염화물 이온은 철근의 부동태 피막을 파괴하여 부식을 촉진시키는 요인이며 철근의 부식은 콘크리트 구조물의 내구성뿐만 아니라 안전성에 가장 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 이러한 염해에 대해 적극적으로 대처하기 위하여 최근에는 공극률슬래그 미분말의 사용이 본격화 되고 있다. 본 논문에서는 염해, 특히 보통 포틀랜트 시멘트 콘크리트 보다 우수한 염화물 이온의 침투저항성을 보유한 것으로 알려져 있는 공극률 슬래그 미분말 콘크리트에 대해 염화물 이온의 확산특성을 분석하였고, 염화물 이온의 거동을 해석할 수 있는 모델을 기존의 보통콘크리트 확산모델을 수정하여 제안하였다. 제안된 공극률슬래그 미분말 콘크리트의 염화물 이온 확산모델은 공극률슬래그 미분말 콘크리트에 대한 촉진염화물 분무실험 결과와 실제 RC 교량 교각부의 현장 염화물 실험결과와의 비교를 통하여 타당성을 검증하였으며, 검증된 모델을 이용한 해석과 실험을 통하여 고로슬래그 미분말 콘크리트의 염화물 이온의 침투에 따른 치환율 및 분말도에 따른 최적조건을 도출하였다. 고로슬래그 미분말 콘크리트의 염화물 이온 침투저항성은 고로슬래그 미분말을 사용함에 따라 보통 콘크리트에 비하여 우수하게 개선되었으며, 사용한 고로슬래그 미분말의 분말도보다 치환율에 영향을 더 받는 것으로 분석되었다.
염화물 이온은 철근의 부동태 피막을 파괴하여 부식을 촉진시키는 요인이며 철근의 부식은 콘크리트 구조물의 내구성뿐만 아니라 안전성에 가장 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 이러한 염해에 대해 적극적으로 대처하기 위하여 최근에는 공극률 슬래그 미분말의 사용이 본격화 되고 있다. 본 논문에서는 염해, 특히 보통 포틀랜트 시멘트 콘크리트 보다 우수한 염화물 이온의 침투저항성을 보유한 것으로 알려져 있는 공극률 슬래그 미분말 콘크리트에 대해 염화물 이온의 확산특성을 분석하였고, 염화물 이온의 거동을 해석할 수 있는 모델을 기존의 보통콘크리트 확산모델을 수정하여 제안하였다. 제안된 공극률슬래그 미분말 콘크리트의 염화물 이온 확산모델은 공극률슬래그 미분말 콘크리트에 대한 촉진염화물 분무실험 결과와 실제 RC 교량 교각부의 현장 염화물 실험결과와의 비교를 통하여 타당성을 검증하였으며, 검증된 모델을 이용한 해석과 실험을 통하여 고로슬래그 미분말 콘크리트의 염화물 이온의 침투에 따른 치환율 및 분말도에 따른 최적조건을 도출하였다. 고로슬래그 미분말 콘크리트의 염화물 이온 침투저항성은 고로슬래그 미분말을 사용함에 따라 보통 콘크리트에 비하여 우수하게 개선되었으며, 사용한 고로슬래그 미분말의 분말도보다 치환율에 영향을 더 받는 것으로 분석되었다.
Chloride ion inside concrete destroys the so-called passive film surrounding reinforcing bars inside concrete so that the so-called salt attack accelerates corrosion which is the most critical factor for durability as well as structural safety of reinforced concrete structures. Recently, as a soluti...
