2.1.1. 사용재료

시험체 제작에 사용된 결합재는 KS L 5201에 규정된 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 광물질 혼화재 종류 및 혼화재 혼입 율이 칼슘용출 열화에 미치는 영향을 함께 고려하기 위하여 플라이애시(이하 FA)와 고로슬래그 미분말(이하 BFS)을 결 합재로 사용하였다. 본 연구에서 사용된 결합재에 대한 물리 적, 화학적 특성은 Table 1과 같다. 잔골재는 밀도와 조립률이 각각 2.57 g/cm³, 2.48인 하천 모래이며, 굵은 골재는 밀도와 조립률이 각각 2.61 g/cm³, 7.01인 쇄석을 사용하였다. RC 부 재의 경우, 실험에 의해서 얻어진 항복강도 350 MPa의 D10인 철근을 주철근 및 전단철근으로 사용하여 제작하였다.

2.1.2. 실험 변수

본 연구에서는 Table 2와 같은 실험 변수로 하여 실험을 실 시하였으며, 광물질 혼화재는 FA와 BFS를 사용하였다. 이때, 물-결합재비(W/B) 50%에 대하여 FA는 KS L 5211 기준을 충 족하는 시멘트 중량의 10%, 20%를 치환하여 제작하였으며, BFS의 경우에는 KS L 5210 기준에 의거하여 2종 고로슬래그 혼입 기준을 만족하는 30%, 50%로 대체하여 시험체를 제작하 였다. 본 연구에서 사용된 배합표는 Table 3과 같으며, 칼슘용 출 열화를 입은 RC부재의 열화정도를 평가하기 위하여 동일 한 재령의 건전한 RC부재를 함께 제작하여 비교, 평가하였다.

2.2.1. 칼슘용출 방법

일반적으로 콘크리트의 공극수에는 시멘트 수화 반응에 의 해 생성되는 C-S-H와 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 등의 여러 수화 물들이 녹아있다. 그러나 이온교환이 가능한 순수(pure water) 에 의해서 공극수간의 농도 평형 상태에 이탈이 생겨 칼슘용 출이 진행되어 콘크리트의 강도가 점점 저하되는 열화 현상 이 존재한다(^{Yang and Choi, 2011}). 본 연구에서는 1997년 Carde(^{Carde et al., 1997})에 의해 제안된 콘크리트 내부 공극 수에서 칼슘(Ca)과 암모늄(NO³)이 화학반응으로 인해 결합 된 후, 질산칼슘(Ca(NO³)₂이 급속 용출되어 나오는 방법으로 질산암모늄(NH₄(NO)₃) 수용액(6M)에 침지시켜 급속 칼슘용 출 열화방법을 사용하였다. Photo 1에는 RC 부재의 질산암모 늄 침지 과정과 칼슘용출에 의해 열화된 콘크리트 부재의 상 태를 함께 나타내었다.

Photo 1

Scheme of concrete degradation method

2.2.2. 압축강도 측정방법

칼슘용출에 의한 열화가 RC부재에 미치는 영향을 검토하 기에 앞서, 동일한 재령의 수중양생을 실시한 시험체(이하, 건 전 시험체)와 칼슘용출 열화를 입은 시험체(이하, 열화 시험 체)를 각각 KS F 2405에 의거하여 압축강도 측정을 실시하였 다. 열화 시험체의 경우에는 상‧하면 에폭시 코팅을 제거한 후 측정하였다. 또한, 강도측정에 앞서 시험체의 열화 두께를 측 정하기 위해 열화 시험체의 내부 수화기분해에 의해 변화된 pH를 고려하여, 페놀프탈레인 지시약을 분무하여 칼슘용출 두께를 측정하였다.

2.2.3. 휨 시험 방법

Photo 2에 나타낸 바와 같이 압축영역 콘크리트 표면으로 부터 열화 된 RC부재(이하, 열화 부재)와 건전한 RC부재(이 하, 건전 부재)의 역학적 거동을 파악하기 위하여 500 kN 용량 의 가력장치를 사용하여 4점 휨 시험을 수행하였으며, 하중 제어는 변위제어 방식을 사용하였다(^{Oh et al., 2008}; ^{Kang et al., 2009}). 주철근의 항복 변위(부재의 처짐)를 기준으로 0.5△y, 1.0△y, 2.0△y, 3.0△y의 단계까지 실시하고, 주철근의 변형률 측정이 불가한 시점에서 실험을 종료하였다. 이때 하중변화 에 따른 RC 부재의 처짐은 시험체 중앙부 하단에 LVDT를 설 치하여 측정하였다.

Photo 2

RC member flexural test set up

3.2.1. 균열 및 파괴양상

Figs. 3, 4에는 건전 부재와 열화 부재의 균열진전양상을 나 타내었다. 우선 건전 부재의 균열 특성을 살펴보면, 초기 휨 균열은 모든 부재에서 순수 휨 구간에서 발생하였으며, 하중 이 증가함에 따라 인장측의 균열이 보의 가력점으로 진전되 고 극한 하중에 도달할수록 휨 균열 폭이 증가하였으나 균열 간격은 일정한 상태로 유지되는 RC부재의 일반적인 거동을 나타내었다(^{Ji et al., 2007}; ^{Yang and Kim, 2014}; ^{Jang et al., 2015}).

