Study on Adhesive Strength of Polymer Modified Cement Mortar for Maintenance in Concrete Structure

콘크리트 구조물 보수용 폴리머시멘트 모르타르의 부착강도 특성에 관한 연구

Study on Adhesive Strength of Polymer Modified Cement Mortar for Maintenance in Concrete Structure

박 상 순^1)* 김 정 흠²⁾

Park, Sang Soon Kim, Jung Heum

Abstract

Polymer-modified cement mortar(PCM) has been widely used for strengthening of the concrete structures due to its excellent physical properties such as high strength and durability. Adhesive strength or behavior, on the other hands, between PCM and concrete is very important in strengthening the concrete member using PCM. Therefore the adhesive failure mechanism between PCM and concrete should be fully verified and understood. This study was performed to evaluate adhesive strength of PCM to the concrete by the direct pull-out test. In the direct pull-out tests, the adhesive strength under the various pre-treatment conditions such as immersion, thunder shower, freezing and thawing are evaluated. Also, the field direct pull-out test are performed to investigate the adhesive strength of mock-up test specimens. In the results of the test, the adhesive strength value by field test are lower than those of the standard curing condition. From these comparison and investigation, field test result was similar with the thunder shower test result. The results of the test was used to evaluate the korean industrial standard of polymer modified cement mortars for maintenance in concrete

Keywords : Adhesive strength, Polymer modified cement mortar, Repair and reinforcement, Thunder shower test

1. 서 론

폴리머시멘트 모르타르는 주로 콘크리트 구조물의 보 수보강시 손상이나 열화된 단면의 복구재로 이용되는 보 수재료의 일종이다(Emmons, 1994 ; Ohama, 1995).

기존 콘크리트 위에 시공되어 신 ․ 구재료로 구성된 복합 체를 형성하기 때문에 두 가지의 서로 다른 재료로 구성 된 복합구조체의 성능은 새로 적용된 신 보수재료의 물성 보다는 신 ․ 구재료 사이의 부착성능에 의해 크게 좌우된 다(Wall and Shireve, 1988 ; Abu-tair et al., 1996 ; Minaru et al., 2001 ; Al-Zahranj, 2003). 현재 보수재 료의 부착강도 특성을 평가하는 방법 및 품질기준은 한국 산업규격인 KS F 4042(2007)에 규정되어 있으나 현장 부착 강도 평가에 관한 방법 및 기준은 국내규격에 규정 되어 있지 않다.

1) 정회원, 상명대학교 건설시스템공학과 교수 2) 정회원, 서울시북부도로교통사업소 과장

그 동안 국내에서는 1995년 제정된 시설물의 안전관리 에 관한 특별법에 따라 각종 도로 시설물에 대한³⁾지속적 인 안전점검을 거쳐 보수 및 보강공사를 시행하고 있다.

이와 연계하여 콘크리트구조물 보수 ․ 보강사업 경험이 많 지 않은 국내 전문기술업체에서는 선진외국, 특히 유럽 ․ 미국 등지에서 다투어 기술도입을 실시하였다.⁴⁾이렇게 단 면보수재료의 생산 및 공법이 자리를 잡아가는 과정에서 건설교통부의 신기술 장려정책에 따라 기존 기술을 모방 또는 보완함으로서 신기술을 획득하여 각종 콘크리트 구 조물의 단면보수 공사에 참여하고 있으나, 실질적인 품질 향상에 의한 신기술이기 보다는 폴리머시멘트 모르타르 의 성분(배합) 조정에 의한 형식적인 신기술에 치우침으 로서 이후 기술개발이 답보상태에 있다. 특히 단면보수재 인 폴리머시멘트 모르타르의 특성상 KS기준 설정이 어려 워 폴리머시멘트 모르타르의 물리적 특성 및 내구성에 대

* Corresponding author : [email protected] 041-550-5317

• 본 논문에 대한 토의를 2010년 10월 31일까지 학회로 보내주시면 2010년 11 월호에 토론결과를 게재하겠습니다.

Photo 1 Recurrence of crack on repair material

Photo 2 Manufacturing of specimens

한 기준을 설정하여 KS 등록제품을 양산 시킬 수 있는 방안이 현실적으로 어려운 상태에 있다.

