김태균
(Tae-Kyun Kim)
1
조철민
(Chul-Min Cho)
1
최지훈
(Ji-Hun Choi)
1
김장호
(Jang-Ho Jay Kim)
1†
ⓒ2016 by Korea Concrete Institute
Key words (Korean)
기후변화, 염화물 확산계수, 만족도 곡선, 성능 중심 평가
Key words
climate change, chloride diffusion coefficient, satisfaction curve, performance based evaluation
-
1. 서 론
-
2. 실험계획 및 방법
-
2.1 배합조건 및 양생조건
-
2.2 염화물 확산계수 이론적 배경
-
2.3 염화물 확산계수 실험방법
-
3. 실험결과
-
3.1 콘크리트 강도 결과
-
3.2 염화물 침투깊이
-
3.3 염화물 확산계수
-
4. 성능중심평가
-
4.1 성능중심평가 배경
-
4.2 염화물 확산계수 만족도 곡선
-
4.3 염화물 침투 깊이 만족도 곡선
-
5. 결 론
1. 서 론
최근 전 세계적으로 극심한 기후변화가 발생하고 있다. 기후변화는 기온과 강수량의 평균이 변화하는데 그치지 않는다. 강수량과 기온이 변함에 따라 가뭄,
홍수, 열파의 발생빈도가 증가하고 지역에 따라 허리케인이나 태풍과 같은 열대성 저기압의 세기가 강해지는 추세이다. 일반적으로 공기의 온도가 1°C
상승하면 공기 중 수증기 함유량은 약 7% 씩 증가하며 호우와 가뭄의 발생 빈도도 증가한다.1) 우리나라도 기상현상의 변화에 있어 예외가 아니다. 기상청에 따르면 1900년 이후, 우리나라 6개 도시의 평균기온은 지구평균기온 상승의 2배에 달하는
약 1.5°C 상승하였고, 1920년대와 비교하면 1990년대 겨울의 기간은 약 30일 정도 짧아졌으며 봄과 여름의 기간은 20일 정도 길어져 지속적인
기온상승 현상이 계절의 기간에 변화를 주고 있다.2) 연평균 강수량도 큰 변동폭을 보이기는 하지만 장기적으로는 증가하는 추세를 보이고, 전반적으로 강수일수는 감소하며 강수량이 증가함에 따라 강우강도가
증가하는 추세를 보인다.2) 또한 기후변화는 폭염, 폭우, 폭설과 같은 극한현상으로 나타나기도 한다.3) 이러한 극심한 기후변화로 인하여 건설현장에서 구조물의 공사 진행기간이 연장되어 경제적 손실을 초래하고 기후변화를 고려하지 않은 상황에서 무리한 시공을
하여 콘크리트의 품질저하로 인해 부실시공의 원인이 되고 있다. 콘크리트의 경우 양생과정에서 다양한 기후환경에 노출이 이루어진다. 특히, 콘크리트 구조물의
경우 초기 수화반응이 제대로 이루어져야 정상적인 강도 발현을 할 수 있으나 외부로부터 급격히 습도가 저하되거나 온도가 상승하게 되면 콘크리트 내부의
수분증발로 온도균열, 장기강도 저하현상이 발생한다. 이와 반대로 온도가 낮을 경우 응결 및 경화반응이 상당히 지연되어 강도 저하현상이 나타나게 된다.
또한 양생과정중 지속적으로 바람과 일조시간이 발생하게 되면 콘크리트 시편 내부의 수분이동, 증발과 점진적인 온도 상승 현상이 나타나 콘크리트 내부에
수화온도가 급격히 상승하며 균열 및 다양한 재료적인 문제가 발생할 수 있다. 이러한 외부적인 원인을 감안하였을 때 기후변화로 발생하는 다양한 양생조건은
콘크리트 재료 내부의 공극과 미세균열 발생으로 콘크리트의 강도저하 현상으로 이어진다.
