요지
국내의 경우 노후화된 콘크리트 포장에 대한 일반적인 유지보수 공법으로 아스팔트 덧씌우기 공법이 사용되고 있다. 그러나 기존 콘 크리트 포장의 수명을 연장시키기 위한 아스팔트 덧씌우기 공법의 경우, 기존 포장과의 물리적 특성이 상이하여 반사균열, 포트홀 및 소성변형 등의 다양한 포장 파손이 발생하고 있는 실정이다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 아스팔트 덧씌우기 공법을 대처하기 위한 방안으로 콘크리트 덧씌우기 공법의 적용이 요구되고 있는 실정이다. 콘크리트 덧씌우기 공법은 사용 연한이 길고, 중차량에 대한 지지력이 우수하며, 소성변형이 발생하지 않으므로 유지보수 빈도 및 유지관리비를 현저히 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 비교적 긴 양생기간으로 인하여 우회도로 가설 및 교통통제 등의 기술적인 문제가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 충분한 작업성 확보 및 신 속한 교통개방을 위하여 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트를 사용하여 작업성, 내구성 및 환경저항성에 대한 평가를 통한 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법의 적용성을 검토하였다. 조기 교통개방 특성 평가를 위한 강도측정 결과 재령 4시간 후 압축강도 21MPa, 부 착강도 1.4MPa를 상회하는 결과를 확인하였다. 또한 환경하중 저항성 실험 결과 일반 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 비해 매우 우수하 여 내구성을 확보할 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구를 통하여 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트는 대규모 접착식 콘크리트 덧 씌우기 공법에 적합한 재료로써, 충분한 작업성 및 신속한 조기 교통개방을 요구하는 유지보수 공법 적용이 가능할 것으로 판단된다.
핵심용어
초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트, 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법, 부착강도, 환경 하중 저항성
접착식 콘크리트 덧씌우기 공법을 위한 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 적용성 연구
A Study on the Application of Very Rapid Hardening Acrylic Polymer Modified Concrete for Bonded Concrete Overlay Method
이 승 우 Lee, Seung Woo 정회원·강릉원주대학교 토목공학과 부교수·공학박사 (E-mail : [email protected]) 김 영 규 Kim, Young Kyu 정회원·강릉원주대학교 토목공학과 박사과정 (E-mail : [email protected]) 이 풍 희 Lee, Poong Hee 정회원·(유)금영토건 회장 (E-mail : [email protected])
ABSTRACT
Asphalt concrete overlay method is used by general maintenance and rehabilitation of construction for aged concrete pavement in Korea.
However, in case of the AC overlay method to extend service life of the existing concrete pavements, various distresses of reflection crack, pothole and rutting are the typical problems of the asphalt overlay on existing concrete pavement since it has different physical characteristics between asphalt overlay and existing concrete pavement. To achieve this, application of concrete overlay method is required instead of AC overlay method.
Concrete overlay method has advantages that can reduce maintenance cycle and costs since it has excellent bearing value for heavy vehicles and no rutting. However, technical problems of detour road construction, traffic control and other disadvantages happened by long curing time. Thus, in this study and experimental research were launched to evaluate the workability, durability and resistance against environmental loading of Very Rapid Hardening Acrylic Polymer Modified Concrete(VRH-APMC) for application of bonded concrete overlay method. Test results showed that the compressive and bond strength were exceed 21MPa and 1.4MPa of target strength after four hours for rapid traffic opening properties. And tests of resistance against environmental loading results showed that VRH-APMC secured excellent durability. Thus, it was known that VRH-APMC was suitable material for large scale bonded concrete overlay method, and it was possible to use maintenance and rehabilitation method which needs enough workability and rapid traffic opening.
KEYWORDS
very rapid hardening acrylic polymer modified concrete, bonded concrete overlay method, bond strength, resistance against environmental loading
한국도로학회 논문집제13권 제1호 2011년 3월 pp. 139 ~ 148
1. 서론
국내의 시멘트 콘크리트 포장은 88고속도로가 개통된 이후 산업의 급격한 발달과 중차량의 증가로 꾸준하게 신설 및 확 장되었으나, 최근 콘크리트 포장의 내구연한이 20년에 가까 워짐에 따라 많은 구간에서 열화에 의한 파손이 발생되어 유 지보수 및 재건설을 필요로 하고 있다.
