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문제 정의
- 화학적인 특성과 균열, 피복두께 등을 같이 연계하여 평가된 연구는 미흡한 실정에 있다. 따라서 본 연구에서는 실제 염해환경에서 콘크리트 경화체의 역학적 특성과 내부에 침투한 염 분함량의 경시변화, 철근 부식상태 등의 상관관계를 보다 정량적으로 파악하고 향후 2, 3단계 신공항 건설공사와 콘크리트내구성 향상을 위한 기초자료로 삼고자, 2Q00년부터 신공항 인근의 조수간만대에서 옥외폭로 시험을 진행하고 있으며, 본 연구에서는 수행내용과 그 중간결과를 보고하고자 한다.
- 본 연구에서는 콘크리트 내염성 평가를 위하여 1단계 신공항건설 사업의 내염 콘크리트 사용조건 을 근간으로 사용 시멘트 type과 혼화재료, 방청혼화제 첨가량 등을 주요 대상으로 검토하였다. 본 연 구에서 검토한 실험인자와 검토수준은 표 1과 같다.
제안 방법
- 각 콘크리트 배합종류 및 철근피복두께별로 각주형 공시체에 매입된 원형철근에 대하여 콘크리트의 부식유무를 관찰하였다.
- 장기간에 걸친 옥외폭로시험을 위한 장소는 지속적인 건습작용이 반복되어 해수에 의한 열화가 가장 심한 부위인 인천국제공항 북측방조제 사면의 조수간만대에 위치하였다. 공시체가 놓여질 거치대는 사진 1과 같이 강재로 제작하여 중방식 도장을 한 후 방조제 사면에 콘크리트 타설과 앵커볼트를 이용하여 고정하였다. 사진 2와 3은 공시체가 거치대에 놓여진 후 밀물에 따라 해수에 잠기는 상태를 나 타낸 것이다.
- 해양노출시간에 따른 염분 침투량의 경시변화를 평가하기 위한 시험 은 28일 양생 후 각주형 공시체는 노출부 한면만을 제외하고는 전체면을 모두 “폴리머 시멘트페이스트 + 에폭시”로 이중으 로 코팅하여 해수와의 접촉을 차단하고, 일방향으로만 염분침투가 되게 하였다. 균 열발생에 따른 열화평가 시험은 원주형 공시체 단면에 마이크로 균열경을 부착한 후 할렬인장으로 소요 균열폭이 되게 균열을 유발시킨 후 최초의 균열상태가 유지되도록 별도로 제작된 조임틀로 시험체를 고정시켰다. 해수 노출을 위한 균열면 일부를 제외하고는 각주형 공시체와 같이 전면을 코팅한 후 폭로시험을 하였다.
- 콘크리트 각 사용재료조건별 내염성 평가를 위한 기본 배합규격은 1단계 신공항건설 사업에서 지하구조물에 사용된 25- 280-15 내염설계 배합을 대상으로 실험을 하였다. 아울러 강도수준(물-시멘트비)에 따른 내염특성도 같이 비교하였다.
- 콘크리트 중의 염화물 함량은 매입철근의 부식관찰을 위해 파쇄된 각주형 시험편을 사용하였다. 염분함량은 콘크리트 표면으로부터 깊이 0〜 10mm, 10~20mm, 20~30mm, 30~40mm 으로 다이아몬 드 컷터로 분리한 후 KS M 0100, 32.3항의 방법에 따라 분석하였다.
- 균 열발생에 따른 열화평가 시험은 원주형 공시체 단면에 마이크로 균열경을 부착한 후 할렬인장으로 소요 균열폭이 되게 균열을 유발시킨 후 최초의 균열상태가 유지되도록 별도로 제작된 조임틀로 시험체를 고정시켰다. 해수 노출을 위한 균열면 일부를 제외하고는 각주형 공시체와 같이 전면을 코팅한 후 폭로시험을 하였다. 이때 모든 시험체는 해양환경에 원 시험체 상태로 폭로시 장시 간 후에는 각종 해양조류와 갑각류들에 의해 공시체가 원형을 유지하기 어렵고 파손될 위험이 있으며, 공시체간의 접촉에 따른 코팅부의 손상우려가 있어 부직포(토목섬유)로 제작된 주머니에 넣어 밀봉한 후 옥외폭로대에 거치하였다.
- 해수 중의 염화물과 황산염 이온 및 각종 염류들의 영향에 따라 열화작용을 받는 콘크리트의 반 응생성물을 X-Ray Diffractionmeter(XRD, Philips Co., PW-1710)분석하였다.
