크리트 구조물 단면의 특성에 맞도록 혼합비가 조정된 모르타르가 사용될 수 있도록 1:1 또는 1:3의 배합비로 사용될 수 있다.

규사의 입경은 특별히 제한되지는 않으나, 0.05mm 내지 2mm의 범위 내 소정의 입경으로 균일하게 조정된 것을 사용한다. 이는 복구 시공대상의 콘크리트 구조물의 특성과 목적성에 따라 단면 보수재의 분산성과 보수 공사 후 콘크리트의 기공에 있어 통기성에 영향을 주지 않도록 하기 위함이다.

상기 팽창재 성분은 단면 보수재 조성물 전체 중량대비 5 내지 10wt%로 사용될 수 있는데, 5wt% 미만인 경우에는 시멘트의 수축에 의한 균열 발생을 감소하는데 효과가 없고, 10% 이상인 경우에는 팽창에 의한 부풀음이나 팽창균열 등을 발생시키게 된다.

팽창재는 칼슘 설포 알루미네이트(calcium sulfo-aluminate), 산화칼슘(Ca0), 황산칼슘(CaSO4), 알루미나시멘트(Alumina cement), 칼슘알루미네이트(calcium aluminate) 수화물 및 칼슘 설포 알루미네이트가 포함된 포틀랜드시멘트(portland cement) 중에서 적어도 하나 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

무기계 팽창재는 팽창재는 팽창력을 발휘하여 경화체의 구조를 치밀하게 하고 건조수축을 최소화 하여 시멘트의 수축 균열을 방지할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예로서 단면복구재 내에 포함되는 무기계 팽창재는 CSA계 광물, 즉 칼슘 설포 알루미네이트(calcium sulfo-aluminate)를 주성분으로 사용할 수 있는데, 물과 반응하면 팽창성 물질인 에트링자이트(ettringgite)를 생성시켜 시멘트 경화체의 건조수축을 줄이고 균열 발생을 감소시키게 된다.

상기 혼화재 성분은 장기적인 내구성을 향상시키기 위하여 사용되는 것으로, 포졸란(pozzolan) 및/또는 플라이애쉬(flyash)를 사용할 수 있다. 포졸란이나 플라이애쉬나 슬라그 분말은 콘크리트 구조체에 수밀성을 부여하고, 습윤에 따른 체적변화와 동결 융해에 대한 저항성을 향상시켜준다.

상기 혼화재 성분은 단면 보수재 조성물 전체 중량대비 5 내지 20wt%로 사용할 수 있는데, 20wt% 이상을 사용할 경우에는 초기 압축강도의 감소를 유발할 수 있다.

상기 유동화제 성분은 콘크리트 구조물의 보수공법에서의 작업성을 부여하기 위하여 첨가하는 것으로서, 멜라민계, 나프탈렌계, 카르복실계 유동화제 중 하나 또는 2 이상을 복합적으로 사용한다.

상기 유동화제는 단면 보수재 조성물 전체 중량대비 0.2 내지 1.5wt%를 사용할 수 있는데, 0.2wt% 미만에서는 유동성 증진효과가 없었고, 1.5wt%를 초과하여 사용할 경우에는 유동성의 증진에 큰 효과가 없으며, 또한 고가의 물질로서 많은 양을 사용할 때에는 경제성이 크게 감소된다.

상기 비닐론 섬유는 보강재로서, 콘크리트 보수 공법에서 휨 강도, 인장 강도 등의 강도를 향상하고 건조수축에 대한 저항성을 향상하여 양생할 때에 균열을 억제할 수 있다.

상기 비닐론 섬유는 폴리비닐알코올계 합성섬유의 일반명이다.

비닐론은 어망, 밧줄, 천막 등의 재료로 주로 사용되고 있는데, 나일론과 유사한 강도를 지니면서 내후성, 내약품성, 탄성, 접착성, 내열성 등의 특성도 우수하다.

본 발명에서는 평균 직경이 35㎛ 이상이고, 파단강도가 10cN/dtex 이상이고, 파단신도가 8% 이상이고, 건열 수축율이 3% 이하이고, 열수 수축율이 2% 이하인 비닐론 섬유를 사용하는 것이 좀 더 바람직하다.

상기 보강재로서 역할을 위해 균일한 분산과 다른 성분과의 접착성을 가져야 하는데 이를 위해 비교적 굵은 지름의 섬유가 필요하다. 그런데 섬유의 굵기가 커지면 섬유의 내부까지 고체화 반응이 달라져 파단강도와 파단신도가 동시에 향상되는 것이 어렵다.

