[논문]사회기반시설 장수명화를 위한 고성능 폴리우레아 방수·방식 요소기술 개발

김성래; 황규현; 김영근

doi:10.22636/mkci.2012.24.5.30

사회기반시설 장수명화를 위한 고성능 폴리우레아 방수·방식 요소기술 개발
Development of Waterproof and Anti-Corrosion Proofing Technology to Extend Service Life of Social Infrastructure Using Polyurea Resin 원문보기

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문제 정의

본 기사에서는 우수한 물성으로 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 폴리우레아 도막 방수/방식재를 대상으로 옥외폭로시험 및 해양환경시험을 실시하여 사회기반시설물의 장수명화를 위한 고성능 방수/방식 요소기술 개발에 관한 것으로 수처리시설, 상하수 도용 코팅재, 콘크리트 표면 보호재, 강교용 부식 방지재로 적용이 가능한 고성능 폴리우 레아 수지의 개발, 시공성 및 시공품질 개선을 위한 시공 장비의 개발, 내구 수명 연장, 장기 내구성 평가 방법 및 내구 설계 기술의 연구과정을 소개하고자 한다.

제안 방법

강관 시험체는 직경 400 mm, 두께 5 mm 강관으로 600 mm 높이로 제작하였으며, 콘크리트 판넬은 1,000×1,000×100 mm의 평판으로 제작하였고, 는 1년 내내 지속적으로 해수에 침지되어 있는 침지대, 밑물과 썰물의 해수면 변화에 건습 반복되는 간만대, 해풍의 영향을 받는 비말대로 구분하여 강관의 부식과 염수 환경 및 태양의 일조량에 따른 외관의 변퇴색, 균열, 들뜸 등을 측정하고, 바다 동·식물의 번식에 따른 내오염성을 평가하였다.
따라서 과 같이 이소시아네이트의 방향족 화합물을 배제하여 상기와 같은 물성 저하 및 황변이 발생을 억제하였고 경화시간 및 가사시간을 충분히 확보하여 유지보수가 필요한 소형 작업구역과 시공 장비가 도입될 수 없는 현장에 도입가능한 수작업용 무황변 폴리우레아 수지를 개발하였다.
<사진 3>은 8,000×2,000×2,300mm 콘크리트 교각과 상판을, H빔은 거더를 모사하였으며 상판 상/하부 및 거더(금속 지지대), 교각의 동서남북 방향으로 구분하여 각 부위별로 1개월마다 태양의 일조량 및 환경적 요인에 따라 폴리우레아 방수/방식재의 열화 특성을 분석하기 위해 초기 부착강도, 외관의 변퇴색, 균열, 들뜸 등을 검토하고 경시별 특징을 분석하였다. 또한, Mock-up 시험체와 도막상태의 시편을 함께 옥외폭로 하여 경시별 열화인자에 따른 폴리우레아 도막의 물성 변화를 확인하였다.
앞에서 실험한 결과를 기초로 아민 혼합물인 Resin 프리폴리머인 [B]부의 폴리아민(%)을 1.10로 일정하게 고정한 상태에서 [A]부의 이소시아네이트 프리폴리머 함량을 변화시켜 실험하여 인장강도와 신장률에서 과 같은 결과를 나타내었다.
와 같이 개발되는 시공 장비의 작업성 및 분진 발생량, 토출압력에 따른 도막두께 등을 8,300×2,300×200 mm의 콘크리트 평판 구조물에 3부분으로 나누어 KS인증제품, 고내구성, 무황변 및 수작업용 폴리우레아 도막을 평가하였다.
은 8,000×2,000×2,300mm 콘크리트 교각과 상판을, H빔은 거더를 모사하였으며 상판 상/하부 및 거더(금속 지지대), 교각의 동서남북 방향으로 구분하여 각 부위별로 1개월마다 태양의 일조량 및 환경적 요인에 따라 폴리우레아 방수/방식재의 열화 특성을 분석하기 위해 초기 부착강도, 외관의 변퇴색, 균열, 들뜸 등을 검토하고 경시별 특징을 분석하였다.
폴리우레아 수지의 [A]부로는 MDI 형식의 프리폴리머를 사용하였으며 최적의 인덱스(index) 비율을 설계하기 위해 NCO(%)를 15.4로 고정하였고, [B]부의 아민 혼합물 함량을 변화시켜 실험하여 인장강도와 신장률에서 와 같은 결과를 나타내었다.

