KR20070012951A - 콘크리트 구조물의 열화 방지를 위한 표면 처리 방법 및 그표면 구조 - Google Patents

콘크리트 구조물의 열화 방지를 위한 표면 처리 방법 및 그표면 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 성분과 친화성을 갖는 무기질 도료를 이용하여 콘크리트 표면을 강화하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 처리 방법 및 그 표면 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 콘크리트 구조물 표면 처리 방법은, 상기 콘크리트 구조물의 기공을 충진하고 표면을 강화하기 위해, 콘크리트 구조물 표면에 규불화염 무기 액상 도료를 도포하여 하도층을 형성하고, 상기 하도층에 실리케이트계 도료를 도포 및 양생하여 상도층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 표면 구조는, 상기 콘크리트 구조물 표면에 형성되며, 규불화염 용액 100 중량부에 아크릴수지 20 내지 30 중량부가 혼합된 조성물 100 중량부에 대해; 0.2 내지 1.0 중량부의 화이트카본이 첨가되어 제조된 규불화염 무기 액상 도료로 구성되는 하도층과; 상기 하도층 위에 도포되며, 칼슘실리케이트 바인더 및 리튬실리케이트 바인더로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 바인더를 포함하는 실리케이트계 도료로 구성되는 상도층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
콘크리트, 기공, 규불화물 용액, 실리케이트계 바인더

Description

콘크리트 구조물의 열화 방지를 위한 표면 처리 방법 및 그 표면 구조{SURFACE TREATMENT METHOD OF CONCRETE STRUCTURE FOR PREVENTING DETERIORATION AND SURFACE STRUCTURE THEREOF}
도 1 은 철근의 부식 반응에 대한 메카니즘도,
도 2 는 본 발명에 따른 하도층의 형성 과정이 개략적으로 도시된 모식도,
도 3 은 본 발명에 따른 상도층이 형성된 표면 구조가 개략적으로 도시된 모식도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 하도층 20 : 상도층
100 : 콘크리트 200 : 기공
본 발명은 콘크리트 구조물의 열화 방지를 위한 표면 처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 콘크리트 성분과 친화성을 갖는 무기질 도료를 이용하여 콘크리트 표면을 강화하기 위한 콘크리트 구조물의 표면 처리 방법 및 그 표면 구조에 관한 것이다.
국내외의 건축/토목 구조물들은 교량, 도로 등의 주요 기반 시설물 이외에도 우리의 삶과 밀접한 상가, 학교, 아파트 등에 폭넓게 사용되고 있다. 그러나, 이러한 콘크리트 구조물은 시공시부터 열악한 물리, 화학적인 환경 조건에 노출되며, 이 환경 조건은 시설물의 외관 및 기능성에 직간접적으로 영향을 미치게 된다. 콘크리트 구조물의 성능 저하 원인은 여러 가지가 있는데, 이중 대표적인 것이 염해 및 중성화 등에 의한 콘크리트 열화를 예로 들 수 있다.
염해의 콘크리트에 대한 침식 작용은 서서히 콘크리트를 침식시키는 작용을 가지고 있어, 이 침식작용은 염류가 주로 시멘트의 수화반응으로 생성된 수산화칼슘과 반응하여 가용성 물질을 만들고, 이것이 용출되는 것으로 인하여 콘크리트가 부식되고 강도저하나 부재 단면의 감소를 동반하기도 한다. 염류 중에서 황산염은 콘크리트에 대하여 특별한 침식작용을 한다. 황산염이 콘크리트와 접촉한 경우, 콘크리트 내부에 칼슘알루미네이트와 반응하여 에트린자이트를 생성하고, 생성에 의한 체적 팽창으로 압력이 발생한다. 이 압력에 의해 콘크리트가 균열을 일으키거나, 콘크리트를 붕괴시키는 경우도 있다. 이러한 반응은 아래 식 (1) 로부터 설명된다.
3CaO·Al2O3 + nM·SO3 → 3 CaO · Al 2 O 3 ·3 CaSO 4 ·32 H 2 O (Ettringite) (1)
또한, 해수에 존재하는 염소 이온은 해수 또는 대기 중의 해염 입자가 외부로부터 콘크리트의 간극을 통해 흡수와 확산 등의 방식으로 콘크리트 내부에 침투하여 콘크리트 및 철근을 부식시킨다. 해안 주변에 건설된 철근콘크리트 구조물에 는 해수와 직접 접하지 않더라도 대기 중의 해염 입자에 의해서도 다량의 염분이 침투할 수 있으며, 해염 입자의 크기는 해상에서는 3 내지 18 ㎛ 정도인데, 대기 중에서 부유하는 동안 0.03 내지 0.06 ㎛ 정도로 작아지며 내륙으로 들어오면서 더욱 작아지는 경향을 가지고 있다.
