[논문]실리케이트계 급결제를 혼입한 글라이코 캘릭스 코팅재의 응결시간 및 압축강도 발현 특성

정윤지; 윤현섭; 양근혁

doi:10.14190/jrcr.2020.8.1.105

실리케이트계 급결제를 혼입한 글라이코 캘릭스 코팅재의 응결시간 및 압축강도 발현 특성
Setting Time and Compressive Strength Gains of Glycocalix Coating Materials with Silica-based Accelerating Agents 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.1, 2020년, pp.105 - 111

정윤지 (경기대학교 건축공학과) , 윤현섭 (경기대학교 건축공학과) , 양근혁 (경기대학교 건축공학과)

초록
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이 연구에서는 화학적 열화 및 생물학적 열화에 노출된 콘크리트의 보호를 위해 개발된 글라이코 캘릭스(glycocalix) 코팅재의 응결속도 및 압축강도 발현에 대한 실리케이트계 급결제 혼입의 영향을 검토하였다. 글라이코 캘릭스 코팅재의 적용처에 따라 제안된 단면 뿜어 붙이기용 및 라이닝 공법용 코팅재 배합에서 실리케이트계 급결제의 첨가량을 10mL/L, 25mL/L 및 40mL/L로 변화하였다. 글라이코 캘릭스 코팅재의 경화속도는 박테리아 고정화 재료 양에 의해서도 영향을 받았는데, 40mL/L의 급결제를 첨가한 단면 뿜어 붙이기 및 라이닝 공법용 배합의 종결시간은 각각 80분 및 318분이었다. 급결제를 첨가한 글라이코 캘릭스 코팅재의 강도 발현은 급결제 첨가량이 증가함에 따라 일반 코팅재에 비해 낮은 결과를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present study examined the effect of the silica-based accelerating agents on the setting time and compressive strength gain of biomimetic glycocalix coating materials that has been developed for protecting the substrate of concrete exposed to chemical and microbiological attacks. The accelerating agent contents varied from 10mL/L to 40mL/L in the mixtures of glycocalix coating materials determined for shotcrete and lining techniques. Test results showed that the setting time of coating materials containing accelerating agents was affected by the contents of the bacteria carrier. When the accelerating agent content was 40mL/L, the final setting time was 80 minutes for shotcrete mixtures and 318 minutes for lining mixtures. Meanwhile, the compressive strength gain of coating materials with accelerating agents tended to be lower than that of counterpart materials without accelerating agents.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Physical properties and chemical composition of ordinary portland cement
표 Table 2. Properties of polymer used
표 Table 3. Media compositions for Rhodobacter capsulatus
표 Table 4. Mixture proportions for glycocalix coating materials and summary of test results
그림 Fig. 1. Setting time behavior of glycocalix coating materials for shotcrete technique
그림 Fig. 2. Setting time behavior of glycocalix coating materials for lining technique
그림 Fig. 3. Compressive strength development of glycocalix coating materials for shotcrete technique
그림 Fig. 4. Compressive strength development of glycocalix coating materials for lining technique

