2.1.1. 유황폴리머

이 연구에 사용된 유황폴리머는 국내 S정유사에서 부산되 어 개질된 유황폴리머 (Sulfur Polymer, SP)를 사용하였으 며, 특성은 Table 1에 나타내었다.

2.1.2. 채움재

이 연구에서는 내화학성능이 요구되는 구조물용 콘크리트 표 면보호재의 채움재는 기존의 유황콘크리트 제조시 (^{GMPSCC, 1993}; ^{Mohamed, 2010}) 채움재로 이용된 플라이애시 및 규 사를 사용하였으며 그 특성은 Table 2~3과 같다.

2.2.1. 부착강도

배합조건 및 시험조건에서의 부착강도 평가는 KS F 4936 ｢콘크리트 보호용 도막재｣에 준하여 측정하였으며, Fig. 1의 개요도와 같은 시험체를 제작하였다. 시험체는 70×70×20mm 의 표준모르타르 baseplate를 제작하여 7일 이상 양생한 후, 표면보호재를 도포하여 부착강도를 측정하였다.

Fig. 1.

Bond strength

2.2.2. 압축강도

콘크리트 표면보호재의 압축강도 평가는 50×50×50 mm 크기의 큐브공시체를 제작하고 300 kN의 만능재료시험기를 이용하여 측정하였다.

2.2.3. 내화학성

콘크리트 표면보호재의 내화학성 평가는 KS F 4936 ｢콘 크리트 보호용 도막재｣에 준하여 실시하였다. 실험은 각각의 용액에 시험체를 168시간 동안 완전히 침지한 후 시험편을 꺼내어 물로 씻은 후 3시한 후 부착강도를 측정하였다. Photo 2

Photo 2.

Materials and SEM analysis

2.2.4. 염소이온침투저항성

콘크리트 표면보호재의 염소이온이 침투에 대한 저항성을 빠른 시간에 확인하기 위하여 전기 전도도를 측정하여 염소 이온의 침투성을 평가함으로서 내염해성을 분석하였다. 본 연 구에서는 ASTM C 1202 ｢Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration｣에 준하여 콘크리트 시편을 제작하고 표면에 표 면보호재를 도포하였다. 도포한 면에 대하여 염화나트륨 수 용액에 접하도록 하여 염소이온침투저항성을 측정하였다.

3.1.1. 도포기기에 따른 부착강도

콘크리트 표면보호재의 도포기기에 따른 부착강도 측정을 위하여 현재 도료의 도포방법으로 가장 많이 사용되는 흡상 식과 중력식 두가지 기기에 대하여 도포를 실시하였다 (Photo 4). 그에 따른 도포의 원활한 정도와 부착강도를 측정한 결 과는 Photo 5 및 Fig. 2와 같다.

Photo 4.

Conceptual diagram of the coating depending on the coating apparatus

Photo 5.

Naked-eye observation of the coating surface depending on the coating apparatus

Fig. 2.

Test results of the bond strength depending on the coating method

I-1배합에 대하여 약 110°C로 용융된 표면포호재를 각각 의 도포기기에 투입하고 도포를 실시한 결과, 흡상식 도포기 기의 경우 1회 투입시 약 30초 정도의 도포 시간을 확보할 수 있었으며, 중력식 도포기기의 경우 1회 투입시 약 60초 이상의 도포시간 확보가 가능하였다.

도포기기에 따른 표면보호재의 도포결과는 Photo 5와 같 이 흡상식보다 중력식의 경우가 넓은 범위에 대하여 균질하 게 도포되고 도포두께 확보에도 유리한 것으로 나타났다. 도 포기기에 따른 부착강도 특성 평가결과는 Fig. 2와 같다. 흡 상식 방법으로 도포된 시험체보다 중력식의 경우 평균 1.91 배 정도의 강도 향상 효과를 나타내었다.

3.1.2. 도포시간에 따른 부착강도

콘크리트 표면보호재의 도포시간에 따른 부착강도 측정 결과는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.

Test results of the bond strength depending on the number of coating times

시험체에 대한 도포는 2.5HP의 Air-compressor를 이용하 여 5±1MPa 압력으로 공기와 함께 표면보호재를 왕복 도포 하는 것을 1회로 간주하고 최대 5회 까지 도포하여 부착강도 를 측정하였다. 도포시 노즐의 크기는 지름 2mm로 설정하 고 시험체로부터 400~500mm 거리에서 분사하였다.

