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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 내구성이 우수하여 콘크리트 표면 오버 레이용 보수재로 사용가능한 고성능 재료에 관한 연구로써 초속경 시멘트와 시멘트 혼화용 라텍스를 결합재로 사용하고, 메타카올린을 첨가함으로써 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 폴리머-결합재비 및 메타카올린 첨가량의 영향에 따른 강도 및 내구성능을 검토하였다.
- 본 연구는 초속경 시멘트 콘크리트의 강도 및 내구성능을 향상시키고자 초속경 시멘트에 시멘트 혼화용 폴리머와 고반 응성 광물질 혼화재인 메타카올린을 혼합하여 조기교통개방이 가능한 초기강도발현과 내구성 개선을 목적으로 개발하여 물리·역학적 특성 및 내구특성에 대한 실험을 수행하여 기존 초속경 시멘트 모르타르와 비교 · 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- KS F 2403 (콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법)에 준하여 단위 시멘트량 320 kg/m3, 폴리머-결합재비 (P/B)를 0, 5, 10, 15 및 20 % (질량비), 메타카올린 첨가량(Metakaolin content)을 0, 3, 4, 5 및 6 % (시멘트 대비, 질량비), 물-결합재비 (W/B)를 38 %로 고정하여 Table 5와 같은 배합으로 시험체를 제작한 후, 2일 습윤양생(20 ℃, 80 % RH), 26일 건조양생(20 ℃, 60 % RH)을 실시하여 시험체를 제작하였다.
- 정치 개시 시부터 28일 경과한 후에 시험체를 꺼내서 다시 온도 (20±2) ℃, 상대 습도 (60±10) %로 24시간 정치 후에 이분할 하였다. 그 단면에 페놀프탈레인 1 % 알코올 용액을 분무하여 빨갛게 변하지 않은 부분이 탄산화 영역으로 탄산화 깊이를 측정하였다.
- 시멘트 혼화용 라텍스는 아크릴 에멀젼과 폴리메틸아크릴 레이트를 혼입한 라텍스를 사용하였다. 또한 라텍스에 대해 실리콘계 소포제를 0.9 % (질량비) 첨가하였다. 라텍스의 성질은 Table 4와 같다.
- 동결융해시험은 동결융해시험용 시험체를 대상으로 KS F 2456 (급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법)에 준하여 수중 급속 동결융해시험을 하였으며, 이때 시험체의 온도는 동결시 -18 ℃, 융해시 4 ℃가 되게 하였고, 동결융해의 1사이클은 2시간 40분이 소요되었다. 시험기간 동안 매 50사이클 간격으로 중량감소, 초음파진동속도, 상대 동탄성 계수를 측정하였고, 동결융해의 반복이 300사이클이 되었을 때 시험을 완료하였으며, 이때 식(2)에 의하여 내구성 지수를 산출하였다.
- 염소이온 침투저항성 시험은 KS F 2711 (전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투저항성 시험 방법)에 준하여 수행하였다. 염소이온 침투저항성 시험방법은 28일간 수중 양생한 시험체에서 직경 10 cm 코어를 채취하여 높이가 5 cm가 되도록 절단하고 실험을 수행하기 전까지 상대습도 95 % 이상 유지시킨 후 A.V. Cell에 고정하여 전하량을 산정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 잔골재 및 굵은 골재는 부순모래 및 쇄석을 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 3과 같다.
- 본 연구에 사용된 시멘트는 초속경 시멘트를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 1과 같다.
- 시멘트 혼화용 라텍스는 아크릴 에멀젼과 폴리메틸아크릴 레이트를 혼입한 라텍스를 사용하였다. 또한 라텍스에 대해 실리콘계 소포제를 0.
이론/모형
- KS F 2424 (모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법)에 준하여 건조 재령 28일에서의 길이변화율을 측정하였다.
- KS F 2476 (폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법)에 준하여 건조양생 후, 80 ℃의 건조로에서 48시간 건조시킨 시험체의 질량을 측정하고, 20 ℃의 맑은 물 안에서 48시간 동안 침지한후 질량을 측정하여 흡수율을 식(1)에 의해 산출하였다.
- 동결융해시험은 동결융해시험용 시험체를 대상으로 KS F 2456 (급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법)에 준하여 수중 급속 동결융해시험을 하였으며, 이때 시험체의 온도는 동결시 -18 ℃, 융해시 4 ℃가 되게 하였고, 동결융해의 1사이클은 2시간 40분이 소요되었다. 시험기간 동안 매 50사이클 간격으로 중량감소, 초음파진동속도, 상대 동탄성 계수를 측정하였고, 동결융해의 반복이 300사이클이 되었을 때 시험을 완료하였으며, 이때 식(2)에 의하여 내구성 지수를 산출하였다.
