본 연구는 시멘트 경화체로부터의 알칼리 침출에 의한 pH 증가와 알칼리 침출속도에 관하여 수행되었다. 배합, 물-시멘트 비, 결합재에 따른 영향을 평가하기 위해 각각을 변수로 하여 시험체를 제작하였다. 시험체는 정사각형 수조형태로 내부에 물을 저장하여 이온이 해리되어 침출될 수 있도록 하였다. 또한 시험체 내부 용액의 대기접촉으로 인한 예기치 못한 화학적 반응을 방지하기 위해 폴리에틸렌 수지로 포장했다. 침투능과 침투속도를 결정하기 위해 용액의 pH는 더 이상 변화가 없을 때까지 시간 경과에 따라 측정하였다. 알칼리 침출에 의한 용액의 pH 변화에 있어서 물-시멘트 비의 영향은 거의 없는 것으로 나타났으며, 반면에 결합재에 따른 영향은 큰 것으로 나타났다. 결합재로 OPC 만을 사용한 경우에 알칼리 침출이 높았으며, 30% PFA와 60% GGBS의 경우에 알칼리 침출이 낮았다. pH 측정이 종료된 후, 시험체 내부 표면으로부터 깊이 1.0 mm 간격으로 채취한 시료를 증류수로 현탁시켜 현탁액의 pH를 측정하였다. OPC의 경우에는 약 7-8 mm 깊이까지 침출의 영향을 받고, 30% PFA와 60% GGBS의 경우에는 침출 영향을 받는 깊이가 더 깊어짐을 알 수 있었다.
본 연구는 시멘트 경화체로부터의 알칼리 침출에 의한 pH 증가와 알칼리 침출속도에 관하여 수행되었다. 배합, 물-시멘트 비, 결합재에 따른 영향을 평가하기 위해 각각을 변수로 하여 시험체를 제작하였다. 시험체는 정사각형 수조형태로 내부에 물을 저장하여 이온이 해리되어 침출될 수 있도록 하였다. 또한 시험체 내부 용액의 대기접촉으로 인한 예기치 못한 화학적 반응을 방지하기 위해 폴리에틸렌 수지로 포장했다. 침투능과 침투속도를 결정하기 위해 용액의 pH는 더 이상 변화가 없을 때까지 시간 경과에 따라 측정하였다. 알칼리 침출에 의한 용액의 pH 변화에 있어서 물-시멘트 비의 영향은 거의 없는 것으로 나타났으며, 반면에 결합재에 따른 영향은 큰 것으로 나타났다. 결합재로 OPC 만을 사용한 경우에 알칼리 침출이 높았으며, 30% PFA와 60% GGBS의 경우에 알칼리 침출이 낮았다. pH 측정이 종료된 후, 시험체 내부 표면으로부터 깊이 1.0 mm 간격으로 채취한 시료를 증류수로 현탁시켜 현탁액의 pH를 측정하였다. OPC의 경우에는 약 7-8 mm 깊이까지 침출의 영향을 받고, 30% PFA와 60% GGBS의 경우에는 침출 영향을 받는 깊이가 더 깊어짐을 알 수 있었다.
The present study concerns the leachability of alkali ions from hardened cement paste in terms of an increase in the pH together with the rate of alkali leaching. To evaluate the influence of mix design on the leaching capacity and rate of alkali, different water-cement ratios (W/C) and binders were...
The present study concerns the leachability of alkali ions from hardened cement paste in terms of an increase in the pH together with the rate of alkali leaching. To evaluate the influence of mix design on the leaching capacity and rate of alkali, different water-cement ratios (W/C) and binders were used to manufacture paste specimens. The cement paste was made in the form of rectangular bucket where deionised water was subsequently supplied as solvent media. Then the specimen was wrapped in polythene film to avoid contact to atmospheric conditions, which may affect the water chemistry in the bucket. The pH of media was monitored until no further change in the pH value was observed, of which value then used to calculate the leaching capacity and rate. The influence of binder on the pH of solvent is more dominant than that of water to cement ratio: OPC paste produced the highest level of alkali leaching, whilst 30% PFA and 60% GGBS pastes imposed lower level of alkali leaching. After the monitoring of the pH, the inner bucket was ground with an increment of 1.0 mm to measure the leaching influence using the suspension consisting of paste powder and deionised water. It was found that the impact zone for OPC was about 7-8 mm, whilst 30% PFA and 60% GGBS had deeper impact depth of the alkali leaching.
