RC 구조물 보강을 위한 고성능 폴리우레아의 개발 및 적용성 평가

김성배(Kim Sung Bae),김장호(Kim Jang Ho),최홍식(Choi Hong-Shick),허권(Heo Gweon) 대한토목학회 2010 대한토목학회논문집 A Vol.30 No.2A

일반적으로 폴리우레아는 부착성능, 신장률, 투수 저항성이 매우 높아서 구조물의 방수 코팅재료로 많이 사용되고 있다. 또한, 스프레이건을 이용하여 쉽고 빠르게 작업이 가능하며, 약 30초 이내에 경화가 되기 때문에 시공성도 매우 뛰어나 우수한 기능성 재료로 각광받고 있다. 그러나, 건설산업에서 폴리우레아는 대부분이 방수코팅재료로 사용되고 있으며, 구조물의 성능을 향상시키는 보강재로 사용하기 위한 연구는 전무하다. 따라서, 본 연구는 폴리우레아를 일반 구조물의 보강재로 사용하기 위한 기초적인 연구로 폴리우레아의 구성성분의 변화에 따른 영향을 파악하고자 한다, 또한, 개발된 폴리우레아의 구조 보강성능을 확인하기 위하여 RC 보와 슬래브를 제작하여 휨 성능 실험을 수행하였다. 실험 결과, 폴리우레아는 콘크리트 시험체와 일체거동을 보이며, 연성과 강성이 상승하는 것으로 나타났다. 그러나, 섬유시트와 폴리우레아로 2중 보강한 시편은 오히려 섬유시트만으로 보강한 시편보다 낮은 성능을 보이는 것으로 나타났다. Generally, poly-urea is widely used as waterproof coating material due to its superior adhesiveness, elongation capacity, and permeability resistance. In addition, it can be quickly and easily applied on structure surfaces using spray application. Since it hardens in about 30 seconds after application, its construction efficiency is very high and its usage as a special functional material is also excellent. However, currently, poly-urea is mostly used as waterproof coating material and the researches on its usage as a retrofitting material is lacking at best. Therefore, basic studies on the use of poly-urea as a general structural retrofitting material are needed urgently. The objective of this study is to develop most optimum poly-urea composition for structure retrofitting purpose. Moreover, the structural strengthening capacity of the developed poly-urea is evaluated through flexural capacity experiments on RC beams and RC slabs. From the results of the flexural test of poly-urea strengthened RC beam and slab specimens, the poly-urea and concrete specimen showed monolithic behavior where ductility and ultimate strength of the poly-urea strengthened specimen showed slight increase. However, the doubly reinforced specimens with FRP sheet and poly-urea showed lower capacity than that of the specimen reinforced only with FRP sheet.

경질형 폴리우레아로 보강된 RC 슬래브의 성능 평가

박정천(Park Jeong Cheon),이상원(Lee Sang Won),김성배(Kim Sung Bae),김장호(Kim Jang-Ho Jay) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 A Vol.31 No.6A

본 연구에서는 경질형 폴리우레아로 보강된 RC 슬래브의 보강성능과 파괴거동을 파악하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 보강성능을 평가하기 위해 경질형 폴리우레아를 도포한 시험체와 기존의 보강재로 사용되는 탄소섬유시트와 유리섬유시트를 부착한 시험체 무보강 시험체를 제작하여 실험을 수행하였으며 구조물의 보강성능에 큰 영향을 미치는 부착성능 평가도 수행하였다. 휨 성능 평가결과로는 경질형 폴리우레아를 도포한 시험체는 무보강 시험체보다 높은 휨 성능을 보였지만 섬유시트를 부착한 시험체보다는 다소 낮은 휨 성능을 나타내었다. 하지만 경질형 폴리우레아를 도포한 시험체는 탄성범위를 넘어선 소성구간에서의 연성거동은 우수한 것으로 나타났다. 부착성능 결과에서는 모든 시험체의 부착성능이 표준부착 강도인 1.5 ㎫ 이상의 값으로 높게 나타났다. 또한 경질형 폴리우레아를 도포한 시험체는 섬유시트의 보강방법에 사용되는 에폭시 레진을 사용하지 않아도 인장용 지그와 경질형 폴리우레아의 탈락이 일어나지 않고 콘크리트 모재와의 탈락이 발생한 것으로 나타나 경질형 폴리우레아를 콘크리트의 보강재로 사용 할 경우 부착성능의 저하로 인한 보강효과의 성능저하는 일어나지 않을 것으로 확인되었다.  ; ;An experimental study was performed to evaluate the possibility of using stiff type PolyUrea(PU) on RC slab as a strengthening material. Stiff type PU(STPU) was sprayed on the bottom surface of the slab specimens which were then attached with CFRP or GFRP sheets. Also the evaluation of the bond capacity the single most influential parameter on strengthening of RC structures was carried out the flexural capacity evaluation test results showed that the load carrying capacity of the PU specimen was greater and less than the unstrengthened and FRP sheet attached specimens respectively. The STPU specimens showed a ductile flexural behavior in the plastic displacement range. With respect to bond capacity the bond strength of all of the specimen exceeded the code required bond strength of 1.5 ㎫. Also the STPU sprayed specimen without using epoxy resin did not peel off when the tensile grip was applied for testing. The stability of the PU bond failure indicate a good bond strength of PU when applied to concrete.

