1. 서 론

우리나라의 경우 삼면이 바다에 접하고 있어서 국토의 활용성을 높이기 위해 해안 및 연안해역 등 해양환경에 콘크리트 구조물의 시공이 활발히 이루어지고 있다(Moon et al. 2002). 이러한 해안환경에 시공된 콘크리트 구조물의 경우 내구성능 평가 및 내구수명 설계를 통한 적절한 유지보수가 필수적이다. 대부분 토목･건축 구조물에서는 내부에 철근을 매립한 철근콘크리트(Reinforced Concrete, RC) 구조로 콘크리트를 활용하고 있는데, 적절한 유지관리가 시행되지 않아 내부 철근이 부식되는 경우 구조물의 구조적 및 사회적 문제가 발생하게 된다(Metha and Monteiro 1993; KCI 1996). 해수 중의 염소(Cl-) 이온은 여러 할로겐 이온 중 전파 속도가 가장 빠르고 철근의 국소 부식(Local corrosion-pitting)을 야기한다(Lee and James 2014). 특히 해안 환경 하의 콘크리트 구조물은 수중에 침지 되는 경우뿐만 아니라 대기 중으로 염소 이온이 전달되는 비말대 및 조수간만의 영향을 받는 간만대를 고려하여 내구성능을 설계하여야 한다. 이러한 해안환경 구조물의 열화 현상을 제어하고자 재료, 설계, 시공 분야에서 다양한 연구가 진행되어왔으며, 그중에서도 혼화재료를 결합재로서 치환 혼입하여 사용하는 방법이 효과적인 것으로 알려져 있다(Jau and Tsay 1998; Ryu et al. 2013; Dong et al. 2016). 대표적인 콘크리트 혼화재료인 고로슬래그 미분말(Granulated Ground Blast Furnace Slag, GGBFS)은 공학적 안정성이 확보된 산업부산물로서 콘크리트에 혼입 시 시멘트의 수화반응에서 생성된 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 수화반응을 일으키는 잠재수경성을 나타내게 된다. 일반 시멘트(Ordinary Portland Cement, OPC)보다 자유염화물 흡착량이 크기 때문에 염해 열화 제어에 효과적이라고 알려져 있다(Metha and Monteiro 1993; Kouloumbi et al. 1994). 또한, 시멘트 제조 시 발생하는 이산화탄소량은 해마다 발생하는 전체 이산화탄소(CO2) 발생량 중 약 7 % 수준으로 매우 큰 영향을 미치고 있기에, 고로슬래그 미분말을 대량 치환하여 최근 대두되고 있는 온실가스 문제를 해결하고자 고로슬래그 미분말을 대단위 치환하여 사용하는 HVSC(High Volume Slag Concrete)가 활발히 연구되고 있다(Moon et al. 2014; Mo et al. 2015).

실내에서 인공해수에 의한 침지실험 또는 촉진 염화물 시험(Rapid Chloride Penetration Test, RCPT)을 통해 다양한 콘크리트 배합의 염해 저항성을 평가한 연구 결과는 존재하고 있으나, 실제 해양환경폭로실험을 통한 고로슬래그 미분말 치환 콘크리트의 염해 내구성능 평가에 관한 연구는 많지 않다. 철근 콘크리트 구조물의 내구성 설계를 위해서는 일반적으로 Fick’s 2nd Law를 기반으로 한 지배방정식이 사용되는데, 이 지배방정식의 해로 겉보기 염화물 확산계수 및 표면 염화물량의 산정이 가능하며, 이 값들은 철근 콘크리트 구조물의 내구성능 설계 및 평가 시에 필수적으로 사용되는 인자이다(Kirkpatrick et al. 2002). 이러한 지배방정식에 의해 염화물 거동을 해석하는 경우, 경계조건으로 포화상태를 가정하고 오차함수를 이용해서 겉보기 염화물 확산계수 및 표면 염화물량을 도출한다(Kim et al. 2016). 표면 염화물량의 경우 노출 기간의 평방근에 비례한다고 알려져 있으며, 겉보기 염화물 확산계수의 시간의존성 및 혼화재가 확산계수에 미치는 영향을 고려한 모델링을 제안한 연구 결과 등이 있다(Thomas and Bamforth 1999; Kim et al. 2016).

