1. 서 론

탄산화는 대기와 접한 콘크리트라면 위치와 종류에 상관없이 장기간 경험하게 되는 현상이다^{(Yoo et al. 2024a, b)}. 구조용 및 비구조용 콘크리트는 매우 다양한 장기거동을 보이게 되는데, 이 중 염해나 황산염은 노출조건, 수축과 크리프는 구조형상과 하중조건에 따라 크게 달라질 수 있다. 하지만, 탄산화는 수중에 침지되지 않은 이상 대부분 습도에 따른 영향 이외에는 동일한 조건에서 진행된다. 탄산화는 타 장기거동영향, 즉 수축과 장기변형에 의한 균열, 염분 침투, 화학적 부식이나 동결융해에 의한 피복두께 손실에 비해 상대적으로 간접적인 철근 부식 인자이다^{(Chang and Chen 2006)}. 균열이나 염분침투, 피복두께 손실철근 위치까지 도달할 경우 철근 부식은 거의 반드시 일어나는 것에 비해, 콘크리트는 탄산화에 의해 pH가 중성화되어도 반드시 철근 부식이 일어나지는 않는다^{(Stefanoni et al. 2018)}. 중성인 콘크리트는 상대적으로 철근 부식이 좀 더 일어나기 쉬운 환경이 된다^{(Zhou et al. 2015)}. 중성환경조건에서 부동태 피막은 불안정상(unstable phase)인 반면, 공극수의 중성화로 인해 피막이 깨어지고 철근으로부터 철이 용해되어 부식이 발생하기까지는 상당한 시간이 필요하기 때문이다^{(Steffens et al. 2002)}. 그럼에도 불구하고 일반적인 구조물의 수명은 피복두께가 중성화되는 속도에 의해 결정된다^{(Yoo et al. 2024a, b)}.

다양한 측면에서 우리가 시멘트 콘크리트의 탄산화 현상에 대해 명확하게 모든 것을 이해하고 있다고 하기에는 아직까지 지식의 공백이 많다. 탄산화는 과거 단순히 콘크리트의 pH 변화에 대한 영향만을 고려해 왔다. 그러나 탄산화는 매우 복잡한 현상이다. 우선 기체의 확산에 의해 결정되는 현상이므로 Fick의 제1 법칙인 ‘콘크리트 내부의 가스의 농도 기울기가 존재할 때, 이동하는 원소의 양, 즉 ${flux}J$는 농도값 $c$의 깊이별 기울기에 비례한다’, 즉 식 $J=-D(\partial c/\partial x)$($D$: 기체확산계수)을 적용한다^{(Sun et al. 2020)}. 이를 수학적으로 계산하여 ‘탄산화가 진행한 깊이 $X_{c}$는 시간의 제곱근에 비례한다’, 즉 $X_{c}=k\sqrt{t}$($k$: 탄산화 속도계수)의 관계가 성립한다고 가정한다^{(Steffens et al. 2002)}. 그러나 실제 미세조직 영역에서는 다양한 화학적 반응이 발생한다. 일반적으로 알려진 바에 따르면, 수분과 기체로 채워진 공극 네트워크를 통해 이산화탄소 가스가 확산되면, 먼저 이산화탄소가 물에 용해되는 것부터 반응이 시작한다고 알려져 있다^{(Papadakis et al. 1991)}. 이를 통해 여러 수화물(수산화 칼슘, 칼슘-알루미나-황산염 계열의 수화물, 그리고 C-S-H 겔) 등이 열역학적 요인에 의해 탄산화 되어 결정/비결정형 탄산칼슘을 생성한다^{(Bary and Sellier 2004)}. 이때 반드시 반응을 위해 수분이 필요한 지에 대해서는 다양한 논쟁이 있다^{(Parrott 1992; Leemann and Moro 2017)}. 반응 자체에 필요한 수분에 대해서는 추가 연구가 필요하다. 단지, 상대적으로 건조한(외부상대습도가 낮은) 조건에서, 공극이 건조를 통해 열려 있을 때 탄산화 깊이가 상대적으로 더 깊다는 보고가 존재한다^{(Bary and Sellier 2004; Ishida et al. 2004; Metalssi et al. 2020)}. 이렇게 시멘트 자체에 존재하던 칼슘이온과 외부로부터 공급된 탄산염이 반응해 탄산칼슘이 생성된 후 기존에 시멘트에서 존재하던 실리카, 알루미나, 산화철 성분들은 어떠한 상으로 변화하는 지에 대해서도 많은 논쟁이 있다^{(Liu et al. 2023)}. 중합되어 액체와 고체의 중간상인 (알루미노-)실리카겔의 형태로 존재하거나, 혹은 고체인 제올라이트로 존재할 수 있으며, 이에 대해서는 대부분 열역학적 해석을 통해 계산되었지만 동시에 실험적으로 확인된 예는 많지 않다^{(Shi et al. 2016; Ke et al. 2020; Jeong et al. 2022; Liu et al. 2023; Liyew et al. 2024)}. 이 전반적인 반응은 모두 탈수반응이므로 잔여수분이 발생하며, 장기적으로 이 탈수된 수분은 증발할 가능성이 크다.

