3.1. 실험실 수준 연구현황

GPR은 콘크리트 교량의 유지관리에 있어 철근 및 내부 텐던과 같은 보강재의 위치 및 상태, 아스팔트 포장 두께, 포장 아래 콘크리트의 손상과 같은 정보를 비파괴적으로 얻는 데 효과적으로 활용될 수 있다. 특히, 콘크리트 부재의 균열, 철근부식, 공극, 박리 등의 조기 진단 및 모니터링이 매우 중요하며 이들을 진단 및 구분하기 위한 실구조물(현장) 적용 전에 실험실 수준에서 선행 연구를 진행하는 것이 공학 및 과학적으로 타당한 절차일 것이다. 또한 통제된 실험실 환경에서 각 손상 유형에 따른 GPR 신호의 특성들을 파악하여 실구조물 적용 시 진단 정밀도와 신뢰도를 향상시키는데 활용할 수 있다. 따라서 본 절에서는 우선적으로 Table 2에 요약된 바와 같이, 실험실 수준에서 GPR을 이용하여 콘크리트 부재의 다양한 손상진단 기법을 개발하는 대표적인 연구들에 대한 조사 및 분석을 진행하였다.

^{Rathod et al. (2019)} 은 철근콘크리트 내부 철근의 직경, 배근간격 및 매설깊이의 비파괴추정을 위해 GPR을 이용하였다. 실험을 위하여 610×610 mm2의 콘크리트 시편을 제작하고, GPR을 수직 및 수평방향으로 스캐닝하여 내부 철근을 시각화 하였다. ^{Yehia et al. (2008)}은 6개의 콘크리트 시편을 제작 하여 박리, 공극 및 표면균열의 진단에서 GPR의 적용성을 검토하였다. 이중 3개의 시편에는 다양한 박리, 공극 및 표면균열 손상이 모사되었고, 나머지 3개의 시편은 손상이 없는 대조군으로 활용되었다. 각 시편의 크기는 122×122×18 cm3이며, 1.5 GHz의 전자기파를 시편에 주사하고 신호를 계측하였다. 또한, 해당 연구에서는 박리의 진단뿐만 아니라 깊이 추정에 대한 가능성 또한 연구되었다. 철근 콘크리트 보 내부의 박리 진단에 있어 GPR의 효율성을 평가하고, 박리와 전자기파간의 상호작용에 대한 이해 향상을 위하여 ^{Sultan et al. (2018)}은 부식없이 콘크리트 박리가 발생하는 현상을 실험실에서 구현하여 실험시편을 제작하고 실험을 진행한 바 있다.

철근 부식의 경우, 염해와 같은 외부 환경 노출 및 화학반응 등의 요인으로 발생하며 정기적인 외관 육안(또는 비전)검사를 통해 발견되기 훨씬 이전에 부재 내부에서 진행이 되는 경우가 많다. 따라서 철근 부식을 조기에 진단하고 부식의 진전을 모니터링 하는 기술의 개발이 필요하며, 많은 연구들이 진행되고 있다^{(Darmawan and Stewart 2007)}. ^{Martino et al. (2014)}은 철근 부식과 GPR 신호 진폭의 상호관계를 분석하기 위하여 철근 콘크리트 시편에 인공적으로 부식을 유발하였다. 여기서, GPR신호에 영향을 미치는 다른 요인들(수분 함유량 및 습도)의 영향을 최소화하기 위하여 GPR 신호 계측 전 모든 시편들을 몇 달 동안 건조시키는 과정을 거쳤다. 이렇게 통제된 환경에서의 실험을 통해 계측 결과의 재현성과 신뢰성을 확보하고, GPR 신호의 진폭과 부식 간의 상호관계를 규명할 수 있었다. 또한 최근에는 GPR 계측 뿐만 아니라 Self-potential 계측 신호를 융합하여 철근 부식 진단의 정확도와 신뢰도를 향상시키려는 연구도 진행되고 있다^{(Fornasari et al. 2023)}.

