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문제 정의
- 이러한 관점에서 콘크리트 구조물의 시공단계에서부터 유지관리까지 적용할 수 있는 내구성능 향상을 목적으로 하는 양질의 구조물 보호재 개발과 적용이 시급하다고 하겠다. 따라서, 콘크리트 구조물의 열화방지를 위하여 신속하고 편리한 시공이 가능하며 환경 친화적인 신소재를 이용한 콘크리트 표면 성능 개선제를 개발하였다.
- 본 연구에서는 설계기준강도(18, 24, 35 MPa) 가 다른 콘크리트에 대해 표면 성능 개선제를 도포하여 침투성능, 수밀 성능, 통기 성능, 화학저항 성능, 용출저항 성능 및 열화된 콘크리트에 대한 적용성에 대해 검토하였다. Table 1은 표면 성능 개선제의 기본 물성이고, Table 2는 강도 수준별 콘크리트의 배합이다.
- 콘크리트의 수밀성능은 콘크리트 조직의 치밀함을 나타내는 특성으로서 본 연구에서 흡수율, 투수성, 투기성 및 공극률에 대해 검토하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 개발된 표면 성능 개선제의 침투성능, 수밀성능, 통기성능, 화학저항, 용출저항 성능 및 열화된 콘크리트에 대한 적용성에 대하여 성능검증 및 메카니즘 분석을 하였다.
- 본 연구에서는 표면 성능 개선제를 ø100×100mm 콘크리트 시편에 일방향으로 도포하여 일정기간 경과한 후 2등분으로 할렬하여 콘크리트 내부로 침투된 깊이를 측정하였다. 표면 성능 개선제 침투성능은 콘크리트의 강도, 함수율 및 도포량의 변화에 따른 영향을 분석하였다.
- 본 연구에서는 표면 성능 개선제를 ø100×100mm 콘크리트 시편에 일방향으로 도포하여 일정기간 경과한 후 2등분으로 할렬하여 콘크리트 내부로 침투된 깊이를 측정하였다. 표면 성능 개선제 침투성능은 콘크리트의 강도, 함수율 및 도포량의 변화에 따른 영향을 분석하였다.
- φ100×100mm 원주형 공시체에 표면 성능 개선제를 도포한 후 일방향 침투를 유도하기 위하여 시험체의 측면을 에폭시로 코팅하여 KS F 4930(콘크리트 표면 도포용 액상형 흡수방지재) 및 KS F 2609(건축재료의 물흡수계수 측정방법)에 준하여 시험을 실시하였다. 물흡수량의 측정시간은 10분, 30분, 1시간, 6시간, 24시간으로 하였으며, 다음의 식에 따라 물 흡수 계수비를 구하였다.
- 투수시험은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 200×200× 100mm의 직육면체 콘크리트 공시체에 표면 성능 개선제를 도포한 후 3일간 물을 분무하였으며 4일간은 기건양생을 실시하여 독일 G사 제품의 GWT-4000kit 시험장치에 의해 투수성 시험을 실시하였다. 그리고 투수계수는 다음과 같이 계산하였다.
- 투기성 시험은 200×200×100㎜의 직육면체 콘크리트 공시체에 도포한 후 3일간 물을 분무하였으며, 4일간은 기건양생을 한 다음 Fig. 3의 투기성 시험장치를 이용하여 실시하였다. 투기성 계수(K)는 Torrent가제안한 이론적 모델에 의하여 다음과 같이 계산된다.
- 화학저항 성능은 백화저항성과 염화칼슘에 대한 저항성 시험으로 평가하였다. 백화저항성은 10%의 황산 소오다 수용액에 7일 동안 침적시킨 다음 백화현상 발생 현황을 관찰하였다.
- 화학저항 성능은 백화저항성과 염화칼슘에 대한 저항성 시험으로 평가하였다. 백화저항성은 10%의 황산 소오다 수용액에 7일 동안 침적시킨 다음 백화현상 발생 현황을 관찰하였다. 염화칼슘에 대한 저항성은 5%의 염화칼슘 수용액에 72시간 침적시킨 다음 육안관찰을 하는 ASTM C 267(Standard Test Methods for Chemical Resistance of Mortars, Grouts, and Monolithic Surfacings and Polymer Concretes)에 준하여 실시하였다.
