권성준
(Seung-Jun Kwon)
1iD
고경택
(Kyung-Taek Koh)
2iD
김경철
(Kyong Chul Kim)
3
임광모
(Kwang-Mo Lim)
3
윤용식
( Yong-Sik Yoon)
4†iD
-
한남대학교 토목환경공학과 교수
(Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Hannam University, Daejeon
34430, Rep. of Korea)
-
한국건설기술연구원 건설정책연구본부 한반도인프라연구센터 선임연구위원
(Senior Research fellow, Korean Peninsula Infrastructure Research Center, Department
of Construction Policy Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building
Technology, Goyang 10223, Rep. of Korea)
-
한국건설기술연구원 건설정책연구본부 한반도인프라연구센터 수석연구원
(Senior Researcher, Korean Peninsula Infrastructure Research Center, Department of
Construction Policy Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology,
Goyang 10223, Rep. of Korea)
-
한국건설기술연구원 건설정책연구본부 한반도인프라연구센터 박사후연구원
(Post Doctoral Researcher, Korean Peninsula Infrastructure Research Center, Department
of Construction Policy Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building
Technology, Goyang 10223, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
겉보기 염화물 확산계수, 통과전하량, 상관관계, 해양 폭로 조건, 촉진 염화물 확산시험
Key words
apparent chloride diffusion coefficient, passed charge, the condition of marine environment exposure, rapid chloride penetration test
1. 서 론
콘크리트 구조물의 사용 기간이 증가함에 따라 내부 공극으로 다양한 열화 인자가 유입되어 성능저하가 발생한다(Metha and Monteiro 2009). 콘크리트 구조물의 대표적인 내구성능 저하 현상으로는 염해, 탄산화, 동결융해, 알칼리 골재 반응, 황산염에 의한 침식 등이 있으며, 4계절이 뚜렷하고
삼면이 바다로 둘러싸여 있는 환경적·지리적 영향으로 인해 우리나라에서는 동결융해와 염해에 대한 콘크리트 구조물의 피해가 꾸준히 보고되고 있다(Kirpatrick et al. 2002; Moon et al. 2002).
특히 염해는 콘크리트 구조 내부로 염화물 이온이 침투 및 확산하여 발생하는 현상으로 내부 보강재의 부식을 야기하여 최종적으로 구조적 문제를 야기한다.
특히 동절기에는 제설제의 빈번한 사용과 동결융해와의 복합 작용으로 인해 콘크리트 구조물의 피해가 더욱 극심해진다(Oh 2009; Yoon et al. 2018; Qu et al. 2022).
이러한 염해에 의한 콘크리트 구조물의 성능 저하를 제어하고자 재료 분야에서는 철근의 에폭시 코팅, 실리케이트 함침제 사용, 혼화재료 혼입 등이 연구되어
왔으며, 그중 고로슬래그 미분말(GGBFS: Granulated Ground Blast Furnace Slag)이나 플라이애시(FA: Fly Ash)를
시멘트의 대체 자원으로 사용하는 방안은 공학적, 경제적으로 우수성이 입증되어왔다(Nath and Sarker 2011; Yoon et al. 2017; Yang et al. 2018; Kim et al 2019; Qu et al. 2022).
일반적으로 콘크리트의 염해 내구성능 평가는 촉진 염화물 확산 시험 방법(Rapid Chloride Penetration Test)과 장기 염수 침지
방법에 의해 수행된다(KCI 2021). ASTM C 1202, NT BUILD 492와 같은 전기적 촉진 시험 방법은 시험 방법이 간단하고 짧은 시간 내에 염해 내구성능을 평가할 수
있는 장점이 존재하나, 염소 이온의 이동을 전기적으로 촉진시키므로 해당 시험의 결과로 내구성능을 예측하는 경우 매우 보수적인 결과가 발생한다(Yoo 2010; Lee and An 2012; Yoon 2021). 염수 침지나 옥외 환경 장기 노출을 통한 콘크리트 시편의 염해 내구성능 평가 시, 실제 옥외 환경에서의 염해 내구성능을 평가할 수 있다는 장점이
존재하지만 촉진 시험 대비 복잡한 시험 방법과 최소 6개월 이상의 시험 기간이 소요되는 단점이 존재한다(Jung et al. 2018). 옥외 해양 환경 폭로 시험의 이러한 단점으로 인해 콘크리트의 염해 내구성능 평가는 대부분 촉진 염화물 확산 시험을 통해 수행되고 있으며 장기 염수
침지 실험 결과와 촉진 염화물 확산 시험 결과 간의 상관성 분석에 관한 연구 결과가 존재하지만 일반적인 침지조건만을 고려하고 배합특성을 고려하지 못하는
등 매우 제한적인 상황이다(JSCE 2007; Polder et al. 2007; Seo et al. 2017).
