KR20040025715A - 무기세라믹을 이용한 콘크리트 균열 보수, 보강공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2001년 2월 27일에 출원한 특허출원 제2001-0010025호에 기재된 액상의 무기세라믹(염화규소 변성 액체세라믹)을 사용하여 콘크리트 구조물의 콘크리트 표면에 발생된 균열을 보강 및 보수하거나 손상부를 통해 대기에 노출된 철근의 표면이 부식되지 않도록 함과 동시에 노출된 철근을 은폐시킬 수 있도록 하기 위한 무기세라믹을 이용한 콘크리트 균열 보수·보강공법을 제공한다.

Description

무기세라믹을 이용한 콘크리트 균열 보수, 보강공법{USING CONCRETE CRACK REPAIR, REINFORCEMENT A METHOD OF CONSTRUCTION FOR CERAMICS}

본 발명은 2001년 2월 27일에 출원한 본 출원인의 특허출원 제2001-0010025호에 기재된 액상의 무기세라믹(염화규소 변성 액체세라믹)을 사용하여 콘크리트 구조물의 콘크리트 표면에 발생된 균열을 보강 및 보수하거나 손상부를 통해 대기에 노출된 철근의 표면이 부식되지 않도록 함과 동시에 노출된 철근을 은폐시킬 수 있도록 하기 위한 무기세라믹을 이용한 콘크리트 균열 보수·보강공법을 제공한다.

다시 말해서, 콘크리트의 균열(14) 부분은 물론 콘크리트 표면 전체에 본 발명에 사용되는 무기세라믹을 1회 코팅함으로서 철근이 부식하거나 부식될 우려를 사전에 방지하고, 기존 철근 콘크리트 구조물의 염해, 중성화 또는 염해 및 중성화 복합현상에 의하여 철근이 부식하거나 부식될 우려가 있는 부분에서의 철근 콘크리트 구조물의 보수 및 부식을 억제시키는 공법에 관한 것이다.

일반적으로 철근 콘크리트 구조물은 내진성, 내화성, 내구성에 우수한 경제적인 구조로서 주택, 학교, 병원 등 건축구조물 뿐만 아니라 댐, 교량, 공항, 방파제 등의 대형 토목구조물에 널리 사용되고 있다. 그런데, 철근 콘크리트 구조물은 반영구적이라고 생각되어 왔으나 실제로 경년 열세 후 철근 콘크리트 구조물을 살펴보면, ① 콘크리트 중성화 ② 철근 부식 ③ 콘크리트 균열 ④ 누수 ⑤ 콘크리트 강도변화 ⑥ 대(大) 변형 ⑦ 콘크리트 표면열화 ⑧ 콘크리트 동해 등의 열화현상이 발생하고 있어 철근 콘크리트 구조물의 내구성 향상 대책이 필요하며, 또한 이러한 열화현상은 대부분 철근부식으로 이어져 철근 콘크리트 구조물의 내력저하를 초래하고 경우에 따라서는 철근 콘크리트 구조물의 안전성에 심각한 영향을 끼치고 있다.

그리고 국내 건설시장에 있어서는 1970년대부터 1980년대에 이르기까지 주택 200만호 건설, 사회간접시설의 확충 등 철근 콘크리트 구조물의 급격한 증가로 철근 콘크리트 구조물에 사용된 재료는 열악한 품질 하에서 사용되었으며 부실시공을유발하면서 철근 콘크리트 구조물을 축조하게 되었다. 또한, 구조물 신축 지상주의로 인한 철근 콘크리트 구조물의 내구성 및 유지관리에 관한 관심부족으로 일부 철근 콘크리트 구조물에서는 중성화 및 염해에 의해 철근이 부식하거나 잠재적으로 부식할 우려가 있는 구조물이 많이 존재하고 있는 것이 현 실정이다.

특히, 신축 후 십 수년이 지난 현시점에서 이들 철근 콘크리트 구조물은 철근부식에 의한 균열발생, 콘크리트 박리·박락, 내력성능 저하라는 구조물의 사회적, 기능적, 물리적 수명에 도달하고 있으며, 이에 따라 구조물의 신축부터 내구성 및 유지관리를 고려한 설계확립 및 이미 열화되고 있는 이들 철근 콘크리트 구조물의 적절한 보수·보강은 사회적인 요구일 뿐만 아니라 개인 및 국가자산으로서 그 수명을 연장시키는 것은 매우 중요한 과제이다.

