[논문]정수압이 해양콘크리트의 염화물이온 침투에 미치는 영향

김경태; 김규용; 남정수; 이보경; 임창혁

doi:10.11112/jksmi.2019.23.1.78

[국내논문] 정수압이 해양콘크리트의 염화물이온 침투에 미치는 영향
Influence of Hydrostatic Pressure on Chloride Ion Penetration of Marine Concrete 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.1, 2019년, pp.78 - 84

김경태 (충남대학교 건축공학과) , 김규용 (충남대학교 건축공학과) , 남정수 (충남대학교 건축공학과) , 이보경 (한국지질자원연구원) , 임창혁 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소)

초록
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해양 콘크리트 구조물 중 침지대에 위치한 구조물은 수심이 10 m 깊어질수록 1 atm의 정수압을 받아 염화물이온 침투가 촉진될 가능성이 있다. 본 연구에서는 정수압이 해양콘크리트의 염화물이온침투에 미치는 영향과 원인을 평가하기 위하여 보통 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그 시멘트를 활용한 콘크리트를 각각 1, 6 atm의 정수압과 인공해수에 노출시켜 깊이별 수용성 염화물량과 미세구조 분석을 실시하였다. 측정결과 6 atm의 정수압을 받는 콘크리트는 표면 염화물이온 농도가 급격하게 상승하며, 깊이별 수용성 염화물량이 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, 정수압을 받은 콘크리트는 5~100 nm에 해당하는 모세관공극이 증가하는 경향을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Marine concrete that located at immersion zone receives an hydrostatic pressure of 1 atm as depth of the water increased by 10 m. And it could accelerate chloride ion penetration. In this study, to evaluate the influence of hydrostatic pressure on chloride ion penetration, concrete mixed by ordinary Portland cement and Portland blast-furnace slag cement was exposed to 1 and 6 atm and substitute ocean water. As a result, the surface chloride ion concentration of the concrete under 6 atm of hydrostatic pressure increased rapidly and the water-soluble chloride ion contents was increased by depth. In addition, the concrete under 6 atm of hydrostatic pressure showed the increase of capillary pores corresponding to 5~100 nm.

Keyword

표/그림 (10)

표 Table 1 Physical properties of used materials
표 Table 2 Experimental plan
표 Table 3 Mix proportion
그림 Fig. 1 Experimental method of chloride ion penetration in concrete
그림 Fig. 2 Conceptual diagram of chloride ion penetration experiment equipment of concrete under hydrostatic pressure
그림 Fig. 3 Water-soluble chloride contents (Pressurized condition : 1 atm)
그림 Fig. 4 Water-soluble chloride contents (Pressurized condition : 6 atm)
그림 Fig. 5 SEM micrographs of concrete under hydrostatic pressure
그림 Fig. 6 Pore size distribution of concrete according to Pressurized condition
그림 Fig. 7 Cumulative pore volume of concrete according to Pressurized condition

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 정수압이 해양콘크리트의 염화물이온 침투에 미치는 영향을 검토하기 위해 보통 포틀랜드 시멘트 및 고로슬래그 시멘트 콘크리트를 제조한 후 염화물이온 침투 실험장치를 활용하여 정수압의 크기 및 노출기간에 따른 콘크리트의 염화물이온 침투 거동에 대해 분석하였다.
본 연구에서는 정수압이 보통 포틀랜드 시멘트 및 고로슬래그 시멘트 콘크리트의 염화물이온 침투에 미치는 영향을 검토하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

