3.1.1. 산 환경 노출 시험

내진보강용 폴리우레아의 산 환경 노출 시험은 KS F 4922 (폴리우레아 수지 도막 방수재)에 준하여 실시하였으며, 시험 시 사용된 산의 종류로는 산 처리 온도 20 ± 2°C인 KS M ISO 6353-2(R37)에 규정된 황산 특급품 2% 용액을 선정하였다. Photo 1과 같이 황산 2% 용액 400 ㎖ 속에 시편 3개를 168시간 (7일) 침지시켰으며, 황산 10% 용액에 대해서 추가 시험을 진 행하였다. 이 때 사용된 시편은 Photo 2(a)와 같은 크기로 KS M 6518(가황고무 물리 시험 방법)에 규정된 아령형 3호형으 로 제작하였으며, Photo 2(b)의 틀칼을 이용하여 규격에 맞게 재단하였다.

Photo 1

Acid environmental exposure test

Photo 2

Tensile strength and percent elongation test

3.1.2. 자외선 환경 노출 시험

내진보강용 폴리우레아의 자외선 노출 시험은 KS F 2274 (건축용 합성 수지재의 촉진 노출 시험방법)에 준하여 실시하 였으며, 자외선 형광램프보다 더 강한 자외선을 방출하는 제 논-아크 광원을 선택하여 시험을 진행하였다. Photo 3(b)는 제 논-아크 시험기 챔버로써 Photo 2(a) 아령형 3호형 시편 3개씩 을 각각 1,000시간 및 2,000시간 노출시켰다.

Photo 3

UV exposure test

3.1.3. 인장강도 및 신장률 측정

본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위 하여 산 및 자외선 환경 노출 전·후의 인장강도 및 신장률을 측정하였다. 인장강도 및 신장률 시험방법은 KS M 6518(가 황 고무 물리 시험 방법)에 준하여 측정하였으며 Photo 2(c)에 서 볼 수 있듯이 시험체를 지그로 고정시켜 양쪽으로 하중을 가하였다. 인장 시험기는 시험시의 최대 하중이 시험장비 능 력의 15%에서 85%의 범위가 되는 것으로 하였으며, 인장속 도는 500 mm/min으로 하였다. 인장강도의 측정은 시편이 파 단될 때까지의 최대하중으로 측정하고 식 (1)에 따라 계산하 여 시편 3개의 평균값으로 나타내었다.

여기서, T_B는 인장 강도(MPa), F_B는 최대 하중(N), A는 시 편의 단면적(mm²)이다.

신장률은 시편 파단시 눈금 사이의 길이를 밀리미터 단위 까지 측정하여 식 (2)에 따라 계산하였고 시편 3개의 평균값 으로 나타내었다.

여기서, E_B는 신장률(%), L₀는 눈금 거리(mm), L_l은 파단 될 때의 눈금 사이의 길이(mm)이다.

3.2.1. 탄산화 노출 시험

내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 탄산화 노출 시험 은 KS F 2584(콘크리트의 촉진 탄산화 시험방법)에 준하여 실시하였으며, Photo 4(c)와 같이 온도 20°C, 상대습도 60%, 이산화탄소 5%의 조건을 만족할 수 있는 탄산화 노출 챔버에 서 시험을 수행하였다. Photo 4(a)에서 볼 수 있듯이 사용된 시 편은 직경 100 mm, 높이 200 mm 크기의 일반강도 콘크리트 (30 MPa 급) 원형 공시체에 본 연구에서 개발한 폴리우레아 를 측면 도포하였으며, 각 3개씩 4주 및 8주 노출 후 탄산화 깊 이를 측정하였다(촉진탄산화 시험은 옥외에 있어 100배의 기 간에 상당함). 그리고 추가적으로 고강도 콘크리트(50 MPa 급)에 대해 위와 동일한 조건으로 시험을 수행하였다.

Photo 4

Concrete carbonation exposure test

3.2.2. 탄산화 깊이 측정 및 탄산화 속도 계수 산출

본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위 하여 내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 탄산화 노출 후의 탄산화 깊이를 측정하였다. 탄산화 깊이 측정 시 페놀프 탈레인 용액을 분사하면 적자색으로 변색이 되는데, 표면으 로부터 변색된 구간까지의 깊이를 탄산화 깊이로 보고 Photo 4(b)와 같이 공시체의 한쪽 측면을 10등분하여 총 20 군데의 탄산화 깊이를 측정하였으며, 공시체 3개의 평균값으로 나타 내었다. 탄산화 깊이 측정을 통해서 탄산화 속도 계수를 식 (3) 에 따라 계산하였다.

