[논문]시멘트 복합체의 자기치유 성능평가 방법

이광명; 김형석; 민경성; 최성

doi:10.14190/jrcr.2020.8.1.134

시멘트 복합체의 자기치유 성능평가 방법
Evaluation Method of Self-healing Performance of Cement Composites 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.1, 2020년, pp.134 - 142

이광명 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) , 김형석 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) , 민경성 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) , 최성 (성균관대학교 자기치유 친환경 콘크리트 연구센터)

초록
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본 연구에서는 시멘트 복합체의 자기치유 성능평가를 위해 정수위투수시험, 염소이온 확산시험, 반복휨시험을 활용한 시험방법 및 분석방법을 제시하였고, 균열 유발방법과 균열폭 제어방법을 제안하였다. 정수위 투수시험은 시험체의 균열부를 통과하는 단위유출수량의 감소율을 이용하여 치유성능을 평가하는 시험방법으로 등가 균열폭을 활용하여 치유재령에 따른 치유효과를 직관적으로 규명할 수 있다. 염소이온 확산계수시험은 ASTM C 1202의 시험장치를 활용하여 구한 염소이온 확산계수의 감소율로 치유율을 평가하는 방법이다. 또한, 반복 휨 시험을 통하여 얻은 하중과 CMOD의 관계 그래프로부터 강도회복지수(ISR)과 손상복구지수(IDR)을 산정하여 역학적 치유성능을 평가할 수 있다. 마지막으로, 자기치유 소재의 혼입 유무에 따른 균열 시험체의 실험을 통해 본 연구에서 제시한 자기치유 평가방법의 적용성을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, in order to evaluate the self-healing performance of cement composites the self-healing test method and the analysis method were suggested by applying constant water head permeability test, chloride migration test and repeated bending test. The method of making a cracked specimen and controlling crack width are also proposed. Constant head water permeability test can evaluate the healing performance by using the decreasing rate of water flow passing through the crack zone of a specimen. Furthermore, the equivalent crack width can be used to intuitively investigate the healing effect with healing period. The chloride migration test can evaluate the healing rate by the decreasing rate of the diffusion coefficient obtained by ASTM C 1202. Mechanical healing performance can be evaluated using ISR and IDR estimated from load vs. CMOD relationship graph obtained through the repeated bending test. Finally, the applicability of proposed self-healing evaluation methods was examined by testing mortar specimens with or without self-healing agents.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Preparation of a cracked specimen
그림 Fig. 2. Constant head water permeability test equipment
그림 Fig. 3. Test setup for chloride migration test
그림 Fig. 4. Schematic for chloride migration test
그림 Fig. 5. Relationship between diffusion coefficient of cracked and uncracked specimens
그림 Fig. 6. Cracking process of prism specimens
그림 Fig. 7. Relationship between Load vs. CMOD
표 Table 1. Mix proportion and test result
그림 Fig. 8. Water flow rate vs. healing period
그림 Fig. 9. Healing rate vs. healing period
그림 Fig. 10. Healing rate vs. crack width
표 Table 2. Summary of crack width
그림 Fig. 11. Chloride concentration drops in the upstream cell
그림 Fig. 12. Relationship between Lead vs. CMOD
표 Table 3. Summary of equivalent crack width
표 Table 4. Summary of diffusion coefficient and healing rate
표 Table 5. Summary of ISR
표 Table 6. Summary of IDR

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 자기치유 시멘트 복합체의 치유성능 평가방법을 개선하고 평가기준을 정립하기 위해 정수위 투수시험, 염소이온 확산시험, 반복 휨시험에 대한 자기치유 성능평가 방법을 제안하였고, 균열 시험체를 사용하여 제안한 성능평가 방법의 적용성을 검토하였다.
자기치유 성능평가 방법 중 투수시험은 시간에 따른 유출수량으로부터 치유성능을 직관적으로 확인할 수 있어 자기치유 성능평가에 광범위하게 사용되고 있다. 본 논문에서는 균열 시험체는 유출수량이 많이 발생하기 때문에 정수위 투수시험(Choi et al. 2017)을 이용한 자기치유 성능평가 방법을 제안하였다.
자기치유 콘크리트는 균열면에 자기치유 물질을 생성하여 균열 부위로 유입되는 물과 유해이온 등을 차단할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 치유성능을 염해저항성 평가에 사용되는 염소이온 확산 시험을 통해 구한 염소이온 확산계수를 이용하여 평가하는 방법을 제안하였다.
본 연구에서는 시멘트 복합체의 치유성능 평가를 위한 시험방법과 분석방법을 제시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
시멘트 복합체에 사용되는 자기치유 재료의 성능을 객관적으로 평가하기 위해서는 우선 균열 시험체를 제작하여야 한다. 이에 본 연구에서는 시험체 제작, 균열 유발, 균열폭 제어, 균열측정 기술을 포함하여 자기치유 성능평가용 균열 시험체를 제작하는 방법을 제안하였다.
그러나 이러한 평가방법은 시험 중에 발생하는 균열의 위치와 폭 등에 의해 결과가 크게 달라질 수 있기 때문에 세밀한 균열 제어 기술이 요구된다. 이에 본 연구에서는 안정적으로 균열폭 제어가 가능한 반복 휨 시험을 통한 자기치유 성능평가 방법을 제안하였다.

