[국내논문]고농도 황산염 이온이 함께 존재하는 경우의 염소이온 침투특성에 관한 실험 연구 Experimental Study on Chloride Penetration into Concrete under Combined Exposure Conditions of Chlorides and High Concentrated Sulfates원문보기
최근 영종도신공항, 서해대교, 원자력발전소 등 열악한 환경에 노출되는 구조물들의 건설이 증가되면서 구조물의 내구성 확보에 관한 관심이 커지고 있는 실정이다. 특히 철근부식과 관련하여 콘크리트 구조물의 성능저하에 가장 큰 영향을 미치는 염해에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 그 동안 주로 염소이온 단일열화에 대한 연구는 많았으나 염소이온과 황산염 등이 복합으로 작용하는 경우 등 복합열화에 대한 연구는 찾아보기 어려운 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 단일염소이온 만이 아니라 염소이온과 황산염 이온이 복합된 환경하에서 콘크리트 구조물의 성능저하 현상을 규명하고 이들의 상호영향을 연구하는데 목적을 두고 두 가지 경우에 대한 실험을 수행하였다. 단일 염소이온이 존재하는 경우보다 황산염 이온이 동시에 작용하는 경우 염소이온 침투량이 증가하였으며, 모든 조건에서 표면염소이온의 농도는 시간에 따라 증가하고 반면에 확산계수는 시간에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 또한 플라이애시를 사용한 경우 모든 배합과 노출환경에서 확산계수가 줄어드는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 실험결과에 따라 표면염소이온의 농도와 확산계수의 시간의존성을 예측하는 식을 제시하였으며, 이들의 영향을 고려한 염소이온 침투 예측식을 제시하였다. 본 연구의 결과는 해수 등과 같이 염소이온 및 황산염 이온이 복합 작용하는 경우 장기적인 염소이온 침투량을 예측하는 데 참고자료가 될 것으로 사료되며, 정확한 예측을 위해서는 이를 통한 진전된 복합환경하의 연구가 필요하다.
최근 영종도신공항, 서해대교, 원자력발전소 등 열악한 환경에 노출되는 구조물들의 건설이 증가되면서 구조물의 내구성 확보에 관한 관심이 커지고 있는 실정이다. 특히 철근부식과 관련하여 콘크리트 구조물의 성능저하에 가장 큰 영향을 미치는 염해에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 그 동안 주로 염소이온 단일열화에 대한 연구는 많았으나 염소이온과 황산염 등이 복합으로 작용하는 경우 등 복합열화에 대한 연구는 찾아보기 어려운 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 단일염소이온 만이 아니라 염소이온과 황산염 이온이 복합된 환경하에서 콘크리트 구조물의 성능저하 현상을 규명하고 이들의 상호영향을 연구하는데 목적을 두고 두 가지 경우에 대한 실험을 수행하였다. 단일 염소이온이 존재하는 경우보다 황산염 이온이 동시에 작용하는 경우 염소이온 침투량이 증가하였으며, 모든 조건에서 표면염소이온의 농도는 시간에 따라 증가하고 반면에 확산계수는 시간에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 또한 플라이애시를 사용한 경우 모든 배합과 노출환경에서 확산계수가 줄어드는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 실험결과에 따라 표면염소이온의 농도와 확산계수의 시간의존성을 예측하는 식을 제시하였으며, 이들의 영향을 고려한 염소이온 침투 예측식을 제시하였다. 본 연구의 결과는 해수 등과 같이 염소이온 및 황산염 이온이 복합 작용하는 경우 장기적인 염소이온 침투량을 예측하는 데 참고자료가 될 것으로 사료되며, 정확한 예측을 위해서는 이를 통한 진전된 복합환경하의 연구가 필요하다.
Recently, the durability of concrete structures has received great attention as the number of sea-side structures, such as new airport, bridges, and nuclear power plants, increases continuously. In this regards, many studies have been done on the chloride attack in concrete structures. However, thos...
