[논문]해상 교량에 설치된 희생양극식 전기방식의 8년 이후의 성능에 관한 연구

정진아; 하지명; 이두형; 이상득

doi:10.5916/jkosme.2016.40.6.510

초록
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최근 우리나라의 남해고속도로 상에 있는 해상 교량의 교각에서 부식이 발생하였다. 이 해상 교량의 부식 손상부위를 보수하기 위하여 희생양극식 전기방식을 설치하였다. 본 연구에서 소개한 해상교량의 경우, 구조물의 상부에서는 부식이 발생되지 않았기 때문에 해수에 의한 조수간만의 영향을 받는 간만대와 비말대 부분에만 희생양극식 전기방식을 설치하였다. 해상교량에 희생양극식 전기방식을 설치한 후 약 8년이 경과된 시점에서 희생양극식 전기방식의 성능을 검증하기 위하여 방식전류, 방식전위 및 복극량을 측정하였다. 전체 60개의 교각에 설치된 희생양극식 음극방식의 성능에 관한 실험 결과는 방식 양호(13개 교각), 부분 방식(27개 교각), 일시적 오류(7개 교각), 피복 들뜸(13개 교각)과 같이 4부분으로 분류하였다. 방식성능이 불량한 교각에 대해서는 양극의 추가 설치 및 Jacket 시공 등과 같은 추가적인 조치가 필요하다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, corrosion occurred on the piles of a marine bridge located on the NamHae expressway in Korea. A sacrificial anode cathodic protection system was installed to prevent corrosion damage in the marine bridge. In the case of the marine bridge in this study, the sacrificial anode cathodic protec...

Recently, corrosion occurred on the piles of a marine bridge located on the NamHae expressway in Korea. A sacrificial anode cathodic protection system was installed to prevent corrosion damage in the marine bridge. In the case of the marine bridge in this study, the sacrificial anode cathodic protection system was applied at the tidal and splash zones of the piles because the upper part of the structure was not corroded, and because corrosion occurs at the tidal and splash zones due to sea tides. To verify the performance of the sacrificial anode cathodic protection system 8 years later, cathodic protection (CP) current, CP potential, and degree of depolarization were measured. The experimental results on the performance of the sacrificial anode cathodic protection system from a total of 60 piles were classified into 4 categories: good CP effect results (13 piles), partial CP effect results (27 piles), temporarily erroneous results (5 piles), and need for maintenance because of delamination (15 piles). It was determined that additional repairs are required, such as the application of bulk anodes and jacket casings, for piles where the CP effect is poor.

주제어

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문제 정의

본 연구는 남해고속도로 상에 있는 해상 교량에 희생양극식 전기방식이 설치된 후 약 8년이 경과된 전기방식 설비의 성능을 분석하기 위한 목적으로 방식 상태를 점검한결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

