2.1 실험인자 및 수준

본 연구에서는 고기능성 외벽도료를 적용한 콘크리트의 탄산화 저항성을 평가하기 위한 설계기준 압축강도 24, 27, 30 MPa 3수준의 보통 콘크리트를 대상으로 고기능성 외벽도료를 도포 후 촉진내후성 시험^{(KS M 6010, KATS 2014)} 및 촉진탄산화 시험^{(KS F 2584, KATS 2020)}에 따른 탄산화 저항성 평가를 실시하였다. 고기능성 외벽도료의 경우 붓을 사용하여 100 μm의 두께로 1회 도포하였으며, 실험인자 및 수준은 Table 3에 나타내었다.

압축강도 측정을 위한 시험체는 $\phi$100 mm×200 mm의 원주형 시험체로 제작하였으며, 도료의 적용 유무에 따른 탄산화 저항성 평가를 위한 콘크리트 시험체는 100 mm×100 mm×400 mm의 직육면체 시험체로 제작하였다.

반면 도료의 내후성 평가를 위한 시험체는 100 mm×100 mm×400 mm의 직육면체 시험체로 제작할 경우 촉진 내후성 장비에 시험체를 설치할 수 없어 30 mm×40 mm×160 mm의 크기의 모르타르 시험체로 제작하였다.

촉진탄산화 시험체의 전 양생은 콘크리트 시험체 제작 후 익일 탈형하여 재령 28일까지 수중양생을 실시한 후, 재령 56일까지 항온항습(20±2 °C, 60±5 %RH)을 실시하였다.

고기능성 외벽도료의 시공은 전양생을 종료한 후 붓을 사용하여 시험체의 좌우 양면에 Fig. 1 및 Fig. 2(a)과 같이 시공하여 2면 침투를 통한 고기능성 외벽도료의 성능평가가 가능하도록 하였으며, 고기능성 외벽도료의 양생이 완료된 이후 그 이외의 면(타설면, 하단면)은 에폭시를 도포하였다.

Fig. 1 Application of the high-performance paint

Fig. 2 Concrete test with high-performance paint

촉진내후성 시험을 위한 시험체의 경우 Fig. 2(b)에 나타낸 바와 같이 타설면 상부 일면에 고기능성 외벽도료를 시공한 후 남은 면에 에폭시를 도포하였다.

2.2 실험방법

2.2.2 촉진탄산화 시험

촉진탄산화 시험 조건은 20±2 °C, 60±5 %RH, CO₂ 농도 5±0.2 % 조건의 챔버에서 1, 4, 8, 13주 동안 실시하였다. 촉진탄산화 시험 종료 후 시험체 단면을 할렬하여 1 % 페놀프탈레인 용액을 분무한 후 발색이 이루어지지 않은 부분을 탄산화 깊이로 측정하였다.

탄산화 깊이 측정의 경우 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 페놀프탈레인 용액 분무 후 사진촬영을 실시하였으며, 이미지 편집 프로그램을 통해 탄산화 영역 및 비탄산화 영역으로 2치화하였다. 이후 화상분석 프로그램인 ‘Inner View’를 사용하여 고기능성 외벽도료를 도포한 시험체 좌우 2면, 촉진내후성 후 촉진탄산화를 실시한 시험체의 경우 시험체의 상부 1면을 대상으로 탄산화 깊이를 정량 측정하였다.

Fig. 3 Carbonation depth measurement method

2.2.3 촉진내후성 시험

고기능성 외벽도료의 장기 내구성능 검증을 위하여 촉진 내후성 평가를 하였다. 촉진내후성 시험의 경우 KS M ISO16474-3 ^{(KATS 2013}, 도료와 바니시-실험실 광원에 의한 폭로 시험방법-제3부: 형광 UV 램프)에 의거하여 300, 1,200시간 동안 실시하였다.

현행 KS M 6010^{(KATS 2014}, 수성도료)에서 규정된 1종 1급의 경우 촉진내후성 300시간을 진행한 시험체를 대상으로 목표성능에 부합하는지를 기준으로 제시하고 있으나, 본 연구에서는 기준보다 1,200시간 가혹조건을 실험인자로 추가설정하여 고기능성 외벽도료의 내후성 평가를 하였다. 본 연구에서 시행한 촉진내후성 시험 측정 전경을 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4 Accelerated weathering test

2.3 탄산화 속도계수 산정을 통한 장기 내구성 예측

촉진탄산화 시험에 의해 측정된 탄산화 깊이 결과를 토대로 아래의 식 (3)을 통해 탄산화 속도계수($A$)를 산정할 수 있다.