Chloride ion inside concrete destroys the so-called passive film surrounding reinforcing bars inside concrete so that the so-called salt attack accelerates corrosion which is the most critical factor for durability as well as structural safety of reinforced concrete structures. Recently, as a solution of the salt attack, the ground granulated blast-furnace slag(GGBFS) have been used as binder or blended cement more extensively. In this paper, characteristics of chloride ion diffusion for the GGBFS concrete, which is known to possess better resistance to damage due to the chloride ion penetration than ordinary portland cement(OPC) concrete possesses, are analyzed and a chloride ion diffusion model for the GGBFS concrete is proposed by modifying an existing diffusion model for the OPC concrete. The proposed model is verified by comparing diffusion analysis results using the model accelerated chloride penetration test results for concrete specimens as well as field test results for an RC bridge pier. Then, an optimal resistance condition to chloride penetration for the GGBFS concrete is obtained according to degrees of fineness and replacement ratios of the GGBFS concrete. The result shows that the GGBFS concrete has better resistance to chloride ion penetration than OPC concrete has and the resistance is more affected by the replacement ratio than the degree of fineness of the GGBFS.
Chloride ion inside concrete destroys the so-called passive film surrounding reinforcing bars inside concrete so that the so-called salt attack accelerates corrosion which is the most critical factor for durability as well as structural safety of reinforced concrete structures. Recently, as a solution of the salt attack, the ground granulated blast-furnace slag(GGBFS) have been used as binder or blended cement more extensively. In this paper, characteristics of chloride ion diffusion for the GGBFS concrete, which is known to possess better resistance to damage due to the chloride ion penetration than ordinary portland cement(OPC) concrete possesses, are analyzed and a chloride ion diffusion model for the GGBFS concrete is proposed by modifying an existing diffusion model for the OPC concrete. The proposed model is verified by comparing diffusion analysis results using the model accelerated chloride penetration test results for concrete specimens as well as field test results for an RC bridge pier. Then, an optimal resistance condition to chloride penetration for the GGBFS concrete is obtained according to degrees of fineness and replacement ratios of the GGBFS concrete. The result shows that the GGBFS concrete has better resistance to chloride ion penetration than OPC concrete has and the resistance is more affected by the replacement ratio than the degree of fineness of the GGBFS.
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문제 정의
본 논문에서는 염화물 이온에 대해 침투저항성이 우수하다고 알려져 있는 고로슬래그 미분말 (Ctfound CranulatEd Blast-Furnace Slag: GGBFS) 을 혼화재료로 사용한 콘크리트와 보통포틀랜드 시멘트 (Ordinary Portland Cement: OPC)를 사용한 콘크리트를 염화물 이온의 침투 저항성에 대한 확산특성을 비교 분석하였으며 기존 OPC 콘크리트에 대한 확산모델을 수정하여 GGBFS 콘크리트의 확산모델을 제안하였다. 검증된 모델을 사용한 유한요소해석, 촉진시험 등의 결과를 통해 GGBFS의 치환율과 분말 도에 대한 특성을 고찰하였다.
가설 설정
교량의 이 교량의 제원을 Table 7에 나타내었고, 해석을 위한 모델링은 Fig. 15와 같으며 일반적인 배합강도 (2403cm2)를 가정하여 해석을 수행하였다. 도출된 기법을 통하여 해석한 결과는 Fig.
에 따른 공극률의 증가를 나타내게 된다. 이러한 공극률의 증가는 확산계수의 증가를 가져오게 되므로 치환률이 증가할수록 염화물 침투가 증가하게 된다 해석시에는 GGBFS의함유량 증가에 따른 공극률의 감소 및 표면유입계수의 감소를 고려하기 위해서 실험에서 구한 식(3a)대신 식(3b)를 사용하였다 식(3b)는 Table 5와 같이 실험에 의한 최대공극 경이 28일 경과시 50% 정도 감소하는 것을 기준으로 공극률 역시 50%정도 감소한다고 가정하여 지수함수식으로 가정한 것이다.
제안 방법
1) 수은압입법 실험을 수행하여 고로슬래그 미분말의 치환율에 따른 공극률 변화를 회귀분석하여 상관관계를 도출하였으며 도출된 식을 이용하여 고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트에 적용할 수 있는 확산 계수 식을 제안하였다. 한편 제안된 확산계수를 이용하여 1차원 유한요소해석을 수행하였으며 고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트 시편 및 기존구조물에 적용하므로서 제안된 제안식의 타당성을 검증하였다.
