2.1. 시험편의 제작 및 노출조건

보통포틀랜드 시멘트를 사용하여, Table 2와 같이 물-시멘 트비 0.45, 0.50, 0.55의 수준에서 콘크리트를 배합한 후, 28 일 동안 수중양생하였다. 이때 시험편의 크기는 100 × 100 × 200 mm이다.

2.2. 콘크리트의 탄산화

28일 동안 콘크리트 시험편을 표준양생하여 종료후, 탄산 화가 전기저항에 미치는 영향을 고찰하고자 촉진조건을 조 성하였는데 온도 20℃, 습도 65%, CO₂ 농도 5%의 촉진 조 건에서 탄산화 촉진기를 가동시켰다. 탄산화 깊이는 1% 페 놀프탈레인-알코올 용액을 콘크리트 파단면에 살포하고 버니 어 캘리퍼스를 이용하여 측정하였다.

콘크리트의 탄산화는 칼슘성분이 CO₂에 의하여 탄산칼슘 이 생성되는 현상으로서 탄산화 과정은 CO₂가 공극수내에서 해리되어 탄산을 형성하기 때문에 수분이 필요하며 과정에 서도 수분이 형성된다. 따라서, 수분에 대한 영향을 무시하 고 순수하게 탄산화로 인한 전기저항의 영향을 파악하기 위 하여 탄산화된 콘크리트 시험편은 공극내 수분량의 영향을 배제하고자 포화상태로 가공하였다. 이때 시험편은 Fig. 1의 진공챔버에서 50 kPa 압력으로 3시간 동안 진공시키고 7시 간 동안 물에 침지하여 완전포화상태를 유도하였다.

Fig. 1.

Vacum chamber

2.3 콘크리트의 전기저항

각 재령마다 콘크리트의 전기저항의 측정을 위하여 Fig. 2 와 같이 Wenner 방식의 4전극 실험장비가 이용되었다. 콘크 리트의 전기저항은 인가된 전류 (I)와 반비례하는데, 전위차 (V)가 내부 안 전극에서 측정되며 오옴의 법칙에 의하여 겉 보기 전기저항이 다음 식에 의하여 측정된다.

여기서, ρ : 콘크리트의 전기저항,

α : 전극사이 간격이다.

Fig. 2.

Measurement of electrical resistivity in concrete

측정방법은 측정전 전극에 물을 접촉한 후, 전극을 콘크리 트 표면에 접지시켜 데이터를 획득하였다. 전기저항값은 시 험편의 크기 및 형상에 따라서 바뀔 수 있는데, Table 3은 염소이온 침투율에 준한 전기저항의 기준치를 제시한 것이다.

3.1. 탄산화가 진행됨에 따른 콘크리트의 전기저항

Fig. 3은 시간 경과에 따른 콘크리트의 탄산화 깊이를 보 인 그림이다. 물-시멘트비에 따라 뚜렷하게 탄산화의 진전을 확인할 수 있으며, 시간의 경과에 따라 진전속도는 다소 완 만한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3.

Carbonation depth of concrete specimen

Fig. 4는 탄산화된 콘크리트의 전기저항 측정치를 측정한 결과이다. 시간이 경과함에 따라 전기저항이 상승하는 경향을 보였는데, 이는 탄산화로 인하여 치밀해진 공극구조 및 시간 이 경과함에 따라 탄산화깊이가 더욱 진전되기 때문에 기인된 현상으로 사료된다 (^{De Ceukelaire and Van Niewwenburg, 1993}). 또한, 시간이 경과됨에 따라 콘크리트의 수화도 향상 으로 수화물의 생성 및 공극구조가 발현되어 전기저항이 지 속적으로 상승하였기 때문이다 (^{Yoon, 2013}). 초기재령에서 는 전기저항치가 낮게 나타났으며, 물-시멘트비에 따른 차이 도 뚜렷하지 않았으나 시간이 경과되면서 전기저항 측정치 도 지속적으로 상승하되 완만한 추이를 보였다.

Fig. 4.

Electrical resistivity of carbonated concrete

Fig. 5는 앞서 서술한 Fig. 4의 콘크리트 시험편당 4회의 측정 데이터를 평균화하여 보인 것이다. 탄산화되기전과 비 교하여 탄산화된 후 콘크리트의 전기저항도 물-시멘트비에 따라 뚜렷한 추이를 보였다. 또한, 물-시멘트비 0.55와 0.50 에 대비하여 물시멘트비 0.45가 뚜렷한 차이를 보였다. RESI 비저항 측정 기준에 의하면 12 KΩ⋅cm 이상, ^{Broomfield (1997})는 20 KΩ⋅cm 이상이면 철근부식에 대한 우려가 거 의 없는 것으로 제안하였는데, 두 제안치의 공통 제안치는 12 KΩ⋅cm으로서 모든 시험체가 약 50일 재령이 경과하였 을 때 이 수치를 초과하였다.

Fig. 5.

Electrical resistivity of carbonated concrete (average value)

3.2. 노출조건이 전기저항에 미치는 영향

Fig. 6은 본 연구에서 얻은 탄산화된 콘크리트 대비 기존 에 연구 (^{Yoon, 2013})된 기중노출된 비탄산화된 콘크리트의 전기저항과의 비율을 재령에 따라 보인 결과이다. 물-시멘트 비와 무관하게 전 콘크리트에서 초기재령 128일까지 탄산화 로 인하여 뚜렷하게 전기저항 비율이 감소하되, 128일을 경과 하면서 일정한 추이를 보였다. 이는 기존 연구 (^{Yoon, 2013}) 에서 기중조건에서는 전기저항의 측정치가 100일 이후로 급 격히 상승하는 것에서 기인된 결과이다. 기중조건을 포화조 건과 비교하면, 100일 이전까지는 기중상태 전기저항 데이터 의 폭이 비교적 작았으나, 100일이 경과하면서 전기저항 데 이터가 기하급수적으로 상승하였다. 이러한 현상은 실험 종 료되는 시점까지 계속되면서 탄산화 깊이와의 비율에서도 같은 추이를 보인 것으로 생각된다.

