KR100542387B1 - 내시공성이 우수한 지오텍스타일 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지오신세틱스의 보강 기능과 부직포의 분리, 배수, 여과 기능을 함께 가지고 있고, 시공 후 인장강력의 감소율이 현저하게 적어서 내시공성이 우수한 지오텍스타일과 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 경편기에 일종 이상의 합성섬유로 구성된 부직포를 공급하면서, 고강력 섬유인 경사를 별도의 정경작업 없이 크릴에서 경사공급장치로 직접 통과시킴과 동시에, 상기 경사의 하부에 고강력 섬유인 위사를 위입시키고, 이들 경, 위사의 교차부위를 그라운드사를 이용하여 부직포와 함께 경편함으로써 부직포와 경사, 위사가 서로 결속된 복합포를 제조하면서 경, 위사의 상부 면에 별도의 부직포를 봉합 혹은 접착 등의 방법으로 적층하여 결합시킨 내시공성이 우수한 지오텍스타일 및 그의 제조방법이다.
부직포, 고강력경사, 고강력위사, 경편, 내시공성

Description

내시공성이 우수한 지오텍스타일 및 그의 제조방법{Very durable geotextile after construction and method for preparing the same}
도 1은 부직포와 경, 위사를 그라운드사로 결속시키는 경편 작용을 표시하는 도면.
도 2는 본 발명에 의한 지오텍스타일의 구조를 나타내는 확대도.
본 발명은 건축 또는 토목공사에서 보강, 분리, 여과재로 사용되는 내시공성이 우수한 지오텍스타일 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경편기에 토목용 부직포를 공급하면서, 고강력 섬유인 경사를 별도의 정경작업 없이 크릴에서 경사공급장치로 직접 통과시키고, 고강력 섬유인 위사를 위입시킨 다음에 그라운드사를 이용하여 경사와 위사의 교차부위와 부직포를 경편조직으로 결속시키고, 이들 경편된 경, 위사의 상부 면에 별도로 공급되는 부직포를 봉합 혹은 접합 등의 방법으로 결합시킨 내시공성이 우수한 지오텍스타일 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 상기 지오텍스타일은 두겹의 부직포를 적층시켜서 양면이 부 직포로 이루어진 이중구조로 결속된 분리 여과재로서, 양쪽 부직포의 내층이 고강력 섬유인 경, 위사에 의하여 경편방식으로 보강되어 있는 복합형 보강재로서 보강기능, 투수성능 및 시공에 의한 인장강도 감소율이 작은 내시공성이 우수한 지오텍스타일 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
특히 본 발명에 의한 지오텍스타일은 양쪽 부직포의 내층에 경, 위사가 경편방식으로 보강되어 있으므로, 흙과의 마찰, 마모 등이 발생하는 실제 시공환경에서도 우수한 마찰저항과 안정한 구조물을 형성하는 보강재이다.
섬유재료를 각종 토목공사에 이용하기 위한 시도는 오래 전부터 있었으며, 이 중에서 고분자 합성수지 제품인 지오신세틱스(Geosynthetics)가 개발되어 우수한 시공성, 적용성 및 경제성 등을 바탕으로 최근 각종 토목구조물에 대한 보강, 분리, 배수, 침식방지용으로 폭넓게 사용되고 있다.
지오신세틱스의 종류로는 배수재인 지오네트, 배수/분리/여과용도의 부직포, 차수성의 지오멤브레인과 점토차수재(GCL), 보강용의 지오그리드, 여과/분리/보강 용도의 복합성 지오텍스타일 등을 들 수 있다.
일반적으로 건축이나 토목공사에서 구조보강의 용도로 사용하는 격자형태의 지오그리드는 고밀도 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 폴리머 성형물을 격자형 으로 천공하고 일축 또는 이축 연신한 플라스틱 지오그리드(GB2266540, USP4374798, EP0374365A, GB2256164A)와 합성섬유를 격자형으로 제편 또는 제직한 후 그 표면을 폴리염화비닐, 고무, 라텍스 등의 합성수지로 코팅한 텍스타일 지오그리드(USP 5091247, 일본실공평2-125038)가 있다.
