콘크리트 구조물 내에서 염소이온의 전달현상

허 진석,  신 치범, 김 은겸*, 조 원일**, 윤경석**

아주대학교 화학공학과

* 서울산업대학교 토목공학과

** 한국과학기술연구원 화공연구부

Transport Phenomena of Chloride Ions

in Concrete Structures

J. S. Huh, C. B. Shin, E. K. Kim*, W. I. Cho** and K. S. Yun**

Dept. of Chem. Eng., Ajou University

* Dept. of Civil Eng., SNPU

** Div. of Chem. Eng., KIST

서론

적합한 조성비를 가지고, 적절한 방법으로 양생된 콘크리트 구조물은 통상적인 환경하에서는 긴 수명을 가지는 것으로 알려져 있다. 그러나 여러 가지 물리적 혹은 화학적 요인에 의하여 콘크리트 구조물의 수명은 단축될 수 있다. 콘크리트 구조물 열화의 대표적인 화학적 요인은 공기중의 이산화탄소와 콘크리트 중의 수산화칼슘이 반응하는 중성화(carbonation)와 콘크리트 세공내의 염소이온의 작용(chlorination)을 들 수 있다.[1,2,3]

철근이 부식되면 철의 산화상태에 따라 원래 철의 부피보다 최고 6배까지 부피가 팽창되어 콘크리트에 균열을 발생시키며, 이러한 균열은 수분, 산소, 염분 등의 유입을 촉진시켜 콘크리트 구조물의 열화를 가속시킨다. 특히 최근에 해양구조물 건설 빈도의 증가와 콘크리트 배합제로 해사의 사용증가 및 콘크리트 혼화재 또는 동절기의 제빙을 위하여 사용되는 염화칼슘 등의 여러 가지 요인에 의하여 염소이온의 작용에 의한 철근의 부식에 관하여 다양한 연구의 필요성이 증대되고 있다.

본 연구에서는 콘크리트 타설 당시 콘크리트 재료에 함유된 염소이온 또는 콘크리트  구조물 외벽을 통하여 침투하는 염소이온의 거동을 추적하기 위하여 콘크리트 세공내의 수용액상(aqueous phase)에서의 염소이온의 확산과 염소이온의 콘크리트 고체상(solid phase)으로의 흡착, 탈착 및 화학반응 등의 현상을 포함하는 수학적 모델을 설정하며, 유한요소법(finite element method)에 근거한 수치해석을 통하여 철근의 부식 발생시점 예측 및 콘크리트 재료의 염분 허용치 설정의 합리적인 방법을 제시하고자 한다.

해석 모델

본 연구의 해석 대상은 Fig.1.(a)에 나타낸 것과 같은 임의의 콘크리트 구조물의 모서리(corner)의 단면이며, 그 크기는 Fig.1.(b)에서와 같이 가로 50cm, 세로 50cm이다. 콘크리트 구조물의 주철근은 구조물의 표면으로부터 5cm의 깊이에 위치하는 것으로 가정하였으며, 구조물의 외벽으로부터 5cm 깊이의 세 지점 A, B, C에 대하여 시간에 따른 염소이온 농도의 변화를 추적하였다. 각 지점에서의 염소이온의 농도가 콘크리트 중량 대비 0.05%에 도달하는 시기를 각 지점에서의 부식 발생시점으로 간주하였다.

(a)                                   (b)

Fig.1. (a) Problem domain and boundaries

(b) dimensions of problem domain

결과 및 토의

본 연구에서 설정한 수학적 모델은 비선형(nonlinear), 비정상(unsteady) 시스템으로써 이를 해결하기 위하여 이러한 문제의 풀이에 유효한 것으로 인정되고있는 predictor-multicorrector방법[4]에 근거한 유한요소법(finite element method)을 채택하였다.

Fig.2.(a)는 해사를 사용하지 않고 구조물 건설 8년 후에 도장을 실시한 경우의 A, B, C지점에서의 염소의 농도 이력이다. 이 경우 A, B지점에서의 수용액상의 염소이온 농도가 도장을 실시한 직후부터 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있으나, 도장실시 후 약1년이 경과할 동안은 수용액상의 염소이온의 농도가 0.05wt%를 상회하여 여전히 철근부식이 진행됨을 알 수 있다.

Fig.2.(b)는 0.3wt%의 염분을 함유한 해사를 사용하고 구조물 건설 8년 후에 도장을 실시한 경우 A, B, C지점에서의 염소의 농도 이력이다. 이 경우를 Fig.2.(a)의 해사를 사용하지 않은 경우와 비교하면 A, B지점에서의 도장실시 후 수용액상의 염소이온농도가 0.05wt% 이하로 떨어지는데 소요되는 시간이 더 길다는 것을 확인할 수 있다.

Fig.3.(a)는 해사를 사용하지 않았을 경우, Fig.3.(b)는 해사를 사용하였을 경우에 대하여 20년이 경과한 후 수용액상에서의 염소이온의 농도분포를 나타내었으며, Fig.4.(a)는 해사를 사용하지 않고 구조물 건설 8년 후에 도장을 실시하였을 경우, Fig.4.(b)는 해사를 사용하고 구조물 건설 8년 후에 도장을 하였을 경우에 대하여 20년이 경과한 후 수용액상의 염소이온의 농도 분포를 contour plot으로 나타내었다.

결과적으로 콘크리트 구조물의 외벽으로부터 유입되는 염소이온의 구조물 표면에서의 농도와 콘크리트 재료에 혼입되는 염소이온의 양이 철근의 부식시점을 결정하는 중요한 인자임을 확인할 수 있었으며, 구조물의 외벽을 도장하는 경우라도 도장 후 얼마간은 수용액상의 염소이온의 농도가 철근의 부식이 진행될 수 있는 정도로 유지됨을 알 수 있었다.

참고문헌

[1] ACI Comm. iHee 201, "Guide to Durable Concrete," ACI Mat. Jour., Vol.      88, No.5, pp. 554-582, 1991.

[2] V.M. Malhotra ed., Durability of Concrete, ACI sp126, Vol.1 & 2, 1991.

[3] P.K. Mehta and P.J.M. Monterio, "Concrete; Structure, Properties and          Materials," 2nd ed., Prentice-Hall, 1993.

[4] T.J.R. Hughes, K.S. Pister and R.L. Taylor, "Implicit-Explicit Finite Elements     in Nonlinear Transient Analysis," Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., Vol.       17118, pp. 159-182, 1979.

(a) without initial presence of Cl-      (b) with initial presence of Cl-

Fig.2. Variation of Cl- concentration with time.

Surface of the concrete structure was coated after 8 years.

(a) without initial presence of Cl-       (b) with initial presence of Cl-

Fig.3. Contour plot of Cl- concentration in aqueous phase after 20 years.

Surface of the concrete structure was not coated.

(a) without initial presence of Cl-      (b) with initial presence of Cl-

Fig.4. Contour plot of Cl- concentration in aqueous phase after 20 years.

Surface of the concrete structure was coated after 8 years.