2.1.1 결합재

본 연구에서 사용한 결합재는 보통시멘트와 혼화재료로서 고강도 콘크리트 혼화용으로 널리 사용되고 있는 실리카퓸(비표면적 160,000cm2/g, 밀도 2.23g/㎤)을 사용하였다.

2.1.2 시멘트 혼화용 폴리머

본 연구에 사용된 시멘트 혼화용 폴리머 디스퍼전은 현장에서 보수ㆍ보강 및 방수재료로 널리 사용되고 있는 EVA (Ethylene- vinyl acetate)와 SAE (Styrene-vinyl acrylic ester)에멀젼을 사용하였으며 그 성질은 Table 2와 같다. 또한 Fig. 1은 폴리머 디스퍼전의 외형과 시멘트에 혼입한 직후의 EVA 입자를 보여주고 있다. 또한 시멘트에 폴리머를 혼입할 때 연행되는 기포를 제어하기 위하여 실리콘계 에멀젼(고형분 30%)을 폴리머 고형분의 중량에 대하여 1.0%를 첨가하였다.

Fig. 1 Polymer and PCCS

2.2.1 PCCs 배합 및 제작

PCCs는 Table 3과 같은 배합으로 시멘트에 대한 폴리머 디스퍼전 고형분 비율(폴리머 시멘트비, P/C)은 40, 60, 80 및 100%로 변경하여 배합을 설계하였으며, EVA를 사용한 경우 PCCs의 점도가 커 물시멘트비를 140~200%까지 높여 조정하였다. 또한 EVA에 실리카퓸으로 혼입할 경우 유동성 저하로 AE 감수제를 시멘트 중량에 대하여 0.2% 혼입하였다. 그러나 SAE를 사용한 경우, Table 1의 고형분 50%에서 알 수 있는 바와 같이 동시에 50%의 수량을 함유한 의미이므로 P/C가 결정되면 자동적으로 물시멘트비가 결정되었다. PCCs는 시멘트, 폴리머 및 실리카퓸을 용기에 넣고 1분간 손비빔으로 고르게 섞은 후, 2분간 고속 믹서 날을 이용하여 작은 덩어리도 없을 정도로 고르게 혼합하여 PCCs를 슬러리화 하였다. PCCs를 RC 구조물의 미세한 균열에 충전시킬 수 있는 점도와 유동성을 확보하고 우수한 접착성과 방수성을 확보할 수 있는 높은 폴리머 시멘트비인 40%~100% 범위에서 배합을 설계하였다. 또한 PCCs의 피막 형성에서 강성을 높이고자 실리카퓸을 폴리머 종류와 폴리머 시멘트비에 따라 적절한 점도가 될 수 있도록 혼입비율을 달리하여 첨가하였는데 균열 주입에 지장이 없는 정도인 500 mPa∙s 이하에서 점도를 조정하였다.

2.2.2 PCCs의 점도와 플로 측정

각종 배합에 따라 제작된 PCCs를 Fig. 2와 같은 브록필드 점도계를 사용하여 점도를 측정하였으며, PCCs의 플로는 임의적 방법으로 지름 4cm, 높이 6cm 인 원통형 PVC 파이프에 PCCs를 채운 후 수직으로 들어 올려 옆으로 흐른 상태에서 가장 넓게 퍼진 부분과 그와 직교하는 부분을 측정하여 그 평균값을 플로로 정하였다.

Fig. 2 Viscocity and flow test

2.2.3 PCCs의 충전성 시험

RC 구조물의 균열을 보수하기 위해서는 무엇보다도 충전성이 중요한데 폴리머 종류 및 P/C에 따른 충전성능을 2장의 아크릴판 0.3mm 틈에서 10ml 주사기를 사용하여 PCCs를 주입하여 충전된 면적과 상태를 육안으로 확인하였다.

2.2.4 PCCs의 인장강도 시험

PCCs의 인장강도, 신장률 및 탄성계수를 알아보기 위한 시험편은 KS F 4919(시멘트 혼입 폴리머계 방수재)의 인장성능 시험 방법에 따라 Table 2의 PCCs 종류에 따른 시험체의 두께 1.5 mm와 KS M 6518 (가황고무 물리 시험방법, 인장시험)에 규정된 아령 1호형 크기로 제작하여 인장강도 시험을 Fig. 3과 같은 만능시험기를 사용하여 실시하였다. 파단시의 신장률과 최종파괴 응력의 1/4 지점에서의 응력과 변형과의 관계로부터 탄성계수를 측정하였다.

