[논문]열유도 장치와 적외선 열화상을 이용한 철근부식탐지 비파괴 평가기법

권성준; 박상순

doi:10.11112/jksmi.2012.16.2.040

열유도 장치와 적외선 열화상을 이용한 철근부식탐지 비파괴 평가기법
Non Destructive Technique for Steel Corrosion Detection Using Heat Induction and IR Thermography 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.16 no.2, 2012년, pp.40 - 48

권성준 (한남대학교 건설시스템 공학과) , 박상순 (상명대학교 건설시스템 공학과)

초록
AI-Helper

콘크리트내의 철근의 부식은 열화와 콘크리트 구조물의 조기파괴의 주된 원인이 된다. 본 연구에서는 비파괴 기법 중 전자기적 열유도방법과 적외선 열화상기법을 이용한 철근부식평가가 시도되었는데, 부식 또는 비부식된 철근의 열특성 차이를 이용한 것이다. 본 논문은 이러한 개념을 배경으로 수행한 실험적 연구이며, 유도전류를 통해 콘크리트 표면으로부터 내부 철근을 가열하고 외부의 적외선 카메라를 이용하여 표면의 온도변화를 관측한다. 피복두께가 다른 콘크리트 시편은 앞면과 배면의 피복두께를 동일하게 제조하여 앞면에서 가열과 배면에서의 온도측정을 동시에 할 수 있도록 고안되었다. IC (Impressed Current) 방법을 통하여, 철근 부식을 촉진하였으며, 적외선 화상을 통하여 온도가열과 냉각을 전 시험과정에 걸쳐 측정하였다. 본 실험을 통하여 부식/비부식 철근의 뚜렷한 온도변화를 확인하였으며, 부식된 시편에서 빠른 온도증가속도 및 냉각속도를 평가하였다. 본 연구는 콘크리트 매립철근의 비파괴적인 부식탐지의 가능성을 보여주고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Steel corrosion in concrete is a main cause of deterioration and early failure of concrete structures. A novel integration of electromagnetic heat induction and infrared (IR) thermography is proposed for nondestructive detection of steel corrosion in concrete, by taking advantage of the difference in thermal characteristics of corroded and non-corroded steel. This paper focuses on experimental investigation of the concept. An inductive heater is developed to remotely heat the embedded steel from concrete surface, which is integrated with an IR camera. Concrete samples with different cover depths are prepared. Each sample is embedded with a single rebar in the middle, resulting an identical cover depth from the front and the back surfaces, which enable heat induction from one surface and IR imaging from the other simultaneously. The impressed current (IC) method is adopted to induce accelerated corrosion on the rebar. IR video images are recorded during the entire heating and cooling periods. The test results demonstrate a clear difference in thermal characteristics between corroded and non-corroded samples. The corroded sample shows higher rates of heating and cooling than those of the non-corroded sample. This study demonstrates a potential for nondestructive detection of rebar corrosion in concrete.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

, 2006; Song and Kwon, 2009; Broomfield, 1997; 송하원 등, 2009). 본 연구는 전자기 열 유도 및 적외선 열화상기법을 통하여 매립된 철근의 부식여부를 평가하는 새로운 시도의 연구이다. 부식된 철근과 보통 철근은 단면적의 변화에 따라서 열적거동이 다르게 평가되므로 열특성 변화 를 이용하여 부식 여부를 판단할 수 있다 (노영숙 외, 2008).
본 연구에서는 IR Thermography 장치와 열유도장치를 통합함으로서, 부식량에 따른 열거동 특성을 평가하였다. 평가 결과, 부식 또는 비부식된 철근의 열특성을 기반으로 철근 부식을 파악할 수 있는 비파괴 기법의 가능성을 실험적으로 규명하였다.
평가 결과, 부식 또는 비부식된 철근의 열특성을 기반으로 철근 부식을 파악할 수 있는 비파괴 기법의 가능성을 실험적으로 규명하였다. 본 연구에서는 실내실험에 대한 연구만이 수행되어 부식/비부식 철근을 열전도 및 IRT 기법을 적용하여 파악할 수 있는 가능성을 제시하였다. 그러나 일반적으로 토목구조물은 40mm 이상의 피복두께를 가지고 있으므로 토목구조물에 직접적인 적용은 현상태로는 한계를 가지고 있다.

