[논문]콘크리트의 흡수율에 따른 균열 자기치유 성능

우해식; 박병선; 유성원; 최영철

doi:10.11112/jksmi.2019.23.2.122

콘크리트의 흡수율에 따른 균열 자기치유 성능
Crack Self-Healing Performance According to Absorption Test of Fiber Reinforced Concrete 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.2, 2019년, pp.122 - 129

우해식 (가천대학교 토목환경공학과) , 박병선 (한국건설생활환경시험연구원) , 유성원 (가천대학교 토목환경공학과) , 최영철 (가천대학교 토목환경공학과)

초록
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콘크리트 구조물에서 균열은 수축, 수화열 및 외부하중 등에 의해 발생하는 불가피한 현상으로, 외부 유해인자를 콘크리트 내부로의 침투를 용이하게 하여 내구성을 크게 감소시킨다. 최근 스스로 균열을 치유하는 자기치유 콘크리트에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 또한 콘크리트에 발생하는 균열을 제어하여, 그 성능을 극대화하기 위한 자기치유 섬유 보강 콘크리트의 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 PVA 섬유를 혼입한 자기치유 모르타르를 제작하였다. PVA 섬유 혼입율에 따른 압축강도 및 휨 성능 평가를 수행하였다. 또한, 흡수율 실험을 통해 자기치유 성능평가를 수행하였으며, 시간에 따라 균열 폭의 감소로 흡수되는 수분의 양이 감소하는 것을 확인하였다. 자기치유 생성물 분석을 통해 PVA 섬유 혼입에 의해 탄산칼슘 침전이 더 유리한 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cracks in concrete structures are inevitable phenomena caused by shrinkage, hydration heat, and external loads. These cracks facilitate the penetration of external harmful ions into the concrete, which greatly reduces its durability. Recently, self-healing concrete has been actively studied. Also, self-healing fiber-reinforced concrete have been studied to control the crack in concrete and to maximize the shelf-healing capability. In this study, mortar specimens containing PVA fiber, fly ash and crystalline admixture were fabricated. The compressive and flexural strength were evaluated. Also, the self-healing performance was evaluated by the absorption test. From the results, it was confirmed that the amount of water absorbed by healing of the crack decreased as time increased. It was also found that PVA fiber is beneficial for the production of calcium carbonate, an additional healing product.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 PVA(Polyvinylalcohol) fiber
표 Table 1 Mechanical Property of PVA fiber
표 Table 2 Chemical compositions of raw materials
그림 Fig. 2 Particle size distributions of raw materials
그림 Fig. 3 XRD patterns of raw materials
그림 Fig. 4 Experiment of PVA fiber bond performance
표 Table 3 Mixture proportions of flexural member concrete
그림 Fig. 5 Experiment on flexural performance
그림 Fig. 6 Absorption test on crack self-healing performance
그림 Fig. 7 PVA fiber bond-slip result
표 Table 4 Measurement time and tolerance
그림 Fig. 8 Compressive strength results according to PVA fiber content
그림 Fig. 9 Flexure load results according to PVA fiber content
그림 Fig. 10 Absorption results according to PVA fiber content
그림 Fig. 11 Self-healing products of PVA fiber reinforced concrete using optical microscope (B. S. Park et al., 2018)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 PVA 섬유의 부착성능 특성을 분석하였으며, 섬유보강 콘크리트 모르타르를 제작하였다. PVA 섬유 혼입을 기본으로 배합을 수행하였으며, 추가적으로 플라이애시 20% 치환한 배합에 대한 모르타르를 제작하였다.

