2.1 유기물 실리콘계 발수제 혼입 콘크리트의 성능

Asamoto(2018)⁽¹⁹⁾는 표면도포형 발수제만으로는 콘크리트내로 침투하는 수분의 억제가 충분하지 않기 때문에, 유기물 실리콘계 발수제를 직접 콘크리트에 혼입하고 콘크리트의 압축강도를 평가하였다. 실리콘계 발수제는 배합수의 25%를 발수제로 중량 치환하여 사용하였으며, 보통포틀랜드시멘트와 밀도 2.61 g/m³, 흡수율 2.12%의 모래를 사용하였다. 실험 결과, 재령에 따라 발수제 혼입 콘크리트는 발수제 무혼입 콘크리트와 비교하여 높은 흡수 저항성을 보였고, 시험체 건조 유무에도 상관없이 높은 흡수 저항성을 나타내었다. 그러나, 재령 7일의 압축강도를 살펴보면, 발수제 무혼입(OPC) 대비 실리콘계 재료를 3% 혼입한 콘크리트(A-3, D-3)는 약 40%의 압축강도 저하를 나타내었다.

Zhao, T., et al(2011)⁽¹⁷⁾는 해양 환경에서는 철근 콘크리트 구조물의 수명이 줄어들기 때문에 발수제를 콘크리트 표면에 함침 시키지만, 최소한의 건조시간과 경화된 콘크리트에서만 사용 가능하다는 점 등 다양한 단점 때문에 일체형 콘크리트 생산을 위한 실란 화합물을 적용하였다. 실험결과, 압축강도의 경우, 4% 혼입 시 압축 강도가 평균적으로 약 1/3 감소하였다. 그러나, 실란 화합물 첨가 시 모세관 흡수가 크게 감소하였고, 2% 첨가하였을 때, 염화물 침투 저항성이 크게 향상되었으며, 다른 실란 혼입 비율에 비해 가장 효율적으로 나타났다. 또한, 표면 함침된 발수제보다 효율적이고 더 긴 내구수명으로 이어지는 것을 확인하였다.

2.2 무기물 금속염계 발수제 혼입 콘크리트의 성능

W.Li(2011)⁽¹⁸⁾는 표면함침에 의한 종래의 방법은 침투 깊이가 10mm 이하이기 때문에, 징크스테아레이트, 칼슘스테아레이트 등 4가지의 금속염을 콘크리트에 혼입하여 압축강도를 평가하였다. 실험 결과, 무혼입 콘크리트와 비교하여 높은 염화물 침투 저항성을 보였으며, 단위 면적당 물 흡수율이 상당히 낮은 것으로 나타내었다. 그러나, 재령 28일 압축강도를 살펴보면, 발수제 무혼입 대비 금속염계 재료 혼입 콘크리트는 약 36%의 압축강도 저하를 나타내었다. 이는 과량 혼입 된 금속 비누에 의해 시멘트 수화에 강한 영향을 미치는 것으로 사료된다.

Naeseroleslami, R.,& Chari, M. N.(2019)⁽¹⁶⁾는 SCC를 포함한 콘크리트의 장,단기 불투과성을 개선하기 위해 CS를 혼입하여 SCC에 영향을 미치는 특성을 분석하였다. 실험결과, CS 혼입 시, 염화물 이동 테스트에서 SCM재료보다 훨씬 더 효과적으로 나타났으며, 모세관 기공을 따라 형성된 발수층에 의해서 모세관 수분 흡수 역시 상당히 저하되는 것으로 나타났다. 미세분석 결과, CS혼입은 미세균열을 발생하며, 밀도를 감소시켜 압축강도는 감소되지만, W/B비를 내리거나, 실리카 흄(SF)을 혼입하여 강도 손실을 보상될 수 있다고 언급하였다.

3.1 사용재료

Table 1는 본 실험에서 사용한 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 화학적 성분을 나타낸다. Table 2는 잔골재의 특성을 나타내며, 잔골재는 KS L ISO 679 규격에 부합하는 표준사를 사용하였다. Table 3은 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제의 특성을 나타내며, Table 5는 사용된 무기물 분말형 금속염계 발수제인 칼슘 스테아레이트와 징크 스테아레이트의 특성을 나타내었다.

실리콘계 실란&실론산의 경우, 유백색을 띄며, 알칼리성

을 가지고 있다. 또한, 고형분이 50%이기 때문에 배합수에 대한 보정이 필요한 재료이다.

스테아레이트는 시멘트의 비해 낮은 밀도를 가지고 있는 미분말의 분체이다. 또한, 중성 또는 약알칼리성을 보유하고 있다.

