수화물 및 공극률 관측 실험을 통한 시멘트모르타르의 탄산화 특성 변화에 대한 연구 A Study on Change in Cement Mortar Characteristics under Carbonation Based on Tests for Hydration and Porosity원문보기
내구성에 대한 중요성이 부각됨에 따라, 주요 열화현상인 탄산화에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 탄산화에 대한 연구는 주로 탄산화 깊이의 도출에 국한하고 있으며 경화된 콘크리트를 가정하므로 실제적인 탄산화 거동과는 많은 차이를 보이고 있다. 강재와는 다르게 콘크리트는 공극률과 내부의 수화물의 거동이 매우 중요한데, 탄산화 진행에 따라 초기재령에서 결정되어지는 거동 (공극률 및 수화물)이 다르게 변화한다. 열화 물질의 이동은 주로 콘크리트의 공극률 및 포화도에 의존하므로, 탄산화 후의 거동 평가는 장기열화해석 및 복합열화해석 등에 고려되는 것이 바람직하다. 공극률의 경우, 변화된 공극률이 고려되지 않으면 확산계수의 감소가 구현될 수 없으며 이에 따라 과다한 탄산화 해석을 야기하게 된다. 한편 수화물, 특히 수산화칼슘의 잔존량 평가는 탄산화 깊이의 평가 및 내부 공극수의 특성 변화를 결정하기도 하며, 복합열화에서 발생하는 고정화 염화물량에 큰 영향을 주게 된다. 그러므로 실내 실험들을 통한 공극률 및 수화물 분석은 최근들어 탄산화에 대해서도 많이 적용되고 있다. 본 연구는 미세 관측 실험을 통하여, 탄산화 전후의 공극률 분포 변화, 수화물 거동의 변화를 실험적으로 수행하였다. 공극률 측정으로는 MIP 실험을, 수화물 변화에서는 TGA 실험을 수행하였으며, 기존의 해석 모델인 다상복합수화발열모델 및 미세 공극 구조 형성모델을 개선하여 각각의 탄산화 이후의 공극률 변화 및 수화물 변화를 개발하였다. 개발된 각각의 모델의 결과는 탄산화 전후의 공극률 및 수화물의 변화를 잘 예측하였으며, 탄산화 이후의 열화현상 등에 기초적으로 사용될 수 있을 것으로 평가되었다.
내구성에 대한 중요성이 부각됨에 따라, 주요 열화현상인 탄산화에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 탄산화에 대한 연구는 주로 탄산화 깊이의 도출에 국한하고 있으며 경화된 콘크리트를 가정하므로 실제적인 탄산화 거동과는 많은 차이를 보이고 있다. 강재와는 다르게 콘크리트는 공극률과 내부의 수화물의 거동이 매우 중요한데, 탄산화 진행에 따라 초기재령에서 결정되어지는 거동 (공극률 및 수화물)이 다르게 변화한다. 열화 물질의 이동은 주로 콘크리트의 공극률 및 포화도에 의존하므로, 탄산화 후의 거동 평가는 장기열화해석 및 복합열화해석 등에 고려되는 것이 바람직하다. 공극률의 경우, 변화된 공극률이 고려되지 않으면 확산계수의 감소가 구현될 수 없으며 이에 따라 과다한 탄산화 해석을 야기하게 된다. 한편 수화물, 특히 수산화칼슘의 잔존량 평가는 탄산화 깊이의 평가 및 내부 공극수의 특성 변화를 결정하기도 하며, 복합열화에서 발생하는 고정화 염화물량에 큰 영향을 주게 된다. 그러므로 실내 실험들을 통한 공극률 및 수화물 분석은 최근들어 탄산화에 대해서도 많이 적용되고 있다. 본 연구는 미세 관측 실험을 통하여, 탄산화 전후의 공극률 분포 변화, 수화물 거동의 변화를 실험적으로 수행하였다. 공극률 측정으로는 MIP 실험을, 수화물 변화에서는 TGA 실험을 수행하였으며, 기존의 해석 모델인 다상복합수화발열모델 및 미세 공극 구조 형성모델을 개선하여 각각의 탄산화 이후의 공극률 변화 및 수화물 변화를 개발하였다. 개발된 각각의 모델의 결과는 탄산화 전후의 공극률 및 수화물의 변화를 잘 예측하였으며, 탄산화 이후의 열화현상 등에 기초적으로 사용될 수 있을 것으로 평가되었다.
