콘크리트 구조물의 내구성을 향상하기 위해 개발된 통기성이 개선된 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트의 내구성향상 효과를 평가하기 위해 내부 구조와 공극량을 측정하였으며, 염분침투, 탄산화, 동결융해 및 화학적 침식 저항성에 대한 실험을 진행하여 기존 표면처리제와 비교 분석하였다. 공극량과 내부 구조를 측정한 결과, 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트는 $0.3{\mu}m$ 이상의 공극과 $0.1{\mu}m$ 이하의 공극영역에서 세공량이 감소하는 경향을 보였으며, 전자현미경을 통한 촬영된 내부는 수화조직에 의해 치밀함을 보였다. 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트의 염분침투 깊이는 무도포 콘크리트에 비해 약 92% 이상, 수성 에폭시 표면처리제를 도포한 콘크리트보다도 약 70% 이상 감소하였다. 이는 탄산화, 동결융해 및 화학적 침식 저항성 실험에서도 비슷하게 나타났다. 특히 황산 5% 수용액에 침지 실험한 화학적 침식 저항성 실험에서는 침지 12일 이후 무도포 콘크리트와 수성 에폭시 표면처리제를 도포한 콘크리트에서 -4%의 중량감소를 보였지만, 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트는 -1.7%의 중량감소율을 보였으며, Tsivilis et al.에 의한 외관등급 조사법에서도 우수한 결과를 보였다.
콘크리트 구조물의 내구성을 향상하기 위해 개발된 통기성이 개선된 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트의 내구성향상 효과를 평가하기 위해 내부 구조와 공극량을 측정하였으며, 염분침투, 탄산화, 동결융해 및 화학적 침식 저항성에 대한 실험을 진행하여 기존 표면처리제와 비교 분석하였다. 공극량과 내부 구조를 측정한 결과, 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트는 $0.3{\mu}m$ 이상의 공극과 $0.1{\mu}m$ 이하의 공극영역에서 세공량이 감소하는 경향을 보였으며, 전자현미경을 통한 촬영된 내부는 수화조직에 의해 치밀함을 보였다. 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트의 염분침투 깊이는 무도포 콘크리트에 비해 약 92% 이상, 수성 에폭시 표면처리제를 도포한 콘크리트보다도 약 70% 이상 감소하였다. 이는 탄산화, 동결융해 및 화학적 침식 저항성 실험에서도 비슷하게 나타났다. 특히 황산 5% 수용액에 침지 실험한 화학적 침식 저항성 실험에서는 침지 12일 이후 무도포 콘크리트와 수성 에폭시 표면처리제를 도포한 콘크리트에서 -4%의 중량감소를 보였지만, 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트는 -1.7%의 중량감소율을 보였으며, Tsivilis et al.에 의한 외관등급 조사법에서도 우수한 결과를 보였다.
This experiment was compared and analyzed between the original surface paint through chloride penetration, neutralization, freeze-thaw and chemical corrosion resistance measuring internal structure and volume of voids in order to evaluate the effect of increase in durability of the newly modeled nan...
This experiment was compared and analyzed between the original surface paint through chloride penetration, neutralization, freeze-thaw and chemical corrosion resistance measuring internal structure and volume of voids in order to evaluate the effect of increase in durability of the newly modeled nano synthesized polymer paint painted on concrete surface which results improvement on air permeability to increase the durability of concrete structures. The test result of measuring volume of void and inner structure, concrete, spreaded with nano synthesized polymer paint, showed decreasing trend of pore volume in the range of less than $0.1{\mu}m$ and more than $0.3{\mu}m$. Also, using an electron microscope inside showed tightness of hydration texture. Chloride penetration depth of concrete, painted with nano synthesized polymer paint, was decreased more than 92% compared to non-painted concrete and 70% with water-based epoxy painted concrete. Especially, chemical corrosion resistance test set with aqueous solution of 5% sulfuric acid, non-painted concrete and water-based epoxy painted concrete showed weight loss of 4% after dipping for 12 days. On the other hand, concrete painted with nano synthesized polymer paint showed 1.7% weight loss under the same condition. Also, it showed great result of appearance under the criteria of Tsivilis et al.
