[논문]하이브리드 콘크리트 보수재료로 보수된 흄관의 휨 거동 평가

유성원; 최영철

doi:10.11112/jksmi.2019.23.6.92

하이브리드 콘크리트 보수재료로 보수된 흄관의 휨 거동 평가
An Evaluation of Flexural Behavior of Fume Pipe Repaired by Hybrid Concrete Repair Materials 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.6, 2019년, pp.92 - 98

유성원 (가천대학교 토목환경공학과) , 최영철 (가천대학교 토목환경공학과)

초록
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본 연구에서는 기존콘크리트와의 부착성능 및 수밀성을 향상하기 위해 기존의 현장에서 사용하는 초속경 시멘트에 PVA 분말수지, 나일론 섬유를 혼입한 보수재료를 개발하고 개발된 보수재료로 보수된 흄관의 보수 후 휨거동 평가를 수행하였다. 주요 실험변수는 PVA 분말수지, 나일론 섬유 혼입률 및 손상유형이며, 성능 실험으로는 압축강도와 보수재료 후 휨거동평가를 수행하였으며 개발된 보수재료는 PVA 분말수지 혼입량이 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향이 나타났으며, 모든 배합에서 보수재료의 요구 성능을 충분히 만족하는 것으로 나타났다. 보수된 관 시험체들의 휨강도 실험결과, 나일론 섬유를 혼입하고 PVA분말을 적정량을 첨가하여야 보수재료의 성능이 최대가 되는 것으로 나타났다. 모든 시험체들의 휨거동은 다소 철근비가 작은 구조부재에서 나타나는 휨거동 양상을 보이는 것으로 나타나, 국내의 흄관에 배근되는 철선량이 다소 부족함을 추정할 수 있었다. 즉, 철선의 배근량이 다소 적어 콘크리트와 철선의 거동이 극한상태에 도달하기 전에 콘크리트에 균열이 발생되고 곧바로 콘크리트의 인장강도를 초과하여 파괴되는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we developed a repair material incorporating PVA powder resin and nylon fiber into cemented carbide used in the existing field to improve adhesion performance and water tightness with existing concrete. Flexural behavior evaluation was performed. The main experimental variables were PVA powder resin, nylon fiber mixing rate and damage type, and performance tests were conducted to evaluate compressive strength and flexural behavior after repairing materials. It was found that all formulations fully satisfied the required performance of the repair material. The flexural strength test results of the repaired tube specimens showed that the performance of the repaired materials was maximized when the nylon fiber was added and the PVA powder was added in an appropriate amount. The flexural behavior of all the specimens showed the flexural behavior of the structural members with a low rebar ratio, suggesting that the amount of iron wire in the domestic fume pipe was somewhat insufficient. That is, it was confirmed that the amount of reinforcement of the steel wire was somewhat small, so that the concrete was cracked before the behavior of the concrete and the steel wire reached the extreme state, and the concrete was immediately destroyed beyond the tensile strength of the concrete.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1 Test setup of compressive strength
표 Table 1 Chemical compositions aof raw materials.
표 Table 2 Mix proportion
그림 Fig. 2 Shape of initial damaged pipe
그림 Fig. 3 Test setup
그림 Fig. 4 Test setup of strain gauge
그림 Fig. 5 Test pipe with initial damage
그림 Fig. 6 Test pipe after repair
표 Table 3 Test variables of experiment of fume pipe
그림 Fig. 7 Compressive strength
그림 Fig. 8 Failure shape of the front view
그림 Fig. 9 Failure shape of inside repair part
표 Table 4 Test results of pipe about crack, yield, ultimate load
그림 Fig. 10 Failure shape of outside repair part for 100% intial damage
그림 Fig. 11 Failure shape of outside repair part for 50% intial damage
그림 Fig. 12 Load-displacement relationship of 5 mm initial damaged pipe
그림 Fig. 13 Load-displacement relationship of 10 mm initial damaged pipe
그림 Fig. 14 Load-concrete strain relationship of 5 mm initial damaged pipe
그림 Fig. 15 Load-concrete strain relationship of 10 mm initial damaged pipe
그림 Fig. 16 Load-steel strain relationship of 5 mm initial damaged pipe
그림 Fig. 17 Load-steel strain relationship of 10 mm initial damaged pipe

