2.1 기존 공법의 문제점

교량받침 교체공정은 노후화된 기존 교량받침을 제거하고, 신규 교량받침을 해당 위치에 재설치하는 공정으로, “상부구조 인상→받침 콘크리트 파쇄→기존 소울플레이트 및 교량받침 제거→신규 교량받침 설치→상부구조 인하”의 공정으로 진행된다.

이 중 신규 교량받침 설치 공정은 교량받침과 상부구조 및 하부구조와의 연결 공정을 의미한다. 즉 상부구조로부터 전달되는 수직하중은 교량받침의 수직용량에 따라 성능이 결정되지만, 수평하중은 교량받침의 수평용량 뿐만 아니라 상부구조 및 하부구조와의 연결 또한 적절하게 설계되어야 한다. 따라서 교량받침 교체공사는 신규 교량받침을 기존 구조물에 안전하게 연결하는 공사라고 할 수 있다.

신규 교량받침과 하부구조의 연결은 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 “신규 교량받침 설치→철근 배근 및 용접→거푸집 설치→무수축 모르타르 타설”의 순서로 진행된다. 이러한 공정은 장기간의 고소작업을 요구하기 때문에 안전사고의 위험성이 높으며, 협소공간의 시공으로 작업자의 시공 난이도 상승 및 신규 교량받침의 품질저하가 우려된다.

또한 기존 공법은 받침 콘크리트의 파쇄 범위가 넓으므로 상부구조 인상을 위한 유압잭의 설치 위치 확보가 어렵기 때문에 별도의 인상용 브라켓을 설치하게 되며, 인상용 브라켓을 설치하지 않더라도 하부구조 연단에 유압잭을 설치하므로써 하부구조의 국부적인 파손을 발생시킬 수 있다. 이 외에도 받침 콘크리트 파쇄 중 고진동 장비 사용 및 기존 철근 절단으로 인해 기존 구조물의 내구성이 저하될 수 있고, 많은 양의 콘크리트 파쇄로 인한 소음 및 분진으로 민원 발생 및 낙하물 안전사고의 위험이 높다(^{Choi et al., 2025}). 이러한 기존 공법의 문제점은 Fig. 2에 나타내었다.

기존 공법은 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 교량받침을 위치시킨 후 무수축 모르타르를 타설하여 교량받침의 앵커 소켓이 신규 받침 콘크리트 내에 매설되기 때문에 일체화된 구조라고 볼 수 있다. 그러나 신규 받침 콘크리트는 하부구조와 타설 시기로 인하여 분리되어 있고, 받침 콘크리트 내의 철근과 하부구조의 주철근을 점용접하여 연결되기 때문에 신규 받침 콘크리트는 수평하중에 대하여 하부구조와 일체거동할 수 없고, 이러한 연결방식은 신규 교량받침부의 구조적 안전성을 감소시킨다. 기존 공법의 교량받침 교체 전후의 형상 및 배근은 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 1. Traditional Connection Process to the Substructure

Fig. 2. Problems of Traditional Connection Process

Fig. 3. Configuration and Reinforcement Details for Traditional Bearing Replacement Method

2.2 받침 콘크리트 무파쇄 공법

받침 콘크리트 무파쇄 공법은 기존 공법에서 발생하는 문제점을 개선하기 위해 강판으로 제작한 보강재와 에폭시를 이용하여 받침 콘크리트를 보강하고, 수평 앵커볼트를 이용하여 보강재와 받침 콘크리트를 일체화할 수 있도록 개발되었다. 받침 콘크리트 무파쇄 공법의 개요도는 Fig. 4에 나타내었다.

받침 콘크리트 무파쇄 공법은 받침 콘크리트 파쇄 공정 및 거푸집을 이용해 무수축 모르타르를 타설하여 신규 받침 콘크리트를 제작하는 공정을 배제함으로써 시공기간을 단축할 수 있고, 고소의 협소부 시공량을 최소화할 수 있으며, 유압잭 설치 위치 확보가 용이하다. 또한 파쇄 공정 중의 구조물의 파손 발생을 방지할 수 있고, 소음 및 분진에 의한 민원 발생을 최소화할 수 있으며, 받침 콘크리트와 하부구조의 일체화로 구조안전성이 우수하다.

