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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 플라이애시(FA) 혼합을 통한 내부식성 콘크리트 개발을 위한 기초적인 연구로서 장기노출시험 및 다양한 촉진부식 모니터링시험결과를 통해 플라이애시 혼합 콘크리트의 염해저항성을 평가하였다. 비교를 위해서 동일 물결합재비의 보통 1종 포틀랜드 시멘트(OPC)배합 시편도 함께 평가하였다.
- 본 연구에서는 철근의 부식발생 확률이 가장 높은 간만대 환경을 재현하기 위하여 총 4가지의 촉진부식 시험법을 적용 시켰다. case 1은 3일간 인공해수에 침지시킨 후 15°C, 상대습도 60%인 항온항습기에서의 4일간 건조를 1사이클로 한 건습반복시험법으로 KS F 2599를 기반으로 하였다.
제안 방법
- 그 후 포화 Ca(OH)2 수용액을 주입한 후 대기압 상태에서 18±2 시간동안 침지하는 전처리 과정을 거쳤다. 0.3N의 NaOH 수용액을 양극(Anode)으로, 10% 의 NaCl 수용액을 음극(Cathode)으로 하여 초기 30V 전압을 가했을 때의 초기 전류값을 기초로 하여 가압 전압 및 시험시간을 결정하였다. 염화물 침투깊이는 시험이 종료된 후 시험 편을 쪼개어 절단면에 0.
- OPC와 FA 배합의 재령에 따른 압축강도 변화를 평가하기 위하여 Φ100 × 200 mm 원주형 공시체를 제작하여 KS F 2405 “콘크리트 압축강도시험방법”에 기초하여 재령에 따른 압축 강도의 변화를 측정하였다.
- 염화물 확산계수 산정을 위한 염화물 침투시험은 NT Build 492에 기초하여 실시하였다. 공시체는 시험 전 원주형공시체의 중앙부를 50 mm 두께로 절단하고 콘크리트 시편 내부에 포화되어 있는 모세관수 및 층간수 등을 제거하기 위해 3시간의 진공처리를 실시하였다. 그 후 포화 Ca(OH)2 수용액을 주입한 후 대기압 상태에서 18±2 시간동안 침지하는 전처리 과정을 거쳤다.
- Romagmoli(2002)에 의하면 환산구리 전극에서는 자연전위가 -350 mV 이하인 경우 부식발생 확률을 90% 이상으로 판단하고 있으나, 선행연구 결과 자연전위의 절대값보다는 자연전위의 급변화 구간이 철근부식과의 상관성이 높다는 것을 확인하였다(Park and Jeong, 2014; Park and Lee, 2014). 따라서 본 연구에서는 -700 mV 이하에서 자연전위 측정그래프의 기울기 급변화시점을 부식발생시점으로 판단하였다. 촉진부식 case 1, 2, 3, 4 시험조건에 염해에 노출된 시편의 철근부식모니터링은 매일 실시하였으며, 모니터링 결과는 Fig.
- 비교를 위해서 동일 물결합재비의 보통 1종 포틀랜드 시멘트(OPC)배합 시편도 함께 평가하였다. 또한 기본적인 물성 평가를 위해서 압축 강도, 비정상상태 염화물촉진확산시험 등을 수행하였다. 또한 부식개시시점의 이론적 예측식을 통해 실제 실험결과의 타당성을 검증하였으며 OPC의 부식발생시점과 OPC 대비 FA의 부식발생개시일 상대비를 비교하여 FA의 부식지연비율을 도출하였다.
- 또한 기본적인 물성 평가를 위해서 압축 강도, 비정상상태 염화물촉진확산시험 등을 수행하였다. 또한 부식개시시점의 이론적 예측식을 통해 실제 실험결과의 타당성을 검증하였으며 OPC의 부식발생시점과 OPC 대비 FA의 부식발생개시일 상대비를 비교하여 FA의 부식지연비율을 도출하였다.