- 해양의 옥외폭로대에 거치할 시험체의 제작은 표 3과 같이 크게 3가지로 구분하 여 제작하였다. 해양노출시간에 따른 염분 침투량의 경시변화를 평가하기 위한 시험 은 28일 양생 후 각주형 공시체는 노출부 한면만을 제외하고는 전체면을 모두 “폴리머 시멘트페이스트 + 에폭시”로 이중으 로 코팅하여 해수와의 접촉을 차단하고, 일방향으로만 염분침투가 되게 하였다. 균 열발생에 따른 열화평가 시험은 원주형 공시체 단면에 마이크로 균열경을 부착한 후 할렬인장으로 소요 균열폭이 되게 균열을 유발시킨 후 최초의 균열상태가 유지되도록 별도로 제작된 조임틀로 시험체를 고정시켰다.
- 해양의 옥외폭로대에 거치할 시험체의 제작은 표 3과 같이 크게 3가지로 구분하 여 제작하였다. 해양노출시간에 따른 염분 침투량의 경시변화를 평가하기 위한 시험 은 28일 양생 후 각주형 공시체는 노출부 한면만을 제외하고는 전체면을 모두 “폴리머 시멘트페이스트 + 에폭시”로 이중으 로 코팅하여 해수와의 접촉을 차단하고, 일방향으로만 염분침투가 되게 하였다.
대상 데이터
- 장기간에 걸친 옥외폭로시험을 위한 장소는 지속적인 건습작용이 반복되어 해수에 의한 열화가 가장 심한 부위인 인천국제공항 북측방조제 사면의 조수간만대에 위치하였다. 공시체가 놓여질 거치대는 사진 1과 같이 강재로 제작하여 중방식 도장을 한 후 방조제 사면에 콘크리트 타설과 앵커볼트를 이용하여 고정하였다.
- 콘크리트 각 사용재료조건별 내염성 평가를 위한 기본 배합규격은 1단계 신공항건설 사업에서 지하구조물에 사용된 25- 280-15 내염설계 배합을 대상으로 실험을 하였다. 아울러 강도수준(물-시멘트비)에 따른 내염특성도 같이 비교하였다.
- 콘크리트 중의 염화물 함량은 매입철근의 부식관찰을 위해 파쇄된 각주형 시험편을 사용하였다. 염분함량은 콘크리트 표면으로부터 깊이 0〜 10mm, 10~20mm, 20~30mm, 30~40mm 으로 다이아몬 드 컷터로 분리한 후 KS M 0100, 32.
이론/모형
- 콘크리트 시험편은 물로 세척한 후, 다이아몬드 연마기로 콘크리트 면을 연마하였다. 연마된 시 험편을 유황으로 캡핑하고 KS F 2405 콘크리트 압축강도시험의 규정에 따라 수행하였다.
- 콘크리트 탄성계수는 콘크리트에 strain gage를 부착한 후 Datalogger (UCAM-5BT)를 이용하여 응력에 따른 하중-변위를 측정하여 KS F 2438의 탄성계수 시험방법에 따라 구하였다.
성능/효과
- 12개월 경과 후의 콘크리트 표층(0〜lOrmn)과 내부(20〜30mm)의 반응생성물을 X-ray 회절기로 분석한 결과 표층부에서는 주로 콘크리트 침식을 일으키는 성분중의 하나인 에트린자이트가 일부 생 성된 것으로 나타났으며, Friedel's salt 생성도 확인되었다. 그러나 시멘트 광물조성 중 C3A 함량이 작은 5종 시멘트는 1종 시멘트와는 달리 에트린자이트, Fridel's salt 등이 검출되지 않았다.
- 거치된 콘크리트는 모두 건전한 상태를 보여주고 있으며, 압 조수간만대의 폭로시험대에 12개월간 축강도와 탄성계수는 28일—6개* 월- 12개월로 재령경과에 따라 점진적으로 증가되는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 재령과 콘크리트 강도간의 관계 가。= A .
- 균열이 없는 각주형 콘크리트에 매입한 철근에서는 6개월 및 12개월 침 지 후에도 모든 시편에서 피복두께 및 배합에 상관없이 철근의 부식이 발생 되지 않았다. 그러나 균열을 인위적으로 유발한 후 12개월이 경과된 시편에서는 사진 4와 같이 피복두께가 약 65mm 인데도 불구하고 균열폭이 0.3 mm인 조건에서는 5종 시멘트 단독 사용조건인 CR-1 이 많은 부식을 나타냈으며, 내염설계 배합인 CR-3(5종 시멘트+슬래그 25%+방청제)에서도 미세한 발청이 발생되었다. 그러나 동일 내염배합조건으로 균열폭이 0.
