[논문]결정성장형 무기재료 활용 고상 캡슐을 혼합한 자기치유 모르타르의 품질 및 균열 치유 특성에 관한 실험적 연구

오성록; 김철규; 남은준; 최연왕

doi:10.14190/jrcr.2020.8.1.120

초록
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본 연구에서는 모르타르와 직접 혼합 가능한 결정성장형 무기재료 활용 고상 캡슐을 제조하였으며, 결정성장형 무기재료 조성비에 따라 3수준의 고상 캡슐을 제조하였다. 제조된 고상 캡슐은 시멘트 질량에 3% 혼합하여 모르타르의 품질 및 균열 치유 특성을 평가하였다. 고상 캡슐을 혼합한 모르타르의 테이블 플로우 및 공기량 평가결과 고상 캡슐의 혼합에 관계없이 테이블 플로우 및 공기량에 미치는 영향은 없는 것으로 나타났다. 고상 캡슐을 혼합한 모르타르의 water flow test 및 crack closing test에 따른 균열 치유특성 평가결과 초기 투수량이 감소하는 결과가 나타났으며, 시간 경과에 따라 반응생성물 발생하여 균열이 치유되는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, solid capsules using crystal growth-type inorganic materials that can be directly mixed with mortar were prepared. Thus, three levels of solid capsules were prepared. The prepared solid capsule was mixed with 3% of the cement mass, was evaluated quality and crack healing properties of...

In this study, solid capsules using crystal growth-type inorganic materials that can be directly mixed with mortar were prepared. Thus, three levels of solid capsules were prepared. The prepared solid capsule was mixed with 3% of the cement mass, was evaluated quality and crack healing properties of the mortar. As a test results of the table flow and air content of the mortar mixed with the solid capsules showed that mix of the solid capsules was no effect on the table flow and air volume. As a test result of the crack healing properties of the mortar mixed with the solid capsule according to water flow test and crack closing test, the initial flow rate was decreased, it was confirmed that the reaction product occurred over time and the cracks were healed.

주제어

표/그림 (24)

그림 Fig. 1. Reaction mechanism of crystal growth type inorganic materials for self-healing
그림 Fig. 2. Manufacturing device of soild capsules
표 Table 1. Mixing ratio of crystal growth inorganic materials
그림 Fig. 3. Size type of solid capsules
표 Table 2. Chemical components and physical properties of cement
표 Table 3. Physical properties of fine aggregate
표 Table 4. Physical properties of chemical admixtures
표 Table 5. Mix ratio of mortar
그림 Fig. 4. Crack induction specimen
그림 Fig. 5. Measuring equipment for water flow test
그림 Fig. 6. Measurement equipment for crack closing test
그림 Fig. 7. Experimental results of table flow
그림 Fig. 8. Experimental results of air content
그림 Fig. 9. Experimental results of compressive strength
그림 Fig. 10. Experimental results of flexural strength
그림 Fig. 12. Experimental results of Healing rate at the Initial water flow rate (CGIM1)
그림 Fig. 11. Experimental results of Healing rate at the Initial water flow rate (Plain)
그림 Fig. 13. Experimental results of Healing rate at the Initial water flow rate (CGIM2)
그림 Fig. 14. Experimental results of Healing rate at the Initial water flow rate (CGIM3)
그림 Fig. 15. Experimental results of healing rate at the healing period (Crack width 0.25mm)
그림 Fig. 16. Crack surface of Plain (×100)
그림 Fig. 17. Crack surface of CGIM1 (×100)
그림 Fig. 18. Crack surface of CGIM2 (×100)
그림 Fig. 19. Crack surface of CGIM3 (×100)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 결정성장형 무기재료를 활용하여 고상 캡슐을 제조하였으며, 모르타르 배합에 혼합하여 고상 캡슐 혼합에 따른 품질 및 균열 치유 특성을 평가하였다. 실험결과를 통하여 고상 캡슐 제조 및 캡슐을 혼합한 모르타르 제조기술의 진보화를 위한 기반자료로써 활용하고자 한다.

