이현 기
(Hyeon-Gi Lee)
1)
오홍 섭
(Hong-Seob Oh)
2)*
심종 성
(Jong-Sung Sim)
3)
심재 원
(Jae-Won Shim)
4)
© Korea Institute for Structural Maintenance Inspection All rights reserved
키워드
콘크리트 포장, 제설염, 동결융해 조건, 스케일링 시험법
Key words
Concrete pavement, De-icing salt, Freezing and thawing condition, Scaling test methods
1. 서 론
현재 국내 고속도로상의 콘크리트 포장 및 구조물에서 지 속적으로 거론되고 있는 가장 큰 문제는 동결융해와 제설염 에 의해 발생되는 콘크리트의 복합열화이다.
특히, 적설한랭 지에서의 콘크리트 포장 및 구조물은 동절기에 동결융해에 의한 반복적인 동해와 함께 강설시 도로는 안전한 교통흐름 을 유지하기 위해
살포되는 염화물계 제설제의 침식을 복합 적으로 받게 된다. 지난 10여년 동안 국내 평균강설량의 변 화는 크지 않으며, 2002년 이전까지는 20kN/2차선⋅km의
제설제가 살포되었으나, 습염식 (NaCl+CaCl2, 7:3 중량비 %) 제설제를 적용한 2002년 이후 부터 최근까지 연평균 제설제 사용량은 약 100kN/2차선⋅km으로 크게 증가하고 있는 상
태이다. 일반적으로 염화물 성분의 제설제는 콘크리트 포장 및 구조물로 침투하여 철근부식에 의한 성능저하를 야기하 기도 하지만, 동절기 동해와 함께
복합적으로 작용하여 표면 스케일링 발생 등 콘크리트 표면이 열화되는 형태로 나타나 외관상 문제가 되고, 구조물의 열화를 더욱 가속시키기도 한 다 (Zi et al., 2012).
콘크리트 포장의 내구성 손상 항목으로는 제설염에 의한 스케일링과 동결융해 등을 거론할 수 있다. 동결융해에 의한 콘크리트의 내구성능 저하는 내부 미세균열
성장에 의한 치 밀도 저하 (상대 동탄성계수 저하) 및 표면 조직의 스케일링 으로 나타난다. 일반적으로 동결융해 저항성 평가는 급속 동 결융해 시험에
의한 상대 동탄성계수 변화로 평가되며, 동결 융해 300싸이클에서 상대 동탄성계수가 60% 이상인 경우의 콘크리트 배합이 저항성을 확보한 것으로 평가하고,
이는 적 절한 연행공기 확보를 통하여 충족이 가능한 것으로 연구되 고 있다. 반면 스케일링 저항성의 경우 외부환경에 노출된 콘크리트 표면이 동결융해
및 염해 등 여러 열화요인에 의해 복합적으로 작용하여 구조체의 표면에 손상을 일으키는 것 으로 피해정도가 크고 다양하게 발생되며, 열화정도의 예측
이 난해하다. 상기의 언급한 바와 같이 최근 제설제 사용량 이 급증함에 따라 제설제에 의한 표면 스케일링이 크게 증가 있으며, 이에 대한 대책 및
평가방법 제정이 요구되어지고 있다 (Lee et al., 2010).
국제적으로는 콘크리트 표면손상에 대한 평가와 예측을 위하여 다양한 시험방법 및 기준들이 제시되어지고 있다. 하 지만 국내에서의 평가방법은 2002년
이후 폐지되어 표면 손 상에 대한 규정이 없으며, 관련 연구 또한 미미한 수준이다. 현재 국내의 평가방법은 단일의 열화요인 (동결융해)에 대하 여
KS F 2456 “급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항성” 으로 규정되어 있다. 스케일링의 경우 단일의 요인이 아닌 동결융해 및 제설염의 복합적인
작용에 의해 발생되는 현상 이며, 단일의 열화요인으로 평가하기에는 상이한 결과를 나 타내므로 스케일링 저항성에 대한 검토 및 평가가 요구되고 있다
(Zi et al., 2012).
이에 따라 본 연구에서는 국내 시멘트 콘크리트 포장에서 주로 사용되고 있는 플라이애쉬를 20% 혼입한 콘크리트와 일반 콘크리트 (OPC)에 대하여
물-시멘트비 40, 45, 50%로 설정하여 실험을 실시하였다. 먼저, 스케일링 메커니즘에 대 한 고찰을 하고 각 변수별 압축강도 특성을 확인한 후
스케 일링 저항성에 대한 각 기관 및 나라에서 제시되고 있는 평 가방법 및 규정에 따라 실험을 수행하였다. 각각 시험에 대 한 결과를 도출하여 비교⋅분석하고
실험결과 및 문헌 고찰 을 통하여 최적화된 실험법을 제시하고자 한다.
