補強繊維及びこれを含むショットスクリーン組成物
【課題】セメント硬化体、特にショットクリートにおいて曲げ強度、曲げ靱性などの構造性能に優れるとともに、セメントペースト内での分散性、付着性に優れ、その施工性に優れた補強纎維及びこれを含むショットクリート組成物を提供する。
【解決手段】本発明は、補強纎維及びこれを含むショットクリート組成物に係り、より詳しくは纎維の形状及び纎維表面のコーティングによりセメントペーストの分散性に優れるとともに付着力にも優れ、トンネルなどの構造体の施工の際、その施工が容易であり、リバウンド率の低下、分散性の向上などによって密実な構造体が形成され、曲げ靱性などの耐久性に優れた構造体を提供することができる補強纎維及びこれを含むショットクリート組成物に関する。
【解決手段】本発明は、補強纎維及びこれを含むショットクリート組成物に係り、より詳しくは纎維の形状及び纎維表面のコーティングによりセメントペーストの分散性に優れるとともに付着力にも優れ、トンネルなどの構造体の施工の際、その施工が容易であり、リバウンド率の低下、分散性の向上などによって密実な構造体が形成され、曲げ靱性などの耐久性に優れた構造体を提供することができる補強纎維及びこれを含むショットクリート組成物に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補強纎維及びこれを含むショットクリート組成物に係り、より詳しくは纎維の形状及び纎維表面のコーティングによりセメントペーストの分散性とともに付着力にも優れ、トンネルなどの構造体の施工の際、その施工が容易であり、リバウンド率の低下、分散性の向上などによって密実な構造体が形成され、曲げ靱性などの耐久性に優れた構造体を提供することができる補強纎維及びこれを含むショットクリート組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリート、モルタル、及びショットクリートを含むセメント硬化体（以下、“セメント硬化体”と略称する）は経済的な建設材料として広範囲に使われているが、引張強度及び靱性靱性が低い欠点を持っている。
【０００３】
セメント硬化体の靱性を改善するための補強材料として鉄筋が１００余年間使われて来たが、近年には鉄筋の代わりに鉄板、パイプ鋼繊維、鉄などの鋼系補強材料が汎用されている。
【０００４】
鉄屑のような鋼繊維は厚さ０．５ｍｍ、長さ３０ｍｍ程度の形態を持ち、従来に使用された鉄筋に比べてセメント硬化体との付着力が良くて破壊強度が高く、鉄及びメッシュの設置が難しいトンネル及びダム工事現場への適用が容易な利点がある。しかし、水分が多量に存在するトンネルなどの工事現場に使用するとき、鋼繊維が容易に腐食され、高価であり、比重が高くてセメント硬化体内での分散性が落ち、セメント硬化体の荷重を増加させる問題点がある。そのため、トンネルの施工の際、トンネル掘削面を補強するグラウティング層を形成し、前記グラウティング層の内周縁での漏水を防止するために、セメント硬化体の１種であるショットクリートを噴射してショットクリート層を施工することになる。しかし、ショットクリート層を施工するためにショットクリートに鋼繊維を混入して噴射する場合、鋼繊維のショットクリート内での分散性が良くないため、ノズルでの詰まり現象が発生する。従って、噴射そのものが容易でなく、このような詰まり現象を防止するために、ショットクリートのスランプ値を１２０ｍｍ以上で配合して噴射することにより、鋼繊維の比重によってリバウンドが大きくなり、ショットクリート層の外部に鋼繊維が露出される問題があるとともにショットクリートの強度にも問題があった。
【０００５】
前記のような従来の問題点を解決するために、近年には米国特許第５，７４９，９６１号明細書及び大韓民国特許出願公開第２００３−４７６６９号明細書などのように、セメント硬化体補強材料として鋼繊維などの鋼材補強材料の代わりに合成纎維を使う方案が活発に研究されている。
【０００６】
具体的に、合成纎維は、鋼繊維に比べ、比重が低く、耐食性に優れるとともにセメント硬化体の亀裂抵抗性能を一層補強させる効果も得ることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、合成纎維はセメント硬化体の曲げ強度や曲げ靱性などの基本的な構造性能を向上させることはできずに、セメント硬化体の亀裂発生を防止する効果のみを発現すると知られている。
【０００８】
また、合成纎維がセメント硬化体の基本的な構造性能を向上させようとする場合には、合成纎維の使用量を増大しなければならないが、使用量が増加すればセメント硬化体内での分散が難しくなり、セメント硬化体の圧縮強度、曲げ強度などの物性が低下し、セメント硬化体との付着性も低下する。
【０００９】
本発明は、セメント硬化体、特に、ショットクリートにおいて曲げ強度、曲げ靱性などの構造性能に優れるとともに、セメントペースト内での分散性、付着性に優れ、その施工性に優れた補強纎維及びこれを含むショットクリート組成物を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するための手段として、本発明は、複数のフィラメントでなり、両端に解けた形状の付着部が設けられる補強纎維を提示する。前記補強纎維は、複数のフィラメントでなる直線部、及び外周縁部からなることができ、このような直線部、及び外周縁部が空気交絡によってその表面にループが形成される構造、またはその外周縁部が製織された構造により分散性及び付着力に優れた補強纎維が提示される。
【００１１】
また、前記目的を達成するための手段として、本発明は、前記補強纎維が含まれたショットクリート組成物の場合は、ショットクリート単位体積に対し、セメントを含む結合材３００〜６００ｋｇ／ｍ３と、水１８０〜２４０ｋｇ／ｍ３と、細骨材８００〜１２００ｋｇ／ｍ３と、粗骨材４００〜７００ｋｇ／ｍ３と、が配合されてなることを特徴とする補強纎維を含むショットクリート組成物を提示する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による補強纎維は空気交絡によるループなど、構造的形状によってセメントペースト内での分散性及び付着性に優れた利点がある。
【００１３】
また、本発明による補強纎維を含むショットクリート組成物は、圧縮強度、引張強度、曲げ強度及び曲げ靱性に優れた構造体を提供する効果がある。
【００１４】
また、本発明による補強纎維を含むショットクリート組成物は、前記補強纎維の構造及び材質によって凝集が発生せずに分散性に優れ、スランプを低くしてもノズルの詰まりがなく、リバウンド率が低くなって、施工性、経済性に優れた利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の補強纎維の一実施例を示す概略図ある。
【図２】図１に示した二重構造を持つ纎維において空気交絡させる形状を示す斜視図である。
【図３】本発明の補強纎維の他の実施例を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の補強纎維が含まれたショットクリート組成物が噴射される形状を示す概略図である。
【図５】短繊維と補強纎維が含まれたショットクリート組成物を示す概略図である。
【図６】鋼繊維と補強纎維が含まれたショットクリート組成物を示す概略図である。
【図７】本発明の実施例及び比較例の圧縮強度実験値を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例及び比較例の引張強度実験値を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例及び比較例の曲げ強度実験値を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例及び比較例の等価曲げ強度比実験値を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例の纎維混入率による曲げ強度実験値を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例の纎維混入率による等価曲げ強度比実験値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の構成及び作用を添付図面に基づいてより具体的に説明する。本発明の説明において、本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は発明者が自分の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に従って本発明の技術的思想に合う意味と概念に解釈されなければならない。
【００１７】
以下、添付図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１８】
