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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 무기폴리머 결합재를 이용하여 내산성을 개선함으로써 유기성 폴리머 모르타르에서 나타날 수 있는 문제점을 개선하고, 특히 보수모르타르 용도로 적용 시 사용 가능성에 대한 기초적인 실험 등을 통하여 성능 확인을 실시하고자 하였다. 이러한 성능평가는 향후 내산성이 요구되는 구조물의 보수보강에 기초적인 재료배합 구성 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
제안 방법
- ASTM C 1012 규격에 명시된 내황산염 저항성 평가를 위한 시험방법에 따라서 10% 황산나트륨(Na2SO4) 용액에 대한 내황산염 저항성을 시험하였다. 제조된 시료를 이용하여 공시체를 40×40×160mm로 제작한 후 10% Na2SO4 용액에 28일간 침지 후 꺼내어 공시체의 용해도, 박리, 탈락 등을 확인하며 침지 전 후의 중량변화를 측정 하였다.
- KS F 2476에서 규정에 따라 시험체를 제작한 후 24시간 경과 후에 탈형하고, 23±3℃의 양생조에서 양생을 실시 한 후 강도 측정을 실시하였다.
- 결합재는 시멘트와 슬래그로 구성하였으며, 슬래그는 시멘트 대비 최대 30%까지 치환하여 사용하였으며, 충전재료로 실리카흄을 동일하게 결합재량의 5% 적용을 하였다. 규뷸화염은 C/S mole 비를 고려하여 물유리의 약 25%적용 하였으며, 기준배합에 아크릴에멀젼을 혼합수의 5%적용하였고, 전체적인 W/C는 40%로 설계하여 적용하였다.
- 결합재는 시멘트와 슬래그로 구성하였으며, 슬래그는 시멘트 대비 최대 30%까지 치환하여 사용하였으며, 충전재료로 실리카흄을 동일하게 결합재량의 5% 적용을 하였다. 규뷸화염은 C/S mole 비를 고려하여 물유리의 약 25%적용 하였으며, 기준배합에 아크릴에멀젼을 혼합수의 5%적용하였고, 전체적인 W/C는 40%로 설계하여 적용하였다.
- 이 후, ∅100× 100mm로 보수 모르타르 실험체를 제작하여 28일간 양생을 실시하고 양생 종료 1일전 공시체의 1면만을 제외한 나머지 부분을 에폭시 수지로 밀봉한 다음, 24시간 동안 에폭시를 경화시켜 중성화 실험용 공시체를 제작한 실험체를 20± 2℃, 상대 습도(65±10%), CO2 농도 5%로 고정된 중성화 시험기에 넣은 후 4주 동안 촉진 중성화시킨다. 그 후 공시체를 절단하고 절단면에 1%의 페놀프탈레인 용액을 분사한 후, 적색으로 변하지 않은 부분을 중성화 부분으로 하였다. 중성화 된 부분을 1측면 3개소씩 총 6개소를 측정한 평균값을 공시체 1개의 중성화 깊이로 하였으며, 공시체 3개의 평균값을 구하도록 하였다.
- 내산 모르타르 시험체 제작은 슬래그 혼입비율을 전체 결합재량의 10%, 20%, 30%로 적용하였으며 단위수량은 기본적으로 16~18wt%를 혼합하여 사용하였다. 재료의 혼합은 KS F 2476에서 규정한 혼합방법을 사용하여 기계적인 혼련을 실시하였고, 성형방법 또한 각각 시험하고자 하는 성형몰드를 이용하여 시험체를 제작하였다.
- 내산 모르타르에 종합적인 성능 평가를 위하여 모르타르 제조 후 기건 상태에서 방치한 시편과 황산 용액에 침지 한 후 일정 시간 경과한 후 의 시편에 대한 물리적 특성 변화를 비교하여 내산성 평가를 실시하였다. 단순 비교를 위하여 침지 시험은 보통포틀랜드시멘트와 표준사 등을 이용한 모르타르를 제작하여 분석을 실시하였다.
- 내알칼리성 시험은 KS F 4042의 6.8에 의거하여 압축 강도 공시체를 포화수산화칼슘 용액(50± 2℃)에 28일 동안 침지한 후 꺼내어 젖은 헝겊으로 싸서 상온으로 냉각시킨 후 압축강도를 측정하였다.
