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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 폴리머를 건축재료인 시멘트 콘크리트에 적용하기 위한 기초적 실험으로써 국내에서 사용되고 있는 시멘트 혼화용 폴리머를 이용하여 폴리머 시멘트 모르타르를 제작하고 그 기초적 특성을 파악하고자 하였다.
- 시멘트 혼화용 폴리머는 일반적으로 건설현장에서 가장 널리 사용되는 제품을 선택하였으며 외국에서 수입하여 사용하고 있는 두 제품과 국내에서 생산되는 하나의 제품을 선택하여 보편적인 폴리머 시멘트 모르타르의 특성을 파악하고자 하였다. 소포제 (anti-foamer) 는실리콘계 에멸젼(고형분, 30%)을 사용하였으며, 폴리머의 전 고형분의 0.
제안 방법
- 폴리머 시멘트 모르타르의 흡수율먼저, 28일 동안 양생한 공시체를 건조로에서 80 ℃의 온도조건하에 24시간 건조한다. 건조로에서 꺼낸 공시체의 최초 중량을 측정하고 20 ℃의 수중에 침지한 후 1, 3, 5, 9, 24 및 48시간 동안의 중량을즉정하여 다음과 같은 식을 이용하여 흡수율을 계산하였다.
- 폴리머 시멘트 모르타르의 미세조직을 촬영하기 위하여 공시체를 양생한 후, 공시체의 표면에서 약 7 X 7 X10mm의 시편을 채취하여 수화반응을 정지시키기 위해 아세톤 처리를 하였다. 시편 내부에 존재하는 물을 제거하기 위하여 먼저 물과 아세톤을 3 : 1 로 배합하여 2시간 동안 시편을 침적하고 다시 물과 아세톤을 1 : 1 로 배합하여 1시간을 침적시킨 후, 마지막으로 아세톤만을 이용하여 30분간 침적하였다’ 또 시멘트를 제거하기 위하여 3%의 염산 (hydrocHoric acid) 수용액에 3시간 동안 침적하고 골재 제거를 위하여 불화수소산(hydrofluoric acid)에 1시간 동안 침적하고 24시간 동안 D-Dt 처리를 하였다 폴리머 시멘트 모르타르의 내부에 형성된 폴리머 필름의 성상을 살펴보기 위히여 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 관찰하였다.
- 공시체 제작 및 양생. 폴리머 시멘트 모르타르는 KS F 2476「실험실에서 폴리머 시멘트 모르타르를 만드는 방법」에 따라 시멘트 : 잔골재 = 1 : 3(질량비), 폴리머 시멘트 비 (P/C ; polymer-cement ratio) 를0, 5, 10, 15 및 20으로 하고 시멘트 혼화용 폴리머의 고형분에 대해 소포제를 0.7%로 첨가하여 40X40X160 mm의 몰드로 모든 공시체를 성형한 후, 2일간 습윤양생(20 ℃, 80%R.H.)을 실시하고 5일간수중양생(20 ℃), 그리고 21일간기중양생(20 ℃, 50%RH.) 을 실시하여 공시체를 제작하였다 이 때의 물 시멘트 비는 플로우가 170±5 mm의 범위가 되도록 결정하였다 배합표는 Table 5와 같다.
- 미세조직 관찰. 폴리머 시멘트 모르타르의 미세조직을 촬영하기 위하여 공시체를 양생한 후, 공시체의 표면에서 약 7 X 7 X10mm의 시편을 채취하여 수화반응을 정지시키기 위해 아세톤 처리를 하였다. 시편 내부에 존재하는 물을 제거하기 위하여 먼저 물과 아세톤을 3 : 1 로 배합하여 2시간 동안 시편을 침적하고 다시 물과 아세톤을 1 : 1 로 배합하여 1시간을 침적시킨 후, 마지막으로 아세톤만을 이용하여 30분간 침적하였다’ 또 시멘트를 제거하기 위하여 3%의 염산 (hydrocHoric acid) 수용액에 3시간 동안 침적하고 골재 제거를 위하여 불화수소산(hydrofluoric acid)에 1시간 동안 침적하고 24시간 동안 D-Dt 처리를 하였다 폴리머 시멘트 모르타르의 내부에 형성된 폴리머 필름의 성상을 살펴보기 위히여 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 관찰하였다.
