[논문]콘크리트구조물 중의 철근 부식 저감을 위한 FRP Hybrid Bar의 적용성 연구

이승태; 박광필; 박기태; 유영준; 서동우

doi:10.5762/kais.2019.20.5.559

콘크리트구조물 중의 철근 부식 저감을 위한 FRP Hybrid Bar의 적용성 연구
A Study on the Application of FRP Hybrid Bar to Prevent Corrosion of Reinforcing Bar in Concrete Structure 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.5, 2019년, pp.559 - 568

이승태 (군산대학교 토목공학과) , 박광필 (군산대학교 토목공학과) , 박기태 (한국건설기술연구원 스마트시티연구센터) , 유영준 (한국건설기술연구원 스마트시티연구센터) , 서동우 (한국건설기술연구원 스마트시티연구센터)

초록
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최근 해양환경의 대형 SOC구조물 증가에 따른 구조물 내구성 증진에 관심이 증가되고 있다. 내구성 증진을 위해 개발된 FRP Hybrid Bar의 구조적 성능은 검증 되었으나 부식에 대한 저항성을 평가한 연구는 미흡하여 본 연구를 수행 하였다. 본 연구에서는 콘크리트 중의 철근 종류에 따른 철근부식 저항성을 평가하였다. 평가를 위하여 철근은 일반철근과 FRP hybrid Bar을 사용하였다. 시험방법은 갈바닉전류(Galvanic)와 반전지법(Half-Cell)을 사용하였으며, 철근부식 촉진을 위하여 콘크리트 내부에 염분을 0%, 1.5%, 3%, 6% 첨가하였다. 그 결과 갈바닉전류측정에서 FRP Hybrid Bar는 부식전류가 측정되지 않았다. 반면 일반철근에서는 시험 직후 부식이 발생하는 결과를 나타내었다. Half-Cell측정 결과에서도 4단계의 염분 함유량의 차이와 광물질혼화재료를 사용한 콘크리트와 일반콘크리트에 관계없이 FRP Hybrid Bar의 부식 저항성이 우수하게 나타났다. 따라서 FRP Hybrid Bar는 해양환경 및 철근부식이 예측되는 구조물용 대체 철근으로 사용이 가능하나 부착성능, 탄성계수, 절곡부의 강선 노출에 대한 처리 방법 등이 개선되면 염해로부터 철근부식 저항성 확보를 요구하는 구조물에 사용 할 수 있는 우수한 소재로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the infrastructure of the marine environment has been increasing. Therefore, there has been increasing interest in increasing the durability of structures. The FRP Hybrid Bar with improved durability against corrosion was developed in recent years. On the other hand, studies that evaluate the corrosion resistance are insufficient. In this study, the corrosion resistance according to the type of rebar in concrete was assessed and analyzed. The experiment used steel bars and FRP Hybrid Bar. The corrosion test method was a galvanic current and half-cell potential method. The accelerated corrosion test was carried out by four levels (0%, 1.5%, 3%, and 6%) of chloride added to the concrete. The galvanic current measurements revealed no corrosion current in the FRP Hybrid Bar. The half-cell measurement also showed the corrosion resistance of the FRP Hybrid Bar. Therefore. FHB can be used as an alternative steel for structures where a marine environment and steel corrosion are predicted.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. FHB Production Process
그림 Fig. 2. FFB Configuration
그림 Fig. 3. Types of bars used for Test
표 Table 1. Mix proportions of concrete
그림 Fig. 4. Galvanic corrosion current Composition
그림 Fig. 5. Half-Cell Test Concrete Specimen
그림 Fig. 6. Half-Cell Test Composition[14]
그림 Fig. 7. Galvanic currents of Steel and FHB(3.5% NaCl, 30days)
표 Table 2. Corrosion condition related to half-cell potential[14]
그림 Fig. 8. Galvanic currents of Fig. 7 ‘O’part(3.5% NaCl, 1day)
그림 Fig. 9. Galvanic Current Test(3.5% NaCl, 28d)
그림 Fig. 10. Steel Comparison of half-cell potential(Chloride 0%, 6%)
그림 Fig. 11. FHB Comparison of half-cell potential(Chloride 0%, 6%)
그림 Fig. 13. Comparison of half-cell potential by binder type
그림 Fig. 12. FHB & Steel Comparison of half-cellpotential (Chloride 6%)
그림 Fig. 14. Comparison of Half-cell Potential by binder type and type of rebar(Chloride content 6%)
그림 Fig. 15. Comparison of half-cell potential by Chloride content
그림 Fig. 16. Result of half-cell potential by Chloride content (OPC&SGC)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 해양환경에 건설되는 구조물의 철근부식 예방을 위한 철근 대체 재료로 사용이 가능한 철근과 FRPBar의 개념을 복합하여 개발된 FRP Hybrid Bar에 대한 부식에 저항성을 평가한 것으로 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 FRP Hybrid Bar의 부식에 대한 내구성 검토를 위하여 갈바닉 전류측정과 Half-Cell의 전위측정방법을 이용하여 부식에 대한 저항성을 평가하였다.

