화상처리 기법과 전기화학적 임피던스 분광법을 이용한 강교 도장용 에폭시 하도 도료의 열화 평가 Evaluation of Deterioration of Epoxy Primer for Steel Bridge Coating using Image Processing and Electrochemical Impedance Spectroscopy원문보기
본 연구에서는 강교 도장재료로 사용될 수 있는 에폭시 하도 도료를 도포한 시험편을 촉진시험을 통해 열화시킨 후 도막의 외관 평가 및 EIS에 의한 평가를 실시하고, 그 2가지 방법에 대한 비교 분석을 실시하였다. 화상처리 기법에 의해 구한 총 열화 면적율과 열화도 평점 산정 결과를 상호 비교해 본 결과 녹이 발생한 경우가 그렇지 않은 경우보다 열화도 평점이 높게 나타났다. 이는 강교 도장의 열화도 평가 기준에서 단위 열화 면적율당 부여하는 열화도 평점이 박리의 경우보다 녹의 경우가 더 크기 때문이다. 열화 면적율과 EIS 측정 데이터를 비교해 본 결과 녹의 면적율 약 0.1% 이상, 블리스터링의 면적율 약 3% 이상만 되어도 도막의 임피던스는 약 $10^4{\Omega}{\cdot}cm^2$ 혹은 그 이하로 크게 저하되었다. 2개의 시험편을 제외한 모든 시험편에 대해 전하전달저항(charge transfer resistance, $R_{ct}$)과 이중층정전용량(double layer capacitance, $C_{dl}$) 값이 나타났으며, 이 결과로부터 이들 시험편들은 도막과 강재 계면에 수분이 축적되어 부식이 진행되고 있음을 알 수 있었다. 열화도 평점과 EIS 측정결과를 상호 비교해 본 결과 저주파수(10 mHz)에서의 임피던스 값이 $10^6{\Omega}{\cdot}cm^2$ 이하로 떨어진 경우는 모두 열화도 평점이 10점 이상으로 나타났으며, NORSOK cyclic test 과정에 의해 열화시킨 경우 열화도 평점이 높지 않음에도 불구하고 임피던스는 가장 낮게 나타났다. 이것은 도장계와 열화조건이 주 시험편과 다르기 때문인 것으로 판단되며, 열화조건이 더 가혹하거나 복합적일 경우 외관 상태에 비해 도막의 저항이 더 크게 저하될 가능성이 있다고 생각된다.
본 연구에서는 강교 도장재료로 사용될 수 있는 에폭시 하도 도료를 도포한 시험편을 촉진시험을 통해 열화시킨 후 도막의 외관 평가 및 EIS에 의한 평가를 실시하고, 그 2가지 방법에 대한 비교 분석을 실시하였다. 화상처리 기법에 의해 구한 총 열화 면적율과 열화도 평점 산정 결과를 상호 비교해 본 결과 녹이 발생한 경우가 그렇지 않은 경우보다 열화도 평점이 높게 나타났다. 이는 강교 도장의 열화도 평가 기준에서 단위 열화 면적율당 부여하는 열화도 평점이 박리의 경우보다 녹의 경우가 더 크기 때문이다. 열화 면적율과 EIS 측정 데이터를 비교해 본 결과 녹의 면적율 약 0.1% 이상, 블리스터링의 면적율 약 3% 이상만 되어도 도막의 임피던스는 약 $10^4{\Omega}{\cdot}cm^2$ 혹은 그 이하로 크게 저하되었다. 2개의 시험편을 제외한 모든 시험편에 대해 전하전달저항(charge transfer resistance, $R_{ct}$)과 이중층 정전용량(double layer capacitance, $C_{dl}$) 값이 나타났으며, 이 결과로부터 이들 시험편들은 도막과 강재 계면에 수분이 축적되어 부식이 진행되고 있음을 알 수 있었다. 열화도 평점과 EIS 측정결과를 상호 비교해 본 결과 저주파수(10 mHz)에서의 임피던스 값이 $10^6{\Omega}{\cdot}cm^2$ 이하로 떨어진 경우는 모두 열화도 평점이 10점 이상으로 나타났으며, NORSOK cyclic test 과정에 의해 열화시킨 경우 열화도 평점이 높지 않음에도 불구하고 임피던스는 가장 낮게 나타났다. 이것은 도장계와 열화조건이 주 시험편과 다르기 때문인 것으로 판단되며, 열화조건이 더 가혹하거나 복합적일 경우 외관 상태에 비해 도막의 저항이 더 크게 저하될 가능성이 있다고 생각된다.