- 휨강도 및 압축강도 측정. 폴리머 시멘트 모르타르의 휨 및 압축강도시험은 KS F 2477 (폴리머 시멘트 모르타르의 강도 시험 방법에 준하여 실시하였다.
대상 데이터
- 모르타르의 특성을 파악하고자 하였다. 소포제 (anti-foamer) 는실리콘계 에멸젼(고형분, 30%)을 사용하였으며, 폴리머의 전 고형분의 0.7%를 첨가하였다.
- 재료 본 실험에서 사용된 시멘트는 KS L5201에 규정된 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 화학적 성분과 물리적 성능은 Table 1, Table 2와 같다 잔골재는 규사(size : 0.25—0.6 mm) 를 사용하였으며 물리적 성질은 Table 3과 같다 시멘트 혼화용 폴리머는 S/BA (styrene-butyl acrylate)를 단량체로 이용한 두 종류의 시멘트 혼화용 폴리머와 국내에서 생산되고 있는 SBR(styrene-butadiene rubber) 을 혼입하여 사용하였으며, 그 성질은 Table 4에 나타내었다.
이론/모형
- 측정. 공기량은 KS F 2409 (굳지 않은 콘크리트의 단위용적 중량 및 공기량 시험방법) 에 준하여 측정하였다.
- 염화물 이온 침투 저항성 측정. 염화물 이온 침투 저항성 시험은 KS F 2476「폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법」에 의하여 공시체를 14 일간 20 ℃의 2.5% 염화나트륨 용액 중에 침지한 후 공시체를 2분할하고 그 단면에 0.1% 플루오레세인나트륨 용액 및 0.1 N 질산은 용액을 분무하여 6개소의 염화물 이온 침투깊이를 측'정하였다 측정 방법은 Figure 1과 같다.
- 휨강도 및 압축강도 측정. 폴리머 시멘트 모르타르의 휨 및 압축강도시험은 KS F 2477 (폴리머 시멘트 모르타르의 강도 시험 방법에 준하여 실시하였다.
- 흡수율 측정. 흡수율은 KS F 2476「폴리머 시멘트 모르타르의 시험 방법」에 준하여 실시하였다. 폴리머 시멘트 모르타르의 흡수율먼저, 28일 동안 양생한 공시체를 건조로에서 80 ℃의 온도조건하에 24시간 건조한다.
성능/효과
- 따라서 폴리머의 혼입량을 조절할 필요성이 있다.10 본 실험에서도 전자현미경으로 관찰한 결과, 폴리머 시멘트 비가 5%일때는 연속적인 필름의 형성률이 낮게 나타나고 있으며 15% 이상에서는 쉽게 찾아볼 수 있었다.
- 폴리머 시멘트 모르타르의 경우에는 폴리머의 혼입량이 증가할수록 폴리머 입자들의 볼베어링(ball bearing) 효과나 폴리머에 함유되어 있는 유화제 (emulsifier) 의 작용으로 시멘트 입자들의 분산이 용이하기 때문에 플로우(flow) 가 증가하게 되므로 플로우 값을 일정하게 고정하면 물 시멘트 비를 감소시킬 수 있다.3 본 실험에서도 폴리머의 혼입에 따라 플로우가 증가흐}는 경향을 확인할 수 있었으며 물 시멘트 비가 현저히 감소하는 경향을 보이고 있었다.
- 이것은 경화체 내에서 폴리머 필름의 형성으로 폴리머 시멘트 모르타르의 신장률이 증진되어 탄성률이 낮아지기 때문인 것으로 알려져 있다.5 폴리머 디스퍼션의 종류별로 보면 S/BA-1을 혼입한 폴리머 시멘트 모르타르의 휨강도가 가장 낮은 강도를 보이고 있으며, S/BA-2 및 SBR을 혼입한 폴리머 시멘트 모르타르의 휨강도는 S/BA-1 을 혼입한 폴리머 시멘트 모르타르의 휨강도보다 높게 나타났다
- 외 방수재료로 사용되는 경우가 많다.5 폴리머 시멘트 모르타르의 흡수율 및투수성은 공기량과 폴리머의 종류에 띠라 조금씩 차이가 있으며, 폴리머 시멘트 비에 따라서도 많은 차이를 나타내고 있다. 그러나 일반적으로 공기량과 폴리머의 종류보다는 폴리머 시멘트 비에 따라 큰 차이를 나타내고 있으며, 폴리머 시멘트 비가 증가할수록 흡수율도 감소하는 것으로 알려져 있다.
