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문제 정의
- 따라 시편의 함수상태가 달라지게 된다. 따라서 채취한 콘크리트 시험편의 함수상태가 측정결과에 미치는 영향에 대해서 고찰할 필요가 있었다. 실험은 콘크리트 실험체의 함수율을 기건상태를 포함하여 5~24%가 되도록 인위적으로 변동시켜 측정결과를 비교하였다.
- 또한 이를 이용해 콘크리트의 표면염화물량을 산정하고, 콘크리트 내부 철근위치의 염화물량 산정과 한계염화물량 도달시간의 예측방안을 제시하고자 하였다.
- 비색판별법의 기본특성 실험을 통하여 나타난 결과를 토대로 비색판별법의 이용방안에 대하여 고찰하였다. 측정표면의 염화물이 시약 분무에 의해 표면이동하는 것을 억제하기 위하여 시약이 미세한 입자로 분무가 가능하도록 하였으며, 실험체로부터 약 30~40cm를 떨어뜨려 분무하였다.
- 이에 본 연구는 염해로 인한 철근콘크리트 구조물의 성능저하 평가기법으로 색상의 변화를 통해 염화물 이온의 침투위치를 판정하는 비색 판별 법의 적용가능성을 검토하여, 매립철근의 부식을 고려한 내구성 예측분야에 실용적 평가수단으로 제시하고자 한다.
가설 설정
- 여기서, 확산계수는 콘크리트의 품질에 관계하는 것으로 구조물 부위의 영향이 비교적 적고 안정한 값을 가지는 반면, 표면염화물량은 외부환경 및 공용년수에 의한 영향이 크기 때문에 부위별로 상당한 오차가 생기게 된다. 확산계수와 표면염화물량의 특성에 따라 확산계수는 일정하다고 가정하고, 표면염화물량을 산정하여 이를 Fick 의 확산식에 적용하면 철근위치의 염화물량 및 한계염화물량에 도달하는 시간을 예측할 수 있다.
제안 방법
- ① 지시약의 종류별 효과를 관찰하기 위하여 플로레센나트륨 용액 및 크롬산칼륨 용액, 지시약을 사용하지 않은 각각의 실험결과를 상호 비교하였다. 지시약을 사용하지 않은 경우에도 염화물 침투깊이의 측정이 가능하였으나 플로레센나트륨 용액을 지시약으로 이용한 경우에 비하여 나타나는 변색위치의 판별이 다소 어려웠으며, 측정 후 시간의 경과에 따라 그 차이가 더욱 뚜렷이 나타났다.
- 그러나 세공의 크기 및 모양이 제각각 다르기 때문에 개개의 확산현상 또한 다른 양상을 나타내게 되므로 실제의 확산현상을 정확히 표현하는 것은 매우 어렵다. 따라서 거시적으로 이를 나타내고자 시멘트 경화체에 NaCl 용액을 사용하여 겉보기 확산계수를 구하고 그 확산정도를 표시한다
- 본 연구에서는 매 실험체에 대한 염화물의 침투를 일정하게 하여 비색판별법을 이용한 변색위치의 염화 물량을 측정하고자 실제 해수조건과 유사한 인공해수를 제조하여 실험체를 6개월 동안 침지시킨 후 실험을 실시하였다.
- 이는 요철이 심한 측정표면의 특성을 고려한 것으로 시약의 부족 및 과다 분무를 방지하여 측정오차를 줄일 수 있을 것으로 사료된다. 분무량이 적을 경우 변색위치의 판별이 어렵고 과다하였을 경우 시약으로 인한 염화물의 표면이동이 심화되어 측정결과에 오차를 일으킬 수 있으므로, 본 실험에서는 분무량을 약 0.0056~0.0069 ml/cm2 정도로 측정표면을 충분히 적실 수 있도록 하였다. 또한, 지시약과 검지약은 염화물과의 반응이 완료된 시점에서 재분무할 경우, 검지약의 과다로 인한 측정결과의 오차가 발생하였다.
