1. 서    론

콘크리트는 구조물을 구성하기 위한 우수한 물리적 특성을 가지고 있으나, 강한 외력이 작용하여 극한 파괴변형률에 도달하면 짧은시간 내에 파괴되는 취성적 특성을 지니고 있다. 이러한 현상은 상대적으로 우수한 압축강도 특성보다 인장강도 특성에서 두드러지며 이를 보완하고자 콘크리트 내에 철근을 매립하여 연성을 보강한 철근콘크리트를 사용하는 것이 일반적이다(Seo and Kwon 2016). 철근콘크리트는 상기 역학적 특성에 기반하여 지하에서부터 해상까지 다양한 환경에서 적용할 수 있는 대표적 건설재료로서 자리매김하고 있으나, 해양환경에서는 해수 중의 염화물(Chloride)과 황산염(Sulfate)이 철근부식과 콘크리트 조직연화를 유발하여 구조물의 안전성을 저해하기 때문에 대책수립과 구조물 유지관리에 많은 노력을 기울여야 한다.

해수 중의 황산염은 수화 생성물과 화학적 반응으로 석고(Gysum) 및 에트린자이트(Ettringite)와 같은 팽창성 반응물질을 생성해 콘크리트 내부조직의 연화를 유발하여 물(H₂O)과 산소(O₂), 염소이온(Cl^-)이 철근까지 도달하기 쉬운 공극구조를 만들며(Tae 2006; Park et al. 2011; Yoon 2017), 염소이온은 12.5∼13.0 pH에 이르는 콘크리트 내부의 알칼리 환경에 놓여있을 때 철근이 생성하는 부동태 피막(Passive Film)을 파괴하여 부식을 발생하게 한다(Shamsad 2003). 부동태 피막이 제거된 철근에서 발생하는 부식현상은 자연계에서 주로 산소와 결합하여 안정한 상태로 존재하는 철(Fe)에 전기에너지 및 열에너지를 가하여 인위적으로 열역학적 불안정 상태인 금속철로 제조했기 때문이며 안정한 상태인 산화철(FeO)로 존재하려는 성질에 기인한다. 철근의 산화부식 생성물인 산화철은 본래보다 체적이 2.5배가량 팽창하여 철근 주위의 콘크리트에 균열을 발생시키며 구조물이 부담하는 하중저항 단면을 손실시키므로 적절한 조치가 이루어지지 않는다면 철근콘크리트 구조물을 붕괴에 이르게 한다(Liu and Weyers 1998; Bhargava et al. 2005). 이같은 사실을 바탕으로, 철근콘크리트 해양 구조물의 내구성 평가 항목 중에서 콘크리트의 역학적 특성을 보완하는 철근의 상태평가는 매우 중요한 것으로 인식할 수 있으며 철근의 물성을 좌우하는 부식 개시 시점과 부식 가속화에 관여하는 콘크리트 내 염소이온에 대한 측정 및 해석이 시간의존적이고 실증적인 실험에 의해 관리되어야 함을 알 수 있다.

최근까지, 해양구조물의 철근콘크리트 염해 내구성 평가를 위해 다각적인 물성평가를 실시하여 그 상관관계를 규명하고자 하는 시도가 이루어져 왔으며, 콘크리트 내부의 염소이온의 확산계수에 대하여 물-결합재비에서부터 공극률 및 수화도의 변화를 고려한 해석모델 연구가 활발히 진행 중이다(Maekawa et al. 2003; Ishida et al. 2007). 그러나, 실제 해양환경에서의 다양한 조건 및 콘크리트의 강도, 침투 염화물량을 고려한 철근의 부식 특성을 종합적으로 연구한 자료는 많지 않으며, 다양한 강도에서 채취한 염화물량을 토대로 철근의 부식특성을 평가한 사례 또한 빈약하다.

