1. 서 론
철근콘크리트(RC)는 건축물 및 토목구조물에 가장 널리 사용되는 건설재료이다. 그러나, 콘크리트는 내부에 공극이 많은 다공성 구조이기 때문에 외부로부터 CO2, Cl- 등 다양한 열화 인자들이 침투하기 쉽고, 이러한 열화인자들이 상시 콘 크리트 내부로 침투하여 콘크리트의 pH저하에 의한 탄산화 현상이나 철근주위의 염소이온 농도가 한계상태보다 높아 최 종적으로 철근 부식에 의한 콘크리트 균열 발생으로 내력이 저하되는 심각한 내구성 저하 문제를 가지고 있다 (Shim and Lee, 2004). 특히, Cl-와 같은 열화인자는 콘크리트 내부로 침 투할 경우, 내부로 확산되는 침투 속도가 비교적 느리지만 수 분에 의해 용해되어 이동하는 경우, 침투 속도가 급격히 증가 하는 문제점을 가지고 있다 (Song et al., 2007).
따라서, 다공성의 콘크리트를 보호하기 위해 콘크리트 표 면에 표면함침제 또는 발수제를 도포하는 방법이 널리 사용 되고 있으며, 이러한 표면 도포 및 함침공법은 코팅공법과 달 리 피막이 박리 또는 박락하는 문제점이 적어 최근에는 그 사 용범위가 확대되고 있다 (Shim, 2002). 그러나, 콘크리트 자체 의 균열이나 박리로 인해 열화가 진행된 경우에는 함침 표면 층이 손상되어 기대하는 내구성을 확보할 수가 없다 (Jang et al., 2003). 이러한 측면을 고려하여 최근에는, 다양한 방수 및 발수재료들을 콘크리트나 모르타르 내부에 혼입하여 콘크리 트 자체의 박리 또는 균열이 진행되어도 균열 내부에서도 발 수성을 나타내게 하여, 콘크리트의 내구성을 증진시키는 연 구가 진행되고 있다. 유기물인 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입할 경우, 매우 높은 발수성능을 확보할 수 있으 며 작업성이 개선된다. 또한, 실란의 영향으로 염화물 침투 저 항성능이 SCM계 재료들의 비해 효과적으로 내성을 향상시 킨다. 그러나, 모르타르의 경우 발수제 혼입 시 많은 공기가 연행되며, 압축강도가 크게 저하하는 단점이 있다. 무기물인 분말형 금속염을 혼입한 시험체는 공기량을 감소시켜주며 소 수성 재료임에도 불구하고, 미세분말에 의해 압축강도의 저
Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 24, No. 6, December 2020, pp.50-58
https://doi.org/10.11112/jksmi.2020.24.6.50 pISSN 2234-6937
eISSN 2287-6979
유/무기 복합 발수제를 혼입한 모르타르의 재료특성 평가
김완수1, 윤창복2, 조인성3, 이한승4*
Material Properties Evaluation of Cement Mortar Mixed with Organic/Inorganic Combined Water-repellent
Wan-Su Kim1, Chang-Bok Yoon2, In-Sung Cho3, Han-Seung Lee4*
Abstract: When the concrete surface layer is damaged, The method of impregnating the concrete surface with a water repellent cannot secure the expected durability. Recently, various waterproofing and water-repellent materials were mixed into concrete or mortar to secure water repellency even inside cracks, but compressive strength was greatly reduced. In order to overcome the decrease in compressive strength, there has not yet been a study using the merits of organic and inorganic materials at the same time, so in this study, the physical properties and water repellency performance were evaluated by mixing an organic/inorganic composite water repellent appropriately mixed with an organic and inorganic material into the mortar. When mixed with organic/inorganic water repellent, the flow and air content were reduced by about 10% and 50% compared to the Liquid specimen. In the case of the P6L1 specimen, it was confirmed that the compressive strength decreased by about 3.5% compared to the non-mixed mortar at 39.5 MPa, the same as the existing water repellent, Powder. Water-repellent performance The organic-inorganic composite water repellent mixture specimen confirmed higher water repellency than the existing water repellent mixture powder, and the chloride penetration resistance evaluation result showed that the organic-inorganic composite water repellent mixture specimen reduced the passing charge by about 45% compared to the non-mixed mortar.
