권 성준
(Seung-Jun Kwon)
1)
조 홍준
(Hong-Jun Jo)
2)
박 상순
(Sang-Soon Park)
3)*
© The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
고강도 간격재, 플라스틱 섬유재, 내구성능, 슬래그 시멘트, 일체안전성
키워드
Hign strength spacer, Plastic fiber, Durability performance, Slag cement, Dimensional stability
1. 서 론
콘크리트 구조물 (RC: Reinforced Concrete)은 압축강도 에 비해 인장강도가 낮으므로 인장영역에 보강재를 필요로 한다. 철근은 보강재로
꾸준하게 사용되어 왔고 최근 들어 강섬유, 플라스틱과 같은 다양한 복합재료가 사용되고 있는 데, 이러한 보강재는 콘크리트 구조물의 공학적, 내구적인
성능을 향상시킨다 (Lee and Lee, 2004; Li and Li, 2011; Cho et al., 2012).
철근의 위치를 바르게 유지하고 피복두께를 확보하기 위 해 사용되는 가장 효율적인 방법이 간격재 (Spacer)의 시공 이다. 간격재는는 철근과 거푸집
또는 철근과 철근의 간격을 유지하기 위하여 사용하는 것으로 1990년대는 플라스틱 간 격재가, 그 이후로는 시멘트 모르타르 간격재가 많이 사용되 었다.
플라스틱 간격재는 마찰력 부족으로 철근과 거푸집사 이에서 뒤틀림을 유발시키거나 콘크리트 타설 또는 작업자 들의 철근배근 및 조립 작업 중 충격으로
인해 탈착되는 현 상이 많은 단점을 지니고 있다. 또한 콘크리트와의 부착력 저하로 인한 미세균열이 발생하게 된다. 이는 수분 및 각종 열화인자의 유입통로로
작용하여 콘크리트 구조물의 내구성 을 떨어뜨리는 요인이 된다 (Kim et al., 2001; Lee, 2008). 또한 시공 당시 철근의 위치를 확보하고 표면에 큰 문제점이 없 더라도 환경조건에 따라 기존 구조물과의 일체성 (Dimensional stability)의
확보가 어려워 균열과 누수의 원인이 되고 있다. 이질직인 재료특성으로 인해 구체 콘크리트와 온도, 습도 등 의 일체성을 확보하지 못하므로 균열이 간격재
주위에 발생 하게 되며, 이는 내구적인 문제점으로 진전된다 (Emmons, 1994). 기존의 많은 연구에서 시공이음부, 균열 등의 취약부 재에서는 일반 콘크리트에 비해, 투수성 증가, 염화물 확산 성 증가, 탄산화 증가 등 많은
문제점이 보고되고 있다 (Park et al., 2012a,b; Song et al., 2006). 이러한 문제점을 해결하 기 위한 방법으로 시멘트 모르타르 간격재가 사용되고 있으 나, 최근들어 콘크리트 구조물의 고층화 및 대형화에 따른 고강도화
및 고내구성화가 진행되면서 구체에 매립되는 간 격재에게도 동일한 강도와 내구성이 요구된다. 또한 철근과 의 결속력을 높여주기 위해 라운드 형태로 제작된
철근 결합 부는 상대적으로 취약한 인장력에 의해 손상이나 결합이 발 생하는 주된 요인으로 작용하게 되었다.
따라서 이러한 기존 간격재의 문제점을 해결하기 위한 방 안으로 본 연구에서는 플라스틱 섬유재를 포함하여 균열저 항성을 증가시키고, 환경부하를 저감하기
위해 슬래그 시멘 트를 이용한 고강도 간격재를 개발하고 그 적용성을 평가하 도록 한다. 이를 위해 4가지 종류의 섬유 복합재를 사용한 슬래그 시멘트
간격재를 제조하였으며, 다양한 역학적, 내구 적 시험이 수행되었다. 또한 슬래그 시멘트-플라스틱 간격재 (Slag Cement-Plastic Spacer,
이하 SP 간격재)제조시스템을 개발하였으며, 최종적으로 실제 시공현장에 설치하여 현장 적용성을 평가하였다.
