1. 서 론

박층 뿜칠 라이너(Thin Spray-on Liners, 이하 TSL)는 광산에서 처음 적용이 시작된 지보재로서, 지보를 위해 광산의 막장까지 숏크리트(shotcrete)를 운반하기 어려운 문제점과 변형이 큰 지반에서 지반변형이 숏크리트의 내하력을 초과하는 경우가 생김에 따라 록볼트(rock bolts)와 메쉬(mesh), 숏크리트의 대안으로 사용되었다(Tannant, 2001).

TSL은 박층이라는 이름과 같이 2~10 mm(일반적으로 3~5 mm) 두께로 폴리머(polymer)에 시멘트화합물(cement compounds)를 포함한 재료를 뿜어 붙여 타설하는 재료로서, 암반면에 대한 부착강도 및 인장강도와 같은 물리적인 특성(physical properties)이 우수하고 경화속도가 빨라 신속한 지보효과를 나타내기 때문에 숏크리트와 메쉬를 대체할 수 있는 지보재로 알려져 있다(BASF, 2017; EFNARC, 2008; Han et al., 2013; ITA, 2013; Roberts, 2001).

뿜칠 방수 멤브레인(Spray-applied Waterproofing Membrane, 이하 SWM)은 TSL과 유사한 재료로서 같은 뿜칠 방법으로 시공되지만, 지보재 개념의 TSL과 달리 방수(waterproofing)에 특화된 방법이다. 일례로 부착강도(bond strength to substrate)의 경우 TSL은 1 MPa 이상을 요구하지만, SWM은 0.5 MPa이상이 필요하다(Chang et al., 2016).

TSL은 암반면에 직접적으로 시공되며 비구조적인 암반 지보재로 사용된다. 즉 주지보재인 강지보재(steel anchors or steel arches)와 숏크리트가 시공되기 전에 초기 안정 지보(initial stabilising layer)를 제공한다. 또한 가스(gas) 또는 수분이동(moisture transfer)을 막기 위한 코팅재료(coating)로서 사용된다(EFNARC, 2008). 반면, SWM은 구조물(structures) 내부로 지하수와 같은 액체(liquid water)가 침투하지 못하도록 하는 코팅재료로서의 기능이 강하기 때문에 1차 숏크리트와 2차 숏크리트 사이에 시공되는 것이 일반적이다. 방수(water-proofing)를 목적으로 하므로 시트방수재(sheet membrane)을 대체하는 재료로 볼 수 있다(ITA, 2013).

터널의 콘크리트 라이닝과 같이 지속적으로 지하수에 노출될 수 있는 조건에서 투수계수는 장기 내구성(durability)을 검토하는데 있어서 매우 중요한 요소이다. 터널의 내구성 문제는 라이닝 주변으로부터 염화물(chlorides), 황산염(sulphates), 탄산가스(carbon dioxide)와 같이 내구성을 저하시키는 물질의 유입과 밀접한 관계가 있다. 이러한 유해물질은 콘크리트 내부에 침입하여 내구성을 저하시킨다. 따라서 콘크리트의 투수성능은 내구성 평가에서 중요한 항목이다(Claisse et al., 2003; Bae et al., 2006).

터널에서의 누수는 미관뿐만 아니라 지보재 및 구조물의 열화를 촉진시켜 성능저하를 발생시켜서 유지관리 비용을 증가시키는 원인이 된다. 이와 같은 문제로 2차라이닝이 시공되는 더블 쉘(double shell) 개념에서는 숏크리트와 2차라이닝 사이에 방수 시트를 설치하거나 용수상황에 따라 배수재를 시공하여 2차라이닝을 침출수로부터 보호한다(Lee et al., 2015). TSL과 SWM은 모두 방수를 기본 성능으로 규정하였다. 따라서 두 재료 모두 지하수 및 염수 등에 의한 영향을 검토하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 폴리머 기반의 멤브레인 재료에 대해 방수성능을 평가하고 증류수와 염수에 침지시험을 수행한 이후 인장강도를 비교함으로써 지하수 및 염수에 대한 저항성을 평가하였다.

