침투성 알칼리성부여제 도포에 의한 중성화된 콘크리트의 알칼리성 회복성능의 정량적인 평가에 관한 연구
김 무 한	(충남대학교 건축공학과 교수)

1. 서  론

콘크리트는 반영구적인 건설재료로 건축·토목 분야에서 널리 사용되고 있으며, 철근콘크리트 구조물은 사회자산으로서도 큰 규모를 차지하고 있다. 그러나, 설계, 사용재료, 배합조건, 시공정도 및 사용환경에 의해 콘크리트 구조물의 내구성능은 크게 영향을 받으며, 표준시방에 준해 시공한 구조물도 시간이 경과함에 따라 환경요인 및 성능저하요인의 복합적인 상호작용에 의하여 서서히 노후화되어 그 성능이 저하하게 된다.

특히, 콘크리트의 중성화는 시간이 경과함에 따라 증가하는 대표적인 성능저하 기구로서, 타설 직후 콘크리트의 pH는 12∼13의 강알칼리성을 나타내게 되지만, 대기 중 탄산가스의 침투, 산성비 등에 의해 pH 8.5∼10정도로 알칼리성을 소실하게 된다. 이러한 중성화가 콘크리트 표면으로부터 서서히 진행하여 철근에 도달하게 되면, 철근의 부동태 피막이 파괴되어 철근의 부식이 진행되며, 철근의 발청에 의한 피복콘크리트의 균열·박락 및 철근의 내력한계 도달 등과 같은 내구성능저하를 초래하게 된다.1)

최근 들어 콘크리트의 중성화 메카니즘에 관한 연구와 더불어 중성화된 구조물의 보수·보강 기술에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며,2) 이미 외국에서는 중성화된 콘크리트에 약품도포 및 전기화학적 방법을 이용하여 재알칼리화, 탈염 및 전기방식 등과 같은 공법을 실용화3)하고 있으나 국내의 경우 아직까지는 체계적인 연구가 진행되지 못하고 있는 실정이다.

이에 본 연구는 기존에 보고되고 있는 중성화 단계에 따른 보수공법4)을 바탕으로 중성화된 콘크리트에 침투성 알칼리성부여제를 도포함에 따른 알칼리성 회복성능을 평가하기 위하여 Ⅰ시리즈에서는 물시멘트비 및 알칼리성부여제 도포량에 따른 회복성능을 비교·분석하였으며, Ⅱ시리즈에서는 알칼리성부여제 도포 후 표면 피복재의 종류에 따른 알칼리성 유지성능을 정량적으로 평가함으로서 향후 중성화된 철근 콘크리트 구조물의 내구성을 향상시키기 위한 기초자료로써 제시하고자 한 것이다.

2. 실험 계획 및 방법

가. 실험 계획

<표-1> 실험계획
시리즈	W/C	28일 압축강도 (kgf/cm2)	알카리성부여제 도포량(g/m2)	마감재종류		회복조건	측정항목	촉진중성화조건
Ⅰ	0.35	565	표준 : 400±20	R+M		옥외	·중성화깊이 ·육안관찰	온도 40℃ 습도 50% CO2 15%
			초과 : 791
	0.45	435	표준 : 400±20
			초과 : 861
	0.55	301	표준 : 400±20
			초과 : 1076
Ⅱ	0.65	208	400∼450	무도포	Type0		·중성화깊이 ·육안관찰 ·pH 측정 ·ICP 분석 ·XRD ·SEM	온도 40℃ 습도 50% CO2 10%
				R	Type1
				R+P	Type2
				R+RP	Type3
				R+M	Type4
				R+RM	Type5
				R+RM+P	Type6
* R : 알카리성부여제 P : 수성페인트 RP : 발수페인트 M : 모르터 RM : 방청페이스트

본 연구의 실험계획은 <표-1>에서 보는 바와 같다. Ⅰ시리즈는 물시멘트비 0.35, 0.45, 0.55의 3수준 및 알칼리성부여제의 도포량을 표준 및 초과 도포함에 따른 알칼리성 회복성능을 재령별 중성화 깊이 측정 및 사진촬영을 통해 평가한 것이며, Ⅱ시리즈는 물시멘트비 0.65의 콘크리트에 알칼리성부여제를 도포한 후 표면피복재 종류에 따른 알칼리성 유지성능을 평가하기 위하여 중성화깊이 측정, 사진촬영, pH측정, ICP분석, X선 회절분석 및 SEM촬영을 실시하였다.