따라서 본 연구에서는 OPC, GGBFS, FA 콘크리트를 대상으로 장기 해양 환경 폭로 시험을 수행한 시험 결과와 실내 촉진 염화물 확산 시험을
수행한 선행 연구의 결과를 인용하여 두 시험 결과 간의 상관관계를 분석하였다(Yoon et al. 2022a; Yoon et al. 2022b; Yoon et al. 2023). 장기 해양 환경 폭로 시험에서는 총 5년의 노출 기간을 고려하여 해수에 침지되는 조건, 조수간만의 영향을 받는 조건, 비래 염분의 영향을 받는
조건을 노출 조건으로 고려되었으며 촉진 염화물 확산 시험에서는 재령 6년까지 ASTM C 1202 시험 방법에 따라 통과 전하량이 분석되었다. 또한
본 연구에서는 배합 특성과 노출 및 재령일을 고려한 겉보기 염화물 확산계수와 통과 전하량 간의 상관성 분석을 위해 다중 선형 회귀분석을 수행하였다.
2. 통과 전하량과 겉보기 염화물 확산계수 간의 상관성 분석을 위한 콘크리트 배합
본 연구에서는 촉진 염화물 확산 시험 결과와 장기 해양 환경 폭로 시험 결과 간의 상관성 분석을 위해 선행 연구에서 수행된 시험 결과를 인용하였다(Yoon et al. 2022a; Yoon et al. 2022b; Yoon et al. 2023). 본 연구에서 인용한 선행 연구에서는 Table 1과 같이 총 12가지 콘크리트 배합을 대상으로 염해 내구성능 평가를 수행하였다. 또한 Table 2에는 사용 골재의 특성을 Table 3에는 사용된 감수제의 특성을 나타내었다. 본 연구에서 사용한 Polycarbonic Acid계 감수제는 기존의 Naphthalene계 감수제보다 슬럼프
유지성능이 우수할 뿐만 아니라 조기 강도 발현에 유리한 특성을 갖고 있다(Lee et al. 2004).
Table 1 Concrete mixture for this study (Yoon et al. 2022a; Yoon et al. 2022b; Yoon et al. 2023)
|
|
W/B (%)
|
Unit weight (kg/m3)
|
S.P
(%)
|
|
W
|
C
|
GG
BFS
|
FA
|
S
|
G
|
|
OPC
|
37
|
168
|
454
|
0
|
0
|
767
|
952
|
1.1
|
|
42
|
168
|
400
|
0
|
0
|
787
|
976
|
1.0
|
|
47
|
168
|
357
|
0
|
0
|
838
|
960
|
0.95
|
|
GGBFS
30
|
37
|
168
|
318
|
136
|
0
|
762
|
946
|
1.3
|
|
42
|
168
|
280
|
120
|
0
|
783
|
972
|
1.1
|
|
47
|
168
|
250
|
107
|
0
|
835
|
956
|
1.0
|
|
GGBFS
50
|
37
|
168
|
227
|
227
|
0
|
760
|
943
|
1.4
|
|
42
|
168
|
200
|
200
|
0
|
780
|
969
|
1.2
|
|
47
|
168
|
179
|
179
|
0
|
832
|
853
|
1.1
|
|
FA30
|
37
|
168
|
318
|
0
|
136
|
745
|
952
|
1.4
|
|
42
|
168
|
280
|
0
|
120
|
768
|
953
|
1.2
|
|
47
|
168
|
250
|
0
|
107
|
820
|
939
|
1.0
|
Notes: S: sand; G: gravel; S.P: super plasticizer: GGBFS: ground granulated blast
furnace slag; FA: fly ash; OPC: ordinary Portland cement
3. 염해 내구성능 평가 방법
3.1 장기 해양 환경 폭로 시험 방법
3.1.1 해양 환경 폭로 조건
본 연구에서 인용한 선행 연구에서는 경기도 안산시 소재의 옥외 폭로 시험장에 OPC, GGBFS, FA 콘크리트 시편을 존치시킴으로써 염화물 확산
거동을 분석하였다(Yoon et al. 2022a; Yoon et al. 2022b). 해당 시험장은 KS D ISO 11306에 준하여 해수에 침지되는 침지 조건, 조수간만의 영향을 받는 간만 조건, 비래 염분의 영향을 받는 비말
조건이 조성되었으며, 옥외 폭로 시험장에서 측정된 해수의 염소 이온 농도는 약 3.0~3.3 %로, 대기 중 염소 이온의 농도는 24~81 psu(Practical
Salinity Unit)로 나타났다. 또한 해양 환경 노출 시험 기간 동안 시험장의 월평균온도는 –2.2~25.8 °C, 습도는 66.0~91.5
%로 측정되었다. 옥외 폭로 시험장의 모식도 및 전경을 Fig. 1에 나타내었다(KATS 2009).
