3.1 사용재료

본 실험에서는 부식전류 평가를 위해 3수준의 염화물 농도(0.0, 0.125, 0.25mol/l)와 3수준의 [Cl^-]/[OH^-]비를 부식 영향 인자로 고려하였다. 염화물 농도 0.125mol/l에 대해서 NaOH를 첨가하여 3수준(0.3, 0.6, 0.9)의 [Cl^-]/[OH^-] 비를 준비하여 촉진 부식 실험에 사용하였다.

실험 시편은 300 × 300 × 200mm 크기의 직육면체 아크릴박스로 설계하였다. 콘크리트 대신 체가름 시험(KS F 2502)을 통해 4.75mm체를 통과한 잔골재를 사용하였으며, 촉진부식시험을 통해 부식 모니터링을 수행하였다. 사용된 잔골재의 비중 및 흡수율은 각각 3.2 %와 2.8 %로 평가되었으며, 표준 지름 12.7mm, 길이 200mm를 고려한 텐던(KS D 7002 B type, SWPC 7B)을 매립하였다. 6개의 소선중 바깥쪽으로 둘러싸인 소선 4개에 전선을 연결하였으며, 부식전류 측정시 각 소선에서 측정된 값의 4개의 평균값을 사용하였다.

Fig. 2와 Fig. 3에 각각 시편의 모식도와 시편 및 텐던의 전경을 나타내었다.

Fig. 2 Schematic diagram for test sample

Fig. 3 Photos of test sample and corroded tendons

3.2 측정장비

본 연구에서는 Ag/AgCI 전극을 사용하는 GAITEC 장비를 활용하여 촉진부식환경에서의 부식 전류를 평가하였다. 사용 장비는 ASTM C 876 표준에 준하여 부착된 4개의 전극으로 시편 표면에서 텐던의 전기적 반응을 고려하는 기술이다. 외부에서 측정된 전압을 통해 철근의 저주파 임피던스 반응을 고려한 부식전류를 측정하며, Fig. 4에 부식전위 평가를 위한 반응 기구 및 장비를 나타내었다. 또한 장비에 사용된 측정 전극의 부식전류와 부식상태 결과는 Table 1에 나타내었다.

Fig. 4 Mechanism for corrosion equipment

사용된 측정 장비는 콘크리트를 대상으로 측정하는 장비이지만, 본 실험에서는 매립된 텐던의 부식 여부를 육안으로 관찰하고 텐던의 중량 감소율을 평가하기 위해 콘크리트 대신 잔골재를 사용하였다. 콘크리트를 사용할 경우, 정확한 실험환경을 재현하기 어렵기 때문이다. 또한 실험의 정확성을 높이기 위해 함수율을 동일한 환경 조건으로 조성하였으며, 염수 주입을 통해 습윤 상태를 유지하였다.

3.3 촉진부식환경에 따른 부식 모니터링

3 수준의 염화물 농도와 3수준의 [Cl^-]/[OH^-]비를 고려한 장기 부식 모니터링을 위하여 실험기간은 총 28주로 계획하였으며, 2주 간격으로 Ag/AgCl 전극을 가진 장비를 통해 부식 전류를 측정하였다. 이후 시편 상부에서부터 염화물을 주입하여 촉진부식환경을 조성하였으며, 측정주기에 대한 모식도를 Fig. 5에 나타내었다.

또한 부식을 촉진시키기 위해 모니터링 기간 동안 2가지 조건(부분포화상태, 포화상태)을 추가적으로 고려하였다. 16주차 까지는 시편의 상태를 부분포화상태로 유지하였으며, 이후 부식 모니터링이 종료되는 28주까지 포화 상태를 유지하였다. 부식으로 인한 감소된 텐던의 부식중량을 평가하기 위하여 16주차와 28주차에 매립된 텐던을 회수하여 전체 중량을 측정하였으며, 부식중량 측정 후, 같은 위치에 존치하였다. 부식 모니터링 기간 동안 실험실 온도 및 습도는 Fig. 6과 같다.

Fig. 5 Schematic diagram for corrosion monitoring

Fig. 6 Environmental conditions (Temp. and R.H.)

4.1 염화물 농도에 따른 부식전류 변화

부식전류의 경우 부식 모니터링 기간에 따라 모든 수준에서 ‘High’수준의 부식속도를 나타내었으며, Fig. 7에 부식전류 측정결과를 나타내었다. 또한 Fig. 7에서는 실험온도결과를 같이 도시하였으며, 점선의 경우 3.2절에 나타낸 전극의 부식전류 상태에서 ‘High’ 조건의 상한치(10 μA/cm²)를 나타낸다.

부식전류는 소선과의 접촉면 및 발생한 부식의 영향으로 변동성이 크게 나타났다. 또한 온도가 낮아지는 시점에서 0.125mol/l 및 0.25mol/l에서 부식전류가 낮아지고 있음을 알 수 있으며, 염화물의 농도가 증가할수록 높은 부식전류를 나타내고 있다. 각 측정주기마다 부식전류의 변동성이 있지만, 염화물 농도가 0.125mol/l이상에서는 부식전류가 뚜렷한 증가를 확인할 수 없었는데, 0.125mol/l조건은 부식이 활성도가 포화되기 때문이다.

