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  1. 포스코 E&C 기술연구소 차장 (Deputy Manager, POSCO E&C R&D Center, Incheon 22009, Rep. of Korea)
  2. 한남대학교 토목환경공학과 교수 (Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Hannam University, Daejeon 34430, Rep. of Korea)
  3. 조선대학교 건축공학과 교수 (Professor, Department of Architectural Engineering, Chosun University, Gwangju 61452, Rep. of Korea)



탄산화, 내구수명, 지역, 배합설계, 내구성 설계
carbonation, service life, region, mix design, durability-based design

1. 서 론

최근 급격한 기후변화뿐 아니라 세계적 설계기준의 발전에 대응하기 위해 우리나라는 2022년 KDS 14 20 40(콘크리트구조 내구성 설계기준)을 제정하고 이와 연계되어 설계기준 KDS 14 20 50(콘크리트구조 철근상세 설계기준)과 시방서 KCS 14 20 10(일반콘크리트)을 개정하였다. 이는 좀 더 안전하면서도 합리적인 콘크리트 구조물의 설계와 시공을 위한 것으로, 이들 규정에 따라 다양한 환경조건을 고려해 콘크리트의 배합과 구조물 상세를 설계해야 한다(Kwon 2017). 그러나 아직 규정의 도입 초기이기 때문에 구조물 설계 및 시공현장에서는 여러 기술적 어려움을 겪고 있다.

특히 이 중 특별히 어려운 부분 중 하나는 탄산화 노출조건에 따른 콘크리트 배합설계이다. 과거 설계기준압축강도 21 MPa 혹은 24 MPa에도 충분하던 콘크리트 구조물에 대해, 경우에 따라 27 MPa 혹은 30 MPa의 강도 및 최대 물-결합재비 0.50~0.45를 요구하기 때문이다. 만약 강도를 높이지 않으면서도 이 내구성 설계기준에 대응하기 위해서는 KDS 14 20 40의 4.1.4 내구성 확보를 위한 요구조건에서 설명한 바와 같이 “별도의 내구성 설계를 통해” 내구성을 입증할 필요가 있다. 이와 관련한 해설자료들에서는 KDS 14 20 40의 부록에 제시된 평가 모델을 사용하도록 설명하고 있으나, 이에 대한 예시는 부족한 것이 현실이다.

우리나라는 지역에 따라 사용하고 있는 콘크리트 배합에 차이가 있다. 지역별 섭외가 가능한 원자재(결합재, 골재, 혼화제)의 특성, 운송 거리, 가격, 그리고 지역 레미믹스트 콘크리트(이후 레미콘) 업체의 원자재 수급 안정성 등은 콘크리트의 생산비에 영향을 미친다(Leemann et al. 2015; Lee et al. 2020). 따라서 레미콘 생산자는 생산비를 최소화하기 위해 배합을 민감하게 조절하게 되며, 동일한 성능을 갖는 콘크리트이더라도 내구성이 달라질 가능성이 크다(Jeon et al. 2018; Hwang et al. 2019; Wang 2020). 이러한 점을 고려한 내구성 설계는 보고된 사례가 매우 드물다.

본 연구에서는, 우리나라 각 지역에서 일반적으로 생산하고 있는 콘크리트 배합에 대해 탄산화에 대한 내구수명을 평가하였다. 이 연구결과에 대한 제 1고로서, 본 논문은 다양한 지역에서 생산되고 있는 레미콘 대표배합에 대해 탄산화 속도값을 측정하였다. 먼저 우리나라의 대표 권역군 여섯 곳(수도권, 인천, 경남, 경북, 전라, 충청)을 선정하였다. 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 세 단계의 설계기준압축강도(24, 27, 35 MPa) 및 두 단계의 목표 슬럼프(150, 180 mm)에 대해 각 지역에서 사용하고 있는 콘크리트 배합비를 확인하였다. 각 지역에서 섭외된 원자재를 이용해 생산된 콘크리트에 대한 슬럼프와 압축강도를 평가하였다. 그리고, 촉진탄산화 시험을 활용해 탄산화 속도(혹은 탄산화 속도계수, carbonation rate, $k$)의 분포를 확인하였다.

