콘크리트의 염해 내구성 확보를 위한 품질관리 방안
-인천대교 연결도로 공사의 사례-
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염해환경에 건설되는 콘크리트 구조물은 염소이온과 같은 유해이온이 외부로부터 콘크리트 중으로 침투, 확산하여 철근을 부식시킴으로써 구조물의 내구성을 크게 저하시키기 때문에 구조물의 내구성 평가 또는 설계시 중요한 고려사항이 된다. 염해 환경하 콘크리트 구조물의 내구성 설계의 접근방법은 일본의 JSCE 방법, ACI (Life 365) 방법 및 유럽의 Duracrete 접근 방법 등이 우리나라에 소개되었다. 한편, 내구성 설계에 주요 변수인 확산계수의 경우, JSCE에서 추천하고 있는 설계 확산계수는 일본의 해양환경에 장기간 노출된 실구조물의 조사결과를 토대로 조사된 상수 확산계수를 적용하고 있는 반면, ACI 365위원회와 Duracrete 모델에서는 확산계수의 시간의존성을 고려하고 있으며, 주로 보고된 문헌 결과를 토대로 작성되었다. 현재 내염설계에서 사용되는 확산계수는 각 나라마다 제시된 근거가 다르므로, 직접 비교 검토하는 것이 곤란할 뿐만 아니라 동일 환경조건에서 동일 배합의 콘크리트에 대한 수명예측 결과가 크게 상이한 결과를 초래하게 된다. 따라서, 본 연구는 염해환경하 콘크리트의 염해 내구성에 대한 품질관리를 목적으로 현장에서 적용할 수 외국에서 규격화된 시험방법들을 비교 검토하고 이들 시험 방법 가운데 품질관리에 적합한 시험방법을 선정하여 재령별 확산특성과 침지 시험 결과를 비교하여 분석하였다. 2. 전위차에 의한 촉진 염소이온 확산시험방법에 대한 고찰 일반적으로, 물질이 외부로부터 콘크리트 내부로 침투하여 이동하는 메커니즘은 ① 농도차에 의한 확산(Diffusion) ② 압력차에 의한 투과(Permeation) ③ 모세관력에 의한 흡수(Capillary suction)로 구분된다. 확산은 입자(또는 분자)나 이온이 높은 농도지역에서 낮은 농도지역으로 이동하는 현상을 말하며 확산에 영향을 크게 미치는 요인으로는 물질의 농도, 거리, 시간, 온도 등으로 알려져 있다. 콘크리트 중의 염소이온 확산계수를 추정하는 방법은 Fick의 제1법칙으로부터 유도되는 정상상태(steady state)에서의 확산계수 평가방법과 Fick의 제2법칙으로부터 유도되는 비정상상태(non-steady state)에서의 확산계수 평가방법이 있다. 그러나, 실제 노출환경에서와 같은 비정상상태의 확산계수를 평가하는 것은 매우 어려우므로 실내에서 촉진방법에 의해 콘크리트의 확산특성을 간접적으로 평가하는 것이 일반적이다 콘크리트 중에서의 염소이온 확산특성을 평가하기 위해서는 많은 노력과 시간이 소요되므로 최근의 연구는 주로 전위차에 의하여 이온의 전기적 이동을 유도함으로서 이온의 이동을 촉진시켜 전기화학적 이론으로 해석하려는 시도에 초점이 맞춰져 있다. 전기적 이동현상은 전위구배를 구동력으로 하여 물질이 이동하는 현상으로 전해질용액 중의 이온이동은 Nernst-Planck 방정식으로 나타낼 수 있다. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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여기서, J : 플럭스 (g/m2s), F : 패러데이 상수(J/Vmol), z : 이온의 원자가, E : 전위(V), R : 기체상수(J/molK), T : 절대온도(K), Ve : 이동속도(m/s), 이 식은 농도차에 의한 확산(diffusion), 전기장에 의한 전기적 이동(migration) 및 전해질용액 중의 대류(convection) 항으로써 전해질용액 중의 이온 이동량을 나타낸다. 전위차 촉진에 의한 시험방법은 상기 식의 항목 중 주로 확산 항과 전기적 이동항을 고려하여 확산계수를 평가하는 연구가 많이 진행 되었다. 본 연구에서 고찰한 촉진시험 방법은 급속 염소이온 침투저항성 시험방법인 ASTM C 1202, NT Build 355, 433 및 492 시험법의 특정을 요약 정리한 것이 표 1이다. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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3.1 콘크리트의 배합 시험대상 콘크리트 배합은 표 2와 같다. 이들 실제 염해 환경하 고속도로 공사에 적용될 배합으로 A배합의 경우는 보통포틀랜드 시멘트(OPC)만을 사용하도록 되어 있다. 한편, 나머지 배합은 광물질 혼화재로서 슬래그 미분말을 사용하고 있으며, C배합만이 고로슬래그 미분말을 30% 치환하여 사용하고, 나머지 배합은 모두 50% 치환하여 사용하였다. 단위수량은 152～175kg/㎥으로 다양하였으며, 공기량은 4.5～5.0%로 배합설계 되었다. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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표 2 시험대상 콘크리트의 배합 특징 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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(1) ASTM C 1202 test | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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(2) NT Build 355 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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(4) NT Build 492 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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각 배합별 콘크리트를 대상으로 재령 28일에서 각각의 시험방법을 이용하여 구한 확산계수의 결과를 정리한 것을 ACI(LIfe 365)에서 제안한 물-결합재비 및 광물질 혼화재에 따른 확산계수 추정값을 비교한 것이다. 