2.2.1 고 흡수성 폴리머 (SAP)

본 연구에 사용된 SAP는 국내의 T사를 통해 유통되는 아크릴산(Acrylic acid)계 제품으로 입자 크기 순으로 SAP-A, SAP-B, SAP-C로 구분하였으며, SAP-A, B는 비정형, SAP-C는 비드형이다. SAP는 제조방법에 따라 형태가 결정되는데 비정형의 경우 겔 중합법에 의해 큰 덩어리 형태로 제조되어 입도에 맞게 파쇄된 제품이며, 비드형의 경우 역상 현탁 중합법에 의해 구형으로 제조되어 입도에 맞게 사용하는 제품이다. 본 연구에 사용한 SAP를 형태에 따라 Fig. 1에 나타내었으며, 물리적 특성은 Table 3에 나타내었다.

Fig. 1. Superabsorbent polymer (SAP)

SAP는 형태와 입도에 따라 수분의 흡수시간과 흡수력에 차이가 있으며, SAP의 흡수력은 콘크리트의 특성에 영향을 줄 수 있다. 따라서 기존 연구(Kim et al, 2019)⁽⁹⁾를 통해 얻어진 SAP의 최대 수분 흡수력을 Table 4에 나타내었다. SAP의 최대 흡수력(포화상태) 도달 시간은 SAP-A, B의 경우 3분 이내이며, SAP-C는 약 3시간 이후이다.

2.2.2 시멘트 및 골재

본 연구에 사용된 굵은 골재는 최대 치수 19㎜의 쇄석을 사용하였으며, 잔골재는 최대 치수가 5㎜인 강모래를 사용하였다. 사용된 골재의 물리적 특성을 Table 5에 나타내었다. 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트(KS L 5201)를 사용하였으며, 시멘트의 물리적, 화학적 특성을 Table 6에 나타내었다.

2.3.1 굳지 않은 콘크리트 특성

SAP를 혼입한 굳지 않은 콘크리트의 특성을 평가하기 위해 슬럼프와 공기량을 측정하였다. 기존 연구에 의하면(Kim et al, 2019)⁽⁹⁾, SAP-C는 3시간 이후에 포화상태에 도달하므로, 타설 후에도 지속적으로 수분을 흡수하여 시간이 경과할수록 슬럼프는 저하된다. 따라서 모든 배합의 슬럼프 측정은 SAP와 배합수가 접촉하고 6분이 경과하였을 때 측정하였다. 슬럼프와 공기량은 각각 KS F 2402(콘크리트의 슬럼프 시험방법)과 KS F 2421(압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법)에 따라 실시하였다.

2.3.2 압축강도

콘크리트의 압축강도의 측정은 ∅100×200㎜ 크기의 실린더 공시체를 제작하여 각각의 양생 방법에 따라 재령 7일과 28일간 양생한 후 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험방법)에 따라 측정하였다. 압축강도 측정 장비는 만능재료 시험기(UTM)를 사용하였다.

2.3.3 염화물 침투 저항성 시험

본 연구에서는 SAP를 혼입한 콘크리트의 염화물 침투 저항성을 평가하기 위해 급속 염화물 침투시험과 염화물 침지시험을 실시하였다. 급속 염화물 침투시험은 NT Build 492에 따라 수행하였으며, ∅100×200㎜ 크기의 콘크리트 시험체를 재령 28일간 양생한 후 두께 50㎜로 절단하여 사용하였다. 시험체의 양극부에는 0.3N 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 음극부에는 3% 염화나트륨(NaCl) 수용액을 넣고 30V의 전압으로 8시간 동안 통전하였다.

염화물 침지 시험은 재령 28일간 양생한 ∅100×200㎜ 크기의 시험체를 두께 60㎜로 절단하여 사용하였고, 염소 이온의 1방향 침투를 위해 한 면을 제외한 다른 면은 모두 에폭시로 코팅하였다. 염화물 침지는 3% 염화나트륨(NaCl) 수용액에서 91일간 실시하였다. 급속 염화물 침투시험과 염화물 침지 시험 후 질산은 변색법으로 콘크리트의 염화물 침투 깊이를 측정하였다. 질산은 변색법은 콘크리트 시험체의 할렬면에 0.1N의 질산은(AgNO₃) 용액을 분무한 후 변색된 부분을 버니어 캘리퍼스를 이용하여 측정하는 방법이다.

