KR100816891B1 - 콘크리트 공극구조 개선을 위한 무기계 마이크로 퍼티와수용성 세라믹 도장제 및 이를 이용한 콘크리트 표면도장시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제에 의하여 콘크리트 표면 공극구조를 개선하여 콘크리트의 열화를 방지하고 내구성을 향상시키기 위한 것이다.

무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제가 폐쇄 공극을 갖는 유기질계 도막방식과는 달리 미세공극을 갖도록 하되 콘크리트내부에 존재하는 수분이 수증기(직경φ=0.0004μm)가 되어 밖으로 배출될 수는 있으나 외부의 물방울(직경φ=100~3000μm)은 콘크리트내부로 들어올 수 없는 크기의 공극(직경φ=0.02~1.0μm)을 갖도록 조성하여 콘크리트 표면 공극구조를 개선하면서 동시에 콘크리트와 수축 팽창율 등의 변형특성을 동일하게 하여 콘크리트와 함께 거동이 되게 함으로써 온도변화로 인하여 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제가 콘크리트 표면으로부터 탈리되지 않도록 한 구성이다.

여기에다 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제의 시공 작업이 일일이 수작업에 의존한 유기질계 도막방식과는 달리 스프레이 장비에 의하여 기계화시공이 가능하도록 함으로써 시공이 효율적이고 경제적이 되게 유용한 발명이다.

공극구조, 무기계 마이크로 퍼티, 수용성 세라믹 도장제.

Description

콘크리트 공극구조 개선을 위한 무기계 마이크로 퍼티와 수용성 세라믹 도장제 및 이를 이용한 콘크리트 표면 도장시공방법{Mineral micro putty and water soluble ceramic paint for improving porous structure of concrete surface and method coating concrete surface with mineral micro putty and water soluble ceramic paint}

본 발명은 여러 유해 환경으로 인해 성능이 저하된 콘크리트 구조물 및 신설되는 콘크리트 구조물의 탄산화 방지 및 내구성 증진을 위한 콘크리트 표면 도장 공법에 관한 것으로서, 교량, 하수암거와 탄산화된 터널 및 화제발생 후 복구된 터널, 지하 차도 등의 단면수복 보수 마감작업, 철도 교량의 콘크리트 교각의 마감작업, 새로 건설된 콘크리트 교량의 마감작업, 건물 외부의 콘크리트 마감작업, 지하주차장, 정수장, 하수처리장 등 모든 콘크리트 구조물의 탄산화 방지 및 내구성 증진을 위해 사용될 수 있다.

특히 본 발명에 따른 콘크리트 표면 도장시공방법은 콘크리트의 탄산화 및 염해에 의해 콘크리트가 열화 된 교량, 하수암거, 지하차도, 터널, 복개구조물 및 화재로 인하여 탄화된 콘크리트 구조물의 복구 마감, 완공 후 경과 연수가 오래된 건축구조물 및 각종 유해한 환경하에 건설된 신규 콘크리트 구조물의 탄산화 방지 및 내구성 증진을 위해 접착성 및 침투성이 우수한 미세 분말로 이루어진 무기계 마이크로 퍼티 및 특수세라믹을 사용한 초속경화 도료를 자동 설비를 이용하여 시공함으로써, 시공의 편리성과 공기의 단축 및 인건비 절감을 통한 경제성 있고, 우수한 시공 품질의 유지가 가능한 콘크리트 구조물의 탄산화 방지 및 내구성 증진을 위한 콘크리트 표면 도장시공방법에 관한 것이다.

콘크리트 구조물은 열화에 의하여 그 성능과 내구성이 현저하게 저하된다.

열화의 주된 원인은 콘크리트의 탄산화, 동결융해, 황산염 등이다.

열화의 결과는 콘크리트 표면이 균열되거나 박락되고 철근이 부식되는 현상으로 나타난다.

콘크리트의 탄산화, 동결융해, 황산염에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

① 탄산화에 의한 성능저하

콘크리트 탄산화란 최초 양생 후 대기 중의 이산화탄소와 직접 반응하거나 수분에 용해되어 반응하는 형태를 통해 콘크리트의 결합강도를 유지하는 바인더를 탄산화시킴으로써 급격한 강도저하 및 내부 철골의 부식을 진행시키는 현상을 말한다.

그 반응식은 다음과 같다.

CO₂+ Ca(OH)₂ = CaCO₃ + H₂O

콘크리트 탄산화는 콘크리트 표면으로부터 서서히 탄산화가 진행 되어 철근의 보호피막을 파괴시킨다.

이와 같이 콘크리트가 알칼리성을 소실하게 되면 방청력을 상실하여 내부에 매입된 철근을 녹슬게 한다. 철근이 부식되면 부식생성물에 의하여 2~10 배 정도의 체적팽창이 생겨 피복 콘크리트를 파괴하고 철근을 따라 균열이 발생하게 된다. 심한 경우 콘크리트를 박리 탈락시켜 철근이 노출되어 콘크리트 구조물의 내구성이 손상된다. 콘크리트 탄산화는 대기 중의 탄산가스 침투에 의해 진행된다는 점이 그 특성이다.

탄산화 깊이를 측정하고 탄산화된 콘크리트를 절취하여 새로운 콘크리트나 에폭시모르타르 등으로 교체하여 탄산화에 의한 구조물의 피해를 방지해야한다.

② 동결융해에 의한 성능저하

동결 융해 작용으로 인한 균열은 콘크리트 속의 수분이 동결할 때 생긴 얼음의 팽창압과 물의 이동압에 기인하여 발생하는 균열이다.

③ 황산염에 의한 성능저하

황산염 반응으로 인한 균열은 시멘트속의C₃A또는 시멘트의 수화로 인해 생성된 Ca(OH)₂와, 그리고 골재 속에 함유된 황산염 또는 외부로부터 들어온 황산염으로 인해 생성된

CaSO₄가 반응하여 에트린가이트를 생성되면서 그 팽창압으로 발생되는 균열이다.

