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문제 정의
- 본 논문에서는 고성능 콘크리트 제조시 필수적으로 사용되는 플라이애시 및 실리카흄 등과 같은 포졸란 활성재를 주요 조성물로 하여 아질산계 무기염, 규산질 미분말 및 지방산계 금속염을 혼합한 인공 포졸란 무기계(Pozzolan Inorganic Polymer, 이하 PIP로 약함) 구체방수재를 개발하여 실험을 실시하였다. 먼저 PIP 구체방수재의 혼입율을 달리하여 제조한 콘크리트의 기본물성에 대한 고찰을 실시하여 방수재의 최적 혼입율을 선정하였다.
- 본 논문에서는 인공 포졸란 무기계로 제조한 구체방 수재의 사용가능성을 알아보고자 각종 물성실험을 실시하였다.
제안 방법
- PIP 구체방수재 조성재료 중 혼합재로 사용되어지는 포졸란 활성재(Pozzolanic Admixture)와 규산질미분말 (Siliceous Powder)의 사용시 위험성과 아질산계 무기염 (Ethylene Vinyl Acetate) 및 지방산계 금속염(Zinc Stearate)과 같은 화학물질 원료의 취급 및 사용에 대한 독성 안정성 평가를 물질보건안전자료(MSDS, Material Safety Data Sheet)에서 제공하는 16개의 항목 중 2.유해성 위험성, 7.취급 및 저장방법, 10.안정성 및 반응성 및 11.독성에 관한 정보 이상 4가지 항목에 대해 알아보았으며, 이들 원료의 유해성 평가결과를 각각 Table 5 및 6에 나타내었다.
- PIP 구체방수재를 혼입한 콘크리트의 침입수에 대한 흡수 및 투수에 대한 저항성을 검토하기 위해 모르타르 시험체를 제작하여 실험을 실시한 후, 물흡수비와 투수비 결과값을 Fig. 7에 정리하였다.
- PIP 구체방수재의 혼입율을 단위시멘트량에 대해 0, 1.0, 3.5 및 7.0%의 4단계로 달리하여 제조한 콘크리트의 슬럼프 플로우와 공기량을 측정하여 Fig. 1에 정리하였다.
- 그 후 24시간 상온 건조하여 시험체를 2분할한 후 시험체의 단면에 질산은 0.1 N 수용액과 우라닌 1% 수용액을 연속으로 분무하여 발색된 깊이로 염소이온 침투깊이를 산정하였다.
- 먼저 PIP 구체방수재의 혼입율을 달리하여 제조한 콘크리트의 기본물성에 대한 고찰을 실시하여 방수재의 최적 혼입율을 선정하였다. 다음 KS F 4926 『콘크리트 혼입용 방수재』의 품질기준에 의거하여 PIP 구체방수재를 혼입한 공시체에 대해 각종 항목에 관한 실험을 실시하여 PIP 구체방수재가 KS기준에 적합한 품질을 확보하였는가를 확인해 보았다.
- 본 논문에서는 고성능 콘크리트 제조시 필수적으로 사용되는 플라이애시 및 실리카흄 등과 같은 포졸란 활성재를 주요 조성물로 하여 아질산계 무기염, 규산질 미분말 및 지방산계 금속염을 혼합한 인공 포졸란 무기계(Pozzolan Inorganic Polymer, 이하 PIP로 약함) 구체방수재를 개발하여 실험을 실시하였다. 먼저 PIP 구체방수재의 혼입율을 달리하여 제조한 콘크리트의 기본물성에 대한 고찰을 실시하여 방수재의 최적 혼입율을 선정하였다. 다음 KS F 4926 『콘크리트 혼입용 방수재』의 품질기준에 의거하여 PIP 구체방수재를 혼입한 공시체에 대해 각종 항목에 관한 실험을 실시하여 PIP 구체방수재가 KS기준에 적합한 품질을 확보하였는가를 확인해 보았다.
- 이에 PIP 구체방수재를 혼입한 경우 달라지는 내부 조직의 변화를 알아보기 위해 기준콘크리트와 시험콘 크리트에 대한 SEM촬영을 실시하여 Fig. 8에 각각 나타내었다.
- 5% 임을 알 수 있었다. 이에 PIP 구체방수재의 혼입율을 3.5%로 고정한 공시체를 제작하여 KS F 4926 『콘크리트 혼입용 방수재 규격』의 품질기준에 적합한지 여부에 대한 검토를 실시하였으며, 이때 사용된 콘크리트의 배합과 KS 품질기준2)을 각각 Table 4 및 8에 나타내었다.
