KR20040058540A - 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트보수.충진용 모르터 조성물 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물의 보수·보강을 위하여 사용되는 보수·충전용 모르터의 조성물에 관한 것으로서 콘크리트 구조물이 열화되어 부식이 진행된 경우 열화부위를 제거하고, 이 부위에 보수 및 충전을 위하여 보수용 모르터를 사용하게 되는데 기존의 보수용 모르터의 경우 부착력이 약하거나, 구조물의 진동에 의한 균열등의 문제로 인하여 보수후 균열이 다시 발생되어 구콘크리트로부터 충진 모르터가 탈락되는 현상이 발생되고 있다.
이러한 문제를 개선하기 위하여 본 발명에서는 보수용 모르터에 소수성으로 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입함으로써, 친환경적 재료로써 분산이 용이하고 균열에 대한 저항성을 갖도록 하여 보수용 모르터의 내구성을 향상시킬 수 있으며 결국, 이는 콘크리트 구조물의 유지.보수 비용을 대폭 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

Description

표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수.충진용 모르터 조성물 및 제조방법{Composition of mortar that is mixed suface modified fiber for repair and renovation of concrete structures and its manufacturing process}
본 발명은 콘크리트 구조물의 보수·보강을 위하여 사용되는 보수·충전용 모르터의 조성물에 관한 것으로서, 콘크리트 구조물이 열화되어 부식이 진행된 경우 열화부위를 제거하고, 이부위에 보수 및 충전을 위하여 보수용 모르터를 충진함에 있어 보수용 모르터의 부착력을 강화시키고, 보수후 균열이 발생되지 않도록 하기 위하여 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수.충진용 모르터 조성물 및 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 콘크리트 구조물은 다양한 물리·화학적 원인에 의해 열화가 발생된다. 콘크리트 구조물의 열화 원인에는 대체로 온도변화, 계절변화에 따른 동결융해, 강우, 습도, 화학물질등의 환경적 요인에서 비롯된 중성화, 철근부식, 균열, 탈락등의 문제가 발생되기 때문에 일정한 주기로 보수를 해야 할 필요가 있다.
콘크리트 구조물의 유지, 보수문제와 관련하여 구조물의 보수를 위하여 열화된 부위를 제거하고 이 부위에 보수용 모르터를 사용하여 충전하는 공법이 다양한 방법으로 적용되고 있다.
이때 사용되는 보수.충전용 모르터는 구콘크리트와의 접착이 우수해야 하며, 보수후 구조물의 진동에 의한 균열에 대응하기 위하여 균열저항성을 확보해야 하는 등의 물리 화학적인 기능이 요구되고 있다.
이를 위하여 사용되는 기존의 제품은 주로 재유화형 분말수지, 규사, 시멘트, 유동화제등을 혼합한 일반적인 모르터를 기본으로 하여 경량성. 부착성등을 개선하기 위한 첨가제들이 혼합된 형태의 제품들이 주로 사용되고 있으나, 이들 제품은 물리적인 열화요인(균열.박리)에 대한 대응책이 부족하여 균열에 의한 보수 충전용 모르터의 박리와 탈락현상으로 인하여 재시공을 하든가, 보수비용이 증가하는 등의 문제점을 안고 있는 실정이다.
물론 종래에도 다양한 섬유를 혼입한 형태의 제품등이 시판되고 있으나, 대부분의 경우 섬유가 단순히 물리적으로 혼합된 상태로서 분산의 균일성이 부족하기 때문에 모르터 내부에 섬유가 한곳에 편중되어 시공후 기계적응력이 가해질 경우 응력이 분산되지 못하고 섬유가 편중된 곳에 응력이 집중되어 파괴가 발생등의 문제점이 야기되고 있다.