이러한 화학적 반응은 콘크리트의 미세조직에도 영향을 미치게 된다. 가장 잘 알려진 사실은 탄산화에 의해 10 nm 이하의 겔공극과 100 nm 전후의 모세관 공극이 치밀해 진다는 사실이다^{(Shah et al. 2018; Baek et al. 2024)}. 이는 먼저 C-S-H 겔 자체의 탄산화로 인한 겔공극의 감소, 그리고 모세관 공극 내부에 탄산칼슘이 석출되어 충전되는 현상에 기인한 것이다^{(Jeong et al. 2022)}. 그러나 이 역시 탈수반응의 일종이므로 강한 수축이 발생하며, 이를 탄산화 수축(carbonation shrinkage)이라고 한다^{(Liyew et al. 2024)}. ^{Ye et al. (2017)}은 매우 흥미로운 연구결과를 발표했는데, 시멘트 페이스트를 일반 대기조건과 질소가스 환경에서 건조수축을 확인한 것이다. 그 결과 이산화탄소 400 ppm 수준의 대기조건의 건조수축은 100 % 질소가스 조건에 비해 약 5~10배 수준의 수축량을 보인다.

이때 콘크리트의 골재는 미소 영역에서 경계조건으로 작용해 구속효과를 일으킨다. ^{Liu et al. (2023)}은 자연탄산화(400 ppm)와 촉진탄산화(CO₂ 1, 2 %) 조건에 1년간 노출한 콘크리트의 미세구조를 수은압입법과 전자현미경 후방산란전자 이미지 처리를 통해 확인하였으며, 그 결과 재령 초기보다 상당히 많은 수준의 공동(void)이 발생하는 것을 알 수 있었다. 즉 구속조건에 의해 비록 페이스트 단위의 미세조직 치밀화는 발생하지만, 반대로 골재의 구속효과로 인해 1~100 μm 크기의 공동 즉 수축균열이 발생할 수 있다는 것이다.

이러한 미세구조의 변화는 콘크리트의 장기적 특성에도 영향을 미칠 수 있다. 기존연구^{(Kwon et al. 2024a; b)}에서는 시공 후 20~50년된 교량에 대한 코어강도, 반발경도, 초음파 전달속도, 탄산화 깊이, 염소확산계수 등을 몇백 개의 시편을 이용해 대대적으로 조사하였는데 그 결과 시공 초기에는 매우 균일한 품질 즉, 낮은 변동계수(coefficient of variation, CoV)를 보이던 콘크리트가 시간이 지남에 따라 모든 성능에 대해 막대한 수준의 변동계수를 보이는 것을 확인하였다. 물론 ‘시간에 따른 손상’이라고 단순화하여 해석할 수 있는 현상이지만, 실제 더욱 구체적인 원인에 대해서는 명확하지 않다.

