1. 서 론

1970년대 고도 경제 성장기 이후 급격한 도시개발과 함께 시설물이 기하급수적으로 증가하였다. 특히 최근의 시설물 현황을 보면 20~30 년 이상의 시설물이 매우 높은 비율을 차지하고 있으며, 그 상당수가 내구연한의 경과와 함께 노후화가 진행 중에 있다^{(KSMI, 2016)}. 대표적인 콘크리트 구조물인 국내 교량의 관리 수량은 매년 증가하고 있으며 30년 노후화된 교량의 개소 수 또한 빠르게 증가하고 있다. 보수 보강을 필요로 하는 노후교량은 2015년도에 8%(약 2,500개소)로 증가하고, 이는 계속 급증할 것으로 예측되고 있다^{(Jeong et al., 2021)}. 콘크리트의 노후화로 인한 많은 사회기반시설물 또는 구조물의 예기치 못한 붕괴는 사회적 손실과 돌이킬 수 없는 심각한 인명 피해를 가져오게 된다. 2023년 분당 정자교 붕괴의 주요 원인 중 하나인 “콘크리트에 염화물이 유입되어 철근을 부식시키고 장기적으로 적절한 유지보수가 이뤄지지 않아 붕괴가 일어난 것”으로 판단된다는 사고의 감정결과와 같이 콘크리트 구조물의 주된 붕괴 요인은 균열과 복합 열화라고 할 수 있다. 따라서 오랜 기간의 공용을 통한 장기간의 열화나 외부충격 등으로 인한 구조물 손상의 경우 구조성능 향상을 통한 안정성 유지를 위하여 보수 보강 공사는 필연적이라 할 수 있다^{(Oh, 2010)}. 콘크리트 구조물의 대표적인 보수공사로 열화 된 콘크리트 부위를 제거하고 원래의 형상에 따라 단면을 교체하는 콘크리트 단면복구공사가 있다. 단면복구공사의 경우에는 건조 수축 등의 재료적인 요인과 환경하중 등에 의한 외부적인 요인, 그리고 시공 불량으로 인한 요인 등으로 인해 보수부위의 재 손상이 빈번하게 발생하고 있어 그 원인 규명과 개선책이 필요한 상황이다.

보수부위의 재 손상은 크게 보수재의 균열손상과 보수재와 모재 사이의 들뜸 손상을 들 수 있다. 들뜸 손상은 주로 물 얼룩 등을 통한 육안조사와 반발 경도 측정 및 타음을 통한 확인 등으로 이뤄지고 있다.

콘크리트 균열은 설계, 재료, 시공, 외력과 환경, 열화 조건 등으로 기인한 구조적인 균열과 이외의 원인에 기인한 비구조적 균열의 원인으로 나뉜다(Jeon, 1996). 대부분의 콘크리트 구조물의 주요 보수재료는 시멘트계 보수재료가 가장 일반적으로 사용되고 있으며 콘크리트 균열 원인과 같이 여러 가지 요인으로 인하여 보수부위의 재 손상이 빈번하게 나타나고 있다. 이전 연구결과^{(KECRI, 2021)} 에서는 단면복구 공사 시행 후 보수 부위에서 균열이 발생하고 모재와 보수재 사이에서 부착성능이 부족하여 들뜸이나 탈락 등으로 인하여 재 손상 비율이 70~80%에 이르고 있다고 보고된 바 있다. 따라서 보수부위의 들뜸이나 부착성능 부족은 재료적 측면에서 그 원인을 살펴볼 필요가 있다. 최근 연구 ^{(Min et al., 2021; Lee et al., 2023)}에 의하면 보수부위의 손상원인으로 건조 수축과정에서 모재면이 구속되어 균열이 발생한다고 보고되고 있으며 적정 부착강도가 발현되는 조건을 가정한다면 보수재료의 건조 수축은 재시공 부위 하자 발생의 중요한 원인 중 하나라고 볼 수 있다. 또한 해당 연구에서는 20 mm2 이상의 대단면 보수시 폴리머 시멘트 모르타르에 굵은 골재를 혼입한 폴리머 시멘트 콘크리트를 사용하여, 폴리머 시멘트 모르타르에 비해 균열 저감에 대한 우수성을 연구한 바 있다. 연구 내용에 의하면 보수부위의 손상원인으로 건조 수축과정에서 모재면이 구속되어 균열이 발생한다고 보고되고 있으며 적정 부착강도가 발현되는 조건을 가정한다면 보수재료의 건조 수축은 재시공 부위 하자 발생의 주요 원인으로 판단된다 ^{(Min et al., 2021; Lee et al., 2023)}. 보수재료에 굵은 골재를 사용하게 되면서 얻을 수 있는 이익으로는 이미 알려진 바와 같은 비용의 절감 외에도 단위 시멘트 량의 절감을 통해 상대적으로 콘크리트의 수축량을 작게 하여 균열의 발생을 억제할 수 있으며, 이는 시멘트계 모르타르에 포함되어 있는 잔골재에 비해 그 효과가 훨씬 크다고 볼 수 있다. 또한 잔골재와 굵은 골재의 적절한 입도 분포는 보수재료로써의 내구성에도 긍정적 영향을 미치게 된다. 식 (1)은 콘크리트의 수축률에 영향을 미치는 인자간의 관계를 나타내고 있다.

