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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 염화물계 제설제로 인한 영향을 최소화 하기 위해 대체 제설제와 기존의 염화물계 제설제의 종류에 따른 콘크리트의 동결융해 내구성으로 대체 제설제의 적용성을 검토하였다. 그리고 동해와 밀접한 관련이 있는 콘크리트의 공기량과 제설제 살포에 따른 염해와 반복되는 동결융해에 의한 동해를 동시에 받는 복합열화 환경 등의 노출조건에 따른 콘크리트 동결융해 내구성 영향을 실험을 통하여 분석하는데 있다.
- 따라서 본 연구에서는 염화물계 제설제로 인한 영향을 최소화 하기 위해 대체 제설제와 기존의 염화물계 제설제의 종류에 따른 콘크리트의 동결융해 내구성으로 대체 제설제의 적용성을 검토하였다. 그리고 동해와 밀접한 관련이 있는 콘크리트의 공기량과 제설제 살포에 따른 염해와 반복되는 동결융해에 의한 동해를 동시에 받는 복합열화 환경 등의 노출조건에 따른 콘크리트 동결융해 내구성 영향을 실험을 통하여 분석하는데 있다.
- 본 시험의 목적은 제설방법에 따른 염화물 종류 및 동결융해 싸이클이 콘크리트 표면 박리저항성에 미치는 영향을 파악하기 위해서이다.
제안 방법
- ), 염화나트륨(NaCl) 3종류를 사용하였다. 각 제설제는 1, 4, 10% 농도의 수용액을 사용하였다. 또한, 비교를 위해 수돗물을 사용하였다.
- 28일간 습기 및 기건양생이 끝난 후 시험용액(물, 4% 농도의 제설제 용액)을 콘크리트 상부 마감면 상부에 설치된 다이크의 폰드에 깊이 약 6mm 정도 되게 부어 넣고 시험을 시작한다. 동결융해 시험은 ASTM C 672에 의거하여 7, 14, 28, 42, 56 사이클에서의 스켈링 저항성을 박리된 콘크리트 입자로 평가하였는데, 이때 박리된 입자는 물로 씻어낸 후 상부표면을 육안 관찰 및 박리량을 무게로 측정하였다. 7 싸이클 마다 시험용액을 교체하거나 부어 주었다.
- 시험용 공시체는 100mm×100mm×400mm의 정방형 각주시험체이고, 동결융해 시험에 사용한 콘크리트는 28일 설계기준 압축강도가 32MPa이고, 14일 동안 실내에서 수중양생한 후 염화나트륨 제설제 노출 구간(W-A-NaCl), 저염화물계 제 설제(LCD) 노출 구간(W-A-LCD), 그리고 제설제를 살포하지 않은 구간의 현장에 6개월간 노출시킨 콘크리트 (W-ANON) 시편으로 동결융해 싸이클에 따른 상대동탄성계수와 질량감소율을 측정하였다. 또한 실내에서 14일 수중양생 후 6개월간 실내에서 기건양생한 콘크리트(W-A-CON)와 비교하였다.
- 콘크리트의 동결융해 싸이클은 2시간∼4시간 사이에서 4℃에서 -18℃로 떨어뜨리고, 다음에 -18℃에서 4℃로 상승시키는 것을 1싸이클로 하였으며, 시험은 300싸이클까지 또는 최초 측정한 동탄성계수의 60%까지 30 싸이클 주기로 융해상태에서 시험체를 꺼내어 동탄성계수시험기로 공명진동에 의한 콘크리트 상대 동탄성계수를 측정하였다.
- 콘크리트의 양생은 온도 23±1.7℃ 수조에서 14일간 양생한 후, 다시 14일간 온도 23±1.7℃, 상대습도 50±5% 양생실에서 보관한 시험체를 대상으로 시험을 하였다.
대상 데이터
- 각 제설제는 1, 4, 10% 농도의 수용액을 사용하였다. 또한, 비교를 위해 수돗물을 사용하였다.
- 그림 6에는 염화나트륨 살포구간, 저염화물계 제설제(LCD) 살포 구간, 그리고 제설제를 살포하지 않은 구간(기준 구간)의 노출조건에 따라 AE 콘크리트의 동결융해 싸이클수에 따른 질량감소율의 결과를 나타내었다. 비교를 위해 현장노출 시간과 동일한 기간으로 실내에서 6개월간 기건양생한 콘크리트에 대한 시험데이터를 나타내었다.
