2.1 사용재료

2.2 실험 방법

2.2.3 철근부식 촉진 시험체 제작 및 배근

본 연구에서는 철근콘크리트의 부식 거동 및 촉진 실험을 수행하기 위해 ASTM G109(2021) 규격에 의거하여 시험체를 제작하고 실험 환경을 조성하였다. 시험체는 114 mm×152 mm ×279 mm 크기의 직육면체로 제작되었으며, 내부에 1개의 양극 철근(Anode)과 2개의 음극 철근(Cathode)을 배치하였다(Fig. 1). 양극 철근은 시험체 상부 표면으로부터 25 mm의 피복두께를 확보하도록 배근하였으며, 2개의 음극 철근은 하부 표면으로부터 25 mm의 피복두께를 갖도록 대칭 배치하였다. 부식 반응이 발생하는 철근의 유효 노출 면적을 일정하게 제어하기 위해, 콘크리트 외부 노출 구간 및 양극･음극 철근의 양 끝단은 절연 테이프와 에폭시 수지로 코팅 처리하였다. 시험체는 Table 3의 배합비에 따라 혼합된 콘크리트를 타설하여 제작하였으며, ASTM G109에 의거하여 타설 24시간 후 탈형하였다. 이후 항온항습 조건에서 28일간 표준 양생을 실시하였다.

Fig. 1 Schematic overview of specimen geometry

2.2.4 부식 환경 조성 및 모니터링

양생이 완료된 시험체 상부에는 염화물 침투를 유도하기 위한 아크릴 소재의 용액 챔버를 부착하였다. 챔버와 콘크리트 접합부의 누수 방지를 위해 에폭시 및 실리콘으로 정밀 밀봉하였으며, 챔버 내부에는 5 % NaCl 수용액 400 mL를 주입하여 지속적인 염화물 침투 환경을 조성하였다(Fig. 2). 매크로셀(Macro-cell) 부식 조건을 구현하기 위해, ASTM G109(2021) 규정에 따라 상부 양극 철근과 하부 음극 철근 사이에 100$\Omega$의 외부 저항기를 연결하여 회로를 구성하였다. 부식 모니터링은 데이터 로거(Data Logger)를 통해 외부 저항기 양단에 발생하는 전압차를 일정 주기마다 측정하는 방식으로 수행되었다. 측정된 전압과 저항값을 이용하여 옴의 법칙에 따라 매크로셀 전류를 산정하였으며, 산정된 전류를 시간에 대해 적분하여 누적 전하량을 계산함으로써 부식 진행 정도를 정량적으로 분석하였다. ASTM G109(2021) 기반 촉진 부식 평가에서는 누적 전하량이 150 C에 도달할 경우 철근 부식이 활성화되는 환경이 조성된 것으로 판단하고 있다. 따라서 본 연구에서는 누적 전하량 150 C 도달 시기를 기준으로 방청 성능을 평가하였다.

Fig. 2 View of fabricated test specimen

2.3 콘크리트 배합

본 연구에서는 철근 부식 촉진 시험을 위해 ASTM G109 (2021) 규격을 준수하여 콘크리트 배합을 설계하였다. 주요 실험 변수는 W/C와 방청제 혼입 여부로 설정하였으며, W/C는 35 %, 45 % 및 55 %의 세 가지 조건으로 세분화하였다. ASTM G109(2021) 규격에서는 W/C 50 % 이하를 권장하고 있으나, 본 연구에서는 콘크리트의 미세 공극률 증가가 염화물 확산 및 부식 진행 속도에 미치는 영향을 심도 있게 검토하고자 W/C 55 % 조건을 실험 변수에 추가하였다. 이를 통해 높은 투수성 환경에서 방청제의 부식 억제 효율과 공극 구조 변화에 따른 부식 특성을 폭넓게 분석하고자 하였다. AM은 혼합수 질량 기준으로 5, 10, 15 및 20 %를 사용하였으며, SN은 7.5, 15, 22.5 및 30 %를 사용하였다. 또한 방청제는 액상 형태로 투입되었으며, 혼입된 방청제 질량만큼 단위수량에서 차감하여 배합을 설계하였다. 상세한 콘크리트 배합비는 Table 3에 나타낸 바와 같다.

3.1 방청제의 종류 및 혼입률이 굳지 않은 콘크리트의 특성에 미치는 영향

방청제의 혼입이 콘크리트의 초기 작업성 및 공기 연행 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여, W/C 및 방청제 혼입 조건에 따른 슬럼프와 공기량 측정 결과를 Figs. 3~5에 나타내었다.

