1조(보수해조)

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 콘크리트 균열 보수를 위한 3D 프린팅 캡슐 개발

영문 : Development of 3D-Printed Capsules for Concrete Crack Repair Solutoin

과제 팀명

보수해조

지도교수

문영일 교수님

멘토교수

김지수 교수님

개발기간

2025년 3월 ~ 2025년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 이**(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 강**

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 김**

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 유**

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 이**

서울시립대학교 토목공학과 20208600** 임**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

• 본 과제의 목적은 균열을 스스로 치유하는 '자가치유형(Self-Healing)' 기술에 대한 관심이 높아지고 있음에 따라 3D 프린팅 기술을 활용하여 콘크리트 구조물 내부에 삽입 가능한 자가치유형 균열 보수 캡슐을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 외부의 인위적인 유지보수 없이도 균열을 초기 단계에서 차단할 수 있으며, 구조물의 수명 연장과 유지관리 효율 향상에 기여할 수 있다.

  ◇ 3D프린팅 기술의 활용
캡슐의 형상 설계는 Autodesk Inventor를 활용한 3차원 컴퓨터 지원 설계(CAD)를 통해 정밀하게 수행되었으며, 설계된 모델은 적층 제조(additive manufacturing) 방식의 3D 프린팅 기술을 이용하여 시제품으로 제작. 이를 통해 설계의 구조적 적합성 및 실제 제작 가능성을 실험적으로 검토하고, 성능 평가를 위한 기반을 마련한다.

  ◇ 균열 보수제의 활용
캡슐의 기능적 성능 평가는 3점 휨 실험을 통해 캡슐 파괴 시 보수제의 자발적 방출 여부 및 방출 특성을 확인하는 방식으로 수행된다. 아울러, 촉진 탄산화 실험을 통해 균열면에 도달한 보수제가 실제로 균열을 치유하는지 여부와 그 효과의 정량적 평가를 병행함으로써, 자가치유 메커니즘의 실효성을 종합적으로 검토한다.

개발 과제의 배경

• 현대의 건설 산업에서 콘크리트는 건축물, 교량, 도로, 댐 등 주요 사회기반시설의 핵심 구조 재료로 광범위하게 활용되고 있다. 그러나 콘크리트는 시간 경과에 따른 온도 변화, 반복 하중, 습도, 이산화탄소, 염분 등 다양한 외부 환경 요인의 영향으로 미세균열이 발생하기 쉬우며, 이러한 균열을 장기간 방치할 경우 구조물의 기계적 성능 저하뿐만 아니라 심각한 안전사고로 직결될 수 있다. 특히 균열은 철근 부식, 탄산화, 동결융해 등의 열화 메커니즘을 가속화시켜 콘크리트의 내구성과 수명을 급격히 저하시키는 주요 인자로 작용한다.

• 이에 따라 최근에는 외부 개입 없이 구조적 손상을 스스로 치유할 수 있는 '자가치유형(Self-Healing)' 기술에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이는 구조물의 유지관리 부담을 경감하고 수명을 연장하는 차세대 기술로 주목받고 있다. 본 연구에서는 이러한 기술적 배경을 바탕으로, 3D 프린팅 기반 적층 제조 기술을 활용하여 콘크리트 내부에 삽입 가능한 자가치유형 균열 보수 캡슐을 개발하고자 한다. 본 캡슐은 균열이 캡슐에 도달함과 동시에 파괴되어 내부의 보수제가 자발적으로 방출됨으로써 균열을 효과적으로 차단하고, 구조물의 손상을 초기 단계에서 억제하는 것을 목적으로 한다. 이로 인해 기대되는 효과는 다음과 같다.

 ◇ 콘크리트 내구성 향상
균열 발생 직후 캡슐이 파괴되며 자동으로 보수제를 공급함으로써 구조물의 장기 내구성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.

 ◇ 유지보수 및 인건비용 절감
기존의 유지보수 주기를 연장하고 필요성을 감소시켜 관리 비용 및 인력 소모를 절감할 수 있다.

 ◇ 공공안전에 대한 신뢰도 향상
자가치유 메커니즘을 통해 사회적 안전성 확보와 함께 콘크리트 구조물의 수명 연장 및 환경적 지속 가능성 강화에도 기여할 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

• 본 연구는 콘크리트 구조물의 미세균열 발생 시 자가치유 기능을 수행할 수 있는 파괴형 보수 캡슐의 개발을 목표로 한다. 제안된 캡슐은 외부 하중에 의한 균열이 발생할 경우 콘크리트와 함께 파단되도록 설계되었으며, 동시에 3D 프린팅 기반 적층 제조 기술을 통해 정밀하게 제작될 수 있도록 고려되었다.

