1. 서 론
아스팔트로 포장된 도로에서 움푹 파인 현상이 발생하며 이를 포트홀 현상이라 한다. Maruyama et al. (2014)는 포트홀 발생에 미치는 요인으로 물의 존재, 하중, 온도변화라는 3가지로서 서술하였으며, 포트홀 발생 메커니즘에 대하여 상세하게 기술한 바 있다.
포트홀은 그 직경 및 깊이가 비교적 작은 포트홀부터 아스팔트 층 전체가 손실되는 포트홀까지 다양하다. Jo and Ryu (2016)는 이러한 포트홀의 위험성에 대하여 지적한 바 있다. 비교적 작은 규모의 포트홀은 차량주행에 영향을 미치지 아니하지만, 일정규모 이상의 크기의 포트홀은 대형 사고로 이어질 수 있다는 것이다. 그러나 작은 포트홀도 교통하중 등에 의하여 손실면적이 점점 증대되기에 작은 규모의 포트홀도 가볍게 여길 수는 없다. 이러한 이유로 아스팔트 도로 포트홀은 발생 시 시급하게 보수공사를 진행하는 것이 미연의 사고를 방지할 수 있는 대책이라고 말할 수 있다. 이러한 긴급보수공사는 빠른 교통 재개가 요구되기에 도로 긴급보수재는 단기적으로는 초속경성과 조기강도발현이 요구되며, 중장기적으로는 2차 포트홀 방지성능과 장기 내구성이 요구된다.
한편, 인산염(Phosphate)과 산화마그네슘(MgO)을 주원료로 하는 인산염 초속경성 무기질 구성물 CBPC (Chemically Bonded Phosphate Ceramics, 이하 CBPC)는 빠른 경화성능과 강도발현 성능을 갖은 것으로 알려져 있다. Hall et al. (2001)은 인산염(인산암모늄(NH4)2(HPO4)2)과 마그네슘 그리고 물과의 수화반응에 있어서 조기 강도발현에 대하여 다음과 같은 메커니즘을 설명하였다. 단기적으로는 K+ 및 H2PO4‒이온이 MgO 및 Mg2+의 표면에 도달하여, 마그네슘 붕산염 필름에 성공적으로 분산될 때 마그네시아 입자 주변에 인산염의 무정형 수화겔이 최초로 형성되며, 단시간에 인산염의 수화가 형성되고 결정화가 진행된다. 더불어, 인산염의 수화반응에 의한 체적팽창으로 마그네시아 붕산염의 필름이 파괴되며, 더 많은 K+ 및 H2PO4‒이온이 Mg2+와 접촉함으로 더 많은 양의 인산염은 빠르게 수화반응이 진행된다. 장기적으로는 인산염의 수화반응이 지속적으로 증대함에 따라 마그네시아 입자를 부착시키며, 남은 모든 마그네시아 입자가 인산염수화물에 의해 둘러싸여 CBPC페이스트가 경화될 수 있도록 서로 맞물리게 되어 강력한 경화체(Struvite crystalling 및 Bobierrite)를 형성시킨다는 것이다. 이러한 경화체가 조기강도발현에 매우 중요한 반응생성물이다.
이러한 CBPC 복합체는 조기강도발현 특성을 갖기에 국내외의 다양한 연구자들에 의해 다양한 연구가 수행되었다. Yoshizaki et al. (2004)는 보수⋅보강용 모르타르 개발을 위한 연구, Kang et al. (2007)은 초속경 보수 모르타르의 기초 특성 분석, Cho et al. (2012)는 배합과 양생온도를 실험조건으로 하는 마그네시아 인산염 복합체의 기초물성평가, 그리고 Kim (2014)은 문화재 보호를 위한 모르타르 개발에 관한 연구 등이다.