- 비색판별법에 이용하는 시약과 염화물의 반응정도를 고찰하고, 콘크리트 내부 염화물량의 정량분석을 통해 비색판별법에 의한 변색위치의 염화물량을 규명하여 콘크리트의 표면염화물량 측정방법으로 비색판별법의 적용가능성을 검토하였다. 또한 이를 이용해 콘크리트의 표면염화물량을 산정하고, 콘크리트 내부 철근위치의 염화물량 산정과 한계염화물량 도달시간의 예측방안을 제시하고자 하였다.
- 시멘트 중량비로 하여 NaCl을 무혼입, 0.5, 1.0, 1.5wt%의 4가지로 구분하여 S사의 레미콘 배합으로 호칭강도 24 MPa의 수준을 샘플링하여 제작하였다.
- 따라서 채취한 콘크리트 시험편의 함수상태가 측정결과에 미치는 영향에 대해서 고찰할 필요가 있었다. 실험은 콘크리트 실험체의 함수율을 기건상태를 포함하여 5~24%가 되도록 인위적으로 변동시켜 측정결과를 비교하였다. 실험결과, 콘크리트 실험체의 함수율 변동에 따른 변색정도의 차이는 극히 미약하였다.
- 정상조건에서 해수중에 침지시켜 구한 염화물 확산계수의 정도(精度)평가와 단기간에 염화물 확산계수를 산정할 수 있는 방안에 대해 모색하고자 Tang & Nilsson의 방법 (Fig. 5 참조)에 의해 염화물 침투 깊이를 구하고 실험 시간에 대응하는 염화물 확산계수7,8)를 산정하여 이론값으로 취급하였다. 또한, 정규확률지로 확산계수를 산출하여 curve-fitting한 실측농도 곡선과 Tang & Nilsson의 방법을 이용하여 계산한 이론농도 곡선을 비교하여 Fig.
- 질산은(AgNOs) 특급시 약을 100~150℃로 유지된 오븐 안에서 약 1시간 건조하고, 데시케이터에서 식힌 후 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, 0.40N 농도의 질산은 용액을 제조하여 사용하였다
- 측정표면의 염화물이 시약 분무에 의해 표면이동하는 것을 억제하기 위하여 시약이 미세한 입자로 분무가 가능하도록 하였으며, 실험체로부터 약 30~40cm를 떨어뜨려 분무하였다. 이는 요철이 심한 측정표면의 특성을 고려한 것으로 시약의 부족 및 과다 분무를 방지하여 측정오차를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
- 콘크리트의 배합조건이 실용적인 범주에 속하고 있음을 확인하고 실험변수인 콘크리트의 치밀도를 검토하기 위한 품질특성으로 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프 및 슬럼프 플로우 시험과 굳은 콘크리트의 단위용적중량 및 압축강도시험을 실시하였으며, 그 결과는 Table 2와 같다.
대상 데이터
- 95% 에탄올 수용액에 1 mg/ml의 플로레센나트륨을 함유한 용액과 증류수에 1 g/ml의 플로레센나트륨을 함유한 용액을 사용하였다.
- S사의 레미콘 배합으로 호칭강도 18, 21, 24, 27MPa의 수준을 샘플링하여 ∅10×20 cm의 원형몰드로 제작하였다.
- 굵은골재는 최대치수 25mm인 쇄석골재로 표면의 미분을 세척, 표면건조 포화상태로 조정하여 사용하였다.
- 본 실험에 사용된 시멘트는 KS L 5201에 규정된 S 사의 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 잔골재는 한강산 강모래로서 5 mm의 체를 전량 통과하도록 입도를 조정하여 사용하였다.
이론/모형
- 골재의 물리적 성질은 KS F 2504(잔골재의 비중 및 흡수량 시험방법), KS F 2505(골재의 단위용적중량 시험방법)에 따라 기초 물성을 시험하였다(Table 1 참조).
- 5 참조)에 의해 염화물 침투 깊이를 구하고 실험 시간에 대응하는 염화물 확산계수7,8)를 산정하여 이론값으로 취급하였다. 또한, 정규확률지로 확산계수를 산출하여 curve-fitting한 실측농도 곡선과 Tang & Nilsson의 방법을 이용하여 계산한 이론농도 곡선을 비교하여 Fig. 7에 나타내었다.
