1. 서 론

도로의 가장자리에 설치되는 경계석과 L형 측구는 차량으로부터 인도 보행자 보호, 도로 노면의 배수 촉진 등의 목적으로 주행차량과 보행자의 안전을 위해 설치되는 안전구조물에 해당한다. 이러한 L형 측구는 KS 및 시방서에 구조적인 안정성 확보를 위해 재료 및 제조방법, 품질등을 규정하고 이에 부합하도록 권고하고 있다.

그럼에도 불구하고 동결 및 융해가 반복적으로 발생하는 국내 기후 특성상, 기준에 따라 제조된 L형 측구라 하더라도 외형의 변형 및 표면 박리에 의한 미관저해와 배수 기능 등의 품질저하 현상이 빈번히 발생한다. 특히 동절기의 제설차량에 의한 눈 및 제설제의 집중에 따른 복합작용으로 콘크리트의 내구성이 현저히 저하되는 문제점이 제기되고 있다(City Traffic Headquarters 2010).

또한 적설한랭지에서의 콘크리트 도로 포장 및 구조물은 동절기에 동결융해에 의한 반복적인 동해와 함께 강설시 안전한 교통흐름을 유지하기 위해 살포되는 염화물계 제설제의 침식을 복합적으로 받게 되고, 구조물의 성능저하를 더욱 가속시키기도 한다(Lee 2015; Zi et al. 2012).

현재 국내 콘크리트의 동해를 평가하기 위해 일반화된시험방법은 ‘KS F 2456, 급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항시험방법’으로, 동결융해 300싸이클에서 내구성 지수가 60 % 이상일 경우 콘크리트 배합이 동결융해에 대한 저항성을 확보하였다고 평가된다. 그러나 동결융해 시험법만으로는 L형 측구에서 발생되는 표면박리 및 내구성 저하를 평가하기 부족하여, 이에 복합적인 내구성을 평가하기 위한 시험법으로서 스케일링 저항성에 영향을 미치는 요인에 대한 실험적, 해석적 연구가 여러 연구자들에 의하여 수행되어 오고 있다(Lee 2016).

L형 측구용 콘크리트의 동절기 복합적인 성능저하에 대한 내구성을 좌우하는 가장 큰 품질특성으로는 압축강도와 내부의 공극구조라 할 수 있으나, ‘KS F 4005, 콘크리트 및 철근 콘크리트 L형’과 ‘도로공사 표준시방서(2015)’ 상의 L 형 측구용 콘크리트의 배합은 W/C 50 % 이하로만 규정하고, 별도의 압축강도 기준은 제시되지 않으며, ‘LH 전문시방서(2016)’에는 21 MPa로 다소 낮은 압축강도 제한을 두고 있다. 그러나 실제 현장에 타설되는 L형 측구용 콘크리트의 경우 배합강도 18 MPa의 콘크리트가 타설되는 경우도 빈번하다. 또한 공기량도 KS에는 5 %를 원칙으로 하고 있으나, ‘다만 즉시 탈형 방식으로 성형되는 제품은 AE 콘크리트가 아니라도 좋다’라는 단서 조항도 존재하여 다소 엄격하지 않은 기준으로 보여진다(LH Professional Specification 2016; Korea Highway Corporation Standard Specification 2015).

따라서 본 연구에서는 동해 및 염해 등의 복합적인 성능저하에 대응 가능한 L형 측구용 콘크리트의 최적배합을 선정하기 위한 연구로서, 콘크리트의 초기 양생 조건 및 배합강도, 공기량 변화 시에 동결융해 및 스케일링 저항성, 공극구조 등을 평가하여 동절기의 복합적인 성능저하에 따른 내구성을 확보한 최적의 콘크리트 배합을 선정하기 위한 연구를 수행하였다.

2. 실험개요

2.1 사용재료 및 배합

L형 측구용 콘크리트를 위해 사용된 재료는 ‘KS F 4005’(KS F 4005 2004)에서 규정한 기준에 적합한 품질을 가진 것으로서, 시멘트는 ‘H’사의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 사용된 굵은골재 및 잔골재의 물리적 특성을 Table 1에 나타내었다. 또한 L형 측구의 현장타설을 위한 목표 슬럼프 80~100 mm 범위를 만족하는 유동성 확보와 공기량 조절을 위하여 국내 ‘S’사의 고형분 함량 15%의 일반 강도용 준PC계 감수제 및 AE제를 사용하였고, 감수제의 품질특성을 Table 2에 나타내었다.

