Chloride penetration in anchorage concrete of suspension bridge during construction stage

Yang, In-Hwan,Yoon, Yong-Sik,Kwon, Seung-Jun Techno-Press 2020 Advances in concrete construction Vol.10 No.1

Steel corrosion in embedded steel causes a significant durability problems and this usually propagates to structural degradation. Large-scaled concrete structures, PSC (Pre-stressed Concrete) or RC (Reinforced Concrete) structures, are usually constructed with mass concrete and require quite a long construction period. When they are located near to sea shore, chloride ion penetrates into concrete through direct or indirect exposure to marine environment, and this leads durability problems. Even if the structures are sheltered from chloride ingress outside after construction, the chloride contents which have been penetrated into concrete during the long construction period are differently evaluated from the initially mixed chloride content. In the study, chloride profiles in cores extracted from anchorage concrete block in two large-scaled suspension bridge (K and P structure) are evaluated considering the exposure periods and conditions. Total 21 cores in tendon room and chamber room were obtained, and the acid-soluble chlorides and compressive strength were evaluated for the structures containing construction period around 3 years. The test results like diffusion coefficient and surface chloride content from the construction joint and cracked area were also discussed with the considerations for maintenance.

콘크리트내의 이중구조와 시간의존성을 고려한 염화물 해석기법의 개발

문진만,김진영,김영준,오경석,권성준 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.5

콘크리트 표면의 상태에 따라 염화물은 증가 또는 감소하게 되며 이는 철근부식 및 내구수명에 매우 중요한 인자가 된다. 콘크리트의 내구성 저하를 방지하기 위해 표면함침과 같이 많은 표면강화 기술이 개발되었으나 이중 콘크리트 구조와 확산계수의 시간의존성을 고려한 염화물 해석방법은 매우 제한적이다. 본 논문에서는 표면 강화된 이중구조 콘크리트에 대해 시간의존성 확산계수를 도입하여 염화물 해석기법을 제안하였으며, 역해석을 통하여기존의 실험결과와 비교하였다. 2년간 비말대, 해수중, 조석대 상태에 노출된 표면 함침된 콘크리트 시편에 대해 표면염화물량과 확산계수를도출하고 Life-365에서 제안한 확산계수 식과 비교 분석하였다. 시간의존성을 고려한 결과 비말대 시편의 오차는 0.28에서 0.20 수준으로, 조석대 시편은 0.29에서 0.11 수준으로, 해수중에서는 0.54에서 0.40 수준으로 오차가 감소함을 알 수 있었다. 또한 Life365에서 사용되는 확산계수식을 사용할 경우, 과다한 확산계수로 인해 상대오차가 커지고 높은 침투깊이(e)와 낮은 확산계수비(D1/D2)를 필요로 함을 알 수 있다. With varying conditions of concrete surface, induced chloride contents are changed and this is a key parameter for steel corrosion and service life in RC (Reinforced Concrete) structures. Many surface enhancement techniques using impregnation have been developed, however the evaluation techniques for chloride behavior through doubly layered media and time-dependent diffusion are rarely proposed. This paper presents an analysis technique considering double-layer concrete and time-dependent diffusion behavior, and the results are compared with those from the previous test results through reverse analysis. The chloride profiles from the surface-impregnated concrete exposed to atmospheric, tidal, submerged zone for 2 years are adopted. Furthermore surface chloride contents and diffusion coefficients are obtained, and are compared with those from Life365. Through consideration of time effect, the relative error decreases from 0.28 to 0.20 in atmospheric, 0.29 to 0.11 in tidal, and 0.54 to 0.40 in submerged zone, respectively, which shows more reasonable results. Utilizing the diffusion coefficients from Life365, relative errors increases and it needs deeper penetration depth (e) and lower diffusion coefficient ratio (D1/D2) due to higher diffusion coefficient.

