[논문]황산, 염소이온 반응 소재 혼입 수용액에서의 이온반응성 및 전기화학적 철근 부식에 관한 실험적 연구

류화성; 신상헌; 강태원; 임창길; 김홍태

doi:10.5345/jkibc.2019.19.1.031

황산, 염소이온 반응 소재 혼입 수용액에서의 이온반응성 및 전기화학적 철근 부식에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Ion Reaction and the Electrochemical Rebar-Corrosion in Aqueous Solution Mixed with Sulfate and Chloride Ion-Reactive Material 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.1, 2019년, pp.31 - 38

류화성 (Hanyang Experiment and Consulting) , 신상헌 (Hanyang Experiment and Consulting) , 강태원 (Sammyung E&C) , 임창길 (Department of Civil Engineering, Kyungpook National University) , 김홍태 (Department of Civil Engineering, Kyungpook National University)

초록
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본 연구에서는 하수 환경의 콘크리트 구조물(암거, 처리시설)용 보수재료의 요소기술로서 콘크리트 유해요인($SO{_4}^{2-}$, $Cl^-$)을 능동적으로 제어(고정, 반응)하는 아민유도체 및 이온교환수지를 대상으로, 시멘트세공용액을 모사한 수산화칼슘 수용액을 이용하여 이온 크로마토그래피 분석으로 유해요인 흡착성능을 확인하고, Potentiostat으로 철근 부식 저항성을 평가하였다. 실험결과, 아민유도체는 염소이온의 흡착, 이온교환수지는 황산이온의 흡착에 우수한 것으로 확인되었으며, 하수시설환경을 모사한 수용액에서 두 소재의 적절한 조합으로 부식 저항성을 증가시킬 수 있는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, amine derivatives and ion exchange resins were selected to actively control penetration ions ($SO{_4}^{2-}$, $Cl^-$) as the element technology of repair materials for concrete structures in drainage environments. Ions ($SO{_4}^{2-}$, $Cl^-$) adsorption performance and corrosion resistance of calcium hydroxide solution with amine derivative and ion exchange resin were confirmed by ion chromatography and potentiostat analysis. As a result of the experiment, it was confirmed that the amine derivative is excellent in the adsorption of chlorine ion and the ion exchange resin is excellent in the adsorption of sulfate ion. It has been confirmed that corrosion resistance can be increased by proper combination of two materials in the calcium hydroxide solution containing sulfate ion and chloride ion simulating sewage environment.

주제어

표/그림 (13)

그림 Figure 1. Study flow
그림 Figure 2. Ion chromatographic analysis (anion detection)
$Table 1. Experimental variable (detection of <TEX>$SO_4{^{2-}}$</TEX> ion)$ 표 Table 1. Experimental variable (detection of $SO_4{^{2-}}$ ion)
표 Table 2. Experimental variable (detection of T₅₀₀ ion)
표 Table 3. Equipment and experimental conditions (IC)
그림 Figure 3. Evaluation of electrochemical corrosion properties
표 Table 4. Experimental variable (evaluation of corrosion)
표 Table 5. Equipment and experimental conditions (potentiostat)
$Figure 4. Result of IC (<TEX>$SO_4{^{2-}}$</TEX>)$ 그림 Figure 4. Result of IC ($SO_4{^{2-}}$)
그림 Figure 5. Result of IC (Cl^-)
그림 Figure 6. Polarization curves
그림 Figure 7. Impedance-frequency bode plots
표 Table 6. Corrosion potential

