외부환경에 노출된 콘크리트 구조물은 사용기간 동안 시간의 경과함에 따라 여러 가지 환경적, 화학적, 물리적 요인들이 콘크리트 내부로 서서히 침투 및 확산되면서 콘크리트 초기의 우수한 내구성능을 저하시켜, 열화발생으로 인한 성능저하의 규명과 유지관리에 대한 중요성이 크게 부각되고 있다. 특히, 해안에 근접한 콘크리트 구조물이 동결융해 작용을 받는 경우, 동결융해의 과정에서 콘크리트 조직이 팽창 수축을 반복하면서 콘크리트의 조직이 이완되고 이때, 해수에 존재하는 염화물이온이 콘크리트 내부에 침입하게 되면, 콘크리트 구조물의 철근부식으로 인한 열화를 가속화시키기 때문에 내륙 콘크리트 건축물에 비해 내구성능의 저하가 급속히 진행됨으로 특별한 주의가 필요하다. 본 연구에서는 해수에 접한 콘크리트 구조물의 내구성 확보를 위해 광물성 혼화재료를 혼입한 코팅용 고성능 모르타르의 개발을 목적으로 하고 있으며, 모르타르의 강도 및 내구 특성에 대한 실험적 연구가 진행 되었다. 모르타르에 광물성 혼화재료인 실리카퓸, 메타카올린, 초고분말 플라이애시를 혼입하였다. 혼입률은 실리카퓸과 메타카올린은 각각 3, 7, 10%로 혼입하였으며, 초고분말 플라이애시는 5, 10, 15, 20%로 혼입하여 실험을 진행하였다. 혼화재료 혼입을 통해 제작된 모르타르 시험편을 재령 1일과 28일에 정적 강도시험을 진행하였으며, 재령 28일에 염소이온 침투저항성 시험, 황산 저항성 시험, 염해 저항성 시험 등의 열화 촉진실험을 실시하여 내구 특성을 분석하였다. 촉진 염화물이온 확산 침투 시험 결과를 이용해 국내 콘크리트학회에서 제안하는 방법과 미국, 유럽의 방법으로 내구수명을 평가해 보았다. 메타카올린 혼입 시 모든 규정에서 우수한 내구 수명으로 평가 되었으며, 메타카올린 10%혼입 시 KCI를 기준으로 약 470년의 내구수명이 예측되었다.
외부환경에 노출된 콘크리트 구조물은 사용기간 동안 시간의 경과함에 따라 여러 가지 환경적, 화학적, 물리적 요인들이 콘크리트 내부로 서서히 침투 및 확산되면서 콘크리트 초기의 우수한 내구성능을 저하시켜, 열화발생으로 인한 성능저하의 규명과 유지관리에 대한 중요성이 크게 부각되고 있다. 특히, 해안에 근접한 콘크리트 구조물이 동결융해 작용을 받는 경우, 동결융해의 과정에서 콘크리트 조직이 팽창 수축을 반복하면서 콘크리트의 조직이 이완되고 이때, 해수에 존재하는 염화물이온이 콘크리트 내부에 침입하게 되면, 콘크리트 구조물의 철근부식으로 인한 열화를 가속화시키기 때문에 내륙 콘크리트 건축물에 비해 내구성능의 저하가 급속히 진행됨으로 특별한 주의가 필요하다. 본 연구에서는 해수에 접한 콘크리트 구조물의 내구성 확보를 위해 광물성 혼화재료를 혼입한 코팅용 고성능 모르타르의 개발을 목적으로 하고 있으며, 모르타르의 강도 및 내구 특성에 대한 실험적 연구가 진행 되었다. 모르타르에 광물성 혼화재료인 실리카퓸, 메타카올린, 초고분말 플라이애시를 혼입하였다. 혼입률은 실리카퓸과 메타카올린은 각각 3, 7, 10%로 혼입하였으며, 초고분말 플라이애시는 5, 10, 15, 20%로 혼입하여 실험을 진행하였다. 혼화재료 혼입을 통해 제작된 모르타르 시험편을 재령 1일과 28일에 정적 강도시험을 진행하였으며, 재령 28일에 염소이온 침투저항성 시험, 황산 저항성 시험, 염해 저항성 시험 등의 열화 촉진실험을 실시하여 내구 특성을 분석하였다. 촉진 염화물이온 확산 침투 시험 결과를 이용해 국내 콘크리트학회에서 제안하는 방법과 미국, 유럽의 방법으로 내구수명을 평가해 보았다. 메타카올린 혼입 시 모든 규정에서 우수한 내구 수명으로 평가 되었으며, 메타카올린 10%혼입 시 KCI를 기준으로 약 470년의 내구수명이 예측되었다.
