시멘트의 種類 및 配合條件에 따른 콘크리트의 耐海水性 評價에 關한 實驗的 硏究 = (An)experimental study on the assessment seawater resistance of concrete according to cement type and mix condition

국문 초록 (Abstract)

그동안 국제적으로 해수의 작용을 받는 콘크리트에는 상식적으로 내황산염 포틀랜드 시멘트가 사용되어 왔으나, 내황산염 포틀랜드 시멘트는 황산염이온에 대한 저항성은 우수한 반면, C₃A 함량부족으로 인해 해수의 주요 성분인 염화물이온에 대한 저항성 측면에서 사용효과에 대한 의문이 제기되어 1990년대 중반 이후 일본 및 국내 콘크리트 표준시방서에서는 해양구조물에 내황산염 포틀랜드 시멘트의 사용을 제한하게 되었다.
따라서 본 연구에서는 콘크리트의 내해수 특성을 규명하고 해양 콘크리트 구조물의 내해수성 확보를 위한 시멘트 선정 및 콘크리트의 배합 결정에 관한 유용한 자료를 제공하기 위하여 시멘트의 종류 및 배합조건별에 따른 콘크리트의 내해수성에 관한 실험을 실시함과 아울러, 해양구조물용 콘크리트에 관한 국내ㆍ외 기술기준 및 내황산염 포틀랜드 시멘트를 사용한 국내 주요 해양구조물의 시공현황을 조사·분석하였다.
본 연구에서 수행한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 내황산염 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트에 비하여 장기재령에서 압축강도 및 공극률은 유사하였으며, 건조수축 및 황산염에 대한 저항성은 현저히 우수한 반면, 염화물 확산계수는 크게 나타나 염해에 대한 저항성은 좋지 않은 것으로 나타났다. 이러한 경향은 C₃A 함량이 1% 정도인 경우가 4% 정도인 경우에 비하여 뚜렷하게 나타나 시멘트 중의 C₃A가 콘크리트의 염화물이온 침투에 영향을 미치는 중요한 인자임을 확인하였다.
(2) 보통 포틀랜드 시멘트의 일부를 플라이애시로 치환해 사용한 콘크리트의 경우에는 장기재령에서 내황산염 포틀랜드 시멘트를 사용한 경우에 비하여 황산염 저항성은 비슷하고 압축강도, 건조수축, 공극률 및 염화물침투 저항성이 우수한 것으로 나타나, 양질의 플라이애시를 적당량 혼입·사용하면 콘크리트의 내해수성에 효과적인 것으로 나타났다. 다만, 플라이애시 혼입량은 해수 등의 화학적 침해 및 동결융해를 동시에 받는 경우에 대한 기술기준의 규정 및 중성화의 영향 등을 고려해 시험을 통해 적정량 사용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
(3) 국내에서는 1996년 11월 이후 일본에서와 같이 해양 콘크리트 구조물에 내황산염 포틀랜드 시멘트의 사용을 제한하고 있으나, 내황산염 포틀랜드 시멘트의 품질에 관한 KS 규격은 일본의 JIS 규격과는 큰 차이가 있으며, 국내 해양 콘크리트 구조물에 널리 사용된 내황산염 포틀랜드 시멘트의 화학조성은 일본에서 해양 콘크리트 구조물용 시멘트로 널리 쓰이고 있는 중용열 포틀랜드 시멘트와 화학조성이 유사한 것으로 확인되어 내해수성에 미치는 시멘트의 품질상의 문제는 거의 없을 것으로 판단된다.
(4) 시멘트의 종류 및 콘크리트의 배합조건별로 염화물 침투시험결과, 콘크리트의 염화물 확산계수는 물-시멘트비 및 압축강도에 의해 크게 영향을 받는 것으로 확인되었으며, 압축강도가 클수록, 물-시멘트비가 작을수록 콘크리트의 염화물 확산계수는 낮게 나타났다.
(5) 기존의 물-시멘트비만의 함수로 구성된 염화물 확산계수 예측식들 보다 신뢰성 있는 염화물 확산계수 예측모델식을 구성하기 위하여 콘크리트의 물-시멘트비와 압축강도를 매개변수로 설정하고, 내황산염 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트의 염화물 침투시험 결과에 대하여 수학적 이론에 근거한 다중회귀분석을 실시하여 다음과 같은 염화물 확산계수 예측모델식을 구성하였다.