2. 지역별 콘크리트 배합

2.1 배합설계

본 연구에서는 전국에 현장을 가지고 있는 시공 업체에서 각 지역의 협력 레미콘 업체에 발주하였던 배합비를 활용하였다. 지역별 배합변경을 하기 전 기준이 되는 배합은 굵은 골재 최대치수 25 mm, 압축강도 30 MPa, 목표 슬럼프 150 mm 이었다. 각 지역의 협력 레미콘 업체는 이 기준배합으로부터 각 지역의 원자재를 활용해 콘크리트의 목표 성능을 달성할 수 있도록 배합을 수정했다. 시공업체는 지역의 원자재와 배합비를 받아 확인실험을 진행해 최종적으로 배합을 결정하였다.

서론에서 설명한 바와 같이, 압축강도를 24, 27, 30 MPa으로 세 종류, 슬럼프는 150, 180 mm의 두 종류로 배합을 수정설계 하였다. 수도권(서울, 경기)의 경우 날씨가 급격하게 떨어지는 동절기 배합을 별도로 결정하였다. 최종적인 배합비는 Table 1과 같다. 참고로 본 연구의 목적은 탄산화속도의 분포를 확인하는 것이므로, 지역별로 사용된 원자재(시멘트 및 골재 등)에 대한 성능의 표시는 생략하였다. 실무상의 사정으로 인해 본 연구에서 사용된 골재의 특성은 확보할 수 없었다.

Table 1 Practical mix proportions of concrete in the present work

Mixture type

Target region

W/B

(%)

S/a

(%)

Unit weight (kg/m3)

W

OPC

SC1)

GGBFS

FA

Crushed sand

Natural sand

G

(Gmax: 25 mm)

AD

(binder*%)

25-24-150

Seoul, Gyeonggi

46.7

49

168

252

-

108

-

636

265

953

0.9

25-24-150

(for winter)

46.7

50

173

324

-

36

-

650

270

935

0.9

25-24-180

46.5

51

172

259

-

111

-

655

273

906

0.9

25-24-180

(for winter)

46.5

52

172

333

-

37

-

669

278

888

0.9

25-27-150

43.7

48

168

270

-

115

-

616

256

959

0.9

25-27-150

(for winter)

43.7

49

168

347

-

38

-

616

257

960

0.9

25-27-180

43.6

48

172

277

-

119

-

609

254

949

0.9

25-27-180

(for winter)

43.6

49

175

356

-

39

-

610

254

950

0.9

25-30-150

40.3

46

165

287

-

82

41

581

242

982

0.9

25-30-150

(for winter)