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 부식특성을 수용액 상에서의 전기화학적 분석을 통하여 확인하였다. 일반적으로 전기화학적 분석 방법에서는 콘크리트의 고알칼리 환경을 포화수산화칼슘 수용액으로 모사하여 실시한다.
일반적으로 전기화학적 분석 방법에서는 콘크리트의 고알칼리 환경을 포화수산화칼슘 수용액으로 모사하여 실시한다. 본 연구에서는 아민유도체와 이온교환수지의 염소, 황산이온 제어를 통한 부식특성을 확인하기 위하여 제한적으로 포화수산화칼슘 수용액에 염소이온과 황산이온만을 첨가하여 실험을 실시하였다. 염화물이 존재하는 시멘트세공용액을 모사한 포화 수산화칼슘 수용액내에서 황산나트륨과 유기계 방청 성분인 아민 유도체, 이온교환수지의 혼입량을 변수로 하여 전기화학적 방식특성 평가로 하수 환경의 콘크리트 구조물(암거, 처리시설)용 보수재료의 요소기술로서 방청 성능을 실험적으로 파악한다.
본 연구의 목적은 하수 환경의 콘크리트 구조물(암거, 처리시설)용 보수재료의 요소기술로서, 콘크리트 유해요인(SO₄^2-, Cl^-)을 능동적으로 제어(고정, 반응)하는 아민유도체 및 이온교환수지를 도입하기 위한 성능을 확인하는 것이다. Figure 1의 연구흐름도와 같이 Cl^- 이온과 SO₄^2- 이온이 포함된 수산화칼슘 수용액을 이용하여 이온 크로마토그래피 분석으로 아민유도체와 음이온교환수지의 음이온 흡착성능을 확인하고, Potentiostat을 이용하여 음이온 흡착성능에 따른 전기화학적 방식성능을 확인하였다.

제안 방법

)을 능동적으로 제어(고정, 반응)하는 아민유도체 및 이온교환수지를 도입하기 위한 성능을 확인하는 것이다. Figure 1의 연구흐름도와 같이 Cl^- 이온과 SO₄^2- 이온이 포함된 수산화칼슘 수용액을 이용하여 이온 크로마토그래피 분석으로 아민유도체와 음이온교환수지의 음이온 흡착성능을 확인하고, Potentiostat을 이용하여 음이온 흡착성능에 따른 전기화학적 방식성능을 확인하였다.
Table 4와 같이 세공용액은 포화 수산화칼슘에 NaCl1.0g/L를 첨가하여 제조하였고, Na2SO4 1.0, 2.0g/L 두 가지 혼입량으로, 아민유도체는 염소이온 대비 아민기의 몰비 0.3 몰을 최대 혼입량으로 설정하였다. 또한, 이온교환수지는 아민유도체 혼입량을 0, 25, 50, 100%로 대체 혼입하는 것으로 설정하였다.
3 몰을 최대 혼입량으로 설정하였다. 또한, 이온교환수지는 아민유도체 혼입량을 0, 25, 50, 100%로 대체 혼입하는 것으로 설정하였다.
본 연구에서는 하수 환경의 콘크리트 구조물(암거, 처리시설)용 보수재료의 요소기술로서 콘크리트 유해요인(SO₄^2-, Cl^-)을 능동적으로 제어(고정, 반응)하는 아민유도체 및 이온교환수지를 대상으로, 시멘트세공용액을 모사한 수산화칼슘 수용액을 이용하여 이온 크로마토그래피 분석으로 유해요인 흡착성능을 확인하고, Potentiostat으로 철근 부식 저항성을 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 아민유도체와 이온교환수지의 염소, 황산이온 제어를 통한 부식특성을 확인하기 위하여 제한적으로 포화수산화칼슘 수용액에 염소이온과 황산이온만을 첨가하여 실험을 실시하였다. 염화물이 존재하는 시멘트세공용액을 모사한 포화 수산화칼슘 수용액내에서 황산나트륨과 유기계 방청 성분인 아민 유도체, 이온교환수지의 혼입량을 변수로 하여 전기화학적 방식특성 평가로 하수 환경의 콘크리트 구조물(암거, 처리시설)용 보수재료의 요소기술로서 방청 성능을 실험적으로 파악한다.
Figure 7은 측정된 임피던스-주파수 그래프를 나타낸다. 임피던스-주파수 그래프를 통하여 낮은 주파수 (0.1Hz)에서의 임피던스값으로 부식 저항 특성을 확인한다[16]. 본 연구의 임피던스-주파수 그래프를 확인한 결과, 아민유도체의 혼입량이 75% 이상일 경우에 높은 임피던스값을 나타내어 부식 저항성이 있는 것으로 확인되었으나, 아민유도체의 혼입량이 75% 미만의 경우는 이온교환수지의 혼입량이 증가하더라도 부식 저항성이 없는 것으로 나타났다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 수산화칼슘 수용액은 pH 11 ∼ 13 정도의 알칼리성 조건이기 때문에 본 연구에 사용하는 이온 교환 수지로는 강 염기성 음이온 교환 수지를 선정하여 사용하였다.
본 연구에서는 콘크리트 유해요인인 SO₄^2-, Cl^- 이온을 고정, 흡착하는 특성을 갖는 것으로 알려진 아민유도체와 이온교환수지를 사용하여 실험을 실시하였다. Table 1, 2와 같이 각각의 혼입량을 설정하여 Figure 2의 (a)와 같이 수용액을 제조하고, 콘크리트와 같은 알칼리 수용액 환경에서의 고정/흡착 성능을 Table 3에 명시된 조건으로 Figure 2 (b) 의 장비를 활용하여 이온 크로마토그래피 분석실험을 통하여 확인하였다.

