KR101790256B1 - 경화 콘크리트의 염해 내구성 평가 방법 및 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 경화 콘크리트의 염해 내구성 평가 방법 및 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다. 본 발명의 콘크리트의 염해 내구성 평가 방법 및 콘크리트의 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램은 시멘트 수화모델을 기반으로 하고 있기 때문에 기타 재료들의 혼합시에도 적용이 가능한 장점이 있으며 양생 기간 중에도 수행되는 시멘트 수화반응 및 모세관 공극을 고려하여 콘크리트 내부에 존재하는 염화물 이온의 총량을 정확히 예측할 수 있으므로 실제 배합을 거치지 않고도 염화물에 의한 콘크리트 구조물의 염해 내구성을 평가할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 콘크리트의 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램은 배합조건과 염해 노출 조건의 입력만으로 콘크리트 구조물의 염해 내구성 평가가 가능하므로 비전문가들도 손쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다.
따라서 본 발명의 콘크리트의 염해 내구성 평가 방법 및 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램은 콘크리트 해양구조물 및 콘크리트 기반의 도로, 교량 및 건설물의 바닷물 또는 염화칼슘 성분의 제설제로 인한 염해를 예측하고 내구성을 평가하는데 종래의 방법을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 본 발명의 콘크리트의 염해 내구성 평가 방법 및 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램은 콘크리트 해양구조물 및 콘크리트 기반의 도로, 교량 및 건설물의 바닷물 또는 염화칼슘 성분의 제설제로 인한 염해를 예측하고 내구성을 평가하는데 종래의 방법을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
Description
본 발명은 콘크리트의 염해 내구성 평가 방법 및 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다. 상세하게는 경화 콘크리트의 배합요소와 염화물 노출조건을 입력데이터로 사용하고 시멘트 수화반응과 염소이온의 침투를 동시에 고려하여 경화 콘크리트의 염화물 농도 프로파일 및 경화 콘크리트의 총 염화물 이온 농도를 산출하므로 경화콘크리트의 제작 전에 염해를 예측하고 평가하는 방법 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
해양환경에 노출된 철근콘크리트(reinforced concrete)에 있어서 염소이온(chloride ion)의 침투는 내구성에 문제를 일으키는 주된 원인이다. 내부에 존재하는 철근(steel)주위에 충분한 양의 염소이온이 축적되는 경우, 산소가 완벽히 차단된 환경이 아니라면 상기 철근에는 공식(pitting corrosion)이 발생할 확률이 매우 높다. 콘크리트 구조물의 디자인에 있어서, 염소이온의 침투로 인한 상기 구조물의 수명의 변화는 매우 중요하다(1). 콘크리트에 대한 염소이온의 영향은 많은 선행문헌들에 기재되어 있다. 예를 들어, 파파다키스(Papadakis) 등은 염소이온과 실리카흄(silica fume), 저탈슘 플라이애쉬(low calcium fly ash) 및 고칼슘 플라이애쉬(high calcium fly ash)가 혼합된 콘크리트에 대한 화학반응식을 제안하였으며 한(Han) 등은 증발수와 염화물 결합을 고려한 변형된 확산계수를 적용하였다(비특허문헌의 2-4 참조). 상기 변형된 확산계수에 따르면, 콘크리트의 깊이와 외부 및 내부 조건에 따른 염화물을 예측하는데 수치적 해석들이 사용되었다. 또한 스피쯔(Spiesz) 등은 고속 염화물 이동 검사(rapid chloride migration test)를 통해 염화물 침투 프로파일을 분석하였으며 상기 이동검사를 통한 확산 플럭스(diffusion flux)는 전자이동플럭스(electrical migration flux)의 결과와 유사하였다(비특허문헌의 6 참조). 그러나 상기 접근들은 완전히 경화된 콘크리트에 대한 염화물의 침투에 초점을 맞춘 모델들인 점에 주목할 필요가 있다. 종래의 염소이온의 수중침투에 대한 대부분의 실험적 연구들은 4주 동안의 표준양생을 수행한 콘크리트에 대한 것들이다(비특허문헌의 7-9 참조). 콘크리트는 4주 동안의 초기 양생 후에도 시멘트의 수화반응이 연속적으로 수행된다(비특허문헌의 10-11 참조). 그러므로 4주 동안의 초기 양생을 수행한 콘크리트는 완전히 경화된 콘크리트가 아니라 서서히 경화되고 있는 콘크리트에 해당한다. 알려진 바에 따르면, 4 주 동안의 초기 양생이 수행된 콘크리트는 양생 기간이 연장됨에 따라 염화물의 확산계수가 지속적으로 저하되는 특징이 있다(비특허문헌의 7-9 참조). 따라서 경화 콘크리트에 대한 염화물 침투 모델에 있어서 시멘트의 수화와 염화물의 침투가 동시에 일어나므로 종래의 염화물 침투모델들을 경화 콘크리트에 적용하는 것은 적절하지 않다(비특허문헌의 2-6 참조).
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
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본 발명자들은 시멘트의 수화가 완료된 시점을 기준으로 염해 내구성 평가를 수행하는 종래의 평가방법의 문제점을 해결하기 위하여 시멘트 수화반응과 염화물 이온의 침투를 동시에 고려한 모델을 이용하여 경화 콘크리트의 염화물 확산계수, 두께에 따른 염화물 농도 프로파일, 및 전체 염화물 이온의 농도를 산출하고 이를 실험 측정값과 비교하여 상기 산출한 값이 실험값과 차이가 없음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 경화콘크리트의 배합비율 및 양생조건을 이용하여 시멘트 수화정도를 산출하는 제1단계; 상기 시멘트 수화정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 상체적분율(phase volume fraction)을 산출하는 제2단계; 상기 상체적분율을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수(chloride diffusion coefficient) 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 결합용량을 산출하는 제3단계; 상기 경화 콘크리트의 상체적분율, 염화물확산계수, 및 염화물 결합용량을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도(chloride penetration degree)를 산출하는 제4단계; 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 두께 또는 염화물 노출시간 시간에 따른 염화물 이온 농도 프로파일을 제공하는 제5단계를 포함하는 경화 콘크리트의 염해 내구성 평가방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 하드웨어와 결합되어, 경화콘크리트의 배합비율 및 양생조건을 이용하여 시멘트 수화정도를 산출하는 제1단계; 상기 시멘트 수화정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 상체적분율(phase volume fraction)을 산출하는 제2단계; 상기 상체적분율을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수(chloride diffusion coefficient) 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 결합용량을 산출하는 제3단계; 상기 경화 콘크리트의 상체적분율, 염화물확산계수, 및 염화물 결합용량을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도(chloride penetration degree)를 산출하는 제4단계; 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 두께 또는 염화물 노출시간 시간에 따른 염화물 이온 농도 프로파일을 제공하는 제5단계를 실행시키기 위하여 매체에 저장된 경화 콘크리트의 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 경화콘크리트의 배합비율 및 양생조건을 이용하여 시멘트 수화정도를 산출하는 제1단계; 상기 시멘트 수화정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 상체적분율(phase volume fraction)을 산출하는 제2단계; 상기 상체적분율을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수(chloride diffusion coefficient) 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 결합용량을 산출하는 제3단계; 상기 경화 콘크리트의 상체적분율, 염화물확산계수, 및 염화물 결합용량을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도(chloride penetration degree)를 산출하는 제4단계; 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 두께 또는 염화물 노출시간 시간에 따른 염화물 이온 농도 프로파일을 제공하는 제5단계를 포함하는 경화 콘크리트의 염해 내구성 평가방법을 제공한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 하드웨어와 결합되어, 경화콘크리트의 배합비율 및 양생조건을 이용하여 시멘트 수화정도를 산출하는 제1단계; 상기 시멘트 수화정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 상체적분율(phase volume fraction)을 산출하는 제2단계; 상기 상체적분율을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수(chloride diffusion coefficient) 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 결합용량을 산출하는 제3단계; 상기 경화 콘크리트의 상체적분율, 염화물확산계수, 및 염화물 결합용량을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도(chloride penetration degree)를 산출하는 제4단계; 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 두께 또는 염화물 노출시간 시간에 따른 염화물 이온 농도 프로파일을 제공하는 제5단계를 실행시키기 위하여 매체에 저장된 경화 콘크리트의 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램을 제공한다.
