1. 서 론

콘크리트는 사용 재료의 특성으로 인해 경화 후 다양한 크기의 공극을 갖는다. 특히, 공극은 콘크리트 제작에 사용되는 재료와 양생 조건에 지배적인 영향을 받으므로 이와 관련된 연구가 국내에서도 지속적으로 수행되었다. 이에, 콘크리트 공극은 강도, 염화물 확산 및 내구성 등과 주목할만한 상관관계가 있다는 연구 결과를 도출하였을 뿐만 아니라, 콘크리트 내부 공극을 토대로 콘크리트의 열화 해석 모델 개발이 진행된 바 있다^{(Song et al., 2005; Ishida et al, 2007)}.

콘크리트의 공극은 사용 재료와 양생 조건에 영향을 받기 때문에 동등한 수준의 공극률을 확보하더라도 공극 구간별 공극 비율에 따라 압축강도를 비롯한 염화물 확산 등의 내구성이 영향을 받을 수 있다. 그뿐만 아니라, 콘크리트의 공극 형성에 지배적인 수분 공급과 관련이 있는 양생 환경 역시 염화물 구속 조건의 영향 인자로 작용하기 때문에 양생 조건에 따른 염화물 확산 특성의 차이점이 보고되었다(Tang and Nillson, ¹⁹⁹², ^{1993; Mangat and Molly, 1994; Park et al., 2009)}. 그러므로 콘크리트 내부의 염화물 침투와 확산에 관여하는 공극 특성에 관한 양생 효과 연구가 필요하다.

콘크리트는 타설 후 소요 강도와 일정 수준의 내구성 확보를 비롯하여 유해 환경으로부터 보호할 수 있도록 충분한 수분을 공급하는 수중양생이 요구된다. 그러나, 실제 콘크리트 구조물은 수중양생을 실시할 수 없으므로 이를 대체할 수 있도록 표준시방서에 제시된 표준 양생 기준을 충족하고 타설 초기 콘크리트를 보호한 후, 적절한 시기에 거푸집을 탈형하여 대기 환경에 노출되게 된다^{(Kim and Kim 2016)}. 또한, 콘크리트 표준시방서는 사용 연한, 구조물의 시공조건, 시멘트의 종류뿐만 아니라, 일 평균 기온을 기준으로 한다. 또한, 바람에 의한 수분 증발 및 직사광선에 노출되지 않도록 제시하나, 표준 시방서 모두 상대습도 조건에 대한 구체적인 내용은 제시하지 않고 있다^{(KCS 14 20 10; KCS 14 20 12)}.

한편, 도시화에 따른 대기 환경 변화에 관한 연구 중에서, ^{Park et al.(2013)}은 산업이 발전하고 도시화가 가속화됨에 따라 증발원(녹지면적)이 감소하고 기온이 상승하여 상대습도가 감소하는 것을 보고하였다. 그러나 이와 달리, 2020년에는 50일 이상의 장마가 진행되는 등 상대습도의 양극화 현상이 나타나고 있다^{(Park et al, 2013; Fujibe, 2002)}. 그러므로, 대기 환경 변화는 점차 가혹한 조건을 갖게 되므로 이를 고려하여 콘크리트의 양생을 변화시켜 그 특성을 평가할 필요가 있다.

콘크리트의 성능 평가에 관한 다양한 실내 실험은 증기 양생 등의 특수 양생 조건을 제외하고, 양생 기간에 대한 차이는 있으나 온도 20±3 °C에서 수중양생을 필수적으로 요구한다. 하지만, 실내 실험에서의 양생 조건과 실제 구조물의 양생 환경 차이로 인하여 실제 구조물에서 발생하는 콘크리트의 거동은 실내 실험 결과를 기반으로 예상된 거동과 차이를 보일 수 있다. 이 밖에도, 공사 기간 단축을 위하여 높은 온도에서 단기간 실시하는 증기양생이나 SAP와 같은 혼화 재료 등을 혼입하여 수중양생과 유사한 환경을 확보하는 등의 양생 방법이 개발되고 있으나 이를 적용한 시험체와 수중양생을 실시한 시험체의 성능 평가 결과는 또 다른 차이를 보일 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서는 환경 변화에 따른 가혹 조건을 고려하여 양생한 콘크리트의 염화물 확산과 공극의 상관관계를 분석하고자 하였다.

