[논문]항만 콘크리트 구조물에 대한 탄산화 해석

한상훈; 박우선

항만 콘크리트 구조물에 대한 탄산화 해석
Analysis of Carbonation for Harbor Concrete Structure 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.20 no.6, 2008년, pp.575 - 582

한상훈 (한국해양연구원 연안개발에너지연구부) , 박우선 (한국해양연구원 연안개발에너지연구부)

초록
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콘크리트 구조물의 내구성 저하에 큰 영향을 미치는 요인 중의 하나로 인식되고 있는 탄산화가 항만 구조물에 미치는 영향을 현장실험결과를 바탕으로 정량적으로 평가하고자 하였다. 전국 65개 항만시설의 369개소의 탄산화 깊이 측정결과를 이용하여 강도와 탄산화 깊이의 상관관계 및 피복두께와 탄산화 깊이의 상관관계 등에 대해서 고찰하였다. 또한, 기존 탄산화 모델식들과 계측결과들을 비교하고 실험결과들을 바탕으로 신뢰성 이론을 기반으로한 탄산화에 의한 내구성 파괴확률(철근부식확률)을 검토하였다. 현장실험결과에 의하면 대부분의 탄산화 깊이가 피복두께의 0.2배 이하 수준이었다. 또한, 강도의 증가에 따라 탄산화 깊이가 감소하고 재령의 증가에 따라 탄산화 깊이가 증가함을 관찰하였다. 신뢰성이론을 기반으로 탄산화에 의한 내구성 파괴확률을 판단하였는데, 대부분의 경우에 부식확률이 10%미만으로 관찰되었다. 따라서, 탄산화 단일열화조건으로는 항만 콘크리트 구조물의 내구성 저하에 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Carbonation is one of major factors influencing on the durability of concrete structure. This paper investigates the effect of carbonation on the soundness of harbor concrete structure and quantifies the influence of carbonation based on in-situation data tested at 369 points in 69 harbor facilities. The relationships between carbonation depth and cover depth, and between carbonation depth and compressive strength are studied and the failure probability of durability, that is the initiation probability of steel corrosion, is evaluated on the basis of reliability concept. The in-situation test results showed that the ratio of carbonation depth to cover depth was less than 0.2, and the carbonation depth increased with age. In most cases, the failure probability of durability by carbonation was less than 10%. Therefore, it can be concluded that the influence of carbonation on the durability of harbor concrete structure is smaller than other factors deteriorating the durability of harbor concrete structure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

6수준의 탄산화 깊이의 변동성을 나타낼 수 없다. 따라서, 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 JCI 와 Kishitani 모델식을 바탕으로 탄산화의 철근부식을 확률을 평가함에 있어, 평균값은 기존 모델식의 예측값들을 사용하지만 표준편차는 현장실험에서 나타난 변동계수 중에서 가장 큰 값인 0.6정도의 변동계수를 바탕으로 탄산화 예측깊이의 표준편차를 구하고자 한다. 예측 모델식들은 실험결과를 바탕으로 회귀분석한 것으로 현장실험에 의한 변동계수값을 예측식의 값으로 차용하는 것은 큰 무리가 없을 것을 생각된다.
본 연구에서는 65개의 항만시설의 369개소의 탄산화 현장실험결과(한국건설품질연구원, 2004-2006)를 통하여 항만 구조물에서 탄산화 특성을 파악하고 이를 정량화하고자 한다. 또한, 신뢰성 이론을 바탕으로 탄산화에 의한 구조물의 내구성 저하 가능성을 평가하는 기법을 고찰하였고 평가 시에 필요한 핵심자료를 통계적인 분석을 바탕으로 제시하였다.
본 연구에서는 65개의 항만시설의 369개소의 탄산화 현장실험결과(한국건설품질연구원, 2004-2006)를 통하여 항만 구조물에서 탄산화 특성을 파악하고 이를 정량화하고자 한다. 또한, 신뢰성 이론을 바탕으로 탄산화에 의한 구조물의 내구성 저하 가능성을 평가하는 기법을 고찰하였고 평가 시에 필요한 핵심자료를 통계적인 분석을 바탕으로 제시하였다.
본 연구에서는 65개의 항만시설의 369개소의 탄산화 현장실험결과(한국건설품질연구원, 2004-2006)를 통하여 항만 구조물에서 탄산화 특성을 파악하고 이를 정량화하고자 한다. 또한, 신뢰성 이론을 바탕으로 탄산화에 의한 구조물의 내구성 저하 가능성을 평가하는 기법을 고찰하였고 평가 시에 필요한 핵심자료를 통계적인 분석을 바탕으로 제시하였다.
이러한 신뢰성 이론 기반 해석에서 가장 필요한 것 중의 하나가 변수들의 변동계수를 얻는 것이다. 이에 본 연구에서는 현장실험결과를 바탕으로 탄산화 깊이에 대한 변동계수를 고찰해 보았다.

