도심지 환경에서 콘크리트 구조물의 열화를 일으키는 주요한 요인 중 하나는 중성화이다. 최근, 대기 중 $CO_2$농도와 온도가 크게 증가하는 지구 온난화 현상으로 인하여 중성화 열화환경도 더욱 심각해지고 있다. 본 연구에서는 IPCC에서 제안한 지구규모 대기환경 변화 시나리오인 IS92a를 토대로 향후 100년까지 대기 중 $CO_2$ 농도와 온도 상승율을 예측하였다. 질량보존의 법칙과 Fick의 1법칙을 기초방정식으로 하여 시간경과에 따른 콘크리트의 수화도, 콘크리트 열화에 미치는 각종 주요변수 등의 재료물성을 반영하였다. 또한, 서울시의 미세기후조건을 반영하기 위하여 추계학적 및 통계학적 기법을 도입하여 중성화로 인한 내구수명예측 기법에 반영하였다. 연구결과에 의하면 물-시멘트비가 큰 콘크리트에서 COS 농도증가로 인한 중성화 진행속도가 뚜렷히 빨라지는 것으로 나타났다. 그러나 물-시멘트비 55% 이하에서 충분히 양생된 보통 포틀랜드 콘크리트의 조건에서 중성화에 대한 우려가 높지 않을 것으로 생각된다.
도심지 환경에서 콘크리트 구조물의 열화를 일으키는 주요한 요인 중 하나는 중성화이다. 최근, 대기 중 $CO_2$농도와 온도가 크게 증가하는 지구 온난화 현상으로 인하여 중성화 열화환경도 더욱 심각해지고 있다. 본 연구에서는 IPCC에서 제안한 지구규모 대기환경 변화 시나리오인 IS92a를 토대로 향후 100년까지 대기 중 $CO_2$ 농도와 온도 상승율을 예측하였다. 질량보존의 법칙과 Fick의 1법칙을 기초방정식으로 하여 시간경과에 따른 콘크리트의 수화도, 콘크리트 열화에 미치는 각종 주요변수 등의 재료물성을 반영하였다. 또한, 서울시의 미세기후조건을 반영하기 위하여 추계학적 및 통계학적 기법을 도입하여 중성화로 인한 내구수명예측 기법에 반영하였다. 연구결과에 의하면 물-시멘트비가 큰 콘크리트에서 COS 농도증가로 인한 중성화 진행속도가 뚜렷히 빨라지는 것으로 나타났다. 그러나 물-시멘트비 55% 이하에서 충분히 양생된 보통 포틀랜드 콘크리트의 조건에서 중성화에 대한 우려가 높지 않을 것으로 생각된다.
The most common deterioration cause of concrete structures in urban environment is carbonation. Recently, the $CO_2$ concentration and temperature at atmosphere is sharply increased with time due to global warming phenomena. In this study, the climate scenario IS92a, which was suggested b...
The most common deterioration cause of concrete structures in urban environment is carbonation. Recently, the $CO_2$ concentration and temperature at atmosphere is sharply increased with time due to global warming phenomena. In this study, the climate scenario IS92a, which was suggested by the IPCC, is used to consider temperature and atmospheric $CO_2$ concentration change in the model of service life prediction. The modified mathematical solution, which was based on the Fick's 1st law of diffusion, was used to reflect concrete materials properties such as the degree of hydration of concrete with elapsed time, and important parameters, which associated with deterioration rate. The techniques of service life prediction are developed introducing the method of reliability and stochastic concept to consider microclimatic condition in Seoul, South Korea. From the result of service life prediction, concrete containing high W/C ratio is shown fast carbonation rate due to $CO_2$ concentration increase. It is concluded that the deterioration of concrete structures due to carbonation is insignificant problem on the conditions that below W/C 55%, well curing concrete.
