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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 동일한 시험체를 대상으로, 본 연구진이 개발한 미니센서와 기존에 현장에서 적용되고 있는 CM-Ⅱ(corrosion meter)기의 철근부식진단 응답값(자연전위, 분극저항, 비저항)을 상호 비교함으로써 비파괴 철근부식진단 기기로서의 미니센서 타당성에 관한 기초연구를 수행하였다.
제안 방법
- 03162 Hz로 두고, 가로축 실수부(real)와 세로축 허수부(imaginary)로 하여 데이터가 나타났다. 각 데이터 마다 동일한 주파수로 분극저항의 데이터를 산출하였고, 실측값에서 점이 찍힌 부분이 각 주파수의 데이터이고, 반원의 직경(Nyquist Plot)을 형상화하여 반원의 지름을 분극저항 Rp로 하여 분극저항값을 계산하였다.
- 기존 부식진단에 사용되고 있는 CM-Ⅱ(corrosion meter)기의 본체에 미니센서(이하 미니센서)를 연결하여 얻은 측정값과 CM-Ⅱ(corrosion meter)기의 원래 측정법(이하 CM-Ⅱ기)에 따라 모르타르 표면상에서 얻은 측정값을 비교분석하였다. 콘크리트 구조물의 철근 부근에 설치된 미니센서에 의해 전기화학적 특성치(자연전위, 분극저항, 비저항)를 측정하고 철근부식의 유무 부식 속도 및 철근부근의 염화물과 수분의 유무를 평가하는 것이 가능하다.
- 따라서 미니센서에 α(상수값)를 곱하여 전극재료의 차이를 보정을 하게 되면 미니센서의 자연전위 값을 CM-Ⅱ의 측정기준에 적용을 할 수 있으므로 타당성을 가질 수 있다. 따라서 두 데이터의 상관관계에 의해서 미니센서로 자연전위를 측정하는 것에 대한 타당성을 검증 하였다.
- 부식측정에 이용되는 미니센서는 철근표면으로부터 5mm 떨어진 위치에 정착시켰으며, 이를 위해 센서주변을 미리 준비한 필름지로 감싸 형틀을 만들고 이 형틀 내부에 공시체와 동일한 조성의 모르타르를 채워 1일간 경화시킨 후 미니센서에 두께 5mm의 모르타르 피복층을 만들었다. 모르타르와 일체가 된 센서를 철근에 부착하기 위하여 케이블타이를 이용하여 철근에 정착시켰다. 미니센서 철근장착과정은 Fig.
- 미니센서를 모르타르에 매립하여 부식촉진을 시킨 후각 cycle마다 측정을 시작하였다. Fig.
- CM-Ⅱ기의 특성상 분극저항과 비저항을 함께 측정 할 수 있다. 미니센서와 철근 사이의 비저항과 철근과 CM-Ⅱ, 즉 콘크리트표면과의 비저항을 측정값을 비교해 보았다. Fig.
- 본 연구는 개발된 미니센서를 이용한 비파괴 철근 부식 측정의 타당성을 검증하기 위하여 철근 부식 촉진 실험을 실시하여 CM-Ⅱ와 미니센서로 자연전위, 분극저항, 비저항 값을 비교 분석 하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 철근과 미니센서의 간격을 5mm한 이유로는 잔골재 최대치수인 5mm보다 작은 간격이 측정의 오차 저감에 적절하다고 판단하였다. 부식을 촉진시키기 위하여 염화나트륨을 모르타르중량의 6%의 비율로 염화나트륨(NaCl)을 계량하여 첨가하였다. 미니센서는 CM-Ⅱ기 측정에 방해를 막기 위해 철근의 측면에 장착하였고, 공시체의 정중앙에 장착하였다.
- 부식촉진을 시킨 후 CM-Ⅱ(corrosion meter)측정기가 AC 임피던스법에 의해 자연전위, 분극저항, 콘크리트 비저항을 측정하였고, 미니센서도 동일하게 측정하였다. Fig.
