1. 서    론

콘크리트는 다양한 환경에서 사용되고 있는 건설재료이다. 콘크리트는 취성 재료로 큰 압축강도를 가지지만 건조수축, 수화열, 균열 등으로 인해 발생되는 균열 등에 취약하다. 특히 콘크리트에 발생하는 균열은 구조물의 사용성과 내구성에 중요한 영향을 미치고 이는 구조물 전체의 안정성에도 영향을 미친다. 따라서 균열의 발생 억제와 보수는 중요한 관리 요인 중 하나라고 할 수 있다. 지난 수 년 동안 많은 연구자들은 콘크리트에 발생하는 균열에 대한 연구를 수행하였다. 그중에서 콘크리트의 자기치유(self-healing)에 대한 연구도 상당히 많이 이루어졌다. 콘크리트의 자기치유에 대한 효과와 발생원인, 측정 방법 등에 대한 다양한 연구결과들이 제시되었다.^1-23) 또한 자기치유를 연구하는 콘크리트도 기존의 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland Cement: OPC)에서 자기충전,⁹⁾ ECC,^3,4) 고강도⁵⁾ 등으로 확대되고 있다.

기존의 콘크리트 자기치유 효과를 측정하기 위한 방법으로는 휨 또는 할렬 강도, 투수성능, 염화이온 침투 특성, 초음파 속도, 균열 폭의 측정 등이 있었다.^1,2) 이러한 측정 방법을 통해 콘크리트의 자기치유 특성을 파악하고, 자기치유 능력을 측정하였다. 많은 연구자들이 다양한 방법으로 자기치유 효과를 측정하기 위해 여러 방법들을 사용하고 있다. 이 중에서 초음파는 기기의 구성이 단순하고, 현재까지 광범위하게 사용되어온 측정법으로 자기치유 효과를 측정하는 연구에도 사용되고 있다.^6-9) 또한 기존의 OPC에서 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 메타카올린 등을 단독 또는 다중 혼합한 시멘트^12,16) 또는 팽창재¹⁴⁾ 등의 혼화제를 사용한 시멘트, 박테리아¹⁰⁾ 또는 치유물질을 함유한 캡슐,^13,15) 전기화학적 방법¹¹⁾ 등을 사용한 자기치유 콘크리트에 대한 연구도 있었다. 현재까지의 자기치유 연구에서 균열이 노출되는 환경 조건은 주로 수중과 공기 중 노출환경,^17,18) 건습 반복 환경,^19-21) 동결융해 환경,^8,22) 여러 온도조건²³⁾ 등의 다양한 조건에서 시험체에 대한 자기치유 특성을 연구하고 있다.

그러나 상대적으로 해수환경에 대한 연구는 미흡하다. 기존의 자기치유 연구는 대부분 담수 환경에서 이루어졌다. 해수 환경은 담수와 달리 다양한 미생물, 염화이온 그리고 여러 가지 무기물질 등의 효과를 고려하여야 한다. 이러한 성분들은 콘크리트의 내구성에 다양한 효과를 나타낸다. 그러나 그 효과는 아직 명확하게 밝혀지지 않았고, 현재에도 계속 연구 중이다. 해수 또는 해양 환경에 건설되는 콘크리트 구조물은 해풍, 파도, 염분 등의 많은 열화 요인에 의해 내구성에 대한 관리와 주의가 더욱 필요하다. 해양의 개발에 따른 다양한 구조물이 건설되고, 여기에 콘크리트가 건설재료로 사용되는 동안 콘크리트의 해양 환경에서의 열화와 콘크리트 구조물의 취약점 중에 하나인 균열에 대한 관리, 보수가 필요하게 된다. 그러나 해수에 침지된 콘크리트에 발생된 균열과 자기치유에 대한 연구는 담수에 비해 부족하다. 일부 연구자들은 인공해수를 제조하여 자기치유 특성에 관한 연구를 수행한 예²⁴⁾는 있었지만, 실제 해수에 침지한 자기치유 효과를 검토한 연구는 드물다.

