4.1.1 압축강도

압축강도는 구조물에 적용되는 기본적인 역학특성으로 다양한 특성이 압축강도와 긴밀한 연관성을 가지고 있다. ^ACI(2013)에 따르면 콘크리트 압축강도는 모재 콘크리트와 유사한 것이 가장 유리하다고 기술되어있다. 압축강도가 커질 경우, 치밀한 구조로 인해 내구성에서는 다소 유리한 성질을 가질 수 있다. 하지만, 시멘트량의 증가하면 건조수축이 증가할 수 있다. 압축강도와 긴밀하게 연관된 탄성계수가 커져 단면복구공사 후에 하중이 작용할 경우, 보수재에 하중이 집중되는 등 불리한 영향을 가져올 수 있어 지나치기 높은 압축강도는 피해야 한다.

Table 7과 같이 국내의 ^{KS F 4042(2022)}에서는 압축강도 20 MPa 이상을 요구하고 있으나, 이는 해외 기준에 비해 상대적으로 낮은 수치이다. Fig. 4의 실내시험 결과에서도 확인할 수 있듯이 보수재로 사용되는 재료들은 최소 35 MPa 이상의 압축강도를 나타내고 있다. 실제 구조물에서도 국내 건설업의 발전으로 구조물에 사용되는 콘크리트의 압축강도는 25 MPa 이상이 쓰이고 있어 압축강도를 상향할 필요가 있다. 또한, 현재 국내의 KS 기준에 따르면 모르타르와 콘크리트에 대해서 다른 압축강도 시험방법을 제시하고 있어 시험결과에 대한 직관적인 해석과 비교가 어려운 현실이다. Fig. 4(b)에 나타낸 것과 같이 모르타르에 대한 ^{KS F 2476(2019)}과 콘크리트에 대한 ^{KS F 2405(2022)}의 시험결과를 비교해보면 약 5 % 이내에서 거의 유사한 결과를 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 일관된 시험방법을 제시하기 위해서 모르타르와 콘크리트 모두 시험이 가능한 콘크리트의 시험방법인 ^{KS F 2405(2022)}를 표준시험방법으로 제시하였고, 보수재의 압축강도 요구성능은 25 MPa를 제시하였다.

Fig. 4. Compressive Strength in Laboratory Test

4.1.2 휨강도

구조부재가 휨을 받을 경우 보수재의 휨강도는 휨균열을 방지하고 균일한 하중분배를 이루어지도록 한다. 따라서 보수재의 휨강도는 모재와 유사한 성능 수준이 요구된다. 국내의 폴리머 모르타르 보수재 요구성능은 ^{KS F 4042(2022)}에서 6.0 MPa 이상을 요구하고 있고, 고속도록공사 전문시방서^{(EXCS 44 99 30, 2021)}에서는 4시간 개방시간 기준으로 3.15 MPa를 제시하고 있다. 국외의 ^ACI(2013)에서는 보수재의 휨성능으로 3.4~8.3 MPa을 제시하고 있고, ^{ICRI 320.2R(2018)}에서는 휨을 받는 부재의 경우 휨강도가 필요하다고 규정되어 있다. 국내외의 기준을 비교해보면 현재의 국내 보수재 요구성능 수준은 유사한 것을 알 수 있다.

현행 시험방법은 보수재가 모르타르일 경우^{(KS F 2476, 2019)} 3점 재하(시편: 40x40x160 mm)와 콘크리트일 경우^{(KS F 2408, 2021)} 4점 재하(시편: 100x100x400mm)를 사용하고 각각 다른 시험체의 크기를 제시하고 있다(Fig. 5). 만약 같은 시험체 크기일 경우, 재하방식의 차이로 인해 모르타르 시험방법은 콘크리트 시험방법에 비해 1.25배 높은 휨모멘트가 재하된다. 이는 Table 8에 나타나 있듯이 실내시험에서도 증명되었다. 보수재의 재료 및 시험방법에 따른 이해와 혼란을 해소하기 위해서 본 연구에서는 콘크리트에 대한 시험방법인 ^{KS F 2408(2021)}을 채택하여 모르타르와 콘크리트 모두 동일한 시험방법을 사용하여 하나의 기준으로 모든 보수재의 성능을 비교 평가할 수 있도록 하였다. 또한, 시험방법의 차이를 고려하여 모르타르 보수재에 대한 성능 기준이 6.0 MPa을 콘크리트 시험방법을 사용할 경우 25 % 감소된 4.8 MPa 기준을 제시하였다.

