Corrosion Resistance of Cr-bearing Rebar in Concrete Subjected to Carbonation and Chloride Attack

(1)

중성화와 염해의 복합 열화 환경하의 콘크리트 내에서의 Cr강방식철근의 방식성

Corrosion Resistance of Cr-bearing Rebar in Concrete Subjected to Carbonation and Chloride Attack

태 성 호^*

Tae, Sung-Ho

Abstract

Ten types of steel bars having different Cr contents were embedded in concretes with chloride ion contents of 0.3, 0.6, 1.2, and 2.4kg/m

³

to fabricate specimens assuming such deteriorative environments. After being carbonated to the reinforcement level, these con- cretes were subjected to corrosion-accelerating cycles of heating/cooling and drying/wetting.

The time-related changes in the corrosion area and corrosion loss of the Cr-bearing rebars were then measured to investigate their corrosion resistance. The results revealed that in a deteriorative environment prone to both carbonation and chloride attack, corrosion re- sistance was evident with a Cr content of 7% or more and 9% or more in concretes with chloride ion contents of 1.2 and 2.4kg/m

³

, respectively.

요 지

중성화와 염해의 복합 열화 환경하의 콘크리트 내에서의 Cr강방식철근의 방식성을 평가하기 위하여 Cr 함유율이 다른 10종류의 철근을 피복 두께 20mm 위치에 매입한 염화물 이온 함유량 0.3, 0.6, 1.2, 2.4kg/m

³

의 콘크리트 공시체를 제작하였다. 그 후 촉진 중성화 시험 및 고저온 건습 반복의 부식 촉진 시험 기간 중의 Cr강방식철근의 자연전위, 부식면적률, 부식감량률의 경시변화를 측정함으로써 각 부식 환 경에 대한 Cr강방식철근의 방식성에 대하여 검토하였다. 그 결과, 중성화와 염해의 복합 열화 환경의 경 우, 염화물 이온 함유량 1.2kg/m

³

과 2.4kg/m

³

에 대하여 각각 Cr함유율 7% 이상과 9% 이상의 Cr강방 식철근에서 방식성이 확인되었다.

Keywords : Cr-Bearing Rebar, Corrosion Resistance, Carbonation, Chloride Attack 핵심 용어 : Cr강방식철근, 방식성, 중성화, 염해

1)2)

* 정회원, 한양대학교 친환경건축 연구센터 연구조교수 E-mail : [email protected] 031-400-4690

•본 논문에 대한 토의를 2006년 6월 30일까지 학회로 보내 주시면 2006년 9월호에 토론결과를 게재하겠습니다.

(2)

116

한국구조물진단학회 제10권 제3호(2006. 5)

Fig. 1 공시체의 형상

380mm

Epoxy Resin A

A’

Placing

Steel

A-A’ Cr oss section

20mm

100mm

2200.00m m 20mm

100mm

1. 서 론

철근콘크리트는 일반적으로 내구성 및 경제성이 우 수한 건축 재료로써 광범위한 구조물에 사용되어지고 있으며 그 내용년수 또한 반영구적인 것으로 인식되어 져 왔다. 그러나 사용 조건에 부적합한 설계 및 시공 이 이루어진 경우 목표 내용년수에 도달하기 전에 건 전한 성능을 잃고 조기 열화하게 되며 이러한 구조물 의 경년ㆍ조기 열화는 보수ㆍ보강에 의한 유지 관리비 의 증가와 구조물의 리모델링ㆍ해체에 의한 건축폐기 물의 발생 등 지구 환경 및 지역 환경에 미치는 영향 이 매우 크다. 이러한 철근콘크리트 구조물의 열화 요 인으로서는 중성화, 염해, 동해, 화학적 부식, 알칼리 골재 반응 등이 거론되어지고 있으며 특히, 중성화와 염해가 주요한 열화 요인으로 지적되고 있다.