AI 본문요약
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제안 방법

이 연구에서는 Yoon et al.(2019)의 연구에서 제시된 화학적 열화및 생물학적 열화에 노출된 콘크리트 하수관 및 암거의 생태학적보수재료인 글라이코 캘릭스(glycocalix) 코팅재의 속경성 향상 및 조기 강도 증진을 위한 급결제 혼입의 특성을 검토하였다. 글라이코캘릭스 코팅재의 적용처에 따라 제안된 단면 뿜어 붙이기용 및 라이닝용 코팅재 배합에서 실리케이트계 급결제의 첨가량을 10mL/L,25mL/L 및 40mL/L로 변화하였으며, 이에 따른 코팅재의 응결 및 강도발현 특성을 평가하였다.
각 배합에서는 비교를 위해 박테리아 고정화 재료 및 급결제를 첨가하지 않은 배합을 기준으로 하였다. Table 4의 실험체 명에서S10-10의 경우 단면 뿜어 붙이기용(shotcrete) 배합으로서 팽창질석의 치환율 및 급결제 혼입량이 각각 10% 및 10mL/L임을 의미한다.
(2019)의 연구에서 제시된 화학적 열화및 생물학적 열화에 노출된 콘크리트 하수관 및 암거의 생태학적보수재료인 글라이코 캘릭스(glycocalix) 코팅재의 속경성 향상 및 조기 강도 증진을 위한 급결제 혼입의 특성을 검토하였다. 글라이코캘릭스 코팅재의 적용처에 따라 제안된 단면 뿜어 붙이기용 및 라이닝용 코팅재 배합에서 실리케이트계 급결제의 첨가량을 10mL/L,25mL/L 및 40mL/L로 변화하였으며, 이에 따른 코팅재의 응결 및 강도발현 특성을 평가하였다.
Table 4의 실험체 명에서S10-10의 경우 단면 뿜어 붙이기용(shotcrete) 배합으로서 팽창질석의 치환율 및 급결제 혼입량이 각각 10% 및 10mL/L임을 의미한다. 단면 뿜어 붙이기용 배합의 물-결합재비(water to binder ratio,W/B) 및 골재-결합재비(sand to binder ratio, S/B)는 각각 34%및 2.0으로 하였다. 폴리머의 혼입비율은 전체 결합재 질량의 5%로하였으며, 분산제와 소포제의 혼입량은 폴리머 질량의 0.
더불어 라이닝용 배합에서 골재의 사용은 0.05∼0.17mm, 0.1∼0.25mm 및 0.25∼0.7mm의 규사를 동일한 질량비로 혼입하여 사용하였으며, 섬유는 혼입하지 않았다.
이들 배합실험에서의 주요 변수는 경화속도 조절을 위한 급결제 첨가량이다. 두 그룹에서 급결제의 첨가량은 10mL/L, 25mL/L 및 40mL/L로 변화하였다. 이와 함께 박테리아가 고정화된 팽창질석의 치환율을 골재 부피의10% 및 35%로 변화하여 급결제 변화량이 코팅재의 경화 특성에 미치는 영향을 평가하였다.
글라이코 캘릭스 코팅재의 경화속도 및 압축강도 특성 평가를 위한 배합상세를 Table 4에 나타내었다. 배합실험은 코팅재 적용위치에 따라 제안된 단면 뿜어 붙이기용(shotcrete) 배합 및 라이닝용(lining) 배합의 두 그룹으로 구분하였다. 이들 배합실험에서의 주요 변수는 경화속도 조절을 위한 급결제 첨가량이다.
급결제 첨가 후 혼입이 완료된 시료는 KS F2763(관입 저항침에 의한 콘크리트 보수재의 응결시간 측정방법;2018)에 따라 지름 75mm, 깊이 100mm의 용기에 타설하여 응결시간을 측정하였다. 응결시간 측정에서는 관입 저항이 0.5MPa 및3.5MPa인 경우를 각각 초결시간 및 종결시간으로 하였다. 이와 함께 압축강도 측정을 위한 시험체는 50×50×50mm의 큐브형 몰드에 타설하였으며, 항온항습 (습도 60±5%, 온도 20±1℃)의 환경에서 양생을 실시하였다.
두 그룹에서 급결제의 첨가량은 10mL/L, 25mL/L 및 40mL/L로 변화하였다. 이와 함께 박테리아가 고정화된 팽창질석의 치환율을 골재 부피의10% 및 35%로 변화하여 급결제 변화량이 코팅재의 경화 특성에 미치는 영향을 평가하였다.
이와 함께 압축강도 측정을 위한 시험체는 50×50×50mm의 큐브형 몰드에 타설하였으며, 항온항습 (습도 60±5%, 온도 20±1℃)의 환경에서 양생을 실시하였다.