2. 동결융해와 제설염에 의한 콘크리트 손상 메커니즘
단순 동결융해에 의한 콘크리트의 성능 저하는 동해 깊이 에 따라 다르며, Fig. 1과 같이 동해에 의한 스케일링 등이 발생하기까지의 ‘잠복기’, 동해는 진행되지만 강재부식에는 도달하지 않는 ‘진전기’, 동해깊이가 강재위치에 도달하여
강재부식이 진행되는 ‘가속기’, 동해깊이가 강재위치보다 높 아서 내하력에 영향을 미치게 되는 ‘열화기’로 구분된다.
Fig. 1.
Combined Deterioration Model by Freezing & Thawing Action and Chloride Penetration
염해와 동해의 복합열화 경우에는 염화물 침투에 의해 콘 크리트 중의 이온 농도가 높아지고, 삼투압에 의해 높아진 정수압에 의해 스케일링 량이 증가하게
됨에 따라 철근표면 까지의 피복이 감소하게 되고, 이로 인해 염화물이온의 확산 이 촉진되기 쉽다.
제설제에 의한 콘크리트 열화 발생 메커니즘은 제설제의 화학성분이 콘크리트와 반응하는 화학적 메카니즘과 제설제 및 수분의 침투압 및 수압과 콘크리트의
내부 응력의 변화 등으로 인한 물리적인 메커니즘으로 구분될 수 있다. 이에 따라 동결융해 및 염해에 대한 복합적 손상 메커니즘은 물리 적 요인에 의해
기인한 것으로 판단된다 (Choi, 2005).
2.1. 화학적 메커니즘
제설제인 염화나트륨의 장기 상용으로 인한 주요 화학적 열화 메커니즘은 수산화칼슘 (calcium hydroxide, CaOH2)의 용해이다. 염화나트륨 용액의 장기적 폭로에 의해 수산화칼 슘 (calcium hydroxide)이 용해되고, 표면으로 빠져 나와 얼 음형성의
양을 증진시키는 표층부근의 다공성 (porosity)을 증가시켜 콘크리트의 투과성 (permeability)을 증가시키게 된 다. 이때의 화학반응은
식 (1)과 같다.
이때 발생한 가용성 (solubility) 염화칼슘은 반응 식 (2)에 나타낸 것과 같이 알루민산삼칼슘 (tricalcium aluminate, C3A)과 반응하여 클로로알미네이트 (Friedel’s salt)를 생성 할 가능성이 있다. 폭로시간이 짧은 실험실 시험에서 이들 반응이 직접적으로 영향을
끼칠 가능성은 희박하지만, 실제 로 공용되는 콘크리트 표층에서는 장기적으로 반응을 일으 켜 콘크리트 표면의 스케일링을 야기시킨다.
2.2. 물리적 메커니즘
제설제에 의한 콘크리트 표면 열화 발생 메커니즘은 본질 적으로 물리적인 작용으로, 동해의 발생 메커니즘인 Power 의 침투압설의 확대 해석이 기본이
되고, 그 외에도 각종 메 커니즘이 제안되고 있지만, 아직도 정확하게 파악되고 있지 못한 실정이다. 이는 실험실 조건과 현장 조건과의 차이가 크고,
콘크리트 표면 스케일링 현상이 매우 복잡하고 콘크리 트의 미세적인 레벨에서의 비균질성에 기인하기 때문에 각 각의 현상에 대한 명확한 설명이 아직 불가능한
실정이다. 여기에서는 Powers and Helmuth (1953) 및 Marchand and Pigeon (1994)이 정리한 주요 메커니즘을 미시적 (Microstructure) 인 요인, 거시적 (Macrostructure)인 요인으로 구분하여 설명 하였다.
먼저, 미시적인 요인으로는 침투압의 증가 및 수압과의 복 합현상, 콘크리트 포화도 증가 및 증기압차에 의한 수분이동, 혐의 결정 성장 등으로 설명될
수 있고, 거시적인 요인으로 는 열충격 발생, 층간 동결에 의한 응력차 발생 등에 의한다 고 설명되고 있다 (Marchand and Pigeon, 1994).
