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저온환경에 노출된 시멘트 경화체의 황산염침식 저항성 및 미세구조적 조사
Sulfate Attack Resistance and Microstructural Observations of Cement Matrix Exposed to a Low Temperature Condition 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.21 no.5, 2009년, pp.611 - 617  

이승태 (군산대학교 토목공학과)

초록
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이 연구는 보통포틀랜드시멘트로 제조된 모르타르 및 페이스트 샘플의 황산염침식 저항성을 평가하기 위하여 수행되었다. 주요 실험변수는 사용된 황산염용액의 온도조건으로써, 각각 $4^{\circ}C$, $10^{\circ}C$$20^{\circ}C$로 유지된 5% 황산나트륨 용액에 침지한 모르타르의 침지재령별 팽창, 압축강도 및 휨강도를 측정 한 후, 황산염침식 저항성을 평가하였다. 뿐만 아니라, XRD, DSC 및 SEM/EDS와 같은 기기분석 기법을 이용하여 저온환경에 노출된 페이스트 샘플 중에 생성된 반응생성물 조사 및 미세구조 분석도 아울러 실시하였다. 실험 결과에 의하면, 황산염침식에 의한 모르타르의 성능 저하는 시험용액 온도에 매우 의존적으로 나타났으며, 특히, 저온환경에서는 쏘마싸이트의 생성으로 인한 성능 저하가 매우 극심하게 나타남을 확인할 수 있었다. 따라서, 저온의 황산염환경에 콘크리트구조물이 노출될 경우 세심한 주의가 요구된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper reports an experimental study on the damage mechanism and resistance of Type I portland cement mortar and paste samples exposed to 5% sodium sulfate solution with different solution temperatures; namely, $4^{\circ}C$, $10^{\circ}C$ and $20^{\circ}C$. The r...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 보통포틀랜드시멘트 모르타르 및 페이스트 샘플의 황산염침식 저항성 및 반응생성물에 대한 시험용액 온도의 영향을 실험적으로 고찰하였으며, 이 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
  • 이 연구는 시멘트 경화체의 황산염침식에 대한 환경온도의 영향을 실험적으로 구명하기 위한 일환으로써, 360일간의 침지실험을 통하여 역학적 및 미세구조적인 평가기법을 이용하여 수행되었다. 이 연구를 통해 확보한 데이터를 이용하여 향후 황산염환경에 노출된 콘크리트구조물의 내구성능 평가를 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
  • 이 연구는 시멘트 경화체의 황산염침식에 대한 환경온도의 영향을 실험적으로 구명하기 위한 일환으로써, 360일간의 침지실험을 통하여 역학적 및 미세구조적인 평가기법을 이용하여 수행되었다. 이 연구를 통해 확보한 데이터를 이용하여 향후 황산염환경에 노출된 콘크리트구조물의 내구성능 평가를 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

가설 설정

  • 15) 일반적으로 thaumasite는 비교적 저온(0-5℃)의 조건에서 탄산질의 콘크리트 재료가 사용되었을 경우 주로 지배적으로 생성된다고 보고되고 있다.16) 황산염침식에 의하여 생성된 thaumasite는 주로 다음의 반응식에 의하여 생성된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
콘크리트 내구수명 저하요인은? 콘크리트는 우수한 내구성 및 역학적 특성 때문에 역사상 가장 중요한 건설재료 중 하나로 인식되어 오고 있다. 일반적으로 콘크리트구조물이 외부로부터 유해한 영향을 받지 않으면 반영구적으로 사용할 수 있는 것으로 인식되어 오고 있으나, 기상작용, 염해, 화학적침식, 탄산화, 동결융해 및 용출 등의 내구성 저하요인에 노출될 경우 콘크리트의 제 성질 및 미세구조는 변화하게 되어 심각한 성능 저하(deterioration) 현상을 수반하여 내구수명이 저하되는 문제점이 나타나기도 한다.1,2) 최근 이러한 내구성 저하요인 중 해양환경, 지하토양(혹은 지하수) 환경 및 오폐수 환경 등에 건설되는 콘크리트구조물의 화학적침식으로 인하여 발생하는 성능 저하에 대한 관심이 날로 증가하고 있는 실정이다.
황산염이온의 침투속도는 어떤 것에 영향을 받는가? 콘크리트는 온도, 습도 등 환경적 요인에 의하여 수화물의 생성량 및 속도가 달라지며, 콘크리트의 역학적 특성도 변하게 된다. 황산염환경에 노출된 콘크리트는 황산염이온의 침투속도가 온도조건에 영향을 받게 되며, 수화물과의 화학반응 속도가 변하게 된다. 황산염침식과 노출온도에 대한 연구는 여러 연구자들에 의하여 수행되어왔으나, 아직까지 신뢰성 높은 지배 메커니즘 및 반응모델이 설정되어 있지는 않은 실정이다.
보통포틀랜드시멘트 모르타르 및 페이스트 샘플의 황산염침식 저항성 및 반응생성물에 대한 시험용액 온도의 영향을 연구한 결과는? 1) 황산나트륨 침식에 의한 모르타르의 팽창은 시험용액의 온도조건에 크게 의존적인 것으로 조사되었다. 특히, 4℃ 시험용액에 침지한 모르타르는 장기재령으로 갈수록 팽창이 크게 나타나는 극심한 성능 저하가 발생하였다. 2) 온도조건이 상이한 황산나트륨 용액에 침지한 모르타르의 압축강도 특성을 관찰한 결과, 팽창 결과와 마찬가지로 저온환경에 노출된 모르타르의 강도감소가 가장 심하게 났으며, 이는 휨강도에서도 유사한 경향을 보였다. 또, 시험용액의 온도조건에 관계없이 휨강도 감소량이 압축강도 감소량보다 크게 나타나, 황산염침식에 의한 시멘트 경화체의 성능 저하는 휨응력에 대한 저항성에 대하여 보다 더 민감하게 반응함을 알 수 있다. 3) XRD, DSC 및 SEM/EDS를 이용한 미세구조 조사 결과, 저온환경에 노출된 시멘트 경화체의 성능 저하는 thauamsite의 생성에 의한 균열 및 연화작용이 주요 요인인 것으로 조사되었으며, 이 반응생성물의 작용으로 인하여 시멘트 경화체의 팽창 및 강도 감소가 발생하였다고 판단된다. 4) 결론적으로, 시멘트 경화체의 황산염침식 메커니즘은 노출온도에 크게 영향을 받으며 지배적인 반응생성물도 달라지게 되는 것으로 관찰되었다. 따라서, 저온환경의 황산염환경에 콘크리트구조물이 노출될 경우 thaumasite의 생성 및 관련 성능 저하 현상에 대한 대책마련이 필요할 것으로 판단된다.
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참고문헌 (21)