D_(e) = 2715.53·e^(0.2645·C/W)·f_(28)^(-1.8913)
이 예측모델식은 결정계수가 0.9563으로서 높은 신뢰성을 가지고 있는 것으로 판단된다.
(6) 염화물 확산계수 예측모델식을 이용하여 철근 위치에서의 염화물 농도가 임계염화물량에 도달할 때까지의 기간을 예측한 결과 철근부식시기는 시멘트의 종류에 의한 영향보다는 콘크리트의 피복두께에 의해 지배적인 영향을 받으며, 설계기준강도가 클수록, 물-시멘트비가 작을수록 철근부식시기는 현저히 지연되는 것으로 나타났다. 따라서 이러한 콘크리트의 배합 및 설계특성별 철근부식시기 예측결과는 적정한 보수·보강시기의 결정은 물론, 설계ㆍ시공계획 단계에서 콘크리트의 배합 및 피복두께 등을 결정하는데 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

So far, sulfate resistance portland cement has been widely used when the concrete is affected by seawater. Although sulfate resistance portland cement is good at sulfate ion resistance, it had been excluded to use marine concrete structures in standard specification in Japan and Korea since the middle of 1990s because of the lack of C₃A that is essential to chloride ion resistance.
This study conducted the tests of the seawater resistance according to cement types and concrete mix conditions in order to examine concrete's seawater resistance traits and to provide the useful data for cement selection and concrete mix decision. It was supposed to obtain seawater resistance in marine concrete structures. Besides, this study researched and analyzed domestic and international technical standards in marine concrete structures and present domestic major constructed marine structure which used sulfate resistance portland cement.
The results of the present study can be summarized as follows:
(1) The concrete which used sulfate resistance portland cement was as good as the concrete which used ordinary portland cement in compressive strength and volume of pore void in longterm-age and the former was far better than the latter in drying shrinkage and the sulfate attack resistance. However the former was worse than the latter in the chloride attack resistance because the former showed very high in chloride diffusion coefficient. This trend came out more clearly in 1% of C₃A than 4% of C₃A. Therefore C₃A was verified as an important factor which has an effect on the chloride ion permeation of concrete.
(2) The concrete which replaced the part of ordinary portland cement with fly ash was as good as the concrete used sulfate resistance portland cement in the sulfate resistance in longterm-age. The former was better than the latter in age process, compressive strength, drying shrinkage, volume of pore void, and the chloride permeation resistance. It meant that concrete with good quality of fly ash is efficacious against seawater resistance. It is desirable that the right amount of fly ash in concrete should be determined by the tests, considering code regulation of technical standards and the carbonation effect on the case which was affected by both the chemical attack and freezing and thawing exposures.
(3) Since November 1996, Korea has imposed restrictions on the use of sulfate resistance portland cement in marine concrete structure as Japan does. But KS standards about sulfate resistance portland cement quality differ from JIS standards of Japan. It is confirmed that the chemical composition of sulfate resistance portland cement which was mainly used for marine concrete structure in Korea was similar to that of moderate heat portland cement which is being widely used in Japan. Therefore it is judged that the quality of domestic sulfate resistance cement little matters to the seawater resistance.
(4) The result of chloride permeation test which was done under cement types and concrete mix conditions confirmed that chloride diffusion coefficient of concrete was vastly influenced by water-cement ratio and compressive strength. Chloride diffusion coefficient turned out lower when the compressive strength was higher and water-cement ratio was lower.
(5) This study set concrete water-cement ratio and compressive strength as a parameter and performed multiplex regression analysis which was based on the mathematical theory about the result of chloride permeation test on the concrete which used sulfate resistance portland cement. It was supposed to make more reliable formula of prediction model of chloride diffusion coefficient than the prediction model of chloride diffusion coefficient which was composed of only water-cement ratio function. As a result, the formula of prediction model of chloride diffusion coefficient was composed as follows.