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 콘크리트와의 부착성능 및 수밀성을 향상시키기 위해 기존 현장에서 사용하는 초속경 시멘트에 PVA 분말 수지, 나일론 섬유를 혼입하여 보수재료를 개발하였으며, 개발된 보수재료로 보수된 흄관의 보수 후 휨 거동 평가를 수행하였다. 주요 실험변수는 PVA 분말수지, 나일론 섬유 혼입률 및 손상유형이며, 성능 실험으로는 압축강도와 초기 손상된 흄관의 보수 후 휨 거동평가를 수행하였다.

제안 방법

또한, 하수관 제작 시 중앙부 철선 부분에 steel strain gauge를 설치하였고 보수재료 보수 후 보수 중앙부와 보수부에서 양쪽으로 각 5mm 떨어진 곳에 각각 Concrete strain gauge를 설치한 후 휨 거동 평가를 수행하였으며, 자세한 내용은 Fig. 3 및 Fig.
실험에 사용된 콘크리트 보수재료의 배합표는 다음 Table 2와 같다. 보수재의 배합은 총 세 가지의 경우로, 나일론 섬유의 첨가 유무(첨가량 : 바인더 중량의 0.03%), PVA분말의 무첨가 및 바인더 중량의 4.5, 7.5% 첨가량 등을 실험 변수로 설정하였다. 작업성 확보를 위해 지연제로 무수 구연산을 사용하였으며, 바인더 중량의 0.
본 연구에서는 기존 콘크리트와의 부착성능 및 수밀성을 향상하기 위해 초속경 시멘트에 PVA 분말수지, 나일론 섬유를 혼입한 보수재료를 개발하고 개발된 보수재료로 보수된 흄관의 보수 후 휨 거동 평가를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 기존 콘크리트와의 부착성능 향상을 위해, 무기계 재료를 기본으로 폴리비닐 아세테이트 수지분말과 나일론 섬유를 이용한 하이브리드 보수재료를 개발 후 기존 하수관에 보수 후 구조 거동평가를 하였다.
앞서 제시된 Table 2와 같은 세 종류 배합에 대하여 PVA 분말수지 혼입량 및 나일론 섬유 혼입량을 변수로 하여 압축강도를 측정하였다. 실험재령은 보수공사 특성에 맞춰 6시간, 1일, 3일 재령에서 압축강도를 측정하였으며, Fig, 7은 보수재료의 압축강도 측정 결과이다.
본 연구에서는 기존 콘크리트와의 부착성능 및 수밀성을 향상시키기 위해 기존 현장에서 사용하는 초속경 시멘트에 PVA 분말 수지, 나일론 섬유를 혼입하여 보수재료를 개발하였으며, 개발된 보수재료로 보수된 흄관의 보수 후 휨 거동 평가를 수행하였다. 주요 실험변수는 PVA 분말수지, 나일론 섬유 혼입률 및 손상유형이며, 성능 실험으로는 압축강도와 초기 손상된 흄관의 보수 후 휨 거동평가를 수행하였다. 특히, 보수재료의 보수 후 성능을 재현하기 위해 흄관 실험체에 만들어진 2가지 초기손상 크기를 변수로 하여 구조 휨 거동 평가를 하였다.
주요 실험변수는 PVA 분말수지, 나일론 섬유 혼입률 및 손상유형이며, 성능 실험으로는 압축강도와 초기 손상된 흄관의 보수 후 휨 거동평가를 수행하였다. 특히, 보수재료의 보수 후 성능을 재현하기 위해 흄관 실험체에 만들어진 2가지 초기손상 크기를 변수로 하여 구조 휨 거동 평가를 하였다.

대상 데이터

기존 콘크리트와의 부착성능 향상과 수밀성 향상을 위해 폴리비닐 아세테이트(PVA) 성분의 분말 수지를 사용하였다. PVA 레진 분말은 pH 5.
흄관 휨강도 실험의 변수는 손상부 크기 2수준(50%, 100% 손상), 보수재 배합종류 3수준(PVA분말의 바인더 중량의 첨가율 0, 4.5, 7.5%) 그리고 일반적인 흄관(plain)으로 총 7개의 실험체이며, 그 내용은 Table 3에 나타내었다.

