1. 서    론

대부분의 RC(reinforced concrete) 구조물은 주로 철근으로 보강되었으며, 이를 이용한 매년 약 20억 톤에 해당되는 콘크리트 구조물이 생산되고 있다(Khan et al. 2017). 이와 같은 철근 보강 콘크리트의 경우 해양환경이나 도로 위 제설제 등 염분에 노출된 환경에 건설 시 염해로 인한 부식위험성에 노출된다. 콘크리트 자체 내 높은 알칼리 환경으로 인해 철근 표면에 산화막이 생성되며 부식 저항성을 높일 수 있으나(Page 1975), 철근깊이에서 임계염소이온 농도 도달 시 부동태피막 파괴에 따른 부식팽창과 콘크리트 균열 가속화 및 탈락 현상 등이 발생된다(Neville 1995). 이와 같은 극심한 환경 하 RC 구조물의 내구성 확보는 경제성 및 사회 안정성 측면에서 중요한 사항이며, 고강도 콘크리트에 관한 연구가 필요하게 된 이유이다.

이처럼 고 내구성능을 갖는 콘크리트의 경우 견실한 공극구조로 인해 염분과 같은 유해한 이온들의 투과 저항성이 우수하며, 또한 강도 측면에서 유리한 재료이다. 특히, 포졸란계열 시멘트를 사용한 경우 OPC를 사용한 재료와 비교 시 높은 염분흡착 능력(Song et al. 2008), 현저히 낮은 확산계수(Thomas and Phil 1999), 시멘트 생성 시 낮은 단가와 CO₂ 발생량에 따른 환경부하 저감(Oner. 2007) 등 내구성 및 경제성 측면에서 유리한 점들이 보고되고 있다. 최근 국내외 염해 내구성 관련 연구동향은 대부분 포졸란계열 시멘트를 사용한 이성분계 콘크리트를 대상으로, 고로슬래그(Pack et al. 2010), 플라이애쉬(Petcherdchoo 2013), 실리카퓸(Farahani et al. 2015) 등을 OPC 중량 대비 첨가제로 사용하여, 확산계수 및 표면염화물농도를 반영한 염분침투 해석을 진행하였다. 그러나 이러한 포졸란계열 시멘트들의 우수한 염해 저항성 특징에도 불구하고, 삼성분계 콘크리트를 대상으로 진행된 연구는 상대적으로 부족한 실정이다(Song et al. 2008).

본 연구에서는 포졸란계열 시멘트를 사용한 삼성분계 혼합 콘크리트의 염해에 따른 부식 위험도를 정량 평가하기 위해 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 경우와 염분침투 저항성 및 공극구조를 비교분석 하였으며, 시험 데이터의 회귀분석 결과 Fick’s law 기반 확산 식을 통하여, 임계염화물 농도를 설정하고, 장기 염분 노출 시 철근 내장깊이 별 부식개시 시점(공용수명)을 예측하였다.

2. 실험 계획 및 방법

본 연구에서는 해양환경에 건설되는 삼성분계 콘크리트의 염해 저항성을 평가하고자 포졸란계열 시멘트를 혼입한 경우와 보통 포틀랜드를 사용한 경우 같은 재령조건에서의 염화물 침투 및 공극구조에 대한 시험을 실시하였으며, 장기 내구수명 평가를 위해 확산 식을 이용하여 콘크리트 철근깊이에서의 시간에 따른 염화물 농도를 계산하였다.

2.1 배합설계

시험분석을 위한 재료구성은 국내 S사 제품인 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement; OPC)를 기본으로 국내 K 제철회사의 고로슬래그(Ground granulated blast-furnace slag; GGBS) 및 B 발전소의 산업부산물인 플라이애쉬(Pulverised fly ash; PFA)를 삼성분계 혼화제로 사용하였다. 또한, OPC의 분말도는 3,250±300cm²/g이며, GGBS는 약 4,000cm²/g, PFA는 약 2,400cm²/g이며, 이들 재료의 화학적 구성성분은 Table 1과 같다.

