KR101950849B1

KR101950849B1 - 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법 및 이의 섬유복합체를 포함하는 콘크리트

Info

Publication number: KR101950849B1
Application number: KR1020180006741A
Authority: KR
Inventors: 김익
Original assignee: 김익
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2019-05-20

Abstract

본 출원의 목적은 특정한 연수를 주어 콘크리트내 뽐힘 저항성능을 갖고 콘크리트와 섬유 복합체에 콘크리트와 수소결합할 수 있는 친수성 화합물로 코팅하여 콘크리트 보강재로써 역할을 할 수 있게 하였으며 콘크리트 배합시 섬유의 형태를 유지하고 숏크리트 타설시 리바운드율을 적게하며 콘크리트 내에서 직선성을 유지하는 콘크리트보강용 섬유복합체를 제공하는데 있다.

Description

콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법 및 이의 섬유복합체를 포함하는 콘크리트{Method for preparing fiber-complex for reinforcing concrete and concrete comprising the fiber-complex}

본 출원은 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법 및 이러한 콘크리트보강용 섬유복합체를 포함하는 콘크리트에 관한 것이다.

건축 구조물이나 터널에는 모르타르, 콘크리트 및 숏크리트와 같은 시멘트재 (이하 "콘크리트"라고 약칭한다)가 일반적으로 사용되지만, 이러한 콘크리트에는 초기에 미세균열이 발생되기 쉽다.

콘크리트의 균열 발생을 억제하기 위하여, 철근 조각과 같은 강(steel)섬유들이 첨가된 콘크리트가 개발된바 있었다. 하지만, 이러한 강섬유는 수분이 다량 존재하는 터널 등의 공사현장에 사용시 쉽게 부식되고, 비중이 높아 콘크리트 내에서의 분산성이 떨어지고 있다. 특히 숏크리트 타설시 강섬유가 튕겨져 나오는 양(리바운드 양)이 증가하고, 콘크리트의 하중을 증가시키는 문제점이 있어 왔다.

이와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해서, 최근에는 콘크리트 보강재료로서 강섬유 등의 강재 보강재료 대신에 합성섬유를 사용하는 방안이 연구되고 있다. 그러나, 합성섬유는 콘크리트의 휨강도나 휨성능 등의 기본적인 구조성능을 향상시키지는 못하고 콘크리트의 균열발생을 방지하는 효과만을 발현하는 것으로 알려져 있다.

현재 콘크리트의 보강재료로는 사용되는 폴리프로필렌 섬유의 경우, 섬유자체의 인장강도는 양호하나 자체의 소수성으로 인해 콘크리트와의 부착성능이 떨어져 섬유자체의 인장강도를 충분하게 발휘하지 못하는 실정이다. 이에 따라, 콘크리트 보강섬유의 콘크리트와의 부착성과 분산성을 향상시키기 위하여, 섬유 측면에 굴곡이 부여하거나, 길이와 직경이 서로 상이한 이종의 섬유들을 사용하거나, 이형단면을 갖는 보강섬유를 사용하는 방법 등이 제안되고 있다.

그러나, 이러한 보강 섬유에 의하더라도, 콘크리트와의 분산성은 어느정도 개선되나 콘크리트와의 부착성은 충분하게 향상되지 않는 문제점이 있었다.

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한국 등록특허공보 제10-0971114호

본 출원의 목적은 섬유 필라멘트 원사에 특정한 연수(꼬임수)를 주어, 콘크리트와 섬유복합체의 마찰력을 높여 콘크리트내 뽐힘 저항성능을 갖는 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 출원의 추가 목적은 상기 제조 방법에 의해 제조된 콘크리트보강용 섬유복합체를 제공하는데 있다. 더 나아가, 본 출원의 추가 목적은 상기 콘크리트보강용 섬유복합체를 특정 범위내로 포함하는, 섬유복합체가 보강된 콘크리트를 제공하는데 있다.

또한, 본 출원의 다른 목적은 콘크리트보강 섬유복합체의 초기 모듈러스를 특정 범위로 유지하여, 상기 섬유복합체가 콘크리트보강재로서 콘크리트와 적어도 부분적으로 수소결합을 이루고 있고, 상기 콘크리트 내에서 직선성을 유지하는 콘크리트보강용 섬유복합체를 제공하는데 있다.

