2.1 에폭시 수지계 방수·방식재를 이용한 공법

에폭시 수지계 방수 ·방식재는 주요 구성 원료에 따라 무용 제계, 수계, 용제계로 구분된다(^{Chung 2006}). 용제계의 경우 시공이 용이하다는 장점이 있지만, 밀폐된 시공환경에서 시 공자가 휘발성 가스에 의한 중독사고에 노출될 수 있고, 하자 발생의 우려가 있다. 이러한 이유로 콘크리트 수조의 방수 ·방 식재로 에폭시 수지 모르타르나 폴리머시멘트 모르타르 등의 바탕조정 과정을 거친 후 수계 또는 무용제계 에폭시수지 도 료를 사용한 시공법이 사용 되고 있다. 국내 상하수도 콘크리 트 구조물에 에폭시 수지 도료를 사용하는 경우 바탕조정과 정에서 에폭시 프라이머, 에폭시 수지 모르타르를 사용하고 있다. 그러나 프라이머층에 합성고무라텍스나 아크릴에멀젼 을 도포했을 때 외부수압이 세면 방수층이 탈락하게 되고, 바 탕조정재층에 폴리머 시멘트 모르타르 시공시 에폭시수지 도 료와 상용성이 부족하여 바탕조정재층과 도료의 일체화가 어 려워 박리, 박락등의 하자가 발생한다. 또한 고도정수처리 시 설에서 오존에 강력한 산화력에 인해 내부에서 하자가 발생 하며, 이로 인한 수질의 오염 및 콘크리트의 내구성을 저하시 킨다(^{Chung 2006}). Fig. 1은 에폭시 수지계 도막 공법의 개요 및 하자 사례를 나타낸다.

Fig. 1

Outline of membrane method and deterioration case

2.2 스테인리스 페널 공법

SUS316L, SUS304 등의 내화학성이 뛰어난 재료를 주재료 로 하는 스테인레스 패널을 제작하여 콘크리트 벽체에 라이닝 하는 스테인리스 패널 공법은 현재 일부 수처리시설에서 적용 되고 있다. 스테인레스 패널 공법은 내화학성 및 내약품성 등 이 매우 뛰어나지만 콘크리트 구조체와의 부착성능 및 조인트 부분의 용접한계성으로 인한 숙련된 기술이 필요하며, 패널의 수축율이 구체콘크리트와 상이해 박리, 박락 현상을 발생시킨 다. 또한, 용접부의 부식문제, 들뜸으로 인한 결로가 발생되어 구체의 중성화부식 및 침식을 발생시키고, 초기 막대한 시공비 용에 비해 유지관리 및 차기 보수시 구도막의 완전제거 및 재 시공함으로 인한 폐기물 및 시공비가 이중으로 발생하게 된다. Fig.2는 스테인레스 패널 공법의 개요를 나타낸다.

Fig. 2

Outline of Stainless panel method and deterioration case

2.3 금속용사 공법

아크식 용사 기술은 용융한 금속에 압착공기를 내뿜는 용 사건의 노즐이 원형의 슬릿트로 되어있고, 용융 금속의 액체 상태의 아크점에서 생성되어 노즐로부터 분출된 아크점을 둘러싸고 있는 원추상 수속기류에 빨려 들어가 분쇄되어 분 산 냉각되면서 용사대상에 분사돼 급냉 되기 때문에 바탕에 대해서 열에 대한 영향이 적어 종이나 목재에도 금속용사피 막을 형성시키는 것이 가능한 시공기술이다(^{Choe et al.,2014}). 본 연구에서는 스테인레스 패널 공법의 장점인 내 오존성 금속 패널을 손쉽게 제작할 수 있는 방법으로 아크식 금속용사 공법을 적용하였다. Fig.3 은 아크금속용 공법의 개 요를 나타낸다.

