재유화형 분말수지와 초속경 시멘트를 혼입한 모르타르의 압축강도 및 접착강도 특성 Compressive and Adhesive Strengths of Mortars using Re-emulsification Type Polymer and Ultra-Rapid-Hardening Cement원문보기
본 연구의 목적은 기존 콘크리트 건물의 단면확대 내진보강 기술에서 필요한 고유동 고접착성의 보강 모르타르 배합의 개발이다. 보강 모르타르의 목표성능(플로우 220mm 이상, 압축강도 30MPa, 접착강도 1MPa 이상)을 위해 물-결합재비, 잔골재-결합재비, 폴리머-결합재비, 증점제 사용 및 초속경시멘트의 혼입 등을 변수로 단계적으로 배합실험을 수행하였다. 모르타르의 접착강도는 기존 콘크리트의 다양한 면 처리 상태에 따라 평가하였다. 실험결과로부터 단면증설용 보강 모르타르의 배합을 위해 폴리머-결합재비는 10%, 초속경시멘트의 치환율은 5%가 추천될 수 있었는데, 이 배합은 초기 플로우 220 mm, 높은 초기강도 발현, 압축강도 35 MPa 그리고 접착강도 1.2 MPa 이상의 성능을 보였다.
본 연구의 목적은 기존 콘크리트 건물의 단면확대 내진보강 기술에서 필요한 고유동 고접착성의 보강 모르타르 배합의 개발이다. 보강 모르타르의 목표성능(플로우 220mm 이상, 압축강도 30MPa, 접착강도 1MPa 이상)을 위해 물-결합재비, 잔골재-결합재비, 폴리머-결합재비, 증점제 사용 및 초속경시멘트의 혼입 등을 변수로 단계적으로 배합실험을 수행하였다. 모르타르의 접착강도는 기존 콘크리트의 다양한 면 처리 상태에 따라 평가하였다. 실험결과로부터 단면증설용 보강 모르타르의 배합을 위해 폴리머-결합재비는 10%, 초속경시멘트의 치환율은 5%가 추천될 수 있었는데, 이 배합은 초기 플로우 220 mm, 높은 초기강도 발현, 압축강도 35 MPa 그리고 접착강도 1.2 MPa 이상의 성능을 보였다.
The objective of this study is to develop a mortar mixture with high workability and adhesive strength for section jacketing in seismic strengthening technology of existing concrete structures. To achieve targeted requirements of the mortars (initial flow exceeding 200 mm, compressive strength of 30...
The objective of this study is to develop a mortar mixture with high workability and adhesive strength for section jacketing in seismic strengthening technology of existing concrete structures. To achieve targeted requirements of the mortars (initial flow exceeding 200 mm, compressive strength of 30MPa, and adhesive strength exceeding 1MPa), step-by-step tests were conducted under the variation of the following mixture parameters: water-to-binder ratio, sand-to-binder ratio, polymer-to-binder ratio, dosage of viscosity agent, and content of ultra-rapid-hardening cement. The adhesive strength of the mortars was also estimated with respect to the various surface treatment states of existing concrete. Based on the test results, the mortar mixture with the polymer-to-binder ratio of 10% and the content of ultra-rapid-hardening cement of 5% can be recommended for the section jacketing materials. The recommended mortar mixture satisfied the targeted requirements as follows: initial flow of 220 mm, high-early strength gain, 28-day compressive strength of 35MPa, and adhesive strength exceeding 1.2MPa.
The objective of this study is to develop a mortar mixture with high workability and adhesive strength for section jacketing in seismic strengthening technology of existing concrete structures. To achieve targeted requirements of the mortars (initial flow exceeding 200 mm, compressive strength of 30MPa, and adhesive strength exceeding 1MPa), step-by-step tests were conducted under the variation of the following mixture parameters: water-to-binder ratio, sand-to-binder ratio, polymer-to-binder ratio, dosage of viscosity agent, and content of ultra-rapid-hardening cement. The adhesive strength of the mortars was also estimated with respect to the various surface treatment states of existing concrete. Based on the test results, the mortar mixture with the polymer-to-binder ratio of 10% and the content of ultra-rapid-hardening cement of 5% can be recommended for the section jacketing materials. The recommended mortar mixture satisfied the targeted requirements as follows: initial flow of 220 mm, high-early strength gain, 28-day compressive strength of 35MPa, and adhesive strength exceeding 1.2MPa.
