2.1. 실험재료

본 실험에서 사용한 시멘트는 국내 H사에서 제조한 보통 포틀랜드시멘트로서 그 물리적 성질은 Table 1과 같다. 잔골 재는 충남 공주 강모래, 굵은골재는 최대치수 20mm의 쇄석 골재이고 표면건조상태로 사용하였다. 이들의 물리적 성질은 Table 2와 3과 같다.

2.2. 실험방법

2.2.1. 부식촉진시험

부식촉진시험은 양극 철근, 음극 티타늄메쉬를 이용하여 갈바닉 부식을 유도하였으며 실험모식도는 Fig. 1과 같다. 갈바닉 부식의 영향을 최소화하기 위해 티타늄메쉬와 철근 의 면적비율을 2:1로 설정하였다. 부식촉진시험의 실험변수 는 Table 4와 같다. 농도는 인공해수농도 (KS F 2599-2), 2 배 인공해수농도, 4M NaCl을 제작하여 침지시켰다. 상온 (20±2°C)의 온도는 써머커플 (Thermocouple)을 데이터로거 에 연결해 실험실온도를 측정하여 유지해주었으며, 고온의 환경은 항온⋅항습기를 이용하여 고온 (65±2°C)을 유지하여 부식촉진시험을 실시하였다. 단기간 내에 철근부식 발생을 위해 W/C비를 높게 설정하였으며, 실험에 사용된 배합은 Table 5와 같다.

Table 4.

Experimental argument

Temperature [°C]	Case	Artificial seawater [g/L]
		NaCl	MgCl2∙6H2O	Na2SO4	CaCl2	KCl
Lab. temp. (20±2°C)	Artificial seawater	24.5	11.1	4.1	1.2	0.7
	Twice artificial seawater	49	22.2	8.2	2.4	1.4
	4M NaCl	233.8	×	×	×	×
High temp. (65±2°C)	Artificial seawater	24.5	11.1	4.1	1.2	0.7
	Twice artificial seawater	49	22.2	8.2	2.4	1.4
	4M NaCl	233.8	×	×	×	×

Table 5.

Mix proportion of concrete

Mix	W/C [%]	Unit weight (kg/m3)
		Water	Cement	Sand	Gravel
OPC 60	60	165	275	840	975

Fig 1.

Experimental set-up for external chloride concrete

시험체는 100×100×100mm 정사각형으로 몰드를 사용하였 으며 피복두께는 10mm로 제작하였다. 철근은 원형철근 지 름 9mm를 사용하였으며 철근의 이미 존재하는 녹 및 이물 질 등을 제거하기 위해 연마지를 이용하여 표면처리 하였다. 철근과 전선의 연결부위 및 노출예상 범위는 모두 에폭시로 코팅하였다. 재령 6일까지 수중 양생한 후 시편 6면 중 5면 을 에폭시로 코팅하여 에폭시 코팅 24시간 경과 후 (재령 7 일)부터 인공해수에 침지시켜 일방향 염화물 침투를 유도하 였다. 인공해수 침지조건에 따른 부식촉진시험은 Fig. 2와 같다. 철근부식모니터링은 갈바닉 전위측정법과 반전지전위 법을 이용하였으며 시편을 파괴하여 육안으로 부식을 확인 하였다.

Fig 2.

Artificial seawater immersion

2.2.2 염화물침투해석 및 실험

DuCOM (Durability of COncrete Model)은 염화물 침투 단계이전에 콘크리트의 초기 재령에서 발생하는 수화모델과 공극구조형성 모델을 반영한다 (^{Kishi and Maekawa, 1997}). 또한, 염화물침투 모델에 있어 염화물 확산이동과 압축침투 를 동시에 고려하는 특징을 가지고 있다. DuCOM은 온도⋅습도와 같은 환경조건과 콘크리트의 재료적 성질을 고려해 주기 때문에 인공해수 침지조건에 변수를 적용하여 염화물 의 거동을 확인하였다. 해석결과를 검증하기 위해 염화물 함 유량 실험을 실시하였다. 인공해수 168일 침지시킨 시편을 전위차 적정법을 이용하여 수용성 염화물량을 측정하였다.

