KR102103533B1 - 콘크리트보강용 폴리에스테르 섬유의 제조방법 및 폴리에스테르 섬유를 포함하는 콘크리트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리에스테르 섬유 표면에 에스테르계 평활제 및 다가알콜 유화제를 포함하는 코팅액이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리아미드 섬유에 관한 것이다. 본 발명에서 제조된 폴리에스테르 섬유는 고강력, 고탄성, 고내마모성의 특징을 갖지만 소수성인 단점을 보완하면서도, 콘크리트 내에서의 분산성과 부착성을 향상시켜 콘크리트의 균열저항, 인장강도 및 압축강도를 크게 향상 시킬 수 있다.

Description

콘크리트보강용 폴리에스테르 섬유의 제조방법 및 폴리에스테르 섬유를 포함하는 콘크리트{Method for preparing polyester fibers for reinforcing concrete and concrete comprising polyester fibers}

본 발명은 콘크리트 보강용 폴리에스테르 섬유에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 콘크리트 내에서의 분산성, 콘크리트와의 부착력 및 기계적 물성이 우수하여 콘크리트의 균열저항, 인장강도 및 압축강도 등을 개선시켜주는 콘크리트 보강용 폴리에스테르 섬유에 관한 것이다.

건축 구조물이나 터널에는 모르타르, 콘크리트 및 숏크리트와 같은 시멘트재 (이하 "콘크리트"라고 약칭한다)가 일반적으로 사용되지만, 이러한 콘크리트에는 초기에 미세균열이 발생되기 쉽다.

콘크리트의 균열 발생을 억제하기 위하여, 철근 조각과 같은 강(steel)섬유들이 첨가된 콘크리트가 개발된바 있었다. 하지만, 이러한 강섬유는 수분이 다량 존재하는 터널 등의 공사현장에 사용시 쉽게 부식되고, 비중이 높아 콘크리트 내에서의 분산성이 떨어지고 있다. 특히 숏크리트 타설시 강섬유가 튕겨져 나오는 양(리바운드 양)이 증가하고, 콘크리트의 하중을 증가시키는 문제점이 있어 왔다.

상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해서, 최근에는 미국특허 제5,749,961호 및 대만민국 공개특허공보 제2003-47669호 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 폴리올레핀 섬유 등과 같은 고강도를 갖는 합성섬유를 사용하는 방법도 일부 실시되고 있으나, 이경우 콘크리트의 기본적인 구조 성능을 향상시키는 효과는 알 수 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 일본 공개특허공보 제2002-137942호 등에서는 폴리프로필렌 섬유를 보강재료로 사용시 발생되는 상기 문제점을 개선하기 위해 이형단면을 가지는 폴리아미드 섬유를 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.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위해서 콘크리트 내의 분산성과 콘크리트와의 부착성이 우수하고, 섬유자체의 강신도 및 내마모 특성이 뛰어나 콘크리트의 균열저항, 인장강도 및 압축강도를 크게 개선할 수 있는 콘크리트 보강용 폴리에스테르(Polyester, PET, PBT, PEN, PBN 등) 섬유를 제공하고자 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 일 양태로서, 본 발명의 콘크리트 보강용 폴리에스테르섬유는 폴리에스테르 섬유 표면에 에스테르계 평활제 및 다가알콜 유화제를 포함하는 코팅액이 코팅되어 있다.

다른 양태로서, 본 발명의 상기 코팅액의 코팅량은 폴리에스테르섬유 전체중량대비 0.3 ~ 2중량%인 것을 특징으로 한다.

또 다른 양태로서, 본 발명의 상기 코팅액이 유제 원액 성분의 40 ~ 70 중량%의 에스테르계 평활제와, 20 ~ 40중량%의 유화제로 구성된 것을 특징으로 한다. 특히, 에스테르계 평활제는 50% ~ 70 중량% 범위내에 함유하도록 제조하는 것이 바람직하다.

또 다른 양태로서, 본 발명의 상기 폴리에스테르섬유는 고유점도(IV)가 0.80 ~1.7인 것을 특징으로 하거나, 또는, 상기 폴리에스테르섬유는 5㎜의 게이지 길이(Gauge length)로 측정한 강도가 7.5g/d 이상인 것을 특징으로 한다.

