김진성
(Jin-Sung Kim)
1
김호준
(Ho-Jun Kim)
2
현창진
(Chang-Jin Hyun)
1
김윤용
(Yun-Yong Kim)
3*
-
정회원, 충남대학교 토목공학과 박사과정
-
정회원, 충남대학교 토목공학과 석사과정
-
정회원, 충남대학교 토목공학과 교수, 교신저자
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핵심용어
습윤 대응형 혼화제, 기능성 결합재, 단면복구재, 습윤 환경
Keywords
Wet-response admixtures, Functional binders, Restoration materials, Wet environment
1. 서 론
국내 사회기반시설물의 노후화가 가속화됨에 따라 구조물의 유지관리 및 보수 기술의 중요성이 지속적으로 강조되고 있다(Atis et al., 2007). 시설물 현황을 보면 20∼30년 이상의 시설물이 매우 높은 비율을 차지하고 있으며, 그 상당수가 내구연한의 경과와 함께 노후화가 진행 중에 있다(KSMI,
2016). 이와 같이 콘크리트 구조물에 발생되는 노후화 현상은 구조물의 성능을 점진적으로 저하시키게 되며, 적절한 유지관리를 실시하지 않는다면 장기적으로
누적된 노후화 손상 및 균열확대 등에 의하여 콘크리트 구조물의 안정성과 내구성이 심각하게 저하될 수 있다(Wang et al., 2018). 따라서 구조물에 대한 점검을 정기적으로 실시하여 구조물의 성능이 설계상의 허용치 이하로 저하되기 전에 구조물의 성능을 기본적 상태와 동등 이상으로
회복시켜야 하는 보수가 필요하다. 현재까지 콘크리트 균열을 효과적으로 보수하기 위하여 우수한 성능의 보수 재료를 개발하고, 효율적인 보수 공사를 수행하기
위한 장비와 시공법 개발에 많은 노력을 기울여 왔다. 그러나 노후 구조물의 입지, 환경 및 시공 여건 등이 다양해지면서, 보수를 하고자 하는 구조물의
조건에 맞는 재료, 장비, 시공법 등이 다양하게 요구되고 있다(Mizan et al., 2023).
특히 지하 구조물, 차집 및 하수관거, 교각, 부두 구조물 등과 같이 고수분 및 고습윤 환경에 지속적으로 노출되는 구조물의 경우, 기존 보수재료 및
공법의 적용이 제한적이다(Tripathi, 2024; Hao et al., 2022). 이들 구조물에서는 손상 부위에 대한 정확한 진단과 효과적인 보수가 어렵고, 수분 접촉에 따른 재료의 부착성 저하,
시공 후 강도 미확보 등으로 인해 보수 품질이 저하되는 문제가 빈번하게 발생한다(Lu et al., 2022;
Wu et al., 2019). 또한, 모르타르계 보수공법은 부착력 저하, 박리, 건조수축에 의한 균열, 장기 열화 등 다양한 문제점을 보완하기 위해 소재 혼합, 내부 고정체
설치, 방청재 사용 등의 개선이 이루어져 왔으나, 고습윤 환경 구조물에 대한 보수 시공에는 여전히 한계가 존재한다(Lee et al., 2024).
보수현장이 물에 잠겨 있거나 유속이 있는 곳에는 일반적으로 수중 불분리형 단면복구재가 사용되지만, 유속이 존재하는 환경에서는 재료의 해리 현상으로
인해 복구 성능이 저하되는 문제가 발생한다(Yu et al., 2024). 또한, 고수분 환경에서는 콘크리트 양생이 충분히 이루어지지 않아 들뜸, 균열, 외부 유해물질 침투, 내구성 저하가 동반되며, 결국 구조물의 본래
기능 상실로 이어질 수 있다(Zhang et al., 2018). 이와 더불어 기존 공법은 물막이 및 물돌리기 등 사전 조치를 하더라도 건조가 불가능한 바닥면 보수에는 효과적으로 대응하지 못하며, 인력에 의존한
타설 공정은 시공성 및 평탄성 확보 측면에서도 제약이 따른다.
따라서 본 연구에서는 고수분 및 고습윤 환경에서도 시공성과 품질을 확보할 수 있는 보수재료의 개발을 목표로 설정하였으며, 기존 공법의 한계를 극복할
수 있는 기술적 대안을 제시하고자 한다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 실험계획
실험은 Table 1과 같이 습윤환경에 적합한 단면보수재의 물리적, 역학적 성능을 검토하기 위하여 계획을 수립하였으며, 시험방법은 KS표준 및 콘크리트 학회 제 규격에
따라 수행하였다.