보강재로서 섬유의 파단강도뿐만 아니라 섬유의 내피로성과 내충격성 등을 향상하기 위해 파단신도의 향상도 동시에 요구되고 있다.

본 발명의 비닐론은 이렇게 양립하기 어려운 특성인 파단강도와 파단신도가 동시에 우수한 비닐론을 사용함으로써 보강재로서 다양한 기계적 특성을 동시에 향상할 수 있다.

또한, 건열 수축율이 3% 이하이고, 열수 수축율이 2% 이하인 비닐론에 의해 건열 조건 또는 습열 조건에서도 치수안정성이 우수하여 시멘트가 경화할 때에 섬유가 수축하지 않음으로써 균열의 발생을 억제하고 형태를 온전히 유지할 수 있다.

본 발명의 비닐론 섬유는, 폴리비닐알코올 방사 원액을 고체화 유기용매를 함유하는 고체화 욕조에 통과시켜 섬유를 제조할 때에, 고체화 유기용매/방사 원액 용매 = 90/10 ~ 50/50(중량비)으로 하고 고체화 욕조 중에서 실의 체류 시간을 2분 이상으로 하고, 고체화 욕조를 통과하여 실의 직경을 260㎛ 이상으로 하고, 전연신 배율을 10~18배로 하고, 연신 후에 1~13%의 열수축 처리를 함으로써 제조할 수 있다.

상기 폴리비닐알코올은 평균 중합도가 2000 이상인 것이 바람직하다.

상기 폴리비닐알코올은 기계적 특성과 내습성을 위해 평균 검화도가 98몰% 이상인 것이 바람직하다.

상기 방사 원액 용매는 폴리비닐알코올을 용해하는 유기 용매로서 디메틸설폭시드(DMSO), 디메틸포름아미드, 디에틸렌트리아민, 글리세린, 메탄올 등을 들 수 있다.

상기 고체화 유기용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등을 들 수 있다.

고체화 욕조 중에서 실의 체류 시간을 2분 이상으로 함으로써 섬유의 표면과 내부에서 고체화가 서서히 진행하여 섬유의 결정 구조가 균일해지고 방사 원액 용매가 충분히 추출된다.

고체화 욕조를 통과하여 실의 직경을 260㎛ 이상으로 함으로써 기계적 특성과 접착성을 위해 소망의 굵기의 섬유를 용이하게 얻을 수 있다.

전연신 배율을 10~18배로 함으로써 고강력 섬유를 얻을 수 있다.

연신 후에 1~13%의 열수축 처리를 함으로써 파단강도의 큰 손실이 없이 파단신도를 향상할 수 있다.

이렇게 제조된 비닐론은 본 발명의 보수재에서 3차원적으로 불규칙적으로 배향하게 되는데, 휨 응력이 가해질 경우에 인장 방향과 근사한 방향으로 배향한 섬유는 보강효과를 나타내지만, 인장 방향과 다른 방향으로 배향한 섬유는 파단하기 쉬운 것을, 억제하게 되므로 기계적 강도의 향상이 보수재 전체에서 균일하게 이루어지게 된다.

본 발명의 비닐론은 보수재에서 다른 성분과의 접착성과 분산성을 위해 길이가 3~20mm인 것이 바람직하다.

카본 마이크로 코일(Carbon Micro Coil, CMC)은 탄소 섬유로서 약 1/1000㎜(마이크로 단위)의 피치로 코일 모양으로 감긴 형상이고 섬유 직경이 0.05~5 ㎛이고 코일 외경이 섬유 직경의 2~10배로 이루어진 것이다.

CMC는 전형적인 비정질 탄소인 활성탄과 거의 비슷한 회절패턴을 나타낸다. 비표면적은 일반적으로 100㎡/g 전후의 큰 값을 가지며 전기저항은 온도상승과 함께 감소하는 반도체적인 성질을 가진다. CMC의 최대 특징의 하나는 우수한 탄력성이다. 코일 직경이 큰 코일과 섬유 직경이 작은 코일은 원래 코일길이의 약 15배까지 늘어나는 초탄력성을 보인다.

