[논문]수중불분리성 콘크리트의 해수침식에 대한저항성 평가

문한영; 김성수; 안태송; 이승태; 김종필

수중불분리성 콘크리트의 해수침식에 대한저항성 평가
Assessment on the Seawater Attack Resistance of Antiwashout Underwater Concrete 원문보기

문한영 (한양대학교 토목공학과) , 김성수 (대진대학교 토목공학과) , 안태송 (한국도로공사 도로연구소 재료연구실) , 이승태 (한양대학교 대학원 토목공학과) , 김종필 (대진대학교 대학원 토목공학과)

In case of constructing the concrete structures under seawater environment, the concrete suffers from deterioration due to penetration of various ions such as chloride, sulfate and magnesium in seawater. Tn the present study, Immersion tests with artificial seawater were carried out to investigate the resistance to seawater attack of antiwashout underwater concrete. From the results of compressive strength, it was found that blended cement concrete due to mineral admixtures such as fly ash(FA) and ground granulated blast-furnace slag(SGC), were superior to ordinary portland cement concrete with respect to the resistance to seawater attack. Moreover, XRD analysis indicated that the formed reactants of ordinary portland cement paste by sulfate and magnesium ions led to the deterioration of concrete. As expected, however, the blended cements with FA or SGC have a good resistance to seawater attack. This paper would discuss the mechanism of seawater deterioration and benefical effects of antiwashout underwater concretes with mineral admixtures.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 수중불분리성 콘크리트의 해수 침식에 대한 저항성을 평가하기 위한 기초자료를 확보하기 위하여 국내에서 생산되는 시멘트 중 보통포틀랜드시멘트와 보통포틀랜드시멘트에 플라이애시를 20%, 고로슬래그 미분말을 50%를 각각 치환한 시멘트로써 제조한 콘크리트를 2배농도 인공 해수에 침지한 후, 공 시체의 압축강도 변화를 측정하였다. 또한 X-ray 회절 분석을 통하여 해수침식으 로 인하여 생성된 반응생성물을 관찰하였으며 이러한 실험 결과를 바탕으로 하여 해수환경에 위치한 수중불분리성 콘크리트 구조물의 성능 저하 메카니즘 및 원인에 대하여 고찰하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 수중불분리성 콘크리트의 해수 침식에 대한 저항성을 평가하기 위한 기초자료를 확보하기 위하여 국내에서 생산되는 시멘트 중 보통포틀랜드시멘트와 보통포틀랜드시멘트에 플라이애시를 20%, 고로슬래그 미분말을 50%를 각각 치환한 시멘트로써 제조한 콘크리트를 2배농도 인공 해수에 침지한 후, 공 시체의 압축강도 변화를 측정하였다. 또한 X-ray 회절 분석을 통하여 해수침식으 로 인하여 생성된 반응생성물을 관찰하였으며 이러한 실험 결과를 바탕으로 하여 해수환경에 위치한 수중불분리성 콘크리트 구조물의 성능 저하 메카니즘 및 원인에 대하여 고찰하였다.

대상 데이터

3종류의 수중불분리성 콘크리트 공시체(妇0x20 cm)를 제작하였으며, 콘크리트 배합은 Table 5와 같다.
보통포틀랜드시멘트(이하 OPC로 약함) 및 플라이애시(이하 FA로 약함)와 고로슬래그미분말(이하 SG로 약함)을 사용하였으며, 화학성분 및 물리적 성질은 Table 1과 같다.
수중불분리성 혼화제(이하 AWA 로 약함)는 주성분이 셀룰로오스계 HPMC (Hydroxy-propyl methyl Cellulose)인 증점제를, 고성능감수제(이하 HRWR로 약함)는 셀룰로오스계 수중불분리성혼화제 와 적합성이 좋은 멜라민계를 사용하였다. 혼화제의 화학성분 및 물리적 성질은 Table 3과 같다.
인공해수는 ASTM D 1141에 준하여 Table 4와 같이 2배농도 인공해수(이하 인공해수로 약함)를 제조하였으며, 재령이 증가함에 따라 용액이 묽어지는 점을 고려하여 4주마다 새롭게 제조한 인공해수로서 교체하여 사용하였다.
잔골재는 바다모래를 세척한 세척해 사를 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 25mm인 쇄석을 사용하였다. 골재의 물리적 성질은 Table 2와 같다.

이론/모형

010x20cm의 원주형 공시 체를 제작 2일 후 탈형 하여 강도 200kg/cm2이상이 발현될 때까지 수중에서 표준양생 후 인공해수에 침지하여 소정의 재령에서 압축강도를 KS F 2405에 의하여 측정하였으며, 성능 저하 지수(Deterioration Factor)를 다음의 식으로 계산하였다.
인공해수에 침지 시킨 시멘트 페이스트를 분말법에 의하여 X-ray 회절 분석을 실시하였다. 이때, 측정 조건은 CuK a (Nikel filter) : 36kv, 20mA, Sccanning Speed : 5° /min, Full Scale : 7000cps, 2 0 : 5~60° 로 하였다.

