2.1 연구개요

Fig. 1에서는 본 연구의 주요내용 및 순서를 보여주고 있다. 먼저 철근 콘크리트 보 실험체 제작 및 양생을 통하여 급속부식시험을 적용하기 위한 실험체를 준비하였다. 그 다음, 실험체를 습윤 및 건조의 반복 사이클(3일간의 습윤 후 4일간의 건조)에 노출 시켜 부식이 시작되기 전의 잠재기(initiation phase)를 모사했다. 5회의 습윤-건조 사이클을 거친 후, 0.5A의 일정한 전류를 인가하여 철근의 급속부식을 유도하였고, 이를 90일간 지속하여 철근 부식의 진전기(rust propagation phase) 및 가속기(acceleration phase)를 모사하였다. 잠재기, 진전기, 가속기 동안 IE시험을 반복적으로 수행하여 다양한 콘크리트 상태에서 IE 신호변화를 관찰하였다. 각 실험 단계에 대한 상세한 설명은 뒤이은 세부항목에서 다루고 있다.

Fig. 1 Flow chart of the present study

2.2 실험체 제작

Fig. 2는 이 연구에서 활용된 철근 콘크리트 보 실험체를 보여준다. 실험체는 한국도로공사 콘크리트 교량 바닥판 표준상세를 참고로 설계하였다. 이 연구에서 활용된 보 실험체는 일 방향 슬래브의 일부를 추출한 것으로 간주할 수 있다. 콘크리트 두께는 200 mm로 결정하였고, 가로근과 세로근은 각각 D13, D10 철근을 활용하였다. 단, 피복두께는 부식 유발을 촉진하기 위하여 표준설계도에서 명시된 50 mm에서 20 mm로 조정하였다. 실험체 제작에 사용된 콘크리트의 설계압축강도는 25 MPa로 결정하였으며, 혼화재의 종류에 따른 염해저항 및 콘크리트 손상 특성 및 이에 따른 IE 신호변화를 관찰하기 위하여 세 가지 콘크리트 배합을 활용하였다 (Table 2 참조). 이 연구에서는 길이, 폭, 두께를 각각 1,500 mm, 400 mm 및 200 mm로 갖는 실험체 3개를 제작하였다. SD 400 철근을 사용하였으며, 가로근과 세로근은 각각 200 mm 간격으로 배근하였다. 콘크리트 배합 및 타설은 부산광역시에 위치한 레이콘 업체에서 수행되었다. 타설된 콘크리트는 레이콘 업체의 외부 환경에 노출된 상태에서 일주일 간 습윤 양생 과정을 거쳤으며, 이후 실내 실험실로 이동하여 기건양생을 지속하였다. MIX1, 2, 3 콘크리트의 28일 압축강도의 평균값은 26.8 MPa, 25.6 MPa, 28.4 MPa로 평가되었다^{(KS F 2405, 2022)}.

Fig. 2 Details for reinforced concrete specimens: (a) isometric view, (b) section view (A-A section), (c) section view (B-B section)

2.3 부식촉진실험

2.3.1 습윤-건조 환경 모사

보 실험체 중심부의 표면적 300 mm×420 mm 크기의 영역을 부식영역(Region2)으로, 그 이외의 영역은 건전한 영역(Region1)으로 정의하였다(Fig. 3). 부식영역의 염해환경을 모사하기 위하여, 염수침지에 따른 습윤 및 자연건조 환경을 반복적으로 조성하였다. 염수침지상태는 3%의 염화나트륨 수용액으로 포화된 헝겊을 콘크리트 부식영역을 감싸서 습포하는 방식으로 진행하였다(Fig. 3). 3일간 침지환경을 모사 후, 헝겊을 걷어내고 실험실 공기조건에 노출시켜 자연건조를 4일간 진행하였다. 건조환경에서 실험실의 온도와 습도는 아두이노 모듈에 부착된 DHT-11 센서를 활용하여 모니터링하였으며, 평균 15℃, 상대습도 45%의 일정한 수준을 유지하였다. 3일 침지 4일 건조를 한 사이클 로 총 5회 반복, 총 35일간 수행하였다. 이 과정을 통하여 콘크리트 표면의 피복부위가 충분히 습윤상태로 도달하도록 하여 철근부식 환경을 조성하였다. 이 단계는 철근부식이 본격적으로 시작되기 전 염해환경을 모사하는 단계(철근부식의 잠재기)이다. 이 연구에서는 콘크리트 건조상태에 따른 IE신호 변화 특성을 파악하는데 활용하였다.

