[논문]해양 구조물의 장기 내구성 향상을 위한 슬래그 콘크리트의 적용 기술

김규용; 이보경; 신경수; 조봉석

doi:10.14190/mrcr.2014.9.3.038

해양 구조물의 장기 내구성 향상을 위한 슬래그 콘크리트의 적용 기술
Application Technology of Slag Concrete for the Improvement of Long-term Durability 원문보기

김규용 (충남대학교, 건축공학과) , 이보경 (충남대학교, 건축공학과) , 신경수 ((주)유성테크, 연구개발팀) , 조봉석 (포항산업과학연구원, 슬래그활용연구팀)

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문제 정의

해양환경 구현 범위는 파도에 의한 비래염분의 영향을 받는 구간인 비말대, 조수간만 작용에 의해 해수의 건습작용이 반복되는 구간인 간만대, 해수에 침지되어 있는 구간인 침지대의 3가지 형태로 구분되어 있다. 기존에는 해양구조물의 내구성 시험이 인위적인 환경요인을 반영한 시뮬레이션 방법에 의존했지만 해양환경 폭로시험을 통해 해양환경 위치조건에 따른 해양 구조물의 부식 및 노후화 진행 정도를 예측하여 해양 구조물의 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 목적으로 구축되었다.
본 연구에서는 보통포틀랜드시멘트 콘크리트와, 슬래그를 40, 70% 치환한 콘크리트를 일반강도 범위로 제조하고 내구성능을 검토한 후 비말대, 간만대, 침지대의 해양환경 위치조건을 구분하여 장기적인 관점에서 슬래그 콘크리트의 내구성능을 검토하였으며, 이를 바탕으로 해양 구조물의 장기 내구성 향상을 위한 슬래그 콘크리크의 적용 기술에 대해 연구를 수행하였다.

제안 방법

일반적으로 슬래그의 치환율이 증가하면 압축강도가 저하되기 때문에 W/B 조절을 통해 설계기준강도를 24MPa로 설정하고, 목표슬럼프는 180±30mm, 목표공기량 4.0±1.0%로 설정하였다.

성능/효과

동결수 해수조건의 경우 SC100 시험체가 30사이클에서 상대동탄성계수가 60% 미만으로 담수조건에 비해 다소 낮게 측정되었다. CC100, SC40 시험체 또한 담수조건에 비해 상대동탄성계수가 더 낮게 측정되었으며 SC40 시험체가 CC100 시험체보다 더 높은 상대동탄성계수가 나타나 동결융해 저항성능이 더 우수한 것으로 판단되며 두 시험체 모두 180사이클 이 후에서는 시험체의 파괴로 인하여 더 이상 상대동탄성계수를 측정 할 수 없었다. 동결수 담수 및 해수조건에서 슬래그를 70%까지 치환한 경우에는 상대동탄성계수가 CC100 시험체보다 높게 측정되어 동결융해 저항성능을 확보할 수 있었다.
CC100 시험체는 150사이클에서 상대동탄성계수가 60% 미만으로 감소하였으며, 180사이클 이 후에는 시험체가 파괴되어 상대동탄성계수를 측정 할 수 없었다. SC40 시험체는 CC100 시험체보다 상대동탄성계수가 다소 높게 측정되었고, 180사이클에서 상대동탄성계수가 60% 미만으로 감소되었으며, 이 후에는 시험체의 파괴로 인하여 측정이 불가능 하였다. 동결수 해수조건의 경우 SC100 시험체가 30사이클에서 상대동탄성계수가 60% 미만으로 담수조건에 비해 다소 낮게 측정되었다.
<그림 3>은 담수 및 해수에 의해 동결융해 작용을 받은 슬래그 콘크리트의 상대동탄성계수 측정결과를 나타낸 것이다. 동결수 담수조건의 경우 SC70 시험체가 가장 높은 상대동탄성계수를 나타냈으며 다른 시험체들에 비해 동결융해 저항성능이 우수한 것으로 나타났다.
<그림 5>는 동결수 담수 및 해수조건에서 상대동탄성계수와 압축강도 사이의 관계를 나타낸 것이다. 동결융해 작용을 받은 시험체의 압축강도를 측정한 결과 상대동탄성계수가 감소함에 따라 압축강도가 저하되는 경향을 나타내었으며, 동결수 담수 및 해수조건에 관계없이 일반강도 영역에서의 압축강도 저하 폭은 유사한 수준인 것으로 나타났다.
또한, 공 기량의 경우 슬래그의 치환율이 증가할수록 콘크리트 내부의 공극을 미세한 고로슬래그 입자가 채워주기 때문에 SC70 배합이 비교적 낮게 측정되었으며, AE제를 첨가하여 목표공기량 범위를 만족시켰다.
반전지-전위 측정결과로부터 시험체 내부 철근의 부식 여부를 직접 확인하기 위해 해양 침지대 조건에서 365일 노출된 시험체를 직접 파괴하여 부식 여부를 확인하였으며, 그 결과 에 나타난 바와 같이 모든 시험체 내부의 철근이 부식되지 않은 것을 확인하였다.
보통포틀랜드시멘트 콘크리트와, 슬래그를 40, 70 치환한 콘크리트를 일반강도 수준으로 제조하여 동결융해 및 염화물이온 침투 저항성을 검토한 결과 보통포틀랜드시멘트 콘크리트에 비해 동결융해 및 염화물 이온 침투 저항성능이 향상된 것을 확인하였다. 다만 동결융해 저항성능은 SC40 시험체, 염화물이온 침투 저항성능은 SC70 시험체가 가장 우수한 성능을 나타내었으며, 이러한 원인으로는 동결융해 저항성능의 경우 경화체 내부에서 동결 팽창압에 의한 물리적인 작용이 지배적이며, 염화물이온 침투 저항성의 경우 슬래그 콘크리트의 화학적인 작용에 의한 것으로 구분되기 때문인 것으로 판단된다.
<그림 4>는 동결수 담수 및 해수조건에서 상대동탄성계수와 질량감소율 사이의 관계를 나타낸 것이다. 상대동탄성계수가 감소함에 따라 동결수 담수 및 해수조건 모두 질량감소율이 증가하였으며, 해수의 동결융해 작용에 의한 질량감소율이 더 큰 것을 확인하였다.
<그림 7>은 재령 365일에서 시멘트 콘크리트 대비 슬래그 콘크리트의 염화물 침투깊이비를 나타낸 것이다. 수중 양생한 시험체를 NT-BUILD 492 방법에 의해 침투된 염화물 깊이를 측정한 결과에 비해 해양 침지대 조건에 노출된 시험체의 경우 SC40 시험체가 해양환경의 복합적인 열화작용에 의해 염화물 침투 저항성능이 저하되었으나, 전체적으로 슬래그 치환율이 증가할수록 침투 깊이가 감소하는 경향은 유사하게 나타났다.
슬래그를 혼입함으로써 시멘트 콘크리트에 비해 염화물 확산계수가 현저히 작아졌으며, 슬래그 치환율이 증가함에 따라 염화물 침투 저항성이 향상되는 것을 확인하였다. 특히 SC70 시험체의 염화물 확산계수는 시멘트 콘크리트 CC100에 비해 약 6∼8% 수준으로 염화물이온 확산 억제 효과가 명확히 확인되었다.
실제 해양환경에서 폭로시험을 진행한 결과, 슬래그 치환율이 증가함에 따라 일반 내구성능 시험 결과와 유사하게 염화물이온 침투 속도가 현저히 저감되는 것을 확인하였다. 향후에는 실재 부재 크기의 시험체를 활용하여 비말대, 간만대, 침지대의 해양환경 위치조건에 따른 내구성능을 검토할 예정이며, 장기적인 데이터 확보를 통해 보다 신뢰성 있는 실험결과를 도출할 수 있을 것으로 기대되며, 향후 슬래그 콘크리트가 <그림 13>에 나타낸 용도 이외에도 고내구성 콘크리트로서 해양구조물에 적극 활용되기를 기대해본다.
은 슬럼프 및 공기량 측정결과를 나타낸 것으로 일반적으로 슬래그의 치환율이 증가할수록 슬래그의 표면성상 및 시멘트와의 밀도 차이에 의한 점도 변화로 인해 슬럼프가 증가하지만, 본 실험에서는 SC70 배합의 경우 낮은 W/B로 인해 슬럼프가 낮게 측정되어 고성능 감수제를 사용하여 목표슬럼프 범위를 만족하였다.
<그림 11>은 해양환경 위치조건에 시험체 내부 철근의 부식 여부를 판단하기 위해 비파괴 시험방법인 반전지-전위 값 측정결과를 나타낸 것이다. 전체적으로 시험체 내부 철근에서 부식이 발생하지 않은 것으로 나타났으며, 슬래그 100% 콘크리트 시험체에서 반전지-전위에 의한 철근 부식 여부가 명확하지 않은 것으로 나타났다.
특히 SC70 시험체의 염화물 확산계수는 시멘트 콘크리트 CC100에 비해 약 6∼8% 수준으로 염화물이온 확산 억제 효과가 명확히 확인되었다.

