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문제 정의
- 교면포장은 교량을 통행하는 차량이 안정하고 쾌적한 주행성을 확보하고 교통하중의 반복 재하 및 충격 등의 외부 요인과 기상변화, 빗물 또는 제설제로 사용되는 염화물의 침투와 같은 환경조건 등으로부터 교량 상판을 보호하는 것을 목적으로 한다.
- 본 연구는 폴리머 콘크리트 교면포장 공법의 국내 적용 가능성을 파악하기 위하여 교면포장용 폴리설파이드 에폭시 혼합물에 대한 물리 역학적 특성을 평가하기 위하여 수행하였다. 강도 특성 시험으로 압축강도, 휨강도, 접착강도 등을 실시하였고 내구 특성 시험으로 염소이온 침투저항성, 동결융해저항성, 자외선저항성 등을 통해 실내물성을 평가하였다.
- 교면포장용 폴리설파이드 에폭시 슬러리 혼합물의 압축강도 특성을 파악하기 위하여 실내 물성 실험을 실시하였다. 길이 50mm의 정육면체 공시체로 제작하여 ASTM C 579에 준하여 시험을 실시하였다.
- 에폭시 슬러리 혼합물에 대한 염소이온침투 시험결과는 0Coulomb으로 염소이온의 침투가 발생하지 않아 수밀성이 뛰어난 것으로 나타났다. 따라서 에폭시 슬러리 혼합물이 경화된 후에는 빗물 또는 제설제로 사용되는 염화물의 침투와 같은 환경조건에 대한 완벽한 저항 성능을 가지고 있어 교량 상판을 보호하는 교면포장으로서의 목적에 부합할 것으로 평가되었다.
- 본 연구에서는 폴리설파이드 에폭시 재료에 대한 강도 및 내구 특성을 평가하고자 다양한 기초 물성 시험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 본 연구는 폴리머 콘크리트 교면포장 공법의 국내 적용 가능성을 파악하기 위하여 교면포장용 폴리설파이드 에폭시 혼합물에 대한 물리 역학적 특성을 평가하기 위하여 수행하였다. 강도 특성 시험으로 압축강도, 휨강도, 접착강도 등을 실시하였고 내구 특성 시험으로 염소이온 침투저항성, 동결융해저항성, 자외선저항성 등을 통해 실내물성을 평가하였다.
- 강상판과의 접착강도 시험은 에폭시 슬러리 교면포장공법에 대한 포장가속시험을 위해 시공된 구간에서 수행되었고 골재층을 연마기로 갈아내고 40×40mm 정사각형 접착판을 부착하여 그림 6과 같이 접착강도를 측정하였다.
- 또한 에폭시 혼합물의 처짐 추종성을 평가하기 위하여 300×100×50mm의 시험시편을 제작하여 -10℃조건에서 지점길이를 200mm로 설치하여 휨시험을 실시하였다.
- 4mm 크기의 시편을 제작하여 ASTMC 580에 준하여 시험을 실시하였다. 또한 폴리머 콘크리트가 일반적으로 시험온도에 대한 의존성이 큰 것으로 알려져있어 시험온도 조건에 따른 강도 특성을 파악하기 위하여 -10, 5, 20, 40, 60℃의 5가지 온도에서 시험을 실시하였다. 또한 에폭시 혼합물의 처짐 추종성을 평가하기 위하여 300×100×50mm의 시험시편을 제작하여 -10℃조건에서 지점길이를 200mm로 설치하여 휨시험을 실시하였다.
- 교량 상판과 교면포장과의 접착력 불량으로 인한 파손은 수분과 제설제, 다른 오염물질의 침투로 인하여 추가적인 파손을 유발할 수 있으며 도로의 평탄성 저하가 나타날 수 있다. 본 시험에서는 강상판과 콘크리트포장 위에 폴리설파이드 에폭시 슬러리 혼합물을 시공하고 난 후 ASTM D 4541 시험방법에 준하여 휴대용 유압잭에 의한 Pull-off 시험을 수행하였다.
