KR20020093792A - 콘크리트 구조물용 강화 바 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해중합 가능하고 재중합 가능한 열가소성 수지 및 종방향 배향된 강화 섬유로 이루어진 복합체로부터 제조된 콘크리트 구조물용 강화 바에 관한 것이다. 이러한 강화 바에 의해 우수한 인장 강도가 제공되며, 통상적인 강 강화 바의 부식 문제를 나타내지 않는다. 본 리바는 수 많은 특정한 강화 필수품에 적용되는 수 많은 형태로 용이하게 제조된다.

Description

콘크리트 구조물용 강화 바{Reinforcing bars for concrete structures}

본원에 기재된 청구 대상물에 관한 연구 및 개발은 연방정부의 지원에 의한 것이 아니다.

본 발명은 콘크리트용 강화 재료 및 당해 재료로 강화시킨 콘크리트 구조물에 관한 것이다.

콘크리트는 가장 통상적인 건축 재료 중 하나이다. 콘크리트는 기타 여러 가지 중 교량, 방벽, 노면, 빌딩 지지체, 도로 및 활주로와 같은 매우 다양한 구조물에 사용되고 있다.

콘크리트는 압축 강도가 탁월하지만, 인장 강도는 매우 불량하다. 따라서, 구조물이 굽힘 하중(bending load)에 의해 발생되는 것과 같은 인장력에 노출되는 경우에는, 거의 언제나 콘크리트 구조물을 강화시켜야만 한다. 이러한 강화를 제공하는 가장 통상적인 방법은 금속[대개는 강(steel)] 강화 바(reinforcing bar)를 콘크리트 속에 혼입시키는 것이다. 강 강화 바에 의해 콘크리트 구조물에 매우 향상된 인장 강도를 제공할 수 있다.

불행하게도, 강 강화 바는 물에 노출되는 경우 시간이 지남에 따라 부식된다. 이러한 부식은 도로 표면의 추운 날씨에 눈과 얼음을 녹이기 위해 종종 사용되는 것과 같이, 염에 강이 노출되는 경우 가속화된다. 콘크리트에 의해 물과 염으로부터 일부 보호되는 경향이 있지만, 시간이 지남에 따라 콘크리트내에 균열(crack)이 생성되는데, 이러한 물과 염은 균열을 통해 매봉된 강(embeded steel)에 침투할 수 있다. 강이 부식하기 시작하면서, 부식층의 형성에 따라 부식이 확장된다. 이러한 부식의 확장에 의해 콘크리트내에 추가 균열이 유발되며, 이에 의해 콘크리트 구조물의 붕괴가 가속화된다.

이러한 부식 문제를 방지하기 위해, 특정한 인발된(pultruded) 복합체가 시도되었다. 이러한 복합체는 일반적으로는 유리이며, 때로는 기타 재료인 종방향 섬유(longitudinal fiber)가 적층되어 있는 매트릭스로서 작용하는 열경화성 수지를 포함한다.

이러한 열경화성 복합체에 의해 부식 문제가 해결되지만, 다른 심각한 단점을 갖는다. 이중 가장 심각한 것은 이러한 열경화성 복합체를 다양한 형태로 성형할 수 있는 실제적인 방법이 없다는 사실이다. 강 강화 바를 특정한 구조 설계 프로젝트의 요구에 맞추기 위해서는, 통상적으로 이들을 고리 모양으로 벤딩(bending)시키거나, 트위스팅(twisting)시키거나 또는 성형한다. 이는 종종 현장에서 수행되지만, 리바(rebar) 제조 공정의 일부로서 수행되기도 한다. 열경화성 수지 매트릭스가 일단 경화되면, 인발된 열경화성 복합체는 성형할 수 없게 된다. 따라서, 현장 성형은 열경화성 복합체에 있어서 선택사항은 아니다. 심지어 공장내에서의 성형도 어렵다. 인발(pultrusion) 공정은 일정한 단면을 갖는 직선형 복합체의 제조에 주로 사용된다. 수행되는 어떤 성형도 반드시 수지를 강화섬유에 적용하고, 수지가 흘러내리지 않게 되는 점도까지 경화시키는 시점과 수지가 완전히 경화되는 시점 사이의 짧은 시간 사이내에서 수행되어야만 한다. 이러한 짧은 시간 사이로 인해 성형이 매우 어려워지며, 열경화성 복합체의 제조가 고가가 된다.

열경화성 복합체의 두번째 주요 단점은 이들을 콘크리트내에 결합시키기가 어렵다는 사실이다. 강 리바는 종종 바 표면 위에 성형되거나 스탬핑(stamping)된 융기된(raised) 부분 또는 만입된(indented) 부분을 갖는다. 이러한 부분에 의해 바가 콘크리트내로 기계적으로 결합될 수 있다. 한편, 통상적으로 열경화성 복합체는 인발 공정의 특성으로 인해 일정한 단면을 갖는다. 스탬핑과 같은 표면 특성을 제조하기 위한 후성형 방법은 이에 의해 열경화성 복합체가 부서지는 경향을 나타내며, 불량한 내충격성을 갖기 때문에 적합하지 않다. 스탬핑 공정은 적층된 섬유를 파쇄시키며, 복합체를 약화시키는 경향이 있다. 종종 콘크리트내로 연결시키기 위해서 융기된 표면을 제공하기 위해서 오버몰딩(overmolding)을 사용한다. 그러나, 오버몰딩과 복합체 사이의 결합은 종종 콘크리트 매트릭스보다 약하므로, 이점이 거의 없다.