한편, 기존의 섬유혼입형 모르터의 경우 섬유와 콘크리트간의 계면이 단순히 물리적으로 결합되어 있는 형상이기 때문에 인장응력이 가해WU 섬유와 콘크리트가 동시에 응력을 받아 같이 거동하기 때문에 섬유자체가 파단되어 기계적 성능 향상 효과가 반감되는 결과를 초래하기도 한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해소하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 천연섬유의 고른 분포를 유도하고 섬유와 콘크리트의 계면사이에 특수한 물리화학적 성능을 부여하고자 하는 것으로, 즉 콘크리트 구조물에 내부적 응력이나 외부적 응력이 가해져서 일정한 응력값을 초과하게 될 경우 섬유와 콘크리트간의 약한 수소결합이 끊어지면서 계면에서는 소수성의 제2의 계면이 생성되면서 오일효과(Oil effect)에 의하여 미끄러지는 현상이 반복되는 결과를 나타도록 하여 섬유가 파단되지 않고 콘크리트로부터 뽑히는 현상(Pull off)이 발생되어 인장응력에 대한 저항성이 대폭 증가되어 계면에서 Crack-bride역활을 유도함으로서 보수 충전용 모르터의 균열저항성이 대폭 향상시킬 수 있는 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수.충진용 모르터 조성물 및 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적에 따른 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수.충진용 모르터 조성물 및 제조방법은 다음과 같은 방법으로 달성되어질 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 섬유의 표면개질 처리에 이용되는 유·무기 복합 폴리머계 코팅제 조성물 및 그 제조방법은: 물(증류수)에 질산을 용해시켜 pH가 2∼3이 되도록 희석한 용액 20∼30중량%, 이소프로필 알코올(IPA)용매에 22∼30중량%, EtOH 20∼28중량%, 노르말헥산(N-H) 1∼3중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 14∼20중량%, 데실트리매톡시실란(KBM3103C) 0.5∼2중량%, 아크릴 9∼11중량%, AC 0.5∼1.5중량% 를 혼합하여 제조된 코팅액을 통해 제조하고 이 표면개질 처리된 천연 셀롤로스 섬유 0.5∼3.0중량%와 시멘트 25∼30중량%, 규사#4 30∼35중량%, 규사#6 16∼22중량%, Cellite 10∼15중량%, 규사 SP-1 1∼3중량%, 스티렌 아크릴계 재유화형 분말수지(Vinapass LL564) 1.5∼3중량%, Sillicafume 1∼4중량%, 소포제(agitan P803) 0.1∼1중량%, 유동화제(peramin SMF) 1∼3중량% 및 천연셀롤로스 섬유 0.5∼3중량%를 혼합하여 제조한다.
도 1은 본 발명에 따라 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수·충진용 모르터를 처리한 것과 처리되지 않은 콘크리트 구조물을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
선행기술에서 설명한 바와 같이 기존의 섬유 혼입형 모르터의 경우 섬유와 콘크리트가 동시에 응력을 받아 같이 거동하기 때문에 섬유자체가 파단되어 기계적 성능 향상효과가 반감되는 결과를 초래하는 바 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 다음과 같은 결합모델을 제안하고자 한다.
[그림1] 가교결합반응
위 [그림1]은 표면 개질처리에 따른 유·무기 복합 폴리머의 반응을 보여주는 것으로, 상기의 반응과정을 통하여 제조된 유·무기 가교형 폴리머를 이용하여 천연 셀룰로스 섬유 표면을 개질 처리하였다. 보다 구체적으로는, 실리콘 모노머와 가교 결합되는 아크릴 수지를 출발물질로하여 가수분해 반응을 통하여 나노수준에서 가교결합을 유도하게 되면 이 반응은 탈수반응과 탈알콜반응을 거치면서 축합되어 아크릴수지가 실록산 가교결합반응이 완성되어, 하이브리드형 폴리머의 합성이 가능하다. 이러한 폴리머는 친수기와 소수기를 동시에 갖기 때문에 친수기는 유기재료와의 결합이 용이하고, 소수기는 무기재료와의 결합이 용이한 특성을 이용하여섬유의 표면 개질처리에 응용하게 되었다.
다음의 [그림2]는 표면개질처리된 섬유의 표면 개념도를 보여준다.
[그림2] 표면개질처리된 섬유의 표면 개념도
위 [그림2]에서 알 수 있는 바와 같이 유·무기 복합폴리머로 코팅된 섬유의 표면은 섬유에 아크릴기의 천수기가 존재하고 바깥쪽에 실록산구조의 수소기가 결합되어 있어 이러한 섬유가 보수용 모르터내의 시멘트 성분이 수화되면서 시멘트 겔체가 형성되어 실록산부분과 수소결합이 진행되기 때문에 콘크리트와 화학적으로 일체화된 화학결합을 유도할 수 있다.
