KR100787646B1 - 수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물 및 이를이용한 콘크리트 구조물의 보수보강 방법 - Google Patents

수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물 및 이를이용한 콘크리트 구조물의 보수보강 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명을 통해 제공되는 수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물 및 보수보강 방법을 수중 구조물에 적용하여, 수중의 열악한 환경에도 양호한 접착력과 방수성, 내오존성, 내구성, 내후성을 유지하고, 지진이나 수중 구조물의 하부에 빠른 유속에 의한 충격에도 견딜 수 있는 성질을 갖추며, 아울러 해수에서도 내염해성을 보유하도록 하며, 단기간의 경제적인 시공을 할 수 있도록 한다.
특히, 종래의 수중 에폭시 조성물의 문제점이었던 콘크리트면과 몰탈 조성물간의 수축팽창률 차이로 인한 박리 현상을 방지하고, 우수한 내염해성, 내산성을 갖춘 조성물을 제공하여 종래에 수중에서 할 수 없었던 콘크리트 구조물의 단면 복구 방식으로서 충진 몰탈 공법을 수행할 수 있다.
충진 몰탈 공법, 수중콘크리트 보수보강, 몰탈 조성물, 혼합 골재

Description

수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수보강 방법 {Mortar composition for reinforcement of underwater concrete structure and method for reinforcement of concrete structure using thereof}
도 1은 본 발명에 의한 수중콘크리트 구조물의 보수보강 방법으로 시공한 탈형식 거푸집을 이용한 수중콘크리트 구조물의 단면도
도 2는 상기 보수보강용 구조물에 있어서, 거푸집을 고정식 거푸집으로 사용한 경우에 있어서의 구조물의 단면도
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10: 콘크리트 구조물 20: 방청 처리된 철근 또는 유리 격자
30: 거푸집 30': 고정식 거푸집
31: 유리섬유 판넬 32: 기본 골재
40: 보조 거푸집 100: 몰탈 조성물
본 발명은 수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 기본 에폭시수지, 노블락 에폭시수지, 반응성 가소제로 이루어진 주제와 경화제 및 혼합골재를 포함하여 구성되는 수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물에 관한 것이다.
일반적인 콘크리트의 토목, 건축물의 경우 세월이 지남에 따라 실내외 벽면, 바닥면, 천정 부분에 열화가 발생하게 된다. 콘크리트에서 발생하는 박리, 박락, 비정상적인 균열, 중성화 등 여러가지 열화 현상으로 인해 콘크리트의 압축 강도와 철근의 부식에 의한 인장강도가 저하되어 철근 콘크리트의 손상과 나아가 붕괴 현상을 일으키고, 철근 콘크리트 구조물 내부의 철근 부식으로 인한 구조물의 파손 등 안전 사고의 문제점이 대두되었다. 이에 여러가지 보수보강 방법이 도출되었으며, 그 중에서도 수중에 설치된 구조물의 기둥 부위는 지속적으로 물에 접촉되며, 해수의 염분 환경 등의 가혹 조건인 경우에는 일반 환경하에서 이용하는 재료, 공법보다 상위 레벨의 특별한 보수 방법을 요한다.
종래의 수중콘크리트 구조물의 보수보강 공법은 크게 세가지로 나뉜다.
첫번째 공법은 물막이 공사를 하여 물을 제거한 상태로 콘크리트 표면처리를 하고 조강 시멘트몰탈을 타설하여 보강하는 방식이며, 이러한 방식을 채용할 경우에는 신구 콘크리트 계면 간의 접착력이 불량하고, 공사 기간이 길며, 시공비가 고가인 단점을 갖는다.
이에, 두번째 공법으로서 최근에 수중 경화 에폭시가 개발되어 탄소 섬유나 유리 섬유에 상기 수중 경화 에폭시를 적층하여 수중에서 피복 복구 공법으로 보강하는 방법을 사용하였다. 이러한 공법은 노후면이나 산화면을 수중에서 수압으로 제거하고 수중에폭시 퍼티로 요철부분을 면고르기 또는 평활화하는 것인데, 상기 면고르기 작업은 수중에서 수행할 경우 용이하지 않을 뿐 아니라, 미세한 요철은 작업이 가능하나, 심한 요철이 있는 경우에는 섬유를 완전히 부착시킬 수 없어 부분적으로 미부착 부분이 발생하게 되고, 이러한 미부착 부위에서 콘크리트 구조물의 피도면과 상기 조성물의 수축팽창율이 서로 상이하여 수축 또는 팽창시에 크랙이 발생하고 들뜸 현상이 심하여 하자보수가 많은 단점이 있었다. 이러한 수축, 팽창을 최소화하기 위해 필러류를 검토하였으나 상기 박리 현상을 방지하기에는 부족하였다.
세번째 공법은 인조사나 골재를 수중 에폭시수지와 혼합하여 수중몰탈하는 방법이다. 이는 수중 에폭시 수지에 규사나 골재를 혼입하여 미장하거나 구상인 인조사를 혼입하여 압출투입하는 공법으로서, 이 공법 역시 두께가 어느 정도 이상인 경우 계면에서의 수축, 팽창으로 인해 박리현상 및 크랙이 발생되는 문제점을 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 수중 에폭시수지몰탈 조성물은 비스페놀 에이형 에폭시수지를 기본 에폭시수지로 하고, 여기에 작업성 개선을 위해 경화촉진제, 희석제, 충진제, 기타 첨가제를 첨가하여 필요한 물리, 화학적 특성을 구현토록 구성된다.통상적으로 여기에 경화제를 더하여 조성물을 완성한다.
