1. 서론
일반적으로 콘크리트 구조물은 외부환경에 노출되어 있어 동결융해 및 염해 등과 같은 성능저하 인자로 인하여 여러 가지 손상을 발생시킨다. 콘크리트 포장의 경우 차량하중 및 동결융해 작용 등과 같은 물리적인 영향뿐만 아니라 제설을 위해 살포되는 염화물계 제설제의 화학적 침식이 복합적으로 작용하여 성능저하 및 노후화 속도가 가속화되고 있다. 이와 같은 물리⋅화학적인 성능저하 형상은 해양 환경의 콘크리트 구조물에서 발생되는 손상 형태와 유사하다. 이와 같이 손상된 콘크리트 구조물의 서비스 능력 향상 및 공용성 증진을 위해 주기적인 유지보수가 요구되어짐에 따라 보수공법 및 다양한 계열의 보수재료에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 현재 개발 및 적용되고 있는 보수재료 또는 단면복구재는 시멘트 및 폴리머 계열이 대표적이다. 시멘트계열의 경우 주성분인 CaO의 수화반응을 통한 C-S-H gel, Ca(OH)2 등의 수화물을 생성하며, 이는 모두 Ca의 수화 반응에 기초하고 있어 백화현상 및 내구성 저하 등의 문제점이 지속적으로 거론되고 있다. 또한 시멘트 계열은 반응 속도가 느리고, 양생과정에서 습윤 환경 및 양생기간이 충분히 제공되지 않으면 보수재료의 박리박락 및 백화 현상 등의 조기 탈락 및 재파손의 문제들을 야기한다. 폴리머 계열의 보수재료의 경우 재료의 불안정성 및 기존 재료와의 이질성으로 인한 조기 파손이 발생하는 한계가 있는 것으로 보고되고 있다(Lee et al., 2016; Lee et al., 2013; Hong et al., 2013; Kang et al., 2010).
따라서 본 연구에서는 기존 수경성 시멘트 및 폴리머 계열의 보수재료와 상이한 급속 경화 특성을 가진 세라믹계열 복합체인 마그네시아(또는 산화마그네슘) 결합재를 보수재료로 활용하고자 한다. 마그네시아 결합재를 보수재료로 활용함에 따라 빠른 경화 속도를 기반으로 사용자 비용을 감소할 뿐만 아니라 보수재료 또는 단면복구재 등의 성능 향상 및 재료 계열의 다양성 확보가 가능하다. 이에 따라 마그네시아 인산염 복합체(Magnesia Phosphate Composite, MPC) 모르타르를 보수재료로 활용하기 적합한 마그네시아를 선정하기 위해 일반적으로 적용되고 있는 경소마그네시아와 해수마그네시아를 사용하여 초기 압축강도 비교하고, 결과를 기반으로 재료를 선정하였다. 참고문헌에 의하면 MPC모르타르의 경우 급속한 반응성으로 인하여 미세균열 발생을 야기하며, 이에 따라 기존 시멘트 계열 모르타르와 비교하여 다소 큰 공극률이 확인되는 것으로 보고되고 있다(Lee et al., 2016; Zhu et al., 2012). MPC모르타르의 경우 급속한 반응 속도로 인하여 초기에 팽창성 및 반응열에 의한 미세 균열 발생 우려가 있어 반응 속도 조절 및 균열 제어를 위해 지연제 및 섬유를 적용하였다. 기존 연구된 MPC모르타르의 최적 구성비에 지연제(붕사, 붕산)과 섬유(PVA와 셀룰로오스 섬유)를 적용하여 초기 압축강도 및 응결시간을 평가하였다. 또한 섬유 및 지연제의 활용에 따른 MPC모르타르 초기 반응성 및 물리적 특성을 평가하기 위해 수축 및 팽창 거동을 확인하고, SEM분석을 통해 매트릭스 내에서의 섬유의 역할을 검증하고자 하였다(Kim et al., 2012).
