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문제 정의
- 5) 본 연구결과, 속경성 SBR 시멘트 모르타르의 성질을 개선시키기 위하여 혼입한 혼화재료 및 양생조건이 강도 발현에 미치는 영향을 파악할 수 있는 기초적 자료를 제공하였다.
- 기존 연구에서 많은 혼화재료가 시멘트 모르타르 및 콘크리트의 성능을 개선시키기 위하여 사용되었는데[2,3,4], 초속경시멘트와 SBR을 조합한 속경성 SBR 시멘트 모르타르에 대한 연구자료가 부족하며, 보통시멘트 모르타르에 비해 폴리머 시멘트 모르타르는 강도발현에 양생조건의 영향을 더 받는 것으로 보고되고 있다[5,6,7,8,9]. 따라서 본 연구에서는 속경성 SBR 시멘트 모르타르의 압축강도와 휨강도에 영향을 미칠 수 있는 혼화재료와 이에 따른 양생조건을 달리하여 강도발현의 영향성을 평가하였다.
제안 방법
- 1) 기중양생(Dry cure) : 공시체를 2일간 몰드내에서 습윤양생(20 ℃, R.H. 80 %)을 한 후, 탈형하여 재령 28일 까지 기중양생(20 ℃, R.H. 50 %)을 실시하였다.
- 2) 표준양생(Standard cure) : 공시체를 2일간 몰드내에서 습윤양생(20 ℃, R.H. 80 %)을 한 후, 탈형하여 5일간 수중양생(20 ℃) 및 21일간 기중양생(20 ℃, R.H. 50 %)을 실시하였다.
- SBR 라텍스를 사용한 폴리머 시멘트 모르타르(이하 SBR 시멘트 모르타르)의 성질을 개선시키기 위하여 메타카올린(비표면적 13,000 ㎠/g, 밀도 2.50 g/㎤), 플라이애쉬(비표면적 3,300 ㎠/g, 밀도 2.20 g/㎤) 및 실리카흄(비표면적 25,000 ㎠/g, 밀도 2.30 g/㎤)을 시멘트 중량에 대해 10 %와 20 % 대체하였다. 또한 SBR 혼입에 따른 기포 제어를 위해 폴리머 고형분에 대한 중량비로 1 %의 실리콘계 소포제도 혼입하였다.
- 30 g/㎤)을 시멘트 중량에 대해 10 %와 20 % 대체하였다. 또한 SBR 혼입에 따른 기포 제어를 위해 폴리머 고형분에 대한 중량비로 1 %의 실리콘계 소포제도 혼입하였다. Table 4는 초속경시멘트를 포함한 각 혼화재료의 화학조성을 나타내고 있다.
- 또한 균일한 시공성을 위하여 SBR 시멘트 모르타르의 플로우가 170 ± 5가 되도록 물시멘트비를 조정하였으며 강도 시험용 공시체는 40x40x160 mm 몰드로 제작한 후 소정의 양생을 실시하였다.
- SBR 시멘트 모르타르는 KS F 2476 (시험실에서 폴리머 시멘트 모르타르를 만드는 방법)[10]에 준하여 Table 5의 배합으로 제작하였다. 배합은 결합재와 잔골재 중량비로 1:3, 폴리머 시멘트비(P/C) 0, 5, 10, 15 및 20 %, 메타카올린, 플라이애쉬 및 실리카흄 혼입율은 시멘트 중량에 대하여 10 % 및 20 %로 하였다. 또한 균일한 시공성을 위하여 SBR 시멘트 모르타르의 플로우가 170 ± 5가 되도록 물시멘트비를 조정하였으며 강도 시험용 공시체는 40x40x160 mm 몰드로 제작한 후 소정의 양생을 실시하였다.
- 배합조건에 따라 40x40x160 mm 몰드에 제작된 공시체를 다음과 같은 3가지 조건으로 양생을 실시하였다.
- 본 연구에서는 시멘트 혼화용 폴리머로 SBR을 사용하여 폴리머 시멘트 모르타르를 제작하였는데, 배합은 폴리머 시멘트비(P/C), 혼화재 종류, 혼화재 혼입량 및 양생방법을 달리하였다. 소정의 양생을 실시한 SBR 시멘트 모르타르에 대하여 압축강도 및 휨강도 실험을 실시하였으며 본 연구의 실험요인 및 수준은 Table 1과 같다.
