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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기후인자 요소를 고려한 양생을 통하여 콘크리트 구조물의 열화현상 중 가장 큰 원인이라고 할 수 있는 탄산화에 대한 콘크리트 내구성 검토를 하고자 하며 확보한 탄산화 실험데이터를 바탕으로 성능중심평가방법(PBE : Performance based evaluation)을 제안하고자 한다.
- 만족도 곡선을 작성하기 위해서는 요구 만족기준을 정하여야 한다. 본 연구에서는 실제 건설현장에 적용 가능하도록 기준을 정하였다. 옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않는 실내에서 타설을 실시하였으며, 철근의 경우 D 35 이하인 철근을 사용하여 콘크리트 피복두께를 20 mm라 가정하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 실제 건설현장에 적용 가능하도록 기준을 정하였다. 옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않는 실내에서 타설을 실시하였으며, 철근의 경우 D 35 이하인 철근을 사용하여 콘크리트 피복두께를 20 mm라 가정하였다. 콘크리트 구조물의 탄산화 내구성 평가의 방법으로는 식 (5)를 사용하여 탄산화 깊이 yp의 예측값(mm)을 계산 할 수 있다.
제안 방법
- 5) 본 연구에서 탄산화 성능중심평가를 위하여 단기간 촉진탄산화 실험을 하였다. 그러나 구조물들이 촉진실험이 아닌 외부에 장기간 노출될 경우 실제 성상과는 차이가 날수도 있다.
- Fig. 1은 탄산화 시험 장비로써 28일간 실내에서 풍속, 일조 시간 양생을 마친 시편을 탄산화 장비로 옮겨 28일의 추가 양생을 시킨 후 탄산화 깊이 측정을 실시하였다. 탄산화 시험의 경우 온도는 20 ± 2°C, 상대습도는 95%이상, 이산화탄소는 5 ± 0.
- 다만, 공시체가 매우 건조한 경우에는 95%의 에탄올 양을 70 mL로 하여 첨가하는 물의 양을 증가 시킬 수 있다. 그러나 본 연구에서는 양생습도를 95% 이상으로 설정하였음으로 시약의 경우 에탄올 90 mL로 제작하여 실시하였다. 탄산화 깊이의 측정 시기는 보통 1, 4, 8, 13, 26주 단위로 측정하지만 본 연구에서는 양생 기간을 고려하여 4주째 측정을 실시하였다.
- 만족도 곡선은 다양한 변수의 성공/실패여부를 통계적인 방법으로 결정하는 것이며 충분한 데이터베이스를 구축하기 위해서는 실험을 통해 사용 가능한 자료를 많이 확보하여야 한다. 그러나 이러한 충분한 자료확보가 현실적으로 불가능한 것이므로 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 다량의 가상데이터를 생성하고 이를 바탕으로 만족도 확률곡선을 작성한다. 가상데이터 생성 방법은 기존의(Kim et al.
- 36 mm로 나온다. 그러므로 요구 만족규정을 8 mm로 설정하였고 다양한 만족확률을 비교 분석하기 위하여 만족규정을 7, 9 mm 추가하였다.
- 또한 양생의 방법으로는 실내 시험장에서 다수의 삼파장 전구와 공업용 대형 선풍기를 이용하여 28일간의 양생을 실시하였다. 배합의 검증을 위해서 컨트롤 시편을 제작하여 수중양생, 항온항습양생, 기건양생을 시킨 후 28일 압축강도를 측정하였다.
- 또한 양생의 방법으로는 실내 시험장에서 다수의 삼파장 전구와 공업용 대형 선풍기를 이용하여 28일간의 양생을 실시하였다. 배합의 검증을 위해서 컨트롤 시편을 제작하여 수중양생, 항온항습양생, 기건양생을 시킨 후 28일 압축강도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 다양한 풍속, 일조시간에 관하여 양생을 실시한 콘크리트 시편의 탄산화 성능에 관하여 실험적으로 검토 후 이를 바탕으로 성능중심평가방법(Performance Based Evaluation : PBE)을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다
- 예를 들어 본 연구에서는 기존의 연구가 미비한 콘크리트 양생조건인 풍속과 일조시간에 대하여 실험적 데이터를 확보하고 이를 바탕으로 Bayesian 확률을 이용하여 내구성능을 예측하는 것이다. 이러한 방법을 통하여 내구성능이 검증이 될 경우 추후 건설현장에 적용이 가능하며, 인명피해나 재산피해를 방지할 수 있을 것이다.
