[논문]오염된 지하수 환경 하의 콘크리트 구조물 균열부위에 사용되는 주입형 누수보수재료의 화학저항성능 시험평가 연구

김수연; 유재용; 김병일; 오상근

doi:10.5345/jkibc.2019.19.5.411

오염된 지하수 환경 하의 콘크리트 구조물 균열부위에 사용되는 주입형 누수보수재료의 화학저항성능 시험평가 연구
A Study on the Chemical Resistance Performance of Injection Type Leakage Repair Materials used in Crack Parts of Concrete Structures under the Contaminated Groundwater Environment 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.5, 2019년, pp.411 - 419

김수연 (Research Center, Seoul National University of Science & Technology) , 유재용 (Dept. of Architectural, Seoul National University of Science & Technology) , 김병일 (School of Architectural, Seoul National University of Science & Technology) , 오상근 (School of Architectural, Seoul National University of Science & Technology)

초록
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지하 콘크리트 구조물은 지하라는 지리적 환경 하에 건축되어 열화를 촉진하는 다양한 환경에 노출되어져 있다. 그 중 지하수는 대표적인 열화를 촉진시키는 환경 중 하나로 지상으로부터 전달되는 오염수(공장폐수, 농약, 하수 및 분뇨, 대기 중의 중금속 빗물 등)로 인하여 지하 콘크리트 구조물에 열화를 더욱더 가중시키고 있다. 이에 본 연구에서는 균열부위에 사용되는 누수보수재료에 대한 화학 안정화 판단을 위하여 우리나라 누수보수 시공 현장에서 일반적으로 사용되고 있는 5계열(합성고무계, 시멘트계, 에폭시계, 아크릴계, 우레탄계)의 각 3Type 씩 총 15Type의 누수보수재료에 대한 5가지 수용액(염산, 질산, 황산, 수산화나트륨, 염화나트륨)의 화학저항성능 시험평가를 실시하였다. 그 결과 대체로 대부분의 화학 수용액에서 증감이 나타나고 있지만, 큰 증감을 보여 주고 있는 것은 아크릴계는 염화나트륨과 수산화나트륨에서 확인 되었고, 에폭시계는 염산과 질산에서 나타났다. 시멘트계는 염화나트륨에서 많은 증감을 보여 주고 있다. 이러한 연구 결과를 토대로 신누수보수재료 개발의 화학 안정화를 위한 근간으로 활용되기를 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Underground concrete structures are constructed under a geographical environment called underground and exposed to various environments that promote deterioration. Among them, groundwater promotes deterioration of underground concrete structures due to contaminated water from the ground. In this study, the chemical resistance performance test evaluation of five different receptors for a total of 15-type leakage repair materials of five series was conducted to determine the chemical stability of the leakage repair material used in the crack area. The results show a general increase and decrease in most chemical receptors, but the biggest increase and decrease was shown in acrylic systems, which were found in sodium chloride and sodium hydroxide, and epoxy was found in hydrochloric acid. The cement system is showing a lot of increase and decrease in sodium chloride. It is expected that the results of these studies will be used as a basis for chemical stabilization in the development of new materials.

주제어

표/그림 (14)

그림 Figure 1. Groundwater contamination path of rainwater
그림 Figure 2. Principle of formation of underground aquifer
그림 Figure 3. Groundwater water pollution path from ground
그림 Figure 4. Chemical resistance test system overview
표 Table 1. Leakage repair materials by type
그림 Figure 5. Chemical resistance test specimens (schale)
표 Table 2. ISO TS 16774 Part 2 specimen solution concentration
표 Table 3. Hydrochloric acid(HCL) test results of water leakage repair material of water solution
표 Table 4. Nitric acid(NHO₃) test results of water leakage repair material of water solution
표 Table 5. Sulfuric acid(H₂SO₄) test results of water leakage repair material of water solution
표 Table 6. Sodium hydroxide(NaOH) test results of water leakage repair material of water solution
그림 Figure 6. Comprehensive test results for chemical resistance performance of water leakage repair materials
표 Table 7. Sodium chloride(NaCI) test results of water leakage repair material of water solution
표 Table 8. Chemical resistance test mass change rate (average) of water leakage repair materials