제안 방법

균열길이는 상⋅하면의 실리콘시트를 제외한 균열길이를 mm 단위로 소수점 둘째 자리까지 측정하고, 균열폭은 균열의 경계를 명확하게 표현하기 위해 균열폭에 맞게 배율을 확대하여 μm 단위로 소수점 첫째 자리까지 측정한다.
균열폭은 시험체 상⋅하면의 균열길이를 3개의 구간으로 나누어 구간별로 2점을 측정하여 총 12개의 측정값을 평균한다.
본 연구에서 제안한 자기치유 성능평가방법의 적용성을 검토하기 위하여 자기치유 소재의 혼입 유⋅무에 따른 정수위 투수시험, 염소이온 확산시험, 반복휨시험을 실시하였다.
시험체 하단부의 CMOD가 목표균열폭을 만족하는 값에 도달할 때 하중을 제거하고, 광학현미경을 이용하여 시험체 측면 균열부의 균열선단변위(CTOD)를 측정한다. 균열이 유도된 시험체는 자기치유 성능을 평가하기 위해 일정 기간동안 치유양생을 실시한다.
반복 휨 시험은 휨인성 시험에 주로 사용되고 있는 100* 100* 400mm 각주형 시험체를 사용한다. 시험체의 중앙부에 균열을 유도하기 위하여 각주형 몰드의 중앙에 길이 120mm, 폭 40mm, 두께 3mm의 노치 도입용 아크릴을 미리 삽입한 후에 모르타르를 채워 시험체를 제작한다.
염소이온 확산시험에서는 Table 2와 같이 균열폭을 3가지 수준으로 하여 시험체를 제작하였고, 치유재령 28일과 56일에 실험을 실시하였다. Fig.
본 연구에서 제안한 자기치유 성능평가방법의 적용성을 검토하기 위하여 자기치유 소재의 혼입 유⋅무에 따른 정수위 투수시험, 염소이온 확산시험, 반복휨시험을 실시하였다. 자기치유 성능평가를 위해 사용한 모르타르 배합은 Table 1과 같이 자기치유 소재를 사용하지 않은 Plain과 자기치유 소재를 사용한 SH로 구분하였다. 자기치유 소재(SHm)는 제올라이트, 결정촉진제, 스테아르산칼슘이 4 : 2 : 1의 비율로 혼합된 것으로 잔골재를 1.
균열면을 통해 유출된 물은 수량측정장치의 비커에 모아 전자저울로 수량을 측정한다. 전자저울의 데이터 저장장치을 이용하여 분당 유출수량을 기록하며, 시험시작 후 초기 3분까지 측정한 유출수량은 안정화 단계로 사용하지 않고 이후 7분 동안의 분당 유출수량 측정값을 평균하여 사용한다.
사용된 시험체의 균열폭은 목표 균열폭의 ±5% 범위를 벗어나지 않도록 제어하였다. 정수위 투수시험과 염소이온 확산시험 및 반복 휨 시험에 사용된 균열시험체는 균열유도 후 20℃의 수중에 침지시켜 치유양생을 실시하였는데, 이 때 균열부위가 양생수에 잠기도록 수위를 조절하였다.
Table 2는 자기치유 성능평가에 사용된 균열 시험체의 목표 균열폭과 초기 균열폭 측정결과이다. 정수위 투수시험과 염소이온 확산시험의 목표균열폭은 각각 3가지 수준이며, 반복 휨시험은 0.1mm를 기준으로 균열폭을 설정하였다. 사용된 시험체의 균열폭은 목표 균열폭의 ±5% 범위를 벗어나지 않도록 제어하였다.
정수위 투수시험에 의한 자기치유 성능을 평가하기 위해 Table 2와 같이 재령 28일에 목표 균열폭이 0.20mm, 0.25mm, 0.30mm가 되도록 균열 시험체(C _ Plain or SH _ Crack width)를 제작하여 치유재령 28일까지 7일 간격으로 실시하였다.
치유양생 전⋅후의 하중과 CMOD의 결과를 이용하여 치유재령에 따른 역학적 성능을 평가한다.

