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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.23 No.1 pp.78-84
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.1.78

Influence of Hydrostatic Pressure on Chloride Ion Penetration of Marine Concrete

Gyeong-Tae Kim1, Gyu-Yong Kim2*, Nam Jeong-Soo3, Bo-Kyeong Lee4, Chang-Hyuck Lim5

본 논문에 대한 토의를 2019년 2월 1일까지 학회로 보내주시면 2019년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:gyuyongkim@cnu.ac.kr Department of Architectural Engineering, Chungnam National University, Daejeon, 34134, Korea
02/09/2018 30/10/2018 07/11/2018

Abstract


The Marine concrete that located at immersion zone receives an hydrostatic pressure of 1 atm as depth of the water increased by 10 m. And it could accelerate chloride ion penetration. In this study, to evaluate the influence of hydrostatic pressure on chloride ion penetration, concrete mixed by ordinary Portland cement and Portland blast-furnace slag cement was exposed to 1 and 6 atm and substitute ocean water. As a result, the surface chloride ion concentration of the concrete under 6 atm of hydrostatic pressure increased rapidly and the water-soluble chloride ion contents was increased by depth. In addition, the concrete under 6 atm of hydrostatic pressure showed the increase of capillary pores corresponding to 5~100 nm.



정수압이 해양콘크리트의 염화물이온 침투에 미치는 영향

김 경태1, 김 규용2*, 남 정수3, 이 보경4, 임 창혁5
1정회원, 충남대학교 건축공학과 석사과정
2정회원, 충남대학교 건축공학과 교수, 공학박사, 교신저자
3정회원, 충남대학교 건축공학과 조교수, 공학박사
4정회원, 한국지질자원연구원 박사후연구원, 공학박사
5정회원, 한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소 연구원

초록


해양 콘크리트 구조물 중 침지대에 위치한 구조물은 수심이 10 m 깊어질수록 1 atm의 정수압을 받아 염화물이온 침투가 촉진될 가 능성이 있다. 본 연구에서는 정수압이 해양콘크리트의 염화물이온침투에 미치는 영향과 원인을 평가하기 위하여 보통 포틀랜드 시멘트와 고 로슬래그 시멘트를 활용한 콘크리트를 각각 1, 6 atm의 정수압과 인공해수에 노출시켜 깊이별 수용성 염화물량과 미세구조 분석을 실시하였 다. 측정결과 6 atm의 정수압을 받는 콘크리트는 표면 염화물이온 농도가 급격하게 상승하며, 깊이별 수용성 염화물량이 증가하는 경향을 나타 내었다. 또한, 정수압을 받은 콘크리트는 5~100 nm에 해당하는 모세관공극이 증가하는 경향을 나타내었다.



    1. 서 론

    해상 발전소, 해양 중의 교각, 해저 터널 등과 같은 해양콘 크리트 구조물은 해수, 해사, 비래염분에 의해 염화물이온이 침투되고 콘크리트 속에 매입된 철근의 부식을 초래하여 구 조적인 문제 및 내구성 저하가 발생할 가능성이 있다(Koh et al., 2004;Lee et al., 2017).

    일반적으로 해양환경은 해수의 접촉정도에 따라 비말대, 간만대, 침지대로 구분할 수 있다. 그 중 간만대에 위치한 구 조물은 조수간만의 차에 의한 건습반복 현상이 발생하게 되 고, 이 때문에 표면 염화물량이 지속적으로 증가하게 되어 급 격한 열화가 발생하는 것으로 보고되고 있다. 한편, 침지대에 위치한 구조물의 경우도 수심이 10 m씩 깊어질수록 1 atm씩 증가하는 정수압을 받게 되며, 이러한 정수압이 염화물이온 침투를 촉진시킬 가능성이 있다.

