KR101597080B1

KR101597080B1 - 콘크리트 보강용 섬유 조성물

Info

Publication number: KR101597080B1
Application number: KR1020150167348A
Authority: KR
Inventors: 이상현
Original assignee: 이상현
Priority date: 2015-05-13
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2016-03-07

Abstract

본 발명은 콘크리트 보강용 섬유 조성물에 관한 것으로, 관체 형상의 베이스 셀룰로오스 섬유보강재 100 중량부에 대하여, 입체섬유보강재 15 ~ 18 중량부, 균열방지 섬유보강재 8 ~ 13 중량부, 그라파이트 나노섬유 수용관체 0.2 ~ 0.4 중량부, 탄산칼슘 0.1 ~ 0.8 중량부, 산화마그네슘 0.1 ~ 0.3 및 유동화제 0.2 ~ 3.0 중량부로 구성됨으로써, 시멘트와 부착능력이 우수하며 동결융해시 상대동탄성계수가 양호하여 콘크리트의 미세균열의 발생을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

콘크리트 보강용 섬유 조성물 {Fiber composition for reinforcing concrete}

본 발명은 콘크리트의 균열 발생을 최소화할 수 있는 콘크리트 보강용 섬유 조성물에 관한 것이다.

콘크리트는 일반적으로 압축에는 강하나 인장에 약한 취성적 성질과 타설 직후 가소성의 유동체로 응결·경화되면서 대개 수축에 의한 균열이 발생된다.

수축에 의한 균열이 발생되는 콘크리트의 단점을 해소하기 위해 제안된 대한민국 공개특허 제2010-0040143호(공개일자: 2010.04.19., 발명의 명칭: 조기강도 콘크리트 조성물)는 조기강도 콘크리트 조성물에 있어서, 물, 골재, 시멘트 및 분말 형태의 조강형 혼화재를 포함하며, 상기 조강형 혼화재는 7,000~10,000㎠/g의 블레인 표면적을 갖는 칼슘 알루미네이트; 6,000~9,000㎠/g의 블레인 표면적을 갖는 무기 황산염; 3,000~6,000㎠/g의 블레인 표면적을 갖는 탄산칼슘 분말; 및 셀룰로즈 섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조기강도 콘크리트 조성물이 개시되어 있다.

이러한 종래 기술은, 동절기 온도(0℃ ~ 5℃)에서도 조기에 콘크리트가 압축 강도를 5MPa 이상 발현할 수 있으며, 초기 압축 강도 발현시, 건조수축에 의한 균열을 방지할 수 있는 효과가 있다가 있다고 주장하는 반면, 콘크리트와의 결합력이 낮아 콘크리트의 건조수축 또는 소성수축으로 인한 균열을 원천 방지할 수 없는 문제점이 있었다.

위와 같은 종래 기술외에, 대한민국 공개특허 제2005-0097964호(공개일자: 2005.10.10., 발명의 명칭: 표백 셀룰로오스 화이버를 사용하는 화이버 시멘트 복합재료) 및 대한민국 공개특허 제2000-0073455호(공개일자: 2000.12.05., 발명의 명칭: 무석면 스레트 및 그 제조 방법) 등이 제안되고 있으나 제조 공정이 복잡하고 천연 펄프 섬유인 경우 실사용을 위한 화학처리가 선결되어야 하는 제조상의 어려움이 있는 한편, 섬유의 직경이 매우 작고 길이가 짧아 콘크리트 균열에 효과적으로 대응할 수 없는 근원적인 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 창출된 본 발명의 목적은, 콘크리트의 미세균열을 방지할 수 있는 콘크리트 보강용 섬유 조성물을 제공하는 데 있다.

