KR102428850B1 - 표면 강화 처리된 토목용 보강재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면 강화 처리된 토목용 보강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 토목 공사 시에 지반 보강 또는 사면 보강 등의 용도로 사용하는 토목용 보강재의 표면을 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 이용하여 강화 처리하여 표면마찰, 방염, 내마모, 내자외선, 동상과 염해방지 특성을 강화시킨 표면 강화 처리된 토목용 보강재 및 그 제조방법이 개시된다.

Description

표면 강화 처리된 토목용 보강재 및 그 제조방법 {Reinforcing material for civil engineering with surface reinforcing treatment and manufacturing method thereof}
본 발명은 표면 강화 처리된 토목용 보강재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 토목 공사 시에 지반 보강 또는 사면 보강 등의 용도로 사용하는 토목용 보강재의 표면을 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 이용하여 강화 처리하여 표면마찰, 방염, 내마모, 내자외선, 동상과 염해방지 특성을 강화시킨 표면 강화 처리된 토목용 보강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
토목 공사 시에 성토부(盛土部) 또는 절토부(切土部)의 사면 보강, 도로 또는 연약지반 등의 지반 보강, 옹벽 및 토류 구조물의 구조 보강, 암버럭 또는 쇄석(碎石) 등 속채움재의 이탈 방지 등의 용도를 위해 다양한 형태의 토목용 보강재가 사용된다.
이러한 토목용 보강재의 예로서, 격자 형상의 네트 형태로 구성된 지오그리드, 길게 연장된 띠의 형태를 갖는 띠형 보강재, 내부에 토사를 채울 수 있는 벌집 모양의 3차원 형태로 제작된 지오셀 등이 있다.
지오그리드는 제조방법 및 재료에 따라서 플라스틱 지오그리드와 텍스타일 지오그리드로 구분할 수 있다.
플라스틱 지오그리드의 일예로서 한국공개특허 10-1991-0005998호 (1991.04.27.공개)는 압출기를 통과한 고분자 시트를 롤러에 통과시켜 격자모양의 그리드 형태로 구멍을 뚫은 다음 일축 또는 이축으로 연신시켜 제조하는 지오그리드를 제안하였다. 플라스틱 지오그리드의 또다른 예로서 WO 99/28564 (1999.06.10.공개)는 고분자를 스트립 형태로 압출한 후 한 방향으로 연신하여 경방향 스트립과 위방향 스트립을 만든 다음에 이들을 레이저 또는 초음파를 이용하여 격자형태로 접합시키는 지오그리드를 제안하였다.
텍스타일 지오그리드의 일예로서 한국공개특허 10-1998-0002337호 (1998.03.30.공개)는 고강력 섬유를 각각 경·위사 방향으로 공급하여 격자형태의 직물을 형성하고, 경위사의 보호와 결합점에서의 접점을 강화하고 일광 및 자외선에 대한 저항성을 향상시키기 위하여 폴리비닐클로라이드, 역청, 아크릴, 라텍스 및 고무계 수지 등으로 피복을 한 지오그리드를 제안하였다. 경·위사로는 주로 고강력 폴리에스테르가 사용된다.
변형예로, 한국등록특허 10-0635207호 (2006.10.10.등록)은 압출된 용융수지가 흐르는 공압출 다이에 섬유를 공급하여 고분자 내에 섬유가 존재하도록 고분자 스트립을 압출하면서 미리 제조된 섬유 보강 고분자 스트립을 상기 공압출 스트립에 대하여 격자형태가 되도록 공급하고, 서로 포개어진 경방향 스트립과 위방향 스트립을 압착, 가열 시킨 후 접착시켜서 격자 형태로 제조되는 지오그리드를 제안하였다.
띠형 보강재는 일반적으로 섬유 심재에 합성수지 피복재를 피복하는 방식으로 제조된다.
띠형 보강재의 일예로서 한국등록특허 10-0911150호 (2009.07.31.등록)은, 섬유 심재에 합성수지 피복재를 피복하여 이중 사출하는 단계; 피복재를 롤러로 압착하여 마찰부와 결속부를 성형하는 단계; 성형된 피복재를 냉각시키는 단계; 결속부에 천공홀을 형성하는 단계; 및 천공홀이 형성된 섬유보강재를 권취하는 단계;를 통해 제조되는 띠형 보강재를 제안하였다.
지오셀은 일반적으로 고분자 소재를 압출 다이에서 시트 형태로 압출 가공하고 일정한 폭을 갖는 띠(strip)의 형태로 절단 가공한 후, 여러장의 띠를 겹친 상태로 일정한 간격으로 층마다 엇갈린 위치에 초음파 융착시켜 제작된다.