In summary, it is judged that the P5L1 organic/inorganic composite water repellent mixed with a powder water repellent and a liquid water repellent in a ratio of 5:1 is the most reasonable to prevent the decrease in compressive strength and secure water repellency.
Keywords: Absorption, Air content, Compressive strength, Organic/Inorganic combined water-repellent, Resistance of Cl- penetration
1정회원, 한양대학교 대학원 스마트시티공학과 석사과정
2정회원, 한양대학교 대학원 건축시스템공학과 박사과정
3정회원, 한양대학교 ERICA 연구원
4정회원, 한양대학교 ERICA 건축학부 교수, 공학박사, 교신저자
*Corresponding author: [email protected]
∙본 논문에 대한 토의를 2021년 1월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 2월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.
하가 수성 발수제에 비해 비교적 작은 장점이 있지만, 작업성 이 저하되며, 발수성능이 크지 않다는 단점이 있다(Zhu et al., 2003; Chari et al., 2019; Zhu et al., 2013; Kim et al., 2018;
Maryouo, 2017). 그 중 가장 큰 문제점은 소수성 재료 혼입 시 경화지연에 의한 압축강도의 저하이며, 실제 유기계 실리콘 계 발수재료를 혼입하는 경우, 발수성능이 우수하며 작업성 도 증가 하였지만 압축강도는 약 30~40% 저하를 나타내며, 무기계 금속염을 넣을 경우도 역시 공기량이 감소하고 발수 성능을 발현하는 장점을 나타내었지만, 역시, 압축강도가 약 10~20% 저하되는 것으로 예비실험 결과 확인을 하였다. 이는 소수성재료를 모르타르 내부에 혼입하였을 경우 시멘트의 수 화를 방지하기 때문으로 사료된다.
아직까지 유기물 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제와 무 기물인 분말형 금속염계 발수제를 동시에 사용하여, 각 재료 의 장점과 단점을 이용하여 발수성능을 확보하면서 압축강도 저하의 한계를 극복하려는 연구가 진행되고 있지 않다.
따라서, 본 연구에서는 기존의 공기량 증가 및 압축강도 저 하 등의 문제점을 해결하기 위하여, 유기물인 액체형 실리콘 계 실란&실록산 수성 발수제와 무기물인 분말형 금속염계 칼 슘스테아레이트와 징크스테아레이트를 혼합하여 장점과 단 점을 상호 보완하는 유무기 복합 발수제를 개발하였으며, 이 러한 유무기 복합 발수제가 혼입된 모르타르를 대상으로 물 리적 성능 및 발수성능을 평가하였다.
2. 기존문헌 고찰
2.1 유기물 실리콘계 발수제 혼입 콘크리트의 성능 Asamoto(2018)는 표면도포형 발수제만으로는 콘크리트내 로 침투하는 수분의 억제가 충분하지 않기 때문에, 유기물 실 리콘계 발수제를 직접 콘크리트에 혼입하고 콘크리트의 압축 강도를 평가하였다. 실리콘계 발수제는 배합수의 25%를 발 수제로 중량 치환하여 사용하였으며, 보통포틀랜드시멘트와 밀도 2.61 g/m3, 흡수율 2.12%의 모래를 사용하였다. 실험 결 과, 재령에 따라 발수제 혼입 콘크리트는 발수제 무혼입 콘크 리트와 비교하여 높은 흡수 저항성을 보였고, 시험체 건조 유 무에도 상관없이 높은 흡수 저항성을 나타내었다. 그러나, 재 령 7일의 압축강도를 살펴보면, 발수제 무혼입(OPC) 대비 실 리콘계 재료를 3% 혼입한 콘크리트(A-3, D-3)는 약 40%의 압 축강도 저하를 나타내었다.
Zhao, T., et al(2011)는 해양 환경에서는 철근 콘크리트 구 조물의 수명이 줄어들기 때문에 발수제를 콘크리트 표면에 함침 시키지만, 최소한의 건조시간과 경화된 콘크리트에서만
사용 가능하다는 점 등 다양한 단점 때문에 일체형 콘크리트 생산을 위한 실란 화합물을 적용하였다. 실험결과, 압축강도 의 경우, 4% 혼입 시 압축 강도가 평균적으로 약 1/3 감소하였 다. 그러나, 실란 화합물 첨가 시 모세관 흡수가 크게 감소하 였고, 2% 첨가하였을 때, 염화물 침투 저항성이 크게 향상되 었으며, 다른 실란 혼입 비율에 비해 가장 효율적으로 나타났 다. 또한, 표면 함침된 발수제보다 효율적이고 더 긴 내구수명 으로 이어지는 것을 확인하였다.
