Ⅰ. 서론
1. 연구의 배경 및 목적
Ⅱ. 실내실험
1. MPC 시멘트의 원시재료 혼합비
2. MPC 콘크리트의 배합
Ⅲ. 현장 시험시공
1. 현장시험 개요
2. 현장시험 결과
3. 시공 후 공용성 평가
Ⅳ. 결론
Ⅰ. 서론
1. 연구의 배경 및 목적
미연방항공청은 공항 강성 포장의 파손을 크게 균열(cracking), 뒤틀림(distortion), 파쇄(disintegration), 줄눈채움재손상(joint seal damage), 미끄럼저항성손실(loss of skid resistance)로 구분하고 있으며, 각 파손의 형태 및 심각도에 따라 각각 보수 방법을 제안하고 있다[1]. 특히, 균열 및 스폴링과 같은 파손으로부터 유발된 FOD (Foreign Object Damage)는 항공기 운항 안전에 치명적인 위협을 가한다[2,3]. 국내 공항의 경우 항공기 하중의 반복으로 발생한 선형 균열보다는 재료적 원인에 의한 균열이 보고되고 있으며, 강성 포장으로 이루어진 화물계류장에서 발생한 대부분의 균열의 경우 줄눈부에 균열이 집중된 내구성 균열(D-cracking)의 형상을 나타낸다고 보고하였다[4]. 줄눈부에서의 발생한 내구성 균열의 원인은 수분의 침투로 인해 발생한 것으로 강성 포장의 줄눈은 수분의 침투에 취약하며, 줄눈으로 침투한 수분은 콘크리트의 골재를 물리·화학적으로 팽창시켜 골재 주변의 시멘트 메트릭스에 손상을 입혀 결국 균열이 발생하게 된다[3].
이와 같은 파손은 FOD 발생으로 이어지기 때문에 신속한 보수가 필요하다. 강성 포장의 보수재료는 신설 포장과는 다르며, 미연방도로국(FHWA)은 보수 규모, 차단시간, 재료의 특성, 보수재의 수명 등을 고려해야 함을 권고하고 있다[5]. 강성 포장 중 특히 공항에서의 보수는 도로에서의 보수 환경은 공간 및 시간 측면에서 보다 제한되기 때문에 이에 적합한 초속경계열의 긴급보수재가 선호된다. 호주 시멘트 콘크리트 골재 협회(CACC)[6]는 강성 포장의 보수재로 MMA 수지계 몰탈, 초속경 LMC (Latex Modified Concrete), 에폭시 몰탈, 마그네슘 인산세라믹(Magnesium Phosphate Ceramic, 이하 MPC)계 보수재에 대한 특성을 보고하였고, 이를 살펴보면 중규모 이상의 보수에는 초속경 LMC 및 MPC계 보수재가 적합하다 보고하고 있다[7].
이와 같이, 공항 강성 포장의 유지보수 재료로 MPC가 하나의 대안으로 소개되고 있다[3,7,8,9,10,11,12]. MPC는 산화마그네슘(MgO), 인산칼륨(KH2PO4)과 물(H2O)이 산염기 반응을 통해 상온에서 경화되는 세라믹 경화체이며 수분 이내에 초결 및 종결이 이루어지는 초속경 재료이며, 국내의 경우 몰탈 형태의 보수재에 대한 연구가 주를 이루었다. 고동우[13]는 MPC 몰탈의 자기치유 특성에 관해 연구를 수행하였고, 이후석[14]은 MPC 몰탈의 도로포장 긴급 보수재의 적용에 대한 연구를 수행하였고, 설정현[15]은 MPC 몰탈에 섬유를 보강하는 연구를 수행하였다. 이들 연구 결과를 종합해 보면 공통적으로 MPC는 경화 후 거의 시멘트 기반 경화 재료와 거의 동일한 역학적 특성(탄성계수 등)을 나타내고, 부착 강도 및 휨강도 등은 시멘트계 보다 우수한 특징을 나타냄을 알 수 있으나 대부분 모르타르 배합의 소규모 실험적 평가이며, 굵은 골재를 사용하는 콘크리트화에 대한 연구는 거의 수행되지 않았다.