- 탄산화깊이는 대기 중 주로 CO2의 침투 확산에 의해 진행되며 철근부식 및 균열 등으로 이어지기에 중요한 내구성 평가지표로 사용되는데, 본 실험에서는 PIP 구체방수재를 혼입하여 제조한 시험체를 CO2 농도 5%인 시험기에 넣어 56일간 촉진 탄산화를 실시하였다. 측정결과, PIP 구체방수재를 혼입한 콘크리트의 경우 탄산화 깊이비는 0.
- 한편 공기량의 경시변화량은 최초 혼합 직후 공시체의 공기량을 측정한 후 60 ℓ 가경식 믹서에 넣고 회전시킨 후 60분 후에 다시 측정하여 공기량 변화를 알아보았다. PIP 구체방수재를 혼입한 콘크리트의 응결시간은 초결에서 +25분, 종결에서 +20분으로 나타나 규정값인 ±60분 이내를 만족하는 것으로 Fig.
대상 데이터
- 0%로 변화시킨 콘크리트의 배합과 KS F 4926에서 제시한 콘크리트 혼입용 방수재의 품질을 확인하기 위한 규정배합을 Table 4에 나타내었다. PIP적정 혼입율 산정을 위한 콘크리트는 목표슬럼프와 공기량을 각각 120 mm와 4.5%로 설정하였다. 콘크리트 배합은 KS F 2425에 따라 단위시멘트량이 300 kg/m3이며, 단위수량은 콘크리트의 슬럼프가 80±10 mm가 되는 양으로 결정하며 공기량은 4-5%, 잔골재율은 40-50% 범위내에서 조절하였다.
- 시멘트는 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 사용하였으며, 화학성분 및 물리적 성질을 Table 1에 나타내었다.
- 콘크리트용 잔골재는 비중 2.60인 세척해사를 사용하였으며, 굵은골재는 최대치수 25 mm, 비중 2.63인 쇄석골재를 사용하였다. 골재의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
이론/모형
- KS F 2424 『모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험 방법』에 의해 길이변화율을 측정하였다.
- KS F 2436 『관입저항침에 의한 콘크리트 응결시간 시험방법』의 규정에 따라 초결 및 종결 시간을 측정하였다.
- KS F 2456 『급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법』에 따라 동결 융해 반복 300사이클에서의 상대 동탄성계수와 압축강도를 측정하였다.
- KS F 2584 『콘크리트의 촉진 탄산화 시험방법』에 의해 탄산화 깊이비를 구하였다.
- KS F 2609 『건축재료의 물흡수계수 측정방법』에 의해 지름 150 mm×높이 40 mm의 시험체를 제작하여 온도 20±2℃, 상대 습도 65±5%의 표준 상태에서 항량이 될 때까지 최소 8일간 건조시킨 후 물흡수 계수비를 구하였으며 산정식은 식(1)과 같다.
- 모르타르는 KS L ISO 679 시멘트의 강도시험방법에 따라 제조하였다.
- 콘크리트 배합은 KS F 2425에 따라 단위시멘트량이 300 kg/m3이며, 단위수량은 콘크리트의 슬럼프가 80±10 mm가 되는 양으로 결정하며 공기량은 4-5%, 잔골재율은 40-50% 범위내에서 조절하였다.
성능/효과
- Fig. 1에서 알 수 있듯이 콘크리트의 슬럼프값은 PIP 구체방수재의 혼입율 3.5%까지는 증가하다 그 이후 감소하는 경향을 나타내긴 하였으나 목표 슬럼프값인 120 mm(허용오차 ±25 mm)을 모두 만족시키는 것으로 나타났다.
- Fig. 2에서 나타나듯 초기재령에서 PIP 구체방수재를 혼입한 콘크리트의 압축강도는 혼입률별로 21~22 MPa로 혼입하지 않은 콘크리트의 22 MPa와 비교하여 차이가 거의 나지 않음을 알 수 있었으며, 재령 28일에 이르러서는 모든 배합의 콘크리트가 35 MPa이상으로 목표강도인 24 MPa를 훨씬 상회하는 좋은 결과를 나타내었다. 따라서 압축강도 및 탄성계수 측정 결과를 동시에 고려해 볼 때 PIP 구체 방수재의 혼입율이 3.
- Fig. 7로부터 알 수 있듯이 PIP 구체방수재를 혼입한 공시체의 경우 물흡수비나 투수비가 각각 0.35 및 0.32 로 측정되어, 품질기준치인 0.7이하보다 훨씬 작게 나타나 방수재로서의 기능을 충분히 만족시키는 것으로 나타났다.
- PIP 구체방수재를 혼입한 콘크리트의 동결융해 저항성을 알아본 결과 상대 동탄성계수와 압축강도비가 각각 86.1 및 87.9%로 나타나 품질기준인 80%이상을 만족시키는 것으로 나타났다. 일반적으로 방수재를 혼입한 콘크리트가 소요의 방수성능을 가진다면 침입수에 의한 동결(수축)과 융해(팽창)에 대해 내부 모세관공극이 안정성을 확보해야 한다.
