[논문]칼슘 전착처리 후, 시멘트 모르타르 속 철근의 부식속도에 대한 EIS 모니터링

김제경; 기성훈; 이정재

doi:10.11112/jksmi.2019.23.7.1

칼슘 전착처리 후, 시멘트 모르타르 속 철근의 부식속도에 대한 EIS 모니터링
EIS monitoring on corroded reinforcing steel in cement mortar after calcium electro-deposition treatment 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.7, 2019년, pp.1 - 8

김제경 (동아대학교 해양도시건설.방재연구소 (교육부지정 대학중점연구소)) , 기성훈 (동아대학교 건축공학과) , 이정재 (동아대학교 건축공학과)

초록
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본 연구는 시멘트 모르타르 속에 매입된 철근이 3wt.% NaCl 전해질 수용액에 8시간 침지 및 대기 중에서 16시간 건조가 반복되는 환경에 있을 때 교류 임피던스법을 이용하여, 10kHz에서 용액저항, 10mHz에서 전하이동저항을 측정하여, 그 값의 차이로부터 분극저항을 계산하여 부식속도를 측정하였다. 부식속도를 제어하기 위해 포화 Ca(OH)₂ 용액에서 일정시간 전착하여, 그 효과를 관찰하였다. 철근의 부식속도는 용존산소의 확산속도 증가에 의해, 침지보다는 건조 환경에서 가속되었으며, 이것은 모르타르 두께가 얇을수록 명확히 측정되었다. 침지 및 건조 반복횟수가 증가함에 따로, 철근의 부식속도는 부동태에서 Low-middle 상태로 가속되었으며, 그 기준은 다수의 연구자들이 사용한 기준을 사용하였다. 이 기준에 의해 철근의 부식속도가 Low-middle 상태가 되면, 포화 Ca(OH)₂ 용액에서 -10 uA/㎠ 전류밀도를 사용하여 철근에 전착을 진행하고, 5일간 건조시킨 후, 3wt.% NaCl 용액에서 침지-건조 반복실험을 다시 진행하면서, 부식속도를 측정하였다. 측정결과, 모르타르의 두께가 얇은 경우, 부식속도의 감소를 명확히 관찰하였다. 또한, 전착에 의한 철근의 부식속도 감소는 침지상태에서 보다 철근이 건조과정에 놓일 때, 더욱 크게 측정되었다. 전착처리에 따라 칼슘은 철근표면과 모르타르 계면에 존재하는 Porous rust layer의 void를 메우는 것으로 보인다. 시험체가 건조과정에 놓일 때, 철근표면에 형성된 다공질의 녹층속에 농축된 Ca²⁺가 침지과정보다 쉽게 CO₃^2-와 결합되어, CaCO₃가 형성됨으로서 철근의 부식속도를 더욱 감소시킨 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The primary purposes of this study are to understand a fundamental effects of electro-deposition on reinforcing steel in saturated Ca(OH)2 electrolyte, and evaluate the corrosion rates of rebars under cyclic 3wt.%NaCl immersion and dry corrosion environment. The three cement mortar specimens with cover thickness 5, 10 and 30mm, were prepared in the experiment. To monitor the corrosion rates of rebars in mortar, the three cement mortar specimens were exposed to 110 wet-drying cycles(8-hour-immersion in 3wt.%NaCl and 16-hour-drying in a room temperature) in the laboratory. During the wet-dry cycles, the polarization resistance, Rp, and solution resistance, Rs, were continuously measured. The instantaneous corrosion rates of rebars on the effect of electro-depositing with sat. Ca(OH)2 electrolyte were estimated from obtained R-1p and degrees of wetness were estimated from Rs values. From the experimental results, the corrosion rates of rebars were greatly accelerated by wet/dry cycles. During the mortars exposed to drying condition, the large increases in the corrosion rates were showed at all rebar surfaces in three mortar specimen, attributed from the accelerated reduction rates of dissolved oxygen in drying process. However, the corrosion rates on rebar surface electrochemically deposited with sat. Ca(OH)2 electrolyte showed the clear decreases, caused by calcium deposits in the porous rust layer.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig.1 A schematic diagram on cathodic protection for the rebars in concrete structure
그림 Fig.2 Specimen configuration and dimensions on reinforcing steels in a concrete specimen (a) isometric view, (b) sectional view A-A' and (c) sectional view B-B'
표 Table.1 Summary of rebar protection methods from corrosion in concrete
그림 Fig.3 Cathodic polarization curves according to different mortar thickness in sat.
그림 Fig.4 Corrosion potential changes according to different mortar thickness in sat.
그림 Fig.5 The variations of Rp^-1 measured in 3wt.%NaCl solution for 110cycles, 8h immersion and 16h dry in one cycle, with different cover thickness : (a)5mm, (b)10mm, (c)30mm
그림 Fig.6 The variations of R_p^-1 and R_s measured in 0 to 5^th immersion and dry cycle on Region I with different cover thickness : (a)5mm, (b)10mm, (c)30mm
그림 Fig.7 The variations of R_p^-1 and R_s measured on Region II accelerated corrosionrates with different cover thickness : (a)5mm, (b)10mm, (c)30mm
그림 Fig.8 The variations of R_p^-1 and R_s measured on Region III accelerated corrosion rates with differen tcover thickness : (a)5mm, (b)10mm, (c)30mm

