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철근콘크리트(Reinforced Concrete)조는 내진성, 내화성, 내구성에 매우 우수한 구조로서 아파트, 단독주택, 학교, 병원 등 건축구조물 뿐만 아니라 댐, 교량, 공항, 방파제 등 토목구조물 등 널리 사용되고 있는 구조물이다. 철근콘크리트가 구조재료로써 가장 널리 쓰이는 이유는 콘크리트와 철근의 원료인 ...

철근콘크리트(Reinforced Concrete)조는 내진성, 내화성, 내구성에 매우 우수한 구조로서 아파트, 단독주택, 학교, 병원 등 건축구조물 뿐만 아니라 댐, 교량, 공항, 방파제 등 토목구조물 등 널리 사용되고 있는 구조물이다. 철근콘크리트가 구조재료로써 가장 널리 쓰이는 이유는 콘크리트와 철근의 원료인 석회석, 골재, 철광석 등의 천연자원이 풍부하고 다른 구조재료보다 경제성이 매우 우수하며 철근이 부식하지 않는 한 반영구적으로 사용할 수 있다는 특성이 있기 때문이다. 그러나 최근 양질의 석회석, 골재, 철광석 등은 채굴한계에 직면하고 있으며 강자갈, 강모래 등 천연골재의 고갈로 인하여 바다 모래, 부순 자갈 등의 사용이 증가하고 있는 실정이다. 또한, 한해 여의도 면적의 3~4배 이상의 해수면 매립 지역이 증대되고 있으며, 부산해운대, 광안리, 인천 청라영종, 새만금 지역은 해사나 해풍의 영향으로 염해에 의한 구조물의 성능 저하와 철근의 부식이 발생하고 있는 실정이다. 이러한, 해사나 해풍에는 염화나트륨(NaCl), 염화마그네슘(MgCl2)과 같은 염화물이 존재하고 있어 콘크리트에 이와 같은 염화물이 도입되면 염화물 이온(Cl-, 염소이온)양의 증가와 더불어 철근 표면을 감싸고 있는 치밀한 부동태 피막이 부분적으로 파괴되어 철근이 팽창하게 된다. 이러한 원인은 철근표면의 전위가 매크로적으로 불균일하게 되고, 전기화학적 반응에 의한 전류 흐름이 발생하여 철근의 부식이 발생하게 된다. 또한, 콘크리트 포장 도로 및 우수 관거는 겨울철 염화칼슘에 의해 콘크리트가 열화 되어 내구성이 저하되는 현상이 발생한다. 이 같은 염해 환경 하에 있는 콘크리트 내의 철근 부식 억제 방법에는 피복두께를 증가 시키는 방법, 에폭시 수지 도장 철근의 사용법, 방청제 사용법 그리고 전기방식법 등이 사용되고 있다.
에폭시계 코팅제의 경우에는 방청력과 철근과의 부착력은 우수하지만, 에폭시 코팅층과 콘크리트 모체와의 부착력이 문제가 되어 계면에서 탈락이 발생되어 부식이 촉진될 우려가 있고, 에폭시 코팅이 처리되지 않은 철근이나 도막이 박리된 철근이 장기적으로 공기에 노출될 경우에는 전기 전도도 차이로 인하여 노출된 철근의 부식 속도가 급속하게 진행되는 문제점을 가지고 있다.
한편, 시멘트 페이스트계 방청제의 경우 일반적으로 시멘트 자체의 강알칼리성으로 인하여 철근 표면에 부동태 피막이 형성되지만, 구조물이 처해 있는 열악한 환경에서 비롯된 각종 열화 인자(염소이온, 이산화탄소가스등)에 의하여 부동태 피막이 쉽게 파괴되는 문제점이 있다.
최근에는 4차 산업 혁명의 흐름에 따라 기술이 발전하면서 차세대 스마트 콘크리트의 중요성이 증대되고 콘크리트의 미세균열을 저감하기 위해 자기치유 기술이 국내에서 큰 관심을 가지고 있다. 자기치유 기술은 콘크리트의 내구성 및 장수명화에 기여하여 유지 관리 비용을 절감할 수 있어서 콘크리트 재료로써 신 재료로 평가 받고 있다. 이러한, 자기치유 기술에는 마이크로캡슐을 활용한 기술, 미생물을 이용한 기술, 스마트 폴리머를 활용한 기술 등 다양한 기술이 국내에 연구 개발되어 있으며, 그 중 무기계 재료를 활용한 기술은 팽창성 재료와 무기계 결정촉진제를 이용하여 경제적으로 우수한 것으로 알려져 있다. 이러한 무기계 재료를 활용한 자기치유 기술을 시멘트 방청제에 적용한다면 균열이 발생한 경우 먼저 균열을 치유하여 균열을 통해 유입될 수 있는 열화인자의 침입을 방지하여, 부동태 피막을 파괴하는 문제점을 해결할 수 있다고 판단된다. 또한, 자기치유에 포함되어 있는 재료 특성을 통해 콘크리트 내부 조직을 치밀하고 수밀하게 만들어 콘크리트 자체의 내구성을 향상시키며 경제성 있는 방청재료를 개발할 수 있다.
따라서 본 연구는 철근콘크리트 구조물의 내염해성을 향상시킬 수 있는 방청재료와 스마트 콘크리트 기술 중 경제성이 우수한 무기계 균열 자기치유 재료를 융합하여 철근 부식 억제 및 자기치유성능을 가진 방청재료를 개발하고, 그에 대한 성능을 평가하고 현장실용화를 위하여 현장에 적용하고 장기적인 모니터링을 실시하는 것에 그 목적이 있다.