2. 실험계획 및 준비
2.1. 예비실험 및 사용재료
보통포틀랜트 시멘트를 모재로 하여 최적의 섬유 배합비를 찾기 위해 기본적인 역학실험 (압축, 휨, 인장)이 수행되었다. 기존의 연구 (Oh et al., 1996)를 참고하여 시멘트 450kg/m3, 모래 1,350kg/m3, 물 kg/m3의 기본배합을 기준으로 나일론 (NF), 폴리프로필렌 섬유 (PF), 유리섬유 (GF)를 0.44~0.77kg/m3으로 혼입하였다. 또한 Shah (1992)는 PF의 소수성 및 친수성 시 험을 통하여 포화된 섬유재에서는 내부수화효과 (Internal curing)가 있다고 하였으므로 NF에 대해서는 포화상태
(NW) 와 건조상태 (ND)로 분류하여 실험을 수행하였다.
예비실험 결과는 Table 1에 정리하였는데, 섬유재를 보강 한 모르타르의 압축시험에서는 95.3~103.1%, 휨시험에서는 103.2~110.0%, 인장시험에서는 106.3~121.9%의
변화를 나타내었다. Table 1의 결과 중 압축강도 증진은 큰 효과가 없으므로 휨과 인장특성이 가장 우수한 배합을 대상으로 섬 유 첨가량을 결정하였다.
Table 1.
Results of preliminary test
|
Type
|
Fiber (kg/m3)
|
Strength (MPa)
|
|
Compressive
|
Flexural
|
Tensile
|
|
Control
|
-
|
45.1
|
6.1
|
3.2
|
|
ND
|
0.44
|
45.5
|
6.2
|
3.4
|
|
0.55
|
45.9
|
6.3
|
3.6
|
|
0.66
|
46.5
|
6.3
|
3.9
|
|
0.77
|
46.2
|
6.4
|
3.6
|
|
NW
|
0.44
|
41.7
|
5.6
|
3.0
|
|
0.55
|
45.6
|
6.7
|
3.5
|
|
0.66
|
40.7
|
5.9
|
2.7
|
|
0.77
|
42.5
|
6.3
|
3.1
|
|
PF
|
0.44
|
41.8
|
6.3
|
3.4
|
|
0.55
|
42.4
|
6.4
|
3.4
|
|
0.66
|
43.0
|
6.7
|
3.4
|
|
0.77
|
43.8
|
6.0
|
3.7
|
|
GF
|
0.44
|
44.8
|
6.1
|
3.4
|
|
0.55
|
45.1
|
5.9
|
3.2
|
|
0.66
|
45.4
|
6.5
|
3.7
|
|
0.77
|
41.9
|
6.7
|
2.7
|
Table 2에서는 시험대상인 섬유의 공학적 특성을 나타내 었으며, Table 3 및 Table 4에서는 사용된 SP 간격재와 일 반 시멘트 모르타르 간격재의 배합비를 나타내었다. 혼입된 섬유재의 길이는 간격재의 제원을 고려하여 12mm로 통일하
였으며, Fig. 1에서는 사용된 섬유재의 사진을 나타내고 있다.
Table 2.
Engineering properties of plastic fiber
|
Type
|
Density (103kg/m3)
|
Elasticity (103MPa)
|
Tensile strength (MPa)
|
Elongation (%)
|
|
PF
|
0.91
|
3.5~3.8
|
260~710
|
260~710 5~21
|
|
GF
|
2.54
|
73.5
|
2,500
|
4.8
|
|
NF
|
1.16
|
4.1
|
765~918
|
13.5
|
Table 3.
Mix proportions for fiber-induced cement mortar
|
Type
|
Unit weight (kg/m3) |
|
Slag cement
|
Water
|
Sand
|
Fiber
|
Mineral admixture for high strength
|
|
ND
|
1,1001) |
242
|
748
|
0.66
|
132
|
|
NW
|
0.55
|
|
PF
|
0.66
|
|
GF
|
0.66
|
Table 4.
Mix proportions for normal cement mortar
|
Type
|
Unit weight (kg/m3)
|
|
w/c
|
OPC* |
Water
|
Sand
|
|
Control
|
0.5
|
450
|
225
|
1350
|
Fig 1.
