1. 서    론

환경오염으로 인한 지구 온난화의 영향으로 세계적으로 이상 기후가 빈번하게 발생하고 있다. 1970년대 이후 온난화 영향권에 포함된 우리나라의 경우도 예외는 아니어서 국지성 폭우, 폭설 등으로 많은 인적, 사회적 비용의 발생이 크게 증가하고 있다(Kim et al. 2005; Lee et al. 2014). 특히, 도로 및 교량의 강설 및 결빙은 차량 정체를 유발하여 이용자에게 많은 불편함을 주며, 노면의 미끄러움으로 인해 교통사고를 유발하게 된다. 따라서 동절기 도로관리는 적설 및 결빙의 신속한 제거에 중점을 두어야 하며, 이에 가장 효과적인 방법은 제설제 살포이다. 현재 국내에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 제설제는 염화칼슘이며, 우리나라의 기후 변화에 따라 전국적으로 제설제의 사용량이 증가하고 있는 추세이다. 국내의 경우 한국도로공사에서는 2000년부터 습염살포방식(Pre-wetted salt spreading)을 채택하여 고속도로 일부 구간에서 시험운영을 하였으며, 현재 고속도로 전 구간으로 확대 운영하고 있다. 습염살포방식은 염화칼슘 수용액에 고체 염화나트륨을 적셔 살포하는 방식으로 염화칼슘 수용액의 속효성과 염화나트륨의 지속성을 병합하여 제빙성능을 향상시킨 살포공법이다. 하지만, 이와 같은 제설제 살포는 콘크리트 구조물의 손상을 유발시키는 단점을 가진다. 즉, 염화물이 용해된 노면수는 동결융해 작용으로 콘크리트에 열화 피해를 주고 있으며(Dai et al. 2010), 균열된 콘크리트 등으로 염소이온의 침투 및 내부 확산을 통하여 철근콘크리트의 구조물 경우 철근의 부동태 피막을 파괴하고 부식을 진행시키게 된다(Lee et al. 1998; Medeiros et al. 2008; Kwon et al. 2011). Fig. 1은 제설제 피해사례로 동해 및 염해의 복합열화로 인한 도로 시설물의 파손사례를 나타낸 것이며, 최근 사회적 문제로 대두되고 있어 이에 대한 해결방안 모색이 절실한 실정이다.

한편, 콘크리트의 내구수명 증가 및 열화방지의 목적으로 콘크리트 표면에 액상상태의 침투성 흡수방지재를 도포함으로서 별도의 보호층을 두지 않고 표층부 내구성을 향상시키기 위한 기술이 개발되고 있다(Shim et al. 2004; Maravelaki-Kalaitzaki 2007; Moradllo et al. 2008; Zhang et al. 2017). 이러한 기술은 기존의 표면보호재가 가지고 있는 박리, 박락으로 인한 2차적인 오염과 보호재로서의 기능상실 등의 문제를 해결할 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 국내에서 적용되고 있는 공법은 실란 및 실록산을 유기용제 혹은 물에 희석해서 침투형 코팅재로 개발하기 때문에 콘크리트 표면에 피막을 형성하거나 미세기공을 일부 채우는 정도의 효과만 있어 내구성이 낮은 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 연구에서는 제설제에 의해 발생될 수 있는 도로구조물의 열화피해를 저감하기 위해 도포되는 콘크리트 표면침투‧코팅용 흡수방지재로서 Polydimethylsiloxane(PDMS)의 물리적 특성 및 내구성능 평가연구를 수행하였다.

2. 사용재료 및 실험방법

본 연구에서는 콘크리트용 표면코팅용 흡수방지재의 물리적 성능 및 내구성능 평가를 위해 Table 1에 나타낸 시험조건 및 배합변수로 실험을 수행하였으며, 적용성 평가를 위한 콘크리트는 도로시설물에 일반적으로 사용되는 설계기준강도 24 MPa의 콘크리트를 제작하여 평가하였다.

2.1 사용재료

2.1.1 시멘트

본 연구에 사용된 시멘트는 KS표준의 품질기준을 만족하는 국내 S사에서 생산된 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다.

2.1.2 골재

본 연구에 사용된 굵은골재는 Gmax 25 mm의 부순골재를 사용하였으며, 잔골재는 5 mm 이하의 강사를 사용하였다. 사용된 골재의 품질특성은 Table 2에 제시하였다.