Fig. 3

Crack pattern(Sound member)

Fig. 4

Crack pattern(Damaged member)

한편, 열화부재의 경우에는 건전부재와 달리 보의 가력점 에서 압괴가 발생하였으며 이는 칼슘용출에 의해 압축연단 콘크리트의 강도가 저하한 것에 기인한 것으로 판단된다. 또 한 Table 5에 부재별 평균 균열 간격을 나타낸 결과, 건전부재 의 경우, 광물질 혼화재 혼입 및 물-결합재비에 따른 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한, OPC의 경우에는 열화부재의 균 열간격이 건전부재보다 감소하였으며 그 차이는 6~12 mm 수 준이었으나, 물-결합재비에 의한 비례적인 특성은 나타나지 않았다. BFS를 혼입한 경우에는 건전부재와 열화부재의 균열 간격에 차이가 1.4~5.1 mm이며 FA를 혼입한 경우에는 열화 부재의 균열 간격이 건전부재에 비하여 9.4~ 25 mm로 증가하 는 것으로 나타났으나 그 차이는 오차범위내로, 각 균열 간격 은 큰 의미가 없는 것으로 사료된다. 따라서 칼슘용출에 의한 열화에 노출된 RC부재는 광물질 혼입에 관계없이 칼슘용출 을 진행시킨 압축 연단에서의 압괴 발생이 증가하지만, 균열 간격에는 큰 차이가 없는 것으로 사료된다.

3.2.2. 하중-처짐 관계

Fig. 5에는 건전 부재와 열화 부재의 중앙부 하단에 설치한 LVDT에서 측정한 처짐 값을 통해 얻어진 하중-처짐 곡선을 물-결합재비별, 광물질 혼화재 종류에 따라 나타내었으며, Table 6에는 초기균열하중, 항복하중, 극한하중 및 처짐 값을 나타내었다. 여기서 초기균열하중은 초기 선형구간 종점에서 의 하중 값으로 결정하였으며, 항복하중은 철근이 항복 변형 률에 도달할 때의 하중이며, 극한하중은 하중-처짐 곡선에서 마지막 Step에서의 최대 하중으로 결정하였다(^{Yang et al., 2009}; ^{Yoo and Suh, 2013}; ^{Yoo and Lee, 2014}; ^{Shin et al., 2015}).

Fig. 5

Load-Displacement curve

실험 결과, 물-결합재비, 광물질 혼화재의 종류 및 혼입률 에 관계없이 건전 부재는 초기균열하중에 도달하기까지는 선 형으로 증가하고, 이후 기울기가 점차 감소하며 철근이 항복 할 때까지 거의 유사한 거동을 하고 있는 것으로 나타났다. 그 러나 Fig. 5(a)와 Table 6에 나타낸 바와 같이, 결합재로 시멘 트만 사용한 경우, 초기 균열이 발생하는 하중과 그때의 처짐 에는 칼슘용출에 의한 영향이 다소 적지만, 부재가 항복하는 시점에서의 항복하중 감소, 처짐량이 증가하는 양상을 나타 내었다. 이는 압축영역에 열화가 진행되어 콘크리트의 성능 저하로 인해 발생한 것으로 사료되며, 최대 하중 역시 열화부 재는 건전 부재에 비하여 감소하는 것으로 판단된다.

Fig. 5(b)와 Table 6에는 FA를 혼입한 하중-처짐 특성을 나 타내었다. 실험결과, OPC의 경우와 동일하게 초기균열하중 및 처짐 값은 칼슘용출 여부에 영향을 받지 않는 것으로 나타 났으나, FA를 혼입한 경우, 대체율이 증가 할수록 동일한 하 중에서의 처짐 값이 증가하고 항복하중의 편차가 더욱 증가 하였다. 이러한 경향은 Fig. 5(c)와 Table 6의 BFS를 대체한 부 재에서도 나타나고 있으며, BFS의 대체율이 증가함에 따라 열화부재는 건전 부재에 비하여 항복하중 및 극한하중이 감 소하고 그때의 처짐 값이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 칼슘용출에 의한 열화가 진행되면, 광물질 혼화재 종류에 따 른 차이가 있긴 하나 RC 부재의 포함된 절대 칼슘량의 감소로 인하여 열화부재가 건전부재보다 최대하중이 감소하고 처짐 이 증가하는 것으로 사료된다.

