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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 동일한 배합의 시편에 대한 부식 촉진시험 및 장기폭로시험의 부식 모니터링 결과를 통해 각각의 부식 개시 시점을 도출하고, 이들 간의 상관 계수를 도출함으로써 촉진시험의 효율성을 높이고 신뢰성을 향상시키는 것을 목표로 다년간 연구를 진행하고 있다. 선행연구를 통해 실제 부식메커니즘과 유사한 조건에서 부식을 촉진시키는 다양한 방법 및 장기시험과 촉진시험의 상관성을 제안한 바 있다7-9).
- 전기장의 양극성을 활용하여 염소이온(α-)이 콘크리트에 침투시 발생되는 저항을 통하여 콘크리트의 차염성능 및 내부조직의 밀실한 정도를 평가하는 시험이다.
- 당시 건자재시험연구원에서는 표준화기술개발사업을 통해 2년간의 연구결과로서 KS F 2599-1 철근콘크리트의 촉진부식 시험방법-제1부 오토클레이브 방법(2008) 및 KS F 2599-2 철근콘크리트의 촉진부식 시험방법- 제2부 건습반복법(2008)을 개발하였다. 제1부 오토클레이브 방법에 의한 촉진부식 시험방법은 주로 방청제에 의한 염해저항성능을 평가하는 것을 목적으로 한다. 이 방법은 공극을 통한 외부 염화물의 침투확산에 따른 철근 부식메커니즘과는 다른 촉진 메커니즘을 가지고 있어 장기폭로시험과의 상관성을 도출하는 것이 불가능하다.
제안 방법
- 각 배합별 재령에 따른 강도변화비를 평가하기 위하여 φ 100 × 300 ㎜ 원주형 공시체를 제작하여 KS F 2405 “콘크리트 압축강도시험 방법”에 기초하여 재령에 따른 압축강도의 변화를 측정하였다11).
- 철근부식모니터링은 반전지전위법을 통한 자연전위 측정을 기본으로 하며 동탄성계수의 측정을 병행하여 부식모니터링에 상대동탄성계수적용 가능성을 함께 평가하였다. 경향분석을 위해 재령별 압축강도 및 염화물 침투저항성과 같은 역학적 및 내구적 기본특성시험도 병행하였다.
- 최근 동절기 강설량의 증대로 제빙제의 살포가 증가하면서 철근부식인자의 침투가 활발해져 염해와 동결융해에 따른 복합열화에 따른 피해가 증가하고 있는 상황이 고려되었다. 동결융해 사이클 수를 주된 변수로 부식촉진시험을 실시하였다. 철근부식모니터링은 반전지전위법을 통한 자연전위 측정을 기본으로 하며 동탄성계수의 측정을 병행하여 부식모니터링에 상대동탄성계수적용 가능성을 함께 평가하였다.
- 동절기 간만대 환경을 모사하여 부식속도를 비교하였다. 동결융해 챔버에 의한 급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법인 KS F 2456의 B법(기중동결, 수중융해) 및 인공해수를 이용한 철근 콘크리트의 촉진부식 시험방법인 KS F 2559-2)건습반복법을 병행 진행하였다.
- 반전지전위법을 기본 부식모니터링 방법으로 하고 황산동 전극을 사용하여 동결융해 시기에는 측정하지 않고 건습반복과정에서만 하루 1회 이상 자연전위를 측정하였다. 또한 상대동탄성계수의 측정으로부터 부식모니터링 가능성을 검토하고자 동탄성계수 측정도 병행하였다. 부식발생시점을 평가한 후 만능재료시험기를 통해 시편을 할렬하고 Fig.
- 반전지 전위측정은 매일 측정이 가능한 case 4를 제외한 case 1, 2, 3의 모니터링은 건습반복시기(습윤 3일, 건조 4일)에만 측정을 실시하였다. 모든 case에서 부식발생은 배합별로는 OPC60, FA, BS, OPC35 순으로 나타났으며, 계획동결융해 주기수로는 case 1(동결융해 30주기), case 2(동결융해 100주기), case 3(동결융해 300주기) 순으로 나타났다.
