[논문]균열 폭에 따른 콘크리트 구조물에서의 염화물 흡수 평가

김건수; 박기태; 김재환

doi:10.11112/jksmi.2020.24.6.10

균열 폭에 따른 콘크리트 구조물에서의 염화물 흡수 평가
Evaluating Chloride Absorption of Reinforced Concrete Structures with Crack Widths 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.6, 2020년, pp.10 - 16

김건수 (한국건설기술연구원 노후인프라센터) , 박기태 (한국건설기술연구원 노후인프라센터) , 김재환 (한국건설기술연구원 노후인프라센터)

초록
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철근 콘크리트 구조물에서의 염화물 침투에 따른 구조물의 열화는 주요한 문제로 이와 관련하여 현재까지 많은 연구들이 수행되고 있다. 콘크리트 구조물의 염화물 침투에 있어서 염화물 확산 이외에도 염화물 흡수에 의한 침투도 고려되어야 하며, 구조물의 사용기간 중에 발생되는 균열은 염화물 침투의 주 경로가 될 수 있기 때문에 이러한 변수들이 구조물의 내구성능 평가에 고려되어야 한다. 본 연구에서는 철근 콘크리트에 두 가지 균열 폭 (0.1 mm, 0.3 mm)을 발생 시킨 후, 염화물 흡수 실험을 실시하였다. 염화물 흡수 실험으로부터 흡수에 따른 무게 변화와 AgNO3 용액을 이용한 변색법으로 균열면에서의 염화물 침투 정도를 확인하였다. 변색 범위를 이용한 이미지 분석 또한 실시하였다. 흡수 시간 및 균열 폭이 증가하면 염화물 흡수량이 증가하는 것을 확인 하였다. 모든 균열 폭에서 1 시간 이내에 염화물이 철근 깊이까지 도달하였다. 또한 철근 계면을 통한 염화물 이동 가능성을 확인하였으며, 이는 철근 부식의 주요한 원인으로 작용할 수 있어 추가적인 실험을 통한 검증이 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Deterioration of reinforced concrete structure caused by chloride ingress is the main issue and regrading this, many studies have been investigated with both experiments and computational modelling. In addition to chloride diffusion, chloride sorption should be considered as a chloride transport mechanism in concrete structure and cracks formed in concrete structures are the main variable to evaluate the performance of the structures. In this study, after making two types of cracks width (0.1 and 0.3 mm) in reinforced concretes, chloride absorption tests were performed. Weight change and colour change using 0.1 AgNO3 solution from the samples were performed to measure chloride ingress. Image processing was also carried out to quantify range of colour change in carck face. From the result, it were confirmed that the amount of chloride absorption increases with exposure time and increasing crack width, and chlorides reached at steel depth within 1 hour. It would be possible that chloride can move through interface bewteen steel and concrete, thereby further study regarding this is required.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 Dimension of specimen
그림 Fig. 2 Pre-conditioning of sample for absorption test
그림 Fig. 3 Schematic of absorption test
표 Table 1 Mix design
표 Table 2 Chemical compositions
표 Table 3 Properties of aggregates
그림 Fig. 4 Accumulated weight change with time
그림 Fig. 5 Chloride/water absorption profile from experiment results
그림 Fig. 6 Example of simplified image processing using Matlab
그림 Fig. 7 Color change ratio with exposure time after chloride absorption

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 균열 폭에 따른 철근 콘크리트 보에서의 염화물 흡수 현상을 실험적으로 분석하였다. 콘크리트는 보통 포틀랜드 1 종 시멘트를 사용하였고, 피복 두께 30 mm 위치에 D16 철근을 1 열 배근하였다.
본 연구에서는 도로교 노면에 살포된 제설제가 강우 또는 강설에 의해 녹아 흘러내린 후, 거더 또는 바닥판의 표면 균열을 통해 내부로 흡수되는 현상을 실험적으로 모사하였다. 이를 위해 휨균열을 갖는 철근 콘크리트 실험체를 제작하고, 제설제 용액 수면과 균열면이 접하도록 하여 철근 콘크리트 균열을 통한 직접적인 염화물 침투현상을 분석하였다.

가설 설정

오븐에서 건조 상태를 확인하기 위하여 매일 실험체의 무게 변화를 측정하였고, 무게 변화가 1 % 이하에 도달할 때까지 건조를 실시하였다. 마지막에 측정된 무게를 실험체의 겉보기완전 건조 상태로 가정하고 염화물 흡수 실험을 실시하였다.