이들 여러 학설들 중에서 주요 학설을 설명해 보면 침투압 설의 경우, 얼음의 형성은 보다 큰 미세공극중의 용액으로부 터 시작되지만, 염화물이 존재하면
동결온도가 저하되는 과 냉각 현상이 발생하므로, 물이 모두 얼지 않아, 순수한 얼음 이 석출되고 남은 용액의 염분농도가 높아져 보다 작은 미세 공극속의
용액과 농도차가 발생하게 된다. 이로 인한 화학적 포텐셜의 차로 작은 미세공극속의 물을 용액의 염 농도가 보 다 높은 큰 미세공극으로 이동시키는 침투압이
발생해 내부 응력을 발생시킨다. 보다 큰 미세공극 중의 물은 빠져 나온 물에 의해 염 농도가 감소하므로 많은 얼음을 형성하게 된 다. 또 온도의 저하는
작은 미세공극 중의 용액 혹은 염 농 도가 어느 정도 높게 된 용액에 의해 얼음 형성이 가능하게 되므로 내부응력을 증대시켜 콘크리트 조직이 파괴되는
것 이다.
한편 거시적인 요인의 열충격 발생설은 보다 쉽게 이해할 수 있는데, 제설제가 살포되면 콘크리트 표층 온도가 매우 급속하게 변화되어 열충격이 생긴다는
설이다. 즉, 염화나트 륨은 물에 녹을 때 흡열반응을 수반하므로, Fig. 2와 같이 콘 크리트로부터 열을 흡수하여 콘크리트 표면 온도가 급속하 게 저하되고, 염화칼슘은 발열반응을 수반하므로 콘크리트 표면 온도가 급속하게 상승하게
되어 표층의 급속한 온도변 화에 의해 발생된 응력이 콘크리트의 인장강도를 상회하면 미세한 균열이 발생하게 된다는 것이다.
Fig. 2.
Internal Stress Induce by Temperature Gradient
3. 사용재료 및 실험방법
3.1. 사용재료
3.1.1. 시멘트
본 연구에서 사용된 시멘트의 경우 보통 포틀랜드 시멘트 를 사용하였으며, 비중은 3.15이다. 사용된 시멘트에 대한 화 학성분 분석 결과는 다음 Table
1과 같다.
Table 1
Properties and Chemical Composition of Cement
|
Classification
|
Chemical composition (%)
|
Average particle size (μm)
|
Density (g/cm3)
|
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO
|
Na2O
|
K2O
|
|
OPC
|
20.1
|
4.64
|
3.76
|
64.2
|
0.107
|
1.04
|
24.63
|
3.13
|
3.1.2. 플라이애시
본 연구에서는 실리카 (SiO2), 알루미나 (Al2O3), 산화철 (Fe2O3)의 성분비가 70% 이상인 Class F 플라이애시를 사용 하였으며, 화학적 성분 및 물리적 성질은 Table 2와 같다.
Table 2
Properties and Chemical Composition of Fly ash
|
Classification
|
Chemical composition (%)
|
Average particle size (μm)
|
Density (g/cm3)
|
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO
|
Na2O
|
K2O
|
|
Fly ash
|
58.5
|
22.5
|
7.30
|
4.37
|
0.436
|
1.71
|
53.99
|
2.18
|
3.1.3. 골재
골재는 굵은 골재의 경우 최대 치수 25mm이고, 비중 2.69, 조립율 7.47인 쇄석을 사용하였으며, 잔골재의 경우 비중 2.61, 조립율 2.76인
모래를 사용하였다. 사용재료의 물리 및 화학 적 특성은 다음 Table 3과 같이 나타내었다.
Table 3
Chemical property of cement
|
Component
|
CaO
|
SiO2 |
Al2O3 |
MgO
|
Fe2O3 |
SO3 |
Loss Ign.
|
|
Ratio (%)
|
61.3
|
21.1
|
5.2
|
4.0
|
2.8
|
2.4
|
2.0
|
3.2. 실험방법
3.2.1. 콘크리트 배합
본 연구는 시멘트 콘크리트 포장의 스케일링 저항성 평가 방법들의 적합성을 분석하기 위한 실험으로 콘크리트 목표 설계 강도는 현재 포장용 콘크리트에서
주로 사용되고 있는 휨 강도 (fbk) 4.5MPa를 기준으로 하였으며, 배합설계는 시 멘트 콘크리트 포장 배합설계 지침 (2011)에 따라 실시하였 다. 실험변수는 일반 콘크리트 포장
(OPC, 100%)와 현재 콘 크리트 포장에 주로 활용되고 있는 플라이애시 20% 혼입한 콘크리트로 구성하고, 각각의 변수에 따른 물-바인더비는
40, 45, 50%로 설정하여 실험을 수행하였다. 목표 슬럼프의 경 우 현장의 기계 타설을 고려한 포장용 시멘트 콘크리트의 배 합기준에 의거하여
40mm 이하로 하고, 목표 공기량은 동결 융해의 피해를 고려한 5~7%로 설정하였다. 각 변수에 따른 배합설계는 Table 4와 같다.