Due to the increasing significance of durability, much researches on carbonation, one of the major deterioration phenomena are carried out. However, conventional researches based on fully hardened concrete are focused on prediction of carbonation depth and they sometimes cause errors. In contrast wi...
Due to the increasing significance of durability, much researches on carbonation, one of the major deterioration phenomena are carried out. However, conventional researches based on fully hardened concrete are focused on prediction of carbonation depth and they sometimes cause errors. In contrast with steel members, behaviors in early-aged concrete such as porosity and hydrates (calcium hydroxide) are very important and may be changed under carbonation process. Because transportation of deteriorating factors is mainly dependent on porosity and saturation, it is desirable to consider these changes in behaviors in early-aged concrete under carbonation for reasonable analysis of durability in long term exposure or combined deterioration. As for porosity, unless the decrease in $CO_2$ diffusion due to change in porosity is considered, the results from the prediction is overestimated. The carbonation depth and characteristics of pore water are mainly determined by amount of calcium hydroxide, and bound chloride content in carbonated concrete is also affected. So Analysis based on test for hydration and porosity is recently carried out for evaluation of carbonation characteristics. In this study, changes in porosity and hydrate $(Ca(OH)_2)$ under carbonation process are performed through the tests. Mercury Intrusion Porosimetry (MIP) for changed porosity, Thermogravimetric Analysis (TGA) for amount of $(Ca(OH)_2)$ are carried out respectively and analysis technique for porosity and hydrates under carbonation is developed utilizing modeling for behavior in early-aged concrete such as multi component hydration heat model (MCHHM) and micro pore structure formation model (MPSFM). The results from developed technique is in reasonable agreement with experimental data, respectively and they are evaluated to be used for analysis of chloride behavior in carbonated concrete.
Due to the increasing significance of durability, much researches on carbonation, one of the major deterioration phenomena are carried out. However, conventional researches based on fully hardened concrete are focused on prediction of carbonation depth and they sometimes cause errors. In contrast with steel members, behaviors in early-aged concrete such as porosity and hydrates (calcium hydroxide) are very important and may be changed under carbonation process. Because transportation of deteriorating factors is mainly dependent on porosity and saturation, it is desirable to consider these changes in behaviors in early-aged concrete under carbonation for reasonable analysis of durability in long term exposure or combined deterioration. As for porosity, unless the decrease in $CO_2$ diffusion due to change in porosity is considered, the results from the prediction is overestimated. The carbonation depth and characteristics of pore water are mainly determined by amount of calcium hydroxide, and bound chloride content in carbonated concrete is also affected. So Analysis based on test for hydration and porosity is recently carried out for evaluation of carbonation characteristics. In this study, changes in porosity and hydrate $(Ca(OH)_2)$ under carbonation process are performed through the tests. Mercury Intrusion Porosimetry (MIP) for changed porosity, Thermogravimetric Analysis (TGA) for amount of $(Ca(OH)_2)$ are carried out respectively and analysis technique for porosity and hydrates under carbonation is developed utilizing modeling for behavior in early-aged concrete such as multi component hydration heat model (MCHHM) and micro pore structure formation model (MPSFM). The results from developed technique is in reasonable agreement with experimental data, respectively and they are evaluated to be used for analysis of chloride behavior in carbonated concrete.
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문제 정의
이상의 실험은 사용 샘플의 불균질성, 기계의 오차등으로 직접적으로 수산화칼슘량을 평가하기는 많은오차가 발생하게 되지만 최근에는 주로 탄산화 진행에따라 탈탄산되는 Ct*량 등에 의한 정성적인 평가도 시도되고 있다H). 본 논문에서는 수화반응을 거친 수산화칼슘이 탄산화 진행에 따라 감소하는 거동을 평가하도록 한다. 각 시편의 샘플들은 10mm 간격으로 수집되었는데 기계적인 커터를 사용할 경우 마찰열에 의하여 수산화칼슘이 산화할 수 있으므로 끌을 이용하여 채취하였다.
