2.1 시험체 제작

시험체 제작을 위한 배합은 Table 1과 같다. 재료물성에 따른 비래염분의 침투 경향을 비교하기 위하여 물-시멘트비 40 %, 50 %, 60 %의 세 가지 배합을 설계하여 제작하였다. 잔골재 비중 2.6, 굵은골재 비중 2.63, 시멘트 비중 3.15인 재료를 사용하였다. 실구조물 현장조건을 반영하기 위하여 타설 후 7일간 수중양생을 실시하였고 상온에서 7일간 추가 기건양생을 실시하여 현장에 설치하였다. 시험체의 크기는 100× 100×100 mm이며, 앞뒤 노출면을 제외하고 나머지 면은 에폭시로 코팅하여 염분 침입을 차단하였다.

2.2 시험체 및 비래염분 포집기 설치

해안거리에 따른 비래염분량 및 비래염분이 실제 콘크리트에 미치는 영향을 검토하기 위하여 Fig. 1과 같이 해안으로부터 10, 100, 200, 500, 1,200, 1,900, 5,000 m 거리에 비래염분 포집기와 콘크리트 시험체를 설치하였다. 콘크리트 시험체는 3종 물-시멘트비 배합별로 3개씩 총 9개를 동일한 높이에 설치하였다.

여기서, 해안거리 10 m의 경우 대상 지역 해안의 최대 만조수위를 기준으로 설정한 거리이므로 실제 비래염분 발생지점은 간조와 만조에 따라 수십 미터 이상 차이가 날 수 있으며, 이것은 서해안 및 남해안의 독특한 특징으로 해안거리의 변화가 거의 없는 동해안과 차이가 있다.

비래염분 포집기는 K3식을 사용하였다. Moon and Lee(2004)⁽¹¹⁾는 일본의 JIS식, 토연식, K1~K3식 포집기에 대한 포집성능을 분석하였으며, 그 결과 K3식 포집기가 포집성능이 가장 우수함을 확인하였다. K3식 포집기는 유입구가 100×100 mm이고 박스 내부에 100×120 mm 포집판이 2개 설치된 포집기로, 포집된 비래염분의 유실을 방지하기 위하여 20 mm 높이의 차단막이 설치되어 있고, 별도의 통풍로 없이 거즈막을 통해 해풍이 유출될 수 있도록 고안되었다.

비래염분의 경우 대기 중의 염분이 콘크리트 표면부에 부착된 후 내부로 침투하기 때문에 강우에 의한 영향이 존재한다(Lee and An 2012)⁽⁶⁾. 따라서 강우에 의한 표면 부착 염분량 소실을 방지하기 위하여 시험체 바닥면과 강우 보호덮개 끝단이 45°를 이루도록 거치대를 설계하여 직접적인 강우를 피할 수 있게 하였다.

2.3 시편 회수 및 분석

5년간의 노출시험이 완료된 시험체는 전량 회수하여 실험실로 이송하였다. 깊이별 침투염화물량을 분석하기 위하여 0~1.5, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 50 mm로 깊이를 구분하여 깊이별 시료 미분말을 채취하였다. 콘크리트의 표면염화물량은 0~1.5 mm 구간에서 측정한 염분량에 해당되며, 다른 구간과 동일한 방법으로 시료를 채취･분석하였다. 표면염분량 분석을 위한 시료 채취를 위하여 가능한 최소한의 깊이에서 시료를 채취하여야 하며, 본 연구에서는 시험체 크기를 고려하여 표면염분량 분석 시료를 채취할 수 있는 깊이를 1.5 mm로 설정하였다. 채취된 시료로부터 KS F 2713(KATS 2017)⁽⁴⁾에 의하여 산-가용성 염분을 추출한 다음, 전위차 적정 방법에 따라 시료에 함유된 전염분량을 측정하였다.

3.1 비래염분량 분석

비래염분량(mg/100 cm²/day; 이하 mdd)은 1일 동안 100 cm² 면적에서 포집되는 염분량을 질량으로 나타낸 것이다. 서해안 고창지역의 비래염분 지역계수(해안거리 100 m 지점의 대표 비래염분량)는 11.4 mdd으로, 동해안 9개 지역 2.2~7.7 mdd, 남해안 8개 지역 0.7~3.5 mdd과 비교해 보면 비래염분량이 매우 높은 지역에 해당한다(Lee et al. 2010)⁽⁵⁾. 따라서 해안 대기 중 비래염분이 콘크리트에 침투하는 영향을 분석하기 위한 중장기 계측을 수행하기에 적절한 환경이다.

