[국내논문]해안지역 콘크리트의 성능저하 현상과 이에 수반되는 이차광물의 형성 특징 Concrete Deterioration Near Coastal Area and Characteristics of Associated Secondary Mineral Formation원문보기
다양한 유해성 화학물질들이 콘크리트의 설치환경에 따라 외부로부터 유입될 수 있다. 해수에 의한 콘크리트의 성능저하 현상은 해수의 다양한 화학성분에 의한 복잡한 작용이 연관되어 있다. 따라서, 본 연구에서는 주요 해수 성분의 영향으로 인한 콘크리트 성능저하에 관련된 이차광물의 형성에 따른 광물학적, 미세 구조적 변화 특성에 대하여 연구하였다. 부산경남의 해안지역의 기존 콘크리트 구조물들에서 성능저하특징을 관찰하고 콘크리트 시료를 채취하였다. 채취된 시료에 대한 암석학적분석과 XRD 및 SEM/EDAX 분석을 실시하여 골재와 시멘트페이스트의 화학적, 광물학적, 미세구조적 변화를 해석하였다. NaCl, CaCl, $MgCl_2$ 및 $Na_2SO_4$용액을 사용한 실내 콘크리트 변질 실험을 실시하였다. 변질실험 결과를 기존 콘크리트 시료에 대한 분석 결과를 비교함으로서 해수의 주성분들이 콘크리트의 성능저하에의 영향과 메커니즘을 분석하였다. 해수의 알칼리성분들은 알칼리-골재 반응을 가속화하며, 콘크리트의 심한 팽창과 균열을 발생하는 알칼리-칼슘-실리카겔을 형성하는 것으로 나타났다. 탄산화작용은 다량의 비교결성의 방해석을 형성하여 시멘트페이스트를 약화시키고 있다. 또한, 탄산화작용은 그 진행 정도에 따라 일부 이차광물들의 성분과 안정도에 현저한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 탄산화가 현저히 진행된 콘크리트에는 다량의 석고가 형성되었으나, 탄산화가 약하게 진행된 것에는 사우마사이트가 에트린자이트와 고용체를 형성하여 미세 균열을 발생하고 있다. 실험적으로, 에트린자이트는 염소의 유입으로 인하여 trichloroaluminate로 전이되거나 분해되는 것으로 나타났다. 해수의 Mg 이온은 비교결성의 브루사이트와 MSH (magnesium silicate hydrate)를 형성하여 시멘트 페이스트의 성능저하의 원인이 되는 것으로 나타났다.
다양한 유해성 화학물질들이 콘크리트의 설치환경에 따라 외부로부터 유입될 수 있다. 해수에 의한 콘크리트의 성능저하 현상은 해수의 다양한 화학성분에 의한 복잡한 작용이 연관되어 있다. 따라서, 본 연구에서는 주요 해수 성분의 영향으로 인한 콘크리트 성능저하에 관련된 이차광물의 형성에 따른 광물학적, 미세 구조적 변화 특성에 대하여 연구하였다. 부산경남의 해안지역의 기존 콘크리트 구조물들에서 성능저하특징을 관찰하고 콘크리트 시료를 채취하였다. 채취된 시료에 대한 암석학적분석과 XRD 및 SEM/EDAX 분석을 실시하여 골재와 시멘트페이스트의 화학적, 광물학적, 미세구조적 변화를 해석하였다. NaCl, CaCl, $MgCl_2$ 및 $Na_2SO_4$용액을 사용한 실내 콘크리트 변질 실험을 실시하였다. 변질실험 결과를 기존 콘크리트 시료에 대한 분석 결과를 비교함으로서 해수의 주성분들이 콘크리트의 성능저하에의 영향과 메커니즘을 분석하였다. 해수의 알칼리성분들은 알칼리-골재 반응을 가속화하며, 콘크리트의 심한 팽창과 균열을 발생하는 알칼리-칼슘-실리카겔을 형성하는 것으로 나타났다. 탄산화작용은 다량의 비교결성의 방해석을 형성하여 시멘트페이스트를 약화시키고 있다. 또한, 탄산화작용은 그 진행 정도에 따라 일부 이차광물들의 성분과 안정도에 현저한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 탄산화가 현저히 진행된 콘크리트에는 다량의 석고가 형성되었으나, 탄산화가 약하게 진행된 것에는 사우마사이트가 에트린자이트와 고용체를 형성하여 미세 균열을 발생하고 있다. 실험적으로, 에트린자이트는 염소의 유입으로 인하여 trichloroaluminate로 전이되거나 분해되는 것으로 나타났다. 해수의 Mg 이온은 비교결성의 브루사이트와 MSH (magnesium silicate hydrate)를 형성하여 시멘트 페이스트의 성능저하의 원인이 되는 것으로 나타났다.