Recently, the durability of concrete structures has received great attention as the number of sea-side structures, such as new airport, bridges, and nuclear power plants, increases continuously. In this regards, many studies have been done on the chloride attack in concrete structures. However, those studies were confined mostly to the single deterioration due to chloride only, although actual environment is rather of combined type. The purpose of the present study is, therefore, to explore the effects of combined deterioration due to chlorides and sulfates in concrete structures. To this end, comprehensive experimental program has been set up to observe the chloride penetration behavior for various test series. The test results indicate that the chloride penetration is more pronounced for the case of combined attack than the case of single chloride attack. The surface chloride content is found to increase with time and the diffusion coefficient for chloride is found to decrease with time. The prediction equations for surface chloride content and diffusion coefficient were proposed according to test results. The equations for chloride penetration considering the time-dependent diffusion coefficients and surface chlorides were also suggested. The present study allows more realistic assessment of durability for such concrete structures which are subjected to combined attacks of chlorides and high concentration sulfates but the future studies for combined environment will assure the precise assessment.
Recently, the durability of concrete structures has received great attention as the number of sea-side structures, such as new airport, bridges, and nuclear power plants, increases continuously. In this regards, many studies have been done on the chloride attack in concrete structures. However, those studies were confined mostly to the single deterioration due to chloride only, although actual environment is rather of combined type. The purpose of the present study is, therefore, to explore the effects of combined deterioration due to chlorides and sulfates in concrete structures. To this end, comprehensive experimental program has been set up to observe the chloride penetration behavior for various test series. The test results indicate that the chloride penetration is more pronounced for the case of combined attack than the case of single chloride attack. The surface chloride content is found to increase with time and the diffusion coefficient for chloride is found to decrease with time. The prediction equations for surface chloride content and diffusion coefficient were proposed according to test results. The equations for chloride penetration considering the time-dependent diffusion coefficients and surface chlorides were also suggested. The present study allows more realistic assessment of durability for such concrete structures which are subjected to combined attacks of chlorides and high concentration sulfates but the future studies for combined environment will assure the precise assessment.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 염소이온 만이 존재하는 경우와 고농도의 황산염 이온과 염소이온이 동시에 존재하는 경우 콘크리트 내부로의 염소이온 확산과정을 비교·분석하여 황산염 이온의 존재에 의한 염소이온 침투특성에 대한 영향을 고찰하고자 하였다.
본 연구에서는 여러 가지 열악한 환경에 노출되어 있는 콘크리트 구조물의 성능저하 현상 중 철근 부식에 큰 영향을 주는 염소이온의 침투특성을 고찰하였다. 특히, 단일염소이온이 존재하는 경우와 함께 고농도 황산염 이온이 존재하는 경우에 대한 염소이온 침투특성을 고찰하였다.
가설 설정
계수이다. 한편 염소이온 확산계수의 경우도 동일한 형태로 가정한다.
제안 방법
따라서, 본 연구에서는 Costa가 제안한 방법에 의거하여 본 연구에서 수행한 촉진실험의 결과로부터 시간에 따른 표면염소이온 농도 및 염소이온 확산계수 식을 도출하였다
특히, 단일염소이온이 존재하는 경우와 함께 고농도 황산염 이온이 존재하는 경우에 대한 염소이온 침투특성을 고찰하였다. 또한 실제구조물의 건습이 반복되는 효과를 고려하기 위하여 1주일 단위의 건습을 반복하여 실험을 수행하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
측면을 불투수성 에폭시로 코팅하였다. 또한 침지 실험은 기존구조물의 건습반복 효과를 고려하기 위하여 1주일 용액침지와 1주일 기중노출을 반복하였다.
42)를 주요 실험변수로 선정하였으며, 1종 시멘트 이외에 5종 시멘트를 실험변수로 선정한 이유는 현재 우리 나라 원자력발전소 등의 건설에 5종 시멘트를 사용하고 있기 때문이다. 또한, 플라이애시의 경우 이미 국내 레미콘의 경우 상당량 실용화되어있기 때문에 전체 시멘트량의 20%를 5종 시멘트에 혼입하여 실험을 수행하였다.
모든 실험시편은 28일간 수중양생 후 침지 실험을 수행 하였으며, 침지시간(4주, 12주, 28주, 52주) 및 표면으로부터의 깊이에 따른 산 가용성 및 수용성 염소이온 침투량을 분석하였다 또한 기존의 염소이온 확산모델 중 가장 널리 사용되는 1차원 염소이온 확산방정식인 식 (1)을 이용하여 침지실험으로부터 얻어지는 시간의존적인 염소이온 확산계수와의 비교를 위해서 Tang & Nilsson3)에 의해 제안된 촉진 CTH 방법(CTH rapid method)으로 각 배합에 대하여 염소이온 확산계수를 측정하였다. 여기서, 전기적 촉진시험 방법인 CTH방법은 콘크리트를 통한 염소이온의 유효확산계수를 전기적인 방법으로 촉진하여 구할 수 있는 여러 가지 방법 중의 하나로 확산 셀을 이용한 자연상태하의 유효확산계수를 구하는 방법에 의한 값과 동일한 결과를 나타내지는 않지만 빠른 시간 안에 구할 수 있으므로 염소이온 확산계수를 구하기 위해 현재 많이 사용되고 있는 방법이다 Table 3에는 28일간 수중양생 후 재령 90일 전후에 구한 CTH 방법에 따른 염소이온 확산계수가 나타나있다.
