1. 서 론
터널공사에서는 지반으로부터 터널 내측으로 유입되는 지하수를 막기 위해 방수재를 사용하고 있다. 방수재는 라이닝 콘크리트를 모든 침투수로부터 보호하고 침투수가 터널 내부로 유입되지 않도록 하는 역할을 한다. 일반적으로 방수재는 NATM터널의 경우 숏크리트와 라이닝 콘크리트 사이에 설치하고 개착터널에서는 라이닝 콘크리트의 외측 면에 위치하게 된다(MOLIT, 2007; MOLIT, 2010).
분무식 방수 멤브레인(spray-applied waterproofing mem-brane)은 박층 분무식 라이너(thin spray-on liners)와 유사한 재료로써 같은 분무식 방법으로 시공되지만, 지보재 개념의 박층 분무식 라이너와 달리 방수(waterproofing)에 특화된 방법이다. 광산에서 낙반 등을 막는 지보재로서 사용되는 박층 분무식 라이너 역시 가스(gas) 또는 수분이동(moisture transfer)을 막기 위한 코팅재료(coating)로써 사용되지만, 분무식 방수 멤브레인은 구조물(structures) 내부로 지하수와 같은 액체(liquid water)가 침투하지 못하도록 하는 코팅재료로서의 기능이 강하기 때문에 1차 숏크리트와 2차 숏크리트 사이에 방수(waterproofing)를 목적으로 주로 시공한다(EFNARC, 2008; Chang et al., 2016; Choi et al., 2017).
숏크리트 라이닝에서의 지하수 유입은 균열과 취약부를 통하여 이루어지며, 숏크리트 라이닝의 균열은 격자 지보재(lattice girder)와 시공 조인트(construction joint)의 부근에 주로 위치한다. 따라서 연속적인 타설과 중첩분사로 개별적인 이음부가 없는 방수면을 형성할 수 있는 분무식 방수 멤브레인은 터널 프로젝트에서 빈번하게 발생되는 지반과 수문학적 조건의 특정 문제에 대해서 해결책을 제공할 수 있다. 다만 타설면을 통한 지하수 유입 수준이 높을 것으로 예상되는 경우에 시공이 용이하지 않을 수 있다(ITA, 2013).
암석, 콘크리트, 골재 등 다공성 재료의 공극 크기와 구조, 그리고 분포는 그 재료의 수리 역학적인 특성에 영향을 주기 때문에 많은 연구자들이 다공성 재료의 공극 특성에 대한 연구를 수행하였다(Chae et al., 2017; Choo et al., 2011; Chung et al., 2011; David et al., 1993; Grattoni and Dawe, 1995; Kim and Kim, 2014; Louis et al., 2003). 다공성 재료의 공극은 육안으로 관찰 가능한 크기에서부터 현미경으로 관찰해야하는 미세 공극까지 재료의 내･외부에 다수 존재한다. 암석재료에서 공극율은 일반적으로 표면건조포화질량과 건조질량을 측정하여 계산하는 유효공극율에 대한 것이고, 포화된 재료의 전기임피던스(electircal impedence)를 측정하여 공극 구조를 평가하기도 한다(Choo et al., 2011; KSRM, 2006). 그러나 이러한 방법들은 하나의 시험체에 대해 포괄적인 공극율 값을 제시할 뿐 재료 내부의 공극크기 및 분포와 같은 특성은 반영하지 못한다.
X-ray CT는 재료의 절단작업 없이 X선에 대한 재료 고유의 감쇄특성을 이용하여 재료 내부의 구조를 영상화하는 기술이다. 이 기술은 물체의 내부를 3차원적으로 검사할 수 있는 비파괴 기술로써 1970년대 의료용으로 개발된 이후 산업에서도 많이 활용되고 있다. 본 연구에서는 방수시험 후, 물을 포함하고 있는 분무식 방수 멤브레인 재료를 X-ray CT장비로 촬영하고 X-ray 이미지 분석기술을 활용하여 분무식 방수 멤브레인 재료 내부의 공극 이미지로부터 공기(air)와 수분(water)의 분포를 살펴보았다.
