[논문]콘크리트의 투기계수를 이용한 CO2확산 탄산화진행 예측모델

강석표; 김영선; 송하원; 김규용

doi:10.4334/jkci.2010.22.2.209

콘크리트의 투기계수를 이용한 CO2확산 탄산화진행 예측모델
The Prediction Model of Carbonation Process by CO2 Diffusion Using the Air Permeability Coefficient for Concrete 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.22 no.2, 2010년, pp.209 - 217

강석표 (우석대학교 건축.인테리어디자인학과) , 김영선 (충남대학교 건축공학과) , 송하원 (연세대학교 사회환경시스템공학부) , 김규용 (충남대학교 건축공학과)

초록
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최근 콘크리트의 탄산화 진행 예측을 위한 수식적 모델들이 보고되고 있으며, 이러한 모델들은 $Ca(OH)_2$과 $CO_2$의 화학적 반응과 $CO_2$의 확산에 대한 관계를 연구하고 있다. 이 모델들은 콘크리트의 탄산화 영역에서 $CO_2$가 확산하고 콘크리트 중의 탄산화 영역과 미탄산화 영역과의 경계면에서 $Ca(OH)_2$와 반응한다는 가정에 기초하고 있다. 이 연구에서는 콘크리트중의 $CO_2$ 확산 및 탄산화진행영역에서의 $CaCO_3$와 $Ca(OH)_2$의 공존을 고려한 $CO_2$와 $Ca(OH)_2$와의 반응을 모델화한 것이다. 콘크리트 탄산화진행을 보다 정확하게 표현하기 위해 콘크리트 투기계수로서 탄산화진행모델에 적용하여 $CO_2$확산 계수를 유추하였다. 모델에 의한 예측은 W/C에 따라 페인트처리를 실시한 콘크리트의 촉진탄산화의 실험 결과와 아주 유사하게 나타나, 콘크리트 투기계수를 이용한 탄산화 진행속도 기본방정식을 활용하여 촉진환경 및 일반 대기환경에서 탄산화 진행예측이 가능함으로서 철근콘크리트구조물의 내구성설계를 위한 보다 정량적인 수명예측이 가능할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, some mathematical models for the prediction on progress of carbonation of concrete were reported. These models take account for $CO_2$ diffusion and chemical reaction between $Ca(OH)_2$ and $CO_2$. Based on the assumption that $CO_2$ diffuses in the carbonation zone and reacts with $Ca(OH)_2$ at the outer face of carbonation zone and non-carbonation zone. In this study, a mathematical model to predict the progress of carbonation of concrete has been established based on the reducing concentration of $Ca(OH)_2$ in the carbonation progress zone, where $Ca(OH)_2$ reacts with $CO_2$ and $Ca(OH)_2$ and $CaCO_3$ coexist. Also, the prediction model of carbonation progress rate of concrete using the air permeability coefficient regarding to $CO_2$ diffusion is developed. As a result of this study, an expression, the model equation is obtained for the prediction of carbonation based on the time and interaction velocity between $CO_2$ and Ca(OH)$_2$ dependent air permeability coefficient. The prediction by the model satisfied the experimental data of the accelerated carbonation for painted concrete. Consequently, the model can predict the rate of carbonation and the potential service life of concrete structure exposed to atmosphere.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

CO₂와 Ca(OH)₂와의 반응을 모델화하여 콘크리트 탄산 화진행을 보다 정확하게 표현하고, 콘크리트투기계수로서 탄산화진행모델에 적용하기 위한 CO₂확산계수를 유추함으로서 철근콘크리트구조물의 내구성설계를 위한 정량적 수명예측기법의 기초자료를 확보하고자 한 이 논문의 결론은 다음과 같다.
따라서 이 논문에서는 콘크리트중의 CO₂ 확산 및 CO₂와 Ca(OH)₂와의 반응을 고려하는^4,5) 기존 모델에서 중요한 인자 중 하나인 CO₂확산계수를 실험을 통한 투기계수로서 유추하여 콘크리트구조물의 다양한 변화인자에 대응할 수 있는 탄산화진행 예측모델을 제안하고자 한다.

