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오늘날 우리 사회에서의 콘크리트 구조물은 인간이 삶을 영위하기 위하여 반드시 필요한 공간(공동주택, 빌딩, 도로, 교량, 건축물, 하천, 상하수도, 폐기물 매립시설 등)으로서 매우 중요한 시설물이다. 콘크리트 구조물은 지상, 지하, 해양, 산악 등 다양한 지리적 환경 하에서 건설되고 있으며, 이러한 환경 하에 건설 된 콘크리트 구조물은 사용재료, 배합, 시공, 환경, 외력 등의 다양한 조건에 의하여 열화가 진행된다. 콘크리트 구조물에서 발생하는 열화로 인하여 내구성 저하는 물론, 사회적, 경제적 문제까지 초래하고 있는 실정이다.
콘크리트 구조물에서 발생되는 열화 중 가장 치명적인 문제점으로 균열을 들 수 있다. 균열은 완공된 이후의 건축물을 공학적으로 관리하는 유지관리 기술 분야에서의 굳은 콘크리트에서 가장 중요하게 다루어지고 있으며, 관련 산업계, 연구계 등에서 중점적으로 연구 검토되고 있는 분야이기도 하다.
특히, 지하 환경의 콘크리트 구조물에서 발생되는 균열은 반드시 누수를 동반하게 되므로 누수 균열 상태의 환경적 측면이 고려되어야 한다. 그러나 현재 누수 보수 현장에서는 이러한 환경적 측면이 고려되지 않은 상태에서 콘크리트 구조물의 균열 보수를 위해 재료 자체의 물성에만 의존하여 시공되고 있다. 이러한 문제는 콘크리트 구조체의 재 누수로 이어져 반복적인 보수 공사를 진행해야하는 사례가 빈번히 발생하고 있으며, 그 예로 1992년 독립기념관 옥상 보수비용, 1999년부터 2002년 동안 인천공항 활주로 지하차도(토목) 보수비용 등 초기건설 비용의 4~14배까지의 막대한 보수비용이 지출되고 있다. 또한, 재 누수 문제는 보수비용뿐만 아니라 최근 사회적 이슈로 보도되고 있는 지하 콘크리트 구조물의 균열부위로 유입되어 폐암을 유발하는 ...

오늘날 우리 사회에서의 콘크리트 구조물은 인간이 삶을 영위하기 위하여 반드시 필요한 공간(공동주택, 빌딩, 도로, 교량, 건축물, 하천, 상하수도, 폐기물 매립시설 등)으로서 매우 중요한 시설물이다. 콘크리트 구조물은 지상, 지하, 해양, 산악 등 다양한 지리적 환경 하에서 건설되고 있으며, 이러한 환경 하에 건설 된 콘크리트 구조물은 사용재료, 배합, 시공, 환경, 외력 등의 다양한 조건에 의하여 열화가 진행된다. 콘크리트 구조물에서 발생하는 열화로 인하여 내구성 저하는 물론, 사회적, 경제적 문제까지 초래하고 있는 실정이다.
콘크리트 구조물에서 발생되는 열화 중 가장 치명적인 문제점으로 균열을 들 수 있다. 균열은 완공된 이후의 건축물을 공학적으로 관리하는 유지관리 기술 분야에서의 굳은 콘크리트에서 가장 중요하게 다루어지고 있으며, 관련 산업계, 연구계 등에서 중점적으로 연구 검토되고 있는 분야이기도 하다.
특히, 지하 환경의 콘크리트 구조물에서 발생되는 균열은 반드시 누수를 동반하게 되므로 누수 균열 상태의 환경적 측면이 고려되어야 한다. 그러나 현재 누수 보수 현장에서는 이러한 환경적 측면이 고려되지 않은 상태에서 콘크리트 구조물의 균열 보수를 위해 재료 자체의 물성에만 의존하여 시공되고 있다. 이러한 문제는 콘크리트 구조체의 재 누수로 이어져 반복적인 보수 공사를 진행해야하는 사례가 빈번히 발생하고 있으며, 그 예로 1992년 독립기념관 옥상 보수비용, 1999년부터 2002년 동안 인천공항 활주로 지하차도(토목) 보수비용 등 초기건설 비용의 4~14배까지의 막대한 보수비용이 지출되고 있다. 또한, 재 누수 문제는 보수비용뿐만 아니라 최근 사회적 이슈로 보도되고 있는 지하 콘크리트 구조물의 균열부위로 유입되어 폐암을 유발하는 라돈가스의 환경적 위험과 철근부식, 구조체 파괴 등의 구조적 안전성까지 내구성 저하 요인으로 구조물의 사용 수명을 감소시키고 있다.
