철근콘크리트 부재의 부식 저항성과 부식 상태에 관한 평가

[카리]

콘크리트 부재가 해양 환경에 노출될 경우, 염화물에 의한 철근의 부식이 발생하며, 철근의 부식 상태는 시간에 따라 변하게 된다. 시간에 따른 매립 철근의 부식 진행 과정은 부동태 단계, 진전 단계, 최종단계와 같이 세 단계로 구분된다. 많은 연구자들은 부동태가 파괴되는 부식 개시시기와 관련된 피복콘크리트의 부식 저항성과 부식 개시 후 부식 발생에 따른 거동에 많은 관심을 가져왔다.
부동태 단계, 즉 부식 개시 전까지의 부식 저항성은 염화물 이온의 침투율에 영향을 받는다. 염화물 이온의 침투율은 확산계수로써 나타내지며, 재료특성, 노출조건, 균열 등과 같은 다양한 요인에 영향을 받는다. 따라서, 많은 연구들이 콘크리트의 염화물 침투 저항성에 대하여 진행되어왔으나, 이러한 연구들은 물-시멘트비, 광물질 혼화재, 시멘트량과 같은 내적인 요인들에 의한 평가가 대부분이었다. 반면에, 콘크리트의 노출 및 표면상태, 균열과 같은 외적인 요인들에 대한 평가는 아직 미비한 실정이다. 또한, 기존 연구들의 대부분은 염화물의 침투를 묘사하기 위하여 침지 및 전기적 촉진 시험법들이 사용되어왔다. 이 시험법을 통하여 염화물 침투깊이를 측정하기 위해서는 질산은 변색법이 사용된다. 그러나, 질산은 변색법에 대한 반응 원리 및 적용범위, 변색구간의 농도 등이 충분히 규명되지 않은채 사용되고 있다.
반면에, 부식 진전 단계에 구조물의 거동은 매립철근의 부식 상태에 영향을 받는다. 매립철근의 부식에 따른 RC부재의 부착특성 및 부재의 거동에 대한 많은 연구가 추진되고 있으며, 그 특성을 정량화하기 위한 검토가 지속적으로 진행되고 있다. 그러나 이러한 철근부식은 부식의 특성상 많은 시간을 요구하며 환경에 의한 영향이 매우 크므로 그 특성을 정립하는 것은 쉽지 않다. 이를 해결하기 위해 최근에는 미리 부식시킨 철근사용에 따른 특성분석, 촉진부식 그리고 가혹한 환경조성 등에 의한 평가 등이 개별적으로 이루어지고 있는 실정이다. 그러나 이런 실험은 실질적인 구조물의 거동을 나타내는 것이 아니며 실제거동을 잘못 인식할 수 있는 가능성을 배제할 수 없다. 그런데 아직까지 각 부식방법에 따른 거동평가와 실제 자연환경 조건에 의한 부식을 비교 검토한 경우는 거의 미비한 실정이다.
그러므로, 본 연구에서는 해양 환경에 노출된 철근 콘크리트 부재의 부식 과정에 따른 부식 저항성 및 부식상태에 대하여 평가하였다.
먼저, 부식 개시 전까지의 부식 저항성에 대해서는 질산은 변색법과 재료조건, 균열이 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. 질산은 변색법의 결과에 따르면, 질산은 변색법은 두 가지 침전반응으로 구성되며, 수산화 이온이 변색법에 영향을 미쳤다. 변색법을 통하여 확산계수를 측정한 경우, 농도 프로파일에 의해 측정한 확산계수보다 더 적게 나타났다, 이 결과 중 주목할 점은 변색구간의 농도가1.08kg/m3으로 나타났는데, 이 값은 임계 염화물량 값과 유사한 수준인 것으로 판단된다. 또한, 질산은 변색법은 탄산화의 영향을 받기 때문에, 콘크리트 구조물이 염해와 탄산화를 동시에 받을 경우 탄산화 깊이의 측정이 선행되어야 한다. 또한, 다양한 재료 조건에 따른 부식저항성을 살펴본 결과는 다음과 같은데, 낮은 물-시멘트비 사용과 광물질 혼화재의 혼입, 충분한 양생은 염화물 침투 저항성을 향상시키는 것으로 나타났다. 위와 같은 결과는 이러한 조건의 콘크리트 내부 공극이 수밀해지기 때문인것으로 판단된다. 이러한 결과 값을 회귀분석하여 양생재령, 물-시멘트비, 염화물 구속능력에 따른 확산계수 모델식을 제안하였다. 도포식 코팅재를 적용한 경우에서는 폴리머 계열을 적용한 경우 가장 우수한 성능을 보였으며, 함침식 코팅재는 유/무기계를 혼입한 경우가 염화물 침투 저항성이 뛰어났다. 균열이 존재할 경우에 대하여 염화물 확산 성능을 살펴보았는데, 균열폭이 증가함에 따라 선형적으로 확산계수가 증가하였으며, 임계 균열폭은 15~40 μm로 나타났다.
다음으로, 부식 개시 이후 부식에 따른 부식 거동 및 부식 상태를 평가하기 위해서 두 가지 방법으로 매립 철근을 부식시켰는데, 그 방법 중 첫 번째는 매립된 철근을 일정 농도의 염화물 용액에 침지시켜, 전극과 전기장치를 이용하여 인위적으로 부식시키는 방법이다. 두 번째는, 염화물을 시험체의 배합에 혼입하여 자연적인 부식을 발생시켰다. 결과에 따르면, 타설 후 인위적으로 부식시킨 경우, 1% 부식율까지 부착 강성이 증가하였으며, 최대 부착하중은 2% 부식율까지 증가하였다. 그러나, 이 시험법의 경우 부식율이 약 2%를 초과할 경우 팽창압에 의한 균열이 관찰되었으며, 부착능력이 감소함을 보였다. 반면에, 염화물을 혼입하여 자연적으로 부식시킨 경우에 있어서는 실제 부식율이 0%에 가까운 수준에서도 시험체가 부식 면적율이 증가함 따라 취성적인 경향을 보였으며, 부착강도가 감소하였다. 이러한 경향은 특히 부식 면적율 50%이상에서 파악되었으며, 부식 면적율은 부착강도보다는 슬립에 오히려 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 또한, 분극저항법과 자연전위법과 같은 비파괴적인 방법을 통하여 부식상태를 파악한 결과와 실제 부식 면적율과의 상관관계를 파악해보았다. 상관관계를 분석하여 두 가지 비파괴 방법에 대한 부식 면적율 평가 기준을 마련하였다.

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