A Study on the Improvement of Adhesion in Tension and Flexure of Polymer Cement Mortar Depending on Various Test Methods

pISSN 1598-2033 eISSN 2233-5706 J. Korea Inst. Build. Constr. Vol. 19, No. 1 : 047-057 / Feb, 2019

https://doi.org/10.5345/JKIBC.2019.19.1.047 www.jkibc.org

시험방법에 따른 폴리머 시멘트 모르타르의 인장 및 휨접착강도 개선에 관한 연구

A Study on the Improvement of Adhesion in Tension and Flexure of Polymer Cement Mortar Depending on Various Test Methods

조 영 국

Jo, Young-Kug

Professor, Department of Architectural Engineering, Chungwoon University, Incheon, 22100, Korea

Abstract

The purpose of this study is to evaluate the improvement effect of adhesion in tension and flexure of polymer cement mortars that have widely used as a repair-reinforcement material in construction field according to adding of polymer dispersions depending on different three types test methods. From the test results, the adhesion performance is improved with a raise in polymer-cement ratio irrespective of the type of polymer. The maximums of A type adhesion in tension, B type adhesion in tension and adhesion in flexure show 1.90 times, 2.17 times and 1.83 times, respectively that of plain cement mortar. The relative strength ratios, B type adhesion in tension and adhesion in flexure of polymer cement mortars to tensile and flexural strengths of plain mortar respectively are in ranges of 50.1%

to 101.7% and 73.8% to 132.9% compared to 46.9% of plain mortar. It is apparent that polymer cement mortars with EVA and polymer cement ratios of 10% to 15% are recommended considering its adhesion performance and cost as a repair-reinforcement material in construction field.

Keywords : polymer cement mortar, adhesion in tension, tensile strength, adhesion in flexure, polymer-cement ratio

1. 서 론

보통 시멘트 콘크리트는 약 200여년간 지구상에서 건설 구조물인 철근콘크리트 구조체의 주재료로 사용되고 있으며 향후도 지속적으로 사용될 것으로 판단된다. 이렇게 보통 시멘트 콘크리트가 지속가능한 건설재료가 될 수 있는 것은 제조 및 시공이 손쉽고 경제적이며, 물리적으로는 압축강도 가 큰 특징을 가지고 있으나 경화가 느리고, 수축이 크며, 인장 및 휨강도가 작고, 수밀성이 결여되기 쉬워 내동해성 및 내약품성이 낮은 결점도 가지고 있다. 이러한 보통 시멘

Received : October 20, 2018

Revision received : December 7, 2018 Accepted : December 17, 2018

* Corresponding author : Jo, Young-Kug

[Tel: 82-32-770-8172, E-mail: [email protected]]

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트 콘크리트의 결점을 개선하기 위하여 지난 60여년간 콘크 리트-폴리머 복합체 연구의 범주에서 활발히 진행되고 있다 [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15].

고분자인 폴리머 입자를 수중에 분산시켜 만든 수성 폴리 머 디스퍼션을 시멘트 질량에 대하여 일정한 범위에서 혼합 하여 사용한다. 또한 일반 시멘트 모르타르 및 콘크리트와 동일한 방법으로 제작하고 시공하기 때문에 사용에 대한 편 리성이 확보되었으며 결과적으로 시멘트 결합재의 성질을 개선시켜 물리적 성질 및 내구성을 개선시키게 된다[7]. 특 히 수성 폴리머 디스퍼션을 사용하여 만든 폴리머 시멘트 콘크리트 및 모르타르는 일반 시멘트 콘크리트 및 모르타르 에 비해 휨강도, 인장강도, 접착강도 등 역학적 성질 및 동결 융해 저항성, 염화물이온 침투 저항성, 탄산화저항성, 내약 품성 등 내구성이 우수하다[6,7].

이러한 콘크리트-폴리머 복합체를 폴리머 시멘트 콘크리 트 또는 모르타르(Polymer-Modified Concrete or Mortar

또는 Polymer Cement Concrete or Mortar 약칭; PCC or PCM)라 부르고 있다. 그러나 폴리머 시멘트 콘크리트의 형태로 구조체의 재료로 사용하기에는 폴리머 함유에 따른 상당한 코스트의 상승으로 현장에서의 사용성이 제약받고 있 다. 따라서 현재 건설현장에서는 철근콘크리트 구조체의 보 수․보강재료 및 마감재료 등 비구조체 재료로 폴리머 시멘트 모르타르 형태로 널리 사용되고 있다.

폴리머 디스퍼션을 시멘트에 혼입하여 폴리머 시멘트 모르 타르에 대한 1964년 발표된 연구(Cement mortars modified by SB latexs with variable bound styrene[1])는 폴리머를 시멘트계 재료에 혼합하여 성질을 개선시키는 중요한 모티브 가 되었으며, 그 후 일본, 유럽, 미국 및 아시아를 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있다.

