[논문]기체확산 실험을 활용한 자기치유 콘크리트의 성능평가 방법

이도근; 신경준

doi:10.14190/jrcr.2020.8.1.143

기체확산 실험을 활용한 자기치유 콘크리트의 성능평가 방법
Performance Evaluation Method of Self-Healing Concrete Using Gas Diffusion Experiment 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.1, 2020년, pp.143 - 151

초록
AI-Helper

최근 자기치유 콘크리트의 연구가 활발히 진행되고 있으며, 구조물의 유지관리에 활용하기 위한 다양한 방법이 시도되고 있다. 하지만 자기치유 콘크리트의 기술적인 발전과는 달리, 성능을 평가하기 위한 방법은 불충분한 실정이다. 비록 표면관찰과 투수실험을 통해서 균열의 치유를 관찰하는 방법이 널리 실행되고 있지만, 현미경 관찰을 통한 표면관찰 방법은 국부적인 지점의 관찰은 전체적인 성능을 평가하기에는 불충분할 수 있으며, 투수실험의 경우에는 물질용출 및 점성으로 인한 손실을 고려해야 한다. 상기의 두 실험방법의 단점을 보완한 기체확산실험이 개발되었지만, 실제 치유가 발생한 시편을 대상으로의 검증은 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 치유가 발생한 모르타르 시편에 대해 기체확산실험을 진행하였고, 기체확산실험에 의한 자기치유 평가의 적정성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, research on self-healing concrete has been actively conducted, and various methods have been attempted for use in the maintenance of structures. However, contrary to the technical development of self-healing concrete, the method for evaluating the performance is insufficient. Although surface observation and permeability experiments are widely used to observe the healing of cracks, microscopic observation of surface may be insufficient to assess the overall performance. Also, permeation experiments should consider the losses caused by the dissolution of self-healed product and viscosity of water. Although a gas diffusion experiment have been proposed to overcome the shortcomings of these two test methods, verification has not been made on specimens with actual healing. Therefore, in this study, gas diffusion experiments were performed on the mortar specimens that had healed, and the adequacy of self-healing evaluation by the gas diffusion experiment was verified.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Specimen information
그림 Fig. 1. Outlilne of measurement device and method
그림 Fig. 2. Measuring device for oxygen gas concentration
그림 Fig. 3. Half immersion curing
그림 Fig. 4. Oxygen concentration changes respect to measuring time
표 Table 2. Crack diffusion coefficient
그림 Fig. 5. Healing observation results of F2 specimen
그림 Fig. 6. Healing observation results of R2 specimen
표 Table 3. Predicted crack width of specimens
표 Table 4. Recovery rate of F series
그림 Fig. 7. Connecting pictures around cracks
표 Table 5. Acidity of curing water
그림 Fig. 8. Self-healed crack of R4 specimen

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 자기치유에 의하여 균열의 변화가 발생한 시편을 대상으로 기체확산 시험방법에 대한 추가 검증을 하고자 하였다. 한편 자기 치유는 재료의 고유성질이외에도 양생조건, 균열의 형태, 균열면의 거칠기 등 비재료적인 특성에도 영향을 받는 것으로 알려져 있다(De Rooij et al.
시편의 상면은 대기중에 개방하여 이산화탄소가 지속적으로 공급될 수 있도록 하였고, 모세관 현상을 활용하여 균열을 통해 양생수가 시편의 상면까지 도달할 수 있도록 구성하여 240시간 동안 양생을 하였다. 따라서 생성된 탄산칼슘의 양은 양생수내에 소모된 수산화칼슘의 양에 비례하다고 전제하였고, 양생수의 pH를 측정하여 간접적으로 치유물질의 생성량을 측정하고자 하였다.
2013). 따라서, 균열면의 거칠기를 실험 변수로 하여 자기치유 효과를 검증하고자 하였다.이상적인 직선균열을 가진 모르타르 시편과 대조군으로 거친 균열면을 가진 시편을 설정하여 자기 치유에 따른 기체확산 실험을 수행하였다.
이 연구에서는 모르타르 시편으로 기체 확산실험 방법에 의한 균열 추정 방법과 자기치유율의 평가방법의 적용성을 검증하였고, 균열면의 거칠기에 따른 치유 정도를 관찰하였다.
이상적인 직선균열을 가진 모르타르 시편과 대조군으로 거친 균열면을 가진 시편을 설정하여 자기 치유에 따른 기체확산 실험을 수행하였다. 치유 전 후의 시편을 대상으로 현미경 관찰과 기체확산실험 결과를 비교하여, 기체확산실험에 의한 자기치유 평가의 적정성을 검증하고자 하였다.