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 부동태 영역에서는 그 값이 4x10^-6 Ω^-1cm^-2이하이며, 부식속도가 Low/Middle인 경우, 4x10^-6~4x10^-5 Ω-1cm-2, High인 경우는 4x10^-5~4x10^-4 Ω^-1cm^-2, Very High인 경우는 4x10-4^~4x10^-3 Ω^-1cm^-2로 구분하였다. 이 연구에서는 철근 콘크리트 구조물의 열화과정 중에서 초기단계인 잠복기 및 진 전기에 직면한 철근에 칼슘전착의 방식효과를 관찰하고자 한다. 따라서, 철근의 부식속도가 Low/Middle에 도달할 때인4x10^-6~4x10^-5 Ω-1cm^-2의 분극저항 범위에 도달하였을 때 전착을 개시하였다.
특히 해수에 침지와 건조가 반복적으로 노출된 해양 콘크리트의 전착에 따른 방식법의 효과가 실험적으로 연구된 사례는 적다. 이러한 배경에 따라, 이 연구에서는 칼슘 전착에 따른 침지 및 건조 환경에 노출된 모르타르에 매입된 철근의 전기화학적 특성변화를 실험적으로 확인하고자 한다. 실험적 연구를 위하여, 두 개의 철근(탄소강)이 매입된 모르타르 시편을 제작하였다.

가설 설정

EIS 모니터링 결과, 부식속도가 일정 크기 이상에 도달하면부동태가 손상되었다고 가정하고 칼슘전착을 개시하였다. 전착개시에 대한 기준은, 2001년 BRE(Building Research Establishment, 2001) 및 다수의 연구자(Joh S.

