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문제 정의
- 따라서 자연전위법이 단지 매립철근의 부식정도만을 반영한다고는 볼 수 없으며, 콘크리트 내부의 물성이 변함에 따라 전기화학적 측정법은 영향을 받는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 하천 모래의 고갈로 해사의 사용이 증가되고 있는 추세를 반영하여 콘크리트 배합물에 염화물을 혼입하고 장시간에 걸쳐 자연폭로하여 발생한 매립철근의 실제 부식정도를 자연전위법과 분극저항법으로 측정하여 각 측정법의 적용성과 신뢰성을 평가하였으며, 콘크리트의 물성과 첨가된 혼화재의 작용에 의해서 콘크리트의 내부상태가 변화할 때 각 측정법들이 가지는 특성들을 확인하고 그 원인을 분석하였다.
제안 방법
- 콘크리트에 혼합되는 염소이온을 고려하기 위하여 배합 시 계획된 염화물량을 혼입하였으며, 콘크리트의 영향을 평가하기 위해서 물-시멘트비와 혼화재 종류를 변화 시켰다. 시험체 제작 후에는 콘크리트 매립 철근의 자연적인 부식유도를 위하여 평균온도 20℃, 상대습도 50~ 60%의 조건으로 18개월, 42개월 동안 자연폭로하였다.
- 콘크리트에 혼합되는 염소이온을 고려하기 위하여 배합 시 계획된 염화물량을 혼입하였으며, 콘크리트의 영향을 평가하기 위해서 물-시멘트비와 혼화재 종류를 변화 시켰다. 시험체 제작 후에는 콘크리트 매립 철근의 자연적인 부식유도를 위하여 평균온도 20℃, 상대습도 50~ 60%의 조건으로 18개월, 42개월 동안 자연폭로하였다. 실험변수는 Table 1과 같다.
- 혼화재 혼합의 경우에는 물-시멘트비 0.6을 기준으로 실리카흄(SF) 10%, 고로슬래그미분말(BFS)을 30% 대체하였다. 사용한 혼화재의 물리적 성질 및 화학성분은 Table 3~4와 같다.
- 본 실험에 사용된 기준 배합표는 Table 5와 같다. 이 배합을 기준으로 하여 염화물이온, 혼화재를 계획된 비율에 따라 혼입 및 대체하여 배합하였다.
- 자연전위의 측정은 ASTM C 876 실험방법을 기준으로 하여 측정 전 콘크리트 표면을 30분 동안 습윤 상태로 유지하였다. 기준전극인 포화 유산동 전극에는 (-)단자, 측정하는 콘크리트 내부의 철근에 (+)단자를 연결한 후 이를 조합시켜 전지를 구성하고 기준전극에 대한 (+)와 (-)의 전위차를 측정하였다. Fig.
- 철근의 분극저항 측정은 C사의 PR-4500장비를 사용하였다. 기준전극은 포화유산동 전극이며, 보조 전극 및 분극면적을 한정시키기 위하여 Guard electrode를 두었으며, 철근과 전극들은 액상의 세제로 적신 스폰지를 통하여 전기적으로 접촉시켰다. 부식전위가 안정화된 후 측정을 실시하였으며, 분극저항 측정시의 전위 이동범위는 부식 전위를 기준으로 -15mV에서 +15mV까지 변화시켰다(Stern and Geary, 1957; Millard et al.
- 기준전극은 포화유산동 전극이며, 보조 전극 및 분극면적을 한정시키기 위하여 Guard electrode를 두었으며, 철근과 전극들은 액상의 세제로 적신 스폰지를 통하여 전기적으로 접촉시켰다. 부식전위가 안정화된 후 측정을 실시하였으며, 분극저항 측정시의 전위 이동범위는 부식 전위를 기준으로 -15mV에서 +15mV까지 변화시켰다(Stern and Geary, 1957; Millard et al., 2001). 철근의 분극면적은 보조 전극의 단면을 수직으로 투영시켜, 이에 해당되는 부분의 철근 표면적으로 계산하였다.
- , 2001). 철근의 분극면적은 보조 전극의 단면을 수직으로 투영시켜, 이에 해당되는 부분의 철근 표면적으로 계산하였다. Fig.
- 부식 면적률은 Fig. 4와 같은 방법으로 부식된 면적을 측정하여 철근의 총면적에 대한 백분율로 부식면적을 계산하였다. 철근의 총면적은 보조 전극의 단면적을 수직으로 투영시킨 표면적을 총 면적으로 하였다.