받침 콘크리트 무파쇄 공법은 받침 콘크리트와 보강재 사이의 공동부, 앵커볼트 수평 천공부, 균열 등을 에폭시를 이용하여 충전함으로써 수평하중에 대한 받침 콘크리트와 보강재의 일체 거동을 유도하였다. 에폭시는 보강재 상면에 구비되어 있는 주입구와 토출구를 통해 주입⋅토출되며, 펌프를 이용한 유압식 1차 주입, 수두차를 이용한 2차 주입으로 총 2회 주입하며, 이를 통해 받침 콘크리트의 균열을 보강하고 공극 발생을 방지할 수 있다.

Fig. 4. Bearing Replacement Method without Concrete Demolition

2.3 에폭시 주입 효과

에폭시는 습기와 온도 변화에 강하고 접착력이 뛰어난 열경화성 수지로, 건설 분야에서 접착제, 빈 공간의 채움재 또는 균열 보수제 등으로 활용하고 있다. 특히 균열 보수는 저압저속으로 주입하는 방법이 주로 적용되고 있으며, 미세균열을 보강하는데 우수한 성능을 가지고 있는 것으로 알려져 있다(^{Yoon, 2012}). 에폭시의 활용 방법은 Fig. 5에 나타내었다.

교량받침은 상부구조와 수평을 이루도록 설치되어야 하기 때문에, 신규 교량받침이 설치되는 보강재 또한 받침 콘크리트와 수평을 이루어야 한다. 또한 받침 콘크리트를 수평 천공하여 설치하는 앵커는 콘크리트와의 정착을 위해 별도의 접착제를 필요로 한다. 받침 콘크리트 무파쇄 공법은 보강재의 측면에 퍼티를 도포한 후 에폭시를 주입하여 공동부가 밀실하게 충전하는 채움재 역할과 앵커를 정착시키는 접착재 역할을 동시에 구현하도록 개발되었다.

받침 콘크리트 무파쇄 공법은 보강재 상면에 설치된 주입구 및 토출구에 호스를 연결하고 유압을 이용하여 에폭시를 1차 주입한다. 1차 주입 중 토출구에는 유압계를 설치하여 토출 유압을 확인하며, 내부 충전이 완료된 후 토출 유압이 약 5bar인 것을 확인한 후 주입을 중단한다.

1차 주입된 에폭시는 받침 콘크리트 상면에 충전되며, 충전된 에폭시는 경화 전까지 받침 콘크리트의 미세 균열로 침투되게 된다. 따라서 1차 주입 직후 보강재 상면까지 위치했던 에폭시의 수두는 하강하게 되며, 에폭시는 받침 콘크리트 내로 침투하여 균열을 보수하는 효과가 있다. 에폭시 1차 주입 과정은 Fig. 6에 나타내었다.

에폭시 2차 주입은 받침 콘크리트보다 높은 위치에 에폭시를 주입할 수 있도록 구성하고, 수두차를 이용한 중력식 주입으로 잔여 공동부를 충전한다. 중력식 주입은 균열보수와 동일한 저압저속 주입으로 받침 콘크리트 상면에 위치한 잔여 균열을 충전하며, 공동부를 밀실하게 충전하게 된다. 또한 토출부의 에폭시 토출을 통해 에폭시의 충전 여부를 확인하며, 주입구와 토출부는 니플로 마감하여 완성한다. 에폭시 2차 주입 과정은 Fig. 7에 나타내었다.

받침 콘크리트 무파쇄 공법은 에폭시의 공동부 채움, 앵커볼트 정착 및 균열 보수의 역할을 모두 활용할 수 있도록 개발되었다. 특히 에폭시를 이용한 균열 보수에 대해서 다양한 연구(^{Hong and Shin, 2004}; ^{Baek and Jang, 2006}; ^{Watanabe et al., 2003})가 진행된 바 있으나, 에폭시로 균열 보수한 콘크리트 블록과 같이 전단력에 영향을 받는 구조체에 대한 수평하중 저항 성능에 대한 직접적인 연구는 진행된 바가 없다. 따라서 이 연구에서는 에폭시로 보강한 콘크리트 블록의 수평하중에 대한 저항 성능을 실험을 통해 비교 검토하였다.

