3.1. 실험 계획

금속피막 기법을 콘크리트 표면에 적용시키기 위해서는 콘 크리트와 용사 금속간의 부착성능 확보가 중요한 인자 중 하 나이다. 일반적으로 강재표면에 금속용사피막을시공하는 경 우에는 부착성능을 향상시키기 위하여 샌딩 처리나 부착 증 강제를 도포하여 표면에 앵커를 만든 후 금속용사를 실시하 게 된다. 그러나, 콘크리트 표면에 금속용사를 실시하는 경우 에는 콘크리트 표면상태 및 콘크리트의 함수율에 따라 금속 용사피막의 부착성능이 달라질 것으로 예상된다. Table 4에 실험 인자 및 수준을, Table 5에 콘크리트 함수상태와 표면 처 리방법에 따른 실험체명을 나타낸다. 콘크리트 함수상태에 따른 부착성능을 평가하기 위하여 콘크리트 시편을 용사 전 후 로 나누어 기건상태(함수율 2.5~3.0%), 절건상태, 포수상 태로 유지하였다. 콘크리트 강도 및 용사금속종류 및 두께는 각각 21(MPa), SUS316L, 200 μm로 동일하게 하였다.

3.2. 사용 재료

Table 6는 하지 콘크리트의 배합사항을 나타낸다. 하지 콘 크리트의 강도는 21 MPa를 사용하였으며, 용사 금속으로는 내식성, 내약품성이 우수한 재료로 알려진 SUS316L(선재직 경:∅ 1.6, 융점:1400°C, 비중:7.98, 색:흑색)을 사용하여 실험 을 진행하였다. 또한, 금속피막의 색을 달리하기 위하여 ∅ 1.6의 청동, 황동, 아연 선재를 사용하였다.

3.3. 실험 방법

Fig. 2와 같이 300 mm×300 mm×50 mm의 하지 콘크리트판 을 샌딩 처리 하여 침투성 표면강화제를 도포한 후 24시간 동 안 양생한 후 조면형성제를 도포하고 다시 24시간 동안 양생 을 실시한 후 콘크리트 표면에 금속용사 피막을 시공하였으 며, 금속피막을 연마 및 봉공처리를 실시하였다. 또한, 용사 전 포수상태의 시편은 24시간 동안 수중 양생 후 표면의 물기 를 제거한 즉시 금속용사를 실시하였으며, 용사 후 포수상태 는 수중에 24시간 동안 침적시켜 제작하였다. 한편, 용사 전 절건상태의 시편은 105°C 건조로에서 24시간 동안 건조 후 금속용사를 실시하였으며, 용사 후 절건상태의 시편도 동일 한 조건의 건조로에서 24시간 동안 건조하여 제작하였다.

Fig. 2

Specimen Production Process

표면처리 방법에 따른 콘크리트와 금속피막의 부착성능 평 가는 KS F 4716에 준하여 실시하였다. Fig. 3과 같은 방법으로 면처리 된 실험체 위에 40×40 (mm) 정사각형의 인장부착용 어태치먼트를 에폭시 접착제를 사용하여 접착시켰다. 24시간 이후 어태치먼트 주위를 콘크리트 표면까지 절단하여 인장부 착시험기에 의해 최대하중을 측정 후 식 (1)을 이용해 8개의 평균값으로 하였다.

Fig. 3

Outline of Bond Strength Experiment

여기서,

4.1. 콘크리트에 시공된 금속피막의 색변화

Photo 2에 콘크리트에 시공된 금속피막의 종류를 나타내 며, 왼쪽부터 청동은 갈색, 황동은 금색, 아연은 연회색을 나 타내고 있으며, 용사 전후의 금속색의 변화는 없으며, 금속 종 류에 따라 다양한 금속피막을 형성할 수 있었다.

Photo 2

Colours of the Metal Finishing

4.2. 콘크리트 함수상태에 따른 금속피막의 부착성능

금속용사 공법을 콘크리트 표면에 적용시키기 위해서는 콘 크리트와 용사금속간의 부착성능 확보가 중요한 인자 중 하 나이다. Table 7에 전기식 아크 금속용사 기법에 의해 제작된 금속 피막의 면처리 방법 및 콘크리트 함수상태에 따른 부착 강도 실험 결과를 종합하여 나타낸다.

용사전에 콘크리트를 절건상태로 하여 금속용사를 실시하 고 금속표면을 봉공처리 한 B-Od-S의 경우가 약 3.52 MPa로 가장 우수한 부착성능을 보였다. 또한, 전체적으로 표면연마 를 한 경우가 봉공처리를 한 경우에 비해 약 12%의 강도 저하 가 나타나는 경향을 보였다. 이러한 이유는 봉공제가 콘크리 트 표면에 얇은 막을 형성해 콘크리트와 금속피막 사이에서 서로 인장력을 증가시켜 부착성능이 증진한 것으로 판단된 다. 따라서, 콘크리트 표면에 도포된 용사금속의 표면처리 방 법이 콘크리트와 용사금속 간에 부착성능에 큰 영향을 미치 는 것으로 나타났으며, 금속피막의 봉공처리가 부착성능을 향상시키는 유효한 것을 알 수 있다.