도포 횟수에 따른 부착강도 평가결과, 1~2회 스프레이 하 였을 때, 0.48~0.84MPa의 부착강도를 나타내었으나, 3~5회 도포시 1.30MPa 이상의 부착강도를 나타내었다. 이는 2회 이하의 도포에서는 콘크리트 표면에 부착된 표면보호재량이 부족하여 부착이 적절히 이루어지지 못하는 것으로 나타났 으며, 3회 이상의 도포에서는 콘크리트 표면에 0.5mm 이상 의 두께로 표면보호재가 도포되어 부착성능이 충분히 확보 되었기 때문으로 판단된다. 또한, 4회 이상의 도포에서는 부

착강도 증가경향이 둔화되었으며, 일부 시험체에서는 유황폴 리머 자체의 전단파괴 현상도 일어나는 것으로 나타났다.4

Fig. 4.

Test results of the bond strength depending on the surface temperature condition

3.1.3. 콘크리트 표면온도조건에 따른 부착강도

유황폴리머는 재료특성상 110°C 정도에서 용해되고 온도 저하에 따라 굳는 특성을 가지고 있기 때문에 구체 콘크리트 의 조건에 따라 부착성능이 상이할 것으로 판단되어 온도조 건에 따른 부착강도 평가를 실시하였다. 부착강도 측정결과 는 Fig. 8에 나타낸 바와 같다.

측정결과, 일반 온도조건 (상온)보다 높은 콘크리트 표면 온도에서 부착강도가 증가되는 것으로 나타났으며, 낮은 온 도조건에서는 표면보호재의 부착이 원활히 이루어지지 못하 는 것으로 나타났다. 또한 콘크리트의 표면온도가 높을수록 시험체간의 강도 편차가 낮아지는 현상을 나타내었다.

이는 콘크리트 표면온도가 높을수록 유황폴리머와의 온도 차가 낮고, 함께 온도가 저하됨에 따라 유황폴리머 경화 시 간이 길어지기 때문에 부착강도가 높은 것으로 판단된다. 하 지만, 콘크리트 온도가 10°C 이하에서는 부착이 거의 이루어 지지 못하는 경향을 나타내었다. 이는 낮은 온도조건에서는 콘크리트 표면에 수분이 맺혀 유황폴리머의 원활한 부착이 이루어지지 못했기 때문으로 판단된다.

3.2.1. 강도특성

콘크리트 표면보호재의 채움재의 혼입량을 달리하여 배합 설계한 배합조건에 따른 압축강도 측정 결과는 Fig. 5와 같다. Photo 6

Fig. 5.

Test results of the compressive strength depending on the mixing condition

Photo 6.

Specimens manufactured using the sulfur polymer

표면보호재로서 유황폴리머만을 사용한 경우 재령 28일에 서 압축강도가 40MPa 이상의 압축강도를 발휘하여 고강도 의 강도특성을 나타내었다. 하지만 공시체 제작 및 압축파괴 후의 시험체 형상을 관찰한 결과, 시험체제 제작 직 후 표면 보호재의 경화시 내외부 공기차에 의해 수축되는 현상이 발 생되었으며, 압축강도 측정시 유황폴리머가 찢어지며 수직 관통균열이 발생되었다 (Photo 6).

따라서, 수축경화 방지 및 강도 향상을 위하여 플라이애시 및 규사를 혼입하여 표면보호재 배합을 수행하였다. 강도평 가 결과, 플라이애시 및 규사 대체률 40%에서 가장 우수한 압축강도를 나타내었고 그 이상의 대체시에는 결합재인 유 황폴리머량이 급격히 줄어 강도저하가 이루어진 것으로 판 단된다. 또한, 플라이애시 및 규사를 동시에 20%씩 대체하 였을 경우, 규사만을 40% 혼입한 배합과 유사한 강도 특성 을 나타내었다. 또한, 채움재 (플라이애시 및 규사)를 60% 대체하였을 경우, 결합재인 유황폴리머의 결합력이 낮아져 채움재의 종류와 상관없이 강도가 급격히 감소되었다.

3.2.2. 부착강도

콘크리트 표면보호재의 배합조건에 따른 부착강도 측정 결과는 Fig. 7과 같다.

Fig. 7.

