2.1 실험계획 및 연구방법

본 연구에서는 콘크리트 표면강화 흡수방지재를 실록산 화 합물로 표면개질된 멜라민 수지를 합성하여 사용하였고, 그 의 물리적 성능 및 내구성능 평가를 위해 Table 1에 나타낸 시 험조건 및 배합변수로 실험을 수행하였으며, 적용성 평가를 위한 콘크리트는 구조물에 일반적으로 사용되는 설계기준강 도 18 MPa, 24 MPa, 30 MPa 3가지 수준으로 콘크리트를 제작 하여 평가하였다.

Table 1

Experimental variables

2.2 사용재료

2.2.1 실록산 화합물로 표면 개질된 멜라민 수지

콘크리트 표면침투⋅코팅용 흡수방지재는 콘크리트 표면 의 미세기공으로 침투함로써 표면을 코팅할 수 있는 화합물인 SMMR(siloxane-surface modified melamine resin)을 합성하여 적용하였다. SMMR은 멜라민 포름알데히드 전구체를 제조한 뒤 Tetraethyl orthosilicate (TEOS)와 Polydimethylsiloxane (PDMS)를 이용해 표면 개질 하는 방법으로 합성하였다.

이는 나노사이즈의 화합물로 멜라민-포름알데히드 전구체 의 표면을 실록산 화합물로 개질함으로서 표면에 알콕시실란 이 많이 노출되어 무기질 시멘트와 화학적 결합이 용이하도 록 Fig 1의 그림과 같이 디자인 하였다.

Fig 1

Design of SMMR(siloxane-sufrace modified melamine resin)

본 연구에 사용된 SMMR 특성은 Table 2에 제시하였다. 콘 크리트 내부로 침투된 SMMR은 잔존하는 수분에 의해 화학 반응이 촉진되어 알콜 화합물과 같은 부산물의 방출량이 적 으며, 콘크리트의 무기 기질(substrates)과 다중 축합 반응을 일으켜 삼차원 망상 구조를 형성함으로 내부에 미세기공을 실리콘 소수성 물질로 침투 코팅하는 원리이다. 또한 기존 멜 라민-포름알데히드 수지는 실리콘 화합물보다 매우 단단하여 표면강화 기능도 기대된다.

Table 2

Properties of SMMR

2.2.3 골재

본 연구에 사용된 굵은골재는 Gmax 25 mm의 부순골재를 사용하였으며, 잔골재는 5 mm이하의 강사를 사용하였다. 사 용된 골재의 품질특성은 Table 3에 제시하였다.

Table 3

Physical properties of aggregate

2.2.4 혼화제

시멘트 분산작용에 의해 콘크리트의 성질을 개선시키는 혼 화제로서, 국내 J사제품의 폴리카본산계 고성능 AE감수제를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 4와 같다.

Table 4

Physical properties of admixture

2.3 시험체 제작

SMMR 적용을 위한 콘크리트의 배합설계는 Table 5와 같 이 콘크리트 구조물에 일반적으로 사용되는 강도수준인 18, 24, 30 MPa으로 선정하였고, 이에 따른 배합설계를 수행하였 다. 또한 콘크리트의 혼합은 충분한 작업성 확보를 위하여 트 윈샤프트 믹서를 활용하여 Dry mixing 90초, 혼합수 및 혼화 제를 투입하여 Wet mixing 120초간 실시하였다.

Table 5

Mix proportions

2.4 흡수방지재 도포 및 양생방법

모든 시험은 Φ100×200 mm의 원형 시험체를 제작하고, 온 도 20±3 ℃, 습도 80 %의 양생실에서 21일간 양생 후, 온도 20±3 ℃, 습도 50 %의 양생실에서 7일간 양생하였다. 이 후 30mm두께로 시험체를 절단 한 뒤 SMMR을 Fig. 2와 같이 일 반적인 표면강화제 및 흡수방지제 도포방식인 Brush Method 방법으로 도포하고 다시 온도 20±3 ℃, 습도 50 %의 양생실에 서 14일간 양생하였다.

Fig. 2

SMMR Brush Method

2.5 실험방법

2.5.1 침투깊이

SMMR의 최적배합 도출을 위해 KS F 4930 ^｢콘크리트 표 면 도포용 액상형 흡수방지재_｣에 준하여 재령 28일의 Φ100× 200 mm 콘크리트 시험편을 30 mm 두께로 절단하고, 콘크리 트 흡수방지재를 도포한 뒤 14일 재령에서 쪼깬 뒤 단면에 물 을 분무하여 흡수되지 않는 부분의 두께를 측정하여 평가하 였다. Fig 3에 나타낸 것과 같이 침투깊이를 측정하였다.

Fig 3

Penetration depth test

2.5.3 내흡수성

SMMR의 수분침투 성능평가를 위한 내흡수성 시험은 KS F 4930 ^｢콘크리트 표면 도포용 액상형 흡수방지재_｣에 준하여 측정하였다. 제작된 시험체를 증류수 침지, 알칼리용액침지, 저온고온 반복 노출, 촉진내후 노출의 네 가지 환경조건에 노 출 한 후, 내흡수성능을 평가하였다. Fig 4

Fig 4

MIP test

2.5.4 내마모성 시험

내마모성 시험(질량변화, 마모깊이)는 KS F 2813 “건축재 료 및 건축 구성 부품의 마모시험방법, 연마지법”에 의거 공 시체 제작 후 7일 양생 후 미도포 시편과 SMMR 도포 시편을 제작하고 시험체를 1일 상온에서 건조 시킨 후, 회전속도 60±2rpm, 회전수는 500회 측정을 하였다. Fig 5

