최근 들어 대형 해양콘크리트 구조물의 건설이 빈번해짐에 따라 콘크리트의 염화물이온확산계수를 정확히 평가할 필요성이 대두되고 있으나, 콘크리트의 염화물이온 확산계수 평가는 장시간이 소요되는 단점 때문에 전기화학적인 전위차 촉진에 의해 단시간에 염화물이온의 확산계수를 추정하기 위한 여러 촉진 시험방법들이 제안되고 있으나 이에 대한 체계적인 연구가 아직은 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 시멘트의 성분이 다른 3종류의 시멘트를 대상으로 대표적인 3가지 전기적인 촉진시험에 의해 콘크리트중의 염화물이온의 침투 및 확산특성을 평가하고 이 방법간의 상관성을 분석하였다. 평가결과 시멘트의 성분에 따라 염화물이온의 확산특성은 크게 달라졌으며, 그 중 고로 슬래그 미분말과 플라이애시를 일정비율로 혼합한 3성분계 시멘트의 확산특성이 가장 우수하였으며, 염화물이온 확산 특성은 결과로부터 시험방법간의 상관성은 양호한 것으로 나타났다.
최근 들어 대형 해양콘크리트 구조물의 건설이 빈번해짐에 따라 콘크리트의 염화물이온확산계수를 정확히 평가할 필요성이 대두되고 있으나, 콘크리트의 염화물이온 확산계수 평가는 장시간이 소요되는 단점 때문에 전기화학적인 전위차 촉진에 의해 단시간에 염화물이온의 확산계수를 추정하기 위한 여러 촉진 시험방법들이 제안되고 있으나 이에 대한 체계적인 연구가 아직은 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 시멘트의 성분이 다른 3종류의 시멘트를 대상으로 대표적인 3가지 전기적인 촉진시험에 의해 콘크리트중의 염화물이온의 침투 및 확산특성을 평가하고 이 방법간의 상관성을 분석하였다. 평가결과 시멘트의 성분에 따라 염화물이온의 확산특성은 크게 달라졌으며, 그 중 고로 슬래그 미분말과 플라이애시를 일정비율로 혼합한 3성분계 시멘트의 확산특성이 가장 우수하였으며, 염화물이온 확산 특성은 결과로부터 시험방법간의 상관성은 양호한 것으로 나타났다.
Recently, as many big marine concrete structures increase, it is necessary that chloride ion diffusion coefficient of concrete shall be evaluated but it will take a long time to evaluate chloride ion diffusion coefficient of concrete. Accordingly, many test methods are suggested to evaluate chloride...
Recently, as many big marine concrete structures increase, it is necessary that chloride ion diffusion coefficient of concrete shall be evaluated but it will take a long time to evaluate chloride ion diffusion coefficient of concrete. Accordingly, many test methods are suggested to evaluate chloride ion diffusion coefficient in a short period time by the promotion in electro chemical ways but the systematic study for this is insufficient. Therefore, this study evaluates chloride ion penetration and diffusion features by three representative electric promotion tests targeting for three different cements whose ingredients are different and analyzes the correlationship between them. As a result, diffusion features of chloride ion varied according to the cement ingredients and three ingredients cement in which blast furnace slag powder and fly ash are mixed in constant ratio, which shows the most excellent cement diffusion properties. For diffusion properties of chloride ion, the correlationship between test methods are good.
Recently, as many big marine concrete structures increase, it is necessary that chloride ion diffusion coefficient of concrete shall be evaluated but it will take a long time to evaluate chloride ion diffusion coefficient of concrete. Accordingly, many test methods are suggested to evaluate chloride ion diffusion coefficient in a short period time by the promotion in electro chemical ways but the systematic study for this is insufficient. Therefore, this study evaluates chloride ion penetration and diffusion features by three representative electric promotion tests targeting for three different cements whose ingredients are different and analyzes the correlationship between them. As a result, diffusion features of chloride ion varied according to the cement ingredients and three ingredients cement in which blast furnace slag powder and fly ash are mixed in constant ratio, which shows the most excellent cement diffusion properties. For diffusion properties of chloride ion, the correlationship between test methods are good.