제안 방법

세 가지 피복두께(5, 10 및 30mm)를 갖는 시편을 준비하여, 3wt.%NaCl 염수에 침지 및 건조 환경에 반복적으로 노출시켜, 피복두께에 다른 부식 및 전착효과를 관찰하였다. 철근의 3가지 상태(부동태 상태, 부동태 손상에 따른 초기 부식 발생, 전착 후 방식피막 형성상태)의 전기화학적 특성을 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 모니터링을 통하여, 칼슘전착이 부동태가 손상된 철근의 부식 메카니즘 제어에 효과적임을 실험적으로 확인하였다는 데 의미가 있다.
모르타르에 매입된 철근을 110일 동안 3wt.%NaCl 용액에 침지 및 대기 중에서 건조를 반복하여, 전기화학적 방법을 통해 모니터링을 진행한 후, 전착효과에 대해 다음과 같은 결론을 얻었다.
%NaCl 수용액)에 침지 및 건조 환경에 반복적으로 노출하여 철근의 부식을 촉진하였다. 8시간 침지 및 자연건조 16시간을 1 사이클로 하여 총 110 사이클의 반복 실험을 수행하였다. 부식 촉진 실험과정에서 철근의 부식속도변화를 평가하기 위하여 쿄류 임피던스를 측정하였다.
모르타르 시험편 내부에 직경 10mm, 길이 100mm의 철근 두 개를 매입하였다. 각 철근에서 양쪽 단부 길이 45mm는 열수축튜브와 B-코팅제를 활용하여 절연하였다. 중간의 10mm는 노출시켜 모르타르와 직접 부착되도록 하였다.
부식 촉진 실험과정에서 철근의 부식속도변화를 평가하기 위하여 쿄류 임피던스를 측정하였다. 교류 임피던스 측정은 침지 및 건조과정에 동반하는 모르타르의 전기저항 및 철근의 부식속도 측정을 위하여 같은 종류의 철근을 사용하여 2 전극식으로 측정되었다. 전기화학 측정 장비는 원아텍ZIVE MP2 모델을 사용하였으며, 임피던스 측정에 사용된 교류의 진폭은 ±10mv이고,부식속도를 신속하게 측정하기 위하여 각각 용액저항과 전하 이동저항에 해당하는 10kHz와 10mHz 두 개의 주파수에 대응하는 저항을 측정하여, 분극저항을 모니터링 하였다(Kim J.
, 2001). 또한, 전착시간을 결정하기 위해 채택된 전류밀도를 사용하여, 철근이 매입된 모르타르 시험체에 인가된 전류밀도로 철근의 부식전위변화가 최대한 일정해 지는 시간까지를 전착시간으로 결정하였다. 전착시간은 모르타르 두께 5 및 10mm의 경우는 5시간 진행하였고, 30mm의 경우는 10시간 동안 전착한 후, 시험체를 5일 동안 대기 중에서 건조시킨후, 염수에서 침지 및 대기 중에서 건조가 반복되는 부식 환경에서 부식속도 모니터링을 다시 진행하였다.
8시간 침지 및 자연건조 16시간을 1 사이클로 하여 총 110 사이클의 반복 실험을 수행하였다. 부식 촉진 실험과정에서 철근의 부식속도변화를 평가하기 위하여 쿄류 임피던스를 측정하였다. 교류 임피던스 측정은 침지 및 건조과정에 동반하는 모르타르의 전기저항 및 철근의 부식속도 측정을 위하여 같은 종류의 철근을 사용하여 2 전극식으로 측정되었다.
한편, 모르타르가 건조과정에 노출되었을 때 침지상태에 비하여 부식속도가 약간 증가하는 것을 관찰하였다. 시험체의 침지 및 건조조건에서 용액저항의 값은 모르타르 두께가 얇은 시편에서 더 큰 차이가 나는 경향을 관찰하였다. 용액저항 값의 감소는 3wt.
이 연구에서는 인가 전류밀도를 –10μAcm-2로 결정하여, 대응하는 전위가 대략 –0.8~-1.0V(vs. Ag/AgCl)에 형성되어, 철근표면에서 수소가스발생을 억제할 수 있도록 하였다.
이 연구에서는 콘크리트 시편을 염수(3wt.%NaCl 수용액)에 침지 및 건조 환경에 반복적으로 노출하여 철근의 부식을 촉진하였다. 8시간 침지 및 자연건조 16시간을 1 사이클로 하여 총 110 사이클의 반복 실험을 수행하였다.
이를 방지하기 위하여, 전착을 위한인가 전류밀도는 철근에 대응 전위가 –1.1V(vs. Ag/AgCl)보다 귀하게 되도록 결정하였다.
칼슘의 효과적인 전착을 위하여 적절한 전착 전류밀도 및 시간을 선정하는 것이 중요하다. 이를 위하여 이 연구에서는 부동태가 손상된 철근의 음극 분극곡선을 측정하여, 부식전위로부터 약 200mv(vs. Ag/AgCl) 비한 전위에서의 전류밀도를 전착 전류밀도로 산정하였다. Fig.
전기화학 측정 장비는 원아텍ZIVE MP2 모델을 사용하였으며, 임피던스 측정에 사용된 교류의 진폭은 ±10mv이고,부식속도를 신속하게 측정하기 위하여 각각 용액저항과 전하 이동저항에 해당하는 10kHz와 10mHz 두 개의 주파수에 대응하는 저항을 측정하여, 분극저항을 모니터링 하였다(Kim J.K. et al., 2018).
전착처리를 위하여 실험체는 포화 Ca(OH)₂ 전해질 용액에 침지하여, -10 μAcm^-2 전류밀도가 인가 되었다. 전착시간은 모르타르 두께 5 및 10mm 시험체에 대해 5시간, 모르타르두께 30mm를 가지는 시험체에 대해서는 10시간 적용하였다. 전착을 완료한 후, 5일 동안 건조과정이 끝난 후, 3wt.
또한, 전착시간을 결정하기 위해 채택된 전류밀도를 사용하여, 철근이 매입된 모르타르 시험체에 인가된 전류밀도로 철근의 부식전위변화가 최대한 일정해 지는 시간까지를 전착시간으로 결정하였다. 전착시간은 모르타르 두께 5 및 10mm의 경우는 5시간 진행하였고, 30mm의 경우는 10시간 동안 전착한 후, 시험체를 5일 동안 대기 중에서 건조시킨후, 염수에서 침지 및 대기 중에서 건조가 반복되는 부식 환경에서 부식속도 모니터링을 다시 진행하였다.

