Evaluation on the Sulfate Attack Resistance of Cement Mortars with Different Exposure Conditions

콘크리트공학

대 한 토 목 학 회 논 문 집

제32권 제6A 호·2012년 11월 pp. 427 ~ 435

노출조건에 따른 시멘트 모르타르의 황산염침식 저항성 평가

Evaluation on the Sulfate Attack Resistance of Cement Mortars with Different Exposure Conditions

이승태*

Lee, Seung Tae

···

Abstract

In order to evaluate the effects of exposure conditions on the resistance to sulfate attack of normal and blended cement mor- tars, several mechanical characteristics of the mortars such as expansion, strength and bulk density were regularly monitored for 52 cycles under sodium sulfate attack. The mortar specimens were exposed to 3 different types of exposure conditions; 1) continuous full immersion(Exposure A), continuous half-immersion(Exposure B) and cyclic wetting-drying(Exposure C).

Experimental results indicated that the maximum deterioration was noted in OPC mortar specimens subjected to Exposure B, showing the wide cracks in the portions where attacking solution is adjacent to air. Additionally, the beneficial effect of ground granulated blast-furnace slag and silica fume was clearly observed showing a superior resistance against sodium sulfate attack, because of its lower permeability and densified structure. Thus, it is suggested that when concrete made with normal cement is exposed to sulfate environment, proper considerations on the exposure conditions should be taken.

Keywords : sulfate attack, mortar, exposure condition, mineral admixture

···

요 지

본 연구는 보통 및 혼합시멘트계 모르타르의 황산염침식 저항성에 대한 노출조건의 영향을 평가하기 위하여 수행되었다.

모르타르를 제조한 후, 3종류 노출조건, 즉 1) 연속 완전침지, 2) 연속 반침지 및 3) 건습반복 조건에서 모르타르의 팽창, 강도, 밀도 등 역학적 성능변화를 52싸이클까지 주기적으로 관찰하였다. 실험결과에 따르면, 연속 반침지(Exposure B) 조건 에 노출된 OPC 모르타르가 황산염침식에 의한 다량의 균열이 발생하므로써, 연속 완전침지 조건 및 건습반복 조건에 노출 된 모르타르에 비하여 성능저하가 상대적으로 크게 나타났다. 그러나, 고로슬래그미분말 및 실리카퓸을 사용한 혼합시멘트계 모르타르는 낮은 투수성 및 조직구조의 밀실화효과에 의하여 노출조건에 관계없이 우수한 황산염침식 저항성을 보였다. 따라 서, 콘크리트 구조물이 황산염침식 환경에 노출될 경우, 노출조건에 대한 고려가 반드시 이루어져야 할 것으로 판단된다.

핵심용어 : 황산염침식, 모르타르, 노출조건, 광물질혼화재

···

1. 서 론

콘크리트는 경제적이고 내구성이 우수하여 유지관리가 비 교적 적게 요구되는 반영구적인 구조재료로 인식되어 왔다 .

그러나 , 콘크리트의 품질은 여러 외부인자에 의하여 크게 영 향을 받으며 , 특히 온도 , 습도 등과 같은 기상작용 및 주변 환경에 의하여 콘크리트의 조직내부에 물리·화학적 변화가 일어나게 되어 콘크리트의 내구성능 및 조직구조가 변화하 게 된다 .

일반적으로 , 콘크리트의 내구성능을 저하시키는 요인으로 는 대기 중의 이산화탄소의 급증에 의한 콘크리트의 탄산 화 , 해양환경 하에서의 염화물 침투 및 확산에 의한 철근 부식 , 기온저하에 의한 동해 , 유해이온의 침투 및 화학반응 에 의한 화학적 침식 등이 있다 . 최근 , 이러한 내구성 저

하요인 중 해양환경 , 지하토양 ( 혹은 지하수 ) 환경 및 오폐수 환경 등에 건설되는 콘크리트 구조물의 화학적 침식으로 인하여 발생하는 성능저하에 대한 관심이 날로 증가하고 있는 실정이다 . 특히 , 황산염침식 (sulfate attack) 은 콘크리 트 구조물에 나타나는 내구적 성능저하의 대표적인 형태로 써 , 그 성능저하 정도 및 속도는 다른 내구성 저하요인에

비하여 크다고 알려져 있다 (Al-Amoudi, 2002). 그러나 ,

황산염침식의 정확한 성능저하 메카니즘을 규명하기 위한 많은 연구활동에도 불구하고 지금까지도 황산염침식에 의 한 성능저하를 평가하는 방법 및 항목 등이 각 연구자들 마다 상이하여 콘크리트의 황산염침식에 대한 기준설립이 현실적으로 어려움을 겪고 있다 . 특히 , 황산염침식에 대한 콘크리트의 노출조건의 영향을 규명하려는 연구는 콘크리 트 연구자들 사이에 그 중요성이 인식되어 연구가 수행되

*정회원·군산대학교토목공학과부교수

(E-mail : [email protected])

어 오고 있지만 아직 만족할 만한 성과는 가시적으로 나타 나고 있지 않다 .

