[논문]차수용 박층 멤브레인의 장기 성능 변화에 관한 실험 연구

최순욱; 김진태; 최명식; 장수호; 강태호; 이철호

doi:10.12814/jkgss.2019.18.4.015

차수용 박층 멤브레인의 장기 성능 변화에 관한 실험 연구
Experimental Study on Long-term Characteristics of Sprayable Waterproofing Membrane 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.18 no.4, 2019년, pp.15 - 23

최순욱 (Department of Infrastructure Safety Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) , 김진태 (SILKROAD T&D) , 최명식 (SILKROAD T&D) , 장수호 (Construction Industry Promotion Department, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) , 강태호 (Department of Infrastructure Safety Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) , 이철호 (Department of Infrastructure Safety Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology)

초록
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차수용 박층 멤브레인은 토목분야에 최근 소개된 재료로서 1상 또는 2상의 분말 또는 액상의 재료를 대상이 되는 면에 펌프와 노즐을 사용하여 뿜어 붙이는 재료이다. 재료적인 특성은 연구를 통해 특성이 점차 보고되고 있으나 차수용 박층 멤브레인과 함께 사용되는 콘크리트 재료에 비해 장기적인 성능에 관한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 아레니우스 반응식을 사용하여 재료의 장기적인 성능을 추정하고자 하였다. 연구에 사용된 온도조건은 65℃, 80℃ 그리고 95℃로 구분하였으며 장기 거동을 확인하고자 차수용 박층 멤브레인을 콘크리트 블록에 부착한 상태에서 해당 온도를 유지하였다. 일정한 온도가 유지된 차수용 박층 멤브레인은 30, 90, 150, 200, 300일을 기준으로 시간이 경과된 시점에서 순차적으로 인장강도 및 부착강도 실험을 진행하였으며, 차수용 박층 멤브레인이 온도와 시간에 의한 특성 변화를 추정하여 재료의 장기 성능을 판단하고자 하였다. 실험을 통해 차수용 박층 멤브레인 성능기준의 50% 수준에 도달하는 시간을 간접적으로 추정할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The sprayable waterproofing membrane is a recently introduced material in the civil engineering field, and is a material that sprays and attaches a single phase or two phase powder or liquid material to a surface to be covered using a pump and nozzle. Although the material properties are gradually reported through researches, there is a lack of studies on long-term performance compared to concrete materials used with the membranes. In this study, the long-term performance of materials was estimated using the Arrhenius equation. The temperature conditions used in this study were 65℃, 80℃ and 95℃, and the temperature was maintained with the membrane attached to the concrete block for long-term behavior. Then the membranes were tested for tensile strength and adhesion strength in the order of 30, 90, 150, 200, and 300 days. The long-term performance of the material was determined from a long-term perspective by estimating the activation energy by the Arrhenius equation. Consequently, the time to reach 50% of the performance standard could be estimated by long-term test.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Preparing of specimen for the long-term test
그림 Fig. 2. Schematics of the pull-off test (ASTM C1583, 2013)
그림 Fig. 3. Picture of the Pull-off test: (a) dolly, (b) test equipment for rectangular dolly, (c) test equipment for circle dolly
그림 Fig. 4. Picture of specimens for tensile test at 90 days
표 Table 1. Test schedule for long-term test
그림 Fig. 5. Property changes with incubation time at 115℃ air incubation (Husan and Guan, 1998)
그림 Fig. 6. Tensile strength changes with aging time at different conditions (65, 80, 95℃)
그림 Fig. 7. Bond strength changes with aging time at different conditions (65, 80, 95℃)
그림 Fig. 8. Elongation changes with aging time at different conditions (65, 80, 95℃)