폴리머 시멘트 모르타르에 대한 연구중에서 많은 종류의 폴리머가 소개되었으며, 각종 역학적 성질에 영향을 미치는 폴리머 혼입량을 적정하게 제안하고 있으며, 혼입된 폴리머 의 특성을 잘 이용할 수 있는 최적의 양생방법이 제안되었다 [6,7]. 또한 각종 내구성시험을 통하여 기존 시멘트 모르타르 의 성질을 현저하게 개선시키는 폴리머 시멘트 모르타르의 제조방법을 제시하여 건설현장에서 적용될 수 있도록 성능과 코스트를 고려한 최적의 배합조건을 제시하기도 하였다.

또한 본 저자도 30 여년간 각종 양생조건 및 복합환경에서 의 폴리머 시멘트 콘크리트 및 모르타르의 역학적성질 및 내구성능에 관한 연구를 수행하였으며, 특히 철근콘크리트 구조체의 보수․보강시 피착체와 폴리머 시멘트 복합체와의 접착성능의 중요성을 인식하고 신‧구 구조체의 경계면에서 의 접착성을 개선시키고자 노력하였다[8,9,10,11,12,13, 14,15].

이러한 연구 일환으로 신‧구 구조체의 경계면의 접착성을 개선시키기 위하여 경계면에서의 시멘트 수화를 활성화시키 는 방법, 각종 혼화재료를 사용하여 경계면에서의 물리적 접 착성을 높이는 방법, 폴리머 시멘트 페이스트 또는 슬러리 도포방법, 폴리머 시멘트 모르타르의 타설방법 등의 경계면 접착성능 개선방법이 제시되었다[8,9,10,11,12,13,14,15].

본 연구에서는 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 폴리머 디스펴션 3종류로 폴리머 시멘트 모르타르를 만들어 양생이 완성된 피착체인 보통 시멘트 모르타르에 타설하여 휨시험 과 인장시험(2종류)을 통하여 접착경계면에서의 접착성을 파악하였다. 결과로부터 폴리머 종류 및 폴리머 시멘트비에 따른 접착성 개선의 정도를 평가하였으며, RC 구조물의 보

수‧보강재료로서 폴리머 시멘트 모르타르의 사용에 관한 기 초적 자료를 제공하고자 하였다.

2. 실험계획

폴리머 시멘트 모르타르의 보수․보강재료로 사용하기 위 해서는 피착제인 보통 시멘트 모르타르와 접착체인 폴리머 시멘트 모르타르의 접착강도가 우수하여야 하는데 신․구 모 르타르의 경계면에서의 휨 및 인장시험을 통하여 접착성능 을 파악하고 이를 보통 시멘트 모르타르 휨강도 및 인장강도 와 비교함으로써 보수재료 또는 보강재료로서의 가능성을 평가하고자 하였다. Table 1과 같은 실험수준으로 시험편을 제작하였으며, 각 폴리머 시멘트 모르타르 종류별로 3개의 시험편의 강도를 측정하여 평가하였다. KS F 2476(실험실 에서 폴리머 시멘트 모르타르의 제작방법)에 준하여, 시멘트 와 잔골재(주문진산 모래)를 질량배합비로 1:3, 폴리머 시멘 트비(P/C)를 0, 5, 10, 15 및 20%로 변화시켰으며, 일정한 시공성을 위하여 플로우치 170±5㎜가 되도록 물시멘트비 (Water-cement ratio, W/C)를 조정하여 접착체인 폴리머 시멘트 모르타르의 배합을 결정하였다.

Factor Level Variable

Cement type Ordinary portland

cement(OPC) 1

Polymer type SBR, EVA, SAE 3

Polymer-cement

ratio,P/C(%) 0, 5, 10, 15, 20 4

Curing age(day) 28 1

Test method 5 5

Table 1. Various factors for experiment

2.1 사용재료

2.1.1 시멘트 및 표준사

시멘트는 국내산 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 잔 골재로서는 주문진산 모래(밀도 2,61g/㎤, 입도 300~600

㎛)를 사용하였다.

2.1.2 시멘트 혼화용 폴리머

본 실험에 사용된 시멘트 혼화용 폴리머 디스퍼션은 현장 에서 보수·보강 및 방수재료로 널리 사용되고 있는 수성

폴리머 디스퍼션으로 스티렌 모노머와 부타디엔을 중합하여 제조하는 대표적인 합성고무로 천연고무보다 내마모성과 내 노화성 및 내열성이 우수한 SBR (Styrene-butadiene rubber), 에틸렌과 초산 비닐 모노머를 공중합시켜 얻어지 는 중합체로 접착제의 원료로 많이 사용되는 EVA (Ethylene-vinyl acetate) 및 스티렌과 아크릴산 에스테르 의 공중합체로 내후성이 우수한 SAE (Styrene-vinyl acrylic ester)를 사용하였으며 그 성질은 Table 2와 같다.

