2.1 사용재료

본 연구에 사용된 실란계 발수제(silane-based water repellent agent)는 규산알루미늄, 규산나트륨을 주성분으로 하는 침투성분과 플루오로카본화합물, 에틸렌비닐아세테이트의 발수성분으로 구성된 상업용 발수제이며 사용량은 콘크리트 표면 1 m²당 1 L 이상을 권고하고 있다. 기존의 발수제와 유사하게 콘크리트 표면에서 침투하여 공극 내에서 Precipitated Ca(OH)₂가 화학적으로 팽창형인 C-S-H gel 형태로 변형할 수 있게 유도함으로 공극구조개선 효과와 함께 콘크리트 표면부에서 물분자의 침투방지를 일정정도 유지하는 것으로 알려져 있다.

시편제작은 모르타르를 사용했으며, 발수제의 성능을 명확하게 하기 위해 W/C는 0.5로 고정하여 중품질 이하의 모르타르를 제작했다. 사용된 모래의 비중은 2.60, 흡수율은 1.00 %이며 모르타르의 배합은 시멘트: 물: 모래의 순으로 1.00: 0.50: 2.50이다. 시멘트의 화학적 성분은 시편제작 전 XRF를 통해 조사하여 Table 1에 정리했다.

철근부식 시험에 사용된 철근은 Ø10 mm$\times$200 mm의 원형철근으로 모르타르 타설 전 염산을 통해 표면부 Millscale을 제거함으로써 불필요한 방청기능을 억제하였다. 또한 철근 양쪽 끝단 20 mm는 1차로 시멘트 페이스트, 2차로 열수축밴드로 절연상태를 유지하여 철근부식을 방지했다. 철근과 외부와의 전기적 연결은 한쪽 끝단부에 나사홈 형태로 연결하여 이종부식의 가능성을 없애 부식모니터링 상 불필요한 오독의 요소를 방지했다.

2.2 시편제작

본 연구에 사용된 시편은 탄산화, 염해 및 철근부식에 대한 발수제의 효과를 검증하기 위해 중품질 이하의 모르타르를 사용함으로써 굵은 골재의 분포에 따른 왜곡현상을 최소화하고 내구성능의 영향성을 극대화하도록 설계되었다. 탄산화 및 염소이온 침투 저항성 평가를 위한 모르타르 시편은 Ø100 mm$\times$200 mm 실린더형으로 제작하여 양끝단 50 mm 절삭했다. 양생은 20 °C 온도조건, 상대습도(relative humidity) 95 %이상에서 실시하였다. 양생기간은 28일로 한정하였으며 다만 촉진 염소이온 침투시험의 경우 양생기간을 28, 90, 180일로 확대하였다. 각 시험별 모사시편(replication)은 4개로 설정하였으며 평균값을 계산하여 사용했다.

철근부식 모니터링을 위한 시편은 Fig. 1과 같이 Ø10 mm $\times$200 mm의 4개의 원형철근을 50.0 mm의 간격으로 배치하여 300 mm$\times$300 mm$\times$150 mm의 직육면체형 모르타르 시편으로 제작했다. 각 철근의 한쪽 끝은 전기적으로 연결되어 있으며 이후 부식전위 측정을 위한 연결선으로 이용했다. 양생은 염소이온 침투시험과 동일하게 진행하였으며 모사시편은 4개다.

수은압입법을 통한 공극분포 시험은 시멘트 수화도가 충분히 완료된 조건에서 발수제의 효과를 검증하기 위해 Ø100 mm $\times$200 mm 실린더형으로 제작한 후 90일간 동일한 방법으로 양생했다. 이후 샘플은 약 직경 20 mm의 파편을 모르타르 시편 내부에서 채취했다.

발수제 도포 방식은 그 횟수에 따라 다르게 처리했다. 도포 횟수 1회의 경우, 분무기로 충분히 모르타르 시편에 도포한 후 30분간 거취(Standing)후 기건상태로 1주일간 건조하였다. 2회이상 다중도포의 경우 1차도포 후 30분간 거취, 2차도포 후 30분간 거취 했으며, 도포 완료 후 기건상태로 1주간 건조하였다. 이후 시편은 양생실에서 24시간 거취된 후 필요에 따라 염수침지(4.0 M NaCl solution) 또는 추가 시험(수은압입법, 촉진염소이온침투시험)에 사용되었다. 본 연구에서는 2회 도포를 원칙으로 시험에 적용했다.