본 발명은 콘크리트의 염해 내구성 평가 방법 및 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
본 발명의 콘크리트의 내구성 평가 방법 및 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램은 시멘트 수화모델을 기반으로 하고 있기 때문에 기타 재료들의 혼합시에도 적용이 가능한 장점이 있으며 양생 기간 중에도 수행되는 시멘트 수화반응 및 모세관 공극을 고려하여 콘크리트 내부에 존재하는 염화물 이온의 총량을 정확히 예측할 수 있으므로 실제 배합을 거치지 않고도 염화물에 의한 콘크리트 구조물의 염해 내구성을 평가할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 콘크리트의 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램은 배합조건과 염해 노출 조건의 입력만으로 콘크리트 구조물의 염해내구성 평가를 수행하므로 비전문가들도 손쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다.
따라서 본 발명의 콘크리트의 염해 내구성 평가 방법 및 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램은 콘크리트 해양구조물 및 콘크리트 기반의 도로, 교량 및 건설물의 바닷물 또는 염화칼슘 성분의 제설제로 인한 염해를 예측하고 구조물의 내구성을 평가하는 종래의 방법을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 경화콘크리트의 염화물 결합흡착식에 대한 양생시간의 영향을 보여준다.
도 2의 패널(a)는 염화물 이온농도 프로파일을 산출하기 위한 수학적 과정을 보여주며 패널(b)는 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램에서 실행되는 단계를 보여준다.
도 3은 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램의 이미지를 보여준다.
도 4는 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램의 입력 데이터의 입력창 및 결과 데이터의 출력창을 보여준다.
도 5는 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램의 결과데이터를 보여준다.
도 6는 염해 내구성 프로그램의 결과데이터를 엑셀프로그램으로 변환하여 출력한 결과를 보여준다. 패널(a)는 시험체 표면에서부터 해당깊이(mm)의 염화물 총량을 보여주며; 패널(b)는 시간경과(hour)에 따른 염화물 확산지수를 보여주며; 패널(c)는 시간경과(hour)에 따른 공극량(전체 체적에 대한 %)을 보여준다.
도 7은 경화 콘크리트의 물과 시멘트의 배합비율에 따른 수화특성을 보여준다. 패널(a)는 수화정도를 보여주며; 패널(b)는 시멘트 페이스트의 모세관 공극을 을 보여주며; 패널(c)는 콘크리트의 증발수를 보여준다. wb-0.37은 물에 대한 시멘트의 배합비율이 0.37인 것을 의미하며; wb-0.42는 물에 대한 시멘트의 배합비율이 0.42인 것을 의미하며; wb-0.47은 물에 대한 시멘트의 배합비율이 0.47인 것을 의미한다.
도 8은 물에 대한 시멘트의 배합비율이 0.37인 시멘트 페이스트의 상체적분율을 보여준다.
도 9는 염화물 이온의 확산계수를 보여준다. 패널 (a)는 시멘트 페이스트의 모세관 공극과 염화물 확산계수의 관계를 보여주며 패널(b)는 양생기간에 대한 염화물 이온의 확산계수를 보여준다.
도 10은 경화 콘크리트의 염화물 이온 프로파일을 보여준다.
도 2의 패널(a)는 염화물 이온농도 프로파일을 산출하기 위한 수학적 과정을 보여주며 패널(b)는 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램에서 실행되는 단계를 보여준다.
도 3은 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램의 이미지를 보여준다.
도 4는 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램의 입력 데이터의 입력창 및 결과 데이터의 출력창을 보여준다.
도 5는 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램의 결과데이터를 보여준다.
도 6는 염해 내구성 프로그램의 결과데이터를 엑셀프로그램으로 변환하여 출력한 결과를 보여준다. 패널(a)는 시험체 표면에서부터 해당깊이(mm)의 염화물 총량을 보여주며; 패널(b)는 시간경과(hour)에 따른 염화물 확산지수를 보여주며; 패널(c)는 시간경과(hour)에 따른 공극량(전체 체적에 대한 %)을 보여준다.
도 7은 경화 콘크리트의 물과 시멘트의 배합비율에 따른 수화특성을 보여준다. 패널(a)는 수화정도를 보여주며; 패널(b)는 시멘트 페이스트의 모세관 공극을 을 보여주며; 패널(c)는 콘크리트의 증발수를 보여준다. wb-0.37은 물에 대한 시멘트의 배합비율이 0.37인 것을 의미하며; wb-0.42는 물에 대한 시멘트의 배합비율이 0.42인 것을 의미하며; wb-0.47은 물에 대한 시멘트의 배합비율이 0.47인 것을 의미한다.
도 8은 물에 대한 시멘트의 배합비율이 0.37인 시멘트 페이스트의 상체적분율을 보여준다.
도 9는 염화물 이온의 확산계수를 보여준다. 패널 (a)는 시멘트 페이스트의 모세관 공극과 염화물 확산계수의 관계를 보여주며 패널(b)는 양생기간에 대한 염화물 이온의 확산계수를 보여준다.
도 10은 경화 콘크리트의 염화물 이온 프로파일을 보여준다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 경화콘크리트의 배합비율 및 양생조건을 이용하여 시멘트 수화정도를 산출하는 제1단계; 상기 시멘트 수화정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 상체적분율(phase volume fraction)을 산출하는 제2단계; 상기 상체적분율을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수(chloride diffusion coefficient) 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 결합용량을 산출하는 제3단계; 상기 경화 콘크리트의 상체적분율, 염화물확산계수, 및 염화물 결합용량을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도(chloride penetration degree)를 산출하는 제4단계; 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 두께 또는 염화물 노출시간 시간에 따른 염화물 이온 농도 프로파일을 제공하는 제5단계를 포함하는 경화 콘크리트의 염해 내구성 평가방법을 제공한다.
상기 상체적분율은 시멘트 무기물 혼합물의 수화반응정도가 반영된 수식을 이용하여 산출된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수식은 하기 수학식(수학식 1)을 의미하며 상기 시멘트 무기물 혼합물은 C3S, C2S, C3A 및 C4AF이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 수학식을 이용하여 산출되는 상체적분율은 미수화(anhydrous) 시멘트의 체적(volume), 모세관 물(capillary water)의 체적, 겔 물(gel water)의 체적, 증발수(evaporable water)의 체적(모세관 물의 체적과 겔 물의 체적의 합), 화학적 수축의 체적, 모세관 공극의 체적, 및 전체 공극의 체적(모세관 공극의 체적과 겔 물의 체적의 합)이다. 상기 상체적분율들을 산출하기 위한 수학식들은 하기 수학식(수학식 3)이다.
