2.1. 실험 계획

본 연구의 실험계획은 Table 1과 같다. 기존 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 고무줄 주사기 주입공법과 본 연구 대상 인 탄성저장관을 활용한 주입식 포트 공법(이하, TPS 공법)을 대상으로 주입성능과 주입 후 강도 특성을 분석하고자 한다.

주입성능을 확인하기 위해서는 특수 제작된 아크릴 판넬 (300×1,000×60 mm)을 시험체로 활용하였으며, 강도를 측정 하기 위한 방법으로 보수재료 주입 이후 균열 방향을 기준으 로 앞면(이하 O), 뒷면(이하 B), 측면(이하 S) 3방향에서 시료를 채취하기 위하여 콘크리트 시험체를 사각형[500(W)×200(D) ×350 mm(H)]으로 제작하였다. 이때 시험체의 균열은 폭 0.3 mm 이상(이하, 0.3U) 및 0.3 mm 이하(이하, 0.3D) 2수준으로 제작 하였다. 실험항목은 주입 깊이, 압축강도, 압축강도비 및 인장 강도를 측정하고 분석하는 것으로 실험 계획하였다.

2.2. 사용재료

2.2.2. TPS 공법 구성

TPS공법에 사용된 주입포트의 구성시스템은 보수재의 역 류를 방지하는 Smart Control Valve(이하 일방향 판밸브)와 2 차 주입을 위한 Storage Pot(이하 저장관)으로 구성되어 있는 데 저장관의 재질은 탄성의 기능(주입시 압력)을 유지하기 위 하여 라텍스로 구성되어 있다.

일방향 판밸브

2.2.2.1.

‘일 방향 탄성판 밸브’는 보수용액이 주입될 때는 주입방향 으로 휘어지며 열려서 주입이 되고, 주입이 끝나면 탄성관에 채워진 보수용액이 탄성관의 수축력에 의해 주입 반대 방향 으로 탄성판을 밀어 주기 때문에 주입되는 방향과 반대방향 으로 휘어지며 주입구를 자동으로 차단하는 구조로 되어있 다. 이러한 시스템의 구성은 스마트 밸브를 통하여 균열내부 의 공기가 외부로 빠져 나갈 수 있는 시스템으로 설계되어 있 기 때문에 구조체 균열부위의 내부에 있는 공기가 자연스럽 게 밀려 나가 외부로 배출된다.

라텍스 탄성 저장관

2.2.2.2.

콘크리트 구조물에 발생된 모든 균열의 깊이를 단시간에 정확하게 측정한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 이러한 균열을 보수하기 위하여 국내에서는 일반적으로 주사기를 이용한 주 입공법(이하 재래식 주입공법)을 널리 사용되고 있다. 그러나 재래식 주입공법은 주사기 1개당 보수용액 최대 저장량은 약 20~25cc이기 때문에 균열 깊이가 조금 깊어지거나 좌대 간격 이 넓게 배치되면 보수용액이 부족한 현상이 발생된다. 따라 서 설치된 주사기에 보수재를 보충하기 위하여 보수재가 충전 된 주사기로 교체하거나 설치된 주사기를 해체한 이후 주입재 료를 주사기에 보충하여 재설치 작업을 수행하는 경우가 일반 적이다. 이러한 재래식 공법은 구조 특성상 보수재료를 균열부 위에 주입할수록 압력이 저하되는 단점을 지니고 있다.

Figs. 1과 2에서 보여주고 있는 저장관의 재질은 고탄성의 라텍스로 팽창과 수축이 가능한 탄성재질로 형성되어 있어 주입이 진행 될수록 주입압력이 증가하여 균열 길이가 깊은 형상의 균열에도 주입이 가능하도록 설계되어 있다. 실험에 사용된 라텍스 튜브는 내경 4 mm×외경 10 mm 튜브형태로 제 작하였으며, 길이는 48 mm 크기로 절단하여 사용하였다.