특히 콘크리트는 다양한 극한기후조건과 더불어 탄산화, 동결융해, 염해환경과 같은 극한환경조건에 노출될 경우 콘크리트 내구성능이 저하될 수 있다. 탄산화나
염해환경의 경우 콘크리트 구조물의 잘못된 양생조건에 의해 균열이 발생하여 CO2 와 염화물 침투가 용이하여 철근 부식으로 인한 콘크리트 내구성능이 저하되고 동결융해의 경우 미세균열에 수분 침투로 인한 동결과 융해의 반복 작용에
의해 성능저하 현상이 발생한다. 이러한 콘크리트의 다양한 내구성능 중 일반적으로 염해 환경에서 내구성능이 가장 급격히 떨어지는 것을 알 수 있다.4-6)
따라서 본 연구에서는 기후변화로 발생하는 문제점들 및 기후변화의 대응조건을 마련하기 위하여 콘크리트 양생조건에 미치는 다양한 기후인자들 중 풍속과
일조시간 기후변화 변경조건을 검토하여 콘크리트를 경화시킨 후 극한환경에 노출시켜 염화물확산계수 실험을 수행하고자 한다.
또한 실험결과를 분석하는 방법으로는 만족도 곡선 작성방법을 사용하여 콘크리트 강도와 내구성에 관한 성능중심형평가(PBE: Performance Based
Evaluation)절차를 제시하고 하고자 한다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 배합조건 및 양생조건
Table 1은 콘크리트 배합을 나타낸 표로써 시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 사용하였고, 굵은 골재 25mm, w/c는 55%, 설계기준강도
27MPa로 설정하였으며 각 케이스별 시편의 경우 3개씩 제작하였다. 또한 Table 2는 콘크리트 양생조건으로써 과거 대한민국 서울지역의 10년간
기상청 자료조사를 통하여 풍속-일조시간의 양생조건을 다음과 같이 선정하였다.7) 온도-습도의 경우 항온항습챔버를 사용하였고, 풍속-일조시간의 경우 공업용 선풍기와 삼파장 전구를 사용하였으며 외기조건의 경우 온도-습도(20°C-60%)로
설정하였다.
Table 1 Concrete material property
|
Coarse Aggregate (mm)
|
Slump
(mm)
|
w/c
(%)
|
Unit
(kg/m3)
|
fck
(MPa)
|
w
|
c
|
s
|
g
|
25
|
120
|
55.0
|
183
|
333
|
677
|
1014
|
27
|
Table 2 Concrete curing conditions
|
Case
|
Wnd speed (m/s)
|
Sunshine
(hrs)
|
Case
|
Wind
speed (m/s)
|
Sunshine
(hrs)
|
1
|
0
|
2
|
9
|
4
|
2
|
2
|
0
|
4
|
10
|
4
|
4
|
3
|
0
|
6
|
11
|
4
|
6
|
4
|
0
|
8
|
12
|
4
|
8
|
5
|
2
|
2
|
13
|
6
|
2
|
6
|
2
|
4
|
14
|
6
|
4
|
7
|
2
|
6
|
15
|
6
|
6
|
8
|
2
|
8
|
16
|
6
|
8
|
Control specimens
|
Thermo-hydrostatic curing
|
20°C
|
95%
|
Water curing
|
20°C
|
100%
|
Air dry curing
|
20°C
|
60%
|
2.2 염화물 확산계수 이론적 배경
철근콘크리트 구조물의 경우 양생과정 중 다양한 환경에서 화학․물리적인 원인에 의해 성능저하 현상이 발생한다. 콘크리트의 성능저하 현상 중 가장 대표적인
열화현상으로써 염해환경에서의 콘크리트 구조물 내구성능 저하 현상을 나타낼 수 있다. 염해환경과 동절기 제설제 사용으로 인하여 염해 물질이 콘크리트로
스며들어 철근에 부착될 경우 철근의 부식을 초래하고 이러한 원인으로 단면적 감소와 콘크리트 탈락 현상으로 인하여 구조물로써 제대로 된 성능을 발휘
하지 못한다.8-12)
콘크리트 염화물이온 확산계수를 추정하는 방법으로는 정상상태(Steady state)에서 Fick의 제 1법칙을 사용할 수 있고, 비정상상태(Non
- steady state)에서 Fick의 제 2법칙을 사용할 수 있다. 본 연구에서는 실험에 의한 촉진 실험을 진행하였으므로 비정상상태로 볼 수
있다.13-16)
또한 콘크리트 염화물 확산에 관한 실험은 국내외적으로 Table 3과 같이 주로 4가지 방법이 이루어진다. ASTM C 1202의 경우 확산 셀을
이용하여 통과 전하량을 측정 할 수 있으며 총 6시간이 소요된다. NT Build 355의 경우 농도 증가율을 측정할 수 있으며 총 1~2개월 소요된다.
