[논문]고로슬래그미분말을 혼입한 경화제 무첨가 에폭시수지 모르타르의 물리적 성질 및 자기치유 검토

조영국; 김완기

doi:10.11112/jksmi.2020.24.1.80

고로슬래그미분말을 혼입한 경화제 무첨가 에폭시수지 모르타르의 물리적 성질 및 자기치유 검토
Investigation of Physical Properties and Self Healing of Hardener-Free Epoxy-Modified Mortars with GGBFS 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.1, 2020년, pp.80 - 87

조영국 (청운대학교 건축공학과) , 김완기 (협성대학교 건축공학과)

초록
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본 연구는 고성능 폴리머 시멘트계 프리캐스트 제품의 개발 및 미세균열 발생 시 자기치유기능을 확보할 목적으로 경화제 무첨가 EMM의 물리적 성질을 검토하고, 그 물성에 영향을 끼치는 시멘트 매트릭스 내의 에폭시수지 경화도와 현미경을 통한 조직구조의 관찰과 함께 자기치유효과를 검토하였다. 그 결과, 경화제 무첨가 EMM의 폴리머 혼입에 의한 강도 개선 효과는 인장강도, 휨강도, 압축강도의 순으로 나타났다. 접착성은 콘크리트 피착체의 모세관 공극에 폴리머 필름의 형성에 기인한 투묘효과에 기인하여 크게 향상되었다. 투수저항성은 폴리머 결합재비 20% 및 고로슬래그 미분말 치환율 30%를 병용한 EMM에서 보통시멘트 모르타르 대비 97%의 감소율을 나타내 매우 우수하였다. 고로슬래그미분말, 팽창재 및 황산나트륨을 병용한 EMM의 균열 폭은 고로슬래그 치환율이 증가함에 따라 미미하게 감소하였으나, 고로슬래그미분말 치환율 20%에서 수중침지기간의 증가와 함께 서서히 균열부 자기폐색 효과를 관찰할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the physical properties and self-healing effects of hardener-free epoxy-modified mortars(EMMs) using ground granulated blast furnace slag(GGBFS). The EMMs with GGBFS were prepared with various polymer-binder ratios and GGBFS contents, and tested for strengths, adhesion in tension, water permeation and self-healing effects. The conclusions obtained from the test results are summarized as follows. The compressive strength of the EMMs with GGBFS is reduced with increasing polymer-binder ratios because of reduction of the degree of hardening in the EMMs, and is somewhat inferior to that of unmodified mortars. In the flexural and tensile strengths, the flexural strength of the EMMs is almost constant with increasing polymer-binder ratios. However, the tensile strength of the EMMs is gradually increased with increasing polymer-binder ratios. Regardless of the GGBFS contents, the adhesion in tension of the EMMs increases sharply with increasing polymer-binder ratios. The water permeation of the EMMs is remarkably reduced with increasing polymer-binder ratios and GGBFS contents. The self-healing effect of the hardener-free EMMs with GGBFS is improved with increasing water immersion period at a GGBFS content of 20%.

주제어

표/그림 (15)

표 Table 1 Experiment factors in this study
표 Table 2 Properties of ground granulated blast furnace slag
표 Table 3 Properties of bisphenol F-type epoxy resin
그림 Fig.1 Specimen for tensile strength test
그림 Fig.2 Adhesion in tension test
표 Table 4 Mix proportions of EMMs without hardener
그림 Fig.3 Polymer-binder ratio vs. compressive strength of hardener-free EMMs with GGBFS
그림 Fig.4 Degree of hardening of EMMs without hardener at a curing period of 28 days
그림 Fig.5 Polymer-binder ratio vs. flexural strength of hardener-free EMMs with GGBFS
그림 Fig.6 Polymer-binder ratio vs. tensile strength of hardener-free EMMs with GGBFS
그림 Fig.7 Microstructures of EMMs without hardener
그림 Fig.8 Polymer-binder ratio vs. adhesion in tension of hardener-free EMMs with GGBFS
그림 Fig.9 Polymer-binder ratio vs. water permeation of hardener-free EMMs with GGBFS
그림 Fig.10 Crack self-healing effect of EMMs with various GGBFS contents at a polymer-binder ratio of 10%
그림 Fig.11 Water immersion period vs. crack width change of hardener-free EMMs with GGBFS