이와 같이 콘크리트의 탄산화, 동결융해, 황산염 등은 콘크리트 표면의 공극이나 균열을 통하여 내부로 침투되어 일어나는 현상이다.

그런데 신설된 콘크리트 구조물이라 하더라도 그 표면에는 수화반응시 수화생성물이 불충분하여 무수히 많은 미세공극이 형성되게 된다.

그뿐만 아니라 미세공극과 마찬가지로 이때 미세균열도 발생하게 되는데 미세균열은 건조수축과 수화열로 인하여 발생된다.

콘크리트 구조물의 표면에 생긴 미세공극은 열화를 성장시키는 통로이다.

더 큰 균열이 존재한다면 이는 열화를 그만큼 더 촉진시키게 된다는 것은 말할 것도 없다.

유해물질이 콘크리트 표면의 미세공극을 통하여 콘크리트내부로 침투된다.

즉, 공기 중의 탄산가스(CO₂)나 물, 또는 황산염 등과 같은 유해물질이 콘크리트 표면의 공극을 통하여 콘크리트내부로 침투되어 콘크리트를 탄산화시키고, 황산염의 팽창압으로 인하여 균열이 발생되고, 또 동결융해로 인하여 균열을 발생되는 것이 바로 그것이다.

건조수축으로 인한 콘크리트 표면공극이 형성되는 것에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

건조수축은 콘크리트에서 시멘트 페이스트 구성요소의 수분이동에 의하여 생기는 현상이다.

콘크리트 내부에 비하여 상대적으로 대기와 접한 콘크리트 표면에서 수분이동이 빠르게 일어난다. 콘크리트 표면에서 증발형태로 수분이 이동되기 때문이다. 예컨대 기온이 높은 여름철에 콘크리트 표면으로부터 수분증발이 급격하게 일어나는 현상이 그 예이다. 이에 대하여 콘크리트 내부에서의 수분이동은 거의 없는 것 이나 다름없다.

이러한 건조수축에 의하여 콘크리트의 체적변화는 약 0.05%에 달한다.

이와 같이 대기와 접한 콘크리트 표면에서 수분이 빠르게 빠져나가게 되면 수축 변형도는 내부에 비하여 상대적으로 수축이 많이 일어나게 되어 콘크리트 표면에 인장 변형도가 유발하게 된다.

교각, 댐 및 기둥 등과 같이 매시브한 콘크리트일수록 콘크리트 표면의 인장 변형도가 커지게 된다.

콘크리트 표면의 인장 변형도는 콘크리트 표면에 미세균열, 즉 미세 공극을 발생시키게 된다. 바로 이것이 건조수축에 의해 콘크리트 표면에 공극이 생길 수밖에 없는 이유이다.

일반적으로 균열의 폭이 0.2mm정도 이상이 되면 통기(通氣)ㆍ통수(通水)하기 시작한다고 보고 있다. 균열의 폭은 계속 성장하게 되고 콘크리트의 열화 및 철근의 부식을 촉진하게 되므로 콘크리트 표면 보호가 필요한 시점이다.

이미 열화된 콘크리트 구조물인 경우가 신규 콘크리트 구조물인 경우보다 그 균열의 폭이 더 크고 더 빠르게 성장할 것이지만 콘크리트표면 보호의 필요성은 마찬가지다.

다음으로 콘크리트표면 보호를 위한 기존의 유기질계 도막방식의 특징과 그에 따른 문제점에 대하여 설명하면 다음과 같다.

1. 유기질계 도막방식

1) 정의

유기질계 도막방식은 콘크리트 표면에 유기질계 도료를 칠하여 면접착(面接着) 형태의 피막을 형성하여 콘크리트 표면을 보호하는 방식이다.

2) 유기질계 도막방식의 열화방지 메카니즘

유기질계 도막방식은 미세 공극이 전혀 없는 폐쇄도막을 콘크리트 표면에 형성함으로써 탄산가스(CO₂)나 물 또는 황산염 등과 같은 유해물질이 콘크리트내부로 일체 침투되지 못하도록 차단하여 콘크리트 구조물의 열화를 방지하는 메카니즘이다.

3) 유기질계 도막과 그 문제점

가. 유기질계 도막방식에 사용되는 유기질계 도료

여기에 사용되는 유기질계 도료는 에폭시계, 비닐에스테르계, 불소수지계, 아크릴 고무계, 염화고무계, 우레탄계 등이다.

나. 유기질계 도막방식의 문제점

유기질계 도막방식은 여러 가지 문제점을 가지고 있으나 가장 중요한 2가지 문제점을 먼저 설명한 다음 그 이외의 문제점에 대하여 설명하기로 한다. 이는 본원 기술내용의 이해를 용이하게 하기위해 설명의 편의상 이와 같이 구분한 것뿐이고, 그렇다고 문제점의 경중에 큰 차이를 두기위한 것은 아니다.

가) 2가지 문제점

유기질계 도막방식이 갖는 가장 두드러진 문제점은 2가지이다.

ⅰ) 그림1에서 보는바와 같이 유기도막이 미세 공극의 내부까지 침투하지 못하고 공극위에 들떠있는 것이 첫 번째 문제점이고,

ⅱ) 유기질계 도막이 미세 공극이 전혀 없는 폐쇄도막이므로 콘크리트내부에 존재하는 수분이 증기화되어도 밖으로 빠져나올 수 없는 것이 두 번째 문제점 이다.

ⅰ)과 ⅱ)의 문제점으로 인하여 유기도막이 파괴되는 결과를 가져온다.

미세공극에 존재하는 공기는 계절에 따른 기온에 직접적으로 영향을 받는다.

더운 여름철과 같이 기온이 높아지게 되면 미세공극내의 공기는 팽창하게 된다. 밖으로 빠져나오려는 공기의 팽창압이 유기도막에 대향하여 작용된다.

기온이 낮아지게 되면 공기의 팽창압이 작아지게 되고, 다시 기온이 높아지게 되면 팽창압이 커지게 된다.

