[논문]부식촉진 실험을 통한 대기환경에서 신설 도장계의 노화곡선 제안

정영수; 김민정; 전석현; 안진희; 김인태

doi:10.11112/jksmi.2019.23.2.75

[국내논문] 부식촉진 실험을 통한 대기환경에서 신설 도장계의 노화곡선 제안
Suggestion of Deterioration Curve for New-type Coating on Atmospheric Environment by Acceleration Corrosion Test 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.2, 2019년, pp.75 - 83

정영수 (부산대학교 지진방재연구센터) , 김민정 (부산대학교 토목공학전공) , 전석현 (경남과학기술대학교 토목공학과) , 안진희 (경남과학기술대학교 토목공학과) , 김인태 (부산대학교 건설융합학부 토목공학전공)

초록
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본 연구에서는 국내에서 사용되고 있는 우레탄계, 세라믹계, 폴리실록산계 및 불소수지계 강교량용 도장계를 대상으로 실내 부식실험을 실시하여 도장계별 노화모델을 도출하였다. 상도를 구분하여 각 도장계별로 시험편을 제작하였으며, 직경 0.5, 1, 3, 5 mm의 원형 결함을 도입하였다. ISO 20340를 이용하여 극한환경을 모사한 부식촉진실험을 실시하였다. 도장계별 노화곡선은 원형결함의 노화면적을 기준으로 평가되었다. 노화곡선을 사용하여 공용중인 강교의 도장 사용수명을 평가하기 위하여 촉진배율을 산출하였으며, 촉진배율은 ISO 20340과 ISO 9223의 대기환경 부식속도를 기준으로 산출되었다. 실험결과, 노화진전속도는 원형결함의 크기와 상관없이 증가하였으며, 노화면적이 3%일 때 우레탄 도장계의 노화수명은 C2, C3, C4 및 C5 등급에서 약 31.8, 15.8, 9.9 및 3.9년으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, to propose the deterioration curves of urethane, ceramic, polysiloxane and fluorocarbon coating for the steel bridge, an accelerated corrosion tests were carried out. The each coating system wes applied on the top of the specimens, and circular initial defects were introduced with different diameters with 0.5, 1.0, 3.0, 5.0 mm. An accelerated corrosion test condition was used to simulate severe corrosive environment depending on ISO 20340. The deterioration curve of each coating type was evaluated based on deteriorated area from the circular defects. In order to evaluate the coating service life of installed steel bridge using deterioration curve, the acceleration coefficient was calculated at correlation between ISO 20340 and corrosivity categories by ISO 9223 based on field corrosion rate. From test results, the propagation rate of coating deterioration area was different to diameter of circular defects. In case of urethane coating, the coating service lifes of 3% deterioration area was evaluated in 31.8, 15.8, 9.9 and 3.9 years with C2, C3, C4 and C5 category.

Keyword

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Dimension of tested specimen and coating defects (mm)
표 Table 1 Coating system of specimens
그림 Fig. 2 Environmental condition of accelerated corrosion test
표 Table 2 Coating system of specimens
그림 Fig. 3 Coating defect area depending on coating type
그림 Fig. 4 Coating defect area depending on coating defect size of coating type
그림 Fig. 5 Relationship and service life(acceleration cycle) and coating defect area
그림 Fig. 6 Comparison of corrosion rate depending on acceleration corrosion test and corrosion category
그림 Fig. 7 Measurement location of corrosion rate (Cheong, 2002)
표 Table 3 Summary of corrosion category and acceleration factor depending on corrosion environment(Cheong, 2002)
그림 Fig. 8 Coating service life of coating type depending corrosion category
표 Table 4 Summary of coating service life depending on corrosion environment

