윤용식
(Yong-Sik Yoon)
1
박재성
(Jae-Sung Park)
2
황철성
(Chul-Sung Hwang)
3
권성준
(Seung-Jun Kwon)
4*
© Korea Institute for Structural Maintenance Inspection. All rights reserved.
키워드
염소 이온, 플라이애시, 염화물 확산계수, 통과 전하량, 압축강도
Key words
Chloride ion, Fly ash, Chloride diffusion coefficient, Amount of passed charge, Compressive strength
1. 서 론
콘크리트는 경제적이고 고내구성인 건설재료로서 철근 보 강재와 함께 철근 콘크리트(RC: Reinforced Concrete)로 오랜 기간 활발히 사용되어왔다.
하지만 사용기간이 증가하게 되 면 내부의 철근 부식 등에 의한 균열 발생과 같은 내구성 문제 가 발생하고 이러한 문제는 구조적인 문제로 진전된다.
특히 콘크리트 내부의 철근 부식이 가장 중요하게 고려되는데, 압 축력에는 강하지만, 인장력에는 취약하므로 철근이 인장력에 주로 저항하기 때문이다.
매립된 철근 부식은 콘크리트 내부 로 침투되는 염화물 이온에 의해 주로 발생하게 되며, 이를 극 복하기 위해 많은 연구들이 재료, 설계, 시공분야에서
진행 중 이다(Broomfield, 1997; RILEM, 1994; Song et al., 2005).
고성능 콘크리트(HPC: High Performance Concrete)는 강 도 및 내구성에서 뛰어날 뿐 아니라 작업성에서도 우수하여 1990년대
후반부터 사용되어온 건설재료이다(Song et al., 2006). 고성능 콘크리트에는 주로 혼화재료가 혼입되는데, 대 표적으로 고로슬래그미분말(GGBFS: Ground Granulated Blast Furnace
Slag)과 플라이애시(FA: Fly Ash) 그리고 실리카 퓸 (SF: Silica Fume)등이 널리 사용되고 있다. 이러한 혼화재료 들은 작업성
개선 및 내구성능 향상 등 공학적 장점뿐만 아니 라 사회적으로 대두되고 있는 CO2 저감에 효과적이다(Back et al., 2011; Lee et al., 2013; Park, 2017).
그중 FA는 화력 발전소 부산물로서 석탄을 연소시키고 난 뒤 발생하는 산업 부산물이다. FA를 혼입한 콘크리트는 FA 의 포졸란 반응에 의해 추가적인
수화물을 생성하게 되는데 이로 인해 공극구조가 밀실해지므로 장기강도 및 내구성능이 개선되게 된다. 특히 밀실해진 공극구조는 염화물 확산계수 를 감소시키는데
큰 효과가 있다고 알려져 있다(Nath and Sarker, 2011). 또한 입자가 구형으로 되어있기에 굳지 않은 상태에서 볼 베어링(Ball bearing)효과로 인해, 작업성 증대 및 블리딩 현상 감소 등의 효과도
기대할 수 있다. 또한 부배합에 서는 자기수축 및 건조수축에도 OPC 콘크리트 또는 GGBFS 치환 콘크리트에 비해서도 매우 안정적인 수축거동을 나타낸
다(Yoo et al., 2012; Yoo et al., 2013). 최근에는 CO2 저감 효과 를 높이기 위해 FA를 중량비로 60% 이상 대량 치환한 HVFAC (High Volume Fly Ash Concrete)에 대한 연구도
활발하게 진 행되고 있다(Kwon et al., 2014; Nath and Sarker, 2011; Park and Lim, 2015).
염화물 침투를 해석하기 위해 겉보기확산계수와 Fick’s 2nd Law를 기반으로 한 해석이 일반적으로 사용되고 있다. 겉보 기 확산계수는 염화물량을 직접적인 해로 확인할 수 있다는 장점이 있지만 장기간의 실험기간과
질산은 적정에 따른 변 동성에 의한 실험오차가 많다는 단점이 있다. RCPT(Rapid Chloride Penetration Test)는 Fick’s
2nd Law를 활용하여 확산 계수를 도출하는데, 자유염소이온의 전기장 내의 속도를 평 가하는 방법이다(Tang, 1996(a); Lee and Kwon, 2012; NORDTEST, 1999). 또한 전하 투과시험도 많이 이용되고 있는데 이 시험으로도 경험식을 통해 확산계수를 도출할 수 있지만 본질적으로 단순한 침투저항성만을 정성적으로
평가하는 실 험으로 알려져 있다(ASTM C 1202, 1993). RCPT와 전하 투과 시험은 비교적 짧은 시간에 콘크리트 시편의 염해저항능력을 평가할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 염화물 저항성능은 콘 크리트의
수화반응의 진전에 따라 일반적으로 증가하는데, 주로 시간의존성 확산계수로 표현된다.