국내의 경우 유지보수 시 일반적으로 아스팔트 포장 덧씌 우기를 실시하고 있으며, 이는 시공경험이 풍부하고 시공 후 교통개방시간을 단축할 수 있기 때문이다. 하지만 아스팔트 덧씌우기의 경우 기존 콘크리트포장과의 물성 및 열팽창계수 등의 재료 특성이 상이하여 줄눈부에서 발생되는 반사균열, 덧씌우기 구간에서의 포트홀 및 다양한 포장 파손으로 인하 여 잦은 유지보수를 필요로 한다(이경하 외, 2000). 이로 인 하여 도로포장의 효과적인 유지보수 공법을 필요로 하게 되 었으며, 이에 일부 국가에서는 교통량 증가 및 중차량에 대한 하중지지 능력이 우수하고, 기존 콘크리트 포장과의 재료특 성이 유사하여 유지보수 후 포장 파손이 적으며, 경제적인 유 지보수 대안으로 평가 받고 있는 콘크리트 덧씌우기가 대두 되고 있다.
콘크리트 덧씌우기는 사용연한이 길고, 중차량에 대한 지 지력이 우수하며, 소성변형의 발생이 없어 유지보수 빈도 및 유지관리비를 현저히 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 콘크 리트 포장의 특성 상 비교적 긴 양생기간으로 인한 우회도로 가설 및 교통통제 등의 기술적인 문제가 발생하게 된다(최판 길 외, 2006). 또한 조기 교통개방을 위한 콘크리트 재료의 습윤양생 및 소요자재 등 공법상의 문제와 함께 고가의 시공 비로 인하여 대규모 보수에서의 적용이 현실적으로 불가능한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 콘크리트 덧씌우기의 단점으로 지적 되고 있는 신속한 교통개방을 위하여 경제성을 확보하고, 조 기강도 발현이 가능하며, 별도의 습윤 양생을 필요로 하지 않 는 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트를 사용하여 작업 성, 내구성 및 환경저항성에 대한 연구를 수행하였다. 이를 통하여 국내 여건에 맞는 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법을 위한 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 적용성을 검 토하였다.
2. 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 특성 2.1. 재료 특성
초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트(Very Rapid Hardening Acrylic Polymer Modified Concrete)는 도로 보수용 Ready-mixed mortar(이하 레미탈; 모래와 바인더 가 사전 혼합됨), 물, 아크릴계 폴리머, 굵은 골재 및 혼화제 (소포제)가 혼합된 것으로써 시공성, 내구성 및 경제성을 확 보하기 위하여 국내 H시멘트에서 개발되었다.
레미탈에 대한 구성 및 사용원료의 화학성분은 표 1과 같다.
레미탈의 경우 일반적인 보통 포틀랜드 시멘트와 달리 초속경 시멘트의 특성인 CSA계(3CaO·3Al
2O
3·CaSO
4)를 다량 함유하고 있으며, 수화반응 시 매우 빠른 속도로 침상 결정의 3차원적 망목구조를 형성하는 고황산염의 칼슘설포알루미네 이트 수화물(calcium sulfoaluminate hydrate)인 에트린자 이트(ettringite)를 생성시켜 수 시간 내에 높은 강도를 발현 하게 된다. 또한 1일 이후에도 ettringite가 지속적으로 생성 되며, 보통 시멘트에 존재하는 C
3S, C
2S의 수화반응에 의해 생성된 Gel상의 C-S-H(Calcium Silicate Hydrate) 수화물 에 의해 경화체의 조직이 치밀해지고 강도발현이 지속적으로 증진된다. 초속경 시멘트의 광물성분 중 3CaO·3Al
2O
3· CaSO
4이 물과 반응하여 생성된 ettringite는 물리/화학적으 로 매우 안정되어 있으며, 광물 중에 SO
3공급원을 충분히 가 지고 있어 다른 화합물로의 전이가 일어나지 않게 되며, 구조 체의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 경우 사전 배합된 레미탈을 사용하여 모래 및 바인더의 물성을 일정하 게 유지할 수 있으므로, 현장 적용 시 사용 재료에 따른 품질 의 변동성을 최소화할 수 있는 특징이 있다.