설정하였다. GGBFS 콘크리트 특성 변화에서는 공극률과 공극경을 수은압입법 (MIP : Mercury Intrusion Porosimeter) 실험을 통하여 수행하였으며 침투저항성 실험에서는 염화물 이온 분무 후 치환율 및 분말도에 따른 침투 깊이 및 깊이별 염화물량을 분석하였다
GGBFS와 OPC를 사용한 콘크리트의 염화물 침투 저항성을 평가하기 위해 염화물 이온 분무실험을 수행한 뒤 시편을 깊이방향으로 1cm 단위씩 커팅하여 깊이별 염화물 함유량을 측정하였다. 측정방법은 JCI-S/® 방법을 통하여 시편을 처리하고 자유염화물량을 즉정하였다.
제안하였다. 검증된 모델을 사용한 유한요소해석, 촉진시험 등의 결과를 통해 GGBFS의 치환율과 분말 도에 대한 특성을 고찰하였다. 한편 실험을 통하여 도출된 GGBFS의 치환율에 따른 공극률 분포를 이용하고 초기재령 콘크리트에서의 염화물 이온 이동을 고려하여 유한요소 해석을 수행한 뒤, 대상 콘크리트의 염화물 이온의 침투 거동을 분석하였다.
실험에서는 분말도를 4000 c<g, 6000 cm/g, 8000泌g으로 분류하였으며 각각에 대하여 치환율 30%, 50%, 70%로 하여 GGBFS를 혼입하였다. 물결합재비는 50%로 고정하였으며, 석고 함유량은 결합재량의 5%가 되도록 하였다. 시편은 50.
본 논문에서는 식(2)에서는 사용되는 Q所값에 대하여 GGBFS를 사용할 경우, 치환율에 대한 공극률 변화 특성을 고려할 수 있도록 실험을 통해 도출된 공극률과의 함수를 이용하여 수정된 GGBFS 시멘트 풀의 확산계수 식을 제안하였으며 이를 이용하여 유한요소해석을 수행하였다.
본장에서는 GGBFS 혼입에 따른 역학적 특성에 대해 분석하기 위해 분말도와 치환률을 변화시켜하도록 한다. 실험에서는 분말도를 4000 c<g, 6000 cm/g, 8000泌g으로 분류하였으며 각각에 대하여 치환율 30%, 50%, 70%로 하여 GGBFS를 혼입하였다.
실험에서는 분말도를 4000 c<g, 6000 cm/g, 8000泌g으로 분류하였으며 각각에 대하여 치환율 30%, 50%, 70%로 하여 GGBFS를 혼입하였다. 물결합재비는 50%로 고정하였으며, 석고 함유량은 결합재량의 5%가 되도록 하였다.
염해에 대한 GGBFS 콘크리트의 특성 변화 및 침투 저항성을 실험하기 위해 GGBFS 미분말의 치환율을 30%, 50%, 70%로 설정하였으며 분말도는 4, 000, 6, 000, 8, 000 g/面으로 설정하였다. GGBFS 콘크리트 특성 변화에서는 공극률과 공극경을 수은압입법 (MIP : Mercury Intrusion Porosimeter) 실험을 통하여 수행하였으며 침투저항성 실험에서는 염화물 이온 분무 후 치환율 및 분말도에 따른 침투 깊이 및 깊이별 염화물량을 분석하였다
염화물 이온의 확산 해석을 위하여 유한요소해석을 실시하였으며 아래의 Fig. 8과 같이 1차원 유한 요소 모델을 사용하여 해석을 수행하였다 초기 및 경계조건은 £= $0 에서 C/= Cini , x=Z, 에서 C/=(爲, 이고, 为=0 에서 dCfldx=Q 이다. 여기서, (爲, 는 콘크리트의 초기 자유 염화물 농도를 나타내며, (二次은 C7와같은 단위인 외부환경의 염화물이온 농도이고, £은 염화물 침투 방향으로의 콘크리트 시편의 길이이다.