AI 본문요약
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문제 정의

(1) 본 연구에서는 차수용 박층 멤브레인의 장기 성능 변화를 정량적으로 파악하기 위해 차수용 박층 멤브레인을 특정 온도에서 일정시간 에이징(aging) 후 인장강도와 부착강도 실험을 각각 진행하여 재료의 장기특성 변화를 아레니우스 방정식을 통해 간접적으로 검토하는 방안을 검토하였다.
차수용 박층 멤브레인에 사용되는 EVA(Ethylene-Vinyl Acetate)는 폴리올레핀의 한 종류이다. 본 연구에서는 차수용 박층 멤브레인의 장기 성능 변화를 관찰하기 상이한 온도 조건에서 나타나는 산화거동을 관찰하고자 하였으며 이를 정량적으로 파악하기 위해 차수용 박층 멤브레인을 일정한 온도에서 일정시간 에이징(aging) 후 인장강도와 부착강도 실험을 진행하여 재료의 물리적 특성 변화를 간접적으로 검토하였다. 연구에 사용된 온도조건은 65°C, 80°C 그리고 95°C로 구분하였으며 실제적인 거동을 확인하고자 차수용 박층 멤브레인을 콘크리트 블록에 부착한 상태에서 해당 온도를 유지하였다.
차수용 박층 멤브레인의 차수 장기 성능을 직접적으로 측정할 수 있는 방법이 현실적으로 어렵기 때문에 이를 간접적으로 파악하기 위하여 인장시험과 부착강도 시험을 토대로 측정된 인장강도, 신율, 부착강도를 관찰하여 온도에 따른 활성화 에너지를 추정하고 해당 서비스 시간 동안의 성능 변화를 추정하고자 하였다. 따라서 부착강도 시험을 위한 시험체는 콘크리트 표면에 부착하여 동일한 구조체로 함께 거동할 수 있도록 시료를 제작하였다.