그러나 옥외 폭로 시험에 의해 측정되는 겉보기 염화물 확산계수 및 표면 염화물량은 노출 환경에 따라 큰 차이를 갖게 되는데, 이는 콘크리트 시편 내부 염화물 프로파일로부터 회귀분석을 통한 역산으로 도출되기 때문이다(Kirkpatrick et al. 2002). 따라서 장기 노출된 비말대 및 간만대의 실태조사 결과를 이용한 겉보기 염화물 확산계수 평가 결과는 동일 조건으로 장기 침지된 시편의 결과와의 비교가 필수적이다.

본 연구에서는 3가지 수준(0.37, 0.42, 0.47)의 물-결합재비를 갖는 OPC 배합 및 GGBFS 치환 배합(30 %, 50 %)을 통해 염해 내구성능 및 압축강도를 평가하였다. 압축강도는 재령 730일에 평가하였으며 3가지 조건의 염해 노출 환경(침지대, 간말대, 비말대)에 노출 기간 180일, 365일 730일을 고려한 옥외 폭로 실험을 통해 겉보기 염화물 확산계수를 회귀분석에 의해 도출하였으며, 재령별 특성을 분석하였다.

2. 겉보기 확산계수를 통한 염화물 거동 해석

콘크리트의 염화물 확산계수를 도출하는 방법으로는 Fick’s 2nd law의 일반해에 의해 겉보기 염화물 확산계수를 평가하거나 전기화학적 이론을 도입하여 전위차 구배를 원동력으로 염화물 이온의 이동을 촉진시키는 전기적 촉진 시험 방법이 있다.

겉보기 염화물 확산계수는 장기 침지실험을 통해 평가되는데 국내에는 모르타르 및 콘크리트의 산-가용성 염화물 시험방법(KATS 2017a)과 모르타르 및 콘크리트의 수용성 염화물 시험방법(KATS 2017b)이 제정되어있다. 일반적으로 수경성 시멘트 조직 내에 있는 산-가용성 염화물의 양은 시멘트 조직 내의 총 염화물 양과 같다고 알려져 있으므로 본 연구에서는 산-가용성 염화물량 시험 방법을 채택하였다(KATS 2017a). 정해진 기간의 염해 환경 노출이 완료된 시편의 염화물 프로파일을 측정한 후 기존의 문헌을 참고하여 선형회귀분석 방법으로 Fick’s 2nd law에 만족하는 겉보기 염화물 확산계수를 산출하였다(SERI 2003; Glasser et al. 2008). $0\le z\le\sqrt{3}$의 범위에서는 오차함수를 다음과 같이 $erfc(z)=$$1-erf(z)$로 가정할 수 있기 때문에 겉보기 염화물 확산계수를 도출하는데 실무적으로 선형 회귀 분석 방법이 많이 사용되고 있다. 콘크리트 시편의 깊이 별 염화물량 평가 시험 장면을 Fig. 1에 나타내었으며 선형회귀분석에 의해 겉보기 염화물 확산계수를 도출하는 과정을 Fig. 2에 나타내었다(SERI 2003; Glasser et al. 2008).

Fig. 1 Images of drawing chloride profile

Fig. 2 Process for evaluation of apparent chloride diffusion coefficient (SERI 2003)

3. OPC 및 GGBFS를 혼입한 콘크리트의 겉보기 확산계수 평가

3.2 실험 개요 및 염해 환경 노출 조건

3.2.1 실험 개요

본 연구에서는 각 배합에 대하여 직경 100 mm, 높이 200 mm의 원주형 공시체를 제작하여 압축강도 및 겉보기 염화물 확산계수를 평가하였다. 겉보기 염화물 확산계수는 3가지 수준(180일, 365일, 730일)의 노출 기간 및 침지대, 간만대, 비말대 총 3가지 노출 환경을 적용하여 평가하였다.

