1. 서 론

자기치유 기술(Self-Healing Technology)은 구조물에 균열이 발생할 경우 균열을 능동적으로 치유할 수 있도록 하는 자기치유 기술이 국내외에 스마트 건설기술로써 대두되고 있다. 자기치유 기술이 적용된 구조물은 균열 발생이 진행됨과 동시에 균열치유가 진행되며, 균열 발생 초기에 균열이 닫히는 효과로 인하여 균열의 진전 및 확장을 저감 및 방지할 수 있어 일반적인 구조물의 유지보수 시간, 노력 및 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 인력 동원하기 어려운 구조물의 경우에도 효과적으로 보수를 수행할 수 있으므로(Erik, 2013; An, 2014)^(1,20), 구조물의 보수효과만이 아니라 인력의 동원이 필요하지 않으므로 안전성까지도 확보가 가능하다. 종합적으로 보면 기대효과는 더욱 클 것으로 예상되고 있다.

구조물에 적용할 수 있는 자기치유 기술은 매커니즘에 따라서 다양한 개념이 존재하고 있다(Oh, 2017)⁽¹⁶⁾. 적용 환경 또는 구조물에 따라서 적합한 기술을 고려할 수 있으며, 사회환경적 측면과 경제성 측면에 따라서 고려하여 적용할 수 있다.

캡슐을 활용한 자기치유 기술은 직접적인 자기치유 소재를 다량 포함할 수 있으므로(Tatyana, 2012; M. Hunger, 2009)^(7,15) 다양한 구조물에 적용 시킬 수 있으며, 균열을 통해 파괴되지 않은 캡슐은 소재의 성능이 잠재되어 있으므로 자기치유 성능이 유효하다(Oh, 2020)⁽¹⁸⁾.

캡슐을 자기치유 기술로써 활용한 연구 동향을 살펴보면 자기치유 소재를 마이크로 크기로 캡슐화하여 적용한 사례가 많이 있다(Shazim, 2014; Kim, 2003)^(11,13). 마이크로 캡슐은 자기치유 소재를 반응시키기 위해서 반응 촉매제(Trigger)가 별도로 요구되므로 반응 촉매제를 별도로 마이크로 캡슐화하여 함께 사용해야 된다는 문제점을 가지고 있으며, 균열을 통해 캡슐이 파괴되어 자기치유 소재가 균열면으로 용출되더라도 반응 촉매제와 결합하지 못하면 반응시킬 수 없다는 문제점을 가지고 있다. 국내에는 이러한 문제점들을 보완하여 별도의 촉매제가 없어도 태양광 또는 수분으로 반응할 수 있는 자기치유 마이크로 캡슐을 제조하였으며, 건설 분야에 기술을 적용한 사례가 있다(Song, 2013)⁽²²⁾. 그러나 자기치유 마이크로 캡슐의 적용대상이 구조물 모체가 아닌 모체 표면만을 대상으로 진행하고 있으므로(Wang, 2003; Blaiszika, 2007)^(2,24) 마이크로 캡슐량이 매우 제한적이며, 모체 내부의 균열 폭 또는 균열 깊이에 대하여 대응하기 매우 어렵다(0h, 2020)⁽¹⁸⁾. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 캡슐을 배합에 직접 혼합하여 모체 내부에 캡슐이 분산되도록 하는 방안을 적용하여야 한다.

모체 내부에 있는 자기치유 소재를 수분에 의하여 반응할 수 있도록 할 경우 적용할 구조물에 대응하여 자유롭게 조절할 수 있으며, 균열면에 위치 해있는 캡슐이 수화반응을 통하여 균열을 치유하므로 종래의 경우보다 치유효율을 증가시킬 수 있다. 본 연구에서는 다양한 자기치유 기술에서 결정성장형 무기재료 자기치유 소재를 응집하여 캡슐화하였으며, 사용하는 기술을 대상으로 배합에 직접 혼합이 가능하도록 자기치유 캡슐을 제조하였다.

