단위시멘트량이 다른 콘크리트 중에서의 철근부식 임계염화물량에 관한 연구 Study on the Critical Threshold Chloride Content for Steel Corrosion in Concrete with Various Cement Contents원문보기
콘크리트 중의 철근부식은 콘크리트 제조시 초기부터 콘크리트 중에 존재하는 염소이온과 기상작용 등의 환경요인에 의하여 외부로부터 침투하는 염소이온이 어느 값 (임계염화물량) 이상의 경우에 발생한다. 이 때문에 각 국에서는 콘크리트 중의 염소이온량의 상한치를 규제하고 있으며, 국가별 상황에 적절하게 상이한 방법으로 규제하고 있다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 중 염소이온량의 합리적인 규제방법을 제안하기 위하여, 단위시멘트량이 다른 콘크리트 중의 염소이온에 의한 철근부식 임계 염화물량을 실험적으로 산출하였다. 그 결과, 철근부식 임계염화물량은 단위시멘트량의 변화에 따라 크게 변화하는 것을 알 수 있었다. 또한, 실험으로부터 얻어진 철근부식 임계염화물량은 기존의 모델계산의 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다. 현행과 같이 철근부식 임계염화물량을 콘크리트 단위체적 당의 양 (콘크리트 총량표기)으로 단위시멘트량에 관계없이 일률적으로 관리하면, 단위시멘트량 등의 콘크리트 배합조건, 환경조건의 변화 등이 철근부식 임계염화물량에 미치는 영향을 고려할 수 없을 것으로 판단된다. 따라서, 철근부식 임계염화물량을 단위시멘트량 당의 양 (시멘트 종량표기)으로 표기하는 것으로, 단위시멘트량에 관계없이 일정한 값으로 표시할 수 있기 때문에 합리적이라고 판단된다.
콘크리트 중의 철근부식은 콘크리트 제조시 초기부터 콘크리트 중에 존재하는 염소이온과 기상작용 등의 환경요인에 의하여 외부로부터 침투하는 염소이온이 어느 값 (임계염화물량) 이상의 경우에 발생한다. 이 때문에 각 국에서는 콘크리트 중의 염소이온량의 상한치를 규제하고 있으며, 국가별 상황에 적절하게 상이한 방법으로 규제하고 있다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 중 염소이온량의 합리적인 규제방법을 제안하기 위하여, 단위시멘트량이 다른 콘크리트 중의 염소이온에 의한 철근부식 임계 염화물량을 실험적으로 산출하였다. 그 결과, 철근부식 임계염화물량은 단위시멘트량의 변화에 따라 크게 변화하는 것을 알 수 있었다. 또한, 실험으로부터 얻어진 철근부식 임계염화물량은 기존의 모델계산의 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다. 현행과 같이 철근부식 임계염화물량을 콘크리트 단위체적 당의 양 (콘크리트 총량표기)으로 단위시멘트량에 관계없이 일률적으로 관리하면, 단위시멘트량 등의 콘크리트 배합조건, 환경조건의 변화 등이 철근부식 임계염화물량에 미치는 영향을 고려할 수 없을 것으로 판단된다. 따라서, 철근부식 임계염화물량을 단위시멘트량 당의 양 (시멘트 종량표기)으로 표기하는 것으로, 단위시멘트량에 관계없이 일정한 값으로 표시할 수 있기 때문에 합리적이라고 판단된다.
Reinforced concrete starts to corrode when the chloride ion concentration which is the sum of included in concrete and penetrated from environments exceeds a certain level of critical chloride concentration. Therefore each country regulates the upper bounds of chloride amount in concrete and the reg...
Reinforced concrete starts to corrode when the chloride ion concentration which is the sum of included in concrete and penetrated from environments exceeds a certain level of critical chloride concentration. Therefore each country regulates the upper bounds of chloride amount in concrete and the regulations are different for each country due to its circumstances. In this study, the critical threshold chloride content according to unit cement amount is empirically calculated to propose a reasonable regulation method on the chloride amount. As a result, the critical threshold chloride content increases considerably according to cement content and it agrees with the established theories. The present regulations on total chloride amount 0.3 or 0.6 kg chloride ions per $1\;m^3$ of concrete does not reflect the influences of mix design, environmental conditions and etc. So it can be said that it is more reasonable to regulate the critical threshold chloride content by the ratio of chloride amount per unit cement content than by the total chloride content in $1\;m^3$ of concrete.