이에 본 연구에서는 연구 중심 키워드(Key-word)를 “재 누수”로 하여 반복적으로 발생되고 있는 재 누수문제를 지하 콘크리트 구조물의 환경을 고려한 보수재료의 안정화 판단 기준의 부재로 보고 이를 해결하기 위한 방법으로 “인공 균열을 이용한 주입형 보수재료의 시험평가방법”에 대하여 연구 검토 하였다.
이에 따라 본 연구의 가설을 “인공 균열 시험방법을 이용한 가혹 조건 하에서의 품질관리 방법은 콘크리트 구조물에서 반복적이고 지속적으로 발생되고 있는 재 누수 문제를 방지 할 수 있다”로 설정하였다.
연구의 가설 증명을 위하여 기존 국내외 선행 연구 조사 분석, 지하 콘크리트 구조물의 이론적 고찰을 통하여 콘크리트 구조물의 환경 조건, 누수 균열, 보수재료, 보수공법 등의 이론을 정리하였다.
이를 바탕으로 누수보수재료로서 요구되는 성능을 도출하여 우선 연구 대상 시험방법으로 선정하였고, 선정된 시험방법의 개선 사항을 연구 검토하여 다양한 메커니즘을 갖고 있는 누수보수재료에 적용 가능한 인공 균열 시험 평가방법을 제안하였다. 또한, 인공 균열 시험방법에 적용 되는 정량적 평가 기준에 대한 논리 해석을 통하여 검증 방법의 타당성을 적립하였고, 제안된 인공 균열 시험방법에 의한 성능평가 결과 고찰을 통하여 지하 환경에서의 콘크리트 구조물에 사용 가능한 주입형 보수재료 선정 가이드를 제시하였다. 연구 진행에서 도출된 주요 내용을 요약하면 다음과 같다.
(1) 지하 콘크리트 구조물의 이론적 고찰
재 누수 문제의 원인 파악을 위하여 지하 콘크리트 구조물이 처해 있는 환경을 조사 분석한 결과 자연 환경부터 물리적 환경까지 매우 다양한 가혹 환경에 노출되어 있는 것으로 확인되었다. 자연환경으로 눈, 비, 바람, 태풍 지진, 미생물의 화학적 성분 등이 있고, 물리적 환경은 지하수의 유속과 수압, 토양의 토압, 온도 변화로 인한 반복적인 수축·팽창의 거동 환경, 진동 등이 작용하였다.
(2) 누수보수재료의 시험방법 선정
이론적 고찰내용을 토대로 3단계의 선정과정을 거쳐 우선 연구 대상 시험방법을 선정하였다. 1단계에서 지하 환경에서의 콘크리트 구조물에 요구되는 보수재료가 갖추어야할 요구 성능 6가지를 아래와 같이 도출하였다.
① 콘크리트 부재의 온도 변화로 인한 수축·팽창에 따른 온도 변화 안정성 판단 기준
② 지하 환경의 항시 습윤 상태의 보수재료 부착 안정성 판단 기준
③ 지하수의 수압, 토양의 토압 등에 견딜 수 있는 수밀(투수)성능 판단 기준
④ 지하수의 유속에 저항 할 수 있는 유속 저항성 판단 기준
⑤ 지하의 미생물, 지하수에 포함되어 있는 화학성분의 안정화 판단 기준
⑥ 콘크리트 부재의 수축·팽창, 차량의 진동 등에 대응 할 수 있는 거동 대응 판단 기준
2단계에서는 도출된 6가지 내용을 성능 검증 범위에 따라 재료 자체의 물성과 재료 성능에 물리적 검증까지 확인 할 수 있는 시험평가방법으로 구분 하여 재료 자체 물성 검증 시험방법으로 부착 안정성능, 유실 저항성능, 내화학 성능으로 구분하였고, 재료에 물리적 검증이 가능한 시험방법으로 투수저항성능, 온도 안정성능으로 구분 하였다.
