2.1 건습 반복 시험 (Test A)

Test A에서는 부식촉진에　의한　금속섬유의　이온화　경향　 및　철근의　부동태　피막에　미치는　영향을　검토하기　위해, JCI-SC3 ‘염분을 포함한 콘크리트 중의 보강용 봉강의 촉진 부식 시험 방법 : 건습반복법’¹⁵⁾에　의거하여, 습윤 3일, 건조 4 일을 1사이클의　조건으로　실험을　실시했다.　우선, 본 연구의　 대상 시험체는 JCI-SC3에 의거해 콘크리트 내의 기준 염화물 함량인 0.3kg/m³을 초과하는 내재염분 1.2kg/m³를 혼입하여 제작했다. 시험체 치수는 Fig. 2와 같이 100×100×400mm의 시험체를 제작하여 피복두께 20mm의 위치에 양극철근 (ϕ13 mm, L:360mm)을 매설했다.　또한, 시험체의 침지면 이외는 에폭시 수지로 코팅하여 10%의 NaCl 수용액에　Fig. 3과 같이 한 방향에서의 염분이 공급되도록 침지하여, 내재염분과 함 께 염분침투에 의한 복합적 부식촉진에 대한 검토를 수행했 다. 이후, 금속섬유 종류에 따라 건습반복을 통해 발생되는 각 시험체의 미세균열 폭 및 갯수의　관찰과　더불어　JCI-SC1 ‘콘 크리트중의 강재의 부식 평가방법’에 준해 철근의 부식 면적 율, 부식도 및 부식량을 평가했다.

Fig. 2

Overview of specimen (Test A)

Fig. 3

Soakage method of specimen

2.2 염분 침투 효과 (Test B)

Test B에서는 혼입한 금속섬유의 종류에 따른 염분 침투의 차이를 비교하는 것을 목적으로 하여, 겉보기 확산계수 및 시 험체 깊이방향에 대한 염화물 이온농도를 측정했다.

실험은　Fig. 4와 같이 100×100×100mm의 시험체를 이용하 여, Test A와 동일하게 10%의 NaCl 수용액에 침지시켜 침지 면 이외는 에폭시 수지로 코팅하여 한 방향에서의 염분이 공 급되도록 했다. NaCl 수용액은 1주일 마다 교환하여 염분의 농도를 일정하게 했다. 침지 개시재령으로부터 1개월 마다 침 지면으로부터 15mm의 간격으로 시험체를 커팅하여 JIS A 1154 ‘경화 콘크리트에 포함된 염화물 이온의 시험방법’에 준 해 염화물 이온농도를 측정했다.

Fig. 4

Overview of specimen (Test B)

또한, 수은압입시험은 Fig. 5와 같이 침지개령 7개월 후의 각 시험체 침지면으로부터 10mm부분을 커팅한 후, 5×5×5mm (B×L×H)의 각주형의 수은압입 시험용 샘플을 채취하여 각 섬 유종류에 대한 누적 세공분포를 측정했다.

Fig. 5

Sampling of MIP test (Test C)

2.3 희생 양극 효과 (Test C)

Test C에서는 혼입한 금속섬유의 종류에 따른 철근의 희생 양극 효과를 목시로 확인하는 방법으로, 기존연구¹⁶⁾을 참고 로 하여 Ferroxyl Gel을 이용한 시험체를 제작했다. Ferroxyl Gel은 콘크리트보다 수분을 다소 포함하고 있지만, 강알카리 환경하에서 철근에 발생되는 부식 메커니즘을 동일하게 모델 화할 수 있기 때문에 철근의 부식거동에 대한 평가가 가능하 다. 한편, Ferroxyl Gel을 이용할 경우, 실제 콘크리트 중의 부 식 환경과는 약간 차이가 있지만, 기존연구에서 ph 4～10의 범위에서의 철근 부식속도는 일정하다는 보고¹⁶⁾가 있어, 본 검토에서도 ph 5.16의 Ferroxyl Gel을 사용해 실험을 실시했 다. Ferroxyl Gel에는 헥사시아노철(II)산칼륨 (Potassium hexacyanoferrate(III)) 및 페놀프탈레인(Phenolphthalein)을 혼합하는 것으로 양극반응 (Fe→Fe2⁺+2e^-)의 경우, 시험체가 청색으로 변색하고, 음극 반응 (1/2O₂+H₂O+2e^- → 2OH^-)의 경 우, 적색으로 변색하게 된다. 따라서, 반응에 따른 변색을 확 인하는 것으로 부식 거동을 목시로 확인할 수 있다. 시험체의 제작은 정제수에 헥사시아노철(II)산칼륨 1% 용액을 7%, 페 놀프탈레인 1% 용액을 1% 혼합하여 교반한 후, Ferroxyl 분말 을 투입했다. 이후, 유리용기에 넣어 용액을 가열한 후 수분간 비등시켰다. 실험은 Fig. 6과 같이 23×100×400mm의 시험체 를 사용하여 피복두께 5mm의 위치에 철근을 매설했다. 혼입 한 섬유의 양은 0.075 vol.%로 하여 랜덤 배치했다.