2. 기존 문헌 연구

본 연구에서는 양생 온도 및 상대습도가 변화함에 따라 콘크리트의 염화물 확산계수와 공극의 상관관계를 평가하기에 앞서, 국내 기후와 타설 환경을 비롯하여 국내에서 보편적으로 사용되는 염화물 확산성 및 공극 평가법을 적용한 기존 문헌을 분석하여 본 연구의 기초자료로 활용하고자 하였다. 이때, 콘크리트의 강도 및 염화물 확산 모델을 기반으로 공극 시스템을 추정하여 평가한 사례는 제외하였다.

^{Park et al.(2009)}에 따르면, 모르타르의 공극률과 내구성과의 관계를 규명하고자 물-결합재비 변화(40% ~ 60%까지, 5 수준)에 대하여 수중양생을 28일간 실시한 모르타르의 공극률과 염화물 확산계수를 비교하였다. 그 결과, 모르타르의 공극률이 45% 증가할 경우, 염화물 확산계수는 210%가 증가하였으며, 목표 염화물 확산계수인 13×10-12 m2/sec에 도달하기 위해서는 모르타르의 전체 공극률이 34% 미만이 될 수 있는 배합 설계가 필요함을 제안함으로써 콘크리트의 공극과 내구성의 상관성이 매우 높음을 주장하였다^{(Park et al., 2009)}.

^{Kim et al.(2009)}은 물-결합재비, 단위시멘트량 및 결합재 변화에 따른 콘크리트의 공극률과 염화물 확산계수의 상관관계를 분석하였다. 그 결과, 한계 공극 지름(수은압입량-공극 직경의 최대값)과 염화물 확산계수는 유의미한 상관성을 갖는 것을 확인하였으나, 모세관 공극(10 ~ 1000 nm)과 염화물 확산계수와의 상관성은 크지 않음을 보고하였다^{(Kim et al., 2009)}.

^{Moon et al.(2003)}은 시멘트 종류를 달리한 콘크리트의 모세관 공극 특성과 전위차 염화물 확산계수에 관한 연구를 수행하여 시멘트 종류와 관계없이 염화물 확산계수가 증가할수록 평균 공극 직경의 크기가 비례적으로 증가하나, 콘크리트의 총 공극량과의 상관성이 유의미하지 않음을 보고하였다^{(Moon et al., 2003)}.

^{Kim et al.(2007)}은 메타카올린(Metakaolin)을 사용 시멘트량의 일부 대체한 콘크리트를 제작하여 공극과 염화물 확산계수에 관한 연구를 수행하였다. 그 결과, 메타카올린 사용으로 인해 30 nm 이상의 공극이 감소하고 30 nm 미만의 공극량이 증가하여 공극 분산 효과를 확보하므로 염화물 확산계수가 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 염화물 확산계수와 공극의 상관관계를 평가하고자 공극의 범위를 5 ~ 50 nm, 50 ~ 100 nm, 5 ~ 2,000 nm로 구분하여 염화물 확산계수와 비교하였다. 그 결과, 5 ~ 2,000 nm의 공극과 염화물 확산계수의 결정계수(R2)가 가장 크게 나타나 이 영역의 공극량이 염화물 확산계수에 큰 영향을 미치는 것으로 보고하였다^{(Kim et al., 2007)}.

^{Choi et al.(2012)}은 동결 융해를 받은 콘크리트의 염화물 확산특성과 공극 구조를 분석하고자, 물-결합재비 및 광물질 혼화재 변화에 대하여 동결 융해 작용 유무에 따라 급속 염화물 침투 실험을 실시하고 이에 대한 공극 구조를 분석하였다. 그 결과, 수중양생을 실시하면 공극률 및 평균 공극 직경과 염화물 확산계수는 선형관계를 보이지만, 동결융해 작용을 받게 되면 내부 공극 구조의 변화로 공극률 및 평균 공극 직경과 염화물 확산계수와의 결정계수가 감소하므로 열화를 입은 콘크리트의 공극 특성은 건전한 시험체와의 공극 특성과 상이함을 보고하였다^{(Choi et al., 2012)}.

