[논문]장기재령 콘크리트의 할렬면에서 알칼리농도에 의한 페놀프탈레인 용액의 변색

박현; 이종록; 김광기; 김우재; 김정섭; 정상진

제안 방법

이때 변색되는 정도를 깊이별 페놀프탈레인 용액으로 인하여 발생되는 변색에 관한 착색의 상태를 기준으로 붉은색과 선홍색, 그리고 무색으로 구분하여 그 깊이를 측정하였다. 아울러, 탄산화 깊이를 참고하여 할렬된 한쪽의 면을 사용하여 컷팅(탄산화 부분, 선홍색의 반점 형성부, 선홍색 부분, 붉은색 부분) 후 미분쇄시켜 24시간동안 증류수에 침지 시킨 후의 알칼리농도를 측정하였다.
그리고 건축물의 열화현상을 확인하기 위한 실험방법으로서 KS M 8001에 따라 1%의 페놀프탈레인 용액으로 코어 시험체의 할렬면에 분무하여 변색되지 않은 깊이를 측정하였다. 이때 변색되는 정도를 깊이별 페놀프탈레인 용액으로 인하여 발생되는 변색에 관한 착색의 상태를 기준으로 붉은색과 선홍색, 그리고 무색으로 구분하여 그 깊이를 측정하였다. 아울러, 탄산화 깊이를 참고하여 할렬된 한쪽의 면을 사용하여 컷팅(탄산화 부분, 선홍색의 반점 형성부, 선홍색 부분, 붉은색 부분) 후 미분쇄시켜 24시간동안 증류수에 침지 시킨 후의 알칼리농도를 측정하였다.
이에 표 1과 그림 1와 같이 동일한 위치에서 1층~지붕층의 Slab를 화재부위와 일반부위로 구분하여 조사하였다.
할렬된 코어 시험체를 대상으로 페놀프탈레인 용액에 의한 변색 범위에 대하여 온도 20±3℃, 습도 60±5%, CO2 농도 10±2%의 조건으로 4주간 탄산화 촉진시킨 시험체와 비교하였다. 그 결과 탄산화 촉진 깊이에 있어 설계기준강도 24MPa, W/C 50%를 갖는 콘크리트 시험체는 약 5mm, 1:2의 W/C 50% 모르타르는 약 6mm 정도의 탄산화 깊이를 나타내었다.

이론/모형

그리고 건축물의 열화현상을 확인하기 위한 실험방법으로서 KS M 8001에 따라 1%의 페놀프탈레인 용액으로 코어 시험체의 할렬면에 분무하여 변색되지 않은 깊이를 측정하였다. 이때 변색되는 정도를 깊이별 페놀프탈레인 용액으로 인하여 발생되는 변색에 관한 착색의 상태를 기준으로 붉은색과 선홍색, 그리고 무색으로 구분하여 그 깊이를 측정하였다.