Fig. 1 Schematic for monitoring the onset of corrosion in mortar by half-cell potential

2.3 탄산화 저항성 및 최적 도포횟수

모르타르 시편에 발수제 도포 횟수에 따른 탄산화 저항성 평가를 우선적으로 실시했다. 탄산화 조건은 CO₂ 농도 2.0 %, RH 65 %, 온도 25 °C로 촉진탄산화의 조건을 구성하였다. 이후 탄산화 저항성은 0.1 M 페놀프탈레인을 모르타르 시편 종단면에 분무하여 무색에서 핑크/보라(purple)로 변색하는 구간의 깊이를 탄산화 깊이로 정의했다. 모르타르 시편은 탄산화 환경에 8주간 노출됐으며 발수제 도포 횟수에 따른 탄산화 깊이를 시험 완료 이후 버니아캘리퍼스를 통해 측정했다.

또한 탄산화 환경에 장기간 노출된 시편의 탄산화 저항성을 평가했다. 발수제 도포횟수는 2회로 제한했으며, 동일한 탄산화 조건에서 26주간 노출 후 탄산화 깊이를 측정했다. 이를 통해 발수제 도포 유무에 따른 탄산화 저항성이 명확하게 평가될 수 있으며, 탄산화 진행속도(carbonation rate)를 정의하고 예측하는 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

2.4 염소이온 침투 및 공극구조

발수제 도포 유무에 따라 염소이온 침투 저항성은 고농도 염수 노출 조건과 대전된 상태에서 촉진염소이온 침투시험(rapid chloride penetration test; ASTM C 1202)을 통해 측정했다. 실린더형 시편은 1방향의 염소이온 침투를 위해 종단면 1면을 제외한 모든 면은 에폭시레진 코팅처리를 했다. 코팅되지 않은 면들에는 발수제를 2회도포 후 기건건조 및 양생거취(standing) 후 염수에 침지했다. 염수는 4.0 M NaCl용액으로 대형수조에 조제했으며, 수조 내부에 열전대(thermocouple)를 설치하여 염수온도를 25 °C로 유지했다. 또한 매 2주마다 염수 농도를 확인하여 추가적인 NaCl 및 수도물을 추가로 공급했다. 상기 노출은 26주간 지속했으며 종료 후 시편 깊이에 따른 염소이온 프로파일을 측정했다. 염소이온 프로파일을 위해 수조에서 꺼낸 시편의 수분을 즉시 제거한 후 표면에서부터 다이아몬드 그릿 그라인더를 사용하여 1.0 mm 간격으로 15.0 mm까지 모르타르 분말을 채취했다. 염소이온 함유정도에 따라 1.0~2.0 g의 채취된 분말을 50 mL 증류수와 혼입했다. 또한 이 과정에서 가열하며 2~3방울의 질산 혼입을 통해 산가용성 염소이온까지 추출했다. 추가적으로 1분정도 가열 후 냉각하여 필터페이퍼를 통해 상기의 Suspension을 걸러낸 뒤 상온까지 냉각시켰다. 다음으로 Silver nitrate titration을 통해 염소이온 농도를 측정하고 채취된 분말에 맞게 환산하여 깊이별 염소이온 농도의 프로파일을 산정했다. 이와 같이 염소이온 프로파일을 이용하여 표면염소이온 농도 및 확산계수를 산정했다. 표면염소이온농도는 염소이온 프로파일의 외삽(extrapolation)을 통해 깊이 0.0 mm일 때의 농도를 계산하도록 한다. 확산계수는 각 깊이별 염소이온의 농도를 Fick’s 2nd law의 의해 계산했으며 계산된 깊이별 확산계수의 평균값을 1차로 사용하여 실측값과 비교하여 결정계수가 가장 높을 때의 확산계수를 선택한다^{(KS F 2711)}. 이 과정에서 시멘트, 골재 및 배합수에 존재할 수 있는 내재염소이온 농도는 존재하지 않는 걸로 가정했다.

촉진염소이온 침투시험법(rapid chloride penetration test; ASTM C 1202)은 ASTM C 1202에 근거하여 실시했으며 발수제 도포는 2회, 도포방법은 본 논문 2.2절에 제시된 바와 같다. 또한 모르타르 양생일수는 28, 90, 180일로 발수제 성능과 모르타르 양생정도에 따른 염소이온 침투저항성을 동시에 비교할 수 있도록 했다.