따라서, 이 연구에서는 중장기간 동안 다양한 해양환경에 노출된 강도대 별 철근콘크리트 및 콘크리트 시험체의 염해내구성과 철근 부식특성에 대해 실증적이고 시간의존적인 평가를 수행하여 해양구조물의 내구성에 대한 평가지표를 수립할 수 있는 기본 자료를 제공하고자 했으며 정리한 자료를 바탕으로 염화물 확산에 대한 철근부식 특성을 Fick’s 2nd Law를 기반으로 모델링하여 제안하도록 했다.

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험계획

해양환경이 철근콘크리트 미치는 염해 영향을 고려하기 위해 폭로위치를 해상부 지역으로 선정했으며 이 지역에서 다시 비말대(Splash zone), 간만대(Tidal zone), 침지대(Immer-sion zone)로 나누어 시험체를 배치했다. 비말대는 시험체와 해수의 연속적인 접촉은 없으나 파도와 해풍에 의해 간접적으로 염분에 노출되는 환경이며 간만대는 시험체가 조석간만 차에 의해 일정한 주기로 해수 중과 해상대기에 노출되어 건습을 반복하는 환경, 침지대는 항시 해수 중에 연속적으로 노출되는 환경이다.

해양환경에 폭로할 콘크리트 시험체를 압축강도 기준 40 MPa, 80 MPa, 120 MPa, 180 MPa의 강도 수준별로 배합하여 양생했으며, 이 중 압축강도 120 MPa 공시체는 강섬유를 혼입하지 않은 것과 혼입한 것으로 구분하고 압축강도 180 MPa 공시체는 강섬유를 혼입한 것이다.

염해 내구성을 평가하기 위해 비말대, 간만대, 침지대의 모든환경에서는 압축강도 및 탄성계수와 염화물량, 철근 부식 전위차를 측정하였으며 염화물 확산계수는 시험 편의성을 고려하고 대조를 확연히 구분할 수 있을 것으로 판단되는 비말대 및 간만대 조건에서만 측정하였다.

2.2 실험방법

2.2.1 압축강도 및 탄성계수

압축강도 및 탄성계수는 KS F 2405 및 KS F 2438에 준하여 측정했다. 사용 콘크리트 공시체는 100×200 mm 크기의 실린더 형태이며 1,000 kN 및 3,000 kN 용량의 UTM (Unversal Testing Machine)과 콤프레소미터(Compressor Meter), 변위측정기(Strain Displacement Transducer), 데이터로거(Data Logger)를 사용하여 압축강도 및 탄성계수를 측정했다. 압축강도는 초당 0.6±0.4 MPa 범위 내의 응력으로 제어하여 측정했으며 탄성계수는 파괴강도의 40 %에 해당하는 측정종료 하중까지 초당 0.25±0.035 MPa 범위 내의 응력으로 제어하여 다음과 같이 계산했다.

                  (1)

여기서, 는 탄성계수(MPa), 는 변형률 0.000050에 대한 응력(MPa), 는 가해진 최대 하중의 40 %에 해당하는 응력(MPa), 는 응력 에 의한 변형률을 의미한다.

탄성계수 측정 시 해당 공시체의 정확한 파괴강도를 알수 없기 때문에 정확한 측정종료 하중을 산정할 수 없으나 미리 평가한 압축강도자료를 기반으로 하중종료 값을 설정했다.

2.2.2 염화물확산계수

염화물확산계수는 전기화학적 촉진방법인 NT Build 492의 방법으로 측정했다. 측정을 위해 100×200 크기의 실린더형 콘크리트 공시체의 중앙부분을 50±2 mm 크기로 절단했으며 진공상태에서 10∼50 mbar의 압력으로 3시간, 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 포화용액에 18±2시간동안 침수시켜 전처리를 진행했다.

시험체의 단면에서 확산하는 염소이온의 이동을 전기적으로 모사하기 위해 확산셀의 양극에는 0.3 M 농도의 수산화나트륨(NaOH) 용액, 음극에는 10 % 염화나트륨(NaCl) 용액이 시험체와 접촉하도록 했으며 60 V의 직류전압을 주어 초기전류량을 측정하고 그 결과값에 따라 시험전압, 시험시간을 설정했다.