가설 설정

실험적인 연구로서는 장기적인 자연폭로시험과 촉진실험 등이 행하여져 있고, 탄산화기간과 탄산화깊이와의 관계로서 탄산화속도식이 浜田·岸谷式과 依田式 등으로 제안되어지고 있다.¹⁾ 이들 식은 콘크리트중의 이산화탄소 (CO₂)의 확산이 Fick의 제1법칙에 따르는 것으로 가정하고 탄산화기간 t와 탄산화깊이 x와의 사이에 #의 관계가 성립한다는 것을 기본으로 하고 있다. 그렇지만 그 후의 연구에서는 콘크리트중의 수화반응 진행, 건조 조건, 탄산화에 의한 세공량 감소 등을 고려한 경우 탄산화깊이는 탄산화기간의 0.
농도에 콘크리트 공극률 체적비율을 곱한값이 된다. 이 논문에서는 콘크리트의 일반적인 공극율 체적을 20%로 가정하여 콘크리트 표면부의 CO₂농도는 대기 중 CO₂농도의 20%로 계산하였다.^4-6)
콘크리트 표면부 공극 중 CO₂의 농도는 대기 중 CO₂ 농도와 동일하다고 가정하면 콘크리트 표면부 CO₂ 농도는 대기 중 단위체적당의 CO₂농도에 콘크리트 공극률 체적비율을 곱한값이 된다. 이 논문에서는 콘크리트의 일반적인 공극율 체적을 20%로 가정하여 콘크리트 표면부의 CO₂농도는 대기 중 CO₂농도의 20%로 계산하였다.

제안 방법

Ca(OH)₂와 CO₂의 반응속도 정수는 기존 연구 결과^4,5,8)를 바탕으로 W/C 60%의 경우 500,000/day, W/C 55%의 경우 250,000/day, W/C 47%의 경우 100,000/day을 적용하였으며, CO₂의 확산계수는 예측모델에 다양한 수치를 적용하여 해석치가 실험 결과와 가장 유사하게 나타나는 값을 선정하였다. 또한 탄산화 예측모델에 있어서 ∆x = 10 mm, ∆t = 1 day로 설정하였다.
따라서 탄산화 영역과 미탄산화 영역의 경계를 판단하는데 있어서, 이 연구에서는 콘크리트 중 Ca(OH)₂농도가 최초농도의 90%범위까지 감소한 지점을 탄산화깊이로 계산하였다.^4-6)
시험체 제작 1일 후에 탈형하여 각각의 양생조건에 따라 양생을 실시한 후, 탄산화 촉진실험전의 양생으로서 중량이 일정해질 때까지 1주간 기건양생을 실시하였다. 탄산화 촉진실험은 온도 20℃, 습도 50%, CO₂농도 5%의 조건에서 실시하였다.
이 연구에서 적용한 CO₂ 확산계수는 기존 연구 결과를 바탕으로 탄산화 촉진실험 결과의 평균 탄산화속도정수와 유사하게 표현하고 있는 CO₂ 확산계수를 적용하였으며 각 물시멘트비 및 마감재종류에 따른 CO₂ 확산계수는 Table 5에 나타내었다.
탄산화깊이는 마감재의 두께를 제외한 콘크리트만의 탄산화깊이로 하였다. 탄산화 깊이 측정 후 측정면은 탄산가스의 침투를 방지하기 위하여 에폭시코팅을 하였다.
시험체 제작 1일 후에 탈형하여 각각의 양생조건에 따라 양생을 실시한 후, 탄산화 촉진실험전의 양생으로서 중량이 일정해질 때까지 1주간 기건양생을 실시하였다. 탄산화 촉진실험은 온도 20℃, 습도 50%, CO₂농도 5%의 조건에서 실시하였다.
탄산화깊이 측정용 시험체는 100 × 100 × 400 mm의 각 주형 시험체로 제작하였고 양생 종료 후 타설면에 직각인 한 면을 측정면으로 선정한 후 나머지면은 에폭시코팅을 실시하여 탄산가스의 침투를 억제시켰으며 탄산화 촉진 시험을 실시하기 전에 각각의 마감재를 측정면으로 선정된 면에 도포하였다.
탄산화깊이 측정은 압축강도 시험기를 이용하여 시험 체를 약 50 mm의 두께로 할렬한 후 1%의 페놀프탈레인 용액을 분무하여 시험체의 표면으로부터 발색되지 않은 5개소의 평균깊이로 하였다. 탄산화깊이는 마감재의 두께를 제외한 콘크리트만의 탄산화깊이로 하였다.
투기량 측정용 시험체는 양생 종료 후 Ø100 × 200 mm 원주형 시험체의 중심부를 절단하여 두께 30 mm의 시편을 체취하였으며, 절단면의 한 면에 각각의 마감처리를 실시하였다.
1에 나타낸 바와 같이 탄산가스의 침투를 억제하였다. 투기량은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 직경 75 mm의 실린더에 시험체를 고정시켜 실링을 한 후 약 0.2 MPa의 압력을 가하여 투과되는 공기를 수중에서 메스실린더를 사용해 물과 치환하는 방법으로 투기량을 측정하였으며, 투기량 측정 결과로부터 식 (19)에 의하여 투기계수를 산출하였다.^9,10)

