Chloride diffusivity of concrete is a crucial material parameter for service life determination and durability designing of marine concrete. Many research works on this issue have been conducted, varying from empirical solutions obtained experimentally to image analysis, based on multi-scale modeling. One of the simple approaches is to express the chloride diffusivity of concrete by a multi-factor function, however, the influences of various factors on the chloride diffusivity are ambiguous. Furthermore, the majority of these research works have not dealt with the carbonation process of concrete, although this process affects the chloride diffusivity of concrete significantly. The purpose of this study is to establish a simple approach to calculate the chloride diffusivity of (non)carbonated concrete. The chloride diffusivity of concrete should be defined, based on engineering and scientific knowledge of cement and concrete materials. In this paper, a lot of parameters affecting the chloride diffusivity, such as the diffusivity in pore solution, tortuosity, micro-structural properties of hardened cement paste, volumetric portion of aggregate, are taken into consideration in the calculation of the chloride diffusivity of noncarbonated concrete. For carbonated concrete, reduced porosity due to carbonation is calculated and used for calculating the chloride diffusivity. The results are compared with experimental data and previous research works.
Durability of concrete is an important issue, and one of the most critical aspects affecting durability is chloride diffusivity. Factors such as water.cement ratio, degree of hydration, volume of the aggregates and their particle size distribution have a significant effect on chloride diffusivity in concrete. The use of polypropylene fibers(particularly very fine and well dispersed micro fibers) or mineral additives has been shown to cause a reduction in concrete's permeability. The main objective of this study is to evaluate the manner in which the inclusion of fiber(in terms of volume and size) and blast furnace slag(BFS) (in terms of volume replacement of cement) influence the chloride diffusivity in concrete by applying 3D computer modeling for the composite structure and performing a simulation of the chloride penetration. The modeled parameters, i.e. chloride diffusivity in concrete, are compared to the experimental data obtained in a parallel chloride migration test experiment with the same concrete mixtures. A good agreement of the same order is found between multi.scale microstructure model, and through this chloride diffusivity in concrete was predicted with results similar to those experimentally measured.
콘크리트 중의 염화물이온 확산특성의 평가는 농도 차에 의한 방법이 보통이지만, 이 방법은 보통 수개월에서 수년으로 많은 시간이 소요된다. 따라서 최근의 연구는 주로 전위차를 이용하여 염화물이온의 이동을 전기적으로 촉진시켜 전기화학적 이론으로 해석하는 촉진 염화물 확산계수 평가 방법들이 주로 연구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 촉진시험 방법 중 하나인 Tang 등의 방법을 이용하여 구한 염화물이온 확산계수와 인공해수 침지시험을 통하여 구한 농도차 염화물이온 확산계수와의 비교 평가를 실시하였다. 포틀랜드시멘트 콘크리트 및 고로슬래그미분말을 시멘트 질량의 40 및 60% 혼합한 고로슬래그미분말 혼합 콘크리트에 대하여 각각 물-결합재비 40, 45, 50 및 60%로 하여 촉진 염화물이온 침투깊이 및 염화물이온의 확산계수를 평가하였다. 염화물이온의 확산계수 및 침투깊이는 시멘트의 수화가 진행될수록, 물-결합재비가 작을수록 크게 감소하였다. 또한 시험 방법별 염화물이온 확산계수의 회귀분석 결과에 의하면, 촉진 및 침지시험으로부터 구한 염화물이온의 확산계수 사이에는 선형함수 형태의 상관관계가 있었으며 결정계수 0.96으로 좋은 상관성을 나타내었다.
Chloride diffusivity is one of the important properties of concrete affecting the durability of a structure. The diffusivity for porous materials is determined conventionally by immersion in a solution. However, this method is complicate and time-consuming, often requiring months or years to obtain results. Thus, the application of colorimetric method to estimate the apparent diffusivity of chloride ion was verified in this study. The result reveals that the apparent diffusivity of chloride ion can be predicted to use colorimetric method. Additionally the colorimetric method is capable to predict the profile of chloride ion.
To improve the chloride ingress resistance of concrete, slag is widely used as a mineral admixture in concrete industry. And currently, most of experimental investigations about non steady state diffusion tests of chloride penetration are started after four weeks standard curing of concrete. For slag blended concrete, during submerged chloride penetration tests periods, binder reaction proceeds continuously, and chloride diffusivity decreases. However, so far the dependence of chloride ingress on curing ages are not detailed considered. To address this disadvantage, this paper shows a numerical procedure to analyze simultaneously binder hydration reactions and chloride ion penetration process. First, using a slag blended cement hydration model, degree of reactions of binders, combined water, and capillary porosity of hardening blended concrete are determined. Second, the dependences of chloride diffusivity on capillary porosity of slag blended concrete are clarified. Third, by considering time dependent chloride diffusivity and surface chloride content, chloride penetration profiles in hardening concrete are calculated. The proposed prediction model is verified through chloride immersion penetration test results of concrete with different water to binder ratios and slag contents.