- 반전지전위법을 기본 부식모니터링 방법으로 하고 황산동 전극을 사용하여 동결융해 시기에는 측정하지 않고 건습반복과정에서만 하루 1회 이상 자연전위를 측정하였다. 또한 상대동탄성계수의 측정으로부터 부식모니터링 가능성을 검토하고자 동탄성계수 측정도 병행하였다.
- 본 시험은 지름이 100이고 높이가 50㎜인 원주형 공시체를 재령 28일간 수중양생 하였으며, 시편을 시험셀에 장착한 후 전원은 60 V의 직류를 ±0.1 V 정도로 안정적으로 공급하며, 전류의 측정은 기지의 저항체를 회로에 연결하여 전압을 측정하였다.
- 또한 상대동탄성계수의 측정으로부터 부식모니터링 가능성을 검토하고자 동탄성계수 측정도 병행하였다. 부식발생시점을 평가한 후 만능재료시험기를 통해 시편을 할렬하고 Fig. 9와 같이 전자현미경 및 육안으로 철근의 부식을 확인하였다. 공명진동수의 측정 및 자연전위 측정모습은 Fig.
- 13과 같다. 상대동탄성계수는 폭로전 시험체의 초기 진동수를 측정한 후 염해 및 동결융해 촉진시험 종료 후 진동수를 측정하여 산출하였다.
- 철근과 전선의 연결부위 및 노출예상 범위는 모두 에폭시로 코팅하였다. 재령 6일까지 수중 양생한 후 시편 6면 중 5면을 에폭시로 코팅하여 에폭시 코팅 24시간 경과 후(재령 7일)부터 동결융해 및 해수의 건습반복 등을 통해 일 방향 염화물 침투를 유도하였다. 배합은 비교분석 등을 고려하여 선행연구와 동일하며, 보통포틀랜드 시멘트를 기본으로 사용하였다.
- 동결융해 사이클 수를 주된 변수로 부식촉진시험을 실시하였다. 철근부식모니터링은 반전지전위법을 통한 자연전위 측정을 기본으로 하며 동탄성계수의 측정을 병행하여 부식모니터링에 상대동탄성계수적용 가능성을 함께 평가하였다. 경향분석을 위해 재령별 압축강도 및 염화물 침투저항성과 같은 역학적 및 내구적 기본특성시험도 병행하였다.
- 철근의 부식은 육안으로 관찰할 수 없으므로 철근 부식 모니터링은 비파괴 방법을 이용하여 측정하였다. 갈바닉 전류 측정법을 비롯하여 다양한 비파괴 측정법이 제안되어 사용되고 있으며, 선행연구를 통해 다양한 측정법을 적용하였다.
대상 데이터
- 빠른 부식을 일으키기 위해 물-시멘트비 60 %를 기본으로 하였다. 배합은 보통포틀랜드시멘트(Ordinary Portland Cement, 물-시멘트 비 60 %)인 OPC60, 혼화재인 플라이애시를 시멘트의 20 % 치환한 FA (Fly Ash), 고로슬래그 미분말을 시멘트의 30 % 치환한 BS (Blast Furnace Slag) 및 고강도 특성 비교를 위한 OPC35 (Ordinary Portland Cement, 물-시멘트 비 35%)등 4개로 구분하였으며 배합설계표는 Table 4와 같다.
- 재령 6일까지 수중 양생한 후 시편 6면 중 5면을 에폭시로 코팅하여 에폭시 코팅 24시간 경과 후(재령 7일)부터 동결융해 및 해수의 건습반복 등을 통해 일 방향 염화물 침투를 유도하였다. 배합은 비교분석 등을 고려하여 선행연구와 동일하며, 보통포틀랜드 시멘트를 기본으로 사용하였다. 빠른 부식을 일으키기 위해 물-시멘트비 60 %를 기본으로 하였다.