NT Build 443의 경우 염분침투 프로파일을 측정 할 수 있으며 최소 1개월이 소요된다. 마지막으로 NT Build 492의 경우 염화물 침투깊이와
이를 바탕으로 확산계수를 측정할 수 있으며 24~96시간이 소요된다. 본 연구에서는 염소이온의 확산계수를 측정 하는 것이 주된 연구 내용으로써 유럽에서
중심으로 연구 되어진 NT Build 492를 선택하여 사용하였다.
Table 3 Experimental method of concrete chloride
|
Code
|
Name
|
Volt
|
ASTM C 1202
|
Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete Ability to Resist Chloride
Ion Penetration
|
60 V
|
NT Build 492
|
Chloride Migration Coefficient from Non–steady state Migration Experiments
|
10~60 V
|
NT Build 355
|
Chloride Diffusion Coefficient from Migration Cell Experiments
|
12 V
|
NT Build 443
|
Accelerated Chloride penetration
|
–
|
2.3 염화물 확산계수 실험방법
Table 2의 풍속-일조시간 양생을 28일간 실시하였으며 양생 후 NT Build 492 실험을 수행하였다. 실험방법은 다음과 같이 진행된다. Ø100×200mm의
원형공시체를 50± 2mm의 두께 크기로 시편을 절단한다. 절단된 시편 겉면을 에폭시로 코팅 후 진공데시게이터에 넣고 절대 압력을 10~50 mbar
(1~5 kPa)로 낮추고 진공상태로 3시간을 유지한다. 이후 Ca(OH)2 용액으로 시편이 잠기도록 채우고 진공상태로 18 ± 2시간 동안 유지시키며 시편이 포화상태가 되도록 만든다. 그리고 포화상태가 된 시편을 Fig.
1과 같이 양극부분에는 0.3 N NaOH 용액 (approximately 12g NaOH in 1 litre water)을 채우고 음극 부분에는
10% NaCl 용액(100g Nacl in 900 g water, about 2 N)을 넣고 초기 전압 30 V를 흘려보낸 후 초기 전류를 측정하며
추가적으로 인가할 전압을 결정 한다. 마지막으로 전류의 양에 따라 최소 6시간에서 최대 96시간까지 측정을 진행한다.
실험이 종료되면 시편을 꺼내어 반으로 절단하고 절단면에 AgNO3가 혼입된 용액을 시편에 분사시키고 시편의 색이 변화된 곳을 측정하게 된다. 측정 방법은 다음과 같다. Fig. 2와 같이 시편 양쪽 10mm를 제외한
7곳을 일정한 길이로 측정을 하고 평균을 측정한다. 이러한 이유는 양쪽 끝의 경우 실험진행시 용액이 스며들어 오염이 되는 경우가 발생하기 때문이다.
|
Fig. 1 NT Build 492 test method
|
|
Fig. 2 NT Build 492 measurement method
|
3. 실험결과
3.1 콘크리트 강도 결과
Table 4는 선행연구를 바탕으로 풍속-일조시간의 강도 결과를 나타낸 표이다.7) 풍속-일조시간의 경우 컨트롤 시편 기건 양생과 비교 하였을 때 풍속 0m/s의 28일 강도의 경우 기건 양생보다 강도가 미세하게 높거나 낮은 결과를
나타낸다.