Fig. 5. Uses of Epoxy in Construction Field (^{Yoon, 2012})

Fig. 6. Process of 1st Epoxy Injection

Fig. 7. Process of 2nd Epoxy Injection

3.1 실험 개요

에폭시 보강 효과 실험은 에폭시를 2회 주입의 영향과 균열 보수 효과를 검증하기 위해 수행하였다. 즉 실험체는 에폭시를 2회 주입한 실험체와 에폭시를 1회 주입한 실험체로 구분하여 에폭시 주입 횟수를 변수로 설정하였고, 받침 콘크리트 상면에 임의의 균열을 형성한 후 에폭시를 2회 주입한 실험체를 제작하여 균열보강 효과를 검증하였다. 또한 실험체의 설계강도는 101.6 kN이며, 파괴모드는 후열 앵커에 대한 브레이크아웃파괴이다. 실험 변수는 Table 2에 정리하였다.

실험체는 거푸집을 제작하고 콘크리트를 타설하여 제작하였으며, C-E2 실험체는 타설 전 거푸집 상면에 두께 1 mm의 강판을 설치하여 받침 콘크리트 상면에 균열을 형성하였다. 실험체의 콘크리트 압축강도는 24 MPa이며, 콘크리트 블록 제작 과정은 Fig. 8에 나타내었다.

완성된 콘크리트 블록은 하중 재하용 지그가 용접설치 되어 있는 보강재를 설치하였으며, 받침 콘크리트 측면에 타설 전에 설치한 슬리브(sleeve) 내에 앵커를 용접 설치하여 보강재와 받침 콘크리트를 연결하였다. 또한 조립이 끝난 실험체는 에폭시(경질, 중점도)를 실험체에 따라 1회 또는 2회 주입하였다. 실험체의 보강재 설치 및 에폭시 주입 과정은 Fig. 9에 나타내었으며, 주입한 에폭시의 역학적 성질은 Table 3에 정리하였다(^{KS F 4923, 2022}).

실험은 수평하중 재하를 위하여 500 kN급 하중재하기(Actuator)를 사용하였으며, 보강재의 측면부가 설치되지 강향에서 재하하였다. 또한 수평하중 재하로 인해 실험체에 전도 모멘트가 발생하는 것을 방지하기 위하여 하부 블록을 강봉을 이용하여 고정시켰으며, 하중 재하용 지그 상면에 2,000 kN급 UTM (Universal Testing Machine)의 헤드를 접촉시켰다. 에폭시 보강 효과 실험 방법은 Fig. 10에 나타내었다.

실험체에는 하중 재하용 지그, 상부 블록, 하부 블록에 각각 와이어변위계를 설치하여 변위를 측정하여 실험 결과에 따라 기준 변위를 설정할 수 있도록 조치하였다. 실험 과정은 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 8. Manufacturing Concrete Block

Fig. 9. Reinforcement Structure Installation and Epoxy Injection

Fig. 10. Testing Setup

Fig. 11. Epoxy Reinforcement Experiment

3.2 실험 결과

실험결과, 실험체는 하중재하면 측면의 보강재 인접부분부터 균열이 시작되었으며, 하중이 증가함에 따라 하중재하 반대면까지 상부블록과 하부블록의 경계면을 따라 이동하는 후열 브레이크아웃 거동을 나타내었다. 각 실험체의 파괴 형상은 Fig. 12에 나타내었다.

