본 연구는 시멘트 모르타르속에 매입된 철근주위가 건조될 때 불안정한 전류분포의 영향을 측정하고, 교류 임피던스 특성변화에 대한 영향을 고찰하는 것을 목적으로 한다. 건조과정중 철근의 전기화학적 반응을 측정하기 위해, 두 개의 철근이 매입된 3개의 시멘트 모르타르가 실험을 위해 준비되었다. 주요 변수는 20mm 모르타르 두께를 동일하게 가지도록 하여, 두 철근사이의 간격이 10, 20과 30mm가 되도록 하였다. 해양환경에서 콘크리트 구조물속의 철근 부식속도를 가정하기 위해서, 3개의 모르타르 시험체는 15 사이클의 침지-건조환경(해수에서 24시간 침지와 48시간 실온 건조)에 노출되었다. 부식전위의 변화는 건조중에 용존산소의 확산속도 증가로 인해 귀한 방향으로 이동하는 것이 관찰되었다. 침지-건조환경에서 교류 임피던스는 100kHz에서 1mHz까지 측정되었다. 철근과 모르타르사이의 계면상태를 설명하기 위해 이론적 모델이 제안되었으며, 그것은 용액저항, 전하이동저항과 CPE로 구성된 등가회로를 사용하였다. 철근의 부식이 진행됨에 따라, 저주파수 영역에서 확산 임피던스가 나타났다. 침지-건조 환경중 건조과정에서 이송차가 $45^{\circ}$에 가까워지는 현상으로써 전류분포가 불균일해지는 경향을 보였다.
본 연구는 시멘트 모르타르속에 매입된 철근주위가 건조될 때 불안정한 전류분포의 영향을 측정하고, 교류 임피던스 특성변화에 대한 영향을 고찰하는 것을 목적으로 한다. 건조과정중 철근의 전기화학적 반응을 측정하기 위해, 두 개의 철근이 매입된 3개의 시멘트 모르타르가 실험을 위해 준비되었다. 주요 변수는 20mm 모르타르 두께를 동일하게 가지도록 하여, 두 철근사이의 간격이 10, 20과 30mm가 되도록 하였다. 해양환경에서 콘크리트 구조물속의 철근 부식속도를 가정하기 위해서, 3개의 모르타르 시험체는 15 사이클의 침지-건조환경(해수에서 24시간 침지와 48시간 실온 건조)에 노출되었다. 부식전위의 변화는 건조중에 용존산소의 확산속도 증가로 인해 귀한 방향으로 이동하는 것이 관찰되었다. 침지-건조환경에서 교류 임피던스는 100kHz에서 1mHz까지 측정되었다. 철근과 모르타르사이의 계면상태를 설명하기 위해 이론적 모델이 제안되었으며, 그것은 용액저항, 전하이동저항과 CPE로 구성된 등가회로를 사용하였다. 철근의 부식이 진행됨에 따라, 저주파수 영역에서 확산 임피던스가 나타났다. 침지-건조 환경중 건조과정에서 이송차가 $45^{\circ}$에 가까워지는 현상으로써 전류분포가 불균일해지는 경향을 보였다.
The primary purposes of this study are to understand a fundamental aspect of current uniformity around a reinforcing bar (rebar) in cement mortar, and to develop an accurate monitoring method in a wet-dry cycling process with the alternative current (AC) impedance method. Three cement mortar specime...
The primary purposes of this study are to understand a fundamental aspect of current uniformity around a reinforcing bar (rebar) in cement mortar, and to develop an accurate monitoring method in a wet-dry cycling process with the alternative current (AC) impedance method. Three cement mortar specimens with two embedded rebars were prepared in the laboratory. As a main variable, the distance between two rebars was designed to be 10, 20 and 30 mm with the same thickness of 20 mm. To simulate the corrosion of rebars in concrete structures in a marine environment, three cement mortar specimens were exposed to 15 wet-drying cycles (24-hour-immersion in seawater and 48-hour-drying in a room temperature) in the laboratory. It was observed that the potential level shifted to a noble value during corrosion potential monitoring, which is attributed to acceleration of dissolved oxygen diffusion at the drying process. AC impedance was measured in a frequency range from 100 kHz to 1 mHz on a wet-drying process. A theoretical model was proposed to explain the interface condition between the rebars and cement mortar by using the equivalent circuit consisting of a solution resistance, a charge transfer resistance and a CPE (constant phase element). It was observed that the diffusion impedance appeared in a low frequency range as corrosion of rebars progresses. At the drying stage of the wet-drying cycles, the currents line for monitoring tended to be non-uniform at the interface of rebar/mortar, being phase shift, ${\theta}$, close to $-45^{\circ}$.
