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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 고연성과 고인성 효과를 나타내는 STPU를 내진보강용 폴리우레아로 선택하였으며 기존보강공법을 대체할만한 새로운 보수· 보강 재료로써 적용 가능성의 검토를 위하여 내구 성능을 검증하려 한다.
- 본 연구에서는 내진 보강용 폴리우레아의 내구성능을 판단하기 위하여 열화 및 내화학적 특성에 대한 검토를 실시하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 보통 폴리우레아의 화학적 환경으로는 노출형의 경우 시공 전· 후에 발생되는 산성비, 자외선 노출, 공해로 인한 중금속, 매연 등이 있으며, 비노출형의 경우 콘크리트 구조물 자체에서 발생되는 알칼리 성분, 잔존해 있는 염해성분뿐 아니라 탄산화 노출 및 동결융해 등이 있다. 본 연구에서는 이러한 자연적 혹은 인위적으로 발생되는 다양한 화학적 열화인자에 대한 내구성 판단을 위하여 노출형의 경우 산 환경 및 자외선 노출을 선정하였으며 비노출의 경우 동결융해 및 탄산화 노출을 선정하여 기존 KS 규격을 준한 열화 및 내화학적 특성에 대한 검토를 실시하였다.
제안 방법
- 내진보강용 폴리우레아의 자외선 노출 시험은 KS F 2274(건축용 합성 수지재의 촉진 노출 시험방법)에 준하여 실시하였으며, 자외선 형광램프보다 더 강한 자외선을 방출하는 제논-아크 광원을 선택하여 시험을 진행하였다. Photo 3(b)는 제논-아크 시험기 챔버로써 Photo 2(a) 아령형 3호형 시편3개씩을 각각 1,000시간 및 2,000시간 노출시켰다.
- 내진보강용 폴리우레아의 산 환경 노출 시험은 KS F 4922(폴리우레아 수지 도막 방수재)에 준하여 실시하였으며, 시험 시 사용된 산의 종류로는 산 처리 온도 20 ± 2°C인 KS M ISO6353-2(R37)에 규정된 황산 특급품 2% 용액을 선정하였다. Photo 1과 같이 황산 2% 용액 400 ㎖ 속에 시편3개를 168시간(7일) 침지시켰으며, 황산 10% 용액에 대해서 추가 시험을 진행하였다. 이 때 사용된 시편은 Photo 2(a)와 같은 크기로 KSM 6518(가황고무 물리 시험 방법)에 규정된 아령형 3호형으로 제작하였으며, Photo 2(b)의 틀칼을 이용하여 규격에 맞게 재단하였다.
- 내진보강용 폴리우레아 도포콘크리트의 탄산화 노출 시험은 KS F 2584(콘크리트의 촉진 탄산화 시험방법)에 준하여 실시하였으며, Photo 4(c)와 같이 온도 20°C, 상대습도 60%, 이산화탄소 5%의 조건을 만족할 수 있는 탄산화 노출 챔버에서 시험을 수행하였다. Photo 4(a)에서 볼 수 있듯이 사용된 시편은 직경 100 mm, 높이 200 mm 크기의 일반강도 콘크리트(30 MPa 급) 원형 공시체에 본 연구에서 개발한 폴리우레아를 측면 도포하였으며, 각 3개씩 4주 및 8주 노출 후 탄산화 깊이를 측정하였다(촉진탄산화 시험은 옥외에 있어 100배의 기간에 상당함). 그리고 추가적으로 고강도 콘크리트(50 MPa급)에 대해 위와 동일한 조건으로 시험을 수행하였다.
- STPU의 경화제 합성은 Polyoxypropylene Diamine 40%, Polyethertriamine 10%, Polyetheramine 10%, Diethylated Toluenetriamines(DETDA) 30%, Secondary Amine 5%, Propylene Glycol 2%, Pigment 2%, UV sorbent 2% 미만, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane 1%를 이용하여 30 ～90°C에서 반응시켰다.