실험을 위한 배합을 Table 3에 나타내었다. 실험의 배합은 실험인자인 목표강도 발현을 위해 예비실험을 통하여 물결합재비로 조정하였고, 감수제와 AE제를 통하여 목표 슬럼프 및 공기량을 맞추었다.

Table 1. Physical properties of aggregates

Types	Gmax (mm)	Absorption (%)	F.M.	Density (g/cm3)
Sand	-	2.12	2.98	2.57
Gravel	20	1.67	6.4	2.63

Table 2. Physical properties of SP agent

pH	Appearance	Density (g/cm3)	Water reducing ratio(%)	Mass contents (%)
12.0±1.0	Light brown liquid	1.03±0.02	more than 6	13~15

Table 3. Mix proportions for Concrete Curb-butters

Specimen ID	Target fcr (MPa)	Gmax (mm)	Slump (mm)	W/C (%)	Air (%)	S/a (%)	Unit volume weight (kg/m3)				Total volume (L(kg/m3)	AD (Bind. Wt.%)		AD (kg/m3)
							W	C	S	G		SP	AE	SP	AE
21-5	21	20	8-10	68.0	5±0.5	45.5	175	258	820	1020	950	0.9	0.054	2.319	0.139
27-5	27			63.3		43.9	181	287	774	1015	950	0.8	0.056	2.292	0.160
35-5	35			50.0		43.1	180	360	734	996	950	0.9	0.025	3.243	0.090
21-3	21			73.0	3±0.5	44.4	185	253	813	1046	970	1.0	0.006	2.534	0.015
21-7	21			63.3	7±0.5	41.9	185	292	711	1012	930	0.5	0.075	1.461	0.219

Table 3. Mix proportions for Concrete Curb-butters

Specimen ID	Target fcr (MPa)	Gmax (mm)	Slump (mm)	W/C (%)	Air (%)	S/a (%)	Unit volume weight (kg/m3)				Total volume (L/m3)	AD (Bind. Wt.%)		AD (kg/m3)
							W	C	S	G		SP	AE	SP	AE
21-5	21	20	8-10	68.0	5±0.5	45.5	175	258	820	1020	950	0.9	0.054	2.319	0.139
27-5	27			63.3		43.9	181	287	774	1015	950	0.8	0.056	2.292	0.160
35-5	35			50.0		43.1	180	360	734	996	950	0.9	0.025	3.243	0.090
21-3	21			73.0	3±0.5	44.4	185	253	813	1046	970	1.0	0.006	2.534	0.015
21-7	21			63.3	7±0.5	41.9	185	292	711	1012	930	0.5	0.075	1.461	0.219

2.2 실험계획 및 방법

2.2.1 실험계획

실험의 인자, 수준, 측정항목이 포함된 실험계획표를 Table 4에 나타내었다. 표에 나타낸 바와 같이 L형 측구용 콘크리트의 동해 및 융빙제에 의한 염해의 복합적인 성능저하에 대한 내구성 평가 실험으로 압축강도와 공기량을 주요 인자로 설정하였고, 초기양생방법을 추가 변수로 하였다. 압축강도는 LH 시방서 상의 기준강도 21 MPa를 표준으로 27, 35 MPa 3수준으로, 공기량은 KS 기준값 5 %를 중심으로 3, 7 %를 추가하여 3수준으로 설정하였다(LH Professional Specification 2016).

Table 4. Experiment plan

ID	fcr (MPa)	Air (%)	Curing conditon	Test items
21-5	21	5±0.5	Moist curing 2weeks + air dry 2weeks	·Resistance of concrete to rapid freezing and thawing ·Scaling resistance of concrete surfaces ·Parameters of the air-void system
27-5	27
35-5	35
21-3	21	3±0.5
21-7		7±0.5
21-5 (AD)		5±0.5	Only air dry 20 °C, RH 60 %

L형 측구의 양생방법은 LH 전문시방서의 경우 양생포를 덮어 1일 이상 습윤상태를 유지하도록 되어있으며, 도로공사 표준시방서 또한 5일 이상 습윤상태로 보호하도록 기술되어 있다. 따라서 초기 습윤양생의 유효성 평가를 위하여 2주 습윤양생 후 2주 기건양생을 기본양생방법으로 실험을 진행하였으며, 비교용으로 Base 배합인 ID 21-5 배합은 초기 습윤양생 없이 기건양생 만을 4주간 실시하여 초기 습윤양생 된 시험체와 비교 실험하였다.