Fig. 1

one way plate valve

Fig. 2

Latex elastic storage tube

개발된 저장관의 저장용량은 1회에 보수용액을 40 cc 이상 (라텍스 튜브 길이에 따라 조정가능)을 한 번에 저장할 수 있 도록 설계되어 있어 재래식 주입공법에서 사용되는 주사기 형태 보다 약 2배 이상의 보수용액을 저장할 수 있도록 제작 되어 재래식 공법보다 보수용액의 저장용량은 물론 팽창 및 수축이 가능하도록 제작된 시스템이다. 따라서 재래식 공법 보다 주입시 압력이 높아 균열보수에 공사를 수행하는데 작 업의 용이성은 물론 주입이 진행될수록 주입압력이 증가하여 깊은 균열에도 주입이 가능하다.

2.3 실험방법

2.3.1. 주입공법 시험순서

본 연구는 콘크리트 구조물의 균열 주입공법에 관한 것으 로서 재래식 공법과 탄성저장관에 의한 포트공법을 비교실험 하고자 한다. 개발된 탄성저장관(Expanded Storage Tube; T- 포트)에 의한 TPS공법공법의 시공순서는 Fig. 3과 같다. 따라 서 본 실험에서는 보수보강 공사에서 활용되고 있는 공법과 일치하도록 시험순서를 ① 실링제 혼합 → ② 실링처리 → ③ Base 실링작업 → ④ 탄성저장관 설치 → ⑤ 보수재 주입→ ⑥ 마감처리 순으로 진행하였다.

Fig. 3

Construction sequencing

2.3.2. 주입 성능 평가

균열부위에 보수재의 주입속도와 TPS공법의 주입성능을 측정하기 위하여 시험체를 Fig. 4와 같이 제작하였다.

Fig. 4

Comparison specimen of injection performance

실험체 크기는 300 mm(W)×1,000 mm(D)×600 mm(H)으로 하였으며, 균열 폭은 임으로 0.3 mm를 기준으로 제작하였다. 시험체의 재질은 보수용액이 주입되는 현황과 주입되는 속도 를 육안으로 측정하기 위하여 아크릴을 사용하였으며 제작방 법은 다음과 같이하였다.

외부는 보수재 주입구를 제외하고 밀실하게 접착제를 사용 하여 밀봉하였으며, 압력에 견딜 수 있도록 볼트와 너트를 이 용하여 Fig. 4와 같이 고정하였다. 측정방법은 보수용액 100cc 를 주입하는데 소요되는 주입 완료시간을 측정하였다.

2.3.3. 모의 시험체 제작

모의 시험체는 Fig. 5에서 보여주는 바와 같이 콘크리트로 제작(크기: 500 mm(W)×200 mm(W)×350 mm(H))하였으며, 시험체 내부 균열의 크기는 400 mm(W)×300 mm(H)으로 인 위적으로 제작하였다. 실제 건설현장에서 콘크리트 타설시 발생하는 균열 폭은 0.3 mm 이상 및 이하를 기준으로 공시체 를 제작하기 위하여 공시체 제작시 강철판을 삽입하여 콘크 리트를 타설하고 10시간이 지난 이후 콘크리트가 경화되기 이전에 강철판을 제거하여 균열을 형성 시켰다. 콘크리트 배 합은 설계기준강도 27 MPa, W/C 48%, 단위수량 175 kg/m³으 로 강제식 팬타입 믹서로 혼합하여 제작하였다. 단, Plain 공시 체를 제작하기 위하여, 모의시험체 제작 시 균열판을 넣지 않 고, 제작하였다.

Fig. 5

Specimen shape

3.1. 주입 속도

Fig. 6은 주입공법에 따른 주입 속도 및 준비완료 시간을 나 타낸 그래프이다. 먼저, 기존 주사기를 사용한 저압 주입공법 은 보수재가 경화되어 주입이 불가한 시점이 되었을 때 목표 면적의 1/3 밖에 주입되지 못하여 최종 주입 완료시간 측정이 불가능 하였다. 그러나 TPS 공법은 주입이 시작하고 6.5분이 경과한 시점에서 전체 면적에 주입이 가능하여 주입 성능에 서 큰 차이를 나타내었다. 또한, 100cc의 보수용액을 주입하 는 시간은 기존 공법의 경우 약 7.2 분, TPS 공법의 경우 약 2.2 분으로 주입시간이 크게 단축되는 경향을 나타냄에 따라 작 업능률 및 공기단축 효과가 향상되는 것으로 나타났다.

