2.1.1. 염화물 침투

철근콘크리트 구조물에서 염분이 침투하여 내부의 철근을 부 식시킴으로써 철근콘크리트 구조물의 내구성에 큰 영향을 미친 다. 콘크리트에 염소 이온이 함유되는 원인으로는 다음과 같은 경우가 있다.

콘크리트는 강알칼리성으로 철근표면에 부동태막이 형성되 어 부식이 잘 안되지만 염소 이온이 함유되면 철근표면의 부동 태막이 국부적으로 파괴되고 부동태 부분과 파괴된 부분사이에 서 식 (1)과 같이 아노드(Anode) 및 캐소드(Cathode) 의 국부전 지가 형성되어 수산화제1철 형태의 부식이 일어나게 된다. 식 (1)은 산화-환원 반응에 따라 수산화제2철이 되고 식 (2)로 표현 된다.

이에 따라 철근이 부식하면 부피 팽창에 의하여 콘크리트에 균열이 생기며 결과적으로 철근부식은 더욱 확대되고 콘크리트 의 열화는 가속화된다. 콘크리트 중의 염화물 함유량은 콘크리 트에 함유된 염화물 이온의 총량으로 표시한다. 굳지 않은 콘크 리트의 전염화물 이온량은 0.30 kg/m³ 이하이어야 하며, 전염화 물 이온량이 2.50 kg/m³ 이상인 경우 철근부식이 발생한다.

2.1.2. 황산염 침투

황산염은 화학공업원료로서 넓게 사용되는 용도 외에 비료로 도 사용되고 있다. 또한 일부 지역에서는 토양 중에 많이 함유되 어 있기도 하고 하천수, 온천수, 화산지대의 용암수, 각종 공장의 폐수 및 하수 중에 함유되어 있는 경우도 있다. 그리고 해수에도 함유되어 있기 때문에 경우에 따라서는 해수에 의한 콘크리트의 열화에 황산염이 영향을 준다.

황산염에 의한 열화는 강도 저하나 팽창 균열을 유도한다. 황 산염에 의한 콘크리트 열화 메커니즘은 산에 의한 열화 메커니 즘과 상이하며 황산염에 의한 부식기구는 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

이 반응으로 생성된 석고는 물에 용해되며, 이 때 시멘트 경화 체에서 수산화칼슘을 용출시켜 표면에서부터 순차적으로 조직 이 거칠어진다. 이와 같은 반응에 의해서 생성된 석고는 시멘트 경화체 내의 C₃AH₆ 와 반응하여 에트린자이트(Ettringite)를 생 성하며 식 (4)와 같다.

이와 같은 반응으로 생성된 에트린자이트는 큰 팽창압을 생성 시키며 이 팽창압에 의해 콘크리트에 균열이 생기고 끝내는 붕 괴에 이르게 된다. 또한 황산염이 직접 칼슘알루미네이트와 반 응하여 에트린자이트를 생성하는 경우 그 열화기구는 식 (5)와 같다.

황산염에 의한 콘크리트의 열화는 표면부분에 팽창성의 균열 이 생겨 그 부분이 박리되는 현상이 반복된다. 산에 의한 침식과 비교해서 황산염에 의한 침식은 그 농도가 비교적 높을 때 현저 해 진다. 황산염의 농도와 침식정도에 대해서 CEB Task Group Durability에서는 Table 1과 같은 기준을 제시한 바 있다(^{Kim et al., 2009}).

2.1.3. 탄산화

일반적으로 경화한 콘크리트는 시멘트의 수화생성물로서 수 산화칼슘을 함유하여 pH 12~13의 강알칼리성을 나타낸다. 콘크 리트의 탄산화는 알칼리성의 콘크리트가 대기중의 탄산가스와 접촉하여 서서히 탄산칼슘이 생성되면서 pH가 10이하로 낮아지 는 것이다. 이 반응은 탄산가스 또는 아황산가스 등과 접촉하는 콘크리트 표면에서 시작하여 느리게 내부를 향하여 진행되며 그 진행속도는 콘크리트 및 주위환경의 조건에 따라 영향을 받는다.

