화학적 침식을 받은 재래식 터널 콘크리트 라이닝의 내구성능 및 열화특성 Characterization of Durability and Deterioration Eroded by Chemical Attack on the Concrete Lining in Conventional Tunnel원문보기
본 연구에서는 화학적 침식을 받는 환경에 놓인 터널 콘크리트 라이닝 구조물의 성능저하 원인을 분석하기 위하여 준공 후 70년 된 터널 구조물을 대상으로 외관조사, 비파괴검사, 코어시편의 압축강도, 탄산화, 투수성 평가 및 기기분석을 실시하였다. 그 결과 대상 터널 구조물은 수차례에 걸쳐 보수 및 보강공사의 흔적이 존재하였으며 내부 콘크리트 라이닝의 심한 균열, 누수 및 탈락현상 등으로 성능저하가 크게 발생한 상태였다. 콘크리트 라이닝의 비파괴 압축강도추정과 코어시편에 의한 압축강도는 위치마다 차이는 있었으나 각각 $17.5{\sim}34.7MPa$ 및 $12.8{\sim}40.3MPa$로 나타났으며, 반발경도법의 경우 콘크리트 표면이 누수 및 반응생성물의 영향으로 반발경도가 작게 나타나는 경우가 있었다. 콘크리트 라이닝 코어시편을 이용하여 전위차에 의한 촉진 염소이온 확산실험법으로 투수성 시험결과 일부 코어 시편을 제외한 대부분 낮은(Low) 영역으로 우수한 결과를 나타내었다. 또한 터널 콘크리트 라이닝 코어시편을 대상으로 미세구조를 분석한 결과 터널 콘크리트 라이닝 주변 지하공간으로부터 유입된 황산염이온의 영향으로 반응물질이 생성되어 성능이 저하되었으며, ettringite와 thaumasite 등의 생성에 의한 결정압에 의하여 균열 및 박리현상이 발생한 것으로 판단된다. 따라서 고내구성 콘크리트 라이닝의 제조를 위한 재료적 대책수립 및 관련지침안의 제정이 필요할 것으로 생각된다.
본 연구에서는 화학적 침식을 받는 환경에 놓인 터널 콘크리트 라이닝 구조물의 성능저하 원인을 분석하기 위하여 준공 후 70년 된 터널 구조물을 대상으로 외관조사, 비파괴검사, 코어시편의 압축강도, 탄산화, 투수성 평가 및 기기분석을 실시하였다. 그 결과 대상 터널 구조물은 수차례에 걸쳐 보수 및 보강공사의 흔적이 존재하였으며 내부 콘크리트 라이닝의 심한 균열, 누수 및 탈락현상 등으로 성능저하가 크게 발생한 상태였다. 콘크리트 라이닝의 비파괴 압축강도추정과 코어시편에 의한 압축강도는 위치마다 차이는 있었으나 각각 $17.5{\sim}34.7MPa$ 및 $12.8{\sim}40.3MPa$로 나타났으며, 반발경도법의 경우 콘크리트 표면이 누수 및 반응생성물의 영향으로 반발경도가 작게 나타나는 경우가 있었다. 콘크리트 라이닝 코어시편을 이용하여 전위차에 의한 촉진 염소이온 확산실험법으로 투수성 시험결과 일부 코어 시편을 제외한 대부분 낮은(Low) 영역으로 우수한 결과를 나타내었다. 또한 터널 콘크리트 라이닝 코어시편을 대상으로 미세구조를 분석한 결과 터널 콘크리트 라이닝 주변 지하공간으로부터 유입된 황산염이온의 영향으로 반응물질이 생성되어 성능이 저하되었으며, ettringite와 thaumasite 등의 생성에 의한 결정압에 의하여 균열 및 박리현상이 발생한 것으로 판단된다. 따라서 고내구성 콘크리트 라이닝의 제조를 위한 재료적 대책수립 및 관련지침안의 제정이 필요할 것으로 생각된다.
This study is to evaluate the effect of chemical attack on durability and deterioration of lining concrete in tunnel. Surface examination, nondestructive inspection, uniaxial compressive strength test, carbonation test, chloride diffusion test, micro-structural analysis were performed to analyze the...