2.3.4 표면 전기저항 시험

콘크리트의 품질 관리 및 내구성 평가를 위해 비파괴 시험인 표면 전기저항 측정 기술이 사용되고 있다(Layssi et al, 2015)⁽¹¹⁾. 표면 전기저항은 AASHTO TP 95에서 제시하는 방법인 Wenner의 4전극법(Four point method)으로 측정하였다. Wenner의 4전극법은 등 간격으로 구성된 4개의 전극을 통해 콘크리트 내부의 전위차를 측정하는 방식으로 각 양단의 외측 전극사이 전류(I)가 통전하면 이로 인해 발생하는 콘크리트 내부의 전위차(V)를 내측 전극으로 측정하는 방식이다(Fig. 2). 콘크리트의 표면 전기저항은 식(1)에 의해 결정된다.

여기서, $\rho$는 콘크리트의 표면 전기저항(kΩ･㎝), $a$는 전극사이의 간격(㎝), $V$는 응답전압(V), $I$는 통전전류(A), EC는 전기 전도도(kΩ･㎝-1)이다.

Fig. 2. Four-point method

3.1.1 슬럼프 측정 결과

Fig. 3. Results of slump test

Fig. 3에는 SAP를 혼입한 콘크리트의 슬럼프 측정결과를 SAP의 종류와 물-시멘트 비에 따라 나타내었다. 실험 결과, SAP의 혼입율이 증가할수록 슬럼프는 감소하는 경향을 나타냈으며, 물-시멘트 비 35%에서 가장 큰 슬럼프 감소율을 나타냈다. 앞서 기술했듯이, SAP는 수분을 흡수하는 특성이 있어 배합 시 배합수를 흡수하므로 슬럼프를 감소시키게 된다. 혼입율이 증가할수록 배합수를 더 빨리, 더 많이 흡수하게 되므로 슬럼프는 더욱 감소하게 된다. 또한, SAP의 혼입량은 시멘트 량에 대한 % 비율이기 때문에 상대적으로 낮은 물-시멘트 비의 SAP 혼입량이 많게 되고, 단위수량 또한 적기 때문에 낮은 물-시멘트 비에서 슬럼프 감소율은 커지게 된다. 기준 배합(Ref.) 대비 SAP를 혼입한 콘크리트의 슬럼프는 혼입량 증가에 따라 30~68%까지 감소하는 것으로 나타났으며, AE제를 혼입하면 공기연행에 의해 슬럼프는 소폭 상승하였다.

정리하면, SAP의 수분 흡수 특성에 따라 SAP를 혼입한 모든 배합에서 슬럼프가 감소하였으며, 혼입량의 증가에 따라 슬럼프 감소량이 증가하였다. SAP 혼입에 따른 시공성능 저하를 보완하기 위해서는 SAP의 혼입량에 따른 추가수량의 첨가 및 화학 혼화제 사용 등이 필요할 것으로 판단된다.

3.1.2 공기량 측정 결과

Fig. 4. Results of air contents test

Fig. 4에는 SAP를 혼입한 콘크리트의 공기량 측정결과를 SAP의 종류와 물-시멘트 비에 따라 나타내었다. 실험 결과, SAP의 종류에 관계없이 혼입율이 증가할수록 공기량이 감소하는 경향을 나타냈으며(Fig. 4(a)), 물-시멘트 비에 따른 공기량(Fig. 4(b))은 일정한 경향을 나타내지 않았다. SAP의 혼입율이 증가하면 경화 콘크리트의 공기량은 증가하게 된다(Riyazi et al, 2017)⁽¹⁸⁾. 수분을 흡수한 SAP이 팽창하여 콘크리트 내부의 공간을 차지하여 공극을 생성하기 때문이다. 그러나 공기량 측정 결과는 혼입율이 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 SAP 혼입에 따라 저하된 슬럼프에 의한 영향과 압력법에 따른 굳지 않은 콘크리트 공기량 시험방법의 부정확성에 따른 결과로 판단된다.

