[논문]표면 성상에 따른 수용성 발수제 혼입 시멘트 모르타르의 발수특성

강석표; 강혜주; 홍성욱; 양승현

doi:10.11112/jksmi.2020.24.6.42

[국내논문] 표면 성상에 따른 수용성 발수제 혼입 시멘트 모르타르의 발수특성
Water Repellent Characteristics According to the Surface Properties of Cement Mortar Mixed with Water-soluble Water Wepellent 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.6, 2020년, pp.42 - 49

강석표 (우석대학교 건축학과) , 강혜주 (우석대학교 건설공학과) , 홍성욱 (우석대학교 건축학과) , 양승현 (우석대학교 건설공학과)

초록
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본 논문은 시멘트계 재료의 표면 및 구체에 소수성을 부여하여 내구성을 향상시키기 위한 기초연구이다. 실란/실록산계 혼합형 발수제를 첨가한 시멘트 모르타르를 제조하고 초기 수화성능 및 유동성능, 재령별 압축강도를 측정하였다. 또한 표면연마 전후의 물접촉각 및 흡수율을 측정하였다. 실란/실록산계 혼합형 발수제를 첨가한 시멘트 모르타르의 플로우는 발수제 첨가량 1.5%까지는 감소하는 것으로 나타났으며 첨가량 3.0%에서는 증가하였다. 실란/실록산계 혼합형 발수제를 첨가할 경우 시멘트 페이스트의 응결시간은 초결 및 종결 모두 지연되는 것으로 나타났다. 압축강도는 발수제의 최대 첨가량 3.0%에서 최대 30%까지 감소하는 것으로 나타났다. 실란/실록산계 발수제를 시멘트 모르타르에 첨가할 경우 접촉각은 커지는 것으로 나타났으며, 표면연마 후 접촉각은 표면연마 전보다 커지는 것으로 나타났다. 실란/실록산계 혼합형 발수제의 첨가는 표면뿐만 아니라 연마로 인하여 손상된 표면과 단면에서도 소수성을 나타내었다. 실란/실록산계 혼합형 발수제를 시멘트 모르타르에 첨가할 경우 흡수율은 낮아지는 것으로 나타났으며, 표면연마 후 흡수율은 표면연마 전보다 커지는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is a basic study to improve durability by imparting hydrophobicity to the surface and sphere of cement-based materials. A cement mortar to which a silane/siloxane-based mixed water repellent was added was prepared, and its initial hydration performance, flow performance, and compressive strength were measured. In addition, after the surface was abraded, the water contact angle and water absorption were measured. The flow of cement mortar to which the water repellent was added was found to decrease up to 1.5% in the addition amount of the water repellent agent, and increased at 3.0% in the addition amount. It was found that the setting time of the cement paste was delayed in both the initial setting and the termination when the water repellent was added. It was found that the compressive strength decreased from 3.0% of the maximum added amount of the water repellent to a maximum of 30%. The contact angle was found to increase when the water repellent was added to the cement mortar, and the contact angle after surface polishing was found to be larger than before surface polishing. The addition of the water repellent showed hydrophobicity not only on the surface but also on the surface and cross section damaged by polishing. The water absorption rate was found to decrease when the water repellent was added to the cement mortar, and the water absorption rate after surface polishing was found to be greater than before surface polishing.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1 Experimental plan
표 Table 2 Physical properties and chemical composition of binder
표 Table 3 Physical properties and chemical composition of water repellent
그림 Fig. 1 Specimen for measuring contact angle
그림 Fig. 2 Contact angle meter
그림 Fig. 3 Flow
표 Table 4 Setting time
그림 Fig. 4 Compressive strength
그림 Fig. 6 Contact angle
그림 Fig. 5 Compressive strength ratio
그림 Fig. 7 Contact angle ratio
그림 Fig. 8 Water absorption rate
표 Table 5 Contact angle image

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 시멘트계 재료의 표면 및 구체에 소수성을 부여하여 내구성을 향상시키기 위한 기초연구로서 실란/실록산계 혼합형 발수제를 첨가하여 시멘트 모르타르를 제조하고, 실란/실록산계 혼합형 발수제를 첨가한 시멘트 모르타르의 초기 수화성능 및 유동성능, 재령별 압축강도 및 흡수율을 측정하였고, 표면연마 전후의 물접촉각을 검토하여 발수성능을 검토하였다.

