1. 개요

 

아이오와(Iowa)주를 포함하여 북부에 위치한 주들에서 겨울철동안 눈과 얼음이 존재한다는 것은 공공의 안전과 교통 효율성 관련 많은 문제를 야기시킴. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 제빙제(deicing product)를 선정하는 것은 중요함. 얼음에 대해 효과적인 동시에 도로포장 및 환경에 유해하지 않은 이상적인 제품을 찾기 위한 노력이 계속되고 있음.

 

Ossian Season One이라는 제빙제가 포틀랜드 시멘트 콘크리트 포장배합에 미치는 영향을 연구하기 위해 실험실 프로그램이 수행되었음. 다음의 내용에 대해 평가가 수행되었음:

 

·         콘크리트에 대한 손상
·         미끄럼 저항(skid resistance)에 대한 영향
·         콘크리트에 대한 씰링(sealing) 효과

 

이 연구의 결과에 기반하여, 수집된 데이타에 의하면 모든 경우에 Ossian Season One의 영향은 받아들여질만하거나 이익이 되는 것으로 나타남.

 

·         동결 해빙(freezing thawing)하에서 질량의 감소는 물과 같았고 소금 용액보다 나았음.
·         동결 해빙하에서 강도의 감소는 물과 비슷했고 소금 용액보다 나았음.
·         소금 스케일링 이후 시각적 평가는 물과 같았고 소금 용액보다 나았음.
·         마찰력은 테스트된 다른 시스템보다 낮았지만 여전히 받아들여질만한 것으로 여겨짐.
·         다른 시스템과 비교해서 Ossian Season One에 담구었을 때 전기 저항성(electrical resistivity)은 개선되었음.
·         다른 시스템과 비교해서Ossian Season One에 담구었을 때 통기성(air permeability)은 비슷했음.
·         다른 시스템과 비교해서Ossian Season One에 담구었을 때 수착(water sorption)은 개선되었음.

 

2. 실험 연구

 

Ossian Season One의 효과는 보통물과 일반적으로 사용되는 다른 두 제빙 화학물인 염화나트륨(sodium chloride)과 염화칼슘(calcium chloride)과 비교하여 평가되었음.

 

배합(Mixture)

 

일반적인 포장 배합을 나타내는 콘크리트 배치가 준비되었음. 통제 변수는 다음을 포함하였음.

 

·         바인더 형태(binder type) ？ 타입 I 포틀랜드 시멘트
·         시멘트 함량 ？ 565 lbs/yd3
·         시멘트/물 비율 ？ 0.45
·         조골재 - 1인치 최대 골재 크기 석회석
·         세골재 ？ 규산질(siliceous) 강 모래
·         공기 함량 ？ 5%

 

모든 콘크리트 시험에 대한 시험편은 위에서 언급된 배합으로 준비되었음.

 

새로운 콘크리트에 대한 손상

 

제빙제가 콘크리트 수명에 미칠 수 있는 영향을 평가하기 위해서 두가지 시험이 포함되었음.

 

·         수정된 ASTM C666/SHRP 2 H-205.8: 동결-해빙 조건하에서 콘크리트의 구조적 무결성에 화학적 제빙제가 미치는 영향을 평가
·         수정된 ASM C672/SHRP 2 H-205.9: 콘크리트 표면에 대한 화학적 제빙제의 영향을 평가

 

SHRP 2 205.8 테스트는 2인치의 모르타르 입방체에 대해 수행되었음. 이 방법은 시험편의 질량 손실을 측정함으로써 손상을 정량적으로 평가하는데 사용됨. 시험편은 28일 동안 양생되었음 (몰드에서 1일 + 습윤실에서 화씨73도로 13일 + 50%의 상대습도와 화씨 73도로 14일). 양생 기간의 마지막에 또다른 8개의 입방체가 압축상태로 테스트되었음. 그 후 4개의 표본이 보통물이나 제빙액에 담궈진 스폰지에 올려졌고 10번의 동결-해빙 사이클에 노출되었음. 테스트 용액은 3%의 염화나트륨, 4%의 염화칼슘, 그리고 Ossian Season One을 포함하였음. 각 사이클은 화씨 0도에서 16 ~ 18시간, 화씨 73도에서 6 ~ 8시간으로 구성되었음. 각 표본의 질량은 5번째와 10번째 사이클의 끝에서 기록되었음. 테스트된 시험편의 압축강도(compressive strength)는 10번의 결빙-동결 사이클 후에 측정되었음.

 

SHRP 2 205.9 테스트는 12*12*4인치 콘크리트 판(slabs)에 대해 수행되었음. 판은 28일 동안 양생되었음 (몰드에서 1일 + 습윤실에서 화씨73도로 13일 + 50%의 상대습도와 화씨 73도로 14일). 그 후 동결-해빙 사이클에 대한 환경챔버(environmental chamber)로 옮겨졌음. 각 사이클은 화씨 0도에서 16 ~ 18시간, 화씨 73도에서 6 ~ 8시간으로 구성되었음. 시험편의 표면은 보통물 또는 테스트 용액으로 적셔졌음. 2개의 판이 각 용액에 대해 테스트되었음.

 

미끄럼 저항성

 

미끄럼 저항성 테스트 (SHRP 2 H205.10 / ASTM E 303) 는 브리티시 펜덜럼(British Pendulum)을 사용하여 수행되었음. 이 테스트에서, 추(pendulum)는 수평 위치에서 방출되고 추의 바닥에 있는 고무 슬라이더는 미리 고정된 길이에 대해 코팅된 표면을 스쳐지나감. 솔루션(solutions) 모두가 2개의 테스트 표면을 사용하여 테스트되었음: 하나는 전형적인 콘크리트 표면이고 다른 하나는 SHRP 2 H205.10에서 제안된 것처럼 샌드블라스트된(sandblasted) 유리임.

