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문제 정의
- 이러한 이유에서 필자는 합금원소의 함유량을 감소시킴으로써 보통 강재와 동일공정으로 제조 가능하며 또한 Cr함유율에 상응하는 방식 성을 보유한 스텐레스철근(이하 Cr강방식철근)의 개발을 목적으로 이미 기발표된 논문(이하 기보)(12)에서 염화물이 함유된 콘크리트 내의 Cr 강방식철근의 방식 성에 대하여 검토하였다.
- 내의 Cr 강방식철근의 방식 성에 대하여 검토하였다.
- 본 논문은, 다양한 부식 환경에 상응하는 방식 성을 갖는 Cr강방식철근 개발의 필수 불가결한 연구의 일환으로 중성화와 염해의 복합 열화 환경하의 콘크리트 내에서의 Cr강방식철근의 방식 성에 대하여 검토하였다.
- 철근콘크리트 구조물이 위치한 부식 환경에 요구되어지는 방식성을 갖는 Cr강방식철근의 개발을 목적으로 중성화와 염해의 복합 열화 환경 하의 콘크리트 내에서의 Cr 강방식철근의 방식 성에 대하여 검토하였다.
제안 방법
- 조기 열화는 보수. 보강에 의한 유지 관리비의 증가와 구조물의 리모델링. 해체에 의한 건축폐기물의 발생 등 지구 환경 및 지역 환경에 미치는 영향이 매우 크다.
- Cr 함유율이 다른 10종류의 철근을 각각 염화물 이온함유량 0.3, 0.6, 1.2, 2.4kg/m3의 콘크리트에 매입 후 Fig. 1과 같은 형태의 공시 체를 제작하였다. 1개의 공시 체에는 2종류의 철근을 좌우로 나누어 동종의 철근을 상하 1개씩 2개를 설치하였으며 재령 14일까지 밀폐 양생을 실시한 후 탈형 하여 항온항습실 (20±3'C, 50±5%)에서 1개월간 기중 양생을 실시하였다.
- 1과 같은 형태의 공시 체를 제작하였다. 1개의 공시 체에는 2종류의 철근을 좌우로 나누어 동종의 철근을 상하 1개씩 2개를 설치하였으며 재령 14일까지 밀폐 양생을 실시한 후 탈형 하여 항온항습실 (20±3'C, 50±5%)에서 1개월간 기중 양생을 실시하였다. 그 후 철근의 내측면의 위치까지 중성화가 도달하도록 촉진중성화 시험(온도 40C, 상대습도 60%, CO2농도 5%) 을 실시한 후 고온 고습 상태(온도 60C, 상대습도 95%)1일, 저온저습상태(온도 30C, 상대습도 50%) 1일을 1사이클로 하는 부식 촉진 양생을 실시하였다.
- 1개의 공시 체에는 2종류의 철근을 좌우로 나누어 동종의 철근을 상하 1개씩 2개를 설치하였으며 재령 14일까지 밀폐 양생을 실시한 후 탈형 하여 항온항습실 (20±3'C, 50±5%)에서 1개월간 기중 양생을 실시하였다. 그 후 철근의 내측면의 위치까지 중성화가 도달하도록 촉진중성화 시험(온도 40C, 상대습도 60%, CO2농도 5%) 을 실시한 후 고온 고습 상태(온도 60C, 상대습도 95%)1일, 저온저습상태(온도 30C, 상대습도 50%) 1일을 1사이클로 하는 부식 촉진 양생을 실시하였다. 또한 부식 촉진 양생 15, 45, 160 사이클 시점에서 강재의 자연 전위, 부식면적률, 부식감량률을 측정하여。강방식철근의 방식성에 대하여 검토하였다.
- 촉진 중성화 시험은 온도 40℃, 상대습도 60%, CO2농도 5%의 조건으로 콘크리트 내에 매입된 철근의 내측 부분에 중성화가 도달한 시점에서 시험을 종료하였다. 중성화 깊이는 중성화 깊이 측정용 공시 체를 절단, 시료의 안쪽 면에 페놀프타레인 1% 알코올용액을 분무하여 변색하지 않은 부분을 중성화 영역으로 판단하였다.
