본 연구에서는 동절기 교통안전을 위해 교량 구조물에 사용되는 제설제에 의한 염화물 침투 특성을 조사하여 사용수명을 평가하기 위해 수행되었다. 이 연구에서는 준공 후 공용기간이 약 10년이 경과한 10개 교량의 지점에서 깊이별 염화물 농도 분포를 조사하여 제설제에 의한 염해를 예측하기 위한 표면 염화물 농도와 확산계수를 도출하였다. 얻어진 정보를 바탕으로 Life-365 프로그램을 이용하여 각 지점의 사용수명을 평가하였다. 대상 교량의 사용수명 평가 결과 10개 지점 모두 100년 이상의 사용수명을 가질 것으로 판단되었다. 추가적으로 콘크리트의 배합에 기인한 확산계수를 구하여 제설제에 의한 염해와 해수에 의한 염해의 경우에 대해 확산특성을 비교 분석하고 사용수명을 평가하였다.
본 연구에서는 동절기 교통안전을 위해 교량 구조물에 사용되는 제설제에 의한 염화물 침투 특성을 조사하여 사용수명을 평가하기 위해 수행되었다. 이 연구에서는 준공 후 공용기간이 약 10년이 경과한 10개 교량의 지점에서 깊이별 염화물 농도 분포를 조사하여 제설제에 의한 염해를 예측하기 위한 표면 염화물 농도와 확산계수를 도출하였다. 얻어진 정보를 바탕으로 Life-365 프로그램을 이용하여 각 지점의 사용수명을 평가하였다. 대상 교량의 사용수명 평가 결과 10개 지점 모두 100년 이상의 사용수명을 가질 것으로 판단되었다. 추가적으로 콘크리트의 배합에 기인한 확산계수를 구하여 제설제에 의한 염해와 해수에 의한 염해의 경우에 대해 확산특성을 비교 분석하고 사용수명을 평가하였다.
This paper aims to estimate the service life of the target bridge structures subjected to chloride ingress from de-icer, which is used for safety of vehicles in winter, by investigating the chloride ingress into concrete. In this study, the 10-year-old bridge structures were investigated by measurin...
This paper aims to estimate the service life of the target bridge structures subjected to chloride ingress from de-icer, which is used for safety of vehicles in winter, by investigating the chloride ingress into concrete. In this study, the 10-year-old bridge structures were investigated by measuring the chloride along the depth from the exposed surface to derive the surface chloride concentration and the diffusion coefficient for the prediction of service life. The service life of each measured point on the structures were estimated with the surface chloride concentration and the diffusion coefficient by using Life-365 software. As a result, it was estimated for all measured points to have over 100-year service life. Furthermore, the diffusion coefficient and the service life from the measured data were compared to another method calculated with the concrete mix, considering the time dependency of diffusion coefficient.
This paper aims to estimate the service life of the target bridge structures subjected to chloride ingress from de-icer, which is used for safety of vehicles in winter, by investigating the chloride ingress into concrete. In this study, the 10-year-old bridge structures were investigated by measuring the chloride along the depth from the exposed surface to derive the surface chloride concentration and the diffusion coefficient for the prediction of service life. The service life of each measured point on the structures were estimated with the surface chloride concentration and the diffusion coefficient by using Life-365 software. As a result, it was estimated for all measured points to have over 100-year service life. Furthermore, the diffusion coefficient and the service life from the measured data were compared to another method calculated with the concrete mix, considering the time dependency of diffusion coefficient.
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문제 정의
이 논문에서는 제설제에 의한 염해에 노출된 교량의 사용수명을 예측하기 위한 연구를 수행하였다. 공용 중인 교량의 깊이별 염화물 농도 분포를 조사 후 이를 바탕으로 표면염화물 농도와 확산계수를 도출하여 사용수명 평가를 수행하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
가설 설정
제설제가 사용되는 기간은 동절기로 국한되며, 염화물 침투 또한 동절기를 전후하여 집중적으로 발생할 것이다. 그러나 사용수명 평가를 위해 동절기 동안 발생된 염화물의 침투를 Fig.1과 같은 기온이 변화는 1년 동안에 발생한 것으로 가정하여 사용수명 평가를 수행하였다.
