1. 서    론

국내에서는 교면포장 재료로서 아스팔트 및 콘크리트 계열 포장이 주류를 이루고 있다(Jeon et al. 2017). 공용기간 중, 콘크리트 포장은 아스팔트 포장에 비하여 생애주기비용을 고려한 경제성이 우수하여 사용이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다(Cho et al. 2001; Won et al. 2005). 아스팔트 교면포장은 조기파손, 균열, 침하 등이 발생하고, 잦은 보수보강으로 유지관리상의 문제점이 심각하게 제기되고 있다. 또한, 콘크리트 교면 포장의 경우, 국부적인 균열, 파손, 염화물 침투로 철근부식 및 교량 상부 슬래브의 열화를 촉진시켜 내구성 저하에 큰 영향을 미치게 된다(Kim et al. 2001). 라텍스 개질 콘크리트(Latex Modified Concrete, LMC)는 일반 콘크리트에 라텍스 수지를 첨가하여 염화물 및 수분 침투성능 및 휨강도가 우수한 특성을 발현하는 재료이다(Yun et al. 2001). 시멘트 매트릭스 내부에 존재하는 10∼1,000 nm 사이즈의 공극은 장기적인 손상의 원인으로, 100 nm의 입자크기를 가지는 라텍스 폴리머가 내부의 공극을 효과적으로 충전하게 되어 콘크리트 조직의 내투수성과 수밀성이 우수하고 재료의 내구성을 증진시킨다(American Concrete Institute Committee 2003; Choi et al. 2010). 교면 포장공법으로 현재 가장 많이 이용되는 LMC 포장은 장기간의 양생기간이 필요한 단점을 가지고 있어 신규 교면포장에는 적용이 가능하지만, 공용중인 교량의 보수공법으로는 부적절하다. 이러한 단점을 보완하기 위해 개발된 VES(very early strength)-LMC 공법(Choi et al. 2008)은 빠른 속경성으로 인해 보수 공법으로 주로 이용되고 있으나 재료 자체의 높은 수화열 및 건조수축으로 인하여 균열이 발생하는 등의 문제점을 가지고 있다. 이 연구에서는 이러한 문제를 극복하면서 재령 24시간에 교통개방이 가능한 라텍스 개질 콘크리트를 개발하기 위하여 CSA(calcium sulfo aluminate) 기반의 분말형 혼합재를 개발하였다. 이 논문에서는 개발된 분말형 혼합재를 CSA계 혼합재라 간략히 칭한다.

예비배합을 통해 결정된 물-결합재비(W/B)와 잔골재율(S/a)을 적용한 콘크리트 배합에 라텍스 혼입량 및 CSA계 혼합재 대체율에 따른 재료의 성능평가 시험을 수행하였다. 이를 위하여 압축, 휨, 부착 강도특성을 평가한 후, 염소이온침투저항성, 동결융해저항성, 촉진탄산화 시험을 수행하여 내구성능을 검증하였다.

2. 사용재료 및 시험 방법

2.1 사용재료 및 배합

2.1.1 시멘트 및 골재

결합재로서 밀도 3.14 g/cm³, 분말도 3,495 cm²/g의 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다. 물리 화학적 성질은 Table 1과 같다. 또한, 잔골재는 표건밀도 2.60 g/cm³ 흡수율 1.59 %의 5 mm 강사를 사용하였으며, 굵은 골재로는 표건밀도 2.69 g/cm³ 흡수율 0.79 %인 20 mm 쇄석을 사용하였다. 각 재료의 물리적 성질은 Table 2와 같다.

2.1.2 라텍스(Latex)

LMC용 라텍스는 D사의 Styrene-Butadiene 계열 제품을 사용하였다. 밀도는 1.02 g/cm³, 고형분 함유량은 48 %이며, 재료의 물리 화학적 특성은 Table 3에 표기한 바와 같다.

2.1.3 CSA계 혼합재

라텍스 개질 콘크리트의 속경성 확보는 CSA를 기반으로 촉진제, 지연제, 고강도 혼합제 등의 혼화재료를 포함하고 있는 분말형 혼합재를 개발하여 사용하였다. 예비 배합에서 결정된 조성비는 다음 Table 4에 나타낸 바와 같다.