또한, 열경화성 복합체는 연신성(파단시 1% 수준)이 불량하며, 내충격성과 취성이 불량하다. 또한, 이들은 생산속도가 느리므로 매우 고가이다.

따라서, 콘크리트 구조물용 강 및 열경화성 복합체의 대체물을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

하나의 양태에서, 본 발명은 열가소성 수지의 매트릭스내에 매봉된 다수의종방향 배향된 강화 섬유로 이루어진 복합체를 포함하는 강화 바(리바)에 관한 것이다.

본 발명의 강화 바에 의해 강과 열경화성 복합체 리바와 관련된 수 많은 문제점이 해결된다. 본 발명의 리바는 물 및/또는 통상적인 염의 노출에 의해 부식되지 않는다. 본 발명의 리바는 수 많은 형태와 배열로 용이하게 성형된다. 따라서, 본 리바는 이를 콘크리트내로 결합시켜, 강화 효과를 향상시키는 콘크리트와의 기계적 결합을 형성할 수 있는 형태로 용이하게 성형된다. 이러한 성형은 경우에 따라 현장에서 용이하게 수행될 수 있다. 본 발명의 강화 바는 종종 인발된 열경화성 복합체보다 빠른 속도로 제조될 수 있다. 따라서, 본 발명의 리바는 열경화성 복합체 리바보다 저렴하며, 성능이 우수하다.

제2 양태에서, 본 발명은 콘크리트 매트릭스내에 매봉된 강화 바를 포함하는 콘크리트 구조물에 관한 것인데, 당해 강화 바는 열가소성 수지의 매트릭스내에 적층된 다수의 종방향 배향된 강화 섬유로 이루어진 복합체를 포함한다.

도 1A 내지 1J, 2, 3A 내지 3B 및 4A 내지 4C는 본 발명의 다양한 양태의 등적 형태를 나타낸 것이다.

본 발명의 강화 바는 열가소성 수지의 매트릭스내에 적층된 종방향 배향된된 강화 섬유로 이루어진 복합체를 포함한다. 본 강화 바는 미국 특허 제5,891,560호(Edwards et al.)에 기재된 바와 같은 인발 공정으로 편리하게 제조된다.

강화 섬유는 인발 공정을 통해 복합체내로 가공될 수 있는 임의의 강한 경질섬유일 수 있다. 적합한 섬유는 널리 공지되어 있으며, 시판되고 있다. 유리, 기타 세라믹, 탄소, 금속 또는 고융점 중합체성(예: 아라미드) 섬유가 적합하다. 상이한 유형의 섬유의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 특정한 목적하는 특성을 최적화시키기위해 상이한 유형의 섬유를 복합체와 함께 층으로 만들거나 또는 섞어 제직할 수 있다. 예를 들면, 복합체의 내부 영역에는 유리 섬유를 사용할 수 있으며, 외부 영역에는 카본 섬유와 같은 보다 고가의 섬유를 사용할 수 있다. 이에 의해 카본 섬유의 높은 강성의 이점이 수득되는 한편, 섬유의 총비용을 낮출 수 있다. 또한, 외부의 카본 섬유에 의해 유리 섬유를 시멘트내의 알칼리 환경으로부터 추가로 보호할 수 있다.

적합한 섬유는 널리 공지되어 있으며, 시판되고 있다. 직경이 약 10 내지 50㎛, 바람직하게는 약 15 내지 25㎛ 범위인 섬유가 특히 적합하다.

"종방향 배향된된" 것이란 강화 섬유가 복합체의 전체 길이를 통해 사실상 연속적으로 확장되며, 인발 공정 방향으로 정렬되어 있음을 의미한다.

대부분의 적용에 있어서, 유리는 이의 낮은 비용, 높은 강도 및 우수한 강성으로 인하여 바람직한 섬유이다.

본 섬유에 의해 목적하는 강화 특성이 주로 제공되므로, 복합체의 섬유 함량은 바람직하게는 편리한 한도내에서 높은 것이 바람직하다. 섬유 함량의 최대치는 섬유를 함침시키는 열가소성 수지의 능력에 의해서만 한정되며, 이들을 함께 접착시켜 공극률이 크지 않은 일체성형 복합체가 제조된다. 섬유는 유리하게는 복합체의 30용적% 이상, 바람직하게는 50용적% 이상, 보다 바람직하게는 65용적% 이상을구성한다.

열가소성 수지는 복합체를 제조하기 위한 인발 공정에 사용되도록 개질되며, 강화 섬유와 바람직하지 않게 반응하지 않는 임의의 수지일 수 있다. 그러나, 바람직하게는 열가소성 수지는 추가의 특성을 갖는다. 열가소성 수지는 바람직하게는 T_g가 50℃ 이상인 경질 중합체이다. 또한, 열가소성 수지는 바람직하게는 강화 섬유의 함침을 촉진시키도록 인발 공정중 저점도 용융물을 형성한다. 바람직하게는 열가소성 수지는 바람직하지 않은 방식으로 콘크리트와 반응하지 않으며, 물 및 통상적인 염에 대하여 사실상 불활성이다(즉, 노출되는 경우, 반응하거나, 흡수하거나 용해되거나 또는 심각하게 팽윤되지 않는다). 유용한 열가소성 수지는 이른바 "엔지니어링 열가소성 수지인데, 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 비닐 알코올, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아크릴로니트릴-스티렌-아크릴, ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌), 폴리카보네이트, 폴리프로필렌 및 아라미드 수지 및 이들의 브렌드가 포함된다.

