1.1. 연구의 배경 및 목적

최근 전 세계적으로 ‘먹는 물’에 대한 관심도가 높아지면 서 2008년 영국 의학전문지 브리티시 메디컬저널에서는 ‘인류 건강을 획기적으로 개선한 것’이라는 인터넷 설문 결 과 ‘깨끗한 물’이 1위를 차지하였다. 이러한 결과로도 알 수 듯이 깨끗한 물은 인류를 수인성 질병으로부터 보호하고, 청 결한 삶을 영위할 수 있는 중요한 요소가 되었다.

이러한 시대적 요구에 부응하기 위한 일환으로 정부 및 지 방자치단체에서는 먹는 물 생산 시설의 새로운 구축 (건설) 과 정수 (淨水) 처리 기술의 개선을 위하여 노력하고 있다. 국민에게 깨끗한 물을 생산하여 공급하는 시설은 국가 보호 기반시설로써 철근콘크리트 구조물로 구축되어지고, 정수처 리 (淨水處理) 방법은 기존의 염소 처리 방식과 함께 더욱 산 화력이 강한 소독 처리 방식을 도입하여 적용하고 있다. 이를 고도정수처리라고 하며, 고도정수처리 (Tertiary treatment, 高 度淨水處理)란 2차 처리방법으로 처리되지 않은 유기물, 질 소 (N), 인 (P) 및 중금속을 제거하는 처리과정으로서 3차 처리라고도 한다.

또한, 우리나라의 수처리시설용 시설 중 가장 강한 소독처 리를 하는 오존처리조의 경우 1986년 부산 화명정수장을 시 작으로 2007년까지 17개 정수장에서 적용 중이다. 이러한 정수처리 시설용 내부 방수∙방식재의 경우 도료로 마감하 는 도막계, 타일 및 패널을 부착하는 부착계, 방식시트나, STS를 포설하는 라이닝계열로 시공되어 진다.

특히, 그 중에서도 도막계열이 주로 시공되고 있지만, 정수 처리시설은 기존의 소독 처리에 비해 강한 산화력을 가지고 있어 이에 대응할 수 있는 수처리 콘크리트 구조물용 방수∙ 방식 (防水∙防蝕) 도료 개발이 필요성이 높아졌다. 이에 정 수처리시설용 방수∙방식재 도료가 다방면으로 개발 중에 있고, 연구를 통해 기존의 수처리 시설용 도료보다 내구성을 향상시켰지만, 도료의 경우 주로 상도의 내식성능 향상을 위 한 개발에만 치중된 연구가 진행되었다.

그 일환으로 상도가 처리된 시험체를 통한 내식성 평가가 주를 이루었다. 따라서 주로 수처리 시설물이 위치하고 있는 지하에 작용하는 현장의 조건인 콘크리트 표면 함습상태나, 지하수 영향에 의한 역수압 작용 등에 의한 방수∙방식재의 박리∙박락영향 요인을 고려한 연구는 부족한 실정이었다. 이러한 주로 박리∙박락 현상은 콘크리트 바탕면과 도막간 의 부착강도 확보가 미흡하여 발생하였다.

즉, 방수방식재를 중심으로 정수압측의 소독제와 맞닿는 상도의 내구성도 중요하지만, 콘크리트와 직접적으로 맞닿는 하도 (이하 프라이머)의 부착력 또한 정수처리시설에서 고려 해야할 중요한 요소이다. 이는 프라이머와 콘크리트 표면간 부착력이 감소되면 상도가 강한 소독제에 견디더라도 지하 구조물 특성상 수압에 의한 박리∙박락이 쉽게 발생하기 때 문이다.

이에 이 연구에서는 프라이머 시공 시 콘크리트 바탕의 함 습조건에 따른 부착성능에 미치는 영향과 콘크리트측에서 가해는 역수압 작용에 따른 방수∙방식재의 부착특성 변화 에 의한 박리∙박락 조건 형성 여부를 실험적으로 확인하고 자 하였다.