    콘크리트를 투과하는 염화물이온의 이동은 확산, 침투, 전 기적 이동, 대류의 4가지 현상으로 구분할 수 있다. 그 중 최근 에는 Fick의 제 2법칙에 기반한 염화물이온 확산모델을 활용 하여 콘크리트 구조물의 염해내구성을 평가하는 연구가 활발 히 진행되고 있다. Bazant는 해수에 노출된 콘크리트에서의 철근부식 과정을 산소 및 염화물이온의 확산, 콘크리트 기공 내의 전류의 흐름, 수분이동 등을 고려한 상세한 부식속도 및 부식균열모델의 제안을 통해 체계화 하였으며, 실험을 통해 몇몇 요소에 대한 간단한 해를 제안하였다(Bazant et al., 1979). Nilsson은 콘크리트 구조물 내부로의 염화물이온 확산 에 대하여 표면 염화물이온 농도와 염화물이온 구속능력을 고려하여 세공용액을 통한 염화물이온 침투 및 콘크리트 내 의 총 염화물 분포를 고려하여 수학적 모델을 제안하였다 (Nilsson et al., 1994). Xi은 포화된 콘크리트의 염화물이온 확 산에 관한 수학적 모델을 물-시멘트 비, 양생기간, 시멘트의 종류, 골재함유량과 같은 다양한 영향인자를 고려하여 제안 하였으며, 염화물의 구속능력과 염화물이온 확산에 대한 이 론을 발전시켰다(Xi et al., 1999). 또한, 콘크리트 표준시방서 에서도 해양콘크리트 구조물의 내구수명에 대해 식 (1)과 같 이 Fick의 제 2법칙을 통해 내구수명을 예측 하도록 명시되어 있다.

    C d C i = ( C s C i ) ( 1 e r f ( x 2 D d t ) )
    (1)

    여기서, Cd는 위치 x (cm), 시간 t (year)에서 염화물이온 농 도의 설계값 (kg/m3), Ci는 초기 염화물이온 농도, Cs는 표면 염화물이온 농도, erf는 오차함수, Dd는 염화물이온의 유효 확산계수 (m2/y)이다.

    이와 같이 염화물이온의 이동은 Fick의 제 2법칙에 근거하 여 국부적인 농도차에 의한 이온의 이동으로 정의하고 표면 염 화물이온 농도, 임계 염화물이온 농도, 재료에 따른 확산계수 등을 고려하여 예측하도록 하고 있으나 압력에 대한 요인은 고 려되고 있지 않다. 그러나 기존 연구에 의하면, 콘크리트가 정 수압을 받을 경우 콘크리트 내부로 수분의 침투가 촉진된다는 연구결과가 보고되고 있다(Yoo et al., 2011, Yi et al., 2011). 이 를 해양 콘크리트에 적용할 시 수심이 깊어짐에 따라 정수압이 증가하게 되어 염화물이온의 침투를 촉진시킬 가능성이 있다.

    이에 본 연구에서는 정수압이 해양콘크리트의 염화물이온 침투에 미치는 영향을 검토하기 위해 보통 포틀랜드 시멘트 및 고로슬래그 시멘트 콘크리트를 제조한 후 염화물이온 침 투 실험장치를 활용하여 정수압의 크기 및 노출기간에 따른 콘크리트의 염화물이온 침투 거동에 대해 분석하였다.

    2. 실험계획 및 방법

    2.1 사용재료 및 실험계획

    Table 1에 사용재료의 물리적 특성을 나타내었다. 시멘트 는 KS L 5201「포틀랜드 시멘트」의 1종 보통 포틀랜드 시멘 트(ordinary Portland cement, OPC)와 KS L 5210「고로슬래 그 시멘트」의 고로슬래그 시멘트(Portland blast-furnace slag cement, PBC) 2종을 사용하였으며, 밀도는 각각 3.12, 3.05 g/cm3이고, 비표면적은 3,500, 4,000 cm2/g이다. 잔골재와 굵 은 골재의 경우 밀도가 각각 2.56, 2.65 g/cm3, 최대치수가 각 각 5, 25 mm인 부순 골재를 사용하였다.

    Table 2에 본 연구의 실험계획을 나타내었다. 본 연구의 실 험변수는 시멘트 종류, 정수압 크기, 정수압 노출기간으로 설 정하였다. 시멘트 종류는 보통 포틀랜드 시멘트와 고로슬래 그 시멘트, 압력의 크기는 대기압과 동일한 1 atm과 수심 50 m 에 위치한 콘크리트를 가정한 6 atm, 압력 노출기간은 3, 7, 28, 56일로 설정하였다.

    평가항목의 경우 정수압 크기 및 노출기간에 따른 콘크리 트의 수용성 염화물량을 측정하였으며, 주사전자현미경 (Scanning electron microscopy, SEM)을 활용한 미세구조 관 찰, 수은압입법(Mercury instrusion porosimetry, MIP)으로 공 극 크기별 분포 및 누적공극량을 측정하였다.

    Table 3에 콘크리트 배합을 나타내었다. 콘크리트 구조설 계기준의 특수 노출 상태에 대한 콘크리트에서 제시하고 있 는 설계기준강도 35 MPa을 만족시키기 위해 W/B를 38.2 %, 잔골재율은 44,6 %로 설정하고, 목표 공기량은 4.0±0.5 %로 설정하였다.