2. 실험개요
2.1 사용재료
본 연구에서는 마그네시아 인산염 결합재를 활용하여 보수재료 및 단면복구재로 적용하기 위한 기초 연구로서 마그네시아(또는 산화마그네슘, MgO)와 인산칼륨(KH2PO4)를 결합재로 활용하고자 한다. 마그네시아(Magnesia) 또는 산화마그네슘(Magnesium Oxide, MgO)의 경우 일반적으로 세라믹계열의 결합재로 많이 이용되는데 이는 마그네시아의 특성 중 용해성(Solubility) 때문이라고 할 수 있다. 마그네시아의 용해성은 산화칼슘(Calcium Oxide, CaO)과 같이 너무 높지 않으며, 실리카(Silica Oxide, SiO2) 또는 산화철(Iron Oxide, FeO)과 같이 너무 낮지 않다. 또한 물에서 마그네시아를 용해시킬 때 과도한 열을 발생시키지 않아 세라믹 형성에 적합한 조건을 가지고 있는 것으로 보고되고 있다(Lee et al., 2016; Li et al., 2014).
2.1.1 마그네시아(또는 산화마그네슘, MgO)
마그네시아 제조법은 마그네사이트(MgCO3)를 태워 이산화탄소(CO2)를 방출시켜 산화마그네슘(MgO)분말로 제조된 것을 마그네시아라고 한다. 마그네시아의 일반적인 녹는점은 2,800°C이며, 저온(1400°C 이하)에서 소성하여 제조한 것을 경소마그네시아(Light-burned Magnesia)라고 하며, 중온(1,400~2,350°C)에서 처리된 것은 중소마그네시아(Dead-burned magnesia)라고 한다. 이 중 본 연구에서는 급속한 보수 시공을 위해 수화반응성이 우수한 경소마그네시아를 사용하였다. 또한 국내와 같이 마그네시아의 원료가 되는 마그네사이트의 산출이 적은 곳에서는 해수 중에서도 채취를 하기도 하며, 해수에 석회유(石灰乳)를 가하여 수산화마그네슘을 침전시킨 후 세척⋅여과⋅건조시킨 다음 소성하여 제조된 것을 해수마그네시아(Seawater magnesia)라고 한다. 따라서 본 연구에서는 마그네사이트 광물에서 산출하여 소성한 경소마그네시아와 해수에서 채취하여 제조된 해수마그네시아를 활용하여 마그네시아 인산염 복합체에 적합한 마그네시아를 선정하고자 한다. 경소마그네시아 및 해수마그네시아의 사진을 Fig. 1과 같이 나타내었다(Cho and Kim, 2016a; Cho and Kim, 2016b; Song et al., 2012; Park et al., 2016).
경소마그네시아의 경우 평균 입도는 14.88 μm로 측정되었으며, 이에 대한 분말도는 8,358 cm2/g으로 높은 분말도를 나타내었다. 이는 천연 마그네사이트 광물에서 채취된 마그네시아로 거친 표면 및 소성과정에 기인한 것으로 판단되며, 이러한 높은 비표면적은 마그네시아 인산염 결합재의 반응성 향상에 기여도가 높을 것으로 판단된다. 또한 해수에서 산출된 해수마그네시아의 경우 상대적으로 높은 평균입도와 낮은 분말도를 나타내었으며, 비중은 경소마그네시아의 경우 3.28, 해수마그네시아의 경우 3.63으로 측정되었다. 각 마그네시아 주요 물리적 특성은 Table 1에 나타내었으며, 입도 분포 특성은 Fig. 2와 같다.
Table 1
Physical Properties of Magnesia
| Types | Particle mean diameter (μm) | Fineness (cm2/g) | Specific gravity (g/cm3) |
|---|---|---|---|
| Light-burned magnesia | 14.88 | 8,358 | 3.28 |
| Seawater magnesia | 19.55 | 3,452 | 3.63 |
또한 각 마그네시아에 대한 XRD분석을 실시하였으며 Fig. 3과 같이 나타내었다. 경소마그네시아 및 해수마그네시아 모두 2-theta (deg.)가 36.9°, 42.9°, 62.3°, 74.7°, 78.6°에서 Intensity peak를 나타내어 동일한 결정 구조를 나타내는 것으로 확인되었으며, peak에서의 Intensity의 차이는 경소마그네시아의 높은 비표면적에 기인한 것으로 판단된다. 이에 대한 화학적 성분을 분석한 결과는 Table 2와 같이 유사한 성분 및 함유량을 나타내었으며, 소성마그네시아의 경우 95.8%의 높은 순도를 나타내었고, 해수마그네시아의 경우에도 상대적으로 낮지만 93.9%의 높은 순도로 확인되었다.