Table 4
Mix Proportion of Concrete Pavement
|
Specimens
|
Fbk (MPa)
|
W/B (%)
|
Unit weight(kg/m3)
|
Slump (mm)
|
Air (%)
|
|
W
|
C
|
FA
|
S
|
G
|
|
OPC
|
4.5
|
50
|
142
|
284
|
0
|
757
|
1122
|
20~50
|
6±1
|
|
45
|
316
|
0
|
728
|
1124
|
|
40
|
355
|
0
|
697
|
1124
|
|
FA
|
50
|
148
|
237
|
59
|
736
|
1095
|
|
45
|
263
|
66
|
707
|
1095
|
|
40
|
296
|
74
|
676
|
1087
|
3.2.2. 압축강도 시험
이 연구에서는 사용되는 먼저 콘크리트의 압축강도 특성 을 확인하기 위하여 KS F 2405 “콘크리트의 압축강도 시험 방법”에 의거하여 ø100×200mm
공시체를 제작하여 재령 28 일 수중양생 후 압축강도 측정을 실시하였다. 압축강도 측정 은 변수별 각 5개의 시험체를 사용하였다.
3.2.3. 스케일링 저항성 시험
스케일링 저항성 시험은 국내에 잘 알려진 북미의 시험규 격인 ASTM C 672 기준, 스웨덴 시험규격인 SS 13 72 44 (Borås test
method), 독일에서 제안된 RILEM TC 117-FDC/CDF 등이 있으며, 캐나다의 경우 Ontario주의 MTO LS-412와 Quebec주의
규격인 BNQ NQ 2621-900으로 나눌 수 있다. 제안된 시험방법 모두 콘크리트 슬래브 상면에 각각 규정에 서 제시된 일정 농도의 제설 용액을
넣고 동결융해 온도 조 건에서 표면의 성상의 변화 정도를 평가하는 시험방법이다 (Dimitre, 2012).
스케일링의 시험 규준은 제설염의 종류 및 농도, 시편 크 기, 마감 및 양생 방법, 동결융해 싸이클, 평가 방법 등이 다 소 차이를 나타내며, 각
시험방법에 대하여 구분하여 다음 Table 5에 정리하였다. ASTM과 MTO 규준의 차이는 제설 용액의 종류와 농도의 차이를 갖고 있다. ASTM의 경우 CaCl2 4%가 사용되며, 그 외의 규준은 모두 NaCl 3%의 용 액으로 규정하고 있다. 또한 평가 방법의 경우 ASTM의 경 우 육안 평가에 의존하고
있으며, 평가 등급에 따라 5가지의 등급으로 나눌 수 있다. BNQ규준의 경우 시편의 최소 규격 과 마감방법이 다소 차이가 있으며, 동결융해 싸이클
및 온도 의 차이를 나타낸다. BNQ의 경우 마감 방법은 규준대를 이용 하여 다지며, 시편 바닥에 배수를 위한 토목섬유 (geotextile) 를
설치하여야 한다. 또한 양생시 7일 동안의 제설용액에서 의 전처리 기간이 요구되며, 7싸이클마다 중량감소율 및 표 면의 상태를 평가한다. RILEM규준의
경우 다른 규준과 달 리 시험체의 설치에서 차이를 보이며, 그 시험체 설치의 차 이는 Fig. 3(a)와 3(b)와 같이 표현된다.
Fig. 3.
