2.1.1 사용재료

본 연구에서 사용된 시멘트의 경우 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 사용된 시멘트에 대한 화학성분 분석 결과는 Table 1과 같다. 골재는 굵은 골재의 경우 최대 치수 25mm이고, 비중 2.69, 조립률 7.47인 쇄석을 사용하였으며, 잔골재의 경우 비중 2.61, 조립율 2.73인 부순 모래를 사용하였다. 사용 골재의 물리적 특성은 Table 2와 같다.

Table 1

Chemical Composition of Cement

Table 2

Physical Properties of Aggregates

2.1.2 배합설계

본 연구는 시멘트 콘크리트의 표면박리 저항성을 평가하기 위한 실험으로 콘크리트 목표설계 강도는 현재 포장용 콘크리트에서 주로 적용되고 있는 휨 강도(f_bk) 4.5 MPa을 기준으로 하였다. 배합설계는 시멘트 콘크리트 포장 설계지침(2011)에 따라 실시하였다. 콘크리트 배합설계에 대한 변수 설정하였으며, 모두 동일한 물 시멘트비 44.8%, 잔골재율 39.7%를 사용하였다. 목표 슬럼프의 경우 현장의 기계 타설을 고려하여 40 mm 이하로 하고, 목표 공기량은 동결융해의 손상을 고려한 5~7%로 설정하였다. 이에 따른 배합설계는 Table 3과 같다.

Table 3

Mix Proportion of Concrete Pavement

2.3.1 시험체의 중량 감소량에 의한 평가

표면박리에 대한 중량 감소량 평가는 초기 0 cycle을 기준으로 5 cycle마다 50 cycle까지 수행하였다. 또한 시험체의 습윤 및 건조 상태에 따른 오차를 최소화하기 위해 완전 건조 후 시험체의 중량을 측정하였다. 표면 박리에 따른 중량 감소율(kg/m²)은 Eq. (1)을 통해 산출하였다.

여기서, W_sn 은 n cycle에서의 시험체 중량 감소율(kg/m²), W₀ 는 0 cycle에서 시험체의 중량(g), W_n 은 n cycle에서 시험체의 중량(g), A는 제설 용액에 노출된 시험체의 표면적(cm²)이다.

2.3.2 시험체의 표면 누적 박리량에 의한 평가

시험체의 표면 누적 박리량 또한 5 cycle마다 시험체에 담수되어 있는 담수된 제설용액을 증류수로 세척 후 콘크리트 표면 박리 분을 8 ㎛의 여과지로 필터링하여 채취하였다. 채취된 시료는 105±2°C에 24시간 건조 후 표면에서의 박리된 양을 측정하였다. 측정된 박리량은 Eq. (2)와 같이 단위면적에 대한 박리량으로 산출하여 평가하였다.

여기서, W_aln 은 n cycle에서의 시험체 누적 박리율(kg/m²), W_loss 는 n cycle에서 채취된 표면 박리분의 중량(g)이다.

2.3.3 시험체의 표면 육안 평가

표면 박리에 대한 육안 평가는 0 cycle을 기준으로 5 cycle마다 시험체가 완전 건조한 상태에서의 육안을 통해 박리 및 굵은 골재 노출 정도로 평가된다. ASTM C 672에 의한 육안 평가 기준 0~5등급으로 구분되며, 최종 50 cycle 후의 평가 기준을 통해 등급을 분류하였다. ASTM C 672에 의한 육안 평가 기준은 Table 6과 같다.

Table 6

Visual Rating of the Surface

2.3.4 3D 스캐너를 이용한 박리 체적 평가

3D 스캐너를 이용한 평가방법은 시험체의 표면이 완전히 건조된 후 스캐닝하였으며, 스캐닝 과정은 Fig. 2와 같다. 스캐닝이 끝난 3D 스캐너 이미지를 Rhinoceros modeling program을 이용하여 메쉬(mesh) 파일로 가져온 다음 메쉬의 각 지점을 포인트 크라우드 형태로 변환하여 박리가 발생된 국부적인 부분을 clipping하여 각 지점의 점들을 텍스트 파일로 추출한다. Fig. 3은 일부 박리된 부분의 메쉬 파일로 가져온 후 포인트 크라우드로 변환한 형태를 나타내었다. 이와 같이 좌표 데이터들을 Matlab을 이용하여 중복된 값들을 제거한 후 Eq. (3)에 제시되어 있는 측량 공학의 지거법 중 사다리꼴 공식을 이용하여 박리된 체적을 산출하였다. 3D이미지를 통한 박리 체적 평가는 박리가 확연히 발생된 일정 부분에 대해 산출하였다. 이를 통해 3D 스캐닝을 통한 보다 효과적이고, 정량적인 평가 가능성을 확인하고 이에 대한 평가 기법을 제시하고자 한다.

