1. 서 론

콘크리트는 건설재료로 사용되는 가장 보편적인 재료 중 하나이다. 급속한 경제 발전을 시작한 1970년 이후 새로운 구조물의 건설이 대단위로 이루어져 왔으며, 국토 개발 계획에 따른 고속도로의 건설, 댐, 상·하수도의 증설 및 수도권주택문제의 해결을 위한 신도시 건설, 재개발로 인한 고층 구조물의 건설 등 콘크리트로 이루어진 많은 사회기반 시설물이 활발하게 건설되어 왔다. 이에 따라 필연적으로 그 상당수가 내구연한의 경과와 함께 노후화가 진행 중에 있다. 이 중 교량 구조물은 콘크리트로 구성된 대표적인 사회기반시설물로써 1990년부터 2015년 사이에 건설된 교량이 전체 교량의 77%(약 29,500개소)를 차지한다.

특히 보수·보강을 많이 필요로 하는 30년 이상의 노후 교량은 2015년도에 8%(약 2,500개소)수준에서 2025년에는 26%(약 9,878개소), 2035년에는 61%(약 23,464개소), 2045년에는 90%(약 34,233개소)로 기하급수적으로 증가하는 추세이다^{(Jeong et al., 2021)}. 노후화된 콘크리트 구조물을 보수하는 대표적인 방법으로는 열화된 콘크리트의 단면을 제거하고 원래의 형상에 따라 단면을 교체하는 단면 복구공사가 있다. 이때 주로 사용되는 보수 재료로써는 폴리머 모르타르 및 폴리머 시멘트 모르타르가 주로 사용된다. 국토안전관리원의 시설물(교량, 터널 등)의 보수·보강 요령(안) 작성연구^{(KALIS, 2019)}에 의하면 보수재로 에폭시 수지 모르타르와 폴리머 시멘트 모르타르를 제시하고 있다. 에폭시 수지 모르타르는 유기재료인 에폭시를 결합재로 사용하는 대표적인 폴리머 모르타르로써 가격이 비싸고 자외선에 취약하며, 시멘트 콘크리트와의 이질성으로 인하여 실무에서는 잘 사용되지 않고 있다. 이에 비해 폴리머 시멘트 모르타르는 시멘트를 결합재로 사용하는 모르타르에 폴리머를 결합재의 5% 이상 혼합하여 시멘트 수화물에 기인하는 결점을 개선한 시멘트계 보수재료이다. 일반 시멘트 모르타르와 비교해 폴리머 시멘트 모르타르는 작업성, 보수(水)성, 휨 인성, 접착성, 방수성, 탄산화 및 염소이온 침투저항성, 동결융해저항성, 내충격성, 내마모성, 내약품성 등이 우수하다. 과거에는 액상형태의 폴리머를 현장에서 혼합해 사용했으나 최근에는 액상형태의 폴리머 외에도 재 유화성을 지닌 분말의 형태로 제조된 폴리머를 시멘트 모르타르의 공장 제조 단계에서 미리 혼합되어 현장 배합시 사용의 편의성을 더한 제품들이 주로 사용되고 있다^{(KCI, 2013)}. 이러한 폴리머 시멘트 모르타르는 비교적 경제적이면서도 모체 콘크리트와의 동일한 시멘트계 보수재료로써 현재 콘크리트 구조물의 단면 복구공사에 가장 일반적으로 사용되고 있다.

환경적 요인 및 시공상의 이유를 제외하고 단면 복구 후 균열 및 들뜸 등의 하자 발생 시 그 원인을 재료적인 측면에서 찾는다면 가장 먼저 폴리머 시멘트 모르타르에 사용된 폴리머의 혼입률을 살펴볼 필요가 있다. 이전 연구결과 ^{(KECRI, 2021)} 에 따르면 단면 복구공사 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. 또 다른 연구 ^{(Min et al., 2021; Lee et al., 2023)}에 의하면 보수부위의 재 손상원인으로 시멘트계 보수재료의 건조 수축과정에서 모재면에 의해 구속되어 균열이 발생한다고 보고되고 있으며 적정 부착강도가 발현되는 조건을 가정한다면 보수재료의 건조 수축 또한 재시공 부위 하자 발생의 중요한 원인 중 하나라고 볼 수 있다. 이러한 단면 복구에 사용되는 시멘트계 보수재료의 품질 기준을 한국 산업표준 KS F 4042「콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르」에서 제시하고 있으며, 최근에는 보수재의 주요 손상인 균열 발생, 부착성능 미달 방지를 위해 보수재의 역학적 특성과 동시에, 균열저항성, 열팽창계수, 탄성계수, 동결융해 저항성 등의 내구특성을 강화하는 추세이다^{(Lee et al., 2022)}. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 단면 복구용 보수재로 가장 많이 쓰이는 시멘트계 모르타르에 재 유화형 분말 폴리머의 혼입에 따른 압축 강도 및 탄성계수, 부착 및 휨 인장강도를 살펴보고 나아가 균열저항성 및 염소이온 침투저항성을 측정하여 체적안정성 및 내구성을 평가하였다.

