[논문]EVA 에멀젼과 혼화재를 사용한 폴리머 시멘트 모르타르의 기초적 성질

조영국

doi:10.11112/jksmi.2019.23.6.53

EVA 에멀젼과 혼화재를 사용한 폴리머 시멘트 모르타르의 기초적 성질
Basic Properties of Polymer Cement Mortar with EVA Emulsion and Admixtures 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.6, 2019년, pp.53 - 60

조영국 (청운대학교 건축공학과)

초록
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이산화탄소 농도가 높은 도심지의 경우 탄산화로 인한 철근부식이 발생하기 쉬우며 이는 콘크리트 구조물의 내구수명을 감소시킨다. 콘크리트 구조물의 경우 다양한 구속조건을 가지며 항상 외부의 재하하중을 받고 있다. 도입된 응력수준은 이산화탄소와 같은 유해인자의 확산을 변화시키며 탄산화 깊이의 변동성을 야기한다. 본 연구에서는 응력재하수준에 따른 탄산화 변동성을 정량화하였으며, 이를 이용하여 탄산화 예측식을 도출하였다. 내구성 설계인자인 피복두께, 이산화탄소 확산계수, 탄산화 반응 수화물, 그리고 외부 이산화탄소 농도를 확률변수로 정의하였으며, MCS을 통하여 영향인자의 변동성에 따른 내구수명을 도출하였다. 또한 응력수준에 따라 변화하는 내구수명을 도출하였으며, 이를 결정론적인 방법의 결과와 비교하였다. 피복두께 및 내부 수화물 생성이 내구수명 변동성에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 응력수준을 고려한 내구수명평가는 유지관리 우선순위 설정에 합리적으로 적용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to evaluate the degree of improvement in strengths by mixing blast-furnace slag and fly ash in polymer cement mortar(PCM). The test specimens are prepared with EVA polymer dispersion, two types of Admixtures (blast-furnace slag and fly ash), five kinds of polymer-cement ratios (0, 5, 10, 15 and 20%), and six kinds of admixtures (0, 3, 5, 10, 15 and 20%). Plain cement mortar is also made for comparison. From the test results, the flowing of PCM is greatly improved with the mixing of the admixtures, and strengths of PCM compared to ordinary cement mortar are also improved due to a decrease in water cement ratio. In addition, the strength characteristics of PCM by admixtures are greatly improved in flexural strength with fly ash compared to other strengths. It is apparent that the optimum mix proportions with polymer-cement ratio of 10% or more, admixture contents 5 to 10% of flay ash for flexural strength improvement of EVA-cement mortar are recommended in this study.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1 EVA particles (x2,000)
표 Table 1 Various factors for experiment
표 Table 2 Properties of EVA emulsion
그림 Fig. 2 Specimen for adhesion in flexure
표 Table 3 Mix proportions of EVA-cement mortars
그림 Fig. 3 W/C of PCM for target flow of 170±5mm
그림 Fig. 4 Air content of PCM by admixtures
그림 Fig. 5 Flow of PCM by admixtures
그림 Fig. 6 Compressive strength of PCM without admixtures
그림 Fig. 7 Compressive strength of PCM by admixtures
그림 Fig. 8 Relative compressive strength of PCM
그림 Fig.9 Flexural strength of PCM without admixtures
그림 Fig. 10 Flexural strength of PCM by admixtures
그림 Fig. 11 Relative flexural strength of PCM
그림 Fig. 12 Polymer film and fly ash in PCM (×1,000)(Jo, 2008)
그림 Fig.13 Adhesion in flexure of PCM without admixtures
그림 Fig.14 Adhesion in flexure of PCM by admixtures
그림 Fig.15 Relative adhesion in flexure of PCM
그림 Fig.16 Relative adhesion in flexure to flexural strength of PCM