With the passing of time, exposed concrete structures are affected by a range of environmental, chemical, and physical factors. These factors seep into the concrete and have a deleterious influence compared to the initial performance. The importance of identifying and preventing further performance ...
With the passing of time, exposed concrete structures are affected by a range of environmental, chemical, and physical factors. These factors seep into the concrete and have a deleterious influence compared to the initial performance. The importance of identifying and preventing further performance degradation due to the occurrence of deterioration has been greatly emphasized. In recent years, evaluations of the target life have attracted increasing interest. During the freezing-melting effect, a part of the concrete undergoes swelling and shrinking repeatedly. At these times, chloride ions present in seawater penetrate into the concrete, and accelerate the deterioration due to the corrosion of reinforced bars in the concrete structures. For that reason, concrete structures located onshore with a freezing-melting effect are more prone to this type of deterioration than inland structures. The aim of this study was to develop a high performance mortar mixed with a mineral admixture for the durability properties of concrete structures near sea water. In addition, experimental studies were carried out on the strength and durability of mortar. The mixing ratio of the silica fume and meta kaolin was 3, 7 and 10 %, respectively. Furthermore, the ultra-fine fly ash was mixed at 5, 10, 15, and 20%. The mortar specimens prepared by mixing the admixtures were subjected to a static strength test on the 1st and 28th days of age and degradation acceleration tests, such as the chloride ion penetration resistance test, sulfuric acid resistance test, and salt resistant test, were carried out at 28 days of age. The chloride diffusion coefficient was calculated from a series of rapid chloride penetration tests, and used to estimate the life time against corrosion due to chloride ion penetration according to the KCI, ACI, and FIB codes. The life time of mortar with 10% meta kaolin was the longest with a service life of approximately 470 years according to the KCI code.
With the passing of time, exposed concrete structures are affected by a range of environmental, chemical, and physical factors. These factors seep into the concrete and have a deleterious influence compared to the initial performance. The importance of identifying and preventing further performance degradation due to the occurrence of deterioration has been greatly emphasized. In recent years, evaluations of the target life have attracted increasing interest. During the freezing-melting effect, a part of the concrete undergoes swelling and shrinking repeatedly. At these times, chloride ions present in seawater penetrate into the concrete, and accelerate the deterioration due to the corrosion of reinforced bars in the concrete structures. For that reason, concrete structures located onshore with a freezing-melting effect are more prone to this type of deterioration than inland structures. The aim of this study was to develop a high performance mortar mixed with a mineral admixture for the durability properties of concrete structures near sea water. In addition, experimental studies were carried out on the strength and durability of mortar. The mixing ratio of the silica fume and meta kaolin was 3, 7 and 10 %, respectively. Furthermore, the ultra-fine fly ash was mixed at 5, 10, 15, and 20%. The mortar specimens prepared by mixing the admixtures were subjected to a static strength test on the 1st and 28th days of age and degradation acceleration tests, such as the chloride ion penetration resistance test, sulfuric acid resistance test, and salt resistant test, were carried out at 28 days of age. The chloride diffusion coefficient was calculated from a series of rapid chloride penetration tests, and used to estimate the life time against corrosion due to chloride ion penetration according to the KCI, ACI, and FIB codes. The life time of mortar with 10% meta kaolin was the longest with a service life of approximately 470 years according to the KCI code.
본 연구는 해수에 접한 콘크리트 구조물의 내구성 확보를 위한 외부 코팅용 고성능 모르타르의 강도 및 내구성 평가를 위해 진행 되었으며, 기준배합에 광물성 혼화 재료를 변수별로 각각 혼입하여 강도 및 내구성 증진 실험을 수행하였다. 1일과 28일 정적강도 시험을 진행하였고, 내구성 실험은 재령 28일에 수행하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
가설 설정
내구수명 평가 시 초기 염화물 이온농도는 국내 KCI에서 최대값으로 제시하고 있는 0.3 kg/m3으로 적용하였으며, 표면염화물이온농도는 KCI에서 제안하고 있는 동해 해안선 안쪽 100 m로 적용하였다. 국내 규정에서 재령 지수를 플라이애시와 슬래그에 대한 보정값만 존재 하여 재령지수에 대한 보정은 하지 않았다.
