상부삼조

개발과제의 요약

개발 기간

2020년 9월~2020년 12월 (총 4개월)

과제 팀명

상부삼조

지도교수 및 팀구성원

000 교수님 서울시립대학교 토목공학부·과 2015860039 차무성(팀장)

서울시립대학교 토목공학부·과 2015860040 채익현

서울시립대학교 토목공학부·과 2015860026 오민석

서울시립대학교 토목공학부·과 2017860044 김태원

서울시립대학교 토목공학부·과 2017860042 김윤환

서론

개발 과제의 배경 및 연구목적

잦은 균열로 보수비용이 요구되는 시설물이 많은 환경에서 구조물의 기능에 치명적이지는 않으나 보수가 요구되는 미세 균열, 망상(網牀) 균열 등을 스스로 치유하는 콘크리트의 설계

사업의 타당성

특수한 종류의 콘크리트이므로 초기 비용은 기존의 콘크리트에 비해 높을 수 있으나 3~5년 주기로 외관조사 및 유지 보수를 요구하는 교량 등 자잘한 균열이 많이 발생하는 구조물의 주기적인 보수 횟수를 감소시켜, 장기적으로는 구조물의 사용 기간 증가 및 보수비용 절감 효과를 기대할 수 있으므로 경제적으로 효율적이라고 평가됨

개발 과제의 목표 및 내용

구조물에서 균열이 발생하였을 때 균열 발생과 함께 파손된 캡슐에서 흘러나온 치유물질이 콘크리트의 균열을 메꿔 줄 수 있다. 따라서 구조물에서 선정된 혹은 필요한 부분에 일부 적용하여 보수비용을 효과적으로 절감할 수 있다.

설계

개념설계안

교량 상판 및 유동 인구의 하중으로 인해 교각 상부의 받침부위에 잦은 균열이 발생하여 보수비용이 발생하고 있다.

우리는 이러한 취약부위의 잦은 보수로 인해 발생하는 비용을 줄이기 위해 자가 치유 능력을 가진 콘크리트를 설계 및 적용하여 구조물의 균열 보수 횟수를 감소시킬 수 있도록 하고자 한다. 치유 방식은 콘크리트 배합시 치유물질을 함유한 캡슐을 섞어 배합하고 양생하여 균열 발생시 파손된 캡슐에서 흘러나온 치유물질이 콘크리트의 균열을 메꾸는 캡슐형 자가치유 방식을 채택하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

자가치유 성능확인

Ph 응답형 스마트 폴리머 확보 기술은 콘크리트 내부 및 유입수 특성(Ph, 등)을 고려하여 급속으로 자기치유성능을 최적화할 수 있는 스마트 폴리머를 확보하는 기술으로 재령 1년 이내 발생하는 폿 0.3mm이하 균열의 유츌수량 15분 이내 60% 이상 감소한다. 해당 자기치유 매커니즘은 균열 내 스마트 폴리머 팽윤 거동 및 자기치유 메커니즘을 분석을 첫 번째로 투수시험을 기준으로 평가한다. 이로인해 투수시험 전/후 균열 내 스마트 폴리머의 팽윤 거동，자기치유 생성물의 분포 및 그로 인한 균열 부피의 변화 등을 분석하였다. 따라서 ‘자기치유형 친환경 콘크리트 기술 개발(성균관대학교)’에 의해 실험을 통한 선정된 스마트 폴리머 함량(시멘트 질량 대비 0.5〜1.5%) 및 균열폭에 따른 급 속 자기치유성능을 분석하고，본 기술에서 설정한 성능 목표를 만족하였고 투수시험 결과，스마트 폴리머 미혼입 기준 시편(REF)의 경우，전체 측정 기간에 걸쳐 균열 을 통해 유출되는 유량이 거의 일정하게 나타난다. 균열폭 0.3 mm 기준 유량 감소율 []

REF = 약 4% 이내，S-0.5: 약 50% 이상，S-1.0： 약 60% 이상，S-1.5： 약 70% 이상

자가치유 콘크리트 경제성 확인

현재 연구되어 있는 자가치유형 콘크리트는 <그림1>에서 알 수 있듯이 다음 효과를 발휘하기 위한 연구가 진행되고 있다. ▪ 사용수명 50% 증대 ▪ 유지관리비용 30% 감소 ▪ LCCO2 30% 감소

경제성을 확인하기 위해 먼저 선행되어야 할 것은 작동성능일 것이다. 이는 위의 자가치유 성능을 확인하는 절차에서 확인하였고 적으면 70%에서 많게는 90%까지 균열을 자가치유하는 것으로 나타났다. 따라서 그것을 감안하고 이를 적용했을 때 목표성능인 ‘사용수명 50% 증대, 유지관리비용 30% 감소, LCCO2 30% 감소’보다 조금 더 낮을 것으로 보인다. 그 다음으로 목표성능은 다음과 같은 표에서 알 수 있듯이 모두 목표성능에 도달한 것으로 본다.