대부분의 구조물이 수분은 우천, 지하수 및 습기 등에 노출되어 있어 균열면의 파괴된 캡슐과 반응하기 용이하다(OH, 2019)⁽¹⁷⁾. 이와 관련된 국내 자기치유 선행연구를 살펴보면 내구성 측면에서 치유성능은 주로 정수위투수시험에 의한 Water flow test를 실시하여 투수량의 감소수준을 평가하고 있다. 이러한 이유는 이 시험을 통하여 균열의 균열폭 감소로 인한 내구적 성능을 증가시키는 자기치유 성능을 평가 할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 수화반응이 가능한 결정성장형 무기재료를 사용하여 고상 캡슐을 제조하였으며, 고상 캡슐을 혼합한 자기치유 모르타르를 제조하였다. 본 연구에서는 결정성장형 무기재료를 사용한 고상 캡슐을 조성비를 통해 자기치유 모르타르의 내구적 치유 특성에 대하여 평가를 실시하였으며, 향후 내구적 치유 특성을 고려하여 자기치유 모르타르 기술의 진보화를 위한 기반자료로써 활용하고자 한다.

2. 실험개요

2.1 결정성장형 무기재료 활용 고상 캡슐 제조

2.1.1 결정성장형 무기재료

결정성장형 무기재료는 수화반응에 의해 에트링가이트(Ettringite) 또는 수산화칼슘 등을 생성하여 팽창시키는 작용이 있는 아윈계 팽창재(Calcium Sulfoaluminate, CSA)와 결정성장 촉진 및 육각판상의 결정물을 발생하는 무수석고(CaSO$_{4}$)를 선행연구(Oh, 2020)⁽¹⁸⁾를 통하여 얻어진 적합한 비율에 따라 혼합하여 사용하였다. 이들의 반응 매커니즘은 CaSO$_{4}$의 결정을 통하여 균열 영역의 공간충전 효과가 있으며, CSA의 결정을 통하여 쐐기효과에 따른 결정물과 반응 생성물의 안정화 효과이다.

Fig. 1. Self-healing reaction mechanism

Fig. 2. Encapsulation mechanism

Table 1. Mixing ratio of crystal growth type inorganic materials

Type	Expansion Agent (CSA)	Anhydrous Gypsum (CaSO$_{4}$)
8:2	8	2
7:3	7	3
6:4	6	4

Fig. 1은 코어재료인 결정성장형 무기재료의 반응 매커니즘을 나타낸 것이며(Oh, 2017; Oh, 2019; Choi, 2017)^(3,16-17), Fig. 2는 고상 캡슐의 제조 과정을 나타낸 것을 나타낸 것이다(Nam, 2020)⁽¹⁴⁾.

Table 1에 나타낸 바와 같이 3가지 변수로 정하여 결정성장형 무기재료 코어재료의 조성비 선정하였다. 고상 캡슐의 제조는 결정성장형 무기재료 분체상을 일정 크기로 입자화하기 위한 코어재료 제조 단계와 입자화된 결정성장형 무기재료의 막 재료의 코팅 단계 후 건조 단계를 통하여 제조된다. 코어재료 제조 단계에서는 입자화를 위하여 응집제가 필요하며, 입자화 과정 중에서 사전반응을 방지하기 위하여 수분함량이 최소화된 응집제를 적용하였다. 응집제를 통하여 입자화된 코어재료는 배합에 혼합할 경우 배합수와의 반응을 방지하기 위하여 막재료로써 폴리우레탄을 사용하였다.

Fig. 3. Equipment of soild capsules

Fig. 4. Size type of solid capsules

2.1.2 고상 캡슐의 제조

결정성장형 무기재료는 응집제와 혼합하여 적당한 질기를 가지는 상태로 만든 다음 Fig. 3(a)의 장비를 통하여 코어 재료를 제조한다. 제조된 코어는 Fig. 3(b)의 장비를 통하여 크기를 분류하며, Fig. 3(c)의 장비를 통하여 막 코팅을 실시한다. 최종적으로 Fig. 3(d)의 장비를 통하여 건조하여 제조된다. Fig. 4은 고상 캡슐의 형태를 나타낸 것으로 고상 캡슐의 크기는 600~2,360 μm로 제조되었다. 본 연구에서는 선행연구(Oh, 2017; Oh, 2019)^(16-17)를 통하여 적정크기를 선정하였으며, 850∼1,180μm 내의 크기만을 선별하여 사용하였다.