지오셀의 일예로서 한국공개특허 10-2019-0035884호 (2019.04.03 공개)는 시트 소재로 제조된 가요성 스트립으로 구성되며, 가요성 스트립은 행으로 배열되고 초음파 용접 또는 스레드(thread)에 의해 엇갈린 순서로 상호 결합되며, 스트립이 전체 길이를 따라 꼬인 2 개 이상의 섬유성 부재(fibrous element)를 포함하는 보강사로 보강된 지오셀을 제안하였다.
그런데, 종래의 토목용 보강재는 다음과 같은 한계점을 갖고 있었다.
우선, 고분자 소재로 구성된 토목용 보강재의 특성상, 표면이 매끄럽기 때문에 흙과 토목용 보강재와의 표면 마찰력을 높이는데 한계가 있었다. 예를 들어, 일반 토목용 보강재는 돌기돋은 아연도강판 리브 부착 지오그리드 또는 수동저항체를 구비한 토목용 강성보강재(철근 등)에 비해 표면 마찰력(인발력)이 부족하였다.
또한, 고분자 소재로 구성된 토목용 보강재의 특성상, 물과 공기 등의 주변 환경에 노출된 자유면이 열에 취약하여 고온 다습한 지역에서 토체 구조물을 형성하는데 제한이 있으며, 도심지 인근의 화재나 산간 지대에서의 산불에 대해서 취약하다는 한계가 있었다.
또한, 고분자 소재로 구성된 토목용 보강재의 특성상, 보강토체의 뒤채움 재료로서 토사를 사용하는데는 문제가 없으나, 쇄석(碎石), 암버럭(터널 굴착과정에서 발생되는 발파석)의 경우 표면이 날카롭기 때문에 현장에서 유용하게 활용 가능함에도 불구하고 뒤채움 재료로 사용하는데 어려움이 있었다.
또한, 고분자 소재로 구성된 토목용 보강재의 경우, 해안가, 강가 또는 저수지와 같이 물을 접하는 곳에서도 시공이 이루어지고 있는데, 특히 해수의 염분과 수분에 장기간 노출되는 경우의 열화를 감안하여 방수 특성을 보완할 필요성이 있었다.
또한, 산업 폐기물과 공장의 폐수, 슬러지와 같은 화학적 잔류물이 침전되어 토양이 오염된 지역에서도 토목용 보강재의 사용이 빈번하게 발생되고 있으므로, 토목용 보강재의 생화학적 오염화에 따른 방지 대책의 필요성이 있었다.
한국공개특허 10-1991-0005998호 (1991.04.27.공개) PCT 국제공개특허 WO 99/28564 (1999.06.10.공개) 한국공개특허 10-1998-0002337호 (1998.03.30.공개) 한국등록특허 10-0635207호 (2006.10.10.등록) 한국등록특허 10-0911150호 (2009.07.31.등록) 한국공개특허 10-2019-0035884호 (2019.04.03 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 토목 공사 시에 지반 보강 또는 사면 보강 등의 용도로 사용하는 토목용 보강재의 표면을 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 이용하여 강화 처리하여 표면마찰, 방염, 내마모, 내자외선, 동상과 염해방지 특성을 강화시킨 표면 강화 처리된 토목용 보강재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 고분자 소재를 포함하여 구성된 보강재 코어; 및 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하며 상기 보강재 코어의 적어도 일측 표면에 코팅된 코팅층;을 포함하여 구성된 표면 강화 처리된 토목용 보강재가 개시된다. 바람직하게, 상기 코팅층에서 석분의 중량부가 현무암 섬유 분말 또는 칩의 중량부보다 클 수 있다.
바람직하게, 상기 코팅층은, 물유리 및 시멘트, 석분, 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 코팅층은, 물유리 및 시멘트 10~30 중량부, 석분 75~85 중량부, 현무암 섬유 분말 또는 칩 3~5 중량부를 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 코팅층은, 물유리 및 시멘트 10~30 중량부, 석분 65~75 중량부, 현무암 섬유 분말 또는 칩 5~7 중량부를 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 석분은 0.8 mm 이하의 입자 크기를 갖는다.
바람직하게, 상기 현무암 섬유 분말 또는 칩은 6~21 ㎛의 직경을 가지며 3 ㎝ 이하의 길이를 갖는다.
바람직하게, 상기 코팅층은 0.4 mm 이상의 두께로 형성된다.
