최근 콘크리트 내구성설계에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 사용수명 예측이 핵심인 내구성 평가모델 개발이 그 좋은 예이다. 본 연구에서는 콘크리트 구조물의 잔존수명예측 모델을 개발하여 적정시기의 유지보수를 통한 경제적 구조물 사용을 목적으로 하였다. 육지 콘크리트 구조물인 저수지의 콘크리트 구조물 부분을 대상으로 전국 70개 지구를 선정하고, TG/DTA 법과 페놀프탈레인 지시약법으로 중성화를, pH메타법으로 pH 값을 측정하여 탄산칼슘함량 대비 사용연수, pH값, 콘크리트 피복 두께의 관계함수를 각각 유도한 후 가능한 최소의 자료측정으로 잔존수명을 예측할 수 있는 모델을 개발하였다. 개발된 잔존수명예측 모델은 탄산가스등의 고정변수에 의한 실내촉진실험 자료기반 모델과 달리 동결융해작용, 중성화, 철근 부식 등 복합적인 열화작용이 동시에 일어나는 현장의 환경적 영향을 받은 구조물에서 측정한 자료를 기반으로 개발되었다. 이러한 점에서 그 신뢰성을 높게 평가 받을 수 있을 것이며, 시설물 유지관리자에게 적정 보수보강 시점을 제공하여 경제적인 구조물 사용에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
최근 콘크리트 내구성설계에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 사용수명 예측이 핵심인 내구성 평가모델 개발이 그 좋은 예이다. 본 연구에서는 콘크리트 구조물의 잔존수명예측 모델을 개발하여 적정시기의 유지보수를 통한 경제적 구조물 사용을 목적으로 하였다. 육지 콘크리트 구조물인 저수지의 콘크리트 구조물 부분을 대상으로 전국 70개 지구를 선정하고, TG/DTA 법과 페놀프탈레인 지시약법으로 중성화를, pH메타법으로 pH 값을 측정하여 탄산칼슘함량 대비 사용연수, pH값, 콘크리트 피복 두께의 관계함수를 각각 유도한 후 가능한 최소의 자료측정으로 잔존수명을 예측할 수 있는 모델을 개발하였다. 개발된 잔존수명예측 모델은 탄산가스등의 고정변수에 의한 실내촉진실험 자료기반 모델과 달리 동결융해작용, 중성화, 철근 부식 등 복합적인 열화작용이 동시에 일어나는 현장의 환경적 영향을 받은 구조물에서 측정한 자료를 기반으로 개발되었다. 이러한 점에서 그 신뢰성을 높게 평가 받을 수 있을 것이며, 시설물 유지관리자에게 적정 보수보강 시점을 제공하여 경제적인 구조물 사용에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
Recently, the researches on the durability design of concrete structures have been studied. As the examples, models to evaluate the service life prediction of the structure have been developed. The purpose of this article is to develop the model for predicting remaining service life. The final aim i...
Recently, the researches on the durability design of concrete structures have been studied. As the examples, models to evaluate the service life prediction of the structure have been developed. The purpose of this article is to develop the model for predicting remaining service life. The final aim is to provide the user time for repairing the concrete structures. In addition, it makes possible to maintain the concrete structure economically. 70 reservoirs out of the inland concrete structures were selected and concrete structures of their components were surveyed. Two methods were used for measuring carbonation; TG/DTA method and Phenolphtalein indicator and, the value of pH was measured by the pH meter, After deriving correlations of calcium carbonate and used year, duration from completion year to 2002, pH value, and concrete cover depth the model was developed for predicting remaining service life by measuring data as small as possible. The conventional models had been developed on the basis of experiment data obtained from the restricted lab environment like as carbon gas exposure. On the other hand this model was developed on the basis of measuring data obtained from the real field that the complex deterioration actions are occurred such as freezing and thawing, carbonation, steel corrosion, and so on. The reliability of the developed model will be evaluated high in this point and this model can help to maintain concrete structures economically by providing the manager time to repair the deteriorated concrete structures in site of facility management.