Fig. 3 Corrosion activation region covered by a 3% NaCl saturated wet cloth during a wetting cycle

2.3.2 전류인가를 통한 부식촉진

부식영역(Region 2)에 위치한 철근의 부식을 촉진하기 위하여, 0.5 A의 정전류를 인가하였다(Fig. 4). 전원 공급기의 (+)극은 상단 중앙 철근에 연결되었고, (-)극은 부식 영역을 둘러싼 스테인레스 망(SUS 314 Mesh)에 연결하였다. 전류의 인가는 다음 두 가지 측면에서 철근부식을 촉진한다. 먼저 철근을 (+)로 표면의 스테인레스망을 (-)로 대전하여 발생된 전압장에서 염소이온은 철근방향으로의 이동이 촉진된다. 이는 철근-콘크리트 계면에서 염소이온농도 증가를 가속하여, 철근 표면에서 공식(pitting corrosion)을 촉진한다. 또한, 철근 부식이 시작된 이후에 지속적으로 인가된 전류는 철근의 산화반응을 촉진한다. 이때 철근 주변 콘크리트에 수분과 용존산소가 충분한 상태에서 철근의 녹층이 전류인가 총량에 비례하여 증가된다.

철근 콘크리트의 부식생성물의 양은 패러데이법칙을 바탕으로 다음과 같이 계산하였다.

(1)

$m_{loss}=\dfrac{W\times i\times t}{F}$

여기서, $m_{loss}$은 철근의 부식생성물의 질량 (g/cm²), W는 철의 밀도 (27.925 g/mol), $i$은 부식전류밀도 (A/cm²), t 는 전류를 인가한 시간 (sec), F 는 페러데이 상수 (96,487 C/mol)이다.

Fig. 4 Test setup for accelerated corrosion testing by the impressed current technique

2.4 충격반향법

2.4.1 실험방법

Fig. 5는 이 연구에서 사용한 IE시험장치를 보여주고 있다. 콘크리트 표면에 충격파 인가를 위해 직경 12 mm의 쇠구슬을 활용하였다. 신호분석결과 1 kHz에서 15 kH의 주파수 대역의 응력파 에너지를 효과적으로 발생시키는 것을 확인하였다. 콘크리트의 과도응답 측정은 0.5 Hz에서 50 kHz까지 광대역 응답특성을 갖고, 높은감도(10.2 mV/m/S₂) 특성을 갖는 직경 12 mm 가속도계(PCB 480B21)를 사용하였다. 시그널 컨디셔너(0.15 Hz 에서 100 kHz)를 통해 안정화된 신호는 고속 오실로스코프를 활용하여 디지털화되었다. 디지털화된 신호는 신호처리 및 해석을 위해 실험용 노트북 컴퓨터에 저장하였다.

Fig. 5 Test setup for Impact-echo (IE) testing in this study

IE 시험은 Fig. 4(a)에 표시된 보의 150 mm×150 mm 격자 교차점마다 수행하였다. 이 중 실험체의 가장자리 효과^{(Sano et al., 2022)}를 최대한 배제하여, 센서의 위치를 교차점 B3에서 B8으로 이동하면서 콘크리트의 과도응답을 측정하였다. 이때 충격점의 위치는 센서에서 약 50 mm 이격된 위치에서 결정하였다^{(ASTM C 1383)}. 측정된 시계열 신호는 고속푸리에변환(FFT)을 통하여 주파수 신호로 변환하였고, 이 중 0 Hz에서 20 kHz 주파수 대역에서 최대응답에 대응하는 주파수를 탁월주파수로 정의하였다. 램파 이론에 따르면, IE를 활용하여 두께, H, 갖는 콘크리트 판에서 측정된 탁월주파수, fIE,는 판의 두께, H,와 다음과 같은 상관관계 갖는다.