Photo for various type of fiber
2.2. SP 간격재에 대한 역학적 실험 사양
예비실험에서 도출된 배합비를 이용한 SP 간격재에 대하여 휨, 압축, 인장강도시험이 수행되었다. 압축강도특성은 KS F 4042를 참고하여 40×40×40mm의
정육면체 몰드를 사용하 였으며, 인장강도는 KS L 5104를 참고하여 휨 및 직접인장 강도 시험을 수행하였다. 각 실험은 수중 양생후 재령 28일
에 수행하였는데, Fig. 2에서는 각각의 실험사진을 나타내고 있다.
Fig 2.
Strength tests for SP spacer
2.3. SP 간격재에 대한 내구적 실험
기본적인 역학적 시험이외에 흡수율, 투수량, 탄산화 저항 성, 길이변화율, 균열저항성, 동결융해시험 등이 수행되었다. 각 시험항목과 시편의 존치조건은
Table 5에 정리하였다.
Table 5.
Test items and the related standards
|
Type
|
Unit
|
Age
|
Standards
|
|
Absorption ratio
|
wt%
|
28 days
|
KS F 2476
|
|
Permeability
|
g
|
KS F 2451
|
|
Length change ratio
|
wt%
|
KS F 4426
|
|
Crack resistance
|
strain
|
Period to cracking
|
ASTM C 1581
|
|
Carbonation
|
mm
|
28 days
|
KS F 2584
|
|
Freezing and thawing
|
%
|
300 Cycles
|
KS F 2456
|
3. SP 간격재에 대한 실험결과 및 분석
3.1. SP 간격재 역학적 실험결과 분석
본 절에서는 SP 간격재의 압축, 휨, 인장 시험결과에 대해 분석하도록 한다. 28일 기준으로 시험결과는 Table 6에 나타 내었으며, 상위 두 개값은 굵게 표시하였다. 또한 일반 무보 강 간격재와의 강도비는 Fig. 3에 나타내었다.
Table 6.
Results of strength test (compressive, flexural, and tensile test)
|
Type
|
Fiber (kg/m3)
|
Compressive strength (MPa)
|
Flexural strength (MPa)
|
Tensile strength (MPa)
|
|
C
|
-
|
45.1
|
6.10
|
3.2
|
|
ND
|
0.66
|
70.2
|
19.0
|
6.4
|
|
NW
|
0.55
|
74.0
|
18.4
|
7.2
|
|
PF
|
0.66
|
66.3
|
18.3
|
6.3
|
|
GF
|
0.66
|
75.8
|
16.6
|
5.9
|
Fig 3.
Comparison of strength properties
각 섬유재의 혼입에 따라서 휨 인장성능에서 가장 큰 보강 효과가 평가되었으며, 인장과 압축순으로 섬유재 효과가 평 가되었다. 섬유 보강재는 일반적으로
압축보다 인장에서 더 큰 효과를 발현하는데, 강섬유뿐 아니라 기존의 많은 연구에 서 이러한 경향이 보고되고 있다 (ACI 1999; Ahn et al., 2003). 압축강도에서는 147~164%, 휨인장에서는 272~311%, 인장에서는 184~225%의 증가를 나타내었다. 예비실험에 비해 높은 강도발현특성이
평가되었는데, 이는 고강도용 혼 화재의 강도발현 특성 및 조강특성에 기인한다.
3.2. SP 간격재 내구적 실험결과 분석
3.2.1. 투수량 및 흡수율 시험
투수량 및 흡수율 시험은 KS F 2451 및 2476에 따라 실 험을 수행하였는데, 실험사진은 Fig. 4에 나타나있다. 식 (1) 및 식 (2)에서는 투수량 및 흡수율에 대한 실험식을 나타낸다.
여기서, Wp 는 투수량 (g), W0 는 건조 후의 질량 (g), W1 는 투수 후의 중량 (g), Wa 는 흡수율 (%)을 나타낸다.
Fig 4.
Photos for permeability and Absorption test
실험결과와 기존의 품질기준은 Table 7에 나타내었는데, 고강도 SP 간격재에서는 투수량 및 흡수율에서 우수한 성능 을 확인할 수 있었다. 투수량에서는 제안치의 21.4~27.5% 수준으로,
흡수율에서는 58.5~62.9% 수준으로 우수한 투수 및 흡수 제어성능을 나타내고 있었다. 이중 NW 계열에서 최소값이 평가되었다. 인장영역에서의
균열전달은 섬유재의 인장강도 및 표면조도에 의존하지만, 흡수율 및 투수량은 내 부 수화물의 충전성에 의존하므로 내부수화를 촉진시킨 NW 계열에서 최대값이
평가된 것으로 사료된다. 내부수화는 배 합수 이외에 골재와 같이 콘크리트 내부의 배합인자에서 수 화에 필요한 수분을 공극하는 것으로 (Du and Folliard, 2005; Bentz et al., 2005) 주로 부배합 콘크리트에 효과적인 양생 기법으로 알려져 있다.