제안 방법

몰드에 모르타르를 타설하여 제작하였다. 3개의 시험체를 28일 양생 후 건조하고 시편의 측면을 에폭시로 실링 처리하였다. 제조된 시험체를 약 20℃의 물에 2~10mm 정도의 깊이로 담근 후 24시간에 물 흡수량을 측정하였다.
45로 설정하였다. 또한 실란/실록산계 혼합형 발수제의 사용량은 시멘트 중량에 대해 0%, 0.5%, 1.5%, 3%가 되도록 혼합수에 첨가하여 시멘트 모르타르를 혼합하였다. 평가항목으로 시멘트 모르타르의 초기 수화성능 및 유동성능을 확인하기 위하여 응결시간과 플로우를 측정하였고, 재령별 압축강도와 표면연마 전후의 물접촉각 및 흡수율을 측정하였다.
모르타르의 배합은 강제식 모르타르 믹서를 사용하였으며, 먼저 혼합수와 실란/실록산계 발수제를 혼합한 뒤 KS L ISO 679 시멘트의 강도 시험방법에 의거하여 모르타르를 제조하였다. 제조된 시멘트 모르타르는 시편제작용 몰드에 타설하여 측정시까지 온도 20±2℃, 상대습도 50%에서 양생하였다.
측정결과를 Table 4에 나타내었다. 샘플은 시멘트 페이스트에 대해 실란/실록산계 혼합형 발수제를 0, 0.5, 1.5, 3.0% 첨가하여 측정되었다. 응결시간 측정결과 실란/실록산계 발수제를 첨가할 경우 시멘트 페이스트의 초결 및 종결 시간은 지연되는 것으로 나타났으며, 첨가량이 증가할수록 응결시간은 더욱 지연지는 것으로 나타났다.
시멘트계 재료의 표면 및 구체에 소수성을 부여하고자 실란/실록산계 혼합형 발수제를 첨가한 시멘트 모르타르 제조하고 이를 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
압축강도는 배합별로 3개의 샘플에 동일한 조건을 적용하여 3일, 7일 및 28일에 측정하였으며 평균 압축강도의 값으로 하였다. 압축강도 시험은 KS L ISO 679 시멘트의 강도 시험 방법 준하여 측정하였다.
3개의 시험체를 28일 양생 후 건조하고 시편의 측면을 에폭시로 실링 처리하였다. 제조된 시험체를 약 20℃의 물에 2~10mm 정도의 깊이로 담근 후 24시간에 물 흡수량을 측정하였다. 흡수율은 KS 5%, 3%가 되도록 혼합수에 첨가하여 시멘트 모르타르를 혼합하였다. 평가항목으로 시멘트 모르타르의 초기 수화성능 및 유동성능을 확인하기 위하여 응결시간과 플로우를 측정하였고, 재령별 압축강도와 표면연마 전후의 물접촉각 및 흡수율을 측정하였다.

대상 데이터

위한 실험계획을 Table 1에 나타내었다. 결합재로는 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 골재로는 표준사를 사용하였으며 C:S는 1:3, W/C는 0.45로 설정하였다. 또한 실란/실록산계 혼합형 발수제의 사용량은 시멘트 중량에 대해 0%, 0.
본 논문에서 사용한 골재는 KS L ISO 679의 표준사를 사용하였다.
본 연구에서 사용한 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트로서물리ㆍ화학적 특성을 Table 2에 나타내었다. 시멘트는 비 표면적 3, 144 cm2/g, 밀도 3.
본 연구에서 사용한 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트로서물리ㆍ화학적 특성을 Table 2에 나타내었다. 시멘트는 비 표면적 3, 144 cm2/g, 밀도 3.15 g/cm3, 강열감량 1.32이며, 화학성분은 SiO2(21.7 %), Al2O3(5.7 %), Fe2O3(3.2 %), CaO(63.1 %), MgO(2.8 %), SO3(2.2 %)로 KS L 5201의 규정에 적합한 국내 S사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
흡수율을 평가하기 위한 흡수율 시험체는 5×5×5cm의 정방형 몰드에 모르타르를 타설하여 제작하였다. 3개의 시험체를 28일 양생 후 건조하고 시편의 측면을 에폭시로 실링 처리하였다.

