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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.23 No.6 pp.92-98
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.6.92

An Evaluation of Flexural Behavior of Fume Pipe Repaired by Hybrid Concrete Repair Materials

Sung Won Yoo1, Young Cheol Choi1*

본 논문에 대한 토의를 2019년 12월 1일까지 학회로 보내주시면 2020년 1월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:zerofe@gachon.ac.kr Department of Civil and Environmental Engineering, Gachon University, 1342 Seongnamdaero, Sujeong-gu, Seongnam-si, Gyeonggi-do 13120, Korea
20/09/2019 24/09/2019 25/09/2019

Abstract


In this study, we developed a repair material incorporating PVA powder resin and nylon fiber into cemented carbide used in the existing field to improve adhesion performance and water tightness with existing concrete. Flexural behavior evaluation was performed. The main experimental variables were PVA powder resin, nylon fiber mixing rate and damage type, and performance tests were conducted to evaluate compressive strength and flexural behavior after repairing materials. It was found that all formulations fully satisfied the required performance of the repair material. The flexural strength test results of the repaired tube specimens showed that the performance of the repaired materials was maximized when the nylon fiber was added and the PVA powder was added in an appropriate amount. The flexural behavior of all the specimens showed the flexural behavior of the structural members with a low rebar ratio, suggesting that the amount of iron wire in the domestic fume pipe was somewhat insufficient. That is, it was confirmed that the amount of reinforcement of the steel wire was somewhat small, so that the concrete was cracked before the behavior of the concrete and the steel wire reached the extreme state, and the concrete was immediately destroyed beyond the tensile strength of the concrete.



하이브리드 콘크리트 보수재료로 보수된 흄관의 휨 거동 평가

유 성원1, 최 영철1*
1정회원, 가천대학교 토목환경공학과, 교수

초록


본 연구에서는 기존콘크리트와의 부착성능 및 수밀성을 향상하기 위해 기존의 현장에서 사용하는 초속경 시멘트에 PVA 분말수 지, 나일론 섬유를 혼입한 보수재료를 개발하고 개발된 보수재료로 보수된 흄관의 보수 후 휨거동 평가를 수행하였다. 주요 실험변수는 PVA 분말수지, 나일론 섬유 혼입률 및 손상유형이며, 성능 실험으로는 압축강도와 보수재료 후 휨거동평가를 수행하였으며 개발된 보수재료는 PVA 분말수지 혼입량이 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향이 나타났으며, 모든 배합에서 보수재료의 요구 성능을 충분히 만족하는 것으 로 나타났다. 보수된 관 시험체들의 휨강도 실험결과, 나일론 섬유를 혼입하고 PVA분말을 적정량을 첨가하여야 보수재료의 성능이 최대가 되 는 것으로 나타났다. 모든 시험체들의 휨거동은 다소 철근비가 작은 구조부재에서 나타나는 휨거동 양상을 보이는 것으로 나타나, 국내의 흄관 에 배근되는 철선량이 다소 부족함을 추정할 수 있었다. 즉, 철선의 배근량이 다소 적어 콘크리트와 철선의 거동이 극한상태에 도달하기 전에 콘크리트에 균열이 발생되고 곧바로 콘크리트의 인장강도를 초과하여 파괴되는 것을 확인할 수 있었다.



    1. 서 론

    최근 전국 하수관로의 노후화로 인해 전체 하수관로 중 33.9%(41,820km)가 20년 이상 경과되었으며, 그중 서울은 10,487km 중 70% 이상이 노후 하수관으로 확인되었다. 콘크리 트 하수관의 대표적인 열화현상은 하수 내에 포함된 황화물과 유기물을 이용하여 증식하는 미생물의 산화⋅환원작용에 의하 여 생성된 황산에 의한 생⋅화학적 부식, 강산이나 강알칼리를 함유한 폐수 유입에 의한 직접적인 화학부식, 관로부설 지점의 내⋅외부에 존재하는 비산 물질에 의한 콘크리트 자체의 탄산 화에 의한 열화 등이 있다(Ministry of Environment, 2015).

