2.1 시멘트

본 연구에서는 교면포장용 콘크리트 보수재에 사용되는 밀도 2.94 g/cm³, 분말도 5,722 cm²/g의 아윈계 초속경 시멘트를 사용하였다. Table 1과 Table 2에는 초속경 시멘트의 물리적 특성과 화학조성을 표기하였다.

2.2 골재

본 연구에 사용한 잔골재는 표건밀도와 흡수율이 각각 2.61 g/cm³, 1.58%이며 5 mm 강사를 사용하였다. 굵은 골재로는 표건밀도와 흡수율이 각각 2.67 g/cm³, 0.80%이며 20 mm인 부순골재를 사용하였다. 각 재료의 물리적 성질은 Table 3에 표기한 바와 같다.

2.3 합성폴리머

본 연구에서는 현재 콘크리트계 단면 보수재료에 초속경 시멘트와 함께 가장 일반적으로 사용되고 있는 고형분 47%의 SBR(styren-butadien)계 액상 합성 폴리머를 사용하였다. 이 재료는 styrene과 butadiene의 공중합체로 구성된 액상형 제품이다. 사용재료의 물리·화학적 특성은 Table 4와 같다.

2.4 바이오 폴리머

괭생이모자반을 바이오 폴리머로 원료화하기 위한 공정은 Fig. 1에 나타내었다. 해상에서 수거한 괭생이모자반은 민물을 이용하여 이물질 및 염분을 제거하였다. 수분건조 과정을 거친 후 시료를 조분쇄 한 이후, 볼밀을 사용하여 평균입도가 60 µm 이하가 되도록 분쇄하였다. 레이저 회절 입도분석장치를 활용하여 바이오 폴리머의 입도를 분석한 결과 세분쇄 시료의 평균 입도는 56 µm로 측정되었다. 분쇄 시 석회석 미분말을 약 1~5% 첨가하여 효율적인 분쇄와 재응집 현상을 방지하여 효과적으로 콘크리트에 혼입할 수 있도록 하였다. 제조된 바이오 폴리머의 입도 특성은 Table 5에 표기하였고, 시료 분석으로 분석한 바이오 폴리머의 화학성분 조성을 Table 6에 나타내었다.

Fig. 1. Bio-polymer production process

2.5 혼화제

교면포장용 콘크리트 보수재의 유동성 확보를 위하여 분말형 폴리카본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 사용 재료의 물리, 화학적 특성을 Table 7에 표기하였다.

2.6 경화촉진제

포틀랜드시멘트에 사용되는 경화 촉진제로는 염화칼슘으로 대표되는 염소화합물, 초산염, 아초산염, 티오황산염, 티오시안산염 등이 있고, 이것들의 효과는 양이온의 종류에 따라 다르며, Ca염이 가장 강력한 것으로 알려져 있다. 가장 경제적이고 일반적으로 사용되는 염화칼슘의 경우 시멘트 중의 Alite(C₃S)의 수화 반응을 촉진한다. (Kim et al. 1996⁽⁶⁾). 시멘트에 염화칼슘을 첨가하면 C₃S의 수화반응이 촉진되고 용액 중의 수산화칼슘(Ca(OH)₂)의 과포화도가 높아져서, 시멘트겔(C-S-H gel)의 생성이 활발하게 되어 초기 강도가 증대하게 된다. 또한 염화칼슘은 C-S-H Gel의 결정 형태에 영향을 미쳐, 긴 섬유상 결정이 치밀하게 생성되어 강도를 증대시킨다. 단 한도량을 초과하는 염화물이 존재하면 부동태 피막이 파괴되어 철근을 부식시키므로 사용에 주의가 필요하다. 이와 비교하여 초속경 시멘트에 사용되는 경화 촉진제인 리튬 카보네이트의 경우 C₃A의 수화를 촉진하여 속경성을 발휘하는 에트린자이트(3CaO·Al₂O₃·3CaO·3SO³·32H₂O) 형성에 관여함으로써 초기강도 증가의 효과로 나타나게 된다. Li⁺ 이온은 시멘트 반응에 직접 관여하지 않고 Al³⁺ 이온이 채워지지 않는 빈 핵 자리를 채우는 구조적인 관여를 하기 때문에 가사시간 확보를 위한 지연제 증량이 필요하지 않다. 다만 과도한 Li⁺ 이온은 리튬알루미네이트수화물을 형성하며 이는 강도저하의 원인이 될 수 있기 때문에 적정 사용량의 선정이 중요하다. 본 연구에서는 리튬카보네이트를 경화촉진제로 사용하였으며, 물리 화학적 특성을 Table 8에 나타내었다.

