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문제 정의
- 본 연구에서는 문헌 고찰 및 실험을 통하여 굳은/굳지 않은 콘크리트에서의 전기 방식 적용에 따른 철근 방식 효과에 대하여 비교하여 방식 전류양와 철근 부식 저항성의 관계 도출하고 최적 방식전류 구하는 것이 본 연구의 목적이다. 본 연구는 굳은/굳지 않는 콘크리트에 적용된 방식 전류는 250, 500, 750 mA/m2으로 2주동안 철근표면에 통전하였다.
- 본 절에서는 굳지 않는 콘크리트의 철근계면에서의 공극 및 수화물 분포를 조사하기 위해 후광산란(Backscattered electron; BSE) 이미지 촬영을 실시/분석하였다. 시편 추출 단계에서 발생할 수 있는 균열 및 계면 파괴를 최소화하기 위해 굵은 골재를 제외한 모르터를 이용하여 시편을 제작하였다.
가설 설정
- 게다가 전기 방식 적용에서의 방식 전류는 콘크리트의 휨강도에 영향을 주지 않았다. 전기 방식은 전자를 통전하는 것과 염소이온 추출에 의한 철근 표면의 부동태 복원화에 대한 이점이 있지만, 그로 인한 구조적 성능 향상에는 영향을 미치지 않는다고 가정 할 수 있다. 본 연구에서는 염소이온이 내재 되지 않는 콘크리트의 휨 강도는 측정되지 않아 콘크리트 내의 철근 부식 발생 여부 또는 부식 정도에 따른 구조성능과 전기방식 사이의 직접적인 상관관계를 찾아내지 못하였다.
제안 방법
- BSE 이미지 촬영을 위하여 추출된 시편은 전처리 과정을 거쳐 JEOL 5410LV SEM을 통해 BSE 이미지 촬영을 실시하였다. BSE 이미지 촬영 모르터 시편은 이미지 촬영 시 제반조건은 가속전압 20 kV; 촬영거리 15 mm; 전자총의 지름 12; 렌즈전류 66μA으로 하였다.
- 3에서와 같이 실시하였다. 갈바닉 전류 측정을 위하여 철근 한쪽 끝과 외부 NaCl용액 수조에 침지시킨 외부 티타늄 메쉬사이 전기 회로를 구성하였다. 철근과 티타늄 메쉬 사이에 생성되는 전류는 데이터 로거를 이용하여 10 kΩ 저항에 의해 발생되는 전위차를 매 6시간마다 결과를 모니터링 하였다.
- 시편은 염소이온 추출 정량화에서 제작된 콘크리트와 동일한 시편을 사용하였다. 굳은 콘크리트 시편의 재하는 3점 재하 방법을 택하였으며, 변위제어로 초당 1.2 mm/s 속도로 재하를 실시하였다. 하중과 수직 변위에 대한 실험데이터 계측은 데이터 로거를 이용하였으며, 하중과 변위의 기록은 최대 하중의 30%에 도달하였을 때까지 측정하였다.
- 굳지 않는 콘크리트의 전기 적용 후 염소이온 이동 특성 및 갈바닉 전류를 측정하기 위하여 콘크리트 시편은 150×150×150 mm의 각주형 몰드에 Φ20 mm의 연강을 시편 중앙에 위치하게 제작하였다.
- 그 후 전기 방식에 의한 콘크리트 내의 염소이온 추출 효과를 확인하기 위하여 전위차 적정기를 이용하여 총염소 이온 농도를 각 구간별로 측정하였다. 전기 방식 후, 염소이온 프로파일은 앞에서 언급한 바와 같은 방법으로 염소이온 농도를 측정하였다.
- 모니터링 후 철근 부식 개시 시점에서의 침지된 시편의 염소이온 프로파일을 측정하여 콘크리트의 표면염화물량, 확산 계수, 부식 임계염화물량을 측정하였다. 염소이온의 농도는 전위차 적정기를 이용하여 염소이온양을 ppm 단위로 측정하였으며, 결합재 당 중량비로 (%)로 다시 계산하였다.
- 2에서 보는 바와 같이 직경 50 mm, 높이 80 mm의 모르터 시편에 30 mm 폭의 철리본(Steel ribbon)을 중앙에 배치하고, 양극재로 티타늄 메쉬를 모르터 몰드에 설치하여 제작하였다. 모르터의 타설 직후 250, 500, 750 mA/m2의 방식전류를 2주간 통전시켰다. 전기 방식 적용 직후 모르터 시편은 추가적인 2주간의 양생을 거쳐 미세구조분석을 위한 사이즈인 50×50×100 mm의 크기로 절단하여 제작하였다.
