콘크리트에 존재하는 균열은 염소이온의 빠른 침투를 유도하여 콘크리트의 내구성을 크게 감소시키는 주요 요인임은 분명한 사실이다. 저자는 지난 연구에서 표면에서부터, 임계균열폭에 대응한 균열길이가 내구성 설계에 중요함을 제안하였다. 현 시점에서 균열에 영향을 미치는 다양한 콘크리트의 배합특성이 균열부를 통한 염소이온의 침투에 미치는 영향을 다룬 연구가 필요하다. 본 연구의 목적은 콘크리트의 굵은골재 최대치수, 콘크리트의 고강도화, 강섬유 보강 등의 다양한 배합특성이 균열을 통한 염소이온의 침투에 미치는 영향을 고찰하는 것이다. 연구 결과에 의하면, 굵은골재 최대치수가 작은 골재를 함유한 콘크리트는 많은 미세균열이 발생하지만, 염소이온 침투에 직접적인 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다. 그러나, 굵은골재 최대치수가 상대적으로 큰 콘크리트의 경우, 골재 표면을 통해 균열이 발전하여 서로 연결되기 쉽고 이는 빠른 염소이온 침투를 유도하는 것으로 판단된다. 또한, 고강도콘크리트는 균열이 없는 조건에서는 염소이온의 침투에 대한 저항성이 대단히 우수하였으나, 균열이 존재하면 보통콘크리트와 거의 유사한 수준으로 염소이온이 침투되므로 균열의 발생시, 내구성능이 매우 취약해짐을 알 수 있었다. 강섬유의 보강은 인장 응력 발생시 균열의 진전을 효과적으로 제어하여 균열길이가 감소하는 효과를 얻을 수 있었다.
콘크리트에 존재하는 균열은 염소이온의 빠른 침투를 유도하여 콘크리트의 내구성을 크게 감소시키는 주요 요인임은 분명한 사실이다. 저자는 지난 연구에서 표면에서부터, 임계균열폭에 대응한 균열길이가 내구성 설계에 중요함을 제안하였다. 현 시점에서 균열에 영향을 미치는 다양한 콘크리트의 배합특성이 균열부를 통한 염소이온의 침투에 미치는 영향을 다룬 연구가 필요하다. 본 연구의 목적은 콘크리트의 굵은골재 최대치수, 콘크리트의 고강도화, 강섬유 보강 등의 다양한 배합특성이 균열을 통한 염소이온의 침투에 미치는 영향을 고찰하는 것이다. 연구 결과에 의하면, 굵은골재 최대치수가 작은 골재를 함유한 콘크리트는 많은 미세균열이 발생하지만, 염소이온 침투에 직접적인 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다. 그러나, 굵은골재 최대치수가 상대적으로 큰 콘크리트의 경우, 골재 표면을 통해 균열이 발전하여 서로 연결되기 쉽고 이는 빠른 염소이온 침투를 유도하는 것으로 판단된다. 또한, 고강도콘크리트는 균열이 없는 조건에서는 염소이온의 침투에 대한 저항성이 대단히 우수하였으나, 균열이 존재하면 보통콘크리트와 거의 유사한 수준으로 염소이온이 침투되므로 균열의 발생시, 내구성능이 매우 취약해짐을 알 수 있었다. 강섬유의 보강은 인장 응력 발생시 균열의 진전을 효과적으로 제어하여 균열길이가 감소하는 효과를 얻을 수 있었다.
It is obvious that chloride penetration through cracks can threaten the durability of concrete substantially, according to the previous studies of author. It was proposed that crack depth corrseponded with critical crack width from the surface is a crucial factor in view of durability design of conc...
