2.1 실험체 제작

실험체의 배합은 Table 1과 같다. 물-시멘트비는 동결융해 손상 효과를 크게 하기 위하여 60%로 하였다. 결합재는 1종의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 그 이유는 ^{Ryu et al.(2008)}의 연구결과에도 나타낸 바와 같이 결합재의 구성에 따라 동해 손상에 영향을 줄 수 있고, 이 연구의 적용 대상이 공용연수가 오래된 콘크리트 구조물이기 때문이다.

실험체는 Fig. 1(a)에 나타낸 바와 같이 100 mm×100 mm×400 mm의 직육면체로 제작하였으며 콘크리트 구조물의 품질평가는 진단현장에서 한 면을 대상으로 하므로 표면반발경도를 측정할 면을 제외한 실험체 측면은 에폭시 코팅을 하였다. 실험체는 동해손상이 발생하지 않은 콘크리트 실험체, 동결융해 환경에 150, 250, 350, 450 싸이클 동안 노출되는 콘크리트 실험체로 각각 제작하였다.

아울러, 실제 점검 및 진단 현장에서의 콘크리트 내구성능평가 방법과 유사한 조건을 모사하기 위하여 Fig. 1(b)와 같이 타설면과 옆면을 노출한 실험체도 동일한 조건에서의 실험을 위하여 동일한 개수로 제작하였다.

Fig. 1 Testing specimen (unit: mm)

2.2 실험

2.2.1 동결융해 촉진 실험

동결융해 촉진 실험은 KS F 2456 급속 동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법에서 규정하는 수중 급속 동결융해 시험법에 따라 실시하였다. 동결융해 1싸이클은 공시체 중심부의 온도가 4℃에서 –18℃로 저하된 다음 다시 4℃로 회복된 기간으로 하였다. 시험기의 온도 측정은 별도로 제작된 온도 측정용 공시체에 온도계를 삽입하여 측정 하였다. Fig. 2에 동결융해 시험기내 적용된 온도분포를 나타내었다. 1 싸이클에 소요되는 시간은 약 3.6시간이었다.

Fig. 2 Freeze and thaw testing temperature

2.2.3 염화물 침투 촉진 실험

염화물 침투 촉진 실험은 성능평가 점검지침의 성능기준에 따라 c등급에 해당하는 콘크리트를 대상으로 수행하였다. 초기값 즉, 0싸이클에서 측정한 표면반발경도보다 15%를 초과하여 성능이 저하된 실험체를 대상으로 염화물 침투 촉진 실험을 수행하였다. 초기값 대비 15%를 초과하여 동해 손상으로 표면부 콘크리트의 품질이 저하된 콘크리트 실험체에서는 상당한 동해 손상이 진행되었기 때문에 동해 손상에 따른 염해 손상의 가속화 정도를 확인하는데 용이하기 때문이다. 먼저 15% 이상 동해손상발생 여부를 표면반발경도값으로 확인한 다음, Fig. 3과 같이 3.4% 염화나트륨 수용액에 콘크리트 실험체를 6개월동안 침지한 후 콘크리트 내부로 침투한 염화물량을 분석하였다.

염화물량 분석을 위한 콘크리트 분말 시료는 표면에서부터 15 mm, 15~30 mm, 30~45 mm의 깊이별로 각 10g씩 채취하였다. 시료채취 깊이는 콘크리트 구조물의 주요 피복두께가 30 mm 점을 고려하여 선정하였다. 채취한 분말상 시료가 함유한 염화물은 KS F 2713 콘크리트 및 콘크리트 재료의 염화물 분석 시험방법에 따라 Fig. 4의 과정을 거쳐 콘크리트 내 침투한 염화물을 추출하였다. 추출한 염화물은 식 (2)에 따라 염화물량을 계산하였다.

(2)

$Cl^{-}(\%)=\dfrac{3.55[(V_{1 - V_{2}})N]}{W}$

여기서, $Cl^{-}$은 염화물량(%), $V_{1}$은 시료의 적정에 사용된 0.05N 질산 은 용액의 부피(mL), $V_{2}$는 바탕 적정에 사용된 0.05N 질산 은 용액의 부피, $N$은 0.05N 질산 은 용액의 정확한 노르말 농도(N), $W$는 시료의 질량(g)이다.

Fig. 3 Specimen immersion in chloride water after exposing free-thaw cycles

Fig. 4 Analysis of chloride contents in concrete

2.2.4 콘크리트 내부 이미지 분석

동결융해 노출 싸이클에 따른 콘크리트 내부 미세구조(균열)의 변화를 분석하기 위하여, Fig. 5와 같이 크기 100 mm×100 mm×400 mm 시험체를 너비 약 40 mm, 깊이 약 50 mm로 절단하여 시편으로 제작하였다. 시편의 표면은 형광물질로 염색된 에폭시를 함침 후 폴리싱 가공하여 완전한 평면으로 만들었다. 이러한 시편은 콘크리트 표면에서 내부의 피복두께에 해당하는 범위를 한 번에 관찰할 수 있어 동결융해 손상과 같이 표면에서 내부로 진전하는 손상을 분석하는데 편리하다.

