초록 ▼

IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
농업기반 콘크리트 수리구조물은 초기투자비를 낮추기 위해 설계기준강도가 낮은 콘크리트를 사용하여 수명이 단기화 되고 있다. 또한 주로 동절기 단기간에 수행해야하는 열악한 공사여건 등에 의한 품질변동폭 과다와 사용 중 계속적 건습 반복과 같은 열악한 환경 등이 수명단축을 부채질하고 있다.
이처럼 정책수립ㆍ설계ㆍ시공ㆍ사용 단계별로 내재된 내구성 저하원인을 각각 분석하고, 이의 해결에 필요한 기술, 즉 내구성 향상 기술을 개발하며, 개발된 기술을 각 단계별로 어떻게 적용할 것인지를 요약

IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
농업기반 콘크리트 수리구조물은 초기투자비를 낮추기 위해 설계기준강도가 낮은 콘크리트를 사용하여 수명이 단기화 되고 있다. 또한 주로 동절기 단기간에 수행해야하는 열악한 공사여건 등에 의한 품질변동폭 과다와 사용 중 계속적 건습 반복과 같은 열악한 환경 등이 수명단축을 부채질하고 있다.
이처럼 정책수립ㆍ설계ㆍ시공ㆍ사용 단계별로 내재된 내구성 저하원인을 각각 분석하고, 이의 해결에 필요한 기술, 즉 내구성 향상 기술을 개발하며, 개발된 기술을 각 단계별로 어떻게 적용할 것인지를 요약한 것이 < 그림 1 >이다.
1. 콘크리트 수리구조물의 내구성 증대기술 개발
농업기반 콘크리트 수리구조물의 내구성을 증대시키기 위해서는 우선적으로 내구연한이 짧은 원인을 규명하고 그 대책을 수립해야 한다. 내구성이 낮은 원인을 규명하기 위해서 분석대상 구조물로서 콘크리트 수리구조물 중 시공중 품질변동폭이 비교적 적었을 것이라고 믿어지는 농업용 저수지 부속구조물을 택하되 전국적으로 사용연 한 10∼35년 된 100개 저수지를 선정하여 현장정밀조사를 수행하였다.
정밀현장조사에서 수집한 설계자료를 분석한 결과 가장 많이 조사된 설계기준강도 자료는 180㎏f/㎠이었으나, 채취한 콘크리트 코어의 압축강도는 평균 162㎏f/㎠, 표준편차 34㎏f/㎠로 분석되었으며, 하위 5%는 106㎏f/㎠으로 분석되었다. 또한 배합비 역추정 기법을 통하여 추정된 대표 배합비로 공시체를 제작하고 재령 28일에 압축강도를 측정하였을 때 196㎏f/㎠으로 나타났다. 이 압축강도를 시공당시의 콘크리트 초기강도로 볼 때, 초기강도 196㎏f/㎠인 콘크리트가 사용연한 10∼35년 동안에 점차 노화되어 드디어 평균강도 162㎏f/㎠까지 낮아진 것으로 볼 수 있다. 즉, 약 17%의 강도감소가 발생된 것이다. 일반적으로 표준양생한 콘크리트의 재령별 압축강도는 재령이 증가할수록 증가하는 것으로 알려져 있다. 그러나 구조물이 사용기간 동안 노후작용을 받을 경우 압축강도는 감소하게 되는데, 그 감소폭은 콘크리트의 품질과 사용중의 구조물 환경에 따라 달라질 수 있다. 따라서 최대 사용연한인 35년 동안 콘크리트 수리구조물의 압축강도 감소율로서 17%를 가정한다면 저수지의 목표내구연한 60년 동안에 설계기준강도 180㎏f/㎠을 유지하기 위해서는 초기강도가 255㎏f/㎠이상 되어야 한다고 볼 수 있다.
현장정밀조사 자료를 이용하여 개발된 또 하나의 기술이 콘크리트 수리구조물의 잔존수명예측 모델이다. 구조물 콘크리트는 사용연한이 커짐에 따라 중성화되어 콘크리트내에 탄산칼슘량이 증가한다. 탄산칼슘이 증가하여 콘크리트가 철근의 부식을 막아주는 능력을 잃게 되면 철근에 부식이 발생하여 결국은 구조물이 수명을 다하게 된다. 따라서 현재의 탄산칼슘량과 부식이 발생되는 임계점의 탄산칼슘량을 알면 남아있는 수명을 예측할 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 100개 정밀조사 대상지구에서 사용연한에 따른 탄산칼슘의 함량변화를 이끌어내고, 임계탄산칼슘의 함량을 결정함으로써 저수지 부속 콘크리트 구조물의 잔존수명예측 시스템을 다음과 같이 개발하였다.
