1. 서    론

최근 국토 확장과 수상 공간 창출을 위한 부유 구조물 개발에 대한 연구가 늘어나는 추세이다.¹⁾ 이러한 부유 구조물은 과거 일본에서 해양 및 조선 분야뿐만 아니라 해상 공항 개발을 위하여 Shipbuilding Research Center of Japan에서 본격적으로 연구 된 바 있다.²⁾ 그러나 이러한 규모의 대형 부유체를 제작할 경우 제작비용이 크고, 해상 환경으로 인한 부식에 대한 위험이 높아진다. 또한, 해상에서는 육상보다 유지보수가 까다로운 점이 있으므로 제작 및 유지보수 단가를 절감하기 위하여 부유체를 강재로 제작하는 것보다 콘크리트로 제작하는 것이 유리할 것으로 보인다. 따라서 해상 부유식 구조물을 콘크리트로 제작하는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.³⁾

이와 같은 콘크리트 부유 구조물은 기존에 사용된 바 있으며 이에 대한 특허 또한 존재한다.⁴⁾ 다만 콘크리트 부유체의 제작 작업은 현장 시공이 불가능하여 프리캐스트 콘크리트 모듈 접합 공법을 활용하는 것으로 진행되고 있다.⁵⁾ 이 공법을 현실화하기 위해 연구되고 있는 방안은 모듈을 해상으로 인양하여 프리스트레스력을 도입하는 방법과 추가적인 접합재를 이용하여 가접합하는 방법이 있다.

그러나 파력 및 풍력이 작용하는 해상 환경에서의 콘크리트 모듈 간 접합 작업에서 모듈 간 충돌사고나 프리스트레싱 텐던 삽입 및 긴장과정에서 시공오차가 발생할 수 있다. 특히, 시공 단계에서 접합부 콘크리트가 파손되어 접합면의 단면 손실이 발생할 경우 모듈 간 하중 전달량의 오차로 인한 균열발생과 수분침투로 보강 철근 및 프리스트레스 텐던의 부식이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 콘크리트 모듈 간의 효율적 접합을 위한 기술이 개발되고 있으며, 특히 긴장력 도입 이전 단계에 가접합을 도입하는 방안이 모색되고 있다.⁶⁾ 가접합은 충분한 성능을 가진 접합 재료를 이용하여 프리스트레싱 이전에 모듈간 접합을 실시하는 것이다. 또한, Kim et al.은 일반 구조용 에폭시 및 수중 함침 및 프라이머용 에폭시를 이용하여 모듈 간 가접합 재료를 비교 검토한 바 있으며, 기존 섬유보강폴리머(Fiber reinforced polymer, FRP)를 바탕으로 구조물 보수, 보강용 수중용 에폭시를 개발하였다.⁷⁾

수중용 에폭시는 시공성 확보를 위하여 고 점성으로 개발되었으나, 필요한 A제와 B제 간의 혼합 과정에서 내부 공극이 많이 발생하여 설계 강도의 오차가 발생할 수 있다. 또한, 공극 내 잔존 수분에 의한 동결융해 파괴가 발생할 가능성이 높다. 접합면에서는 수중용 에폭시와 콘크리트 사이에 존재하는 공극에 의해 접합 면적이 감소하여 접합 성능과 연속성(Homogeneity)이 감소될 수 있다. 이러한 에폭시/콘크리트 부착면에서 발생하는 문제는 접합된 부재의 성능 저하를 불러오게 되므로 개선 방안이 요구된다.⁸⁾ 수중용 에폭시 내부와 접합면에 존재하는 공극을 줄일 수 있는 방안으로 에폭시 자체 성능을 개선하는 것이 검토되고 있다.

이에 대한 해결 방안으로 수중용 에폭시의 공극을 채울 수 있는 미립 재료를 filler로 사용하는 방법이 있다. Filler 투입방법은 육상 환경에서 사용되는 에폭시에 적용되고 있으며 고 점성 에폭시 내에 발생하는 공극을 고체 입자로 채움을 실시하여 내부구조 안정성을 증가시키는데 효과가 있다.⁹⁾ 그러나 수중용 에폭시에 filler를 적용하는 것은 추가적인 연구가 필요한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 기존 수중용 에폭시 재료의 공극을 채움하고 해수에 의한 영향을 줄이기 위하여 적은 양의 SiO₂계열 마이크로 실리카(Micro-silica, MS)를 기존 수중 에폭시 배합에 혼입하고 혼입량에 따른 성능 평가를 실시하고자 한다. 마이크로 실리카의 혼입량을 에폭시 A제 중량 0, 1, 2% 만큼 혼입하여 압축, 인장, 부착, 전단인장부착, 전단부착강도를 측정하고자 한다. 또한, 에폭시의 점성을 조절하기 위하여 이관능성 에폭시 실란제(A제)와 아민계 경화제(B제)의 혼합비를 조절하여 재료 성능을 검토, 분석한 후 마이크로 실리카 혼입에 따른 수중용 에폭시의 성능 변화를 평가하고자 한다. 이를 통해 수중용 에폭시의 성능을 유지시킬 수 있는 최적의 혼합비율을 도출하고자 한다. 마이크로 실리카 혼입 수중용 에폭시(Micro-silica mixed aqua-epoxy, MSAE)의 콘크리트 접합 성능을 평가하기 위해 무보강 콘크리트 부재 접합성능 실험으로 MSAE 해상 콘크리트 부유체의 가접합 적용성을 평가하고자 한다.