검증된 모델을 사용한 유한요소해석, 촉진시험 등의 결과를 통해 GGBFS의 치환율과 분말 도에 대한 특성을 고찰하였다. 한편 실험을 통하여 도출된 GGBFS의 치환율에 따른 공극률 분포를 이용하고 초기재령 콘크리트에서의 염화물 이온 이동을 고려하여 유한요소 해석을 수행한 뒤, 대상 콘크리트의 염화물 이온의 침투 거동을 분석하였다.
대상 데이터
GGBFS를 사용한 콘크리트는 OPC에 비하여 공극률 및 최대 공극 경이 감소하는 것으로 알려져 있다 공극률에 대한 결과를 Table 4와 Fig. 1로 나타내었으며 최대공극 경(최대용적을 차지하는 입경의 변화)은 Table 5에 나타내었다 실제로 GGBFS를 사용하는 경우, 장기적으로는 공극률이 감소하는 것이 일반적이지만 4주 수중양생이 아닌 2주 수중 2 중 기중양생을 하였으며 비교적 단기간인 재령 28일을 대상으로 하였으므로 실험값이 0PC에 비하여 낮은값으로 평가되지는 않았다. MIP실험을 통하여 얻은 GGBFS의 치환율에 따른 회귀분석을 수행하면 식(3a)와 같은 지수함수의 회귀 분석 식을 도출할 수 있는데 이 경우는 오히려 치환률의 증가
물결합재비는 50%로 고정하였으며, 석고 함유량은 결합재량의 5%가 되도록 하였다. 시편은 50.8iDmX50.8mmX50.8mm^ 입방체로 제작하였으며, 재령 1 일 후 탈형하여 수중양생(20 °C)후 실험을 수행하였다.
이론/모형
RC교량 구조물에 해석기법을 적용하여 해석하였다. 해석대상 구조물은 국내의 S교량의 교각부위로서, 시공 10년 뒤 조사결과 철근위치인 10cm 깊이에 이미 철근부식 임계 염화 물량(0.
염화물이온 확산방정식의 공간영역에서의 유한요소 정식화를 위해 비선형 방정식에 적용 가능한 중첩잔차법 (weight residual method)를 이용하여 식⑸와 같은 행렬 형태로 전환한다.
함유량을 측정하였다. 측정방법은 JCI-S/® 방법을 통하여 시편을 처리하고 자유염화물량을 즉정하였다. 한편 아래의 Table 6에서는 깊이에 따른 자유 염화물량을 나타내었으며 이를 Fig.
성능/효과
2) 고로슬래그 미분말 콘크리트을 사용한 콘크리트는 보통포틀랜트 시멘트를 사용한 콘크리트에 비하여 내염해성이 우수한 것으로 평가되었으며, 고로슬래그 미분말 치환율 70%의 경우 보통 포틀랜트 시멘트 콘크리트의 침투된 자유 염화물 농도의 25〜40 % 수준으로 평가되었다
3) 동일한 분말도(8, 000g/而)에서는 보통 포틀랜트 시멘트콘크리트에 비하여 자유 염화물량의 비가, 콘크리트 깊이 0.5cm에서는 43 -93%, 콘크리트 깊이 1.5cm에서는 28~78%로 평가되었는데, 실험결과로부터 고로슬래그 미분말의 분말도보다는 치환율이 염화물 이온의 침투저항성에 지배적인 인자임을 알 수 있었다.
Fig 2에서는 분말도 4000 c魂인 경우 OPC 모르타르에 비하여 초기강도발현이 매우 낮았으며 치환률 30%, 70% 의 경우 28일 강도는 치환률 50%의 경우보다 낮다는 것을 알 수 있었다. 분말도 6, 000 c豌에서는 치환률이 70%
로 가장.높은 경우 28일 강도가 가장 낮았으나 OPC 모르타르와 같은 수준의 강도발현을 하고 있으며, 치환률에 따른 변화가 가장 적은 분말도임을 알 수 있다 분말도 8, 000cn陰인 경우, 치환률이 30%인 경우의 강도 발현은 낮았으나, 치환률 50%, 70%에서 초기강도발현이 OPC와 거의 같은 수준이었으며 치환률에 관계없이 28일 강도는 OPC 이상의 값을 나타내었다. 아래의 Fig.
