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문제 정의
- 본 연구는 염화물이온 투과성을 중심으로 콘크리트의 조직구조 개선에 효과적인 포졸란재 함유 콘크리트의 염화물이온 침투 저항성을 평가하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 물-결합재비(W®, 혼화재의 종류 및 치환유 양생 기간을 실험변수로 하여 플라이애쉬, 실리카흄, 고로슬래그 분말 함유 콘크리트의 세공구조와 염화물이온 투과성, 10 % NaCl용액에 180일간 침지된 염화물이온 침투 깊이를 측정하고 보통콘크리트와 비교 .
- 본 연구에서는 콘크리트의 염화물이온 침투 저항성에 미치는 포졸란재의 사용 효과를 평가하고자 물-결합재비와 혼 화재의 종류 및 치환율 양생기간을 변수로 제작된 각 콘크리트에 대해 세공용적, 염화물이온 투과성, 10% 염화나트륨용액 침지 실험을 실시하여 보통콘크리트와 비교 . 분석하였으며 염화물이온 투과성과 세공구조 및 염화물이온 침투깊이의 상호관계를 검토하였다.
- 이를 위해 물-결합재비(W®, 혼화재의 종류 및 치환유 양생 기간을 실험변수로 하여 플라이애쉬, 실리카흄, 고로슬래그 분말 함유 콘크리트의 세공구조와 염화물이온 투과성, 10 % NaCl용액에 180일간 침지된 염화물이온 침투 깊이를 측정하고 보통콘크리트와 비교 . 분석하였다 또한 콘크리트의 염화물이온 투과성과 전세공용적 및 염화물 이온 침투 깊이의 상호관계를 검토하여 유해물질의 침투로 발생되는 철근부식의 억제 및 예방을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 0100x200 mm 공시체 표면의 0~5 mm 부분에서 입경 2 mm 정도의 시료를 채취하고 아세톤에 침지한 후 D-(±y 처리된 시료를 수은 압입식 포로시메타(AUTOPORE 9220) 를 이용하여 공극반경 3.75-7500 nm 범위의 세공용적 및 전세공용적을 측정하였다. 이때 제공된 최대 압력은 3290 1磁/嵐이었고 접촉각은 130。, 수은의 표면 인장력은 0.
- 실험은 ASTM C 1202®와 AASHTO T 277-831® "Rapid Determination of the Chloride Permeability of Concrete"에 의거하였으며 그 방법을 요약하면 다음과 같다. 각 실험변수에 따라 제작된 0100x200 mm의 공시 체를 50 mm 두께로 3등분하고 절단면을 제외한 원주 면에 에폭시 페인팅(시편 표면에서 수분의 누출방지)하여 Fig. 1에 장치한 후 6시간동안 30분 간격으로 저항 0.2Q에 걸리는 전압을 측정하였다. 측정된 전압 값은 식(1)에 의해 전류 값(amperes)으로 환산되었고 식(2)에 의해 전체 통과 전하량(charge passed, coulombs)을 산출하였다.
- 보통콘크리트와 비교 . 분석하였으며 염화물이온 투과성과 세공구조 및 염화물이온 침투깊이의 상호관계를 검토하였다. 연구결과, 포졸란재의 사용은 콘크리트 내 세공들의 전체용적의 감소보다 모세관공극(50 m이상) 용적의 큰 감소에 더욱 효과적이었으며 이러한 효과로부터 포졸란 함유 콘크리트의 염화물이온 침투 저항성은 동일 배합의 보통콘크리트보다 매우 우수하게 나타났다.
- 이를 위해 물-결합재비(W®, 혼화재의 종류 및 치환유 양생 기간을 실험변수로 하여 플라이애쉬, 실리카흄, 고로슬래그 분말 함유 콘크리트의 세공구조와 염화물이온 투과성, 10 % NaCl용액에 180일간 침지된 염화물이온 침투 깊이를 측정하고 보통콘크리트와 비교 . 분석하였다 또한 콘크리트의 염화물이온 투과성과 전세공용적 및 염화물 이온 침투 깊이의 상호관계를 검토하여 유해물질의 침투로 발생되는 철근부식의 억제 및 예방을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
- 콘크리트의 염화물이온 투과성은 緬世朋公이 발표한 Fig. 1의 Coulomb test 장치와 유사하게 제작하여 측정하였다. 실험은 ASTM C 1202®와 AASHTO T 277-831® "Rapid Determination of the Chloride Permeability of Concrete"에 의거하였으며 그 방법을 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 6)를 사용하였다. 또한 혼화재는 충남 보령산 플라이애쉬와 북미(캐나다)산 실리카흄, 광양제철소의 고로슬래그분말을 사용하였다. 시멘트 및 혼화재의 화학적 성분과 물리적 성질은 Table 1과 같다.