위에서 언급한 천연 탄산화(natural carbonation, or weathering carbonation) 이외에도 탄산화와 관련해 최근 많은 연구자에 의해 연구되는 분야 중 하나로 (촉진)탄산화양생(accelerated carbonation curing)이 있다^{(Sanjuán et al. 2003)}. 이 경우는 더욱 메커니즘 분석이 복잡하다. 수화도가 매우 낮은 재령 초기에 매우 높은 고농도의 탄산화 조건에 단기간 노출 시킨 뒤 다시 양생되면서, 장기적으로는 다시 한번 천연 탄산화에 노출된다^{(Zhang et al. 2017)}. 이 경우 탄산 농도에 의해 발생하는 탄산칼슘의 상(phase)이 달라질 수 있을 뿐 아니라, 재령 초기에 아직 수화하지 못한 클링커 물질 자체의 직/간접적인 탄산화에 대해서도 검토가 필요하다^{(Belayneh et al. 2024)}. 또한 재령 초기 탄산화 양생으로 인해 표면 건조와 공극 충진이 어느 정도 이루어진 조건에서 추가적인 후기 수화가 어떻게 발생할 지에 대해서도 잘 알려진 바가 없다. 많은 연구가 단순한 현상에 대한 실험적 분석에 집중되어 있기 때문에 이러한 원리에 대한 증거를 찾기는 매우 어려웠다.

위에서 살펴본 바와 같이 우리는 탄산화 현상이 콘크리트의 화학적-물리적 특성에 미치는 영향에 대해 완벽하게 이해하고 있다고 하기에는 부족함이 있다. 본 연구에서는 탄산화 현상이 콘크리트 강도에 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 일부의 실험과 함께 문헌 조사분석을 진행하였다. 탄산화 반응은 표면부에서만 일어나며, 그 두께는 일반적으로 초장기 재령에서도 50 mm를 넘어가지 않기 때문에 구조적 압축강도에 관해 고려한 사례는 거의 없다^{(Kwon et al. 2024a; b)}. 그러나, 압축강도는 가장 대표적인 콘크리트 혹은 모르타르의 특성이며, 직관적으로 내부의 미세조직변화를 확인할 수 있는 방법이다. 본 연구에서는 우선 모르타르 수준에서의 특성을 실험한 뒤, 문헌조사를 통해 콘크리트 수준에서의 특성에 대해 검토하였다. 먼저, 대표적인 모르타르 배합에 대해 재령 장기 탄산화(재령 1일부터 꾸준히 탄산화), 그리고 촉진 탄산화 양생(재령 1일 직후 24 h, 72 h 집중 탄산화 후 추가 수중양생)을 진행한 뒤 압축강도를 측정하였다. 이 결과들을 분석하기 위해, 관련된 기존의 문헌에 대해 전반적인 고찰을 진행하였다. 이를 통해 탄산화가 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향에 대해 기본적 개념을 정립하고자 하였다.

2. 실험 계획 및 방법

본 연구에서는 3종류의 결합재 구성, 즉 일반 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement, OPC) 100 %, 고로슬래그 미분말(ground granulated blast furnace slag, BFS) 40 wt.% 치환, 플라이 애시(fly ash, FA) 20 wt.% 치환을 사용하였다. 각각의 결합재의 특성은 기존 연구결과^{(Liyew et al. 2025)}를 참고하였다. 사용된 혼화재의 치환율은, 국내에서 사용되고 있는 일반적인 혼합시멘트의 비율을 묘사한 것이다.

실험은 두 종류로, 1) 장기 탄산화 실험 및 2) 촉진 탄산화양생 실험을 진행하였다. 양생 조건은 다음과 같다.

- 장기 탄산화: 배합 후 1일간 초기 밀봉양생 후 CO₂ 10 % RH 55 % 20 °C 조건에서 100일간 양생

- 촉진 탄산화 양생: 배합 후 1일간 초기 밀봉 양생 후 CO₂ 10 % RH 55 % 20 °C 조건에서 24 h, 72 h동안 노출, 이후 재령 100일까지 추가 수중양생

이때 각 조건에 대해 비교군으로, 장기 탄산화에 대해 밀봉양생과 수중양생(모두 20 °C 조건)을, 촉진 탄산화 양생의 경우 밀봉양생, 수중양생과 함께 노출양생(CO₂ 400 ppm, RH 55 %, 20 °C)을 진행하였다. 탄산화 양생 조건에 대한 명확한 표준 실험방법은 없으나, 국내에서는 기본적으로 KS F 2584^{(KATS 2010)}에서 제시하는 온도 20±2 °C, RH 60±5 %, CO₂ 5±0.2 %를 사용한다. 그러나 본 연구에서는 이 내용을 그대로 따라가지 않고, 가능한 탄산화 속도를 높이기 위해 더 고농도의 CO₂를 사용하였다.