여기서, $\varepsilon_{m}$은 콘크리트 수축률, $\varepsilon_{p}$는 페이스트 수축률, $\varepsilon_{a}$는 골재 수축률, $E_{a}$는 골재의 압축 Young률, $E_{p}$는 페이스트의 인장 Young률, $A_{a}$는 골재의 실적부 단면적, $A_{p}$는 페이스트의 단면적을 의미한다. 위 식 (1)에서 볼 수 있듯이 시멘트 페이스트의 건조에 의한 수축이 상당히 크기 때문에 보수재료로써의 시멘트 사용시 골재의 사용은 필수라고 할 수 있다. 잔골재를 사용한 시멘트 모르타르는 시멘트 페이스트에 비해 건조 수축이 적으며, 더 나아가 굵은 골재의 사용은 모르타르에 비해 건조 수축에 훨씬 유리하다고 볼 수 있다.

따라서 본 연구에서는 최대골재 치수 및 조립률에 의한 굵은 골재 특성을 분석하고, 이를 사용한 콘크리트의 성능을 검토하여 건조 수축에 유리한 보수재 개발을 위한 기초 연구를 수행하였다.

2. 실험계획 및 방법

2.2 실험변수

본 연구에서는 굵은 골재의 최대치수를 5 mm, 10 mm, 13 mm, 20 mm, 25 mm 로 변화시켜 굵은 골재를 준비하였고, 이에 따라 총 5 종류의 조립률을 가지는 굵은 골재를 제작하였다. 제작 방법으로는 먼저 PAN을 포함한 0.15 mm 0.3 mm, 0.6 mm, 1.2 mm, 2.5 mm, 5 mm, 10 mm, 13 mm, 20 mm, 25 mm 표준체를 준비하고 KS F 2502 ｢골재의 체가름 시험방법｣에 의해 체 분리를 거쳐 콘크리트 표준시방서에서 제시하는 표준 입도곡선 내에 위치하도록 체 가름된 골재를 조합하였다. Photo 1 은 체가름을 통하여 입도별로 나눈 골재이다.

Photo 1 Separated gravels by sieve

체가름 실험을 통해 분리된 골재를 혼합하여 제조한 골재의 입도 분포곡선은 Fig. 1과 같고, 제조 골재의 사진은 Photo 2와 같다.

Fig. 1 Grading curve

Photo 2 Gravels of size controlled

Table 2 Mix ratio by particle size used in production gravels

Notation Sieve size (mm)	CG-5	CG-10	CG-13	CG-20	CG-25
25.0					2.0
20.0				2.0	22.0
13.0			6.0		30.2
10.0		11.2	46.0	74.0	22.5
5.0	1.0	64.8	40.0	23.0	22.5
2.5	8.0	15.0	8.0	0.11	0.8
1.2	20.0	9.0
0.6	28.0
0.3	26.0
0.15	12.0
PAN	5.0			0.89
sum (%)	100	100	100	100	100
F.M.	2.74	5.78	6.44	6.76	6.87

* CG: Controlled Gravels, F.M.: fineness modulus

콘크리트 배합 실험에 앞서 입도를 조정해 제조한 굵은 골재의 특성을 파악하기 위해 KS F 2505 ｢골재의 단위용적질량 및 실적률 시험 방법｣에 따라 실험에 사용될 굵은 골재의 단위 용적 질량 및 실적률을 측정하였다. 그 결과는 Table 3 과 같다.