- 열화된 콘크리트에 대한 표면 성능 개선제의 적용성을 검토하기 위해 설계기준강도 18MPa 콘크리트를 사용하였다. 열화된 콘크리트에 대한 적용성은 콘크리트 공시체에 도포하여 양생한 다음 동결융해를 150사이클까지 실시한 콘크리트 공시체(AP/FT)에 대해 재령 7일, 28일, 91일에서 압축강도, 투수성, 공극률 측면에서 적용성을 평가하였다. 그리고 도포하지 않은 시험체(Plain)에 대해 동결융해 시험을 150사이클까지 실시한 다음 도포한 콘크리트 공시체(Plain/FT/AP)에 대해 재령 7일, 28일, 91일에서 압축강도, 투수성, 공극률 측면에서 적용성을 평가하였다.
- 열화된 콘크리트에 대한 적용성은 콘크리트 공시체에 도포하여 양생한 다음 동결융해를 150사이클까지 실시한 콘크리트 공시체(AP/FT)에 대해 재령 7일, 28일, 91일에서 압축강도, 투수성, 공극률 측면에서 적용성을 평가하였다. 그리고 도포하지 않은 시험체(Plain)에 대해 동결융해 시험을 150사이클까지 실시한 다음 도포한 콘크리트 공시체(Plain/FT/AP)에 대해 재령 7일, 28일, 91일에서 압축강도, 투수성, 공극률 측면에서 적용성을 평가하였다.
- 콘크리트 공시체를 수중에서 꺼낸 다음 온도 30℃, 습도 60%의 항온항습기에 일정기간에 넣어 6개 수준으로 함수율을 조절한 콘크리트에 대해 표면 성능 개선제를 도포한 후 7일에 침투깊이를 측정하였다.
- 6은 표면 성능 개선제의 도포량에 따른 침투 깊이를 측정한 결과이다. 시험은 ㎡당 0.15ℓ, 0.3ℓ, 0.45ℓ, 0.6ℓ 도포하여 7일 후 침투깊이를 측정하였다. 침투깊이는 0.
대상 데이터
- 열화된 콘크리트에 대한 표면 성능 개선제의 적용성을 검토하기 위해 설계기준강도 18MPa 콘크리트를 사용하였다. 열화된 콘크리트에 대한 적용성은 콘크리트 공시체에 도포하여 양생한 다음 동결융해를 150사이클까지 실시한 콘크리트 공시체(AP/FT)에 대해 재령 7일, 28일, 91일에서 압축강도, 투수성, 공극률 측면에서 적용성을 평가하였다.
이론/모형
- φ100×100mm 원주형 공시체에 표면 성능 개선제를 도포한 후 일방향 침투를 유도하기 위하여 시험체의 측면을 에폭시로 코팅하여 KS F 4930(콘크리트 표면 도포용 액상형 흡수방지재) 및 KS F 2609(건축재료의 물흡수계수 측정방법)에 준하여 시험을 실시하였다. 물흡수량의 측정시간은 10분, 30분, 1시간, 6시간, 24시간으로 하였으며, 다음의 식에 따라 물 흡수 계수비를 구하였다.
- 콘크리트 공극률 시험은 ø100×200mm 원주형 공시체에 도포하여 7일간 양생을 실시한 다음 ASTM C 642(Standard Test Method of Density, Absorption, and Voids in Harden Concrete)에 의해 측정하였으며 계산식은 다음과 같다.
- 콘크리트 공극률 시험은 ø100×200mm 원주형 공시체에 도포하여 7일간 양생을 실시한 다음 KS F 2607(건축재료의 투습성 측정방법)의 컵법에 준하여 실시하였고 계산식은 다음과 같다.
- 백화저항성은 10%의 황산 소오다 수용액에 7일 동안 침적시킨 다음 백화현상 발생 현황을 관찰하였다. 염화칼슘에 대한 저항성은 5%의 염화칼슘 수용액에 72시간 침적시킨 다음 육안관찰을 하는 ASTM C 267(Standard Test Methods for Chemical Resistance of Mortars, Grouts, and Monolithic Surfacings and Polymer Concretes)에 준하여 실시하였다.
- 본 연구의 용출 저항 성능은 KS F 4930(콘크리트 표면도포용 액상형 흡수방지재)에 준하여 실시하였다. 용출 저항 성능은 음용 수질이 오염되지 않고 음용 수질에 적합하도록 규정되어 있고, 시험항목은 KS F 4811(유리 섬유 강화 폴리에스테르 물탱크)의 부속서 1에 따르는 규정으로 되어있다.
