이산화탄소 환경에 노출된 전력구 콘크리트의 탄산화 및 압축강도 특성
Carbonation and Compressive Strength Properties of Electric Power Utility Tunnel Concrete Exposed to a Carbon Dioxide Environment
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Abstract
최근 전력구의 사용 연한이 급격히 증가하고 있으나, 공간적 제약이 있어 점검 및 보수 등이 쉽지 않고 수명 종료에 따른 경제적 손실이 크다. 전력구는 높은 이산화탄소 농도에 노출되어 있으며, 내부가 밀폐환경으로 되어 있어 이산화탄소에 대한 큰 영향을 받는다. 이산화탄소는 콘크리트 탄산화를 유발하여 전력구의 성능 저하의 원인이 될 수 있다. 본 연구에서는 전력구 콘크리트를 대상으로 탄산화 촉진을 통하여 탄산화 특성을 분석하고, 탄산화가 콘크리트의 역학적 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 실험 결과 탄산화에 가장 큰 영향을 주는 요인은 촉진 농도이며, 농도가 증가할 때 탄산화 깊이는 약 1.55배 증가하였다. 콘크리트 탄산화는 압축강도를 약 1.29배 증가시키며, 역학적 성능에 가장 큰 영향을 주는 요인은 탄산화 면적으로 분석되었다.
Trans Abstract
Recently, the service lives of electric power utility tunnels have been increasing rapidly; however, inspection and maintenance tasks are difficult, and the economic loss owing to the end of tunnels’ lifespans is substantial. Moreover, electric power utility tunnels are exposed to high carbon dioxide. Because their interiors are sealed environments, the tunnels are significantly affected by carbon dioxide. Carbon dioxide can cause concrete carbonation, which can lead to a decline in the performance of electric power utility tunnels. In this study, the carbonation characteristics of concrete were analyzed, and the effect of carbonation on the mechanical performance was evaluated.
1. 서 론
사회기반시설 중 전력구는 ‘지하 송전구조물’로 지칭되는 지중 구조물로써 1970년대 중반부터 전력 공급의 주요 시설로 이용되고 있다. 현재까지 준공된 전력구는 점차 확대되고 있으나, 최근 전력구 구조물의 사용 연한이 급격히 증가하고 있는 실정이며, 이에 유지관리가 어느 때보다 중요해지고 있다. 전력구는 교량, 빌딩과 같은 지상 구조물에 비해 공간적 제약 및 특성이 있어 시설물 점검 및 보수 등이 쉽지 않고 전력구 사용수명 종료에 따른 재건설에 막대한 비용이 발생할 수 있으며 전력구 사용성 손실에 의한 사회적·경제적 손실이 크다.
전력구는 표층까지의 깊이가 얕아 상부 활하중, 지하수, 대기 등 주변 환경의 영향을 크게 받는 구조물이다. 특히 전력구는 표층까지의 깊이가 얕아 자동차 및 산업시설에 배출되는 높은 이산화탄소 농도에 노출되어 있으며, 그 특성상 내부가 환기가 어려운 밀폐환경으로 조성되어 있어 주변에서 배출되는 이산화탄소에 대한 큰 영향을 받는다.
이산화탄소는 콘크리트의 탄산화를 유발하는 원인이다. 콘크리트 탄산화란 알칼리성 콘크리트 주변의 탄산 성분이 콘크리트 중의 수산화칼슘과 반응하여 탄산칼슘으로 변화하여 알칼리성을 상실하는 것을 의미한다. 이는 피복 콘크리트 박리, 부착 강도의 저하 등을 수반하여 구조물에 치명적인 피해를 줄 수 있다. 따라서 전력구 주변의 이산화탄소는 전력구 콘크리트 열화 요인으로 작용하여 전력구의 내구 성능 및 구조 성능 저하의 원인이 될 수 있다.
이에 본 연구에서는 전력구 콘크리트를 대상으로 이산화탄소 농도를 변수로 콘크리트 탄산화 깊이, 면적 등에 대한 탄산화 특성을 분석하고, 콘크리트 탄산화가 콘크리트 압축강도, 탄성계수 등 역학적 성능에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 하였다.
