최근 들어 콘크리트의 내구성 개념이 점점 강조되고 있습니다. 이러한 배경은 한마디로 콘크리트가 설계한 수명대로 가지 않고 어떤 원인인지는 모르지만, 자꾸만 약해진다는 이야기로 함축됩니다. 이렇게 만든 요인은 너무나 복잡합니다. 내적, 외적, 환경 등... 여기에 또 잊으려고 하면 언론에 보도되는 레미콘 부실 문제는 귀에 무척 거슬립니다. 콘크리트는 20% 내외의 기공을 포함하고 있는 일종의 다공체입니다. 콘크리트 중의 기공은 만들어진 원인에 의해 크게 두 가지로 분류됩니다. 하나는 Entrained air 및 Entrapped air로서 연행된 공기에 의해서 만들어진 기포입니다. 이것은 연행된 기체가 경화체에 남아서 만들어진 기공을 말합니다. 또 하나는 수화반응이 진행되었는데도 소모되지 않고 남아 있는 자유수에 의해 만들어진 모세관 기공과 수화물 CSH 결정의 층간에 있는 물에 의해서 형성된 겔 기공입니다. 기타로는 건조 수축이나 팽창에 의해 만들어진 Crack, 블리딩에 의한 큰 기공, 모르타르 및 콘크리트에서 골재와 시멘트 페이스트 경계면 사이에 숨어있는 기공 등이 있습니다. 이런 기포의 중요성은 동결융해 저항성과 관련 포장 콘크리트에서는 매우 중요하게 다루어집니다. 한국도로공사 연구 결과(2018)를 보면, 과도한 제설재 살포로 포장 콘크리트의 스케일링 및 동결융해 저항성이 크게 저하되고 있다고 보고하고 있고, 그 대책으로서 시방 배합 선정할 때 기포 간격 계수를 0.2㎜ 이하로 관리하는 방안을 고려하고 있는데, 신뢰성 문제와 측정 기간이 오래 걸려 시방 기준으로 반영 못 하는 한계점이 있다고 설명하고 있습니다.

각설하고, 이번 호에서는 이런 상기의 문제점을 어느 정도 해결 가능한 방법으로 판단되는 Super Air Meter(이하 SAM)에 대하여 소개하고자 합니다. 슈퍼 에어 미터 또는 SAM은 변형된 ASTM C231 타입 B 압력 측정기입니다. 이 측정기는 오클라호마 주립 대학교에서 Tyler ley 교수에 의해 개발되었고, 측정기는 두 가지 방법으로 작동할 수 있습니다. 첫째, 이는 종래의 공기량 측정 압력 계량기와 동일한 분석 조건으로, 타입 B 미터와 동일한 모든 정보를 제공합니다. 종래의 테스트를 완료한 후에, 측정기는 추가로 더 높은 압력 하에서 콘크리트를 배치하는 제2 동작 모드로 이동할 수 있습니다. 콘크리트가 일련의 높은 압력에 어떻게 응답하는지를 이해함으로써, 계량기는 공기 내용물을 넘어 공기(air)-공극(void) 시스템의 특성을 평가할 수 있는 것입니다. 테스트 콘크리트를 실행하기 위해 전형적인 ASTM C231 시험이 실행되는 것처럼 배치되고 통합됩니다. 그러나 SAM 테스트를 사용하면 맨 아래 바울(bowl)의 압력을 해제하지 않고 테스트가 여러 번 실행됩니다. 시험은 약 10분 정도 시간이 소요되며, 후레쉬 콘크리트의 공기-공극 품질에 대한 정보를 바로 제공해줍니다. 이것은 특히, 페이버 또는 펌프의 압송 전·후에 콘크리트 혼합물을 바로 평가하고, 다수의 혼화제를 가진 콘크리트 최적 배합비를 찾는 데도 유용합니다. 이러한 값은 아래 그림 5에 표시되어 있습니다. SAM 번호는 ASTM C457 테스트로부터 간격 계수에 대하여 플롯팅되어 있습니다. SAM 번호는 테스트에서 생성된 압력 곡선에서 계산된 값입니다. 0.008의 기포 간격 계수가 표시되고, 이 값은 ACI 201에서 프로스트 내구성 콘크리트를 만드는 데 필요한 값으로 권장되고 있습니다. 또한, 이 두 측정 사이에는 거의 선형적인 관계가 있고, 10분 정도에서 결과가 확인되는 것이 최대 장점이라고 소개하고 있습니다.