40.3

47

165

328

-

41

41

594

247

964

0.9

25-24-150

Incheon

46.7

49

168

180

180

-

-

437

437

931

0.9

25-24-180

46.7

50

172

185

185

-

-

441

441

903

0.9

25-27-150

43.7

48

168

193

192

-

-

423

426

923

0.9

25-27-180

43.6

49

172

198

197

-

-

427

431

896

0.9

25-30-150

40.8

46

165

122

243

-

41

400

403

945

0.9

25-24-150

Gyeongbuk

46.7

53

168

216

-

144

-

665

285

874

0.9

25-24-180

46.7

54

172

222

-

148

-

670

288

828

0.9

25-27-150

43.7

52

168

231

-

154

-

645

277

850

0.9

25-27-180

43.6

53

172

237

-

158

-

650

279

823

0.9

25-30-150

40.8

50

165

267

-

102

41

611

262

873

0.9

25-24-150

Chungcheong

46.7

49

168

216

-

144

-

493

493

949

0.9

25-24-180

46.7

50

172

222

-

148

-

440

440

900

0.9

25-27-150

43.7

48

168

231

-

154

-

425

425

921

0.9

25-27-180

43.6

49

172

237

-

158

-

429

429

893

0.9

25-30-150

40.8

46

165

267

-

102

41

402

402

942

0.9

25-24-150

Gyeongnam

46.7

49

168

144

216

-

-

524

350

930

0.9

25-24-180

46.5

50

172

148

222

-

-

529

353

902

0.9

25-27-150

43.7

48

168

154

231

-

-

508

339

937

0.9

25-27-180

43.6

49

172

158

237

-

-

513

342

909

0.9

25-30-150

42.4

46

165

234

117

-

39

484

323

969

0.9

25-24-150

Jeolla

46.7

49

168

144

216

-

-

874

-

930

0.9

25-24-180

46.5

50

172

148

222

-

-

882

-

902

0.9

25-27-150

43.7

48

168

154

231

-

-

846

-

937

0.9

25-27-180

43.6

49

172

158

237

-

-

854

-

909

0.9

25-30-150

42.4

46

165

234

117

-

39

807

-

969

0.9

Notes: 1)In commercial slag cement (SC), proportions of ordinary Portland cement (OPC), ground granulated blast furnace slag (GGBFS), and other mineral admixtures varied between supplier and were also unknown

기본적으로 슬럼프 150 mm의 기준 단위수량은 160 kg/m3, 슬럼프 180 mm는 170 kg/m3를 기준으로 설정하였다. 수도권, 경북, 충청지역을 위한 배합에서는 결합재로 시멘트, 슬래그 미분말, 플라이애시를 사용하였다. 한편, 인천, 경남, 전라 지역의 배합은 결합재로 시멘트와 플라이애시 이외에 상용 슬래그시멘트를 사용하였다. 이는 이 지역에 슬래그시멘트 생산공장이 있어 가격이 상대적으로 낮기 때문이다. 이외에, 동절기의 경우 상대적으로 OPC의 비율을 늘렸다.

잔골재의 경우 부순모래와 천연모래를 적절한 비율로 배합하였다. 이 비율은 각 지역의 레미콘 업체마다 모두 다르며, 그 비율은 기본적으로 조립률을 포함한 입도분포에 의해 결정되었다. 그러나 본 연구의 실험적 통일성을 위해 모든 배합에 있어 화학혼화제의 종류와 양은 동일하였다.

Table 1에 나타내지 않았으나, 실제 콘크리트 배합비에서 수량은 배합 중 유동성을 고려해 미약하게 조절되었으며, 그 조절폭은 최대 14 kg/m3, 즉 단위수량의 10 % 이내 수준이었다. 모든 배합에 대해 목표 공기량은 4.5 %였다.

2.2 배합 및 실험방법

본 연구에서는 모든 콘크리트에 대한 상대비교를 위해, 재료와 이에 따른 배합비 이외에 모든 요인을 통일하였다. 따라서 모든 원자재는 지역의 레미콘 업체로부터 운송하여, 한 시험기관에서 동일한 실험자에 의해 배합되었으며, 이에 대한 성능평가도 함께 이루어졌다. 따라서 실험자에 의한 오차, 즉, 배합용 장비와 배합시간, 약간의 가수와 감수, 그리고 실험자에 따른 실험결과의 차이 등은 고려하지 않았다.

굳지않은 콘크리트의 슬럼프와 공기량, 굳은 콘크리트의 압축강도는 각각 KS F 2402(KATS 2017a), KS F 2409(압력법)(KATS 2016), KS F 2405(KATS 2017b)에 의해 측정되었다. 재령 28일 콘크리트 시편에 대한 촉진탄산화 실험은 KS F 2584(KATS 2010)에 준하여 진행되었다. 즉 탄산화 시작 전 사전 건조기간은 4주, 탄산화가 진행된 농도는 5 %였다. 탄산화 깊이 측정일은 4주 및 8주이다. 모든 실험은 KOLAS 공인시험성적서 발행기관에서 진행되었다. 참고로 탄산화 실험을 위한 배합의 경우, 확인 결과 동절기 배합이 일반 배합보다 OPC의 함량이 높아 탄산화에 대한 저항성이 클 것으로 예상되기 때문에, 동절기 배합은 탄산화 실험에서 제외하였다.

탄산화 깊이에 대한 해석의 경우, 탄산화 속도에 대해 탄산화 농도 보정을 하였다. 일반적인 대기 중 이산화탄소 농도를 0.04 %로 설정하였다.

