윤용식
(Yong-Sik Yoon)
1
권성준
(Seung-Jun Kwon)
2*
© The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. All rights reserved.
키워드
염해, 옥외 노출, 겉보기 염화물 확산계수, 표면 염화물량
Key words
Chloride attack, Outdoor exposure, Apparent chloride diffusion coefficient, Surface chloride contents
1. 서 론
콘크리트는 고내구성이며 뛰어난 경제성을 갖고 있어 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 건설재료이다(Metha and Monteiro, 2009). 대부분의 콘크리트 구조물은 인장력에 취약한 콘크리트의 재료적 특성 때문에 내부에 철근 기반 보강재를 사 용하여 철근콘크리트(RC: Reinforced
Concrete) 구조 및 PSC(Pre-Stressed Concrete) 구조로 이루어져 있다. 우리나라의 경우 4계절이 뚜렷하고 삼면이 바다에
둘러싸여 있어 콘크리트 구조물의 내구성에 불리한 환경적 특성을 갖고 있다(Moon et al., 2000). 특히 염소 이온(Cl-)에 의한 내부 철근의 부식에 취약한 환경이며(Park and Kim, 2013; Yoon et al., 2018), 우리나라에서 는 연간 24조 원의 유지-보수비용이 지출되고 있는데 그중 약 10 % 정도가 철근 부식에 관련된 보수비용으로 지출되고 있는 실정이다(Korea Expressway Corporation, 2002). 이러한 경향은 우리나라뿐만 아니라 해외 역시 마찬가지이며 일본의 경우 콘 크리트 내부 철근 부식에 의한 손실액이 연간 GNP의 1.8 %에 이른다고
보고되고 있다(JSCE, 2007). 특히 해양 환경의 콘크리 트 구조물에서는 노출 조건(침지, 간만, 비말, 해상 대기 중)에 따라 구조물의 열화 정도가 달라진다고 알려져 있다(Park and Kim, 2013; Lee et al., 2017).
이러한 열화 현상을 제어하고자 임계 염화물량을 높이는 에폭시 코팅 철근의 개발, 염화물 확산을 저감시키는 혼화재 료 개발 등 다양한 연구가 진행되어왔다(Ryu et al., 2018; Kim et al., 2015; Nath and Sarker, 2011). 또한, 인장력에 취약한 콘 크리트의 특성 때문에 사용 기간 중 콘크리트 구조물에 발생 하는 균열은 피할 수 없으며, 이에 따른 염소 이온 확산
거동에 관한 연구도 진행되어 왔다(Yang et al., 2018a; Yang et al., 2018b; Jeong et al., 2017). 그중에서도 시멘트를 혼화재료로 치환하여 사용하는 방법이 염해 열화 제어에 효과적으로 알 려져 있으며, 대표적인
콘크리트 혼화 재료로서 플라이애시 (FA: Fly Ash), 고로슬래그(GGBFS: Ground Granulated Blast Furnace Slag),
실리카 품(SF: Silica Fume)등이 있다(Yang et al., 2018b; Kwon et al., 2014).
플라이애시는 화력 발전소에서 석탄을 연소시킬 때 발생하 는 특정 입도 범위(1μm ~ 100 μm)의 입장 잔사이며(KS L 5405, 2016), 플라이애시를 콘크리트에 혼입하여 사용하면 플 라이애시의 포졸란 반응에 의해 내부 공극 구조가 치밀해져 장기 강도 등의 역학적 성질이 개선될 뿐만
아니라 염해 저항 성능이 개선된다(Nath and Sarker, 2011). 또한, 굳지 않은 콘 크리트 상태에서는 부배합 효과에 의한 워커빌리티 개선, 구 형의 입형으로 인한 블리딩 개선 등을 기대할 수 있으며, 시멘
트 사용량이 줄어듬에 따른 수화열 저감 효과도 플라이애시 의 주요 장점 중 하나이다(Bilodeau et al., 1998; Lee et al., 2008).