Fig. 3의 W/C 35 % 조건에서는 Plain 배합의 슬럼프는 63 mm로 측정되었으며, 방청제 혼입 시 65~69 mm의 범위를 나타내어 Plain 대비 소폭 증가하는 경향을 보였다. 이는 액상 방청제가 배합수의 일부를 치환하면서 페이스트의 유동성에 부분적으로 기여한 것으로 판단되나, 증가 폭이 6 mm 이내로 미미하여 유의미한 상관관계는 도출되지 않았다.

Fig. 4 및 Fig. 5에서 W/C 45 % 및 55 % 조건에서도 W/C가 증가함에 따라 슬럼프는 각각 120 mm 이상, 140 mm 이상으로 많이 증가하였다. W/C 45 %에서 방청제 혼입 배합은 129~138 mm, W/C 55 %에서는 140~147 mm 범위를 형성하였다.

이러한 결과는 슬럼프의 증감은 방청제의 혼입 여부나 혼입량보다는 W/C의 변화에 의해 지배되는 것으로 나타났다. 특히 고유동 조건인 W/C 55 %에서는 방청제 종류 및 변수에 따른 차이가 더욱 감소하는 경향을 보였다.

또한 모든 배합 조건에서 공기량 측정 결과, 전 배합에서 약 4.1~4.8 % 범위 내에서 안정적으로 분포하였으며 방청제의 종류나 혼입률 변화에 따른 공기량의 급격한 증감 현상은 관찰되지 않았다. 또한 W/C 수준이 달라져도 공기량은 전반적으로 유사한 범위 내에서 유지되었으며, 방청제 혼입에 따른 뚜렷한 변동 경향은 확인되지 않았다. 이와 같은 결과는 본 연구에서 사용된 AM 및 SN계 방청제가 콘크리트 내부의 기포 구조 형성이나 공기 연행제의 메커니즘에 부정적인 간섭을 일으키지 않음을 알 수 있다. 이는 방청제가 굳지 않은 콘크리트의 기초 물리적 특성에 미치는 영향이 매우 제한적임을 보여준다. 이러한 경향은 유기계 혼화제의 혼입이 굳지 않은 콘크리트의 유동 특성에 영향을 미칠 수 있다고 보고한 기존 연구 결과와 유사한 경향을 나타낸다^{(De Schutter and Luo 2004)}.

Fig. 3 Slump and air content of mixtures at W/C 35 %

Fig. 4 Slump and air content of mixtures at W/C 45 %

Fig. 5 Slump and air content of mixtures at W/C 55 %

3.2 방청제의 종류 및 혼입률에 따른 압축강도 특성

방청제의 종류 및 혼입률 변화에 따른 재령별 압축강도 측정 결과를 Figs. 6~8에 나타내었다. 실험 결과, 동일한 W/C 조건 내에서 방청제의 종류 및 혼입률 변화에 따른 압축강도 편차는 크지 않았으며, 방청제를 사용한 콘크리트는 Plain 콘크리트와 유사한 강도 수준을 나타내었다. 이에 따라 방청제 혼입이 콘크리트의 압축강도 발현에 미치는 영향은 제한적인 것으로 판단된다.

Fig. 6은 W/C 35 % 조건에서의 압축강도 결과이다. Plain 콘크리트의 압축강도는 재령 3일, 7일 및 28일에서 각각 25, 30 및 41 MPa로 측정되었다. 방청제 혼입 배합의 경우, 28일 압축강도는 AM계가 39~44 MPa, SN계가 41~43 MPa 범위로 나타나 Plain 콘크리트와 유사한 수준을 유지하였다. 이는 비교적 낮은 W/C 조건에서도 방청제 혼입이 강도 발현에 큰 영향을 미치지 않음을 보여준다.

Fig. 7 및 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 W/C 45 % 및 55 % 조건에서도 유사한 경향이 확인되었다. W/C 45 % 조건에서 Plain의 28일 압축강도는 38 MPa였으며, 방청제 혼입 배합은 36~39 MPa 범위를 나타내어 큰 차이를 보이지 않았다. W/C 55 % 조건 역시 Plain은 25 MPa, 방청제 혼입 배합은 22~26 MPa 범위로 나타나 유의미한 강도는 관찰되지 않았다. 결과적으로 각 배합의 28일 압축강도는 Plain 대비 대체로 ±2 MPa 내외의 범위에 분포하여, 방청제 혼입에 따른 강도 저하 우려는 크지 않은 것으로 판단된다.

