1. 서 론

콘크리트 구조물은 압축응력에 강하지만 인장응력에 취약 하므로 인장영역에서는 철근과 같은 보강재를 사용한 것이 매우 효과적이다. PS(Prestressed Concrete) 콘크리트 구조는 전단면적일 유효하게 압축단면으로 사용할 수 있으며, 자중 을 경감시키고 고강도 콘크리트를 사용하므로 일반적인 대형 교량에 많이 사용되고 있다. 콘크리트 인장부의 인장력을 상 쇄시키기 위해 고강도 텐던이 사용되고 있으며, 보통 60∼ 65%수준의 높은 인장응력을 항상 받고 있다(Yoon, 2013; Nation Standard of Cnada, 2000). 이러한 텐던은 보통 쉬스 안 에 존치되며 그라우트를 주입하여 부식을 제어하고 콘크리트 와의 일체성을 확보하게 되는데, 그라우트 주입이 불량하거 나 쉬스 내부의 공기를 제어하지 못할 경우, 산소의 유입이 활 성화되고 이로 인해 부식이 발생하게 된다(Yoon, 2013; Nation Standard of Cnada, 2000). 특히 높은 인장응력에 노출되어 있 는 텐던의 경우 인장하중 변화에 따라 부식속도가 증가하게 된다. 이는 동일한 매질이라 하더라도 응력이 높은 경우 매질 이 느슨하게 되며 같은 조건에서 전하의 이동이 빨라지므로 부식속도가 증가하는 것이다.

국내외의 많은 연구에서 이미 텐던 부식으로 인하여 많은 문제점들이 보고되고 있으며, 이러한 문제점은 교량의 대대 적인 보수 및 보강으로 이어지고 있다(^{Halsall et al., 1996}; woodward and williams, 1988). 국내외의 시방서에서도 이러 한 PS 텐던의 부식가능성을 고려하기 위하여 콘크리트 사용 시 혼입 염화물량을 일반 철근보다 낮게 권고하고 있다(^{JSCE Guidelines for Concrete, 2007}; ^{ACI 318-11, 2011}; ^{ISO 15630-3, 2010}). 부식이 발생한 텐던은 PS 거더의 경우 내력저하 뿐 아 니라, 사용 중에 발생하는 균열특성이 바뀌게 되고 사용성의 저하를 야기한다(Yoon, 2013; ^{Kim et al., 2007}). 최근 들어 콘 크리트에 매립된 텐던의 부식발생을 레이다 기법(^{Shuxian et al., 2017}), AE(Acoustic Emission)(Youn et al., 2005(a); 2006(b)), 적외선 화상평가(IR thermography)와 같은 비파괴 기법으로 감지 및 평가하려는 시도가 지속적으로 수행되고 있다(^{Clemena et al., 1978}; ^{Kwon and Park, 2012}). 일반 철근을 사용한 부재 에 대해서는 자연전위를 이용하여 프리스트레싱 수준에 따라 부식특성을 수행한 연구는 있으나(^{Fumin et al., 2011}), 부식량 이 매우 작은 수준이어서 최종 파단시의 하중 변화를 확인할 수 없었다.

본 연구에서는 실제로 가장 많이 사용되고 있는 15.3 mm 텐던을 이용하여 특수 제작된 지그에 설치하였다. 이후 일반 조건과 파괴하중의 20 및 40%수준을 가력하였으며, 하중인 가 상태에서 촉진부식실험(ICM: Impressed Current Method) 을 24시간동안 수행하였다.

본 논문에서는 동일한 조건에서 전압을 인가하였으므로 하 중을 가하지 않은 조건과 하중 인가수준에 따른 상대적인 부 식량 및 파괴하중의 비교가 분석된다.

2. ICM(Impressed Current Method)을 이용한 촉진부식실험

해안환경에서 철근 부식은 염화물 이온의 침투, 수분이동, 산소의 확산을 통하여 발생하는데, 수 년 이상의 노출이후 부 식이 발생하게 된다(^{Broomfield, 1997}; ^{RILEM, 1994}; ^{Kwon et al., 2007}). 부식으로 인한 내하력 저하를 평가하기까지의 자연 상태에서의 폭로 실험은 매우 긴 시간을 요구하므로 본 연구에서는 Fig.1과 같이 ICM을 적용하여 촉진부식실험을 수행하였다. ICM을 통한 촉진부식실험방법은 기존연구에서 채택하여 사용되고 있으며, 부식에 의한 재료 및 구조물의 내 력변화, 형상변화 연구에 유효한 방법으로 알려져 있다(^{Kwon and Park, 2012}; ^{Sakurada et al., 2008}; Beak et al., 2012).