보일의 법칙(Boyle’s law)에 기초한 압력법의 원리는 펌프로 공기량 측정기의 공기실에 압력을 가하고 밸브를 열어줌과 동시에 공기실과 콘크리트 시료가 담긴 용기 내부의 압력평형에 따른 압력감소를 측정하는 방식이다. 따라서 콘크리트 내부에 수분을 함유한 겔 형태의 SAP이 압력변화에 반응하지 않으면 공기량이 정확히 측정되지 않을 수 있다. SAP를 혼입한 콘크리트의 공기량 측정은 SAP의 팽창체적을 고려하여 도출하거나 경화콘크리트의 화상분석을 통한 측정 등 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.

3.3.1 염화물 확산 계수 측정 결과

Fig. 7. Result of diffusion coefficient

본 연구에서는 SAP를 혼입한 콘크리트의 급속 염화물 침투시험을 실시하였으며, 염화물 침투 깊이를 산정하여 염화물 확산 계수를 계산하였다. 염화물 확산 계수 측정 결과를 Fig. 7에 나타내었다.

SAP의 종류에 따른 확산 계수 결과를 보면(Fig. 7(a)), 양생 조건에 관계없이 SAP의 혼입율이 증가하면 기준 배합보다 확산 계수가 감소하는 경향을 나타냈다. 특히, 봉함 양생은 SAP 혼입율 증가에 따라 수중 양생보다 급격한 감소율을 나타냈으며, SAP-A, B의 0.9% 혼입의 경우, 수중 양생보다 낮은 확산 계수를 나타내었다. SAP를 혼입하면 SAP의 내부 양생 효과로 인해 콘크리트 내부에 지속적으로 수분이 공급되고 수화 반응이 촉진되어 염화물 침투 저항성이 개선된 것으로 판단된다. 이러한 개선 효과는 시험체 내･외부가 건조한 봉함 양생에서 더 크게 나타났다. SAP-C는 입자크기가 커서 수분 흡수 및 방출량이 많아 내부 양생에 필요한 수분을 충분히 공급할 수 있으므로 적은 양을 혼입(0.3%)하여도 수중 양생보다 봉함 양생의 염화물 침투 저항성이 증가하게 된다.

봉함 양생의 경우, 전처리 작업(24시간 수침)을 실시하지 않아 콘크리트 내부에서의 순간적인 흡수 작용이 결과에 포함될 수 있다. SAP-A, B 혼입율 0.3%의 경우 순간적인 흡수로 인해 수중양생보다 확산계수가 더 크게 나타났으나, 혼입율 0.9%인 경우는 내부 양생 효과가 증가하여 확산계수가 더 작게 측정되었다. 따라서 전처리 작업을 실시하여 측정할 경우, 봉함 양생의 염화물 침투 저항성은 더 증가할 것으로 판단된다.

물-시멘트 비에 따른 확산 계수 측정 결과를 보면(Fig. 7(b)), SAP 혼입량 증가에 따라 확산 계수가 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 물-시멘트 비 35%의 0.6% 혼입의 경우 봉함 양생이 수중 양생보다 낮은 확산 계수 값을 나타내었다. SAP의 혼입량은 시멘트 질량의 % 비율이기 때문에 낮은 물-시멘트 비에서는 SAP의 혼입량이 상대적으로 많아 높은 내부 양생 효과에 의해 염화물 침투 저항성이 개선된 것으로 판단된다. 따라서 물-시멘트 비 35%의 경우 0.6% (SAP-B), 물-시멘트 비 45%의 경우 0.9% 이상 (SAP-A, B) SAP를 혼입하였을 때, 봉함 양생이 수중 양생보다 염화물 침투 저항성이 우수하다.

정리하면, 콘크리트에 일정량 이상의 SAP를 혼입하면 내부 양생 효과에 의해 콘크리트 내부에서의 수화반응을 촉진시켜 염화물 침투 저항성을 개선시킴을 확인할 수 있었다. 다만 SAP의 입자 크기에 따라 적정 혼입율은 차이가 있었다. 따라서 수중 양생을 실시하기 어려운 경우 SAP를 적절히 혼입하면 내부 양생 효과에 의해 내구성을 개선시킬 수 있을 것으로 예상된다.

