1. 서    론

고속도로의 콘크리트포장은 아스팔트포장에 비해 초기 건설비용은 크지만 구조 수명간 총 생애주기비용(LCC) 관점에서 경제성이 우수하여 사용이 증가하는 추세이다.¹⁾ 콘크리트 포장 연구는 보통포틀랜드 시멘트를 사용한 기존 콘크리트에 라텍스를 첨가하여 제조한 라텍스개질 콘크리트(Latex Modified Concrete)에 관한 연구가 다수 진행되고 있다.²⁾ 특히 고속도로의 교면개량공사와 같이 긴급을 요하는 경우, 조기 강도 발현을 목적으로 초속경시멘트에 라텍스를 혼입한 RS-LMC (Rapid Setting Latex Modified Concrete)가 사용되고 있으며 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 품질관리 기준에 합격한 RS-LMC를 사용하여 교면개량공사를 실시하더라도 시공 중에 통행제한을 하지 못하는 고속도로의 많은 교량구간에서 Fig. 1과 같은 균열이 보고되고 있다. 초기양생단계에서 이러한 균열의 주요 발생요인은 초속경시멘트의 높은 수화열에 의한 온도수축과 통과차량의 진동에 의한 영향으로 추정되고 있다. 따라서 초기양생단계에서 교량진동과 온도수축이 RS-LMC 포장의 균열형성에 미치는 영향에 대한 연구가 필요한 상황이다. 본 연구에서는 실제 교량구간의 진동환경을 모사할 수 있는 포장진동시험장치(Pavement Shaking Table, PST)를 개발하여, 교면포장공사에 사용되는 RS-LMC의 진동특성과 온도수축의 영향을 확인하고자 하였다. 진폭과 라텍스 혼입량을 실험변수로 한 총 12개의 실험체를 제작하여 진동실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다.

2. 문헌연구

Walter. D. G⁴⁾의 LMC 실험 연구에 의하면, 15~20%의 폴리머-시멘트비를 사용할 경우 일반 콘크리트에 비하여 LMC의 인장강도가 80% 이상 증가하는 반면 탄성계수는 25%가 감소하는 것으로 나타났다. Walter. D. G는 실험결과를 바탕으로 고분자 혼합콘크리트의 인장강도와 탄성계수를 식 (1)과 (2)로 제안하였다.⁵⁾

 in (MPa)  (1)

 in (MPa)       (2)

ACI 318-08⁶⁾, CEB-FIP MC90⁷⁾ 및 KCI-2012⁸⁾는 LMC에 대한 별도의 규정을 제안하고 있지 않고 일반 콘크리트에 대하여 인장강도()와 탄성계수()를 각각 다음과 같이 제시하고 있다.

- ACI 318

 in (MPa)     (3)

 in (MPa)    (4)

- CEB-FIP MC90

 in (MPa)  (5)

 in (MPa)  (6)

- KCI 2012

 in (MPa)    (7)

 in (MPa)       (8)

Walter. D. G 및 설계기준들이 제안한 인장강도와 탄성계수에 선형탄성관계를 적용하여 LMC와 일반 콘크리트에서 균열이 발생하는 변형률을 각각 계산할 수 있다. 식 (1)~식 (8)을 이용하여 RS-LMC의 균열 발생 변형률의 대략적인 크기를 예상할 수 있고, 실제 실험에 의한 RS-LMC의 변형률과 비교하고자한다.

3. 실험계획

3.1 실험재료

3.1.1 시멘트 및 골재

시멘트는 국내 I사와 S사에서 생산되는 초속경시멘트를 사용하였으며 물-시멘트비(W/C)는 38%를 사용하였다. 비빔 및 타설에 필요한 작업시간을 확보하기 위하여 구연산 계열의 지연제(Retarder)를 시멘트 중량의 0.3% 사용하였다. 굵은골재최대치수는 19mm 부순돌을 이용하였고, 잔골재는 천연강모래를 사용하였다. 잔골재율(S/a)은 56%로 배합하였다.

3.1.2 라텍스(Latex)

라텍스는 국내 I사와 S사의 액상형 아크릴라텍스(AL)를 사용하였다. 라텍스는 우유빛 액상 물질로 고형분(Solid content) 50%, 소량의 계면활성제 및 물 50%로 구성되어 있다. 콘크리트 배합 시 라텍스에 포함된 물을 고려하여 추가할 배합수의 양을 조정하였고, 최종 물-시멘트비(W/C)는 38%가 되도록 하였다.