전기방식의 성능을 확인하기 위하여 방식전류, 방식전위, 복극량을 측정하였고, 측정결과를 분석하여 방식이 양호한 교각, 부분적으로 방식이 되는 교각, 일시적인 오류에 의해 측정이 불가능한 교각, 그리고 교각의 일부 들뜸 현상으로 인하여 철근 전위의 측정이 불가능한 교각으로 분류하여 나타내었다.
총 60개의 교각에 Zn-Mesh 양극을 사용하여 전기방식을 적용하였다. 측정은 해상 교량에 희생양극식 전기방식을 적용한 후 약 8년이 경과된 시점에서 실시하였다.
콘크리트 교각의 부식 손상된 부분을 제거하고 새롭게 설치할 시멘트 모르타르가 교각의 콘크리트 표면에 잘 부착될 수 있도록 접착력을 높이기 위해 콘크리트 교각 표면에 그라인딩(grinding) 및 치핑(chipping) 작업에 의한 표면처리를 실시하였다. 교각의 표면에 Zn-Mesh 양극 및 거푸집을 설치하고 음극인 철근과 Zn-Mesh 양극을 전기적으로 연결하기 위해 전선을 연결하였다.
본 연구에서의 대상 구조물은 남해고속도로 상에 있는 교량으로 연장 330m, 폭 23m인 T형 다주식 교각 구조물이며, 희생양극식 전기방식을 적용하기 전에 육안으로 대상 구조물을 점검하였다. 콘크리트 교각의 설치 환경이 해수에 근접해 있기 때문에 콘크리트 비저항이 낮아 희생양극식 음극방식을 적용할 경우에도 방식 효율이 좋을 것으로 예상되어 Zn-Mesh 양극을 이용한 희생양극식 음극방식을 적용하였다. Pedeferri 등은 방식설비를 설치하는 시기에 따라서 신설된 철근 콘크리트 구조물에 음극방식을 적용하는 음극예방(Cathodic prevention)과 부식성 환경에 설치되어 부식이 진행되고 있는 기존 철근콘크리트 구조물에 방식을 적용하는 음극방식(Cathodic protection) 2 가지로 분류하였다 [7][8].
해당 교각의 방식점검 결과는 적정 방식전류가 공급되고 100 mV 이상의 복극량이 측정된 교각은 방식 양호(Good CP)로 분류하고, 방식설비를 설치할 초기 방식전류보다 방식전류량이 감소되고 100 mV 미만의 복극량이 측정된 교각은 부분 방식(Partial CP)으로 분류하였으며, 방식 적용 전·후 역전위가 측정된 교각을 일시적 오류(Temporary error)로 분류하였다. 그리고 방식전류가 공급되더라도 피복 부위에 들뜸 현상에 발생하여 철근의 전위가 측정되지 않은 교각을 피복 들뜸(Delamination)으로 분류하여 Table 4와 같이 나타내었다.

대상 데이터

양극의 배치는 방식 전류가 균일 하게 분포될 수 있도록 적정 간격으로 배치해야 하며 구조물과는 단선을 고려하여 2중으로 연결해야 한다[6]. 본 연구에서의 대상 구조물은 남해고속도로 상에 있는 교량으로 연장 330m, 폭 23m인 T형 다주식 교각 구조물이며, 희생양극식 전기방식을 적용하기 전에 육안으로 대상 구조물을 점검하였다. 콘크리트 교각의 설치 환경이 해수에 근접해 있기 때문에 콘크리트 비저항이 낮아 희생양극식 음극방식을 적용할 경우에도 방식 효율이 좋을 것으로 예상되어 Zn-Mesh 양극을 이용한 희생양극식 음극방식을 적용하였다.
본 연구는 철근콘크리트 교각에서 이미 부식이 진행된 경우이기 때문에 방식에 필요한 소요 전류밀도를 15 mA/m² 기준으로 방식 설계를 하였다. 사용된 희생양극으로는 7.81 kg/m² (1.6lb/ft2)의 Zn-Mesh를 양극으로 사용하였다. 양극의 성분은 Table 1에 나타내었고, 양극의 기계적 특성은 Table 2와 같다.

이론/모형

철근 콘크리트의 경우 NACE SP0290 기준에 따른 100 mV 복극량 기준이 가장 많이 사용되고 있다[13]. 본 연구에서 소개된 교량의 경우에도 100 mV 복극량 기준을 적용하여 방식 성능을 평가하였다. Figure 5는 해안가 방향에 위치한 교각의 복극량을 나타낸 그래프이다.
Figure 2는 철근콘크리트 구조물의 교각 위치 및 명칭을 나타낸 그림이다. 총 60개의 교각에 Zn-Mesh 양극을 사용하여 전기방식을 적용하였다. 측정은 해상 교량에 희생양극식 전기방식을 적용한 후 약 8년이 경과된 시점에서 실시하였다.