Fig. 5 Sample preparation for image analysis

3.1 콘크리트 기초 물성

콘크리트 기초물성 측정을 위하여 슬럼프와 공기량, 그리고 28일 압축강도를 측정하였다. 굳지 않은 콘크리트 상태에서 슬럼프는 115 mm, 공기량은 3.5 %, 압축강도는 29.2 MPa이었다.

3.2 표면반발경도

동결융해 촉진 환경 노출 후 콘크리트 표면반발경도는 동결융해 시험기에서 실험체를 꺼내 2시간동안 상온에서 건조한 후 측정하였다. 표면반발경도는 실험체에 콘크리트를 타설한 면과 실제 진단현장의 조건을 모사하여 타설 측면의 2가지 유형에 대하여 측정하였다. 표면반발경도는 KS F 2730의 계산법에 따라 평균값의 20%를 상회한 측정값은 제외하고 나머지 측정 반발경도값을 평균한 값이다. Table 2의 $q_{c2}$는 식 (1)로 계산한 건전부 대비 비건전부의 반발경도의 비율을 나타낸 것이다. 여기서 동결융해 0 싸이클에서 측정한 값은 건전부의 반발경도 값으로 간주하였으며, 동결융해 각 싸이클에서 측정한 값은 비건전부의 반발경도 값으로 간주하여 계산하였다. Table 2의 음영으로 표시한 부분은 피복콘크리트 동해손상 판정기준의 C등급, 동해손상이 15%를 초과하여 진전된 콘크리트에 해당한다.

3.3 염화물량

동결융해 손상에 대한 염해 가속화 정도를 확인하기 위하여, 동해손상으로 내구성능이 저하된 피복부 콘크리트 실험체를 대상으로 염화물량을 측정하였다. 실험체의 동결융해 싸이클별로 측정한 반발경도값을 평균하여 초기값 대비 15% 이상 저하된 반발경도값이 나타난 싸이클은 250, 350과 450 싸이클이었다. 이 싸이클동안 동결융해 환경에 노출된 실험체를 대상으로 3.4% 염화나트륨 수용액에 6개월간 침지한 후 콘크리트로 침투된 염화물량을 측정하였다. 측정한 결과는 Fig. 6에 나타낸 바와 같다.

예상한 바와 같이 동결융해 싸이클에 많이 노출된 실험체 일수록 염화물 함량이 높게 나타났다. 콘크리트 타설면을 노출시킨 실험체와 측면을 노출시킨 실험체 모두 동결융해 환경에 많이 노출된 실험체일수록 콘크리트내 침투한 염화물 함량이 높게 나타났다. 콘크리트 깊이별 염화물량 또한, 타설면 노출 실험체와 측면 노출 실험체 모두 동결융해 환경에 많이 노출된 실험체일수록 콘크리트내 침투한 염화물함량이 높게 나타났다. 염화물을 추출한 깊이별로는 표면으로부터 15 mm인 구간에서 가장 많은 염화물함량을 나타내었고 추출 깊이가 깊어질수록 염화물은 적게 분포하였다.

콘크리트 타설면 노출 실험체인 P_Exposed 0, 250, 350, 450실험체의 염화물 총함유률은 각각 0.343%, 0.381%, 0.456%, 0.608%이었다. 콘크리트 측면 노출 실험체인 S_Exposed 0, 250, 350, 450 실험체의 염화물 총함유률은 각각 0.329%, 0.387%, 0.415%, 0.513%이었다.

Fig. 6 Chloride contents in concrete

3.4 이미지 분석

3.4.1 콘크리트 표면

Fig. 7에서는 지정 싸이클에 노출 후 표면 상태를 사진 촬영한 것이다. (b) 150 싸이클에서부터 표면 동해손상에 의한 표면 박리박락을 확인할 수 있었다. 이후 동결융해 환경에 노출된 싸이클이 높아질수록 표면 마모로 인하여 내부의 골재까지 육안으로도 확연하게 확인할 수 있었다.

Fig. 7 Surface condition of concrete specimen for Exposed 450 specimen

3.4.2 콘크리트 내부

광학현미경을 이용하여 동해 및 염해 손상이 발생한 콘크리트 내부를 50배율로 콘크리트 표면부로부터 깊이별로 관찰하였다. Fig. 8은 콘크리트 측면 노출 실험체, S_Exposed의 동결융해 노출 싸이클에 따른 깊이별 내부 상태를 촬영한 사진이다. 촬영은 시험체 표면에서부터 깊이 40 mm까지 5 mm 간격으로 촬영했으며 Fig. 7에서는 균열이나 내부 손상이 관찰된 사진만 나타내었다. 예를 들어 S_Exposed 350은 표면, 5, 10 mm 촬영 사진만 나타내었는데, 이 구간을 제외하고는 나머지 15~40 mm 구간에서는 내부 손상이 관찰되지 않아 제외하였다. 또한 P_Exposed 실험체의 내부 상태는 S_Exposed 실험체의 내부 상태와 유사하게 나타났다. 다만 염해에 의한 손상이 S_Exposed 실험체에서 보다 뚜렷하게 나타나 P_Exposed 실험체 내부 상태 분석 사진은 지면에서 제외하였다.

