1. 서 론

최근 초고층 구조물 및 특수콘크리트에 대한 관심 증대로 고성능 및 고유동 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그중 고유동 콘크리트는 유동성을 향상시킴으로써 높은 작업성을 확보할 수 있고, 별도의 다짐 없이도 타설이 가능하여 시공의 편의를 증대할 수 있다는 장점이 있다. 고유동 콘크리트는 배합 시 플라이애시와 같은 미립자를 시멘트 대체재로 사용하거나 유동화제와 같은 혼화제를 첨가하여 콘크리트의 점성 및 유동성을 변화시켜 배합하게 된다. 유동화제를 콘크리트에 첨가하면 시멘트와의 흡착 과정에서 발생하는 반발작용으로 인해 유동성이 증가한다(Jolicoeur and Simard 1998)⁽¹¹⁾. 또한, 플라이애시 등 혼화재료는 구형 입자의 볼 베어링 효과로 콘크리트의 유동성을 향상 시킬 수 있다(Lee et al. 2003; Li et al. 2004)^(16,17). 하지만 배합 과정에서 필요 이상의 유동성이 발현되거나 과도하게 높은 단위수량 등의 배합 불량 또는 시공 불량으로 인해 콘크리트 타설 시 골재 재료분리 현상이 발생할 수 있는데, 이러한 재료분리 현상은 모르타르에 비해 중량 및 부피가 큰 굵은 골재가 침하하는 골재 분리, 콘크리트 내부 잉여 수분이 상승하는 블리딩 현상으로 분류할 수 있으며, 시공 현장의 블리딩 및 골재 분리 현상은 정량적 측정이 불가능하다. 재료분리 현상은 콘크리트 구성 요소의 비균질성을 야기하여 위치에 따라 다른 강도 및 불필요한 다공성 증가에 따른 건조 수축 등 예상하지 못한 잠재적 손상을 초래하기 때문에 명확하게 평가하여야 한다(Soshiroda 1981)⁽²²⁾.

따라서 초기재령 콘크리트의 안정성 평가를 위해 골재 분리 및 블리딩 현상에 관한 여러 측정법이 제안되었다(ASTM C1610 2006; Yim et al. 2013; ASTM C1712 2014; Yim et al. 2014)^(3,27,2,26). 콘크리트 재료분리는 타설 중 발생하는 동적 재료분리와 타설 후 정적 재료분리로 나눌 수 있다. 콘크리트의 동적 재료분리를 평가하기 위한 다양한 방법 중 슬럼프 플로우를 이용한 콘크리트 안정성 평가 기법이 주로 적용되고 있으며(ASTM C1611 2004)⁽⁴⁾, 그 외 콘크리트 컨시스턴시(반죽질기)를 평가하기 위해 V-funnel test, L-Box test, J-ring test(EFNARC 2002)⁽⁸⁾ 등 다양한 측정법이 제안되고 있다. 그중 V-funnel test at T5minutes는 시간 경과에 따라 재료분리 저항성을 평가하고 있으나 V-funnel의 각도에 따른 영향이 명확하지 않고 입경이 큰 굵은골재의 사용배합은 굵은골재 막힘 현상을 유발할 수 있는 등 정량적 평가가 어려운 실정이다. 또한, 콘크리트 정적 재료분리 평가를 위해 침투 시험(ASTM C1712 2014)⁽²⁾, 시각적인 안정성 지수(AASHTO PP58 2008)⁽¹⁾, 전기 전도도 측정(Jolicoeur et al. 2000; Pavate et al. 2000; Khayat et al. 2003)^(12,18,13), 이미지 분석 기법(Shen 2005; Pierre 2008; Barbosa et al. 2011)^(21,13,5) 등이 제안되었으며, 대표적인 시험방법은 원통형 몰드에 굳지 않은 콘크리트를 타설하고, 몰드 상･하부의 콘크리트를 습식체가름(wet-sieving) 하여 체에 잔류한 굵은골재 중량을 측정하는 방법이 주로 사용되고 있다(ASTM C1610 2006)⁽³⁾. 이 측정법은 몰드 상･하부의 굵은골재 중량 차이로 콘크리트 재료분리를 평가하는 기법으로 블리딩 및 다른 배합 구성물의 재료분리 결과를 나타내기 어려운 한계점을 가지고 있다.

