슬래그 미분말 혼합 콘크리트의 공극구조와 염화물 확산계수와의 관계에 대한 실험적 연구 An Experimental Study on Relation between Chloride Diffusivity and Microstructural Characteristics for GGBS Concrete원문보기
바닷물에 의한 염해와 동결융해 환경에 노출된 철근 콘크리트구조물의 내구성을 평가하기 위해서는 콘크리트의 미세구조적 특성 및 염화물 침투성에 대한 콘크리트의 확산 저항성을 동시에 분석하는 것이 중요하다. 이 연구에서는 고로슬래그 미분말(GGBS)을 혼합한 콘크리트에 대하여 수은압입법(MIP)에 의해 얻어진 콘크리트의 미세공극 구조와 장기 및 단기 재령의 염화물 확산성과의 상관성에 대하여 연구하였다. 물시멘트비는 40, 45, 50%로 변화시키고, 단위시멘트량을 300, 350, 400, 450 kg/$m^3$으로 변화시킨 OPC 및 GGBS 콘크리트 시편에 대하여 동결융해에 의해 손상된 GGBS 콘크리트에서의 확산성과 미세구조의 변화를 관찰하였다.
바닷물에 의한 염해와 동결융해 환경에 노출된 철근 콘크리트구조물의 내구성을 평가하기 위해서는 콘크리트의 미세구조적 특성 및 염화물 침투성에 대한 콘크리트의 확산 저항성을 동시에 분석하는 것이 중요하다. 이 연구에서는 고로슬래그 미분말(GGBS)을 혼합한 콘크리트에 대하여 수은압입법(MIP)에 의해 얻어진 콘크리트의 미세공극 구조와 장기 및 단기 재령의 염화물 확산성과의 상관성에 대하여 연구하였다. 물시멘트비는 40, 45, 50%로 변화시키고, 단위시멘트량을 300, 350, 400, 450 kg/$m^3$으로 변화시킨 OPC 및 GGBS 콘크리트 시편에 대하여 동결융해에 의해 손상된 GGBS 콘크리트에서의 확산성과 미세구조의 변화를 관찰하였다.
In order to evaluate the durability of reinforced concrete structures under chloride attack from sea water and frost damage, it is important to analyze both the microstructural characteristics of concrete and its diffusion resistance of concrete against chloride ingress. In this study, a relation be...
In order to evaluate the durability of reinforced concrete structures under chloride attack from sea water and frost damage, it is important to analyze both the microstructural characteristics of concrete and its diffusion resistance of concrete against chloride ingress. In this study, a relation between micro-pore structures of concrete obtained by the Mercury Intrusion Porosimetry and accelerated chloride diffusivity as well as long term chloride diffusivity were studied for ground granulated blast furnace slag(GGBS) concrete. Different water-cement ratio of 40, 45, 50% and different unit cement concrete of 300, 350, 400 or 450 kg/$m^3$ of the GGBS concrete along with OPC concrete were used and freeze and thawing, and the change in diffusivity and microstructure were observed for both GGBS concrete and damaged GGBS concrete due to rapid freezing and thawing.
In order to evaluate the durability of reinforced concrete structures under chloride attack from sea water and frost damage, it is important to analyze both the microstructural characteristics of concrete and its diffusion resistance of concrete against chloride ingress. In this study, a relation between micro-pore structures of concrete obtained by the Mercury Intrusion Porosimetry and accelerated chloride diffusivity as well as long term chloride diffusivity were studied for ground granulated blast furnace slag(GGBS) concrete. Different water-cement ratio of 40, 45, 50% and different unit cement concrete of 300, 350, 400 or 450 kg/$m^3$ of the GGBS concrete along with OPC concrete were used and freeze and thawing, and the change in diffusivity and microstructure were observed for both GGBS concrete and damaged GGBS concrete due to rapid freezing and thawing.