또한, 본 출원의 다른 목적은 섬유복합체용 필라멘트 원사와 상기 필라멘트를 코팅하는 친수성 코팅용액을 포함하는 콘크리트보강 섬유복합체로서, 상기 친수성 코팅액이 섬유 내 미세구조에 침투하여 섬유와 화학적 결합(예컨대, 친수성기를 갖는 코팅용액의 에폭시기와 필라멘트 원사로 사용되는 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 말단기의 공유 또는 이온결합) 및/또는 앵커(Anchor, 예컨대 코팅용액의 일부 성분(다가 알코올, 벤젠, 페놀 등)이 열고정 중에 섬유의 비결정 영역 내로 침투한 후, 냉각시에 고정됨) 역할을 하여 섬유와의 결합력을 확보하고 친수성 코팅 용액의 친수성기가 콘크리트와 수소결합을 함으로써 콘크리트와의 결합력을 높여 보강성능을 향상 시킨 콘크리트보강용 섬유복합체를 제공하는데 있다.

이하, 본 출원 내용에 대하여 보다 상세히 설명한다. 본 명세서에 기재되지 않은 내용은 당업계에서 숙련된 자이면 충분히 인식하고 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.

본 출원에서 개시되는 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있으며, 하기 기술되는 구체적인 서술에 의하여 본 출원의 범주가 제한된다고 할 수 없다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 한 양태로서, 본 출원은 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법으로서, 섬유복합체용 필라멘트 원사를 2~3가닥으로 연수(TPM; 꼬임수)가 200 내지 500이 되도록 연사하여 나선형(helix) 구조를 형성하는 단계, 및 상기 연사된 섬유복합체를 코팅용액에 침지시킨 후 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법을 제공한다.

본 출원에서, 섬유복합체용 필라멘트 원사는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 및 폴리아미드(친수성기를 갖는 것)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 필라멘트가 사용되며, 특히, 폴리에틸렌 테레프탈레이트일 수 있다.

상기 섬유복합체용 필라멘트 원사의 총섬도는 2000내지 6000 데이어(denier) 범위이며, 구체적으로 2000~4000데니어 범위일 수 있다.

우선, 섬유복합체의 제조방법의 1단계로서, 상기 섬유복합체 원사 2~3본을 가연 및 합연이 동시 진행되는 다이렉트 연사기로써 연사하여 생코드(Raw Cord)를 제조한 다음, 200 내지 500 범위의 연수(TPM; 꼬임수)를 통하여, 연사된 섬유복합체의 표면에 나선형(helix) 구조를 형성한다. 상기 연사는 섬유복합체 원사에 하연(primary twist; ply twist)을 가한 후에 상연(secondary twist; cable twist)을 가하여 합연함으로써 제조되며, 일반적으로 상연과 하연은 같은 연수 혹은 필요에 따라서 다른 연수를 가하게 된다.

본 출원에 따라 제조된 섬유복합체의 보강재는 상/하연 동시에 200/200 TPM내지 500/500TPM의 연수를 가지도록 제조될 수 있다. 상연과 하연을 같은 수치가 되도록 한 것은 제조된 코드로 제작된 상태에서 모노필라멘트들이 일직선상을 유지하기 쉽도록 하여 물성 발현을 최대로 하기 위한 것이다. 만약 200/200 TPM 미만이 되면, 생코드의 회전각이 감소하여 뽑힘 저항능력이 저하하기 쉽다. 특히, 본 출원의 섬유복합체의 표면에 형성된 나선형(helix)의 각도는 특별히 한정하지 않지만, 섬유복합체의 축 방향으로 원사들이 이루는 각도가 50 ~100 °이면 충분할 것이다.

본 출원에 따른 제조 방법에서 하연 또는 상연시 섬유복합체 섬유에 부여되는 연수(꼬임수)에 따라 섬유보강재의 강신도, 중신, 내피로도 등의 물성이 변화될 수 있다. 일반적으로 꼬임수가 높은 경우, 강력은 감소하며, 중신 및 절신은 증가하는 경향을 띠게 될 것이다.

이어서, 섬유복합체의 제조방법의 2단계로서, 상기 연사된 섬유복합체를 코팅용액에 침지시킨 후 건조 및 열처리 하는 단계를 수행한다.

