2.2.1 시멘트

실험에 사용한 시멘트는 일반적으로 사용되는 KS L 5201 (KATS 2016b)⁽⁸⁾에서 규정된 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 규격을 만족하는 국내에서 생산되는 제품을 사용하였다. 다음의 본 실험에서는 Table 1의 화학적 특성에 해당하는 시멘트를 사용하였다.

2.2.2 골재

본 연구에 사용된 잔골재는 밀도가 2.60인 부순 강모래를 사용하였고, 쇄석 골재는 기존 연구와 재현성을 위해 고성능 콘크리트(HPC)와 교면포장용 콘크리트(LMC)의 경우에는 13 mm 굵은 골재를, 2층포장 콘크리트(2LCP)의 경우에는 25 mm 굵은 골재를 물로 세척 하여 사용하였다. 실험에 사용된 잔골재와 굵은 골재의 물리적 특성은 Table 2에 나타내었다.

2.2.3 실리카퓸

실리카퓸을 스프레이 콘크리트의 재료로 사용할 경우 재료의 점착력과 부착력의 증가로 리바운드가 현저히 감소되어 지고 이로 인해 재료 사용의 효율이 증가하게 된다. 따라서 경제적인 시공이 가능할 뿐만 아니라 장기강도 및 내구성의 증진으로 고성능 콘크리트 재료로 유용하게 쓰인다(Choi 2010)⁽²⁾.

첨가되는 실리카퓸의 양만큼 시멘트량을 치환하여 사용되며, 유럽통합규정에서는 최대 사용량을 포틀랜드 시멘트량의 15 %로 제한하고 있고, 일반적으로 7~8 % 내외를 주로 사용하고 있다(Diamond, and Sahu 2006)⁽³⁾. Table 3은 본 실험에서 사용된 실리카퓸의 물리적･화학적 특성을 나타낸 것이다.

2.2.4 라텍스

라텍스는 스틸렌(styrene)과 부타디엔(butadiene)이 주성분으로 구성되어 있는 고분자 물질을 공중 합한 폴리머와 물을 일정 비율로 혼합해서 만든 불투명한 흰색 액상물질이다. 물과 폴리머의 구성 비율은 일반적으로 약 50:50이며, 폴리머의 주요 구성성분인 스틸렌과 부타디엔이 66:34로 조성되어 있다. 소량의 계면 활성제와 안정제, 소포제가 첨가되어 있는 재료이다(Choi 2010)⁽²⁾. 본 연구에서는 Table 4에 해당하는 라텍스를 사용하였다.

2.2.5 폴리머 분말

분말수지 라고도 불리는 폴리머 분말은 액상수지를 스프레이 건조하여 제조한 분산물질로써 물에 분산시키면 안전한 액상수지가 되는 제품이다. 물에 분산된 분말수지는 건조 후 물에 녹지 않는 비가역적인 폴리머 필름을 형성하고, 액상수지와 같이 시멘트와 혼합 사용되어 인장, 휨강도 등을 향상시키며 PVC, 목재, 금속표면 등 유기 또는 무기계 바탕제와 접착력을 증가시키는 역할을 한다(Park 2016)⁽¹⁹⁾.

시멘트 콘크리트에 추가로 혼입하게 되면 경화과정에서 결합재로 작용하여 마모저항성, 접착력이 좋아지고, 콘크리트의 수축에 의해 발생되는 균열을 억제해주기 때문에 실리카퓸과 함께 사용하는 경우가 많다(Namgung 2017)⁽¹⁷⁾. 본 실험에서는 Table 5에 해당하는 폴리머 분말을 사용하였다.

2.2.6 소포제

국내 생산되는 소포제 중 J사의 알콜계 소포제를 사용했다. 알콜계 소포제는 분산성과 지속성이 우수하며, 주성분이 지방산 유도체이므로 환경호로몬 발생 물질을 함유하지 않기 때문에 친환경 제품이다. Table 6은 본 실험에 사용된 소포제의 물리적 특성을 나타낸 것이다.

2.2.7 기포제

기포제는 계면활성 작용을 통해 물리적인 힘으로 기포를 제조하기 위해 사용되는 혼화제이다. 기포의 형성은 기포제에 의해 수용액의 표면장력이 낮아지고 점도가 높아지면서 외부로부터 교반 또는 공기의 도입을 통해 형성된다(Jung 2012)⁽⁵⁾.

본 연구에서는 국내 H사의 기포제를 이용하여 선발포 방식으로 셀룰러를 생성 후 기 배합된 콘크리트에 셀룰러 혼입을 통해 분산성을 극대화 시킨 고유동 콘크리트에 혼화재료(실리카퓸과 폴리머분말 등)를 혼입하는 방식으로 사용되었다.