- 스켈링 시험은 저염화물계 제설제(LCD), 염화칼슘(CaCl2), 염화나트륨(NaCl) 3종류를 사용하였다. 각 제설제는 1, 4, 10% 농도의 수용액을 사용하였다.
- 스켈링 저항성 시험용 몰드는 표면적이 최소 460cm2, 깊이가 최소 7.5cm인 콘크리트 슬래브를 제작하였다. 콘크리트 마감 상부표면에는 시험용액 침지를 위해 폭 2.
- 스켈링 저항성(ASTM C 672) 및 급속 동결융해 저항성(KS F 2456 A법) 시험에 사용한 시멘트는 1종 보통포틀랜드 시멘트로서 비중 3.15, 잔골재는 비중 2.60, 굵은골재 비중은 2.63이고, AE 콘크리트에는 AE 감수제, Non-AE 콘크리트에는 감수제를 사용하였다. 스켈링 시험에 사용한 콘크리트는 표 1의 ① 이고, 급속 동결융해 저항성 시험에 사용한 콘크리트는 표 1의 ① 및 ②와 같다.
- 시험용 공시체는 100mm×100mm×400mm의 정방형 각주시험체이고, 동결융해 시험에 사용한 콘크리트는 28일 설계기준 압축강도가 32MPa이고, 14일 동안 실내에서 수중양생한 후 염화나트륨 제설제 노출 구간(W-A-NaCl), 저염화물계 제 설제(LCD) 노출 구간(W-A-LCD), 그리고 제설제를 살포하지 않은 구간의 현장에 6개월간 노출시킨 콘크리트 (W-ANON) 시편으로 동결융해 싸이클에 따른 상대동탄성계수와 질량감소율을 측정하였다.
이론/모형
- 이 규준에는 구체적으로 두 가지 시험법이 제안되어 있는데, 수중에서 급속 동결융해를 반복하는 시험(A법)과, 공기중에서 급속동결하여 수중에서 융해하는 B법이 있다. 일반적으로 수중 급속 동결융해 시험법이 공기중 급속 동결융해 시험법보다 더 큰 성능저하를 유발하는 것으로 알려져 있어, 본 시험에서는 A법인 수중 급속 동결융해 시험법에 따라 수행하였다.
성능/효과
- 1. 1, 4, 10%의 농도에 따른 시험 결과, 제설제의 종류와 상관없이 농도가 4%일 때 가장 많은 스켈링 양을 보였으며, 농도가 높은 10% 경우가 상대적으로 저농도인 4%에 비해 콘크리트의 스켈링에 미치는 영향이 작았다.
- 2. 초산이 함유된 저염화물 제설제(LCD)는 염화물을 주성분으로 한 염화나트륨이나 염화칼슘에 비해 콘크리트의 스켈링에 미치는 영향이 작았는데, 이는 염소(Cl-)이온및 Na 량의 차이에 의한 것으로 판단된다.
- 3. 염화물 제설제가 살포되는 적설한랭지의 환경에 있는 콘크리트의 동해열화는 제설제의 영향을 크게 받아 일반적인 동해와는 다른 열화라는 것을 알 수 있었다.
- 4. AE 콘크리트의 경우에는 노출조건과 상관없이 모두 스켈링에 의한 표면열화이며, 동해만을 받는 조건에서는 열화가 상당히 지연되는 경향을 보였다. 그러나 동결융해 작용과 염화물 제설제가 살포되는 적설한랭지에서는 콘크리트 열화가 가속화되는 것을 알 수 있었다.
- 5. Non-AE 콘크리트의 경우, AE 콘크리트와 비교하여 노출조건의 차이에 따라 동결열화에 커다란 차이가 생긴다는 사실을 알 수 있었다. 즉, 동해를 받는 환경하에서는 AE 콘크리트에서 보다 큰 덩어리 형상의 박리마저 일으킬 가능성이 있었다.
- 6. AE제 연행 콘크리트일지라도 초기재령에서 동해와 제설제 염화물 환경에서는 복합열화에 의한 영향을 방지하는데 공기연행제가 크게 효과가 없는 것으로 나타났다. 그 이유로는 콘크리트가 경화되기 전에 동해를 받으면 콘크리트내 공곡벽의 낮은 강도와 공극 주변의 자유수들이 얼음결정을 형성하여 공극벽을 밀어냄으로 공극 형상이 완전하게 구성되지 못하고, 제 기능도 발휘하지 못하기 때문인 것으로 판단된다.
