콘크리트는 높은 압축강도를 가지고 있으나, 상대적으로 낮은 인장 강도로 인해 수화열, 수축, 외부의 하중 등으로 인한 균열이 발생한다. 균열은 미관상으로도 문제가 있지만, 염소이온, 황산염, CO2 등 유해 인자의 이동 통로로 작용하여 콘크리트의 열화 및 철근 부식의 원인이 된다. 콘크리트의 열화 및 철근의 부식은 콘크리트 구조물의 내구성을 감소시키고, 장기간 지속되는 경우 구조물의 붕괴에 이르게 된다.
따라서 사용수명 동안 콘크리트 구조물을 안정하게 사용하기 위해서는 균열에 대한 지속적인 유지보수를 해야 한다.
하지만, 지하에 매립되는 전력구, 하수관, 해상 교량, 방사성 폐기물 처리장과 같은 콘크리트 구조물의 경우 육안 조사로 균열을 확인하기 어려울 뿐 아니라 균열을 확인해도 보수가 어려워 목표 사용수명에 비해 빠르게 열화가 발생하기도 한다. 이러한 이유로 미국, 유럽, 일본 등 선진국에서는 노후화된 콘크리트 구조물의 유지보수 비용이 급증하고 있으며, 유지보수 과정에서 교통 정체로 인한 사회 혼잡 비용 또한 증가하고 있다. 국내의 경우에도 완공 후 31년 이상 경과된 노후 시설물이 급증하고 있으며, 2019년(9,432개) 대비 2029년(23,087개)에는 약 2.5배 증가할 것으로 예상된다. 따라서 콘크리트 구조물에 발생한 균열을 효과적으로 보수할 수 있는 새로운 유지보수 기술이 필요한 시점이다.
자기치유 콘크리트는 콘크리트 구조물에 발생한 균열을 스스로 치유하여 누수를 억제하고 유해 이온의 유입을 차단하여 콘크리트의 내구성을 증진시킬 수 있는 기술이다. 자기치유 콘크리트는 균열의 진단 및 유지보수 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 기술로 주목받고 있으며, 미국, 유럽, 일본 등 선진국의 선도로 활발히 연구가 진행되고 있다. 자기치유 콘크리트 기술을 선도하고 있는 유럽은 2010년대 들어 10여 개 기관이 협력하여 구성한 HealCON(Self-healing for Concrete Structures) 및 SHeMat(Self-healing Materials)과 같은 대형 프로젝트를 통해 박테리아, 폴리머, 캡슐 등 다양한 자기치유 소재를 활용한 자기 치유 콘크리트 기술 개발을 수행하였으며, 대표적으로 Delft 대학에서 개발한 박테리아 활용 자기치유 콘크리트 기술을 실용화하였다. 일본은 동경대학교를 중심으로 팽창제, 팽윤제, 결정촉진제 등 무기계 혼합재료를 활용한 자기치유 콘크리트 기술에 대한 연구를 수행하였으며, 자기치유형 결합재, 자기치유형 PC 제품 등 자기치유 시제품을 출시하였다.
그 외에도 미국, 호주 등에서도 자기치유형 구체 방수제 자기치유형 섬유보강 시멘트 복합체(engineered cementitious composites) 등이 개발되고 있다.
국내의 경우 2015년부터 국토교통부가 지원하는 자기치유 친환경 콘크리트 연구센터(SHGC)(주관 : 성균관대학교 산학협력단)를 중심으로 유·무기 혼합재, 박테리아, 마이크로캡슐 등을 활용한 자기치유 콘크트의 소재 및 가공 기술을 개발하였으며, 최근에는 실용화 연구를 수행하고 있다.
본 내용에서는 KCL에서 진행하고 있는 무기계 소재 활용 자기치유 콘크리트의 국내외 기술 개발 현황, 그 동안의 연구 성과와 미래 전망에 대해 이야기하고자 한다.