(2)

$H =\beta C_{P}/2f_{IE}$

여기서 CP는 콘크리트의 P파속도, β는 콘크리트의 포아송비에 따라 결정되는 보정계수이며, 포아송비가 0.16에서 0.25까지 변화함에 따라 보정계수값은 0.945 내지 0.957의 범위에 있는 것으로 보고되고 있다^{(Gibson and Popovics, 2005)}.

한편, IE시험결과의 정확한 분석을 위해서는 콘크리트의 P파속도, CP,를 알고 있어야 한다. 이 연구에서는 150 mm 간격으로 이격된 두 가속도계에서 측정된 신호를 분석하여, P파 속도를 계측하였다^{(ASTM C1383-15, 2022)}. 충격원과 두 개의 가속도계는 등간격으로 일직선 상에 배치되도록 하였다. 충격원의 위치를 h, 센서의 위치를 각각 i와 j라고 했을 때, 두 지점 i와 j사이에서 콘크리트의 P파속도는 두 점에서 측정된 신호에서 응답신호의 최초도달시간의 차(Δt)로 다음과 같이 계산하였다.

(3)

$C_{p}=\dfrac{S_{ij}}{\Delta t}$

여기서 Sij는 두 지점 i와 j사이의 거리(=150 mm)를 의미한다. P파속도의 측정은 그리드 B를 따라 충격원의 위치 h를 B1에서 B8까지 증가시키면서 측정하였다.

측정격자에서 동시에 측정된 탁월주파수와 P파속도 결과를 공간적으로 시각화하여 건전영역(Region1)과 부식영역(Region2)을 구분하였다. 또한 부식촉진시험 경과에 따라 IE시험을 주기적으로 수행하여 각 측정점에서 시간적 변화를 관찰하였다. IE의 최초시험은 습윤-건조 사이클을 시작하기 전에 수행하였으며, 이때 수집한 신호를 기준데이터로 활용하였다. IE시험은 부식촉진시험을 진행함에 따라, 건조단계의 시점과 종점에서 각각 수행하였다. 이는 각각 습윤상태 및 건조상태에서 IE 신호 특성을 평가하는데 활용하였다.

3.1 육안평가

Fig. 6은 부식촉진시험에 따른 콘크리트 표면의 주요 손상 상태를 육안평가로 관찰한 사진을 보여준다. 이 연구에서는 철근 부식에 따른 콘크리트 손상을 육안으로 평가하여 세 단계로 분류하였다.

Fig. 6 Summary of progressive concrete damage based on visual inspection

실험 시작 35 일(습윤-건조 급속부식 시험) 동안에는 실험체 표면에서 큰 변화를 관찰할 수 없었다. 이 시기의 콘크리트는 건전한 상태를 유지하며, 이를 Class1으로 정의하였다. 전류 인가를 시작한 이후에는 실험체에 표면에서 변색을 관찰할 수 있었다. 특히, MIX1과 MIX2에서는 전류 인가 하루 경과 후, 부식생성물의 용출에 따라 보의 양 측면을 중심으로 붉은 갈색 계열의 변색이 관찰되었다. MIX3에서는 전류 인가 후 일주일 경과 후에 변색을 관찰할 수 있었다. 이후, 전류인가를 지속함에 따라, MIX1에서 변색부위의 확산속도가 가장 컸으며, MIX2와 MIX3 순으로 확산속도가 약화되는 경향을 보였다. 이 연구에서는 전류 인가 후 표면 균열이 발생하기 전까지 콘크리트 상태를 Class 2로 정의하였다. Class 2는 철근과 콘크리트 계면에서 증가된 부식생성물 양에 따라 내부압력의 증가 및 미세균열 발생 과정을 포함한다. 이후 표면균열이 발생한 이후의 콘크리트 상태를 Class 3로 정의하였다. 최초의 표면 균열은 MIX1의 격자 A에서 전류인가 후 50일째, 질량감소율 3.9%에서 관찰되었다. MIX2 실험체에서는 격자 C에서 66일째, 질량감소율 7.6%에서, MIX3 실험체에서격자 C에서 87일째, 질량감소율 11.3%에서 관찰되었다. 실험종류 후 관찰된 콘크리트 보 실험체의 최대 균열크기는 MIX 1 실험체에서 1 mm, MIX 2 실험체에서 1.4 mm, MIX 3 실험체에서 1.2 mm 로 관찰되었다.