- 본 연구의 콘크리트는 물-결합재비(W/B)와 혼화재의 종류 및 치환율 그리고 양생기간을 변수로 슬럼프(slump) 값 8 cm를 유지하도록 제작되었으며 공시체의 크기는 © 100x200 mm였다. NaCl 10% 용액 침지실험에 의한 염화물 이온 침투깊이 측정용 공시체는 80x100x200 mm였다.
- 시멘트는 KS L 5201에 규정된 국내 S사의 보통 포틀랜드 시멘트였으며 골재는 최대 골재크기가 20 mm인 쇄석 (절건비중 2.55)과 5 mm인 강모래(절건비중 2.6)를 사용하였다. 또한 혼화재는 충남 보령산 플라이애쉬와 북미(캐나다)산 실리카흄, 광양제철소의 고로슬래그분말을 사용하였다.
이론/모형
- 1의 Coulomb test 장치와 유사하게 제작하여 측정하였다. 실험은 ASTM C 1202®와 AASHTO T 277-831® "Rapid Determination of the Chloride Permeability of Concrete"에 의거하였으며 그 방법을 요약하면 다음과 같다. 각 실험변수에 따라 제작된 0100x200 mm의 공시 체를 50 mm 두께로 3등분하고 절단면을 제외한 원주 면에 에폭시 페인팅(시편 표면에서 수분의 누출방지)하여 Fig.
- 콘크리트의 염화물이온 침투 깊이는 실험변수에 따라 80시00x200 mm의 크기로 제작된 재령 28일 공시체에 대해 Fig. 2와 같이 양측면을 제외한 모든 표면에 에폭시페인트로 도포하고 10 % NaCl 용액에 180일간 침지한 후일 본 콘크리트학회 “폴리머 시멘트 모르타르의 염화물 침투 깊이 시험방법 규준(안沪에 따라 측정하였다.
성능/효과
- 4) 물-결합재비 45 %와 55 %의 실리카흄 및 고로슬래그 분말 치환 콘크리트(재령 28일)의 염화물이온 투과성은 폴리머 시멘트 콘크리트(latex modified concrete) 등이 갖는 "매우 낮은(veiy low)” 투과성을 나타내었다.
- 1) 콘크리트의 염화물이온 투과성은 물-결합재비의 감소 혼화재의 사용 및 치환율의 증가, 양생기간의 증가에 따라 크게 감소되었으며 이것은 콘크리트 내 세공구조의 변화, 즉 전세공용적의 감소와 침투 및 확산이 비교적 용이한 모세관공극 용적의 큰 감소로 설명할 수 있다.
- 2) 콘크리트의 염화물이온 투과성은 콘크리트 내 세공들의 전체용적(전세공용적)에 관련하지만 상관계수가 낮았으며 오히려 침투 및 확산이 어려운 세공들의 용적비 (세공경 분포)에 더욱 관련하고 있었다.
- 3) 포졸란재의 사용은 콘크리트 내 전세공용적의 감소보다 모세관공극(반경 50nm이상) 용적의 큰 감소에 더욱 효과적이었으며 이러한 효과로부터 포졸란재 함유 콘크리트의 염화물이온 투과성과 침지실험에 의한 염화물이온침투 깊이는 동일 배합의 보통콘크리트에 비해 크게 개선되었다.
- 5) 실험결과로부터 콘크리트의 염화물이온 침투 저항성 향상을 위해서는 단위시멘트량의 증가 보다 적절한 혼화재의 선정 및 치환율 결정이 더욱 효과적일 것으로 판단되었다.
- 6) 통과전하랑에 기초한 콘크리트의 염화물이온 투과성은 침지 실험에 의한 염화물이온 침투 깊이 측정결과와 높은 관련성을 나타내었다. 따라서 콘크리트의 염화물이온 침투 저항성은 통과전하량에 기초한 염화물이온 투과성에 의해 평가 될 수 있으며, 이들의 관계는 ^ = 0.
- 6에는 혼화재의 종류와 치환율에 따른 각 콘크리트의 재령 28일 세공경 분포 및 전세공용적 실험 결과를 보통콘크리트와 함께 비교하여 나타내었다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 혼화재의 사용과 치환율이 증가할수록 비교적 큰 공극들의 용적이 감소된 반면 반경 50 nm 이하의 작은 세공들이 많이 분포하는 결과를 나타내었으며 이러한 경향은 실리카흄과 고로슬래그분말로 치환된 콘크리트에서 더욱 현저하였다. 또한 Table 4 및 Fig.