- Photo 4(a)에서 볼 수 있듯이 사용된 시편은 직경 100 mm, 높이 200 mm 크기의 일반강도 콘크리트(30 MPa 급) 원형 공시체에 본 연구에서 개발한 폴리우레아를 측면 도포하였으며, 각 3개씩 4주 및 8주 노출 후 탄산화 깊이를 측정하였다(촉진탄산화 시험은 옥외에 있어 100배의 기간에 상당함). 그리고 추가적으로 고강도 콘크리트(50 MPa급)에 대해 위와 동일한 조건으로 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위하여 내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 동결융해 300 사이클 전· 후의 동탄성계수 및 압축강도를 측정하였다.
- 본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위하여 내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 탄산화 노출후의 탄산화 깊이를 측정하였다. 탄산화 깊이 측정 시 페놀프탈레인 용액을 분사하면 적자색으로 변색이 되는데, 표면으로부터 변색된 구간까지의 깊이를 탄산화 깊이로 보고 Photo4(b)와 같이 공시체의 한쪽 측면을 10등분하여 총 20 군데의 탄산화 깊이를 측정하였으며, 공시체 3개의 평균값으로 나타내었다.
- 본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위하여 산 및 자외선 환경 노출 전· 후의 인장강도 및 신장률을 측정하였다.
- 본 연구에서는 고연성과 고인성 효과를 나타내는 내진보강용 폴리우레아로써 STPU를 선택하였고 Table 1은 STPU의 구성물 및 함유량 나타내고 있다.
- 본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위하여 내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 탄산화 노출후의 탄산화 깊이를 측정하였다. 탄산화 깊이 측정 시 페놀프탈레인 용액을 분사하면 적자색으로 변색이 되는데, 표면으로부터 변색된 구간까지의 깊이를 탄산화 깊이로 보고 Photo4(b)와 같이 공시체의 한쪽 측면을 10등분하여 총 20 군데의 탄산화 깊이를 측정하였으며, 공시체 3개의 평균값으로 나타내었다. 탄산화 깊이 측정을 통해서 탄산화 속도 계수를 식 (3)에 따라 계산하였다.
대상 데이터
- STPU의 주제 합성은 Methylene Diphenyl Diisocyanate 70%, Polyoxypropylene Glycol 20%, Propylenecarbonate 10%를 사용하였다. STPU의 경화제 합성은 Polyoxypropylene Diamine 40%, Polyethertriamine 10%, Polyetheramine 10%, Diethylated Toluenetriamines(DETDA) 30%, Secondary Amine 5%, Propylene Glycol 2%, Pigment 2%, UV sorbent 2% 미만, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane 1%를 이용하여 30 ～90°C에서 반응시켰다.
- 내진보강용 폴리우레아의 산 환경 노출 시험은 KS F 4922(폴리우레아 수지 도막 방수재)에 준하여 실시하였으며, 시험 시 사용된 산의 종류로는 산 처리 온도 20 ± 2°C인 KS M ISO6353-2(R37)에 규정된 황산 특급품 2% 용액을 선정하였다.
- 내진보강용 폴리우레아 도포콘크리트의 동결융해 시험은 KS F 2456(급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법)에 준하여 실시하였으며, 콘크리트 공시체의 중심온도가 동결 시 -18°C, 융해 시 +4°C가 되도록 동결융해 챔버에서 시험을 진행하였다. 이 때 사용한 시편은 직경 100 mm, 높이 200 mm크기의 일반강도 콘크리트(30 MPa 급) 및 고강도 콘크리트(50 MPa 급) 원형 공시체에 본 연구에서 개발한 폴리우레아를 전면 도포하였다.
이론/모형
- 내진보강용 폴리우레아 도포콘크리트의 동결융해 시험은 KS F 2456(급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법)에 준하여 실시하였으며, 콘크리트 공시체의 중심온도가 동결 시 -18°C, 융해 시 +4°C가 되도록 동결융해 챔버에서 시험을 진행하였다.
- 내진보강용 폴리우레아 도포콘크리트의 탄산화 노출 시험은 KS F 2584(콘크리트의 촉진 탄산화 시험방법)에 준하여 실시하였으며, Photo 4(c)와 같이 온도 20°C, 상대습도 60%, 이산화탄소 5%의 조건을 만족할 수 있는 탄산화 노출 챔버에서 시험을 수행하였다.