자가치유캡슐 구성

본 설계에서 적용하는 캡슐은 그림과 같이 코어재와 외벽재로 구성되어 있는 형태를 말한다. 캡슐의 내부 물질은 코어재, 코어재를 싸고있는 외부 벽은 외벽재를 말한다. 코어재의 방출 시기, 장소 및 속도는 외벽재의 두께 등을 변화시켜 자유롭게 조절할 수 있다. 일반적인 캡슐의 캡슐화는 외벽재를 이용하여 용기를 만든 다음 코어재를 용기 속에 충전시키는 방법과 코어재를 미립자화 하여 매질 속에 분산시킨 다음 코어재료의 표면에 막을 입히는 방법으로 구분할수 있다.

팽창성 무기재료

본 설계에서 사용된 팽창성 무기재료는 CSA 팽창재는 최근 균열면을 치유하기 위한 목적으로 자기치유 재료로 사용되고 있으며, Hauyne계 광물(보크사이트(Al2O3), 석회석(CaO), 석고(CaSO4))를 주성분으로 하는 광물계 화합물로 유리석회, 석고 및 물과 반응하여 수화생성물로서 에트린자이트를 생성한다. 따라서, 본 설계에 사용된 팽창재는 경화체 내에 빈 공간을 에트린자이트가 채워줌으로서 일반 콘크리트에 비해 수밀성이 증가한다. 다음과 같은 특성을 자기치유 성능 향상에 적용하기 위해 팽창재를 사용하였다.

결정촉진제

본 설계에서 사용된 결정촉진제는 나트륨(Na)과 탄산기(CO3)화합물로 구성되어있으며, 시멘트의 수화작용이 진행될 때 시멘트 수화물과 재수화 반응을 하면서 결정생성물(탄산칼슘, CaCO3)을 형성하게된다. 탄산기화합물은 모르타르 내부에 탄산칼슘을 생성시켜 공극을 충진시키고 수화반응을 촉진시켜 조기강도를 증진시키는 역할을 한다.

팽창재 및 결정촉진제의 캡슐화

응집제 선정

분말 형태의 팽창재 및 결정촉진제를 일정 크기의 입자로 제조하기 위해 응집제를 사용하여 반죽하여 구형의 캡슐을 제조하였다. 사용된 응집제는 자기치유 소재와 반응하지 않도록 수분함량이 적고 분말을 응집할 수 있도록 점성을 가지는 폴리우레탄계 응집제와 실리콘계 응집제를 사용한다. 또한, 팽창재를 캡슐로 제조하기 질량비로 팽창재:응집제= 0.75 : 0.25, 결정촉진제:응집제 = 0.88 : 0.12의 비율로 반죽하여 사용하였다.

표면 코팅 재료

배합시 시멘트 혹은 물과 반응하지 않도록 제조하기 위해 수분을 차단할 수 있는 막을 형성하고, 배합시 파손되지 않도록 표면 강도를 증진시키기 위해 팽창재, 결정촉진제 혼합물의 표면을 코팅하였다. 사용된 코팅재는 폴리우레탄을 사용하였으며, 폴리우레탄의 경우 점성이 강하기 때문에 이를 용해하기 위해 톨루엔을 폴리우레탄에 질량비로 2배 넣어 용해하였다.

캡슐제조 방법

본 설계에 사용된 캡슐의 제조 방법은 팽창재 및 결정촉진제는 응집제와 일정한 비율로 혼합하여 적당한 질기를가지도록 하여, 캡슐 제조 장비를 통하여 입자화한 다음 회전 방식에 의해 코팅제를 도포하여 제조하였다. 표면 코팅을 마치고 24시간 ±4시간의 건조를 필요로 하며, 건조를 마친 캡슐은 크기 0.6mm~1.2mm로 분류하여 모르타르 배합에 사용하였다.