- FA는 시멘트의 중량비로 15~20% 치환 시 내구성이 향상된다고 알려져 있으며, 콘크리트 표준시방서에서 제빙화학제 노출시 25% 이하로 배합비율을 제한하고 있는 점 등을 고려하여 치환비율을 20%로 하였다. 실험결과의 비교를 위해 FA를 치환하지 않은 배합을 OPC로 하였다.
- 3N의 NaOH 수용액을 양극(Anode)으로, 10% 의 NaCl 수용액을 음극(Cathode)으로 하여 초기 30V 전압을 가했을 때의 초기 전류값을 기초로 하여 가압 전압 및 시험시간을 결정하였다. 염화물 침투깊이는 시험이 종료된 후 시험 편을 쪼개어 절단면에 0.1 M의 질산은(AgNO3) 용액을 분무 하였을 때 은회색으로 변색된 부위를 측정하였다. 시험결과는 공시체 5개에 대하여 측정값중 최고값과 최소값을 제외한 공시체 3개의 평균값으로 하여 소수점이 하에서 끝맺음하였다.
- 93 적용시 일반적인 해석범위를 벗어나는 결과를 초래하였다. 재령 계수가 증가할수록 부식발생시점이 지연되므로 이를 감안하여 보다 보수적인 결과도출을 위해 본 연구에서는 OPC와 FA 에 모두 동일한 0.37을 적용하여 해석하였다.
- 반전지전위 구성을 위한 전선은 방수 가능한 방수커넥터가 적용되었다. 철근부식모니터링은 황산구리 전극(copper sulfate electrode: CSE)을 이용한 반전지전위법(half-cell potential method)으로 매일 1회 씩실시하였다. 철근이 돌출된 면에만 에폭시 코팅처리를 하여 4면을 외기에 노출시켰다.
- 실험에 사용된 시편은 부식발생을 촉진시키기 위해 피복두께 10 mm로 하였으며, 100 × 100 × 100 mm 정사각형몰드를 사용하여 제작하였다. 철근의 코팅 및 이물질을 제거하기 위하여 연마지를 사용하여 표면처리를 실시하였다. 시편에 매입되는 철근의 길이는 120 mm이며, 육안으로 부식의 유무를 확인하기 위 해 이형철근이 아닌원형철근을 사용하였다.
- 측정은 공시체 양단의 10 mm를 제외하고 중심에서 외측방향으로 10 mm 간격씩 7곳을 측정하여 그 평균깊이를 염화물의 침투깊이로 하였다. 비정상상태에서의 염화물 확산계수 산정은 식 (1)에 의해 산출하였다.
- 플라이애시를 시멘트 대비 20% 치환한 콘크리트 배합인 FA에 대한 철근의 촉진 및 장기 부식시험 및 압축강도, 염화 물이온침투저항성시험, 해석적 예측 등을 통하여 얻은 결과를 OPC 배합과 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 플라이애시(FA) 혼합을 통한 내부식성 콘크리트 개발을 위한 기초적인 연구로서 장기노출시험 및 다양한 촉진부식 모니터링시험결과를 통해 플라이애시 혼합 콘크리트의 염해저항성을 평가하였다. 비교를 위해서 동일 물결합재비의 보통 1종 포틀랜드 시멘트(OPC)배합 시편도 함께 평가하였다. 또한 기본적인 물성 평가를 위해서 압축 강도, 비정상상태 염화물촉진확산시험 등을 수행하였다.
- 시멘트는 국내에서 제조한 보통 포틀랜드 시멘트로 H사 제품을 사용하였다. 플라이애시(FA)는 2종을 사용하였다.
- 철근의 코팅 및 이물질을 제거하기 위하여 연마지를 사용하여 표면처리를 실시하였다. 시편에 매입되는 철근의 길이는 120 mm이며, 육안으로 부식의 유무를 확인하기 위 해 이형철근이 아닌원형철근을 사용하였다. 반전지전위 구성을 위한 전선은 방수 가능한 방수커넥터가 적용되었다.
- 실험에 사용된 시편은 부식발생을 촉진시키기 위해 피복두께 10 mm로 하였으며, 100 × 100 × 100 mm 정사각형몰드를 사용하여 제작하였다.