또 다른 양태로서, 본 발명의 상기 폴리에스테르 섬유는 5㎜의 게이지 길이(Gauge length)로 측정한 신도가 10 ~ 30%인 것을 특징으로 하거나, 또는, 상기 폴리에스테르섬유 길이가 3 ~ 25㎜인 것을 특징으로 한다.

추가의 양태로서, 본 발명의 상기 폴리에스테르섬유 섬도는 2~10데니어인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리에스테르 섬유를 첨부한 도 1 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리에스테르 섬유는 고강력, 고탄성, 고내마모성의 특징을 갖지만 소수성인 단점을 보완하기 위해 도 1과 같이 한쪽에는 소수성기를 갖고 다른 한쪽에는 친수성기를 갖는 유제를 섬유 표면에 코팅하여 섬유 표면에는 소수성기를 갖는 분자구조가 결합되게 하고 친수성기를 갖는 분자는 콘크리트 배합후 콘크리트가 고화될 때 콘크리트와 수소결합을 갖게 하는 것을 특징으로 한다.본 발명은 섬유 표면에 소수성기가 섬유와 결합력을 갖게 되고 친수성기는 콘크리트 배합시 분산성을 향상시키고 콘크리트가 고화될 때 콘크리트와 수소결합이 형성되어 콘크리트와의 부착력을 향상 시킨다.

상기 유제의 코팅량은 폴리에스터 섬유 전체 중량대비 0.3 ~ 2.0 중량%인 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나면 경우에는 상기 분산성과 부착력의 개선효과가 저하될 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 상기 유제의 코팅량을 특별하게 한정하는 것은 아니다.

바람직한 일례로서, 본 발명에서 사용되는 특수한 유제는 평활제로서 알킬-티오-에스테르와 폴리옥시에틸렌-티오-에스테르, 알킬 알킬레이트를 유제 원액 성분의 40% 이상, 바람직하게 50% 이상 함유하도록 제조한 10∼30% 농도의 수계 에멀젼 유제이다. 본 발명의 수계 에멀젼 유제에는 상술한 성분 이외에 폴리옥시에틸렌-폴리올-에스테르 및 폴리옥시에틸렌-폴리올 등의 유화제로 구성되는 것이 좋다. 여기서 유화제로 쓰이는 폴리올 부분이 소수성기를 대표하며 에틸렌, 에스테르부분이 소수성기를 대표한다.

또한 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리에스테르 섬유는 점도(IV)가 0.80 ~ 1.7, 보다 바람직하기로는 0.90 ~ 1.7 이상으로서, 아래와 같은 측정조건으로 측정한 강도가 7.5g/d 이상이고, 신도가 10% ~ 30인 것이 바람직하다.

<강신도 측정조건>

만능 섬유 인장시험기에 콘크리트 보강용 폴리에스터 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.

아래와 같은 측정 조건으로 측정한 폴리에스터 섬유 점도(IV)가 상기 범위보다 낮으면 섬유자체의 강도 및 내마모 특성이 저하되고, 섬유 자체의 강도 및 신도가 상기 범위를 벗어나면 콘크리트의 균열 저항 들을 개선하는 효과가 약해진다.

<고유점도 측정조건>

사염화탄소를 이용하여 시료에서 유제를 추출하고, 160±2 ℃에서 OCP (Ortho Chloro Phenol)로 녹인 후, 25℃조건에서 자동점도 측정기(Skyvis-4000)를 이용하여 점도관에서의 시료 점도를 측정하여 하기 계산식 1에 따라 폴리에스테르 원사의 고유점도(intrinsic viscosity, IV)를 구하였다.

[계산식 1]

고유점도(IV) = {(0.0242 × Rel)+0.2634} × F

상기 식에서

Rel =(용액초수 x 용액비중 x 점도계수)/OCP 점도이고;

F= (표준 칩의 IV)/(표준칩을 표준 동작으로 측정한 3개의 평균 IV)이며;

용액초수는 용액을 점도관에서 흘려 통과하는 시간을 초(sec)로 나타낸 값이다.

또한, 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리에스터 섬유는 길이가 3 ~ 25㎜이고, 섬도가 2 ~ 10 데니어인 것이 바람직하다.