이러한 것을 연구배경으로 인산염 초속경성 무기질 구성물 CBPC를 이용하여 아스팔트 도로 포트홀용 보수재 개발을 위한 기초연구를 수행하였으며, Lee and Kim (2019)는 기초배합연구의 결과에 대하여 보고하였다. 연구내용은 인산염과 산화마그네슘과(MgO)의 배합비에 따른 유동성과 경화시간, 지연제의 혼입율에 따른 경화시간 조절성 및 조기압축강도, 섬유질 충전재의 종류와 혼입율에 따른 마감성능과 조기압축강도 등의 평가이다. 이러한 연구는 시공성과 조기압축강도 특성 평가를 통하여 기초배합 선정을 위한 것이다. 그러나 실제 긴급도로보수재로 사용하기 위해서는 좀 더 많은 배합의 조건하에서 CBPC의 핵심 원료들의 반응특성을 평가가 필요하며, 유동성, 조기경화특성, 발열특성, 조기 및 중장기 역학적 특성, 부착강도, 해⋅동해의 저항성 등의 평가가 요구된다.
연구의 최종 목표는 CBPC를 이용한 아스팔트 도로 포트홀용 보수재 개발이다. 본 연구는 Lee and Kim (2019)의 선행 연구 결과를 통하여 물-결합재 비(W/B)를 30%로 고정하였으며, 제1인산칼륨(KH2PO4)과 마그네슘(MgO)의 혼합비율에 따른 경화특성을 분석과 기초배합의 선정을 목적으로 하고, 선정된 기초배합을 기준으로 지연제의 혼입율에 따른 경화시간의 조절 능력에 대하여 면밀하게 검토하고자 하였다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 실험계획
본 연구에서는 실험은 크게 두 단계로 수행되었으며, 첫 번째는 최적의 기초배합 선정이며, 두 번째는 지연제의 효과에 관한 연구이다.
실험계획은 Table 1에 나타낸바와 같이 CBPC의 주원료인 인산염(P)과 산화마그네슘(M)의 혼합비(이하, MKP배합비)을 1:0.5~3.0의 6수준으로 설정하였다. 물-결합재 비(W/B)는 30%로 고정하였으며, Lee and Kim (2019)의 연구로부터 설정한 것이다. 두 번째 실험은 첫 번째 실험결과를 기초로 함여 MKP배합비 1:1.5, 물-결합재 비(W/B) 30%로 고정하였다. 지연제(R)는 붕산을 사용하였으며 내할 중량비 1~5%의 5수준으로 설정하였다. 시험체는 산화마그네슘 M과 그 비율로 나타낸다.
Table 1
Experiment Plan
| Test | P:M | W/B (%) | R (%) | Curing period | Measurement item (Standard of measurement) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
1:0.5 1:1.0 1:1.5 1:2.0 1:2.5 1:3.0 |
30 | - |
15 min., 30 min., 60 min., 1 Day, 3 Days, 7 Days, 14 Days, 28 Days |
◆ Flow table (KS L 5111, 2017) ◆ Hardening time - Visual observation ◆ Hydration heat (KS L 5121, 2017) ◆ Compressive strength (KS L 5105, 2017) ◆ Bending strength (KS F 2408, 2016) ◆ SEM (After 28 Days) |
| 2 | 1:1.5 | 30 | 1, 2, 3, 4, 5 |
측정항목은 비빔 직후 유동성 및 경화시간, 시간의 경과에 따른 압축강도와 휨강도 그리고 발열특성이다. 경화시간은 작업성 평가가 목적으로서 작은 용기에 재료를 넣고, 막대를 이용하여 경화 유무를 육안검사를 수행한 것으로서 초결시간을 의미한다. 각 측정항목은 KS규정에 준하여 수행하였으며, 압축강도는 15분~28일까지 8수준, 휨강도는 5수준으로 설정하여 측정하였다. 극초기 및 중기(양생 28일)까지에 있어서 재료의 특성 변화를 관찰하기 위함이다. 양생 28일 이후에는 시험체의 표면성상에 대한 관찰과 주사형전자현미경(SEM)에 의한 시험체 내부를 촬영하였다.
