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서 론 1.
연구배경 및 목적 1.1
철근콘크리트는 강재 및 목재구조보다 실용적인 구조재료로서 많은 구조물에 이용된다 철근과 콘크리트 두 재료 중 콘크리트는 압축에 강하나 인장에는 약. , 한 재료지만 철근을 인장 측에 사용함으로서 인장 저항력의 증대뿐만 아니라 무근 콘크리트의 급격한 파괴를 방지시켜 두 재료간의 물리, ․ 화학적 특성이 상호 의존되는 합성체로서 열화외력에 저항할 수 있게 된다[1]. 그렇지만 다, 양한 외부 노출환경에 직 ․ 간접적으로 접하고 있는 철근콘크리트 구조물은 사 용기간이 점차 증가함에 따라 다양한 열화작용이 발생하게 되며 또한 복합적, , 인 열화작용의 누적으로 인해 내구적인 성능 저하가 발생하게 된다[2]. 다양한 외부 노출환경 중 해안 근처에 건설되는 철근콘크리트 구조물의 표면은 해풍, 에 의해서 직접적인 영향을 받게 된다 해풍에 섞여 날아오는 염분 이하 비래. ( , 염분(飛來鹽分))이 철근콘크리트 구조물 외부에 부착하여 시간이 경과함에 따 라 내부로 확산 ․ 이동하게 된다 이에 콘크리트 내부의 철근이 부식하게 되며. , 철근의 부식 팽창으로 인한 콘크리트의 박리 박락 및 철근과 콘크리트간의 부, 착력 저하 등 염해, (鹽害)로 인한 내구성에 문제가 발생하게 된다 따라서 해. , 안가 구조물의 비래염분에 대한 열화 예측을 보다 정확하게 조사하기 위해서는 실환경하에 작용하는 기후 지형 구조물의 형태 등 대상지역의 다양한 조건을, , 정밀하게 반영하여 열화 예측을 할 필요가 있다 콘크리트 내부 철근의 부식이. 시작되는 임계염화물 농도를 고려하기 위해 필요한 콘크리트 구조물 표면의, 경계조건인 표면염화물농도를 정량적으로 나타내기 위해서는 실환경에서의 옥 외폭로실험 뿐만 아니라 구조물에 부착되는 비래염분량과 주변기상조건 등의, 관계로부터 도출해야한다 그러나 구조물 표면에 도달하는 염분은 실환경에서. , 는 강우 강설 기온 파고 풍향 풍속 상대습도등에 의한 영향 등이 복잡하게, , , , , ,
작용함으로 실환경하에서 구조물에 부착되는 비래염분량을 이론적으로 예측하 는 것은 매우 어렵다 따라서 해양환경에서 발생되는 비래염분량을 정량적으로. , 평가하는 것은 내구설계 기초로서 매우 중요하다 현재 앞에서 설명한 배경으. , 로 인해 해안 철근콘크리트 구조물에 영향을 주는 비래염분에 대한 많은 연구, 가 진행되고 있는 실정이다[3][4][5]. 따라서 본 연구에서는 실해양환경에서, 발생되는 비래염분을 각 방위에 따라 포집할 수 있는 비래염분 포집기 이하( , 포집기(捕執器))를 개발하였고 각기 다른 기상조건에 따라 발생되는 비래염분, 량과의 상관성을 검토하기 위한 인공비래염분 발생장치 또한 개발하였다 현. 논문에서는 각 장치 포집기 인공비래염분 발생장치 의 일련의 개발과정을 나( , ) 타내었으며 개발된 포집기를 실해양환경에 적용시켜 실험적인 고찰을 수행하, 였다.
각 실험장치 포집기 인공비래염분 발생장치 들의 개발과정에서의 실험개요( , ) 를 아래에 요약하여 나타내었다.
포집기 개발 과정 중 기존의 포집기 형태에 따른 비래염분 포집량을 각각 분 석하여 최적의 포집기를 선정하였고 이를 실해양환경에 설치하여 방향별 높이, , 별에 따라 비래염분을 포집하였다 또한 각 포집기간에 맞춰서 포집된 비래염. , 분량을 조사 대상지역의 기상데이터 즉 풍향 풍속 파고 상대습도 강수량과, , , , , , 비래염분 포집량을 비교 분석하여 그 상관관계를 찾아내고자 하였다 연구 실. 험과정 중 각각의 기상 요인에 따라 발생되는 비래염분량과의 상관성을 분석, 하기 위해서는 Lab실험과 같이 외부 기상의 영향을 받지 않고 지속적으로 실 험가능한 장치를 사용하여 고정된 실험인자에 따른 비교검토가 필요하다는 판 단하에 인공비래염분 발생장치 이하 인공장치 개발 및 장치 성능의 정확성 향( , ) 상을 위한 기초 실험 실시 또한 진행하였다.
연구 계획 및 진행 방법 1.2
본 연구에서는 기상변화에 따른 비래염분 포집량 분석에 관한 연구와 최적의 비래염분 포집기 개발을 중점을 두어 진행하였다 비래염분 관련 연구는. <그림 에 보여지는 연구개요에서 제 인 해안지역 비래염분 농도 조사에 해당되
1-1> 1
는 부분적인 연구이며 그 연구 진행 순서도를 <그림 1-2>에 나타내었다.
연구의 구성 1.3
본 연구의 구성에 관하여 각 장별로 요약하면 다음과 같이 설명할 수 있다.
장에서는 본 연구의 배경으로 문제점을 제시하였고 문제점을 해결하기 위
1 , ,
한 연구의 목적 그리고 연구계획 및 진행방법에 대하여 기술하고 있다.
장에서는 염해 및 비래염분이 철근콘크리트에 미치는 영향과 대기중의 염
2 ,
분량과 콘크리트에 부착되는 염분량의 관계 및 비래염분량 분석 방법에 대한 이론을 기술하였다.
장에서는 비래염분 포집기 개발 배경 및 과정을 나타내었다 비래염분 포
3 , .
집기를 개조하는 과정에서 발생하는 각종 영향 인자들을 분석 기존 포집기의( 문제점 보완 하여 최종적으로 다방향 비래염분 포집기를 개발하였다 또한 인) . , 공비래염분 발생장치 개발과 장치 성능 향상을 위한 기초실험을 실시하였다.
장에서는 최종 개발된 다방향 비래염분 포집기를 실해양환경에 설치하였
4 ,
다 설치된 지역의 기상데이터를 분석하였으며 실험 및 측정방법에 대해 기술. , 하였다 그리고 포집된 비래염분량과 그 기간의 기상데이터를 비교 분석하여. 상관관계를 도출하고자 하였다.
마지막으로 5장에서는 본 연구의 결론을 요약하였다.
이론적 고찰 2.
콘크리트 구조물의 염해가 문제가 되는 경위 2.1
콘크리트의 염해는 외부환경으로부터 염분의 침입 및 처음부터 콘크리트 내 부에 존재하는 염분에 의해 강재가 부식되는 것에서 발생하는 것이다 이 원인. 및 염분의 침입경로로부터 (1)내재된 염분에 의한 염해, (2)비래염분 및 동결 방지제의 외래염분에 의한 염해로 크게 분류된다 현재로서는 내부에 있는 염. , 분에 관해서는 염분의 총량규제에 의해 개선되었지만 비래염분 및 동결방지제, 등 외부환경에 의해 콘크리트 내부로 침투하는 염분의 영향에 대해서는 연구가 진행되고 있다 여기에서는. (1)내재된 염분에 의한 염해, (2)비래염분 및 동결 방지제의 외래염분에 의한 염해에 대해 간단히 설명한다.