It is obvious that chloride penetration through cracks can threaten the durability of concrete substantially, according to the previous studies of author. It was proposed that crack depth corrseponded with critical crack width from the surface is a crucial factor in view of durability design of concrete structures. It is now necessary to deal with chloride penetration through microcracks characterized with the mixing features of concrete. The purpose of this study is examining the effect of mix proportional features of concrete such as coarse aggregate, high strengtherize of concrete and reinforcement of steel fiber on chloride penetration through cracks. Although small size of coarse aggregate can lead to many microcracks in concrete, the cracks should not impact on chloride penetration directly. On the contrary, chloride should penetrate through cracks easily in concrete with a large size of coarse aggregate because mixrocracks are connected to each other. Second, high strength concrete has an excellent performance to resist with chloride penetration. However, for cracked high strength concrete, its performance is reduced upto the level of ordinary concrete. Finally, steel fiber reinforcement is effective to reduce chloride penetration through cracks because steel fiber reinforcement can lead to reduce crack depth significantly.
It is obvious that chloride penetration through cracks can threaten the durability of concrete substantially, according to the previous studies of author. It was proposed that crack depth corrseponded with critical crack width from the surface is a crucial factor in view of durability design of concrete structures. It is now necessary to deal with chloride penetration through microcracks characterized with the mixing features of concrete. The purpose of this study is examining the effect of mix proportional features of concrete such as coarse aggregate, high strengtherize of concrete and reinforcement of steel fiber on chloride penetration through cracks. Although small size of coarse aggregate can lead to many microcracks in concrete, the cracks should not impact on chloride penetration directly. On the contrary, chloride should penetrate through cracks easily in concrete with a large size of coarse aggregate because mixrocracks are connected to each other. Second, high strength concrete has an excellent performance to resist with chloride penetration. However, for cracked high strength concrete, its performance is reduced upto the level of ordinary concrete. Finally, steel fiber reinforcement is effective to reduce chloride penetration through cracks because steel fiber reinforcement can lead to reduce crack depth significantly.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
6819 × 10-3에서 균열을 통한 염소이온의 침투는 이루어지지 않음을 확인하였다.2,3) 본 논문은 콘크리트내 미세균열이 염소이온의 침투에 미치는 영향을 다룬 후속 연구이다. 이전의 연구에서는 다양한 균열폭과 균열길이 등을 변수로 하여 임계균열폭의 도출을 의도하였으나, 본 논문에서는 다음과 같은 3가지 목적을 기초로, 균열크기 외, 콘크리트의 배합조건이 균열에 의한 염소이온 침투에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.
2,3) 본 논문은 콘크리트내 미세균열이 염소이온의 침투에 미치는 영향을 다룬 후속 연구이다. 이전의 연구에서는 다양한 균열폭과 균열길이 등을 변수로 하여 임계균열폭의 도출을 의도하였으나, 본 논문에서는 다음과 같은 3가지 목적을 기초로, 균열크기 외, 콘크리트의 배합조건이 균열에 의한 염소이온 침투에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.
첫째, 굵은골재 최대치수를 변수로 하여 제작된 다양한 미세균열 패턴이 염소이온의 침투에 미치는 영향을 고찰한다. 즉, 굵은골재와 시멘트페이스트 사이의 미세경계 영역 (ITZ, interfacial transition zone)에 발생한 미세균열이 염소이온의 침투에 미치는 영향을 살펴보고자 한다.
제안 방법
RCM 실험의 종료후, 할렬 시험편을 진공펌프가 설치된 챔버 내에서 3시간 동안 진공시킨 후, 형광성 에폭시를 주입하여 콘크리트 내의 균열을 완전 함침시켰다. 함침된 시험편은 1일 동안 공기 중에 경화시킨 후, 각 횡단면별로 콘크리트의 균열상태를 관찰하기 위하여 2 mm 두께로 커팅되었다.
콘크리트 표면에 존재하는 균열을 주균열 1개만 존재하는 (a), 복수의 균열이 존재하는 (b)로 구분하였다. 광학현미경 상에서 균열 사진을 촬영하고 이미지 파일로 변환시킨 후, 화소를 이용한 디지털화상기법으로 균열폭과 균열 길이가 측정되었다.
균열이 도입된 콘크리트로 급속 염소이온 침투 실험인 RCM (rapid chloride migration)실험을 수행하였다.6) 시험 전, 시험편은 1 kPa ~ 5 kPa의 압력을 갖는 진공 챔버에 5분 동안 보관된 후, Ca(OH)2 포화용액에 침지되었다.