더불어 1994년 KS F 4042 폴리머시멘트 모르타르의 품질기준을 결정하는 과정에서 기술표준원에서는 업체의 기술 생산 실태를 반영하여 우리나라의 기후요인, 콘크리 트구조물의 외부조건(지하, 지상 또는 상시습윤, 공기중 노 출상태여부 등)을 고려하지 못하고 일본이나 유럽국가의 기준을 모방하여 최소의 기준을 각 품질시험 항목에 반영 운영함으로써 Photo 1에서 나타낸 것과 같이 단면보수 시 행에 의한 내구성 향상이 기대치에 미달하는 사례가 지속 적으로 발생되고 있어 이를 해소해야 할 시점에 와 있다.

본 연구에서는 폴리머시멘트 모르타르의 현장 부착강 도 특성을 평가하기 위해 1차적으로 현재 공용중인 서울 시내고가차도의 측벽에 시험시공을 실시하여 현장부착강 도 특성을 평가하였다. 시험시공에 따른 현장부착시험결 과 단면복구재의 부착강도는 모체인 콘크리트의 강도 및 열화정도에 따라 차이를 나타내는 것으로 나타났다(한국 건자재시험연구원, 2007).

이에 따라 본 연구에서는 서울시 북부도로교통사업소 관내에 4종류의 다른 강도로 타설된 시험용 콘크리트 밑 판을 제작한 후 국내 18개 보수업체의 제품을 대상으로 시험시공을 실시하여 밑판의 강도변화에 따른 현장 부착 강도 특성을 평가하고 그 결과를 실내시험결과와 비교함 으로써 국내 단면복구재의 현장 부착강도와 특성을 종합 적으로 평가하였다.

2. 실내시험

시험에 사용한 폴리머시멘트 모르타르는 현재 국내 콘 크리트 구조물의 보수공사에 적용되고 있는 총 18개사의 제품이다. 대부분 고무라텍스 및 수지 에멀젼에 안전제 등을 가한 것을 건조하여 얻은 분말형의 재유화형 폴리머

와 섬유보강제 및 혼화제 등을 혼입한 프리믹스트 형태의 재료로서 물과의 혼합비는 15～18% 범위이다.

2.2 시험방법

2.2.1 시험체의 제작

KS F 4042에서 규정한 부착강도시편의 밑판은 시멘 트 모르타르이지만 본 연구에서는 현장부착강도와의 비 교를 위해서 밑판을 콘크리트로 제작하였다. Photo 2에 서와 같이 강도 24MPa의 콘크리트 평판(300×300×50

㎜)시편을 3등분하여 밑판으로 하고 그 위에 폴리머시멘 트모르타르를 10㎜ 높이로 다져서 채웠다.

부착강도 시험 외에도 압축강도, 휨강도 등의 역학적 특성평가를 위한 시편과 길이변화 등의 체적변화 및 염화 물 이온 침투저항성과 중성화 시험 등의 내구성능 평가를 위한 시편도 제작하여 기본물성에 대한 평가를 함께 실시 하였다(박상순 등, 2008).

2.2.2 전처리 방법

시험시편의 전처리란 실제의 환경조건에서 접할 수 있 는 다양한 열화조건을 실험실에서 촉진방법으로 모사하 는 것으로, 본 연구에서는 Photo 3에 나타낸 것과 같이 KS F 4042(2007)에서 규정한 표준조건 및 온냉반복조 건 외에도 BS EN 1504(2005)에서 규정한 열충격조건 및 동결융해조건과 KS F 4919(2008)에서 규정한 침수 후조건도 함께 고려하였다.

시편 제작 후 28일간 기중양생을 실시한다. 이후 각각 의 규정된 조건에 맞게 전처리 과정을 수행하였다. 표준 조건이란 온도 20±2℃, 습도 65±10%에 1시간 이상 노출시키는 것이다. 온냉반복조건은 물 속에 시편을 18시 간 침수시킨 후 꺼내어 즉시 -20±3℃의 항온 탱크내에 서 3시간 냉각 후 50±3℃의 항온 탱크 내에서 3시간 가 열한다. 이러한 조작을 10회 반복하는 것이다. 침수조건 은 시편의 밑판인 콘크리트 부분만 물속에 잠기도록 한

