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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.21 No.3 pp.1-8
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2017.21.3.001

Durability Performance Evaluation of PolyUrea for Seismic Retrofitting of RC Structures

Chul-Min Cho1, Jang Jay Ho Kim2*, Doo-Sung Lee3, Tae-Kyun Kim4

• 본 논문에 대한 토의를 2017년 6월 1일까지 학회로 보내주시면 2017년 7월호
에 토론결과를 게재하겠습니다.

Corresponding author:jjhkim@yonsei.ac.kr School of Civil and Environmental Engineering, Yonsei University, Seoul, 03722, South Korea
November 24, 2016 December 26, 2016 January 13, 2017

Abstract

An experimental study is needed a reinforcing method for seismic load to apply for RC structures because a lot of earthquakes have frequently happened in the world and those also collapsed infrastructures or damaged human lives. The reinforcing effect of PolyUrea (PU) appeared to be excellent under blast and impact about RC structures. In this study, Stiff Type PolyUrea (STPU) had developed by manipulating the ratio of the components of prepolymer and hardener of PU. And the durability performance evaluation of STPU for deterioration and chemical resistance has been performed. Acid environmental exposure test and ultraviolet (UV) exposure test have been performed as the durability performance evaluation for STPU. Concrete carbonation exposure test and freezing and thawing test for concrete coated with STPU have been performed. The experimental result showed that STPU has high resisting capacity and durability in all tests. Therefore, STPU would be used as seismic reinforcement materials.


구조물 내진 보강용 폴리우레아의 내구 성능 평가

조 철민1, 김 장호2*, 이 두성3, 김 태균4
1학생회원, 연세대학교 토목환경공학과 석사과정
2정회원, 연세대학교 토목환경공학과 정교수, 교신저자
3정회원, (주) 홍지 공학박사
4정회원, 연세대학교 토목환경공학과 박사 후 연구원

초록

전 세계적으로 지진발생이 빈번하고 많은 인명피해와 사회기반시설물의 피해가 발생하고 있다. 지진에 대한 보수, 보강기법에 대 한 연구가 많이 있었지만 대부분은 강성보강형태로 반복적인 하중이 구조물에 작용하면 2차적 피해가 발생할 수 있다. 따라서 강성보강이 아 닌 연성보강형태의 보수, 보강기법이 필요하다. 본 연구에서는 철근 콘크리트 기둥 부재에 적용할 수 있는 보강 공법으로써 폴리머계의 고인성 과 고연성 효과를 나타내는 경질형 폴리우레아를 내진보강용 재료로 선택하였고 재료의 열화 및 내화학적 특성에 대한 내구 성능을 평가하였 다. 내구 성능 평가는 폴리우레아의 산 환경 및 자외선 노출 시험을 실시하였고, 폴리우레아를 도포한 콘크리트의 탄산화 노출 및 동결융해 시 험을 실시하였다. 내진보강용 폴리우레아는 모든 시험을 통하여 내구성능과 저항능력이 우수한 것으로 판단되며 추후 내진 보강 재료로써 유 용하게 사용될 것으로 사료된다.


    1.서 론

    최근 리히터 규모 7.0의 아이티 강진, 규모 7.3의 터키 강진, 규모 7.3 ~ 7.6의 대만 강진, 규모 8.8의 칠레 강진과 같이 전 세 계적으로 큰 지진이 발생하여 수많은 인명피해와 건축물 및 사회기반시설물에도 심각한 피해가 발생하고 있으며, 막대한 경제적 손실과 재산피해가 발생하였다. 우리나라도 지진(규 모 2.0)발생 횟수가 2013년 한 해만 하더라도 93회로 지난 35 년 중 최다로 발생하였으며 1999년도부터 2012년도까지의 지진발생 연 평균 횟수인 44.5회보다도 두 배 더 많이 발생한 것으로 나타났다(Nam, 2014).

