(전월 호에 이어서 계속)
3. 상평형 모델은 무엇인가? 물질이동 모델과 조합한 열화 시뮬레이션에는 어떤 이점이 있는가?
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본 시뮬레이션에 이용하는 상평형 모델은, 시멘트 경화체 중에 생기는 다양한 화학적 작용을 평형이론에 기초해서 계산하는 것이다. 다양한 화학적 작용이란 콘크리트 중의 액상과 고상과의 사이에 물질을 주고받는다. 다시 말해 각 수화물의 용해, 석출이나 수화물 표면에의 흡착, 수착(收着) 반응 등이 그것이다. 본 모델은 이들의 반응을 평형이론에 기초해서 컴퓨터 계산에 의해 재현하고, 콘크리트 공극수 가운데의 이온 분포나 수화물의 생성 상태 등을 평가하는 것이 가능하다. 
이 같은 상평형 모델을 열화 시뮬레이션 물질이동 모델과 조합하면 이점이 얻어지지만, 여기에서는 종래의 열화 시뮬레이션 모델과 비교하면서 염해 열화를 예로 설명한다. 상술한 바처럼 염해는 콘크리트 구조물 중의 염화물 이온과 밀접 관련이 있고, 특히, 해양 환경하의 콘크리트 구조물에서는 경년 열화를 고려하는 것이 매우 중요한 현상의 하나이다. 그렇기 때문에 콘크리트 내부에 염화물 이온의 침투예측에 관한 연구는 오래전부터 수행되어 왔다. 이러한 염분 침투의 대부분은 염화물 이온의 침투만을 해석의 대상으로 한 것이다. 
따라서 이들 연구에서 제안되고 있는 방법에서는 공극수 가운데의 염화물 이온의 농도 구배에 의한 이동밖에 계산되지 않았다. 그러나 당연하지만, 실제의 콘크리트 구조물의 공극수 가운데는 염화물 이온뿐만 아니라 여러 종류의 공존 이온이 존재한다. 이들의 이온은 상호 영향을 미치고, 각종 수화물과 물질의 교환을 이루어지고 있다. 이러한 이온-수화물 간의 상호작용, 바꾸어 말하면 상평형은 이온이 공극수 가운데를 이동하는 사이에서도 생기기 때문에 <그림 2> 열화 시뮬레이션에서 물질의 이동을 정도(精度) 높게 예측하기 위해서는 상평형 모델을 조합한 물질 이동모델이 불가피하다. 또한, 실제 환경의 구조물에서는 염해만이 아니고, 중성화 등의 열화도 복합하게 일어나는 것이 일반적이므로, 공극수나 고상의 조성변화는 더욱 복잡화되어 있다고 말할 수 있다. 
한편, 염해 혹은 중성화만을 대상으로 한 개개의 열화 시뮬레이션에서는 이러한 복합 열화에서 생긴 콘크리트 내부의 복잡한 조성변화를 재현하는 것은 가능하지 않다. 따라서 실제 현상에 기초한 구조물의 수명 예측을 수행하기 위해서는 열화 인자인 원소뿐만 아니라, 공존하는 다양한 이온도 해석의 대상으로, 이들 이온과 수화물과의 상평형에 대해서도 고려한 포괄적인 시뮬레이션이 필요하게 된다. 
이와 같은 현상에 대해서 일본 태평양시멘트중앙(연)에서는 Johannesson 박사(덴마크 공과대학 교수)가 개발한 복수 종(復數 種) 이온의 해석이 가능한 멀티피시즈 물질이동 모델에다가, 자사에서 개발한 시멘트 경화체의 상평형 모델을 조합시킨 선도적 물질이동 모델을 구축하여, 더욱더 실제 현상에 가까운 시뮬레이션을 가능토록 한 것이다. 시뮬레이션의 예로서, 시멘트 경화체에 해수 성분을 침투시켜 본 모델로 해석한 결과를 <그림 3>에 나타내었다. 여기서 해석대상은 해양구조물의 바닷속 침체 부위(침체 기간 9.5년)이었다. 또, 비교로서 해석 대상 부위로부터 채취한 콘크리트 코어의 EPMA측정결과(실측치)에 대해서도 <그림 4>에 나타내었다. 이번의 시뮬레이션에서는 황산염, 마그네슘염은 현저하게, 탄산염에 대해서는 아주 조금 표면 부근에 침투한 결과가 얻어졌다. 이들은 각각, 해수 중에 SO42-, Mg2+, HCO32-의 침투보다도 고상 내에 생성한 에트링자이트, Brucite, Calcite에 유래하고 있다. 실제로, 완전히 물에 잠긴 해양구조물에는 상기 3종류의 염류가 표층부에 석출하는 것이 알려져 있고, 이 계산 결과는 본 모델이 해양구조물에 생긴 실 현상을 재현하는 것이 가능하다는 것을 나타내고 있다. 