Fig. 1

Schematic diagram for ICM

이온 교환에 의해 발생하는 철의 부식은 식 (1)과 같은 Faraday 법칙에 따른 다고 알려져 있다(^{Kwon and Park, 2012}; ^{Sakurada et al., 2008}).

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

3. 텐던 긴장 및 촉진부식 실험 계획

3.1. 고정 프레임 설치 및 재하

텐던에 긴장력을 가하기 위해 특수 강재 프레임을 제작하 였으며, 유압잭과 로드셀을 사용하여, 최대인장하중의 20.0 및 40.0%수준의 긴장력을 도입하였다. 전원을 직접 텐던에 연결하게 되므로, 로드셀 및 데이터 로거에 전류가 유도되는 것을 방지하기 위해서 로드셀 접촉부위에는 고무판을 장착하 였다. 초기에 하중을 재하한 뒤 헤드 앵커를 정착하였으며, 슬 립에 의한 손실은 재가력후 정착 웻지를 밀어 넣어서 소요의 초기 하중수준을 가력하였다. Fig. 2에서는 시험에 사용된 2.0 m 의 텐던의 사진과 하중 가력시의 실험 사진을 나타내고 있다.

Fig. 2

Test setup for load including for tendon and tendon feature

3.2. 촉진 부식 장치 및 부식량 측정

Fig. 2의 강재 프레임 내부의 촉진 부식셀을 Fig. 3에 확대하 여 나타내었다. 염화물 수용액에 폭 75 mm의 면 수건을 침지 하였으며, 텐던은 Power Supply의 양극에, 구리판은 염화물 수용액 내부에 존치한 뒤 음극에 연결하여 텐던 긴장부의 중 앙 부위에 전기화학적 촉진 부식을 진행하였다. 수용액은 실 제 해수와 같은 염화물 농도를 고려하기 위해 3.5% 농도의 NaCl 수용액을 사용하였다. 긴장력이 일정하게 유지되는 텐 던에 대하여 부식을 유발시켜야 하므로, 텐던 중앙부에 면 수 건을 모세관 현상을 이용하여 충분히 함침시키고 촉진 부식 실험을 수행하였다. 각 인장 수준에 대하여 텐던을 2개를 고 려하였으며, 그 평균값을 결과에 사용하였다.

Fig. 3

Test setup for acceleration of corrosion

직류 전압계는 M사의 제품을 사용하여 20 V의 전압을 인 가하여 24시간동안 부식을 유도하였다. 텐던에 전원을 연결 할 때는 납땜을 하여 7개의 스트랜드에 균등하게 전류가 통과 하도록 설치하였으며, 국소부식을 유도하기 위해 일정한 폭 (75 mm)의 면수건을 사용하였다. 부식이 가해진 75 mm에 대 하여 구연산 수용액에 침지하여 녹을 제거한 이후 부식감량 을 측정하였다. Fig. 4는 부식 제거를 위한 구연산용액 침지사 진을 나타내고 있다.

Fig. 4

Rust removal through citric acid solution

4. 부식량 평가 및 인장하중 평가

4.1. 촉진 부식실험중 프리스트레싱의 변화

실험 시 15.3 mm 텐던의 최대하중은 27.0 tonf로 평가되었 는데, 20 및 40% 수준의 하중을 부식실험 전에 가력하였다. 그 러나 촉진부식실험을 수행하면서 점진적으로 하중의 손실이 발생하게 되는데, 이는 부식의 증가에 따라 단면이 줄어들고 이에 따라 인장응력이 증가하면서 유효 프리스트레스력이 감 소하기 때문이다. Fig. 5에서는 초기의 재하하중의 평균값과 24시간 촉진실험이후의 측정하중의 평균을 나타내고 있다.