성능/효과

(1) 3종류 수중불분리성 콘크리트를 인공해수에 91일 동안 침지하여 압축강도를 측정한 결과, 보통포틀랜드시멘트 콘크리트의 압축강도가 인공해수 중 유해 이온의 침투로 인한 반응생성물의 영향으로 재령에 관계없이 혼합시멘트계 콘크리트의 압축강도보다 작은 결과를 나타내었다.
(2) 인공해수에 침지한 보통포틀랜드시멘트 콘크리트의 성능 저하지수는 침지재령 91일에서 22.1%로써 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 혼합한 콘크리트의 8.9 및 3.7%보다 각각 약 2.5 및 6.0배의 높은 값을 나타내므로써 해수 침식에 의한 성능 저하가 가장 크게 일어났음을 알 수 있다.
(3)인 공해수에 91일간 침지한 시멘트 페이스트의 반웅생성물을 XRD분석한 결과, SO₄₂; Mg2+ 및 Cl- 이온의 영향으로 ettringite, gypsum, bructhe 및 Friedel's salt의 피크가 검출되었다. 혼합시멘트계 페이스트의 반응생성물이 피크 강도가 보통 포틀랜드 시멘트 페이스트의 경우보다 작음을 알 수 있다.
Fig. 1에서 담수에 침지한 3종류 수중불분리성 콘크리트의 압축강도는 재령에 따라 증가하였으며 침 지재령 56일 이후에서 SGC 콘크리트의 압축강도 발현이 가장 좋은 결과를 나타내었다.
4는 OPC 페이스트의 해수 침식으로 인한 반응생성물의 XRD 분석 결과를 나타낸 것으로써 인공해수 중에 함유되어 있는 SO? 이온의 영향으로 ettringite 및 gypsum의 피크가 나타났으며 Mg?+이온과 시멘트 수화물의 반응으로 생성된 brucite의 피크도 관찰할 수 있었다. 또한 인공해수 중의 C「이온이 시멘트 경화체 속으로 침투하므로써 생성된 Friedefs salt도 확인할 수 있었으며 해수의 작용으로 인한 thaumasite의 피크도 나타났음을 확인할 수 있었다. 특히 OPC 페이스트의 portlandite 피크강도가 FAC 및 SGC 페이스트보다 크게 나타나므로써 이후의 재령에서 해수 중 유해 이온과의 반응으로 인한 성능 저하 현상이 더 심화될 것으로 생각된다.
3은 담수에 침지한 콘크리트의 압축강도에 대한 인공해수에 침지한 콘크리트의 압축강도를 성능 저하지수(DF)로 나타내어 정리한 것으로써 침지 재령에 관계없이 OPC 콘크리트의 DF가 혼합시멘트계 콘크리트보다 크게 나타남을 알 수 있다. 한편 FAC 및 SGC 콘크리트의 경우, 해수의 유해 이온에 의한 반응생성물이 콘크리트의 공극을 메우기 때문에 침지재령 56일까지의 DF가 음(-)의 값으로 나타났으며 침지재령 91일에서 OPC 콘크리트의 DF는 22.1%로써 FAC 및 SGC 콘크리트의 8.9 및 3.7%보다 각각 약 2.5 및 6.0배의 높은 값을 나타냄을 알 수 있었다.
특히 OPC 페이스트의 portlandite 피크강도가 FAC 및 SGC 페이스트보다 크게 나타나므로써 이후의 재령에서 해수 중 유해 이온과의 반응으로 인한 성능 저하 현상이 더 심화될 것으로 생각된다. 한편 침지재령 91일에서 혼합시멘트계 페이스트의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이 Fig. 4 및 Fig. 5로써, 이 그림에서 알 수 있듯이 FAC 페이스트는 플라이애시를 혼합한 탓으로 ettringite 및 gypsum의 피크 강도가 작게 나타났으며 SGC 페이스트의 경우 고로슬래그 미분말을 혼합하여 사용하므로써 portlandite의 피크가 현저히 줄어듦을 알 수 있었다.
한편, 인공해수에 침지한 수중불분리성 콘크리트는 침지재령 91일에서 해수 중의 유해 이온에 의한 침식으로 인하여 압축강도가 감소하는 현상이 나타남을 알 수 있었다. 특히 OPC 콘크리트의 경우, 침지 재령 91일에서의 압축강도가 272 kg/cm2 정도로써 오히려 침지재령 28일의 압축강도보다도 작게 나타났다.

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