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문제 정의
논문에서는 수은압입법(MIP)에 의해 구해지는 공극률 및 공극구조 특성 및 염해와 동결융해 손상이 발생한 OPC 및 GGBS 콘크리트의 염화물 확산계수 변화를 비교 분석하여 이들의 상관관계를 분석하고자 한다. 이를 위하여 기존의 문헌을 조사하여 대표적인 치환율을 선정하고, 기 수행되었던 내구적 재료 측면에서의 실험과 비교하기 위하여 물시멘트비를 40%, 45%, 50%로 변화시키고, 단위시멘트량을 300 kg/m3, 350 kg/m3, 400 kg/m3,450 kg/m3로 변화시킨 OPC 및 GGBS 콘크리트에서의 재령 28일과 540일의 시편에 대하여 동결융해에 의해 손상된 콘크리트에서의 확산계수 변화를 관찰하고, 재령 28일 시편에 대해서는 MIP를 이용하여 구한 미세공극구조 자료와 염화물 확산계수와의 상관관계를 분석하였다.
가설 설정
이 체적 팽창률을 완화하는데 필요한 공기로 가득 찬 공극이 존재하지 않을 경우 큰 압력이 발생한다.23) 이것이 열화와 동결융해의 원인이 될 수 있다. 온도가 떨어지면 우선 큰 공극 중의 물이 동결하게 되며 이어서 작은 공극 중의 물이 동결되며 이 과정에서는 큰 공극 중에 생긴 얼음 결정에 의해 팽창이 구속된다.
여기서 Dnssm는 비정상 상태에서 구한 전위차 촉진 염소이온 확산계수(m2/sec), R은 기체 상수(8.314J/(K·mol)), T는 절대온도(K), L은 시편 두께(m), z는 이온 전자가(염화물은 z = 1), F는 패러데이 상수(9.648 × 104J/(V·mol)), U는 전위차(V), χd는 비색법에 의한 평균 침투 깊이(m), t는 전위차의 적용 시간(sec), C0는 음극셀의 염소이온 농도(≒2N), Cd는 비색법에 의한 반응 농도(OPC의경우≒0.07N), erf-1는 오차 함수의 역함수를 나타내며, 이 연구에서 GGBS의 경우 Cd를 0.07 N으로 가정하고 계산하였다.
제안 방법
26) 이 논문에서 한계공극지름은 MIP 결과의 공극지름과 수은압입량 곡선이나 곡선의 최대값으로 구하였으며, 모세관 공극량은 10 nm~1,000 nm 범위에 해당되는 크기의 공극량을 구하였다7)(Fig. 7).
OPC와 GGBS는 Tables 3, 4와 같은 배합으로 원재료들이 충분히 혼합되도록 건비빔한 후, 물을 가하여 콘크리트 믹서로 1.5분간 강제 혼합 믹서에서 혼합하여 압축강도 측정용 원주형 공시체인 100 mm × 200 mm 몰드에 타설하였으며, 표준 양생실에서 1일간 양생한 다음 20±2℃인 수중에서 28일 및 540일간 양생하여 콘크리트 압축강도(KS F 2405)를 측정하였으며, MIP 실험을 위하여 분쇄하여 모르타르 부분을 추출하였고, 공시체의 중앙부분을 기준으로 양쪽으로 50 mm로 절단하여 동결융해 전후 염화물 확산계수를 측정하기 위한 시편을 준비하여 실험을 실시하였다.
시험을 실시하기 위해서는 Ø100 × 200 mm 콘크리트를 제작하여 양생한 후 중앙부분에서 약 50 mm의 시편을 절취해서 진공 데시게이터에 넣고 절대압력을 10 ~ 50 m bar(1~5 kPa)의 범위로 압력을 낮추고.
이 실험에서는 콘크리트 시편을 분석이 가능하게 작은 조각으로 파쇄한 후, 수화정지를 위하여 아세톤에 침지시켰다. 이후 105℃의 건조로에서 24시간 동안 건조시켜 시편 내부의 수분을 제거한 후 미세공극을 측정하였다.
