1. 서   론

콘크리트는 공학적으로 우수하고 뛰어난 내구성 및 경제성을 바탕으로 꾸준히 사용되어온 건설재료이다. 최근 들어 주상복합과 같은 초고층 건축물, 해양구조물 등에서는 고성능 콘크리트(HPC: High Performance Concrete)의 사용이 점차 증가하고 있다(Han and Kim 2011). 고성능 콘크리트는 강도, 내구성뿐만 아니라 작업성이 우수한 건설재료로 1990년대 초반부터 꾸준히 사용되고 있는 건설재료이다(Park et al. 2017).

콘크리트는 고내구성을 가진 건설재료이지만 염해, 탄산화 및 동결융해 등의 다양한 열화환경에 노출된 콘크리트 구조물은 사용기간의 증가에 따라 내구성능의 저하를 보이게 된다(Song et al. 2005). 특히 염해에 대한 위험성은 꾸준히 보고되고 있는데(Lee and Kwon 2013), 해양환경이나 제설제 등의 염해환경에 노출된 콘크리트 구조물은 콘크리트 내부로 염화물 이온의 침투가 용이하게 된다. 콘크리트 내부의 염분이 허용값을 초과하면 매립된 철근의 부동태피막을 파괴하여 부식을 일으키고(Jung and Bae 2001), 녹의 팽창압으로 인해 철근-콘크리트간의 부착력 저하 및 내부균열이 발생하며, 균열폭 내부로 염화물의 침투가 촉진된다. 그에 따라 열화는 더욱 가속화되고 최종적으로 피복콘크리트의 박락이 발생하여 콘크리트 구조물의 내구성 및 안정성에 영향을 미치게 된다(Nevile 1995; Broomfield 1997; Song et al. 2005; Han and Kim 2011).

이에 염해로 인한 콘크리트의 내구성 저하의 방지대책으로 플라이애쉬, 고로슬래그 미분말, 실리카퓸 등의 혼화재를 사용한 콘크리트에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 그중 GGBFS(Ground Granulated Blast Frunace Slag: 고로슬래그 미분말)는 용광로 방식의 제철작업에서 알루미나 규산염을 주성분으로 한 고온 슬래그를 물, 공기 등에 의하여 급랭시켜 제작한 뒤 분쇄한 혼화재로 수화발열량 감소, 유동성 및 장기강도 개선, 수밀성 증대, 염해 및 동결융해 저항성, 부식저항성 향상 등의 공학적 장점을 갖고(Leng et al. 2000; Henster et al. 2005), 시멘트보다 저렴한 가격 때문에 널리 사용되고 있는 혼화재이다(Jung et al. 2015). 특히, GGBFS를 혼입한 콘크리트는 GGBFS의 잠재수경성으로 인해 추가적인 수화물 생성을 기대할 수 있고, 그에 따라 공극구조가 밀실해져 장기재령에서의 강도증진(Kim et al. 2007)과 염해의 제어에 효과적이라고 알려져 있다(Thomas and Bamforth 1999; Song et al. 2005; Song and Kwon 2009). 또한 GGBFS는 포틀랜드시멘트와 마찬가지로 수경성을 나타내어 수화가 시작되면 장기적으로 석회 결합기능도 나타나기 때문에 포졸란반응을 나타내는 물질로 해석되기도 한다(Lee et al. 2012; Lee 2014).

콘크리트 내부의 염화물 거동을 평가하기 위해서 겉보기 확산계수 및 실태조사를 기반으로 한 많은 연구가 진행되어 왔는데(RILEM 1994; Thomas and Bentz 2002), 장기간의 연구기간이 확보되어야 한다는 단점으로 인해 최근에는 RCPT (Rapid Chloride Penetration Test)와 같은 전기영동실험으로 평가된 촉진 염화물 확산실험을 통한 염화물 거동 해석에 대한 연구가 진행되고 있다(Tang 1996; NT Build 492 1999; Lee and Kwon 2013). 겉보기 확산계수의 경우 Life-365와 같은 해석프로그램으로 시간의존성지수m 및 혼화재의 영향을 고려해 시간의존성 확산계수에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔지만(Thomas and Bentz 2002; Lee and Kwon 2013), 촉진 염화물 확산계수에 대해서는 시간의존적 연구가 명확히 진행되고 있지 못한 실정이다. 기존의 연구에서는 OPC 사용시의 시간저감성을 고려하지 못하며, 실태조사 결과에 의존하므로 혼화재 치환률에 따른 염화물 확산성의 변화를 합리적으로 제안하지 못하고 있다.