붕산의 지연제로서의 효과는 Yang and Qian (2010), Li et al. (2014)와 Qiao et al. (2010) 등에 의해 보고된바있다. 그 메커니즘을 간략히 나타내면 Fig. 1과 같다. 수화물 형태의 붕소의 구성원인 B4O72-이온이 마그네슘에 흡착되어 마그네슘 붕산염 성분(Magnesium borate compounds)의 층을 형성하며, 이러한 층이 산화마그네슘 입자와 K+ 및 H2PO4-와의 접촉을 방해함으로써 지연효과가 나타난다. 이러한 반응속도의 지연효과는 반응열을 흡수하여 수화열을 줄여주는 효과 및 조기강도 발현 특성에도 영향을 미치는 것으로 보고되었다. 지연제의 혼입율의 경우 Cho et al. (2014)의 연구 결과를 참고하여 결정하였다.
2.2 사용재료 및 시험체 제작
시험제 제작에 사용된 인산염과 산화마그네슘의 물성값은 Tables 2와 3에 나타냈다. 인산염으로는 제1인산칼륨을 사용하였다. 가사시간 확보를 위하여 산화마그네슘은 수화반응성이 가장 낮은 사소마그네슘(Dead Burn MgO)을 사용하였으며, 사소마그네슘은 1,300~1,600 ℃에서 연소하여 얻어지는 것이다. KS F 2563:2009에 따른 MgO분말의 밀도는 3.61 g/cm3, 분말도는 2,290 cm2/g이다.
Table 2
Composition of KH2 PO4
| Appearance | Purity | pH (1% sol’n) | Sulfate (SO4) | Iron (Fe) |
| White Crystal | 98.0% up | 4.2-4.7% | 0.02% max | 0.01% max |
Table 3
Composition of MgO (Powder Type)
| Mg | Al | Si | P | S | Ti | Mn | Fe | Co | Cu | Zn | Sn |
| 86.3 | 0.66 | 2.69 | 1.08 | 0.01 | 0.02 | 0.23 | 3.26 | 0.02 | 0.01 | 0.03 | 0.03 |
3. 재료특성에 관한 결과
3.1 CBPC의 굳지 않은 성상
Figs. 4와 5는 MKP배합비 및 지연제 혼입율에 따른 플로우 테이블 결과와 경화시간을 나타낸 것이다. MKP배합비에 따라서 플로우 테이블은 300~430 mm의 범위로 나타났으며, M2.0을 최고점으로 MgO의 비율증가에 따라 유동성이 낮아지는 결과로 나타났다. 이는 인산염 혼입비율이 증가할수록 물 분자(H2O)가 붙어있는 인산염이 상대적으로 증가하여 유동성을 증대시키는 것으로 판단된다. 지연제 혼입율이 유동성에 미치는 영향을 살펴보면 혼입율 0~2%의 범위에서는 유동성이 감소하였으며, 2~5%의 범위에서는 유동성이 증가하는 형태를 나타내고 있다. 다만, 1~4%의 범위에서 플로우 테이블의 결과는 365~380 mm의 범위로서 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
MKP배합비에 따른 CBPC의 경화시간은 M0.5가 2,880초로 긴 시간이 요구되었으며, M1.0 이상의 배합에서는 경화시간이 점진적으로 단축됨을 알 수 있다. 다만, M2.5와 M3.0의 경화시간은 그 차이는 매우 작다. 유동성과 경화시간을 모두 고려하면 산화마그네슘의 배합비율은 M1.0~M2.5가 적절한 것으로 판단된다. 지연제의 효과는 지연제를 1% 혼입함에 따라 혼입하지 않은 M1.5 (B0)와는 큰 경화시간의 차이를 보였다. 지연제 혼입율 1~5%의 범위에서 혼입율과 경화시간은 정비례 관계이다. 혼입율 1~5%의 범위에서 혼화제 비율과 경화시간과의 구배는 39.5 sec./%로 나타낼 수 있다.