- 본 실험에서 사용한 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트로서 그 물리적 성질은 Table 1과 같다. 잔골재는 충남 공주 강모래, 굵은골재는 최대치수 20 ㎜의 쇄석골재이고 표면건조상태로 사용하였다.
- 시험을 위한 공시체는 Fig. 1과 같이 100 × 100 × 100㎜ 정육면체 몰드로 제작하였으며 부식을 최대한 촉진시키기 위해 피복두께는 10 ㎜로 하였다.
- 본 실험에서 사용한 시멘트는 보통 포틀랜드시멘트로서 그 물리적 성질은 Table 1과 같다. 잔골재는 충남 공주 강모래, 굵은골재는 최대치수 20 ㎜의 쇄석골재이고 표면건조상태로 사용하였다. 이들의 물리적 성질은 Table 2와 3과 같다.
- 1과 같이 100 × 100 × 100㎜ 정육면체 몰드로 제작하였으며 부식을 최대한 촉진시키기 위해 피복두께는 10 ㎜로 하였다. 철근은 부식발생 확인을 용이하게 하기 위해 표면이 매끈한 지름 9 ㎜인 원형철근을 사용하였으며 철근표면에 이미 존재하는 녹 및 이물질 등을 제거하기 위해 연마지 (＃180)를 이용하여 표면처리 하였다. 철근과 전선의 연결부위 및 노출예상 범위는 모두 에폭시로 코팅하였다.
이론/모형
- 각 배합별 재령에 따른 내구성 변화를 정량적으로 평가하기 위하여 KS F 2711“전기전도도에 의한 콘크리트의 염소이온 침투 저항성 시험”방법에 따라 각 시편의 통과전하량를 재령에 따라 시험하였다12).
- 동절기 간만대 환경을 모사하여 부식속도를 비교하였다. 동결융해 챔버에 의한 급속동결융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법인 KS F 2456의 B법(기중동결, 수중융해) 및 인공해수를 이용한 철근 콘크리트의 촉진부식 시험방법인 KS F 2559-2)건습반복법을 병행 진행하였다. 진행 방법은 계획동결융해 주기(동결 2시간, 융해 2시간) 노출 후 인공해수를 이용한 건습반복법(침지 3일, 건조 4일)을 한 주기로 부식이 발생되는 시기까지 반복한다.
- 동절기 침지대의 환경을 모사하기 위하여 선행연구에서 진행되었던 ASTM G109에 기초한 염수 ponding (인공연못) 시험법을 응용 적용하였다8,9). 염수 ponding 시험법은 Fig.
- 부식모니터링은 반전지전위법을 활용하였으며 부식발생 시기는 선행연구결과에 기초하여 –700 ㎷ 이하로서 전위값의 그래프상 기울기 변화가 급격하게 발생하는 시점으로 판단하였다7).
- 2~4와 같다. 시험을 진행한 동결융해 챔버는 Fig. 5와 같고 인공해수는 철근콘크리트의 촉진부식시험방법인 KS F 2599에 준하여 제작하였으며, 배합비율은 Table 6과 같다.
성능/효과
- 12와 같다. W/C 35 %인 OPC35가 W/C 60 %인 OPC60보다 압축강도가 큰 것으로 나타났으며, W/C가 저하될수록 강도가 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다. 동일한 W/C 60 %인 BS, FA, OPC60을 비교하면 장기재령으로 갈수록 혼화재의 혼합이 강도를 증가시키는 것으로 나타났으며 플라이애시보다는 고로슬래그미분말이 강도증가효과가 컸다.
- 따라서 부식인자인 염화물의 침투확산이 지연되어 부식발생시기가 지연되는 것으로 판단된다. W/C가 35 % 인 OPC35와 60 %인 OPC60을 비교하면 W/C가 낮을수록 압축강도 및 염소이온침투저항성이 증가하고 그에 따라 철근부식에 대한 저항성능도 증가하는 것으로 나타났다. 동일하게 W/C가 60 %인 BS, FA, OPC60을 비교하면 혼화재인 고로슬래그미분말과 플라이애시의 혼합이 혼화재를 미혼합한 OPC 배합에 비해 장기압축강도, 염소이온침투저항성 및 그에 따른 철근부식 저항성능이 향상되는 것으로 나타났다.