이러한 온도변화에 따른 공기압력의 팽창 및 수축이 장기간에 걸쳐 반복하게 되면 면접착된 도막이 콘크리트 표면에서 탈리되거나 도막이 파괴되는 결과를 가져오게 된다.

여기에다 콘크리트내부에 존재하고 있는 수분이 기온의 변화에 따라 증기형태로 변환되게 되면 증기압이 발생된다. 콘크리트내부에서 발생된 증기압과 상기의 미세공극내의 공기의 팽창압이 서로 중첩되게 되면 도막의 파괴는 그만큼 더 촉진되게 된다.

나) 그이외의 문제점

⒜ 변형특성

유기질계 도막은 열팽창계수나 신장률 등의 변형특성이 콘크리트와 다르다.

유기질계 도료와 콘크리트의 성분이 서로 친화적이지 못하기 때문에 그 변형특성이 서로 다르다.

예컨대, 에폭시계열의 도료는 콘크리트와 온도변화에 따른 수축 팽창율이 서로 다르기 때문에 그 차이로 인하여 장기 부착력이 저하되어 도료가 콘크리트 표면에서 분리되는 박리현상이 발생되는 문제가 있다.

이와 같이 변형특성이 서로 다르기 때문에 온도변화와 시간의 경과에 따라 면접착된 도막의 부착력이 서서히 저하되면서 콘크리트 표면으로부터 도막이 탈락되는 문제가 있는 것이다.

⒝ 폐쇄도막

유기질계 도막은 콘크리트 내부의 수분이 외부로 배출될 수 없는 폐쇄도막이 특징이다.

콘크리트 내부의 수분이 장기간에 걸쳐 증발하면서 팽창압이 폐쇄도막을 부풀리면서 폐쇄도막을 콘크리트 표면으로부터 탈리시키는 작용을 하게 될 뿐 아니라 콘크리트 내부의 수분이 이동하여 콘크리트 표면과 도막사이에 물방울의 형태로 존재하게 되어 도막과 콘크리트 표면의 부착을 저하시켜 탈락시키는 문제점이 있다.

⒞ 열화된 콘크리트 표면의 제거

열화된 콘크리트 표면을 보호하기위해서는 유기질계 도막을 형성하기 전에 열화된 콘크리트 표면의 제거해야한다.

기존의 열화된 콘크리트 구조물의 표면제거 방법은 2가지가 사용되고 있다.

① 고진동의 치핑기에 의한 표면제거 방법

치핑기의 고진동으로 인한 충격이 콘크리트 표면에 미세균열을 발생시키게 원인이 되고, 이는 콘크리트 구조물의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

② 슬러리 형태의 퍼티제

슬러리 형태의 퍼티제는 액상수지와 무기분말(석고 등)로 구성된 형태로서 현장에서 혼합하여 사용한다.

슬러리 형태의 퍼티제는 일반적으로 널리 사용된다. 문제는 일일이 콘크리트표면에 수작업으로 도포하는 것이므로 비효율적이다.

③ 자외선과의 관계

유기질계 도료 중에서 특히, 에폭시계 도료는 수지 자체가 자외선에 의하여 쉽게 탈색되는 성질이 있으므로 햇빛에 노출되는 시간이 많은 실외 구조물에는 적용하기가 곤란한 문제점이 있다.

염화 고무계 도료도 자외선에 의하여 고무 성분의 탄성 저하가 뒤따르면서 동시에 이로 인하여 균열이 발생되어 내구성이 저하되는 문제점이 있다.

④ 유기질계 도막의 두께

유기질계 도막 방식에서의 도막의 두께는 100㎛ 미만으로 아주 얇다.

얇은 도막이기 때문에 고진동의 충격에서도 쉽게 도막이 파손되어 콘크리트 표면을 보호할 수 없게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 콘크리트의 열화를 방지하고 내구성을 향상시키기 위하여 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제에 의하여 콘크리트 표면 공극구조를 개선하고자함에 그 목적이 있고,

무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제가 폐쇄 공극을 갖는 유기질계 도막방식과는 달리 미세공극을 갖도록 하되 콘크리트내부에 존재하는 수분이 수증기(직경φ=0.0004μm)가 되어 밖으로 배출될 수는 있으나 외부의 물방울(직경φ=100~3000μm)은 콘크리트내부로 들어올 수 없는 크기의 공극(직경φ=0.02~1.0μm)을 갖도록 조성하여 콘크리트 표면 공극구조를 개선하고자함에 다른 목적이 있으며,

무기계 마이크로 퍼티의 미세입자가 콘크리트 표면 공극에 침투하여 공극구조를 φ=0.02~1.0μm의 미세한 공극형태로 변환시키고자함 뿐만 아니라 무기계 마이크로 퍼티의 성분 중 시멘트가 수화작용에 의해 생성된 수화생성물이 콘크리트 조직과 일체화되게 하여 콘크리트와 동일한 탄성계수를 갖도록 함으로써 콘크리트와 거동이 동일하고자함에 또 다른 목적이 있고,

잠열기능의 특성을 가진 세라믹을 주원료로 한 수용성 세라믹 도장제는 세라믹에 의하여 나노스케일의 졸(Sol)타입으로 전환되면서 그 중심에는 중공형(Hollow)이 형성됨으로써 콘크리트 모체보다 외부의 온도가 올라가면 열을 흡수하고, 기온이 내려가면 지니고 있는 열을 배출하여 콘크리트 모체를 보호하고 자함에 다른 목적이 있으며,

무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제의 시공 작업이 일일이 수작업에 의존한 유기질계 도막방식과는 달리 스프레이 장비에 의하여 기계화시공이 가능하도록 함에 다른 목적이 있으며,

시공이 효율적이고 경제적이 되게 함에 다른 목적이 있다.

본 발명은 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제에 의하여 다음과 같이 기존의 유기계 도막방식이 갖는 문제점을 해결한 것이다.