철근콘크리트 구조물의 내염해 및 균열 자기치유 성능을 가지는 균열 자기치유 성능을 가지는 새로운 방청재료에 관한 연구의 결과는 다음과 같다.
첫 번째, 내염해 및 균열 자기치유 성능을 가지는 방청재료의 페이스트 실험을 통해 방청재료 배합에서 Ca(NO2)2가 페이스트의 급결 현상을 초래하여 이에 대한 대책으로 지연제를 사용하도록 하였다.
두 번째, 내염해 및 균열 자기치유 성능을 가지는 방청재료의 모르타르 및 콘크리트 특성에서 철의 부식이 발생하였을 때, 방청재료의 아질산염이 소모되고 수산화철은 산화철을 형성하여 부동태의 피막을 형성함으로써 방청 효과를 발휘하였으며, 방청 방법에 따른 방청성능 평가에서는 시멘트 치환 혼합방법이 철근 직접 도포방법에 비해 높은 방청성능을 보였다.
세 번째, 내염해 및 균열 자기치유 성능을 가지는 방청재료의 자기치유 성능을 평가하고자 하였다. 평가방법으로 광학현미경 관찰과 누수량 시험을 통해 수행하였으며, 제안된 방청재료가 균열 부위에 결정을 생성하고 균열을 수복하여 자기치유 성능이 있음을 확인하였으며, 전자빔 미세분석기로 분석한 결과 균열 부위에서 칼슘 알루미네이트 수화물, 탄산칼슘, 에트린자이트 물질이 균열을 수복하여 자기치유 성능이 발휘된 것으로 조사되었다. 또한 제안된 방청재가 침상형 결정 에트린가이트를 생성하여 Cl을 고정화함으로써 콘크리트의 내부가 치밀해져 추가적인 Cl의 침입을 저지하는 방청성능을 보유하고 있는 것이 확인되었으며, KS F 2561(철근콘크리트용 방청제)의 품질규정에 의거하여 성능 평가를 실시한 결과 품질 기준을 만족하는 결과가 측정되었다.
네 번째, 내염해 및 균열 자기치유 성능을 가지는 방청재료의 현장 실용화를 위해 바닷가와 24 m 근접해 있는 CIP 현장에 방청재료를 시험 적용하였으며, 압축강도는 Plain에 비해 높은 강도가 발현되었다.