이러한 이유로 인하여 섬유와 콘크리트간의 계면 상태는 약한 수소결합을 유지하면서 섬유 표면 특성이 소수성으로 바뀌기 때문에 수분의 접촉을 반발하고자 하는 성질을 가지게 된다.
따라서, 이러한 구조물에 내부적 응력이나 외부적 응력이 가해질 경우 일정한 응력 한계값을 초과하게 될 경우 섬유와 콘크리트간의 약한 수소결합이 끊어지면서 계면에서는 소수성의 제2의 표면이 생성되면서 오일효과(Oil-effect)에 의하여 미끄러지는 현상이 반복되는 결과를 나타내게 된다.
즉, 섬유가 파단되지 않고 콘크리트로부터 뽑히는 현상(Pull off)이 발생되어 계면에서 크랙가교(Crack-brige)역활을 하기 때문에 보수·충전용 모르터의 균열저항성이 대폭 향상된다.
[그림2]에서와 같이 섬유 표면에는 수용성 합성수지가 결합되어 있고 외측에는 비정질형의 무기질 실록산결합이 분포되어 있기 때문에 시멘트 성분의 수화 과정에 실록산과 수소결합이 가능하도록 하였다.
따라서 모르터 내에서 섬유의 분산이 용이하여 경화 후에 섬유가 균일하게 분포되어 기존의 섬유 혼입에서 문제가 되었던 분산성을 해결하였으며 이로 인해 모르터의 균열 저항성이 크게 증가된다.
본 발명에 사용된 천연 셀로로스 섬유의 일반적 성질은 다음과 같다.
본 발명에 채용된 분말상 천연 셀룰로스는 콘크리트 구조물에 첨가제로 개발된 것으로 나무의 펄프에서 취한 천연 섬유로 섬유의 길이 2,000㎛, 밀도 약 20 g/ℓ, 색상 흰색이다. 보다 상세한 사양에 대하여는 독일의 상호"JRS" (J. RETTENMAIER & SOHNE GMBH+CO)의 상표명 "ARBOCEL" 모델명 "FIF 400"에 대하여 http://www.jrs.de/에서 확인할 수 있다.
본 발명에 사용된 천연 셀룰로스 섬유는 합성수지계 섬유와 달리 천연 목재에서 추출된 셀룰로스계로서 환경 친화적이고 섬유 표면이 친수성이므로 물리적인 수분의 흡착이 용이하여 표면 개질 처리용 코팅제의 젖음성이 양호하여 접착기구측면에서 적합한 성질을 가지고 있다.
일반적으로 섬유 강화 콘크리트의 응력을 나타내는 식을 살펴보면 σ = 1/2VfgΓ(Lf/df)의 형태로 표시되는데 여기서 혼입되는 섬유에 관한 것으로 가장 중요한 것은 Lf/df항이다. Lf는 섬유의 길이 df는 섬유의 직경이며 이는 섬유의 형상을 나타낸다.
섬유직경의 경우, 일반적으로 탄소섬유는 8∼20㎛ 합성수지는 10∼200㎛ 강섬유는 150∼500㎛정도인데 기계적 성능에 중요한 영향을 미치는 인자이며 또 다른 중요한 사항은 식의 Γ값인데 이는 섬유와 콘크리트간의 계면 접착력으로서 이의 개선을 위하여 섬유 표면의 개질 처리가 요구된다.
본 발명에서는 이점에 주안점을 두고, 섬유를 혼입하기 전에 섬유 표면을 코팅 처리하는 공법을 도입하였는데 이때 사용된 코팅제는 나노 수준에서 가교 결합된 하이브리드계 폴리머를 이용한 제품으로 그림1에서와 같은 성상을 나타낸다.
상기의 섬유 표면 개질처리에 사용된 코팅용 조성물은 다음과 같다.
(바람직한 실시예)
본 발명에 따른 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수.충진용 모르터 조성물 및 제조방법은: 물(증류수)에 질산을 용해시켜 pH가 2∼3이 되도록 희석한 용액 20∼30중량%, 이소프로필 알코올(IPA) 22∼30중량%, 에틸알코올(EtOH) 20∼28중량%, 노르말헥산(N-H) 1∼3중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 14∼20중량%, 데실트리매톡시실란(KBM3103C) 0.5∼2중량%, 아크릴 9∼11중량%, 아세톤(AC) 0.5∼1.5중량%를 혼합하여 제조된 코팅액을 통해 표면개질 처리용 조성물을 제조한 뒤 이를 천연 셀로로스 섬유표면에 개질처리한다.
