유기계 방청제를 혼입한 표면피복재의 유해이온 침투저항에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on the Resistance to Penetration of Harmful Ions in Surface Coatings Material Containing Organic Corrosion inhibitor원문보기
류화성
(Hanyang Experiment and Consulting, Hanyang University ERICA)
,
신상헌
(Hanyang Experiment and Consulting, Hanyang University ERICA)
,
이한승
(Department of Architectural Engineering, Hanyang University ERICA)
일반적으로 크리트 구조물의 열화를 발생하는 가장 중요한 원인은 탄산화와 염소이온이다. 대체적으로 많은 콘크리트 구조물에서 탄산화와 염소이온으로 인하여 철근이 부식되며 이에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 최근에는 보수용으로서 콘크리트 보호용 표면피복재에 방청제를 함침시켜, 염화물을 포함하고 있는 콘크리트 내 철근의 부식을 억제하는 공법도 개발되어지고 있다. 이에, 본 연구에서는 기존 보수재료 보다 부식 억제가 우수하고 열화원인인 $CO_2$ 와 $Cl^-$를 고정하는 유기계방청제를 혼입한 표면피복재의 특성 평가를 위해 촉진탄산화 및 시차 열 중량분석(TG-DTA), CASS시험를 실시하여 특성을 실험적으로 평가하였다. 실험 결과, TG-DTA 분석과 촉진탄산화를 통하여 유기계방청제 혼입으로 시멘트 콘크리트에 $CO_2$가 아민유도체와 직접적으로 반응하여 탈 양성자화 되면서 산성상태의 물질을 생성하여 안정화된 상태, 즉 $CO_2$가 고정화되어 탄산화 억제효과가 있음을 확인 하였다. 또한, CASS실험에서도, $Cl^-$ 고정 특성이 있는 유기계 방청제가 혼입된 표면피복재를 도포한 시험체의 경우, 28일째까지도 적청 발생이 관찰되지 않았으며 염화물에 의한 철근 부식을 방지하는데 우수한 성능으로 가지고 있음을 확인하였다.
일반적으로 크리트 구조물의 열화를 발생하는 가장 중요한 원인은 탄산화와 염소이온이다. 대체적으로 많은 콘크리트 구조물에서 탄산화와 염소이온으로 인하여 철근이 부식되며 이에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 최근에는 보수용으로서 콘크리트 보호용 표면피복재에 방청제를 함침시켜, 염화물을 포함하고 있는 콘크리트 내 철근의 부식을 억제하는 공법도 개발되어지고 있다. 이에, 본 연구에서는 기존 보수재료 보다 부식 억제가 우수하고 열화원인인 $CO_2$ 와 $Cl^-$를 고정하는 유기계방청제를 혼입한 표면피복재의 특성 평가를 위해 촉진탄산화 및 시차 열 중량분석(TG-DTA), CASS시험를 실시하여 특성을 실험적으로 평가하였다. 실험 결과, TG-DTA 분석과 촉진탄산화를 통하여 유기계방청제 혼입으로 시멘트 콘크리트에 $CO_2$가 아민유도체와 직접적으로 반응하여 탈 양성자화 되면서 산성상태의 물질을 생성하여 안정화된 상태, 즉 $CO_2$가 고정화되어 탄산화 억제효과가 있음을 확인 하였다. 또한, CASS실험에서도, $Cl^-$ 고정 특성이 있는 유기계 방청제가 혼입된 표면피복재를 도포한 시험체의 경우, 28일째까지도 적청 발생이 관찰되지 않았으며 염화물에 의한 철근 부식을 방지하는데 우수한 성능으로 가지고 있음을 확인하였다.
In general, carbonation and chlorine ions are the most harmful causes of deterioration of concrete structures. Recently, a method has been developed to control the corrosion of rebar in concrete containing chloride by impregnating a Surface coating material with a inhibitor. In this study, accelerat...
