KR20060013620A - 열경화성 수지로 코팅된 직물로 보강된 섬유보강 콘크리트조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열경화성 수지로 코팅된 PVA 섬유로 제직한 직물로 보강된 섬유보강 콘크리트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 섬유보강 콘크리트 조성물은 우수한 연성과 인성을 가짐으로써 건축 및 토목 재료로써 유용하게 사용될 수 있다.
섬유보강 콘크리트, 열경화성 수지, 직물, PVA 섬유

Description

열경화성 수지로 코팅된 직물로 보강된 섬유보강 콘크리트 조성물 및 그 제조방법{Concrete Composition Reinforced by Fabric Coated with Thermoset Resin and Preparation Method Thereof}
본 발명은 섬유보강 콘크리트, 특히 열경화성 수지로 코팅된 섬유로 제직된 직물로 보강된 섬유보강 콘크리트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
기존의 섬유보강 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete : FRC)는 길이가 짧고 단면이 작은 섬유를 모체인 콘크리트에 임의로 분산하여 얻게 되는 건설 신소재를 말한다.
그러나 상기와 같은 섬유보강 콘크리트에 있어서, 모체로 사용하는 콘크리트의 주요 구성요소인 포클랜드시멘트에 물을 첨가하면 수화작용에 의하여 pH 12.5 - 13.0까지의 강알칼리성을 띠게 된다. 따라서 섬유의 물성이 아무리 뛰어나다고 하여도 섬유자체가 내알칼리성을 가지고 있지 않다면, 시멘트와 섞이는 과정 중 또는 후에 강한 알칼리성으로 인하여 급격한 취화가 발생하여 보강된 섬유의 물성을 충분히 발휘할 수 없으며, 또한 섬유자체가 내알칼리성이라고 하여도 단위 중량에 비하여 표면적이 매우 큰 섬유는 이러한 강알칼리에 접하게 되면 급속한 표면 파괴가 이루어지게 된다. 뿐만 아니라 섬유는 일반적으로 섬도(fineness)가 가늘어 콘크리트에 일정량 이상 사용하게 되면 섬유끼리의 응집(aggregation)이 발생하여 균질한 섬유보강 콘크리트를 제조할 수가 없으며, 오히려 섬유가 뭉친 부분에 응집이 집중되어 섬유보강 콘크리트의 결점으로 작용하게 되는 문제점이 있다.
이와 같은 종래의 섬유보강 콘크리트의 결점을 해결하기 위하여, 본 발명자들은 불활성 재료인 열경화성 수지로 코팅한 섬유를 메쉬형태의 직물로 제직하여 이를 보강재로 사용함으로써 시멘트의 강알칼리성에 의한 섬유의 취화작용을 억제할 수 있을 뿐만 아니라 시멘트와 단섬유가 혼합될 때 섬유끼리 응집되어 시멘트 내에 균일하게 혼합되지 않는 현상을 방지할 수 있으며, 나아가 섬유보강재를 균일하고 원하는 방향에 따라 넣을 수 있음에 따라 기존에 비하여 많은 양의 보강재로 보강할 수 있을 뿐만 아니라, 보강되어야 할 방향에 따라 설계에 의하여 섬유보강재를 넣을 수 있기 때문에 섬유강화 콘크리트 조성물의 보강효율을 최대한 살릴 수 있음 발견하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 인성 및 연성이 향상되고, 보강되어야 할 방향에 따라 보강할 수 있는 콘크리트 조성물 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적에 따라, 본 발명에서는 열경화성 수지로 코팅된 섬유로 제직된 직물로 보강된 섬유보강 콘크리트 조성물 및 그 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에서 콘크리트는 시멘트 바인더와, 통상 미세하고 거친 골재를 함유하는 조성물을 포함하며, 보다 광범위하게 시멘트, 모르타르 시멘트, 석조 등 그 재료를 강화하기 위한 목적으로 섬유가 도입될 수 있는 어떠한 시멘트질 재료라도 모두 포함하는 것으로 정의한다.
