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콘크리트 탄산화도를 고려한 RC구조물의 내구수명 예측 및 LCCO2 평가에 관한 연구

Title
콘크리트 탄산화도를 고려한 RC구조물의 내구수명 예측 및 LCCO2 평가에 관한 연구
Author
이상현
Advisor(s)
이한승
Issue Date
2014-02
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
최근 지구환경지속가능성에 대한 우려로 전 세계적으로 CO2 절감 및 친환경 건축 필요성이 강조되고, 이산화탄소 배출 저감의 의무 규정이 재정, 국가별 기적용 및 향후 적용이 예정됨에 따라 국내에서도 2012년 고강도 재료와 친환경 재료 등, 녹색성장 및 신기술 적용을 활성화 할 수 있는 방향으로 구조기준이 개정되었다. 이에 따라 정부에서는 구조물 설계 시 낮은 CO2 배출 및 자원재활용 재료 등의 사용을 고려하도록 하고 있으며, 제품의 이산화탄소 배출량 표시를 확대 적용하고 있다. 그런데 건축물의 주요 구조재료인 콘크리트는 아직까지 이산화탄소 배출 표시의 정식적인 방법이 없다. 특히, 콘크리트의 주요 재료인 시멘트는 주원료인 석회석의 탈탄산과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하기 때문에 콘크리트 내 시멘트 대체재인 혼화재를 사용하여 시멘트 사용량 저감을 통한 이산화탄소 배출량을 낮출 수 있기 때문에 이의 정량적 평가 방법이 필요하다. 또한 콘크리트는 탄산화 현상을 통하여 대기 중의 이산화탄소를 흡수하기 때문에 이를 고려할 필요가 있다. 하지만 콘크리트의 탄산화 현상은 철근콘크리트의 경우 철근의 부식을 유발, 구조물의 내구수명을 단축시킨다. 따라서 탄산화 현상으로 인한 철근콘크리트의 내구성이 확보된 수준에서 콘크리트의 탄산화를 통한 이산화탄소 흡수량을 산출할 수 있는 정량적 평가 방법이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 탄산화에 대한 내구성능이 확보된 수준에서 탄산화에 의한 이산화탄소 흡수량을 평가하였다. 한편, 콘크리트의 탄산화 현상에 의한 내구수명 판정은 현재 지시약을 이용한 변색된 깊이를 측정하여 평가하는 정성적 평가방법으로 탄산화정도를 고려하지 못하고 있는 한계가 있다. 염해의 경우는 철근 깊이에서의 염소이온 측정을 통한 정량적 판정 기준을 마련하고 있지만 탄산화의 경우는 그렇지 못하다. 또한 지시약을 이용한 콘크리트의 탄산화 깊이 측정은 변색경계가 모호한 경우 측정자에 따른 측정오차가 발생하며, 이로 인해 실제 구조물의 탄산화 깊이 진행 예측을 통한 내구수명을 평가하는데 한계로 작용하므로 이러한 문제를 극복하기 위한 탄산화에 의한 정량적 평가 방법 및 기준 마련이 요구된다. 이에 본 연구는 페놀프탈레인 지시약에 의한 콘크리트 탄산화 깊이 측정이 변색구간깊이를 육안으로 판별하는 정성적 평가 결과를 이용하여 측정오차에 기인한 내구수명 예측결과의 상이함이 있으므로, 콘크리트 내 pH값에 영향을 미치는 수산화칼슘 및 탄산칼슘량과 pH와의 상관관계를 실험적으로 분석하여 수산화칼슘 및 탄산칼슐량을 기준으로 탄산화 깊이를 판단하는 정량적 평가 기준을 제안하고자 하였다. 그리고 이를 이용하여 콘크리트의 사용기간 동안 탄산화를 통한 대기 중의 이산화탄소 흡수량 평가 및 LCCO2(이산화탄소 발생량-흡수량)평가 방법을 제안하였다. 본 연구는 콘크리트의 탄산화도를 고려한 RC구조물의 내구수명 예측 및 LCCO2 평가를 목적으로 총 6장으로 구성되며, 각 장의 내용은 다음과 같다. 1장에서는 연구의 배경, 필요성, 목적 및 방법에 대해 기술하였다. 