This experiment was compared and analyzed between the original surface paint through chloride penetration, neutralization, freeze-thaw and chemical corrosion resistance measuring internal structure and volume of voids in order to evaluate the effect of increase in durability of the newly modeled nano synthesized polymer paint painted on concrete surface which results improvement on air permeability to increase the durability of concrete structures. The test result of measuring volume of void and inner structure, concrete, spreaded with nano synthesized polymer paint, showed decreasing trend of pore volume in the range of less than $0.1{\mu}m$ and more than $0.3{\mu}m$. Also, using an electron microscope inside showed tightness of hydration texture. Chloride penetration depth of concrete, painted with nano synthesized polymer paint, was decreased more than 92% compared to non-painted concrete and 70% with water-based epoxy painted concrete. Especially, chemical corrosion resistance test set with aqueous solution of 5% sulfuric acid, non-painted concrete and water-based epoxy painted concrete showed weight loss of 4% after dipping for 12 days. On the other hand, concrete painted with nano synthesized polymer paint showed 1.7% weight loss under the same condition. Also, it showed great result of appearance under the criteria of Tsivilis et al.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 기존 표면 처리제들의 문제점을 개선 하고, 나노 수준에서 합성하여 콘크리트와 일체화된 화학결 합을 나타내는 것으로 알려진 무기질계 나노합성 폴리머(이하, 나노합성 폴리머)표면 처리제와 기존 표면처리제에 대한 염분, 탄산화, 동결융해 및 화학적 침식 저항성을 평가하였다.
콘크리트는 내부에 다수의 모세관 공극을 갖고 있으며, 이러한 모세관 공극을 통해 각종 열화인자의 확산 및 이동을 발생하여 콘크리트의 내구성이 저하하게 된다. 이에 표면 처리 제의 도포가 모세관 공극의 형상 및 미세조직에 미치는 영향을 평가하였다.
제안 방법
콘크리트의 내구성에 대한 표면처리제의 영향을 파악하기 위해 무처리한 실험체(GS)와 수성 에폭시계(HAS) 및 나노합성 폴리머 표면처리제(NPS)를 도포한 콘크리트 실험체를 비교하였다. 각각의 표면처리제에 대한 콘크리트의 내구성능은 탄산화, 염분침투, 동결융해 및 화학적 침식의 실험을 통해 평가하였다. 표면처리제의 종류에 따른 미세조직의 변화를 관찰하기 위한 실험은 모르타르에서 진행하였다.
나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트 시험체의 미세 공극량 변화는 최고압력 30,000 psi의 수은 압입식 포로 시미터를 사용하여 세공용적을 측정하였다. 또한 미세조직의 변화를 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 표면처리제의 도포면과 단면을 500배 및 5,000배 확대하여 관찰하였다.
동결융해 저항성은 KS F 2456에 의해 +4°C～-18°C 온도주기로 매 30회씩 최종 300회까지의 공명진동수를 측정하여 상대동탄성계수로 평가하였다(Korea Standard, 2013).
나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트 시험체의 미세 공극량 변화는 최고압력 30,000 psi의 수은 압입식 포로 시미터를 사용하여 세공용적을 측정하였다. 또한 미세조직의 변화를 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 표면처리제의 도포면과 단면을 500배 및 5,000배 확대하여 관찰하였다. 미세조직의 관찰을 위해 실험체에 표면처리제를 도포하고 14일이 경과한 후 실험편을 채취하였다.
5%였다. 모든 표면처리제는 붓을 이용하여 30분 간격으로 2회 도장하였으며, 도장두께는 나노합성 폴리머와 수성 에폭시계 표면처리제가 각각 80 ㎛와 500 ㎛였다.
내구성능 평가를 위한 실험체의 규격 및 개수는 평가방법에 따라 Table 1에 나타낸 바와 같이 이용하였다. 미세조직은 별도의 모르타르 시험체를 제작하여 평가하였다.
내구성 평가를 위한 실험체의 배합조건을 Table 2에 나타내었다. 배합은 콘크리트와 모르타르로 구분하여 진행하였으며, 콘크리트와 모르타르 모두 물시멘트비(W/C)는 50%로 고정하였다. 콘크리트에서는 잔골재율을 46%로, 슬럼프와 공기량은 각각 150 mm와 4.
실험된 데이터를 바탕으로 각 실험체에 대한 장기적인 탄산화 깊이를 추정하였다. 장기적인 탄산화 깊이를 추정하기 위해 사용된 일반적인 탄산화 깊이 예측식(Sakka, 1988)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
, 1999) 가 된다. 이를 보완하기 위해서 나노 수준에서 합성되는 무기 질계 나노합성 폴리머를 이용한 표면처리제를 개발하였다. 나노합성 폴리머는 Fig.