실제현장 적용

자가치유 콘크리트 적용 및 시뮬레이션

먼저 교량에서 자가치유형 콘크리트를 일부 적용하는데 있어 우리가 설정한 곳은 교각에서 교량 상판을 받치는 부분이라고 할 수 있다. 이는 ‘개념설계안’에서 밝힌 부분으로 증명은 생략한다. 다음은 공릉천에 있는 송촌대교의 균열점검 및 유지보수 관련한 종합보고서의 일부분이다.

앞으로 설명하는 모든 교량의 경제성 분석에서 그림 3과 같은 방식으로 균열을 보수한다는 것으로 가정하도록 한다. 뿐만 아니라 균열 보수 비용도 교대⦁교각 부분에서 균열을 표면처리공법으로 보수했을 때 m당 38000원으로 적용한다.

연상교

아래 그림은 연상교의 외관조사망도이다. 여기 도면은 하나의 교각의 도면을 나타내는데 그 안에 균열의 크기와 위치를 같이 표현한다.

연상교는 7경간, 총길이 395m를 이루고 있는 스틸박스거더교이다. 여기서는 6개의 교각이 있고 그 첫 번째 교각에서 교각상부에 있는 균열은 총 80.3m이다. 두 번째 교각의 균열은 총 5.8m이고 세 번째 교각은 27.5m이다. 네 번째 교각은 총 44.7m이고 다섯 번째 교각은 8.4m이다. 여섯 번째 교각은 9.8m로 전체적으로 균열은 176.5m이다. 여기서 균열보수방법으로 표면처리공법을 적용하고 m당 38000원을 적용하면 6707000원인데 여기서 요지보수 비용이 30% 절감되는 것으로 총 2012100원이 절감되는 것으로 볼 수 있다. 뿐만 아니라 탄소배출량 감소로 교량 건축시 세금이 절감되고 수명이 연장됨에 따른 경제적인 효과를 기대할 수 있을 것이다.

안녕ic교

아래 그림은 안녕ic교의 외관조사망도이다. 여기 도면은 하나의 교각의 도면을 나타내는데 그 안에 균열의 크기와 위치를 같이 표현한다.

안녕ic교는 5경간을 이루고 있는 스틸박스거더교이다. 여기서는 4개의 교각이 있고 그 첫 번째 교각에서 교각상부에 있는 균열은 총 10.1m이다. 두 번째 교각의 균열은 총 7.1m이고 세 번째 교각은 1.7m이다. 네 번째 교각은 총 6.7m로 전체적으로 균열은 25.6m이다. 여기서 균열보수방법으로 표면처리공법을 적용하고 m당 38000원을 적용하면 972800원인데 여기서 요지보수 비용이 30% 절감되는 것으로 총 291840원이 절감되는 것으로 볼 수 있다. 뿐만 아니라 탄소배출량 감소로 교량 건축시 세금이 절감되고 수명이 연장됨에 따른 경제적인 효과를 기대할 수 있을 것이다.

남성현과선교

아래 그림은 남성현과선교의 외관조사망도이다. 여기 도면은 하나의 교각의 도면을 나타내는데 그 안에 균열의 크기와 위치를 같이 표현한다.

남성현과선교는 6경간을 이루고 있는 스틸박스거더교이다. 여기서는 5개의 교각이 있고 그 첫 번째 교각에서 교각상부에 있는 균열은 총 3.3m이다. 두 번째 교각의 균열은 총 3.6m이고 세 번째 교각은 0.9m이다. 네 번째 교각은 총 7.7m이며 다섯 번째 교각은 0m로 전체적으로 균열은 15.5m이다. 여기서 균열보수방법으로 표면처리공법을 적용하고 m당 38000원을 적용하면 589000원인데 여기서 요지보수 비용이 30% 절감되는 것으로 총 176700원이 절감되는 것으로 볼 수 있다. 뿐만 아니라 탄소배출량 감소로 교량 건축시 세금이 절감되고 수명이 연장됨에 따른 경제적인 효과를 기대할 수 있을 것이다.

평가방법 및 기대효과

평가 방법

투수성 시험을 기준으로 균열폭 0.3 mm 기준 유량 감소율

S-0.5: 약 50% 이상,S-1.0： 약 60% 이상，S-1.5： 약 70% 이상

기대효과

총 보수비용 8,268,800원 중 30%의 비용절감 효과 = 2,480,640 원의 비용절감 가능

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터