本発明による補強纎維は、図１及び図３に示すように、複数のフィラメントＳからなり、両端部にそれぞれのフィラメントが解けた形状の付着部１３０、１３０ａが設けられ、前記付着部１３０、１３０ａによってセメントペースト２１との付着力を増大させることで、本発明の補強纎維が含まれた構造体２０の耐久性を増大させるためのものである。
【００１９】
一方、本発明は、二通りの実施例の補強纎維１００、１００ａを提示するもので、中央部に複数のフィラメントＳでなる直線部１１０、１１０ａと、前記直線部１１０、１１０ａを複数のフィラメントＳがくるむように構成される外周縁部１２０、１２０ａと、前記直線部１１０、１１０ａ及び外周縁部１２０、１２０ａの両端でそれぞれのフィラメントＳが解けた形状からなる付着部１３０、１３０ａとからなる実施例を提示する。
【００２０】
まず、第１実施例として、補強纎維１００は、図１に示すように、複数のフィラメントでなる直線部１１０と、これをくるむ外周縁部１２０と、その両端の付着部１３０とからなり、前記直線部１１０と前記外周縁部１２０は、図２に示すように、複数のフィラメントＳからなる直線部１１０と外周縁部１２０を互いに空気交絡させることによりそれぞれのフィラメントＳを交絡させるようにするものである。すなわち、このように製造された纎維１００はその表面に多数のループＲを形成することになり、このようなループＲが以下に説明するセメントペースト２１との付着性能を向上させることになるものである。
【００２１】
ここで、直線部１１０と外周縁部１２０を互いに空気交絡させるというのは、まず図面に示されたものはないが、直線部１１０と外周縁部１２０を互いに区分なしに交絡させることにより形成可能なものであり、図１などに示すように、直線部１１０と外周縁部１２０を区分して交絡させることで形成するものである。
【００２２】
ここで、空気交絡とは、図２に示すように、空気交絡装置内に複数のフィラメントＳからなる直線部１１０及び外周縁部１２０からなる母体を供給し、高圧の空気を噴射することによりフィラメントＳ間を交絡させることをいう。
【００２３】
一方、本発明の補強纎維１００は、その表面に大きさ０．０１〜２ｍｍのループＲが前記補強纎維の長さ１ｍ当たり１００〜１，０００，０００個形成されていることが付着性及び分散性の面でより有利である。
【００２４】
前記補強纎維１００をなすフィラメントは、ポリアミド纎維、ポリプロピレン纎維、ポリビニルアルコール纎維、ポリエステル纎維、リヨセル（Ｌｙｏｃｅｌｌ）纎維、レーヨン纎維、ポリアクリル纎維、ポリオレフィン繊維、ポリビニルクロリド纎維、全芳香族ポリアミド纎維、炭素纎維またはこれらの混合纎維など、その材質は限定されない。
【００２５】
このように、多様な材質のフィラメントが適用可能であることは、付着性能が著しく落ちるポリプロピレン纎維のような素材も空気交絡によって表面に多数のループを形成するので摩擦特性を改善することができてセメントペーストとの付着力を強化させることができるからである。すなわち、値段が低いが付着性能が落ちる素材のフィラメントを空気交絡させてループを形成することによりセメントペーストとの付着性能を向上させることができるようになるものである。
【００２６】
また、付着力が落ちるが値段が低くて比重が低く融点が低いポリプロピレン纎維と、付着力は優れるが値段が高くて大衆化することができないポリビニルアルコール纎維を互いに交絡させて値段を低めながらも付着力に優れた補強纎維を提供することができるようになるものである。その外にも、ポリアミド、ポリアラミドのようなフィラメントとの複合空気交絡が可能である。すなわち、このようにフィラメントを空気交絡させることで、図面には示されていないが、直線部１１０と外周縁部１２０を区分なしに交絡させることで補強纎維を構成して、経済的に付着力に優れた補強纎維を提供することができるものである。
【００２７】
一方、図１などに示したように、本発明の補強纎維１００を直線部１１０と外周縁部１２０に区分して構成する場合、前記直線部１１０はポリアラミド、高強力ポリエチレン、炭素纎維などの高強力原糸のような強度の高いフィラメントＳを使って強度及び柔軟性を向上させることが好ましく、前記外周縁部１２０はセメントペースト２１との付着のためにポリビニルアルコールまたはポリアミドなどの親水性原糸を使うことが好ましい。このように親水性原糸を使う場合、水素結合によるセメントペースト２１との付着力を高めることができるので、構造体２０の耐久性が補完されるものである。
【００２８】
結局、交絡によって形成される補強纎維１００は、直線部１１０と外周縁部１２０を区分せずに互いに交絡させる場合には、値段の低いフィラメントと比較的値段が高いながらも付着力に優れたフィラメントを混合して使うことで経済的に付着性能を向上させて使うことができ、直線部１１０と外周縁部１２０を区分する場合には、直線部１１０と外周縁部１２０を相異なる材質のフィラメントを使って強度、柔軟性及び付着性を向上させて使うことができ、これは用途によって選択的に使うことができるのはいうまでもない。
【００２９】
このような空気交絡の形態に製造するためのフィラメントの単糸繊度（モノ繊度）は０．５〜１０デニール、補強纎維の総纎度は１００〜５，０００デニールであることが良い。しかし、モノ纎度が低いことが有利である。あまり太いモノ纎度を有する場合には、交絡が緩く、配合の際に容易に解けるからである。
【００３０】
一方、本発明は、他の実施例として、図３に示すように、補強纎維１００ａを開示し、前記補強纎維１００ａは、複数のフィラメントＳからなる直線部１００ａと、複数のフィラメントＳからなり、前記直線部１００ａをくるむように製織された形状の外周縁部１２０ａとからなる。前記外周縁部１２０ａは、複数のフィラメントＳが多方向に製織されることにより前記直線部１１０ａによって直線性を維持した状態で多方向への引張強度が補強されるようにするためのものである。
【００３１】
したがって、前記外周縁部１２０ａは、複数のフィラメントＳを、図３に示すように、補強纎維１００ａの円周方向（Ｘ軸方向）と軸方向（Ｙ軸方向）、そして前記円周方向と軸方向の間に対角線方向に４方向にそれぞれのフィラメントを製織するものである。このように、多方向にフィラメントを製織して外周縁部１２０ａを形成することで、纎維１００ａは軸方向にだけでなく円周方向及び対角線方向にも強度が補強されることにより、多方向への外力による抵抗性能を向上させることができるようになるものである。また、前記外周縁部１２０ａは、複数のフィラメントＳが多方向への製織によって形成されることにより外周縁部１２０ａの表面に屈曲が形成され、セメントペースト２１との付着力が向上し、結局構造体２０の強度が補強されるものである。
【００３２】
ここで、直線部１００、１００ａは複数のフィラメントＳによって形成されるもので、外周縁部１２０、１２０ａの内部に配置されて補強纎維１００、１００ａの形状（直線性）を保持する機能をするものであり、このような直線部１１０、１１０ａによって纎維１００、１００ａ間の凝集による分散性の低下を防止することができるようになるものである。また、直線部１１０、１１０ａによってセメントペースト２１において直線性を維持することで、構造体２０の引張強度が補強されるものである。
【００３３】
特に、本発明の前記付着部１３０、１３０ａは前記直線部１１０、１１０ａと外周縁部１２０、１２０ａをなすフィラメントＳが解けた形状になるようにすることで、セメントペースト２１との付着力を増大させることができるものである。前記付着部１３０、１３０ａは、前記直線部１１０、１１０ａと前記外周縁部１２０、１２０ａのみが構成された状態で、セメントペースト２１をなすセメント粒子によって直線部１１０、１１０ａ及び外周縁部１２０、１２０ａの両端でそれぞれを構成するフィラメントＳ間の付着性が低くなって直径が拡張する形状に配合過程で構成可能であり、あるいは配合の前に前記直線部１１０、１１０ａと前記外周縁部１２０、１２０ａのみが構成された母体状態で低速で振動を与えながら切断して、補強纎維１００、１００ａの両端でフィラメントＳ間の付着性が低くなるようにして直径が拡張する形状に構成可能である。すなわち、このように付着部１３０、１３０ａを構成することにより、フィラメントＳ間の付着性が低くなることによって発生する間隙の間にセメントが充填されて補強纎維１００、１００ａとセメントペースト２１の間の結合力が増大するものである。
【００３４】
また、前記付着部１３０、１３０ａの構成において、前記纎維の直線部１１０、１１０ａと外周縁部１２０、１２０ａをなすフィラメントＳは互いに付着しないように製造することが好ましい。これは、それぞれのフィラメントＳを互いに付着しないように構成して前記付着部１３０、１３０ａが容易に形成されるようにするためである。このように、フィラメントＳを互いに付着しないように構成しても、それぞれのフィラメントＳの間に摩擦力が作用してどのくらいの付着力は発生するので、補強纎維１００、１００ａの形状を維持するのには問題がない。