콘크리트는 강알칼리성으로 그 안에 매설되어 있는 철근 표면은 얇은 부동태 피막으로 둘러싸여 있기 때문에 철근은 부식으로부터 보호된다. 그러나, 콘크리트 중에 일정량 이상의 염화물 이온이 존재하면 염소 이온의 작용에 의해 부동태 피막이 파괴되어 부식하기 쉬운 상태로 된다. 또한, 콘크리트 중의 철근이 부식하면 그 체적은 원 단면의 2.5 배로 팽창하며 팽창압에 의해 피복 콘크리트 균열이 발생한다.
강재를 수중이나 대기중에 방치하면 강재 중의 탄소, 철보다 이온화 경향이 작은 금속이나 이미 발생된 발청부분 등이 음극이 되고, 변형이 발생된 부분은 양극이 되어 이른바 국부전지가 형성된다. 이와 같은 전지가 형성되면 전류가 흘러 도 1 에 도시된 바와 같이 전극반응이 일어나 철은 부식하게 된다.
콘크리트 중성화는 시멘트의 수화로 약 pH 12 내지 13 의 강알칼리성 수산화칼슘이 대기중의 탄산가스와 장기간 화학반응하여 탄산칼슘으로 변화하면서 pH 8.5 내지 10 정도로 알칼리성이 줄어든다. 이는 시멘트 수화물과 함께 생성된 수산화칼슘이 대기중의 이산화탄소나 우수, 지하수에 포함된 CO 성분과 접촉하면서 탄산칼슘과 다른 물질로 분해된다. 이에 따라, 철근의 부식속도도 빨라지는 경향을 나타내는 특징이 있다. 이러한 반응은 아래 식 (2), (3) 으로부터 설명된다.
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (2)
3CaO·SiO2·3H2O + 3CO2 → 3CaCO3 + 2SiO2 + H2O (3)
상기에 언급된 콘크리트 및 철근의 열화를 억제하기 위한 방법 중 대표적인 것이 콘크리트 표면에 또 다른 도포층을 형성하여, 콘크리트 구조물의 표면을 보호해 주는 것이다.
현재 상기와 같은 콘크리트 보호층을 형성할 수 있는 표면 마감재는 도료, 패널, 뿜칠재, 타일 등이 있으나, 도료를 제외한 나머지 마감재들은 경제성과 시공성 측면에서 한계가 있어 일반적인 적용이 곤란하다. 한편, 도료의 경우에는 아크릴계 도료, 에폭시계 도료, 불소수지계 및 세라믹 도료 등을 들 수 있다. 특히, 이들 도료는 합성수지를 바인더로 사용하고 있으며, 휘발성 유기화합물을 용제로 사용하고 있기 때문에 도료의 제조공정 및 도장작업 과정에서 대기오염을 유발하는 단점도 가지고 있다. 또한, 유기 도료의 경우 가격이 고가라는 문제도 있어, 제조단가가 저렴한 제품개발 또한 시급한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 내구성, 내수성 및 내열성이 뛰어나 콘크리트를 효과적으로 보호해 줄 수 있으며, 콘크리트와 유사한 성분으로 표면처리를 해줌으로써 콘크리트 계면에서의 탈락 및 분리 현상을 최소화 하여 콘크리트 표면을 강화시켜주는 표면 처리 방법 및 그 표면 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적 및 장점들은 이하 더욱 상세히 설명될 것이며, 실시예에 의해 더욱 구체화될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타난 수단 및 이들의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 콘크리트 구조물 표면 처리 방법은, 상기 콘크리트 구조물의 기공을 충진하고 표면을 강화하기 위해, 콘크리트 구조물 표면에 규불화염 무기 액상 도료를 도포하여 하도층을 형성하고, 상기 하도층에 실리케이트계 도료를 도포 및 양생하여 상도층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 표면 구조는, 상기 콘크리트 구조물 표면에 형성되며, 규불화염 용액 100 중량부에 아크릴수지 20 내지 30 중량부가 혼합된 조성물 100 중량부에 대해; 0.2 내지 1.0 중량부의 화이트카본이 첨가되어 제조된 규불화염 무기 액상 도료로 구성되는 하도층과; 상기 하도층 위에 도포되며, 칼슘실리케이트 바인더 및 리튬실리케이트 바인더로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 바인더를 포함하는 실리케이트계 도료로 구성되는 상도층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면 및 실시예들을 참조로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 콘크리트 구조물 표면을 강화하기 위하여 하도 도료로서 실리케이트계 규불화염 무기 액상 도료가 도포된다. 상기 규불 화염은 식 (4) 에 기재된 바와 같이 불화규산(H2SiF6)을 금속염과 반응시켜 제조하며 이때 규불화염 용액의 pH 를 조절하여 콘크리트 표면에 사용될 수 있는 액상을 제조 하여야 한다.
