1. 서 론

콘크리트는 우리의 삶과 밀접한 구조물의 주요재료로서 일반적인 주거구조물 뿐만 아니라 도로, 교량 등의 주요 기반 시설물까지 다양하고 폭 넓게 적용되고 있으며 기상에 따른 강우나 주변의 다양한 환경조건에 노출된다(Prabhu et al., 2015; Lee et al., 2018). 이러한 외부 환경에의 노출은 구조물의 외관이나 기능성 등에 직·간접적으로 영향을 미치며 강우, 강설에 의한 수분침투뿐만 아니라 자동차 분진, 토양입자, 황산암모늄 등이 침투하기도 한다. 특히, 공단지역이나 해양환경과 인접한 지역의 구조물은 이산화탄소와 염화물에 의해 콘크리트 구조물의 열화가 가속화되며 이는 염소이온 침투 및 탄산화로 인한 철근부식 현상 등을 유발하여 구조물의 내구성에 악영향을 미친다. 특히 염소계 제설제 살포 및 화학물질 유출은 도로 등의 콘크리트 구조물의 손상을 유발시키는 문제가 있다. 즉, 염소계 제설제가 용해된 노면수는 콘크리트 내부로 침투되어 동결융해 작용을 일으키며(Dai et al., 2010; Lee et al., 2014; Ryu et al., 2015), 화학물질의 도로 표면 유출은 심각한 콘크리트 표면 열화를 발생시킨다(Kim et al., 2014). 또한 철근콘크리트 구조물의 표면 균열은 염소이온의 내부침투 및 내부 확산을 통하여 철근의 부동태 피막을 파괴하고 부식을 진행시키게 된다(Lee et al., 1998; Medeiros et al., 2008; Kwon et al., 2011; Park et al., 2014). Fig. 1은 제설제 살포 및 화학물질 유출로 인한 도로 시설물의 파손사례를 나타낸 것이며, 최근 사회적 문제로 대두되고 있어 이에 대한 해결방안 모색이 절실한 실정이다. 이와 같은 현상은 거시적으로는 밀실해 보이는 콘크리트 표면이 미시적인 관점에서는 미세공극이 무수히 존재하기 때문에 외부에서 내부로의 침투를 허용하기 때문에 발생되며(Kim et al., 2014; Lee et al., 2017), 이를 방지하기 위해 다양한 기술이 개발되고 있는 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).

콘크리트 표면 보호재의 메커니즘은 콘크리트 표면에 도포하여 공극내부에서 경화를 통한 발수성을 부여함으로써 외부에서 침투하는 수분을 차단하는 방식이다. 액상의 침투 표면 보호재는 시공 후 콘크리트와 모르타르의 내부에 연속한 폴리머 필름을 형성하고, 미세기공을 채움으로서 수분침투 방지효과를 나타낸다.

관련 기술로서 해외에서는 Silanes 등을 이용하여 표면개질방법 등으로 표면코팅재를 개발한 사례 등이 일부 보고되고 있지만(Ha et al., 2017), 국내에서는 원료물질을 유기용제나 물에 희석해서 제조하여 적용하고 있는 실정이다. 하지만, 이렇게 제조된 코팅재의 경우, 콘크리트 표면의 미세기공까지 침투하지 못하고 표면 막을 형성하는 도포재로서 외부영향(자외선, 동결 등)에 의해 열화 및 박리 등 변형이 쉽게 일어나는 단점을 가지고 있어 콘크리트 표면보호재로서 역할을 할 수 없게 된다.

따라서 본 연구에서는 콘크리트의 성능향상을 위해 표면침투 및 코팅이 가능한 실록산계 흡수방지재에 대하여 강도 조건에 따른 염소이온침투저항성 및 내화학성을 평가하였다.

2. 사용재료 및 실험방법

본 연구에서는 콘크리트 표면침투·코팅용 흡수방지재의 물리적 성능 및 내구성능 평가를 위해 Table 1에 나타낸 시험조건 및 배합변수로 실험을 수행하였으며, 적용성 평가를 위한 콘크리트는 구조물에 일반적으로 사용되는 설계기준강도 24 MPa을 기준으로 하고, 저강도 및 고강도로서 18 MPa 및 30 MPa의 콘크리트를 제작하여 평가하였다.

