2.1.1 폴리머 방수재 개발

시멘트 혼입 폴리머계 방수재(이하 폴리머 방수재)의 주성분은 폴리머와 시멘트계 무기분체이며 방수 및 시공성 향상을 위하여 첨가제등이 혼합된다. 최적의 인장성능을 갖는 폴리머 방수재를 개발하기 위하여 주원료인 폴리머 선정과 이에 대한 비율을 검토하였다. 폴리머의 고유 특성인 유리전이온도(Tg(℃))는 폴리머가 건조경화 후 인장성능을 발휘하는데 관계가 큰 것으로 알려져 있다. 사전실험을 통해 1:1비율로 시멘트와 혼합하여 경화상태, 잔갈림, 균열 등을 검토하여 폴리머를 결정하였고, 이에 대한 폴리머/시멘트(Polymer/Cement)비율과 양생기간 및 도막두께에 따른 인장성능을 검토하였다.

한편 폴리머 방수재의 수밀성 및 시공성 향상을 위하여 작업성과 건조시간을 조절하고자 알루미나시멘트, 초속경시멘트, 팽창제, 규사, 탄산칼슘 및 고무분말에 대한 적용성을 평가하였다.

2.1.2 폴리머 방수재의 성능

폴리머 방수재는 폴리머의 건조경화를 이용하기 때문에 방수층의 두께 변화로 인하여 건조시간이 달라지고 건조시간은 방수 품질에 영향을 줄 수 있다. 따라서 도막두께를 달리한 폴리머 방수재에 대한 성능을 검토하여 건조시간 변화에 따른 품질변화를 확인하였다.

다습한 환경에 노출된 구조물의 경우 습윤한 상태에서 방수재를 시공해야하기 때문에 콘크리트와 부착성능은 더욱 중요해진다. 폴리머 방수재의 경우 습윤한 콘크리트면에도 일체화가 뛰어난 것으로 알려져 있어 이를 확인하기 위하여 비교적 함수율이 높은 상태의 콘크리트에 폴리머 방수재를 적용하고 부착강도를 측정함으로써 성능변화를 확인하였다. 그리고 폴리머 방수재의 내구성을 검토하기 위하여 수산화칼슘, 염산 및 차아염소산나트륨 수용액에 침지하여 표준상태에서 양생한 폴리머 방수재와 인장성능 및 부착성능을 비교하였으며 , 온도변화에 대한 저항성을 검토하기 위하여 내열치수안정성 및 내균열성을 평가하였다.

2.1.3 복합 방수공법

본 연구에서 기술한 복합 방수공법은 부직포를 적용함으로써 보강형태의 방수재를 제작하는 것을 의미하며, 일반형(시멘트 혼입 폴리머계 방수재 단독)과 보강형(시멘트 혼입 폴리머계 방수층+부직포 접착 후 2차 시멘트 혼입 폴리머계 방수재 도포)으로 방수재를 검토하였다.

상기 검토를 통해 결정된 폴리머 방수재를 적용하여 부직포와 일체화시켜 시트형태의 폴리머 방수재를 제작하였으며, 콘크리트 표면에 폴리머 방수재를 도포한 다음 제작된 시트형태의 방수재를 부착하여 복합 방수형태의 방수층을 형성하였다. 다음 Fig. 1은 도포 방수공법과 복합 방수공법을 도식화한 그림이다.

Fig. 1 Comparison of waterproofing fabrication types

2.2.1 폴리머(Polymer)

본 연구에 사용된 폴리머는 아크릴계 폴리머(Styrene Acrylic Acid Ester Copolymer)를 적용하였으며, 유리전이온도가 다른 5종류를 선별하여 다음 Table 1에 물리적 특성을 나타내었다.

2.2.2 무기분체

주원료로 사용된 무기분체는 보통포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement; OPC)가 사용되었다. 보조원료로 사용된 무기분체는 경화시간 조절, 인장성능 향상을 목적으로 초속경시멘트(Rapid-Setting Cement; RC), 알루미나시멘트(Alumina Cement; AC), 콘크리트용 팽창제(Expansive Admixture; EA)로 10~30%까지 3수준으로 나누어 각각 OPC에 치환하여 적용성을 검토하였다.