Fig. 1 Schematic and whole views of marine environment exposure test site
3.1.2 염화물 프로파일 평가를 통한 겉보기 염화물 확산계수 분석 방법
선행 연구에서는 조건 별로 목표 기간까지 옥외 노출 시험을 수행한 후 산-가용성 시험 방법에 준하여 콘크리트 시편의 깊이별 염화물 프로파일을 평가하였다.
시멘트 조직 내에 있는 총 염화물량은 산-가용성 염화물량과 비슷한 수준으로 알려져 있다(KATS 2017). 조건 별 3회씩 염화물량을 평가한 후 이들의 평균 값을 통해 겉보기 염화물 확산계수를 도출하였다. 염화물 프로파일 평가 전경을 Fig. 2에,
평가된 염화물 프로파일을 기반으로 Fick’s 2nd 법칙에 준하여 선형회귀분석을 통해 각 조건별 겉보기 염화물 확산계수를 도출하는 플로우 차트를
Fig. 3에 나타내었다(Yoon et al. 2022a).
Fig. 2 The process for evaluation of chloride profile
3.2 촉진 염화물 확산 시험 방법
선행 연구에서는 재령 6년까지 양생된 OPC, GGBFS, FA 콘크리트를 대상으로 ASTM C 1202에서 제안하는 시험 방법에 따라 통과 전하량을
평가하였다(Yoon et al. 2023). 이 시험 방법은 본질적으로 콘크리트 시편의 염화물 이온 침투 저항성을 평가하는 시험방법으로 알려져 있으며, 결과 값인 통과 전하량을 통해 촉진
염화물 확산계수를 경험식으로 도출할 수 있다(Berke and Hicks 1994; ASTM 2005).
직경 100 mm, 높이 200 mm의 원주형 공시체를 두께 50 mm으로 절단 후 측면에 에폭시를 도포하였다. 에폭시가 도포된 디스크 시편을 대상으로
Cell Ⅰ(음극)에는 3 %의 염화나트륨(NaCl) 수용액을, Cell Ⅱ(양극)에는 0.3 M 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 적용하여 6 시간동안
60 V의 전압을 인가하였다. 통과 전하량 평가 전경을 Fig. 4에 나타내었다. 전압을 인가하는 동안 30분 간격으로 통과 전류 값을 측정하여 아래의 식 (1)을 통해 통과 전하량을 산출하였다. ASTM C 1202 (2005)에서는 Table 4와 같은 기준을 통해 통과 전하량으로 콘크리트의 염화물 확산 저항성을 평가한다(ASTM 2005).
여기서, $Q$는 통과 전하량(Coulomb)을 나타내고 있으며, $I_{x}$는 $x$분에서의 전류 값(A)을 나타낸다.
Fig. 4 Photograph showing the evaluation of passed charge according to ASTM C 1202
Table 4 Evaluation standard of rapid chloride penetration test (RCPT; ASTM 2005)
|
Total passed charge (Coulomb)
|
Chloride ions permeability
|
|
> 4,000
|
High
|
|
2,000~4,000
|
Moderate
|
|
1,000~2,000
|
Low
|
|
100~1,000
|
Very low
|
|
< 100
|
Negligible
|
4. 해양 환경 폭로 시험 결과와 촉진 염화물 확산 시험 결과 간의 상관관계 분석
4.1 장기 해양 환경 폭로 시험 결과 분석
본 절에서는 장기 해양 환경 폭로 시험에 의한 겉보기 염화물 확산계수와 실내 촉진 염화물 확산시험에 의한 통과 전하량 간의 상관성 분석을 위해 먼저
겉보기 염화물 확산계수의 분석을 수행하였다. 분석된 겉보기 염화물 확산계수 결과는 선행 연구에서 인용하였으며 노출 조건, 배합 조건 및 노출 기간을
고려하여 분석하였다(Yoon et al. 2022a; Yoon et al. 2022b).
4.1.1 해수에 침지되는 해양 환경 폭로 조건
선행 연구에서 분석된 해수에 완전히 침지되는 폭로 조건에서 평가된 겉보기 염화물 확산계수 평가 결과를 아래 Fig. 5에 나타내었다(Yoon et al. 2022a; Yoon et al. 2022b). 노출기간 180일에서는 OPC, FA30, GGBFS30, GGBFS50 콘크리트 순으로 겉보기 염화물 확산계수가 분석되었으며, 배합 간 확산계수의
차이가 큰 폭으로 발생하였다. 그러나 재령일이 감소하면서 그 차이는 점차 감소하였으며 최종 재령일 기준으로 OPC 콘크리트 대비 GGBFS30 콘크리트에서는
84.0~86.1 %, GGBFS50 콘크리트에서는 70.8~81.4 %, FA30 콘크리트에서는 87.3~97.7 %의 확산계수를 나타내었다(Yoon et al. 2022a; Yoon et al. 2022b).