- 본 연구에서는 문헌 고찰 및 실험을 통하여 굳은/굳지 않은 콘크리트에서의 전기 방식 적용에 따른 철근 방식 효과에 대하여 비교하여 방식 전류양와 철근 부식 저항성의 관계 도출하고 최적 방식전류 구하는 것이 본 연구의 목적이다. 본 연구는 굳은/굳지 않는 콘크리트에 적용된 방식 전류는 250, 500, 750 mA/m2으로 2주동안 철근표면에 통전하였다. 굳은 콘크리트의 경우, 부식을 촉진시키기 위하여 배합수에 염소이온을 혼입하여 시편을 제작하였으며, 동시에 전기 방식 적용에 따른 염소이온 추출 효과에 대하여 정량화 하였다.
- 본 연구에서는 굳은/굳지 않은 상태의 콘크리트에 전기방식을 적용하였을 때, 통전 전류에 따른 미세구조 변화, 염화물 이동 및 부식 저항성, 염소이온 추출 능력 및 구조 성능 평가를 실시하였으며, 결론은 다음과 같이 얻었다.
- 본 연구에서는 전기 방식 적용을 굳지 않는/굳은 콘크리트 2가지 형태로 나누어 실험을 실시하였다. 일반적인 경우에서 실험을 실시하기 위해, 1종 보통포틀랜드 시멘트 (Ordinary Portland Cement; OPC)가 사용되었다.
- 스트리핑된 이미지는 이미지 이원화 이후 수화물의 분포를 위한 이미지 판별에서 수화물의 히스토그램을 이용하여 미수화분말, 공극, Ca(OH)2에 대해서 정의하였다.
- 시편 탈형 후, 시편은 폴리에틸렌 필름을 이용하여 수분 증발을 차단하였고, 20±1℃에서 28일간 상온양생을 실시하였다.
- 전기 방식 후, 염소이온 프로파일은 앞에서 언급한 바와 같은 방법으로 염소이온 농도를 측정하였다. 실험 결과의 재연성 확보를 위하여 같은 시편에서 2부분으로 나누어 측정을 실시하였다.
- 염소 이온 침투면의 콘크리트 피복 두께를 15 mm를 확보하기 위하여 철근과 평행하게 시편을 절단하였다. 염소이온 1방향 확산을 유도하기 위하여 노출면을 제외한 나머지 면은 에폭시 레진 코팅을 실시하였고, 순수한 염화물 확산만 일어나게 하기 위하여 초기 1주일 동안 수중 양생을 실시 한 후, 25℃에서 4 M NaCl 용액에 침지시켰다.
- 모니터링 후 철근 부식 개시 시점에서의 침지된 시편의 염소이온 프로파일을 측정하여 콘크리트의 표면염화물량, 확산 계수, 부식 임계염화물량을 측정하였다. 염소이온의 농도는 전위차 적정기를 이용하여 염소이온양을 ppm 단위로 측정하였으며, 결합재 당 중량비로 (%)로 다시 계산하였다. 확산 계수는 측정된 프로파일값을 가지고 Fick의 제 2법칙을 이용하여, 각 깊이별 염화물 농도에 따른 확산계수를 회귀분석을 통해 신뢰도가 가장 높은 값을 확산계수로 산정하였다.
- 이미지 촬영 시 정확한 초점을 위해 배율은 ×5000배로 하여 초점조정 후, ×500배의 철근계면을 포함한 BSE 이미지를 촬영하였다.
- 전기 방식을 적용함에 있어서 콘크리트와 철근사이의 전기 흐름을 원활하게 하기 위하여 전해질로 리튬 붕산염 용액을 사용하였으며, 양극재로 콘크리트 표면에 티타늄 메쉬를 설치하였다. 일정 수준의 방식 전류를 유지하기 위하여 전압은 자동으로 보정하도록 하였다. 전기 방식 적용은 굳지 않는 콘크리트와 동일하게 실시하였다.
- 전기 방식 적용 직후 모르터 시편은 추가적인 2주간의 양생을 거쳐 미세구조분석을 위한 사이즈인 50×50×100 mm의 크기로 절단하여 제작하였다.
- 전기 방식 적용 후, 콘크리트 시편의 휨강도 측정을 통하여 구조 성능을 평가하였다. 전기방식 효과를 확인하기 위하여 전기방식 적용 유무를 변수로 설정하였다.
