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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 터널구조물이 위치하게 될 환경 조건에 대하여 현장에서 타설한 숏크리트를 대상으로 코어를 채취하여 콘크리트에 유해한 황산염 및 산 환경 대한 숏크리트의 저항성을 평가하기 위하여 각각의 용액농도를 변화시켜 60주간 침지시켜 침지 재령별 외관 손상에 대한 평가와 압축 및 부착강도의 저하 원인 등을 기기분석을 통하여 알아보고자 하였다.
- 침투로 인하여 손상을 받게 된다. 본 연구에서는 2종류의 유해이온의 농도를 달리한 용액에 침지한 숏크리트 코어 공시체의 성능저하를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- (1) 외관조사 : 각각의 실험 용액에 침지한 숏크리트 코어 공시체의 성능저하 상태를 육안으로 평가하기 위하여 외관 조사를 재령별로 실시하였다.
- (3) 부착강도 : 원주형 코어공시체를 ASTM D 2936과 C 1404/C 1404M에 근거하여 glued type 방법으로 부착강도를 측정하였다(Fig. 2 참조).
- (4) XRD 분석 : 실험용액에 침지한 코어 공 시체의 반응생성물을 판정하기 위하여 X선 회절분석을 실시하였으며, 이때 측정조건은 CuK(Ni, filter) 35kV, 20mA, Scanning Speed 2℃/min, Full Scale 140cps, 2(3 = 5~60°로 하였다.
- (5) ESEM 및 EDAX 분석 : 본 연구에 사용된 주사형 전자현미경(SEM)은 philips XL30 ESEM이며, 동시에 에너지분산형 분석장치 EDS형 전자현미경 분석기(EPMA)로 성분분석을 실시하였다.
- 2종류의 용액에 침지한 숏크리트 코어공시체의 성능 저하 상태를 육안으로 비교평가하기 위하여 Fig 1을 기준으로 각각 재령별로 외관조사를 실시하였다. 우선 황산염 용액에 60주간 침지한 숏크리트 코어 공시 체의 성능 저하 상태를 각 재령별 육안으로 평가한 결과를 Table 4에 나타내었다.
- 1에 나타내었다. 이 그림에 의하여산용액의 농도별 침식을 받은 숏크리트 공시체의 외관 상태 및 성능저하 정도를 평가하였다.
- 한편 동일한 방법으로 산침식을 받은 숏크리트의 침식 저항성을 평가하기 위하여 숏크리트 코어 공시체를 pH 농도를 달리한 4종류의 용액에 60주간 침지한 후각 재령별 코어 공시체의 외관조사를 실시하였다.
- 현장배치 플랜트를 이용하여 물, 골재 및 시멘트를 자동 계량하여 혼합하였다. 설계기준강도는 21MPa 이며 배의 합은 Table 3과 같다.
대상 데이터
- (1) 시멘트 : 시멘트는 KS L 52이의 규정에 적합한 1종 보통포틀랜드시멘트이며 비중은 3.15, 비 표면적은 312m2/kg의 것을 사용하였다.
- (2) 골재 : 경북 경산지역에서 생산되는 골재를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 1과 같다.
- (3) 혼화재료 : 혼화재료는 알루미네이트계 급결제와 콘크리트 타설시 작업환경 확보와 슬럼프 조절을 목적으로 나프탈렌계 유동화제를 사용하였고, 물리적 성질은 Table 2와 같다.
이론/모형
- 5Q10mm 원주형 코어공시 체의 상. 하부면을 캪핑을 한 후 KS F 2405, KS F 2422규정에 의해 각 재령별 압축강도를 5개씩 측정하여 평균값을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 두 용액에 침지한 숏크리트 코어 공시체의 외관 조사 결과 황산염용액의 경우 침지재령 60주에서 용액의 농도에 관계없이 균열, 박리 등으로 인한 표면손상이 심각한 상태를 나타내었다. 또한 산용액의 경우 농도에 따라 다르게 나타났으나 pH1의경우 성능저하도가 심각하게 나타났다.
- 2) 황산나트륨용액에 침지한 숏크리트의 압축 및 부착 강도 결과, 초기재령에서는 수중에 침지한 공 시체의 강도결과보다 상회하는 결과를 나타내었으나침지재령 4주 이후에는 역전되는 현상을 보여주었다. 특히 부착강도의 경우 32주 이후에는 파괴에 이르러 측정이 불가하였다.