Table 1 Experimental variables

Materials	315 specimen (with stirrup)
fck (MPa)	12.7-108.7
a/d	2.4-7.2
d (mm)	95-1382.2
𝜌w	0.0068-0.0692
𝜌t	0.0004-0.0302
fyt (MPa)	179-1235
𝜌tfyt (MPa)	0.0011-0.1533

2.1 사용재료

2.1.1 시멘트

본 연구에 사용된 시멘트는 국내 S사에서 생산된 1종 보통포틀랜드 시멘트로서 밀도 3.15 g/cm³, 분말도 3,230 cm²/g인 제품을 사용하였다.

2.1.2 골재

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

Table 2 Physical properties of aggregate

Items	Grading (mm)	Density (g/cm3)	Water absorption (%)	Absolute volume (%)	F.M
Coarse aggregate	25	2.69	0.9	59	6.88
Fine aggregate	5	2.58	1.1	-	2.61

2.1.3 실록산계 흡수방지재

콘크리트 표면침투․코팅용 흡수방지재는 콘크리트 표면의 미세기공으로 침투함로써 표면을 코팅할 수 있는 화합물인 SWR(siloxane-based water repellent)을 개발하여 적용하였다. SWR은 Sol-gel(졸-겔)법에 의해 합성된 폴리우레탄 전구체의 표면을 폴리디메칠실록산으로 개질함으로서 표면에 알콕시실란이 많이 노출되어 무기질 시멘트와 화학적 결합이 용이하도록 Fig. 2의 그림과 같이 디자인 하였다. 본 연구에 사용된 SWR 특성은 Table 3에 제시하였다. 콘크리트 내부로 침투된 SWR은 잔존하는 수분에 의해 화학 반응이 촉진되어 알콜 화합물과 같은 부산물을 방출하고, 콘크리트의 무기 기질(substrates)과 다중 축합 반응을 일으켜 삼차원 망상 구조를 형성함으로 내부에 미세기공을 실리콘 소수성 물질로 침투 코팅하는 원리이다.

Table 3 Properties of SWR

pH	Active compo-nent content	Residue of evapora-tion	Leaching resistance performance
			Pb	Phenol	Weight reduction of residual chlorine	Consumption level of potassium permanganate
9	42.7 %	12.0 mg/L	Und-etec-ted	Undet-ected	0.1 mg/L	0.30 mg/L

2.1.4 혼화제

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

Table 4 Physical properties of admixture

Admixture	Appearance	Density (g/cm3)	pH	Mass contents (%)
High-range water reducing agent	Light brown liquid	1.06	6.5	41～45

2.2 시험체 제작

SWR 적용을 위한 콘크리트의 배합설계는 Table 5와 같이 콘크리트 구조물에 일반적으로 사용되는 강도수준인 18, 24, 30 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.

Table 5 Mix proportions

Item	W/C (%)	S/a (%)	Unit weight (kg/m3)
			W	C	S	G	Ad.
25-18-120	53.6	50.1	162	302	928	931	2.42
25-24-120	45.6	49.9	162	355	902	912	2.84
25-30-120	41.0	49.9	162	395	885	895	2.77

2.3 흡수방지재 도포 및 양생방법

모든 시험은 Φ100 × 200 mm의 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 mm 두께로 시험체를 절단 한 뒤(화학저항성 시험용 시험체만 절단하지 않음) SWR을 Fig. 3과 같이 1 bar 압력의 스프레이 방법으로 도포하고 다시 온도 20 ± 3 °C, 습도 50 %의 양생실에서 14일간 양생하였다.

2.4 실험방법

2.4.1 침투깊이

SWR의 최적배합 도출을 위해 KS F 4930 ｢콘크리트 표면 도포용 액상형 흡수방지재｣에 준하여 재령 28일의 Φ100 × 200 mm 콘크리트 시험편을 30 mm 두께로 절단하고, 콘크리트 흡수방지재를 도포한 뒤 14일 재령에서 쪼깬 뒤 단면에 물을 분무하여 흡수되지 않는 부분의 두께를 측정하여 평가하였다(Fig. 4).