- 본 연구에서는 시멘트 혼화용 폴리머로 SBR을 사용하여 폴리머 시멘트 모르타르를 제작하였는데, 배합은 폴리머 시멘트비(P/C), 혼화재 종류, 혼화재 혼입량 및 양생방법을 달리하였다. 소정의 양생을 실시한 SBR 시멘트 모르타르에 대하여 압축강도 및 휨강도 실험을 실시하였으며 본 연구의 실험요인 및 수준은 Table 1과 같다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 시멘트 혼화용 폴리머는 국내 K사 제품의 스티렌 부다지엔 고무 (Styrene-Butadiene Rubber) 라텍스이며, 그 성질은 Table 3과 같다.
- 본 실험에 사용된 시멘트는 국내 S사의 초속경시멘트(Ultra-rapid hardening cement :URC)이며, 잔골재는 주문진산 표준사를 사용하였다. 초속경시멘트의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
이론/모형
- SBR 시멘트 모르타르는 KS F 2476 (시험실에서 폴리머 시멘트 모르타르를 만드는 방법)[10]에 준하여 Table 5의 배합으로 제작하였다. 배합은 결합재와 잔골재 중량비로 1:3, 폴리머 시멘트비(P/C) 0, 5, 10, 15 및 20 %, 메타카올린, 플라이애쉬 및 실리카흄 혼입율은 시멘트 중량에 대하여 10 % 및 20 %로 하였다.
- Table 5의 배합으로 만들어진 SBR 시멘트 모르타르의 유동성을 KS L 5105(시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)에 준하여 Figure 1과 같은 장치를 이용하여 플로우를 측정하였다.
- 휨 및 압축강도 시험은 KS F 2477(폴리머 시멘트 모르타르의 강도 시험방법)에 준하여 UTM 시험기를 사용하여 실시하였으며, 압축강도 시험편은 휨강도 시험 후 절편을 사용하였다.
성능/효과
- 1) SBR 시멘트 모르타르에서 동일한 시공성에 필요한 물시멘트비는 보통시멘트 보다 SBR을 혼입한 경우 최대 50 %의 감수효과를 얻을 수 있었다.
- 2) SBR 시멘트 모르타르의 감수율은 폴리머 시멘트비의 증가에 따라 증가하였으며, 플라이애쉬, 메타카올린, 실리카흄, 소포제의 혼입 순으로 감수효과가 크게 나타났다.
- 3) SBR 시멘트 모르타르의 휨 및 압축강도는 양생조건에 따라 약간의 차이는 있으나, 휨강도의 경우 폴리머 시멘트비 15 %, 압축강도의 경우 폴리머 시멘트비 10 %에서 최대치를 보였으며, 이 값은 보통시멘트 모르타르의 약 1.8배 및 1.3배 높은 강도이다.
- 4) SBR 시멘트 모르타르의 강도는 표준양생에서 최대치를 보였으며, SBR을 사용하지 않은 보통시멘트 모르타르와 플라이애쉬 및 실리카흄을 혼입한 모르타르의 경우, 수중양생에서 최대치를 발현하였다.
- Figure 12는 SBR 시멘트 모르타르의 양생종류별 강도성상을 나타내고 있다. SBR 시멘트 모르타르의 휨강도는 표준양생의 경우가 타 양생방법 보다 큰 강도를 보였으며, 수중양생을 제외하면 폴리머 시멘트비의 증가에 따라서도 휨강도가 개선되었다. 또한 압축강도의 경우에도 표준양생의 경우가 건조양생이나 수중양생에 비해 높은 강도를 나타냈으며, 일반적으로 폴리머 시멘트비 10 %에서 최대치를 나타냈다.
