본 연구에서는 팽창재-팽윤재-결정성장 촉진제로 구성된 자기치유 재료(SH-PO-0)와 칼슘이온 용출을 촉진하는 인산염계 혼화재(PO)를 첨가한 자기치유 재료(SH-PO-5, 15, 30)를 사용한 모르타르의 압축강도 및 투수성능을 평가하였다. SH-PO-0는 OPC 대비 28일 압축강도는 9% 감소하였지만, 투수량 감소비는 OPC 대비 현저히 낮아, 자기치유 재료의 유효성을 확인하였다. PO의 첨가량이 증가함에 따라 압축강도는 감소하고, 초기재령에서 투수성능은 개선되는 경향을 나타내었고, 적정 PO 치환율은 15% 수준이었다. SH-PO-15는 SH-PO-0 대비 28일 압축강도는 8% 이내에서 감소하였고, 초기 재령에서 투수성능이 더욱 개선되었으나, 장기재령까지 이어지지는 않았다. SEM-EDS분석에 의해 SH-PO-15의 칼슘 이온량이 더 많이 고정화되어 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 팽창재-팽윤재-결정성장 촉진제로 구성된 자기치유 재료(SH-PO-0)와 칼슘이온 용출을 촉진하는 인산염계 혼화재(PO)를 첨가한 자기치유 재료(SH-PO-5, 15, 30)를 사용한 모르타르의 압축강도 및 투수성능을 평가하였다. SH-PO-0는 OPC 대비 28일 압축강도는 9% 감소하였지만, 투수량 감소비는 OPC 대비 현저히 낮아, 자기치유 재료의 유효성을 확인하였다. PO의 첨가량이 증가함에 따라 압축강도는 감소하고, 초기재령에서 투수성능은 개선되는 경향을 나타내었고, 적정 PO 치환율은 15% 수준이었다. SH-PO-15는 SH-PO-0 대비 28일 압축강도는 8% 이내에서 감소하였고, 초기 재령에서 투수성능이 더욱 개선되었으나, 장기재령까지 이어지지는 않았다. SEM-EDS분석에 의해 SH-PO-15의 칼슘 이온량이 더 많이 고정화되어 있음을 확인하였다.
In this paper, compressive strength and water permeability performance for two types of crack self-healing materials such as SH-PO-0 composed of mineral admixtures(expansive agent, swelling material and crystal growth agent) and SH-PO-(5, 15, 30) blended with SH-PO-0 and phosphate additive(PO) disso...
In this paper, compressive strength and water permeability performance for two types of crack self-healing materials such as SH-PO-0 composed of mineral admixtures(expansive agent, swelling material and crystal growth agent) and SH-PO-(5, 15, 30) blended with SH-PO-0 and phosphate additive(PO) dissolving easily calcium ion, were evaluated. The test results show that the water flow of SH-PO-0 decreased steeply at the early age although compressive strength decreased about 9% at 28 days compared with OPC. The higher PO replacement ratio is, the lower compressive strength and more improved water permeability performance is, and thus, based on such results, adequate PO replacement ratio is 15%. It is also found that the self-healing performance of SH-PO-15 was quite improved at the early ages and however, the performance of SH-PO-15 is similar to one of SH-PO-0 at long-term ages, and 28 days compressive strength of SH-PO-15 decreased about 8% compared with SH-PO-0. In addition, it is confirmed from the analysis of SEM-EDS that calcium ions of SH-PO-15 were crystallized more than those of SH-PO-0.
In this paper, compressive strength and water permeability performance for two types of crack self-healing materials such as SH-PO-0 composed of mineral admixtures(expansive agent, swelling material and crystal growth agent) and SH-PO-(5, 15, 30) blended with SH-PO-0 and phosphate additive(PO) dissolving easily calcium ion, were evaluated. The test results show that the water flow of SH-PO-0 decreased steeply at the early age although compressive strength decreased about 9% at 28 days compared with OPC. The higher PO replacement ratio is, the lower compressive strength and more improved water permeability performance is, and thus, based on such results, adequate PO replacement ratio is 15%. It is also found that the self-healing performance of SH-PO-15 was quite improved at the early ages and however, the performance of SH-PO-15 is similar to one of SH-PO-0 at long-term ages, and 28 days compressive strength of SH-PO-15 decreased about 8% compared with SH-PO-0. In addition, it is confirmed from the analysis of SEM-EDS that calcium ions of SH-PO-15 were crystallized more than those of SH-PO-0.