본 연구는 이와 같이 공항의 강성 포장 유지보수 재료로 그 가능성이 있는 MPC 재료를 중규모 이상의 보수 공사가 가능하도록 개발하는 것을 목적으로 하였다. 우선, 유사 보수 재료인 초속경 LMC의 성능을 기준으로 MPC 콘크리트의 배합을 결정하고, 이를 현장에서 시공하여 공용성을 확인하였다.
Ⅱ. 실내실험
1. MPC 시멘트의 원시재료 혼합비
마그네슘 인산세라믹은 1939년에서 1940년 사이에 처음으로 발견되었고, 산화마그네슘(MgO)이 인산용액(인산염+물)과 반응하여 형성 대표적인 화학반응은 식 (1)과 같다.
이와 같이, MPC의 이론적 화학반응은 산화마그네슘과 인산염의 질량비가 1:1로 반응하는 것으로 보이지만, 산화마그네슘의 일부가 물에 용해되어 반응에 참여하지 못하는 것으로 알려져 있으며, 따라서 산화마그네슘의 혼입이 인산염보다 많아야 함이 기존의 여러 연구에서 지적되었다. 한편, 이 반응은 높은 고열과 함께 수분 이내에 초결 및 종결이 마무리되기 때문에 MPC 재료를 현장에서 사용하기 위해서는 적절한 지연제의 사용이 필요하며, 지연제로는 붕사, 붕산 등이 있다. 본 연구에서는 선행 연구의 결과[7,12,15]의 연구 결과를 참조하여, 지연제는 붕사를 사용하여 단위 부피(m3) 당 32 kg을 혼입하는 것으로 결정하였고, MPC 시멘트의 혼입을 산화마그네슘과 인산염의 혼합비율을 2:1을 기준으로 시험을 통해 확인하였다.
다음 Table 1은 산화마그네슘, 인산염 및 지연제가 혼입된 MPC 시멘트에 대한 물성시험 결과를 요약한 것으로, 슬럼프, 압축강도, 응결시간을 확인하여 S2의 경우를 최적으로 결정하였다.
Table 1.
Results of Basic Tests on MPC Mortar
2. MPC 콘크리트의 배합
MPC 콘크리트의 배합은 선행연구[7,11]를 확인한 결과 초속경 LMC 배합 대비 바인더의 량이 1.6–1.8정도 많이 사용됨을 확인할 수 있었고, 물-바인더비(W/B)는 0.15–0.25 수준으로 매우 적음을 확인하였다. 이를 참조하고 예비 배합 시험을 통해 MPC 시멘트를 단위부피 당 580 kg, 잔골재의 양을 827 kg, 굵은 골재의 양을 716로 고정하고 W/B를 변화하면서 최적의 배합을 찾기로 결정하였고, 다음 Table 2와 같이 배합하였다. 그리고 비교 평가를 위한 초속경 LMC의 배합은 Table 2와 같다.
Table 2.
Mixture Design of MPC Concrete and Ultra-Rapid Hardening LMC
공항 강성 포장의 유지보수재료의 기준은 아직 정립되지 않은 관계로 고속도로 강성 포장의 부분단면 보수재료의 품질기준을 기반으로 보수재의 성능을 검토하였다. 이 중 보수재료의 기본 성능에 대하여서는 압축강도를 확인하였고, 기존재료의 적합특성에 관하여 탄성계수, 열팽창계수, 건조수축을 실험하였고, 균열에 관하여 건조수축 및 링시험을 확인하였고, 내구특성은 염분침투저항성 및 동결융해를 검토하였다.
