보고서 정보
주관연구기관 |
경흥산업(주) KYUNG HUNG INDUCTRIAL CO.,LTD |
연구책임자 |
신현관
|
참여연구자 |
신현조
,
서정우
,
안동균
,
김세준
,
정대성
,
김동진
,
심진섭
,
나민호
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2004-01 |
주관부처 |
건설교통부 |
사업 관리 기관 |
건설교통부 Ministry Construction & Transportation |
등록번호 |
TRKO201000019162 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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초록
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콘크리트 구조물의 보수 및 보강에 사용되는 재료는 대상 구조물의 표면에 대한 우수한 부착력과 주입 충진에 적합한 점도를 유지할 수 있어 완전주입이 가능해야한다. 또한 보수 후 콘크리트 내부에서의 열화분해저항성이 우수해야하며 경화시 수축성이 중요한 인자로 고려되어야한다. 따라서, 이러한 성능을 보유한 보수보강재료의 시공법 개발은 대상 콘크리트 구조물의 장기적 내구성 및 안정성을 확보하는데 대단히 중요하며, 본 연구에서는 이러한 점에 착안하여 접착력과 내마모성이 강하고 조직이 치밀하여 내구성이 우수할뿐만 아니라 수중 저항력(cavita
콘크리트 구조물의 보수 및 보강에 사용되는 재료는 대상 구조물의 표면에 대한 우수한 부착력과 주입 충진에 적합한 점도를 유지할 수 있어 완전주입이 가능해야한다. 또한 보수 후 콘크리트 내부에서의 열화분해저항성이 우수해야하며 경화시 수축성이 중요한 인자로 고려되어야한다. 따라서, 이러한 성능을 보유한 보수보강재료의 시공법 개발은 대상 콘크리트 구조물의 장기적 내구성 및 안정성을 확보하는데 대단히 중요하며, 본 연구에서는 이러한 점에 착안하여 접착력과 내마모성이 강하고 조직이 치밀하여 내구성이 우수할뿐만 아니라 수중 저항력(cavitation)과 수중작업에서도 접착 및 경화특성을 갖는 세라믹 메탈재의 콘크리트 구조체 특히 습윤조건하에서의 보수보강에의 적용성을 심도있게 평가하고 실 구조물에의 적용을 위한 물리적특성 실험을 1차년도에 집중적으로 수행할 것이며, 보수 후 구조체 성능평가는 위탁연구기관 공동으로 수행한다. 세라믹 메탈재는 기존 에폭시계 성분의 유기체가 아닌 금속성분을 합성조합시켜 엄밀한 제조공정을 통한 세라믹계로써 친수성기와 소수성기를 보유한 계면활성제를 포함한 화합물을 함유하고 있어서 수중에서도 대상구조체와의 접착과 경화 성능이 뛰어난 것으로 알려져 있으나 현재 콘크리트 구조체에의 적용은 전무한 실정이다. 뿐만 아니라 금속과 세라믹 분말 및 폴리머의 장점만을 이용하여 제조되는 방식성 방수성제품으로써 비단 콘크리트 구조체 뿐 만 아니라 육상에 구축된 콘크리트구조물 등 산업전반의 시설물의 수명을 획기적으로 연장시킬 수 있을 것으로 사료된다. 즉, 고강도성, 고내식성 및 내화학성을 갖는 금속 및 세라믹 분말이 원료로 이용됨으로써 폴리머 및 에폭시계의 한계를 극복하였으며 특히 원료분말간의 소결(sintering)이 일어나지 않아 폴리머의 장점인 유동성과 접착성이 최대한 발휘될 것으로 판단된다. 이러한 점은 습윤상태나 수중상태에 놓인 노후화된 콘크리트 구조물의 보수 및 보강재로의 적합성이 예상되며 본 1 차년도에서는 수중구조체 보수에 대한 충분한 실험적 연구를 통하여 그 적용성을 도출할 것이며, 2차년도 수중구조체 보강과 현장적용성 실험을 통하여 시공지침서의 기초 자료를 제시하게 될 것이다.