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문제 정의
본 연구에서는 시멘트 종류를 변수로 염화물이온의 침투 및 확산특성을 비교 평가하고자 하였다. 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC)와 현재 해양콘크리트의 건설에 대표적으로 사용되는 고로 슬래그 시멘트(Blast Furnace Slag Cement, 이하 BSC) 및 고로 슬래그 미분말과 플라이애시를 일정비율로 혼합한 3성분계 시멘트(Ternary Blended Cement, 이하 TBC)이며 사용된 시멘트의 화학조성 및 물리특성은 Table 1과 같다.
본 연구에서는 전기화학적인 전위차 촉진법에 의해 단기간에 염화물 이온의 확산계수를 효율적으로 추정하기 위한 분석자료를 구축하기 위하여 대표적으로 사용되는 3가지 방법을 선정한 후 이에 대한 각 종 시험결과로부터 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 화학조성 및 물리적 특성이 다른 3종류의 시멘트로 제조한 각각의 콘크리트에 대하여 대표적인 3가지 전기적 촉진시험에 의해 콘크리트의 염화물이온 침투 및 확산특성을 평가하였으며, 그 결론은 다음과 같다.
제안 방법
따라서, 본 연구에서는 이러한 촉진 시험방법 중에서 가장 대표적인 3가지 방법을 선별하여 보통 포틀랜드시멘트와 해양 콘크리트의 제조에 가장 많이 이용되는 고로슬래그계 시멘트를 사용한 각각의 콘크리트에 대하여 염화물이온 침투저항성 및 확산특성을 평가하였으며, 이로부터 시험방법에 따른 상호 상관성을 비교분석하였다.
본 연구에서는 시멘트의 종류에 따른 콘크리트의 재령별 압축강도 특성 시험을 수행하였으며 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
3M의 NaOH용액, 음극에는 3%의 NaCl용액을 사용하며, 셀의 양단에 60V의 직류전압을 6시간 동안 가한다. 이때 시험체에 흐르는 전류를 측정하여 총 통과전하량(Coulomb)으로부터 염화물이온의 침투저항성(투과성)을 평가한다(전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투저항성 시험방법, 2002).
제작된 시험체는 20± 2℃ 온도에서 28일 및 91일 동안 수중양생하였다.
측정항목은 1일 또는 2일 주기로 양극과 음극셀에서의 염화물이온의 농도변화량이다.
본 연구에서 제작한 콘크리트의 배합은 Table 2에 나타내었다. 콘크리트 시험체는 시멘트의 특성에 따른 콘크리트 성능을 비교하기 위하여 동일 배합 조건으로 제작하였다. 공기량은 4.
한편, BSC는 고로 슬래그 미분말이 50% 치환되어 있으며, TBC의 경우는 고로 슬래그 미분말 40%와 플라이애시 20%가 치환되어 있는 조건인데, 시멘트 종류에 따라 연행 공기량이 달라지므로 본 연구에서는AE제 사용량을 변화하여 이를 조정하였다.
대상 데이터
공기량은 4.5±1.5%, 슬럼프는 180± 25mm를 목표로 하였으며 설계기준강도는 30MPa로 설정하였다.
시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC)와 현재 해양콘크리트의 건설에 대표적으로 사용되는 고로 슬래그 시멘트(Blast Furnace Slag Cement, 이하 BSC) 및 고로 슬래그 미분말과 플라이애시를 일정비율로 혼합한 3성분계 시멘트(Ternary Blended Cement, 이하 TBC)이며 사용된 시멘트의 화학조성 및 물리특성은 Table 1과 같다.
제작되는 콘크리트의 물성을 일정하게 유지하기 위하여 혼화제는 리그닌 설폰산염을 주성분으로 하는 감수제 표준형(Water Reducing Agent, 이하 WR) 및 공기연행제(이하 AE)를 각각 사용하였다.