Table 1은 본 실험에서 사용된 배합비를 정리한 것이다. 장기 탄산화를 위한 배합의 경우 w/b 0.3과 0.5를, 단기 탄산화 양생의 경우 w/b 0.4와 0.5를 사용하였다. 잔골재로 세척된 강모래(비중 2.56, 조립률 2.75)를 사용하였으며, 결합재 대비 중량비는 1.5이다. w/b 0.3과 0.4 배합의 경우 유동화제를 결합재 중량 대비 0.3 % 이하로 사용하였다. 본 연구에서 사용된 배합의 이름은 배합비를 요약한 것으로, WB 이하에 나타난 값인 30, 40, 50은 각각 w/b에 대한 백분율, S와 F는 각각 BFS와 FA의 치환율을 의미한다. 단지, 촉진 탄산화 양생 시편명의 뒤에 나타낸 “(1)”과 “(2)” 실험의 회차를 의미한다.

준비된 시편은 50 mm 정육면체였으며, 모든 시편은 1면만 탄산화되도록 나머지 5면을 상용 접착제를 이용해 밀봉하였다. 재령 3, 7, 28, 91~100일에 압축강도를 측정하였으며, 이때 KS L 5105^{(KATS 2017)} 기준을 적용하였다. 이때 탄산화된 1면은 반드시 하중을 직접 받는 면이 되지 않도록 하였다. 각 조건에 대해 측정된 시편의 수는 3개이다. 편차가 클 수 있는 실험의 특성상 단기 탄산화 양생 실험은 별도로 2회 진행하였다. 압축강도를 측정한 시편의 탄산화 깊이는 일반적인 페놀프탈레인 알코올 수용액을 분사해 측정하였다.

3. 실험결과

본 논문에서는, 일부 오류로 판단되는 실험값에 대해서도 삭제 없이 표시하였다. 실험값을 점으로 나타내었기 때문에 가독성이 떨어지는 한계가 있으나, 실험결과의 평균과 각 실험값의 편차를 동시에 제시하기 위한 방법임을 밝혀둔다.

3.1 장기 탄산화

장기 탄산화 후 모르타르의 압축강도에 대한 실험결과는 Fig. 1에 나타내었다. 이때, 각 시편의 탄산화 깊이는 실험체에 대한 탄산화 깊이는 Fig. 2에 정리하였다. Fig. 1에 나타낸 점선은 재령의 지수(log) 값에 대한 회귀분석 결과이다. Fig. 2에 추가된 점선은 $X_{c}=k\sqrt{t}$에 해당하는 결과로, 회귀분석에 따른 결정계수(coefficient of determination, $R^{2}$)는 0.75~0.98 범위에 있었다. 즉, 탄산화에 대한 일반적인 해석식의 적용이 가능함을 확인하였다.

본 그래프를 검토하면서 세부적으로는 편차가 있을 수 있으나, 거시적인 관점에서의 분석이 요구된다. 장기 탄산화 후 확인할 수 있는 것은, 재령 1일 이후 지속적인 탄산화(continuous carbonation, “Conti. Carb.”)에 의해 강도가 감소한다고 할 수 없다는 것이다. 재령 3일부터 약 100일 까지 모든 조건에 대해, 추가로 수분이 빠져나오지 않는 밀봉양생(“Sealed”), 수분이 꾸준히 공급되는 수중양생(“Water”)에 비해 장기 탄산화된 시편의 강도는 유사한 수준이다. 상당히 큰 표준편차를 보여주는 경우도 있으나, 이 점은 탄산화 깊이가 작은 w/b 0.3의 경우와 그 반대인 w/b 0.5 시편에서도 동일한 경향을 나타낸다.

여기서 주의해야 할 것은, 장기 탄산화가 진행되는 동안 본 실험에서 추가적인 수분 공급이 없었다는 것이다. 즉 재령 1일부터 자유수의 건조가 연속적으로 진행되는 상황이었다. 즉 이는 본 연구와 같은 고농도의 탄산화가 콘크리트 압축강도에 부정적인 영향을 미치지는 않는다는 것을 의미한다. 비록 일반적인 조건과 같이 대기 중의 낮은 탄산화 농도 조건에서는 단기간 내에 이러한 결과를 얻기는 힘들다. 본 실험에서 진행하지는 않았지만, 대기에 노출된 시편의 강도는 밀봉양생과 수중양생보다 낮다. 결과적으로, 탄산화라는 현상은 장기간 노출 혹은 고농도 조건에서 압축강도에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.

