자연환경 중 다양한 형태로 존재하는 염화물은 콘크리트 구조물의 철근 부식을 야기하며 이에 따른 심각한 내구성 저하와 함께 구조물의 수명을 감소시킨다. 현재 콘크리트 중의 염화물 침투 특성을 규명하기위한 연구는 해안가 장기 폭로 시험과 전기화학적 촉진 시험에 의한 확산계수 평가 등에 의해 지속적인 발전을 이루어왔으나 콘크리트의 배합, 수화도, 고정화능력, 공극률의 재료적 특성을 고려한 이성적이며 포괄적인 염화물 침투 모델에 관한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실내 염화물 침지 실험을 통해 콘크리트의 염화물 고정화 특성을 파악하고 이를 고려한 염화물 침투 모델로서 비정상상태의 염화물 침투 해석과 함께 해양침지환경하의 철근콘크리트 구조물의 내구수명 예측을 시도하였으며 SHRP 기준과 20~40%의 내구수명의 차이를 보였다.
자연환경 중 다양한 형태로 존재하는 염화물은 콘크리트 구조물의 철근 부식을 야기하며 이에 따른 심각한 내구성 저하와 함께 구조물의 수명을 감소시킨다. 현재 콘크리트 중의 염화물 침투 특성을 규명하기위한 연구는 해안가 장기 폭로 시험과 전기화학적 촉진 시험에 의한 확산계수 평가 등에 의해 지속적인 발전을 이루어왔으나 콘크리트의 배합, 수화도, 고정화능력, 공극률의 재료적 특성을 고려한 이성적이며 포괄적인 염화물 침투 모델에 관한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실내 염화물 침지 실험을 통해 콘크리트의 염화물 고정화 특성을 파악하고 이를 고려한 염화물 침투 모델로서 비정상상태의 염화물 침투 해석과 함께 해양침지환경하의 철근콘크리트 구조물의 내구수명 예측을 시도하였으며 SHRP 기준과 20~40%의 내구수명의 차이를 보였다.
Chloride-induced corrosion of steel bars in concrete exposed to marine environments has become one of the major causes of deterioration in many important facilities made of reinforced concrete. A study on chloride penetration in concrete has developed through long period exposure test along seawater...
Chloride-induced corrosion of steel bars in concrete exposed to marine environments has become one of the major causes of deterioration in many important facilities made of reinforced concrete. A study on chloride penetration in concrete has developed through long period exposure test along seawater, assesment of chloride ion diffusion by electrochemical techniques and so on. However, reasonable and exclusive chloride penetration model considering concrete material properties with mixture, degree of hydration, binding capacity has not been established. Therefore, in this paper, chloride penetration analysis of non-steady state is accomplished with material properties of concrete. Comparing with the results of analysis and chloride ponding test, we could accept the effect of binding capacity on chloride penetration in concrete and these results could be applied to a service life prediction of R.C. structures submerged in seawater. Therefore, there are 20~40% differences of service life to SHRP prediction.
Chloride-induced corrosion of steel bars in concrete exposed to marine environments has become one of the major causes of deterioration in many important facilities made of reinforced concrete. A study on chloride penetration in concrete has developed through long period exposure test along seawater, assesment of chloride ion diffusion by electrochemical techniques and so on. However, reasonable and exclusive chloride penetration model considering concrete material properties with mixture, degree of hydration, binding capacity has not been established. Therefore, in this paper, chloride penetration analysis of non-steady state is accomplished with material properties of concrete. Comparing with the results of analysis and chloride ponding test, we could accept the effect of binding capacity on chloride penetration in concrete and these results could be applied to a service life prediction of R.C. structures submerged in seawater. Therefore, there are 20~40% differences of service life to SHRP prediction.