(1)
$X_{c}=k_{5\%}\sqrt{t}=k_{0.04\%}\sqrt{\dfrac{5%}{0.04\%}t}$

여기서, $X_{c}$는 실험을 통해 확인된 탄산화 깊이(mm), $k_{5\%}$와 $k_{0.04\%}$는 각각 공기 중 이산화탄소 농도 5 % 및 0.04 % 일 때의 탄산화 속도(mm/year0.5), $t$는 탄산화가 진행된 기간(year)이다. $k_{0.04\%}$는 타 연구의 탄산화 속도와 비교 등에 사용할 수 있다. 참고로, fib Model Code for Concrete Structures(MC2010)에서는 대기 중 자연 이산화탄소 농도를 0.04 %로 가정하는 것에 반해, 일본 건축학회의 JASS 5 중 철근콘크리트구조물의 내구설계시공지침 동해설의 5.2 탄산화에 대한 성능의 검정방법에서는 0.05 %로 가정한다(Tomosawa 2009; fib 2012a, 2012b; ISO/TC 71 2012; Helland 2013; AIJ 2022).

3. 콘크리트 기본특성

굳지않은 콘크리트의 슬럼프와 공기량을 측정한 결과를 Table 2로 나타내었다. 모든 배합에 대해 목표 슬럼프보다 최대 범위 20 mm 이내에서 더 높은 슬럼프가 확인되었으며, 공기량은 4.0 %에서 5.5 % 이내로 측정되었다. 즉 배합설계 결과, 목표로 하는 굳지않은 콘크리트의 성능을 모두 만족함을 확인하였다.

Table 2 Fresh properties of mixtures by region

Mixture type

Target region

Slump

(mm)

Air

(%)

25-24-150

Seoul, Gyeonggi

155

4.8

25-24-150

(for winter)

150

5.0

25-24-180

185

4.4

25-24-180

(for winter)

180

4.7

25-27-150

155

4.8

25-27-150

(for winter)

150

4.9

25-27-180

200

5.5

25-27-180

(for winter)

200

5.5

25-30-150

170

4.6

25-30-150

(for winter)

150

4.2

25-24-150

Incheon

165

4.1

25-24-180

180

4.0

25-27-150

160

5.0

25-27-180

180

4.3

25-30-150

160

4.1

25-24-150

Gyeongbuk

150

4.5

25-24-180

200

5.0

25-27-150

170

4.4

25-27-180

180

5.1

25-30-150

160

4.4

25-24-150

Chungcheong

160

4.6

25-24-180

180

5.2

25-27-150

160

4.5

25-27-180

185

4.5

25-30-150

150

4.4

25-24-150

Gyeongnam

150

4.7

25-24-180

200

4.6

25-27-150

165

4.4

25-27-180

200

4.5

25-30-150

165

4.0

25-24-150

Jeolla

160

5.1

25-24-180

200

4.7

25-27-150

160

5.4

25-27-180

195

5.4

25-30-150

195

5.4

Table 3 Compressive strength of mixtures by region

Mixture type

Target region

Comp. Str. (MPa)

7 d

28 d

25-24-150

Seoul, Gyeonggi

37.5

53.0

25-24-150

(for winter)

31.5

42.2

25-24-180

29.0

41.4

25-24-180

(for winter)

31.7

41.43

25-27-150

33.8

48.1

25-27-150

(for winter)

35.0

43.2

25-27-180

31.0

48.0

25-27-180

(for winter)

29.9

48.1

25-30-150

35.3

51.5

25-30-150

(for winter)