내재된 염분에 의한 염해 (1)
콘크리트 내부에 존재하는 염분은 시멘트 및 물 혼화제에 포함된 것 모래, , 및 골재에 포함된 것이 있다 그 중 가장 큰 문제를 가지는 것은 모래 및 골재. , 에 염분이 포함되어 있는 것이다. 1965년 이후의 고도성장기에 많은 콘크리트 구조물이 지어짐에 따라 골재의 고갈문제 및 하천법등의 규제에 대해 콘크리, 트재료에 있는 강모래 부족이 발생하였고 이에 해사, , (海沙)를 사용하게 되었 다 당초에는 해사 사용에 대해 하구의 모래가 주가 되고 그것에 강모래와 섞. , 은 것이 사용되었다 본격적인 제염대책 및 제염방법이 확립되어지지 않은 상. 태에서 충분히 제염하지 않은 해사의 사용이 증가함에 따라 그 결과, , , 1975년 이후 해사사용에 의한 강재부식이 문제가 되었다 충분히 제염하지 않은 해사, . 를 사용한 구조물에서 피복의 부족 및 콘크리트의 저품질과 합해져 강재부식, 이 문제가 되었다 그러나 해사사용에 대해 콘크리트 내부에 염분을 많이 포함. , 하고 있다는 예측에도 불구하고 강재부식과의 인과관계는 명백하지 않아 해사, 그 자체가 강재부식에 직접적으로 관계된다는 판정은 어려운 사례가 많다.
비래염분 및 동결방지제의 외래염분에 의한 염해 (2)
비래염분에 관한 염해
①
년도경 해사사용에 의해 염해의 현재화와 시대를 같이해 비래염분에
1981 , ,
의한 염해가 도로교량에서 두드러지게 나타나게 되었다 많은 장소에서 다양한. 구조물의 비래염분에 의한 염해가 확인되고 피해가 심각하였다 이 비래염분은, . 바다로부터 발생된 염분인 해수방울 및 해염 입자등을 가리키며 지역 지형, , , 풍향등의 환경조건에 의해 발생되는 비래염분량 또한 달라진다 그러므로 해안. , 으로부터의 거리가 같아도 발생되는 비래염분량은 다르다 일반적으로 바다로, . 부터 발생된 비래염분은 해안에서 내륙쪽으로 갈수록 작아지게 된다 비래염분. 이 콘크리트 표면에 부착되면 콘크리트 내부로 침투하여 강재부식한계를 넘어, , 서면 강재부식이 시작된다. <그림 2-1>에 전형적인 비래염분에 의한 염해사례 를 나타내었다 염해는 교량에 한정되지 않고 해안을 따라 건설된 잔교. , (棧橋), 콘크리트 말뚝 방파제 바지선 산업시설등의 해안구조물에서도 문제가 발생한, , , 다.
동결방지제에 의한 염해
②
한랭지역에서는 겨울철에 도로의 노면동결 방지의 목적으로, 동결방지제를 다량으로 살포한다 이 동결방지제의 주성분은 염화나트륨과 염화칼슘등이다. . 미국과 캐나다에서는 1980년부터 동결방지제에 의한 콘크리트 구조물의 염해 가 큰 문제가 되고 있다. 1981년의 조사에 의하면 22.7%가 구조적 결함이 있 고, 21.9%가 기능적으로 진부화가 되어 있다고 보고되었다 겨울철에 살포된. 동결방지제는 강재부식의 원인이 된다 한편 일본에서는. , 1991년에 스파이크 타이어의 사용금지에 따라 동결방지제 살포량이 비약적으로 증가하였다 그 결. 과 노면의 높은 벽식 난간 콘크리트 및 신축장치 부위에서 동결방지제의 염분, 을 포함한 물의 누수에 의해 염해로 생각되는 손상이 나타났다 이와 같이 염. , 해는 해사의 사용 비래염분 동결방지제의 살포에 의한 것이 있다 이중에서, , . 비래염분에 의한 사례가 가장 많고 또한 피해가 가장 크다. <그림 2-2>은 구 조물에 염화물이온의 침투경로를 나타낸 것이다.
염해의 요인 및 메커니즘 2.2
염해의 정의 2.2.1
콘크리트 속의 세공용액은 강알칼리성이기 때문에 콘크리트와 결합된 철근, 강재표면에 부동태피막이 형성되어서, 강재와의 부식반응에 필요한 수소이온
및 용존산소 등과의 접촉을 막는다 그렇지만 콘크리트 속의 염화물 이. , 온 가 임계량을 넘어서면 강재의 부동태피막은 파괴되어 체적팽창을 동반, 하며 녹을 발생시켜 콘크리트의 균열 및 박락등의 열화를 발생시킨다, [7]. 염 화물이온에 의한 부동태피막 파괴의 메카니즘을 <그림 2-3>에 나타내었다 콘. 크리트 내에서는 세공용액이라 불리는 물이 존재하며 이 세공용액은 일반적으, 로 pH12 ~ 13의 강알칼리성이다 이러한 강알칼리 환경에서 강재는 부동태화. 하여 안정된 상태가 된다 그러나 강재표면에서 염화물이온이 부식임계 농도가. , 되면 부동태피막에 염화물이온이 침투하여 이 부분에서 피막이 파괴된다 부동, . 태피막이 파괴되면 활성상태가 된 강재표면부근에는 산소와 물이 존재하게 되, 어 아래에 나타낸 식(2-1)인 전기화학적 반응으로 인해 그 표면에 수산화 제,
철
1 , 수산화 제 철2 및 붉은 녹 혹은 검은 녹등의 부식생성물이 생성된다 철은 녹에 따라서 약. 2.5배의 체적 변화가 생기며 녹, 의 생성으로 팽창압이 콘크리트에 발생하여 콘크리트의 균열 및 박락을 야기, 시킨다 또 공식. , (孔蝕)등의 국소적 부식에 의해 응력집중이 발생하여 강재가 파단된다.
→ 식(2-1)
그림 에 나타난 것과 같이 이 반응식 은 전자를 주고 받는 것을
< 2-4> , (2-1)
합한 것으로, 양극과 음극반응으로 구성된다. 이들 양극과 음극반응식을 식
식 에 나타내었다 (2-2), (2-3) .
→ (양극 : 애노드 반응(酸化반응)) 식(2-2)
→ (음극 : 캐노드 반응(還元반응)) 식(2-3)
이 부식발생의 메카니즘에서 염화물이온 는 애노드반응 캐노드반응의 반, 응식에는 포함되지 않고 부동태피막의 파괴를 촉진시키는 요인 중 하나가 된, 다 그러므로. <그림 2-4>에서 알 수 있듯이 부식반응은 산화 환원반응에 의, , 해 형성된 부식전지 부식셀 를 만든다 그러므로 부식전지의 형태는 매크로셀( ) . 과 마이크로셀로 크게 구분된다 음극에 있는 애노드부 애노드적 반응이 우선. ( 적으로 발생하는 부분 와 양극에 있는 캐노드부 캐노드적 반응이 우선적으로) ( 발생하는 부분 가 명백히 다른 부분으로 존재하는 전지 셀 를 매크로셀이라고) ( ) 부른다 콘크리트의 경우 통상 애노드부와 캐노드부가 수십. , cm이상 떨어진 장 소에서 형성되는 셀이다 한편 애노드부와 캐노드부가 동일한 부분에 위치해. , 명확하게 양자의 위치를 구별할 수 없는 전지 셀 를 마이크로셀이라고 부르며( ) , 통상 1 ~ 2cm이하의 범위에 형성된다.
염해의 요인 2.2.2
염해는 철근부식을 유발하는 중요한 요인이나 철근의 부식은 염분 및 수분과 산소의 공급이 없으면 일어나지 않는다 이는 염분량 콘크리트의 밀실성 그리. , 고 균열폭 및 피복두께 등의 요인을 들 수 있다[1].
산소 및 물의 영향 (1)
강재의 부식에는 산소와 물이 필요하고 산소는 음극, (Cathode)반응을 촉진 시킨다 해수중에 침적된. RC 구조물은 이 산소가 충분하지 않기 때문에 부식 이 거의 없지만 비말대에서의 구조물에서는 산소가 충분히 공급되기 때문에, 부식을 쉽게 받는다 또한 비바람에 접하기 쉬운 옥외구조물에 비해 실내구조. , 물에서는 공기가 건조하고 수분의 영향이 거의 없기 때문에 부식은 잘 진행되 지 않는다.