2.7 사용배합

이 연구는 괭생이모자반 환경문제를 해결하면서 비용이 높은 LMC용 합성라텍스를 대체하기 위한 목적을 갖고 있다. 따라서 Table 9에 나타낸 바와 같이, 합성라텍스를 혼입한 콘크리트인 L12BP0를 기본 배합으로 하고, 바이오 폴리머를 혼입한 다양한 콘크리트 배합을 설계하였다.

기존 연구에서는 바이오 폴리머를 구조물 보수용 모르타르에 적용하여 역학적 특성을 평가하였다(Lee et al. 2018⁽⁹⁾). 기존 연구에서는 12%를 바이오 폴리머의 적정 혼입률로 결정한 바 있다. 바이오 폴리머를 콘크리트에 적용할 경우 발생할 수 있는 유동성 저감, 강도 감소 등을 고려하여 이 연구에서는 바이오 폴리머의 최대 혼입률을 8%로 결정하였다. 또한, 바이오 폴리머의 혼입으로 발생하는 강도감소 효과를 보완하기 위하여 경화촉진제로 리튬카보네이트를 혼입하였다. 기존 연구에서는 경화촉진제의 첨가량을 시멘트 중량비 1.2%를 적용한 바 있다(Min et al. 2014⁽¹¹⁾). 그러나 이 연구에서는 경제성을 확보하고 경화촉진제가 강도에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 예비배합 실험을 통하여 0.2% 첨가량을 적용하였다.

따라서, 이 연구에서는 바이오 폴리머를 결합재의 4%, 6%, 8% 각각 혼입한 L0BP4-1, L0BP6-1, L0BP8-1배합과 이들 배합에 경화촉진제인 리튬카보네이트를 0.2% 혼입한 L0BP4-2, L0BP6-2, L0BP8-2배합을 이용하여 바이오 폴리머 콘크리트의 특성을 비교 분석하였다. Table 9에서 L은 라텍스의 혼입률이고, BP는 바이오 폴리머의 혼입률을 의미한다.

3.1 슬럼프 및 공기량

슬럼프 시험은 KS F 2402 ｢콘크리트의 슬럼프 시험방법｣에 준하여 실시하였으며, 공기량 시험은 KS F 2421 ｢굳지 않은 콘크리트의 압력법에 의한 공기함유량 시험방법｣에 준하여 시험을 수행하였다(Fig. 2).

Fig. 2. Concrete slump and air content test

3.2 압축 및 휨강도

압축강도 시험은 Φ 100 × 200 mm 원주형 공시체를 KS F 2405 ｢콘크리트 압축 강도 시험방법｣ 기준에 따라 수행하였고, 휨강도 시험은 KS F 2408 ｢콘크리트의 휨 강도 시험 방법｣기준에 따라 100 mm × 100 mm × 400 mm 각주형 공시체를 제작하여 수행하였다. 압축강도 및 휨강도 공시체는 각 배합별로 9개씩 제작한 후, 재령 4시간, 7일, 28일 동안 기건 양생을 실시하였고, Fig. 3에 도시한 바와 같이 만능재료시험기를 이용하여 강도측정을 수행하였다.

Fig. 3. Compressive test and flexural test

3.3 부착강도

교면포장 보수재로는 기존 콘크리트 슬래브와 보수재료간의 부착 성능 확보가 중요하다. 따라서 본 연구에서는 부착강도 측정을 위하여 300 mm × 500 mm × 200 mm 크기의 배합강도 45 MPa급 콘크리트를 모체를 제작하였다. 콘크리트 모체는 50 mm 두께로 각각 제작된 보수용 콘크리트로 덧씌우기하여 실제 시공조건을 모사하여 제작하였다. 성능 평가는 ASTM C 1583-04 ｢Test Method for Tensile Strength of Concrete Surfaces and the Bond Strength or Tensile Strength of Concrete Repair and Overlay Materials by Direct Tension (Pull-off Method)｣에 따라 P사의 부착강도 시험기를 이용하여 진행하였다(Fig. 4).

Fig. 4. Bonding test

4.1 슬럼프 및 공기량 시험 결과

Fig. 5에 바이오 폴리머 혼입률에 따른 콘크리트의 슬럼프 및 공기량 측정 결과를 도시하였다. 현재 교면포장용 보수재로 사용되는 LMC 콘크리트 배합을 모사한 L12BP0배합의 슬럼프는 210 mm로 측정되었다. 이 값은 교면포장용 콘크리트 보수재의 슬럼프 기준인 190 ± 30 mm를 만족하는 값으로 우수한 유동성 성능을 나타내는 값이다.