Fig. 6.

Relationship between electrical resistivity ratio of carbonated concrete to air concrete with elapsed time

일반적으로 기중 및 현장에서 측정되는 전기저항은 실내 측정보다 더 큰 영향을 받는데, 특히 온, 습도에 의한 변동이 큰 것으로 알려졌다 (^{Millard, 1991}; ^{Millard and Gowers, 1992}). ^{Osterminski et al. (2012})이 행한 17년 장기폭로시험 결과에 의하면, 완전건조된 콘크리트는 절연체처럼 이온이나 전하의 이동을 실질적으로 불허하며, 반면 공극수내 충분한 수분은 전기저항을 크게 감소시킨다. 시멘트 경화체내 상대 습도 40% 수준까지의 수분은 비유동성을 가지며, 시멘트 페 이스트의 내부표면에 강하게 부착된다. 일반적으로 수분량이 낮을수록 콘크리트의 통전성이 작아져서 전기저항이 커지는 것으로 알려져 있다. 또한, 탄산화는 콘크리트내 수분량에도 영향을 미치며 이는 전기저항 측정결과에 영향을 미칠 수 있 다. 따라서, 기중조건에서 측정한 전기저항 측정 결과는 수 분량이 적으므로 포화시킨 탄산화된 콘크리트 값보다 더 낮 은 추이를 보인 것으로 판단된다. 그러므로 콘크리트의 전기 저항은 탄산화로 인한 공극감소보다 수분량에 의해 더 큰 영 향을 받는 것으로 추정된다.

Fig. 7은 본 연구에서 얻은 탄산화된 콘크리트 대비 기존 에 연구된 포화된 비탄산화된 콘크리트의 전기저항 (^{Yoon, 2013})과의 비율을 보인 결과이다. 물-시멘트비와 무관하게 모든 콘크리트에서 초기재령에서 전기저항 비율이 증가하되 장기재령으로 갈수록 일정한 추이를 보였다. 또한, 물-시멘트 비에 따라 전기저항 비율의 대소가 뚜렷한 추이를 보였는데, 물-시멘트비가 클수록 전기저항 비율도 높게 나타났다. 이는 기존의 연구 결과와 대비할 때 탄산화로 인한 공극량 감소가 물-시멘트비가 높은 콘크리트일수록 뚜렷하게 발생한다는 연 구결과와 상응한다 (^{De Ceukelaire and Van Nieuwenburg, 1993}).

Fig. 7.

Relationship between electrical resistivity ratio of carbonated concrete to saturated concrete with elapsed time

3.3. 탄산화가 전기저항에 미치는 영향

Fig. 8은 탄산화된 콘크리트와 기존 연구 (^{Yoon, 2013})의 기중노출된 콘크리트의 전기저항 비를 탄산화 깊이와 관계 하여 보인 그림이다. 기중보다 탄산화된 상태에서 콘크리트 의 전기저항이 더 높을 것으로 추정되나, 본 연구에서는 탄 산화된 콘크리트를 전기저항 측정의 표준상태인 포화상태로 유도하여 기중상태 콘크리트보다 전기저항 값이 더 낮은 것 으로 생각된다. 탄산화 깊이에 따른 기중 콘크리트 대비 탄 산화 콘크리트의 전기저항 비율은 물-시멘트비에 따라서 구 분되는 추이를 보였는데, 물-시멘트비 0.45인 콘크리트는 1.5 mm, 0.50인 콘크리트는 5 mm, 0.55인 콘크리트는 7 mm의 탄산화깊이 이전까지는 급격하게 전기저항비가 감소하였고 이를 초과하면서는 일정한 추이를 보였다.

Fig. 8.

Relationship between electrical resistivity ratio of carbonated concrete to air concrete and carbonation depth

Fig. 9는 탄산화된 콘크리트와 비탄산화된 콘크리트의 전 기저항 비를 탄산화 깊이와 관계하여 보인 결과이다. 탄산화 가 전기저항에 미치는 요인은 크게 두가지로 생각할 수 있 다. 첫째는 탄산화로 인한 공극률 감소로 콘크리트의 전도성 이 감소될 수 있다 (^{Simon and Vass, 2012}). 둘째는 탄산화 로 인하여 시멘트 경화체내 전하량 이동의 주된 통로인 OH 농도가 감소되어 전도성이 약화되고 궁극적으로 전기저항이 높아지는 결과를 초래할 수 있다 (^{Claisse, 1988}). 본 연구에 서는 물-시멘트비와는 무관하게 모든 콘크리트에서 탄산화로 인하여 전기저항 비가 선형으로 상승하는 현상을 보였다. 즉, 탄산화 깊이가 3 mm ~ 6 mm 수준으로 미소하게 진행되었 어도 전기저항은 약 2 ~ 3배 상승하였다. 이를 회귀식으로 도출한 것이 식 (2)로서 이때 결정계수 0.90의 수준이었다. 이 식은 포화상태에서 탄산화된 콘크리트의 전기저항을 보 정하는데 의미 있을 것으로 생각된다.

여기서, ρ_c : 포화상태에서 탄산화된 콘크리트의 전기저항 (KΩ · cm),

ρ_sat : 포화상태에서 비탄산화된 콘크리트의 전기 저항 (KΩ · cm),

d_c : 탄산화깊이 (mm)이다.

Fig. 9

Relationship between electrical resistivity ratio of carbonated concrete to saturated concrete and carbonation depth