Table 3 Results of unit volume weight and percentage of absolute volume

	CG-5	CG-10	CG-13	CG-20	CG-25
Unit volume [kg/L]	1.660	1.720	1.771	1.822	1.783
Percentage of absolute volume [%]	62.7	65.0	66.9	68.4	67.4

2.4 실험방법

배합 조건별 콘크리트의 공시체 제작은 50 L 용량의 1축 샤프트 믹서를 사용해 제작하였다(Photo 3). 믹싱 순서는 먼저 시멘트와 잔골재를 투입하여 30초간 건비빔을 실시한 후 Table 2 의 비율에 맞춰 제조한 굵은 골재가 충분히 혼합 되도록 1분간 믹싱을 진행하였다. 이후 고성능 감수제와 물을 혼합하여 투입한 후 90초간 믹싱을 실시하였다.

Photo 3 Concrete manufacturing pictures

2.4.1 슬럼프 및 공기량

슬럼프 측정은 KS F 2402 ｢콘크리트 슬럼프 시험 방법｣에 따라 실시하였다. 공기량 측정은 KS F 2421 ｢압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법｣에 따라 실시하였다.

2.4.2 압축강도

콘크리트 공시체 제작방법 KS F 2403 ｢콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법｣에 따라 직경 100 mm, 높이 200 mm 의 원주형 시험체를 제작하였으며 시험체는 Photo 4와 같이 28일간 온도 20±1℃, 습도 60±5%의 양생실에서 양생을 실시하였다.

Photo 4 Curing for compressive strength

2.4.3 건조수축

굵은 골재 최대치수 및 조립률에 따른 건조 수축을 측정하기 위해 KS F 2405 ｢모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법 ｣에 준하여 100 × 100 × 400 mm 의 공시체를 제작하였다.

콘크리트 타설 전 몰드의 중앙부에 매립형 변형률 게이지를 설치하였고 Photo 5(a) 와 같이 배합별 2개씩 콘크리트 공시체를 제작하여 24시간 동안 20±1 ℃, 습도 60±5% 의 양생실에서 양생하였다. 24 시간에 탈형하여 양생실과 동일한 조건의 항온항습 챔버에서 구속이 없는 상태로 데이터 로거에 연결하여 건조 수축률을 측정·기록하였다. 데이터 로거는 56일간 10분 간격으로 자동 측정 될 수 있도록 설정하였다.

Photo 5 Shrinkage test

3. 실험결과 및 분석

3.1 슬럼프 및 공기량

일반적인 콘크리트 배합에 사용되는 고성능 유동화제의 단위사용량은 제조사의 특성에 따라 다소 차이가 있으나 본 연구에 사용된 고성능 감수제의 경우 배합 CG-10~25 수준을 기준으로 1.4 kg/m3 가량 예상하였다. 그러나 실험을 진행한 결과 배합 CG-5 에서 해당 고성능 감수제의 혼입량으로는 콘크리트 믹싱에 상당한 어려움이 있었고 슬럼프 측정이 불가능하였다. 이러한 결과는 배합 CG-5 에 사용된 굵은 골재의 최대 골재 치수와 조립률이 다른 배합에 비해 상대적으로 작아 비표면적이 증가되었기 때문에 나타난 결과로 보인다. 이에 따라 배합 CG-5 에서 최소 슬럼프가 발현될 수 있도록 고성능 감수제의 혼입량을 1.4 kg/m3에서 2.0 kg/m3 으로 상향 조정하였으며 모든 배합에서 동일하게 적용하여 실험을 진행하였다.

