4.2.1 휨 강도와 압축 강도

Fig. 9는 FNS 대체율에 따른 휨강도 및 압축강도를 검토한 것으로 재령 28일에 대해 휨강도는 6 N/㎟ 이상, 압축강도는 20 N/㎟ 이상을 만족해야 한다. 실험 결과 FNS 대체율 0, 25, 50, 75, 100 %에 대해 기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 특히 압축강도는 품질 기준에 비해 2배 이상으로 나타나 강도에 대한 안정성을 갖는 것으로 확인되었다. 또한 FNS 대체율이 0, 25, 50, 75 %까지 휨 및 압축강도가 증가하는 것으로 나타났으나, 100 %에서는 강도가 감소하는 것으로 나타났다. 휨강도는 FNS 대체율 100 %가 대체율 0 %에 비해 높게 나타나고 있으나 압축강도는 그와 반대로 대체율 0 %가 낮게 나타났다. 이러한 경향은 FNS 밀도가 높기 때문에 대체율 100 %에서 재료 분리가 발생되어 강도 저하가 발생된 것으로 판단된다.

Fig. 9 Flexural and compressive strength of mortar with FNS

4.2.2 조건별에 따른 부착강도

FNS 대체율에 따른 부착강도는 표준 양생조건에서(standard condition)와 온･냉 반복 양생 후(after heating and cooling)에 대한 부착강도에 대해 품질기준은 1.0 N/㎟ 이상을 만족해야 한다. 표준 조건의 시험방법은 표준 상태(온도 20±3 °C, 습도 80 % 이상의 상태에서 24시간 양생시킨 후 탈형한 후 6일 동안 (20±2 °C)의 물속에서 양생하고 이후 양생실에서 28일 양생시킨 상태)에서 1시간 이상 놓아둔 공시체를 하부 인장용 지그(강철제) 및 강철제 받침판을 사용해서 시료면에 대해 수직 방향으로 인장력을 가해 최대 인장 하중을 구하였다. 또한 온･냉 반복 후에 대한 시험 방법은 공시체를 물 속에 18시간 침지시킨 후 꺼내어 즉시 -20±3 °C의 항온챔버 내에서 3시간 냉각시킨 후 50±3 °C의 항온 챔버 내에서 3시간 가열하였다. 이 조작을 10회 반복하고, 양생실에서 2시간 가만히 놓아 둔 후 표면 상태를 확인한 후 부착강도를 실시하였다. Fig. 10은 이상의 양생조건을 통한 부착강도 결과로 FNS 대체율과는 상관없이 모든 시험체가 기준에 만족하였다. FNS 대체율별로 보면, 대체율 0, 25, 50, 75 %까지는 조건 상태와 상관없이 강도가 향상되는 것으로 나타났으며, 대체율 100 %에서는 강도가 저하되는 것으로 나타났다. 이상의 결과로 휨 및 압축강와 유사한 경향에 의해 대체율 100 %에서 저하된 것으로 판단된다.

Fig. 10 Adhesive strength of mortar with FNS

4.2.3 내알칼리성 시험

FNS 대체율에 따른 보수 모르타르의 내알칼리성 시험은 제작된 공시체를 포화 수산화칼슘 용액(50±2 °C)에서 28일 동안 침지시킨 후 젖은 헝겊으로 싸서 상온으로 냉각시킨 후 압축강도를 측정하였다. 내알칼리성 시험 후 압축강도에 대한 품질 기준은 압축강도 20 N/㎟ 이상을 만족해야 한다. Fig. 11은 내알칼리성에 대한 시험결과로 꺽은 선은 내알칼리성 시험 후 압축강도 변화율은 FNS 대체율이 증가함에 따라 압축강도 변화폭은 감소하는 것으로 나타났다.