In this study, both evaluations by visual imaging for exterior view of coating and by EIS were executed for epoxy primer coated specimens deteriorated by accelerated test, and comparison and analysis were carried out for 2 evaluation methods. In the comparison between total damaged area ratio acquir...
In this study, both evaluations by visual imaging for exterior view of coating and by EIS were executed for epoxy primer coated specimens deteriorated by accelerated test, and comparison and analysis were carried out for 2 evaluation methods. In the comparison between total damaged area ratio acquired by image processing method and deterioration point, higher deterioration points were appeared for rusted specimens than for non-rusted specimens. It is attributed that deterioration point per unit area ratio given for rust is higher than for peeling. In the comparison between total damaged area ratio and EIS result, impedance of coating was largely decreased as about TEX>$10^4{\Omega}{\cdot}cm^2$ or less when rust area ratio is more than about 0.1%, and blistering area ratio is more than about 3%. Charge transfer resistance ($R_{ct}$) and double layer capacitance ($C_{dl}$) values were appeared for all specimens except 2 ones, which shows that water is accumulated and steel substrate is corroded at coated film-steel interface. In the comparison between deterioration point and EIS result, more than 10 points as deterioration point were given for specimens of below $10^6{\Omega}{\cdot}cm^2$ of impedance at low frequency. For specimens deteriorated by NORSOK cyclic test, impedance was lowest of all, though deterioration point was not high. It is thought to be attributed that coating system and accelerated deterioration condition of cyclic tested specimens were different from those of main specimens. From the result, it is thought that coating resistance can be relatively more decreased than deterioration degree estimated from exterior view under more severe corrosion environment or in the present of more complex deterioration factors.
In this study, both evaluations by visual imaging for exterior view of coating and by EIS were executed for epoxy primer coated specimens deteriorated by accelerated test, and comparison and analysis were carried out for 2 evaluation methods. In the comparison between total damaged area ratio acquired by image processing method and deterioration point, higher deterioration points were appeared for rusted specimens than for non-rusted specimens. It is attributed that deterioration point per unit area ratio given for rust is higher than for peeling. In the comparison between total damaged area ratio and EIS result, impedance of coating was largely decreased as about TEX>$10^4{\Omega}{\cdot}cm^2$ or less when rust area ratio is more than about 0.1%, and blistering area ratio is more than about 3%. Charge transfer resistance ($R_{ct}$) and double layer capacitance ($C_{dl}$) values were appeared for all specimens except 2 ones, which shows that water is accumulated and steel substrate is corroded at coated film-steel interface. In the comparison between deterioration point and EIS result, more than 10 points as deterioration point were given for specimens of below $10^6{\Omega}{\cdot}cm^2$ of impedance at low frequency. For specimens deteriorated by NORSOK cyclic test, impedance was lowest of all, though deterioration point was not high. It is thought to be attributed that coating system and accelerated deterioration condition of cyclic tested specimens were different from those of main specimens. From the result, it is thought that coating resistance can be relatively more decreased than deterioration degree estimated from exterior view under more severe corrosion environment or in the present of more complex deterioration factors.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 강교 도장재료로 사용될 수 있는 에폭시 하도 도료를 도포한 시험편을 촉진시험을 통해 열화시킨 후도 막의 외관 평가 및 EIS에 의한 평가를 실시하고, 그 2가지 방법의 비교 분석을 통해 각각의 평가법의 장단점을 살릴 수 있는 강교 도장의 적정 열화도 평가 방법에 대하여 고찰하였다.
