[논문]EIS를 활용한 철근 부식에 따른 콘크리트 손상 모니터링

우성엽; 김제경; 이정재; 기성훈

doi:10.5345/jkibc.2022.22.6.651

EIS를 활용한 철근 부식에 따른 콘크리트 손상 모니터링
Monitoring of Concrete Deterioration Caused by Steel Corrosion using Electrochemical Impedance Spectroscopy(EIS) 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.22 no.6, 2022년, pp.651 - 662

우성엽 (Department of ICT Integrated Ocean Smart Cities Engineering, Dong-A University) , 김제경 (National Core Research Center for Disaster-free and Safe Ocean Cities Construction, Dong-A University) , 이정재 (ICT integrated Ocean Smart Cities Engineering, Dong-A University) , 기성훈 (ICT integrated Ocean Smart Cities Engineering, Dong-A University)

초록
AI-Helper

이 연구에서는 전기화학적 임피던스분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 활용하여 콘크리트 속 철근 부식의 개시, 전파 및 이로 인한 콘크리트의 손상을 관찰하기 위한 실험을 수행하였다. 먼저, 직경 25mm, 높이 70mm 원주형 콘크리트 실험체 중심에 지름 5mm의 탄소강봉을 매입한 실험체를 제작하였다. 실험체에 사용된 콘크리트는 물-시멘트 비 0.4, 0.5, 0.6을 갖는 세 가지 배합을 제작하였다. 촉진부식시험을 수행하여 위하여 철근 콘크리트 실험체는 0.5M NaCl 수용액에 침지한 후 0C, 13C, 65C, 130C의 네 가지 수준의 전하량을 인가하였다. 이 연구에서는 부식촉진 및 이 과정에서 EIS의 주기적 모니터링을 자동화하여 실험의 효율을 향상시켰다. 이 연구의 실험 결과를 통하여 EIS 주요 특성인자를 활용하여 콘크리트 속 철근의 부식상태를 효과적으로 평가할 수 있음을 확인하였다. 전하이동저항(R_c)값은 전하인가량이 0C에서 13C로 증가함에 따라 급격히 감소하여 대략 10kΩcm² 값을 나타내었다. 하지만 부식개시 이후 전하인가량을 13C에서 130C로 증가하였을 때 R_c값의 민감도는 현저히 감소하는 것을 확인하였다. 한편 이중층용량값(C_dl)값은 전하인가량이 0C에서 130C로 증가함에 따라 대략 50×10^-6μF/cm² 에서 250×10^-6μF/cm² 수준으로 선형비례관계를 보였다. 이러한 결과는 C_dl 모니터링을 통하여 부식물질에 팽창에 따라 유발된 콘크리트 내부 손상의 진전을 효과적으로 평가할 수 있음을 보여준다. 이 연구의 결과는 EIS를 활용하여 콘크리트 속 철근 부식의 확산 및 이에 따른 콘크리트 손상의 실시간 모니터링을 위한 매입형 센서 및 EIS 신호 분석방법의 고도화를 위한 기본 데이터를 제공하는데 의미가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The electrochemical impedance spectroscopy(EIS) method was used to evaluate the concrete deterioration process related to chloride-induced steel corrosion with various corrosion levels(initiation, rust propagation and acceleration periods). The impressed current technique, with four total current levels of 0C, 13C, 65C and 130C, was used to accelerate steel corrosion in concrete cylinder samples with w/c ratio of 0.4, 0.5, and 0.6, immersed in a 0.5M NaCl solution. A series of EIS measurements was performed to monitor concrete deterioration during the accelerated corrosion test in this study. Some critical parameters of the equivalent circuit were obtained through the EIS analysis. It was observed that the charge transfer resistance(Rc) dropped sharply as the impressed current increased from 0C to 13C, indicating a value of approximately 10kΩcm2. However, the sensitivity of Rc significantly decreased when the impressed current was further increased from 13C to 130C after corrosion of steel had been initiated. Meanwhile, the double-layer capacitance value(Cdl) linearly increased from 50×10-6μF/cm2 to 250×10-6μF/cm2 as the impressed current in creased from 0C to 130C. The results in this study showed that monitoring Cdl is an effective measurement parameter for evaluating the progress of internal concrete damages(de-bonding between steel and concrete, micro-cracks, and surface-breaking cracks) induced by steel corrosion. The findings of this study provide a fundamental basis for developing an embedded sensor and signal interpretation method for monitoring concrete deterioration due to steel corrosion at various corrosion levels.

