2.1 바닥강화형 침투성 프라이머의 개발

바닥강화형 침투성 프라이머는 콘크리트 표층부의 모세관 조직(공극) 속에 침투하여 일정한 침투깊이(6 mm 이상)를 확보하는 동시에 콘크리트 표면에 유해인자 침투억제를 위한 적정 발수력(접촉각 90° 이상)을 확보하기 위해 불소실리콘화합물인 과불소알킬실란(Perfluoroalkysilane, PFAS)과 유기알콕시실란(옥틸트리에톡시실란, 메틸트리메톡시실란)을 하이브리드화 하여 합성한 실란복합화합물을 미세한 입자로 물에 분산시켜 액상형으로 제조하였다. 고속도로 콘크리트 시설물인 방호벽, 측구와 같은 소 구조물들은 측면에 시공해야 하는 만큼 액상형 표면보호재는 시공 시 빠른 시간에 흘러내림으로 인해 적절한 침투깊이 성능을 발휘하지 못한다. 호모게나이저(Homogenizer)를 이용하여 10,000~15,000 RPM의 속도로 고속 교반하여 바닥강화형 침투성 프라이머를 제조하였다.

2.2 바닥강화형 침투성 프라이머의 특성평가

개발된 바닥강화형 침투성 프라이머의 입도를 분석하기 위해 입도분석기(제조사: Malvern Instrument, 모델명: Mastersizer 3000-Maz6140)를 이용하였다. 입도를 분석 결과 Fig. 3(a)와 같이 0.767 µm부터 144 µm 범위의 입도가 폭넓게 분포되어 있으며 특히 1.13 µm부터 5.21 µm의 입도 범위에서 89.72 %가 집중된 것으로 나타났다.

바닥강화형 침투성 프라이머의 점도는 일정 속도(RPM)로 회전하는 모터에 스핀들(spindle)을 연결하여 점성을 지닌 액상에 회전력을 가하여 그 저항값을 이용하여 액상의 점도를 수치화하는 점도계(DV-E VISCOMETER)를 이용하여 측정하였다. 바닥강화형 침투성 프라이머는 상온(20 °C)에서 50 RPM, 95.7 % 회전(torque) 시 11,480 cP를 보였다. Fig. 3(b)과 같이 시편을 세워놓고 도포하였을 때 흘러내리지 않았고 20분 경과 후 상당량이 침투되는 것으로 나타났다. 40분 경과 후 대부분의 표면보호재가 침투되는 것이 확인됨에 따라 제조된 바닥강화형 침투성 프라이머의 점도는 콘크리트 측구와 같이 측면에도 도포하여 사용하더라도 흘러내림과 같은 문제는 발생하지 않을 것으로 판단된다. 에너지 분산형 분광분석법(EDX)에 의해 개발된 표면보호재의 원소분석 결과, 규소(Si) 55.93 wt%, 탄소(C) 26.92 wt%, 산소(O) 7.77 wt%를 첨유하고 있는 것으로 분석되었고 나트륨(Na), 염소(Cl) 및 칼슘(Ca)이 소량 검출되었다.

2.3 바닥강화형 침투성 프라이머의 콘크리트 침투 기구

바닥강화형 침투성 프라이머를 콘크리트 표면에 도포하면 콘크리트 내부로 깊이 침투되는 동시에 Fig. 4와 같이 가수분해반응으로 생성된 $\mathrm{Si(OH)}_{3}$와 콘크리트 수화물의 OH- 이온이 수소결합 되어 3차원 망목 구조상으로 형성되기 때문에 콘크리트 표면 및 내부에 존재하는 미세 공극과 모세관 공극을 충전하는 효과를 통해 치밀한 밀봉 층(packing zone)을 형성함으로써 콘크리트 표면을 보호하고 내구성을 더욱 향상할 수 있게 된다.

