해안 등 열악한 환경에 노출되는 구조물들의 건설이 증가되면서 구조물의 내구성 문제가 심각해지고 있다. 특히, 염해만이 아니라 염해와 황산염 그리고 중성화 등 복합작용에 의한 열화문제는 아직도 연구된 바가 거의 없는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 염해와 황산염 및 중성화가 복합된 환경하에서 콘크리트 구조물의 성능저하 현상을 살피고 이들의 상호작용과 영향을 실험적으로 구명하는데 그 목적을 두고 있다. 이를 위해서 단일 및 복합열화 실험을 포괄적으로 수행하였다. 본 연구결과, 염소이온 단일열화시 보다 황산염 또는 황산염과 중성화가 복합되었을 경우의 열화현상이 더 두드러졌으며, 모든 열화조건에서 표면염소이온의 농도는 시간에 따라 증가하고 반면에 확산계수는 시간에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 표면염소이온 농도는 복합열화에서 더 증가하며 특히 염소이온 확산계수는 염해와 황산염 2중 복합열화시 더 커지고 여기에 중성화가 복합될 경우 더욱 커지는 것으로 나타났다. 따라서, 해안 구조물과 같이 염해와 황산염 및 중성화가 복합될 경우 염소이온의 침투가 더욱 커져 이들의 합리적인 고려가 필요한 것으로 나타났다.
해안 등 열악한 환경에 노출되는 구조물들의 건설이 증가되면서 구조물의 내구성 문제가 심각해지고 있다. 특히, 염해만이 아니라 염해와 황산염 그리고 중성화 등 복합작용에 의한 열화문제는 아직도 연구된 바가 거의 없는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 염해와 황산염 및 중성화가 복합된 환경하에서 콘크리트 구조물의 성능저하 현상을 살피고 이들의 상호작용과 영향을 실험적으로 구명하는데 그 목적을 두고 있다. 이를 위해서 단일 및 복합열화 실험을 포괄적으로 수행하였다. 본 연구결과, 염소이온 단일열화시 보다 황산염 또는 황산염과 중성화가 복합되었을 경우의 열화현상이 더 두드러졌으며, 모든 열화조건에서 표면염소이온의 농도는 시간에 따라 증가하고 반면에 확산계수는 시간에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 표면염소이온 농도는 복합열화에서 더 증가하며 특히 염소이온 확산계수는 염해와 황산염 2중 복합열화시 더 커지고 여기에 중성화가 복합될 경우 더욱 커지는 것으로 나타났다. 따라서, 해안 구조물과 같이 염해와 황산염 및 중성화가 복합될 경우 염소이온의 침투가 더욱 커져 이들의 합리적인 고려가 필요한 것으로 나타났다.
Durability is a major concern in the design and construction of concrete structures which are located in the sea environments. In particular, the combined action of chlorides, sulfates, and carbonation nay influence greatly the deterioration behavior of concrete structures. The purpose of the presen...
Durability is a major concern in the design and construction of concrete structures which are located in the sea environments. In particular, the combined action of chlorides, sulfates, and carbonation nay influence greatly the deterioration behavior of concrete structures. The purpose of the present study is to explore the diffusion characteristics of chloride ions in concrete structures under combined deterioration conditions. The present test results indicate that the chloride penetration into concrete structures is more pronounced under combined attacks of chlorides, sulfates and carbonation. The diffusion coefficients and surface chloride contents were found to increase under combined multiple deterioration conditions. The present study provides quantitatively the penetration and diffusion characteristics of chloride ions in concrete structures under various deterioration conditions. The results of present study may be efficiently used for the realistic design of concrete structures under combined deterioration conditions.
Durability is a major concern in the design and construction of concrete structures which are located in the sea environments. In particular, the combined action of chlorides, sulfates, and carbonation nay influence greatly the deterioration behavior of concrete structures. The purpose of the present study is to explore the diffusion characteristics of chloride ions in concrete structures under combined deterioration conditions. The present test results indicate that the chloride penetration into concrete structures is more pronounced under combined attacks of chlorides, sulfates and carbonation. The diffusion coefficients and surface chloride contents were found to increase under combined multiple deterioration conditions. The present study provides quantitatively the penetration and diffusion characteristics of chloride ions in concrete structures under various deterioration conditions. The results of present study may be efficiently used for the realistic design of concrete structures under combined deterioration conditions.
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문제 정의
그러므로 본 연구의 목적은 염해 황산염, 중성화가 복합된 환경하에서 열화실험을 통해 콘크리트 내부로의 염소이온의 확산과정을 비교 . 분석하여 콘크리트 구조물의 복합 열화 특성을 구명하는데 있다.
특히 염해와 황산염 그리고 중성화 등이 복합되어 일어나고 있어 이들 복합작용에 대한 연구 구명이 무엇보다 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 염소이온뿐만 아니라 황산염과 중성화가 동시에 작용하는 경우에 대하여 연구하였다.