제안 방법

건조가 완료된 후, 상온에 24 시간동안 거치시킴으로써 콘크리트의 온도가 외부 환경과 동일하도록 만들어, 실험체와 염화물 용액의 온도 차이가 염화물 침투 속도에 미치는 영향을 최소화 하였다. 실험체 균열 유도 및 전처리 과정을 Fig.
이러한 콘크리트 부재의 습윤조건을 고려하여, 에폭시가 코팅된 실험체를 오븐에 건조시켰다. 고온 건조에 따른 콘크리트의 미세구조 변화를 최소화하고 에폭시 코팅의 손상을 방지하기 위하여 50 ± 2 ℃의 온도에서 건조를 실시하였다 (Streicher and Alexander, 1995). 오븐에서 건조 상태를 확인하기 위하여 매일 실험체의 무게 변화를 측정하였고, 무게 변화가 1 % 이하에 도달할 때까지 건조를 실시하였다.
3 mm 휨 균열을 발생시켜 교량 상부구조 하면에 발생하는 균열을 모사하였다. 균열 침투 용액은 제설제 조건을 고려하여 포화 염화물 용액을 제작하여 사용하였고, 중량변화를 분석하여 흡수 시간에 따른 염화물 흡수량을 분석하였다. 또한 균열면의 염화물 침투 수준을 정량적으로 분석하기 위해 이미지 분석을 수행하였다.
이를 위해 휨균열을 갖는 철근 콘크리트 실험체를 제작하고, 제설제 용액 수면과 균열면이 접하도록 하여 철근 콘크리트 균열을 통한 직접적인 염화물 침투현상을 분석하였다. 균열 폭 0.1 mm, 0.3 mm 를 갖는 실험체에 제설제 용액을 1 시간, 3 시간, 5 시간 침투 시킨 후, 실험체의 중량 변화 및 균열면의 염화물 침투 면적을 분석하였다.
3 mm 실험체 3 개를 제작(총 6 개)하였다. 균열 폭의 측정은 하중이 제거된 후 일정시간이 경과하였을 때 균열경을 이용하여 측정하였다. 실험체 하면에 생성된 균열을 길이 방향으로 6 등분하여 5 곳의 균열 폭을 측정한 후 평균값을 균열 폭으로 판단하였다.
실험체 하면에 생성된 균열을 길이 방향으로 6 등분하여 5 곳의 균열 폭을 측정한 후 평균값을 균열 폭으로 판단하였다. 균열을 통한 제설제 용액의 단일방향 침투를 유도하기 위하여, 균열이 유도된 실험체 하면의 일부를 제외한 모든 면에 에폭시를 코팅하였다.
먼저 실험이 종료된 실험체에 추가적인 3점 재하를 수행하여 균열 깊이를 증가시킨 후, 한쪽 단면에 할렬 파괴를 발생시켜 균열면의 손상을 최소화 하였다. 그 다음에는 균열면에 돌출된 철근을 절단하고, AgNO3용액을 분무 하여 변색이 발현된 후에 사진촬영을 수행하였다. Fig.
콘크리트는 보통 포틀랜드 1 종 시멘트를 사용하였고, 피복 두께 30 mm 위치에 D16 철근을 1 열 배근하였다. 또한 3점 재하를 통해 0.1 mm, 0.3 mm 휨 균열을 발생시켜 교량 상부구조 하면에 발생하는 균열을 모사하였다. 균열 침투 용액은 제설제 조건을 고려하여 포화 염화물 용액을 제작하여 사용하였고, 중량변화를 분석하여 흡수 시간에 따른 염화물 흡수량을 분석하였다.
균열 침투 용액은 제설제 조건을 고려하여 포화 염화물 용액을 제작하여 사용하였고, 중량변화를 분석하여 흡수 시간에 따른 염화물 흡수량을 분석하였다. 또한 균열면의 염화물 침투 수준을 정량적으로 분석하기 위해 이미지 분석을 수행하였다. 실험을 통해서 얻어진 연구 결과는 다음과 같다.