- 인공해수에 6개월 동안침지 시킨 실험체의 표면 1~2mm 부근에서 시료를 채취하여 KS F 2515의 방법으로 염화 물량을 측정하였다. 실험결과는 Table 3과 같으며, 콘크리트의 압축강도가 클수록 표면염화물량이 적은 것을 알 수 있었다.
성능/효과
- 1) 염화물 침투깊이 측정시 변색위치의 판별은 0.1 N 이하의 농도를 사용할 경우 명도가 너무 높고, 0.3 N 이상의 농도에서는 변색위치의 판별이 어려웠다. 따라서, 비색판별법의 이용에 0.
- 2) 변색위치의 염화물량을 측정한 결과 콘크리트의 압축강도 수준에 관계없이 0.27±0.004wt%로 일정하게 나타났으므로 비색판별법을 이용한 변색위치의 염화물량을 0.27 wt %로 하여 Fick의 확산식에 적용, 표면염화물량을 산정할 수 있을 것으로 검토되었다
- 2) 지시약은 플로레센나트륨 용액의 사용이 지시약을 사용하지 않거나 크롬산칼륨 용액을 사용하는 경우보다 변색위치의 판별에 있어 유리하였으며, 플로레센나트륨 용액의 용매로서 증류수를 사용함이 효과적인 것으로 검토되었다.
- 3) 비색판별법을 이용하여 산정한 콘크리트의 표면염화물량은 겉보기 표면염화물량으로써 실측한 표면염화물량값과는 상당한 오차를 발생하게 된다. 따라서, 콘크리트 내부 매립철근 위치의 염화물량과 한계염화물량에도 달하는 시간을 예측하기 위해서는 외기에 따라 변동하는 실측한 표면염화물의 이용보다는 연단위의 평균값인 겉보기 표면염화물량을 이용하는 것이 합리적이라 사료된다
- 3) 지시약의 분무는 측정표면으로부터 약 30-40 cm 떨어진 위치에서 0.0056-0.0069m//cm2< 측정표면에 고르게 분무하고 충분히 건조시킨 뒤 검지약을 분무해야지 시약과 검지약의 선 반응 없이 염화물 침투 깊이를 정확히 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.
- ② 측정표면에서 지시약의 분무에 의한 염화물의 표면이동을 최대한 억제하기 위하여 용매로서 95% 에틸알코올을 사용하는 경우에 대해 고찰하였다 용매로서 95% 에틸알코올을 사용하였을 때 용매의 증발이 빨라 측정표면에서 염화물의 표면이동을 억제할 수는 있으나 변색 경계부분의 판별이 증류수를 용매로 사용하였을 경우와 비교하여 현저히 떨어지는 것으로 나타났다. 즉, 측정표면에서 염화물의 표면이동을 고려하더라도 용매로써 증류수를 사용하는 것이 더욱 효과적이라고 할 수 있다.
- 7의 염화물 농도곡선을 이용하여 변색위치의 염화 물량을 구한 값을 Table 4에 나타내었다. 결과에서처럼 콘크리트의 치밀도에 따라 변색깊이의 증가가 비례적인 관계에 있는 반면, 변색위치의 염화물량은 0.27±0.004wt% 수준에서 일정한 것으로 나타났다. 즉, 변색위치의 염화물량은 콘크리트의 강도나 치밀도에 관계없이 콘크리트 내부로 침투한 염화물량의 분포선상에서 동일한 값으로 볼 수 있다.
- 따라서 본 실험과 같이 6개월 또는 비교적 장기간의 해수침지 과정을 거치지 않고서도 이론적으로 염화물 확산계수를 산출하여 본 연구의 성과를 응용할 수 있을 것으로 사료되며, 모든 실험체에서 압축강도 등의 품질수준에 대응하여 염화물 확산계수가 비례관계가 있음을 전제로 한다면, 실측된 결과로 산출하였던 염화물 확산계수의 유의도가 높음을 확인할 수 있었다.
- 3 N 이상의 농도에서는 변색위치의 판별이 어려웠다. 따라서, 비색판별법의 이용에 0.1 ~0.3N 농도의 검지약을 사용함이 적절한 것으로 분석되었다.
- 3 N 농도범위의 질산은 용액의 사용이 변색위치 판별에 용이한 것으로 관찰되었다. 따라서, 비색판별법의 이용에 있어 이 농도 범위의 질산은 용액을 사용하는 것이 가장 효과적이라고 판단된다.