해수 노출 환경에 비하면 상대적으로 낮은 수준의 표면 염화물 농도이다. 이는 제설제 사용으로 인해 동절기 동안 집중적으로 발생한 염화물의 침투를 1년 동안 발생한 것으로 가정한 것에 기인한 것으로 판단된다. 실제로 동절기 동안 제설제에 의해 염해를 받는 기간 동안에는 더 높은 표면 염화물 농도를 가질 것이지만 사용수명을 평가하기 위해 1년 동안의 지속적인 염화물 침투를 가정한 것에는 무리가 없을 것이다.
제안 방법
10개의 대상 교량 상판에서 직경 100mm의 코어를 3개소씩 채취하여 깊이별 염화물 농도 분포를 측정하였다. 코어 채취시 콘크리트용 코어 드릴을 사용하였으며, 채취한 코어의 표면 수분을 제거하고 폴리에틸렌 보호막으로 콘크리트 내부의 수분 이동을 억제하였다.
이 논문에서는 제설제에 의한 염해에 노출된 교량의 사용수명을 예측하기 위한 연구를 수행하였다. 공용 중인 교량의 깊이별 염화물 농도 분포를 조사 후 이를 바탕으로 표면염화물 농도와 확산계수를 도출하여 사용수명 평가를 수행하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
57kg/m³이다. 따라서 앞서 구한 각각의 조사지점의 표면 염화물 농도와 확산계수를 사용하여 Life-365로 사용수명을 평가하였다. 사용수명 평가 시 시간의존적 확산계수를 이용하였다.
여기에 동결/융해로 인한 손상을 정량화하여 동결/융해로 콘크리트의 피복 두께 감소 또는 균열 발생으로 인한 침투속도 증가에 대해 확산계수를 보정하기 위한 연구가 선행되어야 할 것이다. 따라서 이 연구에서는 제설제가 사용되는 동절기 동안에 발생되는 염화물 침투를 1년 동안 지속적으로 침투되는 것으로 가정하여 보정된 확산계수를 사용한 사용수명 평가를 시도하였다. 추후 동결/융해에 의한 손상에 따른 확산계수 보정이 이루어진다면 더 합리적인 사용수명 평가가 가능할 것이다.
10은 제설제로 인한 염화물 침투와 해수로 인한 염화물 침투를 예측하여 사용수명을 평가하여 비교한 것이다. 여기서 제설제에 의한 염화물 침투는 이 연구에서 10개의 지점을 대상으로 조사한 염화물 분포를 이용하여 구한 평균 표면 염화물 농도와 평균 확산계수를 이용한 것이고, 해수에 의한 염화물 침투는 콘크리트의 배합으로부터 추정한 확산계수를 이용한 것이다. 제설제의 사용으로 인한 염화물 침투는 해수에 의한 침투에 비해 약 18%에 해당되는 확산계수를 가지므로, 사용수명은 상대적으로 더 길어진다.
그러나 지속적인 제설제의 사용으로 열화가 진행될 것이며, 동결/융해의 복합열화와 콘크리트 피복의 손상으로 인해 열화가 가속화될 수 있을 것이다. 이 연구에서는 동결/ 융해에 의한 피복 손상은 배제하고, 제설제를 사용한 경우에 발생되는 염화물 침투를 예측하여 사용수명을 평가하였다.
이 연구에서는 한국도로공사 ◌◌본부 관내 10개의 대상 구조물에 대한 연평균 기온 변화와 제설제 사용량을 조사하고, 교량 상부 슬래브의 깊이별 염화물 분포를 측정하였다. 조사된 염화물 분포를 통해 보정된 확산계수를 산출하고 이를 바탕으로 Life-365 프로그램을 이용하여 대상 환경조건에서의 염화물 이온의 침투를 예측하고 사용수명을 평가하였다.
이 연구에서는 한국도로공사 ◌◌본부 관내 10개의 대상 구조물에 대한 연평균 기온 변화와 제설제 사용량을 조사하고, 교량 상부 슬래브의 깊이별 염화물 분포를 측정하였다. 조사된 염화물 분포를 통해 보정된 확산계수를 산출하고 이를 바탕으로 Life-365 프로그램을 이용하여 대상 환경조건에서의 염화물 이온의 침투를 예측하고 사용수명을 평가하였다.
