1.1 연구 배경

콘크리트는 사회기반 시설물을 만드는데 필수적인 재료로 널리 쓰이고 있다. 하지만, 공용연수의 증가에 따른 콘크리트 구조물의 열화는 피할 수 없으며, 현재도 진행 중이다. 2015년 기준 국내 고속도로 교량의 평균 공용기간은 13년으로 상태등급 “C”등급(미흡) 이하의 교량은 약 170여 개소로 전체 8,542개소의 약 2 %를 차지한다(EX 2016)⁽⁷⁾. 공용기간이 짧은 교량의 경우 주된 열화 원인으로 염수 살포에 의한 제설 염해가 인식되고 있다(EX 2016)⁽⁷⁾. 콘크리트 구조물에 열화가 발생하면 내구성 및 사용성을 향상시키기 위하여 보수공사가 시행된다. 오랜기간의 공용을 통한 장기간의 열화나 외부충격 등으로 인한 구조물 손상의 경우 구조성능 향상을 통한 안전성 유지를 위하여 보강공사가 시행되고 있다(Oh 2010)⁽¹⁵⁾. 현재 국내 콘크리트 구조물 대부분이 보강공사가 필요한 심각한 성능저하는 발생하지 않았으나, 주로 내구성 및 사용성 측면에서 보수공사가 필요한 열화가 발생하고 있다.

콘크리트 구조물의 대표적인 보수공사로 열화된 콘크리트 단면을 제거하고 원래의 형상에 따라 단면을 교체하는 단면복구공사가 있다. 단면복구공사의 경우에는 건조수축 등의 재료적인 요인과 환경하중 등에 의한 보수부위의 재손상이 빈번히 발생하고 있어 원인 규명과 개선책이 필요한 상황이다. 보수부위 재손상은 크게 보수재의 균열손상과 보수재와 모재 사이의 들뜸 손상이 나타나고 있다.

균열은 크게 구조적인 균열과 비구조적인 균열로 분류되며 Kim(1994)⁽¹⁴⁾에 의하면 구조적인 균열은 설계오류, 설계하중을 초과하는 외부하중의 작용, 시공불량, 물리적인 손상, 폭발, 충격, 철근의 부식으로 인한 심한 성능저하 등으로 발생하며 이외의 다른 원인으로 발생한 균열을 비구조적 균열로 정의하고 있다. 보수재 균열의 원인은 건조수축으로 추정되며(ACI and ICRI 2013)⁽¹⁾ 비구조적 균열에 해당할 것이다. 이러한 균열이 비구조적이더라도 시간이 경과하면 구조물이 불안전한 단계까지 이를 수 있다(Kim 1994)⁽¹⁴⁾.

들뜸은 신･구재료 사이에 접착이 떨어지는 것을 말하며 보수부위의 경우 신･구재료로 구성된 복합체를 형성하기 때문에 신･구재료 사이의 부착성능에 의해 복합체 성능이 좌우된다(Park and Kim 2010)⁽¹⁶⁾. 들뜸은 균열의 진전 또는 부착강도 하락으로 발생하는 것으로 추정된다(BRE 2000)⁽³⁾.

최근 5년간 보수공사가 이루어진 교량 7개소 현장조사 결과에 의하면 단면복구공사를 실시한 부위에서 균열의 발생 면적은 81 %로 광범위하게 발생하였고 들뜸의 발생 면적 또한 17 % 정도 차지하고 있다(EX 2020)⁽⁸⁾.

1.2 연구 목표 및 범위

현재의 콘크리트 구조물 단면복구공사의 주된 문제점은 균열과 들뜸으로 나타나는 재손상이다. 그중에서 본 연구는 대표적인 재손상인 들뜸 손상을 개선하기 위한 단면복구공사 시공단계별 개선안을 도출하는 것을 목표로 하였다.

국토안전관리원의 시설물(교량, 터널 등)의 보수･보강 요령(안) 작성 연구(KALIS 2019)⁽¹⁰⁾에 의하면 보수재로 에폭시 수지 모르타르와 폴리머 시멘트 모르타르를 제시하고 있다. 그러나 에폭시는 유기재료로 가격이 비싸고, 자외선에 취약한 특성으로 인해 실무에서 잘 사용되지 않고 있다. 반면에 폴리머의 경우에는 무기재료로 상대적으로 가격이 싸고, 자외선에 대한도 내구성이 좋아 널리 사용되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 폴리머 시멘트 모르타르를 사용한 보수공사 현장을 대상으로 하였다.