- 밑판 및 시료의 제작과정에서 환경조건에 따라 제품의 물리적 특성이 변화할 수 있으므로 밑판 및 시료를 제작 하는 실험실의 환경조건은 온도 20±15℃, 습도 65±20%RH가 되도록 하였으며, 제품의 양생은 온도 20± 2℃, 습도 65± 10%RH의 조건에서 실시하도록 하였다.
- 시료 조성 type별로 시료들을 사전에 혼합한 후 물과 혼련을 실시하였다. 이 후, ∅100× 100mm로 보수 모르타르 실험체를 제작하여 28일간 양생을 실시하고 양생 종료 1일전 공시체의 1면만을 제외한 나머지 부분을 에폭시 수지로 밀봉한 다음, 24시간 동안 에폭시를 경화시켜 중성화 실험용 공시체를 제작한 실험체를 20± 2℃, 상대 습도(65±10%), CO2 농도 5%로 고정된 중성화 시험기에 넣은 후 4주 동안 촉진 중성화시킨다.
- 재령 및 실험체의 구분 등을 고려하여 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에서 규정하고 있는 50×50×50mm 정육면체의 실험체를 별도로 제작하여 실험을 실시하는 것으로 하였다. 실험체 제작에 필요한 배합은 각 재료별 배합비율에 따라 실시하고 시료의 혼합방법은 KS F 2476에 따라 실시하도록 하여 압축 강도의 측정은 재령 7일과 재령 28일을 기준으로 모르타르 전용 압축강도 시험기를 사용하여 측정하였으며, 가압 속도는 실험체 최대하중이 80초 이내가 되도록 수동 조작하였다.
- 실험체의 크기는 40×40×160mm의 실험체를 이용하며, 실험체 탈형 후, 5일간 수중에서 양생한 후 길이변화 시험기를 이용하여 공시체의 바탕 길이를 측정하도록 하였으며, 그 후 공시체를 온도 20±2℃, 상대습도 60±10%RH에서 28일간 양생한 후 길이를 측정하여 길이변화율을 산출하도록 하였다.
- 알루미노 실리케이트를 주원료로 한 무기성 보수 모르타르의 특성을 보통포틀랜드 시멘트를 주원료로 한 시험 체와 비교하여 특성분석을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이 후, ∅100× 100mm로 보수 모르타르 실험체를 제작하여 28일간 양생을 실시하고 양생 종료 1일전 공시체의 1면만을 제외한 나머지 부분을 에폭시 수지로 밀봉한 다음, 24시간 동안 에폭시를 경화시켜 중성화 실험용 공시체를 제작한 실험체를 20± 2℃, 상대 습도(65±10%), CO2 농도 5%로 고정된 중성화 시험기에 넣은 후 4주 동안 촉진 중성화시킨다.
- 재령 및 실험체의 구분 등을 고려하여 KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에서 규정하고 있는 50×50×50mm 정육면체의 실험체를 별도로 제작하여 실험을 실시하는 것으로 하였다.
- 제작된 공시체를 20± 2℃의 50% 황산용액에 침지 24hr 후 꺼내어 침지 전후의 압축강도를 공시체 3개에 대해 측정하여 각 공시체에 대한 압축강도 변화율을 계산하며, 동일한 방법으로 50~60℃ 50% 황산용액에 대해서도 내산성을 측정한 후 들뜸, 부식, 탈락을 육안으로 확인하여 이상여부를 확인 하였다.
- 제조된 시료를 이용하여 공시체를 40×40×160mm로 제작한 후 10% Na2SO4 용액에 28일간 침지 후 꺼내어 공시체의 용해도, 박리, 탈락 등을 확인하며 침지 전 후의 중량변화를 측정 하였다.
- 그 후 공시체를 절단하고 절단면에 1%의 페놀프탈레인 용액을 분사한 후, 적색으로 변하지 않은 부분을 중성화 부분으로 하였다. 중성화 된 부분을 1측면 3개소씩 총 6개소를 측정한 평균값을 공시체 1개의 중성화 깊이로 하였으며, 공시체 3개의 평균값을 구하도록 하였다.
대상 데이터
- KS F 2476에서 규정에 따라 시험체를 제작한 후 24시간 경과 후에 탈형하고, 23±3℃의 양생조에서 양생을 실시 한 후 강도 측정을 실시하였다. 공시체는 5개를 제작하여 측정한 후 최고값과 최저값을 제외하여 산출하였다.
