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가설 설정
- Table 1은 실험 인자이다. 보수재 유/무로 나누어 표면보수후의 콘크리트를 가정했다. 보수재 종류로 유기계 알칼리방청제(OAI), 방청표면 피복재(ISC), 방청모르타르(IM), 수성페인트(WP)를 시공했다.
- 각종 입력조건을 식(7)과 식(8)[19]을 이용하여 FDM분석을 실시하였다. 탄산화에 의해 철근의 부식이 시작되어 보수가 필요하다고 판단되는 시기를 철근 매입 깊이보다 20mm 얕은 위치에서 Ca(OH)2의 농도가 초기값의 40~70%까지 감소한 때를 가정하였다[18]. Figure 11은 FDM 해석과 실험값의 탄산화 깊이 예측이다.
제안 방법
- 그 후 비시험면에 에폭시를 도포했다. 7일간 에폭시를 건조한 후 예비탄산화로 5일간 온도 20℃, 60% 상대습도, 100% CO2 촉진탄산화 챔버 넣은후 콘크리트 탄산화 깊이 측정방법에 준하여 탄산화 깊이를 측정한다. 그 후 시험체의 침투면에 각 보수재를 시공후 다시 100% 촉진탄산화 챔버 정치후 탄산화 깊이 측정을 실시하였다.
- FDM 분석 방법은Ⅰ) 보수재의 CO2농도 FDM 계산, Ⅱ) 콘크리트의 CO 농도 FDM 계산, Ⅲ) Ca(OH)2 농도 계산, Ⅳ) 탄산화 속도 계수 A, A’ 도출을 하는 순서로 분석을 실시하였다.
- Figure 1과 같이 콘크리트 시험체 제작후 4주간 수중양생, 4주간 기건 양생을 실시했다. 그 후 비시험면에 에폭시를 도포했다.
- Figure 3은 시험체의 탄산화 깊이 측정사진이다. KS F 2596[17] 에 따라 탄산화 깊이를 측정하고 보수재 시공후 7일간 건조시킨 뒤 예비탄산화 실험과 동일한 조건으로 CO2 농도 100% 탄산화 챔버에서 탄산화를 실시한 후 7, 14일 재령에서 탄산화 깊이를 측정하였다.
- Table 4는 보수재의 종류와 두께이다. WP는 0.1mm, OAI는 spread, ISC는 두께 2mm, IM 두께 6mm로 4가지 방법으로 보수재를 시공하였다. Figure 3은 시험체의 탄산화 깊이 측정사진이다.
- 따라서 본 연구에서는 탄산화가 이미 진행된 콘크리트 구조물을 대상으로 예비 촉진 탄산화를 통해 탄산화가 진행된 건축물을 가정한 후 표면 보수공법을 적용하여 보수시 각 보수재에 따른 탄산화 속도 비교를 위해 100% CO2 농도로 촉진 탄산화 실험을 실시하였다. 각 보수재별 탄산화 속도계수를 도출 후 보수후의 탄산화 진행 예측식을 이용하여 탄산화 진행 예측한다. 또한 신뢰성 확보를 위하여 FDM과 FEM 해석을 통한 탄산화 깊이 예측을 비교했다.
- 7일간 에폭시를 건조한 후 예비탄산화로 5일간 온도 20℃, 60% 상대습도, 100% CO2 촉진탄산화 챔버 넣은후 콘크리트 탄산화 깊이 측정방법에 준하여 탄산화 깊이를 측정한다. 그 후 시험체의 침투면에 각 보수재를 시공후 다시 100% 촉진탄산화 챔버 정치후 탄산화 깊이 측정을 실시하였다.
- 탄산화된 콘크리트의 보수후 탄산화 진행에 관련된 연구는 거의 없으며, 실험적, 해석적 연구가 없으므로 이에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 탄산화가 이미 진행된 콘크리트 구조물을 대상으로 예비 촉진 탄산화를 통해 탄산화가 진행된 건축물을 가정한 후 표면 보수공법을 적용하여 보수시 각 보수재에 따른 탄산화 속도 비교를 위해 100% CO2 농도로 촉진 탄산화 실험을 실시하였다. 각 보수재별 탄산화 속도계수를 도출 후 보수후의 탄산화 진행 예측식을 이용하여 탄산화 진행 예측한다.
- 각 보수재별 탄산화 속도계수를 도출 후 보수후의 탄산화 진행 예측식을 이용하여 탄산화 진행 예측한다. 또한 신뢰성 확보를 위하여 FDM과 FEM 해석을 통한 탄산화 깊이 예측을 비교했다. 이를 통하여 탄산화가 진행된 기존 RC구조물의 보수공법 적용 후 탄산화 진행예측을 실시하였다.