OPC 및 삼성분계에 해당하는 모르타르 및 콘크리트 배합 비를 각각 OPC(100 % OPC) 및 G30P10(60 % OPC+30 % GGBS+10 % PFA)로 Table 2과 같이 설정하였다.

Table 1 Oxide composition of cement binder used in this study

Table 2 Mix conditions used for examinations of durability assessment

2.2 압축강도

28일 양생 기준 삼성분계 및 OPC 배합에 해당하는 고강도 및 준강도 콘크리트의 기초물성을 평가하기 위해 압축강도 시험법(KS F 2405)을 실시하였다.

∅100×200 mm 원주형 콘크리트 시편을 제작하여, 1일 후 20±2 °C 온도 하 수분양생을 시켰으며, 각 콘크리트 배합 별 7, 28일 압축강도를 측정하였다. 각 재령일 별 압축강도는 3개 시편에 해당하는 결과 값들을 평균하여 산정하였다.

2.3 촉진염분침투

염소이온침투저항성 시험은 ASTM C 1202에 따라 수행 하였다. 이 시험은 전기장의 양극성을 활용하여 염소이온(Cl-)이 콘크리트 내부 침투 시 발생되는 저항을 통하여 콘크리트의 차염성능 및 내부 조직의 밀실정도를 상대적으로 평가하는 시험이다. 본 시험법은 콘크리트의 이온 투과성능을 전기장 상태에서 측정하는 법으로 기타 비정상 상태에서 측정 되는 시험법(예: Salt ponding test)에 비해 신속한 방법이다.

콘크리트 시편을 원주형 몰드(∅10×20cm)로 제작하여56일간 20±2°C 온도조건에서 수중양생 후 높이가 5cm가 되도록 시편을 절단하여 1방향 침투가 일어날 수 있도록 측면을 코팅한다. 또한, 내부에서 수분 손실이 발생하기 때문에 코팅처리가 끝난 후 곧바로 24시간 동안 수중에 침지시킨 후 실험을 실시한다. 콘크리트 양단면은 전하의 원활한 이동을 위해 스테인레스 메쉬(Stainless mesh)를 사용하였고, 3.0 % NaCl 용액과 0.3M NaOH 용액을 양 끝 챔버에 채운 뒤 콘크리트 시편과 연결한다. 그 후, 파워서플라이를 각 챔버와 연결하고 60V의 직류전압을 약 6시간동안 공급하여 매 30분마다 모니터링하여 전류량과 수용액 온도를 확인한다.

촉진 염화물 침투 시험법에서 제시하는 통과 전하량에 따른 콘크리트의 이온 투과 저항성을 평가하는 기준으로 다음 Table 3에 저의 된 투과전하량 값을 참조하였다. 또한, OPC와 G30P10 배합 당 3개의 콘크리트 시편에 대한 시험결과 평균값을 토대로 염분침투 저항성을 산정하였다.

Table 3 Specification of ASTM C 1202 for electrical penetrability of chloride ions in concrete

2.4 비정상상태 염소이온 확산

본 연구에서는 콘크리트 내 염소이온의 확산에 따른 깊이 별 염화물 침투 해석을 위해 NT BUILD 443을 참조하여, OPC 및 G30P10 배합에 해당하는 모르타르 및 콘크리트에 대해 다음과 시험을 수행하였다.

