콘크리트 포장의 급속 보수를 위한 산화마그네슘계열 단면복구재의 성능에 대한 실험적 연구
Experimental Study on Performance of MgO-based Patching Materials for Rapid Repair of Concrete Pavement
이`현`기 Lee, Hyeongi 정회원·한양대학교 공과대학 건설환경플렌트공학과 박사과정·교신저자 (E-mail : [email protected]) 안`기`용 Ann, Kiyong 한양대학교 공과대학 건설환경플렌트공학과 교수 (E-mail : [email protected])
심`종`성 Sim, Jongsung 한양대학교 공과대학 건설환경플렌트공학과 교수 (E-mail : [email protected])
1. 서론
일반적으로 국내의 고속도로 포장형식은 크게 콘크리 트 포장과 아스팔트 포장으로 구분된다. 2008년 국토 교통부의 통계자료에 의하면, 콘크리트 포장이 전체의
64.4%이며, 최근 개통한 고속도로의 경우 콘크리트 포 장 비율이 70~90% 차지하는 것으로 보고되고 있다 (Yun & Park, 2009). 국내의 경우 1984년에 88고속 도로를 건설하면서 시멘트 콘크리트 포장을 본격적으로
Int. J. Highw. Eng. Vol. 18 No. 1 : 43-55 FEBRUARY 2016 http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2016.18.1.043
ABSTRACT
PURPOSES : This study aims to develop a repair material that can enhance pavement performance, inducing rapid traffic opening through early strength development and fast setting time by utilizing MgO-based patching materials for repairing road pavements.
METHODS : To consider the applicability of MgO-based patching materials for repairing domestic road pavements, first, strength development and setting time of the materials were evaluated, based on MgO to KH
2PO
4ratio, water to binder ratio, and addition ratio of retarder (Borax), by which the optimal mixture ratio of the developed material was obtained. To validate the performance of the developed material as a repair material, the strength(compressive strength and bonding strength) and durability (freezing, thawing, and chloride ion penetration resistance) was checked through testing, and its applicability was evaluated.
RESULTS : The results showed that when an MgO-based patching material was used, the condensation time was reduced by 80%, and the compressive strength was enhanced by approximately 300%, as compared to existing cement-based repair materials. In addition, it was observed that the strength (compressive strength and bonding strength) and durability (freezing and thawing, and chloride ion penetration resistance) showed an excellent performance that satisfied the regulations.
CONCLUSIONS : The results imply that an emergent repair/restoration could be covered by a rapid-hardening cement to meet the traffic limitation (i.e. the traffic restriction is only several hours for repair treatment). Furthermore, MgO-based patching materials can improve bonding strength and durability compared to existing repair materials.
Keywords
Magnesium Oxide, Potassium Phosphate, repair material, patching material, rapid repair, concrete pavement
Corresponding Author : Lee, Hyeongi, Ph.D Candidate Department of Civil Engineering, Hanyang University, 55 Hanyangdaehak-ro, Ansan-si, 15588, Korea Tel : +82.31.400.4774 Fax : +82.31.400.4567 E-mail : [email protected]
International Journal of Highway Engineering http://www.ksre.or.kr/
ISSN 1738-7159 (print) ISSN 2287-3678 (Online)
Received Oct. 21. 2015 Revised Oct. 22. 2015 Accepted Feb. 1. 2016
적용하기 시작하였다. 2002년도 기준에 따르면 국내의 전체 콘크리트 포장은 약 15,000km(2차선 기준)로 이 중 설계계산수명이 20년이 넘어선 구간이 50% 이상에 달하고 있고, 단순한 수치적인 측면에서는 설계수명의 한계에 이르고 있는 실정이다(Lee et al., 2010).
또한 도로포장의 경우 동절기 결빙에 의한 교통통행 의 원활을 기하기 위해 제설제를 살포하게 된다. 제설제 의 살포 방식은 효율적인 살포를 위하여 2002년 이전 기존(모래+염화칼슘) 방식에서 습염식 제설방식(염화나 트륨+염화칼슘, 7:3 중량비 %)을 적용하게 되었다. 이 에 따라 2002년 이전까지의 제설제 살포량은 2.0톤/2 차선₩km이었으나, 습염식을 적용한 2002년 이후부터 는 최근까지 연평균 제설제의 사용량이 약 10.0톤/2차 선₩km으로 급증하였다. 이와 같은 제설제는 염화물을 함유하고 있어 살포 시 도로 포장 및 구조물로 침투하여 염소이온에 의한 철근부식으로 구조적 성능저하를 야기 하게 된다. 또한 동절기 동해와 함께 복합적으로 작용하 여 손상의 가속화로 내구성이 급격하게 저하되고, 미관 불량 및 안전상의 문제를 발생시킨다. 이와 같이 국내 고속도로 콘크리트 포장이 설계수명 20년을 넘어서고 있는 추세이고, 상기와 같은 제설제 살포 및 다양한 환 경인자로 인하여 콘크리트의 노후화가 급속도로 진행되 고 있는 실정이다(Zi et al., 2012).
이와 같은 콘크리트의 노후화와 제설제 사용량의 증 가로 콘크리트 포장은 차량에 의해 발생되는 하중과 다 양한 열화인자로 인하여 여러 형태의 파손이 발생하게 된다. 이처럼 파손이 발생된 콘크리트 포장은 서비스능 력 향상 및 공용성 증진을 위해 주기적인 유지보수가 요 구되면서 최근 콘크리트 포장의 유지보수와 확장포장공 사가 크게 증가하고 있다. 이와 같이 증가되는 공사구간 에 의해 차량지체현상이 주기적으로 발생하며 사용자비 용 또한 증가되고 있는 실정이다. 이러한 사용자비용을 감소시키기 위해서는 가능한 빠른 시간의 교통개방이 이루어져야 하며, 보수재료의 공용수명을 증가시켜 유 지보수 주기를 늘려야 한다.