    1992년부터 교량의 내진설계기준을 정비하고 있거나 내진 설계를 실시하고 있지만 기존 사회기반시설물의 내진성능향 상에 대한 연구는 미미한 실정이다. 기존 구조물의 내진보강 공법은 대표적으로 부재단면 증가에 의한 보강공법, 보강재 삽입에 의한 보강공법, 부재증설에 의한 보강공법, 병용공법 에 의한 보강공법으로 나눌 수 있다. 특히 부재단면 증가에 의 한 보강공법으로는 원형단면 교각에 대해 강판 보강법과 교 각의 내하력, 연성도, 전단강도를 향상시키기 위한 콘크리트 보강이나 Fiber-Reinforced Polymer(FRP) 보강공법이 주로 사용되어왔다(Kim et al, 2013; Lu et al, 2005; Chen et al, 2008; Kim et al, 2013). 그 중 FRP 공법은 다른 재료 및 공법들에 비 해 강도 증진, 내구성 향상과 시공 용이성 향상 면에서 다른 공 법과 비교해 볼 때 많은 장점을 가지고 있어 지금까지도 각광 받고 있는 공법이기는 하나 FRP 보강 시 사용되는 접착제는 불필요한 인터페이스를 만들고 시간이 지나면서 열화 및 탈 락 문제가 발생한다는 단점을 가지고 있다. 따라서 이러한 문 제를 근본적으로 해결할 수 있도록 구조물과 보수재료에 존 재하는 계면을 제거하고 일체거동을 유도할 수 있는 획기적 인 재료가 필요하다. 최근 기존 FRP 공법을 대체할 재료 및 공 법으로 폴리머계 고연성 재료를 활용하는 기법이 대안으로 제시되고 있다. 폴리머계 보강재료는 비구조용 보수재료로써 사용되고 있지만, FRP와 달리 구조물과 보수재료에 존재하는 계면이 존재하지 않을 뿐만 아니라 열화, 탈락이 발생하지 않 아 구조물과의 일체거동을 유도할 수 있고, 스프레이형식 급 속시공이 가능하기 때문에 구조물에 직접 분사하여 보강하는 방법으로 균일한 품질을 유지할 수 있다는 장점이 있다. 따라 서 이를 보다 적극적으로 다양한 분야에 적용하기 위해서는 물성의 개선을 통한 새로운 성능의 재료를 개발하여 구조용 재료로써의 적용가능성을 검토하고 활용할 수 있다면 좋을 것이다. 실내실험 및 문헌분석을 통하여 폴리머계 보강재료 의 다양한 특성들이 분석되고 있지만 전 세계적으로 구조용 보수·보강재료로 내구적, 구조적 특성에 중점을 둔 연구는 전무하다(Hrynyk and Myers, 2008).

    PolyUrea(PU)는 폴리머계 고분자 화합물로 물성의 광범위 한 조절이 가능하고 우수한 계면접착성과 기계적 물성으로 현재 접착제, 코팅제와 같은 복합재료로 다양한 분야에서 사 용되고 있다. 선행 연구에서 PU의 물성을 조절하여 보강 성능 을 향상시키고자 연질형 폴리우레아(Flexible Type PolyUrea, FTPU)를 개발하였지만 이를 구조물에 적용한 보강 성능은 미 미한 것으로 나타났다(Kim et al, 2010(a)). 이후 PU의 물성을 변화시켜 경질형 폴리우레아(Stiff Type PolyUrea, STPU)를 개발하였고 STPU를 적용한 RC 슬래브 시험체는 무보강 시 험체보다 112%의 하중 증가량과 270% 이상의 변위 증가를 보였을 뿐 아니라 190% 이상의 연성지수에 대하여 보강 성능 에 대한 효과가 있는 것으로 나타났다(Park et al, 2011). STPU 는 FTPU보다 향상된 인장강도와 낮은 신장률의 성능을 발휘 하도록 개발되었다. 높은 신장률은 구조물의 강성을 저하시 키는 원인이 되기 때문에 낮은 신장률을 위해 조성비를 변화 시켰다. 따라서 본 연구에서는 고연성과 고인성 효과를 나타 내는 STPU를 내진보강용 폴리우레아로 선택하였으며 기존 보강공법을 대체할만한 새로운 보수·보강 재료로써 적용 가 능성의 검토를 위하여 내구 성능을 검증하려 한다.

    2.사용 재료

    2.1.PolyUrea 기본 구성요소

    폴리우레아(PolyUrea, PU)의 주제(Prepolymer)는 이소시 아네이트(Iisocyanate)와 다이올(Diol, Diamine)의 반응으로 형성되며, 이를 디이소시아네이트(Diisocyanate)라 하고 지방 족(Aliphatic), 방향족(Aromatic), 지환족(Cycloaliphatic)으로 분류된다. 지방족은 Hexane Diisocyanate(HDI), Isophorone Diisocyanate(IPDI), Methylene Biscyclohexyl Diisocyanate (H12MDI)가 있으며, 방향족의 경우 Toluene Diisocyanate (TDI), Naphthalene Diisocyanate(NDI), Methylene Diphenyl Diisocyanate(MDI), Bitoluene Diisocyanate(TODI)가 있고 지 환족은 Methylene과 Cyclohexane에 Isocyanate가 결합된 것 이다(Lamba et al, 1998(a)).

