1. 서 론

최근 건축 및 토목 분야에서는 철근 콘크리트 공사 중 다양한 사고가 발생하고 있는데, 이 중 한 가지 원인으로 콘크리트의 성능저하 문제가 지적되고 있다^{(CAIC 2022; 2023)}. 다양한 원인으로 인해 성능이 저하된 콘크리트는 시공 중 대형 사고의 원인이 될 뿐 아니라 시공 후 구조물의 사용성과 내구성 문제를 일으킬 수 있다. 의도적 혹은 비의도적인 배합 불량이 있더라도 현장에서 콘크리트를 받아들이는 중에는 실제 배합비를 확인할 수 없다^{(Nasirzadeh et al. 2019)}. 특히 콘크리트는 현장에 도착하기 전 배합 자체가 불량일 수 있으며, 동시에 현장에서의 타설과 양생 중에 문제가 발생할 수 있다. 이미 굳어버린 후에는 원인을 알아내기 매우 어렵다^{(Alaa et al. 2019)}. 향후 레미콘사와 시공사 간의 법적인 문제가 발생했을 때 책임소재를 물을 수 없다는 것을 의미하며, 나아가 양 이해 당사자 모두 콘크리트 품질 확보에 소홀해지는 결과로 이어질 수 있다^{(Kazaz et al. 2004)}.

이러한 문제를 방지하기 위해서는 다양한 사회적, 법적 노력이 필요하며, 동시에 이를 지원하기 위한 공학적 접근이 요구된다. 먼저, 현장에서 콘크리트를 받아들이는 과정에서 콘크리트의 배합을 가능한 한 정확히 평가해야 한다. 최근에 사용되고 있는 단위수량 측정이 대표적인 방법이다^{(Min and Han 2016; Choi et al. 2018)}. 그 다음, 이미 굳어버린 콘크리트에 대해 배합과 양생 중 어떤 문제가 있었는지를 역추적할 수 있는 기술이 필요하다^{(Lee et al. 2015; Kim et al. 2016)}. 이를 위해서는 문제가 발생하는 원인과 결과 간의 관계에 대한 일련의 정량적 모델이 필요하며, 이 모델의 구성을 위해서는 신뢰할 수 있을 만큼의 방대한 데이터가 요구된다^{(Wang et al. 2001)}.

잘못된 배합의 영향에 대해서는 기존의 연구 논문이나 보고서의 결과를 참고하기도 하지만, 주로 산발적인 결과이므로 검색에 어려움을 겪기도 한다. 예를 들어 플라이애시나 고로슬래그 미분말 등의 광물계 혼화재를 배합설계보다 과도하게 혼입하게 된 경우 예상되는 강도의 감소폭이 얼마인지 알고자 할 때, 참고할 만한 데이터베이스가 부재한 것이 사실이다^{(Park et al. 2012; Woo et al. 2020)}. 이 경우 정확한 값보다 대략적인 값이 필요한데, 신뢰할 만한 값을 찾아내는 것은 어려운 일이다^{(Engen et al. 2018)}.

뿐만 아니라, 동절기 저온 노출에 의한 초기 콘크리트의 성능 저하 역시 현장에서 자주 발생하는 심각한 문제 중 하나이다. 온도가 낮아지면 콘크리트의 강도에 문제가 발생하는 것은 일반적으로 잘 알려진 사실이지만, 실제 어느 정도의 강도 감소를 보이는지에 대해서도 참고할 만한 데이터베이스가 부족하다.