Recently, the researches on the durability design of concrete structures have been studied. As the examples, models to evaluate the service life prediction of the structure have been developed. The purpose of this article is to develop the model for predicting remaining service life. The final aim is to provide the user time for repairing the concrete structures. In addition, it makes possible to maintain the concrete structure economically. 70 reservoirs out of the inland concrete structures were selected and concrete structures of their components were surveyed. Two methods were used for measuring carbonation; TG/DTA method and Phenolphtalein indicator and, the value of pH was measured by the pH meter, After deriving correlations of calcium carbonate and used year, duration from completion year to 2002, pH value, and concrete cover depth the model was developed for predicting remaining service life by measuring data as small as possible. The conventional models had been developed on the basis of experiment data obtained from the restricted lab environment like as carbon gas exposure. On the other hand this model was developed on the basis of measuring data obtained from the real field that the complex deterioration actions are occurred such as freezing and thawing, carbonation, steel corrosion, and so on. The reliability of the developed model will be evaluated high in this point and this model can help to maintain concrete structures economically by providing the manager time to repair the deteriorated concrete structures in site of facility management.
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문제 정의
본 연구는 농림기술관리센터(ARPC)의 연구비 지원으로 수행되었으며, 이에 감사한다.
본 연구에서는 철근콘크리트 구조물의 유지보수를 위한 진단개념에서 구조물의 수명을 철근부식의 시작 시점으로 정의하며, 구조물의 철근부식 시작시점까지 남아있는 기간을 잔존수명으로 정의한다. 철근의 부식시작시점을 예측하기 위한 정밀조사와 조사자료를 분석하여 철근부식 시작시점까지 남아있는 잔존수명을 예측하는 모델을 소개하고자 한다.
가설 설정
k : pH value of concrete.
해풍이나 염화칼슘 등에 노출될 확률은 극히 작다. 따라서염화물이온이 콘크리트 내부로 침투할 가능성은 거의 없다고 가정하였다. 즉, 대상구조물에서 부동태피막을 파괴시킬 인자는 이산화탄소와 산소의 확산에 의한 것으로 판단하여 중성화를 수명예측의 근거로 사용한 것이다.
제안 방법
또한 중성화 정도를 측정한 깊이와 동일한 위치에서 pH미터를 이용하여 pH값을 측정하였다. 실내실험자료를 분석하여 세 가지 관계식을 유도하고, Paubaix噸의 연구결과와 Weyers"'의 연구결과를 인용하여 콘크리트 구조물의 잔존수명예측 모델을 개발하였다.
콘크리트속에 묻혀있는 철근은 피복두께의 크기에 따라 부식환경에 노출되기까지의 기간이 달라진다. 열악한 환경에 콘크리트 표면부터 노출되기 때문에 잔존수명예측 대상구조물의 실측 피복두께를 측정하여 모델에 적용하여야 하나, 본 연구에서는 코어채취 시 구조물 손상의 최소화를 요구하는 구조물관리자의 요청으로 실측하지 못해 「콘크리트 구조설계기준」꺼)의 철근 피복두께 편과 Weyers"의 연구 결과를 이용하여 유효철근피복두께를 4.2 cm으로 결정하였다. 철근주변의 콘크리트의 pH값이 임계값에 이를 때 철근은 부식환경에 노출되었다고 볼 수 있다.
TG/DTA법에 의해 탄산칼슘을 분석하기 위해 깊이 5mm까지의 시료에서 채취한 미세분말시료를 사용하여 콘크리트의 pH를 측정하였다. 미세분말시료에 증류수를 희석시켜 pH를 측정하였다.
이러한 콘크리트의 pH를 측정하는 방법은 콘크리트가 경화하기 전에는 콘크리트의 블리딩 수를 측정할 수 있으나, 경화 후에는 고압추출법을 통해 콘크리트내의 세공용액을 추출하여 pH를 측정할 수 있다. 경화콘크리트에서 세공용액을 추출하는 방법은 고난도의 기술과 고가의 장비가 필요하다 따라서 본 연구에서는 경화콘크리트를 얇게 절단하여 미세분말로 만든 후 증류수를 사용하여 측정하였다.
