1. 서 론

최근 급격한 기후변화뿐 아니라 세계적 설계기준의 발전에 대응하기 위해 우리나라는 2022년 KDS 14 20 40(콘크리트구조 내구성 설계기준)을 제정하고 이와 연계되어 설계기준 KDS 14 20 50(콘크리트구조 철근상세 설계기준)과 시방서 KCS 14 20 10(일반콘크리트)을 개정하였다. 이는 좀 더 안전하면서도 합리적인 콘크리트 구조물의 설계와 시공을 위한 것으로, 이들 규정에 따라 다양한 환경조건을 고려해 콘크리트의 배합과 구조물 상세를 설계해야 한다^{(Kwon 2017)}. 그러나 아직 규정의 도입 초기이기 때문에 구조물 설계 및 시공현장에서는 여러 기술적 어려움을 겪고 있다.

특히 이 중 특별히 어려운 부분 중 하나는 탄산화 노출조건에 따른 콘크리트 배합설계이다. 과거 설계기준압축강도 21 MPa 혹은 24 MPa에도 충분하던 콘크리트 구조물에 대해, 경우에 따라 27 MPa 혹은 30 MPa의 강도 및 최대 물-결합재비 0.50~0.45를 요구하기 때문이다. 만약 강도를 높이지 않으면서도 이 내구성 설계기준에 대응하기 위해서는 KDS 14 20 40의 4.1.4 내구성 확보를 위한 요구조건에서 설명한 바와 같이 “별도의 내구성 설계를 통해” 내구성을 입증할 필요가 있다. 이와 관련한 해설자료들에서는 KDS 14 20 40의 부록에 제시된 평가 모델을 사용하도록 설명하고 있으나, 이에 대한 예시는 부족한 것이 현실이다.

우리나라는 지역에 따라 사용하고 있는 콘크리트 배합에 차이가 있다. 지역별 섭외가 가능한 원자재(결합재, 골재, 혼화제)의 특성, 운송 거리, 가격, 그리고 지역 레미믹스트 콘크리트(이후 레미콘) 업체의 원자재 수급 안정성 등은 콘크리트의 생산비에 영향을 미친다^{(Leemann et al. 2015; Lee et al. 2020)}. 따라서 레미콘 생산자는 생산비를 최소화하기 위해 배합을 민감하게 조절하게 되며, 동일한 성능을 갖는 콘크리트이더라도 내구성이 달라질 가능성이 크다^{(Jeon et al. 2018; Hwang et al. 2019; Wang 2020)}. 이러한 점을 고려한 내구성 설계는 보고된 사례가 매우 드물다.

본 연구에서는, 우리나라 각 지역에서 일반적으로 생산하고 있는 콘크리트 배합에 대해 탄산화에 대한 내구수명을 평가하였다. 이 연구결과에 대한 제 1고로서, 본 논문은 다양한 지역에서 생산되고 있는 레미콘 대표배합에 대해 탄산화 속도값을 측정하였다. 먼저 우리나라의 대표 권역군 여섯 곳(수도권, 인천, 경남, 경북, 전라, 충청)을 선정하였다. 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 세 단계의 설계기준압축강도(24, 27, 35 MPa) 및 두 단계의 목표 슬럼프(150, 180 mm)에 대해 각 지역에서 사용하고 있는 콘크리트 배합비를 확인하였다. 각 지역에서 섭외된 원자재를 이용해 생산된 콘크리트에 대한 슬럼프와 압축강도를 평가하였다. 그리고, 촉진탄산화 시험을 활용해 탄산화 속도(혹은 탄산화 속도계수, carbonation rate, $k$)의 분포를 확인하였다.

2. 지역별 콘크리트 배합

3. 콘크리트 기본특성

굳지않은 콘크리트의 슬럼프와 공기량을 측정한 결과를 Table 2로 나타내었다. 모든 배합에 대해 목표 슬럼프보다 최대 범위 20 mm 이내에서 더 높은 슬럼프가 확인되었으며, 공기량은 4.0 %에서 5.5 % 이내로 측정되었다. 즉 배합설계 결과, 목표로 하는 굳지않은 콘크리트의 성능을 모두 만족함을 확인하였다.

굳은 콘크리트의 압축강도는 Table 3에 정리 하였다. 실험실에서 진행된 배합이며, 모든 조건이 제어된 상황에서의 실험이었기 때문에, 모든 배합의 28일 압축강도는 목표로 하는 설계기준압축강도를 월등히 만족함을 알 수 있었다. 재령 28일 압축강도에 대해서는 경남-수도권-경북-충청-전라-인천 순으로 강도가 나타났다. 그러나 이는 크게 실제 레미콘 생산시에도 강도가 이러한 순서로 얻어짐을 의미하지는 않음을 주의해야 한다. 결론적으로 본 연구에서 배합된 콘크리트는 요구성능을 모두 만족하였다.

4. 탄산화 속도

본 연구에서 촉진시험법에 의해 측정한 탄산화 깊이 및 이를 바탕으로 계산된 탄산화 속도는 Table 4에 정리되어 있다. 여기서 탄산화계수는 위에서 설명한 바와 같이 식 (1)을 이용해 28일 및 56일 촉진탄산화 깊이 결과를 바탕으로 계산된 각각의 탄산화속도를 평균하여 나타낸 값이다.