출원번호 제10-2006-0027196에 개시된 발명은 수중 구조물 보수보강용 조성물로서, 비스페놀 에이형 에폭시를 기본 에폭시수지로 하고, 비스페놀 에프형 에폭시를 물성 보완을 위해 사용하며, 여기에 지방족 이관능성 에폭시 반응성 희석제로 점도를 조절하는 구성을 취하였다. 그러나, 이러한 반응성 희석제를 다량 사용할 경우, 유동성은 확보할 수 있으나, 내구성, 충격 강도 등이 매우 낮게 되어 별도의 보완책을 마련해야 하는 단점이 있다. 본 발명에서는 이를 보완하기 위해 반응성 희석제 대신 반응성 가소제를 사용하여 조성물을 완성하였다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명을 통해 제공되는 수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물 및 보수보강 방법을 수중 구조물에 적용하여, 수중의 열악한 환경에도 양호한 접착력과 방수성, 내오존성, 내구성, 내후성과 아울러 해수에서도 내염해성을 보유하도록 하며, 단기간의 경제적인 시공을 할 수 있도록 것을 본 발명의 기술적 과제로 한다.
아울러, 본 발명을 통해 제공되는 보수보강 몰탈 조성물을 통해 기존에 수중에서는 실시할 수 없었던 수중 구조물의 단면복구 방식을 실현시키는 것을 본 발명의 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 기존의 콘크리트와 보수보강용 재료 간의 상이한 수축팽창율로 인한 계면의 박리, 박락 현상을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적은 기본 에폭시수지에 반응성 가소제 및 노블락 에폭시수지를 더 포함한 주제 및 경화제와 혼합골재를 포함하여 구성되는 수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수보강 방법에 의해 달성할 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수보강 방법에 대하여 발명의 구성을 중심으로 상세히 설명한다.
수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물은 기본적으로 주제와 경화제, 혼합골재를 포함하여 이루어진다.
상기 주제는 기본 에폭시 수지와 반응성 가소제로 이루어진다.
상기 주제는 노블락 에폭시 수지를 더 포함할 수 있으며, 극소량의 소포제와 탈포제를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 있어서의 기본 에폭시수지는 비스페놀 에이형 에폭시수지를 주로사용하며, 비스페놀 에프형 에폭시수지를 여기에 적절히 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 반응성 가소제는 에폭시계 가소제를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 경화제는 지방족 아민계 경화제, 지환족 아민계 경화제, 방향족 아민계 경화제, 산무수물 경화제, 아미다졸계 경화제를 하나 이상 혼합하여 이루어진다. 본 발명에서의 경화제는 지방족 아민계 경화제가 주를 이루고, 나머지 경화제를 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 경화제와 더불어 경화촉진제를 더 포함할 수 있으며, 상기 경화촉진제는 페놀, 크레졸, 노닐페놀, 비스포놀, 폴리메르캡탄, 피페라진 혼합물 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
상기 혼합골재는 기본 골재와 유동성 또는 칙소성 부여제, 분산제, 침전방지 제로서 유산바륨, 우레아수지, 벤토나이트, 실리카 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
또한, 상기 몰탈 조성물은 항균제인 무기 은나노 또는 무기 은나노와 함께 구리 분말을 더 포함하는 것이 수중에 보강한 몰탈에 미생물이 기생하는 것을 억제하거나, 기타 박테리아에 의한 산화를 방지하는데 있어서 바람직하다.
또한, 상기 몰탈 조성물을 이용한 본 발명에 의한 수중콘크리트 구조물의 보수보강 방법은 (a) 손상된 콘크리트면을 다듬는 치핑 단계와; (b) 방청처리된 철근 또는 유리섬유 격자를 대상 콘크리트 구조물 표면 둘레에 삽입 및 고정하는 격자 설치 단계와; (c) 상기 철근 또는 유리 섬유 격자의 둘레에 거푸집을 설치하는 거푸집 설치 단계와; (d) 상기 몰탈 조성물을 타설하여 콘크리트 구조물의 단면을 보강하는 조성물 타설 단계로 이루어진다.
여기에, 상기 (c)의 거푸집 설치 단계는 유리섬유 또는 탄소섬유를 에폭시수지에 적층시킨 유리섬유 판넬 위에 기본 골재를 골고루 분사하여 접착시킨 판재로 이루어진 고정식 거푸집을 상기 기존에 설치된 거푸집(이하 '보조 거푸집'이라 한다.)의 내면에 부착하여 설치하는 고정식 거푸집 설치 단계를 더 포함하는 것이 수중에서 더욱 견고한 보수보강용 구조물을 형성하는데 있어서 바람직하다.
아울러, 상기 수중콘크리트 보수보강용 구조물의 두께는 30 내지 150mm인 것이 견고하면서도 경제적인 시공을 위해 바람직하다.
이하, 상기 수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물에서의 주제와 경 화제, 혼합골재의 구성 물질, 함량 및 물질의 성질에 대하여 각각 알아보기로 한다.
본 발명에서의 수중콘크리트구조물의 보수보강용 몰탈 조성물의 주제 100중량%에 있어서, 기본 에폭시수지는 25 내지 85중량%, 반응성 가소제는 15 내지 75중량%를 포함하며, 상기 주제 100중량부에 대하여, 경화제는 20 내지 40중량부, 혼합 골재는 300 내지 600중량비로 포함하는 것이 바람직하다.
주제에 노블락 에폭시수지가 더 포함될 경우, 상기 주제 100중량%는 기본 에폭시수지 10 내지 70중량%와 노블락 에폭시수지 1 내지 50중량%, 반응성 가소제 15 내지 75중량%를 포함한다.