3.2 CBPC의 굳은 성상
3.2.1 시험체의 표면 및 파괴절단면
Fig. 6은 양생기간 28일 경화 후 각 배합율 및 지연제 혼입율에 따른 시험체의 마감표면과 압축강도 측정 후 파괴절단면의 형상을 나타낸 것이다.
MKP배합비가 각각의 형상에 미치는 영향을 살펴보면 MgO의 혼입율이 증가할수록 점액질 반응물의 용출발생이 점차 줄어들었으며, MKP배합비가 1:2.0의 경우에는 반대로 마감면에 다량의 공극이 발생하였다. 이는 MgO혼입율이 줄어들면서 상대적으로 인산염의 양이 증가하면서 반응하지 못한 인산염이 발열에 의해 용해되면서 표면으로 용출되는 것으로 판단되며, 마감성을 생각하면 MKP배합비 1:1.5이하 범위가 적절하다고 판단된다.
지연제의 혼합율이 각각의 형상에 미치는 영향을 살펴보면 MKP배합비 1:1.5를 기준으로 지연제 혼입율이 3% 이상의 조건에서는 표면에 다량의 공극이 발생하였으며 공극은 혼입율의 증가함에 따라 그 비율도 높아졌다. 한편 혼입율 5%의 조건에서는 표면에 점액질이 용출하는 현상도 발견되었다. MKP배합비 1:1.5에서 지연제 혼입율 2%이하의 범위에서 시험체의 마감면의 형상이 좋은 것으로 나타났다.
3.2.2 SEM 촬영결과
Fig. 7은 양생기간 28일 이후의 SEM촬영결과이다. SEM은 1,000, 2,000, 3,000배율로 촬영되었다.
먼저 MKP배합비의 실험조건에서 마그네슘의 혼입율이 증가할수록 CBPC반응생성물의 형태가 침상형에서 판상형의 형태로 변화되는 것이 확인할 수 있다. Kim (2014)은 사소 마그네슘을 사용한 모르타르는 주요 수화물이 침상형의 Struvite (MgKPQ4⋅6H2O)로서 강도가 높은 시편일수록 판상형의 형태로 변화되어 높은 내구성을 형성한다고 보고하였다. 그러나 본 연구에 있어서 배합조건 M1.0은 SEM촬영결과에서 침상형 구조를 보였음에도 압축강도 측정결과는 가장 높은 결과로 나타났다. 이는 Kim (2014)의 실험결과와는 상반된 결과를 나타내고 있기에 더욱 면밀한 검토가 필요할 것으로 생각된다. 압축강도 및 휨강도의 측정결과는 3.4절에서 확인가능하다.
MKP배합비 1:1.5를 기준으로 지연제를 혼입한 모든 조건에서는 판상형의 형상으로 나타났으며, 지연제 혼합율에 따른 차이는 크지 않으나 B5의 경우 판의 조직이 작아진 것을 확인 할 수 있다.
3.3 MKP배합비율에 따른 발열 특성
Fig. 8은 시험체 내부 수화열을 나타낸 것으로 Fig. 8(a)는 MKP배합비에 따른 발열온도의 결과를 나타낸 것이다. M0.5의 배합에서는 타설 후 약 6~7분까지 급격한 온도 증가 후 점진적으로 온도가 감소하였다. M1.0과 M1.5은 비교적 초기에 최대 피크 온도에 도달한 후 감소하였으며 이후 온도의 재상승으로 2차 피크가 나타났다. M1.0는 4~5분경 최대온도에 도달하였으며 약 50분을 기준으로 온도가 다시 상승하였다. M1.5는 3~4분경 최고온도에 도달하였으며, 약 28분을 기준으로 다시 온도가 상승하였다. M2.0과 M2.5은 2차에 걸쳐 피크 값이 나타나는 것은 동일하나 1차 피크시점보다 2차 피크시점에 최고온도에 도달하는 현상이 나타났다. 피크점이 두 차례 발생한 M1.0~M2.5 배합의 조건에서 MgO의 비율이 증가함에 따라 최고온도와 시점이 늦어지는 것으로 나타났다. 즉, MKP배합비율에 따라 최고발열온도와 최고온도 도달 시간의 조절이 가능하다고 판단된다.