다음으로는, 플라이애쉬와 실리카퓸이 치환된 고강도 콘크리트 (HPC), 프랑스 L사에서 개발된 고강도콘크리트용 특수 시멘트와 고강도콘크리트용 강섬유를 동시에 이용한 강섬유 보강 고강도콘크리트 (HPFRC)를 추가로 제작하여 총 4가지 콘크리트가 제작되었다. 이때, 고강도 콘크리트 (HPC) 및 강섬유 보강 고강도콘크리트 (HPFRC)의 28일 강도는 100 MPa 내외를 실험변수로 하였는데, 이는 유럽에서 교량 바닥판의 신설은 물론 보강공법시에도 사용하고 있는 배합이다.
둘째, 고강도콘크리트에서 발생한 균열이 염소이온의 침투에 미치는 영향을 고찰한다. 콘크리트의 고강도화는 구조적 개선뿐만 아니라 내구성을 향상시키기 위해서도 세계적인 추세이며, 이는 보통콘크리트보다 밀실하여 염소이온과 같은 유해물질의 침투를 크게 감소시킬수 있다.
본 연구는 이상의 3가지 재료 배합적 변수를 토대로 시험편을 제작하고 급속 염소이온 침투실험인 RCM (rapid chloride migration) 실험을 통하여 균열을 통한 염소이온의 특성을 시각화 및 분석하였다.
셋째, 강섬유 보강된 고강도콘크리트에서 균열을 통한 염소이온의 침투를 고찰한다. 콘크리트가 고강도화됨에 따라 증가하는 취성을 제어하기 위한 방법으로 강섬유보강을 고려할 수 있으므로, 균열 특성에 따른 염소이온 침투를 다룬 연구가 필요하다.
실험 종료 후, 시험편을 2회 할렬 인장시켰으며, 할렬된 시험편에 0.1 M AgNO3 용액을 살포하여 한 시험체당 두 단면의 염소이온 프로파일을 얻었다.
함침된 시험편은 1일 동안 공기 중에 경화시킨 후, 각 횡단면별로 콘크리트의 균열상태를 관찰하기 위하여 2 mm 두께로 커팅되었다. 완성된 균열관찰용 에폭시 함침 시험편으로 UV라인이 설치된 마이크로 광학현미경을 이용하여 40배 확대하여 균열부를 촬영하였다. 콘크리트 표면에 존재하는 균열을 주균열 1개만 존재하는 (a), 복수의 균열이 존재하는 (b)로 구분하였다.
첫째, 굵은골재 최대치수를 변수로 하여 제작된 다양한 미세균열 패턴이 염소이온의 침투에 미치는 영향을 고찰한다. 즉, 굵은골재와 시멘트페이스트 사이의 미세경계 영역 (ITZ, interfacial transition zone)에 발생한 미세균열이 염소이온의 침투에 미치는 영향을 살펴보고자 한다.
대상 데이터
이 시험 방법은 기존에 저자가 행하였던 실험 방법과 동일하되,1,2) 다양한 배합조건에 따른 균열을 유도하기 위하여 굵은골재 최대치수의 변화, 콘크리트의 고강도화 및 강섬유 보강 등이 실험변수로 고려되었다. 먼저, Table 1과 같이 보통포틀랜드시멘트와 조립률도 2.8인 잔골재를 공통으로 사용하되, 굵은골재 최대치수 16 mm와 8 mm, 2종류로 각각 콘크리트를 제조하였다. 굵은골재 최대치수를 실험에 변수로 이용한 이유는 미세균열의 다양한 패턴을 유도하기 위함이다.
타설된 콘크리트 시험편은 150 × 150 × 150 mm크기로서 입방체이다.