공극구조 시험은 수은압입법을 통해 Fragment 채취 및 발수제 도포, Standing 이후 측정을 실시했으며, 저압에서 고압으로 압력을 높여가며 수은을 주입했다. 압력과 모르타르 시편 내의 공극 간의 관계는 Washburn Equation에 의해 정의하며 다음과 같다.

여기서, $r$ : 공극의 반지름(Average radius of pore)

$\theta$ : 접촉각(Contact angle)

$\gamma$ : 표면장력(Surface tension)

$P$ : 재하압력(Pressure given by mercury)

2.5 염해철근부식

철근부식 개시 시기 모니터링을 위해 4.0 M NaCl 염수에 침지되어 있는 모르타르 내 철근의 반전지전위(Half-cell potential) 측정을 매 2주간 실시했다. 모르타르 침지 전 발수제 도포는 2회 실시했으며 원형철근 4개를 1개조로 하여 배근하여 제작한 뒤 양생을 거쳐 침지 후 26주간 모니터링했다.

반전지전위는 칼로멜전극(vs SCE)을 사용하여 부식전위를 측정함에 따라 철근부식 임계 전위는 -275 mV(vs SCE)이며 황산동구리전극(vs CSE)을 사용할 경우인 -350 mV (vs CSE) 보다 현저히 낮은 임계 전위를 나타낸다. 부식전위 모니터링을 통해 철근부식 개시시기를 정의하고 26주간의 모니터링 이후 철근을 모르타르에서 채취하여 철근표면의 모르타르 파편을 제거하고 철근의 부식정도를 육안으로 조사했다.

3.1 탄산화 저항성 및 모르타르 표면보호

실란계 상업용 발수제(water repellent agent, WRA)의 도포횟수에 따른 탄산화 저항성을 촉진 탄산화 환경에 8주간 노출 시 탄산화 깊이를 Fig. 2에 나타냈다. 발수제를 도포하지 않은 표준시편(Control)의 경우 탄산화 깊이는 8.40 mm인 반면, 발수제 1회도포 시 탄산화 깊이가 4.75 mm로 급격히 감소하는 것을 확인했다. 탄산화 깊이는 발수제 2회도포 시에는 3.38 mm, 3회 시 3.32 mm, 4회 시 3.34 mm이며, 2회이상 도포 시 발수제의 탄산화 억제에 영향성은 미미함을 확인했다. 탄산화 촉진조건에 24주간 장기 노출할 경우 발수제의 탄산화 저항성에 대한 평가를 Fig. 3에 나타냈다. 발수제의 도포는 2회 이상 도포 시 탄산화 억제효과가 급격히 감소되는 점을 감안하여 발수제 도포는 2회로 제했다. 그 결과, 발수제를 도포하지 않은 표준시편의 탄산화 깊이는 10주에서 약 10 mm, 20주에서 14 mm로 증가하는 반면, 발수제 도포 시편의 탄산화 깊이는 동일기간 3.70, 5.50 mm로 약 40 % 내외 수준에서 탄산화가 진행됐다. 이는 탄산화 진행속도(carbonation rate)를 다음과 같이 주로 경험적으로 나타내고 있음을 주지할 때, 철근 깊이까지 탄산화에 의한 내구수명은 약 6.25배 증가함을 의미한다.

여기서, $d$ : 탄산화 깊이

$C$ : 탄산화 계수

$t$ : 탄산화 환경 노출시간

이와 같이 발수제의 탄산화 억제효과는 매우 우수하게 작용했으며, 이에 대한 원인은 (1) 모르타르 표면부에서 공극구조 개선에 따른 물분자의 흡수제한, (2) 모르타르 표면부에서 발수기능에 의한 탄산화 억제 효과 및 (3) 모르타르 표면내부에서 발수제에 의해 수화물인 Ca(OH)₂가 C-S-H gel로의 화학적 변화 때문인 것으로 판단된다. 특히 공극구조 개선 및 표면부에서의 공극 치밀화는 염소이온 침투에 관한 내구성능 평가에서도 매우 중요한 요소이며, 이에 대한 정량적, 직접적 평가가 수반되어야 한다. 본 연구에서는 수은압입법을 이용한 공극분포 평가를 통해 발수제에 의한 공극구조 개선 효과를 검증했다. 또한 공극구조 외에 콘크리트 표면부에서 발생하는 Ca(OH)₂와 C-S-H gel간의 상 평형 상태에서 발수제 영향에 의한 미세구조 변화는 탄산화 속도의 주요 요소로 검증 필요성이 매우 높은 것으로 판단된다. 또한 모르타르 표면부 내에서 Ca(OH)₂수화물의 2차 생성물 C-S-H gel 형성을 통해 물의 투수성의 감소도 일정부분 탄산화 저항성에 기여하며 표면부에서 Ca(OH)₂의 저감은 탄산화 반응원 자체의 소멸로 탄산화 저항성을 더욱 증가시킬 수 있는 것으로 판단된다.