나. 배합 및 사용재료

(1) 배합 및 비빔방법

본 실험의 콘크리트 배합은 <표-2>에 나타낸 바와 같이 Ⅰ시리즈는 단위수량 170kg/m3에 따른  물시멘트비를 0.35, 0.45, 0.55의 3수준으로 설정하였으며, Ⅱ시리즈는 물시멘트비를 0.65로 설정하였다.

비빔은 100□ 강제식 팬타입 믹서를 이용하여 시멘트, 잔골재 및 굵은골재를 넣고 건비빔을 30초간 행한 후 물을 첨가하여 1분 30초간 비빔을 행하였으며, 소요의 유동성을 확보하기 위한 소량의 고성능감수제를 첨가한 후 토출하였다.

(2) 사용재료

본 실험에 사용한 사용재료는 <표-3>과 같다.

중성화된 시험체에 알칼리성을 회복시키기 위하여 사용한 침투성 알칼리성부여제는 <표-4>에 나타낸 바와 같이 규산리튬(Li2SiO3)을 주성분으로 한 pH 11±0.5의 강알칼리성의 수용액을 사용하였으며, 알칼리성부여제 도포시 물과 반응하여 수산화리튬 및 실리카고형분을 생성하는 반응식은 다음과 같다.(<식-1>)

<식-1> 2Li2SiO2+H2O → Li2Si2O5+2LiOH

또한, 규산리튬수용액(Li2OxSiO2aq)의 구조는 <그림-1>과 같이 폴리실리케이트의 형태를 갖고 있으며, 폴리실리케이트는 입경이 이온보다는 크나 콜로이드보다는 훨씬 작은 2∼20m□정도이며, 점도도 10PCS정도로 낮기 때문에 콘크리트 및 몰탈에 침투되기 쉬운 특성을 갖고 있다.5)

<표-2> 콘크리트배합
시리즈	W/C				S/A (%)			단위중량 (kg/m3)
								물		시멘트		잔 골재			굵은골재
Ⅰ	0.35				42.0			170		486		694			967
	0.45				42.0			170		378		731			1019
	0.55				42.0			170		309		757			1051
Ⅱ	0.65				39.1			196		302		710			1114
<표-3> 사용재료의 물리적성질
시멘트			·종류 : 보통포틀랜트시멘트 ·비중 : 3.15
잔골재			·종류 : 강모래 ·비중 : 2.60
굵은 골재			·종류 : 깬자갈 ·비중 : 2.62 ·입경 : 25mm
<표-4> 알카리성부여제의 물리적성질
주성분				pH			점도				비중			색깔
Li2SiO3				11±0.5			10PCS				1.09 ± 0.02			담황색

		HO		OH					OH		OH					2-
				Si							Si					·□Li+·□OH-
		HO		OH					OH		OH					n
																n : 10∼1000
<그림-1> Li2SiO3의 화학구조
<표-5> 마감재료의 물리적성질
방청페이스트					·내알카리성 : 양호 ·투수성 : 0.4ml/day ·수증기투과성 : 20g/m2·day ·철근부착력 : 98.4kg/cm2
발수페인트					·산성도 : 4이상 ·비중 : 0.87±0.02 ·휘발분 : 4.8±2
페인트					·비중 : 1.38 ·점도 : 88 ·pH : 8.8∼9.5 ·휘발분 : 41% ·주성분 : 아크릴에멀젼 타입

Ⅱ시리즈에서 알칼리성부여제를 도포한 후 표면피복재의 종류에 따른 알칼리성 유지성능을 비교·검토하기 위하여 표면 피복재로 페인트, 방청페이스트, 발수페인트를 사용하였으며 그 물리적 성능을 <표-5>에 나타내었다.

다. 시험체 제작

중성화 회복시험용 시험체는 Ⅰ시리즈의 경우 □10×20cm의 원주형 시험체로 제작하였으며, Ⅱ시리즈의 경우 7.5×10×40cm의 각형 시험체로 제작하였다.

시험체는 타설후 1일에 탈형하여 4주간 표준양생을 실시하였으며, 표준양생 직후 시험체를 중성화시키기 위하여 Ⅰ시리즈는 CO2 15%, 온도 40℃, 습도 50%, Ⅱ시리즈는 CO2 10%, 온도 40℃, 습도 50%의 환경 하에서 6주간 촉진중성화를 실시하였다.