가설 설정
GNP의 무려 2〜3%에 달한다고 한다.1) 부식에 의한 직접손실 이외에도 부식으로 인한 수리 운휴나 가동중단, 효율저하, 재건설, 과중한 설계 등의 간접손실까지 가산한다면 그 경제적인 손실은 실로 막대한 것이다. M.
제안 방법
3개의 보조 시험편 중 2개는 에폭시 및 우레탄계 도료를 도포하여 NORSOK M 501 cyclic test에 의해 열화시켰다. NORSOK M 501 cyclic test는 3단계 열화 과정 (UV-응축 과정, 염수 분무 과정, 건조 과정)을 반복적으로 실시하였다.
UV-응축 과정은 ASTM G53에 따라 QUV 에서 80시간, 염수분무 과정은 ISO 7253에 따라 72시간, 건조 과정은 상온에서 16시간 실시하였다. 3단계의 열화 과정을 1번 수행하는 것을 1 사이클로 하였을 때, 총 25 사이클, 4200시간 동안 수행하였다. 나머지 1개의 보조 시험편은 아크릴-우레탄 도료를 도포하여 촉진 열화 과정 없이 온전한 상태로 보관하였다.
EIS 측정은 시편의 모든 열화 과정이 종료된 후에 상온에서 약 8시간 건조 후 각 시험편을 0.5 M-NaCl 용액에 약 30분정도 침지하여 안정화시킨 다음 측정하였다. 측정 장비는 Solatron사의 FRA (frequency response analyzer, 1252A) 및 dielectric interface (1296)를 조합하여 사용하였다.
열화시켰다. NORSOK M 501 cyclic test는 3단계 열화 과정 (UV-응축 과정, 염수 분무 과정, 건조 과정)을 반복적으로 실시하였다. UV-응축 과정은 ASTM G53에 따라 QUV 에서 80시간, 염수분무 과정은 ISO 7253에 따라 72시간, 건조 과정은 상온에서 16시간 실시하였다.
도막의 열화 등급 평가를 위해 ASTM D 610에 따른 녹 등급 평가와 ASTM D 714에 따른 블리스 터 링 등급 평가를 실시하였고, 정확한 열화 면적율을 구하기 위하여 한국도로공사에서 개발한 도막 진단 프로그램을 이용하여 화상 처리한 후, 녹과 블리스터링의 면적율을 구하였다. 이 때 부식생성물(녹)이 도막표면으로 흘러나와 붉은색으로 오염된 부위는 녹 발생 부위가 아닌 것으로 간주하였다.
5 mm의 HR강판을 알칼리 탈지 후 grit로 blasting 처리하여 30~40 伽의 균일한 표면 조도를 형성하였다. 도장은 air spray 법으로 하였으며 건조 도막 두께는 100~120 伽로 조절하였다.
먼저 표면처리를 위해 150X75X2.5 mm의 HR강판을 알칼리 탈지 후 grit로 blasting 처리하여 30~40 伽의 균일한 표면 조도를 형성하였다. 도장은 air spray 법으로 하였으며 건조 도막 두께는 100~120 伽로 조절하였다.
본 연구에서는 강교 도장재료로 사용될 수 있는 에폭시 하도 도료를 도포한 시험편을 촉진시험을 통해 열화시킨 후도 막의 외관 평가 및 EIS에 의한 평가를 실시하고 각각의 평가 결과를 상호 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
열화 면적을 정량화하기 위해 시험편의 사진을 화상 처리하여 녹과 블리스터링의 면적율을 구하였다. Table 6에 화상처리 결과와 열화면적율 산정 결과를 나타내었다.
Table 6에 화상처리 결과와 열화면적율 산정 결과를 나타내었다. 이 결과로부터 강교 도막열화도 평가 기준에 따라 녹과 블리스터링의 열화도 평점을 구하였다. 열화도 평점 산정 결과를 Table 7에 나타내었고, Fig.
) 등을 구하였다. 이 중 전하 전달 저항(Rct) 및 이중 층 정전용량(Cdl)은 임피던스 분석용 소프트웨어(ZView®)를 이용하여 적정 등가회로 모델에 fitting하여 구하였고, 계면 임피던스(interfacial impedance) 는 저주파수(10 mHz)에서의 임피던스에서 용액의 저항 (Rs)을 차감하여 구하였다.