원주형 시편(∅10×20cm)을 수중상태(20±2°C)에서 56일간 양생 시킨 후 일 방향 침투를 위해 한 면을 제외한 나머지 부분을 에폭시 코팅 처리하였다. 염화물 농도는 평균 바닷물 농도 대비 약 2배(1M NaCl)로 설정하였으며, 약 35일간 침지시켰다. 그 후 염수에 노출된 시편들에 대해 콘크리트 프로파일러(모델명: T400B6CVA)에 직경 5cm 그라인더를 이용하여, 염분침투 방향에서부터의 약 2.0∼2.5 mm 간격으로 깊이별 분말 채취를 하였으며, 그 중 3g 이상이 되는 분말들을 대상으로 시험분석에 적용하였다. 그 후, 구간별 고정화 염소이온 및 자유염소이온을 포함한 염분농도를 측정하기 위해 질산 용액에 충분이 침식 후 필터 페이퍼를 이용하여 순수 용액만을 걸렸으며, 용액의 온도 및 평형상태를 갖기 위해 25±2°C 시험환경을 유지시켰다. 온도 범위가 안정된 상태에서 Ion selective electrode를 이용해 총 염소이온(자유+고정화 염소이온) 농도를 측정하였다. 위 염소이온 측정 장비를 통해 얻은 염분 농도에 대해서는 50ml 기준 ppm단위로써, 처음 도입한 깊이별 파우더 중량 대비 해당 단위 시멘트 량을 고려하여, 염소이온 대 시멘트의 중량 퍼센트로 염분농도를 결정하였다. 이는 골재함량이 다른 각 콘크리트 및 모르타르 배합을 고려하여, 콘크리트의 경우 모래+골재를 제외하고, 반면에 모르타르의 경우 모래만을 제외하여 계산하였다.

각 배합에 해당하는 깊이별 염분농도를 결정한 후, 다음 식 (1)과 같은 Fick’s law 기반 확산 해석 해를 이용하여 회귀분석 후 배합별 표면염화물농도, 확산계수를 구하였다.

(1)

여기서, 는 염화물 농도(% by binder mass), 는 표면 염화물 농도(% by binder mass), 는 침투 깊이(m), 는 확산계수(m²/s), 는 염화물 노출 시간이다.

2.5 공극분포도

본 연구에서는 콘크리트 내 염소이온 침투성과 공극구조간의 상관성을 분석하고자 염분침투 시험과 동일한 양생조건(56일 습윤 양생)에 해당하는 모르타르 시편의 조각들을 대상으로 수은 압입법(Mercury intrusion porosimetry; MIP) 시험을 실시하였다. 시험장비로는 마이크로메릭티스사 제품인 AUTOPORE II 9220를 이용하였다. 시험 전처리 과정으로, 먼저 샘플들을 건조 시킨 후 수화 지연을 위해 아세톤이 담긴 바이알에 시료를 측정 전까지 보관한다. 그 후 장비 내 수은의 압력을 순차적으로 가함으로써 수은과 공극을 충진 시키며, 평형 상태에 이를 때까지 이를 지속시킨다. 시험 이후 샘플에 가해지는 압력과 이를 통과할 수 있는 최소 공극 직경의 관계식인 Wash burn 방정식(Aligizaki. 2005) 을 사용하여, 공극표면과 수은간의 접촉각 130° 상태에서 공극 분포도를 결정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 압축강도 특성

3가지 같은 배합의 콘크리트 시편에 대한 평균을 구하여 7, 28일에 대한 각각의 압축 강도 시험결과를 Table 4에 나타내었다. 그 결과 28일 강도는 G30P10 배합의 경우 OPC 대비 약 2배 차이를 나타내었으며, 이는 7일 강도와의 비교 시 약 1.3∼4배 높은 강도 경향을 의미한다. 또한, 28일 압축강도는 모든 경우 1.0 mPa 미만의 편차를 보였으며, 이는 배합 당시 재료 간 낮은 분리현상에 기인한 것으로 판단된다. 또한, 모든 경우에 있어서, OPC 대비 G30P20의 높은 강도발현 특성은 GGBS 및 PFA의 적절한 치환율에 기인하며, 이는 견실한 메트릭스 형성을 위한 포졸란 반응성을 최적화 시킨 결과로 사료된다.

Table 4 Compressive strength of concrete samples at 7 and 28 days of water curing (unit: MPa)

3.2 염분침투 저항성

본 연구에서는 삼성분계 콘크리트의 염해저항성 평가를 위해 촉진 염화물 침투시험을 실시하였다. Fig. 1의 결과, OPC 콘크리트의 경우 평균 3408 coulombs로 높은 통과전하량 값을 보였으나, 삼성분계 콘크리트(G30P10)에 대해서는 820coulombs를 나타내었으며, Table 3의 판정결과 매우 낮은 통과전하량 상태에 해당된다.