가설 설정

7에서와 같이, 부식된 철근은 비부식된 철근에 비해 빨리 가열되고, 빨리 냉각되는 특성을 보이고 있다. 가열 및 냉각이 선형거동을 한다고 가정하면 가열속도 및 냉각속도를 도출할 수 있다. 가열속도는 가열시간동안의 최대온도 변화로, 냉각속도는 냉각시간 (가열중지부터 시험종료까지)에 따른 최대 온도변화로 정의하였다.

제안 방법

가열된 매립철근에 의해 콘크리트 표면으로 발산되는 열을 고려하여, 본 연구에서는 적외선 열화상 기법을 통해 콘크리트 표면의 열특성 변화를 평가하였다. 두가지의 다른 피복두께를 가지는 RC 시편이 준비되었으며, 촉진실험방법 (Sakurada, 2008)을 통하여 부식량을 조절하였다.
가열조건은 코일로부터 28 mm (1.5 in) 거리를 두었고, 10초간 가열을 수행하였으며, 전체 온도측정시간은 5분으로 설정하였다. 측정시의 y축값은 상대온도강도 (Relative temperature intensity)로서 온도와 비례관계에 있다.
7에 비교하였다. 대상 철근은 부식전의 시편 (Non corrosion), 16.6%의 부식시편 (Medium), 28.6%의 부식시편 (Heavy)로 분류하여 비교하였다.
본 절에서는 RC 시편을 이용하여 열특성 변화를 분석하도록 한다. RC 시편의 부식률은 0%와 10%의 두가지 경우이며, 피복두께는 25 mm (1.
본 절에서는 부식 전후의 철근에 대하여, 적외선 열화상(IR thermography) 측정값을 비교하도록 한다. Fig.
본 시험에 이용한 IR 장비의 최대 측정시간이 1,200초이므로 가열 및 냉각시의 온도측정을 각각 수행하였다.
12에서 알 수 있듯이 부식된 철근을 가진 RC 시편에서 높은 가열속도를 나타내고 있으며, 냉각속도에서는 큰 차이를 보이지 않았다. 철근 및 RC 시편에 대한 시험결과를 검증하기 위해, 480초간 가열시간을 가지고 960초 동안 냉각시간을 가진 시험이 다시 수행되었다. 본 시험에 이용한 IR 장비의 최대 측정시간이 1,200초이므로 가열 및 냉각시의 온도측정을 각각 수행하였다.
5 in)의 두가지 경우를 고려하였다. 철근 실험과 마찬가지로 철근길이 방향으로 5개의 균등한 점을 선정하고 측정된 시간에 따른 온도변화를 평균하여 하나의 값을 사용하였다. 가열코일을 콘크리트 표면에 밀착하여 실험을 수행하였으므로, 피복두께가 가열거리가 된다.
IC(Impressed current) 방법을 통하여 촉진부식실험을 수행하였다 (Sakurada, 2008). 철근의 양끝단에 직류전압을 걸어서 전위차를 유도하였으며, 통과하는 전류를 측정하였다. 양극(+)은 매립된 철근에 접지되었고, 음극(-)은 염화물 수용액 내의 구리판에 접지되어 전류의 흐름을 유도하였으며, 촉진기간동안 생성되는 부식량을 평가하기 위해서 식 (1)과 같은 Faraday 법칙이 사용하였다.

대상 데이터

서로 다른 피복두께 및 부식량을 가지는 RC 시편들이 제조되었으며, 매립되지 않은 철근 역시 시험에 포함하였다. Table 1에서는 피복두께가 없는 철근에 대한 시편조건을 나타내고 있으며, Table 2에서는 RC 시편의 부식조건 및 제원을 나타내고 있다.
제품으로 적외선 카메라는 320×256화소를 가지고 있으며, passive type (수동열 측정) 뿐 아니라 크세논 램프튜브를 이용하여 2.5 ms의 짧은 시간에 열을 가하여 열의 이력을 추적하는 active type 성능을 포함하고 있다.
5에서는 IR 열화상 사진을 나타내고 있다. 하나의 철근 시편에 대해, 길이방향으로 5곳의 위치에서 측정을 수행하였으며, 그 평균값을 사용하였다. Fig.