가설 설정

5mm이하의 균열에서는 측정시간이 30분 이내일 경우 정상상태로 간주할 수 있다고 밝힌 바가 있다. 본 연구에서도 시간대비 농도증가가 일정한 정상상태를 가정하였고, 초기 기체의 안정화 시간 10분을 제외한 20분 간의 데이터를 유효데이터로 활용하였다.

제안 방법

1. 기체 확산실험을 통해 균열폭을 추정하기 위하여 균열확산계수를 제안하였다. 기체확산실험 결과 치유전의 모르타르 시편에서의 평균 균열폭과 기체확산실험으로 예측한 균열폭의 차이는 평균 0.
2. 균열면의 거칠기에 따른 자기치유 실험을 수행하였다. 거친 균열면을 가진 시편이 매끈한 균열면을 가진 시편에 비해 치유율이 높게 관찰되었다.
3. 현미경 관찰을 통해 자기치유율에 대한 분석을 수행하고, 기체확산실험에 의해 추정된 치유율과 비교하였다. 두 방법에 의한 자기치유율의 오차는 존재하지만, 합리적인 수준으로 판단된다.
균열면의 거칠기에 따른 자기치유율을 확인하기 위하여 매끈한 균열면과 거친 균열면을 가진 시험체를 제작하였다. 시험에는 물 : 시멘트 : 잔골재비가 0.
균열의 3등분 지점을 시편 상·하면에서 측정하여, 총 6개 지점 균열폭의 산술평균으로 평균균열폭을 산정하였다.
균열의 거칠기는 자기치유에 영향을 미치는 요소로 알려져 있으며(De Rooij et al. 2013), 거칠기에 따른 치유효과를 관찰하고자 매끈한 균열면을 가진 시편과 거친 균열면을 가진 시편의 치유율을 비교하였다.
균열확산계수는 균열의 길이와 균열폭에 비례한다고 밝혀진 바 있으며(Lee et al. 2018), 본 연구에서도 동일한 과정을 통해 모르타르 시편의 균열폭과 확산계수의 관계를 관찰하였다.
기체확산 실험 진행시, 질소를 용기 내부에 주입하여 용기안의 산소농도가 0%에 근접하게 한 후 기체확산시험을 시작하였다.
기체확산 실험을 통해 산정한 치유율에 대한 비교 검증을 위하여 디지털 현미경으로 균열의 자기치유 정도를 직접 측정하였다. 실제 시편에서의 균열폭은 위치에 따라 다르게 나타나며, 또한 자기치유 현상 또한 균열을 따라 고르게 나타나지 않는다.
타설 후 3일차에 쪼갬실험을 수행하여, 거친 균열면을 가진 시편을 제작하였다. 대조군인 매끈한 균열면을 시편을 제작하기 위하여, 타설단계에서 원주형 몰드의 중앙에 수직방향으로 필름을 삽입하여 이분할된 채로 제작하였다. 시편은 양생 3일차에 시편 두께가 25mm가 되도록 절단하였다.
따라서, 이 연구에서 균열폭을 측정하기 위하여 사용한 6지점에 대한 평균균열폭은 자기치유 효과에 대한 평가를 하기에는 부족한 지표로 판단할 수 있다. 따라서 본 절에서는 균열치유가 된 구간과 치유가 되지 않은 구간이 비교적 명확하게 구분이 가능한 F2, R4 시편에 대해 Fig. 7과 같이 균열부 전 구간을 현미경으로 관찰하여 자기치유 정도를 측정하였고, 이를 기체확산 실험 결과와 비교하였다.
또한 용기의 전면부(마개)와 시편을 부착하였고, 균열부를 제외한 부위에 에폭시와 글루건을 도포하여, 균열을 통해서만 기체의 유입이 가능하도록 구성하였다. 또한 용기내부의 산소 농도 측정을 위하여, 측정과정에서 산소를 소모하지 않고 해상도가 0.01%인 광학식 산소 농도센서를 용기내부에 부착하였으며, 블루투스통신으로 실험 중 실시간으로 산소농도를 관찰할 수 있도록 하였다.
1과 같이 용기의 전면부(cover)에 80mmX10mm의 직사각형 형태의 구멍을 두어 외부의 산소가 밀폐용기로 유입될 수 있도록 구성하였다. 또한 용기의 전면부(마개)와 시편을 부착하였고, 균열부를 제외한 부위에 에폭시와 글루건을 도포하여, 균열을 통해서만 기체의 유입이 가능하도록 구성하였다. 또한 용기내부의 산소 농도 측정을 위하여, 측정과정에서 산소를 소모하지 않고 해상도가 0.