본 연구는 이러한 데이터베이스 구축의 일환으로 다양한 요인에 의해 품질이 저하된 모르타르와 콘크리트의 성능 변화 폭을 보고하고자 진행되었다. 연구에서 선정된 품질 저하 요인은 1) 광물계 혼화재의 과도한 혼입, 2) 공기연행제(AE제)의 과도한 혼입, 3) 잔골재 내 미분량 과다, 4) 저온 노출 및 초기 동해이다. 이를 통해 성능이 감소한 콘크리트의 강도 감소폭과 흡수량에 대한 범위를 분석하였으며, 동시에 이러한 콘크리트에 대해 철근부착강도를 측정하였다. 여기서, 흡수율은 콘크리트의 내부구조를 평가할 수 있는 가장 손쉬운 방법으로, 특히, 가수에 의한 강도감소를 간접적으로 확인할 때 유용하게 사용된다^{(CAIC 2022)}. 또한, 철근 부착강도를 확인한 이유는, 다양한 원인에 의한 콘크리트 강도감소가 철근 부착에 미치는 영향을 확인하기 위해서이다.

2. 재료 및 배합비

본 연구에서 사용된 기본 재료는 1종 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement, OPC), 부순모래(crushed sand), 부순자갈(crushed stone)이며, 광물계 혼화재로는 플라이애시(fly ash, FA)와 고로슬래그(ground granulated blast furnace slag, GGBFS)를 사용하였다. 골재 미분으로는 규사 8호사(silica powder, 0.15~0.075 mm)를 사용하였다. 화학혼화제로는 일반강도 콘크리트에서 주로 사용되는 폴리카르본산계 고성능 감수제(표준형 제품) 및 AE제를 별도로 적용하였다. 두 종류의 화학혼화제 모두 KS F 2560을 만족한다. 사용된 결합재의 화학적 구성 및 골재의 물리적 특성은 각각 Tables 1, 2에 나타나 있다. 배합비는 Table 1과 같다.

콘크리트의 배합비는 Table 3에 표기되어 있다. 본 연구에서는 국내에서 일반적으로 사용되는 구조용 콘크리트의 배합을 고려하여, 물-결합재비(w/b)를 0.52 및 0.38의 두 단계로 선정하였다. 대부분의 레미콘은 이 w/b 이내의 범위를 갖는 것이 일반적이기 때문이다. 플라이애시와 고로슬래그 미분말이 과잉으로 사용되는 상황을 묘사하기 위해, 치환율을 각각 최대 40 %와 80 %로 설정하였다. 또한, 레미콘 생산설비 고장으로 인해 AE제가 과도하게 혼입되는 조건을 묘사하기 위해 AE제를 결합재 무게대비 최대 2 %까지 혼입하였다. 잔골재 중 미분량 과다로 인한 조건을 묘사하기 위해 규사 8호사를 잔골재 무게대비 최대 60%까지 혼입하였다. 더불어, 동절기 콘크리트의 보양이 적절하지 않은 현장을 묘사하기 위해, 배합 직후의 굳지 않은 콘크리트를 저온(4 °C) 및 동해(-20 °C) 환경에 노출하였으며, 노출시간은 현장의 콘크리트 타설 종료 후 다음날 작업 시작을 고려하여 최대 12시간으로 설정하였다. AE제 과다, 미분과다, 저온/동해 노출용 콘크리트 배합의 경우, 우리나라에서 흔히 사용되는 결합재 구성인 OPC 60 %, FA 10 %, GGBFS 30 %의 배합을 사용하였다. 참고로, 동절기 배합의 경우 OPC의 비율을 더 높여 사용해야 하나 실제 현장에서 레미콘 원가를 낮추기 위해 그렇지 않은 경우가 있음을 고려하였다.

Table 3의 배합비 명칭에서 ‘WB’ 뒤의 수치는 w/b, 그 뒤의 문자는 각 변수를 의미한다. ‘FA’ 및 ‘BS’ 이후의 숫자는 플라이애시와 고로슬래그 미분말의 치환량을 나타내며, ‘AE’ 이후의 수치는 AE제의 혼입량(결합재 당 무게비)을 의미한다. ‘P’는 잔골재 중 규사분말의 치환량을 나타내며, ‘C’ 및 ‘F’는 각각 배합 직후 저온 및 동해조건 노출에 대한 시간을 나타낸다.

