2.1 대상구조물의 제원 및 노출환경

대상 구조물은 주상복합 콘크리트 구조물로서 해양 인근 250 m 이내에 시공 예정이므로 비래 염분에 따른 철근부식이 발생될 수 있다. 지하수에는 상당한 수준의 염화물 이온과 황 산염 이온이 존재하고 있으나, 차수벽 및 35 MPa의 콘크리트 로 설계되어 있으므로 내염해 조건을 만족하였다. 내구수명 평가 대상 구조물은 해안가에 인접한 옥외 구조물인 벽체와 기둥으로 국한하였으며, 각각의 피복두께는 50 mm, 80 mm로 설계되어 현행 설계기준을 만족하고 있었다. Fig. 1에서는 대 상 구조물의 노출환경을 나타내고 있다.

Fig. 1

Average temperature and relative humidity

2.2 사용재료

대상 구조물 중 상부(옥외)에 해당되는 구조물은 24 MPa의 설계 강도를 가지고 있으며, 대상 배합을 OPC 또는 2종 고로 슬래그 시멘트를 이용하여 3가지 배합군으로 설정하였다. Table 1에서는 적용대상인 3 개의 콘크리트 배합을 나타내고 있으며, 사용된 골재 특성은 Table 2에 나타내었다.

Table 1

Mix proportions for target RC members

Table 2

Physical properties of the used aggregates

3.1 압축강도 평가

KS F 2405에 따라 각 배합의 압축강도를 재령 7일, 14일, 28 일에 3개의 시편에 대하여 평가하였으며 그 결과를 Table 3과 Fig.2에 나타내었다.

Fig. 2

Results of compressive strength

Table 3

Compressive strength results

모든 배합에서 재령 28일에 설계 강도를 초과하는 값을 나 타내었다. 2종 슬래그 시멘트를 사용한 경우, 단위 결합재량 이 많은 S-2에서 S-1 배합 대비 약 20 % 수준의 강도 증가를 나 타내었다.

3.2 촉진염화물 확산계수 및 통과량 평가

촉진 염화물 실험에서는 ASTM C 1202에 의한 통과 전하 량 측정과 NT BUILD 492 방법을 통한 확산계수를 평가하였 다. Fig.3과 Fig.4에서는 실험 전경 및 염화물 침투 깊이 사진 을 나타내고 있다. 또한 Table 4과 Table 5에서는 각 2개 시편 에 대한 통과전하량과 촉진확산계수 결과를 나타내었다.

Fig. 3

The whole view of RCPT

Fig. 4

Photos for penetrated concrete by chloride ion

Table 4

Results of passed charge

Table 5

Results of diffusion coefficient from NT BUILD 492

2종 고로 슬래그 시멘트를 결합재로 사용한 배합에서 OPC 배합 대비 21.2 % ~ 23.8 %의 통과 전하량을 나타냈으며, 2종 고로 슬래그 시멘트 사용 배합 간에는 상대적으로 큰 차이가 발생하지 않았다. 또한 NT BUILD 측정값에서는 OPC 배합 대비 S-1 배합에서는 55.7 %, S-2 배합에서는 37.2 % 수준의 감소된 확산계수가 평가되었다.

이러한 염화 통과량 감소 및 전기장내에서의 확산성 감소는 GGBFS의 수화물 생성에 따른 공극구조의 개선과 자유염화물 흡착을 개선하는 기능에 주된 원인이 있다(^{Song and Kwon, 2009; Thomas and Bamforth, 1999; Leng et al., 2000; Kim et al., 2015; Ehlen, 2018}). 기존의 연구에 의하면(^{Berke and Hicks, 1994}) 통과전하량은 촉진 염화물 확산계수로 경험적으로 변환 시킬 수 있는데, 이는 식(1)과 같이 나타낼 수 있다. 식(1)을 통하 여 변환시킨 촉진 염화물 확산계수를 Table 6에 나타내었으며 이를 NT BUILD 측정값과 같이 Fig.5에 도시하였다.

Table 6

Converted accelerated diffusion coefficient

Fig. 5

Results of accelerated diffusion coefficient

여기서, D는 촉진 염화물 확산계수(m²/s), Q는 통과 전하 량(Coulomb)를 나타낸다.

4.1 지배방정식 개요

본 연구에서는 내구수명 평가를 위하여 Fick's 2nd Law의 지배방정식을 유한차분법으로 풀이하고 LCC (Life Cycle Cost)를 평가할 수 있는 Life 365 ver.2 프로그램을 사용하여 내구수명을 평가하였다. 식(2)에서는 Fick's 2nd Law를 식(3) 에서는 Fick's 2nd Law해로서 오차함수를 사용한 염화물 이 동방정식을, 식(4)에서는 시간의존적으로 감소하는 염화물 확산계수를 나타내는 식을 나타내었다.

여기서 c는 염화물 농도(g/m³)를 D는 겉보기 염화물 확산 계수(m²/s), x는 표면에서 부터의 거리를 나타낸다.