This study is to evaluate the effect of chemical attack on durability and deterioration of lining concrete in tunnel. Surface examination, nondestructive inspection, uniaxial compressive strength test, carbonation test, chloride diffusion test, micro-structural analysis were performed to analyze the deterioration of lining concrete in tunnel constructed 70 years ago. From surface examination results, the tunnel had been repaired and reinforced in several times. It has many cracks, water-leakage, efflorescence and exploitation. Compressive strengths obtained from nondestructive inspection and uniaxial compressive strength test have measured $17.5{\sim}34.7MPa$, and $12.8{\sim}40.3MPa$, respectively. Carbonation depth specimen cored from concrete lining has ranged from 3mm to 27mm. From chloride diffusion test, most specimens have low permeability. And the XRD analysis was able to detect ettringite and thaumasite, which were confirmed by SEM and EDS results to be the causes for the deterioration of lining concrete.
This study is to evaluate the effect of chemical attack on durability and deterioration of lining concrete in tunnel. Surface examination, nondestructive inspection, uniaxial compressive strength test, carbonation test, chloride diffusion test, micro-structural analysis were performed to analyze the deterioration of lining concrete in tunnel constructed 70 years ago. From surface examination results, the tunnel had been repaired and reinforced in several times. It has many cracks, water-leakage, efflorescence and exploitation. Compressive strengths obtained from nondestructive inspection and uniaxial compressive strength test have measured $17.5{\sim}34.7MPa$, and $12.8{\sim}40.3MPa$, respectively. Carbonation depth specimen cored from concrete lining has ranged from 3mm to 27mm. From chloride diffusion test, most specimens have low permeability. And the XRD analysis was able to detect ettringite and thaumasite, which were confirmed by SEM and EDS results to be the causes for the deterioration of lining concrete.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 노후화된 재래식 터널 구조물 의 주지보재인 콘크리트 라이닝의 성능저하 특성을 파악하기 위하여 준공 후 70년이 경과한 철도터널을 대상 으로 현장조사를 실시하였으며, 뿐만 아니라 재래식 터 널 콘크리트 라이닝에서 채취한 코어 시험체를 이용하 여 실내실험을 실시하여 지하수 및 토양환경에 노출된 콘크리트 라이닝의 성능저하 원인을 물라화학적으로 검토하였다. 노후 터널의 콘크리트 라이닝에 대한 현장 조사는 외관조사, 비파괴시험 및 채취된 콘크리트 라이 닝 코어 시편의 압축강도, 탄산화깊이, 투수성 평가 및 XRD 및 SEM에 의한 정량 및 정성적 기기분석을 실시 하였으며, 실험결과를 바탕으로 터널 구조물 콘크리트 라이닝의 화학적 성능저하 메커니즘을 분석하였다.
성능이 저하된 코어 공시체의 표면부에 대한 SEM 분석을 실시한 후, 결정 물질에 대 한 원소분포를 EDS분석을 통하여 고찰하므로서 성능저 하 원인을 규명하고자 하였다. 본 연구에서는 터널 중앙 부 No. 8부근에서 열화현상을 명확하게 보여주는 시료 에 대하여 벽면과 천정부분에 대하여 언급하기로 한다.
그림 3은 콘크리트 라이닝의 비파괴 추정 압축강도와 실내일축압축강도실 험에서 얻어진 압축강도를 정리하여 나타낸 것이다. 비 파괴 압축강도 실험에 의하여 얻어진 값은 콘크리트 라 이닝의 압축강도를 의미하는 것은 아니며, 콘크리트 라 이닝의 성능저하 요인에 의하여 침식된 정도 특히 표면 연화작용에 의한 성능저하 정도를 알아보기 위하여 실 시한 것이다. 즉, 콘크리트 라이닝의 표면이 누수 및 반 응생성물의 영향을 받았을 경우 반발경도가 작게 나타 나며 상대적으로 건전한 상태로 존재할 경우 반발경 도가 보다 크게 나타난다.
또한 XRD 분석결과로 도출된 결과를 바탕으로 생성 가능한 물질에 대한 미세구조 조사는 SEM 및 EDS 분 석을 통하여 수행하였다. 성능이 저하된 코어 공시체의 표면부에 대한 SEM 분석을 실시한 후, 결정 물질에 대 한 원소분포를 EDS분석을 통하여 고찰하므로서 성능저 하 원인을 규명하고자 하였다. 본 연구에서는 터널 중앙 부 No.