이론/모형

시험체는 제작 후 24시간 이후 탈형하고, 소정의 재령까지 24 ± 2 ℃의 온도 및 70 % 이상의 항온⋅항습실에서 습윤 양생을 하였다. 압축강도는 ASTM C109 『시멘트 모르타르의 압축 강도 시험 방법』에 준하여 Fig 1과 같이 수행하였다.(ASTM C109, 2016; Monteiro et al 2017)

성능/효과

1) 개발된 보수재료는 PVA 분말수지 혼입량이 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향이 나타났으며, 모든 배합에서 보수재료의 요구 성능을 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
2) 보수된 관 시험체들의 휨강도 실험 결과, 나일론 섬유를 혼입하고 PVA분말을 바인더 중량의 첨가율 4.5% 수준 정도로 첨가하여야 보수재료의 성능이 최대가 되는 것으로 나타났다.
3) 보수재료의 물성이 관 모체 콘크리트 물성보다 우수하고 보수 범위도 관 두께의 2배 이상은 넓어야 보수재와 관 모 체가 일체 거동을 하는데 더 유리한 것으로 나타났다.
4) 모든 시험체의 휨 거동은 다소 철근비가 작은 구조부재에서 나타나는 휨 거동 양상을 보이는 것으로 나타나, 국내의 흄관에 배근되는 철선량이 다소 부족함을 추정 할 수 있었다. 즉, 철선의 배근량이 다소 적어 콘크리트와 철선의 거동이 극한상태에 도달하기 전에 콘크리트에 균열이 발생하고 곧바로 콘크리트의 인장강도를 초과하여 파괴되는 것을 확인할 수 있었다.
또한 철선의 항복 하중 역시 다소 변동 폭이 있지만 거의 유사하게 나타난 것으로 평가할 수 있다. 다만 극한하중의 경우는 초기 손상 규모가 클수록 작게 나타났으며, PVA 분말의 바인더 중량의 첨가율이 4.5%인 NF0.03-R4.5 시리즈의 보수재료로 보수된 흄관의 휨강도가 가장 크게 나타났으며, 손상이 없는 시험체(Plain)보다 더 우수하게 나타났다. 또한 나일론 섬유를 혼입한 보수재료로 보수된 시험체들의 휨 강도가 나일론 섬유를 혼입하지 않은 시험체들보다 더 우수한 결과를 나타내었다.
5 시리즈의 보수재료로 보수된 흄관의 휨강도가 가장 크게 나타났으며, 손상이 없는 시험체(Plain)보다 더 우수하게 나타났다. 또한 나일론 섬유를 혼입한 보수재료로 보수된 시험체들의 휨 강도가 나일론 섬유를 혼입하지 않은 시험체들보다 더 우수한 결과를 나타내었다. 이러한 결과로 볼 때, 나일론 섬유를 혼입하고 PVA분말을 바인더 중량의 첨가율 4.
모든 시험체의 휨 거동은 다소 철근비가 작은 구조부재에서 나타나는 휨 거동 양상을 보이는 것으로 나타나, 국내의 흄관에 배근 되는 철선량이 다소 부족함을 추정할 수 있었다.
또한 나일론 섬유를 혼입한 보수재료로 보수된 시험체들의 휨 강도가 나일론 섬유를 혼입하지 않은 시험체들보다 더 우수한 결과를 나타내었다. 이러한 결과로 볼 때, 나일론 섬유를 혼입하고 PVA분말을 바인더 중량의 첨가율 4.5% 수준 정도로 첨가하여야 보수재료의 성능이 최대가 되는 것을 알 수 있었다.
4) 모든 시험체의 휨 거동은 다소 철근비가 작은 구조부재에서 나타나는 휨 거동 양상을 보이는 것으로 나타나, 국내의 흄관에 배근되는 철선량이 다소 부족함을 추정 할 수 있었다. 즉, 철선의 배근량이 다소 적어 콘크리트와 철선의 거동이 극한상태에 도달하기 전에 콘크리트에 균열이 발생하고 곧바로 콘크리트의 인장강도를 초과하여 파괴되는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트 구조물의 보수에 제한이 있는 이유는?	콘크리트 구조물의 보수는 주변 환경조건에 따라 작업시간에 제한이 있다. 구조물의 신속한 재사용 및 사용자 불편의 최 소화하기 위해 보수작업 시간의 단축이 필요하기 때문에, 보수재료는 빠른 경화시간 확보가 필수적이다. 이러한 보수재료에는 급결제(accelerating agent) 또는 초속경 시멘트(rapid hardening cement)가 일반적으로 사용된다. Table 1은 이번 연구에서 사용된 초속경 시멘트의 화학성분과 기초 물성을 나타내고 있다.
	초속경시멘트의 구성비를 말하라	Table 1은 이번 연구에서 사용된 초속경 시멘트의 화학성분과 기초 물성을 나타내고 있다. 초속경시멘트의 밀도는 2.87g/cm2 , 분말도 5,380cm2 /g이며, 보그식(Bogue’s equation) 에 의한 광물조성은 C3S, C2S, C3A, C4AF, C4A3S의 성분이 각각 중량비로 16.0%, 16.0%, 3.0%, 6.0%, 30.0%이다.(Noor et al., 2004; mehata et al., 2006; Papadakis et al 1991)
	최근 전국 하수관로의 노후화는 어떻게 되는가?	최근 전국 하수관로의 노후화로 인해 전체 하수관로 중 33.9%(41,820km)가 20년 이상 경과되었으며, 그중 서울은 10,487km 중 70% 이상이 노후 하수관으로 확인되었다. 콘크리트 하수관의 대표적인 열화현상은 하수 내에 포함된 황화물과 유기물을 이용하여 증식하는 미생물의 산화⋅환원작용에 의하여 생성된 황산에 의한 생⋅화학적 부식, 강산이나 강알칼리를 함유한 폐수 유입에 의한 직접적인 화학부식, 관로부설 지점의 내⋅외부에 존재하는 비산 물질에 의한 콘크리트 자체의 탄산화에 의한 열화 등이 있다(Ministry of Environment, 2015).