바람직하게, 상기 보강재 코어는, 폴리프로필렌(PP), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 중의 적어도 어느 하나가 포함된 고분자 소재의 압출물이거나, 폴리에스테르(polyester) 섬유, 유리섬유, 아라미드(aramid) 섬유, 탄소섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유 중의 적어도 어느 하나가 포함된 섬유 원사를 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리부타디엔(polybutadiene) 중의 적어도 어느 하나가 포함된 소재로 압출하여 피복한 섬유 피복물이거나, 폴리에스테르(polyester) 섬유, 유리섬유, 아라미드(aramid) 섬유, 탄소섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유 중의 적어도 어느 하나가 포함된 섬유 원사를 폴리비닐클로라이드(PVC), 역청, 아크릴(acrylic), 라텍스 및 고무계 수지 중의 적어도 어느 하나가 포함된 소재로 코팅하여 피복한 섬유 피복물이다.
바람직하게, 상기 보강재 코어는, 격자 형상의 네트 형태로 구성된 지오그리드, 길게 연장된 띠의 형태를 갖는 띠형 보강재, 내부에 토사를 채울 수 있는 벌집 모양의 3차원 형태로 제작된 지오셀 중의 어느 하나이다.
본 발명의 또다른 일측면에 따르면, 1) 고분자 소재를 포함하며 시트 형태로 구성된 보강재 코어의 적어도 일측 표면에 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하는 코팅재를 분사하는 단계; 및 2) 상기 코팅재가 부착된 보강재 코어를 압착하는 단계;를 포함하여 구성된 토목용 보강재 제조방법이 개시된다.
바람직하게 본 발명은, 3) 압착이 이뤄진 보강재 코어에 표면에 에어를 분사하여 보강재 코어에 불완전 부착된 코팅재 잔류물을 제거하는 단계;를 더욱 포함하여 구성된다.
바람직하게, 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하는 코팅재의 분사는, 석분, 현무암 섬유 분말 또는 칩에 물유리 및 시멘트를 더욱 포함하여 구성된 코팅재를 시트 형태로 구성된 보강재 코어의 적어도 일측 표면에 분사하여 표면에 부착하도록 구성된다.
바람직하게, 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하는 코팅재의 분사는, 물유리 및 시멘트를 시트 형태로 구성된 보강재 코어의 적어도 일측 표면에 분사하고, 석분, 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하여 구성된 코팅재를 물유리 및 시멘트가 부착된 보강재 코어의 표면에 분사하여 부착하도록 구성된다.
이와 같은 본 발명은, 토목 공사 시에 지반 보강 또는 사면 보강 등의 용도로 사용하는 토목용 보강재의 표면을 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 이용하여 강화 처리하여 표면마찰, 방염, 내마모, 내자외선, 동상과 염해방지 특성을 강화시킨 표면 강화 처리된 토목용 보강재 및 그 제조방법을 제공하는 장점이 있다.
도 1은 지오셀 형태의 토목용 보강재의 모식도,
도 2는 띠형 보강재 형태의 토목용 보강재의 모식도,
도 3은 지오그리드 형태의 토목용 보강재의 모식도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 토목용 보강재의 단면 모식도,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 토목용 보강재 제조방법의 공정 모식도이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다.
본 출원에서 사용한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 구성요소 또는 이들의 조합이 존재하는 것을 표현하려는 것이지, 다른 구성요소 또는 특징이 존재 또는 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 지오셀 형태의 토목용 보강재의 모식도, 도 2는 띠형 보강재 형태의 토목용 보강재의 모식도, 도 3은 지오그리드 형태의 토목용 보강재의 모식도, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 토목용 보강재의 단면 모식도이다.
본 실시예의 토목용 보강재는, 고분자 소재를 포함하여 구성된 보강재 코어(B)와, 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하며 상기 보강재 코어(B)의 적어도 일측 표면에 코팅된 코팅층(C)을 포함하여 구성된다.
본 실시예의 보강재 코어(B)는, 격자 형상의 네트 형태로 구성된 지오그리드(300), 길게 연장된 띠의 형태를 갖는 띠형 보강재(200), 내부에 토사를 채울 수 있는 벌집 모양의 3차원 형태로 제작된 지오셀(100) 중의 어느 하나일 수 있다.
지오그리드(300)는 제조방법 및 재료에 따라서 플라스틱 지오그리드와 텍스타일 지오그리드로 구분할 수 있다. 도 3은 텍스타일 지오그리드의 일예를 예시한다. 도 3의 300a는 경방향 스트립, 300b는 위방향 스트립을 각각 나타낸다.
일예로, 플라스틱 지오그리드는, 압출기를 통과한 고분자 시트(B)를 롤러에 통과시켜 격자모양의 그리드 형태로 구멍을 뚫은 다음 일축 또는 이축으로 연신시켜 제조된다. 이러한 지오그리드는 한국공개특허 10-1991-0005998호 (1991.04.27.공개)에 예시된 바 있다.
