본 논문은 고로슬래그미분말을 혼화한 콘크리트의 염화물 침투 및 철관 발청 성능을 평가한 것이다. 실험에는 1종 보통포틀랜드시멘트와 5종 내황산염시멘트 사용하였으며, 고로슬래그는 이들 시멘트 대신에 각각 $25\%$, $40\%$ 및 $55\%$를 치환하였다. 촉진 염화물 침투 시험결과에 대한 평가는 ASTM C 1202에 규정에 따랐으며, 철근 발청은 건습반복에 의한 촉진 시험에 의해 수행되었다. 시험체는 콘크리트로 제작하였으며, 각각 수중양생 28일, 56일 및 91일간 실시하였다. 모든 콘크리트 시험체는 3일간 염수 침지한 후 4일간 건조로에서 건조시키는 것을 1 cycle로 정하여 30 cycle에서 시험을 종료하는 것으로 하였다. 염수 침지 조건은 수온 $40^{\circ}C$, NaCl$3^{\circ}C$로 하였으며, 시험체의 건조는 건조로를 사용하여 $60^{\circ}C$에서 건조시키는 것으로 하였다. 시험결과, 고로슬래그미분말을 혼화한 1종 시멘트를 사용한 콘크리트 시험체의 염소이온 확산계수는 무치환의 경우에 비해 상당히 감소하였으며, 5종 시멘트를 사용한 경우에 있어서는 1종 시멘트를 사용한 시험체에 비해 염소이온의 확산계수는 증가하는 것으로 나타났다. 촉진시험에 의한 철근 발청은 고로슬래그미분말의 사용에 의해 상당한 저항성을 갖고 있으며, 5종 시멘트를 사용한 경우에는 철근 발청이 증가하는 현상을 나타내었다.
본 논문은 고로슬래그미분말을 혼화한 콘크리트의 염화물 침투 및 철관 발청 성능을 평가한 것이다. 실험에는 1종 보통포틀랜드시멘트와 5종 내황산염시멘트 사용하였으며, 고로슬래그는 이들 시멘트 대신에 각각 $25\%$, $40\%$ 및 $55\%$를 치환하였다. 촉진 염화물 침투 시험결과에 대한 평가는 ASTM C 1202에 규정에 따랐으며, 철근 발청은 건습반복에 의한 촉진 시험에 의해 수행되었다. 시험체는 콘크리트로 제작하였으며, 각각 수중양생 28일, 56일 및 91일간 실시하였다. 모든 콘크리트 시험체는 3일간 염수 침지한 후 4일간 건조로에서 건조시키는 것을 1 cycle로 정하여 30 cycle에서 시험을 종료하는 것으로 하였다. 염수 침지 조건은 수온 $40^{\circ}C$, NaCl $3^{\circ}C$로 하였으며, 시험체의 건조는 건조로를 사용하여 $60^{\circ}C$에서 건조시키는 것으로 하였다. 시험결과, 고로슬래그미분말을 혼화한 1종 시멘트를 사용한 콘크리트 시험체의 염소이온 확산계수는 무치환의 경우에 비해 상당히 감소하였으며, 5종 시멘트를 사용한 경우에 있어서는 1종 시멘트를 사용한 시험체에 비해 염소이온의 확산계수는 증가하는 것으로 나타났다. 촉진시험에 의한 철근 발청은 고로슬래그미분말의 사용에 의해 상당한 저항성을 갖고 있으며, 5종 시멘트를 사용한 경우에는 철근 발청이 증가하는 현상을 나타내었다.
This paper represents the permeability of chloride ions and the corrosion performance in the concrete blended with granulate blast furnace slag exposed to chloride environment. An ordinary cement (type I ) and sulfate resisting cement(type V) were used for the experiment. The two cements were combin...