그림 1. 콘크리트 포장의 열화에 의한 파손
표 1. Ready-mixed mortar 사용원료의 화학조성표
구 분 화학성분, wt(%)
SiO2 Al2O3Fe2O3CaO MgO Na2O K2O SO3 Ig.loss sum
모래 97.2 - - - 97.2
바인더 12.43 17.49 2.34 47.18 1.28 0.01 0.04 17.67 1.20 99.64
초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 특징 중 하나인 아크릴계 폴리머의 혼합은 표 2와 같이 core-cell 중합반응을 통하여 연속 도막을 형성함으로써 양생포 및 양생제 없이 대 기 양생이 가능하며, 우수한 도막 형성으로 인해 건조수축 균 열 저감, 부착강도 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
2.2. 덧씌우기를 위한 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 적용 기준
덧씌우기를 위한 국내 시멘트 콘크리트는 교통개방까지의 양생시간을 고려하여 보통형, 조강형 및 초속경형으로 구분하 며, 일반적으로 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트 및 초속경 시멘트 또는 첨가제로 급경화제를 첨가한 것을 사용 한다. 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 경우 초속경형 의 재료 특성을 만족하기 위하여 충분한 작업성 확보 및 조기 교통개방이 가능해야 하며, 성공적인 시공을 위한 콘크리트 재 료의 적정 기준이 요구된다. 이를 위해 국내외 문헌연구를 실 시하여 강도, 작업성, 장기 안정성, 부착강도 및 환경하중저항 성 등에 대한 적정 요구 기준을 표 3과 같이 제시하였다(윤경 구 외, 2004, 조윤호 외, 2005, 한국도로공사, 2009).
3. 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 배합 특성
본 연구에서는 국내 여건을 고려하여 충분한 작업성 확보 및 신속한 교통개방이 가능한 접착식 콘크리트 덧씌우기 공 법을 위한 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 적용성 을 검토하기 위하여 그림 2와 같은 연구를 수행하였다.
초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 사용 배합에 대 하여 요구기준에 부합하는 충분한 작업성 확보 여부를 검토 하기 위하여 슬럼프, 공기량 및 응결시간 측정 실험을 실시하 였으며, 압축강도 및 휨강도 실험과 양생에 따른 강도 특성 분석을 통하여 조기 교통개방 특성 및 양생시트의 사용 유무 를 검토하였다. 또한 부착강도 실험을 통하여 기존 포장층과 의 부착특성을 알아보고, 동결융해, 염화물 이온 침투 저항 성, 표면박리 저항성 및 건조수축 등의 환경하중 저항성 평가 를 통해 국내 여건에 맞는 콘크리트 포장 덧씌우기 재료의 적 용성을 평가하였다.
3.1 사용재료
3.1.1. 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트
작업성 확보와 조기 교통개방이 가능한 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트 재료의 내구성, 안정성 및 환경하중 저 항성을 평가하기 위한 사용배합은 표 4와 같다.
초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 특성 평가 시 굵 은 골재 최대치수 15mm 사용하였으며 골재의 물리적 특성은 표 5와 같다.
표 2. 아크릴계 폴리머의 core-cell 중합반응 특성
구분 아크릴계 폴리머 일반폴리머
입자 구조
특성 core : 필름의 강도가 높은 수지 cell : 도막 성능이 높은 수지
강도를 높이면 도막 성능이 저하 도막 성능을 높이면 강도 저하 도막
형성 상태
비고 균질한 도막 형성 불균질한 도막 형성
항 목 시험방법 규 격 기 준
압축강도 교통개방 시
KS F 2405 MPa 21 이상
28일 30 이상
휨강도 교통개방 시 KS F 2407
KS F 2408 MPa 4.5 이상
응결 초결
KS F 2436 분 25분 이상
종결 -
슬럼프 KS F 2402 mm 160∼220
공기량 KS F 2421 % 5∼7
부착강도 ASTM C 1404 MPa 1.4 이상 동결융해저항성 KS F 2456
(B type) % 상대동탄성
계수비
표 3. 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 덧씌우기 공법 요구 기준
표면박리저항성(제설제) ASTM C 672 육안평가 (50사이클)
0 = 좋음, 5 = 나쁨
염소이온 침투 저항성 KS F 2711 Coulomb 낮을수록 우수함
침투깊이(mm) -
건조수축 KS F 2424
ASTM C 157 mm -
그림 2. 연구 수행 과정
실험계획 수립작업성 확보를 위한 배합특성 연구 슬럼프, 공기량, 응결시간, 조기강도 확보
조기 교통개방 특성 연구 양생에 따른 강도 특성 평가, 부착강도 특성평가
환경하중 저항성 평가 동경융해, 염화를 이온 침투 및 표 면박리 저항성, 건조수축 특성 평가 초속경 아크릴계 폴리머 개질
콘크리트의 적용성 평가
<표 계속>
3.1.2. 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트(OPC)
초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 적용성 평가를 위한 비교 시편 제작 시 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트를 사 용하였다. 사용 재료는 KS L 5201의 규격에서 제시한 보통 보틀랜드 시멘트를 말하며, 표 6과 같이 콘크리트 포장을 위 한 물성조건 및 강도기준을 만족시켰다. 보통 포틀랜드 시멘 트 콘크리트의 경우 시편제작 시 굵은 골재 최대치수 25mm 를 사용하였다.