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 부식촉진실험에서는 주로 도막의 내구성에 관한 평가가 이루어졌으며, 옥외노출실험, 공용중인 강구조물에서 현장계측을 통하여 열화상처리기법을 통한 도장의 노화도 평가와 수명예측을 실시하고 있으나(Lee et al, 2015; Lee and Chang, 2016), 실내 실험을 통한 도장 내구성 평가 결과를 공용중인 강구조물에 적용하기는 어렵다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 강교량에 적용되고 있는 도장계를 대상으로 극한환경을 모사한 부식촉진실험을 실시하여 도장계별 노화모델을 구축하고자 한다. 또한 교량이 가설된 지역의 부식성 등급과 부식촉진실험의 결과를 이용하여 실제 환경조건에 적용 가능하도록 촉진 배율을 산출하여 부식성 등급에 따른 도장계별 노화곡선을 제시하고 도장계별 사용수명을 예측하였다.
외관검사를 통한 도막의 내구성 평가의 항목은 일반적으로 KS M ISO 4628의 기준에 따라 녹, 박리, 균열, 변퇴색의 4가지 항목을 통하여 도막의 열화를 분석하게 된다. 본 연구에서는 전자현미경을 통하여 시간경과에 따른 각 시험체의 노화면적을 측정하였다. 식 (1)을 이용하여 도장계별 초기노화 면적 크기별에 대한 노화면적과 부식사이클과의 상관관계를 Fig.
열도장계별 노화시험 결과 초기결함의 크기 및 녹 발생면적(양극 영역)에 따라 부식속도가 다르게 나타났으며, 일정시간 이후 결함의 크기 및 녹 발생면적이 급격하게 증가하였다. 본 연구 에서는 결함 크기별 부식속도를 고려하여 노화예측 곡선을 산출하였다. 노화예측 곡선의 산출방법은 ① 초기 결함 크기별로 분류하여 열화 면적의 증가에 따른 과정을 구성하고, ② 직경 0.
본 연구에서는 국내에서 강교량에 적용되고 있는 도장계를 대상으로 극환환경을 모사한 부식촉진실험을 실시하여 부식성 등급에 따른 도장계별 사용수명을 예측하였다. 그 결과 아래와 같은 결론을 도출하였다.

가설 설정

본 연구에서는 ASTM D 610의 일반적인 부식이 발생하는 것을 기준으로 하여 초기결함이 도입된 상태를 발생면적 0.03%(9등급)로 가정하여, 도막의 노화면적이 3.0%일 때를 사용수명으로 정의하였다. 각각의 도장계별 노화면적과 촉진 배율을 고려한 도막의 사용수명과 부식 발생면적과의 관계를 Fig.
(4) ASTM D 610을 기준으로 하여 초기결함이 도입된 상태를 발생면적 0.03%(9등급)로 가정하여, 도막의 노화면적이 3.0%일 때를 사용수명으로 정의하였다. 또한 각각의 도장계별 노화면적과 촉진배율을 고려한 도막의 사용수명을 예측 하였다.

제안 방법

자외선 노출/결로는 ISO 11507의 조건에 따라 (60±3) ℃, 방사조도 0.71 W/m²에서 4시간 자외선노출과 (50±3) ℃에서 4시간 결로의 반복으로 총 72시간 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 국내에서 강교량에 적용되고 있는 도장계를 대상으로 극한환경을 모사한 부식촉진실험을 실시하여 도장계별 노화모델을 구축하고자 한다. 또한 교량이 가설된 지역의 부식성 등급과 부식촉진실험의 결과를 이용하여 실제 환경조건에 적용 가능하도록 촉진 배율을 산출하여 부식성 등급에 따른 도장계별 노화곡선을 제시하고 도장계별 사용수명을 예측하였다.
도장의 방청성 및 내후성능을 좌우하는 가장 중요한 인자가 표면처리이며, 도막의 조기 파손의 60~80%는 부적절한 표면처리에 기인한다고 알려져 있으며 본 연구에서는 가로 70 mm, 세로 150 mm, 두께 3 mm의 SS275 강재를 사용하였으며, SSPC SP-10기준 블라스트 표면처리 후 도장을 실시하였다. 2000년대 건설된 강교량은 주로 내후성 중방식 도장계를 적용하였으며, 상도의 종류가 다양화되고 건조도막두께 및 하도의 종류에 따라 분류가 된다.
도막의 내구성 실험에서는 노화현상을 유도 및 촉진시키기 위하여 초기결함을 도입하고 있으며, 본 연구에서도 Fig. 1과 같이 직경 0.5, 1, 3, 5 mm의 원형 결함을 소지면까지 도달하도록 기계가공을 하였다.
실험 개시 후 초기, 5, 10, 15, 20 사이클 후 시험편 표면변화에 대한 육안관찰과 노화면적을 측정하였다.
동일한 시험체에 대한 부식실험기간의 증가에 따른 도막의 육안관찰과 노화면적을 측정을 통하여, 도장계별 특성에 따른 도장의 열화거동을 평가하였다.
노화 실험 전후 외관검사를 통한 도장계별 내구성 비교 및 평가를 위하여 Fig. 3 같이 시간경과에 따른 도막 외관을 비교하였다. 상도 및 하도의 종류와 특성에 관계없이 초기결함을 도입한 부위에서만 도막열화가 진행되었으며, 초기결함을 도입하지 않은 건전부에서는 발청, 부풀음 등의 열화현상은 관찰되지 않았다.
혹독한 부식 환경을 모사한 실내 실험의 결과를 실제 대기환경에 직접적으로 적용하기 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 실제교량 가설지역에서의 부식속도와 부식성 등급과 실내 부식실험을 통하여 산출된 무도장 강재의 부식속도를 이용하여 촉진 배율을 산출하였다. 촉진 배율이란 실내 부식실험 조건이 대기의 부식 환경에 비하여 부식속도의 비를 나타내고 있으며, 실내 부식실험의 실험기간을 실제교량 가설지역에서의 노출기간으로 환산가능하다.
(3) 실제교량 가설지역에서의 부식속도와 부식성 등급과 실내 부식실험을 통하여 산출된 무도장 강재의 부식속도를 이용하여 촉진 배율을 산출하였다. 촉진배율을 이용하여 실내 부식실험의 실험기간을 실제교량 가설 지역에서의 노출기간으로 환산가능하다.
0%일 때를 사용수명으로 정의하였다. 또한 각각의 도장계별 노화면적과 촉진배율을 고려한 도막의 사용수명을 예측 하였다. 또한 본 연구에서의 도장계별 사용수명 예측결과는 한국도로공사의 연구보고서의 열악한 환경에서 도장계별 예측 수명과 유사하게 나타났다.

