[논문]장기재령 FA 콘크리트에 대한 염화물 거동 및 확률론적 염해 내구수명 평가

윤용식; 권성준

doi:10.14190/jrcr.2020.8.3.276

[국내논문] 장기재령 FA 콘크리트에 대한 염화물 거동 및 확률론적 염해 내구수명 평가
Evaluation of Chloride Behavior and Service Life in Long-Term Aged FA Concrete through Probabilistic Analysis 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.3, 2020년, pp.276 - 285

윤용식 (한남대학교 토목환경공학과) , 권성준 (한남대학교 토목환경공학과)

초록
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본 연구에서는 3가지 수준의 물-결합재 비를 고려한 OPC 및 FA 콘크리트를 대상으로 재령 1,095일에 촉진 염화물 확산 시험을 수행하였다. Tang's method 및 ASTM C 1202에 준하여 촉진 염화물 확산계수 및 통과 전하량을 평가하였으며 시간의 존적으로 개선되는 염화물 확산 거동을 고찰하였다. FA 배합에서는 포졸란 반응에 의해 뛰어난 염해저항성능을 나내었는데, 통과 전하량 평가 결과에 따르면 FA 콘크리트는 재령 1,095일에 "Low" 등급에서 "Very low" 등급으로 감소하였으나, OPC 배합의 경우 "Moderate" 등급에서 "Low" 등급으로 감소하였다. 염해 내구수명 해석 시 사용되는 설계변수를 정규분포 함수로 가정한 후, MCS를 기반으로 각 배합의 내구수명을 확률론적 해석 방법으로 평가하였다. FA 콘크리트에서는 OPC 콘크리트 대비 시간의 증가에 따른 내구적 파괴확률의 증가가 낮게 나타났는데 이는 FA 콘크리트의 시간의존성지수가 OPC 배합 대비 최대 3.2배 높기 때문이다. 또한 목표 내구적 파괴확률을 10%로 설정하였기 때문에 확률론적 해석에 의한 내구수명이 결정론적 해석에 의한 내구수명보다 낮게 평가되었다. 다양한 환경 하의 실태조사 및 실내 시험을 통해 각 구조물에 적합한 목표 내구적 파괴확률을 설정한다면 더욱 경제적인 내구성능 설계가 가능해지리라 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, accelerated chloride diffusion tests were performed on OPC(Ordinary Portland Cement) and FA(Fly Ash) concrete considering three levels o f W/B(Water to Binder) ratio o n 1,095 curing days. The accelerated chloride diffusion coefficient and the passed charge were evaluated in accordance with Tang's method and ASTM C 1202, and the resistance performance to chloride attack improved over time. FA concrete showed excellent resistance performance against chloride penetration with help of pozzolanic reaction. As the result of the passed charge, FA concrete showed durability improvement, "low" grade to "very low" grade, but OPC concrete changed "moderate" grade to "low" grade at 1,095 curing days. After assuming the design variables used for durability design as normal distribution functions, the service life of each case was evaluated by the probabilistic analysis method based on MCS(Monte Carlo Simulation). In FA concrete, the increase of probability of durability failure was lower than that of OPC concrete with increasing time, because the time-dependent coefficient of FA concrete was up to 3.2 times higher than OPC concrete. In addition, the service life by probabilistic analysis was evaluated lower than the service life by deterministic analysis, since the target probability of durability failure was set to 10%. It is considered that more economical durability design will be possible if the mo re suitable target probability of durability failure is set for various structures through researches on actual conditions and indoor tests under various circumstances.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Concrete mixture for this study
표 Table 2. Properties of sand and gravel
표 Table 3. Properties of super plasticizer
표 Table 4. Properties of both binders
표 Table 5. Evaluation standard for chloride resistance by ASTM C 1202
그림 Fig. 1. The results of accelerated chloride diffusion coefficient
그림 Fig. 2. The results of passed charge
그림 Fig. 3. The results of compressive strength
그림 Fig. 4. The results of regression analysis for time-dependent parameter
그림 Fig. 5. Flowchart for evaluation of service life by probabilistic analysis method
그림 Fig. 6. The analysis results of probability of durability failure
표 Table 6. The analysis parameter for probabilistic analysis
그림 Fig. 7. The comparison of service life between deterministic analysis and probabilistic analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 3수준의 물-결합재 비를 고려한 OPC 및 FA 콘크리트를 대상으로 염해 저항 성능 및 역학적 성능을 평가하였다. 또한 대상 RC 구조물을 가정한 후, 평가된 염화물 확산계수 및 기존의 이론들을 참고하여 각 배합의 결정론 및 확률론적 염해 내구수명을 해석하였다.
본 절에서는 각 배합의 결정론 및 확률론적 방법에 의한 내구수명을 비교 평가하고자 한다. 결정론 및 확률론적 내구수명 평가 결과를 Fig.