- 즉, 압축강도 및 염소이온 침투저항성이 클수록 부식의 발생은 지연되는 것으로 나타났다. W/C가 낮은 OPC35가 OPC60에 비해서 압축강도와 염소이온침투저항성은 물론 철근부식 저항성까지 모두 우수하므로 낮은 물시멘트비가 철근콘크리트의 부식에 대한 저항성을 향상시키는 것을 확인할 수 있었다. 또한 W/C가 60 %로 동일한 BS, FA, OPC60의 세 가지 배합을 비교하면 혼화재인 고로슬래그미분말의 혼합이 압축강도, 염소이온침투저항성 및 철근부식 저항성 모두 가장 우수했으며, 다음은 플라이애시 배합이었고 혼화재를 섞지 않은 OPC60이 가장 낮은 저항성능을 보여주었다.
- 각 배합 당 압축강도시험과 염소이온침투 저항성 시험을 통해 장기재령에 접어들수록 강도와 침투저항성이 향상되는 것으로 나타났다. 특히 산업부산물을 활용한 배합인 FA와 BS는 재령 14까지는 강도 발현이 지연되어 OPC60보다 강도가 작았지만 장기재령인 56일에서는 OPC60보다 1.
- 계획동결융해주기수의 변화를 통해 살펴본 부식속도는 30주기 단위로 동결융해와 인공해수 건습반복을 복합한 case 1이 가장 빠르게 나타났으며, 동결융해 100주기인 case 2, 300주기인 case 3 순이었으며, 인공해수 건습반복조건에서 가장 빠른 부식속도를 보였던 해수 ponding 시험법인 case 4가 동결융해 조건에서는 가장 늦은 것으로 나타났다.
- W/C가 35 % 인 OPC35와 60 %인 OPC60을 비교하면 W/C가 낮을수록 압축강도 및 염소이온침투저항성이 증가하고 그에 따라 철근부식에 대한 저항성능도 증가하는 것으로 나타났다. 동일하게 W/C가 60 %인 BS, FA, OPC60을 비교하면 혼화재인 고로슬래그미분말과 플라이애시의 혼합이 혼화재를 미혼합한 OPC 배합에 비해 장기압축강도, 염소이온침투저항성 및 그에 따른 철근부식 저항성능이 향상되는 것으로 나타났다. 또한 플라이애시보다는 고로슬래그 미분말의 혼합이 부식저항성능 향상에 더욱 효과적인 것으로 평가되었다.
- W/C 35 %인 OPC35가 W/C 60 %인 OPC60보다 압축강도가 큰 것으로 나타났으며, W/C가 저하될수록 강도가 증가한다는 사실을 확인할 수 있었다. 동일한 W/C 60 %인 BS, FA, OPC60을 비교하면 장기재령으로 갈수록 혼화재의 혼합이 강도를 증가시키는 것으로 나타났으며 플라이애시보다는 고로슬래그미분말이 강도증가효과가 컸다. 초기재령에서 FA의 강도발현이 OPC 60에 비해 다소 늦지만 장기재령으로 갈수록 압축강도는 OPC35, BS, FA, OPC60 순이며 재령이 증가할수록 강도가 증가하는 것으로 나타났다.
- W/C가 낮은 OPC35가 OPC60에 비해서 압축강도와 염소이온침투저항성은 물론 철근부식 저항성까지 모두 우수하므로 낮은 물시멘트비가 철근콘크리트의 부식에 대한 저항성을 향상시키는 것을 확인할 수 있었다. 또한 W/C가 60 %로 동일한 BS, FA, OPC60의 세 가지 배합을 비교하면 혼화재인 고로슬래그미분말의 혼합이 압축강도, 염소이온침투저항성 및 철근부식 저항성 모두 가장 우수했으며, 다음은 플라이애시 배합이었고 혼화재를 섞지 않은 OPC60이 가장 낮은 저항성능을 보여주었다. 이로부터 동일한 물시멘트비에서는 고로슬래그미분말이나 플라이애시와 같은 혼화재의 배합이 철근에 대한 부식저항성능을 향상시키는 것으로 평가할 수 있다.