• 캡슐 형상은 이중원추형, 구형, 계란형, 알약형의 네 가지로 설정하였으며, 각 형상은 내부 치유제 저장 공간의 확보, 기계적 응력 분포에 따른 파괴 용이성, 그리고 제작의 실용성을 기준으로 최적화되었다. 이들 형상은 캡슐의 기능적 성능 비교를 위한 변수로서 실험에 적용되었다.

• 방출된 치유제는 균열 부위에 침투하여 미세균열을 물리적으로 봉합함과 동시에 철근의 노출면에 보호층을 형성함으로써, 부식의 진전을 효과적으로 억제하는 역할을 수행한다. 이러한 메커니즘은 구조물의 장기적인 내구성 확보 및 유지관리 비용 저감에 기여하고자 한다.

 ◇ 캡슐 방출 매커니즘 최적화
캡슐의 형상에 따른 파괴 거동을 비교하기 위하여 각기 다른 형상의 캡슐을 적용한 공시체에 대해 3점 휨 시험 수행하고, 본 실험을 통해 콘크리트와 함께 동일 하중 조건에서 파괴되는 캡슐을 선별함으로써 실제 구조물 내 적용 가능성이 높은 형상을 도출한다.

 ◇ 공시체 본래 강도 보존
캡슐의 단면적이 공시체의 전체 단면에 미치는 영향을 평가하기 위해 다양한 형상의 캡슐을 적용한 공시체를 대상으로 휨 강도 시험을 실시하고, 공시체 단면 대비 캡슐 단면 비가 휨 파괴 강도에 미치는 영향을 분석하였으며 강도 저하가 상대적으로 적은 형상을 자가치유 캡슐의 최적 후보로 선정한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 콘크리트 자가치유 캡슐 개발에 있어, 관련 기술의 최신 동향과 연구 성과는 다음과 같다.

 ◇ 박테리아 기반 자가치유 시스템
네덜란드 델프트 공과대학교(TU Delft)**의 Henk Jonkers 교수는 박테리아 기반 자가치유 콘크리트를 세계 최초로 개발하였다. 이 기술은 콘크리트 내부에 Bacillus 계열의 박테리아 포자와 영양원인 유기칼슘(락테이트)을 삽입한 캡슐을 배합함으로써, 균열이 발생하고 수분이 침투할 경우 박테리아가 활성화되어 탄산칼슘을 생성하고, 이를 통해 균열을 자연적으로 봉합하는 원리를 이용한다. 해당 기술은 실제 실험에서 수 mm 크기의 균열까지도 자가복구가 가능함을 입증하였으며, 이후 유럽연합의 ‘HEALCON’ 프로젝트로 확장되어 산업적 적용 가능성도 입증되었다.

 ◇ 복합 기술 시스템
영국 카디프 대학교(Cardiff University)에서는 Materials for Life(M4L) 프로젝트를 중심으로 복합 자가치유 시스템을 실규모 인프라에 적용하는 연구를 수행하고 있다. 이 프로젝트에서는 마이크로캡슐, 형상기억합금(SMA), 박테리아 기반 치유 시스템 등 세 가지 자가치유 기술을 철도교량 등 실제 구조물에 적용하여, 치유 메커니즘의 실용성과 반복성, 장기 신뢰성에 대한 데이터를 축적하고 있다. 특히 마이크로캡슐 기반 기술은 구조체에 하중이 가해질 때 내부 응력 분포에 따라 선택적으로 파괴되도록 설계되었으며, 이를 통해 치유제의 자동 방출 및 미세균열 복원이 가능함을 현장 시험을 통해 확인하였다.

 ◇ 미세 캡슐형 자가치유 시스템
국내에서는 KAIST 김종욱 교수 연구팀이 2018년부터 초고강도 콘크리트를 기반으로 한 미세 캡슐형 자가치유 시스템을 개발하였다. 이 연구에서는 균열 발생 시 외부 하중에 의해 캡슐이 선택적으로 파괴되고, 내부에 충전된 에폭시계 치유제가 균열로 자연스럽게 유입되어 점착 및 경화 과정을 거치는 시스템을 고안하였다. 특히 고강도 재료 특성상 치유제가 제대로 작용하기 어려운 구조물에서도 균열 추적성과 치유 효과가 탁월하다는 장점을 보여주었으며, 향후 고층 건물이나 고속철도 교량 등 고하중 구조물 적용 가능성이 기대된다.이처럼 자가치유형 콘크리트에 대한 연구는 각국의 특성과 기술 수준에 따라 박테리아, 마이크로캡슐, 섬유복합재, 스마트 재료 등 다양한 방식으로 전개되고 있으며, 그 공통점은 구조물의 수명을 연장하고, 유지보수 비용을 최소화하는 지속가능한 인프라 기술의 기반을 마련한다는 데 있다.