코어 채취시 콘크리트용 코어 드릴을 사용하였으며, 채취한 코어의 표면 수분을 제거하고 폴리에틸렌 보호막으로 콘크리트 내부의 수분 이동을 억제하였다. 코어를 깊이 방향으로 10mm 간격으로 절단하여 쇠절구에 넣고 시료의 미분말로 분쇄하여 질산(1 : 6)을 가하여 전 염화물 농도를 Orion EA940 pH/ISE meter가 부착된 Thermo Scientific Orion 960을 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
대상 교량에 사용된 콘크리트의 단위 수량은 392kg/m³이었다.
데이터처리
따라서 앞서 구한 각각의 조사지점의 표면 염화물 농도와 확산계수를 사용하여 Life-365로 사용수명을 평가하였다. 사용수명 평가 시 시간의존적 확산계수를 이용하였다. 사용수명 예측 결과는 Fig.
성능/효과
(1) 대상 교량 10개의 조사 지점에서 모두 철근깊이에서 염화물 농도가 철근부식 임계 염화물 농도에 도달하지 않았다. 따라서 철근 부식이 아직 개시되지 않은 것으로 판단된다.
(2) 조사 지점의 표면 염화물농도는 약 0.52~2.85kg/m³의 범위에 있으며, 평균 1.35kg/m³로 유추되었다.
(3) 시간의존적 확산특성을 고려하면 28일 평균 확산계수는 4.34×10-12m²/s로 계산되었다.
(4) 대상 구조물의 단위 결합재량에 근거하여 철근부식 임계 염화물 농도를 구하면 1.57kg/m 3 이다. LIfe-365 프로그램을 이용하여 사용수명을 평가해 본 결과 10개 지점 모두 100년 이상의 사용수명을 가질 것으로 예측되었다.
(5) 제설제에 의한 염화물 침투와 해수에 의한 염화물 침투에 대해 사용수명을 평가하여 비교해 본 결과 두 경우 모두 100년 이상의 사용수명을 가지는 것으로 나타났다. 하지만 이는 동결/융해에 대한 복합열화는 배제된 결과로 추후 복합열화에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
9와 같다. 10개의 조사 지점 중 지점 J에서 다른 지점에 비해 철근 깊이에서 상대적으로 높은 염화물 농도를 가질 것으로 예측되었다. 그러나 10개 지점 모두 100년 이상의 사용수명을 가질 것으로 예측되었다.
10개의 측정교량에서 15mm 깊이까지는 염화물 농도에 다소 차이가 있으나, 그 이후에는 약 1.0kg/m³ 이하로 비교적 차이가 크지 않은 것으로 나타났으며 콘크리트 내부로 들어갈수록 수렴하는 것으로 나타났다.
57kg/m 3 이다. LIfe-365 프로그램을 이용하여 사용수명을 평가해 본 결과 10개 지점 모두 100년 이상의 사용수명을 가질 것으로 예측되었다.
※ 대상교량의 설계도면 및 실측자료를 분석한 결과 바닥판 상면 콘크리트의 피복두께는 30~40㎜로 조사됨.
3가지 모델 모두 해수에 의한 내구성 평가 프로그램으로서 염화물이온이 일정하게 공급되는 해양 침지 환경을 조건으로 개발된 것이었으며, 탄산화나 수산화이온의 침출은 배제되었다. 제설제에 의한 염해를 평가함에 있어 ERFC model에서는 염화물이온의 침투가 현저하게 과대 평가되는 경향이 나타났으며, DruaCrete model에서는 입력 변수를 적절하게 선정한 경우에는 상당히 합리적인 결과를 나타냈지만, 다소 과소평가되는 경향이 있었다. 마지막으로 ClinConc model에서는 차량의 통행량이 많은 경우에 예측이 잘 맞는 것으로 나타났다(Tang and Lindvall, 2013).
10개의 대상 교량 상판에서 직경 100mm의 코어를 3개소씩 채취하여 깊이별 염화물 농도 분포를 측정하였다. 코어 채취시 콘크리트용 코어 드릴을 사용하였으며, 채취한 코어의 표면 수분을 제거하고 폴리에틸렌 보호막으로 콘크리트 내부의 수분 이동을 억제하였다. 코어를 깊이 방향으로 10mm 간격으로 절단하여 쇠절구에 넣고 시료의 미분말로 분쇄하여 질산(1 : 6)을 가하여 전 염화물 농도를 Orion EA940 pH/ISE meter가 부착된 Thermo Scientific Orion 960을 이용하여 측정하였다.