⁽¹⁾

이러 한 이유에서 중성화 및 염해를 주제로 한 다수의 연구 들이 진행되어져 왔으나 그러한 연구들은 주로 중성화 및 염해의 개별적인 열화 현상의 규명에 초점이 맞춰 져 있다.

⁽²⁾

그러나 실제의 철근콘크리트 구조물의 열 화 현상은 부식 인자들의 영향을 복합적으로 받는 경 우가 많고 이러한 복합 열화는 열화 요인 단독의 개별 적 열화에 비교하여 복합적인 열화 형태를 보이며

⁽³⁾

최종적으로는 철근 부식에 의한 철근콘크리트 구조물 의 내력 저하로 귀결된다.

한편, 우리나라에서는 현재에 이르기까지 철근의 방 식을 목적으로 한 다양한 연구가 수행되어져 왔다. 그 러나 이러한 연구들은 콘크리트의 품질을 개선함으로 써 부식 인자의 침투 속도를 저하시키고자 하는 연구 에 중점을 두고 있으며 철근으로부터의 접근방법 즉, 우수한 방식성을 갖는 방식철근에 관한 연구는 아직 미비한 실정이다. 그러나 최근 철근콘크리트 구조물의 유지 관리 비용이 해를 거듭할수록 증가하고 있으며 이러한 문제를 해결하기 위하여 Life Cycle Cost를 고 려한 방식법 즉, 장기적인 목표 내용년수까지 유지 관 리 비용이 소요되지 않는 방식철근에 관한 연구가 요 구되어지고 있다.

⁽⁴⁾

따라서 다양한 열화 현상에 대하여 방식성을 갖는 방식철근이 개발ㆍ실용화된다면 과도한 피복두께의 산정 및 물시멘트비의 제한을 완화할 수 있을 뿐만 아니라 최근 철근콘크리트 구조물에 요구되

어지고 있는 수명 100년 이상의 장수명화가 실현 가능 할 것으로 생각된다.

이러한 이유에서 필자는 합금원소의 함유량을 감소 시킴으로써 보통 강재와 동일공정으로 제조 가능하며 또한 Cr함유율에 상응하는 방식성을 보유한 스텐레스 철근(이하 Cr강방식철근)의 개발을 목적으로 이미 기 발표된 논문(이하 기보)

⁽¹²⁾

에서 염화물이 함유된 콘크리 트 내의 Cr강방식철근의 방식성에 대하여 검토하였다.

본 논문은, 다양한 부식 환경에 상응하는 방식성을 갖는 Cr강방식철근 개발의 필수불가결한 연구의 일환 으로 중성화와 염해의 복합 열화 환경하의 콘크리트 내에서의 Cr강방식철근의 방식성에 대하여 검토하였다.

2. 본 문

2.1 실험 개요

Cr함유율이 다른 10종류의 철근을 각각 염화물 이온

함유량 0.3, 0.6, 1.2, 2.4kg/m

³

의 콘크리트에 매입 후

Fig. 1과 같은 형태의 공시체를 제작하였다. 1개의 공

시체에는 2종류의 철근을 좌우로 나누어 동종의 철근

을 상하 1개씩 2개를 설치하였으며 재령 14일까지 밀

폐 양생을 실시한 후 탈형하여 항온항습실 (20±3℃,

50±5%)에서 1개월간 기중 양생을 실시하였다. 그 후

철근의 내측면의 위치까지 중성화가 도달하도록 촉진

중성화 시험(온도 40℃, 상대습도 60%, CO

2

농도 5%)

을 실시한 후 고온고습상태(온도 60℃, 상대습도

95%)1일, 저온저습상태(온도 30℃, 상대습도 50%)1일

을 1사이클로 하는 부식 촉진 양생을 실시하였다. 또

한, 부식 촉진 양생 15, 45, 160사이클 시점에서 강재의

자연전위, 부식면적률, 부식감량률을 측정하여 Cr강방식

철근의 방식성에 대하여 검토하였다.