카본 마이크로 코일은 외부에서 전자파가 조사될 경우 패러데이 법칙에 의해서 전자파를 줄(Jeoul)열로 변환시키기 때문에 전자파를 반사하는 것이 아니라 전자파를 흡수하여 소멸시킬 수 있게 된다. 특히, 마이크로 나선형 구조이기 때문에 최근 사용이 급증하고 있는 GHz 대역 전자파를 흡수함으로써, 인체에 치명적 영향을 줄 수 있는 고주파 전자파를 효과적으로 제거할 수 있게 된다.

본 발명에서 CMC는 보수재에서 시멘트계 결합재의 공극을 메꿈으로 인해 일정 기준 이상의 강도를 확보할 수 있고, 우수한 탄성으로 인장력이 향상되어 기계적 물성을 향상할 수 있고, 전자파 차폐성능을 향상할 수 있다.

또한, 시멘트 수화과정에서 발생하는 열을 빠르게 전달하여 온도 균열을 제어할 수 있다.

상기 CMC는 0.3wt% 미만으로 첨가될 경우, 상기 효과의 발현이 미미하고, 3wt%를 초과하여 첨가될 경우, 표면의 깨끗한 마감 작업이 어렵고 경제적으로 바람직하지 않다.

보수재 조성물을 구성하는 성분을 물과 함께 혼합할 경우에 CMC는 가볍고 응집하기 쉬워 혼합 작업에서 비산에 의해 인체에 흡입되어 악영향을 줄 수 있고 조성물에서 균일한 분산이 이루어지기 어려워 취급과 작업에 있어 문제가 있다.

본 발명은 이를 해결하기 위해 CMC가 수용성(수분산성) 고분자 수용액을 함침하여 얻어진 함수 응집물을 파쇄하고 건조하여 제조된 과립을 사용할 수 있다.

이때 상기 수용성 고분자는, CMC를 물속에서 분산 안정화시킬 수 있는 것으로서, 예를 들면, 변성 폴리비닐알코올, 양이온화 폴리아크릴아미드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리디알릴디메틸암모늄클로라이드 등을 사용할 수 있다.

이로 인해 본 발명의 보수재 조성물을 비빔에 의해 제조할 경우에 물에 의해 CMC를 다시 균일하게 역분산시키는 것이 가능해진다.

이때 상기 고분자의 분자량이 8000~50000인 것이 함수 응집물을 파쇄하여 CMC 과립을 형성하기 용이하여 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 함침에서 상기 수용성 고분자 수용액의 농도는 0.1~2.5 중량%인 것이 바람직하다.

상기 수용성 고분자 수용액의 농도는 0.1 중량% 미만이면 CMC 함수 응집물을 제조할 때에 CMC에 물이 함침되기 어렵고, 2.5 중량%를 초과하면 CMC 함수 응집물이 딱딱해져 CMC가 균일하게 분산하기 어렵다.

상기 함침은 CMC 100 중량부 대비 수용성 고분자 수용액 700~900 중량부를 첨가하고 실시할 수 있다.

이때 700 중량부 미만이면 함수 응집물 중에 수용성 고분자가 함침되지 않은 부분이 존재하고, 900 중량부를 초과하면 슬러리 상태가 되어 파쇄가 어려워진다.

상기 함침에 의한 함수 응집물은 상온에서 함수량이 CMC 대비 중량비율로 7~9배인 것이 파쇄에 의해 소망한 과립이 만들어지기 쉽다.

이후 상기 함수 응집물을 전단파쇄하여 파쇄된 과립을 제조한다.

이러한 과립은 함수 응집물이 서로 접촉하여 부착하여 자기응집하여 생성되는데, CMC의 날림이 적어지고 보수재 조성물에서 과립이 물과 혼합에 의해 역분산이 이루어져 균일한 분산이 이루어지게 할 수 있다.

상기 전단파쇄는 함수 응집물에 전단력을 가하여 미세화하는 것으로서, 콜로이드밀, 전동밀, 로터리 커터밀, 나노 쵸퍼 등의 장치를 사용할 수 있다.

상기 건조는 CMC를 피복하는 수용성 고분자의 분해나 변성을 방지하기 위한 온도에서 통상의 건조 방법을 제한 없이 사용할 수 있다.

상기한 방법으로 제조된 CMC 과립은 부피밀도가 0.2~0.25g/㎤일 수 있다.

상기한 방법으로 제조된 CMC 과립의 평균 입경은 0.3~2.0mm일 수 있다.