후속연구

향후에는 실재 부재 크기의 시험체를 활용하여 비말대, 간만대, 침지대의 해양환경 위치조건에 따른 내구성능을 검토할 예정이며, 장기적인 데이터 확보를 통해 보다 신뢰성 있는 실험결과를 도출할 수 있을 것으로 기대되며, 향후 슬래그 콘크리트가 에 나타낸 용도 이외에도 고내구성 콘크리트로서 해양구조물에 적극 활용되기를 기대해본다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

콘크리트의 내구성 향상을 위해서는 무엇이 필요한가?

콘크리트의 내구성 향상을 위해서는 내구성능 평가 및 내구수명 예측 기법의 확립, 내구성 확보 방안의 수립이 매우 중요하며 이를 위해서는 해양환경 하에 있는 철근 콘크리트 구조물의 성능저하 현상을 조사·분석하여 얻어지는 지식과 경험을 바탕으로 현장실험 또는 촉진실험 결과와 더불어 실제 해양환경 하에서의 평가를 통한 검증이 필요하다4).

해양환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 경우 구조물의 목표 내구수명을 확보하는데 필수적인 요소는 무엇인가?

해양환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물은 내구성 설계, 내구수명 예측 평가, 그리고 그에 따른 적절한 열화를 방지하기 위한 대책을 수립하고 적합한 유지관리를 시행하는 것이 구조물의 목표 내구수명을 확보하는데 필수적인 요소라 할 수 있다. 이를 위해서는 성능저하 요인을 분석하고 각 요인들에 의한 장기적인 성능저하가 어떻게 진행될 것인가를 사전 예측하는 것이 매우 중요하다1),2),3).

해양환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 목표 내구수명을 확보하기 위해서 무엇을 분석하고 예측해야 하는가?

해양환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물은 내구성 설계, 내구수명 예측 평가, 그리고 그에 따른 적절한 열화를 방지하기 위한 대책을 수립하고 적합한 유지관리를 시행하는 것이 구조물의 목표 내구수명을 확보하는데 필수적인 요소라 할 수 있다. 이를 위해서는 성능저하 요인을 분석하고 각 요인들에 의한 장기적인 성능저하가 어떻게 진행될 것인가를 사전 예측하는 것이 매우 중요하다1),2),3).

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