제안 방법

갈바닉 전류측정법은 Fig. 4와 같이 전해질에서 두 금속사이에 흐르는 전류를 측정하였다. 양극에는 부식이 발생하지 않는 금속(티타늄, 스테인레스, 흑연등)을 음극에는 부식을 측정하는 금속을 설치하여 측정한다.
연구에 사용된 콘크리트는 보통포틀랜드시멘트를 사용한 콘크리트와 최근 해안가 구조물에 많이 사용하는고로슬래그미분말을 대체한 콘크리트를 사용하였다. 또한, 부식촉진을 위하여 콘크리트 내부에 염분을 0%,1.5%, 3%, 6%를 함유 후 건습반복을 실시하여 부식에 대한 저항성을 평가하였다.
SGC는 보통포틀랜드시멘트 대비 40%를 치환하여 사용하였다. 물-결합재비는 50%로 하였고 굳지않은 콘크리트의 물성은 공기량 5%와 Slump 8cm으로 제작하였다. 사용된 골재는 시험체 크기를 고려하여 굵은골재는 최대치수 13mm, 비중 2.
본 실험에서는 사용 시편에 있는 철근을 음극으로 하고 티타늄메쉬를 양극으로 하여 그 사이에 1K Ω 저항을 연결한 다음 이때 발생되는 전압을 전압계를 통해서 측정을 하였다.
5와 같이 Φ100(150)×100mm의 시험체 중심에 Steel과 FHB를 설치하고 외각에 티타늄 메시를 설치하여 콘크리트를 타설하였다. 부식촉진을 구성하기 위하여 시험체 제작과정에서 콘크리트배합에 염분을 함유하였다. 콘크리트중의 염분함유량은 결합재량에 0%, 1.
4와 같이 전해질에서 두 금속사이에 흐르는 전류를 측정하였다. 양극에는 부식이 발생하지 않는 금속(티타늄, 스테인레스, 흑연등)을 음극에는 부식을 측정하는 금속을 설치하여 측정한다. 본 실험에서는 사용 시편에 있는 철근을 음극으로 하고 티타늄메쉬를 양극으로 하여 그 사이에 1K Ω 저항을 연결한 다음 이때 발생되는 전압을 전압계를 통해서 측정을 하였다.
양생된 시험체의 철근 부식 촉진을 위하여 양생이후에 3일 습윤 4일 건조를 1cycle로하여 부식을 촉진시켰으며, 약 56cycle(1년) 동안 진행하였다.
철근부식 발생에 있어서 염분의 농도에 대한 영향을 평가하기 위해 Steel과 FHB를 사용한 OPC와 SGC에결합재량에 염분을 0%, 1.5%, 3%, 6%를 혼입하여 염분의 농도에 따른 자연전위 변화를 56싸이클 측정하여 Fig. 15에 정리하였다.
0%를 함유하였다. 타설한 시편은 염분 용출을 방지하기 위하여 28일간 기건 양생을 진행하였다.