현재 사용되고 있는 콘크리트 포장 단면보수재료는 초속경 시멘트, 가열형 폴리우레탄, 도로 봉합재 및 폴 리머 콘크리트 등이 있으나, 재료의 불안정성 및 이질성 으로 인하여 잦은 조기파손을 유발하는 한계를 지니고 있다. 시멘트계열 보수재료는 수경성 재료이기 때문에 양생과정에서 습윤 환경 및 양생기간을 충분히 제공해 주지 않으면 보수재료의 박리박락, 동결융해 피해 및 백 화 현상 등의 조기 열화 및 2차 재파손의 문제들을 야기
한다. 또한 기존 시멘트계 보수재료의 경우 주성분인 CaO의 수화반응을 통한 C-S-H gel, Ca(OH)2 등의 수화물을 생성하며, 이는 모두 Ca의 수화 반응에 기초 하고 있기 때문에 백화현상, 내구성 저하 등의 문제를 해결하기에는 어려움이 있다(Hong et al., 2013).
따라서 본 연구의 목적은 기존 수경성 시멘트계 보수재 료와 다른 급속 경화 특성을 가진 산화마그네슘 세라믹계 열결합재를 도로포장 보수(단면복수)재료로 활용함에 따 라 조기교통개방 뿐만 아니라 보수재료의 성능 향상 및 재 료의 다양성을 확보하고자 한다(Qiao et al., 2011; Li et al., 2014; Yang et al. 2002). 이에 따라 산화마그네슘 세라믹계열 결합재(Magnesium Potassium Phosphate Cement (MPC))에 대한 구성비를 달리하여 강도(물리적 성능) 및 응결시간(작업시간 확보) 시험을 통하여 최적구 성비를 도출하였다. 선정된 최적구성비를 통하여 시간별 압축강도 시험을 수행하여 최저시간에서의 교통개방 강도 확보에 대한 분석을 하였다. 또한 구 콘크리트간의 부착강 도 성능 시험을 통한 보수재료로의 적합성을 평가하고, 염 소이온투과 저항성 및 급속 동결융해 저항성 시험을 통하 여 내구성능을 검증하고자 한다.
2. 연구방법 2.1. 사용재료
2.1.1. 산화마그네슘 세라믹계열 결합재(MPC) 세라믹계열의 재료 중에서도 산화마그네슘 세라믹 (Ceramics)이 일반적으로 많이 사용되는데 이는 산화마 그네슘의 특성 중 용해성(Solubility) 때문이라고 할 수 있다(Ding et al., 2012). 산화마그네슘의 용해성은 산화 칼슘(Calcium oxide, CaO)과 같이 너무 높지 않으며, 실 리카(Silica oxide, SiO2) 또는 산화철(Iron oxide, FeO) 과 같이 너무 낮지도 않다. 또한 물에서 산화마그네슘을 용해시킬 때 과도한 열을 발생시키지 않아 세라믹 형성에 적합한 조건을 가지고 있다(Chau et al., 2011). 본 연구 에서 사용된 산화마그네슘의 순도는 88.5%이며, 이 외 SiO2와 CaO는 각각 3.3, 4.1%으로 구성되어 있다. 사용 된 산화마그네슘의 화학 성분은 Table 1과 같다.
Binder Chemical composition (%)
MgO Al2O3SiO2 P2O5 SO3 CaO Fe2O3K2O Magnesium
Oxide 88.5 0.54 3.34 0.98 0.04 4.14 2.18 0.03
Table 1. Chemical Composition of Magnesium Oxide
산화마그네슘계열 세라믹 결합재에서 산화마그네슘은 P2O5(Phosphoric acid or Phosphoric pentoxide)와 반응하고, P2O5는 수경성 물질로 반응 시 급속한 경화 특성을 가진다. 또한 최근 국외 연구동향을 보면 산화마 그네슘 결합재에서 결합재로 사용되고 있는 물질은 크게 두 가지 종류의 인산염이며, 인산암모늄과 인산칼륨이 있다. Table 2와 같이 인산암모늄의 경우 P2O5의 함유 량이 62%로 높은 편인데 비해 인산칼륨의 P2O5의 함유 량은 52%로 산화마그네슘과의 결합물질 중 가장 낮은 함유량을 나타내었다. 또한 산화마그네슘 세라믹 결합재 를 형성함에 있어 인산염의 용해도의 역할이 주요하게 작용하며, 인산칼륨과 같이 낮은 용해도일수록 조기 수 화반응 비율과 반응열을 감소시킬 수 있어 보수재료로의 활용 시 현장에서 작업가능 시간을 확보하기가 용이해진 다(Cho et al., 2012). 인산암모늄의 경우 높은 P2O5 함 유량과 높은 용해도로 인하여 상대적으로 빠른 응결시간 확보가 가능하지만 경화 시 암모니아가 발생되어 환경적 악영향을 미칠 우려가 있고, 급속한 경화로 인한 가사시 간 확보에 어려움이 있는 것으로 보고되고 있다(Soude´e
& Pe´ra, 2000; Li et al., 2014). 또한 인산칼륨을 활용 한 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 경우 단면복구재 료의 중요한 특성 중 하나가 반응열 및 수분에 의한 수축 과 팽창이며, 기존 연구 문헌(Yue and Bing, 2013)에 따르면 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 경우 수축 및 팽창이 약 50㎛ 이내로 보고되고 있으며, 이는 보통 포 틀랜드 시멘트 결합재와 비교하여 약 10% 수준으로 부 피안정성이 우수한 것으로 확인된다. 따라서 본 연구에 서는 산화마그네슘 세라믹계열 결합재를 보수재료로의 활용성을 높이기 위해 상대적으로 응결속도가 늦고, 경 화 시 환경적 악영향이 없는 인산칼륨(KH2PO4)을 산화 마그네슘의 결합재로 활용하고자 하였다. 이와 같은 인 산칼륨을 결합재로 활용할 경우 Eq. (1)과 같은 화학 반 응을 통하여 생성물을 형성하게 된다(Li et al., 2014).