대상 데이터

이 실험에서의 콘크리트 배합은 Table 1에 나타내었으며 사용재료의 물리적 성질은 Tables 2 및 3과 같다. 마감용 재료는 무도포와 국내 아파트의 외벽마감에 주로 사용되는 페인트 1급 및 2급으로 하였다.

성능/효과

1) 탄산화진행모델에 적용하기 위하여 탄산화촉진 실험결과와 유사하게 나타나는 확산계수 D는 물시멘트비가 작아질수록 작아지고, 무처리와 비교하여 페인트 마감이 작아지며, 특히 페인트 2급과 비교하여 페인트 1급에서 작게 나타나고 있다.
2) 마감재를 사용하고 물시멘트비가 작아질수록 CO₂확산에 의한 탄산화진행 예측모델을 적용한 결과는 콘크리트 탄산화진행을 표현하는 경과시간에 관한 tn에서의 n이 0.5보다 크게 나타나고 있어 촉진재령이 증가할수록 해석치와 측정치와의 차가 증가하는 경향을 보이고 있다.
그러나 물시멘트비 및 마감재종류에 관계없이 촉진재령을 7주 이상에서의 해석치가 탄산화촉진 실험에 의한 측정치와 비교하여 상대적으로 크게 나타나고 있으며, 촉진재령을 사용한 경우 실측치를 바탕으로 한 탄산화속도 정수와 유사하게 증가할수록 해석치와 측정치와의 차는 더욱 커질 것으로 표현할 수 있는 CO₂확산계수를 적용하여보면 콘크리트 탄산화진행을 표현하는 경과시간에 관한 tn에서의 n이 0.5보다 크게 나타나고 있어 촉진 재령이 증가할수록 해석치와 측정치와의 차가 더욱 크게 나타나고 있다.
따라서 콘크리트의 투기계수로서 CO₂확산계수를 유추하기 위해서는 투기계수 측정시 투기계수가 일정한 값을 유지하게되는 재령에서의 시험체 함수상태에 유의하여야 할 것으로 사료되며 이 연구의 범위에서 콘크리트 투기계수와 CO₂확산계수는 식 (21)과 같은 관계를 지니고 있는 것으로 나타났다.
이 연구의 탄산화진행예측 모델에서 탄산화촉진실험에 의한 탄산화진행과 유사하게 표현할 수 있는 CO2확산계수와 탄산화촉진 재령에 따른 투기계수와의 관계는 실험 정수 a의 경우 1.0522 ≤ a ≤ 1.8356, 실험정수 b의 경우 0.1514 ≤ b ≤ 0.1757 수준인 것으로 나타났으며 이들의 결정계수 R2은 0.8이상의 유효한 상관계수를 보이고 있다.
이를 탄산화진행 포물선으로 나타내어보면 일반적인 탄산화 속도식인 x=A·tn(x:탄산화깊이, A:탄산 화계수, t:탄산화기간, n:일반적으로 0.5)에서 CO2확산계수 D가 증가할수록 n이 작아지고 있으며 탄산화속도가 가장 빠른 W/C 60%의 무도포 시험체의 경우 n = 0.4899로서 일반적인 #로 나타났다.
탄산화 촉진실험 결과와 유사하게 나타나는 확산계수 D는 물시멘트비가 작아질수록 작아지고, 무처리와 비교하여 페인트 마감이 작고, 특히 페인트 2급과 비교하여 페인트 1급에서 작게 나타났다. 이는 물시멘트비가 작아질수록 조직이 치밀화 됨으로서 확산계수는 작아지게 되고 반응속도정수도 작아지게 된다.