대상 데이터

코팅재 제작에 사용된 폴리머는 밀도 및 평균입자 크기가 각각0.5g/cm3 와 100μm의 에칠렌 초산 비닐(ethylene vinyl acetate,EVA)계 재유화형 분말이다(Table 2).
코팅재 제작을 위한 골재로서는 0.05∼0.17mm, 0.17∼0.25mm 및 0.25∼0.7mm의 입경을 갖는 규사(silica sand)를 사용하였으며, 섬유로서는 밀도 1.3g/cm3 및 직경 120μm의 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 재료가 사용되었다.
코팅재의 경화 속도조절을 위한 재료로서는 규산나트륨(Na2SiO2⋅nH2O)을 주요 성분으로 하는 밀도 1.25g/cm3의 실리케이트계 액상형 재료를 사용하였다.
5g/cm³ 와 100μm의 에칠렌 초산 비닐(ethylene vinyl acetate,EVA)계 재유화형 분말이다(Table 2). 폴리머의 분산성 확보 및 공기연행 방지를 위한 재료로서는 밀도 0.5g/cm³의 분산제와 소포제를사용하였다. 코팅재 제작을 위한 골재로서는 0.

이론/모형

배합이 완료된 코팅모르타르에서는 경화속도 조절을 위해 계획된 급결제를 정량 혼입 한 후 1분간 추가적으로 고속 혼입하였다. 급결제 첨가 후 혼입이 완료된 시료는 KS F2763(관입 저항침에 의한 콘크리트 보수재의 응결시간 측정방법;2018)에 따라 지름 75mm, 깊이 100mm의 용기에 타설하여 응결시간을 측정하였다. 응결시간 측정에서는 관입 저항이 0.
코팅 모르타르 배합은 KS ISO 679(2016)에 따라 실시하였으며,배합시 Rhodobacter capsulatus가 고정화된 다공성 재료를 혼입하여 제작하였다. 박테리아가 고정화된 다공성 재료를 혼입하는 배합의 경우에는 고정화 재료의 흡수율을 고려하여 배합수의 투입량을 조정하였다.
이와 함께 압축강도 측정을 위한 시험체는 50×50×50mm의 큐브형 몰드에 타설하였으며, 항온항습 (습도 60±5%, 온도 20±1℃)의 환경에서 양생을 실시하였다. 코팅 모르타르의 압축강도 측정은 KS L5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험 방법; 2017)에 따라 재령 1일, 3일, 7일, 28일에서 측정하였다.