1) 보수재료의 기본 물성치 평가
- 가속해수침식저항성실험
50±3℃의 항온조에 $2.25cm^{2}$의 면적을 노출한 시험편을 세라믹메탈재와 에폭시계열 보수재료로 나누어 대극을 탄소봉으로 하여 각각 8 종의 부식셀을 제작 하였다. 이후 부식셀의 침식시험편을 양극과 음극으로 구분하여 정전압 30V를 각각 25일과 15일동안 직렬로 인가하였다. 이때 부식셀에 사용한 전해질인 해수용액은 1일에 1회씩 교환하였으며, 정전압 인가전후의 도막 저항성을 ASTM G59-91의 분극실험과 ASTM G 106-89의 임피던스실험으로 분석하였다.
- 가열변화량평가
콘크리트의 고온영역에 있어서의 압축강도와 탄성계수를 구하는 경우에는 목표온도까지 완만하게 온도를 상승시킬 필요가 있다. 온도구배는 10℃/cm이내 혹은 1.5℃/min 하는 것이 바람직하다는 연구가 보고된 바 있다. 급열가열은 콘크리트 중의 온도차로 인하여 균열과 탈수 등이 발생되어 역학적 성질과 온도와의 관계가 불명확하게 되기 때문이다. 격납용기용 콘크리트는 200℃ 전후로 장기폭로된 시험체의 내열성을 시험하는 경우, 시험체의 표면을 sealing하는 예가 많다. 반면, 화재시의 콘크리트를 대상으로 하는 시험에서는 실링하지 않고 급속가열에 의해 단기폭로에서의 거동을 평가하는 것이 일반적이다.
본 연구에서는 세라믹메탈재와 에폭시계 보수재를 대상으로 가열온도 상승량에 따른 강도와 질량변화율을 검토하
였다. 본 실험에서는 φ10×20cm로 제작된 대상 보수재료의 압축강도시험체를 대상으로 드라이오븐을 이용하여 상온 (20℃)을 기준으로 압축강도와 질량을 측정하고, 50℃, 100℃, 150℃ 그리고 200℃ 까지 상승시키면서 각 온도값에 대응하는 강도와 질량값을 측정하였다.
- 경화수축량평가
경화된 콘크리트의 체적변화의 외적요인으로 탄성변형, 온도변화 및 건조수축 등을 들 수 있다. 이 중 건조수축은 콘크리트 구조체의 각종 결함발생의 시작점이라는 관점에서 매우 중요시 고려된다. 이러한 측면은 콘크리트 구조물에 사용되는 보수재료에 있어서도 중요한 사항으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 세라믹메탈재와 에폭시계 보수재료를 대상으로재료자체의 경화수축특성을 검토하였다.
본 실험에서는 4 × 4 × 16cm의 시험체를 대상으로 경화수축실험을 실시하였으며, 시험체는 제작 후 3hr에 상온에서 탈형하여 20±3℃로 유지된 항온기에서 온도를 제어하면서 경화수축량을 측정하였다.
- 충격저항성평가
본 연구에서는 보수 및 보강재료로 시공된 구조물에 있어서 발생될 수 있는 충격하중 특히, 수중을 포함한 습윤조건하에서 부착이 이루어진 피보수재와의 접착계면에서의 일정 충격하중에 의한 파괴하중을 각 보수재료별로 비교검토하기 위하여 실험적 검토를 수행하였다.
그러나, 현재까지 콘크리트 혹은 보수재료와 피보수재 경계면과 관련된 내충격성능을 평가하는 표준화된 방법은 정해져 있지 않은 실정이기 때문에 小谷(1983)의 연구에서 보이는 자유낙하 충격방법과 같은 간이적인 방법으로 상대적인 비교 평가 시험만을 수행하였다.
본 실험에서는 5kg인 원형 추를 2m높이에서 자유낙하 후 접착계면의 파괴시까지 낙하회수를 측정함으로써 보수재료별 상대적인 평가를 수행하였다.