제안 방법

(2) 실험을 통해, 차수용 박층 멤브레인의 성능기준으로 사용되는 ITAtech(2013)와 EFNARC(2008)의 가이드라인을 기준으로 50% 성능 수준에 도달하는 시간을 추정하였다. 인장강도의 경우, 상온(20°C)에서 성능기준 50%에 도달하는 시간은 약 11,453.
인장시험에서 나타난 인장강도와 파괴 시 신율은 3회 실시한 후 평균값을 사용하였다. 각각의 시험은 건조로 에이징 일자를 기준으로 30, 90, 163, 200, 300일에 시료를 꺼내 24시간 상온 방치한 뒤 수행되었다(Table 1). 본 연구에서는 300일까지의 시험결과를 정리한 것이며 해당 시험은 추후 700일까지 수행할 예정이다.
차수용 박층 멤브레인의 차수 장기 성능을 직접적으로 측정할 수 있는 방법이 현실적으로 어렵기 때문에 이를 간접적으로 파악하기 위하여 인장시험과 부착강도 시험을 토대로 측정된 인장강도, 신율, 부착강도를 관찰하여 온도에 따른 활성화 에너지를 추정하고 해당 서비스 시간 동안의 성능 변화를 추정하고자 하였다. 따라서 부착강도 시험을 위한 시험체는 콘크리트 표면에 부착하여 동일한 구조체로 함께 거동할 수 있도록 시료를 제작하였다. Fig.
또한, 인장강도 시험은 기존 성능 기준 시험과 마찬가지로 해당 시간까지 온도로 산화를 가속화한 시료에 대해 ASTM D638(2010) 기준에 맞도록 시험을 수행하였으며 인장시험에서도 24시간 시료를 상온에서 방치하고 온도를 낮추는 과정을 거쳤다. Fig.
멤브레인이 부착된 콘크리트 몰드는 건조기에 구분하여 안착시킨 이후 65, 80, 95°C를 유지시킨 상태에서 온도에 따른 물성변화를 관찰하였다.
본 연구에서는 계획된 시간동안 건조로를 통해 재료의 산화과정을 가속화 하고 특정 시기에 시험을 수행하였다. 건조로에서 시료를 꺼낸 직후에는 시료가 상온에 비해 상대적으로 가열된 상태이기 때문에 24시간 상온에서 대기한 뒤 시험을 수행하는 것이 적합한 것으로 알려져 있다(Husan et al.
본 연구에서는 차수용 박층 멤브레인의 장기성능 추정을 위하여 건조로를 사용하여 60, 85, 95°C에서 온도 가속화 시험을 진행하고 물성 변화를 관찰하였다.
아레니우스 방정식을 통해 도출되는 반응성 계수는 재료 자체의 온도에 따른 물성 변화를 포함한 모든 반응을 함축하고 있기 때문에 본 연구에서는 재료의 온도에 따른 변화를 포함하여 계산에 반영하였다. 즉, 시간에 따라 나타나는 물성의 변화를 선형회귀분석에 따른 추세선으로 일반화하고 ITAtech(2013)이나 EFNARC(2008)에서 제시하는 방수 멤브레인과 TSL(Thin Spray-on Liner)의 성능기준의 50%에 도달하는 시간을 제품의 수명으로 판단하였다.
연구에 사용된 온도조건은 65°C, 80°C 그리고 95°C로 구분하였으며 실제적인 거동을 확인하고자 차수용 박층 멤브레인을 콘크리트 블록에 부착한 상태에서 해당 온도를 유지하였다.
멤브레인이 부착된 콘크리트 몰드는 건조기에 구분하여 안착시킨 이후 65, 80, 95°C를 유지시킨 상태에서 온도에 따른 물성변화를 관찰하였다. 인장강도를 추정하기 위하여 인장강도 시편은 규격(ASTM D638-14)에 맞도록 제작한 후 건조로 에이징(aging) 과정을 수행하였으며 각각의 온도로 설정된 3개의 건조로를 사용하여 시간에 따른 인장강도 변화를 추정하고자 하였다. 시험에 사용된 부착강도와 인장시험의 멤브레인 두께는 약 3mm를 유지하도록 제작하였다.
연구에 사용된 온도조건은 65°C, 80°C 그리고 95°C로 구분하였으며 실제적인 거동을 확인하고자 차수용 박층 멤브레인을 콘크리트 블록에 부착한 상태에서 해당 온도를 유지하였다. 일정한 온도가 유지된 차수용 박층 멤브레인은 30, 90, 150, 200, 300일을 기준으로 시간이 경과된 시점에서 순차적으로 인장강도 및 부착강도 실험을 진행하였으며, 차수용 박층 멤브레인이 온도에 의해 산화되는 에너지인 활성화 에너지를 추정하여 장기적인 관점에서 재료의 장기성능을 판단하고자 하였다.
아레니우스 방정식을 통해 도출되는 반응성 계수는 재료 자체의 온도에 따른 물성 변화를 포함한 모든 반응을 함축하고 있기 때문에 본 연구에서는 재료의 온도에 따른 변화를 포함하여 계산에 반영하였다. 즉, 시간에 따라 나타나는 물성의 변화를 선형회귀분석에 따른 추세선으로 일반화하고 ITAtech(2013)이나 EFNARC(2008)에서 제시하는 방수 멤브레인과 TSL(Thin Spray-on Liner)의 성능기준의 50%에 도달하는 시간을 제품의 수명으로 판단하였다. 이는 연구에서 고려한 예측 기준으로 외국의 성능기준에서는 장기 성능 예측과 관련한 별도의 기준을 정의하고 있지 않고 있다.

대상 데이터

3(a)는 본 연구에서 수행한 부착강도 시험 준비 모습을 나타낸다. 부착강도 시험을 위해 시편에 부착된 돌리(dolly)는 에폭시 재료를 사용하여 부착하였으며 에폭시 도포 후 24시간 이상 완전히 부착되도록 대기하였다. 본 연구에서 제시하는 차수용 박층 멤브레인 재료는 부착강도가 6MPa 이상 나타나기 때문에(Lee et al.
인장강도를 추정하기 위하여 인장강도 시편은 규격(ASTM D638-14)에 맞도록 제작한 후 건조로 에이징(aging) 과정을 수행하였으며 각각의 온도로 설정된 3개의 건조로를 사용하여 시간에 따른 인장강도 변화를 추정하고자 하였다. 시험에 사용된 부착강도와 인장시험의 멤브레인 두께는 약 3mm를 유지하도록 제작하였다.