- 이는 실리카흄의 높은 분말도에 기인된 결과이다. 각 콘크리트의 염소이온 투과성을 혼화재의 종류 및 치환율에 따라 살펴보면, 보통콘크리트(P55)에 비해 플라이애쉬의 경우 치환율이 10~30 %로 증가됨에 따라 약 1.2배~ 1.4배정도 감소되었고 실리카흄의 경우 치환율이 5~20 %로 증가될수록 약 1.8배~4.8배정도 그리고 고로슬래그 분말의 경우 40~60 % 치환됨에 따라 약 1.3배~2.3 배정도로 크게 감소되었다. Fig.
- 이것은 콘크리트의 염화물이온 투과성이 세공들의 전체용적 보다 오히려 세공경들의 분포, 즉 침투 및 확산이 어려운 세공들의 용적비에 더욱 관련하고 있음을 나타낸다. 그리고 혼화재의 사용은 콘크리트 내 전세공용적의 감소보다 공극 간 연결성이 있어 침투 및 확산이 용이한 모세관공극 용적의 큰 감소에 더욱 효과적임을 알 수 있었다.
- 따라서 콘크리트의 염화물이온 투과성은 물-결합재비의 감소 혼화재의 사용과 치환율의 증가, 양생기간의 증가에 따라 크게 감소됨을 알 수 있었으며 이것은 콘크리트 내 세공구조의 변화, 즉 전세공용적의 감소와 침투 및 확산이 비교적 용이한 모세관공극(50 nm 이상) 용적의 큰 감소로 설명할 수 있다. 그러나 Fig.
- 6에서와같이 혼화재 치환 콘크리트의 재령 28일 전세공용적은 혼화재 치환율이 증가됨에 따라 일률적으로 감소되지 않고 불규칙하게 나타났으며 플라이애쉬로 치환된 경우는 치환되지 않은 콘크리트에 비해 오히려 증가되었다. 따라서 혼화재의 사용 및 치환율의 증가에 따른 콘크리트 내 세공 구조의 변화는 전세공용적 보다는 세공경 분포에 더욱 영향을 미치며 특히 반경 50nm 이상의 큰 세공(모세관 공극) 용적을 크게 감소시키는 것으로 나타났다. 이것은 혼화재들의 포졸란반응과 매트릭스 충전효과에 의한 콘크리트 내 세공구조의 개선효과를 설명한다.
- 3에서 보는 바와 같이 보통 콘크리트 및 혼화재 치환 콘크리트의 세공구조는 모두 물-결합재비가 낮아짐에 따라 큰 공극(50nm이상)의 용적이 감소되면서 작은 공극(50nm이하)들의 용적이 크게 증가되는 경향을 나타내었다. 또한 Table 4와 Fig. 4에서 알 수 있듯이 각 콘크리트의 전세공용적은 혼화재의 사용유무에 관계없이 물-결합재비가 높아질수록 증가되었으며 물-결합재비 60 % 이상에서 크게 증가되었다. 이는 보통콘크리트 뿐 아니라 혼화재 치환 콘크리트의 세공구조가 물-결합재비에 크게 의존하고 있음을 보여준다.
- 10(c) 에서 알 수 있듯이 각 콘크리트의 염화물이온 투과성은 양생 기간이 증가됨에 따라 크게 낮아지고 있으며 특히 재령 28일까지 급격히 변화되었다. 또한 동일재령에서 혼화재 치환 콘크리트들은 보통콘크리트에 비해 낮게 나타났으며 장기재령일수록 높은 감소효과를 나타내었다. 즉 양생 기간이 콘크리트의 염화물이온 투과성에 미치는 영향은 보통 콘크리트 보다 혼화재 치환 콘크리트에서 더욱 컸다.
- 10(a)에서 볼 수 있듯이 재령 28일 콘크리트의 염화물이온 투과성은 혼화재 사용유무에 관계없이 물-결합재비가 높아짐에 따라 지수곡선으로 증가하고 있으며 특히 물-결합재비 60 % 이상에서 크게 증가되어 보통 콘크리트 뿐 아니라 혼화재 치환 콘크리트에서도 물-결합재비의 한계값에 대한 고려가 필요한 것으로 판단되었다. 또한 물-결합재비 65 %를 갖는 실리카흄 및 고로슬래그 분말 치환 콘크리트의 염화물이온 투과성은 물-결합재비 55 %의 보통콘크리트와 동등수준으로 나타나 혼화재의 사용효과가 높음을 알 수 있었다. Fig.