1) 압축강도 및 탄성계수 시험
KS F 2403에 의거하여 제작된 φ100 × 200 mm 시험체를 KS F 2405의 규정에 따라 시료의 압축강도 및 탄성계수를 시험하였다. 각 시험 케이스는 시험체 3개를 시험하였고, 결과는 평균 값이다. 도로의 경우, 초속경 LMC의 경우 4시간 교통개방 강도가 21 MPa이지만, 공항의 제한된 유지보수 시간 및 항공기 하중 등을 고려하여 요구 성능은 4시간 압축강도를 25 MPa로 설정하였다. 다음 Fig. 1은 각 시험체의 2시간, 4시간 및 24시간 강도 시험 결과를 나타낸 것으로, M1 및 L1 시험체는 설정한 요구 성능을 만족하지 못하였고, W/B가 0.24 이하 인 경우 목표 성능을 달성하였다.
2) 열팽창 계수 시험
보수재의 열팽창계수는 기존의 강성 포장의 열팽창계수와 유사한 값을 지녀야 한다. 에폭시 및 수지계열의 보수재들이 시공이 용이함에도 불구하고, 매우 한정적인 사용이 가능하고, 장기적인 공용성이 우수하지 못한 이유는 열팽창 계수의 값이 강성 포장체 즉 콘크리트보다 매우 크기 때문이다. MPC 콘크리트의 열팽창계수 시험은 같이 AASHTO T 336-15 “Standard Method of Test for Coefficient of Thermal Expansion of Hydraulic Cement Concrete”에 따라 실험을 진행하였다. 강도와 마찬가지로 경우마다 3개의 시료를 시험하여 평균치를 확인하였다(Fig. 2). 고속도로 유지보수 재료의 열팽창계수 품질기준 범위는 4.0 × 10-6/°C–20.0 × 10-6/°C이며, 일반적인 강성 포장 콘크리트의 열팽창계수는 8.0 × 10-6/°C–10.0 × 10-6/°C이다. MPC 콘크리트의 W/B가 높을수록 열팽창계수가 커짐을 확인할 수 있으며 대체로 일반 콘크리트의 열팽창계수보다 조금 큰 값을 나타내었다.
3) 건조수축 시험
시험체의 건조수축으로 인한 길이 변화 시험은 KS F 2424의 규격에 따라, 100 × 100 × 400 mm의 각주 몰드를 사용하였으며, 몰드 중앙에 매립형 스트레인게이지를 성형 전 고정하여 설치하고 이를 계측하였다. 길이 변화의 측정은 시험체 성형 직후부터 매립형 스트레인게이지를 데이터로거(Tokyo Sokki Kenkyuio사 TDS-302)에 연결시켜 항온항습실(온도 20 ± 2°C, 상대습도 60 ± 5%)에서 측정하였다. 약 90일 동안 건조수축 시험을 수행한 결과 초속경 LMC가 가장큰 수준으로 나타났고, MPC 콘크리트는 물시멘트가 작아질수록 수축량이 작아짐을 확인 할 수 있다. 고속도로 건조수축 기준은 1,500 µstrain으로 상당히 큰 값을 기준으로 두고 있어 성능 판별이 어려우며, 황인택[7]은 강성 포장 보수재에 대한 구조해석을 통해 모재는 변형이 없고 보수재만 150 µstrain 이상의 수축하는 경우 보수재에 인장응력이 발생하여 균열이 발생할 수 있다고 해석적 결과를 보고하였다. 이를 근거로 Fig. 3의 결과를 확인한 결과, M1 및 L1 시험체의 경우 보수재로 사용시 균열의 위험성이 있음을 확인할 수 있다.
4) 염화물침투저항성
시험체의 염소이온 침투 저항성 시험은 KS F 2711 전기전도도에 의한 콘크리트 염소이온 침투 저항성 시험 방법에 의거 하여 실험을 진행하였다. MPC 콘크리트 메트릭스 상의 공극구조는 보통 콘크리트 시멘트에 비하여 보다 밀실하다고 알려져 있으나, W/B와 결합재의 비율에 따라 급격하게 변화할 수 있다고 보고되었다[16]. 초속경 LMC의 경우, 라텍스 혼입을 통해 공극 구조를 밀실하게 하며, 본 연구에서는 초속경 LMC 수준의 염화물침투저항성을 갖는지 평가하였다. 고속도로 단면 보수재의 염화물침투저항성 기준은 초속경 재료는 7일 그리고 조강 재료는 14일을 기준 2,000 c이다. 다음 Fig. 4는 7일 양생된 시험체의 염화물침투저항성 시험결과로, M1 및 M2 시험체 즉 W/B가 0.24를 상회하는 경우 비교적 큰 공극을 많이 형성하여 기준 이상의 염화물의 침투가 됨을 확인할 수 있다.