실험 결과를 보면 탄산화 속도값 $k_{0.04\%}$은 편차가 크며, 상대적으로 인천에서 생산된 콘크리트의 값이 다른 지역에 비해 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 이는 동일한 OPC-슬래그시멘트 이성분계 결합재를 사용하는 경남권과 전라권의 콘크리트에 비해서도 큰 값이다. 그러나 본 연구에서는 그 원인에 대해서는 검토하지 않고자 하며, 단지 실제 탄산화 속도값의 분포만을 확인하고자 하였다. Fig. 1에서는 측정된 28일 압축강도 대비 탄산화 속도 간의 관계를 나타내었다. 콘크리트 생산지역과 종류에 상관없이 표시하였다.

Fig. 1 Compressive strength vs. carbonation rate of concrete considering CO2 condition of 0.04 %

본 연구에서 30~60 MPa 범위의 콘크리트 압축강도에 대해 탄산화 속도값은 1.2~2.9 mm/year^0.5 범위에서, 강도가 증가함에 따라 어느 정도의 상관성을 갖고 탄산화 속도가 줄어든다. 이 범위는 국내 및 해외의 연구결과에서 제시한 구조용 일반강도 콘크리트와 유사한 범위이다^{(Bouzoubaâ et al. 2010; Han and Woo 2013; Yang and Kim 2013; Lee et al. 2017)}. fib MC 2010와 같은 설계기준에 따르면 물-결합재비 0.5 내외의 설계 탄산화 속도는 본 실험에서 얻는 값보다 약간 큰 2~4 mm/year^0.5 범위로 정해져 있다^{(fib 2012a}, ^{2012b; Helland 2013)}. Fig. 1의 압축강도-탄산화속도 관계를 고려할 때, 현장에 타설된 콘크리트의 실제 압축강도가 24~30 MPa의 범위를 갖는다면 실제 탄산화속도는 2~4 MPa의 범위를 갖을 가능성이 크다는 것을 확인하였다. 즉, 우리나라의 현장에서 사용되는 콘크리트의 탄산화 속도값은 실험값과 설계값이 유사하다고 할 수 있다.

대부분의 연구논문 결과에서는 슬래그나 플라이애시를 사용함에 따라 탄산화 속도가 빨라진다고 알려져 있다^{(Sisomphon and Franke 2007; Rathnarajan et al. 2022)}. 이와 같은 내용은 관련 설계식에서도 동일하게 나타난다^{(Helland 2013)}. 그러나 본 연구에서와 같은 실제 현장형 배합의 경우 당연히 혼합 시멘트를 사용하는 것이 일반적이므로, 비록 광물계 혼화재의 비율이 달라질 수 있으나, 실제 탄산화 속도는 모든 콘크리트에 대해 결합재에 비율뿐 아니라 물-결합재비에 의해 바뀌기 때문에 따라서 실제 탄산화 속도는 Fig. 1에서와 같이 강도에 가장 연관성이 크다고 고려하는 것이 적절하다^{(Kwon et al. 2008)}.

본 연구에서는 Fig. 1에 가장 보수적 측면에서의 회귀분석 상한값을 표시하였다. 그러나 이 값을 기반으로 설계에 적용하는 것은 무리가 있으며 더 많은 실험결과가 필요하다. 가장 중요한 것은, 이 탄산화 속도의 값들에 의해 계산되는 내구수명 결과값이다. 모든 기준에서 탄산화 속도는 실험결과 이외에도 배합에 의해 결정된다. 배합에 의해 결정된 탄산화 속도는 실험결과를 통해 확인한 탄산화 속도값에 비해 더 보수적인 것으로 알려져 있다. 그러나 탄산화 속도를 기반으로 한 내구수명 평가는 실험값 뿐 아니라 다양한 안전율을 고려하므로 매우 복잡하기 때문에 다음의 제 2고에서 발표하고자 한다.

5. 결 론

우리나라 각 지역에서 일반적으로 생산하고 있는 콘크리트 배합에 대해 탄산화에 대한 내구수명을 평가하기 위해 일련의 연구를 수행하였다. 본 논문은 이 연구결과에 대한 제 1고로서, 다양한 지역에서 생산되고 있는 레미콘 대표배합에 대해 기본적인 특성과 탄산화 속도값을 측정해 그 분포를 확인하였다.

우리나라의 대표 권역군 여섯 곳(수도권, 인천, 경남, 경북, 전라, 충청)을 선정하여 콘크리트를 만들기 위한 원자재를 선정하였으며, 세 단계의 설계기준압축강도(24, 27, 35 MPa) 및 두 단계의 슬럼프(150, 180 mm)에 대해 각 콘크리트 배합설계를 진행하였다. 실제 배합실험 결과, 모든 배합에 대해 목표 슬럼프 보다 최대 범위 20 mm 이내에서 더 높은 슬럼프가 확인되었으며, 공기량은 4.0 %에서 5.5 % 이내로 측정되어 목표로 하는 4.5 %를 만족하였다. 강도 역시 목표강도에 비해 3~20 MPa 이상 더 높은 28일 강도를 얻었다. 이렇게 생산된 콘크리트들은 배합에 따라 1.2~2.9 mm/year^0.5 범위의 탄산화 속도를 가지고 있었으며, 이 값은 타 연구결과와 비슷한 수준일 뿐 아니라 일부 설계에서 제안하는 값보다 낮았다. 즉, 우리나라 현장에서 사용되는 콘크리트에는 광물계 혼합재를 다양하게 혼합하여 사용하고 있으며, 가끔은 품질이 낮은 골재를 사용하기도 하지만, 이러한 경우에도 적절한 물리적 성능을 유지하기만 하면 내구성 설계에 사용되는 값과 유사한 수준의 탄산화 저항성을 갖는다는 사실을 확인할 수 있었다. 이후 연구를 통해 본 탄산화 속도값을 이용해 탄산화 기반 내구수명을 평가하고자 한다.