Fig. 6

Injection rate and injection completion time according to Injection method

3.2. 주입 깊이

재래식 공법과 TPS공법의 균열 종류에 따른 주입 깊이를 측정한 결과 Figs. 7과 8에 각각 제시하였으며, 이에 대한 실험 결과는 Table 3과 같다. 재래식 공법(주사기 공법)을 사용한 조합에서는 평균 약 130~150 mm 충전되는 것으로 측정되었 으며, TPS 공법을 사용한 조합에서는 완전 충전되는 것으로 측정되어 TPS공법이 재래식 공법에 비해 충전성능이 우수한 것으로 나타났다. 그 원인은 다음과 같이 두 가지로 분석된다.

Fig. 7

Injection depth by type of crack(Injector method)

Fig. 8

Depth of injection by type of crack(TPS method)

첫 번째는 균열 내부의 공간에 존재하는 공기를 배출시켜 주 입시 발생되는 균열내부의 공기압력을 감소시켰다고 판단되 며, 두 번째는 TPS공법은 1단계에서 강력한 기계식 주입으로 균열 내부까지 주입재료가 빠른 시간에 충전이 완료되는 시 스템의 특징이 주된 원인으로 판단된다.

재래식 공법에서는 주입재료의 충전 속도보다 경화되는 속 도가 빠르면 주입재 충전 불량의 원인을 제공한다.

Table 3에서 보여주는 바와 같이 재래식 공법에서는 측면 부분에 비해 중앙부에서 주입 깊이가 크게 나타났다. 세부적 으로 0.3U-O의 경우 20 mm, 0.3D-O의 경우 10 mm, 0.3U-B 와 0.3D-B의 경우는 10 mm, 0.3U-S 및 0.3D-S의 경우 30 mm 로 측정되어 주입깊이는 평균 약 20 mm로 모두중앙부에서 주 입하는 것이 우수한 경향을 나타내었다.

이러한 원인은 균열 내부의 공기압이 외부로 배출되지 못 하기 때문에 재래식 공법에서 사용되는 고무줄 수축력에 따 른 주사기 압력과 균열내부에 남아있는 압력에 의해 상호 평 형 시점까지만 주입재료가 압입되고 그 이후에는 정지 상태 로 유지되기 때문이라고 판단되며, 더욱이 시간이 흐름에 따 라 주입재료의 화학작용으로 경화가 이루어져 겔 상태의 주 입재는 마찰력 증가로 균열 부위에 더 이상의 주입이 불가능 한 상태로 남아 있는 것으로 판단된다.

3.3. 압축강도 및 압축강도 비

압축강도를 측정하기 위하여 보수재 주입 후 7일간의 양생 과정을 거쳐 측정 후 균열 종류에 따른 압축강도를 Figs. 9와 10에 각각 나타냈으며, 이에 대한 실험 결과는 Table 4와 같다. 단, Plain의 경우 균열판을 넣지 않은 모의시험체에서 코어를 채취하여 압축강도를 측정하였다.

Fig. 9

Compressive Strength by type of crack(Injector method)

Fig. 10

Compressive Strength by type of crack(TPS method)

실험결과 재래식공법의 압축강도는 Plain과 비교하여 보수 이후 약 20% 강도가 저하하는 경향을 나타낸 반면에, TPS 공 법을 사용한 경우 약 7% 강도가 증가하는 경향을 나타내었다.