Various deleterious chemicals can be introduced to existing concrete structures from various external sources. The deterioration of concrete by seawater attack is involved in complex processes due to various elements contained in seawater. In the present study, attention was paid to the formation of...
Various deleterious chemicals can be introduced to existing concrete structures from various external sources. The deterioration of concrete by seawater attack is involved in complex processes due to various elements contained in seawater. In the present study, attention was paid to the formation of secondary minerals and characteristics of mineralogical and micro-structural changes involved in concrete deterioration caused by the influence of major seawater composition. The characteristics of deterioration occurred in existing concrete structures was carefully observed and samples were collected at many locations of coastal areas in Busan-Kyungnam. The petrographic, XRD, SEM/EDAX analyses were conducted to determine chemical, mineralogical and micro-structural changes in the aggregate and cement paste of samples. The experimental concrete deteriorations were performed using various chloride solutions (NaCl, CaCl, $MgCl_2$ and $Na_2SO_4$ solution. The experimental results were compared with the observation results in order to determine the effect of major elements in seawater on the deterioration. The alkalies in seawater appear to accelerate alkali-silica reaction (ASR). The gel formed by ASR is alkali-calcium-silica gel which known to cause severe expansion and cracking in concrete. Carbonation causes the formation of abundant less-cementitious calcite and weaken the cement paste. Progressive carbonation significantly affects on the composition and stability of some secondary minerals. Abundant gypsum generally occurs in concretes subjected to significant carbonation, but thaumasite ({$Ca_6/[Si(OH)_6]_2{\cdot}24H_2O$}${\cdot}[(SO_4)_2]{\cdot}[(CO_3))2]$) occurs as ettringite-thaumasite solid solution in concretes subjected to less significant carbonation. Experimentally, ettringite can be transformed to trichloroaluminate or decomposed by chloride ingress under controlled pH conditions. Mg ions in seawater cause cement paste deterioration by forming non-cementitious brucite and magnesium silicate hydrate (MSH).
Various deleterious chemicals can be introduced to existing concrete structures from various external sources. The deterioration of concrete by seawater attack is involved in complex processes due to various elements contained in seawater. In the present study, attention was paid to the formation of secondary minerals and characteristics of mineralogical and micro-structural changes involved in concrete deterioration caused by the influence of major seawater composition. The characteristics of deterioration occurred in existing concrete structures was carefully observed and samples were collected at many locations of coastal areas in Busan-Kyungnam. The petrographic, XRD, SEM/EDAX analyses were conducted to determine chemical, mineralogical and micro-structural changes in the aggregate and cement paste of samples. The experimental concrete deteriorations were performed using various chloride solutions (NaCl, CaCl, $MgCl_2$ and $Na_2SO_4$ solution. The experimental results were compared with the observation results in order to determine the effect of major elements in seawater on the deterioration. The alkalies in seawater appear to accelerate alkali-silica reaction (ASR). The gel formed by ASR is alkali-calcium-silica gel which known to cause severe expansion and cracking in concrete. Carbonation causes the formation of abundant less-cementitious calcite and weaken the cement paste. Progressive carbonation significantly affects on the composition and stability of some secondary minerals. Abundant gypsum generally occurs in concretes subjected to significant carbonation, but thaumasite ({$Ca_6/[Si(OH)_6]_2{\cdot}24H_2O$}${\cdot}[(SO_4)_2]{\cdot}[(CO_3))2]$) occurs as ettringite-thaumasite solid solution in concretes subjected to less significant carbonation. Experimentally, ettringite can be transformed to trichloroaluminate or decomposed by chloride ingress under controlled pH conditions. Mg ions in seawater cause cement paste deterioration by forming non-cementitious brucite and magnesium silicate hydrate (MSH).
