KR101016004B1 - 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유에 관한 것으로서, 섬유 단면상에서 3~16개의 돌기부가 형성되어 섬유 단면의 외접원 지름을 섬유 단면의 내접원 지름으로 나눈 값(MR율)이 1.5~3.0인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 섬유 단면의 MR율이 1.5~3.0인 이형이기 때문에 콘크리트내 분산성이 우수하고, 콘크리트와의 접착면적이 넓다.

그로 인해, 본 발명으로 보강된 콘크리트는 균열강도, 인장강도 및 압축강도 등이 크게 향상된다.

보강재, 콘크리트, 보강섬유, 폴리아미드, 분산성, 이형단면, 돌기.

Description

콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유{Polyamide fiber for reinforcing concrete}

본 발명은 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 콘크리트내에서의 분산성, 콘크리트와의 부착력 및 기계적 물성이 우수하고, 콘크리트와의 접촉면적이 넓어서 콘크리트의 균열저항, 인장강도 및 압축강도 등을 개선시켜주는 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유에 관한 것이다.

콘크리트 또는 몰탈의 시멘트 경화제(이하 "콘크리트"라고 약칭한다)는 경제적인 건설재료로서 광범위하게 사용되고 있으나, 인장강도 및 인성이 작은 약점을 갖고 있다.

콘크리트의 인성을 개선하기 위한 보강재료로서 철근이 100여년간 사용되어 왔고, 근래에는 철근 대신 철판, 파이프 강섬유, 철근 등의 강계통 보강 재료가 범용적으로 사용되고 있다.

철근 찌꺼기와 같은 강섬유는 두께 0.5㎜, 길이 30㎜ 정도의 형태를 갖고, 종래 사용된 철근에 비해 콘크리트와의 부착력이 좋고 파괴 강도가 높고, 철근 및 메쉬의 설치가 어려운 터널 및 댐 공사 현장에 사용이 용이한 장점이 있으나, 수분이 다량 존재하는 터널 등의 공사현장에 사용시 강섬유가 쉽게 부식되고, 고가이고, 비중이 높아 콘크리트 내에서의 분산성이 떨어지고, 콘크리트의 하중을 증가시키는 문제점이 있었다.

상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해서, 최근에는 미국등록특허 5,749,961호 및 대만민국 공개특허 2003-47669호 등에서와 같이 콘크리트 보강재료로서 강섬유 등의 강재 보강재료 대신에 합성섬유를 사용하는 방안이 활발하게 연구되고 있다.

구체적으로, 합성섬유는 강섬유에 비해 비중이 작고, 내식성이 우수하면서도 콘크리트의 균열저항, 인장강도 및 압축강도를 강섬유보다 더 보강시켜 주는 효과도 얻을 수 있다.

그러나, 합성섬유는 콘크리트의 휨강도나 휨성능 등의 기본적인 구조성능을 향상시키지는 못하고 콘크리트의 균열발생을 방지하는 효과만을 발현하는 것으로 알려져 있다.

합성섬유가 콘크리트의 기본적인 구조성능을 향상시키고자 하는 경우에는 합성섬유의 사용량을 증가해야 하나, 사용량이 증가하면 콘크리트내 분산이 어려워져 콘크리트의 압축강도, 휨강도 등의 물성이 저하되고 콘크리트와 부착성도 저하된다.

한편, 콘크리트의 보강재료로서 탄소섬유, 아라미드 섬유, 고강도 폴리올레 핀 섬유 등과 같은 고강도를 갖는 합성섬유를 사용하는 방법도 일부 실시되고 있으나, 이경우 콘크리트의 기본적인 구조 성능을 향상시키는 효과는 알수 없으면서 가격만 고가인 문제가 있었다.

따라서, 최근까지는 콘크리트의 기본적인 구조성능은 개선하지 못하지만 가격이 저렴하면서도 콘크리트의 균열을 방지하는 효과가 있는 폴리프로필렌 섬유가 콘크리트의 보강재료로 가장 널리 사용되어 왔다.

그러나, 폴리프로필렌 섬유는 섬유자체의 인장강도는 양호하나 자체의 소수성으로 인해 콘크리트와의 부착성능이 떨어져 섬유자체의 인장강도를 충분하게 발휘하지 못해서 콘크리트의 균열저항, 인장강도 및 압축강도를 향상시키는 효과가 크게 부족한 문제가 있었다.

또 다른 종래기술로는 일본공개특허 제2002-137942호 등에서는 폴리프로필렌 섬유를 보강재료로 사용시 발생되는 상기 문제점을 개선하기 위해 사각형 또는 삼각형 단면을 가지는 폴리아미드 섬유에 꼬임을 부여한 후, 이를 콘크리트 보강재료로 제안하고 있다.