이와 같은 지오그리드는 우수한 인장강도를 지니고 있으므로 하중이 집중적으로 작용하는 부위에서 원활하게 보강기능을 수행한다.
하지만 상기 지오그리드는 비교적 큰 격자 형태의 외관구조를 가지므로 각종 물질, 특히 함수율이 높은 미립자형 토양이 지오그리드를 관통하는 경우에 이들의 압밀을 효과적으로 제어하지 못할 뿐만 아니라, 토양의 입자가 지오그리드를 관통하여 이동하게 되면 뒤에 남겨진 토양에 빈 공간을 발생시키게 되고, 이와 같은 현상은 물이나 기타 유체의 흐름속도가 증가할 경우에 가속화되므로 구조물로서의 토양의 구조 및 토목 구조물의 형태를 붕괴시키게 된다.
한편 부직포는 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌과 같은 합성섬유의 단섬유를 단독 또는 혼합한 상태로 적층하고 압착하여 섬유시트 형태로 제조한 후, 이를 니들펀칭, 스펀본딩 등의 방법으로 상호 교락하여 제조한 것으로서, 이것은 다수의 통공이 형성되어 있다. 이러한 특성으로 인하여 한국 특허 출원번호 제 1999-004591 호, 한국 특허 출원번호 제 1998-049816 호에는 토양이나 그 밖의 물질의 분리, 여과, 배수재로써 부직포가 효과적으로 이용 될 수 있다고 기재되어 있다.
그러나 상기 부직포는 제품 자체의 인장변형율이 수십 퍼센트 이상으로 높고 인장강도가 취약하므로 장기간의 토목 구조의 자체 하중 부하에 대하여 쉽게 변형되며, 이를 제어하기 위해 부직포의 중량을 단위면적당(m2) 수백 내지 수천 그램정도로 크게 하지 않으면 집중하중에 대한 저항력을 감당 할 수 없게 된다.
또한 이완된 부직포는 통공이 확대되어서 토사 등이 쉽게 침투하게 되고, 그 결과 부직포의 통공을 폐쇄시키게 되는 소위 클로깅(cloging) 현상이 발생하므로 나중에는 여과, 배수기능을 현저히 저하, 상실하게 된다.
따라서 함수율이 높은 지반의 보강이나 함수율이 높은 뒷채움재 흙을 사용해야 하는 보강토 옹벽 등의 보강에는 부분적으로 지오그리드와 부직포를 겹치거나 조밀하게 시공해야 하는 번거로움이 있었으며, 이는 공사기간의 연장과 시공경비의 증가, 작업시방서의 복잡화를 초래하는 원인이 되었다.
따라서 본 발명자들은 이러한 문제들을 개선하고자 지오그리드와 부직포의 기능을 복합화하여 여과/분리/보강 기능을 가진 지오텍스타일 제품(한국특허 출원번호 제 2002-34601 호)을 개발한 바 있다.
하지만 상기 지오텍스타일은 보강 및 투수 성능은 우수하지만 토목현장에서 보강재나 분리 여과재로 사용하였을 때 지오텍스타일 시료 상부에 성토재가 포설되고 다짐작업이 시행될 경우에 지오텍스타일을 구성하는 경, 위사의 심각한 손상으로 인하여 강도 감소를 크게 유발시키기 때문에 토목 현장의 영구 구조물에 대하여 장기간에 걸쳐서 안정성을 제공 할 수 없다는 문제가 제기되었다.
