2.1. 실험계획

본 연구는 저온환경에서 경화가 가능한 알루미나시멘트 및 아질산염을 사용한 보수용 시멘트 모르타르의 기초성능을 평 가하고자 하였다. 이를 위해 국내 건설현장에서 사용는 보수 용 모르타르를 선정하였으며, 이를 대상으로 배합비율에 대 한 알루미나시멘트, 아질산염을 치환하여 혼입량 조절에 따 른 실험평가를 실시하였다. 보수용 모르타르를 대상으로 알 루미나시멘트 및 아질산염을 치환하여 배합비율에 따른 실험 계획을 Table 1에 나타내었다. 물-모르타르비(W/M)는 보수 모르타르의 적정사용비율에 따라 17%로 설정하였으며, 본 연구에 앞서 사전실험을 통해 알루미나시멘트 및 아질산염을 시멘트에 혼입하여 사용할 경우 시멘트의 급결발생 및 작업 성이 저하하는 현상이 나타났으며, 이를 개선하기 위해 지연 제로서 무수구연산을 모르타르 대비 0.04%로 설정하였다.

2.2. 사용재료

2.2.2. 알루미나시멘트

알루미나시멘트는 국외 K사에서 개발된 탄산칼슘 및 산화 알루미늄, 수산화 알루미늄 분말이 가열되는 공정에서 제조 되어 C₁₂A₇계로 구성된 형태의 제품을 선정하였다. C₁₂A₇의 경우 CA계로 구성된 알루미나시멘트 대비 높은 반응성을 나 타내며 수화열이 높고 수화반응속도가 매우 빠른 특징이 있 다. 초기의 급격한 수화반응은 건조수축현상을 유발하며 이 후 장기간에 걸쳐 지속적으로 수축되어 내구성이 악화될 수 있다. 이에 대하여 기존 연구사례에서 석고 및 슬래그를 사용 할 경우 수화반응 속도를 조절하고 팽창정도를 제어하는데 효과가 있는 것으로 조사되었다(^{Onder 2006}). 이에 본 연구에 서는 알루미나시멘트 제조사의 협조를 통해 수화열의 발생은 높으며 초기반응성 및 팽창성능이 조절된 알루미나시멘트, 석고 및 슬래그가 일정비율로 혼입된 형태의 제품(이하 CAC/ S/G)을 사용하였다. Fig. 1은 XRD 분석에 의한 실험결과이며 Table 5는 XRF 실험에 의한 CAC/S/G의 화학적 성분분석 결 과를 나타낸 것이다.

Table 5

Chemical composition of aluminate cement

Materials	Chemical composition(%)
Aluminate Cement (CAC/S/G1))	SiO2: 2.15, Al2O3: 15.91, Fe2O3: 0.63, CaO: 53.36, MgO: 0.24, SO3: 26.26

1) CAC/S/G : Calcium aluminate cement + slag, gypsum

Fig. 1

XRD analyse result of CAC/S/G

2.3. 실험방법

본 연구에서는 기존 보수용 모르타르 제품에 알루미나시멘 트 및 아질산염을 혼입하여 저온환경에서 시공할 경우 보수 용 모르타르의 시공성, 굳기 전 특성 및 역학적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위한 시험을 수행하였다. Table 7에 측정항 목에 대한 실험방법을 나타내었다. 시험체는 실험실의 온도 를 5±2°C로 설정하여 KS F 4042(콘크리트 구조물 보수용 폴 리머 시멘트 모르타르) 의 규정에 따라 제작하였으며, 굳기 전 모르타르 수준에서 플로우, 응결시간을 측정하였다. 시험체 의 양생은 -5°C로 설정된 항온항습기를 사용하였으며 스트레 인게이지, 데이터로거를 이용하여 길이변화를 측정하였고 3일, 7일, 28일에 대한 압축강도, 휨 및 부착강도를 측정하였다. 보 수용 모르타르의 화학저항성을 평가하기 위해 KS F 4042의 품질기준 내용 중 내알칼리성 시험방법과 ASTM C 1012(Standard Test Method for Length Change of Hydraulic-Cement Mortars Exposed to a Sulfate Solution)의 내산성 시험방법을 참조하여 -5°C의 온도에서 28일동안 양생된 시험체를 포화 수산화칼슘 수용액과 황산나트륨 10% 수용액에 28일간 침지 하여 압축강도를 평가하였다. 동결융해 저항성을 평가하기 위해 -5°C의 온도에서 28일동안 양생된 시험체를 KS F 2472 (콘크리트 보수, 보호재의 기건 동결융해 시험방법)의 규정에 의거하여 Fig. 2에서 표시된 것과 같이 20°C에서 -25°C까지 냉각하고 55°C까지 온도를 상승시켜 6시간을 1사이클로 설 정하여 총 30회 반복하여 시험하였으며, 사이클 완료 후 7일 간 표준상태에서 양생한 뒤 부착강도를 측정하였다. 또한 국 내 동절기 외기환경에서 작업성 및 수축거동에 의한 표면상 태를 검토하기 위해 Fig. 3과 같은 외부 구조물에 미장용 흙손 을 이용하여 300×300 mm의 넓이에 10±2 mm의 두께로 1월에 시공하였으며 5개월간 시험체별 표면과 시공된 부착면의 상 태를 관찰하였다.

