This study presents a chemical degradation behavior of fly ash blended concrete in a vault-type radioactive waste repository by “pure” thermodynamic modeling as well as a reactive transport model that coupled a pure thermodynamic model with water and solute transport simulation. Since rainwater plays a predominant role as leachate for the concrete vault in the repository, the effect of chemical properties of seasonal rainwater on the chemical degradation of concrete was analyzed. In addition, the impact of blending fly ash on the chemical degradation was assessed through a gradual replacement of ordinary Portland cement (OPC) by fly ash. The pure thermodynamic modeling results revealed that autumn rainwater shows the greatest influence on the concrete degradation owing to the presence of inorganic carbon species, which induce the carbonation. The resistance of concrete to chemical degradation by rainwater was persistently reduced with increasing replacement level. In a qualitative manner, the reactive transport simulations showed comparable results with respect to pure thermodynamic modeling. For example, the types of cementitious minerals formed and the correlation between them have rarely changed. Quantitatively, however, the two models showed different trends. The pure thermodynamic modeling indicated that winter rainwater is more aggressive towards concrete degradation compared to spring rainwater, but the opposite tendency was observed with reactive transport modeling. Compared to winter rainwater, the concrete was very vulnerable to spring rainwater. A decrease in the porosity of concrete due to the increased formation of calcite during degradation by winter rainwater appeared to be the main reason for the observed phenomenon. In addition, reactive transport modeling indicated that the chemical condition of concrete pore water, due to the dissolution of concrete, maintains a high pH and lasted for tens of thousands of years.
본 연구에서는 순수 열역학 모델과 반응이동 모델을 활용하여 방사성폐기물 표층처분시설 내 비산회 혼합 콘크리트 처분고의 화학 열화 거동을 분석하였다. 순수 열역학 계산은 PHREEQC 코드와 CEMDATA18 데이터베이스를 활용하여 수행되었으며, 반응이동 모델은 순수 열역학 모델과 물, 용질 수송 시뮬레이션을 결합하여 개발되었다. 콘크리트 처분고의 화학적 열화를 야기하는 주요 원인이 될 것으로 판단되는 강수의 계절적 특성을 반영하여 시뮬레이션이 수행되었다. 모델링 결과 콘크리트의 화학적 열화는 가을 강수에 가장 취약한 것으로 나타났으며, 이는 탄화반응을 야기하는 가을 강수 내 무기탄소 화학종의 함량에 기인한 것으로 분석된다. 화학 열화에 대한 콘크리트 내구성은 비산회 함량이 증가함에 따라 점진적으로 감소했다. 정성적인 측면에서는 순수 열역학 모델링과 반응이동 모델링이 유사한 양상을 나타냈으나 정량적인 측면에서는 차이를 보였다. 특히 순수 열역학 모델링 결과와는 반대로 봄 강수에 의한 콘크리트의 열화가 가을 강수에 의한 열화보다 더 빠르게 진행되는 것으로 나타났다. 한편, 콘크리트의 열화에 따라 공극수는 매우 높은 pH 환경을 유지할 것으로 예상되며 이와 같은 화학적 조건은 최소 십수만년 이상 동안 지속될 것으로 예측된다.