3단계에서는 구분된 시험평가방법 중 가장 우선적으로 품질관리가 필요한 시험방법으로 본 연구의 키워드(Key-word)인 “재 누수”를 방지하기 위한 목적에 우선적으로 필요한 성능에 초점을 맞추어 재료 자체 물성 뿐만 아니라 지하의 가혹 환경 하에서 누수보수재료의 물리적 안정화를 검증 할 수 있는 시험방법으로 투수저항성능, 온도 안정성능, 거동대응성능을 최종 선정하였다.
(3) 선정된 시험방법의 개선 사항 도출
선정된 3가지 시험방법(투수저항성능, 거동대응성능, 온도안전성능)의 적용을 위하여 기존 국내외 선행 연구내용 분석을 통해 개선 사항을 도출하였다. 선행 연구 분석은 품질관리 규격을 중심으로 조사하였으며, 그 결과 국외 규격(ASTM, BS, JIS, ISO 등)에서는 지하 콘크리트 구조물의 누수 균열 환경 및 관련사항을 검증 할 수 있는 복합적인 품질관리 기준은 조사되지 않았고, 국내 KS 규격 중 KS F 4935「점착 유연형 고무 아스팔트계 누수보수용 주입형 실링재」시험방법을 가장 연관성이 있는 품질관리 규격으로 확인되었다. KS F 4935 경우 특정 단일 재료(점착 유연형 고무 아스팔트계) 만을 대상으로 규격화 되어 있고, 성능 검증 결과 표시를 정성적 판단 기준으로 “투수 되지 않을 것”으로 만 기록하고 있다. 시험체 및 성능 검증방법에 있어서도 특정 재료를 대상으로 시험 평가 하도록 제작되어 다양한 메커니즘을 갖고 있는 모든 보수재료에 적용 할 수 있도록 개선하였다. 주요 개선 내용은 다음과 같다.
시험체 및 시험 방법적 문제는 보수재료를 시험체 내부로 주입 할 때 기존 시험방법에서는 제조사가 지정하는 방법으로 주입하도록 명기되어 있으나, 이는 현장 시공 중심의 주입방법이므로 사실상 시험체에 적용하기 어렵다. 이를 개선하여 에어 컴프레셔와 연결된 전용 소형 주입 장치를 사용하여 일정한 압력으로 보수재료를 시험체 내부에 주입 가능 하도록 하였다. 또한, 시험편에 주입된 보수재료 주위를 투명테이프 만으로 밀봉하여 주입된 보수재료가 압력을 견디지 못하고 시험편 외부로 누출되는 문제는 투명테이프 대신 주입되는 보수재료의 주입 내부를 관찰 할 수 있도록 아크릴 띠와 누출 방지용 마개를 제작하여 압력에 견딜 수 있도록 개선하였다. 투수 유무 확인을 위하여 천공하는 균열 구명은 기존에는 3㎜ 드릴 날을 이용하여 천공 하고 있으나, 연직 방향으로 천공이 어려워 시험편이 파손되어 표준 시험에 적용 가능한 균열 구멍 제작이 불가능한 것을 3㎜의 철심이 박혀 있는 하부 시험체를 아크릴로 제작하여 모르타르 타설시 끼워 넣어 동일한 균열 구멍 제작이 가능하도록 개선하였다. 기존 시험편은 모르타르로 상하부 시험체 2개를 사용하므로 사용 후 소지가 불가능하여 전량 폐기 처분되던 것을 재사용 가능 하도록 아크릴과 강재를 이용하여 개선하였다. 또한, 기존 정성적 시험 결과로 표시되던 데이터를 누수 유무 판별을 위하여 진행되는 투수 시험 시 1시간(60분) 중 누수가 시작되는 시점을 체크하여 기록함으로써 보수재료의 품질을 정량적으로 가늠할 수 있도록 하였다.