콘크리트 구조설계기준의 특수 노출 상태에 대한 콘크리트에서 제시하고 있는 설계기준강도 35 MPa을 만족시키기 위해 W/B를 38.2 %, 잔골재율은 44,6 %로 설정하고, 목표 공기량은 4.0±0.5 %로 설정하였다.
Table 2에 본 연구의 실험계획을 나타내었다. 본 연구의 실험변수는 시멘트 종류, 정수압 크기, 정수압 노출기간으로 설정하였다. 시멘트 종류는 보통 포틀랜드 시멘트와 고로슬래 그 시멘트, 압력의 크기는 대기압과 동일한 1 atm과 수심 50 m 에 위치한 콘크리트를 가정한 6 atm, 압력 노출기간은 3, 7, 28, 56일로 설정하였다.
평가항목의 경우 정수압 크기 및 노출기간에 따른 콘크리트의 수용성 염화물량을 측정하였으며, 주사전자현미경 (Scanning electron microscopy, SEM)을 활용한 미세구조 관찰, 수은압입법(Mercury instrusion porosimetry, MIP)으로 공극 크기별 분포 및 누적공극량을 측정하였다.
장치의 각 부위는 볼트로 체결하여 내부 압력의 노출을 방지하였다. 또한, 장치의 하단에는 밸브를 설치하여 압력과 염 수의 누출 여부를 확인하고 시험체에 압력구배가 발생하도록 하였다. 염수는 ASTM D 1141「Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water」에 준하여 제조한 인 공해수를 투입하였다.
염수는 ASTM D 1141「Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water」에 준하여 제조한 인 공해수를 투입하였다. 염화물이온의 침투를 유도하기 위해 컴프레셔와 레귤레이터를 활용하여 정수압을 0.01 atm 단위로 조절하면서 주입하였다.
정수압이 콘크리트의 염화물이온 침투에 미치는 영향을 평가하기 위한 시험체는 표준 공시체(φ100×200 mm)의 중앙부를 50 mm 두께로 절단하여 φ100×50 mm 크기로 제작하였다. 각 시험체는 해양콘크리트 구조물 중 정수압을 받는 개소인 침지대에 위치한 구조물과 동일도록 포수상태를 유지하기 탈형 이후 수중양생을 실시하였으며, 재령 56일까지 양생한 이 후 정수압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투 실험을 실시 하였다.
수용성 염화물량은 시험체 표면으로부터 0~5, 5~10, 10~15 mm의 시료 10 g씩 채취하여 KS F 2713「콘크리트 및 콘크리트 재료의 염화물 분석 시험 방법」에 준하여 질산은을 활용 한 전위차적정법을 통해 측정하였다. 적정을 위한 장치는 전위차 자동적정장치(798 MPT Titrino)를 활용하여 당량점을 측정하였으며, 당량점으로부터 식 (2)와 같이 시료의 수용성 염화물량을 측정하였다.
또한, 시험체의 미세구조는 주사전자현미경(SEM)을 활용하여 56일간 1, 6 atm 정수압을 받은 시험체를 대상으로 관찰 하였다. 시험체의 표면부(0~10 mm) 시료를 채취하여 샘플을 백금으로 코팅한 후 가속전압 15 kV에서 관찰하였다.
또한, 시험체의 미세구조는 주사전자현미경(SEM)을 활용하여 56일간 1, 6 atm 정수압을 받은 시험체를 대상으로 관찰 하였다. 시험체의 표면부(0~10 mm) 시료를 채취하여 샘플을 백금으로 코팅한 후 가속전압 15 kV에서 관찰하였다.
정수압을 받는 시험체의 공극 크기별 분포 및 누적공극량은 수은압입법(MIP)으로 측정하였다. 샘플은 56일간 1, 6 atm 정수압을 받은 시험체 중 굵은 골재를 제외한 모르타르 부분 을 약 5 mm의 크기로 파쇄하여 수은압입장비(Micromeritics Auto Pore 9500)를 활용하여 측정하였다. 접촉각, 표면장력은 각각 130°, 485 dines/cm로 설정하였다.

대상 데이터

Table 1에 사용재료의 물리적 특성을 나타내었다. 시멘트 는 KS L 5201「포틀랜드 시멘트」의 1종 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement, OPC)와 KS L 5210「고로슬래 그 시멘트」의 고로슬래그 시멘트(Portland blast-furnace slag cement, PBC) 2종을 사용하였으며, 밀도는 각각 3.12, 3.05 g/cm³ 이고, 비표면적은 3,500, 4,000 cm²/g이다. 잔골재와 굵은 골재의 경우 밀도가 각각 2.
05 g/cm³ 이고, 비표면적은 3,500, 4,000 cm²/g이다. 잔골재와 굵은 골재의 경우 밀도가 각각 2.56, 2.65 g/cm³ , 최대치수가 각 각 5, 25 mm인 부순 골재를 사용하였다.
2에 나타냈다. 실험장치는 기존의 정수압을 가하여 투과되는 공기량을 측정하는 투기계수 실험장치로부터 고안되었 으며(Kang et al., 2010), 시험체는 고무링과 고정 장치를 활용 하여 안착부에 고정하고 염화물이온의 1면 침투를 유도하였다. 장치의 각 부위는 볼트로 체결하여 내부 압력의 노출을 방지하였다.
정수압이 콘크리트의 염화물이온 침투에 미치는 영향을 평가하기 위한 시험체는 표준 공시체(φ100×200 mm)의 중앙부를 50 mm 두께로 절단하여 φ100×50 mm 크기로 제작하였다.