    이러한 노후화 된 관을 보수하기 위해 사용되는 보수재료 는 하수관 내의 황산 환경에서 산 저항성이 높은 결합재여야 하며, 콘크리트로 제조된 하수관과 동일한 특성을 갖는 무기 계 재료를 사용하여야 한다. 특히 산에 의해 콘크리트가 지속 해서 침식될 가능성이 높기 때문에 보수재료도 산에 대한 저 항성이 높아야 하며, 계면 특성도 다른 구조물보다 치밀하여 야 한다.(Allen te al., 1992)

    본 연구에서는 기존 콘크리트와의 부착성능 및 수밀성을 향상시키기 위해 기존 현장에서 사용하는 초속경 시멘트에 PVA 분말 수지, 나일론 섬유를 혼입하여 보수재료를 개발하 였으며, 개발된 보수재료로 보수된 흄관의 보수 후 휨 거동 평 가를 수행하였다. 주요 실험변수는 PVA 분말수지, 나일론 섬 유 혼입률 및 손상유형이며, 성능 실험으로는 압축강도와 초 기 손상된 흄관의 보수 후 휨 거동평가를 수행하였다. 특히, 보수재료의 보수 후 성능을 재현하기 위해 흄관 실험체에 만 들어진 2가지 초기손상 크기를 변수로 하여 구조 휨 거동 평 가를 하였다.

    2. 보수재 배합 및 실험방법

    2.1 재료 및 배합

    기존에는 콘크리트 하수관에 발생된 손상을 보수하기 위해 서 일반적으로 유기계 재료가 많이 사용되고 있다. 하지만 이 러한 유기계 재료는 무기계 재료에 비해 콘크리트와의 장기 적인 부착성능이 감소하는 단점이 있다. 또한, 유기계 재료는 열팽창계수가 45 ~ 65×10-6으로 모재인 콘크리트의 열팽창 계수인 3.0 ~ 13.0×10-5에 비해 3~5배 정도 차이가 나기 때문 에 장기적인 계면응력에 의하여 손상 부위가 다시 탈락되는 문제점이 있었다. 이러한 계면 부위의 손상은 기존 콘크리트 와 일체화에 영향을 주어 역학적 성능저하 및 수밀성능 감소 를 일으킨다.(Kosednar et al., 2005;Cabrera et al 1997)

    본 연구에서는 기존 콘크리트와의 부착성능 향상을 위해, 무기계 재료를 기본으로 폴리비닐 아세테이트 수지분말과 나 일론 섬유를 이용한 하이브리드 보수재료를 개발 후 기존 하 수관에 보수 후 구조 거동평가를 하였다.

    콘크리트 구조물의 보수는 주변 환경조건에 따라 작업시간 에 제한이 있다. 구조물의 신속한 재사용 및 사용자 불편의 최 소화하기 위해 보수작업 시간의 단축이 필요하기 때문에, 보 수재료는 빠른 경화시간 확보가 필수적이다. 이러한 보수재 료에는 급결제(accelerating agent) 또는 초속경 시멘트(rapid hardening cement)가 일반적으로 사용된다. Table 1은 이번 연 구에서 사용된 초속경 시멘트의 화학성분과 기초 물성을 나 타내고 있다. 초속경시멘트의 밀도는 2.87g/cm2, 분말도 5,380cm2/g이며, 보그식(Bogue’s equation) 에 의한 광물조성 은 C3S, C2S, C3A, C4AF, C4A3S의 성분이 각각 중량비로 16.0%, 16.0%, 3.0%, 6.0%, 30.0%이다.(Noor et al., 2004;mehata et al., 2006;Papadakis et al 1991)

    기존 콘크리트와의 부착성능 향상과 수밀성 향상을 위해 폴리비닐 아세테이트(PVA) 성분의 분말 수지를 사용하였다. PVA 레진 분말은 pH 5.4, 밀도 1.02 g/cm3, 점도 57이다.

    실험에 사용된 콘크리트 보수재료의 배합표는 다음 Table 2와 같다. 보수재의 배합은 총 세 가지의 경우로, 나일론 섬유 의 첨가 유무(첨가량 : 바인더 중량의 0.03% ), PVA분말의 무 첨가 및 바인더 중량의 4.5, 7.5% 첨가량 등을 실험 변수로 설 정하였다. 작업성 확보를 위해 지연제로 무수 구연산을 사용 하였으며, 바인더 중량의 0.1%를 첨가하였다. 물-바인더 비는 0.43이며, 바인더 : 잔골재는 약 1:1.6으로 고정하였다.

    2.2 보수재 실험

    보수재료의 압축강도 평가를 위해 Table 3에 제시된 배합 에 대해 ASTM C305에 따라 혼합하여 시험체를 제작하였 다.(ASTM C305, 2014) 시험체는 압축강도 및 보수 전⋅후의 휨강도 성능평가를 위해 40mm × 40mm × 160 mm의 각주형 시험체를 제작하였다. 모든 실험은 실험 변수에 대해 3개의 동일한 시험체를 제작하여 실험을 수행하였다. 시험체는 제 작 후 24시간 이후 탈형하고, 소정의 재령까지 24 ± 2 ℃의 온 도 및 70 % 이상의 항온⋅항습실에서 습윤 양생을 하였다. 압 축강도는 ASTM C109 시멘트 모르타르의 압축 강도 시험 방법에 준하여 Fig 1과 같이 수행하였다.(ASTM C109, 2016;Monteiro et al 2017)

    2.3 흄관 휨강도 실험

    보수 후의 휨강도 및 구조 거동 평가를 위하여 Fig. 2와 같이 내경 600mm의 하수관 중앙부에 크기 200mm×200mm, 두께 는 25mm(50% 손상) 또는 50mm(100% 손상)의 인위적인 손 상(홈)을 미리 주어 제작하였다. 하수관 제작에 사용한 콘크 리트의 평균 압축강도는 43MPa이며, 보수재료 보강 후 재령 7일에 구조 거동 평가를 수행하였다.