대상 데이터

자기치유 성능평가를 위해 사용한 모르타르 배합은 Table 1과 같이 자기치유 소재를 사용하지 않은 Plain과 자기치유 소재를 사용한 SH로 구분하였다. 자기치유 소재(SHm)는 제올라이트, 결정촉진제, 스테아르산칼슘이 4 : 2 : 1의 비율로 혼합된 것으로 잔골재를 1.5% 치환하여 사용하였다.
상부수조는 투수시험 중 수두유지를 위하여 지속적으로 물을 공급하는 기능을 가지며, 수조의 밑면에 밸브가 있어 투수시험장치로 물을 주입할 수 있다. 투수 시험장치는 수두 유지장치, 결속장치, 유출수조로 구성된다. 투명 아크릴 재질로 만들어진 수두유지장치는 원형이며, 내부직경은 70mm이다.

이론/모형

모르타르의 기초물성을 확인하기 위하여 KS L 5105와 KS L ISO 679에 준하여 초기 유동성을 확인하였고 재령 28일의 압축강도를 측정하였다. 실험결과 Plain과 비교하여 SH의 플로우는 동등 수준이며 압축강도는 13% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
자기치유 콘크리트의 치유 성능을 나타내는 지표인 염소이온 확산계수는 Nernst - Planck 방정식(Antrade 1993)을 이용하여 시간과 Cl^- 이온 농도의 관계로부터 식 (4)와 같이 준정상상태의 염소이온 확산계수를 구할 수 있다.

성능/효과

3. 염소이온 확산시험은 치유재령에 따른 염소이온 확산계수로부터 치유율을 평가할 수 있으며, 자기치유 소재가 내구성 향상을 위하여 많이 사용되는 점을 고려할 때 특히 염해 저항성을 평가하기 위하여 필수적인 방법으로 판단된다.
4. 반복 휨 시험은 콘크리트의 휨인성 시험을 응용하여 자기치유 성능을 평가하는 방법으로 자기치유 소재가 갖는 역학적 성능을 강도회복지수(ISR)와 손상복구지수(IDR)로 평가할 수 있으며, 역학적으로 보강 효과가 있는 자기치유 소재의 성능평가에 적합할 것으로 판단된다.
이는 자기치유 소재가 강도증진 보다는 강성회복에 더 효과가 있음을 의미한다. ISR과 IDR은 균열폭이 감소함에 따라 증가하였고, 치유재령이 28일에서 56일로 길어질수록 더욱 커지는 경향을 나타냈다.
식 (4)와 (5)에 의해 재령경과에 따른 염소이온 확산계수와 치유 율을 Table 4에 나타내었다. 실험결과 Plain과 SH의 치유율 모두 균열폭이 작을수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 균열폭 0.3mm일 때 SH의 치유율은 Plain에 비하여 치유재령 28일과 56일에서 각각 18.1%와 46.7% 향상됨을 확인하였다.
모르타르의 기초물성을 확인하기 위하여 KS L 5105와 KS L ISO 679에 준하여 초기 유동성을 확인하였고 재령 28일의 압축강도를 측정하였다. 실험결과 Plain과 비교하여 SH의 플로우는 동등 수준이며 압축강도는 13% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
9에 나타내었다. 정수위 투수시험에 의한 치유율은 치유재령 7일에 크게 증가한 후 28일까지 지속적으로 증가하는 경향을 나타냈다. 균열폭과 치유율의 관계를 나타내는 Fig.
8에 나타내었다. 치유재령 0일의 단위 유출수량은 균열폭의 세제곱에 비례하여 급격하게 증가하는 경향이 나타났다. 치유재령이 증가함에 따라 단위 유출수량은 감소하였는데, 치유재령 0일 대비 치유재령 t의 유출수량 감소율을 Fig.

후속연구

1. 균열폭과 균열길이가 제어 가능한 균열 시험체를 사용하여 시험을 실시함으로써 실제 구조물의 다양한 균열조건과 환경조건을 고려한 자기치유 성능평가가 가능할 것으로 판단된다.
2. 정수위 투수시험은 단위 유출수량을 통해 치유성능을 직관적으로 평가하는 방법으로 동일한 시험체를 사용하여 측정한 유출수량으로부터 치유율을 산정하고 결과를 상대적으로 비교할 수 있어 일반적인 자기치유 성능평가에 있어 널리 활용될 수 있을 것이다.

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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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