2.1 모르타르 및 콘크리트의 사용재료

OPC (Ordinary Portland Cement)로 제조된 콘크리트 및 시멘트 모르타르를 사용하였으며, 콘크리트는 3 수준의 설계강도(24 MPa, 30 MPa, 50 MPa)를 시멘트 모르타르는 시멘트와 잔골재를 1:2 질량비 조건에서 3 수준의 w/c (0.4, 0.5, 0.6)를 고려하였다. 실험에 사용된 콘크리트 배합표는 Table 1에, OPC의 화학성분은 Table 2에, 그리고 모르타르와 콘크리트 배합에 사용된 잔골재 및 굵은골재의 물리적 특성은 Table 3에 나타내었다.

2.2 역학적 시험방법

모르타르와 콘크리트의 역학적 특성을 평가하기 위해 KS F 2405 및 KS F 2438의 규정에 따라 압축강도 및 탄성계수 시험을 진행하였다. Ø100 × 200 mm의 원주형 모르타르 및 콘크리트 시편을 대상으로 20 ℃ 표준 수중양생을 진행한 후 재령 28일에 대한 압축강도 및 탄성계수를 평가하였으며, 각 조건에서 3개 시편의 평균값을 사용하였다.

2.3 내구성 시험방법

2.3.1 내흡수성 시험 (Sorptivity test)

KS F 4042 규정에 따라 내흡수성 실험을 진행하였으며, 모르타르와 콘크리트 모두 동일한 조건에서 진행되었다. 내흡수성은 주로 모세관 공극에 따른 수분의 유입을 평가하는 것으로 내구성능과 밀접한 관계가 있으며, 도출되는 수분이동계수는 배합에 따른 수분이동 특성을 잘 나타내는 것으로 알려져 있다(Zhao et al., 2020). 재령 28일 Ø100 × 200 mm 시편을 30 mm 높이로 절단하여 모르타르와 콘크리트 각 배합당 시편 3개씩 사용하였으며, 측면을 에폭시로 코팅처리 하여 1차원 수분유입을 유도하였다. 또한 실험 용기 하부에 흡습제를 일정량 투입한 후, 상부에 시료를 존치하였으며, 시료와 용기 사이의 접촉부에 외부 공기의 유입 및 수분 누설을 방지하기 위해 완전히 밀봉하였다. 항온⋅항습조내에 배치하였으며, 실험이 진행되는 동안 일정 시간 간격으로 전체 무게 변화를 측정하였다. 시간에 따른 무게 변화는 시료에 흡수된 수분의 양으로 평가하였으며, 이를 바탕으로 시료의 흡수 특성을 평가하였다. 투습량은 단위 시간 및 단위 면적당 무게 변화로 환산하였으며, 내흡수성 실험 전경을 Fig. 2에 나타내었다. 투습량 시험은 다공성 매체의 수분이동을 명확하게 나타낼 수 있는 실험방법으로 투수계수와 같이 정상상태에서의 수분이동을 정량적으로 나타내는 것으로 알려져 있다. 투습된 수분량 및 수분 이동계수에 사용된 식은 식 (1), (2)와 같다(Promis et al., 2018).

(1)

$sd(m) = \mu \times t$

(2)

$\mu = \dfrac{\Delta P}{1.5 \times 10^6 \times M \times t}$

식 (1)에서 $sd(m)$은 시간에 따른 투습된 수분량 (kg), $\mu$는 수분 이동계수 (kg/m²h^1/2), $t$는 시간 (hour)을 의미한다. 식 (2)에서 $\Delta P$는 기압차 (KPa), $M$은 측정재료의 단위시간당 질량 변화량 (kg/h)을 나타내고 있다.

Fig. 2 Photo of sorptivity test (KS F 4042)

2.3.2 촉진탄산화 시험 (Accelerated carbonation test)

탄산화 속도계수 도출을 위하여 Ø100 × 200 mm 시편을 대상으로 KS F 2584 및 KS F 2596의 규정에 따라 촉진탄산화 실험을 진행하였으며, 4주, 8주의 노출기간을 고려하여 온도 20.0 ℃, 상대습도 60.0 %, 이산화탄소 5.0 ％의 조건에서 탄산화 시험을 수행하였다. 1.0 % 페놀프탈레인 용액을 통하여 탄산화 깊이를 분석하였으며, 탄산화 깊이 측정 사진을 Fig. 3에 나타내었다. 각 시편당 4회씩 측정하여 탄산화 깊이 평균값을 사용하였으며, 식 (3)을 사용하여 회귀분석된 값을 사용하였다.

(3)

$C = A \sqrt{t}$

여기서, $C$는 탄산화 깊이 (mm), $A$는 탄산화 속도계수 (mm/week^0.5), $t$는 탄산화 노출시간 (week)이다.

Fig. 3 Photo of sample after carbonation test (KS F 2584, KS F 2596)

3.1 역학적 특성 평가

모르타르와 콘크리트의 역학적 특성을 비교하기 위해, 모르타르와 콘크리트의 압축강도 및 탄성계수의 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 압축강도 평가 결과, w/c 0.36의 콘크리트에서는 55.7 MPa, w/c 0.4의 모르타르에서는 50.6 MPa 이 평가되었는데, w/c가 증가함에 따라 모든 경우 압축강도가 감소하였다. 일반적으로 모르타르의 경우 콘크리트에 비하여 1.1∼1.2배 정도의 강도 증가가 평가되며, 양질의 굵은골재를 사용할수록 고강도에서는 큰 차이가 없는 것으로 보고되고 있다(Wu et al., 2001b). 탄성계수의 경우, 콘크리트가 모르타르보다 크게 평가되었는데, 이는 굵은골재가 가지고 있는 체적의 변형 안전성에 기인한다. 굵은골재가 콘크리트 체적의 50 % 수준을 차지하고 있으므로, 공기량이 많은 시멘트 모르타르의 경우, 강성이 상대적으로 감소하게 된다.

