2.1 도막식 방수⋅방식재

최종 마감을 에폭시 수지계 등으로 마감하는 방수 ⋅방식 공법으로 중간 과정에서 폴리머를 사용하는 바탕 조정재, 세 라믹 메탈계 도막 등이 시공된다. 시공이 어렵지 않으며 기존 에 주로 사용되는 방수⋅방식제이지만 도막의 두께가 얇게 시공되기 때문에 콘크리트 표면의 바탕조정이 충분히 이루어 져야 하며, 콘크리트 표면에 모래알의 돌출이나 핀홀 등이 있 는 경우 에어포켓, 워터포켓 등으로 인한 하자가 발생 할 수 있 다. 또한 바탕이 되는 콘크리트가 완벽이 건조되어야만 부착 성능을 만족하며 유성 에폭시의 경우 화기 및 유독성으로 밀 폐된 공간에서의 작업이 어렵다. 또한 고도정수처리 시설에 서 오존에 강력한 산화력에 인해 내부에서 하자가 발생하며, 이로 인한 수질의 오염 및 콘크리트의 내구성을 저하시킨다 (^{Chung 2006}).

2.2 시트식 방수⋅방식재

시트계 방수⋅방식 공법은 폴리에틸렌 시트, 스테인리스 시트 등 금속 패널을 콘크리트 바탕에 앵커나 고정철물 등을 사용하여 부착하여 이음부는 열융착 또는 용접으로 마감하는 방수⋅방식 공법을 뜻한다. 금속 패널로 시공되기 때문에 패 널 자체의 내오존성 및 내화학성이 매우 뛰어난 특징을 지니 고 있으며, 콘크리트 바탕면과 절연되어 시공되므로 콘크리 트 바탕면 상태에 전혀 지장을 받지 않는다. 다만 시공 후 콘크 리트 바탕면에 문제가 발생한 경우 구조물의 유지관리를 위 한 확인이 어려우므로 시공 전에 바탕처리를 완벽하게 할 필 요가 있다. 또한 앵커나 고정철물 등이 사용되기 때문에 시공 이 매우 어렵다는 단점이 있다. 또한 용접 또는 열융착을 사용 하여 이음부를 처리하기 때문에 부식이 쉽게 발생하고 부식 발생시 고가의 철거 및 재시공비용이 발생하는 단점이 있다.

2.3 금속용사 공법

금속용사 공법은 Fig.1와 같이 용사재료(금속, 세라믹, 플 라스틱 등)를 연소 또는 전기에너지를 이용하여 가열하고 용 융시켜 콘크리트 및 강철의 표면에 고속 분사하여 피막층을 형성하는 기술이다. 금속용사 공법은 가열 열원에 의해 분류 되는데 현재 실용화되어 사용되고 있는 용사 방법은 가스식 프레임 용사, 아크용사, 플라즈마 용사 3종류가 사용되고 있 다. (^{Choe et al,.2014; Lee et al, 2016a}.,^{Lee et al, 2016b}). 본 연 구에서는 가스식 프에임 용사법에 비하여 안전성과 시간당 용사 피막시공성이 우수하고 가공면적이 큰 아크식 금속용사 법을 적용하여 실험을 진행하였다. 아크식 용사 기술은 희생 양극 원리를 갖는 2개의 금속선재를 고주파아크 금속 용사기 로 아크(Arc)열을 발생시켜 금속의 불완전 용융을 줄이고 용 융입자를 미세화 시키게 된다. 또한 용융 된 금속에 압축공기 를 중앙 및 측면에서 분사하여 강재 표면에 타원형 용사패턴 을 형성할 수 있는 가변형 용사 건을 병용 사용하는 강구조물 (지중 및 수중 강구조물 제외)의 금속용사 방식 공법이다(^{Lee et al, 2016a}.,^{Lee et al, 2016b}).