상기 산출된 상체적분율은 상기 경화 콘크리트에 포함된 골재에 대한 염화물 확산계수를 산출하는데 사용된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수(Dc )는 시멘트 페이스트의 모세관 공극(
)과 골재의 체적(Vα )을 하기 수학식(수학식 8)에 대입하여 산출한다.
여기서 상기 A1 및 A2 는 상기 모세관 공극과 상기 염화물 확산계수 사이의 상관계수; 상기 
는 상기 경화 콘크리트의 시멘트 페이스트의 모세관 공극; 상기 Vα 는 상기 경화 콘크리트에 포함된 골재의 체적을 의미하며 상기 상관계수 A1 및 A2 는 각각 3.63e-10과 1.15이다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 경화 콘크리트의 염화물 결합용량은 비선형흡착식(수학식 11)을 이용하여 산출한다. 여기서 상기 C f 는 x 깊이에서의 자유염화물의 농도; 상기 C b 는 결합염화물의 농도; 및 상기 x 는 콘크리트의 깊이(m)를 의미한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 경화콘크리트의 염화물 침투정도는 상기 상체적분율, 염화물 확산계수 및 염화물 결합용량을 하기 수학식(수학식 7)에 대입하여 산출한다.
여기서 상기 C f 는 x 깊이에서의 자유염화물의 농도; 상기 C b 는 결합염화물의 농도; 상기 D c 는 염화물의 유효확산계수; 상기 x 는 콘크리트의 깊이; 및 상기 ∂C b /∂C f 는 콘크리트 결합제의 결합용량을 의미한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 본 발명은 추가적으로 및 상기 염화물 침투량을 이용하여 콘크리트의 두께에 따른 염화물 이온 농도 프로파일(chloride ion concentration profile)을 제작한다.
상기 염화물 이온 농도 프로파일은 콘크리트의 깊이에 따른 염화물 이온의 농도로 표현될 수 있다. 상기 염화물 이온 농도 프로파일을 이용하면 염화물에 노출된 콘크리트 구조물의 내부에 존재하는 염화물 이온의 농도를 예측할 수 있으므로 콘크리트 구조물의 설계시 콘크리트 구조물의 염화물에 의한 철근 부식 발생에 대한 임계 염화물의 함유량 기준(콘크리트 구조물의 염해 내구성에 관한 국제 심포지움, 한국 콘크리트 학회, 2006)에 부합하도록 콘크리트의 제조방법을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 임계 염화물의 함유량 기준(표 2)은 전체 염화물 이온량의 농도가 0.3kg/m3이하이면 염화물에 의한 철근의 부식이 발생할 우려가 없다고 판단할 수 있으며; 전체 염화물 이온량의 농도가 0.3kg/m3을 초과하고 1.2kg/m3 미만이면 염화물이 존재하나 철근의 부식가능성이 낮다고 판단할 수 있으며; 전체 염화물 이온량의 농도가 1.2kg/m3 이상이고 2.5kg/m3 미만이면 향후 염화물에 의한 철근의 부식발생 가능성이 높다고 판단할 수 있으며; 전체 염화물 이온량의 농도가 2.5kg/m3이상이면 염화물에 의해 철근 부식이 발생할 것으로 판단할 수 있다. 따라서 콘크리트 구조물의 염화물에 의한 철근 부식 발생에 대한 임계 염화물의 함유량은 전체 염화물 이온의 농도 1.2kg/m3이다.
본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 하드웨어와 결합되어, 경화콘크리트의 배합비율 및 양생조건을 이용하여 시멘트 수화정도를 산출하는 제1단계; 상기 시멘트 수화정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 상체적분율(phase volume fraction)을 산출하는 제2단계; 상기 상체적분율을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수(chloride diffusion coefficient) 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 결합용량을 산출하는 제3단계; 상기 경화 콘크리트의 상체적분율, 염화물확산계수, 및 염화물 결합용량을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도(chloride penetration degree)를 산출하는 제4단계; 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 두께 또는 염화물 노출시간 시간에 따른 염화물 이온 농도 프로파일을 제공하는 제5단계를 실행시키기 위하여 매체에 저장된 경화 콘크리트의 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램을 제공한다.
상기 경화 콘크리트의 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 수단에 설치되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 염해 내구성 평가 프로그램은 상기 경화 콘크리트의 배합요소 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 노출조건을 입력 데이터로 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 경화 콘크리트의 배합요소는 물, 시멘트, 슬래그, 골재, 배합온도 및 염화물에 노출되기 전의 양생기간이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 경화 콘크리트의 염화물 노출조건은 경계 염화물의 농도, 초기 염화물의 농도, 염화물 노출시간, 및 시험체의 길이이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 염해 내구성 평가 프로그램은 상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수, 염화물 이온 농도 프로파일, 및 전체 염화물 이온의 농도를 결과데이터로 산출하며 그래프의 형태 또는 엑셀테이터의 형태로 산출할 수 있다.
상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수는 시간에 따른 염화물 확산계수의 변화로 표현될 수 있으며 상기 염화물 이온 농도 프로파일은 시간 또는 콘크리트의 두께에 대한 염화물 이온의 농도로 표현될 수 있다.
상기 프로그램의 경화 콘크리트의 상체적분율을 산출하는 단계; 상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수를 산출하는 단계; 상기 경화 콘크리트의 염화물 결합용량을 산출하는 단계; 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도를 산출하는 단계를 통해 산출된 모든 데이터들은 엑셀데이터 형식으로 산출되어 사용될 수 있다.
실시예
실시예 1: 시멘트 수화모델(cement hydration model)
토모사와(Tomosawa)는 포틀란트 시멘트 수화 모델에 대하여 수축 중심부 모델(shrinking-core model)을 제안하였다(비특허문헌의 12 참조). 그러나 토모사와의 원래 모델은 시멘트의 수화과정에서 모세관 물(capillary water)의 영향을 고려하지 않았으며 저강도 콘크리트 또는 일반적인 강도의 콘크리트에만 적용이 가능하다. 상기와 같은 토모사와 모델의 단점을 극복하기 위하여 본 발명자는 시멘트 수화반응시의 물에 대한 결합제(binder)의 비율, 무기 물의 구성 및 모세관 물(capillary water)의 농도의 효과를 고려한 수정된 토모사와 모델(revised Tomosawa’s model)을 제안하였다(비특허문헌의 10-11 참조). 상기 수정된 토모사와 모델은 각각의 강도, 시멘트 무기물의 구성 및 양생방법으로 제조된 콘크리트들에 대해 적용이 가능하다. 상기 수정된 토모사와 모델(혼합 시멘트 수화모델)은 혼합시멘트 뿐 아니라 포틀란트 시멘트에 대해서도 적용이 가능하다(비특허문헌의 10-11 참조). 상기 혼합 시멘트 수화모델(blended cement hydration model)을 사용하면 시멘트의 수화정도 및 무기물 혼합물의 반응정도를 결정할 수 있다. 또한, 경화 콘크리트의 양생기간에 따른 특성들 또한 결합제의 반응 정도를 이용하여 평가할 수 있다. 본 발명자에 의해 제안된 혼합 시멘트 수화모델은 시멘트 수화 모델과 무기물 혼합물 반응 모델로 구성된다. 본 발명에서는 포틀랜트 시멘트 콘크리트의 특성에 관련된 수화반응에 주된 초점이 맞추어 있으므로 시멘트 수화 모델만을 보여주며 무기물 혼합물 반응모델에 대하여는 다루지 않았다. 본 발명자에 의해 수정된 포틀랜트 시멘트 수화 모델(수정된 토모사와 모델)은 세 가지 계수(coefficient)로 구성된 단일 수학식으로 표현될 수 있다. 상기 세 가지 계수는 k d : 반응계수, D e : 칼슘 규산염 수화물(calcium silicate hydrate, C-S-H) 겔을 고려한 수분의 유효확산계수, 및 k ri : 시멘트의 무기 화합물의 반응률 계수이다.