2.1.2 인산칼륨(KH2PO4)
마그네시아는 P2O5 (Phosphoric acid or Phosphoric pentoxide)와 반응을 하고, P2O5은 수경성 물질로 반응시 급속한 경화특성을 가진다. 따라서 마그네시아의 결합재로 인산염을 일반적으로 사용되고 있으며, 제1인산암모늄(NH4H2PO4)과 제1인산칼륨(KH2PO4)이 대표적이다. 마그네시아 세라믹 결합재의 경화특성은 인산염의 용해도가 주요 인자로 작용하며, 인산암모늄의 경우 높은 P2O5함유량과 높은 용해도로 인하여 상대적으로 빠른 응결시간 확보가 가능하지만 보수작업 적용 시 가사 시간 확보에 어려움이 있고, 경화 시 암모니아가 발생되어 환경적 악영향을 미칠 우려가 있는 것으로 보고되고 있다. 인산칼륨과 같이 낮은 용해도일수록 조기 수화반응 비율과 반응열을 감소시킬 수 있어 보수재료로의 활용시 현장에서 보수작업가능 시간을 확보하기 용이해진다. 인산칼륨을 마그네시아로 활용할 경우 화학반응식 및 생성물은 Eq. (1)과 같다(Cho et al., 2012).
2.1.3 보강섬유
마그네시아 결합재의 경우 수화반응 시 높은 반응성으로 인하여 초기 급속한 반응에 따른 팽창균열과 반응열에 따른 균열 등의 미세균열을 유발할 가능성이 높다. 이와 같은 미세균열을 억제 및 제어하기 위해 본 연구에서는 친수성 섬유를 활용하여 MPC모르타르의 보강재로 활용하고자 하였으며, 친수성 섬유인 셀룰로오스 섬유와 PVC섬유 두 가지 종류의 섬유를 선정하여 적용하고자 하였다. 셀룰로오스 섬유의 경우 표면이 수산기(OH)로 이루어져 모르타르 및 콘크리트 내에서 분산을 촉진시키고, 시멘트와의 높은 부착성능을 가지는 특성을 가지고 있다. 이러한 특성을 통해 시멘트 복합체 내에서의 미세 균열을 억제하고, 섬유의 가교작용을 통해 시멘트 복합체의 인성 및 충격 저항성 등의 역학적 특성을 개선하는 데에 효과적이다. PVC섬유는 섬유자체에 수산기를 가지고 있는 친수성 섬유로서 높은 인장력과 우수한 탄성계수를 가지고 있어 시멘트 매트릭스 내에서 균열 제어 및 성능 증진 효과가 우수할 뿐만 아니라 신장율 저감, 내산성 및 내알칼리 등 다양한 이점을 가지고 있다. 보강 섬유의 형상은 Fig. 4와 같고, 물리적인 특성은 Table 3과 같이 나타내었다.
2.2 실험계획
본 연구에서는 마그네시아 인산염 결합재의 섬유보강에 따른 초기 응결 특성 및 강도발현 특성과 수축 및 팽창 특성을 평가하기 위해 결합재의 구성비에 따른 시험 배합 및 기초 실험을 기반으로 MPC모르타르의 최적 구성비를 제시하기 위해 마그네시아의 제조 및 생산방법에 따라 분류된 경소마그네시아 및 해수마그네시아에 대한 반응성을 확인하고자 하였다. 경소마그네시아와 해수마그네시아의 동일한 구성비를 적용하여 초기의 압축강도 특성을 측정하였다. 배합 변수는 시험 배합을 통해 결정된 마그네시아와 인산칼륨의 중량비는 0.8로 고정하고, 지연제가 없는 경우와 지연제로 활용되고 있는 붕사(Borax)와 시멘트의 지연제로 적용되고 있는 무수구연산(Citric and anhydrous)를 마그네시아 결합재의 지연제로 혼입하여 조기 반응성을 통한 강도를 평가하였다. 물-바인더의 비는 0.25~0.35의 범위로 적용하였다. 측정 결과는 Fig. 5와 같고, 소성마그네시아 결합재의 경우 해수마그네시아를 결합재로 적용한 경우보다 높은 조기 강도 특성을 나타내었다. 지연제를 혼입하지 않은 경우 초기의 급결성으로 인하여 보수재료 제조 시 다짐 및 작업성의 문제점이 발생되어 초기 강도가 측정되지 않았다. 또한 지연제를 혼입한 경우 물-바인더비의 증가에 따라 강도가 점차적으로 감소하는 경향을 확인하였고, 붕사를 지연제로 사용한 결합재의 경우 높은 강도와 안정화된 반응 양상을 나타내었다.