2) 보수재료 강도특성 평가 : 압축강도평가, 부착강도평가(할열부착, 휨부착) 압축 및 할렬부착강도실험은 KS F 2423, ASTM C 39및 ASTM C 496 방법을 참고하여 하중제어법으로 수행하였으며, 이때 200ton 용량의 만능시험기가 사용되었으며, 재하속도는 2.45 kg/cm²/s 로 파괴시까지 일정하게 유지하였다. 한편, 휨부착실험은 안정적인 파괴를 유도하기 위하여 Actuator 변위를 제어하는 방법을 이용하였으며, 변위제어시휨실험체의 변위량의 변화속도는 1.0mm/min.로 휨하중이 영(zero)이 될 때까지 실험을 연속적으로 수행하였다. 또한, 세라믹메탈재를 비롯한 각 보수재료별 피보수재와의 계면부착파괴시까지의 하중·변위응답을 측정하기 위하여 최대용량 50^{mm}의 LVDT 2개를 부착계면에 설치하였다. 휨부착강도 실험은 50ton 용량의 closed-loop servo controlledtesting machine을 사용하여 실시하였고, 보조 측정장 비로서 데이터로거(data logger)를 이용하여 실험데이터가 자동저장 되도록하였다.
3) 보수재료내구성능평가
- 투수저항성(수밀성)평가 : 염화물이온 침투저항성실험 염화물이온 침투저항성 실험은 ASTM C 1202 "Electrical indication of concrete's ability to resist chlorideion penetration" 방법에 의거하여 수행하였다. 전술한 바와 같이 φ10x5^{cm}로 제작하여 표면마 된 시험체는 양측에 위치한 전극용기에 고정시키고, 이들 용기에 나온 전극을 단자로해서 회로를 구성하였다. 이때, 양극(+)에는 0.3N NaOH 수용액을, 음극(-)에는 3% Nacl수용액을 채우고, DC 60V±0.1의 전압으로 6시간동안 통전시키면서, 30분 간격으로 전류값을 측정하여 총 통과전하량을 산정하였다. 또한, 실험을 수행하는 동안 양측용기와 시험체의 경계면과 과다투과성을 보일 것으로 예상되는 시험체의 경우에 대해서는 전해질 용액을 누출방지를 위하여 실리콘 처리를 하였다. 실험시 용액의 초기온도는 20~25℃를 유지하였으며, 실험중 용액의온도가 90℃를 초과할 경우, 실시간으로 측정되는 Data logger를 이용하여 실험을 중지하였다.
- 동결융해 저항성평가
동결융해저항성 실험에서는 KS F 2403에 의거 제작된 시험체를 이용하여 KS F 2456상의 시험방법 A인 수중 급속동결 융해시험과정에 따라 실험을 수행하였다.각 제작환경하에서 제작된 시험체는 제작 후 재령 14일에 시험을 시작하였다. 동결융해시험 시작 전에 초기 시험체의 중량, 치수 및 초기 동탄성계수를 측정하고 동결융해시험을 되풀이하면서, 반복 싸이클 수가 16회-24회 되는시점 특히 융해시점에서 시험기의 작동을 정지하고 시험체에 부착된 음을 자연적으로 융해시킨 후 동일한 작업을 반복적으로 수행하였다. 또한, 싸이클 수가 300이면 시험을 완료하는 것을 기본으로 설정하였고, 최종 싸이클수 이전에 초기 동탄성계수에 대한 시험 후 동탄성계수의 비인 상대 동탄성계수가 60%이하면 시험을 완료하였다.
- 중성화 특성 평가
공시체를 탈형시기-양생방법에 따라 재령 3일에 탈형하여 28일 동안 각각 수중양생을 행한 후, 온도 25℃, 상대습도(RH) 60%, 이산화탄소(CO2)의 농도가 5%인 중성화 챔버에 공시체를 투입하였다. (사진 5.1~5.3) 시험체는 4주동안 촉진중성화 시켰으며 시험 후 공시체를 커팅한 후 할렬하여, 1% 페놀프탈레인용액을 할렬면에 분무하여 다음
의 식에 의해 중성화깊이를 측정하였다. 또한 4주 동안 촉진중성화시킨 공시체를 커팅시킨 후에 1% 페놀프탈레인 용액을 분무하여 착색된 상태를 나타낸 것이다.
