[논문]콘크리트 교면포장의 자기균열치유 특성에 대한 검토 연구

전성일; 윤경구; 안지환; 최판길

doi:10.7855/ijhe.2017.19.1.011

문제 정의

본 논문에서는 교면포장용으로 적용되고 있는 콘크리트 재료에 대하여 자기치유성능을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
기존 연구자들의 지적대로 습윤한 조건에서 미세한 균열이 치유될 수 있다면, 초기에 균열이 발생한 콘크리트 교면포장의 경우 충분한 습윤양생을 통해 균열부를 치유할 수 있다는 것을 시사하는 것이다. 이에 본 논문에서는 교면포장용 콘크리트의 자기치유실험을 통해 양생조건 및 기간에 따라 치유성능을 평가하였다.
일반적으로 절단기를 이용하여 콘크리트 시료를 절단하여도 미세한 요철은 남아 있게 되며, 절단된 시료를 광학현미경으로 촬영할 경우 미세한 요철부에 의해 현미경의 초점이 적정하게 조절되지 않는다. 이에 본 연구에서는 이렇게 절단된 콘크리트 표면부의 미세한 요철을 제거하기 위해 표면연마작업을 실시하였다. 이렇게 표면이 연마된 시편을 간접인장강도실험을 통해 균열을 유도하였다.

가설 설정

3. 이는 균열부위를 메우는 수화물이 대부분 탄산칼슘인데, 일반적으로 시간이 지남에 따라 콘크리트 내수산화칼슘의 농도가 증가하고, 궁극적으로 탄산칼슘의 생성양을 증가시키기 때문이다.

