비선형 초음파 공진기법을 적용한 열화된 콘크리트 구조물의 탄산화 평가 방법
Experimental Evaluation Method of Carbonation in Concrete Structure Using Nonlinear Resonant Ultrasonic Spectroscopy
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Abstract
철근콘크리트 구조물은 시간에 따른 열화로 구조적 성능이 저하되는데, 열화 현상 중 하나인 콘크리트 탄산화로 인해 해양구조물 등의 내구성이 저하될 수 있다. 본 연구에서는 구조물에 손상을 주지 않고 콘크리트의 탄산화 정도를 실험적으로 평가하기 위해 비파괴 평가기법 중 하나인 비선형 초음파 공진기법을 적용하는 방법을 소개하고 있다. 가속 탄산화 조건에 놓인 시편에 비선형 초음파 공진기법을 적용해서 탄산화 노출기간에 따른 비선형인자를 측정하였다. 측정된 비선형인자는 탄산화 노출기간이 긴 시편일수록 작은 값을 보이는데, 이는 탄산화가 진행될수록 탄산화 생성물인 탄산칼슘에 의해 내부 미세균열이 감소하여 재료적 비선형성이 줄어들기 때문이다. 이처럼 탄산화 노출 기간에 따른 비선형인자의 일관성 있는 계측 결과는 콘크리트의 탄산화를 평가하는데 비선형 초음파 공진기법을 유효하게 적용할 수 있음을 보여준다.
Trans Abstract
Carbonation is a typical type of concrete deterioration that can cause various physicochemical changes and adversely affects the performance of reinforced concrete structures, particularly in offshore structures. Nonlinear resonant ultrasonic spectroscopy (NRUS), which is a non-destructive test technique, is applied in this study to experimentally evaluate the degree of concrete carbonation without damaging the structure. Nonlinearity parameters of test specimens exposed to accelerated carbonation conditions are measured via NRUS. The measured nonlinearity parameters indicate lower values for longer carbonation durations. This is because internal microcracks are reduced by CaCO3, which is a carbonation product. The consistent trend of the experimental results shows that NRUS can be effectively applied to evaluate concrete carbonation.
1. 서 론
현대 건설구조물에 가장 많이 쓰이는 형태 중 하나인 철근콘크리트(reinforced concrete, RC)는 최근 구조물의 사용 연한이 늘어감에 따라 구조물의 노출 환경에 따른 콘크리트의 손상 평가가 안전에 영향을 미치는 중요한 요소로 여겨지고 있다. 특히 최근 그 관심과 중요도가 높아지고 있는 해양구조물에서는 시간에 따른 콘크리트 열화의 대표적인 현상인 탄산화(Carbonation)가 전체 구조물의 안전에 치명적인 위협이 될 가능성이 크다(Im et al., 2004). 이산화탄소(CO2)가 콘크리트 내부의 수산화칼슘(Ca(OH)2)이나 calcium-silicate- hydrate (C-S-H)와 반응하여 안정된 탄산칼슘(CaCO3)으로 변하려는 성질을 탄산화라고 하며, 이러한 탄산화로 인해 콘크리트는 화학적, 기계적 성질 및 미세구조가 변화한다(Fabbri et al., 2009). 탄산화의 결과로 콘크리트의 세공이 채워져서 강도가 상승하는 경향도 있으나(Ho et al., 2018), 일반적으로 12.5 정도의 값을 보이는 콘크리트의 알칼리도가 9 이하로 낮아지게 되면서 장기적으로 철근콘크리트 구조 내부 철근의 부동피막을 파괴하여 철근 부식을 일으켜 전체 구조물 내구성 저하의 원인이 된다(Chang, 2017).
콘크리트의 탄산화를 평가하기 위한 방법으로 페놀프탈레인(phenolphthalein) 지시약, 열중량분석(thermogravimetric analysis, TGA), X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 등을 이용해 시편 내 화합물의 농도를 직접적으로 측정하는 방법을 많이 적용해왔다(Chang and Chen, 2006). 하지만 위의 방법들을 적용해서 탄산화를 평가하기 위해서는 탄산화 예측 깊이 또는 그 이상까지 구조물에 천공을 하거나 시편을 채취해야 한다. 따라서 기본적으로 평가 대상 구조물에 손상을 가해야 하는 방법이므로 명확한 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 콘크리트의 상태를 평가하기 위한 다양한 비파괴 평가 기법들이 제시되어 있으며, 그 중에서도 초음파나 탄성파를 이용하는 측정기법이 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다(Kim et al., 2010; Yim, Kwak et al., 2012). 다만, 선형 초음파를 이용한 비파괴 평가 기법은 거시결함은 민감하게 측정이 가능하지만, 열화나 미세균열 등에 대해서는 예민하게 평가하지 못해 탄산화 평가에는 부적합한 측면이 있다.
