R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201717CTAP-C097546-03 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 해양환경 콘크리트 구조물의 내구수명 예측 소프트웨어 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2015-06-19 ~ 2018-06-18 | |||||
| 연구책임자 | 안기용 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
12명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 275,000,000 원 기업 : 93,000,000 원 계 : 368,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 815,000,000 원 기업 : 273,000,000 원 계 : 1,088,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 한양대학교 에리카산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
● 종례의 내구성 예측 프로그램(Life 365, Duracrete 등)는 주로 내구성 해석을 통한 구조물의 철근부식 개시시점을 중점으로 염분의 침투과정만을 수명기간으로 산출, 잔존수명의 고려 부재 ● 이에 대해 본 연구에서는 건설 구조물의 생애주기 형 소프트웨어 개발을 통해 구조물의 건설초기조건(시멘트 종류, 배합비, 외부환경 등)을 고려하며, 유해인자 침투 메커니즘 규명, 이로 인한 철근부식진행 모델화 및 콘크리트 강성저하를 고려한 균열메커니즘을 이용한 내구성 진단 모델을 개발하여, 현 구조물의 내구성을 검토하고, Electrochemical treatment를 이용한 모델화 과정을 통해, 해당 구조물의 적정 보수시기 및 보수조건을 지표로 하여, 최종적으로 실 구조물에 대한 설계반영을 목적으로 함 [최종목표] 본 연구의 최종목표는 해양환경 콘크리트구조물의 내구수명 예측 소프트웨어 개발로써, 다음과 같은 세부목표를 기반으로 함 ● 시멘트 경화체의 공극모델 기반 염소이온침투 모델 개발: FEM 기반 수치적 안정성을 갖는 대류-확산 모델 ● 부식팽창에 따른 콘크리트 균열전파 모델 개발: 철근부식진행 모델의 부식팽창에 따른 콘크리트 응력발생 시점 결정 ● 콘크리트 구조물의 내구수명 예측 통합 소프트웨어 개발: 내구성 진단 프로그램에 대한 보수효율 증진 효과의 조합 [연구내용 및 범위] (1) 주관기관(한양대학교): 콘크리트 구조물의 내구수명 예측 통합 소프트웨어 개발 ○ 본 연구과제의 핵심성과 내용인 내구수명 예측 소프트웨어 개발에 있어, 주관기관(한양대학교)의 과제 진행방향은 해양환경에 노출된 콘크리트의 유해요소(염분, 수분, 온도)에 대한 침투과정을 모델화 하고 철근주위 유해요소의 농도에 따른 부식진행 모델화, 그 이후 부식 팽창에 따른 콘크리트 균열전파 모델화를 통해 콘크리트 구조물의 사용기간을 정의하고, 보수기법으로 Electrochemical treatment를 적용한 모델을 통해 보수적용 시기, 조건 등에 대한 정량적인 가이드라인 제시를 목적으로, 이와 같은 모델화 과정을 제시함 ？ 시멘트 경화체의 공극모델 기반 염소이온침투 모델 정립 ○ 콘크리트의 기본 요소가 되는 시멘트의 수화반응을 화학적 반응 메커니즘을 통해 모의하고, 동시에 염소이온의 시간 의존적 침투과정에 적용 및 모델화 ○ 기존의 내구성 해석모델에 필연적으로 적용되는 시간 의존적 변수의 정의는 중요한 사항이며, 이에 대해 대부분 경험상수 및 경험식에 의존하는 경우가 대부분임 ○ 이에 대해, 본 연구에서는 시멘트 배합/온도/클링커 성분에 영향을 받는 시멘트 구조체 형성 과정을 모의하여, 시간에 따른 공극구조 변화를 시뮬레이션 함으로써, 시멘트 경화체 내 공극량/유효 침투경로를 구함 ○ 이를 통해, FEM 기반 대류-확산 지배식을 결정하고 인자별(염분농도, 온도, 습도)에 대한 투과성(확산계수, 열전달계수, 수분확산계수)를 구하여, 공극모델에서 얻은 모델변수를 적용, 최종적으로 염분침투모델 정립 ○ 이로써, 시멘트 클링커 성분/콘크리트 배합조건/구조물의 노출환경을 모델화, 실제 현장에서 발생되는 다양한 조건들을 수렴할 수 있는 모델 개발을 목표로 하며, 다음 모식도와 같이 모델과정을 표현함 ？ 부식팽창에 따른 콘크리트 균열전파 모델 정립 ○ 본 연구에서는 확률론적 접근법을 통해 계절변동을 고려한 유해인자 경계조건 모델화, 전 단계에 완성된 염분침투모델에 적용에 따른 철근 부식개시 시점의 정확성 향상을 목표로 함 ○ 부식개시 시점 이후, 발생되는 철근의 부식팽창률과 시간의존변수(온도, 습도, 임계염화물 농도, 콘크리트 옴저항)과의 상관성 도출에 따른 콘크리트 응력발생 단계까지의 부식팽창모델 개발 ○ 철근주위 계면 내 부식생성물충진 완료 후 발생되는 콘크리트 강성저하를 고려한 FEM 기반 콘크리트 균열전파 모델 개발에 따른 잔존수명 예측 ○ 전 단계 완성된 염분침투모델과의 통합화에 따른 철근부식의 진행과정을 모델화함으로써 다음 모식도의 설명과 같은, 유해인자 침투에 따른 철근부식진행에 의한 구조물의 잔존수명 산출 ？ Electrochemical treatment 기반 보수효과 예측 모델 개발 ○ 기존 내구성 해석관련 연구의 최종 단계는 유해인자에 따른 철근부식의 위험도 예측에 국한되며, 보수기법 적용에 대한 모델화 부재. 또한, 철근부식 개시 시점 전후 및 부식진행 단계에 대한 Electrochemical treatment의 적용에 관한 모델 관련 연구 미흡 ○ 본 연구에서는 다음 모식도와 같이, 전압 차에 따른 콘크리트 내 이온들의 이동현상을 고려, 철근주위 염소이온 및 수산화 이온의 이탈현상 모델화에 따른 방식효과 검증에 따른 보수 시 전류량에 따른 콘크리트 내 철근 부식밀도 증가 및 염소이온의 철근 주변 시멘트 수화물 내 흡착정도를 고려한 모델의 방식효과 검증 ？ 콘크리트 구조물의 내구수명 예측 통합 소프트웨어 ○ 본 연구에서는 건설 된 구조물 혹은 건설 할 구조물의 내구연한을 예측하여, 현 단계에서 최적인 Electrochemical treatment를 수행하는 조건들을 제시하며, 이로 인한 구조물의 내구성 증진을 예측하고자 함 ○ 또한 GUI 기반 사용자 환경 구축을 통해 내구성 진단 및 보수효율 검증 모델의 통합 소프트웨어 개발을 목표로 설정. 이와 같은 구조물의 노후화/보강화에 따른 생애주기기반 내구성 예측 모델은 다음 그림과 같은 시스템을 가짐 |
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| 색인어 | 한글 | 내구성 | 염분침투 | 철근부식 | 균열전파 | 전기 화학적 처리 |
| 영문 | Durability | Chloride ingress | Steel corrosion | Crack propagation | Electrochemical treatment | |
| 최종보고서 | 보완 최종보고서.pdf | |||||