실험의 측정 항목으로는 시험체 제작시의 굳지않은 특성으로 공기량과 슬럼프를 평가하고, 목표강도 만족여부 평가를 위하여 재령 28일에 압축강도를 측정하였다.

스케일링 저항성 분석을 위한 내구성 실험항목으로서, 동결융해 저항성 시험과 스케일링저항성, 기포간격계수측정 실험을 수행하였다.

2.2.2 실험방법

L형 측구의 복합적인 성능저하 시험방법인 스케일링 저항성 평가를 위한 기초분석 실험으로서 동결융해 시험방법은 ‘KS F 2456, 급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법(2013)’의 수중 급속 동결융해 시험방법인 A 방법을 적용하였다. 시험체의 치수는 100 × 100 × 400 mm로 제작하며, 양생방법은 현장의 조건을 고려하여 KS에 규정된 방법과 다르게 습윤양생 2주 후 기건양생 2주를 실시한 후에 동결융해 시험을 시작하였다. 동결융해 시험에서 평가는 300 싸이클의 동결융해 실시 전․후의 시험체 외형, 중량변화, 상대동탄성계수를 평가하였다.

동결융해시험은 단일의 성능저하 요인에 대해 규정된 시험인 반면 스케일링저항성 시험은 동결융해 및 제설염의 복합적인 작용에 의해 발생하는 현상을 평가하는 방법으로 L형 측구용 콘크리트에 표면 박리저항성 및 내구성 평가를 위해 필요한 실험이라 판단된다. L형 측구용 콘크리트의 스케일링 저항성 평가를 위한 시험은 ‘ASTM C 672, Scaling resistance of concrete surfaces exposed to deicing chemicals(2003)’에 준하여 Table 5와 같은 시험조건에 따라 진행하였다. 실험에 사용된 장비와 장비 투입 전 사전 처리된 시험체의 사진을 Fig. 1에 나타내었다. 스케일링 저항성 측정을 위한 시험방법은 시험체 표면의 옆 4면에 고무패킹 및 실링 후 표층 위에 4 % 염화칼슘 수용액을 6 mm 정도 부어 일정 온도로 동결 및 융해를 반복한다. 5사이클을 주기로 표면에 발생한 스케일을 고무장비를 이용하여 채취하고, 이 작업을 10회 반복하여 총 50사이클까지의 누적 스케일량을 측정하였다.

Table 5. Test condition for Scaling resistance

Test method	Specimen size	Exposure solution	Temperature	Evaluation of surface quality
ASTM C 672	At least 0.045 m2 surface area	4 % CaCl2	Freezing : -18 ± 3 °C for 16~18 h Thawing :20 ± 3 °C for 6~8 h	Every 5 cylces (total 50 cycles)

동결융해 및 염해는 공극의 분포와 사이즈, 공극구조에 따른 투수계수 등에 영향을 받는다. 콘크리트의 압축강도, 동결융해 저항성, 스케일링 저항성 등의 내구성은 콘크리트의 내부에 형성된 공기량, 공극의 분포, 공극의 형태 등 내부 공극구조에 의해서 결정되는 것으로 알려져 있다. 특히 콘크리트가 동결작용을 받을 시 발생하는 수압을 완화할 수 있는 기포의 영향범위는 기포간의 거리에 의해 결정되며, 이것의 최대값이 기포간격계수라고 불린다(Korea Ready Mixed Concrete Industry Association, 2011).