국내 규정에서 재령 지수를 플라이애시와 슬래그에 대한 보정값만 존재 하여 재령지수에 대한 보정은 하지 않았다. 임계 염화물 이온 농도는 결합재량의 0.4%로 국내에서 규정하고 있는 값을 적용하였다. 각 규정에 따른 입력 변수는 Table 11에 나타내었다.
제안 방법
본 연구에서는 해수면에 접한 콘크리트 구조물의 장기 내구수명을 확보하기 위한 콘크리트 구조물 코팅용 고성능 모르타르의 염소이온 침투저항성 시험, 황산 저항성 시험, 염해 저항성 시험 등의 열화 촉진실험을 실시하고, 실험결과에 따라 고성능 모르타르의 강도 및 장기 내구수명을 평가 하고자 하였다.
배합설계는 현장 조건에 맞추어 현재 원전 해수관 코팅용 기본 배합을 기준 배합으로, 혼화재료를 추가로 사용한 배합설계는 혼화재료의 치환률에 따라 수정하여 설계하였다. 배합설계는 Table 6에 나타내었다.
일반적으로 콘크리트의 투수시험은 높은 압력으로 물을 강제 투수시켜 Darcy의 법칙에 의하여 투수계수를 결정하는 방법이 있으나 조직이 치밀한 콘크리트의 경우 투수 되는 수량이 극히 적으며 실험에 장시간이 요구되는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 수압에 의한 촉진 실험 보다 효율적인 염소이온의 투과를 전압 차에 의하여 촉진하는 시험법을 채택하였다.
대상 데이터
시멘트는 KS L 5201에서 규정에 의거, 규격에 만족 하는 국내 S사 생산의 1종 포틀랜드 시멘트(분말도 3,289 ㎠/g, 밀도 3.15 g/㎤, 강열감량 0.61 %, 안정도 0.08 %)를 사용하였다[3].
잔골재는 현장에서 사용하는 부순 모래를 사용하였다. 물리적 특성은 Table 1과 같다.
유동화제는 폴리카르본산계의 고성능 유동화제를 선정하여 사용하였다. 물리적 특성은 Table 2와 같다.
이론/모형
정적강도 시험은 압축강도와 휨강도로 구분하여 KS L 5105 "수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험 방법 "과 KS L ISO 679 "시멘트 강도 시험 방법"에 준하여 실험을 수행하였으며, 압축강도 시험은 50×50×50 mm 의 정방형 시험편을 제작하여, 재령 1일과 28일에 압축 강도를 측정하였다[6]. 휨강도 시험은 40×40×160 mm의각주형 시험편을 이용하여 3점 재하 방법으로 휨강도를 측정하였다.
정적강도 시험은 압축강도와 휨강도로 구분하여 KS L 5105 "수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험 방법 "과 KS L ISO 679 "시멘트 강도 시험 방법"에 준하여 실험을 수행하였으며, 압축강도 시험은 50×50×50 mm 의 정방형 시험편을 제작하여, 재령 1일과 28일에 압축 강도를 측정하였다[6]. 휨강도 시험은 40×40×160 mm의각주형 시험편을 이용하여 3점 재하 방법으로 휨강도를 측정하였다. Fig.
염소이온 침투저항성 시험은 재령 28일에 진행하였으며, KS F 2711 “전기 전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험방법"에 준하여 수행하였다[7]. 본시험에 사용된 시험편은 Ø100×200 mm의 실린더형 공시체를 두께 50 mm로 커팅을 진행하여 실시하였다.
황산 저항성 시험은 재령 28일에 진행하였으며, ASTM C 267 "Standard Test Method for Chemical Resistance of Mortar, Grouts, and Monolithic Surfacings and Polymer Concrete"에 준하여 실험을 진행하였다[8]. 시험편을 제작하여 재령 28일에 실시하였으며, 5% 황산용액에 28일 동안 침적하여 수행하였다.
성능/효과
1) 압축강도 시험결과, 동일한 광물성 혼화재료를 사용하였을 경우 혼입율이 증가함에 따라 강도가 증진되는 효과를 얻을 수 있었으며, SF의 경우 재령 28일 압축강도가 79 MPa로 나타나 강도 증진 효과에 있어서는 SF이 가장 우수한 혼화재료로 판단된다.
