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문제 정의
- 다음으로, 기존에 주로 사용되고 있는 염화물계 제설제와 새로이 개발된 친환경 유기산 저염화물계 제설제의 부식 저항성에 대하여 실내실험을 통해 비교함으로써 친환경 제설제 사용에 따른 내구성 확보 가능성을 제시하고자 하였다.
- 도로 포장 및 시설물의 겨울철 염화물계 제설제 살포에 따른 피해를 조사하기 위하여 강원, 경기 북부 지역에 위치한 도로시설물에 대하여 현장 조사를 실시하였다.
- 따라서 본 연구에서는 먼저, 강원 및 경기 북부 지역에 위치한 도로 포장 및 시설물에 대하여 현장조사를 실시하여, 기존 염화물계 제설제에 의한 피해상황을 정량적으로 검토하고자 하였다.
- 이 방법의 경우 빠른 염화물 침투 특성을 파악할 수 있다는 장점이 있으나, 침지 실험과 같은 농도차에 의한 확산과는 차이가 있다. 따라서, 본 연구에서는 두 실험 방법을 함께 비교 평가하여 제설제 종류에 따른 염화물 침투 특성을 파악하였다.
- 제설제에 의한 염해 피해조사는 두 가지 방법으로 수행되었는데, 질산은 변색법(Otsuki, 2007)에 의한 침투깊이의 조사와 깊이에 따른 염화물량의 프로파일을 측정하였다. 이를 토대로 구조물의 확산계수를 평가하여, 부식 개시시기를 예측하는데 필요한 기초자료를 제시하고자 하였다. 현장조사항목 및 각 측정 지점별 채취한 코어 수는 표 2와 같다.
제안 방법
- 1% 페놀프탈레인 용액을 제조하여 콘크리트 시험체의 할렬면에 분무함으로써 변색구간을 관찰하였다. 기존 연구보고(김성수, 2002)에 의하면 일반적인(경과연수 20~30년)탄산화 깊이의 경우 약 15~30 mm 정도의 탄산화 깊이를 보이고 있는데 비하여, 조사 대상 시설물의 경우 경과연수가 16~18년임에도 불구하고 탄산화 깊이가 3 mm이하로 측정되었고 이는 탄산화로 인한 구조물 열화가 거의 발생하지 않았음을 확인했다.
- 확산계수를 구하기 위하여 표면으로부터의 거리에 따른 염화물의 농도 프로파일이 필요하다. 따라서 본 조사에서는 채취한 코어로부터 깊이에 따라 총염화물량을 측정하였다. 측정은 분말시료로부터 산-가용성(총)염화물을 용출하여 여과한 후 선택성 이온전극을 이용하였다.
- 콘크리트 시험체는 콘크리트 내부로의 염화물 침투를 평가하기 위하여 원주형 시험체와 염화물 침투에 따른 철근의 부식 정도를 평가하기 위하여 매립철근의 피복두께가 2 cm인 슬래브 시험체를 제작하였다. 또한 염화물의 일방향 침투를 위하여 일면을 제외한 나머지 면을 에폭시도포 처리하였다. 콘크리트의 배합비는 표 4와 같다.
- 이러한 현장실험 결과를 토대로 각각의 제설제를 3%수용액으로 제조하여 AASHTO T259(1980)의 염화물 침지실험법으로 농도차에 의한 콘크리트 시험체의 미세공극을 통하여 제설제의 염화물성분이 확산하도록 하였다. 또한, 급속염화물 침투실험(CTH)을 통하여 제설제 종류에 따른 염화물 침투 특성을 조사하였다. 이 실험 방법은 염화물 용액을 전해질로 사용하여 양극쪽에는 3%의 염화물 용액을 사용, 음극쪽에는 석회수를 사용한다.
- 코어는 채취 후 밀봉하여 실험실로 운반하였으며, 압축강도 및 탄성계수 측정을 위하여 48시간 수중 양생하여 안정화 시킨 다음 KS F 2405(2005)에 따라 실험을 실시하였다. 또한, 이산화탄소의 침투에 의한 탄산화 정도를 1% 페놀프탈레인 용액을 이용하여 측정하였다.
- 또한, 친환경 제설제의 부식저항 성능을 기존 제설제와 상호비교하기 위하여 철근을 매립한 슬래브 시험체(300 × 200 × 100 mm)에 대하여 반복건습을 실시하면서 분극저항값을 비교하였다.