The primary purposes of this study are to understand a fundamental aspect of current uniformity around a reinforcing bar (rebar) in cement mortar, and to develop an accurate monitoring method in a wet-dry cycling process with the alternative current (AC) impedance method. Three cement mortar specimens with two embedded rebars were prepared in the laboratory. As a main variable, the distance between two rebars was designed to be 10, 20 and 30 mm with the same thickness of 20 mm. To simulate the corrosion of rebars in concrete structures in a marine environment, three cement mortar specimens were exposed to 15 wet-drying cycles (24-hour-immersion in seawater and 48-hour-drying in a room temperature) in the laboratory. It was observed that the potential level shifted to a noble value during corrosion potential monitoring, which is attributed to acceleration of dissolved oxygen diffusion at the drying process. AC impedance was measured in a frequency range from 100 kHz to 1 mHz on a wet-drying process. A theoretical model was proposed to explain the interface condition between the rebars and cement mortar by using the equivalent circuit consisting of a solution resistance, a charge transfer resistance and a CPE (constant phase element). It was observed that the diffusion impedance appeared in a low frequency range as corrosion of rebars progresses. At the drying stage of the wet-drying cycles, the currents line for monitoring tended to be non-uniform at the interface of rebar/mortar, being phase shift, ${\theta}$, close to $-45^{\circ}$.
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문제 정의
시멘트 페이스트에 매입된 철근의 전기화학적 임피던스 분광 특성은 저항과 전기저항용량으로 구성된 등가전기회로로 모델링된다. 본 연구에서는 Fig. 2에 표시된 Rs(용액저항), Rc(전하이동저항), CPE(constant phase element), W(Warburg Impedance)로 구성된 EIS 등가회로 모델을 활용하고자 한다(D.V. Riberio etal., 2016). Rs(용액저항)는 시멘트 내부의 공극을 채우고 있는 전해질 용액을 따라 발생하는 이온성 전도도를 나타낸다.
본 연구의 목적은 해수침지 및 건조과정이 반복되는 철근콘크리트 부위의 정확한 철근부식 측정을 위한 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)의 활용성을 평가하는데 있다. 이러한 목적을 수행하기 위하여 (1) 두 개의 철근이 매입된 모르타르 시편을 제작하여, 해수침지 및 건조반복 과정에서 EIS를 활용한 철근의 부식전위 및 모르타르의 전기저항의 변화 관찰하였으며, (2) 건조 중 전류분포 불균일에 미치는 전극간 거리의 영향 분석 및 EIS 부식센서 개발을 위한 전극간 거리의 최적값 제안하였고, (3) EIS 활용한 분극저항 측정에 기반한 철근 부식 속도 평가 기법 제안하였다.
제안 방법
Reference 600TM는 10 μHz 에서 1 MHz의 주파수 범위에서 최대 3 V의 교류(AC) 전압을 인가하여 최대 600 mA의 전류를 측정하여 임피던스 값을 자동으로 모니터링 할 수 있는 기능을 제공하고 있다. EIS 측정의 정확도는 주파수와 교류진폭에 따라 결정되며, 본 연구에서는 10 mV의 진폭을 갖고 주파수 범위가 1 mHz에서 100 kHz까지 인가된 교류를 활용하여 임피던스를 측정하였다.
각 철근은 양쪽 단부의 45 mm는 열수축 튜브 및 B-코팅제를 활용하여 절연하였고, 중간의 길이 10 mm는 노출시켜 모르타르와 직접 부착되도록 하였다. 모르타르 제작에 보통포틀랜드시멘트와 ISO 표준사를 활용하였으며, 물-시멘트 비 0.
SSCE)를 기준전극으로 자연전위(half-cell potential)를 함께 측정하였다. 건조 상태에서 철근의 부식전위 측정시 안정한 값을 얻기 위하여 직경 5mm 플라스틱 관을 Fig. 1과 같이 모르타르 내에 배치하고, 관 내부에 한천분말 등을 활용한 Luggin capillary를 제작하였다. 건조중인 모르타르 표면에서 자연전위를 측정함으로써 발생하는 IR-drop을 방지하고, 기준전극을 철근(작업전극)의 근방에 위치하는 효과를 얻도록 하였다.