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문제 정의
따라서, 해수 성분에 의한 콘크리트내 구성 광물의 변화 양상을 탄산화 작용과 연계한 종합적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 부산■경남의 해안 부근에 설치된 도로, 해변축대와 교각 등의 콘크리트 구조물에서 나타나는 콘크리트의 성능저하현상에 대한 조사를 실시하고 그에 수반된 광물학적, 지구화학적 및 미세 구조적 변화 특징에 대하여 조사하였다. 그리고, 염소계 화학물질들 (NaCl, CaCl2> MgCl?)과 황산염 (NazSQ)을 사용한 실내 변질 실험을 수행하여, 콘크리트내의 특징적인 구성 광물의 변화와 수반되는 유해성 이차반응들의 형성특징을 해수의 영향을 받은 해안지역 콘크리트 비교분석함으로서, 해수에 의한 콘크리트 성능저하 양상과 그 원인을 종합적으로 규명하고자 하였다.
본 연구에서는 부산■경남의 해안 부근에 설치된 도로, 해변축대와 교각 등의 콘크리트 구조물에서 나타나는 콘크리트의 성능저하현상에 대한 조사를 실시하고 그에 수반된 광물학적, 지구화학적 및 미세 구조적 변화 특징에 대하여 조사하였다. 그리고, 염소계 화학물질들 (NaCl, CaCl2> MgCl?)과 황산염 (NazSQ)을 사용한 실내 변질 실험을 수행하여, 콘크리트내의 특징적인 구성 광물의 변화와 수반되는 유해성 이차반응들의 형성특징을 해수의 영향을 받은 해안지역 콘크리트 비교분석함으로서, 해수에 의한 콘크리트 성능저하 양상과 그 원인을 종합적으로 규명하고자 하였다.
상기한 해안부근의 콘크리트 성능 저하 현상은 해수에 포함된 이들 주성분들의 영향^ 클 것이다. 따라서, 이들 성분의 작용에 따른 콘크리트내 구성 광물 성분의 변화와 열화에 영향을 미치는 새로운 이차생성 광물들의 형성과 변화 특성을 중심으로 기술하였다.
그러나, 본 연구로 확인된 많은 양의 황산염의 존재와 이로 인한 다량의 석고를 침전을 유발하기에는 해수 기원에 의한 황산염의 추가로는 충분한 설명이 되지 않는 의문점으로 남는다. 콘크리트 내의 과다한 황산염의 존재는 사용된 시멘트에 과다한 황산염이 포함된 경우와 구조물 시공 시 레미콘의 콘크리트의 경화 억제를 위한 황산염을 사용에 대해 의심해 볼 수 있다.
제안 방법
부산경남의 일부 해안지역의 콘크리트 구조물들에 나타나는 성능저하와 연관된 변질양상을 관찰하였다. 기존 구조물들의 콘크리트 시료채취는 대부분 용이하지 않았으므로, 재 건축 등으로 여건이 허용되는 곳에서 콘크리트 시료를 한정 수집하였다.
또한, 콘크리트의 균열부에서 유출되는 침전물도 채취하였다. 수집된 콘크리트 시료들은 연마시편과 연마박편을 제작하여 편광/반사현미경으로 일차적으로 관찰하였으며, 전자현미경 (SEMg과 EDAX(Energy dispersive X-ray Analysi 아를 통하여 콘크리트 내 시멘트 페이스트의 구성광물과 미세 조직을 조사하였다.