상기한 방법으로 제조된 CMC 과립의 공극률은 20~30%일 수 있다.

상기한 방법으로 제조된 CMC 과립은 비산이 일어나지 않아 혼합 공정에서 작업이 용이하고 물에 의해 CMC를 다시 균일하게 역분산시키는 것이 가능해진다.

상기 폴리머 성분은 콘크리트나 콘크리트로 되어 있는 바탕면의 조건에 따라 크게 영향을 받지 않고 부착력을 높이기 위하여 첨가되는 것으로서, 수용성 내지 수분산성이 것으로 제한 없이 사용될 수 있는데, 아크릴계, EVA 계, 폴리비닐알콜계, 메틸메타크릴레이트계, 비닐아세테이트계, SBR 계 등이 사용될 수 있다.

상기 폴리머는 1wt% 미만으로 첨가될 경우, 유동성과 부착력의 향상에 큰 효과가 없고 5wt%를 초과하여 첨가될 경우, 경화체의 강도 저하가 크게 발생할 뿐 아니라, 콘크리트의 점성이 증가하게 되어 표면의 깨끗한 마감 작업이 어렵게 되는 문제점이 발생된다.

한편, 아크릴계 폴리머는 염가로 널리 사용되고 있으나, 내수성이 약하고 약간의 습기에도 기존 콘크리트와의 접착력이 저하되고 건조 후에 적은 양의 물을 흡수하여도 성능이 저하하여 보수 후에 크랙 또는 들뜸을 발생시킬 수 있다.

또한, 폴리머 입자의 크기가 클수록 거대 입자화에 의해 폴리머의 응집이 발생하는데, 이는 밀착성과 내수성의 저하의 원인이 된다.

이를 해결하기 위해 변성 아크릴 에멀젼을 폴리머 성분으로 사용할 수 있다.

상기 변성 아크릴 에멀젼은 알킬기의 탄소수가 4~8의 (메타)아크릴산 알킬 에스테르를 주성분으로 하는 모노머(A)와 점착 강화 수지(B)로부터 되는 성분을 음이온성 계면활성제(C)를 함유하는 수용액에서 유화 분산함으로써, 평균 입자 지름이 0.4μm 이하가 되는 모노머 유화액(D)을 만들고, 이것을 수용성 중합 개시제 및 음이온성 계면활성제(E)를 함유하는 중합용 수용액(F) 중에 적하하면서 중합하여 폴리머 입자의 평균 입자 크기가 0.05~0.15μm로 제조된 것이다.

이러한 제조 방법에 의하면, 모노머(A)가 점착 강화 수지(B)를 용해하여 이루어진 유적을 음이온성 계면활성제(C) 중에서 기계적으로 강제 유화 분산시켜 입자의 크기가 작은 모노머 유화액을 제조하고, 이를 수용성 중합 개시제 및 음이온성 계면활성제(E)를 함유하는 중합용 수용액(F)에서 적하하면서 중합하는데, 이때에 음이온성 계면활성제(E)에 의해 중합핵이 되는 입자의 수가 많아져 모노머 유화액 중의 입자가 중합용 수용액(F)에 모노머의 용해유출에 따라 입자의 크기가 작은 폴리머를 얻을 수 있다.

또한, 이렇게 제조된 변성 아크릴 에멀젼은 폴리머 성분이 미세하게 분산되어 있게 된다.

이렇게 제조된 변성 아크릴 에멀젼은 폴리머 입자의 크기가 작아 콘크리트와의 밀착성을 향상시키고, 내수성, 내열성 및 내후성이 향상되고 재료의 분리가 발생되지 않아 콘크리트 보수재의 성능을 향상할 수 있다.

본 발명의 변성 아크릴 에멀젼에 사용되는 알킬기의 탄소수가 4~8인(메타)아크릴산 알킬 에스테르는, 모노머의 혼합물에 점착 강화 수지를 용해시키는 것이 필요하기 때문에, 알킬기의 탄소수가 4 이상인 것이 필요하다. 알킬기의 탄소수가 3 이하이라고 점착 강화 수지를 모노머의 혼합물에 용해시키는 것이 어려워진다. 또, 알킬기의 탄소수가 9 이상이면 물에 대한 용해도가 작아져, 모노머 유적 중의 불포화 단량체가 계면활성제 미셀로 이동하지 않게 되기 때문에, 합성수지 수성 에멀젼의 평균 입자 지름을 작게 하는 것이 곤란하게 된다.