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 국제표준 ISO TS 16774 Part 2 The Method for Chemical Resistance 시험 규격[4]을 이용하여 선행연구에서 진행한 합성고무계, 시멘트계, 에폭시계와 추가로 진행한 아크릴계, 우레탄계 누수보수재료에 대한 화학 저항성능을 시험 평가 및 분석하였다.
이에 본 연구에서는 지하 콘크리트 구조물의 균열부위에 사용되는 누수보수재료를 대상으로 화학 변화에 따른 안전성능 평가를 통하여 우리나라의 누수보수 시공현장 실태를 파악하고, 화학적 안정화 향상을 위한 기초 자료 활용 및 추후 신 누수보수재료의 개발에 있어 근간을 마련하고자 한다.

제안 방법

d. 168시간 경과 후 시험편을 용기에서 꺼내어 증류수로 표면에 잔류하고 있는 화학수를 가볍게 씻어내고, 시험편을 일정 질량의 허용차까지 건조(동일 건조 시간 적용) 시킨 후 시험편의 질량(M_a)를 측정하여 기록한다.
누수보수재료의 화학저항력을 검증하기 위한 시험 수용액은 Table 2와과 같이 ISO TS 16774 Part 2에서 규정하고 있는 총 5종류(염산, 질산, 황산, 수산화나트륨, 염화나트륨)의 화학 시험 수용액을 배합하여 평가 하였다.
시험 결과의 기록은 누수보수재료가 화학 물질(시험 수용액)에 노출되었을 때의 질량의 변화율(증감)을 기록하는 것으로 주입이 완료된 시험편의 초기에 측정한 질량(M_a)을 시험 후 측정한 질량(M_b)에서 뺀 것을 화학 저항의 정량적 증감 척도로 보고, 변화된 질량(M_c)을 소수점 이하 2자리까지 (1)식에 따라 계산하여 기록한다. 이때 시험편 제작 시 사용된 유리 샤알레(C)의 무게(질량)을 제외한 질량 변화율(M_g)는 다음 (2)식에 의해 계산하여 기록한다.
시험 재료는 5가지 계열을 각각 3종류씩 총 15종류를 대상으로 하였으며, 그 종류는 선행연구에서 진행한 합성고무계, 시멘트계, 에폭시계와 본 연구에서 추가 진행한 아크릴계, 우레탄계 순으로 하였고, 각 재료의 구분은 합성고무계-RG, 시멘트계-CG, 에폭시계-EG, 아크릴계-AG, 우레탄께-UG로 표기하였다. 각 시험 재료별 주요성분[3]은 다음 Table 1과 같다.
이에 대한 선행 연구로는 본 연구자가 진행한 합성고무계, 시멘트계, 에폭시계의 3개 계열에 대한 화학저항성 시험 결과[2]와 본 연구에서 추가로 진행한 우레탄계, 아크릴계의 2개 계열을 종합하여 현재 우리나라 누수보수재료 시공 현장에서 일반적으로 사용하고 있는 5계열을 총합하여 시험 평가 및 분석으로 진행하였다.
제작 완료된 시험편과 시험 수용액을 다음의 시험 방법에 따라 평가하고, 시험실 온도는 평균 (20±3)℃, 습도(65±5)%를 유지하여 평가 한다.
합성고무계, 시멘트계, 아크릴계, 에폭시계, 우레탄계의 5계열에 대한 염산, 질산, 황산, 수산화나트륨, 염화나트륨의 화학저항성 시험 결과는 다음과 같으며, 본고에서는 5가지 화학 수용액별로 대응력을 판단하여 분석하였다.