2.1.3 PDMS

콘크리트 구조물의 제설제에 대한 복합열화피해 저감을 위해 적용하는 흡수방지재로서, PDMS는 Polysiloxane을 기반으로 하여 콘크리트 미세기공을 코팅할 수 있도록 분자 크기를 제어하여 혼합물을 제조하였다. 본 연구에 사용된 PDMS 특성은 Table 3에 나타낸 것과 같다. Fig. 2에서는 PDMS를 도포한 콘크리트의 단면을 SEM분석한 결과로서, 콘크리트 조직에 침투하여 부착이 잘 되어있는 것으로 확인되었다.

2.1.4 혼화제

시멘트 분산작용에 의해 콘크리트의 성질을 개선시키는 혼화제로서, 국내 J사제품의 폴리카본산계 고성능 AE감수제를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 4와 같다.

2.2 실험방법

2.2.1 침투깊이 및 발수성능

PDMS의 최적배합 도출을 위해 KS F 4930 ｢콘크리트 표면 도포용 액상형 흡수방지재｣에 준하여 재령 28일의 콘크리트 시험편을 Fig. 3에 나타낸 순서에 의해 침투깊이를 측정하여 평가하였다.

2.2.2 내흡수성

PDMS의 수분침투 성능평가를 위한 내흡수성 시험은 KS F 4930 ｢콘크리트 표면 도포용 액상형 흡수방지재｣에 준하여 측정하였다. 제작된 시험체를 증류수 침지, 알칼리용액침지, 저온고온 반복 노출, 촉진내후 노출의 네가지 조건에 적용한 후, 내흡수성능을 평가하였다.

2.2.3 염소이온침투저항성

PDMS의 적용 콘크리트의 내염성 평가를 위하여 KS F 2711｢전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투저항성 시험방법｣에 준하여 평가하였다.

2.2.4 동결융해저항성

PDMS 적용 콘크리트의 동결융해저항성은 KS F 2456 ｢급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법｣의 B방법에 준하여 평가하였다. 세부 시험방법으로는 시험 공시체를 제작하여 23±2 °C의 수중에서 양생한 다음, -18∼+4 °C에서 1일 6 cycle로 하여 300 cycle까지 시험을 실시하였으며, 일정 cycle별로 질량감소율 및 1차 공명주파수를 측정하여 상대동탄성계수를 산출하였다.

2.2.5 복합열화

복합열화는 동해와 염해가 동시에 작용하여 콘크리트에 발생하는 열화로서 대체로 콘크리트의 박리현상을 유발한다. 따라서 복합열화를 평가하기 위한 방법은 복합열화 환경에 노출된 콘크리트의 표면을 관찰하거나 박리된 콘크리트를 누적하여 평가할 수 있다. 본 연구에서는 염화칼슘 3 % 농도 용액에 침지한 시험체 박스를 동결융해시험기 내부에 거치하여 동해와 염해에 동시 노출이 될 수 있도록 하였다(Fig. 5). 콘크리트 복합열화에 노출시킨 후 표면의 스케일링면적을 측정하고 스케일링 표면적과 전체 표면적의 비로서 나타내어 수치화하였다(Fig. 6).

2.3 시험체 제작

PDMS 적용을 위한 콘크리트의 배합설계는 현재 도로시설물용 콘크리트 및 관련 2차 제품에 일반적으로 사용되는 강도수준인 24 MPa으로 선정하였으며, 일선 관련 제품 생산시설에 사용되는 배합을 적용하여 배합설계를 수행하였다. 또한 콘크리트의 혼합은 충분한 작업성 확보를 위하여 트윈샤프트 믹서를 활용하여 Dry mixing 90초, 혼합수 및 혼화제를 투입하여 Wet mixing 120초간 실시하였다.

2.4 흡수방지재 도포 및 양생방법

10×20 cm의 원형 시험체를 제작하고, 온도 20±3 °C, 습도 80%의 양생실에서 21일간 양생 후, 온도 20±3 °C, 습도 50%의 양생실에서 7일간 양생하였다. 이 후 30 mm두께로 시험체를 절단 한 뒤 PDMS를 3가지 방법(브러쉬 BM, 스프레이 SM, 침지 IM)으로 도포하고 다시 온도 20±3 °C, 습도 50 %의 양생실에서 14일간 양생하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 침투깊이 및 발수성능

전체 배합조건에서 침투깊이는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 약 4.2∼7.22 mm 범위로 측정되어 표면보호용 흡수방지재의 품질기준 4 mm이상을 모두 만족하는 것으로 나타났다.

