[논문]촉진 염화물 시험결과를 이용한 비말대 콘크리트 구조물의 내구수명 평가

김정수; 권성준

doi:10.11112/jksmi.2019.23.5.30

초록
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염해에 노출된 콘크리트 구조물의 내구수명을 정량적으로 평가하기 위해서는 사용 배합을 통하여 확산계수를 평가하고 이를 이용한 염화물 침투 해석이 필요하다. 본 연구에서는 비말대에 노출된 콘크리트 구조물에 대하여 촉진 확산계수를 NT BUILD 492 및 ASTM 1202를 통하여 평가하였으며, 기존의 연구를 이용하여 겉보기 확산계수를 도출하였다. 사용배합의 특성과 가장 보수적인 조건인 임계 염화물량과 표면 염화물량을 고려하였으며, Life 365 ver.2 프로그램을 이용하여 외벽 및 기둥구조의 내구수명을 평가하였다. 10년 및 15년의 Built-up period의 변화에 대해서는 내구수명은 큰 차이를 보이지 않았으며. 슬래그를 사용한 두 개의 배합에서는 높은 시간의존성 지수와 낮은 초기 염화물 확산계수로 인해 75년 이상의 높은 내구수명이 확보되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to evaluate service life of RC (Reinforced Concrete) structures exposed to chloride attack, chloride penetration analysis is required referred to the chloride diffusion coefficient from the actual mix proportions. In this work, accelerated diffusion coefficients are obtained from NT BUILD 4...

In order to evaluate service life of RC (Reinforced Concrete) structures exposed to chloride attack, chloride penetration analysis is required referred to the chloride diffusion coefficient from the actual mix proportions. In this work, accelerated diffusion coefficients are obtained from NT BUILD 492 and ASTM C 1202 and the related apparent diffusion coefficients are derived via the previously proposed relationship for RC structures near to sea shore. Considering the properties of the mix proportions and the most conservative analysis conditions like critical and surface chloride contents, service lifes in column and exterior wall member are evaluated through conventional program LIFE 365 ver.2. The different built-up period of 10 and 15 years has no significant effect on service life. The results from mix proportions with slag show longer than 75 years of service life with the help of higher time dependent parameter and lower initial diffusion coefficient.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 Average temperature and relative humidity
표 Table 1 Mix proportions for target RC members
표 Table 2 Physical properties of the used aggregates
표 Table 3 Compressive strength results
그림 Fig. 2 Results of compressive strength
그림 Fig. 3 The whole view of RCPT
그림 Fig. 4 Photos for penetrated concrete by chloride ion
그림 Fig. 5 Results of accelerated diffusion coefficient
표 Table 4 Results of passed charge
표 Table 5 Results of diffusion coefficient from NT BUILD 492
표 Table 6 Converted accelerated diffusion coefficient
표 Table 7 Analysis condition of service life evaluation
그림 Fig. 8 Chloride behavior in wall and column member with different built-up period
그림 Fig. 7 Results of evaluated service life considering different built-up period
그림 Fig. 6 Converted apparent diffusion coefficient
표 Table 8 Converted apparent diffusion coefficient from accelerated conditions
표 Table 9 Evaluated service life from various conditions

AI 본문요약
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문제 정의

실제 구조물 적용 배합의 촉진 염화물 확산 시험 결과 데이터를 기반으로 겉보기 확 산계수를 도출하였으며, 이를 이용하여 구조물의 벽체 및 기 둥 구조의 내구수명을 평가하였다. 본 논문에서는 촉진확산 계수를 통하여 변환된 겉보기 확산계수의 도출과정 및 실제 대한민국 해안 환경을 고려한 내구수명 평가 결과가 고찰될 것이다.
본 연구에서는 내구수명 평가를 위하여 Fick's 2nd Law의 지배방정식을 유한차분법으로 풀이하고 LCC (Life Cycle Cost)를 평가할 수 있는 Life 365 ver.2 프로그램을 사용하여 내구수명을 평가하였다.
본 연구에서는 비말대에 노출된 콘크리트 구조물의 옥외 벽체 및 기둥부에 대하여 내구수명을 평가하였다. 본 연구를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 현재 대한민국 남해 해안가에 시공되고 있는 콘크리트 구조물의 옥외 노출 벽체 및 기둥 구조를 대상으로 유한차분법에 준하여 염해에 대한 내구수명을 평가하였다. 실제 해안 구조물에 적용 예정인 3 가지 수준의 배합을 대 상으로 압축강도를 재령별로 평가하였으며, 재령 28일 시편을 대상으로 NT BUILD 492(Nordtest method, 1999)방법 및 ASTM 1202(ASTM C 1202, 2005)방법으로 촉진 염화물 확 산계수와 통과전하량을 도출하였다.