In general, carbonation and chlorine ions are the most harmful causes of deterioration of concrete structures. Recently, a method has been developed to control the corrosion of rebar in concrete containing chloride by impregnating a Surface coating material with a inhibitor. In this study, accelerated carbonation and differential thermogravimetric analysis (TG-DTA) and CASS tests were carried out to evaluate the characteristics of Surface coatings containing Organic Corrosion inhibitors which are excellent in corrosion inhibition and fix degradation causes $CO_2$ and $Cl^-$. As a result of the experiment, TG-DTA analysis and accelerated carbonation showed that $CO_2$ was directly reacted with amine derivative in concrete by the incorporation of Organic Corrosion inhibitor. In other words, $CO_2$ was immobilized and carbonation inhibition effect was confirmed. In addition, in the CASS test, the specimen coated with the Surface coating material containing the Organic Corrosion inhibitor with $Cl^-$ fixing property showed no corrosion until the 28th day and had excellent performance in preventing corrosion of a rebar by the chloride ion.
In general, carbonation and chlorine ions are the most harmful causes of deterioration of concrete structures. Recently, a method has been developed to control the corrosion of rebar in concrete containing chloride by impregnating a Surface coating material with a inhibitor. In this study, accelerated carbonation and differential thermogravimetric analysis (TG-DTA) and CASS tests were carried out to evaluate the characteristics of Surface coatings containing Organic Corrosion inhibitors which are excellent in corrosion inhibition and fix degradation causes $CO_2$ and $Cl^-$. As a result of the experiment, TG-DTA analysis and accelerated carbonation showed that $CO_2$ was directly reacted with amine derivative in concrete by the incorporation of Organic Corrosion inhibitor. In other words, $CO_2$ was immobilized and carbonation inhibition effect was confirmed. In addition, in the CASS test, the specimen coated with the Surface coating material containing the Organic Corrosion inhibitor with $Cl^-$ fixing property showed no corrosion until the 28th day and had excellent performance in preventing corrosion of a rebar by the chloride ion.
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문제 정의
TG-DTA 실험은 표면피복재의 이산화탄소 고정화 특성을 확인하기 위한 실험으로서 실험체 중 탄산화된 부분에서 채취한 시료를 대상으로 실시하였다. 그 결과, B, C 시료의 CO2 흡수량이 많은 것으로 나타났다.
콘크리트 내부로 유해물질의 침투에 대한 주요 구동력은 흡수, 고정, 투수, 확산작용으로 대별되는데, 흡수는 단기간 내 유체 침투의 주요 원인이지만, 고정 및 투수, 확산은 장기 간에 걸쳐 시간의 경과에 따라 꾸준히 작용한다[11]. 따라서 유기계방청제 혼입에 의한 콘크리트의 장기 내구특성 및 CO2고정화 특성을 이해하기 위하여 탄산화 및 비탄산화된 콘크리트에 유기계방청제가 혼입된 방청표면피복재의 탄산화 실험을 통한 접근 방법으로 진행한다.
본 연구에서는 탄산칼슘 생성량을 이용하여 이산화탄소의 고정화 특성을 평가하였다. 수산화칼슘과 탄산칼슘의 정량은 초기 시료중량을 대상으로 수산화칼슘 및 탄산칼슘의 중량함유율(백분율)인 질량비를 분석하였으며, 온도별 TGDTA 결과 그래프에 각각 온도 구간에서의 감량에 따른 수산화칼슘량, 탄산칼슘량 산정을 위한 간략 식을 표기하여 삽입 하였다.
이러한 배경하에 본 연구에서는 기존 보수재료 보다 부식 억제가 우수하고 열화원인인 CO2와 CI-를 고정하는 유기계 방청제를 혼입한 표면피복재의 특성 평가를 위해 촉진탄산화 및 시차 열 중량분석(TG-DTA), CASS시험을 실시하여 특성을 실험적으로 평가하고자 한다.