2.1.4 배합조건

이 연구에서는 예비배합 시험을 통해 결정된 물/결합재비(W/B) 37 %, 잔골재율(S/a) 52 %를 적용하였다. 라텍스 혼입비율은(L/C) 시멘트량 대비 라테스 비율로서 0 %, 5 %, 10 % 및 15 %로 정하였으며, CSA계 혼합재 대체율(A/C)은 0 %, 10 %, 15 %로 정하였다. 배합은 Table 5에 나타낸 바와 같다.

2.2 시험방법 및 시험체 제작

2.2.1 압축 및 휨강도

압축강도 시험은 100×200 mm 원주형 공시체를 KS F 2405 기준에 따라 제작하였고, 휨강도 시험은 KS F 2408 기준에 따라 100×100×400 mm 각주형 공시체를 제작하였다. 압축강도 및 휨강도 공시체는 각 배합별로 9개씩 제작한 후, 재령 1일, 7일, 28일 동안 기건 양생을 실시하였고, Fig. 1과 같이 만능재료시험기를 이용하여 각 재령에서 강도측정을 수행하였다.

2.2.2 부착강도

교면포장 보수 시 기존 콘크리트 슬래브와 보수재료간의 부착 성능 확보가 중요한 기준이다. 따라서 본 연구에서는 부착강도 측정을 위하여 300×500×200 mm 크기의 배합강도 40 MPa 콘크리트 모체를 제작하였다. 콘크리트 모체는 재령 28일에 50 mm 두께의 라텍스 개질 콘크리트로 덧씌우기하여 실제 시공조건과 유사한 조건으로 진행하였다. 24시간의 양생 후, 부착강도 성능평가를 진행하였다(Fig. 2). 성능 평가는 ASTM C 1583-04 기준에 따라 수행하였고, 16 kN 용량의 부착강도시험기를 이용하여 측정하였다.

2.2.3 염소이온 침투 저항성

라텍스 개질 콘크리트의 염소이온 침투 저항성능을 평가하기 위하여 KS F 2711 기준에 따라 시험을 수행하였다. 이를 위하여 100×200 mm의 원주형 공시체로 제작된 시험체로부터 직경 100 mm의 콘크리트 공시체를 길이가 50 mm가 되도록 시편을 채취하였고, Fig. 3과 같이 (-)극에는 3 %의 염화나트륨 용액, (+)극에는 0.3 N 수산화나트륨 용액을 채워 진행하였다. 6시간 동안 60±0.1 V 의 전압을 안정적으로 가하면서 30분마다 전류를 측정하였고, 통과전하량인 Q(Coulombs, C)를 식 (1)을 이용하여 계산하였다. 식 (1)에서 I_n은 시험 시작후 n분 경과하였을 때의 전류이다. 또한, 시험 종료 후, 시편의 염소이온 침투 깊이를 측정하여 침투깊이에 따른 확산계수를 함께 평가하였다.

       (1)

2.2.4 촉진탄산화

촉진탄산화 시험을 위한 시험체는 KS F 2584 기준에 따라 촉진탄산화 시험기(Fig. 4)를 이용하여 수행하였으며, 100×100×400 mm 각주형 공시체를 각 배합별 3개씩 제작하였다. 몰드 탈형 후 재령 28일간 기건양생을 진행하였다. 공시체의 탄산화 깊이 측정을 위하여 측정면을 제외한 나머지 단면을 에폭시로 도포하여 재령 1주, 4주 후에 탄산화 깊이를 측정하였다. 이때, 시험체는 충분한 거리를 두어 모든 시험체의 원활한 탄산화를 유도하였다. 탄산화 깊이 측정은 콘크리트 단면을 절단한 후, 1 % 농도의 페놀프탈레인 용액을 분무하여 6면 30개소 지점의 평균 깊이를 측정하였다.

2.2.5 급속동결융해

라텍스 개질 콘크리트의 급속 동결융해시험은 KS F 2456에 준하여 수행하였다. 공시체는 100×100×400 mm의 각주형 공시체를 각 배합별 3개씩 제작하였다. 시험체는 기건양생을 실시하였으며, 양생 28일에 동결융해 시험기(Fig. 5)를 이용하여 시험을 수행하였다. 이때 공시체 중심부 온도가 4 °C에서 -18 °C로 떨어지고, -18 °C에서 4 °C까지 상승하는 것을 1 cycle로 하였다. 300 cycle까지 동결 및 융해를 반복하였으며, 30 cycle마다 공시체를 꺼내어 상대동탄성계수 및 질량감소율을 측정하였다.

