들어가며
우리나라는 국토의 균등 발전과 활용을 극대화하기 위하여 영종도 신공항, 서해대교, 인천대교, 광안대교 및 서해안 고속도로와 같은 대규모의 해양 사회기반 시설물이 꾸준히 증가하였다. 그 런데 해양 환경에 위치한 콘크리트 구조물은 염소 이온이 콘크리트 내부로 침투하여 철근의 부 식을 유발하고 이로 인한 부식물이 철 자체의 체적보다 팽창하여 피복 콘크리트의 균열 및 탈락 을 유도하면서 구조물의 내구성은 심각하게 저하되고 궁극적으로 구조물 붕괴에까지 이르게 됨 은 주지의 사실이다.
그래서 염해 콘크리트 내구성의 중요도 증가 및 내구성 시방서가 제정되면서 염해 환경 및 유지 보수에 관련된 핵심 실험 법 제정의 필요성이 더욱 강조되고 있다. 학술적 측면에서는 콘크리트 의 내구성에 대한 관심과 연구가 진행된 지 20여 년이 지났다. 그동안 수많은 연구자들이 콘크 리트 내구성에 대한 많은 연구성과를 도출하였고 이에 따른 염소 이온 침투에 대한 실내 실험 방법, 실용적 해석 방법 및 내구수명연장 방안이 실질적으로 활용되는 단계에 이르렀다.
그런데 국내 해양 환경 콘크리트 관련 실험 표준화 기술력은 초기부터 외국 기술에 의존해 왔으 며 현재까지 선진 외국의 관련 규격에 대한 의존성이 매우 높아 관련 기술 표준화의 역 균형 현 상이 매우 심각한 실정이다. 더욱이 국내 자체의 체계적인 기술 발전 및 정립 없이 설계, 계획 및 시공 단계에서 무분별한 외국 기술을 도입하였고 선진 외국에 비하여 건설된 시설물의 유지 관리에는 상대적으로 소홀했던 점이 있었던 것도 사실이다. 따라서 국내 실험에 맞는 염소 이온 확산 계수 시험방법의 필요성이 요구되고 있다.
연·재·순·서
1회
콘크리트의 염해 평가 실험 방법의 현황 2회
콘크리트 미세구조와 내구성능 3회
탄산화와 염해에 의한 콘크리트의 복합 열화 4회
콘크리트의 내구성능 향상을 위한 표면 도장 공법
이에 필자는 한국시멘트협회와 함께 올해 4차례의 내구성 시리즈 기사를 기획하였다. 그 첫 번 째 순서로 국내외에서 개발되어 규격화된 콘크리트의 염소 이온 침투 실험 방법을 정리하고 각 방법의 장·단점을 분석하였다. 또한 필자가 개발하여 규격화를 고안 중인 Yoon’ s test를 소개 하고 이 방법의 활용성을 제시하여 향후 올바른 콘크리트의 내구성 평가기법의 정립에 대한 아 이디어를 제공하고자 한다.
염소 이온 침투 실험의 규격화
염소 이온이 콘크리트에 침투하는 속도는 실 질적으로 콘크리트의 내구성능에 직결되는 중 요한 요소이다. 염소 이온이 콘크리트에 침투 하는 구동력은 <그림 1>과 같이 모세관 흡수, 확산, 투수, 3가지로 대별된다. 각 침투 구동력 별 실험 방법을 정리한 것이 <표 1>이며, 그간 침투속도를 정성 및 정량적으로 판단하기 위 하여 국외에서 개발된 실험기법들을 정리한 것이 <표 2>이다.
<그림 1> 염해 침투 구동력
구분 침투구동력
지배법칙 재료매개변수 콘크리트에 미치는 영향
실험방법
표면장력 Laplace 법칙
흡수계수 단기성능
ISAT
농도차 Fick의 법칙
확산계수 중 ~ 장기성능 NT Build 492, AASHTO T259
ASTM 1202, Dhir’s test 등
압력차 Darcy의 법칙
투수계수 단~ 장기성능
Yoon’s test
모세관 흡수 확산 투수
<표 1> 염해 침투 구동력의 비교
구분 촉진실험
RCPT Dhir’s test RCM
실제 모사실험 침지실험 규격코드
조건
데이터
실험시간 시험편 두께 데이터 신뢰도
ASTM C 1202 정상흐름상태
총통과전하량
6 시간 50 mm 좋지 않음
- 정상흐름상태
확산지수
6 시간 50 mm 보통
NT Build 492 비정상흐름상태
확산계수
1 일 50 mm
우수
AASHTO T356 비정상흐름상태
확산계수 염소프로파일 최소 1년 이상 규정 없음 매우 우수
<표 2> 염해 내구성 실험방법의 비교
부식물 흡수 확산
콘크리트 표면 CO2, 물, 염소이온, 황산 등
외기 환경
철근
투수
대표적인 촉진 실험으로는 RCPT(Rafid Chloride Penetration Testing), Dhir’ s test, RCM(Rafid Chloride Migration Testing) 등이 있으며, 실제 조건과 유사한 실험 방법으로는 침지 실험법이 있다. 촉진 실험 방법들은 6시간에서 1일 내에 실험 결과가 획득될 수 있도록 매 우 급속도로 콘크리트의 내구성능을 평가하는 방법이지만, 실제 염소 이온의 침투 상태인 정상 흐름 상태를 모사하기는 어렵다.