5) 최적배합비 및 품질시험
강도, 열팽창계수, 건조수축 및 염화물침투시험을 통해 W/B가 클수록 강도는 작고, 열팽창계수는 커지고, 건조수축도 커지며, 염화물침투 또한 원활히 됨을 확인하였다. 실내시험을 통하여 요구 성능을 만족하는 그 경계는 대략 W/B 0.23–0.24 수준이었고, 현장에서 계량 오차 등의 시공 불확실성을 고려하여 확실한 성능을 나타내기 위해 W/B를 0.2로 결정하였다. 최종적으로 Table 2의 M4 시험체 배합을 최적 배합으로 결정하였고. 그리고 최적 배합표를 따르는 MPC 콘크리트와 Table 2의 초속경 LMC 배합을 가지는 시험체에 대하여 공인시험기관에서 품질시험을 수행한 결과 Table 3과 같은 결과를 얻었다. 본 연구를 통해 최종 시험된 MPC 콘크리트는 도로 보수재인 초속경 LMC 대비, 강도 발현이 보다 빠르며, 열팽창계수는 거의 유사한 수준이며, 내구성 또한 거의 유사한 수준임을 확인할 수 있으며, 건조수축은 상대적으로 1/3수준으로 수축으로 인한 균열의 발생이 측면에서 매우 유리할 것으로 예상되었다.
Table 3.
Results of Quality Tests for MPC Concrete and Ultra-Rapid Hardening LMC
Ⅲ. 현장 시험시공
1. 현장시험 개요
현장 시험시공은 1차에서 4개소, 2차에서 2개소를 대상으로 수행하였다. 1, 2차 모두 모바일 믹서를 활용한 중규모 이상의 MPC 콘크리트 시공성을 평가하는 것을 목표로 하였다. 1차 시험시공은 2021년 5월 1일부터 5월 2일까지 이틀간 인천국제공항 계류장에 위치한 강성 포장 줄눈부의 내구성 균열을 대상으로 보수를 실시하였다. Fig. 5와 같이 L형의 부분 단면 보수 3개소와 전면 보수 1개소를 시공하였으며, 부분 단면 보수는 절삭 두께를 5 cm, 10 cm, 15 cm로 변화시켜 시험을 수행하였다. 전면 보수의 경우 절삭 두께는 15 cm로 설정하였다. 특히, 부분 단면 보수 두께가 5 cm인 경우 단면 부족으로 인한 균열 발생을 방지하기 위해 와이어 메쉬 보강재를 적용하였다. 2차 시험시공은 2021년 11월 26일에 수행하였으며, 1차 시험과 달리 공항 내 지하차도 시설물 보수와 비행기 유도로의 부분 단면 보수 등 두 가지 시공 사례를 대상으로 하였다.
Fig. 6은 MPC 콘크리트를 사용하여 공항 강성 포장의 유지보수를 수행하는 전체 과정을 나타낸 것으로 초속경 LMC와 그 과정이 동일하며, MPC 콘크리트를 사용하면 발생하는 추가적인 공정이 별도로 없음을 확인할 수 있다.
