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문제 정의
- 따라서, 이 연구에서는 정유산업 부산물인 유황을 폴리머 화하여 내화학성능이 요구되는 구조물의 콘크리트 표면보호 재로 활용할 수 있도록 물리⋅역학적 성능을 검증하고, 내구성능을 평가하였다.
- 이 연구에서는 정유산업 부산물인 유황을 폴리머화 하여내화학성능이 요구되는 구조물의 콘크리트 표면보호재로 활용할 수 있도록 물리⋅역학적 성능을 검증하고, 내구성능을 평가하였으며, 본 연구의 범위 내에서 얻어진 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 내화학성이 요구되는 구조물의 콘크리트 표면보호재의 배합요인별 특성을 분석하기 위하여, 본 연구에서는 실험 조건에 따라 I, II시리즈로 나누어 실시하였다. I시리즈에서는 유황폴리머만을 사용하여 도포조건 (도포기기, 도포횟수, 표면 온도조건)에 따른 평가를 수행하였으며, II시리즈에서는 배합요인별 강도 및 부착특성 평가를 실시하였다. 배합조건은 Table 4에 나타내었다.
- 내화학성이 요구되는 구조물의 콘크리트 표면보호재의 배합요인별 특성을 분석하기 위하여, 본 연구에서는 실험 조건에 따라 I, II시리즈로 나누어 실시하였다. I시리즈에서는 유황폴리머만을 사용하여 도포조건 (도포기기, 도포횟수, 표면 온도조건)에 따른 평가를 수행하였으며, II시리즈에서는 배합요인별 강도 및 부착특성 평가를 실시하였다.
- 본 연구에서는 ASTM C 1202 ｢Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration｣에 준하여 콘크리트 시편을 제작하고 표면에 표면보호재를 도포하였다. 도포한 면에 대하여 염화나트륨 수용액에 접하도록 하여 염소이온침투저항성을 측정하였다.
- 따라서, 수축경화 방지 및 강도 향상을 위하여 플라이애시및 규사를 혼입하여 표면보호재 배합을 수행하였다. 강도평가 결과, 플라이애시 및 규사 대체률 40%에서 가장 우수한 압축강도를 나타내었고 그 이상의 대체시에는 결합재인 유황폴리머량이 급격히 줄어 강도저하가 이루어진 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 ASTM C 1202 ｢Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration｣에 준하여 콘크리트 시편을 제작하고 표면에 표면보호재를 도포하였다.
- 시험체는 70×70×20mm 의 표준모르타르 baseplate를 제작하여 7일 이상 양생한 후, 표면보호재를 도포하여 부착강도를 측정하였다.
- 시험체에 대한 도포는 2.5HP의 Air-compressor를 이용하여 5±1MPa 압력으로 공기와 함께 표면보호재를 왕복 도포하는 것을 1회로 간주하고 최대 5회 까지 도포하여 부착강도를 측정하였다.
- 콘크리트 표면보호재의 내화학성 평가는 KS F 4936 ｢콘 크리트 보호용 도막재｣에 준하여 실시하였다. 실험은 각각의 용액에 시험체를 168시간 동안 완전히 침지한 후 시험편을 꺼내어 물로 씻은 후 3시한 후 부착강도를 측정하였다.
- 유황폴리머는 재료특성상 110℃ 정도에서 용해되고 온도 저하에 따라 굳는 특성을 가지고 있기 때문에 구체 콘크리트의 조건에 따라 부착성능이 상이할 것으로 판단되어 온도조건에 따른 부착강도 평가를 실시하였다. 부착강도 측정결과는 Fig.
- 콘크리트 표면보호재의 도포기기에 따른 부착강도 측정을 위하여 현재 도료의 도포방법으로 가장 많이 사용되는 흡상식과 중력식 두가지 기기에 대하여 도포를 실시하였다 (Photo 4). 그에 따른 도포의 원활한 정도와 부착강도를 측정한 결과는 Photo 5 및 Fig.
- 콘크리트 표면보호재의 압축강도 평가는 50×50×50 mm 크기의 큐브공시체를 제작하고 300 kN의 만능재료시험기를 이용하여 측정하였다.