2.2.3 충전재 및 첨가제

미반응성 충전재는 규사(Silica Sand; SS), 탄산칼슘(Calcium Carbonate; CC), 고무분말(Rubber Powder; RP)에 대한 적용성을 검토하였다. 사전 실험을 통해 규사는 7호사, 탄산칼슘은 약 0.05 ㎜, 고무분말은 약 0.1 ㎜이하 재료를 선택하였으며, 각각의 충전재는 전체 중량의 10~30 %를 3수준으로 나누어 적용하였다. 충전재는 첨가제로 방수재 혼합 시 생성되는 기포와 경화과정에서 발생되는 균열을 억제하기 위하여 소포제(Defoamer) 0.3 wt%와 가소제(Plasticizer) 2 wt%가 첨가되었다. 다음 Table 2에 무기분체 및 충전재에 대한 사용배합을 나타내었다.

2.2.4 부직포

복합 방수 형태로 제작하기 위하여 2종류의 부직포를 검토하였다. 동일한 평량의 폴리에스터(Polyethylene terephthalate; PET)와 폴리프로필렌(polypropylene; PP)을 적용하였으며, Table 3에 물리적 특성을 나타내었다.

2.4.1 인장성능

인장시험기를 이용하여 시험편이 파단 될 때 최대 하중 및 변위를 측정하였다. 도막 방수공법으로 적용된 방수 필름의 인장성능은 KS F 4919(시멘트 혼입 폴리머계 방수재)를 준용하여 측정하고, 복합 방수공법으로 적용된 방수 필름의 인장성능은 KS F 4931(콘크리트 교면용 시트 방수재)을 준용하여 측정하였다.

2.4.2 부착성능

KS F 4919에서 제시한 부착강도 측정방법에 따라 부착성능을 검토하였다. 콘크리트의 함수율 변화에 따른 방수재의 부착성능을 확인하기 위하여 28일 수중양생 후에 수중에서 꺼낸 후 건조시간을 달리하여 함수율을 조절하였다. 콘크리트 부착판은 수조에서 꺼낸 후 20(± 2) ℃, 습도 65(± 20) %의 표준상태에서 48시간 이상 건조 시킨 것과 30분, 1시간 및 2시간 건조 한 콘크리트를 부착판으로 하여 폴리머 방수재를 적용하였다.

2.4.3 내약품성

7 일간 양생한 시험편을 수산화칼슘(Ca(OH)Style="13">2) 포화용액, 염산(HCl) 5 % 용액, 차아염소산나트륨(NaOCl) 1 % 용액에 각각 28 일 동안 침지하였다. 침지가 종료된 시편을 꺼내어 마른헝겊으로 표면을 닦아주었고, 이후 4시간동안 정치한 후 인장성능 및 부착성능을 평가하였다.

2.4.4 내열치수 안정성

KS F 4932(콘크리트 교면용 도막 방수재)의 시험방법을 참고하여 표준 양생된 250 × 50 ㎜의 시험편을 가열 전 표면측 중앙부에서 길이 200 ㎜를 표시한 다음 가열항온기에 150(± 3) ℃로 30분간 정치하였다. 이후 시험편을 꺼내어 4시간 이상 놓아 둔 후 가열 전 표시해 두었던 길이를 수평이 되도록 하여 측정하였다. 그리고 다음 식 (1)에 따라 내열 치수 안정성을 평가하였다.

* L.H: length after heating(contracted or stretched length, ㎜)

2.4.5 내균열성

KS F 4919의 시험방법을 참고하여 저온에서 방수층의 파단, 찢김 등 손상정도를 평가하였다. 휨강도용 모르타르 시험편의 한쪽면에 방수재를 도포한 후 온도 20(± 2) ℃, 습도 65(± 20) %의 표준상태에서 14일간 양생하였다. 그리고 -10 (± 2) ℃의 온도가 유지되는 항온실내에 2 시간 놓아 둔 후 파단 시험을 진행하였으며 더욱 열악한 환경에서 균열에 대한 저항성을 검토하기 위하여 -20 (± 2) ℃ 조건을 추가하여 수행하였다.

모르타르 파단 시 방수층의 손상을 확인하기 위하여 모르타르에 방수재가 도포한 면을 밑면으로 향하게 하여 휨강도 시험과 동일한 방법(재하속도 : 1 ㎜/min )으로 모르타르 시편을 파단시켰고 이후 방수층 손상 유무를 검토하였다.