시장상황에 대한 분석

• 2023년 기준, 글로벌 자가치유 콘크리트(Self-Healing Concrete) 시장은 약 566억 달러 규모로 평가되었으며, 2024년부터 2032년까지 연평균 성장률(CAGR) 31.1%를 기록하며 빠르게 성장할 것으로 전망된다. 특히 이 중에서도 캡슐 기반 자가치유 기술은 2023년부터 2030년 사이에 걸쳐 가장 높은 성장 잠재력을 가진 세부 분야로 주목받고 있다.

• 한편, 전체 글로벌 콘크리트 시장의 규모는 2025년 약 6,000억 달러에 이를 것으로 예측되며, 이 중 일부가 자가치유형 고부가가치 재료로 대체됨에 따라 시장 내 기술 고도화 및 차별화가 더욱 가속화될 것으로 보인다. 이러한 성장세는 전통적인 건설재료의 한계를 보완하고자 하는 산업계의 움직임과도 궤를 같이하며, 탄소 배출 저감 및 지속 가능한 도시 인프라 구현이라는 환경적 요구에도 부합한다. 특히 스마트 건설기술, 에너지 효율, 친환경 자재와 같은 건설 시장의 메가트렌드와 연계되면서 자가치유 콘크리트는 향후 핵심 건설소재로 자리매김할 것으로 예상된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 콘크리트 구조물에서 발생하는 균열은 초기 단계에서 보수하지 않으면 철근 부식, 탄산화, 동결융해 등에 의해 급속한 열화로 이어질 수 있으며, 이는 구조적 안정성 저하와 유지보수 비용 증가로 직결된다. 특히 일반적인 유지보수 방식은 사후적 개입이 대부분이며, 균열의 위치나 시점을 정확히 예측하거나 즉시 대응하기 어렵다는 한계를 가진다. 이에 본 연구에서는 3D 프린팅을 통해 제작이 용이하고, 외부 하중에 따라 선택적으로 파괴될 수 있도록 설계된 자가치유형 캡슐을 적용하여, 균열 발생 시점에 자동으로 보수제를 방출하는 능동형 보수 시스템을 제안한다.

• 본 연구의 기술적 차별점은 캡슐의 치유 성능 자체보다는 형상에 따른 파괴 효율성과 응력 전달 메커니즘에 중점을 둔다는 데 있다. 실제 콘크리트 내에서 발생하는 불균일한 응력 환경을 고려할 때, 캡슐이 효율적으로 파괴되어야만 보수제가 적시에 균열로 방출될 수 있다. 이때 구형, 이중원추형, 계란형, 알약형 등 다양한 형상을 비교·분석함으로써 구조물 내 하중 조건에 가장 잘 반응하고 파괴가 용이한 최적 형상을 도출할 수 있으며, 이를 통해 보수제의 방출 신뢰도와 치유 효과의 일관성을 확보할 수 있다.

• 결과적으로 본 기술은 기존의 수동적 보수 방식이 아닌, 균열과 동시에 자발적으로 작동하는 자가치유 기반 스마트 보수 시스템의 실현 가능성을 높이며, 향후 센서 기반 모니터링 기술과 결합될 경우 자율 유지관리 구조물로 확장될 수 있는 기술로 활용될 수 있을 것이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 캡슐형 자가치유 콘크리트의 적용은 구조물 유지관리 비용의 절감과 안전성 향상이라는 측면에서 높은 경제적 효과를 기대할 수 있다. 균열 발생 시 치유제가 자동으로 방출되어 초기 손상을 자체적으로 보수함으로써, 균열 확산 및 철근 부식 등 2차 손상을 방지할 수 있으며, 이는 전통적인 유지보수 방식 대비 보수 주기를 연장시키고, 장기적으로 구조물의 수명을 늘리는 결과로 이어진다. 이로 인해 사고 예방에 따른 위험비용을 크게 낮출 수 있으며, 구조물 붕괴와 같은 중대사고를 방지함으로써 복구비용, 교통두절로 인한 사회간접적 손실, 생태계 훼손 등 다양한 간접비용까지 포함한 사회 전체의 경제 부담을 감소시킬 수 있다.