그러나, 통상의 폴리아미드 섬유는 폴리프로필렌 섬유보다 친수성이기 때문에 콘크리트와의 부착성은 우수하나, 섬유 자체의 강신도 및 내마모성 특성이 낮고, 콘크리트 내의 분산성이 부족하여 콘크리트의 균열저항, 인장강도 및 압축강도를 향상시키는 효과가 부족한 문제가 있었다.

삼각형 또는 사각형 단면을 갖고 꼬임이 부여된 폴리아미드 섬유는 원형 단면을 갖는 섬유보다는 콘크리트와의 접촉면적이 넓어져 콘크리트 내에서의 분산성 과 콘크리트와의 접착성이 어느정도 향상되지만 콘크리트와의 접촉면적을 증가시키는데에는 한계가 있었고, 꼬임 부여로 인해 제조 비용이 증가하는 문제 등이 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위해서 콘크리트 내의 분산성과 콘크리트와의 부착성이 우수하고, 콘크리트와의 접착면적이 넓어지고, 섬유자체의 강신도 및 내마모 특성이 뛰어나 콘크리트의 균열저항, 인장강도 및 압축강도를 크게 개선할 수 있는 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유를 제공하고자 한다.

이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유는 섬유 단면상에서 3~16개의 돌기부가 형성되어 섬유 단면의 외접원 지름을 섬유 단면의 내접원 지름으로 나눈 값(MR율)이 1.5~3.0인 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유 일례의 단면 모식도이고, 도 2(a) 내지 (f)는 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유의 단면도이다.

본 발명은 도 2(a) 내지 (f)에 도시된 바와 같이 섬유 단면상에 3~16개의 돌 기부(나사산)를 갖는다.

상기 돌기부가 16개를 초과하면 콘크리트와의 접촉면적은 증가하나 방사시 섬유 단면 제거가 어렵고 스웰링(Swelling) 현상으로 섬유 단면이 원형에 가깝게 되는 문제가 발생된다.

한편, 상기 돌기부가 3개 미만이면 콘크리트와의 접촉면적이 감소되는 문제가 발생된다.

상기 돌기부의 갯수는 섬유단면상의 내접원 밖으로 돌출된 섬유단면 부분의 갯수를 나타낸다.

또한, 본 발명은 도 1에 도시된 섬유 단면의 외접원(A) 지름을 섬유 단면의 내접원(B) 지름으로 나눈 값(이하 "MR율"이라고 한다)이 1.5~3.0이다.

상기 MR율은 섬유 단면의 이형도를 나타내는 값으로서, 아래식으로 구해지며 내접원의 지름(2r)에 대한 외접원의 지름(2R)의 비율을 나타낸다.

MR율이 1.5 미만인 경우에는 콘크리트와의 접촉면적이 좁아져 콘크리트의 인장강도와 균열저항성을 개선하는 효과가 미흡하게 되고, MR율이 3.0을 초과하는 경우에는 콘크리트 보강용 섬유의 강도가 저하되는 문제가 발생한다.

본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유는 콘크리트 보강시 단독으로 사용될 수도 있고, 원형 단면의 폴리아미드 섬유 등과 같이 본 발명의 조건들을 만족하지 않는 폴리아미드 섬유 등과 함께 혼용될 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유는 상대점도(RV)가 2.9 이상, 보다 바람직하기로는 3.2 이상으로서, 아래와 같은 측정조건으로 측정한 강도가 7.5g/d 이상이고, 신도가 50~120%인 것이 바람직하다.

강신도 측정조건

만능 섬유 인장시험기에 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유를 5㎜의 게이지 길이(Gauge length)로 파지한 후 300㎎의 장력 무게(Tension weight)와 50㎜/분의 헤드 스피드로 강도 및 신도를 20회 측정하여 이들의 평균값으로 한다.

상대점도(RV)가 상기 범위 보다 낮으면 섬유자체의 강도 및 내마모 특성이 저하되고, 섬유 자체의 강도 및 신도가 상기 범위를 벗어나면 콘크리트의 균열 저항 들을 개선하는 효과가 약해진다.

또한, 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유는 5~15개/인치의 클림프를 갖는 것이 바람직하다.

클림프의 개수가 상기 범위를 벗어나면 콘크리트와의 접촉상태가 나빠지게 된다.

또한, 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유는 길이가 12~25㎜이고, 섬도가 3~10데니어인 것이 바람직하다.

상기 길이가 12㎜ 미만이면 콘크리트와 섬유가 접촉하는 면적이 좁아져 콘크리트의 인장강도 및 압축강도의 개선효과가 떨어질 수 있고, 25㎜를 초과하는 경우에는 콘크리트내 섬유의 분산성이 떨어져 섬유가 서로 엉키는 현상이 번발하여 콘크리트 물성이 오히려 저하될 수 있다.