This paper represents the permeability of chloride ions and the corrosion performance in the concrete blended with granulate blast furnace slag exposed to chloride environment. An ordinary cement (type I ) and sulfate resisting cement(type V) were used for the experiment. The two cements were combined with $0\%$, $25 \%$, $40\%$, and $55\%$ of the granulated blast furnace slag. The accelerated permeability tests of chloride ions were performed in accordance with ASTM C1202, and the accelerated corrosion tests of steel were carried out by using the method of immersion/drying cycles. After water curing 28 days, 56 days and 91 days, these tests were conducted until 30 cycles. In every cycle, test specimens were wetted in $3\%$ NaCl solution for three days and dried again in $60^{\circ}C$ air for four days. As an experimental results, the diffusion coefficient of chloride ions of the ordinary cement Concrete Combined granulated blast furnace slag was much lower than that of non granulated blast furnace slag concrete. Moreover, the diffusion coefficient of chloride ions of sulfate resisting cement concrete was higher than that of ordinary cement concrete. On the basis of the results of accelerated corrosion tests, corrosion resistance of the concrete mixed with granulated blast furnace slag shows good to corrosion resistance, however, the concrete with sulfate resisting cement shows bad to corrosion resistance.
This paper represents the permeability of chloride ions and the corrosion performance in the concrete blended with granulate blast furnace slag exposed to chloride environment. An ordinary cement (type I ) and sulfate resisting cement(type V) were used for the experiment. The two cements were combined with $0\%$, $25 \%$, $40\%$, and $55\%$ of the granulated blast furnace slag. The accelerated permeability tests of chloride ions were performed in accordance with ASTM C1202, and the accelerated corrosion tests of steel were carried out by using the method of immersion/drying cycles. After water curing 28 days, 56 days and 91 days, these tests were conducted until 30 cycles. In every cycle, test specimens were wetted in $3\%$ NaCl solution for three days and dried again in $60^{\circ}C$ air for four days. As an experimental results, the diffusion coefficient of chloride ions of the ordinary cement Concrete Combined granulated blast furnace slag was much lower than that of non granulated blast furnace slag concrete. Moreover, the diffusion coefficient of chloride ions of sulfate resisting cement concrete was higher than that of ordinary cement concrete. On the basis of the results of accelerated corrosion tests, corrosion resistance of the concrete mixed with granulated blast furnace slag shows good to corrosion resistance, however, the concrete with sulfate resisting cement shows bad to corrosion resistance.
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문제 정의
본 연구는 해양환경에 직접 노출되어 있는 콘크리트 구조물의 내염 저항성을 증진시키기 위한 방안으로 염화물이온의 차단효과가 큰 것으로 알려진 고로슬래그미분말의 치환율에 따른 염분 투과성과 철근부식 저항성을 평가하는 것을 목표로 하였다 이를 위해 염화물이온 투과실험 및 철근부식 촉진 실험을 실시하였으며, 이들 실험으로부터 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 1종 보통포틀랜드시멘트와 5종 내황산염 시멘트에 고로슬래그미분말을 치환하여 치환율에 따른 염화물이온 투과성과 철근부식 저항성에 관한 영향을 실험을 통해 평가하고자 한다 이를 통해 각 시멘트 종류별 염화물의 침투현상을 파악하고 고로슬래그미분말이 콘크리트의 내구성에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
제안 방법
침투 정도를 측정하기 위한 것이다. 본 연구에서는 부식촉진실험이 완료된 콘크리트 시험체(Fig. 2 참조)의 중앙부에서 직경 5cm, 길이 7.5cm인 코어를 채취한 후, 1.5cm간격으로 5개의 시편을 잘라내어 ASTM C 1218-99 규정4)에 의해 가용성 염을 추출하여 분석한다.
농도는 거의 직선적으로 변화하게 된다. 본 연구에서는 염화물이온의 농도가 직선적으로 변화하기 시작하는 직선 부분 즉, 통용 가능한 초기 직선부분의 기울기를 식 (1) 즉, 전기적 이동항을 고려한 Dmigration의 확산계수식에 적용하여 염화물이온의 확산계수를 산정하는 것으로 하였다.
매우 용이하다. 부식면적율을 측정하기 위해서 철근 부식촉진실험 30 cycle이 끝난 콘크리트 시험체로부터 추출한 철근을 격자형 투명비닐로 씌워 부식면적을 그리고, 부식 격자수와 전체 격자수의 비로부터 식 (2)에 나타낸 부식 면적률을 계산한다.
5mal의 NaCl 용액을 넣고 확산 cell 2에는 포화 Ca(OH)2 용액을 채웠으며, 60 V의 인가 전압을 가하여 염화물이온 촉진 투과시험을 수행하였다. 수집된 데이터는 적산에 의해 전하량(coulomb)을 산정하고, Table 4에 나타낸 바와 같이 ASW C 1202-97 규정에 의하여 염화물이온 투과성을 평가하는 것으로 하였다.