콘크리트의 기포간격계수 측정을 위한 시험방법은 ‘ASTM C 457(2012)’에 준하여 진행하였으며, 기포간격계수 측정을 위한 시험체는 지름 100 mm의 원주형 공시체 단면으로 한다. Fig. 2에 나타낸 것과 같이 공시체를 길이방향으로 3등분하여 중간의 두 단면을 대상으로 측정을 진행하였다. 시험체 두 단면의 표면을 3단계 이상의 다이아몬드 디스크로 미세하게 연마 한 후 기포 색상의 대별을 위해 표면을 착색하고, 공극에 백색도 95% 이상의 중질 탄산칼슘을 탈락되지 않도록 충분히 다짐하여 충전하였다. 준비된 시험체의 표면을 현미경 촬영을 통하여 전자사진으로 이미지화하고, Image Analyzer를 이용하여 표시된 기포의 정보로서 공극의 수, 공극의 면적, 평균사이즈, 기포 간격계수 등을 분석한다. 본 논문에서는 측정된 기포간격계수 데이터만을 대상으로 스케일링저항성 분석에 활용하였다.

Fig. 2에 콘크리트 시험체에서의 기포의 형상 이미지화 프로세스를 나타내었다.

3. 실험결과 및 분석

3.1 굳지않은 특성 및 압축강도

실험에 사용된 모든 배합은 현장타설 콘크리트를 기준으로 목표 슬럼프를 80~100 mm로 설정하였다. 유동성 확보를 위하여 Table 3의 배합표에 나타낸 바와 같이 감수제량을 조절하여 목표 슬럼프를 만족한 콘크리트로 압축강도 및 내구성 시험체를 제작하였다.

실험변수인 굳지않은 콘크리트의 공기량 또한 배합표의 AE제 사용량에 따른 조절로 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 목표 공기량의 범위를 만족하였다. Fig. 3에서 나타낸 점선은 초기 목표 공기량 범위인 5(3, 7) ± 0.5 % 범위를 의미하며, 막대그래프로 표시된 것은 실제 측정된 실험의 결과를 의미한다.

L형 측구용 콘크리트의 스케일링 저항성 평가를 위한 실험변수인 재령 28일 압축강도 평가를 위하여 측정된 시험체의 재령별 압축강도를 Fig. 4에 나타내었다.

그래프내의 막대그래프에 재령별 압축강도를 나타내었으며, 점선은 각각의 목표 압축강도인 21, 27, 35 MPa를 의미한다. 예비실험을 통하여 압축강도가 확인된 배합이기 때문에, 압축강도 결과는 35 MPa 시험체가 목표값보다 다소 낮은 값을 갖는 것을 제외하고는 전체적으로 목표강도와 유사한 값을 보인다. 배합별 3개의 시험체로 측정된 압축강도는 모두 1.0 MPa 미만의 표준편차를 보여, 동일한 배합 내에서의 시험체별 편차는 크지 않은 것으로 나타났다.

그러나 동일한 콘크리트를 이용하여 제작된 시험체임에도 불구하고, 초기 적용된 양생방법의 차이에 의해 강도는 큰 차이를 보이는 것을 ID 21-5 시험체에서 볼 수 있다. 초기 2주간 습윤양생의 적용 여부에 따라 초기 기건양생만 진행될 경우 재령 28일 압축강도는 80 % 이하 수준으로 발현율이 저하하는 것을 볼 수 있다. 따라서 초기 양생에서의 충분한 수분의 공급이 L형 측구용 콘크리트 강도발현에 미치는 영향을 확인할 수 있었으므로, 콘크리트의 품질확보에는 배합 관리도 중요하지만 초기재령의 철저한 양생 관리 또한 반드시 요구된다는 것을 확인할 수 있다.

3.2 내구성 평가

3.2.1 동결융해 저항성 평가

Fig. 5에 나타낸 300사이클의 동결융해 시험 후의 시험체 표면 형상에서 압축강도와 공기량이 높은 시험체에서는 양호한 형상을 보이는 반면, 저강도와 특히 3 %의 공기량을 갖는 시험체는 표면이 심각하게 손상된 것을 확인할 수 있다.

동결융해 저항성의 정량적인 평가를 위하여 동결융해 시험 300사이클 후 시험체의 중량변화 및 동탄성계수를 측정하고, 그 결과를 Figs. 6과 7의 그래프에 각각 나타내었다.