3.2 실험체 제원

본 연구에서 사용된 RS-LMC 배합표는 Table 1과 같고 전체 12개의 실험체를 제작하였다. 주요 실험 변수는 진폭과 라텍스-시멘트비(L/C)이다. 진폭은 ±0.0mm (무진동), ±0.5mm (L/1800), ±1.0mm (L/1200) 및 ±1.5mm (L/600)로 변화를 주었고, 라텍스-시멘트비(L/C)는 진폭 ±1.5mm에 대하여 각각 7.5%, 10%, 12.5%, 15%, 17.5%, 20%, 25%로 다르게 하여 실험체를 제작하였다. 또한, 부착성능을 확인하기 위하여 B-RS- LMC15 실험체를 별도로 제작하여 실험을 실시하였다.

3.2.1 슬럼프 시험

슬럼프 실험은 KS F2402의 규정에 따라 수행하였다. Fig. 2(a)는 슬럼프 측정 모습이고, 각 실험체의 슬럼프 측정값은 Table 1에 나타내었다.

3.2.2 강도시험(압축, 인장, 부착)

강도특성을 분석하기 위해 압축강도, 인장강도 및 부착강도를 측정하였다. 압축강도는 타설 후 진동실험이 진행되는 3시간 동안의 초기강도와 재령 28일의 설계기준압축강도를 측정하였다. 초기강도는 슈미트해머를 이용하여 반발값을 측정하여 간접적으로 확인하였고, 재령 28일의 설계기준압축강도는 KS F2405 규정에 따라 규격의 원주형 공시체를 제작하여 Fig. 2(b)와 같이 실험하였다. 인장강도는 KS F2423 규정에 의해 Fig. 2(c)와 같이 쪼갬인장강도 실험을 하였다. 부착강도 실험은 실험체 B-RS-LMC15의 진동실험을 마친 후, 실험체 좌측, 우측 및 중앙의 3개소에서 Fig. 2(d)와 같이 실시하였다.

3.3 포장진동시험장치(Pavement Shaking Table)

Fig. 3(a)는 포장진동시험장치의 개념을 나타낸 것이다. 포장진동시험장치는 H사의 5마력 전동모터와 자체 제작한 진동대를 조합하여 제작하였다. Fig. 3(b)는 실험체의 기하적 제원과 계측 상세도를 나타낸 것이다. 변형률을 측정하기 위하여 실험체 중앙 상하면에 매립형 센서(스트레인게이지)를 2개 설치하였다. 포장진동시험장치는 피스톤이 상하 연직방향으로 최대 ±40mm 내에서 변위를 일으켜 수직진동을 모사할 수 있도록 제작하였다. 포장진동시험장치와 연결된 주기 조절 장치로 주파수를 조절할 수 있고, Fig. 4는 실험체에 발생시킨 진폭과 주기의 관계를 나타낸 것이다. 실험에서 진동은 타설 후 3시간 동안 작용시켰고 실험체의 처짐을 기준으로 결정한 진폭 ±1.5mm, ±1.0mm, ±0.5mm를 조화진동으로 작용시켰다. 이때 각각의 진폭에 대한 주기는 1Hz, 1.5Hz, 2.94Hz이다. 진동시험장치의 바닥판은 진동에 의한 피로로 파괴되는 것을 막기 위하여 가로 1,800mm, 세로 400mm 및 두께 20mm의 강판으로 제작하였고, 내부를 관찰할 수 있도록 높이 200mm의 투명아크릴을 측면에 조립하였다.