- 그 후 전기 방식에 의한 콘크리트 내의 염소이온 추출 효과를 확인하기 위하여 전위차 적정기를 이용하여 총염소 이온 농도를 각 구간별로 측정하였다. 전기 방식 후, 염소이온 프로파일은 앞에서 언급한 바와 같은 방법으로 염소이온 농도를 측정하였다. 실험 결과의 재연성 확보를 위하여 같은 시편에서 2부분으로 나누어 측정을 실시하였다.
- 전기 방식을 적용한 경우 철근 부식 저항성과 염소이온 이동 특성에 대해서 본 절에서는 평가하였는데, Fig. 10에서는 방식 전류에 따른 임계 염화물량에 대해서 나타내었다. 전기 방식을 적용한 경우의 모든 시편에서 전기 방식을 적용하지 않은 경우와 비교하였을 때, 임계 염화물량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었지만, 750 mA/m2에서 더 낮은 방식 전류에 비하여 철근 부식 저항성이 덜 효율적인 것으로 나타났다.
- 전기 방식 적용 후, 콘크리트 시편의 휨강도 측정을 통하여 구조 성능을 평가하였다. 전기방식 효과를 확인하기 위하여 전기방식 적용 유무를 변수로 설정하였다. 시편은 염소이온 추출 정량화에서 제작된 콘크리트와 동일한 시편을 사용하였다.
- 굳지 않는 콘크리트의 전기 적용 후 염소이온 이동 특성 및 갈바닉 전류를 측정하기 위하여 콘크리트 시편은 150×150×150 mm의 각주형 몰드에 Φ20 mm의 연강을 시편 중앙에 위치하게 제작하였다. 철근 양단에는 시멘트 코팅을 한 후, 코팅재료에 의한 부식을 막기 위하여 열 수축 마감재를 이용하여 다시 마감처리 하였다. 시편 탈형 후, 시편은 폴리에틸렌 필름을 이용하여 수분 증발을 차단하였고, 20±1℃에서 28일간 상온양생을 실시하였다.
- 철근과 티타늄 메쉬 사이에 생성되는 전류는 데이터 로거를 이용하여 10 kΩ 저항에 의해 발생되는 전위차를 매 6시간마다 결과를 모니터링 하였다.
- 캡쳐된 BSE 이미지는 철근계면에서부터 5 µm 간격으로 100µm까지 스트리핑을 실시하였다.
- 전기 방식 적용은 굳지 않는 콘크리트와 동일하게 실시하였다. 콘크리트 내의 염소이온 분포를 확인하기 위하여 염소이온의 농도는 콘크리트 표면에서부터 2 mm 간격으로 22 mm까지 각 구간에 대한 콘크리트 분말을 채취하였다.
- 콘 크리트 타설 시 염소이온은 시멘트 중량 대비 2-5% 혼입하였다. 콘크리트 시편 탈형 후 28일간 습윤 양생실에서 28일간 양생 과정을 거쳤으며, 그 후 기건 상태에서 콘크리트 시편을 노출 시켰다. 전기 방식을 적용함에 있어서 콘크리트와 철근사이의 전기 흐름을 원활하게 하기 위하여 전해질로 리튬 붕산염 용액을 사용하였으며, 양극재로 콘크리트 표면에 티타늄 메쉬를 설치하였다.
- 일반적인 경우에서 실험을 실시하기 위해, 1종 보통포틀랜드 시멘트 (Ordinary Portland Cement; OPC)가 사용되었다. 평가 방법에 따라 시편을 모르터와 콘크리트로 각각 나누어 제작하였으며, Table 1에서는 모르터와 콘크리트 시편에 대한 배합을 나타내었고, 잔골재와 굵은골재의 물리적 성능은 Table 2에 나타내었다. Table 3에서는 전기방식을 적용한 콘크리트의 분석 평가를 위한 각 실험에 대한 개요를 나타내었다.
- 2 mm/s 속도로 재하를 실시하였다. 하중과 수직 변위에 대한 실험데이터 계측은 데이터 로거를 이용하였으며, 하중과 변위의 기록은 최대 하중의 30%에 도달하였을 때까지 측정하였다. 이때 실험에서 얻은 하중 결과를 이용하여 휨강도를 계산하였다.
대상 데이터
- 본 절에서는 굳지 않는 콘크리트의 철근계면에서의 공극 및 수화물 분포를 조사하기 위해 후광산란(Backscattered electron; BSE) 이미지 촬영을 실시/분석하였다. 시편 추출 단계에서 발생할 수 있는 균열 및 계면 파괴를 최소화하기 위해 굵은 골재를 제외한 모르터를 이용하여 시편을 제작하였다.