일반 시멘트 모르타르와의 비교를 위해 사용된 시멘트는 KS L 5201 규정에 적합한 국내 S사의 1종 보통 포틀랜 드 시멘트를 사용하였으며, 이에 대한 화학 성분은 Table 3과 같다.
MgO + KH2PO4 + 5H2O → MgKPO4₩6H2O (1)
2.1.2. 지연제(Borax, Na2B4O7₩10H2O)
본 연구에서 산화마그네슘 세라믹 결합재의 지연제로 Borax(Na2B4O7₩10H2O)를 사용하였으며, Borax는 수 용액 상태에서 B4O72-와 Na+로 나뉘게 되고, 이는 약알 칼리성을 띄게 된다. Borax를 지연제로 사용 시 산화마 그네슘과 인산칼륨의 반응물인 KH2PO4의 H+와 붕사의 B4O72-가 결합하여 Boric acid(H3BO3)을 생성한다. 또 한 Borax는 마그네슘 붕산염을 형성하게 하여 산화마그 네슘 표면에 침전보호 필름막을 형성해 pH값을 증가시 키고, 반응속도를 늦추고 반응열을 흡수하여 수화열을 줄여주는 효과도 있다(Li et al., 2014; Qiao et al., 2011). 또한 지연제는 산화마그네슘 세라믹계열 결합재 의 강도와 경화과정에도 영향을 준다. 산화마그네슘계열 세라믹 결합재(MgKPO4)의 결정은 사각형 모양의 결정 으로 조밀한 미세구조를 보여 콘크리트 내부의 미세균열 과 같은 손상이 적은 이점이 있지만 산화마그네슘 결합 재의 조기 강도 발현 특성과 같은 빠른 수화반응은 많은 수화열을 발생시켜 모르타르(결합재)의 균열을 발생시킬 수 있는 단점이 있다(Li et al., 2014; Qiao et al., 2011). 이를 방지하기 위해 지연제(Borax)를 첨가하여 수화반응과 응결시간의 조절이 요구된다. 따라서 본 연 구에서는 Na2B4O7₩10H2O(Deca-hydrate)인 백색결정 의 Borax를 사용하였으며, 비중 1.75, 경도 2.0~2.5로 수용액 상태에서는 알칼리성을 띈다. 산화마그네슘 결합 재 모르타르 배합 시 지연제로서 결합재의 반응에 따라 적절한 응결시간의 조정을 위해 첨가하였다.
2.2. 실험방법
2.2.1. 최적구성비 분석
본 연구에서의 산화마그네슘계열 세라믹 결합재를 단 면복구재로 활용하기 위하여 조기 교통개방을 위한 압축 강도 및 작업시간을 위한 응결시간이 확보되어야 한다.
이에 따라 24시간 압축강도 측정 및 응결시간 시험을 통 하여 최적 구성비를 선정하고자 하였다. 응결시간 측정 은 KS L 5103 “길모어 침에 의한 시멘트의 응결 시간 시험 방법”에 따라 측정하였으며, 최적구성비 선정을 위
Table 2. P
2O
5Content and Solubility of Various Acid
Phosphates
Phosphate NaH2PO4 KH2PO4 (NH4)H2PO4
P2O5(wt%) 59.2 52.2 61.7
Solubility
Grams(g/100g H2O) 48.5 20.0 28.6 Moles(mol/100g H2O) 0.404 0.147 0.248
Table 3. Chemical Composition of Cement
Binder Chemical composition (%) SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O K2O Cement 20.10 4.64 3.76 64.21 0.11 1.04
한 측정은 종결(Final set)만을 고려하였다. 또한 압축강 도 시험은 KS L ISO 679 “시멘트의 강도 시험 방법”에 준하여 40×40×160mm 시편을 제작하여 24시간 압축 강도를 측정한 후 응결시간과 강도 사이의 관계를 확인 하였다. 조기 교통개방을 위한 목표 24시간 압축강도는 30MPa 이상으로 설정하였다. 또한, 작업성(작업시간)을 고려한 응결시간은 KS규준에서 초결 최소 25분 이상으 로 규정하고 있으며, 실제 작업성을 고려하여 종결까지의 목표 응결시간을 최소 40분으로 설정하였다. 산화마그네 슘계열 세라믹 결합재의 성능에 가장 큰 영향인자로는 산 화마그네슘(MgO)과 인산칼륨(KH2PO4)의 구성비(M/P), 물 바인더 비, 지연제(Borax)의 혼입율, 잔골재율 등이 있다. 따라서 실험변수를 기존 문헌(Yue & Bing, 2013) 을 통하여 적정 범위를 선정하였으며, 선정된 산화마그네 슘계열 결합재의 실험변수에 대한 구성비는 Table 4와 같다. 잔골재는 KS L ISO 679의 규준에 따라 표준사를 사용하였으며, 잔골재율은 일반 시멘트 모르타르와 동일 한 비율인 2로 고정하여 사용하였다.
M/P비의 경우는 중량비 0.6~1.4로 설정하였으며, 물 바인더비는 14~22%로 설정하여 실험을 수행하였다. 이 에 대한 지연제의 혼입율은 0, 5, 7.5, 10%로 동일하게 적용하여 실험을 수행하고, 이에 대한 분석을 통하여 최 적 구성비를 선정하고자 하였다(Yue et al., 2014).