- 표면 성능 개선제를 콘크리트 표면에 도포한 경우, 콘크리트 조직을 어느 깊이까지 어느 정도 치밀하게 하는가를 검토하기 위해 표면 성능 개선제를 콘크리트 표면에 도포하여 7일간 양생한 다음 Fig. 14와 같이 콘크리트 깊이별로 시료를 채취하여 5mm정도 크기로 시료를 만들어 수은압입법(MIP)에 의해 세공구조(기공률, 기공분포)를 측정하였다.
성능/효과
- 5는 콘크리트 함수율에 따른 침투깊이 결과이다. 함수율 20%와 같이 콘크리트 내부에 수분이 너무 많은 경우에는 콘크리트 공극내에 수분이 존재하여 표면 성능 개선제의 침투력이 다소 저하되나, 함수율 15%부터는 침투깊이가 거의 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 7은 콘크리트 강도에 따른 흡수비 시험을 실시한 결과이다. 그 결과, 도포한 콘크리트는 도포하지 않은 Plain 콘크리트에 비해 물의 흡수가 30%전후 정도임을 알 수 있고, 설계기준강도가 낮을수록 그 효과가 큰 경향이 있으나, 설계기준강도 24MPa 이상부터 그 효과가 거의 동일한 것으로 나타났다. 도포하지 않은 시편은 설계기준강도에 따라 흡수깊이가 35～ 57mm이었으나, 도포한 콘크리트 시편은 5～9mm정도로 흡수깊이가 현격히 감소하였다.
- 7배 정도 수밀성이 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 설계기준강도가 작을수록 그 효과가 뛰어난 것으로 분석되었다.
- 10은 도포 유무에 따른 공극률 시험결과이다. 도포한 콘크리트의 공극률은 Plain에 비해 1.9～2.5 배 정도 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 설계기준 강도 18MPa 콘크리트에 적용한 경우에는 공극률 감소 효과가 뛰어난 것으로 나타났다.
- 이처럼 표면 성능 개선제를 도포함으로써 시멘트 수화생성물인 수산화칼슘 등과 반응하여 규산칼슘 수화물을 생성하여 흡수율, 투수성, 투기성 및 공극률에 대해 분석한 결과 콘크리트 내부의 공극을 메워 조직이 치밀하게 되어 수밀 성능이 향상된 결과로 분석된다.
- Table 4는 통기성을 측정한 결과이다. 콘크리트 표면에 도포하지 않은 Plain의 통기성은 18.0g/㎡․ day이고, 도포한 콘크리트의 통기성은 9.4g/㎡․day로 표면 성능 개선제를 도포한 콘크리트의 통기성능은 Plain의 약 50%로 비교적 양호한 통기성능을 가지는 것으로 분석된다.
- Table 5는 화학저항 성능시험을 실시한 결과이다. 표면 성능 개선제를 도포한 콘크리트에서 이상이 없는 것으로 나타났다. 따라서 도포한 콘크리트는 화학저항 성능을 가지는 것으로 분석된다
- Table 6은 용출 저항 성능을 실시한 결과이다. 그 결과, 표면 성능 개선제의 용출 저항 성능은 KS F 4930의 기준값을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
- 이에 반해 표면 성능 개선제를 도포하고 동결융해를 150사이클 받은 콘크리트(AP/FT)는 재령이 증감함에 따라 압축강도가 증가하고 있으며, 재령 91일에서 1.13배 정도의 압축강도가 증진 효과가 있는 것으로 나타났다. 이것은 표면 성능 개선제의 구성성분인 생화학물질이 동결융해 이후에도 계속 작용하여 동결융해 작용에 의해 발생한 미세 균열이나, 큰 공극을 매워 조직이 치밀해진 결과로 사료된다.
- 13은 열화된 콘크리트에 대한 적용성을 평가하기 위한 공극률 시험결과이다. 동결융해를 받기 전에 표면 성능 개선제를 도포하여 동결융해 작용을 150사이클을 받은 콘크리트(AP/FT)는 재령이 증가함에 따라 콘크리트 공극률이 감소하고 있으며, 재령 91일에서 1.42배정도 공극률 감소효과가 있는 것으로 나타났다. 그리고 동결융해를 받은 후 표면 성능 개선제를 도포한 콘크리트(Plain/FT/AP)도 재령이 증가함에 따라 콘크리트 공극률이 감소하여 재령 91일에서 1.
- 42배정도 공극률 감소효과가 있는 것으로 나타났다. 그리고 동결융해를 받은 후 표면 성능 개선제를 도포한 콘크리트(Plain/FT/AP)도 재령이 증가함에 따라 콘크리트 공극률이 감소하여 재령 91일에서 1.73배정도의 공극률 감소효과가 있는 것으로 나타났다.