다른예로, 플라스틱 지오그리드는, 고분자를 스트립 형태(B)로 압출한 후 한 방향으로 연신하여 경방향 스트립과 위방향 스트립을 만든 다음에 이들을 레이저 또는 초음파를 이용하여 격자형태로 접합시켜 제조된다. 이러한 지오그리드는 WO 99/28564 (1999.06.10.공개)에 예시된 바 있다.
일예로, 텍스타일 지오그리드는, 고강력 섬유(R)를 각각 경·위사 방향으로 공급하여 격자형태의 직물을 형성하고, 경위사의 보호와 결합점에서의 접점을 강화하고 일광 및 자외선에 대한 저항성을 향상시키기 위하여 폴리비닐클로라이드, 역청, 아크릴, 라텍스 및 고무계 수지 등으로 피복(B)을 하여 제조된다. 이러한 지오그리드는 한국공개특허 10-1998-0002337호 (1998.03.30.공개)에 예시된 바 있다.
다른예로, 텍스타일 지오그리드는, 압출된 용융수지가 흐르는 공압출 다이에 섬유(R)를 공급하여 고분자 내에 섬유가 존재하도록 고분자 스트립(B)을 압출하면서 미리 제조된 섬유 보강 고분자 스트립을 상기 공압출 스트립에 대하여 격자형태가 되도록 공급하고, 서로 포개어진 경방향 스트립과 위방향 스트립을 압착, 가열 시킨 후 접착시켜서 격자 형태로 제조된다. 이러한 지오그리드는 한국등록특허 10-0635207호 (2006.10.10.등록)에 예시된 바 있다.
상기 예를 포함하여 다양한 방식으로 제조되는 지오그리드에 본 실시예의 토목용 보강재 구성이 적용될 수 있다. 상술한 지오그리드의 다양한 공지의 제조 과정을 설명 편의 상 도 5a 내지 도 5c에서 공정 FP로 표현한다.
띠형 보강재(200)는 일반적으로 섬유 심재에 합성수지 피복재를 피복하는 방식으로 제조된다. 도 2는 이러한 방식의 띠형 보강재를 예시한다.
일예로, 띠형 보강재는, 섬유 심재(R)에 합성수지 피복재(B)를 피복하여 이중 사출하고, 피복재를 롤러로 압착하여 마찰부와 결속부를 성형하고, 성형된 피복재를 냉각시키고, 결속부에 천공홀을 형성하고, 천공홀이 형성된 섬유보강재를 권취하여 제조된다. 이러한 띠형 보강재는 한국등록특허 10-0911150호 (2009.07.31.등록)에 예시된 바 있다.
상기 예를 포함하여 다양한 방식으로 제조되는 띠형 보강재에 본 실시예의 토목용 보강재 구성이 적용될 수 있다. 상술한 띠형 보강재의 다양한 공지의 제조 과정을 설명 편의 상 도 5a 내지 도 5c에서 공정 FP로 표현한다.
지오셀(100)은 일반적으로 고분자 소재를 압출 다이에서 시트 형태로 압출 가공하고 일정한 폭을 갖는 띠(strip, B)의 형태로 절단 가공한 후, 여러장의 띠를 겹친 상태로 일정한 간격으로 각 층마다 엇갈린 위치에 초음파 융착시켜 제작된다. 도 1은 지오셀의 일예를 예시한다. 도 1의 100-1, 100-2는 각각의 가요성 스트립을 나타내며, 100a는 초음파 융착부를 나타낸다. 일예로, 지오셀(100)을 수직옹벽구조물로 적용할 경우에 가장 전면부에 위치하여 외부로 노출되는 가요성 스트립 100-1은 지오셀의 자유면이 된다.
일예로, 지오셀은, 시트 소재로 제조된 가요성 스트립으로 구성되며, 가요성 스트립은 행으로 배열되고 초음파 용접 또는 스레드(thread)에 의해 엇갈린 순서로 상호 결합되며, 스트립이 전체 길이를 따라 꼬인 2 개 이상의 섬유성 부재(fibrous element)를 포함하는 보강사로 보강될 수 있다. 이러한 지오셀은 한국공개특허 10-2019-0035884호 (2019.04.03 공개)에 예시된 바 있다.
상기 예를 포함하여 다양한 방식으로 제조되는 지오셀에 본 실시예의 토목용 보강재 구성이 적용될 수 있다. 상술한 지오셀의 다양한 공지의 제조 과정을 설명 편의 상 도 5a 내지 도 5c에서 공정 FP로 표현한다.