Table 1. Test Plan
|
Classification
|
Method
|
|
Restoration
Material
|
ㆍFlow test
ㆍCompressive strength
ㆍFlexural strength
ㆍBond strength
ㆍpH
ㆍLoss resistance
|
KS F 2476
KS L ISO 679
KS L ISO 679
KS F 4042
KCI-AD 102
KS F 4935
|
2.2 사용 재료
2.2.1 배합재료
본 연구에 사용된 보수 모르타르는 기능성 결합재와 습윤 대응형 혼화제, 모래 등으로 구성되어 있으며, 사전 실험을 통해 최적 배합조건을 도출하였다.
결합재에는 국내 S사의 3종 조강 포틑랜드 시멘트(3종 OPC)를 사용하였으며, 칼슘 설포 알루미네이트(CSA)계 팽창제, 표면 개질 실리카퓸(SMF),
고로슬래그 미분말(GGBS)을 포함하고 있다.
습윤 대응형 혼화제는 폴리아크릴아미드 및 메틸셀룰로오스 구성으로 있으며, 습윤환경에 대한 작업성 및 내구성을 증진하기 위해 사용되었다. 혼합수에 용해
시 보수 모르타르의 점성을 높여주고, 시멘트 입자에 흡착되어 입자간 가교작용을 함으로 시멘트 입자가 수중에서 희석 및 유실되는 것을 방지하여 보수
모르타르의 재료분리 현상을 방지한다.
또한, 단면보수재의 내구성능을 높이기 위해 사용된 기능성 결합재는 GGBS와 SMF를 사용하였다. GGBS는 KS F 2563에서 규정하는 3종으로서
국내 제철소에서 발생하는 급냉 고로슬래그를 사용하였다. SMF(표면 개질 실리카퓸)는 나노실리카의 분산성 확보 및 콘크리트 적용성 확보를 위하여 실리카퓸과
나노실리카를 분체 상태에서 99.5(실리카퓸):0.5(나노실리카)의 질량 비율로 혼합하여 제조한 것을 사용하였다. Fig. 1은 SMF의 SEM분석 이미지를 나타내었으며, 실리카퓸 입자에 나노 실리카가 고르게 분포되어 붙어 있는 것을 확인할 수 있다. SMF는 콘크리트,
모르타르 내부에 미세 공극을 채우고, 시멘트 수화반응 외에 포졸란 반응을 동반함으로서 균열의 자기치유에 유리할 것으로 판단하여 도입하였다.
Table 2. Properties of binder
|
Type
|
(Fineness (㎠/g))
|
Chemical composition(%)
|
|
CaO
|
SiO2
|
Al2O3
|
MgO
|
SO3
|
Fe2O3
|
|
OPC (Type Ⅲ)
|
4,730
|
62.6
|
20.6
|
5.1
|
3.0
|
3.6
|
3.2
|
|
CSA
|
4,500
|
44.19
|
8.35
|
33.16
|
2.04
|
8.77
|
2.01
|
|
GGBS
|
4,400
|
50.1
|
28.4
|
12.3
|
3.8
|
3.0
|
0.5
|
2.2.2 배합설계
습윤 대응형 혼화제와 기능성 결합재에 따른 보수재료의 특성을 알아보기 위해 물-결합재비는 보수재료에 많이 사용되는 17 %로 고정하여 배합을 진행하였다.
습윤 대응형 혼화제와 기능성 결합재는 사전 실험을 통해 각 수준별로 배합에 적용하였다. Table 4는 시험에 사용된 배합표이다.
Table 3. Characteristics of admixture
|
Type
|
Color
|
Size (㎛)
|
Moisture (%)
|
Viscosity (cps)
|
|
Methyl-cellulose
|
White
|
98.1%<250
|
2.8
|
15,000
|
|
Poly Acrylicamide
|
White
|
96.5%<150
|
1.8
|
30,000
|
Table 4. Mix Table
|
No.