성능/효과

3. 전기방식 설치 후 8년이 경과한 전기방식 설비의 성능을 분석하기 위하여 방식전류, 방식전위 및 복극량을 측정한 결과, 전체 60개의 교각 중 13개의 교각에서는 양호한 방식성능이 나타났으며, 27개의 교각은 부분적인 방식이 되었고, 13개의 교각에서는 피복에 들뜸 현상이 발견되 었고, 나머지 7개의 교각에서는 일시적인 오류로 인하여 전체적인 방식설비의 점검이 필요한 것으로 나타났다.
일반 철근콘크리트 구조물은 비저항이 크기 때문에 희생 양극식 전기방식의 경우에는 방식전류의 공급이 제한되는 특징이 있기 때문에 희생양극식 전기방식을 적용하는 것이 곤란하나 본 연구에서 소개된 해상교량과 같이 조수 간만에 의한 영향을 받아 바닷물에 노출되는 곳에 위치하는 교각의 수면하 부분, 간만대 및 비말대 구간에는 콘크리트에 흡수된 해수에 의해 콘크리트의 비저항이 감소되기 때문에 희생양극식 전기방식의 경우에도 방식전류가 잘 전달된다. 그러나 해수면의 위치가 변하고, 온도 및 날씨에 따라 교각이 가지고 있는 함수량 및 습도가 달라지기 때문에 그에 따른 전기 방식의 효과도 구조물의 영역별로 다르게 나타나게 된다[4].
그리고 방식전류가 공급되더라도 피복 부위에 들뜸 현상에 발생하여 철근의 전위가 측정되지 않은 교각을 피복 들뜸(Delamination)으로 분류하여 Table 4와 같이 나타내었다. 전기방식 설치 후 8년이 경과한 전기방식 설비의 성능을 분석하기 위하여 방식전류, 방식전위 및 복극량을 측정한 결과, 전체 60개의 교각 중 13개의 교각에서는 양호한 방식성능이 나타났으며, 27개의 교각은 부분적인 방식이 되었고, 15개의 교각에서는 피복에 들뜸 현상이 발견되었고, 나머지 5개의 교각에서는 일시적인 오류로 인하여 전체적인 방식설비의 점검이 필요한 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구에서 소개된 해상 교량의 경우 국내에서 철근콘크리트 구조물에 희생양극에 의한 전기방식공법을 처음 적용하여 시공되었기 때문에 지속적이고 주기적인 점검을 통해 전기방식 성능을 모니터링 함으로써 방식 성능과 효과를 더욱 정밀하게 분석, 판정할 필요가 있으며, 방식성능이 불량한 일부 교각에 대해서는 수면하 부분에 별도로 양극(bulk anode)의 추가 설치 및 Jacket 시공 등과 같은 추가적인 조치가 필요하다고 판단된다[5].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철근콘크리트 구조물의 수명을 연장시키는 다양한 방법들이 연구되는 이유는 무엇인가?	철근콘크리트 구조물의 내구성을 증진시키기 위한 일환으로 최근 철근콘크리트 구조물의 수명을 연장시키는 다양한 방법들이 연구되고 있다. 철근콘크리트 구조물의 내구성에 가장 큰 영향을 미치는 요인으로는 콘크리트 내부에 배근된 철근에서 발생하는 부식이다[1].
	철근콘크리트 구조물의 내구성에 가장 큰 영향을 미치는 요인은?	철근콘크리트 구조물의 내구성을 증진시키기 위한 일환으로 최근 철근콘크리트 구조물의 수명을 연장시키는 다양한 방법들이 연구되고 있다. 철근콘크리트 구조물의 내구성에 가장 큰 영향을 미치는 요인으로는 콘크리트 내부에 배근된 철근에서 발생하는 부식이다[1]. 특히 해상 교량과 같이 해양환경에 노출된 구조물이나 겨울철 쌓인 눈을 녹이기 위해 제설제가 사용된 도로 및 교량에서는 염분에 의한 철근 부식으로 인해 구조물의 내구성에 심각한 영향을 끼치는 것으로 보도되고 있고 그에 대한 대책이 시급하다[2].
	희생양극식 전기방식 설계를 하기 위해서 구조물의 면적에 대한 방식 전류량을 산출한 후 결정해야 하는 것은?	희생양극식 전기방식 설계를 하기 위해서는 피방식체 즉, 방식이 필요한 대상 구조물의 면적을 계산하고, 구조물이 노출된 환경에 적합한 방식전류밀도를 결정하여 구조물의 면적에 대한 방식 전류량을 산출한다. 그리고 양극의 수명, 종류 및 형상을 선정하고 양극의 발생 전류량을 계산하여 양극의 크기를 결정한다. 양극의 배치는 방식 전류가 균일 하게 분포될 수 있도록 적정 간격으로 배치해야 하며 구조물과는 단선을 고려하여 2중으로 연결해야 한다[6].