흥미로운 결과로서, 실험체의 균열 생성 및 성장은 콘크리트의 배합에 다소 상이한 결과를 얻었다. 2성분계(OPC+ GBFS)와 3성분계(OPC+GBFS+FA) 결합재를 사용한 MIX2와 MIX3 실험체의 경우, 시멘트만을 결합재로 활용한 MIX1 실험체보다 균열의 출현은 늦었으나, 균열의 확산 및 성장은 더욱 빠르게 진행되었다. MIX2와 MIX3에서 균열 출현 시점의 지연은 혼화재(고로슬래브 및 플라이애시)를 결합재로 활용한 콘크리트가 균열성장 저항성이 향상된다는 기존 연구결과^{(Lam et al., 1998; Golewski and Sadowski, 2016; Khan and Ali, 2019)}와 부합한다. 이는 혼화재의 사용이 결합재의 조직을 더욱 밀실하게 하고, 내구성 및 역학적 특성을 향상시키기 때문으로 판단된다. 하지만, 이 연구결과는 향상된 콘크리트의 특성이 균열 발생 이후에는 부식저항성에 불리하게 작용될 수도 있음을 보여 주의가 요구된다. 즉, 혼화재를 사용한 결합재의 낮은 투수성을 고려했을 때, MIX2와 MIX3 콘크리트에서 발생된 균열은 외부 이물질(수분 및 염소이온) 및 부식생성물의 집중된 이동경로를 제공하여, 균열부위에서 부식을 더욱 집중시킬 수 있을 것으로 보인다.

3.2 탁월주파수의 변화

Fig. 7은 상대적 탁월주파수의 공간적분포를 보여준다. 상대적 탁월주파수(relative peak frequency)는 각 실험체의 급속부식 전 측정된 탁월주파수(기준값)에 대한 부식촉진시험 경과에 따라 측정된 탁월주파수 비율로 정의된다. 탁월주파수의 기준값은 9.9 kH에서 10 kHz사이의 일관적인 값을 보였다. 모든 실험체에서 건전영역(Region1)과 비교하여 부식영역(Region 2)에서 감소된 상대적 탁월주파수 변화를 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 탁월주파수의 모니터링으로 육안평가로는 관측이 어려운 철근 부식에 따른 콘크리트 내부손상을 조기에 감지하고, 변화의 추이를 효과적으로 예측할 수 있음을 보여준다.

Fig. 7 Spatial variations of peak frequencies on the test points across the test points B2 to B9 on the three reinforced concrete specimens: (a) MIX1, (b) MIX2, and (c) MIX3

Fig. 8 Variations in average peak frequencies within the passive and active corrosion regions across the three reinforced concrete specimens over time: (a) MIX1, (b) MIX2, and (c) MIX3

Fig. 8 은 부식촉진시험을 진행하는 동안 콘크리트 실험체의 건전영역(Region 1)과 부식영역(Region2)에서 측정된 상대적 탁월주파수의 평균값 변화를 보여준다. 전류인가를 시작하기 전, 염수로 포화된 헝겊을 사용하여 습포와 건조를 반복할 때, 건전한 영역과 부식 영역 모두에서 안정적인 탁월주파수 값을 관찰할 수 있었다. 35일간의 염수습포와 건조만으로는 철근과 콘크리트 계면에 임계점 이상의 염화이온 농도가 도달했다고 판단하기 어렵다. 이 연구에서 반복된 염수습포와 건조 단계는 철근 부식 개시 전의 잠재기를 모사하고 있으며, 이때 콘크리트의 손상은 시작되지 않았다고 볼 수 있다. 이 연구의 결과는, IE시험을 통한 음향적 인자는 습윤-건조 환경의 영향이 크지 않으며, Class 1 상태를 효과적으로 평가할 수 있음을 보여준다.