본 연구에서는 전하통과량과 촉진확산계수의 변화를 강도 변화와 비교 평가하여 재령 변화에 따른 염화물 저항성을 재 령증가와 함께 고찰하도록 한다. 이를
위해, 물 - 결합재(W/B: Water to Binder)비를 3 수준(37%, 42%, 47%)으로 설정하였 으며 FA의 치환율을 3 수준(0%,
30%, 50%)으로 고려하여 총 9개의 배합을 수행하였다. Tang’s Method에 따른 염화물촉진 확산계수 시험, ASTM C 1202와 KS F 2711에 따른 통과 전하 량 측정 시험 및 압축강도 시험을 실시하여 각 결과를 재령일 의 증가를 고려하여 비교 분석하였다. 염화물 시험은 재령 28 일,
180일에 대하여, 압축강도 시험은 재령 28일, 49일, 180일 에 대하여 실시하였으며 재령의 증가에 따라 변화하는 확산 계수 및 총 통과전하량을
압축강도 특성과 연계하여 평가하 였다.
2. 실험계획 및 방법
2.1. 콘크리트배합 및 시편
본 연구에서는 FA의 치환율 및 W/B의 변화에 따른 염해 저 항성을 평가하기 위해 Table 1과 같이 배합을 준비하였다.
Table 1
Mix proportions for this study
|
|
W/B (%)
|
Unit weight(kg/m3)
|
S.P (%)
|
|
|
W
|
C
|
FA
|
Fine Agg.
|
Coarse Agg.
|
|
|
OPC
|
37
|
168
|
454
|
0
|
767
|
952
|
1.1
|
|
42
|
168
|
400
|
0
|
787
|
976
|
1
|
|
47
|
168
|
357
|
0
|
838
|
960
|
0.95
|
|
|
FA 30
|
37
|
168
|
318
|
136
|
745
|
952
|
1.4
|
|
42
|
168
|
280
|
120
|
768
|
953
|
1.2
|
|
47
|
168
|
250
|
107
|
820
|
939
|
1
|
|
|
FA 50
|
37
|
168
|
227
|
227
|
662
|
950
|
1.5
|
|
42
|
168
|
200
|
200
|
685
|
982
|
1.3
|
|
47
|
168
|
178
|
179
|
703
|
1008
|
1.2
|
OPC 배합과 FA 30%, 50% 치환한 총 3가지 배합에 대해 W/B를 0.37, 0.42, 0.47로 변화시켜 총 9가지 콘크리트 배합을 설정하였다.
Tables 2 및 3은 배합에 사용된 골재와 혼화제의 특성을 나타내고 있다.
Table 2
|
Items
|
Gmax (mm)
|
Specific gravity (g/cm3)
|
Absorption (%)
|
F.M.
|
|
Types
|
|
|
Fine aggregate
|
-
|
2.58
|
1.01
|
2.9
|
|
Coarse aggregate
|
25
|
2.64
|
0.82
|
6.87
|
Table 3
Properties of super-plasticizer
|
Items
|
Type
|
pH
|
Main component
|
Solid
|
Density
|
|
Types
|
|
|
2000R
|
Liquid
|
6.7
|
Polycarbonic Acid
|
25%
|
1.08
|
지름 100 mm 높이 200 mm의 원주형 공시체를 제작한 후 Tang’s method 및 ASTM C 1202, KS F 2711에 따라 두께 50 mm의 디스크 시편을 제작하였다. 염화물 침투 시험을 위한 목표재령은 28, 180일로, 압축강도 평가 시험을 위한 목표 재 령은
28, 49, 180일로 설정하였으며, 각 목표 재령일까지는 20°C 수중양생을 실시하여 시험을 진행하였다.