2.2 모르타르 제조

2.2.1 사용재료

모르타르에 사용된 시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement, C)를 사용하였다. 또한 실험에 사용된 잔골재는 강모래(River Sand, S)를 사용하였으며, 실험에 사용된 화학 혼화제(Chemical admixture, ad)는 고상 캡슐의 분산 및 워커빌리티 확보를 위하여 국내 H사의 폴리칼본산계 고성능 감수제를 사용하였다.

2.2.2 배합

배합은 “KS L ISO 679 시멘트의 강도 시험 방법”에 준하여 모르타르를 제조하여 Water flow test에 적합한 형태로 시편을 제작하였다. 고상 캡슐(Solid Capsules, SC)의 혼합량은 C 질량의 3, 5 및 10 %를 혼합하였으며, Table 2는 배합비를 나타낸 것이다.

Table 2. Mixing ratio of cement mortar

Type	W	C	S	Capsules (C×%)	ad (C×%)
Plain	0.4	1	2	0	0.005
8:2				3	0.006
7:3				5
6:4				10

Fig. 5. Crack induction specimen and measuring equipment for water flow test

2.3 평가방법

2.3.1 자기치유 특성

균열 자기치유 성능은 Water flow test를 통하여 평가하였다. Water flow test는 정수위 투수시험(h=300mm)을 통하여 균열이 유도된 시험편의 초기 투수량(ml/min·mm)을 측정하였으며, 치유재령 이후의 투수량 감소수준을 통하여 자기치유 수준을 평가하였다.

정수위 투수시험용 시험편은 $\phi$100×50mm 크기의 시험편을 제작하여 온도(20±3)℃ 및 습도(50±10)% 조건에서 수중양생을 실시하였다. 균열 유도 재령은 재령 7 및 28일이 경과되었을 때 균열을 각각 유도하였으며, 실제 구조물에서 발생하는 미세균열폭과 동일하게 0.25mm가 되도록 균열 유도 필름을 삽입하여 균열을 제어하였다. 또한 균열폭 유지를 위하여 시험편의 측면부를 호스밴드로 고정하였다.

균열이 유도된 시험편은 치유재령 7, 14, 21 및 28일에 정수위 투수시험을 실시하여 투수량의 변화를 평가하였다. 정수위 투수시험 조건은 전자저울을 컴퓨터에 연결하여 실시간 투수량을 측정할 수 있도록 하였으며, 시험편의 함수상태를 동일하게 하기 위하여 최초 5분간의 투수량은 버리고 이후 1분단위로 10분간 측정하여 실시간 투수량을 측정하였다. Fig. 4는 정수위 투수시험용 균열 유도 시험편 및 정수위 투수시험 전경을 나타낸 것이다.

Fig. 6. 조성비에 따른 치유기간과 치유율의 관계(혼합률 3%)

Fig. 7. 조성비에 따른 치유기간과 치유율의 관계(혼합률 5%)

Fig. 8. 조성비에 따른 치유기간과 치유율의 관계(혼합률 10%)

3. 실험결과 및 고찰

3.2 혼합율에 따른 자기치유 성능

Fig. 9는 고상캡슐을 혼합율에 따른 초기 투수량과 치유율의 관계를 나타낸 것이며, Fig. 10은 균열폭과 치유율의 관계를 나타낸 것이다. Fig. 9 및 10의 결과 균열폭 0.2mm에 해당하는 초기 투수량 0.5 범위의 치유율은 Plain의 경우 약 77%, 3%의 경우 약 86%, 5%의 경우 약 91% 및 10%의 경우 약 99% 나타남에 따라 고상캡슐의 혼합에 따른 치유효과는 Plain의 자연 치유성능에 대하여 3%의 경우 약 9%, 5%의 경우 약 14% 및 10%의 경우 약 23% 향상시키는 것으로 나타났다.