상기 수학식 1의 α(= 1, 2, 3, 및 4)는 시멘트 C3S, C2S, C3A, 및 C4AF 각각의 무기물 혼합물의 반응정도를 나타낸다. 수학식 2의 α는 시멘트 수화반응정도를 나타내며 무기물 혼합물 α의 반응정도 및 무기물 혼합물의 무게분율(weight fraction, g)로부터 계산할 수 있다. 수학식 1의 v는 물과 시멘트의 중량에 따른 화학양론적비(stoichiometric ratio = 0.25)를 의미한다. wg 는 C-S-H 겔에 물리적으로 결합한 물(= 0.15)을 의미한다. ρw 는 물의 밀도를 의미한다. ρc 는 시멘트의 밀도를 의미한다. Cw-free 는 C-S-H 겔의 외부에 위치하는 물의 양을 의미한다. ro 는 수화되지 않은 시멘트 입자의 반경을 의미한다. Sw 는 물과 접촉한 시멘트 입자의 유효 표면적을 의미한다. So 는 전체표면적을 의미한다.
시멘트의 반응정도를 이용한 경화 시멘트 페이스트의 상체적분율(phase volume fraction)은 아래의 수학식 3과 같이 결정된다.
상기 수학식 3의 V 1 , V 2 , V 3 , V 4 , V 5 , V 6 , 및 V 7 은 각각 미수화(anhydrous) 시멘트의 체적(volume), 모세관 물(capillary water)의 체적, 겔 물(gel water)의 체적, 증발수(evaporable water)의 체적(모세관 물의 체적과 겔 물의 체적의 합), 화학적 수축의 체적, 모세관 공극의 체적, 및 전체 공극의 체적(모세관 공극의 체적과 겔 물의 체적의 합)을 의미한다. C o 은 시멘트의 질량분율(mass fraction)을 의미하며 W o 는 혼합에 사용된 물을 의미한다. 시멘트의 무기물 혼합물의 반응정도에 기반한 수화모델의 파라미터들은 표 1과 같이 조정되었다.
실시예 2: 염화물 이온의 침투모델(chloride ion penetration model)
콘크리트 표면과 콘크리트 내부의 시멘트 매트릭스 사이에는 농도구배(concentration gradient)가 존재하기 때문에 염화물 이온은 일반적으로 이온 확산의 형태로 콘크리트 내부에 침투한다. 상기 확산은 Fick의 제1법칙으로 설명할 수 있다. 상기 Fick의 제1법칙은 아래 수학식 4와 같다.
상기 수학식 4의 J c 는 확산에 따른 염소이온의 유동(kg/m2· s)을 의미하며; D c 는 유효확산 계수(m/s2)를 의미하며; x는 콘크리트의 깊이(m)를 의미하며; C f 는 x 깊이에서의 자유 염화물 농도(세공용액의 kg/m3)을 의미한다. 포화상태인 콘크리트에서의 염화물의 질량 변환율은 Fick의 제2법칙으로 설명할 수 있다. 상기 Fick의 제2법칙은 아래 수학식 5와 같다.
상기 수학식 5의 C t 는 전체 염화물의 농도(콘크리트의 kg/m3)를 의미하며; t는 침투시간(s)을 의미하며; J c 는 확산에 따른 염소이온의 유동(kg/m2· s)을 의미한다. 콘크리트 내부의 염화물은 자유염화물(free chloride)과 결합염화물(bound chloride)로 분류 할 수 있다. 자유염화물은 세공용액(pore liquid)에 용해되고 자유롭게 이동할 수 있는 이온의 형태로 존재한다. 그러나 결합염화물은 흡착염화물 및 고체상의 염화물로 구성되므로 일반적인 농도구배(concentration gradient)에 의하여 이동하지 않는다. 콘크리트 내부에 존재하는 결합염화물 및 자유염화물 사이의 농도에 대한 관련성은 아래의 수학식 6과 같이 표현 될 수 있다.
상기 수학식 6의 C t 는 전체 염화물의 농도(콘크리트의 kg/m3)를 의미하며; C b 는 결합염화물의 농도(콘크리트의 kg/m3)를 의미하며; V 4 는 증발수의 체적을 의미하며; C f 는 x 깊이에서의 자유염화물의 농도(세공용액의 kg/m3)를 의미한다.
상기 Fick 제1법칙과 Fick 제2법칙을 결합하면 아래의 수학식 7을 도출할 수 있다.
상기 수학식 7의 C f 는 x 깊이에서의 자유염화물의 농도(세공용액의 kg/m3)를 의미하며; C b 는 결합염화물의 농도(콘크리트의 kg/m3)를 의미하며; D c 는 염화물의 유효확산계수(m/s2)를 의미하며; x 는 콘크리트의 깊이(m)를 의미하며; ∂C b /∂C f 는 콘크리트 결합제의 결합용량(세공용액의 m3/콘크리트의 m3)을 의미한다.
상기 수학식 7에서와 같이 염화물의 침투정도는 콘크리트의 염화물의 확산계수(D c ), 염화물의 결합용량(∂C b /∂C f ), 및 증발수의 체적(V 4 )과 관련이 있다. 상기 수학식 6은 전체 염화물, 결합염화물 및 자유염화물의 질량 변화율을 고려하였다. 상기 염화물 해석을 위한 초기 및 경계조건은 t(침투기간, 초)=0인 경우에 대하여, x 깊이(m)가 0을 초과할 때 C f 와 C 0 는 동일하며; 다음과 같다. t≥0인 경우에 대하여, x가 0일 때 C f 와 C s 는 동일하고; t≥0인 경우에 대하여, x와 L이 동일할 때 C f 와 C 0 는 동일하다. 상기 C f 는 x 깊이(m)에서의 자유염화물의 농도(세공용액의 kg/m3)을 의미하며; C 0 는 염화 용액에 노출되지 않은 콘크리트에 대한 세공용액의 염화물 농도를 의미하며; C s 는 콘크리트 표면에 접촉하고 있는 염화용액의 염화물 농도를 의미하며; L은 부재의 두께를 의미하며 t는 염화물의 침투시간(s)을 의미한다.
실시예 3: 수화반응과 염화물 이온 침투의 결합모델
거시적 수준에서 보면, 콘크리트는 복합재료로서 연속적인 시멘트 페이스트 매트릭스에 분산된 별개의 골재들로 구성된다. 염화물 이온의 확산은 시멘트 페이스트의 미세공극을 통해 주로 이루어지며 골재 입자 함유물의 확산계수는 ‘0’에 가까운것으로 추정된다(비특허문헌의 15-16 참조). 경화 콘크리트에서 유효확산계수 D c 는 시멘트 페이스트상의 모세관 공극과 콘크리트의 골재 함유량을 통해 수학식 8과 같이 도출 할 수 있다.