< 규불화염의 제조 >
H2SiF6 + M → M·SiF6 (4)
여기서, M 은 Zn, Mg 등의 금속 원소이다.
상기 불화규산은 공업용 불산(HF) 및 비료용 인산(H3PO4)을 제조하는 공정중 발생되는 부생가스(SiF4)의 흡수처리를 통해 약 20 내지 40 % 농도의 수용액 상태로 매년 많은 양이 발생되고 있다. 이중 비료용 인산 제조공정 중에 불화규산의 발생형태에서 인광석에 고용된 형석(CaF2) 중에 불소(F)가 2.3 내지 4.8 % 함유되어 있고, SiO2 도 불순물로서 다량 함유되어 있다. 따라서, 인산 제조시 황산을 이용한 인광석의 분해반응은 식 (5) 와 같이 인광석과 석고가 주요 반응생성물로 발생되고, 기체상태의 SiF4 및 HF 가 부반응 생성물로 발생된다.
CaF2·3Ca3(PO4)2 + 7H2SO4 + 3H2O → 3Ca(H3PO4)2·H2O + SiF4 + 2HF + 7CaSO4
(5)
이때, 식 (6) 과 같이, SiF4 를 상온의 공정수로 세정하면 일정 농도의 SiO2 를 함유한 불화규산이 수용액 상태로 회수된다
3SiF4 + 2H2O → 2H2SiF6 + SiO2 (6)
상기 공정에 의해 회수된 불화규산을 염화물, 산화물, 탄산염 형태의 금속염과 반응시키면 불화칼슘(CaF2), 불화마그네슘(MgF2), 불화알루미늄(AlF3)과 같은 금속불화물(Metal flouride) 혹은 규불화 아연(ZnSiF6)과 같은 규불화염(Fluorsilicate) 형태의 화합물이 용이하게 형성되며 1 ㎛ 이하의 매우 미세한 백색 입자로 용액 반응중 난용성 침전물 형태로 생성되는 것이다.
상기와 같이 제조된 규불화염 용액 내의 규불화염 이온은 식 (7) 에 기재된 바와 같이, 콘크리트 표면 및 기공 내부로 침투하여 콘크리트에 존재하는 칼슘 이온 및 기타 이온과 반응하여 금속염을 형성한다. 상기 금속염은 난용성염으로서 콘크리트 표면 및 내부에 형성된 기공을 충전하는 작용을 한다. 상기 반응에서는 또한, 교질상 실리카의 포졸란 활성반응에 의해 포졸란 반응 생성물이 형성되어 경화 콘크리트의 밀실화를 증진시킨다.
MSiF6 + Ca(OH)2 → M(OH) 2 + CaO - SiO 2 - H 2 O (7)
난용성염 포졸란 반응 생성물
상기 규불화염 용액은 액상이기 때문에 콘크리트 구조물의 표면에 도포했을 경우, 기공으로의 침투가 용이하여 표면 기공 뿐만 아니라 내부 미세 기공까지 효과적으로 충진하여 조직을 치밀화시킨다. 그러나, 상기 규불화염 용액은 부착력이 떨어지기 때문에 아크릴수지와 화이트카본을 혼합하여 도포하는 것이 바람직하다.