- 3) 산용액에 침지한 숏크리트의 압축 및 부착강도결과침지재령 4주까지는 농도에 관계없이 모두 유사한 결과를 나타내었으나 그 이후 재령에서 거의 직선적으로 감소하는 결과를 나타내었다.
- 4) 황산나트륨용액에 침지한 숏크리트의 경우 침지재령 초기에는 팽창성 물질인 Ettringite의 생성으로 강도증가를 나타난 반면 장기재령으로 갈 수록반응생성물의 과다 생성으로 인하여 팽창파괴와 시멘트경화체의 점착력손실 등 성능저하를 일으켰다. 이를 기기분석을 통하여 Ettringite, Thaumasite 및 Gypsum 등의 생성으로 성능저하가 발생한 것을 알 수 있었다.
- 8은 5%황산염용액에 침지한 경우의 SEM 분석 결과로서 다량의 침상 물질이 공시체 내에 존재하였으며, 이 침상 물질을 EDAX 분석결과 Ettringite 및 Thaumasite인 것을 확인할 수 있었다. 5% 황산염 용액에 침지한 숏크리트 코어 공시체의 경우 반응생성물이 숏크리트 공시체 전반에 퍼져 성능저하 상태가 심각한 수준임을 알 수 있었으며 1%, 2% 황산염용액의 경우에도 반응생성물의 영향으로 시멘트 수화 생성물인 Portlandite 및 C-S-H가 확인되지 않았으며, 수화생성물의 분해로 인하여 성능 저하가 발생한 것으로 사료된다.
- 5) 산침식을 받은 숏크리트의 경우 침상형의 Ettringite 의 생성으로 인하여 팽창에 의한 균열과 Thaumasite 및 Gypsum 등의 생성으로 인한 C-S-H 의 탈 석회화 및 연화 현상에 따른 강도 감소 현상이 일어났으며, 성능저하에 결정적인 악영향을 미치는 것으로 사료된다.
- 6이다. Fig. 5에서 알 수 있듯이침지재령 4주까지는 염산의 농도와 관계없이 모든 배합에서 유사한 강도 발현 특성을 보여 주었으나 그 이후의 재령에서는 control 제외한 pH1, pH2 및 pH3 용액에 침지한 숏크리트 코어 공시체의 압축강도 발현 특성은 침지재령이 증가할수록 거의 직선적으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 특히 pH1 코어 공 시체의 경우 침지재령 60주에서 기준 공시체에 비하여 45% 수준으로 절반에도 못 미치는 압축강도 결과를 보여줌으로써 콘크리트가 산 침식에 대하여 저항성이 취약하다는 것을 알 수 있다.
- Fig. 6은 32주간 농도를 각각 달리한 염산 용액에 숏크리트 코어 공시체를 침지한 후 재령별로 부착강도를 즉정하여 나타낸 것으로 침지 재령 2주까지는 부착 강도가 증가하는 현상을 보였으나, 이후로는 침식의 증가로 인하여 부착강도감소 경향이 나타나 침지재령 32주에서는 pH 1의 강도감소가 수중양생대비 약 46% 수준이었다. 산용액에 침지한 숏크리트 부착 강도의 경우 압축강도에 비해서 강도감소율이 낮게 나타났다.
- 8이다. Fig. 7에서 알 수 있듯이 황산염용액에 침지한 숏크리트 코어 공 시체의 XRD 분석 결과 Ettringite, Thaumasite 및 Gypsum이 검출된 반면 Portlandite의 피크는 소멸되어 숏크리트의 성능저하가 심각함을 알 수 있었다.
- Fig. 8은 5%황산염용액에 침지한 경우의 SEM 분석 결과로서 다량의 침상 물질이 공시체 내에 존재하였으며, 이 침상 물질을 EDAX 분석결과 Ettringite 및 Thaumasite인 것을 확인할 수 있었다. 5% 황산염 용액에 침지한 숏크리트 코어 공시체의 경우 반응생성물이 숏크리트 공시체 전반에 퍼져 성능저하 상태가 심각한 수준임을 알 수 있었으며 1%, 2% 황산염용액의 경우에도 반응생성물의 영향으로 시멘트 수화 생성물인 Portlandite 및 C-S-H가 확인되지 않았으며, 수화생성물의 분해로 인하여 성능 저하가 발생한 것으로 사료된다.
- 나타남을 확인할 수 있었다. pH2 용액에 침지한 공시체의 경우에는 침지 재령 16주까지 양호한 상태를 보였으나, 이후 변색 및 침식 현상이 가속화 되어 침지 재령 60주에서 붉은색으로의 변색 및 침식 현상이 크게 나타났다. 표면 손상 정도의 경우에서도 60주에서 n 등급의 성능저하 정도를 확인할 수 있었다.
