2.1 재료 및 배합표

기존 콘크리트 구조물의 노후화 및 환경적인 요인에 의해 발생된 손상을 보수에는 일반적으로 유기계 재료가 많이 사 용되었다. 하지만 이러한 유기계 재료는 무기계 재료에 비해 콘크리트와의 장기적인 부착성능이 감소하는 단점이 있다. 또한, 에폭시 계열의 유기보수재의 열팽창계수는 41~ 54×10^-6 m/(m·℃)으로 모재인 콘크리트의 열팽창계수인 9 ~ 11×10^-6 m/(m·℃)에 비해 약 4~5배 정도 차이가 나기 때문에 장기적인 계면응력에 의하여 손상 부위가 다시 탈락되는 문제점이 있 었다(^{Park, et al.,2007}). 이러한 계면 부위의 손상은 기존 콘크 리트와 일체화에 영향을 주어 역학적 성능저하 및 수밀성능 감소를 일으킨다. 본 연구에서는 기존 콘크리트와의 부착성 능 향상을 위해, 무기계 재료를 기본으로 폴리비닐 아세테이 트 수지분말과 나일론 섬유를 이용한 하이브리드 보수재료를 개발하였다.

콘크리트 구조물의 보수는 주변 환경조건에 따라 작업시간 에 제한이 있다. 구조물의 신속한 재사용 및 사용자 불편의 최 소화를 위해 보수작업 시간의 단축이 필요하기 때문에, 보수 재료는 빠른 경화시간 확보가 필수적이다. 이러한 보수재료 에는 급결제(accelerating agent) 또는 초속경 시멘트(rapid hardening cement)가 일반적으로 사용된다. Table 1은 이번 연 구에서 사용된 초속경 시멘트의 화학성분과 기초 물성을 나 타내고 있다. 초속경시멘트의 밀도는 2.87g/cm², 분말도 5,380cm²/g이며, 보그식(Bogue’s equation) 에 의한 광물조성 은 C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF, C₄A₃S의 성분이 각각 중량비로 16.0%, 16.0%, 3.0%, 6.0%, 30.0%이다.

Table 1

Chemical compositions and physical properties of raw materials

기존 콘크리트와의 부착성능 향상과 수밀성 향상을 위해 라텍스와 폴리비닐 아세테이트(PVA) 성분의 분말 수지를 사 용하였다. 사용된 라텍스는 유백색 액체로 고형분 함량 49.3% 이며, 국내에서 생산된 스틸렌-부타디엔 (Styrene- Butadiene) 계열 제품을 사용하였다. 재료의 물리 화학적 특성은 Table 2 에 표기한 바와 같다. PVA 레진 분말은 pH 5.4, 밀도 1.02 g/cm³, 점도 57이다.

Table 2

Chemical and mechanical properties of latex used

Fig. 1은 사용한 바인더의 입자 크기 분포를 나타내고 있다. 초속경 시멘트의 평균 입자 크기는 11μm이며, 보수재료의 높 은 연성과 지속적인 외부하중에 의한 추가 균열제어를 위해 직경 20μm의 미세한 나일론 섬유를 사용하였고, 사용한 원재 료의 특성은 Fig.1 에 나타내고 있다.

Fig. 1

Particle size distribution of raw materials.

보수재료의 체적변형률 제어를 위해 직경 약 20μm, 길이 12mm, 밀도 1.10 g/cm³의 나일론 섬유를 사용했다. 나이론 섬 유는 소성수축균열 저감뿐만 아니라 콘크리트의 물성 및 내 구성능을 증진시키는 것으로 알려져 있다. 또한 친수성을 지 니고 있어 페이스트와의 부착성능이 높으며, 우수한 표면 마 감성능을 지닌다. 또한 분산력이 높아 작업성 및 균질한 재료 물성 구현이 가능하다. 나일론 섬유는 분자 내에 N이나 O에 부분적인 (-) 전하를 갖고 있으므로, 부분적인 (+) 전하를 지닌 물 분자의 H와 상호 정전기적인 작용을 하며, 이로 인해 시멘 트 페이스트와 높은 부착성능을 보인다. Fig. 2는 사용한 나일 론 섬유의 광학이미지를 나타내고 있다.