(a) Standard (b) Immersion

(c) Thunder shower (d) Freezing and thawing Photo 3 Pre-treatment conditions of specimens

(a) Adhesive strength tester

(b) Specimens for adhesive strength Photo 4 Adhesive strength test

상태에서 28일간 양생하는 것이다. 동결융해조건은 KS F 2456(2003)에 따라 -18～4℃의 온도범위로 시험을 실시하였다. 4℃에서 -18℃로 온도가 떨어진 후 다시 4℃로 상승하는 것을 한 주기로 하며 온도의 하강과 상승 에 따른 동결과 융해는 동일한 시간간격으로 진행된다.

한 주기의 시간은 4시간으로 BS EN 1504에 따라 총 20 주기를 반복하였다.

KS 시험방법과는 별도로 유럽시험규격인 BS EN 1504 에 기초해서 국내의 옥외폭로시험장에서 1년간 시편의 표 면온도를 측정한 결과를 기초로 조건을 설정한 열충격 전 처리 과정도 수행하였다(박상순 등, 2007). 열충격 조건은 시편을 60±5℃인 기중상태에서 5시간 45분 유지한 후 온도를 급격히 하강시켜 12±3℃인 수중상태로 15분간 지속하는 것을 한주기로 설정해서 30주기를 반복하였다.

2.2.3 부착강도

전처리방법에 따라 양생이 끝난 시험체를 양생실 내에 수평하게 놓고, 시료 도포면에 접착제인 에폭시를 바른 후 강철제인 상부 인장용 지그를 올려놓고 가볍게 문질러 접착시킨 후, 상부 인장용 지그가 움직이지 않도록 고정 하고 주위에 나온 접착제를 신중히 제거하여 24시간 동 안 놓아둔다. 지그가 완전히 부착된 이후 수직방향으로 인장력을 가해 최대 인장 하중을 구해서 이를 지그의 면 적으로 나눈값을 부착강도로 정의한다. 다음 Eq. (1)에 의해 산출하고 공시체 3개의 평균값으로 하여 소수점이 하 한자리로 끝맺음한다. 부착강도시험방법과 시험편은 Photo 4와 같다.

Fig. 1 Failure mode

부착강도(N/㎟)  

 (1)

여기에서,  : 최대인장하중(N)

부착강도 시험시 파단면의 관찰을 통해 인장파괴형상 을 결정할 수 있다. 모체에 부착된 피착재료의 파괴는 다 음의 세 가지로 구분할 수 있다.

1) 모체에서의 파괴 (기반층 파괴)

2) 모체와 피착재의 경계면에서의 파괴 (부착층파괴) 3) 피착재에서의 파괴 (표층파괴)

모체와 피착재의 부착강도실험은 재료의 최소인장강도 를 평가하는 것으로 파괴형상은 부착특성을 파악하기 위 해서 매우 중요하다. 파괴형상의 평가는 파괴면에서의 모 체와 피착재의 비율에 의해서 결정하였다. 파괴면에 모체

Fig. 2 Test result of adhesive strength

Fig. 3 Comparison of adhesive strength according to pre-treatment condition

(a) Test construction

(b) Field test on adhesive strength of polymer mortar Photo 5 First field test

의 비율이 80% 이상인 경우 기반층 파괴로 40～80%인 경우에는 부분기반층 파괴, 40% 이하인 경우에는 부착층 파괴로 하였으며 피착재의 비율이 50% 이상인 경우에는 표층파괴로 규정하였다.

2.3 시험결과 및 분석

국내에서 단면보수재로 사용되는 폴리머시멘트 모르타 르에 대한 전처리조건에 따른 실내 부착강도시험결과는 Fig. 2와 같다. 대부분의 제품은 표준조건에서는 KS F 4042에서 규정하고 있는 품질기준인 1MPa을 상회하는 것으로 나타났다. 그러나 일부 침수조건을 비롯해 온냉반 복조건, 열충격조건 및 동결융해 조건에서는 품질기준을 만족하지 못하는 제품이 많았다. Fig. 3에 나타낸 것과 같 이 표준조건, 침수조건, 온냉반복조건, 동결융해 및 열충격 조건 순으로 평균부착강도가 저하되는 특성을 나타내었다.

