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문제 정의
- 본 연구에서는 금속용사 공법을 오존을 이용한 고도정수처리 시설 콘크리트 구조물의 열화를 원천적으로 방지하기 위한 마감공법 개발 연구의 일원으로 용사금속 종류 및 피막의 표면처리 방법에 따른 내오존성 평가를 실시하였으며, 오존 처리 후의 부착강도를 평가하였다. 그에 따른 결론은 다음과 같다.
- 이에 따라 본 연구에서는 내오존성 및 내화학성이 뛰어난 금속 패널을 기존의 시공법 보다 손쉬운 방법으로 시공하기 위한 방법으로 금속용사 공법을 이용하여 수처리 시설 콘크리트 구조물의 열화를 원천적으로 방지하기 위한 마감공법 개발 연구의 일원으로 용사금속 종류 및 피막의 표면처리 방법에 따른 내오존성 평가를 실시하였으며, 오존처리 후의 부착강도를 평가하여, 고도정수처리용 콘크리트 구조물의 마감 공법으로 적용하기 위한 기초적 자료로 제시하고자 한다.
제안 방법
- 6과 같은 방법으로 표면처리 된 시험체 위에 40*40(mm) 정사각형의 인장 부착용 어태치먼트를 에폭시 접착제를 사용하여 접착시킨다. 24시간 이후 어태치먼트 주위를 콘크리트 표면까지 절단하여 인장부착시험에 의해 최대하중을 측정 후 다음 식 (2)를 이용해 산출 후 9개의 평균 값을 부착강도로 하였으며, 부착 파괴 거동을 육안으로 확인하였다.
- SPS KWWA M211에 의거하여 오존처리 전 시험체의 질량을 소수점 1째자리까지 측정이 가능한 저울을 사용하여 측정하고, 오존처리 후 증류수를 사용하여 세척 후 60℃ 챔버에서 24시간 이상 건조시켜 표준조건에서 30분간 보관하고 질량감소량을 오존처리 전과 동일한 방법으로 측정하여 식(1)의 방법으로 질량감소량을 산출하였다.
- Table 1은 본 연구의 실험 개요 및 실험인자를 나타낸다. 금속용사 공법을 수처리용 콘크리트 구조물에 마감공법으로 적용하기 위한 기초적 연구로써, 용사금속으로는 기존에 스테인리스 패널 공법에 적용되는 SUS316L과 내부식성이 뛰어난 Ti을 적용하였으며, 용사 피막의 표면처리 방법으로는 무처리, 표면 연마, 에폭시계 봉공처리제를 도포한 봉공처리 (A), 테프론계 봉공처리제를 도포한 봉공처리(B)로 하여 오존 처리 후의 표면처리 방법에 따른 부착성능을 확인하였다. Substrate는 일반적으로 적용되는 24MPa의 콘크리트를 사용 하였으며, 용사피막의 두께는 시공 시 평균 두께인 약 200㎛ 를 적용하였다.
- 수중과 기중을 동시에 폭로할 수 있는 오존시험장치를 이용하여 오존수 내의 용존 오존 농도는 10±1ppm으로 유지하며, 챔버의 온도는 20± 2℃ 3시간, 40±2℃ 3시간, 이행시간 1시간으로 총 8시간을 1사이클로 하여 84회 반복하였다. 또한 오존수의 수위 역시 동시에 1시간 만수위 1시간 저수위로 하며 사이클 반복은 Fig. 4와 같이 하여 8시간을 1사이클로 하여 84회 반복한 다음 시험 체를 흐르는 깨끗한 물로 세척하여 실험을 진행하였다.
- ,2014). 본 연구에서는 스테인레스 패널 공법의 장점인 내오존성 금속 패널을 손쉽게 제작할 수 있는 방법으로 아크식 금속용사 공법을 적용하였다. Fig.
- 수중과 기중을 동시에 폭로할 수 있는 오존시험장치를 이용하여 오존수 내의 용존 오존 농도는 10±1ppm으로 유지하며, 챔버의 온도는 20± 2℃ 3시간, 40±2℃ 3시간, 이행시간 1시간으로 총 8시간을 1사이클로 하여 84회 반복하였다.
- 시험체 6면 모두를 용사금속으로 도포하여 제작한 시험체를 오존처리 방법에 따라 84 사이클 전처리 후 육안으로 관찰하여 표면에 균열, 부풀음, 핀홀, 녹 발생, 변색 등의 현상이 나타났는지 유·무를 확인하였다.
- 이 후 조도를 높이기 위한 방법으로 조면형성제를 도포 하였다. 이 후 각각의 표면처리를 다르게 하여 제작하였다.
- 준비된 콘크리트 위에 콘크리트와 용사피막의 부착력 확보를 위해 콘크리트 표면의 바탕처리를 샌드블라스트 하였으며, 샌드블라스트 처리 후 콘크리트 표면의 인장강도를 높이기 위하여 침투성표면강화제를 도포하였다. 이 후 조도를 높이기 위한 방법으로 조면형성제를 도포 하였다. 이 후 각각의 표면처리를 다르게 하여 제작하였다.