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문제 정의
본 연구의 목적은 기존 부재의 단면증설 보강을 위해 필요한 유동성과 높은 접착성의 폴리머 시멘트 모르타르 배합의 개발이다. 이를 위해 물-결합재비(water-to-binder ratio, W/B), 잔골재-결합재비(sand-to-binder ratio, S/B), 폴리머-결합재비(polymer-to-binder ratio, P/B), 증점제 첨가 유무 및 초속경시멘트 치환 비율에 따라 모르타르 배합을 수행하였다.
제안 방법
모르타르의 압축강도를 30MPa 이상으로 한 것은 기존 부재의 콘크리트 압축강도를 21MPa로 가정하여 동일한 수준의 탄성계수를 고려하였기 때문이다. 개발된 보강 모르타르의 접착강도는 기존 콘크리트의 면 처리 특성에 따라 평가하였다.
기준 배합으로서 UHPC와 폴리머가 치환되지 않은 모르타르 C도 준비하였다. 그룹 Ⅰ의 경우 UHPC를 치환하지 않았으며, 주요 변수로서 증점제의 첨가유무와 P/B를 0% 및 5%로 변화하였다. 그룹 I에서 W/B 및 S/B는 각각 45% 및 3.
5%이다. 그룹 Ⅱ에서는 실험변수로서 초속경 시멘트의 치환율을 결합재량의 0%, 5% 및 10%로 변화하였다. 이 때 W/B , S/B 및 P/B는 각각 35%, 2.
기존 부재의 단면증설 보강을 위한 폴리머 시멘트 모르타르 배합의 개발을 위하여 물-결합재비, 잔골재-결합재비, 폴리머-결합재비, 증점제 첨가 유무 및 초속경시멘트 치환 비율의 변수에서 실험을 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
접착강도는 KS F 4042에 따라 70×70×20mm 콘크리트 모재를 제작하였으며, 제작 된 단면증설 보강 모르타르를 타설 한 후 재령 14일 및 28일에서 측정하였다. 단면증설 보강 모르타르 반응생성물은 X선회절 분석(X-ray diffraction, XRD)을 통해 평가하였다.
이를 위해 물-결합재비(water-to-binder ratio, W/B), 잔골재-결합재비(sand-to-binder ratio, S/B), 폴리머-결합재비(polymer-to-binder ratio, P/B), 증점제 첨가 유무 및 초속경시멘트 치환 비율에 따라 모르타르 배합을 수행하였다. 단면증설 보강 모르타르의 목표 성능으로서 접착강도 1.0MPa 이상, 압축강도 30.0MPa 이상 및 플로우 200mm 이상을 설정하였다. 모르타르의 압축강도를 30MPa 이상으로 한 것은 기존 부재의 콘크리트 압축강도를 21MPa로 가정하여 동일한 수준의 탄성계수를 고려하였기 때문이다.
0 및 10%로 고정하였다. 또한 그룹 Ⅱ에서는 단면증설 보강 모르타르의 접착강도를 모재의 면 처리 방법에 따라 평가하였다. 모재의 면 처리 방법은 무 처리, 치핑, 페인트 도포, 접착제 도포 및 치핑+접착제 도포로 구분하였다(Figure 1).
모재의 면 처리 방법은 무 처리, 치핑, 페인트 도포, 접착제 도포 및 치핑+접착제 도포로 구분하였다(Figure 1).모재의 면 처리 방법에 따른 접착강도 변화의 평가는 그룹 Ⅱ의 실험결과에서 우수한 접착강도 성능을 나타낸 G2-2배합을 선정하여 실시하였다.