촉진중성화 직후 Ⅰ시리즈의 경우 원주형 시험체를 길이 방향으로 할렬하여 2개의 시험체로 제작하였으며, 각각의 표면을 그라인더로 연마한 후 알칼리성부여제를 400±20g/m2를 표준도포, 알칼리성부여제가 더 이상 흡수되지 않을 때까지를 초과도포로 하여 2수준으로 도포하였다. Ⅱ시리즈의 경우 각형 시험체의 전면을 그라인더로 연마한 후 알칼리성부여제를 표준도포 하였다. 또한, Ⅰ시리즈는 표면피복재로서 시멘트 페이스트를 도포하였으며, Ⅱ시리즈는 각각의 시험체에 표면피복재를 주택건설시방서에 준해 도포하였다.

본 실험의 플로우를 <그림-2>에 나타내었다.

라. 측정항목 및 측정방법

탈형		수중양생		촉진 중성화		시리즈 Ⅰ	알카리성부여제+ 페이스트		옥외방치
						시리즈 Ⅱ	알카리성부여제+ 마감재료
1일		4주		6주		-			52주
<그림-2> 실험 흐름도
<사진-1> pH 측정기

중성화깊이 측정은 시험체를 일정 두께로 절단하여 파단면에 1%의 페놀프탈레인 용액을 분무하여 적색으로 착색하지 않은 부분까지의 거리를 측정하였으며, 측정 후 절단면은 대기에 직접 노출되지 않도록 에폭시코팅을 행하였다.

Ⅱ시리즈에서는 알칼리성부여제 도포에 의해 알칼리성이 회복된 시험체에 표면피복재를 종류별로 도포한 후 재령에 따른 알칼리성 유지성능을 평가한 것으로서, 표면피복재 종류에 따른 알칼리성 유지성능을 정량적으로 평가하기 위하여 콘크리트 표면으로부터 5mm, 5∼10mm, 10∼15mm까지 3단계의 깊이별로 페이스트 시료를 채취하여 증류수에 용해시킨 후, 전위차 적정장치(716 DMS Titrino, Metrohm)를 사용하여 pH를 측정하였다. 본 실험에 사용한 전위차 적정장치를 <사진-1>에 나타냈다.

또한, 알칼리성부여제의 주성분인 Li+의 침투량을 정량적으로 분석하기 위하여 ICP(Induced Coupled Plasma)분석을 실시하였고, 알칼리성부여제 도포시 생성되는 규산리튬수화물(Li2Si2- O5)의 생성여부를 파악하기 위하여 구리를 타겟으로 한 X선 회절분석을 실시하였으며, 알칼리성부여제 도포 시험체와 무도포 시험체의 표면성상을 관찰하기 위하여 전자주사현미경(SEM)관찰을 하였다.

3. 실험 결과의 분석 및 검토

가. 알콜용액법에 의한 평가

(1) Ⅰ시리즈

<사진-2>는 물시멘트비별 촉진중성화시험 직후 원주형 시험체를 할렬면하여 측정한 중성화깊이와 알칼리성부여제 도포 직후의 회복성상, 도포후 옥외폭로재령 6주의 표준 및 초과도포 시험체의 중성화 회복성상을 나타낸 것이다.

알칼리성부여제 도포전 시험체의 중성화깊이는 물시멘트비 0.35는 7.7mm, 0.45는 12.7mm, 0.55는 15.3mm로 물시멘트비가 클수록 중성화깊이는 크게 나타났으나 알칼리성부여제 표준도포를 행한 직후의 모든 시험체에서 전면이 착색되고 있어 알칼리성이 회복된 것으로 나타났다.