프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete, PSC)의 경우, 구조물의 안정성과 하중 지지능력을 항샹시킬 수 있어 많은 교량에 활용되고 있다. 하지만, 2016년 서울 정릉천고가차도와 같이, 부재에 설치된 포스트텐션(post-tensioning, PT) 텐던의 부식 및 이로 인한 인장력 저하에 대한 진단 및 모니터링이 매우 중요한 이슈로 떠오르고 있다^{(Yoon et al. 2019)}. 내부 PT 텐던의 부식은 주로 텐던 매설 시 덕트에 그라우트가 완전히 충진되지 않고, 여기에 수분이 유입되면서 발생하므로, ^{Giannopoulos et al. (2002)}은 GPR을 이용하여 덕트에 그라우트가 충진되지 않아 발생한 공극을 진단하는 연구를 실험실 수준에서 수행한 바 있다. 단면이 0.4×0.45 m2이고, 길이가 2 m인 보에 내부 직경 50 mm인 덕트를 모사하고 여기에 직경 20 mm의 텐던을 삽입한 후, 모르타르를 충진하였다. 그 다음 900 MHz와 1.5 GHz의 GPR 신호를 이용하여 덕트 내부의 공극 진단 가능성을 검토하였다. 이후 ^{Sławski et al. (2016)} 2 GHz의 GPR 신호를 사용하여 PSC 거더 시험체 내부의 철근과 내부 PT 텐던의 위치를 추정하는 연구를 진행한 바 있다.

3.2. 실구조물 적용 연구현황

콘크리트 교량은 크게 기둥, 보, 슬래브로 구조요소를 구분 지을 수 있다. 슬래브의 경우 수명이 기둥과 보에 비해 짧기 때문에 콘크리트 교량의 유지관리는 주로 슬래브의 손상진단에 중점을 두고 있으며, 본 연구에서의 문헌조사 결과에서도 대부분의 실구조물 적용 연구들은 슬래브의 손상진단에 그 목적을 두고 있음을 확인할 수 있었다. 이와 관련한 대표적인 연구들은 Table 3에 요약되어 있다.

실 교량 슬래브에서 GPR 신호의 감쇠를 이용하여 부식이 발생한 지점을 식별하고자 한 연구들이 수행된 바 있다^{(La et al. 2015; Varnavina et al. 2015; Rahman and Zayed 2016; Rhee et al. 2019)}. ^{Barnes and Trottier (2004)}는 부식으로 인해 발생한 박리를 진단하기 위해 GPR 신호의 개별 파형 변화와 박리 간의 상관관계를 중점적으로 연구하였다. 철근 콘크리트 교량의 열화는 주로 균열이나 공극을 통해 수분과 염화물이 침투하고 이로 인해 철근이 부식되면서 발생하며, 이는 콘크리트 부재의 유전특성(유전상수)에 변화를 유발한다. GPR에 사용되는 전자기파는 재료의 유전상수에 따라 전파특성이 변화하며, 이를 이용하여 실제 철근 콘크리트 교량에 대하여 내부 철근위치, 균열, 공극, 박리뿐만 아니라 내부 열화 및 철근의 부식의 진단 가능성이 검토된 바 있다^{(Diamanti et al. 2017)}. 또한, ^{Hugenschmidt et al. (2014)}는 철거 예정인 실제 교량에 대하여 파괴시험을 통해 염화물 함량과 부식, GPR 신호 간의 상관관계를 연구하였으며, 이를 통해 노후 콘크리트 교량 내부의 염화물 분포와 부식 및 열화상태, 이로 인한 GPR 신호 특성에 대한 이해를 높일 수 있었다. ^{Rhee et al.(2020a)}은 GPR 신호를 이용하여 콘크리트 교량의 유전상수의 변화를 조사하여 교량의 상태를 평가하는 실용적인 방법을 제안하기도 하였다.

철근 콘크리트 교량의 비파괴진단 신뢰도와 콘크리트 부식, 박리와 GPR 이외의 다른 비파괴검사 신호변화 간의 상관관계에 대한 이해도 향상을 위하여 ^{Pailes and Gucunski (2015)}는 GPR, 전기저항, Half-cell potential 및 임팩트-에코 기법을 미국내의 12개의 교량에 적용하고 이들의 진단 결과들을 종합적으로 분석한 바 있다. 그 결과, GPR, 전기저항, Half-cell potential 기법들의 진단결과가 콘크리트 교량의 부식, 박리와 상관관계가 높았다. 특히, 콘크리트 부식과 박리의 경우, 손상의 발생 및 진행에 따라 염화물과 수분 함유량이 증가하는 특성이 있었으며 GPR 신호는 염화물과 수분 함유량에 민감하게 반응하여 이들을 진단하는데 효과적이었다고 평가하였다.

^{Pashoutani and Zhu (2023)}은 GPR 기반 콘크리트 교량 슬래브의 철근매설깊이 추정의 신뢰도 향상을 위하여 깊이 보정 방법을 제안하였다. 이상적인 조건에서 전자기파는 철근에서 반사되고 반사된 전자기파의 도달 시간을 추정하여 철근의 매설깊이를 추정할 수 있지만, 실제 교량 구조물의 경우, 염화물과 수분함량에 따라 전자기파의 전파속도에 변화가 있어 정확한 철근 매설깊이 추정이 어렵다. 해당 연구에서는 전자기파의 속도뿐만 아니라 도달거리에 따른 감쇠를 함께 고려하여 철근 깊이를 보다 정확하게 계측하였다. ^{Bavusi et al. (2011)}은 이탈리아의 Musmeci bridge에 발생한 수분침투 손상의 진단을 위하여 GPR을 집중적으로 이용하였다. 여기서, Step-frequency GPR (SF-GPR) 방식을 도입하여 서로 다른 주파수의 전자기파 신호를 생성 및 계측하고 이들 신호들을 종합하여 단층촬영 방식과 유사하게 구조물 내부의 상세 이미지를 생성하였다.