3.2. 작업성 확보를 위한 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 배합 특성
작업성 확보와 조기 교통개방이 가능한 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트 재료의 내구성, 안정성 및 환경하중 저 항성을 평가하기 위하여 합리적인 콘크리트 배합 선정이 우 선시 되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 표 4에서 제시한 초 속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 사용 배합에 대하여 슬럼프, 공기량 및 응결시간을 측정하여 표 3의 요구기준에 맞는 사용재료의 작업성 확보 특성을 확인하였다.
실험결과 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 배합 특성은 표 7과 같이 나타났다. 타설 초기 및 5분 경과 후의 슬럼프 측정 결과 시공 시 콘크리트 타설 후 공정상의 지체시 간이 없을 경우 충분한 작업성을 확보할 것으로 판단되며, 공 기량의 경우 AE콘크리트의 공기량 범위인 6%를 확보하여 동결융해에 대한 저항성이 충분할 것으로 판단된다. 또한 조
기 강도를 발현하는 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트 의 응결시간 측정 결과 35~40분 사이에 초결이 진행되었으 며, 55~60분 사이에 종결하여 충분한 작업성을 확보할 것으 로 판단된다.
4. 조기교통개방을 위한 강도 특성 평가
일반적인 콘크리트는 시공 후 초기 경화 단계에서 원활한 수화반응 및 초기 균열을 방지하기 위하여 대기 양생, 습윤 양생 및 양생시트 사용 등의 적절한 양생방법을 필요로 한다.
하지만 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법 적용을 위한 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 경우 아크릴계 폴리머의 특성상 core-cell 중합반응에 의하여 포장 표면에 균질한 도 막을 형성시키므로 대기양생에서도 원활한 강도발현이 가능 하여 별도의 습윤 양생을 필요로 하지 않으며, 대규모 시공 및 조기 교통개방을 필요로 하는 공법의 특성 상 습윤 양생의 경우 현실적으로 불가능하다. 따라서 초속경 아크릴계 폴리 머 개질 콘크리트의 양생조건에 따른 강도 특성 평가를 통하 여 대기 양생에 따른 강도발현 효과 및 조기 교통개방 여부를 확인하였다.
또한 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법의 경우 기존의 콘크리 트와 덧씌우기 층과의 부착력 부족으로 인해서 파손이 확대되 는 경우가 빈번히 발생되므로 적정 강도이상의 높은 부착력 확보가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 직접인발실험을 통 하여 기존 콘크리트 포장층과 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트 덧씌우기층 사이의 부착강도를 평가하였다.
4.1. 양생조건에 따른 압축 및 휨강도 특성
압축강도 측정은 KS F 2405에 의거하여 Ø100mm×
200mm의 실린더형 공시체를 제작한 후 재령 4시간, 24시간, 7일 및 28일을 기준으로 측정하였으며, 양생조건을 달리하기 위하여 공시체 탈형 후 습윤 양생(온도 20℃, 습도 100%) 및 대기양생(온도 20℃, 습도 60%)을 실시하였다. 또한 경화 콘 크리트 공시체의 휨 강도 시험은 KS F 2408에 따라 중앙점 재하법으로 실험을 수행하였다. 공시체는 100mm×100mm×
400mm의 크기로 제작하였으며, 양생 및 강도측정 조건을 압 축강도 측정과 동일하게 진행하였다. 그림 3은 강도 특성을 검토하기 위한 압축 및 휨강도 측정 과정을 나타낸 것이다.