상기 수학식 8의 A1 및 A2 는 모세관 공극과 염화물 확산계수 사이의 상관계수를 의미하며; 
는 시멘트 페이스트의 모세관 공극을 의미하며; Vα 는 콘크리트에 포함된 골재의 체적(volume)을 의미한다. 수학식 9의 Co 은 시멘트의 질량분율(mass fraction)을 의미하며; Wo 는 혼합에 사용된 물을 의미하며; ρc 는 시멘트의 밀도를 의미하며; V6 는 모세관 공극의 체적을 의미한다. 따라서 상기 수학식 8의 A1*( 
)A2 는 염화물 확산계수에 대한 시멘트 페이스트의 수화효과를 고려한 것을 의미하며; 2(1-Vα)/(2+Vα)는 염화물 확산계수에 대한 골재의 추가와 관련된 부피 변화의 효과를 고려한 것이다. 상기 시멘트 페이스트의 모세관 공극은 콘크리트의 모세관 공극과 콘크리트의 시멘트 페이스트 부피를 통하여 결정될 수 있다. 확산된 염화물은 물리적으로 또는 화학적으로 시멘트 매트릭스의 표면 공극에 결합한다(비특허문헌의 8-11 참조). C3A 또는 C4AF은 염화물 이온과 반응하여 프리델염(Friedel’s salt) 및 상기 프리델염의 유사체를 생성한다. 따라서 시멘트의 C3A 및 C4AF들은 염화물 이온의 화학적 결합 상대이다. 반면에 C3S 및 C2S는 수화반응을 통해 겔 상태의 칼슘 규산염 수화물(calcium silicate hydrate, CSH)을 생성한다. 상기 CSH는 염화물 이온을 물리적으로 흡착한다. 따라서 상기 C3S 및 C2S는 염화물 이온의 물리적 결합 상대이다. 염화물 결합 흡착식(chloride binding isotherm)은 주어진 온도의 콘크리트에 존재하는 자유염화물과 결합염화물 간의 관계를 설명한다. 상기 염화물 이온들은 각각의 시멘트질 시스템(cementitious system)에 대하여 특이성이 있다. 이는 각각의 자유염화물 이온과 결합염화물 이온들이 시멘트질 시스템을 제조하는 구성성분 예를 들어, C3A 함유량, 추가적인 시멘팅 물질(cementing material), 세공용액의 pH 및 양생온도에 영향을 받기 때문이다. 랭뮤어 흡착식(Langmuir isotherm)과 프로인틀리히 흡착식(Freundlich isotherm)은 염화물 이온들의 비선형 결합에 대한 원리를 설명하기 위한 방법으로 자주 사용된다(비특허문헌의 9-11 참조). 물리화학적 방법으로 도출된 랭뮤어 흡착식(Langmuir isotherm)은 단분자층 흡착(monolayer adsorption)을 가정한다. 상기 랭뮤어 흡착식은 고농도에서의 흡착곡선의 기울기가 ‘0’에 근접한 것을 설명해 준다. 루핑(LuPing) 등은 단분자층 흡착이 낮은 농도에서도 발생하며 상기 낮은 농도의 단분자층 흡착은 랭뮤어 흡착식에 의해 잘 설명된다고 제안하였다. 또한 염화물 이온의 농도가 0.05M미만인 저농도 환경에서의 단분자층 흡착은 랭뮤어 흡착식을 통하여 잘 설명된다고 보고하였다. 그러나 루핑(LuPing) 등은 염화물 이온의 농도가 0.05M이상인 환경에서의 단분자층 흡착은 보다 복잡한 양상을 가지기 때문에 이를 설명하기 위해서는 랭뮤어 흡착식보다는 프로인틀리히 흡착식을 사용하는 것이 더 유리하다고 보고하였다(비특허문헌의 9 참조). 프로인틀리히 흡착식과 랭뮤어 흡착식의 차이점은 고농도 환경에서의 거동에 있다. 루핑(LuPing) 등은 프로인틀리히 흡착식이 자유염화물의 농도가 0.01-1M인 실험결과에 대한 해석에 매우 적합하다고 보고하였다. 상기 자유염화물의 농도범위(0.01-1M)는 해수에 존재할 수 있는 자유염화물의 농도를 모두 포함한다. 따라서 상기 프로인틀리히 흡착식은 해수와 관련된 자유염화물의 비선형 결합의 원리를 설명하는데 장점이 있는 것으로 판단된다. 상기 프로인틀리히 흡착식은 아래 수학식 10과 같다.
상기 수학식 10의 F1 과 F2 는 자유염화물과 결합염화물의 상관계수(relation coefficient)들을 의미한다. 상기 프로인틀리히 흡착식(수학식 10)에서 콘크리트의 전체 공극의 체적을 의미하는 V7 은 수학식 2에 기재된 V7 에 관한 수학식을 통해 결정될 수 있다. 상기 프로인틀리히 흡착식의 1-V7 은 콘크리트의 고체상의 부피를 의미한다. 일반 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, OPC)에 있어서, 자유염화물과 결합염화물의 상관계수들인 F1 과 F2 는 각각 2.5와 0.5이었다. 상기 상관계수들은 혼합비율 또는 양생기간에 따라 변하지 않는다. 도 1은 염화물 결합 흡착식에 대한 공극의 영향을 보여준다. 도 1의 결과와 같이, 시멘트가 수화됨에 따라, 수화물이 생성되고; 시멘트의 공극은 줄어들며; 염화물 이온에 대한 결합용량(binding capacity)은 향상된다. 상기 제안된 수학적 과정들은 시멘트 수화와 염화물 이온의 침투 사이의 상관관계를 고려한 것이다. 도 2의 패널 (a)는 상기 수학적 과정들에 대한 흐름도(flowchart)를 보여준다. 상기 흐름도를 상세히 살펴보면 아래와 같은 단계를 포함한다.
단계 1: 시멘트 수화 모델을 이용하여 시멘트의 수화정도 및 경화 콘크리트의 상체적분율(phase volume fraction) 예를 들어, 증발수의 체적(V 4 ), 모세관 공극의 체적(V 6 ) 및 전체공극의 체적(V 7 )을 결정하였다.
단계 2: 시멘트 재령에 따른 염화물 이온의 확산계수(D c )와 염화물 이온의 결합용량의 상관성을 명확히 하였다. 경화 콘크리트의 염화물 확산계수는 시멘트 페이스트의 모세관 공극의 형성과 골재의 희석효과를 고려하여 계산하였다. 염화물 이온의 결합은 비선형 결합 흡착식을 이용하여 설명하였다.
단계 3: 경화 콘크리트의 염화물 프로파일(chloride profile)을 계산하였다. 수학식 6에 제시된 공간에 대한 염화물 확산에 대한 지배수학식(governing equation) 및 시간에 대한 염화물 확산에 대한 지배수학식은 각각 경계값 문제(boundary-value problem) 및 초기값 문제(initial-value problem)를 포함하고 있다. 따라서, 본 발명에서는 일차원 유한요소법(one-dimensional finite element method)을 사용하여 상기 문제들을 해결하였으며 갤러킨 방법(galerkin method)을 이용하여 수치적분(numerical integration)의 안정성을 검증하였다(비특허문헌의 10-11 참조).
