콘크리트 포렌식 이야기 Concrete forensics
The case of the flaking floor and other tales of concrete forensics
Materials science detectives find the culprits when things go wrong with the hard-as-rock construction material
Freshly poured concrete takes shape as workers smooth the material and texture its surface.
Sherlock Holmes, Miss Marple, and other fictional detectives used their keen powers of observation to solve murders, bank robberies, and other puzzling crimes. If these literary detectives had been materials scientists, they might have turned their sleuthing skills toward concrete forensics.
https://cen.acs.org/materials/inorganic-chemistry/case-flaking-floor-tales-concrete/99/i17
재료과학 수사관들은 돌처럼 단단한 건축 자재에 이상이 생겼을 때 범인을 찾는다.
새로 부은 콘크리트는 작업자들이 재료를 매끄럽게 하고 표면을 질감 있게 만들면서 모양을 잡는다.
셜록 홈즈, 미스 마플, 그리고 다른 가상의 탐정들은 살인, 은행 강도, 그리고 다른 곤혹스러운 범죄를 해결하기 위해 예리한 관찰력을 사용했다. 만약 이 문학 탐정들이 재료 과학자들이었다면, 그들은 그들의 특유의 탐지기술을 구체적인 과학수사로 돌렸을지도 모른다.
콘크리트는 어디에나 있다. 바위처럼 단단한 건축 자재는 세계가 다리, 건물, 도로, 하수 시스템 등을 건설하는 물질이다. 우리는 다른 어떤 재료보다 더 많이 사용합니다. 매년 전 세계에 300억 톤의 콘크리트가 사용된다. 하지만 우리가 콘크리트에 대한 모든 경험을 가지고 있음에도 불구하고, 상황은 잘못될 수 있다.
때때로 콘크리트는 예기치 않게 갈라지거나, 부서지거나, 박리된다. 또한 변색, 부식 및 약해져서 시간 테스트를 견디지 못하고 설계된 구조를 지탱할 수 없는 강도를 제공할 수 있다. 그 손상은 보기 흉할 수 있고, 값비싼 건물을 피해갈 수도 있고, 안전상의 위협을 줄 수도 있고, 시설 폐쇄와 값비싼 수리로 이어질 수도 있다.
그 문제의 근원은 종종 정확히 밝히기 어렵다. 바로 여기가 콘크리트 탐정들이 활동하기 시작하는 곳이다. 엔지니어링 및 컨설팅 회사의 과학자들은 건물주, 시설 관리자 또는 구조 엔지니어가 콘크리트에 대한 문제를 발견하고 어떻게 수정해야 하는지, 때로는 누구를 탓해야 하는지 알고 싶을 때 호출된다.
지질학, 공학, 화학, 재료과학의 배경을 가진 시멘트 및 건축자재 전문가들은 현미경, 분광학, 기타 도구를 사용하여 콘크리트 난맥을 해결하고 손상 메커니즘을 해독한다. 법의학 유형 분석은 콘크리트 혼합에서 문제를 일으키는 요소, 시공자 오류, 환경 오염물 및 콘크리트의 외관 및 구조적 무결성에 악영향을 미치는 기타 요소를 식별한다. 그들의 발견은 문제를 완화하고, 미래에 그것을 피하기 위해 그리고 때때로 법적 그리고 재정적으로 책임이 있는 당사자를 식별하는 데 사용될 수 있다.
바닥이 흔들리는 경우
콘크리트 손상은 주로 물리적 요인에서 오는 경우도 있다. 오하이오주 티핀의 한 의료공급창고 사례도 있는데, 포크트럭 통행을 지원하기 위해 설계한 콘크리트 바닥이 설치 몇 달 만에 심한 균열을 겪었다. 도대체 뭐가 잘못됐지?
리처드 L에 의하면. 오하이오 주 데이튼에 있는 엔지니어링 컨설팅 및 자재 테스트 회사인 Bowser-Morner의 사장인 Allen은 관리자 오류의 경우였다. 손상된 바닥에서 시추된 콘크리트 코어 등 대형 시료의 현미경 분석을 포함한 그의 연구팀의 조사에 따르면 시공사는 작업자들이 바닥 슬래브를 설치할 때 콘크리트에 물을 너무 많이 넣기만 했다.
과도한 물이 콘크리트의 성능에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 이해하기 위해, 그 물질이 어떻게 만들어지는지를 고려하라. 콘크리트 공급업체는 시멘트 가루(포틀랜드 시멘트라고 알려진 가장 일반적인 유형)를 모래와 자갈(골재라고도 함)과 혼합하여 건설 자재를 만든다. 그들은 시멘트가루를 콘크리트와 결합하고 궁극적으로 단단하게 굳어져서 단단하고 바위 같은 고체를 형성하도록 하는 복잡한 일련의 화학 반응을 일으키기 시작한다.
몇 가지 반응으로 콘크리트가 굳어지며 강도가 높아진다. 이런 반응에는 삼질 규산염의 시멘트의 수화작용 등이 있다. 이것은 칼슘과 수산화물이온을 방출하고 규산염 수산화칼슘을 형성하는 발열 과정이다. 규산디칼슘과 유사한 반응은 콘크리트를 강화시킨다.
Tiffin 현장에서 시공사 앨런은 시멘트 수화에 필요한 물보다 더 많이 첨가했다. 추가 물은 혼합액을 유지하고 작업하기 쉽도록 하기 위한 것으로, 콘크리트 피니셔(혼합물을 매끄럽게 하고 최종 질감을 창고 바닥에 적용하는 작업자)가 콘크리트가 너무 딱딱해지기 전에 작업을 완료할 수 있도록 하였다.