2.4.2 기공율

시멘트 콘크리트의 공극구조는 투수성이나 이온 확산 등 이동특성을 설명하는 중요한 요소이다. 따라서, 본 연구에서는 SWR적용 콘크리트의 내부 공극구조를 파악하기 위하여 Fig. 5와 같이 수은압입법을 수은압입법을 이용하여 수은을 시편에 압입하고 침투된 수은의 양을 측정하여 시험체의 기공율을 분석하였다.

2.4.3 내흡수성

SWR의 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 네 가지 환경조건에 노출 한 후, 내흡수성능을 평가하였다.

2.4.4 내투수성

내투수성 시험은 KS F 4930 ｢콘크리트 표면 도포용 액상형 흡수방지재｣에 준하여 측정하였다. SWR을 도포한 시험체에 에폭시로 측면을 방수처리 한 후, 투수시험 장치를 사용하여 0.1 N/mm²의 수압을 1시간 가한 후 시험 전후의 시험체 질량을 측정하고 투수비를 계산하였다(Fig. 6).

2.4.5 염소이온침투저항성

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

2.4.6 화학저항성

SWR 적용 콘크리트의 화학저항성 시험은 Φ100 × 200 mm의 원형 시험체를 제작하여 양생을 실시한 후 5 % 황산 용액에 소정 기간동안 침지시켰고, 침지 전 후의 질량 변화율을 측정하여 평가하였다(Fig. 7).

3. 실험결과 및 고찰

3.1 침투깊이 및 발수성능

콘크리트 표면보호재의 경우, 콘크리트 내부로 침투가 많이 될수록 성능을 좌우하기 때문에 침투재가 얼마나 깊이 침투하는지가 가장 중요한 평가 기준이 된다. Fig. 8은 배합조건별 침투깊이 평가결과를 나타내었다. 전체 배합조건에서 침투깊이는 약 2.7~8.3 mm범위에서 침투깊이가 측정되는 것으로 나타났다. 설계기준강도 기준으로는 18 MPa의 경우 6.2~8.3 mm로 가장 깊은 침투깊이를 나타내었으며, 24 MPa은 5.9~6.7 mm, 30 MPa은 2.7~3.5 mm로 가장 낮은 침투깊이를 보였다. 이는 설계기준강도가 높을수록 콘크리트 내부가 치밀해져 미세공극이 감소되므로 SWR가 내부로 원활히 침투되지 못하는 것으로 판단된다. 하지만, 설계기준강도가 낮을수록 분산 값이 증가되는 것으로 나타나 30 MPa 0.0784에서 18 MPa 0.5704로 표준편차가 증가되는 것으로 나타났다. 이것은 KS 표준에 제시된 모르타르시험방법이 아닌 콘크리트로 제작함으로서, 골재의 영향이 일부 반영된 것으로 판단된다. 본 시험조건에서 수행한 범위에서는 저강도의 콘크리트에서 가장 우수한 적용 특성을 나타내었으나, 고강도의 콘크리트의 경우에도 KS 표준에서 요구하는 기준을 만족하는 것으로 나타났다.

3.2 기공율

Fig. 9에 나타낸 바와 같이 SWR을 적용하지 않은 Plain의 기공률은 22.2~33.6 % 정도를 나타냈으나, SWR를 적용할 경우에는 기공률이 급격히 감소되어 고강도의 콘크리트에 적용한 경우는 평균 11.4 % 정도 그리고 18 MPa를 이용하여 SWR를 적용할 경우는 최소 15.2 % 정도의 기공특성을 나타냈다. 따라서 SWR를 활용할 경우 콘크리트의 내부 기공률이 45.2~51.3 %까지 개선되는 효과를 나타냈다. 이는 SWR를 적용함에 따라 표면 코팅 및 내부 공극 충진작용에 기인한 것으로 판단된다. 또한 콘크리트의 강도증가에 비하여 기공률 감소효과가 다소 큰 것으로 나타내기는 하였으나 유의할 만한 수준은 아니었다. 그리고 기공직경별 기공용적의 관계를 살펴보면 본 연구에 적용된 콘크리트의 기공직경은 10~100,000 nm의 분포특성을 나타냈으며, 이중 10~1000 nm의 기공용적이 가장 크게 분포하고 있는 것으로 분석되었다. SWR 적용에 따른 기공용적 감소 특성을 고찰하여 보면 전반적인 기공직경 분포에서 기공률 감소효과를 나타내었고, 특히 직경 200 nm 이하의 SWR를 적용함으로써 30~400 nm의 영역에서도 우수한 기공감소 특성을 나타내어 미세기공의 침투 코팅이 잘 된 것으로 판단된다. 이상으로 SWR 활용 콘크리트의 기공특성 분석결과를 종합하여 보면 SWR 적용으로 콘크리트의 내부 기공률 감소효과가 우수한 것으로 나타났으며, 이는 외부로부터 침투할 수 있는 유해인자의 내부 확산방지와 내부 매트릭스의 치밀화를 통해 콘크리트의 열화저항성을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

