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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.22 No.3 pp.1-7
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2018.22.3.001

Freeze-thaw Resistance Estimation of Concrete using Surface Roughness and Image Analysis

Binna Lee1, Lee Jong Suk2*

본 논문에 대한 토의를 2018년 6월 1일까지 학회로 보내주시면 2018년 7월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:jslee@kict.re.kr Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Gyeonggi-Do, 10223, Korea
25/09/2017 12/05/2017 12/12/2017

Abstract


As part of a research dedicated to the field evaluation of the durability of concrete subjected to freezing-thawing, this study analyzes the relationship between the surface roughness and the relative dynamic elastic modulus through image analysis. Four mix compositions with water-to-binder ratios (W/B) of 40%, 50%, 60% and 70% and without AE agent were considered to provoke early freezing. The basic physical properties of the mixes including the relative dynamic elastic modulus and the compressive strength were first evaluated experimentally according to W/B. Then, tests were performed to measure the surface roughness followed by photographs and SEM image analysis. The measured surface roughness tended to increase with larger number of freezing-thawing cycles regardless of W/B. The relative dynamic elastic modulus appeared to increase gradually with the number of cycles for the relatively denser mixes with W/B of 40% and 50%. Besides, the surface roughness increased only at rupture for the mixes with W/B of 60% and 70%. Moreover, the analysis of the photographs of the surface of the mixes with W/B of 40% and 50% revealed that the degradation progressed gradually from the surface with the freezing-thawing cycles. However, for the mixes with W/B of 60% and 70%, apparent change of the surface remained very insignificant until rupture at which damage like cracking could be observed. Consequently, the analysis of surface photograph or the measurement of the surface roughness presented some limitation in assessing the degree of freezing-thawing-induced degradation in case of relatively porous specimens. On the other hand, the photograph and surface roughness appeared to be sufficient for assessing such degradation for the mixes with W/B of 40% and 50%. Accordingly, the image of the surface and the surface roughness are potentially applicable on site for the assessment of freezing-thawing damages in relatively dense mixes.



콘크리트의 동결융해 저항성 추정을 위한 표면 거칠기 및 이미지 분석의 적용성

이 빛나1, 이 종석2*
1정회원, 한국건설기술연구원 신진연구원
2정회원, 한국건설기술연구원 연구위원

초록


본 연구에서는 동결융해 작용을 받는 콘크리트의 내구성을 현장에서 평가하기 위한 일환으로 표면 거칠기 값과 이미지 분석을 대 상으로 상대동탄성계수와의 관계를 분석하였다. 배합은 물-시멘트비에 따라 40%, 50%, 60% 및 70% 총 4배합으로 수행하였으며 동해를 조기 에 발현시키기 위하여 AE제를 사용하지 않았다. 실험은 물-시멘트비에 따라 상대동탄성계수 및 압축강도 등의 기본 물성 시험과 표면 거칠기 측정, 화상 이미지 및 SEM 이미지 분석을 수행하였다. 표면 거칠기 시험 결과 물-시멘트비에 상관없이 전반적으로 싸이클이 증가함에 따라 표 면거칠기 값이 증가하는 경향을 보였으며 상대적으로 조밀한 40% 및 50%의 경우 상대동탄성계수가 60% 이하인 시점까지 서서히 증가하는 경향을 보였으나, 60% 및 70%의 경우 파괴 시점에서만 표면 거칠기 값이 증가하였다. 또한, 표면부 화상 이미지 분석에서도 물-시멘트비 40% 및 50%의 경우 동결융해 싸이클이 진행되는 과정에서 표면부터 서서히 열화가 진행되는 과정을 확인할 수 있었으나 60% 및 70%의 경우 표면 부의 변화가 미미하다 파괴 시점에서 균열 등의 손상을 확인할 수 있었다. 따라서, 상대적으로 수밀하지 않은 시험체의 경우 화상 이미지나 표 면 거칠기 등의 인자로 동결융해의 열화 정도를 판별하기에는 일부 제한이 있을 것으로 판단되며 상대적으로 수밀한 W/C 40% 및 50%의 경우 표면 거칠기 및 표면부 화상 이미지로 동해의 열화 진행 정도를 판단할 수 있었으며 향후 현장에서 표면 거칠기 및 이미지 분석을 적용할 수 있 을 것으로 판단된다.