콘크리트 구조물의 염화물 확산 거동 평가 시에는 일반적 으로 Fick’s 2nd law를 기반으로 한 지배방정식이 활용되고 있 다. 짧게는 수개월의 염수 침지가 수행된 콘크리트 시편의 깊 이별 염화물 프로파일을 이 지배방정식에
의해 해석하게 되 면 지배방정식의 해로서 겉보기 염화물 확산계수와 표면 염 화물량을 얻을 수 있다. 이러한 방법으로 염화물 확산 거동을 해석하는 경우
포화상태를 가정하기 때문에 노출 환경에 따 라 해석 값에 차이가 발생하게 된다(Kim et al., 2016). 표면 염 화물량의 경우 노출 기간의 평방근에 비례하며, 노출이 시작 되고 10 ~ 12년 동안은 증가하나 그 이후로는 일정하다고 알 려져있다(Thomas and Bentz, 2002). 또한, 고로 슬래그 미분 말을 혼입한 콘크리트에서는 OPC(Ordinary Portland Cement) 를 사용한 콘크리트보다 높은 표면 염화물량을
갖게 되는데 이는 고로 슬래그 미분말 기반 CSH 겔의 높은 염소 이온 흡착 능력에 기인한다(Kouloumbi et al., 1994). 겉보기 염화물 확산 계수는 노출 기간의 증가에 따라 수화의 증가로 인해 시간의 존적으로 감소하는 경향을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 고로슬래그
미분말과 플라이애시와 같은 혼화재료 혼입 시에 는 추가적으로 생성되는 수화물에 의한 확산성 저감으로 인 해 더 큰 감소율을 나타내는 것으로 알려져
있다(Thomas and Bamfoth, 1999).
본 연구에서는 비말 지역에서 균열 폭 및 노출 기간에 따른 겉보기 염화물 확산계수와 표면 염화물량 거동을 평가하고자 2가지 수준의 강도를 갖는 플라이애시
콘크리트 배합을 설계 및 제작하였다. 노출 기간은 180일, 365일, 730일 총 3수준으 로 설정하였으며, 균열 폭은 0.05 mm부터 약 0.1
mm 간격으 로 최대 1.0 mm까지 고려하여 실험을 수행하였다. 배합의 강 도 특성, 균열 폭, 노출 기간에 따라 변화하는 겉보기 염화물 확산계수와
표면 염화물량의 거동을 비교 분석하였다.
2. 사용 재료 및 평가 방법
2.1 사용 재료 및 고성능 플라이애시 콘크리트 배합
본 연구에서는 보통 강도 범위에 속하는 28 MPa(A type)과 고강도 범위에 속하는 41 MPa(B type)의 설계 강도(fck)를 갖 는 두 가지 플라이애시 치환 배합을 설정하였다. Table 1에는 본 연구의 배합표를, Table 2에는 사용된 OPC(Ordinary Portland Cement) 및 플라이애시의 물성을, Table 3에는 배합 에 사용된 골재의 물리적 특성을 나타내었다. 콘크리트 배합 시 배치 플랜트를 활용하여 재료 계량을 한 후 믹서기를 활용 하여 실시하였다.
배합 후 24 시간 경과 후 탈형을 실시하였으 며, 일 방향 침투를 유도하기 위해 에폭시로 시편의 측면과 하 단부를 코팅하였다. 20 ± 2 ℃에서
수중 양생을 수행하였으 며, 재령 56일에 균열을 야기한 뒤 옥외 환경에 노출시켰다.