Fig. 6

Overview of specimen (Test C)

2.4 회로 형성 효과 (Test D)

Test D에서는 각 섬유와 철근, 각 섬유 상호간의 회로 형성 유무가 방식 효과에 미치는 영향에 대해 확인했다. 이는, 콘 크리트 내에서, 철근 주변에 금속섬유가 불규칙적으로 존재 하는 경우, 부식전류의 산란과 더불어 유속이 느려지는 원인 으로 인해, 철근의 부식 진행속도를 효과적으로 저감시킬 수 있다는 기존연구¹⁷⁾를 참고로, Fig. 7과 같이 미리 인위적으로 금속섬유와 철근사이의 회로를 형성하고 있는 시험체와 회로 를 형성하고 있지 않는 시험체를 제작하여 Test C와 같은 방 법으로 Ferroxyl Gel을 이용하여, 전기 화학적인 반응을 목시 로 확인했다. 이때, 회로가 형성되지 않은 경우는, Fig. 7(a)와 같이 각 섬유와 철근 및 각 섬유 상호간 접촉되어 있지 않은 상 태이며, 회로가 형성된 경우는, Fig. 7(b)와 같이 각 섬유와 철 근 및 섬유 상호간이 모두 접촉되어 있는 상태를 전제로 했다. Fig. 8에 시험체의 형상을 나타낸다. Fig. 8(a)와 같이 강섬유 및 스테인레스 섬유의 회로형성 유무에 따른 시험체 제작은 Fig. 7(a), (b)와 같은 방법으로 동일하게 제작했지만, 아연 섬 유의경우는 섬유의 형상이 작고, 강섬유나 스테인레스 섬유 와 같은 시험체 제작이 곤란하기 때문에, Fig. 8(b) 와 같이 섬 유의 덩어리를 한 개의 아연섬유 단위로서 거푸집의 4개소에 설치하는 것으로 섬유와 철근과의 접촉유무를 상정하여 실험 을 진행했다.

Fig. 7

Geometry of the specimen (Test D)

Fig. 8

Overview of specimen (Test D)

3.1 건습 반복 시험에 의한 검토(Test A)

Table 3에 건습 반복 시험의 26 사이클 종료시의 시험체 저 면 상태를 나타낸다. 모든 시험체에 있어서, 건습 반복 작용에 의한 0.1mm이하의 균열만이 발생하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 균열의 발생 수는 P>S=SL=Z의 순서로 많게 나타났으며, 이는 섬유혼입에 따른 인성효과의 증대로 균열 폭 및 수가 섬유 무혼입 시험체보다 현저하게 적게 나타난 것 으로 판단된다.

Table 3

Shape of specimen (Wetting and drying test after 26 cycle)

또한, 26 사이클의 건습 반복 시험 종료 후, 시험체 내부에 서 철근을 꺼내 부식량 및 부식면적을 측정한 결과를 Table 4 에 나타낸다. 섬유 무혼입 시험체는 국부부식은 발생하지 않 았지만, 부식량은 100mg, 부식면적은 154mm², 부식면적율은 1.1×10^-2% 결과였다. 한편, 강섬유 및 스테인레스 섬유를 혼입 한 시험체의 부식면적은 섬유 무혼입의 시험체의 각각 0.5배 및 0.4배 정도이며, 부식량은 관찰되지 않았다. 특히, 아연섬 유를 혼입한 시험체의 경우, 철근의 어느 위치에도 부식이나 녹의 발생은 관찰되지 않았다.

Table 4

Corrosion amount and corrosion area

이상의 결과로부터 철근의 내부식 성능은 섬유 무혼입 시 험체 보다 금속섬유를 혼입한 시험체가 높고, 그 중에서도 아 연섬유를 혼입한 시험체의 경우, 부식억제 효과가 큰 것을 확 인할 수 있었다.