또한 연행되는 기포를 제어하기 위하여 실리콘계 에멀젼(고 형분 30%)을 폴리머 고형분의 질량에 대하여 1.0%를 첨가 하였다.

Type of polymer

Density (g/㎤,20℃)

pH (20℃)

Viscosity (mPa․s,20℃)

Solid content (%)

SBR 1.02 9.2 60 48.5

EVA 1.05 4.7 1,588 56.0

SAE 1.06 7.5 100 47.0

Table 2. Properties of polymer dispersions

Type of Mortar

Cement : Fine aggregate

(by Weight) P/C (%)

W/C (%)

Air

content (%) Flow (㎜) Antifoamer

with None Plain

1 : 3

0 70.0 7.3 167

SBR- Modified

5 42.5 12.8 17.0 171

10 40.0 14.4 20.0 169

15 37.5 13.5 21.0 175

20 33.3 13.0 20.0 175

EVA- Modified

5 45.0 14.0 16.0 171

10 42.5 15.8 18.0 173

15 42.0 16.0 18.0 175

20 41.5 13.2 20.0 168

SAE- Modified

5 45.0 12.0 18.5 168

10 37.5 13.6 15.0 169

15 32.5 10.4 15.1 170

20 30.0 9.6 12.0 172

Table 3. Mix proportions of PCM

2.2 실험방법

2.2.1 폴리머 시멘트 모르타르 접착강도용 시험편 제작

Specimen for adhesion in tension and flexure test

Figure 1. Specimen for adhesion in tension and flexure

1) 인장접착강도용 시험편

Figure 1과 같이 A 타입의 인장접착강도용 시험편과 B 타입의 인장강도 시험편(B-타입 인장(접착)강도라 표현, 순 수 인장강도와 구분하기 위함)으로 구분하였다. A 타입 인장 접착강도용은 먼저 120×160×40mm인 보통 시멘트 모르 타르 피착체를 제작, 28일간 수중양생(20℃)을 실시한 후, 그 위에 접착체인 폴리머 시멘트 모르타르를 Table 3과 같은 배합으로 10mm 두께로 타설하였으며 비교를 위하여 보통 시멘트 모르타르도 함께 타설 하였다. 또한 B 타입의 인장 (접착)강도용 시험편은 보통 시멘트 모르타르로 인장강도용 몰드를 만들고 28일간 수중양생(20℃)을 실시한 후, 시험편 의 반절을 절단하여 다시 인장강도 시험용 몰드에 넣고 나머 지 반절을 폴리머 시멘트 모르타르로 타설하였다. 그 후 두 방법 모두 폴리머 시멘트 모르타르의 표준양생인 2일 습윤양 생(20℃, 80%R.H), 5일 수중양생(20℃) 및 21일 기중양생

(20℃, 50%R.H)을 실시하여 시험편으로 하였다.

2) 휨(접착)강도용 시험편

전술한 B 타입의 인장(접착)강도 시험편과 같이 휨강도 시험용 공시체인 40×40×160mm의 빔 몰드에 보통 시멘 트 모르타르를 제작, 동일한 양생을 거친 후, 시험편의 반절 을 절단하여 다시 몰드에 넣어 나머지 반절을 폴리머 시멘트 모르타르로 타설하여 만들었다. 폴리머 시멘트 모르타르의 양생은 전술한 인장접착강용 시험편과 동일하게 실시하였 다. 본 실험에서는 폴리머 시멘트 모르타르의 강도발현에 가장 우수한 표준양생을 선택한 것은 보통 시멘트 모르타르 와의 접착경계면에서 폴리머 필림의 접착 우수성을 파악하 기 위함이다.

2.2.2 폴리머 시멘트 모르타르의 접착강도 시험

3. 실험결과 및 고찰

3.1 폴리머 시멘트 모르타르의 물시멘트비 및 공기량

Figure 2는 폴리머 시멘트비에 따른 폴리머 시멘트 모르 타르의 물시멘트비와 상관계수를 나타내고 있다. 본 연구에 서도 기존의 모든 연구와 마찬가지로 커다란 물시멘트비의 저감이 있었는데 보통 시멘트 모르타르의 물시멘트비 70%

에 비하면 SAE 20%의 폴리머 시멘트모르타르의 경우 물시 멘트비가 30%로 보통 시멘트 모르타르에 비해 2.3배나 적게 나타났다. 또한 보통 시멘트 모르타르를 제외한 폴리머 시멘

Figure 2. Water-cement ratio of PCM for target flow of 170±5mm

Figure 3. Air-content of PCM with and without antifoamer

트 모르타르의 경우, 폴리머 종류에 상관없이 폴리머 시멘트 비의 증가에 따라 물시멘트비가 크게 감소하였는데 그 상관 계수가 98% 이상으로 물시멘트비는 폴리머 시멘트비와 일 정한 상관성을 나타내고 있다. 이러한 낮은 물시멘트에 의해 폴리머 시멘트 모르타르는 블리딩 및 건조수축 등 물리적 현상에 대해 저항성이 큰 것으로 알려져 있다[6,7].