대상 데이터

2는 본 실험에서 사용된 모르타르 시험편의 형상을 보여주고 있다. 모르타르 시험편 내부에 직경 10mm, 길이 100mm의 철근 두 개를 매입하였다. 각 철근에서 양쪽 단부 길이 45mm는 열수축튜브와 B-코팅제를 활용하여 절연하였다.
이러한 배경에 따라, 이 연구에서는 칼슘 전착에 따른 침지 및 건조 환경에 노출된 모르타르에 매입된 철근의 전기화학적 특성변화를 실험적으로 확인하고자 한다. 실험적 연구를 위하여, 두 개의 철근(탄소강)이 매입된 모르타르 시편을 제작하였다. 세 가지 피복두께(5, 10 및 30mm)를 갖는 시편을 준비하여, 3wt.
전착처리를 위하여 실험체는 포화 Ca(OH)2 전해질 용액에 침지하여, -10 μAcm-2 전류밀도가 인가 되었다.
5의 배합비로 제작하였다. 피복두께의 영향을 관찰하기 위하여 피복두께 5mm, 10mm 및 30mm를 갖는 실험체 3개를 준비하였다. 철근의 간격은 세 실험체에서 모두 10mm로 일정하게 유지하였다.

이론/모형

EIS 모니터링 결과, 부식속도가 일정 크기 이상에 도달하면부동태가 손상되었다고 가정하고 칼슘전착을 개시하였다. 전착개시에 대한 기준은, 2001년 BRE(Building Research Establishment, 2001) 및 다수의 연구자(Joh S. H., et al. 2010)들에 의해서 보고된 철근의 분극저항의 역수를 표준으로 삼았다. 즉, 부동태 영역에서는 그 값이 4x10^-6 Ω^-1cm^-2이하이며, 부식속도가 Low/Middle인 경우, 4x10^-6~4x10^-5 Ω-1cm-2, High인 경우는 4x10^-5~4x10^-4 Ω^-1cm^-2, Very High인 경우는 4x10-4^~4x10^-3 Ω^-1cm^-2로 구분하였다.