본 연구에서는 재령 28일의 염화물 확산계수는 기존연구(SERI 2003)에서 차용하였고 재령 49일, 180일 및 365일의 OPC 및 GGBFS 콘크리트에 대해 강도 및 염화물 확산계수를 정량적으로 평가하였다. 이후, 평가된 촉진 염화물 확산계수를 바탕으로 Fick’s 2^nd Law에서 제안된 식의 회귀분석을 통하여 시간의존성지수를 도출하였고, 최종적으로 OPC 및 GGBFS 콘크리트의 강도-시간의존성지수m간의 상관관계를 평가‧분석하였다.

2. 실험 개요

2.1 배합 및 사용재료

본 연구에서는 잠재수경성을 가진 대표적인 혼화재 중 하나인 GGBFS를 혼화재로 사용하였다. W/B 3가지 수준(37 %, 42 %, 47 %) 및 GGBFS 혼입률 3가지 수준(0 %, 30 %, 50 %)를 고려하여 총 9 Case의 배합을 설정하였고 배합특성은 Table 1과 같다. 본 배합은 Slump 150 ± 50 mm, 공기량 4.5 ± 1.0 %로 설정하였고, 고성능 감수제를 사용해 콘크리트의 연행공기 발생, 단위수량 저감 및 Workability를 확보하였다. 또한 탈형한 원주형 공시체는 22 °C 항온 수중 양생을 실시하였다.

Table 1 Mix proportions in each case

또한 Tables 2 및 3은 본 배합에 사용된 골재와 고성능 감수제의 물리적 특성을 나타내었다.

Table 2 Properties of aggregate

Table 3 Properties of super-plasticizer

2.2 압축강도 평가방법

압축강도 평가는 재령 49일, 180일, 365일의 ∅100 × 200 mm의 원주형 공시체에 대해 KS F 2405에 따라 실시하였다. 편심에 따른 오차를 최소화하고자 콘크리트 공시체 상부를 연마 후 실험을 진행하였다.

2.3 촉진 염화물 확산계수 평가방법

촉진 염화물 확산계수 평가를 위해 Tang and Nilson(1992)의 연구에서 제안된 비정상상태의 촉진 염화물 확산실험인 Tang’s method를 사용하였다. Tang’s method는 확산과 전기이동을 동시에 고려하기 때문에 이론상으로 가장 합리적이며, 비정상상태에서의 확산계수를 평가할 수 있다는 특징이 있다. 염화물 확산 Cell은 기존의 염화물 확산계수 실험 방법인 ASTM C 1202를 참고하여 제작하였다.

양극에는 0.5 M NaCl 수용액, 음극에는 포화 Ca(OH)₂ 수용액을 사용하였고, 30 V의 전압을 8시간 동안 인가하였으며 실험조건은 Table 4와 같다.

Table 4 Conditions of Tang’s chloride diffusion coefficient test

전압 인가 후 UTM을 사용하여 콘크리트 시편을 쪼개었으며, 비색법을 사용하여 쪼개진 면에 0.1N AgNO₃ 수용액을 분무한 뒤, Fig. 1과 같이 음극시편을 기준으로 하여 은색으로 변색된 부분을 침투깊이로 설정하였다. 이때, 콘크리트 시편 양측 가장자리 10 mm를 제외한 부분에 대해 침투깊이를 10 mm간격으로 측정하였고, 이를 평균한 값을 적용하였다.

Fig. 1

Measurement zone of chloride infiltration depth (unit: mm)

위와 같이 평가된 염화물 침투깊이는 아래 식 (1) 및 (2)에 대입하여 촉진 염화물 확산계수로 도출할 수 있다.

$D\left(t\right)=D_{ref}{\left(\begin{array}{c}\frac{t_{ref}}{t}\end{array}\right)}^m$  (1)

$D_{rcpd}=\frac{RTL}{zFU}·\frac{x_d-a\sqrt{d}}{t}$  (2)

여기서, D_rcpd는 비정상상태에서의 전위차 촉진 염화물 확산계수(m²/s), R은 기체상수(8.314 J/mol.K), T는 절대온도(K), L은 시편 두께(m), z는 이온 전자가(1.0), F는 Faraday 상수(96,500 J/V.mol), U는 전위차(V), x_d는 비색법에 따른 침투깊이(m), t는 전위차 적용시간(s), C_d는 비색법에 의한 반응농도(mol/l), C₀는 확산 Cell에서의 염소이온농도(mol/l)를 의미한다.

