KR20200100092A - 시멘트 및 철골 구조물의 보강 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 콘크리트와 시멘트 기반의 재료와 강철을 안정화하는 새로운 방법에 관한 것이다. 안정화는 섬유 안정화 돌막대나 석판 등의 도움을 받아 보강하여 실시한다. 석재는 자연석 또는 인공석일 수 있으며, 석재의 온도 팽창 계수는 결합할 재료의 온도 팽창 계수, 즉 각 섬유와 콘크리트나 강철과 같은 시멘트 기반 건축 재료의 온도 팽창 계수 사이에 위치한다. 석재의 온도 팽창 작용이 다른 섬유와 콘크리트 또는 강철 사이의 매개체가 된다. 이는 CO2에서 생산된 천연섬유와 탄소섬유의 경우와 같이 CO2 집약적인 강철을 대체하기 위해 긴 섬유로 안정화된 콘크리트 구조물을 사용할 수 있고, 광섬유가 생산 중에 탄소를 결합한 경우 건축자재를 CO2-음성으로 만들 수 있음을 의미한다. 석재와 콘크리트 또는 시멘트 사이의 마찰 연결을 최적화할 때 가급적 석재는 비선형 기하학 및/또는 표면을 선호한다. 강철의 안정화의 경우, 판이나 석재-카본 스트립을 강철에 접착하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 에폭시 수지로 수행될 수 있다. 파형의 막대 모양이 안정정인 경우, 팽창 동안 긴 섬유 연장이 가능하여 탄소 섬유와 콘크리트 또는 강철의 매우 다른 팽창 계수의 적응이 상당히 개선시킨다.
Description
본 발명은 시멘트 및 철골 구조물의 보강에 관한 것이다.
철근 콘크리트는 시멘트 기반의 미네랄 믹스와 강철 보강재를 혼합한 것으로 미네랄 성분이 인장의 안정성을 저하한다.
즉, 미네랄 성분이 파손 및 결함 없이 정적 또는 동적 하중의 압력을 흡수할 수 있다는 것을 의미한다. 그래야 건물, 다리, 기타 구조물과 구성품(예: 기성 보, 벽, 천장, 바닥 , 침목)의 건축 자재로 사용 가능하다.
따라서 강철과 콘크리트의 온도 팽창 계수는 약 10-12 x 10-6 / K으로 사실상 동일하기 때문에, 일반적으로 가동 중 건물이 노출되는 온도 조건의 변화에도 연결은 영향을 답지 않는다..
다양한 이유로 강철 삽입(steel insert)은 한계가 있는데, 오랜 사용 수명과 환경적 측면 때문이다. 오늘날 생산되는 전체 강철의 50%가 콘크리트용 철근 재료의 형태로 건설 분야에서 사용되는데, 조강의 대량 생산 과정에서 배출되는 CO2가 많다는 기후 조사가 있었기 때문이다.
강철과 달리 다른 인장 재료는 에너지가 소모율이 적고, 이산화탄소 배출량이 낮아 보강재로 사용할 수 있지만, 콘크리트와 강철만큼 완벽하게 혼합되기 어렵다.
이 때문에 본 발명은 콘크리트 구조물에서 철강을 다른 재료로 대체할 수 있는 방법에 관련된 것으로 한 단계 더 나아가 많은 산업에 혼란을 주지 않고 보다 친환경적으로 CO2 문제를 해결할 수 있도록 한다.
초기에는 강철만 콘크리트 보강재로 교체해야 한다.
본 발명은 모든 종류의 석재 안정화를 위해 섬유소재를 사용하는 이전의 특허 발명에 기초한다. 즉, 자연에서 생성된 것과 같은 석재가 탄소섬유를 이용하여 강화됨으로써 유연하게 만들어질 수 있는 방법을 기술한 EP 106 20 92를 의미한다. 돌과 탄소는 분리되지 않고 넓은 온도 범위에서 안정적으로 유지될 수 있는 완벽하게 맞는 성질을 가지고 있다. 이것의 원리는 발명 EP 08 850 003.8에 기술되어 있다. 석재의 가공률은 석재가 압력 초기응력 상태의 부피 압축성을 통해 다른 팽창 계수를 보정한다. 이것이 유연성의 형태로 나타난다.
여기에 기술된 새로운 발명은 한 걸음 더 나아가 압력뿐만 아니라 인장강도 하의 다른 재료의 탄성 모듈 또한 고려한다. (예: 자연석은 시멘트 및 콘크리트보다 인장 강도가 훨씬 높다.) 예를 들어 자연석은 알루미늄과 비중이 동일할 뿐만 아니라 놀랍게도 화강암의 종류에 따라 40~90GPa의 강성과 탄성 계수 또한 거의 일치한다. 순수 알루미늄은 70GPa이다.
