김 홍 기_ 한양대학교 건설환경공학과 박사과정 

이 용 수_ 한국콘크리트시험원 선임연구원

류 재 석_ 한양대학교 건설환경공학과 교수

1. 서론 

1-1. 연구 배경 

최근 콘크리트 구조물은 초고층 건축, 초대형 사회기반시설로 건설되어지고 있다. 이에 따라 건설재료 및 시공기술과 같은 부분에서 비약적인 발전을 이루고 있다. 하지만 콘크리트 구조물은 발생시기별로 경화 전에는 소성수축, 소성침하, 시멘트의 수화 반응에 따른 자기수축 등에 의해 발생하며 경화 후에는 건조수축, 크리프, 알칼리-골재반응, 하중침하, 동결융해, 중성화에 따른 철근부식 등에 의해서 주로 발생되어 진다. 그 외에는 구조물의 설계 및 시공 불량 등의 원인에 따라 발생된다. 이렇듯 다양한 원인에 의해 발생되는 균열을 설계나 시공하는 과정에서 예방할 수 있다면 가장 이상적인 방법이 될 수 있으나 무기질을 바탕으로 하는 콘크리트 구조물에서는 현실적으로 많은 제약이 있는 것이 사실이다. 

또한 시설물의 본래의 내구성능은 시공 시 설계부분에서 결정되는 것이지만 실제의 사용연수는 사용조건과 유지관리의 적부에 의해 크게 좌우되며 특히 구조물이 설치되어있는 환경조건에 따라서 크게 영향을 미치곤 한다. 한편 최근의 건설기술은 기존 구조물의 경우 지속적인 보수 및 유지관리를 통해 구조물의 노후화 방지 및 내구수명 증대의 확보를 도모하고 신설구조물에서는 내구수명연장 설계를 적용하여 구조물의 시간이 경과함에 따른 열화인자를 예측 차단하기 위한 기술적인 부분에서 상당한 노력을 기울이고 있는 실정이다.

특히 국내 사회기반시설물의 경우는 30년 이상 사용되어진 구조물이 대부분이며 일부 구조물에서는 지속적인 보수작업이 요구되어지고 있는 실정이다. 또한 원전구조물, 해양구조물, 터널 등의 보수 작업의 여건이 용이하지 않은 사회기반시설물의 경우는 더욱더 안정적인 보수방법 이나 재료가 필요한 실정이다. 

이에 따라 국내에서는 효과적으로 보수 및 보강 재료로 사용하기에 적합 재료로써 자기치유 할 수 있는 스마트 구조물의 개념이 도입으로 인해 Self-healing materials의 연구가 많이 이루어지고 있다. 국내외 연구진들에 의해 현장에 적용이 가능한 자기치유 콘크리트 및 재료가 미국, 유럽, 일본 등의 선진국을 중심으로 활발하게 진행되고 있지만 여전히 실용화 수준까지는 도달하지 못하고 있다. 

현재 국내에서 자기치유 연구는 콘크리트 경화 후 내부에 존재하는 미수화생성물을 촉진하는 기술, 튜브나 캡슐을 활용하는 폴리머 계열의 유기복합체의 기술, 미생물을 이용한 배양기술들이 연구되고 있지만 아주 기초적인 단계이다. 이에 반해 유럽이나 일본, 미국에서는 Hollow fiber, Microcapsule, 팽창/팽윤과 같은 무기질계 혼화제, 박테리아, 형상기억합금 등을 이용한 다양한 자기치유 연구가 전략적으로 이루어지고 있다. 자기치유 연구는 3가지 요소로 구분지어 지는데 이는 각각 Natural healing, Autonomic healing, Activated repairing 으로 구분하고 있다. 표 1은 3가지 요소에 따른 정의 및 예시를 나타낸 것이다. 

또한 국외에서는 1969년 자기치유 기술과 관련하여 처음 소개되었고, Themoplastic 과 Cross-linked system을 이용한 자기치유 개념이 1979년과 1981년에 소개되었다. 이와 같은 기술들이 국내에서 유입되어 국외에서 제시된 전략들이나 재료들을 활용하여 연구가 되고 있으나 새로운 방식을 도입하지 못하고 기존의 기술들을 반복적으로 답습하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 분말을 고형제제로 만들 수 있는 방법으로 대표적으로 사용되는 정제, 과립, 마이크로캡슐 등의 기술을 활용하여 콘크리트 내에 혼입하여 균열이 발생함과 동시에 함유된 고형제제가 물과 반응하여 균열이 치유되는 기술을 접목하는 것을 목표로 연구를 진행하였다. 이에 따라 정제나 마이크로캡슐의 경우는 기존 연구에 사용되었으며 그 제조방법이 복잡하고 그 효과가 과립형태 보다 떨어지는 경우가 많은 것으로 나타났다. 아래의 그림 1은 고형제제의 종류를 나타낸 것이다. 

분말을 과립하면 환경 및 시간경과에 따라 서서히 분해되기 때문에 목적이 소기에 이루어지는 것을 목표로 하고 여기에 더불어 콘크리트 믹싱 과정에서 분해되는 것을 방지하기 위해 수용성 물질로 표면코팅을 하여 내용물의 보호 및 외관의 개선, 작용시기의 조절 등을 목적으로 표면코팅을 적용하였다.