Table 1
Mix proportions for 2 types of Fly Ash concrete
Table 3
Properties of sand and gravel
2.2 균열을 고려한 FA 콘크리트의 겉보기 염화물 확산계수 및 표면 염화물량 평가 방법
2.2.1 균열 인가 방법
시편의 크기는 직경 100 mm, 높이 200 mm의 원주형 공시체로 설정하였으며, 재령 56일에 UTM(Universal Test Machine)을
활 용하여 쪼갬인장시험을 통해 균열을 야기하였다. 수 회의 실험 을 통해 균열을 야기하였으며, 약 0.1 mm 간격으로 최대 1.0 mm 까지 균열
폭을 야기하였다. 시편의 균열 방향에 수직을 이루도 록 시편의 표면에 Crack gauge를 부착하였으며, 그 후 하중을 목 표 균열 폭이 발생할
때까지 증가시킨 후 제하하였다. 하중을 제 하한 후 균열 폭이 일부 감소하였기 때문에 일정 시간 후 균열 폭을 재 측정하여 최종 균열 폭으로 판단하였다.
시편에 균열을 인가하는 전경을 Fig. 1에 나타내었다.
Fig. 1
Inducing crack to fly ash concrete specimens
2.2.2 자연환경 모사 시험의 노출 조건
본 연구에서는 경기도 안산시 시화 방조제 인근의 해양 옥 외 폭로 시험장의 비말 지역에 시편을 존치시켜 각 배합의 염 화물 거동을 평가하였다. 비말
지역에서는 파도의 영향을 직 접 받고 육풍을 차단하여 해풍의 영향만을 받을 수 있도록 하 였다. 모든 조건의 시편을 최대 2년까지 노출시켰다. 본
시험 장의 모식도를 Fig. 2에, 시험장 전경을 Fig. 3에 나타내었다.
Fig. 2
Mimetic diagram of outdoor exposure test for this study
Fig. 3
Photos of outdoor exposure test site
2.2.3 겉보기 염화물 확산계수 및 표면 염화물량 도출 방법
균열 폭을 고려하여 비말 지역에 노출된 두 가지 배합의 플라 이애시 콘크리트 시편의 겉보기 염화물 확산계수 및 표면 염화 물량을 평가하고자 산가용성
시험 방법(KS F 2714)으로 시편 의 깊이별 염화물량을 측정하였다. 일반적으로 수경성 시멘트 조직 내에 있는 산-가용성 염화물량은 시멘트 조직
내의 총 염 화물량과 같다고 알려져 있기 때문에 본 방법을 채택하였다 Fig. 4에는 염화물 프로파일 측정 전경을 나타내었다. 측정한 염화물 프로파일을 Fick's 2nd law에 적용시켜 선형회귀분석 방법으로 겉보기 염화물 확산계수
및 표면 염화물량을 도출하 였다. 도출 과정을 Fig. 5에 나타내었으며, 0 ≤z ≤
3
범위 에 서는 erfc(z) = 1-erf(z)로 가정할 수 있어 선형회귀분석 방법 으로 비교적 간단하게 겉보기 염화물 확산계수를 도출할 수 있 다(Glasser et al., 2008).
Fig. 4
Process of getting chloride profile
Fig. 5
Procedure of drawing apparent chloride diffusion coefficient and surface chloride
contents
3. 균열 폭에 따른 겉보기 염화물 확산계수 및 표면 염화물량 평가 결과
3.1 균열 폭을 고려한 겉보기 염화물 확산계수 평가 결과
비말 지역 노출 기간 180일, 365일, 730일에서 균열 및 배합 특성을 고려한 겉보기 염화물 확산계수 평가 결과를 Fig. 6에 나타내었다.