3.1.1 폴리머 검토

유리전이온도로 구분된 폴리머 5종과 보통포틀랜드시멘트를 주원료로 제조된 폴리머 방수재로 필름 시편을 제작한 후 표면 상태를 검토하였다.

검토 결과, 사용된 폴리머의 유리전이온도가 낮을수록 방수재의 유연성이 증가하는 것으로 확인되었다. 유리전이온도가 0 ℃인 폴리머 A를 사용한 방수재 표면은 균열이 확인되었고, 폴리머 B를 사용한 방수재의 경우 방수재 표면이 갈라지고 단단한 상태로 유연성이 결여된 것으로 나타났다. 폴리머 C를 사용한 방수재가 가장 양호한 상태를 유지하였는데, 방수 필름을 90도 이상 구부려도 필름은 손상되지 않았다. 폴리머 D를 사용한 방수재는 폴리머 C를 사용한 방수재와 유사한 상태로 확인되었으나 미세한 균열이 존재했으며, 폴리머 E를 사용한 방수재는 건조경화가 더딘 것으로 나타났다. 유리전이온도 -20℃의 폴리머가 구부림 상태에서 파손되지 않은 것은 기존연구와 유사한 결과이다(^{Kim et al., 2003}).

방수재의 육안 검토를 통해 최종 폴리머 C를 사용하는 것으로 결정하였고 폴리머/시멘트 비(P/C)에 따른 인장성능을 검토하였다.

선정된 폴리머C를 적용하여 P/C 비를 0.55 ~ 2.73 까지 구분하여 폴리머 방수재를 제작하였고 인장성능을 평가하였다. Fig. 2에 나타낸 결과와 같이 P/C 비가 증가할수록 인장강도는 감소하고, 신장률이 증가하는 반비례 관계를 나타내었다.

기존의 연구결과(^{Chang 2004})도 P/C 비가 증가할수록 신장률이 증가하고, P/C 비가 낮아질수록 시편이 단단(hard)해지는 경향을 보고하고 있어 유사한 결과로 확인된다. 한편 KS F 4919에서 규정하고 있는 인장강도는 1.0 ㎫ 이상이고 신장률은 50%이상이나 폴리머 방수재의 개발에 있어 시공 시 품질편차를 고려하여 인장강도 2.0 ㎫ 및 신장률 150%를 확보하도록 목표하였으며, 이에 따라 최적의 P/C 비는 1.2(± 0.1)로 결정되었다.

Fig. 2 Tensile performance relationship to P/C ratio

3.1.2 무기분체

폴리머 선정과정에서 결정된 P/C 비를 이용하여 부원료의 무기분체를 평가하였다. 초속경시멘트를 적용한 결과 경화시간을 단축시킬 수 있었으며, 인장강도를 조기 발현시키는데 유효하였다. 특히 보통포틀랜드 시멘트의 10%를 사용하였을 때 경화시간과 인장강도 향상에 기여하였고, 사용량을 30%까지 사용하였을 경우에는 미세한 균열이 발생되고 인장성능 저하를 보였다.

Fig. 3 Tensile performance results by type of binder

알루미나시멘트를 사용한 경우 경화시간이 지연되면서 인장강도 발현시기도 지연된 것으로 나타났다. 알루미나 시멘트를 사용한 기존 연구결과에서 인장성능이 저하되는 경향을 보였던 것은 본 연구결과와 유사한 것으로 판단된다(^{Yun 2015}).

콘크리트용 팽창제를 사용한 경우는 경화시간이 다소 지연되었고 인장성능 향상에 효과가 크지 않은 것으로 나타났다. 또한 사용량이 증가하면서 인장성능이 크게 저하되는 경향을 보였는데, 이는 시험편의 균열이 발생되면서 인장성능 측정 시 방해요인으로 작용하였다.