시멘트 경화체의 황산염침식 저항성을 평가하는 가장 일 반적인 시험방법으로써 , ASTM C 1012 “Standard Test Method for Length Change of Hydraulic-Cement Mortars Exposed to a Sulfate Solution” 가 보편적으로 사용되고 있다 .

그러나 , 이 시험법은 실험체를 일정농도의 황산염용액 (5%

Na

2

SO

4

) ^{에 일정기간동안 연속으로 침지하여 실험을 수행해}

야 하기 때문에 실제로 황산염환경에 노출된 현장 콘크리 트 구조물의 노출조건을 정확히 반영하지 못하는 경우가 발생할 수 있다 (Santhanam 등 , 2001). 즉 , 현장 구조물은 황산염수용액에 지속적으로 침지되어 있는 조건뿐 만 아니 라 강우량 , 지하수위의 변화 등에 의하여 콘크리트의 노출 조건이 달라지게 되며 , 노출부위에 따라 성능저하 정도가

달라질 수 있기 때문이다 . 또 , ASTM C 1012 법은 시험기

간동안 황산염용액의 pH ^{조건이 황산염이온과 시멘트 수}

화물의 반응 및 용출에 의하여 약 7 이하로 떨어지는 경우 가 나타나는 반면 현장의 황산염 노출조건은 외부 황산염

의 지속적인 공급에 의하여 pH 가 7-12 정도로 지속적으로

유지된다 (Sahmaran 등 , 2007). 이와 같은 이유로 인하여 현장 콘크리트 구조물이 노출되는 황산염 노출환경을 정확 하게 모사하기 위한 일련의 연구가 보고되기도 하였으나 ,

각각 연구조건에 따라 상이한 결과가 나타나므로써 , 노출 조건에 대한 콘크리트의 황산염침식 메커니즘은 아직도 불 분명한 실정이다 .

콘크리트의 황산염침식 메커니즘은 황산염이온과 시멘트 수화물과의 화학반응에 의하여 생성되는 반응생성물 (gypsum, ettringite, brucite, thaumasite, epsomite 등 ) 의 연화 (softening),

팽창 (expansion) 및 박리 (delamination) 작용에 의하여 콘크 리트의 균열 및 탈락으로 성능저하가 발생하게 된다고 알려 져 있다 (Mehta, 1992; Hime and Mather, 1999). ^그러나 ,

콘크리트 구조물이 황산염환경에서 건습반복 작용에 의한

thernadite(Na

2

SO

4

) 및 mirablite(Na

2

SO

4

·10H

2

O) 의 상전이

(phase transition) 현상에 의한 결정압 증가로 인하여 성능 저하가 발생하기도 한다 (Girardi ^등 , 2010).

주지하다시피 , 콘크리트의 황산염 침식이 화학반응으로 인 하여 발생되는 내구 성능저하 현상일지라도 , 결정압 생성과 같은 물리적 황산염 침식에 대한 연구가 최근 수행되어 오 고 있으며 , ^{대표적으로} , Flatt(2002) ^{는 건습반복에 노출된}

콘크리트의 염결정 (salt crystallization) 생성에 대하여 실험 적으로 연구하였으며 , 유사한 실험결과는 Sahmaran 등

(2007) 에 의하여 제시되기도 하였다 . 또 , Hartshorn 등 (1999)

은 시멘트 경화체의 황산염침식에 대한 환경온도의 영향을 보고하기도 하였다 .

본 연구는 시멘트 모르타르의 황산염침식에 대한 노출조 건의 영향을 실험적으로 규명하기 위하여 3 종류 노출조건

( ^{연속 완전침지} , ^{연속 반침지 및 건습반복 침지} ) ^{을 선정하}

여 모르타르의 역학적 성능을 주기적으로 모니터링하였다 .

본 연구를 수행하므로써 확보한 데이터를 이용하여 향후 콘크리트 구조물의 황산염환경 노출조건을 고려한 내구성 설계에 적용가능한 기초자료를 확보할 수 있을 것으로 기 대된다 .