본 발명은 수중에서의 접착력 유지를 목적으로 하는 것이므로, 피착제에 묻어 있는 물분자와 수지가 이온교환을 하여 물 대신 수지가 접착되어 수중에서도 접착력이 20kgf/cm2 이상이 되어야 사용이 가능하다.
또한, 콘크리트는 강한 알칼리성(pH 12.5)으로서, 몰탈 조성물은 내약품성을 가져야 하고, 초기에는 강한 접착력을 보유하나, 시간의 경과에 따라 탄산가스, 염소이온을 갖는 염물질의 침투 등의 악조건으로 수지의 산화나 중성화로 인하여 접착력이 급격히 저하될 수 있으므로 접착력을 장기간 보유하는 성질도 갖추어야 한다.
먼저, 주제의 구성성분의 성질 및 역할, 함량의 의의 각각에 대하여 검토하기로 한다.
첫째로, 기본 에폭시 수지로 사용되는 비스페놀 에이형과 비스페놀 에프형 에폭시수지에 대해 검토한다. 양자 중에 전자를 주재료로 사용하며, 후자는 적절히 혼용하여 사용할 수도 있다.
통상적으로 수중 에폭시수지 조성물의 기본 에폭시수지로 사용되고 있는 비스페놀 에이형 에폭시수지는 에폭시 조성물의 경화제가 콘크리트 구조물 또는 철구조물과의 접착력과 강도를 발현하는 역할을 수행하며, 반응성, 가소성, 내약품성, 접착성, 강인성, 고온특성이 우수하다.
비스페놀 에프형 에폭시수지는 타수지와의 상용성이 우수하며, 저온 경화성이 우수한 성질을 가지며, 여기에서는 비스페놀 에이형 에폭시수지의 물성을 보완하기 위해 혼용되며, 수중에서 에폭시가 콘크리트면에 매끄럽게 입혀질 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
구성요소 함량에 대하여 검토하면, 주제 100중량%에 대하여 기본 에폭시수지가 25중량%(노블락 에폭시수지가 포함된 경우 10중량%) 이하인 경우에는 원하는 접착력을 얻을 수 없고, 85중량%(노블락 에폭시수지가 포함된 경우 70중량%) 이상인 경우에는 접착력은 양호하나 수중에서 에폭시가 응결되어 작업성이 불량하게 된다. 또한, 비스페놀 에이형 에폭시수지와 비스페놀 에프형 에폭시수지의 비율에 있어서, 경우에 따라서는 비스페놀 에이형 에폭시수지만을 단독으로 사용하는 것이 경제적일 수도 있고, 그 비율이 60:40 이하로 비스페놀 에프형 에폭시수지를 더 많이 사용하게 되면 기본 에폭시수지로서 필요불가결한 접착성, 강인성 등이 떨어지는 문제점이 있다.
둘째로, 본 발명의 기술적 특징 중의 하나인 주제에 포함된 반응성 가소제를 살펴보기로 한다.
일반적으로 경도가 높은 수지는 수축팽창율이 낮고, 유연성이 적어 지진이나 지각변동으로 인한 뒤틀림이 발생할 경우 크렉이 발생하거나 콘크리트와의 계면에서 박리 현상이 일어나게 되어 충격에 매우 약하다. 또한, 교각 수중보는 장마철에 빠른 유속에 의해 떠내려온 암석 등의 물질에 의해 충격을 받아 교각 하측이 손상되므로, 시간이 지나면서 파손부위가 넓어지게 된다. 반대로 경도가 낮으면 민물에서는 문제가 없으나, 해수에서 내염해성이 약하다.
통상적으로, 몰탈 조성물의 경도가 80/shore D 이상일 경우, 신율이 거의 없게 되어 콘크리트의 수축과 팽창에 의해 크렉이나 박리 현상이 일어난다. 따라서, 몰탈 조성물은 수축팽창율이 콘크리트의 그것과 거의 같은 경우와 압축강도가 콘크리트의 그것에 비해 1 내지 1.5배인 경우 크렉이나 박리현상을 방지할 수 있다.
기존의 수중 에폭시 조성물의 경우, 에폭시수지 조성물과 콘크리트 간의 수축팽창율이 상이하여 박리 현상을 일으키거나, 경화제에 희석제 등의 첨가물을 사용하여 수축팽창율을 조정한 경우라도 조성물을 이용한 콘크리트 구조물 보수보강 시공 후에 시간이 흐름에 따라 유동성(수축팽창성)을 잃게 되어 내진, 내충격성을 갖지 못하는 단점이 있었다.
수차례의 실험을 통해, 상기 반응성 가소제를 주제의 구성에 채용할 경우 조성물에 유동성을 부여하고 장기간 이러한 성질을 유지하도록 하여 내진 특성이나 충격에 의한 피로현상을 방지할 수 있음을 밝혀낼 수 있었다.
그러면, 상기 반응성 가소제의 종류 및 역할에 대하여 검토하기로 한다.
먼저, 일반 가소제의 종류로는 그 화학 구조에 따라 프탈산계, 트리멜리트산계, 포스파이트계, 에폭시계, 폴리에스터계, 알라파틱계, 항염소계가 있으며, 가장 범용으로 사용되는 것은 DOP(di-2-etylhexy), DBP(di-butyl-phthalate) 등 프탈레이트계 가소제이다. 본 발명에서 사용되는 것은 프탈산계 중에서 DOM (Dioctylmaleate)이나 에폭시계, 폴리에스터계 가소제이다. 이 중에서도 바람직하게는 수지계, 즉 에폭시계와 폴리에스터계의 반응성 가소제를 사용한다. 더더욱 바람직하게는 노화가 더디고, 내구성이 우수한 합성물로서, 다이머산과 에폭시수지를 중합하여 제조된 에폭시계 가소제를 사용한다.