【００３５】
また、図３に示すように、前記外周縁部１２０ａに多価アルコールエステル潤滑剤、非イオン系界面活性剤及び帯電防止剤を含むコーティング層１４０ａをさらに塗布することができる。このように、外周縁部１２０ａの表面にコーティング層１４０ａを塗布することで、前記纎維１００ａはセメントペースト２１内で分散性が大きく向上する。
【００３６】
好ましくは、本発明において、前記コーティング層１４０ａは、多価アルコールエステル潤滑剤４０〜５０重量％、非イオン系界面活性剤３０〜４０重量％、及び帯電防止剤１０〜３０重量％を配合して塗布することが好ましい。
【００３７】
また、前記コーティング層１４０ａは、纎維１００ａの総重量に対して０．５〜３重量％であることが好ましく、前記範囲を外れる場合には分散性及び付着力の改善効果が低下することができる。
【００３８】
前記では、図３に示した補強纎維１００ａの外周縁部１２０ａにだけコーティング層１４０ａを図示しているが、他の実施例による補強纎維１００の場合にもコーティング層が設けられることができるのはいうまでもない。
【００３９】
一方、本発明は、セメントを含む結合材、水、細骨材、粗骨材及び前記補強纎維を含むショットクリート組成物を提示している。一般に、纎維を含むショットクリートの破壊は纎維とセメントペースト間の付着面の破壊によって発生するので、このような付着性を増大させるために、本発明では纎維表面の化学的処理（Ｃｏａｔｉｎｇ）でコーティング層を付け加え、力学的な方法（Ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎｄｅｎｔｉｎｇ、ｎｏｔｃｈｉｎｇ）で空気交絡によるループが形成された構造などを持つ纎維を含む組成物を提示することにより、纎維とセメントペーストの界面付着力を増大させるとともにショットクリート内で分散性を向上させた。
【００４０】
すなわち、図１に示すように、本発明のショットクリート組成物は、補強纎維、水、セメント、細骨材、及び粗骨材を含むセメントペースト２１でなってトンネルのショットクリート層などの構造体２０をなすものである。
【００４１】
本発明のショットクリート組成物において、セメントを含む結合材（ｂｉｎｄｅｒ）は、ショットクリートの単位体積に対し、セメントを含む結合材３００〜６００ｋｇ／ｍ３を含む。前記結合材は、強度発現の側面で３００ｋｇ／ｍ３以上を含むことが好ましく、経済性、流動性の側面で６００ｋｇ／ｍ３以下を含むことが好ましい。
【００４２】
本発明の組成物のうち、水はショットクリート単位体積に対して１８０〜２４０ｋｇ／ｍ３を含み、水の含量は強度及び流動性の側面で、最適範囲で選択的に調節することができるものである。
【００４３】
本発明において、細骨材はショットクリート単位体積に対して８００〜１２００ｋｇ／ｍ３を含み、前記細骨材は流動性及び材料分離低減の側面で前記含量の範囲に限定することが好ましい。また、粗骨材は、ショットクリート単位体積に対し、４００〜７００ｋｇ／ｍ３を含むことが流動性及び材料分離低減の側面で好ましい。
【００４４】
特に、本発明において、前記補強纎維は、ショットクリート単位体積に対して０．５を超えて１．０％以下を含むことが好ましい。前記纎維の含量がショットクリート単位体積に対して０．５％以下であれば、以下に説明するトンネル設計基準及び韓国道路公社標準仕様書の等価曲げ強度比の基準を満たすことができなく、さらに亀裂制御の側面でも不利になるものである。また、前記纎維が１．０％を超えれば、ショットクリート噴射の際に凝集などが発生して分散性が低下し、強度の面でも不利になるものである。
【００４５】
一方、本発明においては、ショットクリート組成物を配合する過程でショットクリートのスランプを８０〜１２０ｍｍにすることが好ましく、より好ましくはショットクリートのスランプを８０ｍｍにすることが好ましい。これは、前記従来技術でも説明したように、従来の鋼繊維を混入してショットクリートを配合する場合、凝集、ノズルの詰まりなどの問題のために１２０ｍｍ以上にスランプを合わせる。このようにスランプを高めれば、ショットクリートの強度が低くなるだけでなく粘性が低くなってリバンウンド率が高くなる問題が発生し、結局トンネルなどの構造体の耐久性が低下するものである。しかし、本発明においては、補強纎維１００、１００ａを混入してショットクリートを配合するので、図４に示すように、補強纎維１００、１００ａの弾性によって噴射装置１のノズル２の詰まりが発生しなく、分散性が良いので、スランプを一般的なショットクリートのスランプである８０ｍｍに合わせてもノズル２の詰まり現象が発生しなく、粘性及び纎維の材質などによってリバウンド率が低くなるので、結局トンネルなどの構造体の耐久性が向上するものである。図４に示すように、ノズル２から噴射される補強纎維１００はフレキシブルに屈曲（Ａ部分）を形成して、ノズル２での凝集などによって詰まりが発生しなく、ノズル２から噴射された後には、以下に説明する前記直線部１１０によって二重構造を持つ纎維１００が直線性を維持してショットクリートの強度及び亀裂の面で寄与することになるものである。すなわち、補強纎維１００において、直線部１１０を多数本の纎維Ｓで構成し、ポリアラミド、高強力ポリエチレン、炭素纎維などの高強力原糸を使うことにより、ショットクリート内でフレキシブルになることができるものである。
【００４６】
一方、前記補強纎維１００、１００ａの直径は０．０２ｍｍ〜１０ｍｍまで可能であるが、より好ましくは０．２ｍｍ〜０．６ｍｍに限定することが好ましい。０．２ｍｍ未満の場合には、モノフィラメントと大きな違いを示すことができなく、空気交絡においても多数のフィラメントを使うことができないため製造しにくく、引張強度が低いためショットクリートにおいて構造的性能を発現しにくい。反対に、直径が０．６ｍｍを超える場合には、空気交絡加工が難しいだけでなく、セメントペースト内で二重層が生じるため、構造的に不利になるものである。
【００４７】
また、前記補強纎維１００、１００ａはその長さを１０〜２００ｍｍに限定することが好ましい。１０ｍｍ未満の場合は、前記補強纎維１００、１００ａがショットクリート内で強度増大及び亀裂制御の効果を発現する程度が低く、前記補強纎維１００、１００ａ自体がショットクリート内でいずれも解けてしまうことができ、二重構造の纎維が維持されなくて問題が発生することができ、一方、前記補強纎維１００、１００ａが２００ｍｍを超える場合、前記補強纎維１００、１００ａの間に凝集が発生して分散性が低下することができ、ノズルの詰まり現象が発生することができるからである。
【００４８】
一方、本発明は、図５に示すように、ショットクリート組成物の構成において、水、セメントを含む結合材、細骨材、及び粗骨材を含むセメントペースト２１に前記補強纎維１００を含み、これに加えて短繊維１５０がさらに含まれる例を提示する。
【００４９】
本実施例に含まれる短繊維１５０も、図５に示すように、その表面に多価アルコールエステル潤滑剤、非イオン系界面活性剤及び帯電防止剤を含むコーティング層１５１を塗布してセメントペースト２１内で分散性を向上させることが好ましい。
【００５０】
前記短繊維１５０の場合も多様な材質でなることができるが、好ましくはポリアミドなどの親水性モノフィラメントまたは複数のフィラメントでなることを特徴とする。
【００５１】
一方、前記短繊維１５０の場合は、長さが長い場合、凝集現状の発生頻度が高いため、短繊維１５０は前記補強纎維１００より短く構成することが好ましい。
【００５２】
このように、セメントペースト２１内に長い補強纎維１００は直線部１１０によって形状が維持されて凝集現象が発生しなく、構造体２０の強度が補強され、外周縁部１２０及び付着部１３０によってセメントペースト２１との付着力が増大するものであり、特にセメントペースト２１内でマクロな亀裂を制御することができることになるものである。さらに、長さが短い短繊維１５０は表面にコーティング層１５１が形成されて分散性が向上し、比較的短い長さによって凝集が防止され、セメントペースト２１内で前記補強纎維１００が制御することができないマイクロな亀裂を制御することで、結局構造体２０内で多様な形状及び大きさの亀裂を制御してその耐久性を向上させるものである。
【００５３】
また、他の実施例として、ショットクリート組成物の構成において、水、セメントを含む結合材、細骨材、及び粗骨材を含むセメントペースト２１に前記補強纎維１００を含み、これに加えて鋼繊維１６０がさらに含まれる例を提示する。前記鋼繊維１６０は、図６に示すように、補強纎維１００のみでセメントペースト２１内での曲げ靱性を補強するのに足りない部分を補強するものである。また、前記鋼繊維１６０を前記補強纎維１００に混入することで、鋼繊維１６０によって引き起こされることができる比重による分散性低下の問題を解決しようとするものである。
【００５４】