Fig. 3

Arc thermal metal spraying method

3.1 실험 개요

Table 1은 본 연구의 실험 개요 및 실험인자를 나타낸다. 금 속용사 공법을 수처리용 콘크리트 구조물에 마감공법으로 적 용하기 위한 기초적 연구로써, 용사금속으로는 기존에 스테 인리스 패널 공법에 적용되는 SUS316L과 내부식성이 뛰어 난 Ti을 적용하였으며, 용사 피막의 표면처리 방법으로는 무 처리, 표면 연마, 에폭시계 봉공처리제를 도포한 봉공처리 (A), 테프론계 봉공처리제를 도포한 봉공처리(B)로하여 오존 처리 후의 표면처리 방법에 따른 부착성능을 확인하였다. Substrate는 일반적으로 적용되는 24MPa의 콘크리트를 사용 하였으며, 용사피막의 두께는 시공 시 평균 두께인 약 200㎛ 를 적용하였다.

Table 1

Experimental factor & Measure catalog

3.2 오존처리 방법

오존처리 방법은 한국상하수도협회에서 규정한 SPS KWWA M211에 의거하여 진행하였다. 수중과 기중을 동시 에 폭로할 수 있는 오존시험장치를 이용하여 오존수 내의 용 존 오존 농도는 10±1ppm으로 유지하며, 챔버의 온도는 20± 2℃ 3시간, 40±2℃ 3시간, 이행시간 1시간으로 총 8시간을 1 사이클로 하여 84회 반복하였다. 또한 오존수의 수위 역시 동 시에 1시간 만수위 1시간 저수위로 하며 사이클 반복은 Fig. 4 와 같이 하여 8시간을 1사이클로 하여 84회 반복한 다음 시험 체를 흐르는 깨끗한 물로 세척하여 실험을 진행하였다.

Fig. 4

Cyclic condition of ozone treatment (Ozone concentration: 10±1 ppm)

3.3 시험체 제작

시험체는 각각의 크기 별로 24MPa의 콘크리트를 제작하여 Fig. 5와 같이 제작하였다. 준비된 콘크리트 위에 콘크리트와 용사피막의 부착력 확보를 위해 콘크리트 표면의 바탕처리를 샌드블라스트 하였으며, 샌드블라스트 처리 후 콘크리트 표 면의 인장강도를 높이기 위하여 침투성표면강화제를 도포하 였다. 이 후 조도를 높이기 위한 방법으로 조면형성제를 도포 하였다. 이 후 각각의 표면처리를 다르게 하여 제작하였다.

Fig. 5

Specimen production process

3.4 실험 방법

3.4.3 오존처리 후 부착성능 평가

표면처리 방법에 따른 부착성능 평가는 KS F 4716에 준하 여 실시하였다. Fig. 6과 같은 방법으로 표면처리 된 시험체 위에 40*40(mm) 정사각형의 인장 부착용 어태치먼트를 에 폭시 접착제를 사용하여 접착시킨다. 24시간 이후 어태치먼 트 주위를 콘크리트 표면까지 절단하여 인장부착시험에 의 해 최대하중을 측정 후 다음 식 (2)를 이용해 산출 후 9개의 평 균 값을 부착강도로 하였으며, 부착 파괴 거동을 육안으로 확 인하였다.

Fig. 6

Outline of the bond strength test.

(2)

asad ( N / m m 2 ) = T A

여기서, T는 최대인장하중(N), A는 어태치먼트 면적 (1600mm2)이다.