Fig. 3 Tensile strength test

3.1.1 PCCs의 배합에 따른 점도

Fig. 4는 폴리머 종류 및 P/C에 따른 PCCs의 점도변화를 나타내고 있다. PCCs의 배합설계시 RC 구조물의 균열보수에서 충전성에 영향을 미치는 요인이 점도인데 일반적으로 시멘트계 재료는 점도를 낮추기 위해서는 가수하는 방법이 가장 쉬운 방법이나 가수함에 따라 블리딩 현상이 커 균열보수재로 사용하기가 어렵다. 그러나 PCCs의 점도는 폴리머 종류에 따라 크게 달라지는데 실험에 사용한 EVA 자체의 점도는 Table 2에서 알 수 있는 바와 같이 1,570 mPaㆍs로 SAE 112 mPaㆍs에 비하면 매우 높은 점도이다. 본 연구에서는 RC 구조물의 0.3mm 이하의 균열보수를 위하여 최대 점도를 500 mPa∙s 이하로 설정하고 배합설계를 하였는데, EVA의 경우 낮은 물시멘트비에서는 점성이 너무 커 P/C, 즉 시멘트 중량에 대한 폴리머의 첨가량이 높아질수록 고유의 폴리머 점도가 높아져 P/C에 증가에 따라 물시멘트비를 140% ~ 200%로 변화를 주어 점도를 조정하여 배합설계를 하였다. 이러한 가수는 실질적으로 접착력과 강성을 저하시킬 수 있을 것으로 추측되지만 균열보수재로서 일단 미세한 균열에 충전이 되어야 하기 때문에 점도를 낮추는 방법이 유효하다. 또한, 이러한 PCCs의 강성을 개선시키기 위하여 실리카퓸을 혼입하였는데 EVA의 경우 높은 물시멘트비에서도 실리카퓸을 10% 혼입하면 점도가 너무 높아 배합이 불가능하여 여기에 AE제를 시멘트 중량에 0.2% 혼입함에 따라 점도를 크게 낮출 수 있었다. 반면 SAE의 경우, 물에 분산된 폴리머의 점성가 낮고 생산된 고형분량이 50%의 의미는 50%는 가수 되어 있다는 의미이므로 시멘트와 혼입하여도 P/C 40%에서 최대 152.0 mPaㆍs의 상대적으로 낮은 점도를 나타냈으며 여기에 실리카퓸의 혼입율을 30%까지 높여도 500 mPa∙s 이하의 점도를 확보하였다. SAE는 원래 폴리머 디스퍼전 자체의 점도가 낮아 PCCs를 제작할 경우 P/C의 증가에 따라 점도가 낮아졌는데 이는 시멘트를 혼입함에 따른 점도 증가보다 오히려 폴리머 입자의 볼-베어링 효과로 인하여 유동성이 증가하여 결국 점도를 낮춘 결과로 나타났다. 물론 점도가 낮으면 RC 구조물의 균열보수에 충전효과가 뛰어나지만 보수재 자체의 재료분리가 일어나지 않는 범위에서 조정하여 PCCs를 제조하였다.

Fig. 4 Viscosity of PCCs

3.1.2 PCCs의 배합에 따른 유동성

Fig. 5는 PCCs의 유동성 시험을 임의의 시험방법에 의해 플로시험으로 측정한 결과인데 이는 폴리머 종류와 P/C에 따른 PCCs의 상대적 유동성을 평가하는 것이지 절대값의 수치가 어떠한 의미를 내포하는 것은 아니다. 다만 본 연구의 기초실험에서 주사기에 의한 균열 충전성 시험시 플로가 100mm 이상은 되어야 균열 보수에 적합한 유동성으로 판단되었다.