각 배합의 직전 재령일 대비 겉보기 염화물 확산계수의 감소율을 평가하면 Fig. 6과 같다. 확산계수의 감소율 평가 결과, 물-결합재 비의 증감에 따른 거동은 확인할 수 없었다. GGBFS를 혼입한 콘크리트에서는 재령일이 증가함에
따라 직전 재령일 대비 확산계수의 감소율이 감소하였으며, OPC 및 FA30 콘크리트에서는 일부 재령일에서 증가하였다. 겉보기 염화물 확산계수 크기가
재령 730일 및 1,095일 이후 큰 감소를 나타내지 않기 때문에 적은 변화에도 감소율이 크게 변화한 것으로 판단된다. 또한 GGBFS를 혼입한
콘크리트에서는 재령 730일까지는 34.8~59.4 %의 감소율이 평가되었으며, 1,095일부터 감소율이 크게 저하되며 일정한 수준을 나타내고 있다.
OPC 및 FA30 콘크리트에서는 재령 1,095일까지는 37.6~68.9 %의 감소율을 나타내고 이후 감소율이 일정 수준으로 유지되었다.
또한 Fig. 5의 시험 결과를 거듭 제곱근 형태로 회귀분석 후 제곱근의 크기를 비교하여 배합마다 전체 노출기간이 염화물 확산 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 제곱근의
크기를 W/B별로 평균으로 고려하면 Fig. 7과 같다. FA 콘크리트는 OPC 콘크리트와 GGBFS 콘크리트의 중간 정도 값을 나타내었으며, GGBFS30과 GGBFS50 콘크리트 간에는 큰
차이가 발생하지 않았다.
Fig. 6 The decrease rate of apparent chloride diffusion coefficient compared to previous
aged days in submerged area
Fig. 7 The comparison of square root by regression analysis (submerged area)
4.1.2 해수의 조수간만 적용 조건
본 절에서는 선행 연구에서 평가한 조수간만의 영향을 받는 조건을 고려한 겉보기 염화물 확산계수 평가 결과를 분석하였다. 조수 간만의 영향을 고려한
OPC, GGBFS, FA 콘크리트의 겉보기 염화물 확산계수 평가 결과를 Fig. 8에 나타내었다(Yoon et al. 2022a; Yoon et al. 2022b).
간만대 조건에서는 침지대와 비슷한 수준의 겉보기 염화물 확산계수가 평가되었다. 이는 조수간만의 영향에 의해 시편의 표면에 해수의 건습이 반복되면서
표면의 염소 이온 농도가 증가함에 기인하는 것이 원인으로 사료된다. 표면의 염소 이온 농도 증가는 시편 내부와의 높은 농도 구배를 만들어 염화물 이온의
내부 확산을 가속화시키는 것으로 알려져 있다(Lee et al. 2017). 또한 이러한 경향은 일반강도의 콘크리트뿐만 아니라 섬유보강 고강도 콘크리트(120, 180 MPa급)에서도 확인되었다(Seo et al. 2017).
평가된 겉보기 염화물 확산계수를 분석한 결과, OPC 콘크리트와 FA30 콘크리트 간에 비슷한 수준의 확산계수가 평가되었으며 GGBFS30, GGBFS50
콘크리트 보다 높은 값의 확산계수가 나타났다. 최종 재령일 기준으로 OPC 콘크리트 대비 GGBFS30 콘크리트에서는 80.3~89.3 %, GGBFS50
콘크리트에서는 69.3~88.2 %, FA30 콘크리트에서는 83.6~92.8 %의 확산계수를 나타내었다(Yoon et al. 2022a; Yoon et al. 2022b).
간만대 조건을 고려하여 각 배합의 직전 재령일 대비 겉보기 염화물 확산계수의 감소율을 평가하면 Fig. 9와 같다. 침지대 조건과 마찬가지로 물-결합재 비의 증감에 따른 거동은 확인할 수 없었으며, GGBFS를 혼입한 콘크리트에서는 재령 730일 이후
감소율이 큰 폭으로 낮아졌다. GGBFS30 및 50 콘크리트에서는 재령 730일까지는 34.0~57.5 %의 감소율이 평가되었으며, OPC 및 FA30
콘크리트에서는 재령 1,095일까지는 30.4~59.8 %의 감소율을 나타낸 후 감소율이 일정 수준으로 유지되었다. 또한 확산계수 평가 결과를 거듭
제곱근 형태로 회귀분석 하여 전체 노출기간이 염화물 확산 거동에 미치는 영향을 분석한 결과를 Fig. 10에 나타내었다. 간만대에서는 침지대 조건 보다 모든 콘크리트에서 노출조건의 영향이 높게 나타났으며, 특히 FA 콘크리트에서는 OPC 콘크리트와 비슷한
수준의 값을 나타내었다.