• 또한 자가치유 기술의 도입은 기존의 점검 중심 유지관리 체계에서 발생하는 인력 부담과 관리 공백 문제를 해소하는 데 기여할 수 있다. 자동화된 보수 메커니즘은 고난도 장비나 고숙련 인력 없이도 구조물의 초기 손상을 대응할 수 있어, 장기적으로 전문 점검 인력 부족 문제를 완화하고, 사고 발생 이후의 전수조사나 제도적 책임 추궁에 따른 행정적·사회적 비용도 줄일 수 있다. 나아가 이러한 기술의 확산은 공공 인프라 관리체계의 자율성과 탄력성을 강화시키며, 스마트 건설 및 예방 중심의 유지관리 패러다임 전환을 촉진하는 핵심 기반이 될 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

기술 로드맵

• 1단계(~2025년 3월): 캡슐 프로토타입 제작
• 2단계(~2025년 4월): 다양한 캡슐 형상(구형, 타원형, 원통형)에 따른 파괴 강도 비교
• 3단계(~ 2025년 5월): 최적의 캡슐 크기 및 배합비 연구
• 4단계(~ 2025년 5월): 캡슐 형상에 따른 흐름 정도 비교
• 5단계(~ 2025년 6월): 캡슐 보수 효과 결과 산출

설계

설계사양

제품의 요구사항

개념설계안

가. 실험목적

실험의 주된 목적은 콘크리트 속에 에폭시를 담고 있는 캡슐에 대해 철근의 부식과 균열 단면의 탄산화 지연을 할 수 있는지 실현 가능성을 확인하는 것이다. 이를 통해 콘크리트 속 캡슐의 균열 시 코팅 효과를 탄산화 시험을 통해 검증하고자 한다.

나. 실험 구성

1. 기존 연구에서 사용하는 형상 및 균열에 유리할 것이라 예상되는 형상을 각각 10개씩 제작(이때 만들어진 형상의 부피는 구의 외경(10mm)을 기준으로 모두 같도록 치수를 조절)

2. 시편(40x40x160mm)에 대해 (실제 철근 콘크리트 보와 비슷하도록 철사 포함) 캡슐이 없는 경우의 휨 파괴 실험 시 강도를 측정한다. 이때 연성파괴를 위해 모든 보에 철사를 꼬아 2개씩 넣는다.

3. 시편(40x40x160mm) 48시간 양생 후 휨 파괴 시험을 진행한다.

4. 디자인 별 제작한 캡슐을 시편에 넣고 휨 파괴 시험을 진행한다. 이때 강도 감소 정도 측정 및 캡슐 파괴 유무를 확인한다.

5. 4에서 찾은 최적의 캡슐 형태를 바탕으로 캡슐 속 색소를 통한 균열단면 내 흐름 정도를 확인한다.

6. 1차 실험 후 캡슐의 적절한 파괴와 보수를 위해 캡슐 형상을 재설계 및 위 진행을 반복한다.

7. 흐름 정도 판단 후 실제 에폭시를 넣어 탄산화 시험을 진행한다.

다. 캡슐설계

캡슐 안 보수제의 양을 동일하게 하기 위해 외경 10mm 구형의 부피를 기준으로, 각 형상의 부피를 통일하여 제작하였다.

• 형상1 : 구형 - 직경 10mm

모든 방향에서 균등한 응력을 받으므로 응력이 분산되어 깨지기 어려울 가능성이 있음. 균열이 직접 맞닿더라도 오히려 균열이 옆으로 진행할 가능성이 있음.

• 형상2 달걀형 - 장축 : 15.87mm, 단축 : 7.94mm

원형보다 길쭉한 형태라서 균열이 특정 방향으로 진행할 경우 깨질 가능성이 있음 하지만 균열이 캡슐의 길이 방향과 수직이 아니라면, 응력이 분산되어 쉽게 파괴되지 않을 가능성이 있음

• 형상3 원통형 - 원통지름 (D) : 7mm, 반구 지름 : 7mm, 전체길이 (L) : 9+7=16mm

측면이 넓어 균열과 맞닿을 가능성이 높아짐. 캡슐과 시편의 부착력이 크지 않으면 깨지지 않을 가능성이 있음. 원통형 구조로 인해 균열이 캡슐과 평행하게 진행하면 충격이 분산될 가능성이 있음

• 형상4 이중원추형 - 외경 10mm, 내경 6mm, 전체길이 18mm

중간 부분으로 갈수록 얇아지는 원추형 구조로, 균열과 맞닿을 경우 특정 부분에 집중적인 응력이 발생하여 쉽게 깨질 가능성이 높음. 균열이 어느 방향에서 오든 모서리 부분이 먼저 균열에 닿기 쉬워, 원형보다 확실하게 깨질 수 있음. 압력 변화나 충격에 의해 중앙에서 갈라지는 방식으로 설계하면 보수제가 효과적으로 방출될 가능성이 높음.