본 연구에서는 PCCs 배합설계시 P/C 보다는 폴리머 종류, 그리고 실리카퓸의 혼입 유무에 따라 차이가 있었으며, 130mm ~ 215mm 범위에서 플로가 결정되었다. PCCs의 유동성은 전술한 점도와 연관성이 크다는 것을 알 수 있었으며, EVA에 비해 SAE를 혼입한 경우가 유동성이 큰 것으로 나타났으며, 실리카퓸의 혼입에 따라 각각 폴리머를 사용한 경우 유동성이 낮아진 것을 알 수 있었다. 유동성은 PCCs의 균열 폭 및 깊이에 따른 충전성에 큰 영향을 미칠 것으로 판단되며, 물리적 성질에 영향을 주지 않는 범위에서 혼화제를 적절하게 사용하여 유동성을 향상시키는 방법이 주요한데 유동성은 증가시키고 동시에 재료분리가 일어나지 않는 범위에서 물과 혼화제의 적절한 혼입이 중요하다. 즉, 폴리머 디스퍼전은 생산시 거의 50% 정도가 물이고 나머지는 폴리머 고형분으로 구성되어 있기 때문에 SAE 경우는 폴리머 디스퍼전 자체의 혼입된 물 이외는 사용하지 않았음에도 유동성이 크게 나타났다. 그러나 폴리머 특성상 저점도인 SAE 경우 재료분리가 쉽게 일어날 수 있는 배합이므로 이를 적절하게 조정해야 한다.

Fig. 5 Flow of PCCs

3.1.3 PCCs의 충전성 시험

Figs. 6~9에는 0.3mm 틈의 아크릴판에 10ml 주사기를 사용하여 PCCs의 충전성 시험을 실시한 결과로 EVA를 사용한 경우 폴리머 시멘트비에 상관없이 모두 저면까지 충진되었으며, PCCs의 충전상태를 보면 물과 시멘트의 재료 분리현상을 관찰 할 수 없었다. 또한 PCCs의 강성을 개선시키고자 실리카퓸을 혼입한 경우에도 모든 배합에서 충전성이 우수하게 나타났으며 약간 점도가 큰 P/C 40%도 균열을 충전시키기에는 문제가 없었다. 한편 SAE를 혼입한 PCCs의 경우도 모든 배합에서 충전성이 우수하게 나타났는데 주사기의 압력으로 아크릴판 틈사이를 200mm 이상 충전되었다. P/C 40%의 경우 충전 후 윗부분에 약간의 재료분리 현상이 관찰되었으며 여기에 실리카퓸을 혼입한 경우에도 충전성에는 문제가 없었으나 점도의 증가로 실리카퓸을 혼입한 경우에 비해서는 충전저항이 관찰되었다. 본 연구의 결과는 0.3mm 균열에 대한 충전성 시험평가로써 0.3mm 이하의 균열에도 충분히 충전성을 확보할 것으로 추측되나 향후 이에 대한 연구가 진행되어 미세균열에 대한 특이변수 등을 고려한 보수방법도 강구되어야 할 것이다.

Fig. 10은 본 연구의 기초자료로 지름 150mm 두께 40mm인 투수시험용 공시체를 만들어 시험편의 중앙에 균열을 발생시켜 균열깊이 측정기로 깊이를 확인한 후 실리카퓸 10%와 EVA 80%로 제작한 PCCs를 균열에 주사기로 충전하였다. 충전 후 투수시험을 실시하여 균열에 의한 투수량이 증가하지 않은 것을 확인하였으며, PCCs의 균열 충전성을 확인하기 위하여 시험편을 절단하여 균열을 육안으로 확인 한 결과 PCCs가 균열에 균일하게 충전된 모습을 관찰할 수 있었다.