- 염소이온 침투저항성 시험은 KS F 2711 (전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투저항성 시험 방법)에 준하여 수행하였다. 염소이온 침투저항성 시험방법은 28일간 수중 양생한 시험체에서 직경 10 cm 코어를 채취하여 높이가 5 cm가 되도록 절단하고 실험을 수행하기 전까지 상대습도 95 % 이상 유지시킨 후 A.
- 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 압축, 휨 및 부착강도 시험을 각각 KS F 2405 (콘크리트의 압축강도 시험 방법), KS F 2408 (콘크리트의 휨강도 시험방법) 및 KS F 2762 (콘크리트 보수·보호재의 접착강도 시험방법)에 의하여 건조 재령 4시간 및 28일에서의 강도 시험을 실시하였다.
- 탄산화 시험은 KS F 2476 (폴리머 시멘트 모르타르의 시험 방법)에 규정된 방법에 의해 실시하였다. 탄산화 깊이 시험에 사용하는 시험체를 양생 종료 3일 전에 시험체의 양 끝부를 KS M 6030에 규정하는 6종 또는 이것과 같은 정도의 성능을 가진 에폭시 수지 도료로 밀봉시키고, 시험체를 온도 (30±2) ℃, 상대 습도 (60±10) %, 이산화탄소 농도 5.
성능/효과
- 1) 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 압축, 휨 및 접착강도는 폴리머-결합재비의 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였 으나, 압축강도에서는 폴리머-결합재비 20 %에서 약간 감소하는 경향을 보였다.
- 2) 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율, 염화물 이온 침투 저항성 및 탄산화 깊이는 폴리머-결합재비가 증가할수록, 메타카올린 첨가량 5 %까지 감소하였고, 보통 초속경 시멘트 콘크리트보다 각각 1/2 ~ 1/3정도로 감소하여 매우 우수하게 나타났다.
- 3) 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 건조수축은 폴리머 - 결합재비 및 메타카올린 첨가량의 증가에 따라 감소하였고, 보통 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트보다 약 1/3정도 낮은 값을 나타내 건조수축에 의한 균열저항성이 우수하였다.
- 4) 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 동결융해 저항성은 폴리머-결합재비 및 메타카올린 첨가량의 증가에 따라 개선되 었고, 보통 초속경 시멘트 콘크리트보다 메타카올린 첨가량 6% 및 폴리머-결합재비 20%인 경우 약 35% 정도 개선 되었다.
- 6) 이상의 결과로부터, 본 연구의 초속경 폴리머 시멘트 콘크 리트의 최적 배합비를 폴리머-결합재비 10 ~ 15 % 및 메타 카올린 첨가량 5 %로 도출하였다. 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트는 고내구성을 요구하는 긴급공사에 활용 가능성이 높아 추후의 연구를 통하여 현장 적용성을 평가할 예정이다.
- 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율은 폴리머-결합재비의 증가에 따라서 감소 하는 경향을 나타냈다. 또한 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율은 보통 초속경 시멘트 콘크리트에 비해 약 1/3정도로 매우 우수한 내수성을 나타났다. 또한, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율은 메타카올린 첨가량 5 %까지나 감소 하다가 6 %에서는 다소 증가하는 경향을 보였다.
- , 2005(a)). 또한, 초속경 폴리머 시멘트 모르타르의 압축강도는 재령이 경과됨에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이것은 재령이 경과함에 따라 시멘트의 수산화칼슘과 메타카올린의 포졸란 반응으로 C-S-H 수화물 또는 C-A-H 수화물을 생성 하여 경화 페이스트 조직을 치밀하게 하고, 미세한 입자가 마이크로 충전 효과의 역할을 함으로써 콘크리트 내부조직이 치밀하게 되었기 때문이라 판단된다(Khatib and Wild, 1996).
- , 2005(b)). 또한, 초속경 폴리머 시멘트 모르타르의 휨강도는 재령이 경과됨에 따라 증가 하는 경향을 보였다. 이것은 Photo.
- 또한 폴리머 혼입에 의하여 모세관 중의 물의 표면장력이 적어지고, 물의 주곡률 반경(Meniscus)이 커져 모세관에 발생하는 압력이 저하되기 때문이라 사료된다(Kim, 1998(a)). 또한, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 건조수축은 메타카올린 첨가량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이것은 플라이애쉬와 마찬가지로 메타카올린 첨가량이 증가할수록 초속경 시멘트의 수화열을 낮춰 초기팽창과 수축을 줄이기 때문 이라 판단된다(Choi, 2010).