2.2. Tang’s Method에 따른 촉진 염화물 확산시험
재령의 증가에 따라 변화하는 염화물 확산계수를 도출하기 위해서 Tang’s method에 의거하여 실험을 실시하였다. Fig. 1 과 같이 염화물 확산 Cell을 구성하였다. 음극(－, Cell I)에는 0.5 M의 염화나트륨(NaCl) 수용액을 사용하였고 양극(＋, Cell
II)에는 포화 수산화칼슘(Ca(OH)2) 수용액을 사용하였 다. 또한 Table 4에서는 Tang’s method의 실험조건을 나타내 었다. 8시간동안 전압을 인가한 후 시편을 할렬하여, 쪼갠 부 분에 0.1 N의 AgNO3용액을 분무해 은색으로 변하는 부분을 염소이온 침투깊이로 측정하였다.
Fig. 1
Diagram of chloride diffusion Cell
Table 4
Conditions for rapid chloride penetration test
|
Condition
|
Levels
|
|
|
Electrolyte
|
Cathode
|
0.5 Mole NaCl
|
|
|
Anode
|
Saturated Ca(OH)2 |
|
|
Applied voltage(V)
|
30
|
|
Thickness(mm)
|
50
|
염소이온 침투깊이로부터 촉진확산계수를 식 (1) 및 (2)에 의해 도출하였다.
여기서, Drcpd는 비정상상태에서 구한 전위차 촉진 염소이 온 확산계수(m2/sec), R은 기체상수(8.314J/mol.K), T는 절대 온도(K), L은 시편두께(m), z는 이온전자가(1.0), F는 패러데 이상수(96,500J/V.mol), U는 전위차(V), xd는 비색법에 의한 침투깊이(m), t는 전위차의 적용시간(sec), Cd는 비색법에 의 한 반응농도(mol/l), C0는 음극 Cell의 염소이온농도(mol/l)를 나타낸다.
2.3.
ASTM C 1202 및 KS F 2711에 따른 전하량 투과시험
콘크리트에 투과되는 전하량을 측정하기 위해 ASTM C 1202와 KS F 2711의 방법에 준하여 실험을 수행하였다. 지름 100 mm, 두께 50 mm 시편을 대상으로 음극에는 3% NaCl 수 용액을, 양극에는 0.3 M NaOH
수용액을 주입 후 6시간동안 60 V의 전압을 인가하였다. 통과 전류량은 30분 간격으로 측 정하였으며 식 (3)을 이용해 총 통과 전하량을 도출하였다. 이 값은 시편의 염화물 침투저항성을 평가하는데 활용된다. 또 한 ASTM C 1202 및 KS F 2711에서 제시하고 있는 총 전하량 평가기준을 Table 5에 나타내었다.
Table 5
Evaluation standard of total passed charge
|
Total passed charge(coulomb)
|
Chloride ions permeability
|
|
|
>4000
|
High
|
|
2000~4000
|
Moderate
|
|
1000~2000
|
Low
|
|
100~1000
|
Very low
|
|
<100
|
Negligible
|
여기서 Q는 총 통과 전하량(Coulomb)을 나타내고 있으며, Ix는 x분에서의 전류값(A)를 나타낸다.
2.4. 콘크리트 압축강도 시험
KS F 2405에 따라 재령 28일, 49일 및 180일 공시체에 대해 압축강도를 평가하였다. 각 배합 당 3개의 공시체를 사용하였 으며, 강도의 평균값을 실험
결과로 사용하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1. 재령의 증가에 따른 염화물 확산계수 평가
각 배합 및 재령에 따른 확산계수 변화를 비교분석하였으 며, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
Fig. 2
Diffusion coefficient with W/B ratio and Curing period
기존의 연구동향과 마찬가지로(Nath and Sarker, 2011), FA 를 혼입한 콘크리트에서 OPC 대비 낮은 염화물 확산계수를 보였다. 이는 FA의 포졸란 반응으로 인해 공극구조가 치밀해 지고, 그에 따라
염해 저항성이 개선된 것으로 보인다. 재령 28 일에서는 FA30의 배합이 FA 50 배합보다 작은 염화물 확산 계수를 나타냈다. 이는 다량의 OPC로
인해 초기재령에서는 30% 수준의 치환률이 우수한 염해 저항성을 갖기 때문이다. 그러나 장기재령인 180일에서의 염화물 확산계수는 FA 50의 경우
각 물결합재비에서 1.00, 1.32, 1.37×10-12m2/s로 FA 30 대비 약 77∼83% 낮게 나타났다. FA를 50% 치환한 배합은 치환률이 비교적 크므로 충분한 양생기간이 확보된 후 포졸 란 반응에
의한 더욱 조밀한 구조로 개선된 것으로 평가된다. 또한, 모든 배합에서 W/B가 클수록 높은 확산계수를 나타냈 다. 또한 Fig. 3에서는 각 배합별로 재령 28일 대비 재령 180일 에서의 확산계수 변화율을 나타낸 그래프를 도시하였다. FA 를 혼입한 배합에서는 OPC 배합 대비
개선된 염해저항성을 보였으며, 특히 재령 180일의 FA 50 배합에서 재령 28일 대비 약 15%정도로 가장 높은 감소율을 보였다. 이는 치환률이
높 은 경우 충분한 양생기간이 확보되면 활발해진 Fly Ash의 포 졸란 반응에 따라 공극구조가 다른 배합에 비해 뚜렷하게 개 선되기 때문이다.