D_(e) = 2715.53·e^(0.2645·C/W)·f_(28)^(-1.8913)
This formula of prediction model is considered very reliable because of its decision coefficient 0.9563
(6) By using the formula of chloride diffusion coefficient prediction model, the time was predicted while chloride concentration reached threshold values from steel-concrete position. It turned out that steel-concrete corrosion time was mainly controlled by the cover depth of concrete rather than by concrete types and the time was delayed remarkably when design standard strength was higher and water-cement ratio was lower. It is judged that concrete mix and the prediction of the steel-concrete corrosion time according to the design trait can decide proper time of repair and rehabilitation. Those can also provide the useful information about the decision on concrete mix and the cover depth of concrete in design and construction planning stage.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• List of Tables = ⅳ
• List of Figures = ⅹ
• 국문초록 = xiii
• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구목적 = 1
• 1.2 연구동향 = 4
• 1.2.1 해수에 의한 콘크리트의 화학적 침식에 관한 연구 = 4
• 1.2.2 염화물 이온의 확산속도에 관한 연구 = 7
• 1.3 연구내용 및 범위 = 11
• 제2장 이론적 배경 = 13
• 2.1 포틀랜드 시멘트의 화학조성 및 주요 화합물 = 13
• 2.2 해양 콘크리트 구조물의 성능저하 메카니즘 = 15
• 2.2.1 해수에 의한 콘크리트의 성능저하요인 = 15
• 2.2.2 해수에 의한 콘크리트의 화학작용 = 16
• 2.2.3 해수에서 철근의 부식 = 19
• 2.3 콘크리트의 염화물 침투 및 확산 = 24
• 2.3.1 정상상태에서의 염화물 확산 = 24
• 2.3.2 비정상 상태에서의 염화물 확산 = 26
• 2.4 해수에 침지한 콘크리트의 강도변화 = 30
• 제3장 해양구조물의 내해수성에 관한 국내·외 기술기준 및 시공현황 조사·분석 = 32
• 3.1 개요 = 32
• 3.2 해양구조물용 재료 및 콘크리트에 관한 기술기준 = 33
• 3.2.1 시멘트 = 33
• 3.2.2 콘크리트의 물-결합재비 및 설계기준강도 = 40
• 3.2.3 콘크리트 중의 염화물 함유량 = 44
• 3.2.4 콘크리트의 피복두께 = 48
• 3.3 국내·외 포틀랜드 시멘트의 표준규격 및 품질 = 55
• 3.3.1 국내·외 포틀랜드 시멘트의 표준규격 = 55
• 3.3.2 국산 및 일본산 포틀랜드 시멘트의 품질 분석 = 56
• 3.3.3 국내 시멘트의 수급현황 분석 = 58
• 3.4 국내ㆍ외 주요 해양구조물용 콘크리트의 품질 분석 = 60
• 3.4.1 외국 = 60
• 3.4.2 국내 = 63
• 제4장 시멘트의 종류에 따른 콘크리트의 역학적 특성 및 내해수성 평가 = 69
• 4.1 개요 = 69
• 4.2 사용재료 및 시험방법 = 70
• 4.2.1 사용재료 = 70
• 4.2.2 콘크리트의 배합 = 72
• 4.2.3 시험방법 = 73
• 4.3 시험결과 및 고찰 = 78
• 4.3.1 압축강도 = 78
• 4.3.2 건조수축 = 80
• 4.3.3 공극률 = 82
• 4.3.4 황산염 침투시험 = 84
• 4.3.5 염화물 침투시험 = 86
• 4.3.6 콘크리트의 내부조직 평가 = 91
• 4.4 염화물 확산계수와 강도 및 공극률과의 상관관계 분석 = 94
• 4.4.1 콘크리트의 압축강도와 염화물 확산계수의 관계 = 94
• 4.4.2 콘크리트의 공극률과 염화물 확산계수의 관계 = 96
• 제5장 시멘트의 종류 및 배합조건별 콘크리트의 압축강도 및 염화물이온 확산특성 평가 = 98
• 5.1 개요 = 98
• 5.2 사용재료 및 시험방법 = 99
• 5.2.1 사용재료 = 99
• 5.2.2 콘크리트의 배합 = 100
• 5.2.3 시험방법 = 102
• 5.3 시험결과 및 고찰 = 103
• 5.3.1 압축강도 = 103
• 5.3.2 염화물 침투·확산 특성 = 108
• 5.4 염화물 확산계수 예측모델 구성 = 116
• 5.4.1 압축강도와 염화물 확산계수의 관계 = 116
• 5.4.2 염화물 확산계수 예측모델 구성 = 119
• 5.5 콘크리트 중의 철근부식시기 예측 = 125
• 5.5.1 각종 시멘트사용 콘크리트의 배합조건별 철근부식시기 예측 = 125
• 5.5.2 Ⅴ종 시멘트 사용 콘크리트의 배합조건별 철근부식 시기 예측 = 128
• 제6장 결론 = 132
• 참고문헌 = 134
• ABSTRACT = 150