KR100444545B1 - 콘크리트의 기체확산계수 측정장치 및 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 콘크리트 공시체 내에서 이산화탄소, 산소 등의 기체 농도를 측정하고, 측정된 기체 농도에 근거하여 콘크리트 내에서의 기체확산계수를 정확하게 산정할 수 있는 구성을 가진 콘크리트 내의 기체확산계수 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
본 발명에서는, 제1기체를 발생시키는 제1기체 발생원과; 제2기체를 발생시키는 제2기체 발생원과; 밀폐용기로 구성되고, 콘크리트 공시체가 중앙에 배치되며, 상기 콘크리트 공시체의 양면에는 상기 제1기체 발생원으로부터 제1기체 공급라인을 통하여 제1기체가 공급되는 제1챔버 및 상기 제2기체 발생원으로부터 제1기체 공급라인을 통하여 제2기체가 공급되는 제2챔버가 각각 형성되어 있는 확산셀 유닛과; 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버에 동일한 압력으로 공급된 제1기체 및 제2기체가 콘크리트 공시체를 통하여 확산되어 서로 혼합되었을 때, 상기 제2기체 내에 혼합되어 있는 제1기체의 농도를 측정하는 기체분석기를 포함하며; 상기 제2기체 내의 제1기체의 농도가 일정하게 되는 정상상태일 때의 제2기체 내의 제1기체의 농도를 측정하고 측정된 농도에 의하여 콘크리트 내에서의 제1기체의 확산계수를 산정하는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 기체확산계수 측정장치 및 측정방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 콘크리트의 중성화, 철근의 부식에 영향을 주는 산소, 이산화탄소 등의 콘크리트 내에서의 확산계수를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 콘크리트 내의 기체확산계수 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘크리트 중성화에 따른 콘크리트 구조물의 수명을 예측하기 위한 지표가 되는 콘크리트 내의 기체확산계수를 측정하기 위한 장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.
철근 콘크리트 구조물의 성능저하 현상 중에서 가장 빈번하고 광범위하게 발생하는 것 중의 하나는 바로 콘크리트 내부에 매립되어 있는 철근의 부식현상이다. 철근 콘크리트 구조물에 있어서, 철근의 부식은 결국 철근 콘크리트의 강도저하를 의미하고 종국에는 철근 콘크리트 구조물의 성능을 심각하게 저하시키는 원인이 된다.
이러한 콘크리트 내부의 철근 부식은 여러 가진 원인에 의하여 발생할 수 있으나, 일반적으로 콘크리트의 중성화 현상에 의하여 철근 주위의 부동태 피막이 전면적으로 파괴되거나, 염소이온의 확산에 의한 국부적인 부동태 피막의 파괴로 인하여 가장 빈번하게 발생하고 있으며 그 피해 또한 가장 큰 것으로 인식되고 있다.
철근의 부식 원인 중에서 콘크리트의 중성화 현상은 외부의 이산화탄소(CO2)가 콘크리트 침투하여 시멘트 페이스트 중의 수산화칼슘{Ca(OH)2}과 반응하므로써 콘크리트 내의 통상의 pH 값 13.5를 8.5 이하로 저하시키는 현상을 의미하는데, 이러한 이산화탄소의 침투는 콘크리트 내외부의 이산화탄소 농도차에 따른 기체확산과정에 의하여 지배된다.
또한, 콘크리트의 중성화나 염해에 의하여 철근 주위의 부동태 피막이 파괴된 경우에 발생하는 철근 자체의 부식과정은 적절한 양의 산소(O2)와 수분(H2O)이 공급되어야만 발생하는 것이므로, 콘크리트 내에서의 이산화탄소 확산정도는 물론 산소의 확산정도는 콘크리트 내의 철근 부식 정도를 예측하는데 있어서 매우 중요한 인자가 된다.