    PU의 경화제(Hardener) 디아민(Diamine)의 사슬 확장자로 는 Butanediol(BD), Ethylene Diamine(ED), Methylenebis Chloroaniline(MOCA), Ethylene Gglycol(EG), Hexanediol(HD) 이 있다(Lamba et al, 1998(b)). PU의 경화제로 사용되는 사슬 확장자는 모노머(Monomer)나 올리고머(Oligomer)로 두 가 지 형태이며 이는 PU의 분자량을 증가시키는 역할을 한다. 또 한, PU의 결합력을 증가시키고 밀도와 기계적 물성을 향상시 켜 준다. 선행 연구에서 개발한 내진보강용 폴리우레아의 경 우 Diamine 사슬 확장자를 Isocyanate와 빠르고 격렬하게 반 응하여 Urea group을 형성하였으며, 이를 통하여 Biuret 결합 이 형성되므로 사슬간의 결합이 이루어진다. Biuret 결합은 Urea group 내 질소 원자에 있는 반응성이 큰 수소가 Isocyanate와 반응하면서 만들어지는 물질을 말한다.

    2.2.내진보강용 폴리우레아 STPU

    본 연구에서는 고연성과 고인성 효과를 나타내는 내진보강 용 폴리우레아로써 STPU를 선택하였고 Table 1은 STPU의 구성물 및 함유량 나타내고 있다.

    STPU의 주제 합성은 Methylene Diphenyl Diisocyanate 70%, Polyoxypropylene Glycol 20%, Propylenecarbonate 10% 를 사용하였다. STPU의 경화제 합성은 Polyoxypropylene Diamine 40%, Polyethertriamine 10%, Polyetheramine 10%, Diethylated Toluenetriamines(DETDA) 30%, Secondary Amine 5%, Propylene Glycol 2%, Pigment 2%, UV sorbent 2% 미만, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane 1%를 이용하여 30~90°C 에서 반응시켰다. 양생 7일 이후에 재료 실험을 통하여 재료 물성을 도출하였으며, Table 2와 같이 내진보강용 폴리우레 아인 STPU의 재료물성은 건조시간 20초, 인장강도 26 MPa, Shore 경도 70, 부착강도 14 MPa, 신장률 150%이다.

    3.실험방법 및 평가방법

    폴리우레아는 화학적 환경(산, 알칼리, 염분 등)에 비교적 강한 성능을 갖고 있는 재료이다. 이에 관한 품질관리는 KS F 4922(폴리우레아 수지 도막 방수재) 규격에 준하고 있다. 본 연구에서 개발한 내진보강용 폴리우레아도 역시 주요 구성 성분인 주제와 경화제를 독립적으로 개량 및 혼합하였기 때 문에 KS F 4922 규격의 현장 품질관리를 만족할 수 있는 내구 성능 평가 실험이 필요하다. 보통 폴리우레아의 화학적 환경 으로는 노출형의 경우 시공 전· 후에 발생되는 산성비, 자외 선 노출, 공해로 인한 중금속, 매연 등이 있으며, 비노출형의 경우 콘크리트 구조물 자체에서 발생되는 알칼리 성분, 잔존 해 있는 염해성분뿐 아니라 탄산화 노출 및 동결융해 등이 있 다. 본 연구에서는 이러한 자연적 혹은 인위적으로 발생되는 다양한 화학적 열화인자에 대한 내구성 판단을 위하여 노출 형의 경우 산 환경 및 자외선 노출을 선정하였으며 비노출의 경우 동결융해 및 탄산화 노출을 선정하여 기존 KS 규격을 준 한 열화 및 내화학적 특성에 대한 검토를 실시하였다.