성능/효과
1) 굵은골재 최대치수, 콘크리트의 강도, 강섬유 보강 등을 변수로 하여 균열이 존재하는 콘크리트 시험편이 제작되었으며, RCM 실험에 의하여 효과적으로 콘크리트의 배합특성별 균열에 의한 염소이온의 침투를 분석할 수 있었다
1) 또한, 염소이온의 침투를 유발하는 초기 임계 균열폭이 0.011~ 0.012 mm 내외의 값이며 균열폭 대 균열길이의 비율이 0.552 × 10-3 ~0.6819 × 10-3에서 균열을 통한 염소이온의 침투는 이루어지지 않음을 확인하였다.
3) 고강도콘크리트는 밀실한 공극구조를 갖기 때문에 균열이 없는 조건에서는 보통콘크리트에 비하여 염소이온 침투에 대한 저항성이 대단히 우수하였다. 그러나 균열이 발생할 경우, 밀실 성능이 뚜렷히 저하되므로 이에 대한 내구성 설계가 반드시 필요한 것으로 판단된다.
4) 강섬유 보강은 인장응력 발생시 균열의 성장을 효과적으로 제어하여 동일 균열폭이라고 하더라도 균열길이가 감소되는 효과를 얻을 수 있었다. 특히, 임계 균열폭 이하의 균열길이를 효과적으로 감소시켜 내구성 측면에서 긍정적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
11은 보통콘크리트와 고강도 및 강섬유보강된 고강도콘크리트의 상대 확산계수를 보인 것이다. 동일한 비교를 위하여 목표균열폭 0.10 mm 내외에서 유효균열폭에 대응하여 보인 것으로, 보통콘크리트의 경우 이 범위에서 최대 2.35, 고강도콘크리트는 최대 17.8, 강섬유보강 고강도콘크리트는 최대 10.1의 상대 확산계수 값을 각각 보였다. 이 결과만을 고려하면, 고강도 및 강섬유 보강 콘크리트의 상대 확산계수가 보통콘크리트에 비하여 약 4.
012 mm 이하2)는 배제하고 이 이상의 균열폭을 갖는 콘크리트 만을 대상으로 한 결과이다. 여기서, 굵은골재 최대치수 16 mm를 함유한 콘크리트가 8 mm 크기의 골재를 갖는 콘크리트보다 다소 상대 확산계수 (DT / D1)가 높은 추이를 보였다. 이에 대한 원인은 굵은골재 최대치수가 작은 콘크리트에서 미세균열이 다수 생성되었음에도 불구하고 이들 균열이 염소이온의 침투에는 직접적인 영향을 미치지 않기 때문으로 사료된다.
1의 상대 확산계수 값을 각각 보였다. 이 결과만을 고려하면, 고강도 및 강섬유 보강 콘크리트의 상대 확산계수가 보통콘크리트에 비하여 약 4.3 ~ 7.6배 이상 커서 균열을 통한 염소이온의 침투가 더욱 빨리 이루어지는 것으로 생각할 수 있다. 그러나, Fig.
3 N NaOH 용액, 음극부에는 2 N NaCl 용액으로 확산셀을 구성하였다. 통전성을 확인한 후, 15 ~ 20 V의 전압이 확산셀에 인가되었으며, 시험편의 온도 및 인가전류가 지속적으로 측정되었다.
후속연구
콘크리트의 고강도화는 구조적 개선뿐만 아니라 내구성을 향상시키기 위해서도 세계적인 추세이며, 이는 보통콘크리트보다 밀실하여 염소이온과 같은 유해물질의 침투를 크게 감소시킬수 있다.4) 그러나, 콘크리트가 고강도화 될수록 취성적 특성이 커지기 때문에 균열이 진행되기 더욱 쉬우며, 콘크리트의 배합적 특성만이 고려되고 있는 현행 내구성 설계기법으로는 지나치게 과대평가될 수 있으므로 반드시 고강도콘크리트에 대한 균열 특성을 다룬 연구가 필요하다.
균열을 고려한 내구성 설계기법이 부재한 현 상황에서 배합적 특성만을 고려한 고강도콘크리트의 내구성 설계시, 사용수명이 과대평가되는 결과를 초래할 수 있다. 따라서, 콘크리트가 고강도화될수록 균열을 고려한 내구성 설계가 반드시 검토되어야 할 것으로 생각된다.