Fig. 9 The decrease rate of apparent chloride diffusion coefficient compared to previous
aged days in tidal area
Fig. 10 The comparison of square root by regression analysis (tidal area)
4.1.3 비래염분 노출 조건
본 절에서는 4.1.1절 및 4.1.2절과 마찬가지로 선행 연구에서 결과를 인용하여 비래 염분의 영향을 받는 조건에 해당된 OPC, GGBFS, FA
콘크리트의 겉보기 염화물 확산계수를 분석하였다. 비래 염분에 노출된 OPC, GGBFS, FA 콘크리트의 노출 기간을 고려한 염해 내구성능 거동을
Fig. 11에 나타내었다(Yoon et al. 2022a; Yoon et al. 2022b). 비말 조건에서는 침지대 및 간만대 보다 낮은 수준의 확산계수가 평가되었으며 이는 염분의 영향을 가장 간접적으로 받기 때문으로 사료된다. 최종 재령일
기준으로 OPC 콘크리트 대비 GGBFS30 콘크리트에서는 76.8~86.4 %, GGBFS50 콘크리트에서는 48.2.3~60.1 %, FA30
콘크리트에서는 90.0~95.8 %의 확산계수를 나타내었다(Yoon et al. 2022a; Yoon et al. 2022b).
비래 염분 노출 조건을 고려하여 각 배합의 직전 재령일 대비 겉보기 염화물 확산계수의 감소율을 평가한 결과를 Fig. 12에 나타내었다. 침지대 및 간만대 조건에서의 결과와 다르게 GGBFS 30 콘크리트에서 노출 기간 1,095일 이후 감소율이 증가하고 OPC 및 FA30
콘크리트에서는 노출 기간이 증가함에 따라 직전 재령일 대비 감소율이 낮아졌다. 이는 비말 조건에서는 해풍에 의해 염분의 영향을 받으므로 가장 간접적인
노출 조건에 해당되며 일정한 조건에 해당되지 못하여 변동성이 발생한 것으로 보이며 기존 연구에서도 이러한 경향이 확인되었다(Lee and An 2012). 또한 비말 지역의 확산계수는 침지대 및 간만대 조건보다 더욱 낮기 때문에 적은 크기의 확산계수 변동에도 감소율이 크게 변화한 점이 이와 같은 거동의
원인으로 판단된다. 또한 확산계수 평가 결과(Fig. 11)를 거듭 제곱근 형태로 회귀분석 하여 재령일이 염화물 확산 거동에 미치는 영향을 분석한 결과를 Fig. 13에 나타내었다. 비말대에서는 침지대 및 간만대와 다르게 GGBFS50 콘크리트의 제곱근이 GGBFS30 콘크리트의 제곱근보다 크게 나타났다. 비말
조건에서는 콘크리트 시편이 기건 양생 조건에 해당되므로 GGBFS 치환률이 높을수록 장기간의 노출 기간 동안 잠재수경성에 의한 성능 개선이 지속적으로
발생한 것으로 사료된다.
Fig. 12 The decrease rate of apparent chloride diffusion coefficient compared to previous
aged days in splash area
Fig. 13 The comparison of square root by regression analysis (splash area)
4.2 촉진 염화물 확산 시험 결과 분석
본 연구에서는 통과 전하량과 겉보기 염화물 확산계수간의 상관관계를 분석하기 위해 선행 연구에서 평가된 OPC, GGBFS, FA 콘크리트의 통과 전하량
평가 결과를 인용하였다. 해당 시험 결과는 20 °C 항온 수중 양생 조건으로 28일, 49일, 180일, 1년, 2년, 3년, 4년, 5년, 6년의
기간이 고려되었으며, 이를 Fig. 14에 나타내었다(Yoon et al. 2023).
통과 전하량 분석 결과, 모든 배합에서 물-결합재 비가 낮을수록 확보되는 단위 결합재의 량이 많아지므로 낮은 통과 전하량 값이 나타났다. 또한, GGBFS
및 FA 콘크리트에서는 재령일이 증가함에 따라 물-결합재 비의 증감에 따른 통과 전하량 변동 폭이 감소하였으나, OPC 콘크리트에서는 일정 수준을
유지하였다(Yoon et al. 2023). 각 재령일에서 물-결합재 비에 의한 통과전하량의 표준편차를 분석한 결과를 Fig. 15에 나타내었다. OPC 콘크리트는 재령 28일에 1,185 Coulomb에서 2,190일에 692 Coulomb로 약 41 %, GGBFS30 콘크리트는
524 Coulomb에서 49 Coulomb로 약 91 %의 감소를, GGBFS50 콘크리트는 1,207 Coulomb에서 344 Coulomb로
약 72 %의 감소를, FA30 콘크리트는 1,153 Coulomb에서 205 Coulomb로 초기 재령일 기준 최종 재령일에서 약 82 %의 표준편차
감소율을 나타내었다.