|
Weight (relative ratio)
|
|
C
|
CSA
|
Functional binder
|
S
|
A.D
|
EVA
|
PVA
|
PC
|
|
SMF
|
GGBS
|
PA
|
MC
|
|
Plain
|
40
|
5
|
0
|
0
|
55
|
0
|
0
|
10
|
0.1
|
0.05
|
|
SEA-1
|
40
|
5
|
0
|
0
|
55
|
0.15
|
0.05
|
10
|
0.1
|
0.05
|
|
SEA-2
|
40
|
5
|
0
|
0
|
55
|
0.3
|
0.1
|
10
|
0.1
|
0.05
|
|
SEA-3
|
40
|
5
|
0
|
0
|
55
|
0.45
|
0.15
|
10
|
0.1
|
0.05
|
|
SEA-4
|
25
|
5
|
0
|
15
|
55
|
0.3
|
0.1
|
10
|
0.1
|
0.05
|
|
SEA-5
|
25
|
5
|
5
|
10
|
55
|
0.3
|
0.1
|
10
|
0.1
|
0.05
|
2.3 실험방법
2.3.1 플로우 시험
폴리머 시멘트 모르타르는 KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험방법)의 플로 시험에 따라 진행하였다. 시험은 플로우 콘에 2층으로 채우고
15회 다짐하여 표면을 정리한 후 모르타르의 퍼진 정도를 직각 방향으로 2회 측정하여 평균값을 구하였다.
2.3.2 압축강도, 휨강도
보수재료의 압축강도 및 휨강도 시험용 공시체는 KS L ISO 679의 『시멘트 강도 시험방법』에 따라 40×40×160 ㎜인 빔형 몰드를 제작한
후 공시체를 재령 2일에 탈형을 하고 각 재령까지 양생온도 20±2℃, 상대습도 90%이상인 항온항습기에서 양생을 진행한 후 각 재령별로 강도 시험을
실시하였다. 강도시험은 공시체 3개 시험값의 평균값을 사용하였다.
Fig. 3. Test of compressive, flexural strength
2.3.3 부착강도
부착강도 시험체는 KS F 4042 『콘크리트 구조물 보수용 폴리머 시멘트 모르타르』에 준하여 시험체를 제작하여 양생온도 20±2℃, 상대습도 90%이상인
항온항습기에서 양생한 후 각 재령별로 공시체 3개 시험값의 평균값을 사용하였다.
Fig. 4. Test of bond strength
2.3.4 pH, 탁도
모르타르의 타설시 발생되는 시멘트 유실에 따른 재료분리도를 측정하기 위하여 한국콘크리트학회 제규준 KCI-AD 102 『콘크리트용 수중불분리성혼화제
품질 규격』(2010)에 준하여 수중분리 저항성을 평가하였다. 동일 기준 부속서 2 『수중 불분리콘크리트의 수중분리도 시험방법』으로 시험체를 제작하여
pH를 측정하고, 현탁물질량을 계산하였다.
Fig. 5. Test of suspension, pH
2.3.5 유실저항성 시험
본 연구에 사용되는 보수 모르타르의 유실저항성을 확인하기 위하여 KS F 4935(점착 유연형 고무 아스팔트계 누수보수용 주입형 실링재)을 준용하여
대기 중 콘크리트 시험체(400 ㎜×90 ㎜×90 ㎜)에 보수 모르타르를 상부 10 ㎜ 각 충전 후 질량을 측정하고 수조에 110 ㎜의 물을 채워
유실 저항성 시험기를 이용하여 0.2 m/s의 유속을 30분 유지한 후 유실정도를 측정하였다. 유실저항성은 시험시편의 질량감소율로 판단하였으며, 시편의
질량감소율은 수중무게를 측정하여 구하였다.
Fig. 6. Test of loss resistance
3. 시험결과 및 분석
3.1 플로우
플로우 시험 결과는 Fig. 7과 같으며, 습윤 대응형 혼화제의 혼입량은 결합재 대비 0.2∼0.6 %까지 증가시켰으며, PLAIN은 190 ㎜의 플로우 값을 나타내었다. 혼입량
0.4 %까지는 PLAIN과 비슷한 결과를 나타낸 반면 0.6 %의 경우 플로우가 90 ㎜로 현저하게 떨어지는 현상이 확인되었다. 이는 습윤 대응성을
높이기 위해 혼입된 증점제의 영향으로 유동성이 낮아진 것으로 판단되며, 습윤 대응형 혼화제의 혼입량은 0.4 % 이하로 사용 시 보수재로써 적당할
것으로 판단된다. 또한 기능성 결합재의 혼입량 변화에 따른 플로우를 확인한 결과 플로우는 170 ㎜정도로 나타나 시공성에 미치는 영향은 미비할 것으로
판단된다.
3.2 압축강도, 휨강도
습윤 대응형 혼화제와 기능성 결합재의 혼입율에 따른 압축 및 휨강도 시험결과를 Fig. 8와 Fig. 9에 나타내었다.