- 본 연구의 공극분포 결과에 의하면 표면 성능 개선 제를 도포한 결과, 전체 기공용적은 콘크리트 표면으 로부터 25mm까지 감소하는 것으로 나타났다. 0.
- 본 연구의 공극분포 결과에 의하면 표면 성능 개선 제를 도포한 결과, 전체 기공용적은 콘크리트 표면으 로부터 25mm까지 감소하는 것으로 나타났다. 0.05㎛이상의 비교적 큰 기공이 감소하고 0.05㎛이하의 작은 기공이 증가하는 것으로 나타났으며, 콘크리트 표면으로부터 10mm까지 그 효과가 뚜렷하게 나타나고 있다. 이는 표면 성능 개선제를 도포하면 공극을 감소시켜 콘크리트 조직을 치밀하게 하여 강도 및 수밀성을 향상시킨 것으로 판단된다.
- 17은 콘크리트 표면에서 5mm까지의 시료를 채취한 다음 콘크리트 표면 성능 개선제의 도포 유무에 따른 SEM 사진을 촬영한 결과이다. 그 결과, 무도포의 시료인 경우 큰 공극이 많이 존재하고 있으나, 본연구에서 개발한 표면 성능 개선제를 도포한 시료인 경우, 콘크리트 조직이 치밀해져 있음을 알 수 있다.
- 이상의 콘크리트의 표면 성능 개선제의 메카니즘을 정리하면, 실리케이트는 콘크리트의 수화생성물인 Ca(OH)2와 반응하여 규산염을 만들고, 또한 해조류 추출물 S는 Na+ 성분과 콘크리트 내의 Ca2+과 교차결합에 의해 안정된 겔을 형성하고 또한 연속적으로 반응을 한다.(3),(8) 이로서 콘크리트의 조직이 치밀해져 강도 증진과 수밀성능 및 염화물 이온, 이산화탄소, 물과 같은 이물질의 차단성능이 향상된 것으로 예측된다.
- 1) 콘크리트 표면 성능 개선제의 침투성능 결과, 강도별 침투성능은 강도에 따라 다소 다르나, 콘크리트 내부로 16～27mm 정도 침투하고 10mm가지 그 효과가 뚜렷하게 나타났다. 콘크리트 함수율에 따른 침투성능은 콘크리트 표면 및 내부에 수분이 축축히 젖어 있는 상태에서 적용하면 적용효과가 다소 저하될 수 있으나, 콘크리트 함수율 15% 이하부터 콘크리트 함수율에 관계없이 적용효과가 뛰어난 것으로 나타났다.
- 1) 콘크리트 표면 성능 개선제의 침투성능 결과, 강도별 침투성능은 강도에 따라 다소 다르나, 콘크리트 내부로 16～27mm 정도 침투하고 10mm가지 그 효과가 뚜렷하게 나타났다. 콘크리트 함수율에 따른 침투성능은 콘크리트 표면 및 내부에 수분이 축축히 젖어 있는 상태에서 적용하면 적용효과가 다소 저하될 수 있으나, 콘크리트 함수율 15% 이하부터 콘크리트 함수율에 관계없이 적용효과가 뛰어난 것으로 나타났다. 도포량에 따른 침투성능은 성능 개선제의 도포량에 따라 침투깊이가 다르나, 도포량 0.
- 콘크리트 함수율에 따른 침투성능은 콘크리트 표면 및 내부에 수분이 축축히 젖어 있는 상태에서 적용하면 적용효과가 다소 저하될 수 있으나, 콘크리트 함수율 15% 이하부터 콘크리트 함수율에 관계없이 적용효과가 뛰어난 것으로 나타났다. 도포량에 따른 침투성능은 성능 개선제의 도포량에 따라 침투깊이가 다르나, 도포량 0.3ℓ/㎡부터는 침투깊이가 차이가 없는 것으로 분석되었다.
- 2) 콘크리트 표면 성능 개선제의 수밀 성능 결과, 흡수성의 경우 성능 개선제를 도포한 경우 도포하지 않은 경우에 비해 물의 흡수가 약 30%로 도포함으로써 물의 침투깊이가 1/6정도로 감소하는 것으로 나타났다. 또한 투수성의 경우 수밀 정도가 2.
- 3) 콘크리트 표면 성능 개선제는 비교적 양호한 통기 성능이 있고, 화학저항 및 용출저항 성능은 충분한 것으로 분석된다.