캡슐별 두께는 1mm와 2mm 두 개의 기준을 두었다. 추후 1차 실험을 통해 1mm와 2mm 캡슐 두께 선정을 먼저 진행할 예정이다.

상세설계 내용

가. 수정모델

1. 이중원추형 40mm, 60mm

2. 원통형 40mm, 60mm

3. 달걀형 40mm, 60mm

나. 탄산화시험 순서

1. 3점 휨 실험이 끝난 후 캡슐의 파괴로 균열 에폭시가 흘러나온 콘크리트 공시체를 준비한다.

2. 탄산화 촉진을 위해 가속 탄산화 시험장치를 사용한다. ( 탄산화 가속 조건 : CO / 농도 : 5% 정도 / 온도 : 20 / 습도 : 65% )

3. 탄산화가 진행된 공시체를 길이 방향으로 절단하여 내부 단면을 노출시킨다.

4. 노출된 전 단면에 페놀프탈레인 용액을 뿌린다. ( pH > 9.5 --> 붉게 변함, 탄산화되지 않음 <--> pH < 9.5 --> 무색, 탄산화 진행됨)

5. 탄산화 깊이 측정으로 붉은색과 무색 경계선을 따라 탄산화 깊이를 버니어 캘리퍼스나 디지털 캘리퍼스로 여러 점을 측정하여 평균을 내어 균열 단면 속의 에폭시 코팅의 효과를 검증한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 1차 콘크리트 시편의 파괴강도 측정

나. 1차 캡슐 삽입 시 강도 저하 분석

                                                  < 캡슐 강도 변화율 계산 >
                                              캡슐 미포함 공시체 대비 강도 감소율(%)

          

          1. 이중원추형 캡슐 1mm – 15.77%                    2. 이중원추형 캡슐 2mm – 20.62%

                                

          3. 구형 캡슐 1mm – 22.06%                          4. 구형 캡슐 2mm – 24.05%

          
               

• 캡슐 삽입이 콘크리트의 기계적 강도에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위하여, 캡슐이 포함되지 않은 대조군 공시체와 다양한 형상 및 두께의 캡슐이 삽입된 실험군 공시체 간의 휨 강도를 비교·분석하였다. 강도 감소율은 각 실험군의 최대 휨 하중을 기준으로 산정되었으며, 그 결과는 다음과 같다.

• 이중원추형 캡슐(두께 1mm)을 적용한 공시체는 대조군 대비 15.77%의 강도 감소율을 보여 전체 실험군 중 가장 낮은 수치를 기록하였다. 동일한 형상의 2mm 캡슐은 20.62%의 감소율을 나타내었으며, 구형 캡슐의 경우 1mm 두께에서 22.06%, 2mm 두께에서 24.05%로 상대적으로 높은 강도 손실을 초래하였다.

• 이중원추형 캡슐(1mm)의 강도 감소율이 가장 낮았던 이유는, 해당 형상이 갖는 응력 집중 및 유도 효과에 기인하는 것으로 해석된다. 뾰족한 이중원추형 구조는 외력 작용 시 응력을 끝단에 집중시켜 균열의 전파 경로를 제어함으로써, 콘크리트 내 균열 확산을 효과적으로 제한하였다. 이에 반해 구형 캡슐은 응력이 고르게 분산되며 다수의 미세균열이 발생하는 경향을 보여 구조 전반의 강도 저하를 초래하였다.

• 또한 두께에 따른 차이 역시 유의미한 영향을 미쳤다. 1mm 두께는 캡슐이 콘크리트와 유사한 수준의 변형을 수용할 수 있도록 하여, 경계면에서의 응력 불연속을 최소화하고 내부 응력 집중을 완화하는 데 기여하였다. 반면, 2mm 두께의 캡슐은 상대적으로 강성이 커져 콘크리트 내부에서 강체로 작용하며, 주변부에 국부 응력을 집중시켜 균열 발생을 촉진시켰다. 이로 인해 구조적 손상이 가속화되었으며, 결과적으로 파괴 강도가 더 크게 저하되었다.

• 이와 같은 실험 결과는 강도 감소율 순서가 ‘이중원추형 캡슐(1mm) < 이중원추형 캡슐(2mm) < 구형 캡슐(1mm) < 구형 캡슐(2mm)’임을 보여주며, 캡슐의 형상과 두께를 정밀하게 최적화함으로써 자가치유 성능을 확보하는 동시에 구조체의 기계적 안정성을 효과적으로 유지할 수 있음을 시사한다.

다. 1차 캡슐 파괴 실험 분석

• 이중원추형 1mm 캡슐만이 파괴가 일어났고, 총 10개 중 2개가 파괴되어 파괴율 20%를 기록하였다.