MPC모르타르의 최적구성비는 콘크리트 도로포장의 보수재료로의 적용시 조기교통개방을 위해 초기(3~6시간) 압축강도 20MPa을 목표로 시험배합을 통해 도출한 배합이다. 시험 배합 및 문헌에 의하면 MPC모르타르의 물-바인더 비에 따라 일정 수준(약 20~30분)의 응결시간의 확보는 가능하지만 초기 압축강도가 확연히 감소되는 경향을 나타내었다. 지연제 및 보강섬유의 혼입율은 MPC모르타르의 목표 초기강도가 확보된 배합비의 범위에서 작업성 및 유동성이 확보된 배합으로 선정하였으며, 선정된 배합비에 대한 지연제 및 보강 섬유의 종류에 따른 물리적 특성을 평가하고자 하였다. 이를 고려하여 도출된 MPC 모르타르의 구성비의 산화마그네슘과 인산칼륨의 중량비(M/P)는 0.8으로 설정하고, 단위수량 250 kg/m3에 대한 물-바인더비는 0.20으로 고정하였다. 지연제는 붕사(Borax)와 붕산(Boric acid)을 사용하였으며, 바인더의 중량비 5%를 혼입하였다. 섬유는 분산성이 우수한 친수성 섬유인 PVA섬유와 셀룰로오스 섬유로 보강하였으며, 0.5 Vol.%를 적용하였다. 이를 바탕으로 섬유 및 지연제 종류에 따른 경화 특성 및 건조수축 특성을 평가하였다. 본 연구에서의 설정된 MPC 모르타르의 구성비는 Table 4와 같다.
Table 4
Mix Proportions of MPC Mortar
이와 같이 본 연구에서는 MPC모르타르의 섬유 보강에 따른 초기 경화 및 강도발현 특성을 확인하고, 팽창 및 수축 특성을 평가하고자 하였다. 또한 섬유 보강에 따른 MPC모르타르 매트릭스 내에서의 섬유의 가교 및 균열 제어 효과를 SEM분석을 통해 검증하고자 하였다.
2.2.1 응결시간 측정
마그네시아 인산염 결합재의 응결시간 특성을 평가하기 위해 KS F 2436 “관입 저항침에 의한 콘크리트 응결 시간 시험방법”에 준하여 MPC모르타르의 초기 응결 특성과 초결 및 종결을 Fig. 6과 같이 측정하였다. 이 시험 방법은 관입 시 침에 작용하는 저항 값을 경화가 진행됨에 따라 증가하는 원리를 이용하여, 관입저항 압력을 기준으로 응결특성 및 초결과 종결 시간을 산정하도록 정의되어 있다. 콘크리트의 경우 관입저항 값이 3.5 MPa이 초결, 28 MPa이 측정될 경우 종결 시간으로 평가되지만 보수 모르타르의 경우 0.5 MPa이 초결, 3.5 MPa이 종결로 평가된다(Shin et al., 2016).
2.2.2 재령별 압축강도 평가
마그네시아 인산염 결합재의 강도발현 특성을 확인하고, 보수재료로의 활용 시 초기의 강도 확보를 통한 적용 구조물의 초기 사용성 확보로 사용자 비용 절감이 가능하다. 이에 따라 초기의 압축강도 특성은 시간별 3, 6, 12, 24시간에 측정하고, 재령 7, 28일에 강도발현 특성을 평가하였다. 압축강도 평가는 Fig. 7과 같이 압축강도 측정을 실시하였으며, 마그네시아 인산염 결합재의 경우 양생 시 조기 반응성 및 결합재 특성상 습윤 환경 조건이 요구되지 않아 시간 및 재령 일별 20±1°C에서 기건 양생 후 강도를 측정하였다. 또한 가력 속도는 800±50 N/sec로 재하하여 최대하중을 측정하고, Eq. (2)를 통해 압축강도를 산출하였다.