특히 적합한 열가소성 수지는 해중합(depolymerization) 가능한 열가소성 수지 및 재중합(repolymerization) 가능한 열가소성 수지(DRTP)이다. 이들의 예로는 경질 열가소성 폴리우레탄 또는 폴리우레아(본원에서 둘 다 "TPU"로 지칭함)가 있다. TPU는 가열되는 경우 부분적으로는 잔류하는 중합 촉매로 인하여 부분적으로 해중합되는 특성이 있다. 촉매는 전형적으로는 가수분해적으로 안정하고, 열적으로 안정하며, TPU가 일단 중합되면 불활성화되지 않는다는 측면에서 "라이브(live)"이다. 이러한 해중합에 의해 TPU는 특히 낮은 용융 점도를 나타낼 수 있으며, 이에 의해 섬유의 함침이 증진된다. 냉각되는 경우, 폴리우레탄은 재중합되어 다시 고분자량의 중합체를 형성한다.

또한, TPU는 폴리프로필렌과 같은 보다 덜 극성인 수지에 의해 제조된 것에 비해, 콘크리트와 특히 강한 접착 결합을 형성한다.

적합한 열가소성 폴리우레탄은 예를 들면, 미국 특허 제4,376,834호(Goldwasser et al.)에 기재되어 있다. 본 발명에 사용하기에 적합하고, 경질 TPU를 사용하여 제조되는 섬유 강화된 열가소성 복합체는 미국 특허 제5,891,560호(Edwards et al.)에 기재되어 있다.

미국 특허 제5,891,560호에 기재되어 있는 복합체는 복합체의 길이에 따라 확장되는 강화 섬유가 30용적% 이상 함침된 유리하게는 폴리우레탄 또는 폴리우레아(또는 상응하는 티오우레탄 또는 티오우레아)인 연속상을 포함한다. 미국 특허 제5,891,560호에 기재된 일반적인 인발 공정은 예비가열 단계를 통해 섬유 묶음을 섬유 프리텐션(pretension) 장치, 함침 장치, 복합체를 이의 최종 형태로 만드는 다이를 포함하는 경화 장치, 및 냉각 다이로 이송하는 단계들을 포함한다. 이송은 유리하게는 캐터필러형 홀 오프 장치(caterpillar-type haul off machine)와 같은 홀 오프 장치를 사용하여 수행된다. 추가 쉐이핑(shaping) 또는 후성형 공정을 필요에 따라 추가할 수 있다.

미국 특허 제5,891,560호에 기재된 바와 같이, 바람직한 연속상 중합체는 바람직하게는 분자당 2개의 이소시아네이트 그룹을 갖는 폴리이소시아네이트(a), 쇄 연장제(b), 및 2개 이상의 이소시아네이트 반응성 그룹을 함유하는 임의의 높은 당량(즉, 약 700 내지 약 4000의 당량)의 물질(c)의 대략적인 화학양론적 양을 반응시킴으로써 제조된 열가소성 폴리우레탄 또는 폴리우레아이다. "쇄 연장제"는 분자당 2개의 이소시아네이트 반응성 그룹을 가지며, 분자량이 약 500 이하, 바람직하게는 200 이하인 화합물을 의미한다. 적합한 이소시아네이트 반응성 그룹으로는 하이드록실, 티올, 1급 아민 및 2급 아민 그룹인데, 하이드록실, 1급 및 2급 아민 그룹이 바람직하며, 하이드록실 그룹이 특히 바람직하다.

바람직한 TPU는 경질이며, 유리 전이 온도가 50℃ 이상이며, 경질 세그먼트 함량(쇄 연장제와 폴리이소시아네이트 잔류물로 이루어진 TPU의 중량비로 정의된다)이 75% 이상이다. 경질 열가소성 폴리우레탄은 상표명 ISOPLAST^TM으로 시판되는 엔지니어링 열가소성 폴리우레탄이다. ISOPLAST는 더 다우 케미칼 캄파니(The Dow Chemical Company)의 등록상표이다.

T_g가 25℃ 이하인 "연질" 폴리우레탄을 사용할 수 있지만, 보다 연성인 복합체가 형성되는 경향이 있다. 따라서, "연성" 폴리우레탄을 경질 열가소성 폴리우레탄과 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. "연성" 폴리우레탄은 일반적으로 복합체의 연신을 향상시키기에 충분한 비율로 사용된다(섬유의 배향 방향). 본 목적은 일반적으로 "연성" 폴리우레탄이 블렌드의 50% 미만, 바람직하게는 25% 미만을 구성하는 경우에 성취된다.

바람직한 DRTP를 소량(즉, 50중량% 이하)의 기타 열가소성 수지[예: 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 비닐 알코올, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아크릴로니트릴-스티렌-아크릴, ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌), 폴리카보네이트, 폴리프로필렌 및 아라미드 수지]와 혼합할 수 있다. 필요한 경우, 중합체의 상 분리를 방지하기 위해 상용화제를 블렌드에 포함시킬 수 있다.