- 폴리설파이드 에폭시 슬러리 혼합물의 염소이온침투 저항 성능을 파악하기 위해 ASTM C 1203 시험방법에 준하여 시험을 실시하였다. 이 시험은 직경 100mm, 길이 200mm의 실린더 공시체를 제작하고 20℃ 항온항습실에서 28일간 양생을 실시한 후 50mm 두께로 절단하여 전기 전도도에 의한 염소이온침투 저항성을 평가하였다.
- 따라서 동결융해저항성을 평가하기 위해 KS F 2456 시험방법에 준하여 시험을 실시하였다. 포장재료의 온도는 동결시 -18℃, 융해시 4℃로 상승시키는 것을 1싸이클로 하고, 1싸이클은 4시간을 주기로 하여 300싸이클 동안 반복 수행하였다. 매 30 싸이클 동결융해 처리 후 한번씩 공시체를 꺼내어 고유 진동수를 측정하여 동탄성계수를 구하였다.
- 포장재료의 온도는 동결시 -18℃, 융해시 4℃로 상승시키는 것을 1싸이클로 하고, 1싸이클은 4시간을 주기로 하여 300싸이클 동안 반복 수행하였다. 매 30 싸이클 동결융해 처리 후 한번씩 공시체를 꺼내어 고유 진동수를 측정하여 동탄성계수를 구하였다. 또한 동결융해 반복 후 에폭시 슬러리 혼합물의 물성 변화를 파악하기 위하여 150 싸이클, 300싸이클 동결융해 처리 후 압축강도와 휨강도 시험을 실시하였다.
- 매 30 싸이클 동결융해 처리 후 한번씩 공시체를 꺼내어 고유 진동수를 측정하여 동탄성계수를 구하였다. 또한 동결융해 반복 후 에폭시 슬러리 혼합물의 물성 변화를 파악하기 위하여 150 싸이클, 300싸이클 동결융해 처리 후 압축강도와 휨강도 시험을 실시하였다.
- 폴리설파이드 에폭시 혼합물의 처짐 추종성을 평가하기 위하여 -10℃조건에서 실시한 휨시험 결과를 이용하여 계산된 휨강도와 파괴시 변형률과 기존 교면포장에 사용되는 SMA 혼합물, 구스아스팔트 혼합물에 대한 휨강도와 파괴시 변형률(국토해양부, 2010)을 표 1에 나타내었다. 시험결과를 살펴보면 폴리설파이드 에폭시 혼합물의 최대휨강도는 2배 이상 높은 것으로 나타났으며 파괴시 변형률은 SMA 혼합물에 비해 4배 정도 높은 것으로 분석되어 처짐에 대한 추종성이 기존 아스팔트 교면포장 재료에 비해 아주 우수한 것으로 나타났다.
- 콘크리트 면에 대한 접착강도 시험은 콘크리트포장 위에 시험시공된 에폭시 슬러리 포장 구간에서 수행되었고 직경 100mm 원형 접착판을 부착하여 접착강도를 측정하였다.
- 교면포장은 자외선에 노출되어 있는 구조물로 자외선에 대한 영향을 파악하는 것은 교면포장의 장기 내구 특성을 예측하는데 중요한 인자이다. 따라서 본 연구에서는 폴리설파이드 에폭시 슬러리 혼합물로 제작된 다양한 공시체에 대하여 자외선 촉진 시험을 실시하고 1500시간, 3000시간 경과 후 20℃조건에서 압축강도와 휨강도 시험을 실시하여 물성의 변화를 관찰하였다.
대상 데이터
- 휨강도 특성을 파악하기 위해서는 25.4×25.4×285.4mm 크기의 시편을 제작하여 ASTMC 580에 준하여 시험을 실시하였다.