데이터처리

4는 준비된 각각의 시료에 대해 인장시험을 수행하는 모습이다. 인장시험에서 나타난 인장강도와 파괴 시 신율은 3회 실시한 후 평균값을 사용하였다. 각각의 시험은 건조로 에이징 일자를 기준으로 30, 90, 163, 200, 300일에 시료를 꺼내 24시간 상온 방치한 뒤 수행되었다(Table 1).

성능/효과

(3) 본 연구에서 관찰한 차수용 박층 멤브레인의 장기 성능 변화 결과는 다른 폴리머 재료들이나 고무 같은 재료에서 보여주는 경향에 비해 시간에 따른 경향이 일정하게 감소하는 형태로 나타나지 않았다. 또한 장기성능 시험의 기간이 300일 정도이고 회귀분석 방법을 통해 추정한 주요 물성의 추세선 결정계수가 낮아 성능 변화의 경향을 정밀하게 예측하는 것은 어렵다고 판단된다.
계산된 직선의 기울기와 절편값을 사용하여 상온(20°C)에서 수명 예측 기준 1MPa에 도달하는 시간은 약 11,453.4일로 대략 31.38년으로 계산되었다.
본 연구에서 관찰한 차수용 박층 멤브레인의 장기 성능변화 결과는 기존에 보고된 폴리머 재료들에 비해 뚜렷한 경향이 나타나지 않았다. 성능분석의 기간이 300일이고 회귀분석 방법을 통해 추정한 주요 물성의 추세선 결정계수가 낮아 경향을 정밀하게 예측하는 것은 어렵다고 판단되나 실험에서 나타난 결과 중 시간에 따른 변화 경향을 보여주는 결과를 활용하여 변화를 추정하는 것은 가능하였다.
본 연구에서 나타난 차수용 박층 멤브레인의 시간에 따른 물성 변화는 HDPE나 p-PVC의 경우와는 다른 경향으로 나타났다. 이는 연구에서 사용한 멤브레인 재료의 주성분이 EVA로 HDPE나 PVC에 비해 상대적 연성을 보이는 재료이고 시공 목적상 경화제 등의 사용을 제한하고 있기 때문인 것으로 판단된다.
본 연구에서 관찰한 차수용 박층 멤브레인의 장기 성능변화 결과는 기존에 보고된 폴리머 재료들에 비해 뚜렷한 경향이 나타나지 않았다. 성능분석의 기간이 300일이고 회귀분석 방법을 통해 추정한 주요 물성의 추세선 결정계수가 낮아 경향을 정밀하게 예측하는 것은 어렵다고 판단되나 실험에서 나타난 결과 중 시간에 따른 변화 경향을 보여주는 결과를 활용하여 변화를 추정하는 것은 가능하였다. 현재까지 나타난 실험 결과에서는 일반적으로 차수용 박층 멤브레인과 함께 사용되는 시멘트 수준의 사용 기간은 나타나지 않았다.
신율은 30일부터 감소했다가 150∼200일 사이까지 일정하게 유지된 후 증가하는 경향을 보였다.
인장강도에서와 유사하게 150일∼200일 사이에서 물성의 변화를 보였으며 인장강도가 감소하면서 신율이 증가하는 경향을 보였다.
본 연구에서는 60°C 이상에서 시험이 이루어져서 재료의 결정질 융해가 에이징 중에 발생하고 재결정화 되었을 가능성이 존재하며 이로 인해 각각의 온도 조건에서 실험초기 단기간의 물성 변화가 발생할 가능성이 존재한다. 특히, 신율을 측정한 결과에서 나타나듯이, 장기 시험을 시작하고 처음 측정한 값인 30일 측정값에서부터 신율이 상온에서 보다 약 40% 내외로 감소했다는 점에서 실험 온도에 의해 폴리머 재료의 결합이 일부 소실되어 신율이 낮아졌다가 시간이 지남에 따라 재결정이 이루어져 다시 증가한 것으로 판단된다.
특히, 신율을 측정한 결과에서 초기 물성 변화 이후 150∼200일 사이까지 일정하게 유지되다가 급격히 변화하는 경향을 보다 뚜렷하게 관찰할 수 있었다.