후속연구

5) 콘크리트 투기계수를 이용한 탄산화 진행속도 기본 방정식을 활용하여 촉진환경 및 일반 대기환경에서 탄산화 진행예측이 가능함으로서 철근콘크리트구조물의 내구성설계를 위한 보다 정량적인 수명예측이 가능할 것으로 사료된다.
이와 같은 콘크리트 투기계수를 이용한 탄산화 진행속도 기본방정식을 활용하여 촉진환경 및 일반 대기환경에서 탄산화 진행예측이 가능함으로서 철근콘크리트구조물의 내구성설계를 위한 보다 정량적인 수명예측이 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트의 탄산화는 무엇에 영향을 미치는가?	콘크리트의 탄산화는 철근을 부식시키는 요인으로서 철근콘크리트의 내구성에 매우 중요한 영향을 미치기 때문에 기존에 많은 실험적·이론적 연구가 행하여졌다. 실험적인 연구로서는 장기적인 자연폭로시험과 촉진실험 등이 행하여져 있고, 탄산화기간과 탄산화깊이와의 관계로서 탄산화속도식이 浜田·岸谷式과 依田式 등으로 제안되어지고 있다.
	콘크리트의 탄산화의 철근을 부식시키는 요인을 실험하는 연구로 행해진 것은 무엇인가?	콘크리트의 탄산화는 철근을 부식시키는 요인으로서 철근콘크리트의 내구성에 매우 중요한 영향을 미치기 때문에 기존에 많은 실험적·이론적 연구가 행하여졌다. 실험적인 연구로서는 장기적인 자연폭로시험과 촉진실험 등이 행하여져 있고, 탄산화기간과 탄산화깊이와의 관계로서 탄산화속도식이 浜田·岸谷式과 依田式 등으로 제안되어지고 있다.1) 이들 식은 콘크리트중의 이산화탄소 (CO2)의 확산이 Fick의 제1법칙에 따르는 것으로 가정하고 탄산화기간 t와 탄산화깊이 x와의 사이에 #의 관계가 성립한다는 것을 기본으로 하고 있다.
	田佳寬4)와 黃光律은 어떤 반응을 모델화 하였는가?	또한 田佳寬4)와 黃光律5)은 콘크리트중의 CO2의 확산 및 탄산화진행영역에서의 CaCO3와 Ca(OH)2의 공존을 고려한 CO2와 Ca(OH)2와의 반응을 모델화 하였다. 그러나 이 논문에서는 수학적 모델에서 가장 중요한 변수 중 하나인 CO2확산계수를 변화시켜 측정치와 비교적 적합한 값을 제시하고 있어 콘크리트 사용재료의 변화라든지 마감재의 사용에 따른 변수요인을 포함시키지 못하고 있다.

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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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