RC조 보수재료 및 콘크리트 보강용 섬유

철근콘크리트 구조물 보수재료

최근 지구환경의 보존 차원에서 콘크리트 구조물의 라이프 사이클 분석 시스템이 구조물 평가에 도입되면서, 지구에 대한 환경 부담을 줄이는 한 가지 방법으로 구조물의 사용기간을 연장하는 것이 바람직하다는 의견이 제시되고 있다. 즉, 콘크리트 구조물에 대한 유지·보전의 필요성이 대두됨에 따라 보수 및 개수의 개념이 새롭게 인식되고 있고, 보수에 사용되고 있는 무기질(시멘트)계 및 유기질(고분자)계 재료 또한 개발되고 있다.

보수재료의 종류 및 특징

(1) 철근방청용 재료

철근의 부식을 막기 위해서 그 부식 요인이 되는 물이나 산소의 공급을 차단하는 것으로, 수지계 방식도료(에폭시수지, 알칼리수지), 폴리머시멘트페이스트 또는 모르타르 등이 있다.

(2) 도포 침투재

방수성을 개선시키거나 취약한 콘크리트 표면을 강화시키기 위해 사용하는 것으로, 침투성 흡수 방지재, 침투성 알칼리성 부여재, 침투성 고화재, 도포형 방청재 등이 있다.

(3) 단면복구용 재료

단면복구 재료로써 요구되는 중요한 특성은 구조물과의 일체성으로서, 최근에는 복구단면이 큰 구조물에 대해서는 프리팩트 공법이 실시되기도 한다. 단면복구용 재료로는 수지 모르타르, 폴리머시멘트모르타르 등이 있다.

(4) 마감용 재료(표면 피복재)

가스투과 저지성, 방수성, 내균열성이 뛰어난 표면피복재를 사용하여 콘크리트 구체를 피복함으로써 중성화 효과를 기대할 수 있으며, 폴리머시멘트모르타르 등이 있다.

(5) 바탕 조정용 재료

단면복구 후의 표면보호, 마감재와 구체와의 부착성능 향상, 요철 조정, 골재 재분리에 의한 결함부 충전이나 신축 시 얇은 피복부를 보충하기 위한 목적으로 사용하며, 에폭시수지 모르타르계 재료, 폴리머시멘트계 재료 등이 있다.

 

콘크리트 보강용 섬유

일반적인 콘크리트 등의 시멘트계 재료는 압축강도, 내구성 및 강성이 우수한 반면 인장강도 및 휨강도가 낮고 에너지 흡수능력도 적을 뿐만 아니라 파괴 시 취성적인 성질을 나타낸다는 단점이 있다. 이러한 시멘트계재료의 치명적인 결함을 개선하기 위해 시멘트 매트릭스를 섬유로 보강하는 방법이 사용되었다. 이러한 섬유보강 기술은 1960년대 강섬유보강 콘크리트에 관한 연구를 시작으로, 유리섬유, 탄소섬유, 합성섬유 등 섬유 기술의 발전과 함께 다양한 방면으로 폭넓은 연구가 진행되어 왔다. 또한 최근에는 콘크리트의 내화성능을 향상시키기 위한 재료적 방안으로도 연구가 진행되고 있다.

섬유의 종류 및 특징

(1)  탄소섬유

탄소섬유는 거의 탄소만으로 되어 있는 섬유라고 할 수 있다. 의료의 원료 등에서 친숙한 아크릴 수지나 석유, 석탄으로부터 취할 수 있는 피치 등의 유기물을 섬유화하고, 그 후 특수한 열처리 공정을 거쳐 만들어지는 미세한 흑연 결정 구조를 가지는 섬유 상태의 탄소 물질이다. 피로하중 충격 과다 등의 원인으로 발생된 콘크리트 표면의 균열 위에 탄소섬유를 보강함으로써 구조물의 내력을 회복시킬 수 있으며 균열의 활동을 억제 및 유지시켜준다. 또한 터널 사이로 굴뚝 흄관 원형 구조물의 경우에도 기존 철판 등으로 보강하는 공법과 달리 적용이 용이해 우수한 효과를 얻을 수가 있다. 건축구조물의 경우 탄소섬유시트로 보수 및 보강하여 대형 사고의 발생을 방지함으로써 구조물의 수명을 늘리고 안정성을 얻을 수 있다.

(2)  폴리프로필렌섬유(PP 섬유)

건설분야에서 합성섬유의 사용이 점점 늘어가고 있다. 특히 국내에서는 고강도 건축물에 대한 내화 혹은 내폭렬 방지에 대한 대책의 일환으로 PP섬유를 혼입한 내폭렬용 콘크리트가 사용되고 있다. 건축에서 사용할 수 있는 섬유는 나일론, PVA, PP 등의 다양한 섬유를 사용할 수 있지만 녹는 점이 낮은 섬유를 사용하는 것이 유리하며 국내 생산이 가능하기 때문에 사용량이 늘어나는 추세이다.