표준조건에서의 부착강도를 100%라고 하면, 침수조건에 서는 87%, 온냉반복조건에서는 75%, 동결융해조건에서는

64% 수준이었으며, 열충격조건은 60%에 불과하였다.

3. 1차 현장부착강도시험

단면복구용 폴리머시멘트모르타르에 대한 현장부착강 도시험 및 1년간의 옥외폭로시험을 위하여 서울시 북부 도로교통사업소 관할 구역내에 공용중인 고가차도의 측 벽에 시험시공을 실시하였다. 시험시공에 참여한 업체는 실내시험을 실시한 18개 업체로서 5일간 각사의 폴리머 시멘트 모르타르 제품에 대한 현장시공을 실시하였으며 28일간의 양생기간을 거쳐 현장부착강도시험을 실시하였 다. 현장부착강도는 ASTM D 4541(2002)에 규정된 pull-out test방법으로 각 폴리머시멘트 모르타르당 세 곳에서 실시하였다. 이후 1년간의 옥외폭로 후 또 한 번 의 현장부착강도시험을 통해 각 제품의 부착강도의 변화 를 측정하였으며 옥외폭로에 따른 각 제품의 열화상태를 외관조사를 통해 함께 평가하였다. Photo 5는 1차 현장 시험시공시의 모습이다.

3.2 시험결과 및 분석

3.2.1 모체콘크리트의 코어강도

현장부착강도시험을 실시하기에 앞서 대상구조물 모체 콘크리트의 강도를 평가하였다. Photo 6에서 나타낸 것과 같이 세 곳의 코어를 채취하여 압축강도 및 표면인장강도

No.

Compressive strength

(N/㎟)

Mean value (N/㎟)

Surface tensile strength

(N/㎟)

Mean value (N/㎟)

1 21.5

22.9

2.0

1.9

2 24.4 1.4

3 22.9 2.2

Table 1 Strength properties of core specimens

Photo 6 Collection of core specimens and surface tensile test

Fig. 4 Field test result of adhesive strength

Fig. 5 Comparison test result

시험을 실시하였다. 표면인장강도는 시편의 단면에 부착강 도 시험용 지그를 부착하고 직접인장강도시험을 실시한 결과로서 폴리머시멘트 모르타르와 부착되는 모체콘크리 트 표면의 인장강도로 가정하였다. 강도시험결과 Table 1 과 같이 세 개 시편의 압축강도 평균값은 22.9MPa이었으 며, 표면인장강도 평균값은 1.9MPa이었다. 즉, 모체콘크 리트의 표면인장강도는 폴리머시멘트 모르타르 부착강도 의 KS 품질기준인 1MPa 이상인 것으로 평가되었다.

3.2.2 부착강도

현장부착강도시험결과는 Fig. 4와 같다. 현장부착강도 시험결과 KS F 4042의 품질기준값인 1MPa를 만족하지 못하는 제품의 비율이 63%에 이르는 것으로 나타났다.

파괴의 형태는 파괴면에 남아있는 모체의 비율이 40～

80%인 부분기반층 파괴가 대부분이었으며, 부착강도가 낮을수록 부착층 파괴를 나타내었고 일부제품의 경우 보 수모르타르 부분에서 파단이 일어나는 표층파괴가 나타 나기도 하였다. 그리고 1년간의 옥외폭로 후 실시한 부착 강도가 초기 부착강도와 비교해서 저하되는 제품도 있었 으나 대부분의 경우에는 강도나 파괴형태에 있어서 큰 특 성변화를 나타내지 않았다. 즉, 부착강도의 특성은 초기 양생조건에 따른 강도발현에 의해 그 특성이 지배되며 처 음 품질조건을 만족한 시험체의 경우 1년이 지난 후에도 그 특성이 크게 변화하지 않는 것으로 평가되었다. 현장 부착강도를 실내의 표준조건에서 구한 부착강도와 비교 하면 55% 수준에 불과한 것으로 나타나서, 실제 환경조 건과 실내의 표준조건에서 구한 강도결과와는 상당한 차

이가 발생함을 알 수 있었다. 또한 Fig. 5와 같이 현장부 착강도시험결과를 전처리방법에 따른 실내강도시험결과 와 비교해 보면 열충격조건시험결과가 현장부착강도와 가장 유사하다는 사실을 알 수 있다.