- 이들 각각의 물리 및 화학적 성질은 Table 1, 2와 같다. 잔골재는 충남 공주 강모래, 굵은 골재는 최대치수 20 mm의 쇄석으로 각각의 물리적 성질은 Table 3과 같다. 실험에 사용된 배합은 Table 4와 같다.
- 장기폭로 시험은 부식촉진 시험과 동일한 배합을 사용하였으며, 100 × 100 × 400 mm 시편을 사용하였다.
- 시멘트는 국내에서 제조한 보통 포틀랜드 시멘트로 H사 제품을 사용하였다. 플라이애시(FA)는 2종을 사용하였다. 이들 각각의 물리 및 화학적 성질은 Table 1, 2와 같다.
이론/모형
- case 1은 3일간 인공해수에 침지시킨 후 15°C, 상대습도 60%인 항온항습기에서의 4일간 건조를 1사이클로 한 건습반복시험법으로 KS F 2599를 기반으로 하였다.
- 부식촉진 시험과 동일한 방법으로 6면 중 5면을 에폭시로 코팅하여 일방향 침투를 유도하였으며, 피복두께는 10 mm이다. 부식개시의 판단은 반전지전위법을 이용하였으며 일정한 간격으로 측정을 실시하였다. 안산 시화호에 있는 한국건설생활환경시험연구원의 해양폭로시험장은 노출조건에 따라 침지대와 간만대 및 비말대 등으로 구분되어 있으며, 각 위치마다 촉진시험과 동일한 배합의 시편을 폭로시켜 주기적으로 부식모니터링을 실시하였다.
- 염수로 사용한 인공해수의 농도는 KS F 2599를 기준으로 하였으며, 해수의 성분표는 Table 5에 나타내었다.
- 염화물 확산계수 산정을 위한 염화물 침투시험은 NT Build 492에 기초하여 실시하였다. 공시체는 시험 전 원주형공시체의 중앙부를 50 mm 두께로 절단하고 콘크리트 시편 내부에 포화되어 있는 모세관수 및 층간수 등을 제거하기 위해 3시간의 진공처리를 실시하였다.
- 철근부식모니터링은 반전지전위법을 사용하였으며, 기준 전극으로는 황산구리전극을 사용하였다. Romagmoli(2002)에 의하면 환산구리 전극에서는 자연전위가 -350 mV 이하인 경우 부식발생 확률을 90% 이상으로 판단하고 있으나, 선행연구 결과 자연전위의 절대값보다는 자연전위의 급변화 구간이 철근부식과의 상관성이 높다는 것을 확인하였다(Park and Jeong, 2014; Park and Lee, 2014).
- 해석을 위한 입력 변수인 표면염화물량인 cs 및 임계염화물량인 ccr은 Table 12에서와 같이 DuraCrete(2000) 에서 제안한 값을 적용하였다.
성능/효과
- 1) 건습반복 및 탄산화의 복합열화를 고려한 총 4가지 경우의 촉진부식시험결과 모든 시험경우에서 FA가 OPC보다 부식이 4~13% 정도 지연되었다. 촉진시험방법에 따른 비교 결과 일정기간의 습윤과 건조를 반복한 case 1, 2보다는 시편 상부에 인공침지대를 설치하여 산소 및 염수의 공급이 계속되는 염수 ponding 시험법인 case 3, 4에서 배합철근의 부식이 촉진되는 것으로 나타났다.
- 2) 압축강도 시험결과 재령 28일을 기점으로 FA의 강도가 OPC를 역전하는 현상이 나타났으며, 염화물이온침투저항성은 장기재령에서 FA가 OPC에 비해 더욱작아지는 현상을 나타냈다.
- 3) 이론 예측식을 통해 구한 해석값은 실제 실험결과보다는 부식 발생시점이 빠르게 평가되었으며 전체적인 경향은 실험결과와 유사한 것으로 나타났다.