또한 보강토 옹벽의 경우, 시공시에 사용하는 뒤채움재는 입경 19mm 이하의 흙을 대상으로 하고 있으나, 실제로 현장에서는 방대한 양의 뒤채움 흙을 체가름해야 하는 번거로움으로 인하여 입경 19mm 이상의 돌이 다량 함유된 흙이 사용되고 있는 실정이며, 그 결과 지오텍스타일의 내시공성이 크게 약화되었기 때문에 상기 지오텍스타일은 옹벽 구조물의 보강재로서 그 사용이 제한되어 왔다.
따라서 최근에는 지오텍스타일에 대하여 내시공성의 평가와 보강재의 장기설 계시 적용 기준이 되는 내시공 감소계수 (지오그리드의 최대인장강도(t/m)/다짐시공에 의해 손상된 지오그리드의 인장강도(t/m))를 제시할 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 토목공사가 대형화되고, 공사 기법이 발달함에 따라서 고기능적이고 복합화된 성능을 갖는 지오텍스타일의 제품 개발의 필요성에 맞추어서 강력과 투수성능이 우수하며 내시공성이 향상된 이중 부직포 형태의 구조를 갖는 지오텍스타일 및 그 제조방법을 제공하는데 목적을 두고 있다.
본 발명을 도 1 및 도 2에 의하여 상세히 설명하면 아래와 같다.
도 1은 경편기에 의하여 지오텍스타일을 제조하는 과정을 설명해 주고 있는 개략도로서, 부직포(A) 위에서 경사(B)와 위사(C)가 교차되고 그라운드사 (D)의 경편에 의해 경사(B), 위사(C), 부직포(A)가 일체화 되는 상태를 도시하고 있다.
본 발명에서 부직포(A)는 롤(roll) 형태로 감겨진 상태로 일정한 장력으로 풀려지면서 경편기에 공급된다.
본 발명에서 경사(B)는 별도의 정경작업을 거치지 않고 직접 크릴(creel)로 부터 경사 공급장치(1)에 공급될 수 있는 경편장치를 이용하여, 일정한 간격으로 부직포(A) 보다 약간 높은 위치에 배열된다.
본 발명에서 위사(C)는 폭방향으로 왕복운동을 하는 위사 캐리지에 의해 경사(B)와 직교하는 방향으로 놓여지고, 후크(2)에 의하여 경편이 될 위치에 공급된다.
본 발명에서 그라운드사(D)는 가이드바(3)에 끼워져서 상, 하로 운동하고 있는 편침(4)의 운동과 가이드바(3)의 스윙모션(swing motion), 쇼깅모션(shogging motion)등의 랩핑(lapping)에 의하여, 부직포(A)의 상부에서 경, 위사의 교차부위와 부직포(A)를 함께 통상의 방법으로 경편하여서 이들을 결속시킨다.
이와 같이 부직포(A)와 경사(B), 위사(C)가 서로 결속된 복합포를 제조한 후 이들 경편된 경, 위사의 상부 면에 다른 부직포(E)를 적층시킨 다음에 접착제를 사용하는 접합방법, 또는 니들펀칭이나 스티치 본딩(stitch bonding)을 이용하는 봉합방법으로 결합시켜서 양면이 부직포(A), (E)로 적층되어 있는 이중의 부직포 형태의 구조를 갖는 내시공 성능이 우수한 지오텍스타일을 제조한다.
도 2는 본 발명에 의하여 제조되는 지오텍스타일의 구조를 나타내고 있는 확대도로서, 부직포(A)의 안쪽에 위사(C)와 경사(B)가 직교된 상태로 배열되어 있고, 그라운드사(D)가 부직포(A)를 관통하면서 경, 위사의 교차부위를 결속하고 있는 상태를 보여주고 있으며, 최상부면에 경, 위사를 보호하는 새로운 부직포(E)가 결합되어 있다.