이러한 본 발명의 목적은, 관체 형상의 베이스 셀룰로오스 섬유보강재 100 중량부에 대하여, 입체섬유보강재 15 ~ 18 중량부, 균열방지 섬유보강재 8 ~ 13 중량부, 그라파이트 나노섬유 수용관체 0.2 ~ 0.4 중량부, 탄산칼슘 0.1 ~ 0.8 중량부, 산화마그네슘 0.1 ~ 0.3 및 유동화제 0.2 ~ 3.0 중량부로 이루어지되, 상기 베이스 셀룰로오스 섬유보강재는 셀룰로오스 섬유 100 중량부에 대하여 바인더 1.2 ~ 3.5 중량부가 배합되어 관체 형상으로 성형된 것으로, 내경 0.5 ~ 2㎜, 두께 0.01 ~ 0.03㎜, 길이 13 ~ 250㎜으로 이루어지며, 상기 바인더는 아크릴계, 우레탄계 또는 실리콘계 바인더 중 어느 하나이고, 상기 입체섬유보강재는 가로 300 ~ 350㎜, 세로 20 ~ 35㎜, 두께 0.1 ~ 0.3㎜인 직사각 형상을 갖는 200 ~ 350 mesh의 망체이고, 밀도가 0.85 ~ 0.91g/㎤인 폴리에스터 또는 폴리프로필렌이고, 상기 균열방지 섬유보강재는 표면이 수산기로 되어 있으며 탄성강도 60.5 ~ 61.2 x 10⁴ kgf/㎠, 부착강도 15.2 ~ 15.3 kgf/㎠, 인장강도 5,050 ~ 5,120 kgf/㎠, 비표면적 0.13 ㎠/g 및 체적당 섬유수(1/㎤) 1,420 ~ 1,440개이고, 상기 그라파이트 나노섬유 수용관체는 외주연에는 길이방향의 노치가 형성된 폴리에스터 재질의 제 1 관체와, 상기 제 1 관체의 내주연에 제공된 폴리프로필렌 재질의 제 2 관체와, 상기 제 2 관체에 충전된 실리콘 충전재와, 상기 실리콘 충전재에 내장된 복수 가닥의 그라파이트 나노섬유를 포함하고, 상기 그라파이트 나노섬유는 길이(L) 40 ~ 70mm, 직경(D) 5 ~ 15mm이며, 상기 그라파이트 나노섬유는 직경 50 ~ 200㎚, 길이 10 ~ 30㎛, 비표면적(Specific Surface Area) 100 ~ 300m²/g, 벌크밀도(Bulk Density) 0.18 ~ 0.20g/cm³인이고, 상기 유도화제는 리그닌 술폰산염계, 아미노 술폰산계, 나프탈렌 술폰산염계, 멜라민 술폰산계 또는 폴리카르본산계 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 섬유 조성물에 의해 달성될 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 상기 그라파이트 나노섬유 수용관체는 제 1 관체 100 중량부에 대하여, 제 2 관체 60 ~ 75 중량부, 실리콘 충전재 80 ~ 130 중량부 및 그라파이트 나노섬유 0.05 ~ 0.1 중량부로 구성되며, 상기 제 1 관체는 폴리에스터이고, 상기 제 2 관체는 폴리프로필렌인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 발명의 상기 베이스 셀룰로오스 섬유보강재는 베이스 통기공 역할을 위해 외주연에 직경 0.01 ~ 0.03㎜의 관통공이 1㎜ 길이당 5 ~ 15개가 형성되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명은 시멘트와 부착능력이 우수하며 동결융해시 상대동탄성계수가 양호하여 콘크리트의 미세균열의 발생을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 그라파이트 나노섬유 수용관체를 나타내는 확대 사시도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3은 도 1의 그라파이트 나노섬유의 주사전자현미경(SEM) 확대사진이다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

콘크리트 보강용 섬유 조성물의 조성

본 발명의 콘크리트 보강용 섬유 조성물은 관체 형상의 베이스 셀룰로오스 섬유보강재 100 중량부에 대하여, 입체섬유보강재 15 ~ 18 중량부, 균열방지 섬유보강재 8 ~ 13 중량부, 탄산칼슘 0.1 ~ 0.8 중량부, 산화마그네슘 0.1 ~ 0.3 및 유동화제 0.2 ~ 3.0 중량부로 이루어져 있다.

그리고 콘크리트 보강용 섬유 조성물은 그라파이트 나노섬유 수용관체 0.2 ~ 0.4 중량부를 더 포함한다.

베이스 셀룰로오스 섬유보강재는 셀룰로오스 섬유 100 중량부에 대하여 바인더 1.2 ~ 3.5 중량부가 배합되어 관체 형상으로 성형된 것으로, 내경은 0.5 ~ 2㎜, 두께는 0.01 ~ 0.03㎜, 길이는 13 ~ 250㎜으로 이루어져 있다. 여기서, 바인더는 아크릴계, 우레탄계 또는 실리콘계 바인더 중 어느 하나이다.

또한, 베이스 셀룰로오스 섬유보강재는 통기공 역할을 위해 외주연에 직경 0.01 ~ 0.03㎜의 관통공이 1㎜ 길이당 5 ~ 15개가 형성되어 있다.