- 내진보강용 폴리우레아의 자외선 노출 시험은 KS F 2274(건축용 합성 수지재의 촉진 노출 시험방법)에 준하여 실시하였으며, 자외선 형광램프보다 더 강한 자외선을 방출하는 제논-아크 광원을 선택하여 시험을 진행하였다. Photo 3(b)는 제논-아크 시험기 챔버로써 Photo 2(a) 아령형 3호형 시편3개씩을 각각 1,000시간 및 2,000시간 노출시켰다.
- 본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위하여 산 및 자외선 환경 노출 전· 후의 인장강도 및 신장률을 측정하였다. 인장강도 및 신장률 시험방법은 KS M 6518(가황고무 물리 시험 방법)에 준하여 측정하였으며 Photo 2(c)에서 볼 수 있듯이 시험체를 지그로 고정시켜 양쪽으로 하중을 가하였다. 인장 시험기는 시험시의 최대 하중이 시험장비 능력의 15%에서 85%의 범위가 되는 것으로 하였으며, 인장속도는 500 mm/min으로 하였다.
성능/효과
- 본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위하여 내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 동결융해 300 사이클 전· 후의 동탄성계수 및 압축강도를 측정하였다. Photho 5(a)와 같이 챔버 내 기중에서 동결융해의 작용을 한사이클에 2 ~ 4시간 정도로 반복하였으며, 총 300사이클을 반복하였다. 동탄성 계수의 측정은 Photho 5(b)의 측정 장비를 이용하였으며 공시체 3개의 평균값으로 나타내었다.
- 1) 황산 2, 10% 용액에 침지시킨 폴리우레아 시편은 인장강도의 경우 모두 약 8% 강도 저하가 발생되었으며 신장률의 경우 각각 약 13, 20% 이상 증진된 것을 확인하였다. 인장강도의 경우 KS 규정을 만족하였으며, 내진보강용 폴리우레아가 산 환경 노출 시 인장강도 면에서 내구성능이 우수한 것으로 판단된다.
- 2) Xenon Arc 광원에 1,000, 2,000시간 노출시킨 폴리우레아 시편은 인장강도의 경우 약 31, 38%의 강도 저하가 발생되었으며 신장률의 경우 각각 약 27, 40% 감소된것을 확인하였다. KS 기준에서 자외선 노출은 250시간으로 규정하고 있지만 8배 이상 되는 극한의 노출 조건(2,000시간)에서도 인장강도 16 MPa 성능을 발휘하였으므로 자외선 노출에 대한 저항성능이 있다고 판단된다.
- 3) 탄산화 4주 노출 시 일반강도 및 고강도 콘크리트의 탄산화 깊이는 약 5.87, 3.36 mm로 측정되었으며, 폴리우레아 도포 시편 모두 탄산화 침투가 발생하지 않았다. 탄산화 8주 노출 시 일반강도 및 고강도 콘크리트의 탄산화 깊이는 약 8.
- 4) 동결융해 300사이클을 경험한 일반강도 및 고강도 콘크리트 시편에 대해서 전면 도포시편은 무 도포시편보다 내구성 지수가 높게 측정되었으며 강도 저하 정도는 보다 낮게 측정된 것으로 나타나 폴리우레아 도포할 경우 동결융해에 대한 내구성능이 우수한 것으로 판단된다.
- 내진보강용 폴리우레아 도포콘크리트의 탄산화 노출 시험수행 후 탄산화 노출 전· 후의 탄산화 깊이 및 탄산화 속도 계수를 도출한 결과는 Table 5와 같다. 4주 동안의 탄산화 노출시험 결과, 일반강도 및 고강도 콘크리트에 대해 탄산화 깊이는 약 5.87, 3.36 mm로 측정되었으며, 폴리우레아 도포 시편은 콘크리트 강도와 무관하게 탄산화 침투가 발생하지 않았다. 마찬가지로 8주 동안의 탄산화 노출 시험 결과, 일반강도 및 고강도 콘크리트에 대해 탄산화 깊이는 약 8.