2. 실험계획 및 방법

2.3 실험방법

2.3.1 압축강도 및 탄성계수

압축강도 및 탄성계수 측정을 위해 KS F 2403 ｢콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법｣에 따라 Fig. 1과 같이 직경 100 mm, 높이 200 mm의 원주형 시험체로 제작하였다. 시험체는 온도 20±2℃, 상대 습도 60±10%의 양생실에서 양생을 실시하였다. 재령 28일에 KS F 2405 ｢ 콘크리트의 압축 강도 시험방법｣ 및 KS F 2438 ｢콘크리트 원주 공시체의 정탄성 계수 및 푸아송비 시험방법｣에 따라 압축강도 및 탄성 계수를 측정하였다.

Fig. 1 Curing for compressive strength and elastic modulus

Fig. 2 Bond strength and flexural strength

2.3.2 부착강도 및 휨 강도

보수재료의 부착강도 측정은 KS F 2762 ｢콘크리트 보수·보호재의 접착 강도 시험 방법｣에 따라 시험하였다. 설계 강도 50±5 MPa(최대 골재 치수 8 mm 또는 10 mm)의 밑판을 제작하여 28일 간 양생 후 표면을 그라인딩 하여 레이턴스를 제거하였다. 24시간 동안 수침시킨 후 꺼내어 온도 20±2℃ 및 상대습도 65±100%의 항온·항습실에 48시간 놓아두었다. 보수 재료 타설시 부착 면을 표면건조 포화상태의 습윤 상태가 유지되도록 하였고 타설 된 보수 재료는 불 투수필름으로 덮어 수분의 증발을 방지하였다. 28일간 온도 20±2 ℃, 습도 60±5%의 양생실에서 양생을 실시하였다. 28일 양생 종료 후 시험 편 상부 면에 지름이 50 mm인 코어 비트를 이용하여 코어를 만들고 지그를 부착하여 부착강도를 측정하였다.

휨강도는 KS F 2408 ｢콘크리트 휨 강도 시험방법｣에 따라 공시체를 만들어 28일간 온도 20±2℃, 상대 습도 60±10%의 양생실에서 양생을 마친 후 중앙점 재하법으로 측정하였다.

2.3.3 균열저항성

VAE 폴리머 혼입률에 따른 시멘트계 보수재료의 균열저항성을 평가하기 위해 AASHTO T334-08 ｢Estimating the cracking tendency of concrete｣ 방법에 의해 시험체를 제작하고 강재 링 안쪽부위에 변형률 게이지를 부착하였다. 동일한 부피의 보수재료를 3층으로 나누어 타설하고 각 층마다 75회 다짐마무리 후 실리콘을 사용해 표면을 코팅하였다. 시험체는 온도 21±1.7℃, 상대 습도 50±4%의 항온·항습실에서 보관하며 단위 변형률을 10분 단위로 측정하고 육안으로 균열이 발생하였는지 확인하였다. 최대 90일까지 변형률을 측정하였고 균열 발생 시점을 기록하였다.

2.3.4 염소이온 침투 저항성

VAE 폴리머 혼입률에 따라 시멘트계 보수재료의 염소이온 침투 저항성을 평가하기 위해 Ø 100 × 200 mm 원주형 공시체를 제작하여 20±2℃, 상대 습도 60±10%의 항온·항습실에서 28일간 양생 하였으며, 재령 28일에 50 mm길이로 절단하여 시편을 제작하였다. 제작된 시험체는 KS F 2711 ｢전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험방법｣의 방법으로 Fig. 4와 같이 통과 전하량을 측정하였고, 그 결과에 따라 전하량이 4,000 이상은 높음, 2,000~4,000은 보통, 1,000~2,000은 낮음, 100~1,000은 매우 낮음, 100 이하는 무시할만함으로 구분하였다.