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 자기치유조성물로 잠재수경성 재료인 고로 슬래그미분말, 팽창성 혼화재로 CSA계 팽창재와 알칼리 활성화제로 황산나트륨을 적용한 경우에 에폭시수지 혼입 모르타르의 물리적 성질을 명백히 하고, 또한 외부 요인에 의해 균열 발생 시 자기치유기능도 부여할 수 있는 고성능 폴리머 시멘트계 제품의 자기치유재료 개발상의 기초를 마련하는 것이다. 이를 위해 자기치유조성물과 함께 경화제 무첨가 에폭시 수지 혼입 폴리머 시멘트 모르타르를 제작하여, 압축강도, 휨강도, 인장강도, 접착강도, 투수성 등 물리적 성질을 파악하고, 그 물성에 영향을 끼치는 시멘트 매트릭스 내의 에폭시수지 경화도와 현미경을 통한 조직구조의 관찰과 함께 자기치유효과를 검토하는 것이다.

제안 방법

KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험 방법)에 준하여 28일간의 양생을 마친 공시체는 온도 80℃에서 48시간 건조하고, 데시케이터 내에서 냉각한 후 그 양면의중앙부 지름 50mm 이상을 가볍게 솔질을 하여 표면부의 레이턴스를 제거하고 질량을 측정하였다. 그 다음에 KS F 2451(건축용 시멘트 방수제 시험 방법)에 따라 공시체에 1N/cm2의 수압을 1시간 가한 후 질량을 측정하였다.
강도 및 접착강도 시험용 공시체의 제작은 KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법)에 준하여, Table 4에 나타낸 배합의 공시 모르타르를 그 플로 값이 170±5mm의 범위 안에 들어가도록 물시멘트비를 조정하여 비빔을 한 후, 압축 및 휨강도 시험용 공시체는 치수 40×40×160mm, 인장강도 시험용은 Fig.1과 같은 브리켓형, 접착강도 시험용은 Fig.2와 같이 콘크리트 피착체 치수 300×300×60mm에 공시 모르타르를 두께 10mm로 타설 및 성형하여 2일 습윤양생[20℃, 80%(R.H.)], 5일 수중양생(20℃), 21일 기중양생[20℃, 60%(R.H.)]을 실시하여 공시체로 하였다.
시멘트 혼화용 폴리머로써 자기치유기능에 유리한 저점도형 비스페놀 F형 에폭시수지를 사용하였으며, 결합재로써 보통포틀랜드시멘트와 잠재수경성 재료인 고로슬래그미분말을 사용하였다. 본 연구에서는 기존 연구(Park and Kim, 2016)를 토대로 팽창재 및 알칼리 활성화제를 Table 1과 같이 고정하여 폴리머 결합재비 0, 5, 10, 15, 20%, 고로슬래그미분말 치환율 0, 10, 20, 30%로 변화시켜 강도 및 접착성을 파악하고, 에폭시수지의 경화도, 자기치유효과 및 주사형 전자현미경을 통한 조직구조를 관찰하였다. 고로슬래그미분말 치환율과 함께 경화제를 첨가하지 않은 에폭시수지 혼입 모르타르(이하, EMM이라 함)의 실험요인 및 수준은 Table 1과 같다.
시멘트 혼화용 폴리머로써 비스페놀 F형 에폭시수지를 사용하고, 폴리머 결합재비 및 고로슬래그미분말 치환율을 변화시켜 제작한 경화제 무첨가 EMM의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