- 동일하게 W/C가 60 %인 BS, FA, OPC60을 비교하면 혼화재인 고로슬래그미분말과 플라이애시의 혼합이 혼화재를 미혼합한 OPC 배합에 비해 장기압축강도, 염소이온침투저항성 및 그에 따른 철근부식 저항성능이 향상되는 것으로 나타났다. 또한 플라이애시보다는 고로슬래그 미분말의 혼합이 부식저항성능 향상에 더욱 효과적인 것으로 평가되었다. 반전지전위법에 의한 자연전위측정과 함께 진행한 공명진동수의 측정에 따른 상대동탄성계수 도출결과는 Fig.
- 반전지 전위측정은 매일 측정이 가능한 case 4를 제외한 case 1, 2, 3의 모니터링은 건습반복시기(습윤 3일, 건조 4일)에만 측정을 실시하였다. 모든 case에서 부식발생은 배합별로는 OPC60, FA, BS, OPC35 순으로 나타났으며, 계획동결융해 주기수로는 case 1(동결융해 30주기), case 2(동결융해 100주기), case 3(동결융해 300주기) 순으로 나타났다. 각 case별 부식발생시점은 Table 10 및 Fig.
- 부식 모니터링 방법에서 기존의 반전지 전위법에 의한 자연전위의 측정법외에 동탄성계수의 측정을 적용하였으며, 자연전위 측정으로 구한 부식개시 시점에서의 상대동탄성계수비가 대부분 60 % 미만으로 나타났다. 이를 통해 상대동탄성계수비로도 부식의 발생을 파악할 수 있는 가능성을 확인하였으며, 이 부분에 대해서는 추가 연구를 통해 보다 명확한 규명이 필요하다고 판단된다.
- 14와 같다. 상대동탄성계수는 모든 배합 및 시험조건에서 초기 100 %를 기점으로 동결융해 주기수가 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다. 흥미 있는 사실은 Table 11과 같이 상대동탄성계수가 60 % 이하로 떨어지는 시점과 부식발생시점 사이에 어느 정도의 상관성을 가지고 있다는 것이다.
- 갈바닉 전류 측정법을 비롯하여 다양한 비파괴 측정법이 제안되어 사용되고 있으며, 선행연구를 통해 다양한 측정법을 적용하였다. 여러 차례의 시행착오를 거쳐 반전지전위법으로 측정하되 전위의 절대값보다는 상대적인 변화율이 보다 확실한 부식탐지 방법이라는 결론에 도달했다. ASTM에서는 자연전위가 –350 ㎷ 이하인 경우 부식발생 확률을 90 % 이상으로 규정하고 있다13).
- 초기재령에서 FA의 강도발현이 OPC 60에 비해 다소 늦지만 장기재령으로 갈수록 압축강도는 OPC35, BS, FA, OPC60 순이며 재령이 증가할수록 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 염소이온 침투저항성은 초기재령부터 장기재령까지 OPC35, BS, FA, OPC60의 동일한 순으로 나타났으며 강도와 대체적으로 비례관계를 나타냈으며 재령이 증가할수록 통과전하량의 차가 줄어드는 것을 확인하였다.
- 재령 56일에서의 압축강도는 OPC35, BS, FA, OPC60 순이었으며, 염소이온침투저항성도 압축강도와 비례하여 OPC35, BS, FA, OPC60 순으로 큰 것으로 나타났다. 염해와 동결융해의 복합열화 부식촉진시험에 따른 부식 발생시기도 주기수 및 건습반복 조건 등 시험조건과 무관하게 OPC60, FA, BS, OPC35순으로 빠르게 발생하였다.