제안 방법

균열 유도 시점은 콘크리트 타설 후 재령 3일, 재령 7일, 재령 28일에 수행하였다. 균열 유도된 시편의 양생 방법은 20℃ 물에 수침하여 양생을 실시하였으며, 균열폭 측정주기는 0일, 7일, 14일, 28일로 하였다.
균열 유도 시점은 콘크리트 타설 후 재령 3일, 재령 7일, 재령 28일에 수행하였다. 균열 유도된 시편의 양생 방법은 20℃ 물에 수침하여 양생을 실시하였으며, 균열폭 측정주기는 0일, 7일, 14일, 28일로 하였다. 기존 예비실험에서 기건양생(온도 20℃, 습도 50%, 물을 하루에 2회 살수) 시 균열폭 변화를 측정한 바 있으나 균열 폭의 변화가 없는 것으로 평가되어 본 연구에서는 수침 양생만을 고려하였다.
균열폭 측정을 위해 사용된 화상촬영기는 QICAM 디지털카메라(1.4 million, 1392× 1040)에 현미경렌즈 (optical 0.5-5x)를 부착한 것이며, 시편이 자동으로 움직이면서 측정할 수 있는 stage를 장착하였다.
균열 유도된 시편의 양생 방법은 20℃ 물에 수침하여 양생을 실시하였으며, 균열폭 측정주기는 0일, 7일, 14일, 28일로 하였다. 기존 예비실험에서 기건양생(온도 20℃, 습도 50%, 물을 하루에 2회 살수) 시 균열폭 변화를 측정한 바 있으나 균열 폭의 변화가 없는 것으로 평가되어 본 연구에서는 수침 양생만을 고려하였다.
본 연구에서는 LMC에 대하여 균열이 치유된 이후, 해당 부분에 샘플을 채취하여 SEM/EDS 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 20에 나타내었다. SEM 사진에서 위쪽이 콘크리트 표면부이며, 페이스트의 수직면이 촬영된 것이다.
본 연구에서는 OPC(ordinary portland cement concrete), SFC(silica fume concete), LMC(latex modified concrete) 배합을 실시하였다. 현재 국내에서 적용되고 있는 HPC는 실리카흄과 PVA fiber를 첨가하는데, 본 연구에서는 실리카흄만을 첨가하였으며, 배합명칭을 SFC로 하였다.
본 연구에서는 자기치유실험을 위해 원형몰드(ø10cm×20cm)에 5cm 간격으로 13mm이형철근을 삽입하고, 콘크리트를 두께 5cm 크기로 절단하였다.
본 연구에서는 진행한 자기치유실험방법은 콘크리트 시료에 철근을 미리 삽입하여 간접인장모드에서 시료가 쪼개지지 않고 균열만을 발생시키도록 유도하였는데, 이 과정에서 원하는 크기의 균열을 유도하기는 상당히 어려움이 따랐다. 이에 배합별로 균열폭의 범위가 상이한 경우가 발생하였으며, 이것이 데이터분석결과에 일부 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 한 개의 화상에 8개~10개 지점을 정하고 재령에 따라 동일한 지점에서 균열폭을 관측하였다. Fig.
이에 본 연구에서는 이렇게 절단된 콘크리트 표면부의 미세한 요철을 제거하기 위해 표면연마작업을 실시하였다. 이렇게 표면이 연마된 시편을 간접인장강도실험을 통해 균열을 유도하였다. 철근이 삽입되어 있기 때문에 취성파괴는 일어나지 않으며, 적정한 균열이 발생하였을 때 간접인장강도 실험을 중단하였다.
이에 배합별로 균열폭의 범위가 상이한 경우가 발생하였으며, 이것이 데이터분석결과에 일부 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 3개 배합의 모든 데이터를 묶어서 자기균열닫힘률(self crack closing ratio)을 분석하였다. 배합별로 자기치유효과가 달라질 수도 있으나, 본 실험결과가 이를 변별하기에는 한계가 있을 것으로 판단하였으며, 배합에 따른 영향보다는 균열발생 시기, 균열폭이 자기치유효과에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
배합별로 자기치유효과가 달라질 수도 있으나, 본 실험결과가 이를 변별하기에는 한계가 있을 것으로 판단하였으며, 배합에 따른 영향보다는 균열발생 시기, 균열폭이 자기치유효과에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이에 자기균열닫힘률은 균열발생시기로 구분하고, 또한 균열폭이 150㎛ 이하인 경우와 150㎛를 초과한 경우로 나누어 분석하였다.
이렇게 표면이 연마된 시편을 간접인장강도실험을 통해 균열을 유도하였다. 철근이 삽입되어 있기 때문에 취성파괴는 일어나지 않으며, 적정한 균열이 발생하였을 때 간접인장강도 실험을 중단하였다. Fig.
콘크리트에 발생된 균열이 어떠한 형태로 변화되는지를 정량적으로 분석하기 위해 각 배합별로 시간에 따른 균열폭 변화를 도식화 하였다. Fig.
본 연구에서는 OPC(ordinary portland cement concrete), SFC(silica fume concete), LMC(latex modified concrete) 배합을 실시하였다. 현재 국내에서 적용되고 있는 HPC는 실리카흄과 PVA fiber를 첨가하는데, 본 연구에서는 실리카흄만을 첨가하였으며, 배합명칭을 SFC로 하였다. Table 2는 본 연구에서 적용한 콘크리트 배합비를 나타내고 있다.

대상 데이터

Table 1은 본 연구에서 사용된 결합재의 화학성분결과를 나타내고 있다. 굵은골재는 13mm 쇄석골재를 사용하였고, 잔골재는 남한강 인근에서 채취한 강사를 사용하였다. Fig.

데이터처리

촬영된 이미지는 ‘image-pro 6.0’ 분석프로그램을 사용하여 균열폭을 정밀하게 측정하였다.

