규산염계 무기 재료를 활용한 침투성 보수재의 기초 특성에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on the Basic Properties of Penetrating repair material using Silicate-based Inorganic Materials원문보기
본 연구에서는 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재의 개발을 위한 일환의 기초 연구로써 국내에서 쉽게 입수가 가능한 규산염계 무기재료를 주성분으로 하는 침투성 보수 재를 제조하였다. 또한, 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재는 국외에서 많은 활용사례가 있는 제품군을 선정하여 보수재의 성능을 비교 고찰하고자 하였다. 실험에 사용된 규산염계 무기재료는 Sodium, Potassium 및 Lithium silicate를 주성분으로 하는 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재를 제조하였다. 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재의 성능평가는 내흡수 및 내투수, 압축 및 부착, 급속 염소 이온 침투, 급속 동결 융해, 내약품성 시험을 실시하였다. 실험결과 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재는 모든 부분에서 효과적인 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 이러한 결과의 주요 원인은 모세관을 따라 내부로 침투되어 조직을 치밀하게 하기 때문인 것으로 나타났다. 따라서 본 실험결과를 기반으로 콘크리트의 내구성을 향상시키는 데 다양하게 활용 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재의 개발을 위한 일환의 기초 연구로써 국내에서 쉽게 입수가 가능한 규산염계 무기재료를 주성분으로 하는 침투성 보수 재를 제조하였다. 또한, 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재는 국외에서 많은 활용사례가 있는 제품군을 선정하여 보수재의 성능을 비교 고찰하고자 하였다. 실험에 사용된 규산염계 무기재료는 Sodium, Potassium 및 Lithium silicate를 주성분으로 하는 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재를 제조하였다. 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재의 성능평가는 내흡수 및 내투수, 압축 및 부착, 급속 염소 이온 침투, 급속 동결 융해, 내약품성 시험을 실시하였다. 실험결과 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재는 모든 부분에서 효과적인 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 이러한 결과의 주요 원인은 모세관을 따라 내부로 침투되어 조직을 치밀하게 하기 때문인 것으로 나타났다. 따라서 본 실험결과를 기반으로 콘크리트의 내구성을 향상시키는 데 다양하게 활용 가능할 것으로 판단된다.
In this study, permeable repair materials mainly composed of silicate - based inorganic materials(SIM), which are easily available domestically, were prepared as a basic study for the development of permeable repair materials using SIM. SIM were compared and examined for their performance as repair ...
In this study, permeable repair materials mainly composed of silicate - based inorganic materials(SIM), which are easily available domestically, were prepared as a basic study for the development of permeable repair materials using SIM. SIM were compared and examined for their performance as repair materials by selecting a product group which has many cases of use in foreign countries. The SIM used were mainly composed of sodium, potassium and lithium silicate. Performance evaluation of SIM was performed by absorption and penetration, compression and adhesion, rapid chloride ion penetration, rapid freezing and thawing, and chemical resistance test. According to the test results, SIM showed effective performance in all areas, mainly because SIM permeates into the interior of the capillary and has a dense internal microstructure. Therefore, it can be used variously to improve the durability of concrete based on the results of this experiment.
In this study, permeable repair materials mainly composed of silicate - based inorganic materials(SIM), which are easily available domestically, were prepared as a basic study for the development of permeable repair materials using SIM. SIM were compared and examined for their performance as repair materials by selecting a product group which has many cases of use in foreign countries. The SIM used were mainly composed of sodium, potassium and lithium silicate. Performance evaluation of SIM was performed by absorption and penetration, compression and adhesion, rapid chloride ion penetration, rapid freezing and thawing, and chemical resistance test. According to the test results, SIM showed effective performance in all areas, mainly because SIM permeates into the interior of the capillary and has a dense internal microstructure. Therefore, it can be used variously to improve the durability of concrete based on the results of this experiment.
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문제 정의
내약품성 시험은 일반적으로 각 시약의 5% 수준에서 검토되지만 보다 극한 조건에서의 내약품성을 평가하고자 각 화학시약의 농도조건을 상향하였다.
이러한 원인은 SIM 및 IP의 구체적이고 명확한 데이터 분석을 실시할 필요가 있으나 본 연구에서는 SIM 적용에 따른 현상에 국한하여 기초적 특성을 평가하고자 하였기 때문에 성분분석을 수행하지 않았다.