 

제빙액이 콘크리트에 미치는 씰링효과

 

제빙액이 콘크리트 배합의 투과성에 미치는 영향을 연구하기 위해서 3가지의 다른 테스트가 수행되었음. 4*8인치 원통(cylinders)이 만들어졌고, 14일 동안 습윤 양생되었음. 그 후 각 테스트 용액에 담구어졌음. 14일의 조절(conditioning) 후에 여러 용액의 어떤 효과가 있는지 보기 위해 원통의 압축강도가 결정되었음. 이 테스트에서 압축하중은 고정되지 않은 원통 시험편(unconfined cylindrical specimens)에 대해 부가되었음.

 

표면의 전기 저항성은 28일간의 양생 (14일간의 습윤 양생 + 14일간의 용액 담굼) 후에 웨너 어레이 프로브(Wenner array probe)를 사용하여 측정되었음. 저항성은 콘크리트 투과성의 간접적 지표이긴 하지만 괜찮은 것으로 고려됨. 데이타의 해석은 콘크리트로의 이온 용액 침투가 전도성(conductivity)을 높게 할 수 있다는 사실을 고려해야 함.

 

가스 투과성(gas permeability)은 같은 방법으로 조절된 원통으로부터 자른 1인치 두께의 슬라이스(slices)를 사용하여 결정되었음. 그 후 시험편은 7일 동안 공기에서 건조되었음. 이 케이프타운 대학교 테스트(University of Cape Town test)에서 압축 공기는 콘크리트를 통과하도록 강제되며 투과계수(coefficient of permeability)는 6시간에 걸쳐 고정부피 용기(fixed volume container)에서 압력 강하로부터 측정됨.

 

수착(water sorption)은 원통으로부터 잘린 2인치 두께의 디스크(disks)를 사용하여 결정되었고, ASTM C 1581에 맞추어 테스트되었음. 테스트 시험편은 얇은 수막(thin film of water)에 놓여지기 전에 3개의 표면에서 건조되었고 씰링되었음. 흡수는 주기적으로 질량 변화로써 기록되었고, 흡수율은 개시비율(initial rates) (1분에서 6시간) 과 이차비율(secondary rates) (1일에서 6일) 을 계산하기 위해 사용되었음.

 

3. 결과와 논의

 

신규 콘크리트에 대한 손상

 

2인치 입방체에서 얻어진 동결과 해빙에 의한 질량 손실 데이타는 <표 1>에서 제시됨.

 

<표 1> 사이클의 동결 해빙 테스트 후 질량 감소

	질량 감소, %
	5 사이클	10 사이클
보통물	0.48±0.06	0.51±0.04
3% 염화나트륨	6.90±1.38	8.90±1.13
4% 염화칼슘	2.48±1.37	4.71±2.07
Ossian Season One	0.36±0.11	0.61±0.14

 

값들은 4개 시험편의 평균을 나타냄. 결과가 보여주는 바에 의하면, 염화물 (즉, 염화나트륨과 염화칼슘) 에 노출된 입방체들이 보통물과 Ossian Season One에 비교할 때 상당한 열화(deterioration)를 보임. 시각적 검사는 질량감소 결과와 일치함.

 

입방체의 압축강도는 동결-해빙 사이클 전후에 결정되었음. 그 결과는 <표 2>에서 제시됨.

 

<표 2> 입방체의 압축강도

	압축강도 (psi)
	조절 전	조절 후
보통물	7,460±351	6,792±2,469
3% 염화나트륨		3,996±550
4% 염화칼슘		5,275±1,603
Ossian Season One		7,973±1,571

 

동결-해빙 열화가 모든 시험편에 대해 똑같지 않아서 표준편차(standard deviations)가 상대적으로 높고, 절단면의 차이 때문에 표면 박리(surface scaling)가 테스트 결과에 상당한 영향을 미침. 그럼에도 불구하고, 결과는 시각적 검사와 일치함. 보통물과 Ossian Season One으로 처리된 시험편은 염화나트륨과 염화칼슘 시험편과 비교할 때 더 높은 압축강도를 보임. 이 테스트에서, 조절 전에 결정된 것에 비교해서 더 낮은 압축강도 값은, 시험편이 동결-해빙 사이클의 결과로 열화되었음을 보여줌. Ossian Season One에 노출된 모르타르의 압축강도는 초기값에 잘 비교할만함. 이는 Ossian Season One 적용 때문에 콘크리트에 아무런 손상이 없음을 의미함.

 

50번의 매일 동결-해빙 사이클 후 콘크리트 판의 시각적 평가는 <표 3>에서 제시됨.

 

<표 3> 50번의 동결-해빙 사이클 후 콘크리트 표면 박리

	누적 질량 손실 g/m2 (oz./ft2)	수치적 박리 평가	시각적 평가
보통물	28 (0.1)	0	0
3% 염화나트륨	1,926 (6.3)	4	4
4% 염화칼슘	1,057 (3.5)	3	4
Ossian Season One	17 (0.1)	0	0

 

염화나트륨과 염화칼슘은 표면에서 상당한 박리로 이어진 반면 Ossian Season One에 의한 판은 어떤 박리로 보이지 않음. 보통물도 수치적 박리 평가와 시각적 평가 모두에서 박리가 관찰되지 않음. 평가 기준은 <표 4>에서 제시됨.

 

평가	표면 상태
0	박리 없음
1	매우 미세한 박리 (3mm 깊이, 조골재가 보이지 않음)
2	미세에서 보통 박리 사이
3	보통 박리 (일부 조골재가 보임)
4	보통에서 심각한 박리 사이
5	심각한 박리 (조골재가 모든 표면에 걸쳐 보임)