    흄관 휨강도 실험의 변수는 손상부 크기 2수준(50%, 100% 손상), 보수재 배합종류 3수준(PVA분말의 바인더 중량의 첨 가율 0, 4.5, 7.5%) 그리고 일반적인 흄관(plain)으로 총 7개의 실험체이며, 그 내용은 Table 3에 나타내었다.

    또한, 하수관 제작 시 중앙부 철선 부분에 steel strain gauge 를 설치하였고 보수재료 보수 후 보수 중앙부와 보수부에서 양쪽으로 각 5mm 떨어진 곳에 각각 Concrete strain gauge를 설치한 후 휨 거동 평가를 수행하였으며, 자세한 내용은 Fig. 3 및 Fig. 4 에 나타내었다. 이때 사용된 철선에 대한 항복강도, 탄성계수 등의 기본 역학적 실험은 일반적인 사항인 이유로 본 연구에서 직접 수행하지 않았으며, 제조사에서 제시한 값 을 적용하였다. 제시된 철선의 항복강도는 268 MPa, 탄성계 수는 201,700 MPa 그리고 인장강도는 327 MPa 이다.

    인위적 초기손상을 지닌 시험체의 제작 후 형상은 Fig. 5에 나타내었으며, 인위적 초기 손상부의 보수 후의 형상은 Fig. 6 에 나타내었다.

    3. 실험 결과 및 고찰

    3.1 압축강도

    앞서 제시된 Table 2와 같은 세 종류 배합에 대하여 PVA 분 말수지 혼입량 및 나일론 섬유 혼입량을 변수로 하여 압축강 도를 측정하였다. 실험재령은 보수공사 특성에 맞춰 6시간, 1 일, 3일 재령에서 압축강도를 측정하였으며, Fig, 7은 보수재 료의 압축강도 측정 결과이다.

    PVA 분말수지 혼입량이 증가할수록 압축강도가 감소하는 경향이 나타났다. 각 변수의 배합에서 3일 후 평균 압축강도 는 약 62MPa로 정도 측정되었고 EURO code (EN 1504-3)에 서 규정하는 압축강도 25~45MPa의 범위의 결과를 나타내므 로 모든 배합이 보수재료의 요구 성능을 충분히 만족하는 것 으로 나타났다(EN1504-3, 2005).

    3.2 보수된 흄관의 휨강도

    3.2.1 균열, 항복, 극한 하중 및 파괴 양상

    보수된 흄관의 휨 거동 실험에서 얻어진 균열 하중, 철선 항 복 하중 및 극한하중에 대한 결과는 Table 4에 나타내었다. 균 열 하중의 경우, 약간의 변동이 있기는 하지만 동일한 흄관 모 체 콘크리트를 사용하여 7개의 시험체 모두에서 큰 차이 없 이 나타났다. 또한 철선의 항복 하중 역시 다소 변동 폭이 있지 만 거의 유사하게 나타난 것으로 평가할 수 있다. 다만 극한하 중의 경우는 초기 손상 규모가 클수록 작게 나타났으며, PVA 분말의 바인더 중량의 첨가율이 4.5%인 NF0.03-R4.5 시리즈 의 보수재료로 보수된 흄관의 휨강도가 가장 크게 나타났으 며, 손상이 없는 시험체(Plain)보다 더 우수하게 나타났다. 또 한 나일론 섬유를 혼입한 보수재료로 보수된 시험체들의 휨 강도가 나일론 섬유를 혼입하지 않은 시험체들보다 더 우수 한 결과를 나타내었다. 이러한 결과로 볼 때, 나일론 섬유를 혼입하고 PVA분말을 바인더 중량의 첨가율 4.5% 수준 정도 로 첨가하여야 보수재료의 성능이 최대가 되는 것을 알 수 있 었다.