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문제 정의
(Andrade, 1993 ; 문한영 등, 2001) 그러나 장기 폭로시험의 경우 지나치게 많은 시간이 소요되며 축진시험의 경우 축진 환경과 실제 환경과의 차이점으로 인한 적용성에 다소 한계가 있다.(Grace, 1991 ; Mackechine, 1997) 따라서 본연구에서는 시간 단축을 위한 합리적인 염회불 침투 모델링과 함께 실제 환경에서의 염화물 침투 특성을 파악하여 이를 콘크리트 내구수명 예측에 적용하고자 하였다.
본 실험에서는 실제 해수를 묘사할 수 있는 0.5M 염화물농도의 침전액에 콘크리트를 침지하고 콘크리트의 염화물 고정화 능력을 평가하기 위하여 시간에 따른 전염화물 농도와 자유 염화물 농도를 즉정하였다.
본 연구에서는 SHRP(Strategic Highway Research Program) 에서 제안한 식 (20>의 염화물 침투 속도식과 본 연구에서 행한 염화물 고정화를 고려한 유한요소 해석과의 비교를 통해 염화물 고정화가 염화물 침투 속도에 미치는 영향과 이에 따른 내구수명을 판단해보고자 하였다.(Weyers, 1994) 여기서 임계 염화 물량은 ACI Committee 201과 ACI Committee 222에서 각각 제안한 시멘트 중량대비 0.
본 연구의 특징은 염화물 침투 속도에 큰 영향을 미치는 콘크리트의 염화물 고정화 능력을 실제 해수 농도에서의 침지 실험을 통해 반영한 점이다. 따라서 본 연구를 통한 내구수명 예측은 실제 해양 침지 조건하에 있는 철근 콘크리트 구조물의 염해에 대한 적절한 보수 시기의 결정은 물론 신설될 해양 구조물의 내구성 배합 설계에 큰 도움이 될 것이다.
이제 식(5)로써 염화물 확산에 관한 지배방정식이 결정되었으며 유한요소 해석을 통해 콘크리트배합, 양생, 콘크리트 수화도, 온도, 습도, 고정화능력을 고려한 비정상 상태의 염화물 침투 특성을 파악하고자 하였다.
특성과 환경조건에 의해 결정된다. 즉 재료의 물질고정화 능력 (binding capacity), 공극구조에 따른 침투성 (pemieability), 그리고 온도, 압력, 함수비, 물질의 이동능력과 양에 따라 다양한 침투 메커니즘을 갖게 되며 본 연구에서는 이온 확산에 따른 염화물의 이동에 초점을 맞추고자 한다.
제안 방법
각 배합에 대하여 100x100x200 mm의 공시체를 제작하여 1일 후 탈형하고, 온도 23±1 C의 수중에서 28일간 양생한 후에 염화물의 일방향 침투를 유도하기 위해 5개면을 에폭시로 실링하고 NaCl 0.5M의 수용액에 6개월, 9개월간 침지 시켜 깊이별 자유염화물 함유량 및 전염화물 함유량을 측정하였다. 자유염화물 함유량은 콘크리트 표면으로부터 5 mm 간격으로 시료 40 g을 채취한 후 일본 콘크리트공학협회 규준 (안)[경화콘크리트 중의 염분량 측정방법]에 의해 염화물을 추출한 다음, 이온전극법을 이용한 미국 F사 제품 AR-25를 사용하여 측정하였다.
자유염화물 함유량은 콘크리트 표면으로부터 5 mm 간격으로 시료 40 g을 채취한 후 일본 콘크리트공학협회 규준 (안)[경화콘크리트 중의 염분량 측정방법]에 의해 염화물을 추출한 다음, 이온전극법을 이용한 미국 F사 제품 AR-25를 사용하여 측정하였다. 또한 전염화물 함유량(산에 녹는 염화물함유량)은 콘크리트 표면으로부터 5 mm 간격으로 시료 3 g을채취한 다음, 미국 J사의 CL-1000을 사용하여 전염 화물량을 측정하였다.