그러나 풍속이 0m/s를 제외한 나머지 조건의 경우 초기 3, 7일 강도는 정상적으로 콘크리트 28일 설계기준강도 27 MPa의 약 46%, 67%이상
발현 되는 것을 확인할 수 있다. 이와 반대로 28일 장기강도의 경우 설계기준강도 27MPa의 100% 강도 발현이 되는 것이 아니라 약 25~45%
강도 저하 현상이 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 강도가 가장 적게 발생하는 풍속-일조시간(4-2)와 컨트롤 시편의 비교시 항온항습챔버양생, 수중양생,
기건양생과 약 2.04, 2.51, 1.88 배 차이가 나는 것을 확인 하였고 인장강도 역시 유사한 경향을 나타낸다. 또한 배합 검증을 위하여 수중양생과
항온항습챔버, 기건양생의 경우 설계기준강도 27MPa의 약 12%, 33%, 6%를 상회하는 38.32, 31.11, 28.61MPa의 강도가 나오는
것을 확인할 수 있다. 풍속-일조시간의 양생의 경우 콘크리트 양생기간 중 지속적인 풍속으로 인한 수분 이동, 일조시간으로 인한 수분 증발 현상으로
수화반응이 제대로 이루어지지 않아 강도 저하 현상이 발생한 것으로 판단된다.17)
Table 4 Concrete strength results
|
Case
|
Wind Speed (m/s)
|
Sunlight exposure time (hrs)
|
Compressive strength (MPa)
|
Splitting tensile strength (MPa)
|
3 days
|
7 days
|
28 days
|
3 days
|
7 days
|
28 days
|
1
|
0
|
2
|
15.57
|
24.24
|
25.94
|
1.45
|
1.92
|
2.12
|
2
|
0
|
4
|
14.28
|
23.78
|
28.18
|
1.40
|
1.90
|
2.22
|
3
|
0
|
6
|
15.49
|
23.55
|
29.36
|
1.39
|
1.90
|
2.40
|
4
|
0
|
8
|
15.99
|
22.87
|
28.46
|
1.52
|
1.95
|
2.05
|
5
|
2
|
2
|
14.66
|
19.34
|
17.55
|
1.30
|
2.20
|
2.07
|
6
|
2
|
4
|
12.51
|
18.17
|
16.44
|
1.60
|
1.94
|
1.65
|
7
|
2
|
6
|
14.34
|
22.25
|
18.36
|
1.48
|
2.05
|
2.02
|
8
|
2
|
8
|
16.45
|
22.87
|
17.00
|
1.59
|
2.17
|
1.93
|
9
|
4
|
2
|
14.66
|
18.97
|
15.21
|
1.60
|
1.98
|
2.17
|
10
|
4
|
4
|
13.70
|
21.01
|
16.08
|
1.68
|
1.99
|
2.02
|
11
|
4
|
6
|
14.27
|
21.80
|
16.57
|
1.70
|
2.14
|
1.83
|
12
|
4
|
8
|
13.33
|
19.91
|
19.48
|
1.46
|
2.21
|
1.71
|
13
|
6
|
2
|
15.11
|
22.10
|
17.62
|
1.74
|
2.16
|
1.95
|
14
|
6
|
4
|
13.03
|
21.65
|
20.40
|
1.60
|
2.18
|
1.78
|
15
|
6
|
6
|
14.46
|
22.66
|
19.29
|
1.61
|
2.05
|
2.00
|
16
|
6
|
8
|
13.18
|
19.65
|
21.00
|
1.33
|
2.23
|
1.70
|
Thermo-hydrostatic curing
|
17.06
|
23.00
|
31.11
|
1.58
|
2.18
|
2.25
|
Water curing
|
18.24
|
26.60
|
38.32
|
1.72
|
2.29
|
2.70
|
Air dry curing
|
16.13
|
23.36
|
28.61
|
1.36
|
1.84
|
2.20
|
3.2 염화물 침투깊이
Table 5는 염화물 침투 깊이에 대한 실험 결과를 표로 나타낸 것이다. 전체적으로 실험결과 값의 경우 풍속-일조시간이 클수록 염화물 침투 깊이가
깊게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 가장 침투 깊이가 깊게 나타난 경우는 47.57mm의 깊이를 나타낸 풍속-일조시간(6-8)이다. 이와 반대로
가장 적게 나타난 경우는 풍속-일조시간(0-2)이며 최대 침투 깊이와 최소 침투 깊이의 차이의 경우 약 55%정도 나는 것을 확인 할 수 있다.