이후 데시게이터에 공기가 들어가지 않도록 진공을 유지하면서 18±2시간 동안 용액 속에 침지한다. 이렇게 시편이 포화상태가 되도록 전처리를 거친 후 초기에 30 V의 전압을 주고, 초기 전류를 측정한 뒤, 측정된 전류에 따라 지속적으로 인가할 전압을 결정하고 이에 따라 적정한 시간동안 일정한 전압으로 콘크리트 시편에 전류를 흘려서 염화물 이온이 강제로 투과하도록 하였으며, 이후 시편을 절단하여 통과한 염화물의 침투깊이를 측정하여 비정상 상태의 염화물 확산계수를 계산하였다. 염화물 확산계수를 구하는 식은 다음과 같다.
논문에서는 수은압입법(MIP)에 의해 구해지는 공극률 및 공극구조 특성 및 염해와 동결융해 손상이 발생한 OPC 및 GGBS 콘크리트의 염화물 확산계수 변화를 비교 분석하여 이들의 상관관계를 분석하고자 한다. 이를 위하여 기존의 문헌을 조사하여 대표적인 치환율을 선정하고, 기 수행되었던 내구적 재료 측면에서의 실험과 비교하기 위하여 물시멘트비를 40%, 45%, 50%로 변화시키고, 단위시멘트량을 300 kg/m3, 350 kg/m3, 400 kg/m3,450 kg/m3로 변화시킨 OPC 및 GGBS 콘크리트에서의 재령 28일과 540일의 시편에 대하여 동결융해에 의해 손상된 콘크리트에서의 확산계수 변화를 관찰하고, 재령 28일 시편에 대해서는 MIP를 이용하여 구한 미세공극구조 자료와 염화물 확산계수와의 상관관계를 분석하였다.
이 실험에서는 콘크리트 시편을 분석이 가능하게 작은 조각으로 파쇄한 후, 수화정지를 위하여 아세톤에 침지시켰다. 이후 105℃의 건조로에서 24시간 동안 건조시켜 시편 내부의 수분을 제거한 후 미세공극을 측정하였다. 측정은 Micromeritics Auto Pore 9505 수은압입장비를 사용하였으며, 측정조건은 Table 5와 같다.
대상 데이터
고로슬래그 미분말은 K 제철에서 발생되는 것을 사용하였다. 사용재료의 화학적 조성표는 Table 1과 같다.
배합에 사용된 잔골재는 비중이 2.58이고, 흡수율이 1.07인 해사를 사용하였으며, 굵은골재는 최대 치수가 25 mm이고 비중은 2.61, 흡수율이 0.83인 쇄석을 사용하였다.
시멘트는 KS L5201을 만족하는 국산 S사의 1종 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였으며 화학적 조성표는 Table 1과 같다.
유동화제는 멜라민계를 사용하였으며, 화학적·물리적 조성은 Table 2와 같다.
이론/모형
고로슬래그 미분말 60%를 혼합한 GGBS 콘크리트와 OPC 콘크리트의 시편에 대하여 KS F 2456 방법에 따라 동결융해 0, 60, 120, 180 cycle 이후 염화물 확산계수를 NT Build 492에 따라 측정하였으며, 콘크리트의 모르타르 부분만을 추출하여 MIP 방법으로 공극구조를 측정하였다. 이 연구로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
실험은 KS F 2456에 의해 기중동결 수중융해 방법에 따라 Table 6의 조건으로 동결융해를 실시하였다.
성능/효과
1) 재령 28일에 측정한 콘크리트의 강도가 감소할수록 그에 따른 공극률 역시 감소하고 있음을 알 수 있었으며, 실험값에 따른 회귀분석결과 GGBS 보다 OPC가 더욱 높은 상관성을 보이고 있음을 확인하였다.