이론/모형

수용성 염화물량은 시험체 표면으로부터 0~5, 5~10, 10~15 mm의 시료 10 g씩 채취하여 KS F 2713「콘크리트 및 콘크리트 재료의 염화물 분석 시험 방법」에 준하여 질산은을 활용 한 전위차적정법을 통해 측정하였다. 적정을 위한 장치는 전위차 자동적정장치(798 MPT Titrino)를 활용하여 당량점을 측정하였으며, 당량점으로부터 식 (2)와 같이 시료의 수용성 염화물량을 측정하였다.
정수압을 받는 시험체의 공극 크기별 분포 및 누적공극량은 수은압입법(MIP)으로 측정하였다. 샘플은 56일간 1, 6 atm 정수압을 받은 시험체 중 굵은 골재를 제외한 모르타르 부분 을 약 5 mm의 크기로 파쇄하여 수은압입장비(Micromeritics Auto Pore 9500)를 활용하여 측정하였다.
염수는 ASTM D 1141「Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water」에 준하여 제조한 인 공해수를 투입하였다.

성능/효과

콘크리트의 공기량은 고성능 AE감수제를 활용하여 목표 값을 만족시켰으며, OPC 시험체의 재령 28, 56일 압축강도는 각각 56.8, 57.2 MPa, PSC 시험체의 재령 28, 56일 압축강도는 60.8, 66.6 MPa로 측정되었다.
3에 대기압과 동일한 1 atm의 정수압을 받은 콘크리트의 수용성 염화물량 측정 결과를 나타내었다. OPC와 PSC 시험체 모두 노출기간이 경과함에 따라 수용성 염화물량이 증가하였다. 한편, 5~10 mm 시료의 수용성 염화물량의 경우, OPC 시험체는 0~5 mm 시료의 수용성 염화물량과 유사하게 선형적으로 증가하는 경향을 나타었으나, PSC 시험체는 정수압 노출기간의 경과에도 불구하고 5~10 mm 시료의 수용성 염화물량의 증가가 크지 않았다.
OPC와 PSC 시험체 모두 노출기간이 경과함에 따라 수용성 염화물량이 증가하였다. 한편, 5~10 mm 시료의 수용성 염화물량의 경우, OPC 시험체는 0~5 mm 시료의 수용성 염화물량과 유사하게 선형적으로 증가하는 경향을 나타었으나, PSC 시험체는 정수압 노출기간의 경과에도 불구하고 5~10 mm 시료의 수용성 염화물량의 증가가 크지 않았다. 또한, 10~15 mm 시료의 수용성 염화물량 측정결과에서도 동일한 경향을 나타내었다.
Fig 4에 6 atm의 정수압을 받은 콘크리트의 수용성 염화물량 측정 결과를 나타내었다. 측정결과 OPC와 PSC 시험체 모두 정수압 노출기간이 3, 7, 28, 56일로 경과함에 따라 0~5 mm 시료의 수용성 염화물량은 급격하게 증가하는 경향을 나타내어 1 atm의 정수압을 받은 시험체보다 약 6~10 배 이상 높은 수용성 염화물량을 나타냈다. 한편, OPC와 PSC 시험체 모두 정수압 노출기간의 경과가 28일 까지는 급격한 염화물량의 증가를 나타내었으나, 28일 이후 수용성 염화물량은 큰 증가 폭을 나타내지 않으며 약 4.
측정결과 OPC와 PSC 시험체 모두 정수압 노출기간이 3, 7, 28, 56일로 경과함에 따라 0~5 mm 시료의 수용성 염화물량은 급격하게 증가하는 경향을 나타내어 1 atm의 정수압을 받은 시험체보다 약 6~10 배 이상 높은 수용성 염화물량을 나타냈다. 한편, OPC와 PSC 시험체 모두 정수압 노출기간의 경과가 28일 까지는 급격한 염화물량의 증가를 나타내었으나, 28일 이후 수용성 염화물량은 큰 증가 폭을 나타내지 않으며 약 4.0, 1.8 %로 수렴하는 결과를 나타 냈다. 또한, 6 atm의 정수압을 받은 콘크리트에서도 1 atm의 정수압 조건과 마찬가지로 모든침투깊이와 노출기간과 관계 없이 고로슬래그 미분말이 혼입된 PSC 시험체에서 낮은 수용성 염화물량을 나타내었다.
5에 각각 1 atm과 6 atm의 정수압과 인공해수에 노출된 OPC, PSC 시험체의 주사전자현미경 관찰결과를 나타냈다. OPC와 PSC 시험체 모두에서 광범위한 칼슘실리케이트 수화물(Calcium silicate hydrate, C-S-H)의 형성과 수산화칼슘 (Ca(OH)2)이 관찰되었으며 시멘트의 종류에 따른 수화생성 물의 차이는 크지 않았다. 또한, OPC와 PSC 시험체 모두 정수압의 크기에 따른 시험체의 수화생성물 생성은 큰 차이를 나타내지 않았다.