2. 실험 연구
2.1 시험체 제작
본 연구에서는 전력구 콘크리트를 대상으로 시험을 수행하기 위하여 실제 전력구에서 사용되는 콘크리트 배합비를 그대로 사용하였다. 시험체 제작에 사용된 배합비는 Table 1과 같다. 표와 같이 시험체의 물-결합재비(W/B)는 58.7%이며, 잔골재비(S/a)는 51.4%였다.
Mix Proportions of Concrete
시험체는 KS F 2403 (2019) 콘크리트의 강도 시험용 공시체 제작 방법에 따라 ∅100 × 200 mm 크기의 원주형 공시체로 제작하였다. 제작된 공시체는 20 ± 5 °C의 온도에서 28일간 수중양생을 진행하였으며, 탄산화 촉진 시험 전에 측면 촉진을 유도하기 위하여 Fig. 1과 같이 공시체의 상·하부 면을 에폭시로 코팅하였다.
Specimen Detail
2.2 시험 방법
콘크리트 탄산화에 영향을 미치는 요인으로는 온도, 습도, 이산화탄소 농도 및 촉진 기간 등이 있다. 본 연구에서는 이러한 영향인자 중 이산화탄소의 농도는 1% 및 5%의 두 수준으로 하고, 촉진 기간을 4주, 8주 및 13주로 변화시켜 총 6종류로 구분하여 탄산화 챔버를 이용하여 촉진을 수행하였다.
Table 2에는 탄산화 촉진 시험을 위한 양생 조건과 환경조건을 나타내었다. Table 2와 같이 20 ± 5 °C 온도 및 60 ± 5% 상대 습도하에서 이산화탄소의 농도 및 촉진 기간을 변화시켜 Fig. 2와 같이 양생 챔버 내에서 촉진하였다.
Carbonation Test Conditions
Carbonation Test Chamber
시험체는 Table 3과 같이 크게 3종류로 구분하였다. N0 Series는 대조군 시험체이며, 탄산화 촉진시험체와의 비교를 위하여 탄산화 촉진 없이 같은 기간 동안 양생만 진행하는 시험체이다. C1 Series 및 C5 Series는 탄산화 촉진 시험체이며, C1 Series는 이산화탄소 농도 1%, C5 Series는 이산화탄소 농도 5%로 촉진한 시험체이다. 시험체별로 양생 및 촉진 기간을 4주, 8주 및 13주로 구분하여 양생 및 촉진을 수행하였다.
Test Specimen Detail
2.2.1 탄산화 깊이 및 면적 측정
탄산화 촉진 완료된 시험체의 탄산화 깊이는 KS F 2596 (2019) 콘크리트 탄산화 깊이 측정 방법에 따라 페놀프탈레인 1.0% 용액을 분무하여 공시체의 측면을 기준으로 탄산화 깊이를 측정하였다. 본 연구에서는 정확한 측정을 위하여 페놀프탈레인 용액이 분무된 공시체의 단면 사진을 AutoCAD를 사용하여 탄산화 깊이 및 면적을 각각 산출하였으며, 산출된 결과의 평균값을 사용하여 시험 결과를 분석하였다.
2.2.2 압축강도 시험
KS F 2405 (2022) 콘크리트의 압축강도 시험 방법에 따라 탄산화가 촉진된 공시체를 대상으로 Fig. 3과 같은 방법으로 압축강도 시험을 수행하였다. 가력은 만능재료시험기(UTM)를 사용하였으며, 공시체 측면에 변형률 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였다. 압축강도 시험은 실험 변수별로 4개의 공시체 시험을 수행하였으며, 측정한 결과의 최대값과 최소값을 제외한 2개의 시험 결과를 분석하였다.
Compressive Strength Test
3. 실험 결과 및 분석
3.1 탄산화 모델 분석
일반적으로 콘크리트 탄산화 반응은 매우 느린 속도로 진행되지만 콘크리트의 수명 전체에 걸쳐 지속해서 일어난다. Walton et al. (1990)과 Lee et al. (2003)는 탄산화 모델을 Eq. (1)과 같이 제시하고 있다.