따라서 본 연구에서는 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재의 개발을 위한 일환의 기초 연구로써 국내에서 쉽게 입수가 가능한 규산염계 무기재료를 주성분으로 하는 침투성 보수재를 제조하였다.
본 연구에서는 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재의 개발을 위한 일환의 기초 연구로써 국내에서 쉽게 입수가 가능한 규산염계 무기재료를 주성분으로 하는 침투성 보수재를 제조하여 기초적 특성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
그러나 동결융해 저항성 시험에 사용된 표준시편은 모르타르로 동결융해 시험용 시편을 제작하는 것이 시험 목적에 부적합하다고 판단되어, 동결융해 시험용 시험편에 국한하여 보통강도 수준(24 MPa)의 일반적인 콘크리트 배합을 적용하였으며, 동결융해를 보다 촉진시키기 위하여 공기량을1% 미만으로 설정하여 제조하였다.
또한 비교군(Imported Products, 이하 IP로 약함)으로써 수입에 의존되고 있으며, 반응 매커니즘이 동일한 국외 제품 1종을 선정하여 성능수준을 비교하였다.
SIM이 도포된 시험편은 할렬하여 내부 미세구조를 산업용 화상 비디오 현미경을 사용하여 확대 관찰하였다.
규산염계 무기재료(Silicate-based Inorganic Materials, 이하 SIM으로 약함)는 pH 11-12인 재료와 기타 첨가물을 1차 증류수와 3종의 규산염계 무기재료를 혼합하여 제조하였으며, 각 규산염계 무기재료의 성분비를 Table 1에 나타내었다.
내약품성 시험은 염산(HCl) 30%, 질산(HNO3) 30% 및 황산(H2SO4) 70%에 7일간 침지하여 시험 전후 질량 변화를 평가하였다.
대상 데이터
또한 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재는 국외에서 많은 활용사례가 있는 제품군을 선정하여 보수재의 성능을 비교ᆞ고찰하고자 하였다.
시험에 사용된 시험편은 “KS L 5105”에 준하여 모르타르를 제조하여 각 실험에 적합한 형태로 시편을 제작하였다.
시험용 시험편을 제조하기 위한 시멘트는 밀도 3.15 g/cm3 및 분말도 3,540 cm2/g의 보통포틀랜드시멘트 (Ordinary Portland Cement, 이하 OPC로 약함)를 사용하였으며, 잔골재 및 굵은 골재는 낙동강산 강모래(River Sand,이하 RS로 약함)및 석회암질 부순 굵은 골재 (Crushed Coarse aggregate, 이하 CC로 약함)를 사용하였다.
이론/모형
급속동결융해촉진 시험은 “KS F 2456”에 준하여 방법 A법인 수중 급속 동결융해 시험방법에 따라 평가하였다.
급속염소이온침투 시험은 “KS F 2711”에 준하여 평가하였다.
내투수 및 내흡수성 시험은 “KS F 4930”에 준하여 평가하였다.
압축강도는 “KS L 5105”에 준하였으며, 부착강도는 “KS F 2761”에 준하여 평가하였다.
성능/효과
관찰결과 Plain의 경우 크고 작은 공극을 쉽게 관찰할 수 있었으나 SIM의 경우에는 단면이 치밀해져 관찰되는 공극수가 상당수 줄어든 것으로 나타났다.
그러나 SIM을 적용한 시험편은 염산 및 질산의 경우 약 1% 미만, 황산의 경우 2% 이하의 결과가 나타남에 따라 통상적인 조건에 대하여 질량변화가 없을 것으로 사료되며, 화학적 침식을 받게 되는 콘크리트에 적용할 경우 화학저항성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
또한 IP의 경우 180 사이클 경과이후 상대동탄성계수는 약 80% 이상으로 SIM과 비교하여 다소 감소되는 결과가 나타났으나 SIM과 동일하게 동결융해에 대한 저항성을 크게 향상시킬 수 있는 결과인 것으로 판단된다.
이러한 결과를 통하여 SIM은 내투수 및 내흡수 성능이 있는 것으로 판단되며, IP와 동등수준 이상의 성능을 확보할 수 있는 것으로 판단됨에 따라 흡수방지재의 용도로 활용 가능할 것으로 판단된다.
