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문서번호 재료연구과-9705 결재일자 2021. 12. 31. 공개여부 부분공개(5) 방침번호 시 민 주무관 재료연구과장 수도연구부장 양혜란 박영복 12/31 안재찬 협 조 정수지 내부 콘크리트 중성화에 의한 수질영향 조사 2021. 12 수도연구부 (재료연구과) 정수지 내부 콘크리트 중성화에 의한 수질영향 조사 미방식 정수지 콘크리트 백태발생 등 구조물 중성화 및 열화에 의한 수질영향에 대한 조사결과임 Ⅰ 추진배경 ？？ 추진근거 ○ 「정수지 구조물 내부 중성화 및 열화에 따른 수질영향 조사요청」 (생산관리과-5942, '21. 6.10.) ○ 미방식 정수지 콘크리트 중성화에 따른 백태 발생 및 열화에 의한 재료분리가 확인되어 수질에 미치는 영향 분석 조사 필요 Ⅱ 추진내용 ？？ 조사 대상 및 내용 ○ 미방식 정수지 13개지 : 광암 8개지, 뚝도 1개지, 암사 4개지 ○ 내용 : 콘크리트 중성화로 인한 백태 및 열화에 따른 재료분리가 정수 수질에 미치는 영향 조사 ○ 분석항목(5항목)※ : pH, 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), Fe(철) ※ 콘트리트 골재 및 시멘트의 주요 화학성분 중 분석가능 항목(KS F 2527, KS L 5201:2016) ○ 조사기간 : (1차) ‘21. 6.21. ～ ‘21. 7.16. (2차) ‘21. 8. 4. ～ 8. 9. (3차) ‘21. 8.25. ～ 8.30. ？？ 채수방법 및 시료수 ○ 차수별로 원수(착수정), 활성탄지 유출수 및 정수지별 담수 각 1점씩 채수 작 성 자 수도연구부장 : 안재찬 ☎3146-1810 재료연구과장 : 박영복☎1840 담당 : 양혜란 ☎1842 ○ 활성탄지에서 정수지 체류시간을 고려하여 정수지 담수 채수 정수센터 채수시료 차수 광암 뚝도 암사 1차 2차 3차 1차 2차 3차 1차 2차 3차 원수(착수정) 1 1 1 1 2 2 1 1 1 활성탄지 유출수 1 1 1 1 1 1 1 1 1 정수지 담수 8 7 7 1 1 1 4 2 3 계(54점) 10 9 9 3 4 4 6 4 5 Ⅲ 조사결과 및 종합의견 ？？ 분석결과 ○ 평균 pH 및 공정수별 중성화 백태성분(칼슘) 농도 변화 - 활성탄수와 정수의 백태 주요성분인 칼슘농도 변화 차이에 의해 정수지 내부 콘크리트 중성화에 의한 칼슘용출 추정 지점 분류 1차 (‘21.6.21-7.16) 2차 (‘21.8.4-8.9) 3차 (‘21.8.25-8.30) 비교자료 pH 칼슘 (mg/L) pH 칼슘 (mg/L) pH 칼슘 (mg/L) pH 칼슘 (mg/L) 뚝도 원수 7.5 20.6 7.4 26.8 7.6 20.0 7.9 19.8 활성탄수 7.0 20.2 7.2 26.3 7.5 20.0 - - 정수 7.0 20.4 7.1 26.5 7.4 19.9 7.1 20.2 암사 원수 7.6 20.8 7.4 26.1 7.7 19.1 8.0 19.4 활성탄수 7.1 20.9 7.2 26.1 7.3 18.9 - - 정수 7.1 20.9 7.1 26.5 7.3 19.2 7.1 20.0 광암 원수 7.7 22.8 7.4 28.7 7.4 19.1 7.8 19.2 활성탄수 7.4 23.2 7.3 28.9 7.3 18.8 - - 정수 7.0 23.5 7.2 27.5 7.4 19.4 7.1 20.1 ※ 농도 증가 증감 없음(정량한계(0.1mg/kg)이하 증감포함) 농도 감소 먹는물분석과 최근 3년간(‘18.6～’21.12) 원수·정수 