- 실험에 사용된 제설제는 기존에 많이 사용되는 염화물계 제설제 3종류와 친환경 제설제(EFD)를 포함하여 4종류이다. 빠른 염화물 침투를 유도하기 위하여 W/C비는 60%로 정하였으며, 제설제 종류에 따른 염화물 침투 성능을 비교하기 위하여 침지실험과 전기-화학적 촉진 실험인 CTH실험(Andraded, 1994)을 병행하여 실시하였다. 또한, 친환경 제설제의 부식저항 성능을 기존 제설제와 상호비교하기 위하여 철근을 매립한 슬래브 시험체(300 × 200 × 100 mm)에 대하여 반복건습을 실시하면서 분극저항값을 비교하였다.
- 실험 목적에 따라 채취된 코어를 압축강도 및 탄성계수용, 염화물 및 탄산화 측정용으로 나누었다. 압축강도 및 탄성계수 측정을 위하여, 코어를 F100 × 200 mm로 절단하였고 하중이 재하 될 때의 시험체 편심 방지를 위하여 위아래 면을 연마한 다음에 실시하였다.
- 압축강도 및 탄성계수 측정을 위하여, 코어를 F100 × 200 mm로 절단하였고 하중이 재하 될 때의 시험체 편심 방지를 위하여 위아래 면을 연마한 다음에 실시하였다.
- 염화물 침투깊이의 측정은 재령에 따라 침지시킨 원형 시험체의 염화물 침투깊이를 측정하였다. 염화물 침투깊이는 질산은 용액(AgNO3)을 시험체의 할렬면에 분무함으로써 변색 원리를 이용해 측정하였다.
- 염화물 침투깊이의 측정은 재령에 따라 침지시킨 원형 시험체의 염화물 침투깊이를 측정하였다. 염화물 침투깊이는 질산은 용액(AgNO3)을 시험체의 할렬면에 분무함으로써 변색 원리를 이용해 측정하였다.
- 염화물계 제설제의 재령별 침투 깊이 및 확산계수를 정량적으로 구하기 위하여 W/C 60%의 콘크리트 시험체를 28일 수중 양생 후 3% 염화물계 제설제 용액에 침지하여 변색법에 의한 염화물 이온의 침투깊이를 측정하였다. 이에 대한 결과를 그림 9에 나타내었다.
- 염화물계 제설제의 재령별 침투 깊이를 단기간에 평가하기 위하여 제설제 용액을 매개체로 하는 CTH실험을 응용하여 실시하였다. 실험이 완료된 시험체는 변색법을 이용하여 염화물 침투깊이를 측정하였고 측정된 결과를 그림 10에 나타내었다.
- 따라서 본 조사에서는 채취한 코어로부터 깊이에 따라 총염화물량을 측정하였다. 측정은 분말시료로부터 산-가용성(총)염화물을 용출하여 여과한 후 선택성 이온전극을 이용하였다. 그림 6은 각 호선의 깊이별 농도프로파일 결과를 보이는데, 46호선-2의 경우 다른 데이터들과 총염화물량이 0.
- 표면으로부터 깊이에 따른 염화물 농도 분석은 F100 × 100 mm 코어를 사용하였으며, 3 mm 두께의 디스크 형태 시료를 표면으로부터 41 mm까지 절단하였다.
- 현장조사는 콘크리트 포장 및 교량에 대하여 조사가 이루어졌으며, 그림 1과 같이 코어를 채취하여 조사 시점에서의 구조물의 내구성능 및 역학적 특성을 검토하였다. 현장조사에 대한 상세는 표 2와 같다.
대상 데이터
- 피복두께를 달리한 슬래브 시험체 내부의 철근 부식정도를 평가하기 위하여 그림 2와 같은 분극저항측정장비(PR-4500)를 사용하였고, 분극저항을 측정한 후 표 5의 CEB Bulletin N°243 기준에 따라 철근의 부식상태를 판단하였다. 실험에 사용된 분극저항 측정장치는 선형분극저항 장치로 콘크리트 표면에 대극과 조합 전극을 설치하여 대극에서 철근에 미소 전류를 가하면 철근의 전위가 변화하고, 반대로 전위를 변화시키면 전류가 변화한다. 이러한 관계를 이용하여 기울기를 측정하여 분극저항 값을 얻게되고, 이를 통하여 부식속도를 구할 수 있다.
- 기존 염화물계 제설제와 개발된 친환경 액상 유기산 제설제(EFD)의 염화물 특성을 비교 연구하기 위한 실험변수를 표 3에 나타내었다. 실험에 사용된 제설제는 기존에 많이 사용되는 염화물계 제설제 3종류와 친환경 제설제(EFD)를 포함하여 4종류이다. 빠른 염화물 침투를 유도하기 위하여 W/C비는 60%로 정하였으며, 제설제 종류에 따른 염화물 침투 성능을 비교하기 위하여 침지실험과 전기-화학적 촉진 실험인 CTH실험(Andraded, 1994)을 병행하여 실시하였다.
