2.1 실험 개요

본 연구에서 사용되는 시험체는 2006년에 제작한 시험체로 국내 해안 환경에서 15년간 노출 시험을 수행하였다^{(KICT 2003)}. 배합은 물/시멘트비에 따라 총 3종류로 제작하였으며, 자세한 사항은 Table 1 및 Table 2와 같다. 사용된 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 물/시멘트비 40 %, 50 % 및 60 %로 제작하였다.

2.2 실험체 제작 및 실험방법

시험체는 $\phi$100×200 mm의 원형 공시체로 제작하였으며 타설 후 2일간 습윤양생을 실시하였으며, 그 후 26일간 기건양생을 한 후 시험장으로 시험체를 이동하여 노출 시험을 수행하였다. 압축강도는 KS F 2405^{(KATS 2017)}에 따라 측정하였다.

2.3 옥외노출 시험장

옥외노출 시험장(Fig. 1 참조)은 전라북도 고창군 인근으로 해안으로부터 60 m 지점에 있다. 옥외노출 시험장은 연평균 최고 기온이 37 °C, 연평균 최저 기온이 -13.9 °C이며, 연평균 강수일수는 122일로 자세한 사항은 Table 3과 같다. 이와 같은 자료는 2011년부터 2017년까지의 기상청 자료^{(KMA 2022)}를 참고하여 정리하였다. 또한, Fig. 1 및 Fig. 2는 해안 옥외노출 시험장의 비래염분 환경에 대해 나타낸 것으로 이는 ^{Lee and An (2012)}이 작성한 국내 해안별 비래염분 분포 특성 중 고창 지역에 대한 것을 참조하였다.

Fig. 1 Outdoor exposure test site

Fig. 2 Reduction of airborne chlorides according to the distance from the sea (Lee and An 2012)

2.4 시간에 따른 압축강도 모델식 검토

본 논문에서는 시간에 따른 콘크리트의 압축강도 발현 모델에 대해 국내외에서 많이 사용되는 기준을 바탕으로 총 4개의 모델식을 검토하였다. 국외의 경우 미국 콘크리트 협회, 유럽의 콘크리트 위원회, 일본 콘크리트학회에서 제시하는 기준을 검토하였으며, 국내의 경우 콘크리트 구조설계기준에서 제시하는 예측 모델식을 검토하였다.

미국콘크리트협회에서 제시하는 기준^{(ACI Committee 209 2008)}의 경우 시간 $t$시점에서의 콘크리트 압축강도 $(f_{c}')_{t}$에 대해 식 (2)와 같이 제안하고 있으며 여기서, $a$와 $b$는 시멘트 종류(1종 혹은 3종) 및 양생 조건에 따른 상수를 나타낸다. 본 논문에서는 1종 시멘트를 사용하고 습윤양생을 하였으므로 $a$는 4, $\beta$는 0.85로 설정하였다.

유럽의 콘크리트 위원회에서 제시하는 기준^{(CEB FIB 2010)}의 경우 시간 $t$시점에서의 콘크리트 압축강도 $f_{c}'$에 대해 식 (2)와 같이 제안하고 있다. 여기서, $s$는 시멘트의 종류별 상수를 나타내며 본 논문에서는 1종 시멘트를 사용하므로 $s$를 0.25로 설정하였다.

일본토목학회^{(JSCE 2010)}에서 제시하는 콘크리트 구조설계기준의 경우 시간 $t$시점에서 콘크리트 압축강도 $f_{c}'(t)$에 대해 식 (3)과 같이 제안하고 있다. 여기서, 상수 $a$, $b$ 시멘트의 종류별 상수를 나타내며 이 중 $d(28)$ 재령 28일에 대한 재령 91일의 강도 증가율을 나타낸다.

국내 콘크리트 구조설계기준 중 KDS 14 20 01^{(KCI 2022b)}에는 시간에 따른 압축강도에 대해 식 (4)를 제안하고 있다. 식 (1)의 시간 $t$시점에서의 콘크리트 압축강도 $f_{cm}(t)$은 시간 $t$시점에 따른 강도발현속도 $\beta_{cc}(t)$와 시멘트 종류에 따른 상수 $\beta_{sc}$를 고려하여 나타내고 있다. 이때, $\beta_{sc}$는 시멘트 종류 및 양생방법에 따른 상수이며, 본 논문에서는 시멘트 종류 및 양생방법에 따라 $\beta_{sc}$를 0.35로 설정하였다.

