[논문]콘크리트의 화학적 특성을 고려한 철근 부식 임계 염소이온 농도

송하원; 정민선; 안기용; 이창홍

doi:10.12652/ksce.2009.29.1a.075

콘크리트의 화학적 특성을 고려한 철근 부식 임계 염소이온 농도
Chloride Threshold Value for Steel Corrosion considering Chemical Properties of Concrete 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.29 no.1A, 2009년, pp.75 - 84

송하원 (연세대학교 사회환경시스템공학부) , 정민선 (연세대학교 사회환경시스템공학부) , 안기용 (연세대학교 사회환경시스템공학부) , 이창홍 (연세대학교 사회환경시스템공학부)

초록
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본 연구에서는 혼합 콘크리트의 염소이온 고정화 능력, 수화물의 부식 억제 능력(Buffering capacity) 및 모르타르 내 철근 부식 측정을 통하여 콘크리트 내 철근 부식의 임계 염소이온 농도를 도출하였다. 실험 시 결합재로서 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 30% 플라이애시(PFA), 60% 고로슬래그 미분말(GGBS), 10% 실리카퓸(SF)를 치환한 혼합 시멘트를 사용하였다. 염소이온 고정화는 수분추출방법을 이용하여 측정하였으며, 시멘트의 부식 억제 능력은 결합재에 따른 산에 대한 저항성 측정을 통해 평가하였다. 염소이온이 함유된 모르타르 내 철근 부식은 재령 28일에 선형 분극 방법을 이용하여 측정하였다. 실험 결과, 염소이온 고정화 능력은 결합재 내의 $C_{3}A$ 함유량과 물리적 흡착에 의해 크게 영향을 받음을 알 수 있었다. 염소이온 고정화 정도는60% GGBS > 30% PFA > OPC > 10% SF 의 순으로 나타났다. pH 감소에 따른 시멘트의 부식 억제 능력은 같은 pH 값에서 결합재의 종류에 따라 다양하게 나타났다. 부식전류가 $0.1-0.2{\mu}A/cm^{2}$에 이를 때 부식이 발생한다는 가정하에, 부식에 대한 임계 염소이온 농도에 대하여 OPC는 1.03, 30% PFA는 0.65, 60% GGBS는 0.45, 10% SF는 0.98%로 각각 계산되었다. 그에 비해 임계 염소이온 농도의 새로운 표현방법으로 제시한 [$Cl^{-}$]:[$H^{+}$] 몰 농도비의 단위로 계산하였을 때, 임계 염소이온 농도는 결합재에 관계없이 0.008-0.009로 도출되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present study assesses the chloride threshold level for corrosion of steel in concrete by examining the properties of four different binders used for blended concrete in terms of chloride binding, buffering of cement matrix to a pH fall and the corrosion behaviour. As binders, ordinary Portland cement (OPC), 30% pulverised fuel ash (PFA), 60% ground granulated blast furnace slag (GGBS) and 10% silica fume (SF) were used in a concrete mix. Testing for chloride binding was carried out using the water extraction method, the buffering of cement matrix was assessed by measuring the resistance to an artificial acidification of nitric acid, and the corrosion rate of steel in mortar with chlorides in cast was measured at 28 days using an anodic polarisation technique. Results show that the chloride binding capacity was much affected by $C_{3}A$ content and physical adsorption, and its order was 60% GGBS>30% PFA>OPC>10% SF. The buffering of cement matrix to a pH fall was varied with binder type and given values of the pH. From the result of corrosion test, it was found that the chloride threshold ranged 1.03, 0.65, 0.45 and 0.98% by weight of cement for OPC, 30% PFA, 60% GGBS and 10% SF respectively, assuming that corrosion starts at the corrosion rate of $0.1-0.2{\mu}A/cm^{2}$. The mole ratio of [$Cl^{-}$]:[$H^{+}$], as a new presentation of the chloride threshold, indicated the value of 0.008-0.009, irrespective of binder, which would be indicative of the inhibitive characteristic of binder.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

4. 본 연구에서는 임계 염소이온 농도를 [Cl−]:[H+]의 몰 농도비로 나타내는 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 부식 저항성에 대한 결합재의 영향을 평가하고자 네 가지 결합재를 이용하여 염소이온의 고정화 능력, 수화물의 부식 억제 능력, 모르타르 내 철근 부식 측정을 수행하였다. 또한 시멘트 수화물의 부식 억제 능력을 고려한 콘크리트 내 철근 부식에 대한 임계 염소이온 농도의 새로운 도출방법을 제안하였다. 실험을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 기존의 염소이온 침투에 의한 철근 부동태 피막의 파괴를 야기하는 철근 부식 임계 염소이온 농도를 혼합 시멘트에 대해 시멘트 수화물과 염소이온의 화학적 작용을 고려하여 도출하였다. 또한, 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 플라이 애시(PFA), 고로 슬래그 미분말(GGBS), 실리카퓸(SF)의 네 가지 결합재를 적용한 혼합콘크리트를 사용하여 부식 저항성에 대한 결합재의 영향을 평가하였다.