여기서, $C$는 탄산화 깊이(mm), $A$는 탄산화 속도계수, $t$는 시간(일)을 의미한다.

다만, 식 (3)을 통해서 도출되는 탄산화 속도계수의 경우 촉진탄산화 시험에 의해 CO₂ 농도 5 %로 진행한 결과이다. 일반적으로 대기 중 CO₂ 농도는 0.03~0.1 %이며, 촉진탄산화 시험 결과를 토대로 콘크리트 시험체의 내구성을 예측하기 위해서는 탄산화 속도계수를 대기 중 CO₂ 농도로 환산할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 일본건축학회(AIJ 2016)에서 제시하고 있는 환산 식 (4)를 이용하여 탄산화 속도계수를 옥외노출조건(CO₂ 농도 0.05 %)으로 변화하여 탄산화 진행예측을 진행하였다.

한편 2021년에 개정된 콘크리트 구조 내구성 설계기준(KDS 14 20 40: 2021)에 따르면 높은 내구성이 요구되는 구조물(구조물 내구등급 2등급)의 목표내구수명을 65년으로 규정하고 있다. 이에 대기 중 CO₂ 농도(0.05 %)로 환산한 탄산화 속도계수를 이용하여 65년까지 탄산화 진행예측을 진행하였다.

3.1 압축강도 측정결과

재령 7일 및 28일에서 콘크리트 시험체의 압축강도를 Fig. 5에 나타내었다. 재령 7일에서 콘크리트 시험체의 압축강도는 24, 27, 30 MPa 순으로 각각 20, 22, 25 MPa로 측정되었으며, 재령 28일에서는 31, 35, 37 MPa로 측정되었다.

Fig. 5 Compressive strength results over time

3.2 탄산화 깊이 측정결과

고기능성 외벽도료의 도포 유무에 따른 촉진탄산화 후 탄산화 깊이 측정결과를 Fig. 6, Fig. 7 및 Table 5~11에 나타내었다.

Fig. 6 Carbonation depth measurement results

Fig. 7 Results of carbonation depth measurement after accelerated weathering test

고기능성 외벽도료를 적용하지 않은 콘크리트 시험체의 촉진 탄산화에 의한 탄산화 깊이를 측정한 결과, 1주간 촉진탄산화를 실시한 시험체는 24, 27, 30 MPa 시험체 순으로 탄산화 깊이가 각각 7.17, 6.20, 4.41 mm로 측정되었으며, 압축강도가 증가함에 따라 탄산화 깊이가 감소하는 것으로 확인되었다.

또한 촉진 탄산화 깊이가 증가함에 따라 탄산화 깊이도 증가하였으며, 13주간 촉진탄산화를 실시한 이후 최종 탄산화 깊이는 19.95, 16.48, 15.12 mm로 측정되었다.

반면, 고기능성 도료를 도포한 시험체의 경우 촉진탄산화 8주까지 탄산화가 전혀 진행되지 않았으며, 촉진탄산화 13주에서 1 mm 이내로 탄산화가 진행된 것을 확인할 수 있었다.

고기능성 외벽도료를 적용하지 않은 40 mm×30 mm×160 mm 시험체를 대상으로 촉진탄산화를 실시한 결과, 촉진탄산화 기간이 증가함에 따라 탄산화 깊이가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 13주 동안 촉진탄산화 실시 후의 탄산화 깊이는 24, 27, 30 MPa 순으로 약 13.5, 8.7, 8.1 mm로 측정되었다.

Table 5 Results of carbonation depth (1 week)

Table 6 Results of carbonation depth (4 weeks)

Table 7 Results of carbonation depth (8 weeks)

Table 8 Results of carbonation depth (13 weeks)

Table 9 Carbonation depth results of mortar bar after accelerated weathering test (Non coated)

Table 10 Carbonation depth measurement results after accelerated weathering test of high-performance paint (coating 300 hours)

Table 11 Carbonation depth measurement results after accelerated weathering test of high-performance paint (coating 1,200 hours)

고기능성 외벽도료 도포 후 촉진내후성 300시간을 실시한 시험체의 경우 촉진탄산화를 13주 동안 실시한 탄산화 깊이가 약 1.6, 1.4, 1.0 mm로 측정되었으며, 촉진내후성 1,200시간을 실시한 시험체의 경우 촉진탄산화 13주 후 탄산화 깊이가 약 3.5, 2.6, 1.4 mm로 측정되었다.