따라서, 콘크리트 내의 철근 부식 정도를 예측하고, 그에 근거한 철근콘크리트 구조물의 수명을 예측하기 위해서는 콘크리트 내에서의 이산화탄소, 산소 등과 같은 기체의 확산특성을 정확히 계측하는 것이 매우 중요하며, 이러한 기체의 확산특성 즉, 기체확산계수를 정확히 측정할 수 있는 장치의 개발이 절실히 필요하다.
본 발명은 위와 같은 필요성에 따라 개발된 것으로서, 콘크리트 공시체 내에서 이산화탄소, 산소 등의 기체 농도를 측정하고, 측정된 기체 농도에 근거하여 콘크리트 내에서의 기체확산계수를 정확하게 산정할 수 있는 구성을 가진 콘크리트 내의 기체확산계수 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 콘크리트 내 기체확산계수 측정장치의 구조를 설명하기 위한 개략적인 구조도이고,
도 2는 본 발명의 측정장치에 구비된 확산셀 유닛의 구성을 설명하기 위한 개략적인 단면도이며;
도 3은 도 2에 도시된 확산셀 유닛의 개략적인 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
10 : 확산셀 유닛
11 : 제1기체 발생원 12 : 제2기체 발생원
21 : 제1챔버 22 : 제2챔버
23 : 콘크리트 공시체 25 : 기체분석기
31 : 제1기체 공급라인 32 : 제2기체 공급라인
41 : 제1기체 배출라인 42 : 제2기체 배출라인
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 제1기체를 발생시키는 제1기체 발생원과; 제2기체를 발생시키는 제2기체 발생원과; 밀폐용기로 구성되고, 콘크리트 공시체가 중앙에 배치되며, 상기 콘크리트 공시체의 양면에는 상기 제1기체 발생원으로부터 제1기체 공급라인을 통하여 제1기체가 공급되는 제1챔버 및 상기 제2기체 발생원으로부터 제1기체 공급라인을 통하여 제2기체가 공급되는 제2챔버가 각각 형성되어 있는 확산셀 유닛과; 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버에 동일한 압력으로 공급된 제1기체 및 제2기체가 콘크리트 공시체를 통하여 확산되어 서로 혼합되었을 때, 상기 제2기체 내에 혼합되어 있는 제1기체의 농도를 측정하는 기체분석기를 포함하며; 상기 제2기체 내의 제1기체의 농도가 일정하게 되는 정상상태일 때의 제2기체 내의 제1기체의 농도를 측정하고 측정된 농도에 의하여 콘크리트 내에서의 제1기체의 확산계수를 산정하는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 기체확산계수 측정장치가 제공된다. 여기서, 상기 제1기체는 산소 또는 이산화탄소이며, 상기 제2기체는 질소이다.
또한, 본 발명에서는, 콘크리트 공시체의 양면에 동일한 압력으로 제1기체 및 제2기체를 공급하는 단계; 공급된 제1기체와 제2기체가 콘크리트 공시체를 통하여 확산되어 서로 혼합되었을 때, 상기 제2기체 내에 혼합되어 있는 제1기체의 농도를 측정하는 단계; 및 상기 제2기체 내의 제1기체의 농도가 일정하게 되는 정상상태일 때의 제2기체 내의 제1기체의 농도를 측정하고 측정된 농도에 의하여 콘크리트 내에서의 제1기체의 확산계수를 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 기체확산계수 측정방법이 제공된다.
이하 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 콘크리트의 기체확산계수 측정장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 도 1에서 부재번호 11은 제1기체 발생원(11)이며, 부재번호 12는 제2기체 발생원(12)이다. 앞서 살펴본 바와 같이, 콘크리트 내의 철근 부식의 원인은 바로 산소 또는 이산화탄소의 침투이다. 따라서, 본 발명에서는 산소 또는 이산화탄소의 콘크리트 내 확산계수를 측정하게 되며, 상기 제1기체 발생원(11)에 의하여 발생되는 제1기체는 산소 또는 이산화탄소이다. 상기 제2기체 발생원(12)에 의해서는 질소(N2)가 발생된다.