2. 실험개요 2.1 사용재료

2.1.1 ^{시멘트 및 광물질혼화재}

ASTM C 150 규준을 만족하는 Type I 형 보통포틀랜드시

멘트 (OPC) 를 사용하였으며 , OPC 의 조성광물은 각각 C

3

S:

62.5%, C

2

S:10.1%, C

3

A:9.3% 및 C

4

AF:7.2% 이다 . 사용된 고로슬래그미분말 (SG) ^{은 분말도} 4000 ^급의 3 ^{종 타입을 사용}

하였으며 , 실리카퓸 (SF) 은 밀도 2.2 g/cm

³

의 노르웨이 Elkem

사 제품을 사용하였다 . SG 및 SF 는 OPC 에 대하여 각각

50% 및 7.5% 를 대체하여 모르타르를 제조하였으며 , 각각

SG50 ^및 SF7.5 ^{모르타르로 명명하였다} . ^{본 실험에 사용된}

시멘트 및 광물질혼화재의 화학성분 및 물리적 특성을 나타 낸 것이 표 1 이다 .

2.1.2 ^잔골재

시멘트 모르타르를 제조하기 위하여 ASTM C 109 의 규 준을 만족하는 일리노이주 (USA) 에서 생산된 오타와산 표준 사를 사용하였다 .

2.2 배합

ASTM C 1012 규준에 따라 시멘트와 잔골재의 중량비가

1:2.75, 물 - 결합재비 (W/B) 가 0.485 인 모르타르를 제조하여 표 2 와 같이 모르타르의 압축강도가 20 MPa 이상 발현될 때까지 포화 석회수용액 (sat. limewater) 에 양생시킨 후 , 일 부 모르타르 공시체를 꺼내어 시험용액에 실험조건별로 노 출시켰다 .

2.3 시험용액 및 노출조건

순도가 99.5% 인 특급 황산나트륨 (Na

2

SO

4

) 시약을 담수에 용해시켜 5% 의 농도조건을 가진 시험용액을 제조하였다 . 또 ,

표 1. 사용된 시멘트 및 광물질혼화재의 화학성분 및 물리적 특성

Chemical composition, %

OPC SG SF

SiO

2

19.9 36.7 91.2

Al

²

O

³

5.0 10.02 1.3

Fe

2

O

3

2.4 0.53 0.8

CaO 63.8 38.6 0.7

MgO 2.5 10.51 0.3

SO

³

3.0 3.59 -

L.O.I 2.3 - 2.3

Physical properties

Specific surface area, cm

²

/g 4,100 3,930 204,700

Passing 45 mesh, % 90.7 95.3 98.4

Initial setting time, min. 128 200 80

표 2. 모르타르 압축강도 20 MPa 압축강도 발현시기 및 초기

밀도

Mortars OPC SG50 SF7.5

Time to 20MPa, days 3 5 2

Bulk density (dry), g/cm

³

1.99 2.02 1.99

재령이 증가함에 따라 시험용액의 농도가 묽어지는 점을 고 려하여 , 4 주마다 새로운 용액으로 교체하여 사용하였다 . 모 르타르의 압축 및 휨강도손실을 주기적으로 모니터링하기 위 하여 포화 석회수용액을 비교용액으로 사용하였다 . 본 실험 에 사용된 시험용액은 온도에 의한 영향을 배제하기 위하여 실험기간동안 23±3

^o

C 로 일정하게 유지시켜 실험을 수행하였 다 . ^{본 연구의 주요 실험변수인 황산염 노출조건은 다음과}

같이 3 가지 타입을 사용하여 모르타르를 노출시켰다 ( 그림 1).

· Exposure A( 연속 완전침지 ):5% Na

2

SO

4

용액에 연속하 여 완전침지 (continuous full immersion)

· Exposure B( 연속 반침지 ):5% Na

2

SO

4

용액에 연속하여 반침지 (continuous half-immersion)

· Exposure C( 건습반복 ):5% Na

2

SO

4

용액에 건습반복침지

(1 cycle=drying of 3 d.+wetting of 4 d.).

2.4 실험방법

2.4.1 팽창 (expansion)

25×25×285 mm 의 각주형 공시체를 제조하여 20 MPa

이상의 압축강도가 발현된 후 , 3 종류 황산염환경에 노출시 켜 노출기간별 팽창량을 ASTM C 1012 에 준하여 측정하 였다 .