⒜ 유기계 도막이 폐쇄도막을 갖는 구성과는 달리 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제가 미세 공극을 형성하도록 한 구성이다.

콘크리트 표면에 부착된 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제의 미세공극의 크기는 콘크리트내부에 존재하는 수분이 수증기(직경φ=0.0004μm)가 되어 밖으로 배출될 수 있는 크기이다. 이와 반대로 외부의 물방울(직경φ=100~3000μm)은 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제의 미세공극을 통하여 콘크리트내부로 들어올 수 없는 크기이다. 이와 같이 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제는 φ=0.0004μm와 φ=100~3000μm 사이의 미세공극의 크기를 갖는 조성물로 이루어졌다. 바람직한 미세공극의 직경은 φ=0.02~1.0μm이다.

⒝ 유기계 도막이 면접착 형태로 접착되어 콘크리트표면공극에 침투되지 못한 채 그 공극위에 들떠있는 것과는 달리 무기계 마이크로 퍼티의 미세분말이 콘크리트표면공극에 침투되게 하면서 점접착 형태로 접착되게 함으로써 콘크리트표면과의 부착력을 강화시킨 구성이다.(그림 1 참조)

⒞ 유기계 도막은 콘크리트와 그 변형특성이 다르기 때문에 온도변화에 따른 수축 팽창율 및 탄성계수가 서로 달라 콘크리트표면에서 박리되는 것과는 달리 무기계 마이크로 퍼티의 변형율을 콘크리트 변형율과 거의 동일하게 형성한 구성이다.

⒟ 수작업시공에 의존하고 있는 기존의 작업방식과는 달리 무기계 마이크로 퍼티는 스프레이 장비에 의하여 기계화 작업이 가능한 구성이다.

⒠ 수용성 세라믹 도장제의 세라믹에 의하여 나노스케일의 졸(Sol)타입으로 전환되면서 그 중심에 중공형(Hollow)이 형성되는데 이 나노스케일의 중공형(Hollow)에 의하여 콘크리트 모체보다 외부의 온도가 올라가면 열을 흡수하고, 기온이 내려가면 지니고 있는 열을 배출하여 콘크리트 모체를 보호하는 구성은 유기계 도막방식에는 없는 구성이다.

⒡ 열화된 콘크리트의 표면 치핑은 종래와 같이 충격이 가해지는 고진동의 치핑기를 사용하지 않고 규사가 함유된 고압수로 샌딩 처리한 구성이다.

⒜~⒠의 요건을 만족하는 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제의 조성물의 배합성분과 그 배합비는 다음과 같다.

1) 무기계 마이크로 퍼티의 배합성분과 그 배합비

무기계 마이크로 퍼티는 폴리머 3~5중량%와, 시멘트 35~45중량%와, 규사 45~55중량%와, 혼화제 1~3중량%가 함유된 조성물(T)이다. 이 조성물(T)과 물(W)의 혼합비는 T : W =1 : 0.15~0.2로 혼합하여 사용한다.

그림 1

상기 폴리머는 재유화형 폴리머인 에틸렌 비닐 아세테이트, 스티렌-부타디엔 고무, 초산 비닐 비닐 바사테이트, 스틸렌 아크릴 에스터, 폴리 아크릴 에스터 등으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나의 분말상의 혼합된 폴리머이다.

폴리머는 휨강도, 부착강도, 내화학성을 증진시키는 효과가 있으며 3%이하로 사용할 경우 요구되는 성능을 발현할 수가 없고, 5%이상을 사용할 경우는 압축강도가 저하되고 비경제적이다.

상기 시멘트는 수화작용에 의하여 수화물을 생성함으로써 무기계 마이크로 퍼티가 콘크리트몸체의 표면조직과 일체가 되게 하여 양자의 거동을 동일하게 만든다. 무기계 마이크로 퍼티가 콘크리트의 변형특성이 같게 됨으로써 온도에 따른 수축팽창이 같아 무기계 마이크로 퍼티의 내구성이 강화된다. 35%이하로 시멘트를 사용할 경우 무기계 마이크로 퍼티의 수화생성물이 적어 콘크리트와의 조직이 일체화되는 것이 약해져서 콘크리트의 변형특성이 오래지속되지못하게 되고 또 45%이상이 되면 건조수축으로 인한 균열발생 및 작업성능이 저하되게 된다.

상기 혼화제는 AE제, 감수제, AE 감수제, 유동화제, 고성능 감수제, 지연제, 경화촉진제, 철근 방청제, 발포제, 방수제 등으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 혼화제이다.

혼화제는 사용재료의 작업성 및 성능을 개선하기위한 목적으로 사용되는 것이므로 1%이하로 사용될 경우 요구되는 성능을 발현할 수 없으며, 3%이상 사용할 경우에는 재료분리 및 작업성이 저하된다.

무기계 마이크로 퍼티의 콘크리트 표면 도장두께는 3~5mm정도가 바람직하다.

[실시예 1]

폴리머 4kg, 세멘트 40kg, 규사 55kg, 혼화제 2kg을 혼합하고 여기에 물 15.5kg을 혼합하여 각 입자들이 균일하게 분산된 무기계 마이크로 퍼티를 제조하였다.

이에 대한 실험결과는 표-1a 및 표-1b와 같다.

(실험예)

표-1a에서는 본 발명에 따른 마이크로 퍼티와 종래의 퍼티를 비교하여 나타내었다.

표-1a

비교예에 사용된 종래의 퍼티제는 자연 건조형으로 단면이 두꺼워 지면 건조되지 않아서 압축 및 휨강도용 시험체를 제작할 수 없었음.

표-1b

[사진촬영]

무기계 마이크로 퍼티와 종래의 퍼티의 부착특성을 알아보기 위하여 광학현미경으로 촬영한 사진은 그림 2와 같다.

그림 2에 나타난 바와 같이 종래의 퍼티는 콘크리트와 변형특성이 같지 않아 뚜렷한 경계면이 형성하고 있으며 조직 또한 치밀하지 않은 상태를 보여주고 있다.

