2.1 콘크리트 배합 및 시편 제작

본 연구에서는 OPC 콘크리트 배합과 시멘트를 플라이애시 로 30% 치환한 콘크리트 배합에 대하여 물-결합재비(W/B)를 3가지 수준(37%, 42%, 47%)으로 변화시켜 총 6가지 배합을 수행하였다. Table 1에 본 연구의 배합표를 나타내었으며 Table 2와 Table 3에는 본 연구에서 사용한 골재 및 고성능 감 수제의 특성을 나타내었다.

Table 1

Mix proportions for OPC and Fly Ash concrete

Table 2

Physical properties of aggregate

Table 3

Properties of super-plasticizer

각 배합에 대하여 지름 100mm, 높이 200mm의 원주형 공시 체를 제작하였으며, 그 후 촉진 염화물 확산계수 및 통과전하 량 평가 실험을 위해 원주형 공시체를 50mm 두께로 커팅하여 디스크 시편을 제작하였다. 또한, 모든 시편은 각 목표 재령일 (28일, 49일, 180일, 365일)까지 20℃ 항온 수중 양생되었다.

2.2 콘크리트의 염해저항성 평가 방법

2.2.1 촉친 염화물 확산계수 평가 방법

각 배합의 촉진 염화물 확산계수를 평가하기 위해 Tang’s method에 준하여 염화물 확산 실험을 실시하였다. 본 연구에 서는 각 배합별로 다량의 시편을 제작했기에 초기재령에서 시편의 운반 및 양생의 문제가 발생하여 재령 28일에 촉진 염 화물 확산계수를 평가하지 못하였다. 따라서 재령 28일의 촉 진 염화물 확산계수 값은 기존의 동일 배합 연구의 결과 값을 인용하였다(^{SERI, 2003}). 음극(－, Cell Ⅰ)에는 0.5M의 염화 나트륨(NaCl) 수용액을, 양극(＋, Cell Ⅱ)에는 포화 수산화칼 슘(Ca(OH)₂) 수용액을 적용하여 30V의 전압을 8시간 동안 인 가하였다. 그 후 시편을 할렬하여, 쪼갠 부분에 0.1N의 AgNO₃ 용액을 분무해 은색으로 변하는 부분을 염소이온 침투깊이로 측정하였다. Fig. 1에는 촉진 염화물 확산계수 실험 모식도 및 조건을, Fig. 2에는 염소 이온 침투깊이 측정영역 모식도를 나 타내었다(Tang and Nilson, 1992).

Fig. 1

Diagram and conditions for Tang’s method

Fig. 2

Diagram for measurement zone of Tang’s method

측정한 염소이온 침투 깊이의 평균값을 식 (1)에 사용하여 촉진 염화물 확산계수를 도출한다.(2)

(1)

D r c p t = R T L z F U x d − a x d t

(2)

a = 2 R T L z F U e r f − 1 ( 1 − 2 C d C 0 )

여기서, D_rcpt는 비정상상태에서 구한 전위차 촉진 염화물 확산계수(m²/sec), R은 기체상수(8.314J/mol ․ K), T는 절대온 도(K), L은 시편두께(m), z는 이온전자가(1.0), F는 패러데이 상수 (96,500J/V ․ mol), U는 전위차(V), x_d는 비색법에 의한 침투깊이(m), t는 전위차의 적용시간(sec), C_d는 비색법에 의 한 반응농도 (mol/l), C₀는 음극 Cell의 염소이온농도(mol/l)를 나타낸다.