Reinforced concrete starts to corrode when the chloride ion concentration which is the sum of included in concrete and penetrated from environments exceeds a certain level of critical chloride concentration. Therefore each country regulates the upper bounds of chloride amount in concrete and the regulations are different for each country due to its circumstances. In this study, the critical threshold chloride content according to unit cement amount is empirically calculated to propose a reasonable regulation method on the chloride amount. As a result, the critical threshold chloride content increases considerably according to cement content and it agrees with the established theories. The present regulations on total chloride amount 0.3 or 0.6 kg chloride ions per $1\;m^3$ of concrete does not reflect the influences of mix design, environmental conditions and etc. So it can be said that it is more reasonable to regulate the critical threshold chloride content by the ratio of chloride amount per unit cement content than by the total chloride content in $1\;m^3$ of concrete.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 침투기간 7주 및 17주의 공시체를 해체하여 콘크리트 (또는 모르타르) 내부의 철근부식 상황을 관찰하였다. 그 결과 침투기간 7주에서는 모든 공시체에서 철근의 부식을 확인할 수 없었다.
에 미치는 영향을 검토하였다. 또 실험 결과와 모델 계산에 의한 값의 비교를 통하여 콘크리트 중의 철근부식 기구를 재확인하는 것과 함께, 성능조사 및 유지관리에 필요한 Cth의 합리적인 설정 방법에 대하여 고찰하였다.
이 때문에 본 연구에서는 콘크리트의 배합, 특히 단위시멘트량이 다른 콘크리트 중의 철근부식 실험을 행하여 콘크리트의 단위시멘트량이 Cth에 미치는 영향을 검토하였다. 또 실험 결과와 모델 계산에 의한 값의 비교를 통하여 콘크리트 중의 철근부식 기구를 재확인하는 것과 함께, 성능조사 및 유지관리에 필요한 Cth의 합리적인 설정 방법에 대하여 고찰하였다.
제안 방법
측정에 사용된 대극센서는 센터대극 및 가드대극 (전류분산을 제어)으로 구성된 2중 대극센서로서, 철근의 측정면적을 센터대극 하부 Φ40 mm 내로 한정할 수 있는 기능을 가지고 있다.3)분극저항은 이 측정으로 얻어진 cole-cole plot 로부터 산출하였다.
공기량은 콘크리트 (또는 모르타르) 중의 기포, 특히 갇힌 공기가 Cth에 미치는 영향을 배제하기 위하여 소포제를 첨가하여 철근주변에 발생하는 기포를 억제하였다. 유동성에 대해서는 배합을 고정인자 (물-시멘트비)와 변동인자 (단위시멘트량)로 설정하기 위하여 특별히 제어하지는 않았다.
또한 Cl-의 침투는 시멘트페이스트 부분에서만 이루어지기 때문에, 면분석 데이터로부터 Cl-이 침투한 시멘트 페이스트 부분과 그 이외의 골재부분을 분리할 목적으로, Cl-이외의 화학성분, 즉 CaO, SiO2, SO3의 구성원소인 Ca, Si, S에 대해서도 동시에 분석하였다.4)
의 범위에서 변화시켰다. 배합은 굵은골재의 유무가 실험 결과에 미치는 영향을 파악하기 위하여 모르타르 및 콘크리트로 나누어 공시체를 제작하였으며, 모르타르 공시체는 단위시멘트량 400~700 kg/m3의 범위에서, 콘크리트 공시체는 300~400 kg/m3의 범위에서 제작하였다. Table 2의 공시체명에서 C는 콘크리트 공시체를, M은 모르타르 공시체를 나타내며, 각각의 숫자는 단위시멘트량이다.
본 연구에서는 단위시멘트량이 다른 콘크리트에서의 철근부식 임계염화물량 (Cth)을 실험적으로 산출하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
분극저항의 경시변화로부터 철근이 부식하고 있다고 판단된 시점에서 공시체를 해체하여 실제 철근의 부식상황을 육안 관찰하였다. 여기서 철근부식이 확인된 공시체는 Fig.
시험체는 재령 1일에 탈형하여 재령 28일까지 수중양생을 실시한 후, 시험 (Ponding 시험)을 개시하였다.
분극저항의 경시변화로부터 철근이 부식하고 있다고 판단된 시점에서 공시체를 해체하여 실제 철근의 부식상황을 육안 관찰하였다. 여기서 철근부식이 확인된 공시체는 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 철근부식 단부까지의 부식길이 (Lc)를 측정하였으며, 철근부식 단부에 해당하는 피복 콘크리트 (Cfront)를 배근의 경사를 고려하여 환산하였다.
