3.1.1 상대동탄성계수

Fig. 2은 물-시멘트비를 변수로 동결융해 싸이클에 대한 상 대동탄성계수 측정값을 정리한 그림이다. 물-시멘트비가 40%일 경우 180 싸이클에서 50% 및 60% 에서는 90 싸이클에 서 70% 일 경우에는 60 싸이클에서 상대동탄성계수가 60% 이하로 측정되었으며 물-시멘트비가 낮을수록 상대동탄성계 수의 저하율이 낮게 나타났다.

Fig. 2

Relative dynamic modulus of elasticity to freeze-thaw cycle(%)

3.1.2 압축강도

Table 5는 동결융해 싸이클에 대한 압축강도를 정리한 그 래프로 배합에 따라 상대동탄성계수가 60% 이하가 되는 시점 까지 압축강도를 측정하였으며, 물-시멘트비 40%는 180싸이 클, 50% 및 60%에서는 90싸이클, 70%는 60 싸이클까지 압축 강도를 측정하였다. 측정결과, 상대동탄성계수 60% 이하인 시점에서의 압축강도 값은 물-시멘트비와 관계없이 10∼ 11MPa으로 측정되었으며, 초기 강도값 대비 물-시멘트비 40%인 경우 약 45.8%, W/C 50% 및 60%인 경우 약 43.5%, W/C 70%인 경우 약 50% 정도의 강도저하가 발생하였다.

각 배합별 강도 특성은 물-시멘트비 40%인 경우 싸이클에 따라 서서히 감소되는 경향을 보이나 물-시멘트비 70%인 경 우 상대적으로 급격한 강도 저하 경향을 보였다. 이러한 원인 은 기존 문헌에서처럼 내부가 밀실한 콘크리트의 경우 동결 융해의 저항성이 높아 순차적으로 강도 저하가 발생하지만, 내부가 밀실하지 못한 콘크리트의 경우 급격한 강도 저하가 발생하는 것으로 판단된다.

3.3.1 화상 촬영을 활용한 이미지 분석

Fig. 3은 동결융해 시험체의 표면부를 화상 촬영한 후 이미 지 분석 프로그램을 이용하여 공극 및 균열 부위와 그 외의 영 역으로 구분한 것으로 검은색은 공극 및 균열 영역이며 흰색 은 시멘트 매트릭스 부분이다. Fig. 3의 이미지 분석은 0싸이 클부터 상대동탄성계수가 60%이하인 시점까지 분석하였으 며 30 싸이클은 초기 이미지와 거의 유사하여 생략하였다.

Fig. 3

Image anaysis of concrete surface to freeze-thaw cycles

Fig. 3의 (a)는 물-시멘트 배합별 동결융해 90싸이클까지 표 기한 그림이며, (b)는 물-시멘트 40%의 120싸이클에서 180싸 이클까지 표기한 그림이다. 이미지 분석 결과 W/C 40%의 경 우 90 싸이클부터 균열이 확인되었으며 50%의 경우 60 싸이 클, 60%의 경우 90 싸이클에서, 70%는 60 싸이클에서 균열이 확인되었다. 또한, W/C 40% 및 50%인 경우 초반에 균열이 발 생하다 파괴 시점에서 스케일링 등의 박리가 확인되었으나 W/C 60% 및 70%인 경우 균열 발생과 파괴가 동시에 발생하 였다. 이러한 원인은 내부가 상대적으로 밀실한 W/C 40% 및 50%의 경우 내부 조직 구조가 조밀하여 동결융해에 대한 스 케일링에 대한 저항성이 높다는 기존 문헌과 같은 요인으로 판단된다.

또한, 물-시멘트비에 따라 내부로 투입되는 물의 포화깊이 에 따라 차이가 발생된 것으로 판단된다. 즉 W/C 40% 및 50% 의 경우 다른 배합보다 상대적으로 수밀하여 수분이 표면부 부터 내부까지 침투되는 깊이 즉, 포화 깊이가 얕다. 따라서, 동결융해 싸이클이 진행되는 과정에서 수분이 깊이 침투하지 못하고 표면부에서 내부로 열화가 진행되어 가는 형태를 보 이게 된다. 이로 인해 표면 거칠기 값이 서서히 증가하게 되고 이 후 표면부 콘크리트가 동결융해로 약해진 이후에 수분이 더 깊숙이 침투하게 되고 점차 내부의 공극 파괴 및 균열이 발 생함에 따라서 표면부의 스케일링 등이 생성되고 최종적으로 파괴되는 과정을 거치게 되는 것으로 판단된다.