본 출원에서 섬유복합체를 코팅용액에 침지시키는 이유는 섬유복합체로서 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 친수성기가 매우 적어 콘크리트와 접착력이 없어 PET와 결합력이 있으면서 친수성기가 있는 수지로 코팅 또는 접착하기 위한 것이다.

상기 코팅용액(또는 접착용액)은 에폭시 화합물, 다가 알코올, 다가 페놀, 레조시놀-포르말린-라텍스(RFL), 폴리염화비닐(PVC)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 여기서 에폭시 화합물은 1분자 중에 적어도 2개 이상의 에폭시 기를 가지는 것으로서, 에피클로로히드린과 같은 할로겐화 화합물등이 있으며, 다가 알코올은 글리세롤, 에틸렌글리세롤, 디에틸렌 글리콜, 솔비톨, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 데나콜과 같은 화합물 등이 있다.

상기 코팅용액은 친수성기를 갖으며 섬유복합체와의 접착력이 높은 소재의 용액으로서, 섬유복합체내의 미세 구조에 들어가 앵커(Anchor) 역할을 할 수 있거나 일부 화학결합을 할 수 있을 것이다. 특히 섬유복합체의 표면에 형성된 루프들이 절단면에서 원사가 풀린 형상을 하면서, 콘크리트와의 접촉면적을 증가시키며 앵커 역할을 단섬유 전체적으로 할 수 있다. 이로써, 콘크리트와 섬유보강재간의 마찰 특성을 증대시키기 때문에, 콘크리트 물성을 향상시킬 수 있을 것이다.

더 나아가, 종래의 보강 섬유로 사용되는 소수성 중합체인 폴리프로필렌 섬유 등은 섬유자체의 인장강도는 양호하나 자체의 소수성으로 인해 콘크리트와의 부착성능이 떨어져 섬유자체의 인장강도를 충분하게 발휘하지 못하는 경향이 있어왔다. 또한, 이러한 소수성 중합체인 폴리프로필렌 섬유 등을 코팅하기 위한 유제도 소수성이기 때문에, 코팅된 섬유보강재도 소수성으로 인하여, 콘크리트와의 부착성능이 떨어지게 될 것이다.

하지만, 본 출원에서 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 및 폴리아미드 등은 친수성 코팅용액(에폭시 화합물, 레조시놀-포르말린-라텍스(RFL), 다가 알코올, 또는 다가 페놀 화합물 등)에 의하여 코팅되어 친수성을 갖게 될 것이다. 이로써, 본 출원의 섬유복합체는 콘크리트와의 친화력 및 수소 결합을 통하여, 콘크리트와의 부착성능을 높일 수 있게 될 것이다.

상기 침지는 코팅용액이 고형분 함량으로 연사된 섬유복합체 무게에 대하여 0.1 내지 10%가 되도록, 구체적으로는 0.2 내지 5.0%, 또는, 0.3 내지 4.0%이 되도록 수행할 수 있다. 이러한 코팅용액의 함량은 너무 적으면, 접착력이 떨어지고, 너무 많을 때 과도한 열처리 공정을 거쳐야 하므로 섬유복합체로서 사용되는 PET 등의 가수분해를 유발하여 물성저하를 가져 올 수 있다.

본 출원의 한 구현예로서, 본 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법은 상기 섬유복합체를 10 내지 100 mm 길이로 절단하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 구체적으로는 길이는 20 내지 80, 30 내지 80mm일 수 있다.

본 출원의 섬유복합체를 완성하기 위해서는 시공성 및 물성 등을 고려하여 그 길이에 맞게 절단할 필요가 있다. 적정 길이는 다양한 조건에 따라 달라질 수 있지만, 30 ~ 70 mm이다. 만일 길이가 30 mm보다 작을 때는 외부에 힘이 가해져 콘크리트 구조물이 부서질시 보강성능이 떨어지고, 70mm 이상일 때는 콘크리트를 배합할 시 분산이 어려우며 시공시에도 서로 접히거나 엉키어 시공성능이 떨어지며, 시공후에도 균일한 분포가 어려워 물성 발현이 어려워 질 수 있다.

본 출원의 다른 구현예로서, 상기 건조는 100∼150 ℃에서 수행하고, 열처리는 220∼250 ℃에서 수행할 수 있다.