데이터처리

5 ms의 짧은 시간에 열을 가하여 열의 이력을 추적하는 active type 성능을 포함하고 있다. 초당 2.5 frame의 사진을 찍도록 설정하였으며, MosiQ 프로그램을 통하여 데이터 처리를 수행하 였다. 본 장비는 시멘트 모르타르의 성능평가를 위해 시험적으로 사용된 사례가 있다 (권성준과 Maria, 2010).

이론/모형

IC(Impressed current) 방법을 통하여 촉진부식실험을 수행하였다 (Sakurada, 2008). 철근의 양끝단에 직류전압을 걸어서 전위차를 유도하였으며, 통과하는 전류를 측정하였다.
가열된 매립철근에 의해 콘크리트 표면으로 발산되는 열을 고려하여, 본 연구에서는 적외선 열화상 기법을 통해 콘크리트 표면의 열특성 변화를 평가하였다. 두가지의 다른 피복두께를 가지는 RC 시편이 준비되었으며, 촉진실험방법 (Sakurada, 2008)을 통하여 부식량을 조절하였다. 열유도 방식 (Inductive heating)은 콘크리트의 부분적인 파괴 없이 가장 안전하고 빠르게 내부 철근을 가열할 수 있는 방법이며 (Maierhofer et al, 2006; Hillemeier, 1985), 내부 결함 탐지, 철근의 위치 파악 등을 위해 사용되었다.
매립된 콘크리트내부의 철근을 비파괴적으로 가열하는 방법으로 열유도 가열방식 (Heat Induction)이 적용되었다. 열유도 방식은 전자기 유도에 의해 전도성 금속을 가열하는 방식인데, 금속 내부에 맴돌이전류(Eddy current)가 발생하게 되며, 금속의 저항은 Joule 열을 발생시키게 된다.
철근의 양끝단에 직류전압을 걸어서 전위차를 유도하였으며, 통과하는 전류를 측정하였다. 양극(+)은 매립된 철근에 접지되었고, 음극(-)은 염화물 수용액 내의 구리판에 접지되어 전류의 흐름을 유도하였으며, 촉진기간동안 생성되는 부식량을 평가하기 위해서 식 (1)과 같은 Faraday 법칙이 사용하였다.

성능/효과

0 in 인 시편에서는 부식된 RC 시편이 쉽게 가열되고 상대적으로 작은 피복두께의 영향으로 열전달이 빠르게 발생하게 된다. 1.5 in의 RC 시편의 경우, 1,000 정도의 상대온도강도를 가질 수 있도록 충분하게 가열한 경우, 가열된 철근과 같은 경향을 확인할 수 있었다.
RC 실험에서는 열거동의 경향은 유도된 열이 충분하게 철근을 가열하여 표면 밖으로 전파될 경우에 뚜렷하게 확인할 수 있었다. 1.
RC 실험으로부터, 부식된 철근을 가진 시편에서 높은 온도증가를 나타내었으며, 가열속도 역시 철근체적의 감소 및 녹의 단열효과로 인해 높게 평가되었다. 그러나 피복콘크리트의 전달저해효과로 인해 냉각속도에서는 큰 차이를 확인할 수 없었다.
11에 도시하였다. 결과로부터 부식된 철근을 가지고 있는 RC 시편에서 높은 온도강도가 측정되었으며, 빠른 가열속도 가 평가되었다. Fig.
철근 실험으로부터, 최고온도는 부식량에 따라 변화가 발생함을 확인하였다. 또한 부식된 철근에서 높은 온도증가가 발생하였으며, 철근주의의 녹은 철근이 가열되는 구간에서 단열재 역할을 하고 있음을 실험적으로 구명하였다. 냉각구간에서는 부식된 철근이 더욱 빠르게 냉각되었는데, 그 이유는 몇 가지로 다음과 같은 이유로 설명이 가능하다.
13(b)에서는 냉각기간동안의 온도변화를 나타내고 있는데, 마찬가지로 부식된 RC 시편에서 빠른 냉각속도를 보이고 있다. 본 장비의 최대 허용온도강도는 11,240정도이므로, 상대온도강도인 5,000이상의 측정값을 나타낼 수 없었고 포화상태로 도시되었다.
철근 실험으로부터, 최고온도는 부식량에 따라 변화가 발생함을 확인하였다. 또한 부식된 철근에서 높은 온도증가가 발생하였으며, 철근주의의 녹은 철근이 가열되는 구간에서 단열재 역할을 하고 있음을 실험적으로 구명하였다.
최종적으로 25mm (1.0 in) 및 38mm (1.5 in) RC 시편에서는 철근가열실험과 비슷한 경향을 가열구간에서 가지고 있음을 확인하였으나, 냉각구간에서는 큰 차이를 확인할 수 없었다. 부식으로 인해 단면이 감소된 철근이 주위에 녹을 가지고 있을 경우, 온도변화가 크고 그 증감률이 비부식된 철근에 비하여 큼을 알 수 있었다.
본 연구에서는 IR Thermography 장치와 열유도장치를 통합함으로서, 부식량에 따른 열거동 특성을 평가하였다. 평가 결과, 부식 또는 비부식된 철근의 열특성을 기반으로 철근 부식을 파악할 수 있는 비파괴 기법의 가능성을 실험적으로 규명하였다. 본 연구에서는 실내실험에 대한 연구만이 수행되어 부식/비부식 철근을 열전도 및 IRT 기법을 적용하여 파악할 수 있는 가능성을 제시하였다.