- 시편은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 직경 50 mm, 높이 80 mm의 모르터 시편에 30 mm 폭의 철리본(Steel ribbon)을 중앙에 배치하고, 양극재로 티타늄 메쉬를 모르터 몰드에 설치하여 제작하였다. 모르터의 타설 직후 250, 500, 750 mA/m2의 방식전류를 2주간 통전시켰다.
- 전기방식 효과를 확인하기 위하여 전기방식 적용 유무를 변수로 설정하였다. 시편은 염소이온 추출 정량화에서 제작된 콘크리트와 동일한 시편을 사용하였다. 굳은 콘크리트 시편의 재하는 3점 재하 방법을 택하였으며, 변위제어로 초당 1.
- 본 연구에서는 전기 방식 적용을 굳지 않는/굳은 콘크리트 2가지 형태로 나누어 실험을 실시하였다. 일반적인 경우에서 실험을 실시하기 위해, 1종 보통포틀랜드 시멘트 (Ordinary Portland Cement; OPC)가 사용되었다. 평가 방법에 따라 시편을 모르터와 콘크리트로 각각 나누어 제작하였으며, Table 1에서는 모르터와 콘크리트 시편에 대한 배합을 나타내었고, 잔골재와 굵은골재의 물리적 성능은 Table 2에 나타내었다.
- 콘크리트 시편 탈형 후 28일간 습윤 양생실에서 28일간 양생 과정을 거쳤으며, 그 후 기건 상태에서 콘크리트 시편을 노출 시켰다. 전기 방식을 적용함에 있어서 콘크리트와 철근사이의 전기 흐름을 원활하게 하기 위하여 전해질로 리튬 붕산염 용액을 사용하였으며, 양극재로 콘크리트 표면에 티타늄 메쉬를 설치하였다. 일정 수준의 방식 전류를 유지하기 위하여 전압은 자동으로 보정하도록 하였다.
- 피복 두께 25 mm에 ø=16 mm의 철근 3개를 설치하여 160×160×1000 mm의 철근 콘크리트 시편을 제작하였다.
데이터처리
- 염소이온의 농도는 전위차 적정기를 이용하여 염소이온양을 ppm 단위로 측정하였으며, 결합재 당 중량비로 (%)로 다시 계산하였다. 확산 계수는 측정된 프로파일값을 가지고 Fick의 제 2법칙을 이용하여, 각 깊이별 염화물 농도에 따른 확산계수를 회귀분석을 통해 신뢰도가 가장 높은 값을 확산계수로 산정하였다.
이론/모형
- 굳은 콘크리트의 경우, 부식을 촉진시키기 위하여 배합수에 염소이온을 혼입하여 시편을 제작하였으며, 동시에 전기 방식 적용에 따른 염소이온 추출 효과에 대하여 정량화 하였다. 굳지 않는 콘크리트의 전기방식에서는 후광산란 이미지 분석 법을 이용하여 Ca(OH)2 층의 형성 및 수화 생성물의 변화를 관찰하고, 철근 부식저항성에 대한 임계 염화물량과 염소 이온 침투 속도에 대해서 측정하였다.
성능/효과
- (1) 전기방식법을 적용할 경우 철근표면부에서도 공극의 감소를 나타내는데 이는 표면부에 수산화칼슘의 침전에 의한 것으로 수산화칼슘의 침전량이 약 10% 이상으로 증가한 반면 공극은 5% 이하로 감소하였다. 그러나 방식전류 750 mA/m2 이상의 경우에는 오히려 급격한 공극의 증가를 보이는데 이는 고전압에 의한 수소가스의 발생에 기인한 것으로 분석되었다.
- (2) 전기방식을 실시한 경우 확산계수는 감소한 반면 표면 염소이온 농도는 증가하는 경향을 보였다. 특히 확산 계수의 증가는 전기방식을 실시한 경우 일정수준으로 감소한 후 전류량에 상관없이 일정하게 유지된 반면 표면염소이온농도는 방식전류량에 비례하여 증가 하였다.
- (3) 굳은 콘크리트의 내재 염소이온은 전기 방식을 통하여 추출 될 수 있음을 확인 하였고, 그 값은 대략 72% 정도가 추출되는 것을 측정하였다. 하지만 염소이온의 추출 비가 방식 전류의 값에 비례하지 않는 다는 것도 본 연구에서 확인하였기 때문에 과도한 방식전류의 사용은 오히려 콘크리트의 구조성능 저하에만 영향을 미칠 것으로 판단된다.
- (4) 본 연구에서의 구조성능 평가는 휨강도에 대해서 평가를 하였고, 일정 방식전류의 사용은 휨강도에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 일반적으로 전기방식을 적용하였을 때, 철근-콘크리트 사이의 계면이 약해짐으로 인해 구조성능이 저하된다고 하고 있지만 본 연구에서는 방식 전류에 따른 구조 성능 저하는 확인 할 수 없었다.