Fig. 2

Freezing-thawing temperature cycle

Fig. 3

Constructed section of repair mortar

3.1. 플로우 및 응결시간

보수용 모르타르에 알루미나시멘트 및 아질산염을 혼입하 여 작업성에 대한 평가를 플로우와 응결시간 측정실험을 통 해 검토하였으며, 측정된 결과는 Table 8과 같다.

플로우 측정결과, Plain은 180 mm이며, 아질산염 대비 알 루미나시멘트 함량이 증가할수록 플로우값은 감소하였다. 알 루미나시멘트가 7.5% 치환된 AC의 경우 165 mm로 측정되었 고 아질산염이 7.5% 치환된 N의 경우 Plain 대비 유동성이 증 가하여 190 mm로 나타났다. 이는 알루미나시멘트와 물이 빠 르게 수화반응에 참여하여 수화물을 생성시키는 것으로 추정 되며, 아질산염의 경우 알루미나시멘트 대비 용해도가 높으 며 수화반응 초기에 자유수의 비율이 증가되기 때문에 플로 우가 증가하는 것으로 추정된다. 알루미나시멘트와 아질산염 이 동일한 비율로 혼입된 ACN-1:1의 경우 Plain과 플로우가 유사하였으며, 알루미나시멘트와 아질산염을 함께 치환할 경 우 플로우에 미치는 영향이 크지 않은 것으로 나타났다.

응결시간 측정결과, Plain은 초결 8시간30분, 종결은 9시간 이었으며 아질산염 대비 알루미나시멘트의 함량이 증가할수 록 응결시간이 단축되는 것으로 나타났다. 알루미나시멘트가 7.5% 사용된 AC의 경우 초결과 종결이 각각 50분, 30분만큼 단축되었고, 아질산염이 7.5% 사용된 N의 경우 Plain과 큰 차 이가 없는 것으로 나타났다. 이는 알루미나시멘트와 석고, 물 이 반응하여 에트링자이트가 생성되어 초결을 단축시키고 이 때 생성된 에트링자이트가 모노설페이트로 변하는 시간이 증 가됨에 따라 초결에서 종결까지의 시간 차이가 증가된 것으 로 추정된다. 아질산염의 경우 모르타르 시험체 전체에 대한 아질산염이 치환된 만큼 시멘트 함량이 감소되어 응결시간이 지연되었고 아질산염이 시멘트의 수화반응을 촉진시킨 효과 의 정도가 유사하여 응결시간의 차이가 미비한 것으로 판단 된다.

3.2. 길이변화

길이변화 측정용 보수용 모르타르 시편은 -5°C의 항온항습 기에서 스트레인게이지 및 데이터로거를 이용하여 측정하였 으며 3일간 몰드 내에서 구속된 형태로 측정되었고 3일 이후 몰드를 탈형한 형태로 측정되었다. 알루미나시멘트 및 아질 산염의 함량에 따른 모르타르의 수축형태를 조사한 길이변화 측정결과를 Fig. 4에 나타내었다. 길이변화 측정결과, 전반적 으로 1일 동안 응결되는 과정에서 급격한 수축현상이 나타난 뒤 1일 전후로 팽창하였으며 몰드에서 탈형한 3일 이후부터 는 지속적으로 수축하는 것으로 나타났다. 이는 초기 응결단 계에서 혼합수의 증발과 시멘트의 경화반응으로 인해 수축현 상이 급격하게 진행되었으며, 일정수준 경화가 진행된 이후 에트링자이트가 생성되며 일시적으로 모르타르가 팽창한 것 으로 판단된다. 시멘트의 응결과정에서 Plain의 경우 수축 및 팽창하는 정도가 초기에는 완만하였으나 3일 이후부터 수축 거동이 가장 크게 증가하였다. 아질산염 대비 알루미나시멘 트의 함량이 증가할수록 3일 이후부터 수축하는 정도가 감소 하였다. 이는 저온상태에서 수화반응이 지연됨에 따라 알루 미나시멘트가 사용될 경우 저온상태에서도 수화반응이 진행 됨과 동시에 에트링자이트의 생성과 모노설페이트의 변환과 석고의 팽창현상이 발생되어 수축보상현상이 나타난 것으로 추정된다. 알루미나시멘트가 7.5% 사용된 AC의 수축현상이 가장 완만한 것으로 나타났으며, 이는 상대적으로 에트링자 이트 생성량이 높은 것을 의미한다. Al2O₃와 석고의 함량이 클수록 에트링자이트의 생성이 활발하고, 생성된 에트링자이 트의 팽창성에 의해 수축보상의 효과를 나타낸다(^{Jeong et al., 2002}). 아질산염을 7.5% 치환한 N의 경우 7일까지 수축현상 이 가장 작게 나타났으나, 7일 이후 수축현상이 증가하여 28 일 전후로는 알루미나시멘트와 아질산염을 함께 혼입한 시험 체와 유사한 수축거동을 나타내었다. 이는 알루미나시멘트를 사용한 시험체 대비 시멘트의 양이 작아서 초기에는 수축현 상이 작게 나타났으나 장기재령에서는 수화가 진행됨에 따라 수분손실로 인한 공극량의 증가하였으며 이로 인해 수축정도 가 증가한 것으로 판단된다.