대상 데이터

철근부식의 진행 평가는 반전지 전위법(ASTM C876)은 콘크리트 표면에 기준 전극을 접촉시켜 철근과의전압차를 측정하는 방법으로 콘크리트 표면 위를 움직이면서 부식이 일어난 지점을 찾을 수 있는 방법이다. 기준전극으로는 황산동 전극을 사용하였다. –350 mV를 기준으로 부식 여부를 판단하였다.
3이다. 길이는 130mm로 고정하였고, 일반철근은 D13 마환봉(이하 Steel)을 사용하였고, FHB는 D19 FRP Hybrid Bar를 사용하였다.
본 연구에 사용한 결합재료 시멘트는 KS L 5201에 준하는 보통포틀랜드시멘트(이하 OPC)와 고로슬래그미분말(이하 SGC)을 사용하였다.
물-결합재비는 50%로 하였고 굳지않은 콘크리트의 물성은 공기량 5%와 Slump 8cm으로 제작하였다. 사용된 골재는 시험체 크기를 고려하여 굵은골재는 최대치수 13mm, 비중 2.54의 부순골재를 사용하였으며, 잔골재는 밀도가 2.53인 부순모래를 사용하였다. 사용된 배합은 Table 1에 나타내었다.
시험체 제작은 Fig. 5와 같이 Φ100(150)×100mm의 시험체 중심에 Steel과 FHB를 설치하고 외각에 티타늄 메시를 설치하여 콘크리트를 타설하였다.
연구에 사용된 콘크리트는 보통포틀랜드시멘트를 사용한 콘크리트와 최근 해안가 구조물에 많이 사용하는고로슬래그미분말을 대체한 콘크리트를 사용하였다. 또한, 부식촉진을 위하여 콘크리트 내부에 염분을 0%,1.

이론/모형

그러나 이 방법은 콘크리트의 함수량, 철근 주위의 산소량, 미세 균열 등에 의해 많은 영향을 받는 단점을 가지고 있다. 부식전위 기준은 Table 2의 ASTM 기준에 의하여 시행하였다.[14]
본 실험에서는 사용 시편에 있는 철근을 음극으로 하고 티타늄메쉬를 양극으로 하여 그 사이에 1K Ω 저항을 연결한 다음 이때 발생되는 전압을 전압계를 통해서 측정을 하였다. 측정된 전압은 옴의 법칙을 이용하여 전류를 변환하였다.[13]