표 4. 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 사용배합
굵은골재 최대치수 (mm)
W/B (%)
S/a (%)
단위량(㎏/㎥) W Ready-mixed mortar
G AE제
B S
15 36 44
141
390 756 979 B×
0.03%
순수물량 : 106 액상폴리머 : 66
고형분량 : 31
표 5. 굵은 골재의 특성
산 지 골재 크기 비 중 흡수율 표건 비중 겉보기 비중 조립률 충남 연기군 15mm 2.632 0.75% 2.652 2.685 6.41
표 6. 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트(OPC)의 물성 및 강도 기준
구 분
슬럼프 (mm) 공기량
(%)
응결 시간 (비카트 시험)
압축 강도 (MPa) 기계 인력 초결(분) 종결(분) 3일 7일 28일 보통 포틀랜드
시멘트 콘크리트 40 80 5∼7 45이상 375이하 13 20 28
표 7. 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 배합 특성
구 분 결 과
슬럼프 초기 : 150mm~170mm
5분경과 후 90mm~120mm
공기량 6%
응결시간 초결 (35∼40분), 종결(55∼60분)
재령에 따른 강도 측정 결과를 표 8에 나타내었다. 양생조 건에 따른 압축강도 측정 결과 콘크리트 타설 4시간 후 소요 강도 21MPa를 확보하여 신속한 조기 교통개방이 가능하며, 꾸준한 강도 발현 특성을 나타내었다. 이를 통하여 초속경 아 크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 덧씌우기 공법 적용 시 대기 양생을 통한 강도 발현이 가능할 것으로 판단된다. 또한 재령 에 따른 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 휨강도 측 정 결과 재령 4시간에서 평균 5.5MPa를 확보하였으며, 휨강 도 적용 기준인 4.5MPa 이상을 나타내어 조기 교통개방을 위한 덧씌우기 공법으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.
4.2. 부착강도 특성
기존 콘크리트 포장과 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크 리트 덧씌우기층 사이의 부착 특성을 확인하기 위하여 ASTM C 1404에 의거하여 직접인발실험을 통한 부착강도 를 평가하였다.
시험체 크기 500mm×500mm×150mm의 보통 포틀랜드 시 멘트 콘크리트 시편을 제작한 후 초속경 아크릴계 폴리머 개 질 콘크리트를 5cm 덧씌우기하여 재령 4시간, 7일 및 28일 에 대하여 각각 3회씩 부착강도를 측정하였다. 그림 4는 부 착강도 측정과정을 나타내는 것으로써, 콘크리트 시편을 제 작한 후 실제 시공현장의 절삭된 콘크리트 포장 표면을 모사 하기 위해 그라인더 및 스틸 브러쉬를 사용하여 콘크리트 표 면의 모르타르를 일부 제거한 후 초속경 아크릴계 폴리머 개
질 콘크리트를 5cm 덧씌우기 하였다. 1시간 30분의 대기양 생이 끝난 후 코어작업을 실시하였으며, 에폭시를 사용하여 인발시험용 지그와 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트면 을 완전 부착시켜 부착강도를 측정하였다.
부착강도 측정결과 표 9와 같이 재령 4시간에서 평균 1.63MPa, 재령 7일에서 평균 1.7MPa 및 재령 28일에서 2.2MPa를 확보하여 재령 4시간에서의 기준치인 1.4MPa를 상회하는 결과를 나타내었다. 이를 통하여 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 부착강도 특성이 매우 우수한 것을 확인하였으며, 기존 콘크리트와의 부착력 부족으로 인해 발생 할 수 있는 초기 균열 및 파손 영향은 적을 것으로 판단된다.
5. 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 환경 하중 저항성 평가
5.1. 동결융해 저항성 평가
국내의 경우 계절별, 일별 온도차가 크게 발생하기 때문에 동결융해 저항성은 도로포장에서 매우 중요한 요소이다. 이 그림 3. 압축강도 및 휨강도 측정 과정
(a) 압축강도 (b) 휨강도
표 8. 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 강도 특성
구 분 압축강도 평균 (MPa) 휨강도 평균
(MPa)
습윤양생 대기양생 OPC
4시간 22.6 21.2 - 5.5
5시간 23.4 - - 6.5
1일 27.4 26 - 7.0
7일 33.8 31.3 - -
28일 36.5 - 39 7.1
그림 4. 부착강도 측정과정
(a) 접착 덧씌우기 시편 제작 (b) 코어드릴 작업
(c) 부착강도 측정
표 9. 부착강도 측정 결과
구 분 기 준 부착강도 측정 결과
4시간
1.4 MPa이상
1.6 MPa
7일 1.7 MPa
28일 2.2 MPa
를 위하여 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 동결융 해 급속 반복 사이클에 대한 저항성을 평가하기 위한 실험으 로 KS F 2456(B type)에 의거하여 공기 중에서 급속 동결 하여 수중에서 융해시키는 반복된 실험과정을 수행하였다.
그림 5와 같이 시편의 크기는 412mm×101mm×76mm로 초 속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트 시편과 보통 포틀랜드 콘크리트 시편을 각각 제작하였으며, 동결융해 사이클은 공 시체의 온도를 2~4시간 사이에서 교대로 4℃에서 -18℃로 떨어뜨리고 -18℃에서 4℃로 상승하는 과정을 반복하여 총 300사이클 동안 무게감소 및 동탄성계수 변화를 측정하였다.