PDMS 적용기법별 침투깊이 특성을 분석해 보면, BM이 가장 낮은 침투깊이를 나타내었으며, SM과 IM은 유사한 침투성능을 나타내었다. 이는 브러쉬로 도포하는 것보다는 압력(1bar)으로 분사되는 스프레이 도포공법이 콘크리트 표면 침투형 코팅재의 원할한 침투를 가능하게 한 것으로 판단된다. 또한, IM은 일정시간동안 시험체를 코팅재 용액 속에 침지함으로서 충분한 침투가 가능한 것으로 사료되며, 동일 압력으로 일정하게 침투되어 시험체 간의 편차도 크지 않은 것으로 판단된다.

본 절에서 수행한 범위에서는 PDMS적용기법으로 IM이 가장 우수하며, SM이 함께 적용 가능한 것으로 확인되었다. BM은 일부 효과가 확인되었으나 실제 적용시에는 검증이 필효할 것으로 판단된다. 또한 IM은 공장 2차 제품 제조 시에 적용이 가능할 것으로 판단되나, 현장타설 콘크리트에는 적용이 불가하기 때문에 현장조건에 맞는 공법 선정이 필요할 것으로 판단된다.

3.2 내흡수성

내흡수성 시험은 KS F 4903 ｢콘크리트 표면 도포용 액상형 흡수방지재｣에 준하여 측정하였다. 시험체 제작 및 PDMS 적용 후, 시험체별로 표준상태, 내알칼리성 시험후, 저온고온반복저항성 시험후, 촉진내후성 시험후 각각 내흡수성을 측정하여, PDMS를 적용하지 않은 Plain과의 흡수량을 비교하여 평가하였다.

평가결과는 Fig. 8에 나타낸바와 같다. 전체 배합조건에서 KS F 4930에서 제시하는 기준(표준, 내알칼리성, 저온고온반복시험후: 0.1이하, 촉진내후성 시험후: 0.2이하)을 만족하는 것으로 나타났다.

PDMS 적용하지 않은 Plain의 경우 물 흡수량이 1.50∼1.86 kg/m²로 높은 흡수량을 나타내지만, PDMS 적용 후에는 0.04 kg/m²로 흡수량이 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 콘크리트 표면침투형 코팅재가 콘크리트 내부의 미세공극을 코팅하여 표면 보호층을 형성함으로서 수분의 침입(발수성)을 막아 나타난 현상으로 판단된다.

KS 기준에서 제시된 평가방법으로 흡수방지재 도포 유무에 따른 물흡수계수비 계산결과, 표준상태 및 내알칼리 시험 후의 경우 BM 경우에만 흡수계수비가 0.3으로 나타났고, SM과 IM의 경우 0.2로 우수한 내흡수성을 나타내었다. 저온고온반복시험 후 및 촉진내후성 시험 후 물흡수계수비가 적용기법별로 모두 0.03으로 나타나 KS 기준을 모두 만족하였다.

3.3 염소이온침투저항성

염소이온 침투저항성 실험결과는 Fig. 9에 나타내었다. PDMS을 적용하지 않은 경우 3,174∼4,043 쿨롱의 범위를 나타냈다. PDMS 적용에 따른 내염성 평가결과, 모든 PDMS 적용방법에서 PDMS를 적용하지 않은 경우(Plain)에 비하여 매우 우수한 내염성을 나타내는 것으로 확인되었으며, BM의 경우는 Plain대비 69∼86 % 수준의 통과전하량을 나타냈고, SM 및 IM의 경우는 각각 43.0∼47.4 %, 41.7∼46.0 %의 통과전하량을 나타냈다. 따라서 PDMS의 적용방법 중 BM의 경우가 적용에 따른 내염성 개선효과가 가장 작은 것으로 나타났고, SM 및 IM의 경우는 Plain대비 2배 이상의 내염성능 개선효과가 있는 것으로 나타났다. 이와 같이 적용방법별에 따른 성능개선차이가 발생하는 이유는 적용방법별에 따른 인적요인 및 공법특성 차이에 의하여 PDMS의 코팅정도 및 침투정도가 상이했기 때문으로 판단된다.

3.4 동결융해저항성

동결융해저항성 실험결과 콘크리트의 내동해성 개선에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 콘크리트 내부에 연행되는 미세연행공기의 역할인 것으로 나타났다. Fig. 10과 같이 AE제의 적용 여부에 따라 콘크리트의 내동해성은 전 강도범위에서 확연한 특성차이를 나타내 AE제를 적용하지 않은 경우는 급격한 상대동탄성 저하경향을 나타냈으며, 50 cycle 이후부터는 빙압에 의한 콘크리트의 박리박락 및 스케일링이 발생하기 시작하여 100 cycle 이후에는 상대동탄성계수의 측정이 불가능할 정도로 콘크리트가 심하게 붕괴되는 것으로 나타났다. 하지만 AE제를 혼입한 경우는 PDMS 적용조건에서 일정 수준의 내동해성을 확보하는 것으로 나타나 300 cycle 후 상대동탄성계수가 92.7∼94.1 % 정도의 상대동탄성계수를 나타냈다.