복합폴리우레아를 도포한 콘크리트 구조물의 구조성능 개선에 관한 실험적 연구

조동호,김진봉,김태완,은희창 대한건축학회 2019 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.35 No.1

탄성중합체인 폴리우레아는 높은 신장과 유연성으로 구조물에 사용할 경우에 연성 및 인성증진에 효율적이다. 추가적으로 보강충진제를 혼입할 경우, 내력을 증진시키는 효과도 기대할 수 있다. 따라서, 이 연구에서는 시트 시공 후, 에폭시를 도포하는 반복시공없이 폴리우레아와 보강충진제를 혼합한 복합폴리우레아를 분사 및 도포하여 이에 따른 보강효과를 기대하고 이루어졌다. 겔 형태의 폴리우레아와 보강충진제를 혼합한 후, 보강부재의 표면에 분사 및 도포한 콘크리트부재의 내력 및 역학적인 거동을 실험적으로 비교한다. 보강충진제의 종류, 도포두께, 보강충진제의 혼입량을 실험변수로 콘크리트 휨인장실험용 시험체를 제작하고 실험을 행한다. 복합폴리우레아에 의한 보강효과를 근거로 구조 및 내진성능 개선에 활용할 수 있음을 연구를 통해 입증하게 된다. This study investigates the applicability of composite polyurea to contain fiber reinforcement like fiber glass, steel fiber and carbon nanotube. Polyurea as elastomer is an excellent water-proofing material with many mechanical characteristics such as high tensile strength, ductility,high rate of expansion and contraction, and so on. The reinforcing fibers can be utilized for improving the load-carrying capacity of concretestructures. The polyurea plays a role to improve the ductility and toughness. Composite polyurea takes the mechanical advantages of thefibers and the polyurea. The test variables include the type of reinforcing fiber, its spraying thickness, and its weight ratio contained in thecomposite polyurea. It is observed that the load-carrying capacity, and the ductility and toughness are improved with the increase in thespraying thickness and the weight ratio contained in the composite polyurea. It is expected that the composite polyurea can be widely utilizedin enhancing the structural and seismic performance.