이러한 비교적 높은 유연성은 인장하중의 경우 석재의 압력 범위와 인장 하중 한계를 초과하지 않는 한 파손 없이 사용 가능하다. EP 08 850 003.8에서 설명한 바와 같이 여기서 사용되는 지식은 석재의 부피 압축이 가능할 뿐만 아니라, 수율 한계 내에서 파손 없이 부피를 확장할 수 있다는 것을 포함한다.
이러한 고유한 유연성을 갖춘 석재는 탄소와 콘크리트 사이의 팽창 계수를 가지기 때문에 다른 재료의 매개자 역할이 가능하다. 강철에도 동일하게 적용된다. 따라서 본 석재는 콘크리트와 탄소섬유의 중간 매개체 역할뿐만 아니라 탄소 섬유와 강철 사이의 매개체 역할 또한 가능하다. 이 속성은 콘크리트로 만든 교량 뿐만 아니라 강철로 만든 교량을 개조할 때 흥미로운 결과를 보여준다. 이로 인해 석재는 압력에 따른 부피 압축률과 섬유에 의해 제거되는 장력에 대한 상대적으로 높은 탄성으로 인해 균열 없이 완벽하게 동력을 전달하는 다양한 열팽창 계수를 가진 연결 매개체가 된다. 특히 큰 온도 변화를 기계적으로 연결부에 가하는 경우는 제외한다. 이를 통해 큰 온도 변화 시 어느 지점에서든 전체 합성물이 각각의 합성 파트너로부터 분리되지 않고 긴 탄소섬유를 콘크리트와 철골 구조물로 가져올 수 있다. 긴 탄소섬유의 팽창계수는 약 1 x 10-6 / K이며, 콘크리트 종류에 따라 콘크리트의 팽창계수는 10 x 10-6 / K이다.
대부분의 자연석은 확장계수가 5~6 x 10-6 / K인 석재 매개체를 선택하면 -40°C~80°C의 온도 범위에서 길이 변화에 따라 어떤 경계층에서도 과부하를 일으키지 않고, 재료 사이의 접착제 결합의 깨짐 없이 콘크리트가 안정화가 가능하다. 이는 긴 탄소 섬유와 콘크리트 또는 강철 사이의 영구적인 연결을 만든다.
본 연결은 콘크리트 또는 강철로 만들어진 교량의 보수에도 사용될 수 있으며, 석재 카본으로 만든 접착식 바닥 벨트의 내구성을 되돌릴 수 있다.
도 1 및 도 2는 섬유 코팅된 화강암 스트립(2)로 안정화된 콘크리트 모듈(1)을 도시한다.
도 3은 콘크리트 구조물(1)이 탄소로 코팅된(2) 두 개의 석판(3)으로 둘러싸인 벽과 같은 평평한 배열의 단면을 나타낸다.
도 4는 도 3과 동일한 구조이지만, 석재로 만들어진 추가층(4)을 갖는 것을 도시한다.
도 5는 강철(1) 소재의 막대로서, 하단에 석재(2) 층이 붙어 있고 그 아래에도 탄소 섬유(3) 층이 붙어 있는 것을 도시한다
도 3은 콘크리트 구조물(1)이 탄소로 코팅된(2) 두 개의 석판(3)으로 둘러싸인 벽과 같은 평평한 배열의 단면을 나타낸다.
도 4는 도 3과 동일한 구조이지만, 석재로 만들어진 추가층(4)을 갖는 것을 도시한다.
도 5는 강철(1) 소재의 막대로서, 하단에 석재(2) 층이 붙어 있고 그 아래에도 탄소 섬유(3) 층이 붙어 있는 것을 도시한다
도 1 및 도 2는 섬유 코팅된 화강암 스트립(2)로 안정화된 콘크리트 모듈(1)을 보여주고 있으며, 이로 인해 두 석재 층 사이에 배열된 탄소 섬유 층(3)은 콘크리트와 직접 접촉이 거의 없거나 전혀 없다. 석층의 두께는 다르게 팽창하는 재료에 의해 층간 박리 응력이 발생하지 않는 온도 범위를 결정한다. 허용 가능한 온도 범위가 클수록 탄소 층의 두께에 대한 석재 층의 두께의 비율이(또한) 증가한다. 이 때 탄소층과 콘크리트가 찢어지는 것을 방지하기 위해 필요한 경우 홈(5)의 탄성 스페이서(4)에 의해 끝 면이 분리되어 점진적 손상의 출발점이 될 수 있다. 탄소 석재 구조물의 상응하는 골재와 그에 따른 탄소 구조물의 스트레칭은 영향을 받지 않는 온도 범위를 크게 증가시킬 수 있으며, 다른 응력 조건에서 석재와 콘크리트 사이의 마찰 접착을 최적화 할 수 있다.