    콘크리트의 공기량은 고성능 AE감수제를 활용하여 목표 값을 만족시켰으며, OPC 시험체의 재령 28, 56일 압축강도는 각각 56.8, 57.2 MPa, PSC 시험체의 재령 28, 56일 압축강도는 60.8, 66.6 MPa로 측정되었다.

    2.2 정수압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투실험

    Fig. 1에 콘크리트의 염화물이온 침투 실험방법을 나타냈 다. 대기압과 동일한 1 atm을 받는 콘크리트는 Fig. 1(a)에 나 타낸 바와 같이 시험체를 염수에 침지하였으며, 6 atm의 정수 압을 받는 콘크리트는 Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같이 정수압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투 실험장치를 고안하여 콘크 리트를 염수에 노출시킴과 동시에 정수압을 가하였다. 정수 압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투 실험장치의 개념도를 Fig. 2에 나타냈다. 실험장치는 기존의 정수압을 가하여 투과 되는 공기량을 측정하는 투기계수 실험장치로부터 고안되었 으며(Kang et al., 2010), 시험체는 고무링과 고정 장치를 활용 하여 안착부에 고정하고 염화물이온의 1면 침투를 유도하였 다. 장치의 각 부위는 볼트로 체결하여 내부 압력의 노출을 방 지하였다. 또한, 장치의 하단에는 밸브를 설치하여 압력과 염 수의 누출 여부를 확인하고 시험체에 압력구배가 발생하도록 하였다. 염수는 ASTM D 1141「Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water」에 준하여 제조한 인 공해수를 투입하였다. 염화물이온의 침투를 유도하기 위해 컴프레셔와 레귤레이터를 활용하여 정수압을 0.01 atm 단위 로 조절하면서 주입하였다.

    2.3 실험방법

    정수압이 콘크리트의 염화물이온 침투에 미치는 영향을 평 가하기 위한 시험체는 표준 공시체(φ100×200 mm)의 중앙부 를 50 mm 두께로 절단하여 φ100×50 mm 크기로 제작하였다. 각 시험체는 해양콘크리트 구조물 중 정수압을 받는 개소인 침지대에 위치한 구조물과 동일도록 포수상태를 유지하기 탈 형 이 후 수중양생을 실시하였으며, 재령 56 일까지 양생한 이 후 정수압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투 실험을 실시 하였다.

    수용성 염화물량은 시험체 표면으로부터 0~5, 5~10, 10~15 mm의 시료 10 g씩 채취하여 KS F 2713「콘크리트 및 콘크리 트 재료의 염화물 분석 시험 방법」에 준하여 질산은을 활용 한 전위차적정법을 통해 측정하였다. 적정을 위한 장치는 전 위차 자동적정장치(798 MPT Titrino)를 활용하여 당량점을 측정하였으며, 당량점으로부터 식 (2)와 같이 시료의 수용성 염화물량을 측정하였다.

    C l ( % ) = 3.545 × ( V 1 V 2 ) × 0.05 W
    (2)

    여기서, Cl은 수용성 염화물량, V1은 시료의 적정에 사용 된 0.05 N 질산은 용액의 부피, V2는 바탕 적정에 사용된 0.05 N 질산은 용액의 부피, W는 시료의 질량이다.

    또한, 시험체의 미세구조는 주사전자현미경(SEM)을 활용 하여 56일간 1, 6 atm 정수압을 받은 시험체를 대상으로 관찰 하였다. 시험체의 표면부(0~10 mm) 시료를 채취하여 샘플을 백금으로 코팅한 후 가속전압 15 kV에서 관찰하였다.

    정수압을 받는 시험체의 공극 크기별 분포 및 누적공극량 은 수은압입법(MIP)으로 측정하였다. 샘플은 56일간 1, 6 atm 정수압을 받은 시험체 중 굵은 골재를 제외한 모르타르 부분 을 약 5 mm의 크기로 파쇄하여 수은압입장비(Micromeritics Auto Pore 9500)를 활용하여 측정하였다. 접촉각, 표면장력은 각각 130°, 485 dines/cm로 설정하였다.