섬유 강화 복합체는 리바로 성형된다. 일반적으로, 리바는 높은 종횡 비(aspect ratio)(가장 긴 단면적 치수에 대한 길이의 비)를 갖는다. 통상적으로는 종횡 비는 약 20 내지 250이다. 물론, 리바의 가장 긴 단면적 치수는 강화시키려는 특정 구조에 따라 크게 변한다. 통상적으로는, 가장 긴 단면적 치수는 1/4인치 내지 3인치 이상(0.6㎝ 내지 7.5㎝)의 범위이며, 보다 통상적으로는 약 1/2인치 내지 약 2인치(1.2㎝ 내지 약 5㎝)의 범위이다.

또한, 리바를 바람직하게는 콘크리트와 기계적으로 결합할 수 있도록 이의 길이를 따라 단면이 벤딩되거나/되며 변형되는 특정한 곡면을 갖는 모양으로 쉐이핑한다. 이러한 쉐이핑은 리바의 제조 공정의 일부로서 온-라인으로 수행될 수 있거나 또는 현장 작동을 포함하는, 일부 후속적인 작동으로 수행될 수도 있다. 본 복합체는 용이하게 성형될 수 있으므로, 본 발명의 리바는 매우 다양한 배열을 가질 수 있다. 이러한 배열의 일부를 도 1A 내지 1J에 예시한다.

콘크리트로의 기계적 결합을 제공하기 위한 하나의 방법은 임의의 비원형 단면을 갖는 나선형 리바를 성형하는 것이다. 도 1A 및 1B는 이러한 개념을 나타낸것이다. 도 1A 및 1B에서, 강화 바(1 및 1A)는 별모양 단면 및 직사각형 단면을 각각 갖는데, 단면 모양의 배향은 리바의 길이를 따라 나선 모양이 된다. 나선형 단면은 원형이 아니므로, 리바(1 및 1A)는 도 1A의 참조번호 2 및 도 1B의 참조 번호 3 및 3A로 나타낸 바와 같이, 리바의 길이를 따라 물결치는 표면을 갖는다. 물결 모양의 표면에 의해 콘크리트와의 기계적 인터록킹(interlocking)이 제공된다. 이러한 효과는 원을 제외한 임의의 단면 형태를 인발시키고, 인발된 물질을 다이에 통과시킨 후 트위스팅시키거나 인발 공정중 다이를 회전시킴으로써 수득될 수 있다. 따라서, 단면은 예를 들면, 타원, 달걀 모양 또는 임의의 규칙적이거나 불규칙적인 다각형일 수 있다. 또한, 종종 바람직하게는 왼나사 및 오른나사 모두를 포함하는 나선형 리바를 제조할 수도 있다.

도 1G에 나타낸 바와 같이, 각각의 인발 부분을 2번 이상 트위스팅시켜 보다 두꺼운 리바를 제조하여 유사한 효과를 성취할 수 있다. 도 1G에서, 리바(81)는 서로 트위스팅되는, 섬유 강화 복합체의 4개의 작은 스트랜드(strand)(82)로 이루어진다. 트위스팅 단계는 인발 단계중 온-라인으로 수행될 수 있는 한편, 열가소성 수지는 여전히 인발된 스트랜드(82)를 열성형시킬 수 있는 것과 같은 온도에 있게 된다. 또한, 스트랜드(82)를 재가열하고 트위스팅하여 인발 공정과는 별도로 리바(81)를 형성시킬 수 있다. 물론, 보다 작은 수의 스트랜드는 리바(81)의 목적하는 두께 및 개개의 스트랜드(82)의 목적하는 두께에 따라, 예를 들면, 2 내지 12 이상으로 변할 수 있다. 유사한 리바를 수득하기 위한 또 다른 방법은 개개의 스트랜드(82)를 단순히 트위스팅하지 않고, 브레이딩(braiding)하거나 제직하는 것이다.

도 1B는 또 다른 형태를 나타낸 것인데, 홀(4) 강화 바(1A)의 길이를 가로질러 중공 부분을 형성한다. 예를 들면, 단면적에 대한 표면적 비가 보다 큰 좀 더 가벼운 강화 바를 제조하기 위해서 홀(4)을 제공할 수 있는데, 이것은 표면이 콘크리트와 좀더 화학적으로 결합하는 것이 중요한 곳에서 유리할 수 있다. 이러한 유형의 중공 강화 바를 벤딩시키거나 또는 콘크리트내로의 기계적 인터록킹을 위해 표면에 불규칙성을 제공하기 위해서, 이를 가열하여 용이하게 크림핑(crimping)시킬 수 있다. 또한, 특정한 목적하는 생성물 특성을 성취하기 위해 홀(4)을 다양한 물질로 채울 수 있다. 예를 들면, 홀(4)에 열가소성 수지 또는 열경화성 수지(예: 오프-스펙 또는 재활용 수지), 및 다양한 충전제[예: 유리, 자석, 기타 금속성 입자, 목재, 및 세라믹 또는 금속성(예: 강) 로드]를 채울 수 있다.

도 1B, 1C 및 1J에 나타낸 유형의 중공(hollow) 리바는 인발 공정의 강화 장치내의 원형 다이를 사용하여 용이하게 제조된다. 충전제 물질을 경우에 따라 생성된 홀 속으로 사출 성형시킬 수 있다. 또한, 복합체를 충전제 물질의 코어에 대하여 직접 인발시킬 수 있다.