- 7kg/m'으로 높게 나타나고 있어 염화물함량의 침투가 빠르 게 진행되는 것을 알 수 있다. 따라서 콘크리트의 염화물 침투 저항성을 향상시키기 위해서는 적절한 단 위 시멘트의 증가(콘크리트의 부배합)나 낮은 물시멘트비 확보가 필요하다는 것을 재확인 할 수 있었다
- 조수간만대에 12개월간 침지한 시험편에 대한 중간 옥외폭로 시험결과 콘크리트 염분량은 재령 경과에 따라 염분(CD의 침투가 진행되고 있으며, 초기단계이지만 슬래그와 방청제의 사용이 콘크리트의 내염성을 향상시키는데 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 콘크리트중의 염분은 균열을 통해 내 부로 침투하며 염분침투량은 균열폭과도 관계가 있는 것으로 나타났다. 방청제의 사용도 어느 한도의 염화물 함량에서는 철근방청효과가 확인되었다.
- 1 kg/mJ 으로 비교적 높은 수치를 나타내고 있으나 20-30 mm 깊이까지는 아직 염화물이 침투되지 않은 상태를 보여주고 있다. 사용 시멘트 type에 따라서는 표층부에서는 1종 시멘트가 5종 시멘트에 비해 염화물함량이 적은 결과를 보여주고 있으나 10mm 깊이 이상에서는 1종 및 5종 시멘트간의 염화물 침투량은 동등한 수준인 것으로 나타났다.
- 슬래二t 첨가량에 따른 영향은 비교적 뚜렷한 경향을 나타내고 있어, 슬래그 첨가량의 증가에 따라 표층부를 포함하여 염화물 침투량이 전반적으로 감소하는 경향을 보여주고 있다, 특히 깊이 20mm 부위에서는 슬래그 무첨가 수준이 염화물 함량이 2.8 kg/m'로 높은데 비해 슬래그를 첨가량의 증가에 따라서 염화물 침투량은 0.8〜03kg/m' 수준으로 크게 감소하는 경향을 나타내고 있다. 염화 물 이온 침투저항성 측면에서 슬래그 첨가량은 25-40% 범위가 가장 양호한 것으로 나타났으며, 이상 첨가에서는 동등 수준으로 나타났다.
- 8〜03kg/m' 수준으로 크게 감소하는 경향을 나타내고 있다. 염화 물 이온 침투저항성 측면에서 슬래그 첨가량은 25-40% 범위가 가장 양호한 것으로 나타났으며, 이상 첨가에서는 동등 수준으로 나타났다. (그림.
- 조수간만대에 12개월간 침지한 시험편에 대한 중간 옥외폭로 시험결과 콘크리트 염분량은 재령 경과에 따라 염분(CD의 침투가 진행되고 있으며, 초기단계이지만 슬래그와 방청제의 사용이 콘크리트의 내염성을 향상시키는데 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 콘크리트중의 염분은 균열을 통해 내 부로 침투하며 염분침투량은 균열폭과도 관계가 있는 것으로 나타났다.
- 5 kg/m1 으로 높게 나타났다. 철근에 부식이 발생된 CR-1, CR-3 조건은 철근매설 부위의 염화물 함량이 5〜3kg/nf 으로 매우 높은 수준으로 나타났으며, 철근부식이 발생되지 않은 CR-2, CR-4 조건도 철근매설 부위의 염화물 함량이 1.8〜 1.5kg/m‘ 로 규제치인 0.3kg/m' 보다 높은 수준으로 나타났다. 고 염분함량에서 철근부식이 발생되지 않은 것은 철근 방청용 혼화제의 효과에 기인되는 것으로 판단되지만 철근부위에서의 염화물 함량이 3.
- 콘크리트에 인위적으로 균열을 유발시킨 후 12개월간 해양환경에 침지시킨 콘크리트 시험체 내 부의 염분함량은 균열발생에 따라 철근매설 위치인 깊이 65mm 까지도 염화물이 침투되어 염화물 이 온함량이 5-1.5 kg/m1 으로 높게 나타났다. 철근에 부식이 발생된 CR-1, CR-3 조건은 철근매설 부위의 염화물 함량이 5〜3kg/nf 으로 매우 높은 수준으로 나타났으며, 철근부식이 발생되지 않은 CR-2, CR-4 조건도 철근매설 부위의 염화물 함량이 1.
- 해양환경에 12개월간 폭로한 시험초기의 현시점에서 속단할 수는 없으나, 시멘트의 일부를 슬래:1 미분말을 첨가하는 것이 콘크리트의 염화물 이온침투 저항에 좋은 효과가 있었다.
후속연구
- 방청제의 사용도 어느 한도의 염화물 함량에서는 철근방청효과가 확인되었다. 그러나 시험초기인 12개월 시점에서 사용 시멘트 type에 따른 평가는 장기재령까지의 성능평가를 통해 그 효과를 최종 유추해야 될 것으로 판단되며, 본 연구의 종료시점인 2005년 말까지 지속적으로 폭로시험체에 대한 분석이 진행될 예정으로 있어 앞으로 콘크리트의 사용재료 및 배합조건에 따른 염해특성에 대하여 보다 정확한 결과를 보고할 예정이다.
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