2.1 사용재료

2.1.1 자기치유 캡슐

자기치유 캡슐(self-healing capsules, SHC)에 사용된 코어재료는 무기재료인 규산염계 기반 무기재료를 사용하였다. 규산염계 무기재료는 규산칼륨(potassium silicates, PS), 규산나트륨(sodium silicates, SS) 및 규산리튬(lithium silicates, LS)를 선행연구^{(Choi et al. 2022; Kim et al. 2022)}를 통하여 최적 비율을 적용하였다.

Table 1은 SHC의 코어 재료에 사용된 규산염계 무기재료의 원재료의 화학성분을 나타낸 것이다. 규산염계 무기재료의 반응은 시멘트 수화물인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응하며, 규산칼슘 수화물(CaSiO₃·xH₂O)과 강알칼리 금속이온인 K⁺, Na⁺ 및 Li⁺을 생성한다. 치유반응은 규산칼슘 수화물이 겔화되어 균열영역을 충전하며, 강알칼리 금속이온은 균열주위의 미수화 시멘트의 추가 수화를 촉진시킨다.

또한 이러한 생성물들은 균열 치유뿐만 아니라 모체 내부를 치밀하게 해주며, 강알칼리인 콘크리트의 pH를 유지하거나 보충하는 효과를 얻을 수 있다^{(Kim et al. 2022)}. 캡슐의 막재료는 일반적인 폴리우레탄(polyurethane, PU), 우레아(urea) 및 포름알데히드(formaldehyde)를 사용하였으며, PU의 점도조절을 위하여 톨루엔을 첨가하여 약 60 % 용해하였다^{(Kim et al. 2022)}.

캡슐의 제조는 Fig. 1(a)의 장비를 통하여 코어 재료를 합성하며, 합성된 코어는 Fig. 1(b)의 장비를 통하여 막 형성을 수행한다. 이때 Fig. 1(c)의 장비를 통하여 pH를 조절하면서 합성한다. 최종적으로 Fig. 1(d)의 장비를 통하여 크기를 분류한다. 본 논문에서는 선행연구^{(Kim et al. 2022)}를 통하여 적정 크기를 선정하였으며, 최적의 입자범위인 160~350 μm를 사용하였다.

Table 1. Chemical composition and physical properties of self-healing capsules

Silicate type	K2O (%)	Na2O (%)	Li2O (%)	SiO2 (%)	Solids content (%)
Potassium silicates	10.0-11.0	-	-	21.5-22.5	20-52
Sodium silicates	-	9.0-10.0	-	28.0-30.0	30-56
Lithium silicates	-	-	1.0-1.5	18.0-22.0	20-25

Fig. 1. Manufacturing equipment of the self-healing capsules

2.2 실험방법

2.2.2 초음파 시험을 활용한 치유성능 평가

본 논문에서는 기존의 명확한 기준이 부재한 초음파 시험을 활용한 균열 치유성능 평가를 목적으로 초음파 장비와 추정식을 활용하였다. 초음파 치유성능 평가는 균열 자기치유 캡슐을 혼입한 시험체와 혼입하지 않은 시험체로 구분하여 진행하였으며, 초음파 장비는 상용장비(Q사, Ultracon-170, 측정범위 0.1 μs~ 6,500 μs)를 사용하였다.

탐촉자는 접촉식(Contact type, P-wave, 중심 주파수 54 kHz)을 사용하였으며, 신호 감쇠를 최소화하기 위해 기준 감도 설정은 50 dB로 설정하였다. 초음파 측정 주기는 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz로 사전 검토하였으나, 10 Hz 및 20 Hz 조건에서는 측정값이 불규칙하게 변화하여 5 Hz 조건만을 채택하였다.

펄스 전압(pulse voltage)은 600V 및 1,200V로 설정하여 측정하였으며, 측정된 초음파 전달시간을 기반으로 전달속도를 산정하였다. 식 (1)은 초음파 전달속도를 이용한 균열깊이 추정식(Tc–To 법)을 나타낸 것으로, 본 연구에서는 표면법(Surface method)으로 측정하였으며, 측정 거리가 300 mm인 점을 고려하여 탐촉자 중심에서 약 5~7 mm 안쪽 지점을 기준으로 거리 보정을 수행하였다.