여기서, α는 탄산화 속도 계수, d는 탄산화 깊이(mm), t는 탄산화 기간(week)이다.Photo 5

Photo 5

Freezing and thawing test

3.2.3. 동결융해 시험

내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 동결융해 시험은 KS F 2456(급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법) 에 준하여 실시하였으며, 콘크리트 공시체의 중심온도가 동 결 시 -18°C, 융해 시 +4°C가 되도록 동결융해 챔버에서 시험 을 진행하였다. 이 때 사용한 시편은 직경 100 mm, 높이 200 mm 크기의 일반강도 콘크리트(30 MPa 급) 및 고강도 콘크리트 (50 MPa 급) 원형 공시체에 본 연구에서 개발한 폴리우레아 를 전면 도포하였다.

3.2.4. 동탄성 계수 및 압축강도 측정

본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위 하여 내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 동결융해 300 사이클 전·후의 동탄성계수 및 압축강도를 측정하였다. Photho 5(a)와 같이 챔버 내 기중에서 동결융해의 작용을 한 사이클에 2 ~ 4시간 정도로 반복하였으며, 총 300사이클을 반 복하였다. 동탄성 계수의 측정은 Photho 5(b)의 측정 장비를 이용하였으며 공시체 3개의 평균값으로 나타내었다. 이후 식 (4)에 따라 상대 동탄성 계수를 도출하였으며, 내구성 지수 측 정은 식 (5)에 따라 계산하였다.

여기서, P_c는 동결 융해 C사이클 후의 상대 동탄성 계수 (%), n₀는 동결 융해 0사이클에서의 변형 진동의 1차 공명 진 동수(Hz), n_c는 동결 융해 C사이클 후의 변형 진동의 1차 공 명 진동수(Hz)이다.

여기서, DF는 시험용 공시체의 내구성 지수, P는 사이클에 서의 상대 동탄성 계수(%), N은 상대 동 탄성 계수가 60%가 되 는 사이클 수 또는 동결 융해의 노출이 끝나게 되는 순간의 사 이클 수, M 은 동결 융해의 노출이 끝날 때의 사이클 수이다.

4.1.1. 산 환경 노출 시험 결과

내진보강용 폴리우레아의 산 환경 노출 시험 수행 후 산 환 경 노출 전·후의 인장강도 및 신장률을 측정한 결과는 Table 3 과 같다. 인장강도의 경우 황산 2, 10% 용액에 침지시킨 폴리 우레아 시편 모두 약 8%의 강도 저하가 발생되었으며 신장률 의 경우 황산 2, 10% 용액에 침지시킨 폴리우레아 시편은 각 각 약 13, 20% 증진되었다. KS F 4922(폴리우레아 수지 도막 방수재)의 ‘방수재의 품질에서 산 처리 이후 품질 기준’은 인 장강도 비의 경우 80% 이상 150% 이하, 파단시의 신장률의 경우 250% 이상으로 규정하고 있다. 산 환경 노출 시험결과 황산 2%(pH 0.33)침지의 경우(KS F 4922 기준) 뿐 아니라 황 산 10%(보통 산성비의 pH는 4.6정도로 조사되었으며 황산 10%의 pH는 대략 -0.44로 계산됨)의 고농도 조건에서도 인장 강도의 기준을 만족하였다. 신장률의 경우 본 연구에서 독립 적으로 혼합 및 개량한 재료이기 때문에 KS 규격에 준하지 못 하였지만 본 연구에서 목표로 한 150%는 만족했다. 극한의 강 산이라는 조건에서 인장강도만을 고려해보았을 때 8%의 강 도 저하 능력은 산 노출에 대한 내구성능이 우수한 것으로 판 단된다.