상기 반응성 가소제의 역할은 상술한 바와 같이 조성물의 수축팽창률을 조정함과 아울러, 조성물이 빨리 굳지 않도록 하는 희석제의 역할을 한다.
구성 요소 함량에 대하여 검토하면, 상기 반응성 가소제가 주제 100중량%에 대해 반응성 가소제를 15중량% 이하로 첨가할 경우, 원하는 수축팽창율을 얻을 수 없고, 75중량% 이상으로 첨가할 경우, 압축 강도가 크게 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
셋째로, 본 발명의 또 하나의 기술적 특징인 노블락 에폭시수지에 대하여 검토하기로 한다.
일반적으로 에폭시 수지들은 내약품성이 우수하므로 접착력이 양호하나, 수중에서 물에 직접 접촉하는 경우에는 접착력이 열화되는 현상을 보인다. 특히, 해수 환경에서는 내염해성이 중요하게 요구되는데, 상기 노블락 에폭시수지는 주로 전기전자 분야에서 각광받는 것으로서 우수한 내약품성과 내열성을 갖는 수지로서, 본 발명에서는 내염해성을 증가시키기 위해 본 발명에서 채용하게 되었다. 따라서 해수용 조성물에 사용되는 것이 아닌 경우에는 다소 고가인 상기 노블락 에폭시수지를 사용하지 아니할 수 있다.
구성 요소 함량에 대하여 검토하면, 주제 100중량%에 대하여 노블락 에폭시수지 1중량% 이하로 첨가될 경우, 내염해성의 특성을 보장하기 힘들고, 50중량% 이상인 경우에는 수중 작업성이 악화되는 문제점이 있다.
이렇게 하여, 주제의 구성 요소에 대하여 살펴보았다. 상기 주제의 기본 재료 이외에도 소포제와 탈포제를 소량 첨가하여 몰탈 조성물 주입시 기포 발생의 방지를 기하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명 수중콘크리트구조물의 보수보강용 몰탈 조성물 중에서 경화제의 구성성분의 성질 및 역할, 함량의 의의 각각에 대하여 검토해 보기로 한다.
에폭시수지는 단독으로 사용하는 경우는 거의 없고, 경화제와 배합하여 3차원의 열경화성 물질로 경화시켜 사용되며, 그 성능은 경화제의 선택에 크게 좌우된다.
경화제는 지방족 아민계 경화제, 지환족 아민계 경화제, 방향족 아민계 경화제, 산무수물 경화제, 아미다졸계 경화제를 하나 이상 혼합하여 이루어진다. 후술할 본 발명의 바람직한 실험예에서의 경화제는 알칼리 및 산에 강하고, 수중에서 경화가 양호한 지방족 아민계 경화제를 주경화제로 하여 사용하였다.
경화제가 주제 100중량부에 대하여 20중량부 이하로 함유된 경우, 경화 특성이 떨어지고, 반대로 40중량부 이상으로 함유된 경우에는 유동성 확보가 어려워지는 단점이 있다.
본 발명에서의 경화제는 경화 촉진제와 함께 사용하는 것이 바람직하다. 상기 경화촉진제는 페놀, 크레졸, 노닐페놀, 비스포놀, 폴리메르캡탄, 피페라진 혼합물 중 적어도 하나를 사용할 수 있으며, 그 중량비는 주제 100중량부에 대하여 0.5 내지 3중량부를 첨가하여 속경화 또는 저온 경화가 가능토록하여 경화제의 특성을 강화하는 것이 바람직하다. 경화 촉진제가 주제 100중량부에 대하여 0.5중량부 이하로 첨가된 경우에는 경화 촉진제로서의 역할을 할 수 없으며, 3중량부 이상으로 첨가된 경우에는 경화제의 특성을 발휘할 수 없어 경화가 제대로 되지 않는 문제점이 있다.
다음으로는 본 발명 수중콘크리트구조물의 보수보강용 몰탈 조성물 중에서 혼합 골재의 구성성분의 성질 및 역할, 함량의 의의 각각에 대하여 검토해 보기로 한다.
본 발명에서 사용하고자 하는 보수보강 공법은 충진 몰탈 공법으로서, 혼합된 몰탈 조성물을 투입하고자 할 때 유동성이 우수하여야 공극이 없는 양호한 몰탈 시공을 할 수 있다. 또한, 상기 몰탈 조성물이 경화된 이후에 기본 골재나 필러류가 일정하게 분포되어야 일정한 내구성을 확보할 수 있다. 기본 골재나 필러류가 침전되어 주제와 기본 골재가 분리되었다면 충격이나 내구성이 떨어져 크렉 발생의 원인이 된다. 상기 혼합 골재는 이러한 유동성, 내구성 및 분산성의 확보를 위해 사용된다.
첫째로, 기본 골재로는 규사, 레미탈, 마사, 황토흙, 토사, 쇄석골재, 자갈, 모래 등 일반적으로 사용되는 골재를 사용할 수 있다. 후술할 본 발명의 바람직한 실험예에서는 이중에서 규사를 사용하였으며, 여러가지 크기의 규사를 혼합하여 유동성을 극대화하고자 하였다.
둘째로, 유동성 또는 칙소성을 부여하거나, 분산제 또는 침전방지제의 역할을 하는 소재에 대하여 알아보기로 한다.