균열의 영향 (2)
콘크리트구조물에 균열이 존재하여 강재면까지 도달해 있으면 외부로부터 물 산소 탄산가스 등에 직접 접촉하고 특히 해양 환경하에서는 해수가 침입, , , 하여 염소이온에 의해서 부식이 상당히 촉진되어 현저한 녹을 발생시킨다.
해수의 콘크리트에의 작용 (3)
염소이온의 작용이외에 해수중에는 황산마그네슘 중탄산암모늄 등을 함유하, 기 때문에 화학적으로 콘크리트가 부식되어 피해를 받게 된다 특히 황산염은. 시멘트의 화학조성의 하나인 C3A와 반응하여 다음 식과 같이 에트린게이트를 생성하여 콘크리트를 붕괴해서 해양환경 하에서의 염해를 촉진시키게 된다.
염해의 과정 2.2.3
염화물이온등의 열화인자가 강재 위치까지 도달하지 않는 단계에서는 콘크리 트 구조물의 외관에는 변화가 보이지 않고 콘크리트 구조물의 기능은 전혀 잃, 지 않는다 그러나 산소 물 탄산가스 염화물이온등의 열화인자가 강재에 도. , , , , 달하고 강재가 부식해 부식생성물이 발생하면 강재방향의 균열이 발생한다, , .
균열개소에서는 수분의 이동과 함께 녹물이 콘크리트 표면에 발생해 구조물의, 미관 이용자 및 주변주민의 안심감 등을 해친다 이런 현상하에서 적절한 대처, . 가 행해지지 않은 경우에는 강재부식의 새로운 진행에 의해 피복 콘크리트의 박리등이 발생하고 제 삼자에 피해를 야기할 가능성도 있다 더욱이 피복 콘, . , 크리트를 잃은 강재는 급속하게 부식하고 강재의 유효단면이 작아지고 최종적, , 으로 구조물의 파괴에 이르는 경우도 있다 이에 의해 염해는 강재부식의 진행. , 상황에 의해 경미한 미관의 문제부터 제 삼자로의 영향 제 삼자 방해에 대한( 안전성), 수밀성 및 방식성능 등의 내구성 내하성의 문제까지 서서히 중도한, 손상을 일으키고 가능하다면 빠른 단계에서 보수를 행하는 것이 중요하다 콘, . 크리트 구조물의 염해열화는 <표 2-1>, <그림 2-5>에 나타냈다 강재의 부. 식이 시작되고 부터의 잠복기 부식 시작부터의 부식 균열발생까지의 진전기, , 부식균열의 영향으로 부식속도가 크게 증가하는 가속기 강재의 급격한 단면감, 소등이 발생하는 열화기등의 과정으로 분류된다.
구조물의 경우는 구조물에 비해 물시멘트비가 작고 수밀한 콘크리트가
PC RC ,
되므로 염화물이온등이 침투하기 어렵다 그러므로, . , PC구조물에서는 철근 및 강재의 부식이 발생하기까지의 시간이 길다 이후에서 강재의 부식이 진
PC . , PC
행하게 되면, PC강재에는 미리 긴장력이 더해져있기 때문에 부식공을 기점으, 로 응력부식균열과 부식반응에서 발생하는 수소에 기인하는 수소취성균열에 의 해 급격히, PC강재가 파단될 가능성이 있다 이 경우. , PC강재의 부식이 발생 하기까지의 시간은 RC구조물보다도 길지만 부식 시작 후에는 비교적 단기간, 에 PC강재가 파단하여 구조물에서의 내하력이, RC구조물에 비해 급격히 저하 된다.
각 국의 염분함유량 규제기준 2.2.4
각 국의 염분함유량 규제기준에 대해서 <표 2-2>에 나타내었다.
비래염분 2.3
대기중의 염분 2.3.1
해안에 접한 콘크리트 구조물에서 염해 발생의 원인이 되는 요소로는 해수, 비말염 비래염이 있다, [2]. <그림 2-6>에 비래염분에 의한 해안지역 건축물의 조기열화 메카니즘을 보이고 있다 또한 해수중의 염분농도는 해양 및 해역에. 따라 약간씩 차이가 있으나, NaCl으로 환산하여 3~4%의 염분이 존재한다 강. 재의 부식속도가 최대가 되는 염분량은 수용액인 경우 NaCl 농도로 3.6%이므 로 해수 그 자체가 철근부식을 촉진시키는 작용이 있다 그러나 강재 부식은. 용액 중의 용존산소에 크게 좌우하므로 구조물이 해수 중에 있더라도 부식에 영향을 미치는 산소의 공급량이 달라지기 때문에 내부철근이 부식에 도달하지 않은 경우도 있다 콘크리트 구조물에 날아오는 염분에는 해수물방울과 해염입. 자가 있다 해수물방울은 연안에 침투한 파쇄대에 생성되는 직경 약. 4mm이하 의 미세한 것으로 통상 비산되는 범위는 해안으로부터 수십, , m정도지만 태풍, 및 강한 계절풍등으로 지역에 따라 수백, , m에서 1km이상까지 도달한다 해염. 입자는 해면에서 발생한 해수기포가 파열되는 때에 대기 중에 방출되는 3~18 정도의 미립자로 이 해염입자는 바다로부터, 200m부근에 많이 분포하며 이,
㎛
이상에서는 낮아지는 경향이 있지만 직경이 작을수록 시간에 따라 수십 km 떨 어진 지점에도 도달할 수 있다 비말염은 직경 약. 4mm 이하의 크기로서 수분 을 많이 함유하고 있으며 영향 범위는 일반적으로 해안선부터 수십 이내이지, m 만 태풍과 강한 계절풍 등에 의해 지역에 따라서 해안선으로부터 훨씬 멀리까, 지 영향을 미친다 구조물이 비말염의 영향 범위에 위치한 경우 비말염이 콘크. , 리트 구조물에 부착 ․ 침입하게 되며 습윤, ․ 건조가 반복되는 동안 산소 공급 도 충분하기 때문에 내부철근이 부식할 가능성이 크다.
비래염분은 해수면에서 발생하는 해수기포가 파열할 때 대기중에 방출되는 해 염입자이며, <그림 2-7>에 비래염분 입자 크기를 비교하였다 이것은 해상에.
서 상승 기류를 타고 바람에 의해 육지로 운반되는 것이지만 도중에 증발과, 분열이 반복되므로 내륙에 날아 들어오는 입자는 적어진다 일반적으로 바다로. 부터 날아 들어오는 비래염분 입자의 크기는 내륙에 들어갈수록 작은 경향이 있다 즉 입자가 클수록 빨리 낙하되기 때문에 비래입자의 양은 해안 근처에서. 부터 내륙으로 들어갈수록 점차 감소하는 경향이 있다 일반적으로 입경이 큰. 비래 염분입자는 수백m, 아주 작은 입자는 경우에 따라서 수 km 떨어진 지점 까지 도달할 수도 있다 해수는 그 영향의 범위가 대체로 명확하지만 비래염분. , 은 지형과 장애물 등에 의해 영향을 받으므로 바다로부터 날아오는 상황은 매
우 다양하다 따라서 해안 주변에 있는 콘크리트 구조물에 대한 염해 위험성을. 명확히 하기 위해서는 이러한 비래염분량의 분포를 파악해야 한다 비래염분. 입자의 크기에 따른 풍속과 거리의 관계는 <표 2-3>과 같이 나타낸 경우도 있다 일반적으로 대기중의 염분량은. <그림 2-8>과 같이 해안으로부터 거리가 가까울수록 많으며 해안으로부터 가까운 거리에서 급감하여 멀어질수록 적어, 지는 경향이 있다 또한 산과 바다가 같이 있는 경우에는 바람의 세기가 비교. , 적 강하므로 상당히 높은 지점까지 다량의 염분이 비래하는 것으로 알려져 있 다 일본토목연구소의 조사결과에 따르면 비래염분량과 해안선으로부터의 거리. 식은 식(2-4)과 같은 관계가 있다고 밝혔다[13].