이와 반대로 본 발명의 무기계 마이크로 퍼티의 경우 수화생성물에 의해 콘크리트 조직과 일체화되면서 부착된 특성을 보이고 있다. 장기적으로 안정된 부착력을 가지게 된다.

그림 2

2) 수용성 세라믹 도장제의 배합성분과 그 배합비

수용성 세라믹 도장제는 50~60중량%의 수지와 10~15중량%의 착색안료와 25~30중량%의 기능성체질안료와 1~5중량%의 혼화제로 배합된 조성물이다.

잠열기능의 특성을 가진 세라믹을 주원료로 한 수용성 세라믹 도장제는 나노스케일의 졸(Sol)타입으로 전환된 세라믹에 의하여 중심에 중공형(Hollow)이 형성 된다. (그림 3a 참조) 이 나노크기의 중공형은 외부의 열을 흡수, 배출하는 기능을 가진다. 이로 인하여 콘크리트 모체보다 외부의 온도가 올라가면 열을 흡수하고, 기온이 내려가면 지니고 있는 열을 배출하여 콘크리트 모체를 보호하게 된다.

그림 3a

그림 3b

또한 그림 3b 에서와 같이 특수세라믹은 양 끝단에 양극과 음극을 가지고 있으며 양극으로부터 대기 중의 음이온을 흡수하여 내부에 축적하여 잉여 음이온이 음극으로 끝없이 방출되면서 특수세라믹에 미세전류가 발생한다.

따라서 특수세라믹으로 제조된 수용성 세라믹 도장제는 시공된 부위와 대기 중의 수분이 접하게 되면 특수세라믹에서 발생된 미세전류에 의해 전기분해가 일어 나며 이때 계면활성물질이 생성된다.

상기 수지는 아크릴 에멀젼 수지, 세라믹 수지, 실리콘 수지 등 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 혼합된 수지이고, 수지의 역할은 부착력과 내후성의 성능과 기초물성을 나타내는 것이며 50중량%이하이면 상기 기능의 발현이 어려우며 60중량% 이상이면 도막의 경도저하로 인하여 도막의 약화 및 크랙의 발생요인이 되면 상대적으로 고가이므로 제조 및 경제적인 문제점이 있다.

상기 착색안료는 산화망간, 산화크롬, 산화철, 산화코발트 등으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 혼합된 착색안료이며, 착색안료의 역할은 코팅제의 색상을 나타내는 역할을 수행하며 10%이하인 경우에는 은폐력이 떨어지는 문제가 발생할 수 있으며, 15%이상이 되면 물성을 저하시킬 수 있다.

상기 기능성 체질 안료는 지르코니아, 알루미나, 지르콘, 티타늄, 토르마린, 칼슘실리게이트 등으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 혼합된 기능성 체질안료이고, 도막의 경도를 향상시키고, 난연성, 향균성, 잠열기능 등의 기능성을 발현하는 역할을 수행하며, 25%이하가 되면 난연성, 향균성, 경도, 잠열기능, 원적외성 등의 기능성이 저하될 수 있으며, 30%이상이 되면 도막의 불균일로 인한 강도저하 및 흡수량의 증가로 도막의 약화 및 크랙발생의 원인이 되며 상대적으로 고가이므로 비경제적이 된다.

상기 혼화제는 소포제, 분산제, 증점제, 방청제, 유화제, 무기항균제, 증포제, 자외선 차단제, 부착증진제 등으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 혼화제이며 발생기포를 작게 만들고 안료의 재응집을 방지하며 도막의 색상변화 및 수지의 변화를 억제하는 역할을 한다.

1%이하가 되면 기포의 발생으로 인한 물성의 저하 및 도막의 색상이 변화되는 문제가 있을 수 있으며 5%이상이 되면 작업성이 저하되는 문제가 발생될 수 있으며 고가이어서 비경제적이다.

또한, 본 발명에 사용되는 나노 스케일의 수용성 고분자 특수 에멀젼 수지는 도막의 표면이 0.2~1.0㎛의 hole로 구성되어 있어 콘크리트 내부에서 발생하는 수증기(직경 0.0004㎛)는 배출시키고, 100~3,000㎛인 물방울의 침입은 방지할 수 있는 구조를 가지고 있어 투습 및 방수의 기능을 한다.

[실시예 2]

아크릴 에멀젼 수지, 세라믹 수지, 실리콘 수지 등 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 혼합된 수지 57kg, 산화망간, 산화크롬, 산화철, 산화코발트 등 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 혼합된 착색안료 12kg, 지르코니아, 알루미나, 지르콘, 티타늄, 토르마린, 칼슘실리게이트 등 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 혼합된 기능성 체질안료 27kg, 소포제, 분산제, 증점제, 방청제, 유화제, 무기항균제, 증포제, 자외선 차단제, 부착증진제 등으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 혼화제 4kg을 혼합하되, 수지에 착색안료 및 기능성체질안료의 일부를 혼합하고 첨가제 일부를 투입하여 30~45℃에서 분산한다. 여기에 또 다른 수지를 투입하연서 서서히 교반하면서 기능성 체질안료의 일부와 첨가제의 일부를 투입하여 30분 이상 120rpm으로 균질한 상태가 될 때까지 교반하여 수용성 세라믹 도장제를 제조하였다.

이와 같이 제조된 수용성 세라믹 도장제의 물성을 종래의 제품과 비교한 실험결과는 표 2와 같다.

표 2

3) 콘크리트 표면의 미세 공극이 본 발명의 무기계 마이크로 퍼티와 수용성 세라믹 도장제에 의하여 개선된 구조

그림 4는 콘크리트의 표면과 마이크로 퍼티의 표면, 수용성 세라믹 도장제의 표면을 광학현미경을 이용하여 촬영한 사진이며 각각의 미세공극을 수은압입법(MIP)을 이용하여 측정한 결과이다. 결과를 통해 콘크리트 표면이 점진적으로 미세한 공극구조로 바뀌어 지는 것을 알 수 있으며 이는 보다 미세한 공극구조를 가진 재료를 코팅함으로써 얻어지는 결과이다.