폴리머 시멘트 모르타르에 혼입된 폴리머 디스퍼션은 전 술한 폴리머 입자에 의한 볼-베어링효과로 물시멘트비를 크게 저감시킬 수 있는 장점이 있지만 폴리머 디스퍼션에 혼입된 계면활성화제에 의한 기포가 다량으로 발생하게 되 기 때문에 적절한 소포제를 사용한다.

Figure 3은 폴리머 시멘트 모르타르의 폴리머 시멘트비 에 따른 공기량을 측정한 결과이다. 보통 시멘트 모르타르는 소포제를 사용하지 않아도 7.3%의 낮은 공기량을 나타낸 반면, 소포제를 사용하지 않은 폴리머 시멘트 모르타르의 경우에는 12.0%~21.0%로 아주 높은 공기량을 보였으며, 폴리머 종류에 따라서는 SBR, EVA, SAE 순으로 크게 나타 났다. 또한 소포제를 사용한 폴리머 모르타르의 경우

9.6%~16.0% 범위로 나타났으며, 전술한 물시멘트비와는 달리 EVA, SBR, SAE 순으로 폴리머 종류에 따라 비교적 큰 차이를 보이고 있다. 일반적으로 시멘트 혼화용 폴리머 디스퍼션에 혼입하는 소포제는 범용의 소포제로 실리콘계를 사용하는데, 폴리머의 성분에 따라 그 소포효과에 차이가 있을 수 있다. 본 연구에서는 소포효과는 SBR의 경우가 4.2%~7.0% 범위에서 다른 폴리머의 경우에 비해 공기량이 크게 나타났다.

전술한 시공성면에서의 물시멘트비 저감과 이에 반한 공 기량의 증가는 폴리머 시멘트 모르타르의 강도에 영향을 미 치는데, 일반적으로 압축강도는 물시멘트비의 저감에 따른 강도증가 효과와 공기량 증가에 따른 강도 감소효과가 상쇄 되어 보통 시멘트 모르타르 보다는 약간 큰 압축강도를 얻는 다[6]. 그러나 이 두 가지 요인이 본 연구와 같은 인장 및 휨에 의한 접착성에는 증진효과가 있는 것으로 나타났다.

3.2 폴리머 시멘트 모르타르의 A-타입 인장접착강도

Figure 5는 폴리머 종류에 따른 폴리머 시멘트 모르타르 의 A 타입 인장접착강도를 나타내고 있다. 폴리머 시멘트 모르타르의 인장접착강도는 폴리머 종류에 따라서는 크게 차이는 없었으나 EVA, SAE, SBR의 순으로 크게 나타났다.

일반적으로 폴리머 디스퍼션에 혼입된 폴리머의 성분에 따 라 접착성능에 영향을 미칠 수 있는데 다른 수지에 비해 EVA의 에틸렌 수지는 접착성이 우수해 일반 접착용 수지로 도 널리 사용되고 있다[6]. 한편 폴리머 시멘트 모르타르의 A 타입 인장접착강도에 대한 보통 시멘트 모르타르의 인장 접착강도의 비율을 상대 인장접착강도비로써 Figure 6에

나타내고 있다. 상대 인장접착강도비는 폴리머 시멘트비 5%

에서 115.3%∼123.4%, 폴리머 시멘트비 10%에서 150.8

%∼152.4%, 폴리머 시멘트비 15%에서 166.1%∼170.2%, 폴리머 시멘트비 20%에서 179.8%∼189.5%를 나타내 폴리 머 시멘트비가 5%에서 10%로 증가 시 상대 인장접착 강도비 가 크게 커져 폴리머 시멘트 모르타르의 인장접착 강도 개선

Figure 4. A-type adhesion in tension of PCM according to polymer-cement ratio

Figure 5. A-type adhesion in tension of PCM according to type of polymer

Figure 6. A-type relative adhesion in tension ratio of PCM

to plain mortar

효과는 폴리머 시멘트비 10% 이상에서 효과적임을 알 수 있었다. 물론 폴리머 디스퍼션의 혼입에 따른 코스트 증가에 따른 평가도 함께 이루어 져야 할 것이다.