5) 구조체 보수 성능평가
구조시험체는 아래와 같은 제원을 사용하여 제작하였으며, 제작된 시험체에 동적재하시험을 실시한 후에 손상된 구조체를 이용하여 수중에서 보수를 실시하였다.
1.기둥부 형상 : φ200mm X 2000mm
2.기초부 형상 : 1400mm X 1400mm
3.기둥부 콘크리트 강도 f_{ck} = $270\;kgf/cm^{2}$
4.기초부 콘그리트 강도 : f_{ck} = $240\;kgf/cm^{2}$
- 압축강도실험평가, 휨부착강도실험
손상된 구조 시험체를 수중에서 보수한 후에 그 효과를 파악하기 위하여 일정한 시간(3일, 7일, 14일)이 경과한 후에 KS F 2422에 의거하여 코어를 채취하고, UTM(Universal Test Machine)을 이용하여 강도시험을 실시하였다. 압축강도시험에서는 채취한 코어를 표준 공시체(Ψ10×20cm)로 절단하여 KS F 2405에 의거하여 그림 6.11과 같이 시험을 실시하였으며, 휨부착강도시험은 KS F 2407에 의거하여 Ψ10×20cm의 공시체를 이용하여 실시하였다.
- 침식저항성평가 : 황산침적실험
침식 저항성 시험은 휨인장 시험이 끝난 공시체를 그림 6.13 및 그림 6.14와 같이 3%의 황산염에 침식시켜 10일이 경과한 후에 그 무게를 측정하여 침식 저항성을 파악하였다.
- 수밀성시험 및 시공성평가
본 절에서 제시하고자 하는 수밀성 및 시공성 평가 시험은 당초에 코어 공시체를 이용하여 공극과의 상관 관계를 알 수 있는 에어보이드(Air Void) 시험을 실시하고자 하였으나, 보수한 구조체에서 코어를 채취한 결과, 육안으로 판단이 가능하였다. 또한 시공성은 세라믹메탈제의 경우 경화제의 양을 조절함으로써 시공 시간을 조절할 수 있기 때문에 시공상의 시간적인 제약을 받지 않는 것이 특징이다.
6) 수중 구조체 보강 성능평가 : 휨하중
본 시험은 본 연구의 목표인 구조체의 보강성능 평가를 위하여 기둥 시험체를제작하여 여러 가지 보강방법으로 보강한 콘크리트 기둥 시험체에 대해 재하시험을 실시하였다. 총 8개의 기둥 시험체를 제작하였으며, 1차적으로 균열하중을 재하하여 기둥 구조물에 균열을 발생시킨 경우에 대하여 3개의 기둥 시험체를 탄소섬유시트, 탄소섬유그리드(NEFMAC), 익스팬디드메탈(expended metal)과 세라믹메탈재를 혼용하여 보강한 경우로 나누었으며, 균열을 발생시키지 않은 기둥 시험체 3개에 대해서도 동일한 방법으로 보강을 실시하였다.
7) 기중중 구조체 보강 성능평가 : 휨하중
본 시험은 본 연구의 목표인 구조체의 보강성능 평가를 위하여 RC보를 제작하여 여러 가지 보강방법으로 보강하여 재하시험을 실시하였다. RC보의 보강공법은 RC보의 인장부에 보강재를 부착하고 거푸집을 제작하여 세라믹메탈재로 보강하였다. 본 연구에서는 RC보 시험체 4개를 제작하였으며, 기준시험체와 기준시험체를 3가지 보강재를 부착한 후 세라믹메 탈재를 충진한 시험체를 제작하였다.
Abstract
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Recently, research and development for a number of repairing material like an epoxy-based material and polymer-cementiticus material as well as anti-washout underwater concrete have been carried out. But, R & D of a material for the concrete structure exposed to a wetted condition is at a standstill
Recently, research and development for a number of repairing material like an epoxy-based material and polymer-cementiticus material as well as anti-washout underwater concrete have been carried out. But, R & D of a material for the concrete structure exposed to a wetted condition is at a standstill and there are not any suitable reference data at a repairing work for the concrete structure at a splash as well as a structure under severe moisture condition.