그림 5는 본 발명의 무기계 마이크로 퍼티와 수용성 세라믹 도장제에 의하여 콘크리트 표면의 미세 공극구조의 변화하는 모습을 MIP분석(수은압입법)을 통해 알아본 그래프이다.

다음으로 콘크리트 공극구조개선을 위한 무기계 마이크로 퍼티와 수용성 세라믹 도장제를 이용한 콘크리트 표면 도장시공방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

1) 열화된 콘크리트 구조물의 공극구조를 개선하는 경우

⒜ 콘크리트의 표면에 규사가 5~10중량% 함유된 고압수를 600~ 900bar로 분사하여 콘크리트 표면을 3~5mm정도를 제거하는 단계;

⒝ 무기계 마이크로 퍼티를 4~6bar의 고압으로 콘크리트 표면에 스프레이시켜 3~5mm의 두께를 형성하면서 콘크리트 구조물의 표면에 존재하는 공극구조를 0.02~0.1㎛의 미세 공극형태로 전환시키는 단계;

⒞ 상기 무기계 마이크로 퍼티가 도포된 그 위에 수용성 세라믹 도장제를 에어리스를 통해 1~3회 분사하여 80~100㎛의 두께가 되게 도포하고 콘크리트 구조물의 표면에 존재하는 공극구조를 0.02~0.1㎛의 미세 공극형태로 전환시키면서 표면을 매끄럽게 하는 단계; 를 포함함을 특징으로 하는 콘크리트 공극구조개선을 위한 무기계 마이크로 퍼티와 수용성 세라믹 도장제를 이용한 콘크리트 표면 도장시공방법이다.

2) 신설되는 콘크리트 구조물의 공극구조를 개선하는 경우

⒜ 50~60중량%의 수지와 10~15중량%의 착색안료와 25~30중량%의 기능성체질 안료와 1~5중량%의 혼화제로 배합된 수용성 세라믹 도장제를 조성하는 단계;

⒝ 콘크리트 구조물의 표면에 수용성 세라믹 도장제를 에어리스를 통해 1~3회 분사하여 80~100㎛의 두께가 되게 도포하고 콘크리트 구조물의 표면에 존재하는 공극구조를 0.02~0.1㎛의 미세 공극형태로 전환시키면서 표면을 매끄럽게 하는 단계; 를 포함함을 특징으로 하는 콘크리트 공극구조개선을 위한 수용성 세라믹 도장제를 이용한 콘크리트 표면 도장시공방법이다.

① 본 발명은 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제에 의하여 미세 공극을 형성시켜 콘크리트 표면 공극구조를 개선한 것이므로 콘크리트 내부에 존재하고 있는 수분이 수증기형태가 되어 배출되면서 동시에 외부의 물방울은 콘크리트 내부로 침투되지 않게 되어 콘크리트 구조물의 열화가 방지되고 내구성이 향상되게 된다.

② 무기계 마이크로 퍼티는 미립자이어서 콘크리트 표면 공극에 침투가 가능할 뿐 아니라 점접착 형태로 콘크리트 표면에 부착되므로 폐쇄도막의 면접착 형태를 갖는 유기계 도막에 비하여 부착력이 우수하다.

③ 무기계 마이크로 퍼티는 시멘트가 주성분이므로 시멘트의 수화작용에 의 해 생성된 수화생성물이 콘크리트 구조물조직과 동일하여 온도변화에 따른 수축팽창이 동일하기 때문에 장기적으로 부착이 안정적이고 시간이 경과될수록 부착력이 증대된다.

④ 잠열기능의 특성을 가진 특수세라믹을 주원료로 한 수용성 세라믹 도장제는 나노스케일의 졸(Sol)타입으로 전환된 특수세라믹의 중심에 중공형(Hollow)이 형성되어 콘크리트 모체보다 외부 온도가 올라가면 열을 흡수하고, 기온이 내려가면 지니고 있는 열을 배출하여 콘크리트 모체를 보호하게 되므로 콘크리트 구조물의 열화가 방지되고 내구성이 향상되게 된다.

⑤ 무기계 마이크로 퍼티와, 그리고 수용성 세라믹 도장제의 시공 작업이 일일이 수작업에 의존한 유기질계 도막방식과는 달리 스프레이 장비에 의하여 기계화시공이 가능하므로 시공이 효율적이고 경제적인 유용한 발명이다.

도 1은 본 발명에 의한 무기계 마이크로 퍼티 및 수용성 세라믹 도장제를 이용한 콘크리트의 탄산화 방지 및 내구성 증진공법의 시공 공정도이고, 도 2는 상기 공법에 의한 시공 단면도를 보인 것이다. 이를 참조하면, 먼저 기존 콘크리트의 열화부위 및 신설 콘크리트 표면을 외력으로 인해 충격을 받지 않도록 규사가 함유된 600 bar 이상의 고압수를 이용하여 3~5mm의 콘크리트 표면을 샌딩하는 하지면 처리단계(S100)를 수행한다. 이는 열화 된 콘크리트 표면을 제거하는 역할과 함께 콘크리트 표면을 표면건조포화상태로 유지시켜 무기계 마이크로 퍼티와의 접착을 향상시키며 콘크리트 표면으로의 급속한 수분 침투를 막아주어 균열의 발생을 억제시키며 원활한 양생이 되도록 한다.

그런 다음, 일정한 두께의 단면을 형성하여 콘크리트 공극을 효과적으로 메우고 다공성의 콘크리트 표면을 미세 공극으로 전환시켜 콘크리트 내부에 존재하는 수분이 외부로 배출될 수 있는 통로의 역할 및 도장표면을 매끄럽게 만들어 미관을 좋게 하며 외부의 충격으로 도막이 일부 손상되어도 콘크리트 표면을 보호하는 기능을 수행할 수 있도록 하기 위해 압축강도, 휨강도, 내충격성, 내마모성이 우수한 무기계 마이크로 퍼티를 부착력 및 침투력을 향상시키고 균질한 시공품질 및 공기의 단축을 위해 6~10bar 정도의 고압으로 콘크리트 단면에 3~5mm 이내의 두께가 되도록 스프레이 하는 단계(S120)를 수행하는데 혼합시 재료에 대한 물 배합량은 품질 및 수율에 영향을 주므로 관리에 철저를 기해야 한다. 바람직하게는 물 혼합 비율을 18± 1%로 하는 것이 좋다.