따라서 확산계수를 통해 균열폭을 추정하기 위해서는 균열폭과 확산계수가 상관관계를 가지도록 설정하여야 한다. 본 연구에서는 상기의 두 법칙에 실험실에서 사용된 경계조건을 대입하였고, 확산량에 따라 균열폭의 예측이 가능하도록 시편의 기하학적인 형상을 반영하여 균열확산계수를 정의하였다.
기존의 연구(Hernandez 2016)에 따르면, 균열이 발생한 콘크리트에서 수산화칼슘과 이산화탄소의 결합으로 치유물질인 탄산칼슘이 생성된다고 보고하였다. 본 연구에서는 수산화칼슘과 이산화탄소의 활발한 결합을 유도하기 위해 Fig. 3과 같이 700 ml의 양생수에 시편을 절반만 침수시켜 양생하였다. 시편의 상면은 대기중에 개방하여 이산화탄소가 지속적으로 공급될 수 있도록 하였고, 모세관 현상을 활용하여 균열을 통해 양생수가 시편의 상면까지 도달할 수 있도록 구성하여 240시간 동안 양생을 하였다.
3과 같이 700 ml의 양생수에 시편을 절반만 침수시켜 양생하였다. 시편의 상면은 대기중에 개방하여 이산화탄소가 지속적으로 공급될 수 있도록 하였고, 모세관 현상을 활용하여 균열을 통해 양생수가 시편의 상면까지 도달할 수 있도록 구성하여 240시간 동안 양생을 하였다. 따라서 생성된 탄산칼슘의 양은 양생수내에 소모된 수산화칼슘의 양에 비례하다고 전제하였고, 양생수의 pH를 측정하여 간접적으로 치유물질의 생성량을 측정하고자 하였다.
1과 같이 실험장치를 구성하였다. 시편의 한면은 용기를 부착하여 용기내부의 산소농도를 측정할 수 있도록 하였고, 다른 한면은 외부의 공기에 노출되도록 제작하였다. 용기내부와 외기는 균열을 통해 연결된다.
3과 같이 시편을 절반만 침수시켜 시편 상면의 균열부에 수분과 이산화탄소가 원활히 공급되도록 하였다. 양생완료 후, 치유전 시편과 동일한 절차로 현미경관찰과 기체확산실험을 수행하였다.
온도 20±1℃, 상대습도 60±5%로 유지되는 항온항습실에서 실험을 실시하였으며, 질소 주입 후 30초 간격으로 30분간 측정을 하였다.
이 후, 240시간의 양생이 진행되었으며, 치유를 촉진시키고자 Fig. 3과 같이 시편을 절반만 침수시켜 시편 상면의 균열부에 수분과 이산화탄소가 원활히 공급되도록 하였다.
따라서 수분에 의한 간섭을 제거하기 위하여, 실험 전 대기에서 24시간 거치하여 균열면의 수분을 제거하였다. 이 후, 디지털 광학현미경을 통해 균열폭을 관찰하였다. 균열의 3등분 지점을 시편 상·하면에서 측정하여, 총 6개 지점 균열폭의 산술평균으로 평균균열폭을 산정하였다.
따라서, 균열면의 거칠기를 실험 변수로 하여 자기치유 효과를 검증하고자 하였다.이상적인 직선균열을 가진 모르타르 시편과 대조군으로 거친 균열면을 가진 시편을 설정하여 자기 치유에 따른 기체확산 실험을 수행하였다. 치유 전 후의 시편을 대상으로 현미경 관찰과 기체확산실험 결과를 비교하여, 기체확산실험에 의한 자기치유 평가의 적정성을 검증하고자 하였다.
시편은 양생 3일차에 시편 두께가 25mm가 되도록 절단하였다. 쪼개진 시편의 사이의 양 끝단에 Fig. 1과 같이 실리콘 시트를 삽입하여 특정한 균열폭을 가지는 균열 시편을 제작하였고, 시편의 고정을 위해 스테인레스 밴드로 시편을 구속하였다. 제작된 시편의 상세는 Table 1과 같다.
거친 균열면을 가진 시편을 제작하기 위하여 Φ100×25mm인 원주형 공시체를 제작하였다. 타설 후 3일차에 쪼갬실험을 수행하여, 거친 균열면을 가진 시편을 제작하였다. 대조군인 매끈한 균열면을 시편을 제작하기 위하여, 타설단계에서 원주형 몰드의 중앙에 수직방향으로 필름을 삽입하여 이분할된 채로 제작하였다.
한편 이 연구에서는 기체확산실험으로 콘크리트의 자기치유 효과를 측정하기 위하여, 제작된 시편에 대하여 현미경관찰과 기체확산 실험으로 초기 상태를 측정하였다. 이 후, 240시간의 양생이 진행되었으며, 치유를 촉진시키고자 Fig.