(1)

$H = \frac{L}{2}\sqrt{(\frac{T_c}{T_o})^2-1}$

여기서, $H$: 균열깊이, $L$: 송신탐촉자와 수신탐촉자의 거리, $T_c$: 균열이 없는 건전부의 초음파 전달 속도, $T_0$: 균열부 주위의 초음파 전달 속도

시험체는 100 mm×100 mm×400 mm의 각주형 형태로 제작하였으며, 재령 28일까지 수중양생 후 3점 재하 방식으로 중앙부에 균열을 유도하였다. 이후 ‘ㄷ’형태의 금속 브라켓과 실리콘을 이용해 균열폭이 0.25~0.35 mm가 되도록 유도하였다. 이는 실험장비의 한계로 인하여 기존의 방법을 변형하여 자체적으로 제안한 방법이다.

측정 대상에 균열부를 중심으로 송신 및 수신 탐촉자를 대칭되게 설치하는 표면법을 통해 균열깊이를 측정하였다. 시험체 양 끝단의 50 mm 지점에 측정구간을 설정하였으며, 탐촉자 사이의 거리는 300 mm가 되도록 하였다. 송신 및 수신 탐촉자 사이의 거리가 500 mm 이하일 때 초음파의 송신 및 수신 탐촉자 사이의 거리 보정이 필요하여, 탐촉자의 중심을 기준으로 5 mm 안쪽이 되는 지점을 기준점으로 보정하였다^{(Jiang et al. 2022; Shen et al. 2023)}.

또한 탐촉자와 시험체 사이에 초음파가 원활하게 전달될 수 있도록 그리스를 도포하였다. Fig. 2는 Tc-To 법의 모식도를 정리한 것이며, Fig. 3은 초음파 측정 과정 개략도를 나타낸 것이다.

Fig. 2. Schematic diagram of the Tc–To law

Fig. 3. Examples of ultrasonic measurement display screens and ultrasonic screening methods

본 연구의 측정은 표면법을 적용한 TOFD 유사 기법으로, 실제 측정 속도는 순수 P파 속도가 아닌 회절파 기반의 유효 속도로 산정되었다. 초음파 실험은 50회 반복하여 초음파 전달 속도 값을 측정한 후 균열깊이 추정식에 대입하여 분석하였다. 본 연구에서 적용된 조건은 측정 주기 5 Hz, 펄스 전압은 600V 및 1,200V(pulse voltage, V로 약칭)를 적용하여 검토하였다^{(Lencis et al. 2024; Mohammed et al. 2024)}. 시험 조건은 관련 규격이나 유사연구에 명확한 사례가 없어, 콘크리트의 비파괴 시험에서 활용된 사례를 기반으로 측정 주기와 펄스 전압을 자체적으로 선정하였다.

치유성능 평가를 위한 측정기간은 균열유도 시점인 치유재령 0일의 측정값을 기준으로 하여 7일 간격으로 28일까지 측정하였다. 시험체는 수중양생 후 표면의 잔여 물기를 완전히 제거한 상태에서 동일한 위치에 탐촉자를 배치하여 초음파 속도를 측정하였다. 실험환경은 실내 온도 20±2 °C 및 상대 습도 50±5 %의 일정한 조건에서 진행하였으며, 모든 시험체는 동일한 환경에서 측정되었다. 평균값을 기준으로 상위 및 하위 10 %를 벗어나는 데이터는 제외하였다.

2.2.3 변수위 투수시험을 활용한 치유성능 평가

투수시험은 모르타르의 자기치유 성능평가를 위한 정수위 투수 시험법^{(KCI 2021)}을 통해 균열이 유도된 시험편의 투수량(ml/min·mm)을 측정할 수 있으나, 본 실험에서는 원주형 시편 대신 100 mm×100 mm×400 mm 직육면체 시편을 채택하였다. 따라서 초음파 시험을 위한 시편 및 투수시험을 시편은 동일한 시편을 통하여 2가지 방법에 의하여 평가를 진행하였다. 또한, 시편이 형태가 달라짐에 따라 변수위 투수시험 방식으로 변경하였다. 이는 시편 형태와 크기로 인해 정수위 조건에서 안정적인 수위 유지가 어려운 것으로 나타남에 따라, 변수위 조건을 적용하여 측정 정확성을 확보하기 위함이다.

투수시험을 통한 치유율은 치유재령에 따른 투수량 감소 수준을 치유율로 하였다. 시험 전·중의 수위 변동에 따른 측정 오류를 줄이기 위해 시험체 양 끝단에 실리콘 씰을 부착하고, 측정 전 시편 내부의 함수상태에 따른 초기 수위를 고려하여 3분간 안정화 시간을 부여한 뒤 측정 중 수위를 일정 간격으로 기록하여 평균값을 적용하였다.