본 연구에서는 ASTM C1610(2006)⁽³⁾ 재료분리 평가법이 가진 한계점을 보완하여 콘크리트를 구성하는 배합 구성물 전체의 결과를 반영하는 측정기법을 제안하고자 전기비저항($\rho$) 측정법을 적용하였다. 전기비저항은 물체가 갖는 고유 비례상수로 단위체적의 물질이 갖는 전기 저항이다. 즉 물체의 고유 저항을 말하며, 전기비저항 측정법은 전기전도성을 이용하여 대상 재료 내부의 전기저항률을 도출하는 기법이다. 전기비저항이 적용되는 전극법은 2-전극법, 간이측정법, 4-전극법 등으로 나눌 수 있다. 그중 4-전극법은 동일한 간격으로 전류 및 전압 전극을 설치, 접지저항을 산출하여 대지저항률을 측정하는 방법으로(Lee and Lee 1999)⁽¹⁵⁾, 다른 전극법에 비해 정확도 및 편의성이 우수하다. 전극법을 이용한 전기비저항 측정법은 콘크리트 물성 평가를 위해 다양하게 적용되어왔다. 시멘트 페이스트의 전기전도성 모델 제안(Campo et al. 2002)⁽⁷⁾, 모르타르의 재료 등방성 측정(Spragg et al. 2014)⁽²³⁾ 등 시멘트계 재료의 손상 평가 및 재료물성을 파악하기 위한 연구가 보고됐으며, 2-전극법을 이용한 페이스트의 응결 측정에 관한 연구(Topçu et al. 2012)⁽²⁴⁾, 4-전극법을 이용한 모르타르의 응결 평가(Yim et al. 2017)⁽²⁸⁾ 등 초기재령 콘크리트에 관한 연구 결과 역시 보고되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 4-전극법을 적용한 전기비저항 측정으로 재료분리로 인한 콘크리트 전기전도성의 변화 과정을 파악하여 재료분리를 정량적으로 평가하고자 하였으며, 여러 4-전극법 중 원통형 몰드 적용을 위해 정사각형 배열(square array) 전극법을 적용하였다. 실험에 사용된 몰드는 기존 제안된 ASTM C1610에 기반하여 제작하였다. 플라이애시 및 유동화제 사용에 따른 다양한 재료분리 발생 콘크리트 샘플을 배합 후 전기비저항을 측정하였다. 또한, 제안 측정법의 검증을 위해 동일 샘플의 습식체가름에 기반한 굵은 골재 중량 측정 결과와 비교하였다. 이에 따라, 전기비저항 측정을 이용한 원통형 몰드의 콘크리트 재료분리 측정기법을 제안하고자 하였다.

2. 이론적 배경

3. 실 험

Fig. 1. Grain size distributions of cement and fly ash

3.1 재료 준비

본 연구에서는 고유동 콘크리트의 배합에 따른 재료분리 발생을 구현하기 위해 물, 잔골재, 굵은골재, 시멘트 외 플라이애시 및 유동화제를 사용하여 샘플을 제작하였다. 사용된 1종 포틀랜드 시멘트(비중 3.15)의 화학적 구성은 Table 1과 같으며, 배합에 사용된 플라이애시 및 시멘트의 입도분석 결과를 Fig. 1에 정리하였다. 잔골재는 비중 2.6의 강사를 사용하였고, 굵은골재는 비중 2.65 및 최대 치수 19 mm의 쇄석을 사용하였다. 잔골재의 함수량을 동일하게 관리하기 위해 배합 전 100 °C 24시간 이상 건조상태의 잔골재를 사용하였으며, 물-시멘트 비율은 절건 상태 골재의 흡수량을 고려하여 0.6으로 고정하였다. 실험 시 굵은골재의 동일한 입도분포를 위해 배합 전 체가름을 통해 입도 범위에 따라 동일한 비율의 굵은골재를 사용하였다. 즉 4.75~9.5 mm, 9.5~16 mm, 16~19 mm 범위에 따라 33.3 % 비율의 골재를 동일하게 사용하여 실험 시 재료분리에 영향을 줄 수 있는 골재 입도분포에 대한 영향을 최소화하였다(Fig. 2). 또한, 임의의 재료분리 발생을 위해 유동화제(polynaphtalene-sulfonate, PNS)를 최대 2 %까지 과다 첨가하였다. 실험에 적용된 콘크리트 배합비는 Table 2에 나타내었다. 유동화제 및 플라이애시 사용을 제외한 W:C:S:G=0.6:1:2.81:1.97의 콘크리트 샘플 S0를 기준으로 시멘트 중량 대비 유동화제를 1, 2 % 첨가한 S1, S2 배합을 Case A, 유동화제를 0, 1, 1,25, 1,5 %, 첨가하고 플라이애시를 15 % 치환한 S3, S4, S5, S6 배합을 Case B, 유동화제 첨가량은 Case B와 동일하고 플라이애시를 30 % 치환한 S7, S8, S9, S10을 Case C로 선정하여 실험을 진행하였다.