Fig. 5. Test results of slump and air content

이 결과는 합성폴리머 혼입에 의하여 발현되는 볼베어링 효과를 통하여 우수한 유동성능을 발휘한 것으로 판단된다. 합성 폴리머의 혼입 없이 바이오 폴리머가 각각 4%, 6%, 8% 혼입된 L0BP4-1, L0BP6-1, L0BP8-1 시험체의 슬럼프는 각각 185 mm, 175 mm, 175 mm로 측정되었다. 이 결과를 통하여 바이오 폴리머의 혼입률이 증가할수록 콘크리트 배합의 슬럼프가 L12BP0과 비교하여 25 mm에서 최대 35 mm까지 감소하는 경향을 나타내었다. 특히, 바이오 폴리머가 6% 이상 혼입될 때 슬럼프 손실이 급격하게 발생한 것을 확인하였다. 바이오 폴리머를 혼입한 콘크리트의 슬럼프는 교면포장용 콘크리트 보수재 기준의 최소값인 160 mm를 만족하였지만, 현장 작업성을 고려할 때 충분한 슬럼프 값은 아닌 것으로 판단된다.

바이오 폴리머의 혼입으로 발생하는 강도저감 효과를 방지하기 위하여 본 연구에서는 경화촉진제로 리튬카보네이트(Li2CO3)를 각 배합에 0.2%씩 혼입하였다. 그 결과 L0BP4-2, L0BP6-2 배합은 L0BP4-1, L0BP6-1 배합보다 10 mm의 슬럼프가 향상되었고, L0BP8-2 배합은 L0BP8-1 배합보다 15 mm의 슬럼프가 증가한 것을 확인하였다. 경화촉진제 사용으로 바이오 폴리머를 혼입한 콘크리트의 슬럼프는 합성폴리머를 사용한 L12BP0 배합보다는 15~25 mm 작게 측정되었지만 현장에 충분히 적용할 수 있는 수준까지 개선된 것을 확인하였다. 기존 연구(Min et al. 2014⁽¹¹⁾)에서도 리튬카보네이트 경화촉진제 사용으로 시멘트 페이스트의 유동성이 향상된다고 보고한 바 있다. 리튬카보네이트 혼입으로 콘크리트의 유동성이 향상되는 메커니즘은 추후 보완 연구를 통해 확인하고자 한다.

압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법을 진행한 결과, 모든 콘크리트 배합에서는 6% 이하의 공기량이 측정되어 교면포장 보수용 콘크리트 기준인 6% 이하를 모두 만족하는 것을 확인하였다. L12BP0 배합의 공기량은 4.8%로 측정되었다. 바이오 폴리머를 각각 4%, 6%, 8% 혼입한 L0BP4-1, L0BP6-1, L0BP8-1 배합의 공기량은 각각 4.5%, 4.7%, 5.6%로 측정되었다. 경화촉진제인 리튬카보네이트를 0.2% 혼입한 L0BP4-2, L0BP6-2, L0BP8-2 배합의 공기량은 4.3%, 4.5%, 5.5%로 측정되어 L0BP4-1, L0BP6-1, L0BP8-1 배합보다 각각 0.2%, 0.2%, 0.1% 감소한 결과를 나타내었다. 공기량에 있어서는 유의미한 차이를 보이진 않았지만, 경화촉진제를 혼입할 경우, 콘크리트의 유동성 증가로 인하여 수밀성이 증가하였기 때문으로 판단된다.

4.2 압축강도 및 휨강도 시험 결과

바이오 폴리머를 활용한 콘크리트의 압축 및 휨강도 시험결과를 Figs. 6, 7에 도시하였다. 교면포장용 콘크리트 보수재의 압축강도 및 휨강도 요구 성능은 4시간 기준 각각 21 MPa, 4.5 MPa 이상을 만족하여야 한다.

Fig. 6. Average compressive strengths

Fig. 7. Average flexural strengths

L12BP0 시험체의 경우 4시간 기준 압축강도가 26.4 MPa로 측정되어 가장 큰 압축강도가 측정되었다. 바이오 폴리머가 4%, 6%, 8% 혼입된 L0BP4-1, L0BP6-1, L0BP8-1 시험체의 압축강도는 각각 25.1 MPa, 24.3 MPa, 23.2 MPa로 측정되었고, 경화촉진제를 0.2% 혼입한 L0BP4-2, L0BP6-2, L0BP8-2 시험체는 각각 25.5 MPa, 25.1 MPa, 23.7 MPa로 측정되었다. 이 결과를 통해 바이오 폴리머를 혼입할 경우, 기준시험체인 L12BP0 시험체보다 압축강도가 약 5%, 8%, 12% 감소하는 것을 확인하였다. 따라서, 바이오 폴리머의 혼입률이 증가할수록 압축강도가 감소하는 것을 확인하였다. 반면, 경화촉진제를 혼입한 L0BP4-2, L0BP6-2, L0BP8-2 시험체의 경우, L0BP4-1, L0BP6-1, L0BP8-1 시험체의 압축강도보다 각각 2%, 3%, 2% 개선되어 초기재령에서의 콘크리트 경화가 촉진된 것을 확인하였으며, 교면포장 보수재의 요구 성능을 모두 만족하였다. 재령 28일 기준 콘크리트의 압축강도 또한, 재령 4일 압축강도와 유사한 경향을 나타내었다. 바이오 폴리머가 8%로 가장 많이 혼입된 L0BP8-1 시험체는 L12BP0 시험체와 비교할 경우 약 8%의 압축강도 저하를 실험결과를 통하여 확인하였다.