가설 설정
여기서, 吃e的2는 생성된 수산화칼슘량(烟折), a’는 전체수 화도, 咆(㎛2는 수화물 중 수산화칼슘의 체적 fraction, (1-C- 4-Va£)PcsH는 전체 수화물 중량으로서, 전체 단위 부피 (m%!?)에서 골재 및 공극률의 비를 제한 체 적과 수화물의 비중 (Qcsh)과의 곱으로 나타내었으며, c는 상수 (=0.5)로 가정하였다. 수화물의 비중 (Pcsh)은 완전 포화 시에는 거의 일정하지만 부분포화일 경우는 습도에 따라 다르게 되므로 일반적인 범위인 2, 500kg/n?을 가정하였다 2D 공극률의 변화에 대해서는 공극밀도함수 (pore size distribution)의 탄산화 변화를 고려하여 이를 적분한 함수를 사용하는 것이 바람직하지만, 본 연구에서는 공극 밀도함수는 일정한 크기로 감소하는 것을 가정하였다.
5)로 가정하였다. 수화물의 비중 (Pcsh)은 완전 포화 시에는 거의 일정하지만 부분포화일 경우는 습도에 따라 다르게 되므로 일반적인 범위인 2, 500kg/n?을 가정하였다 2D 공극률의 변화에 대해서는 공극밀도함수 (pore size distribution)의 탄산화 변화를 고려하여 이를 적분한 함수를 사용하는 것이 바람직하지만, 본 연구에서는 공극 밀도함수는 일정한 크기로 감소하는 것을 가정하였다. 실제로 물질 이동에 사용되는 변수가 주로 최대 공극으로 함수화되기 때문에 탄산화 전후의 공극 구조 변화에 대한 연구는 매우 희박하다.
제안 방법
1) 시멘트모르타르 (W/C 55%, 65%)를 대상으로 하여, 탄산화 전후의 모르타르 특성 (공극률, 수산화칼슘량)을 실험적으로 분석하였으며 이러한 구체 특성변화는 복합열화, 비말대에서의 확산 특성 등에 고려되어야 함을 알 수 있었다.
3) TGA를 이용하여 탄산화 반응에 따라 변화하는 수화물의 감소를 실험적으로 평가하였으며, 초기 재령 거동 모델링을 이용한 수산화 칼슘의 생성 및 소모량을 모델링하였다. 제안된 식은 생성 및 탄산화 반응에 따라 소모된 수산화 칼슘량을 비교적 잘 예측하고 있으며, 탄산화 영역이 발생하는 시점을 정확히 나타내었다.
굵은골재를 사용할 경우, 실험시 불순물 등이 포함될 수 있으므로 탄산화에 대한 공극구조 및 수화물 생성 변화를 평가하기가 어려워진다. 각 시편들은 1일 습윤양생 후 탈형하였으며 28 일 수중양생 (20℃)과 실내 상태에서 2주간 습도를 유지한 뒤, 촉진탄산화 실험을 수행하였다. 한편 3개월간 수중 양생을 거친 시편에 대해서는 촉진탄산화실험을 수행하지 않고, 공극률 분석을 수행하였다.
한편 3개월간 수중 양생을 거친 시편에 대해서는 촉진탄산화실험을 수행하지 않고, 공극률 분석을 수행하였다. 각 시편은 채취 후, 에탄올에 침지시켜서, 수화반응을 정지시켰으며, MIP 실험을 수행하였다. Table 1에서는 시멘트모르타르의 배합을 나타내고 있으며, Table 2에서는 촉진 탄산화 실험조건을 나타내었다.
9 및 식 (7)과 같다. 본 논문에서는 시멘트모르타르 및 콘크리트에 모두 적용할 수 있는 수산화칼슘 모델링을 이용하여 탄산화 진행에 따른 거동을 구현하였으며, 탄산화 해석의 주된 내용은 기존의 문헌을 참고하는 것이 바람직 하다3邓, 끄).
본 연구에서는 탄산화 진행에 따른 공극률 및 수산화칼슘의 변화를 초기재령 콘크리트의 거동 모델링을 통하여 예측하였으며 , MIP (수은압입법 : mercury intrusion porosimetty)실험 및 TGA (시차열 분석 : thermo gravitmetiy analysis)를 통하여 검증하였다. 개발된 모델은 탄산화 진행에 따른 초기재령 거동 특성을 잘 예측하고 있으며, 탄산화 영역에 대한 기초적인 정보를 제공할 수 있는 것으로 평가되었다.
있었다. 이후 초기 재령 거동 모델링(MCHHM, MPSFM)을기본으로 하여 수화물의 양에 비례한 공극률 감소 식을 구현하였으며, 실험 결과와 비교하여 그 적용성을 평가하였다.
