1. 서 론

콘크리트는 특유의 우수한 내구성과 역학적 특성으로 인해 건설 산업에서 널리 활용되고 있다. 그러나 콘크리트 구조물은 생활하수 및 오･폐수와 같은 화학물질이 다량 포함된 환경에서 황산염 침식에 취약할 수 있으며, 이는 콘크리트 구조물의 구조적 성능 저하로 이어질 수 있다. 콘크리트의 다공성 특징과 미세균열은 황산염과 같은 유해 이온의 침투를 용이하게 하며, 이는 시멘트 수화물과 반응하여 콘크리트 조직을 연화시킬 수 있다. 황산염 침식은 화학적 침식과 물리적 침식으로 분류될 수 있으며, 이는 콘크리트의 내구성을 저하시키는 주요 원인이 된다. 화학적 침식은 황산염의 농도, 주변 환경, 결합재의 종류 등 다양한 요소의 영향을 받으며, 물리적 침식은 건조와 습윤이 반복되는 환경에서 발생하는 표면 박리, 박락을 일으키는 주요 원인이다^{(Park et al. 1998)}. 연구에 따르면, 물-결합재 비와 광물질 혼화재의 혼입률을 조절함으로써 화학적 황산염 침식에 대한 콘크리트의 저항성을 향상시킬 수 있다고 보고하고 있으나 물리적 황산염 침식에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

본 연구에서는 물-결합재 비를 3단계로 구분하고 2종의 광물질 혼화재 혼입량을 조절하여 콘크리트를 제작하였다. 제작된 시편을 황산염 용액에 반침지하고 건･습 반복 환경을 조성하여 물리적 황산염 침식에 대한 저항을 검토하였다.

콘크리트 구조물의 내구성에 관한 연구는 황산염이 포함된 환경에서의 콘크리트의 반응과 열화 메커니즘을 이해하는 데 중요하다. ^{Irassar et al. (1995)}은 황산염이 풍부한 토양과 접촉하는 콘크리트 구조물이 화학적 반응을 통해 손상될 수 있음을 발견했으며, 이러한 손상은 모세관 현상을 통한 물과 염의 이동에 의해 촉진될 수 있다고 보고했다. ^{Hime and Mather (1999)}과 ^{Haynes et al. (2008)}은 황산염 침식이 기후 조건에 민감하게 반응하며, 특히 물리적 침식은 콘크리트의 미세구조에 크게 의존한다고 강조했다. ^{Nehdi et al. (2014)}은 황산나트륨 용액에 부분적으로 침지된 콘크리트가 물리 및 화학적 침식을 경험할 수 있음을 발견했으며, 이는 콘크리트의 공극 구조와 관련이 있다고 지적했다. ^{Lee et al. (2011)}은 콘크리트의 공극량이 황산염에 의한 화학적 침식에도 영향이 있는 것으로 보고하였다. ^{Park et al. (2017)}, ^{Najjar et al. (2017)} 등은 칼슘 알루미네이트 시멘트, 고로 슬래그 미분말, 플라이 애시, 실리카 흄, 메타카올린과 같은 시멘트 대체 재료가 황산염의 화학적 침식에 대한 저항성을 향상시킬 수 있음을 발견했다. ^{Lee and Ahn (2018)}, ^{Suleiman and Nehdi (2017)}, ^{Beak et al. (2015)}, ^{Kim et al. (2013)} 등은 광물질 혼화재의 사용이 콘크리트의 황산염 침식에 영향을 미칠 수 있으며, 적절한 혼입량의 선택이 중요하다고 결론지었다. ^{Kim et al. (2005)}은 황산염의 화학적 침식에 잔골재가 주는 영향을 연구하여 부순모래를 사용하는 것이 황산염 침식 저항성을 낮춘다는 결과를 도출하였다. 이러한 연구들은 콘크리트의 내구성을 향상시키기 위한 재료 선택과 설계 방법을 개발하는 데 기여할 수 있다고 판단된다.

