시멘트 기초 재료는 응용*, 사용량이 가장 큰 공사 재료로 사용 환경이 복잡하고 다양하다.실제 취역 과정에서 시멘트 기초 재료는 건습 순환, 온도 변화, 역학 하중 등의 요소의 작용으로 열화되어 구조 안전에 영향을 미친다.모르타르는 상용보수재료로서 모르타르와 원래의 기체간의 접착질량을 보수하는것은 보수체계의 안정성과 내구성에 극히 중요하며 그 영향요소에는 모르타르의 성분, 기체의 예처리 등이 포함된다.

칭다오이공대학 토목공학대학 장펑 교수팀은 X선 CT와 수은 압착법(Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)을 결합해 옛 모르타르의 초기 물 함유 상태가 신구 모르타르 접착으로 구성된 복합체의 미시적 구조에 미치는 영향을 연구했다.삼영정밀의 X선 CT 장비(nanoVoxel-3000 시리즈)의 3차원 재건 이미지를 바탕으로 신구 모르타르 인터페이스의 미시적 구조 및 모르타르 경화 후의 내부 틈새와 미세한 균열을 수선하는 공간 분포 특징을 분석했다.MIP 결과를 이용해 패치 모르타르의 구멍 유형과 그 형성 기전을 분석했다.중성자 투과상을 바탕으로 복합체에 대해 시각화 흡수시험을 실시하여 시간에 따라 변화하는 함수율 분포곡선을 얻어 복합체의 흡수특징과 미구조와의 관계를 분석하였다.

삼영정밀nanoVoxel-3000현미경 CT

낡은 모르타르의 초기 함수율을 바꾸어 두 가지 복합체를 설계했다.낡은 모르타르 시험 부품과 새로 버무린 보수 모르타르가 접촉하기 전의 초기 물 함유 조건을 다음과 같이 설정한다.

a) 건조기체 - 오래된 모르타르 시료는 105 ℃ 에서 24시간 건조하고 실온에서 냉각한다.

b) 포만수 기체인 오래된 모르타르는 물에 5시간 담가 20.4%의 수분 함유율을 측정한다.

그림 1 신구 모르타르 복합체 시험 부품 설명도

엑스선 CT와 MIP 테스트를 결합하여 연구한 복합체의 미시적 구조를 표징한다.우선 중국 톈진삼영정밀기기유한공사가 생산한 nanoVoxel-3502E로 시료를 X선 CT 스캔한다.그림 3과 같이 이미지 이치화를 통해 원본 데이터의 빈틈을 분할하고 인터페이스 주변 분할 후의 빈틈 크기(높이 ±2.2mm)를 분석한다.

X선 CT 테스트가 이미지 체소 크기보다 작은 공극을 감지하지 못했기 때문에, 패치 모르타르의 미시적 구조는 MIP 시험을 통해 연합 분석을 진행하였고, 사용된 시료 D06-R과 S06-R은 각각 D06과 S06에서 절취하여 MIP 테스트 전에 건조법으로 수분을 제거하였다.마지막으로 중성자영상시험플랫폼을 리용하여 신구 모르타르복합체의 흡수과정에 대해 영상연구를 진행하였다.

그림 2는 X-선 CT 데이터를 기반으로 시제품의 3D 이미지를 재구성하고 관심 영역을 캡처하여 분석에 사용

그림 3 관심 영역의 틈새와 균열 분할 추출

두 시험 부품의 내부 미시적 구조는 그림 4에서 볼 수 있듯이 D06에 뚜렷한 수축과 갈라짐이 나타나고 S06의 미시적 구조는 더욱 치밀하며 관심 영역 (ROI) 에서 서로 다른 절단면 (길이 × 너비) 의 크기가 44.2 µm 이상의 틈 (기공 및 미세 균열) 의 면적 점수를 계산합니다.그림 5에서 각 슬라이스의 면적 분수를 높이에 따라 그립니다.그 결과 두 시험 부품의 오래된 모르타르 대공극 면적 점수는 모두 0.03 정도였다.S06 신규 모르타르의 큰 틈의 면적 점수는 0.03 정도에 집중되어 있지만, D06 신규 모르타르의 큰 틈의 면적 점수는 0.06으로 시험 부품인 S06 신규 모르타르의 약 두 배이다.

