1. 서론

 

풀 샌드위치 구조형태 침매함의 강 커버 내부에 충전하는 콘크리트는 고유동 콘크리트를 대체하여 이용하기 때문에 연구에서는 내부 진동기에 작업시 반드시 필요한 충전성과 경화품질을 발휘할 수 있는 [중유동 콘크리트(강 콘크리트 샌드위치구조 등의 합성구조에 이용하는 경우 진동 병용 형 충전 콘크리트를 칭함)]를 개발하였다. 이 콘크리트는 Shin-Wakado도로의 침매 터널을 비롯하여 많은 실적을 가지고 있다. 사용되는 중유동 콘크리트는 고로시멘트 B종, 물 시멘트 비 40%정도이며, 슬럼프 플로우는 500㎜이다. 자기 충전성은 고유동 콘크리트에 비해 떨어지나, 금액이 저가로 고유동 콘크리트와 동등의 높은 충전성을 발휘할 수 있다. 이 중유동 콘크리트는 풀 샌드위치 구조 침매함 뿐 만 아니라 오픈 샌드위치 콘크리트 구조 침매함과 고밀도 배근을 가진 일반 항만 구조물에 폭 넓게 적용된다. 관련 중유동 콘크리트의 품질과 시공성에 대한 연구는 많이 보고되고 있으나, 해양환경에서의 장기 내구성에 관하여 검토된 예는 적다.

이 연구에서는 중유동 콘크리트가 침매함 용도의 충전 콘크리트로 사용된 사례뿐 만 아니라 직접 해수에 접하는 환경을 예상하여 만들어진 공시체를 실제 해양환경에 장기간(10년간) 폭로하였다. 시험은 역학구성·염화물 이온 침투성·세공경 분포 측정 등을 실시하고 해양환경에서의 장기 내구성 및 촉진 환경을 확인 한 것이다.

 

 

그림 1. 침매함 강재 커버 제작

2. 실험 개요

 

중유동 콘크리트 장기 내구성을 검토하기 위해, 공시체를 제작하고, 해양환경의 폭로를 실시하였다. 풀 샌드위치 구조 침매함의 강 커버 내부에 타설 할 때는 진동의 유무에 따른 차이도 확인하였다.

공시체는 ø150xH300㎜, ø100xH200㎜의 원형 공시체와 150x150x530㎜의 각형 공시체를 제작하였다. 사용재료와 콘크리트 배합은 표1과 표2에 나타냈다.

 

● RC공시체 : 공시체는 사이즈 150x150x530㎜, 단면이 정방형의 각주 형태로, 측면의 50㎜, 30㎜ 위치에 철근 역할의 원형봉(ø9㎜)을 매립하였다.

● 합성구조 공시체 : 공시체는 RC공시체와 동일한 각주 형태이나, 공시체 측면에 강 커버 역할의 강재 (t=9㎜)를 배치하고, 강재 외측 표면에는 방청 도장을 하였다.

 

표1. 사용재료

시멘트	고로시멘트 B종
세골재	Karatu산 (비중2.59, 흡수율 1.750%, 조립율 2.57)
조골재	Kamisocho산 (비중2.70, 흡수율 0.433%, 조립율 6.72)
SP (고성능AE감수제)	폴리 카르본 산 계
AE (AE제)	변성 알킬카르본 산 화합물계열 음 이온 계면활성제

 

표2. 콘크리트 배합

W/C (%)	s/a (%)	단위량(kg/㎥)
		W	C	S	G	SP	AE
40	47.5	170	425	794	915	5.3	0.01

 

● RC공시체 : 공시체는 사이즈 150x150x530㎜, 단면이 정방형의 각주 형태로, 측면의 50㎜, 30㎜ 위치에 철근 역할의 원형봉(ø9㎜)을 매립하였다.

● 합성구조 공시체 : 공시체는 RC공시체와 동일한 각주 형태이나, 공시체 측면에 강 커버 역할의 강재 (t=9㎜)를 배치하고, 강재 외측 표면에는 방청 도장을 하였다.

● 공시체의 폭로환경 : 공시체의 폭로 환경은 [실제 환경 폭로]와 [촉진 폭로]의 2종류이다. 공시체는 콘크리트 타설 후 약 50일 간 습윤 양생하였다. 전기 화학적 시험은 해수폭로 3개월 후, 기타 시험은 기중 존치 3개월 후 시점에 초기값을 측정했다. 촉진 환경 폭로는 해수순환 수조 폭로가 6개월을 경과한 시점에 공시체를 이동하기 시작했다.

- 실제 환경 폭로 (해수 폭로) : 공시체는 연구소 내 해수 순환 수조에서 폭로하였다(사진 1). 해수 순환 수조는 Kanagawa현의 자연해수를 저장시키고 강제적으로 수위변동(2회/일)시켰다. 폭로시험은 2000년 4월 27일 시작하였고 약 10년간 실시하였다.