2.1 현행 단면복구공사 방법 및 재료 기준

단면복구공사 실시 후 단면복구부위의 부착강도 저하 원인을 알아보기 위하여 현행 단면복구공사 방법과 재료성능 기준을 조사하였다.

국내 구조물의 평가부터 보수공사까지의 흐름은 국토안전관리원의 교량 유지관리매뉴얼(KALIS 2014)⁽⁹⁾을 따르며 한국도로공사에서 단면복구공사 시공 및 품질관리 방안(EX 2014)⁽⁵⁾을 추가로 만들어 운영하고 있다. 보수재료는 폴리머 시멘트 모르타르의 경우 KS F 4042(KATS 2017)⁽¹²⁾ 기준을 만족하는 재료를 사용하도록 규정하고 있다(Table 1). KS에 에폭시 수지 모르타르(KATS 2018)⁽¹³⁾와 폴리머 시멘트 모르타르 보수재의 성능을 재료별로 규정하고 있으나, 각각의 재료에 대한 사용처를 규정하고 있지 않아 같은 보수부위에 사용될 수 있음에도 불구하고 다른 요구 성능을 규정하고 있다. 특히, 부착강도는 에폭시 수지 모르타르의 경우 1.5 MPa, 폴리머 시멘트 모르타르의 경우 표준상태일 때와 동결융해 조건에서 모두 1.0 MPa를 최솟값으로 규정하고 있다.

2.2 현장 부착강도 실험

현장 부착강도 실험을 위해서는 코어 드릴링이 필요하나, 이는 코어의 초기손상을 유발할 수가 있다. 이에, 국제콘크리트보수협회(ICRI 2013)와 유럽기준(CEN 2005)⁽⁴⁾에서는 보정계수를 기준값의 75 %로 제시하고 있다. 하지만, 국내에서는 아직 보정계수를 적용하고 있지 않으므로, 본 연구에서도 적용하지는 않았다.

2.3 부착강도 실험 결과

부착강도 실험은 단면복구공사를 실시한 부위 총 26곳에서 실시하였다. 본 연구에서는 부착강도 실험 결과를 4가지 변수에 대하여 분석하였다: (1) 골재 사용 여부, (2) 시공방법, (3) 보수방향, (4) 파괴면 위치.

2.3.1 골재 사용여부에 따른 부착강도 성능 변화

단면복구공사는 주로 폴리머 시멘트 모르타르를 사용하여 실시하고 있고, 굵은골재의 미사용으로 인해 대단면에서 균열이 빈번히 발생하고 있다. 굵은골재에 의한 균열제어 효과를 확인하기 위해 Fig. 1과 같이 교각 기둥의 측면에 폴리머 시멘트 모르타르와 폴리머 시멘트 콘크리트를 사용하여 단면복구공사를 시행하고, 균열발생 정도를 조사하여 Table 3에 나타내었다. 이때 사용된 폴리머 시멘트 콘크리트의 배합은 Table 4와 같고, 폴리머 시멘트 모르타르는 상용 제품인 P** 제품을 사용하였다. 굵은골재의 영향으로 균열간격은 절반 아래로 감소하여 눈에 띄게 균열이 감소하였다. 식(1)과 평균균열폭(0.3 mm)을 사용하여 추정한 건조수축변형률($\epsilon_{sh}$)은 폴리머 시멘트 모르타르는 0.17 %, 폴리머 시멘트 콘크리트는 0.07 %로 나타나, 굵은골재 사용 시 건조수축변형률이 60 % 감소한 결과를 얻었다. 이러한 원인은 시멘트 콘크리트의 양생 및 건조 시 내부의 수분이 증발하며 수축이 발생하나 콘크리트 내부의 골재가 수축을 구속하게 되어 체적의 변화량이 줄고 이로 인해 균열이 줄어든 것으로 판단된다. 따라서, 균열제어의 측면에서는 보수재료로 폴리머 시멘트 콘크리트 사용이 유리한 것으로 판단된다.