국내 및 미국의 모델식은 시멘트 종류 및 양생 조건을 계수로 장기 압축강도를 예측하고 있으며, 국내의 경우 시멘트 종류 및 양생 조건에 따라 5개의 상수를, 미국의 경우 4개의 상수를 제시하고 있다. 반면 유럽 및 일본의 모델식의 경우 국내 및 미국의 모델식과 달리 시멘트 종류에 대해서만 고려하고 상수를 제시하고 있다. 특히, 국외의 경우 사용되는 시멘트 종류 및 성분, 사용량 및 노출 환경 등의 차이로 인해 본 연구에서 실측한 값과 큰 차이가 발생될 것으로 판단되며, 국내의 경우에서도 기존 문헌에서처럼 실측값과의 차이가 발생할 것으로 예상되지만 국외 기준보다는 차이가 적을 것으로 예상된다^{(Moon 2010; Mun et al. 2014)}.

3.1 물/시멘트비에 따른 압축강도

Fig. 3은 물/시멘트비에 따른 재령별 압축강도를 정리한 그래프로, 기존 연구와 같이 재령이 증가함에 따라 압축강도가 증가하는 경향을 나타내었다. OPC40의 1년 차 압축강도는 28일 강도 대비 약 12 %의 높은 강도를 나타 내었으며, 15년 차 압축강도는 28일 차 대비 약 79 %의 높은 강도를 보였다. OPC50의 경우에도 1년 차 압축강도는 28일 압축강도 대비 약 31 %, 15년 차 압축강도는 재령 28일 강도 대비 약 81 %의 높은 강도를 나타내었다. OPC60의 경우에도 다른 시험체와 마찬가지로 1년 차 압축강도는 28일 차 강도 대비 약 56 %, 15년 차 압축강도는 28일 차 압축강도 대비 약 73 %의 높은 강도를 보였다.

특히, 재령 15년 차 압축강도는 물/시멘트비에 관계없이 재령 28일 대비 약 1.8배 정도 높게 나타났으며 이는 재령 50년 차의 압축강도는 재령 28일 강도 대비 약 2.3배 높게 나타난다는 ^{Washa and Wendt (1975)} 연구 결과 및 재령 30년 차 압축강도는 재령 28일 대비 약 2.3배 높다는 Walz의 연구 등과 유사한 결과를 보였다. 하지만, 이러한 장기강도의 증가와 관련하여 ^{Mohammed et al. (2003)}은 콘크리트의 강도는 재령 5년까지 증가하다 5년 이후부터 강도 감소가 시작되어 재령 20년 차 압축강도는 재령 28일과 유사 혹은 낮은 강도가 나타낸다고 보고하고 있다. 이러한 상반된 결과는 콘크리트의 주변 온･습도 등 환경적인 요인에 따라 콘크리트의 장기 특성이 다르게 나타날 수 있다는 것을 의미하며 지속적인 연구를 통해 데이터 확보 검증이 필요할 것으로 판단된다. 또한, 이러한 데이터는 향후 우리나라 환경에 노출된 콘크리트의 강도 특성에 대한 비교 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 3 Compressive strength with different water-to-cement ratios

3.2 재령에 따른 압축강도

Fig. 4는 재령에 따른 압축강도를 나타낸 것으로 재령 1년 차, 재령 3년 차 및 재령 15년 차 압축강도 실측값을 바탕으로 로그 모형을 사용하여 회귀분석을 수행하여 나타낸 것이다. 그래프에서 1y는 재령 28일 및 재령 1년 차 실측값을 바탕으로 도출한 압축강도 예측 그래프이고, 3y는 재령 28일, 재령 1년 및 3년 차 실측값을, 15y는 재령 28일, 1년, 3년 및 재령 15년 차 실측값을 바탕으로 도출한 압축강도 예측 그래프이다.

분석결과, 물/시멘트비가 증가함에 따라 15y가 1y 혹은 3y 그래프보다 적은 값을 나타내었다. 물/시멘트비 40 %의 경우 3y 그래프가 15y 그래프와 거의 유사한 값을 나타내었으며, 1y 그래프가 재령 15년 차 실측값보다 약 50 % 낮은 값을 나타내었다.

물/시멘트비 50 %의 경우 3y 그래프가 가장 높은 값을 나타내었으며 1y 그래프가 가장 낮은 값을 나타내었다. 3y 그래프의 경우 15년 차 실측값 대비 약 6 % 큰 값을 나타내었으며, 1y 그래프의 경우 15년 차 실측값 대비 약 13 % 적은 값을 나타내었다.

