콘크리트는 재료적인 우수성으로 건축물과 구조물의 주요 구조용 재료로 사용되어왔다. 이러한 재료적 우수성에도 불구하고 콘크리트 또한 다른 재료와 같이 열화와 노후화는 피할 수 없다. 이와같이 노후화가 진행되는 콘크리트 구조물의 수명을 연장하기 위하여 지속적인 보수와 보강이 필수적이다. 여기서 콘크리트 균열 보강작업은 구조물이나 시설의 낡은 것과 관계없이 그 기능을 향상하거나 확장하는 작업이고, 콘크리트 균열 보수작업은 균열이 발생한 구조물의 내구성 등의 기능을 회복시키는 것으로 설명될 수 있다. 이러한 구조물의 보수 보강방법으로 전자는 강재앵커공법, 강재부착공법, 프리스트레스공법, 탄소섬유보강공법 등이 사용되고 있으며, 후자는 표면처리공법, 충전공법, 주입공법 등이 사용되고 있다.
콘크리트 균열보수를 위하여 가장 일반적으로 사용되고 있는 균열보수공법은 주사기를 이용한 주입공법(이하, 재래식공법)으로 보수작업에 있어서 고도의 기술이 필요하지 않으며, 시공방법이 단순하고 재료의 단가가 낮아 경제적이라는 장점을 가지고있어 국내에서 널리 사용되고 있다.
그러나 균열 부위에 보수재 주입 작업 시 주입압력과 갇힌 공기압이 등압을 이루면 보수재는 더이상 균열 발생 깊이까지 주입이 되지 않는다. 그 결과 재래식 공법에서는 충전율 부족에 따른 품질 저하가 문제점으로 지속적으로 지적되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 재래식 공법에서 발생된 품질 저하 문제를 해결하기 위하여 Technology Port System(일명 Port-Type Injection System)을 제안하고자 한다. 이 공법은 균열 내부에 존재하는 공기를 외부로 배출함과 동시에 충분한 압력으로 보수재를 주입할 수 있는 새로운 주입공법으로 주요구성은 다음과 같이 세 가지로 분류된다.
첫째는, 보수액 저장관으로 균열 내부에 보수액을 주입할 때 발생하는 마찰력과 갇힌 공기가 지닌 높은 압력을 극복하여 원활한 주입이 가능하도록 고탄성 라텍스 재질을 사용하도록 설계하였다. 둘째는 보수액 주입 단계에서 콘크리트 균열 내부에 존재하고 있는 갇힌 공기를 자연스럽게 외부로 배출이 가능하도록 고안된 스마트 밸브를 도입하였다. 이 밸브는 보수재의 역류 현상을 방지할 수 있도록 구성된 포트식 주입 밸브이다. 셋째는 발생된 균열부위에 주입재를 주입시키는 방법에 있어서 주입성능을 크게 향상시키기 위하여 1단계로 기계에 의한 자동식 주입과 탄성저장관의 재질의 특성을 이용한 2차 주입이 가능하도록 시스템을 구성하였다.
본 연구에서는 제안된 Technology Port System(이하, TPS 공법)의 품질 및 시공성을 판단하기 위하여 물리적 실험과 현장적용성 실험을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

1. 최근 국내에서 사용되는 주사기 주입공법에서 주사기 크기에 따른 보수액 저장량의 한계, 주입압력 부족에 의한 보수액 충전성 부족의 문제점을 해결하기 위해 라텍스 저장관을 제작했다. 이 저장관 시스템을 현장에 적용한 결과 라텍스 저장관의 재료적인 특성 때문에 현장에서 사용되고 있는 주사기 저장 용량의 약 2배 이상의 보수액이 저장될 수 있었으며, 라텍스 저장관의 주입압력은 약 3.5 kgf/cm2 이상을 유지할 수 있는 것으로 조사되었다.

2. 보수액 주입단계에서는 균열 내부에 밀폐된 공기를 배출하고 보수액 주입이 원활하도록 포트 내부에 일방향 판밸브를 개발하여 시스템을 구성하였다. 개발된 시스템의 성능을 알아보기 위하여 아크릴판으로 제작한 실험체에 탄성저장관과 일방향 판밸브를 설치하고 공기 배출구에 투명튜브를 배치하여 보수재의 주입성능 및 공기배출 기능을 확인한 결과 공기는 외부로 배출되고 보수재는 판밸브에 의해 외부로 누출되지 않는 시스템구성을 확인 할 수 있었다.