Fig. 2. Volume fraction of used coarse aggregate range in cylinder column-type mold

Table 2. Proportion of concrete mixtures

Case		Unit weight (kg/m$^{3}$)						PNS (%)
		W$^{1)}$	C$^{2)}$	S$^{3)}$	G$^{4)}$	AE$^{5)}$	Fly ash
A	S0	219	365	1,025	719	0.011	-	-
	S1	219	365	1,025	719	0.011	-	1
	S2	219	365	1,025	719	0.011	-	2
B	S3	219	310	1,025	719	0.011	55	-
	S4	219	310	1,025	719	0.011	55	1
	S5	219	310	1,025	719	0.011	55	1.25
	S6	219	310	1,025	719	0.011	55	1.5
C	S7	219	255	1,025	719	0.011	110	-
	S8	219	255	1,025	719	0.011	110	1
	S9	219	255	1,025	719	0.011	110	1.25
	S10	219	255	1,025	719	0.011	110	1.5

$^{1)}$Water, $^{2)}$Cement, $^{3)}$Sand, $^{4)}$Gravel, $^{5)}$Air-entraining agent

3.2 재료분리 평가를 위한 전기비저항 측정

Fig. 3. Cross-sectional diagram for electrodes locations using square array method

Fig. 4. Schematic mold for segregation evaluation

Fig. 5. Electrical resistivity measurement system

Fig. 6. Twelve rotating measurements at top and bottom sections

콘크리트 재료분리 평가를 위한 전기비저항 측정 시스템은 다음과 같다. 습식체가름을 위한 원기둥타입 몰드(ASTM C1610 2006)⁽³⁾의 상･하부 콘크리트 전기비저항 측정을 위해 전극 설치 및 실시간 모니터링 시스템을 구축하였다. 실험에 적용된 정사각형 배열 전극법의 모식도는 Fig. 3과 같다. 원기둥타입 몰드는 배합에 사용된 굵은골재 최대치수 19 mm에 따라 직경 150 mm 높이 540 mm로 제작하였으며, 전기 전도 오차를 최소화하기 위해 절연체인 아크릴로 제작하였다(Fig. 4). 또한, 전기비저항 측정 후 습식체가름 및 상･하부 굵은골재 중량 측정을 위해 각 1/4 지점 탈부착이 가능하게 제작하였다. 상･하부 1/8 위치에 각 12개 전극이 부착되었으며, 사용된 전극은 지름 5 mm 길이 70 mm의 황동으로 제작되었다. 몰드 내부로 전극 관입 깊이는 샘플 부피 감소에 큰 영향을 주지 않고 전기비저항을 측정할 수 있도록 10 mm로 고정하였고, 악어 클립을 이용해 측정 장비와 연결하였다. 전기비저항 모니터링을 위해 전원(NI 9269), 전류계(NI 9227), 전압계(NI 9222)를 사용하였다. 전류 전극에 전원 및 전류계 연결을 통해 전류($I$)를 측정하였다. 전압 전극은 전압계와 연결하여 전극 간의 유도되는 전위차($V$)를 측정하였다. 가진 전원은 전극 산화, 분극화, 내부 공극수 증발, 배합에 따른 전기전도성 확보 등 다양한 실험 오차 배제를 위한 선행연구를 통해 1 V, 100 Hz의 교류전원으로 가진하였다(Fig. 5). 또한, 몰드 내부 콘크리트 타설 후 상･하부 전기비저항 측정 결과의 신뢰도 확보를 위해 총 12개 전극 중 정사각형 배열의 4개 전극을 선정하여 측정을 실시하였으며, 30° 간격 회전에 따른 총 12회 측정을 통해 전기비저항 평균값을 도출하였다(Fig. 6). 전기비저항 측정 실험은 해당 배합의 콘크리트 블리딩 및 재료분리 발생 시점을 고려하여 타설 10분 후 측정 결과를 분석하였다.

