2.3.1 철근 부식 촉진 실험

순환골재 콘크리트의 노후화 거동을 파악하는 것을 목적으로 콘크리트 내 철근 부식을 통해 노후화를 모사하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 콘크리트 보 실험체 내에 철근을 매입시켜 직류 전원을 연결함으로써 철근 부식을 촉진 시키고, 부식으로 인해 노후화 모사된 순환골재 콘크리트 보의 구조성능을 실험적으로 확인하였다. 그 중 철근 부식 실험에 대한 개요와 방법은 다음과 같다.

철근 부식 실험은 3 % NaCl 수용액에 철근을 매입한 실험체를 침지하여 30 V 직류 전원공급장치(D.C power supply)의 (+)극은 철근에, (-)극은 NaCl 용액 내에 설치한 동판에 연결하여 직류회로를 구성하였다. 다음 Fig. 3은 철근 부식 실험의 장치도를 나타내고 있다.

위와 같은 실험 장치를 통해 전하의 이동을 유도하고 이에 따라 부식을 촉진시킨다. 어떤 반응 전후에도 그 총량은 변하지 않는다는 전하량 보존 법칙, 즉 페러데이 법칙(Faraday’s law)에 근거하여 아래와 같이 예측 부식량 계산식을 도출할 수 있다.

이때, 철분자 1몰이 이동하는데 필요한 소요 전하량 2F(페러데이 상수 F=96,500 C/mol)로 나누면 몇 몰의 철분자가 이동했는지 예측할 수 있다. 따라서 위 식에 철분자 1몰의 무게(55.847 g)를 대입하여 이동한 철의 무게, 즉 부식량을 산출한다.

여기서, $q$: 임의 시점에서의 부식전류값

실험은 휨, 부착 실험체 별로 각각 0, 2, 4, 6, 8, 10 %로 총 6개 부식 단계로 진행된다. 위의 Fig. 3과 같이 전선으로 철근과 직류 전원공급장치와 전기적으로 연결하여, 외부로부터 미세한 직류전원(5 V)을 가해 철근의 부식을 촉진시킨다. 외부전원공급장치는 5 V의 직류전원을 공급하는 장치를 사용한다. 동판은 순도 99.9 %, 두께 1 mm로, NaCl은 농도 99.5 %로 시중에 판매되는 천일염을 사용하였다.

Fig. 3 Chloride-induced corrosion experiment set-up

2.3.2 구조성능 실험

실험 가력 방법은 다음 Fig. 4와 같이 스크루잭 하중 시험기에 설치하고 500 kN 용량의 로드셀에 연결하였다. 전단스팬비를 고려하여 휨파괴를 유도할 수 있도록 휨 성능 실험은 3점 재하, 부착성능 실험은 4점 재하로 하중을 가하였으며 관련 내용은 Fig. 5에서 확인할 수 있다.

편심을 방지하기 위해 로드셀과 실험체 사이에 롤러를, 양쪽 받침부에 롤러와 힌지를 설치하였다. 또한 변위를 측정하기 위해 50 mm 용량의 선형 변위 측정기(LVDT)를 가력 시 최대 처짐이 발생할 것으로 예상되는 중앙부에 설치하였다. 하중 재하는 변위 제어 방식으로 약 0.05 mm/sec의 속도로 실험체가 파괴까지 가력하였으며, 각각 단계별 하중과 변위 데이터는 데이터 로거를 사용하여 동시에 취득하였다.