Fig. 2 Carbonation depth for mortar exposed to CO2 chamber depending on the amount of water-repellent agent

Fig. 3 Carbonation depth over time for control and water-repellent agent (WRA) specimens exposed to CO2 chamber

3.2 염소이온침투 저항성

발수제 도포에 따른 염소이온 침투 저항성에 대한 평가는 장기염수침지에 따른 염소이온 확산에 의한 염소이온 프로파일로 Fig. 4와 같다. 표준시편의 경우 모사시편에 관계없이 표면염소이온 농도가 3.41~3.74 %로 일정 범위에 존재하며 염소이온 프로파일도 침투 깊이에 따라 염소이온 농도가 감소하는 전형적인 형태의 프로파일을 나타낸다. 발수제가 도포된 시편의 경우, 표면염소이온 농도는 3.77~3.92 %로 표준시편보다 약간 높게 나타난다. 이는 모르타르 표면부에서 시멘트 수화물이 상대적으로 집중됨에 따라 염수-시멘트 수화물 간의 화학적 상평형 상태를 위해 고정화된 염소이온이 증가되고, 이로 인해 표면부에서의 염소이온의 농도가 증가된 것으로 판단된다^{(Song et al. 2008a)}. 표면염소이온 농도 산정 시 총염소이온의 농도는 자유염소이온과 고정화된 염소이온의 합으로 결정된다. 실제로 자유염소이온의 농도는 염수와 콘크리트 표면 간의 화학적 평형상태(Chemical equilibrium)를 위해 일정한 값으로 존재한다. 그러나 고정화된 염소이온은 시멘트 종류에 따른 화학적 고정화 능력과 수화물 생성에 따른 물리적 흡착능력에 의해 결정된다^{(Song et al. 2008b)}. 발수제 사용에 따라 통입기법에 의한 추가적인 C-S-H gel 생성으로 염소이온의 고정화능력이 향상되었고 또한 공극구조의 치밀화는 표면부 내의 공극부 비표면적의 증가로 자유염소이온 농도 역시 증가할 수 있음을 시사한다^{(Glass and Buenfeld 2000)}. 결국 고정화능력의 향상과 공극구조의 변화는 다소간의 표면염소이온 농도의 증가를 야기시키게 된 것으로 판단된다.

특히 염소이온 농도는 2.0 mm까지 상대적으로 급격히 감소하고 이후 완만히 감소하는 것을 확인할 수 있다. Table 2에 확산계수와 표면염소이온 농도를 계산하여 나타내었으며, 발수제 도포 시, 겉보기 확산계수(apparent diffusion coefficient)를 계산할 경우^{(fib 2020)} 1.0~2.0 mm깊이에서의 급격한 염소이온 농도 차에 의해 상대적으로 매우 큰 오차(statistical variance)가 발생하여 2.0 mm이후의 겉보기 확산계수를 계산할 경우 모사시편에 따라 3.77~3.92$\times$10^-12 m²/s로 표준시편 범위인 3.41-3.74$\times$10^-12 m²/s와 동일한 범위임을 알 수 있다. 이와 같이 동일한 범위의 확산계수는 발수제의 영향범위가 모르타르 시편의 내부(2.0 mm 이상의 깊이)에서는 영향을 미치지 못하고 표면부 1.0-2.0 mm에 국한적으로 제한되는 것으로 판단된다. 특히 발수제 영향범위 내에서는 공극구조가 치밀화되고 수화물의 추가적인 생성은 염소이온의 침투구배가 급격히 감소시키는 염소이온의 이동성(chloride mobility)을 매우 높은 범위에서 제한하는 것으로 판단된다.