2.4.2 압축 및 휨강도 (compressive and flexural strength)

포화 석회수용액 및 3 종류 황산염환경에 노출된 모르타르

의 압축 및 휨강도를 ASTM C 109 및 ASTM C 348 에

준하여 측정하였다 .

2.4.3 밀도 (bulk density)

25 및 52 싸이클에서 황산염 노출조건별 모르타르의 밀도

를 ASTM C 642 규정에 준하여 측정하였으며 , 모르타르의

초기밀도 ( ^표 2) ^{와 비교하여 상대밀도} (relative bulk density)

를 평가하였다 . 3. 실험결과

3.1 팽창

그림 2 는 황산염 노출조건이 상이한 OPC 모르타르의 노 출 싸이클별 팽창량을 나타낸 것이다 . 여기에서 1 싸이클은 노출조건에 관계없이 총 7 ^{일의 황산염 노출기간을 의미한다} .

이 그림으로부터 OPC 모르타르의 팽창거동은 노출조건에 크 게 영향을 받음을 확인할 수 있다 . 다시 말해서 , 공시체의 절반을 황산염용액에 침지한 환경 (Exposure B) 에서 모르타 르의 팽창은 노출 싸이클의 증가와 더불어 급격히 증가하였 으며 , 황산염용액에 건습반복 (Exposure C) 침지된 모르타르 도 ASTM C 1012 의 연속 완전침지 (Exposure A) 조건에 노 출된 모르타르에 비하여 비교적 큰 팽창을 일으키는 것으로 나타났다 . 이러한 경향은 13 싸이클 노출 후부터 뚜렷이 나타 나기 시작하였으며 , 52 싸이클 후 Exposure A, B 및 C 조 건에 대하여 OPC 모르타르의 팽창은 각각 0.234%, 1.325%

그림 1. 황산염 노출환경

그림 2. 노출조건에 따른 OPC 모르타르의 팽창거동

그림 3. 노출조건에 따른 SG50 모르타르의 팽창거동

및 0.561% ^{로 관찰되었다} .

특히 , Exposure B 조건에 노출된 OPC 모르타르는 황산

염 용액에 노출된 부분과 대기중 노출의 경계면에서 다량의 균열이 나타난 것으로 관찰되었으며 , 이는 thernadite 및

mirablite ^{의 상전이에 의한 결정압} (crystallization pressure) ^의

증가 및 gypsum, thaumasite 등 반응생성물에 의한 영향인 것으로 판단된다 (Aye and Oguchi, 2011).

한편 , 5% Na

2

SO

4

용액에 노출된 SG50 모르타르의 노출 조건별 팽창거동을 나타낸 것이 그림 3 ^이다 . ^{이 그림에서}

나타났듯이 SG50 모르타르는 노출조건에 관계없이 52 싸이

클에서도 0.1% 이하의 낮은 팽창값을 보이므로써 , 황산염침

식 저항성이 매우 우수하게 나타남을 확인할 수 있었다 . 다 시 말해서 , SG ^{를 시멘트에 대체함에 따라} SG ^{의 잠재수경성}

으로 인한 모르타르 공시체의 저투수성으로 인하여 모르타 르 조직내부에 ettringite 를 생성하기 위한 SO

42−

이온의 침 투가 적어진 탓으로 생각된다 (Osborne, 1999).

그림 4 는 SF7.5 모르타르의 노출조건별 팽창거동을 도시

한 것으로써 , SG50 모르타르와 마찬가지로 실리카퓸의 포졸

란반응 , ITZ(interfacial transition zone) 개선 효과 및 조직 치밀화 효과로 인하여 팽창값이 매우 작게 나타남을 확인할 수 있다 . ^{이와 같이} Na

2

SO

4

환경에서 실리카퓸의 우수한 황산염침식 저항성은 여러 연구자들의 연구결과에서 유사하 게 나타났다 (Akoz 등 , 1999; Al-Dulaijan 등 , 2003).

3.2 강도변화

그림 5-7 은 황산염 노출조건이 상이한 3 종류 모르타르의 압축강도를 석회수용액에 침지한 모르타르의 압축강도와 비

교하여 나타낸 것이다 . 그림 5 는 OPC 모르타르의 압축강도

변화를 노출기간에 따라 도식화한 것으로써 , 포화 석회수용 액에 침지한 모르타르의 압축강도가 기간이 증가함에 압축 강도가 증가한 반면 , 황산염환경에 노출된 OPC 모르타르는 일정기간 노출 후 압축강도가 감소하는 경향을 나타내었다 .