3.2.3. 모멘트-곡률 곡선

부재의 중앙부 인장철근에 설치한 철근 게이지와 압축 연 단에 설치한 콘크리트 게이지로 측정된 값을 이용하여 Fig. 6 에는 모멘트-곡률 곡선을 나타내었다. Fig. 6(a)에는 광물질 혼화재를 사용하지 않은 부재의 모멘트-곡률 곡선을 나타낸 것이다. 실험결과 건전 부재는 앞선 절에 나타낸 하중-처짐 관 계처럼, 물-결합재 비율에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 반면, 열화 부재의 경우, 초기 균열이 발생하기 이전까지 초기 휨강성에는 큰차이가 나타나지 않으나, 균열이 발생하고 진 전됨에 따라 상대적으로 높은 물-결합재비에서 그래프의 기 울기가 감소하는 것으로 나타났다. 그래프의 기울기 감소는 부재의 휨강성 저하를 나타내고 있으며, 이는 압축영역에 발 생된 칼슘용출에 의한 열화로 인해 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 6

Moment-Curvature curve

Fig. 6(b), 6(c)는 광물질 혼화재를 혼입한 부재의 모멘트-곡 률 관계를 나타내었다. 실험결과 광물질 혼입 여부에 따른 건 전부재의 휨강성 차이는 나타나지 않았으나, 광물질 혼화재 대체에 관계없이 열화가 진행되면 건전부재에 비하여 휨강성 이 감소하였다. 또한, 물-결합재비 변화에 따른 열화부재의 모 멘트 감소수준에 비하여 광물질 혼화재 대체율이 상대적으로 높은 경우(FA20, BFS 50)에는 0.03(1/m) 곡률에서의 모멘트 값이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 광물질 혼화재 종류에 따라 대체율이 증가함에 따라 절대 칼슘량 감소로 인 하여 열화가 진전되어 칼슘용출 저항성 확보를 위해서는 광 물질 혼화재 종류에 따른 적정 대체 비율이 존재하는 것으로 사료된다.

한편, 2번째 변위제어 단계에서의 얻어진 모멘트-곡률 관 계를 이용하여 계산한 실험 휨강성과 동일한 재령의 압축강 도를 측정하여 얻어진 탄성계수를 이용하여 계산한 이론 휨 강성 값을 Table 7에 나타내었다. 우선, 건전부재의 실제 휨강 성 측정결과, 물-결합재비 및 광물질 혼화재 혼입에 관계없이 유사한 수준으로 나타났다. 그러나 건전부재를 기준으로 열 화 부재의 휨강성 저하율을 살펴보면 40OPC의 경우 약 9.0%, 50OPC의 경우 약 1.1%, 60OPC의 경우 약 20.6%로 물-결합 재 비가 가장 큰 60OPC의 경우가 가장 큰 휨강성 저하율을 나 타내었다. 또한, 광물질 혼화재를 혼입한 경우에는 건전 부재 와 비교하였을 때 FA10의 경우 약 7.3%, FA20의 경우 약 2.4%, BFS30의 경우 약 10.5%, BFS50의 경우 약 14.1%의 휨 강성 감소율을 나타내었다. 이러한 경향은 이론 휨강성 값을 비교한 경우에도 동일하게 나타났으며, 칼슘용출 열화에 의 한 강도감소 및 성능저하는 휨강성 저하를 유발하는 것으로 판단된다.

3.2.4. 중립축-곡률 관계

Fig. 7에는 곡률 증가에 따른 중립축 변화 관계를 물-결합재 비와 광물질 혼화재 종류에 따라 도시하였으며, 곡률이 증가 할수록 중립축의 깊이가 일정 값에 수렴하는 것으로 나타나 곡률 0.14(1/m)까지 표현하였다.

Fig. 7

Neutral axis-Curvature curve

곡률 0.14(1/m)에서의 중립축 깊이 증가 비율을 살펴보면 열화 부재가 건전 부재에 비하여 40OPC의 경우 약 1.6%, 50OPC의 경우 약 0.5%, 60OPC의 경우 22.5%로 물-결합재비 가 가장 큰 60OPC의 경우가 가장 큰 증가 비율을 나타내었으 며, FA10의 경우 약 21.4%, FA20의 경우 약 1.9%, BFS30의 경우 약 19.2%, BFS50의 경우 약 2.4%로 혼입률이 증가 할수 록 중립축의 깊이 증가 비율은 감소한 것으로 나타났다. 또한, 실험 변수에 관계없이 모든 부재는 철근이 항복하는 시점에 서 중립축 깊이의 변곡점이 발생하는 것으로 나타났다. 한편, 물-결합재비가 증가함에 따라 중립축 깊이가 증가하는 것으 로 나타났으며, 특히 60OPC의 경우에는 열화 부재의 동일한 곡률에서의 중립축 깊이가 크게 증가한 것으로 나타났고 이 는 압축 영역에 발생한 열화에 기인한 것으로 판단된다. 또한, FA 및 BFS를 사용한 시험체에 있어서도 칼슘용출에 의해 중 립축이 증가하는 것을 동일하게 나타냈으며 열화에 의한 중 립축 증가 비율이 커지는 것을 보였다. 즉, 칼슘용출은 콘크리 트의 강도 저하를 유도하기 때문에 광물질 혼화재의 혼입 여 부에 관계없이 중립축 깊이가 증가하는 것으로 나타났다.