The most common deterioration cause of concrete structures in urban environment is carbonation. Recently, the $CO_2$ concentration and temperature at atmosphere is sharply increased with time due to global warming phenomena. In this study, the climate scenario IS92a, which was suggested by the IPCC, is used to consider temperature and atmospheric $CO_2$ concentration change in the model of service life prediction. The modified mathematical solution, which was based on the Fick's 1st law of diffusion, was used to reflect concrete materials properties such as the degree of hydration of concrete with elapsed time, and important parameters, which associated with deterioration rate. The techniques of service life prediction are developed introducing the method of reliability and stochastic concept to consider microclimatic condition in Seoul, South Korea. From the result of service life prediction, concrete containing high W/C ratio is shown fast carbonation rate due to $CO_2$ concentration increase. It is concluded that the deterioration of concrete structures due to carbonation is insignificant problem on the conditions that below W/C 55%, well curing concrete.
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가설 설정
일반적으로 후자가 전자보다 약 정도인 것으로 알려졌다.9) 그러나 본 연구에서 고려되는 CO2 확산은 중성화된 영역에서의 확산성이 반영되므로 흡착된 CO2량도 중성화된 콘크리트에서 일정하다고 가정할 수 있다. 그래서 흡착된 CO2량에 대응한 CO2농도별 확산계수가 일정하다는 조건에서 CO2 고정화율을 얻었고 식 (14)와 같은 결정계수 0.
본 연구는 2100년대까지 지구규모 대기환경변화를 고려하고 물질전달법칙에 근거한 지배방정식에 실내 실험 결과에서 얻은 재료적 특성을 배합특성별로 다양하고 단순화된 매개변수로 가정하여 결합하였다. 또한 현장조사 결과를 추계학적 및 통계학적 기법을 응용하여 내구수명예측에 반영하였다.
제안 방법
5로서 물-시멘트비에 따른 중성화 깊이는 분명한 추이를 보였으며 #법칙을 만족하고 있다. CO2확산계수는 일반적인 실험 혹은 해석적 방법론으로 접근하여 얻을 수 없으므로 이 실험결과를 기초로 촉진시간 및 환경적 촉진조건과 중성화 깊이로 판단한 확산 진행결과를 역산하여 CO2 확산계수를 산출하였다.
그래서 본 연구는 1단계에서 물질전달 법칙에 근거한 Fick의 제 1 확산법칙을 적용하였으며, 2단계는 CO2 고정화를 고려하였다.
대기환경변화 및 실내, 외 실험결과에 따른 콘크리트의 배합별 물리적 특성을 매개변수로 설정하고 국내의 기후조건을 고려하여 콘크리트 중성화 예측에 반영하였다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
매개변수로 가정하여 결합하였다. 또한 현장조사 결과를 추계학적 및 통계학적 기법을 응용하여 내구수명예측에 반영하였다. 본 연구의 흐름은 Fig.
본 연구결과의 비중성화 깊이와 일본 콘크리트 표준시방서에서 제안된 비중성화 깊이의 규정치를 반영하여 목표 내구수명에 대응한 최소 피복두께를 Fig. 16과 같이 제안하였다. 물-시멘트비 55% 이하, 충분한 양생을 취한다는 조건에서 중성화 열화환경만 고려할 경우 피복두께는 최대 33mm까지 확보된다면 2100년까지 중분한 내구성을 얻을 수 있는 것으로 귀결된다.
본 연구는 Fick의 1법칙을 콘크리트에 적용시 매체를 통한 물질의 확산계수가 시간에 일정하다는 조건을 수정하여 시간 의존적인 CO2 확산계수(#)로 반영되었다. 즉, 시간경과에 따른 콘크리트의 수화로 인한 미세구조의 향상, 표면에서부터 깊이별로 상이한 수화조건 등에 의한 콘크리트 경화체의 물리적 경시 변화특성을 CO2 확산계수의 감소율을 통하여 고려하였다.