2. 연구 방법

본 연구에서는 C사의 수중용 에폭시에 마이크로 실리카를 혼입하고 점성을 조정하여 부유체 module에 적용 가능한 MSAE를 개발하고자 한다. 점성에 따른 성능 변화의 경우 수중용 에폭시의 A제와 B제의 기본 혼합 비율(1:0.88)에서 B제의 비율을 중량비 ±5, ±10%만큼 조절한 배합비로 타설한 시편의 재료 성능을 검토한다. 또한, 마이크로 실리카 혼입에 따른 성능 평가를 위해서 수중용 에폭시의 정량 조합을 중량비 1~4%로 혼입한 배합비로 타설한 시편의 재료 물성 실험을 실시한다. 위 실험 결과로 도출된 최적 혼합 비율의 수중용 에폭시를 이용하여 100×100×190mm 무보강 콘크리트 모듈 시험체를 제작하고 MSAE로 수중에서 접합한다. MSAE가 경화된 후, 3점 하중 재하 실험을 실시하여 최대 강도, 파괴 형상, 파괴면 형상 및 단면에 대한 검토 및 분석을 실시한다.

3. 재    료

3.1 수중용 에폭시

이번 연구에서 사용된 수중용 에폭시는 Kim et al의 연구에서 개발된 재료의 점도를 조정한 것이다.¹⁰⁾ 일반적으로 수중용 에폭시는 수중 구조물 보수·보강에 사용되는 FRP 접착제로 사용되며, 충분한 안전성과 내구성을 갖춘 재료이다.¹¹⁾ 수중용 에폭시는 Fig. 1(a)와 1(b)와 같은 화학 구조를 가진 각각의 에폭시 실란트 A제와 아민계 경화제인 B제의 비율을 조정한 재료이며, 점도는 5400 cps에서 30000 cps 이상이다. 주제와 경화제의 혼합으로 인한 경화 반응의 메커니즘은 Fig. 2와 같으며 A제의 주성분인 에폭시 실란(silane)이 B제와 반응하여 경화체를 형성하여 에폭시 실란(silane)에 함유된 커플링 경화반응을 유도한다. 이를 통해 에폭시와 콘크리트 면에서 결합이나 에폭시 자체의 경화반응에 의한 콘크리트와의 접합력이 증가한다. 수중용 에폭시의 각 구성 성분 및 각 역할은 Table 1에 나타나 있다.

3.2 마이크로 실리카 및 효과

본 연구에서 사용된 SiO₂ 계열 마이크로 실리카는 액상 규산에 산을 첨가하여 만들어진 실리카 졸이 산(acid)으로 탈수, 축합 반응을 일으켜 Si-O-Si 3차원 망상 구조를 미분화한 것이다. 이 재료는 일반적으로 콘크리트 혼화재로 사용되는 Silica fume에 비하여 SiO₂ 비율이 높아 백색을 띄며 Fe, Al과 같은 금속 성분이 상대적으로 덜 포함되어있어 무게가 비교적 가볍고 반응이 적다.¹⁰⁾ 그러므로 Silica fume에 비하여 에폭시 내부 및 콘크리트와 에폭시의 계면을 충진하는데 더 효율적일 것으로 판단된다. Table 2는 연구에서 사용된 마이크로 실리카의 화학적 조성을 나타낸 것으로 각 물질 별로 최대치 및 최소치를 표시한다.

3.3 콘크리트

무보강 모듈 제작에 사용된 콘크리트는 Table 3과 같이 목표 강도 30 MPa, 슬럼프 12 cm로 설계되었다. 연구의 목적이 수중용 에폭시와의 접합면에서의 성능을 평가하기 위한 것임을 고려하여 콘크리트 모듈 내에서 전단파괴가 일어나지 않도록 하였으며, 접합면이 되는 단부에서 발생 가능한 콘크리트면 공극을 감소시키기 위하여 충분한 유동성을 확보하였다. 28일 압축 강도는 평균 31.2 MPa로 측정되었다.

