한국도시환경학회지제 11 권 2 호 145~152 (2011.9.) Journal of Korean Society of Urban Environment 황산염침투를받은콘크리트의내염해특성 박재임 배수호 이광명 * 하재담 ** 안동대학교토목공학과 * 성균관대학교토목환경공학과 ** 쌍용양회공업 ( 주 ) 기술연구소수석연구원 (2011년 8월 5일접수, 2011년 9월 10일채택 ) Resistance against Chloride Ion Penetration of Concrete Subjected to Sulfate Attack Jae-Im Park Su-Ho Bae Kwang-Myong Lee* Jae-Dam Ha** Department of Civil Engineering, Andong National University *Department of Civil & Environmental Engineering, Sungkyunkwan University **Ssangyong Cement Industrial Co. Ltd, Technology Research Center (Received 5 August 2011 : Accepted 10 September 2011) Abstract The objectives of this experimental research were to investigate the diffusion characteristics for chloride ion of concrete subjected to sulfate attack and suggest high-resistance concrete against sulfate attack and chloride penetration. For this purpose, concretes with three types of cement such as ordinary portland cement (OPC), binary blended cement (BBC), and ternary blended cement (TBC) containing mineral admixtures were made for water-binder ratios of 32% and 43%. After the concrete specimens were immersed in sulfate solution for 365 days, mass change ratios of them were measured, and then the resistance against chloride ion penetration of them were estimated by using NT BUILD 492. It was observed from the test results that the resistance to chloride ion penetration of concrete subjected to sulfate attack was greatly decreased than that of standard curing concrete under the same age. Also, it was revealed that the resistance to chloride ion penetration of concretes containing mineral admixtures such as BBC and TBC were much better than that of OPC concrete. Key Words : Sulfate attack, Diffusion coefficient for chloride ion, Mineral admixture, Water-binder ratio 요약문 황산염침투및염해환경에노출된철근콘크리트구조물의경우콘크리트의팽창균열및철근부식으로인하여내구수명이단축되면기설구조물의보강이나재설치가시행되는데, 이때기설구조물의폐콘크리트처리문제로환경부하가증가하게된다. 따라서황산염침투및염해로인한환경부하를저감하기위해서는황산염침투를받은콘크리트의염화물이온침투저항성을정확히예측하여설계 시공하여야한다. 본연구의목적은황산염침투를받은콘크리트의염화물이온침투저항성을규명하여황산염침투및염해고저항성콘크리트를제시하는것이다. 이를위하여, OPC, 2 성분계및 3 성분계시멘트를혼입한 3 가지형태의콘크리트를물 - 결합재비 32% 및 43% 에대해서제작하였다. 제작한콘크리트시험체를 365 일동안황산염용액에침지시킨후그것의질량변화율을평가하였고, NT BUILD 492 에의해염화물이온침투저항성시험을수행하였다. 그결과, 황산염침투를받은콘크리트는동일재령의표준양생콘크리트보다염화물이온침투저항성이크게저하되는것으로나타났으며, 광물질혼화재를혼입한 2 성분계및 3 성분계시멘트를사용한콘크리트의염화물이온침투저항성은 OPC 콘크리트의경우보다훨씬우수한것으로나타났다. 주제어 : 황산염침투, 염화물이온확산계수, 광물질혼화재, 물 - 결합재비 Corresponding author E-mail : shbae@andong.ac.kr 145