このように、セメントペースト２１内に補強纎維１００は直線部１１０によって形状が維持されて凝集現象が発生しなく、構造体２０の強度が補強され、外周縁部１２０及び付着部１３０によってセメントペースト２１との付着力が増大するものであり、特にセメントペースト２１内でのこのような付着力の向上によって亀裂を制御することができるようになるものである。さらに、鋼繊維１６０を一部混入することにより、比重による分散性の低下を防止し、前記補強纎維１００より高い剛性によって曲げ靱性を補強することで、結局構造体２０の耐久性を向上させるようになるものである。
【００５５】
図５及び図６はショットクリート組成物に補強纎維１００が含まれた例を示しているが、他の実施例として補強纎維１００ａが含まれることができるのはいうまでもない。
【実施例】
【００５６】
以下、本発明のショットクリート組成物のうち補強纎維１００が混入した組成物を使った実施例及び実験例を説明する。
【００５７】
（実施例及び実験例）
実施例及び実験例に使われる配合比及び纎維は下記表１及び表２に示すようである。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
前記表１において、Ｐｌａｉｎは纎維が混入しなかった比較例を示し、ＰＡ０．５〜ＰＡ０．８は纎維の混入量（０．６〜０．８％）による本発明の実施例を示し、Ｓ０．５は鋼繊維が単位体積当たり０．５％混入した比較例を示し、ＰＰ０．５は他の纎維が単位体積当たり０．５％混入した比較例を示すものである。ここで、本発明の実施例の繊維とは表２に示すポリアミド纎維を示し、他の繊維とはポリプロピレン繊維を示し、鋼繊維も表２の物性を持つものを使って本実験を行った。
【００６１】
まず、図７は前記比較例及び実施例によって圧縮強度実験結果を示すもので、本実験においては、比較例及び実験例のいずれもトンネル設計基準に提示した材齢２８日、２１ＭＰａを満たす結果を得た。したがって、設計基準で提示する圧縮強度の面では問題がない。
【００６２】
次に、図８は比較例及び実施例の引張強度を示したもので、Ｐｌａｉｎ及びＰＰ０．５よりＰＡ０．６、ＳＦ０．５が引張強度で高いことが分かり、纎維を含まない比較例及び他の纎維を含む比較例より本発明の纎維を含む実施例及び鋼繊維を含む比較例が引張強度の面で有利であることが分かる。これから、本発明の補強纎維が鋼繊維とほぼ同等に纎維とコンクリート間の架橋作用を充実にして引張強度に高く寄与したことが分かる。
【００６３】
図９及び図１０は比較例及び実施例の曲げ強度及び等価曲げ強度比を示すもので、その設計基準は、トンネル設計基準において、材齢２８日ショットクリートの曲げ強度は４．５ＭＰａ以上、そして曲げ靱性を示す等価曲げ強度比は３．０ＭＰａ以上でなければならないという規定と韓国道路公社専門仕様書の等価曲げ強度比は６８％以上でなければならないという基準を基礎とする。
【００６４】
このような基準に基づき、図９及び図１０に示すように、本発明の実施例及び鋼繊維を含む比較例の場合、前記基準のいずれも満たしているが、纎維を含まない比較例及び他の纎維を含む比較例の場合、前記設計基準及び仕様書規定を満たしていない結果を得た。すなわち、本発明の組成物は補強纎維を含むことで分散性及び付着力が強化して、鋼繊維を含むショットクリートとほぼ同等に曲げ強度及び曲げ靱性を現すことができることが分かる。
【００６５】
一方、図１１及び図１２は本発明の実施例として補強纎維の混入率による曲げ強度及び等価曲げ強度比を示すものである。図１１によれば、補強纎維の混入率が増加することによるショットクリートの曲げ強度の増加量は低いことが分かり、図１２に示すように、二重構造を持つ纎維が単位体積当たり０．６％以上混入した実施例においては、いずれもトンネル設計基準の曲げ強度３．０ＭＰａと韓国道路公社標準仕様書の等価曲げ強度比６８％を満たすことが分かり、適正の補強纎維の混入量は経済性の面で単位体積当たり０．６％であることが分かる。
【００６６】
結論として、本発明の実施例及び鋼繊維を含む比較例が纎維を含まない比較例及び他の纎維を含む比較例より引張強度、曲げ強度及び曲げ靱性の面で有利であることが分かり、特に本発明の補強纎維が鋼繊維とほぼ同等な水準にショットクリートにおける引張強度、曲げ強度及び曲げ靱性の増大に寄与していることが分かる。すなわち、本発明は補強纎維がショットクリートに含まれることにより、鋼繊維が含まれた比較例より分散性向上、リバウンド率の低下、腐食防止などの利点があるにもかかわらず、引張強度、曲げ強度及び曲げ靱性の面でも鋼繊維を含む従来のショットクリートとほぼ同等な水準の効果を得ることができるので、耐久性、施工性、経済性などにおいて本発明が従来技術に比べて著しい効果を持つと判断される。
【００６７】
また、本発明の実施例において、補強纎維が単位体積当たり０．６％以上混入した実施例においては、いずれもトンネル設計基準の曲げ強度３．０ＭＰａと韓国道路公社標準仕様書の等価曲げ強度比６８％を満たすことが分かり、適正の補強纎維の混入量は経済性の面で単位体積当たり０．６％であることが分かる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補強纎維及びこれを含むショットクリート組成物に係り、より詳しくは纎維の形状及び纎維表面のコーティングによりセメントペーストの分散性とともに付着力にも優れ、トンネルなどの構造体の施工の際、その施工が容易であり、リバウンド率の低下、分散性の向上などによって密実な構造体が形成され、曲げ靱性などの耐久性に優れた構造体を提供することができる補強纎維及びこれを含むショットクリート組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリート、モルタル、及びショットクリートを含むセメント硬化体（以下、“セメント硬化体”と略称する）は経済的な建設材料として広範囲に使われているが、引張強度及び靱性靱性が低い欠点を持っている。
【０００３】
セメント硬化体の靱性を改善するための補強材料として鉄筋が１００余年間使われて来たが、近年には鉄筋の代わりに鉄板、パイプ鋼繊維、鉄などの鋼系補強材料が汎用されている。
【０００４】
鉄屑のような鋼繊維は厚さ０．５ｍｍ、長さ３０ｍｍ程度の形態を持ち、従来に使用された鉄筋に比べてセメント硬化体との付着力が良くて破壊強度が高く、鉄及びメッシュの設置が難しいトンネル及びダム工事現場への適用が容易な利点がある。しかし、水分が多量に存在するトンネルなどの工事現場に使用するとき、鋼繊維が容易に腐食され、高価であり、比重が高くてセメント硬化体内での分散性が落ち、セメント硬化体の荷重を増加させる問題点がある。そのため、トンネルの施工の際、トンネル掘削面を補強するグラウティング層を形成し、前記グラウティング層の内周縁での漏水を防止するために、セメント硬化体の１種であるショットクリートを噴射してショットクリート層を施工することになる。しかし、ショットクリート層を施工するためにショットクリートに鋼繊維を混入して噴射する場合、鋼繊維のショットクリート内での分散性が良くないため、ノズルでの詰まり現象が発生する。従って、噴射そのものが容易でなく、このような詰まり現象を防止するために、ショットクリートのスランプ値を１２０ｍｍ以上で配合して噴射することにより、鋼繊維の比重によってリバウンドが大きくなり、ショットクリート層の外部に鋼繊維が露出される問題があるとともにショットクリートの強度にも問題があった。
【０００５】
前記のような従来の問題点を解決するために、近年には米国特許第５，７４９，９６１号明細書及び大韓民国特許出願公開第２００３−４７６６９号明細書などのように、セメント硬化体補強材料として鋼繊維などの鋼材補強材料の代わりに合成纎維を使う方案が活発に研究されている。
【０００６】
具体的に、合成纎維は、鋼繊維に比べ、比重が低く、耐食性に優れるとともにセメント硬化体の亀裂抵抗性能を一層補強させる効果も得ることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、合成纎維はセメント硬化体の曲げ強度や曲げ靱性などの基本的な構造性能を向上させることはできずに、セメント硬化体の亀裂発生を防止する効果のみを発現すると知られている。
【０００８】
また、合成纎維がセメント硬化体の基本的な構造性能を向上させようとする場合には、合成纎維の使用量を増大しなければならないが、使用量が増加すればセメント硬化体内での分散が難しくなり、セメント硬化体の圧縮強度、曲げ強度などの物性が低下し、セメント硬化体との付着性も低下する。
【０００９】
本発明は、セメント硬化体、特に、ショットクリートにおいて曲げ強度、曲げ靱性などの構造性能に優れるとともに、セメントペースト内での分散性、付着性に優れ、その施工性に優れた補強纎維及びこれを含むショットクリート組成物を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するための手段として、本発明は、複数のフィラメントでなり、両端に解けた形状の付着部が設けられる補強纎維を提示する。前記補強纎維は、複数のフィラメントでなる直線部、及び外周縁部からなることができ、このような直線部、及び外周縁部が空気交絡によってその表面にループが形成される構造、またはその外周縁部が製織された構造により分散性及び付着力に優れた補強纎維が提示される。