3 에 나타내었다. 탄산화 시편은 28일 수중양생 후 8주간탄산화에 노출시킨 후, 완전히 탄산화가 이루어진 표면에서 시편을 채취한 것이며, 28일 수중양생 후 3달 수중양생 후의 탄산화전 시편과 각 특성을 비교한 것이다.
각 시편들은 1일 습윤양생 후 탈형하였으며 28 일 수중양생 (20℃)과 실내 상태에서 2주간 습도를 유지한 뒤, 촉진탄산화 실험을 수행하였다. 한편 3개월간 수중 양생을 거친 시편에 대해서는 촉진탄산화실험을 수행하지 않고, 공극률 분석을 수행하였다. 각 시편은 채취 후, 에탄올에 침지시켜서, 수화반응을 정지시켰으며, MIP 실험을 수행하였다.
대상 데이터
일반적이다. 본 논문에서는 일반적인 콘크리트 배합 (W/C 55%, 65%)에 대하여 굵은골재를 제외한 시멘트모르타르를 실험 대상으로 하였다. 굵은골재를 사용할 경우, 실험시 불순물 등이 포함될 수 있으므로 탄산화에 대한 공극구조 및 수화물 생성 변화를 평가하기가 어려워진다.
이론/모형
일반적으로 다공질 매체의 공극을 평가하기 위해서는수분흡착법이나 수은압입법 (MIP) 등이 주로 사용되는데 본 연구에서는 수은압입법을 사용하였다. Table 3에서는 MIP 실험 조건을 나타내고 있다.
성능/효과
1) 탄산화 전후의 수화물 평가를 위한 연구의 개요 탄산화가 진행됨에 따라 수산화칼슘은 감소되고, 이 영역에서는 pH가 10.5 이하로 감소하여 철근이 부식하기 쉬운 상태가 지속된다. 현재 탄산화 예측식에서는 주로 피복 두께와 탄산화 깊이와의 비교를 수행하므로 탄산화 깊이가 주된 평가지표가 되지만, 수화물과 이산화탄소 반응을 고려하지 못한 정성적인 평가가 주를 이루고 있다.
2) MIP 실험을 통하여 탄산화 후의 공극률을 분석한 결과, 28일 수중 양생 후 탄산화된 공극의 변화는 W/ C 55%의 시편에서는 16%, W/C 65%에서는 20%의 공극률 감소를 나타내며 장기간 (3개월) 동안 양생된 시편의 공극률 수준으로 감소함을 알 수 있었다. 이후 초기 재령 거동 모델링(MCHHM, MPSFM)을기본으로 하여 수화물의 양에 비례한 공극률 감소 식을 구현하였으며, 실험 결과와 비교하여 그 적용성을 평가하였다.
Fig. 3에서 알 수 있듯이, 완전히 탄산화된 시편의 공극률은 28일 양생된 시편에 비하여 감소하였으며, 대략 3개월 수중양생된 시편의 공극률 수준으로 감소하고 있었다. 한편 공극이 0.
알 수 있었다. 감소율은 W/C가 큰 시편의 경우에서 발생하였으나, W/C 55%인 경우, 65% 시편보다 공극률은 91% 수준이었으며, 침투수은량은 88% 수준으로평가되었다. 이는 단위시멘트량의 증가에 따라 생성된 수화물량이 많아지고 이에 따른 조밀한 공극 구조가 주된원인이라고 할 수 있다.
통하여 검증하였다. 개발된 모델은 탄산화 진행에 따른 초기재령 거동 특성을 잘 예측하고 있으며, 탄산화 영역에 대한 기초적인 정보를 제공할 수 있는 것으로 평가되었다.
모델링하였다. 제안된 식은 생성 및 탄산화 반응에 따라 소모된 수산화 칼슘량을 비교적 잘 예측하고 있으며, 탄산화 영역이 발생하는 시점을 정확히 나타내었다.
침투 수은량 변화에서는 오히려, 탄산화된 이후의 침투량이 3달 수중양생시킨 시편보다 감소하고 있음을 알수 있는데, 28일 수중양생된 시편에 비하여, W/C 55%에서는 82% 수준으로, W/C 65%에서는 73% 수준으로 감소함을 알 수 있었다. 감소율은 W/C가 큰 시편의 경우에서 발생하였으나, W/C 55%인 경우, 65% 시편보다 공극률은 91% 수준이었으며, 침투수은량은 88% 수준으로평가되었다.