Fig. 5. Flexural Strength Test

4.1.3 부착강도

부착강도는 보수재가 기존의 모재와 부착하여 일체거동하기 위해 가장 중요한 성능 중하나이다. 성공적인 단면복구공사를 위해 모재면의 열화부 제거가 완벽히 이루어져야 하고 보수재의 부착강도 또한 우수해야 한다. 부착강도가 부착할 경우, 하중전달이 안되어 구조성능 회복이 되지 않으며, 모재와 보수재 사이에 들뜸이 발생하고 우수나 염수의 침투로 인해서 추가적인 손상을 일으킬 수 있다. 단면복구공사에서 온도차에 의한 열팽창이나 보수재의 건조수축으로 인해 부착파괴가 발생하는 경우도 있다.

국내에서는 보수재료에 따른 다른 시험방법을 제시하고 있다. 콘크리트의 경우^{(KS F 2762, 2021)} 지름 50 mm의 원통형 코어에 대해 시험하고, 모르타르나 에폭시의 경우^{(KS F 4042, 2022; KS F 4043. 2018)}는 40x40x10 mm의 판형태의 시편에 시험하도록 규정하고 있다. 유럽의 ^{EN 1504(2005)} 기준과 ^{ICRI 210.3R(2022)}에서는 국내의 KS F 2762(2021)와 동일한 ^{EN 1542(2005)} 시험방법을 채택하고 있다. 미국콘크리트 학회 ^{ACI 546.3R(2014)}에서는 6가지의 부착강도 시험방법(slant shear bond: ^{ASTM C882(2020)}, ^{ASTM C1042(1999)}, direct tensile bond: ^{ASTM C1404(2003)}, ^{CSA A23.2-6B(2014); ASTM C1583(2020); ICRI 210.3R, 2022)}을 제시하고 있다. 본 연구에서는 범용적으로 현장과 실내시험에서 수행이 가능하고, 콘크리트와 모르타르 모두 시험이 가능한 KS F 2762 시험방법^{(ASTM C1583, 2020)}을 표준으로 채택하였다.

요구 부착강도의 경우 국가별로 다른 기준을 제시하고 있다(Table 9). 국내의 기준은 해외 기준과 비교해서 가장 낮은 수준은 1.0 MPa을 최소기준을 제시하고 있고, 유럽의 경우에는 모재의 강도에 따라 다른 값을 제시하고 있다. 미국의 ACI는 1.7 MPa을 제시하고 있고, ^{ICRI 210.3R(2022)}은 1.7 MPa 또는 모재의 인장강도보다 큰 값을 요구하고 있다. 만약 1.2 MPa 보다 낮을 경우에는 부착 잘 되지 않았거나 모재 콘크리트가 손상되었음을 의미한다고 언급하고 있다. 국내의 폴리머 모르타르와 폴리머 콘크리트 계열의 보수재료에 대해서 Fig. 6(a)과 같이 실내표준, 온냉반복후, 현장시공 조건으로 실내시험을 통해 부착강도를 비교 측정하였다. 실내시험의 경우 모든 재료에서 국내의 기준을 초과하는 평균 2.88 MPa의 부착강도를 나타내었으나, 온냉반복 후에는 표준시험조건 대비 약 23 % 정도 부착강도가 감소하는 것으로 나타났다. 현장의 경우, 표준시험조건 대비 약 80 %의 성능을 나타내었고 이는 열화부 제거상태, 양생 환경 영향과 모재 압축강도에 따른 영향으로 추정된다. 현장에서는 열화부가 워터젯을 사용하여 완전히 제거한 후 시험을 수행하였고, 실내시험의 경우 ^{KS F 2762(2021)}에 따라 브러쉬로 면을 정리한 후 시험을 수행하였다. 양생 환경의 경우, 현장에서 조절이 어렵고, 시공 당시와 양생동안 기후변화에 따라 변동될 것이다. Fig. 6(b)에 나타낸 것과 같이 8가지의 보수재료에 대해 모재 밑판 압축강도가 25, 35 MPa일 경우 50 MPa 밑판 대비 각각 약 74 %와 85 %의 부착강도를 나타내었다. 표준시험조건의 경우 밑판 압축강도가 50 MPa인 것을 고려하면 현장의 모재 압축강도 21 MPa은 현저히 낮아 현장에서 값이 하락한 것은 일정 부분 설명이 된다.