일반적으로 시멘트 페이스트의 동결융해 저항성은 물시멘트비가 낮아짐에 따라 증가한다. 실험결과에서는 물시멘트비에 의한 압축강도의 변화에 따라 질량변화율 및 상대 동탄성계수는 차이를 보인다. 그러나 이러한 영향은 압축강도에 의해 매트릭스의 팽창저항성에 영향도 있지만, 물시멘트비가 높을수록 공극의 체적이 증가하는 것도 무시할 수 없는 원인이라 판단된다.

동결온도에 노출될 가능성이 있는 지역에서 사용하는 L형 측구용 콘크리트는 기포의 효과적인 이용이 AE제를 통하여 이뤄진다. ACI 201 위원회에 의한 동결융해 저항성을 가진 콘크리트의 공기량 권장값은 골재의 최대치수에 따라 최대치수 19 mm의 경우 7 %, 25 mm의 경우 6 %의 공기량 평균치가 제시된다. 또한 국내의 다양한 시방서에 따라서 동결융해 저항성을 갖는 L형 측구용 콘크리트의 공기량 최소치는 5~6 %의 공기량이 권장된다. 실제로 KS 상의 L형 측구용 콘크리트는 원칙적으로 AE제를 사용하여 5 %를 기준으로 한다고 되어있다.

한국레미콘 협회 콘크리트 기술정보에서 참고한 Fig. 8과 같이 공기량이 3 % 미만에서는 공기량이 동결융해 저항성 개선에 주는 효과가 작다. 또한 공기량이 5 %를 초과하면 그 이상 공기량을 증가시켜도 동결융해 저항성에 대한 효과는 작으며 강도저하와 내구성 저하와 같은 마이너스 효과가 크다. 이 때문에 콘크리트의 공기량은 일반적으로 잔골재 최대크기에 따라 3~5 % 정도로서 유지시키고 있다. Figs. 6과 7에서도 공기량 5 % 대비 3 % 시험체의 질량손실률은 증가하고 상대동탄성계수도 현저히 감소되나, 5 %에서 7 %로의 공기량의 증대는 질량손실률 및 내구성에 대한 개선 효과가 크지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서 KS에 규정된 5 % 의 공기량은 적정하다 판단되며, 동결융해의 증대를 위해 그 이상으로의 공기량 상향 조정은 비효율적이라 판단된다.

시험결과에서는 300사이클 후 시험이 종료시까지 내구성 계수 제한(60 %) 혹은 질량 변화율(25 %) 기준에 문제되는 배합은 없으나 공기량의 3 %를 갖는 배합인 21-3 시험체의 경우 질량 변화율 및 상대동탄성계수에서 타 배합대비 눈에 띄는 저하를 보이고 있다. 결과적으로는 W/C가 작고 적정이상의 공기량을 갖는 AE 콘크리트가 동결융해 저항성에 가장 효과적이라 볼 수 있다.

그러나 Fig. 5의 형상에서 골재가 표면으로 드러날 정도로 매우 심각한 외관의 손상을 확인했음에도 불구하고, 상대동탄성계수를 통한 내구성 지수 결과에서는 모두 90 % 이상의 값으로 내구성에 문제가 없음을 보이고 있어 적절한 평가가 이루어졌다 기대하기 어렵다. 따라서 측구용 콘크리트의 내구성 평가를 위한 시험방법으로 불충분하다 판단된다.

3.2.2 기포간격계수

일반적으로는 동결융해에 대한 콘크리트의 내구성을 설명하기에는 시험 및 분석의 편의성 등의 이유로 공기량으로서 동결융해 저항성과의 관계를 평가하고 있다.

그러나 동결융해 저항성은 공기포가 존재함으로써 시멘트 페이스트의 팽창이 감소하며, 공기포의 간격이 충분히 근접하여 있으면 팽창을 최소화할 수 있다.

기포간격계수가 0.25 mm를 초과하면 콘크리트의 동해 저항성에 현저하게 불리한 영향을 미친다고 알려져 있으며, ACI 201위원회 및 212 위원회에서는 동해저항성을 갖는 콘크리트에 대하여 0.20 mm의 간격계수를 권장하고 있다(Suh 2008).