Fig 3.

DuCOM-LE modeling

Fig 4.

Dissolved oxygen content test

Fig 5.

Steel corrosion monitoring

3.1. 철근부식모니터링 결과 비교

부식촉진시험의 철근부식모니터링은 갈바닉 전위측정법과 반전지전위법을 이용해 매일 동일한 시간에 측정하였다. 갈바 닉 전위측정법의 부식개시 판단기준은 전위밀도 상승구간이며 이때 부식이 발생했다고 판단한다 (^{Gowripalan and Mohamed, 1998}). 반전지전위법의 부식개시 판단기준은 염화은 전극을 사용하였을 때 전위가 -250mV 이하가 되면 90% 이상의 부 식발생 가능성을 보인다고 판단한다. 갈바닉 전위측정법과 반전지전위법 비교하여 분석한 결과 Fig. 6, 7과 같다.

Fig 6.

Result of accelerated corrosion test (lab. temperature)

Fig 7.

Result of accelerated corrosion test (High. temperature)

갈바닉 전위측정법의 실험결과 상온에서 전위밀도 상승구 간이 나타나지 않았다. 이것은 전위상태가 안정되어 부식이 발생하지 않았다는 것을 의미한다. 반전지전위법은 인공해수 침지 순간부터 -250mV 이하의 값을 가지며 부식이 발생할 가능성이 높다고 판단되었다. 이는 초기 재령에 대한 콘크리 트 내부구조가 밀실하지 못하고 공극구조가 포화상태이며 산소가 부족한 환경이기 때문에 불안정한 전위값을 가진다 고 예상할 수 있다.

고온에서 갈바닉 전위측정법은 전위밀도 상승구간이 뚜렷 하게 나타난다. 이는 부식이 발생했다는 것을 의미한다. 반 전지전위법은 상온에서와 마찬가지로 -250mV 이하의 값을 가진다. 그러나 반전지전위법은 갈바닉 전위측정법의 전위상 승 밀도구간을 비교해보면 비슷한 시점에서 부식전위가 상 승된다. 철근부식모니터링의 값을 검증하기 위해 시편을 파 괴해서 육안으로 부식을 확인하였다. 갈바닉 전위측정법, 반 전지전위법, 육안으로 부식 확인한 각각의 결과는 Table 6과 같다.

3.2. 염화물침투해석 및 실험결과 비교

DuCOM-LE는 배합조건이 반영되기 때문에 부식촉진시험 에 실시한 배합과 동일하게 해석하였다. 또 초기조건은 20°C, 1000Pa로 설정하였으며 염화물침투거동에 대한 해석조건은 Table 7과 같다. 염화물해석결과와 전위차 적정법을 이용해 수용성 염화물량 실험결과를 비교하였다.

전체적으로 해석결과와 실험결과는 비슷한 경향을 보이나 4M NaCl에서는 차이를 보였다. 이는 실제 염화물침투거동 과 해석적 침투거동이 염화물농도가 높아질수록 차이를 보 이는 것으로 판단된다. 피복두께 10mm에서의 염화물량은 상온과 고온에서의 차이가 뚜렷하게 나타나지 않는다. 그러 나 온도가 주는 영향으로 해석적 결과에서는 침투깊이가 깊 게 나타났다. 이는 염화물 확산이 빠르게 진행되었다는 것을 보여주는 결과이다.

3.3. 용존산소량

일반적으로 콘크리트 내의 산소확산은 기체산소의 경우 확산계수가 10^-7~10^-8m²/s의 값을 가진다. 용존산소의 확산계 수의 경우 전기화학적인방법을 사용하여 콘크리트 내부의 용존산소의 확산계수를 측정한 결과 10^-9~10^-10m²/s으로 기체 산소의 확산계수보다 약 1/100정도로 상당히 작다고 연구 된 바 있다 (^{GjØrv, 1979}). 실험에 측정된 데이터를 이용해 용 존산소량은 식 (1)을 통해 계산하였으며 실험결과는 Table 8 과 같다.