시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트 및 5종 내황산염시멘트 2종류에 대하여 동일한 양을 사용하였으며, 염해 저항성 효과의 분석을 위해 시멘트 대신에 각각 25%, 40% 및 55 %의 고로슬래그미분말을 치환하여 사용하였다.
염화물이온의 확산계수는 ASTM C1202-97에서 규정하고 있는 Fig. 1의 확산 cell로부터 시간변화에 따른 염화물이온의 투과량을 측정하여 구하는 것으로 하였다 즉, 염화물이온의 농도변화는 Fig. 1의 확산 cell에 30V의 직류전압을 인가하여 (-)극으로부터 (+)극으로 이동한 염화 물량을 선택성 이온전극으로 측정하여 구하였다5,6).
1은 ASTM C1202-97의 규정에 의한 염화물이온투과성 시험용 확산의 개요를 나타낸 것이다1,3). 확산 cell 1에는 0.5mal의 NaCl 용액을 넣고 확산 cell 2에는 포화 Ca(OH)2 용액을 채웠으며, 60 V의 인가 전압을 가하여 염화물이온 촉진 투과시험을 수행하였다. 수집된 데이터는 적산에 의해 전하량(coulomb)을 산정하고, Table 4에 나타낸 바와 같이 ASW C 1202-97 규정에 의하여 염화물이온 투과성을 평가하는 것으로 하였다.
대상 데이터
단면은 15cm × 15cm, 길이는 50cm이다. 부식 시험용 철근으로서는 D13(SD4O)의 이형철근을 사용하였으며, 피복두께는 1cm, 2cm 및 3cm 3가지로 달리하였다.
나타난 바와 같다. 잔골재는 완전히 제염한 바다모래와 부순모래를 7:3으로 혼합하여 사용하였으며, 비중은 2.6이고 표준입도를 유지하였다. 굵은골재는 비중 2.
63의 부순돌이며, 최대치수는 10mm 이다. 혼화제는 슬럼프를 조절하기 위해 폴리카르본산계를 주성분으로 하는 코리아 마스터 빌더스사의 RHEOBUILD SD-8N 유동화제를 사용하였다. Table 2는 실험에 사용된 고로슬래그미분말의 물리·화학적 시험결과를 나타낸 것으로서 분말도는 4000 g/cm2이다.
이론/모형
철근부식 시험은 철근부식 상태를 조기에 판단하기 위해 일반적으로 널리 사용되고 있는 촉진시험 방법을 적용하였다. Fig.
성능/효과
1) 염화물이온의 총 통과 전하랑은 5종 시멘트를 사용한 경우에 비하여 1종 시멘트를 사용한 경우 감소하였으며, 고로슬래그를 다량 첨가할 경우 총 통과 전하량은 현저하게 감소하였다.
2) ASTM C 1202 규정에 의한 염화물이온 투과성은 「moderate」 정도를 나타내고 있으며, 특히 1종 시멘트에 고로슬래그를 다량 첨가할 경우「low」 수준의 투과성 억제 효과가 있는 것으로 나타났다.
3) 염화물이온의 확산계수는 고로슬래그미분말을 다량으로 치환할 경우 시멘트의 종류에 관계없이 무치환의 경우에 비해 2배 이상 감소하였으며, 5종 시멘트를 사용한 경우 확산계수는 커지는 경향을 나타내었다.
4) 특히, 고로슬래그를 사용한 경우 수중양생기간을 길게 하면 잠재수경성 효과에 의해 콘크리트 조직이 치밀해짐으로서 염화물이온의 확산계수는 상당히 감소하는 것으로 나타났다.
5) 철근의 자연전위는 고로슬래그미분말의 치환율이 높아질수록 전반적으로 커지는 경향을 보이고 있어, 철근의 부식 저항성이 증가되는 것으로 평가되었다.
5종 시멘트를 사용할 경우 철근부식 면적률은 1종 시멘트를 사용한 경우에 비해 크며, 특히 수중양생을 장기간 실시한 시험체에서 이러한 현상이 더욱 뚜렷하게 나타나고 있는 것으로 측정되었다.
6) 촉진실험 완료 후 철근부식 상태를 조사한 결과, 5종 시멘트를 사용한 시험체에서 철근의 부식면적이 증가하였으며, 다량의 고로슬래그미분말을 사용할 경우 철근 부식 면적은 현저하게 감소하여 부식 저항성 증진에 효과가 큰 것으로 분석되었다.