2.2.2 통과전하량 평가 방법

ASTM C 1202에서 제안하는 통과 전하량 측정 실험은 염 소이온 첨투 저항성을 정성적으로 평가하는 실험 방법으로 알려져 있다. 2.1.1절과 마찬가지의 이유로 재령 28일에 통과 전하량을 측정하지 못하였기에 재령 28일의 통과전하량 값은 기존의 연구에서 제안된 촉진 염화물 확산계수와 통과전하량 간의 상관식(식 (3))을 사용해 도출하였다. 실험의 모식도는 2.1.1절과 같지만 실험 조건은 다른데 두께 50mm의 디스크 시편을 대상으로 음극(－, Cell Ⅰ)에는 3% NaCl 수용액을, 양 극(＋, Cell Ⅱ)에는 0.3M NaOH 수용액을 적용하여 6시간동 안 60V의 전압을 인가하였다. 통과 전류량은 30분 간격으로 측정하였으며 식(4)을 이용해 통과 전하량을 도출하였다. 이 값은 ASTM C 1202에서 제안하는 Table 4에 의해 등급이 나 눠진다(^{ASTM C 1202, 2005}).

Table 4

Evaluation standard of total passed charge by ASTM C 1202

(3)

D = 0.0103 × 10 − 12 × ( Q t o t a l ) 0.84

여기서, D는 촉진 염화물 확산계수(m² /sec), Q_total은 통과 전하량을 나타낸다.

(4)

Q = 900 ( I 0 + 2 I 30 + 2 I 60 + ⋯ + 2 I 330 + I 360 )

여기서, Q는 총 통과 전하량(Coulomb)을 나타내고 있으 며, I_x는 x분에서 측정한 전류값(A)을 나타낸다.

2.3 확산계수의 시간의존성지수(m) 평가 방법

확산계수의 시간의존성 평가에는 SFA(Silica Fume Association)의 Life-365 모델(식 (5))을 사용하였다. 식 (5)는 Log 관계를 활용하여 식 (6)과 같이 나타낼 수 있으며 선형회 귀분석을 통해 시간의존성지수를 도출해낼 수 있다.

여기서, D_ref는 기준시간(t_ref)에서의 겉보기 염화물 확산 계수(m² /sec), Dt는 시간(t)에서의 겉보기 염화물 확산계수 (m² /sec)를 m은 시간의존성지수를 나타낸다.

또한, Life 365 매뉴얼에서는 시간의존성지수 산정식(식 (7))을 제안하고 있는데 OPC 및 SF(Silica Fume) 콘크리트는 0.2로 시간의존성지수를 고정하고 있으며, FA 치환률은 최대 50%, GGBFS 치환률은 최대 70%로 제한하고 있다(Thomas and Bentz, 2002).

여기서, FA와 SG는 플라이애시 및 고로슬래그의 치환률 (%)을 나타낸다.

Life 365 모델에는 겉보기 염화물 확산계수가 사용되지만 본 연구에서는 겉보기 염화물 확산계수를 측정하지 않았으므 로 기존의 연구에서 제안한 겉보기 염화물 확산계수와 촉진 염화물 확산계수 간의 상관관계 식(식 (8))을 활용하여 겉보기 염화물 확산계수를 도출 한 뒤 Life 365 모델에 대입하여 시간 의존성 지수를 평가하였다(^{Polder et al., 2007}).

여기서, D_rcpt는 촉진 염화물 확산계수(m² /sec)를, D_app는 겉 보기 염화물 확산계수(m² /sec)를 나타낸다.

2.4 콘크리트의 압축강도 평가 방법

압축강도 평가는 KS F 2405에 준하여 평가하였으며 측정 된 강도 값은 시간의존성지수(m)와의 상관관계 평가에 활용 되었다.