2.2.2. 응결시간 및 시간별 압축강도 특성
산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 최적구성비 도출 분석을 기반으로 결정된 최적구성비를 활용하여 일반 시멘트 모르타르(OPC)와 보다 명확한 비교₩분석을 위 하여 KS L 5108 “비카트 침에 의한 수경성 시멘트의 응결시간 시험 방법”에 의거하여 응결시간(초결, 종결) 을 측정하여 정의하고, 강도 발현 특성 및 조기 교통개 방을 위한 초기 압축강도 특성을 확인하기 위하여 시간 별 압축강도를 측정하여 일반 시멘트 모르타르(OPC)와
비교하였다. 응결시간 시험은 KS규준에 따라 비카트 침 이 모르타르의 25mm 침입 시 초결, 더 이상의 비카트 침의 흔적이 없을 시를 종결로 하여 응결시간을 결정하 였다. 시간별 압축강도 특성의 경우 최적구성비 선정에 서와 동일한 시험 규준에 따라 시험을 수행하였으며, 40
×40×160mm의 입방 편을 제작하여 1, 3(목표 교통개 방시간), 12, 24시간의 시간별 압축강도와 재령 28일에 서의 압축강도를 확인하였다. 일반 시멘트 모르타르의 경우 시간 및 재령 일별 26±1℃에서 수중양생 후 측정 하였으며, 산화마그네슘 세라믹계열 결합재는 26±1℃
에서 기건양생 후 시험을 실시하였다. 또한 강도 측정은 800±50N/sec의 하중 속도로 재하하여 최대하중을 구 하고, Eq. (2)를 통하여 압축강도를 산출하였다.
여기서, : 압축 강도 (N/mm2) : 최대 하중 (N)
2.2.3. 부착강도 특성
부착강도는 보수 후 구 콘크리트와 보수재료의 이질적 특성으로 인한 탈락 및 2차적인 파손을 방지하기 위해 요구되는 성능이며, 이에 따라 KS F 4042 “콘크리트 구 조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르”에 준하여 시험을 실시하였다. 여기서 구체에 해당하는 밑판에 대한 배합 및 제작은 KS F 4042에 의거하여 제작하였으며, 양생 방법은 표준방법인 성형 후, 2일간 습윤양생(20±3℃, 상대습도 90% 이상), 5일간 수중양생(23±3℃), 21일간 기건양생(20±3℃, 상대습도 60±10%)하였다. 각각의 보수재료를 성형하고, 2일간 습윤양생(20±3℃, 상대습 도 90% 이상)하여 탈형 후 밑면에서 15mm까지 물속에 침수시켜 기건양생(20±3℃, 상대습도 60±10%)에서 26일간 양생한 시험체를 사용하여 시험을 수행하였다.
양생 종료 후 시험체에 가로40×세로40mm의 부착강도 용 어태치먼트를 2액형 에폭시 수지를 이용하여 접착하고 24시간 경과한 후 연직 방향으로 하중속도 2,000N/min 으로 인장력을 가하여 최대 인장하중을 측정하여 Eq. (3) 을 통하여 부착강도를 산출하였다. 부착강도 시험은 Fig.
1과 같다.
Table 4. Experimental Variables of MPC Mortar
M/P W/B
(%) M/P W/B
(%) M/P W/B
(%) M/P W/B
(%) M/P W/B (%)
0.6 14
0.8 14
1.0 14
1.2 14
1.4 14
16 16 16 16 16
18 18 18 18 18
20 20 20 20 20
22 22 22 22 22
(2)
(3)
여기서, : 부착 강도 (N/mm2) : 최대 인장 하중 (N)
보수재료 부착성능의 경우 순수인장 뿐 아니라 구체 와 보수재료에 작용하는 다양한 외력에 대한 부착성능 이 평가되어야 할 것으로 판단된다(Park & Kim, 2010). 이에 따라 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 휨 응력에 따른 부착강도를 측정하였으며, 시험은 KS F 4923 “콘크리트 구조물 보수용 에폭시 수지”에 준하 여 시험을 수행하였다. 이 규정의 경우 접착제(에폭시 수지)의 접착강도 측정을 위한 시험방법이며, 본 연구에 서는 휨 부착강도로 정의하였다. 시험체 제작은 온도 25±2℃와 습도 50±5%의 표준조건 상태에서 각 보수 재료를 배합 후, 접착시킬 모르타르 사이에 시험재료를 붙여넣는 접착작업을 10분 이내에 완료하여 양생은 상 기의 인장 부착강도 시험체와 동일하게 적용하여 시험 을 수행하였다. 휨 부착강도 측정 시, Fig. 2와 같이 4 점 재하를 하고 하중속도는 3,000N/min의 속도로 하 중을 재하하여 최대 하중을 구하고 휨 부착에 대한 강도 는 Eq. (4)에 따라 산출하였다.
여기서, : 휨 부착 강도 (N/mm2) : 최대 하중 (N) : 시험체의 너비 (mm) : 시험체의 높이 (mm)
2.2.4. 염소이온침투 저항성
염소이온침투 저항성 시험에 대한 시편은 각 변수별 모르타르와 콘크리트 두 가지로 나누어 제작하였으며, KS F 2711 “전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험 방법”에 지름 Ø100×200mm의 원주 형 공시체를 콘크리트 시료 절단기를 이용하여 공시체 의 일정 부위를 두께 50±3mm로 절단하고, 수분의 증 발을 방지하기 위해 시편의 테두리에 콘크리트 보호용 도막제를 코팅하였다. 도막제 코팅 후 Fig. 3과 같이 확 산셀을 구성하여 시험을 실시하였다. 측정한 전압 값은 Eq. (5)에 의해 전류 값으로 환산하고, Eq. (6)을 통해 총 통과 전하량 값을 산출하였다.
여기서, : 전류 (Amperes, A) : 전압 (Volts, V) : 저항 (Ohms, Ω)
Fig. 1 Experimental Setup of Tensile Bond Strength
Fig. 2 Experimental Setup of Flexural Bond Strength
(4)
Fig. 3 Rapid Chloride Permeability Test Setup (ASTM C 1202)
(5)
(6)
여기서, : 통과 전하량 (Coulomb, C)
: 전압을 가한 직후의 전류 (Amperes, A) : 전압을 가한 후 t분 경과 후의 전류
(Amperes, A)
시험 시 전원은 60V의 직류를 ±0.1V로 안정적으 로 공급할 수 있어야 하며, 전류는 저항체를 회로에 연결하여 전압을 측정하여 구하였다. 이 때 콘크리트 시편에 적용되는 전압에 영향을 감소시키기 위해 저항 기를 사용하였으며, 이 시험에서는 0.2Ω을 사용하였 다. 측정된 전하량은 Table 5를 통하여 투과성을 평 가하였다.