≓ 식(2-4)
여기서, : 해안으로부터 거리(km)
: 해안으로부터 1km 거리의 염분량(mg/dm2/day)
: 해안으로부터 거리 에 대한 비래염분량(mg/dm2/day)
은 에서 년부터 년간 실제 건물을 이용하여 거즈 (1986) 1983 1
本橋健司 淸水市
와 여러 가지 강재를 포집판으로 적용하여 비래염분을 측정한 결과 월별 염분, 입자 부착량의 변동은 대략 대수정규분포를 이루고 있었으며 해안으로부터 거, 리가 짧아질수록 구조물 표면의 비래염분 부착량은 크게 나타난다고 보고하였 다. Toishi(1995)는 비래염분량은 해안선으로부터 300m까지 급격한 감소를 보이며 바위가 많은 해안선에서 두드러지게 나타났다고 보고 하였다, .
비래염분에 대한 바람의 영향 2.3.2
바다로부터 날아 들어오는 염분은 강한 계절풍 등의 영향을 받는 지역에서는 염분 입자가 다소 크더라도 일반 지역의 경우보다 멀리 운반되므로 대기중의 염분량은 대체로 많은 편이다 그러나 해안으로부터 거리가 멀어질수록 대기중. 의 염분량이 감소하는 상황은 일반 지역인 경우와 비슷하다 따라서 계절풍이. 부는 지역에서도 해안으로부터 거리와 대기중의 염분량과의 관계는 대체적으로 일반 지역인 경우와 동일한 경향을 나타낸다 대부분의 지역에서는 바다로부터. 날아 들어오는 염분에 가장 크게 영향을 주는 것은 낮과 밤에 부는 방향이 달 라지는 해륙풍이고 이 힘의 크기는 지역풍에 의해 크게 영향을 받지 않는다, . 해풍은 지속적으로 염분을 내륙쪽으로 운반하지만 일본에서 실측한 보고에 의, 하면 지역에 따라서 비말염분 등이 많은 태풍과 강한 계절풍에 의해 내륙에, 도달한 경우도 있음을 알 수 있다 일본토목학회에서는 염해발생의 환경조건에. 대한 보고에서 16개 방향에 대한 비래염분의 콘크리트 침투를 측정하여 염분 침투가 큰 방향은 최대풍속시의 풍향과 유사하다는 보고가 있다 따라서 비래. 염분량은 기상조건 중에서 풍향과 풍속과의 상관관계가 가장 큰 것으로 분석되 었다[14].
비래염분의 높이별 변동 2.3.3
등(2004)은 높이 방향의 비래염분량의 프로파일에 대해서
風間洋 仲座宋三
등(1999)의 측정결과와 비교하여 이류확산해석의 유효성을 주장하였으며 주, 택지에서는 지상에 비해 2층 옥상부의 비래염분량이 많고 방위별로 비래염분 량의 다소가 있음을 지적하였다 또한 건물 옥상부의 모서리에 슬래브가 있는. , 경우 슬래브 저면은 바람에 의해 비래염분이 많이 모이게 되고 슬래브를 타고 흘러가는 강우 등에 의해 콘크리트에 침투될 가능성이 크다고 보고하였다 이. 류확산해석에 의한 비래염분의 연직분포 농도 C를 식(2-5)과 같이 나타내었 다.
식(2-5)
,
,
여기서, : 해안으로부터 거리, : 지상 50m의 풍속
: 지상고, : 마찰속도, : 지표조도
: 모래둑 해안 0.016, 방파블록 해안 0.795, 강사가 있는 만입부 해안 0.0454
대기중의 염분량과 콘크리트에 부착되는 염분량의 관계 2.3.4
대기중의 비래염분은 해풍이나 계절풍에 의해 내륙으로 이동되고 구조물의 표면부에 부착하여 내부로 침투하게 된다 그러나 대기중의 비래염분과 실제. , 구조물 표면부의 염분량은 다르게 나타나므로 이들의 상관관계는 비래염분에
리트 표층부에 있어서 염분 부착량과의 관계에 대한 예시를 <표 2-4>와 같이 나타내었다.
또한, Toishi(1995)는 新潟県해안의 15개 측정점에서 3년간 비래염분과 모르 타르 시험체에 침투되는 비래염분을 조사하였으며 측정된 비래염분량은 비래, 염분의 모르타르 침투량에 직선적인 경향을 나타내어 비래염분에 의한 피해를 나타내는 지표로서 적용이 가능할 것으로 보고하였다 일본토목연구소. (1993) 에서는 3년간의 옥외노출실험을 통해 비래염분량은 표면염분량 와 <그림
과 같은 관계가 있음을 주장하였으며 비래염분량과 표면염분량
2-9> , 는 다
음과 같은 관계식이 있음을 밝혔다 관계식을 식. (2-6)에 나타내었다.
식(2-6)
여기서, : 표면염분량 (NaCl, kg/m3)
: 비래염분량의 평균값 (NaCl, mg/dm2/day)
: 계수
등(2003)은 해안부 콘크리트 구조물에 대해서 구조물 위치와 표고에 靑山實伸
의한 표면염분량을 검토하였으며, 표면염분량 는 해상과 해안선의 표고 에서
15m 10kg/m3이상이었고 해상에서 표고, 20m이상이 되는 경우 7kg/m3미 만이었으며 해안선으로부터, 20m이상 떨어진 경우는 약 5kg/m3로 염해환경이 완화되었다고 보고하였다 또한 해상에 위치한 교각에서 파도에 의한 비말염의. , 영향을 받는 표고 20m까지는 값이 크게 되지만, 20m이상의 경우에는 값 이 작게 나타났다고 보고하였다 동일배합에서. 값이 크게 되면 확산계수 의 값도 크게 나타났으며 물 시멘트비에 따른, - 와 값은 다음식과 같은 관 계가 있음을 주장했다.
의 경우
W/C = 0.55 = 0.0123 + 0.50 + 0.56 의 경우
W/C = 0.46 = 0.11 + 0.52 의 경우
W/C = 0.55 = 0.006 + 0.34
는 해안인근 내륙에 위치하는 콘크리트 구조물의 내부 염 Piyamanant(2005)
화물 농도를 구하는 식을 기존에 적용되던 정상상태의 외부염화물 조건에서 불 규칙적인 상태의 외부염화물 조건으로 변환하여 구하고자 하였다 콘크리트에. 서는 자유 염화물 이온만이 콘크리트 매트릭스로 확산할 수 있다는 보고 등 를 근거로 자유염화물만을 대상으로 하였으며 전염
(Maruya , 1989, 1998) ,
화물로부터 자유 염화물을 도출하였다 또한 자유염화물은 시멘트에만 존재할. 수 있기 때문에 단위시멘트량을 고려하였으며 콘크리트에는 수분량을 산정하, 기 위하여 겔공극과 모세관 공극을 미세구조와 질량이동의 이론(Maekawa 등,
을 응용하여 식 을 도출하였다
1999) (2-7) .
∙
∙
∙
식(2-7)
여기서,
: 재령 깊이, 에서 콘크리트의 자유염화물 농도(mol/cm3)
: 단위시멘트량(mg/cm3)
: 표면층과 내부층 경계에서의 공극수의 자유염화물농도(mol/cm3)
: 염화물 몰중량(mg/mol)
: 겔공극과 모세관공극의 공극률(1/cm3)
: 겔공극과 모세관공극의 포화도
철근 콘크리트 구조물의 비래염분 침투 메커니즘 2.3.5
바다에서 발생하여 대기 중에 부유한 염분 입자는 <그림 2-10>과 같이 해 풍이나 계절풍 등의 영향에 의해 내륙으로 비래하여 건축물 표면에 부착되어 시간이 경과함에 따라 건축물 내부로 확산 ․ 이동하게 된다 실제 건축물은 다. 양한 마감재료에 의해 시공되어 있으며 마감재료의 종류에 따라 표면염화물량 이 달라진다 또한 건축물 표면에 부착된 염화물 이온은 부착된 전량이 표면염. 화물량으로 콘크리트 내부로 침투되는 것이 아니며 강우 등에 의하여 일부 유, 실된다 표면에 부착된 염분은 시간이 지남에 따라 콘크리트 내부로 확산 이동. ․ 하게 되며 철근위치에서 임계염화물량에 도달하게 되면 철근이 부식된다.