2.2.3 건조수축 평가
건조수축을 평가하기 위한 대표적인 방법으로는 KS F 2424와 ASTM C 157 기준이 있다. 그러나 두 가지 방법 모두 건조수축 측정에 대한 정확한 시작점이 제시되어 있지 않고, 작업자의 오차로 인한 결과 값 차이의 발생가능성이 높다. 또한 건조수축 개시시기에 대해서도 다른 시기(7, 28일)을 제시하고 있어 이와 같은 방법은 마그네시아 결합재의 조기 경화 특성으로 적용하기엔 적합하지 않은 것으로 사료된다. 최근 매립 게이지를 이용한 측정이 활발히 진행되고 있으며, 이와 같은 방법은 양생방법에 따른 제한이 없고, 탈형 후 즉시 측정이 가능하여 연속적인 측정값을 얻을 수 있다.
따라서 본 연구에서 MPC모르타르에 대한 수축 및 팽창 특성을 확인하기 위해 매립게이지를 활용하여 길이변화량을 측정하는 실험을 수행하였다. Fig. 8과 같이 각주형 몰드 중앙에 플랜지형 게이지를 고정시킨 후 MPC모르타르를 타설하였다. 건조수축 측정은 MPC모르타르를 배합한 후 시편의 종결이 완료된 시점(30분)에 탈형 직후부터 측정을 실시하였으며, 양생온도 20°C±1, 습도 60%의 항온 항습실에서 데이터 로거를 이용하여 팽창 및 수축량을 기록하였다. 마그네시아 인산염 결합재는 초기의 급속한 경화특성으로 조기반응에 따른 팽창 또는 반응열에 따라 미세 균열의 발생우려가 있는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 MPC 모르타르의 2가지 종류의 섬유를 혼입하여 MPC 매트릭스 내에서의 섬유 가교 역할을 통한 팽창 및 수축의 억제 또는 조절 기능을 평가하고자 한다.
3. 실험결과
3.1 응결특성
본 연구에서는 MPC모르타르의 초기 응결 특성을 평가하기 위해 응결시간 측정을 통한 초결 및 종결 시간을 산출하였다. 그 응결시간을 측정한 결과는 Fig. 9와 같다. 응결시간의 경우 지연제의 사용에 따라 그 차이를 확인할 수 있으며, 붕산(Boric acid)을 혼입한 경우 응결시간을 지연시키는 데에 효과적인 것으로 확인되었다. 붕사를 지연제로 혼입한 경우 5분 이내에 모든 변수의 종결이 완료되었으며, 붕산을 적용한 경우 7~8분의 종결 시간을 확인되었다. 또한 마그네시아 결합재의 응결특성은 섬유의 종류에 따른 영향은 미미한 수준으로 확인되었다. 이와 같이 MPC모르타르의 경우 급격한 반응성으로 인하여 조기 응결특성을 보이며, 이를 보수재료로 적용할 경우 구조물의 조기 복구 및 회복이 가능하여 사용자 비용 절감을 통한 경제적인 측면에 이점이 있다.
이와 같은 MPC모르타르를 보수재료로 활용하기 위해서는 다양한 측면을 고려한 공법 개발이 요구되며, 국외의 경우 마그네시아 및 인산염과 혼화제의 최적 구성비를 제품으로 구성하여 급속 단면복구 및 보수가 요구되는 부분에 적용하거나 건배합된 제품을 시공에서 배합수와 즉시 혼합하여 뿜칠 가능한 장비를 이용한 시공이 이루어지고 있다. 또한 최근에는 3D printing 장비를 통한 자동 보수 공법의 3D printing용 보수재료로의 적용 가능성도 검토되고 있다(Wage, 2013; Fu et al., 2016).