본 연구는 시멘트의 일부를 슬래그로 치환한 OPC-GGBFS 시멘트의 담수와 해수에서의 자기치유 효과에 대한 연구이다. 이를 위해 담수와 해수에 침지시켜 각각의 침지 환경에서 자기 치유 효과를 살펴보고자 하였다. GGBFS 치환율은 지금까지 해양환경에 시공된 GGBFS를 사용한 콘크리트 들을 조사하여 치환율이 많은 10%, 20% 그리고 30% 치환율을 선정하였다. 또한 해수와 담수의 침지시 온도는 해수에 직․간접적으로 접촉하는 콘크리트의 환경(구조물 위치, 수심 등)을 참고하여 해수의 온도를 5°C, 15°C 그리고 25°C의 세 가지로 선정하였다. 시험체의 고려조건은 다음의 세 가지로 요약할 수 있다.

․담수(Tap-water)과 해수(Sea-water)에 수중 침지

․5°C, 15°C 그리고 25°C의 세 가지 수중 침지 온도

․GGBFS 치환율 0, 10, 20, 그리고 30%

각각의 고려 요소에 대해 해수와 담수에서의 고로슬래그 미분말을 치환한 시멘트의 자기치유 효과는 선행 연구에서 여러 자기치유 측정 방법 중 초음파 속도(Ultrasonic pulse velocity: UPV) 측정 방법을 사용하였다. UPV 측정 방법은 비교적 기기와 장치, 측정 방법, 계산식이 간단하고, 과거부터 UPV를 사용한 콘크리트의 내구성 검사 방법으로 사용되어 오고 있다. 또한 재령에 의한 시험체의 UPV 향상 효과와 자기치유에 의한 UPV 향상효과를 구분하고자, 균열을 발생시키지 않은 시험체와 균열을 발생한 시험체를 동일한 조건에서 침지하여 자기치유 효과와 재령에 의한 효과를 비교하였다.

2. 재료 및 실험계획

본 연구에 사용된 고로슬래그 미분말(GGBFS)은 포항의 K사 제품을 사용하였으며, 보통포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement: OPC)는 국내 S사의 제품을 사용하였다. GGBFS와 OPC의 성분은 XRF 분석을 통해 Table 1에 나타내었다.

자기치유 시험체를 침지할 해수는 부산시 해운대구 해변에서 채취하였다. 해수의 구성성분은 ICP-AES (Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry) 분석을 통해 Table 2에 나타내었다.

시험체는 KS L 5109 방법의 따라 배합하였고, 페이스트의 물-결합재 비(W/b)는 0.5이다. OPC와 GGBFS를 일부 치환한 OPC-GGBFS 시험체의 침지 환경과 온도에 따른 자기치유 특성을 살펴보기 위해 담수(TW)와 해수(SW)를 준비하였다. 또한 침지하는 담수와 해수의 온도를 5°C, 15°C 그리고 25°C의 세 가지로 하여, 각각 침지된 시험체의 온도에 따른 자기치유 특성을 측정하였다. GGBFS는 OPC 중량에 대해 0%, 10%, 20%, 그리고 30%의 네 종류의 치환율을 선정하였다.

초음파 측정용 몰드는 40 × 40 × 160 mm을 사용하였고, 균열 부의 SEM 측정에도 해당 시험체를 사용하였다. 각각의 재료를 배합 후 몰드에 타설하고 온도 23 ± 2°C의 수조에 보관한다. 24시간 후 몰드를 제거하고 온도 23 ± 2°C의 수조에 28일까지 보관하였다. 28일 후 시험체를 해수와 담수에 침지하여 항온항습기에 5°C, 15°C 그리고 25°C의 온도로 보관한다. 시험체를 침지한 해수와 담수는 2주마다 한 번씩 교체하였다.

