김정회
(Jeong-Hoi Kim)
1
김성진
(Sung-Jin Kim)
2
이두성
(Doo-Sung Lee)
3†
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정회원,아이에스동서㈜ 기술연구소 수석연구원
-
정회원,㈜주성이앤씨 기술연구소 책임연구원
-
정회원,㈜주성이앤씨 기술연구소 연구소장, 교신저자
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
내구성, 실험연구, 원심성형, 초고강도 콘크리트, 동결융해시험
Key words
Durability, Experimental research, Centrifugal molding, Ultra high strength concrete, Freeze-thaw test
1. 서 론
70년대 활성화되었던 콘크리트 구조물이 50년 이상 지나면서 내구성에 대한 문제가 2000년도 초기에 대두되어 최근 콘크리트 내구성에 관한 기준이
강화되고 있다. 콘크리트 구조물은 다양한 외부환경에 의해 열화가 진행되는 데, 이로인한 다양한 피해가 보고되고 있다. 최근에는 탄천을 가로지르는 교량에서
콘크리트의 열화로 인한 내구성 저하로 사고가 발생하여 인명 및 재산피해가 발생하기도 하였다(Photo 1).
콘크리트 구조물의 내구성 저하에 따른 현상은 크게 철근의 부식에 관련된 현상과 콘크리트 강도 및 단면감소에 관련된 현상으로 구분할 수 있다(Fig. 1).
콘크리트의 강도저하 현상은 종국적으로는 콘크리트 단면감소를 유발하는 현상으로 이어진다. 일반적으로 콘크리트의 강도저하는 콘크리트 내부에 미세균열이
진전되어 발생되는 것으로 Photo 2와 같은 동결융해 등과 같은 자연적인 영향과 제설재의 사용에 의한 인위적인 영향을 들 수있다. 그러나 콘크리트 내부에 미세균열의 진전이 가속화되면서
단면감소 및 콘크리트 구체의 파괴를 유발하여 최종적으로 구조물의 안전에 심각한 영향을 미치게 된다.
콘크리트 구조물의 성능저하 현상에 대해 철근부식에 관한 많은 연구결과가 있어지만, 콘크리트 강도저하 및 단면감소에 의한 피해 사례가 알려진 것이 많지
않고 이에 대한 연구자료도 많지 않다(Ann and Lee, 2006).
일반적으로 원심성형 기법은 제작되는 PC제품의 콘크리트는 성형과정에서 원심력으로 콘크리트 속의 잉여수분이 재측으로 축출되어 콘크리트가 침리하여 수밀성이
높고, 압축강도는 일반적으로 10~30 %이상 높다. Photo 3과 같이 일반적인 진동다짐을 한 콘크리트의 표면(Photo 3(a))과 원심성형으로 성형된 콘크리트의 표면은 미소공극 없이 Photo 3(b)와 같이 밀실한 표면을 갖는다.
본 연구에서는 원심성형 초고강도 각형보에 사용되는 압축강도 100 MPa급 콘크리트에 대한 장기적인 내구 성능을 검증하기 위하여 KS 기준에 따른
실험연구를 수행하였으며, 이를 통하여 원심성형 콘크리트의 내구성에 대한 신뢰성을 제시하고자 한다.
Fig. 1 Deterioration of durability and its damage
Photo 1 Damage to bridges due to deterioration (YONHAPNEWS)
Photo 3 Comparsion of Concrete Surface(Lee et al., 2023)
Photo 2 Mechanism of freeze-thaw
2. 100MPa 원심성형 콘크리트의 배합 및 물성
2.1 각형보용 원심성형 콘크리트의 배합
현재 국내에서 생산되고 있는 PHC 파일의 중공률은 36.0 %∼56.3 %이다. 또한 PHC 파일에 작용되는 배합은 무 슬럼프의 된 배합이 적용되어
몰드 내 투입량에 제약을 받는다. 따라서, 기존 배합비를 통한 중공률 감소에는 한계가 있으며, 추가 중공률 확보를 위해서는 일정량의 슬럼프를 갖는
배합비가 필요하다.
Photo 4를 만족하는 초고강도 배합비 도출을 위해 분말도가 다른 2종(3,830 cm2/g, 4,370 cm2/g)의 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 고강도 혼합재(5,380 cm2/g)와 산업부산물(4,610 cm2/g)의 사용으로 채움효과(Filler effect)를 통해 고강도 및 슬럼프 확보가 필요하다. 또한, 산업부산물을 시멘트 치환재로 활용하여 CO2 발생량 저감, 그린(Green) 콘크리트 배합비 도출하였다.
피암터널의 상부구조로 개발된 Precast 보에서 PHC 파일과 같은 중공률로 단면이 형성되면, 강봉이나 철근과 같은 보강재를 배치하기 어렵고, 이에
휨강성이 부족하여 주부재로 적용에 어려움이 발생된다. 요구되는 휨강성을 고려하여, 사전검토를 통해서 PS강봉을 배치하고 설계기준의 최소두께 규정(KCI,
2012)등을 고려할 경우, 원심성형을 통해서 발생되는 중공단면은 직사각형 전체 단면에 10 %이하로 생성되어야 하고, 100 MPa급 초고강도를
발현할 수 있는 원심성형용 콘크리트 배합설계를 개발하였다.