(1)

$$ \epsilon_{s h}=\frac{\text { (No. of cracks) } \times \text { (Avg. crack width) }}{1,000 \mathrm{~mm}} $$

단면복구공사 시 폴리머 시멘트 콘크리트의 사용이 부착강도에 미치는 영향을 확인하기 위하여 부착강도 실험을 수행하였고, 결과는 Table 5에 나타내었다. 일반적으로 압축강도가 높을수록 부착강도가 증가하는 특성이 있다. 폴리머 콘크리트의 압축강도 성능이 높아 부착강도도 높을 것으로 예상하였으나 폴리머 시멘트 모르타르의 부착강도는 평균 0.31 MP로 폴리머 시멘트 콘크리트의 평균인 0.23 MPa보다 더 크게 나타났다. 최댓값 역시 폴리머 시멘트 모르타르에서 0.74 MPa로 나타났다. 하지만, 두 재료 모두 기준 부착강도 1.0 MPa에는 미달하였다.

Fig. 1. Influence of aggregate in repair material on cracks

Table 3. Crack width for PCC and PCM

		Width (cm)	No. of cracks per 1 m	No. of cracks per 1 m2	Shrinkage strain ($\epsilon_{sh}$)
PCM	Vertical	10~25	5.7	10.1	0.17 %
	Horizontal	15~30	4.4
PCC	Vertical	30~60	2.2	3.9	0.07 %
	Horizontal	40~80	1.7

Table 4. Mix design of PCC

Gmax	W/C	S/a	Unit weight (kg/m3)
			W	C	GGBF	Polymer	S	G	AE
10 mm	40 %	70 %	184	299	92	23	1,119	489	4.6
Note: GGBF: blast furnace slag; AE: AE water reducing agent

Table 5. Bond strength evaluation of materials

	PCC	PCM
Average (MPa)	0.31	0.23
Standard deviation (MPa)	0.25	0.25
Minimum (MPa)	0.04	0.05
Maximum (MPa)	0.74	0.60
No. of specimens	22 (85 %)	4 (15 %)

2.3.3 보수방향에 따른 부착강도

단면복구재료는 가볍지 않으므로 보수재 타설 방향에 따라 중력의 영향을 받는지 확인하고자 하였고, 부착강도의 비교 결과는 Table 7에 나타내었다.

구조물의 수평면에 하향 시공할 경우 보수재 자중에 의하여 부착면이 더 압밀하며 처짐이 없어 부착강도가 높을 것으로 추정된다. 수직면에 수평방향 시공할 경우 보수재의 유동성으로 인해 부착강도가 낮을 것으로 추정하였다. 하지만 Table 7에 나타난 실험결과는 예상치와 반대되는 수치를 보여주고 있다. 실험결과 수직면에 수평방향 시공, 즉, 측면의 부착강도가 높게 나타났다. 수평면에 하향 시공의 경우 부착강도 실험을 위한 코어링 중 Fig. 2와 같이 코어가 부서지는 경우가 발생했으며, 부러지지 않은 코어에 대해 실시한 부착강도 실험 시 보수재에서 파괴된 코어는 없었으며 부착면 파괴는 5개, 모재 파괴는 2개였다. 부서진 코어에 대한 염화물 함량 시험을 수행한 결과 염화물이 1.594 kg/m³으로 정밀 안전진단 세부지침(KALIS 2019)⁽¹⁰⁾에서 제시하는 임계염화물 함량(1.2 kg/m³)보다 높은 염화물이 함유된 것이 확인되었다. 해당부위는 단면복구공사 후 폴리우레아로 표면이 덮어져 있음에도 불구하고 높은 염화물 함량을 나타내어, 해당부위는 열화부 제거가 제대로 이루어지지 않은 것으로 보인다. 따라서, 열화부가 충분히 제거된 단면복구공사 부위에서의 수평/수직 시공방향에 따른 결과는 Table 7의 결과와 달라질 수도 있을 것이다.

Table 7. Bond strength evaluation in terms of casting directions of repair materials

	Downward (top surface)	Horizontal (side)
Average (MPa)	0.10	0.36
Standard deviation (MPa)	0.07	0.25
Minimum (MPa)	0.04	0.04
Maximum (MPa)	0.23	0.74
No. of specimens	7 (27 %)	19 (73 %)

Fig. 2. Poor removal of deteriorated concrete

2.3.4 파괴부위에 따른 부착강도

파괴면 위치와 강도를 분석하여 단면복구공사 성능을 확인하고자 하였다. 파괴면은 세 부위(모재, 보수재, 부착계면)에서 발생할 수 있다. 일반적으로 모르타르나 콘크리트의 인장강도는 압축강도의 10 % 정도로 추정할 수 있다. 모재와 보수재의 압축강도가 각각 28 MPa과 40 MPa일 경우, 인장강도는 2.8 MPa와 4.0 MPa로 예상되며 이 강도는 부착강도 기준인 1.0 MPa보다 높기 때문에 부착면에서 파괴될 것으로 예상하였다.

