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문제 정의
- 본 연구 대상 구조물은 고속도로에 건설된 시멘트 콘크리트 포장으로 표면에 불규칙적인 균열이 발생하였으며, 줄눈부에 심한 스폴링 파손이 발생하였다. 본연구에서는 시멘트 콘크리트 포장의 표면에 발생한 균열의 원인을 구명하고자 주사형 전자현미경 (SEM : Scanning Electron Microscope)의 에너지 분산 분광기(EDX : Electro Dispersive X-ray Spectrometer)와 AASHTO T299-2000의 화학적인 방법을 사용하여 원인을 분석하였다”). 본 논문에서 분석된 결과는 국내 일부 고속도로 시멘트 콘크리트 포장에 알칼리-실리카 반응에 의한 손상이 존재함을 확인하였다.
제안 방법
- SEM의 EDX 분석을 위하여 코어 시편의 시멘트와 골재 경계부에서 시료를 채취하여 관찰 및 분석을 위해 표면 처리하였다.
- 본 대상 구간의 시멘트 콘크리트 포장에 발생된 불규칙 균열에 대한 원인 분석을 위하여 장비 및 육안 조사를 수행하였다. 전체적인 균열 양상을 분석하기 위하여 표면 균열 조사 장비인 ARAN 장비를 사용하였다.
- 7 m와 차량 진행 방향으로 10m 폭을 조사할 수 있는 장비이다. 본 조사대상 구간에서는 ARAN 장비를 사용하여 공용 년수 경과에 따른 파손의 진행 상태를 조사하였다. 육안 조사를 통해서는 표면 파손 상태와 코어 채취 위치를 선정하였다.
- 수행하였다. 전체적인 균열 양상을 분석하기 위하여 표면 균열 조사 장비인 ARAN 장비를 사용하였다. ARAN 장비는 고속도로 포장의 표면 파손을 80 km/h로 주행하면서 연속적으로 1번에 차선폭 3.
- 타이바는 인접 포장과의 벌어짐을 방지하는 기능을 한다. 포장 건설은 1차로와 2차로는 콘크리트포장용 포설 기로 동시에 시공되었으며, 3차로는 기 시공된 1, 2차로를 28 일간 양생한 후 1차로 포설기로 시공하였다. 본 구간에 건설된 시멘트 콘크리트 포장의 배합 기준은 Table 1과 같고, 345k이n?의 단위 시멘트량으로 배합설계 되었다.
- 현장에서 균열이 있는 코어 시편을 채취하여 시편에 포함되어 있는 굵은골재를 분리하여 편광현미경을 이용한 암석학적인 분석을 수행하였다. 표면 균열이 발생한 한 개의 코어 시편에서 분리된 11종의 굵은골재는 변성암(Met amor-phic rock)으로 분석되었다.
대상 데이터
- 굵은골재의 최대 크기는 32mm가 사용되었다. 굵은 골재는 충남 아산의 석산에서 생산된 쇄석 골재가 사용되었으며, 잔골재는 경기도 인근의 서해상에서 채취된 해사를 세척하여 사용하였다. 잔골재의 잔류 염분량은 고속도로 전문시방서에서 제시한 시험방법에 의해 합격된 것으로 조사되었다.
- 두 번째 단계는 반응성 겔이 수분을 흡수하고 팽창하여 콘크리트 강도보다 큰 인장 응력이 발생하는 경우 파손을 유발하게 된다. 본 연구 대상 구조물은 고속도로에 건설된 시멘트 콘크리트 포장으로 표면에 불규칙적인 균열이 발생하였으며, 줄눈부에 심한 스폴링 파손이 발생하였다. 본연구에서는 시멘트 콘크리트 포장의 표면에 발생한 균열의 원인을 구명하고자 주사형 전자현미경 (SEM : Scanning Electron Microscope)의 에너지 분산 분광기(EDX : Electro Dispersive X-ray Spectrometer)와 AASHTO T299-2000의 화학적인 방법을 사용하여 원인을 분석하였다”).