Fig. 2

3D Scanning Process

Fig. 3

Scaling Part Converted Into a Mesh and Point Cloud

여기서, V는 박리 체적(m³), d는 점 사이의 간격, z₀ 는x₀ 에서의 깊이(m) z_n 은 x_n 에서의 깊이(m)이며, Fig. 4는 Eq. (3)을 도식화하여 표현하였다.

Fig. 4

Conceptual Trapezoidal Rule

3.1.1 중량감소량에 의한 평가 결과

콘크리트 표면 박리저항성 평가를 위해 제설염 및 동결융해에 노출된 시험체의 중량 변화를 통해 평가하고자 하였으며, 중량감소량에 의해 평가된 각 변수별 실험결과는 Fig. 5와 같이 나타내었다. 초기 0 cycle과 비교하여 5 cycle마다 시험체의 변화 중량을 측정하여 50 cycle의 중량 감소량을 평가하였다. 중량감소율 평가결과 NaCl+CaCl₂(7:3, 4%), NaCl(3%), CaCl₂(4%) 순의 결과를 나타내었으며, NaCl과 CaCl₂을 일정비율 혼입하여 사용할 경우 가장 높은 중량감소량을 나타내었다. 또한 표면강화제의 경우 무기질 실란계 표면강화제(Type 2)를 적용한 경우 낮은 중량감소량을 나타내어 우수한 표면 경화 및 강화 특성을 나타내었다. 무기질 실란계 표면강화제는 침투성 발수 방청제로 콘크리트 구체 내부 깊숙이 침투가 가능한 나노 크기의 미세한 실란 분자로 구성되어 있어 콘크리트와의 강한 화학적 결합을 통한 표면 경화 및 코팅뿐만 아니라 콘크리트 내부 단분자막 형성을 통해 수밀성 증진에 기여도가 높은 것으로 사료된다. 각 국외 기준의 제설용액에 따른 중량감소량을 비교해보면 ASTM C 672에서 제시된 염화칼슘 4%를 적용할 경우 가장 낮은 중량감소량을 보여 실제 적용되고 있는 제설용액에 대한 평가로 활용성은 다소 낮을 것으로 판단된다(Lee et al., 2011; Lie and Hansen, 2016; Abdul and Amal, 2015).

Fig. 5

Results of Mass Loss by Type of Saline Solution

또한 ASTM C672 및 MTO LS-412 기준에서 제시된 0.8 kg/m² 이하 또는 BNQ 2621-900에서 제시된 0.5 kg/m² 이하보다 확연히 높은 중량감소량을 나타내었다. 이는 시험체 전체의 중량 변화량을 측정하게 될 경우 평가하고자 하는 콘크리트 표면 이외의 일부가 파손 및 탈락되는 등 다양한 오류 발생 가능성이 있는 것으로 사료된다. 그리고 모든 시험체가 10 cycle 이내에서 급격한 중량감소량을 보였으며 이 후에서는 완만한 박리량을 나타내었다. 이는 중량 측정을 위해 cycle마다 건조 상태로 조절을 하여도 에폭시 코팅에 표면이외 수분 배출이 차단이 되어 일부 축적이 되고, 재령에 따른 콘크리트 내부 조직 경화도 기인한 것으로 판단된다(Tsang et al., 2016).