실험 결과 전체 조사 대상 코어 26개 중 부착계면에서 13(50 %), 모재에서 7(27 %), 보수재에서 6개(23 %)씩 파괴가 발생하였다(Table 8). 평균 부착강도는 파괴면의 위치가 부착면 > 모재 > 보수재의 순서로 각각 0.5 > 0.32 > 0.19 MPa로 나타났고, 모두 KS F 4042(KATS 2017)⁽¹²⁾에 의한 기준 부착강도(1.0 MPa)에 미달하는 값을 보였다. 파괴면 위치에 따른 원인분석결과는 다음과 같다.

Table 8. Bond strength evaluation in terms of failure patterns (No. of total cores: 26)

	Cohesive failure within concrete substrate	Bond failure	Cohesive failure within repair material
Average (MPa)	0.32	0.19	0.50
Standard deviation (MPa)	0.16	0.23	0.25
Minimum (MPa)	0.12	0.04	0.09
Maximum (MPa)	0.55	0.72	0.74
No. of specimens (%)	7 (27 %)	13 (50 %)	6 (23 %)

1) 모재에서 파괴

모재에서의 파괴는 가장 이상적인 파괴의 형태이다. 보수재료의 인장성능과 보수재의 부착강도가 모재의 인장강도를 초과할 때 모재에서 파괴가 일어난다. 실험결과, 모재에서 파괴가 일어난 경우는 평균 0.32 MPa의 부착강도를 나타내었다. 실험 대상 구조물의 경우 모두 교량 하부구조이므로 모재 콘크리트의 압축강도는 24 MPa 정도로 추정되며, 모재의 추정 인장강도는 약 2.4 MPa이다. 기준 부착강도 1.0 MPa보다도 현저히 낮은 부착강도 값을 나타내었다. 따라서, 파괴가 일어난 모재면은 열화부로 추정될 수 있고, 많은 현장에서 열화부 제거가 제대로 이루어지지 않고 있는 것으로 보인다. 이러한 현상을 줄이기 위하여 모재의 열화부를 완전히 제거하여 건전부위를 노출시키는 것이 적절할 것이다.

2) 부착면에서 파괴

실험결과의 13개의 시험체(50 %)로 가장 많은 파괴형태가 부착면 파괴였다. 모재와 보수재의 인장성능이 보수재의 부착성능보다 높으면 파괴는 부착면에서 발생하므로 부착면 파괴를 줄이기 위해서는 보수재의 부착성능을 높일 필요가 있다. 이를 위해서는 먼저 보수재의 부착성능향상과 함께 보수면 전처리, 충분한 습윤양생 등을 고려할 수 있다.

3) 보수재에서 파괴

일반적으로 보수재는 모재와 부착강도 보다 높은 인장성능을 보여준다. 그럼에도 불구하고 23 %에 해당하는 6개의 코어에서 보수재 파괴가 관찰되었다. 이는 뿜칠 타설과 흙손 미장 공법에 상관없이 주로 측면에서 발생하였고, 측면의 경우 두 공법 모두 한 번에 전체 두께를 시공하는 것이 아니라, 여러 층으로 나누어 시공하므로 문제가 발생한 것으로 추정된다. 보수재 타설 시 20~30 mm 두께를 가진 하나의 층을 타설하고 경화된 후 추가타설하여 층과 층 사이의 부착이 저하되어 층분리가 일어난 것으로 판단된다. 실제 현장 실험에서 나타난 코어들은 Fig. 3과 같이 이러한 층분리를 시각적으로 확인할 수 있었다. 따라서, 측면 시공 시에 여러 층으로 나누어 타설할 경우에는 반드시 층과 층 사이의 부착을 확보하기 위해서 앞서 타설된 층이 경화하기 전에 타설해야 할 것이다.

Fig. 3. Cohesive failure within repair material due to multiple layers formed by spraying

3.1 보수면적 산정 개선

국내･외 열화부 제거 범위를 Table 9와 같이 비교하였다. 열화부 범위의 경우 국내는 물얼룩을 기준으로 결정하지만, 국외의 경우 열화된 콘크리트를 기준으로 결정하고 있다. 국내의 열화부 제거 범위는 물얼룩 경계에서 30~50 mm 확장하여 정하며 미국의 경우는 들뜸의 경계면에서 152 mm(6 in) 확장하여 제거하고 있다. 반면 유럽과 일본의 경우 열화부 제거 범위를 최소화하고 있다. 국내와 미국은 열화부 제거 범위를 열화부보다 넓게 함으로써 열화부의 완전한 제거가 목표인 것으로 보인다.