- 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 내구성 지수는 폴리머-결합재비의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 또한, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 내구성 지수는 메타카올린 첨가량의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이러한 동결융해 저항성의 개선효과는 물-시멘트비의 감소, 폴리머 필름 형성에 의한 미세한 공극의 충전 및 폴리머와 계면활성제에 의한 공기연행의상승효과에 기인하기 때문이라 판단되며(Kim, 1998(b)), 메타카올린이 콘크리트 내부의 큰 공극은 줄이는 대신 상대적 으로 0.
- 또한 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율은 보통 초속경 시멘트 콘크리트에 비해 약 1/3정도로 매우 우수한 내수성을 나타났다. 또한, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율은 메타카올린 첨가량 5 %까지나 감소 하다가 6 %에서는 다소 증가하는 경향을 보였다. 이처럼 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율이 작아지는 것은 콘크리트 중에 형성된 균일한 폴리머 필름에 의한 수밀성 확보와 폴리머의 혼입에 따른 시멘트와 골재간의 접착력이 개선 되어 치밀한 내부조직이 형성되기 때문인 것으로 판단된다 (Kim et al.
- 2는 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 압축강도와 폴리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 메타카올린 첨가량에 관계없이 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 압축강도는 폴리머-결합재비가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으나, 폴리머-결합재비 20 %에서는 감소하는 경향이 나타났다. 이는 폴리머 시멘트 콘크리트는 동일한 슬럼프 값을 기준으로 할 경우, 폴리머-결합재비가 증가할수록 물-결합재비가 감소하고 소포제 첨가량 증가로 공극량이 줄어들어 압축강 도가 증가한다.
- 4는 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 접착강도와 폴리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 메타카올린 첨가량에 관계없이, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 접착강도는 폴리머-결합재비의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이 같은 접착 강도의 발현은 초속경 폴리머 시멘트 모르타르의 접착 계면에 형성된 폴리머 필름에 의해 모재와 초속경 폴리머 시멘트 모르타르간의 치밀한 조직이 형성되고, 초속경 폴리머 시멘트 모르타르의 우수한 보수성에 의한 바탕 모르타르에서 모재에의 흡수가 감소하여 드라이 아웃 (Dry out)이 저지되었기 때문이라 판단된다(Kim, 2006).
- 3은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 휨강도와 폴리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 메타카올린 첨가량에관계없이, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 휨강도는 폴리머-결합재비의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이 같은 휨 강도의 발현은 폴리머-결합재비가 증가할수록 물-결합재 비가 감소하기 때문이고, 수지의 필름막 형성에 의한 시멘트 페이스트와 골재 사이의 부착력 향상과 폴리머 입자의 미세공극 충전효과에 따라 강도가 개선된 것으로 판단된다(Hwang and Ko, 2008).
- 6은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 건조수축과 폴리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 건조수축은 폴리머-결합재비의 증가에 따라서 감소하는 경향을 나타냈다. 수지를 혼입한 폴리머 시멘트 모르타르에 관한 연구들에서 건조수축은 폴리머-결합재비가 증가함에 따라 물-결합재비가 감소하고, 폴리머 시멘트 콘크리 트의 내부에 폴리머 필름 형성에 의한 보수성 향상으로 증발 수량이 감소하기 때문인 것으로 판단된다(Lee and Joo, 2003).
- 9는 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 내구성 지수와 폴리머-결합재비와의 관계를 나타낸 것이다. 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 내구성 지수는 폴리머-결합재비의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 또한, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 내구성 지수는 메타카올린 첨가량의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다.
- 7은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 염화물 이온 침투 저항성과 폴리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 염화물 이온 침투 저항성은 폴리머-결합재비의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이것은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트 중에 형성된 폴리머 필름이 다수의 공극을 차단하고 폴리머 시멘트 모르타르의 보수 성으로 인해 지속적인 수화반응을 촉진시켜 콘크리트 조직을 치밀하게 하기 때문이라 판단된다(Jo, 2009).
- 8은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 탄산화 깊이와 폴리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 탄산화 깊이는 폴리머-결합재비의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이것은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트 중에 형성된 불투기성 폴리머 필름의 양이 증가하여 이산화탄소의 침투 및 확산이 억제되었기 때문이라 판단된다(Bae and Hwang, 2013).
- 5는 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율과 폴리머-결합재비의 관계를 나타낸 것이다. 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율은 폴리머-결합재비의 증가에 따라서 감소 하는 경향을 나타냈다. 또한 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 흡수율은 보통 초속경 시멘트 콘크리트에 비해 약 1/3정도로 매우 우수한 내수성을 나타났다.