- S/BA-2 폴리머 시멘트 모르타르가 염화물 이온에 대한 저항성이 가장 큰 것으로 나타났으며, 폴리머 시멘트 비가 20%일 때는 폴리머를 혼입하지 않은 시멘트 모르타르에 비해 최고 4.3배의 저항성 증진 효과가 있었다.
- 건축재료로서 가장 널리 사용되고 있는 시멘트 모르타르의 성능을개선시키기 위해 유기화합물인 폴리머를 혼입한 후 폴리머 시멘트 모르타르의 성능을 평가한 결과, 시공성은 증가하면서 물 시멘트 비가 현저히 감소하였으며 폴리머의 인장력으로 인한 휨강도 증진 효과가 우수하게 니타났다 또한 폴리머 시멘트 모르타르의 내부에 폴리머 필름이 형성됨으로써 방수성과 오염물질의 침투 저항성이 우수하게 나타나고 있다. 방수성은 보통 시멘트 모르타르에 비해 최고 7.
- 폴리머 시멘트 모르타르의 염화물 이온 침투 저항성도 흡수율과 마찬가지로 공기량이나 폴리머의 종류보다는 폴리머시멘트 비에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 또 폴리머 시멘트 비가증가하면서 저항성이 크게 증진되었으며 20%에서 가장 우수한 저항성을 나타내고 있다. 이것은 일반적으로 폴리머 시멘트 모르타르의 염화물 침투 저항성은 폴리머 시멘트 비에 따른 영향이 크다는 것과 같은 경향을 보여주고 있다.
- 있다. 방수성은 보통 시멘트 모르타르에 비해 최고 7.3배, 염화물 이온 침투 저항성은 최고 4.3배 정도 증진되는 것으로 나타나 내구성을 증진효과가 높은 것을 알 수 있었다.
- 필름을 촬영한 것이다. 전체적으로 폴리머 시멘트 모르타르비가 증가할수록 혼입되는 폴리머의 양이 많아 폴리머 시멘트 모르타르 내에서의 폴리머 필름 형성률도 높은 것으로 관찰되고 있다. 폴리머 필름의 형성률이 높으면 시멘트 페이스트의 경계면이나 미세한균열, 그리고 시멘트와 골재 사이의 공간 충전율이 높게 되고 시멘트모르타르의 공극을 줄여주기 때문에 부착성과 치밀성이 높아 강도증진 효과와 내구성이 향상된다.
- 그래프이다. 폴리머 시멘트 모르타르의 염화물 이온 침투 저항성도 흡수율과 마찬가지로 공기량이나 폴리머의 종류보다는 폴리머시멘트 비에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 또 폴리머 시멘트 비가증가하면서 저항성이 크게 증진되었으며 20%에서 가장 우수한 저항성을 나타내고 있다.
- 폴리머의 혼입률이 높을수록 물 시멘트 비가 감소하는 것을 알 수 있으며 SBR을 혼입한 폴리머 시멘트 모르타르의 물 시멘트비가 가장 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서, 고분자 화합물을 시멘트 모르타르에 혼입하여 사용한다면, 염해에 대한 저항성을 요구하는 해상구조물이나 항만 건축구조물, 그리고 산업화에 따른 오염으로 심각한 피해를 입고 있는 생활 폐수 처리시설인 하수도 공장 지대의 오폐수 처리시설 등, 고내구성을 요구하는 건축구조물에 사용함으로써 그 내구연한을 증진시키는데 매우유용한 건축 재료가 될 것으로 사료된다.
- 그러나 현재 국내에서 진행되고 있는 건축 재료로서의 폴리머 연구는 매우 기초적인 단계에 있으며, 또 국내에서 사용되고 있는 폴리머의 대부분은 수입에 의존하고 있는 실정이다. 앞으로 국내에서도 건축 재료로 사용할 수 있는 폴리머의 연구가 이루어져야 하며, 지속적인 연구를 통하여 고성능을 가진 폴리머를 제조하기 위한 연구가 절실히 요구된다.
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