2.1 사용 재료 및 실험체 제원

본 연구에서는 레디믹스트 콘크리트로 보통 포틀랜드 1 종 시멘트를 사용하여, 27 MPa 의 설계 강도(fck)를 갖도록 배합하였고 배합설계는 Table 1 과 같다. 사용된 재료의 물리화학적 성분을 Table 2, 3 에 각각 나타내었다. 실험체 제원은 100 mm × 100 mm × 400 mm 이며, D16 이형철근을 1 열 배근하였고, 피복 두께는 30 mm 이다(Fig. 1). 실험체 타설 24 시간 후에 몰드를 제거하였고, 28 일 동안 습윤 양생을 실시한 후 재령 35 일 째 염화물 흡수 실험을 수행하였다.

2.2 균열 유도 및 전처리 과정

실험체의 균열 유도는 재령 28 일에 3 점 재하를 통해 수행되었으며, 균열 폭 약 0.1 mm 실험체 3 개, 균열 폭 약 0.3 mm 실험체 3 개를 제작(총 6 개)하였다. 균열 폭의 측정은 하중이 제거된 후 일정시간이 경과하였을 때 균열경을 이용하여 측정하였다. 실험체 하면에 생성된 균열을 길이 방향으로 6 등분하여 5 곳의 균열 폭을 측정한 후 평균값을 균열 폭으로 판단하였다. 균열을 통한 제설제 용액의 단일방향 침투를 유도하기 위하여, 균열이 유도된 실험체 하면의 일부를 제외한 모든 면에 에폭시를 코팅하였다.

실험체 하면의 경우, 균열 유도를 위한 3 점 재하 시 양 지점부에 생성된 미세 균열에 의한 추가적인 제설제 용액 침투가 발생할 우려가 있으므로 중앙 휨균열을 기준으로 좌우 각각 100 mm 간격을 제외하고 코팅을 실시하였다. 공용 중인 교량은 동절기에 낮은 상대습도에 노출되어 강우 또는 강설 전에는 건조한 상태를 유지하고 있다. 이러한 콘크리트 부재의 습윤조건을 고려하여, 에폭시가 코팅된 실험체를 오븐에 건조시켰다. 고온 건조에 따른 콘크리트의 미세구조 변화를 최소화 하고 에폭시 코팅의 손상을 방지하기 위하여 50 ± 2 ℃의 온도에서 건조를 실시하였다 (Streicher and Alexander, 1995)⁽¹³⁾. 오븐에서 건조 상태를 확인하기 위하여 매일 실험체의 무게 변화를 측정하였고, 무게 변화가 1 % 이하에 도달할 때까지 건조를 실시하였다. 마지막에 측정된 무게를 실험체의 겉보기 완전 건조 상태로 가정하고 염화물 흡수 실험을 실시하였다.

건조가 완료된 후, 상온에 24 시간동안 거치시킴으로써 콘크리트의 온도가 외부 환경과 동일하도록 만들어, 실험체와 염화물 용액의 온도 차이가 염화물 침투 속도에 미치는 영향을 최소화 하였다. 실험체 균열 유도 및 전처리 과정을 Fig. 2 에 나타내었다.

2.3 염화물 흡수 실험

제설제 용액을 이용한 염화물 흡수 실험은 재령 35 일에 수행되었다. 제설제 용액은 한국도로공사에서 습염 제설제로 사용하는 염화칼슘(CaCl2) 용액과 염화나트륨(NaCl) 혼합된 포화 염화물 용액을 사용하였다. 30 % 농도의 염화칼슘 용액에 염화나트륨을 섞어 제작하였으며, 염화칼슘 용액과 염화나트륨의 중량비는 3:7 이다. 실험체 균열부로부터 염화물 흡수를 유도하기 위하여, 실험체의 균열면을 염화물 용액에 직접 접촉하게 하였으며, 수압에 의한 영향을 제거하기 위하여 염화물의 용액은 실험이 진행 동안 실험체에서부터 10 mm 높이를 유지 하였다.염화물 흡수 실험 도식도를 Fig. 3 에 나타내었다.