13은 철근부식 촉진 시험 30 cycle을 완료한 후 콘크리트 시험체 깊이별 가용성 염화물함유량([Cl-(aq)])을 나타낸 것이다. 가용성염화물은 고로슬래그를 사용하지 않은 시험체 모두에서 상당히 큰 값을 나타내었으나, 고로슬래그를 사용할 경우 특히 1종 시멘트를 사용한 시험체에서의 감소 경향은 현저하다.
그러나, 5종 시멘트를 사용한 시험체는 고로슬래그를 55% 치환하여 사용한 경우에만 염소이온의 투과성이 「low」 의 수준에 도달되는 것으로 관찰되었다
이와 같은 결과는 Hussain과 Kumar의 실험 결과와도 큰 차이를 보이지 않는 것으로 판단된다. 따라서, 고로슬래그미분말에 의한 시멘트 경화체 조직의 치밀화와 그로 인한 염화물 이온 투과 저항성의 증가로 인해 염화물이온의 확산계수 또한 감소할 것으로 예상된다. 또한, 1종 시멘트를 사용한 콘크리트가 5종 시멘트를 사용한 경우 보다 총 통과 전하량이 낮게 나타나는 것은 5종 시멘트에 비해서 1종 시멘트의 CsA 생성량이 상대적으로 더 커서 시멘트경화체의 조직이 치밀해지고, 염화물 이온의 고정화 현상도 증진되기 때문으로 판단된다9).
특히, 1종 시멘트에 고로슬래그를 40%이상 치환하여 사용할 경우, 염화물이온의 확산계수는 5종 시멘트를 사용한 경우에 비해 감소하는 경향이 커지고 있다. 또한 수중양생기간을 28일에서 56일로 증가시킬 경우 염화물이온의 확산계수는 상당히 감소하는 것으로 나타나고 있어 수중양생 기간과 내염 저항성의 관계는 매우 밀접한 것으로 판단된다.
17, 18은 철근의 발청 상태를 나타내고 있는 것으로 고로슬래그를 55% 치환한 경우가 무치환의 경우보다 철근부식 상태가 더 적은 것으로 측정되었다. 또한, 5종시멘트를 사용한 시험체가 1종시멘트를 사용한 시험체에 비해 부식 면적이 더 많은 것으로 관측되었다. 이와 같은 결과를 통해서 볼 때, 철근부식 저항성을 높이기 위해서는 고로슬래그미분말을 시멘트 대신에 다량 사용하는 것이 좋으며, 5종 시멘트는 1종 시멘트에 비해 염화물이온에 의한 철근부식 가능성이 높은 것으로 판단된다.
여기서 고로슬래그미분말의 사용 유무 및 수중양생기간, 철근 피복두께의 정도에 따라 철근의 발청비율은 상당한 차이를 나타내고 있다. 먼저 고로슬래그미분말의 치환율에 따른 부식률을 살펴보면, 고로슬래그를 55% 정도 다량 사용할 경우, 철근 발청은 무치환의 경우에 비해 3배 이상 억제되는 효과가 있는 것으로 나타났다.
57배 정도 크다고 하며 보고하고 있으며, Kumar8)의 실험에서는 약 2배정도 큰 값을 얻었다고 전하고 있다. 본 실험에서는 1종 시멘트에 고로슬래그미분말을 55% 치환하면 무치환의 경우에 비해 총 통과 전하량은 33% 정도 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 고로슬래그 치환에 의한 잠재수경성 반응으로 시멘트 경화체 조직이 치밀해짐으로서 공극의 크기도 작아지고 염화물이온의 통과 길이도 길어지게 되었기 때문이다.
이와 같은 보고는 외부로부터 콘크리트 내부로 유입되는 염화물량은 시멘트 내에 C3A 함량이 증가, 즉 구속량이 증가함에 따라 줄어든다는 것을 의미한다. 본 실험의 결과에서도 1종 시멘트를 사용한 콘크리트는 5종 시멘트를 사용한 콘크리트에 비해 염화물이온의 확산계수가 작게 나타났는데 이는 5종 시멘트의 C3A 량이 1종 시멘트의 것보다 작기 때문인 것으로 판단된다. 특히 고로슬래그를 다량 치환하여 사용할 경우 잠재수경성 반응에 의한 시멘트 경화체 조직의 치밀화 진행으로 염화물이온에 대한 확산계수의 감소를 가져와 해양환경의 영향을 받는 콘크리트 구조물의 내구성 증진에 효과가 클 것으로 예상된다
시멘트 종류별 자연전위를 비교해 보면, 철근피복 3cm인 경우 철근의 자연전위는 현저한 차이가 없는 것으로 관측되었지만, 철근피복 1cm의 실험 결과에서는 5종 시멘트를 사용한 경우 철근의 자연전위가 다소 감소하는 경향을 나타내어 상대적으로 철근 발청 가능성이 높은 것으로 나타났다.