DMPA의 함량이 우레아 수지의 수분산 안정성과 기계적 성질에 미치는 영향

박재철,김동수,이수 한국응용과학기술학회 2019 한국응용과학기술학회지 Vol.36 No.4

이소시아네이트와 아민의 빠른 반응성으로 인해 고가의 전용 도포 설비가 있어야만 시공이 가능하였던 우레아 수지를, 일반적인 도포 설비로도 시공이 가능하도록 수분산 상태의 우레아 수지를 합성하기 위한 조건을 설정하기 위하여, 1차적으로 분자량과 관능기의 수가 다른 폴리이서 아민과 다이이 소시아네이트를 사용하여 기계적 물성이 우수한 수분산 우레아 수지 합성 조건을 찾고, 2차적으로 DMPA [2,2-Bis(hydroxymethyl)propanoic acid]의 함량이 수분산 우레아 수지의 수분산 안정성에 미치는 영향을 연구하였다. 우레아기의 형성은 FT-IR ATR 분광법으로 확인하였다. 그 결과 수분산 우레아 수지의 기계적 물성은 분자량과 관능기 수가 다른 폴리이서 디아민과 폴리이서 트리아민을 함께 투입한 PU-4와 PU-6 배합의 경우, 각각 인장강도가 10.5 N/㎟, 12.7 N/㎟ 및 신장률이 1165 %, 969 %로 우수하였다. 또한, 인장강도가 가장 높은 PU-6 배합에 DMPA을 0.5 몰 첨가하여 합성한 후 트리에틸 아민으로 중화시킨 수분산 우레아 수지가 14.2 N/㎟의 인장강도와 993 %의 신율로 가장 우수하였으며, 8 주 동안의 저장안전성 평가에서도 수분산 상태가 가장 안정하게 유지되었다. In this study, different types of polyether amines and H 12 MDI were used to synthesize water dispersed urea resins, which can be applied to coating material on the concrete slabs for bicycle road using the ordinary application equipments. The concentrations of several polyether amines with different molecular weights and the number of amine functionality were varied to set up the optimal condition for water dispersed urea resin preparation with both an excellent tensile strength and an elongation. In addition, the effect of DMPA[2,2-Bis(hydroxymethyl)propanoic acid] concentration on the storage stability of the water dispersed urea resin was also investigated. The formation of urea bonds from isocyanate and polyether amines was confirmed through FT-IR ATR spectroscopy. From the mechanical properties of urea resins, PU-4 and PU-6, which were prepared with both diamines and triamine of different molecular weights and number of functionality, showed the tensile strength of 10.5 N/㎟ and 12.7 N/㎟, respectively and the elongation of 1165 % and 969%, respectively. Among the water dispersed urea resin synthesized with different contents of DMPA, PU-6 showed the highest mechanical properties, a tensile strength of 14.2 N/㎟ and an elongation of 993%. In addition, the water dispersion state of this PU-6 was the most stable even after 8 weeks.

내진보강용 폴리우레아로 보강된 철근콘크리트 기둥의 내진성능 평가에 대한 유사동적실험 연구

조철민,이두성,김태균,김장호 대한토목학회 2017 대한토목학회논문집 Vol.37 No.2

As earthquakes have frequently happened all over the world, huge losses of human life and property have occurred. Therefore, retrofitting and strengthen technologies of non-seismically designed structures in Korea are urgent. Also, there has been a growinginterest about seismic retrofitting, where researches on the topic have been actively pursued in Korea. The study results showed that ductility inducing retrofitting method is more superior stiffness inducing method. In Japan, Super Reinforcement with Flexibility (SRF) was introduced. Therefore, in this study, seismic performance evaluation was performed through pseudo dynamic test and uniaxial compression test for RC column retrofitted by PolyUrea for ductility inducing retrofitting material. Uniaxial compression test results showed that strength of all specimens retrofitted by PolyUrea was higher than that of RC specimens. Also, all specimens retrofitted by PolyUrea also showed ductile fracture behavior. In pseudo dynamic test, by appling real earthquake record, the seismic behavior of RC column reinforced by PolyUrea was evaluated through relative displacement, reinforcement strain, displacement ductility, and dissipation energy. The results showed that PolyUrea helped to enhance seismic performance of RC columns. 국내외적으로 지진의 발생이 빈번함에 따라 인명 및 재산 피해가 발생하고 추가적인 경제적 손실을 초래한다. 국내의 비내진으로 설계된 구조물의 보수․ 보강이 시급할 뿐만 아니라 지진에 대한 관심이 고조됨에 따라 내진보강에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 고연성 보강재를 사용한 내진보강기법이 소개되면서 강성보강보다는 연성보강에 대한 신뢰도가 높아지고 있다. 따라서 본 연구에서는 연성보강 재료로써 최근 각광받고 있는 폴리우레아를 이용한 내진보강공법을 소개하기 위해서, 폴리우레아로 보강한 RC 시편에 대하여 일축압축시험과 유사동적실험을 수행하였다. 일축압축시험에서 폴리우레아 보강시 강도가 증진되었을 뿐 아니라 연성거동을 확인할 수 있었으며, 실제 지진파를 적용한 유사 동적실험에서는 상대변위, 주철근의 변형률, 변위연성도, 소산에너지 모두 향상된 보강성능을 확인할 수 있었다. 연성보강의 목적으로 개발한 폴리우레아 보강방법은 기둥부재의 내진보강에 유용하게 사용될 것이라고 판단된다.