Fig. 6
Apparent chloride diffusion coefficient in 2 types of FA concrete
모든 배합에서 균열 폭이 증가할수록 겉보기 염화물 확산계 수가 증가하는 경향을 나타내었다. 보통 강도(28 MPa) 배합인 B 배합에서는 염화물 확산계수가
비교적 선형적으로 증가하 는 경향을 나타내었으며, 고강도(41 MPa) 배합인 A 배합에서 는 염화물 확산계수가 비선형적으로 증가하였다. A 배합의
경 우 균열 폭이 0.05 mm인 경우를 기준으로 균열 효과를 고려하 면 노출기간 180일에서는 94.3 % ~ 194.3 %, 노출기간 365일에
서는 99.2 % ~ 265.0 %, 노출기간 730일에서는 117.1 % ~ 487.4 %의 겉보기 염화물 확산계수 증가율을 나타내었다. B 배합의
경우에는 노출기간 180일에서 126.9 % ~ 294.3 %, 노출기간 365일에서 108.5 % ~ 374.1 %, 노출기간 730일에서 136.2
% ~ 462.5 %의 증가율을 나타내었다. 강도가 높은 콘크리트일수록 염화물 확산 시 균열의 영향을 적게 받는 것으로 보인다. 또한 고강도 배합인
A 배합에서는 B 배합 대비 27.9 % ~ 58.5 %의 감 소율을 나타내었으며, 이는 상대적으로 적은 물-결합재 비로 인해 확보된 결합재의 양에
의해 내부구조의 치밀화가 원인으 로 보인다. 일반적으로 균열 폭 안으로 염화물 이온이 침투하게 되면 염화물 기반 수화물을 생성하게 되어 균열 폭 감소
효과가 나타나게 되는데(Song et al., 2008), 이러한 균열 치유 효과에 기인하여 노출 기간의 증가에 따라 균열 폭이 확산계수에 미치 는 영향이 감소한 것으로 보인다.Table 4에 선형회귀분석을 통 하여 각 노출 기간에서의 균열의 영향을 분석한 결과를 나타내 었다. 선형회귀분석 시 기울기 값이 높을수록 균열의 영향이 큰 것으로
판단될 수 있다.
Table 4
Results of linear regression analysis to evaluate crack effect
노출기간 180일을 기준으로 노출기간의 증가에 따른 각 균 열 폭에서의 확산계수 변화율을 평가하였으며 이를 Fig. 7에 나타내었다.
Fig. 7
Changing ratio of Apparent chloride diffusion coefficient in 2 types of FA concrete
보통 강도를 갖는 B 배합에서는 노출기간의 증가에 따라 비선형적인 감소율을 고강도 배합인 A 배합에서는 균열 폭에 따라 비교적 선형적으로 증가하는
감소율을 나타내었다. 보 통 강도 배합에서는 균열 폭의 증가가 노출기간의 증가에 따 른 확산계수 감소에 큰 영향을 끼치지 않는 것으로 보인다. Fig.
8에서는 노출 기간 180일의 균열 폭 0.05 mm의 확산계수 를 기준으로 균열 폭 및 노출 기간에 따라 변화하는 확산계수 변화 거동을 컨투어로 나타내었다.
Fig. 8
Contour for Changing ratio of apparent chloride diffusion coefficient by exposure
period and crack width
3.2 균열 폭을 고려한 표면 염화물량 평가 결과
본 절에서는 3가지 수준의 비말 지역 노출 기간(180일, 365 일, 730일) 및 균열 폭을 고려한 두 가지 강도 수준의 플라이애 시 콘크리트의
표면 염화물량을 평가한 결과를 다루고자 하 며, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다.
Fig. 9
Surface chloride content in 2 types of FA concrete
두 배합의 표면 염화물량 거동은 3.1절의 겉보기 염화물 확 산계수 거동 대비 균열 폭에 의한 영향이 미비한 것으로 보인 다. 고강도 배합인 A 배합에서는
B 배합 대비 74.9 % ~ 90.7 % 의 염화물량을 나타내어 표면 염화물량은 강도와의 상관관계 를 갖고 있는 것으로 보이며 이는 기존의 연구에서
증명되었 다(Thomas and Bamforth, 1999). 노출 기간 180일을 기준으로 노출 기간의 증가에 따른 각 균열 폭에서의 표면 염화물량의 변화율 Fig. 10에 나타내었다.