하지만 시공자가 너무 많이 물을 첨가했다. 알렌의 설명대로, 이 곳의 콘크리트는 일부러 거친 골재와 큰 자갈의 석회석(탄산칼슘)과 돌로미이트(탄산칼슘 마그네슘)로 준비되어 있었다. 이것은 특이한 선택이 아니다. 알렌은 콘크리트가 굳어지면 수축하는 것을로 잘 알고 있었다고 말했다. 수축은 골재가 아닌 시멘트 페이스트에서 발생한다. 그래서 Tiffin 도급업체는 콘크리트 혼합물의 시멘트 양을 약간 줄이고 부피를 거친 암석으로 채움으로써 수축률을 줄이려고 했다.
유동성을 위해(작업 편의성) 물을 추가하면 소성수축과 블리딩이 더 많이 발생한다. ScienceDirect.com
그 전략은 종종 효과가 있지만, 이번에는 그렇지 않다. 콘크리트 코어의 현미경 분석을 통해 이 특정 혼합물에 물을 너무 많이 첨가한 결과가 밝혀졌다. 과도한 물은 콘크리트를 지나치게 유동적으로 만들었고 거친 물질들이 가라앉게 하여 콘크리트 슬라브의 윗층에 거의 순수한 시멘트 페이스트를 남겼다.
그 결과, 수축으로 인해 부피 변화가 일어났으며 주로 슬래브 상단의 순수 시멘트 부분에 국한되었다. 이 수축은 바닥의 층을 강조했기 때문에, 그 건물이 개관이후 지게차가 그 위를 타는 압력으로 인해 바닥이 갈라졌다. 바닥을 보수하기 위해 작업자들은 손상된 층을 갈아서 내구성이 좋은 에폭시 재료로 교체했다.
오하이오 주 풀턴 카운티의 한 농장에 새로 지은 유지관리 건물의 바닥이 소실되기 시작하면서 시공사의 실수 또한 원인이었다. 앨런에 따르면, 건물이 세워진 직후, 콘크리트 바닥의 밀리미터 두께의 부분들이 균열이 확산되기 시작했다고 한다. 창고 사건처럼 제대로 첨가되지 않은 물이 대실패의 핵심 역할을 했지만, 팀 조사 결과 드러났듯이 Tiffin 현장과는 그 경위와 피해 메커니즘이 달랐다.
그 건물은 기온이 떨어지면서 늦가을에 지어졌다. 온도가 낮으면 콘크리트 반응 운동학이 느려지고, 시공사는 인건비를 줄이기 위해 공정 속도를 높이기를 원했다. 그렇게 하기 위해, 그는 가볍게 공기를 주입한 콘크리트 혼합물을 주문했다.
공기 주입 콘크리트는 추운 기후에서 바깥에서 사용하도록 설계되었으며 일반적으로 포밍제를 포함한다. 이 화합물은 균열을 유발하는 내부 압력으로부터 보호하기 위해 완충장치와 같은 기능을 하는 미세한 기포의 네트워크를 형성한다. 압력은 동결-토우 사이클을 거치면서 팽창하고 수축하는 세트 콘크리트의 잔류수에서 발생한다. 스위스 치즈와 같은 구조는 큰 온도 변화에 따른 부피 변화를 수용할 수 있다. 공기 주입 콘크리트는 일반적으로 부피 기준으로 4-7%의 공기 공백을 포함한다.
콘크리트 혼합물의 수화 반응이 진행됨에 따라, 건설 산업에서 블리딩 워터라고 불리는 열, 공기 및 물을 방출하는 설정 콘크리트가 사용됩니다. 앨런은 공기 주입 콘크리트가 공기 주입되지 않은 유형보다 더 적은 양의 블리딩 물을 발생시킨다고 설명합니다.
작업을 완료하기 위해 콘크리트 피니셔는 작업자의 체중을 견딜 수 있을 만큼 재료가 굳고 굳을 때까지 기다려야 하지만 작업 가능하기에 적절한 유동성을 유지해야 한다. 농장 건물에서 일하는 건설업자는 추운 날씨 때문에 그의 팀은 공기 주입되지 않은 콘크리트로 만들어진 바닥이 물을 배출할 때까지 많은 시간을 기다려야 한다는 것을 알고 있었다. 그리고 그 물이 충분히 증발하여 마감재가 일을 할 수 있을 만큼 충분히 단단해질 수 있도록 양생해야 한다는 것을 알고 있었다.
앨런은 "건설업자는 하루 종일 대기하는 작업자들에게 비용을 지불하고 싶지 않았기 때문에 공기연행율이 상당히 낮은 콘크리트를 주문했는데, 아마도 3%일 것이다"고 말했다. 이 맞춤형 공기 주입 혼합물이 합리적인 시간 내에 설정된다는 것을 알고 시공자는 물을 첨가하여 콘크리트 액체를 유지하고 모양과 곰팡이가 생기기 쉽도록 하였다.
그건 계획 상의 실수였다. 이 여분의 물을 더하면 콘크리트 안의 거품이 일면서 많은 작은 거품을 발생시키면서 휘저어쩌면 거품이 일게 된다. 밀도가 낮기 때문에 공기 중에 떠 있는 콘크리트가 수면 위로 떠올랐다. 바로 블리딩 현상이었다.
콘크리트 피니셔가 콘크리트 바닥을 굴러가자 기포가 없어지면서 층이 약간 압축되고 밀도가 높아졌다. 그 층은 표면 바로 아래에 있는 덜 밀도가 높고 공기가 침투된 층 위에 굳어졌고, 이것은 층들 사이의 접착 불량으로 이어졌고 결국 콘크리트가 부서지고 박리되었다.
황기철 콘페이퍼 에디터
Ki Chul Hwang Conpaper editor
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