Behavior and Design of Superabsorbent Polymers in Concrete under Freezing and Thawing

Abstract

고흡수성수지(SAP)은 자기질량의 수십 혹은 수백배의 물을 흡수하는 재료로서 다양한 화학성분의 제품들이 존재하며 형태는 분말상(구형, 무정형), 필름상, 섬유 상 등 다양하다. SAP은 Jensen et al. 이 고강도 콘크리트에 내부로부터의 양생을 위한 water entraining admixture로 제안한 이후부터 콘크리트의 특성을 개선시키기 위한 목적으로 콘크리트에 혼입하는 재료로 주목을 받고 있다. 특히 SAP을 이용하여 콘크리트의 균열에서의 수분침투속도를 저감하는 연구와 콘크리트의 균열을 치유하는 연구들은 기대가 되는 주제로 많은 연구자들이 주목하고 있다. SAP은 공기연행제와 유사하게 콘크리트 내부에 공극을 형성시키는 특성으로 인하여 SAP을 혼입하여 동결융해 저항성을 개선시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 여러 연구결과들에서 SAP이 동결융해 저항성을 개선시키는 것으로 보고 되고 있으나 몇몇 연구들은 SAP이 오히려 동결융해 저항성을 악화시키는 것으로 보고되기도 하였다. 이 연구에서는 이렇게 논쟁이 되는 연구결과의 원인으로 굳은 콘크리트가 물에 노출된 상태에서 모세관 압력으로 수분을 흡수할 때의 SAP의 흡수거동에 주목하였다. 왜냐하면 SAP에 의해 형성된 공극이 SAP의 흡수현상으로 인해 물로 가득 차게 되면 동결 시 발생하는 모세관에서의 수압상승을 저감시켜 줄 수 없기 때문이다. 이 연구의 목적은 동결 시 굳은 콘크리트 속 고흡수성수지의 거동을 분석하고 동결융해 저항성 개선을 위하여 굳은 콘크리트 속 고흡수성수지를 최적화설계하는 것이다. 이 연구의 실험적 연구는 sodium polyacrylate SAP (SAP_SP)의 흡수율 실험에서부터 출발하였다. 흡수율 측정은 SAP_SP를 tea bag에 넣은 후 콘크리트의 공극수에 담궈 질량변화를 측정하는 방법과 SAP_SP를 혼입한 굳지 않은 모르타르의 유동성을 측정하는 방법을 사용하였다. 그리고 SAP_SP의 혼입율(0.1%, 0.2%, 0.3%, 시멘트 질량 대비)을 달리한 모르타르 샘플들의 모세관 수분 흡수력 시험을 실시하였고 같은 시편들에 대하여 4번의 동결융해 싸이클 동안의 변형률을 측정하였다. 그리고 동일한 SAP_SP 혼입율의 콘크리트 샘플에 대하여 동결융해 저항성 실험을 실시하였으며 외부표면 손상과 내부 손상을 측정하였다. 실험데이터를 분석한 결과 SAP_SP는 자신이 형성시킨 공극의 부피보다 (굳은 모르타르의 모세관 수분흡수 과정에서) 더 큰 부피의 물을 흡수하는 것으로 나타났다. 즉 SAP은 물을 흡수하면서 자신이 형성시킨 공극에 머물지 않고 주변의 공극이나 비교적 큰 capillary pore로 확장되는 것으로 보인다. 이러한 발견은 4번의 동결융해 싸이클 동안의 모르타르 샘플들의 변형률을 측정한 실험결과와 연결된다. SAP의 혼입율이 증가할 수록 동결 시 팽창변형률이 큰 기울기로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 팽창변형은 내부 손상과 직접적으로 관련이 있으며 외부표면 손상과도 관련이 있다. 