Fig. 2

Nylon fiber image

기존 콘크리트와의 부착성 및 수밀성능을 향상시키는 보수 재료의 개발을 위해 다음 Table 3과 같이 보수재료의 배합을 설정하였다. 작업성 확보를 위해 지연제로 무수 구연산을 사 용하였다. 물-바인더 비는 0.43, 바인더 : 잔골재는 약 1 : 1.6으 로 고정하였다.

Table 3

Mix proportion

2.2 실험방법

보수재료의 보수 후 역학적 성능평가 및 수밀성 평가를 위 해 Table 3에 제시된 배합에 대해 KS L 5109에 따라 혼합하여 시험체를 제작하였다. 시험체는 압축강도, 건조수축 및 보수 전․후의 휨강도 성능평가를 위해 40 × 40 × 160 mm의 각주형 시험체를 제작하였다. 모든 실험은 실험 변수에 대해 3개의 동일한 시험체를 제작하여 실험을 수행하였으며, 평균하여 결과를 분석하였다. 시험체는 제작 후 24시간 이후 탈형하고, 소정의 재령까지 20 ± 2 ℃의 온도 및 90 % 이상의 항온·항습 챔버에서 습윤 양생을 실시하였다.

압축강도와 휨강도는 KS L 5105 ^『시멘트 모르타르의 압축 강도 시험_』에 준하여 수행하였으며, Fig. 3은 압축강도 및 휨 강도의 실험사진을 나타내고 있다.

Fig. 3

Test setup of compressive and flexural strength

보수 모르타르의 건조수축 성능평가는 KS F 2424 『모르 타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법』에 준하여 실내온도 20±3℃, 상대습도 55±5% 조건에서 실험을 수행하였다. 시험 체의 길이변화률은 다음 그림에서와 같이 각주형 모르타르 시험체에 스테인레스 스틸 재질의 스터드를 설치하여 재령에 따라 길이변화를 측정하였다. Fig. 4, 5

Fig. 4

Test setup of drying shrinkage.

Fig. 5

Test setup of bonding

보수 모르타르의 기존 콘크리트와의 부착강도 성능평가는 KS F 2762 ^『콘크리트 보수･보호재의 접착 강도 시험 방법_』에 준하여 실험을 수행하였다.

보수재료의 기존 구조물과의 부착성능 향상 정도를 평가하 기 위해, 다음 Fig. 6과 같이 4cm×4cm×16cm의 휨강도 실험체 에 중앙부에 4cm×2cm×5cm 의 인위적인 홈을 미리 주고 이를 보수재료로 보수 한 후 휨강도 실험을 수행하였다.

Fig. 6

Test setup of repair material

3.1 압축강도

Fig. 7은 보수재료의 압축강도를 측정 한 것을 나타내며, 라 텍스 및 분말수지 혼입량 변수로 하여 배합을 진행하였고, 재 령은 보수공사 특성에 맞춰 6 hour, 1 day, 3 day 측정 하였다.

Fig. 7

Compressive strength

PVA 분말 수지의 경우 혼입률이 증가할수록 압축강도가 감 소하는 경향이 나타났으며, RC-RP50의 경우 급격한 압축강도 감소가 나타났다. 나일론 섬유를 혼입한 RC-RP30- NF0.01과 RC-RP30-NF0.03의 경우 섬유 혼입에 따른 분산성 확보 문제 로 압축강도가 감소 하는 것으로 판단된다. 라텍스를 혼입한 실험체의 경우 3일 압축강도가 약 30MPa 정도 측정되었고 EURO code (EN 1504-3)에서 규정하는 압축강도 25~45MPa 에 포함되어 보수재료의 요구성능을 충분히 만족 하는 것으로 나타났다.