본 실험은 염소이온 및 황산염 이온이 복합적으로 작용하는 경우의 염소이온 확산특성을 규명하기 위해 5% NaCl용액과 5% NaCl 및 10% Na2SO4 혼합용액에 대한 침지 실험을 실시하였으며 용액의 온도는 25℃로 유지하였다.
본 연구에서는 시멘트 종류 3종(1종, 5종, 플라이애시 20%혼입) 및 물/결합재 비 (0.38, 0.42)를 주요 실험변수로 선정하였으며, 1종 시멘트 이외에 5종 시멘트를 실험변수로 선정한 이유는 현재 우리 나라 원자력발전소 등의 건설에 5종 시멘트를 사용하고 있기 때문이다. 또한, 플라이애시의 경우 이미 국내 레미콘의 경우 상당량 실용화되어있기 때문에 전체 시멘트량의 20%를 5종 시멘트에 혼입하여 실험을 수행하였다.
단일 염소이온 용액의 경우와 비교해 보면 복합용액 침지시 표면염소이온 농도가 큰 것을 알 수 있으며, 이것은 황산염이 콘크리트 수화물인 C3A와 반응하는 과정에서 에트린가이트와 같은 팽창성 산물을 생성하여 콘크리트 표면부 균열을 유도하여 외부염소이온의 표면부 침투를 촉진하게 한 것으로 보인다1,2). 본 연구의 경우 에트린가이트의 생성을 확인하기 위해 실험시작 후 5주째 XRD분석을 실시하였으며, 침지 15주에서는 화학분석에 의해 깊이별 SO3 이온량을 검출하여 SO4이온의 침투여부를 분석하였다. 그림 7에는 XRD분석 결과가 나타나있으며, Table 4에는 화학분석 결과가 제시되어있다.
것이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 Costa가 제안한 식을 실험결과에 적용하여 표면염소이온 농도와 염소이온 확산계수의 시간의존성을 고려한 염소이온 침투량 예측식을 제안하였다
주는 염소이온의 침투특성을 고찰하였다. 특히, 단일염소이온이 존재하는 경우와 함께 고농도 황산염 이온이 존재하는 경우에 대한 염소이온 침투특성을 고찰하였다. 또한 실제구조물의 건습이 반복되는 효과를 고려하기 위하여 1주일 단위의 건습을 반복하여 실험을 수행하였다.
대상 데이터
1) 것을 사용하였다. 또한, 골재는 비중 2.63, 조립율 6.7의 쇄석 굵은골재 및 비중 2.55, 조립율 2.6의 강사를 사용하였다. Table 1에는 사용된 시멘트 및 플라이애시의 화학조성이 나타나있다.
본 실험에서는 국내 S사에서 생산된 1종 및 5종 시멘트(비중 : 3.15)를 사용하였으며 플라이애시는 보령화력에서 생산된(비중 : 2.1) 것을 사용하였다. 또한, 골재는 비중 2.
여기서 비교를 위해서 본 실험의 배합변수 중 Costa의 C2 배합의 물-시멘트비와 비교적 일치하는 H1FA00을 사용하였으며 Costa의 노출조건은 본 연구와 유사한 Splash zone에서의 값이다.
표준 시편으로는 길이 10cm, 직경10cm의 원주형 시편을 사용하였으며, 염소 이온의 일 방향 침투가 일어나도록 시편의 측면을 불투수성 에폭시로 코팅하였다. 또한 침지 실험은 기존구조물의 건습반복 효과를 고려하기 위하여 1주일 용액침지와 1주일 기중노출을 반복하였다.
이론/모형
염소이온의 확산계수를 측정하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있으나 그 간편성으로 인해 현재 가장 널리 사용되어지고 있는 방법이 Tang & Nilsson3)에 의해 제안된 촉진 CTH 방법 (CTH rapid method)으로 본 연구에서도 각 배합별로 촉진 CTH 방법을 사용해 확산계수를 측정하여 그 결과를 Table 2에 나타내었다.