반복적인 배합실험을 통해서, 기존 원심성형으로 제작되는 PHC Pile 배합과 달리 굳지 않은 콘크리트가 슬럼프를 확보하여 굳지 않은 콘크리트 내
공극을 최소화하여 몰드에 다량의 콘크리트를 투입하고, 최종제품에 중공률을 낮출 수 있는 배합비 도출을 목표로 하였다. 원심성형용 몰드에 콘크리트 투입량을
증가시킬 수 있는 배합으로 각형 PC 부재의 단면 확대(중공률 저하)와 부재의 효율을 증대 시킬 수 있는 배합으로 실리카흄을 적용하지 않고 콘크리트의
초고강도를 확보할 수 있는 배합비를 Table 1과 같이 도출하였다.
1) 도출된 배합비는 단위 결합재는 시멘트 60~80 wt%, 고로슬래그(S/P) 5~15 wt%, 고강도 혼합재(H/M) 15~2 5wt%로 이루어지고,
단위 결합재에 폴리카본산계 원심성형 PC부재용 혼화제가 1.0~1.4 wt% 추가로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
2) 배합비의 총 결합재량은 540~660 kg/m3의 범위로 100 MPa의 콘크리트 압축강도 발현과 작업성을 고려한 총 결합재량의 범위를 설정하였으며, 단위수량은 적용 혼화제의 특성을 고려하여 113~138
kg/m3, 잔골재는 650~794 kg/m3, 굵은골재는 989~1209 kg/m3의 범위가 도출되었다.
3) 결합재 중 시멘트는 분말도가 다른 시멘트 2종의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 적용하였으며, 서로 다른 분말도를 갖는 시멘트를 적용하므로서 작업성을
향상시키고, 비표면적이 다른 2종의 시멘트 적용으로 조기 강도 발현을 증가시켰다.
Photo 4 Development of mixing ratio for centrifugal molding concrete
Table 1 Concrete mixing ratio
|
W/C
(%)
|
W
(kg/m3)
|
C1
(kg/m3)
|
C2
(kg/m3)
|
BFS
(kg/m3)
|
H
(kg/m3)
|
S
(kg/m3)
|
G
(kg/m3)
|
AD
(%)
|
|
25.6
|
125
|
153
|
336
|
31
|
92
|
722
|
1,092
|
1.2
|
W : Water, C1/C2 : Cement, BFS:Blast Furnace Slag, H: High strength admixture, S:Sand,
G:Coarse aggregate, AD:Admixture
2.2 원심성형 콘크리트의 물성
100 MPa 이상의 초고강도 콘크리트 개발을 위해 78.5 MPa의 원심성형 PHC 파일의 배합비를 기초로 결합재량(Binder), 고로슬래그(5
%) 그리고 혼화제(AD)를 변수로 실내 배합실험을 진행하였다. 기존 PHC 파일 배합은 슬럼프가 0~20 mm 인반면 원심성형 직사각형 보는 몰드
내 콘크리트 투입량을 증가시켜 중공률을 감소시켜야 하므로 큰 슬럼프 값을 가져야 하며, 콘크리트의 재료분리를 피해야 한다.
슬럼프를 충분히 확보한 최종배합비는 슬럼프 확보를 위한 빈배합(Lean mix)을 적용하지 않고, 높은 슬럼프에서 재료분리를 방지하기 위해 단위시멘트량이
489 kg/m3, 단위결합재량 612 kg/m3인 부배합(Rich mix)을 적용하여 시멘트-골재 유동성을 높여 재료분리를 방지하였다. 또한, 혼화제의 종류를 변화시켜 배합실험을 진행하며 유동성을
확보할 수 있는 적정 혼화제를 적용하였다. 일반적으로 Precast Concrete에서는 작업성 향상을 위해 재료분리가 되지 않는 슬럼프 150 ~
210 mm의 콘크리트(Photo 5)를 사용하고 있으며, 더 큰 유동성 필요시 슬럼프가 아닌 플로어를 갖는 콘크리트를 사용하기도 한다.
100 MPa 이상의 콘크리트 압축강도 발현을 위해 고강도 혼합재와 시멘트량 증가를 위해 결합재량을 증가시켰으며, 결합재량 증가에 따른 슬럼프 저하는
S/a와 AD를 변수로 배합시험을 진행하였다. 콘크리트 압축강도는 탈형강도와 7일강도를 측정하였으며, Precast Concrete의 특성상 7~14일
후 제품이 출하되므로 7일강도 측정을 하였다.