콘크리트내의 이중구조와 시간의존성을 고려한 염화물 해석기법의 개발

문진만,김진영,김영준,오경석,권성준 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.5

콘크리트 표면의 상태에 따라 염화물은 증가 또는 감소하게 되며 이는 철근부식 및 내구수명에 매우 중요한 인자가 된다. 콘크리트의 내구성 저하를 방지하기 위해 표면함침과 같이 많은 표면강화 기술이 개발되었으나 이중 콘크리트 구조와 확산계수의 시간의존성을 고려한 염화물 해석방법은 매우 제한적이다. 본 논문에서는 표면 강화된 이중구조 콘크리트에 대해 시간의존성 확산계수를 도입하여 염화물 해석기법을 제안하였으며, 역해석을 통하여 기존의 실험결과와 비교하였다. 2년간 비말대, 해수중, 조석대 상태에 노출된 표면 함침된 콘크리트 시편에 대해 표면염화물량과 확산계수를 도출하고 Life-365에서 제안한 확산계수 식과 비교 분석하였다. 시간의존성을 고려한 결과 비말대 시편의 오차는 0.28에서 0.20 수준으로, 조석대 시편은 0.29에서 0.11 수준으로, 해수중에서는 0.54에서 0.40 수준으로 오차가 감소함을 알 수 있었다. 또한 Life365에서 사용되는 확산계수식을 사용할 경우, 과다한 확산계수로 인해 상대오차가 커지고 높은 침투깊이(e)와 낮은 확산계수비(D1/D2)를 필요로 함을 알 수 있다. With varying conditions of concrete surface, induced chloride contents are changed and this is a key parameter for steel corrosion and service life in RC (Reinforced Concrete) structures. Many surface enhancement techniques using impregnation have been developed, however the evaluation techniques for chloride behavior through doubly layered media and time-dependent diffusion are rarely proposed. This paper presents an analysis technique considering double-layer concrete and time-dependent diffusion behavior, and the results are compared with those from the previous test results through reverse analysis. The chloride profiles from the surface-impregnated concrete exposed to atmospheric, tidal, submerged zone for 2 years are adopted. Furthermore surface chloride contents and diffusion coefficients are obtained, and are compared with those from Life365. Through consideration of time effect, the relative error decreases from 0.28 to 0.20 in atmospheric, 0.29 to 0.11 in tidal, and 0.54 to 0.40 in submerged zone, respectively, which shows more reasonable results. Utilizing the diffusion coefficients from Life365, relative errors increases and it needs deeper penetration depth (e) and lower diffusion coefficient ratio (D1/D2) due to higher diffusion coefficient.

비말 지역에 노출된 FA 콘크리트의 균열을 고려한 겉보기 염화물 확산계수 및 표면 염화물량 평가

윤용식,권성준 한국구조물진단유지관리공학회 2019 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.23 No.6

The cracks occurred during service life of concrete structure should be considered in durability design, because of the concrete’s material property which is weak in tensile strength. In this study, the fly ash concrete mixtures considering 2 levels of strength is designed and outdoor exposure tests are conducted for those concrete specimens. The exposure environment is set to a splash zone, and in order to evaluate the effect of crack width on the behavior of chloride diffusion, the crack width of up to 1.0 mm is generated at intervals of 0.1 mm at each concrete mixture. After that, apparent chloride diffusion coefficient and surface chloride contents are deducted considering 3 levels of exposure periods(180 days, 365 days, 730 days). The diffusion coefficients of two types of mixture increase with the increase of crack width, and the diffusion coefficients decrease with the increase of exposure periods. In addition, the effect of the crack width on the diffusion coefficient is reduced as the exposure periods increase, which is attributed to the extra hydrate by chloride ion reducing the diffusivity of concrete. The behavior of the surface chloride contents does not significantly change by the increase in crack width, compared to the behavior of apparent chloride diffusion coefficient. Also, In the high strength FA concrete mixture, the surface chloride contents are 78.9 % ~ 90.7 % than the normal FA strength concrete mixture. Thus, Surface chloride contents have correlation with the strength of concrete. 콘크리트는 인장력에 취약한 재료적 특징을 갖기 때문에 콘크리트 구조물의 사용기간 중에 발생하는 균열은 내구성능 평가 시 필히 고려되어야 한다. 본 연구에서는 두 수준의 강도를 고려한 플라이애시 콘크리트를 배합하여 옥외 폭로 시험을 실시하였다. 노출 환경은 비말 조건으로 설정하였으며, 균열 폭이 콘크리트의 염화물 확산 거동에 미치는 영향을 평가하고자 각 배합의 시편에 0.1 mm 간격으로 최대 1.0 mm 까지의 균열 폭을 야기하였다. 그 후 3가지 수준의 노출기간(180일, 365일, 730일)을 고려하여 겉보기 염화물 확산계수 및 표면 염화물량을 산출하였다. 균열 폭의 증가에 따라 두 배합 모두 확산계수가 증가하였으며, 노출기간이 증가함에 따라 확산계수는 감소하였다. 또한 노출 기간이 증가함에 따라 균열 폭이 확산계수에 미치는 영향이 감소하였는데, 이는 염소 이온 기반 수화물이 콘크리트의 확산성을 저감시키기 때문으로 사료된다. 표면 염화물량 거동은 겉보기 염화물 확산계수 거동 대비 균열 폭의 증가에 따른 뚜렷한 변화 거동이 발생하지 않았으며, 고강도 배합에서 보통 강도 배합 대비 78.9 % ~ 90.7 %의 표면 염화물량을 나타내어 강도와의 상관관계를 갖는 것으로 판단된다.