도 1에서 부재번호 10은 확산셀 유닛(10)으로서, 도 2에 단면도로 도시되어 있는 바와 같이, 밀폐용기로 구성된다. 도 3에는 확산셀 유닛(10)의 실시예가 개략적인 사시도로 도시되어 있다. 상기 확산셀 유닛(10)의 내부에는 기체확산계수를 측정하려는 대상인 콘크리트 공시체(23)가 위치하며 상기 콘크리트 공시체(23)의 양측면에는 각각 제1챔버(21)와 제2챔버(22)가 형성되어 있다.
상기 제1챔버(21)에는 상기 제1기체 발생원(11)으로부터 제1기체가 공급되는 제1기체 공급라인(31)과, 콘크리트를 통하여 확산되어 혼합된 기체가 배출되는 제1기체 배출라인(41)이 각각 연통되어 있다. 제2챔버(22)에도 상기 제2기체발생원(12)으로부터 제2기체가 공급되는 제2기체 공급라인(32)과, 콘크리트를 통하여 확산되어 혼합된 기체가 배출되는 제2기체 배출라인(42)이 각각 연통되어 있다.
본 발명에서는 상기 제1 및 제2기체 공급라인(41, 42)을 통하여 상기 콘크리트 공시체(23)의 양측면에 형성된 제1 및 제2챔버(31, 32)에 상기 제1기체와 제2기체를 각각 흘려 보내어 상기 콘크리트 공시체(23)를 통하여 상기 제1기체와 제2기체가 각각 확산되도록 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1기체는 이산화탄소 또는 산소이며, 제2기체는 질소이다.
제1 및 제2기체는 동일한 압력(일반적으로 대기압)으로 공급되도록 하는데, 제1 및 제2기체의 공급압력을 조절하기 위하여 상기 제1 및 제2기체 공급라인(41, 42) 각각에 및/또는 제1 및 제2기체 배출라인(41, 42) 각각에 유량계(24)를 설치한다. 도 1에 도시된 실시예에서는 제1 및 제2기체 배출라인(41, 42) 각각에 유량계(24)를 설치하였다. 도 1에서 부재번호 13 및 14는 각각 압력계(13, 14)이다.
상기 제1 및 제2챔버(31, 32) 각각으로 공급된 제1기체 및 제2기체는 콘크리트 공시체(23)를 통과하여 확산되므로써 서로 혼합되는데, 혼합된 상태에서 제2기체 내의 제1기체의 농도를 측정하게 된다. 이를 위하여 기체분석기(25)를 사용하는데, 도 1에 도시된 실시예에서는 제2기체 배출라인(42)에는 기체분석기(25)를 설치하였다. 기체분석기(25)의 설치위치는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제2챔버(22)에 설치하여도 무방하다. 상기 기체분석기(25)로서는 흡광원리를 이용한 기체분석기를 사용할 수 있는데, 상기 기체분석기는 반드시 이에 한정되지 아니하며, 혼합 기체 내의 특정 기체의 농도를 측정할 수 있는 공지의 장치를 사용할 수 있다.
상기 기체분석기(25)에 의하여 제2기체 내의 제1기체 농도를 시간에 따라 연속적으로 측정하게 되는데, 측정된 제1기체 농도가 일정하게 되면 이를 "정상 상태(steady state)"라고 판정하고, 이 정상상태에서의 제2기체 내의 제1기체 농도를 측정하여 해당 콘크리트 공시체에서의 제1기체의 기체확산계수를 구하게 된다.
분석이 완료된 제1기체 및 제2기체는 공중으로 배출되는데, 필요에 따라서는 시료채취기(26)를 이용하여 제1기체 및 제2기체의 샘플을 채취해놓을 수도 있다.