한편, 금속용사 전 콘크리트 함수율에 따른 부착강도 시험 결과를 Fig. 4에 나타낸다. 콘크리트의 절건상태 부착강도가 약 3.52 MPa로 가장 우수한 부착성능이 나타났으며, 포수상 태의 부착성능은 절건상태에 비해 약 52%의 강도 저하가 나 타났으며, B-Ws-S의 경우가 모든 실험에 비해서 0.96 MPa로 가장 낮은 부착성능이 나타났다. 이러한 이유는 콘크리트 내 에 수분이 시간이 지남에 따라 표면으로 올라와 용사금속과 의 부착성능에 악 영향을 미치는 것으로 판단된다. 따라서, 용 사 전 콘크리트의 함수상태는 부착성능에 매우 영향을 미치 는 것으로 판단되며 시공시에 콘크리트 함수상태를 파악하는 것이 금속피막 의장성을 확보하는데 매우 중요한 것으로 판 단된다.

Fig. 4

Bond Strength according to Water Content of Concrete before Spraying

또한, Fig. 5에 금속피막 형성 후, 콘크리트 함수상태에 따 른 부착성능을 나타낸다. 금속용사 전 콘크리트 함수율에 따 른 부착강도 결과와 비슷한 경향이 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서, 금속용사피막과 콘크리트의 부착강도는 콘 크리트 함수상태의 영향을 크게 받지만, 일단 금속용사 피막 이 형성된 후에는 부착강도 변화가 크지 않은 것을 알 수 있어, 금속피막 형성시의 콘크리트 함수율 관리가 매우 중요할 것 으로 판단되며, 기건 상태의 함수율이 보통 10% 이하인 점을 고려하면 적정 콘크리트 함수율은 10% 이하로 관리하는 것이 바람직하다고 판단된다.

Fig. 5

Bond Strength according to Water Content of Concrete after Spraying

4.3. 콘크리트 함수상태에 따른 금속피막의 부착파괴 형상

Fig. 6에 콘크리트의 함수상태에 따른 콘크리트와 금속피 막의 부착파괴 형상을 나타낸다. 일반적으로 마감재와 콘크 리트의 부착강도 기준은 2.5 MPa를 기준으로 하고 있으며, 절 건 상태 및 기건상태의 콘크리트에 시공된 금속피막은 이러 한 기준을 전부 초과하여 나타나고 있다. 또한, 마감재의 부착 강도 기준을 넘는 실험체는 콘크리트를 물고 떨어지는 비계 면 파괴가 일어났으며, 부착강도 기준을 넘지 않는 콘크리트 포수상태의 실험체에서는 금속피막과 조면형성제 면에서 떨 어지는 계면 파괴가 일어나는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 용사 전·후의 함수상태에 관계없이 마감재의 부착강도 기준 을 확보하기 위해서는 콘크리트를 기건상태 또는 절건상태로 관리한 후에 금속용사 피막을 형성하는 것이 중요하다고 판 단된다.

Fig. 6

Bond Failure modes

4.4. 콘크리트 및 금속피막의 SEM 분석

본 실험결과, 금속피막과 콘크리트의 부착파괴는 콘크리트 면에서 발생하기 때문에 콘크리트 표면을 강화하기 위하여 실시한 표면강화제 도포효과를 시각적으로 확인하기 위하여 2000 배율로 SEM 분석을 실시하였다. 또한, 금속피막의 봉공 을 메우기 위한 봉공처리의 효과를 확인하기 위하여 100 배율 로 SEM 분석을 실시하였다.

Fig. 7은 표면강화제 도포에 따른 콘크리트 단면의 SEM 분 석 사진으로 침투성 표면강화제를 도포한 경우 일반 콘크리 트 및 에폭시 표면강화제를 도포한 실험체 보다 더 치밀한 조 직을 형성하여 부착강도 증진 효과가 나타난 것으로 판단된 다. 또한, Fig. 8은 봉공처리의 유무에 따른 콘크리트의 단면 의 SEM 관찰결과를 나타낸다. 봉공처리의 경우, Fig. 8(a)와 같이 실험체 표면을 봉공제가 코팅한 것을 확인 할 수 있었다. 따라서, 봉공처리제가 금속피막의 봉공을 메꾸고 콘크리트로 침투되어 부착강도가 향상된 것으로 판단된다.

Fig. 7

SEM analysis result of surface hardener(× 2000)

Fig. 8

SEM analysis result(× 100)