2.1.1 염화물 수용액

본 연구에서는 제설제가 콘크리트에 미치는 사질화 메커니즘을 분석하기 위해 DIW, 염화나트륨(NaCl)포화용액, 염화칼슘(CaCl₂) 포화용액, NaCl과 CaCl₂가 혼합된 제설 염수(D-ice) 네 가지 염화물 수용액을 선정하였다. D-ice는 고체 염화나트륨(NaCl)과 염화칼슘(CaCl₂) 수용액을 조합하여 제조된다. 본 연구에서는 MOLIT⁽²⁰²³⁾와 동일하게 30 % 농도의 CaCl₂ 수용액과 고체 NaCl을 질량비 3:7로 혼합하여 제설 염수를 구성하였다.

2.1.2 배합

배합은 한국도로공사 도로교통연구원의 고속도로 건설재료 품질기준 전문의 시멘트 콘크리트 설계기준 배합비에 따라 압축강도 24 MPa에 맞춰 배합 설계하였다^{(KECRI 2022)}. Table 3 1행의 기준 배합(Reference mix, Ref.)을 바탕으로 2행의 배합(Proposed mix, Pro.)으로 배합설계 하여 배합을 진행하였다. 콘크리트의 공기량은 동결융해 저항성에 직접적인 영향을 미친다^{(Koh et al. 2001)}. 또한 콘크리트 내 연행공기는 동결 시 수분이 팽창할 때 발생하는 압력을 완충하는 역할을 수행하여 동결융해 저항성을 증가시키는 것으로 알려져 있다^{(Park 2008)}. 이에 따라 본 연구에서도 적정 공기량(5~7 %)을 확보하기 위해 KS F 2421^{(KATS 2021)}에 따라 공기량을 6 %, 슬럼프를 150 mm를 목표로 설정하고 실험 배합을 수행하였다.

2.1.3 콘크리트 시편

콘크리트 시편은 KS F 2403^{(KATS 2024a)}의 방법에 따라 압축강도 시험을 위한 원주형 공시체(Φ100 mm×200 mm) 75개를 제작하였고, 상대동탄성계수와 초음파속도 측정을 위한 각주형 공시체(100 mm×100 mm×400 mm) 4개를 제작하였다. 제작한 시편은 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1. Concrete specimens

2.1.4 염화물 침지

교량 바닥판에 염화물이 체수되는 현상을 반영하고자 콘크리트 시편을 각각의 수용액에 침지를 진행하였다.

침지 30 days, 60 days, 180 days 이후의 압축강도와 동탄성계수, 초음파속도를 측정하여 침지기간에 따른 압축강도, 상대동탄성계수, 초음파속도의 변화를 알아보고자 하였다. Fig. 2는 외부에 보관한 침지 시편 수용액의 온도를 일주일 간격으로 측정한 결과이다.

Fig. 2. Monthly temperature profile for different soaking solutions

2.2.1 동결융해

동결융해 실험은 KS F 2456^{(KATS 2023a)}의 기준에 준하여 실험하였다. 콘크리트 시편의 온도를 4 °C에서 -18 °C 떨어뜨리고 다시 -18 °C에서 4 °C로 상승시키는 것을 1 사이클로 설정하였다. 본 실험에 사용된 동결융해 사이클은 Fig. 3에 나타내었다. 염화물에 노출된 콘크리트의 동결융해 현상을 모사하기 위하여, 비닐에 콘크리트 시편과 염화물 수용액을 담아 콘크리트 시편이 동결융해가 진행되는 과정에서도 염화물의 영향을 받을 수 있도록 실험하였다.

Fig. 3. Simplified temperature profile of a freeze-thaw (F-T) cycle

2.2.2 압축강도

콘크리트의 압축강도 시험은 KS F 2405^{(KATS 2022)}에 따라 수행하였다. 시험은 원주형 시편(Φ100 mm×200 mm)을 사용하여 실행하였다. 만능시험기(UTM)를 이용하여 하중을 일정한 속도(0.6±0.2 MPa/s)로 수행하였다. 각 실험 조건마다 3개의 시편을 시험한 후 평균값을 최종 압축강도로 평가하였다.

2.2.3 초음파 속도 측정

콘크리트의 초음파 속도 측정 시험은 KS F 2731^{(KATS 2023b)}에 따라 진행하였다. 본 실험에서는 각주형 공시체에 탐촉자를 시편의 양 끝단에 접촉시켜 발생한 초음파의 속도를 측정하였다.