3.2 염분 침투 효과의 검토(Test B)

Fig. 9에 NaCl 수용액 침지재령 7개월 후의 섬유 종류에 따 른 시험체 깊이 방향에 대한 염화물 이온농도 및 겉보기 확산 계수를, Fig. 10에 수은 압입법에 의한 측정한 각 시험체의 누 적공극량을 나타낸다. 염화물 이온농도 차이가 가장 큰 침지 면에 있어서의 섬유종류에 따른 염화물 농도의 대소 관계는 아연섬유, 섬유 무혼입, 강섬유, 스테인레스 섬유를 혼입한 시 험체의 순으로 나타났으며, 겉보기 확산계수 Dap (cm²/year) 도 같은 경향으로 스테인레스 섬유를 혼입한 시험체의 염분 침투 효과가 큰 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 9

Chloride ion concentration and apparent diffusion coefficient

Fig. 10

Cumulative pore volume

한편, 염분침투는 공극량과도 관계가 있어, 수은 압입법에 의한 적산 공극량을 비교해 보면, 아연 섬유, 섬유 무혼입, 스 테인레스 섬유, 강 섬유를 혼입한 시험체의 순서로 크게 나타 났다. 강섬유를 혼입한 시험체의 경우, 적산 공극량이 가장 작 지만, 겉보기 확산계수는 스테인레스 섬유를 혼입한 시험체 보다 큰 것을 확인할 수 있었다. 이는 Fig. 10에 나타낸 강섬유 를 혼입한 시험체의 침지 전ㆍ후 적산 공극량을 비교해 보면, 침지 후의 적산 공극량이 침지 전에 비해 약 3배 정도 감소한 것을 확인할 수 있으며, 이는 강섬유 표층부의 부식 생성물이 팽창하여 시험체에 존재하는 모세관 공극을 충전했기 때문으 로 생각할 수 있다¹⁸⁾.

한편, 아연섬유를 혼입한 시험체에 대해서 EPMA (Electron Prove Micro Analyzer)에 의한 시험체에 포함된 성분을 면분 석한 결과를 Fig. 11에 나타낸다. 그림의 적색부분이 아연섬 유이며 주변에 그 성분이 넓게 퍼져 있는 것을 알 수 있다. 섬 유 주변의 모습을 SEM (Scanning Electron Microscopy)에 의 해 관찰한 결과, Fig. 12와 같이 황색부분의 아연섬유 주변에 공극이 생기고 있는 것을 확인할 수 있어, 아연섬유를 혼입한 시험체의 적산 공극량이 많아진 것은 대량으로 침입한 염화 물 이온에 의해서 아연의 표면에 일부 기공이 생겨 국부적으 로 아연이 녹은 것이 원인으로서 생각할 수 있다. 따라서, 일 반적으로 염분 침투는 모르타르의 공극분포 및 공극크기에 영향이 큰 것과는 달리, 본 실험에서는 각 금속섬유의 이온화 경향의 대소에 따라 외부로부터의 염분침투 저항성의 변화가 나타나는 것으로 추측되며, 특히, 희생양극효과를 가지고 있 는 아연섬유를 사용하는 경우, 일정부분 철근의 부식개시 시 기를 지연시킬 수 있다고 판단된다.

Fig. 11

EPAM (Specimen mixed with zinc fiber)

Fig. 12

SEM (Specimen mixed with zinc fiber)

3.3 희생양극 효과의 검토(Test C)

Table 5에 희생양극 효과에 따른 Ferroxyl Gel을 이용한 시 험체의 경시변화를 나타낸다. 섬유 무혼입의 시험체의 경우 재령 1일 경과시부터 철근의 자연전위가 높은 부분과 낮은 부 분이 거시적인 전지를 형성하여 매크로 셀 부식을 일으키고 있는 것을 알 수 있다. 또한 재령 13일 경과 시에는 재령 1일째 와 비교해 음극영역이 감소하고 , 양극영역이 증가하고 있어 철근의 부식이 진행되고 있는 것을 확인할 수 있다.

Table 5

Shape of specimen using the ferroxyl gel (Test C)

아연섬유를 혼입한 시험체의 경우, 양극화되고 있는 부분 을 철근 양단에서 확인할 수 있었으며, 재령 13일의 시점에서 그 영역이 확대되고 있지만, 섬유 무혼입 시험체에 비해 그 영 역은 작았다. 아연 섬유를 혼입한 시험체의 철근양단에 부식 이 진행한 것은 재령 2일째를 경과한 시점에서 철근 양단의 피복부분의 Ferroxyl Gel이 10mm정도 벗겨져 그곳으로부터 의 산소와 수분이 공급되어 부식 환경에 노출되었던 것이 원 인으로 생각할 수 있다. 하지만, 그 이외의 철근부분에 있어서 는 Ferroxyl Gel이 청색으로 변색하고 있지 않는 것으로부터 양극반응은 생기지 않고, 녹의 발생도 없는 것을 확인할 수 있 었다. 실험에 의한 일부의 영향은 있지만, 전체적으로 아연섬 유를 혼입했을 경우, 희생 양극 효과에 의한 철근부식을 억제 할 수 있다고 판단된다.