Fig. 5

Changes in Pre-stressing force with different loading level

하중을 20% 수준으로 인가하기 위해 6.31 tonf을 인가하였 으며, 1시간 이후 하중이 안정화 된 상태에서 촉진 부식시험 을 수행하였다. 24시간 촉진시험후의 측정값은 3.51 tonf로 55.6%의 유효율을 나타내었다. 40%수준의 인장력을 유도하 기 위해서 10.32 tonf를 인가하였으며, 촉신시험 24시간 이후 의 잔존 프리스트레스트력은 7.52 tonf으로 유효율은 72.8% 로 평가되었다. 촉진부식에 의하여 응력손실이 크게 발생하 여 24시간동안 크게 유효프리스트레스가 감소함을 알 수 있다.

4.2. 인장조건에 따른 부식량 평가 및 이론식과의 비교

4.2.1. 부식전류의 변화

초기 인장하중이 증가할수록 동일한 전압에서 측정된 전류 는 증가하였는데, 이는 다른 문헌에서의 연구와 동일한 경향 을 나타낸다(^{Fumin et al., 2011}). 전류 값이 초기에 증가하다 가 이후 감소하는데, 몇 가지 원인을 추론할 수 있다. 먼저 재 하된 하중이 손실되면서 전류가 감소하고, 국소부식된 부분 에 발생한 녹들이 전선과 텐던이 접지된 부분에 영향을 주어 전류가 감소하게 된다. 이러한 경향은 기존의 연구에서도 많 이 발생하고 있다. 또한 24 시간 동안의 일교차 역시 부식전류 에 영향을 주게 된다. Fig. 6(a)에서는 하중 수준에 따라 20 V 의 전압 인가 시 발생하는 부식전류의 변화를 나타내고 있으 며, Fig. 6(b)에서는 총 누적 전류량을 하중 수준에 따라 나타 내었다. 하중의 증가에 따라 누적전류는 증가하고 있으며, 하 중 인가 전을 기준으로 20%인장의 경우 124.4%, 40%인장의 경우 168.0%의 부식전류량 증가율을 나타내었다. 부식전류 량의 증가는 부식의 증가를 직접적으로 나타내고 인장강도의 저하를 야기한다.

Fig. 6

Measured current during accelerated corrosion test

4.2.2. 이론과 실험에 따른 부식량 변화

Fig. 7에서는 이론 부식량과 실험에 의해 도출된 부식량의 변화를 나타내고 있다. 실험에 의한 부식값이 더 크게 발생하 였는데, 텐던의 표본 길이인 75.0 mm 채취 시 강연선이 꼬여 있어서 정확한 길이 측정이 어려웠으며, 녹의 제거 시 모재의 일부가 같이 제거되어 질량결손이 실제보다 크게 평가되었 다. 식 (1)에서 실험상수 c를 1.6으로 고려하여 실험과 이론식 으로 도출된 부식량을 도시하면 Fig. 7과 같다. 프리스트레싱 의 도립력과 부식전류, 그리고 부식량 생성에 대한 관계는 40%수준까지는 모두 선형적으로 평가되었다.

Fig. 7

Comparison with test and theoretical result of corrosion

4.3. 프리스트레스력에 따른 인장하중 평가

초기 긴장력이 증가할수록 부식은 선형적으로 증가하고 이 로 인해 부식이 증가하게 된다. 증가된 부식은 단면결손을 야 기하고 유효율을 감소시키게 된다. Table 1에서는 하중조건 에 따른 부식량의 증가와 파단시의 인장력의 변화를 나타내 고 있다. 또한 Fig. 8에서는 초기 도입하중의 증가에 따른 부식 량 및 파괴하중의 변화를 나타내고 있다.

Table 1

Corrosion amount and ultimate loading with loading levels (Average)

loading level(%)	Corrosion amount(g)	Induced load(tonf)	Residual load(tonf)	Ultimate load at break(tonf)
0	11.86	6.31	3.28	19.83
20	15.04	10.32	7.13	17.42
40	18.8	16	9.98	15.54

Fig. 8

Corrosion amount and ultimate load with increasing loading level

동일한 전압조건에서 초기하중이 40%수준으로 증가할 때, 부식량은 158%증가하였으며, 이에 따라 텐던의 최종 파단시 의 인장력은 78.4%수준으로 감소하였다. 부식량의 증가 및 인장력의 감소는 선형적인 관계를 가지고 있음을 알 수 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 텐던에 0.0%, 20.0%, 40.0%의 초기 하중을 인가한 후 인장력을 받는 상태에서 ICM을 이용하여 촉진부 식실험을 수행하였다. 이후 부식량의 변화 및 파괴하중의 변 화를 분석하였는데, 본 연구를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.