본 출원에서, 열처리는 열고정이라고도 하면서, 코팅용액 수지에 함침된 생코드가 콘크리트 배합물에서 형태유지 및 결합력을 갖기 위해 수행되는 것으로, 온도는 220 내지 250℃에서 50 내지 90초간 이루어질 수 있다. 만일 90초 이상 동안 열고정을 할 경우에는 연사된 섬유복합체의 강도가 낮아 콘크리트 배합 및 타설시 적절치 못할 것이다. 또한, 50초 미만으로 열고정을 할 경우, 코팅용액으로 사용되는 에폭시 화합물 등과의 반응시간이 부족하여 연사된 섬유복합체와 에폭시 사이에 박리가 발생할 수 있을 것이다. 이러한 열고정을 통하여, 코팅액이 섬유 내 미세구조에 침투하여 섬유와 화학적 결합 및 앵커 역할을 하여 섬유와의 결합력을 확보하고 친수성 코팅 용액의 친수성기가 콘크리트와 수소결합을 함으로써 콘크리트와의 결합력을 높여 보강성능을 향상 시킬 수 있다.

다른 양태로서, 본 출원은 상술한 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법에 의해 제조된 콘크리트보강용 섬유복합체를 제공한다. 또한, 다른 양태로서, 본 출원은 섬유복합체가 콘크리트 1입방미터(1m³ ) 당 5 내지 20kg 범위내로 포함되는 섬유복합체가 보강된 콘크리트(구조물)를 제공한다. 상기 콘크리트가 숏크리트(shotcrete)일 수 있다. 본 출원에서, 섬유복합체의 투입량은 본 출원의 콘크리트내에서 보강재로써의 역할을 수행할 수준이면 충분할 것이지만, 불순물 수준이 될 정도로 많은 양은 피해야 할 것이다.

콘크리트의 물성은, 섬유보강 콘크리트의 잔류 강도 시험, 섬유보강 콘크리트의 휨강도 및 등가 휨강도 등을 측정하여 확인할 수 있다. 한 양태로서, 본 출원의 섬유복합체를 포함하는 콘크리트 구조물은, KSF 2566 방법으로 측정할 경우, 흼강도가 4.5 MPa 이상이고, 등가휨 강도가 3.0 MPa 이상일 수 있다.

본 출원에서, 휨강도는 콘크리트 구조물에 초기에 파괴될 때의 힘을 의미하고 등가휨 강도는 콘크리트 구조물이 파괴된 후 콘크리트 구조물이 유지하고 있는 힘(또는 2차 파괴시 드는 힘)을 의미하며, 측정 방법은 KSF 2566을 따를 것이다

본 출원의 콘크리트 구조물은, KSF 2566 방법으로 측정할 경우, 흼강도가 4.5 MPa 이상이어야 본 출원에서 원하는 콘크리트와의 분산성 및 결합성을 달성할 수 있을 것이다. 또한, 등가휨 강도도 3.0 MPa 이상이어야, 본 출원의 섬유복합체와 콘크리트 간의 마찰력을 높여서, 콘크리트 섬유복합체의 변형인 뽐힘 현상이 발생하지 않도록 할 수 있을 것이다. 더 나아가, 본 출원의 섬유복합체는 ASTM D885에 의거하여 측정된 인장강력이 18kgf 이상이어야 콘크리트 구조물의 산업 기준에 합당할 것이다. 인장 강력이 12kgf 이하일 경우에는 콘크리트 파괴시 섬유 복합체 또한 절단 될 수 있어 보강 성능을 확보 할 수 없다. 또 다른 양태로서, 본 출원은 상술한 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법에 의해 제조된 콘크리트보강용 섬유복합체를, 일반 콘크리트 구조물뿐만 아니라 숏크리트에 배합하여 구조물의 시공면이나 터널의 굴착면에 숏크리트층을 시공하는 단계를 포함하는 구조물이나 터널의 시공 방법을 제공한다.

이들 양태들에 대한 구체적인 내용은, 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조 방법과 관련하여, 상술한 바 있기 때문에, 여기서는 생략하기로 한다.