채취된 콘크리트에 포함된 시멘트 페이스트의 구성 광물 성분들의 종류, 형태적 특징 및 이차광물의 생성특징을 자세히 분석하기 위해 콘크리트로부터 가능한 시멘트 페이스를 분리하였다. 콘크리트를 파쇄하여 일차적으로 굵은 골재와 모르타르를 분리한 후, 모르타르는 다시 70번 표준체 (0.
분리하였다. 콘크리트를 파쇄하여 일차적으로 굵은 골재와 모르타르를 분리한 후, 모르타르는 다시 70번 표준체 (0.21 mm)로 분리하여 모르타르에 포함된 잔 골재의 양을 가능한 줄이도록 하였다. 콘크리트에서 분해 및 이차적으로 생성될 수 있는 용해성 광물들의 변화특징을 식별하기 위한 실험을 위해, 체 분리된 분말시료(20g)를 증류수(50 ml)와 혼합 4& 시간반응시켜 용해성 물질을 용해하였다.
21 mm)로 분리하여 모르타르에 포함된 잔 골재의 양을 가능한 줄이도록 하였다. 콘크리트에서 분해 및 이차적으로 생성될 수 있는 용해성 광물들의 변화특징을 식별하기 위한 실험을 위해, 체 분리된 분말시료(20g)를 증류수(50 ml)와 혼합 4& 시간반응시켜 용해성 물질을 용해하였다. 실험 중 용액의 pH가 강하할 경우에는 NaOH 용액을 사용 8.
반응 후 5,000 rpm으로 원심 분리하여 잔류물질과 여액을 분리하였으며, 여액은 상온에서 건조하여 재 침전되는 물질을 수집하도록 하였다. 각 단계의 시료들을 XRD와 SEMZEDAX 분석함으로서 시멘트페이스트내의 잔류물질과 용해성 이차반응생성물의 변화특징을 식별하였다.
5 이상으로 유지함으로서 낮은 pH에 의한 콘크리트의 영향을 제거하였다. 건초(dry)/ 습윤(wet), 동결 (freeze)/융해 (thaw) 실험도 병행 실시하였다. 이에 대한 자세한 실험 방법은 이효민과 황진연 (2003)에 기재되었다.
실험은 육안으로 콘크리트 시료에서 표면부식과 균열과 같은 변질 양상을 보이는 시점에서 중단하였다. 변질 실험 후 시료는 연마 박편을 만들어 편광현미경 및 SEM/EDAX 분석을 실시하였다.
전자현미경과 EDAX 분석은 한국 기초과학지원연구소 부산 분소와 미국 아이오와 주립대학에서 HITACHI S-4200와 HITACHI S-2400 reduced vaccum 전자현미경을 사용하여 실시하였으며"가속전압은 15KV와 20KN를 사용하여 관찰하였으며, EDAX 분석은 콘크리트의 주요 구성 요소인 Si, Al, K, Na, Ca, Mg, 0, S, Cl에 대하여 실시하였다.
96A의 회절선을 가지는 물질이 형성되어있음도 관찰되었다. 이와 같은 이차 생성될 수 있는 광물들을 시멘트 수화물들과 구분하고 또한 이들 물질의 안정도를 판정하기 위하여, 증류수에 모르타르 분말 시료를 이틀간 반응시켜 용해 후 재 침전 가능한 물질을 분석하였다. 콘크리트의 수화물들과 이차 생성 광물들 중 일부는 강하된 pH조건에서 종종 분해되거나 용해되어 다른 광물들을 생성 할 수 있다(Day, 1990).
대상 데이터
관찰하였다. 기존 구조물들의 콘크리트 시료채취는 대부분 용이하지 않았으므로, 재 건축 등으로 여건이 허용되는 곳에서 콘크리트 시료를 한정 수집하였다. 또한, 콘크리트의 균열부에서 유출되는 침전물도 채취하였다.
실내 변질 실험은 해수의 주성분인 Cl, Na, SO4, Mg에 대한 시멘트 페이스트의 성능저하의 영향을 평가하기 위하여 0.75 M의 NaCl, CaCl, MgCl2, Na2SO4용액을 사용하여 실시하였다. 실험에는 시멘트-골재의 중량비가 1:2.