146 박재임 배수호 이광명 하재담 I. 서론 황산염침투및염해환경에노출된철근콘크리트구조물의경우콘크리트의팽창균열및철근부식으로인하여내구수명이단축되면기설구조물의보강이나재설치가시행되는데, 이때기설구조물의폐콘크리트처리문제로환경부하가증가하게된다. 따라서황산염침투및염해로인한환경부하를저감하기위해서는황산염침투를받은콘크리트의염화물이온침투저항성을정확히예측하여설계 시공하여야한다. 토양속, 지하수및해수환경등에건설되는콘크리트구조물은황산염에의한화학적침식으로인하여성능저하가발생될수있다. 황산염등의유해이온이콘크리트내로침투하여시멘트수화물과반응함으로써콘크리트조직에팽창수화물이생성되고연화작용이일어나기때문에콘크리트내구성능을크게저하시킬뿐만아니라심한경우균열발생및조직붕괴를일으키게된다 ( 이승태, 2009; Mehta, 1983). 황산염침투메커니즘은황산염의농도, 주위온도, 결합재의종류및양, 물-결합재 (W/B) 비및양생기간등의여러인자들의영향을받고, 콘크리트내부로침투되는황산염이온들의낮은확산성으로인하여장기간동안일어나는매우복잡한현상이다. 이에따라콘크리트의황산염침투에대한연구는오래전부터수행되어왔으나, 아직까지이에대한완전한메커니즘구명및방지대책이확립되어있지않은실정이다. 최근들어, 플라이애쉬 (fly ash, FA), 고로슬래그미분말 (ground granulated blast furnace slag, GGBFS), 실리카퓸 (silica fume, SF) 등의광물질혼화재를활용함으로써콘크리트의황산염침투저항성을개선시키는연구가보고되고있는데, 이는광물질혼화재의포졸란반응시수산화칼슘이소비되어 OPC 콘크리트보다석고의생성이적고, 또한시멘트를포졸란재료로치환함에따라 C 3 A 함량의저감으로 2차에트린자이트생성이감소되며, 포졸란반응에의해생성된 2차 C-S-H의생성으로경화시멘트페이스트의치밀화를가져오기때문이다 (Shazali 등, 2006; Suryavanshi 등, 2002). 이연구의목적은황산염침투를받은콘크리트의내염해특성을평가하여, 해양환경에노출된콘크리트에대한고저항성콘크리트를제시하는것이다. 이를위하여물-결합재비 32% 및 43% 에대해서 OPC(ordinary portland cement), 광물질혼화재가혼입된 2성분계시멘트 (binary blended cement, BBC) 및 3성분계시멘트 (ternary blended cement, TBC) 를사용한콘크리트시편을제작하여, 이들을 콘크리트의용액침지 Table 1. Physical properties, chemical composition, and mineralogical compound of cement and mineral admixtures Physical properties OPC GGBFS FA SF Specific gravity 3.15 2.89 2.23 2.20 Blaine fineness 1) (cm 2 /g) 3,290 4,893 3,750 200,000 Compressive 3 days 34.0 2) strength 7 days 44.1 (MPa) 28 days 56.9 Chemical composition SiO 2 21.1 34.1 56.5 88.7 Al 2 O 3 4.6 16.1 27.1 1.8 Fe 2 O 3 3.5 0.4 4.4 1.8 CaO 61.8 42.3 3.8 1.5 MgO 3.2 4.1 0.8 0.8 SO 3 2.1 2.5 0.2 0.1 R 2 O 0.9 0.7 1.3 1.0 Mineralogical compound C 3 S 55 C 2 S 19 C 3 A 6 C 4 AF 11 1) Values indicating fineness of OPC, GGBFS, FA, and SF 2) Blank box is no meaning of measurement in this study scope. 에의한내약품성시험방법 인 JSTM C 7401(1999) 에따라 365 일동안황산염용액에침지시켰다. 이같이황산염침투를받은콘크리트의질량변화율과북유럽규격인 NT BUILD 492(1999) 에따라염화물이온침투저항성을평가하였다. 1. 사용재료 II. 실험개요 시멘트는 S 사제품의보통포틀랜드시멘트를사용하였으며, 2 성분계시멘트 (BBC) 및 2 종류의 3 성분계시멘트 (TBC1, TBC2) 를만들기위하여고로슬래그미분말 (GGBFS), 플라이애쉬 (FA) 및실리카퓸 (SF) 을이용하였는데, 이들의물리적성질및화학성분과시멘트클링커의조성광물은 Table 1 과같다. 잔골재는경