Fig. 9는 기포간격계수가 동결작용에 의한 콘크리트의 팽창에 미치는 영향을 나타낸 것으로, 선행문헌의 자료를 참고하였다(Bergstrom 1953). 그래프에서 나타낸 연구결과에서 볼 수 있듯이 기포간격계수가 0.25 mm(0.1 in)이상일 경우 동결작용에 의한 콘크리트는 급격히 팽창을 받는다. 따라서 콘크리트를 동결융해 작용에서 충분히 보호하기 위한 기포간격계수는 ACI 보고에서는 200 µm 이하라고 제시하지만, 일본의 일반적인 기상조건에서 200~250 µm 정도 이하로 되면 동결융해 작용이 일어나지 않는 것으로 알려져 있다(ACI 201 1992).

공기량 1 % 정도의 non AE 콘크리트의 기포간격계수는 600~700 µm 인 것에 비해서, AE제의 다양한 타입 중 양질의 AE제를 사용한 공기량 4 % 정도의 콘크리트에서는 200~240 µm이다. 기포간격계수를 최소화하는 AE제의 선정시에는 참고문헌 ‘한국레미콘 협회에서 제공하는 콘크리트 기술정보 중 공기량과 공기포’를 참고로 하는 것을 권한다(Korea Ready Mixed Concrete Industry Association 2011). 참고자료에서는 유사한 공기량인 4.2 %와 4.6 %의 공기량을 갖는 레진계와 비이온계 AE제라도 기포간격계수에서는 239 µm와 413 µm로 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 이와 같이 동일한 공기량을 갖는 콘크리트라도 사용된 AE제에 따라 기포의 사이즈 및 분포에 차이를 보이며, 이는 기포간격계수의 차이로 이어짐에 따라서 AE제를 선택할 경우 선행실험을 통하여 이러한 공극시스템 정보를 확인하여 사용하는 것을 권장한다.

콘크리트는 이론상으로는 균질한 분포를 보이지만, 현실적으로 다양한 현장조건 및 다짐, 블리딩, 골재 침하 등 다양한 변수에 의해 시험체의 내부는 불균질하다. 따라서 기포 간격계수 측정을 위한 시험체는 원주형 공시체를 삼등분하여 각각의 윗면을 대상으로 하였으며, 그 중 상층의 시험체는 블리딩에 의한 오차를 고려하여 제외하고, Fig. 2와 같이 중층(Ⓐ) 및 하층(Ⓑ)의 상면으로 두 단면을 채취하여 기포간격계수를 측정하였다.

Fig. 10에 압축강도 및 공기량을 변수로 한 배합으로 제조된 콘크리트 시험체의 기포간격계수를 나타내었다. 양생방법에 따른 시험체는 동일한 배합으로 시험체를 제작하여 경화 후 양생조건을 변경하였으므로, 기포간격계수에 영향이 크지 않을 것이라는 판단으로 분석에서 제외하였다.

첫 번째로 동일한 공기량을 목표로 하여 압축강도를 변수로 한 시험체에서 21, 27, 35 MPa의 기포 간격계수는 각각 두 단면 시험체의 평균값으로서 348, 287, 258 µm 값을 보였다. 강도가 증가함에 따라 기포 간격계수는 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 W/C의 감소에 의한 기포를 포함한 페이스트량의 증가로 기포간의 간격 감소에 의한 영향이라 판단된다.

공기량이 증가할수록 기포간격계수는 감소하는 결과를 보이고, 이론상으로 보고된 연구결과들과도 일치한다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 양질의 AE제를 사용할 경우 공기량 4 % 시험체의 기포간격계수는 200~240 µm이며, 다양한 AE제의 타입에 따라 400 µm 이상의 값을 보이기도 한다.

본 실험에서는 공기량 5 % 시험체의 경우 압축강도에 따라서는 차이를 보이나, 세 강도 타입의 평균값으로서 298 µm로 다소 높은 값을 보이고 있다. Fig. 9에 나타낸 참고 자료에 의하면 300 µm 이상의 기포간격계수를 갖는 콘크리트에 경우 내구성은 급격히 저하된다는 연구에 따라 향후 L형 측구용 콘크리트 배합을 위해서 AE제의 선택에 신중을 기하여야 하며, 보다 양질의 제품 사용이 요구된다.