추가의 다른 양태로서, 본 출원은 섬유복합체용 필라멘트 원사를 포함하는 콘크리트보강 섬유복합체로서, 상기 섬유복합체의 초기 모듈러스가 ASTM 2256 에 의거하여 측정할 경우 30g/d ~ 110g/d인, 콘크리트보강용 섬유복합체를 제공한다. 본 출원의 섬유복합체의 표면에 나선형(helix) 구조가 형성될 수 있다. 또한, 본 출원의 섬유복합체는 필라멘트를 코팅하는 친수성 코팅용액을 추가로 포함하면서 초기 모듈러스의 범위를 통하여 콘크리트 내에서 직선성을 유지할 수 있게 될 것이다.

본 출원에서 사용되는 '모듈러스(탄성율)'는 외부 힘(또는 변형)에 대한 저항력으로써 모듈러스(탄성율)가 높으면 변형율(변형정도)이 낮으며 콘크리트 타설 및 콘크리트 배합시 발생할 수 있는 변형은 아주 작은 수준이므로 초기 모듈러스가 중요 인자이다. 즉 강섬유처럼 모듈러스가 매우 높은 물질은 콘크리트 배합시 변형이 없어 잘 혼합이 되지만 숏크리트 타설시 모듈러스(탄성율)가 높기 때문 튕겨 나오는 양이 많아진다. 그래서 모듈러스(탄성율)가 너무 낮으면 혼합이 잘 안되고 너무 높으면 숏크리트 타설시 튕겨나오는 양이 많아지게 되므로 적당한 모듈러스가 필요하다. 상기 섬유복합체의 모듈러스는 원사를 표준상태인 조건, 즉 25℃ 온도와 상대습도 65%인 상태인 항온 항습실에서 24시간 방치 후 ASTM 2256 방법으로 시료를 인장 시험기를 통해 측정하였는데 시료의 길이는 5mm로 하였다.

본 출원의 섬유복합체의 초기모듈러스가 110g/d보다 더 높으면 콘크리트에 가해지는 외부 힘에 대해 저항성능을 높일 수 있으며 숏크리트 작업시 시공 성능과도 관련 있게 된다. 구체적으로, 콘크리트 혼합물을 숏크리트건으로 타설시에 강한 압력으로 타설을 하기 때문에 강섬유(강철) 보강재는 다시 튕겨져 나오는 양이 타설량의 10%이상을 차지한다. 하지만, 본 섬유보강재는 강섬유 보다 비중이 낮고, 모듈러스가 적당히 낮기 때문에 리바운드양이 절대적으로 낮아 투입량을 줄일 수 있고 처리비용이 발생하지 않아 경제적으로 유리하게 될 것이다.

따라서, 모듈러스가 30g/d 이하이면 콘크리트에 외부힘에 가해졌을 때 저항성능(보강성능)이 떨어지고 110g/d이상이면 외부힘에 대한 저항성능(보강성능)은 우수하지만 리반운드율이 높다는 단점이 있다. 이러한 모듈러스는 본 출원에서 사용되는 필라멘트 원사의 물성과 꼬임수 및 열처리 공정과 관계가 밀접하기 때문에, 모듈러스 범위를 30 ~ 110g/d으로 한정할 필요가 있다.

원사의 물성으로서, 모듈러스는 50 ~ 110g/d가 적절하며, 구체적으로는 60 ~110g/d 가 더 적절하다. 모듈러스는 콘크리트 구조물이 초기 힘에 버티면서 부서지지 않게 하는 지배적인 요인이지만, 구조물이 부서지고 난 후 더 이상 전개되지 않게 하기 위해서는 본 출원의 섬유보강재의 분포, 길이, 함량, 코팅용액과 콘크리트의 상호 결합력 등에 의하여 좌우된다고 볼 수 있다.

본 출원의 다른 구현예로서, 상기 친수성 섬유복합체는 콘크리트보강재로서 콘크리트와 적어도 부분적으로 수소결합을 이루고 있을 수 있다. 또 다른 구현예로서, 상기 섬유복합체용 필라멘트 원사는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 및 폴리아미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 필라멘트이고, 상기 코팅용액은 에폭시 화합물, 다가 알코올, 다가 페놀, 레조시놀-포르말린-라텍스(RFL), 폴리염화비닐(PVC)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상이다. 상술한 바와 같이, 상기 필라멘트 원사와 친수성 코팅용액을 포함하는 콘크리트보강 섬유복합체가 친수성을 갖게 되면서, 섬유보강재로 결합되어 있는 콘크리트와 적어도 부분적으로 수소결합을 이루게 될 수 있다.