일부 실험은 모르타르에 대해서도 진행되었으며, 모르타르 배합은 Table 3의 콘크리트 배합에서 굵은 골재를 혼입하지 않은 배합을 의미한다. AE제 또는 미분(규사)을 과잉으로 혼입한 배합 이외의 모든 모르타르 배합의 유동성은 KS L 5105 내 ‘9. 플로의 결정’에 따라 모르타르 플로(흐름량) 180±20 mm를 만족하도록 유동화제를 사용하였다. 미분 함량을 높인 배합에 대해서는 유동화제량을 0.2 wt.%/결합재로 고정하고 가수를 진행하였다. 이 때 가수량은 단위중량 기준으로 최대 약 20 kg/m³ 수준이었다. 따라서 모르타르 및 콘크리트 배합의 실제 단위수량은 Table 3과 약간 다를 수 있다. 이는 레미콘 현장실무에서 가수하는 조건을 고려한 것이다. 결정된 화학 혼화제량과 가수량을 그대로 콘크리트 배합에 사용하였다.

3. 시편의 준비 및 실험

모르타르와 콘크리트는 각각 20 °C의 환경에서 강제식 믹서를 이용하여 배합되었다. 모르타르의 경우, 배합 직후 및 60분 후 KS L 5105 기준에 따라 흐름값을 측정하였다. 60분간 배합은 저속으로 꾸준히 이루어졌다. 모르타르는 압축강도 및 흡수율 측정을 위해 50 mm의 정육면체 시편으로 제작되었고, 콘크리트는 압축강도 측정을 위해 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원통형 시편으로 제작되었다. 또한, 철근 부착강도를 측정하기 위한 시편은 지름 100 mm, 높이 60 mm의 콘크리트의 중심에 120 mm 길이의 철근(SD400-D13)이 관통하도록 제작되었다.

이렇게 준비된 시편은, 저온 및 동해 노출 조건 이외의 경우 배합 후 1일간 밀봉된 뒤 표준 수중양생(20 °C)을 진행하였다. 그러나 저온 및 동해 노출 조건의 경우, 몰드에 성형된 굳지 않은 모르타르 및 콘크리트를 각각 4 °C 및 -20 °C로 설정된 챔버에 넣었으며, 6시간 및 12시간이 지난 뒤 꺼내어 추가로 1일간 20 °C에서 노출한 뒤 표준 수중양생을 진행하였다. 모르타르와 콘크리트의 압축강도는 각각 KS L 5105 및 F 2405에 따라 재령 1, 3, 7, 14, 28, 56일에 측정되었다. 또한, 모르타르의 경우 ASTM C 642에 준하여 흡수율을 재령 1, 3, 7, 14, 28, 56일에 측정하였다. 여기서 흡수율이란, 모르타르의 건조 중량 대비 포화된 시편의 흡수량(wt.%)을 의미한다.

Fig. 1에는 본 연구에서 철근 부착강도를 측정하기 위해 고안된 실험장치 구성을 나타내었다. 기존의 인장하중을 통한 부착강도 측정이 아닌 압축하중을 통한 측정이 가능하도록 하였으며, 하중 가력과 함께 변위를 측정할 수 있도록 하였다. 그러나, 본 연구에서는 변위-하중에 대한 관계는 다루지 않았으며, 단지 최종 하중 및 이를 통해 계산된 부착강도만을 분석하였다.