내알칼리성 시험 후 압축강도는 FNS 대체율 0, 25, 50, 75 %까지 증가하는 것으로 나타났으며, 가장 높게 나타난 것은 대체율 75 %가 가장 높았다. 그러나 FNS 대체율 100 %에서는 강도가 낮게 나타났으나, 내알칼리성 후의 압축강도 변화율은 0 %에 비해 낮은 것으로 나타났다. 이런 이유로 대체율 0 %에 비해 FNS 대체율을 사용할 경우 공시체의 밀실성을 향상시키는 것으로 판단된다.

Fig. 11 Alkali resistance of mortar with FNS

4.2.4 중성화저항성 시험

FNS 대체율에 따른 보수 모르타르의 중성화 저항성 시험은 Fig. 12와 같이 공시체를 양생이 종료 1일 전에 공시체의 4 측면 및 밑면을 에폭시 수지로 밀봉하고, 에폭시 수지를 24시간 경화시킨다. 온도 20±2 °C, 상태습도 65±10 %, CO$_{2}$ 농도 5.0 %로 고정된 중성화 시험기에 넣은 후 28일 동안 중성화시켰다. 그 후 꺼내어 단면을 절단하고 절단면에 1 % 페놀프탈렌인 용액을 분무하여 적색으로 변하지 않는 부분을 중성화 부분이라고 하며, 1측면 3개소씩 총 6개소의 깊이를 측정하였다. 중성화저항성에 대한 품질 기준은 2.0 mm 이하를 만족해야 한다.

Fig. 13은 중성화 저항성에 대한 시험결과로 FNS 대체율과 상관없이 모두 공시체가 표준에 만족하는 것으로 나타났으며, 대체율 0, 25 %에서는 유사한 깊이를, 대체율 50 %은 대체율은 중성화 저항성이 감소되었으며 대체율 75 %와 100 %에서는 유사한 깊이를 가진다. 이런 경향은 대체율이 증가함에 따라 중성화 저항성이 향상되는 것은 공시체의 밀실한 구조로 인한 것으로 판단된다.

Fig. 12 Carbonation depth measurement

Fig. 13 Carbonation depth measurement of mortar with FNS

4.2.5 투수량 시험

FNS 대체율에 따른 보수 모르타르의 투수량 시험은 양생이 끝난 공시체를 온도 80±2 °C에서 48시간 동안 건조하고, 데이케이터 내에서 냉각한 다음, 그 양면 중앙부 지름 5 cm 이상을 가볍게 붓으로 청소하고 질량을 측정하였다. 그 후 공시체에 0.10 MPa의 수압을 1시간 동안 가한 후 질량을 측정하여 변화에 대해 검토하였다. 투수량 시험에 대한 품질 기준은 중량 20 g 이하를 만족해야 한다.

Fig. 14는 투수량 시험 결과로 FNS 대체율과 상관없이 6~7 g으로 표준 20 g 이하의 범위에 만족하는 것으로 나타났다. FNS 대체율이 증가에 따라 투수량이 감소하는 것으로 확인이 되었으며 대체율 0 %에서 비해 대체율 100 %까지 0.79 g이 감소하여 감소 폭이 큰 것으로 확인이 되었다. 이런 투수량의 감소는 중성화저항성과 동일하게 공시체가 밀실하게 채워진 것으로 판단된다.

Fig. 14 Water permeation of mortar with FNS

4.2.6 물 흡수 계수 측정

FNS 대체율에 따른 보수 모르타르의 물 흡수 계수 시험방법은 공시체의 측면에 파라핀 및 에폭시 등으로 방수 처리하고 약 20 °C의 물에 2~10 mm 정도의 깊이로 담근다. 물에 담그기 전과 물에 담근 후 일정 시간의 간격으로 공시체의 질량을 측정하며 이때 표면에 묻은 물은 젖은 헝겊 등을 이용하여 제거한 후 측정하였다. 물 흡수량의 측정 시간은 물 흡수 속도에 따라 다를 수 있으며 일반적으로 물에 담근 후 10분, 30분, 1시간, 6시간 24시간으로 하였다. 물 흡수 계수에 대한 품질 기준은 0.5 kg/㎡･h0.5 이하를 만족해야 한다.