    3.1.내진보강용 폴리우레아의 산, 자외선 환경 노출 시험

    3.1.1.산 환경 노출 시험

    내진보강용 폴리우레아의 산 환경 노출 시험은 KS F 4922 (폴리우레아 수지 도막 방수재)에 준하여 실시하였으며, 시험 시 사용된 산의 종류로는 산 처리 온도 20 ± 2°C인 KS M ISO 6353-2(R37)에 규정된 황산 특급품 2% 용액을 선정하였다. Photo 1과 같이 황산 2% 용액 400 ㎖ 속에 시편 3개를 168시간 (7일) 침지시켰으며, 황산 10% 용액에 대해서 추가 시험을 진 행하였다. 이 때 사용된 시편은 Photo 2(a)와 같은 크기로 KS M 6518(가황고무 물리 시험 방법)에 규정된 아령형 3호형으 로 제작하였으며, Photo 2(b)의 틀칼을 이용하여 규격에 맞게 재단하였다.

    3.1.2.자외선 환경 노출 시험

    내진보강용 폴리우레아의 자외선 노출 시험은 KS F 2274 (건축용 합성 수지재의 촉진 노출 시험방법)에 준하여 실시하 였으며, 자외선 형광램프보다 더 강한 자외선을 방출하는 제 논-아크 광원을 선택하여 시험을 진행하였다. Photo 3(b)는 제 논-아크 시험기 챔버로써 Photo 2(a) 아령형 3호형 시편 3개씩 을 각각 1,000시간 및 2,000시간 노출시켰다.

    3.1.3.인장강도 및 신장률 측정

    본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위 하여 산 및 자외선 환경 노출 전·후의 인장강도 및 신장률을 측정하였다. 인장강도 및 신장률 시험방법은 KS M 6518(가 황 고무 물리 시험 방법)에 준하여 측정하였으며 Photo 2(c)에 서 볼 수 있듯이 시험체를 지그로 고정시켜 양쪽으로 하중을 가하였다. 인장 시험기는 시험시의 최대 하중이 시험장비 능 력의 15%에서 85%의 범위가 되는 것으로 하였으며, 인장속 도는 500 mm/min으로 하였다. 인장강도의 측정은 시편이 파 단될 때까지의 최대하중으로 측정하고 식 (1)에 따라 계산하 여 시편 3개의 평균값으로 나타내었다.

    T B = F B A
    (1)

    여기서, TB는 인장 강도(MPa), FB는 최대 하중(N), A는 시 편의 단면적(mm2)이다.

    신장률은 시편 파단시 눈금 사이의 길이를 밀리미터 단위 까지 측정하여 식 (2)에 따라 계산하였고 시편 3개의 평균값 으로 나타내었다.

    E B = L l L 0 L 0 × 100
    (2)

    여기서, EB는 신장률(%), L0는 눈금 거리(mm), Ll은 파단 될 때의 눈금 사이의 길이(mm)이다.

    3.2.내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 탄산화 노출, 동결융해 시험

    3.2.1.탄산화 노출 시험

    내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 탄산화 노출 시험 은 KS F 2584(콘크리트의 촉진 탄산화 시험방법)에 준하여 실시하였으며, Photo 4(c)와 같이 온도 20°C, 상대습도 60%, 이산화탄소 5%의 조건을 만족할 수 있는 탄산화 노출 챔버에 서 시험을 수행하였다. Photo 4(a)에서 볼 수 있듯이 사용된 시 편은 직경 100 mm, 높이 200 mm 크기의 일반강도 콘크리트 (30 MPa 급) 원형 공시체에 본 연구에서 개발한 폴리우레아 를 측면 도포하였으며, 각 3개씩 4주 및 8주 노출 후 탄산화 깊 이를 측정하였다(촉진탄산화 시험은 옥외에 있어 100배의 기 간에 상당함). 그리고 추가적으로 고강도 콘크리트(50 MPa 급)에 대해 위와 동일한 조건으로 시험을 수행하였다.

    3.2.2.탄산화 깊이 측정 및 탄산화 속도 계수 산출

    본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위 하여 내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 탄산화 노출 후의 탄산화 깊이를 측정하였다. 탄산화 깊이 측정 시 페놀프 탈레인 용액을 분사하면 적자색으로 변색이 되는데, 표면으 로부터 변색된 구간까지의 깊이를 탄산화 깊이로 보고 Photo 4(b)와 같이 공시체의 한쪽 측면을 10등분하여 총 20 군데의 탄산화 깊이를 측정하였으며, 공시체 3개의 평균값으로 나타 내었다. 탄산화 깊이 측정을 통해서 탄산화 속도 계수를 식 (3) 에 따라 계산하였다.