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 PCM에 고로슬래그 및 플라이애쉬를 혼입하여 RC 구조물의 보수재료로서의 기초적인 강도를 실험하여 평가하고자 하였으며. 연구결과는 다음과 같다.
11은 혼화재를 혼입하지 않은 PCM의 휨강도 대비 혼화재를 혼입한 각각 PCM의 휨강도비를 나타내고 있다. 본 연구에서 휨시험에 의한 접착강도를 평가하기 위하여 절단되지 않은 순수 휨강도를 먼저 파악하고자 하였다. 본 연구결과, 혼화재를 혼입하지 않은 보통시멘트 모르타르의 휨강도는 4.
본 연구에서는 상술한 PCC가 아니라 보수재료로 널리 사용되고 있는 PCM에 대한 연구로서, 시멘트 콘크리트에 혼입하여 그 성질을 크게 개선시킬 수 있는 고로슬래그 및 플라이 애쉬를 혼입하여 폴리머와 혼화재료와의 성질 개선 효과를 알아보기 위하여 실험을 실시하였다. 본 연구에서는 건설현장에서 널리 사용되고 있는 폴리머의 종류 중에서 보수보강재료로서 갖추어야 할 성질 중, 피착체와의 접착강도가 우수한 EVA 폴리머 디스퍼션(Ohama, 1995)과 고로슬래그 및 플라이애쉬의 혼입량을 달리하면서 폴리머의 혼입량 (폴리머-시멘트비), 혼화재의 혼입량에 따른 시공성, 압축강도, 휨강도 및 휨접착 강도에 대하여 실험적으로 고찰하였다.
본 연구에서는 상술한 PCC가 아니라 보수재료로 널리 사용되고 있는 PCM에 대한 연구로서, 시멘트 콘크리트에 혼입하여 그 성질을 크게 개선시킬 수 있는 고로슬래그 및 플라이 애쉬를 혼입하여 폴리머와 혼화재료와의 성질 개선 효과를 알아보기 위하여 실험을 실시하였다. 본 연구에서는 건설현장에서 널리 사용되고 있는 폴리머의 종류 중에서 보수보강재료로서 갖추어야 할 성질 중, 피착체와의 접착강도가 우수한 EVA 폴리머 디스퍼션(Ohama, 1995)과 고로슬래그 및 플라이애쉬의 혼입량을 달리하면서 폴리머의 혼입량 (폴리머-시멘트비), 혼화재의 혼입량에 따른 시공성, 압축강도, 휨강도 및 휨접착 강도에 대하여 실험적으로 고찰하였다.

제안 방법

기준 PCM의 일정한 시공성을 위하여 플로우치 170±5㎜가 되도록 물시멘트비 W/C)를 조정하였으며, 여기에 고로슬래그(Blast Furnace Slag ; BF) 및 플라이애쉬(Fly Ash ; FA)를 시멘트 중량으로 0, 3, 5, 10, 15 및 20%를 각각 혼입하여 시험을 실시하였다.
또한 균일한 시공성을 유지하기 위하여 기본 폴리머 시멘트 모르타르(혼화재 미첨가)는 플로우가 170±5mm가 되도록 물시멘트비를 조정하였다.
1은 시멘트에 혼입한 직후의 EVA 입자를 보여주고 있으며, 그 성질은 Table 2와 같다. 또한 시멘트에 폴리머를 혼입할 때 연행되는 기포를 제어하기 위하여 실리콘계 에멀젼(고형분 30%)을 폴리머 고형분의 중량에 대하여 1.0%를 첨가하였다.
또한 휨강도 시험후 절편 6개에 대하여 4×4cm 가압판을 사용하여 압축강도를 실시하였다.