한편, 철근 콘크리트 구조물의 적절한 보수·보강으로 방수 및 기타 석유화학 제품을 응용한 방수 및 방청제가 현장에 적용은 되고 있으나 아무리 철저히 시공하여도 완벽하지 못한 것이 현실이며, 기존의 유기 결합성 보수.보강용 방수액 및 방청제는 화학적으로 중성이하 약산성 또는 산성이므로 콘크리트의 성질인 강알칼리(PH=12~13)와 접촉하면 중화과정을 거치게 되어 내수성이 약해지고 열화가 가속되며 결국 콘크리트 표면의 내구성을 저하시킨다.

또한, 상기 유기 결합성 방수액 또는 방청제는 보수.보강 후 타 공정 작업시 파손의 우려가 있으며, 파손시 이를 찾아내기가 어려워 보수가 용이하지 않으며, 장기적으로 유기 결합성 보수.보강용 방수액 및 방청제는 화학적 중화과정을 거쳐 물리적으로는 콘크리트 표면과 분리 또는 박리상태가 되므로 충격 또는 파손시 파손부위와 상관없이 전방위로 침투수가 확산되어서 쉽게 철근 콘크리트 구조물의 하자를 발생시키며, 하자가 한번 생기면 그 위치를 확인 할 수 없어 하자보수가 매우 어렵고 보수비용이 많이 들며, 기존의 유기 결합성 보수.보강용 방수액 및 방청제는 사용한 후 일단 누수가 발생하면 콘크리트 구조물의 수밀성이 저하되고 장기간에 걸쳐 침투깊이가 깊어지면서 철근과 접촉하여 부식이 진행되고 구조물의 내구성이 갈수록 약해진다.

그리고 철근 콘크리트 구조물은 pH 12~13 정도의 강알칼리성을 가지며 이와 같은 강알칼리 분위기에서의 철근은 부동태 피막을 생성하여 부식이 진행되지 않는다. 하지만, 대기중의 탄산가스나 기타 산성물질(침투수(水) 즉, 산성비)의 침투에 의해 콘크리트의 알칼리성은 표면에서부터 서서히 저하하게 되며 시멘트 수화생성물인 수산화칼슘[Ca(OH)2]과 대기중의 이산화탄소[CO2]가 결합하여 탄산칼슘[CaCO3]을 생성하면서 콘크리트의 알칼리성이 현저하게 저하하게 되는데 이러한 현상을 콘크리트의 중성화 현상이라고 하며, 철근 부분까지 중성화가 진행되면 철근은 부식에 대하여 무방비 상태가 되어 산소와 물의 공급이 있으면 철근이 부식하게 되고 그 부식 팽창압에 의하여 피복 콘크리트에 균열 및 박락이 발생하게 된다.

여기서, 철근의 피복 두께가 충분하고 피복 콘크리트의 품질이 좋으면 중성화가 철근 위치에 도달하기까지 장시간이 필요하며 또한 중성화가 진행한 후에는 피복 콘크리트가 산소와 물의 침입을 방지하기 때문에 철근의 부식은 용이하게 진행하지 않고 철근 콘크리트의 내구성은 매우 우수하게 된다. 그러므로, 이 경우 중성화 현상으로 콘크리트 자체의 품질을 저하시키는 일은 거의 없으나, 실제 콘크리트 피복의 두께 부족으로 콘크리트의 박락, 부식한 철근의 국부적인 노출현상이 빈번히 발생하고 있다.

옥외에 폭로한 콘크리트의 경우 피복 두께가 1∼1.5cm 정도이면 5∼10년 정도에서 철근이 부식하고 피복 콘크리트의 균열 및 박락이 발생하게 된다. 그래서, 콘크리트의 중성화에 의한 철근부식을 방지하기 위한 종래의 기술로는 콘크리트의 피복두께 증가(KS 규정 준수), 수밀성 콘크리트의 시공(이산화탄소, 공기, 수분의 침투 억제), 콘크리트 표면 피복(이산화탄소, 공기, 수분의 침투 차단) 등이 주요 중성화 억제 방안으로 되어 있으나, 이는 이미 중성화 현상이 일어난 콘크리트 구조물에 있어 그 알칼리성을 회복시켜 철근의 부식을 방지하는 것에 있어서는 근본적인 대책이 될 수 없었다.