이상의 결과로부터 Table 4의 ASTM C 1202-97 규정에 의해 염화물의 투과성을 판단해 보면, 1종 시멘트나 5종 시멘트를 사용한 시험체는 고로슬래그 사용 유무에 관계없이 재령 28일에서「moderate」정도의 염화물이온의 투과성을 나타내고 있다. 특히, 1종 시멘트에 고로슬래그미분말을 40에서 50%정도로 다량 함유한 시험체는 재령 56일에서 「low」 정도 수준의 염화물 투과성을 보이고 있다.
또한, 5종시멘트를 사용한 시험체가 1종시멘트를 사용한 시험체에 비해 부식 면적이 더 많은 것으로 관측되었다. 이와 같은 결과를 통해서 볼 때, 철근부식 저항성을 높이기 위해서는 고로슬래그미분말을 시멘트 대신에 다량 사용하는 것이 좋으며, 5종 시멘트는 1종 시멘트에 비해 염화물이온에 의한 철근부식 가능성이 높은 것으로 판단된다. 따라서, 해양환경의 영향을 직접적으로 받는 콘크리트 구조물의 건설시 고로슬래그미분말을 다량 첨가하도록 배합을 정하고 양생기간을 길게 하는 등의 세심한 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다.
2% 정도 존재하는 것으로 나타났다. 이와 같이 가용성염화물의 콘크리트 내부에 대한 침투량은 고로슬래그미분말을 사용할 경우 상당히 줄어들게 되며, 그 치환율이 커질수록 더욱 줄어드는 것으로 분석되었다. 이 사실은 확산계수 시험결과와도 서로 상응하는 것으로 생각된다.
즉, 고로슬래그를 사용하지 않은 경우, 가용성 염화물은 콘크리트 표면부에서 0.30~0.35% 정도를 나타낸 반면, 고로슬래그를 40% 치환한 경우 1종 시멘트를 사용한 시험체에서는 0.15%, 5종 시멘트를 사용한 경우에는 0.2% 정도 존재하는 것으로 나타났다. 이와 같이 가용성염화물의 콘크리트 내부에 대한 침투량은 고로슬래그미분말을 사용할 경우 상당히 줄어들게 되며, 그 치환율이 커질수록 더욱 줄어드는 것으로 분석되었다.
한편, 1종 시멘트에 고로슬래그를 55% 치환한 경우 철근 피복두께 3 cm에서 철근 발청은 나타나지 않았으며, 피복두께 2 cm의 경우라도 약간 정도의 발청만이 나타나고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 해안 구조물의 철근 피복두께를 산정하는데 필요한 기초적 자료로 제시될 수 있을 것으로 생각된다.
후속연구
이와 같은 결과를 통해서 볼 때, 철근부식 저항성을 높이기 위해서는 고로슬래그미분말을 시멘트 대신에 다량 사용하는 것이 좋으며, 5종 시멘트는 1종 시멘트에 비해 염화물이온에 의한 철근부식 가능성이 높은 것으로 판단된다. 따라서, 해양환경의 영향을 직접적으로 받는 콘크리트 구조물의 건설시 고로슬래그미분말을 다량 첨가하도록 배합을 정하고 양생기간을 길게 하는 등의 세심한 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다.
있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 해안 구조물의 철근 피복두께를 산정하는데 필요한 기초적 자료로 제시될 수 있을 것으로 생각된다.
참고문헌 (11)
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Omar Saeed Baghabra Al-Amoudi, Rasheeduzzafar, Mohanmed .Maslehuddin, and Abdulaziz Ibrahim Al-Mana, 'Prediction of Long-Term Corrosion Resistance of Plain and Blended Cement Concretes,' ACI Materials Journal, Vol.90, No.6, Nov.- Dce. 1993, pp.564-570
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