제안 방법

Crack closing test는 Water flow test 시험편과 동일한 시험편에 대하여 ×100의 배율로 면시편을 관찰하여 반응생성물에 의한 균열면의 Crack closing 수준을 평가하였다. Fig.
따라서 본 논문에서는 결정성장형 무기재료를 활용하여 고상 캡슐을 제조하였으며, 모르타르 배합에 혼합하여 고상 캡슐 혼합에 따른 품질 및 균열 치유 특성을 평가하였다. 실험결과를 통하여 고상 캡슐 제조 및 캡슐을 혼합한 모르타르 제조기술의 진보화를 위한 기반자료로써 활용하고자 한다.

대상 데이터

결정성장형 무기재료(Crystal growth type inorganic materials, CGIM) 활용 고상 캡슐에 사용된 결정성장형 무기재료는 수화반응에 의해 에트링가이트(Ettringite) 또는 수산화칼슘 등을 생성하여 팽창시키는 작용이 있는 아윈계 팽창재(CSA)와 결정성장 촉진 및 육각판상의 결정물을 발생하는 무수석고(CaSO4)를 일정한 비로 혼합하여 사용하였다. Fig.
실험에 사용된 시멘트는 밀도 3.15g/cm³ 및 분말도 3,540 cm² /g의 보통포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC) 를 사용하였다. Table 2는 시멘트의 화학 및 물리적 특성을 나타낸 것이다.
3은 CGIM을 활용한 고상 캡슐을 나타낸 것이다. 제조된 고상 캡슐의 크기는 약 0.6~2.0mm의 입도를 가지는 것으로 나타났으며, 90% 이상이 0.85~1.18mm 이내의 고상 캡슐을 사용하였다.

이론/모형

압축강도는 “KS L ISO 679 시멘트의 강도 시험 방법”에 준하여 40×40×160mm의 공시체 시험편을 성형하여 수중 양생을 실시하였다. 이후 재령에 따라 만능시험기 (Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 압축강도를 측정하였다.
테이블 플로우는 “KS L 5111 시멘트 시험용 플로우 테이블”에 규정된 플로 테이블 및 플로우콘을 이용하여 “KS L 5105 플로의 결정 방법”에 준하여 15초 동안 25회, 12.7mm의 높이로 낙하시키는 방법으로 테이블 플로를 측정하였으며, 낙하 후 퍼짐이 멈추었을때 중심을 지나는 대각선 3방향의 지름을 측정하여 그 평균값을 테이블 플로우로 하였다.
휨강도는 “KS L ISO 679 시멘트의 강도 시험 방법”에 준하여 40×40×160mm의 공시체 시험편을 성형하여 수중 양생을 실시하였다. 이후 만능시험기 (Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 휨강도를 측정하였다.

성능/효과

2. 결정성장형 무기재료 활용 고상 캡슐을 혼합한 모르타르의 압축강도는 고상 캡슐의 빈입도 충전효과 및 손실된 결정성 장형 무기재료의 영향으로 약 10% 강도 증진효과가 있는 것으로 나타났으며, 휨강도는 고상 캡슐이 미반응성 입자임에 따른 모르타르 배합 내 계면영역이 상대적으로 증가하여 강도가 감소하는 경향이 있는 것으로 판단된다.
3. 결정성장형 무기재료 활용 고상 캡슐을 혼합한 모르타르의 Water flow test를 통한 치유성능은 최적 조성비인 7 : 3의 경우 균열폭 0.2mm를 대상으로 97% 치유성능이 나타났으 며, 0.25mm의 경우 88%, 0.3mm의 경우 85% 치유되는 것으로 나타나 자연치유성능을 약 7 ~ 15% 향상시키는 것으로 판단된다.
4. 결정성장형 무기재료 활용 고상 캡슐을 혼합한 모르타르의 Crack closing test를 통한 치유성능은 균열면에 반응 생성물이 발생되어 표면균열이 수복되는 현상이 나타났으며, 결정성장형 무기재료 활용 고상 캡슐이 혼합된 경우 대부분의 균열이 closing 된 것으로 나타났다.