촉진염소이온 침투시험을 통한 발수제의 효과는 대전상태에서의 통과전하량을 측정하고 동시에 시편의 양생기간을 영향인자로 반영함으로써 발수제와 시멘트 수화도 간의 내구성능에 미치는 영향성을 평가하여 Fig. 5에 나타냈다. 표준시편과 발수제 도포한 시편 모두 양생기간 증가에 따라 통과전하량이 감소하는 것을 확인하였다. 즉, 발수제를 도포할 경우에도 양생기간 증가로 인한 시멘트 수화도의 증가에 따라 염소이온 침투저항성이 매우 선형적으로 증가됨을 알 수 있었다. 그러나 발수제 도포 유무에 따른 통과전하량은 양생기간에 상관없이 유사한 값을 나타냈다. 이는 염소이온 침투저항성이 동일하다는 반증으로 위에서 언급한 염수 장기폭로 시험과는 다른 결과를 나타내고 있다.

일반적인 침지상태에서 염소이온의 이동은 확산에 의해서만 발생하게 되고 주요한 영향인자는 콘크리트(본 연구에서는 모르타르)의 공극구조(공극량) 및 공극분포에 의존하게 된다. 이는 대전상태에서의 시험(ASTM C 1202)에서도 동일하게 작용하는 원리이고 그렇기 때문에 촉진시험으로 염소이온의 이동성에 대해 장기적인 폭로시험 대신 대체하는 이유이다. 그러나 본 연구에서 사용한 발수제와 같이 발수제의 통입(surface impregnation)기법이 적용될 경우 모르타르 표면부 수 mm에서 공극구조가 치밀해져 시험조건에 따라 상이해질 수 있다. 침지(폭로)상태에서 염소이온의 이동이 확산에 의존할 경우 발수제 통입구간(surface impregnation zone)에서의 확산계수는 급격하게 감소함으로써 전체적인 확산계수의 감소폭은 미미하더라도 염소이온량의 분포(chloride ingresses)는 감소하게 된다. 그러나 대전상태에서는 공극구조의 치밀성이 시편의 극히 작은 영역에서만 유효하게 적용되기 때문에 통전성에는 큰 영향을 미치지 않게 된다. 즉, 대전상태에서의 촉진시험을 통한 통과전하량은 시편의 폭이 50mm인데 발수제의 통입 폭이 2~3 mm정도 일 것이므로 영향성은 5 % 이하 정도가 된다. 그러므로 발수제에 의한 염소이온 침투 저항성의 평가는 촉진시험에 의해 과소평가될 것으로 판단된다.

Fig. 4 Chloride profiles for mortar specimens immersed in 4.0 M NaCl

Fig. 5 Charge passed through water-repellent agent (WRA)-treated mortar in a rapid chloride penetration test

3.3 철근부식 개시시기

모르타르 시편을 발수제 도포 후 4.0 M NaCl 염수에 장기 침지하여 반전지전위를 매2주 간격으로 26주간 모니터링 하여 Fig. 6에 나타냈다. 26주간의 모니터링 종료 후 모르타르 시편에서 철근을 채취, 철근 표면의 파편 제거 후 철근의 육안조사를 위한 사진도 같이 나타내었다. 표준시편의 경우 모사시편에 관계없이 초기 10주까지 -260 mV~-200 mV(vs SCE)범위의 방식구간으로 부식전위의 증감이 규칙없이 나타나고 있다. 12주차부터 모사시편 중 철근부식 개시를 나타내는 -275 mV(vs SCE) 이하의 부식전위 모니터링 결과를 보이며 부식개시는 이후 14주, 18주 22주차에 철근부식이 개시됨을 알 수 있다. 철근부식 임계전위 이하 범위로 감소한 이후 부식전위는 지속적으로 감소하다가 다시 증감을 반복하는 현상을 나타냈었으나 다시 임계전위 이상으로 증가하지 않고 부식상태를 유지했다. 발수제 도포의 경우 모든 모사시편 n에서 모니터링 초기 20주차까지 부식전위는 -250 mV~-200 mV(vs SCE)의 방식범위로 나타났다. 모사시편은 2개의 시편에서 철근부식 임계전위 이하로 감소했으며, 22, 24주차에 철근부식이 발생됐다. 나머지 2개의 모사시편에서는 26주 모니터링 기간 종료까지 부식임계전위를 넘지 않고 방식범위를 유지하였다.