1.2. 연구의 범위

이 연구에서는 수처리시설에 콘크리트 구조물 방수∙방식 용으로 적용되는 방수∙방식 도막재 3가지 계열을 대상으로 부착강도 (Pull-up test) 시험을 중심으로 실시하였다.

시험결과는 서울시 상수도 사업본부 내부 방수∙방식재 내부 지침의 평가등급과 KS F 9001 : 콘크리트용 에폭시 수 지계 방수∙방식 도료 도포 방법 시공 표준의 부착 강도 검 사 기준으로 결과치를 분석하였다 (Table 1 참조).

2.1. 시험 재료의 선정

이 연구에서는 콘크리트 바탕면과 프라이머별 부착력 특 성을 알아보기 위해 용제형 에폭시, 용제형 우레아, 용제형 우레탄 3가지 재료로 선정하였다. 중도의 경우 수처리시설용 방수∙방식 시스템에 적용되고 있는 무용제 에폭시를 선정 하고, 상도는 기존 연구를 통해 방수∙방식 성능을 가지는 것으로 판단되는 불소 변성 아크릴 레이트 계열인 재료를 선 정하였다. 본 연구에 사용된 재료들은 모두 수처리시설용 방 수∙방식 시스템으로 개발된 것으로 현재 수처리 구조물에 서 적용 중인 재료로 선정하였다.

시험에 사용된 정수처리시설용 방수∙방식 도막재의 계열 및 주성분 등은 다음 Table 2와 같다.

2.2. 역수압 발생 시험 장치

2.2.1. 역수압 발생 시험 장치의 제원

시험을 위해 콘크리트 측에서 역수압이 가해지는 조건에 서 부착력 시험이 가능한 역수압 발생 장치를 고안 후 제작 하였으며, 역수압 발생장치의 제원은 다음 Table 3과 같다. 압력 주입부위와 시험편거치 부위로 구분할 수 있으며, 공기 압축기 (Air-compressor)로 압력주입구에 압력을 가하여 일 정하게 시험편에 수압이 가해질 수 있도록 Fig. 1~2와 같이 설계되었다.

Table 2.

Materials

Section	Affiliation	Main component	Curing time	Type
Primer	Solvent based Epoxy	Polyamide+Epoxy resin	1~2 h	two package type
	Solvent based Urea	Polyamide+Epoxy resin	1~2 h	one component type
	Solvent based Urethane	Isocyan+Polyurethane+prepolymer	1~2 h	one component type
Membrane	Solventless Epoxy	Polyamide+Talc	24 h	two package type
Top-Coat	Modified Fluorine Acrylate	Fluorine+Acrylcnomer	16 h	two package type

Fig 1.

Configuration of the equipment

Table 3.

Specification of equipment

Section	Size (mm)	Maximum pressure (N/mm2)	Quality of the material
Pressure injection	100×ø10	0.2	Stainless
Specimen holder	1,285×430×480	0.2	Steel
Rubber packing	290×290×10t	-	Silicon rubber
Specimen frame	350×350×8t	-	Stainless
part (Screw, Bolt)	ø20	-	Steel

Fig 2.

Reverse water pressure equipment

또한, 수압 발생장치는 공기 압축기를 사용하여 수압을 조 절할 수 있도록 하였고, 최대 견딜 수 있는 압력은 실제 지 하 20 m의 지하 수두압인 0.2 N/mm²까지 가압할 수 있도록 제작 하였다. 한번에 3개의 콘크리트 시험체를 설치할 수 있 으며, 시험체 내∙외부는 녹을 방지하기 위해 코팅처리를 하 였다.

2.2.2. 수압 발생 시험 장치의 원리

수압 발생 시험 장치의 원리는 다음 Fig. 3과 같다.

Fig 3.