성능/효과

1) 이온 크로마토그래피 분석실험 결과, 아민유도체는 염소이온과의 고정반응에 유효하고, 음이온교환수지는 반응성 순서의 특징으로 인하여 황산이온과 염소이온이 함께 존재하는 수용액에서 황산이온과의 반응에 더 유효한 것으로 나타났다.
2) Potentiostat 장비를 활용하여 전기화학적 방법으로 부식 저항성 평가를 실시한 결과, 아민유도체와 이온교환수지가 3:1 비율로 첨가된 C1.0-S1.0-A0.3-R0.1, C1.0-S2.0-A0.3-R0.1의 경우가 부식 저항성이 우수한 것으로 확인되었으며, 이는 아민유도체의 염소이온과의 반응으로 강철 시편 표면에 피막을 형성하고, 이온교환수지의 황산이온과의 반응으로 알칼리환경을 유지 시키는 이유로 판단된다.
3) 반면, 아민유도체의 혼입량이 줄어드는 경우, 이온교환수지의 혼입량과 관계없이 부식 저항성이 감소하는 것으로 확인되었으며, 이는 전기화학적 부식 저항성 실험은 시편과 직접 반응하는 염소이온과의 반응성이 이온교환수지보다 아민유도체가 높기 때문으로 판단된다.
본 연구의 임피던스-주파수 그래프를 확인한 결과, 아민유도체의 혼입량이 75% 이상일 경우에 높은 임피던스값을 나타내어 부식 저항성이 있는 것으로 확인되었으나, 아민유도체의 혼입량이 75% 미만의 경우는 이온교환수지의 혼입량이 증가하더라도 부식 저항성이 없는 것으로 나타났다. 따라서 아민유도체 0.3g/L, 이온교환수지 0.1g/L이 첨가된 C1.0-S1.0-A0.3-R0.1, C1.0-S2.0-A0.3-R0.1의 수용액에서 아민유도체는 수용액 내의 염소이온과 반응하여 강철 시편 표면에 방식에 효과적인 비활성의 피막을 형성하여 임피던스값을 증가시키고, 이온교환수지는 황산이온과의 반응을 통하여 수용액의 고 알칼리를 유지하여 부식 저항성을 높이는 것으로 판단된다.
이는 아민유도체와 이온교환수지의 적정 혼합으로 아민유도체의 염소이온과의 반응으로 강철 시편 표면에 피막을 형성하고, 이온교환수지의 황산이온과의 반응으로 알칼리환경을 유지시키는 이유로 판단된다. 반면, 이온교환수지의 혼입량이 25% 이상 치환되고 아민유도체의 혼입량이 줄어들게 되면, 염소이온의 잔존량이 효과적으로 감소하지 않는 관계로 부식 저항 성능이 급격히 감소하는 것으로 확인되었다.
1Hz)에서의 임피던스값으로 부식 저항 특성을 확인한다[16]. 본 연구의 임피던스-주파수 그래프를 확인한 결과, 아민유도체의 혼입량이 75% 이상일 경우에 높은 임피던스값을 나타내어 부식 저항성이 있는 것으로 확인되었으나, 아민유도체의 혼입량이 75% 미만의 경우는 이온교환수지의 혼입량이 증가하더라도 부식 저항성이 없는 것으로 나타났다. 따라서 아민유도체 0.
부식 전위 산출 결과, 염화나트륨이 1.0g/L 혼입된 C1.0수용액 결과를 살펴보면, 이온교환수지가 아민유도체 첨가량의 25% 치환되어 첨가된 경우가 부식 전위의 절대값이 아민 유도체와 이온교환수지가 첨가되지 않은 수용액 대비 49% 감소하여 높은 부식 저항성을 갖는 것으로 확인되었다. 이는 아민유도체와 이온교환수지의 적정 혼합으로 아민유도체의 염소이온과의 반응으로 강철 시편 표면에 피막을 형성하고, 이온교환수지의 황산이온과의 반응으로 알칼리환경을 유지시키는 이유로 판단된다.