짧고[바람직하게는 2인치 미만(5㎝ 미만), 보다 바람직하게는 1/2인치 미만(3㎝ 미만)], 랜덤하게 배향된 강화 입자를 갖는 수지 매트릭스가 충전제 물질의 특히 적합한 형태인데, 왜냐하면 이에 의해 리바의 일방향 강화가 제공되기 때문이다. 충전제 물질의 또 다른 바람직한 형태는 금속이거나, 금속 섬유 또는 입자를 함유하는 수지 매트릭스 또는 기타 매트릭스이다. 예를 들면, 보수를 해야하는 경우에는 콘크리트 구조물내의 리바를 종종 찾아야할 필요가 있다. 금속 충전제 물질로 인해 보통의 금속 탐지기를 사용하여 리바를 찾을 수 있으며, 마찬가지로 강 리바를 용이하게 찾을 수 있다.

충전제 물질의 또 다른 제3의 바람직한 형태는 자기 입자를 함유하는 수지 매트릭스 또는 기타 매트릭스이다. 강한 자장에 노출되는 경우, 자기 입자는 가열될 것이다. 이에 의해 현장 성형용 리바를 연화시키는 통상적인 방법이 제공된다. 가열된 자기 입자는 열가소성 수지에 열을 전달하며, 이에 의해 리바가 요구하는 형태로 성형할 수 있을 만큼 연화된다. 자기 입자로는 바륨 페라이트 및 스트론튬 페라이트, 산화철(예: Fe₃O₄및 Fe₂O₃), 철 합금, 알루미늄, 니켈, 코발트, 구리, 카본, 티탄, 망간, 크롬, 텅스텐, 백금, 은, 몰리브데늄, 바나듐 또는 니오븀 또는 이들의 혼합물(예: 알니코 합금, 쿠니코 합금, 크롬 강, 코발트 강, 탄소강 및 텅스텐 강). 자기화시킬 수 있는 입자의 크기는 일반적으로 ㎛ 내지 mm의 범위이다. 강자성적으로 피복된 열가소성 수지의 시판 제품의 예로는 EMAWELD^TM삽입층[애쉬랜드 케미칼 캄파니(Ashland Chemical Co.)의 등록상표]이 있다.

도 1C에 나타낸 바와 같이, 중량을 과도하게 증가시키지 않고 편재된 강화를 제공하기 위해서, 홀(24)을 이의 길이의 미리 선택된 부분에만 채울 수 있다. 도 1C에서, 홀(24)은 리바(21)의 길이를 따라 세로로 팽창한다. 충전 물질(25)을 홀(24)의 중간 부분에 채우고, 다른 부분의 홀(24)에는 채우지 않는다. 따라서, 충전제 물질(25)에 의해 리바(21)의 길이의 중심(통상적으로 전단력이 가장 큰 곳이다)에 향상된 전단 강도가 제공된다. 특히, 본 발명의 이러한 양태는 후술하는 바와 같은 다우엘 바(dowel bar)로서 유용하다.

도 1J에 나타낸 리바는 콘크리트와 기계적 인터록킹을 제공하는 또 다른 방법을 예시한 것이다. 도 1J에서, 리바(91)는 크림핑 또는 크러슁(crushing)에 의해 통상적으로 제조되는 홀(92) 및 평탄화된 영역(93)을 갖는다. 콘크리트에 기계적 결합을 제공하는 것 이외에, 평탄화된 영역(93)에 의해 리바(91)를 보다 용이하게 벤딩시키거나 쉐이핑시킬 수 있는 지점이 제공된다. 도 1J에 나타낸 바와 같이, 리바(91)는 중공이지만, 꼭 그런 것은 아니다.

반대로, 도 1E에 나타낸 바와 같은 증가된 단면의 영역을 제공하면 콘크리트와 기계적으로 결합시킬 수 있다. 도 1E의 리바(31)의 영역(38)은 나머지 부분에 비해 보다 큰 단면 직경을 갖는다. 이는 리바 위에, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 특히 랜덤하게 배향된 강화 섬유를 함유하는 수지를 오버몰딩시킴으로써 성취될 수 있다. 그러나, 하부층 복합체에 대한 오버몰드의 접착이 때때로 불충분하기 때문에 오버몰딩은 덜 바람직한 방법이다. 이를 성취하기 위한 또 다른 방법은 인발 공정시 다양한 직경을 갖는 다이를 사용하는 것이다. 다이의 직경을 주기적으로 증가시킴으로써, 굵은 직경을 갖는 영역이 리바 위에 형성될 수 있다.

도 1D에서, 리바(41)의 오프셋 부분(47)에 의해 콘크리트와의 기계적 연결이 생성된다. 이는 단면이 다각형인 리바의 모서리를 크림핑하거나 열성형함으로써 수행될 수 있다. 도 1F에서, 기계적 결합은 만곡부(59)를 리바(51)에 도입함으로써 생성된다. 만곡부(59)는 도 1F에 일반적으로 싸인 곡선형 만곡부로써 나타내었지만, 마찬가지로 기타 패턴의 날카로운 벤드 및 만곡부인, 편재된 만곡부도 유용하다. 리바를 콘크리트내에 기계적으로 결합시키기 위한 지점을 제공하는 것 이외에, 이러한 만곡부는 리바에 다소 향상된 연신성을 제공하는 경향이 있다. 하중이 만곡된 리바에 적용되는 경우, 적용된 힘의 일정 수준 이상이 바를 직선화시키는데 분산될 때까지는 리바는 파괴되지 않는다.