고기능성 외벽도료를 적용한 경우 촉진내후성 시험을 시행하더라도 도료를 적용하지 않은 경우에 비해 탄산화 깊이가 현저히 감소하는 것으로 확인되었다. 촉진내후성 300시간 실시한 경우 탄산화 깊이는 약 86 % 감소하였으며, 1,200시간 실시한 경우 탄산화 깊이가 약 75 % 감소하였다. 위 결과를 통해 촉진내후성 시험을 1,200시간 실시하더라도 탄산화 저항성이 크게 저하하지 않는 것을 확인할 수 있었다.

3.3 TG-DTA 측정결과

촉진탄산화 13주 실시한 시험체를 대상으로 콘크리트 시험체 위치별(표층부, 탄산화 경계부, 중심부) TG-DTA 측정결과를 Figs. 8~13에 나타내었다. 고기능성 외벽도료를 적용하지 않은 콘크리트 시험체의 경우 중심부에서는 탄산화가 진행되지 않아 400~550 °C 온도영역에서 Ca(OH)₂의 열분해에 의한 중량감소가 명확하게 확인되었다.

Fig. 8 Thermogravimetry differential thermal analysis (TG-DTA) results (no coating 24 MPa)

Fig. 9 Thermogravimetry differential thermal analysis (TG-DTA) results (no coating 27 MPa)

Fig. 10 Thermogravimetry differential thermal analysis (TG-DTA) results (no coating 30 MPa)

Fig. 11 Thermogravimetry differential thermal analysis (TG-DTA) results result (Coating 24 MPa)

Fig. 12 Thermogravimetry differential thermal analysis (TG-DTA) results result (Coating 27 MPa)

Fig. 13 Thermogravimetry differential thermal analysis (TG-DTA) results result (Coating 30 MPa)

반면, 표층부의 경우 대다수의 시험체가 페놀프탈레인 용액에 의한 발색이 이루어지지 않았음에도 불구하고 대략 500~750 °C의 온도영역에서 중량감소가 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 일반적으로 CaCO₃의 경우 600~800 °C 온도영역에서 열분해에 의한 중량감소가 이루어진다고 알려져 있다. 그러나 ^{Vogler et al. (2021)}의 연구에 의하면 CaCO₃의 경우 결정형태에 따라 고온에서 열분해 온도가 다르게 나타난다고 보고하고 있다. C-S-H, AFt, AFm의 탄산화에 의해 다수 생성되는 비정질 CaCO₃, Vaterite 및 Aragonite는 500~700 °C의 온도범위에서 열분해가 일어나며, Ca(OH)₂의 탄산화에 의해 주로 생성되는 Calcite는 700~800 °C의 온도범위에서 열분해가 일어난다고 보고하였다. 이에 따라 페놀프탈레인 용액에 의해 발색이 이루어지지 않았음에도 약 500 °C부터 중량감소가 이루어지는 것은 Ca(OH)₂가 아닌 CaCO₃의 다형체 중 Vaterite 혹은 Aragonite가 열분해되어 중량감소가 이루어진 것으로 판단된다.

경계부의 24, 27 MPa 시험체에서는 약 400 °C 부근에서 명확한 중량감소가 이루어진 이후 고온으로 증가됨에 따라 추가적인 중량감소가 이루어지고 있어 소량의 Ca(OH)₂가 존재하며 완전 탄산화가 진행되지 않은 것으로 판단되지만, 30 MPa 시험체에서는 Ca(OH)₂의 열분해를 확인할 수 없었다.

반면 고기능성 외벽도료를 적용한 시험체의 경우 표층부에 소량의 Ca(OH)₂가 존재하는 것을 확인하였으며 도료의 열화인자 차단효과로 인하여 13주 촉진탄산화가 진행되었음에도 완전 탄산화가 진행되지 않은 것으로 판단된다.

3.4 pH 및 탄산화 반응생성물의 정량분석 결과

촉진탄산화를 13주 실시한 후 콘크리트 시험체의 위치별(표층부, 탄산화 경계부, 중심부) pH 측정결과를 Figs. 14~16에 나타내었다.