여기서 C₀는 표면염화물량(kg/m³), x는 콘크리트 피복두 께(m), D(t)는 시간(t)에서의 확산계수, D_ref는 28일에서의 콘 크리트 확산계수, t는 사용기간(일), t_ref는 28일, m은 시간의 존성지수로서 배합에 따라 변하게 된다. 시간의존성 확산계 수는 30년까지 시간의 영향에 따라 변화하며, 그 이후는 일정 하다고 가정한다(^{Ehlen, 2018}). 온도의 영향은 아레니우스 법 칙에 따른 온도의존성을 고려하였다.

4.2 내구성 설계인자의 정량화 및 해석조건

남해안 비말대 지역을 고려하여 표면염화물량은 콘크리트 시방서에 따라 5.0kg/m³으로 설정하였으며(^{KCI, 2012}), 구조 물의 표면에서의 염화물량이 설정한 표면 염화물량 까지 포 화되는 기간(Built-up Period)은 10년 및 15년의 두 가지 수준 을 고려하였다(^{Thomas and Bamforth, 1999; Ehlen, 2018; JSCE, 2002; JSCE, 2012}). 일반적으로 혼화재를 사용하는 경 우, 동일한 기간에 고정화되는 염화물량이 많아 표면 염화물 이 증가하는 것으로 알려져 있으나 본 해석에서는 모두 5.0kg/m³의 표면 염화물량을 고려하였다. 철근의 임계 부식량 에 대해서는 많은 의견이 있지만 시방서에서 제안하는 1.2kg/m³을 기준으로 하였다. 최근 들어 일본에서는 바인더의 종류와 물-결합재비에 따라 임계 염화물량을 함수로 정하고 있는 추후 우리나라에서도 이에 대한 고려가 필요하다(^{JSCE, 2012}). 실제로 1.2kg/m³의 임계 염화물량은 매우 보수적인 내 구설계 조건이다. 시간의존성 지수(m)의 설정은 매우 중요한 데 기존의 연구에서는 OPC의 경우 0.2를, 슬래그를 사용한 경 우에는 치환된 혼입률로 계산하고 있다. 본 연구에서 사용한 슬래그 시멘트의 경우 2종으로서 50%의 질량 치환을 가정하 여 m값을 산정하였다. Table 7에서는 내구수명 해석조건을 나타내고 있다.

Table 7

Analysis condition of service life evaluation

4.3 확산계수 변환을 통한 내구수명 도출

3절에서 도출된 촉진 염화물 확산계수는 4.1절에서 내구수 명 해석에 시 사용되는 지배방정식의 겉보기 확산계수와는 물리적으로 다른 전기장 내 염화물 이온의 이동 속도를 나타 내는 값이다. 따라서 내구수명 해석을 위해서는 촉진 염화물 확산계수 결과를 겉보기 염화물 확산계수로 변환하여야 합리 적인 해석 결과를 얻을 수 있다. 두 가지 확산계수의 상관성은 식(5)와 같은 기존의 연구 결과에서 제안된 상관식으로 제안 되어있으며 이를 이용하여, 겉보기 확산계수를 도출하였다.

여기서 D_rcpt는 촉진 염화물 확산계수를, D_app는 겉보기 염 화물 확산계수를 나타낸다.

식(5)에서도 알 수 있듯이 촉진확산계수(D_rcpt)보다 겉보기 확산계수(D_app)가 작게 평가되고 있음을 알 수 있다. Table 8 에서는 각각의 방법으로 도출된 겉보기 확산계수 결과를 나 타내고 있으며 이를 Fig.6에 도시하였다. 이렇게 변환된 확산 계수는 Life365v.2에 사용되어 내구수명을 평가하게 된다.

Fig. 6

Converted apparent diffusion coefficient

Table 8

Converted apparent diffusion coefficient from accelerated conditions

NT BUILD 492 방법을 이용하여 도출된 내구수명을 A로 ASTM C 1202에 의한 확산계수로 평가된 내구수명을 B로 하 여 Table 9에 각각의 내구수명을 나타내었으며 이를 Fig.7에 나타내었다. 또한 각 해석기간에 따른 외벽 및 기둥구조의 염 화물 확산 해석결과는 Fig.8에 나타내었다.

Fig. 7

Results of evaluated service life considering different built-up period

Fig. 8

Chloride behavior in wall and column member with different built-up period

Table 9

Evaluated service life from various conditions

슬래그 시멘트를 사용한 경우 시간의존성지수가 OPC 배합 대비 2.40배 높다. 또한 S-1, S-2 배합은 OPC 배합에 비해 초 기 겉보기 확산계수값이 28.2~25.4%, 54.7~35.9% 수준으로 감소하였으므로 큰 내구수명이 확보되었다. Built-up period 가 10년에서 15년으로 증가함에 따라 내구수명이 외벽 구조 의 경우 102.4 % ~ 118.1 %, 기둥 구조의 경우 101.0 % ~ 111.8 %의 증가율을 나타내었다. OPC 배합을 제외하고는 모든 해 석조건에서 75년 이상의 내구수명을 확보할 수 있었다.