내구성 시험에 앞서 콘크리트의 역학적 특성 시험을 위하여 압축강도 시험을 수행하였다. 시험에 사용된 콘크리트 시편은 2022년, 2023년(이하 시편
S-2022, S-2023으로 각각 명칭) 원심성형 각형보 시험체 타설 시 별도로 제작한 ∅200× 300 mm의 원심성형 실린더형 시험체를 활용하였다.
콘크리트의 압축강도 시험은 KS F 2454, 2405(원심력으로 다져진 콘크리트 압축강도 시험방법, 콘크리트의 압축강도 시험법)에 준하여 수행하였다.
시험에 사용된 콘크리트 시편은 ∅200×300 mm와 원심성형 각형보 시험체에서 코어링한 ∅70×140 mm의 실린더형 시험체를 활용하였다. 시험체
제작 후 7시간 증기양생을 실시하였고, 경화된 콘크리트는 20 ℃에서 기건양생하여 압축강도를 측정하였다. 콘크리트 압축강도 시험을 Photo 6에 나타내었으며, Table 2와 같이 콘크리트 설계강도 100 MPa 이상을 확보한 것으로 조사되었다.
원심성형 각형보 시험체에서 코어링한 ∅70×140 mm 콘크리트 시험체 S-2022, S-2023의 압축강도는 각각 93.2, 82.2 MPa로 측정되었다.
원심성형 각형보 제작 시 타설한 시험체 대비 코어링한 시험체의 평균 압축강도는 각각 89.3, 80.3 %로 측정되었다. 이는 원심성형 각형보 제작에
사용되는 잠재수경성 결합재의 사용으로 양생기간이 길어질수록 콘크리트가 더욱 견고해짐에 따라, 코어링 시 발생되는 균열을 저감시켜 압축강도 손실도 줄어드는
것으로 판단된다.
Photo 5 Properties of fresh concrete (Slump 200 mm )
Photo 6 Compressive strength test of centrifugal formed concrete
Table 2 Results of strength test(KS F 2454, 2405)
|
No.
|
$f_{ck}$(MPa)
|
Compressive Strength (MPa)
|
|
∅200×300 mm
|
∅70×140 mm
|
|
S-2022
|
100
|
104.4
|
95.5
|
90.8
|
|
S- 2023
|
102.4
|
83.9
|
80.6
|
3. 내구성능실험
원심성형 콘크리트의 내구성은 장기간 외부조건에 저항하기 위하여 구조물 안전에 중요하다. 일반적으로 콘크리트는 외부환경에 영향을 받지만, 전반적으로
관리체계내에서 내구성이 우수한 재료이다. 이에 관한 내구성 품질관리는 콘크리트 구조내구성설계기준(KDS 14 20 40)과 콘크리트 내구성 평가절차
및 지침(2000)을 따르고 있다.
콘크리트의 내구성 저하는 중성화, 동결융해, 염해, 알카리 골재반응 등의 요인으로 구조물의 열화현상 및 성능저하 현상이 발생한다. 콘크리트의 내구성
평가를 위해 주로 수행되는 관련 시험법인 염화물 침투 저항성시험(KS F 2711), 촉진탄산화 시험(KS F 2584), 황산염침식저항성 시험(ASTM
C267-20), 동결융해 저항성 시험(KS F 2456), 스케일링 저항성 시험(SS 13 72 44 A) 등을 실시하였다.
3.1 원심성형 콘크리트의 내구성 시험체 가공
3.1.1 시험기준에 따른 시험체 가공
본 연구에서는 180×180×300 mm의 원심성형 각형보를 활용하여 콘크리트의 염화물침투 저항성, 촉진탄산화, 황산염침식 저항성, 동결융해 저항성,
스케일링 저항성을 수행하였고, 내구성 시험을 위하여 원심성형 각형보를 시험 규격에 맞도록 가공하였다. 국내외 콘크리트 내구성 시험법에 준하는 시험을
위하여, 원심성형 각형보 시험체를 커팅, 코어링 등의 가공 작업을 수행하였다. 내구성 시험, 가공법, 가공된 시료의 시험체 전처리 과정을 Photo 7에 나타내었다.
Photo 7 Concrete durability test specimen pretreatment process
3.2 원심성형 콘크리트의 내구성 시험
3.2.1 염화물침투 저항성 시험
염화물침투 저항성 시험은 콘크리트의 염화물 침투성을 평가하는 시험방법으로, KS F 2711(전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험
방법)에 따라 측정하였다.
본 연구에서는 원심성형 각형보 시험체에서 코어링한 ∅100×50 mm의 시편을 활용하였고, 1방향 염화물침투를 유도하기 위해 양단면을 제외한 측면을
에폭시 수지를 이용하여 코팅하였다. 코팅된 시편은 진공 데시게이터를 활용하여 24시간 증류수에 침지 후 포화상태를 유지하였다.