- 내산 모르타르의 제조는 알루미노 실리케이트계 재료를 기반으로 구성된 원료를 사용하였으며, 구조의 밀실화 및 화학적 안정화를 위하여 실리카흄 및 규산소오다를 사용 하였다. 알루미노 실리케이트 재료는 국내 I사가 제조한 광양산 고로슬래그 미분말을 사용하였고, 규산소오다는 1종 제품을 사용하였다.
- 비교 시험을 위한 보통포틀랜드 시멘트의 함수량은 16~19wt%를 혼합하여 사용하였으며, 사용 시멘트의 특성은 Table 2와 같다.
- 시험체의 제작은 50mm 정육면체 몰드를 사용하여 압축강도 시험체를 제작하였으며, 부착강도의 경우 직경 50 mm 높이 50mm인 염화비닐계 파이프를 이용하여 시험 체를 제작한 후 시험을 실시하였다. 휨강도 시험체는 40×40×160mm의 휨강도 몰드를 이용하여 시험체를 제작 하였다.
- 내산 모르타르의 제조는 알루미노 실리케이트계 재료를 기반으로 구성된 원료를 사용하였으며, 구조의 밀실화 및 화학적 안정화를 위하여 실리카흄 및 규산소오다를 사용 하였다. 알루미노 실리케이트 재료는 국내 I사가 제조한 광양산 고로슬래그 미분말을 사용하였고, 규산소오다는 1종 제품을 사용하였다. 규불화염은 순도 98%의 공업용을 사용하였으며, 실리카흄은 SiO2 순도 97%의 체코산을 사용하였다.
- 휨강도 시험체는 40×40×160mm의 휨강도 몰드를 이용하여 시험체를 제작 하였다.
이론/모형
- KS F 2424에 따라 실험체의 표면에 젖빛 유리를 부착하고 길이변화 측정기를 이용한 측정을 실시하도록 하였다. 실험체의 크기는 40×40×160mm의 실험체를 이용하며, 실험체 탈형 후, 5일간 수중에서 양생한 후 길이변화 시험기를 이용하여 공시체의 바탕 길이를 측정하도록 하였으며, 그 후 공시체를 온도 20±2℃, 상대습도 60±10%RH에서 28일간 양생한 후 길이를 측정하여 길이변화율을 산출하도록 하였다.
- 재료의 혼합은 KS F 2476에서 규정한 혼합방법을 사용하여 기계적인 혼련을 실시하였고, 성형방법 또한 각각 시험하고자 하는 성형몰드를 이용하여 시험체를 제작하였다. 공시체의 제작은 KS F 4042의 6.3에 의해 실시하였다.
- 보수 모르타르에 대한 내산성 평가에 대해 국내에는 아직 규격화 되어있지 않으므로, 일본 동경도 하수도국 기준에 의하여 가장 강한 내산성이 요구되는 시설물에 대한내산성 평가방법에 따라 수행하였다. 제작된 공시체를 20± 2℃의 50% 황산용액에 침지 24hr 후 꺼내어 침지 전후의 압축강도를 공시체 3개에 대해 측정하여 각 공시체에 대한 압축강도 변화율을 계산하며, 동일한 방법으로 50~60℃ 50% 황산용액에 대해서도 내산성을 측정한 후 들뜸, 부식, 탈락을 육안으로 확인하여 이상여부를 확인 하였다.
- 단순 비교를 위하여 침지 시험은 보통포틀랜드시멘트와 표준사 등을 이용한 모르타르를 제작하여 분석을 실시하였다. 시험은 KS F 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르)와 KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법)에 따라 실시하였다.
- 내산 모르타르 시험체 제작은 슬래그 혼입비율을 전체 결합재량의 10%, 20%, 30%로 적용하였으며 단위수량은 기본적으로 16~18wt%를 혼합하여 사용하였다. 재료의 혼합은 KS F 2476에서 규정한 혼합방법을 사용하여 기계적인 혼련을 실시하였고, 성형방법 또한 각각 시험하고자 하는 성형몰드를 이용하여 시험체를 제작하였다. 공시체의 제작은 KS F 4042의 6.
성능/효과
- 1) KS F 4042에서 규정하는 휨강도, 압축강도, 부착 강도, 내알카리성, 중성화저항성, 길이변화율 및 내황산염 저항성에 대한 시험을 실시한 결과 내산 모르타르는 보수제 용도로 규정하고 있는 성능 수준을 상회하는 것으로 나타났으며 내산성 환경에 노출되기 이전 시험체도 슬래그 미분말을 사용하지 않은 공시체만을 사용한 시험체와 동등한 수준의 특성을 발현하였다.