비래염분량 분석 방법 2.4
비래염분 흡착 거즈 전처리 과정 2.4.1
광구 샘플병을 증류수로 번이상 세척한다
(1) PE 3 .
세척 후 상온에서 건조한다
(2) .
정밀저울에 광구 샘플병을 올린 후 영점을 잡는다
(3) PE .
광구 샘플병에 증류수를 넣는다
(4) PE 200g .
포집기에서 비래염분이 흡착된 거즈를 떼어낸다
(5) .
비래염분이 흡착된 거즈를 증류수가 담긴 광구 샘플병에 넣는다
(6) PE .
뚜껑을 닫아 밀폐시킨다
(7) .
시간이상 담궈둔다
(8) 48 .
시간 후 시료 을 분취하여 전위차 적정을 한다
(9) 48 50g .
비래염분 농도 분석법 2.4.2
거즈에 흡착된 비래염분량을 분석하는 방법으로는 전위차 적정법을 이용하였 다 먼저 비래염분이 흡착된 거즈를 잘게 절단하여. 200mL의 증류수가 담긴 광구 샘플병에 잘게 절단한 거즈를 담군 후 밀폐시켜 시간이상 상온에
PE 48
방치하였다. 48시간 후 50ml를 분취하여 전위차 적정법에 염화물 이온 농도를 측정하였다. 염화물 이온 농도 측정을 위한 전위차 자동적정장치는 <그림 과 같다 본 연구에서는 의 질산은 용액을 사용하여 염화물 이 3-11> . 0.1mol/L
온의 농도가 당량점까지 도달하였을 때의 질산은 적정용액 투입량을 식(2-8) 을 이용하여 정량적으로 나타낼 수 있다.
×× × 식(2-8)
여기서, : 적정량(mL)
: 블랭크치(0.0mL)
: 적정액의 팩터(1.002)
: 농도환산계수(3.55mg/mL) 용액
(0.005mol/L AgNO3 1mL ≡ 0.1775mg Cl-)
: 단위환산계수(1)
: 시료채취량(g)
비래염분 포집기 개발 3.
비래염분 포집기 개발 배경 3.1
해안에서 발생하여 내륙으로 바람을 타고 날아 들어오는 비래염분을 측정하 기 위하여 비래염분 포집기를 사용하게 된다 비래염분 포집기로는 거즈를 사. 용하는 JIS ,식 일본 토목연구소의 스테인리스식 해염입자의 자연낙하 자연부, , 착에 의한 측정방법 등이 있다 또한 실 구조물 등으로의 영향을 보다 구체적. , 으로 적용하기 위해서 폭로한 시험체의 부착염분량을 측정하는 방법 강구조물, , 등의 도장면의 부착염분량을 측정하는 방법 또는 콘크리트 구조물의 콘크리트, 중 함유염분량을 측정하는 방법 등도 있다.
일본의 경우 비래염분은 건설성 토목연구소에 의해 조사되었으며 비래염분, , 포집기는 JIS식을 따르지 않고 스테인리스식 포집기를 자체적으로 개발하여 사 용하였다 그 이유는. JIS의 거즈식 염분포집방법은 비래염분량이 크게 증가하 는 3 , 4월 월의 경우 거즈 자체의 염분포집 능력의 한계로 인하여 비래염분을 정확히 측정할 수가 없다는 것이다 토목연구소의 실험결과를 인용하면 일본. , 토목연구소의 비래염분 포집기 이하 토연식 포집기 를 적용한 경우( , ) , JIS의 거 즈식 포집기 이하( , JIS식 포집기 에 비해 최고) 5배까지 많은 양의 염분을 포집 할 수 있었다고 한다[5].
국내에서도 최근 들어 해안 구조물의 염해 내구성에 관심이 높아지고 있으 며 이에 해안으로부터 날아 들어오는 염분량을 정량적으로 조사할 필요성 또, 한 높아지고 있다 그러나 국내에서 해안의 비래염분을 측정할 경우 어떠한 규. , 정이나 제안이 없는 상태이며 일본의 포집방법을 그대로 따를 경우 상기 서술, 한 것처럼 포집방법에 따른 비래염분량의 차이가 생길 우려가 있다.
따라서 이종석, (2006) 연구에서의 2001년도 연구수행 결과[5], 일본 토목 연구소의 스테인리스식 포집기와 JIS안의 거즈식 포집기의 단점을 보완 개선·
하여 독자적으로 비래염분 포집기를 개발하였으며 이들에 대한 실내 비교 실, 험을 실시하여 양호한 결과를 얻었다[5]. 이 결과를 토대로 국내 해안가의 비 래염분 포집에 활용하고자 한다.
기존 비래염분 포집기 3.2
식 포집기 3.2.1 JIS
일본공업규격(JIS Z 2382, 1998)에서 제안된 포집방법 안 에 의하면( ) <그림 과 같이 포집판의 크기는 이며 포집판에는 염분포집용 3-1> 100mm×100mm
거즈를 부착하여 사용하도록 규정하고 있다[5].
일본의 JIS에서 제안된 거즈식 포집기는 포집장치 자체의 세목보다는 포집방법 의 기본적인 안을 제시한 것이다 그 내용으로는 포집판의 크기. 10cm×10cm 를 사용하며 포집판에는 거즈를 부착하여 사용하는 것이다 비나 눈 등 자연현, .
상에 대비하기 위한 차폐벽이나 박스 등에 대한 규정은 없다.
그림 는 식 포집기의 규정을 따른 장치로서 본 연구에서 비교 실
< 3-2> JIS
험용으로 사용된 포집기를 일례로서 나타낸 것이다. 거즈의 면적은 100×100mm2이며 거즈의 위치는 강우의 영향을 받지 않도록 150mm 정도 안쪽에 위치하도록 하였다 전체 길이는. 200mm이다.
토연식 포집기 3.2.2
일본 토목연구소에서 제작된 비래염분 포집기는(日本土木硏究所, 1985) <그 림 3-3>과 같이 스테인리스 포집판 실리콘 호스 포집기 물통 통풍구등으로, , , 구성되어 있다 스테인리스 포집기에 부착한 염분은 증류수를 살수하여 포집기. 물통으로 씻어 내려 염분 농도를 측정한다 일본 토목연구소의 비래염분 포집. 기는 스테인리스 포집판 실리콘 호스 저장수통 및 이들 포집기 세트를 장착할, , 수 있는 스테인리스 박스로 구성되어 있다 염분을 함유한 바람이 불어오면 비. 래염분은 스테인리스 포집기와 실리콘 호스를 통하여 직접 저장수통 내에 부착 하게 된다 스테인리스 포집기에 부착한 염분은 측정기간의 최종일에 증류수를.
살수하여 부착된 염분을 저장 수통으로 씻어 내린다 최종적인 비래염분 농도. 의 측정은 저장수통에 있는 물의 염분농도를 측정하여 대상 기간의 비래염분량 으로 사용한다[5][15].
또한 포집기 하단부에는 콘크리트 시험체를 설치할 수 있는 공간을 마련하, 여 포집기로 날아오는 염분과 콘크리트에 침투하는 염분량을 상호 비교하였다.