주제어

표/그림 (13)

그림 Figure 1. Detail of concrete samples and acrylic molds: (a) section views of the concrete sample and (b) plan and section views of the acrylic mold used for fabrication of concrete samples in this study
표 Table 1. Basic chemical properties of steel bar
표 Table 2. Basic mechanical properties of steel bar
표 Table 3. Basic chemical and mechanical properties of cement
표 Table 4. Gradation of fine aggregates
표 Table 5. Basic physical properties of chemical admixture
그림 Figure 2. A Schematic diagram of the test setup for electrochemical measurements in this study
그림 Figure 3. Proposed equivalent circuit for the concrete and reinforcing steel interface
그림 Figure 4. Photographs of sections of concrete samples with various severities of concrete deterioration
그림 Figure 5. (a)~(d) Typical Nyquist plots of test results for concrete specimens immersed in 0.5M NaCl solution after the accelerated corrosion tests with different impressed currents: (a) 0C, (b) 13C, (c) 65C, and (d) 130C
표 Table 6. Fitting parameters used for curve fitting in Figure 5
그림 Figure 6. Variation of charge transfer resistance, Rc, obtained by EIS measurements in this study in the concrete samples
그림 Figure 7. Variation of the double layer capacitance, Cdl, obtained by EIS measurements in this study in the concrete samples

참고문헌 (19)

Kim HS, Cheong HM, Ahn TS. Determination of critical chloride content of ordinary portland cement concrete by linear polarization Technique. Journal of the Korean Ceramic Society. 2007 Sep;44(9):524-8. https://doi.org/10.4191/KCERS.2007.44.9.524？

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Kim JK, Kee SH, Yee JH. Corrosion monitoring of reinforcing bars in cement mortar exposed to seawater immersion-and-dry cycles. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. 2018 Jul;22(4):10-8. https://doi.org/10.11112/jksmi.2018.22.4.010？

원문보기 상세보기
Schiessl P. Corrosion of steel in concrete: report of the technical committee 60 CSC, RILEM. New York: Chapman and Hall; 1988. 102 p.？
M. Schutze. Corrosion and environmental degradation Vol. II, Weinheim: Wiley-VCH Weinheim; 2000. p. 389-436.？
Kim YS, Lim HK, Kim JJ, Hwang WS, Park YS. Corrosion cost and corrosion map of Korea- Based on the data from 2005 to 2010. Corrosion Science and Technology. 2011 Apr;10(2):52-9.？

원문보기 상세보기
Korea Institute For Structural Maintenance Inspection. Development of Non-Destructive/Real-time Monitoring System on the Corrosion of reinforcing Bar for Durability and Maintenance of Reinforced Concrete Structures. Sejong (Korea): Korea Ministry of Construction and Transportation; 2004. 204 p. Report No.: TRKO200400000932.？
Montemor MF, Simoes AMP, Salta MM. Effect of fly ash on concrete reinforcement corrosion studies by EIS. Cement and Concrete Composites. 2000 Jun;22(3):175-85. https://doi.org/10.1016/S0958-9465(00)00003-2？

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Nishikata A, Zhu Q, Tada E. Long-term monitoring of atmospheric corrosion at weathering steel bridges by an electrochemical impedance method. Corrosion Science. 2014 Oct;87:80-8. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2014.06.007？

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Montemor MF, Simoes AMP, Ferreira MGS. Chloride-induced corrosion on reinforcing steel: from the fundamentals to the monitoring techniques. Cement and Concrete Composites. 2003 May-Jul;25(4-5):491-502. https://doi.org/10.1016/S0958-9465(02)00089-6？

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Qiao G, Ou J. Corrosion monitoring of reinforcing steel in cement mortar by EIS and ENA. Electrochimica Acta. 2007 Nov;52(28):8008-19. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.06.070？

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Sanchez M, Gregori J, Alonso C, Garc'ia-Jareno JJ, Takenouti H, Vicente F. Electrochemical impedance spectroscopy for studying passive layers on steel rebars immersed in alkaline solutions simulating concrete pores. Electrochmica Acta. 2007 Oct;52(27):7634-41. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.02.012？

상세보기
Wei J, Fu XX, Dong JH, Ke W. Corrosion evolution of reinforcing steel in concrete under dry/wet cyclic conditions contaminated with chloride. Journal of Material Science and Technology. 2012 Oct;28(10):905-12. https://doi.org/10.1016/S1005-0302(12)60149-2？

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Xiong C, Jiang L, Zhang Y, Chu H, Jiang P. Characterization of sulfate diffusion into cement paste by low frequency impedance spectroscopy. Materials Letters. 2016 Jul;174:234-7. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.03.131？

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Ribeiro DV and Abrantes JCC. Application of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to monitor the corrosion of reinforced cncrete: A new approach. Construction and Building Materials. 2016 May;111:98-104. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.02.047？

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Zheng H, Poon CS, Li W. Mechanical study on initial passivation and surface chemistry of steel bars in nano-silica cement pastes. Cement and Concrete Composites. 2020 Sep;112:103661. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2020.103661？

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Park JH and Lee HS. An experimental study of the corrosion behavior evaluation of rebar in concrete by using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) method. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenace and Inspection. 2017 Jan;21(1):83-90. https://doi.org/10.11112/jksmi.2017.21.1.083？

원문보기 상세보기
Japan Society of Civil Engineers. Standard Specifications for Concrete Structures-2007. Tokyo (Japan): Japan Society of Civil Engineers; 2010 Dec. 309 p. Report No.: 160-0004.？
ASTM C876-15 Standard test method for half-cell potentials of uncoated reinforcing steel in concrete. PA (USA): ASTM International; 2015？
Kim JK, Kee SH, Futalan CM, Yee JJ. Corrosion monitoring of reinforced steel embedded in cement mortar under wet-and-dry cycles by electrochemical impedance spectroscopy. Sensors. 2020 Dec;20(1):199-212. https://doi.org/10.3390/s20010199

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저자의 다른 논문 :

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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