2.2 무기물 금속염계 발수제 혼입 콘크리트의 성능 W.Li(2011)는 표면함침에 의한 종래의 방법은 침투 깊이가 10mm 이하이기 때문에, 징크스테아레이트, 칼슘스테아레이 트 등 4가지의 금속염을 콘크리트에 혼입하여 압축강도를 평 가하였다. 실험 결과, 무혼입 콘크리트와 비교하여 높은 염화 물 침투 저항성을 보였으며, 단위 면적당 물 흡수율이 상당히 낮은 것으로 나타내었다. 그러나, 재령 28일 압축강도를 살펴 보면, 발수제 무혼입 대비 금속염계 재료 혼입 콘크리트는 약 36%의 압축강도 저하를 나타내었다. 이는 과량 혼입 된 금속 비누에 의해 시멘트 수화에 강한 영향을 미치는 것으로 사료 된다.
Naeseroleslami, R.,& Chari, M. N.(2019)는 SCC를 포함한 콘크리트의 장,단기 불투과성을 개선하기 위해 CS를 혼입하 여 SCC에 영향을 미치는 특성을 분석하였다. 실험결과, CS 혼입 시, 염화물 이동 테스트에서 SCM재료보다 훨씬 더 효과 적으로 나타났으며, 모세관 기공을 따라 형성된 발수층에 의 해서 모세관 수분 흡수 역시 상당히 저하되는 것으로 나타났 다. 미세분석 결과, CS혼입은 미세균열을 발생하며, 밀도를 감소시켜 압축강도는 감소되지만, W/B비를 내리거나, 실리 카 흄(SF)을 혼입하여 강도 손실을 보상될 수 있다고 언급하 였다.
3. 실험재료 및 방법
3.1 사용재료
Table 1는 본 실험에서 사용한 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 화학적 성분을 나타낸다. Table 2는 잔골재의 특성을 나타내 며, 잔골재는 KS L ISO 679 규격에 부합하는 표준사를 사용 하였다. Table 3은 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수 성 발수제의 특성을 나타내며, Table 5는 사용된 무기물 분말 형 금속염계 발수제인 칼슘 스테아레이트와 징크 스테아레이 트의 특성을 나타내었다.
실리콘계 실란&실론산의 경우, 유백색을 띄며, 알칼리성
을 가지고 있다. 또한, 고형분이 50%이기 때문에 배합수에 대 한 보정이 필요한 재료이다.
스테아레이트는 시멘트의 비해 낮은 밀도를 가지고 있는 미분말의 분체이다. 또한, 중성 또는 약알칼리성을 보유하고 있다.
3.2 실험계획
Table 5는 유무기 복합 발수제를 혼입한 모르타르의 실험 에 관한 실험수준 및 인자를 나타내며, Table 6은 사용된 발수 제 혼입 시험체의 분류를 나타낸다. Table 7은 본 실험에 사용 된 모르타르 배합표를 나타내었다.
유무기 복합 발수제를 혼입한 모르타르의 물리적 성능평가 를 위해 플로우, 공기량, 압축강도 실험을 실시하였고, 발수 성능평가를 위해 물 흡수성과 염화물 침투 저항성 실험을 실 시하였다. 실험에 사용된 발수제는 기존문헌 및 예비실험결 과 압축강도 저하와 발수성의 변화가 비교적 크게 나타난 시 멘트 중량대비 2%를 첨가하였고, 무기물 분말형 금속염계 발 수제의 경우 예비실험을 통해 발수성능이 우수하며, 압축강
또한, 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제의 고형분이 50%인 것을 고려해 배합수의 양을 조절하였다. 유 무기 발수제의 혼합비율은 압축강도 저하를 고려하여, 압축 강도를 크게 저하시키는 실란&실록산 수성 발수제의 양을 조 절하였다. 시험체 P와 L은 각각 무기물 분말형 금속염계 발수 제(Powder)와 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발 수제(Liquid)를 나타내며, P3L1의 경우, Powder(무기물)와 Liquid(유기물)의 3:1 비율을 나타낸다.