Table 7.
Results of permeability and absorption ratio
|
Type
|
ND
|
NW
|
PF
|
GF
|
Recommendation
|
|
Permeability (g)
|
4.52
|
4.28
|
4.66
|
5.49
|
below 201) |
|
Absorption (%)
|
5.95
|
5.85
|
6.29
|
6.00
|
below 102) |
3.2.2. 탄산화 저항성 평가
피복 콘크리트에 직접 노출되는 간격재는 모재 콘크리트 의 동등이상 성능을 가지는 것이 유리하다. 기존의 내구설계 (JSCE, 2002)에서도 간격재의 성능이 주요한 내구성 성능저 하지표로 고려되고 있는데, 간격재 주위에서 염해 및 탄산화 에 의한 국소부식이 발생할 수 있기 때문이다.
온도 20±2℃, 상대습도 65±5%, CO2 농도 5%로 설정된 탄산화 시험기에 넣은 후 4주간 탄산화시험을 수행하였다. 1% 페놀프탈레인 용액을 분무하여 탄산화 깊이를 평가하였는데, 모두
0.1mm 로 아주 작은 탄산화 깊이를 나타내었다. 이는 낮은 물-결합 재량을 가진 고강도 콘크리트에서 나타나는 탄산화 깊이 수 준이다. Fig.
5에서는 탄산화 실험후의 페놀프탈레인 실험사 진을 나타내었다.
Fig 5.
Carbonation depth measurement
3.2.3. 동결융해 저항성 평가
일반 간격재가 피복콘크리트와 일체화하지 못하면 미세균 열부에 수분이 침투하고 동결해 팽창압으로 인해 간격재부 의 탈락이 발생하기 쉽다. 본 실험에서는
KS F 2456의 방법 중 기중동결 수중융해법을 사용하였다. 실험장비 및 측정장 치는 Fig. 6에 나타내었으며, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다.
Fig 6.
Equipment for freezing and thawing
Fig 7.
Dynamic elastic modulus in various fiber mortar
내구성 지수가 일반적으로 80% 이상이면 동결융해에 우 수하다고 판단하는데 (KCI, 2010), 섬유재를 넣은 SP간격재 는 모두 80% 이상의 값을 나타내었다. 최대값은 85.3으로 GF 간격재에서 평가되었는데 그 원인이로는 슬래그 첨가로
인한 밀실성의 확보와 섬유재를 통한 미세균열억제가 주된 원인이다.
3.2.4. 길이변화 평가
본 실험은 KS F 2424에 의해 수행하였으며, 측정은 시험 용 공시체를 온도 20±2℃, 상대습도 80% 이상에서 48시간 경과한 후 탈형하고,
온도 20±2℃의 수중에서 5일간 양생 후 즉시 바탕길이를 측정한다. 이어서 공시체를 온도 20± 2℃, 습도 60±10%에서 28일간 양생한 후에
길이를 측정하 며 다음식에 따라 길이변화를 평가한다. 길이변화 평가식은 식 (3)과 같다.
여기서, L0 는 기준길이, X01 및 X02 는 각각 기준으로 한 시점에서의 측정치, Xi1 및 Xi2 는 시점 i에서의 측정치를 나 타낸다. SP 간격재에서는 0.05~0.06%의 길이변화가 측정 되었는데, 이는 콘크리트 보수용 폴리머 시멘트 모르타르의 품질기준이
±0.15%임을 고려할 때 우수하다고 판단할 수 있 다. 즉 재료의 체적안전성 (Dimensional stability)면에서 우 수한 결과는 보인다
(Emmons, 1994). Table 8에서는 길이 변화 측정결과를 나타내고 있다.
Table 8.
Length change ratio for SP spacer
|
Type
|
ND
|
NW
|
PF
|
GF
|
Recommendation
|
|
Length change (%)
|
0.06
|
0.05
|
0.06
|
0.06
|
below 0.151) |
3.2.5. 균열저항성 평가
개발된 SP 간격재의 소성 및 건조수축에 의한 균열 저항 성을 평가하기 위한 Ring test를 ASTM C 1581-04을 참고 하여 수행하였다.