수질분석자료 공정별 시료: (본조사) 착수정원수(염소처리), 정수지별 담수 (비교 자료) 취수원수, 통합정수 - 3차례 조사 중 광암 정수지 2차 조사에서 평균 1.4(mg/L) 감소한 것을 제외하고는 대부분 증가하는 경향을 보여 뚝도 정수지 0.2(mg/L), 암사 정수지 0.3～0.4(mg/L), 광암 정수지 0.3～0.6(mg/L)의 증가량을 나타냄 - 최근 3년간 원수·정수 수질분석 결과와 비교했을 때 조사시기별로 증감이 일정하지는 않았으나 원수보다 정수에서 전체 조사 기간 동안 0.4~0.9(mg/L)의 농도변화를 보였음(※참고자료) - pH는 취수원수에 비해 본 조사의 착수정 원수가 낮게 나타나 염소처리에 의한 영향으로 판단됨. ？？ 결과해석 및 검토의견 ○ 중성화 및 콘크리트 백태 주요성분 - 콘크리트 구조체에 균열이 있는 경우 균열 틈새로 주변의 물이 흘러들어가거나, 새어 나오면 콘크리트 구조체 내부를 통과하는 과정에서 주변의 시멘트 수화물 중 수산화칼슘을 녹여 함께 흘러나오게 됨. - 흘러나온 수산화칼슘이 이산화탄소와 반응하여 흰색의 고체상 물질인 탄산칼슘으로 변하여 균열 주변에 하얗게 퇴적되는 것을 백태현상이라고 함. - 콘크리트 구조체 균열 등 열화과정에서 생성되는 수산화칼슘은 물에 용해되지만 담수된 물의 양이 많은 경우 뚜렷한 수질영향은 확인되기 어려움. 또한 백태의 주요성분인 탄산칼슘은 물에 용해되기 어려워 수질영향이 매우 적을 것으로 판단됨. - 다만, 정수지 또는 배수지 등 물에 직접 접촉하는 콘크리트 구조체 표면에서는 수산화칼슘이 계속 용출되기 때문에 콘크리트 표면에서는 열화(성능저하)가 계속 진행되고 있어 지속적인 추적관찰이 필요함. - 수산화칼슘과 탄산칼슘은 경구 섭취 시 위해성이 매우 낮지만, 콘크리트 구조물에서 칼슘용출이 진행되고 있다는 점은 시설물안전 측면에서 위해요소가 될 수 있음. ○ 기상부 및 액상부 백태발생 - 기상부에서 중성화가 발생할 경우 균열 주변에 하얀 백태성분이 석출되지만, 수중에서 발생할 경우에는 균열 틈새로 흘러나온 수산화칼슘이 물에 녹아버리기 때문에 담수되어 있는 상태에서는 백태확인이 어려움. - 또한 용출된 수산화칼슘이 탄산칼슘으로 되기 위해서는 표면에 부착된 상태에서 일정한 반응시간이 필요하지만, 수조 내의 물이 정치된 상태가 아닌 흐르는 상태에서는 탄산칼슘이 고형화, 고착화 되지 못하기 때문에 백태생성이 어려움. - 따라서, 수 구조물에 대한 체계적인 관리를 위해서 향후 기상부 및 액상부에서 발생하는 백태발생 및 열화에 대한 추가적인 연구가 요구됨. ○ 정수처리 과정에서 수처리제로 투입되는 염소, PAC(polyaluminum chloride)등은 매우 강한 산성 물질로 콘크리트 중성화를 일으키며, 특히 정수 중에 존재하는 염소이온(Cl-), 차아염소산이온(OCl-) 등은 수조용 콘트리트 구조물 열화를 촉진하는 요소로 작용하여 콘크리트 구조물의 침식을 가속화 할 수 있음. - 염소가스 농도 1～5(ppm)에서 콘크리트 수조물의 매우 심한 침식 발생가능 (출처) 콘크리트 수조구조물의 방수방식 동시확보를 위한 표면보호 설계강화의 필요성(2012) ○ 탄산칼슘포화에 의해 산출되는 부식성지수(랑게리아지수; LI, Langelier saturation Index)는 정수의 경우 ？1.53～ ？1.69(‘21.2분기)로 나타났음. - 탄산칼슘 포화도를 나타내는 지수로 LI가 0 미만이면 탄산칼슘이 불포화되어 상수도관 등 구조물의 부식성이 증가하는 것으로 봄. 