에폭시수지 혼입 모르타르의 폴리머 필름의 관찰은 전계방사형 주사전자현미경(Field Emission-Scanning Electron Microscope; FE-SEM)으로 실시하였다. 촬영 면의 표면 전처리는 염산 3% 용액과 불화수소산 용액을 사용하여 시멘트 수화물, 잔골재 입자를 녹여 에폭시수지 필름이 보다 명확히 촬영되도록 실시하였다.
본 연구에서는 자기치유조성물로 잠재수경성 재료인 고로 슬래그미분말, 팽창성 혼화재로 CSA계 팽창재와 알칼리 활성화제로 황산나트륨을 적용한 경우에 에폭시수지 혼입 모르타르의 물리적 성질을 명백히 하고, 또한 외부 요인에 의해 균열 발생 시 자기치유기능도 부여할 수 있는 고성능 폴리머 시멘트계 제품의 자기치유재료 개발상의 기초를 마련하는 것이다. 이를 위해 자기치유조성물과 함께 경화제 무첨가 에폭시 수지 혼입 폴리머 시멘트 모르타르를 제작하여, 압축강도, 휨강도, 인장강도, 접착강도, 투수성 등 물리적 성질을 파악하고, 그 물성에 영향을 끼치는 시멘트 매트릭스 내의 에폭시수지 경화도와 현미경을 통한 조직구조의 관찰과 함께 자기치유효과를 검토하는 것이다.
자기치유효과 검토는 28일간 습윤·기중 조합양생을 실시한 공시체에 인위적으로 미세균열을 유발시킨 후 수중 침지시켜 양생기간 0, 14(2주)일, 28(4주)일, 42(6주)일에서의 균열부위의 폐색여부를 관찰하였다.
에폭시수지 혼입 모르타르의 폴리머 필름의 관찰은 전계방사형 주사전자현미경(Field Emission-Scanning Electron Microscope; FE-SEM)으로 실시하였다. 촬영 면의 표면 전처리는 염산 3% 용액과 불화수소산 용액을 사용하여 시멘트 수화물, 잔골재 입자를 녹여 에폭시수지 필름이 보다 명확히 촬영되도록 실시하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 KS L 5201(포틀랜드 시멘트)에 규정된 국내 S사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 고로슬래그는 KS F 2563(콘크리트용 고로슬래그 미분말)에서의 품질 규정 값을 만족하는 고로슬 래그미분말 3종이며, 그 특성은 Table 2와 같다.
시멘트 혼화용 폴리머로는 비스페놀 F형 에폭시수지 (Diglycidyl Ether of Bisphenol F ; DGEBF)를 사용하였으며, 일반적 특성은 Table 3과 같다.
시멘트 혼화용 폴리머로써 자기치유기능에 유리한 저점도형 비스페놀 F형 에폭시수지를 사용하였으며, 결합재로써 보통포틀랜드시멘트와 잠재수경성 재료인 고로슬래그미분말을 사용하였다. 본 연구에서는 기존 연구(Park and Kim, 2016)를 토대로 팽창재 및 알칼리 활성화제를 Table 1과 같이 고정하여 폴리머 결합재비 0, 5, 10, 15, 20%, 고로슬래그미분말 치환율 0, 10, 20, 30%로 변화시켜 강도 및 접착성을 파악하고, 에폭시수지의 경화도, 자기치유효과 및 주사형 전자현미경을 통한 조직구조를 관찰하였다.
알칼리 활성물질로 황산나트륨(Na2SO4)을 사용하였다.
잔골재로는 주문진산 규사를 사용하였다.
팽창재로는 S사의 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재를 사용하였다.