초음파 속도(ultrasonic pulse velocity: UPV)는 PROSEQ-CCT4를 사용하여 각각의 측정 재령에서 해당 시험체에 대해 측정하였으며, 1개의 시험체에 대해 좌우 측정단자를 서로 교차해가며 측정하여 그 평균값을 사용하였다. UPV의 값은 이와 같은 교차 측정 방법으로 3개 시험체 평균값을 사용하였다. 최초의 초음파는 양생 28일에서 수조에서 꺼낸 시험체 표면의 물을 흡수천으로 닦아 제거하고 초음파를 측정()한다. 균열을 발생시키지 않은 시험체인 control의 경우 그대로 담수와 해수에 각각의 온도별로 침지한다. 자기치유 측정 시험체는 측정 후 3점 휨시험을 통해 시험체의 중앙부에 단일 균열을 발생시킨다. 균열은 시험체의 휨시험을 통해 파괴하중을 구하고, 균열을 발생시킬 시험체에 평균파괴하중의 90%를 재하하여 균열을 발생시켰다.⁹⁾ 균열의 크기를 확인하고 초음파를 측정()한다. 균열을 발생시킨 시험체는 아크릴로 제작한 틀에 넣어 침지수의 교체와 UPV 측정시 시험체가 움직이는 것을 방지하였다. Fig. 1은 3점 휨시험을 통해 시험체에 발생시킨 균열의 일부이다. 선행 자기치유 연구에 의하면 자기치유에 영향을 주는 여러 요인들 중에 균열 폭의 영향 대해 언급하였다. 따라서 본 연구에서는 기존의 연구와 UPV 측정을 통한 자기치유 효과 확인의 본 연구 목적에 충분하다고 판단되는 범위에서 시험체의 균열폭을 200 µm이하인 시험체들만을 선택하여 자기치유 시험을 수행하였다. 이는 본 연구의 목적인 세 가지 온도의 해수와 담수의 침지환경과 UPV를 사용한 자기치유 효과의 상대적 차이와 특성을 연구하는 목적에 적합할 것으로 판단하였다.

이후 담수와 해수에 각각의 온도별로 침지된 균열을 발생시키지 않은 control 시험체의 침지 후 30일()과 60일()에서 UPV를 측정하고, 균열을 발생시킨 시험체에 대해서 담수와 해수에 침지 후 30일()과 60일()에서 UPV를 측정한다.

3. 결과 및 토의

3.1 초음파 속도

Table 3은 균열을 발생시키지 않은 시험체(control)를 5°C, 15°C 그리고 25°C의 세 가지 온도에서 일정기간 동안 담수와 해수에 침지한 뒤 측정한 UPV 결과이다. control 시험체의 경우 모든 GGBFS 치환율에서 재령이 증가하면 UPV도 증가하였다. 이는 시간에 따른 미수화 결합재의 수화반응에 따른 장기강도 증가현상이다.

Table 4는 균열을 발생시킨 시험체를 각각의 온도별로 담수와 해수에 침지한 다음 침지 30일과 60일에서 측정한 UPV 값을 나타낸 것이다. 재령 28일에서 측정한 초기 UPV 측정 후 3점 휨 시험으로 시험체에 균열을 발생시킨 후 측정한 UPV ()가 감소한 것을 확인할 수 있다. 침지 후 30일에서 측정한 UPV₃₀^H 값들 중 해수에 침지한 0% GGBFS 시험체(OPC 100%)를 제외하고는 모든 시험체가 초기 와 비슷하거나 미미하게 증가하였다. 따라서 균열 발생 후 온도가 서로 다른 담수와 해수에 침지한 모든 시험체는 UPV가 증가하는 경향을 보였다.

다양한 혼화재를 사용한 시험체에 대해 UPV를 사용한 자기치유 효과를 연구한 선행연구자들의 결과들을 보면 Sahmaran et al.⁹⁾가 수행한 플라이애시(fly ash, FA)를 OPC 중량에 대해 0, 35, 55% 치환한 대량치환 플라이애시 콘크리트(HVFA-SCC)로 담수에 침지한 자기치유 시험 연구에서 FA 치환율이 증가함에 따라 UPV가 감소하였다. 또한 균열 발생 후 15일과 30일 경과 후 측정한 UPV 결과에서 UPV가 점차 증가하였다. Zhong et al.⁷⁾ 등은 UPV 측정을 통한 균열 발생 전 후의 UPV 변화를 측정하였다. 일정기간 수중 침지 후 UPV 증가를 통해 균열 치유 효과를 확인하였다. 선행연구결과^1-3,7)들에서 수중에 침지한 시험체들은 침지 기간이 증가함에 따라 UPV도 증가하는 결과를 나타내었으며, 해수와 담수에 침지한 본 연구의 UPV 경향도 유사하게 나타났다.