【００１１】
また、前記目的を達成するための手段として、本発明は、前記補強纎維が含まれたショットクリート組成物の場合は、ショットクリート単位体積に対し、セメントを含む結合材３００〜６００ｋｇ／ｍ３と、水１８０〜２４０ｋｇ／ｍ３と、細骨材８００〜１２００ｋｇ／ｍ３と、粗骨材４００〜７００ｋｇ／ｍ３と、が配合されてなることを特徴とする補強纎維を含むショットクリート組成物を提示する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による補強纎維は空気交絡によるループなど、構造的形状によってセメントペースト内での分散性及び付着性に優れた利点がある。
【００１３】
また、本発明による補強纎維を含むショットクリート組成物は、圧縮強度、引張強度、曲げ強度及び曲げ靱性に優れた構造体を提供する効果がある。
【００１４】
また、本発明による補強纎維を含むショットクリート組成物は、前記補強纎維の構造及び材質によって凝集が発生せずに分散性に優れ、スランプを低くしてもノズルの詰まりがなく、リバウンド率が低くなって、施工性、経済性に優れた利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の補強纎維の一実施例を示す概略図ある。
【図２】図１に示した二重構造を持つ纎維において空気交絡させる形状を示す斜視図である。
【図３】本発明の補強纎維の他の実施例を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の補強纎維が含まれたショットクリート組成物が噴射される形状を示す概略図である。
【図５】短繊維と補強纎維が含まれたショットクリート組成物を示す概略図である。
【図６】鋼繊維と補強纎維が含まれたショットクリート組成物を示す概略図である。
【図７】本発明の実施例及び比較例の圧縮強度実験値を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例及び比較例の引張強度実験値を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例及び比較例の曲げ強度実験値を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例及び比較例の等価曲げ強度比実験値を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例の纎維混入率による曲げ強度実験値を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例の纎維混入率による等価曲げ強度比実験値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の構成及び作用を添付図面に基づいてより具体的に説明する。本発明の説明において、本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は発明者が自分の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に従って本発明の技術的思想に合う意味と概念に解釈されなければならない。
【００１７】
以下、添付図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１８】
本発明による補強纎維は、図１及び図３に示すように、複数のフィラメントＳからなり、両端部にそれぞれのフィラメントが解けた形状の付着部１３０、１３０ａが設けられ、前記付着部１３０、１３０ａによってセメントペースト２１との付着力を増大させることで、本発明の補強纎維が含まれた構造体２０の耐久性を増大させるためのものである。
【００１９】
一方、本発明は、二通りの実施例の補強纎維１００、１００ａを提示するもので、中央部に複数のフィラメントＳでなる直線部１１０、１１０ａと、前記直線部１１０、１１０ａを複数のフィラメントＳがくるむように構成される外周縁部１２０、１２０ａと、前記直線部１１０、１１０ａ及び外周縁部１２０、１２０ａの両端でそれぞれのフィラメントＳが解けた形状からなる付着部１３０、１３０ａとからなる実施例を提示する。
【００２０】
まず、第１実施例として、補強纎維１００は、図１に示すように、複数のフィラメントでなる直線部１１０と、これをくるむ外周縁部１２０と、その両端の付着部１３０とからなり、前記直線部１１０と前記外周縁部１２０は、図２に示すように、複数のフィラメントＳからなる直線部１１０と外周縁部１２０を互いに空気交絡させることによりそれぞれのフィラメントＳを交絡させるようにするものである。すなわち、このように製造された纎維１００はその表面に多数のループＲを形成することになり、このようなループＲが以下に説明するセメントペースト２１との付着性能を向上させることになるものである。
【００２１】
ここで、直線部１１０と外周縁部１２０を互いに空気交絡させるというのは、まず図面に示されたものはないが、直線部１１０と外周縁部１２０を互いに区分なしに交絡させることにより形成可能なものであり、図１などに示すように、直線部１１０と外周縁部１２０を区分して交絡させることで形成するものである。
【００２２】
ここで、空気交絡とは、図２に示すように、空気交絡装置内に複数のフィラメントＳからなる直線部１１０及び外周縁部１２０からなる母体を供給し、高圧の空気を噴射することによりフィラメントＳ間を交絡させることをいう。
【００２３】
一方、本発明の補強纎維１００は、その表面に大きさ０．０１〜２ｍｍのループＲが前記補強纎維の長さ１ｍ当たり１００〜１，０００，０００個形成されていることが付着性及び分散性の面でより有利である。
【００２４】
前記補強纎維１００をなすフィラメントは、ポリアミド纎維、ポリプロピレン纎維、ポリビニルアルコール纎維、ポリエステル纎維、リヨセル（Ｌｙｏｃｅｌｌ）纎維、レーヨン纎維、ポリアクリル纎維、ポリオレフィン繊維、ポリビニルクロリド纎維、全芳香族ポリアミド纎維、炭素纎維またはこれらの混合纎維など、その材質は限定されない。
【００２５】
このように、多様な材質のフィラメントが適用可能であることは、付着性能が著しく落ちるポリプロピレン纎維のような素材も空気交絡によって表面に多数のループを形成するので摩擦特性を改善することができてセメントペーストとの付着力を強化させることができるからである。すなわち、値段が低いが付着性能が落ちる素材のフィラメントを空気交絡させてループを形成することによりセメントペーストとの付着性能を向上させることができるようになるものである。
【００２６】
また、付着力が落ちるが値段が低くて比重が低く融点が低いポリプロピレン纎維と、付着力は優れるが値段が高くて大衆化することができないポリビニルアルコール纎維を互いに交絡させて値段を低めながらも付着力に優れた補強纎維を提供することができるようになるものである。その外にも、ポリアミド、ポリアラミドのようなフィラメントとの複合空気交絡が可能である。すなわち、このようにフィラメントを空気交絡させることで、図面には示されていないが、直線部１１０と外周縁部１２０を区分なしに交絡させることで補強纎維を構成して、経済的に付着力に優れた補強纎維を提供することができるものである。
【００２７】
一方、図１などに示したように、本発明の補強纎維１００を直線部１１０と外周縁部１２０に区分して構成する場合、前記直線部１１０はポリアラミド、高強力ポリエチレン、炭素纎維などの高強力原糸のような強度の高いフィラメントＳを使って強度及び柔軟性を向上させることが好ましく、前記外周縁部１２０はセメントペースト２１との付着のためにポリビニルアルコールまたはポリアミドなどの親水性原糸を使うことが好ましい。このように親水性原糸を使う場合、水素結合によるセメントペースト２１との付着力を高めることができるので、構造体２０の耐久性が補完されるものである。
【００２８】
結局、交絡によって形成される補強纎維１００は、直線部１１０と外周縁部１２０を区分せずに互いに交絡させる場合には、値段の低いフィラメントと比較的値段が高いながらも付着力に優れたフィラメントを混合して使うことで経済的に付着性能を向上させて使うことができ、直線部１１０と外周縁部１２０を区分する場合には、直線部１１０と外周縁部１２０を相異なる材質のフィラメントを使って強度、柔軟性及び付着性を向上させて使うことができ、これは用途によって選択的に使うことができるのはいうまでもない。
【００２９】