2장에서는 콘크리트 탄산화, 지시약에 의한 탄산화 깊이 평가방법을 대체할 탄산화 정량평가 방법, 철근부식, 수화반응을 통한 수화생성물 예측 및 탄산화 깊이 예측 모델에 대해 조사하였다. 3장에서는 콘크리트 탄산화 깊이의 정량적인 판정기준을 제시하기 위하여, 촉진 탄산화 실험을 통하여 탄산화 재령별, 깊이별 수산화칼슘 농도 및 탄산칼슘의 농도를 정량적으로 산정하여 pH값과의 상관관계를 실험적으로 평가하였다. 또한 제안된 탄산화 깊이 정량적 판정기준을 이용하여 콘크리트 전 배합 조건에 대한 탄산화 내구수명예측에 필요한 초기 Ca(OH)2량 예측을 위해 시멘트 수화반응 모델을 이용한 Ca(OH)2량 예측 및 실험을 통한 검증을 실시하였다. 4장에서는 3장에서 제시한 탄산화 정량평가 기준과 FEM을 이용한 콘크리트 탄산화 예측모델을 사용하여 탄산화 내구수명을 정량적으로 예측하였다. 5장에서는 콘크리트의 생산과정에서 발생한 이산화탄소 배출량과 콘크리트의 사용기간 탄산화 현상을 통하여 흡수한 이산화탄소량을 정량적으로 산정하였으며, 실제 구조물을 대상으로 사용기간 콘크리트 CO2 수지(이산화탄소 배출량-흡수량) 및 LCCO2를 평가하였다. 6장 결론에서는 본 연구의 결과 및 추후 연구과제에 대하여 아래와 같이 요약, 제시하였다. 1. 콘크리트 탄산화 정량평가 기준 제안 1) 수산화칼슘 및 탄산칼슘의 질량감소율비가 1:3 인 점에서 지시약에 의한 변색구간과 일치하였으며, 초기 수산화칼슘 농도의 약 60% 수준으로 판단된다. 2) 수화반응 후, 완전탄산화 시 이산화탄소 질량감소율은 각각 C0: 1.0%, Cmax : 27.15% 이며, 이 때 pH값은 10.6으로 평가되었다. 3) 탄산화도 이용시 지시약에 의한 변색이 관찰되지 않는 1주에서부터 탄산화 진행정도 정량평가가 가능하였으며, CO2 농도 5%조건으로 26주 진행 시, Dc45:23.3%, Dc55: 64.8%, Dc65: 82.1% 의 탄산화도 정량 평가 가능하였다. 2. 콘크리트 전 배합에 대한 탄산화도를 이용한 내구수명 예측 가능 1) 수화반응 모델을 이용한 Ca(OH)2 예측값과 수화반응 후 실험값을 비교한 결과 유사한 결과를 나타내어 시멘트 수화반응 모델이 1종 보통포틀랜드 시멘트만을 사용한 콘크리트의 Ca(OH)2 정량예측에 유효할 것으로 판단된다. 2) 예측된 초기 수산화칼슘 농도 대비 60% 수준으로 감소한 지점을 FEM 해석을 통해 예측한 결과와 기존 연구자의 예측결과와 비교한 결과 유사한 결과를 나타내었다. 3) 수화반응모델 및 탄산화도를 이용한 FEM 해석 결과로 콘크리트 전 배합에 대한 탄산화 내구수명 예측이 가능하다. 3. 탄산화도를 이용한 콘크리트 LCCO2 평가 방법 제안 1) 제안된 탄산화에 따른 콘크리트 CO2 수지 및 LCCO2 평가를 통하여 이산화탄소 저감 측면에서 콘크리트의 배합 및 건축물의 내구수명 결정 시 대안을 검토할 수 있는 도구로 활용 가능할 것으로 판단된다. 본 연구는 보통포틀랜드시멘트만을 사용한 물결합재비 45, 55, 65%에 대한 실험적 결과를 바탕으로 한 것으로 탄산화 정량평가 기준의 보편적 적용에는 한계가 있으며, FA, BS를 사용한 콘크리트에 대해서는 추후 별도의 연구가 필요하다.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/131380http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000424320
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > SUSTAINABLE ARCHITECTURAL ENGINEERING(건축환경공학과) > Theses (Ph.D.)
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