3.3 폴리머 시멘트 모르타르의 인장강도 및 B 타입 인장(접 착)강도

3.3.1 폴리머 시멘트 모르타르의 인장강도

Figure 7은 폴리머 시멘트비에 따른 폴리머 시멘트 모르 타르의 순수 인장강도를 나타내고 있다. 보통 시멘트 모르타 르의 인장강도는 3.03MPa를 보였으며, 폴리머 시멘트 모르 타르의 경우 EVA, P/C 5%와 10%를 제외하면 모든 배합에 서 보통 시멘트 모르타르에 비해 큰 인장강도를 나타냈다.

폴리머 시멘트 모르타르의 최대 인장강도는 SBR을 사용한 P/C 20%에서 5.32MPa로 보통 시멘트 모르타르의 1.76배 나 큰 값을 나타냈다.

모든 폴리머 시멘트 모르타르의 인장강도는 폴리머 종류 에 상관없이 폴리머 시멘트비의 증가에 따라 증가하는 경향 을 보였으며, 폴리머 종류에 따라서는 SBR, SAE, EVA 순 으로 큰 인장강도를 나타냈다. 이러한 경향은 전술한 인장접 착강도의 폴리머 종류에 따른 강도발현과 다른 성상을 보이 는데, 폴리머 종류에 따라서는 EVA의 경우, 접착성이 큰 폴리머이나 폴리머 시멘트 모르타르 속에서의 폴리머 필림 에 의한 인성개선에는 SBR에 비해 낮은 경향을 보였다. 이 는 폴리머 시멘트 모르타르 조직속에 형성되는 폴리머 필림 이 3차원의 망상구조를 형성하는데 폴리머 종류에 따라 얼마 나 연속적이며 균일한 분포로 형성되는지의 차이로 볼 수 있다[6].

Figure 7. Tensile strength of PCM according to polymer-cement ratio

Figure 8. B-type adhesion in tension of PCM according to polymer-cement ratio

Figure 9. B-type adhesion in tension of PCM according to type of polymer

3.3.2 폴리머 시멘트 모르타르의 B 타입 인장(접착) 강도

Figure 8은 폴리머 시멘트 모르타르의 B 타입 인장(접착) 강도를 나타내고 있다. 보통 시멘트 모르타르의 인장(접착) 강도는 1.42MPa이며, 폴리머 시멘트 모르타르의 인장(접 착)강도는 1.53MPa~3.08MPa 범위로 나타났다. 모든 폴 리머 시멘트 모르타르의 인장(접착)강도가 보통 시멘트 모르 타르 보다 높았는데, 폴리머 시멘트 모르타르의 최대 인장 (접착)강도는 EVA, P/C 20%에서 보통 시멘트 모르타르 보다 2.17배 높은 강도이다. 폴리머 시멘트비의 증가에 따라 서는 폴리머 시멘트비 5%에서의 인장(접착)강도는 보통 시 멘트 모르타르에 비해 119%, 폴리머 시멘트비 10%는 5%에 비해 114%, 15%는 10%에 비해 133%, 20%는 15%에 비해 133%를 나타내고 있어 폴리머 시멘트비 5%씩 증가에 따른 인장(접착)강도의 개선효과는 거의 비슷한 결과를 나타냈다.

Figure 9는 폴리머 종류에 따른 폴리머 시멘트 모르타르

의 B 타입 인장(접착)강도를 나타내고 있다. 폴리머 종류에 따른 폴리머 시멘트 모르타르의 인장(접착)강도는 폴리머 시 멘트비에 상관없이 EVA, SAE, SBR 순으로 큰 강도를 나타 냈다. 이는 전술한 A 타입 인장접착강도와 같은 경향으로 접착성능은 폴리머의 종류에 큰 영향을 받을 수 있음을 시사 하고 있다. 일반적으로 현장에서 사용되고 있는 폴리머 디스 퍼션에서 SBR 계의 폴리머는 시멘트 모르타르 및 콘크리트 매트릭스 속에서 강도성상을 개선시키기 위한 것으로 특히 인장강도 및 휨강도를 크게 개선시킨다. 따라서 철근콘크리 트 도로 포장에 사용되는 폴리머의 계통이기도 하다. 또한 EVA계는 건설현장에서 마감재료로서 특히 부착력을 강화 하기 위한 것으로 타일부착이나 수직부재의 마감 모르타르 로 사용된다. 그리고 SAE는 아크릴계로 특히 내후성에 강하 기 때문에 외부 마감 모르타르에 사용하는 경우가 많다. 그 러나 이 모든 폴리머 디스퍼션은 폴리머를 혼입하지 않은 보통 시멘트 모르타르 보다 전술한 역학적 성질 이외의 내약 품성, 동결융해저항성, 내마모성의 내구성능도 향상[6,7]시 키기 때문에 폴리머 종류의 선택은 기본적인 성능개선에 더 해 특별한 성능 보강효과를 좌우할 수 있다고 판단된다.