3.2.2 자연환경 모사를 위한 염해 노출 조건

자연환경에서의 염화물 확산 거동을 평가하고자 경기도 안산시 시화 방조제 인근의 해양 옥외 폭로 시험장에 시편을 존치시켜 해양 환경 폭로시험을 하였다. 각 노출 시험장의 모식도를 Fig. 3에, 폭로 시험장 전경을 Fig. 4에 나타내었다.

각 노출 환경 조건은 KS D ISO 11306에 따라 조성하였다. 최소 200평 이상의 평지에 각 조건을 설정하였는데 침지대의 경우 해수에 의한 완전 침지를 구현하였으며, 간만대의 경우 물이 비산되며 조수간만의 주기가 가능한 한 적어지도록 설정하였다. 비말대의 경우 파도의 영향을 직접 받을 수 있게 설정하였으며 해풍의 영향을 비교적 많이 받을 수 있도록 육풍을 인위적으로 차단하여 조성하였다(KS D IS0 11306 2009). 옥외 폭로 시험장에서 측정한 해수의 염화물 농도는 약 3.0~ 3.3 % 범위를, 대기 중 염화물 농도는 25~82 psu(Practical Salinity Unit)를 나타냈으며 연평균온도는 -8~29 °C, 습도는 40~94 %로 측정되었다.

Fig. 3 Mimetic diagram of marine environment exposure tests

Fig. 4 Overall view of marine environment exposure test site

Fig. 5 Chloride profile (GGBFS 50-37) of this study

염해 환경 노출에 의한 콘크리트 시편의 깊이별 염화물량을 측정하여 그래프로 나타내면 Fig. 5와 같이 나타낼 수 있다. Fig. 5는 GGBFS 50 배합(W/B: 37 %)의 침지대 조건에서 1년 노출이 끝난 후 평가한 염화물 프로파일이다.

3.3 노출 환경에 따른 콘크리트의 겉보기 확산계수 평가

3.3.1 침지대

침지대에서 물-결합재비 및 고로슬래그 미분말 치환율을 고려하여 겉보기 염화물 확산계수를 평가한 결과를 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 6 Result of apparent chloride diffusion coefficient in immersion zone

(a) OPC

(b) GGBFS 30

(c) GGBFS 50

(d) All concrete mixtures

노출 기간이 180일에서 730일로 증가함에 따라 OPC 배합에서는 28.2~32.4 %, GGBFS 30 배합에서는 28.4~32.6 %, GGBFS 50 배합에서는 19.0~20.9 %의 겉보기 염화물 확산계수 감소율을 나타내어 GGBFS 치환율이 증가할수록 큰 겉보기 염화물 확산계수 감소 폭을 나타내었다. 또한 모든 배합에서 물-결합재비가 높을수록 높은 확산계수가 나타났다. 물-결합재비가 낮은 배합은 물-결합재비가 높은 배합 대비 상대적으로 높은 결합재량이 확보되기 때문에 역학적, 내구적 거동에 대하여 유리한 것으로 사료된다. 이러한 거동은 동일 배합의 촉진 염화물 확산 거동과 유사하다(Park et al. 2018). 노출 기간 180일에서부터 GGBFS 치환 배합은 OPC 배합 대비 22.1~48.8 %의 확산계수를 나타내었으며 최종 노출 기간인 730일에서는 16.3~49.1 %의 확산계수를 나타내었다. GGBFS 치환 배합에서는 노출 기간의 증가에 따른 확산계수 감소 폭이 OPC 배합보다 높을 뿐 아니라 모든 노출 기간에서 OPC 배합보다 낮은 확산계수 값을 나타내었다. 이는 고로슬래그 미분말의 잠재 수경성으로 인해 콘크리트 미세공극 구조가 치밀해졌기 때문으로 사료된다.

3.3.2 간만대

간만대 조건에서 각 노출 기간에 모든 배합의 겉보기 염화물 확산계수를 평가한 결과를 Fig. 7에 나타내었다.