• 원형(1mm, 2mm)과 이중원추형 2mm에서는 캡슐 파괴가 발생하지 않았다. 본 실험에서는 이중원추형 1mm 캡슐이 가장 높은 파괴율(20%)을 기록했지만, 전체적으로 캡슐 파괴빈도가 낮은 경향을 보였다. 이는 공시체 제작 과정에서 발생한 캡슐 위치의 자그마한 변동과 이를 보완해 주지 못하는 캡슐의 짧은 길이가 균열과의 교차 확률을 감소시켰던 것으로 판단된다.

• 이에 따라 후속 실험에서는 캡슐의 가로 길이를 40mm, 60mm로 치수를 재설계하여, 균열 발생 시 캡슐과의 접촉 가능성을 높이고 자가치유 기능의 발현 확률을 극대화하고자 한다. 추가적으로 본 실험을 통해 캡슐의 원활한 파괴를 위해 두께는 1mm로 고정하여 캡슐 제작을 하기로 결정하였다.

라. 2차 캡슐 삽입시 강도저하 분석

• 캡슐의 가로길이를 재설계하여, 2차 강도저하 실험 결과, 동일한 캡슐 형상 내에서 길이(60mm, 40mm) 변화에 따른 강도 차이는 전반적으로 크지 않았다. 반면, 캡슐의 형상은 평균 강도에 유의미한 영향을 미쳤다. 이중원추형 캡슐을 삽입한 공시체는 평균 235.2kPa로 가장 높은 강도를 나타낸 반면, 달걀형 캡슐은 227.1kPa로 가장 낮은 수치를 기록하였다.

• 이는 캡슐의 외형 구조가 앞서 말한 콘크리트 내부에서의 응력 분산에 영향을 미친 것으로 해석된다. 또한 원통형 구조는 평균 228.7kPa로 중간 수준의 강도를 보였으며, 구조적 간섭을 일부 저감한 것으로 보인다. 전반적으로 캡슐의 길이보다는 형상이 강도 저하에 더 큰 영향을 주는 주요 요인으로 작용하였음을 확인할 수 있다.

마. 2차 캡슐 파괴 실험 분석

• 캡슐 설계를 바탕으로 가로 길이를 40mm와 60mm로 확장·재설계한 후 파괴율에 대한 비교 실험을 수행하였다. 실험 결과, 이중원추형 캡슐은 60mm에서 90%, 40mm에서 80%의 파괴율을 보여 가장 높은 수치를 기록하였다.

• 이는 균열 유도 시 응력이 집중되는 구조적 특성으로 인해 파괴 가능성이 높아진 것으로 해석된다. 반면, 달걀형 캡슐은 60mm 조건에서 30%, 40mm에서는 0%로 나타났으며, 이는 외부 하중이 균일하게 분산되며 파괴가 억제되었기 때문으로 판단된다. 원통형은 60mm에서 40%, 40mm에서 30%로 중간 수준의 파괴율을 나타냈다. 전체적으로 길이 증가(60mm)가 파괴율 증가와 일정한 상관성을 보였으며, 특히 이중원추형에서 그 영향이 가장 두드러졌다.

• 이러한 결과는 캡슐의 치수와 형상이 모두 파괴 가능성과 밀접한 관련이 있음을 의미한다. 이에 따라, 파괴율이 가장 높았던 이중원추형 캡슐을 후속 실험의 기준 형상으로 선정하여 자가치유 성능 평가를 지속적으로 진행하기로 하였다.

바. 탄산화 실험 측정 분석

• 콘크리트의 내구성 평가를 위해 페놀프탈레인 용액을 이용한 탄산화 깊이 측정 실험을 수행하였다. 비교 대상은 캡슐을 삽입하지 않은 공시체와, 이중원추형 자가치유 캡슐이 삽입된 두 가지 조건(길이 40mm, 60mm)이었다.

• 실험 결과, 캡슐이 삽입되지 않은 공시체는 평균 6.928mm의 탄산화 깊이를 나타낸 반면, 이중원추형 40mm 조건은 3.793mm, 60mm 조건은 3.26mm(캡슐 미파괴값 제외 시 3.036mm)로 측정되었다. 모든 조건에서 캡슐 삽입군의 탄산화 깊이가 유의미하게 낮아졌으며, 이는 보수제가 방출되어 탄산화 진행을 효과적으로 억제했음을 시사한다.

• 특히, 이중원추형 60mm 조건에서는 1개의 캡슐이 파괴되지 않아 탄산화 깊이가 8.2mm로 증가하는 이상치가 관측되었으며, 이를 제외할 경우 평균 깊이는 더욱 감소한다. 이러한 결과는 캡슐의 파괴 여부가 자가치유 메커니즘의 활성화에 직접적인 영향을 미친다는 점을 보여준다. 또한 동일 형상 내에서 60mm 길이 조건이 40mm보다 더 낮은 탄산화 깊이를 보였으며, 이는 보수제의 확산 범위 증가에 따른 효과로 해석될 수 있다.