3. CSA계 혼합재를 적용한 라텍스 개질 콘크리트의 강도특성

3.1 압축강도 및 휨강도

Fig. 6에 각 배합조건에 따른 CSA계 혼합재를 적용한 라텍스 개질 콘크리트의 압축강도를 나타내었다. CSA계 혼합재 대체율과 라텍스 혼입량에 관계없이 모든 배합 조건에서 재령이 증가할수록 압축강도가 증가하였다. 재령 1일 기준으로 CSA계 혼합재를 적용하지 않은 Plain을 제외한 기타 배합조건에서 교통개방이 가능한 압축강도 기준인 21 MPa을 만족하는 것으로 나타났다. 

CSA계 혼합재의 혼입률 A/C가 10 %로 동일하고, 라텍스 혼입량(L/C)이 각각 0 %, 5 %, 10 %인 M2, M3, M4 배합조건을 검토해보면, 라텍스의 혼입율이 증가함에 따라 강도가 미소하지만 저하되는 경향을 나타내었다. 하지만 CSA계 혼합재를 혼입하지 않은 Plain보다는 우수한 조기강도 확보성능이 확인되었으며, 28일 재령에서도 Plain보다 약 1.67∼6.35 % 정도의 강도향상이 확인되었다.

라텍스 혼입량이 동일하고, CSA계 혼합재(A/C)가 각각 10 %, 15 %인 M3, M5 시험체 시험결과(Fig. 7)를 분석해 보면, 혼합재 사용량이 증가할수록 초기강도발현 속도가 증가하는 것으로 나타났다. M5 시험체의 경우, M3 시험체에 비해 초기 강도 증가속도가 높았으나, 7일 이후에는 강도발현속도가 저하되어 재령 28일 강도는 M3 시험체와 유사한 강도로 측정되었다. 이는 CSA의 혼입에 따라 초기에 높은 강도 발현이 후기 강도발현 속도저하에 영향을 미친 것으로 판단된다.

휨강도 시험결과는 Fig. 8에 나타내었다. CSA계 혼합재를 적용하지 않은 M1시험체의 경우 재령 1일에서 휨강도 발현이 되지 않았으며, 재령 28일에서 기준강도 3.5 MPa을 만족하는 것으로 나타났다. M2, M3, M4 시험체의 휨강도 시험 결과에서는 라텍스 혼입량이 증가할수록 휨강도가 증진되는 것으로 나타났다. 1일 재령에서 라텍스를 혼합하지 않은 모든 배합조건에서 교통개방 휨강도 기준인 3.5 MPa을 만족하는 결과를 나타내었다. 이와 같은 결과는 CSA계 혼합재 적용으로 초기 강도 발현이 이루어 졌으며, LMC에 라텍스가 사용되어 콘크리트 내부 미세공극을 충진하고, 골재를 둘러싼 필름막 형성으로 인해 재료들간의 부착력 증대에 기인한 것으로 판단된다.

동일 라텍스 혼합조건에서는 CSA계 혼합재를 다량 혼입할 경우, 초기 강도 증진에는 효과가 있는 것으로 나타났으나, 재령 28일 강도 측정시 유사하게 측정되어 CSA계 혼합재의 적정 혼입비율은 10 % 내외인 것으로 판단된다.

3.2 부착강도

교면포장의 보수공법으로 적용될 라텍스 개질 콘크리트는 교량 슬래브와 포장재료간의 부착성능이 중요하다. 부착파괴 형상에 따른 파괴의 형태는 Fig. 9와 같이 크게 4가지로 구분된다. Table 6은 각 배합에 따른 시험결과를 4가지 파괴형태로 구분하였으며, Fig. 10에 부착강도 실험결과를 나타내었다. 부착파괴 형태를 살펴보면 배합조건에 따라 부착파괴의 형상이 변화하는 것으로 나타나진 않았다. 실험결과, CSA계 혼합재를 적용하지 않은 M1 시험체의 경우 재령 1일에서는 부착강도 측정이 불가하였으며 28일 재령에서는 1.7 MPa의 우수한 부착강도를 나타내었다. CSA 혼합재를 10 % 사용한 배합조건에서는 라텍스의 혼입률 증가에 따라 부착강도도 증가되는 경향을 나타내었으며, 라텍스 혼입량이 가장 높은 M4 시험체의 경우 재령 1일 부착강도가 1.95 MPa까지 확보될 수 있는 것을 확인하였다. 이는 라텍스 혼입으로 인하여 LMC의 내부 매트릭스가 치밀해짐에 따라 기존 콘크리트와 신규 LMC간의 부착력을 증대시켰기 때문으로 판단된다.