조성물이 경화되었을 때 골재 분리가 일어나면 내구성이 낮아져 크렉이나 박리가 발생할 소지가 있으므로 반드시 골재의 분포도가 일정하여야 한다. 기존에는 에폭시수지에 유동성, 탈포성, 기타 첨가제의 용이한 첨가성 등을 개선하기 위하여 반응성 희석제를 사용하여 조성물의 점도를 저하시키고자 하였다. 그러나, 이러한 반응성 희석제를 다량 사용할 경우, 유동성을 확보할 수는 있으나, 내구성이나 충격 강도가 현저하게 낮아져 크렉 발생이 심하였다. 이에, 본 발명에서는 혼합 골재를 활용하여 상기 문제점을 극복하였다.
먼저, 레벨링제를 첨가하여 기본적인 유동성을 확보하는데, 후술할 본 발명의 바람직한 실험예에서는 상기 레벨링제로서 우레아 수지를 사용하였다.
상기 레벨링제와 아울러, 칙소성을 부여하기 위해서 벤토나이트, 실리카를 사용하였으며, 상기 기본 골재의 고른 분산과 침전 방지를 위해 분산제 및 침전방지제로서 유산 바륨을 사용하였다.
상기 혼합 골재의 함량에 대해 살펴보면, 주제 100중량부에 대하여 상기 혼합 골재의 양이 300중량부 이하이면 조성물의 유동성을 확보하기 어려워 작업성이 악화되고, 600중량부 이상이면 주제 성분이 상대적으로 작아 접착력 등의 성질이 약화되는 문제점이 있다.
상기 몰탈 조성물은 항균제인 무기 은나노 또는 무기 은나노에 구리 분말을 첨가한 재료를 더 포함하며, 그 중량비는 상기 주제 100중량부에 대하여 1 내지 5중량부인 것을 사용할 수 있는데, 주로 이러한 항균제는 주제가 수성 재료인 경우에 박테리아 등의 미생물이나 따개비 등의 조개류가 구조물에 달라붙어 산화되는 것을 방지하고자 사용하였지만, 본 발명은 주제가 유성 재료인 에폭시수지를 사용함에도 만일의 경우에 대비하여 무기 은나노 혹은 상기 은나노에 구리 분말을 소량 첨가한 재료를 채용하였다.
마지막으로, 상기 몰탈 조성물을 이용한 수중콘크리트 구조물의 보수보강 방법에 대하여 알아보기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 수중콘크리트 구조물의 보수보강 방법으로 시공한 탈형식 거푸집을 이용한 수중콘크리트 구조물의 단면도이며, 도 2는 상기 보수보강용 구조물에 있어서, 거푸집을 고정식 거푸집으로 사용한 경우에 있어서의 구조물의 단면도이다.
거푸집은 크게 탈형식과 고정식으로 분류할 수 있는데, 탈형식 거푸집은 거 푸집에 이형재를 바르고 몰탈 조성물 등을 타설하여 양생시킨 후 거푸집을 철거시키는 방식에 적용하는 반면, 고정식 거푸집은 내산성, 내수성 소재를 사용하여 거푸집을 제작 및 설치한 후, 몰탈 조성물 등을 타설, 양생 시킨 후에도 철거시키지 아니하는 방식에 적용한다. 도 1에 도시된 것은 탈형식 거푸집을 사용한 것이며, 도 2에 도시된 것은 고정식 거푸집을 이용한 것이다.
먼저, 탈형식 거푸집을 사용한 콘크리트 보수보강 방법은 도 1을 참조하면, 상기 보수보강 방법은 (a) 손상된 콘크리트면(10)을 치핑공정(chipping)으로 다듬고(치핑 단계), (b) 방청처리된 철근 또는 유리 섬유 격자(20)를 대상 콘크리트 구조물(10) 표면 둘레에 삽입 및 고정하고(격자 설치 단계), (c) 상기 철근 또는 유리 섬유 격자(20)의 둘레에 거푸집(30)을 설치(거푸집 설치 단계)한 후 (d) 상기 몰탈 조성물(100)을 타설하여 콘크리트 구조물의 단면을 보강하는 것(조성물 타설 단계)으로 이루어진다.
여기서, 상기 철근 또는 유리 섬유 격자(20)는 보강재로서 사용되며, 지진이나 빠른 유속에 의한 충격을 분산시켜 크렉을 방지하고자 사용하였다. 상기 철근 또는 유리 섬유 격자(20)는 망상으로 지상에서 제작하며, 콘크리트 구조물의 둘레 부분에 투입하여 고정시킨다.
다음으로 고정식 거푸집을 사용한 콘크리트 보수보강 방법은 도 2를 참조하면, 상술한 (a) 치핑 단계와, (b) 격자 설치 단계를 마친 후, 상기 (c)의 거푸집 설치 단계는 상기 도 1의 거푸집(30)을 철거 가능한 보조 거푸집(40)으로 하여 먼저 설치하고, 그 내면에 유리섬유 또는 탄소섬유를 내산 난연성 에폭시 수지에 적 층한 유리섬유 판넬(31) 위에 규사 1 내지 3호의 서로 다른 크기의 기본 골재(32)를 골고루 분사하여 접착시킨 판재로 이루어진 고정식 거푸집(30')을 부착하여 설치하며, (d) 상기 조성물 타설 단계로 마무리 짓는 고정식 거푸집 활용 방법을 적용할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 고정식 거푸집은 유리 섬유나 탄소 섬유를 에폭시수지에 적층하여 두께를 3 내지 5mm로 하고, 그 위에 크기가 서로 다른 기본 골재 (바람직하게는 1 내지 3호 규사)를 골고루 분산시켜 상기 유리 섬유에 적층된 에폭시수지와 상기 기본 골재를 접착시킨 판재를 이용하며, 상기 탈형식 거푸집을 철거용 보조 거푸집으로 사용하고, 그 내부에 상기 고정식 거푸집을 설치한다.