모니터링 종료 후 모르타르 내부의 철근상태에 대한 육안조사 결과 표준시편에 채취한 철근은 모두 심각한 부식상태를 보여주고 있다. 철근부식의 발생위치가 철근 중앙부, 끝단부 등에서 발생하는 등 특별한 형태는 없는 것으로 나타났다. 이는 철근부식 발생위치는 모르타르(또는 콘크리트)와 철근의 계면에서 시멘트수화물에 의해 염소이온 및 부식유해이온을 완충하지 못하는 철근표면부에서 발생한다. 즉 시멘트 수화물 분포가 존재하지 않고 공극 및 기포에 의해 계면을 차지하는 영역에서 철근부식이 발생하게 되며 이는 주로 모르타르 제작과정 중 진동/다짐에서 발생한다. 철근 끝단에서의 부식개시는 진동/다짐에서 기포 및 공극이 집중에 의한 것으로 예측되며 이에 철근부식이 개시되었을 것으로 보인다. 발수제 도포의 경우 부식전위 모니터링에서 철근부식 개시의 징후가 없거나 22, 24주차에서 나타나 부식진전의 기간이 매우 제한적이었다. 이에 철근의 표면 상태는 부식으로 인한 녹(rust)발생이 전혀 없거나 매우 제한적으로 철근표면에 공식(pitting) 형태로 나타난 것으로 확인했다.

Fig. 6 Half-cell potential measured for four steel rebars embedded in mortar

3.4 공극구조 분포

발수제의 내구성능 향상의 근본적인 효과는 표면부에서의 공극구조의 치밀화이며 이에 대한 검증을 위해 Fig. 7와 같이 공극분포를 수은압입법을 통해 구현하여 나타내었다. Table 3에 모르타르 시편의 발수제 도포에 따른 총공극량 및 최대공극분포(공극크기)을 정리하여 나타내었다. 발수제의 유무에 관계없이 누적공극분포곡선에서 총공극량은 약 0.15 mL/g으로 동일한 공극량을 나타내고 있다. 다만, 공극분포는 누적공극분포의 미분값(differential pore volume)으로 나타냈을 경우 공극량의 분포는 모세관 공극(capillary pore, 1~1,000 nm)에서 가장 높은 비중을 차 지하고 있음을 확인할 수 있다. 표준시편의 경우 모세관 공극 최대 0.01103 mL/g, 발수제 도포의 경우 0.00716 mL/g로 상대적으로 낮게 분포함을 알 수 있다. 또한 10~100 nm 이하의 작은 크기의 모세관 공극 또는 pore, 또는 1,000 nm이상의 연행공기 이상 크기의 공극에서는 발수제 도포유무와 상관없이 동일한 범위의 공극분포를 나타내고 있다. 이는 발수제의 침투경로 및 영향범주가 모세관 공극에 국한됨을 반영하며 실제로 Gel-pore의 경우 본 연구에서 측정범위 밖에 있는 반면, 연행공기 크기 이상의 공극에서는 연속적 연결(inter-connectivity)의 한계 및 공극량의 미미한 분포로 발수제의 영향이 상대적으로 제한적이기 때문으로 예측된다. 또한 모세관 공극에서 발수제 도포에 따른 공극감소의 관찰은 수은압입법 시험 시 약 20 mm 정도의 시험체 크기인 반면 발수제 도포는 시편 표면부 전체이며 내부침투 범위는 수 mm임을 감안할 때 공극의 감소효과는 명확히 확인할 수 있었을 것으로 판단된다.