이용하였다. 또한 중성화 정도를 측정한 깊이와 동일한 위치에서 pH미터를 이용하여 pH값을 측정하였다. 실내실험자료를 분석하여 세 가지 관계식을 유도하고, Paubaix噸의 연구결과와 Weyers"'의 연구결과를 인용하여 콘크리트 구조물의 잔존수명예측 모델을 개발하였다.
pH를 측정하였다. 미세분말시료에 증류수를 희석시켜 pH를 측정하였다. 탄산칼슘의 함량변화에 따른 pH 변화경향을 분석하기 위해 Fig.
중성화가 진행된 부분은 콘크리트의 색이 변하지 않았으며 아직 알칼리성인 부분은 적색으로 변화하였다. 버니어캘리퍼스를 이용하여 중성화된 부분의 깊이를 최대깊이, 최소깊이, 평균깊이로 나누어 측정하였다. 본 연구에서는 저수지 지구당 여수토 방수로의 옹벽에서 콘크리트 코어를 6개씩 채취하였으며, 중성화이외에, 압축강도, 탄성계수 및 초음파 등을 측정하였다.
본 연구에서 정밀분석대상으로 한 사용연한 10~40년 된 총 70개 저수지의 여수토방수로 옹벽으로부터 콘크리트 코어를 채취하고, 이로부터 TG/DTA법으로 탄산칼슘을 중량대비 백분율로 분석하여 사용연한에 따른 탄산칼슘의 함량변화 경향을 분석코자 Fig. 6과 같이 도시하였다. 탄산칼슘의 함량분석에 사용된 콘크리트 코어는 대기와 접한 표면에서 5mm깊이까지를 절단하여 사용하였다.
버니어캘리퍼스를 이용하여 중성화된 부분의 깊이를 최대깊이, 최소깊이, 평균깊이로 나누어 측정하였다. 본 연구에서는 저수지 지구당 여수토 방수로의 옹벽에서 콘크리트 코어를 6개씩 채취하였으며, 중성화이외에, 압축강도, 탄성계수 및 초음파 등을 측정하였다. 코어채취는 습도 등의 환경적인 영향을 고려하여 여수토 방수로옹벽의 만수위선을 기준선으로 하여 기준선 부근에서 채취하였다.
본 연구에서는 조사대상지구의 현장정밀조사로서 비파괴강도측정, 코어강도측정, 배면토양화학분석, 수질 분석, 구조물의 설치환경조사 등을 실시하고, 실내실험으로서 콘크리트 깊이별 중성화 정도 측정을 위해 시차열 중량분석법을 통해 탄산칼슘(CaCQ)과 수산화칼슘(Ca(OH)2)의 함량을 정량적으로 측정하였으며, 중성화 깊이 측정을 위해 페놀프탈레인을 이용하였다. 또한 중성화 정도를 측정한 깊이와 동일한 위치에서 pH미터를 이용하여 pH값을 측정하였다.
콘크리트의 탄산화 깊이를 측정하는 방법은 시차열중량분석법(TC/DTA)27), 지시약에 의한 측정법, X선회절분석법, 현미경분석법, 화학적 분석법, 적외선흡수스펙트럼 분석법 등이 있다. 본 연구에서는 첫 번째와 두 번째 방법을 사용하여 중성화를 측정하였다.
본 연구에서는 콘크리트의 중성화를 측정하는 방법으로 pH 8.3~9.5의 범위를 지시하는 페놀프탈레인 지시약 측정법과 7G/DTA법을 사용하였으며, 지시약 측정법을 통하여 얻은 중성화 깊이와 TG/DTA법을 사용하여 측정한 탄산칼슘의 중량대비 함량비율의 관계를 분석하여 Fig. 9 에 도시하였다. 중성화깊이가 깊은 경우는 탄산칼슘의 함량이 많은 것으로 나타났으며, 얕은 경우는 탄산칼슘의 함량이 비교적 적게 분포함을 알 수 있었다.
사용연한 동안 대기중의 탄산가스에 의해 증가되는 콘크리트 내부의 탄산칼슘이 사용연한의 증가에 따라 변화되는 경향을 분석하고, 탄산화가 콘크리트 내부 철근의 부식에 미치는 영향을 분석하여 사용 중에 있는 콘크리트 구조물의 현재상태를 정밀분석한 후 남아있는 수명을 추정하는 잔존수명 예측 모델을 개발하였다. 40 mm 강가갈을 사용하여 현장에서 타설 .
