2.1. 시편 제원 및 배합

HCP 및 촉진 부식실험을 위하여 W/C를 3가지 수준 (0.35, 0.55, 0.70)으로 고려하였다. 일반 시멘트와 표준사를 1 : 3으 로 배합하여 시멘트 모르타르 시편을 75 mm × 75 mm × 200 mm 로 제작하였으며, 피복두께를 4가지 수준(20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm)을 달리하여, 강선 5.0 mm을 삽입하였다. 각 경우에 대한 시편은 2개를 제조하였으며, 피복 두께에서의 HCP 측정 위치는 철근 길이방향으로 3등분하여 측정을 수행하였다. Fig. 1에서는 시편의 제조 과정 및 시편 제원을 나타내고 있다.

Fig. 1

Photos for specimen preparation and geometry

2.2. 촉진 부식실험 및 중량 측정

일반적인 자연전위를 이용해서 철근 부식량을 평가하기 위 해서는 장기간의 폭로시험이 필요하다. 본 실험에서는 ICM (Impressed Current Method)을 고하여, 촉진부식실험을 수행 하였다. 생성되는 부식성상은 철과 구리의 이온 교환을 통하 여 발생하므로 일반 산화철의 부식과 다르지만, 부식량을 빠 르게 생성시키므로 다양한 연구에서 사용되고 있다(^{Baek et al, 2012}; ^{Kwon and Park, 2012}; ^{Sakurada et al, 2008}). 또한 전 하교류에 의하여 발생하는 통과된 전류의 누계에 비례하게 되는데, 식 (1)을 따른다고 알려져 있다 (^{Sakurada et al, 2008}).

여기서, M은 부식량(mol ), z는 철의 이온수(=2), F는 Faraday의 수(=96,500), q는 전류(A), t는 측정시간 (sec), c는 실험상수이다.

ICM을 적용하기 위하여 아크릴 수조탱크를 제작하고 양극 을 시험체의 철근에 접지하였으며, 3.5%의 염화물 수용액에 구리판을 음극에 접지한 채로 침지시켰다. 수용액은 철근에 직접 닿지 않도록 피복두께보다 낮은 수위를 유지시키면서 20V의 전압을 인가하였다. 다른 부식량을 유도하기 위해, 6시 간, 18시간, 42시간을 각각 유도하여 시간에 따라 증가하는 부 식량을 평가하였다. HCP를 정한 뒤, 시편을 파쇄하여 내부철 근의 중량을 부식전의 중량과 비교하여 부식량을 평가하였 다. 부식량의 제거를 위해서 구연산 용액(Citric acid)에 침지 하여 부식된 부위의 녹을 제거하였다. Fig. 2에서는 ICM의 실 험사진을 나타내었으며 Fig. 3에서는 부식제거과정을 나타내 고 있다.

Fig. 2

Test setup for accelerated corrosion referred to ICM

Fig. 3

Photos for rust removal process

2.3. HCP 측정

반전위 측정을 위해 각각 소요된 전압유도기간을 끝낸 뒤 , 염화물 수용액에 포화된 피복두께에 대하여 철근 길이방향으 로 3회 HCP을 를 측정하였다. 부식이 발생되기 이전의 기준 값을 알기위해, 건조 및 습윤상태에서 부식 유도전에 HCP를 측정하였으며, 부식을 유도시킨 이후 습윤상태에서 HCP을 측정하였다. Fig. 4에서는 HCP 측정사진을 나타내고 있으며 Table 1에서는 ASTM C 876-09에서 제시하고 있는 HCP과 부 식가능성의 비교를 나타내고 있다.

Fig. 4

Photos for HCP measurement

3.1. 습윤상태에서의 반전위 값의 변화

시편을 제작하고 건조상태에서 측정한 HCP의 결과는 Table 2에 나타내었으며, 습윤상태 시의 HCP의 변화는 Table 3에 나타내었다. 건조상태에서는 36∼127 mV 수준으로 반전 위가 평가되었으므로 부식을 우려할 환경은 아니었으나 Table 3의 습윤상태에서 HCP 측정값이 크게 증가함을 알 수 있다. 이는 수분의 포화에 따른 전하의 이동이 지배적이라고 할 수 있다.

Fig. 5에서는 건조와 습윤상태에 따른 HCP의 변화를 나타 내고 있으며, Fig. 6에서는 W/C 및 촉진 부식기간의 증가에 따 른 HCP의 변화를 나타내고 있다.

