[논문]콘크리트의 탄산화가 전기저항에 미치는 영향

윤인석

doi:10.11112/jksmi.2014.18.5.027

[국내논문] 콘크리트의 탄산화가 전기저항에 미치는 영향
Influence of Carbonation of Concrete on Electrical Resistivity 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.18 no.5, 2014년, pp.27 - 33

윤인석 (인덕대학교 건설정보공학과)

초록
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전기저항은 콘크리트의 내구성을 판단하기 위하여 빠르고 간단히 측정하여 활용될 수 있으나, 탄산화가 진행되면 콘크리트의 미세구조가 크게 변화하기 때문에 측정의 오차를 초래한다. 본 연구의 목적은 콘크리트의 탄산화가 전기저항에 미치는 영향을 분석하고 정량화 하는데 있다. 다양한 물시멘트비 조건에서 시험편을 제조하여 330일동안 탄산화 촉진을 시키면서 전기저항의 변화율을 고찰하였다. 탄산화된 콘크리트에서 전기저항 측정치가 높은 것으로 나타났으며, 이러한 경향은 탄산화가 진행됨에 따라 더욱 뚜렷한 경향을 보였다. 전기저항과 탄산화깊이와의 상관관계를 도출하였으며, 기중 상태 대비 탄산화된 콘크리트의 전기저항 비율은 일정한 탄산화깊이까지는 급격히 낮아지는 경향을 보였으나, 포화상태 대비 탄산화된 콘크리트의 전기비율은 탄산화 깊이와 선형관계를 보였다. 본 연구를 토대로 탄산화로 인하여 전기저항치의 측정오차를 보정할 수 있는데 실질적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electrical resistivity of concrete can be measured in a more rapid and simple way for estimating durability of the concrete, however, carbonation causes a result of misleading for durability testing because carbonation leads to a significant reduction in the permeability and porosity of concrete. The purpose of this study is to estimate and quantify the effect of carbonation of concrete on a surface electrical resistivity measurement. Samples of three mixes with difference w/c were prepared and exposed in a carbonation chamber for 330 days. The results show that carbonation leads high electrical resistivity. The increase is substantial and has been shown to proportional to the extent of the carbonation by some of extent. The relationship between electrical resistivity and carbonation depth is taken in the study. Resistivity ratio of carbonated concrete to air concrete decreased significantly from the specific carbonation depth, however, resistivity ratio of carbonated concrete to air concrete had a linear relation with carbonation depth. From the relationship between electrical resistivity and carbonation depth, it is expected that the result should be subsequently used as a calibration curve for estimating carbonated concrete to overcome the interruption effect of carbonation on regular measurements of the electrical resistivity.

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문제 정의

본 논문의 목적은 콘크리트의 탄산화가 진행됨에 따른 전기저항 변화의 특성을 고찰하는 것이다. 콘크리트의 물-시멘트비 및 양생조건을 다르게 하여 콘크리트 시험체를 제작하고 탄산화의 진행과 유관시켜 전기저항의 변화율을 관찰하였다.
가 공극수내에서 해리되어 탄산을 형성하기 때문에 수분이 필요하며 과정에서도 수분이 형성된다. 따라서, 수분에 대한 영향을 무시하고 순수하게 탄산화로 인한 전기저항의 영향을 파악하기 위하여 탄산화된 콘크리트 시험편은 공극내 수분량의 영향을 배제하고자 포화상태로 가공하였다. 이때 시험편은 Fig.

가설 설정

a : 전극사이 간격이다.
d_c : 탄산화깊이 (mm)이다.