종합적으로 상기의 연구를 통해 방청재료의 최종 배합인 M3 배합을 도출하였다. 방청 방법에 따른 방청 성능 및 자기치유 효과까지 확인할 수 있으며, 방청재료의 치환율은 경제적인 측면을 고려하여 설계기준강도 27 MPa 배합에서 바인더 대비 3~4 %가 적절하였다. 또한, 염해 환경에 노출되어 있는 철근콘크리트 구조물(CIP)에 방청재료를 사용하여 콘크리트의 일부구간에 타설을 진행하였다. 내염해 및 자기치유 성능은 장기적인 분석이 필요하므로 타설 현장 지하 굴착 후 CIP 표면이 젖는 구간의 지하 옹벽부분 3~4 곳에 M3 배합 혼화재를 혼입한 콘크리트를 타설하여 누수 상태를 확인하고자 했다. 향후 지속적인 모니터링을 위해 층별 및 구간의 상하 2개소 점검구를 설치하였으며, 이 점검구를 통해 데이터를 수집 및 분석을 할 수 있도록 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Concrete is widely used in building structures and performs strongly against compressive force, but weakly against tension. Reinforced concrete and pre-stressed concrete, which reinforces the weak tensile strength, are commonly used. Concrete containing rebar is strongly alkaline, which protects the...

Concrete is widely used in building structures and performs strongly against compressive force, but weakly against tension. Reinforced concrete and pre-stressed concrete, which reinforces the weak tensile strength, are commonly used. Concrete containing rebar is strongly alkaline, which protects the rebar, but over long periods of time, structural performance is reduced due to the penetration of chlorides, carbon dioxide, sulfates, and moisture. When reinforced concrete is used in bridges built in coastal areas, the passive film is easily destroyed by salt damage, resulting in rebar corrosion. If rebar corrosion progresses, cracks can occur in the concrete and thermal factors flowing through the cracks further accelerate rebar. This greatly reduces the durability of the concrete structure and countermeasures against this phenomenon are needed.
Typically, an epoxy coating and cement paste are used for rebar corrosion control in reinforced concrete structures. However, even though epoxy coating exhibits excellent corrosion control properties and adhesion to the rebar, problems with adhesion between the epoxy coating layer and concrete matrix persist. As such, concerns regarding the removal of the epoxy from the interface and increased corrosion are well-founded. In addition, when uncoated rebar or rebar with coating chips peeling off is exposed to the outside, the corrosion rate of the rebar can increase rapidly due to differences in electrical conductivity.
Cement paste anti-corrosion materials normally form a passive film on the rear surface through the inherently strong alkalinity of the cement. However, a problem often occurs when various thermal factors in harsh environments (chlorine ions, carbon dioxide gas, etc.) flow in through cracks and easily destroy the passive film.
Recently, self-healing technology for reducing micro-cracks in concrete has attracted significant interest in South Korea. Self-healing technology is being developed as a novel concrete material because it can promote durability and increase the concrete lifespan and reduce maintenance costs. If this self-healing technology can be applied to cement paste anti-corrosion material, it could block the invasion of thermal factors that can infiltrate through micro-cracks and resolve maintain the passive film. In addition, the properties of the self-healing materials can make the internal structure of the concrete compact and watertight, which can improve the durability.
Therefore, this study aimed to develop an inorganic anti-corrosion material for reinforced concrete structures with salt damage resistance and micro-crack self-healing properties and to evaluate its basic performance in terms of corrosion control and chloride binding.

In this study, the new method of anti-corrosion agent with self-healing capabilities design to repair cracks was suggested, and the anti-corrosion properties using swelling and expansion materials were investigated.
(1) In case of physical properties of inorganic anti-corrosion paste, mix-proportions with LiNO2 and Ca(NO2)2 should be reconsidered in order to compensate for setting time and flow loss.
(2) In case of water pass test, some mixtures with self-healing agents exhibited that water leakage amounts was decreased around 60% during 28 days. Furthermore, EPMA results revealed particular trends in the in the chemical composition, such as the formation of calcium alumina silicate materials in cracks. Moreover, Cl ions was decreased from surface to internal area by self-healing effects.
(3) It was found that swelling and expansion additives significantly affected the formation of re-hydration products on self-healing capabilities as well as anti-corrosion properties. From these new concepts, some particular mix-proportions for inorganic anti-corrosion agents with self-healing capabilities were suggested.