소재 관점에서, 일예로, 상기 보강재 코어(B)는 폴리프로필렌(PP), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 중의 적어도 어느 하나가 포함된 고분자 소재의 압출물일 수 있다. 지오셀(100) 또는 플라스틱 지오그리드가 이러한 소재 구성으로 제작될 수 있다.
다른예로, 상기 보강재 코어(B)는 폴리에스테르(polyester) 섬유, 유리섬유, 아라미드(aramid) 섬유, 탄소섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유 중의 적어도 어느 하나가 포함된 섬유 원사(R)를 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리부타디엔(polybutadiene) 중의 적어도 어느 하나가 포함된 소재로 압출하여 피복한 섬유 피복물일 수 있다. 지오셀(100), 띠형 보강재(200) 또는 텍스타일 지오그리드가 이러한 소재 구성으로 제작될 수 있다.
다른예로, 상기 보강재 코어(B)는 폴리에스테르(polyester) 섬유, 유리섬유, 아라미드(aramid) 섬유, 탄소섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유 중의 적어도 어느 하나가 포함된 섬유 원사(R)를 폴리비닐클로라이드(PVC), 역청, 아크릴(acrylic), 라텍스 및 고무계 수지 중의 적어도 어느 하나가 포함된 소재로 코팅하여 피복한 섬유 피복물일 수 있다. 텍스타일 지오그리드가 이러한 소재 구성으로 제작될 수 있다.
상술한 섬유 소재 및 고분자 소재는 하나의 예시이며, 예시되지 않은 소재가 적용될 수 있음은 물론이다.
바람직하게, 상기 코팅층(C)은, 물유리 및 시멘트, 석분, 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하여 구성된다.
물유리 및 시멘트는, 코팅층(C)이 보강재 코어(B)에 부착하도록 부착력을 제공한다. 물유리는 이산화규소와 알칼리를 융해해서 얻은 규산나트륨(액상)을 진한 수용액으로 한 것이다. 규사와 소다회의 혼합물을 1,300∼1,500℃에서 용융해서 생긴 것을 저압증기솥에서 처리하면 얻을 수 있다. 물유리는 공기 속에서는 이산화탄소를 흡수해서 겔 모양의 규산이 석출되므로, 강한 접착력을 보인다. 시멘트는 일반적인 포틀랜드 시멘트가 사용될 수 있다. 포틀랜드 시멘트의 주성분은 석회·실리카·알루미나·산화철 등이다.
물유리와 시멘트의 혼합 비율은 특별히 한정되지는 않으나, 2:8~8:2 중량부의 범위에서 혼합될 수 있다.
석분은 채석 작업 과정에 나오는 부산물이다. 석분은 원석의 절단과정에서 분말형태로 배출되고, 절단톱의 과열을 방지하기 위해 물의 살포로 습식상태로 배출되며, 이는 침전과정을 통해서 0.8mm 이하의 석분 슬러지로 발생된다. 본 실시예에서는 석분 슬러지를 자연적인 표면 노출로 인해 건조시킴으로써 재활용의 원재료로 사용 가능하게 된 석분을 활용한다. 석분을 사용하는 경우, 토목용 보강재의 표면 강도와 부착력을 높이고, 제조에 있어서 해외에서 수입하거나 또는 국내의 별도에 원재료 가공이 필요한 것이 아니므로 가공비가 소요되지 않는다는 장점이 있다. 또한 산업폐기물인 석분을 활용하면 제조비용을 감소시키는 장점도 있다.
본 실시예의 석분은 특히 폐대리석 분말을 포함할 수 있다. 대리석은 건축재로 흔히 사용되고 있으며, 아주 고운 가루형태의 대리석 공장의 폐기물의 처리는 오늘날 전 세계적으로 환경 문제 중 하나이다. 일예로 본 실시예에서는, 300m 크기의 체를 통과하는 입자가 90% 정도인 분말도를 가지고 있는 폐대리석 분말을 대리석을 가공하는 대리석 공장에서 수집하여 사용할 수 있다.
현무암 섬유(basalt fiber)는 현무암으로 만들어진 회갈색 섬유로서 1400℃에서 녹는다. 석회암이 때때로 첨가된다. 녹은 현무암은 원심 과정에 의해 섬유로 만들어진다. 현무암 섬유는 미세 노즐로부터 분출하여 만들어질 수 있다. 일예로, 현무암 섬유는 50% 이산화규소, 12% 산화알루미늄, 11% 산화칼슘, 10% 산화마그네슘, 7% 산화철(Ⅱ), 5% 알칼리 금속 산화물 Na2O와 K2O, 3% 산화티탄(Ⅳ)와 2% 다른 산화물의 평균 화학 조성을 가지고 있다. 현무암 섬유는 절연 재료와 섬유 강화된 건축 재료에 사용된다. 본 실시예에서는 현무암 섬유를 일정 길이로 절단한 현무암 섬유 분말 또는 현무암 섬유 칩의 형태로 사용하며, 현무암 섬유 분말만을 포함하거나 또는 현무암 섬유 칩만을 포함하거나, 이들 둘을 모두 포함할 수 있다. 현무암 섬유 분말의 비율이 높을 수록 코팅층(C) 내에 현무암 섬유 성분이 골고루 분포되는 장점이 있으며, 현무암 섬유 칩의 비율이 높을 수록 석분 입자 상호 간의 결합력을 더욱 높이는 장점이 있다.