- 콘크리트 표면보호재의 염소이온이 침투에 대한 저항성을 빠른 시간에 확인하기 위하여 전기 전도도를 측정하여 염소이온의 침투성을 평가함으로서 내염해성을 분석하였다. 본 연구에서는 ASTM C 1202 ｢Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration｣에 준하여 콘크리트 시편을 제작하고 표면에 표면보호재를 도포하였다.
- 표면보호재의 도포유무 및 도포재 배합조건에 따른 평가를 위하여, 도포하지 않은 (OPC)배합에 대해서도 평가를 실시하였다. 표면보호재를 도포하지 않은 시험체의 경우, 침투 전하량이 124로 측정되어 “Very Low”으로 나타났다.
대상 데이터
- 이 연구에 사용된 유황폴리머는 국내 S정유사에서 부산되어 개질된 유황폴리머 (Sulfur Polymer, SP)를 사용하였으며, 특성은 Table 1에 나타내었다.
- 이 연구에서는 내화학성능이 요구되는 구조물용 콘크리트 표면보호재의 채움재는 기존의 유황콘크리트 제조시 (GMPSCC, 1993; Mohamed, 2010) 채움재로 이용된 플라이애시 및 규사를 사용하였으며 그 특성은 Table 2~3과 같다.
- 제작조건은 I시리즈의 최적 제조조건인 왕복 도포 3회의 조건으로 실험을 실시하였으며, 실험결과 유황폴리머만으로 제작된 시험체의 부착강도는 1.23MPa로 측정되었다. 압축강도 시험체 제작시 문제가 된 수축 등을 해결하기 위해 채움재를 일부 대체한 배합조건에 따른 부착강도 시험결과는 채움재 대체율이 증가함에 따라 부착강도가 저하되는 특성을 나타내었다.
이론/모형
- 배합조건 및 시험조건에서의 부착강도 평가는 KS F 4936｢콘크리트 보호용 도막재｣에 준하여 측정하였으며, Fig. 1의 개요도와 같은 시험체를 제작하였다. 시험체는 70×70×20mm 의 표준모르타르 baseplate를 제작하여 7일 이상 양생한 후, 표면보호재를 도포하여 부착강도를 측정하였다.
- 콘크리트 표면보호재의 내화학성 평가는 KS F 4936 ｢콘 크리트 보호용 도막재｣에 준하여 실시하였다. 실험은 각각의 용액에 시험체를 168시간 동안 완전히 침지한 후 시험편을 꺼내어 물로 씻은 후 3시한 후 부착강도를 측정하였다.
성능/효과
- (1) 콘크리트 표면보호재의 도포조건에 따른 특성을 평가한 결과, 유황폴리머 표면도포재의 스프레이는 흡상식보다 중력식 방법을 적용하는 것이 도포 가능시간 확보 및 균질한 도포가 가능한 것으로 나타났다. 도포횟수에 따른 부착강도 평가결과, 3회 이상 왕복 도포했을 때 1MPa 이상의 부착강도 확보가 가능하였다.
- (2) 표면보호재의 채움재 혼입량에 따른 강도특성 평가결과, 40% 범위까지 대체 혼입된 채움재는 유황폴리머의 수축을 저감시키는 효과를 나타내 우수한 강도 특성을 나타내었지만, 60% 대체 혼입시 오히려 강도가 낮아지는 경향을 나타내었다.
- (3) 표면보호재의 대체율에 따른 부착강도 측정결과, 플라이애시 보다는 규사를 채움재로 사용시 부착강도가 높은 경향을 나타내었고, 동시 혼입시 가장 우수한 부착 강도 특성을 나타내었다.
- (4) 화학저항성 평가를 위해 열화를 촉진시키는 용액에 침지한 경우, 표준 (기건)상태에서 양생한 시험체에 비하여 낮은 부착강도를 나타내었지만 플라이애시와 규사를 각각 20% 대체한 배합에서는 부착강도가 최대 1.29MPa 로 나타나 내화학성능이 요구되는 구조물에 표면보호재로의 적용이 가능한 것으로 나타났다.
