2.1 강박스 시험체

강박스 부재의 국부 부식환경 조건을 정량적으로 평가하기 위하여 Fig. 1과 같은 제원으로 강박스 시험체 모형을 제작하였다. 실제 강박스 교량의 경우 지간이 길고 부재 전체에 대한 부식환경 모니터링을 진행하기 어려우므로 실제 강박스 교량과 유사한 부식환경 조건을 모사할 수 있는 강박스 실험체를 SM355강종을 이용하여 제작하였다. Fig. 1에 나타낸 것과 같이 대상 강박스 시험체는 높이 900 mm, 폭 1,000 mm, 길이 1,000 mm로 제작되었으며, 실제 강박스 교량의 단면을 고려하여 강박스 실험체 상부는 폭을 1,600 mm로 제작하여 강박스 측면에 대한 상대적 부식환경을 동일하게 구현할 수 있도록 하였다(Jin et al., 2020)⁽¹⁵⁾. 대상 강박스 실험체는 두께 12 mm로 제작되었으며, 강우 등에 의하여 강박스 부재에 국부적으로 나타나는 상대적 부식발생 위치를 검토하고 강재 표면에 직접적으로 나타나는 부식환경을 확인하기 위하여 강박스 시험체는 도장이 없는 무도장 상태로 제작 및 설치하였다. 또한, 강박스 교량의 하부의 부식환경과 동일한 조건을 구현하기 위하여 강박스 하부에 프레임을 설치하여 강박스 하부에 일정한 공간을 확보하였다.

Fig. 1 Dimension of steel box specimen

2.2 부식환경측정 모니터링

강박스 교량의 설치환경과 부재의 위치 등에 따라 나타날 수 있는 국부적인 부식환경을 평가하기 위하여 강박스 시험체를 대상으로 부식열화환경 모니터링을 실시하였다. 강박스 실험체는 해안에서 10 km 이상 떨어져 있어 비래염분의 영향이 적으며 중화학 공장이 없고 차량통행이 적어 상대적으로 대기오염이 적은 지역에 설치하였다. 강박스 실험체의 부식환경 측정을 위하여 부식환경 모니터링 센서를 강박스 시험체 모형에 설치하였으며, 이를 통하여 강교량 강박스 부재의 국부적 부식환경과 부식전류량을 평가하였다. 추가적으로, 상대적인 부식환경에 따른 강박스 부재의 부식손상 정도를 평가하기 위하여 모니터링 강판으로 무도장 강재 시험체를 부식환경 모니터링 센서와 함께 부착하여 동일 부식환경 모니터링 기간 측정된 강박스 부재별 부식전류와 국부 부식량을 비교할 수 있도록 하였다.

Fig. 2 Classification of steel box specimen

Fig. 3 Test set-up of a steel box specimen

강박스 부재의 설치환경에 따른 상대적인 부식환경 차이를 평가하기 위하여 강박스 모형 시험체의 위치를 부재의 설치 위치 및 구조적인 설치 조건을 고려하여 분류하였으며, 강박스 부재 및 부식환경 모니터링 센서의 설치 위치를 Fig. 2에 나타내었다. 강박스 부재의 국부적인 부식환경을 분류하기 위하여 강박스 시험체의 부재를 Fig. 3과 같이 강박스 거더의 상부에 해당하며 강우효과 및 일사에 직접적으로 노출된 상부부재, 거더의 하부에 해당하며 강우 및 일사에 직접적으로 노출되지 않는 하부부재, 국부적으로 강우와 일사에 노출된 거더 복부부재로 분류하였다. 본 시험 전 외관조사에서 상부부재의 경우 상대적으로 강우에 직접 노출되어 복부부재나 하부부재보다 밝은 오렌지 색상을 나타내고 있었으며, 복부부재는 Fig. 3과 같이 부재의 특성에 따라 강우의 흐름이 발생하여 국부적으로 짙은 오랜지색이 발생하는 영역과 상대적으로 진한 갈색으로 발생하는 영역으로 구분되었다.강박스 부재의 국부 부식환경과 강박스 실험체가 설치된 위치에서의 대기 부식환경이 상이하게 평가될 수 있으므로 강박스 시험체가 설치된 위치에서 대기환경에 대한 부식환경 모니터링 센서를 설치하여 대기부식환경과 강박스 부재의 국부부식환경에 따른 부식전류의 차이를 비교할 수 있도록 하였다.