실시예 4: 염해 내구성 평가 프로그램
1) 염해 내구성 평가 프로그램
상기 수화반응과 염화물 침투 결합모델에 기반하여 콘크리트의 염해정도를 수치적으로 해석할 수 있는 염해 내구성 평가 프로그램을 제작하였다. 상기 염해 내구성 평가 프로그램은 도 2의 패널(b)의 단계를 수행하며 도 3 및 도 4의 구조를 가지고 있다. 상기 염해 내구성 평가 프로그램은 콘크리트의 제조방법을 수치적으로 입력할 수 있다. 상기 콘크리트의 제조방법은 콘크리트의 배합요소 예를 들어, 물, 시멘트, 슬래그, 및 골재 등의 배합요소를 포함하며, 양생조건 예를 들어, 양생온도 및 염화물에 노출되기 전의 양생기간(재령)을 포함한다. 또한, 본 프로그램은 경계 염화물의 농도, 초기 염화물의 농도, 염화물 노출시간, 및 시험체의 길이를 선정하여 시뮬레이션을 실시할 수 있다. 상기 염해 내구성 프로그램은 수치화된 데이터의 입력만으로 콘크리트의 염해 내구성을 평가할 수 있으므로 전문지식이 없는 일반 사용자들도 손쉽게 사용할 수 있는 장점이 있다. 초기 조건 및 환경적 조건을 입력한 후 시뮬레이션을 실시하면 도 5와 같이 그래프의 형태로 결과를 도출할 수 있다. 염화물 확산계수 및 염화물 총량이 그래프로 출력되며 그래프로 출력된 데이터는 엑셀프로그램으로 변환이 가능하므로 엑셀프로그램에서 원하는 데이터만을 추출, 수정 및 편집이 가능하다(도 6 참조).
2) 염해 내구성 평가기준
콘크리트설계기준에서 굳지 않는 콘크리트의 전체 염화물량은 0.3㎏/㎥이하를 원칙으로 하고 있으며, 0.6㎏/㎥이하까지 허용하고 있다. 해수에 위치하거나 제설제를 많이 사용하는 구조물에 있어서 염화물이 콘크리트 내부로의 이동은 침입경로와 확산계수가 중요하다. 콘크리트는 굵은골재, 잔골재 및 시멘트로 결합된 복합체로 무수한 작은 공극이 존재한다. 이러한 미세한 공극과 골재와의 경계면을 따라 염화물이 확산되는 것으로 알려졌다. 콘크리트 표면에 부착된 해염입자나 제설제로 살포된 염화물은 이러한 공극중의 물에 용해되어 염화물 이온의 형태로 확산된다. 외부 환경작용에 의해 침투된 염화물 함유량을 포함할 경우 ‘콘크리트 구조물의 염해 내구성에 관한 국제심포지엄, 한국콘크리트학회(2006)에 개시된 결과에 따라 1.2㎏/㎥정도를 임계염화물 함유량으로 판단하고 있다. 표 2에는 상기 기준에 따른 염화물의 농도에 따른 내구성의 평가 기준을 보여준다.
| 기준 | 전체 염화물 이온량 | 철근의 부식가능성 |
| a | 염화물 ≤ 0.3㎏/㎥ | 염화물에 의한 부식이 발생할 우려가 없음 |
| b | 0.3㎏/㎥ < 염화물 <1.2㎏/㎥ | 염화물이 함유되어 있으나 부식발생가능성 낮음 |
| c | 1.2㎏/㎥ ≤ 염화물 < 2.5㎏/㎥ | 향후 염화물에 의한 부식발생 가능성 높음 |
| d | 염화물 ≥ 2.5㎏/㎥ | 철근부식발생 |
실험예 1: 콘크리트 실린더 시험체의 제작
혼합비율이 상이한 콘크리트 실린더 시험체들에 대하여 염화물 확산계수 및 염화물 농도 프로파일을 양생기간에 따라 측정하였다. 상기 콘크리트 실린더 시험체들은 일반 포틀랜드 시멘트를 이용하여 제조하였으며 이들의 화학조성 및 물리조성은 표 3과 같다.
보그 수학식(bogue equation)을 이용하여 C 3 S , C 2 S , C 3 A 및 C 4 AF의 무기물 함량을 계산한 결과, 각각 45.33%, 28.76%, 8.14%, 및 10.46%이었다. 상기 콘크리트 실린더 시험체는 시멘트 100 중량부에 대하여 물 47 중량부, 42 중량부 또는 37 중량부를 첨가하여 제조하였으며 이들의 자세한 혼합비율은 표 4와 같다. 상기 콘크리트 실린더 시험체들의 골재에 대한 모래의 비율은 대략 0.45이었다.
실험예 2: 실험적 측정을 통한 염화물 확산계수의 계산
콘크리트 실린더 시험체들은 수중양생조건에서 제조하였다. 재령 28일, 90일, 180일 및 270일에서 전기촉진방법(electrical accelerate method)을 이용하여 염화물 확산계수를 측정하였다. 염화물 확산계수의 측정에 사용한 콘크리트 실린더 시험체의 크기는 100mm x 50mm이었다. 투과장치 및 상기 염화물 확산계수의 측정조건은 ASTMC 1202에 준하였다. 전해질의 양극과 음극은 각각 0.5M 염화나트륨(NaCl) 용액과 포화상태의 수산화칼슘(Ca(OH)2)으로 구성하였으며 8시간 동안 30V의 전압으로 전기를 공급하였다. 상기 염화물 확산계수 측정실험 후 0.1N의 질산은(AgNO3)용액을 이용하여 염화물 이온의 콘크리트 투과깊이(penetration depth)를 측정하였으며 상기 투과깊이를 통하여 염화물 확산계수를 계산하였다.
실험예 3: 실험적 측정을 통한 염화물 투과 프로파일의 제작
재령 28일된 콘크리트 실린더 시험체들을 3.5% 염화나트륨 용액에 6개월간 침수시켰다. 상기 콘크리트 실린더 시험체들의 상부 표면을 제외한 모든 부위를 수지(resin)로 코팅하여 염화물 이온의 침투가 상부표면으로부터 1차원적으로 진행되도록 하였다. 산-가용성 염화물량(전체 염화물량)은 각각의 침투깊이에서 측정하여 염화물의 투과 프로파일을 제작하였다.
실험예 4: 염해 내구성 프로그램을 통한 분석
1) 수화반응의 분석
도 7은 제안된 상기 수화모델(hydration model)을 이용하여 분석한 콘크리트의 수화관련 특성들을 보여준다. 분석결과에 따르면, 물과 결합제(binder)의 비율이 저하됨에 따라, 시멘트의 반응정도가 줄어들었다(도 7의 패널 (a) 참조). 이는 콘크리트의 내부에 모세관 물 및 수화물이 위치할 수 있는 공간이 제약되어 있기 때문으로 판단된다. 시멘트 페이스트의 모세관 공극은 수화반응이 진행됨에 따라 감소하였다(도 7의 패널 (b) 참조). 이는 시멘트 수화물에 의해 모세관 공극이 채워졌기 때문이다. 콘크리트 실린더 시험체에 포함된 증발수(evaporable water)의 체적은 양생기간이 연장됨에 따라 줄어들었다. 이는 물이 양생기간 동안 콘크리트의 혼합에 사용되어 소비되었기 때문으로 사료된다. 양생기간을 고려하였을 때, 물과 시멘트가 적은 혼합비율로 제조된 콘크리트에서는 모세관 공극의 체적 및 증발수의 체적이 적은 것으로 확인되었다.