3.1 콘크리트의 염해저항성 평가 결과

3.1.1 촉진 염화물 확산계수 평가 결과

플라이애시의 치환률 및 물-결합재비의 변화에 따른 촉진 염화물 확산계수 거동 평가 결과를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3

Evaluation of accelerated diffusion coefficient

기존의 연구 동향과 마찬가지로 초기재령일인 28일에서는 플라이애시 치환 배합에서 OPC 배합 대비 개선된 촉진 염화 물 확산계수가 나타나지 않았으나 재령 49일부터 플라이애시 치환 배합에서 OPC 배합 대비 개선된 염해 저항성을 나타내 었다(^{Nath and Sarker, 2011}). 이는 시멘트의 수화반응 외에 플 라이애시의 포졸란 반응으로 인해 생성된 추가적인 불용성의 안정한 규산화칼슘수화물이 원인으로 사료된다(^{Metha and Monteiro, 1993}). 또한 모든 배합에서 물-결합재비가 높을수 록 높은 확산계수가 나타났다. 재령 28일 대비 365일의 촉진 염화물 확산계수 감소율은 OPC 배합의 경우 43.1% ~ 66.3%, 플라이애시 치환 배합의 경우 28.8% ~ 36.2%로 나타났다. 또 한, 플라이애시 치환 배합은 재령 28일 대비 49일에서 가장 큰 확산계수 감소 폭을 나타내었는데 플라이애시 치환 배합이 적절한 양생기간만 확보된다면 OPC 배합 대비 뛰어난 염해 저항성능을 나타내는 것으로 보인다.

3.1.2 통과전하량 평가 결과

본 절에서는 플라이애시의 치환률 및 물-결합재비의 변화 에 따른 통과전하량 거동을 평가하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4

Evaluation of passed charge by ASTM C 1202

통과 전하량 결과 동향은 3.1.1절의 촉진 염화물 확산계수 결과 동향과 비슷하게 나타났다. 이는 두 실험 방법 모두 전기 장내의 염소이온 이동 속도에 지배적인 시험 방법이기 때문 이다. Table 4에 따르면 재령 28일의 모든 배합에서 High 등급 을 나타냈다. 재령 180일에서부터 플라이애시 치환 배합은 모 든 물-결합재비에서 Low 등급을 나타내었고, OPC 배합의 경 우 물-결합재비 37%에서는 High 등급을, 42%, 47%에서는 Moderate 등급을 나타내었으며 최종 재령일인 365일에서 물- 결합재비 37%에서는 Low 등급을, 물-결합재비 42%, 47%에 서는 Moderate 등급을 나타내었다. 재령 28일 대비 365일의 통과전하량을 평가한 결과 OPC 배합의 경우 35.1% ~ 46.5% 를, 플라이애시 치환 배합의 경우 15.7% ~ 20.4%의 감소율을 나타내었다.

3.2 시간의존성지수(m) 평가 결과

3.1.1절의 촉진 염화물 확산계수 결과로 겉보기 염화물 확 산계수를 도출한 뒤, Life-365모델(식 (5), 식 (6))을 이용해 시 간의존성지수(m)를 도출하였다. 식 (8)을 이용하여 도출한 겉보기 염화물 확산계수를 Table 5에 나타내었다.

Table 5

Converted apparent chloride coefficient by accelerated chloride coefficient

Fig. 5에는 Life-365모델의 로그관계(식 (6))를 활용한 각 배 합의 회귀분석 결과를, Fig. 6에는 각 배합의 시간의존성지수 와 Life-365에서 제안하는 시간의존성지수 산정식(식 (7))에 각 배합의 특성을 대입하여 얻은 값의 비교 평가 결과를 나타 내고 있다.

Fig. 5

Result of regression analysis for time-parameter(m)

Fig. 6

Evaluation of time-parameter(m)

각 배합의 시간의존성지수 평균값을 비교하면 플라이애시 치환 배합에서 OPC 배합 대비 약 1.5배 높은 시간의존성지수 가 나타났다. 시간의존성지수는 겉보기 염화물 확산계수가 감소하는 기울기를 나타내는 값이다. 그러므로 초기재령에서 는 플라이애시 30% 치환 배합이 OPC 배합 대비 높은 겉보기 염화물 확산계수를 갖지만 최종 재령일에서는 시멘트의 수화 반응 외에 추가적인 포졸란 반응으로 인해 OPC 배합보다 낮 은 겉보기 염화물 확산계수 값을 갖게 되어 OPC 배합보다 높 은 시간의존성지수를 나타내게 된다. 또한, OPC 배합에서는 물-결합재비가 낮을수록 높은 시간의존성지수가 나타났는데 이는 OPC 배합의 염화물 거동은 시멘트의 수화반응에 지배 적이기 때문으로 사료되며, 플라이애시 치환 배합에서는 물- 결합재비의 변화에 따른 시간의존성지수의 변화가 거의 나타 나지 않았다.