상기 아크릴수지는 아크릴산이나 메타크릴산 등의 에스테르로부터의 중합체 로서, 상기 액상 도료에 첨가되어 도료의 부착성을 향상시키며, 그 특유의 성질상 옥외에 노출시켜도 변색하지 않고, 내약품성도 좋으며, 전기 절연성 ·내수성이 모두 양호하다. 또한, 상기 화이트카본은 규산염 무기 안료로서 난연성이다. 따라서, 상기 아크릴수지와 화이트카본의 첨가로 액상 도료의 부착강도가 증대되며, 내구성의 향상으로 효과적인 콘크리트 구조물의 표면 강화용 도료가 제조될 수 있다.
상기 규불화염 용액과 아크릴수지의 중량비는 100 : 20 내지 30 이고, 화이트카본은 상기 규불화염 용액과 아크릴수지 총량의 0.2 내지 1.0 % 인 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 규불화염 용액이 100 g 이면, 아크릴수지는 20 내지 30 g, 그리고 화이트 카본은 120 내지 130 g 의 0.2 내지 1.0 % 수준으로 포함된다. 상기 범위 이하에서는 액상 도료의 부착강도가 떨어지는 문제가 발생하고, 상기 범위 이상에서는 점도가 너무 커지기 때문에 액상 도료의 유동성이 떨어져 기공으로의 침투가 효과적으로 수행되지 않으며, 제조 단가가 상승하는 문제점이 발생한다.
상기와 같은 방법으로 제조된 규불화염 무기 액상 도료를 깨끗이 정리되고 습윤처리된 콘크리트 표면에 스프레이나 롤러, 또는 방수비등으로 1.2 내지 1.5 Kg/㎡ 로 균일하게 도포함에 따라 콘크리트 표면의 하도층이 형성된다.
상기와 같이 형성된 하도층에 대하여 부착강도를 측정하였다. 부착강도는 만능재료시험기(instron)를 이용하였다. 먼저, 부착강도용 몰탈(4×4×2 cm)을 제조 1 일 후 탈형하여 14 일 동안 수중 양생하였고, 양생이 끝난 후 대기중에 약 일주일간 방치하였다. 이후, 상기 규불화염 무기 액상 도료를 도포한 후 액형 본드를 사용하여 지그를 부착하여 부착강도를 측정하였다. 측정된 부착강도는 대략 30kgf/ ㎠ 로서 매우 우수하였다.
도 2 에는 상기와 같은 방법으로 수행된 1 차 콘크리트 표면 처리(하도) 과정이 모식도로서 도시된다. 도 2 의 (a) 에 도시된 바와 같이, 최초 콘크리트(100) 표면에는 다수의 기공(200)이 존재하고 있다. 이 콘크리트(100) 표면에 규불화염 무기 액상 도료를 도포하면 도 2 의 (b) 에 도시된 바와 같이, 액상 도료가 표면 기공(200)에 침투된다. 도 3 의 (c) 에 도시된 바와 같이, 상기 표면 기공에 침투된 액상 도료는 일정한 유동성을 가지고 계속적으로 콘크리트 내부로 침투되어 상기 난용성 금속염에 의해 내부 미세 기공까지 충전되고, 포졸란 활성 반응에 의해 경화 콘크리트의 밀실화가 증진된다.
상기와 같이 형성된 하도층(10) 위에는 표면 강화용 특수 도료에 의한 상도층(20)이 도포/양생된다. 도 3 에는 제 2 차 도포된 콘크리트 표면 처리 구조가 모식도로 도시된다. 도시된 바와 같이, 콘크리트(100) 표면에는 기공(200)을 충진하여 표면을 강화시키는 규불화염 무기 액상 도료로 구성된 하도층(10)이 형성되고, 그 상층에는 실리케이트계 바인더를 포함하는 상도층(20)이 형성된다. 상기 상도용 표면 강화 특수 도료는 실리케이트계 바인더를 사용하고, 여기에 안료 및 충진재 등을 혼합하여 제조하는 콘크리트 표면 강화용 도료이다. 기존의 유기 도료 등은 고가의 재료비가 투입되어야 하는 단점을 가지고 있으나, 본 발명에 따른 실리케이트게 도료는 저가의 원료 사용으로도 충분한 물성을 발현 할 수 있으며, 환경에도 무해한 제품이다.
상기 상도 도료에 사용되는 실리케이트계 바인더는 칼슘실리케이트 또는 리 튬실리케이트 바인더인 것이 바람직하다. 칼슘실리케이트 또는 리튬실리케이트 원료를 미분쇄하여 1 차 하도로 사용된 규불화염 용액의 표면 위에 부착한 후 물성을 발현하도록 한다. 상기 실리케이트계 도료는 중성화 및 동결융해 저항성 증대, 부착강도의 개선 및 기타 물리적 특성을 극대화할 수 있는 도료이다.