2.2.5. 급속 동결융해 저항성
일반 시멘트 모르타르와 산화마그네슘 모르타르를 100×100×400mm의 규격으로 시험체를 제작하고, KS F 2456 “급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험 방법”의 수중 급속 동결융해 시험방법(시험법 A)에 따라 그 저항성을 평가하였다. 동결융해 시험기의 동결 시 4
℃에서 -18℃, 다시 융해 시 -18℃에서 4℃를 1cycle로 하여 총 300cycles을 반복하였다. 동탄성계수 측정방법 에는 크게 고유진동수에 의한 측정방법과 초음파속도법 에 의한 측정방법이 있다. 본 연구에서는 KS F 2437
“공명 진동에 의한 콘크리트의 동탄성계수 및 동 푸아송
비의 시험방법”에 의거하여 고유진동수를 측정하였으며, Fig. 4와 같이 50cycles마다 각 시험체를 공명 진동에 의한 고유진동수를 측정하여 Eq. (7)에 따라 상대동탄성 계수 및 내구성 지수를 산출하여 평가하였다.
여기서, : 동결융해 c cycle 후의 상대동탄성계수 (%) : 동결융해 0 cycle에서의 1차 공명진동수
(Hz)
: 동결융해 c cycle에서의 1차 공명진동수 (Hz)
3. 연구결과
3.1. 최적구성비 분석 결과 3.1.1. 24시간 압축강도 분석 결과
본 연구에서는 산화마그네슘 세라믹계열 결합재를 급 속 단면복구재로 활용하기 위하여 결합재의 구성비를 변수로 하여 24시간 압축강도와 응결시간에 대한 목표 범위를 두고 최적구성비를 선정하고자 하였다. 먼저 재 령 24시간에 대한 압축강도 결과는 Fig. 5~8과 같다.
압축강도 결과는 지연제(Borax)의 혼입율에 따라 압축 강도 결과를 표현하였다. 그 결과, 지연제(Borax)를 혼 입하지 않은 경우 M/P비 1.2, W/B비 20%에서 34.3MPa로 가장 높은 압축강도를 나타내었으며, 지연 제의 혼입율에 따라 각각의 강도발현 양상이 다르게 나 타내었다. 지연제(Borax)의 혼입율이 10% 이하에서는 M/P비가 1.2일 때 가장 높은 강도 발현을 하는 것으로 확인되었고, 지연제의 혼입율이 증가하면 강도는 다소 감소하는 양상을 나타내었다. 그리고 M/P비와 W/B비 에 따른 강도양상을 분석한 결과, W/B비가 높을수록 높은 M/P비에서 강도가 증가하는 경향을 나타내었지만 적정 비율 이상을 초과하게 되면 강도는 급격히 감소하 는 것으로 분석되었다. 그림과 같이 W/B비 20, 22%의 경우 M/P비 1.2에서 가장 높은 강도를 보이며, 그 이상 의 비율에서는 오히려 감소하는 양상을 나타내었다. 또 한 W/B비가 18%에서는 M/P비가 1, W/B비가 14, 16%
는 M/P비가 0.8에서 높은 강도 경향을 나타내었다. 이 와 같은 압축강도 발현 결과는 지연제의 혼입율 10%를 제외하고 모두 유사한 양상을 보였으며, 이에 따라 산화 마그네슘 결합재의 경우 높은 강도를 확보하기 위해서
Table 5. Chloride Ion Penetrability based on Charge
Passed
Charge passed (coulombs) Chloride ion penetrability
4,000 High
2,000 ~ 4,000 Moderate
1,000 ~ 2,000 Low
100 ~ 1,000 Very low
100 Negligible
Fig. 4 Measurement of Fundamental Transverse Frequency
(7)
는 M/P비가 증가할 경우 적정 비율까지 W/B비 또한 증 가되어야 할 것으로 판단된다. 또한 최적구성비 선정을 위한 목표 압축강도에 따른 변수는 모두 M/P비 1.2에서 확보가 가능하였으며, W/B비의 경우 20~22%가 적정 물 바인더 비로 확인되었다. 따라서 산화마그네슘 세라 믹계열 결합재의 목표강도만 고려한 최적 구성비는 지연 제의 혼입이 없는 경우 M/P비 1.2에서 W/B비 20, 22%, 지연제의 혼입율이 5%일 경우 M/P비 1.2에서 W/B비 22%, 지연제의 혼입율이 7.5%의 경우 M/P비가 1.2에서 W/B비 20, 22%이며, 지연제 혼입율이 10%의 경우 목표 압축강도를 만족하지 못하였다. 이는 과도한 지연제(Borax)의 사용으로 인산칼륨의 H+와 붕사의 B4O72-가 결합하여 Boric acid(H3BO3)을 생성하고, 생 성된 Boric acid이 산화마그네슘 입자 표면에 폴리머 코 팅을 형성하여 반응을 억제하기 때문으로 사료된다. 이 와 같은 충분한 압축강도의 산화마그네슘 세라믹계열 결 합재를 단면복구재로 활용하기 위해서는 작업시간 확보 를 위한 일정 이상의 응결시간 또한 확보되어야 한다.