Fig. 1 Compressive strength of continuously carbonated mortar

Fig. 2 Carbonation depth of continuously carbonated mortar

3.2 초기 탄산화 양생

Fig. 3은 촉진 탄산화양생(carbonation curing, Carb. Cur.)의 강도 발현에 대해 나타내었다. Fig. 4는 촉진 탄산화양생 시편의 초기 탄산화 깊이를 나타내며, 실험 (1)과 (2)의 결과 차이가 2 mm 이하였으므로, 이에 대한 평균을 표시하였다.

전반적인 측면에서 단기 탄산화 양생 시편의 대부분은 배합의 종류에 따라 다를 수 있지만, 거시적 측면에서 장기 강도 발현이 상대적으로 다른 양생조건에 비해 높은 편인 것만은 아니라는 것을 알 수 있다. 타 양생 방법인 노출(“Exposed”), 밀봉(“Sealed”), 수중(“Water”)양생에 비해 탄산화 양생된 시료의 3일 강도는 대부분 높은 것이 확인되나, 장기적인 강도 발현이 항상 높다고 하기 어렵다. 일반적으로 초기 탄산화 양생 시간 24 h와 72 h 조건 모두 주로 수중조건과 노출조건의 중간 강도값을 갖는다. 시편의 종류가 매우 많고, 사용된 w/b와 결합재 구성이 다양하기 때문에 이를 구체적으로 분석할 수도 있으나, 본 연구에서는 이보다 더 거시적인 특성을 확인하고자 하였다.

여기서 중요한 부분이 있다. 본 실험에서 진행한 초기 탄산화 양생 시편은 초기 탄산화 후 수중에 넣고 충분히 수분을 공급하였다는 것이다. 그럼에도 불구하고 실험결과 몇 개의 경우를 제외하고 초기 탄산화 양생 시편의 압축강도는 수중양생 조건에 비해 높지 않다. 이는 초기 탄산화 양생된 콘크리트의 미세조직이 꾸준히 수중양생된 콘크리트와 비교했을 때 더 치밀하다고 하기 어렵다는 것을 암시한다. 수중양생을 통해 100일 동안 압축강도가 60~80 MPa에 이르는 w/b 0.4 배합과 40 MPa에 이르는 w/b 0.5 배합이, 각각 초기 탄산화 양생에 의해 약 40 MPa, 30 MPa 정도까지 밖에 강도가 발현되지 못하는 경우도 있음을 확인하였다. 초기 탄산화 양생 조건의 압축강도가 다른 양생조건에 비해 가장 컸던 결과는 WB50-S0-F0 (1)뿐이었으며, 같은 배합비를 사용한 WB50-S0-F0 (2)에서도 다른 양상을 나타내었다. 결과적으로, 초기 탄산화 양생 이후의 상대적으로 높지 않은 압축강도의 발현은, 본 실험에서 실험값의 편차가 컸음을 고려하더라도 이는 무시할 수 없는 경향임은 분명하다. Fig. 4에 나타낸 것과 같이, 이러한 현상이 모르타르의 탄산화 깊이가 10 mm 이하로 매우 얕았음에도 발생하였다는 사실은 매우 흥미롭다.

Fig. 3 Compressive strength of mortar after carbonation curing at early age

Fig. 4 Carbonation depth of mortar after carbonation curing at early age

4. 문헌분석과 고찰

가장 근본적인 질문은, 탄산화 후 콘크리트의 표면의 강도 혹은 강성은 어떻게 되는가이다. 가장 유사한 실험결과는 ^{Kim et al. (2009)}에 보고되었다. 25 MPa, 45 MPa, 그리고 70 MPa의 압축강도를 갖는 OPC 100 % 콘크리트를 5달간 CO₂ 5 %, 상대습도 70 % 조건에서 탄산화 시켰으며, 일부 비교군은 대기 노출시켰다. 그 결과 초기 강도에 상관없이 압축강도가 약 10 % 수준으로 증가하였으며, 이 수준은 미약하게나마 탄산화 조건에서 더 컸다. 한편, 위 연구에서는 압축강도와 동시에 표면 반발경도를 측정하였는데, 25 MPa 압축강도 콘크리트의 경우 표면반발경도가 대기에 노출한 조건에 비해 약 40 % 정도 더 명확히 증가하였음을 알 수 있었다. 즉, 탄산화가 압축강도에는 커다란 영향을 미치지 않는다고 하더라도, 표면경도 측면에서는 효과가 있었음을 의미한다.