- 이때 콘크리트 표면에 보수를 할 경우 t’까지 탄산화진행은 예비 탄산화일 때의 탄산화 속도계수로 진행하지 않고 식 #에 의해 진행되는 것을 알 수 있다. 보수재를 이용하여 보수후 탄산화 진행 예측 비교를 위하여 앞서 구한 보수재 각각의 탄산화 속도계수를 이용하였다. 보수후의 탄산화 진행 예측식을 Table 8과 같이 나타났다.
- 본 연구에서는 탄산화가 진행된 기존 RC구조물의 보수공법 적용 후 탄산화 진행 예측을 실시하였다. 촉진 탄산화 실험과 FEM, FDM 해석으로 탄산화 침투 깊이를 예측한 결과는 다음과 같다.
- 콘크리트의 표면 보수후 탄산화 진행 예측 실험을 위하여 콘크리트 실험체의 양생이 완료된 뒤 시험체의 CO2 침투면을 제외한 나머지 면에 에폭시를 도포하고 CO2농도 100%로 촉진탄산화 챔버에서 5일간 예비탄산화를 실시 한 후, 할렬하여 탄산화 깊이를 측정하였다. 예비탄산화 후 콘크리트 표면에 각각의 보수재를 시공하였다.
- 또한 신뢰성 확보를 위하여 FDM과 FEM 해석을 통한 탄산화 깊이 예측을 비교했다. 이를 통하여 탄산화가 진행된 기존 RC구조물의 보수공법 적용 후 탄산화 진행예측을 실시하였다.
- 해석을 위한 조건입력은 Table 9와 같이 가정하였다. 철근 피복두께는 30mm, 콘크리트의 기본 물성 값은 시험체 제작과 동일한 조건을 입력하고 일본건축학회 탄산화 예측식인 식(5)와 식(6)[16]을 이용하여 FEM 분석을 실시하였다.
- Figure 2는 콘크리트 시험체 보수재 시공 모식도이다. 콘크리트의 표면 보수후 탄산화 진행 예측 실험을 위하여 콘크리트 실험체의 양생이 완료된 뒤 시험체의 CO2 침투면을 제외한 나머지 면에 에폭시를 도포하고 CO2농도 100%로 촉진탄산화 챔버에서 5일간 예비탄산화를 실시 한 후, 할렬하여 탄산화 깊이를 측정하였다. 예비탄산화 후 콘크리트 표면에 각각의 보수재를 시공하였다.
대상 데이터
- 100×100×400mm 콘크리트용 몰드를 이용해 물시멘트비 55%인 콘크리트 실험체를 제작하였다.
- 07인 것을 사용하였다. 방청표면 피복재는 SBR계 라텍스가 혼입된 점도 20 CPS 이하를 사용하였다. 방청모르타르는 아크릴계 폴리머로 98% 이상의 고형분으로 pH6.
- 보수재 유/무로 나누어 표면보수후의 콘크리트를 가정했다. 보수재 종류로 유기계 알칼리방청제(OAI), 방청표면 피복재(ISC), 방청모르타르(IM), 수성페인트(WP)를 시공했다. Table 2는 콘크리트 배합표이다.
- 사용재료로는 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 유기계 알칼리 방청재는 Table 3과 같은 재료를 사용하였다.
- 5이다. 수성페인트는 국내 S사에서 만든 것을 사용하였으며, 아크릴 에멀젼 수지를 주성분으로, 밀도는 1.63g/cm3이다.
- 사용재료로는 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 유기계 알칼리 방청재는 Table 3과 같은 재료를 사용하였다. 주요 성분은 (CH3)2NCH2CH2OH로 pH 11.
- 유기계 알칼리 방청재는 Table 3과 같은 재료를 사용하였다. 주요 성분은 (CH3)2NCH2CH2OH로 pH 11.9이며 밀도는 1.07인 것을 사용하였다. 방청표면 피복재는 SBR계 라텍스가 혼입된 점도 20 CPS 이하를 사용하였다.
데이터처리
- FEM 해석을 위하여 일본 콘크리트학회에서 만든 LECCA2 프로그램을 이용하여 실시하였다. 해석을 위한 조건입력은 Table 9와 같이 가정하였다.
성능/효과
- 1) 촉진탄산화를 통해 각 시험체별 탄산화 깊이 비교를 통하여 ISC의 탄산화 침투가 약 9.37mm로 가장 많이 침투된 반면에 WP는 7.76mm 로 탄산화 침투 억제에 가장 좋은 보수재인 것으로 나타났다.
- Figure 16은 해석과 실험값의 탄산화 예측 결과이다. 100년 경과후 Plain 실험값 기준으로 FEM 해석이 실측치와 가장 유사한 것으로 판단되었다. FDM 해석이 FEM 해석보다 탄산화 침투 깊이가 2mm 차이가 나는 것을 알 수 있었다.
- 2) FDM 해석과 촉진탄산화 실험값의 탄산화 진행 예측유사도 비교 결과 초기 Ca(OH)2 농도 40%로 가정할 때 오차율이 약 10% 이내로 FDM 해석값과 실험값이 거의 유사함을 알 수 있었다.