대상 데이터

염화나트륨에서 다소 높은 질량 변화율을 보여 주고 있는 누수보수재료는 시멘트계, 아크릴계에서 각 2개 시료, 에폭시계, 우레탄계에서 각 1개 시료로 확인되었고, 염산에서는 에폭시계 2개 시료, 시멘트계, 아크릴계, 우레탄계에서 각 1개 시료로 나타났다. 수산화나트륨은 아크릴계 2개 시료, 시멘트계, 에폭시계, 우레탄계에서 각 1개 시료가 확인되었다.
시험편은 Figure 5와 같이 ø65mm×10mm 동일 크기의 유리 샤알레에 보수재료를 완전히 채운 것으로 1Type 당 총 3개씩 각각 제작하여 시험 평가 한다.

이론/모형

본 연구는 국제표준규격 ISO TS 16774(Test Methods for Repair Materials for Water-leakage Cracks in Underground Concrete Structures) Part 2 Thest Method for Chemical Resistance의 시험 규격에 의거하여 성능 평가를 실시하였다.

성능/효과

이는 위의 염산 수용액의 시험결과에서 나타난 것과 같은 것으로 정량적 결과치만 다소 상이할 뿐 증감 경향은 같게 확인되었다. 계열별 질량 변화량은 염산 수용액과 동일하게 합성고무계에서 각각 Type 1 0.16%, Type 2 3.02%, Type 3 0.17% 증가되어 가장 작게 나타났다.
00% 증가하는 것으로 측정되었다. 계열별 평균 질량 변화율은 합성고무계 Type 2가 다소 큰 질량 증가율을 보여주고 있으나, Type 1과 Type 3에서 각각 0.17%, 0.02% 증가만을 보여주고 있어 타 계열에 비해 다소 작은 변화율로 확인되었다.
19% 증가하는 것으로 측정되었다. 계열별 평균 질량 변화율이 작은 것은 합성고무계 Type 1 0.12%, Type 2 0.05%, Type 3 0.48% 증가하는 것으로 확인되었다.
계열별 평균 질량 변화율이 작은 것은 합성고무계로 Type 1 0.08%, Type 2 0.05%, Type 3 0.27% 증가하는 것으로 확인되었다.
또한, 기존의 누수보수재료는 반드시 친수성을 가져야만 재료 물성을 만족하는 것으로 판단하였으나, 본 연구 진행 결과 화학적 환경이 부가되었을 경우 친수성에 의하여 연질화 된 보수재료가 화학수에 의해 오히려 필요이상으로 연질하게 될 수 있으며, 이로 인하여 지하수에 소실되거나, 유실될 가능성이 매우 높음을 확인하였다.
뿐만 아니라 우레탄 Type 3의 경우에도 큰 질량 변화량이 나타난 보수재료 중 하나로 질산 수용액에서 77.74%, 황산 수용액에서 70.23%로 크게 증가하였고, 염산 54.67%(증가), 수산화나트륨 59.84%(증가), 염화나트륨 56.53%(증가)로 대체적으로 50%이상의 질량이 변화된 것으로 측정되었다.
수산화나트륨(NaOH) 수용액의 평균 질량 변화율은 Table 6과 같이 아크릴 Type 3에서 170.81%로 크게 증가하였고, 우레탄 Type 3 59.84% 증가, 시멘트 Type 2 12.19% 증가하는 것으로 측정되었다. 계열별 평균 질량 변화율이 작은 것은 합성고무계 Type 1 0.