본 연구에서는 기존의 염소이온 침투에 의한 철근 부동태파괴의 입장에서 본 부식임계 염소이온농도가 아닌 시멘트 수화물과 염소이온의 화학적 작용을 고려한 혼합 시멘트에 대한 철근 부식 저항성을 평가하고자 하였다. 따라서 각종 혼합 시멘트 페이스트 시편의 pH 저하에 대한 억제능력의 측정을 위해 염소이온 고정화 능력시험과 같이 1.
본 연구에서는 부식 저항성에 대한 결합재의 영향을 평가하고자 네 가지 결합재를 이용하여 염소이온의 고정화 능력, 수화물의 부식 억제 능력, 모르타르 내 철근 부식 측정을 수행하였다. 또한 시멘트 수화물의 부식 억제 능력을 고려한 콘크리트 내 철근 부식에 대한 임계 염소이온 농도의 새로운 도출방법을 제안하였다.
본 연구에서는 염소이온 고정화 특성과 함께 임계 염소이온 농도에 영향을 주는 다른 인자로서 산 증가에 따른 pH 감소에 대한 시멘트의 부식 억제 능력을 측정하였다. Fig.

가설 설정

또한, 시멘트내의 염소이온 고정화와 부식 억제 능력은 공극수의 화학적 반응에 대한 골재의 영향이 매우 작다는 가정 하에 시멘트 페이스트를 이용하여 측정하였으며 콘크리트 내 철근의 부식률은 모르타르 시편을 이용하여 측정하였다. 또한, 사용 물-결합재비는 0.

제안 방법

2. 시멘트 수화물의 부식 억제 능력 측정은 분말 페이스트가 침지된 질산 혼합 용액을 이용하였다. 페이스트 분말의 질산 혼합 용액의 pH 측정 결과, 혼합용액에 함유된 산 농도가 증가함에도 불구하고 혼합용액의 특정 산 농도에서는 pH 감소가 발생하지 않았다.
자유 염소이온 추출 용액로부터 ppm단위로 측정된 염소이온의 농도는 결합재 중량당 %로 다시 전환하였다. 계산과정에 있어서 분말시료의 무게를 측정하고 자유 염소이온 농도를 측정한 후 용적단위로 환산하여 이를 다시 결합재 양에 대한 용적비율로 계산하였으며 이 과정에서 자유 염소이온 용액은 50 mL를 추출하였다. 따라서, 전 염소 이온량에서 측정된 자유 염소 이온량을 감하여 고정 염소이온량을 구하였다.
이후 50℃의 증류수에서 5분간 교반하여 수분추출방법으로 자유 염소이온을 추출하였다. 교반 후, 용액은 30분의 대기시간을 거쳐 필터링을 이용하여 자유 염소이온만의 용액을 추출하였고, 추출용액 내 자유 염소이온은 질산은 적정법에 의한 전위차 적정기를 사용하여 각 1회씩 측정 되었다(Arya and Xu, 1995).
본 연구에서는 기존의 염소이온 침투에 의한 철근 부동태파괴의 입장에서 본 부식임계 염소이온농도가 아닌 시멘트 수화물과 염소이온의 화학적 작용을 고려한 혼합 시멘트에 대한 철근 부식 저항성을 평가하고자 하였다. 따라서 각종 혼합 시멘트 페이스트 시편의 pH 저하에 대한 억제능력의 측정을 위해 염소이온 고정화 능력시험과 같이 1.5%의 염소이온을 포함한 시멘트 페이스트를 타설하였다. 측정시편은 200일 간 양생한 시편은 분쇄기와 그라인더를 이용하여 분쇄한 후 300 μm의 체를 이용하여 체가름을 수행하였다.
계산과정에 있어서 분말시료의 무게를 측정하고 자유 염소이온 농도를 측정한 후 용적단위로 환산하여 이를 다시 결합재 양에 대한 용적비율로 계산하였으며 이 과정에서 자유 염소이온 용액은 50 mL를 추출하였다. 따라서, 전 염소 이온량에서 측정된 자유 염소 이온량을 감하여 고정 염소이온량을 구하였다.