In this study, the material, called as "ceramic metal", with an excellent mobility and plasticity as well as with a high bord strength and durability under any environmental conditions was developed. And, the experimental evaluations for the utility were widely performed.
목차 Contents
- 표지 ...1
- 요약문 ...1
- Summary ...9
- 제1장 서론 ...10
- 1.1 연구배경 및 목적 ...10
- 1.2 연구동향 ...10
- 1.2.1 내구성능 ...10
- 1.2.2 보수재의 부착강도특성 ...11
- 1.2.3 연구동향분석 ...12
- 1.3 연구내용 및 방법 ...12
- 1.4 예상되는 기대효과 ...13
- 제2장 실험체 제작 및 실험방법 ...13
- 2.1 개요 ...13
- 2.2 사용재료 및 배합설계 ...13
- 2.2.1 시멘트 ...13
- 2.2.2 골재 ...14
- 2.2.3 공기연행제 ...14
- 2.2.4 플라이애쉬와 고로슬래그 ...15
- 2.2.5 수중불분리성혼화제 ...15
- 2.2.6 에폭시수지 ...15
- 2.2.7 세라믹메탈제 ...15
- 2.2.8 순수세라믹중심의 사용배합비 ...16
- 2.2.9 규사, 골재 중심의 사용배합비 ...17
- 2.3 실험체 제작 ...18
- 2.3.1 압축 및 부착강도 실험체 ...18
- 2.3.2 염화물이온 침투저항성 및 동결융해저항성 시험체 ...21
- 2.4 실험방법 및 측정 ...23
- 2.4.1 강도실험 및 측정 ...23
- 2.4.2 염화물이온 침투저항성 실험 ...24
- 2.4.3 동결융해저항성 실험 ...26
- 2.4.4 중성화 평가 실험 ...27
- 제3장 보수재료 기초 성능 평가 ...28
- 3.1 개요 ...28
- 3.2 가속 해수침식저항성 평가 ...29
- 3.2.1 실험방법 ...29
- 3.2.2 실험결과 및 고찰 ...29
- 3.3 가열변화량 ...34
- 3.3.1 내열시험방법 및 결과고찰 ...35
- 3.4 경화수축특성 검토 ...35
- 3.5 충격저항성 시험 ...36
- 제4장 강도특성 실험결과 및 분석 ...36
- 4.1 개요 ...36
- 4.2 압축강도 평가 ...37
- 4.2.1 압축강도 실험결과 및 특성(순수세라믹 중심) ...37
- 4.2.2 압축강도 실험결과 및 특성(골재혼합 중심) ...41
- 4.3 부착강도 실험결과분석 ...51
- 4.4 세라믹 메탈재의 부착특성 실험 ...57
- 4.4.1 개요 ...57
- 4.4.2 콘크리트 배합 및 시험체 준비 ...57
- 4.4.3 전위차 촉진부식실험 ...61
- 4.4.4 실험결과 및 분석 ...62
- 제5장 내구성능 실험결과 및 분석 ...68
- 5.1 개요 ...68
- 5.2 투수저항성 평가 ...68
- 5.2.1 물질침투메카니즘 ...68
- 5.2.2 염화물이온 침투저항성 실험방법 ...69
- 5.2.3 보수재료별 실험결과 및 분석 ...70
- 5.3 동결융해저항성 평가 ...74
- 5.3.1 동결융해저항성 평가 파라메타 ...74
- 5.3.2 보수재료별 실험결과 및 분석 ...74
- 5.3.3 내구지수와 질량변화 ...76
- 5.4 중성화 특성 평가 ...78
- 5.4.1 중성화 열화메카니즘 ...78
- 5.4.2 중성화 평가 실험 및 실험결과 ...80
- 제6장 압축하중을 받는 수중 구조물의 보수성능 평가 ...82
- 6.1 개요 ...82
- 6.2 시험체 제작 및 시험방법 ...82
- 6.2.1 구조 시험체 ...82
- 6.2.2 수조제작 및 구조체 보수 ...83