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 정수압을 받은 콘크리트의 염화물이온 침투

    Fig. 3에 대기압과 동일한 1 atm의 정수압을 받은 콘크리트 의 수용성 염화물량 측정 결과를 나타내었다. OPC와 PSC 시 험체 모두 노출기간이 경과함에 따라 수용성 염화물량이 증 가하였다. 한편, 5~10 mm 시료의 수용성 염화물량의 경우, OPC 시험체는 0~5 mm 시료의 수용성 염화물량과 유사하게 선형적으로 증가하는 경향을 나타었으나, PSC 시험체는 정수 압 노출기간의 경과에도 불구하고 5~10 mm 시료의 수용성 염화물량의 증가가 크지 않았다. 또한, 10~15 mm 시료의 수 용성 염화물량 측정결과에서도 동일한 경향을 나타내었다. 이러한 원인은 고로슬래그 시멘트에 혼입된 고로슬래그 미분 말에 의해 낮은 염화물이온 확산계수에 의한 영향으로 판단 할 수 있다(Lee et al., 2017).

    Fig 46 atm의 정수압을 받은 콘크리트의 수용성 염화물 량 측정 결과를 나타내었다. 측정결과 OPC와 PSC 시험체 모 두 정수압 노출기간이 3, 7, 28, 56일로 경과함에 따라 0~5 mm 시료의 수용성 염화물량은 급격하게 증가하는 경향을 나타내 어 1 atm의 정수압을 받은 시험체 보다 약 6~10 배 이상 높은 수용성 염화물량을 나타냈다. 한편, OPC와 PSC 시험체 모두 정수압 노출기간의 경과가 28일 까지는 급격한 염화물량의 증가를 나타내었으나, 28일 이후 수용성 염화물량은 큰 증가 폭을 나타내지 않으며 약 4.0, 1.8 %로 수렴하는 결과를 나타 냈다. 또한, 6 atm의 정수압을 받은 콘크리트에서도 1 atm의 정수압 조건과 마찬가지로 모든 침투깊이와 노출기간과 관계 없이 고로슬래그 미분말이 혼입된 PSC 시험체에서 낮은 수용 성 염화물량을 나타내었다.

    한편, 6 atm의 정수압을 받은 시험체의 0~5 mm 시료의 수 용성 염화물량과 5~10 mm 시료의 수용성 염화물량의 차이는 1 atm의 정수압을 받은 시험체의 깊이별 수용성 염화물량 차 이보다 큰 차이를 나타냈다. 이러한 결과는 0~5 mm에 해당하 는 콘크리트 표면부의 경우 해수의 침투에 의해 급격한 상승 과 더불어 높은 염화물량을 나타내며, 수분침투가 진행되지 않은 깊이에서는 염화물이온 확산에 의한 침투가 진행되었기 때문인 것으로 판단된다.

    3.2 주사전자현미경 관찰

    Fig. 5에 각각 1 atm과 6 atm의 정수압과 인공해수에 노출된 OPC, PSC 시험체의 주사전자현미경 관찰결과를 나타냈다. OPC와 PSC 시험체 모두에서 광범위한 칼슘 실리케이트 수화 물(Calcium silicate hydrate, C-S-H)의 형성과 수산화칼슘 (Ca(OH)2)이 관찰되었으며 시멘트의 종류에 따른 수화생성 물의 차이는 크지 않았다. 또한, OPC와 PSC 시험체 모두 정수 압의 크기에 따른 시험체의 수화생성물 생성은 큰 차이를 나 타내지 않았다. 정수압을 받는 콘크리트의 염화물이온 침투 실험의 경우 시험체를 재령 56 일까지 수중양생한 이 후 실시 하였기 때문에 콘크리트가 경화가 어느 정도 진행된 이 후에 는 정수압이 콘크리트의 수화에 미치는 영향은 크지 않은 것 으로 판단된다.

    한편, 6 atm을 받은 시험체에서는 1 atm을 받은 시험체에 비해 미세균열이 다수 관찰되었다. 이러한 경향은 정수압의 작용에 의해 매트릭스의 취약한 부분에서 파괴가 일어났을 가능성으로 설명할 수 있다. 그러나 SEM 관찰의 특성상 시료 채취의 과정이나 측정장비의 진공상태를 유지하는 과정에서 발생된 미세균열일 가능성도 없지 않기 때문에 정수압에 의 한 콘크리트의 미세균열 발생에 대해서는 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