그러므로 시료의 형태와 종류, 시료건조방법, 수은의 접촉각 등을 재료에 맞게 선택할 필요가 있으며, 이렇게 해서 얻어진 결과들이 확산이나 투수 특성에 중요한 영향을 미치는 공극의 크기를 측정하는데 있어서는 다른 방법으로 얻어진 결과들보다 실제와 보다 유사한 수치들을 나타낸다고 보고되고 있다.13) 총 공극률의 경우 MIP는 공극이 너무 작아서 수은이 들어갈 수 없을 정도의 독립적인 공극의 존재에도 불구하고 실제적인 값에 가장 근접하다고 할 수 있다.14)
2) 재령에 따른 확산계수는 물시멘트비 40%의 경우에서는 OPC의 확산계수 저하율이, 50%에서는 GGBS의 확산계수 저하율이 크게 증가하였는데 이는 슬래그 분말의 충분한 수화 반응에 따라 매트릭스내의 내부 조직을 치밀화한데 기인한 것으로 판단된다.
3) 초기재령에서, OPC나 GGBS의 경우 동결융해 사이클에 따른 확산계수는 오히려 약간 감소하는 경향을 보인반면, 540일의 장기재령 이후에서 확산계수의 뚜렷한 증가가 나타나 수화가 완전히 진행된 이후에 동결융해에 따른 확산계수가 증가함을 확인하였다.
4) OPC와 GGBS의 한계공극지름 값은 비슷한 경향을 가지고 있으나 동해된 시편의 염화물 확산계수는 GGBS의 경우가 OPC에 비해 3배 이상 차이를 나타내는 것으로 나타나 결합재 혼입에 따른 충진효과 및 염해 침투 저항성을 향상시키고 있음을 확인하였다.
5) 염화물 확산계수와 한계공극지름이 분명한 상관관계를 가지고 있음을 알 수 있었으며, 모세관 공극과 확산계수의 상관관계가 한계공극지름과의 관계보다 상대적으로 약함을 알 수 있었다.
여기서 확산계수의 차이는 GGBS를 60% 치환한 경우에 염화물 이온의 구속효과 등의 차이에 기인하며, 이외에도 각 공극들의 연결성에 차이가 있어 OPC의 경우와 상당한 차이가 있는 것으로 판단된다. Fig. 9에 나타내고 있는 모세관 공극과 염화물 확산계수의 관계에 있어서도 OPC와 GGBS 혼합 콘크리트의 염화물 확산계수는 뚜렷한 차이를 보이고 있으나 모세관 공극과 확산계수의 회기분석 결과 상관관계가 상대적으로 약함을 알 수 있었다.
GGBS의 염화물 확산계수가 같은 재령, 같은 물시멘트비인 경우 OPC보다 약 55%~60% 정도 감소하는 것으로 나타나고 있으며, 물시멘트비 40%에 바인더 400 kg/m3인 경우의 GGBS의 확산계수가 13.3% 증가한 경우를 제외하면 기존의 연구 결과와 같이 재령이 오래 될수록 염화물 확산계수가 저하되고 있는데, 물시멘트비가 40%로 고정되어 있고 바인더가 증가하는 경우 재령 540일에서 28일의 경우보다 OPC는 평균적으로 13.9%의 감소를 보이고 있으며, GGBS의 경우에는 평균적으로 1.9%의 감소를 보이고 있어, GGBS가 상대적으로 작은 감소를 보이고 있다. 또한 같은 물시멘트비의 경우 OPC는 바인더가 300 kg/m3에서 450 kg/m3로 증가함에 따라 28일 재령에서는 7.
OPC와 GGBS 모두 강도가 감소할수록 공극률이 감소하며, 선형으로 회귀분석할 경우 GGBS 보다는 OPC가 더 높은 상관성을 보이고 있다.
8은 한계공극지름과 염화물 확산계수의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 OPC의 경우와 GGBS의 경우 한계공극지름은 비슷하지만 염화물 확산계수는 3배 정도의 차이를 보이고 있으며, 각각의 경우에 있어서는 회귀분석 결과 염화물 확산계수와 한계공극지름이 분명한 상관관계를 가지고 있음을 알 수 있다.