동결융해 저항성 실험 결과, 그림 6과 같이 상대동탄성계 수의 변화가 나타났으며, 300사이클 경과 후 초속경 아크릴 계 폴리머 개질 콘크리트의 경우 94.0%, 보통 포틀랜드 시 멘트 콘크리트의 경우 91.9%로 측정되었다. 따라서 초속경
아크릴계 폴리머 개질 콘크리트가 보통 포틀랜드 시멘트 콘 크리트에 비해 장기적인 내구성 측면에서 우수할 것으로 판 단된다.
5.2. 표면박리 저항성 평가
고체 염화물 제설제의 살포는 시간이 경과함에 따라 차로 에서 도로 가장자리로 흩어지고 백색의 염화물 제설제 분말 이 차로에 남아있게 된다. 그러나 염화물 제설제의 분말은 제 거되지 않고 일정기간동안 낮에는 백색 가루로 존재하다가 밤과 낮의 온도차로 인해 동결융해 현상이 반복됨에 따라 표 면박리현상이 발생되어 도로 포장의 내구성 및 공용성을 저 하시킨다. 따라서 본 연구에서는 표면 박리현상에 따른 저항 성을 검토하였으며, ASTM C 672에 의거하여 표면박리를 통한 무게감소 및 육안관찰을 매 5사이클 마다 측정하여 총 50 사이클을 수행하였다. 그림 7과 같이 300mm×300mm×
100mm로 제작하여 시험체의 가장자리 15mm에 깊이 20mm 로 커팅을 실시하여 아크릴판을 부착하였으며, 침투용액은 증류수에 3%의 염화칼슘을 용해시켜 사용하였다. 표면박리 저항성을 평가하기 위하여 17시간동안 -18℃에서 동결하였 으며, 7시간은 상온에서 융해과정을 거치는 1사이클을 총 50 사이클 동안 반복수행하여 무게 감소량 및 표면박리에 의한 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트와 보통 포틀랜드 시 멘트 콘크리트 시편을 비교 검토하였다.
표면박리현상에 의한 무게측정 결과 초기에 비해 무게가 증가하였다. 이는 동결융해를 반복하는 과정에서 물이 흡수 되어 물의 무게가 포함되는데, 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 경우 도막 형성에 따른 투수저항성이 우수하여 물의 흡수가 감소하는 것을 볼 수 있었다.
50 사이클 후 시편을 건조시킨 결과 표 10과 같이 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트는 표면 박리가 발생되지 않 았으며, 일반 포틀랜드 콘크리트의 무게는 24g 감소한 반면 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트는 0.37g로 무게 변화 가 거의 발생하지 않았다.
그림 5. 동결융해 저항성 실험
(b) OPC 시편(c) 동결융해 실험 과정 (a) 초속경 아크릴계 폴리머
개질 콘크리트 시편
그림 6. 상태 동탄성 계수 측정 결과
그림 7. 표면박리저항성 시편 제작
(a) 시편 커팅 (b) 아크릴판 부착
5.3. 염소이온 침투 저항성 평가
염소이온 침투 저항성 평가는 콘크리트의 염소이온 침투에 대한 저항성을 빠른 시간에 알아내기 위한 목적으로 ASTM C 1202 및 KS F 2711에 의거하여 콘크리트의 전기 전도도 를 결정하는 시험방법에 따라 수행하였다. 콘크리트의 염소 이온 침투 저항성 시험의 전하량에 따른 염소이온 침투성 기 준은 다음 표 11과 같이 정의된다. 양생 조건은 28일이며, 통과 전하량이 낮을수록 우수함을 나타낸다.
시험 공시체는 시험의 신뢰도를 높이기 위해 그림 8과 같 이 Ø100×200mm 공시체의 가운데 부분을 두께 5cm로 커 팅하여 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트 시편과 일반 포틀랜드 콘크리트 시편을 각각 3개씩 제작하여 비교 하였 다. 시험장비는 그림 9와 같이 KS F 2711의 기준에 따라 제 작하였으며, 시험용액은 증류수에 시약등급의 염화나트륨 3.0%를 가한 염화나트륨 수용액과 0.3M 수산화나트륨 용액 을 제조하여 실험을 실시하였다.
시험장비의 전압은 30V의 전압을 공급하여 급속하게 염소 이온의 침투를 촉진시켰으며, 단기간인 6시간동안의 저항 변 화를 측정하여 염소 이온 침투시험을 실시하였다. 0.3M NaOH용액은 (+)극에 3% NaCl용액은 (－)극에 각각 연결 하였다.