Fig. 8 Average corrosion density with different chloride concentration

Fig. 7 Corrosion density with temperature

Fig. 8에서는 각 조건에 따라 측정된 부식전류의 평균을 나타내었으며, 각 염화물 농도에 따른 부식전류 평균값을 연결하여 부식전류의 거동을 나타내었다. 부식 모니터링 기간동안 측정된 부식전류의 평균값은 0.0mol/l, 0.125mol/l, 0.25mol/l에서 각각 5.13μA/cm², 17.53μA/cm², 20.07μA/cm²로 평가되었으며, 이는 초기 조건에서 염화물 농도가 증가할수록 부식전류가 증가함을 알 수 있다. 온도가 낮은 경우 부식거동은 감소하는데^{(Yoon and Kwon, 2022)}, 텐던의 경우, 소선간의 접촉면의 불균일성과 이 연결되어 있으며, 소선사이서 발생한 부식영향으로 변동성이 크게 평가되었다.

4.2 [Cl^-]/[OH^-] 농도비에 따른 부식전류 변화

본 절에서는 0.125mol/l조건에서 3수준의 [Cl^-]/[OH^-]비를 고려하여 부식전류의 거동을 분석하였다.

0.125mol/l 조건에서 측정된 pH값은 8.02로 중성을 나타내었지만, 동일한 염화물 농도에서 NaOH를 변화시키면서 [Cl^-]/[OH^-]비를 0.1~0.9로 변화시킬 경우, pH는 크게 증가하였다. 몰비가 0.1인 경우에도 12.9 이상의 높은 알칼리를 나타내었으며, 결과를 Fig. 9에 나타내었다. NaOH를 넣지 않은 경우 (0.125mol/l)를 참고값으로 하여, 몰비에 따른 부식전류값을 Fig. 10에 나타내었으며, 부식 전류의 평균값의 변화를 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11에서 알 수 있듯이, [OH^-] 농도가 증가할수록 부식전류는 지속적으로 감소하였는데, 부식을 야기하는 높은 농도(0.125mol/l)에서도 [OH^-]의 증가는 효과적임을 알 수 있다. [Cl^-]/[OH^-] 0.9을 제외한 2수준의 비율(0.6 및 0.3)에서 기준 조건인 0.125mol/l보다 낮은 부식 전류가 측정되었으며, [OH^-]비의 농도가 증가함에 따라 부식속도가 지연되었다.

기존의 연구에서는 몰비가 0.9 이하일 경우 수용액 상태에서 부동태 영역으로 전환되어, [Cl^-]/[OH^-]이 낮을수록 부식전류가 선형적으로 감소하였다^{(Thangavel and Rengaswamy, 1998)}.

Fig. 9 Variation of pH with [Cl-]/[OH-]

Fig. 10 Corrosion density with different [Cl-]/[OH-] ratios

Fig. 11 Changes in average corrosion density with different [Cl-]/ [OH-] ratios

4.3 농도에 따른 텐던의 부식중량 변화

텐던의 부식 중량 평가 결과 염화물 농도가 높아질수록, [OH^-]비가 낮을수록 부식률이 높게 나타났다. Fig. 12는 다양한 농도 조건에서 매립된 텐던의 부식률을 나타내었다. 염화물 농도에 따라, 0mol/l에서는 4.33wt/%, 0.125mol/l에서는 4.55wt/%, 그리고 0.25mol/l에서는 5.76wt/%의 중량 감소가 평가되었으며, 촉진 기간에 선형적인 관계를 나타내었다. 또한 [Cl^-]/[OH^-] 비에 따른 중량 부식률은 0.9, 0.6, 0.3 비율에서 각각 2.88wt/%, 2.43wt/%, 2.53wt/%로 측정되었다. 이는 [OH^-] 비가 높을수록 텐던의 부식전류가 감소함을 알 수 있다.

Fig. 13에서는 0.0mol/l 와 0.25mol/l의 부식상태를 3D 스캐너로 측정한 사진을 나타내었다.

Fig. 12 Corrosion reduction ratio in tendon

Fig. 13 Corrosion condition in tendon (3D photo)

4.4 영향인자와 부식전류와의 상관성

4.2절에의 Fig. 8에서는 염화물 농도에 따른 부식전류의 변화를, Fig. 11에서는 염소-수산화 이온비에 따른 부식전류의 변화를 분석하였는데, 소선간의 접촉 및 국부 부식의 영향으로 변동성이 매우 큰 값들이 측정되었다. 각 실험값의 최대값으로 염화물 농도를 나누어 정규화하여 각 평균값의 변화만을 고려할 수 있다. 이 결과를 Fig. 14와 같이 결과를 도시하였다.

Fig. 14에서 알 수 있듯이, 실험값의 50 %(염화물 농도 0.125mol/l)이상에서는 큰 부식전류의 변화는 분석되지 않았으며 그 이하의 값에서는 매우 빠른 1.235의 기울기가 평가되었다. [Cl^-]/[OH^-]의 변화에 따른 부식 전류 기울기는 0.351 과 0.170으로 평가되어 염화물 농도에 따른 부식영향보다는 낮은 부식전류 기울기가 평가되었다. 이는 전술한대로 0.125mol/l의 높은 염화물 수용액에서 실험이 수행되었기 때문이며, 이러한 환경에서도 [OH^-] 이온으로 부식전류의 기울기가 감소하고 있음을 알 수 있다. 즉 높은 염화물 농도에서도 높은 [OH^-] 조건은 부식거동을 개선시킬 수 있다.

Fig. 14 Regression analysis with normalized results