- 이것은 시멘트 수화반응에 의한 수화생성물과 경화체 내부로 침투한 황산염 이온의 반응으로 인하여 생성된 팽창성 물질이 시멘트 경화체의 조직을 치밀하게 해 준 탓으로 압축강도가 증진되는 경향을 보여주고 있다. 반면침지재령 4주 이후 장기재령에서는 압축강도의 경향이 역전되어 농도가 높을수록 강도감소 현상이 크게 나타났다. 이는 장기재령으로 갈수록 팽창성 물질의과도 한 생성으로 인하여 시멘트 경화체의 균열 발생과 더불어 연화현상에 의한 강도감소가 진행된 것으로 사료되며, 침지재령 32주 이후에는 결국 파괴에 이르는 것을 볼 수 있었다.
- 9이다. 수중양생을 실시한 숏크리트코어 공시체의 XRD 분석 결과의 경우 시멘트 주요 수화생성물질로써 결정성 물질인 Portlandite 피크가 소실된 반면 Quartz 피크가 크게 나와 상대적으로 성능 저하 물질인 Ettringite와 Thaumasite의 피크가 나타나지 않은 것으로 사료되며 이를 SEM & EDS 분석을 통하여 Ettringite 및 Thaumasite 등의 성능 저하 물질이 생성됨을 알 수 있었다(Fig. 10 참조).
- 발생하였다. 외관손상에 의한 성능저하 등급에서도 침지 재령 60 주에서는 V등급으로 표면 손상 정도가 크게 나타남을 확인 할 수 있었다.
- 3이다. 이 그림에서 알 수 있듯이 초기재령에서 황산나트륨용액에 침지한 숏크리트 코어 공시체의 압축강도는 수중양생 숏크리트의 압축강도를 상회하였으며, 이러한 현상은 농도가 높을수록 압축강도 증가 현상이 뚜렷이 나타나 5% 황산나트륨 용액의 경우 재령 4주에서 수중양생대비 압축강도가 약 17% 정도 높은 현상을 보였다. 이것은 시멘트 수화반응에 의한 수화생성물과 경화체 내부로 침투한 황산염 이온의 반응으로 인하여 생성된 팽창성 물질이 시멘트 경화체의 조직을 치밀하게 해 준 탓으로 압축강도가 증진되는 경향을 보여주고 있다.
- 일으켰다. 이를 기기분석을 통하여 Ettringite, Thaumasite 및 Gypsum 등의 생성으로 성능저하가 발생한 것을 알 수 있었다.
- 이 표에서 알 수 있듯이 5% 황산나트륨 용액의 경우 침지 재령 4주부터 팽창에 의한 균열이 발생하였으며, 재령 16주에서는 균열에 의한 박리와 탈락현상이 두드러지게 나타났다. 특히 침지재령 60주에서는 성능저하 V등급으로 탈락에 의한 손상으로 형태를 알아볼 수 없을 정도로 극심한 성능 저하 현상이 나타났다.
- 표면 손상 정도를 관찰한 경우에서도 pH1 농도의 성능 저하 등급은 60주에서 W 등급으로 큰 성능저하 현상이 나타남을 확인할 수 있었다. pH2 용액에 침지한 공시체의 경우에는 침지 재령 16주까지 양호한 상태를 보였으나, 이후 변색 및 침식 현상이 가속화 되어 침지 재령 60주에서 붉은색으로의 변색 및 침식 현상이 크게 나타났다.
- pH2 용액에 침지한 공시체의 경우에는 침지 재령 16주까지 양호한 상태를 보였으나, 이후 변색 및 침식 현상이 가속화 되어 침지 재령 60주에서 붉은색으로의 변색 및 침식 현상이 크게 나타났다. 표면 손상 정도의 경우에서도 60주에서 n 등급의 성능저하 정도를 확인할 수 있었다. 산용액에 침지한 숏크리트 코어 공시체의 경우 알칼리 성분인 수산화칼슘과 직접적으로 반응하여 표면에서의 침식작용이 크게 보였다.
후속연구
- 이상의 결과를 토대로 유해환경에 놓이는 터널 구조물의 경우 적은량의 유해이온이라 할지라도 장기간 노출되면 시멘트경화체에 손상을 주는 원인이 되므로 화학적 침식에 대한 충분한 검토가 실시되어야 할 것으로 판단된다.
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