구조물 내진 보강용 폴리우레아의 내구 성능 평가

조철민,김장호,이두성,김태균 한국구조물진단유지관리공학회 2017 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.21 No.3

전 세계적으로 지진발생이 빈번하고 많은 인명피해와 사회기반시설물의 피해가 발생하고 있다. 지진에 대한 보수, 보강기법에 대 한 연구가 많이 있었지만 대부분은 강성보강형태로 반복적인 하중이 구조물에 작용하면 2차적 피해가 발생할 수 있다. 따라서 강성보강이 아 닌 연성보강형태의 보수, 보강기법이 필요하다. 본 연구에서는 철근 콘크리트 기둥 부재에 적용할 수 있는 보강 공법으로써 폴리머계의 고인성 과 고연성 효과를 나타내는 경질형 폴리우레아를 내진보강용 재료로 선택하였고 재료의 열화 및 내화학적 특성에 대한 내구 성능을 평가하였 다. 내구 성능 평가는 폴리우레아의 산 환경 및 자외선 노출 시험을 실시하였고, 폴리우레아를 도포한 콘크리트의 탄산화 노출 및 동결융해 시 험을 실시하였다. 내진보강용 폴리우레아는 모든 시험을 통하여 내구성능과 저항능력이 우수한 것으로 판단되며 추후 내진 보강 재료로써 유 용하게 사용될 것으로 사료된다. An experimental study is needed a reinforcing method for seismic load to apply for RC structures because a lot of earthquakes have frequently happened in the world and those also collapsed infrastructures or damaged human lives. The reinforcing effect of PolyUrea (PU) appeared to be excellent under blast and impact about RC structures. In this study, Stiff Type PolyUrea (STPU) had developed by manipulating the ratio of the components of prepolymer and hardener of PU. And the durability performance evaluation of STPU for deterioration and chemical resistance has been performed. Acid environmental exposure test and ultraviolet (UV) exposure test have been performed as the durability performance evaluation for STPU. Concrete carbonation exposure test and freezing and thawing test for concrete coated with STPU have been performed. The experimental result showed that STPU has high resisting capacity and durability in all tests. Therefore, STPU would be used as seismic reinforcement materials.

폴리우레아 도자기 복원 재료의 적용

한원식,위광철,오승준,이영훈 한국문화재보존과학회 2018 보존과학회지 Vol.34 No.1

This study synthesized poly-urea and used it as a filler material for the restoration of porcelain. The synthesized poly-urea was manufactured as a resin and hardener mix that does not undergo contraction during curing, and is unfading. Given an adhesion strength of 180 kg/cm2 and shearing strength of 200 kg/cm2, the synthesized poly-urea exhibited the same efficacy as the epoxy putty currently sold in the market. Moreover, it also overcame the drawback of foaming encountered by urethane restoratives, which are a structurally similar type. The hardening time and pot life could also be controlled using additives. The poly-urea used for the restoration of modern artifacts presented a pot life of approximately one hour and took 12 h for complete hardening (T90). When a 2 × 2 × 2 cm-sized test sample was added to xylene, poly-urea started to separate approximately two hours later and completed perfect pulverization within the solution 24 h later, demonstrating its reversibility. When directly applied to contemporary artifacts, it demonstrated the potential for restoration, as well as convenience and colorfulness. 도자기 복원을 위한 폴리우레아를 합성하여 메움제로 제조한 후 이를 도자기 보존 처리과정에 필요한 성형에 적용하였다. 합성된 폴리우레아는 이액 반응형 경화 재료로 경화되는 과정에서 수축이 없고 무황변 소재로 제조되었다. 180 kg/cm2의 접착 강도와 200 kg/cm2의 전단 강도를 비교하여 볼 때, 기존의 시판 에폭시 퍼티의 수준으로 제조되었으며, 구조상 유사 형태인 우레탄 복원제의 문제점으로 지적되었던 기포가 발생하지 않았으며 경화 시간과 가사 시간도 첨가되는 반응 촉매의 량에 따라 조절할 수 있었다. 현대 유물 복원에 사용된 조성의 폴리우레아의 경우 가사 시간 약 1 시간, 완전 경화 시간 (T90) 12 시간 정도를 나타내고 있었으며 2 × 2 × 2 cm 크기의 시편을 xylene에 첨가하였을 때 약 2 시간 후에서부터 분리가 시작되어 24 시간 후에는 용액 내에서 완전 분말화가 이루어져서 가역성을 나타내고 있었고 이를 직접 현대 유물에 적용하여 복원 가능성과 편리성, 채색성 등을 나타내는 것을 확인하였다.