2.3 부식환경 모니터링 센서와 부식환경 분석방법

Fig. 4 Layer of ACM sensor

Fig. 5 Applicaion of rainfall effect for corrosion current

부식환경 모니터링 센서는 이종 금속 간 (Fg/Ag)의 갈바닉 전류를 활용하여 부식환경과 부식속도를 평가할 수 있는 센서이며, 부식환경 모니터링 센서의 형상과 작동 원리를 Fig. 4에 나타내었다(Tadashi et al., 2005 (a); Tadashi, 2014 (b))^(16,17). 부식환경 모니터링 센서는 Fig .4과 같이 절연된 서로 다른 금속 전극으로 구성되며, 결로에 의하여 절연체와 두 전극 사이에 얇은 수막이 생성되면서 두 전극이 전기적 반응으로 전도되고 센서에 전류가 흐르게 된다. 부식환경 모니터링 센서에 흐르는 갈바닉 부식전류량은 실제 강재의 부식 속도와 높은 상관관계를 나타내므로 부식전류량을 활용하여 강재의 부식환경을 평가하고 부식속도를 확인할 수 있다(Ahn et al., 2019)⁽¹²⁾.

부식전류량 계측값의 오차를 최소화하여 무도장 강재의 부식환경을 평가하기 위해서는 강재 표면에 생성된 부식생성물및 강우효과가 부식전류량 측정 값에 미치는 영향을 고려하여야 한다. 이러한 영향을 고려하기 위하여 본 연구에서는 강박스 시험체와 부식환경 모니터링 센서가 동일한 열화 조건이 적용될 수 있도록 센서 하부에 열전도율 시트지를 부착하여 강박스 모형 시험체에 설치하였다. 또한, 강우효과에 의한 오차를 최소화하기 위하여 강우 시작 지점과 강우 종료 지점을 판단하여 부식전류량을 계측하였다. Fig. 5과 같이 부식전류량이 1 A 이상으로 계측되는 시점을 강우의 시작 시점으로 판단하였으며, 부식전류량 계측량이 1/2배 또는 1A 미만으로 계측되는 시점을 강우 종료 시점으로 판단하였다(Daisuke et al., 2014)⁽¹⁹⁾.

3.1 부식전류량 계측 결과 및 누적 부식전류량 비교

부식환경 모니터링 센서를 통하여 1년간 계측된 강박스 부재별 국부 열화환경에 따른 부식전류량을 Fig. 6에 나타내었으며, 강박스 부재별 누적된 부식전류량을 비교하여 Fig. 7에 나타내었다. 상부부재의 경우 노출기간 1년 동안 누적된 부식전류량은 다른 부재에 비하여 약 20배까지 누적되는 것을 알 수 있으며, 강박스 주위의 대기환경에 비하여 약 2배까지 누적되는 것을 확인할 수 있다. 하부부재와 측면부재의 누적된 부식전류량의 경우 강박스 주위의 대기환경에 비하여 1/10배까지 부식전류량이 누적되었으며, 강우 효과의 영향을 받는 측면부재의 경우 강우 효과를 받지 않는 측면부재 부식전류량의 약 2배까지 누적되는 것을 알 수 있다.

Fig. 6과 7에 나타낸 부식전류량 계측 결과와 같이 강박스 상부부재의 경우 부식전류량이 다른 부재에 비하여 상대적으로 크게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 실제 강박스 교량의 상부부재의 경우 강박스 시험체와 달리 상향으로 노출된 부재나 부분이 적을 수 있으나, 상대적으로 강우효과에 직접적으로 노출되고 형상적인 특성 등의 영향으로 강박스 하부부재나 측면부재에 비하여 상대적으로 부식전류량이 크게 평가되는 부식환경으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.

강박스 복부부재의 경우 부재 위치에 따른 부식 요인이 부재에 미치는 정도에 따라 국부부식환경의 상대적인 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 강우 효과에 영향을 받는 강박스 복부부재의 경우 상대적으로 강우에 의한 수분에 국부적으로 노출될 수 있으며, 강우 흐름에 의하여 구조물 상부로부터 내려오는 이물질과 등의 부식요인 영향으로 부식전류량이 다소 높게 나타난 것으로 판단할 수 있다. 부식전류량 계측 값을 통하여 강우효과에 영향을 받는 복부부재 단부 영역의 경우 강우효과에 의한 영향을 거의 받지 않는 복부부재의 중앙부위나 강우효과가 전혀 나타나지 않는 하부부재에 비하여 부식환경이 양호하지 않은 것을 알 수 있다. 강박스 주위 대기 환경의 부식전류량 계측 결과와 강박스 부재의 부식전류량 계측 결과를 비교하면 상부부재의 경우 일반적인 대기환경에서의 부식전류량보다 크게 계측되었으며, 측면부재와 하부부재의 경우 일반적인 대기환경에 비하여 적게 계측되는 것을 알 수 있다.

Fig. 7에 나타낸 부식전류량 누적 결과로부터 강박스 부재는 일반적인 대기환경에 비하여 양호한 부식환경에 노출되거나 불리한 부식환경에 노출되는 것을 확인할 수 있으며, 부재의 설치위치나 방향에 따라 국부적인 부식환경이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 국부적으로 계측되는 부식전류 누적량이 단기간이 아니라 장기적으로 누적된다면 강박스 부재별 국부적인 부식환경의 상대적인 차이가 더 크게 나타날 것으로 판단된다.