Principle of reverse water pressure equipment

먼저 콘크리트 블록을 수압발생장치에 체결하고, 수압발생 장치에 물을 가득 채워 공기빼기 밸브와 물 주입구를 통해 만수상태를 확인하고, 물 주입구의 밸브를 잠근다. 그 다음 공기압축기 (Air-compressor)를 사용하여 실제 지하수위 10 m일 때 작용하는 수압인 0.1 N/mm²의 압력을 강제 주입하 여 콘크리트 하부에 정수압 발생을 유도하였다. 기존의 내정 수압 시험은 방수∙방식재를 도포하고 상부에서 방수층 상 면으로 수압을 가하는 형태였지만, 본 연구에서 개발된 수압 발생 시험 장치는 콘크리트의 하부에서 역수압을 가하여 방 수∙방식재의 박리∙박락 현상을 확인할 수 있도록 하였다. 이때 수압발생장치는 물로만 가득 차 있어야하며 (만수상태 기준), 수압발생시 물이 새는 곳이 없도록 금속재질의 체결 구와 실리콘 패킹을 사용하여 완전하게 밀봉되어야 한다.

3.1. 건조 상태

건조 상태의 부착강도 결과치와 탈락형태는 다음 Fig. 5, Table 4와 같다.

Fig 4.

Test processes of bond strength

Fig 5.

Test results of pull-up on Dry condition (Cohesion)

Fig. 5와 같이 건조 상태의 용제형 에폭시 프라이머 24시 간 경과 후 부착강도는 3.54 N/mm²로 나타났다. 48시간은 24시간 때보다 1.6%, 72시간은 2.7%, 96시간은 6.4%로 부 착강도가 증가하였다. 또한, 용제형 우레아 프라이머 24시간 경과 후 부착강도는 2.93 N/mm²로 나타났고 48시간은 24시 간 때보다 3.0%, 72시간은 3.6%, 96시간은 3.8%로 부착강 도가 증가하였다. 용제형 우레탄 프라이머 24시간 경과 후 부착강도는 3.27 N/mm²로 나타났고 48시간은 24시간 때보 다 1.8%, 72시간은 5.4%, 96시간은 6.5%로 부착강도가 증 가하였다.

용제형 에폭시, 용제형 우레아, 용제형 우레탄 모두 서울시 상수도 사업본부 내부 지침인 부착강도 1등급 기준인 2.82 N/mm²을 상회하는 것으로 나타났으며, 3가지 재료 모두 24 시간을 지나 96시간까지 조금씩 강도가 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 모두 바탕 콘크리트의 강도로서 프라이 머가 모체와의 부착력을 확보하는 것으로 판단된다.

3.2. 습윤 상태

습윤 상태의 부착강도 결과치와 탈락형태는 다음 Fig. 6, Table 5와 같다. 습윤 상태의 용제형 우레아 프라이머 24시 간 경과 후 부착강도는 3.04 N/mm²로 나타났고 48시간은 24시간 때보다 1.3%, 72시간은 4.6%, 96시간은 33.2%로 부 착강도가 감소하였다.

용제형 에폭시 프라이머 24시간 경과 후 부착강도는 2.98 N/mm²로 나타났다. 48시간은 24시간 때보다 1.3%, 72시간 은 226.6%, 96시간은 41.8%로 부착강도가 감소하였다. 또 한, 용제형 우레탄 프라이머 24시간 경과 후 부착강도는 3.23 N/mm²로 나타났고 48시간은 24시간 때보다 4.3%, 72 시간은 8.0%, 96시간은 16.4%로 부착강도가 감소하였다.

Fig 6.