서해안 고창지역에서 5년간 측정한 비래염분량을 Fig. 2에 도시하였다. 상대적으로 입자가 크고 무거운 비래염분의 발생으로 인하여 해안거리에 따른 비래염분 감소가 크게 나타났다. 특히 해안으로부터 약 500 m까지 매우 급격한 비래염분량 감소가 발생하였으며, 이후 점차 완만하게 감소하며 수렴하는 경향을 보여주었다.

비래염분량을 거리별로 정량화하기 위하여 회귀분석을 수행하였으며, 기존 문헌을 바탕으로 거듭제곱(power) 모형을 사용하였다. 분석 결과는 식(1)과 같으며, 결정계수 $R^{2}$ 값이 0.9719로 높은 신뢰도를 보여주었다. 여기서, $Cl_{airborne}$은 거리별 비래염분 포집기로 측정한 비래염분량(mdd), $Dis\tan ce$는 해안거리(m)이다. 한편, Lee et al.(2010)⁽⁵⁾은 서해안 고창지역에서 3년간 측정한 평균 비래염분량에 대하여 회귀분석을 수행하였으며, 식(2)를 제안하였다.

Fig. 2에 식 (1)과 (2)를 함께 도시하였으며, 두 측정결과가 매우 유사함을 확인할 수 있다.

3.2 표면염화물량 분석

Fig. 3에 물-시멘트비에 따른 해안거리별 표면염화물량을 도시하였다. 표면염화물량은 물-시멘트비가 낮을수록 높은 경향을 보였으며, 해안거리에 따라 감소하며 약 1 km 이후 수렴하는 경향을 보였다. 특이한 것은 물-시멘트비가 높을수록 표면염화물량이 오히려 낮게 나타나고, 물-시멘트비가 낮을수록 많은 표면염분이 검출된 것이다. 대기 중에 노출된 콘크리트의 경우 해수와 직접 접하는 침지된 콘크리트와 달리 외부환경조건에 따라 내부로의 확산뿐만 아니라 외부로의 대류현상이 발생하는 역확산 구역을 모두 가진다(Meira et al. 2007)⁽⁷⁾. 즉, 물-시멘트비가 낮을수록 조직이 치밀하기 때문에 콘크리트 표면에 부착되어 침투한 염화물이 역확산에 의해 상대적으로 외부로 빠져나오기 어렵기 때문인 것으로 판단된다.

｢일본 콘크리트 표준시방서(설계편)(JSCE 2007)⁽²⁾｣에 콘크리트 표면염화물량을 기준으로 비래염분이 높은 지역과 낮은 지역을 구분하였으며, 해안거리에 따른 표면염화물량을 규정하여 제시하고 있다. 비래염분이 높은 훗카이도, 도호쿠 등 지역의 해안인접 표면염화물량은 9.0 kg/m³, 비래염분이 낮은 칸토, 토카이 등 지역은 4.5 kg/m³로 규정하였다. 낮은 비래염분 지역의 경우 해안거리 100 m에서는 2.5 kg/m³로, 1 km에서는 1.0 kg/m³로 표면염화물량을 감소시켰다.

일본의 낮은 비래염분 지역에 대한 표면염화물량은 본 연구의 물-시멘트비 40 %, 50 % 시험체에서 측정한 표면염화물량과 유사하다. 일본 내 비래염분이 높은 지역은 우리나라 동해를 바라보는 북서쪽 지역과 태풍이 주로 관통하는 지역이 다수이며, 특히 태풍이 자주 통과하는 일본 특성 상 우리나라에 비해 높은 양의 비래염분 및 표면염분이 조성되는 환경이라 할 수 있다.

Fig. 4에 비래염분량에 따른 표면염화물량을 도시하였다. 비래염분량이 증가함에 따라 표면염화물량 역시 비례하여 증가하는 경향을 보이나, 약 10 mdd 이상의 비래염분 환경에서는 표면염화물량 증가가 둔화되는 경향을 보였다. 즉, 일정 수준을 초과한 비래염분 환경에 노출 시 콘크리트 표면염화물량에 한계가 있을 수 있음을 알 수 있었다.

표면염화물량과 비래염분량 간의 상관관계를 도출하기 위하여 거듭제곱 모형을 사용하여 회귀분석을 수행하였으며, Table 2에 나타내었다. 이 식으로부터 구조물이 비래염분 환경에 노출되었을 때, 환경조건으로부터 표면으로 침투하는 염분량을 추정할 수 있다. 여기에서 표면염화물량은 깊이 0~1.5 mm에서 측정한 것으로, 대기 중 염분의 표면부 단순 부착이 아닌 콘크리트 내부 대류영역으로 침투되기 시작한 염화물량을 의미한다. 실 구조물에서 표면염화물량 측정 시, 측정 시점에서의 강우 노출 여부, 풍향 및 풍속, 인근 장애물, 시험체 표면 상태 및 품질 등의 조건에 의해 측정 오차가 발생할 확률이 높기 때문에 Table 2는 구조물 설계, 점검, 유지관리 시 참고자료로 활용될 수 있을 것이다.