The present study concerns the leachability of alkali ions from hardened cement paste in terms of an increase in the pH together with the rate of alkali leaching. To evaluate the influence of mix design on the leaching capacity and rate of alkali, different water-cement ratios (W/C) and binders were used to manufacture paste specimens. The cement paste was made in the form of rectangular bucket where deionised water was subsequently supplied as solvent media. Then the specimen was wrapped in polythene film to avoid contact to atmospheric conditions, which may affect the water chemistry in the bucket. The pH of media was monitored until no further change in the pH value was observed, of which value then used to calculate the leaching capacity and rate. The influence of binder on the pH of solvent is more dominant than that of water to cement ratio: OPC paste produced the highest level of alkali leaching, whilst 30% PFA and 60% GGBS pastes imposed lower level of alkali leaching. After the monitoring of the pH, the inner bucket was ground with an increment of 1.0 mm to measure the leaching influence using the suspension consisting of paste powder and deionised water. It was found that the impact zone for OPC was about 7-8 mm, whilst 30% PFA and 60% GGBS had deeper impact depth of the alkali leaching.
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문제 정의
본 연구에서는 콘크리트의 침출성능 특성을 규명하기 위해 수조형태의 시멘트 경화체를 이용하여 시험체에 저장된 증류수의 pH 변화를 시간 경과에 따라 관찰하였다. 증류수의 pH 측정이 완료된 후에는 시험체의 깊이별 pH 분포를 나타내었다.
본 연구에서는 콘크리트의 침출속도 및 침출성능에 대한 평가를 위해 수조 형상의 시멘트 경화체를 제작하여 접촉한 증류수의 pH 변화를 측정하여 알칼리이온 침출에 관한 연구를 수행하였다.
플라이애시 (Pulverised fuel ash; PFA) 치환율 30%인 시멘트 경화체와 고로슬래그 (Ground granulated blast furnace slag; GGBS) 치환율 60%인 시멘트 경화체로 제작된 시험체도 제작하여 포졸란 물질의 알칼리 침출 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다.물-시멘트 비를 각각 0.
가설 설정
물과 접촉한 콘크리트의 알칼리이온 침출 특성을 규명하기 위해 보통 포틀랜드 시멘트 (Ordinary Portland cement; OPC)와 포졸란 물질이 사용되었다. 골재는 수화과정 중 반응하는 물질이 아니며, 또한 침출과정에도 관여하지 않는 것으로 가정하여 시멘트 경화체로 수조를 제작하였다.
제안 방법
30분 간격의 측정 알칼리도값의 변화가 ±0.1 미만인 경우에는 매 2시간 간격으로 측정하였다.
pH가 수렴한 이후에는 용매를 교체하고 다시 pH가 일정 값에 수렴할 때까지를 반복적으로 측정하였다. Fig.
1 미만인 경우에는 매 2시간 간격으로 측정하였다. pH값이 최고값으로 수렴된 때에는 증류수를 교체하여 같은 방식으로 재측정하여 기록하였다. 마지막으로 수조 시험체의 물을 제거한 후 시험체를 24시간 동안 101±2℃의 온도에서 건조시켰다.
결합재 공기접촉에 의한 영향을 최소화하기 위해 아크릴 덮개의 마개를 닫은 채 유지하였으며, 측정 시에만 측정 구멍을 통해 전극을 삽입하였다. 알칼리도 측정장비는 WTW pH 3110 SET2를 사용하였다.
플라이애시 (Pulverised fuel ash; PFA) 치환율 30%인 시멘트 경화체와 고로슬래그 (Ground granulated blast furnace slag; GGBS) 치환율 60%인 시멘트 경화체로 제작된 시험체도 제작하여 포졸란 물질의 알칼리 침출 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다.물-시멘트 비를 각각 0.3, 0.4, 0.5으로 하여 시험체를 제작하였다.
내부에 물을 저장할 공간을 확보하기 위해 아크릴 몰드에 브릿지를 설치하여 스티로폼을 고정하였다. 시멘트 페이스트 타설 후 24시간 경과 후 탈형을 한 다음, 폴리에틸렌 필름으로 수분증발을 차단하여 7일 동안 양생하였다. 양생 후에는 수조의 외부표면을 에폭시 도장처리한 후 측정구가 있는 덮개를 씌워 Fig.
알칼리이온의 침출을 최대화하기 위해 시험체는 수조형태로 제작하였다. 수조 시험체의 내부 치수는 150×90×95 mm이며, 벽체 및 바닥의 두께는 10.