• 캡슐을 삽입하지 않은 공시체의 평균 탄산화 깊이는 6.948mm였으며, 이에 비해 이중원추형 40mm 조건은 45.96%, 60mm 조건은 53.05%의 깊이 감소율을 나타냈다. 이는 두 조건 모두 자가치유 기능에 따른 탄산화 억제 효과가 뚜렷하게 나타났음을 의미하며, 특히 60mm 조건에서 보수제 확산 효과가 상대적으로 크게 작용하였음을 수치적으로 확인할 수 있다.

사. 평가기준

• 1단계 캡슐 파괴율 - Gate 조건

캡슐이 균열 시 효과적으로 파괴되어야만 내부 보수제가 방출되고 자가치유 메커니즘이 작동한다는 실험적 전제에 따라, 캡슐 파괴율은 평가의 가장 기본적인 선결 조건으로 설정된다. 실험군 중 80% 이상의 캡슐이 파괴된 경우에만 다음 평가 단계로 진행할 수 있으며, 파괴율이 80% 미만일 경우에는 자가치유 기능이 불확실하다고 판단하여 평가에서 제외된다.

• 2단계 콘크리트 상대 강도 저하율 - 보조 정량 지표

캡슐 삽입이 콘크리트의 구조적 강도에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위하여 상대 강도 저하율을 보조 지표로 활용하였다. 본 항목은 평가의 필수 조건은 아니나, 강도 저하율이 낮을수록 구조 성능 유지에 유리하므로, 이후 탄산화 성능 평가 점수에 보정 요소로 반영되도록 설정하였다. 구체적으로, 강도 저하율이 25%를 기준으로 할 때, 다음 식에 따라 보정 가산점이 적용된다. 단 x>25%일 경우 보정점수는 0점으로 한다.

• 3단계 탄산화 깊이 감소율 – 최종 성능 지표

3단계 평가는 자가치유 캡슐이 삽입된 콘크리트의 내구성 향상 효과를 검증하기 위한 절차로, 콘크리트 내부의 **탄산화 깊이 감소율(%)**을 정량적 기준으로 사용하였다. 이는 자가치유 기능이 활성화될 경우, 공기 중의 이산화탄소가 콘크리트 내부로 침투하는 정도가 제한되므로, 캡슐이 삽입되지 않은 공시체 대비 탄산화 깊이가 줄어드는 현상을 활용한 비교 지표이다. 탄산화 깊이 감소율은 다음과 같은 식을 통해 산출된다:

여기서 는 캡슐이 삽입되지 않은 공시체의 평균 탄산화 깊이이며, 본 연구에서는 6.948mm로 측정되었다. 은 각 조건별 자가치유 캡슐이 삽입된 공시체의 평균 탄산화 깊이이다. 이러한 계산을 통해, 단순한 절대 깊이 비교가 아닌, 자가치유 작용에 따른 상대적인 내구성 개선 정도를 수치화할 수 있다.

탄산화 깊이 감소율에 따른 평가 기준은 다음과 같다. 감소율이 50% 이상인 경우, 자가치유 효과가 강하게 발현되어 탄산화 진행이 크게 억제되었다고 판단하여 5점(매우 우수)을 부여한다. 감소율이 30% 이상 49% 이하인 경우에는 3점(적합)을 부여하며, 이는 자가치유 반응이 부분적으로 작동하였음을 의미한다. 반면, 30% 미만의 감소율을 보인 경우에는 1점(불충분)으로 평가되며, 해당 조건에서는 캡슐의 작동이 제한되었거나 자가치유 반응이 충분히 발현되지 않은 것으로 해석한다. 또한 이 점수는 2단계에서 산정된 강도 저하율에 따른 보정점수와 합산되어, 최종 탄산화 성능 점수로 환산된다.

따라서 3단계 평가는 자가치유 캡슐의 실질적인 기능 발현 여부를 정량적으로 반영하는 핵심적인 판단 요소로 기능한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

• 본 실험을 통해 캡슐형 자가치유 콘크리트가 실제 구조물 내 균열 발생 시 보수제가 자발적으로 방출되는 작동 메커니즘을 시각적으로 확인할 수 있었다. 3점 휨 실험 중 캡슐이 파괴되며 내부 에폭시가 균열부로 흘러나오는 모습은 자가치유 구조의 가능성을 실증적으로 보여준다.