이론/모형
염화물이온 확산에 관한 국내 표준시험방법은 KS F 2711(전기전도도에 의한 콘크리트내 염소이온 침투저항성 시험방법)에 의하여 실시되며, Fig. 1과 같이 확산셀의 양극에는 0.3M의 NaOH용액, 음극에는 3%의 NaCl용액을 사용하며, 셀의 양단에 60V의 직류전압을 6시간 동안 가한다. 이때 시험체에 흐르는 전류를 측정하여 총 통과전하량(Coulomb)으로부터 염화물이온의 침투저항성(투과성)을 평가한다(전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투저항성 시험방법, 2002).
성능/효과
1) OPC 콘크리트에 비해 혼합계 시멘트를 사용한 콘크리트의 초기강도는 낮았으나 장기강도는 높게 나타났는데, 이러한 결과는 혼화재료인 고로슬래그 및 플라이애쉬가 잠재수경성 및 포졸란반응을 촉진시키는 특성에 기인한 것으로 판단된다.
2) 염화물이온의 침투 및 확산특성 결과, OPC 콘크리트에 비해 혼합계 시멘트를 사용한 콘크리트가 우수하였으며, 특히 시멘트와 반응메카니즘이 다른 고로 슬래그 미분말과 플라이애시를 적정비율로 혼합한 3성분계 시멘트에서 가장 우수한 것으로 나타내었다.
3) 고로 슬래그는 잠재수경성 반응과 초기 수화물을 개선시켜 초기재령부터 콘크리트의 내염특성 향상에 기여한 것으로 나타났으며, 플라이애시는 장기간에 걸친 포졸란반응으로 염화물이온의 주요한 이동경로인 모세관공극을 치밀하게 충진하기 때문에 장기재령에서의 내염특성 향상에 효과적임을 알 수 있었다.
4) 전기화학적 촉진에 의한 염화물이온 확산시험은 측정항목 및 산정방법의 차이가 있을지라도 시험방법간에는 양호한 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 이로부터 KS F 2711 시험법은 그 방법이 비교적 간편하여 해양콘크리트의 재료선정 및 품질관리 등에 유용하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
결과로부터, KS F 2711시험법에 의한 염화물이온의 침투저항성과 일본토목학회 제안법 및 NT build 492법에 의한 염화물이온 확산계수의 산정값은 상관계수가 높은 것으로 나타났다.
또한 NT Build 492 시험법에 의한 확산계수는 재령 28일에서 BSC 및 TBC는 OPC 대비 각각 35% 및 37% 수준이며, 재령 91일 시험체에서는 각각 30%, 22% 수준으로 산정되어 혼합계 시멘트, 특히 TBC의 염화물이온의 확산계수가 현저히 낮은 특성을 나타내었다.
본 실험결과의 경우도 7일강도 기준으로 BSC와 TBC는 OPC 대비 각각 82%, 70%수준인 반면, 장기재령(91일)에서는 OPC 대비 각각 125%, 122% 수준으로 장기강도발현이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
시멘트 종류에 따른 염화물이온 침투저항성 평가결과 초기재령(7일)에서는 모두 침투성 등급이 “높음”으로 평가되어 시험체간 큰 차이가 없으나 장기재령(28일 이후)에서는 혼합계 시멘트인 BSC 및 TBC의 염화물이온 침투저항성이 OPC보다 크게 향상되는 결과를 보였는데 이는 사용하는 혼화재료의 특성에 따라 시멘트와의 반응성이 다르기 때문인 것으로 분석할 수 있다.
이상과 같은 비교결과로부터 서로 다른 3가지 방법은 유사성이 있으므로 어떤 방법을 선택하더라도 결과치는 크게 상이하지 않을 것으로 판단되므로 결과 도출과정이 비교적 손쉬운 방법이 바람직하다고 판단되며 이러한 관점으로부터 KS F 2711방법이 적절할 것으로 판단되었다.
일본토목학회 제안법에 의한 시멘트 종류별 염화물이온 확산계수는 재령 28일에서 BSC 및 TBC는 OPC대비 각각 44% 및 42% 수준이며, 재령 91일 시험체에서는 각각 75% 및 51% 수준으로 나타났다.
즉, BSC의 경우 고로 슬래그는 잠재 수성경을 가지고 있어 그 자체는 경화하는 성질이 미약하지만 시멘트중의 OH-이온이나 SO42-이온과 같은 알카리성 또는 황산염에 의해 자극을 받아 고로 슬래그 자체가 수화반응을 일으켜서 초기재령부터 OPC보다 침투저항성이 크게 향상되었다.