시험이 종료된 후에는 시험체 내부에 침투한 염소이온이 교란되지 않도록 할렬파괴한 단면에 질산은(AgNO₃) 용액을 분무하여 염소이온 침투를 확인할 수 있도록 했다. 침투깊이의 측정은 염소이온의 침투가 불안정한 할렬단면의 최외단 10 mm를 제외한 나머지 부분을 일정한 간격의 7개소에서 측정했으며 다음 식에 의해 염화물확산계수를 계산했다.

                  (2) 

여기서, 는 염화물확산계수(m²/s), 은 기체상수(J/(K‧mol)), T는 온도(K), 는 염소이온 원자가, 는 패러데이 상수(J/(V‧mol)), 는 전압과 시험체두께에 대한 상수(V/m), 는 침투깊이, 는 시간이며, 는 실험상수 이다.

2.2.3 염화물량

해양폭로에 사용한 콘크리트 공시체는 100×100×100 mm 크기의 입방체이며 코어 비트를 이용해 표면에서 30 mm 깊이 까지 시료를 채취한 후 깊이별 염화물량을 측정했다. 깊이에 의한 염화물량의 차이를 명확히 하기 위해 해수 노출면을 제외한 나머지 면은 밀실한 에폭시를 고르게 도포했으며 염분이 침투될 것으로 판단되는 방향으로 거치했다.

측정시료의 채취와 분석은 KS F 2717에 따라 수행했으며 질산은적정법을 사용했다. 시험에 사용한 우라닌 용액의 농도는 2 g/L, 덱스트린 용액은 20 g/L로 희석하여 0.1 mol/L의 표준 질산은 용액과 혼합한 후 동일 농도의 질산은 용액으로 적정했으며 그 색이 황록색에서 붉은색을 나타날 때까지 사용한 질산은 용액을 다음 식에 대입하여 시료에 함유된 염화물 이온 농도를 계산했다.

        (3)

여기서, 는 염화물이온 농도(%), 는 적정에 소요된 질산은 용액의 부피(mL), 는 질산은 용액의 계수, 는 분취량(mL), 는 시료의 질량(g)이다.

2.2.4 부식전위 측정 및 부식 확인

해양환경에 거치한 철근콘크리트 시험체의 상세개요는 다음 Fig. 1과 같다.

해양환경 노출면을 일정하게 하기 위해 철근이 매립된 면을 제외한 나머지 면을 1차, 2차에 걸쳐 충분한 방식 및 방수 처리를 실시했다.

철근의 부식여부는 해양노출면을 기준으로 5 mm, 10 mm, 25 mm로 매립한 철근의 전위를 측정하여 검토하였으며 실내에서 염수침지와 건조를 반복하여 측정하는 시험법인 ASTM G 109 방법을 해양폭로환경 조건으로 수정하여 준용했다. ASTM G 109에서 제안하고 있는 부식전위 측정 방법은 콘크리트 내에 있는 철근 간의 매크로셀(Macrocell)에 의해 흐르는 전류를 이용한 것이며 부식대상 철근을 애노드(Anode), 비교대상 철근을 캐소드(Cathode)로 했을 때의 갈바닉 전류(Galvanic current)를 측정한 것이다. 실질적인 철근부식 검토는 부식전위와 저항을 통해 안정된 전위를 전류로 환산하여 전하량(Coulomb)과 같이 검토하는 것으로 주기적이고 장기적인 측정을 통해 다음 식과 같은 방법으로 전하량을 계산했다.

   (4)

여기서, 는 총 전하량(Coulombs), 는 측정 시 경과한 시간(Seconds), 는 시간에서 측정한 매크로셀 전류(Amps)를 나타낸다.

시험 조건인 해양환경 특성상 시험체 전위 측정 도선의 탈락과 부식 등 시험에 유해한 요인이 발생하기 쉽기 때문에 이를 배제하기 위해 주기적인 보수를 실시하였으며 측정 주기별로 철근의 부식특성을 직접적으로 검토하기 위해 시험체를 회수하여 철근을 적출 후 평가를 실시했다.