- W-A-NaCl 및 W-A-LCD의 공시체와 비교하여 제설제와 동결융해 싸이클의 영향을 받지 않은 W-A-CON에서는 시험 종료 300 싸이클까지 비교적 완만한 열화경향을 보였으며, 시험 종료 시에도 상대 동탄성계수가 80% 이상인 것으로 나타났다.
- 염화칼슘의 농도에 따른 영향에 대해, 그림 1에는 단위면적 당 스켈링 양의 결과를 나타내었다. 그림 1에 의하면, 1% 및 4% 농도의 경우에는 동결융해시험 초기부터 스켈링이 발생하였으며, 그 후에도 서서히 증가하더니 동결융해 14 싸이클 후 부터는 4% 농도의 경우에서 가장 많은 스켈링 양을 확인할 수 있었고, 다음으로 1% 및 10% 농도로 수돗물의 경우에는 아주 작은 양의 스켈링만을 확인할 수 있었다. 이는 높은 농도에서는 과냉각에 의해 동결이 적어지기 때문이라고 생각된다.
- 그림 5에서 볼 수 있듯이 시험 종료 후 육안관찰의 결과, 염화나트륨과 염화칼슘의 경우에는 시편의 대부분 면에 걸쳐 굵은골재가 노출되고 있었던 것에 비해, LCD의 경우에는 페이스트가 일부 노출되는 경미한 스켈링만을 확인할 수 있었다.
- 동결융해의 초기 싸이클에 있어, 수중양생 후 실내에서 기건양생한 W-A-CON 질량감소율은 동결융해 싸이클의 영향만을 받은 W-A-NON, 제설제 및 동결융해 싸이클의 영향을 모두 받은 W-A-NaCl과 W-A-LCD의 조건에 비해 상당히 작은 값을 나타내고 있었다. 제설제 및 동결융해 싸이클의 영향을 모두 받은 W-A-NaCl과 W-A-LCD에서는 동결융해 싸이클의 영향만을 받은 W-A-NON에 비해 직선적인 질량감소율의 급격한 증가가 나타났으며, 열화 진행 속도 또한 빠르게 나타났다.
- 그러나 동결융해 작용과 염화물 제설제가 살포되는 적설한랭지에서는 콘크리트 열화가 가속화되는 것을 알 수 있었다. 따라서 이러한 조건하에서 콘크리트 구조물을 만드는 경우에는 가급적이면 물-시멘트 비를 작게 하고 적당한 공기량을 가지는 AE 콘크리트를 사용하여야 한다는 사실을 추론할 수 있었다.
- 그밖에 노출조건의 W-A-NON의 공시체에서는 AE 콘크리트에 비해 상대동탄성계수의 저하가 큰 것으로 나타났다. 또한 W-A-CON에서도 완만하기는 했지만 AE 콘크리트에 비해 열화속도가 더 급속하게 증가되는 경향을 보이고 있었다.
- 10% 농도의 경우에는 스켈링 양이 적었다. 또한 동결융해 28 싸이클 후에는 4% 및 1%의 농도의 경우 시험면 전면에 굵은골재가 노출되는 극심한 스켈링이 확인되었지만, 10% 농도에서의 스켈링은 경미한 것으로 나타났다.
- 이러한 원인은 보통 콘크리트에서의 수화반응 완료(약 95%) 시점인 28일이 경과하지 않은 상태에서 콘크리트를 동해와 염해를 받는 조건에 노출하므로 인해 콘크리트가 수화반응 과정 중에 내부의 공극구조와 수화물질의 변화 때문인 것으로 판단된다. 또한 연행공기 콘크리트가 동결융해저항성이 우수한 것으로 나타났다. 이는 콘크리트에서 적정한 간격으로의 연행공극이 내구성 증진에 크게 기여할 수 있는 것임을 알 수 있었다.
- 또한 육안관찰 결과 동결융해 42 싸이클 후에는 4% 농도의 경우 시험면의 거의 전면에 걸쳐 굵은골재의 노출을 찾아볼 수 있었지만, 10% 농도에서는 페이스트 부분만 스켈링을 확인할 수 있었다.