황산염침투를받은콘크리트의내염해특성 147 Table 2. Physical properties of fine aggregate Specimen Specific gravity Absorption 1) Unit volume mass (kg/m 3 ) Amount of passing No. 200 sieve Fineness modulus River sand 2.60 1.47 1,597 2.2 2.43 1) (surface dry mass - absolute dry mass) / (absolute dry mass) 100 Table 3. Physical properties of coarse aggregate Specimen G max (mm) Specific gravity Absorption Unit volume mass (kg/m 3 ) Fineness modulus Crushed rock 20 2.65 0.58 1,648 7.27 Table 4. Properties of superplasticizer Type Specific gravity ph Solid content Quantity (by mass of cement) Main component Super-plasticizer 1.05 9 38 0.5~2.5 Polycarbonin acid admixture Table 5. Mix proportions of concrete G max (mm) W/B S/a 20 32 42 20 43 47 Cement type *** OPC : GGBFS = 50% : 50% *** OPC : GGBFS : FA = 40% : 40% : 20% *** OPC : GGBFS : SF = 50% : 45% : 5% W OPC Unit mass (kg/m 3 ) Binder (B) GG BFS FA SF S G SP (B %) OPC 160 500 0 0 0 691 966 1.10 BBC * 160 250 250 0 0 684 955 0.85 TBC1 ** 160 200 200 100 0 707 910 1.30 TBC2 *** 160 250 225 0 25 681 951 1.36 OPC 165 388 0 0 0 811 925 1.00 BBC 165 194 194 0 0 805 918 0.80 TBC1 165 155.2 155.2 77.6 0 798 910 1.03 TBC2 165 194 174.6 0 19.4 802 915 1.23 북안동시에서생산된낙동강산하천사, 굵은골재는안동산부순돌을이용하였으며, 이들의물리적성질은 Table 2 및 3 과같다. 혼화제는고강도및유동화콘크리트용으로사용되고있는폴리카르본산계의고성능 AE 감수제 ( 표준형, S 사 ) 로서품질특성은 Table 4 와같다. 2. 실험방법 2.1. 시편제작콘크리트의황산염및염화물침투저항성을평가하 기위한콘크리트를제조하기위하여 Table 5 와같이배합비를정하였다. 보통강도및고강도콘크리트의대표적인배합비로서각각물 - 결합재비 (W/B) 43% 와 32% 를선정하였다. 이에대해서목표슬럼프및공기량은각각 180 ± 25 mm, 5.0 ± 0.5% 으로설정하여, KS F 2403( 콘크리트의강도시험용공시체제작방법 ) 에따라원주형공시체 (Ø100 200 mm) 를제작하였다. 제작된공시체는성형후 24 시간경과하여몰드를제거한후표준양생공시체는시험전까지 20 ± 2 o C 의온도로습윤양생하였으며, 황산염용액침지공시체는
148 박재임 배수호 이광명 하재담 Fig. 3. Detail of migration set-up. Fig. 1. Pre-treatment process of concrete. 데, 이연구에서는식 (1) 과같이질량변화율에의해황산염침투저항성을평가하였다. W 질량변화율 = ci W ------------------- i 100 (1) W ci 여기서, W i : 시험용액에침지한콘크리트의측정재령에서의질량 (g) W ci : 시험용액에침지하기전콘크리트의질량 (g) Fig. 2. Immersed specimens in sulfate solution. Fig. 1 과같이전처리양생을시행한후각용액에침지시켰다 (Fig. 2). 2.2. 황산염저항성시험방법콘크리트의내약품성시험방법은미국 ASTM C 1012(2007) 에도명시되어있으나, 이는모르타르에의한시험방법이므로, 이연구에서는 JSTM C 7401 의 콘크리트의용액침지에의한내약품성시험방법 에의하여황산염침투저항성시험을수행하였다. 이시험방법은산또는염류등의용액에공시체를소정의기간동안침지시켜측정치의변화를표준양생시킨공시체와비교하여내약품성을평가하는방법으로, 황산염으로서 10% 황산나트륨과 10% 황산마그네슘을제시하였으므로, 본연구에서는 10% 황산나트륨과 10% 황산마그네슘용액을선정하여시험을수행하였다. 이를위하여제작된공시체에대해서 Fig. 1 과같이전처리를시행하였는데, 이연구에서는피복하지않은공시체를사용하였으므로재령 26 일까지 20 ± 2 o C, 상대습도 60 ± 5% 의항온항습실에공시체를정치시킨후재령 28 일까지 20 ± 2 o C 의수중에서양생시켰다. 이시험규격에서콘크리트의황산염침투저항성은압축강도비, 질량및길이변화율등에의해평가하는 또한, 황산염침투하에서콘크리트의미세구조를평가하기위하여각용액에 365일동안침지시킨콘크리트공시체로부터침식부위의분말시료를채취하여, JCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards) card method에의하여 XRD 분석을수행하였다. 