균등 표면 염화물량을 고려한 시간 의존적 내구적 파괴확률 해석기법

이학수,권성준 한국구조물진단유지관리공학회 2017 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.21 No.2

Recently durability design based on deterministic or probabilistic method has been attempted since service life evaluation in RC(Reinforced Concrete) structure exposed to chloride attack is important. The deterministic durability design contains a reasonable method with time effect on surface chloride content and diffusion coefficient, however the probabilistic design procedure has no consideration of time effect on both. In the paper, a technique on PDF(Probability of Durability Failure) evaluation is proposed considering time effect on diffusion and surface chloride content through equivalent surface chloride content which has same induced chloride content within a given period and cover depth. With varying period to built-up from 10 to 30 years and maximum surface chloride content from 5.0 kg/m3 to 10.0 kg/m3, the changing PDF and the related service life are derived. The proposed method can be reasonably applied to actual durability design with preventing conservative design parameters and considering the same analysis conditions of the deterministic method.

실태조사를 통한 간만대 콘크리트 교각의 염화물 확산계수 특성

이학수,양주경,권성준 청운대학교 건설환경연구소 2015 청운대학교 건설환경연구소 논문집 Vol.10 No.1

Concrete is a durable construction material but chloride attack is considered as a critical deterioration phenomena due to corrosion in embedded steel. This paper presents evaluation of apparent diffusion coefficient and surface chloride content in 13 concrete cores with 4.8∼48.4m height location from RC (Reinforced Concrete) column exposed to tidal and atmospheric zone through field investigation. Concrete cores under high water level of 6.0m show very high surface chloride content but they show very reduced values over high water level, so that chloride effect on corrosion is expected to be insignificant over 9.0m. The measured diffusion coefficient has a range of 1.05∼7.24×10-12m2/sec, which is relatively low for previous investigation. The apparent diffusion coefficient and surface chloride contents are quantitatively investigated in the paper. 콘크리트는 내구적인 건설재료이지만, 매립된 철근 부식으로 인해 염해는 매우 중요한 열화인자로 고려되고 있다. 본 연구에서는 실태조사를 수행하여, 간만대 및 비말대에 노출되고 3.7∼4.7년 경과된 RC 교각에 대해 4.8∼48.4m 위치의 코어를 13개 채취하여 겉보기 확산계수 및 표면염화물량을 분석하였다. 해수면이 닿는 6.0m까지는 매우 높은 표면염화물량이 도출되었으나 그 이후는 매우 낮은 표면염화물량이 측정되어 9.0m 이상의 부재에서는 내구성에 큰 영향이 없을 것으로 평가되었다. 평가된 겉보기 확산계수는 1.05∼7.24×10-12m2/sec의 범위를 가졌으며 기존의 연구에 비하여 낮은 확산계수를 보이고 있었다. 본 연구에서는 해수면 위치에 따른 표면염화물량 및 겉보기 확산계수의 변화가 정량적으로 분석되었다.