3.2 실험계획

Table 5는 유무기 복합 발수제를 혼입한 모르타르의 실험에 관한 실험수준 및 인자를 나타내며, Table 6은 사용된 발수제 혼입 시험체의 분류를 나타낸다. Table 7은 본 실험에 사용된 모르타르 배합표를 나타내었다.

유무기 복합 발수제를 혼입한 모르타르의 물리적 성능평가를 위해 플로우, 공기량, 압축강도 실험을 실시하였고, 발수 성능평가를 위해 물 흡수성과 염화물 침투 저항성 실험을 실시하였다. 실험에 사용된 발수제는 기존문헌 및 예비실험결과 압축강도 저하와 발수성의 변화가 비교적 크게 나타난 시멘트 중량대비 2%를 첨가하였고, 무기물 분말형 금속염계 발수제의 경우 예비실험을 통해 발수성능이 우수하며, 압축강도 저하가 가장 낮게 나타난 Ca:Zn=9:1 비율을 적용하였다.

또한, 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제의 고형분이 50%인 것을 고려해 배합수의 양을 조절하였다. 유무기 발수제의 혼합비율은 압축강도 저하를 고려하여, 압축강도를 크게 저하시키는 실란&실록산 수성 발수제의 양을 조절하였다. 시험체 P와 L은 각각 무기물 분말형 금속염계 발수제(Powder)와 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제(Liquid)를 나타내며, P3L1의 경우, Powder(무기물)와 Liquid(유기물)의 3:1 비율을 나타낸다.

3.3 실험방법

3.3.4 염화물 침투 저항성(RCPT)

Fig. 1은 염화물 침투 저항성 실험(RCPT = Rapid Chloride Permeabillity Test) 절차를 나타낸다. 기건상태에서 28일 경화된 Ø100 x 200 원형 공시체의 중앙으로부터 타설면과 바닥면으로 각각 50mm 두께로 절단한 후, 일방향으로 실험을 진행하기 위해, 절단된 시험체 옆면에 에폭시 코팅을 진행하였고, 24시간 상온에서 경화하였다. 에폭시가 경화된 시험체를 데시케이터에 넣고 133Pa 이하의 압력으로 3시간 동안 진공상태를 유지한 뒤 증류수를 데시케이터 안에 시험체가 모두 잠길 정도로 채우고 18±2 시간 동안 침지하였다.

침지 후, 시험체를 염화물 침투 저항성 셀에 넣어 조립한 후 3.0% 염화나트륨과 0.3N 수산화나트륨을 조립된 셀안에 넣어준다. 정압 전원 공급 장치에 셀을 연결하고 60v를 6시간동안 공급하고 초기부터 30분 단위로 전류값을 기록하여 (1)식을 통해 통과전하량을 도출하였다.

(1)

$Q=900(I_{0}+2I_{30}+2I_{60}+ · · · ·+2I_{300}+2I_{330}+I_{360})$

식(1)에서 $Q$는 통과 전하량(C)이며, $I_{0}$는 전압을 가한 직후의 전류(A)이다. $I_{t}$는 전압을 가한 후 t분 경과 후의 전류(A)를 나타낸다. 염화물 침투 저항성 실험은 KS F 2711을 기준으로 실시하였다.

Fig. 1. Experimental procedure of RCPT

4.1 발수제 혼입량에 따른 플로우와 공기량 변화

Table 8은 모르타르의 플로우와 공기량 실험결과를 나타낸다. 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 시험체를 제외한 모든 시험체가 본 연구에서 목표성능범위로 설정했던 플로우 200±15mm와 공기량 7±1%를 충족하였다. 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제의 경우 혼입 시 많은 공기를 내부로 연행시켜 작업성이 우수한 것으로 판단된다 (Felekoglu, 2012)⁽²⁰⁾. 그러나, 무기물 분말형 금속염계 발수제를 혼입한 시험체는 금속염의 혼입량 증가 시 공기량 감소를 확인하였다. 이는 분말형 금속염계 스테아레이트 첨가 시 모르타르 내부의 공극을 충전하는 것으로 판단된다 (Lanzon et al., 2017)⁽¹⁾.

4.2 발수제 혼입량과 압축강도와의 관계

Fig. 2는 무혼입 모르타르, 기존 발수제를 혼입한 시험체 및 유무기 복합 발수제를 혼입한 시험체의 압축강도 실험결과를 나타낸다.