Arrangement of the Scaling Resistance Test Set-up
Table 5
Comparison of Various Standard Test Method for Scaling Resistance of Concrete Surfaces
|
Standards Classification
|
ASTM C672
|
MTO LS-412
|
BNQ 2621-900
|
RILEM TC 117-FDC/CDF
|
|
Saline Solution
|
4%, CaCl2 |
3%, NaCl
|
3%, NaCl
|
3%, NaCl
|
|
Specimen
|
|
|
|
|
|
Finishing
|
After the concrete has stopped bleeding and then with a mediumstiff brush
|
After the concrete has stopped bleeding and then with a mediumstiff brush
|
Only screeding required, no final finishing, instead geotextile is placed at bottom
of specimen when casting to provide drainage
|
Specimens shall be finished to represent the actual surface of the structure in service
|
|
Curing of Specimens
|
-
14days at 100%RH
-
14days at 50±5%RH
|
-
14days at 100%RH
-
14days at 50±5%RH
|
|
|
|
Freeze-Thaw cycles
|
|
|
|
|
|
Evaluation of surface quality
|
-
After 5, 10, 15, 25 and 50cycles
-
Visual assessment of surface
|
-
After 5, 10, 15, 25 and 50cycles
-
Mass measure of cumulative scaled off material in kg/m2
-
Visual assessment of surface not mandatory
|
-
After 7, 21, 35, and 56cycles
-
Mass measure of cumulative scaled off material in kg/m2
-
Visual assessment of surface based on 7 categories
|
-
After every 4, 6 or 14cycles
-
Mass measure of cumulative scaled off material in kg/m2
-
Visual assessment subjective
|
|
Acceptance criteria
|
No acceptance criterion specified. Some organizations specfy mass measurement and
0.8kg/m2 as limit of mass lost
|
After 50cycles the cumulative mass of scaled off material must be < 0.8kg/m2 |
After 56cycles the cumulative mass of scaled off material must be < 0.5kg/mM2 |
No acceptance criterion specified
|
1싸이클을 12시간으로 동결 4시간, 융해 8시간으로 규정 하고 있다. 그리고 각 4, 6 또는 12싸이클마다 측정하여 평 가를 한다. 양생방법에도
다소 차이를 나타내었다. 각 규준 들의 평가방법에 따라 규정된 싸이클을 기준으로 시험체의 중량감소율 및 스케일링 양으로 측정하였으며, 중량감소율 및
스케일링 양의 측정은 시편의 표면 면적당 박리량 (중량 감소량)을 측정하여 식 (3)을 이용하여 산출하였다.
여기서, W0 은 동결융해시험 개시에서 시험체의 무게 (g) Wn 은 n싸이클에서 시험체의 무게 (g), A 는 동결융해 시험 개시에서의 시편의 제설 용액에 노출된 표면적 (cm2)이다. 규정 싸이클마다 용액을 교환하였다. 또한 정확한 시험체의 중량 측정 및 스케일링량을 측정하기 위해 시편의 흡수된 용 액의 증발을 위하여 24시간
건조 후 중량 및 스케일링 육안 측정을 실시하였다.
4. 실험 결과
4.1. 압축강도 시험 결과
본 연구에서는 시멘트 콘크리트 포장의 물리적인 특성 확 인을 위해 공시체 ø100×200mm의 크기로 제작하여 재령 28 일 압축강도를 측정하였다.
각 변수별 5개의 공시체를 제작 하여 실시하고 각각의 측정된 값을 평균하여 결과를 도출하 였다. 그 결과는 다음 Fig. 4와 같다. 재령 28일에서 압축강 도의 경우 OPC와 플라이애시 20%를 혼입한 콘크리트의 경 우 유사한 강도 발현을 나타내었으며, 물-바인더 비
45%에 서 다소 차이를 보였으며, OPC가 약 2.5MPa 정도의 높은 강도를 나타내었다.
Fig. 4.
Compressive Strength Variation of Cylindrical Specimen according to the W/B ratio
4.2. 스케일링 저항성 시험 결과
4.2.1. 평가기준별 시험 결과
시멘트 콘크리트 포장에 대한 스케일링 저항성을 평가하 기 위하여 동결융해 싸이클이 진행됨에 따라 표면 박리정도 와 정량적인 분석을 위하여 각 변수의
콘크리트 시편의 표면 적에 대한 중걍 감소율을 산출하였다. 이에 따라 각 국의 기 관에서 제안되고 있는 규정들에 따라서 시험을 실시하였으 며, 그
결과는 Fig. 5~8에 나타내었다. 그 결과, RILEM 기 준을 제외한 시험 기준은 각 변수별 경향이 유사하게 나타났 으며, ASTM기준의 경우 플라이애시를 혼입한
물-바인더비 50%를 제외하고 모든 변수가 규정을 만족하였다. 이에 반해 MTO와 BNQ기준은 플라이애시를 혼입한 경우 모든 물-바 인더비에서 규정에
부적합한 결과로 측정되었다. 이는 플라 이애시를 콘크리트에 혼입할 경우 장기적인 거동 측면에서 우수한 것으로 알려져 있어 이에 따라 수중양생 14일과
기건 양생 (RH50±5%)의 양생기간만으로 스케일링 저항성 측면 에서 플라이애시의 성능을 검증하기에는 다소 어려움이 있 는 것으로 판단된다. 또한
ASTM과 MTO기준을 비교하면 MTO규준으로 평가시 다소 높은 스케일링량을 나타내었으 며, 이는 제설용액 특성상 NaCl과 CaCl2의 반응성 정도에 따른 수산화칼슘 용출 특성에 따른 것으로 사료된다. NaCl 을 사용할 경우 높은 Cl-이온에 의해 다소 높은 열화특성을 나타내며, 이와 같이 상이한 제설용액 및 농도를 사용하지만 동일한 스케일링량의 제한 (<0.8kg/m3)을 두고 있어 MTO의 규준이 보다 엄격하게 적용되고 있는 것으로 확인된다.Fig 6,7
Fig. 5.