4. 최적 마이크로 실리카 혼입율 도출

4.1 실험 개요

수중용 에폭시의 A제:B제 정량 배합 기준인 100:88에 마이크로 실리카를 1~4%를 혼입한 시편의 인장강도 실험을 통해 마이크로 실리카 혼입률에 따른 성능 변화를 평가하였다. 또한, 최적 마이크로 실리카 혼입률에 대한 최적 주제-경화제의 배합 비율을 도출하기 위하여 점도 조절을 실시하여 실험을 실시하였으며 실험결과를 바탕으로 최적 배합을 선정하였다. 점도 조절은 에폭시 주제의 비율을 ±5%, ±10%로 조절하고 이에 대한 재료 실험을 실시하였다. 재료 실험 항목은 Table 4와 같다.

4.2 마이크로 실리카 혼입량 평가

연구에서 사용된 수중용 에폭시는 점도가 33000 cps로 매우 높기 때문에 마이크로 실리카의 혼입에 따른 혼합성이 저하될 수 있다. 따라서 최대 혼입율을 4%로 제한하였다. 인발부착강도 시험은 ASTM C 882-91에 따라 실시하였다. Table 5에서 보는 바와 같이 시험 결과, 강도 차이가 오차범위 내로, 마이크로 실리카 혼입에 따른 부착강도의 변경효과는 없는 것으로 판단되었다. 마이크로 실리카 혼입에 따른 성능 증가가 존재할 수는 있으나 부착강도 값이 비교적 적어 MS혼입에 따른 성능변화는 나타나지 않은 것으로 판단된다. 그러나 파괴 형상에 변화가 없으며 혼입율 변화에 따른 성능 저하가 실질적으로 발생되지 않았으므로 MS는 적용 가능한 것으로 보인다. 단, 3~4%의 MS가 혼입될 경우 혼합성이 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있었다. Table 6의 인장강도 실험 결과 또한 미소한 차이를 보였다. MS가 혼입되지 않은 수중용 에폭시 인장강도가 43.5 MPa일 때, 1%를 혼입한 경우 42.9 MPa로 0.6 MPa 감소, 2% 혼입 시 44.2 MPa로 0.7 MPa 향상되었다. 3%, 4%를 혼입한 경우 각각 43.0 MPa, 42.9 MPa로 감소하였다. 하지만 각 시험체 간 성능편차가 크지 않으므로 MS 혼입에 따른 성능 증가는 발생하지 않은 것으로 평가되며, 마이크로 실리카의 혼입비율이 3%를 초과할 경우 작업성이 극단적으로 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과는 MSAE의 개발에 있어 MS의 역할은 micro-filler로 한정되며, 수중용 에폭시의 성능 역시 유지되는 것을 확인하였다.

4.3 마이크로 실리카 혼입에 따른 성능 평가

성능평가를 위해 2%의 MSAE 주제 및 경화제 배합 비율 변화로 점도를 조정하며 재료 성능을 평가하였다. 정량, ±5%(A제), ±10%(A제)로 구성된 5가지 배합과 여기에 MS 2%를 혼입한 5가지 배합을 추가하여 총 10개 배합에 대한 성능 검토를 실시하였다. 시험 항목은 인장강도(T), 압축강도(C), 인장전단 부착강도(ST), 인발부착강도(BS), 접착강도(B)이며, 인발부착강도 시험에서는 파괴형상을 관찰하였다.

Table 7은 시험항목에 대한 결과를 나타낸 표이다. MSAE는 정량 배합한 수중용 에폭시에 비해 성능 저하가 나타나지 않았으며, 수중용 에폭시의 주제(A)와 경화제가 화학반응을 통해 경화체를 생산함으로서 점도의 변화와 무관하게 최대 성능을 나타내었다. MS 혼입에 따른 성능은 인장강도 5%, 압축강도 1.2%, 인장전단부착강도 0.9%, 부착강도 4% 향상되었으며, 인발부착강도의 경우 8%의 증가량을 보임과 동시에 부착면에서의 파괴가 발생됨을 확인할 수 있었다. 다만, 증가량은 실험 오차일 가능성이 있지만 MS 혼입이 수중용 에폭시의 접합성능에 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

5. MSAE 콘크리트 구조부재 접합 성능 평가

5.1 실험 개요

MSAE의 콘크리트 모듈 접합 성능을 평가하기 위해 구조실험을 수행하였다. Fig. 5와 같이 100×100×190 mm 무근 콘크리트 모듈을 제작하여 20°C, 상대습도 60%의 환경에서 28일간 기중양생 시켰으며, 28일 평균 압축 강도는 30 MPa였다. MSAE접합은 수중환경에서 5, 10, 20 mm 두께로 주입 또는 도포하였다. 24시간 기중(20°C, 60 RH%) 및 수중(18°C)에서 경화 후 Fig. 6과 같이 왼쪽에서부터 지간(360 mm) 1/3지점에서 재하하였다. 실험변수는 Table 8에 나타내었다.

