탄산화는 지하구조물과 같이 이산화탄소의 농도가 높고 강우로부터 보호되는 콘크리트 구조물에 매우 심각한 열화현상이다. 탄산화 깊이 및 수화물의 변화를 평가하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으나 해석모델의 복잡성, 이산화탄소 확산계수 모델링 등의 어려움으로 인해 실제 탄산화 거동을 제한적으로 모사하고 있다. 본 연구에서는 기존의 탄산화 모델링 (Ducom)에 대하여 확산계수 모델링, 공극률 감소 모델, 이산화탄소의 장기반응률 등을 개선하여 개선된 탄산화 모델을 제시하였다. 검증을 위하여 온도변화를 고려한 촉진탄산화 시험. 공극률 평가 시험 (수은압입법)을 수행하였으며, 탄산화 깊이를 개선되기 전/후의 모델과 비교하였다. 또한 수산화칼슘의 중량변화와 실태조사결과를 이용하여 낮은 이산화탄소에 노출된 콘크리트 구조물의 탄산화 깊이를 제안된 모델과 비교하였다. 제안된 모델은 확산계수 감소성, 공극률 감소성을 적절하게 반영하여 기존의 모델에 비해 합리적인 결과 (수산화칼슘 소모량, 탄산화 깊이)를 나타내었다.
탄산화는 지하구조물과 같이 이산화탄소의 농도가 높고 강우로부터 보호되는 콘크리트 구조물에 매우 심각한 열화현상이다. 탄산화 깊이 및 수화물의 변화를 평가하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으나 해석모델의 복잡성, 이산화탄소 확산계수 모델링 등의 어려움으로 인해 실제 탄산화 거동을 제한적으로 모사하고 있다. 본 연구에서는 기존의 탄산화 모델링 (Ducom)에 대하여 확산계수 모델링, 공극률 감소 모델, 이산화탄소의 장기반응률 등을 개선하여 개선된 탄산화 모델을 제시하였다. 검증을 위하여 온도변화를 고려한 촉진탄산화 시험. 공극률 평가 시험 (수은압입법)을 수행하였으며, 탄산화 깊이를 개선되기 전/후의 모델과 비교하였다. 또한 수산화칼슘의 중량변화와 실태조사결과를 이용하여 낮은 이산화탄소에 노출된 콘크리트 구조물의 탄산화 깊이를 제안된 모델과 비교하였다. 제안된 모델은 확산계수 감소성, 공극률 감소성을 적절하게 반영하여 기존의 모델에 비해 합리적인 결과 (수산화칼슘 소모량, 탄산화 깊이)를 나타내었다.
Carbonation is one of the most critical deterioration phenomena to concrete structures exposed to high $CO_2$ concentration, sheltered from rain. Lots of researches have been performed on evaluation of carbonation depth and changes in hydrate compositions, however carbonation modeling is ...
Carbonation is one of the most critical deterioration phenomena to concrete structures exposed to high $CO_2$ concentration, sheltered from rain. Lots of researches have been performed on evaluation of carbonation depth and changes in hydrate compositions, however carbonation modeling is limitedly carried out due to complicated carbonic reaction and diffusion coefficient. This study presents a simplified carbonation model considering diffusion coefficient, solubility of $Ca(OH)_2$, porosity reduction, and carbonic reaction rate for low concentration. For verification, accelerated carbonation test with varying temperature and MIP (Mercury Intrusion Porosimetry) test are carried out, and carbonation depths are compared with those from the previous and the proposed model. Field data with low $CO_2$ concentration is compared with those from the proposed model. The proposed model shows very reasonable results like carbonation depth and consuming $Ca(OH)_2$ through reduced diffusion coefficient and porosity compared with the previous model.
Carbonation is one of the most critical deterioration phenomena to concrete structures exposed to high $CO_2$ concentration, sheltered from rain. Lots of researches have been performed on evaluation of carbonation depth and changes in hydrate compositions, however carbonation modeling is limitedly carried out due to complicated carbonic reaction and diffusion coefficient. This study presents a simplified carbonation model considering diffusion coefficient, solubility of $Ca(OH)_2$, porosity reduction, and carbonic reaction rate for low concentration. For verification, accelerated carbonation test with varying temperature and MIP (Mercury Intrusion Porosimetry) test are carried out, and carbonation depths are compared with those from the previous and the proposed model. Field data with low $CO_2$ concentration is compared with those from the proposed model. The proposed model shows very reasonable results like carbonation depth and consuming $Ca(OH)_2$ through reduced diffusion coefficient and porosity compared with the previous model.