열화부 제거 범위 기준을 물얼룩으로 산정하였을 경우 물얼룩이 있더라도 건전한 콘크리트인 경우가 있었으며 이로 인해 단면복구 면적이 넓어지며 건조수축 등의 재손상을 야기할 수 있다. 또한, 철근 표면까지 열화부를 제거할 경우 철근 부식으로 인한 철근 하면의 콘크리트 열화부는 남아있게 된다.

따라서 다음과 같이 열화부 완전 제거와 부착성능을 고려하여 열화부 제거 범위를 다음과 같이 제시하였으며 Fig. 4와 같이 현행과 개선안을 비교하였다.

• 균열 또는 들뜸으로부터 150 mm까지 제거

• 철근 하면으로부터 20 mm 이상 제거

• 열화부는 단순한 모양으로 완전제거, 최소제거

Fig. 4. Proposal for removal area of deteriorated concrete

3.2 보수재료 선정 개선

단면복구공사에 주로 쓰이는 폴리머 보수재의 요구성능 비교는 Table 10에 나타내었다. 국내 기준은 표준상태와 동결융해상태에 대해서 부착강도 기준이 설정되어 있다. 또한, Table 11과 같이 국내 기준은 보수재료 종류에 따라 부착강도가 다르게 제시되어 있으나, 유럽의 경우는 보수재료와 관계없이 압축강도에 따라 부착강도를 다르게 제시하고 있다. 또한, 유럽, 미국, 일본은 좀 더 다양한 조건에서 부착강도 조건을 제시하고 있다.

현재 국내의 콘크리트 구조물의 열화가 주로 교량 하부 구조물에서 발생하고 있고, 하부 구조물의 강도를 고려하면, 유럽의 R3 Class를 참고할 수 있을 것이다. 따라서, 국내 보수재료의 압축강도를 25 MPa로 상향시키며 부착강도는 1.5 MPa를 제안하고자 한다.

3.3 전처리 방법 개선

국내･외 바탕처리에 대한 기준을 Table 12에 정리 하였다. 국내･외 모두 바탕처리 시 요철처리를 실시하고 있다. 그러나 우리나라와 일본의 경우 표면함수상태에 대한 기준이 없으며 유럽과 미국 모두 모재는 충분히 젖어있고 표면은 물기가 없는 표면건조포화상태(saturated surface-dry, SSD)를 만들어야 한다.

보수재 타설 전 모재의 표면건조포화상태는 보수재가 경화되는데 필요한 수분이 모재로 이동하는 것을 방지한다. 이는 보수재의 수화반응 시 필요한 수분을 확보함으로써 보수재가 충분한 강도를 발현하기 위함이다. 따라서 국내에서도 모재의 표면함수 상태를 표면건조포화상태로 만든 후에 보수재를 타설하는 것이 적절해 보인다.

3.4 보수재 시공 방법 개선

보수재 시공 시 층별 타설 기간이 길 경우 Fig. 3과 같이 층분리가 일어나기 쉽기 때문에 되도록 하나의 층으로 시공하는 것이 필요하다. 여러 층으로 뿜칠 시공할 경우 이전 층의 초기경화 전에 다음 층을 시공해야하며 경화 후에 시공할 경우 기시공면의 함수상태를 표면건조포화상태로 만들어 타설해야한다.

1회 시공 두께는 25~50 mm, 최소 두께 10 mm로 하고 거푸집을 사용할 경우에는 다짐을 충분히 실시하고 보수재가 충분히 경화한 후에 거푸집을 탈형해야 한다.

3.5 양생방법

ACI 506.2(1995)⁽²⁾에서는 양생 시 마감 후 7일 동안 소요 강도에 도달할 때까지 또는 추가 뿜칠을 타설할 때까지 습윤상태로 유지해야 한다고 제시하고 있다. 습윤양생 방법으로는 양생수 살포, 불침투성 시트사용, 양생제 사용이 있으며 주변의 상대습도가 95 % 이상 유지된다면 자연양생을 허용하고 있다. 국내에서는 양생 시 습윤양생을 지양하여 양생제 살포, 양생포 사용 등을 사용하고 있다. 고속도로 교량의 현장 여건상 양생포를 설치할 수 없는 경우가 많으며 이 경우 양생제를 도포하여 습윤양생을 해야 할 것이다.