목표 공기량을 확보하기 위하여 주성분이 리그닌술폰산 칼슘인 표준형 AE감수제를 사용하였으며 고성능감수제를 사용하여 목표 슬럼프를 확보하였다.
(Perez, 2000) 본 연구에서는 임계염회-불량에 대한 논의는 주후 과제로서 논외로 하였으며 콘크리트 중의 염화불 침투 속도 산정에 논점을 맞추었다. 이를 위한 방법으로 먼저 콘크리트의 배합, 양생 기간, 양생 온도의 초기조건과 시간경과에 따른 콘크리트의 온도, 습도, 수화도 및 고정화 능력을 고려한 염화물 확산계수를 변형된 Fick의 2법칙에 적용하였고 이에 따른 비정상 상태의 염화물 침투 지배방정식을 유한요소 해석을 이용 해결하여 내구수명예측에 사용하였다.
해양 침지환경하의 철근부식에 의한 내구수명 예측을 위하여 염화물 침지 실험과 콘크리트 재료적 특성을 고려한 염화물 침투 유한요소해석을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
보통포틀랜드 시멘트(이하 OPC), 고로슬래그(이하 BS), 플라이애시(이하 FA) 및 실리카 흄(이하 SF)를 사용하였으며 각 결합재별 물리적, 화학적 성질은 Table 3과 같다.
이론/모형
우선 콘크리트의 배합, 양생온도, 양생기간의 초기조건을 고려한 염화물 확산계수의 산정을 위해 Luciano가 통계적으로 구한 식(가을 사용한다.(Luciano, 1999)
5M의 수용액에 6개월, 9개월간 침지 시켜 깊이별 자유염화물 함유량 및 전염화물 함유량을 측정하였다. 자유염화물 함유량은 콘크리트 표면으로부터 5 mm 간격으로 시료 40 g을 채취한 후 일본 콘크리트공학협회 규준 (안)[경화콘크리트 중의 염분량 측정방법]에 의해 염화물을 추출한 다음, 이온전극법을 이용한 미국 F사 제품 AR-25를 사용하여 측정하였다. 또한 전염화물 함유량(산에 녹는 염화물함유량)은 콘크리트 표면으로부터 5 mm 간격으로 시료 3 g을채취한 다음, 미국 J사의 CL-1000을 사용하여 전염 화물량을 측정하였다.
성능/효과
1) 0.5M 해양 환경하에서의 콘크리트 염화물 고정화 상수는 Langmuir 모델에서 cr=0.99, B=0.30, Freundlich 모델에서 a=1.08, B=0.36 의 값을 도출하였으며 이 상수들은 자유염화물량 대비 고정화된 염화물량의비율을 의미한다고 할 수 있다.
2) 고정화를 고려한 침투모델과 고려하지 않은 침투모델의 내구수명은 20~40%의 차이를 보였으며 고정화를 고려하지 않은 내구성 설계는 과다한 피복두께를 초래할 것으로 사료되어 지나치게 보수적인 설계가 발생함에 따라 비경제적인 설계를 유발하는 것으로 판단된다.
예를 들어 설명하면 고로슬래그를 치환할 경우 염화물 고정화증가 효과는 치환에 따른 C3A와 CSH 겔의 양에 따른 고정화 효과보다는 고로슬래그를 치환함에 따라 자유 염화물이 이동할 수 있는 수분 침투 공극량이 줄어들게 되고 이에 따라 자유염화물 침투량 감소와 함께 고정염화물이 감소하는 영향이 더욱더 지배적인 것으로 판단된다. 그러므로 거시적인 관점에서 본 연구에서 행한 0.5M 염화물 침지 실험에 따른 염화물 고정화 특성은 염화물 침투에 관한 모델 구성시에 유효할 것으로 판단된다.