Figure 10은 폴리머 시멘트 모르타르의 B 타입 인장(접 착)강도에 대한 보통 시멘트 모르타르의 인장(접착)강도비 를 나타내고 있다. 폴리머 시멘트 모르타르의 인장(접착)강 도에 대한 보통 시멘트 모르타르의 인장(접착)강도비는 최저 (SBR P/C 5%) 107%에서 최대(EVA, P/C 20%) 217% 범 위를 나타냈다. 전술한 바와 같이 모든 폴리머 시멘트 모르 타르에서 인장(접착)강도가 개선되었는데, SBR과 SAE의 경우, P/C 15%에서 20%로 P/C 증가에 따라 각각 51% 및 56%의 보통 시멘트 모르타르에 대한 높은 인장(접착)강도 개선을 보였으며, 상대적으로 EVA는 강도 증가 비율이 폴리 머 시멘트비 증가에 따라 균일하게 나타났다.

한편, Figure 11은 폴리머 시멘트 모르타르와 보통 시멘 트 모르타르의 B 타입 인장(접착)강도에 대한 순수 보통 시 멘트 모르타르의 인장강도의 상대강도비를 나타낸 것이다.

즉, 손상이 없는 보통 시멘트 모르타르의 순수 인장강도와 비교하여 반쪽을 폴리머 시멘트 모르타르로 보수·보강하여 측정한 인장(접착)강도가 얼마나 발현되는지 파악하고자 한 것으로 본 상대강도비가 높다는 것은 보수․보강에 의한 인장 강도 회복율이 크다고 평가할 수 있다. 보통 시멘트 모르타 르의 상대강도비는 46.9%를 나타냈으며, 폴리머 시멘트 모 르타르의 경우 50.1%~101.7%의 범위로 폴리머 종류에 상

Figure 10. B-type relative adhesion in tension ratio of PCM to plain mortar

Figure 11. B-type relative adhesion in tension ratio to tensile strength of PCM

관없이 폴리머 시멘트비의 증가에 따라 상대강도비가 높게 나타났다. 특히 EVA를 사용한 P/C 20%의 경우, 상대강도 비가 101.7%를 나타내 보수․보강에 따른 인장(접착)강도가 순수 보통시멘트 모르타르의 인장강도보다 크다는 것을 설 명하고 있다. 따라서 RC 구조물의 보수․보강시 보통 시멘트 모르타르 보다는 폴리머 시멘트 모르타르를 사용하는 것이 유효하다는 결과이며, 폴리머 디스퍼션의 종류에 따라 정도 의 차이는 있으나 특히 EVA를 사용하는 것이 접착성능을 개선시켜 피착체의 강도저하에 대한 회복의 정도를 높일 수 있다고 볼 수 있다.

3.4 폴리머 시멘트 모르타르의 휨강도 및 휨(접착)강도

Figure 12. Flexural strength of PCM according to polymer-cement ratio

폴리머 시멘트비 15%에서 최대치를 보였다. 또한 보통 시멘 트 모르타르의 휨강도는 4.24MPa 이었으며, 폴리머 시멘트 모르타르의 휨강도는 4.91MPa~13.92MPa 범위로 폴리머 시멘트 모르타르의 최대 휨강도는 SAE 15%에서 13.92 MPa로 보통 시멘트 모르타르의 3.28배의 매우 큰 강도를 나타냈다. 이러한 휨강도 개선은 전술한 폴리머 시멘트 모르 타르속에 형성된 폴리머 필림의 인성증가에 의한 강도 개선 효과로 볼 수 있다. 여기에서도 폴리머 종류에 따라서는 인 장강도와 마찬가지로 EVA의 경우가 가장 낮은 휨강도를 나 타냈다. 폴리머 시멘트 복합체가 보통 시멘트 모르타르 및 콘크리트에 비해 휨강도가 2~3배 클 수 있다는 것은 보통 시멘트 모르타르 및 콘크리트의 낮은 인성을 개선시켜 외력 에 대한 저항능력을 높일 수 있는 큰 장점을 지닌 것으로 평가할 수 있다.

Figure 13은 폴리머 시멘트비에 따른 폴리머 시멘트 모르 타르의 휨(접착)강도를 나타내고 있다. 보통 시멘트 모르타르 의 휨(접착)강도는 3.05MPa이며, 폴리머 시멘트 모르타르 의 휨(접착)강도는 3.10MPa~5.58MPa 범위를 나타내 최대 휨(접착)강도는 EVA P/C 20%에서 보통 시멘트 모르타르에 비해 1.83배 큰 강도를 나타냈다. 또한 거의 모든 폴리머 시멘트 모르타르에서 폴리머 시멘트비의 증가에 따라 일정한 범위에서 휨(접착)강도가 개선됨을 알 수 있었는데, 폴리머 시멘트비 10% 이상에서 보다 더 보통 시멘트 모르타르에 비 해 휨(접착)강도가 크게 개선됨을 알 수 있었다.