4. 실험결과 및 분석

4.1 균열 특성

4.1.1 라텍스-시멘트비(L/C)에 따른 균열 특성

동일한 진동(진폭 ±1.5mm)이 작용할 때 라텍스 함량에 따른 균열 특성을 파악하고자 라텍스-시멘트비(L/C)를 다르게 하여 실험체를 제작하였다. 각 실험체의 물성치에 변화를 줄 수 있는 지연제 첨가량, 물-시멘트비는 동일하게 하고, 라텍스-시멘트비(L/C)를 7.5%, 10%, 12.5%, 15%, 17.5%, 20% 및 25%로 변화시켰다. 균열은 육안으로 관찰이 가능할 정도의 크기로 발생하였고, 진동실험을 마친 각 실험체의 균열형상을 Fig. 5에 나타내었다. 모든 실험체에서 1시간 이내에 최초의 균열이 관찰되었고, 균열은 실험체 중앙부에서 좌우측 30cm 이내에서 발생하였다. Fig. 6과 Table 2는 균열 관찰 결과를 나타낸 것이다. 라텍스-시멘트비(L/C)가 가장 낮은 7.5%에서 균열 개수는 8개로 가장 많이 관찰되었으며, 균열의 총 길이는 1,300mm로 가장 길었다. 라텍스-시멘트비(L/C)가 증가할수록 균열 개수와 균열의 총 길이는 감소하는 경향이 나타났지만, 균열 개수는 라텍스-시멘트비(L/C) 12.5% 그리고 총 길이는 17.5% 이상에서 일정한 값으로 수렴하였다. 즉, 일정 수준까지 라텍스를 첨가하면 진동에 의한 콘크리트의 균열을 저감시킬 수 있고, 이는 고형분 라텍스가 콘크리트의 인장강도를 증진시켰기 때문인 것으로 분석된다.

4.1.2 진폭에 따른 균열 특성

진폭의 크기에 따른 균열 특성 변화를 관찰하기 위해 라텍스-시멘트비(L/C)는 15%로 동일하지만 진폭은 ±0.0mm, ±0.5mm, ±1.0mm 및 ±1.5mm 4가지로 변화시켜 실험을 진행하였다. Fig. 7은 진폭에 따른 균열형상을 나타낸 것이고, Table 3은 진폭에 따른 균열특성(길이, 개수, 시간)을 정리한 것이다. 진폭이 큰 ±1.5 RS-LMC15 실험체는 최초 균열이 중앙부에서 13분에 빨리 관찰되었다. 진폭 ±1.0mm 실험체는 24분에 최초 균열이 관찰되었으며, 두 실험체 모두 중앙부에서 양쪽으로 20cm 이내에서 균열이 관찰되었다. 진폭 ±0.5mm 실험체와 ±0.0mm 실험체에서는 균열이 발생하지 않았다. 라텍스-시멘트비(L/C) 15%일 때, ±1.0mm (L/1200) 진폭 이상의 진동이 작용해야 균열이 발생한다는 것을 알 수 있었다. 균열특성만을 고려한다면, 진폭변화에 따른 균열특성(균열개수, 균열의 총 길이)은 상관관계를 확인할 수 없었다.

4.1.3 응결시간에 따른 균열 특성

지연제는 시멘트의 수화반응을 늦추어 응결시간을 길어지게 하므로 지연제를 첨가하면 작업시간을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 초기 수화열을 낮출 수 있다. 초기 수화열에 의한 균열발생여부를 확인하기 위해 지연제를 첨가하지 않은 실험체와 시멘트 중량의 0.3%를 첨가한 실험체를 제작하여 균열을 관찰하였다. 두 실험체 모두 진동을 가하지 않았고 라텍스-시멘트비(L/C)는 15%로 동일하게 하였다. 지연제 함량이 0%인 실험체에서는 Fig. 8(a)와 같이 거북등 균열과 흡사한 다수의 균열이 관찰되었지만, 지연제를 첨가한 실험체에서는 Fig. 8(b)와 같이 균열이 관찰되지 않았다. 따라서 4.1.2절의 진폭에 따른 균열 특성 분석에 이용된 실험체들에서 관찰된 균열은 모두 진동에 의한 것으로 간주할 수 있고 라텍스와 지연제를 적절히 사용하면 온도수축에 의한 균열을 효과적으로 제어할 수 있을 것으로 판단된다.

4.2 강도 특성

4.2.1 부착강도 특성

보수재료에 요구되는 주요한 성능중 하나인 부착강도를 살펴보고자 B-RS-LMC15 실험체를 별도로 제작하여 직접인발 부착시험을 실시하였다. 부착시험에 사용된 B-RS-LMC15 실험체는 두께 5cm 1층(기존) 포장판을 타설한 후 충분히 경화시키기 위해 48시간을 양생하여 추가로 5cm 2층(신설) 포장판을 타설하였다. 2층 포장판 콘크리트 타설 후 3시간 동안 ±1.5mm 진폭의 진동을 도입시켰다. 실험체 좌측, 우측 및 중앙부에서 직접인발 부착시험을 실시한 결과, Fig. 9와 같이 신·구 콘크리트 사이의 계면에서는 부착파괴가 발생하지 않았고 신콘크리트가 파괴되었다. 부착강도 실험결과를 Table 4에 나타내었다. 고속도로공사 전문시방서에서는⁹⁾ 기존바닥판과 교면포장체 사이의 부착강도를 최소 1.4MPa 이상으로 규정하고 있는데 측정된 부착강도는 모두 2.0MPa 이상 확보하였다. 즉, 진동을 받는 덧씌우기 RS-LMC 콘크리트포장은 라텍스 첨가 시 부착강도가 증가하여 기존 바닥판콘크리트와 일체화 거동이 가능 할 것으로 평가된다.¹⁰⁾