제안 방법
CASS시험은 시험체 제작 후 염수분무(CASS)시험 규격에 따라 7일간 부식 촉진 시험을 실시하였으며, 부식이 발생 되지 않은 시험체는 부식이 발생될 때까지 시험을 계속하였다. Figure 4에 염수분무(CASS)시험의 광경을 나타낸다.
본 실험에서는 Figure 2에 나타낸 바와 같이 시험체는 100×100×400mm의 직사각형으로 유기계방청제를 도포 시공 할 1면을 제면을 에폭시 수지를 이용하여 실링을 실시하였다.
본 연구에서 개발된 유기계방청제를 혼입한 표면피복재를 대상으로 촉진탄산화 및 TG-DTA, CASS시험을 통하여 표면피복재의 CO2와 CI- 침투저항 효과를 확인하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 이러한 방법을 이용하여 유기계 방청제가 혼입된 표면피복재의 CO2고정화특성을 확인하였다. Table 12에 탄산화 침투깊이 측정결과를 나타내고 있으며 Figure 5과 Figure 6에 5%와 100% 탄산화농도 조건에서의 침투깊이 측정결과를 나타내었다.
본 촉진 탄산화 실험의 인자 및 수준은 유기계 방청제의 혼입 량으로 하여 진행하였다. 표면피복재의 주성분은 시멘트계 파우더와 유기계방청제가 혼입된 SBR라텍스이며 Table 3에 유기계방청제 물리적 성분을 나타내었고, Table 4과 같이 실험의 인자 및 수준을 보여주고 있다.
본 연구에서는 탄산칼슘 생성량을 이용하여 이산화탄소의 고정화 특성을 평가하였다. 수산화칼슘과 탄산칼슘의 정량은 초기 시료중량을 대상으로 수산화칼슘 및 탄산칼슘의 중량함유율(백분율)인 질량비를 분석하였으며, 온도별 TGDTA 결과 그래프에 각각 온도 구간에서의 감량에 따른 수산화칼슘량, 탄산칼슘량 산정을 위한 간략 식을 표기하여 삽입 하였다. 온도변곡점 선정은 본문에 기술되어 있는 바와 같이 기존 연구자들의 연구내용을 참고하여 450~500℃ 구간을 수산화칼슘 분해 구간, 850~950℃ 구간을 탄산칼슘 분해 구간으로 설정하여 각각의 결과치를 산출하였다[11].
시차열중량분석 실험(TG-DTA)으로 수산화칼슘량, 탄산 칼슘량을 산출하고 각각의 질량비와 고정화된 CO2 질량비를 계산하였다.
Figure 4에 염수분무(CASS)시험의 광경을 나타낸다. 염수분무(CASS)시험 기간은 촉진시험 후 7일, 14일, 21일, 28일 이며, 각 시험기간에 표면상태를 육안으로 관찰하고 사진촬영을 실시하여 시간경과에 따른 시험체 표면의 변화 정도를 파악하였다.
수산화칼슘과 탄산칼슘의 정량은 초기 시료중량을 대상으로 수산화칼슘 및 탄산칼슘의 중량함유율(백분율)인 질량비를 분석하였으며, 온도별 TGDTA 결과 그래프에 각각 온도 구간에서의 감량에 따른 수산화칼슘량, 탄산칼슘량 산정을 위한 간략 식을 표기하여 삽입 하였다. 온도변곡점 선정은 본문에 기술되어 있는 바와 같이 기존 연구자들의 연구내용을 참고하여 450~500℃ 구간을 수산화칼슘 분해 구간, 850~950℃ 구간을 탄산칼슘 분해 구간으로 설정하여 각각의 결과치를 산출하였다[11].