このような空気交絡の形態に製造するためのフィラメントの単糸繊度（モノ繊度）は０．５〜１０デニール、補強纎維の総纎度は１００〜５，０００デニールであることが良い。しかし、モノ纎度が低いことが有利である。あまり太いモノ纎度を有する場合には、交絡が緩く、配合の際に容易に解けるからである。
【００３０】
一方、本発明は、他の実施例として、図３に示すように、補強纎維１００ａを開示し、前記補強纎維１００ａは、複数のフィラメントＳからなる直線部１００ａと、複数のフィラメントＳからなり、前記直線部１００ａをくるむように製織された形状の外周縁部１２０ａとからなる。前記外周縁部１２０ａは、複数のフィラメントＳが多方向に製織されることにより前記直線部１１０ａによって直線性を維持した状態で多方向への引張強度が補強されるようにするためのものである。
【００３１】
したがって、前記外周縁部１２０ａは、複数のフィラメントＳを、図３に示すように、補強纎維１００ａの円周方向（Ｘ軸方向）と軸方向（Ｙ軸方向）、そして前記円周方向と軸方向の間に対角線方向に４方向にそれぞれのフィラメントを製織するものである。このように、多方向にフィラメントを製織して外周縁部１２０ａを形成することで、纎維１００ａは軸方向にだけでなく円周方向及び対角線方向にも強度が補強されることにより、多方向への外力による抵抗性能を向上させることができるようになるものである。また、前記外周縁部１２０ａは、複数のフィラメントＳが多方向への製織によって形成されることにより外周縁部１２０ａの表面に屈曲が形成され、セメントペースト２１との付着力が向上し、結局構造体２０の強度が補強されるものである。
【００３２】
ここで、直線部１００、１００ａは複数のフィラメントＳによって形成されるもので、外周縁部１２０、１２０ａの内部に配置されて補強纎維１００、１００ａの形状（直線性）を保持する機能をするものであり、このような直線部１１０、１１０ａによって纎維１００、１００ａ間の凝集による分散性の低下を防止することができるようになるものである。また、直線部１１０、１１０ａによってセメントペースト２１において直線性を維持することで、構造体２０の引張強度が補強されるものである。
【００３３】
特に、本発明の前記付着部１３０、１３０ａは前記直線部１１０、１１０ａと外周縁部１２０、１２０ａをなすフィラメントＳが解けた形状になるようにすることで、セメントペースト２１との付着力を増大させることができるものである。前記付着部１３０、１３０ａは、前記直線部１１０、１１０ａと前記外周縁部１２０、１２０ａのみが構成された状態で、セメントペースト２１をなすセメント粒子によって直線部１１０、１１０ａ及び外周縁部１２０、１２０ａの両端でそれぞれを構成するフィラメントＳ間の付着性が低くなって直径が拡張する形状に配合過程で構成可能であり、あるいは配合の前に前記直線部１１０、１１０ａと前記外周縁部１２０、１２０ａのみが構成された母体状態で低速で振動を与えながら切断して、補強纎維１００、１００ａの両端でフィラメントＳ間の付着性が低くなるようにして直径が拡張する形状に構成可能である。すなわち、このように付着部１３０、１３０ａを構成することにより、フィラメントＳ間の付着性が低くなることによって発生する間隙の間にセメントが充填されて補強纎維１００、１００ａとセメントペースト２１の間の結合力が増大するものである。
【００３４】
また、前記付着部１３０、１３０ａの構成において、前記纎維の直線部１１０、１１０ａと外周縁部１２０、１２０ａをなすフィラメントＳは互いに付着しないように製造することが好ましい。これは、それぞれのフィラメントＳを互いに付着しないように構成して前記付着部１３０、１３０ａが容易に形成されるようにするためである。このように、フィラメントＳを互いに付着しないように構成しても、それぞれのフィラメントＳの間に摩擦力が作用してどのくらいの付着力は発生するので、補強纎維１００、１００ａの形状を維持するのには問題がない。
【００３５】
また、図３に示すように、前記外周縁部１２０ａに多価アルコールエステル潤滑剤、非イオン系界面活性剤及び帯電防止剤を含むコーティング層１４０ａをさらに塗布することができる。このように、外周縁部１２０ａの表面にコーティング層１４０ａを塗布することで、前記纎維１００ａはセメントペースト２１内で分散性が大きく向上する。
【００３６】
好ましくは、本発明において、前記コーティング層１４０ａは、多価アルコールエステル潤滑剤４０〜５０重量％、非イオン系界面活性剤３０〜４０重量％、及び帯電防止剤１０〜３０重量％を配合して塗布することが好ましい。
【００３７】
また、前記コーティング層１４０ａは、纎維１００ａの総重量に対して０．５〜３重量％であることが好ましく、前記範囲を外れる場合には分散性及び付着力の改善効果が低下することができる。
【００３８】
前記では、図３に示した補強纎維１００ａの外周縁部１２０ａにだけコーティング層１４０ａを図示しているが、他の実施例による補強纎維１００の場合にもコーティング層が設けられることができるのはいうまでもない。
【００３９】
一方、本発明は、セメントを含む結合材、水、細骨材、粗骨材及び前記補強纎維を含むショットクリート組成物を提示している。一般に、纎維を含むショットクリートの破壊は纎維とセメントペースト間の付着面の破壊によって発生するので、このような付着性を増大させるために、本発明では纎維表面の化学的処理（Ｃｏａｔｉｎｇ）でコーティング層を付け加え、力学的な方法（Ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎｄｅｎｔｉｎｇ、ｎｏｔｃｈｉｎｇ）で空気交絡によるループが形成された構造などを持つ纎維を含む組成物を提示することにより、纎維とセメントペーストの界面付着力を増大させるとともにショットクリート内で分散性を向上させた。
【００４０】
すなわち、図１に示すように、本発明のショットクリート組成物は、補強纎維、水、セメント、細骨材、及び粗骨材を含むセメントペースト２１でなってトンネルのショットクリート層などの構造体２０をなすものである。
【００４１】
本発明のショットクリート組成物において、セメントを含む結合材（ｂｉｎｄｅｒ）は、ショットクリートの単位体積に対し、セメントを含む結合材３００〜６００ｋｇ／ｍ３を含む。前記結合材は、強度発現の側面で３００ｋｇ／ｍ３以上を含むことが好ましく、経済性、流動性の側面で６００ｋｇ／ｍ３以下を含むことが好ましい。
【００４２】
本発明の組成物のうち、水はショットクリート単位体積に対して１８０〜２４０ｋｇ／ｍ３を含み、水の含量は強度及び流動性の側面で、最適範囲で選択的に調節することができるものである。
【００４３】
本発明において、細骨材はショットクリート単位体積に対して８００〜１２００ｋｇ／ｍ３を含み、前記細骨材は流動性及び材料分離低減の側面で前記含量の範囲に限定することが好ましい。また、粗骨材は、ショットクリート単位体積に対し、４００〜７００ｋｇ／ｍ３を含むことが流動性及び材料分離低減の側面で好ましい。
【００４４】
特に、本発明において、前記補強纎維は、ショットクリート単位体積に対して０．５を超えて１．０％以下を含むことが好ましい。前記纎維の含量がショットクリート単位体積に対して０．５％以下であれば、以下に説明するトンネル設計基準及び韓国道路公社標準仕様書の等価曲げ強度比の基準を満たすことができなく、さらに亀裂制御の側面でも不利になるものである。また、前記纎維が１．０％を超えれば、ショットクリート噴射の際に凝集などが発生して分散性が低下し、強度の面でも不利になるものである。
【００４５】
一方、本発明においては、ショットクリート組成物を配合する過程でショットクリートのスランプを８０〜１２０ｍｍにすることが好ましく、より好ましくはショットクリートのスランプを８０ｍｍにすることが好ましい。これは、前記従来技術でも説明したように、従来の鋼繊維を混入してショットクリートを配合する場合、凝集、ノズルの詰まりなどの問題のために１２０ｍｍ以上にスランプを合わせる。このようにスランプを高めれば、ショットクリートの強度が低くなるだけでなく粘性が低くなってリバンウンド率が高くなる問題が発生し、結局トンネルなどの構造体の耐久性が低下するものである。しかし、本発明においては、補強纎維１００、１００ａを混入してショットクリートを配合するので、図４に示すように、補強纎維１００、１００ａの弾性によって噴射装置１のノズル２の詰まりが発生しなく、分散性が良いので、スランプを一般的なショットクリートのスランプである８０ｍｍに合わせてもノズル２の詰まり現象が発生しなく、粘性及び纎維の材質などによってリバウンド率が低くなるので、結局トンネルなどの構造体の耐久性が向上するものである。図４に示すように、ノズル２から噴射される補強纎維１００はフレキシブルに屈曲（Ａ部分）を形成して、ノズル２での凝集などによって詰まりが発生しなく、ノズル２から噴射された後には、以下に説明する前記直線部１１０によって二重構造を持つ纎維１００が直線性を維持してショットクリートの強度及び亀裂の面で寄与することになるものである。すなわち、補強纎維１００において、直線部１１０を多数本の纎維Ｓで構成し、ポリアラミド、高強力ポリエチレン、炭素纎維などの高強力原糸を使うことにより、ショットクリート内でフレキシブルになることができるものである。