성능/효과

1. 단면 뿜어 붙이기용 코팅재의 종결시간은 S10-40 시험체가 80분으로 가장 빠르게 나타났으며, 박테리아 고정화 재료의 치환비율이 낮고 급결제의 첨가량이 증가함에 따라 감소하는 결과를 보였다.
2. 라이닝용 코팅재의 배합에서 L10-40 시험체의 종결시간은 318분으로 가장 빨랐는데, 이 결과는 단면 뿜어 붙이기용S10-40 배합에 비해 약 4배 느린 결과이다.
3. 단면 뿜어 붙이기용 코팅재에서 급결제를 40mL/L 첨가한L10-40 및 L35-40 시험체의 재령 28일 압축강도 증가 수준은 재령 1일의 결과대비 약 3배 수준으로, 약 4.7배의 강도증가를 보인 S-Control 시험체에 비해 36% 낮았다.
4. 라이닝용 코팅재의 압축강도 또한 급결제를 혼입하지 않은L-Control 시험체의 재령 28일 압축강도가 45.2MPa로 가장 높았으며, 규사에 비해 비교적 낮은 밀도의 다공성 재료인 팽창질석을 35% 혼입한 배합의 강도발현은 팽창질석을 10%를 혼입한 배합에 비해 비교적 낮았다.
9배의 강도증가를 보인 L-Control 시험체에 비해 각각 36% 및 43%낮았다. 가장 적은 양의 급결제를 첨가한 L10-10 및 L35-10 시험체에서 재령 1일 대비 재령 28일 압축강도의 증가수준은 각각 3.2배및 2.9배로 급결제를 40mL/L 첨가한 배합에 비해 높았지만, 이 값또한 L-Control 시험체에 비해 각각 18% 및 25% 낮았다. 글라이코캘릭스 코팅재의 압축강도 발현은 박테리아 고정화 재료를 35% 혼입한 배합의 경우가 10%를 혼입한 배합에 비해 비교적 낮은 결과를 보였는데, 이는 응결시간의 측정 결과와 마찬가지로 규사에 비해 비교적 낮은 밀도의 다공성 재료인 팽창질석 사용에 의한 영향으로 판단된다.
반면재령 1일의 압축강도 결과에서는 급결제를 첨가한 모든 배합이S-Control에 비해 높은 결과를 보였으며, 재령 3일 이후 강도 발현의 크기가 S-Control에 비해 감소하는 결과를 보였다. 급결제를 첨가한 시험체 중 재령 1일의 압축강도가 10.4MPa 및 8.4MPa로 가장 컸던 S10-40 및 S35-40 시험체는 재령 28일 압축강도는 각각31.6MPa 및 35.1MPa로 가장 낮은 결과를 보였다. 이들 시험체의 재령 1일 대비 재령 28일의 압축강도 증가 수준은 약 3배로서 약4.
72배 증가하였다. 급결제를 혼입하지 않은 S-Control 시험체의 초결및 종결시간이 각각 292분 및 465분으로, 가장 낮은 응결 특성을 나타내었던 S35-10 초결 및 종결시간이 각각 1.74배 및 1.35배 증가하였다. 응결시간의 측정결과에서 박테리아 고정화 재료의 치환율이 35%인 경우가 10%인 배합에 비해 초결과 종결시간이 증가하는 결과를 보였다.
단면 뿜어 붙이기용 코팅재의 재령 28일 압축강도는 급결제를 혼입하지 않은 S-Control 시험체의 경우가 38.9MPa로 가장 높은 결과를 보였으며, 이를 제외한 시험체에서는 급결제의 첨가량이 10mL/L에서 40mL/L로 증가함에 따라 감소하는 결과를 보였다(Fig. 3). 반면재령 1일의 압축강도 결과에서는 급결제를 첨가한 모든 배합이S-Control에 비해 높은 결과를 보였으며, 재령 3일 이후 강도 발현의 크기가 S-Control에 비해 감소하는 결과를 보였다.
이와 함께 박테리아 고정화 재료의 치환율이 35%인 경우가 10%인 배합에 비해 초결 및 종결시간은 증가하는 결과를 보였으며, 급결제를 혼입하지 않은L-Control 시험체의 경우 초결 및 종결시간은 각각 255분 및 570분으로 가장 느린 응결 특성을 보였다. 더불어 고정화 재료를 10%혼합한 라이닝용 배합에서는 급결제의 혼입량이 10mL/L에서40mL/L로 변화함에 따라 종결시간이 380분에서 318분으로 소폭감소한 반면, 고정화 재료를 10% 혼합한 단면 뿜어 붙이기 배합에서는 급결제의 혼입량이 증가함에 따라 종결시간이 378분에서 80분으로 크게 감소하였다. 이러한 결과는 단면 뿜어 붙이기용 배합의 경우 라이닝용 배합에 비해 더 많은 양의 시멘트를 사용함에 따라 급결제의 알칼리 성분과 만나 알루미나-실리카 겔 반응을 이루는시멘트 중의 알루미네이트 성분이 더 많이 포함될 수 있음을 의미하며, 이는 글라이코 캘릭스 코팅재의 경화속도에 있어 비교적 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.