2.2.4 상대동탄성계수

콘크리트의 상대동탄성계수 측정은 KS F 2437^{(KATS 2024b)}을 기준으로 진행하였다. 본 시험은 각 실험 후 공진주파수를 측정하여 초기 상태와의 동탄성계수 변화를 상대적으로 평가하는 방법으로 수행하였다. 실험은 각주형 시편(100 mm ×100 mm ×400 mm)을 대상으로 공진주파수를 측정하였다. 상대 동탄성계수는 초기 상태의 공진주파수와 실험을 진행한 후 측정된 공진주파수의 비를 이용하여 계산하였다.

$P_{c}$: 동결융해 C 사이클 후의 상대동탄성계수(%)

$n_{o}$: 동결융해 0 사이클에서의 변형 진동의 1차 공명 주파수 (Hz)

$n_{c}$: 동결융해 C 사이클에서의 변형 진동의 1차 공명 주파수 (Hz)

각 조건마다 7회 이상 반복 측정한 뒤 평균값을 산정하여 초음파 속도와 상대동탄성계수를 나타내었다.

2.3.1 압축강도

기존 연구들에서는 동결융해(F-T) 이후 제설염수 침지로 인한 압축강도 변화가 공통적으로 보고되었다. Shi et al.⁽²⁰⁰⁹⁾은 NaCl 및 CaCl₂ 용액에 노출된 콘크리트에서 180일 경과 시 압축강도가 각각 최대 20 % 및 28 % 감소했고, Qiao et al.⁽²⁰¹⁸⁾도 NaCl 침지 후 휨강도가 최대 30 %까지 감소하는 경향을 나타냈다.

본 연구에서는 침지 후 다시 F-T 시험을 수행하고 시편의 압축강도를 측정한 결과(Table 4 및 Fig. 4), DIW에 노출된 시편의 경우 60일 경과 시 압축강도가 129 %로 증가하였으며, 이는 수화 반응의 진행과 미세구조 치밀화에 의한 것으로 판단된다.

NaCl 용액에 노출된 시편은 60일 후 압축강도가 117 %로 증가하였는데, 이는 염화물이 시멘트 수화물과 반응하여 프리델염을 형성하고, 이로 인해 공극이 채워져 미세구조가 치밀화된 결과로 보인다^{(Qiao et al. 2018)}. 그러나 180일이 경과한 후에는 NaCl 노출 시편의 압축강도가 96 %로 감소하며, 장기적으로 염화물에 의한 미세균열 진행의 가능성을 시사했다.

한편, CaCl₂ 및 제설 염수(D-ice)에 노출된 시편은 28일 양생 시편 대비 180일 경과 후 압축강도가 각각 76 %, 80 %로 감소하여, 기존 연구들과 유사하게 CaCl₂와 D-ice가 NaCl보다 콘크리트의 압축강도에 더 부정적인 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

각 염화물 수용액에 노출된 시편에 대해 동결융해시험을 실시한 후 압축강도를 측정한 결과(Table 5 및 Fig. 5), CaCl₂ 노출 시편은 180 사이클 후 압축강도가 급격히 감소하며 초기 대비 32 %로 감소하였다. D-ice에 노출된 시편 또한 CaCl₂와 유사한 경향을 보이며 압축강도가 63 %으로 저하되었다. 반면, DIW 및 NaCl에 노출된 시편은 비교적 미미한 감소를 보였다.

Fig. 6에 각 염화물 노출 후의 압축강도와 노출 후 동결융해 실험을 진행한 시편의 압축강도를 나타내었다. 각 동결융해 실험을 진행한 경우, 이전보다 압축강도가 감소하였다. DIW에 노출된 시편은 실험을 진행하는 동안 강도 감소가 거의 없었으며, 180 사이클의 동결융해 실험을 진행한 이후에도 초기 강도의 93 % 이상을 유지하였다. 반면, NaCl에 노출된 시편은 초기 강도는 DIW와 유사하였으나, 180 사이클의 동결융해 실험을 진행한 이후 초기 강도 대비 85 %의 압축강도를 나타내었다. CaCl₂에 노출된 시편은 초기부터 강도 저하를 보이며, 특히 동결융해 반복 이후 최종 강도는 32 %(7.4 MPa)로 감소하였다. D-ice에 노출된 시편 또한 유사한 감소 경향을 나타냈으며, 최종 강도는 64 %(14.7 MPa)로 단일 염에 비해 복합적인 열화 양상을 보였다. 염화물과 동결융해 작용은 콘크리트의 압축강도에 영향을 미치며, CaCl₂의 영향이 가장 큰 것으로 나타났다.