참고문헌 (13)

J. P. Broomfield, Corrosion of Steel in Concrete, 2nd Edition, London and New York, the US: Taylor & Francis, 2007.
D. A. Jones, Principles and Prevention of Corrosion, 2nd Edition, Upper Saddle River, New Jersey, the US: Prentice-Hall, 1996.
J. M. Ha, C. K. Jin, and J. A. Jeong, "Cathodic protection behavior of coastal bridge structure with sacrificial anode cathodic protection system," Corrosion Science and Technology, vol. 11, no. 6, pp. 242-243, 2012.

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J. A. Jeong and C. K. Jin, "The effect of temperature and relative humidity on concrete slab specimens with impressed current cathodic protection system," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 37, no. 3, pp. 260-262, 2013.

원문보기 상세보기
J. A. Jeong, W. S. Chung, and Y. H. Kim, "Electrochemical measurements of cathodic protection for reinforced concrete piles in a marine environment using embedded corrosion monitoring sensors," Journal of Metal & Materials International, vol. 19, no. 3, pp. 445-452, 2013.

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J. A. Jeong and C. K. Jin, "Three year performance of sacrificial anode cathodic protection system in the reinforced concrete bridge structures," Advanced Materials Research, vol. 753-755, pp. 467-475, 2013.

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L. Bertolini and E. Redaelli, "Throwing power of cathodic prevention applied by means of sacrificial anode to partially submerged marine reinforced concrete piles: Results of numerical simulations," Corrosion Science, vol. 51, no. 9, pp. 2218-2230, 2009.

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L. Bertolini, F. Bolzoni, A. Cigada, T. Pastore, and P. Pedeferri, "Cathodic protection of new and old reinforced concrete structures," Corrosion Science, vol. 35, no. 5-8, pp. 1633-1639, 1993.

상세보기
K. M. Moon, K. H. Lee, H. R. Cho, M. H. Lee, Y. H. Kim, and J. K. Kim, "Effect of cathodic protection of adjacent steel piles on the life of sacrificial anode," Journal of the Korean Society of Ocean Engineers, vol. 22, no. 3, pp. 76-81, 2008 (in Korean).
J. Carmona, P. Garces, and M. A. Climent, "Efficiency of a conductive cement-based anodic system for the application of cathodic protection, cathodic prevention and electrochemical chloride extraction to control corrosion in reinforced concrete structures," Corrosion Science, vol. 96, pp. 102-111, 2015.

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J. A. Jeong and C. K. Jin, "Tidal water effect on the hybrid cathodic protection systems for marine concrete structures," Journal of Advanced Concrete Technology, vol. 10, no. 12, pp. 389-394, 2012.

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J. A. Jeong, W. S. Chung, and Y. H. Kim, "Electrochemical measurements of cathodic protection for reinforced concrete piles in a marine environment using embedded corrosion monitoring sensors," Metals & Materials International, vol. 19, no.3, pp. 445-452, 2013.

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National Association of Corrosion Engineers, "Impressed current cathodic protection of reinforcing steel in atmospherically exposed concrete structures," NACE SP2090, 2007.

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