균열 유도는 재령 28일 후, 20 °C 및 상대습도 60 %의 항온항습 조건에서 실시하였으며, 균열폭 0.15~0.30 mm가 되도록 균열 유도 필름을 삽입하여 제어하였다. 균열폭 유지에는 시험편 양 측면에 100 mm×100 mm 철판과 가스브라켓, 나선 철근을 사용하여 고정하였다. 균열이 유도된 시편은 치유재령 0일, 7일, 28일에 투수시험을 수행하여 투수량 변화를 측정하였다.

투수량 분석은 장비 눈금자로 초기 수두와 최종 수두 차이를 측정하여 균열로 배출된 투수량과 비교하였다. 또한, 균열 내부 함수 상태 차이에 따른 오차를 줄이기 위해 측정 전 균열부로부터 1분간 물을 투과시킨 뒤 이후의 10분간의 데이터를 취득하여 분석에 사용하였다.

Fig. 4 및 Fig. 5는 투수시험 구성과 균열 제어 과정을 나타내며, 투수시험을 통한 투수량은 식 (2)로 계산하고, 단위 투수량은 식 (3)과 같이 초기 투수량 대비 치유재령 t의 투수감소율을 치유율(%)로 정의하였다.

(2)

$[(\frac{A}{2})^2 \times \pi] \times (H_1 - H_2) = B$

여기서, $H_1$: 초기 수두, $H_2$: 최종 수두, $A$: 투수 장치 내부의 지름, $B$: 균열에서 투과된 물의 양

(3)

$SH_q = [1 - \frac{q(t)}{q_0}] \times 100$

여기서, $SH_q$: 치유율, $q_0$: 초기 투수량, $q(t)$: 치유재령 t에서 단위 투수량

Fig. 4. Configuration and equipment for the variable head water flow test

Fig. 5. Crack induction and sealing for the variable head water flow test

3.1 초음파 시험 기반 치유성능 평가

Fig. 6은 균열 발생 이후 Plain 및 SHC 배합에 대해 펄스 전압(600V 및 1,200V)에 따른 치유재령과 균열깊이의 관계를 비교한 결과를 나타낸 것이다. Plain의 경우, 치유재령 7일부터 28일까지 전반적으로 균열깊이가 지속적으로 감소하는 경향을 보였으며, 특히 펄스 전압 1,200V에서 7일 기준 약 28 %, 14일 기준 약 38 %, 21일 기준 약 44 %의 감소율을 보였다. 반면, 600V에서는 각각 약 24 %, 33 %, 41 %로 다소 낮은 수준의 감소율을 보였다. 28일 기준으로는 600V가 약 49 %, 1,200V가 약 55 %의 감소율을 나타냈다. 이러한 결과는 전압 조건에 따라 일정한 수준의 차이가 존재하며, 전체 치유 기간 동안 1,200V 조건에서 일관되게 더 높은 치유 경향을 나타낸 것으로 해석된다.

SHC의 경우, 치유재령 전 구간에 걸쳐 전압 조건과 관계없이 유사한 감소 경향을 나타냈으며, 7일 기준 약 35 %, 14일 기준 약 48 %, 21일 기준 약 58 %, 28일 기준 약 64 %의 균열깊이 감소율이 나타났다. 이러한 결과는 SHC 배합에서는 펄스 전압 조건과 관계없이 균열깊이 감소 경향이 거의 일치하여, 전압 변화에 따른 치유성능 차이가 실질적으로 크지 않은 것으로 판단된다.

이러한 결과는 균열 자기치유 캡슐이 혼입된 SHC 배합에서는 균열 내부에 치유물질이 지속적으로 공급되어 균열 치유가 일정하게 촉진되었기 때문으로 판단된다.