또한 풍속-일조시간(0-8, 2-8, 4-8, 6-8)의 조건의 경우 풍속의 커질수록 염해의 침투 깊이가 커진다는 것을 확인 할 수 있고 풍속-일조시간(2-8)와
풍속-일조시간(6-2)의 경우를 살펴보면 풍속이 작지만 일조시간이 클수록 침투 깊이가 크다는 것을 알 수 있다. 따라서 염화물 침투 깊이에 풍속뿐만
아니라 일조시간도 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
풍속-일조시간의 침투 결과값을 수중양생, 항온항습챔버 (표준양생), 기건양생의 컨트롤 시편들과의 침투 깊이를 비교한 결과 수분이 공급된 수중양생,
항온항습기 챔버양생 시편의 경우 22.11, 25.27mm로 침투 깊이가 나타났지만 풍속-일조시간 상태의 경우 약 30~48mm의 상당히 침투 깊이가
나타났다. 그리고 최소 침투 깊이 수중양생보다 최대침투깊이 풍속-일조시간(6-8)의 경우 약 2배 이상 더 깊이 침투 한 것을 알 수 있다. 또한
최대침투 깊이 풍속-일조시간(6-8)과 컨트롤 시편 비교시 항온항습챔버양생, 수중양생, 기건양생과 약 1.88, 2.15, 1.59배 차이가 나는
것을 확인 할 수 있다. 이러한 이유는 수분이 공급될 경우 시멘트 양생과정에서 수화반응에 유리하게 작용하여 콘크리트 조직구조가 세밀해지기 때문인 것으로
판단된다. 이와 반대로 풍속과 일조시간 양생의 경우 초기 수분증발로 인하여 제대로 된 양생이 이루어지지 않아 내부 공극이 높아 침투 깊이가 깊게 나타나는
것을 알 수 있다.17)
Table 5 Test results of concrete chloride diffusion
|
Case
|
Wind speed
(m/s)
|
Sunlight exposure time
(hrs)
|
Chloride depth
(mm)
|
Diffusion coef.
|
1
|
0
|
2
|
30.81
|
46.11
|
2
|
0
|
4
|
31.44
|
47.16
|
3
|
0
|
6
|
35.79
|
54.50
|
4
|
0
|
8
|
37.18
|
57.44
|
5
|
2
|
2
|
37.46
|
57.54
|
6
|
2
|
4
|
37.88
|
58.24
|
7
|
2
|
6
|
37.92
|
58.30
|
8
|
2
|
8
|
39.21
|
61.19
|
9
|
4
|
2
|
38.75
|
58.38
|
10
|
4
|
4
|
43.31
|
65.70
|
11
|
4
|
6
|
43.47
|
66.00
|
12
|
4
|
8
|
47.31
|
73.29
|
13
|
6
|
2
|
44.48
|
69.94
|
14
|
6
|
4
|
47.12
|
74.25
|
15
|
6
|
6
|
45.76
|
71.85
|
16
|
6
|
8
|
47.57
|
75.89
|
17
|
Thermo-hydrostatic curing
|
25.27
|
23.48
|
18
|
Water curing
|
22.11
|
16.78
|
19
|
Air dry curing
|
29.77
|
43.45
|
3.3 염화물 확산계수
Table 5는 염화물 확산계수의 결과를 나타낸 것이다. 염화물 확산계수의 경우 염화물 침투깊이를 측정하여 이를 바탕으로 다음과 같은 식 (1),
(2), (3)을 통하여 나타낸다.
(1)
(2)
(3)
는 비정상 상태에서 구한 전위차 촉진 염소이온 확산계수 (m2/sec), R은 기체 상수(8.314J/(K․mol)), T는 절대온도 (K), L은 시편 두께 (m), z는 이온 전자가 (염화물은 z=1),
F는 패러데이 상수 (9.648 × 104J/(V․mol)), U는 전위차 (V), χd는 비색법에 의한 평균 침투 깊이 (m), t는 전위차의 적용 시간 (sec), C0는 음극셀의 염소이온농도 (≒2N), Cd는 비색법에 의한 반응 농도 (OPC의 경우 ≒ 0.07 N), erf-1는 오차 함수의 역함수를 나타낸다.