본 발명의 변성 아크릴 에멀젼에 사용되는 알킬기의 탄소수가 4~8인 (메타)아크릴산 알킬은 아크릴산 또는 메타크릴산의 부틸, ISO 부틸, t－부틸, 펜틸, 시클로 헥실, 헵틸, 옥틸, 2 에틸 헥실등의 알킬 에스테르를 들 수 있는데, 아크릴산 2 에틸 헥실, 아크릴산 n－부틸이 좀 더 바람직하다. 모노머 전량 중의 함유량은, 점착력과 점착 강화 수지의 용해성을 향상시키기 위해, 50 중량% 이상, 바람직하게는 70 중량% 이상이다.

본 발명의 변성 아크릴 에멀젼에 사용되는 카르복실기를 가지는 모노머는, 합성수지 수성 에멀젼의 기계적인 안정성을 부여시키기 위해서 사용한다. 카르복실기를 가지는 모노머를 공중합 해 합성수지 수성 에멀젼의 기계적인 안정성을 부여시키기 위해서는 암모니아 수 등으로 합성수지 수성 에멀젼을 중화 해 pH를 7 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그 결과적으로, 내수성을 저하시키는 계면활성제를 줄일 수가 있다.

본 발명의 변성 아크릴 에멀젼에 사용되는 카르복실기를 가지는 모노머는 메타크릴산, 아크릴산, 말레인산, 이타콘산 등을 들 수 있다. 불포화 단량체 전량 중의 함유량은 합성수지 수성 에멀젼의 기계적 안정성을 향상시키기 위해 0.5 중량% 이상, 바람직하게는 1.0 중량% 이상이며, 내수성을 향상시키위해 5 중량% 이하, 바람직하게는 3 중량% 이하이다.

본 발명에서는, 점착 강화 수지의 모노머의 혼합물에의 용해를 저하시키지 않을 정도로서, 알킬기의 탄소수가 4~8인 (메타)아크릴산 알킬 및 카복실기를 가지는 불포화 단량체와 공중합 가능한 각종 모노머도 이용할 수가 있다. 예를 들면 (메타)아크릴산의 메틸, 에틸, 프로필, 벤질, 디실, 이소 디실, 도데실, 이소 도데실, 라우릴, 트리데실, 이소 트리데실, 테트라 디실 등의 에스테르를 들 수 있다. 이는 모노머 전량 중의 함유량은 49. 5 중량%이하가 바람직하다.

본 발명의 변성 아크릴 에멀젼으로 사용되는 알콕시실릴기를 가지는 모노머는 건조 피막의 팽윤을 억제하여 내수성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 사용되는 알콕시실릴기를 가지는 불포화 단량체로서는 비닐트리스(β-메톡시에톡시)실란, γ- 메타크릴록시프로필트리메톡시실란, γ- 메타크릴록시프로필디메톡시실란, γ- 아크릴록시프로필트리메톡시실란, γ-아크릴록시프로필디메톡시실란 등이 있다. 사용량은 0.01~1.0 중량%, 바람직하게는 0.05~0.5 중량%가 바람직하다. 사용량이 0.01 중량% 미만이면 내수성 향상의 효과가 적게 되고, 1.0 중량% 초과하면 반대로 건조 피막의 성막성이 저하해 내수성이 저하한다.

본 발명의 변성 아크릴 에멀젼에 사용되는 점착 강화 수지(B)는 지방족계 석유 수지, 지환족계 석유 수지, 수소 첨가 로진계 수지 등을 들 수 있다. 특히 연화점이 80℃ 이상의 수상에 확산 하기 어려운 점착 강화 수지나, 산가 및 수산기값이 0.1 이하의 수상에 확산하기 어려운 점착 강화 수지가 바람직하다. 그 중에서 지환족계 석유 수지가 바람직하다. 점착 강화 수지 수지의 사용량은, 전 모노머 100 중량부에 대해서 점착력을 향상시하기 위해 4 ~ 20 중량부인 것이 바람직하다.

본 발명의 변성 아크릴 에멀젼에 사용되는 음이온성 계면활성제(C)는 유화제로 사용되며, 폴리옥시알킬렌 구조와 불포화 이중 결합을 가지는 음이온성 계면활성제가 바람직하다.

폴리옥시알킬렌 구조에 의해 모노머 유화액의 안정성이 향상하고 불포화 이중 결합에 의해 폴리머 에멀젼의 기계적 안정성이 향상한다.