- 비색판별법에 의해 나타내는 색상의 변화와 질산은의 농도에 따라 나타나는 색상의 변화를 사전 염화물(콘크리트 배합시 혼입된 염화물)의 농도에 따라 관찰한 결과, 사전 염화물량이 많을수록 전체적으로 백색을 나타내며 질산은 농도가 짙을수록 적갈색의 색상변화를 나타내었다. 이것은 염화물과 질산은의 반응생성물인 AgCl의 영향에서 비롯된 것으로 질산은의 첨가량이 적은 경우 질산은 전량이 염화물과 반응하여 염화은으로 침전되고 플로레센나트륨과 적갈색의 후반응 색상을 보일 수 없기 때문이며, 질산은이 과다하게 첨가되었을 때는 염화물과 반응을 하고 남은 질산은이 플로레센나트륨과 반응을 일으키기 때문인 것으로 분석된다.
- 실험은 콘크리트 실험체의 함수율을 기건상태를 포함하여 5~24%가 되도록 인위적으로 변동시켜 측정결과를 비교하였다. 실험결과, 콘크리트 실험체의 함수율 변동에 따른 변색정도의 차이는 극히 미약하였다. 따라서 비색판별법의 적용범위는 함수상태에 따른 콘크리트 부재 및 위치, 환경조건, 기후 등의 영향을 고려하지 않아도 무방할 것으로 사료된다.
- 이상의 연구결과는 현재까지 번잡하고 신뢰성이 떨어지던 구조물의 염해실태조사 분야에 신개념을 제시할 수 있을 것으로 판단되며, 비색판별법을 이용하여 염화물의 침투깊이는 물론 표면염화물량을 산정함에 따라 철근콘크리트 구조물의 건전성을 평가하는 실용적 접근이 가능함을 알 수 있었다.
- 차이는 크지 않은 것으로 관찰되었다. 즉, 변색위치는 질산은 농도에 관계없이 일정하며, 다만 0.1~0.3 N 농도범위의 질산은 용액의 사용이 변색위치 판별에 용이한 것으로 관찰되었다. 따라서, 비색판별법의 이용에 있어 이 농도 범위의 질산은 용액을 사용하는 것이 가장 효과적이라고 판단된다.
- 실험결과를 상호 비교하였다. 지시약을 사용하지 않은 경우에도 염화물 침투깊이의 측정이 가능하였으나 플로레센나트륨 용액을 지시약으로 이용한 경우에 비하여 나타나는 변색위치의 판별이 다소 어려웠으며, 측정 후 시간의 경과에 따라 그 차이가 더욱 뚜렷이 나타났다. 또한 크롬산칼륨 용액을 사용한 경우, 용액 중에서의 반응과는 달리 건조한 콘크리트 표면에서는 색상의 변화가 관찰되지 않았다.
- 질산은 농도에 따라 전체적으로 색상농도의 등차(等差)는 나타났으나, 변색위치의 깊이 차이는 극히 미약하여 질산은 농도에 따라 염화물 침투깊이를 나타내는 변색위치의 차이는 크지 않은 것으로 관찰되었다. 즉, 변색위치는 질산은 농도에 관계없이 일정하며, 다만 0.
- 측정시기 및 부위에 따라 공용조건에서 실측한 표면염화물량은 비색판별법으로 구한 표면염화물량과 다소의 차이를 보일 수 있다. 다만, 철근의 건전도를 평가하거나 잔존수명을 예측하기 위해서는 연단위의 평균값에 근사하는 겉보기 표면염화물량을 산정하여 경계조건으로 취급할 필요가 있다고 판단된다.
후속연구
- 1) 염화물의 실측과 Tang & Nilsson의 방법을 이용하여 구한 각각의 확산계수는 콘크리트의 압축강도에 따라 차이를 나타내었으며, 확산계수의 실측값과 이론값을 비교•검토한 결과 이론적으로 확산계수를 산출하여 본 연구의 성과에 응용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구의 비색판별법을 이용한 표면염화물량의 산정을 통해 철근위치의 염화물량 및 한계염화물량에 이르는 시간 등 내부상태와 그 경시변화의 추정이 가능할 것으로 판단된다.
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