시편의 양쪽 단면은 전하의 원활한 이동을 위해 스테인레스 메쉬를 사용하였고, 3.0 % NaCl 용액과 0.3 M NaOH 용액을 양쪽 아크릴 챔버에
채운 뒤 콘크리트 시편에 접하였다. 파워써플라이(power supply)를 각 챔버와 연결한 후 60 V의 직류전압을 공급하였고, 누적된 전하량을
바탕으로 염화물이온 투과도에 따른 침투 저항성을 2022년 제작 시편(S-2022)와 2023년 제작 시편(S-2023)을 상대적으로 비교하였고,
KS 규격에 따른 내구성 평가를 수행하였다. Photo 8에 염화물침투 저항성 시험 전경을 나타내었다.
시편 S-2022, S-2023의 염화물침투 저항성 시험결과를 Table 3에 나타내었다. 평균 통과전하량은 각각 284, 1,030 Coulomb으로 측정되었다. Table 4의 국내 규격의 통과전하량에 따른 염화물이온 침투성 기준에 따른 성능은 S-2022 시편은 낮음, S-2023 시편은 중간 수준으로 판단된다. 따라서,
원심성형 각형보의 통과전하량은 일반적인 설계기준 압축강도 40 MPa 콘크리트의 통과전하량 2,000 Coulomb의 절반 이하로 측정됨에 따라,
염해에 대한 내구성은 상당히 우수한 것으로 판단된다.
Photo 8 Chloride penetration resistance test
Table 3 Test results of chloride penetration resistance
|
No.
|
Passing charge amount (Coulomb)
|
Chloride penetration
|
|
S-2022
|
268
|
300
|
Low
|
|
S-2023
|
1,096
|
964
|
Medium
|
Table 4 Chloride ion permeability according to passing charge amount
|
Passing charge amount (Coulombs)
|
Chloride penetration resistance
|
|
> 4,000
|
Very High
|
|
2,000 - 4,000
|
High
|
|
1,000 - 2,000
|
Medium
|
|
100 - 1,000
|
Low
|
|
< 100
|
Very Low
|
3.2.2 촉진탄산화 시험
콘크리트의 촉진탄산화 시험은 KS F 2584(콘크리트의 촉진 탄산화 시험 방법)에 준하여 수행하였다. 본 연구에서는 원심성형 각형보 시험체에서 코어링한
∅100×50 mm의 시편을 활용하였고, 1방향 이산화탄소(CO2) 가스의 침투를 유도하기 위해 양단면을 제외한 측면을 에폭시 수지를 이용하여 코팅하였다. 코팅된 시험체는 충분히 건조 후 탄산화 챔버에 바닥과 연직이
되도록 거치하여 28일 경과 후 탄산화 깊이를 측정하였다. 촉진 탄산화 챔버의 조건은 온도 20±2 ℃, 상대 습도 60±5 %, 이산화탄소 5±0.2
%로 설정하여 28일간 동일한 조건을 유지하였다.
탄산화 깊이 측정은 시험체에 1 % 페놀프탈레인 용액을 분무하여 변색된 부분의 깊이를 측정하였다. 탄산화 깊이 측정값을 바탕으로 S-2022와 S-2023의
내구성을 상대적으로 비교하였다. Photo 9에 촉진탄산화 시험 전경을 나타내었다.
시편 S-2022, S-2023의 28일간 촉진탄산화 시험결과를 Photo 10에 나타내었다. 시편 S-2022와 S-2023의 28일 후 평균 탄산화 깊이는 각각 0.27, 0.43 mm로 측정되었다. 원심성형 각형보의 탄산화
깊이는 일반적인 설계기준 압축강도 40 MPa 콘크리트의 탄산화 28일 후 탄산화 깊이 약 5.0 mm의 10 % 수준으로 측정됨에 따라, 탄산화에
대한 내구성은 상당히 우수한 것으로 판단된다.
콘크리트의 탄산화에 영향을 미치는 인자는 크게 재료적 요인과 환경적 요인으로 구분할 수 있다(Choi et al., 2009). 특히 재료적 요인은 콘크리트의 공극률 및 최대 공극 크기와 같은 물리적 인자와 세공용액 및 콘크리트 내부의 수산화칼슘의 총량과 같은 화학적 인자로
나눌 수 있다. 원심성형 각형보 콘크리트의 경우, 낮은 물-결합재비에 따른 초고강도 콘크리트로 매우 낮은 공극률에 의해 CO2 가스의 유입이 적으므로, 일반 콘크리트에 비해 탄산화 저항성이 높은 것으로 판단된다.
Photo 9 Accelerated carbonation test
Photo 10 Results of accelerated carbonation test
3.2.3 황산염침식 저항성시험
콘크리트의 황산염침식 저항성 시험은 ASTM C267-20 (Standard Test Methods for Chemical Resistance of
Mortars, Grouts, and Monolithic Surfacings and Polymer Concretes)에 준하여 수행하였다. ASTM
규격에서 시험에 사용되는 시편의 치수는 ∅100×200 mm이나(Bae et al., 2010), 본 연구에서는 시험체에서 코어링한 ∅70×140 mm의 시편을 활용하였다. 콘크리트 시편의 지름과 높이비를 1:2로 유지하되, 원심성형 각형보에서
코어링이 가능한 범위를 최대한 고려하였다.