염화물 흡수 실험은 총 6 개의 실험체에 대해 수행되었으며, 균열폭 0.1 mm 와 0.3 mm 실험체에 대해서 흡수시간을 1 시간, 3 시간, 5 시간으로 분류하여 실험조건 당 1 개의 실험체를 사용하였다. 시간에 따른 염화물 침투 면적을 확인하기 위하여 염화물 흡수 실험이 종료된 실험체를 수조에서 꺼내고 균열면을 따라 분리하여, 침투면에 0.1 M 의 AgNO₃ 용액을 분사하여 반응에 따른 콘크리트의 변색을 확인 하였다 (NORDTEST, 1999)⁽¹²⁾. 변색이외에도 흡수량을 확인하기 위하여 매시간 중량변화를 측정하였다. 중량변화 측정은 가장 오랜 시간 동안 염화물 용액에 노출되는 5 시간 실험체에 대하여 수행되었다. 또한 염화물 용액 침투 실험과 별도로, 수분 침투 실험을 수행하고 중량변화를 측정하여 염화물 용액과 수분의 침투속도를 비교하였다.

3.1 균열 폭에 따른 염화물 및 수분 흡수

균열 폭에 따른 염화물 및 수분 누적 흡수량을 Fig. 4 에 나타내었다. Fig. 5 에는 시간 제곱근 축으로 용액흡수 1 시간 이후의 노출 면적당 염화물 및 수분 흡수량에 대한 데이터를 표시하였고, 실험에서 얻어진 데이터를 바탕으로 근사식을 식(1)을 이용하여 나타내었다.

여기서, i는 단위면적당 누적 흡수량 (g/cm²), S는 흡수 계수 (cm/t1/2 ), t는 시간 (hr), i0는 1 시간까지의 누적 흡수량 이다.

Fig. 4, 5 에 나타난 바와 같이, 침투 용액의 종류(염화물, 수분)는 흡수량에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보이지만, 균열 폭의 증가는 초기 흡수량에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 모든 실험 조건에서 흡수 초기에 중량이 급격하게 증가하다가 완만한 기울기를 갖는 것을 확인할 수 있는데, 본 연구의 시간 측정 간격을 고려한다면, 용액 흡수 1 시간 이내에 균열로 인한 흡수량 증가 효과가 발현되었을 것으로 판단된다. 즉, 콘크리트 균열면을 따라 염화물 및 수분 용액이 침투하는 현상은 순간적으로 발생됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 얇은 두께의 박판을 설치한 후 모르타르를 타설하여 0.3 mm 균열폭을 갖는 실험체를 제작한 후, 수분 용액 침투 실험을 수행한 Belleghem et al. (2016)⁽⁴⁾의 결과와 유사하다. 콘크리트 내의 염화물 이동을 모델링 할 때, 염화물 고정화 현상 (Chloride binding), 염화물 이온과 공극수에 존재하는 이온들 사이의 상호 작용 그리고 전기 이중층의 존재로 인한 수화물과 염화물 사이의 전기 모세관 현상 (Electro-capillary process)을 고려하게 된다. 이러한 현상들에 따르면 염화물 이온은 이동 속도를 늦추는 역할을 하게 되고, 이는 확산 현상이 일어나 는 경우 고려되어야 하는 현상들이다 (Nguyen and Amiri, 2014)⁽¹¹⁾. 하지만 염화물 및 수분 흡수 실험의 결과에서 보는 바와 같이 위의 언급된 현상이 발생되기 이전에 모세관 현상에 의한 염화물 또는 수분 침투가 충분히 일어난 것으로 보아, 직접적인 염화물 수분의 흡수가 발생하는 경우에는 모세관 현상에 의한 순간적인 침투가 지배적인 것으로 판단된다. 본 실험 결과로 미루어볼 때, 콘크리트 균열을 통한 염화물의 직접 침투 경향을 보다 정밀하게 추정하기 위해서는 추가적인 실험이 수행되어야 할 것이다. 그러나 실제 강우 또는 강설의 지속시간을 고려할 때, 1 시간의 흡수시간은 결코 짧지 않은 시간임을 고려하면 강우 또는 강설로 인한 열화인자의 침투를 고려할 필요가 있다고 판단된다.