대상 데이터
- 시험체는 150(D)×150(H)×150(L)mm로 제작되었다. 철근은 이형철근(KS D25)을 사용하였으며, 철근 표면의 녹이 없음을 확인한 후 타설하였다. 시험체의 상세도는 Fig.
- 시험체 제작에 사용된 시멘트는 KS L 5201에 규정된 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다. 잔골재는 하천 모래를 사용하였으며, 굵은 골재는 쇄석(Gmax=25mm)이 사용되었다.
- 시험체 제작에 사용된 시멘트는 KS L 5201에 규정된 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다. 잔골재는 하천 모래를 사용하였으며, 굵은 골재는 쇄석(Gmax=25mm)이 사용되었다. 사용된 골재의 물리적 성질은 Table 2와 같다.
- 시험체는 150(D)×150(H)×150(L)mm로 제작되었다.
이론/모형
- 특히 기준전극의 위치가 콘크리트의 표면이라는 점을 감안할 때 콘크리트 내부의 물성 및 화학작용에 의해서 발생할 수 있는 특징들을 파악해야만 한다. 기존 연구에서는 외부로부터 염화물이 침투할 경우, 보통콘크리트와 혼화재를 혼입한 콘크리트와의 철근부식의 저항성을 평가하기 위하여 자연전위법등을 사용하였으며, 혼화재를 혼입한 시험체의 자연 전위값이 높게 나타나 부식의 가능성이 적다고 평가하였다(김은겸 등, 2004; 송하원 등, 2008; 2008; Wolsiefer, 1991). 또한 방청제의 효과를 평가하기 위하여 콘크리트 배합 시 염화물을 혼입한 결과, 방청제를 첨가하지 않은 시험체에서 부식촉진 시험 초기부터 자연전위값이 급격히 낮아졌다는 연구보고가 있다(문한영 등, 1998).
- 자연전위의 측정은 ASTM C 876 실험방법을 기준으로 하여 측정 전 콘크리트 표면을 30분 동안 습윤 상태로 유지하였다. 기준전극인 포화 유산동 전극에는 (-)단자, 측정하는 콘크리트 내부의 철근에 (+)단자를 연결한 후 이를 조합시켜 전지를 구성하고 기준전극에 대한 (+)와 (-)의 전위차를 측정하였다.
성능/효과
- 5는 염화물을 혼입한 시험체의 시간경과에 따라 발생한 철근의 부식면적률을 물-시멘트비와 재령으로 구분하여 나타낸 것이다. 혼입된 염화물량과 재령이 증가할수록 부식면적이 증가하는 것으로 나타났다. 재령이 18개월 경과했을 시, 2.
- 특히, 실험결과 부식면적이 80% 이상으로 철근 부식의 발생을 확인할 수 있을 때의 자연 전위 값이 -280 ~ -370mV에 분포하고 있음에도 규정 에서는 -250 ~ -350mV 사이의 자연전위 값을 부식확률이 불확실한 구간으로 구분하고 있어 규정에 따라 부식의 유·무를 평가하는 것은 무리가 있다고 판단된다.
- 실제 부식면적이 80%이상 부식된 시편들의 분극저항값은 50kΩ·cm2 이하의 분포를 보였으며, 10%이하로 부식된 경우에는 200kΩ·cm2 이상의 값을 보였다.
- 7은 염화물 혼입량과 부식면적에 따른 자연전위 분석결과를 나타낸 것이다. 이를 살펴보면, 0~10%로 부식량이 적게 발생했을 경우에는 내부 염화물의 함유량에 상관없이 물-시멘트비가 낮을수록 자연전위값이 다소 크게 측정되었으나, 부식량이 증가할수록 물-시멘트비의 영향이 줄어드는 것으로 나타났다. 따라서 자연전위법은 부식량이 적은 경우에는 콘크리트의 물성에 다소 영향을 받지만, 부식량이 증가하면 물-시멘트비가 낮아 콘크리트의 저항이 상대적으로 커지더라도 큰 영향을 받지 않는 것으로 판단된다.
- 이를 살펴보면, 0~10%로 부식량이 적게 발생했을 경우에는 내부 염화물의 함유량에 상관없이 물-시멘트비가 낮을수록 자연전위값이 다소 크게 측정되었으나, 부식량이 증가할수록 물-시멘트비의 영향이 줄어드는 것으로 나타났다. 따라서 자연전위법은 부식량이 적은 경우에는 콘크리트의 물성에 다소 영향을 받지만, 부식량이 증가하면 물-시멘트비가 낮아 콘크리트의 저항이 상대적으로 커지더라도 큰 영향을 받지 않는 것으로 판단된다.