Fig. 15는 물 흡수 계수에 대한 시험 결과로 모든 공시체에서 품질 기준에 만족하고 FNS 대체율이 증가함에 따라 물흡수 계수가 감소하였다. 대체율 0 %는 0.18 kg/㎡･h0.5, 대체율 100 %는 0.11 kg/㎡･h0.5로 0.07 kg/㎡･h0.5의 차이를 가지는 것으로 나타났다. 가장 낮은 물흡수 계수를 갖는 FNS 대체율은 50 %와 75 %로 나타났다.

Fig. 15 Water absorption coefficient of mortar with FNS

4.2.7 습기 투과 저항성

FNS 대체율에 따른 보수 모르타르의 습기 투과 저항성 시험방법은 지름 100 mm, 두께 5 mm의 금속제 원형 몰드를 이용하여 성형하고, 성형 후 온도 20±2 °C, 습토 80 % 이상의 항온 항습기에서 48시간 경과 후 탈형하는 것으로 하였다. 그 후 5일 동안 온도 20±2 °C의 수중에서 양생시킨 후 21일 동안 온도 20±2 °C, 습토 50 %의 항온 항습기에 21일 동안 경화시키는 것으로 하였다. 습기 투과저항성에 대한 품질 기준은 2.0 m 이하를 만족해야 한다.

Fig. 16은 습기 투과 저항성 시험결과로 모든 공시체에서 품질 기준에 만족하는 것으로 나타났으며, FNS 대체율이 증가함에 습기 투과 저항성은 감소하는 것으로 확인이 되었다. FNS 대체율 0, 25, 50, 75 %에서는 감소하는 것으로 나타났으나 대율 100 %에서는 다시 증가하는 것으로 나타났다. 이런 대체율 100 %의 습기 투과 저항성이 증가하게 된 이유로는 공시체의 밀실성이 있으나 재료가 일부 존재한 것으로 판단된다.

Fig. 16 Moisture permeation resistance of mortar with FNS

4.2.8 염화물 이온 침투 저항성

FNS 대체율에 따른 보수 모르타르의 염화물 이온 침투 저항성 시험방법은 공시편 윗면에 닿고 있는 시험셀을 3.0 %NaCl 용액으로 채우고, 이 부분을 전원 공급 장치의 음극부에 연결하였다. 시험셀의 반대편에는 0.3 N NaOH 용액을 채우고 전원 공급 장치의 양극부에 연결시켰다. 리드선을 시험셀의 바나나 플러그에 연결하고 전원 공급 장치와 데이터 측정 장치를 연결하여 측정하였다. 전원 공급 장치를 켜고 60.0±0.1 V에 맞춘 다음, 초기 전류값을 기록한다. 시험편, 시험셀과 용액의 시험 시작 온도는 전원 공급 장치를 켤 때의 온도이며, 20~25 °C로 하여 시험을 실시하였다. 최소 30분마다 전류를 측정하고 기록하여 변화된 셀에 대해 기록하여 그 평균값으로 실험을 실시하였다. 염화물 침투저항성의 품질기준은 1,000 C(coulomb) 이하로 제시하고 있다.

Fig. 17은 염화물침투 저항성 시험 결과로 1,000 C 이하의 범위에 만족하는 것으로 나타났으며, 전반적으로 FNS 대체율이 증가함에 따라 염화물 침투 저항성이 감소하는 것으로 확인이 되었다. FNS 대체율 0, 25, 50, 75 %에서는 감소하였으나 대체율 100 %에서는 다시 증가하는 것으로 나타났다. 가장 낮은 염화물 침투저항성을 가지는 FNS 대체율은 75 %로 637 C을 가지는 것으로 나타났으며 이는 대체율 0 %에 비해 68 C이 감소된 것이다. 이에 염화물 침투 저항성을 고려할 경우 FNS 대체율 75 %가 염소이온에 대한 저항성이 뛰어나 해안이나 제설제가 적용되는 측구 등에 적합할 것으로 판단된다.