OPC와 PSC 시험체 모두에서 광범위한 칼슘실리케이트 수화물(Calcium silicate hydrate, C-S-H)의 형성과 수산화칼슘 (Ca(OH)2)이 관찰되었으며 시멘트의 종류에 따른 수화생성 물의 차이는 크지 않았다. 또한, OPC와 PSC 시험체 모두 정수압의 크기에 따른 시험체의 수화생성물 생성은 큰 차이를 나타내지 않았다. 정수압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투 실험의 경우 시험체를 재령 56 일까지 수중양생한 이후 실시 하였기 때문에 콘크리트가 경화가 어느 정도 진행된 이후에 는 정수압이 콘크리트의 수화에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 판단된다.
OPC와 PSC 시험체의 공극크기별 공극량 측정결과 6 atm의 정수압을 받은 모든 시험체에서 5~100 nm 의 모세관 공극이 급격하게 증가하는 경향을 나타냈으며, 특히 50 nm 부근의 모세관공극이 크게 증가하는 경향을 나타냈 다.
6 MPa의 정수압으로 콘크리트에 작용한다. 따라서 6 atm의 정수압 작용으로 인한 콘크리트의 내부변형에 의해 100 nm 이하의 모세관 공극이 증가하는 것으로 판단되며, 이러한 모세관 공극의 확장에 의해 콘크리트의 염화물이온 침투가 촉진 되는 것으로 판단된다.
1) 해수 정수압을 받은 콘크리트의 염화물이온 침투형태는 정수압과 노출기간과의 관계에서 콘크리트 깊이별 염화물이온 농도는 급격히 증가되는 경향이 확인되었다. 특히, 표면부의 염화물이온 농도는 노출 초기에 급격하게 상승하며 이 후 수렴하는 경향을 나타냈다.
1) 해수 정수압을 받은 콘크리트의 염화물이온 침투형태는 정수압과 노출기간과의 관계에서 콘크리트 깊이별 염화물이온 농도는 급격히 증가되는 경향이 확인되었다. 특히, 표면부의 염화물이온 농도는 노출 초기에 급격하게 상승하며 이 후 수렴하는 경향을 나타냈다.
2) 해수 정수압을 받은 콘크리트에서도 고로슬래그 미분말의 혼입에 의한 염화물이온 침투 억제 효과는 유효한 것으로 확인되었다.
3) 주사전자현미경 관찰을 통해 정수압에 따른 콘크리트의 수화생성물은 큰차이를 나타내지 않았다. 다만, 6 atm의 정수압에 의해 시험체에서 미세균열이 관찰되며, 매트릭스의 취약한 부분에서 일어난 파괴 때문일 가능성이 있는 것으로 판단된다.
4) 해수 정수압의 작용에 따라 콘크리트 표면부의 모세관 공극이 확장되는 결과를 확인하였다. 이는 결과적으로 해수 정수압이 작용하는 경우 정수압에 의한 염화물이온 이동의 촉진과 더불어 공극확장이 염화물 침투를 촉진시키는 상승요인으로 작용한 것으로 판단할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염화물이온의 이동은 무엇인가?	이와 같이 염화물이온의 이동은 Fick의 제 2법칙에 근거하여 국부적인 농도차에 의한 이온의 이동으로 정의하고 표면 염화물이온 농도, 임계 염화물이온 농도, 재료에 따른 확산계수 등을 고려하여 예측하도록 하고 있으나 압력에 대한 요인은 고려되고 있지 않다. 그러나 기존 연구에 의하면, 콘크리트가 정수압을 받을 경우 콘크리트 내부로 수분의 침투가 촉진된다는 연구결과가 보고되고 있다(Yoo et al.
	해양콘크리트 구조물은 어떠한 문제점이 있는가?	해상 발전소, 해양 중의 교각, 해저 터널 등과 같은 해양콘크리트 구조물은 해수, 해사, 비래염분에 의해 염화물이온이 침투되고 콘크리트 속에 매입된 철근의 부식을 초래하여 구조적인 문제 및 내구성 저하가 발생할 가능성이 있다(Koh et al., 2004; Lee et al.
	10~15 mm 시료의 수용성 염화물량의 증가가 크지 않은 이유는 무엇인가?	또한, 10~15 mm 시료의 수용성 염화물량 측정결과에서도 동일한 경향을 나타내었다. 이러한 원인은 고로슬래그 시멘트에 혼입된 고로슬래그 미분말에 의해 낮은 염화물이온 확산계수에 의한 영향으로 판단 할 수 있다(Lee et al., 2017).

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

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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