3.1 실험계획

본 연구에서는 바닥강화형 침투성 프라이머의 적용 여부에 따른 콘크리트의 내구성 및 내후성을 평가하고자 한다. 압축강도 및 동결박리 저항성능 평가하고자 하며, 바닥강화형 침투성 프라이머의 적용 여부에 따른 압축강도 실험체 일람은 Table 1에 나타내었다. 추가로 장기 재령에서 바닥강화형 침투성 프라이머의 성능을 평가하기 위하여 콘크리트 재령 28, 56, 91일에 강도를 측정하였다.

동결박리 저항성능은 바닥강화형 침투성 프라이머의 적용 여부 및 도포량에 따라 평가하였으며, Table 2에 실험체 일람표를 나타내었다. 동결박리 저항성 시험 방법은 한국도로공사에서 제시하는 방법을 사용하였으며, 동결 사이클의 속도에 따른 동결박리 저항성을 평가하고자 하였다. 바닥강화형 침투성 프라이머의 도포량은 기존 연구에서와 같이 4 mm의 침투깊이를 초과한 적정 도포량인 0.25 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$과 도포량에 따른 동결박리 저항성능을 평가하기 위해 0.51 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$로 설정하였다.

한국도로공사에서 제시한 동결박리 저항성능 평가방법(SIS 2005)에서 동결 사이클은 24시간을 1사이클로 설정하였으며, 본 연구에서는 동결 사이클에 따른 동결박리 저항성능을 평가하기 위하여 1회의 사이클을 4시간으로 설정하여 급속동결 사이클을 계획하였다.

Table 3은 압축강도 및 동결박리 저항성능 평가에 사용된 배합표이며, ‘고속도로 건설재료 품질 기준(KCS 2016)’에 따라 설계압축강도는 24 MPa, 굵은 골재의 최대 크기는 25 mm, 물시멘트 비는 47.8 %로 설정하였다.

3.2 실험체 제작

압축강도 평가 및 동결박리 저항성능 평가를 위한 콘압축강도 평가를 위한 실험체는 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 KS F 2403(KATS 2014)에 근거하여 $\phi$100×200 mm 크기로 제작하였으며, 동결박리 저항성능 평가를 위한 실험체는 한국도로공사에서 제시한 기준(SIS 2005)에 따라 150×150×50 mm로 설정하였다. 압축강도 평가 실험체는 7일간의 수중양생 후 7일간의 기건양생을 하였다. 기건양생 종료 후 바닥강화형 침투성 프라이머에 24시간 침지하였으며, 그 후 14일간 기건양생을 하였다.

동결박리 저항성능 평가를 위한 실험체는 타설 및 탈형 후 19일간 수중양생하고 7일간 기건양생 하였다. 그 후 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 표면에 설정한 도포량에 따라 도포하여 14일간 기건양생 하였다. 동결될 표면 즉, 도로보호재를 도포한 면을 제외한 모든 표면을 고무 피복으로 접착하여 완전히 밀봉한 후 약 20 mm 두께의 단열재로 동결되는 면을 제외한 모든 면을 단열시켰다.

3.3 실험방법

3.3.1 압축강도 평가

압축강도 평가는 KS F 2403 ‘콘크리트 압축강도 시험방법’에 따라 실시하였으며, 변수에 따라 3개씩 실험하였다. 양쪽에 컴프레소미터를 설치하여 변위를 평가하여, 압축거동을 평가하였다.

3.3.2 동결 온도 사이클 설정

본 연구에서는 동결 사이클의 속도에 따른 동결박리 저항성능을 평가하기 위하여 동결 온도 사이클의 속도를 설정하였다. 한국도로공사에서 제시한 기준(SIS 2005)에서 온도 사이클은 1 사이클을 24시간으로 하며, Table 4 및 Fig. 7(a)와 같이 상한온도와 하한온도 범위 안으로 설정해야 한다. 급속동결융해를 받는 사이클은 동결융해 장치의 설정에 관한 문제점으로 인하여 한국도로공사 기준과 최대한 유사하게 온도 사이클을 설정하였으며, 1 사이클은 4시간으로 설정하였다. Fig. 7(b)와 같이 한국도로공사 기준에 따라 1 사이클을 실시할 경우 급속동결 사이클은 6 사이클이 실시된다.