2) 휨강도 시험결과, 재령 1일에서는 9±1 MPa, 재령 28일에서는 12±1 MPa로 범위로 나타났으며, MK의 경우 재령 28일에서의 휨강도가 SF과 UFFA에 비하여 다소 떨어지는 것으로 나타났다.
3) 염소이온 침투저항성 시험결과, 기본 배합에서 “Low”등급으로 판정되었으며, 동일한 혼화재료의 경우 혼입률이 증가함에 따라 저항성이 증가 하였다. SF 혼입 결과 “Very Low”등급을 나타냈다.
4) 황산저항성 시험결과, 모든 질량 변화율이 감소하는 경향을 보이며, 광물성 혼화재료의 혼입율이 증가함에 따라 조금씩 저항력이 증가하는 경향을 보였다. MK의 경우 다소 높은 질량변화율을 보였는데, 이는 황산용액의 침식에 의해 Gypsum 및 Thaumasite의 생성이 주요 원인으로 판단된다.
각 코드는 기본적인 산출 방법은 비슷한 형태를 이루고 있으나, 코드에 따라 약간의 특징을 보였다. 염화물 촉진 시험 결과 MK 10%를 혼입한 배합에서 가장 낮은 확산계 수와 침투 깊이를 얻을 수 있었으며, KCI기준으로 약 470년의 내구수명으로 평가되는 결과를 얻어 모든 변수에서 가장 우수한 내구 성능을 나타내었다. 또한 UFFA 혼입의 경우 10%이상 혼입시 내구수명이 향상되지 않아 다른 재료에 비해 염해저항 성능은 떨어지는 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
실리카퓸은 무엇인가?
실리카퓸은 각종 실리콘 및 페로실리콘 등의 규소합 금을 전기아크식 로에서 제조할 때 배출되는 가스에 부유하여 발생하는 미세한 분말이다. 비표면적이 약 20,000 ㎡/㎏로서 보통 포틀랜드 시멘트의 50~60배 이다.
모르타르의 강도 및 내구 특성 평가를 위해 혼입한 모르타르에 광물성 혼화재료 중 메타카올린을 혼합 시 어떤 결과를 보였는가?
촉진 염화물이온 확산 침투 시험 결과를 이용해 국내 콘크리트학회에서 제안하는 방법과 미국, 유럽의 방법으로 내구수명을 평가해 보았다. 메타카올린 혼입 시 모든 규정에서 우수한 내구 수명으로 평가 되었으며, 메타카올린 10%혼입 시 KCI를 기준으로 약 470년의 내구수명이 예측되었다.
콘크리트 구조물 내구성에 영향을 미치는 주요 원인은 무엇이 있는가?
일반적으로 콘크리트 구조물의 내구성에 영향을 미치는 주요 원인으로는 외부환경 노출에 따른 동결융해, 온도변화, 건조･습윤 등의 기상작용이 있다. 또 한 황산염 및 화학물질에 의한 침식작용, 중성화 및 염해에 의한 철근의 부식, 반응성골재 등의 영향, 기타 콘크리트의 사용상 발생하는 여러 조건에 의하여 발생한다.
참고문헌 (9)
S. H. Ahn, "Strength and Durability of High Performance.mortar for Prestressed Concrete Cylinder Pipe", Kangwon National University, 2011.
Y. D. Eum, "Shotcrete Salt Damage Resistance According to Types and Supplement ratios of Mineral Admixture", Kangwon National University, 2013.
KS L 5201, KS, Portland cement, 2017.
K. R. Lee, "Durability Assessment for Crushed Sand Wet-mix Shotcrete mixed with Mineral Admixtures", Kangwon National University, 2013.
Y. B. Kim, "Durability Evaluation and Improvement of Prestressed Concrete Cylinder Pipe for.Water Intake/Drainage in Nuclear Power Plant", Kangwon National University, 2012.
KS L 5105, KS, Testing method for compressive strength of hydraulic cement mortar, 2007.
KS F 2711, KS, Testing method for electrical indication of concrete's ability to resist chloride ion penetration, 2002.
ASTM C 267, ASTM Standard Test Method for Chemical Resistance of Mortar, Grouts, and Monolithic Surfacings and Polymer Concrete.
NT Build 492, NT Build. CHLORIDE MIGRATION COEFFICIENT FROM NON-STEADY-STATE MIGRATION EXPERIMENTS.
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