재래식 터널 구조물의 지보재인 콘크리트 라이닝의 장기내구성, 화학적 성능저하 및 반응 메커니즘을 규명 하기 위하여 노후화된 터널 구조물에 대한 현장조사 및 실내실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
(1) 외관조사 : 조사 대상구조물의 외관조사는 주로 터 널 내부의 누수, 균열, 백화 및 박리 • 박락 등 성능저 하현상에 대하여 육안관찰을 실시하였다.
(2) 비파괴 압축강도추정 : 슈미트 해머를 이용하여 각 측정 개소마다 타격점 상호간 30mm 간격으로 종횡 으로 4x5열의 직선을 그어 직교하는 20점을 타격하 여 그 평균값을 반발경도로 결정하였으며, 일본재료 학회에서 제안한 식= 1.3R, - 18.4MPa)을 이용하 여 추정하였다.
(3) 일축압축강도 : 터널 콘크리트 라이닝에서 채취된 지름 100mm와 높이 200n血인 코어시편을 사용하여 KS F 2405에 근거하여 콘크리트 라이닝의 일축압축 강도를 측정하였다.
(4) 투수성평가 : 콘크리트 라이닝 코어시편의 투수성을 평가하기 위하여 ASTM C 1202에 준하여 전위차에 의한 촉진 염소이온 확산실험을 통하여 평가하였다.
(5) XRD 분석 : 현장에서 채취한 코어 시편을 미분쇄한 시료를 대상으로 RINT D/max 2500을 이용하여 X선 회절분석을 실시하였으며, 이때 측정조건은 Cuk a(Ni filter) : 30kV, 20mA, Scanning speed 2°/min, 26: 5〜25°로 하였다.
(6) ESEM 및 EDS분석 : 콘크리트의 건전부위 및 침식 부위 시료를 대상으로 XL 30 ESEM을 이용하여 여 러 가지 배율로 각각 확대촬영 하였으며, EDS 분석 은 EDXA Falcon Energy System 60SEM을 사용하여 분석하였다.
그림 2에 표시된 바와 같이 노후터널의 No. 8 부근의 벽면 및 천정부분에서 시편을 채취하여 콘크리트 라이 닝의 성능저하 현상이 명확하게 나타난 시편에 대하여 XRD, SEM 및 EDS 등 기기분석을 통하여 원인분석을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 노후화된 재래식 터널 구조물 의 주지보재인 콘크리트 라이닝의 성능저하 특성을 파악하기 위하여 준공 후 70년이 경과한 철도터널을 대상 으로 현장조사를 실시하였으며, 뿐만 아니라 재래식 터 널 콘크리트 라이닝에서 채취한 코어 시험체를 이용하 여 실내실험을 실시하여 지하수 및 토양환경에 노출된 콘크리트 라이닝의 성능저하 원인을 물라화학적으로 검토하였다. 노후 터널의 콘크리트 라이닝에 대한 현장 조사는 외관조사, 비파괴시험 및 채취된 콘크리트 라이 닝 코어 시편의 압축강도, 탄산화깊이, 투수성 평가 및 XRD 및 SEM에 의한 정량 및 정성적 기기분석을 실시 하였으며, 실험결과를 바탕으로 터널 구조물 콘크리트 라이닝의 화학적 성능저하 메커니즘을 분석하였다.
다음으로 동일한 콘크리트 라이닝 코어 공시체에서 채취한 샘플의 성능저하 원인을 시각적으로 조사하기 위하여 SEM을 사용하여 미세구조를 조사하였다. 먼저 그림 8은 No.
또한 XRD 분석결과로 도출된 결과를 바탕으로 생성 가능한 물질에 대한 미세구조 조사는 SEM 및 EDS 분 석을 통하여 수행하였다. 성능이 저하된 코어 공시체의 표면부에 대한 SEM 분석을 실시한 후, 결정 물질에 대 한 원소분포를 EDS분석을 통하여 고찰하므로서 성능저 하 원인을 규명하고자 하였다.
7과 8의 위치에서 압축강도는 다른 위치에서 채취 한 코어 공시체에 비하여 상대적으로 높은 결과를 나타 내었다. 콘크리트 라이닝의 일축압축강도실험은 11개 의 지점에서 채취된 코어시편에서 수행되었으며 압축 강도결과는 13.4MPa에서 4L7MPa까지 측정되었다. 그 림 3에서 보여주듯이 터널내의 각 지점에서 측정된 비 파괴 추정강도 및 일축압축강도는 서로 일치하지 않았 으며, 앞에서 언급된 터널 준공 당시의 일축압축강도기 준인 12MPa보다 크게 나타났다.