보수재의 부착강도 요구성능을 결정하기 위해서 모재의 인장강도, 하중 수준, 현장여건 등을 적절히 고려하여 결정하였다. 일반적으로 모재의 인장강도는 모재 압축강도의 10 % 수준으로 추정되고 있다. 단면복구공사는 고정하중 하에서 실시하고 있으므로 부담해야 할 사용하중 수준은 인장강도의 50 % 수준 정도로 추정할 수 있다. 또한, 현장여건 상 실내시험에 비해 양생조건은 가혹하고 모재 강도는 낮으므로 약 80 % 수준의 성능이 나타내리라 예상할 수 있다. 따라서, 기준강도 = (요구강도/0.8)일 경우, 모재의 압축강도가 24, 27, 30 MPa일 때, 시험요구 기준은 각각 1.5, 1.75, 1.88 MPa로 산정된다. 이에 본 연구에서는 부착강도는 모재의 열화부 제거 상태에 영향을 많이 받는 것을 고려하여 과도하게 높은 부착기준을 제시하기 보다는 현재의 기술수준과 현장여건을 고려하여 1.7 MPa를 부착강도 요구성능으로 제시하였다.

Fig. 6. Bond Strength Comparison

4.2.1 길이변화율

보수재의 길이변화율은 주로 건조수축에 의해서 발생되며 지나치게 큰 값을 나타낼 경우 균열발생, 부착계면에서 전단응력 발생, 장기 부착강도 감소 등으로 이어질 수 있어 건조수축이 적은 재료가 유리하다.

현재 국내의 보수재료 기준에서는 Table 10과 같이 ^{KS F 2424(2020)}에 따라 시험을 수행하고 ^{KS F 4042(2022)} 기준에 따라 길이변화율을 ±0.15 % 이하로 제한하고 있다. 모르타르(40x40x160 mm)와 콘크리트(100x100x400 mm) 시편에 대해서 각기 다른 크기의 시편을 사용하고 있다. 유럽의 경우, 길이변화율에 대한 요구성능 값을 제시하고 있지는 않지만, ^{EN 12617-4(2002)}에 따른 비구속 건조수축 시험 후 부착강도 시험을 수행하여 0.05 mm 이하의 균열과 표준상태와 동일한 평균 부착강도 값을 요구하고 있다. 하지만, 시험방법의 한계로 10 mm 이하의 골재를 사용한 콘크리트 또는 모르타르에 대해서 시험이 가능하다. 미국 ^{ACI 546.3R(2014)}에서는 0.05 % 이하 값을 요구하고 있고, ^{ICRI 320.2R(2018)}에서는 길이변화율의 값은 제시하고 있지 않으나 균열방지를 위해 매우 중요한 인자로 제시하고 있다.

상용 보수재에 대한 모르타르 시편과 콘크리트 시편을 사용한 길이변화율 실내 시험 결과는 Table 11에 정리되어 있다. PCC 3 mm를 제외한 보수재에서 -0.010 ~ -0.039까지의 길이변화율을 나타내었으며, ^{ACI 546.3R(2014)}의 기준인 0.05 % 이하를 모두 만족하였다. 시편 크기의 차이로 인한 시험결과의 차이도 존재하는 것을 확인하였다. 평균적으로 모르타르 시험체의 길이변화율은 약 2.5배의 큰 값을 나타내었다. 이는 모르타르 시험체의 체적대비 노출면적이 크기 때문에 발생한 것으로 추정된다. 본 연구에서는 현재 국내의 기준보다 3배 강화된 0.05 % 이하의 길이변화율 요구성능을 제시하였고, 시험 결과의 일관성을 위해 길이변화율의 시험체는 콘크리트 시험체의 크기로 제시하였다.

4.2.2 균열저항성

보수재를 이용한 단면복구공사는 모재의 변형이 종료된 상태에서 새로운 보수재를 모재 위에 타설하여 보수재가 모재에 구속된 상태로 보수재의 변형이 시작되어 균열이 발생하게 된다. 이 때, 보수재의 건조수축변화량, 탄성계수, 균열인장강도 등이 관련되어 보수재의 균열발생 여부를 결정짓게 된다. 균열저항성 시험은 이러한 보수재가 모재에 구속되어 균열이 발생되는 현장 환경조건을 유사하게 묘사하고 있다.