3.2.3 외관조사

1년간 옥외에 폭로된 폴리머시멘트모르타르에 대한 외관 조사 결과 대부분의 시편에서 미세한 균열이 조사되었고 몇 몇 시편의 경우 망상균열 및 백태를 비롯해 들뜸 등 치명적 인 손상이 발견되었다. 주요한 손상내용은 Photo 7과 같다.

4. 2차 현장시험

공용고가차도 측벽에서의 시험시공에 따른 현장부착강 도시험결과 폴리머시멘트 모르타르의 부착강도는 모체인 콘크리트의 강도 및 열화정도에 따라 차이를 나타내는 것 으로 나타났다. 단면복구재의 부착강도와 모체콘크리트의 강도와의 상관성을 보다 명확히 규명하기 위해서 북부도 로교통사업소 관내에 18, 21, 24, 27MPa의 배합강도를

Fig. 6 Strength properties of base concrete (a) Efflorescence

(b) Crack

(c) Net crack

(d) Peeling off Photo 7 Result of eye inspection

(a) Test construction (b) Field test on adhesive strength of polymer mortar Photo 8 Second field test

가진 레미콘으로 타설된 시험용 콘크리트 밑판을 제작하 였다. 1차 시험이 측면에 시공한 단면복구재에 대한 평가 라면 2차 시험은 슬래브와 같은 바닥에 시공된 단면복구 재에 대한 평가의 의미를 부여하였다. 바닥에 시공된 단 면복구재는 우수 및 강설 등의 영향을 직접적으로 받기 때문에 측벽에 시공된 보수재에 비해 부착강도가 저하될 것으로 예상되었다. 충분한 양생기간을 거친 후 1차 시험 시공에 참여한 업체에서 Photo 8과 같이 시험시공을 실 시하였다. 시험시공 후 28일간의 양생기간을 거쳐서 각 폴리머시멘트 모르타르에 대해서 1차와 동일한 방법으로 부착강도 시험을 실시하였다.

4.2 시험결과 및 분석

4.2.1 모체콘크리트의 코어강도

대상 구조물의 모체콘크리트의 기본강도를 평가하기 위해서 각 밑판별로 세 곳에서 코어를 채취하여 압축강도 및 표면인장강도를 측정하였다. 시험결과는 Fig. 6과 같 이 각각 압축강도는 19.7, 21.1, 25.5, 30.7MPa이고 표 면인장강도는 각각 1.3, 1.4, 1.5, 1.6MPa이었다. 4개의 시험용 밑판의 콘크리트 압축강도의 증가에 비례해서 표 면인장강도도 증가하는 것을 확인할 수 있었으나, 애초에 기대보다 각 시험체별 강도편차가 크지 않았으며, 표면인 장강도도 1차 시험당시 모체콘크리트보다 크지 않은 것 으로 나타났다.

4.2.2 현장부착강도

폴리머시멘트 모르타르에 대한 현장부착강도시험결과 는 Fig. 6과 같다. 예상대로 현장부착강도는 모체콘크리 트의 강도와 직접적인 상관성을 지니는 것으로 나타났다.

Fig. 7에서 나타낸 것과 같이 모체의 강도가 증가될수록 부착강도도 함께 증가되는 것으로 나타났다. 모체콘크리 트의 강도가 낮은 경우에는 모체콘크리트의 표면인장강 도가 부착강도를 지배하는 요인으로 작용하지만 모체콘 크리트의 강도가 증가할수록 폴리머시멘트 모르타르의 부착성능에 따라서 부착강도가 결정된다는 것을 알 수 있 었다. 1차 시험결과와 비교해서 전체적으로 품질기준인 1MPa을 만족하지 못하는 경우가 많았고, 평균적인 부착 강도도 낮은 것을 알 수 있었다. 이로부터 시공되는 위치 가 폴리머시멘트 모르타르의 부착강도에 큰 영향을 미친

Fig. 7 Test result

Fig. 8 Comparison of adhesive strength

다는 사실을 확인할 수 있었다.

