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문제 정의
- OPC에 혼화재를 치환 혼입한 균열 콘크리트내 철근에 대한 부식전위 실험을 측정하고자 본 연구에서는반전지 전위 측정시험, 갈바닉 전위 측정 및 철근의중량손실측정 실험을 수행하였다. 시험체의 설명은 Fig.
- 본 연구에서는 보통포틀랜드 시멘트, 플라이애시, 고로슬래그, 실리카퓸을 혼합한 콘크리트에 대한 부식 저항성에 대해 혼합 콘크리트 균열 보를 이용한 부식 저항성 평가를 수행하였다. 또한, 내외부 염분 침투조건에 따른 자연부식 및 인공부식의 부식저항성 평가도 수행하였다.
- 부분적으로 사용하였다. 이러한 갈바닉 전위 시험을 통하여 부식의 위험도를 판단하는데 있어서 부식개시 시기에 근거하여 판단하였다.(4)⑸
제안 방법
- 1과 같이 두 개의 동일한 실험체는 반전지 전위측정 및 갈바닉 전위측정의 다원 모니터링을 위해 콘크리트 인장부에 철근을 2열 배근 하였으며 피복두께는 외부염소이온의 침입시간을 단축시키고자 20mm로유지하였다. 건전부와 균열부로 나뉜 동일 배합의 두개 시험체 중 하나의 콘크리트에는 탈형 후 콘크리트 압축 시험기(UTM)를 이용하여 표면 균열폭이 0.03mm로 되도록 볼트로 조임을 하여 인공 균열을 두었으며, 균열 유.무, 물/시멘트비, 혼화재 종류에 대한 변수를 두어서 부식전위 측정 모니터링을 실시하였다.
- 평가를 수행하였다. 또한, 내외부 염분 침투조건에 따른 자연부식 및 인공부식의 부식저항성 평가도 수행하였다.
- 03mm로 되도록 볼트로 조임을 하여 인공 균열을 두었으며, 균열 유.무, 물/시멘트비, 혼화재 종류에 대한 변수를 두어서 부식전위 측정 모니터링을 실시하였다. 양생 조건은 해수조건(0.
- 종류 및 균열 유 . 무에 대한 비교 분석 결과를 도표화 하면 다음 Table 7과 같고, 이를 통하여 본 연구에서 수행된 반전위 측정 시험법, 갈바닉 전위 시험법, 염화물 침투 시험법, 철근 질량손실 시험법, 철근 표면 부식 확인 등의 시험을 통한 철근에 대한 재령 60일시의 부식 저항성에 대한 평가를 부식 개시 기준에 따라서 나타내었다. OPC 및 혼합 콘크리트에 대한 실험적 평가를 통하여 구조물내 부식 확인시 비파괴시험법으로 사용되는 반전위 측정 시험법과 갈바닉 전위 측정에 대한 실험 방법의 경우는 실제 철근의 유관검사결과 갈바닉전류 측정이 실제 유관확인결과와 일치함을 알 수 있었으므로 향후 갈바닉 회로 구성에 따른 부식평가가 유용히 사용될 수 있음을 입증할 수 있었다.
- 본 논문에서는 균열 유무를 변수로 둔 혼합 콘크리트보의 부식전류측정 및 비교분석을 수행하여 다음과같은 결론을 얻었다.
- 본 실험에서는 갈바닉 부식을 방지하는 것을 막기위하여 두 금속 사이에 절연물질을 사용하거나 전해질이 금속에 접촉되지 않도록 도장하는 방법을 시험체내에 부분적으로 사용하였다. 이러한 갈바닉 전위 시험을 통하여 부식의 위험도를 판단하는데 있어서 부식개시 시기에 근거하여 판단하였다.
- 이러한 형태의 부식을 갈바닉부식 또는 이종금속접촉부식이라 한다. 본 실험을 통하여 전해질 내에 존재하는 철근과 참조전극인 티타늄 메시를 통하여, 이들 전도체 사이의 전위차를 알 수 있는 갈바닉 부식으로 부식 경향을 예측하였다.