2.3 실험조건

콘크리트 및 철근콘크리트 시험체를 해양환경에 노출시키기 위해 한국건설생활환경시험연구원이 관리하고 있는 해양폭로환경시험장을 이용했다. 시험장은 안산의 시화호방조재 배수갑문 우측 도류제 전면에 위치고 있으며 시험구역 내에 비말대, 간만대, 침지대 조건이 형성되어있다. 비말대 및 간만대는 각각 20 m, 24 m 구간으로, 침지대는 12 m 구간으로 구성되어 있으며 각 환경 조건지에는 파도와 파랑, 또는 해류에 의한 시험체의 유실을 방지하기 위해 구체 콘크리트와 앵커볼트로 연결한 내부식성 금속 가이드가 설치 되어있어 이를 이용해 각 공시체를 연결하여 고정했다.

해양폭로시험장이 위치한 안산 대부동의 만조위는 약 8∼9 m이며 비말대는 이보다 약 10 m 가량 높은 장소에 위치해 직접적인 해수의 영향이 없는 구역이다. 반면, 간만대는 조위차에 의한 변동이 심한 구역으로 약 5∼6시간 간격의 주기로 하루 두 번의 건습을 반복하는 환경이며 침지대는 공시체가 항상 침수된 환경이나 거치와 측정 및 회수의 편의성을 위해 최저 간조위 시, 공시체 일부가 보일 수 있도록 침지대 내부의 적정한 위치를 선정하되 대부분 침수환경에 위치할 수 있도록 했다.

시험기간 중의 기상조건은 해양폭로 시험장으로부터 13.5 km 떨어진 거리에 위치한 안산 조위관측소의 데이터를 정리하여 참고했다. 조사한 해양환경 폭로 대상지역의 평균기온은 -12.6∼27.9 °C이며 평균수온은 -1.3∼29.0 °C로 나타났다. 동절기 최소기온과 최소수온의 온도차는 약 14 °C로 측정되었으나 이 기간을 제외한 나머지 기간의 기온과 수온은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 지역 해수의 평균염도는 20.11∼32.65 psu로 측정되었으며 7∼8월 중의 장마기간에는 염도가 감소하는 것으로 나타났다.

3. 실험결과

3.1 폭로기간에 따른 압축강도 및 탄성계수

해양환경에 노출된 콘크리트 공시체에 대해 28일 압축강도 기준 비율을 다음 Table 1에 나타냈다.

실험결과, 해양환경에 노출된 콘크리트의 압축강도는 전반적으로 증가하는 결과를 나타냈으나, 해양폭로 된 기간이 길어질수록 강도 증가율이 감소하는 경향이 나타났다. 폭로시험체 중 상대적으로 낮은 강도대에 속하는 SC40의 경우 1년에서 2년 사이의 강도증가 비율 감소량이 비말대, 간만대, 침지대에서 1 %, 7 %, 7 %로 나타나 가장 빈번하게 감소가 발생했으며 SC80, SC120, SC120f, SC180f의 경우 강도의 증가와 감소가 반복되어 뚜렷한 경향을 나타내지 않았다. 이는 40 MPa 이상의 고강도 배합에서 실리카퓸 및 슬래그 미분말 등의 결합재를 사용하여 유해인자가 침투할 수 있는 느슨한 공극구조의 발생이 현저하게 감소했기 때문인 것으로 판단된다. 또한 탄성계수 실험결과 압축강도와 마찬가지로 전반적으로 증가하였으나 해양폭로기간이 길어질수록 강도증가율이 감소하는 결과를 나타냈다.

3.2 폭로기간에 따른 염화물 확산계수

해양환경에 노출된 콘크리트 공시체의 비정상상태 염화물 침투깊이와 확산계수를 Fig. 4에 나타냈다.