알칼리도 측정장비는 WTW pH 3110 SET2를 사용하였다. 온도계를 이용하여 수온을 측정 후 이에 대응하는 알칼리도를 소수점 2번째 자리까지 기록하였다.
채취한 시료에 40 mL의 증류수를 가하여 현탁시킨다. 자기 교반기를 이용하여 현탁액을 10분 동안 교반한 후 용액의 pH를 측정하였다. 이러한 방식으로 침출이 완료된 시험체의 깊이별 알칼리도 분포를 나타내었다.
측정방법은 우선 증류수의 수온 및 알칼리도를 측정하여 기록한 후, 증류수 800 mL를 수조 시험체에 채웠다. 초기 10분 동안은 매 10초 간격으로 측정을 하고 그 이후에는 매 30분 간격으로 측정하였다.
대상 데이터
마지막으로 수조 시험체의 물을 제거한 후 시험체를 24시간 동안 101±2℃의 온도에서 건조시켰다. 건조된 시험체의 안쪽면에서 1.0 mm간격 깊이로 3.0 g의 시료를 채취하였다. 채취한 시료에 40 mL의 증류수를 가하여 현탁시킨다.
0 mm로 하였다. 시험체 성형을 위해 Fig. 1과 같이 8.0 mm 두께의 아크릴 몰드를 이용하였다. 내부에 물을 저장할 공간을 확보하기 위해 아크릴 몰드에 브릿지를 설치하여 스티로폼을 고정하였다.
성능/효과
(1) 수조 시험체 내 증류수의 pH 변화는 공통적으로 계단식으로 상승하는 양상을 나타낸다. 이는 각각의 pH 환경에서 이온이 침출되어 pH에 영향을 미치는 화합물이 다르기 때문으로 물-시멘트 비보다는 결합재의 종류에 따라 상이하게 작용하기 때문이라 판단된다.
(2) 시멘트 경화체에서의 알칼리이온의 침출속도는 물-시멘트 비가 증가함에 따라 최고 침출속도는 낮아지는 경향을 나타낸다. 포졸란 물질을 치환한 경우에는 더 낮은 pH환경에서 최고 침출속도에 이르는 것으로 나타났다.
(3) 시험체의 깊이별 pH 분포는 물-시멘트 비가 작을수록 알칼리이온 침출의 영향을 받은 유효깊이가 작아지는 것으로 나타났다. 물-시멘트 비가 증가할수록 침출이 일어나는 유효깊이는 깊어지지만 상대적으로 침출 시간은 지연되었다.
12는 최고 pH에 도달하는데 소요된 시간을 그래프로 나타낸 것이다. 30% PFA의 경우가 비교된 경우 중 최고 pH에 도달하는 시간이 가장 짧은 것으로 나타났으며, 60% GGBS의 경우가 최고 pH에 도달하는 시간이 가장 긴 것으로 나타났다. 또한 물 교체 횟수가 증가할수록 최고 pH에 도달하는 시간이 지연되었다.
공통적으로 증류수 교체 횟수가 증가할수록 최고 pH가 낮아지는 경향을 나타냈으며, 결합재에 따라서는 OPC > 30% PFA > 60% GGBS의 순으로 최고 pH값이 높게 나타났다.
초기에 급격하게 pH 9 정도까지 급격하게 증가된 후 완만하게 증가하다가 다시 급격하게 증가하여 pH 12 정도에 이르는 것으로 나타났다. 그러나 물-시멘트 비가 커질수록 pH값 상승이 지연되다가 최고값은 약 pH 12.8까지 증가함이 확인되었다.
가 상대적으로 적은 60% GGBS의 경우 침출되는 수산화이온의 양이 가장 작았다. 또한 pH에 따른 침출속도에 있어서도 OPC의 경우에는 앞서 언급한 것과 같이 pH 12에서 침출속도가 최고였으나, 포졸란 물질을 치환한 경우에는 약 pH 11.4에서 침출속도가 최고였다. OPC의 경우에는 pH 12에서 수산화칼슘의 용해로 인한 침출속도가 가장 빠르며, 포졸란 물질을 치환한 경우에는 pH 11.
이는 단위 시멘트 사용량의 감소에 기인한 것으로 판단된다. 또한 포졸란 물질를 치환하여 사용한 경우에도 앞서 설명한 것과 같은 특정 pH 환경에서 급격하게 증가하다 완만해짐을 반복하는 계단식 상승 양상을 보였다. 그러나 30% PFA 경우에는 pH가 약 11.