라이닝 공법용 코팅재의 응결시간 측정 결과는 단면 뿜어 붙이기용 배합의 결과와 마찬가지로 급결제의 혼입량이 10mL/L에서40mL/L로 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다(Fig 2). 박테리아 고정화 재료 치환율이 10%인 경우 라이닝 공법용 코팅재의 응결시간은 급결제 혼입량이 40mL/L인 경우 초결 및 종결시간이 각각 32분 및 318분으로 가장 빠르게 나타났다.
라이닝 공법용 코팅재의 재령 28일 압축강도 측정 결과에서도 급결제를 첨가하지 않은 L-Control 시험체가 45.2MPa로 가장 높은결과를 보였다. 이와 함께 재령 1일에서 가장 높은 수준의 강도 발현을 보인 L10-40 시험체 및 L35-40가 재령 28일에서는 각각35.
72배 증가하였다. 박테리아 고정화 재료의 치환율이 35%인 경우에는 고정화 재료의 치환율 10%인 경우와 마찬가지로 급결제의 혼입량이 많을수록 응결시간이 감소하는 결과를 보였으며, 급결제 혼입량이40mL/L인 경우 25분으로 가장 빠르게 나타났다. 급결제 혼입량이25mL/L, 10mL/L인 시험체의 경우에는 초결시간은 각각 107분 및 168분으로 그 혼입량이 40mL/L인 시험체 대비 각각 4.
78배 및 5배 증가하였다. 박테리아 고정화재료의 치환율이 35%인 배합에서 급결제 혼입량을 40mL/L로 한 경우에는 초결시간이 108분으로 가장 빠르게 나타났으며, L10-25, L10-10 시험체의 초결시간이 S10-40시험체 대비 각각 1.56배 및 2.14배 증가하였다. 이와 함께 박테리아 고정화 재료의 치환율이 35%인 경우가 10%인 배합에 비해 초결 및 종결시간은 증가하는 결과를 보였으며, 급결제를 혼입하지 않은L-Control 시험체의 경우 초결 및 종결시간은 각각 255분 및 570분으로 가장 느린 응결 특성을 보였다.
3). 반면재령 1일의 압축강도 결과에서는 급결제를 첨가한 모든 배합이S-Control에 비해 높은 결과를 보였으며, 재령 3일 이후 강도 발현의 크기가 S-Control에 비해 감소하는 결과를 보였다. 급결제를 첨가한 시험체 중 재령 1일의 압축강도가 10.
35배 증가하였다. 응결시간의 측정결과에서 박테리아 고정화 재료의 치환율이 35%인 경우가 10%인 배합에 비해 초결과 종결시간이 증가하는 결과를 보였다. 이러한 결과는 규사에 비해 비교적 낮은 밀도의 다공성 재료인 팽창질석의 사용이 코팅재 내부구조의 치밀성과 경화속도 저하에 영향을 미친 것으로 판단된다.
1MPa로 가장 낮은 결과를 보였다. 이들 시험체의 재령 1일 대비 재령 28일의 압축강도 증가 수준은 약 3배로서 약4.7배의 강도발현 수준을 보인 S-Control 시험체에 비해 낮았다.일반적으로 실리케이트 등의 알칼리계 급결제를 사용한 시험편의 장기강도는 급결제를 사용하지 않은 배합보다 20∼25% 수준 감소되는 것으로 보고되고 있는데(Prudencio Jr 1998), 이는 급결제를 구성하는 알칼리성분이 시멘트 중의 알루미네이트 성분과 반응하여 생성되는 알루미나-실리카 겔의 반응 촉진의 영향이다(Kim andRyu 2004).
더불어 고정화 재료를 10%혼합한 라이닝용 배합에서는 급결제의 혼입량이 10mL/L에서40mL/L로 변화함에 따라 종결시간이 380분에서 318분으로 소폭감소한 반면, 고정화 재료를 10% 혼합한 단면 뿜어 붙이기 배합에서는 급결제의 혼입량이 증가함에 따라 종결시간이 378분에서 80분으로 크게 감소하였다. 이러한 결과는 단면 뿜어 붙이기용 배합의 경우 라이닝용 배합에 비해 더 많은 양의 시멘트를 사용함에 따라 급결제의 알칼리 성분과 만나 알루미나-실리카 겔 반응을 이루는시멘트 중의 알루미네이트 성분이 더 많이 포함될 수 있음을 의미하며, 이는 글라이코 캘릭스 코팅재의 경화속도에 있어 비교적 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.
14배 증가하였다. 이와 함께 박테리아 고정화 재료의 치환율이 35%인 경우가 10%인 배합에 비해 초결 및 종결시간은 증가하는 결과를 보였으며, 급결제를 혼입하지 않은L-Control 시험체의 경우 초결 및 종결시간은 각각 255분 및 570분으로 가장 느린 응결 특성을 보였다. 더불어 고정화 재료를 10%혼합한 라이닝용 배합에서는 급결제의 혼입량이 10mL/L에서40mL/L로 변화함에 따라 종결시간이 380분에서 318분으로 소폭감소한 반면, 고정화 재료를 10% 혼합한 단면 뿜어 붙이기 배합에서는 급결제의 혼입량이 증가함에 따라 종결시간이 378분에서 80분으로 크게 감소하였다.
0으로 하였다. 폴리머의 혼입비율은 전체 결합재 질량의 5%로하였으며, 분산제와 소포제의 혼입량은 폴리머 질량의 0.5%로 하였다. 단변 뿜어 붙이기용 배합에서 골재의 사용은 0.