본 연구에서는 콘크리트의 탄산화를 평가하기 위해 비파괴 평가 기법 중 미세손상을 민감하게 측정할 수 있는 비선형 초음파 공진기법(nonlinear resonant ultrasonic spectroscopy, NRUS)을 이용하였다. 단일 초음파를 사용해 이에 따라 발생하는 공진 주파수의 변화, 진폭에 따른 감쇠량 등을 측정하는 비선형 초음파 공진기법은 재료적 비선형성이 높은 열화된 콘크리트의 강도 평가 등에 많이 적용되고 있다(Bouchaala et al., 2011). 실험을 통해 서로 다른 환경에 노출된 시멘트 페이스트 시편의 탄산화 정도를 비선형 초음파 공진 기법을 이용하여 평가하고, 평가 결과 얻어지는 비선형 인자를 비교하여 콘크리트 탄산화에 대한 비파괴 검사 기법의 활용성을 확인하였다.
2. 이론적 배경
2.1 콘크리트 탄산화
콘크리트 탄산화 중 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 이산화탄소(CO2)에 의한 반응은 Eq. (1)과 같이 나타낼 수 있다.
이 반응으로 콘크리트 내부의 수산화칼슘이 감소하여 콘크리트의 알칼리도가 낮아지기도 하지만 반응의 결과로 생성된 탄산칼슘(CaCO3)으로 인해 콘크리트의 세공이 채워지면서 콘크리트가 가지는 재료적 비선형성이 줄어드는 역할을 하기도 한다. 주요 골재들이 바인더(cement paste)로 결합되어 있는 콘크리트의 특성상, 내부 구성재료 사이에는 미세균열이 많이 발생하는데, 탄산화 생성물인 탄산칼슘이 반응물인 수산화칼슘보다 몰 부피가 커서 콘크리트 내부 미세공극 감소효과가 있다.
2.2 비선형 초음파 공진기법
탄성체의 비선형 응력-변형률 관계는 일반적으로 Eq. (2)와 같이 나타낼 수 있다.
이 때, σ는 응력, ε은 변형률, K0는 선형탄성계수, 그리고β와 δ는 테일러급수전개를 통해 얻어진 계수이며, 변형률의 제곱항(δε2)부터는 매우 작은 값을 보이므로 무시할 수 있다. 콘크리트와 같은 NME (nonlinear mesoscopic elastic) 재료는 변형률과 변형률 속도에 따라 탄성계수가 변하는 비선형적 이력효과를 나타내게 되는데, 이러한 재료의 응력-변형률 관계를 파동방정식으로부터 정리하면 Eqs. (3), (4)와 같다(Van Den Abeele et al., 2000).
이 식에서, α는 이력현상에 대한 비선형인자, Δε은 이전 주기에서 발생한 변형률의 진폭변화, ε˙는 변형률 속도이며, 변형률의 부호를 나타내기 위해 ε˙가 0보다 크면 sign(ε˙)=1, 0보다 작으면 sign(ε˙)=-1이다.
재료의 비선형적 이력현상은 변형률의 진폭변화(Δε)에 따른 시편의 공진주파수 변화를 발생시키는데, 공진주파수 천이라고 불리는 이 공진 주파수의 변화는 Eq. (5)의 관계를 따른다(Van Den Abeele et al., 2000).
여기서 f0는 공진주파수의 초기값, f는 충격에너지의 변화에 따라 측정된 공진주파수이다. 일반적으로 콘크리트 내부 미세손상이 증가하면 콘크리트의 이력현상이 점차 심화되어 비선형인자(α)가 커지게 된다(Yim, Kim et al., 2012). 콘크리트 탄산화의 경우, 탄산화의 진행에 따라 내부 미세공극이 감소하는 경향을 보이게 될 것이므로 탄산화정도가 클수록 비선형인자가 감소할 것으로 예상된다.
3. 탄산화 실험
3.1 시편 및 탄산화 조건
탄산화 진행에 대한 불확실성을 줄이기 위해 골재가 들어있지 않은 시멘트 페이스트로 시편을 제작했다. 50 × 50 × 50 mm의 정육면체의 시편을(Fig. 1), 노출 환경 별로 3개씩 준비하여 실험상 발생할 수 있는 오차를 줄이고자 하였다. 기존 연구에 따르면 탄산화 정도는 물-시멘트비, 양생조건, 이산화탄소 노출시간 등에 영향을 받는다(Papadakis et al., 1991). 본 연구에서는 각 시편의 탄산화 정도를 효율적으로 제어하기 위해, 동일한 물-시멘트비(W/C = 0.6)와 양생조건(수중양생 7일, 온도 50 ℃)을 적용하였다. 양생이 끝난 후, 시편은 기온 25 ℃, 상대습도 65%, 이산화탄소 농도 10% vol.의 일정한 조건에 노출되었다. 양생온도와 가속 이산화탄소 조건에서의 온도 차이에 의해 추가적인 수화반응이 발생하지 않을 것으로 판단되어(Hwang et al., 2002), 수화반응에 의한 공극감소는 본 연구에서는 고려하지 않았다. 탄산화 노출 기간을 0일부터 28일까지 7일 간격으로 달리하였으며, 각각의 경우에 대해 비선형인자를 계측하기 위해 탄산화 노출 종료 직후 비선형 초음파 공진기법을 적용하였다.