반면 W/C 60% 및 70%와 같이 높은 물-시멘트비를 가진 시 험체의 경우 상대적으로 수밀하지 못하기 때문에 수분이 표 면부터 내부까지 깊게 침투하여 표면부 손상과 동시에 내부 손상이 진행되는 것으로 추정된다. 이로 인하여 표면부의 스 케일등 등의 열화가 발생되기 전에 내부의 조직파괴로 인해 박리/박락이 내부에서 먼저 발생하게 되고 이러한 결과로 표 면부의 화상 이미지는 파괴에 이르기 전까지 초기상태와 거 의 변화가 없고 표면 거칠기 값 또한 상대적으로 큰 변화가 없 었던 것으로 판단된다.

결론적으로 상대적으로 수밀한 콘크리트는 표면부 화상 이 미지나 표면 거칠기 등의 인자로서 동결융해에 의한 열화의 진행을 모니터링할 수 있을 것으로 판단되며 반면 상대적으 로 수밀하지 못한 콘크리트는 동결융해에 의한 열화의 진행 을 화상 이미지나 표면 거칠기의 인자로 판단하기 어려울 것 으로 판단된다.

3.3.2 주사전자현미경을 활용한 이미지 분석

Fig. 4는 동결융해 60 싸이클에서 물-시멘트비에 대해 깊이 별 SEM 촬영을 정리한 그림으로 시편(약 10cm)을 기준으로 표면부, 표면으로부터 약 5cm 지점인 중심부, 약 10cm 지점인 바닥부로 구분하였다. 단, W/C 70%인 경우 동결융해 60 싸이 클 시점에서 시험체가 파괴되었으며 이를 시편으로 제작하기 부적합하여 이를 제외한 배합 3종에 대하여 시편 제작 및 SEM 촬영을 수행하였다.

Fig. 4

SEM image at each depths at 60 cycles of freezing-thawing(60×)

분석결과, 동결융해 60 싸이클의 표면부 SEM 사진에서는 물-시멘트비와 관계없이 동해 작용으로 인한 내부 균열이 확 인되었으며 이러한 균열이 골재와 시멘트 페이스트 사이의 천이대를 따라 확산 및 결합되는 경향을 확인할 수 있었다. 반 면, 표면으로부터 약 5cm 깊이인 중심부의 SEM 이미지에서 는 W/C 40%인 경우 내부 및 천이대 부근의 균열이 거의 관측 되지 않았다. 하지만, W/C 50% 및 60%의 경우 표면부와 마찬 가지로 균열이 확인되었으며 골재와 시멘트 계면의 파괴가 발생하였으며, 이러한 균열이 연결되는 것을 확인할 수 있었 다. 이러한 원인은 3.4.1의 화상 촬영 이미지 분석과 같이 W/C 40%의 경우 상대적으로 수밀하기 때문에 동결융해에 의한 열 화의 진행이 중심부까지 미치지 못하지만 W/C 50% 및 60% 의 경우 40%보다 상대적으로 수밀하지 못하기 때문에 수분이 내부까지 침투하였으며 이로 인해 표면부와 유사한 이미지가 확인된 것으로 판단된다.

바닥부의 SEM 이미지에서는 W/C 40%는 중심부의 SEM 이미지와 마찬가지로 동해로 인한 열화가 확인되지 않았으 며, W/C 50%의 경우 시멘트 매트릭스 내부에서는 미세균열 이 확인되었으나 표면부 및 중심부에서처럼 심각한 수준은 아니였다. 또한, W/C 60%인 경우 50%와 마찬가지로 내부의 미세균열이 확인되었으며 부분적으로 골재와 시멘트 사이의 파괴가 진행되고 있음을 관측할 수 있었다.

따라서, SEM 이미지 분석을 통하여 동해로 인한 열화의 진 행 정도를 파악할 수 있을 것으로 판단되며, 향후 배합에 따라 서 동해의 손상 정도를 정량적으로 평가하여 등급화 할 수 있 을 것으로 판단된다. 단, SEM 이미지 분석의 경우 시료 채취 및 샘플가공 등의 추가적인 작업이 필요하기 때문에 현장에 서 동해의 열화 정도를 확인할 수 있는 방법으로는 다소 어려 움이 있을 것으로 판단된다.