• 이중원추형 캡슐은 형상과 치수가 보수제 방출에 유리하게 작용했으며, 실험 결과도 이를 뒷받침하였다. 페놀프탈레인 용액을 활용한 탄산화 실험에서는 보수제가 침투된 영역이 비교적 탄산화에 저항하는 경향을 보였다. 이는 장기적으로 보수제가 철근 부식이나 탄산화 방지에도 긍정적인 역할을 할 수 있음을 시사한다.

• 전체적으로 캡슐형 자가치유 기법은 구조물 수명 연장 및 유지보수 비용 절감 측면에서 실질적인 효과를 기대할 수 있다. 실제 적용을 위해서는 다양한 캡슐 소재, 내부 압력조건, 분산 방식 등에 대한 후속 연구가 병행되어야 할 것이다.

• 향후 보다 정량적인 지표와 장기 내구성 평가를 통해 기술적 완성도를 높이는 것이 필요하다. 이를 바탕으로 지속가능한 건설 기술로서의 발전 가능성을 제안한다.

포스터

완료작품의 평가

• 게이트형 3단계 평가 기준을 적용하여 구형, 원통형, 달걀형, 이중원추형 총 4가지 형상의 캡슐 조건을 비교한 결과, 이중원추형 60mm 조건이 자가치유 성능이 가장 우수한 것으로 확인되었다.

• 구형, 원통형(40mm, 60mm), 달걀형(40mm, 60mm) 조건은 모두 1단계 캡슐 파괴율이 기준치(80%) 미만으로, 초기 조건을 만족하지 못해 1딘계 평가에서 제외(Fail)되었다.

• 이들은 각각 0~40%의 낮은 파괴율을 기록하였으며, 자가치유 반응을 유도하기 위한 보수제 방출이 구조적으로 제한된 형상으로 판단된다. 이 중 원통형과 달걀형은 강도저하율이 20% 내외로 비교적 양호한 수치를 보였으나, 캡슐이 파괴되지 않음에 따라 실질적인 기능 발현은 이루어지지 않았다.

• 반면, 이중원추형 형상은 유일하게 1단계를 통과하였다. 이중원추형 40mm 조건은 파괴율 80%, 강도저하율 20.7%를 기록하였고, 이에 따른 강도 보정점수 +0.09점이 적용되었다. 탄산화 깊이 감소율은 45.45%로 3점 등급(적합)에 해당하며, 최종 종합 점수는 3.09점으로 평가 기준을 충족하였다.

• 이중원추형 60mm 조건은 파괴율 90%, 강도저하율 16.5%로 가장 우수한 구조적 안정성을 보였으며, 보정점수는 +0.17점이 적용되었다. 탄산화 깊이 감소율은 56.25%로 5점 등급(매우 우수)에 해당하며, 최종 점수는 5.17점으로 모든 조건 중 최고 성능을 기록하였다.

• 결과적으로, 실험에 사용된 형상 중 이중원추형 조건이 자가치유 기능 발현, 구조적 건전성 유지, 내구성 향상까지 종합적으로 충족한 유일한 설계 조건이며, 그 외 형상은 캡슐의 파괴가 원활히 이루어지지 않아 실질적인 자가치유 효과를 기대하기 어려운 것으로 분석되었다.

참고문헌

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• Didier Snoeck et al. (2012). "Self-healing cementitious materials by the combination of microfibres and superabsorbent polymers." Journal of Intelligent Material Systems and Structures.

• Global Market Insight - 자가 치유 콘크리트 시장 - 콘크리트 유형별, 형태별, 용도별, 유통 채널 분석, 성장 예측별(2024~2032년)

• Fortune Business Insight - 자가 치유 재료 시장 규모, 점유율 및 산업 분석, 형태별(본질 및 외부), 제품별(폴리머, 콘크리트, 금속, 코팅, 세라믹, 아스팔트 및 섬유 강화 복합재), 최종 용도 산업별(운송) , 소비재, 건축 및 건설, 에너지 발전, 의료 등) 및 지역 전망(2024~2032년)

• 캡슐 구조 설계를 통한 등방성 FDM 3D 프린팅 자가치유 캡슐의 제작 및 분석 - 송원일 ( Song Won-il ) , 아르만도 ( Ramos-sebastian Armando ) , 이자성 ( Lee Ja-sung ) , 지동민 ( Ji Dong-min ) , 김성훈 ( Kim Sung-hoon ) 2022

• 등방 파괴 강도를 갖는 캡슐 설계 및 제작- 임태욱 ( Lim Tae-uk ) , 성호 ( Cheng Hao ) , 호걸 ( Hu Jie ) , 왕수러 ( Wang Shu-le ) , 정원석 ( Jung Won-suk ) 2022