2. 방수성능시험과 X-ray CT
2.1 방수성능시험
EFNARC(2008)에서는 박층 분무식 라이너의 방수성능을 평가하는 방법으로 EN 1928(2000)과 DIN 1048(1991)을 제시하였고, ITA(2013)에서는 분무식 방수 멤브레인의 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 penetration of water)’이다. 두 시험법 모두 기본적으로 수압이 가해진 상태에서 박층 분무식 라이너와 분무식 방수 멤브레인에 의해 형성된 방수층을 통과하는 침투수 유무를 확인하고 있다. 본 연구에서는 방수에 특화된 분무식 방수 멤브레인을 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 박층 분무식 라이너의 방수시험인 DIN 1048과도 같다. Table 1은 ITA(2013)에서 제시하는 방수시험에 대한 세부사항을 정리한 것이다. 방수층이 설치될 투수콘크리트 시험체는 Table 2와 같이 EN 14891-A7(2006)에 따랐다. 투수콘크리트 시험체는 물시멘트비가 1 이상이고 골재 최대크기는 16mm이다. 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±50kPa의 수압이 작용하도록 한다(ITA, 2013).
2.2 X-ray CT
컴퓨터 단층 촬영(CT, computed tomography)은 물체의 내부를 3차원적으로 검사할 수 있는 비파괴 기술이다. 1970년대 의료 목적으로 개발되었고 1980년대 산업용으로 개발되어 자동차, 전자제품 등 부품소재의 내부결함이나 용접 품질 등을 비파괴적으로 검사하는데 사용되어왔다.
디지털 영상장치의 발달로 1990년대 말 Micro-CT가 상용화되기 시작하였고 PC와 X-ray 디지털영상장치 등의 발달로 인하여 CT기술은 고해상도로 빠르고 넓게 피사체를 스캔 할 수 있는 영상 시스템으로 변화하게 되었다. 디지털 영상 시스템인 Micro-CT는 기초과학, 의료, 생명과학, 기계부품, 재료, 지반 등의 비파괴 검사를 필요로 하는 다양한 분야에 응용 연구가 확대되고 있다. 지질 또는 암반공학분야에서의 CT기술은 재료 내부의 밀도 변화, 공극량 분석, 균열 분석에 주로 적용되어 왔다(Keller, 1998, Montemagno and Pyrak-Nolte, 1999; Taud et al., 2005).
X-ray CT의 원리는 X선이 물질을 투과할 때 흡수 또는 산란되는 X선 광자의 수가 물질의 밀도 및 원자번호와 비례하는 것을 이용한다. 이때 X선의 감약 정도를 표현하는 계수로써 선형감약계수(linear attenuation coefficient, µ)를 사용하고 단위는 mm이다. 이 계수는 X선 속의 에너지와 물질의 종류에 따라 일정하며, 감약된 X선의 강도(intensity) I는 다음 식 (1)과 같다.
I = I0e-µt (1)
여기서 I0는 원래 X선의 강도(intensity)이고 e는 자연대수의 밑수, µ는 물질의 선감약계수, 그리고 t는 물질의 두께이다.
Fig. 2는 X-ray CT의 개요도이다. 시험체 내부에 존재하는 서로 다른 물질은 각각의 고유의 선감약계수를 가지기 때문에 촬영된 영상에서 다른 화소밝기(pixel intensity) 값을 가지게 된다.
3. 시험체제작 및 시험방법
분무식 방수 멤브레인은 일반적으로 3~5mm로 설치된다. 연구에 사용된 멤브레인은 분말과 액상폴리머(EVA계열)가 혼합된 2성분 제품으로 액상과 분말의 배합비는 2:1이고 분말재료에 대한 배합조건은 Table 3과 같다.
Fig. 3은 2.1절의 방수시험방법에 따라 500±50kPa의 수압을 28일 동안 받은 후 시험체들의 표면을 보여준다. 방수시험이 완료된 멤브레인은 ITA(2013)의 방수성능 요구사항인 ‘멤브레인을 통과하는 침투수가 없음(zero penetration of water)’으로 나타났다.
X-ray CT를 위한 시편들은 방수시험이 완료된 멤브레인을 콘크리트로부터 제거한 후, 멤브레인의 중앙부에서 가로×세로×높이가 18×18×3.2mm인 크기로 멤브레인을 절단하여 사용하였다. 시편은 방수시험에 의한 물 침투의 영향이 가장 잘 나타날 수 있는 중앙부에서 채취하였고, 정밀한 X-ray CT 분석을 위해 멤브레인 전체를 사용하지 않고 작게 절단하여 X-ray CT를 수행하였다.