위와 같은 연구 결과를 종합하면, 염화물 확산 특성에 지배적인 요인은 크게 공극률, 평균 공극 직경으로 보이나, 연구자마다 상이한 연구 결과를 보이는 것으로 나타났다.

3. 실험 변수 및 방법

3.3 실험 방법

3.3.1 공극 구조 평가 방법

콘크리트의 공극 구조는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 ASTM D4284에 제안된 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry)을 이용하여 평가하였다. 이 실험 방법은 진공상태에서의 콘크리트 시험체 내부에 압력을 이용하여 수은을 공극에 침투시킨 후, 실험 전후 시편의 무게와 공극에 압입된 수은의 부피를 이용하여 공극 크기 별 수은 압입량을 이용하여 공극 분포를 평가하는 방법이다^{(Kim et al., 2015)}.

Fig. 1 Instrument used to measure the pore structure

3.3.2 압축강도 측정 방법

본 연구에서 사용한 시험체는 Ø 100×200 mm의 크기를 갖는 몰드에 콘크리트를 타설하여 24시간이 경과한 후 탈형하였다.이후, 각각의 온도 및 습도 조건에 노출시켜 양생을 실시하였으며, 재령 28일에서 KS F 2405에 의거하여 1,000 kN의 용량을 가진 UTM을 이용하여 압축강도를 측정하였으며, 3개의 시험체의 평균값을 사용하였다.

3.3.3 급속 염화물 확산실험 및 염화물 확산계수 산정

급속 염화물 침투 실험에 의한 염화물 확산계수를 산정하고자 본 연구에서는 NT build 492에 따라 염화물 확산 실험을 수행하였다. 압축강도 측정 시험체와 동일한 조건에서 제작된 시험체를 재령 28일간 양생한 후, Ø 100×50 mm의 크기의 중앙부위를 채취하여 3시간 동안 진공을 유지 한 후, 18시간 동안 Ca(OH)₂ 용액에 침지하여 포화시켰다. 이후, 그림 1에 나타낸 바와 같이, 0.3 N NaOH 용액에 음극을, 양극에는 10% NaCl 용액을 설치하여 8시간 동안 30 V의 전압을 가하였으며, (Nordtest, 1999) 본 실험의 모식도는 Fig. 2에 나타내었다.

급속 염화물 확산 실험이 종료된 후, 염화물의 침투 깊이는 시험체 중앙부를 할렬, 0.1 N의 Ag(NO)₃ 용액을 분무하여 변색된 깊이로 평가하였다. 염화물의 침투 깊이는 시험체 양 끝단 10 mm를 제외한 7개 영역을 일정한 간격으로 측정하여 얻은 값의 평균으로 산정하였다. 또한 NT-Build 492에 제시된 식 (1)에 나타낸 바와 같이, 염화물 침투 깊이를 이용하여 염화물 확산계수를 산정하였다.

(1)

$D_{nssm}=\dfrac{R T}{z FE}·\dfrac{x_{d}-\alpha\sqrt{x_{d}}}{t}$

$D_{nssm}$: 비정상상태에서의 염화물 확산계수 (m2/sec)

R: 기체 상수, 8.314 J/K·mol

T: 실험 동안 측정된 양극 용액의 온도 평균값(절대 온도)

z: 원자가의 절대값(염소 이온: 1)

F: 페러데이 상수(9.648×104 J/K·mol)

$E=(U-2)/L$, U: 전압

L: 시험체의 전체 길이 (m)

$x_{d}$: 변색법에 의해 측정된 침투 깊이의 평균값

$\alpha =2\sqrt{\dfrac{RT}{z FE}}·erf^{-1}(1-\dfrac{2c_{d}}{c_{0}})$

$erf^{-1}$: 1.28

$c_{d}$: 변색 부근에서의 염소이온 농도 (= 0.07)

$c_{0}$: 음극 용액에서의 염소이온 농도 (= 2N)