세 가지 온도에 따른 담수와 해수에 침지한 GGBFS의 치환율이 다른 시험체의 30일과 60일에 측정한 UPV 값들의 비율인 UPV 증가율을 통해 그 특성을 살펴보았다. 초기 측정, 침지 30일 그리고 침지 60일에서 측정한 UPV 값을 통해 침지 기간에 따른 상대적인 자기치유효과를 살펴보고자 각각의 침지 기간에 따른 UPV 증가율은 다음 식으로 계산하였다.

Control specimens (un-cracked specimens)

 (1-1)

 (1-2)

Cracked specimens

 (1-3)

 (1-4)

식 (1-1)은 균열을 발생시키지 않은 control 시험체의 최초 측정한 UPV ()에 대한 침지 30일 후의 UPV 증가율()이며, 식 (1-2)는 침지 30일에서 측정한 UPV()에 대한 침지 60일에서 측정한 UPV ()의 증가율()이다. 또한 식 (1-3)은 균열을 발생시킨 시험체(cracked specimens)의 균열발생 직후 측정한 UPV ()에 대한 침지 30일 후의 UPV 증가율()이며, 식 (1-4)는 침지 30일()에 대한 침지 60일()에서 측정한 UPV의 증가율()이다.

Fig. 2는 담수에 침지한 균열이 발생시키지 않은 시험체와 균열을 발생시킨 시험체의 UPV 증가율을 식 (1-1)~(1-4)에 따라 계산한 결과를 나타낸 것이다. Fig. 2(a)의 균열을 발생시키지 않은 시험체는 담수에 침지 후 30일까지의 UPV 증가율()이 침지 30일에서 60일사이의 증가율()보다 크게 나타났다. 특히, GGBFS의 치환율이 10%에서 30%로 증가할수록 와 의 차이는 확연히 나타나고 있었다. 침지 온도에 따른 UPV의 변화 특성은 미미하여 큰 차이를 확인하기 어려웠지만, 30% GGBFS 치환율의 시험체는 25°C의 침지온도에서 상대적으로 다른 온도와 비교하여 UPV 증가율이 높게 나타났다. 담수에 침지한 균열을 발생시킨 시험체의 경우(Fig. 2(b)) 침지 30일까지의 UPV 증가율()이 침지 30일에서 60일 사이의 증가율()보다 확연하게 크게 나타났다. 균열을 발생시킨 시험체(Fig. 2(b))가 균열을 발생시키지 않은 시험체(Fig. 2(a))보다 상대적으로 더 큰 와 사이의 차이를 나타내었다. 이는 균열을 발생시킨 시험체들의 침지 후 30일 동안 UPV 증가율이 control 시험체 보다 크게 나타난 것은 균열로 인해 담수와 접촉하는 면적이 증가하고, 균열면의 일부에 남아 있던 미수화 GGBFS 또는 OPC의 재수화(re-hydration)와 자기치유 물질의 성장(recrystalized)으로 인해 균열면 닫힘이 빨라져 상대적으로 UPV 증가율이 큰 것으로 판단된다.²⁵⁾ 특히 GGBFS의 치환율이 30%인 시험체들의 UPV 변화율이 가장 크게 나타나고 있는데, 이는 GGBFS의 치환율이 높은 만큼 미수화 GGBFS의 양이 상대적으로 많아서 자기치유 효과가 향상되었기 때문이다.

