[논문]해안 매립지 시공을 위한 고내구성 콘크리트(PHDC) 개발

김우재; 유조형; 길배수

doi:10.22636/mkci.2012.24.2.37

[국내논문] 해안 매립지 시공을 위한 고내구성 콘크리트(PHDC) 개발
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문제 정의

본 평가는 인천지역에 위치한 송도내 매립지에 건설된 철근 콘크리트 구조물(RC조)의 지중 매립부재에 적용한 30MPa과 35MPa 슬래그 배합 콘크리트(이하 슬래그(40%)-30, 슬래그(40%)-35로 표기함) 및 27MPa 배합에 내염해성 개선효과를 지닌 Hyper-HD를 결합재(B) 질량의 0.6%를 혼입한 콘크리트(이하 PHDC로 표기함)의 염해 환경하의 염소이온 침투성상 및 내염해성 효과를 검증하기 위하여 내구수명을 평가하였다.

제안 방법

콘크리트의 수축변화에 미치는 시험은 과 같이 기존 슬래그 파우더(S/P) 사용한 콘크리트 배합과 PHDC의 적용된 조성물을 적용한 배합을 구분하여 실시하였다.
또한 염소이온의 침투를 가속화한 조건에서 염소이온 침투저항성을 평가하기 위해 15%의 고농도 염수(NaCl 수용액)를 조제하고 와 같이 1종 OPC, 슬래그 배합(BFS) 시멘트 및 PHDC 조성물(Hyper-HD)을 적용한 모르타르 배합을 대상으로 재령에 따라 염수에 침지된 촉진 상태에서 염소이온의 침투저항성을 비교하였다.
대상 구조물에 대한 기본 조건은 다음 과 같으며, 위치는 포스코건설에서 송도 신도시에 시공된 지중 매립부재로 하였으며, 27MPa 배합을 기준으로 슬래그 치환율(슬래그 40%, 슬래그 50%) 및 강도를 달리하여 Life 365 Ver 2.0 프로그램을 사용하여 콘크리트 구조물의 수명평가를 실시하였다.
입력변수에 의한 염소이온의 확산계수는 의뢰한 배합에 따라 위 결과와 같이 예측되었으며, 이는 슬래그 치환율이 40%인 슬래그 시멘트를 사용한 경우와 슬래그 치환율이 50%인 경우, 이 재령 28일째에 염해에 노출되는 경우에 한하는 것으로 Hyper-HD가 첨가된 PHDC의 경우에는 제시된 염소이온 확산계수와 예측된 확산계수의 범위내에서 해석변수를 설정하여 산정하였다.

이론/모형

PHDC의 조성물의 첨가율은 B×0.6%로 고정하여 진행하였으며, 콘크리트의 수축에 대한 영향성 평가를 위해 길이변화는 KS F 2424 『모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법』 및 수축균열 특성은 KS F 2595 『콘크리트의 건조수축 균열 시험방법』에 따라 실시하였다.
콘크리트의 내염해성 평가를 위해 와 같이 기존 슬래그를 사용한 콘크리트 배합과 PHDC의 적용된 조성물을 적용한 배합을 구분하여 실시하였으며, 과 같이 내염해성 평가를 위한 염소이온 침투저항성 시험은 KS F 2711『전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투저항성 시험방법』, 철근부식저항성은 KS F 2561『철근 콘크리트용 방청제』기준에 따라 실시하였다.

성능/효과

또한 구속건조수축 시험결과 온도 20±1℃, 습도 60±5% 양생조건에서 17×10×170cm 구속변형 시험몰드를 사용하여 구속시험체의 건조수축에 의한 균열을 평가한 결과 Plain은 37일에 균열이 발생된 반면 PHDC의 적용된 Hyper-HD가 첨가된 PHDC-0.6은 54일에 최초 균열이 나타났으며, 특히 Plain의 경우 관통균열이 발생된 반면 PHDC-0.6은 54일에서도 관통균열로 진행되지 않는 것을 시험을 통해 알 수 있었다.
염소이온 침투저항성 평가 결과 재령 28일에서의 염소이온 통과전하량 및 침투깊이를 평가한 결과 Plain에 비해 PHDC-0.6은 통과전하량의 경우 약 30%, 침투깊이는 약 56% 정도 감소하는 것으로 나타났으며, KS F 2561에 의한 철근 부식저항성을 평가한 결과 Plain의 부식면적에 비해 PHDC-0.6의 부식면적이 46% 감소되었으며, 철근부식에 대한 방청율은 Plain 대비 45.9%를 확보할 수 있었다.
또한 15% 고농도 염수상태에서 염소이온의 침투깊이를 측정한 결과 PHDC가 OPC 대비 36.5%, 슬래그 배합 대비 19.3% 침투깊이가 감소되는 것으로 나타났다<;그림 6>.
따라서 기존 슬래그 배합 콘크리트 보다 PHDC를 적용한 콘크리트가 염소이온 침투저항성 및 철근부식저항성이 뛰어난 것을 시험을 통해 알 수 있었다.
2) 한편, 프로그램에 입력한 변수를 통하여 구한 확산계수를 사용하여 내구수명 30년을 기준으로 슬래그(40%)-35MPa 및 슬래그(50%)+PHDC 27MPa 인장근 위치에서의 각각 염소이온 누적량을 평가한 결과 0.806kg/m3 및 0.654kg/m3 달할 것으로 예측되어 두 배합 모두 임계염소이온 농도 각각 1.63kg/m3, 1.42kg/m3에 도달하지 않아 30년 후에도 안전한 것으로 나타났다.
1) 지중 최고 염소이온농도인 16.094kg/m³에 노출되는 경우에는 30년의 내구수명을 기대하는 경우에는 슬래그(40%)-30, 35 콘크리트의 경우(슬래그(40%), 슬래그(50%)-27MPa)와 배합에 Hyper-HD를 첨가한 PHDC의 경우 모두 안전한 것으로 예측되었다.
이에 100년 동안 염해에 저항 가능한 내구성 콘크리트를 개발하기 위해 지속적으로 연구 중이며, 본 기술 개발을 발판으로 현장에 안정적 적용 및 품질관리가 가능하였고, 콘크리트 수명 예측 기법을 도입하여 시공 구조물의 내구수명에 대한 예측이 가능하게 되었다. 본 개발 기술은 신규성 및 기술의 구조적 안정 성능을 인정받아 2009년 10월 건설신기술(제 591호) 지정을 받았으며, 지속적인 성능개선을 통하여 물 환경, 해외 플랜트 분야에 기술을 적용해 나가고 있다.
길이변화 시험결과 재령 7일, 28일, 56일별로 길이변화를 측정한 결과 전 재령에서 와 같이 20% 이상이 수축에 의한 길이변화 저감현상이 나타나는 것을 알 수 있었다.