염산(HCL) 수용액의 질량변화율은 Table 3과 같이 우레탄 Type 3에서 평균 54.67%가 크게 증가하는 것으로 나타났고, 아크릴 Type 3은 –27.03% 감소, 에폭시 Type 2는 17.68% 증가, 에폭시 Type 1은 –14.28% 감소하는 것으로 측정되었다.
염화나트륨(NaCI) 수용액의 평균 질량 변화율은 Table 7과 같이 우레탄 Type 3에서 평균 56.53%가 크게 증가하였고, 아크릴 Type 2 35.57% 증가, Type 3 20.27% 증가, 시멘트 Type 3 20.19% 증가, Type 2 12.48% 증가하는 것으로 확인되었다. 계열별 평균 질량 변화율이 작은 것은 합성고무계로 Type 1 0.
염화나트륨에서 6개 시료, 염산 5개 시료, 수산화나트륨 5개 시료, 질산 4개 시료, 황산 4개 시료 순으로 변화가 나타났고 특히, 염화나트륨, 염산, 수산화나트륨에서 좀 더 많은 질량 변화율이 확인되었다. 질산, 황산에서도 근소한 차이로 질량 변화율 차가 확인 되었다.
염화나트륨에서 다소 높은 질량 변화율을 보여 주고 있는 누수보수재료는 시멘트계, 아크릴계에서 각 2개 시료, 에폭시계, 우레탄계에서 각 1개 시료로 확인되었고, 염산에서는 에폭시계 2개 시료, 시멘트계, 아크릴계, 우레탄계에서 각 1개 시료로 나타났다. 수산화나트륨은 아크릴계 2개 시료, 시멘트계, 에폭시계, 우레탄계에서 각 1개 시료가 확인되었다.
이외에 약 15% 이상의 질량 변화량이 나타난 것으로 염산에서 에폭시 Type 1 –14.28%(감소), 에폭시 Type 2 17.68%(증가)되었고, 질산에서 에폭시 Type 2 14.89%(증가), 황산에서 합성고무 Type 2 17.93%(증가), 염화나트륨에서 시멘트 Type 3 20.19%(증가)되는 것으로 확인되었다.
즉, 각 화학 수용액에 대한 누수보수재료의 질량 변화율이“0”에 가까울수록 화학 안정화를 갖는 것으로 판단 할 수 있다.
질산(NHO3) 수용액의 질량 변화율은 Table 4와 같이 우레탄 Type 3에서 평균 77.747%가 크게 증가하는 것으로 나타났고, 아크릴 Type 3은 –42.16% 감소, 에폭시 Type 2는 14.89% 증가, 에폭시 Type 1은 –11.10% 감소하는 것으로 측정되었다.
질산에 있어서도 에폭시계 2개 시료, 아크릴, 우레탄 각 1개 시료가 나타났고, 황산은 합성고무계, 시멘트계, 아크릴계, 우레탄계에서 각 1개 시료가 확인되었다.
황산(H2SO4) 수용액의 평균 질량 변화율은 Table 5와 같이 우레탄 Type 3에서 평균 70.23%가 크게 증가하였고, 아크릴 Type 3은 –25.71% 감소, 합성고무계 Type 2 17.93% 증가, 시멘트 Type 2 11.00% 증가하는 것으로 측정되었다.