이 그림에서 ASTM C 1202 시험방법의 경우는 통과전하량에 근거한 정성적 평가이므로 비교대상에서 제외하였으며, 나머지 NT Build 355, 443 및 492는 정량적인 판단 근거를 제시할 수 있는 방법만을 비교하였다. 그림에서 알 수 있듯이 NT Build 492 ≒ NT Build 443 ≫ NT Build 355 순서이다. 또한, 평가된 확산계수값의 범위는 콘크리트 시험편의 양생재령이 28일임을 감안하면, NT Build 355의 평가 결과는 상당히 낮은 값으로 NT Build 443 및 492 시험결과에 비하여 대략 1/8~1/10 정도의 수준을 나타내었다. 실제 환경조건에 가장 유사한 시험방법은 염수용액에 침지하여 겉보기 확산계수를 구할 수 있는 NT Build 443이지만 이 방법은 콘크리트를 재령 28일까지 양생 한 후 침지재령(최소 28, 90, 180일 등)까지의 침지시간이 길며, 분석 방법도 약 2mm 단위로 분말 시료를 채취하여 침투 프로파일을 구하고 이들 결과로부터 확산계수를 회귀분석에 의거하여 수치적으로 구하는 등 장기간의 시간과 고도의 전문성이 요구 된다. 반면, 상대적으로 NT Build 492 시험은 24시간 정도로 비교적 짧고 측정 방법도 간단하므로 콘크리트의 확산계수에 의한 품질 관리 기준 시험으로 적합할 것으로 판단된다. 참고로 이 방법은 유럽의 Duracrete 모델에 직접 적용되는 확산계수 평가법으로 재령별 확산계수의 시간의존성을 평가하는데 유용한 방법으로 판단되었다. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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실제 환경조건과 가장 유사한 NT Build 443(침지실험)결과와 NT Build 492 결과를 비교한 결과를 그림 6(a)에 정리하여 나타내었다. 이 그림에서는 배합특성이 상이한 A배합 콘크리트를 제외한 슬래그 미분말을 30～50% 치환하여 사용한 4종류 배합에 대한 결과이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 침지실험에 의해 구해진 염소이온 확산계수와 침투깊이에 의한 염소이온 확산계수 사이의 결정계수(R2)가 0.88 정도로 상관성이 아주 높은 것으로 나타났다. 품질관리용 기준 확산계수를 결정하기 위하여 NT Build 443(침지)와 ACI(Life 365)제안식에 의한 확산계수를 비교한 것이 그림 6(b)이고 ACI(Life 365)제안식과 NT Build 492 시험방법에을 비교한 것이 그림 6(c)이다. 그림 6(b)에서 알 수 있듯이 침지실험에 의해 구해진 염소이온 확산계수와 ACI 제안식에 의한 염소이온 확산계수 사이의 결정계수(R2)가 0.89 정도로 상관성이 아주 높은 것으로 나타났으며, ACI 제안식에 비하여 침지실험(NT Build 443)에 의한 확산계수는 약 10% 정도 작게 평가되었다. 한편, 그림 6(c)에서 알 수 있듯이 ACI 제안식에 의한 확산계수와 NT Build 492 시험에 의한 확산계수 사이에는 결정계수(R2)가 0.88 정도로 상관성이 아주 높은 것으로 나타났으며, 거의 유사한 값을 나타내었다. 이상의 결과를 토대로 NT Build 492 시험방법은 품질관리 기준 시험으로 적합한 것으로 나타났다. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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이상의 결과를 토대로 침지시험과 촉진시험(NT Build 492) 결과를 토대로 관리기준 확산계수를 도출하였다. 시험빈도는 1000㎥당 1회 시험(또는 1일 생산량이 1000㎥를 상회 할 경우에는 1일 1회)을 실시하며, 1회당 3개 시편에 대하여 실시하도록 하였으며, 만일 재령 28일 측정결과가 불합격일 경우 재령 60일 또는 90일에서 평가하여 기준을 만족하면, 그 배합은 품질기준을 만족하는 것으로 간주하고 만일 이 재령에서도 기준치에 들지 못하면, 별도의 대책(내염 도장 실시)을 강구하도록 하였다. 위와 같은 지침을 토대로 해상에 건설 중인 콘크리트 교량의 품질확보를 위한 염해 내구성 관리 시험의 중간 결과는 표 3에 나타내었다. 콘크리트의 염해 내구성 품질관리 시험 결과 현재까지는 모든 데이터가 관리기준을 만족하였으며, 시험결과의 신뢰성을 판단하는 변동계수는 평균 10% 내외의 비교적 양호한 값을 나타내었다 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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염해환경에 건설되는 콘크리트 구조물은 염소이온과 같은 유해이온이 외부로부터 콘크리트 중으로 침투, 확산하여 철근을 부식시킴으로써 구조물의 내구성을 크게 저하시키기 때문에 구조물의 내구성 평가 또는 설계시 중요한 고려사항이 된다. 따라서, 설계단계에서 고려된 콘크리트의 염소이온 확산계수를 시공 중에 확보하는 것이 중요하다. 그러나, 현장에서 간편하게 확인하는 할 수 있는 방법이 현실적으로 어려우므로 적용 예정인 콘크리트 배합에 대하여 촉진시험과 침지시험을 병행하여 상관관계를 확인하고 이를 근거로 콘크리트 배합별 관리 시험의 기준을 제안하였다. 제안된 방법으로 인천대교 연결도로 콘크리트의 내염 품질관리를 실시하여 설계수명 100년 확보하기 위하여 노력하고 있으며, 향후 시험 빈도 등에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다. 참고문헌 감사의 글 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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