3.3 내흡수성

내흡수성 시험은 KS F 4903 ｢콘크리트 표면 도포용 액상형 흡수방지재｣에 준하여 측정하였다. 시험체 제작 및 SWR 적용 후, 시험체별로 표준상태, 내알칼리성 시험후, 저온고온반복저항성 시험 후, 촉진내후성 시험후 각각 내흡수성을 측정하여, SWR를 적용하지 않은 Plain과의 흡수량을 비교하여 평가하였다. 평가결과는 Fig. 10에 나타낸 바와 같다.

SWR 적용하지 않은 Plain의 경우 물 흡수량이 1.50~1.86 kg/m²로 높은 흡수량을 나타내지만, SWR 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 표준에서 제시된 평가방법으로 흡수방지재 도포 유무에 따른 물흡수계수비 계산결과, 표준상태에서는 흡수계수비가 모든 강도조건에서 0.02로 나타났으며, 내알칼리 시험 후 경의 우 18 MPa 경우에만 흡수계수비가 0.03으로 나타났고, 24 MPa 이상의 경우 0.02로 우수한 내흡수성을 나타내었다. 저온고온반복시험 후 및 촉진내후성 시험 후 에도 물흡수계수비가 24 MPa 이하에서는 0.03, 30 MPa에서는 0.02로 측정되었다. 이는 SWR 적용 유무보다 콘크리트 시험체 자체의 강도가 내흡수성에 미치는 영향이 큰 것으로 판단된다. 하지만 SWR 적용시 모든 배합조건에서 KS F 4930에서 제시하는 기준(표준, 내알칼리성, 저온고온반복시험 후: 0.1이하, 촉진내후성 시험 후: 0.2이하)을 만족하는 것으로 나타났다.

3.4 내투수성

내투수성의 투수비는 내흡수성의 자연수분 흡수량 측정과 달리 1 N/mm²의 압력을 가하여 수분의 침투성능을 평가하는 방법으로서, 콘크리트 흡수방지재의 평가기준이 된다. 따라서 본 연구에서 개발 된 SWR의 내투수성을 평가한 결과는 Fig. 11과 같다. 평가결과, 본 실험범위인 모든 배합 조건에서 내투수성 기준(KS F 4903: 내투수비 0.1이하)를 만족하는 것으로 나타났다. 하지만, 고강도 콘크리트 보다 저강도 콘크리트에서 다소 높은 내투수비를 나타내었다. 이는 매트릭스 자체가 치밀하지 못한 18 MPa 시험체였기 때문에 SWR로 침투 코팅하더라도 고강도의 30 MPa보다 낮은 내투수비를 나타낸 것으로 판단된다.

3.5 염소이온침투저항성

염소이온 침투저항성 실험결과는 Fig. 12에 제시하였다. 콘크리트의 설계기준강도가 증가함에 따른 통과전하량이 감소하는 결과를 나타내 SWR을 적용하지 않은 경우 18 MPa은 6,050 C, 24 MPa은 3,740 C, 30 MPa은 1,560 C으로 측정되었다.

