신동철
(Dong-Cheol Shin)
1
강용학
(Yong-Hak Kang)
2*
© Korea Institute for Structural Maintenance Inspection. All rights reserved.
키워드
보수 모르타르, 사전 혼합 방법, 터뷸런트 믹서, 리본 믹서, 무중력 믹서, 모르타르 성능
Key words
Repair mortar, Pre-mixing methods, Tubulent mixer, Ribbon mixer, Fluidized zone mixer, Mortar properties
1. 서 론
최근 국내 구조물들의 노후화 및 사고 발생으로 구조물 안 전관리 및 유지관리에 대한 관심이 높아지면서 보수 기술 및 재료에 대한 중요성이 높아지고
있다. 특히 철근 콘크리트 구 조물의 경우, 시공불량, 용도변경에 따른 하중 증가 및 시간 경과에 따른 재료의 열화 등으로 구조체에 손상을 입게 되고
내력 및 내구성 등이 저하함에 따라 사용수명이 줄어들게 된 다(Paik, 2003; Cho et al., 2016). 이에 따라 구조물의 사용수명 을 증대하기 위한 보수 모르타르의 사용은 꾸준히 증가하고 있으며, 보수 모르타르의 일정한 품질과 생산성을 확보하기
위해 원료를 사전에 혼합한 프리믹스 타입이 가장 큰 비중을 차지하고 있다(Song et al., 2006; Bae and Hyung, 2013). 이러 한 프리믹스 타입 보수 모르타르는 제조 과정에서 여러 종류 의 시멘트, 혼화재, 혼화제 및 잔골재 등의 원료를 동시에 혼 합해야 한다.
보수 모르타르의 성능은 원재료의 특성뿐만 아 니라 혼합설비에 대한 영향을 크게 받으므로 혼합 시 제품의 효과를 극대화하기 위해서는 원료 혼합 분포를
일정하게 하 는 것이 가장 중요하다(Han and Lee, 2009; Sohn et al., 2010; Jung and Choi, 2011). 또한 원료 혼합 시마다 원료 각각의 비 중 및 입경, 함수율 등이 서로 다르므로 같은 유형의 혼합 설비
라 하더라도 생산 제품의 효과에는 편차가 발생하여 이를 최 소화하기 위해서는 혼합 설비의 성능을 확인하고 높일 필요 가 있다(Yuzo, 1964; Plawsky et al., 2003; Park et al., 2006).
본 연구에서는 프리믹스 타입의 보수 모르타르의 원료 혼 합 방법에 따른 보수 모르타르의 물성에 대한 영향을 연구하 기 위해, 실제 생산 현장에서 활용되는
대표적인 혼합 설비 3 종을 사용하여 보수 모르타르를 제조하고 각각의 제반 물성 을 비교․검토하였다.
2. 실험 계획 및 방법
2.1. 실험계획
보수 모르타르 원료의 사전 혼합을 위하여 사용한 혼합 설 비의 제원 및 특징과 원료 혼합 비율 및 혼합 시간을 각각 Tables 1 및 2에 나타내었다. 본 연구에서는 혼합 설비 및 혼합 시간에 따른 보수 모르타르의 제반 물성을 검토하기 위하여 터뷸런트 믹서(Turbulent mixer,
TM), 리본 믹서(Ribbon mixer, RM), 무중력 믹서(Fluidized Zone Mixer, FM)의 3종 혼합 설 비를 사용하였다.
Table 1
Specification and characteristics of mixer
|
Mixer type
|
Turbulent mixer(TM)
|
Ribbon mixer(RM)
|
Fluidized Zone Mixer(FM)
|
|
Capacity(ton)
|
2.5~3.0
|
1.0~1.3
|
1.0~1.4
|
|
Speed(rpm)
|
90
|
30
|
90
|
|
Characteristic
|
|
|
|
|
Image
|
|
|
|
|
Paddle shape
|
|
|
|
Table 2
Mix proportion and mixing time
|
Mix proportion(wt%)
|
Mixing time(min)
|
|
Cement
|
Sand
|
Superplasticizer
|
Expansion agent
|
Water
|
|
35
|
60
|
1.5
|
3.5
|
18
|
5, 10, 15
|
각 혼합 설비에서의 원료 혼합시간을 5, 10, 15분의 3수준 으로 설정하여 총 9수준에 대한 실험을 계획하였다. 원료 혼 합 비율은 기존 보수
모르타르 배합을 활용하였으며, 보수 모 르타르의 작업성 확보를 위해 분말형태의 유동화제와 경화 시 건조수축에 따른 균열 방지를 위해 팽창제를 각각
1.5%, 3.5% 혼입하였다.