3.3 실험방법
3.3.1 굳지않은 모르타르의 시공 성능 평가
공기량 실험은 KS F 2421에 의거하여 진행하였다. 플로우 실험은 KS L 5105를 기준으로 진행하였으며, W/C 50%, 발수 제 무혼입 모르타르를 기준으로 200±15mm와 7±1%를 목표 성능범위로 설정하여 플로우 및 공기량 측정을 실시하였다.
3.3.2 압축강도
KS L ISO 679를 기준으로 제작된 시험체를 탈형 후, 기건 양생을 실시하였다. 3, 7, 14, 28일 재령에서 30Ton UTM을 이
Density (g/cm3)
Fineness (cm2/g)
Chemical composition(%)
Al2O3 SiO2 CaO MgO Fe2O3 SO3
3.15 3,450 5.3 19.7 61.7 3.8 3 2.5
Table 1 Chemical composition of cement
Maximum size(mm)
Density (g/cm3)
Absortion (%)
Fineness modulus
(F.M)
5.0 2.6 1.45 2.16
Table 2 Characteristic of Fine aggregate
Appearance Active content(%)
Density
(g/cm3) pH
milky, white 50 1.01 – 1.05 11.5 - 12 Table 3 Characteristic of Water soluble water-repellent
Calcium stearate Zinc stearate Chemical formula C36H70CaO4 C36H70O4Zn
Density
(g/cm3) 1.08 1.1
pH 7 - 9 6 - 8
Melting point(˚C) 147 - 149 121 - 124 Molecular
weight(g/mol) 607 632
Table 4 Characteristic of metallic salts
Division Experiment factor
Experiment
level Standards
Fresh
Flow - KS L 5105
Air-content - KS F 2421
Hardening
Compressive
strength 3,7,14,28 days KS L ISO 679 Absorption 10,30,60,360
minutes KS F 2609 RCPT 60v, 6hours KS F 2711 Table 5 Experiment factor and level
Classification Specimens
- OPC
Original Water-repellent
Powder Liquid
Organic/Inorganic Combine Water-repellet
P3L1 P4L1 P5L1 P6L1 Table 6 Classification of specimens
강도 측정 후, 평균 값을 압축강도로 산출하였다. 압축강도 실 험은 50x50x50 입방형 몰드를 이용하여 제작되었다.
3.3.3 흡수성
28일 기건양생 후, 경화 된 시험체의 옆면에 에폭시를 코팅 하고 24시간 대기중에 건조하였다. 건조 후 시험체의 무게를 측 정한 후, 시험체를 약 10mm 깊이로 수중침지 후, 10, 30, 60, 360 분 시간 경과에 따라 시험체의 무게를 측정하여 면적당 물 흡수 율과 물 흡수계수를 도출하였다. 실험은 KS F 2609를 기준으로 실시하였으며, 4개 이상의 측정값을 통해 계산된 흡수계수가 선형관계이 있기 때문에, 360분에서 실험을 종료하였다.
3.3.4 염화물 침투 저항성(RCPT)
Fig. 1은 염화물 침투 저항성 실험(RCPT = Rapid Chloride Permeabillity Test) 절차를 나타낸다. 기건상태에서 28일 경 화된 Ø100 x 200 원형 공시체의 중앙으로부터 타설면과 바닥 면으로 각각 50mm 두께로 절단한 후, 일방향으로 실험을 진 행하기 위해, 절단된 시험체 옆면에 에폭시 코팅을 진행하였 고, 24시간 상온에서 경화하였다. 에폭시가 경화된 시험체를 데시케이터에 넣고 133Pa 이하의 압력으로 3시간 동안 진공 상태를 유지한 뒤 증류수를 데시케이터 안에 시험체가 모두 잠길 정도로 채우고 18±2 시간 동안 침지하였다.
침지 후, 시험체를 염화물 침투 저항성 셀에 넣어 조립한 후 3.0% 염화나트륨과 0.3N 수산화나트륨을 조립된 셀안에 넣어준다. 정압 전원 공급 장치에 셀을 연결하고 60v를 6시간 동안 공급하고 초기부터 30분 단위로 전류값을 기록하여 (1) 식을 통해 통과전하량을 도출하였다.