무기계 소재 활용 자기치유 기술은 일본이 기술 선도국으로 동경대학교 Kishi 교수 연구팀은 팽창제, 팽윤제, 결정촉진제를 활용한 자기치유 콘크리트 기술 연구를 지속적으로 수행하였으며, 2007년 동인도 철도회사에서 실제 터널공사에 시범 적용한 것을 시작으로 자기치유 보수재, PC 제품 등 다양한 분야에 자기치유 콘크리트를 적용하였다.¹⁾
무기계 혼합재료 활용 기술은 자기치유 소재가 수화과정에서 대부분 소진되기 때문에 장기적인 성능 확보가 어려우며, 균열 폭이 증가하는 경우 균열을 치유할 수 있는 침전물이 생성되기 어려워 치유 균열폭의 한계가 있다는 단점이 있다.
일본 토호쿠 대학의 니시와키 토모야는 장기 재령 콘크리트의 자기치유 성능을 확보하기 위한 목적으로 자기치유 조성물의 조립화를 통해 균열 발생 전 자기치유 물질의 수화 반응을 억제하고 자기치유 물질을 장기 재령에도 보존하는 연구를 수행하였다.
무기계 소재의 문제점을 해결하기 위한 기술로 Alghamri는 인공 골재에 무기계 소재를 첨가한 후 코팅하여 균열 발생 전까지 무기계 소재의 반응이 일어나지 않도록 하는 기술을 개발하였다.²⁾
균열 발생 시 인공 골재가 파괴되면 무기계 소재가 균열로 흘러나와 균열을 치유하며, 배합 시 콘크리트의 물성을 저하하지 않아 작업성 확보에 유리하다는 장점이 있다.

무기계 혼합재료의 성능을 향상시키기 위한 목적으로 섬유 보강 콘크리트에 적용하기 위한 연구도 수행되고 있다. Michigan 대학의 Li 교수 연구팀은 무기계 혼합재료를 혼합한 Engineered cementitious materials (ECC)의 미세균열 치유 성능을 확인하였으며, 자기치유에 의한 역학적 성능회복에 대해서도 조사하였다.³⁾
Chung-Chan Hung은 다양한 환경 조건하에서 반복적으로 발생하는 균열의 자기치유에 의한 ECC의 인장 강도 및 강성 변화에 대한 연구를 수행하였으며, 자기치유에 의한 역학적 강도 증진을 확인하였다.⁴⁾

최근에는 나노 소재(Nano-SiO2, Nano-TiO2, CNT, Nano-ZrO2 등)를 사용한 자기치유 콘크리트 연구도 수행되고 있다.5) 몇몇 연구자들은 나노 소재의 혼입에 따라 자기치유 성능이 향상되는 것을 확인하였으나, 실험실 수준의 연구에 그치고 있다.

KCL은 자기치유 친환경 콘크리트 연구센터에서 무기계 소재 활용 자기치유 콘크리트 기술 개발을 수행하고 있으며, 이를 활용한 실용화를 위해 생산기업(㈜위드엠텍)과 함께 유·무기 하이브리드 소재 활용 자기치유 기술 연구를 진행하고 있다.
KCL은 SCMs, 팽창제, 팽윤제, 결정촉진제 등 무기계 혼합재료를 자기치유 소재로 사용하여 콘크리트의 고유한 특성인 autogenous healing의 성능을 높이는 연구를 수행하고 있다. 무기계 소재는 균열에서 further hydration과 calcite의 침전 메커니즘에 의해 생성되는 자기치유 생성물의 부피를 증가시켜 균열 충진율을 높이고, 자기치유 성능을 향상시킨다. 그림 3은 BSE로 측정한 OPC로 제작한 시편(Plain)과 무기계 소재를 사용하여 제작한 시편(SH)의 균열 충진율을 나타낸다.

무기계 소재를 콘크리트에 직접 투입하는 경우 초기 재령에서 대부분 반응하여 재령 28일 이후로는 자기치유 성능이 크게 감소하였다. 이를 극복하기 위해 무기계 소재의 입도를 높여 초기 재령에서 반응량을 감소시키는 방법과 무기계 소재의 표면을 방수 코팅하여 초기 재령에서 반응하지 않도록 하는 기술을 개발하였다. 그림 4(좌)는 클링커를 분쇄하여 입도 분포가 50~500μm이 되도록 제조한 클링커 바인더이며, 그림 4(우)는 방수 코팅된 무기계 소재를 나타낸다. 그림 5는 무기계 소재 활용 모르타르의 재령 28일 균열 유도 시 자기치유 성능 평가 결과로 0.3mm의 균열을 28일 이내에 90% 이상 치유할 수 있었다.