중량변화 측정은 가장 오랜 시간 동안 염화물 용액에 노출되는 5 시간 실험체에 대하여 수행되었다. 또한 염화물용액 침투 실험과 별도로, 수분 침투 실험을 수행하고 중량변화를 측정하여 염화물 용액과 수분의 침투속도를 비교하였다.
보다 정량적인 분석을 위하여 이미지 분석 기법이 적용되었다. 먼저 실험이 종료된 실험체에 추가적인 3점 재하를 수행하여 균열 깊이를 증가시킨 후, 한쪽 단면에 할렬 파괴를 발생시켜 균열면의 손상을 최소화 하였다. 그 다음에는 균열면에 돌출된 철근을 절단하고, AgNO3용액을 분무 하여 변색이 발현된 후에 사진촬영을 수행하였다.
균열면에서 변색된 부분을 추출할 때에는 회색조로 변환된 이미지로부터 다시 채도 값만을 추출하였다. 변색된 부분에서의 채도값 범위를 설정하고 난 후, 이미지를 이진영상으로 변환 시켰다. 변환된 이미지에서 픽셀 수를 계산하여 식 (2)을 이용하여 염화물의 침투 정도를 계산하였다.
1 M 의 AgNO₃ 용액을 분사하여 반응에 따른 콘크리트의 변색을 확인 하였다 (NORDTEST, 1999). 변색이외에도 흡수량을 확인하기 위하여 매시간 중량변화를측정하였다. 중량변화 측정은 가장 오랜 시간 동안 염화물 용액에 노출되는 5 시간 실험체에 대하여 수행되었다.
3 mm 실험체에 대해서 흡수시간을 1 시간, 3 시간, 5 시간으로 분류하여 실험조건 당 1 개의 실험체를 사용하였다. 시간에 따른 염화물 침투 면적을 확인하기 위하여 염화물 흡수 실험이 종료된 실험체를 수조에서 꺼내고 균열면을 따라 분리하여, 침투면에 0.1 M 의 AgNO₃ 용액을 분사하여 반응에 따른 콘크리트의 변색을 확인 하였다 (NORDTEST, 1999). 변색이외에도 흡수량을 확인하기 위하여 매시간 중량변화를측정하였다.
30 % 농도의 염화칼슘 용액에 염화나트륨을 섞어 제작하였으며, 염화칼슘 용액과 염화나트륨의 중량비는 3:7 이다. 실험체 균열부로부터 염화물 흡수를 유도하기 위하여, 실험체의 균열면을 염화물 용액에 직접 접촉하게 하였으며, 수압에 의한 영향을 제거하기 위하여 염화물의 용액은 실험이 진행 동안 실험체에서부터 10 mm 높이를 유지 하였다.염화물 흡수 실험 도식도를 Fig.
1). 실험체 타설 24시간 후에 몰드를 제거하였고, 28 일 동안 습윤 양생을 실시한 후 재령 35 일 째 염화물 흡수 실험을 수행하였다.
균열 폭의 측정은 하중이 제거된 후 일정시간이 경과하였을 때 균열경을 이용하여 측정하였다. 실험체 하면에 생성된 균열을 길이 방향으로 6 등분하여 5 곳의 균열 폭을 측정한 후 평균값을 균열 폭으로 판단하였다. 균열을 통한 제설제 용액의 단일방향 침투를 유도하기 위하여, 균열이 유도된 실험체 하면의 일부를 제외한 모든 면에 에폭시를 코팅하였다.
실험체 하면의 경우, 균열 유도를 위한 3 점 재하 시 양 지점부에 생성된 미세 균열에 의한 추가적인 제설제 용액 침투가발생할 우려가 있으므로 중앙 휨균열을 기준으로 좌우 각각 100 mm 간격을 제외하고 코팅을 실시하였다. 공용 중인 교량은 동절기에 낮은 상대습도에 노출되어 강우 또는 강설 전에는 건조한 상태를 유지하고 있다.
염화물 흡수 실험은 총 6 개의 실험체에 대해 수행되었으며, 균열폭 0.1 mm 와 0.3 mm 실험체에 대해서 흡수시간을 1 시간, 3 시간, 5 시간으로 분류하여 실험조건 당 1 개의 실험체를 사용하였다. 시간에 따른 염화물 침투 면적을 확인하기 위하여 염화물 흡수 실험이 종료된 실험체를 수조에서 꺼내고 균열면을 따라 분리하여, 침투면에 0.