콘크리트 휨강도 실험결과에서는 L12BP0 시험체의 4시간 기준 휨강도가 6.2 MPa로 가장 큰 값으로 측정되었다. L12BP0의 휨강도가 큰 값으로 측정된 이유는 합성폴리머 사용으로 시멘트 매트릭스 내부에 존재하는 미세 공극을 충진하고, 골재를 둘러싼 폴리머 필름막 형성으로 인하여 재료들간의 부착력 증대에 기인한 것으로 판단된다(Hyun et al. 2017⁽⁴⁾). 바이오 폴리머가 혼입된 L0BP4-1, L0BP6-1, L0BP8-1 시험체는 각각 4.4 MPa, 4.5 MPa, 4.6 MPa로 측정되었다. L12BP0 시험체와 비교할 경우 4시간 기준 휨강도가 26~29% 감소한 것을 확인하였고, L0BP4-1의 경우는 교면포장 보수용 콘크리트 기준을 만족하지 못하였다. 초기 강도 개선을 위하여 0.2% 혼입한 경화촉진제는 콘크리트 시험체의 휨강도를 개선하였다. L0BP4-2, L0BP6-2, L0BP8-2 시험체의 경우 L0BP4-1, L0BP6-1, L0BP8-1 시험체와 비교할 경우 평균 3%의 휨강도 개선효과가 있는 것을 확인하였으며, 교면포장 보수용 콘크리트 기준을 만족하였다. 리튬카보네이트를 경화촉진제로 사용할 경우 초기강도 개선효과가 있지만, 콘크리트에 과량 혼입할 경우 강도저하 현상이 발생할 수 있다. 추후 연구에서는 휨강도 개선을 목적으로 경화촉진제의 적정 혼입률 검토에 대한 연구를 추가적으로 수행할 예정이다.

4.3 부착강도 시험 결과

Fig. 8에 바이오 폴리머를 혼입한 콘크리트의 부착강도 시험결과를 도시하였다. 부착강도 성능은 콘크리트 보수재료의 중요한 시험 항목 중의 하나이다. 교면포장 보수용 콘크리트의 요구 성능은 재령 4시간 기준 1.4 MPa 이상이다. 재령 4시간 콘크리트의 부착강도를 측정한 결과 L12BP0 시험체가 1.6 MPa, L0BP4-1, L0BP6-1, L0BP8-1 시험체는 1.4 MPa, 1.2 MPa, 1.2 MPa로 각각 측정되어 바이오 폴리머의 혼입량이 증가할수록 부착강도 성능이 전반적으로 감소하는 경향을 보였고, L0BP6-1, L0BP8-1 시험체는 요구강도 1.4 MPa보다 작은 값으로 측정되어 교면포장 보수용 콘크리트로 적합하지 않은 것으로 나타났다. 반면, 리튬 리튬카보네이트 경화촉진제를 사용한 L0BP4-2, L0BP6-2, L0BP8-2 시험체의 부착강도는 1.5 MPa, 1.6 MPa, 1.7 MPa로 측정되어 부착강도가 향상되었고, 교면포장 보수용 콘크리트의 요구조건을 만족하였다.

Fig. 8. Average bond strengths

재령 28일 기준 부착강도를 L12BP0 시험체와 비교할 경우, 경화촉진제를 사용한 L0BP4-2, L0BP6-2, L0BP8-2 시험체의 부착강도는 1.9 MPa, 2.1MPa, 2.0MPa로 측정되어 L12BP0 시험체 대비 93~97% 수준까지 향상되는 것으로 나타났다. 휨강도 시험결과와 마찬가지로 바이오 폴리머의 혼입은 부착강도 저하에 영향을 주는 것으로 나타났다. 강도저하를 보완하기 위하여 리튬카보네이트 경화촉진제를 0.2% 혼입하여 슬럼프가 개선되는 효과가 나타났으며, 이 효과에 대한 연구는 추후에 보다 상세히 수행할 필요가 있다. 또한, 바이오 폴리머를 사용한 콘크리트의 강도 성능을 보완할 수 있는 적절한 혼합재와 경화촉진제의 최대 혼입률 결정 등에 대한 방향으로 보다 심도있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.