실험결과, NT Build 492에 의한 침투깊이의 경우 폭로재령 1년에서 SC40, SC80의 순서로 각각 10.81 mm, 9.05 mm 측정되었으며 폭로재령 2년에서 14.63 mm, 9.50 mm으로 측정되어 폭로 시간이 지날수록 침투 깊이가 증가하는 것으로 나타났다. SC120의 경우 폭로재령 1년까지 육안으로 관찰할 수 있는 침투깊이가 나타나지 않았으나 폭로재령 2년에서 2.45 mm의 침투깊이를 나타냈으며 SC120f와 SC180f에서는 폭로재령에 관계없이 측정가능 한 침투깊이를 나타내지 않았다. 침투깊이로 산출할 수 있는 염화물확산계수 또한 침투깊와 유사한 경향을 나타냈으며 폭로재령이 증가할수록 염화물 확산계수가 증가하였다. 폭로재령 2년 동안 간만대에 거치한 SC40 시험체에서 6.73×10^-12 m²/s의 가장 높은 염화물 확산계수 수치가 측정되었으며 동일폭로 조건에서 SC80, SC120의 차례로 0.54×10^-12 m²/s, 0.12×10^-12 m²/s로 측정되었다. SC120f와 SC180f는 모든 재령조건에서 침투깊이를 측정할 수 없어 염화물 확산계수를 계산할 수 없는 것으로 나타났다. 폭로재령 2년에서 비말대에 거치한 시험체는 간만대보다 대부분 낮은 염화물 확산계수 수치를 나타냈으며 SC40, SC80, SC120의 순으로 3.55×10^-12 m²/s, 0.63×10^-13 m²/s, 0.15×10^-13 m²/s로 나타나 강도가 증가할 수록 환경에 의한 영향이 점차 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 압축강도가 증가함에 따라 내부 공극구조가 치밀해져 확산계수가 감소하는 일반적인 현상과 상반된 결과이며 이는 폭로기간 동안 시험체 내부에 축적된 염소이온이 NT Build 492 방법에 의한 전기적 흐름에 참여했기 때문인 것으로 판단된다.

3.3 폭로기간에 따른 염화물량

해양환경에 노출된 콘크리트 공시체를 회수하여 폭로재령 1년의 10∼30 mm까지의 염화물량을 다음 Fig. 5에 나타냈다.

실험결과, 0∼10 mm 깊이까지 염화물 농도는 0.030∼0.380 %, 10∼20 mm 깊이까지 염화물 농도는 0.010∼0.030 % 사이로 나타났으며 모든 폭로환경 조건에서 SC40, 10 mm 깊이까지의 염화물 농도가 비말대, 간만대, 침지대의 순으로 0.058 %, 0.257 %, 0.374 %로 측정되어 가장 높게 나타났다. 0∼10 mm 깊이까지의 염화물 농도는 침지대에서 더 크게 측정되는 경향을 나타냈으나 10∼30 mm 깊이까지의 염화물 농도는 간만대에서 더 크게 측정되는 경향을 나타내 초기 염화물 표면 조건에 대해서는 침지대가 큰 영향을 미치며 그 이후의 침투조건에 대해서는 간만대의 환경조건이 큰 영향을 미친 것으로 판단된다. 그러나, SC120, SC120f, SC180f의 강도대에서는 10∼30 mm 내 염화물 농도의 차이가 매우 미세하게 나타나 폭로재령 1년까지는 시간에 의한 차이를 명확하게 판단할 수 없는 것으로 나타났다.

3.4 폭로기간에 따른 부식전위 및 부식여부

해양환경에 노출된 철근콘크리트의 부식전위를 주기적으로 측정한 결과를 Fig. 6에 나타냈다. ASTM G 109에서는 10 µA의 전류가 6개월 이상 유지되었을 때의 전하량인 150 Coulombs를 실험실 조건에서 부식이 일어났을 것으로 판단되는 전하량으로 산정하였으며 이를 기준으로 철근부식 여부를 비파괴적으로 판단하는 근거로 삼았다.