Fig. 8(b)는 MKP배합비 1:1.5를 기준으로 지연제 혼입의 효과를 나타낸 것이다. MKP배합비 1:1.5의 조건의 경우 지연제의 혼입 유무와 상관없이 두 개소의 온도 상승 피크점을 나타내고 있다. 여기서 지연제를 혼입한 시험체는 전체적으로 지연제를 혼입하지 않은 시험체와 비교하여 초기 약 10분간 온도상승이 지연하는 효과를 발휘하는 것을 알 수 있다. 다만 지연제 혼입율의 차이기 초기 10분간에 있어 온도상승 미치는 영향은 거의 없으며, 그 차이는 약 40분 이후에서나 나타났다. 40분 이후에는 혼입율 증가에 따라 2차 피크의 온도는 낮아지고 및 그 발생시기가 지연되는 효과로 작용하였다.
발열특성의 경우 비교적 짧은 시간 안에 두 번의 피크가 발생하였으며, 1차 반응에 따른 Stuvite의 형성과정 그리고 추가 반응에 따른 Bobierrite의 형성과정에서의 수화열이 그 원인으로 판단된다.
3.4 CBPC의 역학적 특성
Fig. 9는 타설 후 시간의 경과에 따른 압축강도를 나타낸 것이며, 각 배합별 8개의 시험체가 사용되었다. Fig. 9(a)는 MKP배합비에 따른 차이점을 나타낸 것이다. 초속경성 재료의 경우 초기 압축강도가 중요하기에 시간의 범위에 따라 2개의 그래프로서 나타낸다. 한편, 본 연구에서는 조기 압축강도 발현 성능과 더불어 28일 기준 40 MPa 이상의 압축강도 발현을 목표로 하였다. 28일 기준 40 MPa 이상의 압축강도를 발현한 MKP배합비는 M1.0과 M1.5로 나타났다. M1.0은 타설 한 시간 후 13 MPa, 1일차 53 MPa, 28일차 65 MPa의 압축강도가 측정되었다. M1.5는 타설 한 시간 후 30 MPa, 1일차 38 MPa, 28일차 57 MPa의 압축강도가 측정되었다. 두 조건에서 조기 압축강도 발현특성까지 고려하면 M1.5의 배합비율이 가장 좋은 결과로서 판단된다. 한편, 28일 압축강도를 기준으로 M0.5, M2.0, M2.5의 경우 목표성능보다는 다소 낮으나 20 MPa 이상의 압축강도로 나타났다. 이 중 M2.0은 타설 한 시간 후 14 MPa, 1일차 31.5 MPa, 28일차 38 MPa의 압축강도로서 평가목표보다 약간 낮으나 매우 좋은 결과에 해당한다고 판단된다.
Fig. 9(b)는 MKP배합비 1:1.5를 기준으로 지연제가 혼입율이 압축강도에 미치는 영향을 비교한 것이다. 타설 15분과 30분까지는 지연제가 혼입되지 않은 시험체가 다소 높은 압축강도를 나타내고 있으나, 타설 1시간 이후에는 지연제를 1% 혼입한 조건에서 보다 높은 압축강도를 나타냈다. 1일차 기준으로 지연제 혼입율 1~4%의 시험체 모두 무혼입 시험체보다 높은 압축강도로 측정되었다. 재령 28일 기준에서의 압축강도는 54~61 MPa의 범위로서 측정되었으며, 본 연구에서 설정한 목표 압축강도 40 MPa을 모두 만족하는 결과로 나타났다.