Fig. 4

Dimensional variation of repair mortar

3.3. 압축강도

압축강도 측정용 모르타르 시편을 28일간 -5°C의 항온항습 기에서 양생한 뒤 탈형 후 6시간동안 상온에서 해빙한 뒤 측 정하였다. 알루미나시멘트와 아질산염을 사용한 보수용 모르 타르의 압축강도 측정결과를 Fig. 5에 나타내었다. 아질산염 대비 알루미나시멘트의 함량이 증가할수록 3일, 7일강도가 증진되었고, 28일 강도는 큰 차이가 없었다. 아질산염을 7.5% 치환한 N의 경우 3일, 7일 강도가 증진되었으나, 28일 강도는 저하되었다. 이는 알루미나시멘트와 아질산염이 초기 시멘트 의 수화반응을 촉진시켜 3일, 7일 압축강도가 증진되었으며, 28일에서는 아질산염의 경우 초기에 수화반응이 집중된 요인 과 상대적으로 시멘트의 함량이 부족하여 강도발현이 저하된 것으로 추정된다. 알루미나시멘트의 경우 석고의 팽창으로 인하여 수밀성이 증대되어 강도발현이 저하되는 것을 방지한 것으로 판단된다. 전반적으로 알루미나시멘트와 아질산염을 함께 사용할 경우 알루미나시멘트와 아질산염을 단독으로 사 용한 시험체 대비 강도발현이 우수하였으며, 특히 알루미나 시멘트와 아질산염의 함량비가 2:1인 시험체의 경우 3일, 7일, 28일 강도가 모두 증가하는 것으로 나타났다. 이는 앞서 알루 미나시멘트만 단독으로 사용된 시험체의 경우 석고의 과도한 팽창으로 28일강도가 저하되었으나 아질산염과 알루미나시 멘트를 함께 치환할 경우 석고의 과도한 팽창이 발생되는 것 을 방지하여 28일에서도 강도가 증진된 것으로 추정된다.

Fig. 5

Compressive strength of repair mortar

3.4. 휨강도 및 부착강도

휨강도, 부착강도 측정용 모르타르 시편은 28일간 -5°C의 항온항습기에서 양생한 뒤 탈형 후 6시간동안 상온에서 해빙 한 뒤 측정하였다. 알루미나시멘트와 아질산염을 사용한 보 수용 모르타르의 휨강도 및 부착강도 측정결과를 Fig. 6에 나 타내었으며 전반적으로 휨강도와 부착강도의 경향이 서로 유 사하게 나타났다. Plain 시험체의 휨강도는 5.7 MPa, 부착강 도는 1.25 MPa로 나타났다. 아질산염 대비 알루미나시멘트의 함량이 증가할수록 휨강도와 부착강도가 소폭 증가하였으며 아질산염의 함량이 증가할수록 강도가 저하되는 것으로 나타 났다. 특히 아질산염을 7.5% 치환한 N의 경우 휨강도와 부착 강도가 Plain보다 저하되었다. 이는 알루미나시멘트와 아질 산염이 저온환경에서 초기 시멘트 수화반응을 촉진시켜 동결 피해를 입기 전에 일정수준 이상의 강도가 발현되었고 이를 통해 휨강도 및 부착강도가 증진된 것으로 판단된다.