- 부식면적이 80% 이하일 때는 자연전위값으로 부식에 대한 뚜렷한 경향을 찾기 어려우나, 80% 이상으로 부식이 크게 진행된 경우에는 측정값이 -280mV 이하로 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 발생한 부식면적이 총 측정면적의 80% 이하일 때는 자연전위법으로 부식의 유․무를 판단하기에는 다소 무리가 있으며, 최소 80% 이상으로 부식면적이 발생하면 자연전위측정법으로 부식의 발생여부를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- 자연전위값에서는 부식량이 적은 경우, 물-시멘트비가 낮을수록 상대적으로 커지는 콘크리트 저항에 따른 영향이 나타났으나, 분극저항값에서는 미미하게 부식이 발생한 경우에도 콘크리트 물성에 대한 영향이 나타나지 않았다. 또한 재령이 증가함에 따라 혼입된 염화물에 의한 부식이 진전됨으로써 분극저항 값이 낮아질 뿐 내부 염화물의 혼입량에 의한 영향이 없는 것으로 나타났다. 따라서 분극저항법은 매립철근의 부식량이 적은 경우, 즉 콘크리트의 저항이 금속표면의 저항보다 지배적인 경우에도 콘크리트 물성의 영향을 받지 않고 철근의 부식량을 평가할 수 있으며, 실제 부식면적이 증가함에 따라 분극 저항값도 낮아지는 경향을 보여 매립 철근의 부식상태를 정량적으로 평가하는 것이 가능할 것으로 사료된다.
- 또한 재령이 증가함에 따라 혼입된 염화물에 의한 부식이 진전됨으로써 분극저항 값이 낮아질 뿐 내부 염화물의 혼입량에 의한 영향이 없는 것으로 나타났다. 따라서 분극저항법은 매립철근의 부식량이 적은 경우, 즉 콘크리트의 저항이 금속표면의 저항보다 지배적인 경우에도 콘크리트 물성의 영향을 받지 않고 철근의 부식량을 평가할 수 있으며, 실제 부식면적이 증가함에 따라 분극 저항값도 낮아지는 경향을 보여 매립 철근의 부식상태를 정량적으로 평가하는 것이 가능할 것으로 사료된다.
- 11의 혼화재가 혼입된 경우의 분극저항값을 살펴보면, 유사한 부식면적 상태에서 분극저항값이 전반적으로 실리카흄 > 고로슬래그미분말 > OPC 순서의 분포를 나타냈다. 본 실험에서는 물-시멘트비, 측정 시 주위환경, 피복두께를 동일하게 했음에도 혼화재의 혼입에 따라 측정값에 차이가 생기는 것은 혼화재의 혼입이 분극 저항측정법에 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있으며, 분극저항법은 동일한 부식량임에도 혼화재가 혼입되면 부식정도를 과소평가하는 것으로 판단된다.
- 혼화재의 종류별로 좀 더 면밀히 살펴보면, 실리카흄을 사용했을 때의 분극저항값이 고로슬래그미분말을 사용했을 경우보다 상대적으로 높은 분극저항값을 나타냈으며, 고로슬래그미분말을 혼합한 경우의 분극저항값은 실리카흄의 경우보다는 작지만, OPC의 경우보다는 높은 분포로 나타났다. 이는 혼화재가 혼입되면 콘크리트는 조밀한 구조를 형성하게 되고 기준전극과 작동전극인 철근사이의 저항이 상대적으로 증가하게 되며 이로 인해 전위가 감소해서 나타나는 현상으로 판단할 수 있다.
- 또한 혼화재를 혼입했을 때 분극저항값이 높게 나타나는 현상이 부식면적 50% 이하에서는 확연히 나타나고, 부식면적이 80% 이상으로 발생하면 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 이는 부식량이 적을 때는 철근표면의 저항보다 혼화재의 혼입으로 인해 증가한 콘크리트의 저항이 크기 때문에 유사한 부식량에서도 혼화재가 혼입된 시편의 분극저항값이 크게 측정되는 것으로 판단된다.
- 1) 염화물이온 함유량이 증가할수록 부식면적이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 내부염화물 1.2kg/m3 이상에서 부식이 발생하는 것으로 나타났다.