Table 4 Shape after curing of cement-mixed polymer

3.1.3 충전재

충전재로써 규사, 탄산칼슘 및 고무분말에 대한 적용성을 검토한 결과 규사는 유동성 개선에 효과적인 것으로 나타났다. 일정 사용량까지 인장성능을 크게 저하시키지 않았으며, 건조 후 표면상태가 양호하였다. 탄산칼슘과 고무분말은 인장성능을 저하시키는 경향을 보였으며, 유동성이 감소되었다. 또한 건조 후 표면에서 균열이 발견되어 충전재로 사용하는 것은 바람직하지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 4 Tensile performance results by type of filler

충전재로 사용된 규사는 폴리머 방수재 전체의 무게 비 20 % 까지 사용하더라도 인장성능을 크게 저하시키지 않으면서 유동성이 개선되었다.

3.2.1 인장강도 및 신장률

다음 Fig. 5∼7은 폴리머 방수재를 1.0∼3.5 ㎜로 두께로 제작한 시편의 인장강도 및 신장률을 측정한 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 5는 5일 동안 양생 후 측정된 두께별 인장성능을 측정한 결과이다. 나타난 바와 같이 두께가 증가할수록 인장강도 및 신장률이 저하하는 것으로 나타났다. 자세하게는 1.0∼2.0 ㎜ 두께에서 인장강도가 2.2 ~ 1.8 ㎫이고 신장률은 190 ~ 230 % 로 확인되었으며 최대 3.5 ㎜까지 두께가 증가함에 따라 인장강도는 0.8 ㎫, 신장률은 90 %까지 저하하는 것으로 확인되었다.

Fig. 6은 7 일 양생 후 측정된 인장성능 결과이다. 5일 양생된 폴리머 방수시편에 비해 인장강도가 높아지고 신장률이 늘어났으며, 목표 성능을 만족하는 도막두께는 1.5 ~ 3.0 ㎜로 나타났다. 양생기간이 증가하면서 폴리머의 경화와 시멘트의 수화반응이 충분하였기 때문에 인장성능이 증진된 것으로 판단된다. Fig. 7의 9일 동안 양생한 결과에서도 유사한 경향을 나타내었으며, 도막두께 3.5 ㎜에서 인장강도는 1.7 ㎫로 확인되어 비교적 두꺼운 시험편에도 증진되는 경향을 보였다.

위의 결과를 종합하면 폴리머 방수재는 양생기간이 증가할수록 인장성능이 증가하는 경향을 보였다. 다만 도막두께가 증가하면 충분한 인장성능을 발휘하는데 비교적 오랜기간이 소요되었는데, 이는 폴리머의 건조경화는 표면에서부터 점차 내부로 발생하는데 표면부의 도막이 형성되면서 내부에 존재하던 수분이 증발되지 못하도록하여 폴리머의 건조경화가 늦어진 것으로 판단된다. 이러한 이유 때문에 적절한 도막두께를 결정하는 것이 바람직할 것으로 보이며, 본 연구에서 최적의 도막두께는 2.5 ㎜이하로 산정하였다.

Fig. 5 Tensile performance relationship according to thickness and curing period(5 days)

Fig. 6 Tensile performance relationship according to thickness and curing period(7 days)

Fig. 7 Tensile performance relationship according to thickness and curing period(9 days)

3.2.2 부착강도

Exotek사 MC-380XCA 표면 함수율 측정기를 이용하여 표면으로부터 10 ㎜이내의 함수상태를 측정한 결과 48시간 건조한 콘크리트 부착판(기준 콘크리트 부착판)의 함수율은 3.5%이고 건조시간 30분, 1시간, 2시간인 경우 각각 8.5, 5.7, 4.7 %의 함수율을 갖는 것으로 확인되었다. 부착강도는 도포 후 7일 및 28일에 측정하였다.

기준 콘크리트 부착판(7일)에서 측정된 부착강도는 1.16 ㎫로 나타났으며, 표면함수율 5.7 % 콘크리트 부착판에 도포한 경우가 가장 높은 부착강도를 발현하는 것으로 확인되었다.

방수재의 도포 후 28 일 부착강도는 표면함수율 5.7 %인 콘크리트에서 2.39 ㎫, 표면함수율 8.5 %인 콘크리트에서 2.35 ㎫로 확인되었다. 이와 같은 결과를 보인 이유는 콘크리트와 동질한 재료를 사용하기 때문에 일체화 능력이 뛰어났으며, 콘크리트 표면의 수분이 존재함으로써 시멘트의 수화반응을 일으키는데 더욱 효과적인 것으로 판단된다.