Eq. (1)에서 xc는 시간 t에서의 탄산화 깊이, Dc는 콘크리트의 구성재료와 함수상태에 따른 이산화탄소 확산계수, a는 콘크리트 내부의 알칼리 물질의 양, C1은 콘크리트 노출면과 접하는 대기의 이산화탄소 농도, C2는 콘크리트 내부의 이산화탄소 농도이다.
Kim et al. (2006)는 Eq. (1)을 단순화하여 Eq. (2)와 같은 탄산화 깊이 예측식을 제시하고 있으며, 이를 실용적으로 가장 많이 활용하고 있다.
Eq. (2)에서 xc는 시간 t에서의 탄산화 깊이, A는 탄산화 속도계수라 하며 콘크리트 외적인 환경조건과 콘크리트 품질과 같은 내적 조건 등에 정해지는 계수이다.
3.2 탄산화 깊이 및 면적
Fig. 4는 페놀프탈레인 용액을 분사한 이후 촬영된 시험체들의 단면을 나타내고 있으며, 탄산화 깊이 및 면적은 촬영된 단면을 기준으로 산출하였다. Fig. 5는 촉진 기간에 따른 탄산화 깊이 및 면적을 나타내고 있다. Fig. 5와 같이 이산화탄소의 농도 및 촉진 기간이 증가함에 따라 탄산화 깊이 및 면적이 증가하는 경향을 보였다. 시험체별 탄산화 깊이 및 면적은 Table 4에 정리하였다.
Section of Specimens after Carbonation Test
Carbonation Results at 4 Weeks, 8 Weeks and 13 Weeks
Results of Carbonation Test and Compressive Strength Test
C1 Series의 평균 탄산화 깊이는 촉진 기간 4주(C1-4 시험체), 8주(C1-8 시험체) 및 13주(C1-13 시험체)에 따라 각각 8.49 mm, 15.44 mm 및 16.81 mm로 측정되었다. 또한 C5 Series의 평균 탄산화 깊이는 촉진 기간 4주(C5-4 시험체), 8주(C5-8 시험체) 및 13주(C5-13 시험체)에 따라 각각 16.76 mm, 19.69 mm 및 23.77 mm로 측정되었다.
동일한 촉진 기간에서 이산화탄소 농도의 변화에 따라 탄산화 깊이는 평균 1.55배 증가하였으며, 동일한 이산화탄소 농도에서 촉진 기간의 변화에 따라 탄산화 깊이는 1.32배 증가하였다. 특히 촉진 기간이 4주인 시험체에서 이산화탄소 농도 5% 시험체의 탄산화 깊이는 이산화탄소 농도 1% 시험체 대비 197.37% 정도 증가하는 경향을 보였다. 이처럼 탄산화 깊이에 가장 큰 영향을 주는 요인은 이산화탄소 농로로 평가되었다.
C1 Series의 평균 탄산화 면적은 양생 기간 4주(C1-4 시험체), 8주(C1-8 시험체) 및 13주(C1-13 시험체)에 따라 각각 2505.05 mm2, 3676.65 mm2 및 4011.48 mm2로 측정되었다. 또한 C5 Series의 평균 탄산화 면적은 양생 기간 4주(C1-4 시험체), 8주(C1-8 시험체) 및 13주(C1-13 시험체)에 따라 각각 4245.39 mm2, 4843.79 mm2 및 5528.07 mm2로 측정되었다. 동일한 촉진 기간에서 이산화탄소 농도의 변화에 따라 탄산화 면적은 평균 1.46배 증가하였으며, 동일한 이산화탄소 농도에서 촉진 기간의 변화에 따라 탄산화 면적은 1.21배 증가하였다.
3.3 탄산화 속도계수
Fig. 6은 촉진 기간에 따른 탄산화 깊이의 경향을 보여주는 그래프이다. 그래프의 추세선과 같이 C5 Series의 탄산화 깊이가 C1 Series에 비하여 크게 증가하는 것을 확인할 수 있으며, C1 Series 및 C5 Series 모두 촉진 기간이 증가할 탄산화 깊이의 증가 폭이 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이러한 경향을 정량적으로 분석하기 위하여 각 시험체에 대한 탄산화 속도계수를 산출하였다. 탄산화 속도계수는 탄산화가 철근의 위치까지 진행하는 데 필요한 시간을 예측하기 위하여 사용되는 계수이다. 이는 콘크리트 외적 환경조건(이산화탄소 농도 등)과 콘크리트 내적 조건(콘크리트 배합, 함수 상태 등)에 정해지는 계수이다. 본 연구에서는 Kim et al. (2006)이 제시하고 있는 식을 Eq. (3)과 같이 역산하여 시험체별 탄산화 속도계수(A)를 산출하였으며, 산출된 결과는 Table 4에 정리하였다.