4.1절과 같이 Fig. 14의 통과 전하량 평가 결과를 거듭제곱 형태의 회귀 분석을 수행하여 재령일이 각 배합의 통과전하량 감소 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 모든 배합에서
물-결합재비가 높을수록 그 값이 크게 나타났으며, OPC 콘크리트에서는 0.23~0.29, GGBFS30 콘크리트에서는 0.253~0.282, GGBFS50
콘크리트에서는 0.35~0.38, FA 콘크리트에서는 0.34~0.40으로 분석되었다(Yoon et al. 2023). GGBFS50 및 FA30 콘크리트에서 비교적 높은 값이 나타났는데 FA30 콘크리트의 경우 28일 통과 전하량이 다른 배합들 대비 높았기 때문으로
사료된다. 또한 GGBFS 50 콘크리트에서는 최종 재령일인 재령 2,160일에서 가장 낮은 통과 전하량 값을 나타내어 최종적인 감소 폭이 높았기
때문으로 사료된다.
4.3 해양 환경 폭로 조건을 고려한 염화물 확산계수와 실내 촉진 염화물 확산 시험 결과 간의 상관관계 분석
본 절에서는 4.1절 및 4.2절의 OPC, GGBFS, FA 콘크리트의 다수준의 해양 환경 옥외 폭로 시험을 통해 평가된 겉보기 염화물 확산계수와
촉진 염화물 확산 시험에 의한 통과 전하량 결과를 활용하여 두 시험 결과 간의 상관관계를 평가하였다. 상관관계 평가 시 입력 변수로 재령일(해양 환경
노출 기간)과 통과 전하량을, 출력 변수로 겉보기 염화물 확산계수를 설정하였다. 콘크리트의 염해 내구성능은 시간 의존적으로 감소하는 거동을 나타내기에
재령일(노출 기간)을 함께 입력 변수로 고려하였다. 또한 촉진 시험과 옥외 폭로 시험의 동일한 재령일 및 노출 조건을 고려하고자 재령 및 노출 기간
180일~1,825일까지의 시험 결과를 Min-Max 정규화에 적용시킨 후 상관관계를 배합별로 분석하였다.
Fig. 15 The standard deviation of passed charge in ordinary Portland cement (OPC),
ground granulated blast furnace slag (GGBFS), and fly ash (FA) concrete considering
water/binder ratio
4.3.1 해수에 침지되는 폭로 조건의 확산계수와 통과 전하량 간의 상관관계 분석 결과
본 절에서는 OPC, GGBFS, FA 콘크리트의 침지 조건 하에서의 겉보기 염화물 확산계수와 통과 전하량 간의 상관관계를 분석하였으며, 그 결과를
Table 5와 Fig. 16에 정리하였다.
침지대 조건을 고려한 통과 전하량과 겉보기 염화물 확산계수 간의 상관관계 분석 결과, GGBFS30 콘크리트와 FA30 콘크리트는 0.94 이상의
결정계수를 나타내었으며, GGBFS50 콘크리트에서 가장 낮은 결정계수가 평가되었다. 이는 GGBFS50 콘크리트는 재령의 증가함에 따라 겉보기 염화물
확산계수의 감소량이 다른 콘크리트 대비 작아 선형식에 의한 상관성 분석 시 낮은 결정계수를 나타낸 것으로 판단된다.
Table 5의 회귀식에서 재령일의 상수는 겉보기 염화물 확산계수에 재령일이 미치는 정량적인 영향으로 고려할 수 있다. 각 배합의 재령일의 상수를 통해 재령일이
겉보기 염화물 확산계수에 미치는 영향을 비교하면 Fig. 17과 같다.
4.1절 및 4.2절의 분석 결과에 따르면 겉보기 염화물 확산계수는 OPC, FA30, GGBFS30, GGBFS50 순으로, 통과 전하량은 FA30,
GGBFS50, GGBFS30, OPC 순으로 노출 기간 및 재령일의 영향이 나타났다. Fig. 17과 같이 입력 변수로 재령일과 통과 전하량을 함께 고려한 다중 회귀분석을 수행하는 경우 재령일 및 노출 기간의 영향이 OPC, GGBFS30, GGBFS50,
FA30 순으로 평가되었다. 이러한 차이는 본 절의 회귀분석 시에는 재령 180일~1,925일의 통과 전하량이 사용되었고 4.2절에서는 모든 재령일의
결과가 고려되었기 때문으로 판단된다. 또한 재령 180일에서 GGBFS 및 FA 콘크리트는 OPC 콘크리트 대비 큰 폭의 통과 전하량 감소가 발생하였다.
