2.1 사용재료

본 연구에서는 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 모르타르에 사용하기 위해 괭생이 모자반을 수거한 후, 이물질 및 염분을 제거하였고, 소정의 과정을 거쳐 바이오 폴리머 분말을 제조 하였다. 합성폴리머를 사용하는 기존 보수용 폴리머 모르타 르 배합에 제조된 바이오 폴리머를 대체하여 구조물 보수용 폴리머 모르타르를 제작하였다.

2.1.1 시멘트

본 연구에서 콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르 타르의 제작에 사용된 시멘트는 시공시 속경성 확보를 위해 직접 분쇄 제조한 아윈계 초속경 시멘트를 사용하였다. 초속 경 시멘트의 물리⋅화학적 특성을 Table 1 및 Table 2 에 나타 내었다.

Table 1

Chemical composition of URHC

Table 2

Physical properties of URHC

2.1.2 잔골재

모르타르 제작에 사용한 잔골재는 KSL ISO 679 ^｢시멘트의 강도 시험 방법_｣ 기준을 만족하는 표준사를 사용하였다. 본 연구에서 사용된 잔골재의 물리⋅화학적 특성을 Table 3 에 나타내었다.

Table 3

Physical and chemical properties of sand

2.1.3 합성폴리머

본 연구에서 사용한 합성 폴리머는 SBR을 사용하였다. 이 재 료는 styrene과 butadiene의 공중합체이며 액상형태이다. 현재 시중에는 재유화형 분말 수지 타입의 제품이 모르타르에 사전 혼합되어 출시되고 있으나 본 연구에서는 현재 콘크리트계 부 분 단면 보수재료에 초속경 시멘트와 함께 일반적으로 사용되 고 있는 제품을 사용하였다. 합성 폴리머의 물리⋅화학적 특 성은 Table 4와 같다.

Table 4

Physical and chemical properties of SBR

2.1.4 바이오 폴리머

본 연구에서는 괭생이 모자반을 원료화하기 위한 방법으로 볼밀을 사용하였고, 평균입도가 60㎛ 이하가 되도록 세분쇄 하였다. 레이저 회절 입도분석장치를 활용하여 바이오 폴리 머 입도를 분석한 결과 세분쇄 시료의 평균 입도는 56 ㎛가 측 정되었다. 또한 분쇄시 석회석 미분말을 약 1 ~ 5 % 가량 첨가 하여 효율적인 분쇄와 재응집 현상을 방지하고자 하였다. 제 조된 바이오 폴리머의 입도 특성은 Table 5에 나타내었고, EDS 분석으로 도출된 바이오 폴리머의 화학성분 Table 6에 나타낸 바와 같다.

Table 5

Physical properties of bio polymer powder

Table 6

Chemical composition of bio polymer

2.1.5 혼화제

본 연구에서는 바이오폴리머를 사용한 모르타르의 유동성 확보를 위하여 분말형의 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사 용하였으며, 그 물리⋅화학적 특성은 Table 7과 같다.

Table 7

Physical and chemical properties of super plastisizer

2.2 사용 배합

폴리머 모르타르의 성질은 물-시멘트비 보다 폴리머-시멘 트 비에 의해 물성이 지배되므로 용도에 따라 적당한 폴리머 시멘트 비를 선택하여야 한다(Ohama.,1995). 본 연구에서는 합성 폴리머의 기본 혼입률을 고형분을 기준으로 시멘트 대 비 12 %로 결정하였다. 바이오 폴리머의 혼입률은 합성 폴리 머를 4 %씩 대체하여 0 %, 4 %, 8 %, 12 %, 16 %까지 혼입하 여 합성폴리머를 대체하는 방법으로 물성변화를 검토하였다. 이중, 바이오 폴리머의 혼입률 12 %, 16 % 배합인 L0BP12, L0BP16 배합은 합성폴리머의 혼입 없이 바이오 폴리머로만 구성된 배합이며 이를 통해 바이오 폴리머의 최대 혼입률을 검토하고자 하였다. 또한, 초속경 시멘트의 특성을 비교하기 위한 시험체를 OPC를 사용하여 별도 제작 하였다. 본 연구에 서 계획한 초속경 모르타르의 배합은 Table 8 에 나타낸 바와 같다.