따라서, 중성화에 의해 콘크리트의 알칼리도가 저하된 부분은 근본적으로 강알칼리성의 화학약품을 이용하여 중성화된 콘크리트의 알칼리도를 회복시켜야만 철근부식을 방지할 수가 있다. 그러나, 기존에 개발된 주요 알칼리 회복제는 침투성을 높이기 위하여 알코올 종류를 사용하므로 인체에 유해하고 환경친화적이지 못하며, 제조단가가 고가인 점과 pH가 7 이하로서, 철근 위치까지 깊이 침투시킬 수 없는 점 등의 문제점을 가지고 있어 콘크리트 구조물의 수화반응이 끝난 후 여러 가지 내외적요인으로 인한 콘크리트의 누수 또는 침투수에 의해 철근의 부식을 방지하기 위한 내수성이 강하고 발수력이 강한 무기계 액상의 세라믹 코팅이 가능한 제품의 적용이 필요하며, 장기간 콘크리트의 염화 및 내구성의 감소가 진행되더라도철근의 변형과 변질을 막아 균열의 진행과 부식을 방지시키는 공법의 적용이 요청된다.

한편, 철근 콘크리트 구조물의 염해현상이란, 콘크리트 중의 염화물이 철근을 부식시켜 철근 및 콘크리트가 열화하는 현상을 말하는데 일반적으로 염화물이 콘크리트 구조물에 혼입되는 과정은, ① 세골재로서 충분히 세정하지 않은 해사를 사용한 경우 ② 염화물을 다량 포함한 혼화제를 사용하는 경우 ③ 융설제(融雪劑)를 콘크리트 표면에 도포한 경우 ④ 해안에서 해염입자가 콘크리트 구조물에 비래하여 침투하는 경우 등이 있다. 여기서, ①과 ②를 내재염분, ③과 ④를 비래염분이라고 하며, 염해 피해란 콘크리트 내에 혼입되는 염화물이 철근을 부식시켜 철근콘크리트 구조물에 균열 및 내력저하를 초래하여 최종적으로 구조물의 안전성, 사용성, 내구성을 저하시키는 현상을 말한다.

콘크리트 내부는 pH가 높기 때문에 철근 부식은 크게 억제되지만 이러한 환경 하에서도 염소이온이 존재하면 염소이온에 의해 부동태 피막이 파괴되고 혹은 부동태화로의 방해를 받게된다. 이러한 현상 메카니즘은, ① 염소이온의 산화철 피막에 대한 해질작용 ② 흡착에 의한 철 이온의 용해촉진 ③ 생성물 연속반응의 진행 ④ 아노드 반응에 대한 촉매작용 ⑤ 철과 직접반응에 의한 중간생성물의 생성 ⑥ pH의 저하 ⑦ 전기 전도도의 증대로 설명되고 있다.

이와 같이 염소이온의 작용은 간접적이고 촉매적인 것이라고 생각되지만 이 문제에 대하여는 아직 충분히 해명되지 않은 점도 많고 향후의 연구 과제로 남아있다. 콘크리트 내의 염소 이온량과 철근 부식과의 관계에 대한 조사 결과, 콘크리트중의 철근 부식 한계 염화물 이온농도는 전체적으로 0.3∼1.2kg/㎥정도의 농도를 한계치로 하는 경우가 많다. 또한, 대부분의 규정에서 염소이온이 시멘트 중량의 0.4%이하, NaCl량이 모래 절건 중량의 0.04% 이하로 되어있고 이를 염화물 이온 총량 규제로 산정하면 염화물 이온 총량0 .3kg/m3에 해당하므로 철근이 전혀 부식하지 않는다는 조건하에 설정된 안전값으로 철근콘크리트 구조물의 한계 염화물 함유량은 이 값이 적절하다고 판단된다. 따라서, 콘크리트 제조시 콘크리트 사용재료에서 염소이온이 혼입되지 않도록 하거나 규정 혼입량 이하로 하는 것이 매우 중요하며, 기존 구조물의 경우 융설제나 해안가의 비래염분이 콘크리트 내로 침투하지 않도록 방지하는 것이 매우 중요하다.

그래서, 기존 철근 콘크리트 구조물의 염해 방지기술로서는 구조물 신축시에 내재 염화물 혼입 및 비래 염화물 침투에 대비한 예방적 대책과 기존 구조물의 내재 염화물 및 비래 염화물에 의하여 철근이 부식하고 콘크리트 균열 발생 및 박락이 발생한 경우의 보수·보강 대책으로 크게 나눌 수 있다.

구조물 신축시 내재 염화물에 대한 염해 대책은, ① 충분히 세정한 해사 사용(레미콘 염화물 총량 규제 0.3kg/m3 이하 확인) ② 철근 표면 처리 ③ 콘크리트 밀실화 ④ 철근 피복두께 증가 ⑤ 방청제 사용 ⑥ 전기방식 등이 있다.

한편, 비래 염화물 침투에 대한 대책으로서는 산소, 수분, 염소이온 침투를 방지하기 위한 콘크리트 표면 피복이 주로 사용되고 있어 구조물 신축시의 염해 대책 기술은 거의 완성되어 있다고 할 수 있다.