콘크리트에 미세한 기포가 포함되어 있으면 동결융해 내구성이 향상되고, 콘크리트의 강도가 증가합니다. 이 장치는 콘크리트를 생산하는 과정에서 기포의 크기를 거의 실시간으로 측정할 수 있고, 실시 간으로 또한 변경할 수도 있습니다. 따라서 동결융해 내구성이 있는 콘크리트가 생산되도록 하는 데 매우 유용합니다. 이 장치는 또한, 다양한 혼화제 또는 시공 공정에 영향을 주는 콘크리트 혼합물의 기포 크기에 미치는 영향에 대한 중요한 정보도 제공할 수 있습니다. 이렇게 하면 불량 콘크리트를 줄일 수 있고, 동결융해에 강한 내구성 콘크리트를 만들 수가 있습니다. 이 장치는 AASHTO TP 118에 잘 설명되어 있습니다. 측정기는 미국 37개 주와 5개국에서 사용되고 있으며, FHWA(미연방고속도로관리국) Mobile Concrete Lab 및 Turner Fairbanks Lab에서도 사용되고 있습니다. 그리고 장치를 추가로 조사하기 위한 공동 기금 프로젝트도 있습니다. SAM은 일반적인 압력 방법 (ASTM 231)의 수정된 버전입니다. 주요 수정 사항은 콘크리트에 두 번의 순차적 가압이 적용된다는 것입니다. 콘크리트의 변형은 먼저 14.5, 30, 45psi에서 측정되고, 압력이 해제되고 동일한 압력 단계를 다시 사용하여 변형을 측정합니다. 첫 번째와 두 번째 압력 단계의 차이는 SAM 번호를 계산하는 데 사용됩니다. SAM 번호는 콘크리트 배합비의 공극 사이의 평균 크기 및 간격 또는 간격 계수로 알려진 값과 관련이 있습니다. 공극 사이의 간격이 너무 크면 콘크리트가 동결융해 열화에 취약하다는 것을 의미합니다. 0.20의 SAM 번호는 기포 사이의 간격이 ACI 201 콘크리트 내구성 위원회의 권장 사항을 충족하는지 여부를 90% 이상 정확하게 결정하는 것으로 나타났습니다. 이 장치는 Oklahoma State University와 FHWA Turner Fairbanks Laboratories의 300개 이상의 다양한 공기 연행제, 감수제, W/C 및 시멘트 함량별로 실험실 및 현장 혼합물을 사용하여 조사했습니다. 진행 중인 공동 기금 연구의 일환으로 SAM은 현장 콘크리트에 있는 16개의 다른 DOT(미국운수부)에서 사용되고 있습니다. SAM의 결과는 ASTM C666 급속 동결-융해 테스트의 성능과도 비교됩니다. AASHTO(미고속도로교통관리협회) TP 118은 테스트 사용을 설명하는 데 사용됩니다. 콘크리트가 습한 환경에 있고 동결융해 주기에 노출되면 콘크리트 내에서 인장 응력이 발생합니다. 제빙용 소금을 사용할 때 콘크리트 표면에 국부적인 손상이 발생할 수도 있습니다. 콘크리트는 포화 상태에 가까워질 때 이러한 유형의 손상에 가장 위험합니다. 이로 인해 단 몇 번의 동결융해 사이클만으로도 손상이 발생할 수 있습니다. 그래서 동결융해 손상으로부터 콘크리트를 보호하기 위해 콘크리트에 AEA(Air entraining admixture) 계면 활성제를 사용하는 것도 바로 그런 이유입니다. 또한, 혼입된 공기는 콘크리트의 작업성을 향상시키고, 재료 분리를 줄일 수 있습니다. 혼입된 공기는 콘크리트의 강도를 감소시킵니다. 일반적으로 공기 함량이 1% 증가할 때마다 압축 강도가 약 500psi 감소합니다. 혼입된 공기는 콘크리트의 동결융해 내구성에 중요하지만, 동결융해에 강한 내구성 골재와 습기에 강한 시멘트 페이스트를 사용하는 것도 중요합니다. 본 장비는 국내 대윤계기산업(주)에서 판매하고 있는 디지털 공기량 측정기(아날로그 측정기는 사용 할 수가 없음)도 소프트웨어만 보완해주면 바로 측정이 가능할 것으로 사료됩니다. 끝으로, 4계절이 뚜렷한 우리나라에서 이 시험 방법은 콘크리트 품질 향상과 품질 보증에 상당한 기여를 할 것으로 기대가 됩니다. (이상)