Fig. 4. Compressive strength of specimens under different soaking conditions over time

Fig. 5. Compressive strength variation of specimens under freeze-thaw cycles and different soaking conditions

Fig. 6. Compressive strength of specimens under different soaking conditions and freeze-thaw (F-T) cycles

2.3.2 초음파 속도

기존 연구들에서는 초음파 속도를 이용해 콘크리트 내부 손상을 평가한 결과, 염화물 노출 및 동결융해(F-T) 시험이 진행될수록 초음파 속도가 감소하는 경향이 보고되었다. Jain et al.⁽²⁰¹²⁾은 16시간 동안 용액에 노출시키고 8시간 동안 건조시키는 사이클을 1 W-D(Wet-Dry) 사이클로 정의하여 실험을 진행하였다. NaCl 용액 노출 시 초기에는 미세구조 치밀화로 초음파 속도가 최대 105 %까지 증가하는 현상을 관찰했으나, CaCl₂ 노출 시 154 W-D 사이클 후 약 30 %의 속도 감소가 나타나 내부 손상의 진행을 시사하였다.

본 연구에서 초음파 속도 측정 결과(Table 6 및 Fig. 7)에서도 모든 시편에서 침지 기간과 동결융해 사이클이 경과함에 따라 초음파 속도 감소가 관찰되었다. 특히 DIW 및 NaCl 노출 시편은 30일 및 F-T 30 사이클 이후 비교적 미미한 감소를 보였으나, CaCl₂ 및 D-ice에 노출된 시편에서는 급격한 속도 감소가 나타났다. D-ice에 노출된 시편은 180일 및 F-T 180 사이클 시점에서 초기값 대비 48 %의 초음파속도를 기록하여 단일 염 노출 시편보다 내부 손상이 더 심각한 것으로 확인되었다. 또한 동결융해 시험 전보다 동결융해 시험 후의 초음파속도 감소 폭이 더 컸다. 이러한 결과는 기존 연구들과 유사한 결과이다. 이는 제설 염수 중 CaCl₂의 높은 반응성이 공극용액 pH를 저하시켜 AFm 상변화(프리델염 생성)를 촉진하고, 포틀랜다이트와의 반응으로 CaOXY가 형성되면서 결정 팽창으로 내부 압력을 유발하기 때문이다. 여기에 F-T 과정에서 공극 내의 얼음 결정 생성 또한 내부 압력 증가로 반복되며 미세균열이 진전된다. 결과적으로 D-ice는 NaCl보다는 반응성이 큰 CaCl₂의 화학적 팽창 메커니즘과 동결융해 사이클의 물리 손상이 중첩되어 초음파 속도가 가장 크게 저하된 것으로 해석된다.

2.3.3 상대동탄성계수

기존 연구에서는 상대동탄성계수가 콘크리트의 동결융해(F-T) 손상을 평가하는 주요 지표로 사용되어 왔으며, 제설제 노출 시 상대동탄성계수 감소가 가속화된다고 보고되었다. Ghazy ⁽²⁰¹⁷⁾는 CaCl₂ 용액에서 약 50 %의 감소가 관찰되었다고 보고하였다.

상대동탄성계수 측정 결과(Table 7 및 Fig. 8) 역시 유사한 경향을 나타냈다. DIW 및 NaCl 노출 시편은 30일간의 침지 후 각각 105 %로 상대동탄성계수 증가가 나타났다. 이는 초기 수화 반응의 진행 및 미세구조 치밀화 효과로 판단된다. 이후 동결융해 사이클이 진행됨에 따라 최종적으로 각각 약 89 %, 96 %의 상대동탄성계수가 나타났다. 반면 CaCl₂ 및 D-ice에 노출된 시편은 동결융해가 진행될수록 상대동탄성계수가 급격히 감소하여 최종적으로 각각 약 70 %, 73 %의 상대동탄성계수 값을 기록하였다.

Fig. 7. Ultrasonic pulse velocity of specimens under different soaking conditions and freeze-thaw (F-T) cycles

Fig. 8. Relative dynamic modulus of specimens under different soaking conditions and freeze-thaw (F-T) cycles