3. 실험 결과

3.1 재령에 따른 강도특성

본 절에서는 OPC 및 GGBFS를 혼입한 콘크리트의 강도특성을 분석하기 위하여 재령 28일, 49일, 180일 및 365일의 콘크리트 공시체에 대한 강도평가를 실시하여 배합‧재령별 압축강도를 비교‧분석하였다. 평가 결과는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2

Result of compressive strength test

본 연구의 강도특성 평가결과는 HPC에서 볼 수 있는 전형적인 강도증가를 나타낸다. 모든 배합에서 재령의 증가에 따른 뚜렷한 강도의 증가가 나타났다. 또한 W/B의 감소에 따라 강도발현에 유리한 것으로 나타나는데, W/B 47 % 대비 W/B 37 %에서는 OPC 배합에서 최대 60.95 %~최소 79.16 %, GGBFS 30 배합에서 최대 82.86 %~최소 91.20 %, GGBFS 50 배합에서 최대 77.47 %~ 최소 85.76 %의 강도감소를 나타냈다. 또한 GGBFS 배합의 재령 28일 대비 365일에서의 강도 증가율이 135~147 %로 비교적 높게 나타났는데 이는 본 연구를 위해 대량의 시편을 제작 및 운송하는 과정 때문에 초기 재령에서 충분한 수화반응이 이루어지지 않아 재령 28일 강도 값이 낮게 평가되었기 때문으로 보인다.

초기재령에서는 OPC 콘크리트에서 비교적 높은 강도가 평가되지만, 장기재령으로 갈수록 GGBFS를 혼입한 콘크리트는 OPC 콘크리트 대비 비슷하거나 높은 수준의 강도가 평가되었다. 특히 초기 재령에서 강도차이가 크게 나지 않았는데 이는 Jung et al.(2015)의 연구와 비슷한 경향을 나타낸다. 시멘트를 GGBFS로 대체할 경우 시멘트 양이 감소하면서 실질적으로 시멘트와 반응하는 자유수의 양이 시멘트 양에 비해 상대적으로 많아지고, 그에 따라 시멘트의 C₃S와 C₄AF의 반응이 촉진되어 결과적으로 수화도가 높아지기 때문이라고 판단되며, 이와 같은 효과를 ‘Dilution Effect’라고 한다(Copeland and Kantro 1968; Escalante and Sharp 1998; Narayanan 2008; De Schutter 2011).

3.2 재령에 따른 염화물 거동특성

본 절에서는 재령 28일의 염화물 확산계수는 기존연구(SERI 2003)에서 차용하였고, 재령 49일, 180일 및 365일 OPC 및 GGBFS 콘크리트의 염화물 거동특성을 비교‧분석하였다. 평가 결과는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3

Result of chloride diffusion coefficient test

Fig. 3에 나타나듯이 모든 콘크리트에서 재령의 증가에 따라 염화물 확산계수가 감소하는 경향이 나타났고, W/B가 작을수록 염화물 확산계수가 더 낮게 평가되었다.

또한 GGBFS의 혼입률이 증가함에 따라 뚜렷한 염화물 확산계수의 감소를 보이는데, 특히 비교적 초기재령인 28일~49일 구간에서는 OPC 콘크리트에서는 약 4~7 %의 염화물 확산계수의 감소를 보이지만, GGBFS 30배합에서는 약 45~46 %, GGBFS 50 배합에서는 약 45~60 %로 급격한 감소를 보였다. 이와 같은 경향은 GGBFS의 잠재수경성으로 인해 콘크리트 내부의 추가적인 수화물생성을 기대할 수 있고, 그에 따라 공극구조가 개선되며 최종적으로 염화물의 침투작용을 억제하는 현상이 일어나기 때문이라고 판단된다(Kim et al. 2009).

3.3 GGBFS를 혼입한 콘크리트의 강도-시간의존성 지수 간의 상관관계 분석

3.3.1 시간의존성지수m 도출

촉진 염화물 확산계수에 대해서는 시간의존성지수m에 대해 제안된 식이 없으므로, 겉보기 확산계수에 대해 시간의존성지수m를 고려한 Fick’s 2^nd Law에서 제안된 식 (3)을 이용하여 시간의존성지수m를 도출하였다.

$a=2\sqrt{\frac{RTL}{zFU}}·er{f}^{-1}\left[\begin{array}{c}1-\frac{2C_d}{C_0}\end{array}\right]$  (3)

여기서, D_ref는 기준시간에 대한 확산계수(m²/s), D(t)는 시간 t에서의 확산계수(m²/s), t_ref는 기준시간(days), t는 재령(days)을 의미한다.

본 연구에서는 기준시간 및 기준시간에 대한 확산계수는 재령 28일로 적용하였고, 재령 28일 대비 재령 365일의 시간 및 염화물 확산계수를 적용하였으며 식 (3)을 Log관계를 이용해 시간의존성지수m를 회귀분석 하였다. Fig. 4와 Table 5에 시간의존성지수m 평가결과를 나타내었다. 평가된 시간의존성지수m는 장기실험결과에 의존하지 않고 임의 시간에서의 확산계수를 예측하는데 사용할 수가 있어 각 배합의 염해에 대한 내구수명을 산출하는데 활용할 수 있다(Thomas and Bentz 2002).