도 1H는 콘크리트와 연결하기 위해 융기된 표면 특성을 제공하기 위한 또 다른 방법을 나타낸 것이다. 도 1H에서, 리바(71)는 리바(71)의 본체(72) 위에 오버몰드되거나 인발될 수 있는 나선형 와인딩 부분(75)을 갖는다. 바람직한 양태에서, 본체(72) 및 와인딩 부분(75) 둘 다는 상술한 바와 같은 열가소성 수지와 종방향 강화 섬유로 이루어진 인발된 복합체이다. 본 리바(71)는 본체(72)와 와인딩 부분(75)을 별도로 압출시키고, 와인딩 부분을 열성형하여, 본체(72)에 접착되도록 하는 승온에서 랩핑함으로써 용이하게 제조된다. 리바(71)를 제조하기 위한 또 다른 방법은 모양이 있는 회전 다이를 사용하여 본체(72) 및 와인딩 부분(75)을 함께 단일 단계로 제조하는 것이다. 세번째 방법은 모양이 있지만, 고정된 다이를 사용하여 본체(72) 및 와인딩 부분(75)를 단일 단계로 제조한 다음, 인발된 부분을 온-라인 또는 별도의 공정 단계로 트위스팅시키는 것이다.

기계적으로 결합시키기 위한 또 다른 방법은 도 1I에 나타낸 바와 같은 융기된 표면 딤플(dimple)을 제공하는 것이다. 나타낸 바와 같이, 리바(86)는 주 표면으로부터 돌출되어 있는 다수의 딤플(89)을 갖는다. 마찬가지로, 이는 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다. 간단한 방법은 열가소성 수지가 연화된 상태로 있는동안 강화 리바(86)의 표면에 적합한 입자를 부분적으로 적층시키는 것이다. 적합한 입자로는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 유리 및 기타 세라믹 물질, 금속 입자, 모래 및 기타 광물이 있다.

도 2에 나타낸 또 다른 양태에서, 본 발명에 따른 리바(201)는 코어(203) 및 덮개(202)를 포함한다. 코어(203)는 적합한 강 또는 기타 금속이다. 상술한 바와 같이 덮개(202)는 열가소성 수지와 종방향 강화된 섬유로 이루어진 복합체이다. 리바(201)의 뚜께에 대한 덮개(202)의 두께는 전체적으로 이것이 사용되는 특정한 적용에 따라 변할 수 있다. 상대적으로 두꺼운 코어(203)에 의해 통상적인 강 리바의 강화 특성에 비해 매우 우수한 강화 특성이 리바(201)에 제공되며, 덮개(202)에 의해 코어(203)를 물, 염 및 기타 부식성 물질의 노출로부터 보호한다는 추가 이점이 있다. 상대적으로 얇은 코어(203)는 보다 약한 강도를 제공하지만, 통상적인 금속 탐지기를 사용하여 콘크리트 구조물내의 리바(201)의 위치를 찾을 수 있다.

본 발명의 강화 바는 경우에 따라 복잡한 강화 구조물로 용이하게 제조된다. 이는 강화 재료의 열경화성을 이점으로 하는 다수의 방법에 의해 성취될 수 있다.

예를 들면, 도 3A는 상술한 바와 같은 DRTP로 이루어진 개개의 작은 직경의 복합체 스트랜드(302) 및 종방향 강화 섬유로부터 제조된 강화 그리드(301)를 나타낸 것이다. 개개의 스트랜드(302)는 열가소성 수지가 연화되어 개개의 스트랜드가 서로 부착시키기 위한 이들의 교차점에서 스트랜드(302)를 가열함으로써 단일 그리드로 용이하게 성형된다. 또한, DRTP가 연화되어, 스트랜드가 다소 유연해지도록개개의 스트랜드(302)를 다시 가열함으로써 개개의 스트랜드(302)를 함께 제직할 수도 있다. 또한, 개개의 스트랜드를 적합한 접착제(예: 고온 용융 접착제)와 함께 부착시킬 수 있다. 보다 덜 바람직하게는, 스트랜드(302)를 그리드(301)내로 결합시키기 위해 기계적 수단을 사용할 수 있다.

도 3B는 본 발명의 리바로부터 제조된 전단 트러스(310) 또는 유사한 집합물을 나타낸 것이다. 전단 트러스(310)는 직선형 리바(311 및 312)와 만곡형 리바(313)로 이루어진다. 리바(311, 312 및 313)는 접착제를 사용하거나, 용접 또는 임의의 형태의 기계적인 커넥터(connector)를 사용함으로써 이의 교차점에서 용이하게 연결된다. 경우에 따라, 성형된 커넥터를 성형하여 개개의 성분을 서로 연결시킬 수 있다. 이러한 커넥터 또는 브릿지는 강화 바(311, 312 및 313)와 동일한 섬유 강화 복합체로부터 성형될 수 있다. 또한, 커넥터 또는 브릿지는 비강화 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 이루어질 수 있다.

전단 트러스(310) 이외에 다수의 복잡한 강화 구조물을 특정한 목적의 필요에 따라 유사한 방식으로 제조할 수 있다는 사실이 명백하다.

본 발명의 섬유 강화 리바는 용이하게 제조되어 일체형 연결 특성을 생성시킬 수 있다. 예를 들면, 도 4A는 리바(401)를 다른 리바 또는 기타 구조 성분에 연결하는데 사용될 수 있는 말단 후크(hook)(407)를 갖는 리바(401)를 나타낸 것이다. 또한, 본 발명의 리바(408)는 성분이 웨징(wedging) 작용을 통해 부착되기 쉽도록 하는 도 4B에 나타낸 바와 같은 변형된 말단(409)을 가질 수 있다.