- 4) 콘크리트 표면 성능 개선제의 열화된 콘크리트의 적용성을 압축강도, 투수성, 공극률 측면에서 검토한 결과, 콘크리트 표면에 도포함으로써 동결융해 작용에 의해 발생한 미세 균열 및 공극을 메워 콘크리트 조직이 치밀해진 결과로 분석된다.
- 4는 표면 성능 개선제를 도포한 후 1일, 3일, 7일, 14일에 침투깊이를 측정한 결과이다. 콘크리트 강도에 따라 최종적으로 16∼27mm까지 침투하였고, 강도가 낮을수록 침투깊이가 증가하는 경향을 나타났으며, 또한 재령에 대한 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 이처럼 콘크리트 내부로의 침투력이 뛰어난 것은 나노크기의 입자로 구성되어 콘크리트의 모세관 공극보다 작은 분자크기를 가지고 있으므로 반응성 물질과 활성화 물질이 보다 효율적인 모세관 흡입력에 의해 콘크리트의 내부 깊숙이 침투되기 때문이다.
- 또한 표면 성능 개선제를 도포하지 않고 동결융해를 150사이클 받아 강도가 크게 저하된 콘크리트에 표면 성능 개선제를 도포한 경우(Plain/FT/AP), 재령이 증가함에 따라 압축강도가 증가하고 있으며, 재령 91일에서 1.40배 정도의 압축강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이처럼 동결융해 작용에 의해 콘크리트 조직이 파괴되어 강도가 크게 저하된 콘크리트에 도포함으로써 강도가 증진되는 것은 표면 성능 개선제가 콘크리트 내부에 침투하여 수화생성물과 강한 반응하여 균열이나 공극을 매워 콘크리트 조직이 치밀해졌기 때문이다.
- 2) 콘크리트 표면 성능 개선제의 수밀 성능 결과, 흡수성의 경우 성능 개선제를 도포한 경우 도포하지 않은 경우에 비해 물의 흡수가 약 30%로 도포함으로써 물의 침투깊이가 1/6정도로 감소하는 것으로 나타났다. 또한 투수성의 경우 수밀 정도가 2.5배 정도 이상 증가하였고, 투기성의 경우 투기계수가 3배 이상 감소 및 공극률의 경우 1.9～2.5배 정도 감소하였다.
후속연구
- 이러한 경우, 그 재료의 수밀성능이 가장 중요한 관건으로 작용하지만, 수밀성능의 향상을 위한 두께증가는 한계가 있으며, 그 재료가 훼손되는 경우에 대해서는 별도의 대책이 마련되어야 하는 단점을 가지고 있다. 따라서 콘크리트의 기공을 충전하든지 또는 기공 벽의 물성을 변화시켜 두께증가에 대신하는 방법이 요구되고 있으며, 이러한 방법만으로도 설계시의 요구 성능을 만족시키고 장기적인 내구성능을 확보시킬 수 있다면 최선의 대책이 될 것이다. 이러한 관점에서 콘크리트 구조물의 시공단계에서부터 유지관리까지 적용할 수 있는 내구성능 향상을 목적으로 하는 양질의 구조물 보호재 개발과 적용이 시급하다고 하겠다.
- 따라서 콘크리트의 기공을 충전하든지 또는 기공 벽의 물성을 변화시켜 두께증가에 대신하는 방법이 요구되고 있으며, 이러한 방법만으로도 설계시의 요구 성능을 만족시키고 장기적인 내구성능을 확보시킬 수 있다면 최선의 대책이 될 것이다. 이러한 관점에서 콘크리트 구조물의 시공단계에서부터 유지관리까지 적용할 수 있는 내구성능 향상을 목적으로 하는 양질의 구조물 보호재 개발과 적용이 시급하다고 하겠다. 따라서, 콘크리트 구조물의 열화방지를 위하여 신속하고 편리한 시공이 가능하며 환경 친화적인 신소재를 이용한 콘크리트 표면 성능 개선제를 개발하였다.
- 5) 본 연구에서 개발된 콘크리트 표면 성능 개선제를 콘크리트 표면에 도포하면 콘크리트 표면의 조직이 치밀해져 강도 증진과 수밀성능 및 염화물 이온, 이산화탄소 가스, 수분과 같은 이물질의 차단성능 향상에 크게 기여할 것으로 판단된다.
- 6) 본 연구에서 개발된 콘크리트의 표면 성능 개선제를 실제 콘크리트 구조물에 안정적으로 적용하기 위해 장기적인 성능검증 및 다양한 콘크리트에 적용성을 검토할 예정이다.
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