- Figure 5는 보수재별 탄산화 진행예측 비교이다. 35년이 경과한 경우 WP로 보수할시 5mm가 침투하는 것을 알 수 있었으며 Plain 대비 WP로 보수시 25mm 정도 탄산화 억제 효과가 있는 것으로 판단되었다. Table 7은 35년경과 시 보수재에 따른 탄산화 침투깊이 비교를 나타내었다.
- 100년 경과후 Plain 실험값 기준으로 FEM 해석이 실측치와 가장 유사한 것으로 판단되었다. FDM 해석이 FEM 해석보다 탄산화 침투 깊이가 2mm 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 이는 해석시 Ca(OH)2의 확산을 고려했기 때문이라고 판단된다.
- Figure 4는 각 시험체에 따라 탄산화율을 비교한 표이다. Plain의 탄산화율을 100%로 가정했을 경우 ISC의 탄산화율이 가장 높게 나타나므로 탄산화 억제 효과가 가장 낮은 것으로 판단된 반면 WP의 탄산화율이 17.3%로 가장 낮게 나타므로 탄산화 억제효과가 가장 좋은 것으로 판단되었다. 실험에 사용된 WP가 조합형으로 아크릴 수지를 베이스로 하며 마감두께를 0.
- Figure 9는 FEM 해석과 촉진 탄산화 실험값의 탄산화 깊이 예측을 비교한 그림이다. 그 결과 100년 경과후 Plain 실험값에 비해 FEM 해석이 약 2mm 더 침투 되는 것을 알 수 있었다. WP는 3mm, OAI는 3mm, ISC는 2.
- 따라서, 탄산화가 진행된 기존 RC구조물의 보수후 탄산화 진행 예측은 촉진탄산화 실험과 FEM과 FDM해석을 통하여 탄산화 깊이를 예측할 수 있었으며 내구수명 확보를 위해 탄산화 깊이를 예측할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 약 30년 경과후 보수했을 때 100년경과 시 ISC를 이용할 경우 39mm 침투되는 반면, WP를 이용할 경우 35mm 가 침투되는 것을 알 수 있었다. 또한 30년경과 시 Plain에 비해 WP를 이용할 경우 약 15mm의 탄산화 억제 효과가 있는 것으로 판단되었다.
- 11mm 침투한 것을 알 수가 있었다. 보수재를 시공하고 나서 7일간 촉진탄산화를 실시한 뒤 탄산화 깊이를 측정한 결과 Plain은 약 8.82mm로 탄산화 속도계수는 2.32mm/#로 산정되었으며 예비 탄산화 보다 약 3.71mm 가 침투한 것을 알 수 있었다. 14일 경과후 보수재에 따른 탄산화 침투 깊이 비교에서는 ISC의 탄산화 침투가 약 9.
- Table 8에서 도출된 탄산화 진행 예측식을 이용하여 나타내었다. 약 30년 경과후 보수재를 이용하여 보수했을 때 100년 경과 시 ISC를 이용할 경우 36.5mm 침투되는 반면, WP를 이용할 경우 33.9mm가 침투되는 것을 알 수 있었다.
- Figure 8은 FEM 해석을 통한 탄산화 진행 예측이다. 약 30년 경과후 보수했을 때 100년경과 시 ISC를 이용할 경우 39mm 침투되는 반면, WP를 이용할 경우 35mm 가 침투되는 것을 알 수 있었다. 또한 30년경과 시 Plain에 비해 WP를 이용할 경우 약 15mm의 탄산화 억제 효과가 있는 것으로 판단되었다.
- Table 5는 보수후 탄산화 깊이 결과를 나타낸 표이다. 예비탄산화 기간의 탄산화 깊이를 측정한 결과 약 5.11mm 침투한 것을 알 수가 있었다. 보수재를 시공하고 나서 7일간 촉진탄산화를 실시한 뒤 탄산화 깊이를 측정한 결과 Plain은 약 8.
- Figure 11은 FDM 해석과 실험값의 탄산화 깊이 예측이다. 촉진실험결과와 비교해 Ca(OH)2 초기농도의 40%로 가정했을 때 탄산화 침투깊이가 가장 유사하게 나타났다.
후속연구
- OAI는 콘크리트 표면에 피막을 형성하고 콘크리트 표면공극을 충진 함으로써 탄산화율이 상대적으로 작게 나타났다고 판단된다. 다만, 무기계 계통의 표면피복재, 방청모르타르의 양생기간이 7일으로 짧게 설정한 후 촉진탄산화를 실시하여 이러한 점이 마감재의 투기성에 영향을 미칠 수 있었다는 점이 본연구의 한계라고 판단되어 마감재의 충분한 양생 후 탄산화 촉진시험이 필요하다고 판단된다.
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