국내의 KS 기준에서는 균열저항성 시험 규정을 두고 있지 않다. 다만, 고속도로 전문시방서^{(EXCS 44 50 15, 2021)}에서는 콘크리트 포장에 대해서 56일 동안 균열이 없어야 한다고 규정하고 있다(Table 12). 유럽의 경우, 길이변화율과 유사하게 ^{EN 12617-4(2002)}에 따라 구속된 상태에서 건조수축 시험 후에 0.05 mm 이하의 균열이 발생한 상태에서 부착강도 시험으로 평가하고 있다. ^{ACI 546.3R(2014)}에서는 특정한 값을 제시하고 있지는 않지만, 체적안정성을 위해서 고려되어야 하며 ^{ASTM C1581(2018)}에 따라 시험하도록 규정하고 있다. ^{ICRI 320.2R(2018)}의 경우에는 가능한 늦게, 적어도 28일 이후에 균열이 발생해야 한다고 규정하고 있다.

상용 보수재에 대해 ^{AASHTO T 334-08(2020)} 방법을 사용하여 90일 동안 균열저항성 시험을 실시하였고, 결과는 Table 13에 정리되어 있다. 일부 PCM의 배합의 경우 균열발생일이 56일을 초과하였고, ERM과 LMC는 90일 동안 균열이 발생하지 않았다. K사의 배합의 경우 굵은 골재가 없는 PCM부터 13 mm 골재가 들어간 보수재까지 균열의 발생일이 점차 늦어지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 굵은 골재의 크기가 클수록 균열을 억제하는 성능이 향상되는 것을 나타낸다. 이는 현장시험시공에서도 균열발생량이 확연한 차이가 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 균열의 억제를 위해서는 굵은 골재를 사용하는 보수재를 적용하는 것이 좋으리라 판단된다.

4.2.3 열팽창계수

보수재의 열팽창계수는 온도변화에 따른 보수재의 수축과 팽창 변화율을 결정한다. 모재의 열팽창계수와 보수재의 열팽창계수가 다를 경우 부착 계면에 전단응력을 발생시켜 장기적인 부착성능의 감소를 유발한다. 이는 보수단면이 클수록 중요한 보수재의 성질이 된다. 보수재가 구조체의 일부로 거동하기 위해서는 모재와 유사한 열팽창계수를 가지는 것이 좋다. 일반적으로 보수재로 많이 사용되는 폴리머는 열팡창계수가 모재 콘크리트(4.0~$20\times 10^{-6}/^{\circ}{C}$)보다 커 이에 대한 제한이 필요한 상황이다.

국내의 보수재 기준인 ^{KS F 4042(2022)}에서는 열팽창계수에 대한 제한을 두고 있지 않다. 미국의 ^{ACI 546.3R(2014)}에서는 $25\times$$10^{-6}/^{\circ}{C}$이하로 규정하고 있고, 국제보수협회^{(ICRI 320.2R, 2018)}에서는 $13\times 10^{-6}/^{\circ}{C}$ 이하로 규정하고 있다. 열팽창계수의 시험방법으로는 ^{AASHTO T 336-15(2019)}에서 제시하고 있다. ^{EN 1504(2005)}에서는 열팽창계수에 대한 항목은 있으나 다음의 세 가지 시험을 할 경우에는 제한하고 있지 않다. ^{EN 13687-1(2002)}의 동결융해 후 부착강도 시험, ^{EN 13687-2(2002)}의 열충격 시험 후 부착강도 시험, ^{EN 13687-4(2002)} 건조 열가열/냉각 시험 후 부착강도 시험을 통해서 반복적인 온도변화 싸이클 후에 부착강도로 이를 대체하고 있다.

상용 보수재에 대해서 국내의 ^{KS F 2608(2022)}을 이용해 열팽창계수를 조사하였고, Table 14에 나타내었다. 대체적으로 국내에서 극히 드물게 사용되는 보수재 ERM을 제외하고는 모두 $25\times 10^{-6}/^{\circ}{C}$ 이내의 값을 나타내었고, 이는 콘크리트의 열팽창계수의 범위와 유사하다고 판단되었다. 시험된 보수재는 모두 폴리머를 함유하고 있어, 대체로 높은 열팽창계수의 값을 나타내었으나, 모재 콘크르트의 열팽창계수인 4.0~$20\times 10^{-6}/^{\circ}{C}$와 유사한 값을 나타내었고, 본 연구에서는 제한 기준으로 $4.0\sim 25\times 10^{-6}/^{\circ}{C}$제시하였다.