Fig. 1

Arc thermal metal spraying method

2.1 실험 개요

Table 1에 본 연구의 실험 개요 및 실험인자를 나타낸다. 용 사가 가능한 금속 중 가장 대표적으로 쓰이고 있는 Zn/Al 합 금과 기존에 수처리 시설의 패널 공법으로 적용되고 있는 SUS304, SUS316L을 실험변수로 설정하였으며, 반응성이 거 의 없는 Ti을 적용하여 내오존성 평가를 실시하였다. 산성용 액에서의 전기화학적 안정성 평가의 경우 실제 하수처리시설 의 pH를 묘사하여 황산을 이용해 pH 3의 용액으로 하였으며, 용사금속으로는 SUS316L과 Ti을 기본으로 용사 전 패널 상 태와 용사 후의 상태를 비교 평가하였다.

Table 1

Experimental factor & Measure catalog

2.2 오존처리 방법

오존처리 방법은 한국상하수도협회에서 규정한 SPS KWWA m²11에 의거하여 실시하였다. Fig.2 와 같이 물의 높이를 1시간 저수위, 1시간 만수위, 이행시간을 1시간으로 하여 총 8시간을 1싸이클로 설정하였으며, 총 84싸이클을 진행 하였다. 챔버의 온도는 20±2℃ 3시간, 40±2℃ 3시간, 이행시간 1시간으로 총 8시간을 1싸이클로 하여 84싸이클 진행하였다. 마지막으로 오 존수 내의 오존 농도는 10±1ppm으로 유지하여 실험을 진행하 였다.

Fig. 2

Cyclic condition of ozone treatment(Ozone concentration: 10±1 ppm)

2.3 시험체 제작

내오존 평가의 실험체는 각각 24MPa의 콘크리트를 제작하 여 Fig 3과 같이 제작하였다. 양생이 완료된 콘크리트 표면 위 에 용사 피막과 부착성능을 향상시키기 위해 샌드블라스트 처리하였으며 이후 침투성 표면 강화제, 조면 형성제를 도포 하여 콘크리트 표면의 거칠기를 증가시켰다(^{Park et al., 2016}). 이후 실험수준에 따라 용사금속을 도포하여 실험체를 제작하였다. 산성용액에서의 전기화학적 안정성능 평가의 실 험체의 경우 SUS316L의 패널 위에 샌드블라스트 처리하여 각각의 용사금속을 도포하여 제작하였다.

Fig 3

Specimen production process

2.3 실험 방법

2.3.2 오존처리 후 질량감소량 평가

SPS KWWA m²11에 의거하여 쥰비된 실험체를 오존처리 전 시험체의 질량과 오존처리 후의 실험체의 질량을 측정하 여 식(1)의 방법으로 질량감소량을 계산하였다.

(1)

g = g 1 − g 2 A

여기서, g는 질량감소량(g/m²), g₁은 오존처리 전 시험체 질 량(g), g₂는 오존처리 후 시험체 질량(g), A는 시험체 면적(m²) 이다. Fig.4

Fig. 4

Specimen for appearance measurement

2.3.3 산성용액에서의 전기화학적 안정성능 평가

전기화학적 안정성능 평가 시험체는 15×15×2mm의 SUS316 L 스틸 패널 위에 약 200 ㎛ 두께로 용사를 실시한 후, 시험체의 노출 면적이 0.78 cm²이 되도록 셀에 장착하였다. 시험셀은 3 전극 셀을 구성하였으며, 작업전극(Working Electrode)으로 시험체를, 상대전극(Counter Electrode)으로는 백금을 사용하 였으며, 기준전극(Reference Electrod)으로는 Ag/AgCl 전극 (E = + 0.241V vs SHE, -44mV vs SCE)을 이용하였다. 측정 범 위는 -400mV ~ 800mV 까지 1mV 간격으로 인가하여 타펠 외 삽법을 이용하여 전기화학적 안정성능을 평하였다(^{Lee et al, 2016b}). Fig.5는 산성용액에서의 안정성능 평가의 실험개요 를 나타낸다.