- Figure 17에는 양생종류, 폴리머 시멘트비, 혼화재 혼입율을 고려하지 않고 각 혼화재별 최대 휨강도 및 압축강도를 비교하고 있다. SBR(표준양생, 폴리머 시멘트비 15 %), 메타카올린(표준양생, 폴리머 시멘트비 5 %), 플라이애쉬(표준양생, 폴리머 시멘트비 20 %), 실리카흄(표준양생, 폴리머 시멘트비 20 %), 소포제 함유 SBR 시멘트 모르타르(표준양생, 폴리머 시멘트비 10 %, 15 %)의 최대 휨강도는 보통시멘트 모르타르(수중양생)의 7.5 MPa에 비해 모두 높은 강도를 보였으며, 전반적으로 SBR 시멘트 모르타르의 최대 휨강도는 표준양생에서 발현되었다. 또한 압축강도의 경우, SBR(표준양생, 폴리머 시멘트비 10 %), 메타카올린(표준양생, 폴리머 시멘트비 10 %), 플라이애쉬(수중양생, 폴리머 시멘트비 0%), 실리카흄(수중양생, 폴리머 시멘트비 0 %), 소포제 함유 SBR 시멘트 모르타르(표준양생, 폴리머 시멘트비 10 %)의 최대 압축강도는 보통시멘트 모르타르(수중양생)의 30.
- 5 MPa에 비해 모두 높은 강도를 보였으며, 전반적으로 SBR 시멘트 모르타르의 최대 휨강도는 표준양생에서 발현되었다. 또한 압축강도의 경우, SBR(표준양생, 폴리머 시멘트비 10 %), 메타카올린(표준양생, 폴리머 시멘트비 10 %), 플라이애쉬(수중양생, 폴리머 시멘트비 0%), 실리카흄(수중양생, 폴리머 시멘트비 0 %), 소포제 함유 SBR 시멘트 모르타르(표준양생, 폴리머 시멘트비 10 %)의 최대 압축강도는 보통시멘트 모르타르(수중양생)의 30.1 MPa에 비해 모두 높은 강도를 보였다. 특히 압축강도의 최대치는 플라이애쉬 및 실리카흄을 혼입한 경우의 수중양생에서 오히려 최대치를 보여 폴리머의 혼입에 따른 압축강도의 개선효과는 발견할 수 없었다.
- SBR 시멘트 모르타르의 휨강도는 표준양생의 경우가 타 양생방법 보다 큰 강도를 보였으며, 수중양생을 제외하면 폴리머 시멘트비의 증가에 따라서도 휨강도가 개선되었다. 또한 압축강도의 경우에도 표준양생의 경우가 건조양생이나 수중양생에 비해 높은 강도를 나타냈으며, 일반적으로 폴리머 시멘트비 10 %에서 최대치를 나타냈다. SBR을 혼입한 폴리머 시멘트 모르타르의 경우, 폴리머 특성상 물속에 분산되어 있는 입자가 건조되면서 서로 응집되어필름과 같은 막을 형성하기 때문에 건조가 필수적이다.
- 3배 각각 높은 강도이다. 메타카올린을 혼입한 속경성 SBR 시멘트 모르타르의 휨강도는 메타카올린 혼입율 10 %의 폴리머 시멘트비 10 %, 메타카올린 혼입율 20 %의 폴리머 시멘트비 5 %에서 최대치를 나타냈다. 보통시멘트 모르타르에 메타카올린만 혼입한 경우보다 SBR을 혼입함으로써 1.
- 혼화재의 혼입율 10 %의 경우가 20 %에 비해 물시멘트비가 약간 증가하였는데 이와 같은 현상은 동그란 폴리머 입자가 시멘트의 유동성을 개선하여 물시멘트비를 크게 감소시킨 결과이다[1]. 본 연구에서 SBR과 플라이애쉬의 특성상 상당한 감수효과를 기대하였으나, 소포제를 혼입하지 않은 SBR에 비해 감수효과는 거의 없었으며, 소포제를 혼입한 경우 보다는 약간 감수효과를 발휘하였다.
- 본 연구의 목적과 같이 긴급을 요하는 건설현장에서 보수·보강 및 마감재료로 초속경시멘트를 많이 사용하고 있는데, 빠른 경화와 함께 응결시간의 조절 및 건조수축균열의 문제점을 SBR을 혼입함으로써 적정하게 제어할 수 있으며 내구성 증진에도 크게 기여할 수 있다.