후속연구

각각의 시험은 건조로 에이징 일자를 기준으로 30, 90, 163, 200, 300일에 시료를 꺼내 24시간 상온 방치한 뒤 수행되었다(Table 1). 본 연구에서는 300일까지의 시험결과를 정리한 것이며 해당 시험은 추후 700일까지 수행할 예정이다.
현재까지 나타난 실험 결과에서는 일반적으로 차수용 박층 멤브레인과 함께 사용되는 시멘트 수준의 사용 기간은 나타나지 않았다. 연구에서 진행하고 있는 700일까지의 실험결과를 확보하여 상대적으로 향후 합리적인 장기 성능 추론이 가능할 것으로 판단된다.
차수용 박층 멤브레인은 영국 런던의 Crossrail 프로젝트에서 쉴드TBM 구간을 제외한 천공-발파 시공 전 구간에 차수용 박층 멤브레인이 적용되고 있는 등 전 세계적으로 사용이 증가하고 있으며(Chang et al., 2016), 우리나라에서는 터널 설계 기준에 TSL 등의 멤브레인 재료에 대한 반영을 고려하고 있어서 국내에서도 향후 설계 적용이 이루어질 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 차수용 박층 멤브레인 재료에 대해서는 일부 다국적 제작사를 위주로 원천 기술을 보유하고 있는 관계로 멤브레인의 물성에 대한 기초적인 자료가 극히 부족한 실정이다(Holter, 2015; Lee et al.
하지만 실험 결과를 통해 차수용 박층 멤브레인의 시간에 따른 성능 변화를 추정하는 것은 가능하였다. 추후 700일까지의 실험결과와 다수의 시험 결과를 확보한다면 합리적인 장기 성능 추론이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차수용 박층 멤브레인이란 무엇인가?	차수용 박층 멤브레인은 토목분야에 최근 소개된 재료로서 1상 또는 2상의 분말 또는 액상의 재료를 대상이 되는 면에 펌프와 노즐을 사용하여 뿜어 붙이는 재료이다. 재료적인 특성은 연구를 통해 특성이 점차 보고되고 있으나 차수용 박층 멤브레인과 함께 사용되는 콘크리트 재료에 비해 장기적인 성능에 관한 연구는 부족한 실정이다.
	차수용 박층 멤브레인의 장점은?	국제터널학회에서는 폴리머를 주 원료로 하는 방수 또는 영구 지보재 재료의 설계 및 시공 가이드라인을 발표하였으며 차수용 박층 멤브레인의 경우, 3∼5mm 정도 벽면에 타설하는 것을 추천하고 있다(ITAtech, 2013). 차수용 박층 멤브레인은 숏크리트와 유사하게 뿜어 붙이는 방식을 사용하기 때문에 시공도중 발생하는 충격에 대한 손상 위험이 상대적으로 낮으며 충격에 의한 손상이 발생하더라도 보수가 쉬운 장점을 갖는다(Lee et al., 2018).
	차수 장기 성능을 측정하기 위해 부착강도 시험을 위한 시험체는 콘크리트 표면에 부착하여 동일한 구조체로 함께 거동할 수 있도록 시료를 제작한 이유는?	차수용 박층 멤브레인의 차수 장기 성능을 직접적으로 측정할 수 있는 방법이 현실적으로 어렵기 때문에 이를 간접적으로 파악하기 위하여 인장시험과 부착강도 시험을 토대로 측정된 인장강도, 신율, 부착강도를 관찰하여 온도에 따른 활성화 에너지를 추정하고 해당 서비스 시간 동안의 성능 변화를 추정하고자 하였다. 따라서 부착강도 시험을 위한 시험체는 콘크리트 표면에 부착하여 동일한 구조체로 함께 거동할 수 있도록 시료를 제작하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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