    한편 시험체들의 파괴 형상을 나타낸 Fig. 8 ~ Fig. 11을 보 면 관 내부의 보수된 부위로 균열이 관통하여 발생하였고, 관 외부의 경우는 보수재료 주위로 균열이 발생하는 것으로 나 타났다. 이는 보수재의 물성이 관 모체보다 더 우수하고 또한 부착력이 좋은 이유로 일체 거동이 적절하게 이루어졌음을 유추할 수 있다. Fig. 9, Fig. 10

    3.2.2 하중-처짐 관계

    시험체들의 하중-변위 관계를 Fig. 12 ~ Fig. 13에 나타내었 다. 초기 손상 두께가 5mm인 시험체들은 모두 Plain 시험체보 다 더 작은 휨강도를 나타내었으나, 초기 손상 두께가 10mm 인 시험체들은 대부분 Plain 시험체보다 더 큰 휨강도를 나타 내었다. 이는 보수재료의 물성이 관 모체 콘크리트 물성보다 우수하고 보수 범위도 관 두께의 2배 이상은 넓어야 보수재와 관 모체가 일체 거동을 하는데 더 유리한 것으로 추정된다.

    모든 시험체의 휨 거동은 다소 철근비가 작은 구조부재에 서 나타나는 휨 거동 양상을 보이는 것으로 나타나, 국내의 흄 관에 배근 되는 철선량이 다소 부족함을 추정할 수 있었다.

    3.2.3 하중-변형률 관계

    시험체들의 하중-콘크리트 변형률 관계를 Fig. 14 ~ Fig. 15 에, 하중-철선 변형률 관계를 Fig. 16 ~ Fig. 17에 나타내었다. 실험 결과의 변동 폭이 크기는 하지만 앞서 하중-처짐 관계에 서 언급한 바와 같이 철선의 배근량이 다소 적어 콘크리트와 철선의 거동이 극한상태에 도달하기 전에 콘크리트에 균열이 발생하고 곧바로 콘크리트의 인장강도를 초과하여 파괴되는 것을 추정할 수 있다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 기존 콘크리트와의 부착성능 및 수밀성을 향상하기 위해 초속경 시멘트에 PVA 분말수지, 나일론 섬유 를 혼입한 보수재료를 개발하고 개발된 보수재료로 보수된 흄관의 보수 후 휨 거동 평가를 수행하였으며, 다음과 같은 결 론을 얻을 수 있었다.

    • 1) 개발된 보수재료는 PVA 분말수지 혼입량이 증가할수 록 압축강도가 감소하는 경향이 나타났으며, 모든 배합 에서 보수재료의 요구 성능을 충분히 만족하는 것으로 나타났다.

    • 2) 보수된 관 시험체들의 휨강도 실험 결과, 나일론 섬유를 혼입하고 PVA분말을 바인더 중량의 첨가율 4.5% 수준 정도로 첨가하여야 보수재료의 성능이 최대가 되는 것 으로 나타났다.

    • 3) 보수재료의 물성이 관 모체 콘크리트 물성보다 우수하고 보수 범위도 관 두께의 2배 이상은 넓어야 보수재와 관 모 체가 일체 거동을 하는데 더 유리한 것으로 나타났다.

    • 4) 모든 시험체의 휨 거동은 다소 철근비가 작은 구조부재 에서 나타나는 휨 거동 양상을 보이는 것으로 나타나, 국내의 흄관에 배근되는 철선량이 다소 부족함을 추정 할 수 있었다. 즉, 철선의 배근량이 다소 적어 콘크리트 와 철선의 거동이 극한상태에 도달하기 전에 콘크리트 에 균열이 발생하고 곧바로 콘크리트의 인장강도를 초 과하여 파괴되는 것을 확인할 수 있었다.

    감사의 글

    본 연구는 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 환경정 책기반공공기술개발사업(2016000700003) 및 2019년도 가천 대학교 교내연구비(GCU-2019-0307)에서 지원받았습니다.

    Figure

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    Test setup of compressive strength

    JKSMI-23-6-92_F2.gif

    Shape of initial damaged pipe

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    Test setup

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    Test setup of strain gauge

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    Test pipe with initial damage

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    Test pipe after repair

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    Compressive strength

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    Failure shape of the front view

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    Failure shape of inside repair part

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    Failure shape of outside repair part for 100% intial damage

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    Failure shape of outside repair part for 50% intial damage

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    Load-displacement relationship of 5 mm initial damaged pipe

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    Load-displacement relationship of 10 mm initial damaged pipe

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    Load-concrete strain relationship of 5 mm initial damaged pipe

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    Load-concrete strain relationship of 10 mm initial damaged pipe

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    Load-steel strain relationship of 5 mm initial damaged pipe

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    Load-steel strain relationship of 10 mm initial damaged pipe

    Table

    Chemical compositions aof raw materials.

    Mix proportion

    Test variables of experiment of fume pipe

    Test results of pipe about crack, yield, ultimate load

    Reference

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