총 Cl-의 면분석 데이터는 수평방향에 평균하는 것으로, 연직방향 즉 Cl-침투방향의 총 Cl-농도분포곡선에서 Cfront에 대응하는 총 Cl-농도가 철근부식 임계염화물량에 해당하는 것으로 판정하여, Fig. 3에 나타낸 것과 같이 Cth을 산정하였다.
1에 나타낸 것과 같이 철근을 경사지게 배치하여 동일 단면 내에서 피복 콘크리트를 연속적으로 변화시켰다. 콘크리트 (또는 모르타르)는 블리딩에 의해 철근과의 계면에서 공극이 발생하는 것을 최대한 억제하기 위하여 1차 물-시멘트비 24%, 2차 물-시멘트비 36%의 더블 믹싱법2)으로 혼합하였으며, 콘크리트의 타설은 철근의 연직방향으로 실시하여 철근과 콘크리트와의 밀착성을 충분히 확보하였다.
대상 데이터
16 g/cm3, 비표면적 : 3,300 cm2/g)는 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 골재는 다음의 Table 1과 같은 특성을 가진 골재를 사용하였다. 굵은 골재는 공시체의 형상 및 피복 콘크리트의 두께를 고려하여 최대 치수 10 mm의 골재를 사용하였다. 또한, 공기량을 조절하기 위하여 소포제 (이하 T)를 소량 사용하였으며, 철근은 이형철근 (D13)을 표면의 흑피를 제거하여 사용하였다.
굵은 골재는 공시체의 형상 및 피복 콘크리트의 두께를 고려하여 최대 치수 10 mm의 골재를 사용하였다. 또한, 공기량을 조절하기 위하여 소포제 (이하 T)를 소량 사용하였으며, 철근은 이형철근 (D13)을 표면의 흑피를 제거하여 사용하였다.
시멘트 (비중 : 3.16 g/cm3, 비표면적 : 3,300 cm2/g)는 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였으며, 골재는 다음의 Table 1과 같은 특성을 가진 골재를 사용하였다. 굵은 골재는 공시체의 형상 및 피복 콘크리트의 두께를 고려하여 최대 치수 10 mm의 골재를 사용하였다.
측정에 사용된 대극센서는 센터대극 및 가드대극 (전류분산을 제어)으로 구성된 2중 대극센서로서, 철근의 측정면적을 센터대극 하부 Φ40 mm 내로 한정할 수 있는 기능을 가지고 있다.
이론/모형
공시체 상면에 대극센서를 설치하고, Fig. 1에 나타낸 것과 같이 피복 콘크리트 10 mm, 15 mm 및 20 mm에서 철근의 분극저항을 교류임피던스법 (인가교류전압 10 mV, 주파수 10 Hz~10 mHz)에 의하여 측정하였다. 측정에 사용된 대극센서는 센터대극 및 가드대극 (전류분산을 제어)으로 구성된 2중 대극센서로서, 철근의 측정면적을 센터대극 하부 Φ40 mm 내로 한정할 수 있는 기능을 가지고 있다.
콘크리트 부분 (또는 모르타르 부분)의 시료 (치수 65 × 50 × 10 mm)를 Fig. 2와 같이 채취하여, 일본토목학회 규준 (안) JSCE-G574-2005에 준하여 EPMA에 의한 Cl-의 면분석을 행하였다.
성능/효과
1) 콘크리트 중의 철근부식 임계염화물량은 콘크리트 단위 체적당의 양으로서 표기 (콘크리트 총량표기) 했을 때, 단위시멘트량의 증가에 비례하는 형태로 증가하지만, 단위 시멘트량 당의 양으로서 표기 (시멘트 종량표기)했을 경우에는 단위시멘트량에 의하지 않고 거의 일정하게 됨을 알 수 있었다.
2) 본 연구의 실험 결과와 기존의 해석모델을 적용하여 [#]/ [OH-]의 값을 검토한 결과, 약 1.2~1.4가 됨을 알 수 있었다.
3) 철근부식 임계염화물량이 단위시멘트량 등의 콘크리트 배합조건에 따라 변화하는 것을 고려하면, 콘크리트 중의 염소이온 규제는 철근부식 메커니즘이 반영된 시멘트 종량규제가 합리적인 방법으로 판단된다.