3.2.3 스케일링저항성

L형 측구에 가장 가혹한 성능저하 인자인 동해와 염해의 복합작용에 의한 대표적인 현상은 표면의 스케일링으로서, 구조체의 표면에 손상을 일으키며 피해정도가 크고 다양하게 발생되며 성능저하 정도의 예측이 난해하다. 현재까지 이러한 복합적인 성능저하에 대한 국내 시험방법 규정은 없어, ASTM C 672의 시험법에 따라 실험을 진행하였다.

시험법에 준하여 50사이클이 완료된 시험체의 표면사진을 Fig. 11에 나타내었다. 시험전 표면에 새겨진 시험체의 번호가 50사이클의 스케일링 저항성 시험이 완료된 후 표면 박리에 의해 사라진 것을 사진을 통해 확인 할 수 있다. 공기량 값이 낮은 시험체와 기건양생 시험체 표면에서 골재의 노출이 발생하여 Table 6의 ASTM C 672 표면 컨디션 조건에 따른 등급으로 일부 굵은골재가 노출되는 3등급으로 구분되었다.

해외의 다양한 스케일링 저항성 시험법에서는 스케일링의 기준으로서 표면 질량 감소율을 기준으로 제시하며, ASTM 또한 기준에는 나타나있지 않으나, 일부 기관에서 이 시험법을 이용하여 0.8 kg/m²의 스케일링 량을 기준으로 제시하고 있다(Lee 2015).

Table 6. Rating of surface condition for Scaling resistance in ASTM C 672

Rating	Condition of surface
0	No scaling
1	Very slight (no coarse aggregate visible)
2	Slight to moderate scaling
3	Moderate scaling (Some coarse aggregate visible)
4	Moderate to severe scaling
5	Severe Scaling

복합적인 성능저하에 의한 표면의 스케일링은 크게 화학적 침식과 물리적 침식으로 나뉘나, 현재는 파워스에 의한 침투압설(Bergstrom 1953)을 기본으로 한 물리적 침식에 무게가 실리고 있다. 염화물 침투에 의해 콘크리트 중의 이온 농도가 높아지고, 삼투압에 의해 높아진 정수압에 기인하여 스케일링 량이 증가한다.

Fig. 12에 배합별 스케일링 저항성 실험 사이클수에 따른 표면박리량을, Fig. 13에 50사이클 완료 후의 최종 누적 표면박리량을 나타내었다. 첫 번째로 압축강도에 따른 배합의 차이를 살펴보면, 동일한 공기량을 갖는 콘크리트의 경우 압축강도가 클수록 좀 더 내구적인 콘크리트로서 스케일링량은 작아지는 것을 확인할 수 있다. 두 번째로서 공기량의 차이가 있는 배합으로 비교할 경우 공기량이 작을수록 현저히 많은 스케일링 량을 보인다. 특히 Fig. 12에서 다른 시험체는 모두 사이클 수가 증가할수록 스케일링량은 수렴하는 경향을 보이는 반면, 공기량 3 % 시험체(ID : 21-3)의 경우 50사이클까지도 지속적으로 사이클 변화와 스케일링량이 비례하는 것으로 나타났다. 세 번째로 양생방법에 따른 비교에서 현장양생법으로 초기 수분공급에 의해 상대적으로 수화발현이 큰 시험체가 기건양생의 시험체 대비 내부 매트릭스 조직이 치밀하기 때문에 스케일링 저항성이 높은 것으로 나타났다.

ASTM C 672에는 스케일링 저항성의 기준값은 제시되어있지 않으나, 본 시험방법에 따른 50사이클 이후의 누적 표면 스케일링 값 기준을 0.8 kg/m²으로 일부 기관에서 적용되고 있다(ASTM C 672 2003). 또한 캐나다의 ‘MTO LS-412’에서 또한 동일한 기준값을 시험법에 명시하고 있다(Lee 2015). 따라서 본 실험에서도 Figs. 12와 13에 나타낸 바와 같이 ASTM 시험법으로 동일한 기준값을 적용하였다.

이상의 결과를 바탕으로 압축강도가 크고 공기량이 클수록 동결융해 및 화학적 침식의 복합적인 성능저하인 스케일링 저항성에서 우수한 결과를 보이는 것으로 나타났다. 그러나 본 실험에 사용된 배합 중 27-5와 35-5 2개 배합 시험체만이 ASTM C 672의 기준값을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 21-5와 21-7 시험체의 경우도 기준값과 근사한 데이터를 보임에 따라 약간의 배합의 조정으로 기준을 만족할 수 있을 것이라 판단된다.