- 본 연구에서의 자연전위 측정은 티타늄 메쉬에 의한 비교 전극 사용시 철근부식전위의 급상승 시점을 부식개시 시점을 적용하였다. 따라서 Fig.
- 실험을 수행하였다. 시험체의 설명은 Fig. 1과 같이 두 개의 동일한 실험체는 반전지 전위측정 및 갈바닉 전위측정의 다원 모니터링을 위해 콘크리트 인장부에 철근을 2열 배근 하였으며 피복두께는 외부염소이온의 침입시간을 단축시키고자 20mm로유지하였다. 건전부와 균열부로 나뉜 동일 배합의 두개 시험체 중 하나의 콘크리트에는 탈형 후 콘크리트 압축 시험기(UTM)를 이용하여 표면 균열폭이 0.
- 무, 물/시멘트비, 혼화재 종류에 대한 변수를 두어서 부식전위 측정 모니터링을 실시하였다. 양생 조건은 해수조건(0.4M NaCl)에서 수중 양생하였으며, 재령 60일 동안 반전위(Half cell)측정 장치 및 티타늄 메쉬를 이용한 갈바닉 셀로 전위값을 일정한 시간 간격에 따라 부식전위 모니터링을 실시하였다. 이때 양생실의 실내온도는 20±3℃ 로 유지하였으며, 수중 양생시 0.
- 3에 나타내었다. 인공부식측정의경우 사용시편은 시멘트: 물: 잔골재의 비율이 1:0.4 :2.45의 비율인 모르터시편을 사용하였으며, 10단계의 내부염분(0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 % of cement weight)을 혼입하여 OPC, 60% GGBS, 30% PFA 및 10% SF을 사용하여 균열 콘크리트보의 사용재료와 동일한 혼화재를 사용하였고, 타펠 외삽법에 의한 분극저항측정으로써 부식전위를 측정하였다.
- 재령 2, 7, 14, 17, 21, 30, 43, 60일로 하여 OPC 및 혼화재별 시험체에 대한 반전지 전위 측정시험을 수행하였다. 결과 전위값은 균열 존재 유 .
- 한편, 자연부식의 경우에는 OPC, 30% PFA, 60% GGBS 및 10% SF를 혼입한 150mmx150mmx 150mm 콘크리트 시편에 대해 1면 염수침투를 위해 침투 면을 제외한 다른 전 콘크리트면에 대해 에폭시 코팅을 실시하여 1방향으로 염분침투를 유도하였으며, 갈바닉 회로를 구성하여 시간에 따른 갈바닉 전위를 측정하였다.
- 혼합 콘크리트 균열보에 대해서 반전위시험법, 갈바닉전위시험법 및 철근질량 손실 시험을 통하여 혼화재별내구성 및 부식저항성 평가를 수행한 후 시편의 파괴를통한 육안확인검사를 수행하였고 한편, 내/외부의 염분침투조건을 달리한 자연부식 및 인공부식의 부식저항성 측정시험 및 임계염화물량의 평가를 통해 외부 환경인자에따른 자연부식과 인공부식의 상관관계에 대해서도 결과및 수치해석에 따른 분석 및 고찰을 수행하였다.
대상 데이터
- 굵은 골재는 최대치수 13mm의 쇄석골재이고 표면 건조 상태로 조정하여 사용하였다. 잔골재는 비중이 2.
- 본 실험에 사용된 철근은 직경 8mm의 원형 철근으로, 콘크리트 타설 직전에 녹, 불순물, 기름성분 등을 제거하기 위하여 철근표면을 No.1000 샌드페이퍼로 연마하였으며, 아세톤으로 Millscale을 제거하였다. 또한, 1/10000 정밀저울을 이용하여 콘크리트 타설 전의 철근 질량 및 부식전류측정이후 파괴된 시편에서 추출된 철근의 질량을 무게감량법에 의해 측정하였다.
- 본 실험에 사용한 시멘트는 국내 S사에서 제조, KS L 5201 규정에 적합한 보통 포틀랜드시멘트로서 그 물리적 성질은 Table 1에 나타내었다.