성능/효과

MDI 프리폴리머인 [A]부를 고정한 상태에서 [B]부의 인장강도와 신장률을 측정한 결과를 보면 Index Ratio가 0.90에서 0.95까지는 증가하다가 이후 감소하는 추세를 보이고 있다. 이후 인장강도는 1.
따라서 개선방향을 후 경화시스템으로 설정하여 폴리우레아 수지의 경화속도를 제어하는 수지를 설계하였고, 그 결과 화학적 반응속도를 제어하기 위해 경화시간을 충분히 제공하여 분자간의 결합력을 증가시키고 도막의 표면평활성이 양호함과 동시에 와 같이 초기 물성 대비 80% 이상의 성능을 확보하여 내열성능이 향상되는 최적의 수지 설계와 경화시스템을 정립하였다.
따라서 혼합율 향상 및 분진발생의 억제를 위해서는 관로 직각형을 기준으로 개발하되 와 같이 Chamber 관로의 경(Φ), 길이를 조정하면서 최적의 분사장치로 개량하는 것이 우선이며, 유속 및 압력과의 상관관계를 고려하여 개선하였다.
폴리아민 혼합물인 [B]부를 고정한 상태에서 [A]부의 인장강도를 측정한 결과를 보면 이소시아네이트 프리폴리머 NCO(%) 함량이 증가할수록 경도와 인장강도가 함께 증가하여 주요 물성을 나타내는 것을 알 수 있다. 하지만 신장률의 경우 경도가 증가 할수록 감소하는 경향을 나타내어 최적의 이소시아네이트 프리폴리머 NCO(%)의 함량은 15∼18%로 결정하였다.
현재 주로 사용되는 장비의 시스템을 분석한 결과 기본 원리를 보면 원액 압력의 발생은 유압실린더 또는 전동모터를 이용한 압력형성 방식이며 원액 펌프는 좌우, 또는 상하왕복운동으로 압력을 발생시키지만, 원액 펌프의 좌우, 상하 왕복 운동으로 압력 발생 시 방향 전환의 압력 편차(즉 맥동)로 인하여 원료 혼합 불량이 발생 할 수 있는 것으로 나타났다.

후속연구

분사량 노즐의 조정으로 시공의 연속성을 향상시키고, 원료의 압력을 일정하게 유지하여 시공 품질을 보완하며, 분진 및 원료 Loss를 줄일 수 있는 분사장치 디자인을 도출하여 장착함으로써 기존 시공 장비의 단점을 보완한 장비를 개발하고 있다. 또한, 연속시공이 가능한 장비의 개발을 통하여 기존 폴리우레아 장비의 단점인 원료보충시 이음부 발생을 최소화할 수 있고 일체화된 도막형성이 가능할 것으로 판단한다. <사진 5>와 같이 개발되는 시공 장비의 작업성 및 분진 발생량, 토출압력에 따른 도막두께 등을 8,300×2,300×200 mm의 콘크리트 평판 구조물에 3부분으로 나누어 KS인증제품, 고내구성, 무황변 및 수작업용 폴리우레아 도막을 평가하였다.
본 기사에서 소개한 바와 같이 사회기반시설에 요소별 적용되는 폴리우레아 방수/방식 공법의 요구 성능에 대하여 재료의 품질향상과 시공관리가 앞에서 서술한 바와 같이 정립된다면, 콘크리트 교량 및 해양환경 구조물의 내구성향상으로 경제적, 시공성 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 우수한 물성으로 현재 사회기반시설에 사용이 증가하고 폴리우레아 방수/방식 공법을 국민이 원하는 요구 성능을 충족시키기 위해서는 제품 및 시공 장비에 대해 충분한 검증이 요구된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

폴리우레아 공법은 어디에 널리 사용되는가?

폴리우레아는 일반건축물 및 토목구조물의 방수, 시설물 바닥 및 수처리 시설의 코팅, 내화학성 및 금속 방식 성이 요구되는 송유관, 가스관의 파이프 및 탱크, 산업용 단열 및 선박용 특수 코팅재, 방폭 및 폭파 철거분야 등 <그림 1>의 폴리우레아 공법이 넓게 사용되고 있다. 일반적으로 폴리우레아는 빠른 경화속도, 낮은 흡수율, 내화학성이 우수한 재료로 폴리우레아 스프레이 장비를 사용하여 0℃ 이하의 온도에서도 시공이 가능하다.

사회기반시설은 대부분 어떤 열화조건에 장기간 노출되는가?

사회기반시설은 대부분 해수, 태양광, 수분환경, 화학적 침식 등 가혹한 열화조건에 장기간 노출되어 있어 <사진 1>과 같이 경시변화에 따라 열화가 진행되고 있고, 이는 구조물의 안전 문제로 확대되어 경제적, 사회적 손실을 초래한다. 사회기반시설물의 장수명화를 위해 열화인자를 차단하고 시설물을 보호하는 고성능 방수/방식재 및 시공기술의 개발이 요구되는 상황에서 현재 사회기반시설물별 열화인자를 고려하지 않은 재료들이 적용되고 있으며, 폴리우레아 방수/방식재는 이중에서 가장 우수한 물성을 나타내고 있어 사용이 증가하고 있는 실정이다.

폴리우레아의 단점은 무엇인가?

일반적으로 폴리우레아는 빠른 경화속도, 낮은 흡수율, 내화학성이 우수한 재료로 폴리우레아 스프레이 장비를 사용하여 0℃ 이하의 온도에서도 시공이 가능하다. 그러나 주제와 경화제의 점도가 맞지 않는 경우 혼합이 불량하여 미경화가 발생하고, 외부에 노출된 경우 UV에 의한 황변이 심하게 발생하는 문제점이 있다. 또한 콘크리트및 강재 등 피착물의 종류에 따라 적합한 배합을 결정하는 것이 매우 어려우며, <사진 2>와 같이 표면에 수분이 존재하는 경우 부착력이 급격히 저하한다.

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