그러나 복합적인 성능저하 조건에 자주 노출되는 L형 측구를 위해서는 21-3과 같은 낮은 공기량의 배합은 현저히 낮은 스케일링 저항성을 나타냄에 따라서 적합하지 않다고 판단되며, 배합 뿐만 아니라 양생방법에서도 초기 재령에서의 충분한 수분의 공급 및 보양으로 품질관리가 필수적으로 요구된다.

앞서 설명되었던 바와 같이 콘크리트의 동결융해 저항성은 공기량보다 기포간격계수의 영향이 더 큰 것과 마찬가지로, 콘크리트의 스케일링 저항성 또한 Fig. 14에 나타낸 바와 같이 공기량보다 기포간격계수와의 영향이 더 큰 것으로 나타났다. 이는 기포의 입자사이즈 및 분포에 따른 염화물의 확산에 의한 성능저하의 영향도 크게 작용하기 때문이라 판단된다. 따라서 향후 연구를 통하여 복합적인 성능저하에 내구성을 갖는 L형 측구용 콘크리트 배합선정 연구로서 콘크리트의 염화물 확산실험 또한 추가적으로 진행되어져야 할 것이라 판단된다.

4. 결 론

동절기 동해 및 염해의 복합작용에 의해 표면박리 및 품질저하를 보이는 L형 측구용 콘크리트의 복합적인 성능저하 조건에서 내구성 확보를 위한 최적 배합선정 연구로서 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 동일강도에서 공기량 5%까지의 공기량 증대는 동결융해에 개선효과가 확연하나, 그 이상에서의 내구성 증대는 미미하여 KS 상의 L형 측구용 콘크리트 공기량 기준 5 % 는 적합하다고 판단된다. 또한 압축강도 증대를 통해서도 동결융해 저항성 확보가 가능한 것을 확인하였다.

2) 동결융해 시험결과 저강도(21 MPa), 적은 공기량(3 %), 초기 기건양생 시험체의 경우 심각한 표면 박리량을 보임에도 불구하고, 내구성 지수는 90 % 이상이며, 중량변화 기준도 만족하는 것으로 나타나, L형 측구용 콘크리트의 내구성 측정방법으로 좀 더 적합하고 효율적인 방법이 요구된다.

3) 기포간격계수 측정 실험에서 고품질의 AE제를 사용한 4 %의 공기량을 갖는 콘크리트에서는 대략 200-250 µm의 기포간격계수를 가진다는 이론에도 불구하고, 본 연구에서는 대략 300 µm정도의 값을 보여, 적절한 공극분포를 통한 내구성 확보를 위해서는 L형 측구용 콘크리트의 연행공기를 위한 AE제 선택에 신중을 기하여 선행연구를 통한 적절한 제품의 사용이 요구된다.

4) ASTM C 672 시험법에 따라 스케일링 저항성 결과에서는 표면형상에 따라 저강도, 낮은 공기량, 기건양생 시험체에서 골재가 표면에 드러나는 3등급으로 나타났으며, 스케일링저항성 시험에 따른 표면 박리량에서도 ASTM 기준인 0.8 kg/m²의 기준을 만족하지 못하였다. 이러한 콘크리트의 스케일링 저항성은 공기량보다 기포간격계수에 의한 영향이 높은 것으로 나타났다.

이상의 결과를 바탕으로 L형 측구용 콘크리트의 동해 및 염해의 복합적인 성능저하에 대한 스케일링 내구성 확보를 위하여 적절한 초기양생관리(초기 습윤양생 확보)가 필요하며, 대략 5 %의 공기량 기준을 만족하여야 하나 그 이상으로 큰 폭의 공기량 확보는 의미가 없어 현행 5 % 공기량 기준은 적합하다고 판단된다. 또한 5 %의 공기량으로 안정적인 스케일링 저항성을 갖기 위해서는 27 MPa 이상의 압축강도 기준에 상향이 요구되며, 복합적인 성능저하에 의한 스케일링 저항성 평가방법으로서 단순 공기량 기준이 아닌, 기포간격계수의 기준제안도 요구된다.