가설 설정

정규분포함수로 가정된 설계변수들을 각각 평균 값과 일정한 COV(Coeffcient of Variation)을 갖는 것으로 설정하였다. 본 연구에서는 모든 경우의 COV를 10%로 가정하였는데, 이 수준의 COV는 콘크리트 구조물의 내구성 설계에서 적정한 수준으로 사용되는 값으로 알려져있다(Koyama and Hanada 1998). 확률론적 내구수명 해석을 위한 해석 변수를 Table 6에 나타내었다.
식 (8)의 겉보기 염화물 확산계수, 표면 염화물량, 시간의존성지수, 피복두께, 임계 염화물량을 확률변수로 가정하여 MCS(Monte Carlo Simulation)을 수행하여 확률론적으로 해석된 내구적 파괴 확률을 평가하였다. 본 연구에서 설정한 설계변수의 변동성 및 수준을 고려하여 여러 수준의 시뮬레이션 횟수를 사전에 수행하였는데, 3,500회의 수준에서 해석 결과 값의 변동성이 크게 감소하였다.
염해 내구수명 해석을 위한 표면 염화물량 및 임계 염화물량은 콘크리트표준시방서에 준하여 설정하였으며, 표면 염화물량은 동해안 지역의 해안선으로부터 100m에 해당 구조물이 시공되어있는 것으로 가정하여 4.5kg/m³으로 설정하였다(KCI 2012). 또한 확률론적 내구수명 해석을 위해 겉보기 염화물 확산계수, 표면 염화물량, 시간의존성지수, 피복두께, 임계 염화물량을 정규분포함수로 정의하여 MCS를 수행하였다.