이는 삼성분계 콘크리트의 배합 특성상 잠재수경성에 따른 유효공극률 감소에 기인되며, 이와는 다르게 OPC의 경우 100 % 수화가 진행되지 않았으며, 공극의 연결성이 상대적으로 높기 때문에 Fig. 1과 같은 결과를 나타내었다. 따라서 모든 경우에 있어서, OPC 대비 G30P10의 염분침투저항성이 월등이 우수함을 나타내었다.

Fig. 1

Chloride penetrability based on charge passed

Fig. 2의 배합별 염소이온 확산 시험 결과, G30P10의 염분침투저항성이 OPC에 비해 높은 경향으로 나왔으며, 식 (1)의 회귀분석 결과 각 모르타르 및 콘크리트배합 별 확산계수 값의 5배 정도 차이를 나타내었다. 이는 첫 번째로 공극의 밀실정도 차이에 있으며, 콘크리트 및 모르타르를 구분하지 않는 경향이므로 시멘트 바인더 선택 및 물-시멘트 비의 역할이 중요하다고 판단된다. G30P10의 경우 삼성분계 배합을 사용하였으며, 포졸란 반응 및 GGBS의 높은 분말도로 인한 공극충전 효과를 통해 침투 표면으로부터 이온이동 속도가 OPC보다 낮은 것으로 나타났다.

Fig. 2

Chloride profiles together with regression analysis using Fick’s 2st law under 1 M of chloride source

콘크리트의 경우 시멘트 바인더와 상관없이 표면염화물 농도가 모르타르와 비교 시 높게 측정되었으며, G30P10의 경우 약 0.7 % 차이를 나타내었다. 이는 바인더 중량대비 염소이온 값으로 환산 시 전체 콘크리트 단위중량에 비해 시멘트가 차지하는 비율이 모르타르보다 낮으며, 같은 농도 염소이온 침투 시 상대적으로 높은 표면염화물 농도를 가질 수 있음을 의미한다. 또한, 콘크리트 표면에서 굵은 골재의 크기에 따라 약 1cm 깊이까지 부분적으로 시멘트의 단위부피가 증가하며(Poulsen and Mejlbro 2010), 이로 인해 표면염화물 농도가 모르타르에 비해 높게 측정될 수 있다. 표면염화물에 대하여 G30P30의 경우 OPC와 비교 시 약 0.4 % 이상 높게 측정되었다. 이는 G30P10 콘크리트의 높은 차염성능으로 인해 노출표면 근처보다 내부 농도가 현저히 줄어듦으로써 curve fitting 시 상대적으로 높은 표면염화물 값을 나타낼 수 있음을 의미한다. 이는 단순 이론적인 결과이며, 장기 염분노출 시 외기로부터 내부 농도전파는 콘크리트 물성과 관련된 염분침투 저항성에 의존된다. 이는 G30P10의 경우 높은 염분흡착 성능(Song et al. 2008)에 의해 표면에서부터 총 염소이온 량이 초기에 일시적으로 증가할 수 있으며, 장기노출 시 표면내부 자유염소이온의 흡착정도에 따라 확산속도가 OPC에 비해 현저히 줄어듦을 알 수 있다.

3.3 염분확산에 대한 공극구조

Fig. 3의 공극 사이즈 분포 결과, 최대 수은 압입률에 해당하는 임계직경(Critical diameter)은 약 공극 크기 0.01∼0.1 마이크로미터 안에서 주로 관측되었다.

Fig. 3

Pore size distributions for micro to macro pores

이는 그 이하 공극에서 주로 연결성이 생성되며, 이는 작은 모세관 공극과 MIP에서 관측되지는 않지만 겔 공극에 해당하는 범위(Mindess et al. 2003)에서 염분침투가 일어남을 의미한다. 또한, 임계직경이 작을수록 수화도가 높으며 이온 및 액상 투과성이 낮음을 의미하며(El-Dieb and Hooton 1994), G30P10의 경우 OPC 보다 높은 염분침투 저항성을 제시하는 결과이다. OPC 및 G30P10의 공극률 분석결과, 각각 18.52 및 12.36 %를 보였으며, 이는 약 3∼300,000nm의 공극 크기에 해당된다. 이는 공극의 충진 성과 관련이 있으며, 특히 고로슬래그 미분말의 역할이 크다고 사료되며, 잠재수경성 등 견실한 C-S-H 수화물 형성에 따라 모세관 공극을 충전시키는 결과로 이어지며, 결국 유해인자 침투 경로를 차단시키는 역할로 해석된다.