Fig. 10
Surface chloride content of 2 types of FA concrete
노출 기간에 따른 표면 염화물 증가율 역시 균열 폭에 의해 뚜렷한 거동이 발생하지 않았으며, 보통 강도를 갖는 B 배합 에서 고강도 배합인 A 배합
대비 큰 변동성을 나타내었다. 노 출 기간의 증가에 따라 노출 기간 180일 기준 노출 기간 730일 에서 A 배합의 경우 최대 134.2 %, B
배합의 경우 최대 142.9 %의 표면 염화물량 증가율을 나타내었다. Fig. 11에서는 Fig. 8과 마찬가지로 노출 기간 180일의 균열 폭 0.05 mm의 표면 염화물량을 기준으로 균열 폭 및 노출 기간에 따른 표면 염화 물량 변화 비를 나타내었다.
Fig. 11
Contour for Changing ratio of surface chloride contents by exposure period and crack
width
3.3 압축강도 평가 결과
본 연구에서는 수중 양생 730일을 거친 두 배합의 압축강도를 평가하였다. 이전 재령일에 대한 압축강도결과는 기존의 연구 에서 인용하였으며(Jeong
et al., 2017), 재령일의 증가에 따라 변 화하는 압축강도 거동을 분석하였다. 재령 56일, 180일, 365일, 730일의 압축강도 평가
결과를 Fig. 12에 나타내었다.
Fig. 12
Compressive strength in 2 types of FA concrete
압축강도 평가 결과 A 배합은 B 배합 대비 132.7 % ~ 142.9 %의 강도를 나타내었다. 두 배합은 재령 56일에 설계 강도 대 비 약 140
%의 강도를 나타내었다. 재령 56일 대비 730일에서 의 강도 증진률을 평가하면 A 배합의 경우 111.3 %, B 배합의 경우 124.9 %로
B 배합에서 다소 높게 평가되었으며, 재령 56 일 이후의 강도 증진율은 비교적 적은 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 2가지 수준의 강도 특성을 갖는 FA 콘크리 트를 대상으로 균열 폭과 노출 기간을 고려하여 겉보기 염화 물 확산계수 및 표면 염화물량을
평가하였다. 노출 조건은 비 말 지역으로 설정하였으며 본 연구의 결론은 다음과 같다.
-
1) 2가지 배합 모두 균열 폭의 증가에 따라 염화물 확산계 수가 증가하였으며 노출기간이 증가함에 따라 확산계 수가 감소하였다. 또한 고강도 배합인 A
배합에서 보통 강도 배합인 B 배합 대비 27.9 % ~ 58.5 %의 확산계수 감소율을 나타내었다. 또한 노출 기간이 증가할수록 균 열에 의한 확산계수
증가율이 낮아졌는데 이는 염소 이 온 기반 수화물의 추가적인 생성이 원인으로 보이며 이 러한 균열 치유 효과는 B 배합에서 A 배합 대비 더 뚜렷
하게 나타났다.
-
2) 균열 폭 및 노출 기간을 고려하여 표면 염화물량을 평가 한 결과, 겉보기 염화물 확산계수 거동 대비 균열의 영향 을 받지 않는 것으로 사료된다. 고
강도 배합인 A 배합에 서 B 배합 대비 78.9 % ~ 90.7 %의 표면 염화물량을 나타 내어 기존의 연구와 마찬가지로 강도와의 상관관계를 나
타내었다. 또한 노출 기간이 2년으로 증가함에 따라 180 일 대비 A 배합의 경우 최대 134.2 %, B 배합의 경우 최대 142.9 %의 표면
염화물량 증가율을 나타내었다.
-
3) 2가지 배합의 압축강도 평가 결과, 고강도 배합인 A 배 합에서는 보통 강도 배합인 B 배합 대비 약 132.7 % ~ 142.9 %의 강도를 나타내었다.
재령 56일 대비 730일에 서의 강도 증진률을 평가하면 A 배합에서는 약 111.3 %, B 배합에서는 약 124.9 %로 나타났으며 수중 양생
56일 이후 높은 강도 증진률이 발생하지는 않았다.
감사의 글
이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2015 R1A5A1037548).
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