- 본 실험에 사용한 혼화재는 플라이애시(PFA), 고로슬래그미분말(GGBS), 실리카퓸(SF)을 사용하였으며, 물리적 성질 및 화학성분은 Table 3과 같다.
- 상태로 조정하여 사용하였다. 잔골재는 비중이 2.54이고 5mm체를 전량 통과하도록 입도분포를 조정하여 사용하였다. 실험에 사용한 굵은 골재와 잔골재의 성질은 Table 2와 같다.
이론/모형
- 1000 샌드페이퍼로 연마하였으며, 아세톤으로 Millscale을 제거하였다. 또한, 1/10000 정밀저울을 이용하여 콘크리트 타설 전의 철근 질량 및 부식전류측정이후 파괴된 시편에서 추출된 철근의 질량을 무게감량법에 의해 측정하였다.
성능/효과
- 1) 본 연구를 통해 피복두께 20mm 지점에서의 염화물농도가 1.2kg/m3인 경우를 임계기준으로 설정할 때, 부식에 대한 저항성이 OPC > 10% SF > 30% PFA > 60% GGBS의 순서로 나타나고 있음을 알 수 있었다.
- 2) 혼합콘크리트의 반전지 전위 측정시험의 경우, 균열이 없는 60% GGBS 콘크리트 보의 반전위 측정값이 -350mV 이상으로 나타나 부식저항성이가장 낮게 나타나는 것을 확인하였는데, 이는 GGBS 콘크리트 보의 경우 잠재수경성 반응에 의해서 수화 발현시 공극구조의 재분배등으로 입자의충진성은 OPC에 비해 우위적으로 확보되지만 첨가 OPC의 실질량이 확연히 감소되어 소실되는 수산화칼슘의 영향이 다른 혼화재에 비해 월등히 높아서 그에 따른 낮은 부식저항성을 보이는 것으로보인다.
- 3) 갈바닉 전위 측정 시험의 경우 재령일이 증가할수록 갈바닉 측정 전위가 안정화됨을 보여주었으며, 5-15일 범위에서 부식 임계치에 도달한 것으로 나타났다. 특히, 재령 60일에 이르러 콘크리트 보에 대한 갈바닉 전위 모니터링은 균열 유 .
- 4) 철근 질량 손실 시험의 경우 10% SF 콘크리트에 서는 실리카퓸(입경: 0.15〃m)의 혼입으로 인하 여 잔골재와 시멘트겔 사이에 존재하는 모세관 공극의 충전효과를 보여줌으로서 철근의 부식 저항성을 나타냈으며, 균열이 진행된 경우 6.13배에 달하는 질량 감소를 보였다. OPC 및 30% PFA, 60% GGBS는 평균적으로 균열 유.
- 6) 한편, 자연 및 인공부식에 따른 부식저항성 분석에서 내부 및 외부염분침투조건에 따른 임계염화물량값은 외부환경조건에 민감하게 반응하지 않고 있음을 알 수 있었고, 내부 및 외부의 경우 10%의 임계염화물량 차이를 보이나 외부에서 유입되는 총염화물이 시멘트 매트릭스 내부로 유입됨에 따라 10%의 고정염화물로 변동되어 자연 및 인공부식상의 임계염화물량 값은 동등한 것으로 나타나고 있음을 알 수 있었다.
- 무에 대한 비교 분석 결과를 도표화 하면 다음 Table 7과 같고, 이를 통하여 본 연구에서 수행된 반전위 측정 시험법, 갈바닉 전위 시험법, 염화물 침투 시험법, 철근 질량손실 시험법, 철근 표면 부식 확인 등의 시험을 통한 철근에 대한 재령 60일시의 부식 저항성에 대한 평가를 부식 개시 기준에 따라서 나타내었다. OPC 및 혼합 콘크리트에 대한 실험적 평가를 통하여 구조물내 부식 확인시 비파괴시험법으로 사용되는 반전위 측정 시험법과 갈바닉 전위 측정에 대한 실험 방법의 경우는 실제 철근의 유관검사결과 갈바닉전류 측정이 실제 유관확인결과와 일치함을 알 수 있었으므로 향후 갈바닉 회로 구성에 따른 부식평가가 유용히 사용될 수 있음을 입증할 수 있었다.