2.3. 염화물이온침투저항성시험방법본연구에서는주요열화요인을황산염침투로설정한후, 황산염침투를받은콘크리트의염화물이온확산계수를부수적으로평가하기위한것으로, 황산염용액에 1 년동안침지시킨콘크리트의염화물이온확산계수평가는전기화학적촉진실험법에의해수행하였다. 이방법에는 Andrade 방법, Dhir 방법, Zhang 과 Gj ørv 의방법및 NT BUILD 492 방법 (1999) 등이있는데, 이들중북유럽에서규격화되어있는 NT BUILD 492 방법에의하여염화물이온의확산실험을수행하였다. 이에따라콘크리트시편의두께는 50 mm 로하였으며, 음극셀은 10% 의 NaCl 수용액을, 양극셀은 0.3M 의 NaOH 수용액을사용하였다 (Figs. 3 및 4). 이와같이확산셀장치를구성한후전원공급장치를이용하여 30V 의전압을공급하였을때걸리는전류와확산셀내부의온도를 24 시간동안측정하였다. 전기화학적촉진시험이끝난후콘크리트시편을축방향으로 2 개의조각으로할렬하여, 그단면에 0.1N AgNO 3 용액을분무하여염화물이온의침투를나타내는흰색침전물이나타난부위를관찰하였다. 그부위의깊이를 7
황산염침투를받은콘크리트의내염해특성 149 Fig. 4. Arrangement of migration set-up. 군데측정하여평균염화물이온침투깊이를구하였다. 측정된결과를근거로식 (2) 에의하여염화물이온확산계수를계산하였다. D = RT --------- zfe X d a X ------------------------ d t (2) 여기서, E U 2 = ------------, a = 2 L RT --------- erf zfe 1 2c 1 ------- d c 0 D: 염화물이온확산계수 (m 2 /s) z: 이온의원자가 F: 페러데이상수 U: 양극과음극사이의전압차 (V) R: 기체상수 T: 용액의온도 (K) L: 시편의두께 (mm) X d : 염화물이온침투깊이 (m) t: 실험지속시간 (s) erf : error function c d : 비색법에의한반응농도 (N) c o : 음극셀의염화물이온농도 (2N) Fig. 5. Mass change of concrete (W/B=32%). 1. 질량변화율 III. 실험결과및고찰 Figs. 5 및 6 은물 - 결합재비별로침지재령 28, 56, 91, 182 및 365 일동안황산염용액에침지시킨콘크리트의질량변화율을나타낸것이다. 10% 황산나트륨용액에침지시킨콘크리트는물 - 결합재비 32% 의경우시험체모두질량변화율이거의없는것으로나타났는데, 이는낮은물 - 결합재비로인한콘크리트미세구조의치밀화로황산나트륨침투의열화진행이완화되었기때문인것으로판단된다. 따라서황산나트륨침투를억제하기위해서는낮은물 - 결합재비의사용이 Fig. 6. Mass change of concrete (W/B=43%).
150 박재임 배수호 이광명 하재담 Fig. 7. Diffusion coefficient for chloride ion of concrete (W/B=32%). 매우유효한것으로나타났다. 한편, 물 - 결합재비 43% 의경우, OPC 및 BBC 콘크리트는침지재령이증가함에따라질량감소율이커지는것으로나타났으나, TBC1 및 TBC2 콘크리트의질량감소율은거의없는것으로나타났다. 이는광물질혼화재의황산나트륨에대한저항성이 OPC 에고로슬래그미분말을치환한 2 성분계시멘트보다 2 성분계시멘트에실리카퓸이나플라이애쉬를추가혼입한 3 성분계시멘트가보다효과적이라는것을입증해주는것으로판단된다. 10% 황산마그네슘용액에침지시킨콘크리트의경우, 물 - 결합재비에관계없이광물질혼화재를혼입한콘크리트의질량감소율이 OPC 콘크리트보다큰것으로나타났는데, 이는광물질혼화재혼입에따른포졸란반응시수산화칼슘이소비되어황산마그네슘침투시수산화칼슘의 C-S-H 보호작용이저하되었기때문인것으로판단된다. 2. 황산염침투를받은콘크리트의염화물이온침투저항성 Figs. 7 및 8 은물 - 결합재비 32% 및 43% 에대해서황산염용액에 365 일동안침지시킨콘크리트의염화물이온확산특성을나타낸것이다. 시멘트종류에관계없이황산염침투를받은콘크리트는동일재령의표준양생콘크리트보다염화물이온침투저항성이크게저하되는것으로나타났는데, 이는황산염과시멘트수화생성물의화학적반응으로생성된석고및에트린자이트등과같은팽창적인반응생성물이콘크리트의내부조직의연화와열화를일으켜서염화물이온침투가상대적으로원활해지기때문인것으로판단된다. 또한, 황산마그네슘용액에침지된콘크리트의염화물이온침투저항성은황산나트륨용액에침지된콘크 Fig. 8. Diffusion coefficient for chloride ion of concrete (W/B=43%). 리트의경우보다비교적작은것으로나타났는데, 이는전자가후자보다질량감소율이크므로전자의경우가내부조직의열화가크기때문인것으로판단된다. 