    α = d t
    (3)

    여기서, α는 탄산화 속도 계수, d는 탄산화 깊이(mm), t는 탄산화 기간(week)이다.Photo 5

    3.2.3.동결융해 시험

    내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 동결융해 시험은 KS F 2456(급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법) 에 준하여 실시하였으며, 콘크리트 공시체의 중심온도가 동 결 시 -18°C, 융해 시 +4°C가 되도록 동결융해 챔버에서 시험 을 진행하였다. 이 때 사용한 시편은 직경 100 mm, 높이 200 mm 크기의 일반강도 콘크리트(30 MPa 급) 및 고강도 콘크리트 (50 MPa 급) 원형 공시체에 본 연구에서 개발한 폴리우레아 를 전면 도포하였다.

    3.2.4.동탄성 계수 및 압축강도 측정

    본 연구에서 개발한 폴리우레아의 재료성능을 평가하기 위 하여 내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 동결융해 300 사이클 전·후의 동탄성계수 및 압축강도를 측정하였다. Photho 5(a)와 같이 챔버 내 기중에서 동결융해의 작용을 한 사이클에 2 ~ 4시간 정도로 반복하였으며, 총 300사이클을 반 복하였다. 동탄성 계수의 측정은 Photho 5(b)의 측정 장비를 이용하였으며 공시체 3개의 평균값으로 나타내었다. 이후 식 (4)에 따라 상대 동탄성 계수를 도출하였으며, 내구성 지수 측 정은 식 (5)에 따라 계산하였다.

    P c = ( n c 2 n 0 2 ) × 100
    (4)

    여기서, Pc는 동결 융해 C사이클 후의 상대 동탄성 계수 (%), n0는 동결 융해 0사이클에서의 변형 진동의 1차 공명 진 동수(Hz), nc는 동결 융해 C사이클 후의 변형 진동의 1차 공 명 진동수(Hz)이다.

    D F = P N M
    (5)

    여기서, DF는 시험용 공시체의 내구성 지수, P는 사이클에 서의 상대 동탄성 계수(%), N은 상대 동 탄성 계수가 60%가 되 는 사이클 수 또는 동결 융해의 노출이 끝나게 되는 순간의 사 이클 수, M 은 동결 융해의 노출이 끝날 때의 사이클 수이다.

    4.실험 결과

    본 연구에서 폴리우레아의 산 환경 및 자외선 노출 시험과 폴리우레아를 도포한 콘크리트의 동결융해 및 탄산화 노출 시험 결과는 다음과 같다.

    4.1.산 환경 및 자외선 노출 시험 결과

    4.1.1.산 환경 노출 시험 결과

    내진보강용 폴리우레아의 산 환경 노출 시험 수행 후 산 환 경 노출 전·후의 인장강도 및 신장률을 측정한 결과는 Table 3 과 같다. 인장강도의 경우 황산 2, 10% 용액에 침지시킨 폴리 우레아 시편 모두 약 8%의 강도 저하가 발생되었으며 신장률 의 경우 황산 2, 10% 용액에 침지시킨 폴리우레아 시편은 각 각 약 13, 20% 증진되었다. KS F 4922(폴리우레아 수지 도막 방수재)의 ‘방수재의 품질에서 산 처리 이후 품질 기준’은 인 장강도 비의 경우 80% 이상 150% 이하, 파단시의 신장률의 경우 250% 이상으로 규정하고 있다. 산 환경 노출 시험결과 황산 2%(pH 0.33)침지의 경우(KS F 4922 기준) 뿐 아니라 황 산 10%(보통 산성비의 pH는 4.6정도로 조사되었으며 황산 10%의 pH는 대략 -0.44로 계산됨)의 고농도 조건에서도 인장 강도의 기준을 만족하였다. 신장률의 경우 본 연구에서 독립 적으로 혼합 및 개량한 재료이기 때문에 KS 규격에 준하지 못 하였지만 본 연구에서 목표로 한 150%는 만족했다. 극한의 강 산이라는 조건에서 인장강도만을 고려해보았을 때 8%의 강 도 저하 능력은 산 노출에 대한 내구성능이 우수한 것으로 판 단된다.