균열폭 0.25mm에 해당하는 초기 투수량 1.0 범위의 치유율은 Plain의 경우 약 70%, 3%의 경우 약 82%, 5%의 경우 약 85% 및 10%의 경우 약 95% 나타남에 따라 고상캡슐의 혼합에 따른 치유효과는 Plain의 자연 치유성능에 대하여 3%의 경우 약 12%, 5%의 경우 약 15% 및 10%의 경우 약 25% 향상시키는 것으로 나타났다.

균열폭 0.3mm에 해당하는 초기 투수량 1.8 범위의 치유율 Plain의 경우 약 67%, 3%의 경우 약 75%, 5%의 경우 약 77% 및 10%의 경우 약 90% 나타남에 따라 고상캡슐 혼합에 따른 치유효과는 Plain의 자연 치유성능에 대하여 3%의 경우 약 8%, 5%의 경우 약 10% 및 10%의 경우 약 16% 향상시키는 것으로 나타났다.

이러한 결과는 초기 투수량과 균열폭이 상관관계가 있음을 의미하며, 시험편의 균열은 일정하지 않기 때문에 등가 균열폭 개념을 도입하여 초기 투수량을 통하여 균열폭을 예측할 수 있다. 이러한 결과를 통하여 SC의 조성비 7:3으로 제조된 고상캡슐을 혼합함에 따라 자연 치유성능을 향상시키는 효과

Fig. 9. 캡슐 혼합율에 따른 초기 투수량과 치유율의 관계(7:3)

Fig. 10. 캡슐 혼합율에 따른 균열폭과 치유율의 관계(7:3)

가 있는 것으로 판단되며, 혼합율 10%를 기준으로 치유재령 28일 경과 시 0.2mm 균열폭의 경우 약 99%, 0.25mm 균열폭의 경우 약 95% 및 0.3mm 균열폭의 경우 약 90% 치유되는 것으로 나타났다.

그러나 최적 혼합율은 다른 관점에서 고려하여야 한다. 큰 균열폭을 치유하기 위하여 다량의 캡슐을 혼합할 경우 강도가 저하하게 되며, 고상캡슐의 비용이 증가하기 때문에 비효율적일 수 있다. 일반적으로 균열은 초기에 미세한 균열이 형성되어 점점 확장하는 개념이기 때문에 혼합율을 작게 하더라도 발생 즉시 캡슐이 반응하여 치유작용이 이루어질 경우 치유율은 더욱 커질 것으로 판단된다.

3.3 재령일에 따른 자기치유 성능

Fig. 11 및 12는 균열유도 재령일에 따른 치유기간과 치유율의 관계를 나타낸 것이다. 일반적으로 시멘트 복합재료의 품질은 재령 28일을 기준으로 한다. 따라서 균열유도 시점은 재령 28일에 균열을 유도하여 치유기간에 따른 치유율을 보고 있다. 그러나 재령 28일 균열유도를 하는 경우 치유재령 28일까지 고려하는데 드는 시간이 56일로 장기간의 시간이 요구된다. 이에 따라 본 연구에서는 재령 7일에 균열을 유도한 시험편과 재령 28일에 균열을 유도한 시험편의 치유율의 관계를 평가하여 재령 7일의 시험만으로 재령 28일의 치유율을 예측할 수 있는 DB를 확보하기 위한 일환으로 균열유도 재령일에 따른 자기치유 성능을 평가하였다.