4. 실험 결과 및 분석

콘크리트 재료분리 평가를 위해 제작된 원기둥 타입 전기비저항 측정 시스템을 통해 획득된 결과는 다음과 같다. 각 배합의 총 3번 실험을 통해 평균 결과로 정리되었으며, 측정된 전기비저항 값은 Table 3에 정리하였다. 몰드 상부 측정 결과 대비 몰드 하부의 콘크리트 전기비저항 측정 비율은 Table 4에 정리하였다. 혼화재를 사용하지 않은 S0 샘플의 경우 상･하부 전기비저항의 차이는 0.1 % 미만으로 유사하게 측정되었으며, 예상과 같이 유동화제 첨가량에 따라 상･하부 전기비저항의 차이가 크게 발생하였다. 플라이애시가 포함된 배합 역시 하부 전기비저항 값의 증가로 나타났으며, 동일한 플라이애시가 포함된 배합에서도 유동화제 사용량 증가에 따라 급격히 상･하부 전기비저항 차이를 발생시켰다. Fig. 7은 A, B, C 그룹별 유동화제 사용량에 따른 몰드 상부 대비 하부 전기비저항 증가 비율을 그래프로 나타내었다. 플라이애시가 포함되지 않은 배합에서 유동화제 1 % , 2 % 첨가에 따라(S1, S2) 몰드 하부에 최대 8.8 % 전기비저항 상대 증가가 발생하였으며, 그 증가추세는 선형적으로 판단된다. 즉 과도한 유동화제 사용은 콘크리트 재료분리를 발생시키며 이는 콘크리트 상･하부 공극수 변화로 나타난다. 플라이애시가 포함된 배합의 경우 시멘트 대비 15 %, 30 % 배합의 전기비저항 변화 결과가 유사하게 나타났다. 즉 일정량 이상의(약 15 %) 플라이애시 대체 사용은 콘크리트 재료분리에 큰 영향을 미치지는 않는다고 할 수 있다. 그러나 고유동 콘크리트의 플라이애시 사용은 유동화제 사용에 따라 재료분리 발생 정도를 가속 시킬 수 있다. Table 4와 같이 유동화제 1.5 % 사용에도 플라이애시 사용에 따라 최대 29 % 전기비저항 상대 증가가 발생하였으며, 유동화제 사용에 따라 증가 비율이 가속되는 결과로 나타났다. 이는 콘크리트 상･하부 공극수의 과도한 차이를 반영하며, 이러한 경우(S2, S6) 상･하부 콘크리트 배합의 현격한 배합비 차이를 나타내며 양생, 콘크리트 강도 발현, 내구성 등 콘크리트 품질관리 실패로 이어질 수 있다. 즉 시멘트와 달리 구형의 입자 형상의 플라이애시 사용이 재료분리를 가속하는 요인이라 할 수 있다.

Fig. 7. Increased ratio of electrical resistivity at bottom section with increase of superplasticizer