대상 데이터
콘크리트 라이닝의 압축강도는 슈미트해머를 이용한 비파괴 방법인 반발경도법과 재래식 터널 콘크리트 라 이닝에서 코어드릴을 이용하여 채취한 코어시편에 의한 실내일축압축실험으로부터 얻었다. 그림 2는 본 연구에 서 사용한 코어 시편의 채취 위치에 대한 모식도를 나타 낸 것이며 터널 양측면에서 30m 간격으로 비파괴시험을 수행한 후 코어시편을 채취하였다. 그림 3은 콘크리트 라이닝의 비파괴 추정 압축강도와 실내일축압축강도실 험에서 얻어진 압축강도를 정리하여 나타낸 것이다.
노후 터널의 콘크리트 라이닝 성능저하 원인을 규명 하기 위하여 준공 후 약 70여년이 경과된 경기도에 위치 한 철도터널을 선정하여 조사 및 분석을 실시하였다. 표 1은 조사대상 터널 구조물의 제원을 나타낸 것이다.
이론/모형
콘크리트 라이닝의 압축강도는 슈미트해머를 이용한 비파괴 방법인 반발경도법과 재래식 터널 콘크리트 라 이닝에서 코어드릴을 이용하여 채취한 코어시편에 의한 실내일축압축실험으로부터 얻었다. 그림 2는 본 연구에 서 사용한 코어 시편의 채취 위치에 대한 모식도를 나타 낸 것이며 터널 양측면에서 30m 간격으로 비파괴시험을 수행한 후 코어시편을 채취하였다.
성능/효과
(1) 터널 구조물의 측벽부분에서 채취한 콘크리트 라이 닝 코어 공시체의 압축강도 측정 결과, 채취부위에 따라 상이한 값을 나타내었으며, 코어 공시체의 압 축강도는 콘크리트 라이닝의 성능저하 정도와 밀접 한 관련이 있는 것으로 판단된다. 또 코어 공시체의 압축강도는 반발경도를 이용한 현장 비파괴 시험결 과와 상이하게 나타났다.
(2) 콘크리트 라이닝에서 채취한 코어 공시체의 투수성 실험 결과, 총 통과전하량이 약 1,200 - 3,300 coulomb 정도로 평가되었으며, 투수성 평가기준과 비교해 볼 때, 일부 코어 공시체를 제외하면 대부분 low 영역 을 나타내는 좋은 결과를 나타내었다. 그러나 터널 구조물의 콘크리트 라이닝 건설당시 지나치게 큰 굵 은 골재가 사용되어 투수성 평가를 위한 기준의 적 용이 다소 신뢰성이 떨어지기 때문으로 판단된다.
(4) 콘크리트 라이닝에 대한 화학적 성능저하 원인 및 정도를 평가한 결과, 배면의 토양 및 주변 지하수로 부터 유입되는 유해인자의 영향을 크게 받았음을 알 수 있었다. 화학적 반응에 의한 ettringite, gypsum 및 thaumasite의 생성은 콘크리트 라이닝의 역학적 성질에 영향을 미치며, 궁극적으로 내구수명 저하를 가져오게 되므로 고내구성 콘크리트 라이닝의 제조 를 위한 재료적 대책수립 및 관련 지침안의 제정이 반드시 필요한 것으로 판단된다.
또 코어 공시체의 압축강도는 반발경도를 이용한 현장 비파괴 시험결 과와 상이하게 나타났다. 그러나 본 연구에서는 콘 크리트 라이닝의 압축강도가 설계당시인 12MPa 보 다 크게 나타났으며 이것은 5mm에서부터 lOOnmi의 크기의 골재를 사용하여 콘크리트 라이닝을 건설하 여 나타난 것으로 판단된다.
이 터널 구조물은 총 연장이 190m이며, 일축압축강도 기준 이 약 12MPa로(1930년대 기준) 추정되는 콘크리트 라 이닝으로 시공되었다. 또한, 터널 내부는 수차례에 걸쳐 보수 및 보강공사의 흔적이 존재하였으나, 보수시기, 보 수방법 및 보수재료에 대한 자세한 이력은 알 수 없었으 며, 10여 년 전부터 사용이 중지된 채 방치되어 현재 터 널 내부 콘크리트 라이닝에서 누수 및 탈락현상 등으로 성능저하가 크게 발생된 것으로 조사되었다.