- 또한, 급속염화물 침투실험(CTH)을 통하여 제설제 종류에 따른 염화물 침투 특성을 조사하였다. 이 실험 방법은 염화물 용액을 전해질로 사용하여 양극쪽에는 3%의 염화물 용액을 사용, 음극쪽에는 석회수를 사용한다. 50 mm의 콘크리트 시편을 두 용액 사이에 설치, 두 용액 사이에 전극을 배치하여 전위차를 이용한 실험 방법이다.
- 조사 대상은 강원, 경기 북부지역에 위치한 5개 국도에 대하여 동절기 평균기온 −4.5℃, 1일 최대 적설량이 166~252 mm인 17개소를 선정하였다.
- 콘크리트 시험체는 콘크리트 내부로의 염화물 침투를 평가하기 위하여 원주형 시험체와 염화물 침투에 따른 철근의 부식 정도를 평가하기 위하여 매립철근의 피복두께가 2 cm인 슬래브 시험체를 제작하였다. 또한 염화물의 일방향 침투를 위하여 일면을 제외한 나머지 면을 에폭시도포 처리하였다.
데이터처리
- 먼저, 측정된 염화물 농도프로파일을 토대로 확산계수(Dc)를 계산하였으며, 재령(t)은 실제 구조물의 사용수명인 시공년도로 설정하여 회귀분석 하였고, 그 결과를 그림 7에 나타내었다. 다음으로, 질산은 변색법에 의한 겉보기 확산계수(Da)를 구하여 그림 7에 함께 나타내었다.
이론/모형
- 구간별 표면염화물량은 Rapid Chloride Test(RCT)를 이용하여 12월과 3월 각각 측정하였으며, 한편 ASTM C-114실험법을 통해 구한 깊이별 염화물량을 이용하여 각 구간별 표면염화물량을 예측하여 그림 8에 함께 나타내었다.
- 기존 제설제 사용에 따른 염화물 이온 침투깊이를 현장에서 손쉽게 측정하기 위해 변색법을 적용하였다. 이를 위해 질산은 용액(0.
- 염화물계 제설제의 재령별 침투 깊이를 단기간에 평가하기 위하여 제설제 용액을 매개체로 하는 CTH실험을 응용하여 실시하였다. 실험이 완료된 시험체는 변색법을 이용하여 염화물 침투깊이를 측정하였고 측정된 결과를 그림 10에 나타내었다. 그림 10의 결과에 의하면 앞 단락에서 언급한 침지실험과 유사한 결과를 나타내고 있다.
- 45 kg/m3으로 나타났다. 이러한 현장실험 결과를 토대로 각각의 제설제를 3%수용액으로 제조하여 AASHTO T259(1980)의 염화물 침지실험법으로 농도차에 의한 콘크리트 시험체의 미세공극을 통하여 제설제의 염화물성분이 확산하도록 하였다. 또한, 급속염화물 침투실험(CTH)을 통하여 제설제 종류에 따른 염화물 침투 특성을 조사하였다.
- 제설제에 의한 염해 피해조사는 두 가지 방법으로 수행되었는데, 질산은 변색법(Otsuki, 2007)에 의한 침투깊이의 조사와 깊이에 따른 염화물량의 프로파일을 측정하였다. 이를 토대로 구조물의 확산계수를 평가하여, 부식 개시시기를 예측하는데 필요한 기초자료를 제시하고자 하였다.
- 표면으로부터 깊이에 따른 염화물 농도 분석은 F100 × 100 mm 코어를 사용하였으며, 3 mm 두께의 디스크 형태 시료를 표면으로부터 41 mm까지 절단하였다. 채취된 시료는 ASTM C114(2000)에 따라 분쇄 후 총 염화물량을 측정하였다.
- 코어는 채취 후 밀봉하여 실험실로 운반하였으며, 압축강도 및 탄성계수 측정을 위하여 48시간 수중 양생하여 안정화 시킨 다음 KS F 2405(2005)에 따라 실험을 실시하였다. 또한, 이산화탄소의 침투에 의한 탄산화 정도를 1% 페놀프탈레인 용액을 이용하여 측정하였다.
- 피복두께를 달리한 슬래브 시험체 내부의 철근 부식정도를 평가하기 위하여 그림 2와 같은 분극저항측정장비(PR-4500)를 사용하였고, 분극저항을 측정한 후 표 5의 CEB Bulletin N°243 기준에 따라 철근의 부식상태를 판단하였다.
성능/효과
- (1) 공용기간 17년의 도로시설물에 대한 현장조사 결과, 콘크리트 품질은 우수하였으며 탄산화 깊이도 매우 적은 것으로 나타났다. 이에 비해 시설물은 제설제 살포에 따른 부식위험성을 내포하는 것으로 조사되었으며, 제설제 누적에 의한 표면 염화물은 3.