또한 그룹 Ⅱ에서는 단면증설 보강 모르타르의 접착강도를 모재의 면 처리 방법에 따라 평가하였다. 모재의 면 처리 방법은 무 처리, 치핑, 페인트 도포, 접착제 도포 및 치핑+접착제 도포로 구분하였다(Figure 1).모재의 면 처리 방법에 따른 접착강도 변화의 평가는 그룹 Ⅱ의 실험결과에서 우수한 접착강도 성능을 나타낸 G2-2배합을 선정하여 실시하였다.
단면증설 보강 모르타르의 접착성능 향상을 위한 배합실험의 상세는 Table 4에 나타내었다. 배합실험은 증점제 첨가유무 및 UHPC 사용에 따라 두 그룹으로 구분하였다. 기준 배합으로서 UHPC와 폴리머가 치환되지 않은 모르타르 C도 준비하였다.
배합이 완료된 단면증설 모르타르는 50×50×50mm 큐브형 몰드에 타설 하였으며, 항온항습(습도 60±5%, 온도 20±1℃)의 환경에서 양생을 실시하였다.
본 연구의 목적은 기존 부재의 단면증설 보강을 위해 필요한 유동성과 높은 접착성의 폴리머 시멘트 모르타르 배합의 개발이다. 이를 위해 물-결합재비(water-to-binder ratio, W/B), 잔골재-결합재비(sand-to-binder ratio, S/B), 폴리머-결합재비(polymer-to-binder ratio, P/B), 증점제 첨가 유무 및 초속경시멘트 치환 비율에 따라 모르타르 배합을 수행하였다. 단면증설 보강 모르타르의 목표 성능으로서 접착강도 1.
접착강도는 KS F 4042에 따라 70×70×20mm 콘크리트 모재를 제작하였으며, 제작 된 단면증설 보강 모르타르를 타설 한 후 재령 14일 및 28일에서 측정하였다.
대상 데이터
01g/cm3와 3,000MPa·s인 메틸 셀룰로오스계 증점제를 사용하였다. 감수 제로서는 밀도 및 고체함유량이 각각 1.48g/cm3와 39.8%인 폴리카르본산(polycarboxylic acid, PC)계 재료를 사용하였다. 잔골재는 밀도 및 조립률이 각각 2.
단면증설 모르타르와 모체 콘크리트와의 접착성능 향상을 위한 재료로서 밀도 및 점도가 각각 1.01g/cm3와 3,000MPa·s인 메틸 셀룰로오스계 증점제를 사용하였다.
유리 전이 온도(glass transition temperature, Tg) 및 점성도는 각각 16℃와 2,000MPa·s이다. 더불어, 폴리머의 분산성 확보 및 공기연행 방지를 위해 분산제와 소포제를 사용하였다. 단면증설 모르타르와 모체 콘크리트와의 접착성능 향상을 위한 재료로서 밀도 및 점도가 각각 1.
사용된 폴리머는 밀도 및 평균입자 크기가 각각 0.5g/cm3와 100μm로서 에칠렌 초산 비닐(ethyl vinyl acetate, EVA)계 재유화형 분말 수지이다(Table 3).
8%인 폴리카르본산(polycarboxylic acid, PC)계 재료를 사용하였다. 잔골재는 밀도 및 조립률이 각각 2.60g/cm3와 2.17인 해사를 이용하였다.
이론/모형
단면증설 보강 모르타르의 플로우는 KS L 5111에 따라 측정하였다. 배합이 완료된 단면증설 모르타르는 50×50×50mm 큐브형 몰드에 타설 하였으며, 항온항습(습도 60±5%, 온도 20±1℃)의 환경에서 양생을 실시하였다.
배합이 완료된 단면증설 모르타르는 50×50×50mm 큐브형 몰드에 타설 하였으며, 항온항습(습도 60±5%, 온도 20±1℃)의 환경에서 양생을 실시하였다. 압축강도 측정은 KS L 5105에 따라 재령 1, 3, 7, 14일 및 28일에서 측정하였다. 접착강도는 KS F 4042에 따라 70×70×20mm 콘크리트 모재를 제작하였으며, 제작 된 단면증설 보강 모르타르를 타설 한 후 재령 14일 및 28일에서 측정하였다.