황산염 복합용액 침지실험을 실시하였다. 또한 중성화가 복합되었을 경우의 염소이온 확산특성도 비교하기 위해 염수와 황산염 복합용액 침지와 중성화를 반복하는 실험도 함께 실시하였다.
제안 방법
또한 플라이애쉬의 염소이온 확산특성을 분석하기 위해 플라이애쉬를 0% 및 20% 혼입한 실험변수를 포함하였다. 또한 황산염 환경하에서의 내황산염 시멘트인 5종 시멘트의 효과를 고려하기 위해 1종 및 5종 시멘트를 사용하여 각각에 대한 침지실험을 수행하였다.
또한 플라이애쉬의 염소이온 확산특성을 분석하기 위해 플라이애쉬를 0% 및 20% 혼입한 실험변수를 포함하였다. 또한 황산염 환경하에서의 내황산염 시멘트인 5종 시멘트의 효과를 고려하기 위해 1종 및 5종 시멘트를 사용하여 각각에 대한 침지실험을 수행하였다. Table 1에는 실험에서 사용된 실험변수 및 상세배합이 나타나 있다.
염소이온 및 황산염 이온이 복합적으로 작용하는 경우의 염소이온 확산특성을 구명하기 위해 염수 단일용액과 염수와 황산염 복합용액 침지실험을 실시하였다. 또한 중성화가 복합되었을 경우의 염소이온 확산특성도 비교하기 위해 염수와 황산염 복합용액 침지와 중성화를 반복하는 실험도 함께 실시하였다.
이들 시편 중 염수단일용액과 염수와 황산염 복합용액 침지 시편은 기존구조물의 건습이 반복되는 효과를 고려하기 위하여 1주일 용액침지와 1주일 기중노출을 반복하였고, 중성화의 경우는 1주일 염수와 황산염 복합용액 침지와 1주일 중성화를 반복하였다. 용액의 농도는 5 %염화나트륨 단일용액 및 5%염화나트륨+10 %황산나트륨 복합용액을 사용하였으며, 중성화는 온도 30 ℃, 상대습도 60 %, C以농도 10%의 조건에서 촉진중성화시험을 실시하였다.
이를 위해 포괄적인 실험이 수행되었으며 실제 구조물의 건습이 반복되는 효과를 고려하기 위하여 1주일 건습과 중성화를 반복실험하였다. 본 연구로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.
침지시간(4주, 12주, 28주, 52주) 및 표면으로부터의 깊이에 따른 산가용성 및 수용성 염소이온 침투량을 분석하였으며, 기존의 염소이온 확산모델식 중 가장 널리 사용되는 1차원 염소이온 확산방정식인 식 (1)과 실험결과를 비교하기 위해서 Tang & NUsson에 의해 제안된 촉진 CTH 방법(CTH rapid rmthod)으로 각 배합에 대하여 염소이온 확산계수와 초기염소이온 농도를 측정하였다.
대상 데이터
강도로서 압축강도 380 kgVcm?을 기준으로 하였으며 부가적으로 보통강도 280Wcm2의 경우를 실험에 포함하였다. 또한 플라이애쉬의 염소이온 확산특성을 분석하기 위해 플라이애쉬를 0% 및 20% 혼입한 실험변수를 포함하였다.
표준 침지시편으로는 길이 10 cm, 직경10 cm의 원주형시편을 사용하였으며, 염소 이온의 일방향 침투가 일어나도록 시편의 측면을 불투수성 에폭시로 코팅하였다. 이들 시편 중 염수단일용액과 염수와 황산염 복합용액 침지 시편은 기존구조물의 건습이 반복되는 효과를 고려하기 위하여 1주일 용액침지와 1주일 기중노출을 반복하였고, 중성화의 경우는 1주일 염수와 황산염 복합용액 침지와 1주일 중성화를 반복하였다.
이론/모형
한편 채취된 시료로부터 산가용성 및 수용성 염화물을 추출하기 위해 ASTM C1152에 제시된 방법에 의해 수행하였다.
성능/효과
1) 본 연구에서 수행된 실험에 의하면 염화나트륨과 황산나트륨 복합용액에 침지한 경우와 염화나트륨과 황산나트륨 침지 및 중성화를 반복한 경우 내부로 침투되는 염소이온량은 염화나트륨 단일용액에 침지한 경우보다 다소 큰 것으로 나타나 복합작용에 의해 영향이 큰 것으로 나타났다.
2) 표면염소이온의 농도는 시간에 따라 증가하는 것으로 나타났으며, 2중 복합열화 상태에서 표면염소이온 농도가 더욱 증가하고, 여기 중성화 작용이 추가되었을 때는다소 감소하는 것으로 나타났다.