제안 방법

(1) PVA 섬유의 부착성능 분석을 위해, 단면적이 적은 중앙부에서 균열을 유도하였으며, 하나의 PVA 섬유의 하중 및 변위를 측정하였다. 이를 통해, 모르타르와 PVA 섬유의 상대슬립 약 1.
(2) PVA 섬유 혼입율에 따른 모르타르 시험체의 압축강도를 측정하였다. Plain의 경우, 섬유 혼입율이 증가할수록 압축강도가 감소하는 것을 확인하였다.
PVA 섬유 부착특성을 분석하기 위해서, Fig. 4과 같이 단면적이 적은 중앙부에서 균열을 먼저 유도하였으며, 하나의 PVA 섬유에 대한 하중 및 변위를 측정하였다. 또한, 리본 모양의 시험체 중앙에 PVA 섬유를 설치하고 모르타르를 타설한 후 부착실험을 수행하였다.
PVA 섬유 혼입 시험체의 압축강도를 평가하기 위해 40 mm × 40 mm × 160 mm 시험체를 제작하였으며, 재령 7일, 28일에 대한 압축강도를 측정하였다.
PVA 섬유 혼입 콘크리트 모르타르의 균열 자기치유 성능 평가를 수행하기 위해, 흡수율 실험을 수행하였다. 흡수율 실험을 수행하기 위해 제작된 원형 시험체는 100 mm × 50 mm 를 사용하였으며, 할렬 인장시험을 통해 균열을 유도하였으며, ASTM C 1585 시험법을 기반으로 흡수율을 측정하였다.
PVA 섬유 혼입율에 따른 역학적 성능 변화를 확인하기 위해 PVA 섬유 혼입율을 1.5%까지 증가시키면서 압축강도 및 휨 성능 평가를 수행하였다. Fig.
본 논문에서는 PVA 섬유의 부착성능 특성을 분석하였으며, 섬유보강 콘크리트 모르타르를 제작하였다. PVA 섬유 혼입을 기본으로 배합을 수행하였으며, 추가적으로 플라이애시 20% 치환한 배합에 대한 모르타르를 제작하였다. 제작된 시험체에 대해 압축강도 및 휨성능 평가를 수행하였으며, 흡수율 실험을 통해 균열 자기치유 성능평가를 수행하였다.
흡수율 실험 이후, 자기치유 생성물에 대한 분석을 수행하였다. 균열면에 대해 자기치유 생성물의 유무를 판단하기 위해, 광학현미경을 통하여 생성물 분석을 수행하였다.
제작된 시험체에 대해 압축강도 및 휨성능 평가를 수행하였으며, 흡수율 실험을 통해 균열 자기치유 성능평가를 수행하였다. 또한 흡수율 실험 이 후, 균열 면에서 생성된 자기치유 생성물에 대해 광학현미경을 이용하여 육안조사를 수행하였다. PVA 섬유 특성에 의해 섬유 주변부에서 탄산칼슘 침전이 유리하게 작용하는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 폴리비닐알콜(PVA) 섬유보강 콘크리트 모르타르를 제작하였으며, 이를 통해 섬유 혼입율에 따른 휨강도 및 압축강도를 비교 분석하였다. 또한, PVA 섬유의 부착성능 특성을 분석하였으며, 흡수율 실험을 통한 PVA 섬유 혼입율에 따른 균열 자기치유 성능평가를 수행하여 비교 분석하였다.
4과 같이 단면적이 적은 중앙부에서 균열을 먼저 유도하였으며, 하나의 PVA 섬유에 대한 하중 및 변위를 측정하였다. 또한, 리본 모양의 시험체 중앙에 PVA 섬유를 설치하고 모르타르를 타설한 후 부착실험을 수행하였다. Fig.
또한, 플라이애시에 의한 섬유 분산 특성을 살펴보기 위해 FA를 OPC 체적대비 20%를 치환한 시험체를 제작하였다. 일반적으로 플라이애시의 경우 입자가 구형의 형태를 가지고 있다.
본 연구에서는 폴리비닐알콜(PVA) 섬유보강 콘크리트 모르타르를 제작하였으며, 이를 통해 섬유 혼입율에 따른 휨강도 및 압축강도를 비교 분석하였다. 또한, PVA 섬유의 부착성능 특성을 분석하였으며, 흡수율 실험을 통한 PVA 섬유 혼입율에 따른 균열 자기치유 성능평가를 수행하여 비교 분석하였다.
PVA 섬유 혼입을 기본으로 배합을 수행하였으며, 추가적으로 플라이애시 20% 치환한 배합에 대한 모르타르를 제작하였다. 제작된 시험체에 대해 압축강도 및 휨성능 평가를 수행하였으며, 흡수율 실험을 통해 균열 자기치유 성능평가를 수행하였다. 또한 흡수율 실험 이 후, 균열 면에서 생성된 자기치유 생성물에 대해 광학현미경을 이용하여 육안조사를 수행하였다.
001g/mm³)이다. 흡수율 실험 이후, 자기치유 생성물에 대한 분석을 수행하였다. 균열면에 대해 자기치유 생성물의 유무를 판단하기 위해, 광학현미경을 통하여 생성물 분석을 수행하였다.