· · · · (1)
식 (1)에서 는 통과 전하량(C)이며, 는 전압을 가한 직후 의 전류(A)이다. 는 전압을 가한 후 t분 경과 후의 전류(A)를 나타낸다. 염화물 침투 저항성 실험은 KS F 2711을 기준으로 실시하였다.
(a) Cutting (b) Coating
(c) Underwater
immersion (d) Operating Fig. 1 Experimental procedure of RCPT
4. 실험결과 및 분석
4.1 발수제 혼입량에 따른 플로우와 공기량 변화 Table 8은 모르타르의 플로우와 공기량 실험결과를 나타낸 다. 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼 입한 시험체를 제외한 모든 시험체가 본 연구에서 목표성능 범위로 설정했던 플로우 200±15mm와 공기량 7±1%를 충족
Name W/C(%)
Unit weight(kg/m3)
Water Cement Sand
Water repellent
Liquid Powder
Ca Zn
OPC
50
254
508 1522
- - -
Powder 254 - 9.14 1.02
Liquid 245 20.32 - -
P3L1 251.75 5.08 6.86 0.76
P4L1 252.2 4.06 7.32 0.81
P5L1 252.5 3.38 7.62 0.85
P6L1 252.7 2.90 7.84 0.87
Table 7 Mix proportion of cement mortar
하였다. 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제의 경우 혼입 시 많은 공기를 내부로 연행시켜 작업성이 우수한 것으로 판단된다 (Felekoglu, 2012). 그러나, 무기물 분말형 금 속염계 발수제를 혼입한 시험체는 금속염의 혼입량 증가 시 공기량 감소를 확인하였다. 이는 분말형 금속염계 스테아레 이트 첨가 시 모르타르 내부의 공극을 충전하는 것으로 판단 된다 (Lanzon et al., 2017).
Name Target
flow(mm)
Flow (mm)
Target air content(%)
Air content(%) OPC
200±15
201
7±1
7.0
Powder 188 6.5
Liquid 217.5 13.8
P3L1 195 7.5
P4L1 195 7.25
P5L1 195 6.8
P6L1 194 6.5
Table 8 Result of mortar flow & air content
4.2 발수제 혼입량과 압축강도와의 관계
Fig. 2는 무혼입 모르타르, 기존 발수제를 혼입한 시험체 및 유무기 복합 발수제를 혼입한 시험체의 압축강도 실험결과를 나타낸다.
모든 시험체가 시간 경과에 따라 압축강도가 증진되었고, 무혼입 시험체의 압축강도는 재령 초반인 3일과 7일 각각 30, 36MPa로 높은 압축강도를 발현하는 특성을 나타냈다. 발수 제를 혼입한 시험체의 경우는 전반적으로 재령 14일 이후 강 도 증진이 크게 증가하였다.
무기물 분말형 금속염계 발수제의 경우 재령 14일까지는
낮은 압축강도를 보였지만, 재령 28일 경과 후 39.5MPa로 무 혼입 모르타르 대비 97.5%의 높은 압축강도를 나타내었다.
유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제는 재령 28 일 압축강도가 24MPa로 무혼입 모르타르 대비 42%의 압축 강도 저하를 확인하였다. 이는 Table 9에 나타난 공기량의 증 가와 골재와 시멘트의 접합면(ITZ : The Interfacial Transition Zone)에 소수성 물질들이 침투하여 수화반응을 지연 및 방해 하여 압축강도가 저하된다고 판단된다.
유무기 복합 발수제를 혼입한 시험체는 유기물 액체형 실 리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 시험체와 비교하 였을 경우, 유무기 복합 발수제를 혼입한 시험체가 재령일에 상관없이 높은 압축강도를 보였다. 재령 28일에 경우 약 38MPa로 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제 를 혼입한 시험체 대비 높은 압축강도를 나타냈다. P5L1는 38.5MPa로 무기물 분말형 금속염계 발수제를 혼입한 시험체 대비 약 2.5%의 압축강도 저하를 보였으며, P6L1 시험체의 경우, 39.5MPa로 무기물 분말형 금속염계 발수제를 혼입한 시험체와 동일한 압축강도를 확인하였다. 이는 내부에 혼입
Fig. 2 Compressive Strength o123f mortar mixed with water
Fig. 3 SEM analysis result of OPC & Liquid surface
되었던 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제의 양이 감소하고, 금속염계 스테아레이트의 양이 증가하여, 공기량의 감소와 모르타르 내부에 스테아레이트가 filler로써 충전되는 것으로 판단되며(Quraishi et al., 2007), P6L1의 경우, 혼입 된 실리콘 계 수성 발수제가 극소량이기 때문에 압축강도 저하에 영향 을 미치지 않는 것으로 사료된다.