식 비래염분 포집기 3.2.3 K1
그림 은 식 비래염분 포집기 의 평면도 정면도 측면도를 각각
< 3-4> K1 [5] , ,
나타낸 것으로, 포집판의 크기는 JIS ,식 토연식 포집판의 크기와 동일한 로 설계하였다 이 포집기는 포집기 입구를 통과한 해풍이
100mm×100mm . 6
개의 포집판을 거치도록 된 구조로서 바닥면 측면 천정부의 전면에 거즈를 부, , 착하여 포집효율을 극대화하였다. K2식 비래염분 포집기는 K1식 포집기와 동 일한 구조이나 포집판을, 6개에서 3개로 줄인 장치[5]이다.
식 비래염분 포집기 3.2.4 K3
식 비래염분 포집기는 그림 와 같이 유입구는 의 K3 < 3-5> 100mm×100mm 크기로 설치하였으며 박스 내부에는, 100mm×120mm 포집판을 2개 설치하 였다 특히 포집된 비래염분이 비바람에 의하여 유실되지 않도록 하기 위하여. 높이의 차단막을 설치하였다 식 포집기는 통풍로를 통하여 비래염
20mm . K3
분이 포집되지 않고 그대로 유출되는 것을 막기 위하여 K1 , K2식 식과 달리 별도의 통풍로를 설치하지 않고 거즈만을 통하여 해풍이 유출될 수 있도록 고 안된 장치[5]이다.
포집기 종류에 따른 포집성능 3.2.5
염분량에 따른 포집기 형식별 포집성능을 비교하기 위하여 풍속을 3m/sec로 고정하고 염분 분사량을 55g/min과 95g/min으로 변화시켰으며, 지속시간을 분 분 분으로 설정하여 실험을 실시하였다 포집기는 식
90 , 180 , 270 [5]. K1 ,
식 식 그리고 기존의 식 및 토연식의 가지 방식을 사용하였다 염분
K2 , K3 JIS 5 .
분사량을 55g/min 지속시간 180분의 염분량이 상대적으로 적은 환경에서 포 집기의 성능을 실험한 결과 JIS식 포집기가 포집한 염분량을 100으로 놓았을 때 <그림 3-6>에 보여지는 것과 같이 JIS식에 비해 K1식은 거의 비슷한 성 능을, K2식, K3식은 약 20~30% 높은 포집성능을 나타내었으며, 토연식은
식의 약 수준에 머물렀다
JIS 20% [5].
토연식은 표면이 매끄러운 스테인리스를 포집판으로 사용하여 염분의 부착이 용이하지 못하였으며 스테인리스 포집판이 배면으로 공기의 흐름을 유도하기, 어려워 포집성능이 떨어진 것으로 판단된다[5].
따라서 본 연구에서는 다방향 포집기 개발의 목적으로 기존 포집기에서 찾, 아볼 수 없는 역풍에 대한 고려를 바탕으로 역풍을 차단하기 위한 포집기를 고 안 ․ 개발하였다.
비래염분 포집기 개발을 위한 시뮬레이션 3.3
비래염분 실측 데이터 비교 3.3.1
그림 와 그림 는 식 비래염분 포집기에 후풍의 영
< 3-7(A)> < 3-7(B)> JIS
향을 배제시키고자 포집기 뒷면에 ᄀ자형 또는 ᄃ자형 철판을 덧댄 포집기의 모습이다.
거즈의 면적은 100×100mm2이며 거즈의 위치는 강우의 영향을 받지 않도 록 150mm 정도 안쪽에 위치하도록 하였다 전체 길이는. 200mm이며 뒷판은, 정도 포집기에서 격리시켜 내부를 통과하는 바람이 순조롭게 지나갈 수 30mm
있도록 유도하였다 이 포집기는 다방향 포집이 가능하도록. <그림 3-7(C)>와 같이 8방향으로 등간격으로 고정되어졌으며 강우의 영향을 피하기 위하여 상, 부에 철판을 덧대는 형태로 제작되어 부산 해운대에 위치한 고층 아파트 옥상 에 설치되었다. 2010년 7월에서 9월까지 3개월간 ᄀ자형 뒷판을 가진 포집기 를 이용하여 측정한 결과를 <그림 3-8>에 나타내었다 동남쪽이 바닷가를 면. 하고 있음에도 불구하고 타방향에서 많은 양의 염분이 포집된 것으로 나타났 다 이는 후풍을 막기 위해 뒷판을 설치하였음에도 불구하고 뒷쪽에서 비래염. 분이 유입되었으며 전방에서 불어오는 바람이 뒷판에 가로막혀 풍속이 급격히, 저하되어 비교적 소량의 비래염분이 방향성을 가지지 못한 채 측정된 것으로 판단된다.
유체 수치시뮬레이션 실시 3.3.2
비래염분 실측 데이터 비교 에서 제기된 자형 뒷판 또는 자형 뒷
[3.3.1 ] ᄀ ᄃ
판과 후풍에 의한 바람의 유동변화를 분석하기 위하여 유체 수치 시뮬레이션을 실시하였다 사용된 방정식은 나비에스토크 방정식으로 비압축성 유체에 의한. 운동을 기술하는 기본 방정식이다. 수치해석의 구성방정식과 입력조건은 식
식 와 같다 (3-1), (3-2) .
∇∙
∇ ∇
∙ ∇ ∇ 식(3-1)∇∙ 식(3-2)
여기서, 는 동점성율, 는 속도 벡터, 는 유체의 밀도, 는 압력을 나타낸 다 난류를 해석하기 위한 모델은. 모델을 사용하였다.
서의 풍속의 변화(Contour과 Arrow로 나타냄 를 나타낸 것이다 풍속은 범례) . 와 같이 0.5~20m/s의 범위에서 수치해석을 실시하였다 포집기 내부에서 약. 간의 풍속 상승이 예측되지만 포집량에 큰 영향을 미칠 정도는 아니라 생각된 다.
그러나 후풍의 영향을 배제시키기 위하여 설치한 ᄀ자형 또는 ᄃ자형 뒷판의 경우 <그림 3-10(A)>, <그림 3-10(B)>와 같이 포집기 내부에서 급격히 풍 속이 감속하고 또 뒷판을 지난 후 다시 후류가 형성되는 것으로 시뮬레이션, 결과 예측 되었다 포집기 내부의 풍속의 감소는 외부 풍속의. 40%정도인 것으
로 예측되었다 이는 후풍의 영향을 억제하기 위하여 설치한 뒷판의 존재로 전. 방에서의 풍속이 급격히 저하하여 실제의 통과 비래염분보다 낮게 평가할 우려 가 있을 것으로 생각된다 또한. <그림 3-10(C)>, <그림 3-10(D)>와 같이 자형 또는 자형 뒷판을 설치한 후 후풍을 가했을 경우에도 포집기내에 풍
ᄀ ᄃ
속이 형성됨으로써 ᄀ자형 또는 ᄃ자형 뒷판의 경우는 후풍을 완전히 차단할 수 없다고 판단되었다.
그림 은 자형 뒷판을 가진 포집기가 도 각도 경우의 바람의 움
< 3-11> ᄀ 15
직임을 시뮬레이션 한 결과이다 뒷바람의 영향을 억제하기 위하여. ᄀ자형 뒷 판을 설치하였음에도 불구하고 후풍과 각도가 있을 경우 포집기 내부에 풍속이 형성되는 것을 확인할 수 있었다 따라서. ᄀ자형 및 ᄃ자형 뒷판은 완전히 후 풍의 영향을 억제할 수 없는 것으로 판단되었다.
대안으로 포집기와 간격을 유지하는 철판을 사용하기 보다 폴리에틸렌 재질 의 100㎛두께 필름을 사용하여 정방향의 바람은 저항없이 통과하며 후풍은 완 전히 차단할 수 있는 장치를 고안하였다 필름지를 부착한 비래염분 포집기를.
그림 에 나타내었다
< 3-12> .