상기 섬도가 3데니어 미만인 경우에는 섬유의 표면적이 증가해서 콘크리트와의 접촉면적이 증가하는 장점은 있으나, 섬유 자체의 강도가 저하되고 콘크리트내 섬유의 분산성이 저하될 수 있다.

섬도가 10데니어를 초과하는 경우에는 콘크리트 단위면적당 섬유 개수가 감소하여 상대적으로 콘크리트에서 취약부가 형성될 위험이 발생 된다.

또한, 본 발명은 폴리아미드 섬유 고유의 물성인 내알칼리성, 친수성, 진동감소성 등을 구비하여 콘크리트의 각종물성을 더욱 개선시킨다.

본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유는 콘크리트 1㎥당 0.25~1㎏을 사용하는 것이 적합하다.

콘크리트 1㎥당 0.25㎏ 미만을 사용하면 콘크리트 보강효과가 저하되고, 1㎏을 초과하여 사용하면 콘크리트내 섬유의 분산성이 저하되어 콘크리트의 인장강도 및 슬럼프(Slump)가 저하된다.

본 발명은 섬유자체가 친수성임과 이형단면을 구비하여 콘크리트와의 접촉면적이 넓어지고, 콘크리트 내에서의 분산성이 우수하고, 콘크리트와의 부착성이 뛰어나다.

또한 본 발명은 섬유 자체의 강신도 및 내마모 특성도 우수하다.

그로인해, 본 발명은 콘크리트의 균열저항, 인장강도 및 압축강도를 크게 향상 시킬 수 있다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.그러나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

162㎏의 물, 330㎏의 시멘트, 868㎏의 모래 및 964㎏의 골재를 배합하여 1㎥의 단위면적을 갖는 콘크리트를 제조할때 보강재료로서 돌기부가 3개이고, MR율이 2.8인 폴리아미드 6 섬유를 0.6㎏ 첨가하였다.

상기 폴리아미드 6 섬유는 상대점도(RV)가 3.2이고 길이가 19m이고, 섬도가 4데니어이고, 5㎜의 게이지 길이로 앞에서 설명한 측정방법으로 측정한 강도가 7.9g/d이고, 신도가 70%이고, 클림프 개수가 8개/인치이다.

상기와 같이 제조된 콘크리트의 각종 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

실시예 2

162㎏의 물, 330㎏의 시멘트, 868㎏의 모래 및 964㎏의 골재를 배합하여 1㎥의 단위면적을 갖는 콘크리트를 제조할때 보강재료로서 돌기부가 5개이고, MR율이 2.3인 폴리아미드 6 섬유를 0.48㎏과 원형 단면의 폴리아미드 6 섬유 0.12㎏을 첨가하였다.

상기 폴리아미드 6 섬유들은 상대점도(RV)가 3.2이고 길이가 19m이고, 섬도 가 4데니어이고, 5㎜의 게이지 길이로 앞에서 설명한 측정방법으로 측정한 강도가 7.9g/d이고, 신도가 70%이고, 클림프 개수가 8개/인치이다.

상기와 같이 제조된 콘크리트의 각종 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

실시예 3

162㎏의 물, 330㎏의 시멘트, 868㎏의 모래 및 964㎏의 골재를 배합하여 1㎥의 단위면적을 갖는 콘크리트를 제조할때 보강재료로서 돌기부가 8개이고, MR율이 2.0인 폴리아미드 6 섬유를 0.3㎏과 원형 단면의 폴리아미드 6 섬유 0.3㎏을 첨가하였다.

상기 폴리아미드 6 섬유들은 상대점도(RV)가 3.2이고 길이가 19m이고, 섬도가 4데니어이고, 5㎜의 게이지 길이로 앞에서 설명한 측정방법으로 측정한 강도가 7.9g/d이고, 신도가 70%이고, 클림프 개수가 8개/인치이다.

상기와 같이 제조된 콘크리트의 각종 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

실시예 4

162㎏의 물, 330㎏의 시멘트, 868㎏의 모래 및 964㎏의 골재를 배합하여 1㎥의 단위면적을 갖는 콘크리트를 제조할때 보강재료로서 돌기부가 12개이고, MR율이 1.8인 폴리아미드 6 섬유를 0.3㎏과 원형 단면의 폴리아미드 6 섬유 0.3㎏을 첨가하였다.

상기 폴리아미드 6 섬유들은 상대점도(RV)가 3.2이고 길이가 19m이고, 섬도 가 4데니어이고, 5㎜의 게이지 길이로 앞에서 설명한 측정방법으로 측정한 강도가 7.9g/d이고, 신도가 70%이고, 클림프 개수가 8개/인치이다.

상기와 같이 제조된 콘크리트의 각종 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

비교실시예 1

콘크리트 제조시 보강재료로서 실시예 1의 폴리아미드 6 섬유를 전혀 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 콘크리트를 제조하였다.