가설 설정

2를, 슬래그를 사용한 경우에는 치환된 혼입률로 계산하고 있다. 본 연구에서 사용한 슬래그 시멘트의 경우 2종으로서 50%의 질량 치환을 가정하여 m값을 산정하였다. Table 7에서는 내구수명 해석조건을 나타내고 있다.
는 28일, m은 시간의 존성지수로서 배합에 따라 변하게 된다. 시간의존성 확산계수는 30년까지 시간의 영향에 따라 변화하며, 그 이후는 일정하다고 가정한다(Ehlen, 2018). 온도의 영향은 아레니우스 법칙에 따른 온도의존성을 고려하였다.

제안 방법

2) 통과전하량 및 NT BUILD 492 방법을 통하여 도출된 촉 진염화물 확산계수는 기존의 연구결과를 이용하여 겉보기 확산계수로 변환하였으며 이를 이용하여 비말대에 노출된 기둥 및 외벽의 내구수명을 평가하였다. S-1 및 S-2 배합에서는 확산계수의 시간지수가 OPC배합에 비 하여 2.
남해안 비말대 지역을 고려하여 표면 염화물량은 콘크리트 시방서에 따라 5.0kg/m³ 으로 설정하였으며(KCI, 2012), 구조물의 표면에서의 염화물량이 설정한 표면 염화물량까지 포화되는 기간(Built-up Period)은 10년 및 15년의 두 가지 수준을 고려하였다(Thomas and Bamforth, 1999; Ehlen, 2018; JSCE, 2002; JSCE, 2012). 일반적으로 혼화재를 사용하는 경우, 동일한 기간에 고정화되는 염화물량이 많아 표면 염화물이 증가하는 것으로 알려져 있으나 본 해석에서는 모두 5.
대상 구조물 중 상부(옥외)에 해당되는 구조물은 24 MPa의 설계 강도를 가지고 있으며, 대상 배합을 OPC 또는 2종 고로 슬래그 시멘트를 이용하여 3가지 배합군으로 설정하였다. Table 1에서는 적용대상인 3 개의 콘크리트 배합을 나타내고 있으며, 사용된 골재 특성은 Table 2에 나타내었다.
따라서 내구수명 해석을 위해서는 촉진 염화물 확산계수 결과를 겉보기 염화물 확산계수로 변환하여야 합리적인 해석 결과를 얻을 수 있다. 두 가지 확산계수의 상관성은 식(5)와 같은 기존의 연구 결과에서 제안된 상관식으로 제안 되어있으며 이를 이용하여, 겉보기 확산계수를 도출하였다.
실제 해안 구조물에 적용 예정인 3 가지 수준의 배합을 대 상으로 압축강도를 재령별로 평가하였으며, 재령 28일 시편을 대상으로 NT BUILD 492(Nordtest method, 1999)방법 및 ASTM 1202(ASTM C 1202, 2005)방법으로 촉진 염화물 확 산계수와 통과전하량을 도출하였다. 실제 구조물 적용 배합의 촉진 염화물 확산 시험 결과 데이터를 기반으로 겉보기 확 산계수를 도출하였으며, 이를 이용하여 구조물의 벽체 및 기 둥 구조의 내구수명을 평가하였다. 본 논문에서는 촉진확산 계수를 통하여 변환된 겉보기 확산계수의 도출과정 및 실제 대한민국 해안 환경을 고려한 내구수명 평가 결과가 고찰될 것이다.
본 연구에서는 현재 대한민국 남해 해안가에 시공되고 있는 콘크리트 구조물의 옥외 노출 벽체 및 기둥 구조를 대상으로 유한차분법에 준하여 염해에 대한 내구수명을 평가하였다. 실제 해안 구조물에 적용 예정인 3 가지 수준의 배합을 대 상으로 압축강도를 재령별로 평가하였으며, 재령 28일 시편을 대상으로 NT BUILD 492(Nordtest method, 1999)방법 및 ASTM 1202(ASTM C 1202, 2005)방법으로 촉진 염화물 확 산계수와 통과전하량을 도출하였다. 실제 구조물 적용 배합의 촉진 염화물 확산 시험 결과 데이터를 기반으로 겉보기 확 산계수를 도출하였으며, 이를 이용하여 구조물의 벽체 및 기 둥 구조의 내구수명을 평가하였다.