Scaling Test Results by ASTM C 672
Fig. 6.
Scaling Test Results by MTO LS-412
Fig. 7.
Scaling Test Results by BNQ 2621-900
MTO와 BNQ의 기준을 비교해보면 동일한 제설용액을 사 용하지만 마감과 전처리 과정의 차이로 인해 BNQ의 기준이 다소 낮은 스케일링 양을 나타내었으며,
또한 BNQ기준에서 요구되는 스케일링 양 또한 낮은 수준 (<0.5kg/m3)으로 제한 을 두고 있다. 이와 같이 BNQ기준의 경우 더 많은 싸이클 수에도 낮은 스케일링 양을 나타내는 것은 전 처리과정보다 마감정도 차이로
인한 것으로 판단된다. MTO의 경우 블리 딩이 일어난 후 마감처리를 하며 최종적으로 medium-stiff brush를 사용하여 마감을 하도록 규정되어
있다. 이와 같이 블리딩이 일어난 후 거친 면으로 마감을 하게 될 경우 Fig. 9 와 같이 블리딩 수와 동반된 기포가 콘크리트 표면 위로 상 승하게 된다. 이를 최종 마감을 통하여 제거함에 따라서 콘 크리트 표면의 경우 연행공기가
부족하고, 하부에 비하여 높 은 물-바인더비를 나타내게 된다. 또한 거친 면으로 마감을 하면 표면의 낮은 물-바인더로 인하여 연약한 거친 면이 동
결융해 및 외부 환경에 의해 쉽게 손상될 우려가 있다.
Fig. 8.
Scaling Test Results by RILEM TC 117-FDC/CDF
Fig. 9.
Effect of finishing air-entrained concrete
RILEM의 경우 다른 기준들에 비하여 짧은 동결융해 기간 (동결 : 4시간, 융해 : 8시간)으로 규정되어있으며, 이에 반해 미미한 수준의 스케일링
양을 보이고 있으며, 변수별 차이도 확연하게 나타나지 않았다. RILEM 기준의 경우 콘크리트 표면이 하부로 노출이 되도록 설치를 하며, 이에 따라
보다 정확한 스케일링 양을 측정하기에는 용이하다. 하지만 시험 체 설치가 다소 어려움이 있으며, 현장조건과 차이가 있어 제설용액 및 염소이온의 침투가
어렵고 마감에 대한 명확한 규정이 없어 마감에 따라 결과가 유동적일 수 있다고 판단되 며, 동결융해 싸이클에 대한 규정 또한 국내의 기온 조건에 부적합하다고
사료된다.
본 실험을 통하여 각 기준의 실험 및 평가방법 차이에 따 라 서로 다른 실험 결과를 나타내었다. 이에 따라 동일한 시 멘트 콘크리트 포장에 대한 스케일링
저항성을 평가할 시에 도 상당한 차이를 보이는 결과를 나타낼 수 있으며, 따라서 보다 명확한 실험방법 및 평가기준이 제시되어져야 한다고 판단된다.
4.2.2. 스케일링 시험법에 대한 고찰 및 제안
본 연구에서는 시멘트 콘크리트 포장의 내구성 시험법 중 스케일링 시험법을 수행하였으며, 시험법은 국외 각국에서 제안되고 있는 시험법을 적용하여 평가하였다.