실험장비의 가동 후 그림 10과 같이 UTM장비를 사용하 여 공시체를 절단하였으며, 공시체 표면에 질산은 용액을 살포하여 질산은과 염소 이온의 화학반응으로 인한 색의 변 화에 대하여 버니어 캘리퍼스를 이용하여 침투깊이를 확인 하였다.
초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트와 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 염소 이온 침투 저항성 결과는 다음 표 12와 같이 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 수정통과 전하 량은 1,264.4C로 낮은 수준(1,000~2,000C)인 반면 초속 경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 수정통과 전하량 194.94C로 KS F 2711 통과전하량 기준에 의해 매우 낮은 수준(100~1,000C)으로 평가되었다. 또한 염소 이온 침투 표 10. 표면박리현상에 의한 육안관찰 결과
구 분 초 기 50사이클 경과 후
초속경 아크릴계
폴리머 개질 콘크리트
표면상태
육안평가 좋음(0) 좋음(0)
보통 포틀랜드
시멘트 콘크리트
표면상태
육안평가 좋음(0) 나쁨(4)
표 11. 전하량에 따른 염소 이온 침투성
수정 통과 전하량(C) 염소 이온 침투성
4,000 높 음
2,000∼4,000 보 통
1,000∼2,000 낮 음
100∼1,000 매우 낮음
100 무시할만함
그림 8. 염소이온 침투 저항성 실험 과정 (b) 커팅된 공시체
(c) 염소이온 침투 실험 (a) 공시체 커팅
그림 9. 염소 이온 침투 시험 모식도
깊이 측정을 실시해 본 결과 그림 10(b, c)와 같이 보통 포틀 랜드 시멘트 콘크리트(OPC)는 침투깊이 9.267mm인 반면 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트는 침투깊이 0.433mm 로 염소 이온의 침투가 거의 발생되지 않음을 할 수 있다. 이 에 따라 해안가 지역의 염분 유입 및 제설제 사용으로 인한 도로 포장의 파손이 적을 것으로 판단된다.
5.4. 건조수축 특성 평가
건조수축은 콘크리트가 응결 및 경화 후 함유된 수분을 잃 고, 콘크리트의 건조에 의해 콘크리트 부재의 길이 혹은 체적 이 감소하는 성질로써, 콘크리트 포장 덧씌우기 시공 시 건조 수축으로 인한 기존 포장과 시공단면사이의 마찰에 의하여 덧씌우기 포장 단면에 균열이 발생할 수 있으므로 건조수축 에 대한 검토가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 ASTM C 157 및 KS F 2424에 의거하여 실험을 진행하였으며, 그림 11과 같이 400mm×100mm×100mm 크기의 시편에 강력접
착제를 이용하여 15cm 간격으로 디맥 게이지를 설치한 후 공시체의 길이 변화를 측정하였다. 타설 후 온도 20℃의 습 윤 상태에서 양생하여 탈형 후 1회 및 재령 7일째 2회를 측 정하였으며, 온도 20℃ 및 습도 60%의 항온항습실에 보관하 여 지속적인 건조수축 길이변화를 측정하였다.
건조수축은 초기 균열 및 장기적인 내구성에 큰 영향을 미 치는 인자로써, 그림 12는 8주차까지 진행된 시험결과이다.
1주차는 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트와 보통 포틀 랜드 시멘트 콘크리트의 수축량은 각각 0.0024mm, 0mm으로 건조수축량의 차이가 미미하지만, 8주차에서는 초속경 아크 릴계 폴리머 개질 콘크리트가 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리 트에 비해 50% 이상 건조수축량이 감소하였다. 이를 통하여 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트가 보통 포틀랜드 시 그림 10. 염소이온 침투깊이 측정
(b) 침투깊이 측정(VRH-APMC)
(c) 침투깊이 측정(OPC) (a) 공시체 절단
표 12. 염소이온 침투 저항성 시험 결과
초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트 시편-1 시편-2 시편-3 시편-1 시편-2 시편-3 수정통과
전하량(C) 194.94 194.94 194.94 1,169.64 1,453.93 1,169.64 침투깊이
(mm) 0.5 0.4 0.4 9.2 9.4 9.2
그림 11. 건조수축에 따른 길이변화 측정 과정
(b) OPC 시편 제작(c) 길이변화 측정 (a) VRH-APMC 시편 제작
그림 12. 재령에 따른 건조수축량 비교
멘트 콘크리트에 비해 초기 균열 및 장기적인 내구성이 우수 할 것으로 판단된다.