- 폴리설파이드 에폭시 슬러리의 배합은 타 교면포장 공법의 배합설계와 비교하여 상당히 간결하다. 본 배합에 사용되는 주재료는 이액형의 폴리설파이드를 기반으로 한 에폭시수지와 경화제, 파우더 및 골재로 구성되어 있으며, 에폭시와 경화제 그리고 파우더의의 배합비는 7.6ℓ : 3.8ℓ : 파우더 93kg이 되도록 하고 전기 드릴 핸드 믹서 또는 대용량 배합기로 2~3분간 충분히 배합하는 것을 기본으로 한다.
- 자외선 촉진 시험 장비(Ultraviolet Accelerated Tester)는 ASTM G 53을 참고로 하여 자체 제작하였으며 자외선램프의 설치는 313mm의 파장에서 최고점이 나타나는 UVB-313 램프를 윗면에 6개, 측면에 각 1개씩 10개를 사용하였다. 자외선 노출량은 자외선 촉진 시험 장비의 재료가 목재이므로 합판의 반사율이 40%일 때 램프의 자외선 출력 중 약 70%가 에폭시 포장 재료에 가해진다.
이론/모형
- 교면포장용 폴리설파이드 에폭시 슬러리 혼합물의 압축강도 특성을 파악하기 위하여 실내 물성 실험을 실시하였다. 길이 50mm의 정육면체 공시체로 제작하여 ASTM C 579에 준하여 시험을 실시하였다. 휨강도 특성을 파악하기 위해서는 25.
- 외부환경에서 교면포장으로 침투하는 염소이온은 교량의 구조적 안전에 심각한 영향을 주기 때문에 염화물에 대한 저항성 시험은 교면포장 재료 선정에 중요한 평가 방법이다. 폴리설파이드 에폭시 슬러리 혼합물의 염소이온침투 저항 성능을 파악하기 위해 ASTM C 1203 시험방법에 준하여 시험을 실시하였다. 이 시험은 직경 100mm, 길이 200mm의 실린더 공시체를 제작하고 20℃ 항온항습실에서 28일간 양생을 실시한 후 50mm 두께로 절단하여 전기 전도도에 의한 염소이온침투 저항성을 평가하였다.
- 이러한 내구성능 감소로 인해 교면포장의 파손이 발생하고 수분의 침투가 용이하게 되고 교면포장과 교량 상판의 추가적인 파손을 유발할 수 있다. 따라서 동결융해저항성을 평가하기 위해 KS F 2456 시험방법에 준하여 시험을 실시하였다. 포장재료의 온도는 동결시 -18℃, 융해시 4℃로 상승시키는 것을 1싸이클로 하고, 1싸이클은 4시간을 주기로 하여 300싸이클 동안 반복 수행하였다.
성능/효과
- 또한 초박층 덧씌우기용 아크릴 폴리머 콘크리트의 상온에서의 압축강도 및 휨시험 결과값인 22MPa, 7MPa보다도 상회하는 강도를 나타내었다(김대영 등, 2010). 시험온도별 강도시험 결과는 온도가 증가함에 따라 압축강도와 휨강도 모두 강도가 감소하였다. 일반적으로 폴리머 콘크리트의 강도 특성은 온도에 대한 의존성이 높은 것으로 알려져 있으며 본 연구 결과에서도 동일한 경향을 나타내었다.
- 폴리설파이드 에폭시 혼합물의 처짐 추종성을 평가하기 위하여 -10℃조건에서 실시한 휨시험 결과를 이용하여 계산된 휨강도와 파괴시 변형률과 기존 교면포장에 사용되는 SMA 혼합물, 구스아스팔트 혼합물에 대한 휨강도와 파괴시 변형률(국토해양부, 2010)을 표 1에 나타내었다. 시험결과를 살펴보면 폴리설파이드 에폭시 혼합물의 최대휨강도는 2배 이상 높은 것으로 나타났으며 파괴시 변형률은 SMA 혼합물에 비해 4배 정도 높은 것으로 분석되어 처짐에 대한 추종성이 기존 아스팔트 교면포장 재료에 비해 아주 우수한 것으로 나타났다.