Fig. 5

Outline of electrochemical stability evaluation test

3.1 용사금속 종류에 따른 오존처리 후 겉모양 평가

Table 2는 용사금속 종류에 따른 오존처리 후의 겉모양 평 가 결과를 나타낸다.

Table 2

Visual inspection after Ozone treatment according to Metal Spraying and surface treatment method

시험결과, Zn/Al의 경우 박리가 가장 크게 일어났으며, 녹 발생 등 가장 심하게 열화가 나타났다. 일반적으로 금속용사 마감 공법의 주재료로 사용되는 Zn/Al의 경우 희생양극 원리 를 이용하여 철보다 먼저 반응하여 철을 보호하는 원리로 사 용되기 때문에 내오존성에도 빠른 속도로 반응하여 열화가 나타난 것으로 판단된다. 따라서 먹는물을 대상으로 하는 수 처리시설 콘크리트 구조물에 적용하기에는 매우 부적합한 것 으로 판단된다. 또한, SUS304 경우 부분적으로 박리가 일어 났으며, 녹 발생이 매우 심하게 나타난 것을 육안으로 확인할 수 있었다. SUS316L의 경우도 마찬가지로 변색, 박리 등의 다 른 열화 현상은 나타나지 않았지만 녹 발생을 육안으로 확인 할 수 있었다. 이는 스테인리스 재질(SUS304, SUS3016L)의 경우 열처리를 하게 되면 Fig 6과 같이 Fe-Ni-Cr의 구조가 파 괴되어 Fe 성분이 표면위로 다량 분포하게 되어 입계부식 감 수성이 커지기 때문에 오존에 견디지 못하여 녹이 발생한 것 으로 판단된다(^{Lai 1983}). 따라서 고농도 오존환경에서 장기 간 견디지 못할 것으로 판단된다. 마지막으로 Ti의 경우 박리, 균열, 녹 발생, 변색이 없었으며 내오존성이 가장 뛰어난 것으 로 판단된다.

Fig 6

Transformation diagram of chemical structure sprayed to SUS panel

3.2 용사금속 종류 및 표면처리 방법에 따른 오존처리 후 질량감소량 평가

Fig. 7은 오존처리 후의 용사 금속 종류에 따른 질량감소량 평가 결과를 나타낸다.

Fig. 7

Result of Evaluation on weight reduction after ozone treatment depending on the sprayed metal

실험결과 강구조물의 방식재로 주로 사용되는 용사금속 Zn/Al의 경우 오존처리 후의 질량감소량이 약 248.5g/m² 으로 가장 큰 것으로 나타나 오존환경에서는 매우 열악한 것으로 나 타났으며, SUS304, SUS136L의 경우 각각 12.8g/m², 21.2g/m² 로 SPS KWWA m²11 기준(10g/m²이하)을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이는 금속용사 공법은 기존의 금속을 고온에 서 아크 시켜 분사하는 방법인데, 이러한 이유로 시공시 열이 가해져 겉모양 평가 결과와 마찬가지로 Fig. 8과같이 고온으로 열을 받은 스테인리스의 Fe-Ni-Cr의 구조가 파괴되어 Fe 성분 이 용사 표면 위에 다량으로 표출되었기(^{Lai 1983}). 때문에 표 면에 표출된 Fe 성분으로 인해 오존에 취약한 것으로 판단된다. 이를 확인하기 위해 SEM-EDAX를 이용하여 확인한 결과 Table 3과 같은 결과를 확인 할 수 있었다. Table 3 에서 일반적 인 SUS316L 패널의 경우 표면의 Fe 함량비가 32.26%인 경우 에 비해 용사를 한 SUS316L의 표면의 Fe 함량비는 64.44%로 약 두 배 가량 높게 나타났다. 또한 Ni, Cr의 함량비가 기존 SUS316L 패널에 비해 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 이유로 기존 공법에서 용접부위의 부식이 문제가 되는 것으로 판단된다. 이에 비해 용사금속 Ti의 경우 용사를 하기 전과 용사 후의 성분의 변화가 없으며 따라서 용사 후에도 Ti 자체의 내오 존성능을 유지 할 수 있었던 것으로 판단된다(^{Park et al., 2018}).