- 컨트롤 시편 역시 수중양생, 항온항습양생, 기건양생을 28일 시킨 후 탄산화 시험 장비에서 4주간 추가 양생을 실시한 후 탄산화 깊이와 탄산화 속도계수를 측정하여 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 1회 측정을 목적으로 함으로써 100 mm × 200 mm의 원형 공시체를 이용하였고, 각 케이스별 공시체는 3개씩 제작하였다. 탄산화 깊이 측정시 공시체의 할렬면을 쪼개서 측정을 진행하였다. 탄산화 시험에 사용되는 시약은 KS M 8238에서 규정하는 제조 과정을 거쳐용액으로 만들어 시험을 실시한다.
- 그러나 본 연구에서는 양생습도를 95% 이상으로 설정하였음으로 시약의 경우 에탄올 90 mL로 제작하여 실시하였다. 탄산화 깊이의 측정 시기는 보통 1, 4, 8, 13, 26주 단위로 측정하지만 본 연구에서는 양생 기간을 고려하여 4주째 측정을 실시하였다. 또한, 탄산화 깊이를 측정하는 방법으로는 3개의 공시체에 대하여 각 공시체의 2면 10점의 평균 값을 합계하여 6면 30점의 탄산화 깊이 평균값을 각각 계산하여 0.
- 양생조건의 경우 기상청에서 작년 10년 동안의 자료를 분석하여 풍속과, 일조시간에 관하여 다음과 같이 설정하였다. 풍속의 경우 0, 2, 4, 6 m/s 일조시간은 2, 4, 6, 8 시간으로 총 16 가지 경우로 설정하였다.
대상 데이터
- KS M 8238에서 규정한 페놀프탈레인 용액을 이용하여 측정하였으며 지시약으로 사용되는 페놀프탈레인 용액의 경우 95%의 에탄올 90 mL에 페놀프탈레인 분말 1 g을 녹이고 물을 첨가하여 100 mL로 제작한다. 다만, 공시체가 매우 건조한 경우에는 95%의 에탄올 양을 70 mL로 하여 첨가하는 물의 양을 증가 시킬 수 있다.
- 본 연구에서는 1회 측정을 목적으로 함으로써 100 mm × 200 mm의 원형 공시체를 이용하였고, 각 케이스별 공시체는 3개씩 제작하였다.
이론/모형
- 그러나 이러한 충분한 자료확보가 현실적으로 불가능한 것이므로 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 다량의 가상데이터를 생성하고 이를 바탕으로 만족도 확률곡선을 작성한다. 가상데이터 생성 방법은 기존의(Kim et al., 2010)연구를 참고한다.
- 본 연구에서 사용하고자 하는 성능중심평가방법은 Bayesian 확률방법을 이용하여 만족도 곡선을 작성하는 것으로써 Bayesian 확률적 방법은 표집에서 얻은 정보를 사용하며 통계적 추리를 할 때 표집으로부터 얻은 정보 이외의 다른 정보는 사용하지 않는다. 또한 본 연구에서 사용하듯이 불확실한 상황에서 통계적으로 얻은 정보를 토대로 어떤 의사결정을 해야 하는 방법에서는 Bayesian 확률적 방법이 기초가 되며 중요시되는 경우가 있다.
- 탄산화 깊이 측정시 공시체의 할렬면을 쪼개서 측정을 진행하였다. 탄산화 시험에 사용되는 시약은 KS M 8238에서 규정하는 제조 과정을 거쳐용액으로 만들어 시험을 실시한다.
성능/효과
- 1) 탄산화 깊이 측정의 경우 양생조건이 극한 상항으로 갈수록 콘크리트 내부에 미세 공극을 발생시킴으로써 탄산화 침투가 깊게 일어나는 것을 알 수 있으며 만족도 곡선의 경우 풍속과 일조시간에 관하여 그래프 범위가 넓게 나타나는 것은 양생조건이 영향을 많이 미친다는 것을 알 수 있다.
- 2) 탄산화 속도 계수의 경우 탄산화 깊이와 동일한 만족도 곡선을 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 요구 목표를 달리할 경우 만족도 곡선의 다양한 변화를 가져오는 것을 알 수 있다.