후속연구

이에 100년 동안 염해에 저항 가능한 내구성 콘크리트를 개발하기 위해 지속적으로 연구 중이며, 본 기술 개발을 발판으로 현장에 안정적 적용 및 품질관리가 가능하였고, 콘크리트 수명 예측 기법을 도입하여 시공 구조물의 내구수명에 대한 예측이 가능하게 되었다. 본 개발 기술은 신규성 및 기술의 구조적 안정 성능을 인정받아 2009년 10월 건설신기술(제 591호) 지정을 받았으며, 지속적인 성능개선을 통하여 물 환경, 해외 플랜트 분야에 기술을 적용해 나가고 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

국내외 해안 매립지 신도시 개발 사업이 크게 증가함에 따라 활발히 추진되고 있는 공사는?

국내외 해안 매립지 신도시 개발 사업이 크게 증가함에 따라 대형 업무시설에 대한 건축공사뿐만 아니라 해안교량, 터널 등 토목구조물에 대한 건설공사가 활발히 추진되고 있다. 특히 콘크리트 구조체가 해안가에 위치하거나 해수환경에 접하는 해안 콘크리트 구조물 특성상 시공단계부터 염해 및 다습한 환경에 노출되어 염소이온, 황산염류 등의 부식 인자에 콘크리트의 스케일링과 염소이온의 침투에 의한 철근 부식이 야기되어<사진 1> 균열 및 피복 탈락 등의 구조적 결함이 발생해 급속한 구조물의 열화가 초래 되는 현상이 발생한다.

건설신기술 제519호를 지정받은 본 개발 기술을 통해 가능하게 된 것은?

이에 100년 동안 염해에 저항 가능한 내구성 콘크리트를 개발하기 위해 지속적으로 연구 중이며, 본 기술 개발을 발판으로 현장에 안정적 적용 및 품질관리가 가능하였고, 콘크리트 수명 예측 기법을 도입하여 시공 구조물의 내구수명에 대한 예측이 가능하게 되었다. 본 개발 기술은 신규성 및 기술의 구조적 안정 성능을 인정받아 2009년 10월 건설신기술(제 591호) 지정을 받았으며, 지속적인 성능개선을 통하여 물 환경, 해외 플랜트 분야에 기술을 적용해 나가고 있다.

해안 매립지 지하 구조물에 우선적으로 요구되는 특성은?

이로 인해 콘크리트 구조물은 침투된 염소이온 및 해사 혼입 등의 내·외부요인에 의해 콘크리트내 철근 부식이 직접 연결 되므로 <그림 1>와 같이 유지보수에 의해 열화손상 이전 상태로의 완전회복이 어려울 뿐만 아니라 다른 열화요인에 비해 그 손상정도나 발생빈도 면에서 매우 심각한 것으로 알려지고 있어 해안 콘크리트 구조물의 열화요인 중 염해에 대한 내구성 증진 요구는 더욱 증대되고 있다. 따라서 콘크리트 열화의 출발점인 열화인자의 침입을 차단하고, 유해균열의 억제 및 강력한 내염해성을 동시에 확보하는 것이 수압, 토압 외에 해수 유입에 따른 내염해성이 요구되는 해안 매립지 지하 구조물에 우선적으로 요구되는 특성이다. 이에 기존 고로슬래그 등 혼화재료의 적용기술을 개선하기 위하여 수축저감 및 내염해성을 동시에 향상시키고 현장적용이 용이한 실용적인 기술개발이 시급히 요구되고 있다.

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