방청제가 혼입된 표면피복재의 도포에 따른 탄산화 억제의 실험결과를 Table 13에 나타내었고 있으며, Figure 7은 재령 28일에서의 촉진 탄산화 침투깊이를 나타낸다. 최초 14일간 촉진 탄산화된 무도포 콘크리트 시험체에 대하여 표면피복재를 각각 차별화하여 도포 시공한 후 다시 5% 탄산화 농도조건에서 촉진 탄산화를 진행하였다. 촉진 탄산화 침투깊이 결과 유기계 방청제가 혼입된 표면피복재를 도포한 시험체가 기존 아질산계 방청제를 혼입한 표면피복재보다 침투깊이가 더 작은 것으로 나타났다.
촉진탄산화는 강알칼리성을 띠는 콘크리트가 대기 중의 탄산가스의 침투로 인해 강알칼리성에서 중성으로 변해가는 것이다. 콘크리트에서는 페놀프탈레인 시약을 분무하여 확인하는 방법으로 콘크리트의 탄산화 현상을 확인한다.
촉진탄산화는 KS F 2584(콘크리트 촉진 탄산화 시험방법)표준에 준하여 실시하였으며, 시험체 제작은 40×40×160mm의 몰드에 배합 비에 맞춰 혼합한 시료를 타설한 후 온도 20±3℃, 습도 90% 이상에서 14일간 양생한다. 탄산화 침투깊이는 측정은 습도 80%, 온도 40℃, CO2농도 5%, 100%로 Setting된 탄산화 챔버에 넣은 후 재령 7일, 14일, 21일, 28일 동안 CO2챔버에서 촉진 시켰으며, 각재령 일에 맞춰 꺼내어 단면을 절단하고 절단면에 1% 페놀 프탈레인 용액을 분무하여 촉진탄산화 깊이를 측정하였다. Figure 1에 촉진 탄산화 광경을 나타내었다.
대상 데이터
시차열중량분석 실험인자 및 수준은 유기계 방청제의 혼입량에 따른 표면피복재를 대상으로 하여 진행하였다. Table 8에 실험인자 및 수준을 정하였고, Table 9에 시험체의 배합표를 나타내었다.
이론/모형
본 철근의 방식저항성 실험은 4종류(OPC-방청제 무혼입, 아질산리튬(LiNO2)과 아질산칼슘 Ca(NO2)2, 유기계방 청제를 혼입한 표면피복재를 도포한 시험체에 대하여 KS D 9502(염수 분무 시험-중성, 아세트산 및 캐스 분무시험) 표준을 준용하여 실험을 실시한다. φ10mm 원형철근을 길이 200 mm로 절단하고, 4종류의 실험수준에 따라서 페이스트를 철근에 도포 하여 시험체를 제작한다.
본 실험에서는 Figure 2에 나타낸 바와 같이 시험체는 100×100×400mm의 직사각형으로 유기계방청제를 도포 시공 할 1면을 제면을 에폭시 수지를 이용하여 실링을 실시하였다. 실험인자 및 수준에 따라 방청제를 도포 시공하고 KS F 2596(콘크리트의 탄산화 깊이측정 방법)에 준하여 시험을 진행하였다. Table 6에 실험인자 및 수준을 나타내고 있으며 각 방청제의 혼입율은 표면피복재 중량대비 4%로 하였다.
촉진탄산화는 KS F 2584(콘크리트 촉진 탄산화 시험방법)표준에 준하여 실시하였으며, 시험체 제작은 40×40×160mm의 몰드에 배합 비에 맞춰 혼합한 시료를 타설한 후 온도 20±3℃, 습도 90% 이상에서 14일간 양생한다.
성능/효과
1) 촉진탄산화 실험을 통해서도 알 수 있듯이 5%탄산화 농도조건과 100% 탄산화농도 동일조건에서 유기계 방청제의 혼입량이 증가할수록 탄산화 깊이가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 유기계 방청제 혼입이 0%인 A1과 A2의 경우 촉진 탄산화시 침투깊이가 높게 나타났고, 유기계 방청제 혼입이 4%, 6%에서는 탄산화침투깊이가 낮게 나타났다.