Fig 5

Abrasion Resistance test

3.1 침투깊이 및 발수성능

콘크리트 표면보호재의 경우, 콘크리트 내부로 침투가 많 이 될수록 성능을 좌우하기 때문에 침투재가 얼마나 깊이 침 투하는지가 가장 중요한 평가 기준이 된다. Fig 6은 배합조건 별 침투깊이 평가결과를 나타내었다. 기존의 연구결과와 같 이 강도 조건에 따라서 침투깊이 차이가 많이 나타났다. 설계 기준강도 기준으로는 18 MPa의 경우 6.3～8.3 mm로 가장 깊 은 침투깊이를 나타내었으며, 24 MPa은 5.9～6.7 mm, 30 MPa은 3.1～3.5 mm로 가장 낮은 침투깊이를 보였다. 이는 설계기준강도가 높을수록 콘크리트 내부가 치밀해져 미세공 극이 감소되므로 SMMR이 내부로 원활히 침투되지 못하는 것으로 판단된다. 하지만, 설계기준강도가 낮을 수 록 분산 값 이 증가되는 것으로 나타나 30 MPa 0.0264, 24 MPa 0.1376 및 18 MPa 0.5224로 표준편차가 증가되는 것으로 나타났다.

Fig 6

Penetration depth measurement result

이것은 KS 표준에 제시된 모르타르시험방법이 아닌 콘크 리트로 제작함으로서, 골재의 영향이 일부 반영된 것으로 판 단된다. 결과적으로 강도별 침투깊이 및 표준편차가 크게 나 타남을 알 수 있었다.

3.2 기공율

SMMR를 적용하지 않은 Plain의 기공률은 22.2～33.6 % 정도를 나타냈으나, SMMR를 적용할 경우에는 기공률이 급 격히 감소되어 고강도의 콘크리트에 적용한 경우는 평균 11.4 % 정도 그리고 18 MPa를 이용하여 SMMR를 적용할 경우는 최소 15.2 % 정도의 기공특성을 나타냈다. 따라서 SMMR를 활용할 경우 콘크리트의 내부 기공률이 45.2～51.3 %까지 개 선되는 효과를 나타냈다.

이는 SMMR를 적용함에 따라 표면 코팅 및 내부 공극 충진 작용에 기인한 것으로 판단된다. 또한 콘크리트의 강도증가 에 비하여 기공률 감소효과가 다소 큰 것으로 나타내기는 하 였으나 유의할 만한 수준은 아니었다.

그리고 기공직경별 기공용적의 관계를 살펴보면 본 연구에 적용된 콘크리트의 기공직경은 10～100,000 nm의 분포특성 을 나타냈으며, 이중 10～1000 nm의 기공용적이 가장 크게 분포하고 있는 것으로 분석되었다.

SMMR 적용에 따른 기공용적 감소 특성을 고찰하여 보면 전반적인 기공직경 분포에서 기공률 감소효과를 나타내었고, 특히 직경 200 nm 이하의 SWR를 적용함으로써 30～400 nm 의 영역에서도 우수한 기공감소 특성을 나타내어 미세기공의 침투 코팅이 잘 된 것으로 판단된다.

이상으로 SMMR 활용 콘크리트의 기공특성 분석결과를 종합하여 보면 SMMR 적용으로 콘크리트의 내부 기공률 감 소효과가 우수한 것으로 나타났으며, 이는 외부로부터 침투 할 수 있는 유해인자의 내부 확산방지와 내부 매트릭스의 치 밀화를 통해 콘크리트의 열화저항성을 개선할 수 있을 것으 로 기대된다. Fig. 7

Fig. 7

Result of MIP test

3.3 내흡수성

내흡수성 시험은 KS F 4903 ^｢콘크리트 표면 도포용 액상 형 흡수방지재_｣에 준하여 측정하였다. 시험체 제작 및 SMMR 적용 후, 시험체 별로 표준상태, 내알칼리성 시험후, 저온고온 반복저항성 시험 후, 촉진내후성 시험후 각각 내흡수성을 측 정하여, SMMR를 적용하지 않은 Plain과의 흡수량을 비교하 여 평가하였다. 평가결과는 Fig. 8에 나타낸 바와 같다.

Fig. 8

Result of water absorption resistance test

SMMR 적용하지 않은 Plain의 경우 물 흡수량이 1.50∼ 1.86 kg/m²로 높은 흡수량을 나타내지만, SMMR 적용 후에는 0.04 kg/m²로 흡수량이 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 콘크 리트 표면침투형 코팅재가 콘크리트 내부의 미세공극을 코팅 하여 표면 보호층을 형성함으로서 수분의 침입(발수성)을 막 아 나타난 현상으로 판단된다.

3.4 내마모성

SMMR을 적용하지 않은 Plain과 SMMR를 적용한 콘크리 트 시편을 18㎫, 24㎫, 30㎫ 수준의 시편으로 마모감량 (mg/cm2)과 마모깊이(mm)를 측정하였고, Table 6에 결과를 나타내었다. 전반적으로 SMMR을 적용하지 않은 시편 대비 SMMR을 적용한 시편의 마모저항성이 우수한 것으로 나타 났다. SMMR 적용시 설계기준강도 18~30MPa 변화될 때, 16.8~26.9%의 마모저항성이 증대되었으며, 마모깊이 또한, 0.22mm~0.43mm까지 감소되는 것으로 나타나 강도 증가에 따라 마모저항성이 향상되는 것으로 확인되었다.

Table 6

Result of Abrasion Resistance