[논문]콜드조인트 및 재하 응력을 고려한 탄산화에 노출된 OPC 콘크리트의 확률론적 내구수명평가

권성준

doi:10.11112/jksmi.2019.23.6.45

콜드조인트 및 재하 응력을 고려한 탄산화에 노출된 OPC 콘크리트의 확률론적 내구수명평가
Probabilistic Service Life Evaluation for OPC Concrete under Carbonation Considering Cold Joint and Induced Stress Level 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.6, 2019년, pp.45 - 52

권성준 (한남대학교 건설시스템 공학과)

초록
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이산화탄소 농도가 높은 도심지의 경우 탄산화로 인한 철근부식이 발생하기 쉬우며 이는 콘크리트 구조물의 내구수명을 감소시킨다. 콘크리트 구조물의 경우 다양한 구속조건을 가지며 항상 외부의 재하하중을 받고 있다. 도입된 응력수준은 이산화탄소와 같은 유해인자의 확산을 변화시키며 탄산화 깊이의 변동성을 야기한다. 본 연구에서는 응력재하수준에 따른 탄산화 변동성을 정량화하였으며, 이를 이용하여 탄산화 예측식을 도출하였다. 내구성 설계인자인 피복두께, 이산화탄소 확산계수, 탄산화 반응 수화물, 그리고 외부 이산화탄소 농도를 확률변수로 정의하였으며, MCS을 통하여 영향인자의 변동성에 따른 내구수명을 도출하였다. 또한 응력수준에 따라 변화하는 내구수명을 도출하였으며, 이를 결정론적인 방법의 결과와 비교하였다. 피복두께 및 내부 수화물 생성이 내구수명 변동성에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 응력수준을 고려한 내구수명평가는 유지관리 우선순위 설정에 합리적으로 적용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Steel corrosion due to carbonation in RC (Reinforced Concrete) structures easily occurs in urban cities with high CO2 concentration. RC structures are always subjected to external loading with various boundary conditions. The induced stress level causes changes in diffusion of harmful ion like CO2. In this work, a quantification of carbonation progress with stress level is carried out and carbonation prediction is derived through the relations. Determining the design parameters like cover depth, CO2 diffusion coefficient, carbonatable materials, and exterior CO2 concentration as random variables, service lifes under carbonation with design parameter's variation are obtained through MCS(Monte Carlo Simulation). Additionally the service life with different stress level is derived and the results are compared with those from deterministic method. Cover depth and cement hydrates are evaluated to be very effective to resist carbonation, and the proposed method which can consider the effect of stress on service life can be applied to maintenance priority determination.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 Carbonation velocity variations with loading conditions
그림 Fig. 2 Design flow for service life in this study
표 Table 1 Mix proportions for this study(Cho et al., 2018)
표 Table 2 Analysis conditions for service life with design parameters (Normal distribution)
그림 Fig. 3 Probability of durability failure with changes of cover depth and CO₂ concentration
그림 Fig. 4 Service life variation with changes of cover depth and CO₂ concentration
그림 Fig. 5 P_f(t) variation with increasing COV
그림 Fig. 6 Service life variation with different COV
그림 Fig.7 Summary of test procedures (Hwang et al., 2019)
그림 Fig.8 Service life variation with different stress levels

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존의 실험결과를 이용하여 응력에 따른 탄산화 속도계수식을 도출하였으며, 이에 따른 내구적 파괴 확률과 이와 관련된 내구수명을 평가하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
본 절에서는 기존 연구를 통하여 도출된 인장 및 압축응력을 받는 조건에서의 탄산화 깊이 변화율을 고려하여 이와 관련된 확률론적 내구수명을 분석하도록 한다. 기존의 실험 (Hwang et al.