간만대에서는 노출 기간이 180일에서 730일로 증가함에 따라 OPC 배합에서는 27.5~36.3 %, GGBFS 30 배합에서는 28.2~32.4 %, GGBFS 50 배합에서는 19.2~21.2 %의 겉보기 염화물 확산계수 감소율을 나타내어 침지대와 마찬가지로 GGBFS 치환율이 증가할수록 확산계수 감소 폭이 증가하였다. 또한 노출 기간에 따른 확산계수 증가율은 침지대와 비슷하게 나타났는데, 옥외 노출 환경에 따라 확산계수 값은 변화하지만 확산계수 증가율에는 옥외 환경의 변화가 영향을 미치지 않는 것으로 보인다. 모든 노출 기간에서 GGBFS 치환 배합이 OPC 배합보다 낮은 확산계수를 나타내었다. OPC 배합 대비 GGBFS 30 배합에서는 최대 45.5 %, GGBFS 50 배합에서는 최대 25.7 %의 확산계수 감소율을 나타내었다.

3.3.3 비말대

비말대 조건에서 GGBFS 치환율 및 물-결합재비를 고려하여 겉보기 염화물 확산계수를 평가한 결과를 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 7 Result of apparent chloride diffusion coefficient in tidal zone

(a) OPC

(b) GGBFS 30

(c) GGBFS 50

(d) All concrete mixtures

Fig. 8 Result of apparent chloride diffusion coefficient in splash zone

(a) OPC

(b) GGBFS 30

(c) GGBFS 50

(d) All concrete mixtures

노출 기간이 180일에서 730일로 증가함에 따라 비말대의 경우 겉보기 염화물 확산계수가 OPC 배합에서는 31.5~33.8 %, GGBFS 30 배합에서는 31.5~34.8 %、GGBFS 50 배합에서는 17.4~27.3 %의 감소율을 나타내었다. 비말지역의 노출 기간의 증가에 따른 확산계수 증가율 역시 침지 및 간만대 조건과 큰 차이는 발생하지 않았으며 비말지역의 경우 염분의 영향을 3가지 조건 중 가장 간접적으로 받기 때문에 가장 낮은 확산계수를 나타냈다. 노출 기간 180일에서 OPC 배합 대비 GGBFS 30 배합에서는 45.0~49.3 %, GGBFS 50 배합에서는 36.8~41.0 % 감소율을 나타내었으며, 최종 노출 기간인 730일에서는 OPC 배합 대비 GGBFS 30 배합의 경우 48.7~50.7 %, GGBFS 50 배합의 경우 21.1~31.7 %의 감소율을 나타내었다.

3.3.4 노출 환경에 따른 겉보기 염화물 확산계수의 변화 거동

본 절에서는 3가지 조건의 노출 환경에 따라 각 배합의 겉보기 염화물 확산계수가 변화하는 거동을 평가하였다. 각 노출 기간에서 각 배합의 침지대에서의 겉보기 염화물 확산계수를 기준으로 간만대 및 비말대에서의 겉보기 염화물 확산계수의 변화율을 평가하였으며, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9 Changing ratio of apparent chloride diffusion coefficient in tidal/splash zone based on immersion zone

(a) 180 days

(b) 365 days

(c) 730 days

침지대를 기준으로 OPC 배합의 경우 간만대에서는 60.1~ 84.1 %의 확산계수 변화율을, 비말대에서는 32.3~57.6 %의 확산계수 변화율을 나타내었다. 또한 GGBFS 30 배합의 겉보기 염화물 확산계수의 경우 간만대에서는 100.5~104.6 %의 변화율을 비말대에서는 45.3~59.5 %의 변화율을 나타내었으며, GGBFS 50 배합에서는 간만대에서 104.9~106.9 %, 비말대에서 51.3~70.4 %의 확산계수 변화율을 나타내었다. 간만대의 경우 해수의 건습 반복으로 침지대보다 염화물 이온의 침투가 더욱 빠르게 일어나는 것으로 알려져 있는데(Lee et al. 2017), 본 연구의 GGBFS 치환 배합에서는 간만대에서 침지대대비 100 % 이상의 확산계수 변화율을 나타냈으나, OPC 배합의 경우 100 % 이하의 확산계수 변화율을 나타내었다. 또한, 노출 기간의 증가가 노출 조건의 변화에 따른 확산계수 변화 거동에 큰 영향을 미치지 않았다. 자연모사 염해 환경 노출 실험의 경우 최소 3년 이상의 노출 기간 이후부터 뚜렷한 경향이 나타나기 때문에 추가 연구를 통해 더욱 명확한 염화물 확산 거동 및 노출 조건 간 상관관계를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.