Relationships between Carbonation Depth and Period
C1 Series의 평균 탄산화 속도계수는 양생 기간 4주(C1-4 시험체), 8주(C1-8 시험체) 및 13주(C1-13 시험체)에 따라 각각 4.25, 5.46 및 4.66으로 측정되었다. 또한 C5 Series의 평균 탄산화 속도계수는 양생 기간 4주(C5-4 시험체), 8주(C5-8 시험체) 및 13주(C5-13 시험체)에 따라 각각 8.38, 6.96 및 6.59로 측정되었다. 전체적으로 촉진 기간이 증가함에 따라 탄산화 속도계수는 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 이처럼 콘크리트 탄산화에는 촉진 기간의 영향보다는 촉진 농도의 영향이 더 큰 것을 확인할 수 있다.
3.4 콘크리트 압축강도
Fig. 7은 콘크리트 압축강도 시험을 통하여 도출된 N0-8, C1-8 및 C5-8 시험체의 응력-변형률 관계이다. 응력 초기에는 3가지 시험체 모두 유사한 경향의 선형 거동을 보였지만, 최대 응력 대비 30~40% 이상에서는 비선형 거동을 보였다. 최대 응력 대비 85% 이상에서는 변형률이 급격하게 증가하는 경향을 보였다가 최대 응력 이후 최종 파괴되었다. 그래프와 같이 비선형 구간부터 촉진 농도에 따라 상이한 거동을 보였으며, 촉진 농도가 높을수록 발현되는 최대 응력도 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
Stress-strain Curve of Specimens
Fig. 8은 기간에 따른 압축강도의 경향을 보여주고 있다. 여기에서 기간이란 N0 Series 시험체의 경우 양생기간을 의미하며, C1 Series 및 C5 Series 시험체의 경우 촉진기간을 의미한다. Fig. 8과 같이 대부분의 시험체가 기간이 증가함에 따라 압축강도가 증가하는 경향을 보였다. 시험체별 압축강도 시험 결과는 Table 4에 정리하였다.
Compressive Strength at 4 Weeks, 8 Weeks and 13 Weeks
N0 시험체군의 평균 압축강도는 양생 기간 4주(N0-4 시험체), 8주(N0-8 시험체) 및 13주(N0-13 시험체)에 따라 각각 27.27 MPa, 32.11 MPa 및 37.75 MPa로 측정되었다. C1 시험체 군의 평균 압축강도는 촉진 기간 4주(C1-4 시험체), 8주(C1-8 시험체) 및 13주(C1-13 시험체)에 따라 각각 33.48 MPa, 36.69 MPa 및 38.11 MPa로 측정되었다. C5 시험체 군의 평균 압축강도는 촉진 기간 4주(C5-4 시험체), 8주(C5-8 시험체) 및 13주(C5-13 시험체)에 따라 각각 40.03 MPa, 48.26 MPa 및 50.53 MPa로 측정되었다.
탄산화 촉진 기간이 4주인 시험체는 탄산화가 촉진되지 않은 비교군 시험체 대비 압축강도가 평균 1.38배 증가하였으며, 촉진 기간이 8주인 시험체는 비교군 시험체 대비 압축강도가 평균 1.32배 증가하였다. 또한 촉진 기간이 13주인 시험체는 비교군 시험체 대비 압축강도가 평균 1.17배 증가하였다. 이러한 결과를 통하여 촉진 기간이 증가함에 따라 압축강도 증가 폭은 감소하는 경향을 확인할 수 있었다.