Fig. 4 Test set-up

Fig. 5 Test loading location

3.2.1 균열 및 파괴 양상

실험체에 하중을 가한 후 대략 13~17 kN 사이에서 초기 휨 균열이 상단 하중점에서 최초 발생하였다. 초기 휨균열 발생 하중과 항복 및 파괴 시 하중은 Table 7에 나타내었으며 Fig. 6은 휨 실험 종료 후 균열 패턴을 나타내었다. 기준 실험체인 부식률 0 % 실험체의 최대 하중은 31.9 kN으로 설계 하중인 21.17 kN보다 약 1.5배 정도 높게 측정되었다. 낮은 부식률에서는 설계상 예측했던 사인장 균열의 형상을 보였으나 부식률이 높아질수록 중앙부 수직 균열이 생성되었는데, 이는 부식률이 높아질수록 철근의 인장 능력이 감소함에 따라 중앙 휨 모멘트의 지배를 더 크게 받으면서 발생되는 균열 양상으로 판단된다. 특히 Ra-B-C12.13 실험체의 파괴 단면에는 중앙부에 수직 휨균열만 생성된 후 파단되었는데, 이는 무근 콘크리트의 휨 파괴 모드와 비슷한 형상으로 보 내부에서 철근의 역할이 제대로 수행되지 못한 것으로 사료된다. 더불어 Ra-B-C6.60의 파괴 양상에서 매입 철근의 측면 위치를 따라 수평 균열이 나타나는데 이는 철근의 부착력 상실로 인해 발생한 부착 파괴로 판단된다.

Fig. 6 Cracking patterns in flexural tests

3.2.2 하중-변위 곡선

매입된 철근의 부식률에 따른 순환골재 콘크리트의 휨 거동 특성을 비교･분석하기 위해 Fig. 7에 각 실험체의 하중과 처짐 곡선을 나타내었으며, 주요 변수의 경향은 Fig. 8에 정리하였다.

항복하중은 부식률의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였는데, 특히 부식률이 0, 1.88, 12.13 %로 증가함에 따라 30.14, 27.59, 22.31 kN으로 감소하였다. 12.13 % 실험체는 표면 균열이 없거나 수평으로 연결되지 않은 타 실험체와 달리 0.87 mm의 연속된 부식 균열이 생성된 것으로 볼 때, 부식 균열에 의한 영향을 받아 항복하중 감소폭이 증가한 것으로 판단된다. 이러한 경향은 최대하중에서도 나타나는데, 대략 30 kN 부근을 벗어나지 않는 타 실험체와 비교했을 때 Ra-F-C12.13 실험체가 23.18 kN의 최대하중을 보여 부식 균열로 인한 저감을 보이는 것으로 사료된다.

또한, 전체적으로 최대하중 이후 취성적인 파괴모드를 보이는 경향이 있는데 이는 부식되지 않은 순환골재 콘크리트에서도 유사한 거동을 보여^{(Yeo et al. 2011)} 순환골재 자체적인 결함에서 발생하는 영향도 있는 것으로 사료된다. 특징적으로 부식률 1.88 % 실험체는 변위 16 mm 지점까지 연성적으로 거동하며, Ra-F-C12.13 실험체는 항복 하중 직후 급격하게 파단되었다. 10 % 이상의 부식률 상에서 발생하는 이러한 파단 거동은 일반골재 콘크리트와도 유사하여^{(Du et al. 2007; Jung et al. 2011)} 골재의 종류와 관계없이 10 % 이상의 부식률을 갖는 철근 콘크리트는 사용상 유의해야할 것 으로 판단된다.

Fig. 7 Load-displacement curves in flexural tests

Fig. 8 Main variable trends of flexural tests

3.3.1 균열 및 파괴 양상

실험체에 하중을 가한 후 실험체 내부 초기 휨균열은 대략 9~15 kN 사이에서 진행된 것으로 파악된다. 초기 휨균열 발생 하중과 항복 및 파괴 시 하중은 Table 8에 나타내었으며 Fig. 9에서 부착 실험체의 균열 패턴을 나타내었다. 기준 실험체인 Ra-B-C0.00의 설계 하중은 16.29 kN, 최대 부착강도는 5.942 N/㎟으로 실험값이 약 1.33배 높게 측정되었다. 양 쪽으로 매입된 철근이 중첩되기 시작하는 지점 근처에서 균열이 동시에 발생했는데, 이는 하중을 재하하는 과정에서 해당 지점에 전단력이 가장 작게 부하되면서 나타나는 경향으로 판단된다. 이는 부착응력이 전단력의 크기와 비례한다는 점을 감안하면 일반적인 부착 파괴가 일어나는 양상이라고 보여진다. 또한, 육안으로 보이는 양 단의 균열은 대부분 항복 시점에 발생했으며, 짧은 시간 간격을 두고 최대하중 및 파단이 유도되었다.