성능/효과

%NaCl 용액을 사용하여 8시간 침지 – 16시간 건조하는 부식 환경 속에서, 철근의 부식속도는 감소하는 것을 확인하였다.
이 연구의 실험결과는 두께가 얇은 시험체가 모르타르표면에서 철근 표면과 모르타르 계면까지의 건조속도가 빨라진다는 것을 보여준다. 결과적으로 모르타르 두께가 가장 얇은 실험체에서 염화물 농축이 가장 가속되고 있음을 보여준다. 하지만, 초기 부식실험에서는 모르타르 두께에 따른 부식속도 차이는 관찰되지 않았다.
, 2004). 이 연구의 실험결과는 두께가 얇은 시험체가 모르타르표면에서 철근 표면과 모르타르 계면까지의 건조속도가 빨라진다는 것을 보여준다. 결과적으로 모르타르 두께가 가장 얇은 실험체에서 염화물 농축이 가장 가속되고 있음을 보여준다.
전착개시 후, 부식속도는 두께가 낮은 경우에 그 효과가 큰 것을 나타내었고, 침지과정에서 보다는 부식속도가 최대로 되는 건조과정에서 가장 큰 효과를 보여 주었다.
즉, Region I, Region II의 각각의 건조과정에 대한 Rs 측정값의 변화를 보면, 모르타르 두께 5mm의 경우, 2.5~5 kΩcm2에서 8 kΩcm2로, 10mm의 경우, 1.5~2 kΩcm2에서 6 kΩcm2로 증가하나, 상대적으로 두께가 2배 이상 두꺼운 30mm의 경우는 큰 변화가 관찰되지 않았다.
4에서는 모르타르 두께에 따라 전착 안정에 필요한 시간이 다름을 보여주고 있다. 즉, 전착 전류인가 후, 철근표면의 녹과 전기이중층에 칼슘이온이 충분히 공급되어, 전위변화가 일정하게 되는 상태에 도달하는 시간은 상대적으로 5mm의 경우가 가장 짧고, 30mm의 경우는 전착개시 후, 10시간이 도달하더라도 5mm 및 10mm의 경우보다 안정해지지 않는 측정결과를 얻었다. 이것은 모르타르 두께가 두꺼운 30mm의 경우에 상대적으로 소량의 부식생성물로 인한 넓은 전착면적 및 모르타르 저항 등에 기인한 것으로 생각된다(Ryu J.
철근과 모르타르 계면의 용액저항 변화는 모르타르가 얇을수록, 모니터링 초기 급속히 감소하며, 이는 염화물이 그 계면에 농축된 결과이며, 침지 및 건조 반복횟수가 증가하게 되면, 부식에 의한 철근표면의 녹 형성으로 인해 그 용액저항은 증가하였다.
%NaCl 염수에 침지 및 건조 환경에 반복적으로 노출시켜, 피복두께에 다른 부식 및 전착효과를 관찰하였다. 철근의 3가지 상태(부동태 상태, 부동태 손상에 따른 초기 부식 발생, 전착 후 방식피막 형성상태)의 전기화학적 특성을 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 모니터링을 통하여, 칼슘전착이 부동태가 손상된 철근의 부식 메카니즘 제어에 효과적임을 실험적으로 확인하였다는 데 의미가 있다.
%NaCl 용액을 사용하여 8시간 침지 – 16시간 건조하는 부식 환경 속에서, 철근의 부식속도는 감소하는 것을 확인하였다. 특히 두께가 가장 얇은 5mm에서 가장 크게 나타났으며, 두께가 증가할수록 그 효과는 감소하였다. 또한, 전착효과에 따른 철근의 재 부동태화 효과는 8시간 침지과정에서 보다, 16시간 동안 건조 상태에 놓일 때 더 큰 것으로 보인다.
피복두께 5mm, 10mm 및 30mm의 시험체에서 전착개시 기준인 4x10-6~4x10-5 Ω-1cm-2에 도달시간은 각각 45일, 65일, 87일로 관찰되었다.
모르타르 피복 두께가 5mm 및 10mm의 시험체의 경우는 침지-건조가 반복되는 환경에서, 용액저항의 최대값은 건조과정에서 나타났다. 한편, 모르타르가 건조과정에 노출되었을 때 침지상태에 비하여 부식속도가 약간 증가하는 것을 관찰하였다. 시험체의 침지 및 건조조건에서 용액저항의 값은 모르타르 두께가 얇은 시편에서 더 큰 차이가 나는 경향을 관찰하였다.
30mm의 경우, 철근 주위의 불충분한 모르타르 건조 등에 의해, 부식속도가 증가하지 않은 것으로 생각된다. 한편, 침지상태보다 건조 상태에서 부식속도 증가는 더 큰 것을 확인하였다. 이러한 결과는 철근주위의 전해질 습윤 상태가 건조과정과 더불어 감소하면, 철근 주위에서 용존산소의 환원속도(O₂ + 2H₂O + 4e →4OH^-)가 증가하고, 철근/모르타르 계면에서 용액저항이 증가한다(A.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경화된 콘크리트에 매입된 철근이 부식되면 나타나는 현상은?	이때 콘크리트 내부 공극에 수분과 산소가 충분할 경우 철근은 산화되어 안정화(부식현상)되려는 경향을 갖는다. 경화된 콘크리트에 매입된 철근이 부식되면 부피증가에 따라 콘크리트에 내부응력을 증가시키며, 균열의 원인이 된다. 철근부식은 중성화 및 동결융해와 같은 메카니즘과 복합적으로 작용하여 콘크리트의 내구성을 저하시키는 주요 원인으로 알려져 있다(Lee, S.
	최근 적용되고 있는 철근의 방식법의 한계를 해결하기 위한 개선 대책 방법은?	이러한 문제를 해결하기 위한 여러 가지 개선대책이 개발되고 있으며, 그 중에서 콘크리트 미세균열에 대한 인공균열치유 및 철근의 부식속도 제어공법으로 전기화학적 방법이 있다. 철근 콘크리트 구조물의 장수명화를 위해 철근의 부식 저항성이나 구조물 내구성능의 증대는 잠재기 및 진전기에 직면한 구조물의 성능보강에 매우 중요한 것으로 생각된다(Kyung J.
	음극방식법으로 형성된 석회질 피막의 역할은?	생성된 석회질 피막(Calcareous deposits)은 철근의 부식방지를 위한 물리적인 방호벽 역할을 하면서 용존산소의 확산 및 환원반응을 억제하는 것으로 알려져 있다(Kwon, S. J.

참고문헌 (18)

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저자의 다른 논문 :

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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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