본 발명의 베이스 셀룰로오스 섬유보강재의 셀룰로오스 섬유는 0.12 ~ 0.14 ㎠/g의 비표면적을 가지며 단위체적당 차지하는 섬유수는(1/㎤)는 1,400 ~ 1,450개로 시멘트 복합체 내에서 미소균열을 억제하며, 섬유의 가교작용을 통하여 시멘트 복합체의 인성 및 충격 저항을 개선한다. 또한, 베이스 셀룰로오스 섬유보강재는 관체 형상을 가지기 때문에 콘크리트의 강도를 개선할 수 있는 장점이 있다.

여기서, 바인더의 함량이 1.0 중량부 이하인 경우에는 셀룰로오스 섬유가 결합력이 1.2 ~ 3.5 중량부에 비하여 50% 미만으로 저하되며, 3.7 중량부 이상인 경우에는 가요성이 저하되고 단가가 높아지는 문제점이 있다.

입체섬유보강재는 가로는 300 ~ 350㎜이고, 세로는 20 ~ 35㎜이고, 두께는 0.1 ~ 0.3㎜인 직사각 형상을 갖는 200 ~ 350 mesh의 망체이고, 재질은 폴리에스터 또는 폴리프로필렌이다. 또한, 입체섬유보강재의 밀도는 0.85 ~ 0.91g/㎤이다.

이와 같은 본 발명의 입체섬유보강재는 망체 구조를 갖기 때문에 콘크리트의 수축시 발생되는 미소(또는 미세) 균열을 방지할 수 있는 장점이 있다.

여기서, 입체섬유보강재의 함량이 12 중량부 이하인 경우에는 미세 균열 방지효과가 정상 함량(15 ~ 18 중량부)에 비하여 30% 미만으로 심각하게 저하되며 20 중량부 이상인 경우에는 다른 구성요소들과의 결합력이 저하되는 문제점이 발생된다.

균열방지 섬유보강재는 침엽수 목재에서 추출된 천연 섬유로서, 셀룰로오스 단섬유화에 의해 제조되며 소성 및 건조수축 균열제어 성능이 양호한 특징이 있다. 이와 같은, 균열방지 섬유보강재는 표면이 수산기로 되어 있으며 탄성강도 60.5 ~ 61.2 x 10⁴ kgf/㎠, 부착강도 15.2 ~ 15.3 kgf/㎠, 인장강도 5,050 ~ 5,120 kgf/㎠, 비표면적 0.13 ㎠/g 및 체적당 섬유수(1/㎤) 1,420 ~ 1,440개를 갖는다.

그리고, 균열방지 섬유보강재의 천연 섬유는 표백 또는 무표백으로 사용될 수 있다.

여기서, 균열방지 섬유보강재의 함량이 6 중량부 이하인 경우에는 균열방지 효과가 정상 함량(8 ~ 13 중량부)에 비하여 10% 미만으로 거의 없으며, 15 ~ 18 중량부인 경우에는 균열방지 효과는 정상 함량과 거의 유사하지만 단가가 높아지고, 19 중량부 이상인 경우에는 균열방지 효과가 급격히 저하되는 단점이 있다.

그라파이트 나노섬유 수용관체(10)는 도 1 내지 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 제 1 관체(11)와, 제 1 관체(11)의 내주연에 제공된 제 2 관체(13)와, 제 2 관체(13)에 충전된 실리콘 충전재(16)와, 실리콘 충전재(16)에 내장된 복수 가닥의 그라파이트 나노섬유(17)로 구성되어 있다.

여기서, 그라파이트 나노섬유 수용관체(10)는 제 1 관체(11) 100 중량부에 대하여, 제 2 관체(13) 60 ~ 75 중량부, 실리콘 충전재(16) 80 ~ 130 중량부 및 그라파이트 나노섬유 0.05 ~ 0.1 중량부로 이루어져 있다. 제 1 관체(11)는 폴리에스터이고, 제 2 관체(13)는 폴리프로필렌이다.

그리고 제 1 관체(11)의 외주연에는 길이방향의 노치(15)가 형성되어 있다.

또한, 제 1 관체(11)와 제 2 관체(13)는 압출방식에 의해 제작되는 것이 바람직하다.

그라파이트 나노섬유 수용관체(10)의 규격은 길이(L)가 40 ~ 70mm, 직경(D)이 5 ~ 15mm이다.

여기서, 그라파이트 나노섬유(17)는 도 3의 주사전자현미경 사진에 나타나 있는 바와 같이 다음과 같다.