비말대에서는 폭로재령 1년을 초과한 시점에서 SC40의 매립깊이 5 mm 철근의 부식 전위가 급격히 증가하였으며 135.5 Coulombs의 전하량을 나타내 부식이 임박하거나 부식 초기인 것으로 판단된다. 비말대 조건의 강도별, 매립깊이별 부식전위는 SC40, 5 mm 매립깊이 조건을 제외하면 큰 변화가 없는 것으로 나타나 부식이 진행되지 않은 것으로 판단된다. 간만대에서는 해양폭로를 시작한 시점부터 부식전위가 증가하였으며 SC40의 5 mm, 10 mm 조건에서 증가경향이 뚜렷하게 나타나 전하량을 계산한 결과 폭로재령 1년을 초과하는 시점에서 매립깊이 5 mm 조건 353.2 Coulombs, 10 mm 조건 175.2 Coulombs 로 기준 부식전하량을 초과해 부식이 진행중이라고 판단된다. 그 외의 조건에서는 비말대와 마찬가지로 큰 변화가 없는 것으로 나타나 부식이 진행되지 않은 것으로 판단된다. 침지대의 경우 또한 간만대와 마찬가지로 SC40의 5 mm, 10 mm 조건에서 부식전위가 급격히 증가하였으며 폭로재령 1년을 초과하는 시점에서의 전하량은 매립깊이 5 mm 조건 442.0 Coulombs, 10 mm 조건 209.6 Coulombs로 나타나 부식이 진행 중이라고 판단되나 나머지 조건에서는 부식이 일어나지 않은 것으로 판단된다.

부식전위 및 전하량을 측정한 철근의 부식여부를 실질적으로 확인하기 위해 시험체를 회수하여 철근을 적출하였으며 그 결과를 Fig. 7에 나타냈다. 부식전위 및 전하량에서 예측한대로 비말대, 간만대 침지대 SC40에서 부식이 일어난 것을 확인할 수 있었으며 실험실에서의 건습반복 사이클 조건의 시험인 ASTM G 109를 적용하여 철근의 부식여부를 검토할 수 있는 것으로 나타났다. 부식이 진행된 모든 철근에 대해서는 육안으로 확인 가능한 녹(Rust)이 발생하였으나 단면내로 침투한 부식의 깊이가 크지 않아 철근의 물성에는 큰 영향이 없을 것으로 판단된다.

부식전위 및 전하량을 검토하여 실제 부식여부를 측정한결과 대체로 전하량 약 150 Coulombs 정도의 수치에 부식이 발현되는 것으로 나타났으며 전하량이 커질수록 부식의 정도 또한 증가하는 것으로 나타났다. 환경조건에 대해서 비말대보다는 간만대와 침지대에서 부식되기 쉬운 조건으로 나타났으며 SC40을 기준, 폭로재령 1년을 초과하는 시점에서 비말대는 철근 매립깊이 5 mm까지, 간만대 및 침지대는 철근매립깊이 10 mm까지 부식 발생 위험성이 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 폭로기간에 따라 깊이별로 측정한 염화물 농도의 경향과 일치하는 것으로 나타났다. SC40, 매립깊이 5 mm 염화물 농도의 경우 다른 조건에 비해 미약한 수치로 나타나 부식의 위험성이 없을 것으로 판단하였으나 부식 여부 검토 후 결합재량에 의한 임계염화물 농도를 계산한 결과 부식이 충분히 일어날 가능성이 있는 환경으로 나타났다.