그러나, 기존 건축물에 규정량 이상의 내재염분이 존재하여 철근이 부식할 우려가 있는 구조물에 대한 염해 보수 시스템공법은 아직 확립되어 있지 않으며 콘크리트 내의 염소이온을 제거하지 않는 한 염해에 대한 철근 부식 방지 근본 대책이 될 수 없다. 따라서, 콘크리트 내에 염분이 내재하고 있는 경우는 철근 주위의 염소이온을 제거하거나 염소이온을 고정화시키고 철근의 부동태를 재생시키는 Si-O결합을 가지는 액상의 무기세라믹이 적용이 필요하다.

본 발명은, 중성화되어 가는 철근 콘크리트 구조물의 확실한 보수 및 보강이 가능토록 하는 무기세라믹을 이용한 콘크리트 균열 보수·보강공법을 제공한다.

이를 위한 본 발명은, 염해, 중성화 또는 이들의 복합현상에 의하여 콘크리트의 표면에 균열이 발생되거나 손상부로 인한 부식된 철근을 보수 및 보강하기 위한 방법으로, 콘크리트 표면을 고압수(水) 세척에 의한 물 청소 후 건조 및 표면 거칠기를 확보하는 공정과, 손상된 콘크리트 표면 위에 Si-O결합을 가지는 액상의 무기세라믹을 도포하여 건조시키는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도1은 콘크리트 구조물의 균열과 손상 상태를 나타낸 참고도.

도2는 본 발명의 실시에 의해 콘크리트 구보물의 균열과 손상부가 보수된 상태를 나타낸 참고도.

[도면의 주요부분에 대한 부호 설명]

5: 무기세라믹10: 콘크리트

12: 철근14: 크랙

14a: 손상부20: 방수 몰탈

철근콘크리트 구조물에 있어서 염해, 중성화 또는 이들의 복합현상에 의하여 부식한 철근의 보수 및 예방을 위한 방법에 있어서는 전처리 공정과 코팅공정으로 나누어지는데, 먼저 전처리 공정으로 콘크리트 표면을 고압 수(水) 세척에 의한 물청소 후 건조 및 표면 거칠기를 확보하는 공정과, 코팅공정으로서 손상된 콘크리트 표면 위에 염소이온이 포함되어 있는 경우 염소이온의 침투를 억제시키기 위하여 Si-O결합을 가지는 액상의 무기세라믹을 도포·침투시키는 코팅공정으로 나뉜다.

상기에 있어서, 표면 거칠기를 확보한다는 것은, 청소 후 콘크리트 표면이 건조된 다음 이물질이나 부스러지는 조각, 돌출부 등을 제거하면서 표면이 깨끗해지도록 하는 것을 의미한다. 이어서 액상의 무기세라믹을 침투 및 코팅시킬 때 솔, 흙손, 스프레이, 롤러 등으로 콘크리트나 철근 표면에 소정의 도포량(1mm 이하)을 균일하게 도포하고, 솔로 도포할 경우는 솔의 눈을 고르게 해서 도포한다.

한편, 첫 번째 도포한 액상의 무기 세라믹 층이 손가락으로 만져 보았을 때 손에 묻지 않는 상태가 되고 나서 두 번째 도포를 행하는 것이 좋고 첫 번째 도포 후 30분 이상의 간격을 두고 두 번째 도포하는 경우는 도포 전에 물을 뿌릴 수도 있다. 이후 도포 완료 후 48시간 이상 적절한 양생을 하는데, 직사광선이나 바람, 고온 등에 의해서 갑자기 건조될 우려가 있는 경우는 물을 뿌리고 시트 등을 깔아 양생하며, 폐쇄장소 등에서 결로의 우려가 있는 경우는 환기, 통풍, 제습 등의 조치를 강구한다. 그리고, 저온에 의한 동결의 우려가 있는 경우는 적절한 보온조치를 가할 수 있다.

상기 액상의 무기세라믹은, 고순도 특수유리 및 세라믹체를 목적으로 하는 산화물용 금속알콕시이드, 금속아세틸 아세트네트 화합물을 탈이온수로 가수분해 중합반응한 것으로 유리 및 금속 등의 기재에 유리질의 세라믹체 막이 이루어지는 균질한 무기폴리머(Polymer.)이며,Si-O결합을 가진 화합물 Si(OC2H5)4를 기본 유니트로 하여 초순수 물에 가용(可溶)한 용액이고,대기 중 및 저온소성(150℃범위)에서 산소와 반응해서 치밀한 고순도 Silica(아몰펄스-SiO₂)막을 형성하며, 불활성 분위기 중에서는 고온소성(450℃범위)에서 탈수소(脫水素)반응에 의한 열경화 아몰펄스(非晶質)규소 세라믹으로 전화(轉化)하는 특징을 가지고 있다.