특히 철근 노출부 및 철근하부와 몰드의 접착구간에서의 부식을 미연에 방지하고자 철근상부의 경우엔 20 mm, 하부의 경우 10 mm 철근 양끝을 시멘트 페이스트로 피복한 후 고무를 이용하여 한 번 더 피복하였으며 전선을 연결하기 위하여 철근의 상부는 내밀고 타설하였다. 또한 모르타르 시편 타설 바로 직전에 아세톤으로 철근 표면을 세척함으로써 육안으로 구별하기 힘든 철근의 미세녹을 제거한 후 타설을 수행하였다. 타설 후 1일간의 기건양생을 거쳐 몰드를 탈형하였고 탈형된 시편은 폴리에틸렌필름으로 밀봉하여 20±2℃에서 28일 동안 양생하였다.
본 연구에서는 기존의 염소이온 침투에 의한 철근 부동태 피막의 파괴를 야기하는 철근 부식 임계 염소이온 농도를 혼합 시멘트에 대해 시멘트 수화물과 염소이온의 화학적 작용을 고려하여 도출하였다. 또한, 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 플라이 애시(PFA), 고로 슬래그 미분말(GGBS), 실리카퓸(SF)의 네 가지 결합재를 적용한 혼합콘크리트를 사용하여 부식 저항성에 대한 결합재의 영향을 평가하였다. 본 연구는 혼합 콘크리트의 염소이온 고정화 특성과 시멘트의 부식 억제 능력(Buffering capacity)을 결합재의 산중화능력(Acid neutralisation capacity; ANC)의 도출과 결합재에 따른 상대적 비교를 통해 수행하였으며, 시멘트 중량비 0.
0 mm의 원형철근을 배치하여 타설하였다. 모르타르 시편 배합에 있어서 중량비는 시멘트 : 물 : 잔골재=1.00 : 0.40 : 2.45의 비율로 배합하였으며 내부혼입 염소이온의 경우에는 각 배합당 0.0-3.0% 농도의 7단계 염소이온을 배합수에 섞어 타설하였다. 특히 철근 노출부 및 철근하부와 몰드의 접착구간에서의 부식을 미연에 방지하고자 철근상부의 경우엔 20 mm, 하부의 경우 10 mm 철근 양끝을 시멘트 페이스트로 피복한 후 고무를 이용하여 한 번 더 피복하였으며 전선을 연결하기 위하여 철근의 상부는 내밀고 타설하였다.
측정시편은 200일 간 양생한 시편은 분쇄기와 그라인더를 이용하여 분쇄한 후 300 μm의 체를 이용하여 체가름을 수행하였다. 미립자상태의 분말 중 3 g의 분말 시편을 추출하여 2 mole의 질산용액과 증류수로 이루어진 28단계의 용액과 혼합하여 0-20 mol/kg 농도의 용액을 만들었다. 혼합용액은 각각 10분 동안 교반하였으며 pH의 변화가 안정화 될 때까지 3일 간격으로 혼합용액의 pH를 측정하였다.
4인 사각형시멘트 페이스트(100×100×200 mm)를 사용하였다. 배합수는 NaCl을 이용하여 결합재 단위중량당 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0%의 염분을 삽입하였다. 또한 양생중 재료분리를 최소화하기 위하여 24시간 6 rpm의 속도로 시편을 회전시켰다.
또한, 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 플라이 애시(PFA), 고로 슬래그 미분말(GGBS), 실리카퓸(SF)의 네 가지 결합재를 적용한 혼합콘크리트를 사용하여 부식 저항성에 대한 결합재의 영향을 평가하였다. 본 연구는 혼합 콘크리트의 염소이온 고정화 특성과 시멘트의 부식 억제 능력(Buffering capacity)을 결합재의 산중화능력(Acid neutralisation capacity; ANC)의 도출과 결합재에 따른 상대적 비교를 통해 수행하였으며, 시멘트 중량비 0.0에서 3.0%의 단계별 염소이온을 포함한 모르타르 시편을 제작하여 모르타르 내 철근 부식 측정 결과를 통해 부식임계 염소이온 농도를 도출하였다.
초기의 pH 증가는 K⁺, Na⁺의 알칼리 금속과 같은 알칼리 구성 성분의 침출에 의한 것으로 설명된다. 본 연구에서는 12일간의 측정 관찰을 통해 pH의 최종 안정화를 확인한 후에 pH 수렴값을 산출하였으며 이를 시멘트 페이스트의 화학적 작용 평가와 시멘트 부식 억제 능력을 평가하였다.
이 가설은 부식에 대한 임계 염소이온 농도를 계산하는데 중요한 기초가 된다. 본 연구에서는 부식 개시 전 후의 염소이온 범위를 계산하기 위하여 고정 선형식을 사용하였으며 사용된 고정 선형식은 부식 개시 전, 후의 측정된 값을 이용하여 정하였고 임계 염소이온 농도와 염소이온의 범위, 고정 선형식은 Table 3에 나타내었다. 계산된 실험결과로부터 임계 염소이온 농도의 순서는 OPC>10% SF>30% PFA>60% GGBS로 확인되었다.