75 M의 NaCl, CaCl, MgCl2, Na2SO4용액을 사용하여 실시하였다. 실험에는 시멘트-골재의 중량비가 1:2.25이며, 플로우치 105-120의 범위로 제작되어 28일간 수중 양생한 모르타르가 사용되었다. 모르타르 시료는 약 3 cm X 1.
성능/효과
성능 저하 현상을 보여주는 많은 콘크리트에서는 수화 시멘트의 25wt.%를 구성하는 포트랜다이트의 함량이 적으며, 방해석의 함량이 높게 나타났다(Fig. 1). 특이한 양상은 XRD 분석으로 석고의 회절선(7.
1). 분리된 용액을 실내온도에서 천천히 건조시킨 후 생성된 침전물에 대한 XRD 분석 결과, 침전물로서 다량의 방해석과 석고가 다시 생성되며, 일부 지역의 시료에서는 소금 (halite)의 결정도 생성되는 것으로 나타났다. 7.
96A의 회절 선을 나타내는 시료에서는, 잔류 물질에서의 이 회절 선의 소멸과 함께 용해 후 재 침전된 물질에서 석고가 형성되는 것을 볼 수 있다. 이 사실로 보아, 7.96 A의 회절선을 나타내는 물질은 수용성 물질로서, 알칼리 성분인(Na 혹은 K)를 포함하는 알칼리황산염 혹은 알칼리-칼슘황산염의 형태로 존재하는 광물일 가능성이 큰 것으로 생각된다.
많은 경우, 에트린자이트로부터 미세균열이 페이스트로 전파되고 있다. 일부 해안지역 콘크리트 중 에트린자이트가 생성되고 있음이 관찰되며, 울산 부근의 해안지역에서 채취된 콘크리트에서는 사우마사 이 트 # 에트린자이트와 고용체 (solid-solution)를 형성하고 있는 것이 확인되었다(Fig. 3). 사우 마사 이 트는 규소가 에 트린자이 트내의 알루미늄을 치환하고, 3SO42- 와 2개의 물분자(2H20) 대신에 2SQ2-와 2CO32S.
증가된 알칼리는 에트린자이트의 용해도를 증가됨으로 침전이 어려워지며 황산염이온은 알칼리 황산염Na2%4 혹은 K2SO4)으로 존재하거나 혹은 석고를 형성한다(Day 1992). 전자현미경을 통한 분석 결과, 탄산화가 현저히 진행된 해안지역의 콘크리트에서는 에트린자이트는 생성되지 않으며, 다량의 석고(CaSOr 2H2。)가 방해석과 함께 생성되었음이 확인되었다(Fig. 4). 그리고, 시멘트페이스트에서 용해 후 재 침전 과정으로 분리된 광물들에 소금결정이 포함되어 있는 경우로 보아, 해수의 작용에 의한 현저한 탄산화는 이러한 작용을 잘 시사하고 있다.
것이다. 전자 현미경과 EDAX를 통하여 관찰한 결과 많은 양의 에트린자이트 NazSCU로 처리한 콘크리트 시료에 형성됨이 관찰되었다. 알칼리-탄산염암 반응성을 나타내는 돌로마이트를 골재로 사용한 콘크리트 시료에서 발견되는 많은 에트린자이트에 상당량의 Si 가 에트린자이트 구조내의 알루미늄을 부분적으로 치환하여 일부가 사우마사이트를 형성하고 있는 것이 발견되었다(이효민과 황진연, 2003).
32H2O)으로 구분된다. 에트린자이트를 함유한 콘크리트 시료를 0.75 M NaCl과 CaCl2 용액에 넣어 용액의 pH를 강알칼리성을 유지한 실험 결과, 시멘트 페이스트의 약한 탄산화 함께, 염소의 공급으로 기존의 에트린자이트가 트라이클로로알루산염 (trichloroaluminate)^로 전이됨을 관찰되었다(Fig. 5). 전자현미경과 EDAX 분석으로 염소가 에트린자이트의 황산염을 부분 또는 완전한 치환한 양상이 관찰됨으로서, 생성되는 트라이클로로알루민산염은 에트린자이트와 유사한 결정구조를 가지며, 간단한 치환 반응(식8)의 결과로 생성되는 것으로 생각된다.