한편, 중성화에 영향을 미치는 이산화탄소의 확산과정에 있어서는 포로서티(porosity)와 상대습도가 매우 중요하다. 본 발명에서는 필요에 따라 기체의 상대습도에 따른 기체확산계수를 측정할 수 있도록 콘크리트 공시체(23)로 유입되는 기체의 상대습도를 조절하기 위하여 상대습도조절기(27)를 상기 제1 및 제2기체 공급라인(41, 42)에 각각 설치할 수도 있다. 도면에서 상기 상대습도조절기(27)가 실리카겔(28)과 가습기(29)를 구비하고 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명에서 사용되는 습도조절기(27)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 공지의 기체 습도조절기를 사용할 수 있다. 도면에서 부재번호 30은 습도계(30)이다.
이와 같이, 상대습도조절기를 구비하는 경우, 콘크리트 내에서 확산될 기체의 상대습도를 임의로 조절할 수 있으므로, 서로 다른 상대습도를 가진 기체에 대해서도 기체확산계수를 측정할 수 있게 된다.
본 발명에 있어서, 해당 콘크리트 공시체에 대한 제1기체의 확산계수는 다음의 수학식 1에 의하여 산정된다.
여기서, D1은 제1기체의 확산계수(㎡/sec),
F는 공급된 제1기체의 유량(㎥/sec),
y1은 제2기체내의 제1기체의 몰비,
L은 콘크리트 공시체의 두께(m),
A는 콘크리트 공시체의 단면적(㎥) 이다.
다음에서는 본 발명에 따른 기체확산계수 측정방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 기체확산계수 측정방법은 앞서 설명한 기체확산계수 측정장치를 이용하여 진행되는데, 기체확산계수 측정장치를 항온 상태의 실내에 설치하여 측정을 실행한다.
우선, 측정할 콘크리트 공시체(23)의 두께(L), 단면적(A) 등 콘크리트 공시체(23)의 제원을 측정한다. 제원 측정이 완료된 콘크리트 공시체(23)를 기체확산계수 측정장치의 확산셀 유닛(10) 내에 위치시킨다.
상기 제1 및 제2기체 공급라인(41, 42)을 통하여 상기 콘크리트 공시체(23)의 양측면 형성된 제1 및 제2챔버(31, 32) 각각에 상기 제1기체와 제2기체를 동일한 압력으로 계속하여 흘려 보낸다. 제1챔버(21)와 제2챔버(22)로 유입된 제1기체 및 제2기체는 상기 콘크리트 공시체(23)를 통하여 맞은편 챔버로 확산되어 서로 혼합된다.
제2기체 배출라인(42)에 설치된 기체분석기(25)에 의하여 제2기체 내의 제1기체의 농도를 측정한다. 시간이 경과함에 따라 제2기체 내에 혼합되어 있는 제1기체의 농도는 일정하게 되어 "정상 상태(steady state)"에 이르게 되는데, 이 정상상태일 때의 제2기체 내의 제1기체 농도(y1)를 측정하여 앞서 설명한 수학식 1을 이용하여 제1기체의 확산계수(D1)를 구한다.
동일 조건의 복수 콘크리트 공시체에 대하여 위와 같은 측정과정을 반복하여 얻어진 결과로 제1기체의 확산계수 평균값을 계산하여 이를 실무에 활용하는 것이 바람직하다.
위와 같이, 본 발명에 의하면, 콘크리트 내에서의 특정 기체의 확산계수를 콘크리트 공시체를 이용하여 정확하게 측정할 수 있게 된다. 특히, 콘크리트의 중성화, 철근의 부식에 영향을 주는 산소, 이산화탄소 등의 콘크리트 내에서의 확산계수를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 상대습도조절기를 구비하여 콘크리트 내에서 확산될 기체의 상대습도를 임의로 조절할 수 있으므로, 서로 다른 상대습도를 가진 기체에 대해서도 기체확산계수를 측정할 수 있게 된다.