2.3.1 공기량 및 슬럼프 시험

1) 공기량 시험

굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험은 배합단계에서 10~30 %까지 증가된 공기량을 측정하기 위하여 KS F 2409(KATS 2016a)⁽⁷⁾를 이용하였고, 최종적으로 생산된 콘크리트는 KS F 2421(KATS 2016c)⁽⁹⁾ 규정에 의거하여 시험을 실시하였다.

2) 슬럼프 시험

굳지 않은 콘크리트의 반죽질기를 판단하기 위하여 KS F 2401(KATS 2017a)⁽¹⁰⁾에 따라 시료를 채취하였다. 이후 KS F 2402(KATS 2017b)⁽¹¹⁾의 의거하여 슬럼스 시험을 실시하였다.

2.3.2 압축강도 시험

압축강도 시험은 ø100×200 mm의 원주형 공시체를 제작하여 KS F 2405(KATS 2017c)⁽¹²⁾ 규정에 따라 측정하였다. 기초자료 확보를 위하여 각각 28일, 56일에 해당하는 시점에서 압축강도 시험을 진행하였다.

2.3.3 화상분석 실험

공극구조를 분석을 통한 내구성 지수 예측을 위하여 화상분석법(image analysis, IA)을 사용하였다. 공극구조를 분석하기 위한 방법은 ASTM C 457(2009)⁽¹⁾에 규정되어 있으며, 어느 주어진 화상으로부터 물체의 크기와 이의 분포도, 밝기, 높이, 면적, 위치, 형상 등을 추출해 내기 위한 분석 방법으로 정량적인 정보를 추출해 가는 분석방법이다. Fig. 3(a)는 화상분석 기기 HF-MA C01의 모습이다(ASTM C 457 2009)⁽¹⁾.

화상분석을 실시하기 위해 사전 준비 작업으로 표면연마작업을 실시해야 한다. 분석 시 오차를 줄이기 위한 매우 중요한 작업으로, 콘크리트 공시체를 50 mm로 커팅한 직후에는 공시체의 표면이 매우 거칠어 공극의 구별이 불가능하다. 본 연구에서는 규정에 따라 SiC 파우더를 이용하여 콘크리트의 표면을 연마하여 사용하였다. Fig. 3(b)는 표면 연마제와 가공이 끝난 시험편의 모습이다.

2.3.4 염소이온 침투 저항성 시험

염소이온 침투 저항성 시험은 KS F 2711(KATS 2017d)⁽¹³⁾에 준하여 수행하였다. 염소이온 침투저항성 시험은 구조물의 염화물 침투성의 정도를 파악하기 위해 수행되어지는 중요한 내구성 시험이다.

염소이온 침투 저항성 시험방법은 28일간 수중에서 양생한 시편에서 코어를 채취하여 지름 100 mm의 콘크리트 시편을 길이가 50 mm가 되도록 커팅한 다음, 실험을 수행하기 전까지 상대습도 95 % 이상 유지시킨다. 실험 시 시편은 Applied Voltage Cell에 고정시키고 회로 구성을 한다.

Fig. 4(a)는 염소이온 침투 저항성 시험의 직류회로를 설명하고 있고, Fig. 4(b)는 A.V. Cell의 상세도이다. 이 회로에서 전원은 60±0.1 V의 직류를 안정적으로 공급할 수 있어야 한다. 실험을 수행하는 동안 전해질 용액이 새지 않게 하기 위하여 사용되는 Sealant는 고무제품이고 무게는 20~40 g 정도의 것으로 Cell과 시편 사이를 고정시킨다.

실험은 A.V. Cell의 (-) 전극에 3.0 %의 염화나트륨(NaCl) 용액을 채우고 (+) 전극 쪽에는 0.3 M의 수산화나트륨(NaOH) 용액을 채운다. 3 % 염화나트륨 용액은 물 900 ml에 염화나트륨 30 g을 용해시킨 후 물을 가하여 1,000 ml의 용액을 만들고 0.3 M 수산화나트륨용액은 증류수 1,000 ml에 수산화나트륨 12 g을 용해시켜 제조한다. 실험을 진행하는 동안 용액의 초기 온도는 20~25 °C를 유지하도록 하고, 시험 중 용액의 온도는 90 °C 이하가 되도록 한다.