0이 되는 깊이, 즉 탄산화가 진행되는 깊이를 잘 예측한다고 할 수 있다. 한편 W/C가 증가할수록 생성되는 수산화칼슘의 양이 작으며, 수산화칼슘이 소모되는 시점, 즉 탄산화가 빨라지는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다. 한편 Fig.
후속연구
탄산칼슘의 열분해 영역에서는 명확한 값을 실험적으로 도출하기가 어려웠다. 시멘트페이스트를 기준으로 하여, TGA와 DGA를 같이 이용하여 분석한다면 더욱 명확하게 탄산화 전후의 수화물 변화를 평가할 수 있는 것으로 사료된다.
참고문헌 (23)
Kishitani, K, Durability of Reinforced Concrete, Gibo Press, 1963, pp.45-50
和泉意登志, 喜多達夫, 前田熙信, 中性化, 技報堂出版, 1986, pp.62-75
Ishida, T. and Maekawa, K, 'Modeling of PH Profile in Pore Water Based on Mass Transport and Chemical Equilibrium Theory', Concrete Library of JSCE, No.37, June, 2001, pp.151-166
Papadakis, V, G., Vayenas, C. G., and Fardis, M. N., 'Reaction Engineering Approach to the Problem of Concrete Carbonation', J. of AICHE, Vol.35, No.10, 1989, pp.1639-1650
Papadakis, V. G., Vayenas, C. G., and Fardis, M.N., 'Fundamental Modeling and Experimental Investigation of Concrete Carbonation', ACI Materials Journal, Vol.88, No.4, 1991, pp.363-373
Papadakis, V, G., Vayenas, C. G., and Fardis, M. N., 'Physical and Chemical Characteristics Affecting the Durability of Concrete', ACI Materials Journal, Vol. 8, No.2, 1991, pp.186-196
Song Ha-Won, Kwon Seung-Jun, Byun Keun-Joo, and Park Chan-Kyu, 'Predicting Carbonation in Early-Aged Cracked Concrete', Cement and Concrete Research, Vol.36, Issue5, May 2006, pp.979-989
RILEM TC 14m CPC18, 'Measurement of Hardened Concrete Carbonation Depth', Material and Structures, Vol.21, No.126, 1988, pp.56-58
Saeki, T., Ohga, H., and Nagataki, S, 'Change in Micro-Structure of Concrete due to Carbonation', Concrete library of JSCE, No.18, Dec. 1991, pp.1-11
Houst, Y. F. and Wittmann, F. H., 'Depth Profiles of Carbonates Formed during Natural Carbonation', Cement and Concrete Research, Vol.32, 2002, pp.1165-1176
Johannesson, B. and Utgenannt, P., 'Microstructural Changes caused by Carbonation of Cement Mortar', Cement and Concrete Research, Vol.31, 2001, pp.925-931
Ngala, V. T. and Page, C. L., 'Effects of Carbonation on Pore Structure and Diffusional Properties of Hydrated Cement Paste', Cement and Concrete Research, Vol.27, No.7, 1997, pp.995-1007
Houst, Y. F. and Wittmann, F. H., 'Influence of Porosity and Water Content on the Diffusivity of $CO_2\;and\;O_2$ through Hydrated Cement Paste', Cement and Concrete Research, Vol.24, No.6, 1994, pp.1165-1176
Isgor, O. B. and Razaqpur, A. G., 'Finite Element Modeling of Coupled Heat Transfer, Moisture Transfer and Carbonation Processes in Concrete Structures', Cement and Concrete Composites, Vol.26, Issue1, 2004, pp.57-73
Bier, T. A., Mater. Res. Soc. Symp. Proc., Boston, 85, 1986, 18pp
Maekawa, K., Chaube, R., and Kishi, T., Modeling of Concrete Performance: Hydration, Microstructure Formation and Mass Transport, Routledge, London and New York., 1999, pp.38-48
Metha, P. K. and Monteiro, P. J. M., Concrete: Structure, Properties, and Materials, 2nd Ed. Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1993
Ishida, T., Soltani, M., and Maekawa, K., 'Influential Parameters on the Theoritical Prediction of Concrete Carbonation Process', Proceedings 4th International Conference on Concrete Under Severe Conditions, Seoul, Korea 2004, pp.205-212
시설안전기술공단, 콘크리트 내구성 평가절차 수립, 연구보고서, 1999, pp.305-310
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