Fig. 5

Measured HCP with different exposure conditions

Fig. 6

Measured HCP with different corrosion periods and W/C ratios

동일한 환경에서 수분이 포화됨에 따라 평균 HCP는 81.3 mV 에서 312.2 mV로 증가하였다. 물-시멘트비의 감소와 피복두 께의 증가에 따라 반전위는 감소하게 되는데, 이는 콘크리트 내의 통과 전류량이 감소하기 때문이다. 수분의 포화상태에 의한 HCP 영향은 피복두께나 물-시멘트비의 영향보다 훨씬 지배적이다. 또한 피복두께가 증가할 수록 HCP은 감소해야 하는데, 예상밖으로 큰 저하는 평가되지 않았다. 이는 촉진 기 간이 너무 짧았으며, 피복두께의 영향보다는 수분의 포화가 지배적인 영향을 보였기 때문이다. 또한 단부에 부식이 일부 집중되어 측정된 HCP의 변동성에 영향을 미친 것으로 판단 된다.

3.2. 피복두께, 물-시멘트비, 부식촉진기간에 따른 부식량 변화

본 절에서는 서로 다른 피복두께와 W/C를 가진 시멘트 모 르타르 시편에 대하여 촉진 부식기간에 따라 부식량을 평가 하도록 한다. Table 4에서는 배합조건, 피복두께, 촉진기간에 따른 부식량을 정리하였다. 실험상의 오차는 있었으나 전반 적으로 W/C의 증가 및 피복두께의 감소에 따라 부식량이 증 가하였지만, 인공 해수 침지후의 전압인가시간이 가장 지배 적인 인자로 평가되었다. Fig. 7에서는 촉진부식기간의 증가 에 따른 배합별 부식량의 변화를 나타내고 있다. 최종 42시간 의 촉진부식실험에 대하여 피복두께가 20 mm에서 50 mm로 증가할 때 부식량은 6.54 g에서 3.22 g으로 (W/C 0.35), 6.61 g 에서 4.41 g으로 (W/C 0.55), 8.19 g에서 5.8 g으로 (W/C 0.70) 각각 감소하였다. 피복두께가 증가함에 따라 부식 감소율은 W/C가 높을수록 크게 평가되었는데, 이는 콘크리트 품질이 좋지 않더라도 피복두께가 증가하면 부식량이 현저하게 감소 하기 때문이다. 부식증가율은 W/C 0.35에서는 49.2%, W/C 0.55에서는 66.7%, 그리고 W/C 0.70에서는 70.8%로 평가되 었다.

Fig. 7

Variation of corrosion with extension of corrosion period

3.3. 반전위 및 부식량의 상관성 분석

3.1 및 3.2절의 실험결과인 W/C, 피복두께, 측정된 HCP을 변수로 하여 철근 부식량에 따른 다중회귀분석을 수행하였 다. 다중회귀분석 결과는 Fig. 8에 나타냈는데, 결정계수는 0.67로 평가되었다. 식 (2)는 다중회귀분석 결과식을 나타낸다.

Fig. 8

Multi-regression analysis for entire corrosion and HCP

여기서, C는 부식량(g)을, C_de는 피복두께를(mm), HCP는 측정된 반전위(mV)를 나타낸다.

HCP 측정 오차와 부식량의 변동성으로 인해 결정계수가 0.8이하로 평가되어 명확한 상관성을 도출하기가 어려웠다. 철근 부식량과 HCP의 상관성을 높이기 위하여, 각각의 부식 수준을 고려하여 분류하면 Fig. 9과 같이 나타낼 수 있으며, 각 각의 다중회귀분석 결과식은 식 (3)∼식 (5)과 같이 도출되었다.(4)

Fig. 9

Multi-regression analysis for corrosion amount and HCP with different acceleration periods

부식량이 비교적 낮은 경우인 6시간 촉진의 경우 결정계수 의 값이 0.762로 낮은 수준이었으나, 부식량이 증가함에 따라 0.90 이상의 높은 결정계수가 평가되었다. 부식량이 증가하면 단면감소에 따른 철근의 비저항이 증가하고 이로 인해 부식 전위가 증가하게 되므로 실내조건과 같이 제한적인 경우에서 는 HCP를 이용하여 부식 정도를 평가할 수 있다고 판단된다.