콘크리트 내부 온습도 변화를 고려한 장기탄산화 해석

Abstract

Concrete exposed to outside air will inevitably deteriorate its performance. Concrete changes its material properties and performance depending on its age of use. This phenomenon is called aging degradation of concrete Reinforced concrete structures have been thought to be semi-permanent, but they lose their structural function through deterioration. Also, The deterioration of concrete causes changes in the internal structure of concrete, accelerating the deterioration. Compared to other advanced countries, Korea has a shorter physical and functional lifespan, its deteriorated old buildings have been delayed in repair, causing social costs to increase due to the vicious circle of early reconstruction. Based on these circumstances, it is necessary to predict deterioration of concrete over time and repair and rebuild it at the appropriate time. Meanwhile, Carbonation is one of the representative degradation and is progressing over time. In general, carbonation of concrete was measured through long-term exposure tests and discoloration depth of phenolphthalein indicators. Also, a proposed equation based on measurements has been derived by many researchers. However, the disadvantage of these equations is that they cannot obtain numerical information, such as pH of carbonated parts or concentration of calcium hydroxide, and their prediction accuracy is poor in the environmental conditions of the atmosphere without experimental results. Therefore, this study wanted to use FEM to predict the distribution of temperature humidity in concrete according to the external environment and to build a database of internal humidity in concrete that is needed to predict the deterioration of many types of concrete. Also, Through the FEM analysis, the degree of carbonation due to the temperature and humidity of concrete and the concentration of carbon dioxide outside the region was analyzed to establish a general analysis model that can be predicted for long-term carbonation of concrete and various external environments. For prediction, the analysis was performed using COMSOL Multi-physics software, which can interpret multiple physical phenomena, and the climate conditions were used for the domestic Cheongju International Airport, Gimhae International Airport, and Jeju International Airport respectively, using the ASHRAE 2017 database. The following conclusions were obtained from the analysis. (1) A numerical analysis model was established to identify the distribution of temperature and humidity inside concrete according to environmental conditions.

(2) The temperature and humidity inside the concrete showed a time delay over time, and the inside of the concrete in Jeju was the most humid of the year

(3) As a result of carbonation analysis, the concentration of calcium hydroxide in Jeju, Gimhae, and Cheongju was found to be similar in general, and the decrease in concentration was slow over time.

(4) The speed of carbonation was the fastest in Cheongju and the slowest in Jeju, and the depth of carbonation at the time of 30 years was 27.4mm in Cheongju, 26.9mm in Gimhae, and 26.4mm in Jeju

(5) At the time of 30 years, the depth of carbonation in Jeju and Cheongju was about 1mm, and the increase in depth difference gradually decreases.

(6) A reliable numerical analysis model has been established, considering that the Japanese Architectural Institute's carbonation equation and numerical analysis values with the Kishtani coefficient are very similar, although some errors exist. And the slight error is attributed to the fact that the amount of residual calcium hydroxide in the carbonated area has not yet been clearly identified.

(7) The proposed numerical analysis model allows us to predict the neutering progression not only in accelerated neutralization, but also in various outdoor exposure environments and smaller regions.

외기에 노출된 콘크리트는 타설된 후에 필연적으로 침해적인 환경에 놓이게 된다. 콘크리트는 그 사용 연수에 따라 재료적인 특성이 변하게 되며 그로 인해 성능이 변하게 된다. 이러한 현상을 경년열화라 한다. 철근 콘크리트 구조물은 반영구적이라 생각되어왔지만 경년열화를 거치면서 구조적인 기능을 상실한다. 특히 다공질 구조의 콘크리트는 특성상 열화가 콘크리트 내부 구조의 변화를 야기하여 또 다른 열화를 더욱 가속시켜 사회적 요소에 의해 평가된 사회적 수명보다 물리적인 수명이 훨씬 먼저 도달하는 경우가 허다하다. 대한민국은 해외의 선진국에 비해 물리적, 기능적인 건축수명은 매우 짧음과 동시에 열화를 거친 오래된 건축물은 보수의 시기를 놓쳐 조기 재건축이 일반화되는 악순환으로 사회적 비용이 지속해서 증대해왔다. 한편, 일반적으로 콘크리트의 탄산화는 장기간 폭로시험과 페놀프탈레인 지시약의 변색깊이를 통하여 측정되었으며 많은 연구자들에 의해 측정값을 바탕으로한 제안식이 도출되어왔다. 하지만 이러한 식들은 탄산화된 부위의 pH나 수산화칼슘의 농도 등 수치화된 정보를 얻을 수 없으며 실험 실적이 없는 외기의 환경조건에서 근사값 예측 정확도가 떨어진다는 점이 지적되어왔다. 그러므로 본 연구에서는 외부환경에 따른 콘크리트 내부의 온도 습도분포를 FEM을 통해 예측하여 많은 종류의 콘크리트의 열화를 예측하는데 필요한 콘크리트 내부 온습도 데이터베이스를 구축하고자 하였으며 또한, FEM 해석을 통해 시간에 따른 지역별 콘크리트 내부의 온습도와 외부 이산화탄소의의 농도에 따른 탄산화의 정도를 수치 해석하여 콘크리트 장기 탄산화에 대한 예측과 다양한 외기환경에서도 예측이 가능한 범용성 있는 해석모델을 구축하고자 하였다. 예측을 위하여 다중물리현상 FEM해석이 가능한 COMSOL Multiphysics 소프트웨어를 사용하여 해석을 수행하였으며 기후조건은 미국 냉동공조협회의 ASHRAE 2017 데이터베이스를 이용하여 국내의 청주국제공항, 김해국제공항, 제주국제공항 각각의 기후 데이터베이스를 사용하였다. 해석 결과 다음과 같은 결론들을 얻을 수 있었다.

(1) 본 해석을 수행하여 환경 조건에 따른 콘크리트 내부 온습도 분포를 파악하는 수치해석모델을 구축하였다.

(2) 콘크리트 내부의 온도와 습도는 시간에 따른 타임딜레이를 나타내었으며 제주지역의 콘크리트의 내부가 연중 가장 다습한 것으로 나타났다.

(3) 탄산화 해석 결과 제주, 김해, 청주 지역의 수산화칼슘 농도감소는 전반적으로 비슷한 거동을 하는 것으로 나타났으며, 농도 저하는 시간이 지날수록 더뎌지는 것을 확인하였다.

(4) 탄산화 속도는 청주가 가장 빠르게, 제주가 가장 느리게 나타났으며 외기폭로 30년 시점에서의 탄산화 깊이는 청주 27.4mm, 김해 26.9mm, 제주26.4mm로 나타났다.

(5) 제주와 청주의 30년이 지난 시점의 탄산화 깊이는 1mm 정도로 해석되었으며, 차이의 증가 폭은 서서히 감소하는 것으로 나타났다.

(6) Kishtani 계수를 적용한 일본건축학회의 탄산화식과 해석 값은 약간의 오차가 존재하지만 매우 유사하게 거동하는 것으로 보아 상당히 신뢰성 있는 수치해석모델이 구축되었다 사료되며 약간의 오차는 탄산화된 부위의 잔존 수산화칼슘양이 아직 명확한 규명되지 않았기 때문이라 판단된다.

(7) 구축된 수치해석모델을 통해 촉진 중성화뿐만 아니라 다양한 외기폭로환경과 더 세분된 지역에서도 중성화 진행을 예측할 수 있게 되었다.