Fig. 3은 무혼입 모르타르(OPC)와 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 시험체의 SEM 이미지를 나타내며, Fig. 4는 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 시험체의 SEM&EDS 분석결과를 나타낸다.
OPC에 비해 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 시험체의 표면에 미세균열을 확인하였으며, 압축강도의 저하 원인으로 판단하였던 잔골재와 시멘트 페이 스트의 접합면(ITZ) 분석결과, ITZ(The Interfacial Transition Zone)부분에 OPC대비 Si가 약 6배 정도 높은 것으로 측정되 었다. 이 두 가지 원인에 의해 압축강도가 크게 저하되는 것으 로 판단된다.
4.3 발수제 혼입에 따른 단위면적당 물 흡수량 변화 Table 9는 무혼입 모르타르 시험체, 기존 발수제 혼입 시험 체 및 유무기 복합 발수제 혼입 시험체의 시간경과에 따른 물 흡수계수를 나타내며, Fig. 5는 무혼입 모르타르 시험체, 기존 발수제 혼입 시험체 및 유무기 복합 발수제 혼입 시험체의 시 간 경과에 따른 단위면적당 물 흡수량을 나타낸다.
무혼입 모르타르를 제외한 모든 시험체의 발수성능이 우수 한 것으로 나타났다. 무혼입 모르타르의 경우 시간경과에 따 라 지속적으로 면적당 물 흡수량이 증가하였으며, 6시간 경과 후 면적당 물 흡수량은 1.394kg/m2를 나타내었다. 무기물 분 말형 금속염계 발수제를 혼입한 경우 무혼입 모르타르보다 92% 적은 0.12kg/m2이며, 유기물 액체형 실리콘계 실란&실 록산 수성 발수제를 혼입한 시험체의 경우, 물을 흡수하지 않 는 것으로 나타났다.
유무기 복합 발수제를 혼입한 시험체의 경우 P6L1 > P5L1 >
P4L1 > P3L1의 순서로 면적당 물 흡수량이 많은 것으로 나타났 다. 이는 발수력이 뛰어난 실란&실록산 수성 발수제의 양이 혼 합비율에 따라 적어져 나타난 결과로 판단된다.
유무기 복합 발수제를 혼입한 시험체 중 가장 발수성능이 낮은 P6L1은 무혼입 모르타르보다 95% 적은 0.072kg/m2를 나타내었으며, 무기물 분말형 금속염계 발수제보다 40% 적 은 것을 확인하였다. 유무기 복합 발수제 모두 무기물 분말형 금속염계 발수제보다 높은 발수성능을 나타냈다.
물 흡수계수 역시 무혼입 모르타르를 제외한 모든 시험체 가 시간 경과에 상관없이 0에 수렴하는 것으로 나타났다. 무 기물 분말형 금속염계 발수제의 경우 약 0.06으로 일정한 물
흡수계수를 보였고 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수 성 발수제의 경우 물 흡수계수가 0으로 나타났다.
유무기 복합 발수제의 물 흡수계수 역시 면적당 물 흡수량 과 같은 경향을 보였고 P6L1의 경우, 다른 유무기 복합 발수 제와 다르게 물 흡수계수가 약 0.03으로 약간의 흡수성능을 나타냈다. 따라서, P5L1의 비율이 유무기 복합 발수제의 최소 한계로 판단된다.
Fig. 6은 무혼입 모르타르인 OPC와 무기물 분말형 금속염 계 발수제를 혼입한 시험체 표면을 500배 확대한 SEM 이미 지를 나타내며, Fig. 7은 무혼입 모르타르인 OPC와 무기물 분 말형 금속염계 발수제를 혼입한 시험체 표면을 10,000배로 확 대한 SEM 이미지를 나타낸다.