(3)  강섬유

섬유는 콘크리트에 혼합 시 체적이 보통 콘크리트와 비슷하거나 오히려 다소 작아지는 경향을 나타내지만, 보통 콘크리트와는 달리 강섬유의 혼입에 의해 미소균열의 진전을 억제할 수 있으며, 압축재하 시의 소성변형능력 및 에너지 흡수능력을 크게 증가시킬 수 있기 때문에 압축파괴 시 균열이 발생하여 극한강도에 이르고 난 뒤에도 급격한 파괴를 나타내지 않으며, 큰 변형이 일어난 후에도 상당한 압축인성을 나타낸다.

(4)  유리섬유

 유리섬유는 특정 원료를 응용, 방사하여 매우 가늘고 길게 성형한 뒤에 급랭시켜 만든 섬유 상태의 유리를 말하며 그 형태, 생산방법에 따라 단열 및 흡음재로 사용하는 단섬유와 각종 수지 보강재로 사용하는 장섬유로 구분되며, 일반적으로 단섬유를 glass wool, 장섬유를 glass fiber라고 한다. 유리섬유의 특징은 다음과 같다.

①    고온에 견디며, 불에 타지 않는다.

②    흡수성이 없고, 흡습성이 적다.

③    화학적 내구성이 있기 때문에 부식하지 않는다.

④    강도, 특히 인장강도가 강하다.

⑤    신장률이 적다.

⑥    전기 절연성이 크다.

⑦    내마모성이 적고, 부서지기 쉬우며 부러진다.

⑧    비중은 나일론의 2.2배, 무명의 1.7배이다.

⑨    매트로 만든 것은 단열·방음성이 좋다.

 

이와 같은 성질을 이용하여 천으로 짠 내화직물이나 전기 절연재료 등의 용도로 널리 쓰이며, 건축 관계에서는 보온·보냉재(保冷材), 흡음방음재, 공기여과 등에 사용된다.

(5)  아라미드섬유

인장강도, 강인성, 내열성이 뛰어나며 고강력 · 고탄성률을 갖고 있다. 5mm 정도 굵기의 가느다란 실이지만, 2t의 자동차를 들어 올릴 정도의 막강한 힘을 가지고 있다. 불에 타거나 녹지 않으며, 500°C가 넘어야 비로소 검게 탄화한다. 강섬유(steel fiber)보다도 강하고 타이어의 고무에 대한 접착성이 좋으며 내굴곡성과 내열성이 우수하다.

(6)  나일론섬유

과거 나일론(nylon)섬유는 시간 경과에 따른 물성 저하, 섬유의 경량으로 인한 시멘트 및 콘크리트 매트릭스 상에서의 분산력 문제(뭉침 현상, fiber ball), UV에 노출 시 생기는 강도 저하 등의 많은 문제점을 가지고 있었다. 그러나 현재의 나일론섬유는 과거 나일론이 갖는 단점들을 개선하여 가볍고, 시멘트 및 콘크리트 매트릭스 상에서 분산력이 좋아 뭉침 현상이 발현되지 않으며, 콘크리트의 품질을 저하시키는 균열과 휨, 인장 강도를 개선시키고 콘크리트 구조물의 내구성 및 품질을 개선시키는 우수한 재료로 발전되었다. 또한 경제성에 있어서도 폴리프로필렌 등의 기타 합성섬유보다 저렴하여 그 사용이 증가되고 있는 실정이다.

(7)  폴리비닐알코올섬유(PVA 섬유)

PVA는 화학명을 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol)이라 하며, 합성 고분자의 일종으로 “물에 녹는” 독특한 성질을 가지고 있다. PVA는 탄소(C), 수소(H), 산소(O)로 된 합성수지로서, 염소(C1), 질소(N), 유황(S) 등의 성분은 포함되어 있지 않으며, 화장품(팩), 의약품(눈약, 알약)에도 사용되고 있는 극히 유해성이 낮은 소재이다. 또한 PVA 수지는 조막성, 접착성, 유화성, 내유성, 내약품성 등이 뛰어나다. 이들 특징을 살려 비닐론섬유와 필름의 원료, 섬유 가공제, 종이 가공제, 접착제, 염화 비닐의 중합 안정제 등 광범위한 용도로 확대되고 있다. 더욱 최근에는 자동차 앞 유리용 중간막 원료, 잉크제트용 종이의 가공제, 인쇄판재 등 새로운 용도로 이용되고 있으며, 콘크리트의 열과 힘, 인장강도를 개선시키기 위해 사용되고 있다.