- 이는 초기양생 단계에서 동결 융해 작용이 콘크리트의 열화에 영향을 미칠 수 있다는 것을 증명해 주는 것으로 볼 수 있다. 반면에 W-A-NaCl 및 W-ALCD의 공시체에 비해서는 열화가 느리게 진행하는 것으로 나타나, 콘크리트의 내구성에는 동결융해에 염화물계 제설제가 복합적으로 작용하면 손상정도가 크고 열화 속도 또한 가속화되는 것으로 나타났다.
- 이로부터, NaCl의 영향을 받은 콘크리트의 표면손상은 그 영향을 받지 않은 W-A-CON과 동결융해 싸이클의 영향만을 받은 W-A-NON의 경우에 비해 상당히 커진다는 사실을 알 수 있었다. 각 공시체의 질량감소율은 W-A-CON<W-A-NON<W-A-LCD<W-A-NaCl 순으로 커지는 스켈링에 의한 손상 정도를 나타내었다.
- 이상으로부터 AE 콘크리트의 경우, 동결융해 초기에서는 노출조건이 그 열화에 커다란 영향을 미치고 있어 제설제의 영향을 받은 콘크리트의 동해는 일반적인 동해보다도 크게 손상 된다는 사실을 알 수 있다.
- 이상으로부터, 제설제의 영향을 받은 AE 콘크리트에서는 Non-AE 콘크리트와 마찬가지로 표면박리에 의한 손상의 경향을 보였지만, Non-AE 콘크리트는 AE 콘크리트에 비해 그 질량손실은 약 2배나 되었다. 그리고 단기간 양생(초기재령) 후 동결융해 싸이클을 받는 조건에서는 제설제 염화물의 영향 유무에 상관없이 열화가 진전될 가능성이 있다.
- 이상의 결과를 정리해 보면, 농도가 4%인 경우 가장 많은 스켈링이 발생하고 있었다. 이것은 높은 농도에서는 과냉각에 의해 동결이 적어지기 때문이라고 생각되는데, 즉, 염농도가 높으면 얼음의 형성이 감소되며, 수압은 염농도의 증가에 따라 감소한다.
- 또한, 이밖에 제설제의 종류에 따라 동결 시 형성되는 얼음의 팽창압, 팽창량 및 정도가 다르다는 것도 생각할 수 있는데, 이 점에 대해서는 향후 더욱 많은 검토가 필요하리라고 생각된다. 이상의 실험결과로부터 초산이 함유된 제설제인 LCD는 염화물을 주성분으로 한 염화나트륨이나 염화칼슘에 비해 스켈링 발생량이 적다는 사실이 분명해졌다.
- 동결융해의 초기 싸이클에 있어, 수중양생 후 실내에서 기건양생한 W-A-CON 질량감소율은 동결융해 싸이클의 영향만을 받은 W-A-NON, 제설제 및 동결융해 싸이클의 영향을 모두 받은 W-A-NaCl과 W-A-LCD의 조건에 비해 상당히 작은 값을 나타내고 있었다. 제설제 및 동결융해 싸이클의 영향을 모두 받은 W-A-NaCl과 W-A-LCD에서는 동결융해 싸이클의 영향만을 받은 W-A-NON에 비해 직선적인 질량감소율의 급격한 증가가 나타났으며, 열화 진행 속도 또한 빠르게 나타났다. 특히, W-A-NaCl에서는 콘크리트의 손상이 너무 심하게 나타나 210 싸이클에 시험을 종료하였다.
후속연구
- LCD에서는 염화나트륨이나 염화칼슘과 같은 염소이온의 작용에 의한 시멘트 페이스트 속의 수산화칼슘의 용출이 적어 시멘트 페이스트 조직의 다공질화에 의한 동결수량의 증가 및 조직의 약체화가 상대적으로 발생하기 어려웠기 때문에 스켈링 발생량이 적어졌다고 생각된다. 또한, 이밖에 제설제의 종류에 따라 동결 시 형성되는 얼음의 팽창압, 팽창량 및 정도가 다르다는 것도 생각할 수 있는데, 이 점에 대해서는 향후 더욱 많은 검토가 필요하리라고 생각된다. 이상의 실험결과로부터 초산이 함유된 제설제인 LCD는 염화물을 주성분으로 한 염화나트륨이나 염화칼슘에 비해 스켈링 발생량이 적다는 사실이 분명해졌다.
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