2. 방수성능 검토방법

EFNARC(2008)에서는 TSL의 방수성능을 평가하는 방법으로 EN 1928과 DIN 1048을 제시하였고, ITA(2013)에서는 SWM의 방수성능을 평가하는 방법으로 EN 12390-8(2009)을 수정한 방법을 제시하였다. 방수성능에 대한 EFNARC(2008)의 요구사항은 Class S 등급(EN 1928에서는 Class W1)에서 ‘물의 누출이 없음(No water leakage)’이었고 ITA(2013)의 방수성능 요구사항은 ‘멤브레인을 통과하는 침투수가 없음(zero penet-ration of water)’이다. 두 시험법 모두 기본적으로 수압이 가해진 상태에서 TSL과 SWM에 의해 형성된 방수층을 통과하는 침투수 유무를 확인하고 있다. 본 연구에서는 방수에 특화된 SWM을 시험하는 ITA(2013)의 방법을 사용하여 방수성능을 검토하였다.

ITA에서 제시한 방수시험은 Fig. 1(a)와 같이 유럽표준인 EN 12390-8(2009)을 기초로 작성되었다. 수정된 사항은 EN 12390-8은 멤브레인면에 작용하는 압력이 72±2시간이지만 ITA(2013)은 압력의 유지시간이 28일로 늘어난 것이다. 이것은 TSL의 방수시험인 DIN 1048과도 같다. Table 1은 ITA(2013)에서 제시하는 방수시험에 대한 세부사항을 정리한 것이고 Table 2는 방수층이 설치될 투수콘크리트 시험체의 기본 배합이다. 투수콘크리트 시험체의 기본 배합은 EN 14891-A7(2006)을 따른다. 투수콘크리트 시험체는 물시멘트비가 1 이상이고 골재 최대크기는 16 mm이다. Fig. 1(b)는 방수성능을 평가할 방수시험기의 개요이다. 방수시험은 멤브레인이 설치된 면을 하부로 하고 오링(O-ring)에 의해 씰링(sealing ring)된 면에 500±50 kPa의 수압이 작용하도록 한다(ITA, 2013).

본 연구에서는 방수시험이외에도 염수에 의한 영향을 검토하기 위해 ASTM C 1202(2012)에 따라 염분침투확산시험을 수행하였다. 현재 내염해성을 평가하는 별도의 시험은 없기 때문에 염수의 주요성분 중 물(H₂O)이외에 가장 함유량이 많은 염소이온(Cl_-)의 침투 정도를 파악하는 시험인 염분침투확산시험을 수행하였다.

염분침투확산시험은 6시간 동안 50 mm 두께의 코어 시편을 통과하는 전하량을 측정하는 시험이다. 이때 60 V 직류전압(DC)의 전위차가 시편의 양 끝단에 유지되어야 하고 한쪽은 염화나트륨(sodium chloride)에 그리고 다른 쪽에는 수산화나트륨(sodium hydroxide)에 연결한다. 이동된 전체 전하(total charge)는 쿨롱(coulombs)으로 표시되고 염화물 이온(chloride ions)에 대한 침투 저항성(penetration resistance)을 평가하는데 사용된다.

Table 3은 ASTM C 1202 (2012)에서 제시한 이동된 전체 전하에 따른 염화물 이온 침투 정도를 보여준다.

3. 시험체 및 시험방법

뿜어 붙임 형식의 멤브레인은 일반적으로 3~5 mm로 설치되며, 숏크리트와 같이 뿜어붙임 형식으로 시공되어 시공부의 형상에 대한 대응능력이 좋다. 검토를 위해 사용된 멤브레인은 분말과 액상폴리머(EVA계열)가 혼합된 2성분 제품으로 액상과 분말의 배합비가 다른 2종류(#1, #2)를 사용하였고 배합비는 Table 4와 같다. 그리고 분말재료에 대한 배합조건은 Table 5와 같다.

방수성능 평가를 위한 시험체는 2장에서 설명한 바와 같이 길이와 직경이 150 mm인 원통형의 투수콘크리트 시험체의 한쪽 면에 #1과 #2를 3 mm 두께로 설치하였다. Fig. 2는 방수성능평가를 위한 시험장치에 설치된 시험체의 모습이다. 투수콘크리트 위에 설치된 멤브레인 시험체(#1, #2)는 28일의 양생을 거친 후 방수성능 평가를 수행하였다(Fig. 2).