폴리머 시멘트 모르타르는 KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법)에 따라 Table 3과 같은 배합으로 시멘트에 대한 폴리머 디스퍼션 고형분 비율(폴리머 시멘트비, P/C)은 0, 5, 10, 15 및 20%로 변경하여 배합을 설계하였으며, 각 폴리머 시멘트 모르타르 배합에 혼화재료로서 고로슬래그 및 플라이애쉬를 시멘트 중량에 대하여 3, 5, 10, 15 및 20% 혼입하였다. 모든 강도시험용 시험편은 각 배합에 대하여 3개씩 제작하여 실험을 실시하였다. 또한 균일한 시공성을 유지하기 위하여 기본 폴리머 시멘트 모르타르(혼화재 미첨가)는 플로우가 170±5mm가 되도록 물시멘트비를 조정하였다.
본 연구에서 제작하여 만든 RC 구조체의 보수용 폴리머 시멘트 모르타르는 KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법)에 준하여, Table 1과 같은 실험수준으로 시멘트와 잔골재를 중량배합비로 1:3, 폴리머 시멘트비 (Polymer- cement ratio ; P/C)를 0, 5, 10, 15 및 20%로 변화시켰다. 기준 PCM의 일정한 시공성을 위하여 플로우치 170±5㎜가 되도록 물시멘트비 W/C)를 조정하였으며, 여기에 고로슬래그(Blast Furnace Slag ; BF) 및 플라이애쉬(Fly Ash ; FA)를 시멘트 중량으로 0, 3, 5, 10, 15 및 20%를 각각 혼입하여 시험을 실시하였다.
폴리머 시멘트 모르타르는 KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법)에 따라 Table 3과 같은 배합으로 시멘트에 대한 폴리머 디스퍼션 고형분 비율(폴리머 시멘트비, P/C)은 0, 5, 10, 15 및 20%로 변경하여 배합을 설계하였으며, 각 폴리머 시멘트 모르타르 배합에 혼화재료로서 고로슬래그 및 플라이애쉬를 시멘트 중량에 대하여 3, 5, 10, 15 및 20% 혼입하였다. 모든 강도시험용 시험편은 각 배합에 대하여 3개씩 제작하여 실험을 실시하였다.
휨강도 시험편은 40× 40×160mm 빔 몰드를 사용하여 제작하였으며, 표준양생인 2일 습윤양생 (20℃, 80% R.H.), 5일 수중양생 (20℃) 및 21일 기중양생 (20℃, 50% R.H.)을 실시하였으며, 압축강도용 시험편은 휨강도 시험(중앙점 재하방법) 후, 발생하는 반쪽 시험편 6개를 사용하였다.
휨접착강도 시험체는 Fig. 2와 같이 휨강도용 40× 40×160mm의 빔 몰드에 보통시멘트 모르타르를 제작, 1일 습윤양생(20℃, 80% R.H.) 및 27일간 수중양생(20℃)을 거친 후, PCM을 보수재료로서 사용시 피착체와의 접착력을 평가하기 위하여(Ohama 1995) 시험편의 반절을 절단하여 다시 몰드에 넣어 나머지 반절을 PCM으로 타설하여 28일간 전술한 방법과 동일하게 양생을 실시하여 시험편으로 하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시멘트 혼화용 폴리머 디스퍼션은 현장에서 보수․보강 및 방수재료로 널리 사용되고 있는 EVA(Ethylene-vinyl acetate) 에멀젼을 사용하였다. Fig.
본 연구에서 사용한 시멘트는 국내산 1종 보통포틀랜드 시멘트와 혼화재료로서 현장에서 콘크리트 혼화용으로 널리 사용되고 있는 고로슬래그(3종, 비표면적 4,320cm²/g, 밀도 2.90g/cm³) 및 플라이애쉬(2종, 비표면적 3,830cm³/g, 밀도 2.20 g/cm³)를 사용하였으며, 잔골재로서는 시멘트 모르타르 강도시험용 주문진산 규사를 사용하였다.