3.4 내구수명 평가

삼성분계 콘크리트의 해양환경 건설 시 염해 저항성을 평가하고자 회귀분석 후 얻은 표면염화물농도 및 확산계수와 임계염화물 농도를 시멘트 중량대비 0.4 %(BS 8110. 1985)로 가정하여, 위 식 (1)에 대입하여 Fig. 4와 같은 결과를 나타내었다. 이는 노출표면에서부터 피복두께에 해당하는 깊이에 임계염화물 농도(0.4 %) 도달 시 철근부식이 개시되는 시기를 내구수명으로 정의한 것이다. 식 (1)을 이용한 해석기법은 시험 당시 콘크리트 물성 조건(수화도, 공극구조, 염분흡착 능력 등)을 반영한 근사식 형태이며, 시간에 따른 콘크리트 내구성 변화를 고려하지 않은 형태이다. 그러나 각 시편들의 확산계수 결정 시기(재령 56일 및 염수 침지 35일)는 초기 확산계수 대비 약 50∼70 %의 감소시기(Buenfeld and Newman 1987)에 해당되며, 장기 염해해석 시 콘크리트 외부 환경조건이 변화되지 않은 이상 적절한 결과를 나타낼 것으로 사료된다.

Fig. 4를 보면, OPC의 경우 최대 철근 내장깊이 100 mm에 걸쳐 예상되는 내구수명은 40년을 넘지 못했으며, G30P10의 경우 최대 127년의 내구수명을 나타내었다. 다만, 시멘트 수화물과 철근간의 부식 저항성에 있어 OPC와 비교 시 포졸란 계열 시멘트를 사용한 콘크리트는 일반적으로 낮은 산 저항성을 가지며(Ann and Song 2007), 철근 주변 고정화 염소이온의 용해에 따른 부식 가능성을 가진다. 그러나 Fig. 4와 같이, G30P10의 경우 철근깊이에서 부식개시에 필요한 임계염소이온농도에 도달하려면, OPC 대비 약 3∼4배의 시간이 소요되며, 철근 내장깊이가 커질수록 이러한 차이는 증가함을 알 수 있다. 따라서 삼성분계 시멘트를 적용한 구조물의 경우 장기 내구수명을 확보할 수 있으며, 또한 추가적인 유지관리 비용을 절감시킬 수 있으며, 동시에 공용기간 동안 구조물의안전성을 확보할 수 있음을 의미한다.

Fig. 4

Service life prediction based on assumed critical threshold level of chloride ions at steel surface

4. 결    론

본 연구에서는 삼성분계 혼합 시멘트를 사용한 삼성분계 콘크리트(G30P10)의 염해 내구성능을 평가를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1)삼성분계 콘크리트의 경우 OPC 대비 28일 압축강도 측정 결과 약 2배 높은 경향을 보였으며, 이는 포졸란 반응성을 촉진한 결과로 사료된다.

2)염해 저항성 시험결과, 삼성분계 콘크리트의 경우 촉진 시험 시 820 coulombs를 보여 매우 우수한 염분침투 저항성을 보였으며, 확산 시험결과 OPC와 비교 시 0.4 % 이상 표면염화물 농도를 가지나, 확산계수는 약 5배정도 낮은 값을 나타내었다.

3)MIP를 통한 공극구조 분석결과, 삼성분계 배합의 경우 OPC에 비해 약 2배 낮은 임계직경을 나타내어, 염분침투에 대한 저항성이 높음을 알 수 있었다.

4)회귀분석에서 얻은 확산계수 및 표면염화물농도 값을 이용하여, 철근깊이 별 예상 부식개시 시점을 계산한 결과, 삼성분계 콘크리트는 OPC 대비 약 3∼4배 높은 내구수명을 나타내었다.