2. 현장시험 결과
Table 4는 1차 및 2차 시험시공에서 각 공정별 소요 시간과 해당 공정이 전체 시공 시간에서 차지하는 비율을 나타낸 것이다. 1차 시험시공의 Case 1부터 Case 3까지의 차이는 절삭 두께에 있으며, 절삭 두께가 증가할수록 시공 시간이 현저히 증가함을 확인할 수 있었다. Case 4는 전면 절삭을 수행한 경우로, 절삭 작업에만 총 3시간이 소요되었으며, 이를 통해 전면 절삭 시 소형 절삭 로우더의 사용이 비효율적임을 확인하였다. 또한 1차와 2차 시험시공 모두에서 양생 시간 2시간을 제외하면, 전체 작업 시간의 대부분이 절삭 및 청소 작업에 소요되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 향후 공항에서 MPC 콘크리트와 같은 초속경 재료를 활용한 유지보수를 수행할 경우, 전처리, 주시공, 후처리 공정을 명확히 분리하고, 이에 맞추어 교통 통제 및 시공 계획을 수립하는 것이 보다 효율적인 시공을 가능하게 할 것임을 시사한다.
Table 4.
Field Time and Proportion for MPC Concrete
3. 시공 후 공용성 평가
1) 시공 직 후 상태조사
시공 일주일 후 시공면에 대한 조사를 수행한 결과 보수면에 특별한 파손이 확인되지 않았으나 Fig. 7과 같이 1차 시공 구간 중 Case 2 (50 mm 두께)에서 절단 단면이 꺽이는 응력 집중부에서 1 cm 길이의 0.01 mm 폭의 미세한 균열이 2개소 발견되었고, 이는 해당 현장의 경우 50 mm 보수 단면이 충분하지 않다고 판단되며, 보강재의 시공으로 균열이 더 이상 진전되지는 않았다. 2차 시공 구간에 일부 양생 후 줄눈 컷팅 시 시공 오류로 인해 줄눈 일부가 매끄럽게 시공되지 못한 부분이 확인되었다.
2) 시공 후 공용성 조사
(1) 전면 시공구간
MPC 콘크리트 보수재의 시험 시공 구간 중 전면 시공을 수행한 위치에서의 시공 후 1년, 3년 및 5년 후 공용성을 조사하였다. 전면 시공 구간은 양방향으로 가장 넓은 면적으로 시공되었고, 시공 시 시공면에 대한 다짐 및 면마무리 작업도 가장 힘들게 수행한 곳이었다. 다음 Fig. 8은 재령에 따른 전면 보수 구간의 시공 상태로 시공 후 5년이 지난 시점에도 인접한 포장 슬래브에 균열이 더 많이 진전되었음에도, MPC 콘크리트로 보수된 표면 및 줄눈부에 균열 및 스폴링이 발생하지 않았다.
(2) 유사 보수구간과 비교
Fig. 9는 기존에 유사한 형태(100 mm 두께 및 L자 보수)로 다양한 보수재를 사용하여 보수한 구간과 MPC 콘크리트로 보수한 구간(Case 3)에 대하여 3년이 지난 시점의 공용성 비교를 위해 현장에서 발생한 균열도를 비교 도시한 것이다. Fig. 9의 (a)는 무기계 보수 몰탈로 시공 직후 발열과 함께 다수의 균열이 발생하였으며, 이후 3년의 공용기간 동안 두 차례 부분단면 보수가 추가로 시행되었다. (b)는 속경성 수지 몰탈 시공 사례이며, (c)는 무기계 몰탈 시공 사례로, 시공 후 1년 이내에 전형적인 횡방향 수축 균열이 평균 500 mm 간격으로 발생하였다. (d)는 유·무기 복합 몰탈 시공 사례로, 시공 후 1년 이내에 전형적인 횡방향 수축 균열과 함께 응력 집중 부위에서 미세 균열이 관찰되었다. (e)는 초속경 LMC계 보수재를 콘크리트 형태로 적용한 사례로, 몰탈 형태의 보수재에 비해 균열 발생 개수는 적고 간격도 다소 넓었으나, 향후 균열의 추가 진전 가능성이 있는 것으로 판단된다. 한편, MPC 콘크리트를 적용한 Case 3의 경우, 시공 후 3년이 지난 시점에서도 육안으로 확인되는 균열이 발생하지 않았다. 이러한 결과를 종합적으로 고려할 때, 두께 5 cm 이상의 중규모 보수 시에는 몰탈 형태보다는 콘크리트 형태의 보수재를 적용하는 것이 균열 저감에 유리할 것으로 판단된다. 이는 재료의 열팽창계수가 굵은 골재 함유량에 크게 의존하기 때문이며, 굵은 골재가 없는 보수재는 열팽창계수가 상대적으로 커서 모재와의 열팽창 거동 차이로 인해 균열 및 들뜸이 발생할 가능성이 높다. 반면, MPC 보수재는 건조 수축이 거의 없어 수축 균열이 발생하지 않은 것으로 판단된다. 따라서 향후 공항 강성포장 보수재의 품질 기준 수립 시, 재료의 화학 반응에 따른 수축 및 수분 증발에 의한 수축량에 대한 허용 기준을 엄격하게 설정할 필요가 있다.