따라서 CO의 고정화를 반영하는 식 (6)은 자연폭로 상태와 실험실 내 높은 CO2 촉진상태를 구분하여 적용하여야 한다. 본 연구는 자유롭게 유동할 수 있는 CO2농도(#)와 중성화의 화학적 반응에 의하여 소비된 CO2농도(a)와의 관계를 식 (13)과 같이 단순 고정화 모델인 선형 흡착 등온식으로 표현하였다.
본 연구에서는 IPCC3)에서 제안한 기상조건 가상 시나리오 IS92a를 기초로 2100년까지 지구규모 대기 상태의 평균적 변화율을 고려하여 이를 콘크리트의 중성화 예측에 반영하였다(Fig. 2). 그런데 일반적인 CO2의 농도 단위는 체적비율로서 이를 물질 이동 법칙에 적용하기 위해서는 이상기체 상태법칙과 보일-샤를의 법칙을 기초로 식(1)을 이용하여 중량단위로 환산해야 한다.
본 연구에서는 실험종료후, 중량감소량을 측정하고 Fig. 15와 같이 철근의 부식전류밀도를 시간에 대한 변화율로 나타내어 부식시작시기에 대응한 비중성화 깊이를 산출하였다. 먼저, 중량감소량을 측정하여 부식결손율을 식 (19)에 의하여 얻을 수 있다.
중성화 깊이를 측정하였다. 이때 상부구조는 우수에 노출된 슬래브 난간부위와 우수에 노출되지 않은 교대 및 교각에서 각각 중성화 깊이를 측정하였다.
중성화 깊이는 콘크리트 시험체의 파단면에 1% 페놀프탈레인-알콜 용액을 1분 간격씩 2회 살포하고 버니어캘리퍼스를 이용하여 0.1mm 감도까지 정밀 측정되었다.
즉, 시간경과에 따른 콘크리트의 수화로 인한 미세구조의 향상, 표면에서부터 깊이별로 상이한 수화조건 등에 의한 콘크리트 경화체의 물리적 경시 변화특성을 CO2 확산계수의 감소율을 통하여 고려하였다. 시간에 따른 CO2 확산계수의 감소추세는 식 (15)와 같이 나타낼 수 있다.
지속적으로 측정되었다. 철근의 중량감소량은 시험체 제작 전의 중량을 측정하고 실험 종료 후 매입된 철근을 꺼내어 ASTM G1에 따라 중량감소량을 구하였다.
대상 데이터
사용된 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트로서 Table 1과 같이 물-시멘트비를 3단계로 배합 변수화 하였다. 완성된 콘크리트 시험체는 10 × 10 × 20cm 크기로서 직경 0.
서울시에 위치한 콘크리트 구조물을 무작위로 선별한 후 이 중 비파괴 압축강도가 21 ~ 24 MPa 를 갖는 178개소에서 중성화 깊이를 측정하였다. 이때 상부구조는 우수에 노출된 슬래브 난간부위와 우수에 노출되지 않은 교대 및 교각에서 각각 중성화 깊이를 측정하였다.
데이터처리
그래서 현장조사결과인 Fig. 9를 토대로 서울시의 미세기후조건 상태에서 시간계수를 얻기 위하여 노출조건에 따른 중성화 깊이의 표준편차(σ)와 평균값(#)을 이용한 식 (18)의 Gaussian 함수 확률분포가 이용되었다.
이론/모형
철근의 부식전류밀도는 분극저항법에 기초로 한 Gecor6(미국 NDT James사)로 중성화 진행 동안 일정시간을 유지하며 지속적으로 측정되었다. 철근의 중량감소량은 시험체 제작 전의 중량을 측정하고 실험 종료 후 매입된 철근을 꺼내어 ASTM G1에 따라 중량감소량을 구하였다.
클링커의 광물학적인 조성에 따른 포틀랜드 시멘트 경화체의 시간 의존적인 발현특성에 의한 알칼리 생성물량을 추정하기 위하여 수화도 이론을 적용하였다. 수화도는 포틀랜드 시멘트의 각 광물학적 성분 및 시멘트에서 차지하는 중량을 고려하면 식 (7)과 같다.