3.1.2 누적 박리량에 의한 평가 결과

표면의 박리된 시료 채취하여 평가한 박리량에 의한 박리저항성 평가 결과는 Fig. 6과 같이 나타내었다. 국외 기준의

Fig. 6

Results of Accumulative Scaling Amount by Type of Saline Solution

제설용액 종류에 따른 박리 경향은 중량감소량에 평가 결과와 유사한 양상을 나타내었으며, 표면강화제 유무 및 종류에 따른 결과 또한 동일한 경향을 보였다. 반면 측정되는 누적 박리량으로 산출된 결과는 중량 감소량 변화에 따른 박리량 평가와는 큰 차이를 나타내었다. 또한 가장 많은 박리량을 보인 표면강화제를 처리하지 않은 NaCl과 CaCl₂을 일정비율 혼입하여 사용한 시험체의 경우 약 0.154 kg/m² 국외에서 제시된 0.8 kg/m² 이하 또는 0.5 kg/m² 이하의 기준에 만족하는 결과를 보였다. 이는 표면 이외의 박리 및 파손에 대한 오차 발생의 우려는 없지만 초기의 박리는 콘크리트 표면의 시멘트 페이스트 및 모르타르가 탈락되는 현상으로 미립분 또는 분말 발생에 따른 오차 발생과 채취 시 다소 어려움이 있다. 이에 따라 초기의 박리 발생량이 높게 측정되었으며, cycle이 지남에 따라 다소 미미한 수준의 박리량을 나타내었다. 또한 표면강화제로 도포한 경우 초기 10 cycle 이후에는 큰 변화를 나타내지 않았으며, 이는 표면경화제 도포에 따른 콘크리트 표면 경화 및 코팅 효과로 인한 것으로 판단된다. 그리고 NaCl 3%의 염용액에 침지한 경우 표면강화제 종류에 따른 결과가 0.0271 kg/m³과 0.0212 kg/m³으로 상반된 결과를 나타내었는데 이는 박리 분을 채취하여 평가하는 경우 전반적으로 아주 미소한 박리 량이 채취되어 박리된 시멘트 페이스트 내에 표면경화제 도포 시 발생되는 분진 및 레이턴스의 영향으로 인해 발생되는 오차로 사료된다.

이 같이 박리 분을 채취하여 측정하는 경우 채취, 건조 및 필터링하는 과정이 어렵고, 채취되는 양이 cycle당 약 5 g 이내의 아주 미소한 양으로 측정 오차 발생가능성이 매우 높은 것으로 평가된다.

국외 기준에서 제시된 표면박리량 시험체 치수에 따른 콘크리트 시편 크기에 대한 중량은 약 30 kg수준으로 채취된 박리량과 비교하면 박리량 0.02~0.1 kg수준으로 아주 미미한 수준으로 확인된다. 따라서 상기 표 8와 같이 ASTM C 672에 제시된 제설용액 및 표면마감 등과 타설시 진동다짐 및 블리딩 등 표면의 품질에 영향에 미치는 요소에 비해 측정되는 박리 중량은 미미한 수준으로 정량적인 평가는 다소 어려울 것으로 사료된다. 이 평가 방법 또한 측정 cycle마다 콘크리트 시험체의 습윤 및 건조 상태에 따른 오차발생의 우려가 있으며, 중량으로 평가할 경우 보다 상세 기준이 제시되어야 할 것으로 판단된다.

3.1.3 표면 육안 평가 결과

콘크리트의 표면 박리저항성 시험에 따른 ASTM C 672의 육안 평가 결과와 50 cycle에서의 누적 박리량 의한 평가결과를 Table 7과 같이 나타내었다. 육안평가 결과는 ASTM에서 제시한 바와 같이 0~5등급까지의 박리 깊이 및 굵은 골재의 노출 수준으로 구분하여 평가하였다.

Table 7

Visual Rating and Accumulative Scaling Amount of Concrete Surface

그 결과 표면의 육안 평가 결과와 누적 박리량에 의한 결과와 상이한 경향을 나타내었으며, 가장 확연히 평가된 콘크리트 시편의 사진은 Table 8과 같다. 표면의 차이가 확연한 표면강화제의 처리 없는 CaCl₂와 NaCl을 침지한 시편에 대해 비교를 하였다. CaCl₂을 침지한 시편의 경우 50 cycle까지의 최종 누적 박리량은 0.091 kg/m²으로 측정되었으며, NaCl을 침지한 시험체의 경우 0.100 kg/m²으로 확인되었다. 상기와 같이 누적 박리량에 의한 평가 결과는 약 0.009 kg/m²의 다소 낮은 박리량의 차이를 나타내었지만 육안평가 결과에 의하면 각각 1등급과 3등급으로 분류되었으며, 다음 표와 같이 콘크리트 시편의 표면에서도 확연히 확인할 수 있다. 따라서 중량감소량 또는 누적박리량에 의한 평가는 변수별 시험체의 상대적인 평가는 가능하나 정량적인 박리량을 산정하기에는 어려움이 있는 것으로 사료된다(Ernesto et al., 2010).