일예로, 상기 코팅층(C)은, 물유리 및 시멘트 10~30 중량부, 석분 75~85 중량부, 현무암 섬유 분말 또는 칩 3~5 중량부를 포함하여 구성된다. 이러한 조성은 특히 토목용 보강재의 표면 강도와 마찰력, 원사 보호 기능을 높이는데 유리하다.
다른예로, 상기 코팅층(C)은, 물유리 및 시멘트 10~30 중량부, 석분 65~75 중량부, 현무암 섬유 분말 또는 칩 5~7 중량부를 포함하여 구성된다. 이러한 조성은 토목용 보강재의 방수, 방염 기능성을 높이고, 표면 무게를 감소시키는데 유리하다.
바람직하게, 상기 석분은 0.8 mm 이하의 입자 크기를 갖는 것이 좋다. 석분 입자 크기가 이보다 크게 되면 코팅층(C)의 부착력이 저하될 수 있다.
바람직하게, 상기 현무암 섬유 분말 또는 칩은 6~21 ㎛의 직경을 가지며 3 ㎝ 이하의 길이를 갖는 것이 좋다. 현무암 섬유 분말은 6~21 ㎛의 직경을 갖는 입자상으로 이해될 수 있다. 현무암 섬유 분말 또는 칩의 직경이나 길이가 이보다 크게 되면 코팅층(C)의 부착력이 저하될 수 있으며, 현무암 섬유 분말 또는 칩의 직경이나 길이가 이보다 작게 되면 섬유 강화 효과를 적절하게 제공하지 못할 수 있다.
바람직하게, 상기 코팅층(C)은 0.4 mm 이상의 두께로 형성된다. 코팅층(C)의 두께가 이보다 작게 되면 토목용 보강재의 표면 강도와 마찰력, 방수, 방염 기능을 제공하는 효과가 충분하지 못할 수 있다.
참고로, 마찰하중 전달(Frictional load transfer)의 관점에서, 토목용 보강재의 단위면적당 전달되는 하중은 흙과 토목용 보강재의 접촉면 특성(interface characteristics)과 수직응력에 의존한다. 흙 속의 토목용 보강재 단면의 지역적 평형의 해석은 하기 수학식1과 같은 응력전달 조건으로 주어진다.
Figure 112021048806812-pat00001
(단, b: 토목용 보강재의 폭,
l: 토목용 보강재의 길이,
dl: 토목용 보강재의 단위 길이,
T: 인장력,
dT: 토목용 보강재의 단위 길이에 발생하는 인장력
τ: 토목용 보강재 표면에 발생하는 전단응력)
만일, τ가 접촉 마찰에 의하여 발생하면 전단응력 τ는 하기 수학식 2에 따라 구해진다.
Figure 112021048806812-pat00002
(단,
Figure 112021048806812-pat00003
: 토목용 보강재 상에 발생하는 수직응력,
μ: 흙과 토목용 보강재 사이에 발생하는 마찰계수)
그러므로, 본 실시예의 표면 강화 처리에 의해 토목용 보강재의 마찰계수가 커지게 되면, 토목용 보강재 표면에 발생하는 전단응력이 커지게 되며, 결과적으로 토목용 보강재의 인장력 특성이 더욱 향상됨을 알 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 토목용 보강재 제조방법의 공정 모식도이다.
본 실시예의 기초 단계로서, 상술한 공지의 다양한 제조 공정 FP를 통해 지오그리드, 띠형 보강재 또는 지오셀 형태의 보강재 코어(B)가 형성된다.
1)단계에서, 고분자 소재를 포함하며 시트 형태로 구성된 보강재 코어(B)의 적어도 일측 표면에 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하는 코팅재를 분사한다.