이론/모형

시멘트 모르타르의 플로우 시험은 KS L 2476에 준하여 측정하였다.
실란/실록산계 혼합형 발수제를 첨가한 시멘트 페이스트의 응결시간은 KS L 5103 길모어 침에 의한 시멘트의 응결 시간 시험방법에 준하여 시험하였다.
압축강도 시험은 KS L ISO 679 시멘트의 강도 시험 방법 준하여 측정하였다.
제조된 시험체를 약 20℃의 물에 2~10mm 정도의 깊이로 담근 후 24시간에 물 흡수량을 측정하였다. 흡수율은 KS 1.2476에 준하여 계산하였으며 (식)을 아래에 나타내었다.

성능/효과

(1) 실란/실록산계 혼합형 발수제를 첨가한 시멘트 모르타르의 플로우는 발수제 첨가량 1.5%까지는 감소하는 것으로 나타났으며 첨가량 3.0%에서는 증가하였다.
(2) 응결시간 측정결과 실란/실록산계 혼합형 발수제를 첨가할 경우 시멘트 페이스트의 응결시간은 초결 및 종결모두 지연되는 것으로 나타났다. 이러한 지연은 혼합물의 소수성에 기인할 수 있으며, 클링커 입자 근처에 실란/실록산계 발수제를 배치하여 소수성 장벽을 생성하기 때문인 것으로 판단된다.
(3) 압축강도 측정결과 실란/실록산계 혼합형 발수제를 시멘트 모르타르에 첨가할 경우 압축강도는 감소하는 것으로 나타났으며 최대 첨가량 3.0%일 경우 압축강도는최대 30%까지 감소하는 것으로 나타났다. 이는 발수제가 시멘트의 수화를 지연 및 방해하여 압축강도가 저하된 것으로 판단된다.
(4) 접촉각 측정결과 실란/실록산계 발수제를 시멘트 모르타르에 첨가할 경우 친수성이 개선되며 소수성을 나타내 접촉각이 커지는 것으로 나타났다. 또한 표면연마 후 접촉각은 표면연마 전보다 커지는 것으로 나타났다.
(5) 흡수율 측정결과 실란/실록산계 혼합형 발수제를 시멘트 모르타르에 첨가할 경우 흡수율은 낮아지는 것으로 나타났다. 또한 사포 연마 후 흡수율은 사포 연마 전보다 커지는 것으로 나타났다.
7%를 나타냈다. MD15의 경우 36.3MPa로서 M-P의 83.0%, MD30의 경우 31.0MPa로서 M-P의 70.9%로 실란/실록산계 발수제를 3.0% 첨가한 경우 압축강도는 최대 약 30% 까지 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 압축강도의 감소는 발수제의 물을 팅겨내는 특성으로 인하여 수화를 지연 및 방해하여 압축강도가 저하된다고 보고하고 있다(Kim and Lee, 2020).
또한 공극의 증가는 모르타르의 압축강도를 감소시킨다. 그러나 실란/실록산계 발수제를 첨가한 시멘트 모르타르의 경우 첨가량이 증가할수록 강도는 감소하고 흡수율도 감소하는 것으로 나타났다. 이는 기존연구에서와 같이 소수성을 나타내는 모르타르는 수분의 침투와 다공성과는 무관한 것으로 나타났다.
또한 발수제 첨가량이 증가할수록 접촉각이 커지는 것으로 나타났다. 또한 표면연마 후 접촉각은 연마 전 보다 커지는 것으로 나타났다.
흡수율 측정결과 실란/실록산계 발수제를 시멘트 모르타르에 첨가할 경우 발수제의 첨가량이 증가할수록 흡수율이 낮아지는 것으로 나타났다. 또한 표면연마 후 흡수율은 연마 전 보다높아지는 것으로 나타났다.
이와 같이 실란/실록산계 혼합형 발수제를 시멘트 모르타르에 첨가할 경우 표면에서도 약간의 소수성을 나타내며 표면연마로 인한 손상된 표면과 단면에서도 소수성을 나타내었다. 본 실험에서는 MD30의 경우 가장 큰 접촉각을 나타냈지만 초소수성의 기준각도인 150° 이상을 나타내지는 못하여 물방울이 떨어졌을 때 물방울이 공극(cavity)을 채워 표면 위에 떠 있는 상태(Cassie-Baxter state) 와 같은 연잎의 로터스 효과(lotus effects)는 나타나지 않았다. 향후 더 높은 소수성을 나타내기 위하여 혼합형 발수제의 성능을 개량하고, 표면과 물방울 사이에 공극을 형성하여 물방울이 공극을 채우지 않고 떠있는 상태를 유지하기 위한 표면 거칠기를 조절할 필요가 있을 것으로 판단된다.