염화물 확산계수의 경우 염화물 침투 깊이와 유사한 경향을 나타낸다. 풍속과 일조시간이 클수록 확산계수가 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 염화물 확산계수가
가장 작은 경우 풍속-일조시간(0-2)로 46.11 나타났고 가장 큰 경우는 풍속-일조시간(6-8)의 경우로 75.89 로 나타나는 것을 알 수 있으며, 둘의 차이는 약 60 % 가까이 나는 것을 확인할 수 있다. 또한 침투깊이와 같이 양생풍속이 작더라도 일조시간이
클수록 확산계수도 크게 나오는 것을 알 수 있다. 확산계수의 경우 컨트롤 시편 항온항습챔버양생, 수중양생 기건양생과 풍속-일조시간(6-8) 비교시
약 3.23, 4.52, 1.74 배 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상이 나타나는 것은 풍속-일조시간의 양생의 경우 초기 수분증발로
내부의 높은 공극률 때문인 것으로 판단된다.14)
4. 성능중심평가
4.1 성능중심평가 배경
본 연구에서 사용하고자 하는 Performance based evaluation (PBE)의 경우 선행연구로 Performance based mixture
design (PBMD)를 바탕으로 이루어진 평가 방법이다. PBMD의 과정은 다음과 같이 진행된다. PBMD 설계 과정은 만족도곡선 개념을 활용하여
최적의 콘크리트 배합을 찾아가는 과정이며 크게 3단계로 구성되어있다. 첫 번째 단계는 발주자의 요구를 기초로 한 초기설계 과정, 두 번째 단계는 초기설계를
평가하고 최적화하는 과정, 세 번째 단계는 중간설계를 수정하여 최종설계로 완성하는 단계이다. 좀 더 세부적으로 보면 첫 번째 단계는 다시 Step
1, 2로 나뉘고, 두 번째 단계는 Step 3, 4로, 세 번째 단계는 Step 5, 6, 7로 나뉜다.
Step 1에서는 설계자가 발주자의 요구사항을 정확히 이해하여야 한다. Step 2에서는 발주자의 요구사항을 바탕으로 재료 특성, 목표설계기준, 구조물
성능등급을 결정하고 초기 콘크리트 표준배합을 한다. Step 3에서는 데이터를 수집하고 만족도곡선을 개발함으로써 초기설계의 성능을 평가하고, Step
4에서는 영향도 계수와 유효 영향값 개념을 사용하여 여러 개의 만족도 곡선을 하나의 만족도 곡선으로 결합한다. Step 5에서는 실제 평가된 성능과
처음에 선정되었던 성능기준을 비교하고 이를 바탕으로 Step 6에서는 배합수정작업을 거치면서 콘크리트배합을 최적화한다. 마지막으로 Step 7에서는
최종 콘크리트배합이 발주자의 요구사항들을 만족하는지 검증한다.18) 하지만 본 연구에서는 콘크리트의 강도, 내구성 평가를 위한 것으로써 step 3 만족도 곡선을 작성하여 평가하는 과정까지만 진행하였다. 또한 만족도
곡선을 작성 하는 방법으로는 선행 연구와 동일한 방법으로 진행된다.18-20)
PBE평가 방법은 만족도 곡선을 이용하여 평가하는 방법으로 내진성능평가에서 사용되는 Bayesian 방법을 활용한 Fragility curve방법과
유사하다. Shinozuka와 Singhal에 의해 개발된 Fragility방법은 Fragility 곡선을 교량이나 구조물의 취약성을 확률론적으로
평가하는 데 사용되며, 지반 진동 강도에 대해 구조물붕괴와 같은 한계목표에 대한 초과 특성을 정규분포함수곡선으로 조건부 확률을 나타내며, 평균값과
로그 표준편차 값을 식 (4)에서 나타내는 Maximum Likelihood 식을 통하여 추산한다.21-23)
(4)
여기서, F(.)는 특정 손상단계의 Fragility 곡선을 의미하고, 는 교량 를 대상으로 한 최대 지반 진동 가속도 (Peak Ground Acceleration : PGA)값이며, 는 와 같은 PGA값 이하의 교량 손상에 따라 0 혹은 1로 결정된다. N은 지진 후 조사된 총 교량의 수로 정한다. 통용되는 로그정규분포의 가정 하에서는
를 식(5)와 같은 형태로 취한다.