여기서, 상기 고정식 거푸집의 구성을 이루는 에폭시수지는 본 발명의 출원인이 앞서 출원하여 등록받은 출원번호 10-2004-76879의 '내산성 및 난연성 에폭시 수지' 특허 발명을 적용하는 것이 수중 환경에서의 내약품성, 내염해성 확보를 위해 바람직하다.
상기 고정식 거푸집을 활용할 경우, 탈형식 거푸집을 사용하는 경우와 비교할 때, 몰탈 조성물의 경화 혹은 양생이 마무리된 후에 보조 거푸집을 제거한 상태에서도 상기 경화된 몰탈 조성물이 수중에 노출되지 아니하여 미관이 깔끔하고 내약품성, 내염해성을 극대화하는 장점을 갖게 된다.
상기 보수보강 방법에 있어서 하기 '보수보상용 구조물'이라 함은 상기 '몰탈 조성물'과 '철근 또는 유리 섬유 격자', '거푸집'으로 이루어진 보수보강 구조물을 지칭한다.
상기 수중콘크리트 보수보강용 공법들에 있어서의 보수보강용 구조물의 두께는 손상 콘크리트 구조물 주위의 폭 30mm 내지 150mm 정도가 될 때 상기 보수보강용 구조물의 안정성과 함께 경제성을 확보할 수 있으며, 유속이 약한 곳에서는 30 내지 80mm, 유속이 강한 곳이나 해안 구조물의 보수보강인 경우, 80 내지 150mm의 두께로 시공한다. 이 중에서 상기 철근 또는 유리 격자는 콘크리트 구조물로부터 10 내지 12mm에 고정 설치한다. 이처럼 좁은 공간에 직접 몰탈 조성물을 거푸집을 이용하여 수중에 타설하는 공법은 조성물의 내수성, 내구성, 분산성 등을 두루 갖추어야 가능한 것이며, 경제적이면서도 영구적인 보수보강 공법이다.
상기 보수보강용 구조물의 두께가 30mm 이하인 경우에는 원하는 강도, 내산성 등을 얻기 어렵고, 반대로 150mm 이상인 경우에는 수축팽창률에 따른 박리 현상을 피하기 어렵게 된다.
이러한 단면보강공법은 종래에는 수중 타설할 몰탈 조성물 자체가 수중에서 와해되고, 제 성질을 유지할 수 없었기 때문에 수중 보수보강 공사에서 사용되지 못했다. 이에, 본 발명에 의한 몰탈 조성물을 사용하여 경제적이고, 시공 기간이 짧은 간단한 방법을 통해 상기와 같은 수중 충진 몰탈 공법을 시행할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 수중콘크리트구조물의 보수보강용 몰탈 조성물의 실험예를 통하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 실험예에서는 충진 몰탈 조성물의 내약품성, 내염해성, 부착강도, 작업성 등을 측정하였다. 측정 방법은 하기와 같다.
(내약품성)
본 발명인 상기 몰탈 조성물을 황산 7%, 염산 7% 용액 상에 침적시켜 내산성을, 가성소다 10% 용액 상에 침적시켜 내알칼리 성을 측정하였으며, 각각 168시간 침적 후 외관 부풀기 여부, 표면 색상 변화를 검토하였다.
(내염해성)
상기 몰탈 조성물을 소금 10% 용액에 23℃에서 168시간 침적시킨 후, 외관 부풀기 여부, 표면 색상 변화를 검토하였다.
(부착 강도)
콘크리트 구조물과 상기 몰탈 조성물을 접착시켜 23℃ 온도의 수중에서 5일 경과 후 일축 인장에 기초한 직접인발 시험(Pull-off test)를 통해 부착 강도를 시험하였다.
(작업성)
상기 몰탈 조성물을 가로 50mm , 세로 50mm, 길이 1,000mm인 치구에 한쪽으로 부어 유동성 및 혼합성을 검토하였다.
(크렉 발생 여부)
내약품, 내염해성, 부착강도, 압축강도 실험 등을 통해 발생한 크렉을 육안 검사를 통해 검사하였다.
(경도)
듀로미터 경도(type D)를 통해 ASTM D 2240에 의거하여 경도 검사를 수행하였다.
(압축강도)
KS M 3015 실험방법에 의거하여 만능 시험기로 측정하였다.
(규사 침전성)
50mm X 50mm X 140mm 치구에 혼합된 몰탈을 투입하고, 경화 후에 절단하여 규사의 침전 여부를 육안으로 검사하였다.
(수중 경화 상태)
상기 조성물을 23℃ 수중에 168시간 두고 부풀기, 풀어짐, 연질성, 흠수, 내구성 저하 여부를 검사하였다.
(혼합 골재 분포도)
몰탈 조성물을 경화 후에 일부 절재하여 그 단면에서 골재의 분포도를 육안으로 검사하였다.
이하, 본 발명의 다향한 실험예에서의 본 발명 몰탈 조성물의 구성을 검토하기로 한다.