3.2 건조수축

시멘트계 재료는 수화반응을 통해 경화하면서 동시에 체적 변화를 일으킨다. 기존 콘크리트는 수화반응이 거의 종료 되 어 수축에 의한 체적변화가 거의 발생하지 않기 때문에, 손상 부위를 보수한 모르타르도 수축 변형이 적을수록 장점이 있 다. 보수 모르타르의 수축이 크게 나타나면, 기존 콘크리트가 보수 모르타르를 구속하여 응력이 발생하여 모르타르에 인장 응력이 발생하여 균열 발생 위험이 있으며, 균열 발생 시 요구 되는 보수 성능을 제대로 발현하기 어렵다.

Fig. 8은 보수재료의 재령에 따른 변수별 건조수축결과를 나타내었다. Fig. 8에서 알 수 있듯이 전체적으로 RC보다 건 조 수축량이 작게 나타는 것을 알 수 있었으며, PVA 분말 수 지가 혼입된 RC-RP30은 수축하지 않고 팽창하여 균열이 발 생하였다. 나일론 섬유가 혼입된 RC-RP30-NF0.003 시험체 의 건조수축 측정값이 가장 낮게 나타났다. 이는 친수성의 나 일론 섬유에 의한 내부양생 효과와 페이스트간의 브릿지 역 할에 의한 발생된 응력을 감소시킨 결과이다.

Fig. 8

Drying shrinkage

3.3 부착강도

손상부위를 보수한 모르타르는 기존 콘크리트와 일체거동 을 하여야 외부하중 및 열화인자에 의해 박리 등의 재손상 위 험이 감소한다. 이러한 일체거동을 위한 보수 모르타르의 가 장 중요한 특성은 보수 모르타르의 부착성 특성이다. 손상부 위를 보수한 모르타르는 기존 콘크리트와 일체거동을 하여야 외부하중 및 열화 인자에 의해 박리 등의 재손상 위험이 감소 하며, 이러한 수밀성 확보 및 일체거동을 위한 보수 모르타르 의 가장 중요한 특성은 보수 모르타르의 부착성이다. Fig. 9에 나타난 부착강도는 보수 재료 타설 후 6시간의 결과이다.

Fig. 9

Bond Strength

PVA 분말수지를 사용한 RC-RP3.0이 약 2.3MPa 수준으로 가장 높게 나타났으며, PVA 분말수지와 나일론 섬유를 함유 한 실험체 및 라텍스를 사용한 시험체도 모두 RC의 부착강도 1.5MPa이상 나타났으며, 이러한 결과 국내 보수모르타르 품 질기준(KS F 4042)에 규정된 1.0MPa 이상으로 보수재료로서 의 요구성능을 만족하는 것으로 나타났다.

3.4 보수 후 휨강도

콘크리트 구조물에 균열이 발생된 부위는 외부하중에 의해 지속적으로 균열이 재발 할 수 있는 부위이므로, 이 부위를 보 수 한 후 강성 및 부착강도의 향상은 추가적으로 콘크리트 손 상을 예방할 수 있으며, 균열 예방을 위해서 보수 후의 휨강도 가 그전에 손상이 발생하기 전 건전한 시험체와 동등이상이 되도록 하는 것이 중요하다.

Fig. 10은 보수 후 3일 후 휨강도 실험결과를 나타냈으며, 추가적으로 건전한 시험체와 상대적인 값 비교가 필요하기 때문에 노치 없는 건전한 시험체는 SP(sound specimen), 노치 에 보수재료를 보강 안한 시험체는 NOR(no-repair specimen) 표시하였다. PVA 분말수지 및 라텍스를 혼입한 시험체의 경 우 보수 후 휨강도가 증가하는 것을 확인 할 수 으며, 또한 PVA분말수지의 혼입량이 증가 할수록 휨강도가 증가하였으 며, 나일론 섬유와 라텍스를 혼입한 경우 SP 대비 150% 정도 로 휨강도가 크게 증가 한 것을 확인 할 수 있었다. 모든 시험 체는 Fig. 11과 같이 휨강도에 의해 발생된 균열 패턴을 살려 보면 보수 모르타르 중앙부에서 균열이 발생하여 기존 콘크 리트와 일체거동 한 것으로 나타났다.

Fig. 10

Relative flexural strength

Fig. 11

Failure pattern with test member