Fig. 3 Crack resistance test

Fig. 4 Chloride ion penetration resistance test

3. 실험 결과 및 분석

3.1 압축강도 및 탄성계수

Fig. 5는 압축강도 및 탄성계수 측정결과이다. 콘크리트의압축강도 측정결과는 Plain에서 가장 높게 나타났다. VAE 폴리머의 혼입량이 증가할수록 압축강도는 낮아지는 경향을 보였으며, 그에 따라 탄성계수도 동일한 경향을 보였다. VAE 폴리머의 혼입률이 가장 높은 배합 P-12의 경우 Plain에 비하여 압축강도가 21.9% 낮게 나타났으며 배합 P-3~9의 압축강도 결과는 Plain에 비해 약 7.1~16.9% 낮게 측정되었다. 이러한 결과는 VAE 폴리머의 증가에 따라 각 시험체당 단위결합재량이 형성된 폴리머 필름에 비해 상대적으로 낮아지면서 시멘트의 물성보다는 폴리머의 성질이 더 크게 나타난 결과로 판단된다. 동시에 VAE 폴리머의 혼입으로 인하여 시멘트 수화과정에서 결합재 내부에 폴리머 필름이 형성되고 시멘트 수화물과 망상구조를 이루면서 탄성이 증가됨에 따라 탄성계수는 작아진 것으로 판단된다.

Fig. 5 Results of compressive strength and elastic modulus

3.2 부착강도 및 휨 강도

Fig. 6은 부착강도 및 휨 강도측정 결과이다. 부착강도 시험 편은 모두 모재와 보수재료의 경계면에서 탈락되었으며, 혼입률 증가에 따라 부착강도가 증가하는 경향을 보였다. 폴리머가 가장 많이 혼입 된 배합 P-12의 경우 Plain에 비해 부착강도가 두 배 이상 높게 나타났다. 배합 P-3~9의 부착강도 결과는 Plain에 비해 약 40~90% 높게 나타났다.

Fig. 6 Results of bond strength and flexural strength

휨 강도 측정결과 역시 폴리머 혼입률에 따라 증가하는 경향을 보였다. 다만, 배합 P-3 수준에서는 Plain에 비해 휨 강도가 증가하지 않았다. 폴리머의 혼입률이 가장 높은 배합 P-12의 경우 Plain에 비해 17.0% 가량 높게 나타났다. 이는 폴리머 필름에 의해 시멘트 수화물과 골재의 접착력이 높아졌기 때문으로 판단된다.

3.3 균열저항성

링 테스트를 통해 균열저항성을 검토한 결과 VAE 폴리머의 혼입률에 따라 시멘트계 보수재료의 균열 발생시기가 다르게 나타났다. Fig. 8과 같이 배합 P-6, P-9, P-12 수준에서는 90일까지 관찰한 결과 별도의 균열은 발생하지 않았다. 그러나 VAE 폴리머가 혼입 되지 않은 Plain 과 비교적 낮은 혼입률의 폴리머를 사용한 배합 P-3에서는 각각 재령 44일과 42일에 균열이 발생하였으며 Fig. 8 과 같이 육안으로도 확연하게 구별할 수 있는 형태로 나타났다.

Fig. 7 Shrinkage strain according to age

Fig. 8 Ring test

이러한 결과는 몇 가지로 구분하여 그 원인을 고려할 필요가 있다^{(Yoo et al., 2010)} 먼저 VAE 폴리머 혼입률의 증가에 따라 보수재료의 탄성계수가 낮아지면서 보수재료에서 발생하는 응력이 작아졌기 때문으로 판단된다. 다음으로 폴리머의 혼입률에 따라 증가된 휨 인장 강도를 원인으로 들 수 있다. 해당 시험과 같이 내부가 구속된 환경의 보수재료의 경우 수축이 크게 발생할수록 구속응력이 커지게 되고 이에 따라 강재 링 외부에 타설 된 보수재료에 균열을 야기하게 된다. 이때 보수재료의 인장강도에 의해 부재의 균열 발생 시기가 결정되는 것을 고려할 때 앞선 휨강도 시험결과를 통해 확인된 폴리머 혼입률의 증가에 따라 높아진 인장성능이 균열 발생을 억제한 것으로 판단된다. 따라서 56일 동안의 균열 발생의 유무를 관찰하는 최근 변화하는 품질기준에 비춰 볼 때 VAE 폴리머를 결합재 대비 3% 이하로 혼입 할 때 균열 저항성능을 향상시키기에는 부족한 것으로 판단된다.