제안 방법

이 시험방법은 전기적 이동과 확산을 동시에 고려하고 있으며, 비정상상태의 확산계수를 구할 수 있는 방법이다(Tang and Nilson 1992). 8시간 동안의 전압 인가 후 시편을 할렬하여 쪼개진 면에 질산은(AgNO₃) 수용액(0.1N)을 분무하여 은색으로 변하는 부분을 염화물 이온의 침투 영역으로 판단하였다. 평균 염화물 침투 깊이를 식 (1) 및 식 (2)에 적용하여 각 배합의 촉진 염화물 확산계수를 도출하였다.
대상 재령일은 1,095일이며 이전 재령일의 시험 결과를 다룬 선행 연구(SERI 2003; Yoon and Kwon 2018; Yoon et al. 2019) 결과와의 비교 고찰을 통해 재령에 따라 변화하는 내구적⋅역학적 거동을 분석하였다.
본 연구에서 설정한 설계변수의 변동성 및 수준을 고려하여 여러 수준의 시뮬레이션 횟수를 사전에 수행하였는데, 3,500회의 수준에서 해석 결과 값의 변동성이 크게 감소하였다. 따라서 본 연구에서는 MCS 실행 횟수를 3,500회로 설정하였다. 식 (11)에 확률론적 염해 내구성능 평가를 위한 지배방정식을 나타내었으며 Fig.
또한 재령 49일을 기준 시간으로 설정하여 시간 의존성지수를 산출하는 경우 FA의 포졸란 반응이 적절히 고려되지 않아 매우 낮은 값의 시간의존성지수가 나타난다. 따라서 본 연구에서는 결정계수를 높이고 포졸란 반응을 고려한 시간의존성지수를 산출하고자 모든 경우의 회귀분석에서 기준 재령일을 재령 28일로 설정한 후 재령 49일의 결과 값을 제외하고 선형회귀분석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 3수준의 물-결합재 비를 고려한 OPC 및 FA 콘크리트를 대상으로 염해 저항 성능 및 역학적 성능을 평가하였다. 또한 대상 RC 구조물을 가정한 후, 평가된 염화물 확산계수 및 기존의 이론들을 참고하여 각 배합의 결정론 및 확률론적 염해 내구수명을 해석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
2019) 결과와의 비교 고찰을 통해 재령에 따라 변화하는 내구적⋅역학적 거동을 분석하였다. 또한 촉진 염화물 확산 시험 결과와 기존의 염해 내구수명 산정 이론식들을 기반으로 내구수명에 대한 결정론 및 확률론적 해석을 수행하였다. 설계 변수들을 정규분포 함수로 가정하여 각 배합의 사용 기간에 따른 파괴확률 거동을 분석하였으며, 결정론 및 확률론적 내구수명 평가 결과를 정량적으로 분석하였다.
5kg/m³으로 설정하였다(KCI 2012). 또한 확률론적 내구수명 해석을 위해 겉보기 염화물 확산계수, 표면 염화물량, 시간의존성지수, 피복두께, 임계 염화물량을 정규분포함수로 정의하여 MCS를 수행하였다. 정규분포함수로 가정된 설계변수들을 각각 평균 값과 일정한 COV(Coeffcient of Variation)을 갖는 것으로 설정하였다.
본 연구에서는 3가지 수준의 물-결합재 비와 30%의 플라이애시 치환율을 고려하여 콘크리트 배합을 수행하였다. 결합재로서 분말도 3,500cm²/g급의 2종 플라이애쉬 미분말과 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
본 연구에서는 플라이애시 치환율 2 수준(0%, 30%), 물-결합재비(W/B: Water to Binder) 3 수준(0.37, 0.42, 0.47)을 고려한 콘크리트 배합의 장기 염해 내구성능 및 압축강도를 평가하였다. 대상 재령일은 1,095일이며 이전 재령일의 시험 결과를 다룬 선행 연구(SERI 2003; Yoon and Kwon 2018; Yoon et al.
2에 나타내었다. 선행 연구에서 평가한 두 배합의 이전 재령일 통과 전하량 값을 함께 고려하여 시간의존적으로 개선되는 두 배합의 통과 전하량 거동을 분석하였다.
또한 촉진 염화물 확산 시험 결과와 기존의 염해 내구수명 산정 이론식들을 기반으로 내구수명에 대한 결정론 및 확률론적 해석을 수행하였다. 설계 변수들을 정규분포 함수로 가정하여 각 배합의 사용 기간에 따른 파괴확률 거동을 분석하였으며, 결정론 및 확률론적 내구수명 평가 결과를 정량적으로 분석하였다.
여기서, Ccr(μ,σ)는 임계 염화물량의 확률변수를, CS(μ,σ)는 표면 염화물량의 확률변수를, x(μ,σ)는 피복두께의 확률변수를, D(μ,σ)는 염화물 확산계수의 확률변수를, Pmax는 목표 내구적 파괴확률로서 본 연구에서는 기존의 연구를 참고하여 10%로 설정하였다(Kwon et al. 2009; CEB 2006; EN 1991 2000).
재령 1,095일에 각 배합의 압축강도를 KS F 2405에 준하여 평가하였다. 이전재령일의 압축강도 결과를 선행 연구에서 인용하여 재령의 증가에 따라 증가하는 압축강도거동을 분석하였다(Yoon and Kwon 2018; Yoon et al. 2019).
재령 1,095일에 각 배합의 압축강도를 평가하여 이전 재령일의 결과(Yoon and Kwon 2018; Yoon et al. 2019)와의 비교 고찰을 통해 재령일의 증가에 따른 압축강도 변화 거동을 분석하였다. 각 배합의 압축강도 평가 결과를 Fig.
또한 확률론적 내구수명 해석을 위해 겉보기 염화물 확산계수, 표면 염화물량, 시간의존성지수, 피복두께, 임계 염화물량을 정규분포함수로 정의하여 MCS를 수행하였다. 정규분포함수로 가정된 설계변수들을 각각 평균 값과 일정한 COV(Coeffcient of Variation)을 갖는 것으로 설정하였다. 본 연구에서는 모든 경우의 COV를 10%로 가정하였는데, 이 수준의 COV는 콘크리트 구조물의 내구성 설계에서 적정한 수준으로 사용되는 값으로 알려져있다(Koyama and Hanada 1998).
1N)을 분무하여 은색으로 변하는 부분을 염화물 이온의 침투 영역으로 판단하였다. 평균 염화물 침투 깊이를 식 (1) 및 식 (2)에 적용하여 각 배합의 촉진 염화물 확산계수를 도출하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 3가지 수준의 물-결합재 비와 30%의 플라이애시 치환율을 고려하여 콘크리트 배합을 수행하였다. 결합재로서 분말도 3,500cm²/g급의 2종 플라이애쉬 미분말과 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 배합표를 Table 1에, 사용 골재 및 고성능 감수제의 특성을 Table 2 및 Table 3에, 결합재로 사용된 포틀랜드 시멘트 및 플라이애시의 특성을 Table 4에 나타내었다.