Fig. 1 Measurement setup for bond strength of rebar

4. 실험결과

4.1 유동성 손실

Fig. 2는 배합 직후 및 배합 후 60분 이후의 모르타르 플로값을 보여준다. 기본적으로 정상배합인 WB52와 WB38의 경우 60분간 20 mm 수준의 유동성 손실이 발생한 것을 확인 할 수 있으며 이는 미미한 수준이다. 한편, WB38에서 플라이애시를 사용한 경우에는 좀 더 큰 수준인 약 40 mm 정도의 유동성 손실을 확인할 수 있었다. 따라서 플라이애시를 과잉 사용했을 때, 특히 w/b가 높을 때는 유동성 손실을 주의해야 한다. 본 연구에서 사용된 플라이애시는 기준치 이내의 강열감량을 가지고 있으나 강열감량이 높은 배합의 경우 이러한 특성이 더욱 뚜렷할 것으로 예상된다. 또한 우려할 만한 유동성 손실을 보이는 것은 P 계열, 즉 잔골재 중 미분(토분)함량이 증가한 경우이다. 특히 WB38에서 좀 더 명확한 유동성 손실이 확인된다. 이 배합의 경우 미분 혼입에 따른 유동성 감소를 보완하기 위해 가수가 진행된 배합임에도 불구하고 큰 규모의 유동성 손실이 확인된다. 이론적 검토는 추후 진행해야 하겠으나, 최근 우리나라에서 발생하고 있는 소위 ‘마사토’와 ‘개답사’ 내 미분이 큰 범위의 유동성 손실을 유발할 가능성이 있음을 확인 하였다. 특히, 최근 내구성 기반 구조 설계의 도입으로 점차 낮은 w/b의 배합이 사용되는 점을 고려하면 매우 우려할 만한 현상이다.

Fig. 2 Mortar flow of fresh mixtures at 0 min and 60 min after mixing

4.2 압축강도

Fig. 3은 모르타르와 콘크리트 간의 1~56일 압축강도 관계를 나타낸다. 이 관계를 통해 기본적으로 골재 계면이 강도에 미치는 영향에 대해 간접적으로 확인할 수 있다. 주로 이 관계에서 모르타르의 강도에 비해 콘크리트의 강도가 큰 경우가 일반적이다. 점선으로 표시된 20 %의 변동폭을 고려하면 모든 배합에 대해 모르타르와 콘크리트의 강도 차이가 적은 편이라는 것을 알 수 있다. 그러나 w/b 0.52에서 1) 슬래그를 과잉으로 혼입한 경우(80 %), 2) 초기동해 노출조건에서 상대적으로 콘크리트의 강도가 모르타르의 강도의 20 %보다 낮은 현상을 확인하였다. 이는, 골재 계면과 시멘트 모르타르 매트릭스가 역학적으로 적절한 거동을 하고 있지 않음을 의미하며 콘크리트 품질관리 측면에서 주의가 필요하다.

Fig. 3 Compressive strength of mortar vs. concrete (dashed line: 20% margin)

Fig. 4와 Fig. 5는 각각 w/b 0.52 및 0.38의 콘크리트와 모르타르의 상대강도 값, 즉 실험변수에 대한 표준시편(혼화재 혹은 혼화제를 사용하지 않거나, 상온표준양생을 진행한 시편)에 대한 상대적 강도를 나타낸다. 이 그래프에서 점선은 선형 회귀 분석 결과이며, 거시적 관점에서 선형으로 경향 예측이 가능하다. 먼저 w/b 0.52의 경우(Fig. 4), 광물계 혼화재의 과다 사용은 급격한 강도 감소를 유발한다. 특히 그 영향은 재령 극초기인 1일에는 매우 심각한 수준이다. 경우에 따라, 초기 저온 양생과 같이 28일 혹은 56일간 적절한 후속 양생을 통해 강도가 유지되는 경우도 있으나, 대부분의 조건에서 정상 배합을 고려할 때 장기적으로도 회복 불가능하다는 것을 확인하였다.

Fig. 4 Relative compressive strength of mortar and concrete per control mixture (w/b 0.52, dashed line: linear regression)

이러한 현상은 Fig. 5에서와 같이 w/b 0.38의 경우에서도 유사하게 나타났다. 단지 이 경우 플라이애시 사용에 의한 강도 감소는 모르타르와 콘크리트 모두 적은 편이다. 그러나 이는 양생 조건에 따라 크게 달라질 수 있으므로 특별한 주의가 필요하다. 이 역시 초기 저온 양생과 같이 28일 혹은 56일간 적절한 후속 양생을 통해 강도가 유지되는 경우도 있으나, 대부분의 조건에서 정상 배합을 고려할 때 장기적으로 강도의 회복 불가능하다는 것을 확인하였다.