2.2. 사용 재료
보수 모르타르의 제반 물성을 검토하기 위해 본 연구에서 사용한 각 재료의 물리․화학적 성질을 Tables 3∼5에 나타내 었다. 보수 모르타르 제작에 사용된 시멘트는 국내에서 유통 되는 S사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 잔골재는 인 천 옹진군에서 채취된
세척사의 5호사와 6호사를 혼합하여 이용하였다. 유동화제는 분말형태의 B사의 멜라민계 유동화 제, 팽창제는 D사의 CSA 팽창제를 이용하였다.Table 4
Table 3
Physical properties of cement
|
Specific gravity
|
Setting time(min)
|
Blaine(cm2/g)
|
Compressive strength(MPa)
|
|
Initial
|
Final
|
3 Days
|
7 Days
|
28 Days
|
|
3.15
|
220
|
300
|
3 510
|
39.6
|
47.3
|
59.7
|
Table 4
Physical properties of fine aggregate
|
Specimen
|
Density(g/cm3)
|
Fineness modulus
|
Absorption(%)
|
Unit mass(kg/m3)
|
Amount of passing 0.08mm sieve(%)
|
|
Sea sand (Incheon Ongjin-gun)
|
2.59
|
2.85
|
1.25
|
1 624
|
1.22
|
Table 5
Physical properties of agents
|
|
Type
|
Color
|
Density(g/cm3)
|
Main ingredient
|
|
|
Superplasticizer
|
Powder
|
White
|
0.8
|
Melamine base
|
|
Expansion agent
|
Powder
|
Grey
|
1.12
|
CSA
|
2.3. 실험 방법
2.3.1. 시험체 제작
보수 모르타르 시험체를 제작하기 위해 Table 2와 같이 사 전 혼합된 원료에 대해 물 18%를 첨가하여 비빔을 실시하고 보수 모르타르의 작업성을 평가하기 위하여 KS L 5105에 따 라 플로 시험을 실시하였다.
시험체는 KS L ISO 679에 따라 압축 및 휨강도 시험용 각주형 (40×40×160 mm)으로 제작하고, 제작 후 24시간 뒤에 탈형하여 소정의 재령까지 20 ± 3°C의
온도에서 습윤 양생을 실시하였다.
2.3.2. 응결 시험
보수 모르타르의 응결 특성을 평가하기 위하여 KS F 2763 관입저항침에 의한 콘크리트 보수재의 응결시간 측정방법에 준하여 측정하였다.
2.3.3. 압축강도 시험
원료 혼합 방법에 따른 보수 모르타르의 압축강도 특성을 평가하기 위하여 KS L ISO 679에 따라 재령 3일 및 7일의 압 축강도 시험을 실시하였다.
2.3.4. 휨강도 시험
원료 혼합 방법에 따른 보수 모르타르의 휨강도 특성을 평 가하기 위하여 KS L ISO 679에 따라 재령 3일 및 7일의 압축 강도 시험을 실시하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1. 보수 모르타르의 작업성
Fig. 1은 혼합 시간별 보수 모르타르의 플로 값을 나타낸 것 으로, 모든 혼합 시간에서 터뷸런트 믹서(Turbulent mixer, TM), 리본 믹서(Ribbon
mixer, RM), 무중력 믹서(Fluidized Zone Mixer, FM)의 순으로 플로 값이 높아지는 경향을 확인 할 수 있었다. 특히, 무중력
믹서가 다른 혼합 설비와 비교하 여 3∼15 mm 정도 플로 값이 높다는 점에서 상대적으로 원료 혼합이 잘 이루어진 것으로 판단된다.
Fig. 1
Flow values by mixing time
Fig. 2는 혼합 설비별 보수 모르타르의 플로 값을 나타내었 다. 터뷸런트 믹서는 혼합 시간이 10분일 때 플로 값이 약간 저하하나 15분에서는 플로 값이
증가하는 것을 알 수 있었으 며, 리본 믹서와 무중력 믹서는 혼합 시간이 10분일 때 가장 높은 플로 값을 보이고, 이후 플로 값이 감소됨을 확인할
수 있 었다. 이로부터 보수 모르타르의 원료를 충분히 혼합하기 위 해서는 터뷸런트 믹서의 경우 많은 혼합 시간이 필요하다고 사료되며, 리본 믹서와
무중력 믹서는 작업성을 고려한다면 혼 합 시간이 10분을 넘기지 않는 것이 바람직하다고 판단된다.