7처럼 나타낼 수있었으며 이는 비정상 상태의 염화물 침투를 적절하게 묘사하고 있음을 알 수 있다. 따라서 깊이별, 시간별 염화물 확산계수 변화를 포함한 유한요소 해석과 이를 고려하지 않은 염화물 침투 속도와 내구수명 예측은 Fig. 8 ~ Fig. 14와 Table 8에서 보듯이 극명한 차이를 보이고 있으며 특히 임계염화물 도달 시기에서 가장 큰 차이를 보이고 있다. 즉, 식 (18)에 의한 염화물 침투 속도는 콘크리트의 염화물 고정화를 고려하지 못하므로 지나치게 빠른 염화물 속도를 나타내고 있으며 고정화를 고려했을 경우와 대비하면 콘크리트 배합에 따라 약 20~40%정도의 임계염화물량 도달시기의 차이가 있었다.
3를 살펴보면 콘크리트 배합에 따라 Langmuir와 Freundlich 고정화 모델과 일치하는 경향을 나타내지만 선형 구속 등 온 선과는 일치하지 않는 것을 알 수 있으며 일반적으로 선형 구속 등온선은 잘 일치 하지 않아 적용하기 어렵다. 위의 결과로 판단할 때 콘크리트내의 염화물 고정화는 콘크리트 공극내의 자유 염화물 농도에 가장 큰 지배를 받는 것으로 사료된다. 예를 들어 설명하면 고로슬래그를 치환할 경우 염화물 고정화증가 효과는 치환에 따른 C3A와 CSH 겔의 양에 따른 고정화 효과보다는 고로슬래그를 치환함에 따라 자유 염화물이 이동할 수 있는 수분 침투 공극량이 줄어들게 되고 이에 따라 자유염화물 침투량 감소와 함께 고정염화물이 감소하는 영향이 더욱더 지배적인 것으로 판단된다.
후속연구
3) 본 연구의 고정화를 고려한 염화물 침투 모델로서 기존의 보통 콘크리트 배합보다 효과적인 내구성 배합을 도모할 수 있음을 물론 기존 해양 구조물의 적절한 보 수시기의 결정에 큰 도움이 되어 구조물의 안전성 및 경제성 향상에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.
실험을 통해 반영한 점이다. 따라서 본 연구를 통한 내구수명 예측은 실제 해양 침지 조건하에 있는 철근 콘크리트 구조물의 염해에 대한 적절한 보수 시기의 결정은 물론 신설될 해양 구조물의 내구성 배합 설계에 큰 도움이 될 것이다.
참고문헌 (10)
문한영, 이승태, 김홍삼 (2001) 시멘트 경화체의 해수침식에 의한 성능저하 및 저항성 평가. 한국콘크리트학회 논문집, 제4권 2호, pp.175-183
Grace, W.R. (1991) Chloride Penetration in Marine Concrete : A Computer Model for Design and Service Life Evaluation,International Proceedings of Corrosion 91, Australians Corrosion Association, pp.121-129
Luciano, J. and Miltenberger, M. (1999) Predicting Chloride Diffusion Coefficient from Concrete Mixture Properties, ACI Material Journal, Vol. 96-M86, pp.698-703
Mackechine, J.R. and Alexande, M.G. (1997) Exposure of Concrete in Different Marine Environment, Journal of Materials in Civil Engineering, Vol 27, No. 2, pp.154-162
Perez, M.B., Zibara, H. and Hooton, R.D. (2000) A study of the effect of chloride binding on service life predictions, Cement Concrete Research, Vol. 30, No. 8, pp.1215-1223
Saetta, A.V., Scotta, R.V. and Vitaliani, R.V. (1993) Analysis of chloride diffusion into partially saturated cocncrete, ACI Material Journal, Vol. 90, No. 5, pp.441-451
Weyers, R.E., Fitch, M.G., Laren, E.P., Al-Quadi, I.L., and Hoffman, P.C. (1994) Concrete Bridge Protection and Repair, and Rehabilitation Relative to Reinforcement Corrosion: A Methods Application Manual, SHRP-S-360, National Research Council, Washington D.C., pp.268,
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