- 원형 철근의 흑막을 제거하기 위해 구연산 암모늄 10%수용액에 60시간 침전시켜 놓았다. 부식측정에 이용되는 미니센서는 철근표면으로부터 5mm 떨어진 위치에 정착시켰으며, 이를 위해 센서주변을 미리 준비한 필름지로 감싸 형틀을 만들고 이 형틀 내부에 공시체와 동일한 조성의 모르타르를 채워 1일간 경화시킨 후 미니센서에 두께 5mm의 모르타르 피복층을 만들었다. 모르타르와 일체가 된 센서를 철근에 부착하기 위하여 케이블타이를 이용하여 철근에 정착시켰다.
- 분극 저항 값이 25kΩ㎠이하가 되면 부식율이 상당히 높다는 것을 기존문헌 고찰에서 살펴보았다.
- 철근의 직경은 13mm이고, 흑막을 제거한 원형 철근으로 길이는 240mm로 실험을 하였다. 원형 철근의 흑막을 제거하기 위해 구연산 암모늄 10%수용액에 60시간 침전시켜 놓았다. 부식측정에 이용되는 미니센서는 철근표면으로부터 5mm 떨어진 위치에 정착시켰으며, 이를 위해 센서주변을 미리 준비한 필름지로 감싸 형틀을 만들고 이 형틀 내부에 공시체와 동일한 조성의 모르타르를 채워 1일간 경화시킨 후 미니센서에 두께 5mm의 모르타르 피복층을 만들었다.
- 5와 같다. 적당한 수분이 있어야 측정이 가능한 CM-Ⅱ측정기의 특성에 따라 RH35%-60℃ 24시간 가동한 후에 RH95%-60℃ 24시간 가동 후 공시체가 습윤상태로 되었을때 CM-Ⅱ로 측정하였다. 신뢰성을 확보하기 위해 1 cycle에 각각 3회 측정 후 평균값을 사용하였다.
- 미니센서는 CM-Ⅱ기 측정에 방해를 막기 위해 철근의 측면에 장착하였고, 공시체의 정중앙에 장착하였다. 타설 후 28일의 수중 양생을 한 후, 항온항습기를 이용하여 부식촉진 과정을 거쳤다.
대상 데이터
- 10은 CM-Ⅱ에 의해 실측데이터 값이다. CM-Ⅱ 본체에서 나온 실측데이터로 주파수 범위는 10Hz와 0.03162 Hz로 두고, 가로축 실수부(real)와 세로축 허수부(imaginary)로 하여 데이터가 나타났다. 각 데이터 마다 동일한 주파수로 분극저항의 데이터를 산출하였고, 실측값에서 점이 찍힌 부분이 각 주파수의 데이터이고, 반원의 직경(Nyquist Plot)을 형상화하여 반원의 지름을 분극저항 Rp로 하여 분극저항값을 계산하였다.
- 공시체의 크기는 200×200×100mm 로 하였으며, 공시체 표면에서 20mm의 깊이에 철근을 설치하였다. 철근의 직경은 13mm이고, 흑막을 제거한 원형 철근으로 길이는 240mm로 실험을 하였다. 원형 철근의 흑막을 제거하기 위해 구연산 암모늄 10%수용액에 60시간 침전시켜 놓았다.
데이터처리
- Table 6은 CM-Ⅱ기와 미니센서로 측정한 분극저항 값을 나타내고 있다. 동일한 조건의 2개의 공시체의 분극저항을 측정하여 평균값을 구하였다. 부식을 촉진시킬수록 분극저항 값이 작아지는 것은 부식속도가 증가하고 있다는 것을 의미한다.
- Table 6은 CM-Ⅱ기와 미니센서로 측정한 자연전위값을 나타내고 있다. 동일한 조건의 2개의 공시체의 자연 전위를 측정하여 평균값을 구하였다. CM-Ⅱ의 자연 전위값에 대한 기준은 여러 문헌에 나와 있다.