성능/효과
2) 물-시멘트비에 따른 C02 확산계수는 CEB 1990 Model Code의 기준범위를 만족하였으며 재령이 경과함에 따라 콘크리트의 수화로 인한 미세구조 향상 및 중성화로 인한 공극 치밀효과로 감소하는 경향을 보였다.
3) 콘크리트의 중성화는 우수노줄에 따른 미세기후조건에 대한 영향효과가 시간 경과함에 따라 더욱 뚜렷하였다. 따라서 우수 노출된 경우 장기 중성화 깊이를 예측하는데 미세기후조건이 반드시 고려되어야 한다.
4) 지구 온난화 현상에 의하여 대기 중의 C02 농도가 상승할수록 물-시멘트비가 높은 콘크리트에서 중성화에 대하여 취약하였다. 따라서 콘크리트구조물의 초기 신설단계에서부터 지구 온난화 현상을 고려한 중성화 제어대책이 필요할 것으로 생각된다.
5) 철근의 중량감소량 및 부식전류밀도를 측정하여 철근의 부식시작시기를 산출한 결과, 비중성화 깊이가 최대 5mm 잔존할 때 부식은 시작되었는데 이는 일본 콘크리트 학회에서 제시한 것보다 다소 낮은 수치이다.
6) 본 연구결과를 종합하여 경년별 피복두께의 요구치를 제안하였으며 충분히 양생된 물-시멘트비 55% 이하의 보통콘크리트 조건에서 C02 농도상승에 따른 중성화의 빠른 열화진행을 충분히 제어할 수 있을 것으로 판단된다.
6은 비건조한 남쪽지역의 조건을 의미한다. 기존연구와 비교 검토한 결과에서 물-시멘트비 45%의 조건에서 예측된 평균적인 중성화 깊이는 기존의 결과보다 다소 높았으나 물-시멘트비 50%와 55% 조건에서는 매우 근사하였다. 또한, Fig.
6×10-4cm2/s의 범위에 포함되었다. 따라서 본 연구에서 산출된 CO2 확산계수는 적절한 것으로 생각되며 CO2 확산계수로 판단한 콘크리트의 품질은 물-시멘트비 55% 이하에서 충분한 양생을 취한다면 양호할 것으로 판단된다.
또한 높은 물-시멘트비를 갖는 콘크리트가 CO2 량 증가에 따른 중성화에 대한 취약성이 더하였다. 따라서 지구 온난화 현상에 의한 중성화 열화 환경의 심화를 고려한다면 향후 콘크리트 구조물의 배합시 중성화의 충분한 제어를 위하여 최대 물-시멘트비는 55% 이하의 수준에서 결정하는 것이 적절할 것으로 생각된다.
여기서, 가는 실선은 우수에 노출된 조건과 비노출된 조건에서 각각 평균적인 50% 신뢰성을 갖는 조건에 대응한 예측결과이며 점선은 노출조건에 따른 95% 신뢰 상한선과 95% 신뢰 하한선 간의 대응조건으로 우수노출로 인한 중성화 깊이의 최대 감소율을 반영할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에 의하면 우수노출된 콘크리트의 중성화 깊이는 비노출된 상태의 중성화 깊이와 비교하여 시간경과에 따른 격차가 더욱 커지고 있음을 알 수 있으며 따라서 미세 기후조건은 콘크리트의 장기 중성화 진행성에 큰 영향을 미치는 것으로 귀결된다
본 연구에서 제안된 방법에 의하여 Ceukelaire19) 등의 실험 결과를 토대로 얻은 영향계수 m은 약 1.03으로 계산된 반면, Papadakir는 상대습도에 따른 확산계수의 영향계수 m이 2.2로 제안되어 다소간의 차이를 보였다. 이외에 배합조건 및 습도 이외에도 콘크리트의 양생에 미치는 시공조건 및 온도 등의 환경조건이 CO2 확산계수의 주요 영향인자로 작용된다.