실험예 1
기본 에폭시수지로는 에폭시 당량이 190 내지 210g/eq이고, 25℃에서 점도는 700 내지 100cps인 비스페놀 에이형 수지이며, 경화제로서 변성 지방족 아민을 사용하고, 여기에 혼합 골재로서 기본 골재로서 크기가 다른 규사(3호, 5호 및 7호), 분산제, 유동성 부여제 및 침전 방지제로서 유산바륨을 일정량 혼합한 조성물에, 페놀 노블락 타입으로서, 에폭시 당량이 170 내지 180g/eq인 노블락 에폭시수지의 첨가량를 변화시키며 조성된 몰탈 조성물의 내약품성, 내염해성, 부착강도, 작업성을 검토하였다.
실험예 2
몰탈 조성물의 다른 구성 요소는 실험예 1과 동일하게 두고 그 첨가량을 일정하게 하며, 다이머산을 에폭시수지와 합성한 반응성 가소제의 첨가량을 변화시키며 조성된 몰탈 조성물의 크렉 발생 여부, 내염해성, 신율, 경도, 압축강도, 작업성을 측정 및 검토하였다.
실험예 3
혼합 골재의 구성 중 레벨링제로서 우레아 멜라민 수지를 추가하고, 기본 골재로서 크기가 다른 규사(3호 및 7호), 분산제, 유동성 부여제 및 침전 방지제로서 유산바륨의 양을 변화시키고, 그외에는 실험예 2와 동일한 구성을 일정량 첨가하여, 혼합하여 조성된 몰탈 조성물의 내염해성, 크렉 발생 여부, 경도, 규사 침전성, 혼합 몰탈 충진 작업성을 검토하였다.
실험예 4
다른 구성은 실험예 3과 동일하게 두고, 칙소성 필러로서 벤토나이트를 추가하며, 각각의 구성 요소의 구성비를 변화시키며 수중 접착성, 충격강도, 유동성, 내염해성, 혼합골재 분포도, 크렉 발생 여부, 내수성, 수중 경화 상태를 검토하였다.
[표 1]에서는 상기 실험예 1에서 몰탈 조성물의 주제에 노블락 수지량을 증가시키면서 각각의 실험에 의해 생성된 몰탈 조성물의 내약품성, 내염해성, 부착강도, 작업성 측면을 검토한 결과를 보여주고 있다.
Figure 112007020789513-pat00001
[표 1]에 도시된 바와 같이 노블락수지가 증가함에 따라 내약품성은 양호하나, 작업성은 불량해 지는 결과를 보였다. 상기 실험을 통해 실험 B의 조성물이 가장 양호한 특성을 보임을 알 수 있었고, 수차례의 다른 실험을 통해 주제 100중량%에 대하여 노블락 에폭시수지 1 내지 50중량%인 경우 작업성과 내약품성을 고루 갖춘 조성물을 얻을 수 있었다.
그러나 염분 함량이 10% 이상인 해수 환경에서는 실험D 타입을 사용하는 것이 작업성은 어렵지만, 내약품성이 우수하여 박리 현상이 없었다.
하기 [표 2]에서는 상기 실험예 2에서 주제의 조성물로서 반응성 가소제를 증가시키며 첨가할 경우에 있어서 각각의 조성물의 크렉 발생 빈도, 내염해성, 신율, 경도, 압축 강도, 작업성을 정성, 정량적으로 조사한 결과이다.
Figure 112007020789513-pat00002
[표 2]에 도시된 바와 같이 반응성 가소제의 함량이 늘어날수록 신율이 함께 증가나며, 경도가 높아지는 것을 알 수 있다. 본 실험예에서는 실험 C가 가장 양호한 특성을 보였다.
이 결과를 토대로 몰탈 조성물의 수축 팽창율이 콘크리트의 그것과 유사할 때, 그 압축 강도가 콘크리트의 1 내지 1.5배 정도일때 크렉 발생이나, 박리 현상이 덜 발생함을 알 수 있었고, 이를 토대로 적정한 반응성 가소제의 함량을 도출한 결과, 조성물의 압축강도는 콘크리트의 1 내지 1.5배 범위 내에 있었고, 주제 100중량%에 대해 15 내지 75중량%인 경우에 수축 팽창율이 평균 0.02%로, 콘크리트의 0.003%에 최대한 근접하였다.
하기 [표 3]은 상기 실험예 3에서 혼합 골재의 양을 변동시키며 각 몰탈 조성물의 내염해성, 크렉 발생 여부, 경도, 규사 침전성, 충진 작업성을 검토한 결과이다.
Figure 112007020789513-pat00003
[표 3]에서 살펴본 바와 같이 실험 C 타입의 조성물이 모든 특성에서 우수함을 알 수 있었다. 이를 토대로, 혼합골재의 함량을 주제 100중량부 대비 300 내지 600중량부로 조성한 경우의 규사 침전성 등의 분산성이 양호하면서 내염해성까지 갖춘 것을 알 수 있었다.
하기 [표 4]에서는 상기 실험예 4에서 주제, 경화제, 혼합 골재의 함량을 함께 변화시키면서 최적의 조성비를 찾은 결과이다.
Figure 112007020789513-pat00004
[표 4]에서 살펴본 바와 같이, 이러한 최적의 조성비는 실험 C 타입의 조성물에서 보이며, 표 4에서 도출된 최적의 조성비는 주제 100중량%에 대하여 기본 에폭시수지 37.5중량%, 노블락 에폭시수지 25중량%, 반응성 가소제 37.5중량%로 이루어지며, 상기 주제 100중량부에 대하여, 경화제 25중량부, 혼합 골재 500중량부이다.