조사대상지구에서 준공년도가 동일한 지구는 그 평균값을 대표 값으로 하였다. 사용연한에 따른 탄산칼슘의 함량변화는 회귀식 (7)과 같이 유도되었다 탄산칼슘의 함량은 콘크리트의 품질 즉, 공극률, 조직의 치밀한 정도 등과 중성화 촉진환경 즉, 사용환경에 따라 달라질 수 있으나 이러한 조건들을 가능한 동일하도록 하기 위해 대상구조물의 선정 시 설계서를 검토하여 가능한 동일한 설계 기준강도가 되도록 선정하였으며, 콘크리트 코어채취 위치선정 시접근이 가능한 한 물넘이의 양단 옹벽을 선정하였다. 옹벽의 코어채취 지점 선정 시 물넘이의 높이와 동일 선상의 높이를 선정하여 저수지 만수 시 수위와 동일하게 하였다.
다음과 같다. 시차열중량분석을 위해 Fig. 4와 같이 코어를 대기와 접한 부분부터 0.5cm의 두께로 절단하여, 3 단계의 깊이로 4개의 코어에서 절단하였다 깊이별로 4개의 슬라이스를 잘게 부수어 150㎛체(No.100)로 미세분말을 선별하여 시차열중량분석을 실시하였다. Fig.
옹벽에서 채취한 콘크리트 코어의 압축강도 시험 결과와 페놀프탈레인 지시약을 뿌려 측정한 콘크리트 중성화 깊이를 Fig. 10과 같이 도시하여 서로의 상관관계를 분석하였다. 콘크리트 코어의 압축강도가 작은 경우 중성화 깊이는 깊은 것으로 나타났으며, 강도가 큰 경우 중성화 깊이가 작은 것으로 나타났다.
5 cm두께로 3겹 절단하고, 4개의 코어에서 절단한 동일 깊이의 박편 4개를 잘게 부수어 굵은골재를 선별한 후 모르타르 부분을 조크라셔에넣고 조심스럽게 부수어 잔골재와 페이스트가 격리되도록 하였다. 잘게 부수워진 모르타르분말을 150 ㈣ (No. 100)체로 쳐서 미세분말을 선별하였다 한 개의 지구당 각 깊이별로 세 점의 분말시료를 만들었으며, 미세분말 1그램(g) 과 증류수 10cc를 잘 섞어 교정액으로 교정한 pH 메타를통해 깊이별 pH를 측정하였다.
40 mm 강가갈을 사용하여 현장에서 타설 . 제작된 저수지의 여수토 방수로 옹벽을 대상으로 WDTA법을 통해 탄산칼슘을 정량적으로 분석하여 콘크리트 구조물의 잔존수명을 예측하는 모델 Fig. 13을 개발하였다. 본 모델의 적용가능 대상구조물에 대한 기본 가정은 앞에서도 언급하였지만 염화물이온의 영향을 받지 않는 내륙의 콘크리트 구조물이라는 점과 구조물의 사용환경이 동결융해 작용과 같은 열화 작용이 중성화작용과 복합적으로 동시에 받는 구조물이라는 점이다.
지금부터 약 10~40년 전 강자갈 40 mm의 골재를 사용하여 설계기준강도 17.7MPa정도의 현장타설 콘크리트로 만들어진 저수지 70개의 여수토 방수로 옹벽 부의 콘크리트를 대상으로 현장 및 실내실험을 통하여 얻은 자료들 중 콘크리트 중성화관련 자료를 분석하여 콘크리트의 잔존수명을 예측하였다. 콘크리트의 중성화 분석은 시차 열 중량분석(TC3DTA), 페놀프탈레인 지시약 분석 및 pH값 측정을 통하여 콘크리트 깊이별로 정량적인 탄산칼슘, 수산화칼슘 및 pH값 측정으로 실시하였다.