시멘트 콘크 리트 포장의 변수는 일반 콘크리트와 현재 현장에서 주로 적 용되고 있는 플라이애시를 혼입한 콘크리트로 변수를 설정 하였으며, 물-바인더비
40~50%로 구분하여 시험을 수행하 였다. 각국에서 제안되고 있는 평가기준은 시험방법에 따라 크게 제설용액, 시편 표면적의 크기, 마감, 시편 양생,
동결 융해 싸이클 및 기간, 표면 평가 방법, 평가기준으로 구분되 어 규정하고 있다. 이에 따라 국외의 각 관련 기관에 따라 다소 상이하며, 그 결과도
차이를 나타내었다. 이 같은 평가 방법 중 실험결과에 다른 가장 큰 영향인자는 제설용액 및 다짐방법 차이에 의한 것으로 사료된다. 제설용액에 경우
여 러 연구자들에 의해 NaCl 및 CaCl2에 대한 열화정도의 차이 는 연구결과를 통하여 보고되었으며, 동결융해시 NaCl에 의 한 열화가 CaCl2에 의한 열화보다 농도마다 다소 차이를 보 이지만 약 3~4배정도 많은 스케일링량을 나타내었다. 이에 따라 NaCl을 사용한 ASTM의 기준으로 평가시
과소평가 경 향이 있을 것으로 판단된다. 또한 최근 국내의 경우 살포방 식이 습염식 살포방식으로 변경되면서 일반적으로 NaCl과 CaCl2을 7:3비율로 사용하고 있다. NaCl을 제설용액으로 단 독으로 사용시 NaCl과 CaCl2를 7:3비율로 혼입할 경우 같은 농도에 대한 스케일링 시험시 NaCl을 단독으로 사용할 경우 가 높은 스케일링 양을 나타내었다. 이와 같이 제설용액
및 농도에 따라 결과가 상당히 큰 차이를 보이고 있어 국내 규 정으로 제정시 이와 같은 사항이 반영되어야 한다고 판단된 다 (Lee et al., 2011; Dipayan, 2007).
또한 스케일링의 경우 과도한 블리딩 (bleeding), 소성수축 균열 (plastic shrinkage cracking), 불량한 표면마무리, 양생
부족 등이 표면 강도를 저하시켜 스케일링을 일으키는 간접 적인 요인으로 작용하게 된다. 시멘트 콘크리트 포장의 경우 대부분이 기계 타설 (slip
form paver)이며, 진동다짐에 의해 타설되므로 이에 따라 마감에 대한 규정 뿐 아니라 블리딩에 의한 사항 또한 고려되어져야 한다. 기존 문헌을
통하여 일 반시멘트 콘크리트 포장의 경우 물-바인더비 40%일 경우 컨 시스턴시를 고려하여 약 30초의 진동다짐이 요구되어진다. 따라서 컨시스턴시를
고려한 진동다짐 시간 및 범위에 대한 기준이 추가적으로 규정 범위 안에 포함시켜야 할 것으로 사 료된다 (Bouzoubaâ et al., 2012).
표면 마무리의 경우, 일반적으로 도로포장 시공에서는 미 끄럼 저항성 증진과 수막현상 및 태양광 반사 방지의 목적으 로 거친 면으로 마무리를 하게 된다.
따라서 표면 마무리의 경우 뻣뻣한 솔 (Stiff brush)로 마무리를 하고, 표면을 제외 한 바닥을 포함한 면에 방수 및 단열을 위한 설치로 마감을
하여 표면 외의 다른 면에서 열화에 의한 손실을 방지해야 할 것으로 판단된다. 콘크리트의 양생과 동결융해 온도 및 싸이클은 ASTM 및 MTO의 규정을
따르며, 평가는 표면의 박리 및 굵은 골재 노출 등에 대한 사항은 육안평가가 선행 되어야 하며, 보다 정량적인 비교를 위해서는 표면 (m2)에 대한 박리량 (g)산정을 통하여 평가되어야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 기존 실험방법 및 현행 도로포장 현장에서 의 적용되고 있는 시공법을 기반으로 하여 여러 문헌들의 고 찰을 통하여 스케일링 시험법에 대한
국내 현장에 유사한 평 가방법을 제안하고자 하였다. 이에 따른 평가방법은 국외에 서 제시되고 있는 시험방법의 범위 내에서 수정 및 추가하여 선정하였다.
이에 따른 국내현장에 적용이 가능한 평가방법 은 다음 Table 6과 같이 정리하였다.
Table 6
Proposal of scaling resistance test method
|
Standards Classification
|
Proposal of test method
|
|
Saline Solution
|
|
|
Specimen
|
|
|
Compaction
|
Concrete is compacted with vibrator enough to consistency of concrete
|
|
Finishing
|
After the concrete has stopped bleeding and then with a medium-stiff brush. And heat
insulating material is installed except surface of specimen.