이는 Table 6에 나타낸 바와 같이 KS F 2711이 제시하는 기준에 따라 염소이온 침투 저항성을 구분하면 18 MPa “높음”, 24 MPa “보통”, 30 MPa “낮음” 으로 분류되었다. 하지만, SWR 적용시 Plain에 비하여 통과전하량이 45.2~54.5 %까지 감소되는 것으로 나타났다. 콘크리트 흡수방지재 도포 유무에 따른 염소이온 침투 저항성능으로 평가하더라도 18 MPa “높음 → 보통” 24 MPa “보통 → 낮음”, 30 MPa “낮음 → 매우낮음”으로 염소이온 침투저항성이 개선되는 것으로 확인되었다. 이와 같이 콘크리트 강도 조건별로 염소이온침투저항성의 결과가 달리 도출된 것은 콘크리트 표면침투 코팅형 흡수방지재의 침투율이 낮은 강도 시험체에서 상대적으로 우수했기 때문에 염소이온에 의한 내구성능 개선율이 2배이상 증가된 것으로 판단된다.

Table 6 Chloride ion penetrability based on charge passed

Charge passed (Coulomb)	Chloride ion penetrabillity
> 4,000	High
2,000~4,000	Moderate
1,000~2,000	Low
100~1,000	Very low
100 >	Negligible

3.6 화학저항성

황산에 의한 콘크리트의 내화학성을 평가한 결과는 Figs. 13 및 14에 나타내었다. 이를 고찰하여 보면, 모든 연구조건에서 황산 5 % 용액에 대한 침지기간이 경과함에 따라 콘크리트의 질량감소율은 계속적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 초기 7일 경과 후부터 급속한 질량감소 정도를 나타냈다.

설계기준강도에 따른 영향을 살펴보면 강도가 우수할수록 화학저항성도 향상되는 결과를 나타내 18 MPa 시험체의 경우 황산용액 최종 침지 후 질량감소율이 최대 21.5 % 정도를 나타내었으며, 30 MPa 시험체의 경우 10.2 % 정도의 질량감소 정도를 나타내 최저 강도등급에 비하여 약 52.6 %까지 우수한 화학저항성을 나타냈다. 그리고 SWR 적용에 따른 화학저항성 측정결과를 고찰하여 보면 모든 강도영역에서 SWR를 적용함에 따라 화학저항성이 다소 증가하는 경향을 나타내어 8.5~16.3 %의 개선효과를 확인하였다. 따라서 SWR를 적용할 경우 시멘트 수화물질과의 반응 등으로 인해 콘크리트 표면이 강화되어 화학저항성이 향상된 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 콘크리트의 성능향상을 위해 도포되는 콘크리트 표면침투·코팅용 흡수방지재로서 SWR의 콘크리트 강도조건별 적용성 평가를 수행하였으며 본 연구범위에서의 결과는 다음과 같다.

1) 콘크리트 강도조건별 SWR의 침투깊이를 분석한 결과, 저강도인 18 MPa이 가장 우수하며, 24~30 MPa 도 적용 가능한 것으로 확인되었다. 기공율 측정결과 모든 강도조건에서 유사한 기공율을 나타내었고, SWR도포 시 45.2~51.3%의 기공율이 개선되는 효과를 나타내었다.

2) 내흡수성 평가결과 모든 조건(표준, 내알칼리성 시험 후, 저온고온반복 저항성 시험 후, 촉진내후성 시험 후)에서 KS F 4930에서 제시하는 기준인 물흡수계수비 0.1이하를 만족하는 것으로 나타나 내흡수성은 우수한 것으로 판단된다. 내투수성 또한 모든 시험조건에서 투수비 0.1이하의 기준을 충족하였다.

3) 염소이온침투저항성 실험결과, SWR 적용으로 Plain대비 매우 우수한 내염성을 나타내는 것으로 확인되었으며 SWR의 적용시 콘크리트 강도 30 MPa 경우가 적용에 따른 내염성 개선효과가 가장 작은 것으로 나타났고, 저강도의 경우는 Plain대비 2배 이상의 내염성능 개선효과가 있는 것으로 나타났다.

4) 화학저항성 평가결과, SWR를 적용한 경우가 시멘트의 수화물과 SWR가 반응하여 콘크리트 표면강화 효과를 나타내 8.5~16.3 %의 화학저항성 개선효과를 나타내었다.

5) 본 연구의 제한된 강도조건 내에서는 SWR 적용시 강도가 낮을수록 성능이 우수하였으며. 모든 시험 조건에서 콘크리트용 흡수방지재의 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 추후 현장적용성 검증평가 등이 필요한 것으로 판단된다.