Ⅳ. 결론
본 연구는 공항 강성 포장의 보수를 위해 초속경 특성을 가지면서 균열 발생을 최소화할 수 있는 MPC 콘크리트의 최적 배합을 도출하고, 이를 장비 타설하여 현장 적용 가능성을 검증하고자 수행되었다. 주요 결론은 다음과 같다.
1) MPC 콘크리트를 현장에서 장비를 이용해 시공할 수 있도록 강성 포장 보수재의 품질 성능 목표를 설정하고, 이를 만족하는 MPC 시멘트 조성 및 MPC 콘크리트 배합을 제시하였다. 품질시험 결과, 고속도로 강성 포장 보수재 기준을 모두 충족하였으며, 이를 통해 제한된 공간과 짧은 작업 시간이라는 조건이 요구되는 공항 유지보수 재료로서 우수한 품질 성능을 확보할 수 있음을 확인하였다.
2) MPC 콘크리트의 품질 성능은 물-바인더비와 밀접한 관련이 있으며, 초속경 특성을 갖춘 압축강도 발현(4시간, 25 MPa 이상)을 만족해야 한다. 또한 탄성계수와 열팽창계수는 기존 콘크리트와 유사한 수준으로 형성되고, 건조수축은 거의 발생하지 않아야 한다. 본 연구에서는 물-바인더비가 약 0.20일 때 가장 우수한 성능을 나타냄을 확인하였다.
3) 1차 및 2차 시험시공을 통해 MPC 콘크리트를 활용한 공항 강성 포장 및 시설물 보수 시, 공정별 소요 시간을 확인하였다. 그 결과, 절삭 두께와 절삭 면적이 증가할수록 작업량 증가와 속도 저하가 뚜렷하게 나타났으며, 절삭·청소 등 전처리 작업과 포설·양생 등의 주시공 작업, 그리고 후처리 작업을 분리하여 시공계획을 수립하는 것이 더 효율적인 시공에 유리함을 알 수 있었다.
4) MPC 콘크리트와 타 보수재의 공용성 비교 결과, 중규모 이상의 장비를 활용한 보수 시에는 몰탈 형태보다 콘크리트 형태의 보수재가 균열 저감에 유리하였다. 이는 굵은 골재를 사용하여 모재와 유사한 열팽창계수를 구현함으로써, 모재와 보수재 간의 변형 거동 차이를 줄이고 응력 발생을 최소화할 수 있기 때문이다.
5) 재료의 건조수축은 장기적, 지속적으로 발생하므로, 공항 강성 포장 보수재의 경우 수축이 거의 없는 재료를 적용해야 균열 발생을 최소화할 수 있다.
본 연구는 MPC 콘크리트의 제한된 조건에서의 현장 시공 사례를 기반으로 시공 성능을 분석한 단일 사례 연구이며, 향후 다양한 물량과 조건의 시공 현장에서 반복적인 시공성 평가와 공용성 모니터링이 지속적으로 수행되어야 한다. 이를 통해 보다 합리적인 공항 강성 포장에 대한 품질기준이 정립되어 적용되어야 할 것이다.
