[논문]염소이온의 확산계수와 콘크리트의 기초물성과의 관계

최두선; 최재진

염소이온의 확산계수와 콘크리트의 기초물성과의 관계
Relationship between Chloride Diffusivity and the Fundamental Properties of Concrete 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.9 no.1, 2009년, pp.15 - 20

초록
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해양환경 하에 건설되는 콘크리트구조물은 다양한 염해 환경에 노출되어 있으며, 이중 염소이온의 침투 및 확산으로 인한 콘크리트 중의 철근부식과 화학적 침식 등은 콘크리트구조물의 주요 성능저하 요인으로 지적되고 있다. 따라서 해수 중의 염소이온의 침투 및 확산 메커니즘을 효율적으로 평가하기 위하여 전기화학적 촉진시험으로부터 염소이온의 확산계수를 추정하였다. 또한 콘크리트의 압축강도, 투수공극량 및 염소이온의 침투깊이 등과 염소이온의 확산계수와의 상관관계를 분석하기 위하여 회귀분석을 실시하였다. 본 연구의 시험결과에 의하면, 물-시멘트비 40~60%의 범위에서 보통콘크리트의 염소이온 확산계수는 $2.5{\sim}6.6{\times}10^{-12}m^2/s$ 정도였으며, 염소이온의 확산계수와 콘크리트의 물성과의 상관관계는 선형의 상관관계가 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Marine concrete structure is exposed to salt injury and deteriorated by steel corrosion due to chloride ions diffusion. It, therefore, is very important to estimate the chloride diffusivity in concrete. In this paper the compressive strength and permeable pore volume of concrete are measured and the diffusion coefficient and penetration depth of chloride ions in concrete were investigated to estimate the chloride diffusivity efficiently. To correlate these results each other, regression analysis was done. The results showed a good linear relation between chloride diffusivity and the fundamental properties of concrete and the chloride diffusivity of concrete with water-cement ratios of $40%{\sim}60%$ were about $2.5{\sim}6.6{\times}10^{-12}m^2/s$.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

4종류 콘크리트를 대상으로 전위차를 이용하여 염소이온의 침투깊이 및 확산계수를 재령 28일, 56일 및 120일에서 측정하였으며, 측정결과를 정리하여 나타낸 것이 표 7이다.
ASTM C 642에 준하여 재령 7일, 28일, 91일 및 365일에 콘크리트의 투수공극량을 측정하였다. 또한 콘크리트 중의 공극크기 분포를 알아보기 위하여 재령 28일, 물-시멘트비 40% 및 50%의 콘크리트를 대상으로 공극량 및 공극크기 분포를 수은압입법으로 측정하였다.
단위 수량은 187 kg/m3로 고정하고, 목표 공기량 4.5 ± 1.5%를 얻기 위하여 AE감수제를 시멘트 질량에 대하여 0.15% 사용하였다.
ASTM C 642에 준하여 재령 7일, 28일, 91일 및 365일에 콘크리트의 투수공극량을 측정하였다. 또한 콘크리트 중의 공극크기 분포를 알아보기 위하여 재령 28일, 물-시멘트비 40% 및 50%의 콘크리트를 대상으로 공극량 및 공극크기 분포를 수은압입법으로 측정하였다. 이들의 실험 결과를 정리하여 나타낸 것이 표 6이다.
본 연구에서는 위의 여러 시험방법 중 Tang의 방법에 의하여 염소이온의 침투깊이를, Andrade가 제안한 시험방법에 의하여 촉진 염소이온의 확산계수를 추정하고 염소이온 확산계수와 압축강도 및 투수공극량 등의 콘크리트의 기초물성과의 상관관계를 분석, 고찰하였다.
여러 가지 전기화학적 촉진시험방법 중 물리적인 의미로는 Tang의 모델이 가장 이상적임에도 불구하고 실제 추정된 확산계수는 10배 이상 크다는 점과 Andrade 모델식의 확산계수 평가방법이 시험편을 통과하는 전류의 흐름이 일정한 구간에서 수율(transference number)을 고려하여 확산계수를 추정할 수 있다는 점에 착안하여 비정상상태 조건에서의 확산 계수를 추정하였다.
전술한 전기화학적 촉진시험 방법들은 연구자마다 서로 상이하므로 본 연구에서는 콘크리트 중의 염소이온의 침투깊이 및 확산계수를 구하기 위하여 그림 1과 같이 확산셀 장치를 구성하였다. 전해질 용액으로는 음극셀(Cell I)에 0.
즉, 그림 1과 같이 확산셀을 구성하고 12시간 동안 333V/m 의 전위차를 가하여 염소이온의 이동을 촉진시키면서 30분마다 데이터로거(TDS-303)를 이용하여 통과 전류를 측정한다. 전류의 흐름이 일정해지는 구간에서의 통과전류로부터 Andrade의 확산계수 산정식인 아래의 식 (1)로부터 비정상상태의 확산계수를 추정한다.
콘크리트 배합은 보통포틀랜드시멘트를 사용하여 물-시멘트 비를 40%, 45%, 50% 및 60%의 4단계로 변화시켰다. 단위 수량은 187 kg/m³로 고정하고, 목표 공기량 4.
시험편 표면에 분무된 시약은 염소이온과 반응하여 흰색의 염화은(AgCl)을 침전시키며 염소이온이 없는 부위에서는 갈색으로 변한다. 콘크리트의 음극측 표면에서부터 은색으로 변하는 지점까지를 JIS A 6203(1996)에 의하여 염소이온의 침투깊이로 하였으며, 버니어캘리퍼스를 이용하여 각각 20개소를 측정하여 평균값을 염소이온의 침투깊이로 하였다.
콘크리트의 투수공극량은 ASTM C 642 규준에 준하여 종류별로 시험체 3개를 채취하여, 재령 7일, 28일, 91일 및 365일에 측정하였다.