    3.3 정수압을 받은 콘크리트의 미세공극구조 변화

    Fig. 6에 정수압의 크기에 따라 56일간 인공해수에 노출된 OPC 및 PSC 시험체의 공극크기별 분포를 나타냈다. 콘크리 트 중의 공극은 공극의 크기에 따라 중간층 공극, 겔공극, 모 세관공극 그리고 기공으로 나누어진다(Kim et al., 2007). 이 중 5~100 nm에 해당하는 모세관공극은 시멘트 경화체의 이 온의 침투성에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다(Yang, C. C. et al., 2006). OPC와 PSC 시험체의 공극크기별 공극량 측정결과 6 atm의 정수압을 받은 모든 시험체에서 5~100 nm 의 모세관 공극이 급격하게 증가하는 경향을 나타냈으며, 특 히 50 nm 부근의 모세관공극이 크게 증가하는 경향을 나타냈 다. 이러한 원인은 정수압의 크기와 수분침투의 관계에서 찾 을 수 있다. 기존의 연구(Yoo, J. H., 2011)에 의하면, 콘크리트 에 0.3 MPa 이상의 수압이 작용할 경우 콘크리트의 내부 변형 을 동반하는 침투 확산류에 의해 콘크리트의 침투 수량비가 증가하게 된다. 본 연구에서 작용한 정수압 6 atm은 약 0.6 MPa의 정수압으로 콘크리트에 작용한다. 따라서 6 atm의 정 수압 작용으로 인한 콘크리트의 내부변형에 의해 100 nm 이 하의 모세관 공극이 증가하는 것으로 판단되며, 이러한 모세 관 공극의 확장에 의해 콘크리트의 염화물이온 침투가 촉진 되는 것으로 판단된다.

    Fig. 7에 OPC 및 PSC 콘크리트에 56일간 인공해수에 노출 된 콘크리트의 노출 정수압 크기에 따른 적산공극량 측정결 과를 나타냈다. 시멘트 종류에 관계없이 정수압을 받은 시험 체는 100 nm이하 공극크기에서 적산공극량이 급격한 증가를 나타냈다.

    한편, PSC 시험체의 경우 OPC 시험체와 마찬가지로 정수 압 증가에 따른 적산공극량의 증가현상이 관찰되지만, OPC 시험체에 비해 수용성 염화물량이 낮은 원인은 앞서 설명한 바와 같이 고로슬래그 미분말 혼입에 따른 염화물이온 침투 저항성의 향상 때문인 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 정수압이 보통 포틀랜드 시멘트 및 고로슬 래그 시멘트 콘크리트의 염화물이온 침투에 미치는 영향을 검토하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 해수 정수압을 받은 콘크리트의 염화물이온 침투형태는 정수압과 노출기간과의 관계에서 콘크리트 깊이별 염화물이 온 농도는 급격히 증가되는 경향이 확인되었다. 특히, 표면부 의 염화물이온 농도는 노출 초기에 급격하게 상승하며 이 후 수렴하는 경향을 나타냈다.

    • 2) 해수 정수압을 받은 콘크리트에서도 고로슬래그 미분말 의 혼입에 의한 염화물이온 침투 억제 효과는 유효한 것으로 확인되었다.

    • 3) 주사전자현미경 관찰을 통해 정수압에 따른 콘크리트의 수화생성물은 큰 차이를 나타내지 않았다. 다만, 6 atm의 정수 압에 의해 시험체에서 미세균열이 관찰되며, 매트릭스의 취 약한 부분에서 일어난 파괴 때문일 가능성이 있는 것으로 판 단된다.

    • 4) 해수 정수압의 작용에 따라 콘크리트 표면부의 모세관 공극이 확장되는 결과를 확인하였다. 이는 결과적으로 해수 정수압이 작용하는 경우 정수압에 의한 염화물이온 이동의 촉진과 더불어 공극확장이 염화물 침투를 촉진시키는 상승요 인으로 작용한 것으로 판단할 수 있다.

    감사의 글

    이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2015R1A5A1037548). 또한, 해양수산부의 국가연구개발사 업인 “방파제 연계형 파력발전 융복합 기술개발”에 의해 수 행되었음(PMS3780).

    Figure

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    Experimental method of chloride ion penetration in concrete

    JKSMI-23-78_F2.gif

    Conceptual diagram of chloride ion penetration experiment equipment of concrete under hydrostatic pressure

    JKSMI-23-78_F3.gif

    Water-soluble chloride contents (Pressurized condition : 1 atm)

    JKSMI-23-78_F4.gif

    Water-soluble chloride contents (Pressurized condition : 6 atm)

    JKSMI-23-78_F5.gif

    SEM micrographs of concrete under hydrostatic pressure

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    Pore size distribution of concrete according to Pressurized condition

    JKSMI-23-78_F7.gif

    Cumulative pore volume of concrete according to Pressurized condition

    Table

    Physical properties of used materials

    Experimental plan

    Mix proportion

    Reference

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