한편, 염화물 침지 시험과 다르게 전기적 장치를 이용하는 급속 염화물 침투시험은 콘크리트 구성 재료의 전도성에 따라 실험 결과에 영향을 줄 수 있다. 염화물 침지 시험을 통하여 얻은 침투깊이와 급속 염화물 침투시험을 통하여 얻은 확산 계수의 상관관계를 Fig. 8에 나타내었다. 결과를 보면, 염화물 침지 시험과 급속 염화물 침투시험의 결과는 높은 상관관계(R2=0.85 이상)를 나타냈으며, 이는 콘크리트 내부의 SAP가 전기적 장치에 영향을 받지 않는 것으로 판단된다. 따라서SAP을 혼입한 콘크리트의 급속 염화물 침투시험과 침지 시험은 높은 상관성을 갖는 시험 방법인 것으로 판단된다.

3.3.2 표면 전기저항 측정 결과

본 연구에서는 표면 전기저항을 통해 SAP 혼입 콘크리트의 내구성을 간접적으로 평가하고자 하였으며, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 결과에 따르면 봉함 양생을 실시한 경우가 수중 양생의 경우보다 표면 전기저항이 높게 측정되었다. 이는 양생조건에 따른 콘크리트 내부 수분의 차이에 따른 것으로 수중 양생의 경우 콘크리트 내부의 수분이 전도체 역할을

Fig. 8. Relationship between penetration depth and diffusion coefficient

Fig. 9. Results of resistivity

하였기 때문에 저항이 낮게 측정된 것으로 판단된다. 또한 물-시멘트 비의 감소에 따라 표면 전기저항이 증가하였으며, 이는 물-시멘트 비가 감소하여 콘크리트가 더 밀실하게 되었기 때문인 것으로 판단된다.

기존 연구(Layssi et al, 2015)⁽¹¹⁾에서는 콘크리트 포화도의 변화는 공극 구조에서 수분의 양을 변화시켜 표면 전기저항에 영향을 미치므로 표면 건조 포화상태에서의 측정을 권고하고 있다. 그러나 본 연구에서는 SAP의 내부 양생 효과를 평가하기 위해 양생 조건을 다르게 하였으므로 표면 전기저항 결과를 통해 양생 조건을 비교하기에는 부적절한 것으로 판단된다. 향후 표면 전기저항에 대한 추가적인 연구를 통해 양생 조건별 상관관계를 분석하거나 동일한 조건에서의 비교･분석이 필요한 것으로 판단된다.

한편, 기존 연구(Layssi et al, 2015)⁽¹¹⁾에서는 전기 전도도와 급속 염화물 침투시험의 상관관계를 비교하였다. AASHTO TP 95에 의한 전기 전도도와 급속 염화물 침투시험으로부터 도출된 확산 계수 결과를 비교하였으며, 그 결과 결정 계수(R2)가 0.93으로 높은 상관관계를 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 SAP를 혼입한 콘크리트의 양생조건에 따른 전기 전도도와 확산 계수의 상관관계를 비교해 보았으며, 그 결과를 Fig. 10에 나타내었다. 결과에 따르면 수중 양생 및 봉함 양생 콘크리트의 결정 계수(R2)는 각각 0.82, 0.74로 수중 양생이 더 높은 것으로 나타났다. 수중 양생이 봉함 양생에 비해 내부 수분의 변화가 적어 전기 전도도의 오차가 감소하여 결정 계수가 높게 측정된 것으로 판단된다.

표면 전기저항은 상대적으로 표면부의 밀실도와 미세구조 및 수분 포화도에 영향을 많이 받으며, 확산 계수는 전단면의 밀실도와 콘크리트의 미세구조, 수분 포화도 등에 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 따라서 내･외부로 수분공급의 방식이 다른 두 양생법, 즉 내부수분 포화도에 대한 표면 전기저항과 확산 계수의 정량화된 비교･분석은 추가적인 검토가 필요하다.

Fig. 10. Correlation between diffusion coefficient and electrical conductivity