이와 유사한 경향은 콘크리트의 음향학적 특성(acoustic characteristic)에서도 확인된다. ^{Kim et al. (2016)}에서는 OPC 100 % 콘크리트 표면을 20 % CO₂, 60 RH % 조건에 노출시킨 뒤, 표면에서 Rayleigh 표면파의 전파 경향을 확인하였다. 미약하지만 명확한 수준의 전파속도 증가가 확인되었으며, 동시에 재료의 비선형성과 연관된 매개변수의 감소가 확인되었다. 이는 미세조직의 치밀화와 함께 표면강성이 개선되었음을 의미한다.

이는 콘크리트 공학의 상식 측면에서 당연한 것으로, 대부분의 연구자들은 자연 탄산화가 콘크리트의 압축강도에 거의 영향을 미치지 않을 것으로 생각해 왔다. 본 연구에서 확인한 것은, 장기적인 탄산화가 압축강도 자체에 부정적인 영향을 미치지는 않는다는 사실이다. 기본적으로는 탄산화로 인해 C-S-H gel을 포함한 시멘트 매트릭스의 여러 종류의 수화물들이 탄산칼슘으로 변환되면서 조직이 치밀화된다고 알려져 있다^{(Shah et al. 2018)}. 이로 인해 콘크리트 강도에는 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.

한편, 여기서 OPC와 혼합시멘트의 차이에 대한 검토가 필요하다. 기본적으로 CaO 함량이 높은 OPC의 경우, 열역학적 계산을 통해 여러 종류의 수화물의 생성량을 검토해 보면, 탄산화 반응에 의해 전반적인 내부 고체 부피가 거의 변화가 없거나 혹은 미약하게 변화하는 경향이 있음을 알 수 있다^{(Shi et al. 2016; Liu et al. 2023)}. 이러한 결과는 결국 열역학적 계산에서 예상 발생 광물에 어떤 것을 선택하느냐에 달려 있기는 하지만 기본적으로 거의 변화가 없다고 고려하는 것이 일반적이라 할 수 있다. 그러나, 상대적으로 CaO의 함량이 낮은 혼합시멘트(플라이애시 혹은 고로슬래그 혼입 시멘트 등)는 기본적으로 탄산화에 의해 내부 고체 부피가 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 부피감소는 C-S-H gel의 탈칼슘화(decalcification) 이후에 주로 발생하는 것으로 계산된다. 이러한 계산결과는, 혼합 시멘트의 경우 장기적인 탄산화에 의해 표면반발경도 혹은 경우에 따라 초장기적인 압축강도 감소가 발생할 가능성이 있음을 의미한다. 본 연구에서는 이에 대한 증거를 찾기 위해 100일까지 고농도 탄산화를 진행하였으나, 이에 대한 명확한 증거를 찾지 못하였다. 그러나 향후 더 장기적인 탄산화를 진행하였을 때는 혼합 시멘트 콘크리트에서 강도 혹은 반발경도의 감소가 발생할 가능성도 있다.