4.2.2 슈미트해머를 이용한 반발강도

콘크리트 타설 직후 3시간 동안의 강도변화를 평가하기위해 비파괴 실험방법인 슈미트해머로 반발치를 측정하였다. 측정위치는 Fig. 11과 같이 각 실험체 좌측, 우측 및 중앙의 3개 지점으로 설정하였다. 5분 간격으로 타격하였고 각 위치에서 측정된 반발경도 평균을 Fig. 10에 도시화하였다. 실험결과 경화 시작시간()은 평균 55분으로 측정되었고, 경화 종결시간()은 평균 139분으로 측정되었다. 반발경도가 측정되기 시작해서 수렴하기까지 소요된 시간()은 평균 84분으로 측정되었다. 즉, 콘크리트가 굳기 시작하여 강도가 최종 발현되는 시간까지 세심한 품질관리가 필요하다는 것을 의미한다.

4.3 변형률 특성

4.3.1 주기 변화에 따른 변형률 특성

콘크리트가 경화된 이후 진폭 ±1.5mm에서 주파수에 변화를 주어 변형률의 변화를 관찰하였다. Fig. 12는 0.2~2Hz의 주파수를 5분 간격으로 변화시켰을 때 측정된 변형률을 나타낸 것이다. 측정결과, 콘크리트가 경화된 후의 주기변화는 변형률 변화에 영향이 없는 것으로 나타났다.

4.3.2 진동 도입에 의한 변형률 특성

진동 도입에 의한 실험체의 변형률 변화 특성을 관찰하기 위하여 4시간 동안 측정한 무진동실험체(±0.0 RS-LM15)와 진동실험체(±1.5 RS-LMC15)의 변형률을 비교하였다. 무진동실험체(±0.0 RS-LM15)는 변형률의 주기가 관찰되지 않았고 측정 초기의 약 1시간 동안에는 시간이 지남에 따라 변형률이 증가하였지만 그 후로는 약 100에 수렴하는 경향을 나타내었다. 진동실험체(±1.5 RS-LMC15)는 측정 즉시 큰 압축변형률(-)을 나타내다가 시간이 지남에 따라 인장변형률로 증가 후 수렴하였다. 대략 1시간 이후 부터는 인장변형률(+)만을 나타났다. 크기의 차이는 있지만 모든 진동실험체에서 초기에 큰 압축변형률이 관찰되었고 이것은 진동시험장치의 진동모터가 진동을 가하기 위하여 아래로 이동하면서 발생한 기계적 오차로 판단되어 보정하였다. 최대 변형률은 무진동실험체(±0.0 RS-LM15)에서 약 100, 진동실험체(±1.5 RS-LMC15)에서 약 200까지 측정되었다.

4.3.3 균열 발생 변형률

Walter, D, G와 여러 설계기준들이 제안한 콘크리트의 인장강도와 탄성계수에 선형탄성관계를 적용하여 균열 발생 변형률()을 산정하였고 그 값을 Table 5에 정리하였다. 콘크리트 설계기준압축강도는 평균값 20MPa을 적용하였다. Walter, D, G가 제안한 식에 의한 균열 발생 변형률이 다른 설계기준에 의한 값에 비해 크게 산정되었는데, 이것은 Walter, D, G의 LMC 인장강도가 보통 콘크리트보다 크기 때문이다. 나머지 세 개의 설계기준에 의한 균열 발생 변형률은 약 100으로 나타났다.