Table 8

Visual Assessment of Concrete Surface (Ca-N and Na-N)

3.1.4 3D이미지를 이용한 평가

일반적으로 기존의 콘크리트 표면 박리저항성 평가의 경우 육안 및 중량으로 평가되고 있다. 육안평가의 경우 콘크리트의 표면을 등급화하는 기법으로 정량적인 분석이 어렵고, 중량에 의한 평가 또한 시험체의 습윤 상태 및 표면 처리 등 다양한 오류 발생 가능성을 내포하고 있다. 또한 중량 평가의 경우 콘크리트 표면 자체의 손상도를 정량적으로 표현한다고 보기에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 제설염 및 동결융해에 따른 콘크리트 표면의 박리 정도 또는 손상도를 3D이미지를 활용하여 박리된 체적을 산정하고자 하였다. 이와 같은 박리 체적의 산정 기법은 콘크리트 포장뿐만 아니라 구조물에서도 콘크리트 박리로 인한 철근까지의 감소된 깊이를 산출하기에 용이하며, 오류 인자의 발생 가능성도 최소화가 가능하다고 판단된다(Kejin et al., 2006; Wu et al., 2014).

3D스캐닝을 통한 박리 체적의 평가는 Fig. 7과 같이 박리 손상이 확연한 부분에 대하여 해석을 수행하였다. 콘크리트 시험체 표면 전체에 대한 박리 체적을 평가하기 위해서는 손상 후의 콘크리트 표면과 초기의 표면을 정확히 오버랩되어야 하며, 이를 위해서는 초기 표면의 기준좌표 설정뿐만 아니라 스캐닝 각도를 고정화하여 지속적인 스캐닝이 실시되어야 할 것으로 사료된다. 또한 콘크리트 전체 표면에 비해 박리된 부분은 다소 미미한 수준으로 3D스캐닝의 정밀도 및 해상도뿐만 아니라 내측까지 스캐닝이 가능한 보완된 기술이 요구될 것으로 판단된다.

Fig. 7

3D Image Extraction and Mesh Division

Fig. 7에서의 국부적 박리 평가 결과 측정 면적 100 mm²에 대한 박리 체적은 501±8 mm³으로 측정된다. 이는 측정 콘크리트 표면적에 대한 박리된 체적(mm³/mm²)으로 평가하면 약 5 mm³/mm²이며, 1m³당 약 0.005 m³의 박리 체적을 나타내는 양이다. 이러한 방법은 박리외의 중량에 대한 오차발생을 배제할 수 있으며, 또한 손상 또는 박리가 심한 일부분에 대해 손실된 피복두께의 깊이까지 산정이 가능하다. 또한 제설염 및 동결융해 뿐만 아니라 다른 열화인자에 노출된 콘크리트 표면을 보다 용이하게 정량적 평가가 가능하다.

3.1.5 콘크리트 표면 박리 평가방법에 대한 고찰

콘크리트의 표면 박리 저항성에 대한 평가방법에 따른 실험결과를 비교하여 Fig. 8과 같이 나타내었다. 중량 감소량에 대한 평가결과의 경우 누적 박리량을 통한 평가보다 과대평가되는 경향을 나타내었다. 누적 박리량 채취에 의한 평가는 측정 과정이 복잡하고, 채취되는 박리 량이 매우 미소하여 상당한 오차발생 가능성을 내포하고 있다. 이에 따라 표면강화제를 적용하여 표면 처리를 한 시편의 경우와 처리를 하지 않은 시편의 측정결과의 차이가 크고, 표면 처리를 통한 일정 수준 이상의 박리저항성이 확보되어 박리되는 량이 미미한 수준의 경우 상대적인 평가의 어려움이 있다.

Fig. 8

Comparison of Results According to Each Evaluation Method

따라서 시편의 표면 처리 및 변수에 대한 박리저항성의 상대적인 평가 비교는 중량 감소율에 의한 결과가 보다 명확한 평가가 가능한 것으로 판단된다. 이와 같이 중량 감소율 및 누적 박리량과 같이 중량을 통한 평가는 적용 시편 크기 및 콘크리트 습윤 상태 등 다양한 측정 오차 발생 가능성이 있어 이를 정량적으로 박리저항성 및 손상도를 평가 및 기준화하기에는 한계가 있다. 육안 평가 또한 변수에 대한 경향은 유사하게 나타났지만 정량적인 평가방법은 아니다. 따라서 본 연구에서는 3D 스캐닝을 이용한 박리정도 평가 기법을 제안하고자 하며, 이를 이용한 박리 체적 평가는 박리 너비 및 손상 깊이의 정량적 표현이 가능하다.

이와 같은 3D 스캐닝을 이용한 표면박리 저항성 평가방법을 적용 및 기준화하기 위해서는 채취된 박리 분과 스캐닝을 통해 측정된 체적과의 상호비교를 통한 검증이 우선되어야 하며, 박리된 체적(mm³/mm²)에 대한 손상 정도 및 측정 표면적에 대한 정밀도 및 반복성 등의 과학적 근거를 바탕으로 하는 기준이 정립되어야 할 것으로 판단된다.