초음파가 폴리머 함침 콘크리트(PIC)의 물성에 미치는 영향

배영석, 조헌영, 이원묵

대전 산업대학교 화학공학과

The effect on the physical properties of polymer impregnated concrete

by ultrasonicwave

Young-Suk Bae, Hun-Young Cho, Won-Mook Lee.

Dept. of Chemical Engineering, Tae-Jon National Univ. of Technology.

서  론

최근 콘크리트 구조물의 강도저하, 방수성저하, 부식 등에 의한 대형사고가 발생하고 있으며 기존건물에 대한 안전성 또한 의심하지 않을 수 없게 되었다.

앞으로도 이러한 많은 문제점들은 많이 야기될 것으로 예상된다.

지금까지 콘크리트의 단점을 보완하기 위해 보강제 사용등 물리적으로 해결하여 왔다. 그러나 본 연구에서는 물리적 해결이 아닌 화학적 해결방법으로 콘크리트의 물성을 개선시키고자 하였다.

콘크리트 기공에 물이나 염화물과 같은 콘크리트에 악영향을 미치는 요소들을 건조와 초음파를 이용하여 제거한 다음에 모노머(monomer)를 침투시켜 중합을 시키는 방법이다.

모노머(monomer) 침투방법에서 초음파를 사용하여 침투시키는 것이  단순침지(simple ponding)시키는 것보다 더 짧은 시간에 더많은 양을 침투시킬수 있었다.

PIC(폴리머 함침 콘크리트)를 제조함으로써 콘크리트의 강도 뿐만아니라, 내화학성, 방수성, 연성 등을 크게 개선시키고자 하였다.

이  론

중합은 단량체에 따라 여러 형태로 일어난다.  즉 축합중합, 부가중합, 개환중합등으로 일어난다. 또한, 반응 기구적으로 분류하면, 축합중합, 자유라디칼중합,  이온중합, 개환중합, 공 중합 등으로 나누어진다.

이들은 단량체에 따라 각각 다른 반응기구를 갖고 있으며 이에 의해 생성된 고분자의 물성도 큰 차이가 있다.

콘크리트 강도 강화를 위한 방법은 매우 다양하다. 콘크리트 혼화제를 사용하여 콘크리트 내부에서의 수화반응을 촉진시키기 위한 각종 유동화제사용과 반응속도를 증가시켜 경화속도를 증진시키는 촉진제 등이 있다. 이밖에도 광물질혼화제로 플라이애쉬, 실리카흄등 보강제로 사용하는 물질들이 많이 존재한다.

본 연구에서는 콘크리트의 미세공에 고분자물질을 침투시켜 고분자와 콘크리트간의 반데르 발스 결합을 높여주고 수화를 촉진하므로써 콘크리트강도를 증진시키고자 하였다. 따라서 고분자 단량체의 침투량과 그들의 중합도 및 중합형태가 콘크리트 물성을 결정하는 중요한 변수가 될 것이다.

콘크리트 내부에서의 침투는 capillary flow로서 침투깊이, 점도, 표면에너지, 접촉각, porosity, 시간의 함수로써 [eqn: h={2gamma cos□} over □Rg]로 나타낸다.

또한, 중합속도는 반응온도, 촉매 등과 같은 관련이 있으며 중합형태 즉, 가교성등은 사용된 첨가제에 의존하게된다. 따라서 본 연구에서는 침투량의 증가, 반응속도의 증가 및 가교성 증대에 중요한 변수를 찿아 실험하고자 하였다.

실  험

본 연구에서 사용된 단량체는 가격, 처리비용과 물성. 그리고 중합된 고분자의 물성을 고려하여 MMA(methyl methacrylate)를 선정하였다.

공시체는 지름10cm,높이 10cm인 것을 사용하였고, 실험의 표준화를 위해 적외선 건조기(3Kw)를 이용하였다.

개시제로써는 AIBN(azobisiso butyronitrile)를 선정하였으며, 단량체 침투는  초음파발생장치(12 Kw,28 KHz)를 이용하여 단량체의 침투를 용이하게 하였다.

MMA + AIBN(1%wt)를 만들어 건조된 공시체에 초음파장치 안에서 침투시켜 항온조에 일정한 온도로 중합을 시켰다.