이것은 다음과 같은 물성과 특성을 가지는데, 외관 : 무색투명액체, PH : 11~12, 점도 : 2cps, 입자크기 : 20nm↓, 비중 : 1.2 ±0.05, Solid by Weight : 30%(±2%), Chemical Analysis : SiO₂, 희석제 : 물, 안전사용온도(℃) : PH 7에서 약 650℃, PH 10에서 약 1,230℃이다.

물성의 특징으로, 모든 종류의 철과 비금속을 비롯해 Glass, Ceramic, Cement까지 마감처리 할 수 있으며, Vehicle을 기재표면에 Spray coating한 것은 표면 에너지가 낮아 내식성(耐蝕性) 및 내약품성(耐藥品性)이 우수하다.

세라믹 재료의 특수 안료첨가에 의한 전기적(電氣的), 기계적(機械的), 광학적(光學的), 열적(熱的), 생화학적(生化學的) 기능 도료의 기초물성 Vehicle로도 사용할 수 있으며, 일액형으로 보관성이 좋은 특징을 가지고 있다.

도면과 같이 콘크리트(10) 표면에 크랙(14)이 발생하거나 철근(12)이 노출될 정도의 손상부(14a)가 발생되었을 때, 콘크리트 구조물과 동일한 알칼리성을 가지는 액상의 무기세라믹의 Si(OC2H5) 화합물이 시멘트 수화물의 일부와 반응하여 Si-O 결합형태의 수화물로 형성하여 기존의 어떠한 화학제품보다 내구성 및 발수력을 높일 수 있도록 한 액상의 무기세라믹(5)이 침투 또는 코팅되어 보수 및 보강이 종료된다. 본 발명의 액상의 무기세라믹은 환경 친화형 제품으로, 도포 후에는 구조물 표면이 계면억제성 발수력(연꽃에 물이 따로 분리되는 것과 같은 현상)을 가지고 있어 물의 침투가 불가능하므로 품질이 우수하고 신구접착(新舊接着)의 시공Joint부에 적용할 경우 경년 변화에 의한 분리현상이 없게 하며 강한 발수력으로 인해 침투수를 효과적으로 방지한다.

한편, 상기 손상부(14a)에는 무기세라믹(5)을 코팅시킨 다음, 그 틈새에 몰탈(20)을 충진시켜 보강을 완전하게 꾀할 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면 콘크리트의 염해, 중성화 또는 염해 및 중성화 복합현상에 의한 균열과 이로 인한 철근이 부식하거나 부식될 우려가 있는 철근 콘크리트 구조물의 열화원인별로 아주 간단한 보수가 가능하여 기존의 방식에 의할 경우 기본적으로 손상된 콘크리트를 완전히 털어 내는 번거로움 등이 없으며, 철근 콘크리트 구조물의 열화를 간단한 방식으로 해결할 수 있어 수명 연장 및 내구성 향상에 크게 이바지할 수 있다.

또한, 철근 콘크리트 구조물의 내구성과 내마모성, 수밀성, 내약품성이 증대되어 콘크리트의 열화 방지와 콘크리트 구조물을 보호하는 기능을 완벽하게 수행하게 되며, 특히 무기결합(Si-O)을 하며 pH가 알칼리성으로 콘크리트와 동일한 성질의 무기세라믹을 사용하게 됨으로써 반영구적으로 철근 콘크리트 구조물의 성능이 보존될 수 있다는 장점이 있으며, 경제성이 탁월하고 또한 무기질로서 환경오염이없으며, 불연성이면서 취급이 쉽고 화재의 위험이 전혀 없는 특징이 있으므로 신 공법인 본 발명은, 기존 외국에서 수입하던 고성능의 알칼리성 화학소재를 대신해서 현장에 적용할 수 있기 때문에 외화절약에도 상당한 일익을 담당할 수 있다.

Claims (1)

1. 염해, 중성화 또는 이들의 복합현상에 의하여 콘크리트의 표면에 균열이 발생되거나 손상부로 인한 부식된 철근을 보수 및 보강하기 위한 방법으로, 콘크리트 표면을 고압수(水) 세척에 의한 물 청소 후 건조 및 표면 거칠기를 확보하는 공정과, 손상된 콘크리트 표면 위에 Si-O결합을 가지는 액상의 무기세라믹을 도포하여 건조시키는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무기세라믹을 이용한 콘크리트 균열 보수, 보강공법.