2) 상체적분율의 분석
도 8은 물과 결합제의 비율이 0.37인 시멘트 페이스트의 상체적분율을 보여준다. 수화반응이 진행됨에 따라, 시멘트의 부피는 줄어들고 수화물의 양은 증가되었다(도 8 참조). 모세관 물의 손실, 수화물이 위치할 수 있는 공간의 축소, 및 확산 조절 단계의 결정과정을 위한 수화율의 변화로 인하여 시멘트의 수화율은 점점 느려졌다.
3) 염화물 확산계수의 분석
도 9의 패널 (a)는 시멘트 페이스트의 모세관 공극과 염화물 확산계수의 관계를 보여준다. 양생기간과 물 및 시멘트의 혼합비율에 상관없이 염화물 확산계수와 모세관 공극의 상관관계는 유사한 것이 확인되었다(도 9 참조). 이는 칼슘 규산염 수화물(calcium silica hydrate)에 비하여 상기 콘크리트의 모세관 공극의 크기가 더 때문이며 상기 공극이 염화물 이온의 주된 통로이기 때문인 것으로 판단된다. 염화물 확산계수들은 상기 시멘트 페이스트의 모세관 공극율이 증가함에 따라 1차적으로 증가한다. 따라서 시멘트 페이스트의 모세관 공극은 염화물 확산계수를 결정하는 데 유효지수로서 사용될 수 있다. 수학식 8의 A 1 및 A 2 의 회귀계수(regression coefficient)는 각각 3.63e- 10와 1.15이다. 염화물 확산계수는 재령 28일에서 270일까지 양생기간이 증가함에 따라 약 40%까지 감소하였는데 이는 콘크리트의 모세관 공극률이 감소하였기 때문으로 사료된다(도 9의 패널 (b) 참조). 상기 제안된 수화반응과 염화물 이온 침투의 결합모델은 양생기간 및 물-시멘트의 혼합비율에 대한 염화물 확산계수의 상관성을 반영할 수 있다. 도 10은 전체 염화물 농도 프로파일의 계산결과를 보여준다. 상기 결과에 의하면 동일한 깊이의 조건에서 물과 시멘트의 혼합비율이 증가됨에 따라 염화물 이온의 농도는 감소된다. 이는 염화물 확산계수가 감소하였기 때문이다.
실험예 5: 염해 내구성 프로그램과 실험적 측정의 비교
개발된 상기 염해 내구성 프로그램의 정확도를 확인하기 위하여 실제 시험결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 도 9의 패널 a)는 재령 28일에서 270일까지의 염화물 이온의 확산지수의 변화를 보여준다. 도 9의 패널 a)에 따르면, 콘크리트의 재령이 증가함에 따라 염화물 이온의 확산지수가 40%가량 감소하는 실험결과를 보여준다. 상기 실험결과와 상기 염해 내구성 프로그램을 통한 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, 실험결과 값과 유사한 경향을 나타내는 것이 확인되었다. 도 10에는 콘크리트의 전체 염화물 함량을 보여준다. 도 8과 도 9의 결과에 의하면 물과 시멘트의 비율이 증가할수록 동일한 깊이에서 염화물의 총량이 감소하는 결과를 보여준다. 이는 염화물 이온의 확산지수가 감소함에 따른 것으로 판단된다. 상기 실험결과와 상기 염해 내구성 프로그램을 통한 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, 실험결과 값과 오차가 거의 없이 매우 유사한 경향을 나타내는 것이 확인되었다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.
Claims (9)
- 경화콘크리트의 배합비율 및 양생조건을 이용하여 무기물 혼합물인 C3S, C2S, C3A, 및 C4AF의 반응정도를 수학식 1을 이용하여 계산하고 상기 C3S, C2S, C3A, 및 C4AF의 반응정도를 수학식 2에 대입하여 시멘트 수화반응정도를 산출하는 단계로서,
상기 수학식 1 및 수학식 2는
[수학식 1]
및
[수학식 2]
이며
상기 수학식 1의 αi (i = 1, 2, 3, 및 4)는 시멘트 C3S, C2S, C3A, 및 C4AF 각각의 무기물 혼합물의 반응정도를 의미하며; t는 시간을 의미하며; Sw 는 물과 접촉한 시멘트 입자의 유효 표면적을 의미하며; So 는 전체표면적을 의미하며; ρw 는 물의 밀도를 의미하며; Cw-free 는 C-S-H 겔의 외부에 위치하는 물의 양을 의미하며; v는 물과 시멘트의 중량에 따른 화학양론적비(stoichiometric ratio = 0.25)를 의미하며; wg 는 C-S-H 겔에 물리적으로 결합한 물(= 0.15)을 의미하며; r0는 수화되지 않은 시멘트 입자의 반경을 의미하며; ρc 는 시멘트의 밀도를 의미하며; kd 는 상기 무기물 혼합물의 반응계수를 의미하며; De는 칼슘 규산염 수화물(calcium silicate hydrate, C-S-H) 겔을 고려한 수분의 유효확산계수를 의미하며; kri 는 시멘트 무기 화합물의 반응률 계수를 의미하며;
상기 수학식 2에서 α는 시멘트 수화반응정도를 의미하며; αi (i = 1, 2, 3, 및 4)는 시멘트 C3S, C2S, C3A, 및 C4AF 각각의 무기물 혼합물의 반응정도를 의미하며; g i (i = 1, 2, 3, 및 4)는 C3S, C2S, C3A, 및 C4AF 각각의 무기물 혼합물에 대한 무게분율(weight fraction)을 의미하는 제 1 단계;
상기 시멘트 수화반응정도(α)를 포함하는 수학식 3을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 상체적분율(phase volume fraction; V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7 )을 산출하는 단계로서,
상기 수학식 3은
[수학식 3]
이며
상기 V1 은 미수화(anhydrous) 시멘트의 체적(volume)을 의미하며; V2 는 모세관 물(capillary water)을 의미하며; V3 는 겔 물(gel water)을 의미하며; V4 는 증발수(evaporable water)의 체적(모세관 물의 체적과 겔 물의 체적의 합)을 의미하며; V5 는 화학적 수축의 체적을 의미하며; V6 는 모세관 공극의 체적을 의미하며; V7 은 전체 공극의 체적(모세관 공극의 체적과 겔 물의 체적의 합)을 의미하며; Co 은 시멘트의 질량분율(mass fraction)을 의미하며; ρc 는 시멘트의 밀도를 의미하며; Wo 는 혼합에 사용된 물을 의미하며; α는 시멘트 수화반응정도를 의미하는 제 2 단계;
상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수(chloride diffusion coefficient, Dc(t))를 수학식 8을 이용하여 산출하며 상기 경화 콘크리트의 염화물 결합용량을 비선형흡착식을 이용하여 산출하는 단계로서,
상기 수학식 8 및 상기 비선형흡착식은
[수학식 8]
및
[비선형 흡착식]
염화물 결합용량 = ∂Cb /∂Cf 이며
상기 수학식 8의 A1 (3.63e-10) 및 A2 (1.15)는 상기 모세관 공극과 염화물 확산계수 사이의 상관계수를 의미하며; 상기는 경화 콘크리트의 시멘트 페이스트의 모세관 공극을 의미하며; Vα 는 경화 콘크리트에 포함된 골재의 체적을 의미하며; 상기 비선형 흡착식의 Cf 는 x 깊이에서의 자유염화물의 농도를 의미하며; Cb 는 결합염화물의 농도를 의미하며; 상기 x는 콘크리트의 깊이(m)를 의미하는 제 3 단계;