후속연구

열유도 방식 (Inductive heating)은 콘크리트의 부분적인 파괴 없이 가장 안전하고 빠르게 내부 철근을 가열할 수 있는 방법이며 (Maierhofer et al, 2006; Hillemeier, 1985), 내부 결함 탐지, 철근의 위치 파악 등을 위해 사용되었다. 본 연구는 내부에 매립된 철근의 부식을 감지하기 위한 기초적인 실험에 대한 연구이며, 추후 다량의 실험 및 현장 검증을 통하여 그 적용성이 확대될 것이다.
그러나 일반적으로 토목구조물은 40mm 이상의 피복두께를 가지고 있으므로 토목구조물에 직접적인 적용은 현상태로는 한계를 가지고 있다. 추가 연구와 현장적용을 통하여 Baseline의 구축, 오차범위의 설정 등에 대한 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부식이 발생한 RC 구조물은 무엇을 야기하는가?	, 2009, Broomfield, 1997). 부식이 발생한 RC 구조물은 초기에 미관의 저하에서 부식이 진전하여 균열의 발생, 피복콘크리트의 탈락, 내하력의 저하 등을 야기하게 되므로 매립된 철근의 부식여부를 평가하는 것은 매우 중요한 연구 분야이다 (Song et al., 2006; Song and Kwon, 2009; Broomfield, 1997; 송하원 등, 2009).
	열유도 방식의 장점은 무엇인가?	두가지의 다른 피복두께를 가지는 RC 시편이 준비되었으며, 촉진실험방법 (Sakurada, 2008)을 통하여 부식량을 조절하였다. 열유도 방식 (Inductive heating)은 콘크리트의 부분적인 파괴 없이 가장 안전하고 빠르게 내부 철근을 가열할 수 있는 방법이며 (Maierhofer et al, 2006; Hillemeier, 1985), 내부 결함 탐지, 철근의 위치 파악 등을 위해 사용되었다. 본 연구는 내부에 매립된 철근의 부식을 감지하기 위한 기초적인 실험에 대한 연구이며, 추후 다량의 실험 및 현장 검증을 통하여 그 적용성이 확대될 것이다.
	열유도 가열방식이란 무엇인가?	매립된 콘크리트내부의 철근을 비파괴적으로 가열하는 방법으로 열유도 가열방식 (Heat Induction)이 적용되었다. 열유도 방식은 전자기 유도에 의해 전도성 금속을 가열하는 방식인데, 금속 내부에 맴돌이전류(Eddy current)가 발생하게 되며, 금속의 저항은 Joule 열을 발생시키게 된다. 주로 열유도 장치는 전자기 장치로 구성이 되는데, 고주파의 교류를 사용하고 있으며, 상대적으로 큰 상대투자율 (Relative permeability)을 가진 금속의 전자기 이력의 손실에 따라 열이 발생하기도 한다.