Fig. 14 Results of pH measurements (24 MPa)

Fig. 15 Results of pH measurements (27 MPa)

Fig. 16 Results of pH measurements (30 MPa)

고기능성 외벽도료를 도포하지 않은 시험체의 경우 강도와 관계없이 표층부의 pH는 9.8~10.5로 측정되었으며, 탄산화 경계부는 11.1~11.8, 중심부는 12 이상으로 측정되었다. 일반적으로 고순도의 CaCO₃는 pH가 9.4로 알려져 있으며, 표층부의 경우 고순도 CaCO₃의 pH보다는 소폭 높은 값을 나타내고 있지만, 탄산화가 진행되어 중심부 대비 낮은 pH가 측정된 것으로 판단된다.

탄산화 경계부의 경우 중심부보다 pH가 약 1정도 낮게 측정되고 있으며, 이는 탄산화가 진행되지 않은 미량의 Ca(OH)₂가 존재하여 표층부대비 상대적으로 pH가 높게 측정되는 것으로 판단된다.

반면, 고기능성 외벽도료를 도포한 시험체의 경우 모든 시험체에서 탄산화 경계부와 중심부는 12 이상으로 측정되었으며, 표층부의 경우 pH는 11.5~12로 고기능성 외벽도료를 도포하지 않은 시험체 대비 pH가 높게 측정된 것을 확인할 수 있었다. 이는 TG-DTA 측정결과에서 확인한 바와 같이 표층부에도 Ca(OH)₂가 소량 존재하고 있어 상대적으로 높은 pH가 측정되는 것으로 판단된다.

3.5 탄산화 속도계수 산정을 통한 장기 내구성 예측 결과

촉진탄산화 시험에 의한 탄산화 깊이 측정 결과를 토대로 탄산화 속도계수 산정결과를 Table 12에 나타내었다.

고기능성 외벽도료를 적용하지 않은 콘크리트 시험체의 경우 탄산화 속도계수가 1.5~2.37 $mm/\sqrt{day}$로 산정되었으나, 고기능성 외벽도료를 적용한 시험체는 0.07~0.11 $mm/\sqrt{day}$로 탄산화 속도계수가 현저히 저하하는 것으로 확인되었다.

또한 촉진내후성을 실시한 경우에도 300시간을 실시한 시험체는 0.13~0.27 $mm/\sqrt{day}$, 1,200시간을 실시한 시험체는 0.16~0.27 $mm/\sqrt{day}$로 고기능성 외벽도료를 적용하지 않은 경우와 비교하여 탄산화 속도계수가 약 90 % 감소한 것으로 나타났다.

다만, 앞서 도출한 탄산화 속도계수의 경우 촉진탄산화 시험에 의해 CO₂ 농도 5 %로 진행한 결과이며, 식 (4)를 활용하여 옥외노출조건(CO₂ 농도 0.05 %)으로 환산한 탄산화 속도계수는 Table 13과 같다.

이에 대기 중 CO₂ 농도(0.05 %)로 환산한 탄산화 속도계수를 이용하여 65년까지 탄산화 진행을 예측한 결과를 Fig. 17 및 Fig. 18에 나타내었다.

Fig. 17 Prediction results of carbonation

Fig. 18 Prediction results of carbonation depth for high- performance paint applied to concrete

고기능성 외벽도료를 적용하지 않은 콘크리트의 경우 65년 경과 후 탄산화 깊이가 24, 27, 30 MPa 순으로 각각 36, 31, 23 mm로 예측되었다. 반면 고기능성 외벽도료를 적용한 콘크리트 시험체의 65년 경과 후 탄산화 깊이가 모두 2 mm 이내로 예측되었으며, 가혹조건의 촉진내후성 1,200시간을 실시하여도 6 mm 이내로 예측되었다.

위 결과를 토대로 EC4로 간주되는 비를 맞는 외벽 콘크리트를 본 실험에서 고기능성 외벽도료를 적용하지 않은 30 MPa 시험체로 가정하였을 때, 별도의 보호조치로써 고기능성 외벽도료를 적용한 27 MPa 시험체의 탄산화 저항성이 30 MPa 시험체보다 월등히 우수해지는 것을 확인하였다.

따라서 콘크리트구조 내구성 설계기준(KDS 14 20 40)에서 제시하고 있는 바와 같이 EC4로 간주되는 비를 맞는 외부 콘크리트일지라도 성능이 확인된 별도의 보호조치를 취하는 경우 노출등급에 따른 최소 설계기준압축강도에서 규정하는 값보다 낮은 강도를 적용할 수 있다고 규정되어 있으므로, 본 연구에서 검증한 고기능성 외벽도료를 적용할 경우 EC4 대상의 콘크리트에 24~27 MPa 콘크리트를 적용하는 것이 가능할 것으로 판단된다.