페이스트 분말의 질산 혼합 용액의 pH 측정 결과, 혼합용액에 함유된 산 농도가 증가함에도 불구하고 혼합용액의 특정 산 농도에서는 pH 감소가 발생하지 않았다. 본 연구에서는 산 증가에 대한 pH 감소 저항성을 산중화 능력(ANC)곡선으로 나타내었다. 각 결합재의 pH 저하 저항성의 크기와 발생 pH는 결합재에 따라 다양하게 나타났으며 pH 12.
, 2007b). 본 연구에서는 산의 농도에 따른 혼합 용액의 염소 이온 농도도 측정하였으며 측정 방법은 상기 염소이온 고정화 능력 실험에서 사용되었던 절차와 동일한 방법으로 수행 되었다.
시편을 분쇄한 후 300 μm의 체로서 체가름을 실시하여 분말을 포집하였다.
] 몰농도비를 이용하여 임계 염소이온 농도를 도출하는 절차를 나타내었다. 여기서, 콘크리트 세공용액상의 pH를 특정 pH까지 감소시키기 위해 요구되는 산의 첨가량과 용액 내의 시멘트 페이스트의 양은 본 연구를 통해 측정하였고, 페이스트 분말의 질산 혼합용액의 pH를 pH10까지 감소시키기 위해 요구되는 산의 양은 OPC의 경우, 23.3, 30% PFA는 14.0, 60% GGBS는 10.5, SF는 21.5 mol/kg으로 계산하였다(Fig. 4). 부식 임계 염소이온 농도의 경우는 OPC가 1.
시편을 분쇄한 후 300 μm의 체로서 체가름을 실시하여 분말을 포집하였다. 이후 50℃의 증류수에서 5분간 교반하여 수분추출방법으로 자유 염소이온을 추출하였다. 교반 후, 용액은 30분의 대기시간을 거쳐 필터링을 이용하여 자유 염소이온만의 용액을 추출하였고, 추출용액 내 자유 염소이온은 질산은 적정법에 의한 전위차 적정기를 사용하여 각 1회씩 측정 되었다(Arya and Xu, 1995).
즉, 콘크리트 내 자유 염소이온과 수산화이온의 농도를 이용하여 [Cl−]:[OH−] 몰 농도비를 임계 염소이온 농도 표현 방법으로 제시하였다.
혼합용액은 각각 10분 동안 교반하였으며 pH의 변화가 안정화 될 때까지 3일 간격으로 혼합용액의 pH를 측정하였다. 혼합 용액의 pH는 매 측정 전 pH 4.01, 7.00, 10.01의 완충용액을 이용하여 보정 한 후 pH meter를 이용하여 측정하였다(Song et al., 2007b). 본 연구에서는 산의 농도에 따른 혼합 용액의 염소 이온 농도도 측정하였으며 측정 방법은 상기 염소이온 고정화 능력 실험에서 사용되었던 절차와 동일한 방법으로 수행 되었다.
미립자상태의 분말 중 3 g의 분말 시편을 추출하여 2 mole의 질산용액과 증류수로 이루어진 28단계의 용액과 혼합하여 0-20 mol/kg 농도의 용액을 만들었다. 혼합용액은 각각 10분 동안 교반하였으며 pH의 변화가 안정화 될 때까지 3일 간격으로 혼합용액의 pH를 측정하였다. 혼합 용액의 pH는 매 측정 전 pH 4.

대상 데이터

혼합시멘트 제조용으로 시멘트는 S사 OPC를 사용하였다. PFA는 국내 유연탄계 화력발전소인 B 발전소에서 발생된 것을 사용하였으며 GGBS와 SF은 K 제철에서 발생되는 것을 사용하였다. OPC, PFA, GGBS 및 SF의 비중은 각각 3.
본 연구에서는 OPC와 30% PFA, 60% GGBS, 10% SF를 치환한 혼합시멘트를 결합재로 사용하였으며 혼합시멘트의 구성성분은 Table 1과 같다. 혼합시멘트 제조용으로 시멘트는 S사 OPC를 사용하였다.
염소이온 고정화 능력 실험은 골재가 염소이온과 화학적으로 반응하지 않는다는 가정하에 물/결합재 비 0.4인 사각형시멘트 페이스트(100×100×200 mm)를 사용하였다.
철근부식 측정실험에 사용된 모르타르 시편은 원형 몰드(50.0×90.0 mm)를 이용하여 타설하였으며 시편중심에는 브릿지(Bridge)를 이용하여 지름 10.0 mm의 원형철근을 배치하여 타설하였다.