무기계 마이크로 퍼티가 시공된 면의 빠른 건조로 인한 균열을 막기 위해 양생포를 사용하여 습윤 양생하고, 면이 완전 경화하기 전 하중이 가해지지 않도록 하는 마감 후 양생단계(S130)를 수행한다.

열화가 진행된 콘크리트 구조물인 경우에는 부착력 증진 및 무기계 마이크로 퍼티의 공극구조를 마이크로 단위의 미세 공극으로 전환시키고 방청, 결로 및 백화현상 억제, 방수, 내열성, 내후성 등 기능성과 자외선을 차단하여 도장 표면의 내구성을 증진시키고 표면을 보호하는 수용성 세라믹 도장제를 에어리스 또는 수작업을 통해 200~240㎛의 두께로 도포하는 단계(S140)를 수행한다.

신설된 콘크리트 구조물인 경우에는 수용성 세라믹 도장제을 스프레이시켜 콘크리트 표면의 공극구조를 개선하여도 콘크리트내부의 수분은 수증기형태로 외부로 배출되면서 외부의 물방울은 콘크리트내부로 침투되지 않는다.

본 발명에 사용되는 세라믹 수지는 내열성 및 난연성의 특징을 가지며 자외선을 차단하여 도막의 내구성을 증진시킨다. 기능성 체질로 사용된 토르마린은 입자의 크기를 나노화 하여 100g당 3850㎡의 비표면적을 갖도록 하여 도장 표면에 존재하는 습기 또는 물과 반응하여 계면활성물질을 생성하며 생성된 계면활성물질로 인해 도장 표면에 발생하는 오염원을 차단한다.

또한 콘크리트 내부에 존재하는 수분을 활성화 시켜 외부로 방출하여 콘크리트 내부의 잉여수로부터 발생하는 동결융해에 의한 콘크리트 구조물의 내구성 저하를 방지한다.

본 발명에 사용된 나노 스케일의 칼슘실리게이트는 다공성의 세라믹으로써 혼합된 토르마린 입자를 중심인 중공형 비트내에 함유 보존하면서 분산의 균일성을 보존, 유지하여 수명과 효과를 장기 보존 시키고 실리카 본연의 내열성을 안정화하면서 난연의 기능을 갖고, 또 절연, 항균, 탈취, 원적외선 효과, 잠열저장 기능을 보유한다. 또한 도장 후 경화되면서 미세기공을 생성하여 도막자체의 열전도율을 감소시켜서 결로 및 백화현상을 최소화하여 도막의 내구성을 증진시키고 콘크리트 표면을 효과적으로 보호한다.

품질 검사 및 조사 단계(S150)를 거쳐 공정을 완료한다.

본 발명에 따른 무기계 마이크로 퍼티 및 수용성 세라믹 도장제를 사용한 콘크리트 표면 도장 공법은 무기계 마이크로 퍼티 5mm이하 및 수용성 세라믹 도장제를 200~240㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직한데, 필요에 따라 도장회수를 늘여 사용하여 좀 더 강력한 도막을 형성할 수도 있다.

콘크리트는 시멘트의 수화에 사용되고 남은 사용수의 일부가 잉여수의 형태로 존재하게 된다. 또한 콘크리트 구조물이 옹벽이나 교대와 같이 흙에 접하여 이를 통해 물이 침투하기 쉬운 경우, 건물이나 철탑의 기초 또는 교각의 지표면에 가까운 부분과 같이 땅속에 체적이 큰 콘크리트 구조물이 존재하여 이에 접하는 흙에서 수분이 공급되는 경우 등을 통해 콘크리트 내부에 더욱 많은 수분이 존재하게 된다.

콘크리트 내부에 존재하는 수분은 대기와 접하는 면으로 향해 이동하게 되는데 기존의 유기계 도막은 내부의 수분이 외부로 배출될 수 없는 폐쇄도막의 특징을 가지므로 장기적으로 내부 수분이 증발하면서 발생하는 팽창압에 의한 작용으로 부풀음 및 탈락 등이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 또한 내부의 수분이 이동하여 콘크리트 표면과 도막사이에 물방울의 형태로 존재함으로써 도막과 콘크리트의 부착을 저하시키게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 미세 분말의 무기계 마이크로 퍼티를 사용하여 콘크리트 표면의 큰 공극을 효과적으로 메우고 이때 마이크로 퍼티의 미세 입자는 콘크리트의 공극으로 침투하여 공극구조를 미세한 공극형태로 변환시킨다. 무기계 마이크로 퍼티로 형성된 단면은 콘크리트로부터 이동된 수분을 미세공극을 통해 좀 더 작은 크기로 나누어 이동시키게 되며 최종적으로 표면에 형성된 세라믹 도장제와 만나게 되는데 이때 세라믹 도장제에 함유된 토르마린의 물의 활성화 작용을 통해 더욱 작은 크기의 물로 변화되어 0.02~1.0㎛의 공극을 가지는 통기성 도막을 통해 수증기의 형태로 배출된다. 결국 일정한 두께의 단면을 형성을 통해 점진적인 미세 공극구조로 개선시킴으로써 콘크리트 내부에 존재하는 수분이 도막과의 계면에 모이지 않고 외부로 빠져나가게 된다. 이로 인해 장기적으로 발생될 수 있는 층간의 부착력 저하를 방지함과 동시에 결과적으로 표면의 통기성을 갖는 세라믹 도장제의 미세 기공을 통해 수증기의 형태로 배출될 수 있도록 하는 공극구조를 가지게 된다. 이로 인해 유기도장제의 폐쇄도막의 문제점을 해결하고 내부 수분의 동결 팽창으로 인한 콘크리트의 침식을 방지하여 동결융해에 대한 저항성을 증진시키고 도장표면의 공극보다 큰 수분, 염화이온 및 이산화탄소의 침투는 막아주어 이로 인해 발생되는 탄산화 및 철근의 부식, 동결융해의 반복에 의한 침식 등을 방지하여 콘크리트 구조물의 내구성을 증진시킨다. 또한 무기계 마이크로 퍼티 및 수용성 세라믹 도장제를 사용한 콘크리트 표면 도장 공법을 사용하여 형성된 콘크리트 표면은 콘크리트와 비슷한 열팽창계수를 가지므로 온도에 따른 수축, 팽창에 같은 거동을 보이므로 장기적으로 안정한 도막을 형성한다.