- 중성화 깊이는 중성화 깊이 측정용 공시 체를 절단, 시료의 안쪽 면에 페놀프타레인 1% 알코올용액을 분무하여 변색하지 않은 부분을 중성화 영역으로 판단하였다.
- 부식 촉진 양생 15, 45, 160 사이클 시점에서 철근의 자연 전위를 측정하였다. 기준전극으로는 포화황산동전극(CSE)을 사용하였다.
- 부식 촉진 양생 15, 45, 160 사이클 시점에서 공시 체를 할렬 파괴하여 철근을 빼낸 후 부식면적률을 측정하였다. 부식면적률은 철근에 생긴 부식의 형상을 투명시트를 이용하여 복사한 후 자동 면적 측정용 소프트웨 어 를 이용하여 부식 면적률을 산정하였다.
- 부식면적률은 철근에 생긴 부식의 형상을 투명시트를 이용하여 복사한 후 자동 면적 측정용 소프트웨 어 를 이용하여 부식 면적률을 산정하였다.
대상 데이터
- 3kg/m3의 경우는 부식 촉진 양생 15 사이클의 초기 재령에서 부식의 발생이 미비할 것으로 판단되어 부식 면적률과 부식감량률을 측정하지 않았다. 철근은 JIS G 3112 (철근 콘크리트용 봉강)의 SD345 규격품과。함유율을 0%~16%의 범위에서 조정한 8종류의 Cr강방식철근, SUS304의 스텐레스철근을 합하여 총 10종류의 철근이 사용되었다. 철근은 직경 13mm의 구형 철근으로 산화피막을 제거하여 사용하였으며 콘크리트 내의 염화물 이온 함유량은 NaCl를 이용하여 조정하였다.
- 철근은 JIS G 3112 (철근 콘크리트용 봉강)의 SD345 규격품과。함유율을 0%~16%의 범위에서 조정한 8종류의 Cr강방식철근, SUS304의 스텐레스철근을 합하여 총 10종류의 철근이 사용되었다. 철근은 직경 13mm의 구형 철근으로 산화피막을 제거하여 사용하였으며 콘크리트 내의 염화물 이온 함유량은 NaCl를 이용하여 조정하였다. Table 1은 실험 요인과 수준을 나타낸다.
- 전위를 측정하였다. 기준전극으로는 포화황산동전극(CSE)을 사용하였다. 또한 공시 체는 측정 전일 수중에 3시간 침적시킨 후 공 시체가 건조하지 않도록 젖은 헝겊으로 덮어 공 시체의 함수 상태를 조절하였다.
이론/모형
- 부식 감량률은 「일본 콘크리트 공학 협회의 콘크리트 구조물의 부식 방식에 관한 실험 방법 및 기준(안) 콘크리트중의 강재의 부식 평가 방법」⑸에 근거하여 산출하였다. 철근 중 SD345, 0Cr강재, 5Cr강재는 구연산 암모니움 10% 수용액, 。함유율 5%를 초과하는 강재의 경우는 질산 15% 수용액에 침적시켜 부식생성물을 제거하였다.
- 그러나 이러한 평가 기준을 규정하기 위해서는 광범위한 연구 결과에 근거한 신중한 판단이 요구되기 때문에 본 논문의 연구 결과만으로 중성화와 염해의 복합 열화 환경 하의 Cr강방식철근에 적용 가능한 새로운 부식 판단 기준을 제안하는 것은 다소 무리이며 보다 많은 연구가 진행된 이후 연구 결과의 세심한 분석을 통한 제안이 필요하다고 생각한다. 따라서 본 논문에서는 ASTM C 876-80의 평가 기준을 단지 각 강재의 자연전위을 상대적으로 비교하는 기준치로서 이용하였다.
성능/효과
- 2 에 의하면, 중성화 속도는 염화물 이온 함유량의 많고 적음에 관계없이 거의 동일하였다. 따라서 본 실험 결과에 의하면, 콘크리트 내부의 염화물 이온 함유량은 이산화탄소의 침투 속도에 그다지 큰 영향을 미치지 않는 것으로 생각된다. 현재, 콘크리트 내부의 염화물이온이 중성화 진행에 미치는 영향의 진의 여부는 아직 명확히 밝혀지지 않은 상태이며 차후 보다 많은 연구가 요구되어지고 있다.