(4) 인공 균열을 이용한 시험방법 제안
위에서 고찰한 3개 시험방법의 개선 사항을 반영한 연구 결과를 토대로 인공 균열을 이용한 시험 평가 방법을 제안하였다. 인공 균열 시험 평가 방법은 인공 균열과 인공 균열 시험편이 적용되고 있으며, 인공 균열은 실제 콘크리트 구조물에서 발생하는 균열의 경우 그 형태, 폭, 깊이 등이 매우 다양하여 이를 표준 시험방법에 적용하기에는 모든 시험편의 동일 조건 및 기준 적용이 사실상 어렵기 때문에 동일한 형태의 폭, 종류, 깊이 등을 재현 할 수 있도록 인공 균열을 개발하였다. 인공 균열의 원리는 하부시험편 위에 1㎜~10㎜로 조절 가능한 스페이서(Spacer)를 고정하고, 그 위에 상부 시험편을 올려놓아 그 틈새(간극)를 인공 균열(Artificial Crack)로 정의하였다. 본 연구에서 적용한 인공 균열 폭은 5㎜ 이며, 설정 과정은 총 3단계에 논리 해석을 통하여 진행하였다. 1단계-국내외 콘크리트 균열 허용 폭 조사, 2단계-0.1㎜~1㎜, 3㎜, 5㎜, 10㎜ 두께의 인공 균열에 대한 예비 실험 실시, 3단계-시험평가를 위한 현장성 등을 반영하여 최종으로 5㎜를 인공 균열 폭으로 설정하였다.
(5) 인공 균열을 이용한 3개 시험방법의 정량적 평가 기준 논리 해석
인공 균열을 이용한 3개 시험방법에는 적용 개념에 따라 정량적인 평가 기준이 설정되어 있다. 설정된 정량적 평가 기준으로 투수저항시험의 투수 압 0.3N/㎟, 거동대응성능시험의 거동 폭 2.5㎜, 온도안정성능시험의 온도범위 최고온도 60℃와 최저온도 -20℃ 이다.
투수저항성시험방법은 시공이 완료된 보수재료가 지하 환경의 수압에 저항능력이 있는지를 판별하기 위하여 일정한 투수 압에 대한 성능을 검증하는 것이다. 이때 작용하는 투수 압 기준은 수중 30m 깊이의 지점이 받는 수압에 해당하는 0.3N/㎟을 기준 압력으로 설정하였다.
거동 대응 성능은 콘크리트 구조물이 온도 변화에 따라 반복적인 수축·팽창 과정에서 발생하는 거동의 대응력을 판별하기 위한 것으로 본 연구에 적용하고 있는 거동 폭 2.5㎜는 콘크리트의 온도 변화로 인한 수축과 팽창을 근거로 예측하였다. 건축물에 시공되는 팽창 줄눈의 경우 지반, 구조 등에 따라 다르기는 하지만, 일반적으로 30~60m 이내에 설치된다. 이 값 중 평균값인 45m를 구조물의 최대 길이(L0)로 가정하고, 콘크리트 열팽창계수(α) 6.8~12.8*10-6의 평균인 9.8*10-6을 기준값으로 적용하였다. 온도변화량 기준(△T)은 깊이별 토양온도변화를 분석, 지하 2.0m 깊이의 연간 월 평균 최고 토양온도와 최저온도 차이를 기준 값(△T=10.97℃)으로 적용하여 산술한 결과 2.5㎜를 거동 폭으로 설정하였다.
온도안정성능시험의 온도 범위 고온 60℃, 저온 -20℃는 하절기, 동절기의 옥상 부위 콘크리트 표면에 받는 전일사량, 콘크리트 일사 흡수율, 열전달률, 콘크리트 표면으로부터의 열방사율, 우리나라 한여름 8월의 최고 온도(예측), 한겨울(1월)의 최저 온도(예측)에 근거하여 산술식에 따라 최종 온도 범위 고온 60℃, 저온 -20℃를 설정하였다.
(6) 인공 균열 시험방법을 이용한 성능평가
인공 균열 시험방법을 이용하여 5계열, 15종류의 보수재료(총 45개 시험편)를 대상으로 3개 시험방법의 성능 평가 결과는 다음과 같다.
투수 저항성 시험방법 결과 투수 저항성이 있는 것으로 판별된 보수재료는 합성고무계 3Type(RG-1, RG-2, RG3)와 아크릴계 2Type(AG-2, AG-3), 에폭시계 1Type(EG-1)로 확인되었다.
거동 대응성 시험방법 시험 결과 성능평가 된 전체 보수재료 중 약 15.6%의 시험편에서만 거동 대응 및 수밀성을 보유하고 있고, 84.4%의 시험편에서는 균열 거동에 적절히 대응하지 못하고, 수압이 가해지면 투수되는 현상이 나타났다. 그 중 합성고무계(RG) 재료가 거동 대응성과 투수 저항성이 있음을 확인하였다.