상기 실리케이트계 도료에는 실리케이트 바인더 이외에도, 난연성 규산염 무기 안료인 화이트카본, 아크릴수지, 그리고 경화접착제 성분인 미량의 백시멘트가 더 첨가된다.
이외에도 상기 상도 도료는 통상의 충전제, 강도보강제, 소포제, 분산제등을 포함할 수 있다. 상기 충전제는 탄산칼슘, 탈크가 주로 사용될 수 있으며, 대략 2000 ㎠/g 이상의 입도를 가진 것이 바람직하다. 상기 강도보강제는 수산화칼슘, 실리카흄, 고로슬래그 등이 사용될 수 있다. 상기 분산제는 안료의 분산을 용이하게 하는 성분으로 다양한 계면활성제가 사용될 수 있다. 상기 소포제는 기포에 의한 핀홀을 방지하여 표면을 평활화한다.
상기 상도 도료용 실리케이트계 도료는 1 차 하도에서 치밀화시켜 주지 못한 기공이 존재할 경우, 최종적으로 치밀화시켜 물성발현을 극대화시킨다. 또한, 상도 도료 자체의 치밀화 및 상호 결합력을 발현하도록 하여 부착강도 특성도 충분히 발현되도록 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 내구성, 내수성 및 내열성이 뛰어나 콘크리트를 효과적으로 보호해 줄 수 있으며, 콘크리트와 유사한 무기질 성분으로 표 면처리를 해줌으로써 친화성을 높여 콘크리트 계면에서의 탈락 및 분리 현상을 최소화하고, 콘크리트 구조물 내의 기공에 효과적으로 침투하여 조직을 기밀화시키고 콘크리트의 밀실화가 증진되어 콘크리트 표면을 강화시켜 열화를 방지할 수 있는 탁월한 효과를 갖는다.

Claims (6)

  1. 콘크리트 구조물의 표면 처리 방법에 있어서,
    상기 콘크리트 구조물의 기공을 충진하고 표면을 강화하기 위해, 콘크리트 구조물 표면에 규불화염 무기 액상 도료를 도포하여 하도층을 형성하고, 상기 하도층에 실리케이트계 도료를 도포 및 양생하여 상도층을 형성하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 열화 방지를 위한 표면 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 규불화염 무기 액상 도료는 규불화염 용액 100 중량부에 아크릴수지 20 내지 30 중량부가 혼합된 조성물 100 중량부에 대해; 0.2 내지 1.0 중량부의 화이트카본이 첨가된 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 열화 방지를 위한 표면 처리 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 실리케이트계 도료는 칼슘실리케이트 바인더와 리튬실리케이트 바인더로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 열화 방지를 위한 표면 처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 실리케이트계 도료는 화이트카본, 아크릴수지, 그리고 미량의 백시멘트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 열화 방지를 위한 표면 처리 방법.
  5. 콘크리트 구조물의 표면 구조에 있어서,
    상기 콘크리트 구조물 표면에 형성되며, 규불화염 용액 100 중량부에 아크릴수지 20 내지 30 중량부가 혼합된 조성물 100 중량부에 대해; 0.2 내지 1.0 중량부의 화이트카본이 첨가되어 제조된 규불화염 무기 액상 도료로 구성되는 하도층과;
    상기 하도층 위에 도포되며, 칼슘실리케이트 바인더 및 리튬실리케이트 바인더로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 바인더를 포함하는 실리케이트계 도료로 구성되는 상도층을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 열화 방지를 위한 표면 구조.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 실리케이트계 도료는 화이트카본, 아크릴수지, 그리고 미량의 백시멘트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 구조물의 열화 방지를 위한 표면 구조.
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KR1020050067218A KR20070012951A (ko) 2005-07-25 2005-07-25 콘크리트 구조물의 열화 방지를 위한 표면 처리 방법 및 그표면 구조

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101292174B1 (ko) * 2011-08-30 2013-08-01 주식회사 삼표 콘크리트 표면강화 기능을 가진 피막양생제
KR102079900B1 (ko) * 2019-07-23 2020-02-20 김소중 콘크리트의 중성화 회복에 의한 콘크리트의 보호 강화 방법

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