제조된 콘크리트의 각종물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

비교실시예 2

콘크리트 제조시 보강재료로서 섬유 표면에 원형 단면의 폴리프로필렌 섬유를 0.6㎏ 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 콘크리트를 제조하였다.

제조된 콘크리트의 각종물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

비교실시예 3

162㎏의 물, 330㎏의 시멘트, 868㎏의 모래 및 964㎏의 골재를 배합하여 1㎥의 단위면적을 갖는 콘크리트를 제조할때 보강재료로서 원형 단면을 갖고, 상대점도(RV)가 2.9이고, 길이가 19㎜이고, 섬도가 6데니어인 통상의 폴리아미드 6 섬유를 0.6㎏ 첨가하였다.

상기와 같이 제조된 콘크리트의 각종 물성을 평가한 결과는 표 1과 같다.

콘크리트 물성 평가 결과

구분		실시예				비교실시예
		1	2	3	4	1	2	3
슬럼프(㎝)		18.2	18.1	18.0	18.0	18.5	18.0	18.0
공기 함유율(%)		4.9	4.6	4.5	4.5	4.8	4.7	4.9
압축 강도 (MPa)	15시간	4.09	3.88	4.12	3.98	4.37	4.07	4.06
	18시간	6.07	6.02	6.12	6.48	6.13	5.37	6.03
	1일	10.9	12.0	12.1	12.3	11.2	8.63	11.5
	3일	24.8	26.8	25.5	27.0	24.9	24.1	25.1
	7일	33.9	34.6	34.8	35.2	32.7	30.1	31.1
인장 강도 (MPa)	1일	1.48	1.50	1.44	1.49	1.38	1.15	1.35
	3일	2.55	2.69	2.68	2.77	2.58	2.74	2.55
	7일	3.18	3.20	3.22	3.38	2.86	2.81	2.90
분산성		○	◎	◎	◎	-	○	○
균열 저항성	균열발생폭(㎜)	0.05 이하	0.05 이하	0.05 이하	0(균열없슴)	0.07	0.07	0.06
	전체균열 발생길이 (㎝)	5	12	8	0(균열없슴)	104	114	92

본 발명에 있어서 각종 물성은 아래와 같은 방법으로 평가하였다.

·슬럼프(Slump)

KS F 2402 방법으로 측정한다.

·공기함유율(%)

KS F 2421 방법으로 측정한다.

·압축강도( MPa )

KS F 2405 방법으로 측정한다.

·인장강도( MPa )

KS F 2423 방법으로 측정한다.

·분산성

JCI-SF 7의 시험 방법에 따라서 단위면적의 콘크리트 배합물을 물로 다시 씻으면서 채로 걸러 그 안에 포함된 보강용 섬유를 채집한 후 건조하여 중량을 측정한다. 상기와 같이 구해진 보강용 섬유의 중량이 투입량 대비 ±10% 이내이면 ◎로, ±20% 이내이면 ○로, ±20%를 초과하는 경우에는 Ⅹ로 각각 구분하였다.

·균열저항성

균열저항성은 1m×1m×10㎝ 거푸집에 안쪽으로 높이 5㎝, 가로, 세로가 거푸집보다 10㎝씩 작은 구속용 철근을 넣고 배합물을 넣고 양생을 시킨다. 실험실 평균온도는 30℃. 평균습도는 35%에서 1주일간 양생후 측정하였다. 균열저항성의 표기는 균열이 발생한 부위의 균열발생폭의 평균과 전체 균열 발생길이의 총합으로 표기하여 전체 균열발생길이로 나타내었다.

도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유 중 일례의 단면 모식도.

도 2(a) 내지 (f)는 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유의 단면도.

* 도면중 주요부분에 대한 부호설명

F : 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유

A : 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유의 외접원

B : 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유의 내접원

R : 외접원(A)의 반지름

r : 내접원(B)의 반지름

Claims (7)

1. 섬유 단면상에서 3~16개의 돌기부가 형성되어 섬유 단면의 외접원 지름을 섬유 단면의 내접원 지름으로 나눈 값(MR율)이 1.5~3.0이고, 5㎜의 게이지 길이(Gauge length)로 측정한 신도가 50~120%인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유.
2. 제1항에 있어서, 상기 폴리아미드 섬유는 상대점도(RV)가 2.9 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유.
3. 제1항에 있어서, 상기 폴리아미드 섬유는 5㎜의 게이지 길이(Gauge length)로 측정한 강도가 7.5g/d 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 폴리아미드 섬유는 길이가 12~25㎜인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유.
6. 제1항에 있어서, 상기 폴리아미드 섬유는 섬도가 3~10데니어인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유.
7. 제1항에 있어서, 상기 폴리아미드 섬유는 클림프 개수가 5~15개/인치인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유.

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