이의 상업화된 제품으로 아쿠아론 KH-10, KH-5(제일공업제약(주), 일본) 등이 있다.

사용량은 유화 분산하여 평균 입자 크기가 0.4μm 이하의 모노머 유적을 형성시킨 모노머 유화액(C)에, 불포화 단량체 혼합물 100 중량부에 대해서, 0.5~2.0 중량부가 이용된다. 또, 계면활성제 수용액중(F)에, 0.1~2.0 중량부 이용된다.

본 발명의 변성 아크릴 에멀젼에 사용되는 수용성 중합 개시제는 과황산 나트륨, 과황산칼륨, 과황산암모늄, 과산화수소, 터셔리부틸하이드로퍼옥사이드 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 변성 아크릴 에멀젼은 입자의 크기가 작아 작업성을 향상하고 시공에 적합한 점도를 부여하고 시멘트계 화합물의 수화가 완전히 이루어지지 못하여 생기는 수화경화제의 공극을 3차원적으로 연결하여 치밀한 조직을 형성할 수 있다.

본 발명의 콘크리트 보수재의 조성물은 중성화로 인한 콘크리트 건축물의 철근 부식을 억제하고 콘크리트 구조물의 수명을 연장할 수 있다.

또한, 균열을 억제하고, 고강도, 고인성, 고내구성을 발현하는 것이 가능해진다.

또한, 물과 함께 비빔을 할 때에 수용성 고분자 함침 CMC 과립이 물과 마찰에 의해 조성물 중에서 역분산하면서 상기 고분자에 의해 시멘트와 친화성이 있는 비닐론 섬유와 결합하면서 분산이 이루어지므로 보수재의 기계적 특성이 더욱 향상되는 것이 가능해진다.

또한, 섬유와 카본 마이크로 코일의 뭉침 현상이 발생하지 않아 보수재 조성물이 균일한 물성을 발현하는 것이 가능해진다.

또한, 카본 마이크로 코일에 의해 전자파 차폐성을 제공할 수 있다.

이하 본 발명의 보수재에 대해 하기의 제조예와 실시예를 통해 상세히 설명한다.

[제조예 1]

중합도 4000, 검화도 99 몰% 이상의 완전 검화 폴리비닐알코올(PVA) 12 중량부, 디메틸설폭시드(DMSO) 88 중량부를 혼합하고 질소로 치환하고, 120 Torr의 감압 밀폐 분위기에서 95℃에서 8시간 동안 교반하면서 용해하고, 그 후에 같은 120 Torr, 95℃에서 8시간 동안 탈포하여 방사 원액(90℃에서 점도 16 Pa·s)을 조제하였다.

이 방사 원액을 90℃로 유지하고, 구멍수 100, 구멍 지름 0.4mm

의 노즐을 통과시켜, 0℃의 메탄올/DMSO의 혼합 중량비가 70/30의 혼합액으로 이루어지는 고체화 욕 중에 습식 방사하고, 형성된 실의 고체화 욕 중에서 체류 시간이 3분이 되도록 체류시켰다. 그 다음에 고체화 욕에서부터 직경 376㎛의 실을 꺼내어 3.5배 습연신을 하고, 가열 메탄올과 향류접촉시켜 DMSO가 0.15% 이하가 되도록 추출하여 제거하였다.

이어서 유제 처리를 한 후, 150℃로 열풍 건조하여 10300/dtex/100 f의 방사 원사를 얻었다. 그 다음에 235℃에서 4.0배 건열연신을 하여 전연신 배율을 14배로 하고, 240℃에서 7.5%의 열수축 처리를 하였다. 이후 12mm의 길이로 잘라 단섬유를 제조하였다.

얻을 수 있던 비닐론 섬유의 직경은 52㎛이며, 파단 강도 11 cN/dtex, 파단신도 8%, 건열수축율 1.0%, 열수 수축율 0.7%였다.

[제조예 2]

CMC 100 중량부에 대해, 물 700 중량부에 수용성 고분자인 변성 폴리비닐알코올 0.874중량부를 용해한 수용액을 첨가하여 수용성 고분자 수용액이 함침된 CMC 응집물을 얻었다.