- 염해와 동결융해의 복합열화 부식촉진시험에 따른 부식 발생시기도 주기수 및 건습반복 조건 등 시험조건과 무관하게 OPC60, FA, BS, OPC35순으로 빠르게 발생하였다. 즉, 압축강도 및 염소이온 침투저항성이 클수록 부식의 발생은 지연되는 것으로 나타났다. W/C가 낮은 OPC35가 OPC60에 비해서 압축강도와 염소이온침투저항성은 물론 철근부식 저항성까지 모두 우수하므로 낮은 물시멘트비가 철근콘크리트의 부식에 대한 저항성을 향상시키는 것을 확인할 수 있었다.
- 동일한 W/C 60 %인 BS, FA, OPC60을 비교하면 장기재령으로 갈수록 혼화재의 혼합이 강도를 증가시키는 것으로 나타났으며 플라이애시보다는 고로슬래그미분말이 강도증가효과가 컸다. 초기재령에서 FA의 강도발현이 OPC 60에 비해 다소 늦지만 장기재령으로 갈수록 압축강도는 OPC35, BS, FA, OPC60 순이며 재령이 증가할수록 강도가 증가하는 것으로 나타났다. 염소이온 침투저항성은 초기재령부터 장기재령까지 OPC35, BS, FA, OPC60의 동일한 순으로 나타났으며 강도와 대체적으로 비례관계를 나타냈으며 재령이 증가할수록 통과전하량의 차가 줄어드는 것을 확인하였다.
- 침지대를 모의한 case 4의 경우 부식에 필수요소인 산소공급의 측면에서 다른 방법에 비해 확실한 장점을 가지고 있어 선행연구였던 해수 건습반복조건에서는 부식이 가장 촉진되는 것으로 나타났으나, 금번 동결융해 조건에서는 case 1보다 부식발생시점이 늦는 것으로 나타났다. 동결조건에서는 인공해수가 동결되어 콘크리트로 원활하게 침투하지 못했기 때문인 것으로 보인다.
- 각 배합 당 압축강도시험과 염소이온침투 저항성 시험을 통해 장기재령에 접어들수록 강도와 침투저항성이 향상되는 것으로 나타났다. 특히 산업부산물을 활용한 배합인 FA와 BS는 재령 14까지는 강도 발현이 지연되어 OPC60보다 강도가 작았지만 장기재령인 56일에서는 OPC60보다 1.2~ 1.4배의 강도 증가효과가 있었으며, 염소이온침투저항성 시험결과 초기재령부터 수밀성이 우수하여 내구성개선효과를 기대할 수 있었다.
- case 1의 경우 동결융해와 인공해수 건습반복의 상호교차 횟수가 많아서 급격한 환경변화로 인해 열화의 진행과 염화물의 침투확산이 보다 유기적으로 이루어진 것이 부식을 촉진시킨 주된 원인으로 파악된다. 해당시편에서는 동결융해 열화 형태인 박락(spalling), 표면박리 (scaling), 골재토출 (pop out), 균열 등이 발견되었으며 이로 인해 염화물 이온의 침투속도가 촉진된 것으로 평가되었다. 모든 case에서 OPC60, FA, BS, OPC35 순으로 부식이 발생하여 강도 및 염소이온침투저항성의 역순이었다.
후속연구
- 비록 한정된 시험조건이지만 상대동탄성계수의 측정만으로도 동결융해 조건에서 부식발생 여부를 예측할 수 있다는 가능성을 확인하였고, 향후 이 부분에 대한 연구를 추가하여 상대동탄성계수와 철근 부식과의 상관성을 보다 명확하게 규명할 필요가 있다고 판단된다.
- 부식 모니터링 방법에서 기존의 반전지 전위법에 의한 자연전위의 측정법외에 동탄성계수의 측정을 적용하였으며, 자연전위 측정으로 구한 부식개시 시점에서의 상대동탄성계수비가 대부분 60 % 미만으로 나타났다. 이를 통해 상대동탄성계수비로도 부식의 발생을 파악할 수 있는 가능성을 확인하였으며, 이 부분에 대해서는 추가 연구를 통해 보다 명확한 규명이 필요하다고 판단된다.
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