Fig. 6

Flexural strength and adhesive strength of repair mortar

3.5. 화학저항성

화학저항성 측정용 모르타르 시편을 28일간 -5°C의 항온항 습기에서 양생한 뒤 탈형 후 6시간동안 상온에서 해빙하였고, 이를 포화 수산화칼슘 수용액과 황산나트륨 10% 수용액에 28 일간 침지하여 압축강도를 평가하였다. Fig. 7은 시험체별 화 학저항성 시험결과이다. Plain은 수산화칼슘에 침지하여 강 도저하가 크지 않았지만 황산나트륨 10%에 침지한 시편은 5 MPa만큼 강도저하가 나타났다. 아질산염 대비 알루미나시멘 트의 함량이 증가할수록 황산나트륨에서 강도저하가 감소하 였으며 수산화칼슘에서는 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 특히, 알루미나시멘트를 7.5% 치환한 AC의 경우 강도저하가 거의 없는 것으로 나타났으며, 아질산염을 7.5% 치환한 N의 경우 강도저하가 증가되었다. 알루미나시멘트의 수화생성물 인 C₁₂A₇은 OPC의 수화물보다 중성에 가까우며 산에 대한 내 구성이 우수한 것으로 알려져 있으며, 알루미나 겔이 치밀하 게 생성되어 수산화칼슘 및 황산염의 침투가 어려워지고 경 화체 자체의 강도가 증진되어 산과 알칼리에 대한 내구성이 증가한 것으로 판단된다(^{Onder 2006}).

Fig. 7

Chemical resistance of repair mortar

3.6. 동결융해 저항성

동결융해저항성 측정용 모르타르 시편을 28일간 -5°C의 항 온항습기에서 양생한 뒤 6시간동안 상온에서 해빙하였고, 이 를 -25°C에서 55°C까지 6시간 사이클로 30회만큼 동결융해 하였고, 이에 대한 부착강도를 평가하였다. Fig. 8은 시험체별 동결융해 부착강도 시험결과이다. 동결융해 시험결과, Plain 은 강도가 0.1 MPa 저하되었으며 알루미나시멘트를 7.5% 치 환한 AC의 경우 강도저하가 거의 없었으며, 아질산염을 7.5% 치환한 N의 경우 강도가 0.2 MPa 저하되었다. 알루미나시멘 트와 아질산염을 2:1, 1:1의 비율로 치환할 경우 강도저하가 감소하였으며 알루미나시멘트의 함량이 아질산염보다 많을 경우 동결융해조건에 대한 부착강도 저하가 감소하는 것으로 판단된다. 부착강도는 시멘트와 폴리머의 특성에 영향을 크 게 받으며, 이는 알루미나시멘트의 사용에 따라 저온환경에 서 초기수화반응 및 수화열발생으로 인해 시멘트와 폴리머의 결합반응이 향상되어 부착강도가 증진된 것으로 추정된다.

Fig. 8

Freezing-thawing resistance of repair mortar

3.7. 현장 적용성

알루미나시멘트와 아질산염을 함께 사용하여 작업성 및 기 초물성이 향상됨을 확인하였으며, 이를 바탕으로 동절기 외 부 구조물에 보수용 모르타르를 시공하였으며 5개월 뒤 시험 체의 표면상태와 부착상태를 관찰하였다. 보수용 모르타르 시공 표면과 부착면의 모습을 Photo 1에 나타내었다. 시공당 일 온도는 약 5°C이며 별도의 보온양생을 적용하지 않고 외기 에 노출된 상태에서 양생하였으며 시험시공지역의 5개월간 날씨정보를 Fig. 9에 나타내었다. 모르타르의 표면상태는 아 질산염의 함유량이 늘어날 경우 표면에 흰색형상의 결정이 석출되는 정도가 증가하는 것으로 나타났다. 알루미나시멘트 와 아질산염을 2:1, 1:1로 치환하여 시공된 시편은 구조체에 부착된 상태로 유지되었으며 모르타르와 바닥면과의 공간이 1 mm 이내로 나타났다. 알루미나시멘트와 아질산염이 1:2로 치환한 시편과 Plain의 모르타르 시편은 바닥면에서 1∼2 mm 탈 락된 것이 확인되었다. 모르타르의 탈락현상은 시멘트의 경 화과정에서 자기수축으로 인해 부착면에서 탈락된 것으로 판 단되며 알루미나시멘트 함량이 증가할수록 수축보상현상이 증가하여 탈락현상이 감소한 것으로 분석된다.

Fig. 9

Temperature history of repair mortar constructed site

Photo 1

Constructed repair mortar