- 강상판에 대한 접착강도 시험결과는 표 2와 같으며 강상판의 경우는 에폭시 재료의 부착력이 너무 강하여 모두 본드부분에서 분리가 되었으며 접착강도는 평균 6.2MPa으로 측정되었다. 콘크리트면에 대한 접착강도는 기존 콘크리트를 포함하여 분리되었고 평균 2.
- 2MPa으로 측정되었다. 콘크리트면에 대한 접착강도는 기존 콘크리트를 포함하여 분리되었고 평균 2.0MPa로 측정되었다. 따라서 강상판과 콘크리트포장에서 접착강도는 측정값 이상일 것으로 판단된다.
- 동결융해 반복 후 에폭시 슬러리 혼합물의 50×50×50mm 입방체 시편에 대한 압축강도는 동결융해 과정을 거치지 않은 재료에 비해 150싸이클과 300싸이클에서 모두 감소하는 것으로 나타났다.
- 에폭시 슬러리 혼합물에 대한 염소이온침투 시험결과는 0Coulomb으로 염소이온의 침투가 발생하지 않아 수밀성이 뛰어난 것으로 나타났다. 따라서 에폭시 슬러리 혼합물이 경화된 후에는 빗물 또는 제설제로 사용되는 염화물의 침투와 같은 환경조건에 대한 완벽한 저항 성능을 가지고 있어 교량 상판을 보호하는 교면포장으로서의 목적에 부합할 것으로 평가되었다.
- 동결융해 시험결과 반복주기 300싸이클까지 상대동탄성계수가 94.15%로 측정되어 내구성 저하는 발견되지 않았다.
- 일반적으로 에폭시 수지는 자외선에 의해 변색되는 특성을 가지고 있다. 자외선 촉진 시험 장비에 의한 자외선 노출 후 폴리설파이드 에폭시 슬러리 혼합물 시편에 약간의 변색이 관찰되었다. 그러나 실제 현장 교면포장에서는 골재가 혼합물 위에 살포되어 자외선에 의한 변색은 큰 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.
- 따라서 강상판과 콘크리트포장에서 접착강도는 측정값 이상일 것으로 판단된다. 시험결과 값은 ACI 548.9M-08의 에폭시 슬러리폴리머 교면포장 기준값 1.7MPa보다 높은 것으로 나타났다(ACI, 2008).
- 1MPa 증가하여 경화가 진행되는 것으로 나타났다. 또한 파괴시 변형률은 자외선 노출 시 감소하여 처짐에 대한 추종성도 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 에폭시 혼합물의 자외선 노출 후의 파괴 시 휨변형률 값은 초박층 덧씌우기용 아크릴 폴리머 콘크리트의 20℃ 조건에서의 파괴 시 휨변형률 결과값인 0.
- 1. 상온(20℃)에서의 압축강도, 휨강도를 살펴보면 약 39MPa, 14MPa정도의 값을 나타내어 ACI 에폭시 폴리머 콘크리트 기준값보다 높은 강도 발현을 보여주었다. 시험온도별 강도 시험 결과는 온도가 증가함에 따라 압축강도와 휨강도 모두 강도가 감소하여 온도에 대한 의존성이 높은 것으로 평가되었다.
- 상온(20℃)에서의 압축강도, 휨강도를 살펴보면 약 39MPa, 14MPa정도의 값을 나타내어 ACI 에폭시 폴리머 콘크리트 기준값보다 높은 강도 발현을 보여주었다. 시험온도별 강도 시험 결과는 온도가 증가함에 따라 압축강도와 휨강도 모두 강도가 감소하여 온도에 대한 의존성이 높은 것으로 평가되었다. 또한 -10℃, 5℃와 같이 낮은 온도 조건에서는 시멘트 콘크리트와 마찬가지로 최대응력까지 거의 직선적인 응력-변형률 관계를 보였으나 40℃, 60℃와 같이 높은 온도 조건에서는 시멘트 콘크리트와 다른 응력`-`변형률 관계를 나타내었다.