그림 4 신구 모르타르 복합체 시험 부품 내부 미시적 구조

그림 5 큰 공간 면적 분수의 높이에 따른 변화 상황

그림 6 간격을 같은 지름으로 색상 표시

미시적 형태 분석을 통해 D06과 S06 인터페이스 영역의 큰 크기 빈틈의 형성 메커니즘이 다르다는 것을 추정한다.D06 샘플의 경우, 함수율에 경도가 존재하기 때문에, 새로 버무린 보수 모르타르를 미리 건조된 오래된 모르타르에 놓으면, 보수 모르타르의 수분이 대량으로 추출되어 수축과 갈라짐이 심하여 비교적 큰 틈이 발생한다;S06 시험 부품을 제조할 때, 오래된 모르타르는 물에 의해 미리 포화되고, 보수된 모르타르의 수분 유실 및 포만된 낡은 모르타르의 물의 환류는 인터페이스 부분의 수분 축적을 초래할 수 있으며, 따라서 인터페이스 주위에 면적이 비교적 큰 불연속 구역이 생겨 비교적 큰 빈틈을 형성할 수 있다.

순환 수은법을 채택하여"잉크병 모양"의 구멍이 있는 땜질 모르타르의 미시적 구조를 표징한다.누적 수은 데이터에 근거하여 보정 모르타르의 유효 연결 공극도와"잉크병 모양"공극도를 계산하면, D06-R의 유효 연결 공극도(0.074)는 작은 공극의 체적 점수(0.076)와 매우 가깝다.이에 따라 수축균열은 직접 서로 연결되는 것이 아니라 모세공을 통해 연결되는 것으로 추정된다.S06- R의 유효한 연결 공극도(0.095)는 작은 공극체 적분수(0.129)보다 낮습니다.S06-R에서는 일부 작은 구멍만 잘 연결될 것으로 추정된다.

그림 7 새로운 모르타르의 첫 번째와 두 번째 수은 압착 후 얻은 공경 분포 곡선

중성자 영상 기술을 통해 신구 모르타르 복합체의 흡수 현상을 실시간으로 추적하여 동적 함수율 분포를 얻는다. 그림 9와 같다.그 중 함수율은 중성자 관통수의 두께와 시험 부품의 두께의 비율을 통해 계산되며, 인터페이스의 위치는 점선으로 표시되며, 하단은 새로운 모르타르이다.이미지에 폭 5mm의 ROI (노란색 직사각형) 를 설정하고 물 흐름 방향을 따라 함수율 단면 변화를 모니터링하며 그림 10의 동적 함수량 단면에 따라 윤습봉 위치를 확정하고 선형 회귀 함수로 시험 데이터를 의합하여 흡수성 계수를 얻는다.

D06의 새로운 모르타르의 흡수성 계수는 S06의 새로운 모르타르의 1.5배이다.D06의 새로운 모르타르에는 비교적 많은 균열이 존재하여 흡수성 계수가 비교적 높다.S06에서 새로 비벼 보수한 모르타르는 물이 적게 빠져 시멘트의 수화가 정상적으로 진행되도록 보장하여 더욱 치밀한 공극구조를 형성할수 있다.따라서 S06의 새로운 모르타르는 흡수성이 낮습니다.

그림 9 신구 모르타르 복합체가 물을 흡수하는 과정에서 동적 함수율 변화 법칙

그림 10 신구 모르타르 복합체의 흡수 과정 중 동적 함수율 곡선의 측정 (a) D06;(b) S06

그림 11 신구 모르타르 복합체의 흡수 과정 중 윤습봉 위치의 변화 (a) D06;(b) S06

X선 CT 영상을 통해 관찰하면, 새로 버무린 모르타르는 미리 건조된 오래된 모르타르에 접촉할 때 대량의 수분을 추출하여 뚜렷한 수축과 갈라짐을 초래한다.새 모르타르가 포만수 옛 모르타르와 함께 붙을 때, 새 모르타르의 비수 및 포만수 옛 모르타르의 수분의 잠재적 환류는 계면 부위의 수분을 축적시켜 계면 주위에 비교적 큰 불연속 구역을 생성할 수 있다.

미리 건조한 낡은 모르타르와 포만수 낡은 모르타르가 접착된 새 모르타르에 침입할 수 있는 공극도는 비슷하지만 공경 분포 특징에 현저한 차이가 있다.두 종류의 새 모르타르는 모세공 틈새의 크기가 비슷하지만, 물을 채운 낡은 모르타르와 접착된 새 모르타르에는 모세공 틈새가 비교적 많다.그러므로 낡은 모르타르에 대한 예습은 그와 접착되는 새로운 무침보수모르타르의 탈수를 늦출수 있어 시멘트의 수화가 정상적으로 진행되는데 유리하다.

낡은 모르타르 기체의 흡수성은 신구 모르타르 복합체의 미시적 구조와 흡수 특징에 현저한 영향을 미친다.콘크리트 구조 보수 방안을 설계할 때는 인터페이스 접착 강도 외에 내구성 측면에서 모르타르 경화 후의 전송 성능을 보수해야 한다.

X선 현미경 CT 스캔은 시험 부품 내부의 공극과 균열 구조의 3차원 시각화를 실현하여 시멘트 기초 재료의 미시적 구조를 비교적 잘 표징하고 재료 내부의 실제 상황을 보여주었다.