4.1 용사금속 종류 및 표면처리 방법에 따른 오존처리 후 겉모양 평가

Table 2는 용사금속 종류 및 표면처리 방법에 따른 오존처 리 후의 겉모양 평가 결과를 나타낸다. 시험결과 용사금속 Ti 을 적용한 경우 표면처리 방법에 관계없이 육안상 백아화, 균 열, 녹, 부풀음, 핀홀, 박리, 패임 등 열화가 관측되지 않았다. 그러나 용사금속 SUS316L을 적용한 경우 봉공(B)를 제외하 고 모든 실험체에서 녹, 부풀음, 핀홀 등 열화 발생이 관측되 었다. 이는 Fig. 4와 같이 SUS316L의 경우 용사에 의해 고온 으로 열처리하게 되면 Fig. 7과 같이 Fe-Ni-Cr의 연결 구조가 파괴되어 Fe 성분이 용사 표면 위에 다량으로 표출되어 그 철이 오존에 의해 열화 된 것으로 판단된다(Lai et al., 1983). 이를 확인하기 위해 SEM-EDAX를 이용하여 확인한 결과 Table 3과 같은 결과를 확인 할 수 있었다. Table 3에서 일반 적인 SUS316L 패널의 경우 Fe의 함량비가 32.26%인 경우 에 비해 용사를 한 SUS316L의 표면의 Fe 함량비는 64.44% 로 약 두 배 가량 높게 측정되었다. 또한 Ni, Cr의 함량비가 기존 SUS316L 패널에 비해 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 이유로 기존 공법에서 용접부위의 부식이 문제가 되 는 것으로 판단된다. 이에 비해 용사금속 Ti의 경우 용사를 하기 전과 용사 후의 성분의 변화가 없으며 따라서 용사 후 에도 Ti 자체의 내오존성능을 유지 할 수 있었던 것으로 판단 된다. 또한 봉공A에 도포된 에폭시계 봉공처리제는 기존의 내오존도료와 마찬가지로 오존에 의해 모두 열화 되어 표면 을 보호하는 코팅이 사라져 SUS316L에 직접적으로 영향을 미쳐 용사된 SUS316L이 열화가 된 것으로 판단된다. 이를 확인하기 위하여 용사 피막의 오존처리 전 후를 SEM으로 관 찰한 결과 Table 4와 같이 테프론계 봉공처리제를 도포한 봉 공(B)의 경우 오존처리 전후에 관계없이 얇은 코팅막이 형 성되어 있는 것을 확인할 수 있었지만, 에폭시계 봉공처리제 를 도포한 봉공(A)의 경우 오존처리 전에는 봉공(B)와 마찬 가지로 코팅막이 관찰되었지만 오존처리 후에는 코팅막이 열화되어 무처리와 같이 용사 피막이 노출되어 있는 것을 확 인할 수 있었다.

Fig. 7

Transformation diagram of chemical structure sprayed to SUS panel

Table 2

Visual inspection after Ozone treatment according to Metal Spraying and surface treatment method

Table 3

Comparison of contents ratio before and after spraying

Table 4

Comparison of surface condition before and after Ozone treatment

4.2 용사금속 종류 및 표면처리 방법에 따른 오존처리 후 질량감소량 평가

오존처리 후의 표면처리 방법에 따른 질량감소량 평가 결 과 를 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 8

Result of Evaluation on weight reduction after ozone treatment according to metal spraying and surface treatment method

실험결과 용사금속 Ti을 적용한 실험체가 전반적으로 내오 존성이 뛰어난 것으로 나타났다. 또한 용사금속 Ti의 봉공(B) 의 질량감소량이 약 0.3g/m² 로 내오존성이 가장 우수한 것으 로 나타났으며, SUS316L 봉공(A)의 경우 92.9g/m²로 Ti-봉공 (B) 대비 약 230배의 질량감소량을 나타내어 가장 높은 질량 감소량을 나타냈다. 따라서 용사금속 SUS316L은 오존에 매 우 취약한 것으로 판단된다. Ti을 적용한 실험체에서 봉공(A) 를 제외화고 모두 SPS KWWA M211 내오존 성능기준 10g/m² 이하를 만족하는 것으로 나타났다. 봉공(A)는 겉모양 평가 결과 기준을 만족하였지만 질량감소량 평가 결과 만족 하지 못하는 것으로 나타났다. 이는 Table 4와 같이 봉공(A)에 적용된 에폭시계 봉공처리제가 오존에 의해 녹아내린 것으로 판단되며, 무처리의 질량감소량 결과에 비교해 봤을 때 용사 금속 Ti자체는 내오존성이 우수한 것으로 판단된다. 용사금 속 SUS316L를 적용한 실험체 경우 봉공(B)를 제외하고 모두 기준 값 이상을 나타낸 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 테프론 계 봉공처리제는 내오존성이 매우 우수한 것으로 판단된다. 실험결과 Ti-봉공(B) > TI-무처리 > SUS316L-봉공(B) > Ti- 연마 > Ti-봉공(A) > SUS316L-연마 > SUS316L-무처리 > SUS316L-봉공(A)의 순으로 내오존성이 뛰어난 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 강력한 산화력을 갖는 오존을 이용한 고도 정수처리 시설에는 용사금속 티탄을 적용하여 면처리 방법으 로써 테프론계 봉공처리제를 사용하는 것이 가장 적합한 방 법이라 판단된다.