2. 황산염에 의한 물리적 침식

황산염에 의한 화학적 침식은 비교적 많은 연구가 진행되어 그 메커니즘이 소개되고 있지만, 물리적 침식 메커니즘에 대한 소개는 많지 않다. 황산염 화학적 침식은 시멘트 수화생성물을 석고와 에트린가이트로 변환시켜 연화, 팽창시킴으로써 콘크리트를 열화시키고, 황산염 물리적 침식은 콘크리트의 미세균열을 결정압으로 확대, 파괴시킴으로써 콘크리트를 열화시키는 구조이므로 각각의 침식에 영향을 주는 인자가 서로 다르다. 황산염 물리적 침식의 메커니즘을 이해하기 위해서는 황산염 결정의 형태를 이해하는 것이 필요하다. 황산염의 대표적인 물질인 황산나트륨은 무수 결정상과 10개의 물 분자를 보유한 결정상의 두 가지 형태를 갖는다. 무수결정은 세나다이트(Thenardite, Na2SO4)라 부르고, 물 분자가 포함된 결정은 미라빌라이트(Mirabilite, Na2SO4･10H2O)라 부른다. 황산나트륨 용액이 콘크리트 표면에 흡착하여 건조되면 세나다이트가 형성되고, 세나다이트가 수분을 흡수하게 되면 미라빌라이트로 변환되게 된다. 이렇게 생성된 결정이 성장하며 성장압력이 발생하여 세나다이트에서 미라빌라이트로 변환 또는 역으로 변환한다. 형성되어 서로 변환되는 두 결정의 밀도차이로 인한 압박과 이완 작용이 발생하여 콘크리트의 공극 및 미세균열이 확장되어 파괴가 발생하게 된다^{(Binda and Baronio 1987; Irassar et al. 1995; Thaulow and Sahu 2004)}.

본 연구에서는 황산염의 물리적 침식에 대한 주요 인자를 콘크리트의 흡수율 및 투과성 공극의 양이라 예상하고 연구를 진행하였다.

3. 실험 개요

4. 실험 결과

4.1 압축강도

압축강도 시험결과 초기재령 3, 7일까지 시멘트 콘크리트(OPC라 칭함)가 높은 강도를 나타냈고, 재령 28일에서 고로슬래그 콘크리트(이하 SG라 칭함)가 OPC보다 높은 강도 결과를 나타냈다. 재령 91일 압축강도의 경우 플라이 애시 콘크리트(이하 FA로 칭함) 및 SG가 OPC에 비해 높은 것을 확인하였다.

Table 5 Absorption rate and amount of permeable voids

Type	Absorption rate (%)					Amount of permeable voids (%)
	OPC	FA10	FA25	SG25	SG50	OPC	FA10	FA25	SG25	SG50
W/B40%	4.79	4.88	4.95	5.01	5.10	11.54	11.89	12.03	12.31	12.48
W/B50%	6.16	6.23	6.37	6.44	6.71	12.49	13.35	13.71	13.95	14.36
W/B60%	6.19	6.35	6.50	6.82	7.06	12.94	13.73	13.89	14.38	15.02

Fig. 1 Compressive strength of concrete (W/B=40 %)

Fig. 2 Compressive strength of concrete (W/B=50 %)

Fig. 3 Compressive strength of concrete (W/B=60 %)

4.2 투과성 공극량 및 흡수율

Figs. 4~6에는 물-결합재 비가 40 %, 50 % 및 60 %의 28일 재령에서 콘크리트의 흡수율 및 투과성 공극의 양을 나타내었다. 콘크리트의 흡수율 측정 결과 물-결합재 비가 크거나 광물질 혼화재의 치환량이 증가할수록 콘크리트 공시체의 흡수율도 함께 높아지는 결과를 확인하였다.

또한 FA와 SG가 동일한 비율로 치환한 경우 SG가 미미하게 높은 흡수율을 나타내었다.

콘크리트의 흡수율 및 투과성 공극의 양 측정 결과 흡수율 결과와 동일한 경향으로 물-결합재 비가 높아지고 광물질 혼화재의 치환량이 증가할수록 콘크리트 공시체의 투과성 공극량이 높아지는 결과를 확인하였다. 물-결합재 비가 낮아질수록 콘크리트 조직이 치밀해지고 수화생성물로 인하여 평균공극의 양이 줄어드는 것으로 판단되고, 광물질 혼화재의 치환량이 늘어남에 따라 평균공극의 크기가 작아짐으로써 콘크리트 조직은 균질해지나 직경이 작아진 미세 공극의 양이 증가하여 콘크리트 표면의 모세관 효과를 상승시킨 결과로 판단된다^{(Nehdi et al. 2014)}.