본 발명에서 사용되는 보강섬유는 유리섬유, 아크릴, 아라미드, 탄소섬유, 나일론, 폴리에스터, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐알코올 등의 합성섬유와 무기섬유 등의 인조(man-made) 섬유와 삼(Sisal), 코끼리풀(Elephant Grass), 크라프트 펄프(Kraft Pulp))등의 자연섬유 등 모든 섬유를 포함하며 특정 재료로 만들어진 특정 섬유에 제한되지 않으나 폴리비닐알콜이 바람직하다.
또한 상대적으로 섬도가 굵은 모노필라멘트 섬유(일반적으로 200 denier 이상)로 콘크리트를 보강한 경우에, FRC가 정적 및 동적하중을 받게 되어 재료의 파단이 발생하게 될 때 크랙(crack)이 전파되면서 섬유에 의하여 크랙을 미세하게 나눌 수 있는 잠재적 가능성이 작아져서 인성 및 연성에 크게 도움을 주지 못하지만, 미세한 섬유(섬도 2 - 50 denier)를 열경화성 수지로 코팅하여 사용하면 섬유보강 콘크리트의 균질도도 얻으면서 동시에 콘크리트 내에 발생하는 크랙을 미세하게 분화하여 파괴할 때 발생하는 에너지를 많이 흡수하게 되어 FRC의 연성 및 인성의 향상을 꾀할 수 있으며 충격에너지도 일반 기존의 FRC보다 훨씬 많이 흡수 할 수 있어 바람직하다.
본 발명에서는 열경화성 수지로 코팅된 섬유로 제직되는 일반적 형태의 직물이 모두 사용될 수 있지만, 메쉬 형태의 평직(plain weave), 바스켓직(basket weave) 또는 레노직(leon weave)이 견고도 면에서 우수하기 때문에 특히 바람직하다.
본 발명에 사용되는 열경화성 수지는 에폭시, 비닐에스테르, 불포화폴리에스테르, 페놀계 수지 또는 이들의 혼합물 등 특정 종류에 구애되지 않고 일반적으로 사용될 수 있는 모든 열경화성 수지를 포함한다.
본 발명은 또한 하기 단계를 포함하는 섬유보강 콘크리트를 제조하는 방법을 제공한다:
(1) 섬유를 열경화성 수지로 코팅하는 단계;
(2) 열경화성 수지로 코팅된 섬유를 직물로 제직하는 단계; 및
(3) 열경화성 수지로 코팅된 섬유로 제직된 직물을 콘크리트 조성물과 혼합하는 단계.
이하에서 각 단계를 구체적으로 설명한다.
1) 섬유를 열경화성 수지로 코팅하는 단계
본 발명의 열경화성 수지를 코팅하는 방법은 기존의 직물을 제직하기 전에 경사를 가호(sizing)하는 방법이나 복합재료를 성형하기 위하여 전구체(preprg)를 만드는 방법과 동일하게 또는 일부 변형하여 사용할 수 있다.
열경화성 수지(불포화폴리에스터)를 담금조(dipping bath)에 담고 여기에 FRC에 사용하려는 섬유, 예를 들어 폴리비닐알콜(PVA) 섬유를 통과시킨 다음 적당 한 압력, 예를 들어 10 내지 15 kg/cm의 압력 하에서 스퀴징 롤러를 통과시켜 섬유에 과도하게 적셔져 있는 열경화성 수지를 짜내어 섬유에 흡수되는 열경화성 수지의 양을 제어한다. 이후 가온조(heating chamber)를 통과시켜 열경화성 수지를 경화시킨다. 이 때 열경화성 수지의 경화 및 열경화성 수지로 코팅된 섬유의 생산속도는 사용되는 열경화성 수지의 종류 및 경화제의 종류에 따라 변화시킬 수 있으며, 코팅된 섬유가 가온조에 머무르는 시간과 가온조의 온도의 함수로 결정될 수 있다.