이론/모형
- CM-Ⅱ의 자연 전위값에 대한 기준은 여러 문헌에 나와 있다. 본 연구에서는 ASTM C 876의 기준에 따라 자연전위를 평가하였다. 하지만 미니센서의 자연 전위 값에 대한 기준은 아직 확정되지 않았다.
- 콘크리트 비저항은 AC임피던스법을 이용하여 측정하였다. CM-Ⅱ기의 특성상 분극저항과 비저항을 함께 측정 할 수 있다.
성능/효과
- (1) 개발된 미니센서로 자연전위를 측정할 수 있었으며, 자연전위 측정결과 미니센서와 CM-Ⅱ의 값이 부식이 진행 될수록 감소하는 경향을 보였고, 본 연구범위에서 환산계수는 1.62로 나타났다.
- (2) 개발된 미니센서로 분극저항을 측정할 수 있었으며, 분극저항 측정결과 미니센서와 CM-Ⅱ의 값이 부식이 진행 될수록 감소하는 경향을 보이고 부식이 진행 될수록 두 값의 차이는 줄어들었고, 본 연구범위에서 환산계수는 1.24로 나타났다.
- (3) 개발된 미니센서로 비저항을 측정할 수 있었으며, 비저항 측정결과 미니센서와 CM-Ⅱ의 비저항값이 부식이 진행 될수록 감소하는 경향을 보인다. 이는 철근의 부식환경을 나타내는 콘크리트 공극 내 수용액의 조건이 철근부식을 더욱 활성화시킬수 있는 환경으로 변해가고 있음을 의미한다.
- 두 가지의 측정에서 부식진행에 따라 경향은 유사하게 나타났다. 두 측정치 모두 Nyquist Plot의 반원이 작아졌으며 이에 따른 산출된 분극저항 값도 감소하였다. 또한 CM-Ⅱ와 미니센서와의 분극저항 값의 상관관계를 살펴보면 일정한 비율에 의해서 두 측정값이 차이를 보였다.
- 24로 나타났다. 따라서 미니센서의 분극저항 값을 측정하면 CM-Ⅱ의 분극저항 값을 알아낼 수 있고 CM-Ⅱ의 분극저항 기준에 적용할 수 있다고 판단된다.
- 24값을 갖는다. 따라서 미니센서의 분극저항을 측정하여 K=1.24의 상수 값을 곱하여 CM-Ⅱ의 분극저항을 구하여 부식 상태를 정량적으로 평가할 수 있다고 판단된다. Fig.
- 999이었다. 또한, 미니센서와 CM-Ⅱ로 측정한 자연전위의 환산계수는 본 연구 범위에서 1.62로 나타났다.
- 철근의 부식은 개시되었지만 미니센서의 전극의 부식은 일어나지 않았다. 이를 통해 미니센서가 모르타르에서 부식을 측정할 때 전극재료의 부식에 의해 발생하는 문제가 없음을 알 수 있었다.
후속연구
- 금후 개발 된 미니센서의 신뢰성 평가와 실구조물(현장) 적용에 관한 연구를 진행 할 예정이다.
- (콘크리트 속에 매입되어 있지 않아서), 이러한 문제점을 극복하기 위해 콘크리트 피복의 영향을 최대한 배제하고 구조물의 지속적인 모니터링을 실시하기 위해, CM-Ⅱ와 유사한 원리를 가진 미니센서를 콘크리트 타설시 매설하여 철근부식을 모니터링 하는 기법이 본 연구진에 의하여 개발되었다. 미니센서는 철근과 수mm 떨어진 위치에서 측정을 할 수 있으므로 콘크리트 피복의 영향을 최대한 배제할 수 있는 진단법이라 할 수 있지만, 개발 초기이므로 측정값의 응답성 및 신뢰성에서는 보다 많은 연구가 필요하다.
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