분극 곡선 분석 결과, 가로축의 전류밀도는 아민유도체와 이온교환수지 혼입에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 아민유도체가 혼입되지 않은 경우의 수용액에서 pitting type의 부식이 발생할 수 있음이 확인되었다.
포화 수산화칼슘 수용액에 황산나트륨 1mg을 혼입 후, 아민유도체와 음이온교환수지의 첨가량을 총량 1g 기준으로 1:0, 3:1, 1:1, 1:3, 0:1로 혼입하여 황산이온량을 이온 크로마토그래피 장비를 이용하여 분석한 결과를 Figure 4에 나타내었다. 아민유도체, 이온교환수지를 첨가하지 않은 경우와 비교하여, 아민유도체만 1g 첨가된 경우는 16.21%, 아민유도체 0.75, 이온교환수지 0.25g 첨가된 경우는 19.96%, 아민유도체 0.5, 이온교환수지 0.5g 첨가된 경우는 25.72%, 아민유도체 0.25, 이온교환수지 0.75g 첨가된 경우는 26.52%, 이온교환수지만 1g 첨가된 경우는 29.78%의 황산이온 저감 성능을 갖는 것으로 나타났다. 음이온교환수지의 첨가율 증가에 따라 황산이온 저감율이 증가하는 것으로 보아, 아민유도체 보다 음이온교환수지의 황산이온과의 반응성이 우수한 것으로 확인되어 음이온교환수지의 혼입량이 황산이온 저감에 영향을 주는 것으로 판단된다.
포화 수산화칼슘 수용액에 염화나트륨 1mg을 혼입 후, 아민유도체와 음이온교환수지의 첨가량을 총량 1g 기준으로 1:0, 3:1, 1:1, 1:3, 0:1로 혼입하여 염소이온량을 이온 크로마토그래피 장비를 이용하여 분석한 결과를 Figure 5에 나타내었다. 아민유도체, 이온교환수지를 첨가하지 않은 경우와 비교하여, 아민유도체만 1g 첨가된 경우는 31.47%, 아민유도체 0.75, 이온교환수지 0.25g 첨가된 경우는 29.50%, 아민유도체 0.5, 이온교환수지 0.5g 첨가된 경우는 28.67%, 아민유도체 0.25, 이온교환수지 0.75g 첨가된 경우는 23.79%, 이온교환수지만 1g 첨가된 경우는 16.78%의 염소이온 저감율을 나타내었으며, 아민유도체의 첨가율 증가에 따라 염소이온 저감율이 증가하는 것으로 보아, 염소이온에 대한 흡착성능은 음이온교환수지 보다 아민유도체의 경우가 우수한 것으로 확인되었다. 이는 음이온교환수지의 반응 선택성이 염소이온보다 황산이온이 더 높기 때문이며, 이에 따라 음이온교환수지보다는 아민유도체의 혼입량이 염소이온 저감에 영향을 주는 것으로 판단된다.
염화나트륨이 2.0g/L 혼입된 C2.0 수용액 결과를 살펴보면, 1.0g/L 혼입된 결과와 마찬가지로 아민유도체 첨가량의 25% 치환되면 가장 우수한 부식 저항성을 갖는 것으로 나타났으며 그 정도는 아민유도체와 이온교환수지가 첨가되지 않은 수용액 대비 28%인 것으로 확인되었다. 이처럼 염화나트륨 1.
78%의 황산이온 저감 성능을 갖는 것으로 나타났다. 음이온교환수지의 첨가율 증가에 따라 황산이온 저감율이 증가하는 것으로 보아, 아민유도체 보다 음이온교환수지의 황산이온과의 반응성이 우수한 것으로 확인되어 음이온교환수지의 혼입량이 황산이온 저감에 영향을 주는 것으로 판단된다.