|
|
Curing of Specimens
|
-
14days at 100%RH
-
14days at 50±5%RH
|
|
Freeze-Thaw cycles
|
|
|
Evaluation of surface quality
|
-
After 5, 10, 15, 25 and 50cycles
-
Visual assessment of surface
-
Mass measure of cumulative scaled off material in kg/m2
|
|
Acceptance criteria
|
After 50cycles the cumulative mass of scaled off material must be < 0.8kg/m2 |
5. 결 론
최근 국내의 과도한 제설제의 사용에 따른 국내 콘크리트 포장에서의 스케일링이 심각한 문제로 부각되고 있지만, 국 내 스케일링 관련 시험 규정이 2002년
폐지된 이후 이에 새 로운 시험 규정 또는 박리저항성 평가방법 등에 대한 연구가 부족한 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 일반 콘크리트와 국내에서
주로 사용되어지는 플라이애쉬 20% 혼입한 콘크 리트의 물 바인더비를 변화하여 국외 기관에서 제안되고 있 는 시험법에 대하여 실험을 수행하였다. 또한
실험결과 및 문헌 고찰을 통하여 국내 콘크리트 포장 시공 현장 조건에 맞는 시험법을 제안하고자 하였다. 따라서 본 연구에서의 문 헌고찰 및 실험을
통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
-
일반 콘크리트 (OPC)와 플라이애쉬 (FA)를 혼입한 콘 크리트의 압축강도는 재령 28일에서 그 차이는 크지 않았으며, 물-바인더비 45%에서 가장
큰 차이를 나타 내었고, 재령 28일에서는 플라이애쉬를 혼입한 경우 다소 낮은 강도발현을 확인하였다.
-
각 기관에서 제안된 방법에 따라 스케일링 저항성 시 험을 수행하였으며, 제설용액, 마감, 양생, 동결융해 싸 이클 등 여러 시험요인 따라 상이한 결과를
나타내었 다. 제설용액에 따른 스케일링 같은 경우에는 대부분 이 외부 표면 노출이 큰 콘크리트 도로 포장에서 발생 되므로 국내 콘크리트 포장의 시공
현장을 고려하고 시험결과 및 관련 문헌 고찰을 통하여 시험방법을 제 안하고자 한다.
-
제설용액, 마감 및 동결융해 온도 및 싸이클에 따라 스 케일링량의 차이가 크게 발생되었으며, 현재 국내 콘 크리트 포장의 경우 대부분이 기계 타설로
이루어짐에 따라 진동다짐에 의한 규정도 추가하였다. 제설용액에 경우 현재 고속도로 제설용액으로 사용되어지고 있는 NaCl, CaCl2를 7:3의 비율로 혼입한 4%의 용액으로 제안하였으며, 다짐에 대한 부분도 콘크리트 포장의 컨시턴시를 충분히 고려한 진동다짐을 하도록 제안하 였다.
-
실험체의 표면 마무리의 경우, 박리 발생과 산정에 주 요한 인자이며, 일반적으로 시공시 거친 면으로 마무리 를 하고 있기 때문에 블리딩 후 뻣뻣한
솔 (Stiff brush) 을 활용함으로 현장과 유사한 표면상태를 제공하고, 표면에서의 정확한 스케일링량 측정을 위해 표면을 제 외한 시험체에 방수제
및 단열제를 설치하여 표면이외 에서의 열화로 인한 손실이 제외될 수 있도록 제시하였 다. 양생 및 동결융해에 대한 규정은 ASTM와 MTO의 규정에
따르며, 정량적 평가를 위해 표면 (m2)에 대한 박리량 (g)을 측정하여 평가하도록 제안하고자 한다.
감사의 글
본 연구는 도로교통연구원 2013년 연구지원과 에너지기술 평가원의 연구비 지원 (0000000015513)에 의해 수행되었고, 저자들은 이에 감사드립니다.
REFERENCES
(2004), R&D Consortium on De-Icing Salt Scaling Resistance of Concrete Incorporating
Supplementary Cementing Materials, MTL/CANMET, 2-25.
(2005), A Study on the Compound Deterioration of Concrete Subjected to Freezing-Thawing
and Chloride Attack, Dessertation of MS in civil engineering, 9-17.
(2012), Evaluation of Test Methods for De-Icer Scaling Resistance of Concrete, Dessertation
of MS in civil engineering University of Toronto, 4-46.
(2007), Concrete Scaling - A Critical Review, Proceeding of the 29th Conference on
Cement Microscopy, 91-130.
(2011), Improvement for Specified Mix Proportion of Minor-Structure Concrete Considering
Multi-Deterioration Environment, Report of Korea Expressway Corporation Research Institute
Republic of Korea, 14-41.
(2010), Policy of Quality Control on Cement Concrete Pavement, Proceedings of Korean
Society of Road Engineers conference-Fall Korean Society of Road Engineers, 175-178.
(1994), The Deicer Salt Scaling Deterioration of Concrete, A Overview, ACI SP-145,
46
(1953), Theory of Volume Changes in Hardened Portland Cement Paste during Freezing,
Highway Research Board, 32, 259-297.
(2012), Development of a Concrete with High Durability and Better visibility by using
Waste-Glass, Report of Korea Expressway Corporation Research Institute Republic of
Korea