이론/모형

소정의 양생을 마친 시험편에 대하여 KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법)에 준하여 휨강도시험은 지간 10cm의 중앙점 재하법에 의하여 시험한 후, 다음 (식 1)과 같이 휨강도를 산출하였다.

성능/효과

1) 보통시멘트 모르타르의 목표 플로우값 170± 5mm를 위해서는 W/C가 70%로 나타난 반면, PCM의 경우, 41.5%-45.0% 범위로 나타났으며, PCM의 W/C 저감율은 35.7%-40.7%로 크게 나타났다.
2) PCM의 압축강도는 모든 혼화재의 혼입율에서 플라이애쉬를 혼입한 경우가 고로슬래그를 혼입한 경우에 비해 높은 압축강도를 나타냈으며, 전반적으로 혼화재의 혼입율 5%에서 최대 강도를 나타냈다.
3) 혼화재를 혼입하지 않은 PCM의 휨강도는 4.91MPa-8.25MPa 범위로 보통시멘트 모르타르 보다 최대 약 1.95배의 높은 휨강도를 나타냈다.
4) 고로슬래그를 혼입한 PCM의 최대 휨강도는 P/C 5%, 혼입율 10%에서 7.1MPa로 이는 혼화재를 혼입하지 않은 휨강도의 4.91 MPa에 비해 1.45배, 보통시멘트 모르타르 4.24 MPa에 비해 1.68배 높은 강도를 나타냈다.
5) 혼화재를 혼입하지 않은 PCM의 휨접착강도는 P/C의 증가에 따라 크게 나타났는데 보통시멘트 모르타르의 3.05MPa에 비해 1.16-1.95배 높게 나타났다.
6) 휨강도에 대한 휨접착강도의 상대강도비는 고로슬래그를 혼입한 PCM의 경우, P/C 20%, 혼입율 5%에서 최대값 67.6% 정도였으며, 플라이애쉬를 혼입한 경우, 28.3%-76.2% 범위의 상대강도비를 나타냈는데 이 모든 PCM의 휨접착강도는 보통시멘트 모르타르의 3.05 MPa보다 큰 강도이다.
7) 본 연구결과, PCM에 고로슬래그 및 플라이애쉬를 혼입함에 따라 휨강도, 압축강도, 휨접착강도 순으로 효과를 발휘하였으며, 혼화재의 적정 혼입율은 5%-10% 범위가 유효한 것으로 판단된다.
PCM은 3차원의 폴리머 필름으로 시멘트 수화물 공극을 채워줌과 동시에 수화물의 표면을 둘러쌓아 역학적이며 내구적인 조직형성에 도움이 될 수 있다. 고로슬래그 및 플라이애쉬를 혼입함으로서 두 재료의 포졸란반응에 따른 장기강도의 개선, 고분자의 혼입으로 공기량 증가에 따른 강도저하, 물시멘트비의 감소에 따른 강도개선 등의 복합적인 작용에 의해 궁극적으로 고로슬래그 및 플라이애쉬를 10% 이하로 첨가할 경우 약간 강도의 개선을 도모할 수 있었다. 물론 PCM은 기본적으로 압축강도를 개선시키고자 하는 것이 목적이 아니라 폴리머 필림에 의한 휨강도, 접착강도, 방수성, 내약품성, 동결융해저항성 등 물리적 및 내구성 개선을 위함이다(Ohama, 1995).
3%의 상대 휨강도를 나타내 휨강도의 개선이 나타나지 않았다. 그러나 플라이애쉬를 혼입한 PCM의 휨강도는 일부를 제외하고 거의 모든 혼입율에서 혼화재를 혼입하지 않은 PCM에 비해 휨강도가 높게 나타났으며, 상대 휨강도비는 P/C 15%, 플라이애쉬 혼입율 15%에서 130.7%의 최대 상대 휨강도를 나타내고 있다. 또한 혼화재의 종류에 따라서는 PCM의 휨강도는 P/C 5%에서는 고로슬래그를 혼입한 경우가 높게 나타났으나, 그 외의 P/C 10%, P/C 15% 및 P/C 20%에서 플라이애쉬를 혼입한 경우가 높은 휨강도를 나타냈다.
PCM의 휨접착강도는 거의 모든 배합조건에서 혼화재의 혼입율을 증가에 따라 휨접착강도는 약간 저하하는 경향을 보였다. 따라서 PCM의 휨접착강도의 개선에는 고로슬래그 및 플라이애쉬의 혼입에 따른 개선효과는 거의 없는 것으로 나타났으나 모든 배합에서 보통시멘트 모르타르에 비하면 큰 휨접착강도를 나타냈다. 전반적으로 휨접착강도 시험 후, 파괴성상은 파괴면이 피착체와 접착체의 접착면과 일치하였으며 PCM 종류에 따라 약간의 차이가 있으나 대부분 접착면에서 접착체인 PCM 부분의 일부 모르타르가 피착체에 남아있는 응집파괴와 접착체와 피착체 경계면에서의 파괴성상이 복합적으로 나타났다.
3% 보다 큰 공기량을 나타냈으며, 보통시멘트의 경우에는 혼화재를 혼입함에 따라 약간 증가하는 경향을 보였다. 또한 PCM의 경우, 혼화재 혼입율 10%에 대한 공기량을 측정하였는데, 혼화재의 혼입에 따라 고로슬래그의 경우에는 거의 변화가 없었으나, 플라이애쉬를 혼입한 경우에는 약간 증가하는 경향을 보였다.
6% 정도였다. 또한 플라이애쉬를 혼입한 경우, PCM의 상대 휨접착강도비는 P/C 5%, 플라이애쉬 혼입율 5%에서의 상대 휨접착강도비 108%를 제외하면, 거의 모든 배합에서 28.3%-76.2% 범위로 휨강도 대비 낮은 강도를 나타냈으나, 이 모든 PCM의 휨접착강도는 보통시멘트 모르타르의 휨접착강도 3.05 MPa보다는 큰 강도이다.