콘크리트 시험체의 내구성능은 표면처리제의 종류에 따라 염분침투, 탄산화, 동경융해 및 화학적 침식 저항성 실험을 통해 평가하였다. 염분침투 저항성은 콘크리트 실험체를 NaCl 10% 용액에 28일간 침지시킨 후, 질산은 적정법에 의해 염화 물이온 침투깊이를 측정하였다(Tang and Nilsson, 1992).
콘크리트에서는 잔골재율을 46%로, 슬럼프와 공기량은 각각 150 mm와 4.5±1.5%로 결정하였다.
콘크리트의 내구성에 대한 표면처리제의 영향을 파악하기 위해 무처리한 실험체(GS)와 수성 에폭시계(HAS) 및 나노합성 폴리머 표면처리제(NPS)를 도포한 콘크리트 실험체를 비교하였다. 각각의 표면처리제에 대한 콘크리트의 내구성능은 탄산화, 염분침투, 동결융해 및 화학적 침식의 실험을 통해 평가하였다.
염분침투 저항성은 콘크리트 실험체를 NaCl 10% 용액에 28일간 침지시킨 후, 질산은 적정법에 의해 염화 물이온 침투깊이를 측정하였다(Tang and Nilsson, 1992). 탄산화 저항성 실험은 내구성 시험기를 이용하여 35일간 탄산 화를 진행시킨 후, 페놀프탈레인 1% 용액을 반응시켜 탄산화깊이를 측정하였다. 동결융해 저항성은 KS F 2456에 의해 +4°C～-18°C 온도주기로 매 30회씩 최종 300회까지의 공명진동수를 측정하여 상대동탄성계수로 평가하였다(Korea Standard, 2013).
미세조직의 관찰을 위해 실험체에 표면처리제를 도포하고 14일이 경과한 후 실험편을 채취하였다. 표면처리 제가 도포된 표면은 500배로 확대하여 관찰하였으며, 침투부 위에 대한 평가를 위해 도포면과 수직한 면은 500배와 5,000 배로 확대 관찰하였다.
각각의 표면처리제에 대한 콘크리트의 내구성능은 탄산화, 염분침투, 동결융해 및 화학적 침식의 실험을 통해 평가하였다. 표면처리제의 종류에 따른 미세조직의 변화를 관찰하기 위한 실험은 모르타르에서 진행하였다. 내구성능 평가를 위한 실험체의 규격 및 개수는 평가방법에 따라 Table 1에 나타낸 바와 같이 이용하였다.
대상 데이터
또한 미세조직의 변화를 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 표면처리제의 도포면과 단면을 500배 및 5,000배 확대하여 관찰하였다. 미세조직의 관찰을 위해 실험체에 표면처리제를 도포하고 14일이 경과한 후 실험편을 채취하였다. 표면처리 제가 도포된 표면은 500배로 확대하여 관찰하였으며, 침투부 위에 대한 평가를 위해 도포면과 수직한 면은 500배와 5,000 배로 확대 관찰하였다.
모르타르는시멘트에 대한 잔골재의 비는 2로 결정하였다. 배합에 사용된 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트이며, 비중은 3.14이다. 잔골 재와 굵은골재의 비중은 각각 2.
이론/모형
) 5% 용액에 12일간 침지하면서 매일 각 실험체의 중량변화를 측정하였으며, Tsivilis et al.에 의한 제시된 콘크리트의 외관등급 조사법을 이용하여 평가하였다(Tsivilis et al., 2007).
성능/효과
1) 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트는 내부 모세관 공극영역 중에서 0.3 ㎛ 이상의 공극과 0.1 ㎛이하의 공극 영역에서 세공량이 감소하는 경향을 보였으며, 0.1 ㎛～0.3 ㎛영역의 공극은 다소 증가하는 경향으로 나타났다.
2) 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 실험체는 무도포한 실험체에 비해 염분침투 및 탄산화 억제에 탁월한 효과를 나타내었다.
3) 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 실험체는 무처리 시험체에 비해 상대동탄성계수의 저하가 거의 발생하지 않아높은 동결융해 저항성이 관찰되었다. 이는 콘크리트 수화 물과 일체화된 화학 결합 구조로 인하여 외부로부터의 수분차단 효과에 의해 동결융해에 대한 저항성능이 향상된것으로 판단된다.