【００４６】
一方、前記補強纎維１００、１００ａの直径は０．０２ｍｍ〜１０ｍｍまで可能であるが、より好ましくは０．２ｍｍ〜０．６ｍｍに限定することが好ましい。０．２ｍｍ未満の場合には、モノフィラメントと大きな違いを示すことができなく、空気交絡においても多数のフィラメントを使うことができないため製造しにくく、引張強度が低いためショットクリートにおいて構造的性能を発現しにくい。反対に、直径が０．６ｍｍを超える場合には、空気交絡加工が難しいだけでなく、セメントペースト内で二重層が生じるため、構造的に不利になるものである。
【００４７】
また、前記補強纎維１００、１００ａはその長さを１０〜２００ｍｍに限定することが好ましい。１０ｍｍ未満の場合は、前記補強纎維１００、１００ａがショットクリート内で強度増大及び亀裂制御の効果を発現する程度が低く、前記補強纎維１００、１００ａ自体がショットクリート内でいずれも解けてしまうことができ、二重構造の纎維が維持されなくて問題が発生することができ、一方、前記補強纎維１００、１００ａが２００ｍｍを超える場合、前記補強纎維１００、１００ａの間に凝集が発生して分散性が低下することができ、ノズルの詰まり現象が発生することができるからである。
【００４８】
一方、本発明は、図５に示すように、ショットクリート組成物の構成において、水、セメントを含む結合材、細骨材、及び粗骨材を含むセメントペースト２１に前記補強纎維１００を含み、これに加えて短繊維１５０がさらに含まれる例を提示する。
【００４９】
本実施例に含まれる短繊維１５０も、図５に示すように、その表面に多価アルコールエステル潤滑剤、非イオン系界面活性剤及び帯電防止剤を含むコーティング層１５１を塗布してセメントペースト２１内で分散性を向上させることが好ましい。
【００５０】
前記短繊維１５０の場合も多様な材質でなることができるが、好ましくはポリアミドなどの親水性モノフィラメントまたは複数のフィラメントでなることを特徴とする。
【００５１】
一方、前記短繊維１５０の場合は、長さが長い場合、凝集現状の発生頻度が高いため、短繊維１５０は前記補強纎維１００より短く構成することが好ましい。
【００５２】
このように、セメントペースト２１内に長い補強纎維１００は直線部１１０によって形状が維持されて凝集現象が発生しなく、構造体２０の強度が補強され、外周縁部１２０及び付着部１３０によってセメントペースト２１との付着力が増大するものであり、特にセメントペースト２１内でマクロな亀裂を制御することができることになるものである。さらに、長さが短い短繊維１５０は表面にコーティング層１５１が形成されて分散性が向上し、比較的短い長さによって凝集が防止され、セメントペースト２１内で前記補強纎維１００が制御することができないマイクロな亀裂を制御することで、結局構造体２０内で多様な形状及び大きさの亀裂を制御してその耐久性を向上させるものである。
【００５３】
また、他の実施例として、ショットクリート組成物の構成において、水、セメントを含む結合材、細骨材、及び粗骨材を含むセメントペースト２１に前記補強纎維１００を含み、これに加えて鋼繊維１６０がさらに含まれる例を提示する。前記鋼繊維１６０は、図６に示すように、補強纎維１００のみでセメントペースト２１内での曲げ靱性を補強するのに足りない部分を補強するものである。また、前記鋼繊維１６０を前記補強纎維１００に混入することで、鋼繊維１６０によって引き起こされることができる比重による分散性低下の問題を解決しようとするものである。
【００５４】
このように、セメントペースト２１内に補強纎維１００は直線部１１０によって形状が維持されて凝集現象が発生しなく、構造体２０の強度が補強され、外周縁部１２０及び付着部１３０によってセメントペースト２１との付着力が増大するものであり、特にセメントペースト２１内でのこのような付着力の向上によって亀裂を制御することができるようになるものである。さらに、鋼繊維１６０を一部混入することにより、比重による分散性の低下を防止し、前記補強纎維１００より高い剛性によって曲げ靱性を補強することで、結局構造体２０の耐久性を向上させるようになるものである。
【００５５】
図５及び図６はショットクリート組成物に補強纎維１００が含まれた例を示しているが、他の実施例として補強纎維１００ａが含まれることができるのはいうまでもない。
【実施例】
【００５６】
以下、本発明のショットクリート組成物のうち補強纎維１００が混入した組成物を使った実施例及び実験例を説明する。
【００５７】
（実施例及び実験例）
実施例及び実験例に使われる配合比及び纎維は下記表１及び表２に示すようである。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
前記表１において、Ｐｌａｉｎは纎維が混入しなかった比較例を示し、ＰＡ０．５〜ＰＡ０．８は纎維の混入量（０．６〜０．８％）による本発明の実施例を示し、Ｓ０．５は鋼繊維が単位体積当たり０．５％混入した比較例を示し、ＰＰ０．５は他の纎維が単位体積当たり０．５％混入した比較例を示すものである。ここで、本発明の実施例の繊維とは表２に示すポリアミド纎維を示し、他の繊維とはポリプロピレン繊維を示し、鋼繊維も表２の物性を持つものを使って本実験を行った。
【００６１】
まず、図７は前記比較例及び実施例によって圧縮強度実験結果を示すもので、本実験においては、比較例及び実験例のいずれもトンネル設計基準に提示した材齢２８日、２１ＭＰａを満たす結果を得た。したがって、設計基準で提示する圧縮強度の面では問題がない。
【００６２】
次に、図８は比較例及び実施例の引張強度を示したもので、Ｐｌａｉｎ及びＰＰ０．５よりＰＡ０．６、ＳＦ０．５が引張強度で高いことが分かり、纎維を含まない比較例及び他の纎維を含む比較例より本発明の纎維を含む実施例及び鋼繊維を含む比較例が引張強度の面で有利であることが分かる。これから、本発明の補強纎維が鋼繊維とほぼ同等に纎維とコンクリート間の架橋作用を充実にして引張強度に高く寄与したことが分かる。
【００６３】
図９及び図１０は比較例及び実施例の曲げ強度及び等価曲げ強度比を示すもので、その設計基準は、トンネル設計基準において、材齢２８日ショットクリートの曲げ強度は４．５ＭＰａ以上、そして曲げ靱性を示す等価曲げ強度比は３．０ＭＰａ以上でなければならないという規定と韓国道路公社専門仕様書の等価曲げ強度比は６８％以上でなければならないという基準を基礎とする。
【００６４】
このような基準に基づき、図９及び図１０に示すように、本発明の実施例及び鋼繊維を含む比較例の場合、前記基準のいずれも満たしているが、纎維を含まない比較例及び他の纎維を含む比較例の場合、前記設計基準及び仕様書規定を満たしていない結果を得た。すなわち、本発明の組成物は補強纎維を含むことで分散性及び付着力が強化して、鋼繊維を含むショットクリートとほぼ同等に曲げ強度及び曲げ靱性を現すことができることが分かる。
【００６５】
一方、図１１及び図１２は本発明の実施例として補強纎維の混入率による曲げ強度及び等価曲げ強度比を示すものである。図１１によれば、補強纎維の混入率が増加することによるショットクリートの曲げ強度の増加量は低いことが分かり、図１２に示すように、二重構造を持つ纎維が単位体積当たり０．６％以上混入した実施例においては、いずれもトンネル設計基準の曲げ強度３．０ＭＰａと韓国道路公社標準仕様書の等価曲げ強度比６８％を満たすことが分かり、適正の補強纎維の混入量は経済性の面で単位体積当たり０．６％であることが分かる。
【００６６】
結論として、本発明の実施例及び鋼繊維を含む比較例が纎維を含まない比較例及び他の纎維を含む比較例より引張強度、曲げ強度及び曲げ靱性の面で有利であることが分かり、特に本発明の補強纎維が鋼繊維とほぼ同等な水準にショットクリートにおける引張強度、曲げ強度及び曲げ靱性の増大に寄与していることが分かる。すなわち、本発明は補強纎維がショットクリートに含まれることにより、鋼繊維が含まれた比較例より分散性向上、リバウンド率の低下、腐食防止などの利点があるにもかかわらず、引張強度、曲げ強度及び曲げ靱性の面でも鋼繊維を含む従来のショットクリートとほぼ同等な水準の効果を得ることができるので、耐久性、施工性、経済性などにおいて本発明が従来技術に比べて著しい効果を持つと判断される。
【００６７】
また、本発明の実施例において、補強纎維が単位体積当たり０．６％以上混入した実施例においては、いずれもトンネル設計基準の曲げ強度３．０ＭＰａと韓国道路公社標準仕様書の等価曲げ強度比６８％を満たすことが分かり、適正の補強纎維の混入量は経済性の面で単位体積当たり０．６％であることが分かる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のフィラメントからなり、両端に解けた形状の付着部が設けられることを特徴とする、補強纎維。