한편, 본 발명에 따른 무기계 마이크로 퍼티 및 수용성 세라믹 도장제를 사용한 콘크리트 표면 도장 공법의 우수성을 살펴보기 위해 본 발명에 따른 콘크리트 도장 공법과 종래의 콘크리트 도장 공법을 표 3에서 비교하였다.

표 3은 본 발명에 따른 콘크리트 표면 도장 공법과 종래기술에 따른 콘크리트 표면 도장 공법의 시공 단면의 물성 및 내구성 실험결과이다.

표 3

표 3에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 콘크리트 표면 도장 공법은 종래 기술의 콘크리트 표면 도장 공법에 비해, 시공 비용 면에서 대단히 우수할 뿐만 아니라, 시공 단면의 압축강도, 휨강도 및 탄산화, 염분침투저항성, 부착강도, 동결융해에 대한 저항성 등 품질에 있어서도 우수한 것을 확인할 수 있었다.

[도1] 본 발명의 흐름도

[도2] 본 발명의 단면도

Claims (7)

1. 폴리머 3~5중량%와, 시멘트 35~45중량%와, 규사 45~55중량%와, 혼화제 1~3중량%가 함유된 조성물(T)이고 이 조성물(T)과 물(W)의 혼합비가 T : W =1 : 0.15~0.2가 되게 하여 콘크리트의 미세공극 구조가 0.02~0.1㎛이 되게 함을 특징으로 하는 콘크리트 공극구조개선을 위한 무기계 마이크로 퍼티
2. 삭제
3. 제1항에 있어서 폴리머는 재유화형 폴리머인 에틸렌 비닐 아세테이트, 스티렌-부타디엔 고무, 초산 비닐 비닐 바사테이트, 스틸렌 아크릴 에스터, 폴리 아크릴 에스터 등으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 분말상의 혼합된 폴리머이고, 상기 혼화제는 AE제, 감수제, AE 감수제, 유동화제, 고성능 감수제, 지연제, 경화촉진제, 철근 방청제, 발포제, 방수제로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 혼화제인 것을 특징으로 하는 콘크리트 공극구조개선을 위한 무기계 마이크로 퍼티
4. 수지 50~60중량%와 착색안료 10~15중량%와 기능성체질안료 25~30중량%와 혼화제 1~5중량%로 배합하여 콘크리트의 미세공극 구조가 0.02~0.1㎛이 되게 함을 특징으로 하는 콘크리트 공극구조개선을 위한 수용성 세라믹 도장제
5. 제4항에 있어서 상기 수지는 아크릴 에멀젼 수지, 세라믹 수지, 실리콘 수지 등 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 혼합된 수지이고, 상기 착색안료는 산화망간, 산화크롬, 산화철, 산화코발트 등 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나이상의 혼합된 착색안료이며, 상기 기능성 체질 안료는 지르코니아, 알루미나, 지르콘, 티타늄, 토르마린, 칼슘실리게이트 로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나이상의 혼합된 기능성 체질안료이고, 상기 혼화제는 소포제, 분산제, 증점제, 방청제, 유화제, 무기항균제, 증포제, 자외선차단제, 부착증진제로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 혼화제인 것을 특징으로 하는 콘크리트 공극구조개선을 위한 수용성 세라믹 도장제
6. ⒜ 콘크리트의 표면에 규사가 5~10중량% 함유된 고압수를 600~ 900bar로 분사하여 콘크리트 표면을 3~5mm를 제거하는 단계;

   ⒝ 폴리머 3~5중량%와, 시멘트 35~45중량%와, 규사 45~55중량%와, 혼화제 1~3중량%가 함유된 조성물(T)로 이루어지고 이 조성물(T)과 물(W)의 혼합비가 T : W =1 : 0.15~0.2로 형성된 무기계 마이크로 퍼티를 콘크리트 표면에 스프레이시켜 3~5mm의 두께를 형성시키는 단계;

   ⒞ 상기 무기계 마이크로 퍼티가 도포된 그 위에 50~60중량%의 수지와 10~15중량%의 착색안료와 25~30중량%의 기능성체질안료와 1~5중량%의 혼화제로 배합된 수용성 세라믹 도장제를 200~240㎛의 두께가 되도록 도포하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 콘크리트 공극구조개선을 위한 무기계 마이크로 퍼티와 수용성 세라믹 도장제를 이용한 콘크리트 표면 도장시공방법
7. 제6항에 있어서

   상기 ⒝단계에서 무기계 마이크로 퍼티를 4~6bar의 고압으로 콘크리트 표면에 스프레이시키고 스프레이로 형성된 표면층의 공극구조가 0.02~0.1㎛가 되게 하는 단계;

   ⒞단계에서 수용성 세라믹 도장제를 에어리스를 통해 1~3회 분사하여 도포층을 형성하고 그 도포층의 공극구조가 0.02~0.1㎛이 되게 하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 콘크리트 공극구조개선을 위한 무기계 마이크로 퍼티와 수용성 세라믹 도장제를 이용한 콘크리트 표면 도장시공방법

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