측정시편은 200일 간 양생한 시편은 분쇄기와 그라인더를 이용하여 분쇄한 후 300 μm의 체를 이용하여 체가름을 수행하였다.
본 연구에서는 OPC와 30% PFA, 60% GGBS, 10% SF를 치환한 혼합시멘트를 결합재로 사용하였으며 혼합시멘트의 구성성분은 Table 1과 같다. 혼합시멘트 제조용으로 시멘트는 S사 OPC를 사용하였다. PFA는 국내 유연탄계 화력발전소인 B 발전소에서 발생된 것을 사용하였으며 GGBS와 SF은 K 제철에서 발생되는 것을 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서 철근의 부식은 선형 분극 방법(Linear Polarization Method)으로 측정하였으며 부식측정을 위한 측정기기는 Gamry사에서 제작한 버전 5.30의 전기 화학적 부식 측정기를 이용하였다. 모르타르 시편의 부식 측정 시, 모르타르내의 전기적 비저항등을 고려한 전기 저항성의 안정화를 위해 시편은 부식을 측정하기 전 24시간 동안 0.

성능/효과

1. 결합재에 따른 염소이온 고정화 능력 순서는 60%GGBS>30%PFA>OPC>10%SF로 나타났다.
여기서, 10%SF를 제외한 다른 결합재는 자유 염소이온량에 비해 고정 염소이온량이 크게 나타났으며 특히 OPC에 비해 분말도가 높은 60% GGBS는 흡착으로 인한 염소이온 고정화가 크게 나타났다. 10%SF는 전염소이온량이 증가할수록 고정 염소이온량이 증가하나 다량의 SiO₂ 함유로 인하여 C₃A 생성이 감소되어 염소이온 고정화 능력이 상대적으로 감소하는 것을 확인하였다. 계산된 실험결과를 통해 재령 200일에서의 염소이온의 고정화 능력은 60% GGBS>30%PFA>OPC>10%SF로 나타났다.
3. 모르타르 내 철근의 부식은 결합재에 관계없이 혼합된 염소 이온량의 증가에 의존하고 있음을 확인하였다. 모르타르 내 철근의 부식개시 시 부식전류를 측정하였으며, 부식전류가 0.
결합재에 따른 염소이온 고정화 능력 순서는 60%GGBS>30%PFA>OPC>10%SF로 나타났다. OPC에 비해 분말도가 높은 GGBS는 C₃A에 의한 염소이온 고정화뿐만 아니라 흡착으로 인한 염소이온 고정화가 다른 결합재에 비해 크게 나타났으며, SF는 다량의 SiO₂로 인하여 C₃A 생성이 감소, 염소이온 고정화가 낮게 나타났다. 또한, 전 염소이온 농도가 높을 때 염소이온 고정화 능력은 결합재의 C₃A 양의 제한으로 인하여 전 염소이온량이 증가할수록 상대적으로 감소함을 확인할 수 있었다.
[Cl−]:[H+]의 몰농도비로 표현되는 임계 염소이온 농도는 모르타르 부식실험을 통해 계산된 부식임계 전 염소이온 농도와 ANC 실험을 통한 페이스트 분말의 질산 혼합 용액이 pH 10까지 감소될 때 요구되는 산의 수소이온 농도로부터 도출이 가능하였으며 [Cl−]:[H+]의 몰 농도비로 임계 염소이온 농도를 나타내는 경우 결합재에 상관없이 공통된 값 0.008-0.009로 도출되었으며, 단일화된 임계 염소이온농도는 혼합 콘크리트를 사용한 콘크리트 구조물의 내구성 설계에 유용하게 사용될 수 있다.
4에 나타내었다. pH 저하에 대한 시멘트 수화물의 저항성인 산중화능력은 특정 pH에서 강하게 발생되었으며 저항성의 크기나 발생 pH 값은 결합재에 따라 다르게 나타났다. 그러나 pH 12.
본 연구에서는 산 증가에 대한 pH 감소 저항성을 산중화 능력(ANC)곡선으로 나타내었다. 각 결합재의 pH 저하 저항성의 크기와 발생 pH는 결합재에 따라 다양하게 나타났으며 pH 12.5에서는 결합재에 상관없이 저항성이 크게 측정됨을 확인하였다.
3과 같이 시간에 따른 pH의 안정성 확인을 위해서 시간에 따른 산 농도 10 mol/kg의 결합재 당 pH 변화를 도시하였다. 각 실험시편의 pH 변화는 시간이 지날수록 점차 증가하였으나 측정 8일 이후에는 값이 일정값으로 수렴하는 것을 확인하였다. 초기의 pH 증가는 K⁺, Na⁺의 알칼리 금속과 같은 알칼리 구성 성분의 침출에 의한 것으로 설명된다.