참고문헌 (11)

Ministry of Environment(2015), Ground subsidence sewer pipe investigation manual, Ministry of Environment, Korea, 1-6.
Allen, R. T. L., Edwards, S. C., Shaw, D. N. (1992), Repair of concrete structures 2nd Edition, Spon Press, New Delhi, 56-65.
Kosednar, J., Mailvaganam, N. P. (2005), Selection and Use of Polymer-Based Materials in the Repair of Concrete Structures, Journal of Performance of Constructed Facilities, 19(3), https://doi.org/10.1061/(ASCE)0887-3828(2005)19:3(229).

상세보기
Cabrera, J. G., Hasan, A. I. (1997), Performance properties of concrete repair materials, Construction and Building Materials, 11(5-6), 283-290.

상세보기
Noor, M. A., Uomoto, T. (2004), Rheology of high flowing mortar and concrete, Materials and Structures, 37(8), 513-521.

상세보기
Mehta, P. Kumar and Monteiro, Paulo J. M.(2006), Concrete 3rd Edition, McGraw-Hill, New York, 207-209.
Papadakis, Vagelis G., Fardis, Michael N., and Vayenas, Costas G.(1991), Fumdamental Modeling and Experimental Investigation of Concrete Carbonation, ACI Materials Journal, 88(4), 363-373.
ASTM C305(2014), Standard Practice for Mechanical Mixing of Hydraulic Cement Pastes and Mortars of Plastic Consistency, American Society for Testing and Materials.
ASTM C109/C109M(2016), Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars, American Society for Testing and Materials.
EN 1504-3. (2005), Products and systems for the protection and repair of concrete structures. Definitions, requirements, quality control and evaluation of conformity. Structural and non-structural repair, European Committee for Normalization.
Monteiro, F. C. B., Trautwein, L. M., Almeida, L. C. (2017), The importance of the European standard EN 1504, on the protection and repair of concrete structures, Journal of Building Pathology and Rehabilitation, 2(3), https://doi.org/10.1007/s41024-017-0022-0.

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