4.2.4 탄성계수

단면복구 공사 후 보수재는 구조물의 일부로서 모재와 유사한 역학특성을 가져야 한다. 보수재의 탄성계수가 클 경우 변형이 작아져, 보수재가 많은 하중을 부담하게 되어 부착 계면에 전단응력이 발생하게 되어 부착이 감소될 수 있다. 보수재의 탄성계수가 작은 경우 모재에 비해 유연한 변형이 가능하여 부착성능 감소를 회피할 수 있어, 보수재의 탄성계수는 모재와 유사하거나 낮을수록 유리한 것으로 판단된다. 국내 보수재료 시장에서는 보수재의 성능을 제시하기 위하여 높은 압축강도에 초점을 맞추고 있고, 이는 탄성계수의 상승과 긴밀히 연관되어 있다. 이에 구조물의 하중을 적절히 분배하고, 변형에 유연하게 대처할 수 있도록 모재와 유사한 탄성계수를 가지도록 탄성계수의 값을 제한할 필요가 있다.

국내외의 보수재 탄성계수에 관한 기준을 Table 15에 정리하였다. 국내에서는 아직 탄성계수에 대한 인식이 부족하여 제한 기준을 두고 있지는 않다. 반면에 유럽에서는 15 GPa 이상을 요구하고 있고, ^{ACI 546.3R(2014)}에서는 6.8~38 GPa의 값을 제시하고 있다. 국제보수협회^{(ICRI 320.2R, 2018)}에서는 모재와 유사한 탄성계수를 가지도록 권장하고 있다. 아직까지는 국내에서 사용되는 보수재료는 대체로 30 GPa 이내의 값을 나타내고 있어, 본 연구에서는 6.8~38 GPa의 탄성계수 기준을 제시하였다.

4.3.1 염분침투저항성

단면복구공사는 일반적으로 제설염수나 수분의 지속적인 침투로 인하여 철근의 부식과 팽창이 발생하고, 이로 인한 콘크리트의 들뜸이나 균열이 발생한 단면에 대해서 성능회복을 위해 실시되고 있다. 따라서, 단면복구공사 이후의 추가적인 염분의 침투로 인한 재손상을 방지하기 위하여 보수재는 염분침투저항성을 가질 필요가 있다.

국내의 보수재료 요구성능^{(KS F 4042, 2022)}에서는 해외기준에 비해 이미 염분침투저항성에 대한 합리적인 기준을 두고 있어 본 연구에서는 기존의 기준을 동일하게 적용하였다.

4.3.2 동결융해저항성

단면복구공사 시행 후 보수재는 외기에 노출되어 있어 많은 경우에 있어 동결융해 작용을 거치고 있다. 보수재가 구조물의 일부로 충분한 역활을 하기 위해서는 동결융해 작용에 의해 성능저하가 발생해서는 안된다. 따라서, 보수재는 동결융해에 대한 충분한 저항성능을 가질 필요가 있다.

국내의 보수재료 요구성능^{(KS F 4042, 2022)}에서는 동결융해저항성에 대한 규정을 따로 두고 있지는 않다. 하지만, 국내의 고속도로공사기준^{(EXCS 44 99 30, 2021)}에서는 동결융해시험 후 시험 전의 탄성계수에 비해 80 % 이상의 성능을 요구하고 있다. 이는 미국의 ^{ACI 546.3R(2014)}에서와 동일한 요구성능이다. 국제보수협회^{(ICRI 320.2R, 2018)}에서는 동결융해의 우려가 있을 경우 고려하도록 권장하고 있다. 유럽 기준인 ^{EN 1504(2005)}에서는 동결융해에 대한 기준을 따로 두고 있지는 않지만, 앞서 언급된 ^{EN 13687-1(2002)}에 의해서 동결융해 시험 후에 부착강도 시험을 수행하므로써 동결융해에 의한 부착강도의 저하를 방지하고자 의도하고 있다. 따라서, 본 연구에서도 국내외의 성능기준을 인용하여 ^{KS F 2456(2018)}의 A방법을 사용하여 동결융해 시험 후 80 % 이상의 요구성능을 제한 기준으로 제시하였다.