성능/효과
1) 단면증설 보강 모르타르의 유동성은 증점제 사용 및 초속경시멘트의 치환율이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.
2) 폴리머가 5% 치환된 G1-2 및 G1-3 배합의 재령 1일에서의 압축강도는 재령 28일 강도대비 평균 35% 수준이었다.
3) 폴리머가 10% 치환된 G2-2 및 G2-3배합의 28일 접착강도는 초속경시멘트를 혼입하지 않은 G2-1 배합에 비해 약 16∼18% 증가하였다.
4) G2-2 및 G2-3 배합에서 압축강도 루트승으로 무차원한 접착강도 값은 각각 0.201과 0.178로서, 이들 값은 폴리머를 사용하지 않은 G2-1 배합에 비해 각각 31%와 16% 높은 것이다.
5) 개발된 보강 모르타르의 재령 28일 접착강도는 모재콘크리트 면을 치핑 한 경우에서 1.32MPa로 가장 높았으며, 페인트 도포한 콘크리트 면에서는 1.12MPa로 가장 낮았다.
6) 유동성, 압축강도 발현 및 접착강도를 고려하면 단면증설 보강 모르타르로서 P/B가 10%, 초속경시멘트 치환율이 5%인 G2-2 배합이 추천될 수 있었다. 이 배합은 플로우가 220mm, 높은 초기강도 발현, 28일 압축강도가 35MPa 및 접착강도는 1.
그룹Ⅱ에서는 UHPC를 사용한 모르타르의 재령 1일 압축강도 발현율은 그룹 I의 폴리머 시멘트 모르타르보다 낮았다. UHPC가 5% 치환된 G2-2 배합의 재령 1일 압축강도 발현율은 37%로 G2-1보다 높았다. UHPC를 혼입하지 않은 G2-1 배합의 재령 1일 압축강도 발현율은 16%로 가장 낮았다.
UHPC가 5% 치환된 G2-2 배합의 재령 1일 압축강도 발현율은 37%로 G2-1보다 높았다. UHPC를 혼입하지 않은 G2-1 배합의 재령 1일 압축강도 발현율은 16%로 가장 낮았다. UHPC 가 10% 치환된 G2-3 배합의 경우 재령 1일 압축강도 발현율은 33% 수준으로 G2-2 배합과 비슷하였다.
OPC의 주요 화학 성분은 CaO 및 SiO2 로서 전체 화학 조성의 약 83%를 차지하였다. URHC는 CaO, Al2O3 및 SO3가 주요성분으로 전체 화학 조성중 약 83%를 차지하는데, Al2O3 및 SO3가 OPC에 비해 각각 10% 및 13% 높았다. OPC 및 URHC의 광물 조성을 Table 2 에 나타내었다.
그룹 I에서 측정한 단면증설 보강 모르타르의 재령 28일 압축강도(fck)는 폴리머를 혼합한 경우 감소하는 경향을 보였다(Table 5). 기준 배합인 C의 fck는 29.
이는 폴리머 사용에 의한 시멘트 수화과정에서 자체강도를 가지고 있지 않은 폴리머 필름의 형성과 함께 연행공기량의 발생이 증가함에 따라 강도가 저하된 것으로 판단된다[7]. 그룹 Ⅱ에서의 fck는 UHPC를 혼입하지 않은 G2-1 배합이 44.5MPa로 가장 높았다. UHPC를 10% 첨가한 G2-3 배합의 경우에는 재령 28 압축강도가 44.
이는 유동성 측정 결과와 마찬가지로 UHPC의 높은 분말도에 따른 시멘트 페이스트의 점성 증가에 의한 영향으로 판단된다. 더불어, 재령 28일에서그룹Ⅱ의 모든 배합에서는 KS F4042에 제시된 폴리머 시멘트 모르타르의 품질규격에서 요구하는 접착강도(1.0MPa 이상)를 만족하였다.