대상 데이터

거친 균열면을 가진 시편을 제작하기 위하여 Φ100×25mm인 원주형 공시체를 제작하였다.
매끈한 면을 가진 시편인 F2 시편의 균열 총 길이는 67mm 이며, 치유가 발생한 구간의 길이는 8.5mm 정도이다. 치유구간은 치유생성물로 인해 균열폭 변동이 관찰된 구간으로 설정하였으며, 전체 균열길이의 약 15.
기체확산실험은 용기 내부에 질소를 충진하여 산소농도를 낮추어 외부의 산소가 용기 내부로 확산되도록 하며, 균열부를 통해 유입된 산소의 농도를 측정하여 확산계수를 측정한다. 밀폐용기는 25mmX125mmX60mm 의 크기이며, Fig. 1과 같이 용기의 전면부(cover)에 80mmX10mm의 직사각형 형태의 구멍을 두어 외부의 산소가 밀폐용기로 유입될 수 있도록 구성하였다. 또한 용기의 전면부(마개)와 시편을 부착하였고, 균열부를 제외한 부위에 에폭시와 글루건을 도포하여, 균열을 통해서만 기체의 유입이 가능하도록 구성하였다.
균열면의 거칠기에 따른 자기치유율을 확인하기 위하여 매끈한 균열면과 거친 균열면을 가진 시험체를 제작하였다. 시험에는 물 : 시멘트 : 잔골재비가 0.4 : 1.0 : 2.0 인 모르타르 배합을 사용하였다. 거친 균열면을 가진 시편을 제작하기 위하여 Φ100×25mm인 원주형 공시체를 제작하였다.

데이터처리

균열의 실측을 위해 디지털 광학현미경을 활용하여 시편상하면 총 6개지점의 균열폭을 측정하여 평균값을 산출하였다. 또한 기존의 연구(Lee et al.

성능/효과

균열면의 거칠기에 따른 자기치유 실험을 수행하였다. 거친 균열면을 가진 시편이 매끈한 균열면을 가진 시편에 비해 치유율이 높게 관찰되었다. 또한 각 시편별 양생수의 pH를 측정한 결과 동일한 양생 조건임에도 불구하고 거친 균열면의 시편이 매끈한 균열면을 가진 시편에 비해 낮은 pH를 보였다.
Table 2는 식 (11)을 활용하여 치유전의 매끈한 균열면을 가진 시편과 거친 균열면을 가진 시편의 균열확산계수를 산정한 결과이다. 균열폭이 커질수록 용기내부의 산소농도 증가율이 크게 측정되었으며, 그에 따라 균열확산계수가 증가하는 것으로 나타났다. 균열확산계수는 균열폭에 비례하므로(Lee et al.
기체확산 실험으로 자기치유 효과를 측정한 결과, 거친 균열면을 가진 시편이 더 높은 치유율을 보였으며, 현미경 관찰에서도 유사한 결과를 나타내었다. Fig.
기체 확산실험을 통해 균열폭을 추정하기 위하여 균열확산계수를 제안하였다. 기체확산실험 결과 치유전의 모르타르 시편에서의 평균 균열폭과 기체확산실험으로 예측한 균열폭의 차이는 평균 0.012mm 이내로 나타났으며, 최대 0.023mm 의 오차 이내로 균열폭 추정이 가능하였다.
두 방법에 의한 자기치유율의 오차는 존재하지만, 합리적인 수준으로 판단된다. 기체확산실험을 통해 자기치유 콘크리트의 치유율 산정이 가능함을 검증하였다.
실제 시편에서의 균열폭은 위치에 따라 다르게 나타나며, 또한 자기치유 현상 또한 균열을 따라 고르게 나타나지 않는다. 따라서, 이 연구에서 균열폭을 측정하기 위하여 사용한 6지점에 대한 평균균열폭은 자기치유 효과에 대한 평가를 하기에는 부족한 지표로 판단할 수 있다. 따라서 본 절에서는 균열치유가 된 구간과 치유가 되지 않은 구간이 비교적 명확하게 구분이 가능한 F2, R4 시편에 대해 Fig.
거친 균열면을 가진 시편이 매끈한 균열면을 가진 시편에 비해 치유율이 높게 관찰되었다. 또한 각 시편별 양생수의 pH를 측정한 결과 동일한 양생 조건임에도 불구하고 거친 균열면의 시편이 매끈한 균열면을 가진 시편에 비해 낮은 pH를 보였다. 따라서 거친 균열면의 시편에서 탄소와의 반응이 비교적 높게 나타나 자기치유율이 높았음을 추정할 수 있다.
매끈한 균열면을 가진 시편은 5.64 ∼ 27.32% 사이의 치유율을 기록하였고, 평균 17.51%의 치유를 보였다.
4는 각 시편에서 측정시간 대비 용기내의 산소농도를 나타낸 그래프이다. 시편당 측정시간은 30분이며, 질소주입이후 10분 간의 안정화 시간을 제외한 20분간의 농도변화를 나타내었다.
측정시간동안 용기내부의 산소농도는 균열을 통한 확산을 통해산소가 유입되어 점점 증가하였으며, 시간대비 농도증가율이 거의 일정한 형태를 나타내었다. 기체의 확산특성을 관찰하였던 기존의 연구(Lee et al.
5mm 정도이다. 치유구간은 치유생성물로 인해 균열폭 변동이 관찰된 구간으로 설정하였으며, 전체 균열길이의 약 15.67% 가 치유된 것으로 관찰되었다. 반면, 거친 균열면을 가진 R4 시편에서는 균열의 총 길이가 72mm이고, 치유가 발생한 구간은 46mm로 약 64%의 균열이 치유 된 것으로 관찰되었다.
확산 실험을 통한 균열폭 예측값의 오차는 평균 0.012mm로 나타났고, 매끈한 균열면을 가진 시편보다 거친 균열면을 가진 시편에서 오차가 더 크게 나타났다. 거친 균열면을 가진 시편은 시편의 불균질한 균열형상에 의해 현미경 관찰시 측정 지점에 따라 균열폭이 변동되며, 국부적인 측정의 한계로 인해 실제 균열폭과의 차이가 발생할 수 있다.