따라서 재령 180일을 기점으로 고려하는 경우 OPC 콘크리트 대비 재령일의 영향이 감소하였으며, 거듭제곱근 형태와 다중 선형회귀 분석 형태 간의
차이도 이러한 경향의 원인으로 사료된다.
Table 5 The relation between passed charge and apparent chloride diffusion coefficient
in submerged area
|
n(Dapp)=a*n(days)+b*n(Q)+c
|
|
|
a
|
b
|
c
|
R2
|
|
OPC
|
-0.441
|
0.559
|
0.236
|
0.845
|
|
GGBFS30
|
-0.310
|
0.715
|
0.207
|
0.945
|
|
GGBFS50
|
-0.252
|
0.873
|
0.054
|
0.752
|
|
FA30
|
-0.217
|
0.813
|
0.132
|
0.963
|
n(Dapp): normalized apparent diffusion coefficient
n(days): normalized exposure and curing days
n(Q): normalized passed charge
Fig. 16 The relation between passed charge and apparent chloride diffusion coefficient
in submerged area
Fig. 17 The comparison of parameter of time considering submerged area
4.3.2 조수간만의 영향을 받는 폭로 조건의 확산계수와 통과 전하량 간의 상관관계 분석 결과
본 절에서는 조수간만의 영향을 받는 간만대 지역에 노출된 콘크리트 시편의 겉보기 염화물 확산계수와 항온 수중 양생된 시편의 통과 전하량 평가 결과
및 재령일(노출 기간) 간의 상관관계를 평가하였다. Table 6과 Fig. 18에 상관관계 분석 결과를 정리하였다.
침지대 조건과 마찬가지로 GGBFS30 및 FA30 콘크리트에서 0.94 이상의 결정계수가 나타났으며, GGBFS50 콘크리트에서 낮은 결정계수가
나타났다. GGBFS50 콘크리트에서는 재령 3년 이후 확산계수와 통과 전하량이 매우 작은 값을 나타내어 선형 회귀분석 시 적은 차이에도 결정계수가
많이 감소하는 것으로 판단된다. 재령일의 상수를 통해 재령일이 겉보기 염화물 확산계수에 미치는 영향을 분석한 결과를 Fig. 19에 나타내었다. 간만대에서는 침지대와 비슷하거나 다소 높은 확산계수를 나타내고 있었으나 재령일의 영향은 침지대 대비 97.7~107.9 %로 비슷한
수준을 나타내었다.
Table 6 The relation between passed charge and apparent chloride diffusion coefficient
in tidal area
|
n(Dapp)=a*n(days)+b*n(Q)+c
|
|
|
a
|
b
|
c
|
R2
|
|
OPC
|
-0.431
|
0.548
|
0.236
|
0.833
|
|
GGBFS30
|
-0.322
|
0.712
|
0.208
|
0.944
|
|
GGBFS50
|
-0.272
|
0.857
|
0.069
|
0.761
|
|
FA30
|
-0.212
|
0.812
|
0.122
|
0.958
|
.
n(Dapp): normalized apparent diffusion coefficient
n(days): normalized exposure and curing days
n(Q): normalized passed charge
Fig. 18 The relation between passed charge and apparent chloride diffusion coefficient
in tidal area
Fig. 19 The comparison of parameter of time considering tidal area
4.3.3 비래염분의 영향을 받는 폭로 조건의 확산계수와 통과 전하량 간의 상관관계 분석 결과
본 절에서는 비래염분의 영향을 받는 비말대 노출 조건에서 평가된 각 콘크리트의 겉보기 염화물 확산계수와 통과전하량 간의 상관관계를 분석하였다. 분석
결과를 Table 7과 Fig. 20에 나타내었다.
비말 조건에서도 침지 및 간만 조건과 같이 GGBFS30 및 FA30 콘크리트에서 높은 결정계수가 나타났다. 재령일의 상수를 통해 재령일이 겉보기
염화물 확산계수에 미치는 영향을 비교하면 Fig. 21과 같다. 비말조건에서는 침지 조건 및 간만조건 과 다르게 OPC 콘크리트를 제외한 나머지 콘크리트에서 비슷한 수준의 상수가 나타났다. 비말 조건에서는
겉보기 염화물 확산계수의 크기가 가장 작고 혼화재료(GGBFS, FA) 혼입 콘크리트 간의 확산계수 차이가 적기 때문에 비슷한 수준의 값이 나타난
것으로 사료된다. 본 연구에서는 다중 선형 회귀분석을 통해 겉보기 염화물 확산계수와 통과전하량 간의 상관성을 분석하여 선형 회귀식의 구조적 한계로
특정 배합에서 비교적 낮은 결정계수가 나타났다. 향후 추가 연구를 통해 머신러닝을 기반으로 다양한 형태를 고려한 다중 회귀분석을 통해 입력변수의 종류를
다양화하고 신뢰도 개선을 수행하고자 한다.