3.2 강도발현 특성
MPC모르타르의 초기 강도 및 강도 발현 특성을 평가하기 위해 재령 3, 6, 12, 24시간 강도와 7일 28일 강도를 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 10과 같다. 지연제를 적용하지 않은 시험체의 경우 초기 급결성으로 인하여 배합 및 작업시간 부족으로 인하여 성형 자체의 어려움이 있어 압축강도 측정이 되지 않았다. 또한 붕산을 혼입한 경우 미미한 수준이지만 초기의 지연효과로 인한 작업성 및 가사 시간 확보를 통해 붕사와 비교하여 상대적으로 높은 강도 특성을 나타내었다. 또한 섬유를 혼입함에 따른 압축강도 증진 효과는 거의 없는 것으로 확인되었으며, 재령 28일에서는 M/P비 0.8의 물-바인더비 0.20의 경우 지연제로 붕산을 5% 혼입한 섬유를 적용하지 않은 시험체가 가장 우수한 강도를 나타내었다.
또한 MPC모르타르의 조기강도 발현 특성을 확인하기 위해 24시간(1일)을 기준으로 하여 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 11과 같다. 지연제 종류에 따른 압축강도 특성은 붕사를 혼입한 시험체보다 붕산을 지연제로 혼입한 경우 높은 강도발현 특성을 나타내었다. 붕산을 지연제로 혼입한 MPC모르타르의 경우 초기 3시간 압축강도가 16.5, 16.65 MPa로 우수한 조기강도 특성을 나타내었다. 또한 초기 3시간의 압축강도는 섬유를 혼입함에 따라 붕산을 혼입한 경우 약 20% 이하의 강도 저하를 보였고, 붕사를 지연제로 활용한 경우 30~50% 수준의 강도저하를 나타내었다. 또한 초기 강도의 경우 PVA섬유를 혼입한 경우 셀룰로오스 섬유를 혼입한 경우보다 강도 저하율이 낮은 것으로 확인되었다. 그리고 섬유를 혼입한 경우 초기의 강도는 낮게 나타내었지만 재령 12시간 이후의 강도 증가율이 높아져 24시간의 강도는 섬유를 혼입하지 않은 경우보다 높은 강도 특성을 나타내었다. 이는 초기의 반응성으로 인한 팽창 및 반응 후 급격한 수축이 발생되는 구간에서의 섬유의 혼입에 따른 매트릭스 내의 가교 역할 및 균열 제어 효과에 기인한 것으로 판단된다. 또한 7, 28일의 강도 특성은 섬유의 혼입에 따른 섬유와 MPC모르타르 간의 계면 전이 구역(Interface transition zone)의 증가로 압축강도가 저하하는 것으로 판단된다.
3.3 건조수축 특성
MPC모르타르의 초기 반응에 따른 팽창 및 수축 특성을 평가하기 위해 매립형 게이지를 활용한 길이변화를 측정하였으며, 측정 결과는 Fig. 12와 같다. 지연제를 혼입하지 않은 경우 재령 28일까지 지속적으로 수축하여 28일에는 약 2,000 μm의 수축량을 나타내었다. 또한 붕산을 지연제로 혼입한 경우 붕사를 활용한 시험체 보다 적은 수축량을 나타내었으며, 이는 초기 반응의 지연 효과로 인한 반응에 따른 팽창 및 수축율 저하와 반응열 저감에 기인한 것으로 판단된다. 또한 PVA섬유로 보강된 시험체보다 셀룰로오스 섬유로 보강된 시험체가 우수한 수축을 저감시키는 효과를 보였으며, PVA섬유의 경우 수축을 저감시키는 효과가 미미한 수준으로 평가되었다. 따라서 붕산을 지연제로 활용한 셀룰로오스 섬유로 보강된 MPC모르타르가 가장 낮은 수축량을 나타내었다. 기존 시멘트계열의 모르타르의 경우 약 1,000 μm 수준의 수축량을 나타내며, 수축저감제의 사용에 따라 약 600 μm의 수축량을 나타내며, 보수재료로 주로 활용되는 폴리머 계열의 보수재료는 약 1,000~2000 μm의 수축량으로 보고되고 있다(Joo et al., 2004; Woo et al., 2015). 