Fig. 6 Filling condition of PCCs with EVA

Fig. 7 Filling condition of PCCs with EVA and silica fume

Fig. 8 Filling condition of PCCs with SAE

Fig. 9 Filling condition of PCCs with SAE and silica fume

Fig. 10 Filling properties of PCCs with EVA in crack

3.1.4 PCCs의 인장강도

Fig. 11은 P/C와 종류에 따른 PCCs 피막의 인장강도 실험결과를 나타내고 있다. EVA를 사용한 PCCs의 인장강도는 P/C의 증가에 따라 상승하는 경향을 보였으며 P/C 80%에서 최대값을 보였다. 또한, 실리카퓸 10%를 혼입함에 따라 P/C 80%에서 16.2%, P/C 100%에서 20.9% 인장강도가 상승하였다. 또한 SAE를 사용한 PCCs의 인장강도는 EVA와 마찬가지로 P/C의 증가에 따라 커졌으며 P/C 80%에서 최대값을 보였으며 실리카퓸의 혼입에 따른 인장강도가 비교적 크게 개선되었다. 또한, 폴리머 종류에 따라서는 SAE를 사용한 경우가 EVA를 사용한 경우에 비해 모든 배합조건에서 약 1.52배 ~ 1.89배의 높은 인장강도를 나타냈는데 이처럼 SAE가 EVA보다 인장강도가 크게 나타난 것은 원래의 폴리머 자체의 인장강도 차이라기 보다는 RC 구조물의 균열에 충전될 수 있는 유동성을 얻기 위한 배합설계에서 EVA의 경우는 기본적으로 가수를 많이 한 배합이기 때문으로 볼 수 있다. 본 연구에서 두 종류의 폴리머 디스퍼전을 사용한 모든 배합에서의 PCCs의 인장강도는 시멘트 혼입 폴리머계 방수재 KS 규정^{(KS F 4919, 2018)}의 인장성능 중 인장강도 1.0 N/mm2 이상을 모두 만족하였다.

본 연구의 PCCs의 피막 강성은 폴리머 디스퍼젼 속에 함유된 폴리머 입자가 대기중에서 증발되는 수분의 감소와 더불어 응집되어 폴리머 필름이 형성되고 또한 얼마나 지속적으로 건조과정이 진행되는가에 따라 강성이 달라질 수 있다. 따라서 실제 현장에서 RC 구조물의 균열부위의 건조환경은 이와 약간 다를 수 있기 때문에 PCCs 충전시 이러한 부분도 고려하여야 할 것이다. 이처럼 PCCs를 RC 구조물의 균열 보수재로 사용할 때 균열부위의 거동에 따른 보수재의 접착성과 인장강도는 중요한 요소이다^{(Choi, 2014; Sanjai, 1993)}. 균열부위에 외력이 발생하면 PCCs의 보수재는 일차적으로 콘크리트와의 접착성에 의해 거동하고 거동이 커지면 보수재 자체의 인장력이 보수재의 파괴를 막아주면서 그 다음으로 탄성적인 성질의 지표인 신장률에 의해 응력 변형을 추종하면서 보수재로서 역할을 다할 수 있기 때문이다. 이러한 점에서 PCCs는 기존의 보수재와 비교해 RC 구조체의 주성분인 시멘트계 재료로서 상당한 탄성을 가지고 접착성이 우수하다는 것이며 또한, 에폭시 및 폴리우레탄 수지와 같이 온도와 열에 대한 민감성이 상당히 낮다는 장점을 갖고 있다.