대상 데이터

PVA 섬유의 직경은 40 μm, 길이는 8mm, 밀도는 1.3g/cm3, 인장강도는 1600MPa, 연신율은 6%, 탄성계수는 41GPa인 섬유를 사용하였다.
또한, 휨 성능 평가를 수행하기 위해 시험체 100 mm × 100 mm × 400 mm를 제작하였다.
7은 PVA 섬유의 부착성능 실험결과를 나타내고 있다. 모르타르와 PVA 섬유의 상대슬립 약 1.8mm에서 부착하중이 최대로 측정되었으며, 최대 부착하중은 약 100N인 장치를 사용하였다.
Table 3은 강도 및 흡수율 시험을 위한 섬유보강 모르타르 시험체의 배합표를 나타내고 있다. 물-바인더 비는 45%로 고정하였으며, 섬유의 분산을 위해 유동화제, 분리저감제, 소포제를 사용하였다. 유동화제는 PF0배합에서 바인더의 중량대비 0.
6은 흡수율 실험에 대한 그림을 나타내고 있으며, 균열이 유도된 시험체 하단부에 물이 흡수될 수 있도록 유리막대를 양 끝단에 놓아 시험체가 일정 높이를 유지할 수 있게 수행하였다. 사용한 물은 0.2% 수산화칼슘(Ca(OH)₂)수용액을 사용하였으며, 시험체 하단부가 노출되는 수위는 약 3mm이며, 일정 수위를 유지하면서 수행하였다.
3g/cm³, 인장강도는 1600MPa, 연신율은 6%, 탄성계수는 41GPa인 섬유를 사용하였다. 섬유보강 모르타르의 바인더로 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 플라이애시(FA)를 사용하였으며 화학성분은 Table 2에 나타내었다. 화학분석은 X선 형광분석기(X-ray Fluorescence, XRF)를 통해 나타낸 결과이며, 사용된 기기는 LA-950, HORIBA를 사용하였다.
섬유보강 모르타르의 바인더로 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 플라이애시(FA)를 사용하였으며 화학성분은 Table 2에 나타내었다. 화학분석은 X선 형광분석기(X-ray Fluorescence, XRF)를 통해 나타낸 결과이며, 사용된 기기는 LA-950, HORIBA를 사용하였다. XRF 기기분석에 의해 OPC의 화학성분(Table 2참조)을 기반으로 수화생성에 의한 주요광물인 C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF의 구성비는 각각 70.

이론/모형

흡수율 실험을 수행하기 위해 제작된 원형 시험체는 100 mm × 50 mm 를 사용하였으며, 할렬 인장시험을 통해 균열을 유도하였으며, ASTM C 1585 시험법을 기반으로 흡수율을 측정하였다.