인산염과 산화마그네슘이 물과 혼합되어 수화반응이 진행되고 수화열을 동반한다. 지연제는 수화반응을 늦추는 효과가 있으며, 앞서 측정된 온도결과와 같이 수화열 발생과정에서 1차 및 2차 피크점을 낮추고, 피크점의 발생 시기를 늦추는 효과가 명확하게 나타났다. 즉, 초기의 급격한 온도상승을 조금이나 낮춤으로서 초기경화과정에서 열에 의한 미세균열 발생을 억제시키고, 이는 종국적으로 압축강도의 증가로 나타난 것이라 판단된다.
한편, Cho et al. (2014)은 지연제 혼입율 3, 6, 9%의 조건에서의 실험을 수행하였으며, 지연제 혼입율의 증가는 압축강도의 저감하는 결과로 나타난다고 보고하였다. 그러나 본 연구 결과에서는 혼입율이 압축강도에 미치는 영향은 크지 않았으며, 그 이유는 본 연구에서의 지연제 혼입율이 상대적으로 작은 범위에 해당하기 때문이라 판단된다.
Fig. 10은 휨강도 측정결과를 나타낸 것이다. 먼저 Fig. 10(a)는 MKP배합비에 따른 시간의 경과에 따른 휨강도의 변화는 위의 압축강도 측정결과와 매우 유사하며, 휨강도는 압축강도 대비 24~32%의 범위로 나타났다. Fig. 10(b)는 지연제 혼입율에 따른 휨강도 측정결과를 나타낸 것으로 타설 이후부터 재령 28일까지의 전 범위에서 지연제의 혼입율이 증가함에 따라 휨강도가 낮아지는 결과로 나타났다. 휨강도는 압축강도 대비 약 19~25%로서 지연제의 혼입율 증가는 압축강도보다 휨강도의 감소율을 증가하는 결과로서 나타났다.
본 연구에서 MKP배합비과 지연제 혼입율을 기준으로 유동성, 경화성, 역학적 특성, 발열특성 등의 실험을 종합적으로 검토한 결과 MKP배합비 M1.5, 지연제 혼입율은 1~2%의 범위에서 유동성을 고려하여 선정하는 것이 적절할 것이라 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 고내구성 긴급보수재의 개발을 위한 CBPC복합체의 주원료인 인산염과 산화마그네슘의 배합비 그리고 지연제의 혼입율에 따른 특성을 종합적으로 검토하였다.
유동성과 경화시간 결과를 기준으로 M1.0~2.5의 조건이 시공성과 안정성을 고려한 적절한 배합범위로 판단되며, M2.0 이상의 배합에서는 표면에 많은 공극이 발생함으로서 마감성을 고려하면 최적의 배합 조건에서는 배제하였다.
양생기간 28일에 압축강도 40 MPa 이상 발현하는 것을 목표 값으로 설정하였으며, 모든 조건에서 목표 값을 상회하는 결과로 나타났다. 이 중 조기 압축강도 발현 특성 및 최대압축강도까지 고려하면 M1.5의 배합비율이 가장 좋은 결과로 판단된다.
지연제 혼입율이 증가하면 표면 마감성능이 좋지 않으며, 압축강도 및 휨강도가 다소 감소하는 경향이 나타났다.
MKP배합비 M1.5를 기준으로 지연제를 1%만 혼입한 경우에는 유동성 증가, 경화시간 증가 그리고 압축강도 증가의 결과로서 나타났다.
CBPC복합체의 주요 원료가 되는 인산염과 마스네슘과의 최적의 배합비 1:1.5가 최적의 배합으로 판단되며, 지연제 혼입율은 1~2%의 범위에서 유동성을 고려하여 선정하는 것이 적절할 것이라 판단된다.
본 연구에서의 배합비율에 따른 최적 배합비율의 도출 및 지연제 효과의 경향 파악은 최종 보수 재료 개발을 위한 판단 기준으로 활용가능하다.
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