본 연구에서는 포틀랜드 시멘트 Type I/II 가 사용되었으며, 굵은골재와 잔골재는 비중 2.76 의 화강암을 사용하였다. 콘크리트 배합에 있어 혼화재는 고려하지 않았다. 콘크리트 배합 에서 사용된 물/시멘트 비는 0.67 이었고, 측정된 슬럼프 치는 37±10 mm, 공기량은 2±0.5% 였다. 골재의 최대 크기는 20 mm 였다. Table 1 은 본 연구에서 사용된 콘크리트의 배합비를 보여준다.

실험에서 사용된 시험체는 100×200 mm 콘크리트 실린더를 온도 23°C, 상대습도 93% 의 조건하에 3주 동안 양생 후, 콘크리트 절단기 (wet-saw machine) 를 사용하여 실린더 상부와 하부 40 mm 를 제거한 후, 100 mm×50 mm 의 크기로 절단 하였다. 절단된 실린더는 상기 명시된 조건하에 다시 5주동 안 양생되었다.

본 연구에서 수행된 WPT 실험변수는 가열속도 (2°C/min, 15°C/min), 최대 노출온도 (200°C, 400°C, 600°C), 최대 노출 온도에서 노출시간 (2시간, 4시간) 그리고, 냉각속도 [서냉각 (slow cooling), 자연냉각 (natural cooling) 및 수냉각 (water cooling)] 이다. 고려된 냉각조건에서 자연냉각 (natural cooling) 은 시험체가 완전하게 실내온도 (Room temperature)로 냉각 될 때까지 가열로 안에 남겨지는 것이며, 서냉각 (slow cooling)은 냉각 속도를 자연냉각보다 느리게 조절한 것이다. 수냉각 은 최대온도에서 고려된 노출시간의 경과 후, 20°C의 물탱크 안으로 옮겨져 10분 동안 물 속에서 냉각된 것이다. Fig. 1은 본 실험에서 사용된 실험변수에 대한 개요도를 보여준다. RCPT 실험은 실험의 장시간 소요로 인해 15°C/min 의 가열속도와 2시간의 노출 시간은 실험변수에서 제외하였다.

WPT 실험은 고온에 노출된 콘크리트의 마이크로 구조 및 내구적 특성변화를 예측하는데 있어 유용한 실험방법이다. 본 실험을 위해 Ludirdja et al. (1989)의 연구에서 사용된 실험장비를 근간으로 하여 간단한 실험장비가 제작되었다. Fig. 2는 WPT 실험을 위한 실험장치 단면을 보여준다.

총 8주에 걸쳐 양생된 100 mm×50 mm 의 콘크리트 실린더는 실험계획에서 제시된 각각의 온도 조건에 종속된 후, 콘크리트 시험체 내부의 공기를 제거하기 위해 ASTM C 1202 의 진공 프로세스에 근거하여 3시간 동안 공기 진공상태에 종속 된 후, 1시간 동안 물 속에서 진공상태로 놓여진다. 진공을 위해 사용되는 물은 내부 공기의 제거를 위해 끓여진 후, 상온으로 식혀져야 한다. 모든 진공 프로세스가 수행된 후, 시험체는 실험 시작 전 18시간 동안 물속에 놓여진다. 실험장비와 시험체 조립 절차는 Fig. 3 에 보이는 바와 같다. 시험체를 통과한 물의 양은 피펫의 눈금을 통해 정기적으로 측정되며, 동시에 초기 물의 양만큼 채워진다.

Fig. 4 는 15°C/min 의 가열속도와 2시간의 노출시간에 종속 된 일련의 시험체 R15_D2 에 대한 실험결과이며, Fig. 5는 2°C/min 의 가열속도와 4시간의 노출온도에 종속된 일련의 시험체 R2_D4 에 대한 실험결과이다. 그림에서 세로축은 시험 체를 통과한 누적된 물의 양(Q)이며, 가로축은 시간 (min) 이다. Fig. 4 와 Fig. 5 에서 (a), (b), (c)는 동일한 냉각조건 하에 상이 한 최대 노출온도에 따른 결과이며, (d), (e), (f)는 동일한 최 대 노출온도 하에 상이한 냉각조건에 따른 결과를 보여준다. 실험결과에서 보이는 초기 비선형 곡선은 부분적으로 비워진 공극 내부로의 흡수현상에 기인한 것으로 사료된다. 실험결과로 부터, 초기 구배는 노출온도와 냉각속도의 증가에 따라 증가 하였으며, 특히 수냉각에 종속된 시험체중 최대온도 400°C와 600°C에 노출된 시험체는 물의 누적 양과 시간의 관계는 선 형이었다. 따라서, 급속한 냉각은 콘크리트의 내구성에 심각 한 감소를 유발할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 냉각속도의 증가에 따른 콘크리트의 강도와 강성 저하에 관 한 Lee and Kim(2007) 의 연구결과와 유사하다. 실험 결과로 부터 다쉬의 법칙 (Darcy’s law) 을 적용함에 의해 각 시험체의 투수계수가 획득될 수 있다. Eq. (1) 을 적분함에 의해 Eq. (2)가 획득된다.

여기서, V: 단위 면적당 dQ/dt(m/sec), Q: 시험체를 통과한 물의 누적 양 (m³), A: 시험체의 단면적 (m²), L: 시험체의 두께 (m), h: 물의 높이 (m), K_p : 투수계수 (mm/sec).