 

 

사진1. 해수 순환수조 폭로 상황

 

- 촉진 환경 폭로 (촉진 폭로) : 촉진 시험은 습윤 3일, 건조 4일의 1주일을 1사이클로 하고, 고온 해수 침수와 건조를 반복하였다. 공시체는 해수 순환수조 내에서 6개월 해중 폭로하고, 이후에 촉진시험을 실시하였다. 습윤 시 온도는 60℃ 해수에 침수시키고, 건조 시에는 10~15℃의 저온 건조로 하였다. 촉진시험은 2000년 10월 10일 시작하였고, 약 1년간 (54사이클)실시하였다.

● 시험 항목 : 시험 항목은 JIS A1108 [ 콘크리트 압축강도 시험 방법]에 근거한 압축강도 시험. 토목학회기준 JSCE-G [콘크리트의 정탄성 시험 방법]에 근거한 정탄성계수 측정, 인장 강도는 JIS A 1113 [콘크리트의 인장 강도 시험]에 근거하여 측정하였다. 급속염화물 이온 침투 시험은 AASHTO 기준방법 [급속 염화물 이온 침투 시험]법을, 염화물 이온 침투량은 JCI-SC4 (전위차 적정법)에 근거하여 측정하였다. 세공경 분포는 수은 압입법으로 하고 수은 압입폴로시메타를 이용하였다. 자연 전위는 JSCE-E601 [콘크리트 구조물에서의 자연전위 측정 방법]에 근거하여 측정하였다. 분극 저항의 측정은 교류 인피던스법에 의하여 실시하고 동시에 콘크리트 저항도 측정하였다. 강재의 부식 정도는 JCI-SC1 [콘크리트 중의 강재 부식 평가 방법]에 준하여 실시하였다. 중성화 깊이 측정은 JIS A 1152[콘크리트의 중성화 깊이 측정 방법]에 근거하여 실시하고, 피카스 경도시험도 실시하였다. 시험에서는 EMPA에 의한 각종 원소분석을 JSCE-G 574-2005 [EMPA법에 의한 콘크리트 중의 원소 면 분석 방법(안)]에 근거하여 실시하였다.

 

3. 중유동 콘크리트의 내구성에 영향을 끼치는 가진의 영향 (폭로 1.5년)

 

중유동 콘크리트의 내구성에 영향을 끼치는 진동의 유무 차이에 대하여 검토하기 위해, 해수 수조에서 해수폭로 1.5년 후의 공시체 및 촉진 폭로 54 사이클 종료 후의 시험체를 사용하였다.

● 역학특성 : 시험 결과는 정탄성 계수에서는 초기값과 비교하여 명확한 차이는 없었으나, 진동을 가한 쪽이 해수 폭로, 촉진 폭로 양쪽에서 약간 큰 값을 나타내었다.

 

 

그림 2. 역학특성 시험결과

 

● 염화물 이온 침투 저항성 : 시험결과는 해수폭로, 촉진폭로 양쪽 모두 대략적으로 [Very low]로 판정되는 영역에 있었다. 그리고 모두 다 초기값 보다 전기량이 적어져 있었다. 원인으로는 초기값의 시험에 사용한 공시체가 3개월 정도 실내에 존치되어 있었던 것에 대하여, 해수 폭로 시험체는 상시 수중에 있었기 때문에 수화가 진행되어 조직이 치밀해진 것으로 사료된다. 염화물 침투량에 대하여는 진동의 유무, 해수 폭로, 촉진폭로에서도 차이는 보이지 않았다.

● 공극 구조 : 세공경 분포의 측정은 염화물 이온 침투량의 측정에 사용한 공시체의 반쪽을 이용하여 실시하였다. 세공용적과 평균세공직경과의 관계에서는 진동을 가하나 하지 않으나 차이는 미세하였다. 거의 동등한 분포 경향을 나타내었다.

● 강재 부식 : 전기 화학적 수법에 의한 강재 부식 상황에서는 부식속도는 0.2㎂/㎠미만으로 부동태 상태 (부식 없음)로 판정되어 콘크리트 내부의 강재 부식은 나타나지 않았다. 이에 반하여 자연전위에서는 90% 이상 부식이 있다는 결과로 판정되었다. 해수중 폭로와 같이 콘크리트가 물에서 포화되어 있는 경우, 부식되어 있지 않음에도 전위 값에서 부식으로 나타나는 경향이 있다. 진동의 유무는 진동을 한 경우가 약간 큰 값을 나타내었다.

폭로 1.5년에 있어서는 압축강도, 정탄성 계수에서 진동을 가 한 경우가 약간 큰 값을 나타내었고, 염화물 이온 침투 저항성에서는 진동의 유무에 의한 차이가 거의 없었다. 또한 콘크리트 속의 세공경 분포에서는 진동의 유무에 의한 차이는 거의 나타나지 않았다. 폭로 1.5년에서는 역학적 특성 이외의 부문에서는 거의 차이가 없음을 확인하였다.

 

4. 중유동 콘크리트의 내구성에 관한 검토 (폭로 10년)

 

중유동 콘크리트의 장기 내구성에 대한 검토를 수행하기 위해 해수 순환 수조에 해수폭로 10년 후의 공시체를 사용하여 실시하였으며, 진동을 가한 공시체 만으로 수행하였다.