특히 , Exposure A 및 B 환경의 OPC 모르타르는 압축강도 감소가 13 싸이클 후에 나타나기 시작하였으며 , Exposure C

모르타르는 25 싸이클 후에 나타났다 . 그러나 , 노출기간에 관

계없이 Exposure B ^{조건에 노출된} OPC ^{모르타르의 압축강}

도가 가장 작게 나타남을 알 수 있다 . 예를 들어 , 52 싸이클

후 석회수용액에 양생한 OPC 모르타르의 압축강도가 56.0 MPa 인 반면 , Exposure A, B 및 C 환경에 노출된 OPC

모르타르는 각각 40.5, 20.5 및 33.6 MPa 로 나타났다 . 이러 한 결과는 앞서 언급한 모르타르의 팽창 측정결과와도 비교 적 잘 일치한다고 생각된다 .

한편 , 그림 6 은 5% Na

2

SO

4

용액에 노출된 SG50 모르타 르의 노출조건별 압축강도 변화를 나타낸 것이다 . 이 그림에

서 알 수 있듯이 SG50 ^{모르타르의 황산염침식에 의한 압축}

그림 4. 노출조건에 따른 SF7.5 모르타르의 팽창거동 그림 5. 노출조건에 따른 OPC 모르타르의 압축강도

그림 6. 노출조건에 따른 SG50 모르타르의 압축강도

그림 7. 노출조건에 따른 SF7.5 모르타르의 압축강도

강도는 OPC 모르타르에 비하여 크게 영향을 받지 않은 것 으로 나타났다 . ^특히 , ^{노출조건에 관계없이} SG50 ^모르타르

는 노출기간 38 싸이클까지 석회수용액에 양생한 모르타르에 비하여 압축강도가 오히려 다소 크게 나타났다 . 이러한 현상 이 나타난 이유는 황산염용액 중에서 침투한 SO4 이온이

SG ^{모르타르의 경화를 촉진한 탓으로 판단된다} . ^{이러한 경}

향은 그림 7 에서와 같이 실리카퓸을 사용한 SF7.5 모르타르 의 압축강도 결과에서도 유사하게 나타남을 확인할 수 있었

다 . 다시 말해서 , SG 및 SF 를 사용한 혼합시멘트계 모르타

르는 황산염침식에 대한 저항성이 OPC ^{모르타르에 비하여}

상대적으로 매우 우수하게 나타났으며 , 이는 ASTM C 1012 노출조건 (Exposure A) 뿐 만 아니라 , 다른 2 가지 노 출조건에 대해서도 유사한 저항성을 나타냄을 알 수 있었다 .

황산염 환경 노출조건에 따라 0, 25 ^및 52 ^{싸이클에서} OPC,

SG50 및 SF7.5 모르타르의 휨강도를 측정한 결과를 나타낸

것이 각각 그림 8-10 이다 . 압축강도 측정결과와 마찬가지로

황산염 환경 노출조건에 따라 모르타르의 휨강도 특성이 상 이하게 나타났다 . ^그림 8 ^{에서 보아 알 수 있듯이 석회수용}

액에 양생한 OPC 모르타르는 재령의 증가와 더불어 휨강도

가 증가하는 경향을 나타낸 반면 , 황산염환경에 노출된

OPC 모르타르는 황산염 노출 후 52 싸이클에서 휨강도가 감

소하였다 . 이러한 경향은 Exposure B 환경에서 더욱 뚜렷하

게 나타났으며 , ^{이는 대기노출부분과 황산염용액 침지부분의}

경계면에서 발생하는 반응생성물의 연화 , 팽창 및 박리작용

에 의한 것으로 판단된다 . 한편 SG50 모르타르의 휨강도 측정

결과를 나타낸 것이 그림 9 로써 , 노출조건에 관계없이 52 싸이 클 후 석회수용액에 양생된 모르타르의 휨강도와 유사하거나 다소 작은 값을 나타내었다 . 이러한 경향은 SF7.5 모르타르의 휨강도 결과에서도 유사하게 관찰되었다 ( 그림 10).

황산염침식을 받은 시멘트 경화체의 성능저하 정도를 평가 하기 위한 방법 중 하나로써 , ^{강도감소량에 대한 비교가 일}

반적으로 많이 활용되고 있다 (Al-Amoudi 등 , 1995; Moon

등 , 2003). 황산염환경에 노출된 모르타르의 강도를 석회수

용액에 양생한 모르타르의 강도와 비교하였으며 , 다음 식과 같이 강도감소량을 산정하였다 .