본 발명에서 사용하고 있는 부직포(A)와 (E)는 합성섬유의 단섬유로 제조된 것으로서 주로 폴리에스테르 단섬유 또는 폴리프로필렌 단섬유나 이들을 혼섬한 것으로 되어 있으며, 섬도가 3 ∼ 50데니어인 섬유가 단독 또는 혼합한 상태로 압착처리 되어서 니들펀칭 또는 스펀본딩 방법으로 제조된 것이며, 중량은 100 ∼ 1000g/m2이 되는 것이다.
본 발명에서 중량이 100g/m2 미만의 부직포는 우수한 균제도를 얻기 힘들며, 1,000g/m2의 부직포는 두께가 두꺼워지므로 생산 작업성이 좋지 못하다.
또 본 발명에 사용되는 경사(B)와 위사(C)는 지오텍스타일의 내시공성을 향상 시킬 수 있도록 고유점도가 0.8 이상인 폴리에스테르 폴리머를 통상적인 산업용 고강력사의 제조공정으로 제조한 것으로서, 섬도는 500 ∼ 20,000데니어, 강도는 8g/데니어 이상, 신도는 15% 이하의 것이며, 필요에 따라서 상기 섬유를 합사하거나 합연하여 사용한다.
상기한 바와 같은 경사(B)와 위사(C)는 부직포(A)위에 길이방향과 폭방향의 간격이 1 ∼ 50㎜의 간격으로 평행하게 배열된다.
또 본 발명에 사용되는 그라운드사(D)는 폴리에스테르섬유, 폴리아미드섬유, 폴리프로필렌 섬유 등의 합성고분자 섬유, 또는 무기섬유 중에서 선택한 것이며, 섬도는 50 ∼ 2,000데니어가 바람직하다.
본 발명에서는 정경작업을 생략한 채로 경사(B)를 크릴로부터 직접 경편기의 경사공급장치(1)로 통과시키므로 정경공정 중에 발생할 수 있는 정경층이 무너지는 현상을 방지할 수 있고, 경편 작업성을 향상시킬 수 있으며, 경사의 섬도를 증가 시킬 수 있어서 강력이 우수한 지오텍스타일을 제조할 수 있다.
* 평가 방법 *
1. 지오텍스타일의 강력은 ASTM D 4595의 방법으로 평가하였다.
2. 지오텍스타일의 내시공성 평가는 ASTM D 5818 방법으로 지오텍스타일을 시공 한 후 경사방향의 인장강력을 측정하여 시공 전과 후의 인장강도 감소율로 평가하였다.
3. 수직투수성은 ASTM D 4491의 방법으로 평가하였다. 직경이 100mm인 시편 위에 물 수위를 일정하게 50mm 상태로 유지하고, 시간경과에 따른 시편을 통과한 수량을 환산하여 수직투수계수를 결정하였다. 수직투수계수(Kn, m/초)= 천의 두께(m)×수직투수성능(permittivity)(초-1)
- 시료 ; 직경 100㎜, 5회 반복시험
- 시료 위의 물수위를 50㎜로 유지하고, 시간경과에 따라서 시료를 통과한 수량을 환산하여 수직투수성능(초-1)을 측정함.
4. 수평투수성은 ASTM D 4716의 방법으로 평가하였다.
시편을 판(plate)의 폭과 길이에 맞춰 100mm, 200mm 로 준비한다.
시편 위에 판을 놓고 10,15,20,25,30,35,50,100,200kN/m2 의 노멀 스트레스(normal stress)를 점차 가한다.
시간의 경과에 따른 시편을 통과한 물의 양을 환산하여 수평투수계수를 결정하였다.
수평투수계수(θ, m2/s)
= 물의 양(m3/초)×시편길이(m)/시편폭(m)×물 수위 차(m)
5. 지오컴포지트의 구멍크기(AOS;Apparent Opening Size)는 ASTM D4751의 방 법으로 평가하였다.
크기가 다른 유리구슬(50g)를 사용하여 작은 크기부터 통과시키되, 10분간 흔들고, 5% 이하가 통과하는 크기의 구슬까지 시험하였다.