결합재의 종류에 상관없이 저농도의 전염소이온을 포함한 시편에서는 염소이온 고정화의 제한성으로 인해 상대적으로 염소이온 고정화가 크게 발생되었으나 결합재에 고농도의 염소이온들이 포함된 경우는 결합재의 C₃A양의 제한으로 인하여 상대적으로 전염소이온량의 낮은 수준으로 고정화가 이루어지고 있음이 확인되었다. 여기서, 10%SF를 제외한 다른 결합재는 자유 염소이온량에 비해 고정 염소이온량이 크게 나타났으며 특히 OPC에 비해 분말도가 높은 60% GGBS는 흡착으로 인한 염소이온 고정화가 크게 나타났다.
계산된 실험결과로부터 임계 염소이온 농도의 순서는 OPC>10% SF>30% PFA>60% GGBS로 확인되었다.
계산된 실험결과를 통해 재령 200일에서의 염소이온의 고정화 능력은 60% GGBS>30%PFA>OPC>10%SF로 나타났다.
이 식들은 사전에 염소이온 고정화 특성을 설명하기 위한 적용 함수식으로 사용되었다. 도출된 실험상수 및 분산값을 통해 Langmuir isotherm이 Freundlich isotherm 보다 더욱 실험값을 잘 묘사하고 있음을 확인하였다(Fig. 2).
상기와 같은 결과를 통해 pH 저하에 대한 시멘트의 저항성이 강할수록 콘크리트 내 철근 부식의 위험성이 낮음을 알 수 있다. 또한, 30% PFA, 60% GGBS가 pH 11.50 이하에서 두드러지게 강한 저항성이 발생하는 반면에, OPC는 pH 11.00에서 pH 저하 저항성이 발생하였음을 확인할 수 있다. 이는 pH 저하를 억제하는 수화물이 결합재에 따라 상이함을 명확하게 증명하는 사례라 할 수 있다.
OPC에 비해 분말도가 높은 GGBS는 C₃A에 의한 염소이온 고정화뿐만 아니라 흡착으로 인한 염소이온 고정화가 다른 결합재에 비해 크게 나타났으며, SF는 다량의 SiO₂로 인하여 C₃A 생성이 감소, 염소이온 고정화가 낮게 나타났다. 또한, 전 염소이온 농도가 높을 때 염소이온 고정화 능력은 결합재의 C₃A 양의 제한으로 인하여 전 염소이온량이 증가할수록 상대적으로 감소함을 확인할 수 있었다.
모르타르 내 철근의 부식개시 시 부식전류를 측정하였으며, 부식전류가 0.1-0.2 μA/cm2에 이를 때 부식이 발생한다는 가정하에 부식에 대한 임계 염소이온농도의 평균값은 OPC의 경우 1.03, 30%PFA는 0.65, 60%GGBS는 0.45, 10%SF는 0.98로 계산되었다.
본 실험결과에서 부식 개시 이전의 부식률은 염소이온이 증가될수록 증가하였으며 부식률의 증가는 결합재의 영향을 많고 있음을 확인하였다. 특히, 철근 주위에 부동태 피막이 존재하는 단계에서 OPC, 10% SF의 부식률은 30% PFA, 60% GGBS 보다 값이 작은 것으로 나타났으며 이와는 대조적으로 부식 개시 이후에는 30% PFA, 60% GGBS의 부식률 증가에 비해 OPC, 10% SF의 부식률이 더 급격히 증가하고 있음을 확인하였다.
시멘트의 부식 억제 능력이 큰 결합재일수록 임계 염소이온 농도가 크게 나타났으며 이를 통해서 시멘트의 부식 억제 능력이 염소이온 고정화 특성에 비해 부식 위험성을 판단하는 기준으로서 더 정확하다고 할 수 있다. 본 연구를 통해 결합재의 pH 감소 저항성이 클수록 염소이온의 작용으로 인한 콘크리트 구조물 내 철근의 부식에 대한 저항성이 증가된다는 중요한 결론을 도출하였다.
4%의 값을 갖는다는 결과를 보고하기도 하였다. 상기와 같은 연구 결과를 통해 염소이온 고정화 특성이 부식개시과정에서 임계 염소이온 농도에 대해 영향이 국소하다고 할 수 있으며 철근표면주위의 pH감소로 인하여 시멘트의 특성에 따라 일부 고정염소이온이 부식 과정에 직접적으로 영향을 주는 것으로 판단이 가능하다.