도 4A에 나타낸 유형의 만곡부 및 도 4B에 나타낸 것과 같은 변형은 섬유 강화 복합체를 열가소성 수지가 연화되는 온도로 재가열하고, 연화된 복합체를 원하는 형태로 성형한 다음, 열가소성 수지가 재경화되도록 복합체를 냉각시키는 후성형 공정에 의해 편리하게 도입된다. 유사한 방식으로, 고리화된 리바를 원형 또는 타원형 리바와 같이 제조할 수도 있다.

본 발명의 리바를 간단히 벤딩시키거나 커빙시키면 특정한 양의 섬유 비틀림(fiber buckling) 또는 변형이 야기되는 경향이 있다는 사실에 주의해야 한다. 이는 벤드 또는 만곡부의 내부의 곡면 반경이 만곡부의 외부의 곡면 반경 보다 작기 때문이다. 따라서, 벤딩 또는 커빙 공정에 의해 벤드 또는 만곡부의 내부 의 섬유 위에 압축 응력이 작용하고, 벤드 또는 만곡부 외부의 섬유 위에 인장 응력이 작용하게 된다. 이러한 문제는 복합체를 벤딩시키거나 커빙시키는 경우 이를 트위스팅시킴으로써 크게 또는 완전히 극복할 수 있다. 이에 의해 모든 섬유가 거의 동일한 인장 응력 또는 압축 응력을 받으며, 이에 의해 비틀림 또는 변형이 저하되거나 제거된다. 이러한 트위스팅시키고, 벤딩시킨 리바내의 섬유의 배향을 도 4C에 나타내었다. 리바(410)는 리바(410)의 종방향을 따라 트위스팅되는 섬유(411)를 포함한다. 이에 의해 모든 섬유(411)는 유사한 압축 응력과 인장 응력을 받을 수 있다. 또한, 종방향 트위스팅에 의해 복합체에 명백히 보다 더 큰 연성이 제공된다.

몇몇 콘크리트 구조물에 사용되는 리바의 특별한 형태는 다우엘 바로서 공지되어 있다. 다우엘 바는 종종 예를 들면, 콘크리트 도로의 인접한 콘크리트 도로 표면의 패널들을 결합시키는데 사용된다. 다우엘 바는 하나의 패널에 매봉된 다우엘 바의 한쪽 말단과 제2의 패널에 매봉된 다른 쪽 말단에 의해 인접한 패널을 "연결"시킨다. 리바의 수 많은 다른 형태와는 상이하게, 종종 다우엘 바는 패널에 대하여 이동할 수 있다는 점에서 바람직하다. 도로에서, 이에 의해 개개의 로드 패널이 서로에 대하여 약간 이동하여 열적인 팽창 및 수축에 적응하게 된다.

본 발명의 리바는 다우엘 바로서 작용하도록 용이하게 개질된다. 다우엘 바로서 사용하기 위해서는, 바는 콘크리트와 기계적으로 결합되지 않는 것이 바람직한데, 따라서 바람직하게는 본 발명에 따라 제조된 다우엘 바는 이들의 길이에 따라 일정한 단면을 갖는 직선 조각이다. 바람직한 TPU는 콘크리트에 강하게 접착되는 경향이 있기 때문에, 콘크리트에 잘 부착되지 않는 피복물을 적용하는 것이 바람직하다. 임의의 비극성 수지로 이루어진 피복물(예: 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리프로필렌)이 본 목적에 적합하다. 다우엘 바는 인접한 콘크리트 패널이 만나는 지점에서 가장 큰 전단력에 놓이게 되므로, 본 발명의 리바를 추가로 리바의 상응하는 부분에서 강화시킬 수 있다. 이는 도 1C에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 중심 코어가 리바 길이의 거의 중심을 채우는 중공 리바를 형성시킴으로써 수행될 수 있다.

본 발명의 기타 다른 리바는 이들이 사용되는 특정한 콘크리트 구조물의 필요에 따라 변형될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들면, 채널을 콘크리트 표면에 도입하고, 채널내로 리바를 결합시킴으로써 리바를 콘크리트의 표면에 인접하여 삽입할 수 있다. 이러한 표면 근처에 매봉된 리바는 현존하는 구조물의 개량 및 보수에 있어서 유용하다.

본 발명의 리바는 통상적인 강 리바가 사용되는 것과 매우 유사한 방식으로 사용된다. 리바를 적소에서 수집하면, 콘크리트 구조물이 형성되는 곳에 뼈대 또는 골격이 형성된다. 개개의 리바를 타이(tie), 클램프(clamp), 용접, 브래킷(bracket), 스냅-온-브릿지(snap-on-bridge) 또는 기타 커넥터, 아교 등을 포함하는 다양한 방법으로 서로 연결하여, 콘크리트가 주입되고 경화될 때까지 이들을 위치에서 유지시킬 수 있다. 바람직한 양태에서, 콘크리트는 뼈대 또는 골격 위에 주입되고, 경화된다.