제안 방법

재령에 따른 탄산화 깊이를 예측하는 여러 가지 모델식이 제시되어있다. 이러한 식 중에서 일반적으로 많이 알려져 있고 사용되는 JCI와 Kishitani 모델식 및 유럽쪽의 모델식인 RILEM 130 위원회에서 제시한 모델식과 측정된 데이터를 비교하였다(이창수 등, 2007; Sarja 등, 1996).
전국 65개 항만시설의 369개소의 탄산화 깊이 측정결과를 이용하여 항만구조물에서 탄산화 특성을 파악하고 이를 정량화하였다. 또한, 신뢰성 이론을 바탕으로 탄산화에 의한 구조물의 내구성 저하 가능성을 평가하는 기법을 고찰하였고 평가시에 필요한 핵심자료를 통계적인 분석을 바탕으로 제시하였다.
8은 물-시멘트비, 피복두께의 변동계수, 재령에 따른 신뢰도지수 변화를 나타내고 있다. 피복두께는 5 cm이고 일반적으로 내구신뢰성해석에서 사용되는 피복두께의 변동계수범위가 0.1과 0.3사이이므로 변동계수가 0.1과 0.3일 결과를 고찰하였다. 또한, 물-시멘트비는 현장실험분석에서 사용한 0.

데이터처리

앞에서 언급한 바와 같이 대부분의 현장 구조물의 설계 기준강도는 21, 24, 28 MPa 중의 하나이므로 전체 실험결과들을 설계기준강도별로 분류하고 실험데이타들이 많은 재령을 3에서 4년 정도의 단위로 묶었다. 이러한 데이터 중에서 최소한 데이터 개수가 25개 이상인 그룹들을 가려내고 이 그룹들의 탄산화와 압축강도의 평균값과 표준편차를 구하였다(Table 1). Table 1과 같이 탄산화 깊이의 표준편차는 0.