이론/모형

콘크리트의 염화물 확산 거동의 경우 노출기간의 증가에 따라 꾸준히 변화하기 때문에 내구성능 해석 시 이를 고려하는 것이 합리적이다(Yoon and Kwon 2018). 본 연구에서는 Life-365에서 제안한 시간의존성지수 모델을 사용하여 시간의존적으로 감소하는 염화물 확산 거동을 고려하였다(Thomas and Bentz 2002). 식 (5) 및 (6)에 시간의존성지수 모델을 나타내었다.
본 연구에서는 Tang’s method를 이용하여 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 콘크리트구조 내구성 설계기준에 준하여 염해 내구성능 해석을 수행하였다(KDS 14 20 40 2016). 콘크리트 내구성 설계기준에서는 Fick’s 2^ndlaw에 준하여 염해 내구성능을 해석한다.
본 절에서는 Fick’s 2nd law에 준한 OPC 및 FA 30 배합의 확률론적 내구수명 해석을 수행하였다.
재령 1,095일에 ASTM C 1202에 따라 장기재령 플라이애시 콘크리트의 통과 전하량을 평가하였다. 에폭시가 도포된 두께 50mm의 디스크 시편을 대상으로 Cell Ⅰ(- 극)에는 3%의 염화나트륨(NaCl) 수용액(NaCl)을 Cell Ⅱ(+ 극)에는 0.
재령 1,095일에 각 배합의 압축강도를 KS F 2405에 준하여 평가하였다. 이전재령일의 압축강도 결과를 선행 연구에서 인용하여 재령의 증가에 따라 증가하는 압축강도거동을 분석하였다(Yoon and Kwon 2018; Yoon et al.
콘크리트 내구성 설계기준에서는 Fick’s 2nd law에 준하여 염해 내구성능을 해석한다.
확률론적 염해 내구수명 해석 시에도 4.1.2절과 같이 Fick’s 2nd law를 지배방정식으로 사용하며, 이 방법에서는 피복두께에서의 염화물량이 임계 염화물량에 이르는 확률을 통해 내구수명을 산출한다.