Fig. 8

Results of electrochemical stability performance measurement in solution of sprayed Ti

Table 3

Comparison of contents ratio before and after spraying

3.3 용사금속 종류에 따른 산성용액에서의 전기화학적 안정성능 평가

Table 4는 용사금속 종류에 따른 산성용액에서의 전기화학 적 안정성능 평가 결과를 나타내며, Fig. 8 ~ Fig. 12는 타펠외 삽법을 이용한 타펠 분극시험 측정결과를 나타낸다. 실제 하 수처리장의 pH와 유사한 환경을 모사하기 위해 황산을 이용 하여 pH농도를 조절하였다. 실험결과 SUS316L용사의 부식 전위는 -594mV로 - 방향의 값을 가졌으며, 부식전류밀도가 19.803A/cm²으로 강판(Fe)(부식전위 -601mV, 부식전류밀도 21.135A/cm² 분극저항 30.0333.79 k∙ Ω∙cm²)과 유사한 값을 나타났다. 또한 분극저항의 값이 33.79k∙ Ω∙cm²로 가장 낮은 분극저항을 갖는 것으로 나타났다. 이는 SUS316L의 경우 부 식하기 매우 쉽다는 것을 뜻한다. 반면 SUS316L 패널의 부식 전위, 부식전류밀도, 분극저항, 부식속도는 각각 238mV, 0.382A/cm² 369.86k∙ Ω∙cm², 5.13㎛/year로 SUS316L 용사 의 경우보다 높은 부식전위, 부식전류밀도, 분극저항을 갖는 것으로 나타났다. 앞서 내오존성 평가결과와 마찬가지로 SUS316L의 경우 용사를 하게 되면 그 열에 의해 철 성분이 표 면위로 다량 떠올라 부식이 쉬워지는 것으로 판단된다(^{Lai 1983}). 이러한 이유로 강판(Fe)과 유사한 결과가 나타났으며 기존 공법에서 용접부위의 부식이 문제가 되는 것으로 판단 된다. Fig. 9, 10, 11

Fig. 9

Results of electrochemical stability performance measurement in acidic solution of SUS316L panel

Fig. 10

Results of electrochemical stability performance measurement of sprayed SUS316L

Fig. 11

Results of electrochemical stability performance measurement of sprayed Steel(Fe)

Fig. 12

Results of electrochemical stability performance measurement in acidic solution depending on type of sprayed metal

Table 4

Results of electrochemical stability evaluation in acidic solution depending on type of sprayed metal

Ti의 용사의 경우 부식전위, 부식전류밀도, 분극저항은 각 각 291mV, 0.127A/cm², 403.83k∙ Ω∙cm2 높은 값을 나타났 으며, 부식속도는 4.07㎛/year로 나타났다. 분극저항이 높다 는 것은 부식하기 어렵다는 것을 뜻하며, 기존에 사용하고 있 는 SUS316L 패널의 경우보다 높은 분극저항을 갖는 것으로 나타났다. 또한 Ti 패널의 경우 각각304mV, 0.113A/cm² 409.46 k∙ Ω∙cm² 3.53㎛/year로 Ti 용사와 유사한 경향을 나 타냈다. 이는 Ti의 경우 용사 전과 용사 후의 성분변화가 없기 때문에 티탄 패널과 같은 높은 분극저항을 갖는 것으로 판단 된다. Ti 용사의 부식속도는 4.07㎛/year 로 나타났다. 이는 용 사 피막의 평균 시공 두께를 200㎛로 도포하였을 경우 내구수 명은 약 50년으로 예측할 수 있었다.