염분침투확산 시험을 위한 시험체는 50 mm의 두께를 맞추기 위해 두께가 40 mm이고 직경이 100 mm인 콘크리트 공시체의 양쪽 면에 5 mm 두께로 멤브레인을 설치하였다. 염분침투확산시험에 사용된 멤브레인 역시 28일의 양생 기간을 거친 후 ASTM C 1202 (2012)에 따라 시험이 수행되었다. 비교를 위해 OPC (Ordinary Portland Cement)에 대한 시험을 같이 실시하였다

해수에 의한 멤브레인의 인장강도 변화를 살펴보기 위하여 기건상태의 시험체와 증류수에 침지된 시험체 그리고 해수를 모사한 염수에 침지된 시험체를 제작하였다. 염수는 바닷물의 평균 염도인 3.5%(NaCl 0.6M)를 기준으로 하였다. Fig. 3은 인장강도 시편이고 Fig. 4는 증류수와 염수에 침지된 인장강도 시험용 멤브레인 시편이다. 침지는 ASTM D471 (2016)에 따르며 증류수 침지는 (20±2)℃, 증류수, 168 h 조건이고 염수침지는 (20±2)℃, 0.6 M(몰농도) NaCL 수용액, 168 h조건에서 수행하였다. 인장강도 시험은 ASTM D 638 (2014)에 따라 수행되었다.

4. 시험결과

4.1 방수성능 시험결과

SWM은 앞서 말한 바와 같이, 터널에서 1차 숏크리트와 2차 숏크리트 사이에 시공되며, 지반면에서 유입되는 지하수가 1차 숏크리트를 통과하여 2차 숏크리트까지 이르지 못하도록 함으로써 멤브레인 내부, 즉 터널 내부로 지하수에 의한 유해물질이 침투하여 구조물의 내구성을 저하시키는 것을 방지한다. 이와 같은 이유로 ITA (2013)에서는 SWM의 수밀성의 최소 요구사항(minimum requirement)으로 ‘멤브레인을 통과하는 침투수가 없음(zero penetration of water)’을 제시하였다. SWM은 지하수가 예상되는 지역에서 사용되므로 1차 숏크리트에는 항상 수분이 존재한다. 이러한 경우 액체상태인 물(water)의 이동은 멤브레인에 의해 구속할 수 있지만, 모세관 현상에 의해 발생하는 증기포화에 의한 수분이동(vapor transport)은 제외된다(Holter, 2016). 따라서 ITA (2013)가 제시한 ‘멤브레인을 통과하는 침투수가 없음’은 액체상태의 물의 이동에 대한 투수(permeability)만을 고려한 것이다.

Fig. 5(a)는 500 kPa (=5 bar)의 수압을 28일 동안 유지한 이후의 멤브레인면이다. 오링 및 상·하부 플레이트에 나사선을 가진 볼트형식의 로드(rods)를 이용하여 고정되기 때문에, 로드의 고정을 위해 가해진 볼트의 조임력(tightening force)에 의해 오링이 멤브레인에 압착되었다. Fig. 5(b) 및 Fig. 5(c)와 같이 멤브레인을 콘크리트 시험체와 분리한 후, 콘크리트 시험체를 반으로 절단하였다. Fig. 5(d)와 같이 절단면을 조사하여 물이 멤브레인을 통과하여 콘크리트 시험체로 이동하였는지를 판단하였다.

콘크리트 시험체를 조사한 결과, #2 시험체 중 1번 시험체에서만 Fig. 6(a)와 같이 물이 일부 침투된 흔적이 나타났다. 물이 침투한 흔적이 나타난 위치를 기준으로 Fig. 6(b)와 같이 시험체를 분할 절단한 후, 절단면을 조사하여 Fig. 6(c)와 같은 물의 침투 범위(water penetration front)를 확인할 수 있었다. 즉, Fig. 6(a)와 같이 물의 침투된 흔적이 확실하게 나타났기 때문에 콘크리트 시험체 면과 멤브레인 면을 대조하여 Fig. 6(d)와 같이 물의 침투위치를 확인할 수 있었다. Fig. 6(c)로부터 1번 시험체에 대한 물의 침투범위를 Fig. 7과 같이 계산하였다. 물의 최대 침투깊이는 58.6 mm이었으며, 침투면적은 4,241 mm²이었다.

멤브레인에 대한 방수성능시험을 수행한 결과, #1 시험체에서는 물의 침투가 발생하지 않았으므로 ITA (2013)가 제시한 ‘멤브레인을 통과하는 침투수가 없음’으로 판단할 수 있었지만 #2 시험체에서는 침투가 발생하였다.