콘크리트 수리구조물의 내구성 조기판정 기법 개발
현장정밀조사 대상 구조물은 40mm 강자갈을 사용하여 현장에서 타설한 콘크리트였다. 그러나 최근의 구조물은 대부분 25mm 쇄석을 이용한 레미콘을 타설하여 축조한다. 이에 따라 내구성 조기평가기법은 전국적인 레미콘 조사자료를 토대로 내구성 평가실험을 수행하고, 단기간의 공사기간내에 내구성을 평가할 수 있는 시험법을 개발하였다.
이를 위해서, 전국의 레미콘 자료를 조사․분석하여 대표 배합비로 21가지 선정하였다. 내구성 실험은 콘크리트 수리구조물에서 가장 많이 발생되는 열화작용인 동결융해, 중성화, 철근부식을 고려하여 동결융해 저항성, 염소이온 투과저항성, 부식 저항성실험을 대표배합비 21가지에 대하여 각각 수행하였다. 각각의 배합비별로 역학적특성과 내구적 성질을 비교․분석하였으며, 그 결과의 예를 < 그림 2 >와 같이 정리함으로서 실험시간이 많이 소요되는 동결융해 저항성을 실험시간이 적게 걸리는 염소이온 투과 저항성으로 평가할 수 있도록 개발하였다.
동결융해저항성, 염소이온 투과 저항성, 철근부식 저항성의 실험결과를 분석하여 세 가지의 열화작용 모두에 대해 저항성을 확보한 배합비를 분석한 결과, 목표공기량6.5%, 구분 270이상의 배합비를 갖춘 콘크리트로 제안할 수 있었다. 구분 270 배합비는 단위시멘트량이 382kg이며, 물시멘트비 47.6%, 28일 재령 압축강도 327㎏f/㎠를 발휘할 수 있는 배합비이다.
농업기반 콘크리트 수리구조물은 항상 물과 접하여 동결융해에 취약한 시설이므로 국내기준(’99 콘크리트 표준시방서)은 물/시멘트비 50%이하, 설계기준강도 300㎏f/㎠ 이상을 요구하고 있으며, 미국기준(ACI318-99)은 물/시멘트비 45%이하, 설계기준강도316㎏f/㎠이상을 요구하고 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 결과와 국내외 시방규정을 비교하면 물/시멘트비는 국내시방규정과 미국시방규정의 사이에 해당하며, 28일 재령 압축강도는 국내시방규정과 미국시방규정 모두를 만족하는 것으로 나타났다.
3. 기존 콘크리트의 배합비 역추정 기법 개발
기존 콘크리트의 배합비 역추정 기법 개발하기 위해서 본 연구에서는 시멘트함량, 굵은골재 함량 및 잔골재 함량을 순서적으로 역추정하는 기술을 개발하였다.
시멘트함량을 추정하는 기술을 개발하기 위해 콘크리트보다 변수가 적은 모르타르를 대상으로 분석하였다. 콘크리트의 구성성분 중 시멘트에 가장 많이 함유되어 있으며, 골재 등 다른 성분에는 미량 함유되어 있는 성분이 Ca 성분이다. 따라서 시멘트 함량을 변화시키면서 시멘트 함량( Ce)-칼슘 세기(Ica)의 상관식을 분석한 결과, 모르타르의 경우 추정식은 Ce = 165.11I c a-71.42로 나타났으며, 결정계수 R 2 = 0.905로 분석되었다. 굵은골재를 함유한 콘크리트를 대상으로 분석한 결과 상관식 Ce = 92.217I c a+34.273 로 나타났으며, 결정계수 R 2 = 0.7로 분석되었다.
굵은골재의 함량을 추정하기 위해 콘크리트의 절단면에 드러난 굵은골재의 모양을 스케치하여 전체에 대한 면적비를 구하였다. 콘크리트 전체에 대한 굵은골재의 체적비와 면적비를 비교한 결과 거의 일치함을 발견하고, 배합비를 달리하면서 반복실험하여 그 신뢰도를 확인하였다. 굵은골재의 중량을 산정하기 위해서는 굵은골재의 비중값을 체적비에 곱하면 된다. 굵은골재 중량 추정 기법의 검증실험에서 평균오차 4.7%의 신뢰도를 갖는 것으로 확인됐다.