- (2) 침지실험, 촉진실험 결과들을 비교한 결과, NaCl, CaCl2, MgCl, EFD의 순서로 염화물 침투가 발생하였으며, 기존 제설제 중에서 NaCl의 침투가 다소 큰 것으로 나타났다. 그러나 EFD의 경우에는 염화물 침투가 크게 감소하였다.
- (3) 12개월 동안 기존 제설제 용액에 침지시킨 피복두께 2 cm의 슬래브에서는 높은 부식속도를 보인 반면, EFD는 상대적으로 높은 분극저항 값을 보여 부식 저항성이 우수한 것으로 나타났다.
- 12개월 후의 결과를 살펴보면 NaCl이 가장 높은 부식을 보이고 있으며, 기존 제설제들의 측정값은 25~29 kΩcm2으로, 표 5의 기준으로 볼 때, 매우 빠른 부식속도를 나타낸다.
- 결과를 살펴보면 각 호선별 시공년도는 87~89년 사이에 건설 되었고 평균 압축강도는 32.5 MPa로 일정한 수준의 값을 보인다. 또한 탄성계수는 각 호선에서 2.
- 9 × 10-12m2/s정도로 계산되므로 이는 보통 콘크리트의 확산계수가 1~5 × 10-12m2/s 인 것을 감안할 때, 상당히 작은 수준으로 평가되고 있다. 결과적으로 EFD의 염화물 이온 침투가 다른 제설제에 비해 작게 발생하는 것으로 확인되었다.
- 또한 탄성계수는 각 호선에서 2.4×104 MPa정도로 거의 일정하게 측정되었다.
- 2 kg/m3인 구간에서 백색반응이 발생한다. 변색법을 적용한 기존 도로 시설물에서의 침투 깊이 결과를 살펴보면, 뚜렷한 변색을 보인 실험실에서와는 다소 차이가 있었지만 평균 20.3 mm 정도의 침투깊이를 보였다. 이에 비해, 그림 6의 깊이별 평균 자유 염화물 결과를 살펴보면, 변색구간의 염화물량과 일치하는 깊이가 23 mm로 나타났는데 실험적 오차를 감안할 때 큰 차이가 없는 것으로 판단된다.
- (1) 공용기간 17년의 도로시설물에 대한 현장조사 결과, 콘크리트 품질은 우수하였으며 탄산화 깊이도 매우 적은 것으로 나타났다. 이에 비해 시설물은 제설제 살포에 따른 부식위험성을 내포하는 것으로 조사되었으며, 제설제 누적에 의한 표면 염화물은 3.45 kg/m3이었다.
- 4×104 MPa정도로 거의 일정하게 측정되었다. 일반적인 도로 시설물 설계시 설계 강도를 고려할 때, 강도와 탄성계수에 있어 17년 정도의 공용기간 후에도 큰 감소가 없는 것으로 나타났다. 따라서 이번 조사에 해당하는 구간의 시설물은 양호한 품질을 확보하고 있는 것으로 판단된다.
- 침지 재령 6, 8, 12개월에서의 침투깊이 결과를 살펴보면 NaCl, CaCl2, MgCl, EFD의 순으로 침투깊이가 측정되었다. 이때, 비교된 기존 제설제(NaCl, CaCl2, MgCl)의 침투깊이는 침지 재령 12개월에서 약 30~34 mm으로 크게 차이가 없는 것으로 나타난 것에 비해, EFD의 침투깊이는 20 mm로 나타나 기존 제설제 보다 10~15 mm정도 작게 측정되고 있다.
- 한편, CTH 실험결과로부터 구한 경우가 침지실험의 결과와 비교할 때, 확산계수가 대체적으로 작게 평가되고 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 그러나 두 확산계수 값은 상호 양호한 상관관계를 가지는 것으로 판단되므로 상관계수의 도출에 의해 확산계수를 상호환산할 수 있을 것으로 예상된다. 한편, 이 값들은 염화물계 제설제 살포로 인하여 도로 구조물에서도 염해문제가 발생할 수 있음을 시사한다.
- 3 kg/m3로 규정하고 있는데, 표면으로부터 40 mm지점에서 37, 46호선-2를 제외한 모든 구역에서 상회하는 것을 볼 수 있다. 이것은 도로시설물의 피복두께가 40 mm이하인 경우, 부식 가능성이 있으므로 피복두께를 고려한 시설물의 잔존수명을 검토할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 즉, 내부 염화물 분포를 이용한 표면에서의 염화물량이 실제구조물의 표면염화물량과 거의 동일한 값을 보였으며, 이 결과 값은 향후의 도로 시설물에 대한 부식평가에 중요한 기초자료가 될 것으로 판단된다.
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