성능/효과

1. 균열이 발생한 시료를 습윤한 상태로 유지할 경우 모든 배합에서 자기치유되는 현상이 나타났으며, 특히 폭이 150㎛ 이하인 대부분의 균열이 28일 안에 완벽히 닫히는 것으로 나타났다.
2. 균열 유도 이후 동일한 기간 동안 습윤한 상태로 노출시킨 경우에 재령 3일에 균열을 유도한 것 보다 재령 7일에 균열을 유도한 시편의 자기치유성능이 더 우수하게 나타났다.
콘크리트 교면포장은 일반적으로 시공 후 초기에 수축 균열 발생 가능성이 상당히 높은 구조물이며, 이에 국토교통부(2015)에서는 콘크리트 타설 후 양생제 살포 또는 비닐 양생 후에 젖은 양생포를 덮어서 14일 동안 균일한 습윤양생을 하도록 규정하고 있다. 그러나 본 연구의 자기치유실험결과, 콘크리트에 미세한 균열이 발생할 경우이 균열이 완전히 치유되기 위해서는 습윤한 상태 하에서 약 28일 정도의 시간이 소요되는 것으로 분석되었다.
그림에서 알 수 있듯이 시간이 경화함에 따라 자기균열닫힘률이 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 이는 콘크리트 시편에 발생된 균열의 폭이 점점 감소한다는 것을 의미한다. 자기균열닫힘률 분석결과, 폭이 150㎛ 이하인 균열의 경우 28일이 경과한 시점에서 자기균열닫힘률 평균값이 0.89를 나타내어 상당수의 균열이 자기치유효과를 통해 완전히 닫히는 효과를 나타내는 것으로 평가되었다. 이에 반해 폭이 150㎛를 초과한 균열의 경우 재령 28일 경과한 시점에서 자기균열닫힘률 평균값이 0.
그래프에서 알 수 있듯이 초기 균열폭이 증가함에 따라 잔류균열폭(residual crack width)이 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 이와 같은 결과는 콘크리트에 발생된 균열의 폭에 따라 균열의 자기치유 정도가 달라질 수 있다는 것을 의미한다. 재령 3일과 7일에 균열을 유도하여 물에 수침시키고 시간에 따라 균열폭을 측정한 결과, 배합별로 약간의 차이는 있지만, 대체적으로 초기 균열폭이 약 100~200㎛ 범위에 있는 균열의 경우 재령 28일 이후에 일정부분 치유가 되는 것으로 분석되었다.
특히 OPC 배합에서 재령 3일에 균열을 유도한 경우 폭이 약 300㎛를 나타낸 균열들 일부도 완전히 치유가 되는 것으로 나타났으나, 일부 200㎛ 전후의 균열들이 또한 완전한 치유가 되지는 않아서 자기치유를 통해 균열이 완전히 닫힐 수 있는 임계 균열폭을 결정하기에는 한계가 있는 것으로 나타났다. 마찬가지로 SFC 배합에서도 재령 3일에 균열을 유도한 경우 폭이 약 200㎛에 서도 균열이 완전히 닫히는 현상을 나타내었으나, 일부 200㎛ 이하의 폭을 나타내는 균열들이 완전히 닫히지 않는 경우도 발견되었다.
그러나 재령 7일에 균열을 유도한 경우 배합의 종류와 상관없이 폭이 100~200㎛ 범위에 있는 모든 균열들이 완전히 치유되는 현상을 나타내었다. 특히 OPC 배합의 경우에는 폭이 약 200~300㎛ 범위에 있는 균열들이 모두 닫히는 결과를 나타내었으며, 폭이 약 100㎛ 정도의 균열은 7일이 경과한 시점에서 완전히 치유 되었다.
특히 14일 만에 대부분의 균열이 완전히 치유된 것을 알 수 있으며, 이는 균열 발생 시기가 늦춰질 경우 상대적으로 자기치유속도가 더 빠르다는 것을 의미한다. 폭이 150㎛를 초과하는 균열의 경우에도 재령 3일에 균열을 유도한 것 보다는 자기균열닫힘률 평균값이 더 크게 나타나 재령 7일에 균열을 유도한 경우가 3일에 유도한 경우에 비해 자기치유효과가 더 큰 것으로 나타났다.