각각의 식에 의한 균열 발생 변형률을 실험에 의해 측정한 변형률과 함께 Fig. 14에 나타내었다. 각각의 실험체에 두 개의 스트레인 게이지를 설치하였으나 일부 실험체에서 게이지에 오류가 발생하여 하나의 데이터만이 얻어졌다. Fig. 14의 실험체는 라텍스-시멘트비(L/C)는 서로 다르지만 모두 ±1.5mm의 진폭을 가진 진동이 도입되었고 최소 1개에서 최대 8개의 균열이 발생하였다. ±1.5mm (L/600)의 진폭은 콘크리트구조설계기준(2012)⁸⁾에서 충격을 포함한 활하중에 의한 허용처짐 L/600을 적용한 것이다. 따라서 LMC와 RS- LMC 사이에 재료적 차이는 있지만 허용처짐에 해당하는 진동이 작용할 경우 Walter, D, G가 제안한 LMC의 균열 발생 변형률보다 훨씬 낮은 변형률에서 균열이 발생하였음을 알 수 있다. 그리고 4.1.1절 Table 2의 첫 균열이 관찰된 시간을 고려하면 라텍스가 첨가되었음에도 불구하고 각 설계기준에서 제안하고 있는 일반 콘크리트의 균열 발생 변형률보다도 낮은 변형률에서 균열이 발생하였다. 즉 타설 직후의 초기진동이 균열발생에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

4.3.4 진폭에 따른 변형률 특성

진폭의 크기에 따른 변형률 변화를 확인하기 위하여 라텍스-시멘트비(L/C)는 15%로 동일하지만 작용 진폭이 서로 다른 실험체들의 시간에 따른 변형률을 Fig. 15에 도시화하였다. 초기 진동단계에서는 상대적으로 큰 변형률 증가가 나타났고 시간이 지남에 따라 변형률이 수렴하는 경향을 보였다.

각 실험체에서 측정된 최대 변형률은 진폭이 커질수록 증가하였으며 그 값들을 Table 6에 정리하였다. 진폭이 가장 작은 ±0.5 RS-LMC15 실험체에서는 균열이 관찰되지 않았으며, 이로부터 균열이 발생하지 않는 임계진폭이 존재한다는 것을 알 수 있다. 임계진폭의 크기가 정의된다면 RS-LMC를 이용한 교량의 교면개량공사 구간을 통과하는 차량의 속도에 제한을 두어 초기진동에 의한 균열을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다. 이에 대한 후속연구가 필요하다.

5. 결    론

본 연구는 교량구간에서 발생하는 차량의 진동이 초기양생단계 RS-LMC의 균열형성에 미치는 영향을 확인하고자 진행되었다. 실험변수가 진폭과 라텍스-시멘트비(L/C)인 12개의 시험체를 제작하였고, 자체 개발한 포장진동실험장치(Pavement Shaking Table)를 이용하여 진동실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1)라텍스-시멘트비(L/C)가 증가할수록 균열의 개수와 균열의 총 길이는 감소하는 경향을 나타내었지만 약 15% 이상의 라텍스-시멘트비(L/C)에 대하여는 일정해지는 경향을 나타내었다. 따라서 콘크리트에 라텍스를 첨가하면 인장강도가 증가하여 균열을 저감시킬 수 있었다.

2)무진동 실험체와 진폭 ±0.5mm의 진동을 가한 실험체에서는 균열이 관찰되지 않았으나, 진폭 ±1.0mm 및 ±1.5mm의 진동을 작용시킨 실험체에서는 균열이 발생하였다. 즉, 특정 진폭 이하의 진동에 대해서는 균열이 발생하지 않는 다는 사실을 확인하였다. 임계진폭의 크기를 정의할 수 있다면 통과 차량의 속도를 제한하여 초기양생단계에서 진동에 의한 균열을 억제할 수 있을 것으로 판단되며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

3)균열 발생에 대한 온도수축의 영향을 간접적으로 확인하고자 지연제를 첨가하지 않은 실험체와 첨가한 실험체의 균열 특성을 비교하였다. 진동을 가하지 않았지만 지연제를 첨가하지 않은 실험체에서는 다수의 균열이 관찰되었고, 지연제를 첨가한 실험체에서는 균열이 관찰되지 않았다. 따라서 지연제를 첨가하면 초기 수화열을 낮추어 작업시간동안 균열발생을 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.

4)진동을 받는 RS-LMC 포장은 Walter, D, G의 제안 식에 의한 LMC의 균열 발생 변형률(357)보다 훨씬 작은 변형률에서 균열이 발생하였다. 또한 라텍스가 첨가되었음에도 불구하고 설계기준에 의한 일반 콘크리트의 균열 변형률(약 100)보다도 낮은 변형률에서 균열이 발생하였다. 이것은 균열에 대한 타설 직후 초기진동의 영향이 매우 크다는 것을 의미한다. 따라서 RS-LMC를 이용한 교량의 교면개량공사에서는 진동을 저감하기 위한 대책이 필요하다.