이에 따라 기존 보수재료와 비교하면 시멘트계열에 비해 약 55~60%의 수축저감율을 나타내었으며, 폴리머계열에 비해 약 70~75% 이상 저감이 가능한 것으로 확인되었다. 또한 기존 연구된 MPC모르타르의 경우 약 500~900 μm의 범위로 보고되고 있어 본 연구에서의 보강섬유를 통한 수축저감율이 약 20% 이상으로 평가된다(Qiao et al., 2010). 본 실험 결과의 보강섬유 유무에 따라 약 80%이상의 저감 효과를 나타내었다. 결론적으로 MPC 모르타르의 경우 반응에 따른 팽창성 균열 제어 및 건조수축을 저감하기에 보강섬유를 혼입하는 것이 효과적이며, 종류로는 셀룰로오스 섬유로 보강하는 것이 효율적인 것으로 판단된다. 셀룰로오스 섬유는 PVA섬유와 비교하여 상대적으로 낮은 인장강도를 가지지만, 분산성이 우수하고, 비교적 높은 비표면적으로 단위체적당 분산되는 섬유수가 많아 MPC매트릭스 내에서의 팽창 및 건조수축에 대한 미세 균열 억제 및 섬유 가교 효과는 우수한 것으로 판단된다. 이에 대한 섬유의 복합체의 매트릭스 내에서의 균열 제어 효과를 SEM분석을 통해 확인하고자 하였으며, SEM 이미지는 Fig. 13과 같다. 먼저, SEM분석은 섬유로 보강되지 않은 MPC모르타르의 반응 및 수축에 의한 균열을 확인하기 위해 200배의 저배율을 통하여 미세균열 및 팽창성 균열이 확인되었다. 또한 섬유 보강을 통한 균열 억제 효과를 검증하기 위해 1,000배의 고배율로 확인하였으며, 수축 및 팽창성 균열 내에서 섬유의 가교 및 제어 역할이 가능한 것으로 판단된다.
4. 결론
본 연구에서는 MPC모르타르를 보수재료로 활용하기 위한 기초 연구로서 MPC결합재의 초기 반응성에 대한 작업성 확보 및 반응으로 인한 팽창 및 수축성 균열을 저감하기 위해 지연제 및 섬유의 종류에 따른 응결시간 및 강도 발현 특성을 평가하였다. 또한 길이변화 측정을 통해 수축 및 팽창 특성을 평가하고, 이를 검증하기 위해 SEM촬영을 통한 섬유의 가교 및 균열제어 효과를 확인하고자 하였다.
(1) MPC모르타르의 응결시간 특성은 붕산을 지연제로 활용한 경우 상대적으로 지연 효과가 있는 것으로 확인되었다. 또한 섬유의 종류 및 혼입에 따른 응결특성은 변화가 없는 것으로 확인되었으며, MPC모르타르를 보수재료로 활용하기 위해서는 건배합된 사용재료를 뿜칠 공법을 통한 시공 또는 최근 개발 중인 3D printing의 적용 보수재료로의 적용이 가능할 것으로 판단된다.
(2) MPC모르타르의 강도 발현 특성을 평가한 결과, 붕산을 지연제로 혼입한 경우 안정적인 강도 발현 특성과 높은 강도를 나타내었으며, 섬유를 혼입함에 따라 강도가 저하되는 양상을 나타내었다. PVA섬유로 보강된 경우 강도 저하율이 낮은 것으로 평가되어 초기의 반응성으로 인한 급격한 수축 및 팽창이 발생되는 구간에서의 섬유의 가교 역할 및 균열 제어 효과에 기인한 것으로 판단된다.
(3) MPC모르타르는 지연제를 활용하지 않는 경우 급격한 반응성으로 인한 높은 수축량을 나타내었으며, 상대적으로 지연효과가 있는 붕산의 경우 낮은 수축량을 보였다. 섬유 보강에 따라 그 수축량 또한 저하하는 경향을 나타내었으며, 셀룰로오스 섬유로 보강될 경우 PVA섬유로 보강된 시험체 보다 수축량의 저감 효과가 우수한 것으로 확인되었다. 기존 보수재료와 비교하여도 낮은 수축량을 보이며, SEM이미지 분석을 통해 MPC 매트릭스의 미세균열 내에서 섬유의 가교역할 및 억제효과를 확인하였다.
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