상기 길이가 3㎜ 미만이면 콘크리트의 인장강도 및 압축강도의 개선효과가 떨어질 수 있고, 25㎜를 초과하는 경우에는 콘크리트내 섬유의 분산성이 떨어져 섬유가 서로 엉키는 현상이 빈발하여 콘크리트 물성이 오히려 저하될 수 있다.

상기 섬도가 2데니어 미만인 경우에는 섬유의 비표면적이 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 폴리에스터 섬유의 고유물성인 고강력, 고탄성율, 고내마모성의 특성에 친수성을 확보하기 위해 유제를 개선하여 코팅하므로 콘크리트와의 수소결합으로 기존 콘크리트의 물성에 폴리에스테르의 고유 물성을 추가하므로 더욱 개선된 콘크리드 각종물성을 더욱 개선시킨다.

본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리에스테르 섬유는 콘크리트 1㎥당 0.25 ~ 2㎏을 사용하는 것이 적합하다. 콘크리트 1㎥당 0.25㎏ 미만을 사용하면 콘크리트 보강효과가 저하되고, 2㎏을 초과하여 사용하면 콘크리트내 섬유의 분산성이 저하되어 콘크리트의 인장강도 및 슬럼프(Slump)가 저하된다.

본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리에스테르 섬유는 한쪽에는 소수성기를 갖고 다른 한쪽에는 친수성기를 갖는 유제를 섬유 표면에 코팅하여 섬유 표면에는 소수성기를 갖는 분자구조가 결합되게 하고 친수성기를 갖는 분자에 의하여 콘크리트 배합후 콘크리트가 고화될 때 콘크리트와 수소결합을 갖도록 한 것이다. 이로써, 폴리에스테르 섬유는 고강력, 고탄성, 고내마모성의 특징을 갖지만 소수성인 단점을 보완하면서도, 콘크리트 내에서의 분산성과 부착성을 향상시켜 콘크리트의 균열저항, 인장강도 및 압축강도를 크게 향상 시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 보강용 폴리에스테르섬유의 단면 모식도이다.

이하, 본 출원의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 당업자가 본 출원을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 출원의 내용이 한정되는 것은 아니다.

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

또한, 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.

하기 실시예 및 비교예에서 제조되는 보강재료는, 모두 162㎏의 물, 330㎏의 시멘트, 868㎏의 모래 및 964㎏의 골재를 배합하여 1㎥의 단위면적을 갖는 콘크리트를 제조할 때 첨가하여 사용하는 것을 전제로 한 것이다.

실시예 1

보강재료로서 고강력 폴리에스테를 사용하며 표면에 평활제로서 알킬-티오-에스테르와 폴리옥시에틸렌-티오-에스테르, 알킬 알킬레이트를 유제원액 성분의 각각 30중량%, 25중량%, 6중량%, 폴리옥시에틸렌-폴리올-에스테르 및 폴리옥시에틸렌-폴리올 유화제로 각각 17중량%, 중량15%로 구성되는 구성되는 유제를 전체 섬유중량대비 0.8중량% 코팅하였으며 이와 같이 제조된 폴리에스테르 섬유를 0.6㎏ 첨가하였다.

상기 폴리에스테르 섬유는 고유점도(IV)가 1.2이고 섬도가 3.9데니어이고, 5㎜의 게이지 길이로 앞에서 설명한 측정방법으로 측정한 강도가 8.1g/d이고, 신도가 16%이고 이를 절단(Cutting)기를 이용하여 길이가 6mm가 되게 절단하였다.

상기와 같이 제조된 콘크리트 보강용 폴리에스테르 섬유의 단면을 도 1에 대략적으로 표시하였고, 이는 폴리에스테르 섬유(F) 및 이의 외관을 둘러싸는 코팅액의 코팅층(C)로 구성된다. 또한, 이의 각종 물성을 평가한 결과는 표 2와 같다.

실시예 2 ~ 실시예 4

콘크리트 보강재료인 폴리에스테르 섬유의 첨가량과 폴리에스테르 섬유의 길이, 섬도, 강도 및 신도를 표 1과 같이 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정 및 조건으로 콘크리트를 제조하였다.

제조된 콘크리트의 각종 물성을 평가한 결과는 표 2와 같다.