- 6.3 실험 결과 및 분석 ...88
- 6.3.1 압축강도시험 ...88
- 6.3.2 휨부착강도 시험 ...93
- 6.3.3 수밀성 시험 및 시공성 평가 ...94
- 6.3.4 침식저항성 시험 ...94
- 제7장 휨하중을 받는 수중 및 기중 구조물의 보강성능 평가 ...95
- 7.1 수중 구조체의 보강성능 평가 : 기둥 ...95
- 7.1.1 개요 ...95
- 7.1.2 기준시험체 및 보강방법 ...95
- 7.1.3 정적재하시험 ...97
- 7.1.4 반복재하시험 ...105
- 7.1.5 결과요약 ...107
- 7.2 기중 구조체의 보강성능 평가 : 철근콘크리트 보 ...108
- 7.2.1 개요 ...108
- 7.2.2 무보강 시험체 ...108
- 7.2.3 강화보드 보강 시험체 ...118
- 7.2.4 익스팬디드메탈 보강 시험체 ...122
- 7.2.5 탄소섬유그리드 보강 시험체 ...126
- 7.2.6 결과요약 ...129
- 7.3 소결론 ...130
- 7.3.1 보수성능평가 ...130
- 7.3.2 보강성능평가 ...130
- 제8장 현장시공 ...132
- 8.1 습윤콘크리트 구조물의 보수 현장시공 ...132
- 8.1.1 일반사항 ...132
- 8.1.2 현장적용 개요 ...132
- 8.2 수중콘크리트 구조물(교각기초)의 보강 현장시공 ...133
- 8.2.1 일반사항 ...133
- 8.2.2 현장적용 개요 ...134
- 8.3 세라믹메탈재의 장기내구성 현장노출실험 ...135
- 8.3.1 일반사항 ...135
- 8.3.2 현장노출실험 개요 ...135
- 제9장 시공지침 ...136
- 9.1 콘크리트 구조물의 내식성 방지 표준시방서 ...136
- 9.1.1 일반사항 ...136
- 9.1.2 작업환경 ...136
- 9.1.3 재료 ...136
- 9.1.4 방식사양 ...137
- 9.1.5 시공 ...137
- 9.1.6 검사 ...138
- 9.1.7 안전관리 ...138
- 9.2 콘크리트 구조물 보수/보강 표준시방서 ...138
- 9.2.1 일반사항 ...138
- 9.2.2 작업환경 ...138
- 9.2.3 재료 ...139
- 9.2.4 보수/보강사양 ...139
- 9.2.5 시공 ...139
- 9.2.6 검사 ...140
- 9.2.7 안전관리 ...140
- 제10장 결론 ...141
- 부 록 ...141
- 부록 A. 시험에 이용된 장비 및 재료 사진들 ...141
- 부록 B. 구조체 동적실험 사진들 ...145
- 부록 C. 수중 보수ㆍ보강 및 코어체취 사진들 ...147
- 부록 D. 체취된 공시체의 압축 및 휨강도 시험 사진들 ...150
- 부록 E. 구조체 보수.보강 후 및 코어체취 사진 ...163
- 부록 F. 침식 저항성 시험 사진들 ...166
- 부록 G. 기둥 시험체 보강 사진 ...167
- 부록 H. 기둥 시험체 정적재하시험 사진 ...173
- 부록 I. 반복재하시험 ...186
- 부록 J. 무보강 RC보 시험체 제작 및 시험장면 ...188
- 부록 K. 강화보드 보강 휨시험 사진 ...194
- 부록 L. 익스팬디드메탈 보강 휨시험 사진 ...197
- 부록 M. 탄소섬유그리드 보강 휨시험 사진 ...200
- 부록 N. 세라믹 재료의 배합비 결정을 위한 시험 ...202
- 부록 O. 방수성 시험, 중성화 시험 및 현장적용, 장기 폭로 사진 ...205
- 부록 P. 부착특성 시험 ...208
- 부록 Q 시험 (검사)성적서 및 품질 인증서 ...214
- 부록 R. 세라믹메탈계 방수ㆍ방식 도료에 관한 한국산업규격 ...221
- 부록 S. 콘크리트구조물 보수.보강 재료비 산출서 ...226
- 참 고 문 헌 ...227
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