- (5) 해양구조물 등에 적용할 경우 피해가 예상되는 염소이온 침투에 대한 성능평가를 수행한 결과, 표면보호재를 도포하지 않은 시험체에 비하여 유황폴리머 표면보호재를 도포한 경우, 29~48% 정도 염소이온침투저항성이 증가하는 것으로 나타나 표면보호재의 성능이 우수함을 확인하였다.
- (6) 본 연구에서 검토한 시험조건에서는 역학적 성능과 내구성능을 만족하면서 경제성을 확보할 수 있는 배합조건이 유황폴리머에 채움재로 규사 및 플라이애시를 각각 20%씩 대체하는 것이 적절한 수준인 것으로 나타났다.
- I-1배합에 대하여 약 110℃로 용융된 표면포호재를 각각의 도포기기에 투입하고 도포를 실시한 결과, 흡상식 도포기기의 경우 1회 투입시 약 30초 정도의 도포 시간을 확보할 수 있었으며, 중력식 도포기기의 경우 1회 투입시 약 60초 이상의 도포시간 확보가 가능하였다.
- NaCl용액에 침지한 시험체의 경우, 유황폴리머만 사용하여 표면을 처리한 경우 13.9% 정도의 강도저하가 발생되었지만, 플라이애시 및 규사를 혼입한 배합조건에서는 종류 및 혼입률에 상관없이 2.2~8.3% 정도의 강도저하가 발생되어 내염수성이 향상되는 것으로 나타났다.
- 따라서, 수축경화 방지 및 강도 향상을 위하여 플라이애시및 규사를 혼입하여 표면보호재 배합을 수행하였다. 강도평가 결과, 플라이애시 및 규사 대체률 40%에서 가장 우수한 압축강도를 나타내었고 그 이상의 대체시에는 결합재인 유황폴리머량이 급격히 줄어 강도저하가 이루어진 것으로 판단된다. 또한, 플라이애시 및 규사를 동시에 20%씩 대체하였을 경우, 규사만을 40% 혼입한 배합과 유사한 강도 특성을 나타내었다.
- 6). 규사의 대체율에 따른 부착강도는 20~40%까지 대체하였을 경우, Plain보다 높거나 유사한 강도특성을 나타내었고, 그 이상의 혼입율에서는 오히려 낮은 부착강도를 나타내었다. 또한, 플라이애시 및 규사를 동시에 혼입하였을 경우, 부착강도가 17.
- 도포시 노즐의 크기는 지름 2mm로 설정하고 시험체로부터 400~500mm 거리에서 분사하였다. 도포 횟수에 따른 부착강도 평가결과, 1~2회 스프레이 하였을 때, 0.48~0.84MPa의 부착강도를 나타내었으나, 3~5회 도포시 1.30MPa 이상의 부착강도를 나타내었다. 이는 2회 이하의 도포에서는 콘크리트 표면에 부착된 표면보호재량이 부족하여 부착이 적절히 이루어지지 못하는 것으로 나타났으며, 3회 이상의 도포에서는 콘크리트 표면에 0.
- 도포기기에 따른 표면보호재의 도포결과는 Photo 5와 같이 흡상식보다 중력식의 경우가 넓은 범위에 대하여 균질하게 도포되고 도포두께 확보에도 유리한 것으로 나타났다. 도포기기에 따른 부착강도 특성 평가결과는 Fig.
- (1) 콘크리트 표면보호재의 도포조건에 따른 특성을 평가한 결과, 유황폴리머 표면도포재의 스프레이는 흡상식보다 중력식 방법을 적용하는 것이 도포 가능시간 확보 및 균질한 도포가 가능한 것으로 나타났다. 도포횟수에 따른 부착강도 평가결과, 3회 이상 왕복 도포했을 때 1MPa 이상의 부착강도 확보가 가능하였다. 표면보호재가 도포될 콘크리트 표면조건에 따른 표면보호재의 부착성능은 상온조건 (20~30℃) 이상에서 높은 부착강도를 나타내었으며, 온도가 높을수록 부착강도가 증가하였다.
- 측정결과, 일반 온도조건 (상온)보다 높은 콘크리트 표면 온도에서 부착강도가 증가되는 것으로 나타났으며, 낮은 온도조건에서는 표면보호재의 부착이 원활히 이루어지지 못하는 것으로 나타났다. 또한 콘크리트의 표면온도가 높을수록 시험체간의 강도 편차가 낮아지는 현상을 나타내었다.