● 역학 특성 : 압축강도, 정탄성계수 및 인장강도에 대하여 초기값, 폭로 1.5년 및 폭로 10년 시험결과를 비교하였다. 결과는 ø150㎜ 원주 공시체의 역학적 특징은 해수폭로 10년에는 1.5년 보다 저하하는 경향을 나타내었으나, ø75㎜코아 공시체의 시험결과는 시간경과와 더불어 더 커졌다. 원인으로는 원주 공시체는 전면 해수에 접촉하고 있었으나, 코아 공시체는 직접 해수에 접하지 않았기 때문으로 판단된다.

● 염화물 이온 침투저항성 : 시험 결과로 전기량에 의한 염화물 이온 투과성의 평가에 의하면 10년 경과한 시험체는 [Very Low]로 판단 되었다. 즉, 콘크리트는 매우 우수한 염화물 이온 침투 저항성을 가진다는 것을 알 수 있다. 또한, 이 실험에서는 신속히 평가 가능한 시험방법으로 사용된 급속 염화물 이온 침투시험이 유효한 것을 알 수 있었다.

● 공극 구조 : 초기값과 비교하면 폭로 1.5년 후 및 10년 후의 전세공용적은 크게 감소한 것을 알 수 있었다. 특히 폭로 10년 후에는 0.003 ~ 350㎛ 범위의 세공 용적이 감소하고 있고, 특히 직경 0.003 ~ 0.3㎛범위의 세공 용적이 크게 감소하고 있었다.

● 강재 부식 : 부식속도의 경시변화를 보면 1.5년 후에는 초기값보다 분극 저항이 약간 커지고, 10년 후에서는 1.5년 후와 거의 동등한 값을 유지하고 있다. 염화물 침투량의 측정 결과에 의하면 부식을 발생시키는 충분한 조건임에도 부식속도는 0.1㎂/㎠정도로, 판정 표에 의하면 [부식 없음]으로 평가되었다.

● 콘크리트 표면부의 열화 : 역학특성에 확인된 강도저하의 원인은, 콘크리트 표면의 열화에 의한 것으로 사료된다. 중성화 깊이에 대한 측정 값은 평균 0.4㎜로 매우 작았다. 항상 해수 중에 존치하였기 때문으로 생각된다. 이들 결과로 볼 때 중유동 콘크리트는 항만 구조물에 적절한 것으로 판단되며 철근부식이나, 중성화에 의한 영향은 없다고 생각되었다.

 

5. 결론

 

고로시멘트 B종을 이용한 물시멘트비 40%, 슬럼프 플로우 500㎜의 중유동 콘크리트의 해양 환경에서의 장기 내구성을 10년간의 장기간 폭로시험에 의해 검토한 결과이다.

● 역학특성 : 압축강도는 10년 후에서도 초기강도 (60N/㎟정도)와 동등한 높은 값을 유지하였다. 해수에 접한 부분에서도 극히 표면에서 열화가 발생할 뿐 내부에서는 열화 하기 어려운 조건임을 확인하였다. 더불어 중유동 콘크리트에서의 진동 유무에 의한 차이는 없었다.

● 공극구조 : 결과를 보면 콘크리트 표면부와 비교하여 내부의 조직이 치밀해 진 것을 알 수 있었다.

● 염화물 이온 저항성 : 보고서 내부의 표에 의하면 일반 콘크리트와 비교하여 매우 뛰어난 저항성을 나타내었다.

● 강재부식 : 해양폭로 10년 후의 강재의 부식상황은 눈으로 확인한 결과 부식은 발생하지 않았다.

● 콘크리트 표면부의 열화 : 역학적 강도 저하는 콘크리트 표면부의 열화에 의한 것으로 사료되며 검토 한 결과는 다음과 같다.

- 중성화 깊이 : 10년 후의 중성화 깊이는 평균 0.4㎜였다.

- 각 원소의 농도분포와 열화 관계 : Ca농도와 Mg농도의 관계에 의해 유추하였고, Ca농도 감소 범위에서 세공구조의 치밀화 저하가 발생하여 압축강도에 영향을 끼친 것으로 판단된다. 단 이러한 현상도 콘크리트의 2~3㎜ 범위로 내부에의 영향은 없었다.

- 표면부에서의 열화 깊이 : Vickers hardness시험에 의해 원주 공시체의 표면으로부터 0.7㎜까지 Vickers hardness가 저하된 것을 확인하였다. 결과 콘크리트의 해수에 의한 열화는 극히 표면에 한정 되는 것으로 확인되었다.

이들 결과를 종합하면 중유동 콘크리트 또는 기존 병용형 충전 콘크리트의 항만 RC구조물과 강 콘크리트 합성구조물 등에의 적용성 확대와 구조물의 신뢰성에 기여할 것으로 기대된다.

 

 

 

▣ 원문제목 : 海洋環境における中流動コンクリ？トの長期耐久性に？する？究

 

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

 

요지

1. 서론

2. 실험개요

3. 중유동 콘크리트의 내구성에 영향을 끼치는 가진 영향 (폭로1.5년)

4. 중유동 콘크리트의 장기 내구성에 관한 검토(폭로10년)

5. 결론

6. 후기