    1 서 론

    콘크리트는 비균질 재료로 다른 건설재료에 비해 높은 내구 성과 경제성으로 인해 널리 사용되고 있다. 또한, 사용하는 재 료 및 기타 조건, 주변 환경 등에 의해 콘크리트의 강도 및 내구 성능이 크게 달라진다. 특히나 건설되는 외부 조건에 따라 염 해, 동해 등 다양한 열화 인자에 노출되기 때문에 내구성 저하 가 발생되고 나아가 구조물의 잔존수명을 단축시킨다.

    국내의 경우 지리적⋅기후적 특성상 염해 및 동결융해에 대해 직접적으로 노출되어 있으며 이 중 염해의 경우 전국 해안가의 비래염분량을 주기적으로 측정하여 해안별 거리 기준에 따른 비래염분에 대하여 연구하였으며 최근에는 제 설제로 인한 염해에 대한 연구를 수행하는 등 염해환경과 관 련된 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 하지만 동결융해 작용에 대한 연구는 내부 공극 크기 및 형성과 동결융해와의 관계 등의 연구가 수행되었으며 콘크리트의 공극률을 평가 하여 동결융해에 대한 평가지표를 제시하는 연구가 수행되 고 있다. 그러나 이러한 공극구조의 형성과 관련된 연구는 양생이력 등의 조건에 크게 영향을 받으며 동일한 재료 및 배합비를 사용하여 제작하여도 다른 특성을 가지기 때문에 다소 제한적이다. 또한, 동결융해에 대한 내구성 기준은 상 대동탄성계수에 국한되어 있기 때문에 현장에서 사용하기 에는 다소 부적합하며 현장 점검시 육안점검 및 비파괴검사 등으로 동결융해로 입은 열화에 대한 손상정보를 파악하기 에는 어려움이 있다.

    따라서 본 연구에서는 현장에서 동결융해 작용을 받는 콘 크리트의 내구성을 정량적으로 평가하기 위한 일환으로 표면 거칠기 값과 표면부의 이미지 분석을 통하여 상대동탄성계수 와의 관계를 분석하였으며 이를 현장 점검시 동결융해의 열 화 정도를 정량적으로 평가할 수 있는 기초자료로 활용하고 자 한다. 실험은 물-시멘트비에 따라 동결융해 시험을 수행하 였으며 싸이클마다 표면조도 및 이미지 분석을 수행하여 이 를 상대동탄성계수와 비교⋅분석하였다.

    2 실험개요

    2.1 실험계획

    본 연구에서는 표면 거칠기 값과 이미지 분석 등을 활용하 여 콘크리트의 동결융해 저항성을 평가하고자 물-시멘트비를 변수로 배합을 설정하였으며 자세한 사항은 Table 1 및 Tabel 2와 같다. 이때, 동해를 조기에 발현시키기 위해 각 배합에 AE 제를 사용하지 않았으며 실험은 KS F 2456의 실험방법에 의 거하여 동결융해 30 싸이클마다 상대동탄성계수 및 표면 거 칠기 값 등을 측정하였다. 또한, 콘크리트의 표면부의 화상 촬 영을 한 후 이미지 분석을 수행하였으며, 깊이별 동해의 열화 정도를 분석하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 촬영을 수행하였다. 실험은 최대 300 싸이 클까지 혹은 상대동탄성계수가 60% 이하로 내려가는 싸이클 에서 시험을 종료하였다. Table 2

    2.2 사용재료

    본 연구에서 사용한 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트 (비중 3.15g/cm3 , 분말도 3,800cm/g)이고, 굵은 골재는 국 내 A사 제품이고 잔골재는 국내 B사 제품으로 자세한 사항은 Table 3 및 Table 4와 같다.