PDMS의 적용방법별에 따른 내동해성 특성은 PDMS를 적용한 경우가 우수한 내동해성을 확보할 수 있는 것으로 나타났으며, 그 정도는 내염특성 분석의 개선효과보다는 작은 것으로 나타났다. 이는 AE제를 적용한 콘크리트는 미세공기연행효과에 의해 일정 수준의 내동해성을 확보함으로서 PDMS 적용에 따른 효과가 상대적으로 작게 나타난 것으로 판단된다. 또한 동결융해시험 결과만을 고려할 경우 AE제를 적정량 혼입함으로서 콘크리트의 내동해성 확보가 가능한 것으로 판단된다. 그리고 적용방법별에 따른 특성도 AE제를 적용할 경우 유의할 만한 공법별 성능차이를 나타내지는 않는 것으로 확인되었다.

3.5 복합열화

PDMS의 적용 여부에 따른 복합열화 시험결과는 Table 6에 나타내었다. 복합열화 수행 200 cycle 경과한 후, PDMS를 적용한 모든 강도의 시험체에서는 초기와 같은 건전한 시험체 표면적을 유지하고 있었으나 Plain의 경우, 원주표면적이 모두 스케일링되어 골재가 드러나 있는 형태를 나타내 비교적 큰 흡수율을 지닌 콘크리트 내부를 노출함에 따라 열화가 더욱 가속화 되었다. 표면 전체에 골재가 완전히 노출되어 열화가 건전한 표면으로 전이될 가능성이 높은 것으로 판단된다. 따라서 Plain 시험체는 모두 복합열화에 매우 취약한 특성을 보이는 것으로 정리할 수 있다. 반면, PDMS를 도포한 모든 시험체는 스케일링 현상이 발생되지 않은 매우 우수한 복합열화 저항특성을 나타내는 것으로 측정되었으며 복합열화 요인과 같은 수분, 염소이온 등에 취약한 저강도 영역 콘크리트에서의 열화요인 차단효과가 우수한 것으로 판단된다.

4. 결    론

본 연구에서는 도로시설물에 적용되는 콘크리트의 제설제 피해저감을 위하여 표면침투‧코팅용 흡수방지재로서 PDMS를 적용한 콘크리트의 물리적 특성 및 내구성능을 분석하였으며, 본 연구 범위에서의 결과는 다음과 같다.

1)PDMS의 콘크리트 적용기법 분석을 위해 SM, BM 및 IM에 대한 침투깊이를 분석한 결과, PDMS적용기법으로 IM이 가장 우수하며, SM이 함께 적용 가능한 것으로 확인되었다. IM은 공장제품(2차제품) 제조시에는 적용 가능할 것으로 판단되나 현장타설 콘크리트의 경우 적용이 불가하기 때문에 현장조건에 적절한 공법 선정이 필요하다

2)내흡수성 평가결과 모든 조건(표준, 내알칼리성 시험후, 저온고온반복 저항성 시험후, 촉진내후성 시험후)에서 KS F 4930에서 제시하는 기준인 0.1이하를 만족하는 것으로 나타나 내흡수성은 우수한 것으로 판단된다.

3)염소이온침투저항성 실험결과, PDMS 적용으로 Plain대비 매우 우수한 내염성을 나타내는 것으로 확인되었으며 PDMS의 적용방법 중 BM의 경우가 적용에 따른 내염성 개선효과가 가장 작은 것으로 나타났고, SM 및 IM의 경우는 Plain대비 2배 이상의 내염성능 개선효과가 있는 것으로 나타났다.

4)내동해성 평가결과, PDMS를 적용한 경우가 우수한 내동해성을 확보할 수 있는 것으로 나타났으며, 그 정도는 내염특성 분석의 개선효과보다는 작은 것으로 나타났다. 이는 AE제를 적용한 콘크리트는 미세공기연행효과에 의해 일정 수준의 내동해성을 확보함으로서 PDMS 적용에 따른 효과가 상대적으로 작게 나타난 것으로 판단된다.

5)복합열화에 시험결과, 염해 및 동결융해를 동시에 노출하는 조건에서 PDMS를 적용하지 않은 기존의 콘크리트는 염해 및 동해의 동시작용에 의해 표면 스케일링이 발생하였으나 PDMS를 적용한 경우는 표면 스케일링이 관찰되지 않아 PDMS 적용을 통해 매우 우수한 복합열화 저항성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.