Fig. 2(b)에서 침지 온도에 따른 UPV 증가율 특성을 살펴보면, 25°C > 15°C > 5°C 순서로 UPV 증가율이 크게 나타나고 있다. 이는 시험체를 침지한 담수의 온도가 높을수록 미수화 입자들의 재수화 효과가 향상되어 상대적으로 높은 UPV 증가율이 나타나는 것이다. Reinhardt and Jooss²³⁾의 연구에서 담수의 온도가 20°C, 50°C, 80°C로 증가할수록 균열치유 효과가 크다고 하였다. 본 연구의 온도 범위인 5°C ~ 25°C의 온도에서도 온도가 높을수록 자기치유 효과의 차이가 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 3는 해수에 침지한 균열을 발생시키지 않은 시험체와 균열을 발생시킨 시험체의 UPV 증가율을 나타낸 것이다. 균열을 발생시키지 않은 시험체의 경우(Fig. 3(a)), 20% GGBFS 치환율까지 침지 30일까지의 UPV 증가율()과 침지 30일에서 60일사이의 UPV 증가율()이 큰 차이가 없이 비슷하게 나타났다. 균열을 발생시킨 시험체의 경우(Fig. 3(b)), 침지 30일까지의 UPV 증가율()이 침지 30일에서 60일까지의 증가율()보다 크게 나타났다. 이러한 증가율 경향은 담수에 침지한 균열을 발생시킨 시험체의 UPV 증가율 특성(Fig. 2(b))과 유사하다. 또한 균열을 발생시킨 시험체의 경우 GGBFS의 치환율이 증가할수록 UPV 증가율()도 증가하여, 30% GGBFS 치환 시험체의 UPV 증가율()이 가장 컸다.

그러나 담수에 침지한 시험체들과 달리 해수에 침지한 균열을 발생시키지 않은 시험체와 균열을 발생시킨 시험체 모두 침지 해수의 온도에 따른 UPV 증가율은 온도에 따른 일정한 경향을 보이지 않았다. 담수의 경우 침지 담수의 온도가 높을수록 UPV 증가율이 증가하는 경향을 보이지만, 해수의 침지온도에 따른 UPV 증가율은 GGBFS 치환율, 균열 발생 유무 등에 따른 뚜렷한 경향성을 찾기 어려웠다. 이는 해수에 포함된 다양한 무기물질들에 의한 균열면 또는 자기치유 물질 생성 등에 영향을 주어 UPV의 측정시 온도에 따른 영향이 없거나 UPV 측정에 영향을 미치는 다른 원인이 있을 것으로 판단된다.

담수와 해수에 침지된 시험체들의 UPV 증가율을 살펴본 결과 GGBFS의 치환율과 침지 온도는 UPV 증가에 일정 부분 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히 GGBFS의 치환율에 대한 자기치유 효과를 살펴보면 GGBFS 치환율이 증가함에 따라 UPV 증가율(, )을 통해 자기치유 효과가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 OPC의 일부를 GGBFS로 치환한 경우, OPC보다 낮은 GGBFS의 수화반응성으로 인해 재령의 증가에 따른 자기치유 효과가 일정 부분 지속된다.²⁵⁾ 이러한 결과는 Liu and Zuo²⁶⁾의 GGBFS와 FA의 치환율이 증가함에 따라 자기치유 능력도 증가한다는 연구결과와 Tittelboom et al.²⁵⁾도 GGBFS의 치환이 자기치유 효과를 향상시킨다는 연구결과와 유사한 결과이다. 특히 GGBFS의 치환율이 증가할수록 미수화 GGBFS의 양이 상대적으로 증가하고, 이는 균열 발생 후 균열면에 노출되는 미수화 GGBFS와 OPC의 양도 증가하게 되므로 균열면의 자기치유현상이 시간의 경과에 따라 서서히 발생한다.²⁷⁾ 또한 온도에 따른 자기치유 효과도 앞서 언급한 Reinhardt and Jooss²³⁾의 연구결과처럼 담수의 경우에는 상대적으로 높은 온도에서 UPV 증가율이 크게 나타나고 있었다. 그러나 해수에서는 온도에 따른 명확한 경향을 확인하기 어려웠다.