3. 고무줄을 이용한 재래식 공법과 TPS 공법의 보수재 주입 속도를 비교하기 위하여 모의 실험체(300 × 300 × 50 mm)를 제작하여 보수용액 100 cc 주입 소요시간을 측정하였다. 그 결과 재래식공법의 주입시간은 약 7.2 분이 소요되는 것으로 측정되었으며, TPS 공법은 약 2.2 분으로 측정되어 라텍스 탄성저장관에 의한 TPS 공법이 주사기 공법보다 약 3 배 이상 주입시간이 단축되는 것으로 분석되었다. 또한 깊이(Depth = 300 mm)에 따른 충전성을 분석한 결과 재래식공법의 충전 깊이는 약 155 mm / 300 mm로 측정 되었으나, TPS 공법은 충전 깊이는 300 mm / 300 mm 모두 충전된 것으로 확인되었다. 이러한 실험결과는 재래식 공법이 보수단계에서 콘크리트 구조체에 발생된 균열 내부의 밀폐된 공기 때문에 충전성은 약 52 %로 측정되었으나, TPS 공법은 보수액 주입단계에서 균열 내부의 밀폐된 공기를 배출(보수재 주입단계에서 균열내부의 압력을 제거)함으로써 균열내부의 보수액이 100 % 충전이 가능하도록 하여 충전성이 크게 향상된 것이 확인되었다.

4. 콘크리트 균열 보수방법에 TPS 공법을 적용한 콘크리트 구조체의 역학적 특성을 분석하기 위하여 실험체(300 × 300 × 200 mm)를 제작하여 인장강도와 압축강도를 실험하였다. 실험방법은 제작된 실험체에 재래식보수방법과 제안된 TPS 보수방법을 적용하여 균열을 보수하고 양생을 거쳐 압축강도와 인장강도를 각각 측정하였다. 압축강도를 분석한 결과 재래식 공법에서는 Plain과 비교하여 약 20 % 정도의 압축강도가 저하된 것으로 측정되었으며, TPS 공법의 경우에는 Plain보다 약 5 ~ 7 % 정도 압축강도가 증가된 것으로 측정되었다. 또한, 인장강도는 TPS 공법을 사용한 경우는 Plain 보다 약 2.6 % 증가하는 것으로 측정되었다. 이러한 측정 결과는 다음과 같이 분석할 수 있다. 첫 번째는 콘크리트 균열 내부에 보수재를 충전할 때, 재래식 공법의 경우 갇힌 공기 때문에 보수재 충전성이 부족하여 구조체와 일체화가 이루어지지 않았기 때문이다. 두 번째는 TPS 공법을 활용한 보수재 주입단계에서 주입재의 충전으로 갇힌 공기가 배출됨으로써 폐쇄공기압력의 저항 없이 보수재가 100 % 충전되어 충전성이 확보되었기 때문에 TPS 공법이 재래식 공법보다 압축강도와 인장강도 모두가 높게 나타난 것으로 판단된다. 따라서 TPS 보수방법이 균열부위 충전성을 향상시켜 구조체의 부착력을 증가 시킴으로서 압축강도와 인장강도가 증가된 것으로 분석된다.

5. TPS 공법의 현장 적용성 실험을 위하여‘균열이 정형화된 실험체’와 ‘현장에서 수집한 비정형화된 균열의 실험체’를 대상으로 Mock-up 실험을 다음과 같이 수행하였다.
전자는 균열이 정형화된 모의부재(1 000 × 1 000 × 300 mm)를 제작하여 보수재를 주입한 이후, 양생과정을 거쳐 압축 및 인장강도를 측정하였다. 그 결과 보수 이전에 비해 보수 이후 실험체 강도의 발현율이 높게 나타났다. 초음파 테스트의 경우, 보수 후 초음파 속도가 평균 약 25.8 mm/sec로 보수 전에 비해 빠르게 나타났다. 또한 미세균열의 주입 여부를 확인하기 위하여 전자현미경과 디지털 분석기를 이용하였는데, 그 결과 0.3 mm 이하의 균열까지 보수액이 완전하게 충전되는 것을 확인할 수 있었다. 후자는 실제 현장에서 수집한 비정형 균열 모의부재에 TPS 공법을 이용하여 보수재를 주입하고 양생과정을 거쳐 실험체를 제작하였다. 실험체의 충전성을 확인하기 위하여 실험체를 절단하여 주입성능을 육안으로 확인한 결과 균열전체에 보수액의 주입되어 있어 제안된 TPS 공법은 현장적용 우수성이 확보되었다고 판단된다.

6. 본 연구에서는 제안된 공법의 시공성을 평가하기 위하여 재래식공법과 TPS 공법의 각 공정별 시간을 측정하여 분석하였다.
콘크리트 균열 보수방법의 작업공정은 다음과 같이 3단계로 분류할 수 있다. 1단계는 균열부위 실링 및 좌대 설치와 2단계는 보수재 주입 및 양생 그리고 3단계는 퍼티 및 좌대 해체 등의 작업공정이 이루어진다.
제안공법과 재래식공법에서 1단계와 3단계의 작업 소요시간은 동일하게 측정되었으나, 2단계에서 1일에 약2시간이 단축되어 약 33 % 시공속도가 빠르게 나타났으며, 4일 공정에서 약 8.3 % 정도 공기단축 효과가 있는 것을 분석되어 시공성이 우수한 것으로 평가되었다.