- 9(b)와 같이 혼화재 치환 콘크리트의 염화물이온 투과성은 혼화재를 사용하지 않은 보통 콘크리트에 비해 매우 낮게 나타났으며 치환율이 증가됨에 따라 낮아지고 있다. 또한 사용 혼화재 중 실리카흄은 가장 큰 감소효과를 나타냈으며 치환율에 따라 큰 변화를 보였다. 이는 실리카흄의 높은 분말도에 기인된 결과이다.
- 또한 각 콘크리트의 전 세공 용적은 양생기간이 증가함에 따라 반-지수곡선으로 감소되었으며 재령 28일까지 급격히 변화되었다. 사용 혼화재 중플라이애쉬로 치환된 콘크리트의 전세공용적은 양생기간이 증가함에 따라 가장 큰 변화를 보였다.
- 8에서 알 수 있듯이 혼화재의 사용이나 종류 및 첨가량 등에 관계없이 콘크리트의 세공구조 (전세공용적 및 세공경 분포)는 양생기간에 크게 의존함을 보여준다. 시멘트 수화의 진행과 혼화재들의 포졸란 반응에 기인되어 콘크리트 내 세공경 분포는 양생기간이 증가될수록 작은 공극들의 증가와 큰 공극들의 감소로 변화되었다. 특히 Fig.
- 분석하였으며 염화물이온 투과성과 세공구조 및 염화물이온 침투깊이의 상호관계를 검토하였다. 연구결과, 포졸란재의 사용은 콘크리트 내 세공들의 전체용적의 감소보다 모세관공극(50 m이상) 용적의 큰 감소에 더욱 효과적이었으며 이러한 효과로부터 포졸란 함유 콘크리트의 염화물이온 침투 저항성은 동일 배합의 보통콘크리트보다 매우 우수하게 나타났다. 콘크리트의 염화물이온 투과성은 콘크리트의 전세공용적에 관련하고 있지만 상관계수가 낮았으며 오히려 침투 및 확산이 용이한 모세관공극의 용적비(세공경 분포)에 더욱 관련하고 있었으며 침지실험에 의한 염화물이온 침투 깊이와 높은 상관관계를 나타내어 콘크리트의 염화물이온 침투 저항성 평가에 기초자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 11(b)에서와 같이 물-결합재비 55 % 를 갖는 치환율에 따른 혼화재 치환 콘크리트의 실험 결과에서도 확인할 수 있다. 혼화재 치환 콘크리트에서 염화물 이온 침투 깊이는 그 치환율이 증가될수록 낮게 나타나고 있으며 혼화재의 사용에 따른 염화물이온 침투 억제 효과는 실리카흄과 고로슬래그분말에서 높게 나타났다. 이것은 3.
후속연구
- 연구결과, 포졸란재의 사용은 콘크리트 내 세공들의 전체용적의 감소보다 모세관공극(50 m이상) 용적의 큰 감소에 더욱 효과적이었으며 이러한 효과로부터 포졸란 함유 콘크리트의 염화물이온 침투 저항성은 동일 배합의 보통콘크리트보다 매우 우수하게 나타났다. 콘크리트의 염화물이온 투과성은 콘크리트의 전세공용적에 관련하고 있지만 상관계수가 낮았으며 오히려 침투 및 확산이 용이한 모세관공극의 용적비(세공경 분포)에 더욱 관련하고 있었으며 침지실험에 의한 염화물이온 침투 깊이와 높은 상관관계를 나타내어 콘크리트의 염화물이온 침투 저항성 평가에 기초자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 특히 1980년 이후 투과계수와 모세관 흡수성 및 확산 계수의 상호 관련성이 확립되면서 콘크리트의 투과성에 관한 연구는 중성화나 염화물이온 침투와 같은 내구성과의 관계를 규명하는데 그 초점이 모아지고 있다2円 그러나 콘크리트의 투과성과 내구성 연구는 표준화되지 못한 실험 방법 및 기술 등으로 아직 미비한 상태이며 각기 다른 실험조건 및 방법에 의해 단편적으로 수행되고 있어 철근 콘크리트 구조물의 내구설계 및 내구성 예측을 위해 실질적으로 이용 가능한 자료는 거의 없는 실정이다. 특히 콘크리트의 투과성과 내구성 연구는 투과계수와 내구성 항목과의 직접적인 관련성뿐 아니라 콘크리트의 세공 구조에 기초하여 투과성을 평가하고 철근부식 발생의 주 원인인 중성화나 염화물이온 침투 저항성 등과 투과계수의 상호관계를 검토하는 종합적인 연구방법으로 접근되어야 할 것이다.
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