상기 응집물을 커터 밀에서 연속적으로 전단파쇄처리를 하여 파쇄하고 파쇄된 파쇄물이 자기 응집하여 형성되는 과립을 제조하였다. 이후 열풍건조를 하여 최종적으로 탄소함량 90중량%, 부피밀도가 0.2g/㎤, 평균입경이 0.9mm인 과립을 얻었다.

[제조예 3]

아크릴산 2 에틸 헥실 80 g, 메타크릴산 메틸 17. 44 g, 아크릴산 2. 4g,γ-메타크릴록시프로필트리메톡시실란 0.16 g, 아르콘 M－135 10 g(Arakawa Chemical Industries, Ltd., 일본, 지환족계 석유 수지)을 넣고, 혼합물이 균일하게 될 때까지 상온에서 교반 했다. 이것에 아쿠아 론 KH－10(Dai-Ichi Kogyo Seiyaku co., Ltd., 일본, 음이온성 반응성 계면활성제) 1.2 g과 물 92 g 넣고 고압 호모게나이저로 400 kg/㎠의 압력으로 유화 분산해 평균 입자 지름이 0.25㎛의 모노머 유화액을 얻었다.

아쿠아 론 KH－10(Dai-Ichi Kogyo Seiyaku co., Ltd., 일본, 음이온성 반응성 계면활성제) 0.8 g과 물 34 g으로 이루어진 계면활성제 수용액을 넣고 교반하면서 80℃로 승온하였다. 여기에 상기 모노머 유화액의 3%와 과황산칼륨 0.06 g를 첨가하여 유화 중합을 개시했다. 그 후, 상기 모노머 유화액의 98%와 과황산칼륨 0.2 g과 물 8 g을 3시간 들여 천천히 첨가하고, 80℃로 2시간 숙성하고, 상온으로 냉각 후, 25% 암모니아수로 pH를 8.5로 만들어 180 메쉬의 철망으로 여과하여 변성 아크릴 공중합체 에멀젼을 제조하였다. 제조된 변성 아크릴 공중합체 에멀젼의 평균 입경은 0.11㎛, 고형분은 45.1%였다.

[실시예 1]

시멘트 35 중량%, 규사 46 중량%, CSA계 팽창재 7 중량%, 포졸란 7 중량%, 나프탈렌계 유동화제 1 중량%, 비닐론 단섬유(Kuraray사 RF400, 일본, 길이 12mm, 직경 200㎛) 1.5 중량%, CMC 분말 0.5 중량% 및 아크릴 수지 2 중량%로 이루어진 조성물을 이용하여 콘크리트 보수재를 제조하였다.

[실시예 2]

상기 실시예 1에서 상기 비닐론 단섬유을 상기 제조예 1의 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 콘크리트 보수재를 제조하였다.

[실시예 3]

상기 실시예 1에서 상기 CMC 분말을 상기 제조예 2의 CMC 과립의 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 콘크리트 보수재를 제조하였다.

[실시예 4]

상기 실시예 1에서 상기 비닐론 단섬유을 상기 제조예 1의 것을, 상기 CMC 분말을 상기 제조예 2의 CMC 과립의 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 콘크리트 보수재를 제조하였다.

[실시예 5]

상기 실시예 1에서 상기 아크릴 수지 대신에 상기 제조예 3의 변성 아크릴 공중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 콘크리트 보수재를 제조하였다.

[비교예 1]

상기 실시예 1에서 비닐론 단섬유를 사용하지 않고, CMC 분말 2 중량%로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 콘크리트 보수재를 제조하였다.

[비교예 2]

상기 실시예 1에서 CMC 분말을 사용하지 않고, 비닐론 단섬유 2 중량%로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 콘크리트 보수재를 제조하였다.

상기 실시예와 비교예의 콘크리트 보수재에 대해, 몰드에 타설한 후 24시간 후에 타설하여 재령 7일과 28일까지 습윤양생(온도 20±3℃, RH 80±10%)을 실시하여 시편을 제작하고, KS F 4042에 따라 물성을 평가하였다.

전자파 차폐율은, 평균 두께 1㎜의 판으로 성형한 시료를 사용하여 ASTM D 0304 시험규격에 따라 1GHz에서 전자파 차폐율을 평가하였다.