    2.3 실험체 제작 및 실험방법

    동결융해작용에 따른 콘크리트의 내구성능을 분석하고자 시험체는 400×100×100mm(가로×세로×높이) 각주형 공시체 로 제작하였으며, 현장 환경을 모사하기 위하여 콘크리트 시 편의 한 면을 제외한 나머지 면에는 에폭시 방수 코팅을 실시 하여 동해가 한 면에서만 발생할 수 있도록 하였다. 동결융해 실험은 KS F 2456의 실험방법의 B에 의거하여 실시하였으며, 매 30 싸이클마다 꺼내어 건조 후 상대동탄성계수 및 표면 거 칠기 값을 측정하였다. 표면 거칠기 측정은 Elcometer Instruments사의 Elcometer 223을 사용하였으며 약 20mm의 간격으로 가로 20개 세로 5개로 총 100개소에서 측정하여 이 들 값의 평균 깊이를 대상 시험체의 표면 거칠기로 설정하였 다. 또한, 동결융해시험시 모서리 부분의 취약점으로 인한 오 차를 감소하기 위해 시험체의 중심부를 기준으로 양쪽 100mm 영역을 측정하였다.

    한편, 표면조도가 끝난 동결융해 시험체의 표면부를 화상 촬영하여 이미지화하고 그 이미지를 공극 및 균열과 그 외의 영역으로 단순화하였다. 이때, 공극 및 균열 영역을 8비트 이 미지의 픽셀(pixel)로 표현하였으며 각 픽셀은 256단계의 값 (0부터 255까지의 범위로 255에 가까울수록 어두운색으로 표 현)으로 표현된다. 이때, 실제 시험체와 화상 이미지를 상호 비교하여 픽셀의 밝기가 250 이상이 되는 구간을 균열 및 공 극의 영역으로 설정하였다.

    한편 동결융해에 대한 콘크리트의 내부 구조 분석을 위해 표면으로부터 깊이에 따라 시편을 절단 후 에폭시 함침 및 폴 리싱하여 SEM 촬영하여 2D 이미지를 얻었다. 촬영한 주사전 자현미경은 Philips XL30sFEG(Netherland)제품이며 시편 코 팅 재료는 금(Au ion coating)을 사용하였다.Fig. 1

    3 실험결과

    3.1 기본 물성 실험

    3.1.1 상대동탄성계수

    Fig. 2은 물-시멘트비를 변수로 동결융해 싸이클에 대한 상 대동탄성계수 측정값을 정리한 그림이다. 물-시멘트비가 40%일 경우 180 싸이클에서 50% 및 60% 에서는 90 싸이클에 서 70% 일 경우에는 60 싸이클에서 상대동탄성계수가 60% 이하로 측정되었으며 물-시멘트비가 낮을수록 상대동탄성계 수의 저하율이 낮게 나타났다.

    3.1.2 압축강도

    Table 5는 동결융해 싸이클에 대한 압축강도를 정리한 그 래프로 배합에 따라 상대동탄성계수가 60% 이하가 되는 시점 까지 압축강도를 측정하였으며, 물-시멘트비 40%는 180싸이 클, 50% 및 60%에서는 90싸이클, 70%는 60 싸이클까지 압축 강도를 측정하였다. 측정결과, 상대동탄성계수 60% 이하인 시점에서의 압축강도 값은 물-시멘트비와 관계없이 10∼ 11MPa으로 측정되었으며, 초기 강도값 대비 물-시멘트비 40%인 경우 약 45.8%, W/C 50% 및 60%인 경우 약 43.5%, W/C 70%인 경우 약 50% 정도의 강도저하가 발생하였다.

    각 배합별 강도 특성은 물-시멘트비 40%인 경우 싸이클에 따라 서서히 감소되는 경향을 보이나 물-시멘트비 70%인 경 우 상대적으로 급격한 강도 저하 경향을 보였다. 이러한 원인 은 기존 문헌에서처럼 내부가 밀실한 콘크리트의 경우 동결 융해의 저항성이 높아 순차적으로 강도 저하가 발생하지만, 내부가 밀실하지 못한 콘크리트의 경우 급격한 강도 저하가 발생하는 것으로 판단된다.