본 연구에서는 팽창재(CSA계)-팽윤재(돌로마이트계)-결정성장 촉진제로 구성된 무기질 자기치유 재료(이하 SH 칭함) 보다 더 치유 성능을 개선할 목적으로 칼슘이온 용출을 촉진할 수 있는 혼화재료를 사용한 모르타르 공시체의 압축강도 및 투수성능에 대해 실험을 통해 평가하였다.
제안 방법
또한 투수시험 종료 후에 균열 치유 생성물에 대해 SEM-EDS분석을 통해 칼슘 이온을 정량 분석하였다. Series Ⅱ시험에서는 자기치유 재료 첨가 유무가 유동성, 압축강도 및 투수량에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, 통수조건(연속통수 및 간헐통수)이 투수성능에 미치는 영향에 대해서도 실험을 통해 분석하였다.
Series Ⅱ의 모르타르 배합비를 Table 3에 나타내었고, 실험변수는 OPC, 자기치유 재료 2종류 등 총 3수준으로 하고, W/B비는 40%로 낮추었으며, 모든 배합이 동등의 유동성을 갖도록 예비시험을 통하여 유동화제 양을 정하였다. 슬럼프 및 공기량 측정은 KS F 2402와 KS F 2421에 의해 실시하였다.
SeriesⅠ시험에서는 자기치유재료 SH와 PO의 합을 8%로 고정하고, PO의 치환율이 모르타르의 압축강도와 투수량에 미치는 영향을 검토하였다. 또한 투수시험 종료 후에 균열 치유 생성물에 대해 SEM-EDS분석을 통해 칼슘 이온을 정량 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 칼슘이온 용출을 촉진할 수 있는 혼화재를 조사하여, 아크릴계, 인산염계, 지방산 알코올 등 총 6종류의 유무기계 혼화재를 첨가하여 투수 성능을 예비 평가한 결과, 이 중에서 치유효과가 큰 인산염계 혼화재(이하 PO 칭함)를 칼슘이온 용출 촉진 후보물질로 선정하였다.
데이터처리
균열 부위에 수화물이나 탄산칼슘 등의 석출현상으로 생성된 치유물질이 투수량 억제에 미치는 영향을 평가하기 위해 투수 시험 종료 후 시험체를 건조시키고, 공시체 하면의 균열 부위를 광학현미경을 이용하여 배율을 ×100으로 고정하여 관찰하였다. 그리고 SEM- EDS분석에 의해 치유생성물과 칼슘 이온량을 정량 분석하여 자기치유 재료(SH)와 인산염계 혼화재(PO)의 첨가효과를 상호 비교하였다.
이론/모형
Series Ⅰ의 모르타르 배합비는 Table 2와 같으며, 실험변수는 인삼염계 혼화재(PO)의 치환율은 0, 5, 15, 30%로 정하였다. W/B비는 52%이고, S/B는 1.5로 한 모르타르 혼합은 KS L ISO 679에 의해 실시하였다. 압축강도 공시체는 50mm 입방체이고, 투수시험용 공시체는 Φ100×200mm 원주형 공시체로 배합 당 2개씩 제작하였다(Koide et al.
Series Ⅱ의 모르타르 배합비를 Table 3에 나타내었고, 실험변수는 OPC, 자기치유 재료 2종류 등 총 3수준으로 하고, W/B비는 40%로 낮추었으며, 모든 배합이 동등의 유동성을 갖도록 예비시험을 통하여 유동화제 양을 정하였다. 슬럼프 및 공기량 측정은 KS F 2402와 KS F 2421에 의해 실시하였다. Series Ⅱ의 압축강도 공시체는 50mm 입방체이고, 투수시험용 공시체는 Series Ⅰ의 시험과 같이 Φ100×200mm 원주형 공시체로 배합 당 5개씩 제작하였고(연속통수조건 2개 + 간헐통수조건 3개), 재령 1일에 탈형하고, 인공균열 도입 전까지 20℃ 수중에서 양생하였다.