임피던스 측정 결과로부터 저주파수(10 mHz)에서의 임피던스, 계면 임피던스(interfacial impedance), 전하 전달 저항(charge transfer resistance, Rct), 이중층 정전용량 (double layer capacitance, Cdl) 등을 구하였다. 이 중 전하 전달 저항(Rct) 및 이중 층 정전용량(Cdl)은 임피던스 분석용 소프트웨어(ZView®)를 이용하여 적정 등가회로 모델에 fitting하여 구하였고, 계면 임피던스(interfacial impedance) 는 저주파수(10 mHz)에서의 임피던스에서 용액의 저항 (Rs)을 차감하여 구하였다.
5 M-NaCl 용액에 약 30분정도 침지하여 안정화시킨 다음 측정하였다. 측정 장비는 Solatron사의 FRA (frequency response analyzer, 1252A) 및 dielectric interface (1296)를 조합하여 사용하였다. 임피던스 세부 측정조건을 Table 4에 나타내었다.
화상처리에 의한 열화 면적율 산정 결과를 토대로 하여 한국도로공사에서 적용하고 있는 강교 도장의 도막 열화도 평가 기준에 따라 각 시험편에 대해 열화도 평점을 부여하였다. Table 3에 나타낸 강교 도장의 도막 열화도 평가 기준에서 평가항목은 녹, 박리, 체킹, 쵸킹, 경관 조건 등 5개 항목인데, 본 실험에서 나타난 열화 종류는 녹과 블리스터링이었으므로 블리스터링의 평점은 박리의 평가 기준에 따라 부여하였다.
대상 데이터
시험편은 주 시험편 7개와 도장 계 및 열화 조건에 따른 차이를 비교하기 위한 보조 시험편 3개를 제작하였다. 먼저 표면처리를 위해 150X75X2.
주 시험편 제작에 사용된 도료는 중 방식용 하도로 널리 사용되고 있는 BPA-형 에폭시수지와 polyamide 경화제를 이용하였으며, 안료는 방청안료로 Busan® 11, 체질안료로 Silica, Talc, Baryte를 사용하였다. 제작된 주 시험편은 0.
이론/모형
NORSOK M 501 cyclic test는 3단계 열화 과정 (UV-응축 과정, 염수 분무 과정, 건조 과정)을 반복적으로 실시하였다. UV-응축 과정은 ASTM G53에 따라 QUV 에서 80시간, 염수분무 과정은 ISO 7253에 따라 72시간, 건조 과정은 상온에서 16시간 실시하였다. 3단계의 열화 과정을 1번 수행하는 것을 1 사이클로 하였을 때, 총 25 사이클, 4200시간 동안 수행하였다.
성능/효과
1) ASTM D 610에 따른 녹 등급 평가 및 ASTM D 714 에 따른 블리스 터 링 등급 평가 결과 방청안료와 체질안료 (silica)를 80:20으로 혼합한 경우가 가장 성능이 우수하였고, 방청안료/체질안료(baryte) 비를 15:85로 조절한 2개의 시험편은 녹 등급 4, 블리스 터 링 등급 Medium dense로 나타나 가장 성능이 떨어지는 것으로 판단되었다.
2) 화상처리 기법에 의해 구한 총 열화 면적율과 열화도 평점 산정 결과를 상호 비교해 본 결과 녹이 발생한 경우가 그렇지 않은 경우보다 열화도 평점이 높게 나타났다. 이는강교 도장의 열화도 평가 기준에서 단위 열화 면적율당 부여하는 열화도 평점이 박리(블리스 터 링)의 경우보다 녹의 경우가 더 크기 때문이다.
3) 열화 면 적 율과 EIS 측정 데이터를 비교해 본 결과 녹의면적율 약 0.1% 이상, 블리스터링의 면적율 약 3% 이상만 되어도 도막의 임피던스는 약 104Qcm2 혹은 그 이하로 크게 저하된다는 것을 알 수 있었다.