X-ray CT를 수행하기 전에 Table 4와 같이 시편 3개의 중량을 측정하였다. 방수시험 후 시간경과에 따른 중량변화를 살펴보기 위하여 14일을 자연건조한 “A” 시편과 28일을 자연건조한 “B” 시편, 그리고 건조로에서 건조한 “C” 시편의 중량을 측정하였다. 건조로에서 건조한 “C” 시편은 폴리머가 포함된 점을 고려하여 60°C에서 3일간 건조한 후 중량을 측정하였다.
Fig. 4는 X-ray CT장비에 설치된 시편의 모습이다. 최적의 해상도를 가진 영상을 얻기 위한 촬영조건은 Table 5와 같으며, 이 조건에 대해 노출타임을 1초, 투영횟수를 1,800번으로 설정하여 X-ray 이미지를 도출하였다.
4. X-ray CT 분석 결과
X-ray CT장비를 이용하여 촬영된 이미지는 격자 좌표(coordinate grid)를 설정한 후 분석을 실시하였고 시편별 건조 전과 후의 이미지 비교를 위하여 2차원 단면영상(sliced image)의 중앙 부분을 기준으로 크로핑(cropping) 작업을 실시하였다.
X-ray이미지 상의 공극은 Wellner’s algorithm(Bradley and Roth, 2007)에 기반한 적응형 임계 값(Adaptive thresh-olding)을 이용한 방법을 통하여 촬영 이미지의 상대적인 밝기에 따라 추출하였다 출된 분무식 방수 멤브레인의 X-ray 이미지는 Fig. 5와 같다. Fig. 5(a)에서 빨간색 사각형은 크로핑된 영역을 보여주고 있으며, Fig. 5(b)에서 초록색 원은 물과 공기가 둘 다 존재하는 공극을 표시하고 빨간색 원은 공기만 있는 공극, 그리고 파란색 원은 물이 차있는 공극을 나타낸다.
Fig. 6∼8은 크로핑된 영역에 대해 시편의 높이(3.2mm)방향에서 추출한 2차원 단면영상들이다. Fig. 6(a)는 건조 전 시편의 2차원 단면영상이고 Fig. 6(b)는 방수시험 후 14일 동안 자연건조한 시편을 촬영한 X-ray 이미지이다. Fig. 5(b)에서와 같은 방법으로 물, 공기, 물과 공기가 있는 공극을 표시하였다. 검정색이 선명한 공극은 공기만으로 공극이 차있는 상황을 나타내며, 회색으로 보이는 공극은 물이 차있는 공극을 나타낸다. 마찬가지로 Fig. 7(a)와 Fig. 8(a)는 건조 전 시편의 2차원 단면영상이고, Fig. 7(b)와 Fig. 8(b)는 각각 방수시험 후 28일 동안 자연건조한 시편과 건조로에서 건조한 시편의 2차원 단면영상을 보여준다.
Fig. 6∼8에서와 같이 멤브레인 내부에는 약 2mm의 큰 공극부터 수 µm의 미세공극까지 다양한 공극이 존재하는 것을 알 수 있다. Choi et al.(2017)의 연구에서는 방수시험과 CT이미지 분석을 통해 분무식 방수 멤브레인은 내부의 수많은 공극을 포함하지만, 공극들 사이로 물의 침투가 발생하지 않음으로 인하여 방수효과가 나타나는 것으로 파악하였다. 그러나 Fig. 6∼8에서보면 일부 큰 공극들이 물로 채워져 있지만, 공기로 채워져 있거나 물과 공기가 같이 있는 공극들도 많은 것으로 나타났으며, 특히 매트릭스(matrix)부분에서 희미한 회색으로 나타나는 작은 공극들이 물로 채워져 있는 것으로 나타났다.
시편의 높이방향에서 추출한 2차원 단면영상들을 보면 시편의 수압이 작용하는 면부터 공극이 물로 완전 포화되어 있고 반대편으로 갈수록 물의 포화정도가 낮아지는 형태가 아니라, 각 높이별로 약간의 차이는 있지만 공극의 포화도의 차이가 크게 나타나지 않았다. 특히 눈에 띄는 큰 공극들에서 물이 포화되지 않은 결과가 많이 관찰되었다. 즉, 시공 상의 문제로 큰 공극들이 많이 발생되고 이 공극들이 연결되어 침투가 발생하는 경우가 아니라면, 공극들 간의 물의 이동은 앞서 언급한 매트릭스부분의 미세공극들을 통해 이루어지는 것으로 판단된다.