4.3 용사금속 종류 및 표면처리 방법에 따른 오존처리 후 부착성능 평가

Fig. 9는 용사금속 Ti의 표면처리 방법에 따른 오존처리 전 후의 부착강도 평가 결과를 Fig. 10은 SUS316의 표면처리 방 법에 따른 오존처리 전·후의 부착강도 평가 결과를 나타낸다. 실험결과 오존처리 전후에 관계없이 봉공(B)의 경우가 약 3.2MPa로 가장 우수한 부착성능을 보였으며, 무처리의 경우 약 오존처리 전 1.6MPa 오존처리 후 약 1.5MPa로 가장 낮은 부착성능을 나타냈다. 이는 봉공처리가 용사피막과 콘크리트 사이에 스며들어 접착제 역할을 한 것으로 판단된다. 또한 전 체적으로 봉공(A)의 경우를 제외하고 부착강도의 값이 크게 달라지지 않은 것을 확인 할 수 있었다. 이는 봉공(A)의 경우 용사피막과 콘크리트 사이에 접착제 역할을 하던 에폭시계 봉공처리제가 오존에 의해 모두 열화 되어 무처리의 값과 비 슷한 부착성능을 나타낸 것으로 판단된다. 표면연마의 경우 오존처리 전 후 모두 약 2.0MPa로 무처리 보다 높게 나타났지 만 표준편차 값이 가장 커 신뢰도가 떨어지는 것으로 판단된 다. 이는 연마시에 용사표면에 가해지는 충격으로 인해 표준 편차의 값이 큰 것으로 판단된다.

Fig. 9

Result of Evaluation on bond strength before and after ozone treatment according to surface treatment method on spray metal Ti

Fig. 10

Result of Evaluation on bond strength before and after ozone treatment according to surface treatment method on spray metal SUS316L

SUS316L의 경우 봉공(B)의 실험체에서 오존처리 전·후에 관계없이 약 3.1MPa의 부착성능을 나타내 가장 우수한 것으 로 나타났다. 따라서 테프론계 봉공처리제는 오존에 열화되 지 않으며 부착성능 증진에 효과적인 것으로 판단된다.

봉공(B)를 제외한 다른 실험체에서는 열화의 정도가 심하 여 오존처리후의 부착강도 평가를 진행하지 못하였다.

4.4 용사금속 종류 및 표면처리 방법에 따른 오존처리 후 부착성능 평가

파괴형상을 살펴보면 무처리를 제외하고 모두 콘크리트 면 이 파괴되는 비계면 파괴가 일어난 것을 확인 할 수 있었다. 그 러나 표면 연마의 경우 9개 중 4번에서 용사피막만 파괴되는 계면파괴가 일어났으며, 나머지 5번은 비계면파괴가 일어난 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 표면연마의 실험결과는 신뢰 도가 부족한 것으로 판단된다. Fig. 11과, Fig. 12는 용사금속 피막의 표면처리 방법에 따른 오존처리 후의 부착강도 파괴 양상을 나타낸다. 파괴양상을 살펴본 결과 부착강도 SPS 기 준(1.5MPa)을 만족하는 실험체의 경우 Fig. 11과 같이 콘크리 트 면에서 파괴되는 비계면파괴가 일어났으며, SPS기준을 만 족하지 못하는 실험체에서는 Fig. 12와 같이 용사피막만 파괴 되는 계면파괴가 일어난 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 11

Failure mode (bond strength over 1.5MPa)

Fig. 12

Failure mode (bond strength below 1.5MPa)