Table 8

Mixture proportions of mortar

3.1 플로우 실험

바이오 폴리머를 활용한 모르타르의 유동성을 평가하기 위 하여 KS F 2476^｢폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법_｣에 준하 여 각 배합별 3회씩 플로우를 측정하였다. Photo 2

Photo 2

View of flow test

3.2 공기량 시험

바이오 폴리머를 혼입한 모르타르의 공기량 측정을 위하여 KS F 2421^｢굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기함유량 시험방법-공기실 압력법_｣에 준하여 각 배합별 3회씩 공기량을 측정하였다. Photo 3

Photo 3

View of air contents test

3.3 응결시간 시험

KS F 2436 ^｢관입 저항침에 의한 콘크리트 응결시간 시험방 법_｣에 준하여 바이오 폴리머 모르타르의 응결 시간을 각 배합 별 3회씩 측정하였다. Photo 4

Photo 4

View of vicat Test

3.4 흡수율

흡수율 시험은 KS F 2476 ^｢폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법_｣에 준하여 각 배합별 3회씩 수행하였다. 시편을 80±2 ℃ 온도에서 건조한 이후, 데시케이터 내에서 냉각 하고 질량을 측정하였다.이후 공시체를 온도 20±2 ℃의 물에 48시간 동안 침지 후 공시체의 각 면을 습포로 재빨 리 닦고 질량을 측정하였다. 흡수율 계산은 식 3.1을 활용 하여 계산하였다. Photo 5

Photo 5

Specimen praperations of compressive and flexural strength

여기서,

3.5 압축 및 휨강도 시험

압축 및 휨강도 시험은 재령 4시간, 7일, 28일에서 KS F 2476 ^｢폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법_｣에 준하여 각각 3 회씩 수행하였다. 휨강도 공시체는 40×40×160 mm의 각주형 이고, 공시체 중앙에 하중을 가하여 휨강도를 구하였다. 압축 강도 시험용 공시체는 휨강도 측정에 사용한 공시체의 절편 을 사용 측정하였다.

3.6 부착강도 시험

부착강도의 측정은 KS F 2476 ^｢폴리머 시멘트 모르타르_｣의 시험방법에 준하여 측정하였다. Photo 6 (a)에 나타낸 35 MPa 이상의 시험용 밑판을 연마한 후, 습윤 상태를 유지하여, 안쪽 치수 40×40×10 mm의 금속제 또는 합성 수지제 형틀을 놓고, 믹싱 한 재료를 형틀과 동일한 높이까지 채워 성형하였다. 그 후 압축강도 및 휨강도 시편과 동일한 환경에서 양생하였다. 정해진 양생이 끝난 시험체를 양생실 내에 수평으로 놓고 시편 도포면에 급경화형 접착제를 바른 후 Photo 6 (b)와 같이 하부 인장용 지그 및 강철제 받침을 사용해서 시료 면에 대해 수직 방향으로 인장력을 가해 최대 인장하중을 측정하였다. 부착강 도를 측정은 4시간, 7일 및 28일 재령을 기준으로 각 3회씩 측 정하였다.

Photo 6

Test of bond strength

4.1 플로우 및 공기량

Fig. 1 및 Table 9에 바이오 폴리머 혼입율에 따른 모르타르 의 플로우 및 공기량 측정 결과를 표기하였다. 1종 보통 포틀랜 드시멘트를 사용한 Plain-OPC 시험체와 초속경 시멘트를 사 용한 Plain-URHC 시험체의 플로우는 각각 170 mm, 170 mm 로 동일하게 측정되었다. 합성 폴리머를 단독으로 12% 혼입한 L12BP0 시험체의 플로우는 280 mm 로 측정되었고, 이것은 170 mm로 측정된 Plain-URPC 시험체에 비하여 64.7 % 증가 된 값이다. 이러한 결과는 합성 폴리머의 혼입에 의한 볼베어 링 효과로 유동성이 증가되었기 때문으로 판단된다(Betioli et al., 2012). 또한, 합성 폴리머가 각각 8 %, 4 % 혼입된 L8BP4, L4BP8 시험체의 경우 플로우 값이 Plain-URHC 시험체 대비 47.0 %, 35.3 % 향상되었으나, 합성라텍스의 혼입률이 감소할 수록 유동성이 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 바이오 폴리 머를 12%, 16% 단독으로 사용한 L0BP12, L0BP16 시험체의 플로우는 각각 170 mm와 150 mm로 측정되었다. 즉, 바이오 폴리머의 혼입률이 증가할수록 유동성은 감소하는 것으로 나 타났다. 공기량 시험결과의 경우, 플로우 측정 경향과 상반되 는 결과를 나타내었고, 합성 폴리머의 혼입률이 제일 큰 L12BP0 시험체의 공기량이 가장 작은 2.8 %를 보였다. 이 원 인은 합성 폴리머에 혼입되어 있는 소포제의 감소에 기인하여 공기량이 증가 된 것으로 판단 된다 (^{Kim, 2006}). 따라서 합성 폴리머의 혼입률이 감소하고 바이오 폴리머의 혼입률이 증가 할수록 공기량이 증가하는 경향이 나타나 과다한 공기량의 발 생을 막기 위해 바이오 폴리머의 사용과 함께 효과적인 소포제 의 선택적 사용이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 1