- 4에 의하면 자연 전위는 전 염화물 이온 함유량에서 Cr함유율이 클수록 높은 전위가 측정되었다. 한편 염화물 이온 함유량 0.3, 0.6kg/m3s] 경우 각각 Cr 함유율 11%와 13% 이하의 Cr강방식철근에서 -0.35V보다 낮은 전위가 측정되었으며 , 염화물 이온 함유량 1.2, 2.4kg/m3에서는 SUS304 를 제외한 전 강재에서 -0.35V보다 낮은 전위가 측정되었다. 그러나 본 논문의 부식면적률과 부식 감량률의 결과에 의하면 Cr 함유율 9%이상의 Cr강방식철근은 -0.
- 35V보다 낮은 전위가 측정되었다. 그러나 본 논문의 부식면적률과 부식 감량률의 결과에 의하면 Cr 함유율 9%이상의 Cr강방식철근은 -0.35V보다 낮은 전위가 측정되었음에도 불구하고 부식은 거의 발생하지 않았다. 이것은 ASTM C 876-80 의 부식 판단 기준이 염해 환경 하의 보통강재를 사용한 철근콘크리트 구조물에 적용 가능한 부식 판단 기준으로 모든 부식 환경 하의 구조물에 적용 가능한 것은 아니며⑺, 또한 (、강재와 같은 방식 철근은 같은 부식 환경하의 탄소강과는 상이한 아노드 분극 곡선⑻을나타내기 때문에 Cr강방식철근의 부식 발생 여부를 판단하기 위해서는 새로운 평가 기준이 필요하다고 생각된다.
- 5에 의하면, 철근의 부식면적률은 염화물 이온 함유량에 관계없이 Cr 함유율이 높은 철근일수록 작은 경향을 나타냈다. 또한 Cr이 함유되지 않은 SD345, OCr강재는 탄소강의 발청 한계 염화물 이온량의 하한치로서 알려져 있는 염화물 이온 함유량 1.2kg/m3 이하에서도 부식 촉진 양생 15사이클의 초기 재령에서 이미 높은 부식 면적률이 측정되었다. 그러나.
- 그러나. Cr함유율 5% 이상의 Cr 강재의 경우 SD345, OCr강재에서 보여진 급격한 부식 면적률의 증가는 나타나지 않았으며, 더욱이 Cr 함유율 7% 이상의 Cr 강재의 부식 면적률은 부식 촉진 양생 160사이클의 시점까지 매우 작은 값에 머물렀다. 또한 염화물 이온 함유량 2.
- Cr함유율 5% 이상의 Cr 강재의 경우 SD345, OCr강재에서 보여진 급격한 부식 면적률의 증가는 나타나지 않았으며, 더욱이 Cr 함유율 7% 이상의 Cr 강재의 부식 면적률은 부식 촉진 양생 160사이클의 시점까지 매우 작은 값에 머물렀다. 또한 염화물 이온 함유량 2.4kg/m3의 경우, 5Cr 강재는 촉진 양생 재령이 증가함에 따라 부식 면적률도 서서히 높아지는 경향을 보였으나, Cr함유율 7% 이상의 6강재에서는 5Cr 강재와 같은 부식 면적률의 증가는 나타나지 않았다.
- 한편, 본 논문의 복합 열화 환경 하의 각종 강재의 부식 면적률은 기보'(2) 의 염해 환경 하의 Cr강재의 부식 면적률과 비교하여 부식 촉진 양생의 초기에서 큰 값을 나타냈다. 그와 같은 현상은 염화물 이온 함유량 1.
- 특히. (、함유율 9% 이상의 Cr 강재에서는 염화물 이온 함유량 2.4 kg/ni3에 대해서도 우수한 방식성을 기대할 수 있는 결과를 얻었다. Fig.