콘크리트가 대기 중의 이산화탄소에 노출되어 내부로 침투하 면 모세관 공극 중에 존재하는 모세관수에 용해되어 탄산이 되 고 또다시 수소 이온을 방출하여 탄산 이온으로 해리된다. 이러 한 반응은 식 (6)과 같이 나타난다. 식 (6)의 반응에 의해 생성된 탄산 이온과 용해도가 높은 수산화칼슘이 반응하여 수산화칼슘 이 서서히 소비됨에 따라 콘크리트 속 세공 용액중의 알칼리성 분이 감소하는 현상을 콘크리트의 탄산화 반응이라 하며 식 (7) 과 같다.

콘크리트 내에서의 이산화탄소 이동은 기체 상태에서의 세공 공극 중에서의 이동과 세공 용액에 용해된 후의 농도 차 확산이 나 세공 용액의 이류에 따른 이동 등이 주된 기구로 알려져 있다. 탄산은 용해도가 낮을 경우에도 비수용성인 중성탄산염의 탄산 칼슘을 만들고 콘크리트 조직을 치밀하게 하는 작용을 한다.

탄산의 농도가 높을 경우에는 수용성 탄산염인 중탄산칼슘이 생성된다. 순수하고 경도가 낮은 물에서는 이미 소량의 탄산이 존재하기 때문에 콘크리트의 침식이 부분적으로 억제된다. 이와 같이 탄산에 의한 콘크리트의 침식은 정수보다 흐르는 물의 경 우에 현저하고 수면에 접한 부분에서 침식되기 쉽다. Table 2는 콘크리트 탄산화 깊이에 따른 철근 부식 가능성을 나타낸 것이 다(^{KISTEC, 2010}).

2.4.1. 염화물 시험체의 LIBS 실험 결과

염화물 시험체에 대한 LIBS 실험 결과는 Fig. 2와 같다. 염소 (Cl) 이온은 837.6 nm 파장에서 검출되는 것을 확인할 수 있었으 며, 염화물 함유량 0, 0.31, 0.61, 0.91, 1.49, 2.34%에 따른 각각 의 시편에 대한 정규화된 LIBS 스펙트럼 파장 강도 분석 결과는 Table 5에 나타내었다. Fig. 3은 Table 5의 분석 결과를 활용하여 염소 이온 함유량에 따른 LIBS 스펙트럼 파장 강도 측정 결과를 정규화하여 회귀분석한 것으로 결정계수(R²)는 0.9251로 나타 났다.

2.4.2. 황산염 시험체의 LIBS 실험 결과

황산염 시험체에 대한 LIBS 실험 결과는 Fig. 4와 같다. LIBS 스펙트럼 분석으로부터 황(S) 이온은 510.3 nm 파장에서 검출 되는 것을 확인할 수 있었으며, 황산염 함유량 0, 0.30, 0.40, 0.50, 0.60%에 따른 각각의 시편에 대한 정규화된 LIBS 스펙트 럼 파장 강도 분석 결과는 Table 6에 나타내었다. Fig. 5는 Table 6의 분석 결과를 활용하여 황 이온 함유량에 따른 LIBS 스펙트 럼 파장 강도 측정 결과를 정규화하여 회귀분석한 것으로 결정 계수는 0.9201로 나타났다.

2.4.3. 탄산화 시험체의 LIBS 실험 결과

탄산화 시험체에 대한 LIBS 실험 결과는 Fig. 6과 같다. 탄소 (C) 이온은 247.9 nm 파장에서 검출되는 것을 확인할 수 있었으 며, 탄산화 촉진 0, 1, 2, 4, 6, 8주에 따른 각각의 시편에 대한 정 규화된 LIBS 스펙트럼 파장 강도 분석 결과는 Table 7에 나타내 었다. Fig. 7은 Table 7의 분석 결과를 활용하여 탄소 이온 함유 량에 따른 LIBS 스펙트럼 파장 강도 측정 결과를 정규화하여 회 귀분석한 것으로 결정계수는 0.9095로 나타났다.