인공비래염분 발생장치를 이용한 포집 시뮬레이션 3.4
인공비래염분 발생장치 개발 및 기초 성능 실험 3.4.1
인공장치는 1000mm(가로)×1000mm(세로)×1000mm(깊이) 크기로 구성 되어 있으며 벽면 재질은 투명 아크릴로 제작하였다 내부 장치로는 송풍기, . , 기포발생기 염수용기가 있다 인공장치의 이점으로는 발생된 비래염분이 바깥, . 으로 누출되는 것을 방지하기 위해 4면체를 아크릴 패널로 조립하여 밀실함을 추구하였으며 실험인자중 거리에 따른 비래염분량 측정을 위해 인공장치를 유, 닛으로 제작하여 상황에 따라 길이를 늘리거나 줄일 수 있게 하였다 또한 송. 풍장치의 풍속을 임의로 조정할 수 있게 하여 풍속에 따른 검토를 할 수 있으 며 장치의 양쪽을 개방형으로 하여 장치 내 발생된 비래염분이 풍로에 따라, 자연스럽게 배출되도록 제작하여 장치 내부 공기에 비래염분이 정체되지 않게 하였다 그리고 장치를 실험실 내 설치하여 외부 환경인자에 영향을 받지 않는. 지속적인 실험이 가능하도록 하였다.
인공비래염분 발생 실험계획 및 방법 3.4.2
본 연구에서는 인공장치의 기초실험으로 두가지를 실행하였다 첫 번째는 비. 래염분이 포집되는 거즈의 최대 비래염분 수용량 실험이며 두 번째는 인공장, 치 내부의 위치별 염분 포집량 실험을 하였다 첫 번째 실험방법으로는 염분농. 도와 양이 동일한 해수를 기포발생기를 통해 해수면에서 발생하는 해수기포가 파열할 때 대기중에 방출되는 비래염 입자를 송풍기의 인공풍을 이용하여 날려 단일 포집기 거즈에 비래염분이 부착되도록 하였다 이 실험을 각각. 2, 4, 7, 일 동안 진행하였다 두 번째 실험방법으로는 그림 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 . <
과 같이 인공장치 단면을 총 구역으로 나누어 각 구역에 포집기를
3-13> 16
설치하여 48시간 동안 인공비래염분을 발생시켜 각 구역의 비래염분을 거즈에 부착시켰다 이후 각 실험을 통해 부착된 비래염분량을 전위차 적정기를 통해. ,
측정하였다.
실험결과 및 고찰 3.4.3
첫 번째 실험을 통해 측정된 비래염분량을 <그림 3-14>에 나타내었다 그. 림에 나타난 것처럼 2일에서 14일로 인공비래염분 포집 시간을 늘려갈수록 거 즈에 부착된 비래염분량은 약 14NaCl mdd(mg/dm2/day)로 수렴하고 있는 모 습을 보이고 있다 이는 인공장치를 통해 측정되는 인공비래염분량은 시간의. 경과에 따라 조금씩 증가하지만 부착된 비래염분량이 시간의 경과에 따른 증가 량의 차이는 거즈에 부착되는 비래염분량이 수용한계를 초과하여 점차 적어지 는 상태가 된 것이라 판단된다.
두 번째 실험을 통해 측정된 비래염분량을 <그림 3-15>에 나타내었다 그. 림에 나타난 바와 같이 아래 부분 X축 4행 부분의 비래염분 포집량이 X축 1 행 보다 포집된 염분량이 높게 나타났고 X축 4행에서 X축 1행으로 높아질수
장치내 공기중에 고르게 분포하지는 않는다는 것을 나타내고 있다 이는 이후. 인공장치를 사용하여 비래염분에 관련된 연구를 진행함에 있어서도 시료를 설 치한 위치에 따른 보정이 필요하다고 판단된다.
인공비래염분 발생장치를 이용한 포집 시뮬레이션 3.4.4
유체 수치시뮬레이션 실시 에서 검토을 통하여 고안한 폴리에틸렌 필
[3.3.2 ]
름 부착 포집기의 신뢰도를 검증하기 위하여 실험실에서 인공비래염분 발생장 치를 개발하여 전혀 뒷판이 없는 포집기와의 차이를 분석하기 위하여 실험을 실시하였다.
실험의 모식도는 <그림 3-16>과 같다 인공풍속은 포집기 입구에서. 3.4m/s 였다.
그림 는 뒷판의 조건을 변화시킨 경우 포집된 비래염분량을 비교한
< 3-17>
그래프이다. x축의 wind 48은 뒷판이 없는 기존의 JIS식 포집기를 사용하여 시간 동안 포집한 경우이며 은 앞장에서 설명한대로 후풍의 48 , wind 48(film)
영향을 차단하기 위하여 JIS식 포집기에 폴리에틸렌 필름을 부착한 포집기를 설치한 경우의 값이다 나머지. back plate 1과 back plate 2는 ᄀ자형 뒷판과 자형 뒷판을 사용한 경우이다 필름을 부착한 경우에는. 20.18mdd로서 뒷판 ᄃ
이 없는 경우와 거의 차이가 없었지만 ᄀ자형, ᄃ자형의 경우에는 상당히 값이 떨어졌다 이는 뒷판의 영향으로 포집기 내부의 풍속의 변화가 원인인 것으로. 사료되며 필름을 사용한 경우에는 차이가 없는 것이 실험을 통해 입증되었다, .
wind 48 wind 48 (film) back plate1 back plate 2 0
5 10 15 20 25
NaCl concentration (mdd)
experiment conditions
그림 는 시간 포집 후 동일 풍속으로 후풍을 가했을 경우 감소하
< 3-18> 48
는 비래염분 량을 평가한 실험결과로, 0~9시간에 시간경과에 따라 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있었다 따라서. JIS식 포집기와 같이 후풍의 영향을 받는 경우에는 실제 비래염분이 통과하면서 포집된 비래염분량 보다 다소 적은 값이 검출되는 것을 알 수 있다.
실험결과 및 고찰 3.4.5
기존의 식 포집기는 후풍의 영향으로 실제 통과 비래염분량보다 적 (1) JIS
은 양이 거즈에 포집되는 것으로 밝혀졌다.
후풍의 영향으로 거즈에 포집된 비래염분은 시간경과에 비례하여 감소 (2)
하는 경향을 나타내었다.
후풍의 영향을 막기위해 설치한 자형 자형 뒷판은 포집기 내부의
(3) ᄀ , ᄃ
풍속을 저하시켜 포집량 감소를 유발했고 폴리에틸렌 필름을 사용한 경우 후, 풍의 영향을 배제함과 동시에 정확한 포집량을 얻을 수 있었다.
0 3 6 9
0 5 10 15 20 25
NaCl concentration(mdd)
time (h)
기상변화에 따른 비래염분 포집량 분석 4.
실험 개요 4.1
해양환경에 접하고 있는 철근 콘크리트 구조물은 공기 중에 섞여 날아오는 염분이 내부로 침투하여 철근 부식을 야기하고 콘크리트의 균열을 발생시켜 구 조물의 내구성과 유지관리에 악영향을 미치게 된다 이에 구조물의 내구 수명. 산정에 사용되는 비래염분 측정 데이터들을 정확하게 얻을 수 있다면 이는 앞 으로 내구성 설계에 많은 이점을 줄 것이라 기대된다 본 연구는 부산 영도에. 위치한 한국해양대학교에 개발된 방향별 비래염분 포집기를 설치한 후 얻어진, 비래염분 데이터를 이용하여 실제 관측되고 있는 기상청 데이터 중 풍향 풍속, , 파고 상대습도 강수량과 비래염분 포집량을 비교 분석하여 그 상관관계를 찾, , 아내고자 한다 또한 높이별 비래염분 포집기를 설치하여 높이에 따른 비래염. 분 포집량을 분석하고자 한다.
실험 및 측정방법 4.2
비래염분 포집 장치 4.2.1
본 연구에서는 기존 JIS Z 2382에서 제안된 포집기[15]의 단점인 역풍의 유입에 의한 부착염분의 탈락과 측정방향 이외의 염분 유입을 방지하기 위하여
그림 과 같은 포집기를 고안한 것을 사용하였다
< 4-1(A)> .