한편, 알칼리성부여제를 표준 및 초과도포한 후 옥외폭로를 실시한 시험체의 재령 6주 알칼리성 회복성상은 도포직후에 비하여 일부부위에서 희미하게 나타나고 있으나, 모든 물시멘트비에 있어서 중성화되었던 부위에서 착색되고 있어 알칼리성이 유지되고 있는 것으로 나타났다. 그러나 물시멘트비 및 표준·초과도포에 따른 알칼리성 회복 및 유지성상은

W/C	촉진중성화 직후		알카리성부여제 도포직후 (표준)		옥외방치 6주 (표준도포)		옥외방치 6주 (초과도포)
0.35
0.45
0.55
<사진-2> 물시멘트비 및 알카리성부여제 도포량에 따른 알카리회복성능 (시리즈Ⅰ)
(a) 촉진중성화 직후		(b) 알칼리성부여제 도포직후 (Type6)		(c) 옥외방치 52주 (Type1)		(d) 옥외방치 52주 (Type6)
<사진-3> 마감재종류에 따른 알카리회복성능 (시리즈 Ⅱ)

알콜용액법에 의한 발색의 정도를 육안관찰에 의한 측정만으로 판단하기에는 어려움이 있는 것으로 나타났다.

(2) Ⅱ시리즈

<사진-3>은 Ⅱ시리즈의 알콜용액법에 의한 측정결과로서 촉진중성화 직후의 중성화깊이는 9mm 내외로 나타났으나 알칼리성부여제를 도포한 직후 중성화된 부위가 착색되고 있음을 알 수 있다. 한편, 알칼리성부여제만 도포한 시험체의 경우 도포직후 붉게 착색되었던 중성화부위가 옥외폭로 52주에 있어서 다시 도포전과 비슷하게 나타나고 있는데 반하여, 표면피복처리를 행한 Type6(알칼리성부여제+방청페이스트+페인트) 시험체의 경우 중성화된 부위의 일부부위에서 착색이 나타나고 있어 알칼리성을 유지하고 있는 것으로 나타났다.

나. pH측정결과

<그림-3>은 표면피복재 종류 및 깊이별 알칼리성부여제 도포전, 도포직후에서 옥외폭로 45주까지의 pH 변화를 나타낸 것으로 알칼리성부여제 도포전의 pH는 0∼5mm에서 9.58, 5∼10mm에서 11.54, 10∼15mm에서 11.91로 나타났다.

촉진중성화 실시 후 콘크리트 표면 부근인 0∼5mm에서는 탄산가스의 침입에 의해 알칼리성이 거의 소실된 것으로 나타났으나, 모든 시험체에서 알칼리성부여제를 도포한 직후의 pH는 11내외를 나타내고 있어 알칼리성이 회복된 것을 알 수 있다.

한편, 각각의 시험체에 알칼리성부여제 및 표면피복재를 도포한 후 옥외폭로 재령에 따른 pH의 변화는 0∼5mm에서 가장 큰 변화를 나타내고 있으며, 옥외폭로 재령이 증가함에 따라 pH가 서서히 저하하여 45주 경과후의 pH는 Type1, Type2의 경우 각각 9.32, 9.61로 알칼리성부여제 도포전과 유사한 값을 나타내고 있다. 그러나, Type4∼6은 재령 45주에서도 10.8정도를 나타내고

<그림-4> 알칼리성부여제 도포에 따른 상대 pH 변화율 (0∼5mm)

<그림-5> 시험체 종류별 도포직후에 대한 pH 변화율 (0∼5mm)

<그림-6> 깊이에 따른 Li+농도

(a) 0∼5mm

(b) 5∼10mm

(c) 10∼15mm

<그림-3> 폭로기간에 따른 pH 변화

있어 알칼리성 유지성능이 다소 높게 나타나고

(a) 무도포	(b) 알칼리성부여제 도포
<그림-7> XRD분석 결과 (Li2Si2O5)

있다.

<그림-4>는 외기노출 재령에 따른 pH의 변화율이 가장 큰 0∼5mm에서의 알칼리성부여제 도포 전후의 상대 pH 변화율을 나타낸 것으로서 촉진중성화를 시킨 모든 시험체에 알칼리성부여제를 도포한 직후의 pH는 시험체의 종류에 따라 다소 차이를 나타내고 있으나 대부분 11이상 알칼리성을 회복한 것으로 측정되었다. 그러나, 외기노출 45주 경과 후 Type1과 Type2는 알칼리성부여제 도포전 pH 대비 97.29%와 100.31%를 보여주고 있어 알칼리성 유지성능이 다소 떨어지는 경향을 보였으나, Type4, 5, 6에 있어서는 45주 경과 후에도 도포전 pH에 비해 112∼113% 정도의 회복성능을 유지하고 있는 것으로 나타났다.