코어링한 시편은 24시간 증류수에 침지 후 포화상태를 유지하였고, 표면의 이물질을 제거한 황산염용액(5 % Na2SO4)에 56일간 침지하였고, 2주
마다 황산염용액을 교체하였다. 황산염용액 침지 시 0, 7, 14, 28, 42, 56일에 시험체 외관을 확인하였고, 0, 28, 56일에 시험체
무게를 측정하였고, 침지 56일에 시험체의 압축강도를 측정하였다. 황산염용액 침지기간 0일 대비 56일의 무게 및 압축강도 변화율을 바탕으로 황산염
침투 저항성을 평가하였다. Photo 11에 황산염침식 저항성 시험 전경을 나타내었다.
시편 S-2022와 S-2023의 황산염 침지에 따른 무게 변화를 Table 5에 나타내었다. 시편 모두 황산염 침지기간 동안 지속적으로 무게는 증가하는 것으로 나타났다. S-2022 시편의 황산염 침지재령 28, 56일의 평균
무게 증가율은 0일 대비 각각 0.12, 0.13 % 증가하였고 S- 2023 시편의 황산염 침지재령 28, 56일의 평균 무게 증가율은 0일 대비
각각 0.11, 0.12 %로 나타났다.
원심성형 각형보 S-2022, S-2023 시편의 황산염 침지에 따른 압축강도 변화를 Table 6에 나타내었다. 원심성형 각형보(100 MPa, 2022), 원심성형 각형보(100 MPa, 2023) 시험체의 황산염 침지재령 56일의 평균 압축강도
평균 증가율은 0일 대비 각각 0.21, 0.36 %로 나타났다.
황산염 침지에 따른 시편 S-2022의 외관변화를 Photo 12에 나타내었다. 시편 S-2022와 S-2023 모두 길이 변화는 동일하였고, 표면부의 골재 노출과 같은 외관상 침식 및 마모는 발생하지 않았다.
또한 시편 모두 낮은 물-결합재비와 슬래그 파우더 활용으로 콘크리트 미세구조의 치밀화에 따른 외부이온의 투수성 감소로 인하여 황산염 침투 저항성이
우수한 것으로 판단된다.
Photo 11 Sulfate erosion resistance test
Photo 12 Changes in appearance of S-2022 during sulfate immersion
Table 5 Change in weight of test specimen during sulfate immersion period
|
No.
|
Weight (g)
|
|
0day
|
28 days
|
56 days
|
|
S-2022
|
1227.38
|
1228.87
|
1228.99
|
|
1235.62
|
1237.11
|
1237.07
|
|
S-2023
|
1196.94
|
1198.27
|
1198.38
|
|
1186.37
|
1187.64
|
1187.77
|
Table 6 Change in compressive strength of test specimen after sulfate immersion
|
No.
|
Comprerssive strength (MPa)
|
|
0 day
|
56 days
|
|
S-2022
|
95.5
|
94.2 (1.36 %↓)
|
|
90.8
|
92.5 (1.08 %↑)
|
|
S-2023
|
83.9
|
81.4 (2.97 %↓)
|
|
80.6
|
83.7 (3.85 %↑)
|
3.2.4 동결융해 저항성 시험
콘크리트의 동결융해 저항성 시험은 KS F 2456 A법(급속동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법)에 준하여 수행하였다. KS규격에서 시험에
사용되는 시편의 치수는 100× 100×400 mm이나(Cho et al., 2022), 본 연구에서는 원심성형 각형보 시험체에서 커팅한 50×50×200 mm의 빔형 시편을 활용하였다. 콘크리트 시편의 폭, 높이, 길이를 주파수 측정이
가능한 범위로 유지하되, 원심성형 각형보에서 커팅이 가능한 범위를 최대한 고려하였다. 커팅된 콘크리트 시편은 25 ℃ 에서 24시간 수중 양생 후
초기 진동주파수를 측정하였다. 이후 시험체를 급속동결융해 시험기에 넣고, 동결융해를 반복하면서 30싸이클 씩 300싸이클까지 시험체의 외관 찰영 및
진동주파수 측정 후 식 (1)에 준하여 상대동탄성계수를 산출하였다.
여기서, $P_{c}$는 동결 융해 $C$사이클 후의 상대 동탄성 계수 (%), $n_{c}^{2}$는 동결 융해 0사이클에서의 변형 진동의 1차
공명 진동수 (Hz), $n_{0}^{2}$는 동결 융해 $C$사이클 후의 변형 진동의 1차 공명 진동수 (Hz)이다.
측정한 상대동탄성계수를 바탕으로 변화율을 바탕으로 2022년 제작 시험체와 2023년 제작 시험체의 내구성지수를 비교하였다. Photo 13에 동결융해저항성 시험 전경을 나타내었다.
원심성형 각형보(100MPa, 2022), 원심성형 각형보(100MPa, 2023)의 동결융해 저항성 시험 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 동결융해 300싸이클에서 원심성형 각형보의 시편 S-2022, S-2023의 평균 상대동탄성계수는 각각 96.6, 94.5 %로 측정되었다.