이론/모형

KS L ISO 679(시멘트의 강도 시험방법)에 준하여 공시체의 압축강도 및 휨강도 시험을, KS L 5104(수경성 시멘트 모르타르의 인장강도 시험방법)에 준하여 공시체의 인장강도 시험을 실시하였다.
KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험 방법)에 준하여 28일간의 양생을 마친 공시체는 온도 80℃에서 48시간 건조하고, 데시케이터 내에서 냉각한 후 그 양면의중앙부 지름 50mm 이상을 가볍게 솔질을 하여 표면부의 레이턴스를 제거하고 질량을 측정하였다. 그 다음에 KS F 2451(건축용 시멘트 방수제 시험 방법)에 따라 공시체에 1N/cm2의 수압을 1시간 가한 후 질량을 측정하였다. 투수량은 3개 공시체의 평균값으로 나타내었으며, 식 (1)에 따라 투수량을 산출하였다.
비스페놀 F형 에폭시수지와 고로슬래그를 병용한 폴리머 시멘트 모르타르의 접착성을 알아보기 위해 KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법)에 의거하여 Fig.2와 같이 인장접착강도 시험기를 사용하여 실시하였다.

성능/효과

1) 고로슬래그미분말을 사용한 경화제 무첨가 EMM의 압축강도는 고로슬래그미분말의 치환율에 관계없이 거의 유사하였으며, 폴리머 결합재비의 증가와 함께 에폭시수지의 경화도도 함께 떨어져 압축강도 감소 현상을 나타냈다.
2) 폴리머 결합재비의 증가와 함께 경화제 무첨가 EMM의 휨강도는 큰개선을 나타내지 않았으나, 인장강도는 폴리머 혼입에 의한 개선 효과가 상대적으로 크게 나타났다.
3) 고로슬래그 미분말의 치환율에 관계없이, 경화제 무첨가 EMM의 인장강도는 폴리머 결합재비의 증가와 함께 선형적으로 증가하는 경향을 나타냈으며, 고로슬래그미분말을 치환하지 않은 폴리머 결합재비 20%에서 3.13MPa의 최대값을 나타냈다.
4) 고로슬래그 미분말의 치환율에 관계없이, 경화제 무첨가 EMM의 투수량은 폴리머 결합재비의 증가와 함께 현저히 감소하는 경향을 나타냈으며, 특히, 폴리머 결합재 비 20% 및 고로슬래그 미분말 치환율 30%를 병용한 EMM은 보통시멘트 모르타르 대비 97%의 감소율로 매우 우수한 투수저항성을 나타냈다.
5) 자기치유조성물과 함께 고로슬래그미분말을 20% 치환한 경화제 무첨가 에폭시수지 혼입 EMM의 수중침지 전 균열 폭은 수중침지기간의 증가와 함께 점점 감소하는 경향을 나타났으며, 28일 이후에는 수중침지 전과 비교하여 약80% 균열폭 감소 효과를 나타냈다. 그러나 이것은 부분적으로 균열부 폐색 현상이 일어난 것으로 완전한 자기폐색은 이루어지 않았다.
즉 고로슬래그미분말 치환율에 따른접착강도 개선은 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다. 결과적으로 폴리머 결합재비별로 고로슬래그미분말의 치환율에 따른 인장접착강도를 비교 검토한 결과, 유의미한 차이를 나타내지는 않았다.
6은 폴리머 결합재비 및 고로슬래그미분말치환율을 변화시켜 제작한 경화제 무첨가 EMM의 인장강도를 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말의 치환율에 관계없이, 경화제 무첨가 EMM의 인장강도는 폴리머 결합재비의 증가와 함께 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 일반적으로 폴리머 결합재비의 증가와 함께 휨인성이 증가하는데본 연구에서는 휨강도에서 큰 개선효과를 보이지 않은 반면, 인장강도에서는 폴리머 혼입에 의한 개선효과를 나타냈다.
8은 폴리머 결합재비 및 고로슬래그미분말 치환율을 변화시켜 제작한 경화제 무첨가 EMM의 인장접착강도를 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말의 치환율에 관계없이, 경화제 무첨가 EMM의 인장접착강도는 폴리머 결합재비의 증가와 함께 선형적으로 증가하는 경향을 나타냈으며, 고로슬래그미분말을 치환하지 않은 폴리머 결합재비 20%에서 3.13MPa의 최대값을 나타냈다. 이는 콘크리트 피착체의 모세관 공극에 폴리머 필름의 형성에 기인한 투묘효과에 기인한 것으로 판단된다(Pareek et al.
5는 시멘트 혼화용 폴리머로써 비스페놀 F형 에폭시수지를 사용하고, 폴리머 결합재비 및 고로슬래그미분말 치환율을 변화시켜 제작한 경화제 무첨가 EMM의 휨강도를 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말의 치환율에 관계없이, 경화제 무첨가 EMM의 휨강도는 폴리머 결합재비의 증가와 함께 큰 차이를 보이지 않으나, 폴리머 결합재비 5%에서는 에폭시수지 미혼입(P/B=0%) 모르타르보다 큰 것으로 나타났다. 그러나 폴리머 결합재비 10% 이상에서는 뚜렷한 강도 개선은 나타나지 않았다.