전류인가 후, 건전구간(Region 1)은 여전히 안정적인 탁월주파수 값을 보였다. 하지만 부식영역(Region2)에서는 전류인가 시간이 증가함에 따라 탁월주파수가 점차 감소하는 경향을 보였다. 이 감소 경향은 콘크리트 배합별로 약간의 차이를 보였으며, 전반적으로 육안 평가에서 관찰된 콘크리트 손상특성과 부합하였다. MIX1 실험체의 경우, 부식 전류를 인가한 후 38일째에 철근의 질량손실율이 1.7%에 도달했을 때 탁월주파수의 변화가 감지되었다. MIX2와 MIX3 실험체에서는 각각 59일과 66일에 처음으로 탁월주파수의 변화를 관찰할 수 있었다. 이 시점에서 콘크리트 표면에는 균열이 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 탁월주파수의 관측으로 육안평가로 관측이 어려운 Class 2 상태의 초기손상을 효과적으로 감지할 수 있음을 보여준다.

초기손상 이후 관측된 탁월주파수의 추이에서도 육안으로 관측된 콘크리트 배합비에 따른 손상특성을 확인할 수 있었다. MIX1 실험체에서는 탁월주파수 감소율은 0.19%/day로 점진적인 감소경향을 보였으며, 표면 균열의 최대 폭은 0.1 mm로 MIX2와 MIX3 실험체에 비해 가장 늦은 균열 성장을 나타내었다. 반면, MIX2 실험체는 MIX1보다 최초 균열의 출현은 늦었지만, 부식 가속에 따른 균열 성장속도가 빨랐으며 균열 폭이 최대 1.4 mm까지 증가했다. 이러한 손상 특성 때문에 MIX2에서 탁월주파수의 감소율은 다소 증가한 것으로 보이며, 상대 탁월파수값이 약 80%에 도달한 뒤에는 약간의 증감을 반복하며 정체기를 보였다. MIX3의 경우 MIX2보다 감소속도가 빨랐으며, 80%정도에 도달한 이후에는 MIX2와 유사한 정체기를 보였다. 이러한 실험결과는 탁월주파수의 주기적인 계측으로 콘크리트 손상 이후 내구성능 변화추이를 효과적으로 관측하고, 진행 상태 예측에 활용할 수 있음을 보여준다.

3.3 P파속도의 변화

Fig. 9은 상대적 P파속도의 공간적분포를 보여준다. 모든 실험체에서 상대적 P파속도 크기에 따라 건전영역(Region 1)과 부식영역(Region2)는 효과적으로 구분할 수 있었다. 탁월주파수와 마찬가지로, P파속도의 주기적 모니터링은 부식에 따른 콘크리트 내부손상을 조기에 감지할 수 있음을 보여준다. 하지만 탁월주파수와 비교하여 다소 높은 변동성이 관찰되어, 신호해석에 주의가 요구된다. 이 연구에서는 특히 실험체의 가장자리 부위에서 측정된 신호의 특징이 전체 경향과 상이한 결과를 보였다.

Fig. 9 Spatial variations of peak frequencies on the test points across the test points B2 to B9 on the three reinforced concrete specimens: (a) MIX1, (b) MIX2, and (c) MIX

Fig. 10은 급속부식시험이 진행되는 동안 각 콘크리트 실험체의 건전영역(Region 1)과 부식영역(Region2)에서 측정된 P파속도의 평균값 변화를 보여준다. 습윤-건조 여부와 관계없이, 전류인가 전에 측정된 P파 속도는 약 3800~4100 m/s로 나타났다. 하지만 전류인가가 시작되면서 P파속도는 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. 탁월주파수의 변화와 유사하게, 콘크리트 배합에 따라 약간의 변화는 있었지만, 대체적으로 전류인가 시간경과에 따라 감소추세를 보였다. 이는 P파속도의 감소는 철근부식에 따른 콘크리트 손상이 심화됨에 따라 콘크리트의 연화가 진행되고, 결과적으로 재료의 탄성계수가 감소되었음을 의미한다.