Figure 14에서 알 수 있는 바와 같이, 전술한 인장접착강 도와 마찬가지로 휨(접착)강도에서도 폴리머 종류에 따라 EVA, SAE, SBR 순으로 큰 강도를 나타냈다.

Figure 13. Adhesion in flexure of PCM according to polymer-cement ratio

Figure 14. Adhesion in flexure of PCM according to type of polymer

Figure 15. Relative adhesion in flexure ratio of PCM to plain mortar

Figure 15는 폴리머 시멘트 모르타르의 휨(접착)강도에 대한 보통 시멘트 모르타르의 휨(접착)강도비를 나타내고 있 다. 폴리머 시멘트 모르타르의 휨(접착)강도에 대한 보통 시 멘트 모르타르의 휨(접착)강도비는 모든 폴리머 시멘트 모르 타르에서 100% 이상을 나타냈으며, 최저 (SBR P/C 5%)

Figure 16. Relative adhesion in flexure ratio to flexural strength of PCM

102%에서 최대 (EVA, P/C 20%) 183% 범위를 보였다.

이러한 경향은 전술한 인장(접착)강도와 비슷한 경향을 보이 고 있으며, 모든 폴리머 시멘트 모르타르에서 휨(접착)강도 가 개선되었는데, SBR과 SAE의 경우, P/C 5%에서 P/C 10%로 증가에 따라 각각 39% 및 45%의 높은 휨(접착)강도 개선을 보였으며, EVA의 경우에는 P/C 10%에서 P/C 15%

로 증가함에 따라 강도비가 크게 나타났다.

Figure 16은 폴리머 시멘트 모르타르와 보통 시멘트 모르타 르의 휨(접착)강도에 대한 순수 보통 시멘트 모르타르의 휨강 도비를 상대강도비로 나타낸 것이다. 전술한 인장(접착)강도 와의 상대강도비와 마찬가지로 손상이 없는 보통 시멘트 모르 타르의 순수 휨강도와 비교하여 반쪽을 폴리머 시멘트 모르타 르로 보수·보강하여 측정한 휨(접착)강도가 얼마나 발현되는 지 파악하고자 한 것으로 본 상대강도비가 높다는 것은 보수·

보강에 의한 휨강도 회복율이 크다고 평가할 수 있다.

보통 시멘트 모르타르의 상대강도비는 72.6%로 전술한 인장(접착)강도에 대한 상대강도비 46.9% 보다 크게 나타 나, 인장응력 부위에 비해 휨응력 부위의 보수·보강 효과가 큰 것으로 나타났다. 한편, 폴리머 시멘트 모르타르의 상대 강도비는 폴리머 종류에 따라 큰 차이를 보였으며, 최저 (SBR, P/C 5%) 73.8%에서 최대(EVA, P/C 20%) 132.9%

범위로 보통 시멘트 모르타르의 상대강도비에 비해 최대 1.83배 크게 나타났다. 이처럼 폴리머 시멘트 모르타르가 보통 시멘트 모르타르로 보수·보강하는 것에 비해 훨씬 휨 강도 회복율이 높게 나타난 것은 전술한 모든 실험 결과와 마찬가지로 폴리머 시멘트 모르타르속에 형성된 폴리머 필 림의 접착경계면에서의 커다란 접착력 개선에 따른 것으로 평가할 수 있다.

Figure 17. Distribution of adhesion in tension and flexure of PCM

본 연구는 5가지 강도시험을 통하여 폴리머 시멘트 모르 타르를 사용한 RC 구조체의 보수·보강시 나타나는 외부응 력에 대한 보수 후 강도회복 정도를 보통 시멘트 모르타르와 비교 평가한 것이다. Figure 17에서 나타난 바와 같이, 피착 체에 대한 폴리머 시멘트 모르타르의 경계면에서의 접착력 의 크기는 대체로 휨(접착)강도가 가장 큰 강도 범위를 나타 냈으며, B 타입의 인장(접착)강도, A 타입의 인장접착강도 순으로 강도가 분포되었다. 이는 일반적인 시멘트 모르타르 의 휨강도, 인장강도, 인장접착강도 순으로 강도가 발현되는 것과 같은 경향을 나타냈다.