이상의 결과를 종합하면, 탄성저장관을 활용한 포트식 균열 주입 공법인 TPS 공법은 균열보수 단계에서는 주입 속도가 재래식공법보다 약 30 % 이상의 공기 단축이 가능한 것으로 분석되었으며, 콘크리트 구조체에 발생된 균열의 단부까지 주입할 수 있어 보수 성능 및 품질이 우수한 것으로 조사되었다.
따라서 콘크리트 균열을 보수하는데 제안된 TPS 공법을 현장에 적용 함으로서 중성화 진행방지, 균열깊이까지 보수재를 주입하여 균열 내부의 공기, 수분, 염분 및 황화수소 등의 침입을 막고 내부철근의 부식과 균열주변부 콘크리트의 열화진행을 억제할 수 있을 것으로 판단된다.

For the last few decades, it is true that concrete has been the most widely used material in buildings, infrastructures and any structures that require enough strength and adequate service life. However, the concrete structures need appropriate maintenance on a regular basis, especially when there are cracks. The most common method for repairing those cracks is the injection technology with a syringe, which is simple and cost effective. However, this technology has a critical disadvantage, which is the level of filling performance of the cracks. This is mainly attributed to the lack of the injection pressure and the air trapped inside of the cracks.
To solve the problem, in this study, a new injection system with latex elastic storage tube named technology port system (hereafter TPS) has been developed. By adopting the elastic storage tube, it was expected to obtain high pressure to entirely fill the cracks. In addition to the storage tube, a smart valve is implemented in TPS in order to solve another problem of the trapped air. The smart valve has a two crucial functions that can discharge the air and prevent the backflow of the repairing solution that is already injected into the cracks. Lastly, to further improve the injection performance, the TPS adopted the mechanical automatic pumping device that is directly connected to the latex storage tube. Hence, at first, injection is carried out with the pumping device to inflate the storage tube, and secondly the pressure is maintained or even increased by the natural elastic force when the inflated tube is shrunk.
To demonstrate the more effectiveness of TPS than a conventional injection method, experimental tests were conducted. Injection pressure, discharge of trapped air, injection speed, mechanical properties of repaired concrete and feasibility are the main functions that have been considered. Key findings are summarized as follows.

1. The new injection system, TPS, successfully manages the appropriate pressure of the storage tube. It was maintained above 3.5 kgf/cm2 throughout the process of repair. By increasing the volume of the storage tube, it was also found that the repairing material can be stored twice more than the conventional syringe injection method.

2. By implementing a smart valve with one way moveable plate, it was found that the trapped air was effectively evacuated while the repairing solution never leaks through the valve, leading to successfully filling the crack spaces.

3. It was found that the speed rate of the TPS for filling the spaces of cracks was three times faster than the conventional syringe injection method. To compare the injection speed of repairing solution between the conventional method and TPS method, the time required for the completion of injecting 100 cc of repairing solution was measured. As a result, the injection time of the conventional method was around 7.2 minutes, whereas that of TPS was only 2.2 minutes. In comparison of the final depth of filling, it was 155 ㎜ for the conventional method, whereas it was 300 ㎜ for the TPS. Therefore, it was proved that TPS was not only fast to fill the cracks but also efficient at filling deep pores.

4. Mechanical performance of TPS was found to be excellent, even slightly higher than the control specimen without cracks. With a conventional syringe method, the reduction of compressive strength was around 20 %. However, with TPS, the compressive strength increased up to 7 % and the tensile strength was 2.6 %. It is believed that this is due to the fact that TPS can fill very fine pores including the cracks and even the pre-existed pores that are normally observed in ordinary concrete.

5. TPS was found to be effective in both symmetrical and unsymmetrical large specimens. The results of mechanical performance were similar to those found in small specimens, the compressive and tensile strength of large specimens with TPS was slightly higher than that of a control specimen even without cracks. It was confirmed by ultrasonic velocity test. This ultrasonic test result proves that the specimen with TPS is denser than the control specimen.

6. It was found that the proposed new injection system is feasible. The repairing process consists of sealing, injecting and puttying. Although there are no differences in sealing and putty for both TPS and conventional method to complete each stage, there is a big difference in required injecting time. With TPS, it can save 2 hours per day, which is 33 % faster than the conventional one.

In conclusion, the new injection system with latex storage tube, TPS, is found to be superior, compared to a conventional syringe method that has been widely used in Korea. For example, the injection speed can be shortened by over 30 %, and a number of serious problems that have often occurred in practice are solved with TPS. Some of the biggest advantages are the performance that can efficiently fill the crack spaces and entirely evacuate the trapped air in the cracks. By applying the proposed TPS, it is also expected that TPS can prevent the ingress of air, moisture and harmful ionic species such as carbon dioxide, chloride and hydrogen sulfide, leading to improving the service life of concrete structures.