염소이온 고정화 특성은 결합재의 임계 염소이온 농도와 특정한 관계를 나타내지 않았으나 시멘트의 부식 억제 능력의 경우, 결합재의 종류와 상관없이 임계 염소이온 농도와 일정한 비율의 상관관계가 존재함을 발견하였다. 시멘트의 부식 억제 능력이 큰 결합재일수록 임계 염소이온 농도가 크게 나타났으며 이를 통해서 시멘트의 부식 억제 능력이 염소이온 고정화 특성에 비해 부식 위험성을 판단하는 기준으로서 더 정확하다고 할 수 있다. 본 연구를 통해 결합재의 pH 감소 저항성이 클수록 염소이온의 작용으로 인한 콘크리트 구조물 내 철근의 부식에 대한 저항성이 증가된다는 중요한 결론을 도출하였다.
실험 결과를 근거로 계산된 각결합재의 [Cl−]:[H+] 몰농도비 임계 염소이온 농도는 0.008~0.009으로 결합재에 상관없이 거의 일정한 값으로 나타났으며, [Cl−]:[H+] 몰농도비를 이용한 임계 염소이온 농도 표현방법은 콘크리트 내 철근 부식의 시멘트 수화물로 인한 부식 억제와 염소이온의 작용으로 인한 부식 열화요인을 모두 고려하므로 부식 임계 염소이온 농도를 표현하기에 가장 적합한 표현 방법으로 판단된다.
4에서 확인이 가능하다. 실험결과로부터 질산 농도의 증가는 결합재의 종류와 상관없이 pH를 감소시키고 있음을 알 수 있었으며, OPC 및 10% SF의 산이 추가되지 않은 초기 pH 값은 약 12.65로 나타났으며, 30% PFA, 60% GGBS의 pH는 12.50로 동일하게 나타났다. 이는 포졸란 재료의 시멘트 화학적 특성과 알칼리금속 및 수산화칼슘의 낮은 생성률의 관계 때문이라고 판단이 가능하다.
5는 각종 혼합 모르타르 시편의 선형분극법에 의한 부식전위 측정결과를 도시하였다. 실험결과로부터, GGBS가 다른 결합재보다 크게 철근 부식전류에 일 영향을 미침을 알 수 있다. 부식전류의 경우, GGBS는 다른 결합재에 비해, 모든 내부 혼입 염분농도 범위에서 상향의 부식 전류값으로 나타났으며 이는 GGBS가 모르타르 시편 내에서 공극 구조를 더욱 치밀하게 함으로써, 같은 양의 염분이 있다 하더라도, 산소 및 수분의 철근에 대한 접근성을 제한함으로써 양극반응 활성도가 감소된 결과라 하겠다.
A양의 제한으로 인하여 상대적으로 전염소이온량의 낮은 수준으로 고정화가 이루어지고 있음이 확인되었다. 여기서, 10%SF를 제외한 다른 결합재는 자유 염소이온량에 비해 고정 염소이온량이 크게 나타났으며 특히 OPC에 비해 분말도가 높은 60% GGBS는 흡착으로 인한 염소이온 고정화가 크게 나타났다. 10%SF는 전염소이온량이 증가할수록 고정 염소이온량이 증가하나 다량의 SiO₂ 함유로 인하여 C₃A 생성이 감소되어 염소이온 고정화 능력이 상대적으로 감소하는 것을 확인하였다.
염소이온 고정화 특성은 결합재의 임계 염소이온 농도와 특정한 관계를 나타내지 않았으나 시멘트의 부식 억제 능력의 경우, 결합재의 종류와 상관없이 임계 염소이온 농도와 일정한 비율의 상관관계가 존재함을 발견하였다.
4는 전 염소이온에 대한 자유 염소이온의 비와 질산 농도의 관계를 통해 산 증가에 따른 고정 염소이온의 자유화를 나타낸다. 즉, 질산 농도의 증가가 고정 염소이온을 자유화시켜 자유 염소이온의 양이 점차적으로 증가함을 확인할 수 있다. 하지만, 산 농도가 15 mol/kg보다 증가되었을 때에는 85%-95% 정도의 자유 염소이온이 발생되었으며 이후에는 자유 염소이온의 증가가 더 이상 관찰되지 않았다.
이러한 결과는 pH 감소에 대해 시멘트나 공극수의 pH가 높은 저항성을 가지고 있음을 의미한다. 질산이 20 mol/kg이 추가된 각 결합재의 최종 pH는 결합재 종류에 따라 다양하게 나타났으며, OPC 및 10% SF는 약 pH 10.00까지 감소하였고 30% PFA 및 60% GGBS는 pH 4.00 이하로 감소되었다.