【請求項２】
前記補強纎維は、内部の直線部と、前記直線部をくるむ外周縁部との二重構造に構成されることを特徴とする、請求項１に記載の補強纎維。
【請求項３】
前記直線部をなすフィラメントは高強力原糸からなり、前記外周縁部をなすフィラメントは親水性原糸からなることを特徴とする、請求項２に記載の補強纎維。
【請求項４】
前記高強力原糸は、ポリアラミド、高強力ポリエチレン及び炭素纎維の中から選ばれる１種であり、前記親水性原糸は、ポリビニルアルコールまたはポリアミドであることを特徴とする、請求項３に記載の補強纎維。
【請求項５】
空気交絡によって表面にループが形成されることを特徴とする、請求項１に記載の補強纎維。
【請求項６】
前記直線部と前記外周縁部とは互いに空気交絡されていることを特徴とする、請求項２に記載の補強纎維。
【請求項７】
前記外周縁部は、複数のフィラメントが製織されてなることを特徴とする、請求項２に記載の補強纎維。
【請求項８】
前記補強纎維の表面には、多価アルコールエステル潤滑剤、非イオン系界面活性剤及び帯電防止剤を含むコーティング層がさらに塗布されることを特徴とする、請求項１に記載の補強纎維。
【請求項９】
セメントを含む結合材と、水と、骨材と、請求項１〜８のいずれか一項に記載の補強纎維と、が配合されてなることを特徴とする、補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１０】
ショットクリート単位体積に対し、セメントを含む結合材３００〜６００ｋｇ／ｍ３と、水１８０〜２４０ｋｇ／ｍ３と、細骨材８００〜１２００ｋｇ／ｍ３と、粗骨材４００〜７００ｋｇ／ｍ３と、が配合されることを特徴とする、請求項９に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１１】
前記補強纎維は、ショットクリート単位体積に対し、０．５％を超えて１．０％以下で配合されることを特徴とする、請求項１０に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１２】
前記補強纎維は、直径が０．２ｍｍ〜０．６ｍｍであることを特徴とする、請求項１０に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１３】
前記補強纎維は、長さが１０〜２００ｍｍであることを特徴とする、請求項１０に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１４】
スランプが８０〜１２０ｍｍで配合されることを特徴とする、請求項１０に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１５】
前記ショットクリート組成物は、マルチフィラメントまたは単フィラメントからなる短繊維をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１６】
前記ショットクリート組成物は鋼繊維をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載のショットクリート組成物。
【請求項１】
複数のフィラメントからなり、両端に解けた形状の付着部が設けられることを特徴とする、補強纎維。
【請求項２】
前記補強纎維は、内部の直線部と、前記直線部をくるむ外周縁部との二重構造に構成されることを特徴とする、請求項１に記載の補強纎維。
【請求項３】
前記直線部をなすフィラメントは高強力原糸からなり、前記外周縁部をなすフィラメントは親水性原糸からなることを特徴とする、請求項２に記載の補強纎維。
【請求項４】
前記高強力原糸は、ポリアラミド、高強力ポリエチレン及び炭素纎維の中から選ばれる１種であり、前記親水性原糸は、ポリビニルアルコールまたはポリアミドであることを特徴とする、請求項３に記載の補強纎維。
【請求項５】
空気交絡によって表面にループが形成されることを特徴とする、請求項１に記載の補強纎維。
【請求項６】
前記直線部と前記外周縁部とは互いに空気交絡されていることを特徴とする、請求項２に記載の補強纎維。
【請求項７】
前記外周縁部は、複数のフィラメントが製織されてなることを特徴とする、請求項２に記載の補強纎維。
【請求項８】
前記補強纎維の表面には、多価アルコールエステル潤滑剤、非イオン系界面活性剤及び帯電防止剤を含むコーティング層がさらに塗布されることを特徴とする、請求項１に記載の補強纎維。
【請求項９】
セメントを含む結合材と、水と、骨材と、請求項１〜８のいずれか一項に記載の補強纎維と、が配合されてなることを特徴とする、補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１０】
ショットクリート単位体積に対し、セメントを含む結合材３００〜６００ｋｇ／ｍ３と、水１８０〜２４０ｋｇ／ｍ３と、細骨材８００〜１２００ｋｇ／ｍ３と、粗骨材４００〜７００ｋｇ／ｍ３と、が配合されることを特徴とする、請求項９に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１１】
前記補強纎維は、ショットクリート単位体積に対し、０．５％を超えて１．０％以下で配合されることを特徴とする、請求項１０に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１２】
前記補強纎維は、直径が０．２ｍｍ〜０．６ｍｍであることを特徴とする、請求項１０に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１３】
前記補強纎維は、長さが１０〜２００ｍｍであることを特徴とする、請求項１０に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１４】
スランプが８０〜１２０ｍｍで配合されることを特徴とする、請求項１０に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１５】
前記ショットクリート組成物は、マルチフィラメントまたは単フィラメントからなる短繊維をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の補強纎維を含むショットクリート組成物。
【請求項１６】
前記ショットクリート組成物は鋼繊維をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載のショットクリート組成物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２０１２−５３１３７２（Ｐ２０１２−５３１３７２Ａ）
【公表日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１７３８５（Ｐ２０１２−５１７３８５）
【出願日】平成２２年６月２３日（２０１０．６．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／００４０８８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１５１０５２
【国際公開日】平成２２年１２月２９日（２０１０．１２．２９）
【出願人】（５１１３１４５８８）コーロン コンストラクション カンパニーリミテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＬＯＮ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【出願人】（５１０３１３９５７）コーロン ファッション マテリアル インコーポレイテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２３日（２０１０．６．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／００４０８８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１５１０５２
【国際公開日】平成２２年１２月２９日（２０１０．１２．２９）
【出願人】（５１１３１４５８８）コーロン コンストラクション カンパニーリミテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＬＯＮ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＣＯ．，ＬＴＤ．
【出願人】（５１０３１３９５７）コーロン ファッション マテリアル インコーポレイテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
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