Fig. 2 Arrangement of the migration set-up (NT Build 492)

4. 실험 결과

4.1 공극 특성 평가 결과

수은압입법을 통해 측정한 공극 분포를 온도 및 상대습도에 따라 분류하여 X축은 공극의 크기를, Y축은 해당 공극에 압입된 수은량을 로그로 표현하여 Fig. 3에 나타내었다. 그 결과, 수중양생을 실시한 콘크리트의 미세 공극 분포는 50 ~ 100 nm 영역에서 공극의 피크점을 형성하고 다른 영역에서의 추가적인 피크가 나타나지 않는 공극 분포를 갖는 것으로 나타났다^{(Mehta and Monteiro, 2014; Choi et al., 2023)}. 그러나 Fig. 3(a) ~ (c)에 나타난 미세공극 분포를 살펴보면, 온도 및 상대습도와 관계없이 공극 피크의 형태는 수중양생 시험체와 다른 결과를 보였다. 상대습도 40%의 경우(Fig. 3(a)), 양생 온도가 증가함에 따라 미세 공극의 피크가 나타나는 공극의 영역이 2,000 nm 영역에서 1,000 nm 영역으로 이동하고 5 ~ 20 nm 영역에서의 공극이 증가하는 경향이 나타났다. 이러한 경향은 Fig. 3(b)에서도 동일하게 나타났으며, 특히, 상대습도 40%의 경우에 비해 가장 높은 피크를 보이는 공극 크기가 감소하였다. 또한, Fig. 3(c)를 살펴보면, 12 °C의 경우를 제외하고, Fig. 3(a), (b)와 동일한 경향을 나타낼 뿐만 아니라, 1,000 nm 영역의 공극이 감소하는 대신에 100 nm 미만의 공극이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 원활한 수분 공급에 영향을 받은 것이며, 콘크리트는 양생 온도와 상대습도가 변화함에 따라 공극 형성은 이에 영향을 받는 것으로 판단된다.

Fig. 4에는 온도 및 상대습도 변화에 따른 공극률 측정 결과를 나타낸 것이다. 그 결과, 가혹 조건에서 양생한 시험체의 공극률은 수중양생 대비 약 103.8% ~ 145.9% 수준으로 증가하였다. 한편, 대부분 상대습도가 증가함에 따라 공극률이 감소하는 것으로 나타났으나, 상대습도의 영향에 비하여 온도에 따른 영향은 크지 않은 것으로 판단된다. 이와 달리, 상대습도가 일정할 때, 45 °C에서의 공극률은 35 °C보다 높은 공극률을 보이며, 이는 상대적으로 높은 온도의 장기간 양생으로 인해 수화 반응과정에서 콘크리트에 온도 균열 등의 다양한 손상을 콘크리트 공극으로 평가한 것과 높은 온도에서의 양생으로 인하여 수화가 급속하게 진행되면서 비균질한 수화 생성물의 생성에 기인한 것으로 보인다^{(Kim et al., 2014; Bažant and Prat, 1988)}.

Fig. 5에는 온도 및 상대습도 변화에 따라 측정된 결과를 이용하여 산정한 평균 공극 직경에 대하여 나타내었다, 그 결과, 수중양생 대비 151.9% ~ 425.5% 수준으로 평균 공극 직경이 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 상대습도가 증가할수록 평균 공극 직경은 감소하였으나, 상대습도 변화에 따른 영향 대비 온도 증감에 따른 영향은 크지 않은 것으로 나타났다. Fig. 4와 5의 결과를 종합하여 보면, 온도가 증가함에 따라 급진적인 수화 과정으로 인해 상대적으로 크기가 큰 공극을 갖는 불완전 수화물의 생성으로 인하여 공극률이 증가하였다. 이와 달리, 상대습도가 증가할수록 상대적으로 큰 공극의 양이 감소하고 작은 영역의 공극이 증가하므로 전체 평균 공극의 직경은 감소하는 것으로 사료된다.