장기적인 자연탄산화는 결합재의 구성에 따라 다를 수 있으나, 기본적으로는 공극의 크기를 감소시키며 동시에 전체 공극량 자체를 감소시킬 수 있다. 이는 강도를 증가시키는 요인 중 하나이다. 그러나, 서론에서 언급한 바와 같이, ^{Liu et al. (2023)}의 보고에서 나타난 바 대로 1~100 μm 수준의 공동, 즉 탄산화 수축과 골재의 구속효과로 인한 균열이 발생할 수 있다. 이는 반대로 강도에 부정적인 영향을 미치는 요소이다. 이를 확인하기 위해서는 향후 콘크리트 시편을 이용한 장기 탄산화 실험이 필요하다. 단지, 고전적인 파괴역학(fracture mechanics) 측면에서 콘크리트의 강도는 동일한 공극조건에서 공극의 크기에 영향을 받는데, 상대적으로 작은 크기의 공극을 갖는 콘크리트가 더 큰 강도를 갖게 된다^{(Kumar and Bhattacharjee 2003)}. 탄산화로 인한 콘크리트 미세공극의 치밀화, 한편 이와 반대되는 탄산화 수축 균열의 발생이 결과적으로 압축강도에 어떠한 영향을 미칠지는 향후 꾸준한 연구가 필요하다. 본 연구결과를 통해 간접적으로 확인할 수 있었던 것은, 수중양생을 제외한 일부 실험결과에서 압축강도의 편차가 일반적인 상식보다 크게 나타났다는 것이다. 이러한 결과에 대한 세부적인 원인을 본 연구에서 직접 탐구하지는 못했으나, 이러한 편차는 시편의 탄산화 수축균열 등과도 연계되어 있을 것으로 사료된다.

한편, 본 연구에서 확인된 흥미로운 결과는, 초기 탄산화 양생된 콘크리트의 강도가 반드시 수중양생 수준까지 달하지는 않는다는 것이다. Fig. 3을 구체적으로 확인해 보면, 28일 압축강도까지는 탄산화 양생 시편과 수중 혹은 밀봉 양생 시편 사이에 차이가 크지 않은 경우가 많음을 알 수 있다. 91~100일 강도의 경우 촉진 탄산화 양생 시편의 강도는 일반적으로 건조양생 시편과 크게 다르지 않다. 즉, 초기 탄산화 양생은 압축강도에 단순하고 균일한 영향을 미치는 것이 아니다.

수많은 문헌에서, 탄산화 양생을 진행했을 때 초기 및 28일 압축강도가 단순하게 증가한다고 보고하고 있다^{(Ahmad et al. 2017; Qin et al. 2019; Chen and Gao 2020; Liu et al. 2022; Jiang et al. 2023)}. 한편 기존 연구들에서는 91일 이상에 이르기까지의 압축강도 경향을 고려한 연구결과는 거의 보고되지 않는다.

초기에 촉진탄산화로 인해 탄산칼슘의 네트워크가 생성된 콘크리트 표면 내부에서 장기적으로 더욱 치밀한 C-S-H gel이 형성되는 지에 대해서는 다양한 연구자들이 연구결과를 제시하였다^{(Junior et al. 2015; Ahmad et al. 2017; Qin et al. 2019; Chen and Gao 2020; Liu et al. 2022; Jiang et al. 2023)}. 그러나, 본 연구결과를 고려했을 때, 초기 탄산화로 형성된 탄산칼슘의 막, 혹은 조직이 장기적인 시멘트와 혼화재의 수화(혹은 수화물 형성)에 부정적인 역할을 할 수 있다는 가설을 제안하고자 한다.

이와 연관되어, ^{Liyew et al. (2025)}에서는 본 실험의 초기 탄산화 양생과 동일한 과정에 대해, 초기 탄산화 양생 후 재령 28일, 91일, 1년에 수은압입법(mercury intrusion porosimetry, MIP)를 이용해 공극의 분포 변화를 확인하였다. 실험결과 흥미로운 결과가 확인되었는데, 초기 탄산화 양생을 적용한 시편의 공극은 일반 수중양생을 적용한 시편보다 공극의 총량은 줄어들었다. 그렇지만 공극의 평균크기가 더 컸다. 즉, 초기 탄산화 양생을 적용한 배합은, 비록 초기 재령 1일 차에 24시간 동안만 탄산화에 노출되었을 뿐임에도, 공극량은 줄어들었지만, 공극이 치밀화되지는 못했다. 즉, 초기 탄산화 양생은 장기적 수화를 통한 내부 공극구조의 치밀화를 방해할 수 있다는 것을 확인하였다. 그러나 이 가설에 대한 명확한 증명을 위해서는 이후로도 다양한 연구결과가 보고되어야 한다.

