2.1 실험계획

시멘트 혼화용 폴리머로써 자기치유기능에 유리한 저점도형 비스페놀 F형 에폭시수지를 사용하였으며, 결합재로써 보통포틀랜드시멘트와 잠재수경성 재료인 고로슬래그미분말을 사용하였다. 본 연구에서는 기존 연구(Park and Kim, 2016)⁽⁹⁾를 토대로 팽창재 및 알칼리 활성화제를 Table 1과 같이 고정하여 폴리머 결합재비 0, 5, 10, 15, 20%, 고로슬래그미분말 치환율 0, 10, 20, 30%로 변화시켜 강도 및 접착성을 파악하고, 에폭시수지의 경화도, 자기치유효과 및 주사형 전자현미경을 통한 조직구조를 관찰하였다. 고로슬래그미분말 치환율과 함께 경화제를 첨가하지 않은 에폭시수지 혼입 모르타르(이하, EMM이라 함)의 실험요인 및 수준은 Table 1과 같다.

2.2 사용재료

2.3 실험방법

2.3.4 투수시험

KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험 방법)에 준하여 28일간의 양생을 마친 공시체는 온도 80℃에서 48시간 건조하고, 데시케이터 내에서 냉각한 후 그 양면의 중앙부 지름 50mm 이상을 가볍게 솔질을 하여 표면부의 레이턴스를 제거하고 질량을 측정하였다. 그 다음에 KS F 2451(건축용 시멘트 방수제 시험 방법)에 따라 공시체에 1N/cm$^{2}$의 수압을 1시간 가한 후 질량을 측정하였다. 투수량은 3개 공시체의 평균값으로 나타내었으며, 식(1)에 따라 투수량을 산출하였다.

Fig. 1. Specimen for tensile strength test

Fig. 2. Adhesion in tension test

(1)

$W_{a}=\dfrac{W_{1}-W_{0}}{W_{0}}$

여기서, $W_{a}$ 는 투수량(g), $W_{0}$ 는 건조 후의 질량(g), $W_{1}$ 은 투수 후의 질량(g)이다.

3.1 강도특성

Fig. 3은 시멘트 혼화용 폴리머로써 비스페놀 F형 에폭시수지를 사용하고, 폴리머 결합재비 및 고로슬래그미분말 치환율을 변화시켜 제작한 경화제 무첨가 에폭시수지 혼입 모르타르(EMM)의 압축강도를 나타낸 것이다. 일반적으로 고로슬래그 미분말을 치환하지 않은 경화제 무첨가 EMM의 압축강도는 폴리머 결합재비의 증가와 함께 점점 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 경화제를 첨가하지 않은 EMM의 경우, 28일 습윤·기중 조합양생에서의 압축강도 개선은 크게 이루어지지 않음을 알 수 있다. 이것은 EMM 시멘트 매트릭스 내의 에폭시수지 경화도가 폴리머 결합재비의 증가와 함께 점점 작아지기 때문이라 판단된다. 이것은 Fig. 4에서 확인할 수 듯이, 경화제를 첨가하지 않은 에폭시수지의 경화도는 28일 습윤·기중 조합양생에서는 폴리머 시멘트 비 10% 이상에서 50% 이하로 떨어짐을 알 수 있다(Kim and Jo, 2013)⁽⁵⁾. 이와 같은 미경화 에폭시수지의 양은 향후 기중양생 기간의 증가와 함께 개선되며, 또한 초기 타설 후 시멘트 매트릭스 내에 미세 균열이 발생하였을 경우 자기치유기능 발휘에 기여할 것으로 사료된다(Ham and Kim, 2015)⁽¹⁰⁾.

Fig. 3. Polymer-binder ratio vs. compressive strength of hardener-free EMMs with GGBFS

Fig. 4. Degree of hardening of EMMs without hardener at a curing period of 28 days

한편 고로슬래그미분말을 사용한 EMM의 압축강도는 폴리머 결합재비 10%까지는 고로슬래그미분말 및 폴리머를 사용하지 않은 보통 시멘트 모르타르(P/B=0%)보다 약간 크게 나타났다. 이는 알칼리 활성화제를 사용함으로써 잠재수경성재료인 고로슬래그미분말을 사용한 모르타르의 수화반응을 개선시켰기 때문이라 판단된다. 그러나 폴리머 결합재비 15% 이상에서는 역전 현상이 나타났는데, 이는 에폭시수지의 경화도가 폴리머 결합재비 15% 이상에서 40% 이하로써 상대적으로 미경화 에폭시수지의 양이 60% 이상이기 때문이라 판단된다. 일반적으로 폴리머 결합재비 에 관계없이, 고로슬래그 치환율의 증가와 함께 개선되며, 고로슬래그 미분말 치환율 20%에서 최대값을 나타냈다.