본 연구의 범위에서는 CSA계 혼합재 및 라텍스 적용시 LMC의 부착강도 기준 1.4 MPa을 만족하는 것으로 확인되었다.

4. CSA계 혼합재를 적용한 라텍스 개질 콘크리트의 내구특성

4.1 염소이온 침투 저항성

Figs. 11과 12는 CSA계 혼합재 및 라텍스 혼입률 변화에 따른 통과전하량(쿨롱)과 염화물 확산계수를 나타낸 그래프이다. A/C가 10 %이고, 라텍스가 0 %, 5 %, 10 %까지 혼입된 M2, M3, M4 시험체의 통과전하량은 각각 930 C, 640 C, 280 C으로 측정되었고, M5 시험체의 경우 480 C의 통과전하량을 나타내었다. 이중, M1 시험체의 통과전하량이 958 C로 제일 큰 값으로 측정되었다. 이는 일반 LMC의 경우 염소이온침투저항성 측정 기준이 재령 56일로서 초속경이나 조강 LMC(28일 재령)의 경우와 달랐기 때문에 높은 통과전하량 값을 나타낸 것으로 판단된다. 그러나, 모든 배합조건의 통과전하량은 1000 C 이하로서, 염화물 침투저항성능이 매우 뛰어난 것으로 확인되었다. 또한, 동일 라텍스 혼입률 조건에서 CSA계 혼합재량이 10 % 에서 15 %로 증가한 M3, M5 시험체의 경우, 통과전하량이 25 % 감소하였다. 이 결과는, CSA계 혼합재에 포함된 광물성 성분에 의한 내부 공극 감소에 기인한 결과로 판단된다.

Fig. 12에 도시한 염화물 확산계수에서는, 라텍스를 각각 0 %, 5 %, 10 % 첨가한 M2, M3 및 M4 시험체의 경우, 라텍스 혼입이 염화물 확산계수를 저하 시키는 효과가 인정되지만, 선형적인 경향은 확인할 수 없었다. CSA계 혼입재가 사용될 경우, 라텍스의 혼입량이 5 % 이상에서는 거의 동등한 염화물 확산계수를 나타내었다.

따라서 CSA계 혼합재와 라텍스가 혼입된 라텍스 개질 콘크리트는 염화물 침투 저항성이 뛰어난 것으로 판단된다. CSA계 혼합재를 10 % 사용할 경우, 라텍스 혼입비율을 10 % 범위내에 사용하면 M1 시험체 대비 240 % 이상 개선된 염화물 침투 저항성능을 보이는 것을 확인하였다.

4.2 촉진탄산화

Fig. 13과 Table 7에는 촉진탄산화 시험 결과를 나타내었다. 시험 결과, CSA계 혼합재만 10 % 혼입된 M2 시험체의 탄산화 깊이가 재령 28일 19.3 mm로 가장 크게 측정되었다. M2, M3, M4의 침투깊이는 각각 19.3 mm, 14.2 mm, 5.5 mm 로, 라텍스 혼입량이 0 %에서 10 %까지 증가할수록 침투깊이가 감소하는 것으로 나타났다. 라텍스가 5 %, CSA계 혼합재가 15 % 혼입된 M5의 침투깊이는 3.3 mm로 가장 작게 측정되었고, Plain 시험체인 M1 시험체 보다 탄산화 저항성능이 106 % 이상 크게 개선되는 것으로 나타났다. 이는 CSA계 혼합재를 적용하여 초기 강도 발현으로 콘크리트 내부가 안정화되었으며, 라텍스의 혼입으로 콘크리트 표면에 피막을 형성하고 매트릭스 내부의 공극이 치밀해짐에 따라 이산화탄소 침투를 막은 것으로 판단된다. 본 실험 범위에서는 콘크리트의 탄산화 저항성 확보를 위해서 라텍스 혼입률을 10 % 이상으로 하는 것이 적절할 것으로 사료된다.