(5)
여기서, 는 PGA를, 는 표준화된 정규분포함수를 나타낸다. 식(5)에서 c와는 식(6)으로 나타낸 lnL를 최대화하기 위해 계산된 값이다.
(6)
본 연구에서는 콘크리트 재료특성에 가장 많은 영향을 미칠 수 있는 기후변화 인자로 풍속과 일조시간의 변화를 양생조건으로 선정하여 반영한 만족도 곡선을
작성한 후 이러한 기후변화로 인한 콘크리트의 재료특성의 변화를 성능중심평가 방법으로 파악하고자 한다.7)
4.2 염화물 확산계수 만족도 곡선
Fig. 3~6의 경우 풍속과 일조시간에 따른 염화물 확산계수와 염화물 침투 깊이를 만족도 곡선으로 나타낸 그림이며, 콘크리트 염해에 대한 내구성
성능중심설계를 위해서 콘크리트 표준시방서에 나와 있는 식 (7)를 이용하여 확산계수를 도출한다.
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Fig. 3 Satisfaction curve of wind speed parameter for combine chloride diffusion
coefficient (48, 58, 68)
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Fig. 4 Satisfaction curve of sunlight exposure time parameter for combine chloride
diffusion coefficient (48, 58, 68)
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Fig. 5 Satisfaction Curve of wind speed parameter for combine chloride diffusion depth
(32.5, 37.5, 42.5)
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Fig. 6 Satisfaction Curve of sunlight exposure time parameter for combine chloride
diffusion depth (32.5, 37.5, 42.5)
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이러한 염화물이온의 확산계수에 대한 평가는 시간의존성을 고려하였으며, 이는 콘크리트 재령이 증가하면 콘크리트 미세구조의 변화에 따라 확산계수는 점차
낮아지게 되는 현상을 의미한다. 기존의 콘크리트 시방서 내구성 편에서는 지금까지 내구성 평가에 적용되는 모델에 이 가정을 채택하고 있지 않지만 기존의
연구를 통해 볼 때 콘크리트 재령 초기에 예측한 확산계수를 토대로 100년 내외의 내구수명 예측을 수행하는 것은 매우 불합리하고 지나치게 보수적인
예측을 불러올 수 있다고 판단된다. 따라서 식 (7)의 경우 콘크리트 수화반응에 의해 확산계수가 시간의 경과에 따라 감소하는 것을 기본 가정으로 하였다.
(7)
여기서, 는 염해에 대한 환경계수로써 일반적으로 1.11, 는 염해에 대한 내구성 감소계수로써 일반적으로 0.86로 나타내며, 는 콘크리트의 염화물이온 확산계수의 특성값 ()을 나타내며 는 콘크리트 염화물 이온 확산계수의 예측값 ()을 나타낸다.
본 연구에서는 확산계수가 시간의 경과에 따라 감소하는 것을 기본 가정으로 가장 최악의 경우를 기준으로 풍속-일조시간(6-8) 확산계수 75.89 를 선정하여 식 (7)에 대입시 염화물 이온 확산계수의 예측값이 58.79 가 나오는 것을 알 수 있다. 따라서 요구 만족규정을 58 로 설정하였고 다양한 만족확률을 비교 분석하기 위하여 확산계수 만족규정을 48, 68 을 추가하였다.
Fig. 3의 그래프는 염화물 확산계수를 나타낸 만족도 곡선으로써 만족규정을 (48, 58, 68) 을 기준으로 적용하였다. 만족도 곡선을 평가하는 방법으로는 Fig. 3을 대상으로 할 경우 풍속에 따른 확산계수를 기준을 58 로 하였을 때 50%를 초과하기 위해서는 양생시 풍속이 2 m/s 이상 발현되어야 하며 48 을 기준으로 하였을 경우 1 m/s 이상 발현되어어야 한다는 것을알 수 있다. 또한 Fig. 4의 경우 확산계수가 기준을 58 로 하였을 경우 일조시간 80 %를 초과하기 위해서는 6시간의 양생일조시간을 거쳐야 한다는 것을 확인할 수 있다. 염화물 확산계수의 경우 만족도 곡선
범위가 일조시간 보다 풍속의 경우가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있으며 이것은 염해침투 깊이에 일조시간 보다 풍속이 더 많은 영향을 미친다는 것을
알 수 있다.