대상 데이터

5M의 염화나트륨(NaCl) 수용액을, 양극셀(Cell II)에 포화 수산화칼슘(sat. Ca(OH)₂) 수용액을 사용하였으며 각각의 시험조건을 표 4에 정리하였다.
보통포틀랜드시멘트(Normal Portland Cement, NPC)를 사용하였으며, 본 연구에서 사용된 시멘트의 화학 성분 및 물리적 성질은 표 1과 같다.
시험편 두께 50 mm인 콘크리트에 8시간 동안 전위차를 가한 후 시험편을 쪼개어 표면에 0.1N 질산은(AgNO₃) 용액을 분무하였다. 시험편 표면에 분무된 시약은 염소이온과 반응하여 흰색의 염화은(AgCl)을 침전시키며 염소이온이 없는 부위에서는 갈색으로 변한다.
잔골재는 조립률 2.65, 밀도 2.59 g/cm³인 강모래를, 굵은 골재는 최대치수 25 mm, 밀도 2.62g / cm³인 부순골재를 사용하였으며, 골재의 물리적 성질은 표 2와 같다.

이론/모형

또한 시멘트 경화체중의 공극량 및 공극의 크기 분포를 수은 압력 429 MPa, 접촉각 130° 조건으로 재령 28일, 물-시멘트비 40% 및 50%인 콘크리트를 대상으로 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry, MIP)에 의하여 측정하였다.
콘크리트의 단위수량 저감과 연행공기를 발생시키기 위하여 밀도 1.09 ± 0.02 g/cm3인 액상의 리그닌계 AE감수제 표준형을 사용하였다.
콘크리트의 압축강도는 φ100 × 200 mm의 원주형 공시체를 제조한 후, 23 ± 1℃에서 수중 양생하여 재령 7일, 28일, 56일 및 91일의 압축강도를 KS F 2405에 준하여 측정하였다.