Fig. 2와 Fig. 3에서 담수, 해수 모두 균열을 발생시킨 시험체에서 침지 30일까지의 UPV 증가율이 침지 30일에서 60일까지의 UPV 증가율보다 상대적으로 높게 나타났다. 이를 통해 균열이 발생한 시험체의 침지 후 30일 동안 미수화 시멘트 또는 GGBFS의 수화 진행과 균열면의 자기치유 물질에 생성 등에 의한 균열면의 자기치유 효과가 최대로 발생하고, 이후에는 감소하여 자기치유 효과가 감소하는 것이다. 이는 선행 연구결과들에서 균열 발생 후 자기치유 효과는 침지 초기 또는 침지 후 약 30일 전후의 기간 동안 가장 활발히 일어난다는 연구들과 유사한 결과를 나타내었다.^27-29)

자기치유의 경우, 시험체의 재령 증가에 의한 UPV 증가효과와 자기치유에 의한 UPV 효과를 구분하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 동일한 배합의 시험체를 균열을 발생시키지 않은 시험체(uncracked specimens)과 균열을 발생시킨 시험체(cracked specimens)으로 구분하여 동일한 조건에서 침지하여 서로의 UPV를 비교하였다. 이를 통해 재령에 의한 효과와 자기치유에 의한 효과를 구별하는 시도를 하였다. 침지 30일과 60일에서 재령효과를 고려한 자기치유 효과의 차이(, )는 다음 식을 통해 균열을 발생시키지 않은 control (uncracked)과 균열을 발생시킨(cracked) 시험체의 UPV 차이를 계산하였다.

(1-5)

(1-6)

담수에 침지한 시험체들의 비교는 식 (1-1)과 식 (1-4)에 의해 계산된 균열을 발생시킨 시험체의 30일 침지 후 UPV 변화율()에서 균열을 발생시키지 않은 시험체의 30일 침지 후 UPV 변화율()의 차이를 식 (1-5)로 계산하였다. 또한 침지 60일에서 균열 시험체와 control 시험체의 UPV 차이는 식 (1-6)으로 계산하였다. 해수에 침지한 시험체도 동일한 방법으로 식 (1-5)와 (1-6)에 의해 계산하였다. 식 (1-5)와 식 (1-6)의 계산 값의 차이가 양수(+)인 경우는 재령에 의한 UPV 증가보다 자기치유에 의한 UPV 증가가 UPV 향상에 더 큰 영향을 미쳤다는 의미이다. 반대로 값의 차이가 음수(-)인 경우는 자기치유 효과보다 재령에 의한 효과가 UPV 향상에 더 큰 영향을 미친다는 의미이다.

Fig. 4와 Fig. 5은 식 (1-5)와 (1-6)에 의해 계산된 재령효과를 고려한 자기치유 효과를 나타낸 것이다. 담수에 침지한 시험체는 침지 30일에서의 자기치유효과와 재령효과의 차이비교는 Fig. 4(a)에 나타난 바와 같이 의 값이 양수(+) 값들로 자기치유에 의한 UPV 증가가 재령효과에 의한 UPV 증가보다 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그리고 침지온도가 높을수록 동일한 GGBFS 치환율에서 도 높게 나타났다. 또한 GGBFS의 치환율이 10%에서 30%로 증가함에 따라 가 증가하고 있었다. 이는 GGBFS의 치환율이 증가함에 따라 GGBFS의 늦은 수화반응이 균열면의 자기치유에 일정 부분 영향을 주어 UPV가 증가하였다. 침지 60일에서의 는 Fig. 4(b)에 나타난 것처럼 침지 30일보다(Fig. 4(a)) 낮은, “0”에 근접한 수치를 나타내고 있으며 일부 침지온도와 GGBFS 치환율에서는 음수(-)값을 나타내었다. 이는 침지 30일 이후부터 침지 60일까지 자기치유 효과가 급격히 감소하고 있음을 나타낸다.