Fig. 5 Relative compressive strength of defected mixtures of mortar and concrete per control mixture (w/b 0.38, dashed line: linear regression)

4.3 흡수율-압축강도 관계

콘크리트의 공극에 대한 대표적인 평가 방법은 크게 세 가지로 나뉜다. 첫째는 굳지 않은 콘크리트의 공기량을 측정하는 것이며, 이는 KS F 2409^{(KATS 2016)}에 따라 수행된다. 둘째는 굳은 콘크리트의 흡수율을 평가하는 것으로, 이는 ^{ASTM 642 (2021)} 표준에 따라 측정된다. 셋째는 수은압입법에 의한 굳은 시멘트 매트릭스의 공극량을 평가하는 것인데, 이 방법은 ^{ASTM D4404 (2018)}에따라 수행된다. 이 중에서도 동결융해 저항성 측면에서 중요한 지표는 첫 번째인 반면, 실제 굳은 콘크리트의 품질 관리 측면에서 중요한 지표는 두 번째인 흡수율이다. 수은압입법은 시편의 준비와 측정에 대한 절차가 복잡하기 때문에 콘크리트 품질관리 용도에는 적합하지 않다. 그러나 현재까지 우리나라에서는 콘크리트 흡수율 평가에 대한 KS 표준이 부재하다.

Fig. 6은 156일간 모르타르 시편의 흡수율과 압축강도 간의 관계를 보여준다. 시간이 지남에 따라 압축강도가 상승하는 폭은 매우 큰 반면, 공극량은 대부분 11~16 % 범위 내에서 균일한 값을 나타낸다. 따라서 흡수율은 재령에 상관없이 거의 균일한 지표로 간주될 수 있다. 이 연구를 통해 확인된 모르타르의 흡수율 표준 값은 w/b 0.52일 때 12~13 %, w/b 0.38일 때 11~12 % 정도로 나타났다. 콘크리트 배합의 경우, 이 값을 환산하여 표준 값으로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 6 Water absorption vs. compressive strength of mortar

과거 광주 화정동 아파트 신축공사 붕괴 사건조사보고서에 따르면, 레미콘 공장에서 제공한 표준공시체의 공극률(ASTM C 642 활용)이 15±2 %였으나, 현장에서 채취된 코공시체의 공극률은 25±5 %로, 약 60~70 % 이상 높았던 것을 나타났다^{(CAIC 2022)}. 이러한 결과를 고려할 때, 화정동 아파트에 사용된 콘크리트는 결합재나 화학 혼화재의 사용 오류 뿐만 아니라 막대한 수준의 가수가 이루어진 것으로 추정된다.

Fig. 7 Relative water absorption vs. relative compressive strength of mortar per control mixture

Fig. 7은 Fig. 6의 결과를 다시 분석하여 각 재령에 대한 표준시편의 흡수율과 강도에 대해 각 시편의 상대값으로 정리한 것이다. 결과적으로, 모든 배합조건에 대해 최대 약 30 %의 흡수율 변화를 나타내었으며, 이에 따른 강도 감소는 다양한 성능 손상 요인의 종류에 크게 영향을 받지 않는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 콘크리트의 품질을 예측하는데 흡수율을 사용할 수 있음을 시사한다. 또한, 광주 화정동 아파트 현장에서 발생한 콘크리트의 손상 정도는 표준 시 편에 비해 흡수율이 60 %까지 증가했다는 점을 감안할 때, 본 연구에서 적용한 성능감소 원인의 범위를 뛰어넘는 것으로 나타났다.