실시예 1
도 1과 2에 예시한 바와 같은 방법으로 지오텍스타일을 제조하였다.
단위중량이 200g/m2 인 폴리프로필렌 부직포 위에 통상의 제조방법으로 제조된 폴리에스테르 산업용 고강력사 1,000데니어를 7합하여 7,000데니어로 만들어 이것을 경사 1본으로 하고, 상기 고강력사 1,000데니어를 3합하여 3,000데니어를 만들어 이것을 위사 1본으로 한, 경사 및 위사를 각각 8.47mm, 3.63mm 간격으로 배열한 후 500데니어의 폴리에스테르사를 그라운드사로 사용하여 경편하였다.
이들 경편된 경, 위사의 상부 면에 단위중량이 200g/m2 인 폴리프로필렌 부직포를 스티치 본딩방법으로 결합하였다.
이렇게 제조된 지오텍스타일의 강력, 신도, 내시공 강력감소율, 수직투수계수, AOS값을 측정하여 표 1에 나타내었다.
실시예 2
실시예 1과 같으며, 양면의 폴리프로필렌 부직포는 단위중량이 각각 400g/m2 인 것을 사용하였다.
실시예 3
실시예 1과 같으며, 양면의 폴리프로필렌 부직포는 단위중량이 각각 150g/m2 인 것을 사용하였다.
실시예 4
실시예 1과 같은 방법으로 지오텍스타일을 제조하되, 폴리에스테르 산업용 고강력사 1,000데니어를 10합하여 10,000데니어로 만들어 이것을 경사 1본으로 하고, 상기 고강력사 1,000데니어를 3합하여 3,000데니어를 만들어 이것을 위사 1본으로 하여, 경사 및 위사를 각각 5.64mm, 3.63mm 간격으로 배열하며, 단위중량이 200g/m2 인 폴리프로필렌 부직포 위에서 1,000데니어의 폴리에스테르를 그라운드사로 하여 경편하였다.
비교예 1
실시예 1의 부직포 표면에 경, 위사 및 그라운드사가 없으며, 단위 중량이 200g/m2인 단순한 폴리프로필렌 부직포이다.
비교예 2
실시예 1과 같은 방법으로 지오텍스타일을 제조하되, 경편된 경, 위사의 상부 면에 부직포를 결합하지 않은 지오텍스타일이다.
비교예 3
실시예 1과 같은 방법으로 지오텍스타일을 제조하되 부직포의 단위 중량이 400g/m2이며, 경편된 경, 위사의 상부 면에 부직포를 결합하지 않은 지오텍스타일이 다.
< 표 1 >
시험 항목 부직포 단위중량 (g/m2) 경사 방향 인장 강력 (kg/m) 경사 방향 신도 (%) 시공성 평가 후 경사방향 인장강력 (kg/m) 시공성 평가 후 경사방향 인장강력 감소율(%) 수직 투수계수 (m/초) 수평 투수 계수 (m2/초) AOS (mm)
실시예1 200 6753 10.3 6402 5.2 3.5×10-3 1.8ⅹ10-6 0.26
실시예2 400 6842 10.2 6548 4.3 3.1×10-3 2.3ⅹ10-6 0.25
실시예3 150 6698 11.0 6209 7.3 3.6×10-3 1.6ⅹ10-6 0.27
실시예4 200 12326 10.2 11722 4.9 3.3×10-3 1.6ⅹ10-6 0.26
비교예1 200 38 165 28 25.7 3.8×10-3 1.5ⅹ10-6 0.25
비교예2 200 6563 10.3 5631 14.2 3.6×10-3 1.2ⅹ10-6 0.26
비교예3 400 6619 10.2 5626 15.0 3.2×10-3 2.1ⅹ10-6 0.25
* 비교예 1처럼 부직포만의 것은 인장강력이 38kg/m이지만, 여기에 경,위사를 배열한 후 그라운드사로 부직포와 경편하고 다른 부직포를 접합 또는 봉합의 방법으로 결합시킨 실시예 1 ~ 4는 인장강력이 증가되었고 시공성 평가 후에도 인장강력의 감소율이 작았다.