또한, 실용화를 위해 유·무기계 소재를 활용한 자기치유형 구체방수제 기술 개발을 수행하고 있다.
유·무기계 소재를 콘크리트에 균일하게 혼합하기 위한 목적으로 단순히 교반/분쇄 공정을 활용한 기존 기술의 문제점을 극복하기 위해 메카노케미칼 공정(Mechanochemical Process)을 적용한 자기치유 소재 제조 기술을 도입하였다. 메카노케미칼 공정(Mechanochemical Process)의 적용은 유무기 혼합물 분쇄의 기계적 처리에 의해 에너지를 가해 입자의 변형과 세분화를 일으키고, 표면적 증대와 동시에 표면에너지도 증가하여 입자와 인접 유체, 입자와 입자 사이의 상호 작용 등이 현저하게 증가되어 반응성의 극대화를 꾀할 수 있다. 그림 6은 투수 시험에 의한 자기치유 성능 평가 결과로 유·무기계 자기치유형 구체방수제를 바인더의 5%를 치환한 결과 14일 이내에 85% 수준의 투수저감 성능을 확인하였다. 그림 7은 자기치유에 의한 균열 폭 감소를 나타낸다.

무기계 소재 활용 자기치유 콘크리트 기술의 경우 국내 현장에서 사용된 자기치유 콘크리트 기술은 일본 동경대학교 Kishi 교수 연구팀의 기술을 이전 받은 국내 업체가 일부 현장에 시공한 사례가 있으나, 국내 기관이 개발한 기술의 실용화가 부족한 상황이다. 또한, Xypex, Penetron과 같은 수입되는 고가의 자기치유형 보수재, 자기치유형 구체방수제를 사용하고 있는 실정이다. 따라서 무기계 소재 활용 자기치유 콘크리트와 관련하여 국내 기술 개발을 통한 실용화가 절실하다.
본 전체 연구 주관기관인 성균관대학교 자기치유 친환경 콘크리트 연구센터에서는 각 기관에서 개발하고 있는 소재에 따라 맞춤형으로 실용화를 추진할 계획이다. 무기계 혼합재료 활용 자기치유 기술은 상대적으로 낮은 단가와 콘크리트의 물성에 미치는 영향이 적다는 장점을 토대로 레미콘 및 프리캐스트 콘크리트 제조 시 사용할 수 있는 Pre-mix 결합재로 개발할 계획이다. Pre-mix 결합재는 현장 및 프리캐스트 콘크리트 제조 공정에서 쉽게 적용이 가능하며, 높은 내구성이 요구되는 하수관 및 하수암거, 해양 콘크리트 구조물, 전력구 등에 적용할 계획이다.

자기치유 콘크리트 기술은 최근 몇 년 사이에 실험실 수준의 연구에서 벗어나 시제품이 출시되는 등 실용화 단계에 접어들고 있다. 무기계 소재 활용 자기치유 콘크리트 기술의 경우 캡슐 활용 기술, 박테리아 활용 기술과 달리 콘크리트에 적용하는 것이 편리하며, 상대적으로 비용이 저렴하기 때문에 손쉽게 접근 가능하다. 하지만, 다른 기술에 비해 자기치유 성능을 확보하기 어려우며, 특히 장기 재령에서 자기치유 성능을 유지하기 어렵기 때문에 이를 보완하기 위한 기술 개발이 요구된다. 최근 동경대학교 Kishi 교수 연구팀에서 개발한 무기계 소재 활용 자기치유 콘크리트를 국내의 업체가 기술이전 받아 국내 현장에 일부 도입하였으며, 자기치유형 구체방수제가 국내에 판매되기 시작하였으나 아직까지 뚜렷한 자기치유 성능을 나타내지는 못하고 있다.
자기치유 콘크리트가 실용화되기 위해서는 콘크리트 품질 기준을 만족하여야 하나, 자기치유 콘크리트는 팽창제, 팽윤제, 결정촉진제 등 다양한 소재가 사용되기 때문에 콘크리트 품질 기준을 만족하지 못하는 경우가 대부분이다. 특히, 레미콘에 적용하기 위해서는 작업성 등 다양한 성능을 확보할 수 있어야 하기 때문에 보수재 및 구체 방수제 위주로 연구가 진행되고 있다. 따라서 레미콘에 적용하여 자기치유 콘크리트 구조물을 시공하는데는 아직까지 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다. 자기치유 콘크리트의 실용화를 위해서는 재료 개발 뿐 아니라 콘크리트 시방서 개정 및 관련 산업체의 공정 개선 등 다방면의 변화가 이루어져야 하며, 이를 위해서는 콘크리트 관련 업계에서 적극적으로 참여와 관심이 필요하다.