이러한 사실을 고려하면, 콘크리트 현장에서 가수 여부에 대한 증거가 필요할 때, 레미콘의 송장에 첨부된 배합비대로 콘크리트를 배합한 뒤, 강도뿐 아니라 흡수율을 측정하여 현장의 콘크리트 공시체의 흡수율과 비교하는 방법을 사용할 수 있을 것으로 사료된다.

4.4 철근 부착강도

Fig. 8은 재령 28일 및 56일의 콘크리트에 대해, 압축강도 $f_{c}$와 철근부착강도 $u$의 관계를 나타낸 것이다. 그림에 나타난 점선은, 일반적으로 두 지표의 관계라고 알려진 $u = k\sqrt{f_{c}}$($k$: 관계상수)에 따른 관계식^{(ACI 408R-03)}으로, 그 범위를 표준시편인 WB52와 WB38의 표준편차값에 대응하도록 한 것이다. 즉 이 점선 범위 안에서는, 부착강도의 변화가 압축강도 변화에 근거한다고 할 수 있다. 대부분의 결과에 대해, 이 범위 안에 결과가 존재함을 알 수 있으나, 동시에 경우에 따라 상당수준 이 범위보다 부착강도가 낮은 값을 나타내는 결과가 확인된다. 이 경우, 여러 손상요인에 의해 강도가 감소할 경우, 예상보다 더욱 큰 폭으로 부착강도가 떨어질 수 있음을 의미하는 것이다.

Fig. 8 Compressive strength of concrete vs. bond strength of rebar

이는, 다양한 원인에 의해 현장의 콘크리트의 압축강도가 설계기준강도에 미치지 못하였을 때, 단지 콘크리트의 압축거동 뿐 아니라 철근의 부착에 대한 문제가 발생할 가능성이 있음을 의미한다. 현재의 철근 정착길이는 위의 식과 같이 압축강도에 의해 결정되는데, 만약 압축강도가 과도하게 낮게 되면 콘크리트 구조의 파괴 모드에 철근의 뽑힘이 고려되어야 할 수 있다. 광주 화정동 아파트 건설현장 및 인천 검단 아파트 건설현장의 슬라브 탈락부에서 발견되는 철근 뽑힘 현상도, 설계기준강도에 미치지 못했던 콘크리트와 연관성이 있다고 유추된다^{(CAIC 2022; 2023)}.

5. 결 론

본 연구에서는 다양한 요인으로 인해 품질이 저하된 모르타르와 콘크리트의 성능 변화폭을 실험적으로 확인하였다. 광물계 혼화재와 공기연행제의 과도한 사용, 잔골재 내 미분량 과다, 저온 노출 및 초기 동해를 품질 저하 요인으로 선정하였다. 이러한 요인들에 의한 콘크리트/모르타르 강도감소의 범위를 평가하고 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.

광물계 혼화재를 제외한 모든 요인에 의한 콘크리트/모르타르 강도감소의 범위는 w/b 0.52에서 0.38까지 거의 유사하였다. 광물계 혼화재의 기준치 이상 과잉 사용에 의해 발생하는 초기 강도 감소폭은 표준 OPC 배합에 비해 약 60 %에 이를 수 있다.

대부분의 원인에 의해 강도가 손상된 콘크리트는 재령이 56일까지 이르러도 표준배합의 강도에 미치지 못하는 것으로 확인되었다. 따라서 복합적인 강도손상 원인이 발생할 경우 막대한 수준의 강도 감소가 발생할 수 있음을 알 수 있었다.

또한, 콘크리트의 품질을 파악하기 위해 굳은 콘크리트의 흡수율을 측정하여 다양한 원인에 의한 흡수율의 범위폭을 평가하였고, 흡수율이 가수의 증거로 활용될 수 있음을 확인하였다. 또한, 다양한 원인에 의해 압축강도가 감소한 콘크리트는 철근 부착강도 역시 감소하게 됨을 확인하였다.