Fig. 6 이미지를 보면, 무혼입 모르타르 표면과 다르게 무기 물 분말형 금속염계 발수제를 혼입한 시험체의 표면 전반에 걸쳐 왁스성 물질이 코팅된 것을 확인할 수 있었으며, 이를 10,000배 확대해본 결과, 시멘트 수화생성물 표면부에 왁스 성 물질이 코팅된 것을 확인하였다. 시멘트 수화물 표면에 형 성 된 코팅층에 의해 내외부에서 발수효과가 나타나는 것으 로 판단되며, 발수력의 크기는 발수성이 강한 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제 시험체의 혼합 비율에 의
Name 10m 30m 1h 6h
OPC 1.54 1.04 0.83 0.57
Powder 0.06 0.06 0.06 0.05
Liquid 0.00 0.00 0.00 0.00
P3L1 0.00 0.00 0.00 0.00
P4L1 0.00 0.00 0.00 0.00
P5L1 0.00 0.00 0.00 0.00
P6L1 0.03 0.03 0.04 0.03
Table 9 Result of water absorption coefficient Fig. 5 Result of Water absorption per area
해 조정되며, 무기물 분말형 금속염계 발수제 혼합 비율이 증 가할수록 발수력이 감소되는 것으로 사료된다.
Fig. 6 SEM analysis result of OPC & Powder 500x
Fig. 7 SEM analysis result of OPC & Powder 10 kx
4.4 염화물 침투 저항성 실험 결과
Table 10은 본 실험에서 사용된 시험체의 염화물 침투 저항 성 실험이 종료된 후, 질산은 용액을 분사해 나타난 염화물 침 투 깊이의 평균을 나타낸다. Fig. 8은 발수제 혼입량에 따른 통 과 전하량을 나타내며, Fig. 9은 침투 깊이 측정에 사용된 시험 체의 절단면을 나타내었다.
무혼입 모르타르 대비 모든 시험체의 통과 전하량이 발수 제 혼입에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 무기물 분말형 금 속염계 발수제 혼입 시험체와 유기물 액체형 실리콘계 실란&
실록산 수성 발수제 혼입 시험체는 무혼입대비 48%, 56% 낮 아진 약 7007과 5864 coulomb으로 나타났다.
유무기 복합 발수제 혼입 시험체들의 경우, 평균 약 7300 coulomb으로 무혼입 모르타르 대비 약 45% 낮게 나타났다.
특히, P3L1의 경우, 무기물 분말형 금속염계 발수제 혼입 시 험체보다 3% 낮은 약 6807 coulomb을 나타났다 (Lanzon et al., 2017; Kong et al., 2015). 그러나 유무기 복합 발수제 혼입 시험체의 경우, 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제 혼입 시험체와 동일한 물 흡수계수를 나타내어 낮은 통과 전하량을 예상했지만 P4L1, P5L1 시험체의 경우 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제 혼입 시험체 대비 20%, 30% 높은 약 7020, 7699 coulomb으로, 예상보다 높은 통과 전하량을 확인하였다.
13,432
7,007
5,864 6,807 7,020 7,699 7,880
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
OPC Powder Liquid P3L1 P4L1 P5L1 P6L1
Charge passed(coulomb)
Fig. 8 The charge passed from RCPT
염화물 침투 깊이도 발수제를 혼입한 시험체들이 전반적으 로 낮은 염화물 침투 깊이를 나타내었다. 유기물 액체형 실리 콘계 실란&실록산 수성 발수제 혼입 시험체의 경우 21.77mm 로 가장 낮은 침투깊이를 나타내었고 무기물 분말형 금속염 계 발수제 혼입 시험체의 경우는 그 보다 약 5mm높은 26.47 을 나타냈다.
유무기 복합 발수제 혼입 시험체의 경우, P4L1과 P5L1이
Fig. 9 Cutting surface of the specimens
26.42, 27.25mm로 비교적 높은 침투 깊이를 나타내었다. 이는 발수성 물질에 의한 시험체 내부의 미세공극과 내부의 화학 반응에 의한 것으로 판단되며, 추가적인 연구가 필요할 것으 로 사료된다.
5. 결 론
유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 시멘 트계 재료에 혼입한 경우의 공기량 증가 및 압축강도 저하 등 의 문제점을 해결하기 위하여, 유무기 복합 발수제(Powder 발 수제와 Liquid 발수제를 혼합)가 혼입된 모르타르를 대상으 로 물리적 성능 및 발수성능을 평가한 결과 다음과 같은 결론 을 얻었다.