Fig. 2 및 Table 6 은 배합 별 슬럼프 및 공기량 측정결과를 나타낸 것이다. Fig. 2 와 같이 굵은 골재의 최대치수 및 조립률에 따른 콘크리트의 슬럼프 측정결과는 배합 수준 별 경향이 뚜렷이 나타났다. 골재의 최대치수와 조립률이 클수록 슬럼프가 증가하는 경향을 나타냈다. 이러한 결과는 골재의 비표면적이 달라짐에 따른 영향으로 판단되며, 동시에 입도를 조정한 굵은 골재가 미분말인 시멘트 및 잔골재와 함께 사용되면서 콘크리트 내에서 다양한 입도의 재료가 혼합되어 나타난 효과로 판단된다.

Fig. 2 Results of slump and air content

공기량 측정결과는 배합 CG-5 와 배합 CG-10~25 의 두 개의 군으로 구별되어 나타났다. 배합 CG-5 는 모르타르와 콘크리트를 구분 짓는 최대치수 5 mm 이상의 골재가 포함은 되었으나 콘크리트에 사용된 전체 골재의 약 0.4% 의 소량이 포함 된 것을 고려할 때 해당 배합은 콘크리트의 형태보다 모르타르에 가까운 형태이다. 공기량 측정 결과는 배합 CG-5 의 경우 배합 CG-10~25 에 비해 2.4~2.7% 높게 나타났으며 이러한 결과는 배합 CG-10~25 에 비해 배합 CG-5 에 사용된 굵은 골재가 상대적으로 작은 최대치수와 낮은 조립률로 인하여 다량의 공기를 연행했기 때문으로 판단된다. 이에 비해 10~25 mm 크기의 굵은 골재가 포함된 배합 CG-10~25 에서는 공기량이 2.0~2.5% 의 범위에서 나타났으며 배합간의 뚜렷한 경향성을 보이지는 않았다.

Table 6 Results of slump and air content

	CG-5	CG-10	CG-13	CG-20	CG-25
Slump [mm]	30	80	95	130	150
Air content [%]	4.7	2.0	2.5	2.4	2.4

3.2 압축강도

압축강도 측정결과는 Fig. 3 및 Table 7에 나타내었다. 배합 CG-20 에서 압축강도 가장 높게 나타났다.

이러한 결과는 굵은 골재 최대치수 및 조립률에 따라 제조한 굵은 골재의 실적률이 변했기 때문인 것으로 판단된다. 가장 높은 실적률을 가진 배합 CG-20 의 경우 가장 낮은 실적률의 배합 CG-5 에 비해 압축강도가 45.5% 높게 나타났다. 배합 CG-10~25 의 압축강도결과는 배합 CG-5 에 비해 약 37.4~ 45.5% 높게 측정되었다. 굵은 골재의 실적률 증가 경향과 동일한 강도특성을 나타냈으며 이러한 결과는 단위 용적 당 채워진 골재가 많을수록 콘크리트의 내부가 밀실해져 강도가 증가된 것으로 판단된다.

Fig. 3 Result of compressive strength

또한, 콘크리트의 공기량 또한 압축강도에 영향을 미친 것으로 판단된다. 이는 배합 CG-10~25 의 압축강도 결과가 모두 40 MPa 이상으로 나타난 것에 비해 배합 CG-5 에서는 31MPa 로 27.2~31.3% 의 낮은 강도를 나타냈기 때문이다. 배합 CG-5에서 공기량 측정결과는 4.7% 로 콘크리트 배합에 있어 과도한 양은 아니지만 배합 CG-10~25 에 비해 상대적으로 높은 공기량으로, 낮은 조립률 및 최대 골재 치수가 작은 골재가 다량의 공기를 연행하여 실적률과 함께 압축강도에 영향을 준 것으로 판단된다.

배합 CG-25 의 압축강도 측정결과가 배합 CG-10~20 의 압축강도 결과와 오차 범위 내에서 거의 유사한 결과라고 가정 할 때, 본 실험을 통해서 물-시멘트 비의 증가 없이 굵은 골재의 최대치수 및 조립률의 조정만으로도 작업성이 증가하면서 동시에 압축강도가 증가하는 효과를 보일 수 있음을 확인하였다.

Table 7 Results of compressive strength

	CG-5	CG-10	CG-13	CG-20	CG-25
Compressive strength [MPa]	31.0	42.6	43.2	45.1	44.2

3.3 건조 수축

Fig. 4 에서는 콘크리트의 건조 수축 결과를 재령에 따라 나타내었다.