성능/효과

3에 나타낸 탄산화깊이와 피복두께의 비를 나타낸 그림에서도 확인할 수 있다. 369개의 데이터 중에서 347개의 지점에서 측정된 탄산화 깊이가 피복두께의 10% 미만이고 나머지 측정 데이타들도 피복두께의 20% 미만임을 알 수 있다. 이러한 결과를 종합하면 항만구조물에서의 탄산화 깊이는 내륙에 위치해 있는 구조물에 비해서 작고 재령이 20-30년 경과해도 피복두께의 10-20%에 해당되는 깊이만큼만 탄산화가 진전됨으로 탄산화만의 단일요인에 의해서 항만구조물 내부의 철근이 부식되는 경우는 많지 않을 것으로 판단된다(Richardson, 2002).
이것은 탄산화에 미치는 외부영향요인들의 변동성이 압축강도보다 커서 탄산화 깊이가 압축강도보다 휠씬 더 큰 변동성을 보인 것으로 판단된다. Table 1의 내용을 종합해 본다면 탄산화에 대한 신뢰성 해석 시에 사용되는 탄산화 깊이의 변동 계수는 0.5에서 0.6정도를, 압축강도의 변동계수는 0.1에서 0.2정도를 사용하면 될 것으로 사료된다.
6은 슈미트해머법에 의한 압축강도와 탄산화 깊이를 재령별로 나타내고 있다. 각 재령영역별로 탄산화 깊이와 압축강도의 상관관계를 보면 강도가 감소할수록 탄산화깊이가 증가하는 경향을 관찰할 수 있다. 이러한 경향은 10년 이내의 재령보다는 20년 이상의 재령에 해당되는 실험값들에서 좀 더 분명하게 관찰할 수 있음을 경향선 분석 (선형회귀분석 결과)을 통해서 확인할 수 있다.
3 수준이다(예, 거가대교 침매터널). 따라서, Fig. 8에 나타난 결과를 종합해보면 0.47정도의 물-시멘트비를 가지면 탄산화에 의한 내구성파괴확률이 무시할 정도로 작으며, 물-시멘트비 0.53인 경우도 특별한 85년 정도의 재령까지는 탄산화에 의한 내구성파괴확률이 상당히 작을 것임을 알 수 있다. 근래에 건설되는 항만구조물들의 피복두께가 7 cm이상인 것을 감안한다면 이러한 내구성파괴확률값은 더 낮아질 것이다.
즉, 항만구조물에서는 재령이 20-30년 경과해도 탄산화 깊이는피복두께의 10-20% 수준인 것으로 파악되었다. 또한, 현장실험결과로부터 강도의 증가에 따라 탄산화 깊이가 감소하고 재령의 증가에 따라 탄산화 깊이가 증가함을 관찰할 수 있었다. 신뢰성이론을 기반으로 탄산화에 의한 내구성 파괴확률을 판단하였는데, 대부분의 경우에 부식확률이 10% 미만으로 평가되었다.
또한, 현장실험결과로부터 강도의 증가에 따라 탄산화 깊이가 감소하고 재령의 증가에 따라 탄산화 깊이가 증가함을 관찰할 수 있었다. 신뢰성이론을 기반으로 탄산화에 의한 내구성 파괴확률을 판단하였는데, 대부분의 경우에 부식확률이 10% 미만으로 평가되었다. 이러한 연구결과를 종합해 볼 때, 단일열화조건의 탄산화만으로는 항만 콘크리트 구조물의 내구성 저하에 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단하였다.
369개의 데이터 중에서 347개의 지점에서 측정된 탄산화 깊이가 피복두께의 10% 미만이고 나머지 측정 데이타들도 피복두께의 20% 미만임을 알 수 있다. 이러한 결과를 종합하면 항만구조물에서의 탄산화 깊이는 내륙에 위치해 있는 구조물에 비해서 작고 재령이 20-30년 경과해도 피복두께의 10-20%에 해당되는 깊이만큼만 탄산화가 진전됨으로 탄산화만의 단일요인에 의해서 항만구조물 내부의 철근이 부식되는 경우는 많지 않을 것으로 판단된다(Richardson, 2002).
신뢰성이론을 기반으로 탄산화에 의한 내구성 파괴확률을 판단하였는데, 대부분의 경우에 부식확률이 10% 미만으로 평가되었다. 이러한 연구결과를 종합해 볼 때, 단일열화조건의 탄산화만으로는 항만 콘크리트 구조물의 내구성 저하에 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단하였다. 그러나, 탄산화가 염해를 가속화시킬 수 있다는 연구들이 있으므로 향후 이에 대한 세밀한 검토는 필요할 것으로 판단된다.
현장실험결과에 의하면 측정된 90%이상의 지점에서 탄산화 깊이가 피복두께의 10%미만이고 나머지 측정데이타들도 피복두께의 20% 미만임을 알 수 있었다. 즉, 항만구조물에서는 재령이 20-30년 경과해도 탄산화 깊이는피복두께의 10-20% 수준인 것으로 파악되었다. 또한, 현장실험결과로부터 강도의 증가에 따라 탄산화 깊이가 감소하고 재령의 증가에 따라 탄산화 깊이가 증가함을 관찰할 수 있었다.
또한, 신뢰성 이론을 바탕으로 탄산화에 의한 구조물의 내구성 저하 가능성을 평가하는 기법을 고찰하였고 평가시에 필요한 핵심자료를 통계적인 분석을 바탕으로 제시하였다. 현장실험결과에 의하면 측정된 90%이상의 지점에서 탄산화 깊이가 피복두께의 10%미만이고 나머지 측정데이타들도 피복두께의 20% 미만임을 알 수 있었다. 즉, 항만구조물에서는 재령이 20-30년 경과해도 탄산화 깊이는피복두께의 10-20% 수준인 것으로 파악되었다.