2) 개발된 표면피복재는 유기계 방청제 혼입으로 시멘트 콘크리트에 CO2가 아민유도체와 직접적으로 반응하여탈 양성자화 되면서 산성상태의 물질을 생성하여 안정화된 상태, 즉 CO2 고정화되었기 때문인 것으로 판단 된다.
3) 시차열중량분석(TG-DTA)결과 물시멘트비 40%의 Type -A1(0%)와 비교하여 유기계 방청제 혼입 시료 Type-B1(2%)와 Type-C1(4%) 모두 CO2 고정 메커니즘으로 인하여 탄산화 후 수산화칼슘량이 저감하고 탄산칼슘량은 증가한 것을 알 수 있다.
4) CASS 시험 결과, CI- 고정 특성이 있는 유기계 방청제가 혼입된 표면피복재를 도포한 시험체의 경우, 28일째까지도 적청 발생이 관찰되지 않았으며 이 결과를 통해 유기계 방청제를 혼입된 표면피복재가 염화물에 의한 철근 부식을 방지하는데 우수한 성능으로 가지고 있음을 확인하였다.
아질산리튬방청제와 아질산칼슘방청제가 혼입된 표면피복재를 도포한 시험체는 14일째부터 발생한 적청이 서서히 발전하는 것으로 나타났으나, 전면부식은 발생하지 않았다. CI- 고정 특성이 있는 유기계 방청제가 혼입된 표면피복재를 도포한 시험체의 경우, 28일째까지도 적청 발생이 관찰되지 않았으며 이 결과를 통해 유기계 방청제를 혼입된 표면피복재가 염화물에 의한 철근 부식을 방지하는데 우수한 성능으로 가지고 있음을 확인하였다.
그 결과, B, C 시료의 CO2 흡수량이 많은 것으로 나타났다.
또한, 생성된 탄산 칼슘량으로 CO2 고정량을 산출한 결과, Type-B1와 Type-C1의 경우 방청제혼입으로 CO2 고정량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 생성된 탄산칼슘량으로 CO2 고정 량을 산출한 결과, Type-B1와 Type-C1의 경우 방청제혼입으로 CO2 고정 량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
물시멘트비 40%의 Type-A1(0%)와 비교하여 유기계 방청제 혼입 시료 Type-B1(2%)와 Type-C1(4%) 모두 CO2 고정 메커니즘으로 인하여 탄산화 후 수산화칼슘량이 저감하고 탄산칼슘량은 증가한 것을 알 수 있다.
유기계 방청제 혼입된 표면피복재의 염수분무에 의한 철근의 방식저항성 실험결과, 염화물에 대해서도 효과적으로 차단할 수 있는 부식 발생에 대한 저항성을 확인하였다.
최초 14일간 촉진 탄산화된 무도포 콘크리트 시험체에 대하여 표면피복재를 각각 차별화하여 도포 시공한 후 다시 5% 탄산화 농도조건에서 촉진 탄산화를 진행하였다. 촉진 탄산화 침투깊이 결과 유기계 방청제가 혼입된 표면피복재를 도포한 시험체가 기존 아질산계 방청제를 혼입한 표면피복재보다 침투깊이가 더 작은 것으로 나타났다. 이러한 결과는, 본 논문에서 언급했듯이 CO2가 기존 아질산계 방청제보다 유기계인 아민유도체와 직접적으로 반응하여 탈양성자화되면서 산성상태의 물질을 생성하여 안정화된 상태로 존재하였기 때문인 것으로 판단된다.
측정결과에서도 알 수 있듯이 5%탄산화 농도조건과 100% 탄산화농도 동일조건에서 유기계 방청제의 혼입 량이 증가할수록 탄산화 깊이가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 유기계 방청제 혼입이 0%인 A1과 A2의 경우 촉진 탄산화시 침투깊이가 높게 나타났고, 유기계 방청제 혼입이 4%, 6%에서는 탄산화침투깊이가 낮게 나타났다. 이는 유기계 방청제 혼입으로 시멘트 콘크리트에 CO2가 아민유도체와 직접적으로 반응하여 탈 양성자화 되면서 산성상태의 물질을 생성하여 안정화된 상태, 즉 CO2고정화되었기 때문인 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유기계방청제 혼입에 의한 표면피복재의 CO2고정화 기술로는 무엇이 있습니까?