여기서 , f

S

는 황산염환경에 노출된 모르타르의 압축 또는 휨

강도 (MPa) 이며 , f

L

는 석회수용액에 양생한 모르타르의 압축

또는 휨강도 (MPa) 이다 .

그림 11 은 52 싸이클 후 황산염환경 노출조건별 3 종류 모 르타르의 강도감소량을 나타낸 것으로써 , ^{노출조건 및 모르}

타르 종류에 따라 강도감소량은 각각 다르게 나타남을 알

수 있다 . OPC 모르타르가 노출조건에 관계없이 52 싸이클

후 가장 큰 강도감소량을 나타내었다 . 특히 , OPC 모르타르 는 연속 반침지 (Exposure B) 조건에 노출될 경우 , 가장 큰 강도감소량을 나타내었으며 , 건습반복침지 (Exposure C) 및

연속 완전침지 (Exposure A) 노출 순으로 강도감소량이 크게

나타났다 . 또한 , 동일한 노출조건을 비교하였을 때 , 휨강도 감소량이 압축강도 감소량보다 다소 크게 나타나므로써 , 황 산염침식에 의한 시멘트 경화체의 성능저하는 휨응력에 대 한 저항성이 압축응력에 대한 저항성보다 상대적으로 더 민 감하게 반응함을 알 수 있으며 , ^이는 Wee ^등 (2000) ^{의 연구}

결과와도 비교적 잘 일치하는 것으로 판단된다 .

3.3 밀도변화

황산염환경 노출조건에 따른 OPC, SG50 및 SF7.5 모르 타르의 밀도를 25 및 52 싸이클에서 측정하였으며 , 황산염

Strength loss ( ) % ⁽ f

_L

– f

_S

⁾ f

_L

--- 100 ×

=

그림 8. 노출조건에 따른 OPC 모르타르의 휨강도

그림 9. 노출조건에 따른 SG50 모르타르의 휨강도

그림 10. 노출조건에 따른 SF7.5 모르타르의 휨강도

노출 전 모르타르의 밀도 ( 표 2 참조 ) 와 비교하여 상대밀도

(relative bulk density) 로 나타낸 것이 각각 그림 12-14 이다 .

그림 12 는 OPC 모르타르의 상대밀도를 나타낸 것으로써 ,

석회수용액에 양생된 OPC 모르타르는 시멘트의 수화반응

(hydration) ^{에 의한 수화물의 증대로 인하여 상대밀도가 증가}

하는 경향을 나타낸 반면 , 황산염 환경에 노출된 모르타르는 황산염 반응생성물에 의한 모르타르의 균열 및 다공화 현상 등으로 인하여 상대밀도가 작게 나타났다 . 특히 , Exposure

B ^{조건에 노출된} OPC ^{모르타르는} 25 ^{싸이클에서도 상대밀도}

가 1.0 이하로 나타났으며 , 52 싸이클에서는 약 0.93 의 매우 낮은 상대밀도를 나타냄을 알 수 있다 . 한편 , Exposure A

및 C 조건에 노출된 OPC 모르타르는 52 싸이클의 노출기간

동안 서로 유사한 상대밀도 값을 나타내었으나 , ^{석회수용액}

에 양생된 모르타르에 비하여 상대밀도가 작게 나타났다 . 그림

13 은 SG50 모르타르의 상대밀도를 나타낸 것으로써 , 황산염

환경 노출조건에 관계없이 석회수용액에 양생한 동일 모르 타르와 매우 유사한 상대밀도를 나타내므로써 , ^{황산염침식에}

그림 11. 52 싸이클 후 모르타르의 압축 및 휨강도 손실

그림 12. 노출조건에 따른 OPC 모르타르의 상대밀도

그림 13. 노출조건에 따른 SG50 모르타르의 상대밀도

그림 14. 노출조건에 따른 SF7.5 모르타르의 상대밀도

의한 밀도변화가 거의 발생하지 않은 좋은 경향을 나타냄을

확인할 수 있다 . 한편 . SF7.5 모르타르의 상대밀도를 황산염

환경 노출조건에 따라 나타낸 것이 그림 14 로써 , 52 싸이클

후 Exposure B ^및 C ^{조건에 노출된 모르타르의 상대밀도}

가 석회수용액에 양생한 모르타르의 상대밀도보다 오히려 약 간 크게 나타남을 알 수 있다 .

4. 실험결과에 대한 고찰

콘크리트의 황산염침식에 의한 성능저하는 농도 , 온도 , 습 도 , 건습반복 , 황산염의 종류 등 황산염이온이 존재하는 환 경요인의 영향을 받게 된다 (Akoz ^등 , 1999; Rasheeduzzafar

등 , 1994; Moon and Lee, 2003; Mangat and Khatib, 1995).