Fig. 6 Measured corrosion current results for monitoring period

Fig. 7 Accumulated corrosion current using ACM sensors

3.2 부재별 젖음시간 평가 결과

젖음시간(TOW : Time of Wetness)은 금속 표면이 대기 부식을 유발할 수 있는 흡착성 및 전해질의 액상 필름에 의하여 덮여있는 동안의 기간을 의미한다(KS D ISO 8044, 2015)⁽²⁰⁾. ISO 기준에 의하면 0 ℃ 이상의 온도와 동시에 상대 습도가 80 % 이상의 환경으로 지속되는 시간을 부식 표면의 젖음시간으로 정의하고 있다(KS D ISO 9223, 2015)⁽²¹⁾. 강재 표면에 실제로 발생할 수 있는 젖음시간은 강재의 유형, 부재의 형상, 표면의 부식생성물, 표면에 형성된 오염물 등의 성질 및 기타 환경적인 영향을 받는다. 이와 같은 부식요인들이 실제 강재 표면의 젖음시간을 증가시킬 수도 감소시킬 수도 있다. 따라서 동일 부식환경 모니터링 기간동안 강박스 시험체의 대기환경에서 계측된 온･습도로 평가된 젖음시간과 실제 강박스 부재에서 발생한 젖음시간의 상대적인 차이가 발생할 수 있으므로 대기부식환경 조건에서 계측된 온･습도와 부식환경 모니터링 센서로 계측된 젖음시간을 비교하였다.

3.2.1 온･습도를 통한 젖음시간 평가 결과

Fig. 8 Temperature and humidity at test site

Fig. 9 Time of Wetness ratio based on ISO 9223

Fig. 10 Monthly Time of Wetness ratio

강박스 실험체의 설치 위치에 대한 대기부식환경 조건 평가를 위하여 측정된 온･습도 결과를 Fig. 8에 나타내었으며, 온･습도 측정 결과를 이용하여 강박스 실험체 설치 위치에서의 젖음시간과 월별 평균 젖음시간을 Fig. 9 및 Fig. 10에 정리하여 나타내었다. 강박스 실험체의 대기부식환경으로 계측된 온･습도로 평가된 젖음시간은 전체 강박스 실험체의 대기환경 노출시간 중 약 15.8 %로 평가되었다. 대기부식환경 조건으로 측정된 온･습도로 계산된 젖음시간은 설치환경에 대한 결과로 실제 부재에 대한 젖음시간보다는 설치위치에 대한 대기부식환경 정보이다.

3.2.2 부식전류량을 통한 젖음시간 평가

Fig. 11 Time of Wetness by corrosion current

부식전류량을 통한 젖음시간을 평가하기 위하여 부식환경모니터링 센서로부터 계측된 부식전류량의 범위를 Fig. 11과 같이 강우 구간(Rain region), 습윤 구간(Dew region), 건조 구간(Dry region)의 세 구간으로 구분하였다(Jeon et al., 2009)⁽²²⁾. 부재별 부식전류량에 의한 젖음시간은 Eq. 1을 활용하여 산출하였으며(Jeon et al., 2009)⁽²²⁾, 부재별 젖음시간 평가 결과를 Fig. 12 및 Fig. 13에 나타내었다.

(1)

$Time$ $of$ $Wetness = T_{rain}+T_{dew}$

Fig. 12 Times of Wetness of Upper & Bottom plate

Fig. 13 Time of Wetness of web plate

부재별 젖음시간을 전체 노출시간에 대한 비율로 환산하여 Fig. 14에 나타내었다. 강박스 부재별 젖음시간이 Fig. 12 및 Fig. 13과 같이 상부부재의 경우 42.9 %, 하부부재 23.3 %, 강우영향이 있는 복부부재 27.4 %, 강우영향이 적은 복부부재 22.3 %로 평가되었다. 강박스 부재별로 측정된 부식전류량을 통하여 측정된 젖음시간을 강박스 시험체가 설치된 위치에서 대기환경에 조건을 위하여 계측된 부식환경 모니터링 센서 측정결과를 이용하여 비교한 젖음시간은 Fig. 14 (a)에 나타낸 것과 같이 약 0.61 ~ 1.18배로 평가되었다. 또한 강박스 설치 위치에서의 대기부식환경으로 측정된 온･습도 결과를 이용하여 평가된 젖음시간은 Fig. 14 (b)에 나타낸 것과 같이 약 1.08 ~ 2.09배로 나타나 실제 강박스 부재의 젖음시간이 강박스 부재 표면에 직접 측정되거나 영향을 주는 부식환경 요인인 강우, 표면이슬, 일사 등의 효과에 따라 온･습도로 평가된 강구조 부재의 젖음시간보다 실제 강박스 부재의 젖음시간이 더 크게 나타나고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 14의 결과를 통하여 동일 구조물에 설치되어 있는 구조부재이지만 부식환경과 설치위치 등의 구조적인 특징과 비래염분의 효과가 없는 대기부식환경 조건에 따라 강구조물의 설치환경을 평가한 경우와 비교하여 강재의 부식에 영향을 주는 젖음시간은 수평부재는 1.18배로 평가되고, 하부 및 복부부재는 0.61~0.75배 수준으로 평가되고 있음을 알 수 있다.