평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	재령(일)	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예 1	비교예 2
압축강도 (Kgf/㎠)	7일	419	436	442	461	420	363	371
	28일	516	525	536	569	518	425	436
부착강도 (Kgf/㎠)	7일	18	18	19	20	22	19	19
	28일	24	24	25	26	27	23	23
휨강도 (Kgf/㎠)	7일	70	72	73	78	70	55	58
	28일	99	102	104	111	100	77	81
길이변화율(%)	-	0.012	0.012	0.012	0.012	0.012	0.016	0.016
물 흡수 계수(Kg/㎡·h0.5)	-	0.09	0.09	0.09	0.09	0.07	0.32	0.65
전자파 차폐율(dB)	-	40	39	46	45	44	41	9

상기 표 1의 결과로부터 실시예의 것이 비교예의 것보다 기계적 강도가 향상되고 특히 휨강도의 향상 정도가 커지는 것으로부터 본 발명의 콘크리트 보수재는 비닐론 단섬유와 CMC에 의해 강도의 향상이 이루어지는 것이 확인된다.

또한, CMC의 존재에 의해 전자파 차폐성도 향상되는 것을 확인할 수 있다.

Claims (5)

1. 콘크리트 구조물의 이물질 및 열화된 부분을 제거하는 표면처리단계;
   상기 표면처리된 콘크리트 구조물의 이물질을 고압세정수에 세정하는 열화부 세정단계;
   상기 이물질이 제거된 콘크리트 구조물에 표면강화재를 도포하는 표면강화재 도포단계;
   상기 표면강화재 도포 부위 위에, 시멘트 30~40 중량%, 규사 30~50 중량%, 팽창재 5~10 중량%, 혼화재 5~20 중량%, 유동화제 0.2~1.5 중량%, 비닐론 섬유 0.5~5 중량%, 카본 마이크로 코일 0.5~3 중량% 및 폴리머 1~5 중량%를 포함하여 이루어진 보수재를 도포하는 보수재 도포단계;
   상기 보수재 도포 부위 위에 표면보호재를 도포하는 표면보호재 도포단계; 및
   상기 표면보호재 도포후 세라믹 코트재를 균일하게 도포하는 세라믹 코트재 도포단계;를 포함하며,
   상기 카본 마이크로 코일은, 카본 마이크로 코일이 함유되고 평균 입경이 0.3~2.0mm인 카본 마이크로 코일 과립이며,
   상기 카본 마이크로 코일 과립은 카본 마이크로 코일에 수용성 고분자 수용액을 함침시켜 얻어진 함수 응집물을 파쇄하고 건조하여 제조된 것이며,
   상기 수용성 고분자는 변성 폴리비닐알코올, 양이온화 폴리아크릴아미드, 폴리비닐피롤리돈 및 폴리디알릴디메틸암모늄클로라이드 중에서 선택되며,
   상기 폴리머는, 변성 아크릴 공중합체 에멀젼으로서,
   아크릴산 2 에틸 헥실, 메타크릴산 메틸, 아크릴산 및 γ-메타크릴록시프로필트리메톡시실란으로 이루어진 모노머와 석유 수지의 혼합물; 음이온성 계면활성제; 및 물을 포함하여 혼합하고 유화 분산시켜 모노머 유화액을 얻는 단계; 및
   상기 모노머 유화액에 음이온성 계면활성제, 물 및 수용성 중합개시제를 포함하여 혼합하고 유화중합하는 단계를 포함하여 제조되고,
   폴리머 입자의 평균 크기가 0.05~0.15μm인 것을 특징으로 하는,
   고인장성 섬유를 이용한 콘크리트 구조물의 보수·보강 공법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 비닐론 섬유는 평균 직경이 35㎛ 이상 이고, 파단강도가 10cN/dtex 이상이고, 파단신도가 8% 이상이고, 건열 수축율이 3% 이하이고, 열수 수축율이 2% 이하인 것을 특징으로 하는, 고인장성 섬유를 이용한 콘크리트 구조물의 보수·보강 공법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 비닐론 섬유는, 폴리비닐알코올 방사 원액을 고체화 유기 용매를 함유하는 고체화 욕조에 통과시켜 섬유를 제조할 때에, 고체화 유기용매/방사 원액 용매 = 90/10 ~ 50/50(중량비)으로 하고, 고체화 욕조 중에서 실의 체류 시간을 2분 이상으로 하고, 고체화 욕조를 통과하여 실의 직경을 260㎛ 이상으로 하고, 전연신 배율을 10~18배로 하고, 연신 후에 1~13%의 열수축 처리를 하여 제조된 것을 특징으로 하는, 고인장성 섬유를 이용한 콘크리트 구조물의 보수·보강 공법.
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