- 이는 탄성계수가 매우 낮은 폴리머 필름의 형성률이 높기 때문이라 판단된다(Su, 1995) 즉 폴리머-결합재비 20 %에서 압축강도가 감소한 것은 폴리머-결합재비 15 %와 동일한 물-시멘트비에서 폴리머-결합재비가 증가했기 때문이라 판단된다. 한편, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 압축강도는 폴리머-결합재비에 관계없이, 메타카올린 첨가량 5 %까지는 증가하다가 6 %에서는 감소하는 경향을 보였다. 이것은 메타카올린 첨가량 5 %까지는 초속경 시멘트의 에트린자이트의 생성과 시멘트의 C 3 S의 활성도를 촉진시켰기 때문이라고 판단되며, 첨가량 6 % 에서 강도가 감소한 것은 과다한 양의 메타카올린의 첨가로 인해 초기에 높은 수화열을 억제시켜 초기강도발현과 함께 미소공극을 충전시켜 조직을 치밀하게 하는 칼슘알루미늄 모노설페이트 수화물이나 에트린자이트의 생성을 방해했기 때문으로 사료된다(Moon et al.
- 이것은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트 중에 형성된 폴리머 필름이 다수의 공극을 차단하고 폴리머 시멘트 모르타르의 보수 성으로 인해 지속적인 수화반응을 촉진시켜 콘크리트 조직을 치밀하게 하기 때문이라 판단된다(Jo, 2009). 한편, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 염화물 이온 침투 저항성은 폴리머-결합재비에 관계없이, 메타카올린 첨가량 5 %까지는 감소하 다가 6 %에서는 증가하는 경향을 보였다. 이것은 초기 에트린자이트의 생성과 마이크로 충전효과에 의해 감소하다가 칼슘 알루미늄 모노설페이트 수화물이나 에트린자이트의 생성을 방해하기 때문으로 사료된다(Moon et al.
- 이 같은 접착 강도의 발현은 초속경 폴리머 시멘트 모르타르의 접착 계면에 형성된 폴리머 필름에 의해 모재와 초속경 폴리머 시멘트 모르타르간의 치밀한 조직이 형성되고, 초속경 폴리머 시멘트 모르타르의 우수한 보수성에 의한 바탕 모르타르에서 모재에의 흡수가 감소하여 드라이 아웃 (Dry out)이 저지되었기 때문이라 판단된다(Kim, 2006). 한편, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 접착강도는 폴리머-결합재비에 관계없이, 메타카올린 첨가량 5 %까지는 증가하다가 6 %에서는 감소하는 경향을 보였다. 이는 압축 및 휨강도 발현효과와 마찬가지로 칼슘알루미늄 모노설페이트 수화물이나 에트린자이 트의 생성을 방해했기 때문이라고 사료된다(Moon et al.
- 이것은 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트 중에 형성된 불투기성 폴리머 필름의 양이 증가하여 이산화탄소의 침투 및 확산이 억제되었기 때문이라 판단된다(Bae and Hwang, 2013). 한편, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 탄산화 깊이는 폴리머-결합재비에 관계없이, 메타 카올린 첨가량 5 %까지는 감소하다가 6 %에서는 증가하는 경향을 보였다. 이것은 메타카올린과 같은 포졸란 재료는 콘크리트 중의 CaOH2 과 포졸란 반응에 의해 수화생성물인 C-S-H 및 C-A-H를 생성함으로써 콘크리트 중의 CaOH2 을 소요하게 되어 알칼리도가 감소하기 때문인 것으로 판단된다.
- 이 같은 휨 강도의 발현은 폴리머-결합재비가 증가할수록 물-결합재 비가 감소하기 때문이고, 수지의 필름막 형성에 의한 시멘트 페이스트와 골재 사이의 부착력 향상과 폴리머 입자의 미세공극 충전효과에 따라 강도가 개선된 것으로 판단된다(Hwang and Ko, 2008). 한편, 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트의 휨강도는 폴리머-결합재비에 관계없이, 메타카올린 첨가량 5 %까지는 증가하다가 6 %에서는 감소하는 경향을 보였다. 이것은 압축강도 발현효과와 마찬가지로 칼슘알루미늄모노설페이트 수화물이나 에트린자이트의 생성을 방해했기때문으로 사료된다(Moon et al.
후속연구
- 6) 이상의 결과로부터, 본 연구의 초속경 폴리머 시멘트 콘크 리트의 최적 배합비를 폴리머-결합재비 10 ~ 15 % 및 메타 카올린 첨가량 5 %로 도출하였다. 초속경 폴리머 시멘트 콘크리트는 고내구성을 요구하는 긴급공사에 활용 가능성이 높아 추후의 연구를 통하여 현장 적용성을 평가할 예정이다.
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