FRC를 위한 열경화성 수지를 섬유에 코팅하는데 기존의 가호방법이나 전구체를 제조하는 방법과 구별되는 첫 번째 점은 섬유에 대한 수지의 코팅량이다. 경사를 가호하는 호제 첨가량은 적정화(2 - 5wt%)하여 제조하여야 만이 제직할 때에 경사의 절사율을 최소화하면서 제직후에 탈호가 용이하게 이루어지나, 복합재료를 위한 전구체를 제조할 때에는 복합재료의 섬유부피분율을 고려하여 적당한 양(40-45wt%)이 코팅 또는 침지되도록 설계하여 제조하는 것이 일반적이다. 하지만 FRC를 위하여 열경화성 수지를 섬유에 코팅하는 경우에 코팅 양은 위의 두 가지 방법의 열경화성 수지 첨가량의 중간에서 제어해야 한다. 섬유에 코팅하는 양이 가호를 할 경우와 같이 너무 적게 하면 실(staple yarn)상태로 콘크리트에 혼합되지 못하고 코팅한 섬유가 단섬유(staple fiber)상태로 갈라지게 되어 제직성이 나빠짐에 따라 다시 가호를 해야 하고 강알칼리에 취화될 수 있으며, 복합재료를 위하여 전구체를 제조 할 때처럼 수지의 양이 과도하게 되면 크랙이 전진하게 될 때 단섬유(staple yarn)가 모노 단섬유처럼 작용하여 크랙이 섬유내부에서 분화되지 못하여 에너지를 많이 흡수하는 능력을 잃게 되기 때문이다. 따라서 FRC를 위하여 열경화성 수지를 섬유에 코팅하는 양은 적어도 5 wt% 내지 20 wt%, 바람직하게는 10 내지 15 wt%인 경우에 물성 향상 효과를 극대화할 수 있다.
또한 섬유를 열경화성 수지로 코팅하는 데 있어서 주의하여야 할 부분은 열처리 과정이다. 가호 과정에서는 섬유의 취화가 발생하지 않는 온도에서 수지의 건조를 최대화하기 위한 온도로 건조시켜야 하고, 전구체를 제조할 때에는 열경화성수지가 경화되지 않을 온도에서 전구체가 B- 단계 (수지가 경화되지 않고 물리적으로 굳어있는 상태)가 되도록 온도를 설정해야 한다. 그러나 FRC를 위하여 열경화성 수지를 코팅하는 경우에는 열경화성 수지가 충분한 경화가 되기 위한 온도 설정이 필요하다. 예를 들어, 비닐에스테르 수지의 경우에는 약 130℃, 에폭시 수지의 경우에는 160℃ 정도가 바람직하다. 수지의 열경화가 충분히 발현되지 않으면 내알칼리성을 기대하기 어렵기 때문이다.
2) 코팅된 섬유를 직물로 제직하는 단계
코팅된 섬유는 섬유의 다발이 상당히 굵은 편(200 - 500 denier)이므로 경사로 사용할 때 비틀림이 발생하지 않도록 측방인출에 의한 정경을 하거나 직접 크릴(creel)로부터 해사하면서 제직을 해야 한다. 그러지 않을 경우 경사에 토오크가 남아 있어 직물의 형상이 제대로 유지하는데 문제점이 있다. 또한 코팅된 섬유를 제직할 수 있는 직기는 레피어직기나 프로젝타일직기이다. 이는 위사로 사용되는 코팅된 섬유는 매우 강직하고 굵어 위사를 확실히 파지할 수 있는 직기가 사용되어 야 한다. 직물의 종류는 메쉬 형태의 평직(plain weave), 바스켓직(basket weave) 또는 레노직(leno weave)이 직물의 견고도면에서 가장 우수하기 때문에 잘 사용되어질 수 있다.
3) 코팅된 섬유로 된 직물을 콘크리트 조성물과 혼합하는 단계
직물을 이용하여 콘크리트 조성물과 혼합하는 것은 기존의 단섬유를 이용하여 혼합하는 방법과는 다르게 일정량의 콘크리트를 평편적으로 도포하고 그 위에 직물로 덮은 다음 다시 그 위에 콘크리트 조성물을 도포하고 다시 그 위에 직물로 덮는 방식을 택하여야 한다. 본 발명의 열경화성 수지로 코팅한 섬유로 제직한 직물을 사용하여 FRC를 제조하는데 있어서 단섬유를 혼합하여 FRC를 제조하는 방법보다 작업성(workability)은 떨어지나 설계에 의하여 효율적으로 직물을 보강함으로써 매우 균일되고 원하는 방향에 따라 물성이 훨씬 향상된 FRC를 제조할 수 있는 장점을 가지고 있다.