온도 안정성 시험결과 저온(-20℃), 고온(60℃)의 다소 가혹 조건의 온도에서 얼었다 녹았다가 반복되면서 흘러내림, 체적변화, 색의 변화 등 다양한 재료 물성 변화가 나타났고, 이에 대한 누수 여부 판별을 위하여 투수 시험한 결과 약 29%인 13개의 시료는 누수 되지 않았고, 약 71%인 32개 시료에서 누수 되는 결과가 확인되었다.
본 연구에서 진행한 3개 시험방법의 최종 시험 인 투수 시험의 결과에서 약 21.4%만이 누수 되지 않았고, 78.6%에서 누수 되었다. 이는 본 시험 결과로 비추어 볼 때 지금 현장에서 사용되고 있는 보수재료의 약 78.6%에 있어서는 재 누수의 위험이 있을 것으로 판단할 수 있다.
(7) 누수 보수 재료의 선정 가이드 제시
지하 환경에서의 콘크리트 구조물 누수 균열에 사용되는 보수재료에 있어 재 누수 방지와 품질 향상을 위해서는 인공 균열 투수 저항성, 거동 대응성, 온도 안정성 성능이 검증된 보수재료를 선정하여야 한다. 또한, 누수보수재료의 품질 선정을 위해서는 투수저항성능은 고 점성, 비경화, 고 강성 재료 선정, 거동대응성능은 고 점성, 비경화 재료 선정, 온도안정성능은 고 점섬, 비경화, 고 강성 재료를 선정하여야 한다. 그러나 지하 환경 하의 콘크리트 구조물에서 발생하는 누수 균열은 3개(투수, 거동, 온도)의 환경이 동시에 작용됨으로 누수 균열 상태의 지하 환경을 고려한 보수재료에 요구되는 품질로는 고 유연성의 고 점성, 비 경화 형태의 보수재료가 누수 균열 부위에 적용되었을 때 보수재료의 내구성이 있을 것으로 판단된다.
(8) 인공 균열 시험평가방법의 타당성 입증
인공 균열을 이용한 주입형 보수재료의 시험방법의 타당성 입증을 위하여 국제 컨퍼런스, 국내외 학술발표, 관련 업계 워크샵 등을 통하여 연구 내용을 발표하고, 많은 코멘트에 대한 답변을 통하여 연구를 발전 시켜 현재 국제표준 ISO TS 16774 Part 1 Test methods for repair materials for water-leakage cracks in underground concrete structures-Test method for thermal stability, ISO TS 16774 Part 5 Test methods for repair materials for water-leakage cracks in underground concrete structures-Test method for thermal stability-Test method for watertightness, ISO TS 16774 Part 6 Test methods for repair materials for water-leakage cracks in underground concrete structures-Test method for thermal stability-Test method for response to the substrate movement로 제안하여 DTS(Draft Technical Specification) 단계를 진행 중에 있다.
이러한 결과를 비추어 볼 때 현재 지하 환경에서의 콘크리트 구조물의 안전한 유지관리를 위하여 누수 균열에 사용되는 누수보수재료에 대한 성능 검증 방법 및 기준 설정의 필요성을 충분히 인식 할 수 있었으며, 본 시험방법을 누수 보수 재료의 성능 평가를 위한 표준적 시험방법으로 사용이 가능함을 확인 할 수 있었다.
(9) 향후 후속 연구
본 연구에서 제안하고 있는 인공 균열을 이용한 투수 저항성 시험, 거동 대응성 시험, 온도안정성 시험뿐만 아니라, 재료 자체 물성의 내구성 검증을 위한 내화학성능, 습윤면부착성능, 수중유실저항성능에 대한 후속 연구가 지속되어야 하며, 또한 콘크리트 누수 균열이 처해 있는 또 다른 환경 조건(인공 균열의 폭, 형태 등)에 대응하는 품질관리 방법 및 그 기준의 연구도 지속되어야 할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Concrete structures in today’s society are being constructed under various geological environments, such as ground, underground, marine, and mountain environments, as spaces (joint housing, buildings, roads, bridges, architectural structures, rivers, water and sewage, waste reclamation facilities) n...

Concrete structures in today’s society are being constructed under various geological environments, such as ground, underground, marine, and mountain environments, as spaces (joint housing, buildings, roads, bridges, architectural structures, rivers, water and sewage, waste reclamation facilities) necessary for the management of human life.
Concrete structures constructed under such environments display deterioration based on various conditions, such as the materials used, joints, construction method, environment, and external forces. The deterioration occurring in concrete structure cause social and economic problems, in addition to declining durability.