Fig. 10 Variations in average peak frequencies within the passive and active corrosion regions across the three reinforced concrete specimens over time: (a) MIX1, (b) MIX2, and (c) MIX3

P파속도의 최초 감지 시점은 MIX1과 MIX2에서는 각각 전류인가 후 37일과 45일에 관측되었으며, 이 값은 탁월주파수에서 관측된 결과와 부합한다. 하지만 MIX3의 경우 P파속도감소의 징후가 MIX와 같이 45일째 관측되었고, 이는 탁월주파수로 관측된 시간보다 앞선 것이다. 이러한 결과는 P파속도가 Class 2 상태에서 미세한 균열에 대하여 탁월주파수보다 상대적으로 우월한 민감도를 갖을 수 있음을 의미한다. 즉 P파속도에 따른 평가로 탁월주파수보다 부식에 따른 콘크리트 손상을 먼저 감지할 수 있음을 의미한다. P파속도의 우월한 민감도는 Fig. 11에서 보다 명확하게 확인할 수 있다. 하지만 P파속도는 탁월주파수와 비교하여 콘크리트의 함수조건에 다소 민감하며, 시간 및 공간적 분포에서 비교적 높은 변동성을 갖는다는 측면에서 P파를 활용한 평가에 주의가 요구된다.

Fig. 11 Comparison of relative parameter: (a) MIX 1, (b) MIX 2, (c) MIX 3

3.4 콘크리트 손상 평가에 관한 고찰

콘크리트 속 철근의 부식이 진행됨에 따라 IE시험에 따른 탁월주파수와 P파속도의 점진적인 감소는 콘크리트 내부손상이 심화된 결과로 해석될 수 있다^{(Alhawat et al., 2020)}. 하지만 이 두 인자가 건전한 상태와 비교하여 약 80% 수준에서 정체되는 현상은 부식에 따른 손상이 아직 거시적 균열로 확대되기 전의 단계로 해석될 수 있다. 즉 균열의 크기가 커지면 철근과 철근사이는 잇는 수평적인 균열이 생성되며, 이는 상부철근의 면에서 피복의 층 분리로 이어질 수 있다. 층분리 결함으로 생긴 콘크리트 표면의 얇은 막은 휨진동의 지배에 따른 콘크리트 과도응답을 나타내는 것으로 알려져 있다. 이때 이론적 연구에 따라, 두께 20 mm, 길이 200 mm 정사각형 형태의 층분리 결함은 건전상태에 비해 50%미만의 공진주파수를 형성한다^{(Kee and Gucunski, 2012)}. 이 연구에서 고려된, 철근부식에 따른 최대 질량손실은 20% 수준으로, 일반적인 환경에서 상당한 수준의 부식수준으로 간주된다. 이를 고려할 때, 철근의 부식만으로는 콘크리트에서 층 분리나 박락과 같은 심각한 손상으로 이어지는 데는 한계가 있음을 보여준다.

이 연구 결과만을 바탕으로 부식에 따른 콘크리트 손상 정도에 관한 일반화 결론 도출에는 주의가 요구된다. 실제 현장의 콘크리트 구조물은 다양한 외부하중의 복합적인 작용을 받는다. 계절적 온도변화에 따른 동결융해 영향, 차량하중과 같은 반복하중, 시공오차 및 품질관리 미흡 등으로 인한 품질 및 성능의 불확실성은 부식에 따른 콘크리트 손상을 증폭할 수 있다. 또한 이들 요인들이 복합적으로 작용한 상태에서 콘크리트 성능저하는 더욱 빠른 속도로 진행될 수 있기 때문이다.