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  3. Hime, W. G. and Mather, B., "Sulfate Attack, or Is It ?," Cement and Concrete Research, Vol. 29, No. 5, 1999, pp. 789-791 

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  7. Akoz, F., Turker, F., Koral, S., and Yuzer, N., "Effects of Raised Temperature of Sulfate Solutions on the Sulfate Resistance of Mortars with and without Silica Fume," Cement and Concrete Research, Vol. 29, No. 4, 1999, pp. 537-544 

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  9. Crammond, N. J. and Halliwell, M. A., "The Thaumasite Form of Sulfate Attack in Concretes Containing a Source of Carbonate Ions," In 2nd Symposium Advances in Concrete Technology, ACI SP-154, 1995, pp. 357-380 

  10. Collepardi, M., "Deterioration and Restoration of Masonry Walls of Historical Buildings," Materials and Structures, Vol. 23, No. 2, 1990, pp. 81-102 

  11. Berra, M. and Baronio, G., "Thaumasite in Deteriorated Concretes in the Presence of Sulfates," Concrete Durability, ACI SP-100, 1987, pp. 2073-2089 

  12. Ludwig, U. and Meher, S., "Destruction of Historical Building by the Formation of Ettringite and Thaumasite,S In Proceedings of 8 th International Congress on the Chemistry of Cement, Rio de Janeiro, Brazil, 1986, pp. 181-188 

  13. Bickley, J. A., Hemmings, R. T., and Hooton, R. D., "Thaumasite Related Deterioration of Concrete Structures," ACI Sp-144, 1994, pp. 159-175 

  14. Diamond, S., "Thaumasite in Orange Country, Southern California: an Inquiry into the Effect of Low Temperature," Cement and Concrete Composite, Vol. 25, No. 8, 2003, pp. 1161-1164 

  15. Irassar, E. F., Gonzalez, M., and Rahhal, V., "Sulphate Resistance of Type V Cements with Limestone Filler and Natural Pozzolana," Cement and Concrete Composites, Vol. 22, No. 5, 2002, pp. 361-368 

  16. Hartshorn, S. A., Sharp, J. H., and Swamy, R. N., "The Thaumasite Form of Sulfate Attack in Portland-Limestone Cement Mortars Stored in Magnesium Sulfate Solution," Cement and Concrete Composites, Vol. 24, No. 3, 2002, pp. 351-359 

  17. Mehta P. K., Material Science of Concrete , Jan Skalny, Ed., American Ceramic Society, 1992, pp. 102-130 

  18. Moon, H. Y., Lee, S. T., and Kim, S. S., "Sulphate Resistance of Silica Fume Blended Mortars Exposed to Various Sulphate Solutions," Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 30, No. 4, 2003, pp. 625-636 

  19. Al-Amoudi, O. S. B., Maslehuddin, M., and Saadi, M. M., "Effect of Magnesium Sulfate and Sodium Sulfate on the Durability Performance of Plain and Blended Cements," ACI Materials Journal, Vol. 92, No. 1, 1995, pp. 15-24 

  20. Wee. T. H. et al., "Sulfate Resistance of Concrete Containing Mineral Admixtures," ACI Materials Journal, Vol. 97, No. 5, 2000, pp. 536-549 

  21. Tian, B. and Cohen, M. D., "Does Gypsum Formation During Sulfate Attack on Concrete Lead to Expansion?," Cement and Concrete Research, Vol. 30, No. 1, 2000, pp. 117-123 

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