Result of flow and air content test

Table 9

Result of flow and air content test

4.2 응결시간

Fig. 2 및 Table 10에 모르타르의 응결 시혐 결과를 표기하였 다. 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 Plain-OPC 시험체의 초 결과 종결은 각각 284분, 422분으로 측정되었고, 초속경 시멘 트를 사용한 Plain-URHC 시험체는 각각 15분, 25분으로 측정 되었다. Plain-URHC의 경우 초속경 시멘트를 사용하였기 때문 에 Plain-OPC 시험체보다 초결과 종결 시간이 빨라진 것을 확 인할 수 있다. 합성 폴리머 12 %를 초속경 모르타르에 적용한 L12BP0 시험체는 비교 실험체인 Plain-URHC와 비교하여 초 결이 4분가량 느려진 것을 확인하였으나 종결은 동일한 것으 로 측정되었다. 합성 폴리머만을 12 % 혼입한 L12BP0 시험체 와 바이오 폴리머만 12 % 사용된 L0BP12 시험체의 초결은 각 각 19분, 15분, 종결은 각각 25분 35분으로 측정되었다. L0BP12의 경우 초결은 Plain-URHC와15분으로 동일하나 종 결은 35분으로 10분 지연되는 것으로 측정되었으며 L0BP16 시 험체는 대조 시험체인 Plain-URHC와 동일한 초결값이 측정되 었으나 종결값은 20분 지연 되는 것으로 측정되었다. 모르타르 의 초결 반응이 빠르고 종결 시간이 길어질 경우 배합 후 가사시 간이 짧아 현장 작업성능이 저하될 가능성이 크다. 이 결과를 종 합할 때, 바이오 폴리머의 혼입률이 높아질수록 모르타르의 종 결시간이 지연되는 것으로 나타났다. 이는 분말 형태의 바이오 폴리머입자들이 시멘트 입자와 배합수의 접근을 방해하면서 수화반응을 지연 시켰기 때문으로 판단된다(^{Lee et al., 2002}).

Fig. 2

Results of vicat test

Table 10

Result of vicat test

4.3 흡수율

Fig.3 및 Table11에 바이오 폴리머를 적용한 모르타르의 흡 수율 시험 결과를 나타내었다. Plain-OPC와 Plain-URHC의 흡수율은 각각 4.26 %, 5.02 %로 측정되었다. 라텍스가 12 % 로 가장 많이 혼입된 L12BP0 시험체의 흡수율은 1.34 %로 가 장 낮은 값을 나타내었다. 이 값은 초속경 모르타르를 사용한 Plain-URHC 시험체보다 275 % 이상 높은 값으로, 합성 폴리 머의 혼입이 모르타르의 수밀성을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. 합성 폴리머의 혼입률이 감소하고, 바이오 폴리머 의 혼입률이 증가할수록 모르타르의 흡수율은 다소 증가하는 경향을 나타내었다. 바이오 폴리머만 12 %, 16 % 사용한 배합 인 L0BP12, L0BP16의 흡수율은 각각 4.66 %, 5.56 %로 측정 되었고, 바이오 폴리머를 16 % 이상 혼입할 경우 기준 실험체 인 Plain-URHC보다보다 흡수율이 큰 것으로 나타났다.