또한 콘크 리트 라이닝의 외부로부터 침투한 유해이온의 작용으로 인하여 28가 9.1。부근에서 팽창성 반응물질인 ettringite 및 연화 반응물질인 thaumasite의 중첩피크가 관찰됨을 확인할 수 있었다. 반면에 28가 18.
조사 대상 구조물의 주변 환경을 평가하기 위하여 철 도터널 부근 및 내부 배수로에서 지하수를 채집하여 성 분분석을 실시한 결과 pH는 약 6.5-70 정도로 약산성 또는 중성으로 나타났으며, 콘크리트의 성능을 저하시 키는 황산염이온(SO；) 농도는 180〜200ppm, 마그네슘 이온(Mg*) 농도는 40〜50ppm, 칼슘이온(Ca*) 농도 70~100ppm 및 소량의 염소이온(C1)이 측정되었다.
3.1 외관조사
조사대상 구조물의 외관조사 결과 터널내부의 천장부 및 측벽부 전 구간에 걸쳐서 균열이 발생하였으며, 균열 폭은 0.1mm 정도 되는 균열부터 1.0~3.0mm 이상 의 종균열, 경사균열, 망상균열 및 횡균열 등 다양하게 분포하고 있었다. 콘크리트 라이닝은 터널 양측벽 및 천 정부위에서 균열로 인한 누수, 박리 및 박락 등 심각한 성능저하 현상이 발생한 것을 알 수 있었으며 특히 측 벽 콘크리트 라이닝의 이음부분은 결합력의 감소로 인 하여 백색의 물질이 다량 용출되었으며 이 물질이 건습 의 반복 작용으로 인하여 결정상으로 존재함에 따라 균 열 폭이 점점 더 커져 광폭의 균열이 생성된 것으로 관 찰되었다.
이것은 그림 4에서 보 여주듯이 상당히 큰 골재를 사용하여 콘크리트 라이닝 을 건설하여 높은 압축강도를 나타낸 것으로 판단된다. 채취된 코어시편을 기준으로 판단해 보면 본 터널에 사 용된 콘크리트 라이닝의 골재 입도는 5mm에서 100mm 정도로 추정되었다.
3의 경우 약 3,300 coulomb 정도로 크게 나타남을 알 수 있다. 총 통과전하량의 실험결과로서 표 2에 나타낸 투수성 평가기준과 비교해 보면, No. 3 코어 공시체를 제외하면, 대부분 low 영역을 나타내었다. 이러한 경향은 앞서 전술한 코 어 압축강도 결과와는 다소 상이하게 나타남을 알 수 있다.
0mm 이상 의 종균열, 경사균열, 망상균열 및 횡균열 등 다양하게 분포하고 있었다. 콘크리트 라이닝은 터널 양측벽 및 천 정부위에서 균열로 인한 누수, 박리 및 박락 등 심각한 성능저하 현상이 발생한 것을 알 수 있었으며 특히 측 벽 콘크리트 라이닝의 이음부분은 결합력의 감소로 인 하여 백색의 물질이 다량 용출되었으며 이 물질이 건습 의 반복 작용으로 인하여 결정상으로 존재함에 따라 균 열 폭이 점점 더 커져 광폭의 균열이 생성된 것으로 관 찰되었다. 그림 1은 대상구조물의 균열로 인하여 누수 및 백태가 발생한 광경을 나타낸 것이며 이 그림에서 보는바와 같이 균열 및 누수로 인한 백화현상과 여러 곳에서 박라박락이 많이 발생되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
Gollop, R. S. and Taylor, H. F. W. 1995), 'Microstructural and Microanalytical Studies of Sulfate Attack, III, Sulfate-Resisting Portland-cement: Reaction with Sodium and Magnesium sulfate solution', Cement and Concrete Research, Vol.25, No.7, pp.1581 -1590
Hooton, R. D. (2005) 'Microstructural Study on the Deterioration of Shotcrete in Tunnel Structures', KICT Report, University of Toronto
Lee, S. T. and Hooton, R. D. (2005), 'Prediction of Performance on Cement Matrix Exposed to Sulfate Media', Annual Report, University of Toronto
Ogawa, K. and Roy, D. M. 1982), 'C4A3S Hydration, Ettringite Formation and Its Expansion Mechanism, III, Effect of Cao, NaOH and NaCI', Cement and Concrete Research, Vol.12, No.2, pp.247-256
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.