물/시멘트비 60 %인 시험체의 경우에도 3y 그래프는 가장 높은 값을 나타내었으나 15y 그래프는 가장 낮은 값을 나타내었다. 3y 그래프는 15년 차 실측값 대비 약 8 % 큰 값을, 1y 그래프는 15년 차 대비 약 22 % 큰 값을 나타내었다. 특히, 물/시멘트비가 증가함에 따라 상대적으로 단기간에 취득한 데이터를 바탕으로 예측한 그래프가 실측 데이터보다 큰 값을 나타내는 등의 낮은 신뢰도를 나타내었다. 이러한 원인에 대해 물/시멘트비가 높은 시험체일수록 동해 등 열화환경의 영향을 많이 받기 때문에 장기강도 발현에 불리한 것 사료되며 이에 관한 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한, 국내 환경에서 다양한 배합에 대한 장기간 노출 시험을 통해 이러한 다양한 경향의 데이터 확보 및 지속적인 검증이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 4 Compressive strength development with exposure time

3.3 기존 압축강도 모델과 비교

국내 환경에서 실측한 15년차 압축강도 데이터를 바탕으로 재령에 따른 KICT 압축강도 모델식(KICT식)을 도출하였다. KICT 모델식은 콘크리트의 강도 발현과 관련하여 예측식을 도출할 때 가장 자주 사용되는 선형, 2차 곡선식 및 로그 모형 등에서 회귀분석을 수행하여 데이터에 가장 적합한 식인 로그 모형을 사용하였으며 이때 도출된 상수(a, b) 및 결정계수(R)을 Table 4에 나타내었다.

Fig. 5는 본 연구에서 도출된 KICT식과 국내외 기준에서 제시한 예측식과 비교한 그래프이다. 이때, 세로축은 시간 $t$시점에서의 압축강도이며 가로축은 재령(년)이다.

분석 결과, 모든 물/시멘트비에서 국내 환경에서 장기간 노출 시험한 시험체의 압축강도 값이 기존 국내외 기준에서 제시한 예측값보다 높게 나타났으며, KDS식 및 CEB식의 경우 KICT식 대비 약 22 % 및 29 %, ACI식 및 JSCE식의 경우 약 34 % 정도 낮게 나타났다. 또한, 물/시멘트비에 관계없이 ACI식 및 JSCE식은 거의 유사한 값을 나타내었으며, 국내 KDS식이 다른 예측 모델보다 높은 값을 나타내었다.

물/시멘트비별로 살펴보면, 물/시멘트비 40 % 및 50 %인 15년 차 압축강도는 KDS식 및 CEB식 기준 약 23~24 % 및 30 % 정도 높게 나타났으며, ACI 및 JSCE식 기준 약 34~35 % 정도로 유사한 정도로 높게 나타났다. 다만, 물/시멘트비 60 %의 경우에는 KDS식 및 CEB식 기준으로 약 20 % 및 27 % 높게 나타났으며, ACI식 및 JSCE식 기준으로 약 32 % 높게 나타나 격차가 일부 줄어드는 것으로 나타났다.

이러한 원인으로는 국내외 기준에서 제시한 예측 모델이 국내에서 주로 사용하는 재료의 종류 및 품질, 환경적인 요인 등을 고려하지 않은 모델이기 때문에 KICT 모델식과 차이가 난 것으로 판단된다^{(Mun et al. 2014)}. 즉, 미국, 유럽 및 일본에서 사용하는 시멘트의 품질과 국내 시멘트의 품질의 차이가 나는데 이러한 차이는 시멘트의 강도 발현 속도에 영향을 미치며 이러한 요인으로 인해 실측값과 예측값과의 차이가 발생된 것으로 판단된다. 또한, 국내외 기준의 예측 모델의 경우 시멘트 종류 및 양생조건 등만 고려하고 있으며 이러한 상수로 콘크리트의 주변 환경적인 요소를 반영하기에 다소 어려움이 있으며 이러한 요인 역시 실측값과의 차이를 가중시킨 것으로 판단된다.

본 연구의 시험결과로서 기존 모델의 옳고 그름을 판단할 수는 없다고 사료되지만, 우리나라에서 생산된 표준 규격의 시멘트와 골재로 만들어진 콘크리트가 우리나라의 환경에서 장기간 노출되었을 경우의 장기강도에 대하여 하나의 정량적인 데이터가 확보되었다는 것에 큰 의의를 둘 수 있다고 판단되며, 기존의 모델식이 예측하는 것보다 다소 높은 강도발현을 나타내어 우리나라의 콘크리트 재료나 노출환경이 다른 나라에 비해 열악하지 않았음을 추정할 수 있다.

따라서 앞으로도 우리나라 환경을 반영할 수 있도록 지속적인 데이터 확보 및 검증이 필요할 것으로 판단되며 이렇게 획득된 자료는 추후 우리나라 환경을 고려한 콘크리트 설계기준 등을 재정립할 때 참고할 수 있는 기초 자료로 활용될 것으로 판단된다.

Fig. 5 Prediction model for compressive strength