Fig. 4 Comparison of compressive strength and elastic modulus

3.2 내흡수성 평가

내흡수성 평가 결과, 상대적으로 콘크리트에서 모르타르보다 낮은 수분이동계수가 평가되었는데, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 수분이동계수는 w/c 0.36의 콘크리트에서는 0.12 kg/m²h^1/2로 w/c 0.4의 모르타르에서는 0.34 kg/m²h^1/2로 평가되었으며, 모르타르가 콘크리트보다 약 2.8배 높은 값을 보였다. 이러한 경향은 w/c가 증가할수록 감소하였는데, 이는 콘크리트에서도 공극률이 커지므로 흡수량이 크게 평가되기 때문이다. 보통 강도군에서는 모르타르가 2배 이상 큰 수분이동계수를 가지고 있었으며, 콘크리트에서는 측정용 샘플내의 굵은골재 체적이 일정하지 않으므로, 큰 변동성이 평가되었다.

Fig. 5 Sorptivity and its probabilistic pattern

3.3 탄산화 저항성 평가

탄산화 저항성 평가는 4주와 8주의 촉진 탄산화 시험기간의 결과를 이용하여 회귀분석 후, 탄산화 속도계수를 도출하였다. w/c의 증가에 따라 탄산화 깊이 및 속도계수는 모두 증가하는 일반적인 경향을 나타내었다. 전반적으로 콘크리트에서 높은 탄산화 깊이가 평가되었으며, w/c가 증가함에 따라 탄산화 속도계수의 차이는 감소하였다. 이는 유사한 수준의 공극률을 가지더라도 콘크리트는 굵은골재의 존재로 인해 이산화탄소의 확산성이 감소하며, 시멘트 모르타르가 체적당 단위 시멘트량이 매우 크므로 탄산화에 저항할 수 있는 수화물(Ca(OH)₂, C-S-H 등)이 많이 생성되기 때문에 낮은 탄산화 속도계수가 평가되었다. 탄산화 거동이 단순히 공극률이나 CO₂ 확산성뿐만 아니라, 체적당 단위 시멘트 함량과 수화물량 등 탄산화 저항성에 관련된 요인들의 복합적인 영향을 받은 것으로 판단된다. 실험기간에 따른 탄산화 깊이의 변화는 Fig. 6에 나타내었으며, 모르타르와 콘크리트의 탄산화 속도계수 비교는 Fig. 7에 나타내었다. w/c의 변화에 콘크리트에서 2.9∼4.4배 정도 높은 탄산화 속도계수가 도출되었다.

Fig. 6 Comparison of carbonation depth

Fig. 7 Comparison of carbonation rate

3.4 물 흡수율 평가

물 흡수율의 경우, 모세관 공극 이상의 크기를 많이 가진 모르타르에서 큰 결과가 도출되었으며, 2.1∼2.5배 수준의 증가값이 평가되었다. 모르타르와 콘크리트 모두 w/c 증가에 따라 흡수율이 증가하는 경향을 나타내었으며, 콘크리트에서 큰 변동성이 평가되었다. 내흡수성 결과와 마찬가지로 시편에서 굵은골재 함유량의 변동성이 주된 원인이다. 모르타르와 콘크리트 물 흡수율과 변동성을 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 8 Water absorption and its probabilistic pattern

3.5 굵은골재를 고려한 모르타르 및 콘크리트의 내구성능 비교

굵은골재는 콘크리트 내부에서 하중을 지지하는 역할을 수행하며, 모르타르보다 높은 강성을 가지고 있으므로 탄성계수 증가가 뚜렷하게 평가되었다. 모르타르의 경우 많은 공기량을 가지고 있으므로 수분 및 이온의 침투가 콘크리트에 비하여 매우 크며, 이러한 점은 이온의 흡착을 고려하지 않는 침투의 경우 매우 불리하게 작용할 수 있다. 본 연구에서 실험한 탄산화 저항성의 경우, 큰 공극구조로 인해 이산화탄소 확산계수가 예상되지만, 다량의 단위 시멘트량으로 인해 탄산화에 저항할 수 있는 수화물이 많이 생성되므로 오히려 탄산화에 대해서는 콘크리트 보다 낮은 탄산화 속도계수가 도출되었다. 실험결과를 최소 w/c에 대하여 정규화하면 Fig. 9와 같이 나타낼 수 있다.

콘크리트에서는 w/c의 증가에 따라 강도 및 탄성계수의 저하가 모르타르에 비해 큰 증가비율을, 물 흡수율은 비슷한 수준의 상대적 증가비율을 가진다. 수분이동계수는 콘크리트에서 매우 크게 증가하는데, 이는 굵은골재에서 차지하는 비중이 크므로 w/c변화에 따라 상대적으로 큰 변화를 가지게 된다.

Fig. 9 Normalized durability performance with increasing w/c ratios