Fig. 3
Decreasing ratio of diffusion coefficient between Age 28 days and 180 days
3.2. 재령의 증가에 따른 통과전하량 평가
ASTM C 1202 및 KS F 2711에 준하여 측정한 총 통과전하 량을 각 배합 및 재령에 따라 평가하였다. 배합별 총 통과전하 량을 Fig. 4, 재령에 따른 총 통과전하량의 변화율을 Fig. 5에 나타내었다.
Fig. 4
Total passed charge with W/B and curing period
Fig. 5
Decreasing ratio of total passed charge between Age 28 days and 180 days
총 통과전하량 실험 결과는 앞서 분석한 염화물 확산계수 의 결과와 비슷한 경향을 나타내었다. 이는 두 시험 모두 전기 장내의 염소이온 이동속도에 지배적인
실험이기 때문이다. 재령 28일에서는 W/B 47%의 OPC 배합에서 가장 큰 총 통과 전하량(6863.4 C)가 측정되었고, W/B 37%의 FA
30% 치환 배합에서 가장 작은 총 통과전하량(2012.4 C)가 측정되었다. 재령 28일에서 모든 W/B의 OPC 배합은 총 통과전하량이 4000
C를 초과하여 높은 부식위험군에 속하였고 모든 FA 치 환 배합은 보통 등급에 속하였다. 재령 180일에서는 W/B 37%, 42%의 OPC 배합은
보통 등급으로 개선되었지만 47% 에서는 여전히 높은 부식위험군에 속하였다. FA 치환배합은 모두 매우 낮은 등급에 속함으로써 염화물 침투저항능력이
크게 향상된 것으로 판단된다.
또한 재령이 180일로 증가하면서 모든 배합에서 총 통과전 하량의 감소가 나타났는데 OPC 배합에서는 재령 28일 대비 약 54∼67%로 감소하였고,
FA 30% 및 50% 치환 배합에서는 각 11∼18%, 9∼12% 수준으로 감소하였다. FA 치환 배합에 서 재령이 증가함에 따른 개선된 침투저항효과가
뚜렷하게 나타났다. 이는 FA 혼입 콘크리트의 장점인 포졸란 반응으로 인한 불용성의 안정한 규산화 칼슘수화물의 추가적인 생성으 로 인해 공극구조가
치밀해졌기 때문이다(Kim et al., 2009).
3.3. 재령의 증가에 따른 압축강도 평가
KS F 2405에 준하여 압축강도를 평가하였는데, Fig. 6는 각 배합별 재령의 증가에 따른 강도 변화를, Fig. 7은 재령 28일과 180일 사이의 강도증가율을 나타내고 있다.
Fig. 6
Strength evaluation with age and binder type
Fig. 7
Increasing ratio of strength between Age 28 days and 180 days
모든 배합에서 재령이 증가함에 따라 강도가 증가하였으 며, 기존의 연구결과와 마찬가지로 FA를 혼입한 배합에서 OPC 대비 개선된 장기강도 발현이
지배적으로 평가되었다. 재령이 28일에서 180일로 증가함에 따라 OPC 배합에서는 135.26∼138.34%, FA 30에서는 143.09∼154.02%,
FA 50에 서는 145.47∼184.11% 의 강도 증가율을 나타냈다.