또한, <그림 4>에 나타낸 것은 EPMA에 의해 측정한 해양구조물의 콘크리트 코아 내부의 원소 농도 프로파일이지만, 실제의 바닷속 침체 부위에서도, 해수 성분의 침투에 의해 표층부에 황산염, 마그네슘염 및 탄산염이 생성하고 있는 것이 확인되었다. 더욱이, Cl 농도의 프로파일을 다른 원소와 비교하면, 시뮬레이션, EPMA 측정 결과의 양방으로, 이들 3종의 염류의 생성 영역에서는 Cl 농도가 저하하고 있는 것이 확인되었다. 
이처럼 본 모델에서는 물질 이동모델에 상평형을 조합한 것에 의해, 해수의 침투 작용에 의해 생긴 고상, 액상 내의 복잡한 거동에 대해서 정도 높게 실제 현상을 재현하는 것이 가능하다는 것을 확인한 것이다.
 
4. 모델의 적용 범위는?
 종래의 모델에 비해 다양한 환경 조건이나 열화현상에 대응할 수 있으며, 콘크리트 구조물의 배합, 시멘트 종류나 재료에 얽매이지 않는 높은 범용성을 갖고 있다. 상평형과 물질 이동 모델을 조합한 것의 부차적인 효과로서, 본 시뮬레이션은 다양한 열화현상에 대응 가능한 것이 확인된 것이다. 상술한 바와 같이 본 시뮬레이션에서는 멀티피시즈 물질이동 모델과 상평형 모델을 연결한 구성에 의해 시멘트 경화체의 고 액상 조성변화의 계산을 수행한 것으로부터, 그 적용 범위는 예로써 제시한 염해만이 아니고, 중성화나 알칼리골재반응 등의 다양한 열화 예측에 대응할 수 있다. 추가해서, 염해와 중성화가 동시에 발생한 케이스 등 복합 열화의 경우에도 대응하는 것이 가능하다. 
본 모델에서 시뮬레이션 할 때 필요한 입력조건의 각 항목 및 해석순서를 <그림 5>에 나타내었다. 본 모델에서는 상평형 모델에 의해 초기조건으로써 필요한 고 액상 조성이, 시멘트의 화학 분석값이나 광물의 반응률, 콘크리트 배합으로부터 산정한다. 바꾸어 말하면, 본 모델에서는 시멘트의 종류에 한정하는 것은 아니고, 각종의 포틀랜드시멘트나 슬래그, 플라이애시를 조합한 시멘트 등에 대해서, 다양한 배합 조건에서 사용한다고 하는 것과 같은 다양한 케이스에 대해서도 원리적으로는 대응 가능하다. 또, 환경 조건에 대해서도 상술의 해양구조물에서의 시뮬레이션 예와 같이, 복수 종 이온의 경계조건 설정이 가능하며, 특히, 본 모델에서는 기체 상태도 해석 대상이 되므로, 기상 조건의 설정(이산화탄소 등)을 포함하여, 임의의 환경 조건에의 대응이 가능하다. 
향후는, 본 모델의 이점이나 특징을 활용하여, 태평양시멘트 그룹의 각종 분석기술이나 상품, 공법을 적절하게 조합하여, 이제까지 없는 열화 시뮬레이션으로서, 콘크리트 솔루션, 컨설팅 부분에도 적용되는 것을 고려하고 있다고 한다. (이상)