Fig. 5. Polymer-binder ratio vs. flexural strength of hardener-free EMMs with GGBFS

Fig. 6. Polymer-binder ratio vs. tensile strength of hardener-free EMMs with GGBFS

Fig. 5는 시멘트 혼화용 폴리머로써 비스페놀 F형 에폭시수지를 사용하고, 폴리머 결합재비 및 고로슬래그미분말 치환율을 변화시켜 제작한 경화제 무첨가 EMM의 휨강도를 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말의 치환율에 관계없이, 경화제 무첨가 EMM의 휨강도는 폴리머 결합재비의 증가와 함께 큰 차이를 보이지 않으나, 폴리머 결합재비 5%에서는 에폭시수지 미혼입(P/B=0%) 모르타르보다 큰 것으로 나타났다. 그러나 폴리머 결합재비 10% 이상에서는 뚜렷한 강도 개선은 나타나지 않았다. 이는 폴리머 시멘트비 10% 이상에서는 에폭시수지의 경화도가 50% 이하로 감소하여 매트릭스 내에 형성된 폴리머 필름의 휨에 대한 저항성능이 크게 개선되지 않은 것으로 보여진다. 한편, 고로슬래그미분말을 사용한 경화제 무첨가 EMM의 휨강도는 고로슬래그 미분말 치환율 10%에서 최대값을 나타냈으며, 치환율 20% 이상에서는 치환하지 않은 것과 큰 차이를 보이지 않았다.

Fig. 6은 폴리머 결합재비 및 고로슬래그미분말치환율을 변화시켜 제작한 경화제 무첨가 EMM의 인장강도를 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말의 치환율에 관계없이, 경화제 무첨가 EMM의 인장강도는 폴리머 결합재비의 증가와 함께 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 일반적으로 폴리머 결합재비의 증가와 함께 휨인성이 증가하는데 본 연구에서는 휨강도에서 큰 개선효과를 보이지 않은 반면, 인장강도에서는 폴리머 혼입에 의한 개선효과를 나타냈다. 이는 폴리머 결합재비 5%에서 에폭시수지의 경화도가 50% 이상, 즉 경화 에폭시수지의 양은 2.5% 이상을 의미한다. 따라서 에폭시수지의 혼입률이 많은 폴리머 결합재비 10% 이상에서는 경화 에폭시수지의 양이 상대적으로 증가하기 때문이라 판단되며, 그 필름의 형성은 휨보다도 인장강도에 더 큰 성능을 부여하는 것으로 추찰된다. Fig. 7은 경화제 무첨가 EMM 내에 형성된 폴리머 필름 사진을 나타낸 것인데, 에폭시수지의 경화도가 낮은 폴리머 결합재비 10% 이상에서 연속 폴리머 필름의 형성량이 증가한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7. Microstructures of EMMs without hardener

3.2 접착성

Fig. 8은 폴리머 결합재비 및 고로슬래그미분말 치환율을 변화시켜 제작한 경화제 무첨가 EMM의 인장접착강도를 나타낸 것이다. 고로슬래그 미분말의 치환율에 관계없이, 경화제 무첨가 EMM의 인장접착강도는 폴리머 결합재비의 증가와 함께 선형적으로 증가하는 경향을 나타냈으며, 고로슬래그미분말을 치환하지 않은 폴리머 결합재비 20%에서 3.13MPa의 최대값을 나타냈다. 이는 콘크리트 피착체의 모세관 공극에 폴리머 필름의 형성에 기인한 투묘효과에 기인한 것으로 판단된다(Pareek et al., 1992; Kim, 2001)^(11,12).

폴리머 미혼입(P/B=0%) 모르타르를 폴리머 결합재비 20%와 고로슬래그미분말 치환율에 따라 비교 검토하면, 고로슬래그 미분말 치환율 0%에서, 1.8배, 10%에서 1.7배, 20%에서 1.6배, 30%에서 1.4배의 강도 개선효과를 나타냈다. 즉 고로슬래그미분말 치환율에 따른 접착강도 개선은 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다. 결과적으로 폴리머 결합재비별로 고로슬래그미분말의 치환율에 따른 인장접착강도를 비교 검토한 결과, 유의미한 차이를 나타내지는 않았다.