- 2) 내산모르타르의 중요 특성중의 하나인 내산성의 측정결과 중량 감소율에 있어서 고로슬래그 미분말의 혼입 율이 증가할 수 록 중량 감소율은 적어지는 것으로 나타났다. 즉, CaO 함량이 작아짐에 따라 석고 생성의 조건이 감소하고 분말도가 높아 밀실한 구조를 형성하기 때문에 내산성이 우수하게 나타난 것으로 판단된다.
- 3) 침식의 정도에 따라 물리적 특성이 현저하게 감소할 수 있는데 슬래그 미분말을 사용하지 않은 배합의 경우 단면 결손에 의한 강도 상실로 압축강도가 현저하게 감소하였으나, 외관성의 침식 정도가 없으며, 중량감소가 상대적으로 나은 내산 모르타르의 경우 압축강도도 동등한 성능을 발휘하여 장기적인 안정화에 좋은 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단된다.
- KS F 4042 품질기준 보다 OPC와 내산 모르타르 공시체 모두 수축률에 있어서 작은 변화를 보여, 수축으로 인한 보수면의 물리적 성능 저하 또는 구조물의 크랙발생에 큰 영향이 낮을 것으로 보여 진다. 또한 수축으로 인한 구조물의 크랙 발생률이 낮으므로 크랙을 통한 산성물질의 침투 및 CO2 기체의 침투율이 낮아 중성화가 발생할 가능성이 적어 화학적 내구성능이 우수한 것으로 판단된다.
- 각 공시체별로 산성용액에 침지 후 꺼내어 외형을 확인한 결과 내산 모르타르 공시체는 침지 전후의 공시체 표면이 차이가 나지 않았으며 표면 또한 긁힘에 있어 침지 전과 차이가 나지 않음을 확인할 수 있었으나, 슬래그 미분말을 사용하지 않은 공시체는 표면이 심하게 부식되어 유실되었으며 표면을 긁을 경우 침지 전 공시체보다 쉽게 표면이 얇게 긁히는 것을 확인할 수 있었다.
- 결국 첨가제의 주원료로 사용한 고로슬래그미분말의 영향에 의하여 초기재령에서는 높지 않은 강도를 발현하고 있으나 재령 7일 이후 결과 후부터 강도 개선효과가 나타나고 특히 실리카흄 및 물유리의 작용으로 인한 결합력의 증대가 많은 역할을 한 것으로 판단되었다.
- 1MPa의 강도를 발현하였으나, 내산 모르타르의 경우, 슬래그 치환율 증가에 따른 초기 강도 저하의 영향으로 인하여 강도가 하락하는 현상이 나타났다. 그러나 7일 이후의 강도에서는 고로슬래그 미분 말과 실리카흄의 미세분말의 수화작용에 의하여 일정하게 강도가 증진하는 것을 알 수 있었으며 양이 과도하게 첨가된 슬래그 30% 치환율에서는 다시 감소하는 특성을 나타내고 있다.
- 길이변화율 측정결과 공시체별 길이변화율을 측정한 결과 OPC에 비해 내산 모르타르의 길이변화율이 재령 20일까지는 변화율이 컸으나 20일 이후 변화율에 큰 차이가 없었다.
- 즉, 모르타르 자체의 강도가 높게 발현된다 할지라도 결합력의 낮으면 부착강도는 높지 않게 나타났다. 따라서 성능 발현을 위한 최소의 강도를 지속적으로 유지할 수 있으면 부착력에 대한 성능은 큰 문제가 없는 것으로 판단되었다. 재령 28일이 경과한 후 부착력을 측정한 결과 고로슬래그 미분말을 사용하지 않거나 10%를 첨가한 제품의 강도보다 20% 이상 첨가하였을 경우 15% 이상의 강도 증진이 있는 것으로 나타났다.
- KS F 4042 품질기준 보다 OPC와 내산 모르타르 공시체 모두 수축률에 있어서 작은 변화를 보여, 수축으로 인한 보수면의 물리적 성능 저하 또는 구조물의 크랙발생에 큰 영향이 낮을 것으로 보여 진다. 또한 수축으로 인한 구조물의 크랙 발생률이 낮으므로 크랙을 통한 산성물질의 침투 및 CO2 기체의 침투율이 낮아 중성화가 발생할 가능성이 적어 화학적 내구성능이 우수한 것으로 판단된다.
