2.1 사용재료 및 실험계획

Table 1에 사용재료의 물리적 특성을 나타내었다. 시멘트 는 KS L 5201「포틀랜드 시멘트」의 1종 보통 포틀랜드 시멘 트(ordinary Portland cement, OPC)와 KS L 5210「고로슬래 그 시멘트」의 고로슬래그 시멘트(Portland blast-furnace slag cement, PBC) 2종을 사용하였으며, 밀도는 각각 3.12, 3.05 g/cm³이고, 비표면적은 3,500, 4,000 cm²/g이다. 잔골재와 굵 은 골재의 경우 밀도가 각각 2.56, 2.65 g/cm³, 최대치수가 각 각 5, 25 mm인 부순 골재를 사용하였다.

Table 1

Physical properties of used materials

Table 2에 본 연구의 실험계획을 나타내었다. 본 연구의 실 험변수는 시멘트 종류, 정수압 크기, 정수압 노출기간으로 설 정하였다. 시멘트 종류는 보통 포틀랜드 시멘트와 고로슬래 그 시멘트, 압력의 크기는 대기압과 동일한 1 atm과 수심 50 m 에 위치한 콘크리트를 가정한 6 atm, 압력 노출기간은 3, 7, 28, 56일로 설정하였다.

Table 2

Experimental plan

평가항목의 경우 정수압 크기 및 노출기간에 따른 콘크리 트의 수용성 염화물량을 측정하였으며, 주사전자현미경 (Scanning electron microscopy, SEM)을 활용한 미세구조 관 찰, 수은압입법(Mercury instrusion porosimetry, MIP)으로 공 극 크기별 분포 및 누적공극량을 측정하였다.

Table 3에 콘크리트 배합을 나타내었다. 콘크리트 구조설 계기준의 특수 노출 상태에 대한 콘크리트에서 제시하고 있 는 설계기준강도 35 MPa을 만족시키기 위해 W/B를 38.2 %, 잔골재율은 44,6 %로 설정하고, 목표 공기량은 4.0±0.5 %로 설정하였다.

Table 3

Mix proportion

콘크리트의 공기량은 고성능 AE감수제를 활용하여 목표 값을 만족시켰으며, OPC 시험체의 재령 28, 56일 압축강도는 각각 56.8, 57.2 MPa, PSC 시험체의 재령 28, 56일 압축강도는 60.8, 66.6 MPa로 측정되었다.

2.2 정수압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투실험

Fig. 1에 콘크리트의 염화물이온 침투 실험방법을 나타냈 다. 대기압과 동일한 1 atm을 받는 콘크리트는 Fig. 1(a)에 나 타낸 바와 같이 시험체를 염수에 침지하였으며, 6 atm의 정수 압을 받는 콘크리트는 Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같이 정수압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투 실험장치를 고안하여 콘크 리트를 염수에 노출시킴과 동시에 정수압을 가하였다. 정수 압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투 실험장치의 개념도를 Fig. 2에 나타냈다. 실험장치는 기존의 정수압을 가하여 투과 되는 공기량을 측정하는 투기계수 실험장치로부터 고안되었 으며(^{Kang et al., 2010}), 시험체는 고무링과 고정 장치를 활용 하여 안착부에 고정하고 염화물이온의 1면 침투를 유도하였 다. 장치의 각 부위는 볼트로 체결하여 내부 압력의 노출을 방 지하였다. 또한, 장치의 하단에는 밸브를 설치하여 압력과 염 수의 누출 여부를 확인하고 시험체에 압력구배가 발생하도록 하였다. 염수는 ASTM D 1141「Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water」에 준하여 제조한 인 공해수를 투입하였다. 염화물이온의 침투를 유도하기 위해 컴프레셔와 레귤레이터를 활용하여 정수압을 0.01 atm 단위 로 조절하면서 주입하였다.

Fig. 1

Experimental method of chloride ion penetration in concrete

Fig. 2

Conceptual diagram of chloride ion penetration experiment equipment of concrete under hydrostatic pressure

2.3 실험방법

정수압이 콘크리트의 염화물이온 침투에 미치는 영향을 평 가하기 위한 시험체는 표준 공시체(φ100×200 mm)의 중앙부 를 50 mm 두께로 절단하여 φ100×50 mm 크기로 제작하였다. 각 시험체는 해양콘크리트 구조물 중 정수압을 받는 개소인 침지대에 위치한 구조물과 동일도록 포수상태를 유지하기 탈 형 이 후 수중양생을 실시하였으며, 재령 56 일까지 양생한 이 후 정수압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투 실험을 실시 하였다.