염화물 흡수 실험이 종료된 실험체 균열면에서의 염화물 침투 수준을 확인하기 위하여 0.1 M 의 AgNO₃용액을 균열 면에 분사하여 변색 반응을 분석하였다. 보다 정량적인 분석을 위하여 이미지 분석 기법이 적용되었다.
고온 건조에 따른 콘크리트의 미세구조 변화를 최소화하고 에폭시 코팅의 손상을 방지하기 위하여 50 ± 2 ℃의 온도에서 건조를 실시하였다 (Streicher and Alexander, 1995). 오븐에서 건조 상태를 확인하기 위하여 매일 실험체의 무게 변화를 측정하였고, 무게 변화가 1 % 이하에 도달할 때까지 건조를 실시하였다. 마지막에 측정된 무게를 실험체의 겉보기완전 건조 상태로 가정하고 염화물 흡수 실험을 실시하였다.
이를 위해 휨균열을 갖는 철근 콘크리트 실험체를 제작하고, 제설제 용액 수면과 균열면이 접하도록 하여 철근 콘크리트 균열을 통한 직접적인 염화물 침투현상을 분석하였다. 균열 폭 0.
6 에 나타낸 바와 같이, 촬영된 이미지를 회색 조 이미지로 변환을 실시하였다. 전체 실험체에서의 균열 면과 철근은 회색조 이미지에서 이진영상으로 변환하여 각각의 픽셀 수를 구하였다. 균열면에서 변색된 부분을 추출할 때에는 회색조로 변환된 이미지로부터 다시 채도 값만을 추출하였다.
변색이외에도 흡수량을 확인하기 위하여 매시간 중량변화를측정하였다. 중량변화 측정은 가장 오랜 시간 동안 염화물 용액에 노출되는 5 시간 실험체에 대하여 수행되었다. 또한 염화물용액 침투 실험과 별도로, 수분 침투 실험을 수행하고 중량변화를 측정하여 염화물 용액과 수분의 침투속도를 비교하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 레디믹스트 콘크리트로 보통 포틀랜드 1 종시멘트를 사용하여, 27 MPa 의 설계 강도(f_ck)를 갖도록 배합하였고 배합설계는 Table 1과 같다. 사용된 재료의 물리화학적 성분을 Table 2, 3에 각각 나타내었다.
사용된 재료의 물리화학적 성분을 Table 2, 3에 각각 나타내었다. 실험체 제원은 100 mm × 100 mm × 400 mm 이며, D16 이형철근을 1 열 배근하였고, 피복 두께는 30 mm 이다(Fig. 1). 실험체 타설 24시간 후에 몰드를 제거하였고, 28 일 동안 습윤 양생을 실시한 후 재령 35 일 째 염화물 흡수 실험을 수행하였다.
실험체의 균열 유도는 재령 28 일에 3 점 재하를 통해 수행되었으며, 균열 폭 약 0.1 mm 실험체 3 개, 균열 폭 약 0.3 mm 실험체 3 개를 제작(총 6 개)하였다. 균열 폭의 측정은 하중이 제거된 후 일정시간이 경과하였을 때 균열경을 이용하여 측정하였다.
제설제 용액은 한국도로공사에서 습염 제설제로 사용하는 염화칼슘(CaCl₂) 용액과 염화나트륨(NaCl) 혼합된 포화 염화물 용액을 사용하였다. 30 % 농도의 염화칼슘 용액에 염화나트륨을 섞어 제작하였으며, 염화칼슘 용액과 염화나트륨의 중량비는 3:7 이다.
흡수 현상을 실험적으로 분석하였다. 콘크리트는 보통 포틀랜드 1 종 시멘트를 사용하였고, 피복 두께 30 mm 위치에 D16 철근을 1 열 배근하였다. 또한 3점 재하를 통해 0.