한편, TBC의 경우는 플라이애시가 시멘트의 수화물과 2차적인 포졸란 반응을 진행하기 때문에 고로 슬래그의 첨가와 같이 초기재령에서는 반응성이 미약하나 장기재령에서는 투과성 등급이 “매우낮음”으로 나타나 오히려 BSC보다도 염화물이온의 침투저항성이 우수한 특성을 발휘하였다.
후속연구
이러한 전기화학적인 촉진 시험결과는 실제 해양환경에 위치하는 콘크리트 구조물에서 염화물이온의 침투 및 확산성을 나타내는 척도로써 추후 진행될 장기적인 시험 및 내구성 결과의 도출결과로부터 해양콘크리트의 재료 선정 및 품질관리 등의 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
보강철근이 부식이 일어나는 경우는 언제인가?
pH 12.5 정도의 건전한 상태의 콘크리트 구조물에 배근되어 있는 보강철근은 시멘트의 수화물인 Ca(OH)2에 의해 부동태 피막(두께 1×10-6mm)이 형성되어 안정상태를 유지하지만, 콘크리트 외부로부터 해수성분인 Cl-, F-, S2-, SO42- 등의 음이온이 침투하거나, 고온상태가 지속되면 부분적으로 강재 표면의 부동태 피막이 제거되어 철근의 부식이 시작된다(해양․ 매스콘크리트 설계가이드북, 2009).
본 연구에서 염화물이온의 침투 및 확산특성을 비교 평가하고자 선택한 시멘트의 종류는 무엇인가?
본 연구에서는 시멘트 종류를 변수로 염화물이온의 침투 및 확산특성을 비교 평가하고자 하였다. 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트(Ordinary Portland Cement, 이하 OPC)와 현재 해양콘크리트의 건설에 대표적으로 사용되는 고로 슬래그 시멘트(Blast Furnace Slag Cement, 이하 BSC) 및 고로 슬래그 미분말과 플라이애시를 일정비율로 혼합한 3성분계 시멘트(Ternary Blended Cement, 이하 TBC)이며 사용된 시멘트의 화학조성 및 물리특성은 Table 1과 같다.
콘크리트의 염화물이온확산계수를 정확히 평가할 필요성이 대두되게 된 이유는 무엇인가?
최근 들어 대형 해양콘크리트 구조물의 건설이 빈번해짐에 따라 콘크리트의 염화물이온확산계수를 정확히 평가할 필요성이 대두되고 있으나, 콘크리트의 염화물이온 확산계수 평가는 장시간이 소요되는 단점 때문에 전기화학적인 전위차 촉진에 의해 단시간에 염화물이온의 확산계수를 추정하기 위한 여러 촉진 시험방법들이 제안되고 있으나 이에 대한 체계적인 연구가 아직은 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 시멘트의 성분이 다른 3종류의 시멘트를 대상으로 대표적인 3가지 전기적인 촉진시험에 의해 콘크리트중의 염화물이온의 침투 및 확산특성을 평가하고 이 방법간의 상관성을 분석하였다.
참고문헌 (19)
쌍용양회공업(주), "해양. 매스콘크리트 설계가이드북", pp.3-4, 2009.
김홍삼, "전기화학적 기법에 의한 콘크리트 중의 염소이온 확산평가 및 철근부식 개시시간 예측", 한양대학교 박사학위논문, pp.58-72, 2000.
KS F 2711, "전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험방법", 2002.
Sugiyama, T., "The new electrically accelerated test method for calculation of diffusion coefficient of chloride ion into concrete", Journal of Japan Concrete Institute, Vol. 35, No .5, pp.29-32, 1997.
Japan Society of Civil Engineers Standards, "Test method for effective diffusion coefficient of chloride ion in concrete by migration, JSCE-G571-2003", 2003.
Tang. L., "Electrically accelerated methods for determining chloride diffusivity in concrete-current development", Magazine of Concrete Research, Vol. 48, No. 176, pp. 173-179, 1996.
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