그리고, 표면개질처리된 천연 셀룰로스 섬유 0.3∼3.0중량와, 시멘트 25∼30중량%, 규사#4 30∼35중량%, 규사#6 16∼22중량%, Cellite 10∼15중량%, 규사(SP-1) 1∼3중량%, 스티렌 아크릴계 재유화형 분말수지(Vinapass LL564) 1.5∼3중량%, Sillicafume 1∼4중량%, 소포제(agitan P803) 0.1∼1중량%, 유동화제(peramin SMF) 1∼3중량% 및 천연셀롤로스 섬유 0.5∼3중량%를 혼합하여 보수·충전용 모르터를 제조한다.
상기한 보수·충전용 모르터의 바람직한 실시예는 다음과 같다.
시멘트: 28그람, 규사#4: 34그람, 규사#6: 18.2그람, Cellite: 112그람, 규사(SP-1): 1.7그람, 스티렌 아크릴계 재유화형 분말수지: 2.5그람, 실리카홈(Sillicafume): 2그람, 소포제(agitan P803): 1.4그람, 멜라민 수지계 유동화제(peramin SMF30): 1.4그람, 천연셀롤로스 섬유: 0.5그람을 혼합하여 제조한다.
상기한 Cellite는 경량화 작용을 하며, 과다하게 투입되었을 때, 부착력이 감소하고, 과소한 경우에는 경량성이 감소한다.
상기의 유동화제는 유동성에 영향을 주는 요소로서, 과량이 투입되면 흐름성이 증가하고 적으며 유동성이 감소한다.
아울러, 소포제는 접착력에 용향을 주는 요소로서 과다하면 접착력이 감소하고 과소하면, 거품이 다량 발생된다.
아울러, 상기의 섬유 표면 개질처리용 코팅조성물의 바람직한 성분비는 다음과 같다.
물(증류수)에 질산을 용해시켜 pH가 2∼3이 되도록 희석한 용액 21.6중량%, 이소프로필 알코올(IPA) 25.2중량%, 에틸알코올 21.6중량%, 노르말헥산(N-H) 2.7중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 16.2중량%, 데실트리매톡시실란(KBM3103C) 1.8중량%, 아크릴 10중량%, 아세톤 0.9중량% 를 혼합하여 제조된 코팅액을 혼합하여 제조한다.
섬유표면개질을 위한 코팅제 조성물에 관한 내용으로 표면 개질처리 공정을 살펴보면 다음과 같다.
본 발명 코팅조성물에 섬유를 혼합하여 교반후 섬유를 꺼내어 80℃~100℃의 열풍을 이용하여 5~10분 건조한 후 처리된 섬유를 0.5%~30%(부피비)를 보수용 모르터에 혼입하여 사용하게 된다. 보수용 모르터의 특성과 성상은 다음과 같다.
[표 1] 보수용 모르터재의 종류와 특성
[표2] 구성원료 및 주요 기술내용
도 1에서 확인되는 바와 같이 나노 수준에서 가교 결합된 하이브리드계 폴리머로 코팅된 섬유를 혼입하여 제조된 보수 충전 모르터의 단면을 전자현미경으로 관찰한 것으로 균일한 섬유의 분포를 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수.충진용 모르터를 첨가한 콘크리트 구조물의 건조 수축율을 시험한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
아울러, [그림3]에서와 같이 섬유 표면에는 수용성 합성수지가 결합되어 있고 외측에는 비정질형의 무기질 실록산결합이 분포되어 있기 때문에 시멘트 성분의 수화과정에 실록산과 수소결합이 가능하다.
따라서 모르터 내에서 섬유의 분산이 용이하여 경화 후에 섬유가 균일하게 분포되어 기존의 섬유 혼입에서 문제가 되었던 분산성을 해결하였으며 이로 인해 모르터의 균열 저항성이 크게 증가된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따라 천연섬유를 혼합한 섬유의 분산 분포를 알아보기 개질처리된 본 발명에 따른 콘크리트 구조물과 개질처리가 안된 종래의 콘크리트 구조물을 각각 시편으로 채취하여 그 표면을 폴리싱한 뒤 전자현미경(30배율)로 촬영하여 보았다(촬영사진은 도 1에 첨부되어 있음).