Fig. 7 Mercury intrusion porosimetry

4.1 내구성능 메커니즘

탄산화와 염해침식은 콘크리트 물성에는 영향을 미치나 직접적으로 콘크리트 구조물의 강성 및 안전성에 미치는 영향은 제한적이라 할 수 있다. 공통적으로 탄산화 및 염소이온의 침투가 철근깊이까지 진행될 경우 고알칼리의 공극수에 의해 보호받고 있는 철근표면에서 부식이 발생하며 인장응력의 감소, 이후 철근부식의 진전에 따라 철근-콘크리트 계면의 붕괴 및 균열의 진전에 따라 피복콘크리트의 탈락 등의 콘크리트의 응력가지 소실됨에 따라 강성 및 안전성에 한계에 이르게 된다. 탄산화는 철근깊이에서 고알칼리의 공극수 및 시멘트 수화물의 높은 pH 영역을 상대적으로 낮은 7.5~8.5까지 저감하여 철근표면에 형성되어 있는 보호막을 제거함으로써 철근부식을 야기시키게 되며 이후 공극수와 용존산소의 음극반응에 의해 철근부식의 속도가 결정된다. 반면, 염해의 경우 철근깊이에서의 염소이온은 Pit-nucleation에서 발생한 수소이온과의 결합으로 강산(Acid)를 형성하여 철근표면의 보호막을 제거함으로써 이후의 철근부식 개시 및 진전의 양상은 탄산화와 동일하게 진행하게 된다. 즉, 탄산화와 염해에 의한 철근부식은 공통적으로 철근표면에서 pH저하에 의해 고알칼리환경에서 보호받던 철근의 보호막이 제거됨에 따라 공극수와 용존산소에 의해 철근부식의 진전이 결정되게 된다. 이에 콘크리트 구조물의 내구성 확보를 위해 탄산화 및 염소이온 침투의 억제하기 위한 방법으로는 (1) 콘크리트 배합의 조정(포졸란계 혼화재, 낮은 W/C), (2) 화학방청제 첨가, (3) 전기방식법, (4) 표면도장, (5) 도장철근 및 스테인레스철근 등의 방법을 사용되어 왔으며 일정부분 성공을 거두어 왔다^{(ISO 18726 2025)}.

발수제는 근원적으로 콘크리트 표면부에서 공극구조 개선 및 물분자의 유입을 제한함으로써 탄산화와 염해에 의한 열화를 지연하는데 목적이 있다. 폴리 머계 표면도장 방식법(polymeric surface treatment)은 콘크리트와 이종인 성질로 인해 외부 침투이온 및 분자로부터 콘크리트 보호 기능은 뛰어나지만 콘크리트 표면과의 부착의 한계로 부착강도는 대개 1.0~2.0 MPa이상을 제한하고 있다^{(KATS 2023)}. 그럼에도 일정기간 경과 시 Blistering-off로 인해 표면도장의 기능상실로 5~10년 정도의 주기적인 재시공을 필요로 한다. 그러나 발수제는 콘크리트 표면내측에서 공극구조를 밀실화하고 동시에 시멘트 수화물의 2차수화를 통해 외부이온의 침투를 억제하는 효과를 유도함으로써 콘크리트와의 부착에 있어 Blistering-off의 문제는 실제로 해결된다. 또한 콘크리트 표면부에서 공극구조 개선을 통한 외부이온의 침투 및 물분자의 침투를 억제하기 때문에 콘크리트 물성, 철근 및 철근표면의 부식 저항성에는 실제적인 영향성은 없는 범위에서 내구성능 및 내구수명 연장 효과를 획득할 수 있다.

이와 같은 발수제의 내구성능 향상 효과는 다른 방식기법과 비교할 경우 일정한 단점과 한계점에서 발생하는 부가적인 역효과를 상쇄하는 장점이 있다고 판단된다. Table 4는 방식기법별 메커니즘과 장단점에 대해 정리하여 나타내었다. 예로써 화학방청제의 경우 30 % Ca(NO₂)₂ 용액이 대표적으로 사용되고 있는데 콘크리트 배합 시 배합수에 일부 치환하여 사용하며 사용량은 약 20~30 L/m³를 사용한다. 방청의 메커니즘은 철근표면에 부가적인 방청피막을 형성하여 부식저항성을 증가시키지만, 첨가량이 부족할 경우 오히려 염해 또는 탄산화 환경에서 철근부식의 정도가 오히려 심화될 수 있고 콘크리트 물성의 경우 장기강도 저하, 응결시간 단축의 부작용이 있다^{(Ann and Buenfeld 2007)}. 이에 대한 보상으로 실리카 흄의 첨가와 지연제(chemical retarder)의 혼입 등의 부가적인 배합수정이 필요하며 이는 경제적 비용 상승을 야기시킨다. 또한 환경측면에서 Ca(NO₂)₂는 매우 유독한 물질로 해수 접촉으로 인한 침출 시 2차적인 환경오염의 문제를 잠재적으로 가지고 있다. 다른 예로 전기방식법의 경우 장치의 설치(electrochemical installation)의 전문적인 인력이 필요로 한다는 점과 경제적 비용이 있으나 방청효과가 매우 우수하다. 그러나 부가적으로 철근-콘크리트 계면에서의 수소가스 발생에 따른 부착강도 저하와 같은 단점으로 저전류, 저전압의 범위에서 전기방식 장치를 유지해야 하는 한계가 있다^{(Ann et al. 2011)}.