이산화탄소 농도 5% 촉진 시험체의 압축강도는 이산화탄소 농도 1% 촉진 시험체 대비 촉진 기간 4주, 8주 및 13주에 따라 1.25배, 1.32배, 및 1.33배 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과를 탄산화를 촉진시키는 이산화탄소의 농도가 증가할수록 압축강도 또한 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
본 실험 결과를 통하여 콘크리트 탄산화 촉진에 영향을 주는 이산화탄소 농도와 촉진 기간의 증가가 콘크리트 강도를 증진하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 탄산화 진행이 OPC를 사용한 콘크리트의 강도 및 경도를 증가시킨다고 주장한 Song and Kwon (2007)과 Saeki (1991)의 결과와 일치한다.
Fig. 9(a)는 콘크리트 압축강도와 양생 또는 촉진 기간과의 상관관계를 보여준다. Fig. 9(a)와 같이 양생 또는 촉진 기간이 증가함에 따라 콘크리트 압축강도는 증가하는 경향을 보였다. Fig. 9(a)의 추세선과 같이 N0 Series 및 C5 Series 시험체의 압축강도와 기간과의 상관관계가 거의 유사한 것으로 나타났다. 반면 C1 Series 시험체는 N0 Series 및 C5 Series 시험체 대비 기간에 따른 압축강도 증가 폭이 완만하게 나타났으며, 13주차에서는 N0 Series 시험체와 거의 유사한 압축강도는 나타냈다. 이는 이산화탄소 촉진 농도가 1 %인 경우 촉진 기간이 13주 이후에는 탄산화로 인한 압축강도 상승효과가 미미하기 때문으로 판단된다. 이는 Kim et al. (2000)이 제시한 탄산화 촉진 기간에 따른 압축강도 증가율과 유사한 경향을 보이고 있다. 이에 본 연구에서는 탄산화와 압축강도의 상관관계를 구체화하기 위하여 탄산화 면적과 압축강도의 관계를 추가적으로 분석하였다.
Relationships between Carbonation and Compressive Strength
Fig. 9(b)는 탄산화 면적과 압축강도와의 상관관계를 보여준다. Fig. 9(b)와 같이 탄산화 면적이 증가할수록 콘크리트 압축강도가 증가하는 경향을 보였다. Fig. 9(b)의 추세선과 같이 탄산화 면적에 따른 압축강도 상승률은 C1 Series 시험체보다 C5 Series 시험체가 높게 나타났다. 시험체의 탄산화 면적을 비교해보면, C1 Series 시험체에서 탄산화 면적이 가장 큰 시험체는 촉진 기간이 13주인 시험체이나, 이는 C5 Series 시험체 중 탄산화 면적이 가장 작은 결과와 유사하다. 이처럼 이산화탄소 농도에 따라 발생할 수 있는 최대 탄산화 면적이 서로 상이하므로 농도에 따른 압축강도 상승효과 또한 달라지는 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 전력구 콘크리트를 대상으로 이산화탄소 농도를 변수로 콘크리트 탄산화 깊이, 면적 등에 대한 탄산화 특성을 분석하고, 콘크리트 탄산화가 콘크리트 압축강도에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 다만 본 연구의 촉진 기간이 최대 13주로 기간이 매우 제한적이므로, 장기간 촉진된 콘크리트의 탄산화 및 압축강도 특성에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.
이산화탄소 촉진 농도 및 기간이 증가함에 따라 콘크리트 탄산화 깊이 및 면적이 증가하는 경향을 보였으며, 콘크리트 압축강도 또한 증가하는 경향을 보였다.
콘크리트 탄산화에서 촉진 농도가 1 %에서 5 %로 증가할 때 탄산화 깊이는 약 1.55배, 면적은 약 1.46배 증가하였다. 이처럼 콘크리트 탄산화에 가장 큰 영향을 주는 요인은 촉진 농도로 평가되었다.
콘크리트 탄산화로 인하여 콘크리트 압축강도는 약 1.29배 증가하는 경향을 보였다. 콘크리트 압축강도 증가에 큰 영향을 주는 요인은 콘크리트 탄산화 면적으로 평가되었다.
감사의 글
본 연구는 한전 전력연구원 “전력구의 열화를 고려한 구조성능 및 유지관리 평가기술 개발(R21SA03)” 및 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2021R1C1C1014263).