후속연구

8과 같이 치유물이 생성되었으나 균열이 완전 폐합이 되지 않은 균열부를 현미경 관찰에서는 단순 치유구간으로 산정한 결과이다. 현미경 측정 결과와 기체 확산실험 결과는 다소 차이를 보였지만, 이는 표면만 측정하며 완전히 치유되지 않은 구간도 치유율에 포함되는 현미경에 의한 치유율 측정 방법의 한계로 판단되며, 치유균열부의 면적을 더욱 정확히 산정할 수 있는 방법이 적용된다면, 각 실험방법간의 연관성은 더 높게 나타날 것이라 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트의 단점은 무엇인가?	콘크리트는 오랜 기간 널리 사용되어온 건설재료이지만, 인장 강도가 낮고 취성적인 특성을 가지고 있기 때문에 균열이 발생하기 쉬운 단점이 있다(Mehta and Monteiro, 2014). 발생된 균열은 수분과 유해물질의 이동경로로써 구조물의 열화를 촉진시키고, 이러한 구조물의 열화는 내구 성능과 사용성을 저하시키고 유지관리 비용을 높이기 때문에 균열을 제어하기 위한 적절한 대책이 요구된다(Wang et al.
	콘크리트에 발생된 균열을 제어하기 위한 적절한 대책이 필요한 이유는 무엇인가?	콘크리트는 오랜 기간 널리 사용되어온 건설재료이지만, 인장 강도가 낮고 취성적인 특성을 가지고 있기 때문에 균열이 발생하기 쉬운 단점이 있다(Mehta and Monteiro, 2014). 발생된 균열은 수분과 유해물질의 이동경로로써 구조물의 열화를 촉진시키고, 이러한 구조물의 열화는 내구 성능과 사용성을 저하시키고 유지관리 비용을 높이기 때문에 균열을 제어하기 위한 적절한 대책이 요구된다(Wang et al. 1997; Mihashi et al.
	자기치유 콘크리트의 치유 성능을 평가하는 척도로 활용되고 있는 것은?	2017). 이러한 자기치유 콘크리트의 치유 성능을 평가하는 척도로는 균열의 치유정도가 활용되고 있다(Edvardsen 1999). 광학현미경을 통해 표면 균열폭을 관찰하는 방식이 활용되고 있지만, 콘크리트의 균열은 면을 따라 비균질하게 발생하며, 치유 후에도 균열의 위치에 따른 치유정도가 일정하게 나타나지는 않기 때문에, 국부적인 지점의 균열폭을 평가하여 시편 전체의 치유성능을 평가하는 단점이 있다(Choi et al.

참고문헌 (20)

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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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