한편, 강섬유를 혼입한 시험체의 경우는 재령 1일째를 경과 함에 따라 철근의 각 개소에서 양극반응이 생기고 있어 철근 의 부식이 진행되고 있으며, 이와 동시에 철근 이외의 부분에 있어서도 양극반응이 일어나고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Fig. 13(a)와 같이 시험체에 혼입한 강섬유 부분에서 생 기고 있으며, 그 원인으로서 강섬유 자체가 철성분으로 구성 되어 있기 때문에 단일섬유 내에서 부식전지가 형성되었기 때문으로 생각된다. 또한, Fig. 13(a)의 재령 1일째보다 Fig. 13(b)의 재령 4일째의 경우가 철근의 양극영역이 증폭하고 있 는 것을 확인할 수 있어, 재령에 따라 단일섬유에 생기고 있던 양극영역도 섬유 전반에 걸쳐 진행하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이것에 의해 철근 및 강섬유 상호간, 더욱이 철근과 강 섬유 사이에 있어서도 부식전지가 형성된 것이 원인으로 생 각할 수 있다.

Fig. 13

Shape of specimen mixed with steel fiber

한편, 스테인레스 섬유를 혼입한 시험체의 경우는 재령 1일 째에 있어서, 섬유 무혼입 시험체보다 양극영역이 크게 나타 나 철근의 거의 전면적에 있어 양극반응이 생기고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 재령 13일째에는 재령 1일째와 비교해 그 색이 진하게 변색되고 있는 것으로부터 철근의 부식이 급 속하게 진행되고 있는 것을 알 수 있다.

3.4 회로형성 유무 효과의 검토(Test D)

Table 6에 회로형성 유무에 따른 Ferroxyl Gel을 이용한 시 험체의 경시변화를 나타낸다. 아연을 혼입한 섬유에 있어서, 회로를 형성하고 있는 경우, 재령 1일째에 철근전면이 음극영 역이 되고 있어 철근부식의 진행은 확인할 수 없었지만, 그 후 섬유가 설치되어 있는 장소로부터 부분적으로 양극화가 시작 되어 재령 13일째에는 그 영역이 확대하고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 회로를 형성하고 있지 않는 경우는 재령 13일 째에도 전체적으로 음극의 영역을 나타내고 있는 것에 따라 아연섬유　상호간에는　회로가　형성되어, 희생양극　효과에 의 한　철근부식진행을　어느 정도 억제했다고 판단된다.　이는 본 실험에서 사용하고 있는 아연섬유는 Fig. 8(b) 와 같이　섬유의 덩어리를 한 개의 아연섬유 단위로서 적용하였기 때문에 아 연섬유 상호간에 회로가 형성되었기 때문으로 생각된다.

Table 6

Shape of specimen using the ferroxyl gel (Test D)

한편, 강섬유를 혼입한 시험체에 있어서, 회로를 형성하고 있지 않은 경우, 재령 1일째의 철근 우측은 음극, 좌측은 양극 영역이 생기고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 섬유부분에서 도 Fig. 14와 같이 각각의 섬유마다 양극영역과 음극영역을 형 성하고 있어, 섬유가 완전하게 독립하고 있는 경우에도 각 섬 유 마다 부식 전지를 형성하여 방식효과는 확인할 수 없었다. 한편, 회로를 형성하고 있는 경우, 재령 1일째에 있어서는 부 식반응은 관찰되지 않았으나, 재령 13일째에 있어서 섬유와 철근에서 각각 음극 및 양극영역이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 강섬유는 철근과 같은 이온화 경향을 가지는 섬유이 기 때문에 부식하기 쉽고, 섬유와 철근이 회로를 형성한다는 것은 단순하게 철근의 면적이 증가하는 것으로 생각할 수 있 다. 따라서 본 실험에서는 보다 이온화되기 쉬운 부분으로부 터 반응이 시작되어, 부식전지의 형성과 함께 철근의 부식이 진행되었다고 생각할 수 있으며, 회로를 형성하는 경우보다　 회로를 형성하지　않는　경우가　철근방식에　대해　다소 유리할 것으로 판단된다.