도면에서 알 수 있는 바와 같이 개질처리된 도 1의 a:콘크리트 표면을 보면 실과 같이 나타난 것이 천연 섬유인 셀롤로스로서 그 분산 정도가 거의 모든 지역에 고르게 분포되어 있음을 볼 수 있는 반면에 b:의 개질처리가 되지 않은 콘크리트 표면은 천연섬유가 어느 한 부분에 편중되어 있는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수.충진용 모르터 조성물은 콘크리트 구조물에 천연섬유의 분산을 고르게 분포되도록 하는 작용을 하고 있음을 알 수 있었다.
아울러, 본 발명에 따른 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수·충진용 모르터는 콘크리트와 섬유간의 계면상태를 확인하기 위해 전자현미경으로 200배율로 촬영하여 살펴본 결과(도 1의 계면상태 참조) 콘크리트와 섬유간에 일정간격의 소수성 표면 즉, Oil-effect 작용을 하여 섬유가 뽑히지 않는(Pull-off)작용으로 인장응력에 대한 저항성 및 균열저항성이 작용되는 것으로 확인할 수 있었다.
본 발명은 향후 알콕시 실란계 재료를 적용한 기능성 화이버(fiber)의 제조기술 개발을 통해 균열저항성, 연성확보 등의 물리적·기계적 및 구조적 성능을 개선할 수 있을 것으로 판단된다

Claims (4)

  1. 물(증류수)에 질산을 용해시켜 pH가 2∼3이 되도록 희석한 용액 20∼30중량%, 이소프로필 알코올(IPA) 22∼30중량%, 에틸알코올(EtOH) 20∼28중량%, 노르말헥산(N-H) 1∼3중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 14∼20중량%, 데실트리매톡시실란(KBM3103C) 0.5∼2중량%, 아크릴 9∼11중량%, 아세톤(AC) 0.5∼1.5중량%를 혼합하여 제조된 코팅액을 통해 표면개질 처리용 조성물을 제조한 뒤 이를 천연 셀로로스 섬유표면에 개질처리한 뒤 개질처리된 상기 천연 셀룰로스 섬유 0.3∼3.0중량와, 시멘트 25∼30중량%, 규사#4 30∼35중량%, 규사#6 16∼22중량%, Cellite 10∼15중량%, 규사(SP-1) 1∼3중량%, 스티렌 아크릴계 재유화형 분말수지(Vinapass LL564) 1.5∼3중량%, Sillicafume 1∼4중량%, 소포제(agitan P803) 0.1∼1중량%, 유동화제(peramin SMF) 1∼3중량% 및 천연셀롤로스 섬유 0.5∼3중량%를 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수.충진용 모르터 조성물 및 제조방법.
  2. 제 1항에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수.충진용 모르터 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기한 보수·충전용 모르터는 시멘트: 28그람, 규사#4: 34그람, 규사#6: 18.2그람, Cellite: 112그람, 규사(SP-1): 1.7그람, 스티렌 아크릴계 재유화형 분말수지: 2.5그람, 실리카홈(Sillicafume): 2그람, 소포제(agitan P803): 1.4그람, 멜라민 수지계 유동화제(peramin SMF30): 1.4그람, 천연셀롤로스 섬유: 0.5그람을 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수.충진용 모르터 조성물 및 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 천연 셀룰로스 섬유의 개질처리용 코팅액은 물(증류수)에 질산을 용해시켜 pH가 2∼3이 되도록 희석한 용액 21.6중량%, 이소프로필 알코올(IPA) 25.2중량%, 에틸알코올 21.6중량%, 노르말헥산(N-H) 2.7중량%, 메틸트리메톡시실란(TSL8113) 16.2중량%, 데실트리매톡시실란(KBM3103C) 1.8중량%, 아크릴 10중량%, 아세톤 0.9중량% 를 혼합하여 제조된 된 것을 특징으로 하는 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트 보수.충진용 모르터 조성물 및 제조방법.
KR10-2002-0084813A 2002-12-27 2002-12-27 표면개질 처리된 천연 섬유를 혼입한 분말형 콘크리트보수.충진용 모르터 조성물 및 제조방법 KR100502277B1 (ko)

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