한편, 자기치유 캡슐이 혼입되지 않은 Plain 배합(Fig. 6(a))의 경우, 펄스 전압 1,200V 조건에서 상대적으로 높은 균열깊이 감소율을 보였는데, 이는 치유물질의 자연 생성량이 일정하지 않아 전압에 따른 치유 효과가 불안정하게 나타났기 때문으로 판단된다. 그러나 SHC 배합(Fig. 6(b))의 경우 자기치유 캡슐에 의해 균열 내부에서의 치유물질 반응이 일정하게 유지되어, 펄스 전압에 의한 영향이 상대적으로 적게 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 6. Crack depth of plain mortar vs mortar with self-healing capsules (SHC) according to pulse voltage

3.2 투수시험 기반 치유성능 경향 분석

Fig. 7은 자기치유 캡슐 혼입에 따른 투수시험의 투수량 변화를 나타낸 것이다. Fig. 7의 결과, 치유재령이 경과함에 따라 투수량이 전반적으로 감소하는 경향을 보이며, 특히 초기 투수량이 많았던 Plain 및 SHC 모두 치유재령 7일에서 급격한 감소가 나타났다. 28일 동안 치유재령이 경과함에 따라 투수량이 감소하는 경향이 나타났으며, 균열 자기치유 캡슐이 혼입된 SHC의 경우 균열 자기치유 캡슐을 혼입하지 않은 Plain과 비교하여 치유재령 28일에서 약 47 % 감소하였다. Plain의 경우 초기 치유 반응이 일어난 후 7일부터 28일까지의 치유 효과가 완만한 반면, SHC의 경우 지속적인 치유 반응으로 인하여 더 큰 폭의 투수량 감소가 나타났다.

이러한 결과는 자기치유 캡슐이 치유재령이 경과함에 따라 점진적으로 방출된다는 것을 의미하며 시험체 내부의 캡슐이 균열 생성과 동시에 파괴되어 캡슐 속에 있는 치유 소재가 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응하면서 균열 내부의 미수화 시멘트의 반응을 촉진시켜 균열이 치유됨에 따라 유출수가 감소한 것으로 판단된다.

Fig. 8은 Fig. 7의 투수량을 치유율로 환산한 것을 나타낸 것이다. Fig. 7의 결과, 초기 7일 동안 Plain과 SHC 모두 급격한 치유율 증가가 나타났으며, 이후 28일까지는 점진적인 증가세를 보였다. Plain의 경우 치유재령 7일 경과 후 약 49 %, 28일 경과 후 약 62 %의 치유율을 보였으며, SHC의 경우 7일 경과 후 약 57 %, 28일 경과 후 약 84 %로 나타났다. 치유재령 7일의 경우 SHC의 치유율이 Plain과 비교하여 약 20 % 증가하였으며, 28일의 경우 약 33 % 증가하였다. 특히 28일 경과 후 SHC의 치유율이 84 %에 도달한 것은 균열 내부에서 방출된 치유 물질이 장기적으로 활발하게 반응하여 지속적인 치유 성능을 보였음을 의미한다. 이는 SHC에서 균열 자기치유 캡슐이 균열 발생 후 균열 내부에서 치유물질을 촉진시켜 치유성능이 증가한 것으로 판단된다.

Fig. 9는 Plain 및 SHC의 표면 균열 관찰 결과를 나타낸 것이다. Fig. 9의 결과, Plain의 경우 치유재령 28일에 균열 내부에 일부 치유 생성물이 형성되었지만, 초기 0.3 mm 균열폭에서 약 0.2 mm로 완전히 닫히지 않은 것으로 관찰되었다. 그러나 SHC의 경우, 치유재령 28일에 균열 내부에서 치유 생성물이 밀도 높게 형성되어 균열이 상당 부분 메워진 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 SHC의 균열 내부에 치유 캡슐이 파괴되며 방출된 치유 물질이 미수화 시멘트와 함께 반응하여 치유 결정물을 적극적으로 생성한 결과인 것으로 판단된다.

종합적으로, 투수시험 결과, SHC는 자기치유 캡슐의 혼입으로 인하여 Plain에 비해 치유 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났지만 이러한 결과는 투수시험에 의한 평가 결과로서, 본 연구에서 함께 수행한 초음파 시험 결과와 비교 분석을 통해 평가 방법에 따른 차이를 통계기법을 통하여 상관성을 분석하였다.