시편 모두 상대동탄성계수는 콘크리트 표준시방서에서 요구하는 80 이상을 나타내어 동결융해 저항성이 우수함을 확인하였다. 시편 S-2030의 동결융해
싸이클 별 시험체 외관변화를 Photo 14에 나타내었다. 동결융해 0싸이클부터 300싸이클 까지 시험체 표면에 균열 및 스케일링은 발생하지 않아 동결융해 저항성이 우수함을 확인하였다.
원심성형 각형보 제작 시 낮은 물-결합재 비에 따른 적은 공극수와 AE제 사용으로 콘크리트 내부에 연행공기량 증가로 동결 시 공극수의 팽창에 의한
완충작용 작용으로 동결융해 저항성이 우수한 것으로 판단된다. 그리고, 원심성형 각형보는 고강도 콘크리트로 조직이 밀실하여 외부로부터 수분의 유입이
부족하므로, 동결에 관여하는 수분의 양이 적고 동결 동안에 발생하는 압력도 작아 동결융해 저항성이 우수한 것으로 판단된다.
Fig. 2 Results of freeze-thaw resistance of centrifugally formed square beams
Photo 13 Freezing and Thawing Test
Photo 14 Appearance changes by freeze-thaw cycle of S-2023
3.2.5 스케일링 저항성 시험
스케일링 저항성 시험은 SS 13 72 44 A (Concrete testing - Hardened concrete - Scaling at freezing)
방법에 준하여 스케일링량 측정 후 표면박리 저항성 등급을 판별하는 방법으로 수행하였다.
Swedish 규격에서 시험에 사용되는 시편의 치수는 140× 130×50 mm 으로, 본 연구에서는 원심성형 각형보 시험체에서 커팅한 140×130×50
mm 판상형 시편을 활용하였다. 커팅된 시험체는 24시간 수중양생 후 몰드에 거치하였고, 콘크리트 표면에 시약이 노출되도록 4 % NaCl 용액을
콘크리트 표면에 주입하였다. 이후 시험체를 동결융해 챔버에 거치하여 0, 7, 14, 28, 42, 56싸이클에 시험체 외관 촬영 및 스케일링량을
측정하였다. 동결융해 반복시험 시 최저 온도 및 시간은 –18±2 ℃ 범위에서 6시간, 최고온도 및 시간은 24±2 ℃ 범위에서 12~18시간으로
하였다. 동결융해 싸이클에 따른 스케일링량 측정 후 식 (2)에 준하여 등급 요구성능을 산출하였고, 2022년 제작 시험체와 2023년 제작 시험체의 스케일링 저항성 등급을 평가하였다. Photo 15에 스케일링 저항성 시험 전경을 나타내었다.
여기서, $W_{r}$은 스케일링량 무게 비율, $m_{56}$은 동결융해 56싸이클 후 표면 면적당 누적 박리량 (kg/m3), $m_{28}$은 동결융해 28싸이클 후 표면 면적당 누적 박리량(kg/m3)이다.
시편 S-2022, S-2023의 스케일링 저항성 시험 싸이클별 스케일링량을 Table 7에 나타내었다. 시편 S-2022가 시편 S-2023) 보다 동결융해에 따른 스케일링량은 적은 것으로 나타났다.
시편 S-2022, S-2023의 스케일링 시험 56일의 표면 면적당 누적된 평균 스케일링량은 Table 8과 같이 각각 0.014, 0.030 kg/m3으로 측정되었다. 시편 S-2022, S-2023의 28싸이클 대비 56싸일클 (m56/m28) 후 평균 스케일링량 비율은 각각 1.75, 1.73으로 산출되었다. 스케일링 저항성 평가등급별 요구성능 (SS 13 72 44 A)에 따라 두
시편 모두 56싸이클 후 스케일링량(m56)이 모든 시편에서 0.10 kg/m3 보다 적으므로 매우우수 (very good) 등급으로 평가되었다.
S-2022의 스케일링 저항성 시험 싸이클별 시험체 외관변화를 Photo 16에 나타내었다. 동결융해 0싸이클부터 56싸이클까지 시험체 표면에 균열 및 골재 노출과 같은 손상이 발생하지 않아 스케일링 저항성이 우수함을 확인하였다.
원심성형 각형보는 고강도 콘크리트로 조직이 밀실하여 외부로부터 수분 및 유해이온의 유입이 적으므로, 동해 및 염해에 의한 스케일링 저항성이 우수한
것으로 판단된다.