4. 부식예측을 위한 염화물 예측 모델검토

해양환경에서 철근부식이 발생하는 메커니즘은 염화물 뿐만 아니라 산소 및 수분의 복합적인 작용으로 일어나며 균열과 같은 물리적인 손상이 발생했을 때 다양한 내구성 저하 요인이 콘크리트 내부로 침투하여 열화가 가속화 된다(Kwon et al. 2009; Park et al. 2012). 철근부식의 정도 및 시간을 정확히 예측하기 위해서는 각 상기 요인의 상관관계를 모두 파악하여 적용해야 하기 때문에 조건변수가 많고 복잡하다. 따라서, 본 연구에서는 철근 부식을 유발하는 대표적인 요인인 콘크리트 내 염화물량을 평가하여 부식 시기를 예측했다. 염해에 의한 철근부식은 임계염화물량으로서 부식여부를 판단하고 있으며 콘크리트 표준시방서에서는 결합재량의 0.4 %의 값으로 규정하고 있어 이 수치를 철근부식이 발생하는 조건으로 선정하였다.

예측 검토를 위한 콘크리트 내부의 염화물 확산 모델은 Fick’s 2nd Law에 기반하여 정립한 해석방법이 있으며(Thomas and Bamforth 1999) 직접적인 염화물량을 수치적으로 제공하여 CEB-FIP(2006) 모델코드에서 가장 일반적으로 사용하고 있는 방법이다. 염화물 확산에 대한 거리와 농도에 대한 기본식인 식 (5)에 경계조건을 적용하면 식 (6)와 같은 형태로 고려할 수 있다.

                   (5)

             (6)

여기서, 는 표면염화물량(kg/m³), 는 오차함수, 는 침투깊이(m), 는 염화물 확산계수(m²/sec)를 나타낸다.

염화물량 해석을 위해 필요한 변수인 확산계수 는 겉보기 확산계수로 NT Build 443에 의한 산출식에 의해 구해야하나 본 실험에서 측정한 염화물 확산계수는 NT Build 492의한 촉진 확산계수로서 해석에 필요한 겉보기 확산계수로의 변환이 필요하다. 유럽의 CHLOREST 프로젝트에서는 NT Build 443과 NT Build 492의 상관관계를 제시하는 연구가 수행된 바 있으며 이에 따르면 두 방법에 의한 확산계수 결과값이 높은 상관계수를 보이고 있는 것으로 보고하고 있어 재령 28일의 경우 다음 같은 확산계수 변환식을 사용한다(Polder et al. 2006; Kim and Cha 2009).

                 (7)

콘크리트 내부의 염화물 확산계수는 시간의존적으로 변화하며 일반적으로 시간과 반비례하여 감소하는 것으로 나타난다. 이는 양생이 진행됨에 따라 콘크리트의 모세공극이 조밀해지고 조직이 치밀해지는 결과에 의한 것으로 유추할 수 있으며 적용 모델식에서는 다음과 같은 식을 적용했다.

                 (8)

여기서, 는 28일 재령에서의 확산계수, 은 시간에 따른 시간계수이다.

해양폭로 중 콘크리트 내부로 침투한 염화물량을 예측하기 위해 상기의 모델을 구성하였으며 표면염화물량은 안 등이 제안한 국내 서남해안 지역에서의 표면염화물량인 수치가 5 mm 깊이에서 적용되도록 조정하여 사용하였다.

시험은 28일재령을 기준으로 염화물 확산계수를 측정할 수 있는 시험체인 SC40의 비말대, 간만대, 침지대에서의 염화물 농도를 예측치와 비교하였으며 시간계수 0.2, 측정한 염화물확산계수 1.781×10^-12를 적용하여 수행한 결과를 다음 Fig. 8에 나타냈다.

SC40에 대한 실측치와 예측 염화물 농도를 비교한 결과 재령 1년에서 잘 일치하는 것으로 나타났다. 비말대, 간만대, 침지대 조건의 침투깊이 5 mm 염화물량이 콘크리트 표준시방서(2016)에서 제시한 방법에 의해 설정한 철근부식 임계염화물 농도 0.053 %를 상회하는 것으로 측정되어 철근 부식이 발생할 확률이 높은 것으로 나타났으며 실제로도 철근의 부식이 발생했다. 침투깊이 10 mm 조건에서는 간만대와 침지대에서 임계염화물 농도보다 높게 측정되어 실측치와 부식여부가 일치하는 결과를 나타냈으나 비말대 조건에서는 0.081 %로 측정되어 임계염화물 농도를 초과함에도 실측 결과 아직 부식이 발생하지 않은 것으로 나타났다. 이는 임계염화물 농도와의 차이가 크지 않고 부식이 발생하는 경계에서 내부적으로 부식조건을 만족시키는 과정에 있기 때문인 것으로 판단된다. 예측치를 기준으로 SC40의 가장 깊은 매립깊이 25 mm 위치에서 염화물농도가 임계염화물농도를 상회하는 재령년수는 비말대에서 4년을 초과하며 간만대 및 비말대에서 3년으로 예상되었다.