후속연구

4. 이와 같은 결과를 볼 때, 시멘트 콘크리트의 자기치유특성을 감안하여 현재 콘크리트 교면포장의 습윤 양생 기간 증가에 대한 검토가 필요하다. 향후 이에 대한 현장연구를 통해 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
실제 시공현장에서 초기 미세 균열 발생 시 대부분 재시공이 이루어지고 있는데, 이럴 경우 습윤양생 기간을 증가시켜 균열부가 자기치유 되는지를 관찰할 필요가 있다. 또한 시방서에서도 초기 균열 발생 시 습윤양생 기간을 현 14일에서 최대 28일까지 연장시킬 수 있는 방안을 검토할 필요가 있다. 이를 위해 실제 현장에서 추가적인 검증 연구가 수반되어야 하며, 특히 대기환경조건과 배합 특성에 따른 종합적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
이에 본 연구에서는 3개 배합의 모든 데이터를 묶어서 자기균열닫힘률(self crack closing ratio)을 분석하였다. 배합별로 자기치유효과가 달라질 수도 있으나, 본 실험결과가 이를 변별하기에는 한계가 있을 것으로 판단하였으며, 배합에 따른 영향보다는 균열발생 시기, 균열폭이 자기치유효과에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이에 자기균열닫힘률은 균열발생시기로 구분하고, 또한 균열폭이 150㎛ 이하인 경우와 150㎛를 초과한 경우로 나누어 분석하였다.
또한 시방서에서도 초기 균열 발생 시 습윤양생 기간을 현 14일에서 최대 28일까지 연장시킬 수 있는 방안을 검토할 필요가 있다. 이를 위해 실제 현장에서 추가적인 검증 연구가 수반되어야 하며, 특히 대기환경조건과 배합 특성에 따른 종합적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
이와 같은 결과를 볼 때, 시멘트 콘크리트의 자기치유특성을 감안하여 현재 콘크리트 교면포장의 습윤 양생 기간 증가에 대한 검토가 필요하다. 향후 이에 대한 현장연구를 통해 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부적절한 아스팔트 교면포장 시공이 이루어 졌을 때 어떤 문제점이 있는가?	그동안 우리 나라에서는 아스팔트 교면포장에 대한 많은 문제점들이 제기된 바 있으며, 콘크리트 바닥판 위에 아스팔트 교면 포장을 시공할 경우 방수층으로서의 충분한 역할을 하지 못하여 수분과 염화물이 침투할 가능성이 높다는 것이 주요한 문제로 대두되었다. 특히 부적절한 시공이 이루어진 아스팔트 포장의 경우 재료분리구간, 시공줄눈부(cold joint), 다짐이 잘 되지 않는 시공끝단부의 경우 수분의 침투가 크게 발생할 수 있고, 심할 경우 교면포장과 바닥판 사이에 수분이 상시적으로 체류하여 공용 성능을 저하시킬 수 있다. 이럴 경우 발생되는 대표적인 파손이 포트홀(pot hole)이다.
	교면포장은 무엇인가?	교면포장은 교량의 콘크리트 바닥판 위에 설치된 얇은 두께의 포장층을 의미한다. 교면포장은 교통하중에 의한 충격 작용 및 우수의 침입이나 온도 변화 등 기상 작용에 대항하여 도로교 바닥판을 보호함과 동시에 통행 차량의 쾌적한 주행을 확보하는 역할을 담당하고 있다(국토교통부, 2011).
	교면포장은 어떤 역할을 담당하는가?	교면포장은 교량의 콘크리트 바닥판 위에 설치된 얇은 두께의 포장층을 의미한다. 교면포장은 교통하중에 의한 충격 작용 및 우수의 침입이나 온도 변화 등 기상 작용에 대항하여 도로교 바닥판을 보호함과 동시에 통행 차량의 쾌적한 주행을 확보하는 역할을 담당하고 있다(국토교통부, 2011). 교면포장은 크게 아스팔트 교면 포장과 콘크리트 교면포장으로 구분된다.

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