잔골재의 중량을 추정하는 기법은 콘크리트 전체의 중량에서 추정된 시멘트 중량, 추정된 굵은골재 중량, 수화시 생성되는 고형수화생성물의 중량을 빼면 된다. 콘크리트 수화반응 시 생성되는 고형수화생성물의 중량을 추정하기 위해 시멘트 수화메카니즘을 분석하고, 시멘트 대비 중량비를 산정하는 실험을 수행하여 고형수형생성물의 중량은 시멘트대비 약43%에 해당하는 것을 밝혀냈다. 잔골재의 함량 추정을 위해 세가지 대표 배합을 대상으로 신뢰성 실험을 수행한 결과 평균정도 93.3%, 표준편차 3.35로 나타났다.
이러한 과정을 통해 정립된 콘크리트 배합비 역추정 기법을 정밀조사 시 채취한 코어의 배합비 역추정에 적용하였으며, 추정된 배합비로 시공당시의 배합을 재현하는 재현배합을 실시하여 구조물의 시공 시의 콘크리트 강도를 추정하였다.
이러한 기존 콘크리트의 배합비 역추정 기법은 수리시설물의 정밀안전진단업무에 활용될 경우 큰 효과가 있을 것으로 판단되었다.
4. 콘크리트의 품질관리
농업기반 콘크리트 수리구조물 대부분 농한기인 동절기 공사가 많은데 기온이 낮을 경우 시멘트의 수화반응을 지연시키고 심할 경우 양생수를 동결시켜 수화조직을 파괴하는 등 구조물의 품질을 크게 떨어뜨린다. 이러한 점을 개선 해보고자 콘크리트의 양생 시 사용되는 보온덮개의 효율성을 실험한 결과 보온덮개로 덮지 않은 경우보다 약 6.8℃의 온도상승이 있음을 확인하였다. 따라서 콘크리트 타설시기가 동절기인 경우 보온덮개로 덮으면 적은 비용으로 보온 양생을 할 수 있을 것이며, 적어도 양생수의 동결로 인한 수화조직 파괴가 없어 구조물의 수명을 연장할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 이와 아울러 동절기 공사가 주류인 농업기반 콘크리트 시설물의 품질을 향상시키기 한중콘크리트 품질관리기준을 검토하였으며, 이를 부록에 수록하였다.
이외에도 농업기반 콘크리트 수리구조물은 소량의 레미콘을 주문하여 시공하는 경우가 많다. 그러나 현행 콘크리트 시방서나 건설기술관리법에 규정된 레미콘 품질관리 기준은 대량의 레미콘 사용을 전제로 제정된 것이므로 이를 그대로 농업기반 콘크리트 수리구조물에 적용하기가 곤란하다. 따라서 품질변동폭을 줄여 구조물의 내구연한을 증대시키기 위해서는 소량 공사시 레미콘의 품질관리에 대한 기준을 설계단계와 시공단계별로 정비해야 한다. 이를 위해서 소량공사가 주류인 농업기반시설 공사용 레미콘의 품질관리비와 품질관리회수 산출기준 등을 포함하여 제반사항을 별도로 검토하였으며, 그 결과를 부록에 수록하였다.
또한, 현재 품질관리 시 품질시험은 역학적인 부분만을 실시하고 있으나, 농업기반 콘크리트 수리구조물은 작용하는 하중이 작은데 반해 사용중 환경이 매우 열악하여 내구성이 크게 저하되므로 설계단계나 시공단계에서 내구성 평가시험도 추가하여야 할 것이며, 공사기간이 제한되어 있을 경우 조기 내구성 평가 기법을 적용하여야 할 것으로 판단되었다.
5. 활용방안 및 건의
▪ 내구성 조기판정 기법을 계획설계기준으로 제정 및 시공 시 품질관리 기준으로 활용
▪ 내구성 향상을 위한 설계기준강도, w/c, 공기량, 시멘트량을 농업기반 수리구조물의 계획설계기준으로 개정
▪ 품질 판정방법으로 역학적인 측면의 품질검사와 외관검사 외에 내구성 측면의 판정이 의무화되도록 농업기반 수리구조물의 계획설계기준 개정
▪ 콘크리트 구조물의 잔존수명을 예측하는 모델과 콘크리트 배합비 역추정 전문가 시스템의 프로그램화를 위한 추가적인 지원으로 실용화 추진

Abstract ▼

IV. Results and Recommendations
The service life of CIS seems to be very short because of using low level of design compressive strength, lower quality resulting from rapid construction and poor environment of the site, and harmful environment during service life.
Thus, enhancing the durabilit

IV. Results and Recommendations
The service life of CIS seems to be very short because of using low level of design compressive strength, lower quality resulting from rapid construction and poor environment of the site, and harmful environment during service life.
