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문제 정의
- 따라서 본 연구는 복합열화 현상을 모델화하기 위하여 실험에 의한 콘크리트의 열화속도에 관련된 물리적 특성을 매개 변수화하고 이를 확산법칙과 결합하는 반결정론적 방법에 의하여 합리적이고 실용적인 예측기법을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- CO2 확산계수는 일반적인 실험 혹은 해석적 방법론으로 접근하여 얻을 수 없으므로 본 실험결과를 기초로 촉진 시간 및 환경적 촉진조건과 중성화 깊이로 판단한 확산 진행 결과를 역산하여 CO2 확산계수를 산출하였다.
- Table 1과 같이 물-시멘트비가 0.45, 0.50, 0.55인 3단계로 배합 변수화 하였으며 목표슬럼프는 15cm, 공기량은 4.5±1.5% 이다 완성된 콘크리트 시험체는 10×10×20cm 크기로서 28일 표준 양생한 후, 콘크리트 시험체의 단일 면을 제외한 전 단면을 수지성 재료로 실링하였다.
- 본 그림에서 알 수 있듯이 기존의 염소이온 확산계수와 본 연구의 결과와는 다소 차이를 보이고 있는데 이는 복합열화 조건이외에도 건습 반복 조건 및 콘크리트 표면에 존재하는 미세균열, 실 구조물과 실내 실험조건과의 양생차이 등에 기인된 것으로 생각된다. 다음은 국내에서 조사된 서해안에 위치한 2개 구조물에 대한 현장조사 결과와 본 해석결과를 비교하였다. 노출환경은 중성화와 염소이온의 반복이 일대일의 시간 비율 조건을 갖는 동일한 상황으로서 세부적인 구조물의 특성은 Table 7과 같다.
- 그런데 콘크리트의 염소이온 확산계수는 깊이에 따라 유동적이며 특히 복합열화의 경우, 중성화 깊이의 경계 영역에서 염소이온 확산계수는 시간경과에 따른 불확실성을 갖는다. 따라서 중성화 깊이 이전 영역의 염소이온 확산계수를 중성화된 콘크리트의 확산계수로, 그리고 일본 토목학회에서 제시된 복합열화지침을 참고로 염소이온 농축에 대하여 안전한 영역인 중성화 깊이로부터 25mm 심도에서의 얻은 염소이온 확산계수를 비중성화된 콘크리트의 확산계수로 각각 간주하였다.
- 먼저, 중성화의 촉진조건은 3%, 5%, 10%의 CO2 농도, 상대습도 65%, 온도 20℃의 조건에서 진행되었으며 중성화 깊이는 콘크리트 시험체의 파단면에 1% 페놀프탈레인-알콜 용액을 1분 간격씩 2회 살포하고 버니어 캘리퍼스를 이용하여 0.1mm 감도까지 정밀 측정되었다.
- 감소 등이 주요원인이다. 본 연구는 Fick의 제 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, 표면으로부터 깊이별로 상이한 수화조건 등에 의한 콘크리트 경화체의 물리적 경시 변화특성을 CO2 확산계수의 감소율을 통하여 고려하였다.
- 의존되므로 정확하게 평가하기 어렵다. 본 연구는 Herikser32), Hcbbs33), Lin34), Papadakis35), Luciano36), 日本土木學會37) 등에 의하여 제안된 물-시멘트비에 따른 염소이온 확산계수와 본 연구에서 얻은 염소이온 확산계수를 비교하여 Fig. 10에 나타내었다. 본 연구에서 구한 염소이온 확산계수는 염소이온의 농축현상에서 안전한 중성화 깊이로부터 20mm 이상의 내부 깊이인 비중성화된 콘크리트 영역에서 구한 것이다.
- 본 연구는 자유롭게 유동할 수 있는 CO2 농도(#)와 중성화의 화학적 반응에 의하여 소비된 CO2 농도(a)와의 관계를 단순 고정화 모델인 선형 흡착 등온식으로 표현하였다. 흡착된 CO2량에 대응한 CO2 농도별 확산계수가 일정하다는 조건에서 CO2 고정화율을 얻었고 식 (16)과 같은 결정계수 0.
- 시간경과에 따른 표면 염소이온량의 변화량, 중성화된 콘크리트 및 비중성화된 콘크리트의 염소이온 확산계수의 경시 변화율, 중성화로 인한 염소이온의 농축정도 등을 변수로 하여 2중 복합 매체의 확산방정식으로 염소이온 프로파일 및 내구성 확보를 위한 피복두께를 결정하였다.
- 농축속도의 예측결과이다. 여기서 최종 염소이온량은 일본 청수항 방파제에서 장기 폭로실험을 행하여 얻은 竹田宣典20)의 연구인 간만대에서 조건인 0.7%(콘크리트 중량 대비)를 적용하였다.
- 염소이온 침투실험은 0.5M NaCl2 수용액을 17~20℃의 온도를 유지하면서 비정상적인 침투환경을 조성하였다. 이때 중성화와 염소수용액과의 촉진 사이클은 중성화와 염소이온의 영향조건을 일대일 수준으로 하여 1주일 간격으로 CO2 농도 5%의 중성화 촉진과 염소이온 수용액 침지를 반복하였다.