이와 별도로, 본 연구에서 다룬 압축강도는 콘크리트의 응력-변형률 관계에 있어 비선형적인 특성임을 인식해야 한다. 따라서 비선형성 자체에 대한 검토가 필요하다. 고전적으로는 압축 시험 중 변형률을 측정하여 응력-변형률 곡선을 분석하는 방법이 있으며, 최신의 방법으로는 초음파의 전파를 활용하는 방법이 있다. 본 연구의 실험결과, 장기적인 탄산화 노출은 타 양생조건에 비해 압축강도 측면에서의 차이는 확인되지 않는다. 본 연구에서 결과적으로 확보된 압축강도값이, 응력-변형률 곡선의 기울기 자체, 즉 탄성계수에 더 크게 영향을 받는 것인지, 혹은 응력-변형률 곡선의 비선형성, 즉 변형률 정도에 따른 응력의 응답 변화에 영향을 더 크게 받는 것인지 알 수 없다. 단지, 장기적으로 이러한 비선형성의 특징을 쉽게 정량화하는 방법이 개발된다면, 이를 현장에서 탄산화의 정도를 모니터링하는 데 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 본 고찰에서 언급한 탄산화로 인한 콘크리트의 다양한 현상, 즉 미세공극의 치밀화, 탄산화 수축으로 인한 미세균열의 발생 등으로 인해 콘크리트로부터 얻을 수 있는 물리적 특성이 변화한다면, 이를 이용해 콘크리트의 탄산화 정도를 모니터링할 수 있다. ^{Baek et al. (2024)}에서는 시멘트 페이스트에 대해 탄산화를 진행한 뒤 정량적 고주파 초음파 이미지(High-frequency quantitative ultrasound imaging, QUS)를 적용하여 탄산화된 깊이를 확인하였다. 물론 동질성(homogeneity)이 큰 페이스트였기 때문에 명확한 QUS가 가능했으며, 이 기술을 그대로 이질성(heterogeneity)이 큰 콘크리트에 적용하기에는 어려움이 있다. 그러나, 이에 관한 기술이 향후 충분히 개발될 수 있을 것으로 기대된다.

5. 결 론

본 연구는 탄산화 현상이 콘크리트의 화학적-물리적 특성에 미치는 영향에 대해 좀 더 깊이 이해하기 위해 진행된 일련의 실험과 문헌분석에 대한 것이다. 대표적인 모르타르 배합에 대해 재령 장기 탄산화(재령 1일부터 꾸준히 탄산화), 그리고 촉진 탄산화 양생(재령 1일 직후 24 h, 72 h 집중 탄산화 후 추가 수중양생)을 진행한 뒤 압축강도를 측정하였다. 실험 결과에 대한 경향성을 분석한 뒤 관련된 기존 연구결과에 대해 고찰을 진행하였다. 이를 통해 탄산화가 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향에 대해 기본적 개념을 정립하고자 하였다.

장기 탄산화 조건에서의 양생은 수중양생과 밀봉양생에 비해 내부 수분이 건조하는 조건임에도 불구하고 장기적으로 강도 감소가 발생하지 않는 것을 확인하였으며, 이는 내부 미세조직의 치밀화와 연관이 있을 것으로 사료된다. 단지, 실험 결과 장기적인 탄산화가 압축강도 자체에는 큰 영향을 주지 않는다고 하더라도, 다양한 문헌에서 탄산화가 미세조직에 영향을 미친다는 보고를 확인하였다. 이는, 응력-변형률 관계의 비선형성에 영향을 미칠 가능성이 있다. 따라서 이를 모니터링할 수 있는 방법을 개발하면, 콘크리트의 탄산화 정도를 비파괴적 기법을 이용해 모니터링할 수 있을 것으로 기대한다.

한편, 초기에 촉진 탄산화 양생을 적용한 경우에는, 오히려 장기적으로 수중양생을 진행하였음에도 불구하고 수중양생과 대기 노출양생(건조양생) 조건의 중간 정도의 값을 갖는 것을 확인하였다. 즉 재령 극초기의 탄산화 노출은 배합 종류에 따라 장기적인 강도나 내구성 확보에 있어 반드시 긍정적인 영향을 미치는 것은 아님을 확인하였다. 따라서, 최근 다양한 연구자에 의해 개발되고 있는 촉진 탄산화 양생이 콘크리트의 강도와 내구성에 미치는 영향에 대해서 이후 충분한 검토가 필요하다고 사료된다.