Fig. 2
Flow values by mixer type
3.2. 보수 모르타르의 응결 특성
Fig. 3은 혼합 시간별 보수 모르타르의 초결 시간을 나타낸 것으로, 터뷸런트 믹서를 제외한 혼합 설비에서 혼합 시간이 증가할수록 초결이 빨라지는 경향을 보였으며,
혼합시간 10 분과 15분에서는 초결 시간에 큰 변화가 없음을 확인할 수 있 었다.
Fig. 3
Initial setting time by mixing time
Fig. 4에 혼합 시간별 보수 모르타르의 종결 시간을 나타내 었다. 종결 시간 또한 초결 시간의 경우와 같이 터뷸런트 믹서 를 제외하고 혼합 시간이 증가할수록
종결 시간이 감소하는 경향을 나타내었다.
Fig. 4
Final setting time by mixing time
3.3. 보수 모르타르의 압축강도 특성
Fig. 5는 혼합 시간별 보수 모르타르의 압축강도 값을 나타 낸 것으로, 모든 혼합 시간 및 재령에서 리본 믹서, 터뷸런트 믹서, 무중력 믹서의 순으로 압축강도
값이 높아지는 경향을 확인할 수 있었다. 특히, 혼합 시간과 관계없이 무중력 믹서가 다른 혼합 설비와 비교하여 3일 재령에서 5.2∼6.8 MPa,
7일 재령에서 8.7∼10.9 MPa 정도 압축강도 값이 높다는 점은 보 수 모르타르 원료의 혼합이 상대적으로 잘 이루어짐에 기인 한 것으로 판단된다.
또한 리본 믹서 및 터뷸런트 믹서의 압축 강도 값이 무중력 믹서 대비 60∼70% 정도 수준에 지나지 않 는다는 점에서 혼합 설비에 따라 프리믹스
타입의 보수 모르 타르의 품질에도 큰 차이가 발생할 수 있다고 사료된다.
Fig. 5
Compressive strength by mixing time
Fig. 6은 혼합 설비별 보수 모르타르의 압축강도 값을 나타 내고 있다. 모든 혼합 설비 및 모든 재령에서 혼합 시간이 증가 할수록 압축강도 값도 증가하는
경향을 확인할 수 있었다. 또 한 모든 혼합 설비에서 혼합 시간을 10분에서 15분으로 증가 시켰을 때의 압축강도 값의 증가분이 혼합 시간을 5분에서
10 분으로 증가시킨 경우 보다 감소한다는 점에서 10분 이상 원 료를 혼합함으로써 얻을 수 있는 압축강도 증진 효과는 미미 하다고 판단된다.
Fig. 6
Compressive strength by mixer type
3.4. 보수 모르타르의 휨강도 특성
Fig. 7은 혼합 시간별 보수 모르타르의 휨강도 값을 나타낸 것으로, 모든 혼합 시간 및 재령에서 리본 믹서, 터뷸런트 믹 서, 무중력 믹서의 순으로 압축강도
값과 동일하게 휨강도 값 이 높아지는 경향을 확인하였다. 특히, 혼합 시간과 관계없이 무중력 믹서가 다른 혼합 설비와 비교하여 3일 재령에서 0.6∼
1.2 MPa, 7일 재령에서 1.3∼1.9 MPa 정도 휨강도 값이 높다 는 점을 확인할 수 있었다.
Fig. 7
Flexural strength by mixing time
Fig. 8은 혼합 설비별 보수 모르타르의 휨강도 값을 나타낸 것으로, 모든 혼합 설비 및 모든 재령에서 혼합 시간이 증가할 수록 휨강도 값도 증가하는 경향을
확인할 수 있었다. 특히 압 축강도 결과와 달리 모든 혼합 설비에서 혼합 시간을 10분에 서 15분으로 증가시켰을 때의 휨강도 값의 증가분이 혼합
시 간을 5분에서 10분으로 증가시킨 경우 보다 증가한다는 점에 서 10분 이상 원료를 혼합함으로써 얻을 수 있는 휨강도 증진 효과는 크다고 판단된다.