본 발명에 의하여 구해진 콘크리트 내에서의 특정 기체(산소, 이산화탄소 등)의 확산계수는 콘크리트의 내구성 저하과정을 분석하거나 콘크리트 내의 철근 부식 정도를 예측, 그리고 그에 근거한 철근콘크리트 구조물의 수명 예측을 위한 자료로서 중요하게 활용될 수 있다.
Claims (6)
- 제1기체를 발생시키는 제1기체 발생원(11)과;제2기체를 발생시키는 제2기체 발생원(12)과;밀폐용기로 구성되고, 콘크리트 공시체(23)가 중앙에 배치되며, 상기 콘크리트 공시체(23)의 양면에는 상기 제1기체 발생원(11)으로부터 제1기체 공급라인(31)을 통하여 제1기체가 공급되는 제1챔버(21) 및 상기 제2기체 발생원(12)으로부터 제1기체 공급라인(31)을 통하여 제2기체가 공급되는 제2챔버(22)가 각각 형성되어 있는 확산셀 유닛(10)과;상기 제1챔버(21) 및 상기 제2챔버(22)에 동일한 압력으로 공급된 제1기체 및 제2기체가 콘크리트 공시체(23)를 통하여 확산되어 서로 혼합되었을 때, 상기 제2기체 내에 혼합되어 있는 제1기체의 농도를 측정하는 기체분석기(25)를 포함하며;상기 제2기체 내의 제1기체의 농도가 일정하게 되는 정상상태일 때의 제2기체 내의 제1기체의 농도를 측정하고 측정된 농도에 의하여 콘크리트 내에서의 제1기체의 확산계수를 산정하는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 기체확산계수 측정장치.
- 제1항에 있어서,정상상태에서 측정된 제2기체 내의 제1기체의 농도(y)에 근거한 제1기체의 확산계수(D) 산정은 하기의 수학식 1에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 기체확산계수 측정장치.[수학식 1]여기서, D1은 제1기체의 확산계수(㎡/sec),F는 공급된 제1기체의 유량(㎥/sec),y1은 제2기체내의 제1기체의 몰비,L은 콘크리트 공시체의 두께(m),A는 콘크리트 공시체의 단면적(㎥) 이다.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1기체는 산소 또는 이산화탄소이며, 상기 제2기체는 질소인 것을 특징으로 하는 콘크리트의 기체확산계수 측정장치.
- 콘크리트 공시체(23)의 양면에 동일한 압력으로 제1기체 및 제2기체를 공급하는 단계;공급된 제1기체와 제2기체가 콘크리트 공시체(23)를 통하여 확산되어 서로 혼합되었을 때, 상기 제2기체 내에 혼합되어 있는 제1기체의 농도를 측정하는 단계; 및상기 제2기체 내의 제1기체의 농도가 일정하게 되는 정상상태일 때의 제2기체 내의 제1기체의 농도를 측정하고 측정된 농도에 의하여 콘크리트 내에서의 제1기체의 확산계수를 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 기체확산계수 측정방법.
- 제4항에 있어서,정상상태에서 측정된 제2기체 내의 제1기체의 농도(y)에 근거한 제1기체의 확산계수(D) 산정은 수학식 1에 의하여 산출되는 것을 특징으로 하는 콘크리트의 기체확산계수 측정방법.[수학식 1]여기서, D1은 제1기체의 확산계수(㎡/sec),F는 공급된 제1기체의 유량(㎥/sec),y1은 제2기체내의 제1기체의 몰비,L은 콘크리트 공시체의 두께(m),A는 콘크리트 공시체의 단면적(㎥) 이다.
- 제4항 또는 제5항에 있어서,상기 제1기체는 산소 또는 이산화탄소이며, 상기 제2기체는 질소인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 콘크리트의 기체확산계수 측정방법.
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