The most critical problem of deterioration occurring in concrete structures is cracks. Cracks are handled as the most important issue in hardened concrete in the field of engineering management and maintenance technologies of the structures after completion of construction. Cracks are also the field that is researched and examined as a primary focus in related industrial circles and research circles.
Particularly cracks occurring in concrete structures in underground environments are accompanied by leakage, and thus, the environmental aspect of the state of leakage cracks must be considered. However, such environmental aspect is not considered in current leakage repair environments, and crack repairs in concrete structure are constructed merely in dependence of the properties of the material itself. This problem is causing frequent cases that require repeated repair constructions due to re-leakage of concrete structures, and as an example, significant repair costs that equate to 4 to 14 times the initial construction cost are being expended, including the cost of repairing the roof of the Independence Hall in 1992, and the cost of repairing the underground road (civil engineering) of Incheon International Airport from 1999 to 2002. Furthermore, the problem of re-leakage is also reducing the life of structures due to factors of declining durability, including the recent social issue of the environmental risk of radon gas, which cause lung cancer, by being infiltrated into cracks of underground concrete structures, corrosion of steel bars, and the destruction of structures, in addition to the cost of repairs.
Thus, this study has set “re-leakage” as the keyword, and deemed the problem of repeatedly occurring re-leakage to be caused the absence of standards for determining the stabilization of repair materials considering the environment of underground concrete structures, and researched and examined the “method of testing and evaluating injection type repair materials using artificial cracks” as a method to resolve this problem
Accordingly, the hypothesis of this study was set as “the method of quality management under harsh conditions using the method of testing artificial cracks can prevent the problem of re-leakage repeatedly and continually occurring in concrete structures.” To prove the hypothesis of this study, the analysis of existing domestic and foreign research, and theoretical consideration of underground concrete structures were performed to summarize the aspects of the environmental conditions of concrete structures, leakage cracks, repair materials, and method of repair constructions.
Based on the foregoing, the performance required by leakage repair materials were deduced to select the method of testing the subject of study, and any improvements of the selected method of testing were researched and examined to propose a method of testing and managing artificial cracks that could be applied to leakage repair materials having various mechanisms. Furthermore, the validity of the method of verification was established through logical interpretation of the quantitative evaluation standards applied to the method of testing artificial cracks, and guidelines for selecting injection type repair materials usable in concrete structures of underground environments were proposed through a consideration of the result of evaluating the performance based on the proposed method of testing artificial cracks. The main contents deduced in the research are summarized below.
(1) Theoretical consideration of underground concrete structure
To ascertain the cause of the problem of re-leakage, the environment of underground concrete structures was researched and analyzed. As a result, it was verified that such structures were exposed to various harsh environments from natural environments to physical environments. Natural environments included snow, rain, wind, tornadoes, earthquakes, and chemical substances of microorganisms, and physical environments included the moving environment and vibration that repeatedly expands and contracts due to the velocity and pressure of underground water, pressure of soil, and temperature change.
(2) Selection of the method of testing leakage repair materials
The method of testing the subject of research was selected over three steps of selection processes based on theoretical consideration. In the first step, 6 performance qualities required by repair materials for use on concrete structures in underground environments were deduced as below. Standards for determining the stability of temperature change due to contraction and expansion caused by temperature change in concrete elements. Standards for determining the stability of attaching repair materials in underground environments, which are always humid. Standards for determining the water tightness (permeability) that can withstand the pressure of underground water and the pressure of soil. Standards for determining velocity resistance that can resist the velocity of underground water. Standards for determining the stability of chemical substances included in underground microorganisms and underground water. Standards for determining the response to movements caused by the expansion and contraction of concrete elements and the vibration of vehicles. In the second step, the 6 performance qualities were categorized by a method of testing an evaluation that can verify the properties of the materials and other physical properties based on the scope of verifying the performance qualities, thereby classifying attachment stability performance, floating resistance performance, and chemical resistance performance as the methods of testing the physical properties of the materials, and classifying permeability resistance performance and temperature safety performance as the methods of testing physical verification. In the third step, permeability resistance performance, temperature safety performance, and movement response performance were finally selected as the methods of testing the physical stability of leakage repair materials under harsh underground environments, in addition to the physical properties of materials, with focus on the performance qualities required as priority for the purpose of preventing “re-leakage,” which is the keyword of this study, using the methods of testing that requires quality management.
