[논문]자기치유 마이크로 캡슐을 혼합한 시멘트 복합재료의 품질 및 균열 치유 특성에 관한 실험적 연구

최연왕; 오성록; 김철규; 남은준

doi:10.11112/jksmi.2019.23.1.113

초록
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본 연구에서는 시멘트 복합재료와 직접 혼합 가능한 자기치유 마이크로 캡슐을 제조하였으며, 자기치유 마이크로 캡슐이 혼합된 시멘트 복합재료의 품질 및 균열 치유 성능 특성을 평가하였다. 종래의 경우 자기치유 캡슐 제조와 균열 치유 특성 평가에만 치중되어 평가되어 왔다. 따라서 자기치유 마이크로 캡슐은 시멘트 복합재료와 혼합시 시멘트 복합재료의 품질에 미치는 영향이 있기 때문에 이에 대한 검토를 수행하였다. 자기치유 마이크로 캡슐을 혼합한 시멘트 복합재료의 테이블 플로우 및 공기량 평가 결과 혼합율에 관계없이 테이블 플로우 및 공기량은 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 압축강도 및 쪼갬인장강도는 캡슐 혼합율이 증가할수록 강도가 감소하는 경향이 나타났다. Water Flow에 따른 균열 치유 특성 평가 결과 초기 투수량이 감소하는 결과가 나타났으며, 시간 경과에 따라 반응 생성물 발생하여 균열이 치유되는 것을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, self - healing microcapsules which can be mixed directly with cement composites were prepared, and the quality and crack healing performance of cement composites with self - healing microcapsules were evaluated. In the past, it has been focused on evaluating self-healing capsules and ...

In this study, self - healing microcapsules which can be mixed directly with cement composites were prepared, and the quality and crack healing performance of cement composites with self - healing microcapsules were evaluated. In the past, it has been focused on evaluating self-healing capsules and crack healing properties. Therefore, self - healing microcapsules have been studied for their effect on the quality of cement composites when mixed with cement composites. The table flow and the air flow rate of the cement composite material mixed with self-healing microcapsules were found to have no significant influence on table flow and air volume regardless of mixing ratio. Compressive strength and splitting tensile strength tended to decrease with increasing capsule mixing ratio. As a result of evaluation of crack healing properties according to water flow, initial water permeability decreased, and reaction products were generated over time and cracks were healed.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1 Encapsulation mechanism
그림 Fig. 2 Encapsulation process
그림 Fig. 3 Encapsulation equipment
표 Table. 1 Chemical components and physical properties of cement
표 Table. 2 Physical properties of fine aggregate
표 Table. 3 Physical Propcerties of Chemical Admixtures
표 Table. 4 Mix ratio
그림 Fig. 4 Self-healing microcapsules
그림 Fig. 5 Measuring equipment for Water flow test
그림 Fig. 6 Experimental results of table flow
그림 Fig. 7 Experimental results of air content
그림 Fig. 8 Experimental results of compressive strength
그림 Fig. 9 Experimental results of Splitting tensile strength
그림 Fig. 10 Experimental results of permeability at the beginning of cracking
그림 Fig. 11 Experimental results of permeability over time
그림 Fig. 12 Crack surface of Plain (×100)
그림 Fig. 13 Crack surface of 1% (×100)
그림 Fig. 14 Crack surface of 3% (×100)
그림 Fig. 15 Crack surface of 5% (×100)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 시멘트 복합재료와 직접 혼합 가능한 자기치유 마이크로 캡슐을 제조하였으며, 자기치유 마이크로 캡슐이 혼합된 시멘트 복합재료의 품질 및 균열 치유 성능 특성을 평가하였다. 종래의 경우 자기치유 캡슐 제조와 균열 치유 특성 평가에만 치중되어 평가되어 왔다.
본 논문은 시멘트 복합재료와 직접 혼합 가능한 자기치유 마이크로 캡슐을 제조하였으며, 자기치유 마이크로 캡슐이 혼합된 시멘트 복합재료의 품질 및 균열 치유 성능 특성을 평가하였다.
그러나 자기치유 마이크로 캡슐은 시멘트 복합재료와 혼합시 시멘트 복합재료의 품질에 미치는 영향이 있기 때문에 이에 대한 검토가 필요한 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 통하여 자기치유 캡슐 및 캡슐을 포함하는 시멘트 복합재료 제조기술의 개선을 위한 기반 자료로써 활용하고자 한다.