Eq. (2)를 적용하여 투수계수를 획득하기 위해 시간에 따른 누적 투과량의 선형 안정화 부분을 고려하여, QL/(Ah)와 시간 에 대한 선형 회귀분석이 수행된다. Fig. 6과 Fig. 7은 R15_D2 와 R2_D에 대한 선형 회귀분석의 결과이며, 획득된 1차 함수의 기울기가 각 시험체의 투수계수로서 정의된다. Table 3과 Table 4는 R15_D2 와 R2_D4 시험체의 투수계수를 요약한 것 이다. 실험 결과에서 보이는 바와 같이 투수계수는 노출온도 와 냉각속도의 증가에 비례하여 증가하였다. 그 결과로부터 노출온도와 냉각속도의 증가는 콘크리트 표면과 내부온도 사이의 온도차를 급격하게 증가시켜 열응력에 의한 콘크리트의 내구성을 저하시킨다는 것을 알 수 있다. 특히, 수냉각에 종속 된 시험체의 경우 400°C이상의 노출온도에서 다른 냉각조건 에 비해 내구성이 급격하게 감소한다는 사실을 보였다. 이러한 사실은 온도효과에 따른 콘크리트의 내구성 저하가 강도 와 강성에 관한 역학적 특성의 저하보다 훨씬 크다는 것을 의미하며, 내구성에 관한 변화는 콘크리트의 마이크로 구조의 변화와 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있다.

Fig. 8과 Fig. 9는 서냉각과 자연냉각 하에 R15_D2 와 R2_D4 시험체의 투수계수를 비교한 것이다. 그림으로부터, 400°C이상의 온도에 노출된 시험체의 경우, 내구성 저하는 최대 노출온도에서의 노출시간보다 가열속도에 크게 영향 받는 사실을 알 수 있다. 그러나, 200°C에 노출된 시험체는 가열속 도와 노출시간에 영향 받지 않았다.

RCPT 실험은 염화이온의 투과성을 빠르게 예측할 수 있는 실험방법으로 콘크리트의 염화이온 투과성이 쿨롱(Coulomb) 의해 제시되며, 그 수치가 큰 경우 내구성이 감소함을 나타낸다.

실험은 ASTM C 1202-94 의 실험방법에 따라 수행되었다. 그러나 온도증가에 의한 콘크리트의 손상으로 인해 사용전압 은 ASTM C 1202-94 에서 제시된 60volt아닌 30volt 가 사용되었다. 사용된 장비는 G사의 PPOOVE’IT 시스템이다. 시험체의 양생조건과 크기는 WPT 실험에서 행해진 시험체와 동일하며, 진공 프로세스는 2.1장에서 서술된 바와 같다. 각각 의 온도조건에 4개의 시험체가 사용되었으며, 사용된 총 시험 체의 개수는 40개였다.

Fig. 10은 상이한 냉각조건 하에 수행된 R2_D4 시험체의 RCPT 실험결과를 보여준다. 200°C와 400°C에 노출된 시험체의 냉각속도에 따른 영향은 WPT 실험결과와 같이 냉각속도의 증가에 따라 쿨롱의 양이 증가하는 경향을 보였으나, 600°C에 노출된 시험체의 경우 냉각속도의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.

흥미있는 결과로서, WPT 실험결과와 달리 200°C와 400°C 의 최대 온도에 노출된 시험체의 경우 쿨롱의 양이 거의 유사하며 오히려 400°C에 노출된 시험체가 200°C에 노출된 시험 체에 비해 그 수치가 낮게나타났다.

비록 그 차이가 작다 할지라도, 400°C에 노출된 시험체가 200°C에 노출된 시험체에 비해 쿨롱의 수치가 낮게 나타난 결과의 타당성을 설명하기란 쉽지 않다. 더구나, 400°C에 노출된 서냉각, 자연냉각, 수냉각 시험체 모두가 200°C에 노출된 시험체 보다 더 낮은 수치를 나타내기 때문에 그 실험결과를 시험상의 오류로도 볼 수 없다.

획득된 실험결과의 타당성을 설명하기 위해 이온의 크기와 온도 증가에 따른 콘크리트 기공의 크기 변화를 고려해 볼 수 있으나, Poon(2001) 의 연구결과에 의하면, 노출온도의 증가 에 따라 콘크리트 기공의 크기는 커지기 때문에 그 실험결과를 이온과 콘크리트 기공의 크기 변화로도 규명할 수 없다.

Joshi et al. (1999)의 연구결과에 따르면 Cathode chamber와 Anode chamber에서 발생할 수 있는 화학적 작용은 아래와 같다.

Cathode chamber: (3)

Anode chamber: (4)

상기 화학식으로부터, RCPT 실험에서 콘크리트 시험체를 통과하는 전류는 염화이온 뿐만 아니라, 수산화이온에 의해 영향 받는다는 사실을 알 수 있다.

본 실험에서 발생하는 수산화 이온의 양이 염화 이온의 양 에 비해 적게 발생할지라도, 수산화이온 (OH^-) 의 전기전도성은 20×10^-3S.m²/mol로 염화이온 (Cl^-) 의 전기전도성 7.63×10^-3S.m²/mol에비해 약 3배 더 크다는 사실로 인해, 수산화 이온의 효과가 전류에 미치는 영향을 무시할 수 없을 것으로 판단된다. 따라서 본 실험의 결과를 명백하게 이해하기 위해 수산화이온과 염화이온의 전기적 특성 및 실험에서 사용된 용액과 온도증가에 따른 콘크리트의 상변화에 의한 화학적 변화, 그리고 그 화학성분들의 상호작용에 관한 추가적 연구가 필요할 것으로 사료된다.