따라서 본 실험에서 얻은 Cth의 값을 콘크리트 중의 Cth로 그대로 적용할 수는 없으나, 현실을 고려한 적절한 규제치로서의 Cl-량을 고려하는 것과 동시에, Cth의 표기 방법으로서 시멘트 종량을 채용하는 것이 철근의 부식원리를 반영한 콘크리트의 배합적 요인 등을 고려할 수 있기 때문에 합리적인 표기방법인 것으로 판단된다.
따라서, Kth의 실측방법에 대해서는 추가적인 검토가 필요하겠지만, 콘크리트 중의 철근부식기구에 의거한 모델계산에 의해서, 실험결과와 같이 단위시멘트량이 다른 배합에 있어서의 Cth를 설명하는 것이 가능하다고 판단된다.
이 경우의 총 Cl-은 단위시멘트량에 관계없이 분포곡선이 거의 일정한 경향을 보였다. 이로부터 시멘트 종량표기가 콘크리트 총량표기의 경우와 비교하여 단위시멘트량에 의한 영향을 거의 받지 않는다는 것을 알 수 있었다.
이것은 콘크리트 총량 표기의 Cth가 단위시멘트량에 크게 의존하는 원인으로 생각할 수 있다. 철근부식에 관한 Cl-량은 콘크리트 단위체적 당의 양으로가 아닌, 시멘트페이스트량과 그 조성(즉, 단위시멘트량)에 따라 취급할 수 있는 것을 실험적으로 검증할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 중의 철근부식이란?
콘크리트 중의 철근부식은 내부 또는 외부로부터의 염소이온 (이하 Cl-)의 작용에 의해 발생하는 열화현상이다. 이 철근부식에는 기상작용 등의 외적조건 이외에도 콘크리트 자체의 품질에도 크게 영향을 받는다.
철근부식은 무엇에 영향을 받는가?
콘크리트 중의 철근부식은 내부 또는 외부로부터의 염소이온 (이하 Cl-)의 작용에 의해 발생하는 열화현상이다. 이 철근부식에는 기상작용 등의 외적조건 이외에도 콘크리트 자체의 품질에도 크게 영향을 받는다. 따라서 철근 부식에 대한 성능 조사를 행할 경우에는 콘크리트의 배합, 품질, 사용환경 등의 다양한 영향인자를 고려하여 Cl-의 부식한계농도 (철근부식 임계염화물량, 이하 Cth)를 설정하는 것이 중요하다.
단위시멘트량이 다른 콘크리트에서의 철근부식 임계염화물량을 실험적으로 산출한 결과는 어떠한가?
1) 콘크리트 중의 철근부식 임계염화물량은 콘크리트 단위 체적당의 양으로서 표기 (콘크리트 총량표기) 했을 때, 단위시멘트량의 증가에 비례하는 형태로 증가하지만, 단위 시멘트량 당의 양으로서 표기 (시멘트 종량표기)했을 경우에는 단위시멘트량에 의하지 않고 거의 일정하게 됨을 알 수 있었다.
2) 본 연구의 실험 결과와 기존의 해석모델을 적용하여 [#]/ [OH-]의 값을 검토한 결과, 약 1.2~1.4가 됨을 알 수 있었다.
3) 철근부식 임계염화물량이 단위시멘트량 등의 콘크리트 배합조건에 따라 변화하는 것을 고려하면, 콘크리트 중의 염소이온 규제는 철근부식 메커니즘이 반영된 시멘트 종량규제가 합리적인 방법으로 판단된다.
참고문헌 (11)
한국콘크리트학회, 콘크리트표준시방서 해설, 한국콘크리트학회, 2004. 2, pp. 309-401
田澤榮一, 井哲, "フレッシュセメントペ一ストのダブルミキシング果," 日本土木？？論文集, 第 396, Vol. 9, Aug. 1998, pp. 135-142
田優, "筋腐食診機器の開？", 電力土木, No. 257, May 1995, pp. 64-77
Buntur, A., Diamond, S., and Berke, N. S., Steel Corrosion in Cconcrete, E&FN SPON, Oct. 1997, pp. 24-28
Hausman, D. A., Steel Corrosion in Concrete, Material Protection, 1967, pp. 19-22
Tang L., Nilsson L. O., "Chloride Binding Capacity and Binding Isotherms of OPC Pastes and Mortar," Cement and Concrete Research, Vol. 23, 1993, pp. 247-253
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