- 2) 자연전위법은 부식량이 10% 이하로 미미한 경우에는 물-시멘트비가 낮은 시험체에서 자연전위 값이 다소 크게 측정되었으나, 부식량이 증가하면 낮은 물-시멘트 비에 의한 콘크리트의 저항이 상대적으로 커지더라도 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 또한 염화물의 혼입 량이 많아 공극속의 염분 농도가 높아지더라도 자연전위 측정값에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 2) 자연전위법은 부식량이 10% 이하로 미미한 경우에는 물-시멘트비가 낮은 시험체에서 자연전위 값이 다소 크게 측정되었으나, 부식량이 증가하면 낮은 물-시멘트 비에 의한 콘크리트의 저항이 상대적으로 커지더라도 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 또한 염화물의 혼입 량이 많아 공극속의 염분 농도가 높아지더라도 자연전위 측정값에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 3) 부식면적 80% 이하에서는 자연전위값으로 부식의 발생여부를 평가하기에는 무리가 있는 반면 부식면적이 80% 이상으로 발생하면 자연전위값이 -280mV이하로 낮아지는 경향을 보였다. 따라서 측정면적의 80% 이상으로 부식이 발생하면 자연전위법으로 부식의 발생여부를 구별할 수 있을 것으로 판단된다.
- 3) 부식면적 80% 이하에서는 자연전위값으로 부식의 발생여부를 평가하기에는 무리가 있는 반면 부식면적이 80% 이상으로 발생하면 자연전위값이 -280mV이하로 낮아지는 경향을 보였다. 따라서 측정면적의 80% 이상으로 부식이 발생하면 자연전위법으로 부식의 발생여부를 구별할 수 있을 것으로 판단된다.
- 4) 분극저항법은 자연전위법과는 달리 철근의 부식량이 미미한 경우에도 콘크리트 물성과 내부 염화물량의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 따라서 분극저항법은 매립철근의 부식량이 적은 경우에도 콘크리트 물성의 영향을 받지 않고 철근의 부식량을 평가할 수 있으며, 실제 부식면적이 증가함에 따라 분극저항치도 낮아지는 경향을 보여 매립철근의 부식상태를 정량적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- 4) 분극저항법은 자연전위법과는 달리 철근의 부식량이 미미한 경우에도 콘크리트 물성과 내부 염화물량의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 따라서 분극저항법은 매립철근의 부식량이 적은 경우에도 콘크리트 물성의 영향을 받지 않고 철근의 부식량을 평가할 수 있으며, 실제 부식면적이 증가함에 따라 분극저항치도 낮아지는 경향을 보여 매립철근의 부식상태를 정량적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- 5) 자연전위법은 혼화재가 혼입된 경우에는 높은 수준의 부식발생만을 평가할 수 있으며, 분극저항법의 경우에는 동일한 부식량에서도 혼화재가 혼입된 시험체가 혼화재가 혼입되지 않은 시험체보다 상대적으로 높은 분극저항값을 나타냈다. 따라서 혼화재가 혼입된 콘크리트 내부 철근의 부식정도를 평가할 때는 혼화재에 의해 콘크리트의 저항이 커지는 것을 고려하여 분극저항법을 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 5) 자연전위법은 혼화재가 혼입된 경우에는 높은 수준의 부식발생만을 평가할 수 있으며, 분극저항법의 경우에는 동일한 부식량에서도 혼화재가 혼입된 시험체가 혼화재가 혼입되지 않은 시험체보다 상대적으로 높은 분극저항값을 나타냈다. 따라서 혼화재가 혼입된 콘크리트 내부 철근의 부식정도를 평가할 때는 혼화재에 의해 콘크리트의 저항이 커지는 것을 고려하여 분극저항법을 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 10은 혼화재가 혼입되었을 때의 자연전위값을 나타낸 것이다. 이를 살펴보면, 혼화재의 혼입에 상관없이 부식면적이 40% 이하일 경우에는 -170~ -250mV 사이의 그룹을 형성하였으며, 부식면적이 80% 이상인 경우에는 -250 ~ -350mV 사이에 분포하는 그룹으로 큰 편차를 보여 혼화재가 혼입되었을 경우에도 자연전위법에 의해서는 부식면적이 80% 이상일 때의 부식판정만이 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 반면 부식량이 80% 이상으로 증가하면 철근 표면의 부식생성물에 의한 저항이 증가하므로 혼화재가 혼입되지 않은 시편의 분극값과 혼화재가 혼입된 시편의 분극값의 편차가 줄어드는 것으로 판단된다. 따라서 분극저항법을 사용하여 혼화재를 혼입한 콘크리트 내부 철근의 부식정도를 평가할 경우, 부식량이 80% 이하일 때는 혼화재의 영향을 고려하여야 할 것으로 판단되며, 좀 더 다양한 혼화재의 종류와 함유량을 변수로 하는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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