3) 염소이온 확산계수는 시간에 따라 감소하나 단일 염수침지 보다는 황산염과 복합된 경우 확산계수가 커지며, 중성화 작용에 의해 더욱 증가하는 것으로 나타났다.
4) 이들을 종합해 볼 때 염소이온에 의한 단일 열화 시보다는 염소이온에 황산염 또는 중성화가 복합된 복합 열화 시의 콘크리트 열화가 빠르게 나타났으며, 중성화의 경우 표면염소이온 농도에는 영향이 적으나 내부로의 염소이온 확산은 가속시키는 것으로 나타났다.
5) 플라이애쉬를 혼입한 경우 내부로의 염소이온 침투량이 크게 감소되는 것으로 나타났다.
H1FA00, N5FAOO, I%FA00의 경우 표면 염소이온 농도가 매우 비슷한 졍향을 보였으며, 由FAW의 경우가 H1FA00 의 경우보다 작은 것으로 보아 5종시멘트의 사용이 염수와 황산염 및 중성화 복합의 경우에 약간의 효과가 있는 것으로 보인다.
H1FA00과 H5FAOO의 염소이온 침투경향이 매우 비슷하였으며, N5FA00의 경우 52주 염소이온 침투량이 상당히 크게 나타났다. 또한 H5FA20의 경우 H5FA00과 비교하여 얕은 콘크리트 깊이에서는 염소이온 침투량이 다소 크게 나타났으나 깊이가 증가할수록 침투량이 현저히 감소하여 깊이 15 mm 이상에서는 H5FA00보다 더 작은 값을 나타내 플라이애쉬의 효과가 큰 것으로 나타났다.
H1FA00과 N5FA00의 경우 표면염소이온농도가 상당히 비슷한 경향을 보였으며, HmAOO과 H5FAOO의 차이가 적은 것으로 나타나 고강도 콘크리트의 경우 시멘트의 종류에 따라 표면염소이온의 농도는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다
염소이온의 농도가 적은 것으로 나타났다. 단일 염 수침지시와 비교하여 모든 배합에서 대체적으로 염소이온의 침투량이 많은 것으로 나타났고 염수 및 황산염 1주간 건습 반복의 경우와 비교하면 플라이애쉬를 첨가하지 않은 H1FA00, N5FA00, H5FA00의 경우의 침투량은 작게 나타났고 플라이애쉬를 첨가한 H5FA20의 경우는 더 크게 측정되었다 앞의 세가지 배합의 경우 중성화 되었음에도 불구하고 더 작은 침투량을 보인 이유는, 실험실에서의 촉진중성화 실험은 오히려 콘크리트의 강도를 향상시키는결과를 보인다는 연구보고와 관계가 있다고 생각된다.
단일 염수침지시의 경우와 마찬가지로 콘크리트 침지 기간이 증가할수록 콘크리트 속으로 침투된 염소이온의 농도가 크게 나타났고, 반면에 깊이가 증가할수록 침투된 염소이온의 농도가 적은 것으로 나타났다. 그러나 단일 염수침지의 경우 28주까지 염소이온 침투량이 크게 증가하지 않았으나 황산염 복합침지의 경우 염소이온 침투량의 증가가 두드러졌다.
점차로 증가하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 단일 염수침지의 경우(Fig. 3)와 비교해보면 염수 및 황산염복합용액 침지시(Fig. 6)의 시간에 따른 표면 염소 이온 의증 가정 도가 단일 염수침지의 경우에 비해 비교적 크게 나타났다.
단일염수 침지의 경우와 비교해보면 전체적으로 크게 나타났고, 염수 및 황산염 복합침지의 경우와 비교해보면 플라이애쉬를 첨가하지 않은 세가지 배합의 경우의 표면 염소이온 농도는 작게 측정된 반면에 플라이애쉬를 혼입한 通FA为의 경우의 표면염소이온농도는 더 크게 나타났다.
크게 나타났다. 또한 H5FA20의 경우 H5FA00과 비교하여 얕은 콘크리트 깊이에서는 염소이온 침투량이 다소 크게 나타났으나 깊이가 증가할수록 침투량이 현저히 감소하여 깊이 15 mm 이상에서는 H5FA00보다 더 작은 값을 나타내 플라이애쉬의 효과가 큰 것으로 나타났다.
나타났다. 또한 배합에 따라서는 단일 염수침지시와 2중복합의 경우에는 거의 변화가 없었으나 3중복합의 경우 H5FA00의 경우에는 H1FA00 및 N5FA00과 비교하여 작게, H5FA20의 경우에는 크게 나타났다. 이것으로 보아 3중 복합의 경우 5종시멘트의 사용은 효과적인데 반해 플라이애쉬의 사용은 표면에서의 염소이온 침투량을 증가시키는 결과를 가져오는 것으로 판단된다.