- 4) OPC의 부식 발생시점 대비 FA부식발생시점/OPC부식발생시점 상대비를 도표화한 결과 OPC의 부식발생시점이 늦어질수록 부식상대비가 커지는 것으로 나타났다. 즉, 재령이 커질수록 FA의 부식지연효과가 더욱커지는 것을 확인할 수 있었으며, OPC 대비 최대 27% 철근부식지연효과가 있는 것으로 나타났다.
- case 1, 2, 3, 4 모두 동일하게 OPC보다 FA의 부식발생이 지연 되었다. 또한 부식발생시점이 늦어질수록 FA의 부식 지연비가 커지는 경향이 나타났다. 재령이 증가할수록 포졸란 반응에 따른강도 및 수밀성이 증가되는 FA 혼합 콘크리트의 물리적 특성이 반영된 결과로 평가된다.
- 촉진시험방법에 따른 비교 결과 일정기간의 습윤과 건조를 반복한 case 1, 2보다는 시편 상부에 인공침지대를 설치하여 산소 및 염수의 공급이 계속되는 염수 ponding 시험법인 case 3, 4에서 배합철근의 부식이 촉진되는 것으로 나타났다. 또한 탄산화를 고려한 복합열화의 효과보다는 온도의 영향이 더 크게 작용하는 것으로 나타났다.
- 해석결과는 Table 13과 같이 OPC의 부식발생시점은 380 일로 예측되었으며, FA의 경우 510일로 예측되었다. 실제 장기폭로시험에 따른 부식발생시점은 OPC의 경우 415일이었으며 FA의 경우 525일로 나타났으므로 해석결과가 OPC에서는 35일, FA의 경우에는 15일 빠르게 예측되었다. 임계염화물 농도와 표면염화물 농도 등 해석 입력값중 불확실한 변수가 많기 때문에 나타난 현상으로 판단된다.
- 임계염화물 농도와 표면염화물 농도 등 해석 입력값중 불확실한 변수가 많기 때문에 나타난 현상으로 판단된다. 예측결과와 실험 값이 정확하게 일치하지는 않았지만 FA의 부식발생시점이 OPC에 비해 지연되는 것은 실험에서 뿐만 아니라 해석상으로도 명확하게 확인할 수 있었다. 이는 촉진부식시험결과에서도 일관성 있게 나타나는 결과로서 FA 혼합 콘크리트가 OPC 혼합 콘크리트보다 부식저항성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 예측결과와 실험 값이 정확하게 일치하지는 않았지만 FA의 부식발생시점이 OPC에 비해 지연되는 것은 실험에서 뿐만 아니라 해석상으로도 명확하게 확인할 수 있었다. 이는 촉진부식시험결과에서도 일관성 있게 나타나는 결과로서 FA 혼합 콘크리트가 OPC 혼합 콘크리트보다 부식저항성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한 실험결과 역시 어느정도 타당한 범위 내에 있다고 평가할 수 있었다.
- 해양환경시험장의 간만대에서 장기폭로시킨 시편에서 측정한 자연전위 모니터링 결과에 따른 부식 발생시점은 선행 연구에서 나타낸 바와 같이 Table 11과 같다(Park, 2016). 장기폭로 시험결과도 촉진시험과 동일하게 FA의 부식 발생시점이 OPC보다 지연되는 것으로 나타났다.
- ) 측정 실험에 따른 염화물이온 침투저항성 평가결과는 Table 9와 같다. 재령7일에 측정한 염화물의 이동계수인 Dnssm은 OPC와 FA가 유사한 것으로 나타났으나 재령 90일에 측정한 이동계수는 FA의 값이 OPC보다 감소하는 것으로 나타났다. FA의 경우 포졸란반응으로 장기재령으로 갈수록 강도 및 수밀성이 증가하는 것으로 알려져 있으며 실제 확산계수 측정결과도 재령의 증가에 따라 OPC에 비해 큰폭으로 감소하는 것으로 나타났다.