본 출원의 다른 구현예로서, 상기 섬유복합체가 상기 콘크리트 내에서 직선성을 유지할 수 있다. 종래의 섬유보강재는 숏크리트의 분사장치의 압력에 의하여 밖으로 분산되면서, 섬유의 탄성 성질에 의하여 일부가 굽어지거나 굴곡을 지게되어 노즐 구멍을 막히게 한다. 하지만, 본 출원의 콘크리트보강용 섬유복합체는 특정한 범위의 모듈러스 범위를 유지하기 때문에, 분사 압력에 의하더라도 굽어지거나 굴곡되지 않고 직선성을 유지하여 노즐 구멍의 막힘을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 섬유복합체가 혼입된 숏크리트의 분사장치를 이용하여 분사하는 개략도이다. 도 1의 분사장치에서는 압력수 도관(100)을 통하여 압력수가 유입되고, 시멘트와 모래 등이 포함된 모르타르(200)과 함께 종래의 섬유복합체(300)가 유입된 다음, 이들이 혼합된 상태로 분출구를 통하여 분출될 것이다. 종래의 섬유복합체(300)은 모듈러스(탄성율)가 낮아 콘크리트 배합 및 타설시 변형이 많이 일어나 섬유복합체가 휘거나 구부려져서 콘크리트 구조물이나 터널의 내구성을 약화시킬 것이다.

반면에, 도 2는 본 발명의 섬유복합체가 혼입된 숏크리트의 분사장치를 이용하여 분사하는 개략도이다. 도 2의 분사장치도 도 1과 같이, 압력수 도관(10)을 통하여 압력수가 유입되고, 시멘트와 모래 등이 포함된 모르타르(20)과 함께 본 출원의 섬유복합체(30)가 유입된 다음, 이들이 혼합된 상태로 분출구를 통하여 분출될 것이다. 본 출원의 섬유복합체(30)는 휨 강도 등이 강하기 때문에, 섬유복합체가 휘거나 구부려지지 않고 대부분 직선성을 유지하면서 콘크리트 구조물이나 터널 내에 존재하기 때문에, 이들의 내구성을 향상시킬 것이다.

추가의 다른 양태로서, 본 출원은 섬유복합체용 필라멘트 원사와 상기 필라멘트를 코팅하는 친수성 코팅용액을 포함하는 콘크리트보강 섬유복합체로서, 상기 친수성 코팅액이 섬유 내 미세구조에 침투하여 섬유와 화학적 결합 및 앵커 역할을 하여 섬유와의 결합력을 확보하고 친수성 코팅 용액의 친수성기가 콘크리트와 수소결합을 함으로써 콘크리트와의 결합력을 높여 보강성능을 향상 시킨 초기 모듈러스가 30g/d ~ 110g/d인 콘크리트보강용 섬유복합체는 콘크리트내에서 직선성을 유지하게 될 것이다.

본 출원에 의하여, 타이어 보강재로 사용되는 섬유보강재의 형태를 변형시켜, 콘크리트와의 분산성 및 결합성을 충분하게 향상시킨 콘크리트 보강재로 사용될 수 있는 콘크리트보강용 섬유복합체를 제공할 수 있다.

또한, 본 출원에 의할 경우, 콘크리트보강 섬유복합체의 모듈러스를 특정 범위로 유지함으로써, 상기 섬유복합체가 콘크리트보강재로서 콘크리트와 적어도 부분적으로 수소결합을 이루고 있고, 상기 콘크리트 내에서 직선성을 유지하면서 리바운드율을 감소시킨 콘크리트보강용 섬유복합체를 제공할 수 있다.

더 나아가, 본 출원에 의할 경우, 본 출원의 섬유복합체는 나선형 구조를 이루는 섬유복합체의 코팅액이 섬유 내 미세구조에 침투하여 섬유와 화학적 결합 및 앵커 역할을 하여 섬유와의 결합력을 확보하고 친수성 코팅 용액의 친수성기가 콘크리트와 수소결합을 함으로써 콘크리트와의 결합력을 높여 보강성능을 향상 시킬 수 있다. 미세 구조에 친수성 고팅용액의 친수성기가 들어가 수소결합을 이루고 되면서, 콘크리트와의 결합력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 섬유복합체가 혼입된 숏크리트의 분사장치를 이용하여 분사하는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 섬유복합체가 혼입된 숏크리트의 분사장치를 이용하여 분사하는 개략도이다.