Thus, enhancing the durability of CIS requires solving every cause of deterioration included in each stage of planning, design, and construction.
1. Developing a technology of improving durability of CIS
100 reservoirs with 10∼35 years of age were selected for close investigation nation-widely. when looking over the surveyed data from structural specifications, prevailing design compressive strength was found to be 180㎏f/㎠. But when the compressive strength of core was analyzed statistically, that was drilled out during the stage of close investigation, the average of the compressive strengths was found to be 162㎏f/㎠ and the standard deviation 34㎏f/㎠, core compressive strength of low-tailed 5% 106㎏f/㎠. The mix proportion of the core was predicted by the developed technology of predicting mix proportion and the compressive strength of remixed concrete was found to be 196㎏f/㎠ at 28 days. And this value of strength could be regarded as a representative compressive strength of CIS at an initial age. Thus, it was reasonably estimated that compressive strength of concrete in CIS was reduced to about 17% for 35 years. Assuming the degradation ratio of concrete compressive strength as 17% for 35 years, the initial strength should be higher than 255㎏f/㎠ to satisfy the requirement of keeping the design strength of 180㎏f/㎠ to the minimum for 60 years of economical service life.
Though this study, a new technology predicting service life survived. As time passed, concrete structures changed to be neutralized and calcium carbonate increased. The increment of calcium carbonate decreased the ability of protecting corrosion of embedded steel. Thus, if critical contents of calcium carbonate is known, then it is possible to predict service life survived. Using this principal and 100 surveyed data, a system, shown in the following figure, to predict service life survived was developed.
2 .Developing the technology of early estimating durability of CIS
Since the current prevailing concrete is REMICON, a new technology to estimate durability of CIS at early age was studied and developed. For this, mix proportion data of REMICON were obtained throughout the country. These data were classified into 21 groups through careful study. For each group of mix proportion, durability tests were performed to find out the ability of concrete to resist freezing and thawing, chloride ion penetration, and steel corrosion. The result of these tests were derived from analysis of correlation between strength and each properties of durability with the magnitude of w/c ratio, and shown in the following figure.
which has at 28 days, 6.5% of air contents, and target slump of 15cm.
For durability the current domestic code specifies the condition of maximum 50% of w/c ratio, minimum compressive strength of 300㎏f/㎠. Whereas ACI specifies 45% and 300㎏f/㎠, respectively. Thus, comparing with the study result, w/c ratio suggested in this study is a in-between value and compressive strength satisfies both the specifications.
3. Developing a technology predicting mix proportion of concrete
The technology predicting components of concrete was developed after developing a technology of estimating cement content, coarse aggregate content, and fine aggregate contents.
The technology estimating cement contents of mortar was performed first and that in concrete later. In case of mortar, the relation between cement content( C_e) and calcium intensity(I_Ca) was found to be C_e=165.11 I_Ca- 71.42 with R² = 0.905. But in case of concrete, the relation function was changed to C_e = 92.217 I_Ca+ 34.273 with R² =0.7.
A technology to estimate the weight of coarse aggregate was developed and suggested in this study too, which had 4.7% of mean error.
A technology to estimate fine aggregate weight was developed and suggested using 43%, which was a experimented ratio of hydrated solid products to cement contents. The technology showed mean accuracy of 93.3% and mean error of 3.35% for three representative mixtures. This technology developed was applied to predict mix proportion of concrete core drilled during close investigation. And initial compressive strength just after construction of concrete was reasonably estimated using the test data.
4. Quality control of concrete
Most of the CIS are constructed during winter season. If air temperature is low, hydration and the resultant strength increment are retarded. In case of very low temperature, the hydrated cements are frequently destroyed due to expanding pressure of freezing water and finally result in shortening the service life. Thus, temperature rise inside the insulation sheet, which is of low price, was experimented and 6.8℃ increment of temperature was found in this study. Besides, several criteria to protect early-aged concrete were suggested and attached in this paper.
In addition, to enhance the quality of concrete during the stage of planning and constructing small sized-CIS scattered in a wide area, several other criteria were suggested and attached in this paper.
5. Applications and recommendations
▪ Codifying the technology of early estimating durability of CIS as well as applying it as a standard of quality control during construction stage
▪ Codifying the design strength, w/c ratio, air content, unit cement content technology suggested in this study to increase durability of CIS.
▪ Revising and codifying the quality control criteria by adding durability testing method in advance
▪ Additional financial support for developing a software combining the model of predicting remain service life with expert system to predict mix proportion, which have developed in this study.