Fig. 11. 치유 기간과 치유율의 관계(균열유도 7일)

Fig. 12. 치유 기간과 치유율의 관계(균열유도 28일)

이러한 방법을 통하여 균열유도 재령 7일에 치유재령 28일까지 총 35일안에 자기치유 성능을 얻을 수 있는 효과가 있으며, 또한 실제 현장의 구조물은 대부분 건설 초기에 발생 되므로 이에 대한 자기치유 성능도 고려할 수 있다는 장점이 있다. Fig. 11의 결과 균열유도 7일의 SC의 조성비에 따른 치유율은 Plain은 약 82%, 8:2는 약 87%, 7:3은 약 93% 및 6:4는 약 85% 나타났으며, Fig. 12의 결과 균열유도 28일의 치유율은 Plain은 약 70%, 8:2는 약 80%, 7:3은 약 82% 및 6:4는 약 77% 나타나 균열유도 7일의 치유율이 28일의 치유율 보다 상대적으로 더 증가하는 경향이 나타났다. 균열유도 7일의 치유율은 균열유도 28일의 치유율과 비교하여 Plain은 약 12%, 8:2는 약 9%, 7:3은 약 11% 및 6:4는 약 8% 큰 것으로 나타나 SC에 관계없이 약 10% 차이가 발생하는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 균열유도 7일 시험편에 반응이 끝나지 않은 미반응성 수화물질이 내부에 남아있어 수화가 진행 중이기 때문에 28일 시험편보다 자기치유 성능이 증가한 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 논문에서는 수화반응이 가능한 결정성장형 무기재료를 사용하여 조성비에 따른 고상 캡슐을 제조 및 모르타르 배합을 진행 하였으며, 고상 캡슐 혼합에 따른 정수위투수시험을 통하여 내구적 치유 특성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 고상 캡슐을 혼합한 자기치유 모르타르의 조성비에 따른 자기치유 성능을 평가한 결과, 균열폭은 0.25mm를 대표적으로 진행 하였으며, 고상캡슐을 3% 혼합한 경우 치유율은 Plain 대비 8:2, 7:3 및 6:4의 경우 각각 약 10%, 12% 및 7%로경향이 나타났으며, 고상캡슐을 5% 혼합한 경우 Plain 대비 8:2, 7:3 및 6:4의 경우 각각 약 13%, 15% 및 10% 나타났다. 또한, 고상캡슐을 10% 혼합한 경우 치유율은 Plain 대비 8:2, 7:3 및 6:4의 경우 각각 약 20%, 25% 및 15% 나타났다.

2. 고상 캡슐을 혼합한 자기치유 모르타르의 혼합율에 따른 자기치유 성능을 평가한 결과, 균열폭 0.2mm에서 Plain의 자연 치유성능에 대하여 3%, 5% 및 10%의 경우 각각 약 9%, 14% 및 23% 향상시키는 것으로 나타났으며, 균열폭 0.25mm에서 Plain의 자연 치유성능에 대하여 3%, 5% 및 10%의 경우 각각 약 12%, 15% 및 25% 향상시키는 것으로 나타났다. 또한, 균열폭 0.3mm에서 Plain의 자연 치유성능에 대하여 3%, 5% 및 10%의 경우 각각 약 8%, 10% 및 16% 향상시키는 것으로 나타났다. SC의 조성비 7:3으로 제조된 고상캡슐을 혼합함에 따라 자연 치유성능을 향상시키는 효과가 있는 것으로 판단된다.

3. 고상 캡슐을 혼합한 자기치유 모르타르의 재령일에 따른 자기치유 성능을 평가한 결과, 균열유도 7일의 SC의 조성비에 따른 치유율은 Plain 대비 8:2, 7:3 및 6:4의 경우 각각 약 5%, 11% 및 3% 나타났으며, 균열유도 28일의 치유율은 Plain 대비 8:2, 7:3 및 6:4의 경우 각각 약 10%, 12% 및 7% 나타나 균열유도 7일의 치유율이 28일의 치유율 보다 상대적으로 더 증가하는 경향이 나타났다.

이러한 결과를 통하여 고상 캡슐을 혼합한 모르타르의 투수시험에 의한 내구적 특성 자기치유 성능 평가 결과, 고상 캡슐의 조성비는 7:3이 최적인 것으로 나타났다. 0.3mm 이하 균열폭의 경우 약 90% 이상 자기치유 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단되며, 고상 캡슐의 혼합량 증가함에 따라 강도가 감소하는 경향이 있으므로 이를 보완한다면 고상 캡슐의 치유효과에 의하여 내구년한 증대에 기여할 것으로 판단된다.