콘크리트를 샘플로 한 동결융해 저항성 실험에서도 SAP의 혼입율이 증가할수록 내부 손상과 외부표면 손상이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 기존 연구들의 다수의 실험에서 SAP이 동결융해 저항성을 개선시킨다고 보고되고 있다. 이러한 경우는 SAP이 자신이 형성시킨 공극보다 (굳은 콘크리트의 모세관 수분흡수 과정에서) 작은 부피의 물을 흡수하여 동결 시 증가하는 수압을 저감시켜줄 공기로 찬 공간을 확보하기 때문인 것으로 판단된다. 이 연구에서는 굳은 콘크리트의 모세관 수분흡수과정에서 SAP과 SAP이 형성시킨 공극의 수분흡수거동에 대하여 물리화학적 이론을 도입하여 고찰하고 수학적 모델링을 제시하였다. 굳은 콘크리트의 모세관 수분흡수과정에서 SAP이 형성시킨 공극 속의 공기는 주변의 capillary pore를 채운 물에 의해 갇히게 된다. 공극 속의 공기는 주변의 capillary pore를 채운 물에 의해 상대습도가 100%에 가까워지고 capillary pore를 채운 물이 수증기가 되었다가 공극의 내부벽에 응결하거나 SAP에 의해 흡수될 것이다. 이 때 SAP의 수분에 대한 흡수율은 공극 속의 공기의 부피를 결정하게 된다. 한편으로 공극 주변의 capillary pore를 채운 물은 모세관 압력이 작용하므로 공극 속 공기의 압력도 SAP의 흡수율이 높을 수록 증가할 것으로 사료된다. 즉 SAP의 흡수율은 공극 속 공기의 부피와 압력을 결정하게 된다. O. coussy의 논문에 따르면 capillary pore 속 물의 압력을 저감시켜줄 한 개의 공극이 담당해야할 capillary pore의 영역을 기포간격계수로 결정하고 있다. 이렇게 결정된 한 영역의 capillary pore 속 물이 모두 얼음이 되면 H2O의 부피가 9% 증가하게 되며 이 증가된 부피를 한 개의 공극이 수용해야 한다. 따라서 기포간격계수와 SAP이 형성시킨 공극의 반지름 그리고 SAP의 흡수율을 변수로 하는 동결융해 저항성을 위한 수학적 모델이 성립된다. 한편 Powers의 논문에서는 한 개의 기포와 이 기포가 담당해야 하는 capillary pore 영역(마찬가지로 기포간격계수로 결정)과 관련하여 온도에 따른 capillary pore 속 물의 수압이 상승하는 수학적 모델링을 제시하고 있다. SAP의 흡수율에 따라 공극 속 공기의 부피와 압력이 결정되므로 Powers가 제시한 모델에서 SAP에 의해 형성된 공극에 대한 모델로 수정 및 발전시킬 수 있다. 이 모델은 기포간격계수, SAP이 형성시킨 공극의 반지름, 그리고 SAP의 흡수율을 변수로 온도에 따른 수압을 도출할 수 있다. 만약 SAP이 형성시킨 모든 공극의 반지름이 동일하고 공극간의 간격이 동일하다면 (간격이 기포간격계수의 2배), SAP이 형성시킨 공극시스템의 동결융해 저항성은 위의 두가지 모델을 함께 고려함으로써 판단할 수 있다. 두가지 수학적 모델을 한 개의 좌표계 상에 함께 나타내면 특정한 SAP의 흡수율에 대하여 최적의 공극반지름과 기포간격계수의 조합을 도출할 수 있다. 이러한 모델링을 통하여 얻은 결론은 SAP의 흡수율이 증가하면 SAP의 혼입율도 증가하여야 한다는 것과 SAP의 흡수율을 알면 최적의 공극반지름과 기포간격계수를 알 수 있다는 것이다.