Fig. 8
Flexural strength by mixer type
4. 결 론
프리믹스 타입의 보수 모르타르의 원료 혼합 방법에 따른 성능을 확인하기 위하여 대표적인 혼합 설비와 혼합 시간을 기준으로 보수 모르타르의 작업성,
응결특성, 압축강도 및 휨 강도를 평가한 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
-
1) 모든 혼합 시간에서 보수 모르타르의 작업성은 터뷸런트 믹서, 리본 믹서, 무중력 믹서 순으로 좋아지는 것으로 나 타났으며, 리본 믹서 및 무중력 믹서는
혼합 시간이 10분 일 때 가장 높은 작업성을 보였다. 터뷸런트 믹서는 작업성 확보를 위해 많은 원료 혼합시간이 필요함을 확인하였다.
-
2) 보수 모르타르의 응결 특성은 터뷸런트 믹서를 제외한 혼 합 설비에서 혼합 시간이 증가할수록 초결 및 종결시간이 빨라지는 경향이 나타났으나, 터뷸런트
믹서는 혼합 시간 이 증가할수록 초결 및 종결 시간이 느려지는 것으로 나타 났다.
-
3) 보수 모르타르의 압축강도 값은 모든 혼합 시간 및 재령에 서 리본믹서, 터뷸런트 믹서, 무중력 믹서 순으로 높아지 는 경향이 나타났으며, 리본 믹서
및 터뷸런트 믹서의 압축 강도 값이 무중력 믹서 대비 60∼70% 정도 수준에 지나지 않았다. 또한 모든 혼합 설비에서 혼합 시간을 5분에서 10
분으로 증가시켰을 때 보다 10분에서 15분으로 증가시켰 을 때의 압축강도 증가분이 낮은 경향으로 나타났다.
-
4) 휨강도 값 또한 압축강도 값과 마찬가지로 모든 혼합 시간 및 재령에서 리본 믹서, 터뷸런트 믹서, 무중력 믹서의 순 으로 증가하였으나, 모든 혼합
설비에서 혼합 시간을 5분 에서 10분으로 증가시겼을 때 보다 10분에서 15분으로 증 가시켰을 때의 휨강도 증가분이 높은 경향으로 나타났다.
-
5) 프리믹스 타입 보수 모르타르의 제반 물성은 혼합 설비의 종류에 따라 차이가 있었으며, 그중 무중력 믹서가 상대적 으로 우수한 결과 값을 보임을 확인하였다.
또한 작업성 및 최적의 물성 확보를 위해서는 혼합 시간을 10분에서 15분 정도로 하는 것이 바람직함을 확인하였다.
감사의 글
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평 가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20151120100270).
References
(2013), Properties of Polymer Modified Mortars Using Re-dispersible Polymer Powders,
Journal of the Korea Institute of Building Construction, 13(3), 235-241.
(2016), Effect of Curing Temperature on Mechanical Properties of Polymer Mortar for
Urgent Repairing, Journal of the Korean Society of Safety, 31(5), 109-116.
(2011), Study on the High Speed Cement Blending Machine for the Production of High
Functional Concrete, Journal of the KIPS, 13(4), 43-47.
(2009), Physical Analysis of High Strength Concrete According to Mixing Methods of
Binders for Application Analysis of Pre-Mix Cement, Journal of the Korea Institute
of Building Construction, 9(5), 127-133.
(2012), Testing method for determining the stiffening time of products for the repair
of concrete structures by penetration
resistance
(2012), Testing method for compressive strength of hydraulic cement mortar
(2016), Methods of testing cements－Determination of strength
(2003), An Experimental Study on the Strength and Permeability Characteristics of
Repair Mortar, Journal of the KIIS, 18(4), 105-109.
(2006), Mortar properties obtained by dry premixing of cementitious materials and
sand in a spout-fluid bed mixer, Cement and Concrete Research, 36, 728-734.
(2003), Exploring the Effect of Dry Premixing of Sand and Cement on the Mechanical
Properties of Mortar, Cement and Concrete Research, 33, 255-264.
(2010), The Characteristics of Ultra-High-Strenght Concrete by Mixing Method of Pre-Mix
Cement, Proceedings of Korea Concrete Institute Korea, 173-174.
(2006), Effect of Silica Fume in Properties of Polymer Cement Mortar for Concrete
Repair, Proceedings of Korea Concrete Institute Korea, 617-620.
(1964), Studies on Performance of Compulsory and Conventional Mixers and on Test
Methods of Mixer Performance, Report of Port and Harbour Technical Research, 3(4),
1-40.