Table 5 Time-parameter of OPC and GGBFS concrete

Fig. 4

Result of regression analysis about time-paramete

Fig. 4에서는 기울기가 시간의존성지수m를 의미하는데, W/B가 감소할수록, GGBFS의 혼입률이 증가할수록 큰 시간의존성지수m가 도출되었다. 특히 GGBFS 50 배합에서 가장 큰 시간의존성지수m가 평가되었는데, 이는 기준시간인 재령 28일에서 상대적으로 높은 염화물 확산계수가 평가되었기 때문이다. 또한 GGBFS를 혼입한 콘크리트에서는 시간의존성지수m가 ±0.05 수준으로 크지 않은 것으로 평가되었고, R²값은 평균 0.903으로 높게 평가되었다.

시간의존성지수m는 GGBFS 50-37 Case에서 0.816으로 최댓값을, OPC-47 Case에서 0.190으로 최솟값이 평가되었는데 이는 염화물 확산계수 평가결과와 다소 상반되는 경향을 나타낸다. 이에 두 인자의 상관관계를 알아보기 위해 Fig. 5에 재령 365일의 염화물 확산계수와 시간의존성지수m간의 상관관계 그래프를 도시하였다. Fig. 5와 같이 염화물 확산계수가 클수록 낮은 시간의존성지수m가, 염화물 확산계수가 낮을수록 높은 시간의존성지수m가 평가됨을 알 수 있다.

Fig. 5

Relationship between diffusion coefficient in 365 days and time-parameter

3.3.2 강도-시간의존성지수m간의 상관관계 분석

본 절에서는 재령 365일의 압축강도와 시간의존성지수m간의 상관관계를 분석하였고, 그 결과는 Fig. 6과 같다.

Fig. 6

Relationship between strength and time-parameter

모든 배합에서 강도의 증가에 따라 시간의존성지수m가 선형적으로 증가함을 나타내고, 특히 GGBFS 50 배합의 모든 Case에서 가장 높은 시간의존성지수m가 평가되었다. 이는 염화물 확산계수가 낮게 평가된 만큼 시간의존성지수m가 높게 평가됨을 의미하고, 타 배합 대비 염해저항성이 개선되었음을 시사한다. 강도를 이용하여 시간의존성 지수를 평가할 때, GGBFS를 사용한 배합에 대해서는 선형적인 관계를 가정해도 좋을 것으로 판단된다.

4. 결   론

본 연구에서는 재령 49일, 180일 및 365일의 OPC 및 GGBFS 콘크리트에 대해 강도 및 염화물 확산계수를 평가하였고, 평가된 염화물 확산계수의 회귀분석을 통해 시간의존성지수m를 도출하여 강도와 시간의존성지수m간의 상관관계를 분석하였으며, 도출된 결론은 다음과 같다

1) 모든 Case에서 재령의 증가에 따라 개선된 염해저항성이 평가되었다. 비교적 초기재령인 재령 28일~49일 구간에서는 OPC 배합에서 약 4~7 %의 염화물 확산계수의 감소를 보이지만, GGBFS 30 배합에서 약 45~46 %, GGBFS 배합에서 30~60 %의 감소가 나타났다.

2) GGBFS의 혼입률의 증가에 따라서도 낮은 염화물 확산계수가 평가되었다. GGBFS의 혼입률이 W/B에 의한 영향보다 더 큰 것으로 나타나는데, 재령이 증가함에 따라 GGBFS 30-37 Case에서는 0.968~0.302 × 10^-11 m²/s로 염화물 확산계수가 평가되었지만, GGBFS 50-47 Case에서는 W/B가 더 높음에도 1.102~0.128 × 10^-11 m²/s로 더 낮은 염화물 확산계수가 평가되었다.

3) 시간의존성지수m는 GGBFS의 혼입률이 증가할수록 크게 평가되었다. GGBFS 50 배합에서 가장 큰 시간의존성지수m가 평가되었는데, 이는 기준시간인 재령 28일의 염화물 확산계수가 낮게 평가되었기 때문이라 사료된다. 또한 모든 배합에서 시간의존성지수의 편차가 ±0.05수준으로, 결정계수 R²는 약 0.903으로 평가되었다. 또한 OPC 배합에서는 강도-시간의존성지수m간의 상관관계가 비교적 비선형으로 평가되었지만, GGBFS 30 및 50 배합에서는 강도 증가에 따라 시간의존성지수m가 선형적으로 증가하는 것으로 평가되었다.