Superabsorbent polymer (SAP) is a material that absorbs tens or hundreds of times its own mass, and there are various chemical products, and its shape varies in powder form (spherical, amorphous), film form and fibrous form. SAP has been attracting attention as a material to be mixed into concrete for the purpose of improving the properties of concrete since Jensen et al. proposed it as a water entraining admixture for curing from inside. In particular, researches to reduce the water penetration rate in the cracks of concrete and to heal the cracks of concrete using SAP have been the subjects of interest. Similar to air entraining agents, SAP has been actively researched to improve freeze-thaw resistance by incorporating SAP due to its characteristic of forming voids in concrete. Several studies have reported that SAP improves freeze-thaw resistance, but some studies have reported that SAP may worsen freeze-thaw resistance. As cause of these controversial results, this study focused on SAPs absorption behavior when hardened concrete absorbs water by capillary pressure. This is because when the pores formed by the SAP are filled with water due to the absorption of the SAP, the pressure rise in the capillary pore during freezing cannot be reduced. The aim of this study is analyzing the behavior of acrylic type SAPs in hardened concrete under freezing and designing the SAPs in hardened concrete for improving freeze-thaw resistance of concrete. The experimental study began with the absorption test of sodium polyacrylate SAP (SAP_SP). Absorption rate was measured by putting SAP_SP into a tea bag and immersing it in concrete pore solution to measure mass change and measuring flow when SAP_SP was mixed into fresh mortar. Capillary water absorption tests of mortar samples with different SAP_SP dosage (0.1, 0.2, and 0.3 mass % of cement) were performed and strains during the four freeze-thaw cycles were measured for the same specimen. Freeze-thaw resistance test was performed on concrete samples with the same SAP_SP dosage and salt scaling and internal damage were measured. Analysis of the experimental data showed that SAP_SP absorbed a larger volume of water during the capillary water absorption process of hardened mortar than the volume of pores formed. In other words, it appears that SAP_SP absorbs water and does not stay in the pores it forms, but rather expands into surrounding air voids or relatively large capillary pores. These findings correlate with the results of measuring the strains of mortar samples during four freeze thaw cycles. As the dosage of SAP_SP increases, the expansion strain during freezing increases with a large slope. The expansion is directly related to internal damage and salt scaling. In the freeze-thaw resistance test on concrete samples, the internal damage and salt scaling increased as the dosage of SAP_SP increased. However, many experiments in previous studies have reported that SAP improves freeze thaw resistance. In this case, it is believed that SAP absorbs a smaller volume of water in the process of capillary water absorption than the air voids that a SAP forms. In this study, mathematical modeling was proposed by introducing physical chemistry to the water absorption behavior of SAP and SAP-formed air voids during capillary water absorption in hardened concrete. In capillary water absorption in hardened concrete, the air in the void formed by SAP is trapped by the water filling the surrounding capillary pores. Therefore, the air in voids has close to 100% relative humidity by the water filling the surrounding capillary pores. The part of the water filled the capillary pore will be vapor and condensed on the inner walls of the air voids or be absorbed by the SAP. At this time, the water absorption rate of SAP determines the volume of air in the air voids. On the other hand, the water filled with capillary pores around the air voids is expected to increase the pressure of air in the air voids as the absorption rate of SAP increases. That is, the absorption of SAP affects the volume and pressure of air in the air voids. According to O. Coussys research work, the spacing factor (index of concrete freeze-thaw resistance) is used to determine the area of capillary pore that an air void must cover to reduce the pressure of water in the capillary pore. If all the water in the capillary pore in this area becomes ice, the volume of water will increase by 9%, and one air void must accommodate this increased volume. Therefore, the requirements for freeze-thaw resistance, which are based on the spacing factor, the radius of air voids formed by SAP, and the absorption rate of SAP, are established. On the other hand, the paper of Powers suggests a mathematical model that the pressure of the capillary pore increases with temperature drop in relation to one air void and the capillary pore area that one air void is responsible for. The area of capillary pore is also determined by the spacing factor. The absorption of SAP determines the volume and pressure of air in the air voids. Therefore, it can be modified and developed from the model proposed by Powers to the model of the air void formed by SAP. This model can derive the water pressure according to the temperature by using the spacing factor, the radius of air voids formed by SAP, and the absorbency ratio of SAP. If all the pores formed by SAP have the same radius and the spacings between air voids are the same, the freeze-thaw resistance of the air void system formed by SAP can be evaluated by considering the above two models together. When two mathematical models are presented together on one coordinate system, the optimal combination of air void radius and spacing factor can be derived for the specific SAP absorbency ratio. According to this modeling, as the absorption rate of SAP increases, the dosage of SAP should also increase. If the absorbency ratio of SAP is known, the optimum air void radius and spacing factor can be suggested to improve the freezing and thawing resistance of concrete with SAP.