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슬래그 미분말 혼합 콘크리트의 공극구조와 염화물 확산계수와의 관계에 대한 실험적 연구
An Experimental Study on Relation between Chloride Diffusivity and Microstructural Characteristics for GGBS Concrete 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.21 no.5, 2009년, pp.639 - 647  

김태상 (한국건자재시험연구원 건설기반기술센터) ,  정상화 (한국건자재시험연구원 건설기반기술센터) ,  최영철 (한국건자재시험연구원 건설기반기술센터) ,  송하원 (연세대학교 사회환경시스템공학부)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (28)

  1. 송하원, 권성준, 변근주, 박찬규, "혼화재를 사용한 고성능 콘크리트의 배합특성을 고려한 염화물 확산 해석기법에 관한 연구," 대한토목학회 논문집, 25권, 1A호, 2005, pp. 213-223 

  2. Song, H. W., Kim, H. J., Saraswathy, V., and Kim, T. H., "A Micro-mechanics Based Corrosion Model for Predicting the Service Life of Reinforced Concrete Structures," Int J. Electro Sci., Vol. 2, No. 4, 2007, pp. 341-354 

  3. Maekawa, K., Chaube, R., and Kishi, T., Modeling of Concrete Performance: Hydration, Microstructure Formation and Mass Transport, Routledge, London and New York, 1999, 44 pp 

  4. Song, H. W., Pack, S. W., Lee, C. H., and Kwon, S. J., Service Life Prediction of Concrete Structures under Marine Environment Considering Coupled Deterioration, J. of Restoration of Buildings and Monuments, Vol. 12, No. 4, 2006, 

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  6. Song, H. W., Lee, C. H., Jung, M. S., and Ann, K. Y., "Development of Chloride Binding Capacity in Cement Pastes and the Influence of the pH of Hydration Products," Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 35, No. 12, 2008, pp. 1427-1434 

  7. Mehta, P. K., Monteiro, P. J. M., Concrete: Structure, Properties, and Materials, Prentice Hall, New Jersey, 1993, 31 pp 

  8. Winslow, D. N. and Diamond, S., "A Mercury Porosimetry stSdy of the Evolution of Porosity in Cement," ASTM J. Materials, Vol. 5, No. 3, 1970, pp. 564-585 

  9. Ritter, H. L. and Drake, L. C., “Pore-size Distribution in Porous Materials,” Industrial and Engineering Chemistry, 17, 1945, 782 pp. 

  10. Winslow, D. Liu, "Pore Structure of Cement Paste in Concrete," Cem. Concr. Res., Vol. 20, No. 2, 1990, pp. 227-235 

  11. Breugel, Simulation of Hydration and Formation of Structure in Hardening Cement-Based Materials, Delft, 1991, 74 pp. 

  12. Bentz, D. P. and Garboczi, E. J., "Water Permeability and Chloride Ion Diffusion in Portland Cement Mortars," Cem. Concr. Res., Vol. 25, No. 4, 1995 pp. 790-802 

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  15. Whiting, D., "Rapid Measurements of Chloride Permeability of Concrete," Public Roads, Vol. 45, No. 3, 1981, pp. 101-112 

  16. Feldman, R. F., Chan, G. W., Brousseau, R. J., and Tumida-jski, P. J., "Investigation of the Chloride Permeability Test," ACI Mater. J., Vol. 91, No. 2, 1994, pp. 246-255 

  17. Feldman, R. F., Prudencio Jr., L. R., and Chan, G., "Rapid Chloride Permeability Test on Blended Cement and Other Concretes: Correlations between Charge, Initial Current and Conductivity," Constr. Build. Mat., Vol. 13, No. 3, 1999 pp. 149-154 

  18. Sugiyama, T., Tsuji, Y., and Bremner, T. W., "Relationship between Coulomb and Migration Coefficient of Chloride Ions for Concrete in a Steady-state Chloride Migration Test," Mag. Concr. Res., Vol. 53, No. 1, 2001, pp. 13-24 

  19. Truc, O., Ollivier, J. P., and Carcasses, M., "A New Way for Determining the Chloride Diffusion Coefficient in Concrete from Steady State Migration Test," Cem. Concr. Res., Vol. 30, No. 7, 2000, pp. 217-226 

  20. Castellote, M., Andrade, C., and Alonso, C., "Measurement of the Steady and Nonsteady-state Chloride Diffusion Coefficients in a Migration Test by Means of Monitoring the Conductivity in the Anolyte Chamber Comparison with Natural Diffusion Tests," Cem. Concr. Res., Vol. 31, No. 10, 2001, pp. 1411-1420 

  21. Tang, L. and Nilsson, L. O., "Rapid Determination of Chloride Diffusivity of Concrete by Applying an Electric Field," ACI Mater. J., Vol. 89, No. 1, 1992, pp. 49-53 

  22. 김성운, 박상준, "염해 내구성 콘크리트의 제조 및 시공," 콘크리트구조물의 염해 내구성에 관한 국제 심포지엄, 한국콘크리트학회, 2006, pp. 119-155 

  23. Pogeon, M. and Pleau, R. Durability of Concrete in Cold Climates, E&FN Spon, 1995, 12 pp 

  24. Powers, T. C., "The Mechanisms of Frost Action in Concrete," Stanton Walker Lecture Series on the Material Science, 1965, 3 pp 

  25. Setzer, M. J., Development of the Micro-ice-lens Model. Frost Resistance of Concrete, Essen, Germany, RILEM, 2002, pp. 133-146 

  26. Halamickova, P., Detwiler, R. J., Bentz, D. P., and Garboczi, E. J., "Water Permeability and Chloride Ion Diffusion in Portland Cement Mortars: Relationship to Sand Content and Critical Pore Diameter," Cem. Concr. Res., Vol. 25, No. 4,1995, pp. 790-802 

  27. 조태준, 김이현, 조효남, "콘크리트구조물의 반복적 동결융해에 대한 수치 해석적 열화 예측 및 신뢰성 모델 개발," 콘크리트학회 논문집, 20권, 1호, 2008, pp. 13-22 

  28. Mihashi, H. and Zhou, Z. Y., "Micro Mechanics Model to Predict Macroscopic Behavior of Concrete under Frost Action," RILEM Proceeding, Pro. 24, 1997, pp. 235-241 

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