대상 데이터

2000년대 건설된 강교량은 주로 내후성 중방식 도장계를 적용하였으며, 상도의 종류가 다양화되고 건조도막두께 및 하도의 종류에 따라 분류가 된다. 본 연구에서 신설용 도장계의 상도는 우레탄계, 세라믹계, 폴리실록산계 및 불소수지계를 대상으로 하였으며, 하도는 무기징크를 도포하였다. Table.
실내 부식촉진실험에는 혹독한 부식환경 하에서 도장계의 내후성능 평가에 널리 사용되고 있는 ISO 20340을 사용하였다. 혹독한 대기부식환경을 모사한 부식촉진실험법은 Fig.

성능/효과

3 같이 시간경과에 따른 도막 외관을 비교하였다. 상도 및 하도의 종류와 특성에 관계없이 초기결함을 도입한 부위에서만 도막열화가 진행되었으며, 초기결함을 도입하지 않은 건전부에서는 발청, 부풀음 등의 열화현상은 관찰되지 않았다. 동일한 부식환경에서 무기징크 하도인 경우(UZ-B, CZ-B, PZ-B, FZ-B)에는 상도의 종류에 무관하게 유사한 거동을 나타내었다.
동일 도장계에서 초기결함 면적 크기에 따라 노화속도는 다르게 나타났으며, 초기결함 면적 크기가 클수록 시간경과에 따른 노화속도는 점점 증가하였다. 또한 상대적으로 초기 결함 크기가 작은 0.
열도장계별 노화시험 결과 초기결함의 크기 및 녹 발생면적(양극 영역)에 따라 부식속도가 다르게 나타났으며, 일정시간 이후 결함의 크기 및 녹 발생면적이 급격하게 증가하였다. 본 연구 에서는 결함 크기별 부식속도를 고려하여 노화예측 곡선을 산출하였다.
또한 식(1)을 이용하여 각 도장계별 시간경과에 따른 노화곡선을 산출하였다. 각 도장계별 부식촉진 사이클과 노화면적과의 상관계수는 0.95 이상으로 높게 나타났으며, 약 20 사이클이 이후 노화면적이 급격하게 증가하는 것으로 나타났다.
도시, 전원지역, 산간지역, 산업지대에서의 부식성 등급은 C3 또는 C2로 평가 되었다. 하지만 동일한 부식성 등급에서의 부식속도는 상이하였으며, 부식속도는 해양환경, 산업지대, 도시, 산간지역, 전원지역 순으로 감소하였다.
따라서 원자간 결합 에너지의 약한 부분이 분리되고, 열에너지로 변환되어 화학 변화를 촉진한 것으로 판단된다. 세라믹수지는 내후성, 방청성, 내구성 등의 여러 기능면에서 장점을 가지며, 다른 도료에 비하여 연성능력이 떨어져 외부에 의한 충격에 약한 단점을 가지고 있지만 실내부식환경에서 가장 긴 내구수명을 나타내었다. 그리고 하도 및 중도가 동일하며, 상도만 다른 종류의 도장계를 적용한 경우의 사용수명은 불소수지, 폴리실록산수지, 우레탄수지, 세라믹수지 순으로 증가하였다.
세라믹수지는 내후성, 방청성, 내구성 등의 여러 기능면에서 장점을 가지며, 다른 도료에 비하여 연성능력이 떨어져 외부에 의한 충격에 약한 단점을 가지고 있지만 실내부식환경에서 가장 긴 내구수명을 나타내었다. 그리고 하도 및 중도가 동일하며, 상도만 다른 종류의 도장계를 적용한 경우의 사용수명은 불소수지, 폴리실록산수지, 우레탄수지, 세라믹수지 순으로 증가하였다. 하지만 본 연구에서 평가된 도장계의 사용수명은 초기결함이 도입한 후 도장계의 수명을 평가함에 따라 실제 열화환경에서 나타날 수 있는 도장계의 사용수명과는 차이가 발생할 수 있으므로 본 연구에서 평가된 도장계의 사용수명 분석을 통하여 환경에 따른 상대적인 도장계의 사용수명 수준 등을 판단하는 자료로 활용하는 것이 합리적일 수 있을 것이다.
(1) 도막 외관의 비교결과, 상도 및 하도의 종류와 특성에 관계없이 초기결함을 도입한 부위에서만 도막열화가 진행되었으며, 초기결함을 도입하지 않은 건전부에서는 발청, 부풀음 등의 열화현상은 관찰되지 않았다.
(2) 동일 도장계에서 초기결함 면적 크기에 따라 노화속도는 다르게 나타났으며, 초기결함 면적 크기가 클수록 시간경과에 따른 노화속도는 점점 증가하였다. 또한 상대적으로 초기결함 크기가 작은 0.