비래염분 포집 장소 4.2.2
방향별 비래염분 포집기는 한국해양대학교 옥상에 설치하였으며 이를, <그림 에 나타내었다 높이별 비래염분 포집기는 동일한 건물 층 층 각
4-1(C)> . 1 ~4 ,
층 높이 3.4m 에 각각 독립적으로 설치하였다 이를. <그림 4-1(D)>에 나타
내었다 포집기가 설치된 건물은 해안에서. 20m 떨어져 있으며 각 층의 높이, 별 포집기는 바다를 정면 북향 으로 바라보는 방향으로 설치하였다( ) .
조사지역의 기상청 데이터 4.2.3
본 연구에서 사용된 부산지역 기상 데이터는 비래염분 포집기를 설치한 날짜 에 맞추어 각각 평균값으로 분석하였으며 <표 4-1>과 같다 또한 높이별 비. , 래염분량 분석을 위해 높이에 따른 풍속의 변화를 <그림 4-2>에 나타내었다.
실험결과 및 고찰 4.3
방향별 비래염분 포집량 4.3.1
방향별 1차, 2차, 3차, 4차 포집기간의 비래염분 포집량을 <그림 4-3>에 나타내고 있다 실환경하에서 포집된 비래염분량과. <표 4-1>의 각 방향별 포 집기간의 기상데이터와 비교하면 주풍향 빈도수 이 가장 많은 방향의 포집량이( ) 타 방향에 비해 많이 포집된 것을 관찰할 수 있다.
차 포집기간에도 차 포집기간의 포집량과 마찬가지로 북쪽에서의 비래염
2 1
분 포집량이 타 방향에 비해 많이 포집되고 있음을 나타내고 있다 하지만 평. , 균파고와 기온은 비래염분 포집량에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 보여진 다 또한 포집기간. , 1 , 2차 차 비래염분 포집량을 각 포집기간의 기상 데이터와 비교한 결과 풍속이 더 높은 2차 포집기간의 비래염분 포집량이 1차에 비해 더 높음을 나타내었고 평균상대습도가 더 높고 강수량이 더 많은 2차 포집기 간의 비래염분 포집량이 1차 포집기간에 비해 더 높게 나온 것을 확인할 수 있다.
높이별 비래염분 포집량 4.3.2
높이별 1 , 2차 차 포집기간의 비래염분 포집량을 <그림 4-4>에 나타내었다. 그림 에 보여진 것처럼 높이가 높아질수록 포집량이 많아지는 것을 확
< 4-4>
인할 수 있다. 1 , 2차 차 포집기간의 비래염분 포집량을 기상 데이터와 비교한 결과 풍속과 상대습도 강수량이 더 높은, 1차 포집기간의 비래염분 포집량이 2 차에 비해 상대적으로 높은 것으로 나타났다.
소결 4.4
본 연구에서는 포집기를 설치한 기간에 따라 부산지역 기상청 데이터를 분석 한 후 실환경에서 포집된 비래염분량과 비교 하였다 그 결과 방향별 비래염분, . 포집량은 한국해양대학교의 경우 주풍향이 북향이기 때문에 북쪽방향의 비래염 분량이 가장 높게 나타났으며, 1 , 2차 차의 포집량의 차이는 풍속과 강수량에 의존한 결과라 판단된다 또한 높이별 비래염분 포집량은 고도가 높아질수록. , 강한 풍속으로 인해 비래염분량 또한 많을 것이라 판단된다 현재 진행된 연구. 는 부산지역 전체의 광범위한 기상청 데이터를 바탕으로 분석한 것으로서 앞으 로의 연구는 포집기를 설치한 장소의 보다 정확한 주변 기상데이터 즉 지역구, 단위의 기상청 데이터를 바탕으로 비래염분 포집량과 비교한다면 기상변화와 비래염분 포집량과의 관계를 정확하게 평가할 수 있을 것이라 판단된다.
결론 5.
본 연구의 목적 및 연구과정에 따른 실험결과를 다음의 (1), (2)에 나타내었 고 향후 연구개발 결과의 활용계획을, , (3), (4)에 서술하였다.
해양구조물의 내구성 확보 및 유지관리를 위한 비래염분 평가 기구 개 (1)
발
해안 근처에 건설되는 구조물들은 해풍에 의한 직접적인 영향을 받는다 이. 는 염해 메카니즘으로 설명될 수 있으며 공기중에 섞여 날아오는 염분에 의해 철근이 부식되고 이에 구조물 내구성에 악영향을 미치게 된다 현재 사용되고. 있는 포집기의 종류는 다양하며 각각의 장단점을 가지고 있다 이에 여러 가지, . 형태의 포집기를 비교 실험할 수 있는 인공비래염분 발생장치에 개발하여 각각 의 포집기를 설치 ․ 실험하여 포집량을 비교하였다 이후 가장 적합하게 비래염. 분을 포집할 수 있는 포집기를 고안 ․ 개발하였다 결과적으로 기존의 비래염분. 포집기와의 비교를 통해 후풍의 영향을 배재할 수 있는 포집기를 개발하였다.
개발된 다방향 비래염분 포집기를 통해 포집한 비래염분량을 기상데이 (2)
터와 비교
비래염분은 실환경하에 발생하는 것으로서 주변 기상변화에 따른 다양한 인, 자 거리 높이 풍향 풍속 파고등 들과의 상관관계를 분석하기 위해 기상청( , , , , ) 데이터를 바탕으로 비교 분석한다 기상청 데이터는 지역별 단위의 세밀한 자, . 료를 토대로 비교하며 풍속은 3.5m/s 이상의 데이터만을 사용하고(3.5m/s 이 상의 풍속이 월별 비래염분 발생빈도에 가장 큰 영향을 미침) 풍향은 각 시간 별로의 평균 풍향을 산정하며 거리는 포집기가 설치된 장소로부터 해안까지의, 거리로서 판단하며 높이는 현재 실험중인 한국해양대학교 각 층에 설치된 포, 집기의 비래염분 포집량으로부터 판단하였다 결과로서 각 기상변화에 따른 발.
생되는 비래염분량과의 상관성을 분석하였다.
실환경하에 포집된 비래염분량 분석을 통한 해양구조물의 수명예측 가 (3)
이드라인 산정
실환경하에 포집된 비래염분량의 분석을 통해 구조물의 수명을 예측할 수 있 고 이에 구조물의 보수 보강에 대한 가이드라인을 제시할 수 있다 실제 포집, . 기를 통해 포집한 비래염분을 이용해 수치적으로 비래염분량을 계산하여 건물 에 누적되는 염분의 양을 평가할 수 있고 이를 이용해 누적된 염분량 해석을 통해 건축물의 유지관리 및 내구성 향상을 위한 기초 자료 및 가이드라인을 정 할 수 있을 것이라 사료된다.
비래염분에 의한 염해를 방지하기 위한 콘크리트 부착 마감재 선정 시 (4)
스템 개발
실환경하에 포집된 비래염분량을 거리 높이 풍향 풍속 파고등의 환경인자, , , , 들과의 상관성을 찾아내어 비래염분에 의한 구조물의 염해방지를 위한 콘크리 트 부착 마감재를 선정한다 이를 인공비래염분 발생장치를 설치한 후 각종 콘. 크리트 부착 마감재를 인공비래염분 발생장치에 설치하여 동일한 시간동안 인 공적으로 비래염분을 발생시켜 각각의 마감재에 달라붙는 비래염분량을 분석하 여 마감재별 유실율과 염분침투량을 분석하여 해안가 구조물의 위치와 주변환 경에 따른 최적의 마감재를 산정한다.
또한 향후 추가적인 연구 및 장치의 기초실험을 통해 인공 비래염분 발생장, 치의 성능 향상의 추구를 통해 앞으로 건축용 강재의 부식개시 임계 비래염분 량을 평가하는 연구등에 크게 도움을 줄 것이라 판단된다.
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