나타내었다. 본 연구에서도 중성화 깊이가 도래되기 전에 부식이 시작되는 것으로 나타났는데 즉, 비중성화 깊이가 최대 5mm 잔존할 때 부식은 시작되며 이는 일본 콘크리트 표준시방서보다는 다소 작은 것을 알 수 있다.
예상했던 바와 같이 물-시멘트비에 따른 콘크리트의 중성화 추이는 뚜렷하였다. 실험변수로 가장 높은 물-시멘트비 55%의 조건에서 충분히 양생된 콘크리트라면 100년 경과하였을 때 최대 중성화 깊이 27mm, 평균 중성화 깊이 27mm 수준인 것을 나타났다. 그러나 국내의 현장조사결과2)에서는 매우 빠른 중성화 속도를 보였는데, 이는 충분한 양생조건을 취하지 못하였거나 재료 및 구조상 생긴 균열, 지나치게 높은 물-시멘트비 등이 원인으로 사료된다.
이를 회귀식으로 나타낸 것이 (2)로서 향후 100년 후인 2100년대에는 지금보다 약 1.9배 수준까지 CO2 농도가 크게 상승하는 것으로 나타났다.
후속연구
물-시멘트비 55% 이하, 충분한 양생을 취한다는 조건에서 중성화 열화환경만 고려할 경우 피복두께는 최대 33mm까지 확보된다면 2100년까지 중분한 내구성을 얻을 수 있는 것으로 귀결된다.30) 다만, 콘크리트 표면의 균열과 양생조건 및 혼합콘크리트를 사용한 콘크리트의 중성화 진행예측에 대해서는 향후의 연구로 한다.
따라서 향후 콘크리트 구조물의 중성화 열화환경은 총체적으로 심화될 것으로 예상되며 특히 대도시의 콘크리트 구조물은 그 피해가 더욱 심각할 것으로 우려된다. 더욱이, 최근 서울 시내에 위치한 콘크리트 구조물의 상당수가 중성화가 주요 열화요인인 것으로 나타나 이에 대한 수명예측기법 및 수명연장을 위한 적절한 조치가 필요할 것으로 사료된다.2)
14와 같이 옥내 외에서 15년 동안 장기폭로실험을 한 Nagataki25)등의 연구결과와 비교한 결과에서도 비교적 근사한 결과가 형성되었다. 따라서 본 연구에서 제안된 중성화 예측 기법은 대기환경 및 시간의존적인 재료특성을 반영하여 콘크리트 구조물의 중성화 진행성을 예측하는데 유효한 것으로 생각되며 향후 다양한 콘크리트의 품질상태 및 혼합 콘크리트에도 적용할 수 있도록 연구를 확대하고 다각적인 검토가 필요하다.
영향을 미칠 수 있다. 따라서 향후 콘크리트 구조물의 중성화 열화환경은 총체적으로 심화될 것으로 예상되며 특히 대도시의 콘크리트 구조물은 그 피해가 더욱 심각할 것으로 우려된다. 더욱이, 최근 서울 시내에 위치한 콘크리트 구조물의 상당수가 중성화가 주요 열화요인인 것으로 나타나 이에 대한 수명예측기법 및 수명연장을 위한 적절한 조치가 필요할 것으로 사료된다.