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문제 정의
본 논문에서는 초기재령 콘크리트의 대표적인 열화모델인 Ducom FE 프로그램에 대하여 개선된 탄산화 모델을 제안하였다. 프로그램내의 이산화탄소 확산계수의 변화, 공극률 감소(Deacy function), 장기 탄산화 반응률 등이 개선되어 실험 및 실태조사 결과와의 비교가 수행되었다.
가설 설정
특히 외부의 이산화탄소 농도가 대기와 같이 낮은 경우에는 탄산화 깊이가 초기에 낮게 평가되어 실태조사 결과와 비교적 큰 차이가 발생한다. 기존의 연구에서는 민감도 분석을 통한 반응값을 가정하여 사용하였는데 (Maekawa et al., 2009; Song et al., 2006), 본 연구에서는 식 (19)와 같이 농도의존 반응률을 이산화탄소의 농도의 함수로 가정하였다.
제안 방법
(1) 본 연구에서는 이산화탄소 확산계수 및 온도의존적 확산계수, 배합특성을 고려한 공극률 감소, 저농도에서의 이산화탄소 반응률 등을 개선하여 합리적인 탄산화 해석모델을 제안하였다. 확산계수 모델에서는 시멘트 모르타르의 확산계수가 아닌 콘크리트 확산계수식을 적용하였으며, 공극률 감소모델에서는 탄산화 전후의 공극률을 평가하여 물-시멘트비의 함수로 구현하였다.
본 연구에서는 Ducom 탄산화 해석모델에 대하여 콘크리트 확산계수 및 온도의존성 확산계수 개선, Decay function의 개선, 장기반응률 개선 등을 통하여 합리적인 탄산화 해석모델을 제안하였다. 보다 엄밀한 탄산화 해석을 위해서는 시멘트 모르타르나 페이스트의 확산계수가 아닌 콘크리트 구체의 습도 및 습도의존성 이산화탄소 확산계수, 탄산화에 따른 공극분포의 변화, 수화도에 따른 수화물 생성 (CSH, Ca(OH)2) 및 온도의존성 탄산화 반응 모델링, 수화물의 온도의존적 용해도 등 추가적인 연구가 많이 필요하다고 판단된다.
데이터처리
(2) 실험온도를 20℃ 및 40℃로 고려하여 촉진 탄산화 실험을 수행하였으며 기존의 해석결과와 비교하였다. 제안된 모델은 기존의 모델에 비해 이산화탄소의 확산성을 감소시켜 실험값에 더욱 근접한 해석결과를 나타내었다.
기존의 실험자료 및 실태조사 결과를 이용하여 본절에서는 개선된 탄산화 모델의 검증을 수행하였다. Table 4에서는 기존의 실험배합과 촉진이산화탄소 시험사양을 (Kwon et al.
이론/모형
기존의 연구 (Maekawa et al., 2009; Ishida and Maekawa, 2001; 2003)와 마찬가지로 캘러킨법 (Gelerkin Method)를 사용하여 편미분 지배방정식의 해를 수렴시켰으며, 경계상에서 열플럭스, 수분플럭스, 이온플럭스와 열전달계수, 수분전달계수 등을 통하여 체적적분 및 표면적분이 계산된다. 입력 시 필요한 정보는 해석대상의 구조제원 (치수 및 형태), 사용 재료, 배합, 양생, 경계조건 등이며, 초기조건 및 경계조건이 고려되면 각 현상에 기초한 재료모델을 통해서 각 시간과 공간상에서 변동하는 초기재령콘 크리트의 재료 물성값이 도출된다.
본 연구에서 제안한 기법은 기존의 Ducom의 해석프레임을 그대로 사용하는데, 이산화탄소 확산계수, 수산화칼슘 소모량, 공극률 감소, 저농도 이산화탄소의 반응률을 개선한 것이다. Fig.
7에서 나타내었으며 외부 환경조건은 Table 7과 같다. 실태조사결과 및 환경조건은 모두 기존의 문헌을 이용하여 실측조사결과를 사용하였다 (KSCE, 1999).
(1) 본 연구에서는 이산화탄소 확산계수 및 온도의존적 확산계수, 배합특성을 고려한 공극률 감소, 저농도에서의 이산화탄소 반응률 등을 개선하여 합리적인 탄산화 해석모델을 제안하였다. 확산계수 모델에서는 시멘트 모르타르의 확산계수가 아닌 콘크리트 확산계수식을 적용하였으며, 공극률 감소모델에서는 탄산화 전후의 공극률을 평가하여 물-시멘트비의 함수로 구현하였다.