- 5M NaCl2 수용액을 17~20℃의 온도를 유지하면서 비정상적인 침투환경을 조성하였다. 이때 중성화와 염소수용액과의 촉진 사이클은 중성화와 염소이온의 영향조건을 일대일 수준으로 하여 1주일 간격으로 CO2 농도 5%의 중성화 촉진과 염소이온 수용액 침지를 반복하였다.
- 본 연구는 Fick의 제 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, 표면으로부터 깊이별로 상이한 수화조건 등에 의한 콘크리트 경화체의 물리적 경시 변화특성을 CO2 확산계수의 감소율을 통하여 고려하였다. 시간에 따른 CO2 확산계수의 감소추세는 식 (17)과 같이 나타내었으며 시간에 따른 CO2 확산계수의 경시 변화율 및 미세기후 조건에 따른 시간계수를 Table 2에 정리하였다.
- 콘크리트 중의 중성화와 염소이온의 복합작용을 묘사하기 위하여 중성화와 염소이온 수용액의 침지를 반복하였다. 먼저, 중성화의 촉진조건은 3%, 5%, 10%의 CO2 농도, 상대습도 65%, 온도 20℃의 조건에서 진행되었으며 중성화 깊이는 콘크리트 시험체의 파단면에 1% 페놀프탈레인-알콜 용액을 1분 간격씩 2회 살포하고 버니어 캘리퍼스를 이용하여 0.
- 콘크리트의 중성화는 2단계를 거쳐 진행되는 연속적인 화학 현상으로 1단계에서 중성화된 콘크리트를 통하여 중성화 경계면 (carbonation front)까지 CCfe가 확산되며 2단계에서 CO2 가스와 콘크리트의 Ca(OH)2 간의 화학작용이 발생한다 그래서 본 연구는 1단계에서 Fick의 제 1 확산 법칙을 적용하였으며, 2단계는 OO2 고정화를 고려하였다.
대상 데이터
- 1종 보통포틀랜드 시멘트와 비중 2.59, F.M 2.78인 천연 강사, 굵은골재 최대치수 25mm, 비중 2.64, F.M 7.58의 물성을 갖는 쇄석이 사용되었다.
- 10에 나타내었다. 본 연구에서 구한 염소이온 확산계수는 염소이온의 농축현상에서 안전한 중성화 깊이로부터 20mm 이상의 내부 깊이인 비중성화된 콘크리트 영역에서 구한 것이다. 본 그림에서 알 수 있듯이 기존의 염소이온 확산계수와 본 연구의 결과와는 다소 차이를 보이고 있는데 이는 복합열화 조건이외에도 건습 반복 조건 및 콘크리트 표면에 존재하는 미세균열, 실 구조물과 실내 실험조건과의 양생차이 등에 기인된 것으로 생각된다.
이론/모형
- 5는 전 염소이온량과 자유 염소이온량의 프로파일을 보인 것이다 중성화된 콘크리트 영역에서 자유 염소이온량이 전 염소이온량을 지배하고 있으나 비 중성화된 콘크리트 영역에서는 양자가 차이를 보여 고정화능력을 갖고 있음을 알 수 있다. 본 연구에서는 중성화된 콘크리트에서는 염소이온의 고정화가 이루어지지 않으며 중성화 깊이로부터 25mm의 내부심도 깊이까지 수용성 염소이온량(Cf)과 고정 염소이온량(Cb)과의 관계에 기초로 다음의 Langmuir 흡착등온식을 적용하였다.
- 5mm 감도를 갖는 그라인더형 드릴을 이용하여 분말을 채취하고 확산 침지실험을 행한 후의 일정 간격마다 깊이에 따른 분말을 채취하여 이미 시료에 내재된 염소이온량을 감(減)하므로서 순수하게 확산된 염소이온량을 얻어서 콘크리트 중량대비로 나타내었다. 이때 염소이온 측정방법은 ASTM C1152-97 및 JCI-SC4에 의하여 전염소이온량 및 자유 염소이온량을 추출하였으며 Fick의 제 2법칙에 의하여 염소이온 확산계수를 산출하였다.
- 이때 클링커의 광물학적인 조성에 따른 포틀랜드 시멘트 경화체의 시간 의존적인 발현특성에 의한 알칼리 생성물량을 추정하기 위하여 수화도 이론을 적용하였다 Byfors12) 제안한 수화도 모델은 다음 식과 같다.
성능/효과
- 1) 염소이온 확산계수의 경시변화율을 관찰한 결과, 중성화된 콘크리트가 비중성화된 콘크리트보다 뚜렷한 감소추세를 보였다. 그러나 이는 염소이온 농죽현상에 따른 겉보기 확산계수의 상승인 것으로 생각된다.