4. 재령에 따른 염화물 확산계수 및 강도변화 평가
본 절에서는 재령28일의 염화물 확산계수, 총 통과전하량, 압축강도가 재령 180일의 실험결과와 어떤 상관성을 가지는 지에 대하여 평가하였다. 재령
기간이 늘어남에 따라 확산계수 및 총 통과전하량은 감소하지만 강도는 증가하기 때문에 강도 의 경우는 증가율의 역수를 취하여 평가하였다. Fig. 8에서는 각 배합에서 재령이 28일에서 180일로 증가함에 따라 강도, 확 산계수, 총 통과전하량의 변화율을 W/B에 따라 나타내었다.
Fig. 8
Decreasing ratio of test values with curing period
OPC 배합에서는 W/B가 높을수록 확산계수 및 총 통과전 하량의 감소율이 증가하였다. FA 치환 배합에서는 뚜렷한 경 향은 나타나지 않았는데, 이는
FA 치환 배합은 재령 28일에서 부터 낮은 확산계수와 총 통과전하량을 확보하였기 때문이 다. 압축강도에서는 OPC, FA 30 배합에서는 특별한
경향이 나타나지 않았지만 FA 50 배합에서는 변화율이 W/B가 증가 할수록 감소하는 경향이 나타났다. 압축강도 변화율은 역수 를 취했으므로 FA
50 배합에서 압축강도가 W/B와 비례하여 증가하였는데, 높은 W/B를 가진 배합(47%)라 하더라도 치환 률 50% 수준에서는 높은 장기강도 발현을
의미한다.
또한 이 세 가지 실험 결과의 관계는 Fig. 9와 같이 분석해 볼 수 있다.
Fig. 9
Relation between compressive strength and chloride resistance
재령 28일 및 180일에서 모든 배합에서 강도가 증가함에 따 라 확산계수와 총 통과전하량이 선형적으로 감소하는 관계를 나타내었다. 28일 재령에서는
FA 30 배합이 FA 50 배합보다 높은 확산계수와 높은 전화통과량을 가지고 있으며, FA 30에 서 강도와의 선형관계의 변동성이 크게 발생하였다.
이는 비 교적 초기 재령인 28일에서는 포졸란 반응을 기대하기 어렵 지만, OPC 량이 FA 50보다 많으므로 이로 인해 강도의 증가 에 비하여 염화물
저항성이 낮게 평가되었다. 그러나 재령이 180일로 증가함에 따라 FA 30 및 FA 50에서 강도와 염화물 저항성의 선형관계가 뚜렷하게 확보되었으며,
FA 50에서 모 두 낮은 확산계수 및 통과전하량이 평가되었다.
5. 결 론
본 연구에서는 재령 28일, 180일에 대하여 측정한 염화물 확 산계수와 총 통과전하량, 재령 28일, 49일, 180일에 대하여 측정 한 압축강도를
OPC 및 FA를 혼입한 콘크리트에 대하여 분석하 였으며, 재령의 증가에 따라 변화하는 염화물 저항성을 강도 변 화와 함께 고려하여 평가하였다. FA를
혼입한 콘크리트의 강도, 확산계수, 총 전하량을 비교 분석한 결론은 다음과 같다.
-
1) 재령이 28일에서 180일로 증가함에 따라 확산계수는 OPC 의 경우 59.3∼71.4%, FA 30의 경우 19.5∼23.4%, FA 50 의 경우
13.4∼16.3% 수준으로 감소하였다. FA 혼입 배합 에서 OPC 대비 뚜렷한 감소율을 나타냈으며 W/B가 증가 할수록 대체로 감소율도 증가하였다.
통과전하량도 확산 계수와 비슷한 거동을 나타내었는데, OPC의 경우 53.6∼ 67%, FA 30의 경우 14.3∼17.7%, FA 50의 경우 9.1∼
12.1% 수준으로 감소하였다.
-
2) 재령 28일에서는 OPC 및 FA 50 배합의 경우 강도가 증가 함에 따라 선형적으로 확산계수 및 총 통과전하량이 감소 하였지만, FA 30 배합의
경우 강도가 40 MPa 이상인 경우 선형관계가 유지되지 않았다. 이는 FA 30% 치환의 경우, 강도의 증가는 OPC의 수화반응에 의하여 진행되지만,
충 분한 포졸란 반응이 발생하지 않아 염해 저항성이 약간 낮 게 평가된 것으로 판단된다. 그러나 재령이 180일로 증가 함에 따라 이러한 변동성이
크게 감소하여 모든 배합에서 선형적 관계를 나타냈다.
감사의 글
이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2015- R1A5A1037548).
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