3.5 폴리머 시멘트 모르타르 속의 폴리머 필림 관찰

SBR-modified

EVA-modified

SAE-modified

Figure 18. Micro-structures of PCM(x, 300 or 1,000)

모두 폴리머 시멘트 모르타르 속에 균일하게 형성된 3차원의 망상구조인 폴리머 필림을 쉽게 관찰할 수 있었다. 이렇게 폴리머 시멘트 모르타르 속에서 형성된 폴리머 필림이 전술 한 인장접착강도, 인장(접착)강도, 인장강도, 휨강도, 휨(접 착)강도 등의 역학적 성질을 크게 개선할 수 있으며, 중성화 저항성, 내약품성, 동결융해저항성 등 내구성능 개선에도 크게 영향을 미칠 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 RC 구조물의 보수‧보강재료로서 폴리머 시 멘트 모르타르의 사용에 관한 기초적 접착성 개선 자료를 얻기 위하여 시험방법에 따른 폴리머 시멘트 모르타르의 인 장 및 휨접착강도 개선에 관한 연구를 실시하였으며, 본 연 구에서 얻어진 결과를 정리하면 다음과 같다.

1) 폴리머 시멘트 모르타르의 동일 플로우를 위한 물시멘 트비는 보통 시멘트 모르타르 보다 훨씬 낮았으며, 이 경향은 폴리머 시멘트비의 증가에 따라 더욱 컸다.

2) 폴리머 시멘트 모르타르는 폴리머 디스퍼션의 혼입에 따라 보통 시멘트 모르타르 보다 2배∼3.0배 많은 공 기를 연행하기 때문에 소포제를 반드시 사용하여 그 정도를 낮춰야 한다.

3) 폴리머 시멘트 모르타르의 A 타입 인장접착강도는 폴 리머 시멘트비의 증가에 따라 큰 강도를 나타냈으며, 보통 시멘트 모르타르의 인장접착강도 비해 최대 1.90 배 높게 나타났다. 또한 폴리머 종류에 따라서는 EVA, SAE, SBR의 순으로 크게 나타났다.

4) 폴리머 시멘트 모르타르의 B 타입 인장(접착)강도는 보통 시멘트 모르타르의 인장(접착)강도 1.42MPa 비 해 EVA, P/C 20%에서 2.17배나 높은 강도를 나타냈 으며, 폴리머 종류에 따라서는 EVA, SAE, SBR 순으 로 큰 강도를 나타냈다. 또한 보통 시멘트 모르타르의 상대강도비 46.9%에 비해 폴리머 시멘트 모르타르의 경우 50.1%~101.7%의 범위로 폴리머 시멘트 모르타 르로 보수·보강시 인장응력에 따른 강도회복율이 크 게 나타났다.

5) 폴리머 시멘트 모르타르의 휨(접착)강도는 폴리머 시멘 트비의 증가에 따라 크게 증가하였으며, 보통 시멘트 모르 타르의 휨(접착)강도는 3.05MPa에 비해 3.10MPa~5.58 MPa 범위를 나타내 최대 휨(접착)강도는 EVA P/C 20%에서 1.83배 컸다.

6) 폴리머 시멘트 모르타르의 휨(접착)강도 대비 휨강도 비의 상대강도비는 보통 시멘트 모르타르의 72.6%에 비해 73.8%~132.9% 범위로 보통 시멘트 모르타르의 상대강도비에 비해 최대 1.83배 크게 나타났다.

7) 이상의 실험결과, 폴리머 시멘트 모르타르로 보수·보 강하면 보통 시멘트 모르타르 보다 피착체와의 접착경

계면에서의 접착강도를 크게 개선시킬 수 있었으며, 접착성능과 경제성을 고려한다면, EVA를 사용한 폴리 머 시멘트비 10%∼15% 범위에서의 사용성이 우수한 것으로 판단할 수 있다.

요 약

폴리머 종류에 상관없이 폴리머 시멘트비의 증가에 따라 접착성능은 크게 개선되었으며, A타입 인장접착강도는 1.90배, B 타입 인장(접착)강도는 2.17배, 휨(접착)강도는 1.83배 보통 시멘트 모르타르 보다 높게 나타났으며, 보통 시멘트 모르타르의 B 타입 인장(접착)강도에 대한 인장강도 비와 휨(접착)강도에 대한 휨강도비인 상대강도비가 각각 46.9%, 72.6%를 나타냈으며, 폴리머 시멘트 모르타르의 경우에는 각각 50.1%~101.7%, 73.8%~132.9% 범위를 나타내, 폴리머 시멘트 모르타르가 높은 강도회복율을 보였 다. 폴리머 종류에 따라서는 EVA를 사용하고, 폴리머 시멘 트비로서는 접착성능과 경제성을 고려하면, P/C 10%∼

15% 범위를 제안할 수 있다.

키워드 : 폴리머 시멘트 모르타르, 인장접착강도, 인장강도, 휨(접착)강도, 폴리머 시멘트비

Acknowledgement

This research was supported by the Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (2015R1D1A1A01056813) and by a research grant from Chungwoon University in 2018.

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