측정결과 굵은 골재 최대치수 및 조립률이 가장 낮은 배합 CG-5 에서 가장 높은 건조수축이 나타났으며 압축강도 경향과 유사하게 최대치수 및 조립율이 큰 골재를 사용하였을 때, 상대적으로 건조수축이 낮은 것으로 확인되었다. 굵은 골재를 사용한 CG10~25 배합 중에서는 단위용적질량 및 실적률이 가장 큰 배합조건(CG-20)에서 수축량이 가장 작았으며, 실적률과 단위용적질량이 작아질수록 수축량이 미소하지만 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 경향은 압축강도 분석결과와 유사하게, 콘크리트 내부의 골재가 치밀하게 배치됨으로써 단위 시멘트 페이스트량이 적게 사용되어 수화에 따른 건조수축량이 작아진 것으로 판단된다.

Fig. 4 Results of dry shrinkage

4. 결 론

본 연구에서는 콘크리트 구조물을 보수하는데 있어 건조 수축률이 낮은 콘크리트 기반의 스마트 보수재료를 개발하고자 굵은 골재의 최대치수 및 조립률이 서로 다른 골재를 제조하고 이를 콘크리트 배합에 사용하여 특성을 분석하였다. 본 연구범위에서의 결과는 다음과 같다.

1) 굵은 골재의 최대치수 및 조립률에 따라 제조한 골재의 단위 용적 질량은 최대 골재 치수 20 mm 골재를 사용하여 조립률을 6.76 으로 제조한 골재에서 가장 높게 나타났다. 반면 5 mm 골재를 사용하여 조립률을 2.74 로 제조한 골재에서 가장 낮게 나타났다.

2) 실적률은 단위 용적질량결과와 동일한 경향을 나타냈다. 실적률이 가장 높은 골재는 최대 골재 치수 20 mm 골재를 사용하여 제조한 굵은 골재에서 가장 높게 나타났고 실적률이 가장 낮은 굵은 골재에 비해 약 9% 가량 높은 결과다.

3) 최대치수 및 조립률에 따라 제조된 굵은 골재를 사용한 콘크리트 배합에서의 슬럼프 측정결과는 30~150 mm 범위에서 측정되었다. 굵은 골재의 최대치수가 커질수록, 조립률이 높아질수록 슬럼프가 높아지는 결과를 나타냈다.

4) 공기량 측정결과는 두 개의 군으로 나누어 경향이 나타났다. 최대 골재 치수가 10 mm 이상인 배합군에 비해 최대 골재 치수가 5 mm 의 골재를 사용한 배합에서 공기량이 1.88~2.35 배 높게 측정되었으며 이는 비교적 작은 사이즈의 골재가 다량의 공기를 연행했기 때문으로 판단된다.

5) 압축강도 시험결과 굵은 골재의 최대치수 및 조립률 조건에 비해 제조된 골재의 실적률에 더 많은 영향을 받는 것으로 나타났다. 실적률이 가장 높은 최대치수 20 mm 의 굵은 골재를 사용한 배합에서 압축강도가 가장 높게 측정되었으며 실적률이 가장 낮은 배합의 압축강도보다 45% 이상 높은 결과다. 이러한 결과를 통해 골재의 최대치수 및 조립률보다 골재의 입도 분포가 압축강도에 미치는 영향이 더 큰 것을 확인할 수 있다.

6) 건조수축 측정결과 최대치수 20 mm 골재를 사용한 배합CG-20 에서 가장 우수하게 측정됐다. 반면 최대치수 5 mm 골재를 사용한 배합 CG-5에서 가장 크게 나타났으며 이러한 결과는 굵은 골재의 실적률 결과와 동일한 결과이다. 따라서 입도 조정을 통해 실적률이 높아진 굵은 골재의 사용으로 건조수축을 개선시킬 수 있는 것으로 확인할 수 있다.

향후 굵은 골재 외에도 콘크리트를 구성하는 시멘트 및 혼화재의 치수 및 입도 등 물리적 구성에 따른 콘크리트의 물성 변화를 검토하는 추가 연구를 수행할 예정이다.