해수에 침지한 시험체들의 경우 침지 30일에서의 는 담수에서와 마찬가지로 양(+)의 값을 나타내고 있었다. 침지 온도에 대한 영향은 5℃에 침지한 시험체들의 자기치유 효과에 의한 UPV 증가가 가장 켰고, 그다음이 25°C와 15°C순서였다. 이는 온도가 높을수록 자기치유 효과에 의한 UPV 증가율이 향상되는 담수의 경향과는 다소 다른 특성인다. 침지 60일에서 측정한 는 0% GGBFS의 15°C 침지 시험체와 20% GGBFS 치환한 15°C 시험체를 제외하고는 모두 음수(-)값을 나타내고 있었다. 이는 침지 30일부터 60일까지 자기치유 효과는 거의 미미해지고 재령에 의한 효과가 UPV 증가의 주요 요인임을 의미한다. 따라서 해수에 침지한 시험체의 경우 자기치유는 침지 30일까지 가장 활발히 발생하고 이후에는 자기치유 효과가 급격히 약화되는 것으로 판단된다. 담수와 해수의 이러한 차이는 해수 중에 함유되어 있는 다양한 물질들에 의해 침지 30일까지 자기치유 효과가 촉진되지만 이후에는 그 효과가 감소되는 것으로 판단된다. 침지 30일 이후에 자기치유 효과의 감소는 다양한 원인을 생각할 수 있는데, 균열면의 미수화 입자들의 재수화, 반응생성물질 그리고 침전물 등이 균열면을 덮어 해수 또는 담수와의 접촉면적이 줄어 새로운 반응생성물질이나 재수화 등이 생성되는 것이 방해받기 때문으로 생각할 수 있다.

Palin et al.²⁴⁾은 GGBFS-OPC 혼합 시멘트 모르타르의 자기치유 실험에서 해수에 침지한 시험체의 균열치유 속도가 담수 침지 시험체보다 더 빠르다고 하였다. 그 원인으로 해수 속에 포함된 다양한 이온들이 자기치유에 긍정적인 효과를 나타내기 때문이라고 하였다. 본 연구의 범위에서 살펴볼 때 담수보다는 해수에서의 UPV 증가율이 향상되는 결과를 보이고 있어, 상대적으로 해수에서의 자기치유효과가 더 큰 것으로 나타났다.

3.2 SEM

Fig. 6는 침지 60일에 균열이 발생된 시료들의 균열부를 SEM 관찰한 것이다. 해수에 침지했던 시험체의 균열부와 표면에는 밝은 흰색의 침전물이 생성되어 있었다. 특이 이 침전물은 균열을 따라 두꺼운 띠를 형성하고 있었다(Fig. 6 (a)~(d)). EDS 분석을 통해 균열을 따라 침전된 물질(Fig. 6(a)의 “a”)과 균열 주위의 침전물(Fig. 6(b)의 “b”와 Fig. 6(e)의 “c”)을 분석해 보았다. Fig.7은 Fig. 6에서 나타난 침전물질들에 대한 EDS 분석 결과를 나타낸 것이다. Fig. 7(a)와 (b)는 Fig. 6(a)의 “a”지점과 Fig. 6(b)의 “b” 지점에 대한 EDS 분석 결과이다. 침전물은 해수 중에 포함되어 있던 Mg에 의한 brucite (Mg(OH)₂)였다. 시험체 표면과 균열을 따라 형성된 brucite에 의해 균열의 자기치유가 담수의 자기치유보다 상대적으로 늦게 된다. 이는 30일 이후 급격한 UPV 증가율의 감소(Fig. 3(b))와 자기치유 효과의 감소(Fig. 5(b))를 나타낸다. 그러나 담수에 침지한 균열 시험체의 경우 균열이 선명하게 관찰된다(Fig. 6(e)~(h)). 해수에 침지된 시험체와 같이 균열면 일부와 표면에 많은 침전물이 확인되었다. 이 침전물에 대해 Fig. 6(e)의 “c” 지점에서 생성물질에 대한 EDS 분석을 수행하였다. 그 결과 Fig. 7(c)에 나타난 바와 같이 calcium carbonate (CaCO₃)였다. Fig. 6(h)는 담수에 침지한 시험체의 균열면을 확대한 것으로 균열부 주위에 calcium carbonate (CaCO₃)가 생성되어 균열폭이 좁아진 것을 확인할 수 있다. 이는 담수 중에 용해되어 있던 CO₂에 의한 것으로, 담수와 해수에 침지한 시험체의 표면에 침전된 물질에 대한 Palin et al.²⁴⁾의 연구결과에서도 유사한 침전물의 결과를 언급하였다. 그는 담수(fresh-water)에 침지한 시험체에서는 aragonite를, 해수에 침지한 시험체에서는 magnesium 침전물을 관찰하였다. 선행 연구에서 Conjeaud³⁰⁾와 Buenfeld and Newman³¹⁾ 등이 해수에 침지된 시험체 표면에 생성된 물질에 대한 언급을 하였다. 그들은 이러한 표면 침전물이 해수 중의 magnesium ions에 의한 것이라고 하였다.