3.4 염소이온 침투 저항성

Fig. 9 및 Table 4은 염소이온 침투 저항성 측정 결과이다. 염소이온 침투 저항성 시험으로 측정된 통과 전하량을 Table 4에 나타냈고 그에 따라 염소이온 침투 저항성능을 평가하였다. 결과는 “낮음”과 “매우 낮음”으로 구분되었다. Plain 및 배합 P-3은 통과 전하량이 모두 1,000~2,000 coulombs 범위 내에 나타나 염소이온 침투성이 낮음에 해당하였다. 이에 비해 배합 P-6~12 수준에서는 통과전하량이 모두 100~1,000 coulombs 범위 내에서 나타나 염소이온 침투성이 매우 낮음에 해당하는 결과를 얻었다. 따라서 염소이온 침투 저항성능은 Plain 및 배합 P-3에서 폴리머가 결합재 대비 6~12% 혼입된 배합 P-6~12에 비해 상대적으로 낮게 나타났다. 이러한 결과는 폴리머의 혼입률이 증가함에 따라 혼입 된 폴리머가 페이스트와 골재사이의 결합력을 높이고 공극을 메우면서 시멘트 폴리머 매트릭스가 치밀해져 나타난 결과로 판단된다. 그러나 Plain 및 결합재 대비 3%의 폴리머 혼입량으로는 KS F 4042 ｢콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르｣에서 제시하고 있는 염소이온 침투 저항성 기준 1,000 coulombs 이하를 만족하지 못해 그 효과가 부족한 것으로 판단된다.

Fig. 9 Results of chloride ion penetration resistance test

Table 4 Results of chloride ion penetration resistance test

	Plain	P-3	P-6	P-9	P-12
Charge passed [Coulombs]	1624	1683	975	908	831
Chloride ion penetrability	low	low	very low	very low	very low

4. 결 론

본 연구에서는 VAE 폴리머의 혼입에 따른 단면복구용 시멘트계 보수재료의 특성을 분석하기 위하여, 역학적 성능 및 내구성능을 평가하였으며, 본 연구범위에서의 결과는 다음과 같다.

1) 압축강도 및 탄성계수 평가결과, VAE 폴리머 혼입률 증가에 따라 압축강도와 탄성계수가 감소하는 경향을 보였다. 이는 폴리머 혼입으로 인해 시멘트의 물성보다는 폴리머 특성이 두드러지게 나타난 결과로 판단된다.

2) 부착강도 및 휨 강도 평가결과, 폴리머 혼입률 증가에 따라 부착강도와 휨 강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 특히, P-12 배합의 부착강도는 Plain 대비 2배 이상, 휨 강도는 약 17% 증가하여 보수재료와 모재 간의 접착력 향상을 확인할 수 있었다.

3) 균열저항성 평가결과, VAE 폴리머 혼입률이 높을수록 균열 발생 시기가 지연되었으며, P-6 이상의 배합에서는 56일까지 균열이 관찰되지 않았다. 이는 폴리머 혼입으로 보수재료의 인장강도가 향상되고 수축 응력이 억제된 결과로 판단된다.

4) 염소이온 침투 저항성 평가결과, VAE 폴리머 혼입률이 6% 이상인 경우, 염소이온 침투 저항성이 "매우 낮음" 수준으로 확인되었다. 그러나 혼입률 3% 이하(Plain, P-3) 에서는 KS F 4042 기준(1,000 coulombs 이하)을 만족하지 못하였다.

5) VAE 폴리머의 혼입률이 증가할수록 압축강도와 탄성계수가 일부 감소하였으나 부착강도 및 휨강도, 균열저항성 및 염소이온 침투 저항성이 증가하는 경향이 나타났다. 따라서 본 연구범위에서의 VAE 폴리머의 혼입률은 결합재 대비 최소 6% 이상으로 판단되며, 향후 현장 적용성 평가 등의 보완 연구가 필요할 것으로 판단된다.