- 7에 의하면, 염화물 이온함유량이 같은 경우 Cr 함유율이 높은 강재일수록 부식 감량률이 감소하는 경향을 나타냈다. 한편 SD345와 OCr강재는 염화물 이온 함유량 1.2kg/m3 이하의 부식촉진 양생 15 사이클의 초기 재령에서 기보(2)의 염해 환경 하의 부식감량률 보다 상대적으로 큰 부식 감량률이 측정되었다. 또한 Cr 함유율 7% 이상의 Cr 강재의 경우 전 염화물 이온 함유량에 대하여 매우 작은 부식 감량률이 측정되었으며 특히, Cr 함유율 9% 이상의 Cr 강재는 전 염화물 이온 함유량에서 거의 부식이 발생하지 않았다.
- 2kg/m3 이하의 부식촉진 양생 15 사이클의 초기 재령에서 기보(2)의 염해 환경 하의 부식감량률 보다 상대적으로 큰 부식 감량률이 측정되었다. 또한 Cr 함유율 7% 이상의 Cr 강재의 경우 전 염화물 이온 함유량에 대하여 매우 작은 부식 감량률이 측정되었으며 특히, Cr 함유율 9% 이상의 Cr 강재는 전 염화물 이온 함유량에서 거의 부식이 발생하지 않았다.
- 이상의 부식 촉진 양생 160사이클까지의 부식 면적률과 부식감량률의 결과에 의하면, 중성화와 염해의 복합 열화 환경하에서도 Cr 함유율이 증가함에 따라 강재의 방식성이 높아짐을 알 수 있다. 또 중성화한 콘크리트 중의 염화물 이온 함유량이 1.
- 방식성이 높아짐을 알 수 있다. 또 중성화한 콘크리트 중의 염화물 이온 함유량이 1.2kg/m3인 경우에는 Cr함유율 7% 이상의 강재에서, 염화물 이온함유량 2.4kg/m3에 대해서는 Cr 함유율 9% 이상의 강재에서 우수한 방식 성이 확인되었다.
- 그와 같은 경향은 Cr이 함유되지 않은 SD345와 OCr강재에서 현저하게 나타났으며 같은 염화물 이온 함유량의 경우 Cr 함유율이 높은 강재일수록 평균 부식속도는 작았다. 또 기보 ((2)의 염해 환경 하의 경우, 염화물 이온 함유량이 L2kg/m3를 초과하는 시점부터 평균부식속도가 급격히 증가하는 경향이 나타난 반면 본 논문의 중성화와 염해의 복합 열화 환경 하의 경우에서는 염화물 이온 함유량이 증가함에도 불구하고 평균부식속도의 급격한 증가는 나타나지 않았다. 그러나 복합 열화 환경하의 SD345와 OCr강재는 같은 염화물 이온 함유량에 대한 기보((2)의 염해 환경 하의 평균 부식속도 보다 현저하게 컸다.
- ⑹ 한편 Cr 함유율 5%의 5Cr강재는 염화물 이온 함유량이 증가함에도 불구하고 평균 부식속도는 거의 증가하지 않았다. 또한 Cr 함유율 7%의 7Cr 강재는 염화물 이온 함유량 2.4kg/m3에서도 매우 작은 평균 부식속도에 머물렀으며 특히, Cr 함유율 9% 이상의 Cr강방식철근의 평균 부식속도는 거의 0에 가까웠다.
- 이상의 평균 부식속도의 결과에 의하면, 염화물 이온함유량이 같은 경우, 중성화과 염해의 복합 열화 환경 하의 보통강재의 부식속도는 염해 단독의 열화 환경 하의 부식속도보다 크다는 것, 이와 같은 경향은 강재의 Cr함유율이 높아질수록 감소되며 Cr 함유율 5%의 5Cr 강재의 경우 양자의 부식속도 차이는 그다지 크지 않았다. 특히, (、함유율 9% 이상의 강재에서는 복합 열하환경과 염해 단독의 열화 환경에서의 부식속도가 거의 0로서 양자의 평균 부식속도 차이는 거의 없었다.
- 특히, (、함유율 9% 이상의 강재에서는 복합 열하환경과 염해 단독의 열화 환경에서의 부식속도가 거의 0로서 양자의 평균 부식속도 차이는 거의 없었다.