1. 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재는 성능검토 결과 모세관을 따라 내부로 침투되어 조직을 치밀하게 하기 때문에 콘크리트의 내구성을 향상시키는 데 효과가 클 것으로 판단된다.
3. 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재는 주로 해외 수입에 의존되는 제품군과 동등수준이상의 성능이 나타남에 따라 보완 및 신뢰성 확보를 통한 대체적용이 가능할 것으로 판단된다.
Fig. 2의 결과 SIM의 Plain 대비 투수량은 약 90-92 % 수준으로 감소하는 경향이 나타났으며, IP의 경우 89-91% 수준으로 감소하는 경향이 나타났다.
Fig. 3의 결과 SIM의 Plain 대비 흡수량은 약 90-92 % 수준으로 감소하는 경향이 나타났으며, IP의 경우 88-90% 수준으로 감소하였다.
Fig. 4의 결과 SIM의 Plain 대비 염소이온 침투깊이는 약 72-74 % 수준으로 감소하는 경향이 나타났으며, IP의 경우 65-57% 수준으로 감소하는 경향이 나타났다.
Fig. 5의 결과 Plain의 경우 31.67 MPa로 측정되었으며, SIM 및 IP의 경우 34.4 MPa 및 34.7 MPa을 상회하는 것으로 측정되어 SIM 및 IP 모두 Plain과 비교하여 약 9-10% 압축강도를 향상시키는 효과가 있는 것으로 나타났다.
Fig. 7의 결과 공기량 1% 미만인 Plain 시험편의 경우 SIM 및 IP을 적용한 시험편과 비교하여 동결융해 사이클이 진행됨에 따라 상대동탄성계수가 상대적으로 빠르게 감소하고 박리ᆞ박락 및 표면탈락이심하게 발생되는 경향이 나타났으며, Plain의 경우 90사이클 도달함에 따라 완전히 파괴되어 측정이 불가능한 것으로 나타남에 따라 콘크리트의 동결융해 이론 중 하나인 공기량이 확보되지 않을 경우 동결융해 열화현상이 촉진되는 것을 확인할 수 있었다.
SIM 및 IP 모두 Plain과 비교하여 염소이온의 침투가 크게 감소할 수 있는 것으로 나타났으며, 염소이온 침투깊이는 투수 및 흡수저항성분석결과와 동일하게 결과 값의 차이가 크지 않은 것으로 나타나 동등 수준인 것으로 판단되지만 SIM 이 IP와 상대적으로 약 26% 염소이온 침투저항성이 큰 경향이 나타났다.
SIM 및 IP 모두 Plain과 비교하여 투수량을 대폭 감소할 수 있는 것으로 나타났으며, 실제 투수량은 미소한 차이이지만 SIM이 IP와 상대적으로 약 18% 내투수성이 큰 경향이 나타났다.
그러나 SIM을 적용한 시험편의 경우에는 180 사이클이 경과된 이후에도 상대동탄성계수는 약 85% 이상으로 동결융해에 대한 저항성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
그러나 SIM의 경우에는 부착성능에 대하여 확보가 가능함을 확인할 수 있었으며, 보다 정밀한 검토가 수반되어야 하지만 유사시 신구구조물의 접착제의 용도로 활용 가능할 것으로 판단된다.
2. 규산염계 무기재료를 활용한 침투성 보수재는 각각의 용처로 사용할 경우 보다 면밀한 성분 분석 및 다양한 변수를 검토하여 용처에 적합한 조건에서 검토가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
규산염계 침투성 보수재의 특징은?
규산염계 침투성 보수재의 반응 매커니즘은 콘크리트 표면 내부로 침투하여 유리 알칼리 성분들과 화학적 반응을 일으켜 콘크리트 표층부를 강화한다.[7] 규산염계 재료의 특징은 내구성, 내수성 및 내열성이 뛰어나 콘크리트 표층부를 효과적으로 보호할 수 있으며,[8-10] 특히 콘크리트와 동일한 무기재료이기 때문에 콘크리트와의 계면에서 탈락 및 분리 현상을 최소화 할 수 있어 반영구적인 내구성을 기대할 수 있다. 또한 액상으로 도포되기 때문에 콘크리트 표층부에서부터 시작되는 열린 공극을 최소화할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이와 같은 무기 재료 기반 보수재는 특히 침투성 보수재의 경우 최근 들어 일부 연구기관이나 기업에서 개발되어 사용되고 있으나 선택의 폭이 매우 적고 시장 및 활용실적이 미비한 수준이다.