- 본 연구에서 사용된 SEM은 일본 H사의 Model S- 3200N이고, EDX 장치는 미국 K사의 Model Sigma MS2이다. SEM의 EDX 분석을 위하여 코어 시편의 시멘트와 골재 경계부에서 시료를 채취하여 관찰 및 분석을 위해 표면 처리하였다.
- 본 연구의 조사 대상 시멘트 콘크리트 포장은 1996년 건설되어 7년 경과된 상태이다. 조사 대상 구간에 건설된 시멘트 콘크리트 포장 구조는 6m 줄눈 간격과 차선폭 3.
- 7년 경과된 상태이다. 조사 대상 구간에 건설된 시멘트 콘크리트 포장 구조는 6m 줄눈 간격과 차선폭 3.7m의 왕복 6차선으로 건설되어 있다. 콘크리트 포장에는 차량 진행 방향으로 6m 간격으로 시공된 횡 방향 줄 눈 부에 종방향으로 32mm 강봉 다웰바가 주행 차선에는 300mm 간격으로 추월선은 450mm 간격으로 설치되어 있다.
- 포장체 내부 상태를 관찰하기 위하여 불규칙 균열이발생된 부위에서 100mm 코어 시편을 채취하였다. 코어시편의 일부 위치에서 국부적으로 물기가 지속적으로 남아 있는 것을 볼 수 있다.
이론/모형
- 본 연구에서는 미국에서 최근에 콘크리트 구조물의 알칼리 골재 반응 확인을 위해 적용하고 있는 “AASHTO T299-2000, , 방법을 적용하여 실험을 수행하였다. 이 실험법은 알칼리-실리카 반응이 발생된 콘크리트 시편에 반응성 물질과 반응하는 형광 시약을 살포한 후 254nm 파장의 특정 강도 자외선을 비추게 되면 반응성 물질이발생된 지점에서 형광 시약이 발광하는 현상 관찰을 통하여 알칼리-실리카 반응을 확인할 수 있다.
성능/효과
- 6에서 보는 것과 같이 표면에 불규칙 균열이 많이 발생되어 있는 것으로 관찰되었다. SEM의 EDX 분석에서 변색 및 반응 물질이 관찰되지 않은 시멘트 시편에서 골재의 X-ray 스펙트럼은 Si" 성분만 높은 피크값을 보이는 것으로 분석되었다. 시편의 변색과 반응 생성물이 관찰된 Fig.
- 1) 육안조사와 장비조사에서 포장면에 발생한 균열은차량 진행 방향으로 균열의 폭이 크고, 줄눈부와 길어깨 인접부에서 균열이 발생하였고, 코어 시편의내부는 불규칙한 높이에 수평 방향과 수직 방향으로 균열이 관찰되었고, 균열부와 시편 외부에 노출된 일부 골재에서 반응생성물이 관찰되었다.
- 2) 암석학적인 분석에서 현장에서 채취된 코어 시편의 균열 절단면에서 편암과 편마암 골재 주위로 백색으로 변색된 반응환이 관찰되었다.
- 3) 시편의 변색과 반응 물질이 관찰된 시편 시멘트페이스트 위치에서 스펙트럼의 피크값이 Si*>Ca2*> K+>AI3+ 순으로 분석되었고, 반응 생성물에서는 Si4+ >K+ 성분이 주로 분석되었다.
- 4) 채취된 시편에 형광 시약을 처리한 후 254nm 파장의 자외선 광선을 비추게 되면 알칼리-실리카 반응 부에 화학반응에 의하여 노란색 형광 빛을 나타나는 것으로 분석되었다.
- 1에서 보는 바와 같다. 본 구간에 발생한 균열의 형태는 불규칙적인 형태이며, 포장 전체에 발생되어 있는 것으로나타났다. 일부 줄눈부는 균열이 심하게 발생하여 스폴링 파손으로 진행된 것으로 조사되었다.