여기서, a는 티오황산나트륨의 적정가 (mL), f 는 티오황 산나트륨의 역가, V₁ 는 시료량 (mL), V₂는 적정량에 사용 된 시료량 (mL), R 는 황산망간과 요오드화칼륨 용액의 주 입량 (mL)이다.

Fig 8.

A comparison between analysis and experiment result

3.4. 실험결과 분석

인공해수의 침지시켜 부식촉진시험 실시한 결과 같은 농 도 조건임에도 상온에서는 부식이 발생하지 않았으며 고온 에서는 부식이 발생하였다. 온도가 상승됨에 따라 철근의 산 화환원반응을 촉진시켜 상온보다 고온에서 부식이 빨리 발 생되었다고 판단된다. 그러나 농도에 대한 영향은 포화된 4M NaCl보다 2배 인공해수농도에서 부식이 더 빨리 발생되 었다. 염화물농도가 높아질수록 오히려 용존산소량이 작아져 부식속도가 감소되어진 걸로 판단된다.

철근부식 모니터링은 갈바닉 전위측정법과 반전지전위법 모두 전위밀도 상승구간이 비슷한 경향을 보였다. 반전지전위 법의 부식판단기준은 염화은 전극을 사용하였을 때 -250mV 이하 전위 값을 가지면 부식발생을 판단하는 방법이나 해수 중 환경과 같이 콘크리트 내부가 포화된 상태이며 산소가 부 족한 환경에서는 꾸준한 모니터링을 통한 전위밀도 상승구 간을 확인하는 것이 보다 정확한 부식판단기준이라 판단된 다. 염화물침투거동은 일반적으로 온도의 대한 영향이 크다. 염화물침해석결과 이미 부식을 유발할 수 있는 염화물량이 나 상온에서는 부식이 발생하지 않았다. 이것은 산소가 철근 까지 도달하지 않았으며 다른 복합적인 요인에 의해 부식이 발생하지 않았다고 판단되어진다. 용존산소량의 실험결과 예 상한 것과 같이 온도가 높고 염화물 농도가 높을수록 산소량 이 적은 결과를 보였다. 용존산소량이 적어지게 되면 산화환 원반응에서 반응 할 수 있는 산소가 줄어들기 때문에 부식속 도가 감소하게 된다. 그러나 실험결과는 용존산소량이 가장 적은 고온에서 부식이 발생하였으며 인공해수에서는 부식을 촉진시키는 요인에 있어 온도의 영향이 가장 지배적이라는 사실을 확인 할 수 있다.

CEB-FIP에서 제안하고 있는 DuraCrete 기법의 내구성 설 계과정에서 부식율은 식 (2)와 같다. 부식율의 영향을 미치 는 것은 콘크리트의 환경과 여러 매개변수가 관련되어 있다.

여기서, V^d 는 부식율 (μm/year), m_o는 부식율에 대한 비 저항 (μm∙Ωm/year), F cl c 는 염화물부식속도계수, α^c는 공 식 (Pitting)계수, 부식속도에 대한 부분계수 (γ_ρ)이다. 이러 한 조건 중 환경적인 요인과 콘크리트 품질이 동일하다면 온 도영향에 대한 부식율은 식 (3)과 같이 표현 할 수 있다.

여기서, C 는 상수, k c T , res 는 온도계수이다. 이 식을 통해 상온과 고온의 부식율을 계산해 본 결과 부식율은 약 3.92배 의 차이가 난다. 부식율의 차이만큼 부식촉진실험결과 상온 에서 부식이 발생하지 않았으며 정략적 평가를 위해서는 부 식촉진시험의 결과와 부식율의 비교를 통해 가능하다.