침투성 보수재는 연쇄반응으로 콘크리트 표층부를 치밀하게 만드면서 어떤 성질은 그대로 유지한다는 장점이 있는가?
침투성 보수재는 삼투압 특성을 응용한 것으로 콘크리트 표면의 모세관을 따라 침투하여 콘크리트 내부의 수산화칼슘(Calcium hydroxide)과 반응하여 새로운 수화물을 생성하며 콘크리트 표층부 전체에서 연쇄적인 반응으로 표층부를 강화한다. 이러한 연쇄반응은 콘크리트 표층부를 치밀하게 만들지만 통기, 팽창 및 수축성 등의 성질은 그대로 유지할 수 있다는 장점이 있다.[5]
침투성 보수재가 콘크리트를 강화하는 매커니즘은?
[1,4,5] 이러한 특성을 이용한 보수 재료의 하나로서 침투성 보수재가 있다. 침투성 보수재는 삼투압 특성을 응용한 것으로 콘크리트 표면의 모세관을 따라 침투하여 콘크리트 내부의 수산화칼슘(Calcium hydroxide)과 반응하여 새로운 수화물을 생성하며 콘크리트 표층부 전체에서 연쇄적인 반응으로 표층부를 강화한다. 이러한 연쇄반응은 콘크리트 표층부를 치밀하게 만들지만 통기, 팽창 및 수축성 등의 성질은 그대로 유지할 수 있다는 장점이 있다.
참고문헌 (11)
Korea Concrete Institute, Latest Concrete Engineering, pp. 654-690, Gimundang, 2005.
Korea Concrete Institute, Concrete Diagnosis and Maintenance, pp. 61-95, Korea Concrete Institute, 2005.
J. Oh, B. R. Jung, Diagnosis and Maintenance of Concrete Structures, pp. 91-136, Gimundang, 2010.
J. Y. Lee, Y. J. Park, C. K. Lee, Concrete Structures Maintenance, pp. 9-170, Goomisukyan, 2008.
Y. W. Choi, Development of Concrete Matrix Combined Waterproofing Agent for Railway Bridge Deck, Small and Medium Business Administration, Joint industry-academia-research technology development, Final Report, pp. 13-48, 2010.
I. H. Lee,, A Performance Appraisal for Combined Construction Method Applied Repairing Mortar with Water Repellent Agent of Inorganic Polymer Type, pp. 1-13, Seoul National University of Science and Technology, Master's Thesis, 2004.
Y. W. Choi, S. R. Oh, M. S. Park, B. K. Choi, S. W. Oh, H. J. Kang, "Evaluation of Crack Repair Performance of Liquid Type Crack Repair agent for Concrete using Titanium-based Inorganic Powder according to Re-Spray Time", Proceeding of the Korea Concrete Institute, vol. 26, no. 1, pp. 217-219, 2014.
Y. W. Choi, S. R. Oh, M. S. Park, K. H. Kim, "A Study on the Penetration Depth Measurement Methods of Inorganic Waterproofing Agent for Concrete", Journal of Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, vol. 13, no. 3, pp. 116-124, 2014. DOI: https://doi.org/10.11112/jksmi.2014.18.3.116
Y. W. Choi, S. R. Oh, B. K. Choi, C. G. Kim, J. H. Lee, "The Experimental Study on Mechanical Properties of Cementitious Composites ApplyingInorganic Liquid type Core Material for Self-Healing Capsule", Proceeding of the Korea Concrete Institute, vol. 28, no. 2, pp. 609-610, 2016.
Y. W. Choi, S. R. Oh, B. K. Choi, C. G. Kim, "A Fundamental Study on the Influence of Performance of Cementitious Composites of Inorganic Core Material for Self-Healing Capsule of Cracks", Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, vol. 21, no. 1, pp. 74-82, 2017.
Korea Concrete Institute, Concrete Standard Specification, Korea Concrete Institute Korea, 2009.
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