A. 구조(Structure)

- 재고형태(Stacking Arragement): 헤링보운 타입(Herringbone type)

B. 사이즈 특성(Size Properties)

- 직경: 50 ~ 200㎚

- 길이: 10 ~ 30㎛

C. 순도(Purity): 90wt% 이상

D: 비표면적(Specific Surface Area): 100 ~ 300m²/g

E. 벌크밀도(Bulk Density): 0.18 ~ 0.20g/cm³

본 발명의 유동화제는 리그닌 술폰산염계, 아미노 술폰산계, 나프탈렌 술폰산염계, 멜라민 술폰산계 또는 폴리카르본산계 중 어느 하나 이상으로 이루어지며, 0.2 ~ 3.0 중량부의 함량이 가장 바람직하다.

시험예 1) 콘크리트의 압축강도 시험

비교예(일반 콘크리트)와 본 발명의 콘크리트 보강용 섬유 조성물이 0.08 중량% 혼입된 콘크리트(실시예)의 압축강도 실험은 KS F 2405에 따라 진행하였다. 여기서, 시멘트는 비중이 3.15인 1종 보통포틀랜드시멘트이며, 잔골재는 비중 2.6의 강사, 굵은골재는 최대치수 25㎜의 부순골재가 사용되었다.

전술된 콘크리트 보강용 섬유 조성물의 실시예 1 조성은, 관체 형상의 베이스 셀룰로오스 섬유보강재 100 중량부에 대하여, 입체섬유보강재 15 ~ 18 중량부, 균열방지 섬유보강재 8 ~ 13 중량부, 탄산칼슘 0.1 ~ 0.8 중량부, 산화마그네슘 0.1 ~ 0.3 및 유동화제 0.2 ~ 3.0 중량부이다.

그리고, 전술된 콘크리트 보강용 섬유 조성물의 실시예 2 조성은, 관체 형상의 베이스 셀룰로오스 섬유보강재 100 중량부에 대하여, 입체섬유보강재 15 ~ 18 중량부, 균열방지 섬유보강재 8 ~ 13 중량부, 그라파이트 나노섬유 수용관체 0.2 ~ 0.4 중량부, 탄산칼슘 0.1 ~ 0.8 중량부, 산화마그네슘 0.1 ~ 0.3 및 유동화제 0.2 ~ 3.0 중량부이다. 여기서, 비교예 및 실시예들의 조성은 전 시험에서 동일하다.

실험은 각 변수에 대하여 압축강도 실험을 위한 직경 10x20㎝의 실린더 공시체를 제작하여 7일, 14일, 28일, 56일에 각각 3개씩 실험을 실시하였으며, 공시체는 24시간 초기양생 후 20 ~ 23℃의 항온조건으로 수중양생을 실시하였으며 그 결과는 표 1과 같다.

표 1을 참조하면, 본 실시예 1 및 실시예 2는 28일 압축강도에서 비교예와 유사한 강도를 나타내며 특히 56일 압축강도에서는 비교예 보다 우수한 압축강도를 나타냄을 확인할 수 있었다.

시험예 2) 콘크리트의 인장강도 시험

공시체의 치수, 성형 및 양생은 콘크리트 압축강도 시험방법과 동일하며, 습윤양생한 공시체를 양생실에서 꺼내어 시험할 때까지의 기간은 젖은 모포로 덮어서 습윤상태로 유지하며 습윤상태로 즉시 시험한다. 이 시험은 콘크리트 원주 공시체를 할렬시키는 방법으로서 KS F 2423에 의해 인장강도 시험을 실시하였으며 그 결과는 표 2와 같다.

표 2를 참조하면, 본 실시예 1 및 실시예 2는 7일 인장강도에서 비교예에 비하여 양호한 인장강도를 나타내며, 특히 14일, 28일 및 56일 인장강도 모두 비교예에 비하여 높은 인장강도를 갖는 것으로 확인되었다. 또한, 실시예 2는 14일, 28일 및 56일 인장강도에 있어서 실시예 1과 대비할 때 0.2kgf/cm² ^., 0.4kgf/cm², 0.8kgf/cm²로 모두 높아 그라파이트 나노섬유 수용관체가 인장강도를 개선하는 재료인 것을 확인할 수 있었다.

표 1 및 표 2를 참조하면, 본 실시예들은 비교예와 비교할 때 유사하거나 약한 우수한 압축강도 및 인장강도를 갖는 것으로 판명되었다.

시험예 3) 콘크리트의 동결융해 시험

공시체의 치수, 성형 및 양생은 콘크리트 압축강도 시험방법과 동일하며, 본 시험은 ASTM C 666-92 및 KS F 2456-93에 의한 기중동결 수중융해법에 의하여 -17.8℃에서 4.4℃의 온도범위에서 비교예와 실시예에 대하여 동결융해시험을 실시하였다. 1 싸이클당 소요되는 시간은 약 2 ~ 4시간이 소요되었으며 최대 300 싸이클까지 혹은 상태동탄성계수의 값이 60% 이하가 될 때까지 계속 실시하여 매 30 싸이클마다 내동해성 평가항목으로 동탄성계수를 측정하였다.