    4.1.2.자외선 환경 노출 시험 결과

    내진보강용 폴리우레아의 자외선 노출 시험 수행 후 자외 선 노출 전·후의 인장강도 및 신장률을 측정한 결과는 Table 4 와 같다. 인장강도의 경우 Xenon Arc 광원에 1,000시간 및 2,000시간 노출 시킨 폴리우레아 시편은 각각 약 31, 38% 강 도저하가 발생하였으며 신장률의 경우 Xenon Arc 광원에 1,000시간 및 2,000시간 노출 시킨 폴리우레아 시편은 각각 약 27, 40% 이상 감소하였다. KS F 4922(폴리우레아 수지 도 막 방수재)의 ‘방수재의 품질에서 산 처리 이후 품질 기준’은 열화실험 이후 인장강도 16 MPa 이상의 성능과 인장강도 비 80% 이상 150% 이하, 파단시의 신장률 250% 이상으로 규정 하고 있다. 자외선 노출 시험결과 인장강도는 만족시켰지만, 인장강도 비와 신장률의 경우 KS 규격은 만족하지 못하였다. 한 사이클에 자외선 노출 조사량은 550 W/m2이 방출되며 1,000시간 및 2,000시간 노출 시 각각 1,980 MJ/m2, 3,960 MJ/m2 이 방출된다. 우리나라 연간 총 자외선 량은 약 270 MJ/m2이 었으며 실제 외부에 노출된 시간을 환산하면 대략 7년 3개월 과 14년 6개월 정도이다. 또한, 자외선 노출 2,000시간은 KS 기준(250시간)보다 8배가량 노출 시간을 증가시킨 극한의 조 건이며, 이 조건에서도 인장강도 16 MPa 이상의 성능을 만족 하므로 자외선 노출에 대한 저항성능이 있다고 판단된다.

    4.2.내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 탄산화 노출 및 동결융해 시험 결과

    4.2.1.탄산화 노출 시험 결과

    내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 탄산화 노출 시험 수행 후 탄산화 노출 전· 후의 탄산화 깊이 및 탄산화 속도 계 수를 도출한 결과는 Table 5와 같다. 4주 동안의 탄산화 노출 시험 결과, 일반강도 및 고강도 콘크리트에 대해 탄산화 깊이 는 약 5.87, 3.36 mm로 측정되었으며, 폴리우레아 도포 시편 은 콘크리트 강도와 무관하게 탄산화 침투가 발생하지 않았 다. 마찬가지로 8주 동안의 탄산화 노출 시험 결과, 일반강도 및 고강도 콘크리트에 대해 탄산화 깊이는 약 8.98, 4.66 mm 로 측정되었으며, 폴리우레아 도포 시편은 강도와 무관하게 탄산화 침투가 발생하지 않았다. 일반강도 콘크리트가 고강 도 콘크리트보다 탄산화 속도계수가 높음을 알 수 있었으며, 폴리우레아를 측면 도포한 콘크리트 시편의 경우 탄산화 노 출이 전혀 발생하지 않은 것으로 나타나 탄산화침투에 대한 충분한 저항성능을 가지는 것으로 판단된다. Photos 67은 탄산화 노출 깊이를 측정하기 위해 페놀프탈레인 용액을 뿌 린 시편이다.

    4.2.2.동결융해 시험 결과

    내진보강용 폴리우레아 도포 콘크리트의 동결융해 시험 수 행 후 동결융해 300사이클 전· 후의 동탄성계수 및 압축강도 를 측정한 결과는 Table 6과 같다. 일반강도 콘크리트의 경우 300사이클 전 ·후의 동탄성계수에 따른 내구성 지수는 무 도 포 시 95.49%, 전면 도포 시 97.79%로 측정 되고 압축강도 저 하 정도는 무 도포 시 11.94%, 전면 도포 시 0.97%로 측정되었 다. 고강도 콘크리트의 경우 300사이클 전· 후의 동탄성 계수 에 따른 내구성 지수는 무 도포 시 95.34%, 전면 도포 시 96.93%로 측정되었으며, 압축강도 저하 정도는 무 도포 시 13.36%, 전면 도포 시 6.16%로 측정되었다. 국내의 동결융해 는 지역별로 차이가 있지만 실험 챔버의 300 사이클은 실제 외기에 노출된 구조물에 있어 적게는 2년 반에서 많게는 7년 반 정도의 노출이다(국내 연 평균 동결 최저온도는 춘천지역 -6.5°C로 실험조건 -18°C와 비교시 약 세 배 낮은 조건임). 이 러한 장기간의 노출에 있어 전면 도포 시편은 무 도포 시편보 다 내구성 지수가 높게 측정되었으며 강도 저하 정도는 더 낮 게 측정된 것으로 보아 폴리우레아 도포 시 동결융해에 대한 내구성능이 우수한 것으로 판단된다.