(3) Improvement of selected testing methods
To apply the three selected methods of testing (permeability resistance performance, movement response performance, temperature safety performance), matters to improve were deduced by analyzing prior domestic and foreign research. The analysis of prior research was conducted based primarily on quality management specifications, and as a result, it was indicated that foreign specifications (ASTM, BS, JIS, ISO, etc.) did not include comprehensive quality management standards that could verify the leakage crack environments and other related aspects of underground concrete structures, and among Korean KS specifications, KS F 4935 「viscose flexible rubber asphalt-based leakage repair injection type sealing material」 testing method was verified as the most relevant quality management specifications. KS F 4935 only provides the specifications of specific insulating materials (viscose flexible rubber asphalt), and only that the material “should not be permeable” as the standards of qualitative determination. Specimen and performance verification methods were prepared to test and evaluate specific materials, in order to be applied to all repair materials having various mechanisms. The main contents of improvement are as set forth below. The methodological problem of the specimens and testing are regulated to inject the repair material into the specimen using the method designated by the manufacturer in existing testing methods. However, this is a method of injecting that is focused on site construction, and thus, would be difficult to apply to specimens. To improve this problem, a small exclusive injecting device connected to an air compressor was used to inject the repair material into the specimen at a constant pressure. Furthermore, to resolve the problem of the injected repair material not being able to withstand the pressure and leaking outside the specimen, the repair material injected to the specimen was sealed only with transparent tape a leakage prevention stopper and an acrylic band were prepared to allow the observation of the interior of the repair material injected instead of the transparent tape, so that the specimen could withstand the pressure. To verify permeability, the specifications of porous cracks included drilling with a 3mm drill bit. However, drilling cannot be performed on a vertical direction, and consistent holes cannot be drilled on the damaged specimens. Thus, lower specimens having 3mm iron pins are produced to allow the drilling of consistent holes. Existing specimens use two upper and lower specimens as mortar, and thus, since the specimens cannot be kept after use, acrylic and steel are used to allow the reuse of all disposed materials. Furthermore, in order to identify the leakage of data indicated as existing qualitative testing results, a permeability test is conducted, which checks the starting point of leakage during one hour (60 minutes) to qualitatively ascertain the quality of repair materials.
(4) Proposal of a testing method using artificial cracks
A method of testing and evaluation was proposed using artificial cracks based on the research results reflecting the improvements of the three testing methods considered above. The method of testing and evaluating artificial cracks is applied to artificial cracks and artificial crack specimens. Since artificial cracks cannot be applied to standard testing methods, due to the diverse forms, width, and depth, in the case of cracks that occur in concrete structures, artificial cracks were developed to reproduce the same width, type, and length. The principle of artificial cracks is defined as the gap formed by fixing a 1mm-10mm adjustable spacer over the lower specimen, and placing an upper specimen thereon. The width of the artificial crack applied in this study is 5mm, and the process of setting was conducted through a three step logical interpretation. First step – research on the allowable width in Korea and other countries, second step – preliminary experiment of artificial cracks having widths of 0.1mm-1mm, 3mm, 5mm, 10mm, third step – the width of the artificial crack was set as 5mm reflecting the site applicability for testing and evaluation.
(5) Logical interpretation of the qualitative evaluation standards of three testing methods using artificial cracks
The three testing methods using artificial cracks are based on qualitative evaluation standards based on the concept of application. The set quantitative evaluation standards include a permeability pressure of 0.3N/㎟ in the permeability resistance test, movement width of 2.5mm in the moving response performance test, and a maximum temperature of 60℃ and a minimum temperature of -20℃ in the temperature stability performance test. The permeability resistance performance test includes verifying the performance of consistent permeability pressure to distinguish as to whether the constructed repair material has resistance against water pressure in the underground environment. The applicable permeability pressure standards was set as 0.3N/㎟, which corresponds to the water pressure applied to the point at a water level of 30m. The movement response performance test is to distinguish the response to the movement occurring during the process of expansion and contraction based on the temperature change of the concrete structure, and the width of movement applied in this study is 2.5mm, which was predicted based on the expansion and contraction due to the temperature change of concrete. Although the expanding bias constructed in architectural structure vary based on the topography and structure, 30-60m of bias is generally installed. By setting the average value of 45m as the maximum length (L0) of the structure, a standard value of 9.8*10-6 was set, which is the average of 6.8-12.8*10-6, the concrete thermal expansion coefficient (α). With respect to the standard of temperature change (△T), the soil temperature change of each depth was analyzed, and the difference between the highest monthly average soil temperature and lowest temperature at an underground depth of 2.0m was applied as the standard value (△T=10.97℃), to set the movement width of 2.5mm. In the temperature stability performance test, a calculation formula was established based on the highest temperature was set as 60℃ and the lowest temperature was set as -20℃, the amount of sunlight on the concrete surface on the roof during winter and summer, the absorption of sunlight by concrete, heat delivery rate, heat radiation from the concrete surface, the highest temperature (predicted) in August in Korea, and the lowest temperature (predicted) in winter (January).