Test results of pull-up on wet condition (Cohesion)

용제형 에폭시, 용제형 우레아, 용제형 우레탄 모두 모체탈 락형태를 나타냈고, 건조 상태에 비해 다소 저하 되는 경향 이 보여지고 있으나, 강도가 1.68 N/mm² 이상으로 KS F 9001 : 콘크리트용 에폭시 수지계 방수∙방식 도료 도포 방 법 시공 표준의 부착 강도 검사 기준인 1.5 N/mm²을 상회하 였다. 하지만 서울시 상수도 사업본부 내부지침 1등급에는 미치지 못한 결과를 나타냈다. 또한, 정치시간이 길어질수록 모든 재료에서 강도가 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 이 는 콘크리트 모체가 물을 계속 함습하면서 약해졌으나, 프라 이머와의 박리∙박락의 문제는 발생되지 않는 것으로 보여 지며, 이는 프라이머와 중도의 부착 상태는 양호한 상태로 판단할 수 있다.

3.3. 수압 상태

수압 상태의 부착강도 결과치와 탈락형태는 다음 Fig. 7, Table 6과 같다.

Fig 7.

Test results of pull-up on water pressure condition

용제형 우레아 프라이머 24시간 경과 후 부착강도는 2.72 N/mm²로 나타났고 48시간은 24시간 때보다 7.7%, 72시간 은 10.2%, 96시간은 17.6%로 부착강도가 감소하였다. 용제 형 에폭시 프라이머 24시간 경과 후 부착강도는 0.50 N/mm² 로 나타났다. 48시간은 24시간 때보다 30.0%, 72시간은 40.0%, 96시간은 46.0%로 부착강도가 감소하였다. 또한, 수압 상태 의 용제형 우레탄 프라이머 24시간 경과 후 부착강도는 0.65 N/mm²로 나타났고 48시간은 24시간 때보다 33.8%, 72시간 은 78.4%로 부착강도가 감소하였고 96시간 후 그라인더로 커팅을 할 때 떨어져 강도 측정이 불가하였다.

용제형 에폭시의 경우 모두 모체탈락형태를 나타낸 것으 로 보아 콘크리트의 강도보다는 부착력이 높은 것으로 판단 되지만, 이는 0.5 N/mm² 이하로서 콘크리트 모체가 수압에 의해 흡수된 물에 의해 부착력이 약해졌기 때문이다. 용제형 에폭시를 제외한 용제형 우레탄, 용제형 우레아가 모두 계면 탈락 (콘크리트 바탕면과 방수∙방식재 사이에서 탈락되는 형태)를 보이면서 지하 10 m의 수압 (0.1 N/mm²)이 작용할 경우 시공 후 단기간 내에 박리∙박락 문제가 발생될 것으 로 판단된다. 이는 24시간 이내에 콘크리트 모체가 수압에 의해 물을 빠르게 흡수하여 프라이머와 콘크리트 바탕면과 의 계면에 수막을 형성시켜 부착력을 저하시키기 때문인 것 으로 판단된다.

용제형 우레탄 프라이머의 박리∙박락 발생여부를 정확하 게 확인하기 위해 내충격 시험을 추가로 실시하였다. 시험방 법은 KS F 4921 : 콘크리트용 에폭시 수지계 방식재의 내충 격성능 시험 방법을 준용하여 500±2 g의 추를 1.5 m의 높이 에서 낙하시켜 실시하였다. Fig. 8~9는 용제형 우레탄의 72 시간과 96시간 후의 도막재 표면 내충격시험 결과이다.

Fig 8.

Test results of impact resistance after 72h

Fig 9.

Test results of impact resistance after 96h

용제형 우레탄 프라이머 시험체 표면에 대한 내충격시험 을 실시한 결과 72시간에서는 약간의 패임 (함몰) 현상을 보 였으나, 96시간에서는 도막재에 균열 및 박리가 발생되는 현 상이 발생되었다. 따라서 용제형 우레탄 프라이머의 경우 습 윤 및 수압이 발생되는 바탕조건 하에서 용제형 우레아 및 용제형 에폭시에 비해 조기에 박리∙박락 하자가 발생할 가 능성이 높은 것으로 판단된다.