한편 채취된 시료로부터 산가용성 및 수용성 염소이온의 추출은 ASTM C1152-97 및 ASTM C1218-97에 제시된 방법을 따라서 시행하였다
성능/효과
1) 콘크리트 중으로의 염소이온 침투량의 경우 12주까지는 황산염 이온이 존재하는 경우와 단일 염소이온 용액에 침지한 경우가 큰 차이를 보이지 않았으나 28주 이후에는 황산염 이온이 존재하는 경우 염소이온 침투량이 크게 나타났다. 이것은 28주 이후에 황산염에 의한 표면부 성능저하가 염소이온 침투에 영향을 미칠 정도로 발현된 것으로 판단되며 이로부터 황산염 이온이 존재하는 경우 이에 의한 표면부 팽창 및 균열 등이 발생할 경우 표면부 성능저하 이외에 염소이온 침투 등에 의한 철근부식 둥에도 영향을 줄 수 있음을 알 수 있다.
2) 염소 이온 단일 용액에 대한 침지시 1종 시멘트를 사용한 경우가 5종 시멘트를 사용한 콘크리트에 비해 다소 낮은 염소이온 침투량을 나타냈으며, 황산염 이온이 염소 이온과 동시에 작용하는 경우에는 두 종류 시멘트를 사용한 콘크리트의 경우 염소 이온 침투량이 유사하였다. 그러나, 이러한 시멘트 종류 및 침지조건에 따른 차이는 크지 않았으며, 플라이애시를 혼입한 배합의 경우가 콘크리트 내의 염소이온 침투를 억제하는데 큰 효과가 있는 것으로 판단된다
3) 표면염소이온 농도 및 염소이온 확산계수는 시간에 따라 변화하므로 장기적인 염소이온 침투량 예측시 이를 반영하는 것이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 Costa가 제안한 식을 실험결과에 적용하여 표면염소이온 농도와 염소이온 확산계수의 시간의존성을 고려한 염소이온 침투량 예측식을 제안하였다
3.2절에서 알 수 있는 것처럼 표면염소이온 농도 및 염소이온 확산계수는 시간에 따라 변화하므로 식(1)을 이용하여 장기적인 염소이온 침투량을 예측하기 위해서는 상수로 가정하고 있는 표면염소이온 농도 및 염소이온 확산 계수를 시간에 따른 함수로 표현하는 것이 적절하다고 판단된다.
3.4.1 절에서 살펴본 것처럼 CTH법에 의한 유효확산계수를 사용할 경우 단기간에는 실제 측정결과와 비교하여 오차가 크지 않으나 장기간의 염소이온 침투량 예측에서는 다소 오차가 커지고 있음을 알 수 있다. 그러나, 염소이온 단일용액의 경우도 염소이온 침투량에 대한 실측결과와는 많은 차이를 나타내고 있으며 이것은 실측 구조물의 배합과 본 실험에 사용한 배합의 차이에 따른 영향이 클 것으로 판단된다.
4) 본 연구에서 제안한 염소이온 침투량 예측식을 이용하여 전기적인 촉진실험에 의한 확산계수 값을 이용한 염소이온 침투량 및 실측실험 값과 비교 ·검토한 결과 시간에 따라 변하는 염소이온 확산계수 식을 사용하는 것이 효과적 임을 알 수 있었다. 그러나, 실 구조물에 적용하여 정확한 염소이온 침투량을 예측하기 위해서는 구조물이 처해있는 복합적인 환경을 고려한 좀 더 장기적이고 다양한 폭로 실험에 의한 결과가 필요하다고 사료된다.
그림 7에는 XRD분석 결과가 나타나있으며, Table 4에는 화학분석 결과가 제시되어있다. Fig. 7 및 Table 4에서 볼 수 있는 것처럼 5주 후의 XRD분석에서는 에트린가이트 생성이 작아 명확히 나타나지 않으나, 15주의 화학분석에서는 0.5~ 1.3 %의 SO3 이온량이 검출되어 에트린가이트가 생성되었다는 것을 간접적으로 알 수 있다 또한, 황산염 단일 및 복합용액 침지의 경우 28주정도 경과하면서 표면박리가 발생하는 것이 관찰되었다.