4.3 염화물 침투 깊이 만족도 곡선
Fig. 5, 6은 풍속, 일조시간에 대한 염화물 침투 깊이를 만족도 곡선으로 나타낸 것으로써 식 (3)을 통하여 염화물 침투 깊이를 (32.5,
37.5, 42.5)mm로 설정 할 수 있다. 그러나 염화물 확산계수 (48, 58, 68) 에 대하여 염화물 침투 깊이는 (32.5, 37.5, 42.5)mm와 비례 하는 것을 알 수 있으며 만족도 곡선은 거의 유사하게 나온다는 것을 알
수 있다. Fig. 5의 경우 설계자의 요구 만족 규정 42.5mm에 관하여 풍속의 경우 50%, 90% 초과하기 위해서는 4m/s, 5m/s의 양생조건이
필요하다. 또한 Fig. 6의 일조시간의 경우요구만족 규정 37.5mm에 관하여 3hrs, 8hrs의 양생조건이 필요하다. 이러한 성능중심평가의 경우
설계자의 다양한 요구목표에 대하여 설정이 가능하며 염화물이온 확산계수를 63 로 바꾸어 요구만족기준으로 설정할 경우 Fig. 7, 8과 같이 나타낼 수 있다.
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Fig. 7 Satisfaction Curve of wind speed parameter for chloride diffusion coefficient
(63)
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Fig. 8 Satisfaction Curve of sunlight exposure time parameter for chloride diffusion
coefficient (63)
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5. 결 론
본 연구에서는 다양한 기후인자 요소 중 풍속과 일조시간 기후변화 변경조건을 콘크리트 양생조건으로 사용하여 콘크리트 강도 평가 후 염화물 확산계수 내구성
평가 실험을 통하여 성능중심평가(Performance Based Evaluation: PBE)를 수행하였으며 다음과 같은 연구 결과를 도출하였다.
1)본 연구에서 풍속-일조시간의 양생조건에 따른 압축강도와 할렬인장강도의 경우 초기 강도 3, 7일 강도의 경우 정상적인 발현이 이루어지나 28일
장기강도의 경우 강도 저하 현상이 발생한다. 이러한 원인으로는 풍속- 일조시간의 꾸준한 양생조건시 콘크리트 공시체의 수화반응 현상이 제대로 이루어지지
않아 강도 저하 현상이 발생하는 것으로 나타났다.
2)콘크리트 염화물 침투깊이와 확산계수의 경우 풍속-일조시간(0-2)와 (6-8)비교시 (6-8)의 경우 최대 1.5배 이상 침투깊이가 많이 발생하고
확산계수도 크게 나오는 것을 확인 할 수 있다. 또한 컨트롤 시편 수중양생과 비교시 풍속-일조시간(6-8)의 경우 약 2배 더 많은 침투를 나타나는
것을 확인 할 수 있다. 이러한 현상은 콘크리트 양생시 시편 내부의 초기 수분 증발로 공극이 발생하고 이로 인한 미세균열과 같은 현상이 발생하게 되며
염해의 침투가 용이하게 되는 것으로 판단된다.
3)본 연구에서는 일반콘크리트 배합을 사용하여 기후변화에 따른 양생조건시 성능중심평가를 실시하였다. 염화물 침투 깊이와 확산계수 만족도 곡선의 경우
풍속-일조시간이 커질수록 설계자의 요구만족기준에 대하여 만족도 곡선 y축에서의 성공확률 1에 가까워 진다는 것을 알 수 있다. 이러한 현상의 경우
설계자의 요구 만족 기준보다 실험결과가 커지는 것으로써 확산깊이가 빠르게 침투되어지는 것을 의미하며 구조물의 내구성능이 저하 된다는 것을 알 수 있다.
또한 실제 다양한 기후변화가 발생하는 건설현장에 적용을 하기 위해서는 고강도 배합과 더 많은 내구성, 사용성 실험을 통하여 데이터베이스 구축이 필요하다.