Fig. 8과 같이 중앙에 지름 300mm, 두께 9.4mm의 강재 링에 의해 수축을 구속시켜 균열을 유발시킨 다. 또한 Ring의 안쪽에 부착형 스트레인 게이지를
설치하여 균열시점 및 구속수축 변형을 측정하였다. 기존의 실험결과 인장강도와 압축강도에서 우수한 성능을 보이는 NW와 GF 를 선정하여 일반 간격재
배합과 균열저항성능을 비교하였다.
Fig 8.
Photos for ring test with several fiber mixture
일반 간격재에서는 타설 후 약 275시간에 취성파괴가 발 생하면서 관통 균열이 발생하였으나, NW 및 GF의 경우 뚜 렷한 관통균열은 발견되지 않았으며,
타설 후 약 144시간에 구속수축 변형에 의한 변곡점이 나타났다. 이는 약 144시간 이후에 링 시험체 내부에서 지속적으로 다수의 미세균열이 발생하여
연성파괴가 일어난 결과이다. Fig. 8에서는 링시험 체와 몰드의 형상을 나타내고 있으며, Fig. 9에서는 실험결 과를 나타내고 있다. 흥미로운 사실은 섬유재가 혼입된 시편 의 경우 무보강시편보다 미세균열이 먼저 발생함을 알 수 있 는데, 이는 인장응력이
작용할 때, 섬유재가 인장력을 부담 하게 되고 증가된 섬유재의 변형이 콘크리트의 변형보다 크 므로 섬유재 주위에서 미세균열이 먼저 발생되는 것으로
판 단된다.
Fig 9.
Cracking evaluation with ring test
4. 시공 후 모니터링 평가
Fig. 10에서는 개발된 SP 간격재의 현장에 설치된 사진을 나타내고 있으며, Fig. 11에서는 시공 6개월 경과후의 기존 간격재의 설치상태와 비교한 것이다.
Fig 10.
Photos for extruding and installation process
Fig 11.
Improved crack resistance and aesthetic appearance
기존의 제품에서는 간격재 설치에 따라 얼룩 및 균열이 간 격재 주위에 다수 발생된 것에 비해 SP 간격재 설치 후에는 구체 콘크리트와 일체시공이 되어
균열 및 얼룩이 없는 것을 확인할 수 있었다. 현재 공용중인 구조물이므로 장기적인 모 니터링을 통하여 SP 간격재의 일체성에 대한 평가를 수행할 예정이다.
5. 결 론
플라스틱 섬유재와 슬래그 시멘트를 이용한 고강도 간격 재의 개발 및 적용성 평가에 대한 결론은 다음과 같다.
-
폴리프로필렌 섬유 (PF), 나일론 (NF), 유리섬유 (GF) 보강재와 슬래그 시멘트를 이용하여 고강도 간격재를 제작하였다. 일반 간격재에 비해
압축강도에서는 147 ~164%, 휨인장에서는 272~311%, 인장에서는 184 ~225%의 증가를 나타내는 등 우수한 역학적 성능이 확보되었다.
-
다른 섬유 복합재보다 나일론 섬유의 포화조건 (NW) 상태에서 우수한 흡수저항성 및 투수저항성이 평가되 었다. 포화상태의 경우 부배합 조건에서 내부양생에
따른 결과라고 평가된다.
-
4가지 배합중 우수한 성능을 가진 나일론 섬유 (포화 조건: NW)와 유리섬유 (GF)를 대상으로 링테스트를 통한 균열저항성 평가를 수행하였다. 무보강
시편의 경우 275시간 경과 관통균열이 발생하였으나, 섬유재 를 포함한 배합에서는 브릿징 효과에 의해 미세균열이 분포하여 관통균열이 발생하지 않았으며,
변형-시간 곡선에서 변곡점이 발생하였다.
-
현장 적용성 평가 결과 6개월 경과후 간격재 주위의 얼룩이나 균열이 없음을 확인하였다. 그러나 간격재 접합부에 대하여 동결융해 저항성, 염해침투성,
균열저 항성에 대한 연구가 추가적으로 필요하다.