- PIP 구체방수재의 혼입율을 달리하여 제조한 콘크리트의 슬럼프 플로우, 공기량 및 압축강도를 측정하여 기초물성에 대한 품질을 확인한 결과 적정 혼입율이 3.5% 임을 알 수 있었다. 이에 PIP 구체방수재의 혼입율을 3.
- 2에서 나타나듯 초기재령에서 PIP 구체방수재를 혼입한 콘크리트의 압축강도는 혼입률별로 21~22 MPa로 혼입하지 않은 콘크리트의 22 MPa와 비교하여 차이가 거의 나지 않음을 알 수 있었으며, 재령 28일에 이르러서는 모든 배합의 콘크리트가 35 MPa이상으로 목표강도인 24 MPa를 훨씬 상회하는 좋은 결과를 나타내었다. 따라서 압축강도 및 탄성계수 측정 결과를 동시에 고려해 볼 때 PIP 구체 방수재의 혼입율이 3.5%인 경우 효과가 가장 좋음을 알 수 있었다.
- 포졸란 활성재 및 규산질미분말과 같은 혼합재는 이미 시멘트 제조시 또는 콘크리트 성능개선재로 광범위하게 사용되고 있어 인체에 대한 유해성은 없는 것으로 확인되었으며, 아질산계 무기염은 일반적인 사용 조건에서 시멘트에 혼합되어 사용될 경우 특별히 유해한 성질을 나타내지 않아 콘크리트용 방수재로서 기존 제품에 널리 사용되어지고 있다. 마지막으로 지방산계 금속염의 경우 피부와 눈에 노출될 경우 자극을 일으키지만, 본 논문에 사용된 PIP 구체방수재의 원료로는 의약품이나 화장품 원료로 사용되어지는 고급 지방 산계 금속염을 적용하였으므로 충분한 안정성을 확보하고 있어 이들 조성재료를 콘크리트에 혼합하여 사용하는데 문제가 없는 것으로 조사되었다.
- 우선 PIP 구체방수재의 적정 혼입율을 알아보기 위해 기본 물성에 대한 실험을 실시한 결과 적정 혼입율이 약 3.5%임을 알 수 있었다.
- 응결시간 및 공기량은 콘크리트의 강도 및 내구성능을 판단할 수 있는 기본적인 물성값으로, PIP 구체방수재를 혼합한 콘크리트가 보여준 실험결과 값들은 PIP 구체방수재의 사용으로 인해 콘크리트 이상응결 현상이 없고 레디믹스트 콘크리트의 제조에 사용하여도 무 방함을 알 수 있었다.
- 이에 PIP 구체방수재의 혼입율을 3.5%로 고정한 공시체를 제작하여 KS F 4926 『콘크리트 혼입용 방수재 규격』의 품질기준을 만족시키는지 여부에 대한 실험을 실시한 결과 모든 평가항목에서 품질기준 이내에 드는 결과를 나타내었으며 특히 흡수, 투수 및 염소이온 침투저항성 등과 같은 내구성 항목에서는 기준 공시체에 비해 우수한 결과 값을 나타내었다.
- 농도 5%인 시험기에 넣어 56일간 촉진 탄산화를 실시하였다. 측정결과, PIP 구체방수재를 혼입한 콘크리트의 경우 탄산화 깊이비는 0.77로 나타나 품질기준인 0.8이하를 만족시키는 것으로 측정되었다.
- 한편 PIP 구체방수재 혼입 콘크리트의 압축강도비는 재령 7 및 28일에서 각각 1.11 및 1.16으로 측정되어 PIP 구체방수재 사용시 압축강도 증진에 효과가 있음을 알 수 있었다. 이러한 이유는 PIP 구체방수재의 주요 조성물인 규산질 미분말이 매우 높은 분말도(200,000~ 300,000 cm2/g)를 가졌기 때문인데 콘크리트에 혼입할 경우 마이크로 필러 효과(Micro Filler Effect)로 인해 내부공극을 채우는 효과3)로 판단된다.
- 한편 콘크리트의 공기량은 PIP 구체방수재의 혼입율이 증가할수록 약간씩 감소하는 경향을 나타내었으나 큰 차이를 보이지 않았으며 모든 배합에서 목표공기량의 범위내(3~6%)에 있는 것으로 나타나 PIP구체 방수재를 보통콘크리트에 혼입하여 사용해도 기본 물성을 저해하지 않았음을 확인하였고, 적정량 혼입시 워커빌리티의 경우 약간의 향상효과가 있음을 알 수 있었다.
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