참고문헌 (18)

건설교통부, 콘크리트 구조물의 부식 및 공극감지를 위한 비파괴 시험기술 개발, 산학연 공동연구 개발사업 최종보고서, 한국건설교통기술 평가원, 2004, pp.1-64.
권성준, M. Q. Feng, "적외선 화상기법을 이용한 시멘트 모르타르 특성의 실험적 평가", 대한토목학회 논문, vol. 30-1A, 2010, pp.53-59.
노영숙, 정란, 박현수, "디지털 화상정보를 이용한 매입철근의 부식률 예측 모델", 대한건축학회 논문집, vol. 24, No. 7, 2008, pp.77-84.
송하원, 이창홍, 이근주, "부식저항성 평가에 따른 균열 콘크리트보의 부식전위 연구", 구조물진단학회지, 2009, vol. 13, No. 1, pp.97-105.

원문보기 상세보기
윤주형, 백인관, 조승호, 정란, "대기온도에 따른 적외선 열화상 처리기법을 이용한 철근의 부식률 측정기법", 한국콘크리트학회 가을 학술발표회, 2006, pp.233-236.
조성형, 임영철, Mohamed Ismail, 이한승, "비파괴 철근부식 진단을 위한 매립형 미니센서 개발에 관한 기초적 연구", 구조물진단학회지, vol. 14, No. 6, 2010, pp.179-187.

원문보기 상세보기
American Society for Testing Materials, Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete, ASTM C876-91, 1999, pp.1-12.
Andrade, C., Alonso, C., "Corrosion Rate Monitoring in the Laboratory and On Site", Construction Building Materials, vol. 10, No. 5, 1996, pp.315-328.

상세보기
Broomfield J. P., Corrosion of Steel in Concrete: Understanding, Investigation and Repair. London: E&FN 1997, 56-59.
Clemena, G. G., McKeel, W. T., Detection of Delamination in Bridge Decks with Infrared Thermography, Transportation Research Record No. 664, 1978, pp.25-85.
Hillemeier, B., "Location of Reinforcement by Induction- Thermography", Thermal Infrared Sensing for Diagnostics and Control (Thermosense VII), SPIE Proceedings, vol. 520, 1985, pp.197.
Kwon, S.-J., Na, U. J., Park, S.-S., Jung, S. H., "Service Life Prediction of Concrete Wharves with Early-Aged Crack : Probabilistic Approach for Chloride Diffusion", Structural Safety, vol. 31, No. 1, 2009, pp.75-83.

상세보기
Maierhofer, C. H., Arndt, R., Rllig, M., Rieck, C., Walther, A., Scheel, H., Hillemeier, B., "Application of Impulse- Thermography for Nondestructive Assessment of Concrete Structures", Cement and Concrete Composites, vol. 28, No. 4, 2006, pp.393-401.

상세보기
Morris, W., Vico, A., Vazquez, M., Sanchez, S. R., "Corrosion of Reinforcing Steel Evaluated by Means of Concrete Resistivity Measurements", Corrosion Science, vol. 44, 2002, pp.81-99.

상세보기
Sakurada, S., Irie H., Yoshida Y., "Development of Reinforced Concrete Corrosion Amount Presumption Method by Ultrasonic Method", 17th World Conference on Nondestructive Testing, Shanghai, China, 2008, pp.1-6.
Song, H.-W., Kwon, S.-J., "Evaluation of Chloride Penetration in High Performance Concrete using Neural Network Algorithm and Micro Pore Structure", Cement and Concrete Research, vol. 39, No. 9, 2009, pp.814-824.

상세보기
Song, H.-W., Pack, S.-W., Lee, C.-H., Kwon, S.-J., "Service Life Prediction of Concrete Structures under Marine Environment Considering Coupled Deterioration", J. of Restoration of Buildings and Monuments, vol. 12, No. 4, 2006, 265-284.
Spicer, J. W. M., Osiander, R., Aamodt, L. C., Givens, R. B., "Microwave Thermoreflectometry for Detection of Rebar Corrosion", Structural Materials Technology III: An NDT Conference, San Antonio, TX, SPIE: pp.402-409.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증