성능/효과

1. Steel과 FHB의 부식발생 갈바닉 전류를 측정 결과 Steel의 시험 직후 2mA/㎡이상의 불안한 전류를 나타내며 부식이 발생하였으나 FHB는0mA/㎡을 시험 초기부터 종료시점까지 유지하여 부식이 발생하지 않는 것을 확인하였다.
2. Steel과 FHB의 반전위법에 의한 자연전위측정 결과 염분의 유·무에 관계없이 Steel은 시험 시작부터 –350mV 이하 부식 확률 90%이상을 나타내었고, FHB는 –350mV 이상의 값을 보여 비활성영역 또는 10%미만의 부식 확률 상태를 나타내었다.
3. 결합재의 종류에 따른 철근부식을 활성영역에 대한 평가에서는 결합재의 종류에 관계없이 염분을 함유한 Steel은 자연전위가 –350mV이하로 나타났으며, FHB는 불활성영역으로 측정되었다.
4. 염분의 함유량에 따른 철근부식을 평가한 결과 결합재의 종류와 염분의 함유량에 관계없이FHB에서는 자연전위가 비활성영역으로 측정되는 것을 알 수 있었다. 이는 철근 내부에 염분이 존재하여도 철근표면에 부식인자가 투과되지 않으면 부식이 발생하지 않는 것을 확인하였다.
7의 24시간(1day)동안 측정한 갈바닉 전류를 확대하여나타낸 결과이다. FHB의 경우 시험 시작 직후에도 0mA/㎡를 유지하는 반면 Steel의 경우는 시작과 동시에 수분 내에 2mA/㎡이상의 값과 불안정한 전류 값을 나타내어 부식이 활성화 되어 있음을 확인할 수 있었다.
Steel을 사용한 두 종류의 콘크리트에 대해 자연전위를 측정한 (a),(c)에서 염분은 혼입량과 배합에 관계없이–350mV이상의 자연전위 값을 나타내어 철근 부식의 활성영역에 있는 것으로 나타났다.
14는 결합재료의 종류에 관계없이 두 종류의 철근에 염분을 6%함유한 콘크리트의 자연전위를 정한 결과이다. 그림에서 콘크리트 중에 많은 염분을 함유하고 있음에도 콘크리트의 배합 종류에 관계없이 FHB의 부식 발생 확률이 ASTM C 876의 평가 기준의 불확실영역 또는 10%미만의 철근부식으로 나타나는 것을 확인하였다.반면 일반 Steel은 배합에 관계없이 90%이상 부식발생확률이 있는 것으로 나타났다.
Steel의 경우 실험 초기부터 30일까지 2mA/㎡이상의 값을 상위하고 불안정한 부식전류 값을 나타내었다. 반면, FHB의 경우 부식전류가 0mA/㎡부근에서 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
이상의 결과를 종합하면 FHB는 해양환경 및 철근부식이 예측되는 구조물용 대체 철근으로 사용이 가능하나 부착성능, 탄성계수, 절곡부의 강선 노출에 대한 처리 방법 등이 개선되면 염해로부터 철근부식 저항성 확보를 요구하는 구조물에 사용할 수 있는 우수한 소재로 판단된다.
고로슬래그미분말을 사용한 콘크리트의 염분 함유량에 따른 자연전위를 측정한 결과 (c),(d)와 같이 Steel과FHB의 구분이 확실하게 나타나는 것을 확인하였다. 즉,FHB의 비활성영역과 Steel의 활성영역이 명확하게 구분되는 것을 확인하였다.

후속연구

따라서 해안환경 및 철근의 부식이 예상되는 구조물에 대해서는 구조물용 대체철근으로써, FHB의 사용이 방식 측면에서 매우 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있으며, 부착성능, 탄성계수 등 철근의 역학적 특성이 개선된다면 우수한 해양철근용 소재로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRP Bar의 장점은?	최근 해안환경의 신규 구조물에서 FRP Bar를 적용하는 방법이 제안되고 있다. FRP Bar는 일반 구조물에 사용하는 철근에 비해 내부식성, 고내구성 등의 장점을 가지고 있는 재료이다. 국내외에서 FRP Bar를 사용한 콘크리트 구조물의 설계 및 시공 지침이 제안된 실정이다.
	FRP Hybrid Bar란?	최근 FRP Bar의 단점을 개선한 FRP Hybrid Bar(이하 FHB)는 Fig. 1과 같이 중심에 기존 사용하는 철근을 배치하고 FRP로 표피를 형성 후 내부식성 확보를 위해 유리섬유와 에폭시 코팅을 적용한 복합구조 재료이다.
	특유 알칼리성으로 부식으로부터 보호되는 철근콘크리트 구조물의 철근이 부식 발생되는 이유?	6)으로 인하여 철근 표면에 부동태피막을 형성하여 부식으로부터 보호되어진다. 그러나 해안지대의 다양한 환경으로 인하여 구조물의 탄산화, 동결융해 등의 작용으로 콘크리트의 손상이 발생하게 되고 이로 인한 철근주변의 손상으로 인하여 철근 표면의 부동태 피막을 손상하여 부식이 발생하게 된다.

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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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