3.1.2. 응결시간 분석 결과
산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 보수재료로의 활용 을 위해 작업시간 확보를 위한 응결시간 또한 확보가 되 어야 하며 이를 위해 각 구성비에 따라 응결시간 분석을 하였으며, 그 결과는 Fig. 9~12와 같다. 고속도로 건설 재료 품질기준에 의하면 최근 개발된 유사 단면 보수재료 의 경우 응결시간 초결의 경우 25분 이상, 종결은 60분 이하로 규정하고 있다. 이에 따라 최적 구성비 선정을 위 한 목표 응결시간(종결)까지 40분 이상으로 설정하였으 며, 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 경우 급결성으로 인하여 최대치에 대한 목표 응결시간을 설정하였다. 압축 강도 결과와 같이 지연제의 혼입율에 따라 결과 분석을 실시하였으며, 응결시간의 경우 10~60분 범위로 측정되 었다. 먼저 지연제 혼입율에 따른 응결시간을 분석하면, 혼입율 5%에서 가장 높은 지연효과를 나타내었다. 하지 만 일정 이상의 혼입율이 증가하게 되면 오히려 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 산화마그네슘 세라믹계열 결합
Fig. 5 Influence of M/P Ratio on the Strength Development
of MPC Mortar (at Borax addition of 0%)
Fig. 6 Influence of M/P Ratio on the Strength Development of MPC Mortar (at Borax addition of 5%)
Fig. 7 Influence of M/P Ratio on the Strength Development of MPC Mortar (at Borax addition of 7.5%)
Fig. 8 Influence of M/P Ratio on the Strength Development
of MPC Mortar (at Borax addition of 10%)
재의 경우 지연제로 Borax를 사용하게 되면 Boric acid(H3BO3)를 생성하여 반응을 지연시키기도 하지만 산화마그네슘 입자 표면에 폴리머 코팅을 형성시키게 된 다. 이와 같이 생성된 폴리머 코팅은“lu¨nebergite”라는 마그네슘 붕소 인산염 화합물로 결정성을 보이기 때문에 이같은 화합물이 먼저 생성되어 이에 대한 경화반응으로 인하여 응결시간이 감소되는 것으로 사료된다. 지연제 혼 입율이 7.5%를 제외하고는 M/P비의 감소에 따라 응결시 간이 증가하는 양상을 나타내었으며, W/B비 증가에 따 라 응결시간 또한 증가하는 결과를 보였다. 산화마그네슘 세라믹 결합재의 경우, 급속한 경화반응으로 응결이 단시 간에 이루어지고 그 차이는 미미한 수준이므로 결합재 구 성비에 따른 응결시간 특성 및 화학적 메커니즘을 명확히 규명하기에는 다소 어려움이 있다. 하지만 지연제 사용 및 W/B비 조절을 통하여 보수재료 작업시간에 요구되는 응결시간을 확인할 수 있고, 목표 압축강도와 동시에 만 족하는 최적 구성비 선정이 가능하다. 이와 같이 선정된 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 최적구성비와 이에 대한 결합재의 배합설계는 Table 6과 같다.
3.2. 응결시간 및 시간별 압축강도 특성
선정된 최정구성비의 산화마그네슘 세라믹계열 결합 재와 일반 시멘트 모르타르(OPC)의 보다 명확한 비교
₩분석을 위하여 KS L 5108 “비카트 침에 의한 수경성 시멘트의 응결시간 시험 방법”에 의하여 초결, 종결을 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 13과 같다. 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 경우 종결까지 약 43분이고, 초결 은 약 35분으로 측정되었다. 이는 일반 시멘트 모르타 르(OPC) 대비 약 1/5 수준으로 빠른 경화특성을 확인하 였으며, 초결에서 종결까지는 약 8분 이내에 종료되었 다. 또한 이와 같은 경화특성을 바탕으로 시간별 압축강 도를 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 14, 15와 같다. 시
Fig. 9 Influence of Water Content on the Setting Time
of MPC Mortar (at Borax addition 0%)
Fig. 10 Influence of Water Content on the Setting Time of MPC Mortar (at Borax addition 5%)
Fig. 11 Influence of Water Content on the Setting Time of MPC Mortar (at Borax addition 7.5%)
Fig. 12 Influence of Water Content on the Setting Time of MPC Mortar (at Borax addition 10%)
Table 6. Optimum Mix Proportion of MPC Mortar
M/P ratio
W/B (%)
Borax (%)
Unit weight(kg/m3) Water MgO KH2PO2Borax Sand MPC
Mortar 1.2 22.0 5.0 210 471 393 24 1250
간별 압축강도의 경우 1일까지의 강도 발현 특성은 Fig. 14와 같고, 각 재령에 해당하는 압축강도는 Fig.
15와 같다. 시간별 압축강도 측정 결과 일반 시멘트 모 르타르(OPC)와 비교하면 확인한 압축강도 차이를 나타 내었으며, 일반 시멘트 모르타르(OPC)의 경우 약 3시 간까지 압축강도 측정이 불가능하였고, 12시간에서 약 3.8MPa의 압축강도를 나타내었다. 하지만 산화마그네 슘 세라믹계열 결합재의 경우에는 약 3시간에서 재령 28 일 강도의 약 70% 이상 강도 발현을 하였으며, 재령 1시 간에서 교통개방에 요구되는 20MPa 이상의 강도를 만 족하였다. 재령 28일에서도 일반 시멘트 모르타르(OPC) 와 비교하여 약 8.9MPa 수준의 높은 강도를 보였고, 이 에 따라 장기적인 강도 특성 또한 우수한 수준을 나타내 었다. 이에 따라 산화마그네슘 세라믹계열 결합재를 보 수재료로 활용함에 따라 경화 특성 및 발현 속도를 통해 약 3시간 이내의 조기 교통개방이 가능해지고, 장기적인 거동 또한 기존 시멘트계 보수재료보다 우수한 성능을 만족할 수 있을 것으로 판단된다.
3.3. 부착강도 특성
산화마그네슘 세라믹계열 결합재에 대한 부착강도 특성 을 확인하기 위하여 인장 부착강도와 휨 부착강도 시험을 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 16과 같다. 그 결과, 인장부 착강도의 경우 1.95MPa로 구체와 같은 계열인 일반 시멘 트 모르타르(OPC)와 비교해도 약 80% 이상 높은 수준의 부착강도를 보였다. 또한 KS F 4042 규준에서 제시한 1MPa 이상의 강도를 나타내었으며, 이는 KS F 4043 에 폭시 모르타르에 대한 부착강도 기준인 1.5MPa를 상회하 는 수준이다. 휨 부착강도 시험의 경우 KS F 4923 “콘크 리트 구조물 보수용 에폭시 수지”에서의 접착강도 시험법 을 인용하여 실험을 수행하였으며, 에폭시 수지에 대한 부 착강도보다는 낮은 강도를 나타내었다. 하지만 일반 시멘 트 모르타르(OPC)보다 2배 이상의 높은 부착강도를 나타 내었다. 이에 따라 산화마그네슘 세라믹계열 결합재를 모 르타르로 활용할 경우 기존의 타설된 시멘트계열과 상이 한 계열의 재료이지만 우수한 부착성능을 나타냄으로써 보수재료로의 활용성이 충분할 것으로 판단된다.