모든 시험체가 시간 경과에 따라 압축강도가 증진되었고, 무혼입 시험체의 압축강도는 재령 초반인 3일과 7일 각각 30, 36MPa로 높은 압축강도를 발현하는 특성을 나타냈다. 발수제를 혼입한 시험체의 경우는 전반적으로 재령 14일 이후 강도 증진이 크게 증가하였다.

무기물 분말형 금속염계 발수제의 경우 재령 14일까지는

Fig. 2. Compressive Strength o123f mortar mixed with water repellent by age

낮은 압축강도를 보였지만, 재령 28일 경과 후 39.5MPa로 무혼입 모르타르 대비 97.5%의 높은 압축강도를 나타내었다. 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제는 재령 28일 압축강도가 24MPa로 무혼입 모르타르 대비 42%의 압축강도 저하를 확인하였다. 이는 Table 9에 나타난 공기량의 증가와 골재와 시멘트의 접합면(ITZ : The Interfacial Transition Zone)에 소수성 물질들이 침투하여 수화반응을 지연 및 방해하여 압축강도가 저하된다고 판단된다.

유무기 복합 발수제를 혼입한 시험체는 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 시험체와 비교하였을 경우, 유무기 복합 발수제를 혼입한 시험체가 재령일에 상관없이 높은 압축강도를 보였다. 재령 28일에 경우 약 38MPa로 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 시험체 대비 높은 압축강도를 나타냈다. P5L1는 38.5MPa로 무기물 분말형 금속염계 발수제를 혼입한 시험체대비 약 2.5%의 압축강도 저하를 보였으며, P6L1 시험체의 경우, 39.5MPa로 무기물 분말형 금속염계 발수제를 혼입한 시험체와 동일한 압축강도를 확인하였다. 이는 내부에 혼입

Fig. 3. SEM analysis result of OPC & Liquid surface

Fig. 4. SEM & EDS analysis result of Liquid ITZ

되었던 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제의 양이 감소하고, 금속염계 스테아레이트의 양이 증가하여, 공기량의 감소와 모르타르 내부에 스테아레이트가 filler로써 충전되는 것으로 판단되며(Quraishi et al., 2007), P6L1의 경우, 혼입 된 실리콘계 수성 발수제가 극소량이기 때문에 압축강도 저하에 영향을 미치지 않는 것으로 사료된다.

Fig. 3은 무혼입 모르타르(OPC)와 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 시험체의 SEM 이미지를 나타내며, Fig. 4는 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 시험체의 SEM&EDS 분석결과를 나타낸다.

OPC에 비해 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 시험체의 표면에 미세균열을 확인하였으며, 압축강도의 저하 원인으로 판단하였던 잔골재와 시멘트 페이스트의 접합면(ITZ) 분석결과, ITZ(The Interfacial Transition Zone)부분에 OPC대비 Si가 약 6배 정도 높은 것으로 측정되었다. 이 두 가지 원인에 의해 압축강도가 크게 저하되는 것으로 판단된다.

4.3 발수제 혼입에 따른 단위면적당 물 흡수량 변화

Table 9는 무혼입 모르타르 시험체, 기존 발수제 혼입 시험체 및 유무기 복합 발수제 혼입 시험체의 시간경과에 따른 물 흡수계수를 나타내며, Fig. 5는 무혼입 모르타르 시험체, 기존 발수제 혼입 시험체 및 유무기 복합 발수제 혼입 시험체의 시간 경과에 따른 단위면적당 물 흡수량을 나타낸다.

무혼입 모르타르를 제외한 모든 시험체의 발수성능이 우수한 것으로 나타났다. 무혼입 모르타르의 경우 시간경과에 따라 지속적으로 면적당 물 흡수량이 증가하였으며, 6시간 경과 후 면적당 물 흡수량은 1.394kg/m2를 나타내었다. 무기물 분말형 금속염계 발수제를 혼입한 경우 무혼입 모르타르보다 92% 적은 0.12kg/m²이며, 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제를 혼입한 시험체의 경우, 물을 흡수하지 않는 것으로 나타났다.

유무기 복합 발수제를 혼입한 시험체의 경우 P6L1 > P5L1 > P4L1 > P3L1의 순서로 면적당 물 흡수량이 많은 것으로 나타났다. 이는 발수력이 뛰어난 실란&실록산 수성 발수제의 양이 혼합비율에 따라 적어져 나타난 결과로 판단된다.

유무기 복합 발수제를 혼입한 시험체 중 가장 발수성능이 낮은 P6L1은 무혼입 모르타르보다 95% 적은 0.072kg/m2를 나타내었으며, 무기물 분말형 금속염계 발수제보다 40% 적은 것을 확인하였다. 유무기 복합 발수제 모두 무기물 분말형 금속염계 발수제보다 높은 발수성능을 나타냈다.