Fig. 8. Polymer-binder ratio vs. adhesion in tension of hardener-free EMMs with GGBFS

3.3 투수저항성

Fig. 9는 폴리머 결합재비 및 고로슬래그미분말 치환율을 변화시켜 제작한 경화제 무첨가 EMM의 투수량을 나타낸 것이다. 고로슬래그미분말의 치환율에 관계없이, 경화제 무첨가 EMM의 투수량은 폴리머 결합재비의 증가와 함께 현저히 감소하는 경향을 나타냈으며, 폴리머 결합재비 0%의 투수량 24.8g대비 폴리머 결합재비 20%에서는 5.2g으로 나타나, 그 감소율은 79%로 우수한 방수성을 발휘한다.

한편, 폴리머 결합재비에 관계없이, 고로슬래그미분말 치환율의 증가와 함께 경화제 무첨가 EMM의 투수량은 점점 감소하는 경향을 보였으며, 폴리머 결합재비 20% 및 고로슬래그 미분말 치환율 30% 병용한 모르타르에서 0.7g으로 나타나 가장 작게 나타났다. 이는 보통시멘트모르타르, 즉 폴리머 결합재비 0% 및 고로슬래그미분말 치환율 0%에서의 투수량대비 97%의 매우 우수한 투수저항성을 나타낸 것으로 보아 경화제 무첨가 EMM의 방수성을 향상하기 위해서는 알칼리 활성화제인 황산나트륨과 고로슬래그미분말의 병용이 매우 효과적임을 확인할 수 있었다. 이와 같은 방수성의 큰 개선은 Fig. 7에서 확인할 수 있는 것처럼, 폴리머 결합재비의 증가와 함께 시멘트 매트릭스 내에 형성된 경화 에폭시수지 필름의 형성량 증가와 아직 경화하지 않은 에폭시수지의 양에 기인한 것으로 판단된다.

3.4 자기치유효과 검토

Fig. 10은 폴리머 결합재비 10%로 고정하고, 알칼리 활성화제와 팽창재 및 고로슬래그미분말을 병용하여 제작한 EMM에 인위적으로 미세 균열을 유발시켜 수중 침지 기간에 따른 균열 부위의 폐색 과정을 현미경으로 관찰한 사진

이며, Fig. 11은 수중침지기간에 따른 균열 폭의 변화를 나타낸 것이다. 고로슬래그미분말을 치환하지 않은 에폭시수지 혼입 모르타르의 수중침지 전의 균열 폭은 128㎛이었으며 수중침지기간 14일에 148㎛로 관찰되었고, 그 이후 일정하며 균열 폭의 감소는 확인할 수 없었다. 고로슬래그미분말 치환율 10% 및 30%에서의 수중침지기간에 따른 균열 폭은 수중침지기간에 따라 조금씩 감소하였으나 자기폐색효과는 미미하였다. 한편, 고로슬래그미분말을 20% 치환한 에폭시수지 혼입 EMM의 수중침지 전 균열 폭은 87㎛이었으며, 수중침지기간의 증가와 함께 점점 감소하는 경향을 나타냈다. 수중침지기간 28일 이후에서는 부분적으로 균열부 폐색 현상이 나타나기 시작했다.

Fig. 9. Polymer-binder ratio vs. water permeation of hardener-free EMMs with GGBFS

Fig. 10. Crack self-healing effect of EMMs with various GGBFS contents at a polymer-binder ratio of 10%

Fig. 11. Water immersion period vs. crack width change of hardener-free EMMs with GGBFS

이는 기존 연구에서 팽창재 및 지오머터리얼, 탄산기 화학첨가제 등을 이용한 자기치유 단면보수재료의 누수보수 현장 적용 결과 기존 제품 및 공법 대비 재령 28일에서 투수량이 약 50% 이상 감소하는 자기치유 성능을 발휘한 것으로 보고하고 있으며, 이는 재령이 경과함에 따라 균열 폭이 감소하여 자기치유 재료의 효과가 커짐을 제시하고 있다(Ahn et al, 2016)⁽¹³⁾. 그러나 본 연구에서 자기치유효과를 검토한 결과 일부 배합에서만 재령의 경과와 함께 균열 폭 감소가 나타나, 추후 경화제 무첨가 에폭시수지 및 자기치유조성물과의 자기치유 상승 작용에 대한 추가적인 검토가 요구된다.