Fig. 3

Results of water absorbtion

Table 11

Measured water absorbtion ratio

4.4 압축 및 휨 강도

Table 12과 Fig.4, Fig.5에 모르타르의 압축 및 휨강도 시험 결과를 표시하였다. 4시간 기준 모르타르의 평균 압축강도는 Plain-URHC가 21.1 MPa로 측정되었다. 합성 폴리머가 12 % 혼입된 L12BP0 시험체는 27.0 MPa로 측정되어 기준배합인 Plain-URHC 보다 28% 향상된 압축강도 성능을 보였다. 모든 배합의 4시간기준 압축강도는 합성라텍스의 비율이 감소하 고, 바이오 폴리머의 혼입률이 증가할수록 감소하는 경향을 나 타내었다.

Table 12

Measured compressive strength and flexural strength

Fig. 4

Results of compressive strength test

Fig. 5

Results of flexural strength test

바이오 폴리머를 12 % 혼입한 L0BP12 시험체는 4시간 압축 강도가 21.3 MPa로 측정되었으나 바이오폴리머를 16 % 혼입 한 L0BP16시험체의 경우 14.9 MPa로 측정 되어 Plain-URHC 시험체에 비하여 29.3 %의 강도가 저감되는 것을 확인하였다. 따라서 L0BP16시험체를 제외하고 URHC를 사용한 모든 수준 의 시험체에서 KS F 4042 ^｢콘크리트구조물 보수용 폴리머 시 멘트 모르타르_｣에서 정하고 있는 목표 압축강도인 20 MPa을 재령 4시간 만에 모두 상회하는 것을 확인하였다.

또한 휨강도의 경우, Plain-URHC 시험체의 재령 4시간 휨 강도는 5.7 MPa로 측정되었다. L12BP0, L8BP4, L4BP8의 휨 강도는 각각 8.7 MPa, 6.1 MPa. 5.2 MPa로 측정되었다. L0BP12의 경우 4.9 MPa로 측정되었다. L0BP16의 시험체의 경우 3.5 MPa로 측정 되었다. L4BP8 시험체 및 L0BP12 시험 체의 경우 7일 이후에 6.0MPa 이상의 휨강도가 발현 되는 것으 로 보아 초기 4시간 압축 및 휨 강도의 발현은 바이오 폴리머의 혼입률에 따라 응결 시간이 지연되면서 영향을 미친 것으로 판 단된다.

4.5 부착 강도

Table 13 및 Fig.6 에 모르타르의 부착강도 시험결과를 표기 하였다. 4시간 기준 모르타르의 평균 압축강도는 Plain-URHC 가 0.5 MPa로 측정되어 KS F 4042 ^｢콘크리트구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르_｣에서 정하고 있는 목표 부착강도인 1.0 MPa의 요구 강도를 초기 재령에는 만족하지 못하였다. 반 면, 라텍스가 12% 혼입된 L12BH0 시험체의 경우 재령 4시간 부착강도가 1.4 MPa로 측정되어 초기 재령에도 요구 성능을 만족한 것을 확인하였다. 이 결과는 폴리머 자체의 우수한 접 착성과 폴리머와 시멘트 수화물 사이의 상호작용이 접착강도 증진에 크게 기여하였기 때문으로 판단된다. 또한, 합성폴리 머의 혼입률이 각각 8%, 4% 인 L8BP4 시험체와 L4BP8 시험체 의 경우 합성폴리머와 바이오 폴리머가 혼용된 배합으로 합성 폴리머의 혼입률이 각각 4%, 8% 감소하였지만, 바이오 폴리 머의 증가로 인하여 각각 1.9 MPa, 1.7 MPa로 우수하게 측정 되었다. 또한 바이오 폴리머 혼입률이 12 % 혼입된 L0BP12 시 험체는 1.4 MPa로 측정되었다. 바이오 폴리머가 16 % 혼입된 시험체의 경우 7일 이후에는^｢KS F 4042 콘크리트 구조물 폴 리머 시멘트 모르타르_｣의 품질 기준에 만족하는 1.0 MPa 을 만 족 하였으나 수화 반응을 모두 마친 28일의 부착강도가 Plain- URHC 시험체에 비하여 9% 가량 작게 측정되었다.

Table 13

Results of bond strength

Fig. 6

Results of bond strength test