3.2 이미지 분석을 통한 염화물 침투 수준 분석

염화물 흡수 실험이 종료된 실험체 균열면에서의 염화물 침투 수준을 확인하기 위하여 0.1 M 의 AgNO₃ 용액을 균열면에 분사하여 변색 반응을 분석하였다. 보다 정량적인 분석을 위하여 이미지 분석 기법이 적용되었다. 먼저 실험이 종료된 실험체에 추가적인 3점 재하를 수행하여 균열 깊이를 증가시킨 후, 한쪽 단면에 할렬 파괴를 발생시켜 균열면의 손상을 최소화 하였다. 그 다음에는 균열면에 돌출된 철근을 절단하고, AgNO₃ 용액을 분무 하여 변색이 발현된 후에 사진촬영을 수행하였다. Fig. 6 에 나타낸 바와 같이, 촬영된 이미지를 회색조 이미지로 변환을 실시하였다. 전체 실험체에서의 균열면과 철근은 회색조 이미지에서 이진영상으로 변환하여 각각의 픽셀 수를 구하였다. 균열면에서 변색된 부분을 추출할 때에는 회색조로 변환된 이미지로부터 다시 채도 값만을 추출하였다. 변색된 부분에서의 채도값 범위를 설정하고 난 후, 이미지를 이진영상으로 변환 시켰다. 변환된 이미지에서 픽셀수를 계산하여 식(2)을 이용하여 염화물의 침투 정도를 계산하였다.

여기서, Parea 는 변색된 면적 비율 (%), Pn 는 균열면에서 변색이 된 부분의 픽셀 수, Tn 는 실험체 부분의 픽셀 수, Sn 는 철근 부분의 픽셀 수이다.

이미지 분석으로 얻어진 균열면의 염화물 침투면적을 Fig. 7 에 나타내었다. 앞에서 언급했듯이, 이미지 분석에서도 침투 시간이 지나면서 염화물의 침투정도가 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 이미지 분석 결과에 의하면, 1 시간 동안 용액에 노출 되었을 때, 0.1 mm 균열 폭을 가진 실험체 균열면의 53.6 %, 0.3 mm 균열 폭을 가진 실험체 균열면의 68.1 % 가 각각 염화물 침투가 발생하여 변색이 된 것을 확인 하였다. 또한 앞서 중량변화 분석과 마찬가지로 균열면 변색 수준에서도 초기 1 시간 이내에 염화물 침투가 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 비록 본 연구에서는 철근 깊이까지 도달하는데 걸리는 시간을 확인 할 수 없었지만, 초기에 빠른 속도로 균열면을 따라 염화물이 침투하게 된다는 것은 실험적으로 확인할 수 있었다. 균열면의 흡수면적 비율을 보면, 1 시간 흡수된 시점에서 균열 폭 0.1 mm 와 0.3 mm 실험체의 차이가 약 15 % 정도 수준이지만 시간이 지날수록 차이가 감소하면서 5 시간 경과 후에는 2.5 % 정도 수준으로 비슷해진다. 이는 균열 폭이 작으면 균열면을 따라 초기 염화물이 퍼지는 속도가 감소하지만, 시간이 경과하면서 그 차이는 많이 상쇄되는 것을 의미한다. 하지만 Fig. 5 에서 나타낸 바와 같이, 균열 폭 증가에 따른 중량증가율(흡수계수)는 차이가 없지만 Fig. 7 의 흡수면적의 증가율은 균열 폭 0.1 mm 실험체에서 더 크게 나타났다. 이는 초기 급격한 흡수현상이 발생된 이후, 균열 폭 크기가 흡수면적 증가에는 영향을 미치지만 흡수량 증가에는 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 현상은 철근 깊이 까지 도달한 염화물이 균열면 이외에 철근과 콘크리트 계면을 통해 전파됨을 의미한다. 염화물이 철근을 따라 이동한다는 것은 부동태피막의 형성이 상대적으로 취약한 곳으로 염화물이 도달할 가능성을 높이게 되고, 이로 인한 철근 부식의 가능성이 높아질 수 있음을 의미한다.