[표 1: 평가된 물성 수치]

구분	첨가량 (kg/㎥)	길이 (㎜)	섬도 (데니어)	강도 (g/d)	신도 (%)
실시예 1	0.6	6	3.9	8.1	15
실시예 2	0.3	6	3.9	7.5	16
실시예 3	0.6	6	2.6	8.1	15
실시예 4	0.9	12	3.9	8.1	15

비교예 1

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

제조된 콘크리트의 각종물성을 평가한 결과는 표 2와 같다.

비교예 2

콘크리트 제조시 보강재료로서 섬유 표면에 실시예 1의 코팅액이 코팅되지 않는 폴리프로필렌 섬유를 0.9㎏ 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 콘크리트를 제조하였다.

제조된 콘크리트의 각종물성을 평가한 결과는 표 2와 같다.

비교예 3

보강재료로서 표면에 실시예 1의 코팅액이 전혀 코팅되지 않았고, 길이가 6㎜이고, 섬도가 11데니어인 통상의 폴리에스테르 섬유를 0.6㎏ 첨가하였다.

상기와 같이 제조된 콘크리트의 각종 물성을 평가한 결과는 표 2와 같다.

[표 2: 콘크리트 물성 평가 결과]

구분		실시예				비교예
		1	2	3	4	1	2	3
슬럼프(cm)		18	18	18	18	18	18	18
공기함유율(%)		4.8	4.6	4.7	4.4	4.7	4.6	4.8
압축강도 (MPa)	15시간	4.15	3.71	4.17	2.70	4.42	4.12	4.11
	18시간	6.18	6.64	6.07	5.22	6.18	5.42	6.08
	1일	12.7	12.4	12.4	10.8	11.7	9.1	12.0
	3일	27.6	28.9	27.0	26.0	24.4	23.6	24.6
	7일	33.8	34.8	33.9	32.6	32.3	30.1	31.1
인장강도 (MPa)	1일	1.54	1.63	1.50	1.53	1.38	1.14	1.34
	3일	2.87	2.65	2.85	2.80	2.53	2.69	2.50
	7일	3.28	3.19	3.30	3.35	2.76	2.76	2.85
분산성		◎	○	○	◎	-	○	○

상기 표 2로부터 실시예 및 비교예를 비교하여 보면, 압축강도의 경우, 15시간 및 18시간은 큰 차이가 없으나, 1일, 3일, 7일이 경과할 수록 실시예의 압축강도가 증가함을 알 수 있다. 또한, 인장강도의 경우도, 1일은 큰 차이가 없으나, 3일 및 7일이 경과할 수록 실시예의 인장강도가 증가함을 알 수 있다.

또한, 분산성의 경우, 실시예 1 및 4가 다른 실시예 2와 3, 및 비교예들과 비교하여 우수함을 알 수 있다.

Claims (8)

1. 폴리에스테르 섬유 표면에 에스테르계 평활제 및 다가알콜 유화제를 포함하는 코팅액이 코팅되어 있으면서,
   상기 다가알콜 유화제는 폴리옥시에틸렌-폴리올-에스테르, 또는 폴리옥시에틸렌-폴리올, 또는 이들의 혼합물이며;
   상기 폴리에스테르 섬유는 5㎜의 게이지 길이(Gauge length)로 측정한 신도가 10 ~ 30%인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리에스테르섬유.
2. 제1항에 있어서, 상기 코팅액의 코팅량은 폴리에스테르섬유 전체중량대비 0.3 ~ 2중량%인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리에스테르섬유.
3. 제1항에 있어서, 상기 코팅액이 유제 원액 성분의 40 ~ 70 중량%의 에스테르계 평활제와, 20 ~ 40중량%의 다가알콜 유화제로 구성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리에스테르섬유.
4. 제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르섬유는 고유점도(IV)가 0.80 ~ 1.7인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리에스테르섬유.
5. 제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르섬유는 5㎜의 게이지 길이(Gauge length)로 측정한 강도가 7.5g/d 이상인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리에스테르섬유.
6. 제1항에 있어서, 상기 다가알콜 유화제는 폴리옥시에틸렌-폴리올-에스테르와 폴리옥시에틸렌-폴리올의 혼합물인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리에스테르섬유.
7. 제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르섬유 길이가 3 ~ 25㎜인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리에스테르섬유.
8. 제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르섬유 섬도가 2~10데니어인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강용 폴리에스테르섬유.
   

Images