뚝도1) 암사1) 광암1) 동경 K 정수장2) 동경 A 정수장2) 부식성지수(LI) -1.69 -1.58 -1.53 -1.1 -0.9 - 부식성 지수 비교 1) 분기별 수질감시항목 분석결과 (신물질분석과, ‘21. 2분기) 2) 동경도 수도국 ‘21.3월말 자료 ？？ 결론 ○ 백태의 주성분인 탄산칼슘은 용해도가 낮고, 수산화칼슘 용출에 비해 담수량이 매우 커 정수지 콘크리트 백태 발생에 의한 수질영향은 매우 적은 것으로 나타남. ○ 다만, 정수공정에서 투입되는 화학물질들에 의해 콘크리트 구조물의 중성화 및 열화가 가속화될 수 있고, 이러한 환경에 의해 상수도관의 부식속도 증가 등을 가져올 수 있음. ○ 콘크리트 중성화는 구조물 내력감소, 콘크리트 균열, 박리, 재료분리 등을 일으키기 때문에 정수지 구조물 안전과 수질오염을 최소화하기 위해 향후 콘크리트 구조물의 칼슘분포 및 시멘트수화물 분석, 결정구조 분석 등 열화진행을 추정할 수 있는 체계적인 상세분석연구가 필요함. 별첨 : 참고자료 1~ 참고자료 4 참고자료 1 중성화의 정의 및 발생과정 ○ 콘크리트 중성화의 정의 - 콘크리트의 탄산화, 염화물 이온의 침투, 황산염 침식, 화재 등에 의해 콘크리트 초기 강알칼리성이 pH 10 이하로 저하되는 현상 상수도 콘트리트 구조물 유지관리 지침. 서울시상수도사업본부(2020). p.Ⅰ-6 - 시멘트가 수화되면서 생성되는 수산화칼슘은 공기 중에 포함되어 있는 약산성의 탄산가스와 접촉하여 탄산칼슘과 물로 변화하고 탄산칼슘으로 변화한 부분의 pH가 8.5～10 정도로 낮아지는 것을 중성화라고 함 콘크리트 피복과 중성화. 정재동. 콘크리트학회지 제11권 4호(1999) ○ 상수도 시설물 콘크리트 중성화 및 열화 발생과정 - 시멘트 성분 중의 산화칼슘 CaO 이 물과 반응하여 수산화칼슘 Ca(OH)2 생성 ① - 수산화칼슘은 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘 CaCO3 으로 되면서 콘크리트자체의 pH는 점점 감소하고 불용성의 탄산칼슘이 석출되어 나옴 ② - 콘크리트 내부의 pH가 11이상에서는 철근 부식이 일어나기 어렵지만 pH가 11보다 낮아지면 철근에 녹이 발생하고 녹에 의해 철근은 약 2.5배까지 체적이 팽창함 - 콘크리트 철근의 팽창에 의해 콘크리트 내부 균열을 일으켜 철근 부착강도의 저하, 콘크리트 박리 등의 물리적 열화가 진행되면서 재료분리 발생 - 상수도 시설물의 경우 정수과정에서 사용되는 염소 또는 차아염소산나트륨 등 염소성분 물질에 의해 콘크리트 부식과 균열 및 중성화가 촉진될 수 있음 콘크리트 수조구조물의 방수방식 성능 동시 확보를 위한 표면 보호 설계강화의 필요성(2012) ③ ① 2(CaO)3SiO2 + 4H2O → (CaO)3(SiO2)2(H2O)3 + Ca(OH)2 ② Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 (불용성)+ H2O ⇒ 탄산칼슘 생성부위의 pH감소, 중성화 진행, 탄산칼슘은 물에 용해성이 낮아 콘크리트 벽면에 백태를 발생 ③ 3CaO·Al2O3 + 2Cl- + Ca(OH)2 → 3CaO·Al2O3·CaCl2 + 2OH- ⇒ 염화칼슘의 형태로 수중에 용해되어 나오면서 콘크리트 내의 칼슘이 소실 참고자료 2 콘크리트 구조물 열화 및 재료분리 조사 사례 : 뚝도정수센터 2정수지 ○ 시설물 정보 - 건축연도는 1992년이며, 미방식 정수지임 정수지 벽면 부식으로 내부 재료 분리 정수지 벽면 백태발생 시멘트 몰탈소실 및 콘크리트벽면 노출 - ‘20년 정밀안전진단 결과, 철근노출, 콘크리트 파손 및 재료분리 