- 혼화재 혼입율 10 %의 건조양생한 SBR 시멘트 모르타르 휨강도는 메타카올린, 플라이애쉬, 실리카흄 순으로 높게 나타났으며, 폴리머 시멘트비 10 %에서 메타카올린을 혼입한 경우가 최대치를 나타냈다. 이 값은 보통시멘트 모르타르(plain)에 비해 약 2.0배의 높은 강도이며, 거의 모든 시멘트 모르타르에서 보통시멘트 모르타르에 비해 높은 강도를 나타내 혼화재의 혼입이 강도에 영향을 미쳤음을 알 수 있었다. 압축강도의 경우에는 폴리머 시멘트비 0 %, 즉 SBR를 사용하지 않고 혼화재만을 사용한 경우, 모두 보통시멘트 모르타르보다 높은 압축강도를 나타냈으나, 폴리머 혼입에 의해 강도가 약간 저하되었다.
- 한편, 플라이애쉬와 실리카흄을 혼입한 경우, 폴리머 시멘트비에 따라 약간 휨강도가 증가하였으나, 압축강도의 경우는 상당히 감소하는 경향을 보였다. 이와 같이 SBR 시멘트 모르타르의 휨강도가 폴리머에 의해 상당히 개선되나 압축강도의 경우는 동등정도 또는 약간 감소하는 경향을 보였다. 이는 폴리머 입자가 시멘트 모르타르안에서 건조되면서 폴리머 필름을 형성하여 매트릭스 안에서 삼차원 망상구조를 만드는데, 폴리머 자체의 탄성계수가 시멘트 모르타르에 비해 1/10 밖에 되지 않아, 압축강도에 크게 영향을 미친 것으로 볼 수 있다.
- Figure 2는 초속경시멘트를 사용한 SBR 시멘트 모르타르의 목표 플로우값 170 ± 5(mm)를 만족하기 위한 물시멘트비와 감수율을 나타내고 있다. 즉, 시멘트 모르타르의 목표 플로우값을 얻기 위해서는 보통시멘트의 경우 물시멘트비가 70 %가 필요한 반면, SBR 20 %의 경우 물시멘트비가 35 %로 50 %의 감수효과를 얻을 수 있었다. 물론 이러한 감수효과가 강도에 영향을 미치겠지만 폴리머의 혼입에 의한 강도저하, 특히 압축강도의 저하를 초래할 수 있다.
- 물론 이러한 감수효과가 강도에 영향을 미치겠지만 폴리머의 혼입에 의한 강도저하, 특히 압축강도의 저하를 초래할 수 있다. 폴리머 시멘트비의 증가에 따라 혼화재료의 종류 및 혼입율에 관계없이 물시멘트비는 감소하는 경향을 보였다. 또한 Figure 3과 같이 전반적으로 SBR 시멘트 모르타르의 감수율도 폴리머 시멘트비의 증가에 따라 증가하였으며, 플라이애쉬, 메타카올린, 실리카흄, 소포제의 순으로 감수효과가 크게 나타났다.
- 또한 전반적으로 메타카올린 혼입율 10 %보다 20 %에서 약간 강도가 낮아졌다. 한편, 플라이애쉬와 실리카흄을 혼입한 경우, 폴리머 시멘트비에 따라 약간 휨강도가 증가하였으나, 압축강도의 경우는 상당히 감소하는 경향을 보였다. 이와 같이 SBR 시멘트 모르타르의 휨강도가 폴리머에 의해 상당히 개선되나 압축강도의 경우는 동등정도 또는 약간 감소하는 경향을 보였다.
- Figure 13에서 Figure 15에는 속경성 SBR 시멘트 모르타르의 양생 종류별 혼화재료 혼입율에 따른 강도를 나타내고 있다. 혼화재 혼입율 10 %의 건조양생한 SBR 시멘트 모르타르 휨강도는 메타카올린, 플라이애쉬, 실리카흄 순으로 높게 나타났으며, 폴리머 시멘트비 10 %에서 메타카올린을 혼입한 경우가 최대치를 나타냈다. 이 값은 보통시멘트 모르타르(plain)에 비해 약 2.
후속연구
- 본 연구의 목적과 같이 긴급을 요하는 건설현장에서 보수·보강 및 마감재료로 초속경시멘트를 많이 사용하고 있는데, 빠른 경화와 함께 응결시간의 조절 및 건조수축균열의 문제점을 SBR을 혼입함으로써 적정하게 제어할 수 있으며 내구성 증진에도 크게 기여할 수 있다. 또한 여기에 적절한 혼화재료를 함께 사용한다면 보다 더 강도 및 내구성이 개선된 속경성 SBR 시멘트 모르타르를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
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