이상의 결과로부터, 본 연구 범위에서 압축강도 발현에 더 지배적인 인자는 방청제의 유무 및 혼입률보다는 W/C인 것으로 판단된다. 또한 일부 배합에서는 아민계 방청제가 아질산염계 방청제와 유사한 수준의 압축강도를 나타내었으며, AM계 및 SN계 방청제는 압축강도 측면에서 큰 성능 저하 없이 적용 가능한 것으로 평가된다. 이러한 경향은 기존 연구에서 보고된 유기계 혼화제의 영향 특성과 유사한 경향을 나타낸다^{(De Schutter and Luo 2004; Tran et al. 2025)}.

Fig. 6 Compressive strength by mixtures type (35 %)

Fig. 7 Compressive strength by mixtures type (45 %)

Fig. 8 Compressive strength by mixtures type (55 %)

3.3 철근 부식 전하량 특성 및 150 C 도달 시기 분석

본 절에서는 W/C, 방청제 종류 및 혼입률에 따른 철근 부식 전하량의 시간적 변화와 부식 거동 특성을 분석하였다. ASTM G109(2021) 기반 촉진 부식 평가에서 널리 활용되는 누적 전하량 150 C를 철근 부식 거동 평가 기준으로 설정하였으며, 배합별 150 C 도달 시점을 Fig. 9에 나타내었다. Figs. 9(a)~(f)는 각각 W/C 35, 45, 55 % 조건에서 AM계 및 SN계 방청제의 혼입 효과를 나타낸다.

모든 시험체의 누적 전하량은 노출 시간이 증가함에 따라 증가하였으나, W/C 조건과 방청제 혼입 여부에 따라 증가 속도 및 150 C 도달 시점에는 차이가 나타났다. 초기에는 염화물 이온 침투와 철근 표면 부동태 피막의 영향으로 전하량 증가가 완만하였으나, 임계 염화물 농도 도달 이후 피막이 파괴되면서 전하량이 급격히 증가하였다. 이는 ^Tuutti(1982)가 제시한 철근 부식의 개시 및 진전 단계와 유사한 경향으로 판단된다.

Plain 시험체의 경우 W/C가 증가할수록 누적 전하량 증가 속도가 빨라지고 150 C 도달 시점은 앞당겨졌다. 150C 도달 시점은 W/C 35 %에서 약 114일, W/C 45 %에서 약 102일, W/C 55 %에서 약 88일로 나타났다. 이는 W/C 증가에 따라 공극 구조의 연결성이 증가하고, 염화물 이온의 침투 저항성이 저하되었기 때문으로 해석된다.

방청제 혼입 시험체에서는 모든 W/C 조건에서 Plain 대비 누적 전하량 증가가 완화되고 150 C 도달 시점이 지연되었다. 또한 혼입률이 증가할수록 전하량 증가율은 감소하였으며, 아민계 방청제는 AM-20, 아질산계 방청제는 SN-30 조건에서 가장 늦은 150 C 도달 시점을 나타냈다.

각 W/C 조건에서 방청제 적용 배합의 150 C 도달 시점은 W/C 35 %에서 약 131~166일, W/C 45 %에서 약 124~156일, W/C 55 %에서 약 108~137일 범위로 나타났다. 특히 W/C 55 % 조건에서는 Plain 대비 지연 폭이 상대적으로 크게 나타나, 불리한 W/C 조건에서도 방청제 혼입이 누적 전하량 증가 억제 및 부식 개시 지연에 기여할 수 있음을 확인하였다^{(Ormellese et al. 2006; Bolzoni et al. 2022)}. 따라서 방청 성능은 방청제 종류 및 혼입률뿐만 아니라 W/C 조건을 함께 고려하여 평가할 필요가 있다.

Fig. 10과 Fig. 11은 W/C 조건별 방청제 혼입률과 150 C 도달일 사이의 관계를 회귀분석한 결과이다. Fig. 10에 AM계의 경우, W/C 35 %, 45 % 및 55 % 조건에서 결정계수(R²)가 각각 0.9627, 0.9263 및 0.9397로 산출되어 모든 조건에서 높은 선형성을 나타내었다. 또한 동일한 방청제 혼입률 조건에서는 W/C가 낮을수록 150 C 도달일이 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 11에 제시된 SN의 실험 결과에서도 W/C 35 %, 45 % 및 55 % 조건의 R²가 각각 0.9924, 0.9717 및 0.9077로 나타나 전반적으로 높은 선형 관계가 확인되었다. W/C 35 %와 45 % 조건에서는 혼입률 증가에 따른 부식 개시 지연 경향이 비교적 일관되게 나타났다. 반면, W/C 55 % 조건에서는 전반적인 지연 경향은 유지되었으나, W/C 35 % 및 45 % 조건에 비해 상대적으로 낮은 결정계수를 보여 데이터의 분포가 다소 크게 나타났다.