유기계방청제 혼입에 의한 표면피복재의 CO2고정화 기술로는 크게 극저온법, 분리막법, 흡수법, 흡착법 4가지로 구분할 수 있다. 그중에서 CO2고정화 능력이 가장 우수한 방법은 흡수법이며, 주로 사용되는 흡착제로는 유기계 아민, 제올라이트, 활성탄소, 산화칼슘, Hydrotalcites, metalorganic frame(MOF)소재, 유기-무기복합 소재 등이 있다.
염해 및 탄산화 환경 하에 있는 콘크리트 구조물의 철근의 부식 억제 방법으로는 무엇이 있습니까?
그러한 이유로 선진 각국에서는 염화물과 탄산화의 영향을 받는 콘크리트 구조물의 축조시 내구성에 대한 대책을 충분히 고려할 뿐만 아니라, 이미 건설된 구조물의 경우에도 유지관리 및 내구성 진단, 평가에 대책을 강구하고 있는 실정이며, 특히 염해 및 탄산화를 입은 콘크리트 구조물의 경우에는 보수에 대한 방안이 실용화 단계에 이르고 있다[2]. 한편, 염해 및 탄산화 환경 하에 있는 콘크리트 구조물의 철근의 부식 억제 방법에는 피복 두께를 증가시키는 방법, 에폭시 도막 철근의 사용, 방청제 사용법 및 전기방식법, 보수재료를 사용하는 방법 등이 있으며[3,4], 이들 중 방청제와 보수재료 사용법은 콘크리트 내 철근방식의 가장 실용적인 수단 중 하나로 알려지고 있다. 우선, 방청제 사용법은 방식수단으로서 간편하고, 염화물을 함유한 콘크리트 시험제에 의한 부식촉진시험의 경우 방청제의 사용유무에 따라 부식의 진행여부와 속도가 큰 차이를 보이는 등의 방청제의 방식효과가 알려져 있기 때문이다.
염화물과 탄산화의 영향을 받는 콘크리트 구조물의 대책을 충분히 고려해야 하는 이유는 무엇입니까?
특히, 외부에 존재하는 염화물 이온, 이산화탄소, 황산염 등과 같은 유해성분들은 장기간에 걸쳐 용액 혹은 기체 상태로 콘크리트 내부로 침투되어 콘크리트 구성물들과 물리적 혹은 화학적 상호작용을 일으켜 콘크리트 내에 매설된 철근의 부식을 야기시켜 콘크리트의 내구 년한과 내력을 감소시키게 된다. 또한 최근 몇 년 사이에 급등하고 있는 건설재료 수요 증가에 따른 양질의 하천골재 부족으로 인하여 콘크리트용 골재로 상당량의 바다모래를 사용하게 되었으며, 염분을 충분히 제거하지 않은 해사를 그대로 사용함으로써 철근 콘크리트 구조물의 내구성이 크게 저하되며, 더구나 콘크리트 피복 두께 부족과 같은 현상이 겹치면서 철근 부식으로 인해 콘크리트 구조물의 성능저하의 주요한 요인이 되고 있다[1]. 그러한 이유로 선진 각국에서는 염화물과 탄산화의 영향을 받는 콘크리트 구조물의 축조시 내구성에 대한 대책을 충분히 고려할 뿐만 아니라, 이미 건설된 구조물의 경우에도 유지관리 및 내구성 진단, 평가에 대책을 강구하고 있는 실정이며, 특히 염해 및 탄산화를 입은 콘크리트 구조물의 경우에는 보수에 대한 방안이 실용화 단계에 이르고 있다[2].
참고문헌 (12)
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