이하, 본 출원의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 당업자가 본 출원을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 출원의 내용이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

1500데니어 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)원사 2가닥을 상/하연 390/390TPM으로 생코드(Raw Cord)를 제작하고 이 생코드(Raw Cord)를 제직기(weaving machine)를 사용하여 제직하였다. 이어서 에폭시 화합물에 침지시켜 1차로 150℃에서 60초간 건조시킨후 2차로 230℃ 60초간 열고정을 시켜 섬유 복합체를 제작하였다. 이렇게 만들어진 섬유복합체를 50mm의 크기로 절단후 위사를 제거하여 43%의 물함유량을 갖는 콘크리트 1입방미터에 11kg을 넣어 콘크리트 구조물 시편을 제작하였다.

실시예 2

상기 실시예 1에서 섬유복합제 함량을 1입방미터에 9kg을 넣어 실시한 것만 제외하고, 나머지는 실시예 1과 동일하다.

실시예 3

상기 실시예 1에서 섬유 복합체 길이를 40mm로 절단하여 실시한 것만 제외하고, 나머지는 실시예 1과 동일하다.

실시예 4

상기 실시예 1에서 레조시놀-포르말린-라텍스(RFL) 화합물에 침지시켜 실시한 것만 제외하고, 나머지는 실시예 1과 동일하다.

비교예 1

상기 실시예 1에서 섬유복합제 함량을 1입방미터에 3kg을 넣어 실시한 것만 제외하고, 나머지는 실시예 1과 동일하다.

비교예 2

상기 실시예 1에서 섬유 복합체 길이를 20mm로 절단하여 실시한 것만 제외하고, 나머지는 실시예 1과 동일하다.

비교예 3

상기 실시예 1에서 생코드 제작시 상/하연 100/100TPM로 하여 실시한 것만 제외하고, 나머지는 실시예 1과 동일하다.

비교예 4

상기 실시예 1에서 섬유복합체 제작시 소수성 수진인 올레핀계 수지로 코팅하여 실시한 것만 제외하고, 나머지는 실시예 1과 동일하다.

비교예 5

상기 실시예 1에서 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)원사로 모듈러스가 280g/d 인 섬유복합제를 제작하여 사용한 것만 제외하고, 나머지는 실시예 1과 동일하다.

표 1 (상기 실시예 1 및 2 등에 의하여, 제조된 콘크리트보강용 섬유복합체의 물성, 및 콘크리트 구조물의 물성을 기재한다.)

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4	비교예 5
섬유복합제 강력 (kgf)	22.5	22.5	22.5	22.5	22.5	22.5	23.2	22.7	22.9
모듈러스(g/d)	80	80	80	80	80	80	117	80	280
휨강도 (MPA)	4.7	4.5	4.61	4.53	3.98	3.99	4.6	4.51	4.72
등가휨강도 (MPA)	3.53	3.12	3.24	3.15	1.8	2.0	2.1	2.4	3.32
리바운드 율(%)*	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8	3.5	0.8	8.9

*리바운드율은 숏크리트 시공시 투입량 대비 튕겨 나오는 양을 의미함

상기 표의 비교예 1은 실시예 1의 조건에서 섬유복합체의 함량을 적게 투입하였고 그 결과 콘크리트 보강 성능이 떨어져 콘크리트 구조물의 휨강도 및 등가휨강도가 떨어짐을 알 수 있다. 비교예 2는 실시예 1의 조건에서 섬유복합체의 길이를 짧게하여 보강성능을 확인 한 결과 상대적으로 등가휨강도가 많이 떨어짐을 알 수 있다. 비교예 3은 실시예 1의 조건에서 섬유 복합체의 꼬임수를 100/100 TPM으로 낮추었을 때 콘크리트와 섬유복합체의 마찰력(뽐힘 저항)이 떨어져 콘크리트 구조물의 등가휨 강도가 떨어짐을 볼 수 있다.