상기와 같은 방청기법은 부작용없이 적용될 경우 내구수명은 영속적으로 유지될 수 있으나 내구성의 문제가 야기된 시기가 30년 이내인 점을 고려할 때 방청기법의 부작용이 최소화되며 경제성이 확보될 수 있는 기법의 사용이 우선 시 되어야 실제적 사용성에 우선 되어야 할 것이다. 철근부식을 내구성능의 지표로 설정할 경우 내구수명은 철근부식 개시시기로 할 수 있으며 또는 콘크리트 구조물의 안전성 및 구조적 강성을 고려할 경우 철근부식으로 인한 구조거동 한계가 발생하는 시기라 할 수 있다. 특히 후자의 경우 명확하게 정의하기 한계가 있어 대개 콘크리트 표면에 균열이 발생하거나 철근-콘크리트 계면에서의 균열이 발생하는 시점을 내구수명으로 정의하기도 한다. 본 연구에서는 명확한 정의를 위해 철근부식 개시시기를 내구수명으로 정의할 경우 염소이온의 침투속도 또는 탄산화의 진행속도와 같이 부식인자의 콘크리트 내의 침투속도와 철근의 부식저항성이 내구수명의 결정인자로 작용한다. 그러므로 발수제는 콘크리트 표면부에서 부식인자의 침투속도를 근원적으로 제어하고 부식인자 전체의 양을 콘크리트 내에서 감소시키는 효과를 가져올 수 있다. 다만, 철근의 부식 저항성은 변화가 없으므로 철근부식 개시시기는 부식인자의 침투속도에 의해 결정된다. 본 연구에서 확인된 바 탄산화의 속도는 발수제 도포 시 진전속도가 60 % 이상 감소하고 염수침지에 따른 염소이온 침투에 의한 철근부식 개시시기 역시 2개의 모사시편에 대해 2~3배 이상 지연되는 효과를 확인하였다. 즉, 탄산화에 의한 철근부식 개시시기는 6배 이상 지연되고 염해에 의한 철근부식은 26주간 모니터링에서 부식이 개시되지 않은 모사시편을 고려할 경우 상당한 내구수명 증가 효과를 예측할 수 있을 것으로 판단한다.

4.2 적합성(Compatibility) 검토

발수제의 콘크리트 적용을 위한 적합성 검토를 위해서는 콘크리트 물성과의 적합성(compatibility)은 실제로 콘크리트 표면부에 수화물의 2차반응을 통한 공극구조 개선 및 표면부에서의 발수기능으로 인해 콘크리트 물성에 미치는 영향성이 미미하다고 할 수 있다. 그러나 방청기법의 하나로서 발수제를 사용하기 위해서는 적합성에 있어 경제성, 내구성능(수명연장효과), 환경영향성, 장기공용성, 콘크리트 강성, 시공성 등을 검토해야 한다. 이와 같은 다양한 측면의 적합성 검토가 필요하며 사용자 및 콘크리트 구조물의 특성, 환경, 중요도에 따라 각 요소에 따른 가중치는 달리하여 적합성 검토가 필요하다. 이에 따라 여러 방청기법 중 최선의 방청기법을 선택할 수 있는 기재(tool)로 사용할 수 있다. 본 연구에서는 발수제의 적합성 평가를 위해 국제표준^{(ISO 18726)}에 따라 방청기법 및 보수보강을 동시에 적용가능한 전기방식법과 비교하여 정성적 비교평가를 예로써 실시하였다.

Table 5는 콘크리트 강성에 대해 발수제는 실제로 영향성이 없는 반면 전기방식법의 경우 장기적으로 철근의 부착강도 감소 등의 부작용의 우려가 있고 설치상 고비용, 시공의 어려움 등의 단점이 있으나 매우 높고 보증된 내구성이라는 장점이 있다. 발수제는 경제적비용이 저렴하고 시공성이 용이하나 내구성에 대해서는 전기방식법 만큼의 보장은 한계가 있다. 장기공용성에 있어서는 발수제는 표면마모에 따른 정기적인 재시공의 번거로움이라는 단점이 있다는 점을 고려해야 할 것이다. 그러므로 이러한 점을 고려할 때 고내구성이 보장되어야 하는 중요도가 높고 공사비 및 유지관리비가 높은 콘크리트 구조물의 경우는 전기방식법이 적절할 것이며 반대의 경우는 발수제가 용이할 것으로 판단된다.