- 5와 같이 제작하였다. 준비된 콘크리트 위에 콘크리트와 용사피막의 부착력 확보를 위해 콘크리트 표면의 바탕처리를 샌드블라스트 하였으며, 샌드블라스트 처리 후 콘크리트 표면의 인장강도를 높이기 위하여 침투성표면강화제를 도포하였다. 이 후 조도를 높이기 위한 방법으로 조면형성제를 도포 하였다.
대상 데이터
- 금속용사 공법을 수처리용 콘크리트 구조물에 마감공법으로 적용하기 위한 기초적 연구로써, 용사금속으로는 기존에 스테인리스 패널 공법에 적용되는 SUS316L과 내부식성이 뛰어난 Ti을 적용하였으며, 용사 피막의 표면처리 방법으로는 무처리, 표면 연마, 에폭시계 봉공처리제를 도포한 봉공처리 (A), 테프론계 봉공처리제를 도포한 봉공처리(B)로 하여 오존 처리 후의 표면처리 방법에 따른 부착성능을 확인하였다. Substrate는 일반적으로 적용되는 24MPa의 콘크리트를 사용 하였으며, 용사피막의 두께는 시공 시 평균 두께인 약 200㎛ 를 적용하였다.
- 시험체는 각각의 크기 별로 24MPa의 콘크리트를 제작하여 Fig. 5와 같이 제작하였다. 준비된 콘크리트 위에 콘크리트와 용사피막의 부착력 확보를 위해 콘크리트 표면의 바탕처리를 샌드블라스트 하였으며, 샌드블라스트 처리 후 콘크리트 표면의 인장강도를 높이기 위하여 침투성표면강화제를 도포하였다.
이론/모형
- 겉모양 평가는 SPS KWWA M211에 따라 육안 관찰 방법으로 실시하였다. 시험체 6면 모두를 용사금속으로 도포하여 제작한 시험체를 오존처리 방법에 따라 84 사이클 전처리 후 육안으로 관찰하여 표면에 균열, 부풀음, 핀홀, 녹 발생, 변색 등의 현상이 나타났는지 유·무를 확인하였다.
- 오존처리 방법은 한국상하수도협회에서 규정한 SPS KWWA M211에 의거하여 진행하였다. 수중과 기중을 동시에 폭로할 수 있는 오존시험장치를 이용하여 오존수 내의 용존 오존 농도는 10±1ppm으로 유지하며, 챔버의 온도는 20± 2℃ 3시간, 40±2℃ 3시간, 이행시간 1시간으로 총 8시간을 1사이클로 하여 84회 반복하였다.
- 표면처리 방법에 따른 부착성능 평가는 KS F 4716에 준하여 실시하였다. Fig.
성능/효과
- 1) 용사금속종류에 따른 내오존성 평가 결과 용사금속 Ti의 내오존성이 가장 뛰어난 것으로 나타났으며, 기존의 마감 공법으로 적용되는 SUS316L의 경우 용사시 발생하는 열에 의해 화학 구조가 변경되어 오존에 매우 취약한 것으로 나탔다.
- 2) 표면처리 방법에 따른 내오존성 평가 결과 테프론계 봉공 처리제의 내오존성능이 뛰어난 것을 확인할 수 있었다.
- 3) 오존처리후 부착강도 평가 결과 테프론계 봉공처리제를 도포한 실험체의 경우 오존처리 전·후, 용사금속 종류에 관계없이 약 3.2MPa로 가장 우수한 부착성능을 나타냈으며, 에폭시계 봉공처리제를 도포한 경우 오존처리 전에는 약 3.2MPa로 우수한 부착성능을 나타냈지만, 오존처리 후에는 약 1.9MPa로 낮은 부착성능을 나타냈다.
- 4) 본 연구범위 내에서 금속용사 공법을 오존을 이용한 고도 정수처리시설의 내구성 향상을 위한 마감 공법으로 용사 금속은 Ti을 적용하여 표면처리 방법으로는 테프론계 봉공 처리제를 도포하여 마감하는 것이 가장 적합한 방법이라 판단된다.
- 따라서 용사금속 SUS316L은 오존에 매우 취약한 것으로 판단된다. Ti을 적용한 실험체에서 봉공(A) 를 제외화고 모두 SPS KWWA M211 내오존 성능기준 10g/m2 이하를 만족하는 것으로 나타났다. 봉공(A)는 겉모양평가 결과 기준을 만족하였지만 질량감소량 평가 결과 만족 하지 못하는 것으로 나타났다.
- 1MPa의 부착성능을 나타내 가장 우수한 것으로 나타났다. 따라서 테프론계 봉공처리제는 오존에 열화되지 않으며 부착성능 증진에 효과적인 것으로 판단된다.