3.3 침투염화물량 분석

해수와 직접 접하거나 침지된 구조물은 외부염분 농도가 항상 일정하게 유지되어 침투염화물량이 콘크리트 표면부터 내부까지 일정한 경향으로 감소한다. 그러나 비래염분 환경에 있는 구조물은 표면부 염분량이 건습반복, 강우 등으로 일부 외부로 다시 유실되어 확산되지 못하고(대류영역), 일정 깊이 이상에서는 염분의 확산침투가 발생하여 임의 깊이에서 침투염화물량이 최고값을 나타낸다(침투영역). Meira et al.(2007)⁽⁷⁾은 연중 높은 습도가 유지되는 열대성 기후에서 대류영역을 10 mm 깊이로 간주하였으며, Lee and An(2012)은 비래염분 환경에서 장기간 노출될 경우 대류영역 깊이가 점진적으로 깊어질 수 있다고 판단하였다.

Fig. 5에 콘크리트 깊이별 침투염화물량을 도시하였다. 물-시멘트비 40 %의 경우 표면염화물량은 높으나 내부로 침투되는 염분량 및 깊이는 50 %, 60 %에 비하여 적다. Lee and An(2012)⁽⁶⁾은 비래염분에 노출된 기간이 짧을 경우 Fig. 5의 물-시멘트비 40 %와 같이 깊이에 따라 침투염화물량이 적어지는 해수에 침지된 콘크리트와 비슷한 경향을 보이다가, 노출기간이 길어질수록 물-시멘트비 60 %와 같이 일정 깊이에서 표면부보다 침투염화물량이 크게 나타나는 영역이 발생함을 보여주었다. 즉, 물-시멘트비가 낮을수록 염화물이 콘크리트 내부로 침투하는데 오랜 시간이 소요되며, 염화물 확산에 대한 저항성능이 높음을 의미한다.

물-시멘트비 50 %의 경우 5~10 mm, 물-시멘트비 60 %의 경우 10~15 mm 깊이까지가 대류영역에 해당한다. 해안거리 10 m에서, 물-시멘트비 60 % 시험체는 깊이 15 mm에서 최대 침투염화물량 2.76 kg/m³을 보여주었으며, 이는 ｢안전점검 및 정밀안전진단 세부지침(MOLIT 2017)⁽⁸⁾｣상 철근부 염화물량에 대한 최저등급 기준인 2.5 kg/m³를 초과한 수치이다.

2.5 kg/m³을 초과한 염분량이 계속 침투하여 철근부(피복두께 40 mm 가정)에 도달하기까지 소요 시간을 계산하기 위하여, 우선 콘크리트 중 염화물이온 확산 관계식인 식(3)을 사용하여 염화물이온 유효확산계수를 구하였다. 식(3)은 물에 포화된 콘크리트 내 염화물이온 확산환경조건을 가정한 식으로 비래염분 환경에 최적화되어있지 않으나 염화물이온 확산계수를 검토하기 위하여 본 논문에서 사용하였다. 여기서 $C_{d}$는 깊이 $x$ cm에서 시간 $t$년 경과 후 염화물이온 농도값(kg/m³), $C_{i}$는 초기 염화물이온 농도값(kg/m³), $C_{0}$는 표면 염화물이온 농도값(kg/m³), $erf$는 오차함수, $D_{d}$는 염화물이온 유효확산계수(cm²/year)이다.

초기 염화물량은 0으로 가정하였으며, 표면염화물량은 해안 10 m에 위치한 물-시멘트비 40 %에서 실측된 4.83 kg/m³을 모든 시험체에 동일하게 적용하였다. 확산계수 산출에 있어서는 시험체별로 신뢰성 있는 확산계수의 산출에 유리한 구간을 선정하였다. 즉, 물-시멘트비 40 %와 50 % 시험체의 경우 15~35 mm에서 5 mm 간격 4개 구간 확산계수의 평균값을, 물-시멘트비 60 %의 경우 30~45 mm에서 5 mm 간격 3개 구간 확산계수의 평균값을 계산하였다.