- 5mm 이상의 두께로 표면보호재가 도포되어 부착성능이 충분히 확보되었기 때문으로 판단된다. 또한, 4회 이상의 도포에서는 부착강도 증가경향이 둔화되었으며, 일부 시험체에서는 유황폴리머 자체의 전단파괴 현상도 일어나는 것으로 나타났다.
- 또한, 플라이애시 및 규사를 동시에 20%씩 대체하였을 경우, 규사만을 40% 혼입한 배합과 유사한 강도 특성을 나타내었다. 또한, 채움재 (플라이애시 및 규사)를 60%대체하였을 경우, 결합재인 유황폴리머의 결합력이 낮아져 채움재의 종류와 상관없이 강도가 급격히 감소되었다.
- 규사의 대체율에 따른 부착강도는 20~40%까지 대체하였을 경우, Plain보다 높거나 유사한 강도특성을 나타내었고, 그 이상의 혼입율에서는 오히려 낮은 부착강도를 나타내었다. 또한, 플라이애시 및 규사를 동시에 혼입하였을 경우, 부착강도가 17.4% 정도 증가하여 가장 우수한 부착강도를 나타내었다. 이는 플라이 애시의 혼입으로 인한 점성의 증가 영향과 규사의 수축방지등 시너지 효과로 인해 부착강도가 개선된 것으로 판단된다.
- 측정결과, 일반 온도조건 (상온)보다 높은 콘크리트 표면 온도에서 부착강도가 증가되는 것으로 나타났으며, 낮은 온도조건에서는 표면보호재의 부착이 원활히 이루어지지 못하는 것으로 나타났다. 또한 콘크리트의 표면온도가 높을수록 시험체간의 강도 편차가 낮아지는 현상을 나타내었다.
- 측정결과, 표준 (기건양생)상태에서 양생한 시험체에 비하여 용액에 침지한 후 측정한 부착강도가 낮게 측정되는 경향을 나타내었다.
- 도포횟수에 따른 부착강도 평가결과, 3회 이상 왕복 도포했을 때 1MPa 이상의 부착강도 확보가 가능하였다. 표면보호재가 도포될 콘크리트 표면조건에 따른 표면보호재의 부착성능은 상온조건 (20~30℃) 이상에서 높은 부착강도를 나타내었으며, 온도가 높을수록 부착강도가 증가하였다.
- 표면보호재를 배합조건에 따라 도포한 시험체에서는 전체 배합에서 88~65C로 측정되어 “Negligivle”로 염소이온침투저항성이 매우 향상되는 것으로 나타났다.
- 압축강도 시험체 제작시 문제가 된 수축 등을 해결하기 위해 채움재를 일부 대체한 배합조건에 따른 부착강도 시험결과는 채움재 대체율이 증가함에 따라 부착강도가 저하되는 특성을 나타내었다. 플라이애시 대체율 20%에서는 Plain과 유사한 강도특성을 나타내었으나, 혼입량 증가에 따라 강도가 저하되었다. 이는 플라이애시의 작은 입자 주변으로 유황폴리머가 둘러싸면서 재료의 뭉침현상이 발생되어 콘크리트 표면의 요철사이로 표면보호재의 침투가 이루어지지 못하여 급격히 저하된 것으로 판단된다 (Fig.
- 표면보호재로서 유황폴리머만을 사용한 경우 재령 28일에서 압축강도가 40MPa 이상의 압축강도를 발휘하여 고강도의 강도특성을 나타내었다. 하지만 공시체 제작 및 압축파괴 후의 시험체 형상을 관찰한 결과, 시험체제 제작 직 후 표면 보호재의 경화시 내외부 공기차에 의해 수축되는 현상이 발생되었으며, 압축강도 측정시 유황폴리머가 찢어지며 수직 관통균열이 발생되었다 (Photo 6).
- 2와 같다. 흡 상식 방법으로 도포된 시험체보다 중력식의 경우 평균 1.91배 정도의 강도 향상 효과를 나타내었다.
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