40.0

56.8

25-24-150

Incheon

23.6

36.9

25-24-180

22.6

37.5

25-27-150

21.9

39.4

25-27-180

23.8

39.1

25-30-150

24.9

35.1

25-24-150

Gyeongbuk

26.1

44.0

25-24-180

24.6

40.9

25-27-150

32.8

47.0

25-27-180

31.5

48.8

25-30-150

34.9

54.7

25-24-150

Chungcheong

21.2

37.4

25-24-180

25.3

37.8

25-27-150

28.1

45.1

25-27-180

27.0

44.4

25-30-150

32.6

45.8

25-24-150

Gyeongnam

33.2

50.6

25-24-180

29.6

50.2

25-27-150

33.9

49.6

25-27-180

36.0

51.3

25-30-150

36.3

54.4

25-24-150

Jeolla

26.7

35.7

25-24-180

25.7

32.9

25-27-150

25.6

40.4

25-27-180

28.1

40.4

25-30-150

29.3

43.6

굳은 콘크리트의 압축강도는 Table 3에 정리 하였다. 실험실에서 진행된 배합이며, 모든 조건이 제어된 상황에서의 실험이었기 때문에, 모든 배합의 28일 압축강도는 목표로 하는 설계기준압축강도를 월등히 만족함을 알 수 있었다. 재령 28일 압축강도에 대해서는 경남-수도권-경북-충청-전라-인천 순으로 강도가 나타났다. 그러나 이는 크게 실제 레미콘 생산시에도 강도가 이러한 순서로 얻어짐을 의미하지는 않음을 주의해야 한다. 결론적으로 본 연구에서 배합된 콘크리트는 요구성능을 모두 만족하였다.

4. 탄산화 속도

본 연구에서 촉진시험법에 의해 측정한 탄산화 깊이 및 이를 바탕으로 계산된 탄산화 속도는 Table 4에 정리되어 있다. 여기서 탄산화계수는 위에서 설명한 바와 같이 식 (1)을 이용해 28일 및 56일 촉진탄산화 깊이 결과를 바탕으로 계산된 각각의 탄산화속도를 평균하여 나타낸 값이다.

Table 4 Carbonation depth measured from accelerated test of mixtures, and calculated carbonation rate by region

Results

Mixture

type

Seoul, Gyeonggi

Incheon

Gyeongbuk

Chungcheong

Gyeongnam

Jeolla

28 d

56 d

28 d

56 d

28 d

56 d

28 d

56 d

28 d

56 d

28 d

56 d

Carbonation depth (mm)

25-24-150

4.5

6.0

7.5

12.0

3.5

9.3

5.0

8.8

3.5

7.5

5.3

8

25-27-150

4.5

5.8

7.3

11.3

3.5

4.8

4.8

7.0

3.5

7.3

4.3

7.5

25-30-150

3.5

5.8

8.8

9.8

2.8

4.3

2.5

7.0

3.3

6.3

3.5

6.5

Carbonation rate at 0.04 % CO2,

$k_{0.04\%}$

(mm/year0.5)

25-24-150

1.58

2.88

1.82

2.02

1.59

1.98

25-27-150

1.55

2.76

1.24

1.76

1.56

1.73

25-30-150

1.37

2.84

1.05

1.34

1.40

1.46

실험 결과를 보면 탄산화 속도값 $k_{0.04\%}$은 편차가 크며, 상대적으로 인천에서 생산된 콘크리트의 값이 다른 지역에 비해 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 이는 동일한 OPC-슬래그시멘트 이성분계 결합재를 사용하는 경남권과 전라권의 콘크리트에 비해서도 큰 값이다. 그러나 본 연구에서는 그 원인에 대해서는 검토하지 않고자 하며, 단지 실제 탄산화 속도값의 분포만을 확인하고자 하였다. Fig. 1에서는 측정된 28일 압축강도 대비 탄산화 속도 간의 관계를 나타내었다. 콘크리트 생산지역과 종류에 상관없이 표시하였다.

Fig. 1 Compressive strength vs. carbonation rate of concrete considering CO2 condition of 0.04 %
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.3.197/fig1.png

본 연구에서 30~60 MPa 범위의 콘크리트 압축강도에 대해 탄산화 속도값은 1.2~2.9 mm/year0.5 범위에서, 강도가 증가함에 따라 어느 정도의 상관성을 갖고 탄산화 속도가 줄어든다. 이 범위는 국내 및 해외의 연구결과에서 제시한 구조용 일반강도 콘크리트와 유사한 범위이다(Bouzoubaâ et al. 2010; Han and Woo 2013; Yang and Kim 2013; Lee et al. 2017). fib MC 2010와 같은 설계기준에 따르면 물-결합재비 0.5 내외의 설계 탄산화 속도는 본 실험에서 얻는 값보다 약간 큰 2~4 mm/year0.5 범위로 정해져 있다(fib 2012a, 2012b; Helland 2013). Fig. 1의 압축강도-탄산화속도 관계를 고려할 때, 현장에 타설된 콘크리트의 실제 압축강도가 24~30 MPa의 범위를 갖는다면 실제 탄산화속도는 2~4 MPa의 범위를 갖을 가능성이 크다는 것을 확인하였다. 즉, 우리나라의 현장에서 사용되는 콘크리트의 탄산화 속도값은 실험값과 설계값이 유사하다고 할 수 있다.