- 44% 로 약 두 배 가량 높게 측정되었다. 또한 Ni, Cr의 함량비가 기존 SUS316L 패널에 비해 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 이유로 기존 공법에서 용접부위의 부식이 문제가 되는 것으로 판단된다.
- 실험결과 용사금속 Ti을 적용한 실험체가 전반적으로 내오존성이 뛰어난 것으로 나타났다. 또한 용사금속 Ti의 봉공(B) 의 질량감소량이 약 0.3g/m2 로 내오존성이 가장 우수한 것으로 나타났으며, SUS316L 봉공(A)의 경우 92.9g/m2 로 Ti-봉공 (B) 대비 약 230배의 질량감소량을 나타내어 가장 높은 질량감소량을 나타냈다. 따라서 용사금속 SUS316L은 오존에 매우 취약한 것으로 판단된다.
- 이는 봉공처리가 용사피막과 콘크리트 사이에 스며들어 접착제 역할을 한 것으로 판단된다. 또한 전체적으로 봉공(A)의 경우를 제외하고 부착강도의 값이 크게 달라지지 않은 것을 확인 할 수 있었다. 이는 봉공(A)의 경우 용사피막과 콘크리트 사이에 접착제 역할을 하던 에폭시계 봉공처리제가 오존에 의해 모두 열화 되어 무처리의 값과 비슷한 부착성능을 나타낸 것으로 판단된다.
- Table 2는 용사금속 종류 및 표면처리 방법에 따른 오존처리 후의 겉모양 평가 결과를 나타낸다. 시험결과 용사금속 Ti 을 적용한 경우 표면처리 방법에 관계없이 육안상 백아화, 균열, 녹, 부풀음, 핀홀, 박리, 패임 등 열화가 관측되지 않았다. 그러나 용사금속 SUS316L을 적용한 경우 봉공(B)를 제외하고 모든 실험체에서 녹, 부풀음, 핀홀 등 열화 발생이 관측되었다.
- 실험결과 Ti-봉공(B) > TI-무처리 > SUS316L-봉공(B) > Ti-연마 > Ti-봉공(A) > SUS316L-연마 > SUS316L-무처리 > SUS316L-봉공(A)의 순으로 내오존성이 뛰어난 것을 확인 할수 있었다.
- 10은 SUS316의 표면처리 방법에 따른 오존처리 전·후의 부착강도 평가 결과를 나타낸다. 실험결과 오존처리 전후에 관계없이 봉공(B)의 경우가 약 3.2MPa로 가장 우수한 부착성능을 보였으며, 무처리의 경우약 오존처리 전 1.6MPa 오존처리 후 약 1.5MPa로 가장 낮은부착성능을 나타냈다. 이는 봉공처리가 용사피막과 콘크리트 사이에 스며들어 접착제 역할을 한 것으로 판단된다.
- 실험결과 용사금속 Ti을 적용한 실험체가 전반적으로 내오존성이 뛰어난 것으로 나타났다. 또한 용사금속 Ti의 봉공(B) 의 질량감소량이 약 0.
- 또한 봉공A에 도포된 에폭시계 봉공처리제는 기존의 내오존도료와 마찬가지로 오존에 의해 모두 열화 되어 표면을 보호하는 코팅이 사라져 SUS316L에 직접적으로 영향을 미쳐 용사된 SUS316L이 열화가 된 것으로 판단된다. 이를 확인하기 위하여 용사 피막의 오존처리 전 후를 SEM으로 관찰한 결과 Table 4와 같이 테프론계 봉공처리제를 도포한 봉공(B)의 경우 오존처리 전후에 관계없이 얇은 코팅막이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었지만, 에폭시계 봉공처리제를 도포한 봉공(A)의 경우 오존처리 전에는 봉공(B)와 마찬가지로 코팅막이 관찰되었지만 오존처리 후에는 코팅막이 열화되어 무처리와 같이 용사 피막이 노출되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 12는 용사금속 피막의 표면처리 방법에 따른 오존처리 후의 부착강도 파괴양상을 나타낸다. 파괴양상을 살펴본 결과 부착강도 SPS 기준(1.5MPa)을 만족하는 실험체의 경우 Fig. 11과 같이 콘크리트 면에서 파괴되는 비계면파괴가 일어났으며, SPS기준을 만족하지 못하는 실험체에서는 Fig. 12와 같이 용사피막만 파괴 되는 계면파괴가 일어난 것을 확인할 수 있었다.
- 파괴형상을 살펴보면 무처리를 제외하고 모두 콘크리트 면이 파괴되는 비계면 파괴가 일어난 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 표면 연마의 경우 9개 중 4번에서 용사피막만 파괴되는 계면파괴가 일어났으며, 나머지 5번은 비계면파괴가 일어난 것을 확인 할 수 있었다.
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