성능/효과

구조부재의 열화정도를 확인한 결과 Column과 Beam보다 Slab는 비교적 균일한 탄산화 깊이와 피복두께를 나타내어 콘크리트의 알칼리의 변색 범위에 따른 차이를 확인하기 위한 본 연구에서의 실험오차를 최소화 시킬 것으로 판단되었다.
할렬된 코어 시험체를 대상으로 페놀프탈레인 용액에 의한 변색 범위에 대하여 온도 20±3℃, 습도 60±5%, CO2 농도 10±2%의 조건으로 4주간 탄산화 촉진시킨 시험체와 비교하였다. 그 결과 탄산화 촉진 깊이에 있어 설계기준강도 24MPa, W/C 50%를 갖는 콘크리트 시험체는 약 5mm, 1:2의 W/C 50% 모르타르는 약 6mm 정도의 탄산화 깊이를 나타내었다. 또한, 사진 2와 같이 탄산화 촉진에 의한 중성 부분이 일직선의 상태로 나타나 콘크리트의 알칼리도에 관한 명확한 범위를 확인할 수 있었다.
그러나, 대상 건축물에서 채취한 코어 콘크리트의 착색경계는 페놀프탈레인의 변색에 관한 농도가 상이한 것으로 나타나본 연구를 통하여 확인하고자 하는 외기노출 콘크리트의 알칼리 범위가 상이함을 확인할 수 있었다. 즉, 착색의 범위에 있어 사진 3과 같이 시험체 하부에서 가장 진한 붉은색으로 착색되고 시험체의 상향부로 진행 될수록 선홍색, 그리고 국부적인 선홍색의 반점 형태로 나타나는 차이점을 통하여 알칼리 농도가 페놀프탈레인 용액의 착잭경계에 의하여 다르게 분포하고 있음을 확인하였으며, 이러한 착색경계에 대하여 사진 4와 같이 알칼리 범위를 유추할 수 있었다.
또한, 각 층의 Slab 콘크리트의 착색 경계별 범위를 확인하면 그림 2와 같이 외기폭로 면으로부터 일정 깊이를 갖는 탄산화 영역과 선홍색의 반점이 형성되는 부분과 선홍색을 띄는 부분, 그리고 강알칼리성으로 착색되는 붉은색으로 표시되는 부분으로 구분된 것을 확인하였다. 이러한, 착색의 구분별 깊이는 탄산화 깊이의 차이에 따라 상이하게 나타났으나 동일한 층에서 채취한 콘크리트에서의 착색경계는 비교적 유사한 것으로 나타났다.
그 결과 탄산화 촉진 깊이에 있어 설계기준강도 24MPa, W/C 50%를 갖는 콘크리트 시험체는 약 5mm, 1:2의 W/C 50% 모르타르는 약 6mm 정도의 탄산화 깊이를 나타내었다. 또한, 사진 2와 같이 탄산화 촉진에 의한 중성 부분이 일직선의 상태로 나타나 콘크리트의 알칼리도에 관한 명확한 범위를 확인할 수 있었다.
Slab의 각 층별 탄산화 깊이는 표 5와 같이 4층의 화재부에서 약 50mm 정도를 나타내어 가장 큰 탄산화 깊이를 나타냈으며, 1층의 Slab는 가장 작은 25mm 정도를 나타내었다. 또한, 화염을 받은 Slab는 기존 부위와 비교하여 탄산화 깊이가 약 10mm 정도 큰 것으로 나타났다. 이는 일반적으로 400~500℃ 정도로 가열되면 수산화칼슘의 탈탈산반응으로 인하여 알칼리성의 손실된 것으로 판단할 수 있으며, 그리고 층별 콘크리트 피복두께의 차이에 기인한 것으로 판단되었다.
본 연구에서 대상으로 하는 건축물은 표 4와 같이 철근 콘크리트 라멘조 형식으로서 피복두께의 불량으로 인한 철근 발청에 기인하는 균열과 콘크리트의 단면결손 등을 확인하고 사진 3과 같이 일부 Beam에서는 전단균열이 진행되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한, Slab는 회반죽으로 마감 되어 있었으며, 연도추정 미상의 화재 흔적이 2~4층 사이에 국부적으로 발생하고 특히, 다른 부재와 비교하여 열화의 진행정도가 심각한 것으로 조사되었다.
산-염기반응으로 판별하는 페놀프탈레인 용액에 의한 변색 법은 콘크리트의 알칼리농도에 기인하고 있는 것으로 확인할수 있었다. 이를통하여 외기에 노출되어 장기재령이 경과된 콘크리트의 변색 구분은 외기 노출면으로부터 내부측으로 채도가 상이한 선홍색 반점, 선홍색, 붉은색으로 구분되는 착색 경계를 확인할 수 있었다.
이를통하여 외기에 노출되어 장기재령이 경과된 콘크리트의 변색 구분은 외기 노출면으로부터 내부측으로 채도가 상이한 선홍색 반점, 선홍색, 붉은색으로 구분되는 착색 경계를 확인할 수 있었다. 이러한 착색경계의 차이는 알칼리 농도를 지배하는 수산화칼슘의 존재 유ㆍ무에 기인하는 것으로 판단할 수 있으며, 각 경계의 알칼리농도를 측정한 결과에서도 표면의 탄산화부에서 내부측으로 깊어질수록 알칼리농도가 높은 것으로 나타났다.