제안 방법

균열이 유발된 시험편은 재령1일, 3일 및 7일간의 치유 양생 기간을 거친 다음 각재령일에 Water Flow 시험을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 W/O상에서 1차 캡슐화를 수행한 이후 Oil의 특성을 가지는 1차 불안정한 캡슐을 O/W상에서 일반적인 Urea-Formaldehyde 막을 통하여 2차 캡슐화를 수행하였다. 이후 막의 강화를 위하여 3차 캡슐 강화를 실시하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 시멘트는 밀도 3.15 g/cm³ 및 분말도 3,540cm²/g의 보통포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC로 약함)를 사용하였다. Table 1은 실험에 사용된 시멘트의 화학적 성분 및 물리적 특성을 나타낸 것이다.
실험에 사용된 화학혼화제(Chemical admixture, 이하 ad로 약함)는 캡슐의 손실량 저감 및 분산을 원활하게 하기 위하여 국내 H사의 폴리칼본산계 고성능 감수제를 사용하였다. Table 3은 사용된 화학혼화제의 물리적 성질을 나타낸 것이다.
실험에 잔골재는 주문진산 표준사(이하 S로 약함)를 사용하였다. Table 2는 실험에 사용된 골재의 물리적 특성을 나타낸 것이다.

데이터처리

쪼갬인장강도는 “KS F 2423 콘크리트의 쪼갬인장강도 시험방법”에 준하여 ∅50×100 mm의 원주형 시험편을 성형하여 기건 양생을 실시하였다. 이후 만능시험기 (Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 쪼갬인장강도를 측정하였으며, 압축강도와의 상관성을 평가하였다.

이론/모형

공기량은 “KS L 3136 수경성 시멘트 모르타르의 공기량 측정 방법”에 준하여 안지름 76±1.5 mm, 깊이 88 mm의 원통형으로 23℃에서 400±1 mL의 물을 담을 수 있는 용기를 사용하여 공기량을 측정하였다.
압축강도는 “KS L 5105 콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법”에 준하여 50×50×50 mm의 큐브형 시험편을 성형하여 기건 양생을 실시하였다. 이후 재령에 따라 만능시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 압축강도를 측정하였다.
자기치유 마이크로 캡슐(Self-healing microcapsules)의 치유물질은 규산염계 무기재료를 선정하였으며, In-situ 중합법을 적용하여 Water/Oil/Water상에서 캡슐화를 실시하였다. 무기재료를 캡슐화하기 위해서는 W/O상에서 캡슐화를 실시하여야 하지만 알려진 캡슐화 방법에 의하면 W/O상에서 캡슐화가 되더라도 일정수준의 강도를 가지지 못하거나 형태가 불안정상 상태의 캡슐이 얻어진다.
쪼갬인장강도는 “KS F 2423 콘크리트의 쪼갬인장강도 시험방법”에 준하여 ∅50×100 mm의 원주형 시험편을 성형하여 기건 양생을 실시하였다. 이후 만능시험기 (Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 쪼갬인장강도를 측정하였으며, 압축강도와의 상관성을 평가하였다.

성능/효과

1. 자기치유 마이크로 캡슐을 혼합한 시멘트 복합재료의 테이블 플로우 및 공기량 평가 결과 혼합율에 관계없이 테이블 플로우 및 공기량은 큰 영향이 없는 것으로 나타났으며, 품질 변화가 없을 것으로 판단된다.
2. 자기치유 마이크로 캡슐을 혼합한 시멘트 복합재료의 압축강도 및 쪼갬인장강도 평가 결과 캡슐 혼합율이 증가할수록 강도가 감소하는 경향이 나타났지만 배합비 조절, 추가 결합재의 혼합 등을 통하여 강도 확보가 가능할 것으로 판단된다.
3. 자기치유 마이크로 캡슐을 혼합한 시멘트 복합재료의 Water Flow 평가 결과 마이크로 캡슐이 파괴되어 균열면 내부에 코어재료가 유출되어 투수량이 감소되는 것으로 나타났으며, 시간 경과에 따라 치유 물질인 코어재료가 반응하여 반응 생성물 발생에 따라 균열이 수복되는 것을 관찰할 수 있었다.
이러한 결과는 마이크로 캡슐이 파괴되어 치유물질이 유출됨과 동시에 치유반응을 시작하여 초기 투수량이 Plain과 비교하여 크게 저감이 되는 것으로 판단된다. 또한 마이크로 캡슐의 혼합률이 증가함에 따라 투수량이 감소하는 결과가 나타났으며, SH-1의 투수량과 비교하여 SH-3 및 SH-5의 투수량은 약 17% 및 80% 감소하는 것으로 나타났다.
마이크로 캡슐을 혼합한 경우에는 반응 생성물을 관찰할 수 있었으며, 균열 치유효과가 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 균열 치유 수준은 1%의 경우 부분적으로 치유된 것으로 나타났으며, 3%의 경우 대부분 균열이 치유된 것으로 나타났지만 일부 치유되지 않은 곳이 관찰되었다.
이러한 결과를 통하여 마이크로 캡슐은 공기량에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 판단되며, 마이크로 캡슐 혼합에 따른 공기량의 품질은 크지 변동되지 않는 것으로 판단된다.