제안 방법

본 논문의 목적은 콘크리트의 탄산화가 진행됨에 따른 전기저항 변화의 특성을 고찰하는 것이다. 콘크리트의 물-시멘트비 및 양생조건을 다르게 하여 콘크리트 시험체를 제작하고 탄산화의 진행과 유관시켜 전기저항의 변화율을 관찰하였다. 본 연구를 기초로, 탄산화에 대한 영향을 보정할 수 있는 방법과 탄산화된 콘크리트의 전기저항의 해석방법에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
보통포틀랜드 시멘트를 사용하여, Table 2와 같이 물-시멘트비 0.45, 0.50, 0.55의 수준에서 콘크리트를 배합한 후, 28일 동안 수중양생하였다. 이때 시험편의 크기는 100 × 100 × 200 mm이다.
28일 동안 콘크리트 시험편을 표준양생하여 종료후, 탄산화가 전기저항에 미치는 영향을 고찰하고자 촉진조건을 조성하였는데 온도 20℃, 습도 65%, CO₂ 농도 5%의 촉진 조건에서 탄산화 촉진기를 가동시켰다. 탄산화 깊이는 1% 페놀프탈레인-알코올 용액을 콘크리트 파단면에 살포하고 버니어 캘리퍼스를 이용하여 측정하였다.
농도 5%의 촉진 조건에서 탄산화 촉진기를 가동시켰다. 탄산화 깊이는 1% 페놀프탈레인-알코올 용액을 콘크리트 파단면에 살포하고 버니어 캘리퍼스를 이용하여 측정하였다.
측정방법은 측정전 전극에 물을 접촉한 후, 전극을 콘크리트 표면에 접지시켜 데이터를 획득하였다. 전기저항값은 시험편의 크기 및 형상에 따라서 바뀔 수 있는데, Table 3은 염소이온 침투율에 준한 전기저항의 기준치를 제시한 것이다.

이론/모형

각 재령마다 콘크리트의 전기저항의 측정을 위하여 Fig. 2와 같이 Wenner 방식의 4전극 실험장비가 이용되었다. 콘크리트의 전기저항은 인가된 전류 (I)와 반비례하는데, 전위차(V)가 내부 안 전극에서 측정되며 오옴의 법칙에 의하여 겉보기 전기저항이 다음 식에 의하여 측정된다.

성능/효과

3은 시간 경과에 따른 콘크리트의 탄산화 깊이를 보인 그림이다. 물-시멘트비에 따라 뚜렷하게 탄산화의 진전을 확인할 수 있으며, 시간의 경과에 따라 진전속도는 다소 완만한 것을 확인할 수 있다.
4의 콘크리트 시험편당 4회의 측정 데이터를 평균화하여 보인 것이다. 탄산화되기전과 비교하여 탄산화된 후 콘크리트의 전기저항도 물-시멘트비에 따라 뚜렷한 추이를 보였다. 또한, 물-시멘트비 0.
6은 본 연구에서 얻은 탄산화된 콘크리트 대비 기존에 연구 (Yoon, 2013)된 기중노출된 비탄산화된 콘크리트의 전기저항과의 비율을 재령에 따라 보인 결과이다. 물-시멘트비와 무관하게 전 콘크리트에서 초기재령 128일까지 탄산화로 인하여 뚜렷하게 전기저항 비율이 감소하되, 128일을 경과하면서 일정한 추이를 보였다. 이는 기존 연구 (Yoon, 2013)에서 기중조건에서는 전기저항의 측정치가 100일 이후로 급격히 상승하는 것에서 기인된 결과이다.
이는 기존 연구 (Yoon, 2013)에서 기중조건에서는 전기저항의 측정치가 100일 이후로 급격히 상승하는 것에서 기인된 결과이다. 기중조건을 포화조건과 비교하면, 100일 이전까지는 기중상태 전기저항 데이터의 폭이 비교적 작았으나, 100일이 경과하면서 전기저항 데이터가 기하급수적으로 상승하였다. 이러한 현상은 실험 종료되는 시점까지 계속되면서 탄산화 깊이와의 비율에서도 같은 추이를 보인 것으로 생각된다.
또한, 탄산화는 콘크리트내 수분량에도 영향을 미치며 이는 전기저항 측정결과에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 기중조건에서 측정한 전기저항 측정 결과는 수분량이 적으므로 포화시킨 탄산화된 콘크리트 값보다 더 낮은 추이를 보인 것으로 판단된다. 그러므로 콘크리트의 전기저항은 탄산화로 인한 공극감소보다 수분량에 의해 더 큰 영향을 받는 것으로 추정된다.
7은 본 연구에서 얻은 탄산화된 콘크리트 대비 기존에 연구된 포화된 비탄산화된 콘크리트의 전기저항 (Yoon, 2013)과의 비율을 보인 결과이다. 물-시멘트비와 무관하게 모든 콘크리트에서 초기재령에서 전기저항 비율이 증가하되 장기재령으로 갈수록 일정한 추이를 보였다. 또한, 물-시멘트비에 따라 전기저항 비율의 대소가 뚜렷한 추이를 보였는데, 물-시멘트비가 클수록 전기저항 비율도 높게 나타났다.
물-시멘트비와 무관하게 모든 콘크리트에서 초기재령에서 전기저항 비율이 증가하되 장기재령으로 갈수록 일정한 추이를 보였다. 또한, 물-시멘트비에 따라 전기저항 비율의 대소가 뚜렷한 추이를 보였는데, 물-시멘트비가 클수록 전기저항 비율도 높게 나타났다. 이는 기존의 연구 결과와 대비할 때 탄산화로 인한 공극량 감소가 물-시멘트비가 높은 콘크리트일수록 뚜렷하게 발생한다는 연구결과와 상응한다 (De Ceukelaire and Van Nieuwenburg, 1993).
둘째는 탄산화로 인하여 시멘트 경화체내 전하량 이동의 주된 통로인 OH농도가 감소되어 전도성이 약화되고 궁극적으로 전기저항이 높아지는 결과를 초래할 수 있다 (Claisse, 1988). 본 연구에서는 물-시멘트비와는 무관하게 모든 콘크리트에서 탄산화로 인하여 전기저항 비가 선형으로 상승하는 현상을 보였다. 즉, 탄산화 깊이가 3 mm ~ 6 mm 수준으로 미소하게 진행되었어도 전기저항은 약 2 ~ 3배 상승하였다.
(1) 탄산화된 콘크리트의 전기저항은 시간이 경과함에 따라 전기저항이 상승하는 경향을 보였는데, 이는 탄산화로 인하여 치밀해진 공극구조의 영향과 콘크리트의 수화도가 진행됨에 따라 기인된 현상이다. 특히, 시간이 경과되면서 이러한 현상은 지속적이며 뚜렷한 추이를 보였다.
(2) 탄산화된 콘크리트와 기중노출된 콘크리트의 전기저항 비를 탄산화 깊이와 관계한 결과, 탄산화와 기중 콘크리트간의 전기저항 비율은 일정한 탄산화 깊이까지 뚜렷히 감소하였지만 이를 초과하면서는 일정한 추이를 보였다.
(3) 물-시멘트비와는 상관없이 모든 콘크리트에서 탄산화로 인하여 전기저항 비가 크게 상승하였다. 탄산화 깊이가 커지면서 전기저항은 선형으로 상승하는 추이를 보였다.