그러나 비교예 2, 3은 비교예 1보다 인장 강도가 향상되었지만 시공성 평가 후 인장강력 감소율이 크게 나타났다.
본 발명에 의하여 제조된 지오텍스타일은, 우수한 투수성능을 가지면서 동시에 강력이 매우 크고 경량이므로 부직포와 지오그리드를 함께 사용하는 토목건설 현장에서 이들을 대체하여 사용 할 수 있으며, 공사기간 단축과 시공비의 절감효과를 기대 할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 지오텍스타일은 양면이 부직포로 적층되어 있는 이중의 부직포 구조를 갖고 있으므로 토목현장에서 다짐시공이 시행될 경우, 보강기능을 갖는 경, 위사의 심각한 손상이 방지되고 강도 감소율을 크게 낮출 수 있으므로, 토목 현장의 영구 구조물에 장기간 적용될 수 있으며 내시공성이 우수하다.
또한 보강토 옹벽의 뒷채움재로 함수율이 높은 흙을 사용할 경우에 본 발명에 의한 지오텍스타일을 보강, 여과재로 사용하면 안정한 구조물을 축조할 수 있으며, 또 하천이나 해안의 침식방지나 함수성 지반의 분리, 여과, 보강 등의 용도로 본 발명에 의한 지오텍스타일을 토목건설 현장에서 광범위하게 활용 할 수 있다.

Claims (7)

  1. 부직포와, 상기 부직포의 표면에 배열되어 있는 경사 및 위사가 그라운드사에 의하여 경편(warp knitting) 되어 있고, 상기 경, 위사의 표면에 또 다른 부직포가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 내시공성이 우수한 지오텍스타일
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 부직포는 합성섬유의 단섬유로 제조된 것으로서 중량이 100 ∼ 1,000g/m2임을 특징으로 하는 내시공성이 우수한 지오텍스타일.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 경, 위사는 강도가 8g/데니어 이상, 신도가 15% 이하이고, 섬도는 500 ∼ 20,000데니어인 산업용 폴리에스테르 고강력사이거나 이것의 합사 또는 합연사임을 특징으로 하는 내시공성이 우수한 지오텍스타일.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 그라운드사는 폴리에스테르섬유, 폴리아미드섬유, 폴리프로필렌섬유 또는 무기섬유 중에서 선택한 섬유로서 섬도가 50 ∼ 2,000데니어 임을 특징으로 하는 내시공성이 우수한 지오텍스타일.
  5. 제 1 항에 있어서, 경편된 경, 위사의 표면에 또는 다른 부직포를 결합시킴에 있어서, 접착제, 또는 니들펀칭, 또는 스티치 본딩(stitch bonding) 중에서 선택하여 결합시키는 것을 특징으로 하는 내시공성이 우수한 지오텍스타일.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 경사와 위사는 부직포의 상부면에 각각 길이방향과 폭방향으로 1 ∼ 50mm 간격으로 서로 평행하게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 내시공성이 우수한 지오텍스타일.
  7. 경편기에 공급되는 부직포의 상부에 고강력사인 경사를 평행하게 배열시키고, 상기 고강력사인 경사와 부직포와의 사이에 고강력사인 위사를 고강력사인 경사와 직교되도록 위입시킨 다음에, 그라운드사를 사용하여 부직포와 경, 위사의 교차부위를 경편조직에 의하여 함께 결속시키며, 결속되어 있는 경, 위사의 상부면에 또 다른 부직포를 결합시켜서 제조하는 것을 특징으로 하는 내시공성이 우수한 지오텍스타일의 제조방법.
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