이 결과로부터 분무식 방수 멤브레인이 불투수층을 형성하지만 장시간 수압이 작용하는 경우, 멤브레인에 스며들 듯이 미세공극을 통해 수분의 이동이 발생하는 것으로 판단할 수 있다. 이 결과는 Holter and Geving(2016)이 언급한 미세공극을 통한 흐름(capillary flow)과 증기에 의한 확산(vapor diffusion)을 통한 수분이동 중에서 미세공극을 통한 흐름에 의한 수분 이동과 유사하다. 이 논문에서는 이러한 수분이동을 대기압 조건에서 1년 동안 흡수율시험(unidirectional water absorption test)을 통하여 측정하였는데 반해, 본 연구에서는 500kPa의 수압을 28일간 작용시키는 방수시험이 미세공극을 통한 물의 이동을 촉진시킨 것으로 판단된다.
앞선 2.2절에서 설명한 바와 같이 공극 내부의 공기와 물은 서로 다른 감약계수를 가지기 때문에 검정색(공기)과 회색(물)의 화소밝기(pixel intensity)에 따라 공극 내부의 함수량을 계산할 수 있다. Fig. 9는 크로핑된 X-ray 이미지로부터 계산된 단면별 함수율을 시편 높이에 따라 도시한 것이다. Fig. 9(a), (b), (c)에서 수압이 작용한 면인 그래프 위쪽의 함수율이 반대면 보다 높은 것으로 나타났으며, 자연건조 시간경과에 따라 함수율이 낮아지는 것으로 확인할 수 있다. Table 4의 건조 전과 후 시편의 중량차이로 계산된 함수율 결과와 비교할 때 함수율의 감소 경향은 유사하지만, 적응형 임계값을 적용하였기 때문에 임계값 적용에 따른 함수율의 차이가 발생함을 알 수 있다.
5. 결 론
본 연구는 수압이 작용하는 방수시험을 수행한 분무식 방수 멤브레인 시험체의 중앙부에서 채취된 시편에 대해서 건조시간을 달리하여 X-ray CT를 실시하고 도출된 X-ray 이미지로부터 멤브레인 내부의 공극에 대해 분석을 실시하였다.
분무식 방수 멤브레인 시편의 X-ray 이미지에서 크로핑된 영역에 대해 2차원 단면영상을 시편의 높이(3.2mm) 방향에서 추출하였고 공기와 물의 선감약계수 차이에 의해 나타나는 밝기 값을 이용하여 공기, 물, 그리고 공기와 물이 같이 있는 공극의 이미지를 도출하였다. 그 결과, 분무식 방수 멤브레인은 내부에 크고 작은 수많은 공극을 포함하고 있는 것을 확인하였다. 특히 매트릭스(matrix)부분에서 희미한 회색으로 나타나는 미세 공극들이 물로 채워져 있는 것을 알 수 있었다.
공극에 대한 X-ray 이미지를 관찰한 결과, 물과 접해있었던 멤브레인 면을 기준으로 모든 공극에 물이 완전 포화되어 있고 반대편으로 갈수록 포화도가 낮아질 것으로 예상한 것과 달리, 물과 접해 있었던 멤브레인 면 쪽의 공극에 물의 침투가 반대편에 비해 상대적으로 높게 나타나긴 하지만, 시편의 높이에 따라 큰 공극과 작은 공극에서 완전포화는 나타나지 않았다. 또한 모든 높이에서 눈에 띄는 큰 공극과 작은 공극은 물보다 공기로 채워진 경우가 많이 나타났다. 이 결과는 시공 상의 문제로 큰 공극들이 많이 발생되고 이 공극들이 연결되어 침투가 발생하는 경우가 아니라면, 공극들 간의 물의 이동은 앞서 언급한 매트릭스부분의 미세공극들을 통해 이루어진다는 것을 보여준다.
분무식 방수 멤브레인의 매트릭스(matrix)부분에서 관찰할 수 있는 희미한 회색으로 나타나는 물이 차있는 미세 공극들이 멤브레인 내부의 물의 이동을 보여주는 결과로 판단되며, 이것은 기존 연구결과에서 언급된 미세공극을 통한 흐름을 통한 수분이동과 일맥상통한다. 특히 500 kPa의 수압은 이러한 미세공극을 통한 물의 이동을 촉진시키는 것으로 예상된다.
X-ray 이미지는 멤브레인 내부의 공극 크기 및 분포와 함수여부를 판단하는데 효과적임을 알 수 있었으나, 함수량을 계산하기 위해 적용하는 임계값에 따라 함수율의 차이가 발생할 수 있으므로 이에 대한 주의가 필요하다.