후속연구

이러한 연구결과를 종합해 볼 때, 단일열화조건의 탄산화만으로는 항만 콘크리트 구조물의 내구성 저하에 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단하였다. 그러나, 탄산화가 염해를 가속화시킬 수 있다는 연구들이 있으므로 향후 이에 대한 세밀한 검토는 필요할 것으로 판단된다.
근래에 건설되는 항만구조물들의 피복두께가 7 cm이상인 것을 감안한다면 이러한 내구성파괴확률값은 더 낮아질 것이다. 탄산화 단일열화조건에 대해서는 내구성 파괴 확률이 거의 없는 것으로 검토되었지만 탄산화가 염해를 가속화시킬 수 있다는 연구들이 있으므로 향후 이에 대한 세밀한 검토는 필요할 것으로 판단된다(오병환 등, 2005).
예를 들어, 실내실험에서 실린더를 이용하여 탄산화 깊이를 측정하면, 최소한 3-6개 지점의 착색되지 않은 깊이를 측정하여 평균값으로 탄산화 깊이를 선정하지만 안전진단회사에서의 현장측정에서는 그렇지 못하다. 하지만, 항만구조 물에 대한 현장 탄산화 시험은 같은 장소와 유사한 구조물에서 상당히 많은 수의 측정이 이루어지므로 이러한 값들을 모두 분석에 사용한다면 실내실험과 비교해서 큰 오차를 가질 것으로 판단되지는 않는다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염해는 무엇인가?	이 중에서 항만구조물에 치명적인 영향을 미치는 것으로 알려진 것은 염해이다. 염해는 염소이온의 침투로 인해 철근 주변 부동태피막의 파괴로 철근이 부식되는 현상이다. 반면에 탄산화는 대기 중의 이산화탄소가 콘크리트 내부로 침투하여 철근 주변이 중성화되어 알카리 상태에서만 존재하는 철근의 부동태 피막이 파괴되어 철근 부식이 발생하는 것이다.
	콘크리트구조물의 내구성 저하요인으로 어떤 것들이 있는가?	콘크리트구조물의 내구성 저하요인으로는 염해, 탄산화, 동해, 알카리 골재 반응 등이 있다. 이 중에서 항만구조물에 치명적인 영향을 미치는 것으로 알려진 것은 염해이다.
	콘크리트구조물의 내구성 저하요인 중 항만구조물에 치명적인 영향을 미치는 것으로 알려진 것은 무엇인가?	콘크리트구조물의 내구성 저하요인으로는 염해, 탄산화, 동해, 알카리 골재 반응 등이 있다. 이 중에서 항만구조물에 치명적인 영향을 미치는 것으로 알려진 것은 염해이다. 염해는 염소이온의 침투로 인해 철근 주변 부동태피막의 파괴로 철근이 부식되는 현상이다.

참고문헌 (24)

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Richardson, M. G. (2002). Fundamentals of durable reinforced concrete. Spon press, 77-100
Sarja, A. and Vesikari, E. (2002). Durability design of concretestructures. Report of RILEM Technical Committee 130-CSL, Taylor & francis, 131-135

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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