Mike M., John M, William I. Jason L., Tim J.,Mark N., and David V., 'Climate Change Scenariosfor Global Impacts Studies,' Global EnvironmentalChange, Vol.9, 1999, pp.S3-S19
Kattenberg, A., Giorgi, F. Grassl, H, Meehl, G.A,Mtchell, J.F.B., Stouffer, R.J., Tokioka, T., WeaverA.J., Wigley, T.M.L, Climate Models, 1996, ClimateModels Projections of Future Climate. In: Houghton,J.T., Meiro Filho, L.G., Callendar, B.A, Harris, N.,Kattenberg, A., Maskell, K.(eds.), Climate Change1995: the Science of Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, U.K, 1995, pp.285-358
Byfors J., 'Plain Concrete at Early Ages,' SwedishCement and Concrete Research Institute, 1980
D.P. Bentz and E.J. Garboczi, 'Modeling Leaching of Calcium Hydroxide from Cement Paste: Effects on Pore Space Percolation and Diffusivity' Materialsand Structures, Vol.25, 1992, pp.523-533
S.W. Cha, 'Modeling of Hydration Process andAnalysis of Thermal and Hygral Stresses inHardening Concrete,' Ph.D Thesis, Seoul NationalUniversity, Seoul, Korea, 1999
Crank J., 'The Mathematics of Diffusion' SecondEdition, Qxford Press, Qxford, 1975
L. Ying-yu and W. Qui-dong, 'the Mechanism and Carbonation of Mortar and the dependence of Carbonation on Pore Structure,' Concrete Durability: Katharine and Bryant Mather International Conference, ACI SP 100-98, American Concrete Institute, 1988, pp.1915-1943
Ngala V.T. and Page, C.L, 'Effect of Carbonationon Pore Structures and Diffusion Properdes of Hydrated Cement Pastes,' Cement and ConcreteResearch, Vol.30, 1997, pp.1255-1261
Miguel Angel Sanjun, Csar del Olmo, 'Carbonation Resistance of One Industrial Mortar Used as a Concrete Coating,' Building and Environment, Vol.36, 2001, pp.949-953
Mller A and Sickert G., 'Determinadon of the Carbonation Resistance of Concrete on the Basis of its Capillarity and Microstructure,' Concrete Precasting PIant and Technology, No.11, 1995,pp.70-88
Vagelis G. Papadakis, Costas G. Vayenas, and Michael N. Fardis, 'Physical and Chemical Characteristics Affecting the Durability of Concrete,' ACI MateriaIs Journal, Vo1.8, No.8,March-April, 1991, pp.186-196
CEB Bulletin d'lnformation No 238, 'New Approachto DurabiIity Design,' 1997
Yves F. Houst, Folker H. Wittmann, 'Depth Profilesof Carbonates Formed During Natural Carbonation,'Cement and Concrete Research, No.2151, 2002, pp.1-8
De Ceukelaire L., and Van Nieuwenburg D.,'Accelerated Carbonadon of Blast0furnace CementConcrete,' Cement and Concrete Research, Vol.23,1993, pp.442-452
Hussain S.E., Paul L.S., and Ruthaiyea H.M.,'Evaluations and Repair Strategies for Shallow Foundations,' Proceedings of 6th Middle East Corrosion Conference, Bahrain Society Of Engineers, Monama, 1994, pp.618-628
RILEM REPORT 12, 'Performance Criteria forConcrete Durability,' J. Kropp and H.K Hilsdorf(eds.), E & FN Spon, 1995, pp.98-102
Kishitani K., ' $\"U$ ber die Best $\"a$ ndigkeit vonStahlbeton unter dem Einflu \beta von CO_2 ,'Zement-Kalk-Gips, Nr.4, 1964, pp.158-159
S. Nagataki, H. Ohga, and E.K. Kim, 'Effect of Curing Conditions on the Cdrbonation of Concretewith Fly Ash and the Corrosion of Reinforcementin Long-Term Tests,' ACI SP 91-34, 1996, pp.521-540
Saeki, N., Takeda N., Fujita, 'Influence Carbonation of Sea Water on Corrosion of Steel in Concrete,'Transport Japanese Concrete Institute, Vol.6, 1984,pp.155-162
Shigeyoshi Nagataki, Hiroyuki Ohga, and EunKyum Kim, 'Effect of Curing Conditions on theCarbonation of Concrete with Fly Ash and theCorrosion of Reiiforcement in Long-Term Tests,'ACI SP91-24, 1988, pp.521-540
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