- 5) 본 연구에서 내진 보강용 폴리우레아의 내구성능 여부를 위하여 폴리우레아의 경우 산 환경 및 자외선 노출 시험을 실시하였고 폴리우레아를 도포한 콘크리트의 경우 탄산화 노출 및 동결융해 시험을 실시하였으며, 모든 시험에서 내구 성능 및 저항능력이 우수한 것으로 판단되었다. 본 연구에서 검증한 내용을 고려해 볼 때 추후 내진보강 재료로써 유용하게 사용될 수 있을 것이라고 사료된다.
- 우리나라 연간 총 자외선 량은 약 270 MJ/m2이었으며 실제 외부에 노출된 시간을 환산하면 대략 7년 3개월과 14년 6개월 정도이다. 또한, 자외선 노출 2,000시간은 KS기준(250시간)보다 8배가량 노출 시간을 증가시킨 극한의 조건이며, 이 조건에서도 인장강도 16 MPa 이상의 성능을 만족하므로 자외선 노출에 대한 저항성능이 있다고 판단된다.
- 36 mm로 측정되었으며, 폴리우레아 도포 시편은 콘크리트 강도와 무관하게 탄산화 침투가 발생하지 않았다. 마찬가지로 8주 동안의 탄산화 노출 시험 결과, 일반강도 및 고강도 콘크리트에 대해 탄산화 깊이는 약 8.98, 4.66 mm로 측정되었으며, 폴리우레아 도포 시편은 강도와 무관하게 탄산화 침투가 발생하지 않았다. 일반강도 콘크리트가 고강도 콘크리트보다 탄산화 속도계수가 높음을 알 수 있었으며, 폴리우레아를 측면 도포한 콘크리트 시편의 경우 탄산화 노출이 전혀 발생하지 않은 것으로 나타나 탄산화침투에 대한 충분한 저항성능을 가지는 것으로 판단된다.
- KS F 4922(폴리우레아 수지 도막방수재)의 ‘방수재의 품질에서 산 처리 이후 품질 기준’은 인장강도 비의 경우 80% 이상 150% 이하, 파단시의 신장률의 경우 250% 이상으로 규정하고 있다. 산 환경 노출 시험결과황산 2%(pH 0.33)침지의 경우(KS F 4922 기준) 뿐 아니라 황산 10%(보통 산성비의 pH는 4.6정도로 조사되었으며 황산10%의 pH는 대략-0.44로 계산됨)의 고농도 조건에서도 인장강도의 기준을 만족하였다. 신장률의 경우 본 연구에서 독립적으로 혼합 및 개량한 재료이기 때문에 KS 규격에 준하지 못하였지만 본 연구에서 목표로 한 150%는 만족했다.
- 44로 계산됨)의 고농도 조건에서도 인장강도의 기준을 만족하였다. 신장률의 경우 본 연구에서 독립적으로 혼합 및 개량한 재료이기 때문에 KS 규격에 준하지 못하였지만 본 연구에서 목표로 한 150%는 만족했다. 극한의 강산이라는 조건에서 인장강도만을 고려해보았을 때 8%의 강도 저하 능력은 산 노출에 대한 내구성능이 우수한 것으로 판단된다.
- STPU의 경화제 합성은 Polyoxypropylene Diamine 40%, Polyethertriamine 10%, Polyetheramine 10%, Diethylated Toluenetriamines(DETDA) 30%, Secondary Amine 5%, Propylene Glycol 2%, Pigment 2%, UV sorbent 2% 미만, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane 1%를 이용하여 30 ～90°C에서 반응시켰다. 양생 7일 이후에 재료 실험을 통하여 재료물성을 도출하였으며, Table 2와 같이 내진보강용 폴리우레아인 STPU의 재료물성은 건조시간 20초, 인장강도 26 MPa, Shore 경도 70, 부착강도 14 MPa, 신장률 150%이다.