- 3) 만족도 곡선의 경우 설계자의 다양한 요구 목표에 따라 설정하고, 실험을 통한 데이터 및 다량의 가상데이터를 생성할 수 있으며, 성능중심 위주의 평가가 가능하다.
- 4) 일반적으로 상대습도 95%의 경우는 생기지 않으나 극한 기후 환경을 검토하고 일반적인 상항과 비교분석을 위하여 습도를 95%로 선택하였다. 상대습도가 95%일 경우탄산화 깊이가 덜 발생 할 수는 있지만 풍속과 일조시간의 양생조건과 탄산화 상대습도 95%에 관한 연구는 미비하다.
- 는 한계탄산화 깊이 여유값으로서 자연환경에서는 10 mm, 심한 염해환경의 경우 25 mm로 설정한다. 따라서 본 연구에서 피복두께를 20 mm로 설정하였으므로 탄산화 깊이의 예측값은 대략 8.36 mm로 나온다. 그러므로 요구 만족규정을 8 mm로 설정하였고 다양한 만족확률을 비교 분석하기 위하여 만족규정을 7, 9 mm 추가하였다.
- 75배 정도 크게 나오는 것을 확인할 수 있다. 또한 수중양생과 항온항습기양생의 경우 탄산화 속도 계수가 상당히 낮은 수치로 나오는 것을 확인할 수 있으며 전체적으로 탄산화 깊이와 유사한 경향을 가지는 것을 확인할 수 있다.
- 7배 더 침투 한 것을 확인할 수 있으며 풍속 4 m/s 와 6 m/s의 경우 탄산화 침투 깊이가 비슷하게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 컨트롤 시편들과 비교 분석한 결과 수중양생과 항온항습기 양생을 실시한 시편의 경우 0.6, 0.8 mm의 탄산화 깊이를 나타내며 거의 콘크리트 수화 반응시 이산화탄소와 반응이 일어나지 않은 것을 확인할 수 있다. 이와 반대로 기건 양생의 경우 4.
- 이것은 풍속 0 m/s, 일조시간 2 hr 보다는 작지만 상대적으로 비슷한 침투 깊이를 확인 할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 양생과정에서 상대습도가 높을수록 상대적으로 탄산화 진행속도가 감소하는 것을 알 수 있고, 풍속과 일조시간이 크게 발생하는 환경일수록 양생이 제대로 이루어 지지 않으며 시편 내부에 공극률이 커지면서 이산화탄소의 침투가 용이해져 깊게 침투 할 수 있다는 것을 확인하였다. 따라서 콘크리트 탄산화에 영향을 미치는 인자는 환경적 요인이 크게 작용한다는 것을 알 수 있다.
- 탄산화 속도 계수가 가장 크게 나타나는 경우는 풍속 6 m/s, 일조시간 6 hr으로 나타나며, 이것은 풍속 0 m/s, 일조시간 2 hr 보다 약 1.75배 정도 크게 나오는 것을 확인할 수 있다. 또한 수중양생과 항온항습기양생의 경우 탄산화 속도 계수가 상당히 낮은 수치로 나오는 것을 확인할 수 있으며 전체적으로 탄산화 깊이와 유사한 경향을 가지는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 6) 본 연구에서는 한 가지 내구성 평가를 통하여 성능을 평가하였음으로 정확한 데이터 구축을 위해서 추후 다양한 내구성평가를 실시하여 연구를 수행할 필요가 있다.
- 따라서 본 연구에서는 다양한 데이터를 학보하기 위하여 기존의 탄산화 조건인 상대습도 60 ± 5% 와 달리 95% 조건으로 데이터를 확보하였으며, 추후 더 많은 탄산화 상대습도에 관한 연구를 수행할 필요가 있다.
- 14와 15과 같이 나타낼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 설계자의 다양한 만족요구목표에 따라서 성능중심평가를 통해서 추후 기후변화가 자주 발생하는 건설현장에 적용 가능하다.
- 예를 들어 본 연구에서는 기존의 연구가 미비한 콘크리트 양생조건인 풍속과 일조시간에 대하여 실험적 데이터를 확보하고 이를 바탕으로 Bayesian 확률을 이용하여 내구성능을 예측하는 것이다. 이러한 방법을 통하여 내구성능이 검증이 될 경우 추후 건설현장에 적용이 가능하며, 인명피해나 재산피해를 방지할 수 있을 것이다.
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