후속연구

5. 본 연구는 화학적 열화 및 생물학적 열화에 노출된 콘크리트의 표면 보호를 위해 개발 된 글라이코 캘릭스 코팅재의 경화성능 제어를 위한 기초 연구로서, 향후 실제 현장에서 급결제가 혼합된 코팅재의 시공 성능 등에 대한 평가가 수행 될 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	글라이코 캘릭스 코팅재의 경화속도는 무엇에 의해 영향을 받나?	글라이코 캘릭스 코팅재의 적용처에 따라 제안된 단면 뿜어 붙이기용 및 라이닝 공법용 코팅재 배합에서 실리케이트계 급결제의 첨가량을 10mL/L, 25mL/L 및 40mL/L로 변화하였다. 글라이코 캘릭스 코팅재의 경화속도는 박테리아 고정화 재료 양에 의해서도 영향을 받았는데, 40mL/L의 급결제를 첨가한 단면 뿜어 붙이기 및 라이닝 공법용 배합의 종결시간은 각각 80분 및 318분이었다. 급결제를 첨가한 글라이코 캘릭스 코팅재의 강도 발현은 급결제 첨가량이 증가함에 따라 일반 코팅재에 비해 낮은 결과를 보였다.
	지중 구조물에 요구되어 지고 있는 것은?	2018). 지중 구조물은 지속적인 유지관리가 어려운 설치여건을 고려할 때, 점검 및 재보수를 최소화 할 수 있는 유지관리-프리의 보수⋅보강 기술 개발이 요구되어 지고 있다(Park et al. 2018).
	단면 뿜어 붙이기 및 라이닝 공법의 단점은?	하수관 및 암거 등의 지중 구조물의 보수를 위한 시공 방법으로서 단면 뿜어 붙이기 및 라이닝 공법을 예로 들 수 있다. 하지만 이들 공법에서 사용되는 보수재료는 대부분이 시멘트 모르타르로서 응결시간이 다소 늦고 조기 강도 발현이 낮은 단점이 있다(Yoon et al. 2017). 특히, 단시간 작업이 요구되거나 차량 통행에 의한 충격이 지속적으로 발생되는 구간에서 보수를 시행하는 경우에는 모르타르의 경화부족으로 보수 재료 박락의 문제가 발생하기도 한다. 이에 대한 대안으로서 급결제의 사용이 가장 일반적이다.

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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