Test Specimen
3.2 노출 환경에 따른 비선형 인자
비선형인자를 측정하기 위한 실험장치의 구성과 측정결과는 Figs. 2 및 3과 같다(Park et al., 2013). 충격 가진을 통해 시편의 공진을 유발시키고, 첫 번째 압축 공진모드에 대해서 주파수를 측정했다. 이 때, 가해진 충격 에너지를 달리하여 공진주파수의 변화를 발생시키면 Eq. (5)에 따라 공진주파수 천이값을 계산할 수 있고, 입사파의 진폭변화를 이용하면 최종적으로 각 시편별 비선형 인자를 측정할 수 있다. 입사파는 7 V부터 11 V까지의 신호를 0.25 V 단위로 증가시켜가며 총 17개를 생성하였다. 공진주파수의 초기값(f0)은 각 노출 조건 별로 얻어진 공진주파수 데이터에 선형회귀분석을 적용하여 얻어진 축의 절편 값으로 가정했다.
NRUS Test
Sample Test Results by NRUS (Park et al., 2013)
각 입사파 별로 측정된 PSD (power spectral density, V2/Hz)의 최대값에 대해 계산된 공진주파수 천이값을 Fig. 4에 나타내었다. 탄산화 노출 기간에 따라 각각 선형회귀분석을 적용하고, 얻어진 회귀분석식의 기울기를 이용해서 각 탄산화 조건에 따른 비선형인자를 계산하여 Table 1과 Fig. 5에 나타내었다.
Frequency Shift according to Peak PSD
Nonlinearity Parameters according to Carbonation Duration
Nonlinearity Parameters according to Carbonation Duration
탄산화가 진행되지 않은 시편의 비선형인자가 가장 큰 값을 보였으며, 노출기간이 길어질수록 비선형인자가 감소하는 경향을 나타낸다. 이는 콘크리트 탄산화의 결과로 생성된 탄산칼슘이 미세공극을 채워 재료적 비선형성이 감소할 것이라는 가설에 부합하는 결과이다. 다만, 비선형인자의 감소폭은 첫 7일 동안 가장 큰 폭으로 감소했고, 노출 기간이 길어질수록 점차 줄어드는 경향을 보였다. 특히 노출기간 21일과 28일 사이에서는 비선형인자가 감소하기는 했으나 감소폭이 굉장히 작음을 확인할 수 있다. 이러한 감소폭의 변화는 두 가지 측면에서 원인을 찾아 볼 수 있겠는데, 먼저 콘크리트 탄산화 반응이 노출초기에 많이 발생하고 노출기간이 길어질수록 점차 줄어든다는 점이다. 탄산화에 따라 콘크리트 내부 수산화칼슘의 농도가 줄어들면서 탄산화 반응 자체가 덜 일어나게 되는 것이다. 다른 이유로는 공극률의 변화를 생각해볼 수 있을 것이다. 탄산화에 의해 공극률이 일정 수준 이하로 떨어지게 되면 콘크리트 내부에서 이산화탄소 이동이 어려워지고 그로 인해 탄산화 반응이 초기에 비해 줄어들게 된다.
4. 결 론
콘크리트 내부의 탄산화 정도를 평가하기 위해 가속 탄산화 조건에 놓인 시멘트 페이스트 시편에 비파괴 평가 기법 중 하나인 비선형 초음파 공진기법을 적용했다. 탄산화 노출기간을 다르게 한 시편 각각에 대해 비선형인자를 계측하고, 탄산화 노출기간에 따른 비선형인자의 변화 경향을 살펴보았다. 실험을 통해 탄산화 노출기간이 길어질수록 비선형인자가 작아진다는 것을 볼 수 있었고, 이는 탄산화 반응의 결과로 생성된 탄산칼슘으로 인해 내부공극이 채워져 콘크리트의 재료적 비선형성이 감소했기 때문이라고 분석할 수 있다. 본 연구의 결과로 콘크리트 내부의 탄산화 정도를 판단하는 데에 비선형 초음파 공진기법을 적용할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 콘크리트 내부의 정확한 탄산화 깊이를 비선형 초음파 공진기법으로 추정하기 위해서는 노출기간에 따라 비선형인자의 감소폭이 줄어드는 메커니즘의 정확한 규명과 탄산화 깊이와 비선형인자 사이의 관계를 파악하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.