(6) The evaluation of performance using the method of testing artificial cracks
The result of evaluating the performance of three testing methods on15 types of repair materials (45 specimens) of 5 fields using the artificial crack testing method is as set forth below. The result of testing the permeability resistance, the repair materials distinguished to have permeability resistance was 3 types (RG-1, RG-2, RG-3) of synthetic rubber and 2 types (AG-2, AG-3) of acrylics, and 1 type (EG-1) of epoxy. The result of testing the movement response testing method displayed that only 15.6% of specimens among all repair materials evaluated for performance displayed movement response and water-tightness, and 84.4% of the materials displayed unsuitable response to crack movement, and permeability when applied with water pressure. Among which, synthetic rubber (RG) materials displayed to have movement response and permeability resistance. The result of testing temperature stability displayed change in the physical properties of various materials, such as repeated freezing and melting in slightly harsh temperatures of low temperature (-20℃), and high temperature (60℃) to drip down, change in volume and color, and the result of testing the permeability to distinguish the leakage thereof displayed that 13 specimens, which account for 29% of all specimens, did not leak, and 32 specimens, which account for 71% of all specimens, displayed leakage. The result of permeability test, which was the final test of the 3 tests conducted in this study displayed that only 21.4% did not leak, and 78.6% displayed leakage. Based on the foregoing result, it can be determined that 78.6% of repair materials currently used on site may have the risk of re-leakage.
(7) Proposal of guidelines for selecting leakage repair materials
With respect to repair materials used on concrete structure leakage cracks in underground environment, repair materials verified to have artificial crack permeability resistance, movement response, and temperature stability performance must be selected for enhanced quality and prevention of re-leakage. Furthermore, for the selection of quality of leakage repair materials, high-viscose, unhardened, high rigidity material must be selected in permeability resistance performance tests, high-viscose and unhardened materials must be selected in movement response performance tests, and high-viscose, unhardened and high rigidity material must be selected in temperature stability performance tests. However, leakage cracks occurring in concrete structure in underground environments are simultaneously affected by three environments (permeability, movement, temperature). Thus, it is determined that repair materials would have durability when high-flexibility, high-viscose, unhardened repair materials are applied to leakage cracks, with respect to the quality required in consideration of the underground environment.
(8) Verification of the validity of the method of testing and evaluating artificial cracks
To verify the validity of the testing methods of injection type repair material using artificial cracks, research contents are being presented through international conferences, domestic and overseas symposiums, and workshops of related fields. Furthermore, research is developed by providing responses to many comments to propose the current international standards ISO TS 16774 Part 1 Test methods for repair materials for water-leakage cracks in underground concrete structures-Test method for thermal stability, ISO TS 16774 Part 5 Test methods for repair materials for water-leakage cracks in underground concrete structures-Test method for thermal stability-Test method for water-tightness, ISO TS 16774 Part 6 Test methods for repair materials for water-leakage cracks in underground concrete structures-Test method for thermal stability-Test method for response to the substrate movement, and thereby conducting the DTS (Draft Technical Specification) step. Based on the foregoing result, the need to establish standards and a method of verifying the performance quality of leakage repair materials used in leakage cracks can sufficiently be recognized for the safety maintenance and management of concrete structures in underground environments, and the possibility of using standardized testing methods for the evaluation of performance of leakage repair materials can be verified through this testing method.
(9) Future research
There is a need to conduct future research on the chemical resistance performance, wet surface attachment, and floating resistance performance to verify the durability of the physical properties of the materials, in addition to permeability resistance tests, movement response tests, and temperature stability tests using artificial cracks as proposed by this study. Furthermore, there is a need for research on the method of quality management and the standards thereof in response to different environmental conditions (width and form of artificial cracks) causing concrete leakage cracks.