한편, 물 - 결합재비및시험용액에관계없이광물질혼화재를혼입한콘크리트가 OPC 콘크리트보다염화물이온침투저항성이우수한것으로나타나, 황산염에의한화학적침식과염화물이온침투에의한염해가공존하는해양환경등에노출된콘크리트구조물에 2 성분계및 3 성분계시멘트를사용한콘크리트를활용함으로써콘크리트구조물의내구성을크게개선시켜환경부하저감효과를도모할수있을것으로판단된다. 3. 황산염침투를받은콘크리트의반응생성물 Fig. 9 는물 - 결합재비 43% 에대해서황산염용액에 365 일동안침지시킨 OPC, BBC 및 TBC 콘크리트공시체의침식부위에대한 XRD 분석결과를나타낸것이다. 10% 황산나트륨용액에침지한경우는석고와에트린자이트의피크가나타나, 이 2 개의수화물이팽창과균열을일으키는황산나트륨침투의주요반응생성물인것으로나타났다. 한편, 10% 황산마그네슘용액에침지한경우는석고및에트린자이트이외에비교적낮은피크의브루사이트가관찰되었는데, 브루사이트는시멘트의수화생성물과황산염이온이결합하고있는양이온 (Mg 2+ ) 의반응으로생성되고, 황산마그네슘침투메커니즘에결정적인역할을하므로, 황산염이온이결합하고있는양이온 (Mg 2+ ) 이황산마그네슘침투메커니즘에영향을미치는것으로나타났다.
황산염침투를받은콘크리트의내염해특성 151 Fig. 9. XRD analysis of concrete specimens (G : Gypsum, E : Ettringite, B : Brucite Q : Quartz, C : Calcite, F : Feldspar). IV. 결 론 감사의글 1. 황산염침투를받은콘크리트는동일재령의표준양생콘크리트보다염소이온침투저항성이크게저하되는것으로나타났는데, 이는황산염과시멘트수화생성물의화학적반응으로형성된석고및에트린자이트등과같은팽창적인반응생성물이콘크리트의내부조직의연화와열화를일으켜서염소이온침투가상대적으로원활해지기때문인것으로판단된다. 2. 황산염침투를받은콘크리트는물 - 결합재비및시험용액에관계없이광물질혼화재를사용한콘크리트가 OPC 콘크리트보다염소이온침투저항성이우수한것으로나타나, 황산염에의한화학적침식과염화물이온침투에의한염해가공존하는해양환경등에노출된콘크리트구조물에 2 성분계및 3 성분계시멘트를사용한콘크리트를활용함으로써콘크리트구조물의내구성을크게개선시켜환경부하저감효과를도모할수있을것으로판단된다. 본연구는국토해양부의지원사업인콘크리트코리아연구단의 고성능다기능콘크리트의개발및활용기술 과제에의해수행되었으며, 이에관계자여러분께감사드립니다. References 1. 이승태. 2009. 메타카올린혼합시멘트경화체의황산마그네슘침식및성능저하모드. 21(1). pp. 21~27 2. American Society for Testing and Materials. 2007. Standard Test Method for Length Change of Hydraulic-Cement Mortars Exposed to Sulfate Solution. ASTM C 1012. pp. 1-6 3. DuraCrete. 2000. DuraCrete Final Technical Report; DuraCrete Probabilistic Performance based Durability Design of Concrete Structures. 4. Gjørv, O.E. 2006. Durability Design of Concrete Structures in Marine Environment. IABMAS. pp. 949-950
152 박재임 배수호 이광명 하재담 5. Japan Testing Center for Construction Materials. 1999. コンクり一トの溶液浸せきによる耐藥品性試驗方法. JSTM C 7401 6. Mehta, P. K. 1983. Mechanism of Sulfate of Attack on Portland Cement Concrete - Another Look. Cement and Concrete Research. 13(3). pp. 401-406 7. NORDTEST. 1999. Concrete, Mortar and Cement- Based Repair Materials : Chloride Migration Coefficient from Non-Steady-State Migration Experiments. NT BUILD 492 8. Shazali, M. A., Baluch, M. H., Al-Gadhib, A. H. 2006. Predicting Residual Strength in Unsaturated Concrete Exposed to Sulfate Attack. Journal of Materials in Civil Engineering. 18(3). pp. 343-354 9. Suryavanshi, A. K., Swamy, R. N., and Cardew, G. E. 2002. Estimation of Diffusion Coefficients for Chloride Ion Penetration into Structural Concrete. ACI Materials Journal. 99(5). pp. 441-449