[논문 리뷰] Autonomous Repair in Cementitous Material by Combination of Superabsorbent Polymers and Polypropylene Fibres: A Step Towards Sustainable Infrastructure

Souradeep Gupta, Harn Wei Kua외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 08.

Microbial Applications in Construction Materials참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 자가 치유 케멘티셔스 복합체를 제안하며, 폴리프로필렌(PP) 섬유와 수분흡수성 고분자(SAP)를 조합하여 균열을 자동으로 봉합하고 기계적 성질 및 내구성을 복원한다. 이 시스템은 수분 조건에서 85%의 균열 봉합 효율을 달성하고, 탄산염 침전을 통해 최대 330 µm의 균열을 완전히 봉합하며, 수명 주기 동안 내구성의 최대 90% 회복과 완전한 기계적 강도 복원을 달성한다.

ABSTRACT

Manual maintenance and repair of cracks in concrete structures are often unsustainable because of associated labor, capital and environmental damage. Introduction of microfibers and superabsorbent polymers is a material solution to restrict crack propagation and enhance self-healing efficiency. Therefore, the study proposes a combination of polypropylene(PP) fibers and superabsorbent polymers (SAP) which would facilitate autonomous healing and recover original mechanical and durability properties of mortar. Mechanical strength, sorptivity and water penetration of healed mortars were compared to that of undamaged mortar at same age to estimate recovery of original properties while crack sealing was investigated by means of optical microscopy. Experimental results show mortar with combination of PP fibers and SAP showed full recovery of mechanical strength after healing while recovery in durability up to 90% was recorded. Microscopic images show that average crack-sealing ratio of 85% could be achieved under moist condition by combination of SAP and PP fibers while sealing under drier air curing condition is also significantly higher than reference samples with only fibers. Crack width up to 330μm has been found to be completely sealed by carbonate crystals. Furthermore, mortar with SAP and PP fibers retain about 70% of their original 28-day strength after three cycles of loading while reference mortar samples were found to retain only about 40-50% of their original strength. Effective crack sealing and high recovery of original properties in mortars with SAP and fibers suggest that this material combination would reduce the need for environmentally damaging and expensive repairs during the service life.

연구 동기 및 목표

• 콘크리트 인프라의 수리에 소요되는 비용과 환경 영향을 줄이기 위해 수동 수리를 대체할 필요가 있다.
• 외부 간섭 없이 자가 치유 기능을 갖춘 케멘티셔스 재료를 개발한다.
• PP 섬유와 SAP의 상호보완적 조합을 통해 균열이 발생한 시멘트 모르타르의 기계적 강도 및 내구성 복원을 향상시킨다.
• 다양한 환경 조건(습윤 및 건조 수화)에서 하이브리드 시스템의 효과성을 평가한다.

제안 방법

• 제어된 투입 농도로 모르타르 혼합물에 폴리프로필렌(PP) 섬유와 수분흡수성 고분자(SAP)를 통합하였다.
• 광학 현미경을 사용하여 균열 봉합 효율성 및 치유된 영역의 형태를 분석하였다.
• 다중 하중 주기 이전 및 이후의 기계적 시험(압축 강도)을 수행하여 강도 복원도를 평가하였다.
• 수분 흡수도 및 물 침투 측정을 통해 수명 주기 후 내구성 복원도를 평가하였다.
• 수분 및 건조 조건에서 시험편을 수화시켜 환경 영향이 치유 성능에 미치는 영향을 평가하였다.
• 현미경 및 화학 분석을 통해 치유된 균열 내 탄산염 결정 형성 여부를 모니터링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PP 섬유와 SAP의 조합이 케멘티셔스 재료에서 자가 균열 치유를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 자기 치유 후 균열이 발생한 모르타르에서 기계적 강도 및 내구성이 얼마나 복원되는가?
• RQ3 환경 습도(습윤 대비 건조 수화)가 하이브리드 시스템의 균열 봉합 효율성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 자기 치유 메커니즘이 완전히 봉합할 수 있는 최대 균열 너비는 얼마인가?
• RQ5 사이클 하중 후 강도 유지율 측면에서 하이브리드 시스템은 섬유 전용 또는 SAP 전용 시스템보다 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• PP 섬유와 SAP를 포함한 모르타르는 수리 후 원래 손상되지 않은 대조군과 동일한 기계적 강도를 완전히 복원하였다.
• 수분 흡수도 및 물 침투 시험을 통해 내구성 복원도가 최대 90%에 도달하였다.
• 습윤 수화 조건에서 평균 균열 봉합 비율이 85%에 도달하였다.
• 탄산염 침전이 발생하는 수리 과정 동안 최대 330 µm의 균열 너비가 완전히 봉합되었다.
• 세 번의 하중 주기 후 하이브리드 모르타르는 원래 28일 강도의 약 70%를 유지하였으며, 이는 참고 샘플의 40–50% 유지율에 비해 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였다.
• 건조 수화 조건에서도 PP 섬유 전용 샘플보다 균열 봉합 효율이 뚜렷이 높아, 다양한 환경에서의 향상된 치유 잠재력을 시사하였다.