셋째, 강섬유 보강된 고강도콘크리트에서 균열을 통한 염소이온의 침투를 고찰한다. 콘크리트가 고강도화됨에 따라 증가하는 취성을 제어하기 위한 방법으로 강섬유보강을 고려할 수 있으므로, 균열 특성에 따른 염소이온 침투를 다룬 연구가 필요하다. 일반적으로, 미세균열의 가장 큰 원인중 하나는 건조수축으로 알려져 있는데, 이는 교량 바닥판과 같이 부재의 단면이 작을 때, 특히 심각한 문제이다.
4) 강섬유 보강은 인장응력 발생시 균열의 성장을 효과적으로 제어하여 동일 균열폭이라고 하더라도 균열길이가 감소되는 효과를 얻을 수 있었다. 특히, 임계 균열폭 이하의 균열길이를 효과적으로 감소시켜 내구성 측면에서 긍정적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트에 존재하는 균열은 어떠한 요인인가?
콘크리트에 존재하는 균열은 염소이온의 빠른 침투를 유도하여 콘크리트의 내구성을 크게 감소시키는 주요 요인임은 분명한 사실이다. 저자는 지난 연구에서 표면에서부터, 임계균열폭에 대응한 균열길이가 내구성 설계에 중요함을 제안하였다.
콘크리트가 고강도화됨에 따라 증가하는 취성을 제어하기 위한 방법으로 고려하는 것은?
셋째, 강섬유 보강된 고강도콘크리트에서 균열을 통한 염소이온의 침투를 고찰한다. 콘크리트가 고강도화됨에 따라 증가하는 취성을 제어하기 위한 방법으로 강섬유보강을 고려할 수 있으므로, 균열 특성에 따른 염소이온 침투를 다룬 연구가 필요하다. 일반적으로, 미세균열의 가장 큰 원인중 하나는 건조수축으로 알려져 있는데, 이는 교량 바닥판과 같이 부재의 단면이 작을 때, 특히 심각한 문제이다.
건조수축으로 인한 미세균열을 감소시키기 위해 고려되고 있는 방법들은 무엇이 있나?
일반적으로, 미세균열의 가장 큰 원인중 하나는 건조수축으로 알려져 있는데, 이는 교량 바닥판과 같이 부재의 단면이 작을 때, 특히 심각한 문제이다.5) 이러한 미세균열을 감소시키기 위하여 (a) 과다보강 설계, (b) 콘크리트의 재료적 성능 개선, (c) 강섬유로 보강 등의 방법이 고려되고 있는데 이중 세번째 강섬유 보강 방법은 배합적 측면에서 고려할 수 있다. 현재, 유럽 및 북미에서는 교량 상판의 신설 초기에 강섬유를 함유한 고강도콘크리트의 활용이 증가되고 있으며 이는 내하력이 저하될 경우에도 추가로 타설하여 보강효과를 얻는 등, 폭넓게 활용되고 있다.
참고문헌 (6)
윤인석, "미세균열이 콘크리트의 염소이온 침투에 미치는 영향 I; 현상학적 모델의 제안," 콘크리트학회 논문집, 19권, 1호, 2007, pp. 57-65
Yoon, I. S., Schlangen, E., Rooij M. de., and Breugel, K. van, "The Effect of Crack on Chloride Penetration into Concrete," Key Engineering Materials, Vol. 348-349, Trans Tech Publication, 2007, pp. 769-772
TRB-AHD45, The Effect of Cracking in High Performance Concretes on Reinforcement Corrosion and Structural Durability, Transport Research Board, RPS-AHD45-2005-01, 2005
Berke, N. S., Li, L., Rieder, K. A., and Bentur, A., "Concrete Mix Design for Durability: Integration of Technologies," Structure Magazine, 2006, pp. 23-26
NT Build 492, Concrete, Mortar and Cement-Based Repair Materials: Chloride Migration Coefficient from Non-Steady-State Migration Experiment, Finland
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.