Fig. 11 Tensile strengths of PCCs according to types of polymer and P/C

3.1.5 인장시험에 의한 PCCs의 신장률

Fig. 12는 P/C와 종류에 따른 PCCs 피막의 인장강도 시험에 따른 신장률을 나타내고 있다. 보통 수성 폴리머 디스퍼전을 사용하여 시멘트 성질을 개선시키기 위하여 혼입한 폴리머 시멘트 복합체, 즉 폴리머 시멘트 모르타르 또는 콘크리트는 시멘트에 대한 혼입율, 즉 P/C를 최대 20% 이하에서 배합설계 되고 있어 내부에 형성된 폴리머 필름에 의한 물리적 성질인 신장률보다는 인장강도와 휨강도의 영향이 중요하다. 본 연구에서의 폴리머 시멘트 슬러리 형태의 PCCs는 폴리머 시멘트 모르타르 및 콘크리트에 비해 폴리머의 함유량이 아주 높기 때문에 전적으로 폴리머의 함유량에 의해 물리적 성질이 더욱더 크게 영향을 받는다. PCCs의 피막은 폴리머 종류에 상관없이 P/C의 증가에 따라 신장률이 커졌으며, P/C 40%에 비해 P/C 100%의 신장률이 EVA를 사용한 경우 약 1.69배, SAE를 사용한 경우 1.31배 크게 나타났다. 또한, 폴리머 종류에 따라서는 모든 P/C에서 SAE를 사용한 PCCs가 EVA를 사용한 PCCs보다 신장률이 약간 크게 나타났으나 P/C 40%를 제외하면 거의 1.0 ~ 6.0% 범위였다. 그러나 실리카퓸을 혼입한 P/C 80%와 100%에서는 폴리머 종류에 상관없이 실리카퓸을 혼입하지 않은 PCCs에 비해 신장률이 약간 작게 나타났는데 EVA를 사용한 경우, 각각 약 9.10%, 1.51%, SAE를 혼입한 경우 각각 약 8.08% 및 6.38% 작게 나타났다. 이러한 현상은 실리카퓸의 미세한 입자가 시멘트 수화물의 공극을 채워 치밀한 구조를 형성하여 강성을 개선시킨 결과로 볼 수 있다. 결과적으로 실리카퓸을 혼입함을으로써 PCCs의 인장강도를 개선시킴과 동시에 신장률이 약간 저감되었는데 신장률 역시 P/C 40%를 제외하면 시멘트 혼입 폴리머계 방수재의 KS 규격^{(KS F 4919, 2018)}의 인장성능 중 신장률 50% 이상을 모두 만족하였기 때문에 실리카퓸을 혼입하는 것이 물리적 성질을 개선시키는데 큰 효과가 있는 것으로 판단되었다.

Fig. 12 Elongation ratio of PCCs according to types of polymer and P/C

3.1.6 인장시험에 의한 PCCs의 탄성계수

Fig. 13은 P/C와 폴리머 종류에 따른 PCCs 피막의 인장강도 실시 후 응력과 변형과의 관계에서 최대응력 1/4 지점에서의 탄성계수를 측정한 결과를 나타내고 있다. 일반적으로 수성 폴리머 디스퍼전이 시멘트 복합체인 폴리머 시멘트 모르타르 또는 콘크리트에 혼입되어 사용될 때 전술한 바와 같이 성능과 코스트 측면에서 20% 이하를 사용하기 때문에 상대적으로 탄성계수가 작은 폴리머 디스퍼전을 혼입하여도 구조적 특성에서 크게 단점으로 작용하지 않고 오히려 시멘트 복합체의 인성을 증가시키는 역할을 하였다^{(Ohama, 1995)}. 그러나 PCCs는 혼입되는 폴리머의 양이 많아 폴리머의 탄성계수가 PCCs에 큰 영향을 미칠 수 있다. Fig. 13의 실험결과에서 알 수 있는 바와 같이 P/C의 증가에 따라 폴리머의 종류에 상관없이 탄성계수가 크게 작아지는 경향을 보였는데, P/C 100%에서는 P/C 40%에 비해 5.24배 및 2.87배 각각 작아졌다. 또한 실리카퓸을 혼입한 경우는 혼입하지 않은 경우에 비해 P/C 80%에서 1.26배 및 1.30배, P/C 100%에서 1.35배 및 1.20배 각각 크게 나타났다. 폴리머 종류에 따른 PCCs의 탄성계수는 SAE를 사용한 경우가 EVA를 사용한 경우에 비해 최소 1.61배에서 최대 2.95배 높은 탄성계수를 나타냈다. 이처럼 SAE를 사용한 경우가 EVA를 사용한 경우보다 PCCs 의 탄성계수가 높게 나타난 것은 전술한 인장강도가 SAE가 EVA 보다 큰 반면 신장률은 거의 비슷한 결과를 얻었기 때문이다. 또한, 기존 연구^{(Jo et al., 2022)}에서 접착강도 측면에서도 SAE를 사용한 PCCs의 경우가 다른 폴리머에 비해 우수한 성능을 보인 결과와 더불어 전술한 결과를 종합해 보면 EVA를 사용한 경우보다 SAE를 사용한 경우에 인장강도와 신장률이 우수하고 탄성계수가 커 RC 구조물의 균열보수에 적합한 것으로 평가되었다.

Fig. 13 Elastic modulus of PCCs according to types of polymer and P/C