콘크리트 구조물의 사용연한의 증가에 따른 탄산칼슘의 함량변화와 탄산칼슘의 함량변화에 따른 pH의 변화를 분석하였으며, 본 절에서는 콘크리트의 깊이가 증가함에 따라 변화되는 탄산칼슘의 함량을 분석하였다. 콘크리트의 깊이는 표면으로부터 두께 0.
콘크리트의 깊이에 따른 pH값을 측정하기 위해 콘크리트 코어 4개를 표면에서부터 0.5 cm두께로 3겹 절단하고, 4개의 코어에서 절단한 동일 깊이의 박편 4개를 잘게 부수어 굵은골재를 선별한 후 모르타르 부분을 조크라셔에넣고 조심스럽게 부수어 잔골재와 페이스트가 격리되도록 하였다. 잘게 부수워진 모르타르분말을 150 ㈣ (No.
7MPa정도의 현장타설 콘크리트로 만들어진 저수지 70개의 여수토 방수로 옹벽 부의 콘크리트를 대상으로 현장 및 실내실험을 통하여 얻은 자료들 중 콘크리트 중성화관련 자료를 분석하여 콘크리트의 잔존수명을 예측하였다. 콘크리트의 중성화 분석은 시차 열 중량분석(TC3DTA), 페놀프탈레인 지시약 분석 및 pH값 측정을 통하여 콘크리트 깊이별로 정량적인 탄산칼슘, 수산화칼슘 및 pH값 측정으로 실시하였다. 콘크리트의 잔존수명을 예측하는 본 연구에서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
의 잔존수명을 예측하여 보았다. 표면에서부터의 깊이 0.25, 0.75, 1.25cm에서 측정한 탄산칼슘, 37.73, 35.34, 34.23(%, wt.)로부터 회귀함수, G=34.71;广顽를유도하고, 유효깊이, xe=4.2cm 에서 외삽법으로 瞞 =31.84(%, wt.)를 계산하였다. 철근이 위치한 유효깊이, ■釦에서 탄산칼슈 Gx를 갖기까지 소요되는 기간, K =38.
대상 데이터
또한 그늘에 놓여있는 구간이 많아 습한 표면이 장시간 유지되는 경우도 발생된다. 지역적 배분, 준공년도별 배분, 조사를 위한 접근의 용이성 등을 고려하여 준공년도가 1962년부터 1993년 사이에 분포하는 총 70개 지구를 조사대상으로 선정하였다.
본 연구에서는 저수지 지구당 여수토 방수로의 옹벽에서 콘크리트 코어를 6개씩 채취하였으며, 중성화이외에, 압축강도, 탄성계수 및 초음파 등을 측정하였다. 코어채취는 습도 등의 환경적인 영향을 고려하여 여수토 방수로옹벽의 만수위선을 기준선으로 하여 기준선 부근에서 채취하였다.
현장 구조물에서 사용연한에 따른 중성화변화를 측정하기 위해 오래된 구조물에서 최근에 만들어진 구조물까지 고루 분포되어 있으며, 비교적 콘크리트 재료의 변화가 적은 저수지의 여수토방수로 옹벽구조물을 대상구조물로 하였다. 여 .
데이터처리
콘크리트 잔존수명예측에 사용될 회귀함수의 신뢰성 검증을 위해 목적 함수인 평균제곱근오차(root mean square error, RMSE), 상대평균절대오차(relative mean absolute error, RMAE), 그리고 결정계수(coefficient of determination)등의 통계적 변량을 사용하였다. Table 2는 사용 연한의 변화에 대한 탄산칼슘의 함량을 나타내는 회귀함수 식 (7), 탄산칼슘의 함량변화에 따른 pH값을 나타내는 회귀함수 식 (8), 철근피복두께 콘크리트의 깊이변화에 따른 탄산칼슘의 함량을 나타내는 회귀함수 식 ⑼에 대한 신뢰성 검정 결과를 타나내었다.
이론/모형
25를 G에 대입하여 계산한 평균 D를 Table 4에 제시하였다. z 에 따른 에라함수 e肮z)는 Gaussian곡선의 적분을 통해 산정된 표를 이용하였다. Tuutti는 공극구조와 간극의 포화 정도에 따라 다르지만 산소와 이산화탄소의 확산계수는 0.