압축강도 시험결과를 살펴보면, 28일 재령에서 PLAIN은 47.5 MPa를 나타내었다. 습윤 대응형 혼화제 혼입량이 증가에 따라 강도는 감소하는
결과를 나타내고 있으며, 혼입량이 0.6% 일 때 25%정도 강도가 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 습윤 대응형 혼화제의 증가로 점성을 증가시켜
재료분리에 대한 저항성을 향상킬 수 있으나 전기적인 흡착에 의해 시멘트의 수화를 방해하고 모르타르 혼합 중 공기량을 증가시켜 강도를 저하시키는 것으로
판단된다(Heo. S. M., 2016). 따라서 습윤 대응형 혼화제의 혼입량은 0.4% 이내로 사용하는 것이 양호할 것으로 판단된다. 반면 기능성
결합재를 사용한 SEA-5의 경우 55.2 MPa를 나타냄으로써 PLAIN 대비 약 116.2 %의 강도가 증가하는 결과를 나타내었다.
기능성 결합재로서 고로슬래그만 사용한 경우보다 표면 개질 실리카퓸(SMF)를 같이 사용하는 것이 장기강도 발현에 더욱 효과적인 것으로 나타났다. 이는
고로슬래그 미분말, 표면 개질 실리카퓸의 잠재수경성 및 마이크로 필러 효과로 인한 결과로 판단된다.
휨강도 시험결과는 압축강도 시험결과와 유사한 경향을 나타내었으며, 28일 재령에서 PLAIN은 11.56 MPa의 강도를 나타내었다. 기능성 결합재를
사용한 SEA-5의 경우 PLAIN 대비 약 134.7%의 증가한 결과인 15.56 MPa로써 가장 높은 강도값을 나타내었으며 이는 KS F 4042에서
규정하고 있는 휨강도 기준인 6 MPa를 상회하는 것으로 나타났다. 이는 기능성 결합재로 인해 구조체가 치밀해져 나온 결과로 판단된다.
Fig. 8. Compressive strength
Fig. 9. Flexural strength
3.3 부착강도
부착강도 시험 결과 PLAIN은 28일 재령에서 1.68 MPa, SEA-5의 경우 1.75 MPa가 나타났으며, 습윤 대응형 혼화제 및 기능성 결합재의
혼입에 따라 부착강도의 증진은 미비하게 나타났다. 이는 부착성능과 관련이 높은 폴리머의 함량은 배합 시 고정되어 있으며, 습윤 대응형 혼화제의 증점
특성으로 인해 부착성능이 다소 개선된 것으로 판단된다.
3.4 pH, 탁도
Fig. 10은 습윤 대응형 혼화제의 특성을 파악하기 위해 pH, 탁도를 나타낸 결과이다. 습윤 대응형 혼화제의 혼입량이 증가함에 따라 현탁물질량은 감소하는 결과를
나타내고 있으며, 습윤 대응형 혼화제 미첨가인 PLAIN의 경우 현탁물질량이 289 ㎎/L로 측정되어 모르타르의 분리성이 크게 나타났다. 반면 습윤
대응형 혼화제를 첨가한 현탁물질량이 46∼56.2 ㎎/L로 나타났다. 이는 습윤 대응형 혼화제가 시멘트 입자에 흡착되어 입자간 가교 역할을 함으로써
시멘트 입자가 수중에서 해리되는 것을 방지하고 내부 결합력을 증가시켰기 때문으로 판단된다.
또한, pH 측정 결과 습윤 대응형 혼화제 첨가에 따라 낮아지는 경향을 나타내고 있으며, 이는 배합 시 습윤 대응형 혼화제를 외할 첨가하였기 때문에
포틀랜드 시멘트의 사용량이 적었기 때문으로 판단된다. 습윤 대응형 혼화제 0.4% 이상 사용시 한국 콘크리트 학회에서 규정하고 있는 KCI-AD 102의
수중분리도 기준인 pH 12 이하 및 현탁물질량 50 ㎎/L의 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
3.5 유실저항성능
유실저항성능 시험은 PLAIN과 역학적 성능이 우수한 SEA-5를 선정하여 진행하였으며, 시험결과는 Fig. 12에 나타내었다.
습윤 대응성 혼화제를 미첨가 한 경우인 PLAIN 중량감소율이 –13.2%, 습윤 대응성 혼화제를 첨가한 SEA-5은 중량감소율이 –0.23%로 크게
개선된 것을 알 수 있다. 이는 습윤 대응형 혼화제가 시멘트 모르타르의 혼합수에 용해되어 혼합수의 점성을 높여주고, 시멘트 입자에 결합력을 높여 수중에서
유실되는 것을 방지하여 나타난 결과로 판단된다.
4. 현장적용성 평가
보수재료로서의 성능을 면밀히 확인하기 위하여 Mock-up 실험을 통한 현장 적용성을 평가하였다. Mock-up 실험은 전라남도 해남군 황산면에 위치한
열화된 농수로에서 실시하였다. 2025년 4월 중순, 14:00에 실험이 진행되었으며, 당일 최고 기온은 21℃, 평균 기온은 14℃이었다.