성능/효과

(3) 그러나, 플라이애시 20%를 치환한 배합의 경우, 섬유 혼입율이 증가할수록 압축강도가 증가하는 경향이 나타났으며, 최대 섬유 혼입율인 1.5%의 경우 PF1.5 배합의 압축강도와 유사한 결과가 나온 것을 확인할 수 있었다.
(5) PVA 섬유 혼입에 의해 시간에 지남에 따라 흡수율이 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 균열 자기치유에 따라 균열면이 감소하여 흡수되는 수분의 양이 감소한 것으로 확인되었다. 하지만, 섬유 혼입율에 따른 영향은 없는 것으로 나타났으며, 이는 섬유 혼입율에 관계없이 균열폭을 동일하게 유도하였기 때문으로 확인되었다.
(6) 흡수율 실험 이 후, 균열면에서 PVA 섬유 주변으로 자기치유 생성물이 침전되는 것을 확인하였다. 이는, PVA 섬유로 인해 침투한 수분의 이동을 방해하며, 이로 인해 PVA 섬유 주변부 이온의 농도 및 pH가 증가하여 섬유 주변부에서 자기치유 생성물이 다량 침전되는 현상을 확인하였다.
(7) 이와 같이 섬유 주변부에 침전된 자기치유 생성물은 대부분 탄산칼슘(CaCO₃)인 것으로 확인되었으며, PVA 섬유 혼입 시 탄산칼슘의 침전을 가속화 시켜 자기치유 성능이 향상되는 것을 확인하였다.
3은 사용된 원재료인 OPC 및 FA의 XRD 패턴을 나타내고 있다. OPC의 XRD 패턴 분석을 통해 시멘트는 C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF 및 석고(gypsum)로 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 또한, FA의 주요 광물은 Quartz(SiO₂)와 Mullite(3Al₂O₃2SiO₂)로 구성되어 있으며, 비정질(Amorphous) 특성에 의해 2θ는 15 ~ 30°사이에서 할로우 피크가 관찰되었다.
8은 섬유 혼입율 및 플라이애시 치환한 배합에 대한 압축강도 결과를 나타내고 있다. PF0의 경우, 섬유 혼입율이 증가할수록 압축강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 섬유 혼입율이 1.5%인 경우에는 압축 강도가 50MPa 이하로 측정되었다. 이에 따라 Plain의 경우, 섬유 혼입율에 따른 압축강도의 영향이 크게 나타나지 않았다.
또한 흡수율 실험 이 후, 균열 면에서 생성된 자기치유 생성물에 대해 광학현미경을 이용하여 육안조사를 수행하였다. PVA 섬유 특성에 의해 섬유 주변부에서 탄산칼슘 침전이 유리하게 작용하는 것을 확인하였다. 본 연구에서 수행한 결론은 다음과 같다.
11와 같이 나타내고 있다. PVA 섬유가 치유 생성물을 촉진하는 역할을 하여 PVA 섬유 주변에 자기치유 생성물이 다수 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, PVA 섬유로 인해 침투한 수분의 흡수율 실험 이 후, 이동을 방해하며, 이로 인해 PVA 섬유 주변부 이온의 농도 및 pH가 증가하여 섬유 주변부에서 자기치유 생성물이 다량 침전되는 현상이 발생한 것으로 확인하였다.
화학분석은 X선 형광분석기(X-ray Fluorescence, XRF)를 통해 나타낸 결과이며, 사용된 기기는 LA-950, HORIBA를 사용하였다. XRF 기기분석에 의해 OPC의 화학성분(Table 2참조)을 기반으로 수화생성에 의한 주요광물인 C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF의 구성비는 각각 70.2%, 0.14%, 5.80%, 10.04%이다. OPC의 밀도와 분말도는 각각 3.
이에 따라 Plain의 경우, 섬유 혼입율에 따른 압축강도의 영향이 크게 나타나지 않았다. 그러나, 플라이애시 20%를 치환한 배합의 경우, 섬유 혼입율이 증가할수록 압축강도가 증가하는 경향이 나타났으며, 최대 섬유 혼입율인 1.5%의 경우 PF1.5 배합의 압축강도와 유사한 결과가 나온 것을 확인할 수 있었으며, 섬유 혼입율에 따른 압축강도는 Plain의 경우 반비례하며, 플라이애시의 경우 비례하는 것을 확인할 수 있었다.
PVA 섬유가 치유 생성물을 촉진하는 역할을 하여 PVA 섬유 주변에 자기치유 생성물이 다수 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, PVA 섬유로 인해 침투한 수분의 흡수율 실험 이 후, 이동을 방해하며, 이로 인해 PVA 섬유 주변부 이온의 농도 및 pH가 증가하여 섬유 주변부에서 자기치유 생성물이 다량 침전되는 현상이 발생한 것으로 확인하였다. 이와 같이 섬유 주변부에 침전된 자기치유 생성물은 대부분 탄산칼슘(CaCO₃)인 것으로 확인되었으며, 이는 외부에서 수분과 같이 유입되는 CO₃^2-와 모르타르 내부에서 용출된 Ca²⁺가 반응하여 생성된 것으로 나타났다.
(6) 흡수율 실험 이 후, 균열면에서 PVA 섬유 주변으로 자기치유 생성물이 침전되는 것을 확인하였다. 이는, PVA 섬유로 인해 침투한 수분의 이동을 방해하며, 이로 인해 PVA 섬유 주변부 이온의 농도 및 pH가 증가하여 섬유 주변부에서 자기치유 생성물이 다량 침전되는 현상을 확인하였다.
이와 같이 섬유 주변부에 침전된 자기치유 생성물은 대부분 탄산칼슘(CaCO₃)인 것으로 확인되었으며, 이는 외부에서 수분과 같이 유입되는 CO₃^2-와 모르타르 내부에서 용출된 Ca²⁺가 반응하여 생성된 것으로 나타났다. 이를 육안으로 확인하기 위해서, 광학현미경을 이용하여 섬유 주변부에 침전된 탄산칼슘을 Fig. 11과 같이 확인 하였으며, PVA 섬유 혼입 시 탄산칼슘의 침전을 가속화 시킬 수 있을 것으로 확인하였다.
(1) PVA 섬유의 부착성능 분석을 위해, 단면적이 적은 중앙부에서 균열을 유도하였으며, 하나의 PVA 섬유의 하중 및 변위를 측정하였다. 이를 통해, 모르타르와 PVA 섬유의 상대슬립 약 1.8mm에서 부착하중이 최대로 측정되었다.
또한, PVA 섬유로 인해 침투한 수분의 흡수율 실험 이 후, 이동을 방해하며, 이로 인해 PVA 섬유 주변부 이온의 농도 및 pH가 증가하여 섬유 주변부에서 자기치유 생성물이 다량 침전되는 현상이 발생한 것으로 확인하였다. 이와 같이 섬유 주변부에 침전된 자기치유 생성물은 대부분 탄산칼슘(CaCO₃)인 것으로 확인되었으며, 이는 외부에서 수분과 같이 유입되는 CO₃^2-와 모르타르 내부에서 용출된 Ca²⁺가 반응하여 생성된 것으로 나타났다. 이를 육안으로 확인하기 위해서, 광학현미경을 이용하여 섬유 주변부에 침전된 탄산칼슘을 Fig.
섬유를 혼입하지 않은 배합인 PF0 및 FA20F0의 경우 휨 하중 및 연성 특성은 거의 발휘하지 못하고 있는 것으로 확인되었다. 하지만, 섬유 혼입율 증가에 따라 휨 하중 및 연성이 증가하는 것을 확인하였으며, 최대 하중에서 변위가 증가하는 것으로 나타났다. Plain의 경우, 휨하중 및 연성의 증가가 미미하게 측정되고 있지만, 플라이애시 20% 치환한 경우 휨강도와 연성이 증가하는 경향을 나타내고 있다.
흡수율 실험결과는 Fig. 10에 나타내고 있으며, PVA 섬유 혼입에 의해 시간에 지남에 따라 흡수율이 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 균열 자기치유에 따라 균열면이 감소하여 흡수되는 수분의 양이 감소한 것으로 확인되었다. 하지만, 섬유 혼입율에 따른 영향은 없는 것으로 나타났으며, 이는 섬유 혼입율에 관계없이 균열폭을 동일하게 유도하였기 때문으로 확인되었다.