본 연구의 실험값으로 얻은 시간의존성지수와 Life-365의 제안식(식 (7))으로 얻은 시간의존성지수를 비교 평가한 결과, OPC 배합에서는 본 연구의 실험값으로 얻은 시간의존성지수 가 제안식으로 구한 시간의존성지수의 약 129.0%로, 플라이 애시 치환 배합에서는 실험값으로 얻은 시간의존성지수가 제 안식으로 구한 시간의존성지수의 약 86.4%로 나타났다. 이는 OPC 배합의 경우 물-결합재비의 증감에 따라 시간의존성지 수가 크게 변하고 있는데 Life-365의 제안식에서는 물-결합재 비의 증감을 고려하지 않아 OPC 배합의 시간의존성지수를 과소평가하고 있기 때문이다. 실험값으로 시간의존성지수를 도출한 결과, OPC 배합이라 할지라도 물-결합재비가 상대적 으로 낮은 배합(W/B=37%)에서는 높은 시간의존성지수를 나 타내었다.

3.3 압축강도 평가 결과

KS F 2405에 준하여 재령 28일, 49일, 180일, 365일에서 각 배 합의 압축강도를 평가하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7

Evaluation of compressive strength by KS F 2405

모든 배합에서 물-결합재비가 낮을수록 높은 강도가 발현 되었다. 또한, 초기재령인 재령 28일부터 플라이애시 치환 배 합은 OPC 배합대비 동등이상의 강도 값을 나타내었다. 모든 배합에서 재령이 증가함에 따라 강도가 증가하는 경향을 나 타내었는데 재령 28일 대비 365일의 압축강도 증가율은 OPC 배합에서 140.3% ~ 155.0%를, 플라이애시 치환 배합에서 148.7% ~　164.4%로 플라이애시 치환 배합에서 OPC 배합대 비 높은 강도 증가율을 나타냈다. 물-결합재비 47%의 OPC 배 합에서 재령 49일 강도가 재령 28일 강도와 거의 비슷한 값이 나타났는데 이는 실험 오차로 간주되며 재령 180일에서 강도 가 크게 상승하면서 이를 상쇄하였다.

3.4 시간의존성지수와 압축강도 간의 상관관계 평가 결과

본 절에서는 3.2절의 시간의존성지수(m)와 3.3절의 압축 강도 간의 상관관계를 평가하였다. 압축강도의 경우 플라이 애시 치환 배합의 포졸란 반응을 충분히 고려하기 위해 최종 재령일인 재령 365일의 값을 사용하여 상관관계를 분석하였 다. Fig. 8에 상관관계 평가 결과를 나타내었다.

Fig. 8

Evaluation of relation between time-parameter and compressive strength

OPC 배합의 경우 압축강도가 증가할수록 선형적으로 시간 의존성지수가 증가하는 경향을, 플라이애시 치환 배합은 압 축강도가 증가할수록 선형적으로 시간의존성지수가 감소하 는 경향을 나타내었다. 이는 OPC 배합에서는 물-결합재비가 낮은 배합에서 높은 압축강도와 시간의존성지수를 나타내었 기 때문이다. 또한 플라이애시 치환 배합의 경우, 압축강도는 물-결합재비가 낮은 배합에서 높은 값을 나타내었고 시간의 존성지수는 물-결합재비가 높을수록 다소 높은 값이 나타나 기울기는 OPC 배합보다 적었으나 선형적으로 감소하는 경향 을 나타내었다.