해석 결과, 물-시멘트비 60 % 시험체의 염화물이온 유효확산계수는 0.56 cm²/year이며, 이를 바탕으로 현재 기준 약 34년 후 철근부 염화물량(피복두께 4 cm)이 e등급 기준인 2.5 kg/m³에 도달함을 예측할 수 있다. 반면, 물-시멘트비 50 % 시험체의 유효확산계수는 0.36 cm²/year로 약 53년 후, 물-시멘트비 40 % 시험체의 유효확산계수는 0.32 cm²/year로 약 60년 후, 2.5 kg/m³에 도달할 것으로 예측된다(Fig. 6). 즉, 물-시멘트비가 높아지면 확산속도가 빨라지기 때문에 비래염분 환경에서도 민감하게 반응함을 확인하였으며 이에 대한 대책 수립이 필요할 것이다. 상기 침투경향은 실제 대상 구조물 혹은 부재의 국부적인 환경에 따라 훨씬 빠르게 진행될 수 있음에 유의할 필요가 있다.

Fig. 7은 서해안 고창지역에서 5년간 노출된 콘크리트 시험체의 표면부에서 내부 50 mm까지 침투한 총 염분량의 변화를 해안거리별로 도시한 것이다. 세로축은 비래염분이 가장 높은 해안거리 10 m에서의 각 물-시멘트비별 총 침투염화물량을 100 %로 환산한 것이다. 그림에서 보듯이, 해안거리에 따른 총 침투염화물량 비율은 물-시멘트비에 큰 영향을 받지 않았으며, 해안거리 1,000 m까지는 노출된 비래염분 환경이 콘크리트 내부 염분량 침투에 직접적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다.

지역적인 특성에 따라서 증감이 있겠으나 본 논문의 대상 지역인 고창 지역의 경우, 해안 인접 콘크리트 구조물의 침투염화물량이 비래염분 영향권을 벗어난 지역(약 1,000 m 이상) 침투염화물량의 최대 5배까지 침투하는 것으로 나타났다.

3.4 비래염분량, 표면염화물량, 침투염화물량 간의 상관성 분석

비래염분 환경조건에서 표면염화물량과 침투염화물량 사이의 직접적인 상관성을 분석하기 위하여 해안거리별 7개소에서 노출시험된 시험체로부터 Fig. 8(a)에 비래염분량과 20 mm 깊이에서의 침투염화물량, Fig. 8(b)에 표면염화물량과 20 mm 깊이에서의 침투염화물량을 각각 도시하였다. Fig. 5에서 보듯이 3종 배합의 전체 시험체에서 깊이 20 mm 부분이 공통적으로 비래염분이 안정적으로 침투하여 침투염화물량이 수렴하기 직전에 해당하므로 침투염화물량에 대한 대표성을 가지는 것으로 판단하였다.

Fig. 8(a)는 Fig. 4와 마찬가지로 비래염분량이 증가하면서 침투염화물량이 증가하다가 10 mdd 이상에서는 증가량이 점차 감소하는 경향을 보였으며, 물-시멘트비가 높을수록 비래염분 침투비율이 높았다. 즉, 비래염분량과 침투염화물량은 뚜렷한 상관관계를 가지고 있으며, 다양한 조건에서 비래염분 및 침투염화물량에 대한 장기적인 데이터를 확보한다면 비래염분량으로부터 깊이별 침투염화물량을 추정할 수 있다는 가능성을 확인하였다.

Fig. 8(b)는 표면염화물량이 증가함에 따라 침투염화물량이 선형적으로 증가함을 보여준다. 일정 수준 이상의 표면염화물량에 대해서는 침지 조건에서와 같이 침투염화물량 증가가 수렴하는 경향을 보일 수 있으나, 본 연구의 측정된 비래염분에 의한 표면염화물량은 1~5 kg/m³ 범위로 침지 조건에 비해 매우 적으므로 선형관계로 해석해도 무방할 것으로 판단된다. 따라서 표면염화물량과 침투염화물량 간에 선형 모형을 사용하여 회귀분석을 수행하여 상관관계식을 도출하였으며, 그 결과를 Table 3에 나타내었다. 물-시멘트비 40 % 시험체 대비 표면염화물량 침투비율이 50 % 시험체는 약 2배, 60 % 시험체는 약 4배 높았다.

최종적으로 Table 2와 3으로부터 비래염분량, 표면염화물량, 침투염화물량간의 상관성을 도출할 수 있다. 즉, 비래염분량을 측정함으로써 배합별 표면염화물량, 침투염화물량을 유추할 수 있으며, 이로부터 비래염분이 철근부 염화물량에 미치는 영향 분석 및 염화물량 증가 예측을 통해 염해에 대한 선제적 대응전략을 수립할 수 있을 것이다. 장기적 계측 및 시료 분석을 통한 시간과 비용 소모가 커서 비래염분과 표면염화물량, 침투염화물량 간의 관계식을 도출하는 상관성 분석 연구가 그동안 수행되기 어려웠던 점을 고려할 때 본 논문의 결과는 중요한 의미를 가질 것으로 판단된다.