전기비저항 측정에 따른 재료분리 평가 가능성 검증을 위해 전기비저항 측정 후 굵은골재 침하량을 측정하였다. 전기비저항 결과와 비교 분석을 위해 몰드 상･하부 습식체가름 후 굵은골재량을 각각 측정하였으며, 상부 측정 굵은골재 중량 대비 하부 측정 굵은골재 중량 비율은 Table 4에 정리하였다. 모든 배합에서 유동화제 및 플라이애시 증가에 따라 몰드 상부 대비 하부의 굵은골재 중량 비율이 증가하였다. 배합 S1, S2의 하부 굵은골재 비율은 약 16.2 %, 44.7 %로 유동화제 첨가량이 증가함에 따라 몰드 하부 굵은골재 비율이 증가하였다. S3, S4, S5, S6의 하부 비율은 7.4, 19.2, 35.3, 82.3 %로 증가하였으며, S7, S8, S9, S10의 하부 비율은 15.3, 13.4, 31.5, 79.3 %로 증가하였다. 또한, ASTM C1610(2006)⁽³⁾ 재료분리 평가법에 따라 측정된 상･하부 굵은골재 중량으로부터식(2)를 통해 계산된 재료분리율 또한 Table 4에 정리하였다. 예상과 같이 재료분리율 발생 경향은 굵은골재 침하 정도를 따르며 전기비저항 측정 결과와 같이 그룹별 유동화제 사용량에 따른 재료분리율 비교 그래프는 Fig. 8과 같다. 전기비저항 측정 결과와 유사하게 플라이애시가 포함되지 않은 배합(그룹 A)의 경우 플라이애시 포함된 배합에 비해 재료분리가 작게 발생하였다. 유동화제 첨가에 따른 재료분리 발생 정도는 플라이애시 사용 배합에서 현격히 증가하며 15 % 이상 플라이애시 대체 배합 시 1.5 % 이상의 유동화제 사용은 재료분리율 약 60 %로 나타나며 이는 배합실패 결과로 볼 수 있다. 두 실험 비교 결과 전기비저항 증가 비율보다 골재 침하 비율 및 재료분리가 크게 나타나는 결과가 되며, 이 결과로부터 전기비저항 측정 결과가 굵은 골재량 변화 외 모르타르 배합 비율을 포함한 전체 콘크리트 배합의 공극수 변화를 나타낼 수 있는 것으로 판단된다.

Fig. 8. Segregation ratio with increase of superplasticizer

Fig. 9. Correlation between segregation ratio and increased ratio of electrical resistivity at bottom section

동일한 배합의 샘플에서 재료분리 발생에 따른 전기비저항 측정 결과와 ASTM C1610(2006)⁽³⁾에 따른 재료분리율의 그룹별 비교 결과는 Fig. 9에 정리하였다. 재료분리 발생 정도가 증가함에 따라 전기비저항의 증가로 나타나며 유동화제 및 플라이애시 사용에 따른 재료분리 발생 역시 전기비저항 측정으로 재료분리 발생 비율을 평가 할 수 있다. 비록 두 실험 결과의 회귀분석에 따른 관계식을 나타내기는 부족한 실험 결과이나, 본 연구는 혼화재료 사용에 따른 재료분리 발생 확인 및 전기비저항 측정법을 이용한 재료분리 평가 가능성을 확인하기에 충분할 것으로 판단된다. 즉, 습식체가름 및 골재 중량 측정을 위한 과정 없이 전기비저항 측정을 통해 굵은골재 침하 여부를 판단 할 수 있다. 또한, 전기비저항 측정 결과는 모르타르 배합 및 공극수 변화를 반영할 수 있으므로 일반 콘크리트 외 다양한 재료가 사용된 건설재료의 재료분리 평가에 전기비저항 측정법을 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

5. 결 론

기존 콘크리트 정적 재료분리 평가법의 한계점을 보완하여 전기비저항 측정을 이용한 콘크리트 재료분리 평가법을 제안하였다. 제안 측정법의 적용 가능성 판단을 위해 다양한 콘크리트 배합 실험 연구를 수행하였으며, 제안 측정법의 비교 검증을 위해 동일 샘플의 습식체가름에 따른 굵은골재 침하 비율을 측정하였다. 유동화제 첨가에 따라 재료분리 발생 증가 및 전기비저항 측정법을 통한 재료분리 평가 가능성을 확인하였다. 또한, 유동화제와 함께 플라이애시 치환이 재료분리를 가속 시킬 수 있으나 일정 비율 이상의 플라이애시 치환은 재료분리 발생에 큰 영향이 없는 것으로 판단되었다. 전기비저항 재료분리 평가기법은 기존의 재료분리 측정법에 비해 굵은골재 침하 비율을 상대적으로 과소평가할 수 있으나 제안된 평가법은 굵은골재 침하 비율 및 블리딩 등 콘크리트 타설 시 재료 전체의 배합분리를 반영할 수 있으므로 다양한 배합이 적용되고 있는 고성능 콘크리트의 정적 재료분리 평가법으로 활용 가능할 것으로 판단된다.