후속연구

하지만, 섬유 혼입율에 따른 영향은 없는 것으로 나타났으며, 이는 섬유 혼입율에 관계없이 균열폭을 동일하게 유도하였기 때문으로 확인되었다. 또한, 섬유 혼입율이 증가함에 따라 균열유도를 더 작은 크기로 수행하였다면, 섬유 혼입율에 따른 자기치유 성능이 향상될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트는 작은 균열 폭을 갖는 균열에 대해 스스로 치유하는 특성을 가지고 있는데, 이는 어떻게 이루어 지는가?	일반적으로 콘크리트는 작은 균열 폭을 갖는 균열에 대해 스스로 치유하는 특성을 가지고 있다. 이는 콘크리트 내부에 존재하는 미수화 시멘트 입자가 외부에서 침투한 물과의 재수화에 의한 것이다. 또한, 균열면에서 칼슘 이온이 공기 중의 이산화탄소 및 물속에 용해되어 있는 탄산 이온과 반응하여 생성된 탄산칼슘(CaCO3)에 의한 균열 충진에 의한 것이다(Z.LV et al., 2014). 하지만, 이러한 과정은 상당히 서서히 발생하며, 균열 폭 100μm까지 치유 가능하다고 보고되고 있다(Edvardsen. C et al., 1999).
	콘크리트 구조물에서 균열이란 무엇인가?	콘크리트 구조물에서 균열은 수축, 수화열 및 외부하중 등에 의해 발생하는 불가피한 현상으로, 외부 유해인자를 콘크리트 내부로의 침투를 용이하게 하여 내구성을 크게 감소시킨다. 최근 스스로 균열을 치유하는 자기치유 콘크리트에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다.
	콘크리트에서 발생하는 균열은 어떠한 문제점을 발생시키는가?	콘크리트에서 균열은 수축, 수화열 및 외부하중에 의해 불가피하게 발생하는 현상이다. 콘크리트에서 발생하는 균열은 콘크리트 내부로 침투하는 유해인자에 의해 철근의 부식을 가속화 시키는 문제점이 발생하고 있다 (B.S Park et al.

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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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