<그림-5>는 알칼리성부여제 도포직후의 pH에 대한 외기노출 45주의 상대 pH 변화율을 나타낸 것으로써, Type4 및 Type6는 각각 98.54%, 101.1%로 알칼리성 유지성능이 우수하게 나타났고, Type1과 Type2의 경우, pH의 상대변화율은 83.2%로써 알칼리성 유지성능이 상대적으로 떨어지는 것으로 나타나 방청페이스트와 일반 시멘트 페이스트의 알칼리성 유지성능이 우수한 것으로 나타났다. 따라서 알칼리성부여제 도포 후 적절한 표면 피복재를 도포 할 경우, 그 성능은 현저히 향상될 것으로 사료된다.

다. 성분분석 결과

알칼리성부여제의 침투량을 정량적으로 파악하기 위하여 알칼리성부여제 도포후 방청페이스트와 페인트를 도포한 시험체(Type6)로 부터 알칼리성부여제의 주성분인 Li+을 측정한 ICP분석 결과는 <그림-6>에서 보는 바와 같다.

도포 직후의 Li+의 깊이별 농도는 콘크리트 표면으로부터 0∼5mm에서 110.4ppm, 5∼10mm에서 97.6ppm, 10∼15mm에서 80.2ppm으로 측정되어 표면부의 알칼리성부여제 침투량이 가장 높았으며, 침투깊이는 15mm 이상일 것으로 사료된다. 한편, 옥외폭로 30주에서는 깊이별로 각각 103.5ppm, 90.5ppm, 89ppm의 측정결과를 보여 도포직후의 침투량과 유사한 것으로 나타났다.

라. XRD 분석결과

알칼리성부여제 도포시 생성되는 규산리튬 수화물(Li2Si2O5)의 유무를 확인하기 위하여 무도포 시험체 및 알칼리성부여제 도포 시험체의 XRD 분석결과를 <그림-7>에 나타냈다. 구리(Cu)를 타겟으로 하였을 때의 Li2SiO2O5의

(a) 무도포	(b) 알칼리성부여제 도포
<사진-4> 알칼리성부여제 도포에 따른 표면성상

회절각(2□)은 24.2, 37.5, 43.2, 45.1로 나타났으며, 각각의 회절각에서 무도포 시험체는 피크가 나타나고 있지 않으나, 알칼리성부여제를 도포한 시험체에서는 피크가 나타내고 있어 알칼리성부여제의 주성분인 Li+이 콘크리트 내부로 침투하여 반응생성물을 생성시킨 것으로 나타났다.

마. SEM 분석 결과

알칼리성부여제를 도포한 콘크리트의 도포면과 도포를 하지 않은 기존 콘크리트 표면을 비교·검토하기 위하여 SEM촬영을 하였으며 그 결과는 <사진-4>와 같다.

사진에서 알 수 있는 바와 같이 알칼리성부여제를 도포하지 않은 콘크리트 표면은 거칠게 나타나고 있으나, 알칼리성부여제를 도포한 콘크리트 표면은 매끈하게 나타나고 있다. 이는 알칼리성부여제 도포에 따라 표면 요철을 충전하고, 표면에 알칼리성의 막을 형성하고 있는 것으로 사료된다.

4. 결 론

중성화된 콘크리트에 알칼리성부여제의 도포에 의한 중성화 회복 및 표면 피복재의 종류에 따른 알칼리성 유지성능에 관한 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 중성화된 콘크리트의 알칼리성 회복성능을 pH값 및 사진촬영을 통하여 확인할 수 있었다.  또한, pH 10 이하로 중성화된 콘크리트 표면에 알칼리성부여제를 도포함으로써 도포직후 pH 11이상으로 알칼리성을 회복 시킬 수 있었으며, 외기폭로 45주 후에도 상대 pH를 110% 이상 유지할 수 있었다.

2. 재령별 알칼리성 유지성능은 표면 피복재에 따라 차이가 있었으며, 특히 방청페이스트 및 일반 시멘트 페이스트의 효과가 우수하였다. 따라서 알칼리성부여제 도포후 적절한 표면 피복재를 도포할 경우 알칼리 유지성능이 크게 향상될 것으로 사료된다.

3. ICP 분석을 통하여 도포후 외기폭로 30주에서도 도포직후의 Li+농도와 유사한 이온농도를 유지하고 있었으며, 알칼리성부여제 도포에 의한 알칼리성 부여제 침투깊이는 15mm이상일 것으로 사료된다.