3.3.3 동결박리 실험방법

한국도로공사에서 제시한 기준(SIS 2005)에 따라 동결박리 실험을 하였으며, 실험체 제작 완료 후 Fig. 8과 같이 동결융해 장치에 실험체를 위치시켰다. 실험체는 고무피복 및 단열재로 단열하여 동결박리를 고침투성 콘크리트 도로보호재가 침투된 면으로 유도하였다. 고침투성 콘크리트 도로보호재를 도포한 실험체 표면에 3 %의 NaCl 용액을 3 mm 깊이로 채워준 후, 동결 사이클을 받는 동안 NaCl 용액이 증발하지 않도록 비닐을 덮어 밀봉하여 주었다. 온도 사이클은 실험체 표면의 온도로 설정하였으며, 실험체 표면에 열전대를 설치하여 온도 사이클을 적용하였다.

동결박리량 평가는 동결 사이클 7, 14, 28, 42, 56 사이클에 대해 실시하였으며, 연장 실험을 하는 경우 70, 84, 98, 112 사이클에 대해서도 평가하였다. 동결박리량 평가 방법은 먼저 사이클을 받은 실험체를 꺼내어 표면을 물에 헹군 후 쇠 솔로 표면을 문지르며 박리된 재료를 그릇에 수집하며, 그 후 박리된 재료를 110 °C에서 건조시킨 뒤 중량을 측정한다. 표면박리 수집이 완료된 실험체는 표면에 다시 3 %의 NaCl 용액을 채워 넣은 후 사이클마다 반복한다(Fig. 9).

동결박리량 $m_{n}$은 측정 후 한국도로공사에서 제시한 식(1)에 따라 계산한다. $M_{n}$은 $n$회의 사이클 후 박리된 전체의 무게를 나타낸 것이고, $A$는 동결시험체의 표면적을 나타낸 것이다. 식(1)에 따른 계산 후 Table 5에 기술한 방법에 따라 평가를 수행하며, 박리저항성 등급은 매우 우수, 우수, 적합, 부적합으로 나누어진다.

여기서, $M_{n}$: $n$ 사이클 후 박리된 전체의 무게(mg) $A$: 동결 시험체의 표면적($\mathrm{mm}^{2}$)

4.1 압축강도 평가

바닥강화형 침투성 프라이머의 침지 여부에 따른 압축강도 평가 결과는 Table 6과 Fig. 10에 나타내었다. 바닥강화형 침투성 프라이머를 침지하지 않은 일반 콘크리트의 재령 28일 압축강도는 평균 약 41.7 MPa로 나타났으며, 바닥강화형 침투성 프라이머를 침지한 콘크리트의 압축강도는 40.7 MPa로 나타났다. 재령 56일의 일반 콘크리트 압축강도는 42.9 MPa로 나타났으며, 바닥강화형 침투성 프라이머를 침지한 콘크리트의 압축강도는 41.6 MPa로 나타났다. 또한, 장기 재령인 재령 91일에서는 바닥강화형 침투성 프라이머의 도포 여･부에 따라 41.9 및 42.4 MPa로 나타났다.

실험 결과 바닥강화형 침투성 프라이머의 침지 여부는 콘크리트의 압축강도에 큰 영향을 주지 않았으며, 대체로 일반 콘크리트의 압축강도와 유사하게 나타났다. 바닥강화형 침투성 프라이머는 표면에 침투하기 때문에 실험체의 내부에서 주로 파괴가 발생하는 압축강도에는 큰 영향을 주지 못하는 것으로 나타났다.

4.2 바닥강화형 침투성 프라이머의 도포에 따른 동결박리 저항성 평가

바닥강화형 침투성 프라이머의 도포 여부 및 도포량에 따른 콘크리트 표면의 동결박리 저항성능을 평가하였으며, 실험 결과 및 표면 사진을 Fig. 11, Fig. 12및 Fig. 13에 나타내었다. Fig. 11(a)는 한국도로공사 기준에 따라 동결 사이클을 실시한 평가 결과를 나타낸 것이며, 동결 사이클이 증가함에 따라 단위면적당 누적 박리량이 증가하는 것으로 나타났다. 56 사이클을 받은 실험체의 단위면적당 누적 박리량($m_{56}$)은 0.10 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$보다 낮은 것으로 나타났으며 매우 우수 성능으로 평가되었다.