Fig. 17 Chloride ion penetration resistance of mortar with FNS

4.2.9 길이 변화 시험

FNS 대체율에 따른 보수 모르타르의 길이 변화 시험은 공시체 탈형 후 5일간 수중에서 양생한 후 즉시 공시체의 초기 길이를 측정하였다. 그 후 공시체를 온도 20±2 °C, 상대 습도 60±10 %에서 28일간 양생한 후 길이를 측정하여 길이 변화율을 산출하였다. 길이 변화에 대한 품질기준은 ±0.15 % 이내로 제시하고 있다.

Fig. 18은 길이변화 시험 결과로 모든 공시체에서 길이 변화율에 만족하며 FNS 대체율이 증가함에 따라 길이변화율이 감소하는 것으로 나타났다. FNS 대체율 0 %와 25 %는 -0.13 %를 가지며, 대체율 50 %와 75 %에서는 -0.11 %, 대체율 100 %에서는 –0.13 %로 나타났다. 이에 가장 낮은 길이변화율을 가지는 것은 FNS 대체율 50, 75 %로 확인이 되었으며, 이런 낮은 길이변화율은 천연 골재와 FNS의 혼합이 최적 실적률을 가지기 때문으로 판단된다.

Fig. 18 Length change of mortar with FNS

4.2.10 내화학성 시험

보수 모르타르에 대한 내화학성 시험은 KS F 4042^{(KATS 2012)}에 제시되지 않아 하수도용 폴리에스테르 수지 콘크리트 맨홀^{(KBIZ 2018)}에 준하여 실험을 실시하였다. 시험용 공시체의 치수 100 mm의 정육면체로 제조한 후 공시체가 경화되면 24시간 이상 상온에서 방치하였다. 내산성 시험으로 산성 용액은 0.5 mol/L 황산 용액을 준비하고 알칼리 용액은 1.0 mol/L 수산화나트륨 용액을 준비하였다. 시험 용액에 침지 전후의 건조 질량을 이용하여 산성 용액과 알칼리 용액에서의 질량 변화율에 따른 시험 결과를 제시하였다.

Fig. 19는 내화학성 시험에 대한 결과로 ±0.25 g 이내의 범위에 만족하는 것으로 나타났으며, 전반적으로 FNS 대체율이 증가함에 따라 질량변화율이 감소하였다. 대체율 0 %에서는 질이변화율이 가장 크게 나타났으며, 대체율 75 %와 100 %에서는 유사한 경향을 가지는 것으로 나타났다. 이런 결과는 FNS 대체율이 증가함에 따라 시험체를 밀실하게 구성되는 것으로 판단된다.

본 연구에서는 FNS를 대체한 보수 모르타르의 최종 배합에 대해 기초 특성, 적합성 평가 및 내화학성 시험을 통하여 FNS 대체율 75 %에 대해 최적의 대체율로 선정하였다.

Fig. 19 Weight change ration of mortar with FNS

4.3.1 현장 적용 및 평가 방법

FNS 대체율 75 %에 대한 보수 모르타르 배합 설계에 대해 Table 6에 제시하였다. 본 배합표에서 골재에 대해 용적비로 천연골재 25 %와 FNS 75 %를 사용하는 것으로 하였다. 현장 적용 후 성능 평가로 부착강도를 실시하였다.

보수 모르타르의 부착강도에 대한 실험 결과 KS F 4042 ^{(KATS 2012)}에서 제시하고 있는 표준 상태의 부착강도 1.0 N/㎟ 이상에 만족하는 것으로 나타났다. 이상의 실험결과를 토대로 FNS 대체율 75 %를 사용하는 것이 적정할 것으로 판단된다.

Fig. 20 Mock-up test