또한 플라이애쉬를 첨가하지 않은 세가지 배합의 경우 침투 경향이 비슷하였으며, H5FA20의 경우 시간이 지남에 따라 급격히 증가하여 52주 염소이온 침투량이 15 mm에서 0.5 %를 넘어서는 결과를 나타냈다. 따라서 염해와 중성화를 동시에 받는 콘크리트 구조물의 경우 플라이애쉬의 사용은 많은 주의를 요하는 것으로 판단된다.
모든 배합에서 염수단일 침지보다 2중복합이 그리고 2 중 복합보다 3중복합이 더 크게 나타났다. 플라이애쉬를혼입한 H5FA20의 확산계수가 가장 작은 반면, 보통강도이며 플라이애쉬의 혼입이 없는 N5FA00의 확산계수가 가장 크게 나타났다.
시멘트 종류별로 살펴보면 보통포틀랜트 시멘트를 사용한 H1FA00에 비해 내황산염 시멘트를 사용한 H5FA00의 확산계수가 다소 크게 나타났다.
앞의 두 가지 침지실험결과와 마찬가지로 H5FA20, H1FAOO, H5FA00, N5FA00의 순서로 크게 나타났으며, 표면염소이온농도의 경우 H5FA00과 N5FA00이 큰 차이를 보이지 않은 반면에 확산계수에서는 차이를 보이는 것은 보통강도의 콘크리트의 경우 표면에서 같은 양의 염소이온이 침투해도 고강도의 콘크리트 보다 내부로의 확산은 더 빠르게 일어남을 알 수 있다.
앞의 두 경우와 마찬가지로 콘크리트 침지기간이 증가할수록 콘크리트 속으로 침투된 염소이온의 농도가 크게 나타났고, 콘크리트 표면으로부터의 깊이가 증가할수록 침투된 염소이온의 농도가 적은 것으로 나타났다. 단일 염 수침지시와 비교하여 모든 배합에서 대체적으로 염소이온의 침투량이 많은 것으로 나타났고 염수 및 황산염 1주간 건습 반복의 경우와 비교하면 플라이애쉬를 첨가하지 않은 H1FA00, N5FA00, H5FA00의 경우의 침투량은 작게 나타났고 플라이애쉬를 첨가한 H5FA20의 경우는 더 크게 측정되었다 앞의 세가지 배합의 경우 중성화 되었음에도 불구하고 더 작은 침투량을 보인 이유는, 실험실에서의 촉진중성화 실험은 오히려 콘크리트의 강도를 향상시키는결과를 보인다는 연구보고와 관계가 있다고 생각된다.
이 그래프를 통하여 볼 때 중성화가 복합된 경우의 확산계수는 시간에 따라 감소하는 경향이 뚜렷하지 않았으며, 침지초기에는 단일 염수침지와 염수 및 황산염 복 합침 지시 보다 염소이온의 확산계수가 작게 측정되었으나, 시간이 지날수록 오히려 확산계수가 더 크게 나타나는 결과를 보였다
이들 시편 중 염수단일용액과 염수와 황산염 복합용액 침지 시편은 기존구조물의 건습이 반복되는 효과를 고려하기 위하여 1주일 용액침지와 1주일 기중노출을 반복하였고, 중성화의 경우는 1주일 염수와 황산염 복합용액 침지와 1주일 중성화를 반복하였다. 용액의 농도는 5 %염화나트륨 단일용액 및 5%염화나트륨+10 %황산나트륨 복합용액을 사용하였으며, 중성화는 온도 30 ℃, 상대습도 60 %, C以농도 10%의 조건에서 촉진중성화시험을 실시하였다.
종합적으로 볼 때 플라이애쉬 혼입과 함께 콘크리트의 강도가 높은 H5FA20의 확산계수가 제일 작고 그 다음이 H1FAOO, H5FA00, 그리고 N5FA00 순으로 나타났다.
콘크리트 침지기간이 증가할수록 콘크리트 속으로 침투된 염소이온의 농도가 크게 나타났고, 반면에 깊이가 증가할수록 침투된 염소이온의 농도가 적은 것으로 나타났다.
플라이애쉬를혼입한 H5FA20의 확산계수가 가장 작은 반면, 보통강도이며 플라이애쉬의 혼입이 없는 N5FA00의 확산계수가 가장 크게 나타났다.
후속연구
6) 본 연구결과는 해안구조물과 같이 염해와 황산염 n 리고 중성화가 함께 작용하는 경우 유용한 자료가 될 것으로 사료되며, 앞으로 복합열화와 관련하여 더욱 많은 연구 결과가 축적되어 복합된 노출환경하에서의 콘크리트 구조물의 내구성 평가가 좀더 정확하게 가능할 것으로 사료된다.
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