그러나 , 전세계적으로 콘크리트의 황산염 침식에 대한 많은 연구가 수행되었음에도 불구하고 황산염침식의 성능저하를 결정하는 노출등급 규준은 황산염이온 (SO

42−

) ^{의 농도로만 규}

정하고 있는 실정이다 . 예를 들어 , 미국 기준 (ACI Building Code 318, 2008; U.S. Bureau of Reclamation Concrete Manual, 1985), 영국 기준 (British Standard BS 5328, 1997)

및 캐나다 기준 (Canadian Standard A23.1, 1994) 은 각각 노출조건에 따른 규정이 아니라 황산염이온의 농도에 따라 노출등급을 규정하고 있으며 , 이러한 환경에 내구적인 결합 재의 사용을 권장하고 있다 . 또 , 우리나라의 등급 규준 ( 콘크 리트표준시방서 , 2009) 도 ACI 의 기준을 임의로 반영하고 있 는 실정이다 . 그러나 , 실제적으로 콘크리트가 황산염이온이 다량으로 포함된 지하토양 또는 지하수 환경에 접할 경우 ,

대기와 토양 ( 또는 지하수 ) 이 접하는 부분에서 극심한 황산염 침식이 발생하게 된다 (Hekal 등 , 2002). 따라서 , 콘크리트가 노출되는 황산염환경 중 황산염이온의 농도뿐 만 아니라 , 노 출조건에 대한 고려가 반드시 이루어져야 한다 .

본 연구는 3 ^{종류 결합재를 사용한 모르타르가 동일 농도}

조건 (33,800 ppm of SO

42−

) 에서 수행되었으며 , 노출조건이 각각 상이한 환경에서 팽창 ( 그림 2-4), 강도 ( 그림 5-11) 및

밀도 ( 그림 12-15) 에 대한 시간의존적 실험결과를 나타내고

있다 . ^{실험결과에 따르면} , ^{동일 농도조건하에서 노출조건 및}

결합재의 종류에 따라 모르타르의 성능은 각각 다르게 나타 남을 확인하였다 . 다시 말해서 , 콘크리트의 황산염침식에 의 한 성능저하 정도를 예측하기 위해서는 전술한 바와 같이 기존의 황산염이온 농도 뿐 만 아니라 노출조건에 대한 고 려가 필요하다는 사실을 주지하고 있다 .

특히 , OPC 모르타르의 팽창 ( 그림 2) 은 노출조건에 따라

매우 다른 거동을 보여주고 있으며 , 연속 반침지 (Exposure

B) ^{조건이 연속 완전침지} (Exposure A) ^{조건에 비하여 팽창량}

이 약 5.7 배정도 크게 나타나므로써 가장 극심한 성능저하를 발생시키는 것으로 나타났다 . 반면 , 광물질혼화재를 사용한

SG50 및 SF7.5 모르타르의 역학적 성능은 본 실험범위에서

는 노출조건에 의한 영향을 크게 받지 않는 우수한 저항성 이 관찰되었다 . 이는 Aye and Oguchi (2011) 의 연구결과와 도 매우 유사하게 나타났으며 , 황산염 노출조건에 따른 성능

저하는 OPC 모르타르가 혼합시멘트계 모르타르에 비하여 지

배적인 영향을 받음을 알 수 있다 .

노출조건에 따른 황산염침식 현상을 시각적으로 관찰하기

위하여 황산염 노출조건별 52 싸이클 후의 OPC 모르타르 외 관을 나타낸 것이 그림 15 이다 . 이 그림에서 알 수 있듯이 , Exposure A 및 C 조건에 노출된 OPC 모르타르는 모서리

부분에 소량의 연화 (softening) ^{현상 및 미세균열이 관찰된 반}

그림 15. 52 싸이클 후 노출조건별 OPC 모르타르의 외관

그림 16. 52 싸이클 동안 Exposure B 조건에 노출된 OPC

모르타르의 성능저하 부위에 대한 SEM 사진

면 , Exposure B 조건에 노출된 모르타르는 팽창성 물질이 다량으로 생성된 탓으로 인하여 육안으로 관찰이 가능한 광

폭 균열 (wide crack) 이 상대적으로 많이 발생하였으며 이

균열의 생성으로 인하여 모르타르의 팽창 , ^{강도감소 및 밀도}

감소 등의 성능저하 현상이 상대적으로 크게 나타난 것으로 판단된다 .