1과 같이 모르타르 내에 배치하고, 관 내부에 한천분말 등을 활용한 Luggin capillary를 제작하였다. 건조중인 모르타르 표면에서 자연전위를 측정함으로써 발생하는 IR-drop을 방지하고, 기준전극을 철근(작업전극)의 근방에 위치하는 효과를 얻도록 하였다. 한편 해수 침지에 따른 염분농도를 측정하기 위하여 본 실험체 이외에 따로 제작된 체적 112cm3(5cm x 5cm x 4.
교류 임피던스 측정은 건조과정에 동반하는 모르타르의 전기저항 및 철근의 부식속도 측정을 위하여 같은 종류의 철근을 사용하여 2전극식으로 측정하였다(그림 참조). 교류임피던스 측정을 위한 전기화학 측정장비는 Gamry 사의 Reference 600TM을 사용하였다.
교류 임피던스 측정은 철근이 타설된 모르타르 시험편을 해수에 침지와 건조를 반복하는 과정에 수행하였다. 해수는 여름철 (2017년 8월) 부산광역시 영도섬 인접 해역의 표면수를 취득하였다.
3 (a)~(d)는 철근사이의 간격이 10mm인 모르타르 시험체의 침지-습윤 반복실험의 2, 6, 12 및 15 사이클에서 측정된 임피던스를 복소평면에 표현한 Nyquist plot(또는 Cole-Cole plot) 이다. 또한, Fig. 2의 EIS 등가회로 모델을 활용하여 측정된 Nyquist plot을 curve fitting의 결과로 Rs(용액저항), Cdl(전기이중층용량), Rc(전하이동저항) 등 주요변수를 구하였으며, 그 값은 Table 2에 정리하였다. 침지-습윤 반복실험의 얻은 Nyquist plot은반원의 형태를 띠고 있다.
모르타르 시험체는 총 3개를 제작하였으며, 각각의 시험체에 배치된 철근의 간격은 10, 20, 30 mm로 유지하였으며, 깊이는 모두 20mm로 동일하도록 하였다. 모르타르를 타설하기 전 아크릴 몰드에 구멍을 뚫어 철근이 고정될 수 있도록 하여 철근이 설계된 위치에 정확하게 배치될 수 있도록 하였다.
모르타르에 타설된 철근을 해수중에 wet-drying 15 cycle동안 노출시켜 전기화학적 방법을 통해 모니터링을 진행하고, 주요 연구결과는 다음과 같이 요약될 수 있다.
모르타르의 전도도를 측정하기 위한 주파수는 고 주파수 영역에서 10 kHz를 선택하고, 철근의 부식속도는 저 주파수 영역에서 10 mHz를 선택하여 측정하였다. R-1c 및 R-1s 값은 해수 침지 및 건조에 따른 부식환경의 변화와 더불어 급격히 변화하는 것을 관찰되었다.
, 2004). 본 연구에서는 모르타르를 시편을 Fig. 1(d)와 같은 침지 및 건조가 자동반복되는 장치에 설치하여, 해수에 1일 침지 후 자연건조 2일을 1사이클로 정하고, 총 15 사이클의 반복실험을 수행하였다.
비교를 위한 목적으로 염화은 전극(Ag/AgCl vs. SSCE)를 기준전극으로 자연전위(half-cell potential)를 함께 측정하였다. 건조 상태에서 철근의 부식전위 측정시 안정한 값을 얻기 위하여 직경 5mm 플라스틱 관을 Fig.
본 연구의 목적은 해수침지 및 건조과정이 반복되는 철근콘크리트 부위의 정확한 철근부식 측정을 위한 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)의 활용성을 평가하는데 있다. 이러한 목적을 수행하기 위하여 (1) 두 개의 철근이 매입된 모르타르 시편을 제작하여, 해수침지 및 건조반복 과정에서 EIS를 활용한 철근의 부식전위 및 모르타르의 전기저항의 변화 관찰하였으며, (2) 건조 중 전류분포 불균일에 미치는 전극간 거리의 영향 분석 및 EIS 부식센서 개발을 위한 전극간 거리의 최적값 제안하였고, (3) EIS 활용한 분극저항 측정에 기반한 철근 부식 속도 평가 기법 제안하였다.
건조중인 모르타르 표면에서 자연전위를 측정함으로써 발생하는 IR-drop을 방지하고, 기준전극을 철근(작업전극)의 근방에 위치하는 효과를 얻도록 하였다. 한편 해수 침지에 따른 염분농도를 측정하기 위하여 본 실험체 이외에 따로 제작된 체적 112cm3(5cm x 5cm x 4.5cm)인 염분농도 측정용 시험편을 0, 5, 15 사이클에서 채취 후, 분쇄하여 1mm 체에 걸러 실온에서 1일 건조 후, 10 g을 100 mL 증류수에서 24시간 침지시켜 염화물 이온 선택성 전극을 사용하여 측정하였다.