Fig. 4 Absorption rate and amount of permeable voids (W/B= 40 %)

Fig. 5 Absorption rate and amount of permeable voids (W/B= 50 %)

Fig. 6 Absorption rate and amount of permeable voids (W/B= 60 %)

이러한 흡수율 및 투과성 공극 시험결과는 그 값이 높을수록 황산염의 물리적 침식에 대한 저항성은 낮을 것으로 판단되므로 각 배합 콘크리트의 열화도 평가 결과와 같이 고찰해보기로 한다.

4.3 열화도 평가(질량변화, 육안평가)

4.3.1 질량변화

황산나트륨 5 % 용액에 반침지한 콘크리트 공시체와 건･습 반복 환경에 노출한 콘크리트 공시체의 질량변화를 1개월 간격으로 6개월간 측정하여 열화정도를 확인하였다. 황산염 용액에 6개월간 반침지한 콘크리트 공시체의 질량 감소율을 측정한 결과 모든 콘크리트가 침지 재령별로 질량 감소가 나타났으며, 최종 질량 감소량을 비율로 나타낸 것이 다음 Table 6이다.

Table 6 Mass loss rate in sulfuric acid solution immersion environment

Type	Mass loss rate by immersion (%, 6 months)
	OPC	FA 10	FA 25	SG 25	SG 50
W/B 40 %	0.8693	1.8236	1.9955	1.4250	1.5376
W/B 50 %	1.5147	2.3743	2.8709	2.2651	2.6353
W/B 60 %	1.5379	3.5544	3.8810	3.0151	4.7951

물-결합재 비가 높아질수록 질량 감소율도 높아졌으며, W/B 40 %의 SG 25를 제외하고 각 광물질 혼화재의 치환량이 높아질수록 질량 감소율도 높아졌다. 광물질 혼화재의 종류에 따라서는 동일 치환량에서 FA가 SG보다 높은 질량 감소율을 나타내었다^{(Lim et al. 2021)}.

Table 7 Mass loss rate in sulfuric acid solution under dry/ wet cycling conditions

Type	Mass loss rate by immersion (%, 6 months)
	OPC	FA 10	FA 25	SG 25	SG 50
W/B 40 %	0.8693	1.8236	1.9955	1.4250	1.5376
W/B 50 %	1.5147	2.3743	2.8709	2.2651	2.6353
W/B 60 %	1.5379	3.5544	3.8810	3.0151	4.7951

4.3.2 육안 평가

육안평가에 의한 시각적 등급을 Table 8과 9에 나타내었다. 반침지 및 건･습 반복 환경에서 황산염 결정이 생성되는 과정과 재령 6개월 콘크리트 표면 열화 상태를 Table 10과 11에 나타내었다. 시각적 등급을 산정한 결과 반침지 및 건･습 반복 환경에서 물-결합제 비가 높을수록, 광물질 혼화재의 치환량이 증가할수록 열화가 촉진되는 것으로 나타났다.

Table 8 Visual rating in sulfuric acid solution immersion environment

Type	Mass loss rate by immersion (%, 6 months)
	OPC	FA 10	FA 25	SG 25	SG 50
W/B 40 %	1.3	1.5	1.9	1.8	2.1
W/B 50 %	1.6	2.1	2.7	2.6	2.8
W/B 60 %	1.8	2.5	3.1	2.8	3.2

Table 9 Visual rating in sulfuric acid solution immersion environment

Type	Mass loss rate by immersion (%, 6 months)
	OPC	FA 10	FA 25	SG 25	SG 50
W/B 40 %	1.3	1.5	1.9	1.8	2.1
W/B 50 %	1.6	2.1	2.7	2.6	2.8
W/B 60 %	1.8	2.5	3.1	2.8	3.2