대부분의 연구논문 결과에서는 슬래그나 플라이애시를 사용함에 따라 탄산화 속도가 빨라진다고 알려져 있다(Sisomphon and Franke 2007; Rathnarajan et al. 2022). 이와 같은 내용은 관련 설계식에서도 동일하게 나타난다(Helland 2013). 그러나 본 연구에서와 같은 실제 현장형 배합의 경우 당연히 혼합 시멘트를 사용하는 것이 일반적이므로, 비록 광물계 혼화재의 비율이 달라질 수 있으나, 실제 탄산화 속도는 모든 콘크리트에 대해 결합재에 비율뿐 아니라 물-결합재비에 의해 바뀌기 때문에 따라서 실제 탄산화 속도는 Fig. 1에서와 같이 강도에 가장 연관성이 크다고 고려하는 것이 적절하다(Kwon et al. 2008).

본 연구에서는 Fig. 1에 가장 보수적 측면에서의 회귀분석 상한값을 표시하였다. 그러나 이 값을 기반으로 설계에 적용하는 것은 무리가 있으며 더 많은 실험결과가 필요하다. 가장 중요한 것은, 이 탄산화 속도의 값들에 의해 계산되는 내구수명 결과값이다. 모든 기준에서 탄산화 속도는 실험결과 이외에도 배합에 의해 결정된다. 배합에 의해 결정된 탄산화 속도는 실험결과를 통해 확인한 탄산화 속도값에 비해 더 보수적인 것으로 알려져 있다. 그러나 탄산화 속도를 기반으로 한 내구수명 평가는 실험값 뿐 아니라 다양한 안전율을 고려하므로 매우 복잡하기 때문에 다음의 제 2고에서 발표하고자 한다.

5. 결 론

우리나라 각 지역에서 일반적으로 생산하고 있는 콘크리트 배합에 대해 탄산화에 대한 내구수명을 평가하기 위해 일련의 연구를 수행하였다. 본 논문은 이 연구결과에 대한 제 1고로서, 다양한 지역에서 생산되고 있는 레미콘 대표배합에 대해 기본적인 특성과 탄산화 속도값을 측정해 그 분포를 확인하였다.

우리나라의 대표 권역군 여섯 곳(수도권, 인천, 경남, 경북, 전라, 충청)을 선정하여 콘크리트를 만들기 위한 원자재를 선정하였으며, 세 단계의 설계기준압축강도(24, 27, 35 MPa) 및 두 단계의 슬럼프(150, 180 mm)에 대해 각 콘크리트 배합설계를 진행하였다. 실제 배합실험 결과, 모든 배합에 대해 목표 슬럼프 보다 최대 범위 20 mm 이내에서 더 높은 슬럼프가 확인되었으며, 공기량은 4.0 %에서 5.5 % 이내로 측정되어 목표로 하는 4.5 %를 만족하였다. 강도 역시 목표강도에 비해 3~20 MPa 이상 더 높은 28일 강도를 얻었다. 이렇게 생산된 콘크리트들은 배합에 따라 1.2~2.9 mm/year0.5 범위의 탄산화 속도를 가지고 있었으며, 이 값은 타 연구결과와 비슷한 수준일 뿐 아니라 일부 설계에서 제안하는 값보다 낮았다. 즉, 우리나라 현장에서 사용되는 콘크리트에는 광물계 혼합재를 다양하게 혼합하여 사용하고 있으며, 가끔은 품질이 낮은 골재를 사용하기도 하지만, 이러한 경우에도 적절한 물리적 성능을 유지하기만 하면 내구성 설계에 사용되는 값과 유사한 수준의 탄산화 저항성을 갖는다는 사실을 확인할 수 있었다. 이후 연구를 통해 본 탄산화 속도값을 이용해 탄산화 기반 내구수명을 평가하고자 한다.

감사의 글

본 연구는 2024년 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 개인기초연구(RS-2023-00278148) 및 원자력연구개발사업(NRF-2022M2E9A3091898)에 의해 수행되었습니다. 본 과제에서 저자 외에 실험에 협력해 주신 분들께 감사의 말씀 올립니다.

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