시험 결과를 참조하면, 촉진동결융해 싸이클이 증가할수록 상대동탄성계수가 현저히 감소됨을 알 수 있으며, 비교예는 300 싸이클에서 상대동탄성계수가 87%로 확인되었고, 실시예들은 모두 97%로 비교예에 비하여 매우 우수한 것으로 확인되어 동결융해에 대한 저항성 및 내구성이 양호한 것으로 판명되었으며, 이로부터 콘크리트 미세 균열방지 및 개선 효과가 있는 것으로 판단되었다.

이상과 같은 본 발명은 실시예들에 한정되어 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 토대로 변형되는 실시예들은 모두 본 발명의 권리범위에 속함이 분명하다.

Claims

관체 형상의 베이스 셀룰로오스 섬유보강재 100 중량부에 대하여, 입체섬유보강재 15 ~ 18 중량부, 균열방지 섬유보강재 8 ~ 13 중량부, 그라파이트 나노섬유 수용관체 0.2 ~ 0.4 중량부, 탄산칼슘 0.1 ~ 0.8 중량부, 산화마그네슘 0.1 ~ 0.3 및 유동화제 0.2 ~ 3.0 중량부로 이루어지되,
상기 베이스 셀룰로오스 섬유보강재는 셀룰로오스 섬유 100 중량부에 대하여 바인더 1.2 ~ 3.5 중량부가 배합되어 관체 형상으로 성형된 것으로, 내경 0.5 ~ 2㎜, 두께 0.01 ~ 0.03㎜, 길이 13 ~ 250㎜으로 이루어지며, 상기 바인더는 아크릴계, 우레탄계 또는 실리콘계 바인더 중 어느 하나이고,
상기 입체섬유보강재는 가로 300 ~ 350㎜, 세로 20 ~ 35㎜, 두께 0.1 ~ 0.3㎜인 직사각 형상을 갖는 200 ~ 350 mesh의 망체이고, 밀도가 0.85 ~ 0.91g/㎤인 폴리에스터 또는 폴리프로필렌이고,
상기 균열방지 섬유보강재는 표면이 수산기로 되어 있으며 탄성강도 60.5 ~ 61.2 x 10⁴ kgf/㎠, 부착강도 15.2 ~ 15.3 kgf/㎠, 인장강도 5,050 ~ 5,120 kgf/㎠, 비표면적 0.13 ㎠/g 및 체적당 섬유수(1/㎤) 1,420 ~ 1,440개이고,
상기 그라파이트 나노섬유 수용관체는 외주연에는 길이방향의 노치가 형성된 폴리에스터 재질의 제 1 관체와, 상기 제 1 관체의 내주연에 제공된 폴리프로필렌 재질의 제 2 관체와, 상기 제 2 관체에 충전된 실리콘 충전재와, 상기 실리콘 충전재에 내장된 복수 가닥의 그라파이트 나노섬유를 포함하고,
상기 그라파이트 나노섬유는 길이(L) 40 ~ 70mm, 직경(D) 5 ~ 15mm이며, 상기 그라파이트 나노섬유는 직경 50 ~ 200㎚, 길이 10 ~ 30㎛, 비표면적(Specific Surface Area) 100 ~ 300m²/g, 벌크밀도(Bulk Density) 0.18 ~ 0.20g/cm³이고,
상기 유동화제는 리그닌 술폰산염계, 아미노 술폰산계, 나프탈렌 술폰산염계, 멜라민 술폰산계 또는 폴리카르본산계 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 섬유 조성물.
제 1 항에 있어서,
상기 그라파이트 나노섬유 수용관체는 제 1 관체 100 중량부에 대하여, 제 2 관체 60 ~ 75 중량부, 실리콘 충전재 80 ~ 130 중량부 및 그라파이트 나노섬유 0.05 ~ 0.1 중량부로 구성되며, 상기 제 1 관체는 폴리에스터이고, 상기 제 2 관체는 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 섬유 조성물.
제 1 항에 있어서,
상기 베이스 셀룰로오스 섬유보강재는 베이스 통기공 역할을 위해 외주연에 직경 0.01 ~ 0.03㎜의 관통공이 1㎜ 길이당 5 ~ 15개가 형성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 섬유 조성물.