- 1) 중성화와 염해의 복합 열화 환경하의 부식속도는 같은 염화물 이온 함유량에 대한 염해 단독의 열화 환경하의 부식속도보다 컸다. 그것은 콘크리트 중에 고정화되어있던 염화물 이온이 중성화의 진행에 의해 유리되어 미중성화 영역에 축적되었기 때문이라고 생각된다.
- 2) 전염화물 이온 함유량에 대하여 Cr함유율이 높은 Cr 강방식철근 일수록 우수한 방식성이 확인되었다. 그러한 현상은 Cr와 02의 반응에 의하여 강재의 표면에 강한 부 동태 피막이 형성되었기 때문이다
- 3) 중 성화와 염해의 복합열화 환경 하에서는 염화물이온 함유량 1.2kg/m3과 2.4kg/m3대하여 각각 Cr 함유율 7% 이상과 9% 이상의 Cr 강 방식철근에서 방식 성이 확인되었다.
후속연구
- (4) 따라서 다양한 열화 현상에 대하여 방식 성을 갖는 방식 철근이 개발.실용화된다면 과도한 피복 두께의 산정 및 물시멘트비의 제한을 완화할 수 있을 뿐만 아니라 최근 철근콘크리트 구조물에 요구되어지고 있는 수명 100년 이상의 장수 명화가 실현 가능할 것으로 생각된다.
- 35V보다 낮은 전위가 측정되었음에도 불구하고 부식은 거의 발생하지 않았다. 이것은 ASTM C 876-80 의 부식 판단 기준이 염해 환경 하의 보통강재를 사용한 철근콘크리트 구조물에 적용 가능한 부식 판단 기준으로 모든 부식 환경 하의 구조물에 적용 가능한 것은 아니며⑺, 또한 (、강재와 같은 방식 철근은 같은 부식 환경하의 탄소강과는 상이한 아노드 분극 곡선⑻을나타내기 때문에 Cr강방식철근의 부식 발생 여부를 판단하기 위해서는 새로운 평가 기준이 필요하다고 생각된다. 그러나 이러한 평가 기준을 규정하기 위해서는 광범위한 연구 결과에 근거한 신중한 판단이 요구되기 때문에 본 논문의 연구 결과만으로 중성화와 염해의 복합 열화 환경 하의 Cr강방식철근에 적용 가능한 새로운 부식 판단 기준을 제안하는 것은 다소 무리이며 보다 많은 연구가 진행된 이후 연구 결과의 세심한 분석을 통한 제안이 필요하다고 생각한다.
- 이것은 ASTM C 876-80 의 부식 판단 기준이 염해 환경 하의 보통강재를 사용한 철근콘크리트 구조물에 적용 가능한 부식 판단 기준으로 모든 부식 환경 하의 구조물에 적용 가능한 것은 아니며⑺, 또한 (、강재와 같은 방식 철근은 같은 부식 환경하의 탄소강과는 상이한 아노드 분극 곡선⑻을나타내기 때문에 Cr강방식철근의 부식 발생 여부를 판단하기 위해서는 새로운 평가 기준이 필요하다고 생각된다. 그러나 이러한 평가 기준을 규정하기 위해서는 광범위한 연구 결과에 근거한 신중한 판단이 요구되기 때문에 본 논문의 연구 결과만으로 중성화와 염해의 복합 열화 환경 하의 Cr강방식철근에 적용 가능한 새로운 부식 판단 기준을 제안하는 것은 다소 무리이며 보다 많은 연구가 진행된 이후 연구 결과의 세심한 분석을 통한 제안이 필요하다고 생각한다. 따라서 본 논문에서는 ASTM C 876-80의 평가 기준을 단지 각 강재의 자연전위을 상대적으로 비교하는 기준치로서 이용하였다.
- 9는 콘크리트 내의 염화물 이온 함유량과 Cr 함유율에 따른 강재의 평균 부식속도를 나타낸다. 장래에 건축물의 입지 환경 조건과 본 촉진 실험 조건과의 대응 관계가 확립된다면 Fig. 9를 이용하여 건축물의 목표 내용년수와 건축물에 침투되는 염화물 이온 함유량에 대하여 소정의 방식 성을 갖는 최적의 Cr강방식철근의 선정이 가능하게 될 것으로 기대된다.
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