본 연구에서는 할렬인장시험법을 이용하여 중성화를 측정하였다. 중성화가 진행된 부분은 콘크리트의 색이 변하지 않았으며 아직 알칼리성인 부분은 적색으로 변화하였다.
성능/효과
1) 탄산칼슘의 함량은 사용연한 초기에는 증가율이 크고, 25년을 경과하면 증가율이 둔화되는 대수비례 관계를 갖는 것으로 나타났으며, 탄산칼슘의 함량과 사용 연한의 관계함수를 유도할 수 있었다.
2) 콘크리트의 pH는 탄산칼슘의 함량이 많을수록 중성에 가까워졌으며, 콘크리트가 탄산화됨에 따라 콘크리트의 pH는 중성으로 변화됨을 정량적으로 나타낼 수 있었다.
3) 콘크리트의 깊이가 깊어질수록 탄산칼슘의 함량은 대수 비례적으로 감소하는 것으로 나타났으며, 탄산가스의 확산과 물의 침투가 Fick의 확산 제2법칙을 따르고 있기 때문인 판단되었다.
4) 콘크리트의 중성화 깊이 측정에 가장 많이 사용되는지 시약 측정법이 지시약에 따라 지시되는 pH의 범위가 다르기 때문에 열적변화를 통한 성분함량분석에 주로 쓰이는 시차열중량분석(TC/DTA)법에 의해 탄산칼슘의 함량을 정량적으로 측정하여 중성화 정도를 측정할 수 있었다.
5) 잔존수명( 匕과 조사대상 구조물의 평균적인 부식 시작 년과 사용연한의 차( yth- 匕点)를 비교함으로서 해당 구조물의 열화속도가 동종구조물의 평균적인 열화 진행속도보다 빠르게 진행되는지 혹은 완만하게 진행되는지를 추정할 수 있었다.
9 에 도시하였다. 중성화깊이가 깊은 경우는 탄산칼슘의 함량이 많은 것으로 나타났으며, 얕은 경우는 탄산칼슘의 함량이 비교적 적게 분포함을 알 수 있었다. 즉, 콘크리트의 중성화 깊이는 사용연한의 제곱근에 비례하는 것으로 알려져 있으며, 사용연한이 경과함에 따라 중성화 깊이가 깊어지는 경우 콘크리트 표면의 탄산칼슘의 함량은 증가하는 것으로 판단할 수 있었다
옹벽의 코어채취 지점 선정 시 물넘이의 높이와 동일 선상의 높이를 선정하여 저수지 만수 시 수위와 동일하게 하였다. 중성화와 동결융해 작용이 잘 일어나는 위치가 수면과 접하는 부위로 조사되었으므로 중성화와 동결융해작용을 사용 연한에 가장 비례하게 받았을 가능성이 높은 위치로서 이곳을 선정하였다 동일한 설계기준강도와 준공연도를 갖는 콘크리트 구조물일지라도 서로 다른 콘크리트 코어의 압축강도와 탄산칼슘의 함량을 갖는 것으로 나타났으며, 。] 들 둘은 서로 Fig. 7과 같이 반지수비례 관계를 갖는 것으로 나타났다.
후속연구
6) 제안하는 잔존수명예측 모델은 현장의 환경적 영향을 그대로 반영한 실 구조물을 대상으로 분석하여 모델링한 것으로서 탄산가스 등에 의한 실내촉진실험을 바탕으로 제안한 모델에 비하여 그 신뢰성을 높게 평가받을 수 있을 것이며, 시설물 유지관리 시 적정 보수보강의 시점을 예측하게 하여 경제적인 구조물 사용 실현이 가능할 것으로 판단된다.
콘크리트 구조물은 뚜렷한 목적에 의해 설계, 시공, 사용되며, 계획 시 목표로 한 내구연한 동안 그 기능을 유지할 것으로 기대한다. 그러나 여러 해 동안 사용되면서 구조물은 점차 노후화 되어 설계당시의 목적에 맞는 기능을 유지하기 어려울 정도로 악화되는 일련의 과정을 거치게 된다.
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