    3.2 표면 거칠기와 동결융해 저항성과의 관계

    Table 6은 배합별 동결융해 싸이클에 대한 표면 거칠기 값 을 나타낸 그래프이며, 이때 표면 거칠기 값은 해당 싸이클에 서 이전 싸이클의 표면 거칠기 값을 뺀 값으로 나타냈다.

    표면 거칠기 값은 물-시멘트비와 상관없이 전반적으로 싸 이클이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며 40%의 경우 120 싸이클부터 50%는 30싸이클부터 60%는 90싸이클부터 70%는 60싸이클부터 표면 거칠기 값이 증가하였다. W/C 40% 및 50%의 경우 표면 거칠기 값이 상대동탄성계수가 60% 이하인 시점까지 서서히 증가하는 경향을 보이지만 W/C 60% 및 70%인 경우 상대동탄성계수 60% 이하인 시점에서만 표면 거칠기 값이 증가하였다. 이러한 원인은 W/C 40% 및 50%인 경우 다른 배합보다 상대적으로 내구성이 우수하여 어 느 시점까지 동해에 대한 저항성이 높지만 어느 시점이 이후 에는 점차 동해에 대한 저항성이 약해지다 표면부 및 내부의 열화가 발생하게 되고 이로 인해 표면 거칠기 값이 증가하는 것으로 판단된다.

    하지만, W/C 60% 및 70%인 경우 위의 배합보다 내구성이 약하고 내부 공극량이 많기 때문에 표면 거칠기가 변화하는 시점에서 파괴가 발생한 것으로 추정된다. 즉, 60% 및 70%의 경우 상대적으로 내구성이 약하기 때문에 동결융해 시험시 초반부터 내부 조직으로 수분이 침투하여 팽창압 등을 발생 시키지만 기존 문헌에서처럼 내부 공극량이 위의 배합보다 높기 때문에 표면부까지 영향을 미치지 못하며 이로 인해 표 면 거칠기 값의 변화가 미미한 것으로 판단된다.

    따라서, 상대적으로 수밀하지 못한 W/C 60% 및 70%의 경 우 표면 거칠기 값으로 동해의 열화 정도를 판별하기에는 일 부 어려움이 있을 것으로 판단되지만, 상대적으로 수밀한 W/C 40% 및 50%의 경우 표면 거칠기로 동결융해의 열화의 진행 정도를 판단할 수 있을 것으로 판단된다.

    3.3 표면부 화상 이미지와 동결융해 저항성과의 관계

    3.3.1 화상 촬영을 활용한 이미지 분석

    Fig. 3은 동결융해 시험체의 표면부를 화상 촬영한 후 이미 지 분석 프로그램을 이용하여 공극 및 균열 부위와 그 외의 영 역으로 구분한 것으로 검은색은 공극 및 균열 영역이며 흰색 은 시멘트 매트릭스 부분이다. Fig. 3의 이미지 분석은 0싸이 클부터 상대동탄성계수가 60%이하인 시점까지 분석하였으 며 30 싸이클은 초기 이미지와 거의 유사하여 생략하였다.

    Fig. 3의 (a)는 물-시멘트 배합별 동결융해 90싸이클까지 표 기한 그림이며, (b)는 물-시멘트 40%의 120싸이클에서 180싸 이클까지 표기한 그림이다. 이미지 분석 결과 W/C 40%의 경 우 90 싸이클부터 균열이 확인되었으며 50%의 경우 60 싸이 클, 60%의 경우 90 싸이클에서, 70%는 60 싸이클에서 균열이 확인되었다. 또한, W/C 40% 및 50%인 경우 초반에 균열이 발 생하다 파괴 시점에서 스케일링 등의 박리가 확인되었으나 W/C 60% 및 70%인 경우 균열 발생과 파괴가 동시에 발생하 였다. 이러한 원인은 내부가 상대적으로 밀실한 W/C 40% 및 50%의 경우 내부 조직 구조가 조밀하여 동결융해에 대한 스 케일링에 대한 저항성이 높다는 기존 문헌과 같은 요인으로 판단된다.