대상 데이터
5의 배합비로 제작하였다. 모르타르 시험체는 총 3개를 제작하였으며, 각각의 시험체에 배치된 철근의 간격은 10, 20, 30 mm로 유지하였으며, 깊이는 모두 20mm로 동일하도록 하였다. 모르타르를 타설하기 전 아크릴 몰드에 구멍을 뚫어 철근이 고정될 수 있도록 하여 철근이 설계된 위치에 정확하게 배치될 수 있도록 하였다.
1은 본 실험에서 사용된 모르타르 시험편의 형상을 보여주고 있다. 모르타르 시험편 내부에 직경 10 mm, 길이 100 mm의 원형철근(KSD3504) 두 개를 매입하였다.
각 철근은 양쪽 단부의 45 mm는 열수축 튜브 및 B-코팅제를 활용하여 절연하였고, 중간의 길이 10 mm는 노출시켜 모르타르와 직접 부착되도록 하였다. 모르타르 제작에 보통포틀랜드시멘트와 ISO 표준사를 활용하였으며, 물-시멘트 비 0.6, 시멘트-모래 비 0.5의 배합비로 제작하였다. 모르타르 시험체는 총 3개를 제작하였으며, 각각의 시험체에 배치된 철근의 간격은 10, 20, 30 mm로 유지하였으며, 깊이는 모두 20mm로 동일하도록 하였다.
교류 임피던스 측정은 철근이 타설된 모르타르 시험편을 해수에 침지와 건조를 반복하는 과정에 수행하였다. 해수는 여름철 (2017년 8월) 부산광역시 영도섬 인접 해역의 표면수를 취득하였다. 모르타르 시편을 부식환경에 노출시키기 위하여 해수침지 및 건조를 반복되도록 하였다(A.
이론/모형
이를 위해, 본 실험에서는 k값으로서 25 mv/dec.를 사용하였다(Kim et al., 2007).
성능/효과
(1) 모르타르가 해수중에 침지한 직 후에는 Nyquist plot에 큰 반원을 나타내었으나, 시험시간이 증가함에 따라 분극저항값이 36kΩcm2수준으로 감소하면, 저 주파수 부분에 직선부를 나타내었으며, 이를 통해 부식속도를 지배하는 부식기구는 용존산소의 확산속도인 것을 확인할 수 있었다.
(2) 모르타르가 해수 중에 침지된 후, 철근의 부식속도와 모르타르의 전도도는 증가하였으며, 모르타르의 건조가 시작되면, 최대 부식속도 및 전도도를 나타내었다. 또한, 해수중에 침지과정에서 부식전위는 음의방향으로 -360mV(vs.
(3) 부식속도를 모니터링하기 위한 전극간의 거리는 모르타르가 침지중 일때는 전류선분포가 균일하였으나, 위상차 결과로부터 건조시간이 길어질수록 불안정해져 -50o(ⴱ /degrees)까지 감소하는 경향이 측정되었다. 따라서 침지와 건조가 반복되는 구간에서 안정한 전류선 분포를 확보하기 위해서는 전극사이의 거리를 일정수준 이하로 줄여야 함을 확인 할 수 있었다.
(4) EIS로 측정된 임피던스 값으로부터 곡선적합법을 통하여 콘크리트의 저항성분과 분리된 철근의 전하이동저항을 비교적 간편하게 구할 수 있었다. 향후 해양환경에서 해수침지 및 건조 반복 환경에 노출된 철근콘크리트 부재 내부의 철근 부식 모니터링에 활용한 검증실험을 수행할 예정이다.
모르타르의 전도도를 측정하기 위한 주파수는 고 주파수 영역에서 10 kHz를 선택하고, 철근의 부식속도는 저 주파수 영역에서 10 mHz를 선택하여 측정하였다. R-1c 및 R-1s 값은 해수 침지 및 건조에 따른 부식환경의 변화와 더불어 급격히 변화하는 것을 관찰되었다. Fig.
(3) 부식속도를 모니터링하기 위한 전극간의 거리는 모르타르가 침지중 일때는 전류선분포가 균일하였으나, 위상차 결과로부터 건조시간이 길어질수록 불안정해져 -50o(ⴱ /degrees)까지 감소하는 경향이 측정되었다. 따라서 침지와 건조가 반복되는 구간에서 안정한 전류선 분포를 확보하기 위해서는 전극사이의 거리를 일정수준 이하로 줄여야 함을 확인 할 수 있었다.