또한 이렇게 보강을 하게 되면 기존의 FRC에서 섬유끼리 응집하는 현상을 방지함에 따라 섬유첨가량을 2.0 중량%까지 첨가시켜도 물성(연성, 인성, 충격에너지)이 계속적으로 향상된다.
따라서, 본 발명에 따라 열경화성 수지로 코팅한 섬유로 만든 직물을 콘크리트에 혼합하여 콘크리트를 보강하면, 혼합되는 섬유의 내알칼리성이 향상되어 섬유의 취화현상이 급속하게 줄고 직물을 원하는 곳으로 보강함으로써 적은 양을 첨가하여도 같은 효과를 가져올 수 있을 뿐만 아니라, 섬유끼리의 뭉침(aggregation) 현상을 완전히 배제할 수 있어 기존의 단섬유를 이용하여 FRC를 제조하는 것보다 훨씬 많은 양을 첨가하여도 콘크리트의 강도 내지는 탄성률 등의 물성이 저하됨 없이 연성 및 인성을 크게 향상시킬 수 있다.
이하에서 본 발명을 실시예에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다. 단, 이 들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 열경화성 수지로 코팅된 섬유의 제조
폴리비닐알코올섬유(모노필라멘트 굵기: 2 데니어, 전체 섬유 굵기: 200 데니어, Kuraray, 일본)를 섬유의 중량을 기준으로 15wt%의 비닐에스테르(고려화학) 열경화성 수지에 10초간 침지시킨 후, 10kg/cm의 압력하에 스퀴징 롤러를 통과시키고 130 ℃의 가온조에서 비닐에스테르를 경화시켜 비닐에스테르로 코팅된 폴리비닐알코올 섬유를 수득하였다.
실시예 2. 섬유강화 콘크리트의 제조
실시예 1에서 얻어진 코팅된 섬유를 가지고 시직기(레피어직기)에서 직물폭 60cm, 경사밀도 10/cm, 위사밀도 10/cm로 메쉬형태의 평직으로 제직하였다. 이렇게 제직된 직물을 무게분율(콘크리트 대비)을 1wt%로 하여 콘크리트(포틀랜드 시멘트, 한일시멘트)와 적층형태로 섞은 후 28일간 상온에서 양생하여 섬유보강 콘크리 트를 제조하였다.
시험예 1. 열경화성 수지로 코팅된 섬유로 제직한 직물로 보강된 FRC와 기존의 섬유로 보강된 FRC의 물성비교
실의 굵기가 200데니어이고, 모노필라멘트의 굵기가 2 데니어인 폴리비닐알콜 섬유(Kuraray, 일본)를 섬유의 중량(을 기준으로 15wt%의 비닐에스테르수지(고려화학)로 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅하였다. 코팅된 섬유를 가지고 경사밀도 10/cm, 위사밀도 10/cm, 메쉬형의 평직으로 제직한 직물을 콘크리트 중량을 기준으로 0.75wt%로 실시예 2와 동일한 방법으로 혼합하여 콘크리트(한일시멘트)와 본 발명의 FRC를 제조하였다. 비교를 위하여, 본 발명의 FRC와 동일한 중량의, 비닐에스테르 수지로 코팅하지 않은 섬유장 20 mm의 단섬유로 보강된 FRC를 대조군으로 사용하여 본 발명의 FRC 및 종래의 FRC의 휨강도, 인장강도, 압축강도 및 전단강도를 각각 측정하였으며 그 결과를 표 1로 나타내었다. 인장, 압축, 휨, 전단 강도는 UTM (Universal test machine, 흥진정밀)으로 측정하였으며 구체적으로 압축강도는 (KS F 2405) 지름 10 ㎝, 길이 20 ㎝의 실린더 형태의 시편을 0.03 mm/sec의 크로스-헤드(cross-head) 속도로 측정하였으며, 인장강도는 (KS F 2423) 지름 10 ㎝, 길이 20 ㎝의 실린더형 시편에 하중을 주는 방향과 직각 방향으로 재료가 쪼개질 때까지 하중을 가하여 간접적으로 측정하였다. 또한, 휨강도는 (KS F 2408) 폭과 두께가 각각 10 ㎝이고 길이가 40 ㎝인 빔 형태의 시편을 제작하여 측정하였다.
