염해를 받는 RC구조물의 확률론적 내구수명 예측에 관한 연구

Abstract

철근콘크리트 구조물은 내구성이 매우 우수하고 반영구적이기 때문에 건설재료의 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 그러나 시공 후 오랜 시간이 경과하게 되면 열화현상이 일어나게 되고 그 중 가장 심각한 것은 염해에 의한 철근의 부식이고, 이는 주로 외부로부터 콘크리트 내부로 염소이온이 침투하여 철근이 부식하기 때문에 발생된다. 이러한 염해에 의한 해양 콘크리트 구조물의 내구수명 저하를 정량적으로 평가하기 위한 연구를 수행한 결과 콘크리트 내에서의 염소이온 침투 기구 및 확산 모델 등에 대해서는 많은 성과가 나타나고 있으며 현재 이를 통한 구조물의 내구성 해석이 수행되고 있다.1) 그러나 콘크리트의 염소이온 확산계수는 재령이나 배합, 환경에 따라서 다양한 값을 나타내므로 예측된 내구수명에 대한 정확도 향상 노력이 필요하다. 또한 지금까지 행해져 왔던 확정론적인 열화예측에서는 염소이온 확산계수가 시간에 따라 일정하다는 전제 하에, 콘크리트 내의 강재 위치에서의 염소이온량이 임계 염소이온량에 달할 때까지의 시간을 추정함으로써 내구수명을 평가하였기 때문에 열화현상의 변수 고려 범위가 제한되며 정확도가 떨어진다. 따라서 최근 선진 외국에서는 염소이온 확산계수, 임계 염소이온량, 표면 염소이온량 등 설계 변수들의 통계적 성질을 고려하여 내구성 설계를 수행하는 확률론적 내구성 설계 기법이 이루어지고 있다. 이와 같은 확률론에 기초한 콘크리트 구조물의 내구성 설계 기법은 상기의 설계 변수들의 통계적 성질을 고려하여 각 설계 변수의 내재적 불확실성이 체계적으로 포함되도록 하였으므로 합리적인 설계법이라 할 수 있다.2) 따라서 본 연구에서는 염소이온의 확산계수에 영향을 미치는 혼화재의 종류 및 치환율별 염소이온 확산계수를 실험적으로 산정하고, 이를 이용하여 Monte Carlo Method를 통한 염해 환경에서 RC 구조물의 확률론적 내구수명 평가를 실시하였으며 이를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 첫째, 실험을 통하여 산정한 염소이온 확산계수와 시간의존성 지수 n을 통하여 W/C에 의한 DPC 산정식을 구하고 Plain 콘크리트와 혼화재 혼입 콘크리트의 염소이온 확산계수비를 이용하여 혼화재 혼입율에 따른 염소이온 확산계수 추정식을 제안하였다. 둘째, 시간의존성 지수를 0, 0.4, 0.8로 변화시켜 확률론적 내구수명 평가를 실시한 결과 동일조건에서 내구수명 파괴 확률이 10%에 도달하는 기간이 각각 20년, 40년, 160년으로 매우 큰 편차를 보이고 있다. 이를 통하여 시간의존성 지수가 내구수명 평가에 큰 영향을 미치는 것을 확인했으며 정확한 시간의존성지수의 산정이 중요하다고 판단된다. 셋째, 혼화재를 치환한 콘크리트의 경우 Plain 콘크리트에 비하여 염해에 의한 내구성 파괴 확률이 감소하는 경향을 나타내었으며 실험 범위 내에서 혼화재 치환율이 증가할수록 염해 내구성도 증가하는 것으로 나타났다. 실리카 흄을 15% 치환한 경우와 고로슬래그를 70% 치환한 경우의 염해 내구성 향상율이 약 75%로 가장 좋은 것으로 나타났다. 또한 전체적으로 진전기까지 내구성 평가를 실시한 경우의 파괴 확률이 잠복기까지 내구성 파괴 확률을 분석한 결과보다 더 낮은 결과를 나타내었다. 넷째, 본 연구의 결과 피복 두께를 40mm로 산정하고 100년 경과 후 진전기에서 염해에 대한 내구성 파괴확률 10% 이내를 목표로 내구수명 설계를 수행할 경우 W/B를 40으로 하고 실리카흄이 15% 치환된 콘크리트 또는 고로슬래그 치환율이 70%인 콘크리트를 사용해야 하는 것으로 판단되며 메타카올린과 플라이 애쉬를 치환한 콘크리트의 경우는 요구수명을 만족하기 힘든 것으로 나타났다.; The Reinforced concrete, as a semi-permanent building material, has a good durability, it takes the major portion in the construction material. But after a long time, it occurs the deterioration in the structure and most serious problem is corrosion of the rod, and it occurs due to penetration of chloride ion from outside. For this reason, recently many researches of chloride ion penetration and diffusion have been conducted, and now, many analysis of durability at RC structure is conducting by these results. But it is difficult that accurate verification of predicted durability at RC structures because chloride ion diffusion coefficient is diversity according to equivalent age, composition, environment. Also, in the difinite prediction of durability life, it evaluate durability life assuming that chloride ion diffusion coefficient is constant according to time, so accuracy of durability life go down. Therefore, recently probabilistic analysis of durability life is conducted to consider statistical data as chloride ion diffusion coefficient, critical chloride ion quantity, surface chloride ion quantity. It is rational analysis method to analyze durability life at RC structure based on probabilistic theory due to contain immanent uncertainty systematically to consider statistical data as previous stated. Therefore in this research, we estimate time dependent chloride ion diffusion coefficient pursuant to type and mixing ratio of mineral admixture through experiment, and using this, we conduct evaluation of probabilistic durability life at RC structure, analyzing penetration profile of chloride ion through Monte Carlo Method. Through this result, we conclude as follow. First, we estimate calculating equation of DPC through chloride ion diffusion coefficient and time dependent coefficient n, and we suggest assuming equation of chloride ion diffusion coefficient pursuant to type and mixing ratio of mineral admixture, using ratio of plain concrete chloride ion diffusion coefficient and mineral admixture mixed concrete. Second, when we conduct evaluation of the probabilistic durability life at RC structure changing time dependent coefficient as 0, 0.4, 0.8, reaching period of 10% of destruction probability has a lot of deviation as 20years, 40years, 160years of each case. As this result, we confirm that time dependent coefficient has large effect on evaluation of the durability life, and we estimate that it is important to calculate accurate time dependent coefficient. Third, in case of mineral admixture mixed concrete, it shows lower destruction probability than plain concrete, and in the experimental extent, as mixing ratio of mineral admixture increase, durability against chloride ion attack increase. In case of mixing silica fume 15% and blast furnace slag 70%, improvement ratio of durability is the highest ratio as 75%. Also ,taken altogether, destruction probability of progress period is lower than destruction probability of latent period. Fourth, when we conduct a design of durability life set a target of below of 10% of destruction probability in the progress period estimating 40mm of cover depth and 100 years of elapsed time, we confirm that W/B set 40% and we have to use silica fume 15% mixed concrete or blast furnace slag 70% mixed concrete. In case of mixing meta kaoline or fly ash, it is difficult to achieve target durability life.