일예로, 도 5c를 참조하면, 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하는 코팅재의 분사는, 석분, 현무암 섬유 분말 또는 칩에 물유리 및 시멘트를 더욱 포함하여 구성된 코팅재를 시트 형태로 구성된 보강재 코어(B)의 적어도 일측 표면에 분사하여 표면에 부착하도록 구성된다. 도 5c는 석분, 현무암 섬유 분말 또는 칩, 물유리 및 시멘트를 포함하여 구성된 코팅재를 시트 형태로 구성된 보강재 코어(B)의 상측 및 하측에 각각 분사하는 경우를 예시한다(분사기 120a, 120b). 코팅재는 상측 또는 하측의 일측에만 분사할 수도 있다. 코팅재의 분사 및 도포가 원활하게 이뤄질 수 있도록, 물유리 및 시멘트와 동일 내지 유사한 비율의 물을 더욱 첨가하여 코팅재를 분사할 수도 있다.
다른예로, 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하는 코팅재의 분사는, 물유리 및 시멘트를 시트 형태로 구성된 보강재 코어(B)의 적어도 일측 표면에 분사하고, 석분, 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하여 구성된 코팅재를 물유리 및 시멘트가 부착된 보강재 코어(B)의 표면에 분사하여 부착하도록 구성된다. 도 5a 및 도 5b는 물유리 및 시멘트를 먼저 보강재 코어(B)의 적어도 일측 표면에 분사하고(분사기 10, 10a, 10b), 이후에 석분, 현무암 섬유 분말 또는 칩을 보강재 코어(B)의 해당 표면에 분사하여 부착시키는 경우를 예시한다(분사기 20, 20a, 20b). 코팅재는 상측 또는 하측의 일측에만 분사하거나 양측에 모두 분사할 수 있다. 물유리 및 시멘트가 분사 및 도포가 원활하게 이뤄질 수 있도록 물유리 및 시멘트와 동일 내지 유사한 비율의 물을 더욱 첨가하여 분사할 수도 있다.
도 4a는 코팅재가 일측에만 분사된 경우(C), 도 4b는 코팅재가 양측에 모두 분사된 경우를 예시한다(Ca,Cb).
1)단계에서 보강재 코어(B)는 압출물 상태에서 냉각이 이뤄진 이후에 코팅재를 분사하도록 구성될 수도 있으며, 바람직하게는 압출물 상태에서 냉각이 이뤄지기 전에 코팅재를 분사하도록 구성되고 압출물의 냉각과 코팅재의 건조가 함께 이뤄지도록 구성될 수도 있다.
2)단계에서, 상기 코팅재가 부착된 보강재 코어(B)를 압착한다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 코팅재가 부착된 보강재 코어(B)의 압착은 상측 및 하측에 각각 대향하여 설치된 압착 롤러(30a,30b)를 이용하여 할 수 있다.
3)단계에서, 압착이 이뤄진 보강재 코어(B)에 표면에 에어를 분사하여 보강재 코어(B)에 불완전 부착된 코팅재 잔류물을 제거한다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 에어의 분사는 에어 노즐 또는 에어 브러쉬(40,40a,40b)를 이용하여 할 수 있다.
3)단계가 이뤄지고 난 후, 통풍 건조 및/또는 권취, 기타 후가공 등의 후공정(PP)이 이뤄질 수 있다. 통풍 건조는 3)단계 이전에 이뤄질 수도 있다.
본 실시예의 토목용 보강재를 지오셀에 적용할 경우 다음과 같은 장점이 있다.
지오셀을 사면, 하천 또는 연약지반의 평면포설에 적용할 경우에 지오셀의 내외부 벽면에서 흙과의 표면마찰력이 증가하여 현장에서 발생되는 유용토를 그대로 사용하여도 기초지반의 허용지지력이 증가된다.
지오셀을 수직옹벽구조물에 적용할 경우에, 내부의 지오셀은 하중지지용 용도로 적용하며, 코팅층이 형성된 외부의 지오셀(전면부 자유면)은 화재나 산불의 방지 기능을 갖는 식생옹벽으로 사용이 가능하고, 자외선에 의한 열화를 방지하여 내구연한을 증가시킬 수 있으며, 토체 구조물로서의 안정성을 확보할 수 있다.
본 실시예의 토목용 보강재를 지오그리드 또는 띠형 보강재에 적용할 경우 다음과 같은 장점이 있다.
지오그리드를 보강토옹벽에 적용할 경우에 흙과 보강재의 마찰력이 증가하고 뒤채움재로 암버럭을 사용 가능하다.
일반적인 지오그리드 또는 띠형 보강재는 PET 섬유(원사)를 보호하기 위해 표면에 PE 수지 및 아스팔트 코팅 등을 사용하므로, 보강재의 표면이 매끄러워 흙과의 마찰계수가 적다.
그러나, 본 실시예의 토목용 보강재는 표면에 거친 코팅 마감처리가 되므로 흙과 보강재와의 표면마찰력이 증가하고, 이러한 특성을 이용하여 현장에 적용하는 보강재의 길이를 줄일 수 있으며, 재료비 절감과 시공 기간이 단축되는 장점이 있다.