물-시멘트 비가 증가할수록 침출이 일어나는 유효깊이는 깊어지지만 상대적으로 침출 시간은 지연되었다. 또한 포졸란계 혼화재를 사용할 경우 알칼리이온의 침출량이 적으나 침출로 인한 유효깊이는 더 깊어지는 것으로 나타났다.
13 g의 수산화이온이 함유되어 있는 것이다. 물-시멘트 비가 다른 경우에 최종 농도는 다소 차이가 있으나 최종 농도에 도달하는데 걸린 시간은 거의 일정한 것으로 나타났다. 이는 접촉된 용액의 pH에 영향을 미치는 침출 이온량은 차이가 있을지라도 이러한 이온이 이동하는데 걸리는 시간은 큰 차이가 없기 때문이라 보여진다.
본 연구에서 사용한 OPC의 경우 침출 영역이 표면에서부터 약 7-8 mm로 국한되어 있는 반면에 포졸란계열의 혼화재인 30% PFA, 60% GGBS의 경우 침출에 영향을 받는 깊이가 10 mm 이상으로 OPC에 비해 깊어지는 것을 알 수 있다.
공통적으로 증류수 교체 횟수가 증가할수록 최고 pH가 낮아지는 경향을 나타냈으며, 결합재에 따라서는 OPC > 30% PFA > 60% GGBS의 순으로 최고 pH값이 높게 나타났다. 뿐만 아니라 세 가지 경우 모두에서 증류수 교체 횟수의 증가에 따라 pH 저하폭도 상대적으로 낮아지는 것을 알 수 있었다. 침출되어 용액의 알칼리도에 영향을 미치는 화합물이 특정 깊이 내에서는 증류수 교체에 따라 소모되기 때문인 것으로 판단된다.
6은 각각 용매를 교체할 때마다의 pH를 측정 결과를 나타낸 것이다. 첫 번째의 증류수 (pH 7.23)에서는 pH가 최고 12.8까지 상승하였으며, 물을 교체할수록 최고 pH가 소폭으로 감소하는 경향을 나타냈다.
5인 경우 공통적으로 용매의 pH에 따라 계단식으로 증가하는 양상을 나타냈다. 초기에 급격하게 pH 9 정도까지 급격하게 증가된 후 완만하게 증가하다가 다시 급격하게 증가하여 pH 12 정도에 이르는 것으로 나타났다. 그러나 물-시멘트 비가 커질수록 pH값 상승이 지연되다가 최고값은 약 pH 12.
8에서 보여주고 있다. 침출되는 수산화이온의 농도는 OPC의 경우에 가장 높게 나타났으며, 60% GGBS와 30% PFA의 경우에는 현저하게 낮았다. 포졸란 물질을 사용한 경우 총 침출량의 절반에 못 미치는 양의 수산화이온이 침출되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트의 물 접촉은 어떤 문제를 일으킬 수 있는가?
콘크리트의 양생 동안에는 물과 접촉하는 것이 시멘트의 수화작용에 이롭게 작용한다. 그러나 콘크리트에 접촉된 물은 다양한 유해성분을 함유하고 있어 수중생태로 유입 시 생태환경에 유해한 변화를 일으킬 수 있다. 콘크리트의 물 접촉으로 인한 알칼리 이온의 침출은 구조물의 공학적 성능을 저하시킬 뿐만 아니라 알칼리도를 상승시킴으로 생물체에도 유해할 수 있다 (Despand et al.
콘크리트의 침출성능 실험에서 시험체의 깊이별 pH 분포는 어떻게 나타났는가?
(3) 시험체의 깊이별 pH 분포는 물-시멘트 비가 작을수록 알칼리이온 침출의 영향을 받은 유효깊이가 작아지는 것으로 나타났다. 물-시멘트 비가 증가할수록 침출이 일어나는 유효깊이는 깊어지지만 상대적으로 침출 시간은 지연되었다. 또한 포졸란계 혼화재를 사용할 경우 알칼리이온의 침출량이 적으나 침출로 인한 유효깊이는 더 깊어지는 것으로 나타났다.
콘크리트의 침출작용에 영향을 주는 인자에는 무엇이 있는가?
침출작용에 영향을 미치는 주된 인자는 단위 시멘트량, 콘크리트의 물 접촉 면적, 물-콘크리트 체적비, 물 접촉 시간, 물 접촉시의 콘크리트 재령이다 (Saeki and Monteiro, 2005). Geankoplis는 콘크리트의 접촉면적과 침출량과의 직접적인 연관성에 관한 연구에서 접촉면적이 클수록 침출량도 크게 증가한다고 하였다.
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