성능/효과

1) 콘크리트의 투수공극량은 시간이 지남에 따라 시멘트의 수화에 의하여 매우 빠르게 감소함을 알 수 있었으며, MIP의 분석결과 주로 이온의 침투가 가능한 0.005~0.05 µm의 모세관공극 영역에 가장 많이 분포하고 있으며, 평균 공극직경은 물-시멘트비 40% 및 50%에서 각각 11.50 nm 및 12.13 nm 정도였다.
2) 회귀분석 결과 염소이온의 침투깊이와 확산계수는 재령이 증가함에 따라 멱함수 형태로 감소하는 경향을 나타내었으며, 이는 재령이 증가함에 따라 시멘트 수화조직이 치밀해져 유해이온의 이동통로 및 경로인 모세관공극의 연결성이 감소하고 굴곡도가 증가했기 때문으로 판단된다.
3) 염소이온의 확산계수와 콘크리트의 기초물성과의 상관관계 분석으로부터 검토대상의 모든 경우에 결정계수가 0.82 이상으로 좋은 상관관계를 나타내었으며 특히, 염소이온의 침투깊이와 확산계수 사이에는 결정계수 0.87로 매우 좋은 상관성이 있었다.
4) 따라서 콘크리트구조물의 설계수명 및 내구연한 등을 평가하기 위한 염소이온의 확산계수는 단시간의 전위차 촉진시험으로부터 구한 염소이온의 침투깊이로부터 추정하는 것이 가능하다고 판단된다.
05 µm 사이의 공극량이 가장 많이 분포하고 있으며, 특정 공극 크기가 존재함을 알 수 있다. 또한 공극 측정 결과로부터 보통 콘크리트의 평균 공극직경은 물-시멘트비 40% 및 50%에서 각각 11.50 nm 및 12.13 nm 정도였다.
89로 분석되었다. 또한 점선은 측정된 전 재령의 값을 나타낸 것으로 결정계수가 0.82로 선형의 상관성이 있었으며 압축강도가 증가할수록 염소이온의 확산계수는 감소함을 알 수 있다.
본 연구에서의 염소이온의 확산계수는 (2.56~6.65) × 10-12 m2/s로 장기간 염해 환경에 노출된 실구조물의 확산계수보다는 다소 크게 나타났다.
재령에 따라 콘크리트의 압축강도는 증가하나 재령 28일 이후 장기재령으로 갈수록 그 증가폭이 감소함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트의 기초 물성과 염소이온의 침투깊이 및 확산계수에 대하여 고찰한 결과는?	1) 콘크리트의 투수공극량은 시간이 지남에 따라 시멘트의 수화에 의하여 매우 빠르게 감소함을 알 수 있었으며, MIP의 분석결과 주로 이온의 침투가 가능한 0.005~0.05 µm의 모세관공극 영역에 가장 많이 분포하고 있으며, 평균 공극직경은 물-시멘트비 40% 및 50%에서 각각 11.50 nm 및 12.13 nm 정도였다. 2) 회귀분석 결과 염소이온의 침투깊이와 확산계수는 재령이 증가함에 따라 멱함수 형태로 감소하는 경향을 나타내었으며, 이는 재령이 증가함에 따라 시멘트 수화조직이 치밀해져 유해이온의 이동통로 및 경로인 모세관공극의 연결성이 감소하고 굴곡도가 증가했기 때문으로 판단된다. 3) 염소이온의 확산계수와 콘크리트의 기초물성과의 상관관계 분석으로부터 검토대상의 모든 경우에 결정계수가 0.82 이상으로 좋은 상관관계를 나타내었으며 특히, 염소이온의 침투깊이와 확산계수 사이에는 결정계수 0.87로 매우 좋은 상관성이 있었다. 4) 따라서 콘크리트구조물의 설계수명 및 내구연한 등을 평가하기 위한 염소이온의 확산계수는 단시간의 전위차 촉진시험으로부터 구한 염소이온의 침투깊이로부터 추정하는 것이 가능하다고 판단된다.
	시멘트 경화체의 공극 무엇으로 분류되는가?	시멘트 경화체의 공극은 물이 차지하였던 공극과 혼합시 공기가 연행되어 발생되는 기포로 분류된다. 물이 차지하였던 공극은 시멘트 수화물에 의하여 그 크기가 계속 감소하며 일반적으로 겔공극과 모세관공극으로 분류할 수 있다.
	콘크리트구조물의 내구성에 영향을 미치는 가장 큰 원인은?	최근 들어 장대교량과 같은 많은 국가기반시설이 해양환경에서 건설됨에 따라 콘크리트구조물의 구조적 성능뿐만 아니라 장기적인 내구성에 대한 관심이 증가하고 있다. 콘크리트구조물의 내구성에 영향을 미치는 요인으로는 여러 가지가 있지만, 특히 해양 환경에 건설되는 콘크리트구조물의 경우에는 염소이온의 침투 및 확산에 의한 철근부식이 내구성 저하에 가장 큰 원인이 되고 있다. 이러한 현상은 한랭지와 같은 특수한 환경조건에서 동결융해와의 상승작용 및 건습(乾濕)의반복작용 등을 받게 되면 훨씬 더 빠른 속도로 콘크리트의 내구성을 저하시킨다.

참고문헌 (16)

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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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