이론/모형

1 M 의 AgNO₃용액을 균열 면에 분사하여 변색 반응을 분석하였다. 보다 정량적인 분석을 위하여 이미지 분석 기법이 적용되었다. 먼저 실험이 종료된 실험체에 추가적인 3점 재하를 수행하여 균열 깊이를 증가시킨 후, 한쪽 단면에 할렬 파괴를 발생시켜 균열면의 손상을 최소화 하였다.

성능/효과

1) 염화물 및 수분 용액 흡수시간에 따른 중량변화를 분석한 결과, 염화물과 수분 용액의 흡수계수는 큰 차이가 없는 것으로 나타나, 콘크리트 균열을 통한 직접적인 용액침투 상황에서는 모세관 현상이 지배적인 것을 알 수 있었다.
2) 콘크리트 균열 폭에 대한 염화물 흡수량에서는 균열 폭이 커지면 흡수량이 많아지는 것을 확인하였으며, 흡수초기 이후의 변화량(흡수계수)는 큰 차이를 보이지 않았지만, 모든 실험체에서 철근 깊이를 초과하는 염화물 침투가 발생하였다. 따라서 철근 콘크리트 구조물에 일반적으로 존재하는 0.
3) 앞서 언급한 바와 같이 균열 에 따른 염화물 흡수량의 변화(흡수계수)는 큰 차이가 없었으나, 균열면의 염화물침투면적의 증가율은 균열 폭에 따라 차이를 보였다. 이는 염화물 용액의 흡수가 균열면에 국한 되는 것이 아니라 철근 계면을 따라 이동할 수 있음을 의미하며, 이로 인한 철근 부식 발생 가능성을 고려할 필요가 있다고 판단된다.
발생하였다. 따라서 철근 콘크리트 구조물에 일반적으로 존재하는 0.1 mm 균열에서도 염화물 용액에 의한 침투가 발생할 수 있음을 확인하였다.
1 % 가 각각염화물 침투가 발생하여 변색이 된 것을 확인 하였다. 또한 앞서 중량변화 분석과 마찬가지로 균열면 변색 수준에서도 초기 1시간 이내에 염화물 침투가 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 비록 본 연구에서는 철근 깊이까지 도달하는데 걸리는 시간을 확인할 수 없었지만, 초기에 빠른 속도로 균열면을 따라 염화물이 침투하게 된다는 것은 실험적으로 확인할 수 있었다.
4, 5에 나타난 바와 같이, 침투 용액의 종류(염화물, 수분)는 흡수량에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보이지만, 균열폭의 증가는 초기 흡수량에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 모든 실험 조건에서 흡수 초기에 중량이 급격하게 증가하다가 완만한 기울기를 갖는 것을 확인할 수 있는데, 본 연구의 시간 측정 간격을 고려한다면, 용액 흡수 1시간 이내에 균열로 인한 흡수량 증가 효과가 발현되었을 것으로 판단된다. 즉, 콘크리트 균열면을 따라 염화물 및 수분 용액이 침투하는 현상은 순간적으로 발생됨을 알 수 있다.
또한 앞서 중량변화 분석과 마찬가지로 균열면 변색 수준에서도 초기 1시간 이내에 염화물 침투가 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 비록 본 연구에서는 철근 깊이까지 도달하는데 걸리는 시간을 확인할 수 없었지만, 초기에 빠른 속도로 균열면을 따라 염화물이 침투하게 된다는 것은 실험적으로 확인할 수 있었다. 균열면의 흡수면적 비율을 보면, 1시간 흡수된 시점에서 균열 폭 0.
앞에서 언급했듯이, 이미지 분석에서도 침투 시간이 지나면서 염화물의 침투정도가 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 이미지 분석 결과에 의하면, 1시간 동안 용액에노출 되었을 때, 0.1 mm 균열 폭을 가진 실험체 균열면의 53.6 %, 0.3 mm 균열 폭을 가진 실험체 균열면의 68.1 % 가 각각염화물 침투가 발생하여 변색이 된 것을 확인 하였다. 또한 앞서 중량변화 분석과 마찬가지로 균열면 변색 수준에서도 초기 1시간 이내에 염화물 침투가 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 현상들에따르면 염화물 이온은 이동 속도를 늦추는 역할을 하게 되고, 이는 확산 현상이 일어나 는 경우 고려되어야 하는 현상들이다 (Nguyen and Amiri, 2014). 하지만 염화물 및 수분 흡수 실험의결과에서 보는 바와 같이 위의 언급된 현상이 발생되기 이전에모세관 현상에 의한 염화물 또는 수분 침투가 충분히 일어난 것으로 보아, 직접적인 염화물 수분의 흡수가 발생하는 경우에는 모세관 현상에 의한 순간적인 침투가 지배적인 것으로 판단된다. 본 실험 결과로 미루어볼 때, 콘크리트 균열을 통한 염화물의 직접 침투 경향을 보다 정밀하게 추정하기 위해서는 추가적인 실험이 수행되어야 할 것이다.

후속연구

4) 본 실험에서는 철근 콘크리트 부재의 미세 균열에서도 염화물 용액의 직접적인 침투로 인한 영향이 클 수 있다는 것을 확인하였으며, 추후 다양한 조건에 대한 실험 및 해석을 통하여 콘크리트 균열을 통한 열화물질 침투현상에 대한 자세한 분석을 수행할 필요가 있다고 판단된다.
하지만 염화물 및 수분 흡수 실험의결과에서 보는 바와 같이 위의 언급된 현상이 발생되기 이전에모세관 현상에 의한 염화물 또는 수분 침투가 충분히 일어난 것으로 보아, 직접적인 염화물 수분의 흡수가 발생하는 경우에는 모세관 현상에 의한 순간적인 침투가 지배적인 것으로 판단된다. 본 실험 결과로 미루어볼 때, 콘크리트 균열을 통한 염화물의 직접 침투 경향을 보다 정밀하게 추정하기 위해서는 추가적인 실험이 수행되어야 할 것이다. 그러나 실제 강우 또는 강설의 지속시간을 고려할 때, 1 시간의 흡수시간은 결코 짧지 않은시간임을 고려하면 강우 또는 강설로 인한 열화인자의 침투를고려할 필요가 있다고 판단된다.

참고문헌 (16)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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