후속연구

4) 실제 하수 환경 하의 콘크리트 구조물에서는 다양한 이온의 존재로 인하여 유해이온 반응물질의 성능이 다른 경향을 보일 가능성이 있을 것으로 판단되지만, 본 연구와 같은 제한된 조건에서의 반응물질의 성능 연구를 통하여 실제 환경에서도 부식 저항성을 향상할 수 있는 기술로서의 발전이 가능할 것으로 기대된다.
실험결과, 아민유도체와 음이온교환수지는 콘크리트 구조물의 유해이온인 황산이온과 염소이온에 대한 흡착성능이 유효한 것으로 나타났으나, 황산이온과 염소이온이 함께 존재시, 각 이온에 대한 흡착 순위가 다른 것으로 확인되어, 추후 보수재료로 사용 시 적정 혼입량의 선정이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하수시설의 유지관리를 시행하지 않으면 어떤 문제가 발생할 수 있는가?	특히, 서울시에서는 하수도 시설의 목표연도를 20년으로 설계에 반영하는데, 실제 서울시 내의 하수관거는 74% 이상이 매설 후 20년 이상 경과되어 염소이온 및 황산 가스에 의해 표면 침식과 균열, 단면손상 등의 열화가 심각한 상태인 것으로 조사되었다[3]. 이처럼 콘크리트 하수관거와 같은 하수시설에 대한 적절한 유지관리를 실시하지 않을 경우 장기적으로 누적된 손상에 의해 하수 누수에 따른 환경 오염, 누수로 야기된 지반 불안정으로 인한 지반침하 등의 안전성에 심각한 문제가 야기될 수 있다.
	하수도의 환경적 특징은 무엇인가?	주거지, 혹은 산업시설에서 사용되고 배출되는 하수는 각 하수도를 거쳐 콘크리트 암거 구조물에 도달하게 된다. 하수도와 같은 밀폐되고 유해가스의 농도가 높은 환경은 기존 열화 요인들에 더해 황산염 침식의 영향으로 인해 하수암거의 열화현상이 극심한 것으로 확인되고 있다[2]. 특히, 서울시에서는 하수도 시설의 목표연도를 20년으로 설계에 반영하는데, 실제 서울시 내의 하수관거는 74% 이상이 매설 후 20년 이상 경과되어 염소이온 및 황산 가스에 의해 표면 침식과 균열, 단면손상 등의 열화가 심각한 상태인 것으로 조사되었다[3].
	유해 이온을 제어하기 위해 사용되는 아민유도체는 주로 어떤 성분을 제어하는가?	아민유도체는 최근 방청제 성분으로 활용이 되고 있는 소재로서 제올라이트, 활성탄소, 산화칼슘 등과 함께 탄산 또는 중탄산 이온의 고정화에 성능이 좋은 소재로 알려져 있다[4]. 또한, 아민유도체가 염소이온과 반응하여 고정시키는 특성이 확인되어[5,6] 철근콘크리트 구조물의 방청 성분으로 주목받고 있다.[7]

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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