대부분의 실험체가 유사한 파괴 형상을 보이지만 그 중 Ra-B-C1.33 실험체의 균열폭은 3.24 mm로, 이론적으로 균열 폭의 합이 처짐량이라는 점을 고려하면 0.4 mm 수준의 균열이 있는 타 실험체에 비해 연성 능력이 상대적으로 높은 것으로 판단된다.

Fig. 9 Cracking patterns in bonding tests

3.3.2 하중-변위 곡선

철근의 부식률에 따른 순환골재 콘크리트의 부착 거동 특성을 비교･분석하기 위해 Fig. 10에 각 실험체의 하중과 처짐 곡선을 나타내었다.

부착강도는 대략 7 N/㎟으로 최대 부착강도는 부식률 1.33 %에서 8.42 N/㎟이며 최소 부착강도는 부식률 7.03 %일 때 5.9 N/㎟으로 나타났다. 이때 Ra-B-C7.03 실험체는 타 실험체보다 1.39~2.52 N/㎟ 정도 작은 값을 갖는데, 이러한 경향은 최대강도, 항복강도에서도 유사하다. 이 역시 휨 성능 실험체와 마찬가지로 유일하게 부식률 7.03 % 실험체가 가진 0.57 mm의 연속된 부식 균열에 의한 영향으로 사료된다. Ra-F-C6.60 실험체의 부식 균열이 0.54 mm이었지만 성능 감소가 크지 않았던 것을 고려하면, 부식 균열폭의 두께보다 균열의 연속성이 중요한 요소로 보인다.

또한, 최대 부착강도를 보인 Ra-B-C1.33 실험체를 보면 최대하중 역시 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 변위 연성 지수에 의하면 최대하중 시의 변위와 항복 하중 시 변위의 비가 연성 능력에 비례하는데, 이에 따라 연성 능력도 가장 클 것으로 사료된다. 이러한 경향은 Ra-F-C1.88에서도 동일하게 나타나는데, 두 실험체 모두 타 비교 실험체보다 최대하중이 높게 나왔으며 하중-변위 곡선이 연성적인 거동을 보인다. 이는 유사 선행연구에서도 확인할 수 있는데, ^{Chung et al.(2001)}은 일반골재 콘크리트 매입 부식률 1~2 % 상태에서 가장 높은 최대하중을 보인다고 밝혔다. 이는 부식으로 인해 발생하는 생성물이 콘크리트와 철근 사이의 공극을 채워주면서 더 밀접하게 거동하여 부착력을 증가시키는 역할을 한 것으로 판단된다. ^{Choi et al.(2008)}은 부착응력이 순환골재의 치환율에 관계없이 일반골재 콘크리트와 동일한 거동을 보인다고 분석했는데, 본 실험에서도 일관된 경향을 보인 것을 알 수 있다.

하중-변위 곡선은 부식이 없는 실험체를 포함하여 대체로 항복하중 직후 취성적인 파괴 거동을 보이나 부식률 0, 1.33 % 실험체는 비교적 항복하중 이후 연성적인 흐름을 보인다. 이 역시 위에서 언급한 부착력 증가의 영향이 있을 것으로 판단된다. 특징적으로 Ra-B-C7.03 실험체가 20 kN에 가까운 타 실험체와 달리 16.07 KN에서 항복한 후 즉시 파단되는데, 이는 부식 균열의 유무와 연관성이 있는 것으로 판단된다. 앞장의 휨 성능 실험체와도 일관된 경향으로, 일반골재를 이용한 선행 연구^{(Kim et al. 2002)}에서도 언급한 부식 균열과 취성적 파괴 사이의 연관성을 함께 고려해보면, 부식된 순환골재의 취성적인 파괴는 순환 골재의 재료적 특성과 부식 균열에 영향받아 발생하는 거동으로 판단된다.

Fig. 10 Load-displacement curves of bonding tests