- 4인 경우에 10% SF의 경우 다른 OPC, 30% PFA, 60% GGBS의혼화재 포함 시험체 보다 많은 손실률 차이를 가져옴이 확인되었는데, 이것은 실리카퓸의 미세입자가 미세균열 유도 후에도 자기수축에 따른 수화양생을 거치면서 균열을 메워줌으로써 철근의 부식 발생을 억제하는데 기여했다고 판단된다. 그 외 OPC, 30% PFA, 60% GGBS 시험체에서는 근소한 차이의 질량 손실률을 보여줌으로서 철근 주위에 균열이 발생하여 철근표면까지 영향을 미쳤을 경우, 부식 발생을 억제하는데 미비한 효과를 보여줬다고 판단된다. 한편, 60% GGBS와 30% PFA는 낮은 수화도로 인해 콘크리트내 미세균열에 대한 저항을 보여주고 있지 못함을 확연히 보여주고 있다고 할 수 있겠다.
- 그림에서와 같이, 각종 혼합콘크리트의 경우 자유염소이온농도는 88~92% 범위에서 수렴하고 있는 것으로 나타나고 있으며, 이는 총 염소이온중 10% 가량이시멘트 매트릭스내에서 고정염소이온으로 고착화 되고있음을 알 수 있었다.
- 4에 나타내었다. 반전지 전위 측정시 포화황산동전극을 사용한 부식개시의 판단은 -350mV 이상으로 90% 이상의 부식 확률여부를 판단하며, 본 실험의 경우에 초기 재령의 대한부식 모니터링을 실시한 결과 재령 60일까지의 전위측정 그래프를 보면 건전부 및 균열부 콘크리트가 공히 외부염분침투에 의한 3~10일의 범위에 부식임계전위인 -350mV를 초과하여 나타나는 것으로 관찰되었다. 이러한 결과는 건전부 및 균열부 콘크리트의 경우에 보 내부의 사전 균열의 제어로 인한 염분침투경로가 쉽게 확보되고, 초기재령에서의 콘크리트 시멘트매트릭스 내부역시 시멘트의 수화발달에 따른 콘크리트 양생, 그에 따른 염분확산, 모세관 응집, 이항으로의 용이성등으로 인해 부식개시시간이 빠르게 나타난것으로 분석되었으며, 그에 따른 혼화재별 부식임계전위곡선의 기울기는 다르게 나타나 부식저항성의 순서를 확인이 가능하였다.
- 손실 실험결과를 Table 6에 나타내었다. 본 연구결과로부터 균열을 의도적으로 발생시킨 콘크리트보의철근은 건전부 콘크리트 시편의 철근에서의 질량 손실률이 재령 60일의 짧은 기간의 무게 측정이었지만, 손실률이 균열 콘크리트에서 크게 나타남을 알 수 있었다.
- 6에는 인공부식조건을 설정한 내부염분혼입모르터의 염분농도에 따른 부식전위측정결과를 도시하였다. 실험결과로부터 모르터내의 내부염분 농도 증가에 따라 철근의 부식률이 꾸준히 증가하고 있음을 알 수 있으며, 각 혼입 혼화재별로도 부식률이 다르게 나타나 임계부식치가 결정되고 있음을 확인할 수 있다.
- 5에서 균열 유무에 따른 혼화재별 콘크리트 보에 대한 재령에 따른 갈바닉 측정 전위는 모든 혼합콘크리트에 대해 초기 전위값은 다양하게 분포되지만, 5~15일 이르는 구간에서 부식전위 peak값이 관찰되어 부식이 개시되는 것으로 평가되어졌다. 이는 반 전지 전위 측정의 경우와 비교하여, 갈바닉 전위 측정의 경우가 부식개시시기가 5일 정도 느린 것으로 관측되었는데, 이후의 전위값의 측정결과는 일정하게 재령 30일까지 전위가 상승하다가 재령 43일 전후로 하여 일정하게 지속됨을 알 수 있었다.