대상 데이터

KS F 2405에 따라 각 배합의 압축강도를 재령 7일, 14일, 28 일에 3개의 시편에 대하여 평가하였으며 그 결과를 Table 3과 Fig.2에 나타내었다.
지하수에는 상당한 수준의 염화물 이온과 황산염 이온이 존재하고 있으나, 차수벽 및 35 MPa의 콘크리트 로 설계되어 있으므로 내염해 조건을 만족하였다. 내구수명 평가 대상 구조물은 해안가에 인접한 옥외 구조물인 벽체와 기둥으로 국한하였으며, 각각의 피복두께는 50 mm, 80 mm로 설계되어 현행 설계기준을 만족하고 있었다. Fig.
대상 구조물은 주상복합 콘크리트 구조물로서 해양 인근 250 m 이내에 시공 예정이므로 비래 염분에 따른 철근부식이 발생될 수 있다. 지하수에는 상당한 수준의 염화물 이온과 황산염 이온이 존재하고 있으나, 차수벽 및 35 MPa의 콘크리트 로 설계되어 있으므로 내염해 조건을 만족하였다.

이론/모형

시간의존성 확산계수는 30년까지 시간의 영향에 따라 변화하며, 그 이후는 일정하다고 가정한다(Ehlen, 2018). 온도의 영향은 아레니우스 법칙에 따른 온도의존성을 고려하였다.
촉진 염화물 실험에서는 ASTM C 1202에 의한 통과 전하량 측정과 NT BUILD 492 방법을 통한 확산계수를 평가하였다. Fig.

성능/효과

1) ASTM 1202 의 통과 전하량 시험에서 2종 고로 슬래그 시멘트를 결합재로 사용한 S-1, S-2 배합은 OPC 배합에 비하하여 21.2 % ~ 23.8 %의 낮은 통과 전하량을 확보하 였다. 또한 NT BUILD 492로 측정된 확산계수 값에서는 S-1 배합에서는 55.
2종 고로 슬래그 시멘트를 결합재로 사용한 배합에서 OPC 배합 대비 21.2 % ~ 23.8 %의 통과 전하량을 나타냈으며, 2종 고로 슬래그 시멘트 사용 배합 간에는 상대적으로 큰 차이가 발생하지 않았다. 또한 NT BUILD 측정값에서는 OPC 배합 대비 S-1 배합에서는 55.
3) 피복두께 50mm, Built-up period를 10년, 임계 염화물량을 1.2kg/m³인 외벽구조가 가장 열악한 조건인데, OPC 배합에서는 18.2~19.2년, S-1배합에서는 78.8~171.3년, S-2배합에서는 118.8~190.2년이 평가되었다.
8 %의 낮은 통과 전하량을 확보하 였다. 또한 NT BUILD 492로 측정된 확산계수 값에서는 S-1 배합에서는 55.7 %, S-2 배합에서는 37.2 % 수준으로 확산계수가 감소하였다. 이러한 특성은 OPC 배합보다 낮은 압축강도에도 불구하고 슬래그 기반 잠재수경성을 통하여 공극구조의 감소와 자유 염화물 흡착량 증가에 기인한다.
8 %의 통과 전하량을 나타냈으며, 2종 고로 슬래그 시멘트 사용 배합 간에는 상대적으로 큰 차이가 발생하지 않았다. 또한 NT BUILD 측정값에서는 OPC 배합 대비 S-1 배합에서는 55.7 %, S-2 배합에서는 37.2 % 수준의 감소된 확산계수가 평가되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열화현상은 최종적으로 어떤 문제를 초래하는가?	, 2008), 외관 손상이 시작되고 부식량의 증가에 따라 균열의 진전, 피복 콘크리트의 박락으로 진전된다. 이러한 열화현상은 최종적으로 내력의 저하에 따른 구조물의 안전성의 저하로 연결된다.
	해안가의 비말대에 노출된 콘크리트 구조물의 부식이 발생하는 이유는?	해안가의 비말대에 노출된 콘크리트 구조물은 수중이 아니더라도 충분한 산소와 비래되어 콘크리트 내부로 유입되는 염화물 이온으로 인해 부식이 발생된다(Lee et al., 2017; Broomfield, 2006).
	많은 연구에서 내구수명을 정량적으로 평가하는 시도가 있었지만 실제 적용 시키기 못한 이유는?	많은 연구에서 내구수명을 정량적으로 평가하려는 시도가 되어왔으며, 이는 구조적 거동과 연계하여 더욱 발전하고 있다. 염화물 이온 확산과 압력에 따른 이동을 고려하여 전체 염 화물 flux 흐름을 산정하고 시간당 흡착되는 염화물량을 고려 하는 지배방정식에서는 정량적인 염화물 평가가 가능하지만 적용이 어렵고, 장기 실험결과와 차이가 발생하는 경향이 있다(Ishida et al., 2007; Song and Kwon, 2009; Maekawa et al.

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