이것은 5종 시멘트를 사용한 콘크리트의 경우 1종 시멘트를 사용한 콘크리트에 비해 상대적으로 고농도의 황산염 용액에 대한 저항능력이 큰 것을 보여준다고 판단된다. 그러나, 5 종 시멘트를 사용한 경우에도 N배합의 경우 두 가지 침지 조건에 따른 염소이온 확산계수 차이가 큰 것으로 보아 시멘트 종류에 따른 황산염 저항성은 물/시멘트 비에 따른 공극구조의 치밀성에 의한 영향보다 효과가 미미한 것으로 판단되며 오히려 플라이애시 혼입에 의한 황산염 저항성은 상당히 큰 것으로 판단된다.
나타났다. 그러나, 단일 염소이온 용액에 침지한 경우의 염소이온 침투량과 비교해보면 황산염 이온이 복합된 용액에 침지한 경우에 12주까지는 서로간에 염소이온 침투 정도가 큰 차이를 보이지 않고 있으나 28주 후부터는 황산염 이온이 복합된 경우 콘크리트 중으로의 염소이온 침투 정도가 현저히 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은 28주 정도에 황산염 이온에 의한 표면부 성능저하가 급격히 진행된 때문으로 판단된다.
단일 염소이온 용액에 대해 침지한 경우와 마찬가지로 콘크리트 침지기간이 증가할수록 콘크리트 속으로 침투된 염소이온의 농도가 크게 나타났고, 반면에 깊이가 증가할수록 침투된 염소이온의 농도가 적은 것으로 나타났다. 그러나, 단일 염소이온 용액에 침지한 경우의 염소이온 침투량과 비교해보면 황산염 이온이 복합된 용액에 침지한 경우에 12주까지는 서로간에 염소이온 침투 정도가 큰 차이를 보이지 않고 있으나 28주 후부터는 황산염 이온이 복합된 경우 콘크리트 중으로의 염소이온 침투 정도가 현저히 증가하는 것을 알 수 있다.
비교를 명확히 하기 위해서 각 노출환경별로 실험식과 CTH 방법의 표면염소이온의 농도는 같게 설정하였으며, 그림에서도 알 수 있듯이 1년의 시점에서는 본 연구결과와 어느 정도 유사한 결과를 보이고 있으나 10년의 시점에서는 많은 차이가 나타남을 발견할 수 있다. 실제 철근이 묻힌 깊이를 50mm라 가정할 때 1년 시점에서는 단일 염소이온 용액에 대한 침지의 경우 약 30%의 오차가 발생한 반면, 10년 시점에서는 CTH 방법으로 측정된 확산계수를 사용했을 때 약 180%의 오차가 발생하였다.
콘크리트 침지기간이 증가할수록 콘크리트 속으로 침투된 염소이온의 농도가 크게 나타났고, 반면에 깊이가 증가할수록 침투된 염소이온의 농도가 적은 것으로 나타났다. 그림2에서 보듯이 H1FA00과 H5FA00의 염소이온 침투경향이 매우 비슷하였으며, 이것은 염수 단일침지 건습반복시 염소이온 침투가 시멘트 종류에는 영향이 적은 것으로 나타나고 있다.
한편 시멘트 종류에 따른 염소이온 확산계수 영향을 살펴보면 5종 시멘트를 사용한 경우에 비해 1종 시멘트를 사용한 경우가 다소 낮게 나타나고 있으며, 플라이애시를 첨가한 경우 염소이온 확산계수가 가장 작게 나타났다.
후속연구
효과적 임을 알 수 있었다. 그러나, 실 구조물에 적용하여 정확한 염소이온 침투량을 예측하기 위해서는 구조물이 처해있는 복합적인 환경을 고려한 좀 더 장기적이고 다양한 폭로 실험에 의한 결과가 필요하다고 사료된다.
실제 철근이 묻힌 깊이를 50mm라 가정할 때 1년 시점에서는 단일 염소이온 용액에 대한 침지의 경우 약 30%의 오차가 발생한 반면, 10년 시점에서는 CTH 방법으로 측정된 확산계수를 사용했을 때 약 180%의 오차가 발생하였다. 하지만, 본 연구의 경우 고농도의 염소이온 및 황산염 이온용액에 대한 촉진실험을 수행하였으므로 본 연구에 따라 제안된 확산계수식 또한 자연상태에 있는 구조물에 대한 정확한 예측이 가능한 것은 아니라고 판단되며 단지 CTH 방법으로 측정된 확산계수를 사용한 경우보다 장기적인 염소이온의 침투량을 예측하는데 다소 오차가 감소할 것이라고 판단된다.
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