    또한, 물-시멘트비에 따라 내부로 투입되는 물의 포화깊이 에 따라 차이가 발생된 것으로 판단된다. 즉 W/C 40% 및 50% 의 경우 다른 배합보다 상대적으로 수밀하여 수분이 표면부 부터 내부까지 침투되는 깊이 즉, 포화 깊이가 얕다. 따라서, 동결융해 싸이클이 진행되는 과정에서 수분이 깊이 침투하지 못하고 표면부에서 내부로 열화가 진행되어 가는 형태를 보 이게 된다. 이로 인해 표면 거칠기 값이 서서히 증가하게 되고 이 후 표면부 콘크리트가 동결융해로 약해진 이후에 수분이 더 깊숙이 침투하게 되고 점차 내부의 공극 파괴 및 균열이 발 생함에 따라서 표면부의 스케일링 등이 생성되고 최종적으로 파괴되는 과정을 거치게 되는 것으로 판단된다.

    반면 W/C 60% 및 70%와 같이 높은 물-시멘트비를 가진 시 험체의 경우 상대적으로 수밀하지 못하기 때문에 수분이 표 면부터 내부까지 깊게 침투하여 표면부 손상과 동시에 내부 손상이 진행되는 것으로 추정된다. 이로 인하여 표면부의 스 케일등 등의 열화가 발생되기 전에 내부의 조직파괴로 인해 박리/박락이 내부에서 먼저 발생하게 되고 이러한 결과로 표 면부의 화상 이미지는 파괴에 이르기 전까지 초기상태와 거 의 변화가 없고 표면 거칠기 값 또한 상대적으로 큰 변화가 없 었던 것으로 판단된다.

    결론적으로 상대적으로 수밀한 콘크리트는 표면부 화상 이 미지나 표면 거칠기 등의 인자로서 동결융해에 의한 열화의 진행을 모니터링할 수 있을 것으로 판단되며 반면 상대적으 로 수밀하지 못한 콘크리트는 동결융해에 의한 열화의 진행 을 화상 이미지나 표면 거칠기의 인자로 판단하기 어려울 것 으로 판단된다.

    3.3.2 주사전자현미경을 활용한 이미지 분석

    Fig. 4는 동결융해 60 싸이클에서 물-시멘트비에 대해 깊이 별 SEM 촬영을 정리한 그림으로 시편(약 10cm)을 기준으로 표면부, 표면으로부터 약 5cm 지점인 중심부, 약 10cm 지점인 바닥부로 구분하였다. 단, W/C 70%인 경우 동결융해 60 싸이 클 시점에서 시험체가 파괴되었으며 이를 시편으로 제작하기 부적합하여 이를 제외한 배합 3종에 대하여 시편 제작 및 SEM 촬영을 수행하였다.

    분석결과, 동결융해 60 싸이클의 표면부 SEM 사진에서는 물-시멘트비와 관계없이 동해 작용으로 인한 내부 균열이 확 인되었으며 이러한 균열이 골재와 시멘트 페이스트 사이의 천이대를 따라 확산 및 결합되는 경향을 확인할 수 있었다. 반 면, 표면으로부터 약 5cm 깊이인 중심부의 SEM 이미지에서 는 W/C 40%인 경우 내부 및 천이대 부근의 균열이 거의 관측 되지 않았다. 하지만, W/C 50% 및 60%의 경우 표면부와 마찬 가지로 균열이 확인되었으며 골재와 시멘트 계면의 파괴가 발생하였으며, 이러한 균열이 연결되는 것을 확인할 수 있었 다. 이러한 원인은 3.4.1의 화상 촬영 이미지 분석과 같이 W/C 40%의 경우 상대적으로 수밀하기 때문에 동결융해에 의한 열 화의 진행이 중심부까지 미치지 못하지만 W/C 50% 및 60% 의 경우 40%보다 상대적으로 수밀하지 못하기 때문에 수분이 내부까지 침투하였으며 이로 인해 표면부와 유사한 이미지가 확인된 것으로 판단된다.