해양환경 하에 건설되는 콘크리트구조물은 다양한 염해 환경에 노출되어 있으며, 이중 염소이온의 침투 및 확산으로 인한 콘크리트 중의 철근부식과 화학적 침식 등은 콘크리트구조물의 주요 성능저하 요인으로 지적되고 있다. 따라서 해수 중의 염소이온의 침투 및 확산 메커니즘을 효율적으로 평가하기 위하여 전기화학적 촉진시험으로부터 염소이온의 확산계수를 추정하였다. 또한 콘크리트의 압축강도, 투수공극량 및 염소이온의 침투깊이 등과 염소이온의 확산계수와의 상관관계를 분석하기 위하여 회귀분석을 실시하였다. 본 연구의 시험결과에 의하면, 물-시멘트비 40~60%의 범위에서 보통콘크리트의 염소이온 확산계수는 $2.5{\sim}6.6{\times}10^{-12}m^2/s$ 정도였으며, 염소이온의 확산계수와 콘크리트의 물성과의 상관관계는 선형의 상관관계가 있었다.
바닷물에 의한 염해와 동결융해 환경에 노출된 철근 콘크리트구조물의 내구성을 평가하기 위해서는 콘크리트의 미세구조적 특성 및 염화물 침투성에 대한 콘크리트의 확산 저항성을 동시에 분석하는 것이 중요하다. 이 연구에서는 고로슬래그 미분말(GGBS)을 혼합한 콘크리트에 대하여 수은압입법(MIP)에 의해 얻어진 콘크리트의 미세공극 구조와 장기 및 단기 재령의 염화물 확산성과의 상관성에 대하여 연구하였다. 물시멘트비는 40, 45, 50%로 변화시키고, 단위시멘트량을 300, 350, 400, 450 kg/$m^3$으로 변화시킨 OPC 및 GGBS 콘크리트 시편에 대하여 동결융해에 의해 손상된 GGBS 콘크리트에서의 확산성과 미세구조의 변화를 관찰하였다.
This paper investigated the apparent chloride diffusivity of various concretes. Ten mixtures of concrete were initially prepared and tested to estimate diffusion property. The penetration depth and concentration of chloride ion were examined at the same water-binder ration. The binders were composed of normal portland cement, fly ash, ground granulated blast-furnace slag, and silica fume. From the results, it was concluded that using the mineral admixtures had a filling effect on the pore structure of cements matrix due to those pozzoanic reaction with the hydrates of cement, which increases the tortuosity of pore and makes large pore finer. And diffusivity of chloride is following: NPC100 > F10N90 > F30N70 > F20N80 > F20S05 > G30N70 > F10S05 > G30S05 > G30F15 > G50N50.
In marine and coastal environments, penetration of chloride ions is one of the main mechanisms causing concrete reinforcement corrosion. Currently, most of experimental investigations about submerged penetration of chloride ions are started after the four weeks standard curing of concrete. The further hydration of cement and reduction of chloride diffusivity during submerged penetration period are ignored. To overcome this weak point, this paper presents a numerical procedure to analyze simultaneously cement hydration reaction and chloride ion penetration process. First, using a cement hydration model, degree of hydration and phase volume fractions of hardening concrete are determined. Second, the dependences of chloride diffusivity and chloride binding capacity on age of concrete are clarified. Third, chloride profiles in hardening concrete are calculated. The proposed numerical procedure is verified by using chloride penetration test results of concrete with different mixing proportions.
콘크리트의 전기저항은 염소이온 확산계수와 비교하여 빠르고 간단히 측정할 수 있기 때문에, 염소이온 확산계수를 제어하기 위한 간접적인 지표로서 활용될 수 있다. 전기저항은 해양구조물의 유지관리 전략을 수립하는데 매우 중요하다. 본 연구의 목적은 전기저항측정의 프로토콜을 설계하는 것이다. 본 연구는 염소이온과의 관계성을 토대로 콘크리트의 성능을 파악하는 중요한 비파괴 접근방법을 제시하였다. 수분, 공극량, 공극간 굴곡특성 등과 같은 미세구조 특성이 전기저항에 미치는 영향을 배합조건별 수화단계별로 고찰하였다. 전기저항과 염소이온 확산계수의 관계로부터 정규적인 전기저항의 측정을 토대로 염소이온 확산계수를 간접적으로 통제하는데 본 성과가 이용될 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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