NC-E1, C-E2 실험체는 실험 종료 후 보강재를 해체하여 콘크리트 파괴 형태 및 에폭시 주입 정도를 확인하였다. 콘크리트에 발생한 균열은 후열 브레이크아웃으로 나타났으나, 전열 앵커 또한 다수의 구조 균열이 발생하였다. 콘크리트 앵커 설계기준(^{KDS 14 20 54, 2021})에 따르면, 앵커들이 연단에서부터 다양한 거리에 위치하고, 앵커가 부속물에 용접되어 힘을 분산시킬 수 있을 때, 연단에서 가장 먼 앵커 열까지의 거리를 기준으로 강도를 계산할 수 있다고 명시하고 있다. 따라서, 각 실험체의 모든 앵커는 수평하중에 대하여 저항하고 있으며, 후열 앵커를 기준으로 브레이크아웃 강도는 보수적으로 설계되었다. 보강재 내부 콘크리트 블록의 균열은 Fig. 13에 나타내었다.

NC-E1 실험체는 에폭시 1회 주입으로 에폭시와 콘크리트 면 사이에 공극이 발생하였다. 이와 같은 공극은 교량받침에 재하되는 수직하중에 의한 손상 발생의 원인이 될 수 있다.

또한 보강재 측면에도 공극이 발생하였으며, 콘크리트 블록의 균열은 에폭시가 충전된 위치에서부터 진행되는 것을 확인하였다. 따라서 에폭시가 충전되지 않은 콘크리트 블록 면은 수평하중 전달이 원활히 이루어지지 않으며, 강도 감소의 원인이 되는 것을 확인하였다. NC-E1 실험체의 공극 발생 위치는 Fig. 14에 나타내었다.

C-E2 실험체는 2회 주입으로 인해 제작한 균열 내에 에폭시가 완전히 충전되었음을 육안으로 확인하였다. C-E2 실험체에 제작한 균열 내로 에폭시가 침투한 형상은 Fig. 15에 나타내었다.

실험 결과 모든 실험체는 설계강도보다 약 3배 이상 큰 강도를 나타내었으며, 이와 같은 현상은 수평하중의 영향만을 고려하는 설계기준(^{KDS 14 20 54, 2021})의 설계조건과 실험체의 전도 방지를 위해 설치한 UTM에 반력이 발생하는 실험 조건에 차이가 있기 때문이다. 각 실험체의 실험 결과는 Table 4에 정리하였으며, 하중-변위 관계는 Fig. 16에 나타내었다. Fig. 16에서 변위는 상부블록과 하부블록의 변위차로 구하였다. 또한 Fig. 16에 나타낸 각 실험체의 구간에 따른 강성변화는 Table 5에 나타내었다. Table 5에서 강성은 각 실험체 별로 3개 구간으로 구분하여 선형회귀분석을 통해 구하였다.

NC-E1 실험체의 강도는 NC-E2 실험체에 비해 약 12% 감소하는 것으로 나타났다. Fig. 17에 나타낸 것과 같이 NC-E2는 에폭시의 완전 충전으로 인해 보강판과 콘크리트가 합성거동하고, 그에 따른 균열 또한 하중 진행에 의한 앵커의 저항에 의해 발생하였다. 그러나 NC-E1은 에폭시 미충전부로 인해 보강판과 받침콘크리트 간의 자유면(debonded interface)이 형성되고, 균열은 콘크리트 블록과 하부 콘크리트 사이 경계면으로 진행하게 되며, 이는 앵커의 수평거동에 대한 콘크리트의 저항면적을 감소 시키는 원인이 된다. 따라서 NC-E1은 에폭시 미충전으로 인한 자유면 형성으로 앵커의 저항 강도가 감소한 것으로 판단된다.

C-E2 실험체는 에폭시의 균열 보강 효과로 NC-E2 실험체보다 약 1.3% 강도가 증가하였다. 따라서 C-E2 실험체는 Fig. 16, Table 5에 나타낸 것과 같이 NC-E2 실험체와 유사한 하중-변위 관계를 나타내었으며, 파괴 형상에서도 큰 차이를 나타내지 않았기 때문에, C-E2 실험체는 NC-E2 실험체와 구조적 성능이 유사하다고 할 수 있다.

Fig. 12. Failure Mode of Specimen

Fig. 13. Cracking of Concrete inside Reinforcing Element

Fig. 14. Void Formation in NC-E1

Fig. 15. Epoxy Filling Condition of C-E2

Fig. 16. Load-Displacement Relationship

Fig. 17. Crack Development According to Epoxy Filling