Fig. 7. Water flow rate according to healing period

Fig. 8. Healing rate according to healing period

Fig. 9. Surface crack observations of the plain specimen (a-series images) and the self-healing specimen (b-series images) over time

3.3 초음파 데이터의 통계 분석 및 해석

Table 3은 자기치유 캡슐이 혼입된 모르타르에 대해 초음파 시험으로 측정한 균열깊이 특성과 치유성능 간의 상관관계를 분석한 결과이며, 펄스 전압 조건(600V, 1,200V)별로 균열깊이 감소율과 치유율 간의 Pearson 상관계수와 유의확률(p-value)로 정리하였고, SPSS 통계 프로그램을 활용하여 분석하였다. 그 결과, 펄스 전압 600V 조건에서는 유의수준(p-value (two-tailed))이 0.001, 1,200V 조건에서도 동일하게 0.001로 나타나, 두 조건 모두에서 P<0.05 수준에서 통계적으로 유의한 상관관계를 보였다. 이러한 결과는 초음파 시험을 통해 측정한 균열깊이의 감소율과 치유율 간에 상관관계가 존재함을 의미하며, 균열깊이감소율이 증가할수록 치유율 또한 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 따라서 초음파 시험에서의 균열깊이 감소율은 치유율을 예측할 수 있는 유효한 지표로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Table 4는 상관관계 분석 결과를 바탕으로 단순선형회귀분석(Simple Linear Regression)을 수행하여 균열깊이 감소율과 치유율 간의 상관관계를 수치적으로 정리한 것이다. Table 4는 상관계수(R), 결정계수(R²), 수정된 결정계수(Adjusted R²), 표준오차(Standard Error)에 대하여 정리하였고, 600V 및 1,200V 조건에서 회귀모델의 상관계수(R)는 각각 0.8 이상으로서, 두 변수 간에는 양호한 선형관계를 나타내었다. 또한 결정계수(R²)와 수정된 결정계수(Adjusted R²)도 양호한 결과를 나타내고 있어, 제시된 회귀모형이 변수 간 변동성을 효과적으로 설명할 수 있음을 확인할 수 있었다. 표준오차(Standard Error) 또한 두 전압 조건 간 큰 차이가 없어 모델의 일관성과 예측 신뢰도가 양호한 것으로 판단된다.

Table 5는 두 전압 조건(600V, 1,200V)에서의 균열깊이 감소율과 치유율에 대한 이원분산분석(ANOVA) 결과를 정리한 것이며, 제시된 회귀모델이 통계적으로 유의한 지를 검토하였다.

분석 결과, 각 조건에서의 F값(F-value)은 약 86.6 및 96.3으로서 비교적 높았으며, p값의 경우도 두 경우 모두 <0.001로 나타나, 회귀모델이 전체적으로 유의미하며, 균열깊이 감소율이 치유율에 미치는 영향이 통계적으로 유의하다는 점을 확인할 수 있었다.

이러한 분석 결과는 초음파 시험에서 산출된 균열깊이 감소율이 변수위 투수시험에서 확인된 투수량 감소 경향과 경향이 있음을 의미한다. 따라서 두 시험방법의 관계 및 초음파 시험의 유효성을 통하여 초음파 시험은 비파괴 방식으로도 투수시험과 유사한 경향을 반영할 수 있는 유효한 치유성능 평가 방법임을 확인할 수 있었다.

또한 600V와 1,200V 조건 모두에서 높은 상관계수와 통계적 유의성이 확보되었으며, 1,200V 조건이 R²와 F-value에서 다소 높은 값을 보였다. 이는 고전압 조건이 균열깊이 변화와 치유율 간의 관계를 조금 더 정확히 설명할 수 있음을 의미하지만 본 논문에서는 그 차이가 크지 않아 절대적인 우위로 단정하기는 어렵다^{(Kim et al. 1994; MOLIT 2023; Lee and Choi 2024)}.

다만, 가진 전압에 따른 결과 해석 시, 송·수신부의 coupling 상태 변화가 측정 값에 영향을 줄 수 있다는 점을 고려해야 한다. 동일한 couplant 양을 사용하더라도 표면 상태와 압착 조건에 따라 실제 투과 에너지가 달라질 수 있으며, 이로 인해 1,200V 조건에서도 600V보다 낮은 에너지가 수신될 가능성이 존재한다. 따라서 전압 조건의 영향을 명확히 검증하기 위해서는 송·수신부 coupling 상태의 동일성을 확보하고, 실제 수신 에너지를 기준으로 한 추가 분석이 필요하다. 본 연구는 초음파 시험 방법을 이용하여 자기치유 모르타르의 치유 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 가능성을 시험적으로 검토한 결과이며, 향후에는 전압 조건과 결합 상태를 엄격히 통제한 후속 연구를 통해 평가 방법의 신뢰성과 표준화 가능성을 보다 정밀하게 검증할 필요가 있을 것으로 판단된다^{(Ko et al. 2023; Choi et al. 2024; Lee and Jeong 2024)}.