4.3 동결융해

조기강도 발현이 목표인 라텍스 개질 콘크리트 개발을 위해 CSA계 혼합재와 라텍스 혼입률 변화에 따른 동결융해저항성능 평가를 수행하였다. Figs. 14와 15에는 실험결과에서 도출한 상대동탄성계수와 질량감소율을 나타내었다. 시험결과, 모든 배합조건에서 상대동탄성계수는 95 % 이상의 우수한 동결융해저항성을 나타내어 도로공사 품질기준을 만족하는 것으로 나타났다.

시험체 별도 고찰해 보면, CSA계 혼합재가 10 % 혼입된 M2, M3, M4 시험체의 경우 각각 97.9 %, 98.3 %, 98.4 % 상대동탄성 계수가 측정되었고, 라텍스 혼입량 증가에 따른 상대동탄성 계수는 유의미한 차이를 보이지 않았다. 하지만 라텍스를 혼입하지 않은 M2 시험체가 미소하지만 다른 시험체 보다는 낮은 상대동탄성계수 값을 나타내었다.

CSA계 혼합재의 혼입량 증가에 따른 경향에서도 유사한 동결융해저항성을 나타내었다. 이러한 결과는 라텍스 개질 콘크리트의 경우 30 MPa 이상의 고강도 콘크리트 이며, 내부가 밀실하고 필름막 형성 작용 등으로 콘크리트의 내투수성이 향상되어 콘크리트의 동결에 의한 균열발생이 저하되어 내동해성이 향상된 것으로 판단된다.

질량변화율 시험결과, 상대동탄성 계수 측정결과와 유사한 경향을 나타내었으며, 300 cycle까지 측정된 시험체에서는 질량변화가 거의 나타나지 않아 CSA계 혼합재와 라텍스를 혼입한 라텍스 개질 콘크리트는 동결융해 저항성이 매우 우수한 것을 확인하였다.

5. 결    론

본 연구에서는 24시간 내에 교통개방이 가능한 CSA계 혼합재와 라텍스를 사용한 라텍스 개질 콘크리트를 개발하여 강도특성과 내구특성 실험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

1)모든 배합의 압축강도 및 휨강도는 CSA계 혼합재 및 라텍스 혼입량과 관계없이 재령에 따라 증가되었다. 재령 1일 기준으로 CSA계 혼합재를 적용하지 않은 M1(Plain) 시험체 제외하고 모든 배합조건에서 압축강도 및 휨강도 기준인 21 MPa, 3.5 MPa을 만족하는 것으로 나타났다.

2)교면포장 콘크리트 적용을 위한 부착강도 실험에서는 CSA계 혼합재가 혼입되지 않은 M1 시험체(재령 1일기준)를 제외하고 기준 부착강도인 1.4 MPa를 모두 만족하는 것으로 나타났으며, M1시험체도 재령 28일에서는 1.7 MPa의 부착강도를 나타내었다.

3)염소이온침투저항성 시험결과, 모든 배합 조건에서 매우 우수한 염화물 침투저항성능을 확인하였으며, 도로공사 기준인 1000 C 이하를 모두 만족하였다. 라텍스 혼입율 10 %, CSA계 혼합재 대체율 10 % 조건인 M4시험체가 280 C로 가장 우수한 염소이온침투저항성능을 나타내었다.

4)촉진탄산화 시험결과, 라텍스를 혼합하지 않은 M2 배합에서 가장 높은 탄산화 수치를 나타내었으며, 라텍스 10 % 이상 혼합된 시험체에서는 10 mm 이하의 우수한 탄산화 저항성을 나타내었다.

5)동결융해저항성 시험결과, 300 cycle까지 상대동탄성계수와 질량감소율이 95 % 이상 유지되어 모든 배합조건에서 동결융해저항성을 확보하는 것으로 나타났다. 이는 라텍스가 콘크리트 내부 매트릭스를 치밀하게 하고, 필름막 형성 작용이 투수억제로 이어져 동결융해 저항성을 향상시킨 것으로 판단된다.