4.1.2. 자외선 환경 노출 시험 결과

내진보강용 폴리우레아의 자외선 노출 시험 수행 후 자외 선 노출 전·후의 인장강도 및 신장률을 측정한 결과는 Table 4 와 같다. 인장강도의 경우 Xenon Arc 광원에 1,000시간 및 2,000시간 노출 시킨 폴리우레아 시편은 각각 약 31, 38% 강 도저하가 발생하였으며 신장률의 경우 Xenon Arc 광원에 1,000시간 및 2,000시간 노출 시킨 폴리우레아 시편은 각각 약 27, 40% 이상 감소하였다. KS F 4922(폴리우레아 수지 도 막 방수재)의 ‘방수재의 품질에서 산 처리 이후 품질 기준’은 열화실험 이후 인장강도 16 MPa 이상의 성능과 인장강도 비 80% 이상 150% 이하, 파단시의 신장률 250% 이상으로 규정 하고 있다. 자외선 노출 시험결과 인장강도는 만족시켰지만, 인장강도 비와 신장률의 경우 KS 규격은 만족하지 못하였다. 한 사이클에 자외선 노출 조사량은 550 W/m²이 방출되며 1,000시간 및 2,000시간 노출 시 각각 1,980 MJ/m², 3,960 MJ/m² 이 방출된다. 우리나라 연간 총 자외선 량은 약 270 MJ/m²이 었으며 실제 외부에 노출된 시간을 환산하면 대략 7년 3개월 과 14년 6개월 정도이다. 또한, 자외선 노출 2,000시간은 KS 기준(250시간)보다 8배가량 노출 시간을 증가시킨 극한의 조 건이며, 이 조건에서도 인장강도 16 MPa 이상의 성능을 만족 하므로 자외선 노출에 대한 저항성능이 있다고 판단된다.

4.2.1. 탄산화 노출 시험 결과

내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 탄산화 노출 시험 수행 후 탄산화 노출 전· 후의 탄산화 깊이 및 탄산화 속도 계 수를 도출한 결과는 Table 5와 같다. 4주 동안의 탄산화 노출 시험 결과, 일반강도 및 고강도 콘크리트에 대해 탄산화 깊이 는 약 5.87, 3.36 mm로 측정되었으며, 폴리우레아 도포 시편 은 콘크리트 강도와 무관하게 탄산화 침투가 발생하지 않았 다. 마찬가지로 8주 동안의 탄산화 노출 시험 결과, 일반강도 및 고강도 콘크리트에 대해 탄산화 깊이는 약 8.98, 4.66 mm 로 측정되었으며, 폴리우레아 도포 시편은 강도와 무관하게 탄산화 침투가 발생하지 않았다. 일반강도 콘크리트가 고강 도 콘크리트보다 탄산화 속도계수가 높음을 알 수 있었으며, 폴리우레아를 측면 도포한 콘크리트 시편의 경우 탄산화 노 출이 전혀 발생하지 않은 것으로 나타나 탄산화침투에 대한 충분한 저항성능을 가지는 것으로 판단된다. Photos 6과 7은 탄산화 노출 깊이를 측정하기 위해 페놀프탈레인 용액을 뿌 린 시편이다.

Photo 6

Concrete carbonation exposure rest result (normal strength concrete)

Photo 7

Concrete carbonation exposure rest result (high strength concrete)

4.2.2. 동결융해 시험 결과

내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 동결융해 시험 수 행 후 동결융해 300사이클 전· 후의 동탄성계수 및 압축강도 를 측정한 결과는 Table 6과 같다. 일반강도 콘크리트의 경우 300사이클 전 ·후의 동탄성계수에 따른 내구성 지수는 무 도 포 시 95.49%, 전면 도포 시 97.79%로 측정 되고 압축강도 저 하 정도는 무 도포 시 11.94%, 전면 도포 시 0.97%로 측정되었 다. 고강도 콘크리트의 경우 300사이클 전· 후의 동탄성 계수 에 따른 내구성 지수는 무 도포 시 95.34%, 전면 도포 시 96.93%로 측정되었으며, 압축강도 저하 정도는 무 도포 시 13.36%, 전면 도포 시 6.16%로 측정되었다. 국내의 동결융해 는 지역별로 차이가 있지만 실험 챔버의 300 사이클은 실제 외기에 노출된 구조물에 있어 적게는 2년 반에서 많게는 7년 반 정도의 노출이다(국내 연 평균 동결 최저온도는 춘천지역 -6.5°C로 실험조건 -18°C와 비교시 약 세 배 낮은 조건임). 이 러한 장기간의 노출에 있어 전면 도포 시편은 무 도포 시편보 다 내구성 지수가 높게 측정되었으며 강도 저하 정도는 더 낮 게 측정된 것으로 보아 폴리우레아 도포 시 동결융해에 대한 내구성능이 우수한 것으로 판단된다.