상기 경화 콘크리트의 상체적분율, 염화물확산계수, 및 염화물 결합용량을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도(chloride penetration degree)를 수학식 7에 대입하여 산출하는 단계로서,
상기 수학식 7은
[수학식 7]
이며
상시 수학식 7의 Cf 는 x 깊이에서의 자유염화물의 농도를 의미하며; V4 는 증발수(evaporable water)의 체적(모세관 물의 체적과 겔 물의 체적의 합)을 의미하며; Cb 는 결합염화물의 농도를 의미하며; Dc 는 염화물의 유효확산계수를 의미하여; x 는 콘크리트의 깊이(m)를 의미하며; ∂Cb /∂Cf 는 콘크리트 결합제의 결합용량을 의미하는 제 4 단계; 및
상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 두께 또는 염화물 노출시간 시간에 따른 염화물 이온 농도 프로파일을 제공하는 제 5 단계;
를 포함하는 경화 콘크리트의 염해 내구성 평가방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 하드웨어와 결합되어,
경화콘크리트의 배합비율 및 양생조건을 이용하여 무기물 혼합물인 C3S, C2S, C3A, 및 C4AF의 반응정도를 수학식 1을 이용하여 계산하고 상기 C3S, C2S, C3A, 및 C4AF의 반응정도를 수학식 2에 대입하여 시멘트 수화정도를 산출하는 단계로서,
상기 수학식 1 및 수학식 2는
[수학식 1]
및
[수학식 2]
이며
상기 수학식 1의 αi (i = 1, 2, 3, 및 4)는 시멘트 C3S, C2S, C3A, 및 C4AF 각각의 무기물 혼합물의 반응정도를 의미하며; t는 시간을 의미하며; Sw 는 물과 접촉한 시멘트 입자의 유효 표면적을 의미하며; So 는 전체표면적을 의미하며; ρw 는 물의 밀도를 의미하며; Cw-free 는 C-S-H 겔의 외부에 위치하는 물의 양을 의미하며; v는 물과 시멘트의 중량에 따른 화학양론적비(stoichiometric ratio = 0.25)를 의미하며; wg 는 C-S-H 겔에 물리적으로 결합한 물(= 0.15)을 의미하며; r0는 수화되지 않은 시멘트 입자의 반경을 의미하며; ρc 는 시멘트의 밀도를 의미하며; kd 는 상기 무기물 혼합물의 반응계수를 의미하며; De는 칼슘 규산염 수화물(calcium silicate hydrate, C-S-H) 겔을 고려한 수분의 유효확산계수를 의미하며; kri 는 시멘트 무기 화합물의 반응률 계수를 의미하며;
상기 수학식 2에서 α는 시멘트 수화반응정도를 의미하며; αi (i = 1, 2, 3, 및 4)는 시멘트 C3S, C2S, C3A, 및 C4AF 각각의 무기물 혼합물의 반응정도를 의미하며; gi(i = 1, 2, 3, 및 4)는 C3S, C2S, C3A, 및 C4AF 각각의 무기물 혼합물에 대한 무게분율(weight fraction)을 의미하는 제 1 단계;
상기 시멘트 수화반응정도(α)를 포함하는 수학식 3을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 상체적분율(phase volume fraction; V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7 )을 산출하는 단계로서,
상기 수학식 3은
[수학식 3]
이며
상기 V1 은 미수화(anhydrous) 시멘트의 체적(volume)을 의미하며; V2 는 모세관 물(capillary water)을 의미하며; V3 는 겔 물(gel water)을 의미하며; V4 는 증발수(evaporable water)의 체적(모세관 물의 체적과 겔 물의 체적의 합)을 의미하며; V5 는 화학적 수축의 체적을 의미하며; V6 는 모세관 공극의 체적을 의미하며; V7 은 전체 공극의 체적(모세관 공극의 체적과 겔 물의 체적의 합)을 의미하며; Co 은 시멘트의 질량분율(mass fraction)을 의미하며; ρc 는 시멘트의 밀도를 의미하며; Wo 는 혼합에 사용된 물을 의미하며; α는 시멘트 수화반응정도를 의미하는 제 2 단계;
상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수(chloride diffusion coefficient, Dc(t))를 수학식 8을 이용하여 산출하며 상기 경화 콘크리트의 염화물 결합용량을 비선형흡착식을 이용하여 산출하는 단계로서,
상기 수학식 8 및 상기 비선형흡착식은
[수학식 8]
및
[비선형 흡착식]
염화물 결합용량 = ∂Cb /∂Cf 이며
상기 수학식 8의 A1 (3.63e-10) 및 A2 (1.15)는 상기 모세관 공극과 염화물 확산계수 사이의 상관계수를 의미하며; 상기는 경화 콘크리트의 시멘트 페이스트의 모세관 공극을 의미하며; Vα 는 경화 콘크리트에 포함된 골재의 체적을 의미하며; 상기 비선형 흡착식의 Cf 는 x 깊이에서의 자유염화물의 농도를 의미하며; Cb 는 결합염화물의 농도를 의미하며; 상기 x는 콘크리트의 깊이(m)를 의미하는 제 3 단계;
상기 경화 콘크리트의 상체적분율, 염화물확산계수, 및 염화물 결합용량을 이용하여 상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도(chloride penetration degree)를 수학식 7에 대입하여 산출하는 단계로서;
상기 수학식 7은
[수학식 7]
이며
상기 수학식 7의 Cf 는 x 깊이에서의 자유염화물의 농도를 의미하며; V4 는 증발수(evaporable water)의 체적(모세관 물의 체적과 겔 물의 체적의 합)을 의미하며; Cb 는 결합염화물의 농도를 의미하며; Dc 는 염화물의 유효확산계수를 의미하여; x 는 콘크리트의 깊이(m)를 의미하며; ∂Cb /∂Cf 는 콘크리트 결합제의 결합용량을 의미하는 제 4 단계; 및
상기 경화 콘크리트의 염화물 침투정도를 이용하여 상기 경화 콘크리트의 두께 또는 염화물 노출시간 시간에 따른 염화물 이온 농도 프로파일을 제공하는 제5단계;
를 실행시키기 위하여 매체에 저장된 경화 콘크리트의 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램.
- 제 6 항에 있어서, 상기 염해 내구성 평가 프로그램은 상기 경화 콘크리트의 배합요소 및 상기 경화 콘크리트의 염화물 노출조건을 입력 데이터로 사용하는 것을 특징하는 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램.
- 제 6 항에 있어서, 상기 염해 내구성 평가 프로그램은 상기 경화 콘크리트의 염화물 확산계수, 염화물 이온 농도 프로파일, 및 전체 염화물 이온의 농도를 결과데이터로 산출하는 것을 특징으로 하는 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램.
- 제 8 항에 있어서, 상기 결과데이터는 그래프의 형태 또는 엑셀 테이터의 형태로 산출하는 것을 특징으로 하는 염해 내구성 평가 컴퓨터 프로그램.
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