- 반전지 전위 측정시 포화황산동전극을 사용한 부식개시의 판단은 -350mV 이상으로 90% 이상의 부식 확률여부를 판단하며, 본 실험의 경우에 초기 재령의 대한부식 모니터링을 실시한 결과 재령 60일까지의 전위측정 그래프를 보면 건전부 및 균열부 콘크리트가 공히 외부염분침투에 의한 3~10일의 범위에 부식임계전위인 -350mV를 초과하여 나타나는 것으로 관찰되었다. 이러한 결과는 건전부 및 균열부 콘크리트의 경우에 보 내부의 사전 균열의 제어로 인한 염분침투경로가 쉽게 확보되고, 초기재령에서의 콘크리트 시멘트매트릭스 내부역시 시멘트의 수화발달에 따른 콘크리트 양생, 그에 따른 염분확산, 모세관 응집, 이항으로의 용이성등으로 인해 부식개시시간이 빠르게 나타난것으로 분석되었으며, 그에 따른 혼화재별 부식임계전위곡선의 기울기는 다르게 나타나 부식저항성의 순서를 확인이 가능하였다.
- 즉, 자연 및 인공 환경 조건에 따른 부식상관성은 내부의 경우가 외부에 비해 10%가량 임계염화물량 값을 상회하지만, 인공부식의 경우 실제 유입되어 소실되는 자유 염소이온의 수렴 값 역시 10% 범위이므로 결국 자연 및 인공의 철근부식상관성은 임계염화물량 측면에서는 동등한 결과를 나타나는 것으로 확인하였다.
- 한편, 균열시편과의 부식저항성비교에 있어서는 OPC > OPC(crack) > 10% SF > 30% PFA > 10% SF(crack) > 30% PFA(crack) 60%GGBS > 60%GGBS(crack)의 순으로 나타나고있음을 확인하였다. 특히, W/C = 0.4인 경우에 10% SF의 경우 다른 OPC, 30% PFA, 60% GGBS의혼화재 포함 시험체 보다 많은 손실률 차이를 가져옴이 확인되었는데, 이것은 실리카퓸의 미세입자가 미세균열 유도 후에도 자기수축에 따른 수화양생을 거치면서 균열을 메워줌으로써 철근의 부식 발생을 억제하는데 기여했다고 판단된다. 그 외 OPC, 30% PFA, 60% GGBS 시험체에서는 근소한 차이의 질량 손실률을 보여줌으로서 철근 주위에 균열이 발생하여 철근표면까지 영향을 미쳤을 경우, 부식 발생을 억제하는데 미비한 효과를 보여줬다고 판단된다.
- 것으로 나타났다. 한편, 균열시편과의 부식저항성비교에 있어서는 OPC > OPC(crack) > 10% SF > 30% PFA > 10% SF(crack) > 30% PFA(crack) 60%GGBS > 60%GGBS(crack)의 순으로 나타나고있음을 확인하였다. 특히, W/C = 0.
- 한편, 혼화재별 비교에 있어서는 OPC > 10% SF > 30% PFA > 60% GGBS의 부식저항성 순서를 가져서 OPC의 경우가 부식저항성측면에서는 가장 우수한 것으로 나타났다. 한편, 균열시편과의 부식저항성비교에 있어서는 OPC > OPC(crack) > 10% SF > 30% PFA > 10% SF(crack) > 30% PFA(crack) 60%GGBS > 60%GGBS(crack)의 순으로 나타나고있음을 확인하였다.
- 혼합콘크리트의 철근 질량 손실 결과로부터 물-시멘트비의 경우에 (W/C=0.5 > W/C=0.6 > W/C=0.4) 로 부식저항성이 나타나 물시멘트비와 철근의 부식저항성의 관계가 W/C증가에 따라 일치하지 않음을 확인하였다.
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