성능/효과
(3) 제안된 모델은 공극률과 포화도와 같은 초기재령 모델링을 기본으로 한 물리-화학적 탄산화 모델이다. 그러나 더욱 합리적인 모델이 되기 위해서는 온도, 습도 변화에 따른 확산계수의 변동성과 장기 실태조사 자료의 축적이 필요하다.
(2) 실험온도를 20℃ 및 40℃로 고려하여 촉진 탄산화 실험을 수행하였으며 기존의 해석결과와 비교하였다. 제안된 모델은 기존의 모델에 비해 이산화탄소의 확산성을 감소시켜 실험값에 더욱 근접한 해석결과를 나타내었다. 또한 실제 지하구조물의 실태조사 및 실측자료를 이용하여 탄산화 깊이를 평가하였는데, 제안된 모델은 외부 이산화탄소의 낮은 농도를 고려할 수 있으므로 합리적인 해석결과를 나타내었다.
후속연구
(3) 제안된 모델은 공극률과 포화도와 같은 초기재령 모델링을 기본으로 한 물리-화학적 탄산화 모델이다. 그러나 더욱 합리적인 모델이 되기 위해서는 온도, 습도 변화에 따른 확산계수의 변동성과 장기 실태조사 자료의 축적이 필요하다. 또한 온도의존성 탄산화반응 모델링 및 수화물의 용해도 등이 고려되어야 한다.
본 연구에서는 Ducom 탄산화 해석모델에 대하여 콘크리트 확산계수 및 온도의존성 확산계수 개선, Decay function의 개선, 장기반응률 개선 등을 통하여 합리적인 탄산화 해석모델을 제안하였다. 보다 엄밀한 탄산화 해석을 위해서는 시멘트 모르타르나 페이스트의 확산계수가 아닌 콘크리트 구체의 습도 및 습도의존성 이산화탄소 확산계수, 탄산화에 따른 공극분포의 변화, 수화도에 따른 수화물 생성 (CSH, Ca(OH)2) 및 온도의존성 탄산화 반응 모델링, 수화물의 온도의존적 용해도 등 추가적인 연구가 많이 필요하다고 판단된다.
MIP 시험을 어떤 시료 (시멘트 모르타르, 콘크리트)로 하는지에 따라서도 공극률의 변화가 다르고 w/c의 변화에도 다르게 된다. 본 연구에서는 선형적으로 감소하는 하는 공극률이 아닌 w/c의 변화에 따른 공극률 변화를 도입하였으며, 혼화재료를 사용한 콘크리트에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
또한 탄산화 전후 OPC 콘크리트의 공극구조 변화와 혼화재료 (슬래그, FA)를 사용한 콘크리트의 공극구조 변화는 매우 다르다. 이는 수산화칼슘의 잔존량에 기인하기 때문인데 이러한 변화에 대해서는 좀 더 심도있는 연구가 필요하다. 기존의 연구에서 공극률 감소모델은 식 (6)과 같이 구성되어 있다 (Ishida and Maekawa, 2001).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄산화 진행을 예측하기 위한 연구중 1980년대 제안된 반경험식 형태의 예측식들은 어떠한 실험을 통해 제안되었는가?
탄산화 진행을 예측하기 위해 많은 연구가 수행되었는데, 1980년대에는 반경험식 형태의 예측식들이 많이 제안되었다. 이러한 식들은 촉진 및 장기 실험을 통하여 제안되었는데 주로 실험상수를 도입하여 탄산화 깊이를 시간의 제곱근에 비례하도록 고안되었다(Izumi et al., 1986; Abe, 1999).
탄산화는 콘크리트 내부에 어떠한 현상을 야기하는가?
탄산화란 외부 이산화탄소의 유입을 통하여 공극수의 pH가 저감하고 이로 인해 철근이 부식하는 열화현상을 의미한다. 탄산화는 콘크리트 구체만 고려하면 크게 문제가 되지 않는다고 알려져 있지만 콘크리트 내부의 수산화칼슘이 탄산칼슘으로 변화하면서 증가된 체적으로 인해 공극이 감소하며(Papadakis et al., 1991a; 1991b), 이는 투수성 감소, 중량의 증가, 표면강도 증가 등을 야기한다 (Song and Kwon, 2007; Saeki et al., 1991).
탄산화는 어떠한 현상인가?
탄산화는 지하구조물과 같이 이산화탄소의 농도가 높고 강우로부터 보호되는 콘크리트 구조물에 매우 심각한 열화현상이다. 탄산화 깊이 및 수화물의 변화를 평가하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으나 해석모델의 복잡성, 이산화탄소 확산계수 모델링 등의 어려움으로 인해 실제 탄산화 거동을 제한적으로 모사하고 있다.
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