후속연구

또한, 본 연구 결과 분석 중 후속 진행되어야 할 내용으로 ISO TS 16774 Part 2에서 규정하고 있는 5가지 수용액에 한정하여 시험 평가된 결과가 도출되었으나, 이러한 결과가 화학 수용액에 의한 변화인지 혹은 단순 물에 대한 변화인지, 화학 수용액에 의해 얼마나 더 빠른 변화가 나타나는 것인지 등에 대한 대조가 어려웠다. 따라서 추후 대조군(정제수 시험편)을 설정하여 좀 더 명확한 화학 수용액의 변화추이를 관찰 할 수 있는 시험평가가 수반되어야 할 것으로 판단된다.
또한, 본 연구 결과 분석 중 후속 진행되어야 할 내용으로 ISO TS 16774 Part 2에서 규정하고 있는 5가지 수용액에 한정하여 시험 평가된 결과가 도출되었으나, 이러한 결과가 화학 수용액에 의한 변화인지 혹은 단순 물에 대한 변화인지, 화학 수용액에 의해 얼마나 더 빠른 변화가 나타나는 것인지 등에 대한 대조가 어려웠다. 따라서 추후 대조군(정제수 시험편)을 설정하여 좀 더 명확한 화학 수용액의 변화추이를 관찰 할 수 있는 시험평가가 수반되어야 할 것으로 판단된다.
이를 종합하면 아크릴계 누수보수재료는 염화나트륨과 수산화나트륨에서 화학 안정화 향상을 위한 재료 개선 연구가 필요할 것으로 판단되고, 에폭시계는 염산과 질산, 시멘트계는 염화나트륨에서 화학적 안정화를 위한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
이에 본 연구를 통하여 도출된 5계열의 누수보수재료에 대한 연구 결과는 현재 진행 중이거나 추후 개발되는 누수 보수재료에 반영 하여 최근 사회적 문제로 나타나고 있는 지하수 오염으로부터 화학 안정화 향상을 위한 기초 자료로 활용되기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지하 콘크리트 구조물이 처한 상황은?	지하 콘크리트 구조물은 지하라는 지리적 환경 하에 건축되어 열화를 촉진하는 다양한 환경에 노출되어져 있다. 그 중 지하수는 대표적인 열화를 촉진시키는 환경 중 하나로 지상으로부터 전달되는 오염수(공장폐수, 농약, 하수 및 분뇨, 대기 중의 중금속 빗물 등)로 인하여 지하 콘크리트 구조물에 열화를 더욱더 가중시키고 있다.
	지하수가 지하 콘크리트 구조물에게 주는 악영향은?	지하 콘크리트 구조물은 지하라는 지리적 환경 하에 건축되어 열화를 촉진하는 다양한 환경에 노출되어져 있다. 그 중 지하수는 대표적인 열화를 촉진시키는 환경 중 하나로 지상으로부터 전달되는 오염수(공장폐수, 농약, 하수 및 분뇨, 대기 중의 중금속 빗물 등)로 인하여 지하 콘크리트 구조물에 열화를 더욱더 가중시키고 있다. 이에 본 연구에서는 균열부위에 사용되는 누수보수재료에 대한 화학 안정화 판단을 위하여 우리나라 누수보수 시공 현장에서 일반적으로 사용되고 있는 5계열(합성고무계, 시멘트계, 에폭시계, 아크릴계, 우레탄계)의 각 3Type 씩 총 15Type의 누수보수재료에 대한 5가지 수용액(염산, 질산, 황산, 수산화나트륨, 염화나트륨)의 화학저항성능 시험평가를 실시하였다.
	누수보수재료에 대한 5가지 수용액(염산, 질산, 황산, 수산화나트륨, 염화나트륨)의 화학저항성능 시험평가 결과는?	이에 본 연구에서는 균열부위에 사용되는 누수보수재료에 대한 화학 안정화 판단을 위하여 우리나라 누수보수 시공 현장에서 일반적으로 사용되고 있는 5계열(합성고무계, 시멘트계, 에폭시계, 아크릴계, 우레탄계)의 각 3Type 씩 총 15Type의 누수보수재료에 대한 5가지 수용액(염산, 질산, 황산, 수산화나트륨, 염화나트륨)의 화학저항성능 시험평가를 실시하였다. 그 결과 대체로 대부분의 화학 수용액에서 증감이 나타나고 있지만, 큰 증감을 보여 주고 있는 것은 아크릴계는 염화나트륨과 수산화나트륨에서 확인 되었고, 에폭시계는 염산과 질산에서 나타났다. 시멘트계는 염화나트륨에서 많은 증감을 보여 주고 있다. 이러한 연구 결과를 토대로 신누수보수재료 개발의 화학 안정화를 위한 근간으로 활용되기를 기대한다.

참고문헌 (4)

National Groundwater Information Management and Service Center [Internet]. Korea (Daejeon): K-water. Available from: http://www.gims.go.kr/waterOfClean.do
Kim SY, Lee JH, Song JY, Kim BI, Oh SK. Evaluation of chemical resistance performance of synthetic rubber and cement based injection repair materials used in underground concrete structures. Journal of The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. 2017 Oct;21(5):148-55.
Kim SY, Lee JH, Lee SJ, Jang DB, Oh SK. Standard manual for the diagnosis and repairing leakage cracks of underground structures in apartment housing: maintenance inspection. Proceeding of The Korea Institute of Building Construction; 2018 May 16-18; Jeju, Korea. Seoul (Korea): The Korea Institute of Building Construction; 2018. p. 343-4.
ISO TS 16774. Test Methods for Repair Materials for Water-leakage Cracks in Underground Concrete Structures. Switzerland: ISO: Part 2, Test Method for Chemical Resistance; p. 1-8.

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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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