따라서 , 본 연구에서는 가장 극심한 성능저하 현상을 나타

낸 Exposure B ^{조건에 노출된} OPC ^{모르타르의 성능저하부}

분에 대한 원인을 규명하기 위하여 미세구조분석을 실시하 였으며 , SEM 및 EDS 분석결과를 그림 16 및 그림 17 에 각각 나타내었다 . 이 그림에서 알 수 있듯이 Exposure B

조건에 노출된 모르타르의 성능저하는 황산염 침식에 의한 반응생성물인 gypsum, thaumasite 및 ettringite 의 생성이

주요 원인인 것으로 나타났다 . 특히 , gypsum 이 생성된 부분

에서는 상대적으로 큰 균열이 다량으로 생성되므로서 모르 타르의 강도 및 밀도가 감소되는 결과를 나타낸 것으로 판 단된다 .

이상의 결과로부터 , 동일한 농도의 황산염 환경에 노출된 시멘트 경화체일지라도 노출조건에 따라 성능저하 정도는 달 라지게 되며 , ^{연속 완전침지 및 건습반복 노출조건보다는 대}

기 및 황산염 용액에 동시에 노출된 연속 반침지 (Exposure

B) 조건이 모르타르의 성능저하를 더욱 크게 유발할 수 있음 을 확인하였다 . 그러나 , 광물질혼화재를 사용한 혼합시멘트 계 모르타르의 황산염침식 저항성은 노출조건에 관계없이 우 수하게 나타나므로써 , 지하환경 , 오·폐수환경 등 황산염 환 경에 노출되는 콘크리트 구조물 설계시 양질의 광물질혼화 재를 적용하는 것이 콘크리트 내구성능을 확보하기 위하여 바람직하다고 판단된다 .

5. 결 론

본 연구는 3 종류 결합재를 사용하여 제조한 모르타르의 성 능에 대한 황산염 노출조건의 영향을 실험적으로 규명한 것 으로써 , 다음과 같은 결론을 얻었다 .

1. 노출조건에 따른 OPC 모르타르의 팽창거동을 고찰한 결 과 , 연속 반침지 (Exposure B)> 건습반복침지 (Exposure C)

> 연속 완전침지 (Exposure A) 의 순으로 모르타르의 팽창

량이 크게 나타났다 . 특히 , Exposure B 조건에 노출된

OPC ^{모르타르는 결정압의 증가 및} gypsum, thaumasite,

ettringite 등 반응생성물에 의한 영향으로 성능저하가 크게

발생한 것으로 판단된다 .

2. 노출조건에 따른 OPC 모르타르의 강도 및 밀도변화는 팽창거동과 마찬가지로 Exposure B ^{조건에 노출되었을}

때 성능저하가 가장 크게 나타났다 . 또 , 본 연구범위에서 황산염침식에 의한 시멘트 경화체의 성능저하는 휨응력에 대한 저항성이 압축응력에 대한 저항성보다 상대적으로 더 민감하게 반응하였다 .

3. SG50 및 SF7.5 모르타르의 팽창 , 강도 및 밀도를 측정 한 결과 , 광물질혼화재의 포졸란반응 , ITZ 개선효과 , 조 직 치밀화효과 등으로 인하여 혼합시멘트계 모르타르의 황산염침식 저항성이 상대적으로 매우 우수하게 나타났다 .

따라서 , 여러 황산염 노출조건을 고려하더라도 황산염환 경에서는 혼합시멘트계 결합재의 사용이 적극 추천되는 바이다 .

4. ^{이상과 같이 노출조건에 따른 촉진 황산염침식 저항성 실}

험결과 , 황산염환경에 콘크리트 구조물이 노출될 경우 발 생하는 성능저하는 노출조건에 지배적인 영향을 받기 때 문에 황산염환경에 내구적인 콘크리트의 적용을 위하여 구 조물의 노출환경 및 사용 결합재에 대한 올바른 이해가 필요하다고 판단된다 .

그림 17. SEM 사진의 A, B 및 C 에 대한 EDS 분석결과 : (a)

gypsum, (b) thaumasite 및 (c) ettringite

감사의 글

본 연구는 2006 년 군산대학교 신임교수 연구지원사업에

의한 지원을 받았으며 , ^{이에 감사드립니다} . ^또한 , ^{이 논문은} 2012 년 군산대학교 환경건설연구소 학술연구비 지원에 의하 여 연구되었습니다 .

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( ^접수일 : 2012.8.14/ ^심사일 : 2012.9.7/ ^{심사완료일} : 2012.9.26)