다음으로 아직 규격화는 되어 있지 않지만 간접적으로 내구성능 평가 실험 방법으로‘전기저항 측정 방법’ 이 있다. 이 방법을 주목하는 이유는 비파괴 측정 방법 중 드물게 정량적인 데이터를 얻을 수 있고, 구조물에 전혀 손상을 입히지 않으면서도 측정비용의 절감, 실험시간 절약, 측정 실시간 내 데이터 확인, 측정 방법의 초간편성 등 많은 장점을 갖기 때문이다.
콘크리트의 전기저항은 전류를 콘크리트에 인가하였을 때 미세구조 내 공극수를 통한 이온의 전류 흐름을 콘크리트가 저항할 수 있는 정도를 의미하는데 <그림 2>와 같이 전기저항은 콘크 리트의 미세구조를 간접적으로 판단할 수 있다. 또한, 전기저항은 전도성의 역함수로 <그림 3>
과 같이 공극 내 이온의 확산성과 유관되며, 결과적으로 염소 이온의 침투성을 판단할 수 있는 지표로 활용할 수 있다.
새로운 내구성 평가 시스템 Yoon’ s test
해수의 수압은 해수면 깊이에서 심도가 있을수록 선형으로 상승하게 된다(그림 4 참조). 해양 환경 구조물 중 터널이나 교량의 기초 등의 구조물은 수압 작용에 의하여 염소 이온의 침투가 상승될 수 있다. 그래서 해양 구조물의 염소 침투의 주요 구동력으로 수압 작용이 고려되어야 함에도 지금까지 개발된 실험 방법 들은 확산 작용만이 고려된 것도 주지의 사실이다.
이에 필자는 해양 환경에 노출된 건설재료 및 콘크리트의 내구성을 평가할 수 있는 계측 시스템 개발을 목적으로 기존에 개발된 염해 성능 평가 방법과 다르게 수압 작용에 의해 염소 이온의
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
0.0 0.1 0.2 0.3
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
0 5 10 15 20
<그림 2> 전기저항과 공극량의 관계 <그림 3> 전기저항과 염소 확산 계수의 관계
Pore volume in concrete Electirical resistivity (KΩ.cm)
Electirical resistivity (KΩ
. cm)
Chloride diffusivity (1E-8cm 2/s)
침투가 이루어질 수 있는 새로운 실험 방법인 Yoon’ s test(그림 5 참조)를 개발하였다. 이 방법 은 세계 최초로 투수, 투기, 급속 염소 이온 침투 등을 고려하여 건설재료의 내구성 평가를 위한 통합 실험 기법으로 의도하여 개발된 것으로 수압에 의한 콘크리트의 염소 이온 침투 성능을 정 량적으로 평가할 수 있다. Yoon’ s test는 시험 편의 두께 및 가압력 등을 자유롭게 하면서 균열 이 발생한 콘크리트, 고성능 콘크리트 및 고성능 보수보강 재료 등의 특수 건설재료에도 시험자 의 편의를 극대화하면서 실험이 가능하도록 고안된 새로운 실험 시스템이다.
<그림 6>은 28일 재령인 콘크리트에 대하여 질산은 용액을 살포하여 물-시멘트비에 따른 염소 이온 침투 깊이를 보인 사진이다. 예상했던 바와 같이 물-시멘트비가 커질수록 염소 이온 침투 깊이가 커지는 당연한 추이를 보였다.
<그림 7>은 물-시멘트비가 0.50인 콘크리 트에 대하여 깊이별 염소 이온 침투 깊이를 보인 결과이다. 보편적인 염소 이온 확산 프
<그림 4> 해수면으로부터 수압조건 <그림 5> Yoon’ s test 실험 장치
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
0 3 6 9 12 15
Traditional diffusion (Fickian behaviour)
Real experiment data (Permeation)
<그림 6> 염소이온 침투깊이
<그림 7> 염소이온 프로파일
(상) w/c 0.55 (중) w/c 0.50 (하) w/c 0.45 Depth from surface (mm)
Chloride content (g/gcon)
로파일과 구별되게 수압에 의한 염소 이온 침투는 다소 다른 프로파일을 보이는 것을 확인할 수 있다. 평균 염소 이온 침투 깊이를 보인 깊이에서 콘크리트 단위중량(g) 대비 염소 이온 농도는 약 7.5×10
-4의 값을 보였으며, 최대 염소 이온 침투 깊이를 보인 깊이에서는 약 4.85×10
-4의 측정치를 보였다. 향후, 콘크리트의 수화도가 진전됨에 따라 다양한 경우의 실험 변수를 토대로 결과를 도출할 수 있을 것으로 기대된다.
맺음말
기술 및 자원이 부족한 우리나라가 콘크리트의 품질관리, 내구성 향상 기술 및 유지관리 분야에 서 국제 시장을 선점하고 경쟁력을 키우기 위해서는 국내 기술로 우위를 차지할 수 있는 다양한 기술 개발과 실험 방법의 표준화 전략이 필요하다. 즉 국내 기술 개발과 표준 역량의 강화를 통 해 국내 기술 여건을 최대한 활용하는 표준화 전략의 구축이 필요할 것으로 생각된다.
염소 이온 침투에 대한 실험 방법의 개발 및 표준화는 해양 환경에 노출된 콘크리트 구조물 뿐 만 아니라 도심지 구조물의 내 침투 성능도 판단할 수 있는 중요한 기술이다. 향후 관련 기술에 대한 지속적인 정부 차원의 지원과 협력이 요구되며 표준화 전문가 양성 및 양성기관의 조속한 조치가 필요할 것으로 생각되며 국내 상황에 맞는 새로운 실험기술의 개발이 외국 기술보다 우 위로 인정되어 콘크리트의 고품질화 및 유지관리 기술의 핵심임을 인식하고 지속적 발전 및 널 리 보급되기를 바라는 바이다.
참 고 문 헌