- 2) 염소이온 농축현상은 중성화 깊이에서 3~5mm 깊이에서 뚜렷하였으며 이는 표면 염소이온량보다 더욱 높은 농도를 보였다. 따라서 표면으로 역 확산이 발생하며 미중성화 영역에서는 농축된 염소이온의 영향을 받을 것으로 생각된다
- 3) 중성화와 염소이온의 시간비율이 일대일로 반복되는 환경에서 습윤시 콘크리트 공극의 차단으로 CO2 확산의 감소가 초래되어. 콘크리트의 중성화가 매우 늦게 진행되는 것으로 예측되었으며 염소이온의 농축도 표면 부위에서 발생하는 것으로 예측되었다.
- 4) 복합작용에 의한 염소이온의 프로파일을 예측한 결과물-시멘트비가 높은 콘크리트에서 염소이온의 확산이 빠르게 진행되었다. 또한, 피복두께 100mm 이하의 조건에서 목표내구수명 100년을 만족시키기 위해서는 물-시멘트비를 45% 이하로 결정하는 것이 적절할 것으로 생각된다.
- 습윤시 콘크리트의 공극의 폐쇄되어 CO2 확산의 감소가 초래되고 결국 중성화의 진행이 낮은 속도로 발생되기 때문에 염소이온의 농축도 표면에 근접한 것으로 예측되었다. 또한, 비중성화된 콘크리트에서의 염소이온 프로파일은 물-시멘트비에 따라 뚜렷한 차이를 보이고 있는데 즉, 물-시멘트비가 높은 콘크리트에서 깊이에 따른 염소이온 확산이 빠르게 진행되었다.
- 15 %(시멘트 중량비)로 간주하였을 때 경년에 따른 요구 피복두께를 결정한 결과로서 재령 10년까지 시멘트의 수화가 낮은 이유로 CO2 및 염소이온의 확산이 빠르게 진행되어 요구피복두께가 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 중성화와 염소이온의 시간주기 비율이 일대일로 지속적인 반복조건을 갖는 노출 환경에서 피복두께 10cm 이하 조건에서 목표 내구수명 100년을 갖기 위해서는 물-시멘트비 0.45 이하에서만 가능한 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 구한 염소이온 확산계수는 염소이온의 농축현상에서 안전한 중성화 깊이로부터 20mm 이상의 내부 깊이인 비중성화된 콘크리트 영역에서 구한 것이다. 본 그림에서 알 수 있듯이 기존의 염소이온 확산계수와 본 연구의 결과와는 다소 차이를 보이고 있는데 이는 복합열화 조건이외에도 건습 반복 조건 및 콘크리트 표면에 존재하는 미세균열, 실 구조물과 실내 실험조건과의 양생차이 등에 기인된 것으로 생각된다. 다음은 국내에서 조사된 서해안에 위치한 2개 구조물에 대한 현장조사 결과와 본 해석결과를 비교하였다.
- 이상의 2중 복합 매체를 갖는 확산이론에 의한 염소이온의 침투해석은 실구조물과 근사한 결과를 보여 실용적으로 유효할 것으로 생각된다. 본 연구를 기초로 향후 중성화와 염소이온의 복합작용은 콘크리트의 물리화학적 특성에 기인한 정량적인 연구가 필요하며 특히, 염소이온과 중성화의 교호작용에 의한 흡착 및 탈착반응은 시멘트 수화모델 프리델염의 생성, 소멸 및 재흡착 등을 화학반응 측면에서 정량화하여 수명예측기법에 반영되어야 할 것이다.
- 이상의 염소이온 확산계수의 경시변화 특성에 대한 시간 계수를 산출한 결과가 Table 6으로서 물-시멘트비에 따라 뚜렷한 추이를 보였다 염소이온 확산계수의 경시 변화율은 중성화된 콘크리트가 비중성화된 콘크리트보다 시간 계수가 높게 나타났는데 이는 중성화로 인한 콘크리트의 공극 충전 효과로 염소이온의 확산성이 감소된 것이 원인으로 사료된다. 반면, 중성화된 콘크리트가 비중성화된 콘크리트보다 염소이온 확산계수가 큰 이유는 염소이온 농축 현상에 따른 겉보기 확산계수가 상승한 것에 기인된 것으로 생각된다.
후속연구
- Fig. 11에서 재령 27년인 상서교의 염소이온 프로파일이 본 예측결과와 매우 근사한 것을 알 수 있으나 Fig. 12 의 주포교의 경우에는 콘크리트 표면으로부터 내부 60 mm 깊이까지는 다소 차이를 보여 좀더 세부적인 영향 인자들에 연구가 필요한 것으로 생각된다.
- 유효할 것으로 생각된다. 본 연구를 기초로 향후 중성화와 염소이온의 복합작용은 콘크리트의 물리화학적 특성에 기인한 정량적인 연구가 필요하며 특히, 염소이온과 중성화의 교호작용에 의한 흡착 및 탈착반응은 시멘트 수화모델 프리델염의 생성, 소멸 및 재흡착 등을 화학반응 측면에서 정량화하여 수명예측기법에 반영되어야 할 것이다.
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