^{Hugenschmidt and Mastrangelo (2006)}는 철거 예정인 실제 교량의 보에 대해 GPR을 이용하여 포장두께, 철근 및 내부 PT 텐던 덕트의 위치추정에 대한 연구를 진행하였고, 교량 철거를 통해 계측 결과에 대한 검증을 수행하였다. 앞절에서도 언급한 바 있지만, PSC 교량의 경우 내부 PT 텐던의 배치 및 이를 위한 덕트의 균열 또는 그라우트 충진 여부를 확인하는 것이 매우 중요하다. ^{Beben et al. (2012)}은 노후화되어 개량이 필요하나, 설계 및 시공자료가 부족한 3경간 교량의 보들에 대하여 GPR 계측을 통해 내부 철근, 스터럽 및 내부 구멍의 위치를 식별하고 상태를 추정하는 연구를 수행한 바 있다. ^{Mazzatura et al. (2023)}은 이탈리아의 5개 노후 PSC 교량들에 대하여 GPR 계측을 통해 내부 PT 텐던들의 위치를 추정하고 덕트 내부 그라우트 공극진단을 수행하였다. GPR 주파수가 손상진단에 미치는 영향을 조사하기 위하여 2 GHz와 3 GHz의 주파수를 가지는 두 종류의 상용 GPR 장비를 활용하였으며, 진단 결과의 검증을 위하여 초음파와 X-선 영상계측을 추가적으로 수행하였다. 그 결과, 초음파와 X-선 영상 계측에 비하여 GPR 계측이 현장적용에 보다 용이하다는 결론을 도출하였다.

3.3. 콘크리트 압축강도 비파괴추정 연구 현황

콘크리트의 압축강도를 추정하기 위하여 현재 가장 많이 사용되는 방법은 공시체를 제작하거나 실제 운용중인 구조물에서 코어를 채취한 후 하중시험기를 이용하여 압축하중을 가하는 것이나, 이 같은 경우 시험체가 파괴되어 더 이상 활용이 불가능하며 실구조물의 경우 코어채취로 인해 부재의 추가적인 손상을 유발할 수 있다. 이와 같은 문제들을 해결하기 위하여 비파괴적인 방법으로 압축강도를 추정하는 기법의 적용이 필요하다. 국내 현행 기준에 따르면 현장에서 비파괴적으로 콘크리트의 압축강도를 추정하는 대표적인 방법은 슈미트해머를 이용한 반발경도법^{(KATS 2008)}과 초음파속도법^{(KATS 2023)}이 있다. 하지만 반발경도법은 1948년에 개발되었고, 초음파속도법은 1970년대에 국내에 도입되어 최신 설계 기준과 구조물들의 특성들을 반영하지 못하고 있다. 또한, 두 방법 모두 경험식에 의존하고 있으며, 경험식마다 추정값이 다를 뿐만 아니라 그 오차도 커 진단 신뢰도도 많이 떨어진다는 문제가 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 다양한 비파괴검사 기법들을 적용하여 콘크리트의 압축강도를 추정하는 방법들이 연구되고 있다. 이중, 본 논문에서는 GPR을 이용하여 콘크리트 부재의 압축강도를 비파괴적으로 추정하는 최근 연구들을 조사하였고, 대표적인 연구결과들은 Table 4에 요약되어 있다.