이상의 결과를 종합하면, 철근의 부식 개시 억제 효과는 방청제 혼입률과 W/C의 영향을 동시에 받는 것으로 판단된다. 방청제 혼입률이 증가할수록 150C 도달 시점은 지연되었으며, 동일 혼입률 조건에서는 W/C가 낮을수록 그 효과가 더욱 크게 나타났다. 이는 W/C와 방청제 혼입률이 부식 개시 시점에 복합적으로 작용한 결과로 사료된다.

따라서 낮은 W/C 설계와 방청제 혼입을 병행하는 것은 해양 환경 콘크리트 구조물의 부식 저항성 향상에 유효한 방안이 될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 표준사용량 조건에서 AM이 SN 대비 소폭 우수한 부식 개시 지연 성능을 나타낸 점은, 아민계 유기방청제의 활용 가능성을 보여주는 결과로 사료된다^{(Bolzoni et al. 2022; Agrawal et al. 2024)}.

이와 같은 경향을 정량적으로 비교하기 위하여, W/C 45 % 조건에서 방청제 혼입률과 150 C 도달일 사이의 관계를 회귀분석한 결과를 Fig. 12에 나타내었다. AM과 SN 모두 혼입률이 증가할수록 150 C 도달일이 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 방청제 투입량의 증가에 따라 철근의 부식 거동이 지연됨을 의미한다. 회귀분석 결과, 혼입률과 150 C 도달일 사이에는 높은 선형성이 나타났으며, R²은 AM과 SN에서 각각 0.9263 및 0.9717로 산정되었다. SN은 AM보다 다소 높은 결정계수를 보여, 혼입률 증가에 따른 150 C 도달 시점 지연 효과가 더 일정한 선형적 경향을 나타내는 것으로 판단된다.

AM은 혼입률 5, 10, 15 및 20 %에서 각각 127, 138, 145 및 154일에 150 C에 도달하였으며, SN은 0, 7.5, 15, 22.5 및 30 %에서 각각 102, 124, 134, 146 및 156일에 도달하였다. 다만, AM과 SN은 제조사별 화학적 조성 및 표준사용량 체계가 상이하므로, 동일 혼입률에 의한 단순 비교보다는 각 방청제의 표준사용량을 기준으로 성능을 평가하는 것이 타당하다. Fig. 12에 표시한 적색 기준선에 따라 표준사용량 조건을 기준으로 살펴보면, AM의 표준사용량 10 %에서는 138일, SN의 표준사용량 15 %에서는 134일에 150 C에 도달하는 것으로 나타났다. 표준사용량 기준에서 AM은 SN과 유사한 수준의 부식 억제 성능을 나타내었으며, 일부 조건에서는 150 C 도달 시점이 다소 지연되는 경향을 보였다. 일반적으로 아질산염계 방청제는 NO₂ ^- 이온이 철근 표면에서 Fe²⁺를 산화시켜 안정적인 부동태 피막 형성을 유도하는 양극 반응 억제 메커니즘을 가지는 것으로 알려져 있다. 반면 아민계 방청제는 철근 표면에 유기 흡착층을 형성하여 염화물 이온의 접근을 억제하고, 산화 및 환원 반응을 동시에 저감하는 혼합형 억제제로 작용한다. 본 연구에서 AM이 일부 조건에서 SN과 유사하거나 다소 우수한 150 C 도달 지연 특성을 나타낸 것은 이러한 흡착 기반의 부식 억제 메커니즘이 실제 실험 결과에 반영된 것으로 판단된다^{(Ormellese et al. 2006; Bolzoni et al. 2022)}.

Fig. 9 Cumulative charge versus exposure time according to inhibitor type and W/C

Fig. 10 Time to reach 150 C as a function of AM inhibitor content for various W/C ratios.

Fig. 11 Time to reach 150 C as a function of SN inhibitor content for various W/C ratios.

Fig. 12 Time to reach 150 C according to the corrosion inhibitor content for specimens with 45 % W/C