제안 방법

이후 탄산화 변동성을 고려한 탄산화 속도계수식을 도출하고 이산화탄소 농도, 설계피복두께, 이산화탄소 확산계수, 탄산화 저항 수화물을 확률변수로 정의하여 MCS(Monte Carlo Simulation)를 수행하였다. 도출된 내구수명은 결정론적 방법으로 도출된 내구수명과 비교 하였으며, 각 영향인자의 변동성이 내구수명에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
0배를 고려하여 내구수명의 변동성을 분석하였다. 또한 품질관리 및 환경변수의 변동성 영향을 평가하기 위해 4개의 확률변수의 변동계수(COV)를 1.5배 및 2.0배 증가시키면서 내구수명 변화를 분석하였다.
2년의 내구수명을 가진 것으로 평가되었다. 배합에 관련된 사항은 평가 전에 결정되었으므로 피복두께에 대해서는 1.25배와 1.5배를, 외부 이산화탄소 농도에 대해서는 1.5배와 2.0배를 고려하여 내구수명의 변동성을 분석하였다. 또한 품질관리 및 환경변수의 변동성 영향을 평가하기 위해 4개의 확률변수의 변동계수(COV)를 1.
본 연구에서는 기존의 실내 실험 자료를 통하여 도출된 OPC(Ordinary Portland Cement) 콘크리트의 응력에 따른 탄산화 변동성을 분석하고 이에 따라 탄산화 영향변수를 정량화하였다. 이후 탄산화 변동성을 고려한 탄산화 속도계수식을 도출하고 이산화탄소 농도, 설계피복두께, 이산화탄소 확산계수, 탄산화 저항 수화물을 확률변수로 정의하여 MCS(Monte Carlo Simulation)를 수행하였다.
식(5)에서 탄산화 진행식은 식(3)으로 정의할 수 있으며, P_int는 일반적으로 10% 수준으로 설정하고 있다(EN-1991, 2000). 본 연구에서는 식(5)에서 이산화탄소 확산계수, 피복두께, 표면 이산화탄소의 농도, 탄산화 반응 수화물을 확률변수로 설정하였으며, MCS을 수행하여 확률론적인 내구수명을 평가하였다. Fig.
본 절에서는 Table 2의 조건을 기준으로 각 확률변수의 변동계수를 0.10에서 0.20, 0.30 으로 증가시키면서 P_f(t)와 내 구수명의 변화를 분석하도록 하였다. Fig.
n은 건조습윤반복에 대한 상수, t₀는 기준시간, t는 존치시간을 나타낸다.여기서, D_CO2는 공극률과 포화도의 함수로 구성이 되는데, 본 연구에서는 내구성 해석 프로그램인 DUCOM으로 이산화탄소 확산계수를 도출하였다. 또한 a는 식(2)에 나타내었는데, 단위시멘트량와 수화도, 그리고 CaO의 함수로 구성된다.
본 연구에서는 기존의 실내 실험 자료를 통하여 도출된 OPC(Ordinary Portland Cement) 콘크리트의 응력에 따른 탄산화 변동성을 분석하고 이에 따라 탄산화 영향변수를 정량화하였다. 이후 탄산화 변동성을 고려한 탄산화 속도계수식을 도출하고 이산화탄소 농도, 설계피복두께, 이산화탄소 확산계수, 탄산화 저항 수화물을 확률변수로 정의하여 MCS(Monte Carlo Simulation)를 수행하였다. 도출된 내구수명은 결정론적 방법으로 도출된 내구수명과 비교 하였으며, 각 영향인자의 변동성이 내구수명에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
정확히 목표하중을 재하 하는 것은 어려운 일이므로 시편의 압축 및 인장강도와 응력-변형률 그래프를 통해 파괴하중의 30%, 60 % ± 5 %에 해당하는 오차 기준을 적용하였다.
촉진 탄산화 실험을 수행한 OPC 콘크리트 배합은 Table 1에 나타내었으며, 이를 기본으로 DCO2와 α를 DUCOM을 통하여 도출하였다.
인장 시편에 대해서는 실린더 시편을, 압축 시편에 대해서는 몰드형 시편을 사용하였으며, 해당 하중을 인가한 후, 제작된 프레임을 결속하여 하중을 유지하였다. 콘크리트 시편 및 프레임에 스트레인 게이지를 부착하여 하중 인가에 따른 변형률을 관측하였다. 하중 제하 (unloading)시 슬립이 일부 발생하였으나 이후 변형율에 큰 차이는 발생하지 않았다.

대상 데이터

도심지 환경은 400ppm(≒740×10-6 kg/m3)을 고려하였으며(Ecoseoul, 2013), 일반 RC 교의 상부 슬래브 피복두께인 40mm를 고려하여 내구수명을 평가하였다.