- Fig. 7에서 알 수 있듯이 전기방식에 있어 방식전류 250, 500 mA/m2를 통전한 경우에는 철근 표면부에 해당하는 계면에서 공극의 양이 10% 이하로 감소함을 확인하였다. 특히 500 mA/m2의 방식전류를 통전하였을 경우 공극양은 철근표면으로부터 약 30 µm까지 3-4%의 공극량을 보여줌으로써 전기방식에 의한 공극감소 효과를 뚜렸히 보여주고 있다.
- 결국 전기 방식을 적용한 경우 계면부를 제외한 전반적인 수산화칼슘과 미수화분말의 양은 일정하나 공극의 경우에만 철근 표면부에서 매우 높은 분포를 보이고 있음을 확인할 수 있었다.
- 하지만, 전기 통전은 콘크리트 내의 자유 염소이온에만 영향을 미치기 때문에, 고정화된 염소이온의 추출은 제한적일 수밖에 없고 이는 추출 능력의 한계로 나타난다. 그리고 방식전류와 상관없이 염소 이온의 추출 비가 일정하게 나타나는 것을 확인 하였다. 일반적으로 전기 방식 적용시 현장에서 방식 전류는 1000 mA/m2 이상을 선호하는데, 이는 높은 방식 전류/전압에서 수소 방출로 인한 철근 부착 강도의 저하와 같은 부정적 영향을 고려하지 않은 상태에서 방식 전류가 과하게 적용되고 있다고 판단된다.
- 특히 500 mA/m2의 방식전류를 통전하였을 경우 공극양은 철근표면으로부터 약 30 µm까지 3-4%의 공극량을 보여줌으로써 전기방식에 의한 공극감소 효과를 뚜렸히 보여주고 있다. 또한 750 mA/m2를 통전 시켰을 때에는 철근 계면 및 표면부에서의 공극량이 약 90%를 상회한 값으로 실제로 철근과 콘크리트의 분리가 발생함을 확인할 수 있다. 이와 같이 철근과 콘크리트의 분리는 고전류 또는 고전압의 전기방식을 적용할 때 발생할 수 있는 것으로 판단된다.
- 13에서 보는 바와 같이 콘크리트 내부의 염소이온 농도가 급격하게 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 우선, 전기 방식을 적용하지 않는 경우의 염소이온 농도에서도 혼입한 염소이온 양과 동일하게 나타나지 않는 것을 확인 할 수 있었다. 예를 들어, 시멘트 중량 대비 5%의 내재 염소이온을 콘크리트에 혼입한 경우, 측정값에서는 그 보다 낮은 3.
- 10%로 나타났다. 이 중 500 mA/m2의 방식 전류를 통전한 콘크리트 시편에서 보면, 계면 공극에 대한 영향이 가장 적은 것을 확인 할 수 있다.
- 10에서는 방식 전류에 따른 임계 염화물량에 대해서 나타내었다. 전기 방식을 적용한 경우의 모든 시편에서 전기 방식을 적용하지 않은 경우와 비교하였을 때, 임계 염화물량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었지만, 750 mA/m2에서 더 낮은 방식 전류에 비하여 철근 부식 저항성이 덜 효율적인 것으로 나타났다.
후속연구
- 전기 방식은 전자를 통전하는 것과 염소이온 추출에 의한 철근 표면의 부동태 복원화에 대한 이점이 있지만, 그로 인한 구조적 성능 향상에는 영향을 미치지 않는다고 가정 할 수 있다. 본 연구에서는 염소이온이 내재 되지 않는 콘크리트의 휨 강도는 측정되지 않아 콘크리트 내의 철근 부식 발생 여부 또는 부식 정도에 따른 구조성능과 전기방식 사이의 직접적인 상관관계를 찾아내지 못하였다.
- 이는 철근계면부에서의 침전된 수산화칼슘의 증가로 염소이온의 침투 시 부식과정에서 발생하는 산에 대한 저항성을 가지게 되며 또한 수화물의 산화를 지연할 수 있는 역할을 하게 된다. 이로 인해 철근부식 저항성을 향상시킴으로써 철근에 대한 부식연장, 내구수명 확대를 꾀할 수 있을 것으로 판단된다. 이와 같이 방식전류의 양에 따라 철근계면부에서의 수산화칼슘의 침전 또한 변화하게 되는데 방식전류량이 가장 높은 경우인 750 mA/m2의 경우에서는 수산화칼슘의 침전에 효과를 거두기 힘들것으로 판단된다.
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