또한, 본 실시예의 토목용 보강재는 현장의 어떠한 토사(점토 제외)를 사용하여도 토체 구조물에 적용할 수 있으며, 표면 강성을 유지하므로 골재 및 암버럭을 뒤채움재로 사용하여도 토목용 보강재의 강도 유지율을 최대한 확보할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.
B: 보강재 코어
C: 코팅층

Claims (13)

  1. 고분자 소재를 포함하여 구성된 보강재 코어; 및
    석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하며 상기 보강재 코어의 적어도 일측 표면에 코팅된 코팅층;을 포함하며,
    상기 코팅층에서 석분의 중량부가 현무암 섬유 분말 또는 칩의 중량부보다 큰 것을 특징으로 하는 표면 강화 처리된 토목용 보강재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은,
    물유리 및 시멘트, 석분, 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 표면 강화 처리된 토목용 보강재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은,
    물유리 및 시멘트 10~30 중량부, 석분 75~85 중량부, 현무암 섬유 분말 또는 칩 3~5 중량부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 표면 강화 처리된 토목용 보강재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은,
    물유리 및 시멘트 10~30 중량부, 석분 65~75 중량부, 현무암 섬유 분말 또는 칩 5~7 중량부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 표면 강화 처리된 토목용 보강재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 석분은 0.8 mm 이하의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 강화 처리된 토목용 보강재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 현무암 섬유 분말 또는 칩은 6~21 ㎛의 직경을 가지며 3 ㎝ 이하의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 강화 처리된 토목용 보강재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 0.4 mm 이상의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 표면 강화 처리된 토목용 보강재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 보강재 코어는,
    폴리프로필렌(PP), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 중의 적어도 어느 하나가 포함된 고분자 소재의 압출물이거나,
    폴리에스테르(polyester) 섬유, 유리섬유, 아라미드(aramid) 섬유, 탄소섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유 중의 적어도 어느 하나가 포함된 섬유 원사를 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드(polyamides), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리스타이렌(polystyrene), 폴리부타디엔(polybutadiene) 중의 적어도 어느 하나가 포함된 소재로 압출하여 피복한 섬유 피복물이거나,
    폴리에스테르(polyester) 섬유, 유리섬유, 아라미드(aramid) 섬유, 탄소섬유, 스테인레스 스틸 섬유, 구리섬유, 무정형 금속 섬유 중의 적어도 어느 하나가 포함된 섬유 원사를 폴리비닐클로라이드(PVC), 역청, 아크릴(acrylic), 라텍스 및 고무계 수지 중의 적어도 어느 하나가 포함된 소재로 코팅하여 피복한 섬유 피복물인 것을 특징으로 하는 표면 강화 처리된 토목용 보강재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보강재 코어는,
    격자 형상의 네트 형태로 구성된 지오그리드, 길게 연장된 띠의 형태를 갖는 띠형 보강재, 내부에 토사를 채울 수 있는 벌집 모양의 3차원 형태로 제작된 지오셀 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 강화 처리된 토목용 보강재.
  10. 1) 고분자 소재를 포함하며 시트 형태로 구성된 보강재 코어의 적어도 일측 표면에 석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하는 코팅재를 분사하는 단계; 및
    2) 상기 코팅재가 부착된 보강재 코어를 압착하는 단계;를 포함하며,
    상기 코팅재에 의해 형성된 코팅층에서 석분의 중량부가 현무암 섬유 분말 또는 칩의 중량부보다 큰 것을 특징으로 하는 토목용 보강재 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    3) 압착이 이뤄진 보강재 코어에 표면에 에어를 분사하여 보강재 코어에 불완전 부착된 코팅재 잔류물을 제거하는 단계;를 더욱 포함하여 구성된 토목용 보강재 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하는 코팅재의 분사는,
    석분, 현무암 섬유 분말 또는 칩에 물유리 및 시멘트를 더욱 포함하여 구성된 코팅재를 시트 형태로 구성된 보강재 코어의 적어도 일측 표면에 분사하여 표면에 부착하도록 구성된 것을 특징으로 하는 토목용 보강재 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    석분과 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하는 코팅재의 분사는,
    물유리 및 시멘트를 시트 형태로 구성된 보강재 코어의 적어도 일측 표면에 분사하고,
    석분, 현무암 섬유 분말 또는 칩을 포함하여 구성된 코팅재를 물유리 및 시멘트가 부착된 보강재 코어의 표면에 분사하여 부착하도록 구성된 것을 특징으로 하는 토목용 보강재 제조방법.
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