이로서 본 건축물의 콘크리트는 탄산화 현상으로 인한 내부 철근의 발청이 가속화 된 것으로 판단되었으며, 이를 일본건축학회에서 지정하고 있는 ｢철근콘크리트조 건축물의 내구성 조사ㆍ진단 및 보수 지침(안)ㆍ동해설｣에 근거하여 등급을 표시하면 탄산화 현상의 진행 정도는 대, 철근의 발청 정도는 Ⅳ 등급으로서 열화 현상이 심화된 상태임을 확인할 수 있었다.
8 정도의 알칼리농도 차이를 나타내어 페놀프탈레인 용액이 반응하는 정도에 따라 알칼리농도가 높은 것으로 나타났다. 이로서 외기노출 콘크리트에서 페놀프탈레인 용액을 통한 변색의 차이는 알칼리농도의 차이에 기인하는 것으로 판단할 수 있었다.
산-염기반응으로 판별하는 페놀프탈레인 용액에 의한 변색 법은 콘크리트의 알칼리농도에 기인하고 있는 것으로 확인할수 있었다. 이를통하여 외기에 노출되어 장기재령이 경과된 콘크리트의 변색 구분은 외기 노출면으로부터 내부측으로 채도가 상이한 선홍색 반점, 선홍색, 붉은색으로 구분되는 착색 경계를 확인할 수 있었다. 이러한 착색경계의 차이는 알칼리 농도를 지배하는 수산화칼슘의 존재 유ㆍ무에 기인하는 것으로 판단할 수 있으며, 각 경계의 알칼리농도를 측정한 결과에서도 표면의 탄산화부에서 내부측으로 깊어질수록 알칼리농도가 높은 것으로 나타났다.
그러나, 대상 건축물에서 채취한 코어 콘크리트의 착색경계는 페놀프탈레인의 변색에 관한 농도가 상이한 것으로 나타나본 연구를 통하여 확인하고자 하는 외기노출 콘크리트의 알칼리 범위가 상이함을 확인할 수 있었다. 즉, 착색의 범위에 있어 사진 3과 같이 시험체 하부에서 가장 진한 붉은색으로 착색되고 시험체의 상향부로 진행 될수록 선홍색, 그리고 국부적인 선홍색의 반점 형태로 나타나는 차이점을 통하여 알칼리 농도가 페놀프탈레인 용액의 착잭경계에 의하여 다르게 분포하고 있음을 확인하였으며, 이러한 착색경계에 대하여 사진 4와 같이 알칼리 범위를 유추할 수 있었다.
즉, 페놀프탈레인용액을 활용한 판별법이 알칼리농도가 페놀프탈레인의 변색범위 위에 있어 중성 부분을 판정하는 것이 아니라 콘크리트중의 수산화칼슘이 탄산칼슘으로 되었는가를 구별하는 것이라는 기존 문헌에 의한다면 이러한 혼재된 부분에서도 수산화칼슘이 존재하는 것으로 구분할 수있으며, 본 연구에서도 표면에서 깊어질수록 알칼리 농도가 향상된 것을 확인할 수 있었다.
콘크리트 내부의 수산화칼슘에 의존하는 알칼리 농도를 측정한 결과 전층의 탄산화 영역부에서는 8.4~9.2 정도를 나타내고 알칼리 영역인 붉은색으로 착색된 부위로 진행 될수록 알칼리농도가 그림 4와 같이 향상되는 것으로 나타났다. 특히, 착색 범위별 알칼리농도의 차이를 확인하면, 전층에 있어 탄산화부(C)-알칼리부(R)는 pH 0.
2 정도를 나타내고 알칼리 영역인 붉은색으로 착색된 부위로 진행 될수록 알칼리농도가 그림 4와 같이 향상되는 것으로 나타났다. 특히, 착색 범위별 알칼리농도의 차이를 확인하면, 전층에 있어 탄산화부(C)-알칼리부(R)는 pH 0.7~1.7를 나타내었으나 선홍색의 반점이 나타나는 부분(P-1)-알칼리 부는 pH 0.7~1.1, 선홍색부분(P)-알칼리 부분은 pH 0.5~0.8 정도의 알칼리농도 차이를 나타내어 페놀프탈레인 용액이 반응하는 정도에 따라 알칼리농도가 높은 것으로 나타났다. 이로서 외기노출 콘크리트에서 페놀프탈레인 용액을 통한 변색의 차이는 알칼리농도의 차이에 기인하는 것으로 판단할 수 있었다.
특히, 탄산화 깊이 측정을 위한 페놀프탈레인 용액이 지시약의 용도로서 산-염기 반응을 통한 착색을 주도하는 것을 감안한다면, 착색경계별 알칼리농도의 차이는 콘크리트 내부에서 수화물의 형태로 존재하는 수산화칼슘이 존재하고 있음을 유추할 수 있었다. 따라서, 페놀프탈레인 용액의 분무를 통하여 콘크리트의 변색부의 착색부분의 경계가 불선명하고, 붉은 착색부분과 무착색 부분의 사이에 얇은 선홍색의 부분이 조사되었다.

후속연구

이러한 결과를 통하여 장기재령 콘크리트의 알칼리 범위를 붉은색으로 변색되는 경계만을 산정하는 것은 탄산화 현상에 기인하는 내구연수 산정 시 오류를 범할 수 있을 것으로 판단되므로 이에대한 적절한 측정방법과 평가기준이 제시될 필요가 있을 것으로 판단되었다.
따라서, 콘크리트의 탄산화 현상을 측정함에 있어 현상학적인 측면에서 발생하는 콘크리트의 착색경계에관한 명확한 자료를 필요로 한다. 이에 본 연구에서는 페놀프탈레인 용액을 장기재령 콘크리트에 분무하여 나타나는 변색 범위를 실증적 입장에서 분석할 필요성이 있다.

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