시멘트 페이스트에 3.0%의 실란/실록산 발수제를 첨가할 경우 첨가하지 않은 페이스트와 비교하여 초결시간은 최대 15분 지연되는 것으로 나타났으며, 또한 종결시간은 최대 2.25시간이 증가하는 것으로 나타났다. 기존연구와 같이 실란 /실록산계 혼합형 발수제를 시멘트 페이스트에 첨가할 경우 ettringite의 형성을 약간 지연시키고 초결시간을 지연시킨 연구결과와 비슷한 결과를 나타냈다.
8°로서 연마 전과 비교하여 234% 높아졌다. 실란/실록산계 발수제를 1.5%, 3.0% 첨가한 시멘트 모르타르는 접촉각 90 °이상으로 모두 소수성을 나타냈다. 이와 같이 실란/실록산계 혼합형 발수제를 시멘트 모르타르에 첨가할 경우 표면에서도 약간의 소수성을 나타내며 표면연마로 인한 손상된 표면과 단면에서도 소수성을 나타내었다.
4에 나타내었다. 압축강도 측정결과 실란/실록산계 발수제를 시멘트 모르타르에 첨가할 경우 압축강도는 감소하며, 첨가율이 높아질수록 감소하는 경향을 나타냈다. 시
0% 첨가하여 측정되었다. 응결시간 측정결과 실란/실록산계 발수제를 첨가할 경우 시멘트 페이스트의 초결 및 종결 시간은 지연되는 것으로 나타났으며, 첨가량이 증가할수록 응결시간은 더욱 지연지는 것으로 나타났다.
0%첨가한 MD30의 경우 120분으로 지연되는 것으로 나타났다. 종결시간은 발수제를 첨가하지 않은 M-P의 경우 4.75시간을 나타냈으며, 실란/실록산계 발수제를 3.0%첨가한 MD30의 경우 7시간으로 나타났다.
초결시간은 발수제를 첨가하지 않은 M-P의 경우 105분을 나타냈으며, 실란/실록산계 발수제를 3.0%첨가한 MD30의 경우 120분으로 지연되는 것으로 나타났다. 종결시간은 발수제를 첨가하지 않은 M-P의 경우 4.
표면연마 전 접촉각은 발수제를 첨가할수록 커졌으나 모두 소수성 접촉각 기준으로 정의되는 90°이상을 나타내지 못하고 모두 친수성을 나타냈다. 표면연마 후 접촉각은 실란/실록산계 발수제를 0.5 % 첨가한 MD5의 경우 85.9°로서 연마 전과 비교하여 약 455% 높아졌으며, 발수제를 1.5% 첨가한 MD15의 경우 117.9°로서 연마 전과 비교하여 230%, 발수제를 3.0%첨가한 MD30의 경우 130.8°로서 연마 전과 비교하여 234% 높아졌다. 실란/실록산계 발수제를 1.
3에 나타내었다. 플로우 측정결과 실란/실록산계 발수제를 15%이하로 첨가할 경우 플로우는 감소하는 경향을 보였으며, 30%이상 다량 첨가할 경우 증가하는 것으로 나타났다. 플로우는 실란/실록산계 발수제를 첨가하지 않은 MP는 170 mm를 나타내었다.
흡수율은 소수성을 평가하기 위한 중요한 지표이다. 흡수율 측정결과 실란/실록산계 발수제를 시멘트 모르타르에 첨가할 경우 발수제의 첨가량이 증가할수록 흡수율이 낮아지는 것으로 나타났다. 또한 표면연마 후 흡수율은 연마 전 보다높아지는 것으로 나타났다.

후속연구

본 실험에서는 MD30의 경우 가장 큰 접촉각을 나타냈지만 초소수성의 기준각도인 150° 이상을 나타내지는 못하여 물방울이 떨어졌을 때 물방울이 공극(cavity)을 채워 표면 위에 떠 있는 상태(Cassie-Baxter state) 와 같은 연잎의 로터스 효과(lotus effects)는 나타나지 않았다. 향후 더 높은 소수성을 나타내기 위하여 혼합형 발수제의 성능을 개량하고, 표면과 물방울 사이에 공극을 형성하여 물방울이 공극을 채우지 않고 떠있는 상태를 유지하기 위한 표면 거칠기를 조절할 필요가 있을 것으로 판단된다.

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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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