수용성 염화물량은 시험체 표면으로부터 0~5, 5~10, 10~15 mm의 시료 10 g씩 채취하여 KS F 2713「콘크리트 및 콘크리 트 재료의 염화물 분석 시험 방법」에 준하여 질산은을 활용 한 전위차적정법을 통해 측정하였다. 적정을 위한 장치는 전 위차 자동적정장치(798 MPT Titrino)를 활용하여 당량점을 측정하였으며, 당량점으로부터 식 (2)와 같이 시료의 수용성 염화물량을 측정하였다.

여기서, Cl은 수용성 염화물량, V₁은 시료의 적정에 사용 된 0.05 N 질산은 용액의 부피, V₂는 바탕 적정에 사용된 0.05 N 질산은 용액의 부피, W는 시료의 질량이다.

또한, 시험체의 미세구조는 주사전자현미경(SEM)을 활용 하여 56일간 1, 6 atm 정수압을 받은 시험체를 대상으로 관찰 하였다. 시험체의 표면부(0~10 mm) 시료를 채취하여 샘플을 백금으로 코팅한 후 가속전압 15 kV에서 관찰하였다.

정수압을 받는 시험체의 공극 크기별 분포 및 누적공극량 은 수은압입법(MIP)으로 측정하였다. 샘플은 56일간 1, 6 atm 정수압을 받은 시험체 중 굵은 골재를 제외한 모르타르 부분 을 약 5 mm의 크기로 파쇄하여 수은압입장비(Micromeritics Auto Pore 9500)를 활용하여 측정하였다. 접촉각, 표면장력은 각각 130°, 485 dines/cm로 설정하였다.

3.1 정수압을 받은 콘크리트의 염화물이온 침투

Fig. 3에 대기압과 동일한 1 atm의 정수압을 받은 콘크리트 의 수용성 염화물량 측정 결과를 나타내었다. OPC와 PSC 시 험체 모두 노출기간이 경과함에 따라 수용성 염화물량이 증 가하였다. 한편, 5~10 mm 시료의 수용성 염화물량의 경우, OPC 시험체는 0~5 mm 시료의 수용성 염화물량과 유사하게 선형적으로 증가하는 경향을 나타었으나, PSC 시험체는 정수 압 노출기간의 경과에도 불구하고 5~10 mm 시료의 수용성 염화물량의 증가가 크지 않았다. 또한, 10~15 mm 시료의 수 용성 염화물량 측정결과에서도 동일한 경향을 나타내었다. 이러한 원인은 고로슬래그 시멘트에 혼입된 고로슬래그 미분 말에 의해 낮은 염화물이온 확산계수에 의한 영향으로 판단 할 수 있다(^{Lee et al., 2017}).

Fig. 3

Water-soluble chloride contents (Pressurized condition : 1 atm)

Fig 4에 6 atm의 정수압을 받은 콘크리트의 수용성 염화물 량 측정 결과를 나타내었다. 측정결과 OPC와 PSC 시험체 모 두 정수압 노출기간이 3, 7, 28, 56일로 경과함에 따라 0~5 mm 시료의 수용성 염화물량은 급격하게 증가하는 경향을 나타내 어 1 atm의 정수압을 받은 시험체 보다 약 6~10 배 이상 높은 수용성 염화물량을 나타냈다. 한편, OPC와 PSC 시험체 모두 정수압 노출기간의 경과가 28일 까지는 급격한 염화물량의 증가를 나타내었으나, 28일 이후 수용성 염화물량은 큰 증가 폭을 나타내지 않으며 약 4.0, 1.8 %로 수렴하는 결과를 나타 냈다. 또한, 6 atm의 정수압을 받은 콘크리트에서도 1 atm의 정수압 조건과 마찬가지로 모든 침투깊이와 노출기간과 관계 없이 고로슬래그 미분말이 혼입된 PSC 시험체에서 낮은 수용 성 염화물량을 나타내었다.

Fig 4

Water-soluble chloride contents (Pressurized condition : 6 atm)

한편, 6 atm의 정수압을 받은 시험체의 0~5 mm 시료의 수 용성 염화물량과 5~10 mm 시료의 수용성 염화물량의 차이는 1 atm의 정수압을 받은 시험체의 깊이별 수용성 염화물량 차 이보다 큰 차이를 나타냈다. 이러한 결과는 0~5 mm에 해당하 는 콘크리트 표면부의 경우 해수의 침투에 의해 급격한 상승 과 더불어 높은 염화물량을 나타내며, 수분침투가 진행되지 않은 깊이에서는 염화물이온 확산에 의한 침투가 진행되었기 때문인 것으로 판단된다.