24배 높은 강도이다. 또한 혼화재의 혼입율에 따른 PCM의 휨강도는 일부 모르타르를 제외하고 혼화재의 혼입율 5% 또는 10%에서 최대 휨강도를 나타내는 경향을 보였으나, 고로슬래그를 혼입한 경우, P/C 10%에서 64.2%-93.1%의 상대 휨강도를, P/C 20%에서 70.3%-93.3%의 상대 휨강도를 나타내 휨강도의 개선이 나타나지 않았다. 그러나 플라이애쉬를 혼입한 PCM의 휨강도는 일부를 제외하고 거의 모든 혼입율에서 혼화재를 혼입하지 않은 PCM에 비해 휨강도가 높게 나타났으며, 상대 휨강도비는 P/C 15%, 플라이애쉬 혼입율 15%에서 130.
본 연구에서 휨시험에 의한 접착강도를 평가하기 위하여 절단되지 않은 순수 휨강도를 먼저 파악하고자 하였다. 본 연구결과, 혼화재를 혼입하지 않은 보통시멘트 모르타르의 휨강도는 4.24 MPa를 나타냈으며, 혼화재를 혼입하지 않은 PCM의 휨강도는 4.91MPa-8.25MPa 범위로 보통시멘트 모르타르 보다 최대 약 1.95배의 높은 휨강도를 나타냈다. 또한 혼화재를 혼입한 경우, 고로슬래그를 혼입한 PCM의 최대 휨강도는 P/C 15%, 고로슬래그 혼입율 5%에서 9.
95배의 높은 휨접착강도를 나타냈다. 이 결과에서 RC 구조물의 보수재료로서 PCM의 사용가능성을 확인할 수 있었다. PCM의 휨접착강도는 거의 모든 배합조건에서 혼화재의 혼입율을 증가에 따라 휨접착강도는 약간 저하하는 경향을 보였다.
따라서 PCM의 휨접착강도의 개선에는 고로슬래그 및 플라이애쉬의 혼입에 따른 개선효과는 거의 없는 것으로 나타났으나 모든 배합에서 보통시멘트 모르타르에 비하면 큰 휨접착강도를 나타냈다. 전반적으로 휨접착강도 시험 후, 파괴성상은 파괴면이 피착체와 접착체의 접착면과 일치하였으며 PCM 종류에 따라 약간의 차이가 있으나 대부분 접착면에서 접착체인 PCM 부분의 일부 모르타르가 피착체에 남아있는 응집파괴와 접착체와 피착체 경계면에서의 파괴성상이 복합적으로 나타났다.
9MPa를 나타내고 점점 작아지는 경향을 보였다. 혼화재의 혼입율의 변화에 따른 PCM의 압축강도 개선효과는 P/C 5%에서 혼입율 3%에서 15%까지 최대 9% 정도 높게 나타났으나, 플라이애쉬를 혼입한 경우에는 모든 혼입율에서 혼화재를 혼입하지 않은 PCM의 압축강도의 63.2% - 91.1%의 범위를 나타냈다. P/C 10%에서 P/C 20%의 PCM 압축강도는 모든 혼화재의 혼입율에서 플라이애쉬를 혼입한 경우가 고로슬래그를 혼입한 경우에 비해 높은 압축강도를 나타냈으며, 전반적으로 혼화재의 혼입율 5%에서 최대 강도를 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PCC 또는 PCM 특성은 무엇인가?	, 2018; Ohama, 1995). 특히 수성 폴리머 디스퍼션을 사용하여 만든 PCC 또는 PCM은 일반 시멘트 콘크리트에 비해 휨강도, 인장강도, 접착강도, 마모성 등 역학적 성질 및 동결융해 저항성, 염화물이온 침투 저항성, 탄산화저항성, 내약품성 등 내구성이 우수하다(Ohama, 1995; Jo, 2009; Sawaide, 1990; Jo et al., 1994; Heede, 2017).
	이산화탄소 농도가 높은 도심지의 경우 탄산화로 인한 철근부식며 무엇의 내구수명을 감소시키는가?	이산화탄소 농도가 높은 도심지의 경우 탄산화로 인한 철근부식이 발생하기 쉬우며 이는 콘크리트 구조물의 내구수명을 감소시킨다. 콘크리트 구조물의 경우 다양한 구속조건을 가지며 항상 외부의 재하하중을 받고 있다.
	RC 구조물의 보수․보강 재료로 널리 사용되는 재료는 무엇인가?	RC 구조물의 보수․보강 재료로 널리 사용되고 있는 콘크리트-폴리머 복합체에는 고분자 입자를 수중에 분산시켜 만든 수성 폴리머 디스퍼션을 시멘트 결합재의 성질 개선재로 사용한 폴리머 시멘트 콘크리트 또는 모르타르 (Polymer- Modified Concrete or Mortar ; PMC or PMM, Polymer Cement Concrete or Mortar ; PCC or PCM), 결합재 자체를 고분자로 대체시킨 폴리머 콘크리트 또는 모르타르(Polymer Concrete or Mortar ; PC or PM), 그리고 시멘트 콘크리트 구조체 및 제품의 표면에 일정한 두께로 고분자를 함침시키는 폴리머 함침 콘크리트 또는 모르타르(Polymer Impregnated Concrete or Mortar)로 구분 할 수 있다(Ohama, 1978; Murata and Kobayashi, 1967). 그 중에서 일반적으로 RC 구조물의 보수보강재료는 PCC 또는 PCM을 지칭한다(Ohama, 1998).

참고문헌 (14)

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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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