Fig. 13. View of Test-bed
4.1 현장 평가 개요
Mock-up 실험은 노후된 농수로의 열화부위를 제거하고 치핑, 고압수 세척, 모르타르(SEA-5) 배합, 타설의 공정 순서로 진행하였다. 현장 테스트베드는
고압 세척 후, 바닥에 물이 고여 있는 상태에서 보수 공정을 시행하였다. 1.7 m × 10 m의 농수로 바닥면에 공정이 진행되었고, 시공이 완료된
후 개발된 모르타르의 역학적 성능을 확인하였다.
4.2 시공 특성
시공환경은 바닥에 물이 고여 있는 상태의 농수로에서 보수공정을 진행하였다. 일반적으로 폴리머 보수 모르타르를 시공할 때에는 바닥에 고인 물을 제거한
상태에서 작업을 하지만, 본 Mock-up 현장에서는 바닥에 물이 잔존하는 상태에서 시공을 실시하였다. Flow는 183 mm로 측정되었으며, 타설
후 해리나 유실은 없는 것으로 확인되었다.
4.3 강도 특성
Mock-up 실험 결과는 Table 5와 같으며, 역학적 특성을 파악하기 위해 현장에서 시편 제작 및 양생을 실시하였으며, 압축강도는 47.1 MPa, 휨강도는 11.9 MPa, 부착강도는
타설된 농수로서 타일 부착강도 시험기를 통해 강도를 측정하였으며, 2.2 MPa로 측정되었다. 이는 고습윤 환경에서도 시공성 및 역학적 성능이 우수함을
알 수 있는 결과로 판단된다.
현장 평가를 통해 보수 모르타르의 배합인 SEA-5는 습윤 환경에서 우수한 시공성능 및 KS F 4042(압축강도 20MPa, 휨강도 6 MPa,
부착강도 1 MPa)를 상회하는 역학적 성능을 통해, 습윤 환경에 대한 재현성이 매우 우수한 것을 알 수 있다.
Table 5. Mock-up test results
|
Flow (mm)
|
Compressive strength (MPa)
|
Flexural strength (MPa)
|
Bond strength (MPa)
|
|
183
|
47.1
|
11.9
|
2.2
|
5. 결 론
본 연구에서는 습윤 환경에 적합한 보수 모르타르의 최적 배합 및 역학적, 내구성능을 평가하고 Mock-Up Test를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 기능성 결합재인 고로슬래그 미분말, 표면 개질 실리카퓸(SMF)를 혼입한 SEA-5의 경우 압축강도 55.2 MPa, 휨강도 15.56 MPa,,
부착강도는 1.75 MPa로 나타났다.
2) 습윤 대응형 혼화제(폴리아크릴아마이드 및 메틸셀룰로오즈) 0.4 % 이상 사용시 한국 콘크리트 학회에서 규정하고 있는 KCI-AD 102의 수중분리도
기준을 만족하는 pH 9.9와 현탁물질량 46 ㎎/L으로 나타났다.
3) 습윤 대응형 혼화제를 사용한 SEA-5은 중량감소율이 -0.23%로 나타났으며, 이는 보수 모르타르의 유실저항성을 향상시켜 고습윤 또는 물이
흐르는 현장에서 모르타르의 유실 및 해리가 발생하지 않는 시공성을 확보할 것으로 판단된다.
4) 습윤 대응형 혼화제와 기능성 결합재를 사용한 배합의 물성 시험을 통한 결과 SEA-5은 압축강도 55.2 MPa, 휨강도 15.56 MPa,
부착강도 1.75 MPa, pH 9.9와 현탁물질량 46 ㎎/l, 유실저항성으로 인한 중량감소율은 –0.23 %를 발현함으로서 역학적 특성 및 습윤
대응성이 우수한 배합으로 나타났다.
5) 현장적용성 평가를 통한 결과 모르타르(SEA-5)의 해리 및 유실은 발생하지 않았으며, 역학적 특성을 확인한 결과 KS F 4042에서 규정하고
있는 기준값을 상회하는 것으로 나타났다.
6) 본 연구결과를 바탕으로 농수로, 배수로, 댐, 수문시설, 교량 등 수리시설물에 보수 모르타르인 SEA-5가 적용된다면 물 고임 및 유속으로 인한
시공 불가 문제, 피착면 건조 시간 으로 인한 공기 지연 요인 등을 제거하여 공사비를 절감하는 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2025년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. NRF-RS-2025-00558913).
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