Table 7 The relation between passed charge and apparent chloride diffusion coefficient
in splash area
|
n(Dapp)=a*n(days)+b*n(Q)+c
|
|
|
a
|
b
|
c
|
R2
|
|
OPC
|
-0.582
|
0.459
|
0.385
|
0.815
|
|
GGBFS30
|
-0.267
|
0.787
|
0.188
|
0.954
|
|
GGBFS50
|
-0.259
|
0.897
|
0.084
|
0.801
|
|
FA30
|
-0.269
|
0.812
|
0.174
|
0.965
|
n(Dapp): normalized apparent diffusion coefficient
n(days): normalized exposure and curing days
n(Q): normalized passed charge
Fig. 20 The relation between passed charge and apparent chloride diffusion coefficient
in splash area
Fig. 21 The comparison of parameter of time considering splash area
5. 결 론
본 연구에서는 다 수준의 물-결합재 비가 고려된 OPC, GGBFS, FA 콘크리트를 대상으로 통과 전하량과 겉보기 염화물 확산계수 간의 상관성를
분석하였다. 해양 환경 폭로 조건으로는 해수에 침지되는 조건, 조수간만의 영향을 받는 조건, 비래 염분의 영향을 받는 조건을 고려하였으며 재령일과
통과 전하량을 입력 변수로, 겉보기 염화물 확산계수를 출력 변수로 하는 다중 선형 회귀분석을 수행하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
1) 선행 연구에서 수행한 장기 해양 환경 옥외 폭로 시험 결과에 따르면, 잠재수경성 및 포졸란 반응에 의해 GGBFS 및 FA 콘크리트에서는 OPC
콘크리트 대비 뛰어난 염해 내구성능이 평가되었다. 또한 거듭제곱근 형태의 회귀분석을 통해 노출 기간이 각 배합의 확산계수에 미치는 영향을 분석한 결과,
GGBFS 콘크리트는 모든 노출 조건에서 OPC 콘크리트 보다 노출 기간의 영향을 적게 받았으나, FA 콘크리트의 경우, 높은 초기 확산계수 값에
의해 OPC 콘크리트와 GGBFS 콘크리트의 중간 수준의 영향을 받았다. 또한 조수간만의 영향을 받는 간만대 영역에서는 해수 중에 존재하는 침지대와
동등 이상의 확산계수가 평가되었다. 이는 해수의 건습반복에 의해 표면 염소 이온 농도의 증가가 원인으로 사료되며 따라서 조수간만의 영향을 받는 콘크리트
구조의 경우 유지관리에 있어 주의가 필요할 것으로 판단된다.
2) 해양 환경 폭로 시험에 사용된 콘크리트 시편과 동일한 배합을 대상으로 수행한 통과 전하량 평가 결과에 따르면 해양 환경 폭로 시험 결과와 마찬가지로
GGBFS 및 FA 콘크리트에서 OPC 콘크리트 대비 낮은 통과 전하량 값이 나타났다. 특히 GGBFS 및 FA 콘크리트에서는 물-결합재 비의 변동에
따른 확산계수의 변화가 OPC 콘크리트보다 적고 재령일이 증가함에 따라 그 영향이 감소하는 것으로 분석되었다. 또한 FA30 및 GGBFS50 콘크리트에서는
재령 28일 통과 전하량이 비교적 높기 때문에 거듭저곱 형태의 회귀분석을 통한 분석 결과 재령일이 통과 전하량의 감소에 미치는 영향이 크게 나타났다.
3) 본 연구에서는 선행 연구의 장기 해양 폭로 시험에 따른 겉보기 염화물 확산계수와 촉진 염화물 확산 시험에 따른 통과 전하량 간의 상관관계를 분석하였다.
콘크리트는 시간의존적으로 성능이 개선되는 특성이 있으므로 상관관계 분석 시, 시간(노출 및 재령 기간)을 함께 고려하였다. 모든 노출 조건에서 GGBFS30
및 FA30 콘크리트는 0.94 이상의 높은 결정계수를 나타내었으며, OPC GGBFS50 콘크리트에서는 0.75~0.84의 결정계수 범위를 나타내었다.
다중 선형회귀분석의 구조적 한계로 인해 특정 배합에서는 비교적 낮은 결정계수가 평가된 것으로 판단된다. 향후 추가 연구를 통해 머신러닝 알고리즘을
기반으로 다양한 형태의 회귀분석을 수행하고 입력변수의 종류를 다양화하여 본 연구의 한계를 극복할 계획이다.
감사의 글
본 연구는 과학기술정보통신부 한국건설기술연구원 연구운영비지원(주요사업)사업으로 수행되었습니다(과제번호 20240155- 001, 시장 다변화를
위한 슈퍼콘크리트 고도화 기술 개발).
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