물성 시험군(본 발명의 FRC) 대조군(종래의 FRC)
휨강도(kg/cm2) 3.8 2.3
인장강도(kg/cm2) 200 120
압축강도(kg/cm2) 1050 800
전단강도(kg/cm2) 330 312
상기 결과에 따르면, 본 발명의 FRC가 종래의 FRC보다 우수한 물성(휨강도, 인장강도, 압축강도, 전단강도)를 나타내었다.
시험예 2. 열경화성수지로 코팅된 섬유로 제직한 직물로 보강된 FRC와 기존의 섬유로 보강된 FRC의 섬유 첨가량에 따른 물성 비교
실의 굵기가 200데니어이고, 모노필라멘트의 굵기가 2 데니어인 폴리비닐알콜 섬유(Kuraray, 일본)를 15wt%의 비닐에스테르 수지(고려화학)로 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅하였다. 코팅된 섬유를 하기 표 2와 같은 양으로 실시예 2와 동일한 방법으로 콘크리트(한일시멘트)와 혼합하여 본 발명의 FRC를 제조하였다. 비닐에스테르 수지로 코팅하지 않고 섬유장 20 mm의 단섬유를 사용한 점 이외에는 상기 본 발명의 FRC와 동일하게 섬유로 보강된 FRC를 대조군으로 사용하였으며 각 시험군 및 대조군의 휨강도, 인장강도, 압축강도 및 전단강도를 각각 측정하여 그 결과를 표 2로 나타내었다.
시험군(본 발명의 FRC) 대조군(종래의 FRC)
첨가량(wt%) 물성
0.37 0.75 1.10 1.70 2.00 0.37 0.75 1.10 1.50 1.80
휨강도(kg/cm2) 3.2 3.8 3.9 3.9 4.0 2.0 2.3 1.9 1.8 1.6
인장강도(kg/cm2) 152 200 205 208 210 109 120 123 118 107
압축강도(kg/cm2) 953 1050 1105 1135 1150 750 800 743 710 680
전단강도(kg/cm2) 315 330 340 342 340 313 312 290 270 230
상기 결과에 따르면, 본 발명의 FRC는 열경화성 수지를 2.00 wt% 혼합할 때까지 계속하여 물성의 증가하였으나, 종래의 FRC에 있어서는 섬유의 혼합량을 1 wt% 이상으로 하는 경우 오히려 물성이 저하됨을 알 수 있었다. 이는 혼합된 섬유의 응집현상에 기인한 것으로 추정되며 본 발명의 FRC는 혼합된 섬유의 응집현상을 효과적으로 방지함을 알 수 있었다.
본 발명의 FRC는 크게 향상된 인성 및 연성을 가지며, 고층건축 및 교량 등의 건축 및 토목 재료로 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 열경화성 수지로 코팅된 섬유로 제직된 직물로 보강된 섬유보강 콘크리트 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열경화성 수지로 코팅된 섬유가 섬유 중량을 기준으로 5 내지 20 중량%의 열경화성 수지로 코팅되는 것을 특징으로 하는 섬유보강 콘크리트 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 열경화성 수지로 코팅된 섬유로 제직된 직물이 평직 바스켓직 또는 레노직인 것을 특징으로 하는 섬유보강 콘크리트 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 열경화성 수지로 코팅된 섬유로 제직된 직물을 콘크리트 중량을 기준으로 1 중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유보강 콘크리트 조성물.
  5. 섬유를 열경화성 수지로 코팅하는 단계; 열경화성 수지로 코팅된 섬유를 직물로 제직하는 단계; 및 열경화성 수지로 코팅된 섬유로 제직된 직물을 콘크리트 조성물과 혼합하는 단계를 포함하는 섬유보강 콘크리트 조성물의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 섬유를 열경화성 수지로 코팅하는 단계에서 섬유 중량을 기준으로 5 내지 20 중량%의 열경화성 수지로 섬유를 코팅하는 것을 특징으로 하는 섬유보강 콘크리트 조성물의 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 열경화성 수지로 코팅된 섬유로 제직된 직물을 콘크리트 조성물과 혼합하는 단계에서 열경화성 수지로 코팅된 섬유로 제직된 직물을 콘크리트 조성물 중량을 기준으로 1 중량% 이상 첨가하는 것을 특징으로 하는 섬유보강 콘크리트 조성물의 제조방법.
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