- 5°C로 실험조건 -18°C와 비교시 약 세 배 낮은 조건임). 이러한 장기간의 노출에 있어 전면 도포시편은 무 도포시편보다 내구성 지수가 높게 측정되었으며 강도 저하 정도는 더 낮게 측정된 것으로 보아 폴리우레아 도포 시 동결융해에 대한 내구성능이 우수한 것으로 판단된다.
- 선행 연구에서 PU의 물성을 조절하여 보강 성능을 향상시키고자 연질형 폴리우레아(Flexible Type Poly Urea,FTPU)를 개발하였지만 이를 구조물에 적용한 보강 성능은 미미한 것으로 나타났다(Kim et al, 2010(a)). 이후 PU의 물성을 변화시켜 경질형 폴리우레아(Stiff Type Poly Urea, STPU)를 개발하였고 STPU를 적용한 RC 슬래브 시험체는 무보강 시험체보다 112%의 하중 증가량과 270% 이상의 변위 증가를 보였을 뿐 아니라 190% 이상의 연성지수에 대하여 보강 성능에 대한 효과가 있는 것으로 나타났다(Park et al, 2011). STPU는 FTPU보다 향상된 인장강도와 낮은 신장률의 성능을 발휘하도록 개발되었다.
- 66 mm로 측정되었으며, 폴리우레아 도포 시편은 강도와 무관하게 탄산화 침투가 발생하지 않았다. 일반강도 콘크리트가 고강도 콘크리트보다 탄산화 속도계수가 높음을 알 수 있었으며, 폴리우레아를 측면 도포한 콘크리트 시편의 경우 탄산화 노출이 전혀 발생하지 않은 것으로 나타나 탄산화침투에 대한 충분한 저항성능을 가지는 것으로 판단된다. Photos 6과 7은 탄산화 노출 깊이를 측정하기 위해 페놀프탈레인 용액을 뿌린 시편이다.
후속연구
- 폴리머계 보강재료는 비구조용 보수재료로써 사용되고 있지만, FRP와 달리 구조물과 보수재료에 존재하는 계면이 존재하지 않을 뿐만 아니라 열화, 탈락이 발생하지 않아 구조물과의 일체거동을 유도할 수 있고, 스프레이형식 급속시공이 가능하기 때문에 구조물에 직접 분사하여 보강하는 방법으로 균일한 품질을 유지할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 이를 보다 적극적으로 다양한 분야에 적용하기 위해서는 물성의 개선을 통한 새로운 성능의 재료를 개발하여 구조용 재료로써의 적용가능성을 검토하고 활용할 수 있다면 좋을 것이다. 실내실험 및 문헌분석을 통하여 폴리머계 보강재료의 다양한 특성들이 분석되고 있지만 전 세계적으로 구조용보수· 보강재료로 내구적, 구조적 특성에 중점을 둔 연구는 전무하다(Hrynyk and Myers, 2008).
- 이에 관한 품질관리는 KS F4922(폴리우레아 수지 도막 방수재) 규격에 준하고 있다. 본 연구에서 개발한 내진보강용 폴리우레아도 역시 주요 구성성분인 주제와 경화제를 독립적으로 개량 및 혼합하였기 때문에 KS F 4922 규격의 현장 품질관리를 만족할 수 있는 내구성능 평가 실험이 필요하다. 보통 폴리우레아의 화학적 환경으로는 노출형의 경우 시공 전· 후에 발생되는 산성비, 자외선 노출, 공해로 인한 중금속, 매연 등이 있으며, 비노출형의 경우 콘크리트 구조물 자체에서 발생되는 알칼리 성분, 잔존해 있는 염해성분뿐 아니라 탄산화 노출 및 동결융해 등이 있다.
- 5) 본 연구에서 내진 보강용 폴리우레아의 내구성능 여부를 위하여 폴리우레아의 경우 산 환경 및 자외선 노출 시험을 실시하였고 폴리우레아를 도포한 콘크리트의 경우 탄산화 노출 및 동결융해 시험을 실시하였으며, 모든 시험에서 내구 성능 및 저항능력이 우수한 것으로 판단되었다. 본 연구에서 검증한 내용을 고려해 볼 때 추후 내진보강 재료로써 유용하게 사용될 수 있을 것이라고 사료된다.
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