- 2. 폴리설파이드 에폭시 혼합물의 최대휨강도는 기존 아스팔트 교면포장 혼합물보다 2배 이상 높은 것으로 나타났으며 파괴시 변형률은 4배 이상 높은 것으로 분석되어 처짐에 대한 추종성이 기존 아스팔트 교면포장 재료에 비해 아주 우수한 것으로 나타났다.
- 3. 접착강도 시험결과 강상판의 경우는 평균 6.2MPa, 콘크리트면에서는 평균 2.0MPa로 측정되어 ACI의 에폭시 슬러리 폴리머 교면포장 기준값 1.7MPa보다 높은 것으로 나타났다.
- 4. 에폭시 슬러리 혼합물에 대한 염소이온침투 시험결과는 0Coulomb으로 염소이온의 침투가 발생하지 않아 수밀성이 뛰어난 것으로 나타났다.
- 5. 동결융해 반복 후 에폭시 슬러리 혼합물의 압축강도와 휨강도는 동결융해 과정을 거치지 않은 시편에 비해 150싸이클과 300싸이클에서 모두 감소하는 것으로 나타났다. 휨강도 또한 동일한 경향을 나타내었다.
- 6. 에폭시 슬러리 혼합물에 대한 자외선 영향 평가 결과 변색이 관측되고 강도 증가와 파괴시 변형률 감소가 나타났으나 자외선 노출 후에도 기존 아크릴계 폴리머 콘크리트보다 처짐에 대한 추종성이 양호한 것으로 평가되었다.
- 7. 본 연구를 통해 폴리설파이드 에폭시 재료가 교면포장 공법으로 사용하기에 적절한 물리적 특성을 가지고 있다고 판단되었다. 그러나 본 연구 결과는 한정된 살내시험을 통해 얻은 제한된 결과물로 에폭시 폴리머 재료가 교면포장 공법으로 자리매김하기 위해서는 실제 현장에서 일어날 수 있는 장기적으로 변화하는 거동 특성, 예를 들면 자외선 및 동결융해 작용으로 인한 부착강도 변화나 교면포장과 교량상판의 열팽창계수 차이가 내구성에 미치는 영향 등에 대한 추가적인 평가가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 자외선에 대한 에폭시 재료의 경화정도를 측정하기 위하여 실시한 시험에서 1500시간과 3000시간의 경우에 표준양생 시료에 비해 압축강도는 5.7MPa과 4.8MPa이 증가하고, 휨 강도의 경우는 1.1MPa과 3.1MPa 증가하여 경화가 진행되는 것으로 나타났다. 또한 파괴시 변형률은 자외선 노출 시 감소하여 처짐에 대한 추종성도 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 또한 그림 10에서와 같이 에폭시 슬러리 시편은 -10℃, 5℃와 같이 낮은 온도 조건에서는 시멘트 콘크리트와 마찬가지로 최대응력까지 거의 직선적인 응력`-`변형률 관계를 보였으나 40℃, 60℃와 같이 높은 온도 조건에서는 시멘트 콘크리트와 다른 응력`-`변형률 관계를 나타내었다. 향후 국내 적용시 이에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 폴리설파이드 에폭시 재료가 교면포장 공법으로 사용하기에 적절한 물리적 특성을 가지고 있다고 판단되었다. 그러나 본 연구 결과는 한정된 살내시험을 통해 얻은 제한된 결과물로 에폭시 폴리머 재료가 교면포장 공법으로 자리매김하기 위해서는 실제 현장에서 일어날 수 있는 장기적으로 변화하는 거동 특성, 예를 들면 자외선 및 동결융해 작용으로 인한 부착강도 변화나 교면포장과 교량상판의 열팽창계수 차이가 내구성에 미치는 영향 등에 대한 추가적인 평가가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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