Fig. 8, Fig. 9와 같이 #2 시험체의 내부 구조를 3차원적으로 평가하기 위하여 수행한 X-ray 단층촬영(Computed Tomography, CT)의 이미지를 3차원으로 가시화한 결과로부터 침투수의 발생원인을 파악할 수 있었다. CT는 X선을 이용하여 물체의 내부 구조를 3차원적으로 검사하는 비파괴기술로서, 본 연구에서는 산업용 멀티튜브 X-ray CT장비(Choi et al., 2015)를 사용하여 촬영을 실시하였다.

멤브레인의 표면에서는 시각적으로 공극이나 핀홀(pin hole)들을 찾기가 어려웠으나, X-ray CT 촬영결과에서는 내부에 상당한 공극이 존재하는 것을 알 수 있었다. 이 내부 공극들은 멤브레인이 양생되는 과정에서 내부의 수분이 외부로 빠져 나감으로 인해 형성된 것으로 판단된다. 내부 공극들은 Fig. 9(b)와 같이 서로 연결되어 있기 보다는 산발적으로 존재하는 것으로 나타났다. 침투의 발생원인은 멤브레인의 재료인 액상 폴리머와 분말 재료가 혼합되는 과정에서 포함되는 연행 공기(entrained air)와 갇힌 공기(entraped air) 중 갇힌 공기에 의해 발생된 공극들이 5 bar의 수압 조건에서 연결되어 물의 침투경로(flow path)로 확장된 것으로 판단된다. 특히 시험체 제작 시 투수콘크리트 위에 멤브레인을 설치할 때, 뿜어붙임 방식이 아니라 실내에서 믹서(mixer)에 의해 액상폴리머와 분말재료를 혼합하여 설치하였기 때문에 액상폴리머와 분말재료의 혼합에 의한 공극발생이 더 크게 발생한 것으로 예상된다.

X-ray CT촬영을 통해 내부 공극들의 크기 분포를 분석한 결과, 공극들의 평균 체적은 0.0038 ㎥이었으며 대부분 0.0015 ㎥ 이하의 체적을 갖는 것으로 분석되었다(Fig. 10). 이상의 분석으로부터 산출된 멤브레인의 공극률(porosity)은 26.13%로 나타났으며, 이것은 Holter (2016)가 뿜칠 방수 멤브레인을 대기압 조건에서 완전 침수시킨 후에 측정한 멤브레인의 함수비인 30~40%(건조중량비 %)와 다소 유사한 결과이다.

4.2 염분침투확산 시험결과

방수성능시험과 더불어 염분에 대한 침투저항성을 파악하기 위해 멤브레인의 염분침투확산시험을 수행하였다. 비교를 위해 OPC (Ordinary Portland Cement)에 대한 시험을 같이 실시하였다. Table 6은 염분침투확산시험의 결과를 정리한 것이다. 멤브레인이 설치되지 않은 OPC를 제외하고 멤브레인을 통과하는 염소이온은 없는 것으로 나타났다. Fig. 11은 시험 후 시험체를 절단하여 염소이온이 통과했는지를 시약을 통해 검사한 모습이다. 확인 결과, 염소이온은 투과되지 않은 것으로 나타났다. 일반적인 통과 염화물의 양에 대한 평가기준은 100 Coulombs 이하(Negligible)이다(ASTM C 1202, 2012).

4.3 침지 후 인장강도 시험결과

해수에 의한 멤브레인의 인장강도 변화를 살펴보기 위하여 기건상태의 일반시험체와 증류수에 침지된 시험체 그리고 해수를 모사한 염수(NaCl 0.6M)에 침지된 시험체의 인장강도를 측정하였다.

Fig. 12와 Fig. 13은 인장시험 후의 증류수와 염수 침지 시험체이다. #1 시험체의 경우는 인장강도가 #2에 비해 크게 나오는 반면 신장률이 낮은 특성을 보였다. #1은 액상폴리머의 혼합비율이 #2에 비해 낮기 때문에 인장강도는 높고 신장률은 낮을 것으로 기 예상되었다. 인장강도 및 신장률의 오차범위는 #1이 #2에 비해 크게 나타났다.

증류수 침지에 의해 발생한 평균적인 인장강도의 저하율은 기건상태의 시험체의 결과에 비해 #1의 경우는 47.8%, #2는 38%로 나타났고, 염수 침지에 의해 발생한 평균적인 인장강도의 저하는 #1의 경우 46.4%, #2는 48.1%로 나타났다. 전체적으로 기건상태에 비해 침지할 경우 절반 이하로 인장강도가 저하됨을 알 수 있다(Fig. 14, Table 7).