5.2 구조부재 실험 결과 및 분석

MSAE의 콘크리트 모듈 접합 성능을 평가하기 위한 부재실험 결과를 Fig. 8과 Table 8에 나타내었다. AE5, AE10, AE20은 각각 12.74, 14.14, 10.92 kN, 마이크로 실리카가 혼입된 MSAE5, MSAE10, MSAE20은 각각 21.78, 23.15, 14.25 kN으로 AE에 비해 약 60% 이상 성능이 향상되었으며, 두께 10 mm에서 최적 성능을 보였다. 수중양생조건에 따른 성능 변화는 MSAE5-MSAE5(w) 간 1.7%, MSAE10- MSAE10(w) 간 1.7%로 미소하게 나타났으며, MSAE20-MSAE20(w) 간에서만 8.9%로 발생되었다. MS 혼입에 따른 성능변화는 MS 혼입량 2%인 수중용 에폭시의 사용으로 인해 콘크리트-AE 간 접합면적이 증가하였으며, 수중에서 작업할 경우 에폭시의 성형이 어려워 표면처리를 하지 않은 콘크리트 계면에서 공극이 발생하기 쉽기 때문이다. 이러한 공극은 계면 부착면적을 저하시켜 전체 부착력(net bond stress)을 저하시켜 부착파괴가 발생하게 된다. 반면, Fig. 9에서 보는 바와 같이 MS로 미세 공극을 채울 경우, 계면 부착면적과 부재의 연속성이 증가하게 되어 성능이 향상되는 것으로 판단된다. Fig. 10은 계면에서 발생한 공극을 MS로 채우지 못한 시편과 채운시편을 보여주는 그림이다. 이러한 MS 채움효과로 Fig. 10(a) 계면 탈락 파괴에서 Fig. 10(b) 계면 에폭시 인장파괴로 전환되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 공극 감소는 실제 구조물의 수중 접합 시 내부 수분을 줄이는 효과가 있으므로 동결융해 저항성을 추가적으로 확보할 수 있을 것으로 보인다.

그러나 접합두께가 10 mm를 초과할 경우 MS 혼입효과는 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 이는, MS 혼입이 접착면적의 증가에 효과가 있을 뿐 AE 자체 접착강도에는 효과가 없음을 나타내며, AE　접착면　두께가 증가할수록 계면 공극 감소로 인한 부착성능 효과가 줄어든다는 것을 말한다. 따라서, 추후 접합모듈 형상과 MSAE 접합두께 간 상관관계에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.

6. 결    론

이번 연구에서는 마이크로 실리카를 혼입한 최적 수중용 에폭시를 개발하고 콘크리트 모듈 접합을 위한 재료로서의 접합성능 평가를 실시한 결과는 다음과 같다.

1)시공성이 확보되는 마이크로 실리카 혼입량을 선정하기 위해 마이크로 실리카를 1~4% 혼입하여 수중용 에폭시에 대한 인발부착강도, 인장강도 시험을 실시한 결과, 혼입율 2%에서 강도 44.2MPa로 그 성능이 가장 뛰어난 것으로 확인되었다.

2)주제:경화제 비율 변수로 시험체를 제작하여 인장강도, 압축강도, 인장전단 부착강도, 인발부착강도, 접착강도 시험결과에서 주제:경화제 100:88 비, MS 2% 혼입율은 수중용 에폭시 자체 성능에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.

3)개발된 MSAE의 콘크리트 모듈 접합 성능을 평가하기 위해 수중접합한 시험체를 3점 재하한 결과에서 MS 혼입에 따른 에폭시 내부 및 계면의 미세 공극 감소로 인해 MSAE로 접합한 시험체의 최대하중이 일반 AE로 접합한 시험체보다 60% 이상 높게 나타난 것을 확인하였다.

4)접합두께가 증가할수록 마이크로 실리카 혼입 효과가 감소하는 이유는 MS 혼입으로 계면 접합 면적이 증가하여 부착력을 향상시킬 뿐, 수중용 에폭시 자체의 부착력을 증가시키지 않으므로 모듈 형상과 접합두께 간 상관관계에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.