1) 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼 입한 경우의 재령 28일 모르타르 압축강도는 OPC의 42%로 강도가 크게 저하하며, 이는 공기량 증가와 함께 잔골재의 천이대(ITZ)에서 실란&실록산 등의 소수성물 질이 시멘트수화반응을 지연시킨 영향이라고 판단된다.
그러나, 무기물 분말형 금속염계 발수제 및 P5L1, P6L1 유무기 복합 발수제의 28일 압축강도는 OPC와 비교하 여 약 97%로서 압축강도 저하는 거의 없었다.
2) 실란&실록산 수성 발수제의 우수한 발수성능 때문에, 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 유무기 복합 발수제 시험체는 물흡수계수와 물 흡수면적이 거의 0에 가까우며, 본 실험의 범위에서는 무기물 분말형 금속염계 발수제와 유기물 액체형 실리 콘계 실란&실록산 수성 발수제의 비율 5:1 이하에서는 모르타르의 발수성능이 매우 우수한 것으로 판단된다.
3) 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제는 내 부로 혼입 시 만은 연행공기를 동반하여 공기량과 플로 우가 증가하였으나, 무기물 분말형 금속염계 발수제는 스테아레이트가 미세공극을 충진하여 공기량을 저하시
키는 것으로 판단된다. 유무기 복합발수제(PL)는 유기 물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제와 비교하 여 플로우를 약 10%, 공기량을 약 50% 감소시키는 효과 가 있다.
4) 유무기 복합 발수제 혼입 시험체들의 염화물 침투저항 성을 나타내는 통과 전하량은 평균 7300 coulomb으로 OPC 13,432 couloumb에 비해 약 45% 낮게 나타났으며, 이는 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제 의 발수성능과 무기물 분말형 금속염계 발수제의 충진 효과로 판단된다.
5) 이상의 실험을 종합하면, 무기물 분말형 금속염계 발수 제와 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제 를 5:1의 비율로 혼입한 P5L1 유무기 복합 발수제가 압 축강도 저하 방지 및 발수 성능 확보를 위하여 가장 합리 적이라고 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2020년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No.2015R1 A5A1037548).
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Name Penetration depth(mm)
OPC 49.35
Powder 26.47
Liquid 21.77
P3L1 25.61
P4L1 26.42
P5L1 27.25
P6L1 28.72
Table 10 Penetration depth from RCPT
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Received : 10/07/2020 Revised : 11/27/2020 Accepted : 12/18/2020
요 지 : 발수제를 콘크리트 표면에 함침시키는 방법은 콘크리트의 균열이 발생할 경우, 기대하는 내구성을 확보할 수가 없다. 최근, 다양한
방수 및 발수 재료들을 콘크리트나 모르타르 내부에 혼입하여 균열 내부에서도 발수성을 확보하였으나 압축강도가 크게 저하되었다. 압축강 도 저하를 극복하기 위해 아직까지 유기물과 무기물의 장점들을 동시에 이용한 연구가 없기 때문에, 본 연구에서는 유기물과 무기물을 적절히 혼합한 유무기 복합 발수제를 모르타르에 혼입하여 물리적 특성 및 발수성능을 평가하였다. 유무기 복합 발수제 혼입 시 Liquid 시험체에 비해 플로우 약 10%, 공기량이 약 50% 감소하였으며, P6L1 시험체의 경우, 기존 발수제인 Powder와 같은 39.5MPa로 무혼입 모르타르 대비 약 3.5%
의 압축강도 저하를 확인하였다. 발수성능도 유무기 복합 발수제 혼입 시험체가 기존의 발수제 혼입 시험체인 Powder보다 높은 발수성을 확인 하였으며, 염화물 침투 저항성 평가결과, 유무기 복합 발수제 혼입 시험체가 무혼입 모르타르 대비 약 45% 통과 전하량이 감소되는 것을 확인 하였다. 이상의 실험을 종합하면, Powder 발수제와 Liquid 발수제를 5:1의 비율로 혼입한 P5L1 유무기 복합 발수제가 압축강도 저하 방지 및 발 수성능 확보를 위하여 가장 합리적이라고 판단된다.
핵심용어 : 흡수성, 공기량, 압축강도,, 유/무기 복합 발수제, 염화물 침투 저항성