Test results of the bond strength depending on the mixing condition

제작조건은 I시리즈의 최적 제조조건인 왕복 도포 3회의 조건으로 실험을 실시하였으며, 실험결과 유황폴리머만으로 제작된 시험체의 부착강도는 1.23MPa로 측정되었다. 압축강 도 시험체 제작시 문제가 된 수축 등을 해결하기 위해 채움 재를 일부 대체한 배합조건에 따른 부착강도 시험결과는 채 움재 대체율이 증가함에 따라 부착강도가 저하되는 특성을 나타내었다. 플라이애시 대체율 20%에서는 Plain과 유사한 강도특성을 나타내었으나, 혼입량 증가에 따라 강도가 저하 되었다. 이는 플라이애시의 작은 입자 주변으로 유황폴리머 가 둘러싸면서 재료의 뭉침현상이 발생되어 콘크리트 표면 의 요철사이로 표면보호재의 침투가 이루어지지 못하여 급 격히 저하된 것으로 판단된다 (Fig. 6). 규사의 대체율에 따 른 부착강도는 20~40%까지 대체하였을 경우, Plain보다 높 거나 유사한 강도특성을 나타내었고, 그 이상의 혼입율에서 는 오히려 낮은 부착강도를 나타내었다. 또한, 플라이애시 및 규사를 동시에 혼입하였을 경우, 부착강도가 17.4% 정도 증가하여 가장 우수한 부착강도를 나타내었다. 이는 플라이 애시의 혼입으로 인한 점성의 증가 영향과 규사의 수축방지 등 시너지 효과로 인해 부착강도가 개선된 것으로 판단된다.

Fig. 6.

Adhesion characteristics depending on the mixing condition of the surface protecting agents

3.2.3. 화학저항성

염수저항성 및 알칼리저항성 등의 화학저항성을 평가하기 위하여 H₂SO₄ 20% 용액, NaCl 3%용액 및 Ca(OH)₂ 포화용 액에 부착강도 시험용 시험체를 침지한 후 168시간 이후 부 착강도를 측정한 결과는 Fig. 8에 나타낸 바와 같다.

Fig. 8.

Test results of the chemical resistance depending on the mixing condition

측정결과, 표준 (기건양생)상태에서 양생한 시험체에 비하 여 용액에 침지한 후 측정한 부착강도가 낮게 측정되는 경향 을 나타내었다.

H₂SO₄ 용액에 침지한 공시체의 경우 배합조건에 따라 표 준양생에 비하여 4.2~19.5% 정도의 부착강도가 저하되었으 나, 유황폴리머에 플라이애시와 규사를 각각 20%씩 혼입한 경우 부착강도가 1.29MPa으로 측정되어 H₂SO₄ 용액에 침 지한 시험체중 가장 높은 부착강도를 나타내었다.

NaCl용액에 침지한 시험체의 경우, 유황폴리머만 사용하 여 표면을 처리한 경우 13.9% 정도의 강도저하가 발생되었 지만, 플라이애시 및 규사를 혼입한 배합조건에서는 종류 및 혼입률에 상관없이 2.2~8.3% 정도의 강도저하가 발생되어 내염수성이 향상되는 것으로 나타났다.

Ca(OH)₂ 포화용액에 침지한 공시체의 경우 표준양생 공시 체에 비해 부착강도가 저하되는 것으로 나타나, 최대 16.4% 의 강도저하가 발생되었다. 하지만, 유황폴리머에 플라이애 시와 규사를 각각 20%씩 대체한 배합 (II-7)에서도 부착강도 가 1.28MPa로 나타나 표면보호재의 부착강도 요구조건인 1MPa을 상회하기 때문에 내화학성능이 요구되는 구조물에 적용가능 한 것으로 판단된다.

3.2.4. 염소이온침투저항성

콘크리트 표면보호재의 배합조건에 따른 염소이온침투저 항성 측정 결과는 Fig. 9와 같다.

Fig. 9.

Test results of the chloride ion penetration resistance depending on the mixing condition

표면보호재의 도포유무 및 도포재 배합조건에 따른 평가 를 위하여, 도포하지 않은 (OPC)배합에 대해서도 평가를 실 시하였다. 표면보호재를 도포하지 않은 시험체의 경우, 침투 전하량이 124로 측정되어 “Very Low”으로 나타났다. 표면 보호재를 배합조건에 따라 도포한 시험체에서는 전체 배합 에서 88~65C로 측정되어 “Negligivle”로 염소이온침투저항 성이 매우 향상되는 것으로 나타났다. 이는 유황폴리머 표면 보호재가 콘크리트 표면에 도포되어 치밀한 차폐막을 형성 하여 염소이온의 침투를 막았기 때문으로 판단된다.

하지만, 표면보호재의 배합 중, 유황폴리머의 혼입량이 낮 아짐에 따라 미소하지만 염소이온의 침투량이 조금씩 증가 하는 경향을 나타내었다.