이상의 실험결과에서 알 수 있듯이 염화물 침투 깊이 및 깊이별 염화물 함유량에 대해서 GGBFS 콘크리트가 OPC 콘크리트에 비하여 우수하게 평가되었다. 특히 S74, S76, S78의 경우 가장 내염해성이 우수한 것으로 평가되었는데 분말도가 클수록, 치환율이 높을수록 내염해성이 우수하게 평가되었다.
콘크리트에 비하여 우수하게 평가되었다. 특히 S74, S76, S78의 경우 가장 내염해성이 우수한 것으로 평가되었는데 분말도가 클수록, 치환율이 높을수록 내염해성이 우수하게 평가되었다. 한편 치환율과 분말도에 대한 영향을 분석하기 위해 치환율 70%인 경우와 분말도 8, 000 g/而인 경우로 분류하여 OPC에 대한 염화물 침투 저항성을 비율(%)로서 나타내면 아래의 Fig.
6, 7에서 알 수 있듯이 동일한 치환율 (70 %)에 대해서는 분말도의 차이에 따른 영향은 거의 없으며 자유 염화 물량의 비가 매우 낮게 나타남을 알 수 있다. 한편 동일한 분말도 (8, 000g/cm')에서는 치환율에 따른 변화의 폭이 상대적으로 크게 나타나며 자유 염화물량의 비가 깊이 0.5 cm에서는 43-93%, 깊이 1.5 cm에서는 28〜78 %로 평가되었다 실험결과로부터 분말도보다는 치환율에 의한 염화물 이온의 침투저항성이 지배적임을 알 수 있다.
한편 제안된 확산계수를 이용하여 1차원 유한요소해석을 수행하였으며 고로슬래그 미분말을 사용한 콘크리트 시편 및 기존구조물에 적용하므로서 제안된 제안식의 타당성을 검증하였다.
해석대상 구조물은 국내의 S교량의 교각부위로서, 시공 10년 뒤 조사결과 철근위치인 10cm 깊이에 이미 철근부식 임계 염화 물량(0.052 %)보다 2배나 많은 0.1020%의 염화 물량이 침투되어 있음을 확인하였다.
참고문헌 (13)
Song, H. W., Byun, K. J., Kim, S. H, and Choi, D. H., 'Early-age Creep and Shrinkage in Self-Compacting Concrete incorporating GGBFS,' Proc. of 2nd International Workshop on Self-Compacting Concrete, Univ. of Tokyo, Oct. 23-25, Tokyo, Japan, pp.413-422, 2001
Song, H. W., Cho, H. J., Park, S. S., Byun, K. J., and Maekawa, K, 'Early-age Cracking Resistance Evaluation of Concrete Structure' Concrete Science and Engineering, Vol. 3, pp.62-72, 2001
박상순, 송하원, 변근주, '균열을 갖는 콘크리트의 염화물 확산 및 투수모델', 대한토목학회 논문집, 제 21권, 제 6-A호, pp.915-924, 2001
송하원, 박상순, 변근주, '초기재령에서 균열을 갖는 콘크리트의 염화물 침투 해석', 대한토목학회 논문집, 제 21권, 제 6-A호, pp.925-936, 2001
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한국 건자재 시험 연구원, '공극률슬래그 미분말을 활용한 시멘트 . 콘크리트 생산기술 개발,' 1999
한국도로공사 도로연구소, '콘크리트구조물의 내구성향상을 위한 시멘트 종류별 특성 연구', pp.129-133, 1999
Xi,Y. and Bazant, Z. P., 'Modeling Chloride Penetration in saturated concrete,' Journal of Materials in Civil Engineering, Vol. 11, No. 1, pp. 58-65, 1999
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