4. OPC 및 GGBFS를 혼입한 콘크리트의 압축강도 평가

OPC 및 GGBFS 치환 혼입 배합을 대상으로 재령 2년까지 수중 양생한 후에 압축강도를 KATS(2010)에 따라 평가하였으며 그 결과를 Fig. 10에 나타내었다. 재령 28일, 49일, 180일, 365일의 압축강도는 사전 연구에서 인용하였다(Park et al. 2018).

모든 배합에서 물-결합재비가 낮을수록 높은 강도가 발현되었는데 이는 물-결합재비가 낮은 배합에서 비교적 더 많은 결합재의 양이 확보되기 때문이다. 또한 재령 28에서부터 GGBFS 치환 혼입 배합에서 OPC 배합보다 동등 이상의 우수한 강도를 나타내었다. 이러한 경향은 효과적인 감수제 사용을 통해 단위수량을 줄이고 이는 지속적인 고로슬래그 미분말의 잠재수경성을 활성화시키기 때문이다. 재령 28일 대비 재령 730일에서의 압축강도 증가율은 OPC 배합의 경우 142.9~167.1 %, GGBFS 30 % 치환 배합의 경우 136.7~151.6 %, GGBFS 50 % 치환 배합의 경우에는 133.6~146.7 %을 나타내었다.

Fig. 10 Results of compressive strength

(a) OPC

(b) GGBFS 30

(c) GGBFS 50

5. 결 론

본 연구에서는 3가지 조건의 노출 환경을 고려하여, 노출 환경에 따라 변화하는 고로슬래그 미분말 치환 혼입 콘크리트의 겉보기 염화물 확산계수 거동을 평가하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.

1) 모든 노출 환경에서 물-결합재비가 낮을수록, 고로슬래그 미분말 치환율이 높을수록 낮은 겉보기 염화물 확산계수가 나타났다. GGBFS 치환 배합에서는 노출 기간 730일에서 OPC 배합 대비 최대 약 16 %의 확산계수를 나타내어 고로슬래그 미분말의 잠재 수경성 및 자유 염화물 흡착으로 인해 염해 저항성능이 크게 개선되는 것으로 판단된다.

2) 각 노출 조건이 겉보기 염화물 확산계수 변화에 미치는 영향을 평가한 결과 GGBFS 치환 배합은 간만대, 침지대, 비말대 순으로 겉보기 염화물 확산계수가 평가되었다. 침지대를 기준으로 하여 GGBFS 30 배합의 경우 간만대에서는 100.5~104.6 %, 비말대에서는 45.3~ 59.5 %의 변화율을 나타내었으며, GGBFS 50 배합의 경우 간만대에서 104.9~106.9 %, 비말대에서 51.3~70.4 %의 확산계수 변화율을 나타내었다. 간만대의 경우 해수의 건습 반복으로 비교적 높은 겉보기 염화물 확산계수가 나타난 것으로 사료된다.

3) 압축강도 평가 결과, 초기재령에서부터 GGBFS 치환 배합에서 OPC 배합 동등 이상의 강도가 평가되었으며 이는 고로슬래그 미분말을 콘크리트에 치환 혼입 시 발생하는 희석효과(dilution effect)가 원인으로 사료된다. 재령 28일 대비 재령 730일에서 강도 증진율은 OPC 배합의 경우 142.9~167.1 %로, GGBFS 30 % 치환 배합에서는 136.7~151.6 %, GGBFS 50 % 치환 배합은 133.6~146.7 %로 평가되었다.