9는 폴리머 결합재비 및 고로슬래그미분말 치환율을 변화시켜 제작한 경화제 무첨가 EMM의 투수량을 나타낸 것이다. 고로슬래그미분말의 치환율에 관계없이, 경화제 무첨가 EMM의 투수량은 폴리머 결합재비의 증가와 함께 현저히 감소하는 경향을 나타냈으며, 폴리머 결합재비 0%의 투수량 24.8g대비 폴리머 결합재비 20%에서는 5.2g으로 나타나, 그 감소율은 79%로 우수한 방수성을 발휘한다.
7g으로 나타나 가장 작게 나타났다. 이는 보통시멘트모르타르, 즉 폴리머 결합재비 0% 및 고로슬래그미분말 치환율 0%에서의 투수량대비 97%의 매우 우수한 투수저항성을 나타낸 것으로 보아 경화제 무첨가 EMM의 방수성을 향상하기 위해서는 알칼리 활성화제인 황산나트륨과 고로슬래그미분말의 병용이 매우 효과적임을 확인할 수 있었다. 이와 같은 방수성의 큰 개선은 Fig.
4배의 강도 개선효과를 나타냈다. 즉 고로슬래그미분말 치환율에 따른접착강도 개선은 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다. 결과적으로 폴리머 결합재비별로 고로슬래그미분말의 치환율에 따른 인장접착강도를 비교 검토한 결과, 유의미한 차이를 나타내지는 않았다.
폴리머 미혼입(P/B=0%) 모르타르를 폴리머 결합재비 20%와 고로슬래그미분말 치환율에 따라 비교 검토하면, 고로슬래그미분말 치환율 0%에서, 1.8배, 10%에서 1.7배, 20%에서 1.6배, 30%에서 1.4배의 강도 개선효과를 나타냈다. 즉 고로슬래그미분말 치환율에 따른접착강도 개선은 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다.
한편 고로슬래그미분말을 사용한 EMM의 압축강도는 폴리머 결합재비 10%까지는 고로슬래그미분말 및 폴리머를 사용하지 않은 보통 시멘트 모르타르(P/B=0%)보다 약간 크게 나타났다. 이는 알칼리 활성화제를 사용함으로써 잠재수경성 재료인 고로슬래그미분말을 사용한 모르타르의 수화반응을 개선시켰기 때문이라 판단된다.
고로슬래그미분말 치환율 10% 및 30%에서의 수중침지기간에 따른균열 폭은 수중침지기간에 따라 조금씩감소하였으나 자기폐색효과는 미미하였다. 한편, 고로슬래그미분말을 20% 치환한 에폭시수지 혼입 EMM의 수중침지 전 균열 폭은 87㎛이었으며, 수중침지기간의 증가와 함께 점점 감소하는 경향을 나타냈다. 수중침지기간 28일 이후에서는 부분적으로 균열부 폐색현상이 나타나기 시작했다.
이는 폴리머 시멘트비 10% 이상에서는 에폭시수지의 경화도가 50% 이하로 감소하여 매트릭스 내에 형성된 폴리머 필름의 휨에 대한 저항성능이 크게 개선되지 않은 것으로 보여진다. 한편, 고로슬래그미분말을 사용한 경화제 무첨가 EMM의 휨강도는 고로슬래그 미분말 치환율 10%에서 최대값을 나타냈으며, 치환율 20% 이상에서는 치환하지 않은 것과 큰차이를 보이지 않았다.
한편, 폴리머 결합재비에 관계없이, 고로슬래그미분말 치환율의 증가와 함께 경화제 무첨가 EMM의 투수량은 점점 감소하는 경향을 보였으며, 폴리머 결합재비 20% 및 고로슬래그 미분말 치환율 30% 병용한 모르타르에서 0.7g으로 나타나 가장 작게 나타났다. 이는 보통시멘트모르타르, 즉 폴리머 결합재비 0% 및 고로슬래그미분말 치환율 0%에서의 투수량대비 97%의 매우 우수한 투수저항성을 나타낸 것으로 보아 경화제 무첨가 EMM의 방수성을 향상하기 위해서는 알칼리 활성화제인 황산나트륨과 고로슬래그미분말의 병용이 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.

후속연구

이는 기존 연구에서 팽창재 및 지오머터리얼, 탄산기 화학 첨가제 등을 이용한 자기치유 단면보수재료의 누수보수 현장 적용 결과 기존 제품 및 공법대비 재령28일에서 투수량이 약 50% 이상 감소하는 자기치유 성능을 발휘한 것으로 보고하고 있으며, 이는 재령이 경과함에 따라 균열 폭이 감소하여 자기치유 재료의 효과가 커짐을 제시하고 있다(Ahn et al, 2016). 그러나 본 연구에서 자기치유효과를 검토한 결과 일부 배합에서만 재령의 경과와 함께 균열 폭 감소가 나타나, 추후 경화제 무첨가 에폭시수지 및 자기치유조성물과의 자기치유 상승 작용에 대한 추가적인 검토가 요구된다.
이상으로부터, 자기치유조성물과 함께 고로슬래그미분말을 혼입한 경화제 무첨가 EMM의 물리적 성질을 명백히 하였으며, 외부 요인에 의해 균열 발생 시 자기치유기능도 부여할 수 있는 고성능 폴리머 시멘트계 자기치유재료의 개발상의 가능성을 제시한다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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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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