4) 임피던스 측정 결과를 적정 등 가회로 모델에 fitting 한 결과 우수한 도막 성능을 나타낸 2개의 시험편을 제외한 모든 시험 편에 대해 전하전달저항(charge transfer resist ance, Rct)과 이중 증 정전용량(double layer capacitance, Cdl) 값이 나타났으며, 이 결과로부터 이들 시험 편들은 도막과 강재계면에 수분이 축적되어 부식이 진행되고 있음을 알 수 있었다.
5) 열화도 평점과 EIS 측정 결과를 상호 비교해 본 결과 저주파수(10 mHz)에서의 임피던스 값이 106^・cm2 이하로 떨어진 경우는 모두 열화도 평점이 10점 이상으로 나타났으며, NORSOK M 501 cyclic test 과정에 의해 열화시킨 경우 열화도 평점이 높지 않음에도 불구하고 임피던스는 모든 시험 편 중에서 가장 낮게 나타났다. 이것은 도장계와열화조건이 주 시험편과 다르기 때문인 것으로 판단되며, 열화조건이 더 가혹하거나 복합적일 경우 외관 상태에 비해도 막의 저항이 더 많이 저하될 가능성이 있다고 생각된다.
블리스터링 및 부식이었다. ASTM D 610에 따른 녹 등급 평가 및 ASTM D 714에 따른 블리스터링 등급평가 결과 방청안료와 체질안료(silica)를 80:20으로 혼합한 시험편(1)만이 녹과 블리스터링이 발생하지 않아 가장 성능이 우수하다고 판단되었다. 체질안료(silica)의 비율을 각각 43:57, 30:70으로 증가시킨 시험편(2, 3)은 녹 등급 6, 블리스터링 등급 Few로 나타났다.
방청안료를 사용하지 않고 체질안료(talc)만을 사용한 시험편(4)과 방청안료/체질안료(baryte) 비를 43:57로 조절한 시험편(5)은 녹은 발생하지 않았고, 블리스 터 링 등급만 Few로 나타났다. 방청안료/체질안료(baryte) 비를 15:85로 조절한 2개의 시험편 (6, 7)은 녹 등급 4, 블리스 터 링 등급 Medium dense로 나타나 가장 성능이 떨어지는 것으로 판단되었다.
파라미터들을 Table 8에 나타내었다. 우수한 도막 성능을 나타낸 2개의 시험편(0, 1)을 제외한 모든 시험편에 대해 전하전달저항(charge transfer resistance, Rct)과 이중 층 정전용량(double layer capacitance, Cdi) 값이 나타났으며, 이 결과로부터 이들 시험편들은 도막과 강재 계면에 수분이 축적되어 부식이 진행되고 있음을 알 수 있다.
이 결과와 앞 절에서 도출한 도막 외관의 열화면적율 산정 결과를 상호 비교하였을 때, 녹의 면적율 약 0.1% 이상, 블리스터링의 면적율 약 3% 이상만 되어도 도막의 임피던스는 크게 저하된다는 것을 알 수 있다.
이것은 이 2개의 시험편은 도장계와 열화 조건이 다른 7개의 주 시험편과 다르기 때문인 것으로 판단되며, 열화 조건이 더 가혹하거나 복합적일 경우 외관 상태에 비해 도막의 저항이 더 크게 저하될 가능성이 있다고 생각된다. 이러한 결과로부터 도막 외관의 열화도 평가 결과와 EIS 측정 결과 간의 상관관계는 동일한 종류의 도장 계 및 열화 조건 하에서 비교하는 것이 바람직할 것으로 생각된다. 또한, 가혹한 부식환경 하의 교량에 대해서는 총 도막 열화도 평점이 높지 않더라도 녹의 평점이 10점 이상이면 외관평가에만 의존하기보다는 EIS에 의한 평가 등의 정밀진단을 실시할 필요가 있다고 판단된다.