    바닥부의 SEM 이미지에서는 W/C 40%는 중심부의 SEM 이미지와 마찬가지로 동해로 인한 열화가 확인되지 않았으 며, W/C 50%의 경우 시멘트 매트릭스 내부에서는 미세균열 이 확인되었으나 표면부 및 중심부에서처럼 심각한 수준은 아니였다. 또한, W/C 60%인 경우 50%와 마찬가지로 내부의 미세균열이 확인되었으며 부분적으로 골재와 시멘트 사이의 파괴가 진행되고 있음을 관측할 수 있었다.

    따라서, SEM 이미지 분석을 통하여 동해로 인한 열화의 진 행 정도를 파악할 수 있을 것으로 판단되며, 향후 배합에 따라 서 동해의 손상 정도를 정량적으로 평가하여 등급화 할 수 있 을 것으로 판단된다. 단, SEM 이미지 분석의 경우 시료 채취 및 샘플가공 등의 추가적인 작업이 필요하기 때문에 현장에 서 동해의 열화 정도를 확인할 수 있는 방법으로는 다소 어려 움이 있을 것으로 판단된다.

    4 결 론

    본 연구에서는 동결융해 작용을 받는 콘크리트의 내구성을 정량적으로 평가하기 위한 일환으로 표면 거칠기 값과 표면 부의 화상 이미지을 통하여 상대동탄성계수와의 관계를 분석 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

    표면 거칠기와 동결융해 저항성과의 관계는 상대적으로 수 밀한 W/C 40% 및 50%의 경우 동결융해 싸이클에 비례하여 표면 거칠기가 증가하는 경향을 보이지만, 60% 및 70%의 경 우 파괴 시점에서만 표면 거칠기 값이 증가하는 경향을 보였 다. 따라서 상대적으로 수밀한 시험체의 경우 표면 거칠기로 동결융해 저항성의 정도를 판단할 수 있을 것으로 판단되며 상대적으로 수밀하지 못한 콘크리트의 경우 열화 정도를 판 별하는데 어려움이 있을 것으로 판단된다.

    표면부 화상 이미지 분석결과, 표면 거칠기 결과와 마찬 가지로 상대적으로 내구성이 우수한 W/C 40% 및 50%의 경 우 동해에 의한 열화 정도를 화상 이미지로 판별할 수 있었 으나 상대적으로 내구성이 좋지 않은 60% 및 70%의 경우 동결융해의 저항성을 판별하기에는 어려움이 있을 것으로 판단된다.

    따라서, 표면 거칠기와 표면부 화상 이미지의 경우 수밀하 지 못한 시험체에는 다소 제한이 있으나 일반적으로 수밀한 구조물의 경우 현장에서 동해를 즉시 확인할 수 있는 방법으 로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

    SEM 이미지 분석 결과 배합에 상관없이 동해에 의한 열화 진행정도를 판별할 수 있으나 이를 현장에서 활용하기에는 다소 불편함이 있을 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 건설기술연구사업의 연구비지원 (16SCIP- C116266-01)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

    JKSMI-22-1_F1.gif

    Details of specimen for image analysis

    JKSMI-22-1_F2.gif

    Relative dynamic modulus of elasticity to freeze-thaw cycle(%)

    JKSMI-22-1_F3.gif

    Image anaysis of concrete surface to freeze-thaw cycles

    JKSMI-22-1_F4.gif

    SEM image at each depths at 60 cycles of freezing-thawing(60×)

    Table

    Experimental plan

    Details of tested concrete

    Chemical composition of OPC

    Physical properties of aggregates

    Compressive strength(MPa)

    Surface roughness(μm)

    Reference

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