SC80에서도 마찬가지와 같은 방법으로 염화물 농도를 구하려고 하였으나 염화물 확산계수의 일반 강도의 확산계수보다 약 1/10 수준으로 작고 제안한 표면염화물량의 기준이 일반적인 수준의 강도에서 제안된 경우가 많아 예측 변동성이 커 정확성을 확보하기 어려운 것으로 나타났다. 따라서, 합리적인 염화물 농도을 예측하기 위해서는 0∼5 mm 구간 내의 표면염화물량을 반영해야 할 것으로 판단되며 향후 추가시험을 통해 보완할 계획이다.

5. 결    론

이 연구에서는 해양환경에 노출된 철근콘크리트의 물성을 평가하였으며 이를 바탕으로 염화물 농도를 예측하는 모델식을 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

1)폭로공시체의 재령별 압축강도 및 탄성계수는 폭로재령 1년까지 전반적으로 증가하였으나 폭로재령 2년부터는 일부 시험체에서 물성 증가량이 둔화되는 것으로 나타났다. 비말대에서는 폭로재령 동안 유의할 만한 물성 감소는 나타나지 않았으며 간만대와 침지대에서 폭로재령 2년간 거치한 공시체에서 가장 큰 물성 증가량 감소를 보였으나 표준양생 28일 재령 기준의 압축강도 및 탄성계수보다는 증가한 수치로 유지하는 것을 확인할 수 있었다.

2)폭로공시체의 NT Build 492에 의한 침투깊이 및 염화물 확산계수는 폭로재령이 증가할 수록 염해저항성이 감소하는 경향을 나타냈으나 이는 폭로재령 동안 내부에 누적된 염소이온이 시험 중의 전기적 흐름에 참여하여 나타난 값으로 판단되며 염해에 의한 확산계수의 영향성을 합리적으로 판단하기 위해서는 다른 방법으로 평가해야 함을 확인할 수 있었다.

3)폭로공시체의 염화물량, ASTM G 109에 의한 부식전위, 실제부식 여부를 종합적으로 평가한 결과 SC80, SC120, SC120f, SC180f와 같은 40 MPa 이상 고강도인 시험체에서는 해양환경에 대한 열화저항성이 매우 높은 것으로 확인되었다. 그러나 SC40 시험체는 모든 환경조건에서 0∼10 mm 까지의 염화물농도가 부식임계농도인 0.053 %을 상회하고 부식기준 전하량이 150 Coulombs 이상으로 측정되었으며 비말대 조건의 철근 매립깊이 10 mm를 제외하면 실제로 부식이 발생하여 각 수치의 상관관계가 잘 일치함을 확인할 수 있었다.

4)Fick’s 2nd law에 기반한 염화물량 예측식을 검토한 결과 SC40에서 폭로재령 1년 염화물농도 결과와 비교했을 때 잘 일치하는 것으로 나타났으며 매립깊이 25 mm까지의 부식임계농도가 도달하려면 3∼4년의 시간이 걸릴 것으로 나타났다. SC80의 경우 염화물 확산계수가 일반 강도에 비해 1/10 수준으로 매우 작고 표면염화물량 기준이 일반적인 강도 수준에서 제안된 경우가 많아 예측 변동수준이 매우 커 정확성을 확보하기 어려운 것으로 나타났으며 향후 추가적인 시험을 통해 보완하고 계속적으로 모니터링 할 예정에 있다.