후속연구
제설제에 의해 침투된 경우의 확산계수는 콘크리트의 배합에 의해 구한 확산계수에 약 18%에 해당되는 값이다. 따라서 제설제에 의해 단기간에 발생한 염화물 침투를 환산하면 본래 콘크리트의 확산계수의 약 1/5이 되는 것으로 간주하여 사용수명 평가가 가능할 것이다.
하지만 동결/융해에 의한 사용수명 평가 방법은 아직 정립되지 않았고, 동결/융해 작용과 복합 열화되는 경우의 사용수명 평가 방법에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것이다. 여기에 동결/융해로 인한 손상을 정량화하여 동결/융해로 콘크리트의 피복 두께 감소 또는 균열 발생으로 인한 침투속도 증가에 대해 확산계수를 보정하기 위한 연구가 선행되어야 할 것이다. 따라서 이 연구에서는 제설제가 사용되는 동절기 동안에 발생되는 염화물 침투를 1년 동안 지속적으로 침투되는 것으로 가정하여 보정된 확산계수를 사용한 사용수명 평가를 시도하였다.
따라서 이 연구에서는 제설제가 사용되는 동절기 동안에 발생되는 염화물 침투를 1년 동안 지속적으로 침투되는 것으로 가정하여 보정된 확산계수를 사용한 사용수명 평가를 시도하였다. 추후 동결/융해에 의한 손상에 따른 확산계수 보정이 이루어진다면 더 합리적인 사용수명 평가가 가능할 것이다.
다만 제설제에 의한 염해 환경에서는 동결/융해를 수반하는 경우가 많을 것이다. 하지만 동결/융해에 의한 사용수명 평가 방법은 아직 정립되지 않았고, 동결/융해 작용과 복합 열화되는 경우의 사용수명 평가 방법에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것이다. 여기에 동결/융해로 인한 손상을 정량화하여 동결/융해로 콘크리트의 피복 두께 감소 또는 균열 발생으로 인한 침투속도 증가에 대해 확산계수를 보정하기 위한 연구가 선행되어야 할 것이다.
(5) 제설제에 의한 염화물 침투와 해수에 의한 염화물 침투에 대해 사용수명을 평가하여 비교해 본 결과 두 경우 모두 100년 이상의 사용수명을 가지는 것으로 나타났다. 하지만 이는 동결/융해에 대한 복합열화는 배제된 결과로 추후 복합열화에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 내의 철근 부식을 야기할 수 있는 염화물 이온의 침투원은 무엇들로 분류되는가?
이러한 지역에서는 콘크리트가 염해와 동결융해에 직접적으로 노출되어 콘크리트의 열화가 가속화될 수 있다. 콘크리트 내의 철근 부식을 야기할 수 있는 염화물 이온의 침투원은 해수와 제설제로 분류할 수 있다. 해수에 의한 염해는 해수의 직/간접적인 접촉에 의해 콘크리트 표면으로부터 지속적으로 내부로 침투하는 것이다.
해수에 의한 내구성 평가 프로그램인 ERFC model, DuraCrete model, ClinConc model은 제설제에 의한 염해를 평가함에 있어 어떠한 경향을 보이는가?
3가지 모델 모두 해수에 의한 내구성 평가 프로그램으로서 염화물이온이 일정하게 공급되는 해양 침지 환경을 조건으로 개발된 것이었으며, 탄산화나 수산화이온의 침출은 배제되었다. 제설제에 의한 염해를 평가함에 있어 ERFC model에서는 염화물이온의 침투가 현저하게 과대 평가되는 경향이 나타났으며, DruaCrete model에서는 입력 변수를 적절하게 선정한 경우에는 상당히 합리적인 결과를 나타냈지만, 다소 과소평가되는 경향이 있었다. 마지막으로 ClinConc model에서는 차량의 통행량이 많은 경우에 예측이 잘 맞는 것으로 나타났다(Tang and Lindvall, 2013).
해수에 의한 염해는 무엇인가?
콘크리트 내의 철근 부식을 야기할 수 있는 염화물 이온의 침투원은 해수와 제설제로 분류할 수 있다. 해수에 의한 염해는 해수의 직/간접적인 접촉에 의해 콘크리트 표면으로부터 지속적으로 내부로 침투하는 것이다. 반면에 제설제에 의한 염해는 동절기에 사용되는 염화칼슘이나 염화나트륨에 의해 특정 시기에 한정적으로 유입된다.
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