또한 섬유복합체와 콘크리트간의 수소결합을 할 수 없는 소수성 수지인 올레핀계수지로 코팅한 경우 비교예 4에도 등가휨 강도가 떨어짐을 알 수 있다. 비교예 5에서는 모듈러스가 높은 섬유복합체를 사용하였을 때 시공시 콘크리트 내부에 위치하지 않고 밖으로 튕겨 나오는 양이 많아 리반운드율이 급격히 증가함을 알 수 있다.

참고로 상기 휨강도 및 등가휨 강도는 상술한 바와 같으며, 측정 방법은 KSF 2566을 따른 것이다.

전술한 본 출원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 출원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 출원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정되는 의도로 해석되어서는 아닐 될 것이다.

Claims

콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법으로서,
섬유복합체용 필라멘트 원사 2가닥을 연수(TPM; 꼬임수) 200 내지 500이 되도록 연사하여, 뽐힘 저항능력의 저하를 방지하기 위하여 섬유복합체의 표면에서 섬유복합체의 축 방향으로 2가닥의 원사가 50~100°의 각도를 이루는 나선형(helix) 구조를 형성하는 단계, 및
상기 연사된 섬유복합체를 코팅용액에 침지시킨 후 건조 및 열처리하여, 상기 섬유복합체와 상기 코팅용액 간에 화합결합을 형성하는 단계를 포함하는 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 건조 및 열처리하는 단계 이후에, 상기 섬유복합체를 10 내지 100mm 길이로 절단하는 단계를 추가로 포함하는, 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 섬유복합체용 필라멘트 원사는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 및 폴리아미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 필라멘트인 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연사공정은 섬유복합체의 총섬도가 2000 내지 4000 데이어(denier)가 되도록 연사하는 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코팅용액은 에폭시 화합물, 다가 알코올, 다가 페놀, 레조시놀-포르말린-라텍스(RFL), 폴리염화비닐(PVC)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상인 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 침지는 코팅용액이 고형분 함량으로 연사된 섬유복합체 무게에 대하여 0.3 내지 4%가 되도록 수행하는 것인 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 건조는 100∼150 ℃에서 수행하고, 열처리는 220∼250 ℃에서 수행하는 것인 콘크리트보강용 섬유복합체의 제조방법.
제1항 또는 제2항의 방법에 의해 제조되는 콘크리트보강용 섬유복합체.
제8항의 콘크리트보강용 섬유복합체를, 숏크리트에 배합하여 구조물의 시공면이나 터널의 굴착면에 숏크리트층을 시공하는 단계를 포함하는 구조물이나 터널의 시공 방법.
제8항의 콘크리트보강용 섬유복합체를 콘크리트 1입방미터(1m³)당 5 내지 20kg 범위내로 포함하는, 섬유복합체가 보강된 콘크리트 구조물.
제10항에 있어서, ASTM D885에 의거하여 측정될 경우, 인장강력 18kgf 이상이고, KSF 2566 방법으로 측정할 경우, 상기 콘크리트의 휨강도가 4.5 MPa 이상이고, 등가휨 강도가 3.0 MPa 이상인, 섬유복합체가 보강된 콘크리트 구조물.
제10항에 있어서, 상기 콘크리트가 숏크리트(shotcrete)인, 섬유복합체가 보강된 콘크리트 구조물.
섬유복합체용 필라멘트 원사를 포함하는 콘크리트보강 섬유복합체로서, 상기 섬유복합체의 초기 모듈러스가 ASTM 2256에 의거하여 측정할 경우 30g/d ~ 110g/d인 것으로 하여, 상기 콘크리트보강 섬유복합체를 포함하는 콘크리트의 타설시에, 상기 모듈러스의 110g/d를 초과하는 경우보다 상기 섬유복합체의 리바운드 양이 줄어드는 것을 특징으로 하는, 콘크리트보강용 섬유복합체.
제13항에 있어서, 상기 섬유복합체의 표면에 나선형 구조가 형성되어 있는, 콘크리트보강용 섬유복합체.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 섬유복합체가 콘크리트 내에서 직선성을 유지하는 것인, 콘크리트보강용 섬유복합체.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 섬유복합체용 필라멘트 원사는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 및 폴리아미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 필라멘트인, 콘크리트보강용 섬유복합체.
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