인 경우 재령 28일의 확산계수는 OPC와 GGBS 모두 물시멘트비가 높을수록 높게 나타나고 있지만, 재령 540일의 확산계수는 물시멘트비가 증가함에 따라 GGBS는 감소하고 있다. 재령에 따른 감소율을 보면 OPC의 경우에는 물시멘트비 50%에서 28일 재령에 비해서 29.1%가 감소하였고, GGBS의 경우에는 74% 감소하였다. 이러한 실험 결과는 슬래그 미분말이 충분히 수화하여 조직이 치밀해졌기 때문이라고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트구조물의 주요 열화요인은?
최근에는 국내에서도 콘크리트구조물의 사용수명을 예측하기 위해 많은 연구가 진행되고 있고, 이를 바탕으로 다양한 예측기법들이 개발되고 있으며, 성능평가형 내구성 설계 방법에 의해 실제 구조물의 설계단계에서부터 반영될 수 있도록 노력하고 있다. 염해환경에서 철근의 부식은 콘크리트구조물의 주요 열화요인의 하나로서 염화물 이온이 존재하는 콘크리트내에 산소와 수분의 침투는 철근의 부식을 일으키며 이는 내구성 저하를 가져오는데, 이를 예측하기 위해서는 염화물 확산계수의 산정이 매우 중요하다. 또한 염화물 확산계수는 콘크리트의 공극시스템의 특성에 의해 의존하게 되므로 콘크리트 내구성 평가를 위해 공극구조 형성모델을 도입하여 염화물 확산계수를 공극률의 함수로 도출하는 연구가 많이 진행되었다.
철근의 부식을 예측하기 위해서 중요한 것은?
최근에는 국내에서도 콘크리트구조물의 사용수명을 예측하기 위해 많은 연구가 진행되고 있고, 이를 바탕으로 다양한 예측기법들이 개발되고 있으며, 성능평가형 내구성 설계 방법에 의해 실제 구조물의 설계단계에서부터 반영될 수 있도록 노력하고 있다. 염해환경에서 철근의 부식은 콘크리트구조물의 주요 열화요인의 하나로서 염화물 이온이 존재하는 콘크리트내에 산소와 수분의 침투는 철근의 부식을 일으키며 이는 내구성 저하를 가져오는데, 이를 예측하기 위해서는 염화물 확산계수의 산정이 매우 중요하다. 또한 염화물 확산계수는 콘크리트의 공극시스템의 특성에 의해 의존하게 되므로 콘크리트 내구성 평가를 위해 공극구조 형성모델을 도입하여 염화물 확산계수를 공극률의 함수로 도출하는 연구가 많이 진행되었다.
플라이애쉬나 고로슬래그 미분말(GGBS) 또는 실리카퓸의 활용을 하면 얻는 효과는 무엇인가?
1,3-5) 콘크리트구조물은 장기적인 측면에서 사용수명(service life)을 늘릴 수 있는 고내구성을 고려한 설계가 이루어져야 하며,2) 가장 대표적인 내구성 설계방법으로 기존에 사용되던 OPC 콘크리트 보다 밀실한 고내구성 배합으로 시공하는 것으로서 플라이애쉬나 고로슬래그 미분말(GGBS) 또는 실리카퓸의 활용을 들 수 있다. 이러한 혼화재를 사용함으로써 콘크리트에 유동성, 장기 강도, 수밀성 개선 등에 효과가 있다고 알려져 있으며, 염화물 이온의 침투관점에서는 공극률의 감소를 통한 확산계수의 감소와 염화물 구속력의 증가를 통한 자유염화 물량의 감소 효과가 있다.6) 염화물 확산에 대한 연구는 지속적으로 발전하고 있으나 아직까지는 확산계수 도출 및 시간의존성에 따른 거동변화는 실험을 통한 값을 사용하거나 시간에 대한 지수함수형태로 모델링하여 사용하고 있으며, 공극률의 경우는 해석적 기법으로 예측하여 사용하고 있다.
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