콘크리트의 동해 피해를 방지하기 위해서는 300 cycle의 동결융해 반복 후 상대동탄성계수가 60%이상 되어야 한다(Korea Standard, 2013). 300 cycle의 동결융해를 반복한 상대동탄성계수는 무도포 실험체에서 53%, 수성에폭시 표면처리제를 도포한 시험체에서 75% 및 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 시험체에서 92%를 나타내었다. 이에 표면처리제를 사용하지 않을 경우, 콘크리트는 동해의 피해가 우려된다, 반면에 표면처리제를 도포할 경우에는 모두 상대 동탄성계수가 60%를 초과함으로서 동해에 대한 저항성이 충분한 것으로 판단된다.
4) 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 시험체는 무도포한 시험체에 비해 매우 안정적인 중량변화율을 나타내어 외부 로부터 침투되는 산에 대한 화학적 저항성이 뛰어난 것으로 평가되었다.
5) 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 콘크리트는 콘크리트 수화물과 반응하여 모세관 공극이 치밀화 되어 외부로부터의 수분 침투를 차단하고 콘크리트의 열화원인인 염소 이온이나 CO2 가스의 침투 및 확산 억제는 물론, 동해 및 화학적 저항성도 크게 향상됨으로서 열화에 대한 저항성이 탁월한 재료이다.
0이였다. Fig. 8과 같이 수성에폭시 표면처리제를 도포한 시험체의 탄산화 깊이는 무도포 시험체에 비해 약 50% 감소하였으며, 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 시험체는 무도포 시험체에 비해 약 10% 정도의 탄산화가 진행되었다.
5에 나타내었다. 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 실험체는 0.3 ㎛ 이상의 공극과 0.1 ㎛ 이하의 공극영역에서 세공량이 감소하는 경향을 보였다. 그러나 0.
4에 나타내었다. 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 실험체의 공극분포곡선은 미세한 공극으로부터 비교적큰 공극에 이르기까지 무도포 실험체보다 공극량이 전반적으로 감소하는 추세를 보였다. 이는 나노합성 폴리머 표면처리 제가 저분자로 구성되어 콘크리트 내부로의 침투가 용이하고 공극 내부에 박막 형태로 코팅되어 공극의 부피가 무도포 실험체에 비해 전체적으로 감소하기 때문이다(Park et al.
특히, 나노합성 폴리머 표면처리 제를 도포한 실험체의 경우 매우 적은 염분침투깊이를 나타내었다. 즉, 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 실험체는 무도포 실험체에 비해 약 92% 이상 염분침투깊이의 감소효과를 나타내었으며, 수성 에폭시보다도 약 70% 이상 염분침투깊이가 감소하여, 염분침투에 대한 저항성이 탁월한 것으로 나타났다. 이와 같은 염분침투 저항성은 나노 합성 폴리머의 경우 작은 분자량을 갖기 때문에 콘크리트 내부의 미세공극까지 도포제가 침투되어 콘크리트 모체와 일체화된 화학결합이 가능하여 열화 이온의 침투 및 확산을 억제하였기 때문으로 판단된다.
9에 그래프화 하였다. 표면처리 제를 도포한 시험체는 무도포 시험체보다 탄산화 깊이가 매우 감소하였다. 35일간 촉진 탄산화를 실시한 경우, 무도포 시험체의 탄산화 깊이는 10.
10에 나타내었다. 현재의 상태로 10년 동안 탄산화가 진행된다면, 무도포 시험체와 수성에폭시 표면처리제를 도포한 시험체의 탄산화 깊이는 각각 약 115 mm와 약 62 mm로써 피복두께 이상의 열화가 진행된 것으로 평가되었다. 그러나 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 시험체의 탄산화 깊이는 약 10 mm로써 콘크리트 피복의 일부에서 탄산화가 관측될 것으로 예상 되었다.
12에 나타내었다. 황산 5% 수용액에 12일간 침지한 결과, 무도포한 시험체는 6에서 -4% 범위의 중량변화율을, 수성 에폭시 표면처리제를 도포한 시험체는 +4에서 -4% 범위의 중량변화율을, 나노합성 폴리머 표면처리제를 도포한 시험체는 +2에서 -2% 범위의 안정적인 중량변화율을 나타내었다. 특히 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 구조물의 내구성에 영향을 미치는 인자 중 외기 환경 조건에 해당하는 열화요소는 무엇이 있는가?