후속연구

콘크리트의 물-시멘트비 및 양생조건을 다르게 하여 콘크리트 시험체를 제작하고 탄산화의 진행과 유관시켜 전기저항의 변화율을 관찰하였다. 본 연구를 기초로, 탄산화에 대한 영향을 보정할 수 있는 방법과 탄산화된 콘크리트의 전기저항의 해석방법에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트 공극량과 전기저항의 관계는 어떠한가?	, 2012). 콘크리트의 미세구조는 많은 공극고체의 프랙탈로 간주되는데, 공극량이 작은 콘크리트는 전기저항이 높되, 일정 수준이하의 공극량에서 공극량 대비 전기저항 수치가 민감하게 가파른 추이를 보인다 (Buenfeld et al., 1986).
	시간이 경과됨에 따라 탄산화된 콘크리트의 전기저항이 상승하는 경향은 어떻게 변화하는가?	(1) 탄산화된 콘크리트의 전기저항은 시간이 경과함에 따라 전기저항이 상승하는 경향을 보였는데, 이는 탄산화로 인하여 치밀해진 공극구조의 영향과 콘크리트의 수화도가 진행됨에 따라 기인된 현상이다. 특히, 시간이 경과되면서 이러한 현상은 지속적이며 뚜렷한 추이를 보였다.
	콘크리트의 전기저항 측정은 무엇이 가능한 방법인가?	콘크리트의 전기저항은 측정 실시간 콘크리트의 내구성을 평가할 수 있는 간편한 방법이다 (Gjørv, 2009). 특히, 전기저항은 미세구조와 밀접한 관계가 있어서, 염소이온의 침투성을 판단할 수 있는 간접적 지표로서 활용될 수 있다 (Andrade et al.

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Yoon, I. S. (2013), Influence of Micro-Structural Characteristics of Concrete on Electrical Resistivity, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 17(6), 122-129 (in Korean, with English Abstract).

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