5.5. 환경하중 저항성 평가에 따른 내구성 고찰
환경하중 저항성 시험결과, 염소이온 침투 저항성은 수정 통과 전하량이 195C로 매우 낮은 수치가 나왔으며, 침투깊 이 또한 0.4mm를 나타내어 해안지역의 염분 유입 및 제설제 사용으로 인한 도로포장 파손에 대해 높은 저항성을 가질 것 으로 판단된다. 표면 박리 저항성은 50 사이클 후 육안관찰 및 무게 변화 결과 OPC는 표면박리가 심하게 발생된 반면 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 무게 변화는 거의 없으며, 육안관찰 결과 매우 낮음으로 표면박리 저항이 우수 하게 나타났다. 건조수축은 8주차까지 진행된 결과 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트가 보통 포틀랜드 시멘트 콘 크리트의 50% 정도로 나타나 초기 균열에 따른 내구성 손실 이 적으로 것으로 판단된다. 동결융해 저항성의 경우 상대동 탄성 계수가 94%로 일반 콘크리트보다 우수한 내구성을 가 지고 있음을 확인하였다.
이는 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 특징 중 하 나로써, 아크릴계 폴리머의 혼합에 따른 core-cell 중합반응 을 통한 콘크리트 표면에 우수한 연속 도막을 형성하여 일반 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 비해 환경하중 저항성이 매우 우수한 것으로 판단된다. 또한 이를 통하여 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트는 기존 콘크리트 층을 보호하여 수명 을 증대 시키고 도로의 공용성을 장기적으로 유지할 것으로 판단된다.
6. 결론
본 연구는 초속경 아크릴계 폴리머개질 콘크리트의 접착식 콘크리트 덧씌우기 재료 활용을 위하여 사용 배합에 따른 초
기 작업성 평가 및 양생 방법에 따른 강도 특성을 알아보았 다. 또한 기존 콘크리트 포장면과의 부착 특성과 함께 동결융 해 저항성, 염소 이온 침투 저항성, 표면박리 저항성 및 건조 수축 특성 등 환경하중 저항성을 분석하였다. 이를 통하여 초 속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 접착식 콘크리트 덧 씌우기 재료 적용성을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 도 출하였다.
1. 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트의 사용 배합의 특 성을 검토한 결과 작업성과 신속한 조기 교통개방의 조건 을 만족시킬 수 있는 슬럼프, 공기량, 응결시간 및 압축강 도 특성을 확인하였으며, 초결 및 종결시간을 조절하여 충분한 작업시간을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
2. 대기 양생 조건에서 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리 트의 포설 3~4시간 경과 후 소요강도 이상을 발현하여 별도의 습윤 양생 없이 대규모 덧씌우기 포장에 적용이 가능할 것으로 사료된다. 또한 충분한 압축, 휨 및 부착강 도 확보를 통하여 조기 교통개방을 실시할 경우 내구성 측면에서 유리하며, 접착식 콘크리트 덧씌우기 시공 시 신/구 콘크리트가 완전 부착하여 일체거동할 것으로 판단 된다.
3. 동결융해 저항성, 염소이온 침투 저항성, 표면박리 저항성 및 건조수축에 따른 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리 트의 환경하중 저항성을 평가한 결과 일반 포틀랜드 시멘 트 콘크리트에 비해 매우 우수하며, 기존 하부 콘크리트 를 보호하여 포장 수명을 증대시키고 도로의 장기 내구성 을 유지할 것으로 판단된다.
본 연구를 통하여 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트는 대규모 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법에 적합한 재료로 사료 되며, 충분한 작업성 및 신속한 조기교통개방을 요구하는 유 지보수 및 보수보강 현장 적용이 가능할 것으로 판단된다.
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조윤호, 강장환, 김지원(2005) “화이티타핑:신속한 교통개방이 가 표 13. 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트 환경하중 저항 특성
구분 시험방법 규격
분류 초속경 아크릴계 폴리머 개질 콘크리트 OPC 동결융해
저항성
KS F 2456 B type
300사이클에서
상대동탄성계수비(%) 94.0 91.9 표면박리
저항성 ASTM C 672 50사이클 육안평가
0=좋음, 5=나쁨 0 4
염소이온 침투 저항성 (Coulomb)
ASTM C 1202
낮을수록 우수함 (양생=28일)
195
(매우 낮음) 1,170
침투깊이(mm) 0.4 9.3
건조수축 KS F 2424 ASTM C 157
길이변화 (mm)
-0.028 (8주경과)
-0.050 (8주경과)
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접 수 일 : 2010. 9. 28 심 사 일 : 2010. 10. 1 심사완료일 : 2011. 1. 10