5. 결 론

본 연구에서는 2회에 걸친 현장부착강도시험 및 다양한 전처리 방법에 따른 실내부착강도시험을 통해 국내에서 판매되고 있는 폴리머시멘트 모르타르의 부착강도 특성을 평가하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 국내에서 생산 ․ 판매되고 있는 18개 보수제품에 대 한 실내 부착강도 시험을 통해 보수재료의 부착성 능을 평가하였다. 부착강도는 표준조건 외에 보수재 료에 대한 전처리 열화촉진과정으로 침수, 온냉반 복, 열충격, 동결융해를 조건을 고려했으며, 시험결 과 표준조건에서의 부착강도는 KS의 품질기준인 1MPa를 상회하였으나 표준조건에 비해 침수는 평 균 13% 온냉반복은 25%, 동결융해는 37% 열충격 은 40% 의 부착강도가 저하되었다.

2) 현장 부착강도 평가결과 콘크리트 기반층의 강도가 증가함에 따라 폴리머시멘트 모르타르의 부착강도 가 증대되는 경향을 나타냈으며, 저강도인 경우에는 기반층파괴 및 부분기반층 파괴가 주된 파괴형상인 데 비해 강도가 증대되면서 부착층파괴와 표층파괴 등의 파괴형상을 보였다. 또한 폴리머시멘트 모르타 르 일부는 모체와의 부착력 저하로 인해 균열, 망상 균열, 들뜸 및 박리현상이 발생하였고, 균열 및 백태 등의 열화가 상당한 수준으로 진행되고 있는 것을 확인할 수 있었다.

3) 현장부착강도는 시험실의 표준조건에서의 부착강도 의 41～57% 수준으로 이를 통해 진동, 열적충격, 자외선, 건습반복 등의 현장에서의 부착력을 저하 시키는 각종 요인을 실내의 표준조건에서의 부착력 시험만으로는 평가할 수 없다는 사실을 확인할 수 있었다.

4) 현장 부착강도 시험결과는 표준조건에서 실시한 실 내 부착강도 시험결과보다는 열충격 30주기 조건에 서의 시험결과와 유사한 결과를 나타냈다. 따라서 실제 현장에 시공되는 단면복구재의 부착성능을 평 가하기 위해서는 표준조건에서의 시험보다는 열충 격 조건과 같은 촉진열화조건에 노출된 이후의 부 착강도시험이 요구된다고 평가된다.

5) 향후 현장의 현장조건을 반영한 보다 합리적인 품질 기준을 재정립하여 이를 통한 보수재료의 성능평가 가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

참고문헌

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8. Al-Zahranj, M., “Mechanical Properties and Durability Characteristics of Polymer and Cement-Based Repair

요 지

폴리머시멘트 모르타르는 고강도 및 고내구성 등의 우수한 재료적 성질을 가지고 있어 철근콘크리트 구조물의 보수재료로 광범위하게 사용되어져 왔다. 폴리머시멘트 모르타르와 콘크리트 사이의 부착거동은 폴리머시멘트 모르타르에 의해 보수 ․ 보강 된 철근콘크리트 부재의 보강성능을 좌우하는 매우 중요한 요소이다. 따라서 폴리머시멘트 모르타르와 콘크리트 접합면에서 발 생되는 부착파괴의 메커니즘은 명확히 구명될 필요가 있다. 본 연구에서는 직접인발시험을 통해 국내에서 판매되는 폴리머시멘 트모르타르와 콘크리트의 부착강도를 평가하였다. 표준, 침수, 온냉반복 및 동결융해 등의 전처리 조건에 노출된 폴리머시멘트 모르타르의 부착강도를 실내시험을 통해 평가하였으며, 2차에 걸친 시험시공을 통한 현장부착강도도 함께 평가하였다. 시험결 과 현장부착강도는 표준조건에서 실시한 실내 부착강도 시험결과보다 낮은 수준이었으며, 열충격조건에서의 실내시험결과와 유 사한 것으로 나타났다. 본 연구결과를 기초로 KS에 규정된 폴리머시멘트모르타르의 시험방법 및 품질기준의 타당성을 검토하 였다.

핵심 용어 : 부착강도, 폴리머시멘트모르타르, 보수보강, 열충격시험

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164

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(접수일자 : 2010년 3월 19일)

(심사완료일자 : 2010년 5월 20일)