Fig. 3 Pore distributions (micro)

Fig. 4 Porosity

Fig. 5 Average pore size

4.2 압축강도 측정 결과

Fig. 6에는 가혹 조건을 고려하여 양생한 콘크리트의 압축강도 특성을 평가하고자 재령 28일에 측정된 압축강도를 수중양생을 실시한 시험체의 압축강도와 함께 나타내었다. 그 결과, 가혹 조건에서 양생된 시험체의 압축강도는 수중양생을 실시한 시험체 대비 43.2% ~ 95.5% 수준의 압축강도를 확보하였다.

한편, 양생 온도가 동일할 때, 상대습도가 증가함에 따라 압축강도가 개선되는 것으로 나타났다. 이는 콘크리트의 양생과정에서 발생할 수 있는 수분 증발이 높은 상대습도로 인해 억제된 것에 영향을 받은 것으로 보인다. 그러나, 동일한 상대습도일 때, 온도가 35 °C까지 증가할수록 압축강도가 개선되었으나, 45 °C에서는 오히려 35 °C의 강도보다 감소하였다. 이는 선행 연구에서 밝혀진 바와 같이, 시멘트 수화 생성물의 화학적 구조 및 물리적 구조가 45 °C 이상의 수화 온도로 인해 근본적으로 변화하여 비균질한 수화 생성물이 취약한 영역을 생성한 것에 기인한 것으로 판단된다^{(Mindess et al., 2003)}.

Fig. 6 Results of compressive strength test

4.3 염화물 확산계수 측정 결과

Fig. 7은 압축강도 측정 시험체와 동일한 조건에서 양생된 시험체를 이용하여 재령 28일에서의 염화물 확산계수를 산정하여 나타낸 것이다. 그 결과, 수중양생을 실시한 시험체 대비 염화물 확산계수가 126.3% ~ 389.5%까지 증가하였다. 한편, 양생 온도가 동일할 때, 상대습도가 증가할수록 염화물 확산계수가 감소하는 경향이 나타났으며, 이는 상대습도가 증가할수록 수화 과정에 영향을 미치는 수분량이 증가하여 수분 공급이 비교적 원활하게 되어 자기 수축에 의한 내부 공극 생성을 저해한 것에 영향을 받은 것으로 판단된다^{(Yang, 2023)}.

한편, 12 °C 및 20 °C의 염화물 확산계수의 차이는 크지 않으나, 온도가 35 °C 및 45 °C로 증가하게 되면 염화물 확산계수는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 염화물 이온의 이동 및 확산이 콘크리트 내부 공극을 통해 이루어지므로, 수화 과정에서 생성된 불균질한 공극이 염화물 확산에 기여한 것으로 판단된다.

Fig. 7 Chloride diffusion coefficients

4.4 염화물 확산계수와 공극의 상관관계

일반적으로, 염화물 확산은 공극의 특성(평균 직경, 공극률, 공극 연결성 및 조도)과 수화물 흡착성능으로부터 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 그중 본 연구에서는 수은 압입법과 금속 염화물 침투 실험법을 이용하여 얻은 결과를 이용하여 콘크리트의 염화물 확산에 대한 공극의 영향을 평가하고자 한다. 또한, 가혹 조건에서 양생한 시험체의 특성이 수중양생을 실시한 콘크리트 시험체의 경향과 상이할 수 있으므로, 선행 연구 결과를 인용하여 본 연구 결과와 비교, 분석하고자 하였다^{(Won, 2012)}.

4.4.1 압축강도와 염화물 확산계수

Fig. 8(a), (b)에는 압축강도와 염화물 확산계수와의 상관관계를 비교하고자 수중양생을 실시한 경우(Fig. 8(a)), 가혹 조건을 고려하여 양생한 경우(Fig. 8(b))로 구분하여 각각 나타내었으며, 그래프 내부에는 결정계수(R2)를 함께 표기하였다. 그 결과, Fig. 8(a)에 나타낸 바와 같이, 수중양생을 실시한 경우, 0.87의 높은 상관성을 보이지만, 가혹 조건을 고려하여 양생한 시험체의 경우 0.34 수준의 상관성을 보였다. 이는 양생 온도 및 상대습도 증감에 따른 염화물 확산계수의 변화 양상과 압축강도의 변화 양상이 다르게 나타난 것에 기인한 것으로 사료된다.