이것은 도장계와열화조건이 주 시험편과 다르기 때문인 것으로 판단되며, 열화조건이 더 가혹하거나 복합적일 경우 외관 상태에 비해도 막의 저항이 더 많이 저하될 가능성이 있다고 생각된다. 이러한 결과로부터 도막 외관의 열화도 평가 결과와 EIS 측정 결과 간의 상관관계는 동일한 종류의 도장계 및 열화 조건 하에서 비교하는 것이 바람직할 것으로 생각되며, 가혹한 부식환경 하의 교량에 대해서는 종 도막열화도 평점이 높지 않더라도 녹의 평점이 10점 이상이면 외관평가에만 의존하기보다는 EIS에 의한 평가 등의 정밀진단을 실시할 필요가 있다고 판단된다.
7에 도막 열화도 평점과 EIS 측정 결과를 상호 비교한 그래프를 나타내었다. 저주파수(10 mHz)에서의 임피던스값이 106@cm2 이하로 떨어진 8개의 시험편(2〜7, NOR1,NOR2)은 모두 열화도 평점이 10 이상으로 나타났으며, 특히 열화도 평점이 58점으로 가장 높게 나타난 2개의 시험편 (6, 7)은 7개의 주 시험편(1〜7) 중에서 저주파수 임피던스와 전하전달저항(charge transfer resistance, Rct) 값이 가장 낮게 나타났다. NORSOK M 501 cyclic test 과정에 의해 열화시킨 2개의 보조 시험편(NOR1, NOR2) 의 경우 열화도 평점은 각각 20, 10점으로 높지 않았으나 저주파수 (10 mHz)에서의 임피던스는 각각 1.
ASTM D 610에 따른 녹 등급 평가 및 ASTM D 714에 따른 블리스터링 등급평가 결과 방청안료와 체질안료(silica)를 80:20으로 혼합한 시험편(1)만이 녹과 블리스터링이 발생하지 않아 가장 성능이 우수하다고 판단되었다. 체질안료(silica)의 비율을 각각 43:57, 30:70으로 증가시킨 시험편(2, 3)은 녹 등급 6, 블리스터링 등급 Few로 나타났다. 방청안료를 사용하지 않고 체질안료(talc)만을 사용한 시험편(4)과 방청안료/체질안료(baryte) 비를 43:57로 조절한 시험편(5)은 녹은 발생하지 않았고, 블리스 터 링 등급만 Few로 나타났다.
4에는 총 열화 면 적 율과 열화도 평점 산정 결과의 상호 비교 그래프를 나타내었다. 총 열화 면 적 율과 열화도 평점 산정 결과를 상호 비교하였을 때, 대체로 유사한 경향을 나타내고 있지만 녹이 없고 블리스터링만 발생한 경우(4, 5)는 총 열화 면적율에 비해 열화도 평점이 낮게 나타났고, 블리스터링이 없고 녹만 발생한 경우 (NOR1, NOR2)는 총 열화 면적율에 비해 열화도 평점이 높게 나타났다. 이는 강교 도장의 열화도 평가 기준에서 단위 열화 면적 율당 부여하는 열화도 평점이 박리(혹은 블리스 터 링)의 경우보다 녹의 경우가 더 크기 때문이다.
참고문헌 (15)
D. H. Jeon, Practical Corrosion Protection Engineering, Dong-Hwa Technology, 1995c
H. Cheong and C. Y. Lee, 'Performance Optimization of Steel Bridge Coating Diagnosing System for Field Application', ME-06-16, Highway & Transportation Technology Institute, Korea Highway Corporation, 2006
H. Cheong, C. Y. Lee, and O. S. Kim, 'Construction of Diagnosing System for Painting Condition of Steel Bridge',ME-04-15, Highway & Transportation Technology Institute, Korea Highway Corporation, 2004
岡本 拓, 羽田野和久, 本村 均, 'Paint Viewシステムを用い た鋼橋塗膜の余壽命豫測に關する 硏究', Japan Highway Public Corporation, Report of Test & Research Institute, 39, 2002
片脇 淸, 守屋 進, 他, '塗膜診斷に關する共同硏究報告書 (Ⅱ)', 第59, Public Works Research Institute, 1991
J. A. Gonzalez, E. Otero, E. Bautista, E. Almeida, and M. Morcillo, Prog. Org. Coatings, 33, 61 (1998)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.