본 연구에서, 해수에 침지한 균열을 발생시킨 시험체의 UPV 증가율 등이 침지 해수의 온도에 따른 경향성이 없었던 것은 균열면을 따라 생성된 brucite의 영향으로 판단된다. 표면에 발생된 균열의 일부 또는 전부를 brucite가 생성되어 마치 균열이 치유되어 균열이 닫힌 것처럼 UPV 값이 나타난 것으로 판단된다. 이는 표면의 균열을 따라 brucite가 생성됨으로 인해 침지 후 일정 기간 이후에는 균열 내부에 원활한 해수의 흐름과 자기치유 물질 결정화작용 등을 저해하여 상대적으로 낮은 자기치유효과를 유발하는 것으로 판단된다. 이러한 brucite의 생성은 해수 중의 무기염류인 magnesium의 영향으로 brucite의 생성으로 인해 침지해수의 온도에 따른 UPV 특성을 명확히 파악할 수 없었다.

4. 결    론

해수(sea-water)와 담수(tap-water), 5°C, 15°C 그리고 25°C의 침지온도, GGBFS 치환율 0%, 10%, 20% 그리고 30%에서 UPV 측정을 통한 자기치유 측정과 재령효과를 고려한 자기치유 효과에 대한 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

1)해수와 담수에 침지한 균열을 발생시키지 않은 시험체와 균열을 발생시킨 시험체 모두 침지 후 30일과 60일에 측정한 UPV가 증가하였다. 이는 담수와 해수 중에 침지된 균열이 발생한 시험체의 자기치유효과를 UPV 측정을 통해 확인 할 수 있었다.

2)GGBFS 치환율이 0%에서 30%로 증가함에 따라 침지 30일과 60일에서 UPV 증가율이 증가하고 있었다. 이는 GGBFS의 치환은 자기치유효과 향상과 침지기간의 증가에도 유효한 자기치유 효과를 나타내는 것으로 선행연구결과들과 유사한 경향을 나타내었다. 따라서 자기치유 효과를 높이고 침지기간이 길어지는 환경을 고려할 때 GGBFS의 치환이 자기치유효과 증대에 효과적인 것으로 판단된다.

3)담수의 경우 균열을 발생시킨 시험체의 자기치유효과는 침지 온도가 25°C > 15°C > 5°C 순서로 높은 침지 온도에서 UPV 증가율도 높아 자기치유효과가 향상되었다. 그러나 해수의 경우 SEM 관찰을 통해 시험체 표면의 균열을 따라 생성된 brucite 등의 영향으로 침지 온도에 따른 UPV 특성이 명확하지 않았다.

4)균열 발생 후 담수와 해수 모두 침지 30일까지의 UPV 증가율이 침지 30일에서 60일까지의 UPV 증가율보다 상대적으로 높게 나타났다. 이는 균열 발생 후 침지 30일까지의 기간 동안 자기치유효과가 가장 활발하다. 또한 침지 30일까지는 UPC 증가는 자기치유효과가 재령의 증가에 의한 효과보다 큰 영향을 미치고 30일 이후 에는 자기치유 효과와 재령의 효과 모두 급격히 감소하거나 재령에 의한 UPV 증가 효과가 자기치유에 의한 효과보다 미소하게 큰 것으로 나타났다.

본 연구결과를 통해 UPV 측정방법으로 재령효과를 고려한 자기치유 효과를 확인할 수 있었고, GGBFS의 치환율, 담수와 해수, 침지온도 등에 따른 자기치유 효과를 측정하였다. 연구 범위 내에서 재령효과와 자기치유효과를 비교할 때 균열을 발생시킨 시험체는 침지 30일까지의 충분히 적절한 조건을 마련한다면 자기지유 효과를 향상시켜 균열치유에 효과를 나타낼 것으로 판단된다.