성능/효과

1) 하중이 없는 초기 조건과 40mm의 피복두께를 가정하였을 때, 41.3년의 내구수명을 나타내었으나, 피복두께가 125%, 150% 증가함에 따라 내구수명은 153%, 224% 수준으로 증가하였다. 또한 외부의 CO₂농도가 150%, 200% 증가함에 따라 내구수명은 67%, 50% 수준으로 감소하였다.
2) CO₂ 확산계수, 피복두께, 이산화탄소 농도, 반응성 수화물의 변동계수를 0.10에서 0.20으로 증가시킬 경우, 확산계수의 경우 94.4%로, 피복두께의 경우 77.0% 수준으로, 이산화탄소의 경우, 97.3% 수준으로, 반응성 수화물의 경우 91.0% 수준으로 내구수명이 감소하였다. 이는 콘크리트 품질관리를 통한 수화물 및 정확한 시공에 따른 피복두께가 내구수명에 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
3) 내구수명 변화는 확률론적인 방법을 사용했을 경우 결정론적인 방법과 동일한 경향을 가지며, 확률론적인 방법의 경우 압축영역에서는 압축영역에서 46.5년으로 증가하다가 37.8년 수준으로 감소하였다. 또한 인장영역에서는 60% 하중 도입 시 26.
20년 전까지만 해도 300∼400 ppm 수준의 도심지 CO2 농도는 일부 구간에서 500∼600 ppm 수준으로 증가하고 있다(Ecoseoul, 2013). 410ppm에서 615ppm, 820ppm으로 증가함에 따라 내구수명은 67%, 50% 수준으로 감소하였다. Fig.
CO₂ 확산계수의 변동성이 커질수록 내구수명은 조금씩 감소하였는데, COV가 0.10에서서 0.20으로 증가할 때 내구수명은 39년으로 94.4% 수준으로 감소하였다. 그러나 피복두께의 경우 COV의 증가에 따라 내구수명이 31.
두 가지 방법에서의 차이는 응력조건에 따라 11.6년에서 20.3년으로 차이가 발생하였는데, 압축부 30% 조건에서 확률론적 방법이 가장 보수적으로 평가되었다.
3년의 내구수명을 나타내었으나, 피복두께가 125%, 150% 증가함에 따라 내구수명은 153%, 224% 수준으로 증가하였다. 또한 외부의 CO₂농도가 150%, 200% 증가함에 따라 내구수명은 67%, 50% 수준으로 감소하였다. 내구적 파괴확률 및 내구수명의 변동에 대해서는 피복두께 평균의 변화가 가장 큰 영향을 미치고 있다.
외부 인자인 이산화탄소의 변동성이 0.20로 증가할 때, 내구수명은 97.3% 수준(40.2년)으로 약간 감소하였으며, 반응성 수화물 변동성이 0.20으로 증가할 때, 내구수명은 37.6년으로 91.0% 수준으로 감소하였다. 이는 확산계수의 변동성보다 내부 반응성 수화물, 즉 수산화칼슘의 생성이 더욱 크게 내구수명에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
피복두께의 증가는 가장 확실한 내구수명 연장 기재이지만(CEB, 1997), 경제적인 문제를 야기하고 시공성과 재료적인 균열 문제를 야기할 수 있으므로 이에 대해서는 신중하게 평가해야 한다. 피복두께가 1.25배, 1.5배 증가함에 따라 내구수명은 153%, 224% 수준으로 증가하였다. 20년 전까지만 해도 300∼400 ppm 수준의 도심지 CO2 농도는 일부 구간에서 500∼600 ppm 수준으로 증가하고 있다(Ecoseoul, 2013).
(t)를 고려하면 인장부 및 압축부의 확률론적인 내구수명을 도출하여 결정론적인 방법과 비교할 수 있다. 확률론적인 방법을 사용했을 경우 동일한 경향을 가지지만 압축영역에서는 압축영역에서 46.5년으로 증가하다가 37.8년 수준으로 감소하였으며, 인장영역에서는 60% 하중 도입시 26.3년으로 감소하였다. Fig.

후속연구

또한 균열부 또는 콜드조인트와 같은 결함부를 피복두께나 배합특성의 확률 변수로 합쳐서 정의하기도 어려운 상태인데, 이는 현재 국내 설계기준에서 내구수명에 대한 결정론 또는 확률론적인 설계 방법이 명확하게 제시하지 못하기 떄문이다. 본 해석기법의 결과는 내구수명의 정의보다는 유지관리 우선 순위 또는 전체 보수비 산정 등을 위한 자료로 사용되는 것이 바람직하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트의 탄산화는 무엇인가?	, 2017). 탄산화는 외부로부터 이산화탄소가 유입되고 이로 인해 내부 공극수의 pH가 감소하여 부식이 발생하기 쉬운 열화기구를 의미한다(Ishida and Maekawa, 2000). 탄산화 진행의 정량화에 대해서는 많은 연구가 진행되어 왔다.
	콘크리트 구조물이 공용 중 응력의 영향을 받는 이유는 무엇인가?	콘크리트 구조물은 다양한 노출환경에서 사용되고 있으며, 내적, 외적인 구속조건이 항상 있으므로 공용 중 응력의 영향을 받게 된다. 최근 들어 대도심지의 이산화탄소 농도가 증가하고 있으며, 이는 콘크리트의 탄산화에 따른 철근 부식 가능성이 증가되고 있다(Yang et al.
	일반적으로 사용하중 수준의 압축응력이 발생할 경우 이온과 가스의 침투가 감소하는 원인은 무엇인가?	, 2005). 이는 물질이동의 주된 경로인 유효공극이 감소하기 때문이며, 콘크리트 내부의 열화 인자의 침투는 인장응력이 발생할 경우 선형적으로 증가하는 것으로 알려져 있다(Choinska et al., 2007; Tegguer et al.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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