후속연구

그리고 하도 및 중도가 동일하며, 상도만 다른 종류의 도장계를 적용한 경우의 사용수명은 불소수지, 폴리실록산수지, 우레탄수지, 세라믹수지 순으로 증가하였다. 하지만 본 연구에서 평가된 도장계의 사용수명은 초기결함이 도입한 후 도장계의 수명을 평가함에 따라 실제 열화환경에서 나타날 수 있는 도장계의 사용수명과는 차이가 발생할 수 있으므로 본 연구에서 평가된 도장계의 사용수명 분석을 통하여 환경에 따른 상대적인 도장계의 사용수명 수준 등을 판단하는 자료로 활용하는 것이 합리적일 수 있을 것이다.
본 연구에서 이용된 복합부식사이클 실험 이외의 실내외 실험을 통한 부식성 등급에 대한 촉진배율 산출 등의 데이터 축척 및 도막 노화모델의 신뢰도 향상 통하여 공용중인 강교량과 강구조물의 보수시기 산정 등을 위한 도장계 선정과 재도장 주기를 결정하기 위한 유지관리의 기초자료로 사용할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	촉진 배율이란?	따라서 본 연구에서는 실제교량 가설지역에서의 부식속도와 부식성 등급과 실내 부식실험을 통하여 산출된 무도장 강재의 부식속도를 이용하여 촉진 배율을 산출하였다. 촉진 배율이란실내 부식실험 조건이 대기의 부식 환경에 비하여 부식속도의 비를 나타내고 있으며, 실내 부식실험의 실험기간을 실제교량 가설지역에서의 노출기간으로 환산가능하다. 또한 실내부식 실험에서도 총 9개의 시험체에 대하여 촉진사이클에 따른 평균부식 두께를 산출하였다.
	강구조물의 부식 손상 원인은?	일반적으로 강구조물은 물리적 외부환경으로부터 시설물을 보호하고 노후화 및 열화방지, 미적기능 향상을 위하여 구조물 표면에 도장을 실시함으로써 발청으로 인한 단면손실 방지와 부재의 구조성능 변화 등을 방지하고 있다. 하지만 대기환경에 노출된 강구조물은 강우, 온도, 습도 등의 기후조건과 비산염분, 동결방지제 등의 환경조건에 의해 부식 손상이 발생한다(Kainuma, 2014). 도장의 경우 강구조물의 사용수명이나 운영수명보다 내구성이 부족하여 도막의 열화에 따른 부식손상이 발생되며 구조물의 운영기간 동안 반복적인 재도장이 실시되어야 한다.
	일본 도료공업회 이외의 도막 소모 기준은?	일본 도료공업회(Japan Paint Manufacturers Association,2013)의 중방식 도료 가이드북에 따르면 극심한 부식환경에 도막의 소모가 발생하기까지의 기간은 없는 것으로 제안하고 있다. 하지만 일본 교량건설협회(Japan Bridge Association Inc., 2006)의 교량기술자를 위한 도장 가이드북에서는 극심한 부식환경에서는 도막의 소모가 발생하는 기간을 각 도장계별로 10~20년으로 제안하고 있다. 도막열화 조사방식에 대한 규정은 ASTM D610, ISO 4628-3, JSS IV03등 다양한 방법이 적용되고 있다.

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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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