그림에서 내부에 발생한 균열이나 박리박락 등으로 인한 손상은 노란색 에폭시로 채워진 부분으로 확인할 수 있다. Fig. 8에 나타낸 바와 같이 동결융해 노출 0 싸이클 실험체를 비롯하여 모든 실험체의 표면에서 가장 많은 손상을 확인할 수 있다. S_Exposed 250 실험체에서는 5 mm까지 골재 주변부와 골재사이의 손상을 확인할 수 있었다. S_Exposed 350 실험체는 10 mm까지 손상을 확인할 수 있었고, 가장 동결융해 노출횟수가 많은 S_Exposed 450 실험체에서는 표면부에서부터 40 mm 깊이까지 골재와 페이스트 사이에서 균열이 발생함을 확인할 수 있었다.

따라서 동결융해 촉진 환경에 노출되지 않은 0싸이클 실험체와 250, 350, 450 싸이클 동안 노출된 실험체의 내부 이미지 분석으로부터, 콘크리트 동해 손상이 발생한 콘크리트는 염분의 침투가 용이하여 염해로 인한 손상 또한 상대적으로 크게 발생됨을 확인할 수 있었다.

Fig. 8 Internal concrete condition by optical microscope

4.1 표면반발경도로 추정한 동해손상

표면반발경도값을 이용하여 동해 손상도를 Table 2에서 나타낸 $q_{c2}$ 값을 이용하여 동결융해 노출 싸이클에 대한 동해 손상도를 비교평가하였다. Fig. 9에 나타낸 바와 같이 동결융해 노출 싸이클이 증가할수록 동해 손상은 높게 나타났다.

표면반발경도로 추정한 동해손상도와 동결융해 노출 횟수와의 손상관계를 회귀분석하여 나타내면, y축을 동해손상도, x축을 동결융해 싸이클로 하였을 때, P_Exposed 실험체는 $y = -0.0404 x + 95.826$의 관계를 S_Exposed 실험체는 $y = -0.0739 x + 100.06$의 관계를 나타내었다. 이 때, P_Exposed 실험체 관계식은 $R^{2}$값이 0.59, S_Exposed 실험체관계식은 $R^{2}$값이 0.84로 높은 신뢰도를 나타내었다. P_Exposed 실험체와 S_Exposed 실험체 모두에 대하여 콘크리트 손상도를 통합하여 관계식을 나타냈을 때에는 $y = -0.0553 x + 97.394$ 이었고, 이때의 $R^{2}$값은 0.62로 유의미한 신뢰도가 나타났다고 판단된다. 따라서 동결융해 손상 노출 횟수가 증가함에 따라 표면 손상도 또한 증가되는 관계를 확인할 수 있었다.

Fig. 9 Relationship of concrete surface damage and freeze-thaw cycles

4.2 동해손상으로 인한 염해 가속화 효과

동해손상으로 인한 염해 가속화 효과를 평가하기 위하여 동해 손상이 진행되어 내구성이 저하된 것으로 판단되는 건전부 대비 15%를 초과한 동해손상이 발생한 실험체를 대상으로, 동해 손상도와 측정한 염화물 함량과의 관계를 분석하였다. 염화물 함량은 P_Exposed, S_Exposed 실험체를 대상으로 0, 250, 350, 450 싸이클 동안 동결융해에 노출한 실험체에 깊이별로 측정한 염분 함량의 총량으로 분석하였고, 동해손상도는 표면반발경도로 추정한 값을 적용하였다. 분석결과는 Fig. 10과 같다.

P_Exposed 실험체와 S_Exposed 실험체 모두 동해손상이 발생함에 콘크리트 내부로 침투된 염화물 함량이 높게 나타 났다. P_Exposed 실험체를 대상으로 한 동해손상을 y축으로하고, 염화물 침투량을 x축으로하여 회귀분석한 결과 $y = -68.636 x + 117.93$의 관계식으로 나타났으며, 이 관계식의 $R^{2}$은 0.71로 높은 신뢰도를 나타내었다. S_Exposed 실험체를 대상으로 한 동해손상과 염화물 침투량을 회귀분석한 결과는 $y = -200x +163.7$의 관계로 나타났으며 이때의 $R^{2}$ 은 0.97로 매우 높은 신뢰도를 나타내었다. P_Exposed와 S_Exposed 실험체를 통합하여 콘크리트 손상도와 염화물 함량에 대한 관계식을 나타냈을 때에는 $y = -96.868 x +$ $125.93$이고 이때의 $R^{2}$값은 0.54로 유의미한 신뢰도를 나타내었다.

Fig. 10 Relationship of concrete surface damage and chloride contests