콘크리트 구조물의 내구성에 영향을 미치는 인자는 재료조건, 구조물의 용도, 외기 환경조건 등으로 분류할 수 있다. 이중 외기 환경조건에서는 콘크리트 구조물이 접하게 되는 수분에 의한 건습의 반복, 염분의 침투에 의한 염해, 이산화탄소 등의 침투로 인한 콘크리트의 탄산화, 외기 온도의 심한 변화로 인한 동결융해 및 각종 산 등에 의한 화학적 침식 등이 대표 적인 열화인자로 고려된다(Thomas, 1989). 이러한 열화 인자로 인해 콘크리트 구조물에서는 균열, 누수, 철근부식, 박리및 박락 등의 현상이 발생한다.
콘크리트 구조물의 내구성에 영향을 미치는 인자는 무엇이 있는가?
콘크리트 구조물의 내구성에 영향을 미치는 인자는 재료조건, 구조물의 용도, 외기 환경조건 등으로 분류할 수 있다. 이중 외기 환경조건에서는 콘크리트 구조물이 접하게 되는 수분에 의한 건습의 반복, 염분의 침투에 의한 염해, 이산화탄소 등의 침투로 인한 콘크리트의 탄산화, 외기 온도의 심한 변화로 인한 동결융해 및 각종 산 등에 의한 화학적 침식 등이 대표 적인 열화인자로 고려된다(Thomas, 1989).
콘크리트의 열화를 방지하기 위해 필요한 것은 무엇인가?
이러한 열화 인자로 인해 콘크리트 구조물에서는 균열, 누수, 철근부식, 박리및 박락 등의 현상이 발생한다. 즉, 수분이나 기타 외부 유해 물질 등이 콘크리트 내부로 침투하여 콘크리트 자체를 열화 시키거나, 철근의 부식 등을 유발하여 콘크리트 구조물의 성능저하를 일으키게 되는데 이러한 콘크리트의 열화를 방지하기 위해서는 수분 및 외부 유해물질 등의 침투를 방지하는 것이 필요하다(Oh, 1994).
참고문헌 (15)
Al-Gahtani, A.S., Ibrahim, M., Maslehuddin, M., and Almusallam, A.A., (1999), Performance of Concrete Surface Treatment Systems, Concrete International, 64-68.
Beak, J. M. (2004), An experimental study on durability evaluation of the concrete applied nano level inorganic polymer based coatings, Seoul National University of Technology, Seoul, 14-17. (in Korea)
Bradley, D.C., and Mehrotra, R.C. (1978), Metal Alkoxides, Academic Press, 336-337.
Choi, Y.S., Won, M.S., Yi, S.T., and Yang, E.I. (2012), Characteristics of Pore Structure and Chloride Penetration Resistance of Concrete Exposed to Freezing-Thawing, Journal of the Korea Institute for Maintenance and Inspection, KSMI, 16(6), 73-81. (in Korea)
Korea Standard (2013), KS F 2456: Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing, KS, Korea.
Oh, S.K. (1994), Phenomena and Soulutions of Concrete for Water Proofing, Journal of the Korea Concrete Institute 6(2), 40-52. (in Korea)
Park, C.Y., Cho, Y.I., and Han, H.S. (1996), Functional Materials Engineering, Bando publisher, 48-49.
Park, S.S., Kim, Y.Y., Lee, B.J., and Kwon, S.J. (2014), Evaluation of Concrete Durability Performance with Sodium Silicate Impregnants, Advances in Materials Science and Engineering, 11 pages. (doi:http://dx.doi.org/10.1155/2014/945297)
Park, H.W., Song, H.W., Baek, J.M., Woo, J.T., and Nam, J.W. (2003), An Experimental Study on Durability Evaluation of Nano Composite Hybrid Polymer Type Coatings Applied Concrete, Journal of the Korea Concrete Institute proceeding, 15(1), 687-692. (in Korea)
Sakka, S. (1988), Sol-Gel Science of Sol-Gel Method, Agne-shofu, 4-13.
Tang, L., and Nilsson, L.O. (1992), Rapid determination of the chloride diffusivity in concrete by applying an electrical field, ACI Material Journal, 89(1), 49-53.
Tsivilis, S., Sotiriadis, K., and Skaropoulou, A. (2007), Thaumasite form of sulfate attack (TSA) in limestone cement pastes, Journal of the European Ceramic Society, 27, 1711-1714.
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