MgCl2 용액을 사용한 변질 실험 결과, 시멘트 페이스트에는 다량의 브루사이트 형성되고 CSH의 MSH(magnesium silicate hydrate)로 변화됨이 SEM/ EDAX 분석으로 나타났으며, 그 결과 페이스트의 교 결성이 약화되어 골재의 탈착이 현저히 발생하였다. 특히, MSH는 습윤/건조 과정을 거침으로 다량의 수축성 균열을 유발하였다.
(2) 해수의 알칼리 성분은 알칼리-골재 반응을 촉진하며, 알칼리-실리카 반응의 결과 생성되는 겔은 높은 Na와 CM 함량을 가진 알칼리-칼슘-실리카겔형이 우세한 것으로 나타났다.
(3) 에트린자이트 혹은 에트린자이트/사우 마사 이 트의 고용체가 탄산염화가 약하게 발생한 일부 해안지역 콘크리트에서 발견된다. 그러나, 많은 경우 해안지역의 탄산염화가 현저히 진행된 곳에서는 이들 광물은 거의 발견되지 않으며, 많은 양의 석고가 생성되어 있다.
(5) 상기와 같이 해수에 의한 황산염의 공급은 탄산화의 진행 정도와 염화물의 공급 정도에 따라 다양 한이 차 광물의 형성에 기여하여, 그에 수반되는 다양한 정도의 성능저하에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
(6) 해수의 Mg 이온은 비교결성 브루사이트와 MSH 의 형성으로 시멘트 페이스트의 약회를 유발하는 성능 저하에 영향을 미친 것으로 생각된다.
(7) 해수에 의한 콘크리트의 성능 저하는 해수의 다양한 성분에 따라 각각 특징적인 성능저하를 유발하는 이 차 반응생성물들을 형성함으로서 종합적인 내구성 저하를 유발하고 있다.
후속연구
, 1992; Bonen and Shark, 1994). 따라서, 다양한 주위 환경 조건에 따른 외부 화학물질의 유입에 의한 콘크리트 광물학적 및 화학적 변화 특성, 유해성 반응 생성물의 생성 메커니즘과 이의 성능저하에 연관성이 규명됨으로서, 콘크리트 내구성을 향상시키기 위한 다양한 방지책 내지 개선책을 개발 할 수 있다. 이러한 콘크리트의 내 .
그러나, 해수에는 Na, Mg, K, Ca, Cl, SO4 등의 다양한 화학원소들이 포함되어, 콘크리트의 성능저하와 관련된 다양한 화학반응과 반응생성물들을 형성할 수 있다. 따라서, 해수 성분에 의한 콘크리트내 구성 광물의 변화 양상을 탄산화 작용과 연계한 종합적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 부산■경남의 해안 부근에 설치된 도로, 해변축대와 교각 등의 콘크리트 구조물에서 나타나는 콘크리트의 성능저하현상에 대한 조사를 실시하고 그에 수반된 광물학적, 지구화학적 및 미세 구조적 변화 특징에 대하여 조사하였다.
한다. 따라서, 해안지역에서 해수의 영향이 우려되는 곳에서는 반응성 골재에 의한 알칼리-골재반응에 의한 성능저하는 더욱 현저해지며, 약한 반응성을 나타내어 일반적인 알칼리- 골재 반응 시험인 ASTM 227을 통과한 골재의 경우도 해수로부터 추가된 알칼리에 의해 알칼리-골재반응이 가속화될 것이다. 알칼리 농도가 증가함에 따른 알칼리-골재 반응에 의한 팽창율의 증가는 연구된 바 있다(Berube and Frenette, 1994, 전쌍순 등, 2003).
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