콘크리트는 수화 과정에서 결합수(Absorbed/bound water)가 생성되면서 수분 함유량이 감소하고 강도가 발현된다. ^{Lai et al. (2009)}은 콘크리트 수화과정에서 수분 함유량의 감소에 따른 유전상수 변화 메커니즘을 규명하였다. 전자기파의 속도와 진폭(에너지)는 콘크리트의 유전상수와 관련이 있으므로, GPR 신호 계측을 통해 콘크리트의 수화과정 및 강도발현을 모니터링 할 수 있다는 결론을 도출하였다. ^{Shen et al. (2016)}은 콘크리트 함수율이 내부 공극 발생량과 관련이 있으며, 최종적으로 콘크리트의 유전상수 및 압축강도와 상관관계가 있다는 연구결과를 발표하였다. 또한, GPR 신호의 속도, 진폭 및 감쇠비를 이용하여 압축강도를 비파괴적으로 추정하였다. ^{Morris et al. (2021)}은 GPR 신호를 이용한 압축강도 추정을 위하여 진폭, 위상, 에너지, 감쇠비등 다양한 신호특성들을 시간-주파수 영역에서 추출하여 신호분석을 진행하였다. 골재의 영향을 최소화하기 위하여 저주파(900 MHz) 신호를 사용하였으며, 연구결과 진폭이 공극 발생량과 가장 상관관계가 컸다. ^{Ling et al. (2022)}은 GPR 신호처리에 웨이블릿변환(wavelet transform)을 이용하여 콘크리트 부재의 유전상수 및 압축강도 추정에 사용하였다. 전자기파의 주파수 영향에 대한 분석도 진행되었으며, 주파수가 높을수록 전자기파의 투과 깊이는 감소하지만 압축강도 추정 정확도는 향상되는 것으로 보고되었다. ^{Wong and Lai (2022)} 서로 다른 주파수의 GPR 신호를 이용하여 콘크리트 압축강도 추정에서 주파수의 영향을 수치해석을 이용하여 분석한 바 있다. 그 결과 높은 주파수(2 GHz)의 전자기파를 사용하였을 때 보다 정확하고 신뢰도 높은 유전상수 및 압축강도 추정이 가능함을 확인하였다. ^{He et al. (2023)}은 전자기파의 진폭과 속도를 이용하여 콘크리트 압축강도 추정에 보다 신뢰도 높은 계측인자의 개발에 대한 연구를 진행하였다. 연구결과, 전자기파의 속도를 이용하여 유전상수를 추정하여 이를 사용하는 것이 가장 신뢰도 높은 방법이었으며, 콘크리트의 유전상수에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 내부의 수분 함유량이라는 결론에 도달하였다. ^{He and Lu (2023)}도 서로 다른 두 주파수의 GPR을 이용하여 콘크리트 유전상수 및 압축강도 추정 연구를 진행하였고, 앞선 연구결과들과 동일하게 유전상수는 콘크리트 수분 함유량에 민감하게 변화하며, 고주파(2.6 GHz) 전자기파가 저주파(1.6 GHz)보다 신뢰도 높은 유전상수 추정이 가능함을 보였다. 또한 콘크리트의 수화 과정에서 수분 함유량과 유전상수가 감소하며 이로 인해 압축강도가 증가(발현)하는 메커니즘을 검증하였다.

3.4. GPR 신호처리 연구 현황

본 연구의 문헌조사 결과, 최근 연구들은 대부분 Radargram 신호(이미지)의 분석에 초점을 맞추고 있는 것으로 분석되었으며, 그 결과를 Table 5에 요약하였다. ^{Abouhamad et al. (2017)}은 Radargram에서 콘크리트 내부 철근으로부터 반사된 Hyperbola 형태 파형의 형상과 강도를 Decision Tree 기법으로 분석하여 부식의 정도를 추정하였다. ^{Lee et al.(2022a)}은 콘크리트 내부 철근과 공극에서 반사된 전자기파의 위상변화와 Synthetic Aperture Focusing Technique(SAFT) 알고리즘을 이용하여 철근/공극 식별 기법을 개발하였다. Full-Waveform Inversion (FWI)는 탄성파를 이용한 지반탐사에 주로 적용되는 기법이나, GRP을 이용한 철근 및 부식 진단에도 활발히 이용되고 있다^{(Jazayeri et al. 2019; Ahn et al 2024)}. 또한, 최근 영상(이미지) 기반 머신러닝 기법들이 개발되면서, 이들을 Radargram 분석에 활용하여 내부 철근의 위치, 형상, 매설깊이를 자동 추정하는 연구들이 다수 진행되고 있다. ^{Dinh et al. (2018)}와 ^{Lei et al. (2019)}은 각각 Convolutional Neural Networks(CNN)와 Faster Region-based CNN(R-CNN)을 이용하여 Hyperbola 형상을 자동으로 인식하여 철근의 진단 및 위치추정을 수행한 바 있다. Lie et al.(2020)은 Single Shot Multi-box Detector(SSD)를 이용하여 철근 진단, 위치추정 및 매설깊이를 추정하는 연구를 진행하였고, 앞선 Faster R-CNN 기법보다 향상된 진단 결과를 보였다. 이후, ^{Li et al. (2022)}는 한발 더 나아가 Radargram과 Electromagnetic Induction(EMI) 검사 데이터를 융합하고 You Only Look Once-v3(YOLOv3)로 이를 처리하여 철근의 위치, 매설깊이 및 형상정보를 높은 정확도로 추정하였다.