후속연구

이러한 결과를 통하여 결정성장형 무기재료 활용 고상 캡슐 혼합을 통하여 자연치유 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 판단되지만 치유 효과 극대화를 위하여 고상 캡슐의 size effect 효과, 최적 혼합율에 대한 연구가 필요할 것으로 사료되며, 균열면에 발생되는 반응생성물의 규명이 향후 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기치유 성능을 부여한 구조물의 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 유지 보수에 따른 시간, 노력 및 비용을 크게 절감할 수 있으며, 특히, 사람이 쉽게 접근하기 어려운 구조물의 경우에도 효과적으로 보수를 수행할 수 있는 장점이 있다(Schlangen and Sangadji 2013; An and Shin 2014).
	자기치유 기능을 구조물에 부여하기 위한 방법으로 무엇이 있는가?	자기치유 기능을 구조물에 부여하기 위해서는 여러 가지 개념 중에서 자기치유 성능을 가지는 물질을 캡슐화하여 적용하는 방법이 있다. 캡슐을 활용한 자기치유 기술은 직접적인 자기치유 소재를 다량 포함할 수 있기 때문에(Nesterova et al.
	자기치유 마이크로 캡슐을 제조하여 건설 분야 기술에 적용한 사례로 얻은 결론은 무엇인가?	국⋅내외 대표적인 연구 사례를 검토해 보면 크게 2가지 결론을 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 et al. 2003; Blaiszika et al.

참고문헌 (13)

An, E.J., Shin, M.S. (2014). Healing mechanisms and assessment techniques of self-healing concrete, Proceeding of Korea Concrete Institute, 26(2), 477-479 [in Korean].
Blaiszik, B.J., Sottos, N.R., White, S.R. (2007). Nanocapsules for self-healing materials, Composites Science and Technology, 68(3), 978-986.
Choi, Y.W., Oh, S.R., Kim, C.G., Im, H.S. (2018). The experimental study on preparation characteristics of self-healing microcapsules for mixing cement composites utilizing liquid inorganic materials, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 6(4), 236-243 [in Korean].
Hunger, M., Entrop, A.G., Mandilaras, I., Brouwers, H.J.H., Founti, M. (2009). The behavior of self-compacting concrete containing micro-encapsulated phase change materials, Cement and Concrete Composites, 31(10), 731-743.

상세보기
Kim, C.G. (2017). A Study on the Crack Self Healing Properties of Cement Mortar Utilizing Micro Capsules with Liquid-type Inorganic Materials, Master's Thesis, Semyung University [in Korean].
Kim, P.S., Jo, C.K., Ju, T.H., Choi, Y.C., Lee, J.K. (2003). Preparation and thermal characteristics of microencapsulated PCM for none supercooling phenomenon, Proceeding of The Korean Society for Energy, 225-228 [in Korean].
Memon, S.A., Cui, H.Z., Zhang, H., Xing, F. (2014). Utilization of macro encapsulated phase change materials for the development of thermal energy storage and structural lightweight aggregate concrete, Applied Energy, 139, 43-55.
Nesterova, T., Dam-Johansen, K., Pedersen, L.T., Kiil, S. (2012). Microcapsule-based self-healing anticorrosive coatings: capsule size, coating formulation, and exposure testing, Progress in organic coatings, 75(4), 309-318.

상세보기
Oh, S.R. (2017). A Study on the Development and Properties of Cementitious Composite Materials Utilizing Capsules for Crack Self-Healing, Ph.D Thesis, Semyung University [in Korean].
Oh, S.R., Choi, Y.W., Kim, Y.J. (2019). Effect of cement powder based self-healing solid capsule on the quality of mortar, Journal of Construction and Building Materials, 214, 574-580.

상세보기
Schlangen, E., Sangadji, S (2013). Addressing infrastructure durability and sustainability by self healing mechanisms - recent advances in self healing concrete and asphalt, Journal of Procedia Engineering, The 2nd International Conference, 54, 39-57.
Song, Y.K., Jo, Y.H., Lim, Y.J., Cho, S.Y., Yu, H.C., Ryu, B.C., Lee, S.I., Chung C.M. (2013) Sunlight-induced self-healing of a microcapsule-type protective coating, ACS Applied Materials and Interfaces, 5(4), 1378-1384.

상세보기
Wang, X., Xing, F., Zhang, M., Han, N., Qian, Z. (2003). Experimental study on cementitious composites embedded with organic microcapsules, Materials, 6(9), 4064-4081.

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