Fig. 8 Correlation between compressive strength and diffusion coefficient

4.4.2 공극률과 염화물 확산계수

콘크리트의 공극과 염화물 확산계수와의 관계를 비교하고자 양생 조건에 따른 콘크리트의 공극률과 염화물 확산계수와의 관계를 Fig. 9(a), (b)에 나타내었다. 수중양생을 실시한 경우(Fig. 9(a)), 0.68의 상관성을 보였으며, 이는 수화 생성물의 채움에 의한 공극 감소로 염화물 확산계수와의 선형적인 관계를 갖는 것으로 보고하였다^{(Choi et al., 2012)}. 그러나, 가혹 조건에서 양생한 경우(Fig. 9(b)), Fig. 9(a) 보다 낮은 상관성을 보였다. 이는 앞서 기술한 바와 같이 공극률은 양생 온도 35 °C 이하에서는 큰 영향을 받지 않지만, 45 °C에서는 다소 증가하는 경향이 나타난 것과 달리 염화물 확산계수는 온도가 증가할수록 개선되는 것으로 나타났다.

Fig. 9 Correlation between porosity and diffusion coefficient

4.4.3 평균 공극 직경과 염화물 확산계수

Fig. 10(a), (b)에는 평균 공극 직경과 염화물 확산계수와의 상관성을 수중양생을 실시한 경우와 가혹 조건을 고려하여 양생한 경우에 대하여 각각 나타낸 것이다. 그 결과, 수중양생을 실시한 경우, 평균 공극 직경과 염화물 확산계수의 결정계수는 0.41 수준으로 유의미한 상관성을 갖지 않는 것으로 판단된다. 이러한 경향은 가혹 조건을 고려하여 양생한 시험체의 결정계수가 0.003이므로, 평균 공극 직경은 염화물 확산에 대하여 주목할만한 영향을 끼치지 않는 것으로 보인다.

Fig. 10 Correlation between average pore size and diffusion coefficient

5. 결 론

본 연구에서는 극한 기후 현상을 고려하여 양생한 콘크리트의 염화물 확산과 공극 특성에 대한 상관관계를 평가하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 양생 온도 35 °C이하에서는 온도에 따른 공극률의 차이가 크지 않으나 상대습도가 감소하고 양생 온도 45 °C에서는 공극률이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 경화 과정에서 생성된 불균질한 크기의 수화물에 영향을 받은 것으로 판단된다. 그러나, 평균 공극 직경은 상대습도가 증가할수록 감소하나 양생 온도에 따른 영향은 크지 않은 것으로 나타났다.

(2) 가혹 조건에서 양생된 콘크리트는 양생 온도가 증가할수록 압축강도가 개선되어 35 °C에서 가장 우수한 압축강도를 보이나, 45 °C에서 양생을 실시한 경우, 오히려 강도가 감소하였다. 그러므로 표준 수중양생을 실시한 시험체와 동등한 수준의 압축강도를 확보하기 위해서는 35 °C 이하에서 양생을 수행할 필요가 있는 것으로 사료된다.

(3) 수중양생 시험체의 미세 공극의 피크점은 100 nm 영역에서 발생하나, 가혹 조건에서 양생한 시험체는 100 nm 영역뿐만 아니라 1000 nm 이상 영역에서의 공극의 피크가 함께 발생하므로 양생시 충분한 수분 공급이 이뤄지지 않을 경우, 1000 nm 이상의 공극이 증가하는 것으로 판단된다.

(4) 가혹조건에서 양생한 콘크리트 시험체의 압축강도, 염화물 확산계수, 공극특성(공극률 및 평균공극직경)은 온도의 영향보다는 상대습도 증감에 비례적인 경향을 보이므로, 이러한 특성은 수분 공급에 지배적인 영향을 받는 것으로 사료된다.

(5) 가혹 조건에서 양생한 시험체는 압축강도-염화물 확산계수, 공극률-염화물 확산계수 및 평균공극직경과 염화물 확산계수의 상관성이 크게 저하하는 것으로 나타났다.