이상, 본 발명의 구성을 중심으로 다양한 실험예를 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나 본 발명의 권리범위는 상기 실험예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실험예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 할 수 있는 변형 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
본 발명 수중콘크리트 구조물의 보수보강용 몰탈 조성물 및 이를 이용한 콘크리트 구조물의 보수보강 방법에 의하면, 전술한 상기 몰탈 조성물의 각 구성, 함량이 작용하여 수중 구주물에 대해서도 우수한 접착성을 유지하여 충격에 의한 파손이나 손상이 없으며, 진동으로 인한 피로현상으로 박리 현상이 발생하지 않는 내진 특성과 VOC(휘발성 물질)이 없는 친환경성을 보유한 구조물 보강 조성물을 얻을 수 있다. 아울러, 은나노 재료를 첨가하여 미생물 등에 의한 보수 보강 구조물의 부식을 방지하고자 하였다.
또한, 보강제로서 철근이나 유리 섬유 격자, 또는 고정식 거푸집을 사용한 공법을 사용하여 크렉이 발생하지 않고 우수한 내후성을 보였다. 따라서 본 발명을 수중 구조물, 예를 들어 수중 교각, 수중보, 댐, 해양 구조물, 해저 터널, 하수처리장, 화력 발전소, 폐수 처리장 등에 적용할 경우, 공기를 단축시킬 수 있으면서, 동시에 경제적인 효과를 볼 수 있다.

Claims (9)

  1. 주제와 경화제, 혼합골재를 포함하여 이루어지는 수중콘크리트구조물의 보수보강용 몰탈 조성물에 있어서,
    비스페놀 에이형 에폭시수지 단독으로 혹은 비스페놀 에프형 에폭시 수지와 혼합하여 이루어진 기본 에폭시수지 25 내지 85중량%와 폴리에스터계 가소제, 에폭시계 가소제, 다이머산과 에폭시수지를 중합하여 제조된 에폭시계 가소제 중 어느 하나로 이루어진 반응성 가소제 15 내지 75중량%를 포함하는 주제 100중량%와;
    상기 주제 100중량부에 대하여,
    지방족 아민계 경화제, 치환족 아민계 경화제, 방향족 아민계 경화제, 산무수물 경화제, 아미다졸계 경화제 중 적어도 하나를 혼합하여 이루어진 경화제 20 내지 40중량부;
    혼합 골재 300 내지 600중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중콘크리트구조물의 보수보강용 몰탈 조성물.
  2. 주제와 경화제, 혼합골재를 포함하여 이루어지는 수중콘크리트구조물의 보수보강용 몰탈 조성물에 있어서,
    비스페놀 에이형 에폭시수지 단독으로 혹은 비스페놀 에프형 에폭시 수지와 혼합하여 이루어진 기본 에폭시수지 10 내지 70중량%, 노블락 에폭시수지 1 내지 50중량%, 폴리에스터계 가소제, 에폭시계 가소제, 다이머산과 에폭시수지를 중합하여 제조된 에폭시계 가소제 중 어느 하나로 이루어진 반응성 가소제 15 내지 75중량%를 포함하는 주제 100중량%와;
    상기 주제 100중량부에 대하여,
    지방족 아민계 경화제, 치환족 아민계 경화제, 방향족 아민계 경화제, 산무수물 경화제, 아미다졸계 경화제 중 적어도 하나를 혼합하여 이루어진 경화제 20 내지 40중량부;
    혼합 골재 300 내지 600중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중콘크리트구조물의 보수보강용 몰탈 조성물.
  3. 삭제
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 경화제는 페놀, 크레졸, 노닐페놀, 비스포놀, 폴리메르캡탄, 피페라진 혼합물 중 적어도 하나의 경화 촉진제를 더 포함하며, 그 중량비는 주제 100중량부에 대하여 0.5 내지 3중량부인 것을 특징으로 하는 수중콘크리트구조물의 보수보강용 몰탈 조성물.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 혼합 골재는 규사, 레미탈, 마사, 황토흙, 토사, 쇄석골재, 자갈, 모래 중 적어도 어느 하나와;
    유동성 또는 칙소성 부여제, 분산제, 침전방지제로서 유산바륨, 레벨링제, 벤토나이트, 실리카 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중콘크리트구조물의 보수보강용 몰탈 조성물.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 몰탈 조성물은 항균제인 무기 은나노 또는 무기 은나노에 구리 분말을 첨가한 재료를 더 포함하며,
    그 중량비는 상기 주제 100중량부에 대하여 1 내지 5중량부인 것을 특징으로 하는 수중콘크리트구조물의 보수보강용 몰탈 조성물.
  7. 수중콘크리트 구조물의 보수보강 방법에 있어서,
    (a) 손상된 콘크리트면을 다듬는 치핑 단계와;
    (b) 방청처리된 철근 또는 유리섬유 격자를 대상 콘크리트 구조물 표면 둘레에 삽입 및 고정하는 격자 설치 단계와;
    (c) 상기 철근 또는 유리 섬유 격자의 둘레에 거푸집을 설치하는 거푸집 설치 단계와;
    (d) 상기 제 1항 또는 제 2항의 몰탈 조성물을 타설하여 콘크리트 구조물의 단면을 보강하는 조성물 타설 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 수중콘크리트 구조물의 보수보강 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 거푸집 설치 단계는 유리섬유 또는 탄소섬유를 에폭시수지에 적층시킨 유리섬유 판넬 위에 1 내지 3호 규사를 골고루 분사하여 접착시킨 판재로 이루어진 고정식 거푸집을 상기 제 7항의 거푸집 내면에 부착하여 설치하는 고정식 거푸집 설치 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중콘크리트 구조물의 보수보강 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 수중콘크리트 보수보강용 구조물의 두께는 30 내지 150mm인 것을 특징으로 하는 수중콘크리트 구조물의 보수보강 방법.
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