그리고 실험 중 30분마다 0.2 Ω의 저항에 걸리는 전압을 데이터로거를 사용하여 총 6시간 동안 측정하고 기록한다. 이때 전압은 0.1 mV까지 측정 가능해야 하고 ±0.1 %의 정도의 정밀도를 가진 장치이어야 한다. 측정한 전압값은 다음 식(1)에 의하여 전류치로 환산한다.

여기서, $I$ : 전류(amperes, A)

$V$ : 전압(volts, V)

$R$ : 저항(ohms, Ω)

염소이온 투과실험은 매 시편마다 6시간이 소요되고 30분 간격으로 전압값을 측정한다. 측정된 전압을 전류로 환산하고 다음 식(2)를 이용하여 회로를 통과한 총 전하량을 산정한다.

여기서, $Q$ : 회로를 통과한 전하량(coulomb)

$I_{n}$ : 실험 시작 후 $n$분이 경과하였을 때의 전류(amperes)

KS F 2711(KATS 2017d)⁽¹³⁾ 규정에서는 본 실험에서 산정된 전하량으로 염소이온 투과성과 비교할 수 있도록 Table 7과 같이 투수성 평가기준을 제시하고 있다.

3.4.1 HPC 간격계수 및 비표면적

HPC 변수에서 셀룰러를 혼입하지 않은 혼합시멘트 시공방법에서는 간격계수가 339 µm과, 비표면적 15.81 mm²/mm³으로 측정되어 내구성 지수가 좋지 않게 평가되었다.

반면, 셀룰러 콘크리트에서는 스프레이 시공방법의 경우 셀룰러 혼입량이 증가할수록 비표면적은 증가하고, 간격계수는 감소하여 셀룰러 혼입량 30 %변수에서 비표면적 26.15 mm²/mm³과 간격계수 168 µm로 가장 내구성 지수가 높게 측정되었다.

소포제 시공방법의 경우 스프레이와 반대로 셀룰러 혼입량이 증가할수록 비표면적은 감소하고 간격계수는 증가하는 경향을 보여 셀룰러 혼입량 10 %변수에서 비표면적 23.68 mm²/mm³과 간격계수 245 µm로 내구성 지수가 가장 높게 측정되었다. Fig. 10은 HPC 변수에서 배합방법별로 간격계수 및 비표면적을 비교한 그래프이다.

3.4.2 LMC 간격계수 및 비표면적

LMC 변수에서도 마찬가지로 셀룰러를 혼입하지 않은 혼합시멘트 시공방법에서 간격계수가 336 µm과, 비표면적 18.67 mm²/mm³으로 측정되어 내구성 지수가 좋지 않게 평가되었다.

반면, 셀룰러 콘크리트에서는 스프레이 시공방법의 경우 셀룰러 혼입량이 증가할수록 비표면적은 증가하고, 간격계수는 감소하여 셀룰러 혼입량 30 %변수에서 비표면적 29.72 mm²/mm³과 간격계수 155 µm로 내구성 지수가 가장 높게 측정되었다.

소포제 시공방법의 경우 스프레이와 마찬가지로 셀룰러 혼입량이 증가할수록 비표면적은 증가하고 간격계수는 감소하는 경향을 보여 셀룰러 혼입량 30 % 변수에서 비표면적 18.98 mm²/mm³과 간격계수 254 µm로 내구성 지수가 가장 높게 측정되었다. Fig. 11은 LMC 변수에서 배합 방법별로 간격계수 및 비표면적을 비교한 그래프이다.

3.4.3 2LCP 간격계수 및 비표면적

2LCP 변수에서 셀룰러를 혼입하지 않은 혼합시멘트 시공방법에서는 간격계수가 349 µm과, 비표면적 30.74 mm²/mm³으로 측정되어 내구성 지수가 좋지 않게 측정되었다. 그러나 추가로 셀룰러를 투입할 경우, 연행공기가 분포되어 간격계수가 231 µm, 비표면적 21.78 mm²/mm³으로 내구성 지수가 상승하는 모습을 보였다.

셀룰러 콘크리트에서는 스프레이 시공방법의 경우 셀룰러 혼입량이 증가할수록 비표면적은 증가하고, 간격계수는 감소하여 셀룰러 혼입량 30 % 변수에서 비표면적 24.40 mm²/ mm³과 간격계수 205 µm로 내구성 지수가 가장 높게 측정되었다.

소포제 시공방법의 경우에는 셀룰러 혼입량과 별다른 경향을 보이지 않았으며, 전체적으로 내구성 지수가 나쁘게 평가되었다. 소포제가 연행공기까지 파포시켜 적정 연행공기를 확보하지 못한 것으로 판단된다. Fig. 12는 LMC 변수에서 배합 방법별로 간격계수 및 비표면적을 비교한 그래프이다.