- 기준 확산계수는 7일 재령에서의 비정상상태 이동계수 측정값을 기준으로 하였다. 재령계수의 경우도 OPC의 경우 DuraCrete 모델식을 기초로 하였으며, FA의 경우에는 DuraCrete 모델식에서 제안하는 0.93 적용시 일반적인 해석범위를 벗어나는 결과를 초래하였다. 재령 계수가 증가할수록 부식발생시점이 지연되므로 이를 감안하여 보다 보수적인 결과도출을 위해 본 연구에서는 OPC와 FA 에 모두 동일한 0.
- 4) OPC의 부식 발생시점 대비 FA부식발생시점/OPC부식발생시점 상대비를 도표화한 결과 OPC의 부식발생시점이 늦어질수록 부식상대비가 커지는 것으로 나타났다. 즉, 재령이 커질수록 FA의 부식지연효과가 더욱커지는 것을 확인할 수 있었으며, OPC 대비 최대 27% 철근부식지연효과가 있는 것으로 나타났다.
- 1) 건습반복 및 탄산화의 복합열화를 고려한 총 4가지 경우의 촉진부식시험결과 모든 시험경우에서 FA가 OPC보다 부식이 4~13% 정도 지연되었다. 촉진시험방법에 따른 비교 결과 일정기간의 습윤과 건조를 반복한 case 1, 2보다는 시편 상부에 인공침지대를 설치하여 산소 및 염수의 공급이 계속되는 염수 ponding 시험법인 case 3, 4에서 배합철근의 부식이 촉진되는 것으로 나타났다. 또한 탄산화를 고려한 복합열화의 효과보다는 온도의 영향이 더 크게 작용하는 것으로 나타났다.
- case 1, 2, 3, 4 모두 반전지전위법으로 철근부식모니터링을 실시한 결과 모든 시편에서 일정시간이 경과한 후 부식이 발생하였다고 판단되었 다. 측정된 결과 값을 보면 비교적 안정적인 값을 보이다가 부식개시 시점으로 판단되는 구간에서 비슷한 시기에 전위가 급격히 상승하는 경향을 보였으며, 부식개시시점으로 판단되는 시기에 시편을 UTM을 이용하여 쪼개어 철근의 부식을 육안으로 확인하였으며 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 탄산화를 결합한 case 2, 4의 경우 페놀프탈레인 용액을 이용하여 탄산화 깊이를 실시하였다.
- 탄산화를 결합한 case 2, 4의 경우 페놀프탈레인 용액을 이용하여 탄산화 깊이를 실시하였다. 탄산화 깊이 측정결과 피복두께 이상으로 탄산화가 진행된 시편은 없었으며 1 mm 내외의 탄산화가 진행되어 탄산화 정도는 크지 않은 것으로 평가되었다.
- 선행연구인 침지조건에서의 시험에서도 온도가 높은 조건에서 부식이 촉진되는 결과를 얻었다(Park and Jeong, 2014). 탄산화에 의한 복합열화조건은 ponding 시험조건에서는 상대적으로 온도에 비해 영향을 미치지 못하였지만, 건습반복조건에서는 복합열화 조건인 case 2에서는 case 1보다 부식이 촉진되는 것으로 나타났다. 그러나 case 1 과 2에서도 습윤조건에서 약간의 온도차이가 있었던점을 감안하면 상대적으로 탄산화에 의한 복합열화는 온도조건에 비하면 부식촉진에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 평가된다.
- 촉진부식 및 장기폭로시험 결과와 이론적 해석결과를 종합하면 Table 14와 같다. 해석상으로는 FA를 혼합한 콘크리트가 34% 정도 부식발생시점이 지연되는 것으로 예측되었으나, 실제 촉진 실험결과에서는 4~13% 정도 지연되었으며, 장기 폭로시험에서는 27% 정도 지연되는 것으로 나타났다. Fig.
- 즉, 재령이 증가할수록FA가 OPC에 비해 부식발생시점이 더욱지연되는 현상을 나타낸것이다. 회귀 분석 결과 재령과 부식발생상대비는 로그함수 관계를 가지고 있는 것으로 나타났다. 포졸란반응에 따른FA의 장기강도 증진에 따른내구성 향상 효과가 반영되는 것으로 판단된다.
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