Table 10 Salt crystallization and scaling in sulfuric acid solution half immersion environment

Table 11 Visual rating in dry/wet cycling sulfuric acid solution environment

4.4 미세구조 분석

물-결합재 비 40 %의 OPC와 광물질 혼화재 치환배합의 XRD 분석결과를 다음 Fig. 7~9에 나타내었다. XRD 분석결과 시멘트의 수화생성물과 함께 황산염 물리적 침식 생성물질인 세나다이트(Thenardite)와 미라빌라이트(Mirabilite) 피크가 발견 되어 두 종류의 황산염이 동시에 존재하는 것을 알 수 있었으며, 콘크리트 공시체가 황산염의 물리적 침식을 받고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 황산염 화학적 침식의 열화생성물질인 에트린가이트(Ettringite)와 석고(Gypsum) 피크가 발견 되어 황산염에 의한 물리적 침식과 화학적 침식이 동시에 발생하는 것으로 파악되었다.

Fig. 7 X-ray diffraction (XRD) analysis results of Type OPC 40 mix

Fig. 8 X-ray diffraction (XRD) analysis results of Type FA 4025 mix

Fig. 9 X-ray diffraction (XRD) analysis results of Type SG 4050 mix

4.5 콘크리트 흡수율 및 공극량과 열화도 평과 결과

다음 Fig. 10은 OPC의 물-결합재 비에 따른 흡수율, 투과성 공극량, 질량감소 및 시각적 등급을 OPC 40을 기준으로 나타내었다. 물-결합재 비 40 %를 100으로 환산했을 때 물-결합재 비의 증가에 따른 각 특성치의 결괏값을 비율로 나타낸 것이다.

Fig. 11은 물-결합재 비 60 %에서 각 콘크리트에 대한 특성 값의 비를 OPC 60을 기준으로 나타낸 것이다.

Fig. 10과 11에서 보이는 바와 같이 황산염 물리적 침식의 영향인자로 예상한 콘크리트의 흡수율 및 투과성 공극량의 비와 열화도 평가결과인 질량감소 및 육안확인에 의한 시각적 등급의 비를 비교한 결과에서 흡수율 및 투과성 공극량이 증가할수록 열화도 평가 결괏값 역시 증가하는 것으로 나타나 콘크리트의 흡수율과 투과성 공극량이 황산염 물리적 침식의 저항성을 저하시키는 요인으로 판단된다.

Fig. 10 Comparison of absorption rate, permeable voids, and durability assessment results based on water–binder ratio in ordinary Portland cement (OPC) mixtures

Fig. 11 Comparison of absorption rate, permeable voids, and durability assessment results for each mix with 60 % water–binder ratio

5. 결 론

본 연구의 결론은 다음과 같다.

1) 황산염 용액의 반침지 환경에 노출된 콘크리트는 화학적 침식 생성물인 에트린가이트와 석고, 물리적 침식 생성물인 세나다이트와 미라빌라이트가 동시에 존재하는 것이 확인되어 황산염에 의한 물리, 화학적 침식이 동시에 발생할 수 있음을 알 수 있었다.

2) 물-결합재 비와 광물질 혼화재의 치환량이 늘어날수록 콘크리트 흡수율 및 투과성 공극량이 증가하는 것을 알 수 있었다.

3) 물리적 황산염 침식에 의한 열화도 평가결과, 물-결합재 비와 광물질 혼화재의 치환량이 늘어날수록 저항성이 낮은 것으로 확인되었다. 높은 물-결합재 비는 콘크리트의 총 공극량을 높이고, 광물질 혼화재의 치환은 콘크리트의 큰 공극량은 감소하는 반면 미세 공극량을 증가시킴으로써 모세관현상도 같이 증가하여 저항성이 낮아진 것으로 판단된다.

기존 연구에서 광물질 혼화재의 사용은 황산염 저항성에 효과가 있는 것으로 보고하고 있으나, 이는 황산염의 화학적 침식에 대한 저항성으로 판단되며, 황산염의 물리적 침식에 대한 저항성은 콘크리트의 미세공극, 흡수율 및 공극량에 영향을 받는 것으로 확인되었다.