등의 구조물 손상이 다수 확인됨 정수지 내부 콘크리트 구조물 탈락물질 탈리된 잔골재 및 시멘트 조각 (5배 확대사진) 콘크리트 열화에 따라 재료분리 된 골재조각 ○ 콘크리트 열화 및 재료분리 조사 결과 - 크기 5cm, 무게 27.8g 큰 자갈을 포함하여 콘크리트 골재, 잔 자갈, 모래, 시멘트 조각 등 내부 침식에 의해 분리된 골재가 발견되어 콘크리트 열화가 진행됨을 확인함 참고자료 3 콘크리트 구조물 중성화 및 열화연구 해외사례 :90여 년이 경과한 배수지의 콘크리트 표면열화의 평가 ○ 조사대상 - 일본 고베시 배수지(준공년도:1917년) - 내부 방식: (벽면/바닥) 방수몰탈, (상부) 무방식 <그림 1. 배수지 내부 기상부와 액상부의 콘크리트 열화> ○ 조사목적 : 배수지 콘크리트 열화 규명을 통한 건전성 평가 ○ 조사방법 - 배수지 콘크리트 기상부(？相部)와 액상부(液相部) 콘크리트 코아 채취 - 시험체(콘크리트 코아, 몰탈) 성분분석 - 분석장비 및 분석내용 ？ EPMA : 칼슘농도분포 분석 ？ SEM : 콘크리트 수화물의 형상분석 ？ XRD : 염화칼슘, 수산화칼슘 등 콘크리트 중성화 생성물질 확인 ？ XRF : 칼슘, 철, 망간 등 구조물에 포함된 무기성분 확인 ？TG-DTA : 탄산칼슘 함유량, 탈탄산가스 중량 감소율 측정 ○ 조사결과 1) 칼슘분포는 기상부와 액상부 모두 표면으로부터 15mm 정도까지 산화칼슘(CaO), 삼산화황(SO3), 이산화규소(SiO2) 저농도 영역이 확인되어 칼슘 용출에 의한 수화시멘트 성분의 감소 또는 탄산화 진행 추정 2) SEM 형상분석 결과 기상부는 시멘트의 칼슘수화물인 ettringite가, 액상부는 시멘트의 칼슘알루미늄황화수화물인과 칼슘규소수화물인 CSH(calcium silica hydrate)가 여러 곳에서 확인 참고자료 3 콘크리트 구조물 중성화 및 열화연구 해외사례 :90여 년이 경과한 배수지의 콘크리트 표면열화의 평가 3) 액상부 벽표면의 취약부 사리화부분에서 산화칼슘(CaO)이 90% 감소, 시멘트 성분이 미량 확인되었으며 건전부에 비해 취약부에서 칼슘용출 등 시멘트성분의 소실이 일어나고 있음을 확인 ○ 결론 - 콘크리트 열화의 주요 원인으로 기상부에서는 중성화(탄산화), 액상부에서는 칼슘용출과 중성화(탄산화)로 확인됨 - 콘크리트 강도저하 깊이는 중성화 깊이의 약 2.5배로, 중성화 깊이로부터 콘크리트 강도저하 깊이 추정이 가능 ※ 참고문헌 : 90 余年？過した配水池におけるコンクリ？ト表\面劣化の評？, (일본콘크리트공학 연차논문집, 2011) 참고자료 4 원수 및 정수 수질분석 비교자료 정수센터 공정별 pH 무기원소 칼슘 (mg/L) 마그네슘 (mg/L) 알루미늄 (mg/L) 철 (mg/L) 뚝도 취수원수(자양) 7.85 19.8 3.80 0.46 0.37 통합정수 7.06 20.2 3.79 불검출-0.03 불검출 암사　 취수원수 8.01 19.4 3.82 0.51 0.38 통합정수 7.06 20.0 3.83 불검출-0.05 불검출 광암 취수원수 7.82 19.2 3.78 0.43 0.31 통합정수 7.10 20.1 3.75 불검출-0.07 불검출-0.06 ○ 정수센터별 취수원수 및 정수 수질분석자료 먹는물분석과 최근 3년간(‘18.6～’21.12) 분석자료 ○ 정수센터별 분기별 칼슘농도 조사결과

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재료연구과-9705

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