#1 시험체의 신장률은 증류수 침지를 수행한 경우 기건상태의 시험체에 비해 평균 144.4% 증가하였으나, 염수침지의 경우에는 기건상태와 유사한 결과를 보였다. 이것은 염수의 NaCl 성분에 의한 것으로 예상되지만 자세한 사항은 추가적인 조사가 필요할 것으로 판단된다.

#2 시험체의 경우는 신장률이 매우 높아서 인장시험기의 인장 최대 범위를 넘어서 모두 같은 결과를 보였다(Fig. 14, Table 7). Fig. 15는 인장시험동안 측정된 #1시험체와 #2시험체의 신장량(extension)에 대한 인장력(force)의 상관관계의 예를 보여준다. 신장량이 계속적으로 증가하는 동안 인장강도의 변화가 없는 것으로 나타나 최대하중을 넘어선 것으로 판단할 수 있다. EFNARC (2008)에서는 TSL의 파단 시 최소 신장률(minimum elongation at break)을 10% 이상으로 규정하고 있으며, SWM 제조업체인 BASF (2017)에서는 MasterSeal 345의 28일에서의 신장률을 100%로 제시한 바 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 뿜어붙임형식의 멤브레인 재료에 대해 방수성능을 평가하고 증류수와 염수에 대한 저항성을 침지 후 인장강도 시험을 통해 평가하였다.

ITA (2013)에서 제시하는 방수성능 평가방법에 따라 두 종류의 멤브레인 재료를 시험한 결과, #2 시험체에서만 물의 침투가 발생한 것으로 나타났다. 3 mm 두께의 멤브레인이 5 bar의 압력을 28일 동안 받는 조건과 물의 최대 침투깊이가 58.6 mm인 것으로 판단해 볼 때, 물의 침투는 시험기간의 초중반보다는 후반기에 발생한 것으로 예상된다. X-ray 단층촬영 결과를 가시화한 결과로부터 멤브레인 내부에 평균 0.0038mm³의 공극이 26% 정도 존재한다는 점을 확인하였다.

내부공극의 발생원인은 액상폴리머와 분말재료가 혼합되는 과정에서 포함되는 갇힌 공기(entraped air)에 의한 공극들이 5 bar의 수압조건에서 연결되어 침투유로가 형성된 것으로 추측된다. 그러나 이러한 내부공극은 본 연구의 시험체 제작과 같이 실내에서 믹서(mixer)에 의해 액상폴리머와 분말재료를 혼합하여 설치하는 것이 아니라, 뿜어붙임 방식으로 시공될 경우 뿜어붙임 압력에 의해 다짐효과가 발생하여 갇힌 공기에 의한 공극이 줄어들어 침투유로 형성을 저해할 것으로 판단된다.

수압을 받는 조건은 아니지만, 염분침투에 대한 저항성을 파악하는 염분침투확산시험을 수행한 결과에서는 모든 시험체에서 염분침투가 발생하지 않은 것으로 조사되었다. 방수성능평가와 염분침투확산시험은 시험 후, 모든 시험체를 절단하여 내부의 침투 여부를 확인하여 결과의 정확도를 높였다.

증류수와 염수에 대해 침지한 후 수행한 인장시험결과에서는 #1 시험체와 #2 시험체 모두 인장강도가 기건상태의 결과보다 절반 이하로 나타났다. #1 시험체의 인장강도의 평균치는 증류수 침지의 경우 평균 2.2 MPa, 염수 침지의 경우 평균 2.1 MPa로 측정되어 EFNARC (2008)에서 제시하는 인장강도의 최소요구사항인 2 MPa을 만족시키는 것으로 나타났다.

#1 시험체의 신장률 결과에서는 증류수 침지의 경우 기건상태에 비해 144% 증가하는 것으로 나타났지만, 염수침지의 경우는 기건상태와 유사하게 나타났다. 이 결과는 염수의 NaCl성분이 멤브레인에 영향을 주는 것으로 예상되지만, 자세한 사항은 추가적인 조사가 필요하다. 반면 #2 시험체의 신장률 결과는 신장률이 높아서 인장강도시험을 수행한 시험기의 인장범위를 넘어서는 것으로 나타났다. 그러나 인장시험동안의 신장량과 인장력의 관계로부터 최대강도를 파악할 수 있었다.