특히, Plain 압축강도의 경우 재래식 공법을 사용한 조합에 서 25.2 MPa를 나타낸 반면에, 보수 이후 압축강도의 경우는 평균 약 19.9 MPa로 Plain 압축강도에 비해 낮은 경향을 나타 내었다. 세부적으로 보면 0.3U-O 조합의 경우 5.2 MPa, 0.3D-O 의 경우 5.4 MPa, 0.3U-B의 경우 5.3 MPa, 0.3D-B의 경우 5.1 MPa, 0.3U-S의 경우 5.4 MPa, 0.3D-S의 경우 5.3 MPa로 평균 약 5.3 MPa로 낮은 압축강도 발현율을 나타내었다. 이는 재래식 공법의 경우 보수재 주입이 제대로 되지 않아 하중 재하시 균열 부위에 파괴가 발생하여 강도가 저하하는 것으로 판단된다.

또한, TPS 공법을 사용한 조합에 경우는 Plain 압축강도에 서 25.2 MPa를 나타낸 반면에, 보수 이후 압축강도의 경우는 평균 약 27 MPa로 보수 전에 비해 높은 압축강도 발현율을 나 타내었다. 세부적으로 보면 0.3U-O 조합의 경우 2 MPa, 0.3D-O 의 경우 1.7 MPa, 0.3U-B의 경우 2 MPa, 0.3D-B의 경우 1.7 MPa, 0.3U-S의 경우 1.6 MPa, 0.3D-S의 경우 1.7 MPa로 평균 약 1.8 MPa로 압축강도가 우수한 경향을 나타내었는데, 이는 보수 재 주입시 내부 공극 및 미세균열에 보수재가 밀실하게 충전 되어 압축강도가 다소 향상된 것으로 판단된다.

Fig. 11은 균열 종류에 따른 보수 이후 압축강도 비를 나타 낸 그래프이며, 이에 대한 실험 결과 데이터는 Table 5에 제시 하였다. 주사기 공법의 보수 후 압축강도 평균을 100%로 설정 하여 실험 분석하였다. 전반적으로 주사기 공법 에 비해 TPS 공법 조합에서 압축강도비가 높은 경향을 나타내었는데, 세 부적으로 보면 0.3U-O조합의 경우 36.7%, 0.3D-O의 경우 34.7%, 0.3U-B의 경우 35.2%, 0.3D-B의 경우 34.7%, 0.3U-S 의 경우 35.2%, 0.3D-S의 경우 36.2%로 평균 약 35.4% 압축강 도가 크게 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 11

Compressive strength ratio by type of crack

3.4. 인장강도

Plain의 경우 압축강도와 동일한 방법으로 균열판을 넣지 않 은 모의시험체에서 코어를 채취하여 인장강도를 측정하였다.

균열 종류에 따른 인장강도를 Figs. 12와 13에 각각 제시하 였으며, 이에 대한 실험 결과 값은 Table 6과 같다.

Fig. 12

Tensile strength by type of crack(Injector method)

Fig. 13

Tensile strength by type of crack(TPS method)

먼저, 재래식 공법을 사용한 인장강도는 Plain 인장강도의 경우 2.35 MPa를 나타낸 반면에, 보수 이후 인장강도에서 평 균 약 1.83 MPa로 Plain 인장강도에 비해 낮은 인장강도 발현 율을 나타내었다. 세부적으로 보면, 0.3U-O 조합의 경우 0.38 MPa, 0.3D-O의 경우 0.78 MPa, 0.3U-B의 경우 0.51 MPa, 0.3D-B의 경우 0.47 MPa, 0.3U-S의 경우 0.47 MPa, 0.3D-S의 경우 0.49 MPa로 평균 약 0.52 MPa의 인장강도가 저하하는 것으로 나 타났다.

또한, TPS 공법을 사용한 인장강도는 Plain 인장강도의 경 우 2.41 MPa를 나타낸 반면에, 보수 이후의 인장강도는 평균 약 2.48 MPa로 보수 이전 인장강도에 비해 보수 이후의 인장 강도가 높게 나타났다. 세부적으로 보면 0.3U-O 조합의 경우 0.07 MPa, 0.3D-O의 경우 0.05 MPa, 0.3U-B의 경우 0.07 MPa, 0.3D-B의 경우 0.06 MPa, 0.3U-S의 경우 0.07 MPa, 0.3D-S의 경우 0.05 MPa로 평균 약 0.06 MPa로 인장강도가 다소 증가 하는 것으로 나타났다.