성능/효과
1. 무기계 자기치유 재료만을 사용한 SH-PO-0는 OPC 대비 28일 압축강도가 약 9% 감소하였지만, 투수량 감소비가 현저히 낮아 자기치유 효과가 있음을 알 수 있었다.
2. 자기치유 재료 대비 PO의 치환율이 증가함에 따라 압축강도는 감소하였고, 투수성능은 초기재령에서 개선효과가 나타났으나 장기재령에서는 효과를 보이지 않았다. 이를 근거로 하여 적정 PO 치환율은 15% 수준으로 판단된다.
3. SH-PO-0와 SH-PO-15의 균열부위에서 석출된 자기치유 생성물은 SEM-EDS 분석에 의해 탄산칼슘으로 확인되었고, 인산염계 혼화재를 첨가한 SH-PO-15의 경우 칼슘이온량이 더 많이 고정화되어 있음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Ahn and Kishi은 어떤 개념을 제안했는가 ?
Ahn and Kishi(2010)은 팽창재(CSA계), 팽윤재(지오머티리얼), 그리고 재결정성 재료(탄산기의 화학첨가제)로 구성된 자기치유 재료의 개발 개념을 제안하였고, 페이스트 경화체에서 0.2mm 균열 폭이 3일 만에 치유된다는 결과를 얻은 바 있다.
Edvardsen이 제안한 자가치유모델의 특징은 ?
Edvardsen(1999)이 제안한 Fig. 1의 자기치유 모델에 의하면 균열 내로 침투하는 물은 중성의 pH 값(pH = 5.5∼7.5)과 통상의 CO2량(Pco2 = 10-3.5)을 갖지만, CO2를 포함한 물이 균열면 사이를 통과하면서 경화시멘트 페이스트 내의 수화물(Ca(OH)2 등)로부터 칼슘이온(Ca2+)이 용해됨에 따라 수중의 pH 값이 상승하게 된다. 동시에 공극수에 포함되어 있는 알칼리 물질인 KOH와 NaOH 등은 pH 값(pH > 8) 증가에 영향을 미친다.
콘크리트 구조물에서의 균열은 어떻게 설명되는가 ?
수처리 콘크리트 구조물에서의 균열은 시간의 경과와 함께 자연치유 된다는 것은 토목공학 분야에서 널리 알려진 사실이다. 이러한 현상은 ① 콘크리트 내부에 일부 미수화 시멘트가 남아 있고, 균열이 발생하여 수분이 공급되면 잔존 미수화 부분이 수화하여, 새로운 수화물을 생성함으로써 균열 부위가 충전되는 메커니즘(Neville 2011)과 ② 시멘트 수화반응에 의해 콘크리트 중에 생성되어 있는 수산화칼슘 등이 균열 내로 침투한 물속으로 용출되어, 지하수나 대기로부터 공급된 이산화탄소와 반응해서 탄산칼슘을 생성함으로써 균열 부위를 충전시키는 메커니즘(Edvardsen 1999; Simpson et al. 2012) 등으로 설명될 수 있다.
참고문헌 (8)
Ahn, T.H., Kishi, T. (2010). Crack self-healing behavior of cementitious composites incorporating various mineral admixtures, Journal of Advanced Concrete Technology, 8(2), 171-186.
Edvardsen, C. (1999). Water permeability and autogenous healing of cracks in concrete, ACI Material Journal, 96(4), 448-454.
Igawa, H., Yokomuro, T., Kitsutaka, Y., Eguchi, H. (2015). Research on self-healing performance of heavyweight concrete, Cement Science and Concrete Technology, 69, 335-340.
Kohiyama, H., Hosoda, A., Kurita, Y. (2011). Review on control method for crack width and evaluation method for reduction effect of water flow rate with concrete, JCI Paper, 33(1), 1439-1444.
Koide, T., Kishi, T., Ahn, T.H., Morita, T. (2011). A study on semi-capsulation technique for concrete incorporating crack self-healing material, JCI Paper, 33(1), 1451-1456.
Komatsu, R., Hosoda, A., Ahn, T.H., Ikeno, S. (2008). Characteristic of self-healing concrete in water-penetrated concrete crack, JCI Paper, 30(1), 117-122.
Simpson, K., Copuroglu, O., Koenders, E.A.B. (2012). Self-healing of surface cracks in mortars with expansive additive and crystalline additive, Cement and Concrete Composite, 34, 566-574.
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