Fig. 13 Setting Time of MPC and OPC Mortar
Fig. 14 Early Strength Development of MPC Mortar and OPC Mortar
Fig. 15 Strength Development of MPC and OPC Mortar
Fig. 16 Bond Strength of MPC Mortar and OPC Mortar
3.4. 염소이온침투 저항성
염소이온침투 저항성에 대해서는 KS F 2711에 의거하 여 시험을 수행하였으며, Fig. 17과 같이 투과 전하량으로 산출하여 평가하였다. 이 시험은 콘크리트에 대한 염소이 온침투 저항성에 대한 평가이며, 이에 따라 동일한 구성비 를 활용하여 콘크리트 배합설계를 실시하여 모르타르와 콘크리트 두 가지에 대한 시험을 모두 수행하였다. 그 결 과, 모르타르의 경우 콘크리트로 제작된 경우보다 다소 높 은 전하량을 나타내었다. 이는 콘크리트의 경우 굵은 골재 를 활용함에 따라 염소이온 침투 경로를 저해하는 요소로 작용하기 때문으로 사료된다(Park et al., 2004). 콘크리 트 또는 모르타르 두 가지 형태 모두 산화마그네슘 세라믹 계열 결합재를 활용한 경우 낮은 전하량을 나타내어 우수 한 염소이온침투 저항성을 나타내었다. 모르타르의 경우, 시멘트 모르타르의 경우 5512 Coulombs로 측정되었고, 산화마그네슘 세라믹계열 모르타르의 경우 4644 Coulombs으로 KS 규준에 따르면 두 변수 모두 다소 높 은 수준의 전하량으로 측정되었지만 이는 모르타르에 대 한 시험결과이며, 콘크리트와는 상이한 염소이온 투과성 능을 보였다. 이와 같은 투과성을 검증하기 위하여 Fig.
18과 같이 각각의 결합재에 대한 누적 공극 분포를 비교하 였으며, 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 경우 기존 연 구자(Ding et al., 2012)들의 보고에 따르면 경화체의 결 정이 시멘트 계열의 결합재보다 견고하고, 공극직경에 따 른 공극량이 광범위하게 분포되어 높은 공극 분포 특성을 나타내지만 OPC보다 유사하거나 낮은 투과성 확보가 가 능하다. Fig. 19와 같이 공극분포 중 투과성의 영향을 미 치는 중요한 인자인 모세관 공극 특성을 비교한 결과, 산 화마그네슘 세라믹계열 결합재의 경우 OPC와 비교하여 확연히 낮은 분포특성을 나타내었으며, 투과성의 경우 이 와 같은 각 결합재의 상이한 공극분포 특성에 따른 영향으 로 판단된다.
3.5. 동결융해 저항성
산화마그네슘 세라믹계열 결합재 및 일반 시멘트 모르 타르에 대한 동결융해 저항성은 0cycle의 100% 상대동탄 성계수를 기준으로 300cycles까지의 감소된 값으로 상대 비교를 하였다. 상대 동탄성계수를 기반으로 내구성지수 를 산출하였으며, 그 결과는 Fig. 20과 같다. 일반적으로 내구성지수는 80% 이상일 때 저항성이 우수하다고 판정 되어지며, 두 변수 모두 90% 이상의 우수한 내구성 지수 를 나타내었다. 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 경우 94.6의 내구성 지수를 나타내었으며, 이는 일반 시멘트 모르타르의 92.8보다 약 2% 높은 수준의 내구성 지수를 나타내었다. 시멘트계열의 모르타르 또는 콘크리트의 동 결융해 저항성은 일반적으로 연행공기량의 영향이 가장 크게 작용하게 된다. 이에 따라 MIP(Mercury Intrusion Porosimetry) 분석을 통하여 산화마그네슘 세라믹 결합 재 및 일반 시멘트 모르타르에 대한 연행공기에 대한 공 극 분포를 확인하였으며, 그 결과는 Fig. 21과 같다.
Mehta 등 연구자들에 의하면 연행공기의 경우 50~200
㎛, 모세관 공극의 경우 0.01~0.05㎛의 범위로 정의하고 있다(Mehta & Monteiro, 2006). 일반 시멘트 모르타르
Fig. 17 Rapid Chloride Permeability Test Results
Fig. 18 Cumulative Pore Volume Distribution
Fig. 19 Pore Distribution at Capillary Pore
의 경우 연구자들에 의해 정의된 바와 같이 연행공기 및 모세관 공극의 범위에 집중적으로 분포하고 있으며, 산화 마그네슘 세라믹계열 결합재의 경우 약 0.1~100㎛의 범 위로 보다 넓은 범위에서 분포하고 있다. 이와 같은 공극 직경은 일반 시멘트 모르타르에 대한 공극에 대한 정의와 는 다소 상이하지만 Mindness 등 연구자들에의한 0.2㎛
이상의 대공극(Macropores)의 범위에 속한다. 이와 같 은 공극 직경의 범위는 동결융해에 따른 수분의 팽창에 대한 완충작용 역할이 충분할 것으로 사료된다. 또한 최 근 연구 동향에 따르면 동결융해 저항성에 영향을 미치 는 인자로 기포간극계수가 있으며, 산화마그네슘계열 세 라믹 결합재의 경우 기존의 시멘트 계열의 결합재와 달 리 빠른 경화 특성으로 인한 공극 분포가 광범위하여 경 화체의 결정이 상이함으로, 산화마그네슘 세라믹계열 결 합재의 기포간극계수의 산술적 평가 및 결정구조 분석에 따른 동결융해 저항 특성에 대한 추가적인 연구가 필요 할 것으로 사료된다. 따라서 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 동결융해 저항성은 기존 시멘트계열 결합재와 의 상이한 공극 특성 및 경화체의 화학적 결합에 따른 견 고한 결정구조로 인한 것으로 판단된다(Mindess et al., 2002).