Fig. 8 Adhesion strength result by surface moisture

3.2.2 내약품성

Fig. 9에 나타낸 바와 같이 침지 후 인장성능 및 부착성능을 나타내었다. 증류수와 약품에 침지된 시험편 모두 Plain에 비해 신장률이 감소되었다. 그 중 수산화칼슘포화용액에 침지한 경우 신장률이 가장 크게 저하되어 103%로 나타났다. 반대로 인장강도 결과에서는 염산용액을 제외한 나머지의 침지된 시험편에서 증가된 경향을 보였다.

Fig. 9 Result of immersion tensile performance & adhesion strength

부착성능 결과 증류수와 수산화칼슘 포화용액, 차아염소산나트륨용액에 침지한 경우 Plain에 비하여 증가하였으며, 염산용액에 침지한 경우만 Plain에 비해 감소한 경향을 보였다.

Fig. 10에 나타낸 바와같이 약품용액에 침지된 시험편의 전과 후를 SEM을 통해 촬영한 결과 시멘트의 수화반응에 의한 에트린자이트가 생성된 것을 확인 할 수 있었다. 폴리머 방수재내로 용액이 유입되면서 시멘트의 추가 수화반응을 일으킨 것으로 판단되며, 약품 침식에 의한 영향보다 추가 수분에 의한 강도 증진효과가 비교적 큰 것으로 판단된다. 이러한 이유로 인장강도가 증진됨에 따라 신장률이 반비례되는 경향을 보였다.

Fig. 10 Before and after SEM result

3.2.3 내열치수

Table 7에 나타난바와 같이 150 ℃에서 30 분간 가열 후 측정한 결과 0.9 %가 수축하는 것으로 나타났다. 방수재내에 존재하던 자유수가 고온에 의해 손실되면서 수축한 것으로 판단된다. 하지만 수축량이 크지 않아 KS F 4932에서 제시하는 품질기준에 만족하는 것으로 확인되었다.

3.2.4 내균열성

Table 8에 나타낸 바와 같이 -10 ℃에서는 이상이 없는 것을 확인할 수 있었으며, -20 ℃ 환경에서는 일부 잔금이 확인되었다. 이는 -20 ℃ 환경에서 시멘트의 취성이 증가하여 균열이 발생된 것으로 판단되며, 이를 확인하고자 폴리머 혼입률을 높여 제작한 시험편은 이상이 없는 것을 확인하였다.

Table 8 Crack resistance result

3.3.1 복합 방수형태의 인장성능

Fig. 11과 같이 PET와 PP부직포를 적용한 복합 방수시험편을 제작하여 도막두께 2 ㎜와 3 ㎜의 인장성능을 검토하였다. 도막두께 2 ㎜의 인장성능결과 8~10 N/㎜, 40~50%로 나타났고, 도막두께 3 ㎜에서 14~15 N/㎜, 40~60%로 두께가 증가되면서 인장성능도 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 11 Tensile performance result of composite waterproofing

하지만 PET를 적용한 방수재의 신장률은 도막두께 3 ㎜에서 오히려 저하하는 경향을 보였다. 보강의 역할을 담당하는 부직포 자체의 신장율은 폴리머 방수재에 비해 낮게 형성되어있어 방수재와 일체화되면서 신장율이 증진되지 못한 것으로 판단된다.

3.3.2 복합 방수형태의 부착성능

Table 9에 나타난 바와 같이 재령 7, 28 일 부착강도를 확인하였다. PET부직포를 적용한 복합 방수의 경우 부착강도가 0.5 ㎫로 나타났으며, 재령이 증가하여도 강도증진에 영향이 미미한 것으로 나타났다. 하지만 PP를 적용한 복합 방수의 경우 재령 7 일에서 부착강도가 0.8 ㎫로 나타났으며, 재령 28 일에는 1.0 ㎫ 이상의 결과로 확인되었다.

지그의 탈락형상을 살펴본 결과 PET부직포를 적용한 방수재는 방수재와 부직포 계면에서 탈락이 일어났으며, PP부직포를 적용한 방수재는 콘크리트 모체를 탈락시키는 형상을 확인할 수 있었다. 따라서 복합 방수형태의 경우 PP부직포의 적용성이 효과적인 것으로 판단하였다.