Fig. 14

Shape of specimen mixed with steel fiber (S)

스테인레스 섬유를 혼입한 시험체는 회로를 형성하고 있는 경우, 재령 1일째에 이온화 경향이 높은 철근이 양극, 이온화 경향이 낮은 스테인레스 섬유가 음극영역을 형성했지만, 그 이후에 대부분의 철근 부분이 음극영역을 나타냈다. 그러나, 그 이후 철근에 부분적으로 양극영역이 발생하여 서서 히 그 영역이 확대해 가는 것을 확인할 수 있었다. 한편 회로를 형성 하고 있지 않는 시험체의 경우, 재령 1일째부터 발생하고 있 던 양극영역이 시간의 경과와 함께 확대되어 재령 13일째에 는 회로를 형성하지 않는 시험체와 동일한 정도의 부식이 진 행되어, 회로형성의 유무에 관계없이 양쪽 모두 방식 효과는 확인할 수 없었다. 한편, 회로를 형성하고 있지 않는 시험체는 철근만으로 부식전지가 형성되었다고 생각할 수 있지만, 3.2 절의 검토와 같이 스테인레스 섬유를 혼입한 시험체는 섬유 무혼입의 시험체보다 부식 진행이 억제되고 있어, 스테인레 스 섬유의 혼입은 부식 전류의 유속을 방해한다는 기존의 연 구⁵⁾와 같이 철근과 접촉하고 있지 않는 섬유가 부식전류의 저 항으로서 작용했다고 생각할 수 있다.

또한, 회로를 형성하고 있는 시험체에 있어서 재령 1일째에 철근이 양극영역을 형성한 후 음극영역으로 전환했다고는 생 각하기 어렵다. 여기서 재령 2일째의 회로형성 유무에 따른 시험체 사진을 Fig. 15에 나타낸다. 음극영역으로 변색 하고 있는 범위를 비교해 보면, 회로를 형성하고 있는 시험체의 경 우가 크며, 이 음극 영역은 철근과 회로를 형성한 섬유의 영향 으로 판단된다. 그러나, 전체적으로 스테인레스　섬유를 사용 할 경우, 섬유와　철근의　회로형성　유무에　따른　철근부식의　 억제효과는　미미한 수준으로 판단되었다.

Fig. 15

Shape of specimen mixed with stainless fiber (SL) at 2days

3.5 종합검토

여기에서는 이상의 결과를 바탕으로 섬유의 종류 및 혼입 에 따른 철근의 내부식 성능을 종합검토 한다.

아연섬유를 혼입한 경우 섬유 무혼입의 시험체와 비교하여 Test A의 건습 반복 시험에 따른 철근의 내부식 성능이 가장 우수했다. 또한, Test B의 염분침투 효과로 검토한 겉보기 확 산계수에 대해서는 섬유 무혼입 시험체 보다 큰 값을 나타내 염분이 철근에 도달하는 시기도 빠르다고 생각할 수 있지만, Test C로 검토한 희생양극 효과가 우수한 것을 확인할 수 있 었다. 또한, Test D의 결과에서 회로를 형성하지 않는 경우에 있어서, 다량의　아연섬유가　상호간의　회로를　형성함에 따른 희생양극 효과를 발휘한 것으로부터 소량의 섬유를 혼입하는 것으로도 우수한 방식효과를 얻을 수 있다고 판단된다.

강섬유를 혼입한 경우는 섬유 무혼입 시험체와 비교해 철 근의 내부식 성능이 뛰어난 결과였다. 또한, 강섬유를 혼입한 경우는 회로형성의 유무에 관련 없이 희생양극 효과는 확인 할 수 없었지만, 겉보기 확산계수가 섬유 무혼입의 시험체보 다 작은 값을 나타내고 있어, 이는 강섬유의 혼입에 의해서 강 섬유의 부식 생성물이 시험체에 존재하는 공극을 충전했기 때문으로 생각할 수 있다.

스테인레스 섬유를 혼입한 경우에 있어서도 섬유 무혼입 시험체와 비교해서 철근의 내부식 성능이 뛰어난 것을 확인 할 수 있었다. 희생양극 효과는 확인되지 않았지만, 겉보기 확 산계수가 작은 값을 나타내고 있어, 염분의 침투 억제에 따른 철근의 부동태 피막의 파괴 및 부식개시를 지연시켰다고 생 각할 수 있다.

이상의 결과로부터 금속섬유를 혼입하는 것으로 철근의 방 식 효과를 확인할 수 있었으며, 특히 희생양극 효과가 철근 방 식에 큰 영향을 주는 것에 따라 희생 양극효과가 높은 아연섬 유의 경우, 철근의 내부식 성능이 가장 우수한 것을 확인할 수 있었다.