Photo 15 Concrete testing - Hardened concrete - Scaling at freezing
Photo 16 Appearance change in scaling resistance test of S-2022
Table 7 Scaling amount for each cycle in scaling resistance test
|
No.
|
Scailing weights (g)
|
|
7 days
|
14 days
|
28 days
|
28 days
|
56 days
|
|
S-2022
|
0.0415
|
0.0610
|
0.0451
|
0.0510
|
0.0590
|
|
0.0313
|
0.0725
|
0.0456
|
0.0530
|
0.0612
|
|
S-2023
|
0.1061
|
0.1082
|
0.1102
|
0.1102
|
0.1215
|
|
0.0981
|
0.1023
|
0.1126
|
0.1126
|
0.1211
|
Table 8 Scaling amount per surface area for each cycle in scaling resistance test
|
No.
|
Scaling amount per surface area (kg/m3)
|
|
28 days
|
56 days
|
|
S-2022
|
0.0081
|
0.0142
|
|
0.0082
|
0.0145
|
|
S-2023
|
0.0178
|
0.0306
|
|
0.0172
|
0.0300
|
4. 내구성에 관한 메커니즘 규명
4.1 공극률 분석
원심성형 콘크리트 내구성에 대한 메커니즘 규명을 위한 공극률 분석은 수은압입법(Mercury intrusion porosimetery: MIP)에
준하여 수행하였다(Kwon et al., 2012). 시멘트 경화체 내부의 공극은 이온 및 유해인자들의 침투 경로로 콘크리트의 강도 뿐만 아니라 내구성에도
영향을 미친다. 본 연구에서는 본 연구에서는 충분히 양생된 원성성형 각형보 시험체를 대상으로 굵은골재를 제외한 직경 5 mm 수준의 모르타르를 추출하여
MIP 분석을 실시하였다. MIP 시험 시 수화물 및 골재, 페이스트 계면의 유효 공극률을 계산하였고, 시험체의 공극률를 정량적으로 분석하였다. Photo 17에 MIP 시험 전처리 및 시험 전경을 나타내었다.
시편 S-2022, S-2023의 MIP를 통한 공극률 분석결과를 Fig. 3에 나타내었다. 시편 S-2022, S-2023의 전체 공극률은 각각 8.87, 9.87 %로 측정되었다. S-2023은 장기재령에 따라 S-2022에
비해 공극률이 낮아졌고, 원심성형 각형보의 공극률은 일반 콘크리트 공극률 15.00 %에 비해 낮은 것으로 나타났다.
S-2022, S-2023 시편 모두 시멘트 경화체의 외부 유해 이온의 침투성 및 확산성과 관계되는 0.1 µm 수준의 모세관 공극이 높은 비율을
차지하였다.
따라서 두 시편 모두 외부 유해 이온이 침투가능한 모세관 공극이 높은 비율을 차지하지만, 낮은 물-결합재 비로 공극률이 일반 콘크리트에 비해 낮으므로
내부조직이 치밀하여 염화물 침투 저항성 및 황산염 침식 저항성 등의 내구성이 상당히 개선된 것으로 판단된다.
Photo 17 test of mercury intrusion porosimetery
Fig. 3 MIP analysis results
4.2 이미지 분석
콘크리트 내구성에 대한 메커니즘 규명을 위한 표면 관측은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)을 통한 이미지
촬영에 준하여 수행하였다. 시멘트 경화체 내부의 미세 균열은 이온 및 유해인자들의 침투 경로로 콘크리트의 강도 뿐만 아니라 내구성에도 영향을 미친다.
본 연구에서는 본 연구에서는 충분히 양생된 원성성형 각형보 시험체를 대상으로 굵은골재를 제외한 직경 10×10×10 mm 모르타르를 추출하여 마운팅
및 폴리싱 등의 가공 후 SEM 촬영을 실시하였다. SEM 촬영 시 배율은 250, 500, 1000, 4000배를 적용하였고, 전자검출기(Energy
Dispersive Spectrometer; EDS)를 활용하여 C, O, Mg, Ca, Fe, Si, Al 등의 원소 분포를 확인하였다.
시편 S-2022와 S-2023의 SEM 촬영을 통한 표면 이미지 분석 결과를 Photo 19에 나타내었다. 표면 이미지 분석결과, 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성에 영향을 미치는 골재와 페이스트 계면의 공극 및 균열은 발생하지 않은 것으로
나타났다.
시편 S-2022와 S-2023의 수화물 검증을 위한 EDS 분석 결과를 Fig. 4와 Table 9에 나타내었다. EDS 분석결과, 주요 원소는 Ca, Si, Mg, Al로 나타났으며, 증기양생에 따른 CaCO3 생성으로 C가 존재하였고, 수화물의 경우 Ca가 높게 측정되어, Ca계 수화물이 많이 생성되었다고 판단된다. 또한 높은 수화 반응성 원소인 Mg이
존재하였고, Mg계 수화물은 높은 수화반응성과 팽창성을 가지므로, 이에 대한 추가적인 검증이 필요한 것으로 판단된다.
Photo 18에 SEM 촬영 및 EDS 분석 전처리 및 시험 전경을 나타내었다.