- 또한 중량 변화 및 압축강도 변화에 대한 측정 결과 슬래그 미분말을 사용하지 않은 공시체는 산성조건에 노출시 산성용액에 의한 유실로 중량감소와 압축강도 저하가 크게 나타났고, 특히 초기 재령 시에 내산 모르타르에 비해 산성노출로 인한 중량감소와 강도 저하 현상이 더 심하게 나타났다.
- 수산화칼슘 수용액에 침지한 시험편의 28일 경과 후 압축강도를 측정한 결과 슬래그 미분말을 사용하지 않은 시험체는 24%의 강도 저하 현상이 발생하였으나, 슬래그를 친환한 제품의 경우에는 약7~8%의 강도감소가 있는 것으로 나타났다. 일반적으로 시멘트 제품의 경우 알칼리에 대한 저항성이 강하게 작용하여 강도 하락 효과는 나타나지 않으나 아크릴에멀전의 융화 현상에 의한 강도 감소로 판단된다.
- 이는 슬래그 미분말을 사용하지 않은 공시체로 시공 후 재령이 충분히 이뤄지지 않은 상태에서 산성 환경이나 산성용액에 노출 시에 심각한 부식과 파괴가 발생할 수 있음을 의미하는 것으로 시험결과를 종합하여 볼 때 내산 모르타르의 내산성능이 더 우수한 것으로 나타났다.
- 따라서 성능 발현을 위한 최소의 강도를 지속적으로 유지할 수 있으면 부착력에 대한 성능은 큰 문제가 없는 것으로 판단되었다. 재령 28일이 경과한 후 부착력을 측정한 결과 고로슬래그 미분말을 사용하지 않거나 10%를 첨가한 제품의 강도보다 20% 이상 첨가하였을 경우 15% 이상의 강도 증진이 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과 압축강도 및 휨강도의 미세한 강도 증진보다 높은 효과를 나타낸 것으로 고로슬래그 미분말의 이산화규소와 물유리의 결합에 의한 부착력 증대 효과가 있기 때문인 것으로 판단된다.
- 재령에 따른 휨강도 측정결과 OPC만을 사용한 시험체의 경우 재령 3일에서 7.1MPa의 강도를 발현하였으나, 내산 모르타르의 경우, 슬래그 치환율 증가에 따른 초기 강도 저하의 영향으로 인하여 강도가 하락하는 현상이 나타났다. 그러나 7일 이후의 강도에서는 고로슬래그 미분 말과 실리카흄의 미세분말의 수화작용에 의하여 일정하게 강도가 증진하는 것을 알 수 있었으며 양이 과도하게 첨가된 슬래그 30% 치환율에서는 다시 감소하는 특성을 나타내고 있다.
- 중성화 깊이를 측정한 결과 슬래그 미분말을 사용하지 않은 경우 최대 0.8mm까지 중성화가 진행되었으며, 슬래그를 이용한 내산 모르타르의 경우 치환율 10%에서 0.4 mm, 치환율 20%에서는 전혀 진행되지 않은 것을 알 수 있었다.
- 부착강도 측정 시 일반적인 강도발현 구조는 단면복구체의 표면과 모르타르의 결합력에 따라 결정된다. 즉, 모르타르 자체의 강도가 높게 발현된다 할지라도 결합력의 낮으면 부착강도는 높지 않게 나타났다. 따라서 성능 발현을 위한 최소의 강도를 지속적으로 유지할 수 있으면 부착력에 대한 성능은 큰 문제가 없는 것으로 판단되었다.
- 황산나트륨용액에 28일 침지하여 중량변화에 의한 보수모르타르의 내황산염 측정을 실시한 결과 슬래그 미분 말을 사용하지 않은 경우 약16%의 중량 결손이 발생하는 것으로 나타났으나 내산 보수모르타르의 경우 슬래그 치환율 10% 정도에서부터 1%로 급격하게 개선되는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 본 연구에서는 무기폴리머 결합재를 이용하여 내산성을 개선함으로써 유기성 폴리머 모르타르에서 나타날 수 있는 문제점을 개선하고, 특히 보수모르타르 용도로 적용 시 사용 가능성에 대한 기초적인 실험 등을 통하여 성능 확인을 실시하고자 하였다. 이러한 성능평가는 향후 내산성이 요구되는 구조물의 보수보강에 기초적인 재료배합 구성 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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