3.2 주사전자현미경 관찰

Fig. 5에 각각 1 atm과 6 atm의 정수압과 인공해수에 노출된 OPC, PSC 시험체의 주사전자현미경 관찰결과를 나타냈다. OPC와 PSC 시험체 모두에서 광범위한 칼슘 실리케이트 수화 물(Calcium silicate hydrate, C-S-H)의 형성과 수산화칼슘 (Ca(OH)₂)이 관찰되었으며 시멘트의 종류에 따른 수화생성 물의 차이는 크지 않았다. 또한, OPC와 PSC 시험체 모두 정수 압의 크기에 따른 시험체의 수화생성물 생성은 큰 차이를 나 타내지 않았다. 정수압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투 실험의 경우 시험체를 재령 56 일까지 수중양생한 이 후 실시 하였기 때문에 콘크리트가 경화가 어느 정도 진행된 이 후에 는 정수압이 콘크리트의 수화에 미치는 영향은 크지 않은 것 으로 판단된다.

Fig. 5

SEM micrographs of concrete under hydrostatic pressure

한편, 6 atm을 받은 시험체에서는 1 atm을 받은 시험체에 비해 미세균열이 다수 관찰되었다. 이러한 경향은 정수압의 작용에 의해 매트릭스의 취약한 부분에서 파괴가 일어났을 가능성으로 설명할 수 있다. 그러나 SEM 관찰의 특성상 시료 채취의 과정이나 측정장비의 진공상태를 유지하는 과정에서 발생된 미세균열일 가능성도 없지 않기 때문에 정수압에 의 한 콘크리트의 미세균열 발생에 대해서는 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

3.3 정수압을 받은 콘크리트의 미세공극구조 변화

Fig. 6에 정수압의 크기에 따라 56일간 인공해수에 노출된 OPC 및 PSC 시험체의 공극크기별 분포를 나타냈다. 콘크리 트 중의 공극은 공극의 크기에 따라 중간층 공극, 겔공극, 모 세관공극 그리고 기공으로 나누어진다(^{Kim et al., 2007}). 이 중 5~100 nm에 해당하는 모세관공극은 시멘트 경화체의 이 온의 침투성에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다(Yang, C. C. et al., 2006). OPC와 PSC 시험체의 공극크기별 공극량 측정결과 6 atm의 정수압을 받은 모든 시험체에서 5~100 nm 의 모세관 공극이 급격하게 증가하는 경향을 나타냈으며, 특 히 50 nm 부근의 모세관공극이 크게 증가하는 경향을 나타냈 다. 이러한 원인은 정수압의 크기와 수분침투의 관계에서 찾 을 수 있다. 기존의 연구(Yoo, J. H., 2011)에 의하면, 콘크리트 에 0.3 MPa 이상의 수압이 작용할 경우 콘크리트의 내부 변형 을 동반하는 침투 확산류에 의해 콘크리트의 침투 수량비가 증가하게 된다. 본 연구에서 작용한 정수압 6 atm은 약 0.6 MPa의 정수압으로 콘크리트에 작용한다. 따라서 6 atm의 정 수압 작용으로 인한 콘크리트의 내부변형에 의해 100 nm 이 하의 모세관 공극이 증가하는 것으로 판단되며, 이러한 모세 관 공극의 확장에 의해 콘크리트의 염화물이온 침투가 촉진 되는 것으로 판단된다.

Fig. 6

Pore size distribution of concrete according to Pressurized condition

Fig. 7에 OPC 및 PSC 콘크리트에 56일간 인공해수에 노출 된 콘크리트의 노출 정수압 크기에 따른 적산공극량 측정결 과를 나타냈다. 시멘트 종류에 관계없이 정수압을 받은 시험 체는 100 nm이하 공극크기에서 적산공극량이 급격한 증가를 나타냈다.

Fig. 7

Cumulative pore volume of concrete according to Pressurized condition

한편, PSC 시험체의 경우 OPC 시험체와 마찬가지로 정수 압 증가에 따른 적산공극량의 증가현상이 관찰되지만, OPC 시험체에 비해 수용성 염화물량이 낮은 원인은 앞서 설명한 바와 같이 고로슬래그 미분말 혼입에 따른 염화물이온 침투 저항성의 향상 때문인 것으로 판단된다.