모든 시험체에서 Ca(OH)2의 피크강도가 18° 및 34°(2 theta) 부근에서 형성되었으며, Ca2SiO4에 경우 32°(2 theta) 부근에서 피크 강도가 관찰되었다.
단면증설 모르타르 페이스트의 XRD 분석 결과를 Figure 6에 나타내었다. 모든 시험체에서 수산화칼슘(Ca(OH)2), 칼슘실리케이트(Ca2SiO4), 에트린가이트(Ettringite) 및 SiO2가 관찰되었다. 기준 배합 C 및 그룹 Ⅰ에서 시멘트 페이스트의 수화 생성물은 폴리머 및 증점제 첨가량 변화에 따라 차이를 보이지 않았다.
28 MPa로 가장 낮았는데, 이 값은 G1-2 배합에 비해 약 45% 낮은 것이다. 압축강도 결과와 비교할 때 폴리머를 혼입한 배합은 압축강도 발현은 낮지만, 접착강도는 상대적으로 높은 경향을 보였다. 이는 폴리머 혼입에 따른 폴리머 필름이 시멘트 수화물과 골재간의 모르타르 접착력 개선 및 모재와의 계면의 결합력 증가로 접착강도가 높아진 것으로 판단된다[7].
6) 유동성, 압축강도 발현 및 접착강도를 고려하면 단면증설 보강 모르타르로서 P/B가 10%, 초속경시멘트 치환율이 5%인 G2-2 배합이 추천될 수 있었다. 이 배합은 플로우가 220mm, 높은 초기강도 발현, 28일 압축강도가 35MPa 및 접착강도는 1.2MPa 이상의 성능을 보였다.
재령 28일 부착강도 측정결과 가장 우수한 접착 성능을 나타낸 G2-2 배합에서 모재의 면 처리 변화에 따른 접착강도 측정 결과 및 파괴 단면의 형상을 각각 Figure 4와 Figure 5에 나타내었다. 콘크리트 모재에서 다양한 면처리에 따른 접착강도는 치핑처리의 경우에서 1.32MPa로 가장 높았다. 콘크리트 면을 페인트 도포한 경우의 접착강도는 1.
기준 배합인 C의 재령 1일 압축강도 발현율은 45%이었다. 한편, P/B가 5%인 G1-2 배합의 재령 1일 압축강도 발현율은 53%로 가장 높았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구조물의 내진보강을 위한 실용적인 기술에는 무엇이 있는 가?
최근 경주, 포항 등의 지진 발생으로 기존 구조물의 내진보강에 대한 관심이 높아지고 있다[1]. 구조물의 내진보강을 위한 실용적인 기술로는 유리섬유 및 탄소섬유 시트 공법, 강판 접착공법 및 단면증설 공법 등이 있다. 섬유 시트 및 유리섬유 등은 가볍고 시공성은 우수하지만 보강재가 외부에 노출되어 있어 화학적인 침식이나 화재에 대한 약점이 있다.
보수·보강 모르타르의 접착성능 향상을 위해 제시한 폴리머-시멘트비를 높이는 방법의 단점은?
보수·보강 모르타르의 접착성능 향상을 위해 Kim[4]은 폴리머-시멘트비(Polymer-to cement ratio, P/C)를 높이는 방법을 제시하였다. 그러나 폴리머-시멘트비가 증가할수록 모르타르의 압축강도는 오히려 감소하는 경향을 보였다. Lee et al.
본 연구에서 보강 모르타르의 목표성능은?
본 연구의 목적은 기존 콘크리트 건물의 단면확대 내진보강 기술에서 필요한 고유동 고접착성의 보강 모르타르 배합의 개발이다. 보강 모르타르의 목표성능(플로우 220mm 이상, 압축강도 30MPa, 접착강도 1MPa 이상)을 위해 물-결합재비, 잔골재-결합재비, 폴리머-결합재비, 증점제 사용 및 초속경시멘트의 혼입 등을 변수로 단계적으로 배합실험을 수행하였다. 모르타르의 접착강도는 기존 콘크리트의 다양한 면 처리 상태에 따라 평가하였다.
참고문헌 (9)
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