바닥강화형 침투성 프라이머의 도포량은 0.25 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$, 0.51 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$로 설정하였으며, 바닥강화형 침투성 프라이머 도포량이 증가할수록 단위면적당 누적 박리량은 감소하는 것으로 나타났다. 바닥강화형 침투성 프라이머를 도포하지 않은 실험체보다 단위면적당 누적 박리량은 감소한 것으로 나타났으며, 사이클 증가에 따라 바닥강화형 침투성 프라이머 도포 여부에 따른 단위면적당 누적 박리량의 차이는 점점 증가하는 것으로 나타났다. 56 사이클을 받은 실험체의 단위면적당 누적 박리량($m_{56}$)은 바닥강화형 침투성 프라이머 도포량과 관계없이 0.1 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$보다 작은 것으로 나타났으며, 매우 우수 등급에 해당된다.

바닥강화형 침투성 프라이머를 도포하지 않은 실험체에 급속동결 사이클을 적용하였을 경우 사이클 횟수 증가에 단위면적당 누적 박리량을 증가하는 것으로 나타났으며, 초기 사이클에서 실험체의 단위면적당 누적 박리량이 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 56 사이클을 받은 실험체의 단위면적당 누적 박리량($m_{56}$)은 0.0190 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$로 나타났으며, 매우 우수 등급으로 평가되었다. 바닥강화형 침투성 프라이머를 도포한 실험체의 동결박리 저항성능 평가 결과 바닥강화형 침투성 프라이머를 도포하지 않은 실험체보다 동결박리 저항성이 뛰어난 것으로 나타났으며, 0.25 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$, 0.51 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$ 도포한 실험체의 단위면적당 누적 박리량은 유사하나 도포량이 증가함에 따라 박리량이 다소 감소하는 것으로 나타났다. 계산식에 의하여 56 사이클을 받은 실험체의 박리량($m_{56}$)은 바닥강화형 침투성 프라이머 도포량의 증가에 따라 0.0130 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$, 0.0118 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$로 나타났으며, 매우 우수 등급으로 평가되었다.

4.3 동결 사이클 속도에 따른 동결박리 저항성 평가

동결 사이클 속도에 따른 실험체의 동결박리량을 평가하였으며, 이에 대한 결과를 Fig. 14에 나타내었다. 동결 사이클의 속도는 한국도로공사에서 제시한 기준(SIS 2005)에 따라 1 사이클을 24시간으로 설정하였으며, 급속동결 사이클은 1 사이클을 4시간으로 설정하였다. Fig. 14(a)는 바닥강화형 침투성 프라이머를도포하지 않은 실험체, Fig. 14(b)는 바닥강화형 침투성 프라이머를 도포한 실험체의 단위면적당 누적 박리량 평가 결과를 나타내었다. 바닥강화형 침투성 프라이머를 도포하지 않은 실험체의 경우 동결 사이클 속도가 빠를수록 단위면적당 누적 박리량이 증가하는 것으로 나타났으며, 98 사이클 이후에는 비슷한 단위면적당 누적 동결박리량이 나타났다.

Fig. 14(b)는 바닥강화형 침투성 프라이머를 도포한 실험체의 단위면적당 누적 박리량을 나타낸 것이며, 바닥강화형 침투성 프라이머를 0.25 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$, 0.51 $\mathrm{kg} / \mathrm{m}^{2}$ 도포한 실험체의 단위면적당 박리량을 비교하였다. 평가 결과 급속동결 사이클을 받은 실험체의 단위면적당 동결박리량이 초기 사이클에서 더 증가하는 것으로 나타났으며, 84 사이클 이후에 기준에 따른 사이클을 받은 실험체의 단위면적당 박리량이 더 증가하는 것으로 나타났다.