성능/효과

1) 재령 1,095일에 촉진 염화물 확산계수를 평가한 결과 FA 30 배합은 OPC 배합 대비 42%~69.4%의 확산계수 값을 나타내었다. 또한 재령 28일 기준 재령 1,095일에서의 확산 계수 감소율은 후 이전 재령일의 결과 값과 비교 평가한 결과, OPC 배합의 경우 35.
2) ASTM C 1202의 평가 기준에 따르면 FA 배합의 경우 재령 180일부터 “Low” 등급을 나타내었으며, 재령 1,095일에서는 최대 “Very low” 등급까지 개선된 성능을 나타내었다.
3) 확률론적 내구수명 해석을 통해 시간에 따라 증가하는 내구적 파괴확률을 각 배합별로 평가할 수 있었는데, FA 30 배합에서 OPC 배합 대비 파괴확률이 느리게 증가하였다. 이는 FA 30 배합에서 OPC 배합 대비 최대 3.
목표파괴확률을 10%로 설정하였기 때문에 결정론적 해석에 의한 내구수명은 확률론적 해석에 의한 내구수명보다 높은 값을 나타났다. 결정론적 해석에 의한 내구수명을 기준으로 확률론적 내구수명의 감소율을 평가하면 OPC 배합의 경우 56.4%~58.1%, FA 배합의 경우 48.9%~56.5%로 나타났다. FA 배합에서 OPC 배합보다 두 방법에 의한 내구수명이 더 큰 차이를 나타냈다.
결합재의 종류와 무관하게 물-결합재 비가 낮을수록 낮은 촉진 염화물 확산계수가 나타났다. 또한 플라이애시 콘크리트는 재령이 증가함에 따라 큰 폭의 확산계수 감소를 나타내었다.
2 배 높은 시간의존성지수를 갖기 때문에 파괴확률의 증가가 더디게 발생한 것으로 사료된다. 또한 FA 30 배합에서는 OPC 배합 대비 물결합재 비의 경향이 적게 나타났으며 최대 3.2배 높은 확률론적 내구수명을 나타내었다.
2배 높기 때문으로 보인다. 또한 OPC 배합에서는 물-결합재 비의 증감으로 인한 거동 차이가 명확하게 나타났으나 FA 콘크리트에서는 물-결합재 비 42%와 47%간의 파괴확률 거동 차이가 매우 작게 나타났다. 물-결합재 비의 영향이 OPC 배합의 경우 FA 30배합 보다 높게 나타나는 것으로 사료된다.
4%의 확산계수 값을 나타내었다. 또한 재령 28일 기준 재령 1,095일에서의 확산 계수 감소율은 후 이전 재령일의 결과 값과 비교 평가한 결과, OPC 배합의 경우 35.7%~59.5%, FA 30 배합의 경우 71.8%~76.0%의 확산계수 감소율을 나타내었다. FA 30 배합은 단일 결합재로 이루어진 OPC 배합 대비 뛰어난 염해 내구성능을 나타내었다.
그러나 OPC 배합의 경우 재령 1,095일에 도달한 후에도“Moderate” 등급에 포함되는 경우가 존재하였다. 또한 재령 28일 대비 재령 1,095일에서의 강도 결과 값은 OPC 배합의 경우 144.2%~167.8%, FA 30 배합의 경우 165.6%~178.2%로 나타났다.
결합재의 종류와 무관하게 물-결합재 비가 낮을수록 낮은 촉진 염화물 확산계수가 나타났다. 또한 플라이애시 콘크리트는 재령이 증가함에 따라 큰 폭의 확산계수 감소를 나타내었다. 재령 28일 기준 재령 1,095일에서의 촉진 염화물 확산계수 감소율은 OPC 배합의 경우 35.
목표파괴확률을 10%로 설정하였기 때문에 결정론적 해석에 의한 내구수명은 확률론적 해석에 의한 내구수명보다 높은 값을 나타났다. 결정론적 해석에 의한 내구수명을 기준으로 확률론적 내구수명의 감소율을 평가하면 OPC 배합의 경우 56.
식 (8)의 겉보기 염화물 확산계수, 표면 염화물량, 시간의존성지수, 피복두께, 임계 염화물량을 확률변수로 가정하여 MCS(Monte Carlo Simulation)을 수행하여 확률론적으로 해석된 내구적 파괴 확률을 평가하였다. 본 연구에서 설정한 설계변수의 변동성 및 수준을 고려하여 여러 수준의 시뮬레이션 횟수를 사전에 수행하였는데, 3,500회의 수준에서 해석 결과 값의 변동성이 크게 감소하였다. 따라서 본 연구에서는 MCS 실행 횟수를 3,500회로 설정하였다.
통과 전하량 시험에서도 재령 365일 이후 큰 폭의 통과 전하량 감소가 나타나지 않았다. 최종 재령일인 1,095일에서 FA 30배합은 OPC 배합 대비 38.9%~55.8%의 통과전하량 값을 나타내었다.
또한 재령 365일 이후에는 두 배합 모두 확산계수의 감소가 더디게 발생하였다. 최종재령일인 1,095일에서 FA 30 배합은 OPC 배합 대비 42.2%~69.4%의 확산계수 값을 나타내어 단일 결합재를 사용한 OPC 배합 대비 뛰어난 염해 내구성능을 갖는 것으로 평가되었다.