4. 결론
본 연구는 기존 수경성 시멘트계 보수재료와 다른 급 속 경화 특성을 가진 산화마그네슘 세라믹계열 결합재 (MPC)를 도로포장 보수(단면복수)재료로 활용하기 위 해 산화마그네슘 세라믹계열 결합재에 대한 강도 및 응 결시간을 통한 최적구성비를 도출하고, 보수재료로의 물리적 성능 및 내구성능을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
1. 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 경우 기존 시멘 트계열의 결합재와 다른 산화마그네슘(MgO)와 인산 칼륨(KH2PO4)이 결합재로 작용하게 됨에 따라 산화 마그네슘과 인산칼륨의 비율(M/P ratio)이 결합재의 경화특성에 주요한 영향 인자로 확인된다. 이에 따라 구성비에 따른 압축강도 결과는 M/P비가 증가함에 따라 강도 또한 증가하는 경향을 보이며, 이는 적정 수준의 W/B비가 수반되어야 한다. 하지만 일정 비율 이상이 될 경우 강도는 급격히 감소하는 양상을 나타 내었다. 응결시간의 경우 지연제 혼입율과 W/B비에 따른 경향이 가장 확연하게 나타났으며, W/B비 증가 에 따라 응결시간도 증가하며, 지연제(Borax)의 경 우 5% 이상 혼입할 경우 오히려 응결시간은 감소하 는 양상을 나타내었다.
2. 이와 같은 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 구성 비에 대한 압축강도 및 응결시간 특성을 기반으로 이 를 보수재료로 활용하기 위하여 M/P비 및 W/B비와 가사시간 확보를 위한 지연제(Borax)를 사용하여 최 적구성비를 도출하였으며, 재령 24시간 압축강도 30MPa, 작업성을 위한 응결시간 40분 이상을 목표 로 하여 M/P비 1.2, W/B비 22%, 지연제(Borax) 혼 입율 5%를 결합재에 대한 최적구성비로 선정하였다.
3. 선정된 최적구성비를 기반으로 급속 보수를 위한 응 결시간 및 시간별 압축강도를 측정하였으며, 그 결과 응결시간의 경우 기존 시멘트 모르타르 대비 약 3시 간 응결시간이 감소되며, 시간별 압축강도의 경우 재 령 1시간에서 교통개방강도인 20MPa 이상의 강도 를 나타내었다. 재령 28일에서도 40MPa 이상의 강 도를 나타내어 우수한 물리적 성능을 나타내었다. 산 화마그네슘 세라믹계열 결합재의 경우 재령 3시간에 서 재령 28일에서의 약 70% 이상의 강도를 나타내 는 조기 경화특성을 나타낸다.
4. 부착성능의 경우 인장 부착강도와 휨 부착강도 두 가 지 거동에 대한 시험을 수행하였다. 산화마그네슘 세
Fig. 20 Freeze-Thaw Resistance Test Results
Fig. 21 Pore Distribution at Entrained Air Void
라믹계열 결합재의 경우 시멘트계열과 상이한 재료 계열과 이질적인 거동(급속 경화 특성) 차이에도 각 각 1.95MPa, 1.75MPa로 시멘트 모르타르 대비 약 2배 수준의 높은 부착성능을 나타내었으며, 이는 폴 리머(1MPa) 및 에폭시 모르타르(1.5MPa)의 부착강 도 규정보다 높은 수준의 부착강도로 확인되었다.
5. 또한 내구성능 확인을 위하여 염소이온 침투 및 동결 융해 저항성 시험을 수행하였으며, 염소이온 침투 저 항성의 경우 모르타르와 콘크리트로 구분하여 저항 성 평가를 실시하였다. 그 결과 콘크리트의 경우 KS 규정에서 보통(Moderate) 수준의 투과성을 나타내 었으며, 모르타르의 경우 시멘트 모르타르와 비교하 여 약 900 Coulombs 낮은 투과성을 나타내었다. 동 결융해 저항성에 대한 내구성 지수의 경우 산화마그 네슘계열 세라믹 결합재는 공극 분포 특성에서 연행 공기의 공극량이 낮은 분포도를 나타내었지만 시멘 트계열의 결합재와 달리 경화체의 결정구조가 견고 하여 연행공기의 분포와 관계없이 시멘트계열의 결 합재보다 우수하거나 유사한 수준의 내구성 확보가 가능한 것으로 확인된다.
6. 본 연구에서는 산화마그네슘 세라믹계열 결합재의 급속 보수재료로의 활용을 위하여 압축강도 및 응결 시간 분석을 통하여 최적구성비를 도출하였으며, 선 정된 구성비를 활용하여 시간별 압축강도 측정 결과 약 1~3시간에서의 교통개방 강도를 만족하였으며, 부착성능 및 내구성능 또한 우수한 결과를 나타내었 다. 이에 따라 보수재료로 활용 시 조기교통개방이 가능하고, 우수한 내구성능 확보를 통한 보수재료의 공용수명을 증가시켜 유지보수 주기 증가가 가능할 것으로 판단된다. 또한 기존 수경성 시멘트계열에서 벗어나 건설재료의 다양성을 증진시킬 수 있을 것으 로 사료된다.
감사의 글
이 연구는 첨단항만건설기술개발사업(1615005533)과 국 토 교 통 부 플 랜 트 연 구 사 업 의 연 구 비 지 원 (13IFIP- B06700801)으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.
REFERENCES