도 3은 콘크리트 구조물(1)이 탄소로 코팅된(2) 두 개의 석판(3)으로 둘러싸인 벽과 같은 평평한 배열의 단면을 나타낸다. 여기서도 콘크리트와 긴 탄소섬유의 직접적인 접촉은 적절한 두께의 치수의 석재 층에 의해 기계적으로 분리된다.
도 4는 도 3과 동일한 구조이지만, 석재로 만들어진 추가층(4)이 기후 영향과 자외선으로부터 탄소층을 보호한다.
도 5는 강철(1) 소재의 막대로서, 하단에 석재(2) 층이 붙어 있고 그 아래에도 탄소 섬유(3) 층이 붙어 있다. 철골보(1)는 탄소층이 석재에서 박리되지 않고(예: 지지대의 경우 강철 빔이 구부러지지 않고)적절한 석재의 높은 탄성으로 인해 온도가 변화할 때 팽창 가능하다. 자체 무게로 인해 양쪽 끝에서 반대 방향으로 굽힘 힘이 가해진다. 강철 부분의 팽창을 보상하는 석재 층 덕분에 강철 빔은 안정화 탄소 층을 뜯어내지 않고도 곧게 유지될 수 있다.
모든 경우에 매트릭스 결합형 긴 섬유 층은 EP 08 850 003.8에서 기술된 바와 같이 탄소 섬유, 유리 섬유, 석재 섬유로 구성될 수 있으며, 이 섬유들의 혼합물로 석재를 초기 응력 하에 이상적으로 고정시킬 수 있다. 시멘트와 석재 사이의 이상적인 마찰 연결은 석재의 표면이 거칠고 이상적으로 완전히 선형적인 형태가 아닐 때, 즉 양쪽이나 표면에 일정한 간격으로 홈이 있고/또는 필요한 경우 파형을 갖는 경우에 성립된다. 석재와 콘크리트의 마찰 연결을 증가시키고 섬유의 스트레칭을 허용한다. 섬유와 석재 사이의 연결을 만드는 매트릭스는 합성 수지나 수성 유리 기반의 바인더로 구성되며, 거친 표면이 도움이 된다. 모든 고강도 장 섬유를 사용할 수 있으며, 이는 콘크리트 보강을 위한 강철 대체품으로 사용될 수 있다. 이러한 섬유들은 특히 탄소 섬유뿐만 아니라 매우 단단한 유리 섬유와 석재 섬유, 천연 섬유 또는 이러한 섬유들의 혼합물을 포함한다.
탄소 섬유나 삼베 섬유가 바이오 매스로 만들어져 CO2 균형이 음의 값인 경우, 강철을 양의 CO2 균형으로 대체함으로써 기후 보호를 지원할 수 있다. 이상적으로는 시멘트 기반 재료도 여기에 사용되어 CO2 배출량이 낮추거나, 수명 주기 동안 CO2를 음성 값으로 생산하게 될 것이다.
Claims (11)
- 섬유소재의 도움으로 안정화된 콘크리트, 시멘트 기반 광물 또는 강철로 만들어진 성분의 플레이트, 블록 또는 어떤 기하학적 구조를 가진 장치에 있어서,
콘크리트, 시멘트 기반 광물 또는 강철과 섬유 재료 사이의 중간 층으로서, 각 경우에 사용되는 콘크리트 또는 강철의 각 온도 팽창 계수와 각 경우에 사용되는 각 섬유의 팽창 계수 사이에 있는 온도 팽창 계수를 갖는 석재가 사용되는 것을 특징으로 하는 장치. - 제1 항에 있어서, 상기 석재는, 천연석, 인조석 또는 세라믹인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1 항 및 제2 항에 있어서, 석재 안정 섬유가 탄소 섬유, 유리 섬유, 석 섬유 또는 천연 섬유이거나 이들 섬유의 혼합물이라는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 석층이 섬유에 의해 프리스트레스트되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유는 수지 또는 수성 유리로 묶이고 석재에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유석 구조물은 콘크리트에 주조되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유석 구조물이 콘크리트 또는 철골 구조물의 표면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서, 돌판이나 돌막대의 표면이 거친 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서, 돌막대의 모양이 비선형이라는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제9 항에있어서, 돌막대에는 물결 모양이 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서, 돌막대나 돌판에는 일정한 간격으로 홈, 노치, 움푹 패인 부분이 있어 돌과 콘크리트 또는 시멘트 사이의 접착력이 개선되는 것을 특징으로 하는 장치.
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