고연성 고인성 폴리우레아의 재료성능평가

박준희 ( Park Joon Hee ),양달훈 ( Yang Dal Hun ),김장호 ( Kim Jang Jay Ho ) 한국구조물진단유지관리공학회 2020 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.24 No.1

본 연구는 기존의 구조물 보수·보강 및 내진공법인 FRP시트 부착공법의 단점을 보완하고 내진보강 성능을 향상시키는 기술로, 국내 실정에 맞는 맞춤형 고연성 고인성 폴리우레아 보수·보강 재료의 개발을 목적으로 진행되고 있다. 이에 따라 다양한 배합별 폴리우레아의 휨 보강성능을 평가하였다.

내진 보수보강용 폴리우레아를 도포한 조적식 부재의 휨강도 강도 평가

김장호 ( Kim Jang Jay Ho ),박준희 ( Park Joon-hee ),방준희 ( Bang June-hee ),양달훈 ( Yang Dal-hun ) 한국구조물진단유지관리공학회 2020 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.24 No.2

본 연구는 기존의 구조물 보수·보강 및 내진공법의 단점을 보완하기 위해 개발된 폴리우레아를 사용하여 조적식 부재의 휨강도 강도 평가를 실시하였다. 폴리우레아의 보강성능을 간접적으로 시험하기 위해 190*124*590(mm), 지간 372mm 크기의 휨 부재 시편을 제작하였다. 이를 통해 조적식 구조물에서의 보수·보강재료로서 폴리우레아의 적합성을 평가하였다.

폴리우레아를 이용한 신축이음장치 긴급보수공법의 개발

전규식(Gyoo Shick Jeon),조영선(Young Sun Cho),서일우(IL Woo Seo) 한국철도학회 2016 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2016 No.10

교량구조물에 있어서 필수적인 부품인 신축이음장치는 분절부 및 각종 부위에서 누수로 인하여 교량받침 및 교량구조물 콘크리트 자체를 열화 시키는 중요한 요인으로 작용하고 있지만, 사용중인 교량에 대한 신축이음장치의 보수 및 누수대책은 장시간 차량통행을 제한할 수밖에 없다. 최근에 건축물의 바닥재로 널리 사용되고 있는 폴리우레아는 수분 이내라는 경화속도의 급결성과 접착성능으로 인하여 토목구조물의 긴급보수와 같은 용도로 그 범위가 점차 확대되고 있다. 특히 장시간의 차량통행을 차단할 수 없는 신축이 음장치의 긴급 보수에는 단순한 도포를 통하여 누수를 차단할 수 있으며 빈번한 차량통행에 대해서도 충분한 내마모성이 증명되고 있다. 또한 폴리우레아의 인장강도는 접착면과의 박리를 유도할 수 있을 정도로 충분하여 경화된 도막은 기계를 사용하면 제거할 수 있으므로 일정한 간격을 두고 시공과 재시공을 반복적으로 수행할 수 있는 장점이 있다. Expansion joints which is an essential devices in the bridge structure also make problems the very uncomfortable situation like as traffic control in case of emergency maintenance. The poly-urea coating method which has widely used in flooring coating are being examined in structure requiring urgency because of the quick bonding material characteristic. Also the enough for abrasion resistance is to be proven the excellence repairing method of bridge expansion joint with a lot of traffic load. The tensile strength of poly-urea film could be peeled off the adhesive side with concrete to removal the film since life is over. The regular interval and iterative repair process is very convenient in terms of economical bridge maintenance.