본 실험결과에서 부식 개시 이전의 부식률은 염소이온이 증가될수록 증가하였으며 부식률의 증가는 결합재의 영향을 많고 있음을 확인하였다. 특히, 철근 주위에 부동태 피막이 존재하는 단계에서 OPC, 10% SF의 부식률은 30% PFA, 60% GGBS 보다 값이 작은 것으로 나타났으며 이와는 대조적으로 부식 개시 이후에는 30% PFA, 60% GGBS의 부식률 증가에 비해 OPC, 10% SF의 부식률이 더 급격히 증가하고 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 포졸란 재료가 임계 염소이온 농도의 증가에 따른 부식에는 영향을 주지 않으나 부식 증식을 늦춘다는 것을 암시하는 것으로 판단할 수 있다(Saraswathy and Song, 2007).
시멘트 수화물의 부식 억제 능력 측정은 분말 페이스트가 침지된 질산 혼합 용액을 이용하였다. 페이스트 분말의 질산 혼합 용액의 pH 측정 결과, 혼합용액에 함유된 산 농도가 증가함에도 불구하고 혼합용액의 특정 산 농도에서는 pH 감소가 발생하지 않았다. 본 연구에서는 산 증가에 대한 pH 감소 저항성을 산중화 능력(ANC)곡선으로 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트 구조물의 한계는 무엇인가?	고성능 콘크리트 구조물에 대한 사회적 관심과 요구가 증대되면서 철근 콘크리트 구조물의 내구성분야에서도 고내구성 콘크리트의 개발뿐만 아니라 고내구성 콘크리트 구조물의 효과적인 설계 및 시공에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다(송하원 등, 2007a; CEB-FIP, 2006). 콘크리트 구조물은 시공 이후에도 공용 중 내부 및 외부의 환경조건으로 인해 구조물의 손상 및 열화가 발생하며(Maaddawy and Soudki, 2007), 철근 부식과 같은 열화의 가속에 의해 심각한 내하력 저하가 발생한다. 이에 따라 보수보강 및 해체에 있어서 막대한 비용이 요구된다(Page, 1975; Glass and Buenfeld, 1997).
	콘크리트 구조물의 부식 메커니즘으로는 어떠한 가설이 제안되고 있는가?	한편, 콘크리트 내 철근의 부식은 상기에서 언급된 구조물의 내구수명 혹은 내하력 저하의 큰 요인으로 널리 인식되어 있으며 실제적으로 재료열화 및 구조 내하력 저하의 핵심으로써, 염소이온의 침투로 인해 야기된 철근 부식을 통해 부식생성물이 증가하여 구조물의 열화가 가속화되고 결국 콘크리트 내 철근부식으로 인하여 발생된응력이 균열을 급진전시켜 구조물의 붕괴를 야기시키게 된다(Broomfield, 1997). 현재 콘크리트 내 철근 부식에 관한 연구는 다방면으로 이루어지고 있으나, 콘크리트 구조물의 부식 메커니즘은 단지 콘크리트 내 공극수의 알칼리 환경이 염소이온의 침투로 인해 산성화되면서 부동태 피막을 파괴하여 철근부식을 유발한다는 가설만이 제안되고 있다(Ann, 2005). 따라서 콘크리트 내 철근 부식에 대한 임계 염소이온농도는 대략의 범위만이 제시되고 있으며 세계 각국 혹은 연구자마다 각기 다른 값을 제시하고 있어 실용적이지 못하다는 문제가 제기되고 있다(Uhlig, 1971; Arya et al.
	콘크리트 구조물의 내구수명 혹은 내하력 저하의 큰 요인으로 널리 인식되어 있는 문제는 무엇인가?	이에 따라 보수보강 및 해체에 있어서 막대한 비용이 요구된다(Page, 1975; Glass and Buenfeld, 1997). 한편, 콘크리트 내 철근의 부식은 상기에서 언급된 구조물의 내구수명 혹은 내하력 저하의 큰 요인으로 널리 인식되어 있으며 실제적으로 재료열화 및 구조 내하력 저하의 핵심으로써, 염소이온의 침투로 인해 야기된 철근 부식을 통해 부식생성물이 증가하여 구조물의 열화가 가속화되고 결국 콘크리트 내 철근부식으로 인하여 발생된응력이 균열을 급진전시켜 구조물의 붕괴를 야기시키게 된다(Broomfield, 1997). 현재 콘크리트 내 철근 부식에 관한 연구는 다방면으로 이루어지고 있으나, 콘크리트 구조물의 부식 메커니즘은 단지 콘크리트 내 공극수의 알칼리 환경이 염소이온의 침투로 인해 산성화되면서 부동태 피막을 파괴하여 철근부식을 유발한다는 가설만이 제안되고 있다(Ann, 2005).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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