본원에서 사용된 바와 같이, "콘크리트"는 몰타르 또는 시멘트내의 자갈, 조약돌, 모래, 돌, 슬래그 또는 광재와 같은 특정한 충전제의 혼합물을 의미하는 일반적인 의미로서 사용된다. 적합한 시멘트로는 포틀랜드(Portland) 시멘트 또는 알루미노 시멘트와 같은 수경 시멘트를 포함한다. 시멘트 또는 콘크리트는 예를 들면, 플라스틱 라텍스, 수화 보조제, 경화제 등과 같은 기타 성분을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 리바는 다양한 형태의 구조물에 있어서 외부 강화물로서 사용될 수도 있다. 리바는 쉽게 열성형될 수 있으므로, 리바의 말단 부근을 벤딩시켜, 예를 들면, 직사각형 형태의 리바를 제조할 수 있다. 리바의 말단을 구조물내로 삽입함으로써 이러한 리바를 구조물의 표면내로 결합시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 강화물을 구조물내에 존재하는 균열에 적용하여 추가의 균열의 전파를 저지시키거나 방지할 수 있다.

리바 이외에 또는 리바와는 별도로, 복합체 "메가화이버(megafiber)"를 콘크리트내로 분산시켜 콘크리트를 강화시킬 수 있다. 충분히 많은 경우라면, 이러한 메가화이버에 의해 리바에 의해 제공된 강도가 제공될 수 있으며, 동시에 작은 화이버를 제공할 수 있는 크랙을 제어할 수 있다.

Claims (24)

1. 열가소성 수지의 매트릭스내에 매봉(embedding)된 다수의 종방향 배향된 강화 섬유로 이루어진 복합체를 포함하는 강화 바(reinforcing bar).
2. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열가소성 수지가 해중합(depolymerization) 가능하고, 재중합(repolymerization) 가능한 열가소성 수지인 강화 바.
3. 제2항에 있어서, 콘크리트내로 기계적으로 인터록킹(interlocking)되기에 적합한 강화 바.
4. 제2항에 있어서, 해중합 가능하고, 재중합 가능한 열가소성 수지가, T_g가 50℃ 이상인 열가소성 폴리우레탄 또는 열가소성 폴리우레아를 포함하는 강화 바.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 종방향 배향된 강화 섬유가 강화 바의 길이를 따라 연속적인 강화 바.
6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 종방향 배향된 강화 섬유가 유리 또는 카본 섬유인 강화 바.
7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 비원형 단면을 가지며, 리바의 길이를 따라 하나 이상의 나선형 부분을 포함하는 강화 바.
8. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 해중합 가능하고, 재중합 가능한 열가소성 수지 및 종방향 배향된 강화 섬유의 복합체로 이루어진 다수의 트위스팅(twisting), 제직 또는 브레이딩(braiding)된 스트랜드(strand)로 구성되는 강화 바.
9. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 커빙(curving)되거나 벤딩(bending)된 강화 바.
10. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 모서리를 갖는 다각형 단면을 가지며, 하나 이상의 모서리가 당해 리바의 길이를 따라 여러 곳에서 변형되는 강화 바.
11. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 리바의 나머지 단면에 비해 증가된 단면적을 포함하는 강화 바.
12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 중공(hollow)이 있는 강화바.
13. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 길이를 가로지르는 종방향 홀(hole)을 가지며, 종방향 홀의 일부분 이상이 열가소성 수지, 열경화성 수지, 자기 입자, 세라믹, 목재 또는 금속으로 충전되어 있는 강화 바.
14. 제13항에 있어서, 종방향 홀 부분만이 랜덤하게 배향된 짧은 강화 입자를 함유하는 수지 매트릭스로 충전되어 있는 강화 바.
15. 제12항에 있어서, 다수의 편평한 영역을 함유하는 강화 바.
16. 제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서, 다수의 융기된 표면 딤플(dimple)을 갖는 강화 바.
17. 제16항에 있어서, 융기된 표면 딤플이 열가소성 또는 열경화성 수지, 세라믹, 금속 또는 광물의 부분 매봉된 입자인 강화 바.
18. 제1항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 있어서, 열가소성 수지가 해중합 가능하고 재중합 가능한 열가소성 폴리우레탄 또는 폴리우레아와 소량의 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 비닐 알코올, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 아크릴로니트릴-스티렌-아크릴, ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌), 폴리카보네이트, 폴리프로필렌 또는 아라미드 수지와의 블렌드인 강화 바.
19. 상호연결되어 일체형 그리드(grid) 구조를 형성하는, 제1항, 제2항 및 제4항 중의 어느 한 항에 따르는 다수의 강화 바를 포함하는 강화 그리드.
20. 상호연결되어 일체형 전단 트러스(shear truss) 구조물을 형성하는, 제1항, 제2항 및 제4항 중의 어느 한 항에 따르는 다수의 강화 바를 포함하는 전단 트러스.
21. 제1항 내지 제10항 및 제11항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 있어서, 사실상 직선이며, 콘크리트에 접착되지 않는 외부 피복물을 포함하는 강화 바.
22. 제2항 또는 제4항에 있어서, 하나 이상의 와인딩 부분(winding)이 해중합 가능하고 재중합 가능한 열가소성 수지의 매트릭스내에 매봉된 다수의 종방향 배향된 강화 섬유의 복합체인 강화 바의 길이 둘레와 당해 바를 가로질러 트위스팅되어 있는 하나 이상의 외부 융기된 와인딩 부분을 포함하는 강화 바.
23. 콘크리트 매트릭스내에 매봉된 강화 바를 포함하는 콘크리트 구조물로서, 당해 강화 바가 열가소성 수지의 매트릭스내에 매봉된 다수의 종방향 배향된 강화 섬유의 복합체를 포함하는 콘크리트 구조물.
24. 제23항에 있어서, 콘크리트 매트릭스가 시멘트 또는 몰타르(mortar) 및 입상 충전제를 포함하는 콘크리트 구조물.