해양콘크리트 구조물의 염해 예측 및 유지보수 시뮬레이션시스템 개발

이창수,김명원 한국구조물진단유지관리공학회 2013 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.17 No.1

실내촉진실험과 동시에 현장폭로실험을 병행하였기 때문에 연차별 실험계획에 따라 최근 5년차의 현장실험체 분석을 수행하고 모델을 업그레이드하는 과정에서 모델 검증을 위해 준공된 지 30년 가량된 방조제의 배수갑문콘크리트의 염화물 침투프로파일을 분석하였다. Zhang의 연구결과에서 언급된 표면에 가까운 콘크리트내부 염화물 농도를 기본모델의 표면염화물농도 대신으로 적용하였다. 장기간 노출되는 실험체의 염화물 측정자료 분석에서 확산계수의 변화분석을 통하여 Maage의 제안식을 기본모델에 적용하였다. 이렇게 보완된 수정모델을 통하여 예측된 자료와 현장자료를 비교하고, 임계시점, 즉 보수시점을 도출함으로서 본 연구의 제안모델과 유지보수 시스템이 간만대 염화물 침투프로파일 추정과 적정보수 시점 및 비용 예측에 사용될 수 있음을 보였다. As both laboratory accelerated experiment and field exposure experiment were performed, at recent, the fifth field test at five year exposures was proceeded according to long period experimental plan. Field experiment, for the adoption of the developed evaluation model, which is consisted of the analysis of chloride penetration profile at gate bridges of sea-dike completed 30 years ago was carried out during upgrading the basic evaluation model with analyzing the annual field test data. The surface concentration of chlorides was replaced to the concentration of chloride of inner concrete near the surface chlorides among his research results at basic model. Maage's suggestion function was accepted too as a diffusion coefficient of chloride after verifying the change of diffusion coefficient by analysis of annual field test data. The comparison of field data with model predictions and the estimation of remaining life time demonstrates that the proposed updated model and maintenance simulation system can be used to predict the chloride penetration profile in the marine tidal zone and appropriate repair period and cost.

폭로실험에 의한 해양콘크리트 구조물의 내구적 수명예측

이창수,김명원,Lee. Chang Soo,Kim. Meyong Won 한국방재학회 2014 한국방재학회논문집 Vol.14 No.3

연구는 실내실험에서 이와 같은 이론을 토대로 염해예측 기본모델을 만들고 해양환경에 장기간 폭로된 실험체를 실험계획에 따라 주기적으로 분석하여 데이터 추이를 통해 기본모델을 수정하였다. 모델 검증을 위해 준공 후 약 30년 경과된 6개의 해양콘크리트 구조물의 염화물함량 분포를 분석하였다. 염화물 예측 기본 모델식에서 표면염화물함량은 콘크리트 내의 염화물 농도가 건습이 반복 될수록 공극내 증발산의 영향으로 점차 높아 질수 있음을 제시한 연구사례를 반영하여 표면염화물 농도의 <TEX>${\alpha}$</TEX> 배로 수정하였다. 수정된 모델을 통하여 예측한 데이터와 현장데이터를 비교하였으며, 임계염화물함량 도출시점, 즉 보수시점을 추정함으로써 내구수명 예측에 이용될 수 있도록 하였다. In this study, based on the theory, a basic model for predicting salt damage was made in the laboratory experiment, and a maintenance simulation system was developed by constructing a numerical model using the basic model. The basic model was modified through data trends by periodically analyzing the specimens, which were exposed to marine environment for a long period of time, following the experimental plan. The chloride content distribution of 6 marine concrete structures, which were completed about 30 years ago, was analyzed to test the model. In the basic model equation for predicting chloride, the surface chloride content was modified to be <TEX>${\alpha}$</TEX> times the surface chloride concentration, reflecting the research which suggested that the chloride concentration in concrete could gradually increase under dry-wet cycling due to the effect of evapotranspiration within the pores. The data predicted from the modified model was compared with the field data, and by estimating the timing of threshold chloride content (i.e., repair time), it was suggested that the model and maintenance system proposed in this paper can be used to predict the service life.