    5.결 론

    본 연구에서는 내진 보강용 폴리우레아의 내구성능을 판단 하기 위하여 열화 및 내화학적 특성에 대한 검토를 실시하였 으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 황산 2, 10% 용액에 침지시킨 폴리우레아 시편은 인장 강도의 경우 모두 약 8% 강도 저하가 발생되었으며 신 장률의 경우 각각 약 13, 20% 이상 증진된 것을 확인하 였다. 인장강도의 경우 KS 규정을 만족하였으며, 내진 보강용 폴리우레아가 산 환경 노출 시 인장강도 면에서 내구성능이 우수한 것으로 판단된다.

    • 2) Xenon Arc 광원에 1,000, 2,000시간 노출시킨 폴리우레 아 시편은 인장강도의 경우 약 31, 38%의 강도 저하가 발생되었으며 신장률의 경우 각각 약 27, 40% 감소된 것을 확인하였다. KS 기준에서 자외선 노출은 250시간 으로 규정하고 있지만 8배 이상 되는 극한의 노출 조건( 2,000시간)에서도 인장강도 16 MPa 성능을 발휘하였으 므로 자외선 노출에 대한 저항성능이 있다고 판단된다.

    • 3) 탄산화 4주 노출 시 일반강도 및 고강도 콘크리트의 탄 산화 깊이는 약 5.87, 3.36 mm로 측정되었으며, 폴리우 레아 도포 시편 모두 탄산화 침투가 발생하지 않았다. 탄산화 8주 노출 시 일반강도 및 고강도 콘크리트의 탄 산화 깊이는 약 8.98, 4.66 mm로 측정되었으며, 폴리우 레아 도포 시편 모두 탄산화 침투가 발생하지 않았다. 폴리우레아를 측면 도포한 콘크리트 시편의 경우 탄산 화 노출이 전혀 발생하지 않은 것으로 나타나 탄산화침 투에 대한 충분한 저항성능을 가지는 것으로 판단된다.

    • 4) 동결융해 300사이클을 경험한 일반강도 및 고강도 콘크 리트 시편에 대해서 전면 도포 시편은 무 도포 시편보다 내구성 지수가 높게 측정되었으며 강도 저하 정도는 보 다 낮게 측정된 것으로 나타나 폴리우레아 도포할 경우 동결융해에 대한 내구성능이 우수한 것으로 판단된다.

    • 5) 본 연구에서 내진 보강용 폴리우레아의 내구성능 여부 를 위하여 폴리우레아의 경우 산 환경 및 자외선 노출 시 험을 실시하였고 폴리우레아를 도포한 콘크리트의 경 우 탄산화 노출 및 동결융해 시험을 실시하였으며, 모든 시험에서 내구 성능 및 저항능력이 우수한 것으로 판단 되었다. 본 연구에서 검증한 내용을 고려해 볼 때 추후 내진보강 재료로써 유용하게 사용될 수 있을 것이라고 사료된다.

    감사의 글

    이 연구는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 2015년 국토교통기술사업화지원사업 ‘기둥부재의 내진 성능 및 내구 성 극대화를 위한 PU Spray 보수 보강 공법의 실용화(15TBIPCO74206- 02)’ 연구단을 통해 수행되었으며, 2016년도 정부 (미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(중견연구자-도약연구사업, No. 2016R1A 2B3009444). 연구지원에 감사합니다.

    Figure

    JKSMI-21-1_P1.gif

    Acid environmental exposure test

    JKSMI-21-1_P2.gif

    Tensile strength and percent elongation test

    JKSMI-21-1_P3.gif

    UV exposure test

    JKSMI-21-1_P4.gif

    Concrete carbonation exposure test

    JKSMI-21-1_P5.gif

    Freezing and thawing test

    JKSMI-21-1_P6.gif

    Concrete carbonation exposure rest result (normal strength concrete)

    JKSMI-21-1_P7.gif

    Concrete carbonation exposure rest result (high strength concrete)

    Table

    Composite of stiff type PolyUrea

    Material properties of stiff type PolyUrea

    Acid environmental exposure rest result

    UV exposure test result

    Concrete carbonation exposure rest result

    Freezing and thawing test result

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