후속연구

그러나 5%의 경우에는 균열면이 반응 생성물로 충전되어 모든 균열면이 치유된 것으로 나타났다. 그러나 마이크로 캡슐의 혼합량 증가에 따라 강도가 큰 폭으로 감소하는 결과가 나타나기 때문에 치유효율을 고려하여 최적의 혼합율이 고려되어야 하지만 성능 중심 측면에서 고려할 경우에는 최적의 치유 성능을 가지는 범위에서 목표 강도를 만족할 수 있는 시멘트 복합재료의 배합비의 고려 또는 추가적인 혼합재의 적용이 필요할 것으로 판단된다.
이러한 결과를 통하여 마이크로 캡슐 혼합율에 증가함에 따라 강도가 감소하는 것으로 판단된다. 그러나 시멘트 복합재료의 배합비는 KS L 5105에서 제시한 표준 시멘트 모르타르의 배합을 적용하였기 때문에 시멘트 복합재료의 배합비 조절, 추가 결합재의 혼합 등을 통하여 압축강도를 확보할 수 있을 것으로 판단되며, 자기치유 성능 대비 강도의 효율을 고려하여 적절한 마이크로 캡슐의 혼합률을 선정하여야 할 것으로 판단된다.
종래의 경우 자기치유 캡슐 제조와 균열 치유 특성 평가에만 치중되어 평가되어 왔다. 그러나 자기치유 마이크로 캡슐은 시멘트 복합재료와 혼합시 시멘트 복합재료의 품질에 미치는 영향이 있기 때문에 이에 대한 검토가 필요한 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 통하여 자기치유 캡슐 및 캡슐을 포함하는 시멘트 복합재료 제조기술의 개선을 위한 기반 자료로써 활용하고자 한다.
이러한 경우 표면 보호를 위한 박막 형태의 코팅재로 활용되기 때문에 자기치유를 위한 캡슐 량이 한정적이며, 균열 폭 또는 균열 깊이에 대하여 대응하기에 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 구조물 모체는 대부분 무기재료를 기반으로 하는 복합재료로 구성되어 있기 때문에 자기치유를 위한 물질이 대표적으로 열적 특성이 다른 유기계 기반 재료보다는 동일한 특성을 가지는 무기계 기반 재료를 활용하는 것이 실제 균열을 자기치유 함에 있어 보다 효과적인 성능을 얻을 수 있을 것으로 판단되며(Oh, 2017) 이를 시멘트 복합재료 배합시 직접 혼합할 수 있을 경우 모체 매트릭스의 두께를 적용할 대상에 대응하여 자유롭게 조절이 가능하기 때문에 상대적으로 많은 자기치유 캡슐을 포함할 수 있어 자기치유 성능을 극대화 할 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 결과를 통하여 시멘트 복합재료의 품질 중 마이크로 캡슐의 혼합이 강도에 미치는 영향이 크기 때문에 목표 강도를 만족하기 위한 배합비 조성이 필요할 것으로 판단되며, 품질 변화 및 치유성능을 고려하여 최적 혼합율 검토가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기치유 성능을 부여한 구조물이 가진 장점은 무엇인가?	최근 콘크리트의 균열 저감을 위한 건설기술 동향을 살펴보면 스마트 구조물, 인텔리전트 재료의 개념이 대두되면서 콘크리트 균열을 스스로 치유할 수 있는 자기치유 기술(Self-Healing Technology)에 관한 연구 및 검토가 수행되고 있다. 자기치유 성능을 부여한 구조물은 균열이 발생할 경우 균열을 스스로 탐지하여 균열 발생 초기에 치유할 수 있으므로 일반적인 구조물의 유지보수에 따른 시간, 노력 및 비용을 크게 절감할 수 있으며, 특히, 사람이 쉽게 접근하기 어려운 구조물의 경우에도 효과적으로 보수를 수행할 수 있는 장점이 있다.(Erik, 2013 ; An, 2014)
	캡슐을 활용한 자기치유 기술이 가지는 장점은 무엇인가?	캡슐을 활용한 자기치유 기술은 직접적인 자기치유 소재를 다량 포함할 수 있기 때문에(Tatyana, 2012 ; M. Hunger, 2009) 손상부위 즉, 균열이 발생한 부위에 선택적으로 반응시킬 수 있는 장점이 있으며, 국외 기술의 경우 자기치유 소재와 촉매제를 마이크로 사이즈로 캡슐화 하여 적용한바 있다(Shazim,2014 ; Kim, 2003). 국내 기술의 경우 별도의 촉매제 없이 태양광 또는 수분으로 반응할 수 있는 자기치유 마이크로 캡슐을 제조하여 건설 분야 기술에 적용한 사례가 있다(Song, 2013).
	국내외 자기치유 소재에 대한 연구결과는 무엇인가?	국내외 대표적인 연구 사례를 검토해 보면 크게 2가지결론을 얻을 수 있다. 첫째, 자기치유 캡슐의 적용대상이 구조물 모체가 아니라 모체 표면을 대상으로 하고 있으며, 둘째, 자기치유 성능을 가지는 물질이 유기계 기반 소재의 화학 약품을 적용하고 있다(Wang, 2003 ; Blaiszika, 2007).

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