물 흡수계수 역시 무혼입 모르타르를 제외한 모든 시험체가 시간 경과에 상관없이 0에 수렴하는 것으로 나타났다. 무기물 분말형 금속염계 발수제의 경우 약 0.06으로 일정한 물

Fig. 5. Result of Water absorption per area

흡수계수를 보였고 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제의 경우 물 흡수계수가 0으로 나타났다.

유무기 복합 발수제의 물 흡수계수 역시 면적당 물 흡수량과 같은 경향을 보였고 P6L1의 경우, 다른 유무기 복합 발수제와 다르게 물 흡수계수가 약 0.03으로 약간의 흡수성능을 나타냈다. 따라서, P5L1의 비율이 유무기 복합 발수제의 최소한계로 판단된다.

Fig. 6은 무혼입 모르타르인 OPC와 무기물 분말형 금속염계 발수제를 혼입한 시험체 표면을 500배 확대한 SEM 이미지를 나타내며, Fig. 7은 무혼입 모르타르인 OPC와 무기물 분말형 금속염계 발수제를 혼입한 시험체 표면을 10,000배로 확대한 SEM 이미지를 나타낸다.

Fig. 6 이미지를 보면, 무혼입 모르타르 표면과 다르게 무기물 분말형 금속염계 발수제를 혼입한 시험체의 표면 전반에 걸쳐 왁스성 물질이 코팅된 것을 확인할 수 있었으며, 이를 10,000배 확대해본 결과, 시멘트 수화생성물 표면부에 왁스성 물질이 코팅된 것을 확인하였다. 시멘트 수화물 표면에 형성 된 코팅층에 의해 내외부에서 발수효과가 나타나는 것으로 판단되며, 발수력의 크기는 발수성이 강한 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제 시험체의 혼합 비율에 의해 조정되며, 무기물 분말형 금속염계 발수제 혼합 비율이 증가할수록 발수력이 감소되는 것으로 사료된다.

Fig. 6. SEM analysis result of OPC & Powder 500x

Fig. 7. SEM analysis result of OPC & Powder 10 kx

4.4 염화물 침투 저항성 실험 결과

Table 10은 본 실험에서 사용된 시험체의 염화물 침투 저항성 실험이 종료된 후, 질산은 용액을 분사해 나타난 염화물 침투 깊이의 평균을 나타낸다. Fig. 8은 발수제 혼입량에 따른 통과 전하량을 나타내며, Fig. 9은 침투 깊이 측정에 사용된 시험체의 절단면을 나타내었다.

무혼입 모르타르 대비 모든 시험체의 통과 전하량이 발수제 혼입에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 무기물 분말형 금속염계 발수제 혼입 시험체와 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제 혼입 시험체는 무혼입대비 48%, 56% 낮아진 약 7007과 5864 coulomb으로 나타났다.

유무기 복합 발수제 혼입 시험체들의 경우, 평균 약 7300 coulomb으로 무혼입 모르타르 대비 약 45% 낮게 나타났다.

특히, P3L1의 경우, 무기물 분말형 금속염계 발수제 혼입 시험체보다 3% 낮은 약 6807 coulomb을 나타났다 (Lanzon et al., 2017; Kong et al., 2015)^(10-11). 그러나 유무기 복합 발수제 혼입 시험체의 경우, 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제 혼입 시험체와 동일한 물 흡수계수를 나타내어 낮은 통과 전하량을 예상했지만 P4L1, P5L1 시험체의 경우 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제 혼입 시험체 대비 20%, 30% 높은 약 7020, 7699 coulomb으로, 예상보다 높은 통과 전하량을 확인하였다.

Fig. 8. The charge passed from RCPT

염화물 침투 깊이도 발수제를 혼입한 시험체들이 전반적으로 낮은 염화물 침투 깊이를 나타내었다. 유기물 액체형 실리콘계 실란&실록산 수성 발수제 혼입 시험체의 경우 21.77mm로 가장 낮은 침투깊이를 나타내었고 무기물 분말형 금속염계 발수제 혼입 시험체의 경우는 그 보다 약 5mm높은 26.47을 나타냈다.

유무기 복합 발수제 혼입 시험체의 경우, P4L1과 P5L1이

Fig. 9. Cutting surface of the specimens

26.42, 27.25mm로 비교적 높은 침투 깊이를 나타내었다. 이는 발수성 물질에 의한 시험체 내부의 미세공극과 내부의 화학반응에 의한 것으로 판단되며, 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.