, 1995). 따라서, 모르타르가 해수에 침지 중일 경우, Bode 선도상에 나타나는 위상차 변화에서, 30 mm의 경우에도 전극간 거리가 가까운 10 mm의 경우와 거의 같은 경향을 나타내었으며, 전류선 분포는 균일하며 부식속도를 측정하는 데는 문제가 없는 것으로 측정되었다. 이와 같은 경향은 본 실험에서 사용된 부식환경에 있어서 침지 후, 건조시작 15시간 후 측정된 Fig.
결국, 모르타르 속으로 전해질용액의 확산으로 인해 용존산소의 확산속도는 철근 부식속도를 증가시키며, 건조환경에서 철근주위의 전해질 두께가 임계치까지 감소하게 되면, 부식속도는 증가하게 되며, 일정수준이상으로 건조가 진행되면 그 부식속도는 감소하게 되어, 건조과정중에 최대 부식속도를 나타내게 된다. 본 실험에서 최대 철근의 부식속도는 건조 후, 약 6시간 경과 후에 최대 부식속도를 나타내었다.
용액저항 Rs값은 2 사이클 해수침지 시 11.5 kΩcm2을 나타내었으며, 6 사이클 해수침지 시 0.9 kΩcm2으로 감소하여, 해수침지 및 건조 사이클이 횟수가 증가함에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 보였다.
전하이동저항 값이 수십 kΩcm2수준으로 감소되었을 때, Nyquist plot의 형태는 저주파 영역에서 찌그러진 반원의 형태를 띠는 것을 확인하였다.
6에서 각 그래프에는 각 곡선에서 고주파 영역 및 저주파 영역에서의 임피던스 값은 각각 콘크리트의 용액저항 및 철근의 전자이동저항에 상응한다고 알려져 있다. 해수침지상태에서 건조상태가 됨에 따라 용액저항 및 전자이동저항값은 증가하는 경향을 보이고 있으며, 철근의 간격이 큰 경우 그변화가 더큰 것으로 관찰되었다.
후속연구
철근 부식속도는 침지초기 높은 모르타르의 pH로 인해, 부동태 상태이었으나, 염분의 침투 등으로 인해 부동태 피막이 용해되고, 용존산소의 환원속도에 지배받는 것으로 생각된다. 이러한 현상은 철근의 부식활동이 증가함에 따라 모르타르 중 용존산소의 확산 현상이 증가에 따른 것으로 판단되며, 철근부식활동이 높아지고 있음을 보여주는 지표로 활용될 수 있을 것으로 보인다.
(4) EIS로 측정된 임피던스 값으로부터 곡선적합법을 통하여 콘크리트의 저항성분과 분리된 철근의 전하이동저항을 비교적 간편하게 구할 수 있었다. 향후 해양환경에서 해수침지 및 건조 반복 환경에 노출된 철근콘크리트 부재 내부의 철근 부식 모니터링에 활용한 검증실험을 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트는 무엇인가?
콘크리트는 압축강도와 비교하여 현저히 낮은 인장강도(압축강도의 약 10% 내외)를 갖는 재료이다. 철근콘크리트는 이러한 콘크리트의 단점을 보완하기 위하여 인장응력이 작용하는 단면부에 철근을 함께 배치한 복합재료이며, 현재 전 세계적으로 건축 및 토목 구조물에서 가장 많이 사용되는 구조재료로, 인류가 개발한 복합재료 중 가장 실용화에 성공한 재료로 평가받고 있다(Ryu et al.
철근콘크리트가 산화작용이 억제되는 이유는 무엇인가?
강알칼리성(pH 12~13)을 띠는 콘크리트에 매입된 철근(탄소강)의 표면에는 불용성물질로 부동태피막이 형성되어 산화작용(또는 부식작용)이 억제된다. 하지만 부동태 피막은 콘크리트의 pH가 9 이하이거나, 콘크리트 기포 내 염소이온 농도가 일정 수준 이상의 환경에서 불안정하게 된다(So, et al.
철근콘크리트는 무엇인가?
콘크리트는 압축강도와 비교하여 현저히 낮은 인장강도(압축강도의 약 10% 내외)를 갖는 재료이다. 철근콘크리트는 이러한 콘크리트의 단점을 보완하기 위하여 인장응력이 작용하는 단면부에 철근을 함께 배치한 복합재료이며, 현재 전 세계적으로 건축 및 토목 구조물에서 가장 많이 사용되는 구조재료로, 인류가 개발한 복합재료 중 가장 실용화에 성공한 재료로 평가받고 있다(Ryu et al., 2017).
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