그리고, 초음파장치안에서 직접 중합을 시켰다. 중합되어진 공시체를 압축강도 및 인장강도를 비교하였고, 내화학성도 비교 실험하였다.

결과 및 고찰

본 연구에서 폴리머 함침콘크리트(PIC)의 물성을 개선하고자 실험한 결과 공시체는 150℃에서  4-6시간 정도 건조시키면 95%이상 건조되는 것으로 확인되었다.

PIC제조를 위한 MMA의 중합개시제로는 AIBN을 약1%를 사용하는 것이 적당한 것으로 확인되었고, 초음파를 이용하여 침투를 시킬 때 함침량은 20%이상 증가한다. 그리고 1시간 안에 함침량의 약95%이상 침투가 완료된다.

단순침지 방법에 의하여 제조된 PIC의 압축강도와 인장강도는 일반콘크리트보다 약 200 □ 250%이상 증가하였고 초음파를 이용하여 만든 PIC의 압축강도 및 인장강도는 일반PIC보다 10%정도 높은 것으로 확인되었다.

초음파만을 사용하여 MMA를 함침시키고 중합반응을 시킨 PIC물성 또한 일반 PIC보다 우수하며, 건조하지 않은 PIC 또한 물성이 크게 증가한 것으로 확인되었다. 초음파를 사용하면 콘크리트에 MMA의 함침량이 증가되는 이유는 초음파가 콘크리트의 조직내에 존재하는 공극의 유리수/단량체, 공기/단량체 계면에 자극을 주어 기포를 제거하여 단량체의 침입을 도와주기 때문으로 판단된다.

초음파에 의해서 PIC의 물성이 증가되는 이유는 초음파에 의해서 매질의 온도가 상승되는 효과 이외에 초음파 자체에 의한MMA의 중합반응이 촉진효과가 예측된다.

기존 콘크리트에 단량체를 함침시키고 중합 반응시켜서 제조하는 폴리머함침콘크리트(PIC)는 시멘트콘크리트-폴리머 복합체를 제조하는 다른 공법에 비하여 단량체의 사용량이 적은량(콘크리트 중량의 1.5-7.5%)로 콘크리트의 물성 및 내구성을 현격히 향상시킬 수 있는 유일한 방법이다.

지금까지 PIC는 제조공법이 복잡하고, PIC의 특수용도가 개발되지 않아서 많이 사용되지 않았으나, 본 연구 실험결과에서와 같이 콘크리트의 건조시간과 단량체 함침시간을 단축시키고, 탈기공정 없이 초음파를 사용하여 단량체의 중합공정을 개선하면, PIC의 제조원가는 현격하게 감소될 것으로 판단된다.

또한,  자연건조상태에 있는 콘크리트 그대로 PIC를 제조하는 공정을 개발하면, 노후 콘크리트 보수와 보강 기술에 획기적인 진보가 예상된다.

최근 일본 등지에서는 고도의 수밀성과 내구성이 요구되는 방사성폐기물 처분용 용기, 전선 보관용 관, 맨홀의 뚜껑 등을 PIC공법에 의해서 제조하고 있으며 유럽에서는 노후 콘크리트 교량의 보수보강에 PIC의 제조공법이 개선됨에 따라서 PIC의 특성을 이용한 다양한 PIC 제품들이 개발될 것으로 예상된다.

참고문헌

1)	Satish Chandra and Yoshihiko Ohama,"Polymer in Concrete", CRC Press, (1994).

2)	Han Wu and Eric W. Brooman,"STUDY OF USE OF ULTRASOUND	TECHNOLOGY TO PREPARE POLYMER-IMPREGNATED CONCRETE",	CEMENT and CONCRETE RESEARCH, Vol.23,pp, 640-650,(1993).

3)	Chen Zhiyuan and Tan Muhua,"PROGRESS OF POLYMER CONCREE	COMPOSITE IN CHINA",Proceedings of the First East Symoosium on Polymers	in Concrete, Chunchen Korea, May 2-3,(1994).

4)	S.Chandra and Y.Ohama,;History Interactions and Current status of the Polymers	in Concrete", Concrete Technology, SP 144-23, pp.403-506,(1991).