후속연구

10%의 목표 내구적 파괴 확률은 매우 보수적인 값으로 사료되므로 실태 조사 및 실내 실험을 통해 각 구조물의 특성에 맞는 변동계수 및 목표 내구적 파괴확률을 설정한다면 더욱 경제적인 RC 구조물의 내구성 설계가 가능해지리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라이애시(FA: Fly Ash)는 무엇을 의미하는가?	콘크리트의 대표적인 혼화재료 중 하나인 플라이애시(FA: Fly Ash)는 화력 발전소에서 석탄을 연소시킬 때 발생하는 특정 입도 범위(1μm~100μm)의 미분말를 의미하며, OPC(Ordinary Portland Cement)의 대체제로서 사용된다(KS L 5405 2016). 플라이애시를 콘크리트에 혼입하면 장기 강도 및 내구성능이 개선되며, 특히 염해 저항성능이 크게 개선되는 것으로 알려져 있다(Nath and Sarker 2011).
	염해에 의한 열화 현상을 제어하는 데 효과적으로 알려져 있는 방법은?	2017). 이러한 염해에 의한 열화 현상을 제어하고자 다양한 연구가 수행되어왔으며 그 중에서도 콘크리트에 혼화재료를 혼입하여 사용하는 방법이 효과적으로 알려져 있다(Kim et al. 2019; Yang et al.
	플라이애시를 콘크리트에 혼입했을 때 생기는 염해 저항성능 개선은 플라이애시의 어떤 특성에 기인하는가?	플라이애시를 콘크리트에 혼입하면 장기 강도 및 내구성능이 개선되며, 특히 염해 저항성능이 크게 개선되는 것으로 알려져 있다(Nath and Sarker 2011). 이는 플라이애시의 주요 특성 중 하나인 포졸란 반응에 기인하며 구형의 입자를 갖고 있으므로 워커빌리티 및 블리딩 개선 등을 기대할 수 있다(Bilodeau et al. 1998).

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Yoon, Y.S., Hwang, S.H., Kwon, S.J. (2019). Evaluation of chloride diffusion characteristics in concrete with fly ash cured for 2 years, Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute, 7(1), 8-15 [In Korean].
Yoon, Y.S., Kwon, S.J. (2018). Evaluation of time-dependent chloride resistance in HPC containing fly ash cured for 1 year, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 22(4), 52-59 [In Korean].
Yoon, Y.S., Ryu, H.S., Lim, H.S., Koh, K.T., Kim, J.S., Kwon, S.J. (2018). Effect of grout conditions and tendon location on corrosion pattern in PS tendon in grout, Construction and Building Materials, 186(2018), 1005-1015.

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저자의 다른 논문 :

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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