결정론 및 확률론적 방법에 따라 시간의존성 염화물 확산계수 및 외부 영향인자가 내구수명에 미치는 영향

권성준 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.6

염해에 콘크리트 구조물의 내구수명 평가는 매우 중요한데, 결정론적 방법 및 확률론적 방법에서 평가된 결과는 큰 차이를 보이고 있다. 본 연구에서는 시간의존형 확산계수와 고정 확산계수를 고려하여 내구수명을 모사하였다. 기본확산계수, 콘크리트 피복두께, 표면염화 물량을 3조건으로 분류하여 각 평가방법에 따라 변화하는 내구적 파괴확률과 내구수명을 평가하였다. 시간의존형 확산계수의 도입을 통하여 두 방법 간의 차이를 감소시킬 수 있었으며, 합리적인 해석결과를 유도할 수 있었다. 염화물 확산계수가 2.5×10-12m2/sec에서 7.5×10-12m2/sec으 로 증가할 때 내구수명은 25.5~35.6%수준으로 감소하였으며, 피복두께가 75 mm에서 125 mm로 증가할 경우, 267~311%로 내구수명은 증가 하였다. 또한 표면염화물량이 5.0 kg/m3에서 15.0 kg/m3으로 변화할 때, 내구수명은 40.9~54.5% 수준으로 감소하였다. 피복두께의 변화에 따른 내구수명의 변화는 기본확산계수 및 표면염화물에 비하여 8~10배정도 크게 평가되었으며 내구수명 확보를 위한 중요한 인자임을 알 수 있다. Service life evaluation for RC Structures exposed to chloride attack is very important, however the previous two methods(deterministic and probabilistic method) show a big difference. The paper presents a service life simulation using deterministic and probabilistic method with timedependent diffusion coefficient. Three different cases are considered for diffusion coefficient, concrete cover depth, and surface chloride content respectively, and then the PDF(probability of durability failure) and the related service life are obtained. Through adopting time-dependent diffusion, the discrepancy between the two methods can be reduced, which yields reasonable service life. When diffusion coefficient increases from 2.5×10-12m2/sec to 7.5×10-12m2/sec, the service life decreases to 25.5~35.6% level, and cover depth does from 75 mm to 125 mm, it increases to 267~311% level as well. In the case of surface chloride content from 5.0 kg/m3 to 15.0 kg/m3, it changes to 40.9~54.5%. The effect of cover depth is higher than the others by 8~10 times and also implies it is a key parameter to service life extension.

해양 환경하 콘크리트 교량의 염해환경 성능평가 연구

채원규 ( Won-kyu Chai ),이명구 ( Myeong-gu Lee ),손영현 ( Young-hyun Son ),홍성욱 ( Sung-wook Hong ) 한국안전학회(구 한국산업안전학회) 2018 한국안전학회지 Vol.33 No.5

This study aims to investigate in the assessment of salt damage conditions in concrete structures under marine environment conditions. It aims also to improve the durability of new concrete bridge through applying the life prediction method of salt damaged bridges. As measuring chloride contents of these bridges on the southwest coastal area, it is shown that the average amount of chloride on these surfaces close to shore is 10.5 kg/㎥. This figure is much higher than that of the Standard Specification for Concrete(1.5 kg/㎥∼2.5 kg/㎥). In contrast, it is shown the average amount of chloride on these surfaces in tide zone is 13.1 kg/㎥. Its figure is much lower than that of the Standard Specification for Concrete(20 kg/㎥). And the life of bridges is estimated about 17 years. To improve the durability for salt damage, these bridges are applied to surface treatment method which the replacement rate of furnace slag is 60%. Under this condition, it is expected to be 110 years. Consequently, it is clear that the use of slag replacement rate, surface treatment agent, and anti-corrosion agent to control chloride penetration effects of a submerge-based concrete bridge will be required.