Fig. 14 Comparison of Time of Wetness

또한, 복부부재의 경우 1년 간의 부식전류 계측 결과로 단부복부부재와 중앙부 복부부재의 부식전류의 차이가 1.23배 차이나고 있음을 알 수 있다. 1년간의 부식전류 측정결과에 따라 상대적인 부식전류량의 차이가 상대적으로 작게 평가될 수 있으나 강구조물의 사용기간과 강재의 부식관계 등을 고려할 경우 이러한 부식전류의 누적량의 차이에 따라 복부부재의 상대적 부식속도 차이가 크게 발생할 수 있을 것이다.

3.3 부재별 부식량 평가

강박스 시험체의 각 부재에 부착한 모니터링 강판을 통하여 평가한 부식손상량을 부식환경 모니터링 기간과 동일한 기간에 대하여 평가하였다. 강박스 부재의 부식환경에 따라 나타날 수 있는 부식전류량, 젖음시간, 평균부식두께의 비율을 강박스 부재 중 강우 효과 등에 직접 영향이 없고 부식발생량이 가장 적은 하부 부재를 기준으로 계산하여 Table. 1에 비교하여 나타내었으며, 부식전류량, 젖음시간, 평균부식두께에 대한 각 강박스 부재별 비율 평가 결과를 Fig. 15~17에 나타내었다.

Fig .7의 부식환경 모니터링을 통하여 계산된 누적 부식전류량 평가 결과를 활용하여 부식전류량 비율을 평가하였다. 부식전류량 평가 결과 부식전류량이 가장 적은 하부부재에 비하여 상부부재의 경우 21.06배, 복부부재의 경우 0.98~2.42배의 수준으로 계측되는 것을 확인할 수 있다. 젖음시간의 경우 하부부재에 비하여 상부부재는 1.92배, 복부부재는 1.04~1.23배의 수준으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 평균부식두께를 평가한 결과 강박스 부재의 국부적인 부식환경에 따라 평균부식두께 또한 상대적인 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 평균부식두께의 경우 평균부식두께가 가장 작은 하부부재를 기준으로 상부부재의 평균부식두께는 7.13배의 수준으로 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 복부부재는 부식환경에 따라 1.13~1.35배의 수준으로 발생하는 것을 확인할 수 있다. 강우효과가 거의 없거나 영향을 받지 않는 복부부재의 중앙 부위나 하부부재의 경우 젖음시간, 부식전류량, 평균부식두께 평가 결과가 유사한 수준으로 나타나는 것을 알 수 있다.

상부부재 부식전류량 계측 값의 경우 젖음시간이나 부식량의 비율보다 상대적으로 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 상부부재는 강우 등에 직접 노출되고 구조적인 특성으로 물고임이 발생하거나 습윤상태와 건조상태가 지속적으로 반복되어 상대적으로 부식전류량이 크게 나타난 것을 알 수 있다. 젖음시간의 경우 부식전류량이나 부식량에 비하여 비율이 상대적으로 적게 평가되었다. 이는 강박스 부재의 국부적인 부식환경이나 실제 젖음시간이 유지되는 시간과 지속성 등에 영향을 받은 것으로 판단되며, 실제로 발생하는 젖음시간의 지속성에 대한 검토가 진행되어야 할 것이다. Table. 1의 결과로부터 부식전류량, 젖음시간, 부식량으로 각각 평가한 비율이 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 강박스 부재 표면에 직접적으로 나타나는 부식전류량과 부식전류량 계측 값을 통하여 계산된 젖음시간이 강교량 강박스 부재에 실제 발생할 수 있는 부식손상량과 높은 상관관계를 갖고 있음을 알 수 있다. 이를 통하여 실제 강박스 교량에서 나타날 수 있는 부식손상과 연계된 상대적 부식열화환경을 평가할 수 있을 것으로 판단되며, 강박스 교량의 부재별 부식 취약 부위에 대한 상대적 손상 수준 등도 확인할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 15 Corrosion current ratio

Fig. 16 Time of Wetness ratio

Fig. 17 Mean corrosion depth ratio