Fig. 4 Results of EDS analysis
Photo 19 Results of SEM imaging (×4000times)
Table 9 Results of EDS analysis Element
|
Element
|
S-2022 specimen
|
S-2023 specimen
|
|
Weight(%)
|
Atomic(%)
|
Weight(%)
|
Atomic(%)
|
|
O
|
21.40
|
35.36
|
40.89
|
56.79
|
|
Ca
|
51.77
|
34.15
|
46.67
|
25.88
|
|
Si
|
13.37
|
12.58
|
4.78
|
3.78
|
|
C
|
3.91
|
8.61
|
7.15
|
13.22
|
|
Mg
|
6.36
|
6.92
|
0.05
|
0.05
|
|
Al
|
1.73
|
1.69
|
0.22
|
0.18
|
|
Fe
|
1.46
|
0.69
|
0.24
|
0.09
|
5. 결 론
본 연구에서는 2022년, 2023년에 생산된 원심성형 각형보에 대한 재료특성, 콘크리트의 역학적 특성 및 내구성, 내구성에 대한 매커니즘 규명을
수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 원심성형 각형보 제작에 사용된 결합재는 1종 보통포틀랜드시멘트 2종, 슬래그 파우더, 고강도 혼합재가 혼합되어 사용되었다. Al2O3, SO3에 의해 초기강도가 향상되고, C2S에 의해 장기강도 및 내구성이 향상되는 것으로 판단되었다. 내구성 시험 전에 측정된 S-2022, S-2023의
콘크리트 압축강도는 각각 104.4, 102.4 MPa로 측정되어 설계기준 압축강도에 부합하는 것으로 조사되었다.
2) 염화물침투 저항성에 관한 시험에서 2022년, 2023년 생산된 원심성형 각형보의 시편의 평균 통과 전하량은 각각 284, 1030 Coulomb으로
염화물이온 침투성 기준에 따른 성능은 각각 낮음과 중간 수준으로 평가되었다. 또한 촉진탄산화에 대한 검사에서 탄산화 28일 경과 후 평군 탄산화 깊이는
각각 0.27, 0.43 mm로 측정되어, 동일한 탄산화 조건에서 설계기준 압축강도 40 MPa의 10 % 수준으로 측정됨에 따라서 탄산화에 대한
내구성은 상당히 우수한 것으로 판단된다.
3) ASTM C267-20에 준하여 수행된 황산염침식 저항성 시험에서 시험체의 황산염용액 침지재령 0일 대비 56일의 압축강도 변화율은 각각 0.21,
0.36 % 증가하였고, 표면부의 침식 및 마모는 발생하지 않아 황산염침투 저항성이 우수한 것으로 판단된다.
4) 동결융해 300사이클에서 원심성형 각형보(S-2022, S-2023)의 평균 상대 동탄성계수는 각각 96.6, 94.5 %로 측정되었다. 원심성형
각형보의 상대 동탄성계수는 콘크리트 표준시방서에서 요구하는 80 이상을 나타내어 동결융해 저항성이 우수함을 확인하였다. 또한 스케일링 저항성 시험에서는
56싸이클 후 스케일링량(m56)이 모두 시편에서 0.10 kg/m3보다 적어 평가등급별 요구성능 기준으로 매우 우수 등급으로 평가되었다.
5) 원심성형 각형보는 외부 유해이온이 침투가능한 모세관 공극이 높은 비율을 차지하지만, 낮은 물-결합재 비로 공극률이 일반 콘크리트에 비해 낮으므로
내부 조직이 치밀하여 염화물 침투저항성 및 항산염 침식저항성 등의 내구성이 상당히 개선된 것으로 판단된다. 또한 콘크리트 제작 시 사용된 AE제에
의해 생성된 연행공기로 공극구조 내에서 공극수의 동결에 따른 팽창압을 낮춰 콘크리트의 균열 발생을 저감하여 동결융해 및 스케일링 저항성을 향상시킨
것으로 판단된다.
6) 원심성형 각형보에 적용된 슬래그 파우더는 C2S(2CaO·Sio3, Belite)가 다량 함류된 잠재수경성 재료로 시멘트 경화체의 장기강도 및 내구성을 향상시킨다. S-2022는 S-202 3의 양생기간(28일)
보다 약 13배 긴 양생기간을 갖아 지속적인 수화반응으로 콘크리트 내부 공극률 및 공극수 감소를 통한 고밀도화가 이루어져, S-2023에 비해 내구성(염화물
침투저항성, 탄산화, 황산염침식 저항성, 동결융해, 스케일링 저항성)과 역학적 성능(압축강도)이 우수하게 나타난 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서
검증한 내용을 고려해 볼 때 추후 제작단계에서 수밀성이 높아지는 원심성형 콘크리트의 내구성은 일반적인 콘크리트에 비해 우수한 것으로 조사되었다.
감사의 글
본 연구는 2021년 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 국토교통기술사업화지원사업 ‘원심성형으로 제작된 100MPa급 초고강도 직사각형 보의
제작기술 및 이를 상부구조로 하는 피암터널 공법개발(RS-2021-KA161317)’를 통해 수행된 연구입니다. 연구지원에 감사합니다.
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