- 본연구에서는 시멘트 콘크리트 포장의 표면에 발생한 균열의 원인을 구명하고자 주사형 전자현미경 (SEM : Scanning Electron Microscope)의 에너지 분산 분광기(EDX : Electro Dispersive X-ray Spectrometer)와 AASHTO T299-2000의 화학적인 방법을 사용하여 원인을 분석하였다”). 본 논문에서 분석된 결과는 국내 일부 고속도로 시멘트 콘크리트 포장에 알칼리-실리카 반응에 의한 손상이 존재함을 확인하였다. 국내에서도 알칼리-실리카 반응에 의해 대규모적인 피해 사례가 발생할 수 있음을 입증하여 알칼리-실리카 반응에 대한 연구가 필요한 시점이라고 사료된다.
- 이 실험법은 알칼리-실리카 반응이 발생된 콘크리트 시편에 반응성 물질과 반응하는 형광 시약을 살포한 후 254nm 파장의 특정 강도 자외선을 비추게 되면 반응성 물질이발생된 지점에서 형광 시약이 발광하는 현상 관찰을 통하여 알칼리-실리카 반응을 확인할 수 있다. 본 실험 시편은 자연 광선에서는 알칼리-실리카 반응을 확인할 수 없는 반면에, 이 시험 방법으로는 채취된 시편에 형광 시약을 처리한 후 254nm 파장의 자외선 광선을 비추게 되면 Fig. 9와 같이 알칼리-실리카 반응부에 화학반응에 의해 노란색 형광 빛이 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 화학적인 분석을 통하여 알칼리-실리카 반응에 의해 생성된 반응 물질부의 발광현상으로 조사 대상 시멘트콘크리트 포장의 외부 및 내부에 발생한 균열은 알칼리 一실리카 반응에 의한 것으로 사료된다.
- 국내 시멘트의 알칼리 이온은 K+ 성분이 많이 포함되고 있고, Na* 성분은 낮게 포함되어 있다. 본 연구에서 분석된 알칼리-실리카 반응 생성물은 시멘트의 K+ 성분에 의해 발생된 것으로 판단된다. SEM의 EDX 분석을 통하여 알칼리-실리카 반응에 의해 생성된 전형적인 반응 물질의 스펙트럼이 확인되어 조사 대상 시멘트 콘크리트 포장에 발생한 불규칙 균열은 알칼리-실리카 반응에 의한 것으로 사료된다.
- 코어 시편의 내부는 불규칙한높이에 수평 방향과 수직 방향으로 균열이 관찰되었다. 코어 시편은 실험실에서 대기 건조 상태에서 1일 정도경과한 후 관찰한 결과 균열부와 시편 외부에 노출된 일부 골재에서 반응 생성물이 관찰되었으며, 시간 경과에따라 반응 생성물은 젤리 상태에서 경화되는 현상이 관찰되었다. 코어 시편의 수평 균열이 발생된 부위는 인력에 의해 쉽게 분리될 수 있다.
- 편마암(Gneiss) 골재의 주성분으로는 석영 (Quartz), 사장석 (Plagioclase), 흑운모(Biotite), 방해석 (Calcite) 등이다. 편암(Schist) 골재의 주성분은 석영, 정장석 (Orthoclase), 사장석, 흑운모 (Muscovite), 불투명 광물(Opaque Mineral)로 구성되어 있는 것으로 조사되었다. 편마암 및 편암에 포함되어 있는 석영은 파동소광(波動消光) 현상(편광 현미경의 교차 리콜 하에서 석영 입자의 간섭색이 서로 같지 않아 각각의 석영 입자에서 소광이 동시에 일어나지 않는 현상)을 보이며, 이와 같은 파동소광(波動消光) 현상을 보이는 석영이 시멘트의 알칼리 성분과 반응성이 있는 것으로 보고된 광물이다.
- 암석학적인 분석을 수행하였다. 표면 균열이 발생한 한 개의 코어 시편에서 분리된 11종의 굵은골재는 변성암(Met amor-phic rock)으로 분석되었다. 각 골재에 포함되어 있는 성분은 Table 2과 같다.
후속연구
- 본 논문에서 분석된 결과는 국내 일부 고속도로 시멘트 콘크리트 포장에 알칼리-실리카 반응에 의한 손상이 존재함을 확인하였고, 국내에서도 알칼리-실리카 반응에 의해 대규모적인 피해 사례가 발생할 수 있음을 입증하여 알칼리-실리카 반응에 대한 연구가 필요한 시점이라고 사료된다.
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