(3)

Table 2 콘크리트의 배합표 W/C S/a Slump Unit weight (kg/m³)

(%) (%) (cm) W C S G

65 46 18 185 285 798 954

Table 3 철근의 기본 조성

Steel C Si Mn P S Cr Ni Mo

SD345 0.2190 0.300 1.34 0.035 0.0190 0.081 0.04 0.01 0Cr 0.0117 0.300 0.50 0.031 0.0050 0.011 0 0 3Cr 0.0106 0.305 0.52 0.033 0.0060 3.070 0 0 5Cr 0.0112 0.266 0.52 0.030 0.0050 4.880 0 0 7Cr 0.0105 0.270 0.53 0.031 0.0050 7.150 0 0 9Cr 0.0114 0.270 0.52 0.029 0.0051 9.070 0 0 11Cr 0.0098 0.276 0.52 0.030 0.0050 11.110 0 0 13Cr 0.0108 0.270 0.51 0.029 0.0060 12.900 0 0 16Cr 0.0094 0.270 0.53 0.030 0.0050 16.090 0 0 SUS304 0.0620 0.297 1.02 0.030 0.0060 18.280 8.15 0.051

Table 1 실험 요인과 수준

Factor Level

Chloride ion^* 0.3, 0.6, 1.2, 2.4 kg/m³

Steel SD345, 0Cr, 3Cr, 5Cr, 7Cr, 9Cr, 11Cr, 13Cr, 16Cr, SUS304

*콘크리트 1m³에 대한 Cl^-의 질량

단, 염화물 이온 함유량 0.3kg/m

³

의 경우는 부식 촉 진 양생 15사이클의 초기 재령에서 부식의 발생이 미 비할 것으로 판단되어 부식면적률과 부식감량률을 측 정하지 않았다. 철근은 JIS G 3112 (철근 콘크리트용 봉강)의 SD345 규격품과 Cr함유율을 0%∼16%의 범위 에서 조정한 8종류의 Cr강방식철근, SUS304의 스텐레 스철근을 합하여 총 10종류의 철근이 사용되었다. 철 근은 직경 13mm의 구형철근으로 산화피막을 제거하여 사용하였으며 콘크리트 내의 염화물 이온 함유량은 NaCl를 이용하여 조정하였다. Table 1은 실험 요인과 수준을 나타낸다. 또한 Table 2와 Table 3은 각각 콘 크리트의 배합 및 철근의 기본 조성을 나타낸다.

2.2 실험 방법

2.2.1 촉진 중성화 시험

촉진 중성화 시험은 온도 40℃, 상대습도 60%, CO

2

농도 5%의 조건으로 콘크리트 내에 매입된 철근

의 내측 부분에 중성화가 도달한 시점에서 시험을 종 료하였다. 중성화 깊이는 중성화 깊이 측정용 공시체 를 절단, 시료의 안쪽 면에 페놀프타레인 1% 알코올 용액을 분무하여 변색하지 않은 부분을 중성화 영역으 로 판단하였다.

2.2.2 자연전위

부식 촉진 양생 15, 45, 160사이클 시점에서 철근의 자연전위를 측정하였다. 기준전극으로는 포화황산동전 극(CSE)을 사용하였다. 또한 공시체는 측정 전일 수중 에 3시간 침적시킨 후 공시체가 건조하지 않도록 젖은 헝겊으로 덮어 공시체의 함수 상태를 조절하였다.

2.2.3 부식면적률

부식 촉진 양생 15, 45, 160사이클 시점에서 공시 체를 할렬 파괴하여 철근을 빼낸 후 부식면적률을 측 정하였다. 부식면적률은 철근에 생긴 부식의 형상을 투명시트를 이용하여 복사한 후 자동 면적 측정용 소 프트웨어를 이용하여 부식면적률을 산정하였다.

2.2.4 부식감량률

부식감량률은 「일본 콘크리트 공학 협회의 콘크리 트 구조물의 부식 방식에 관한 실험 방법 및 기준(안) 콘크리트중의 강재의 부식 평가 방법」

⁽⁵⁾

에 근거하여 산출하였다. 철근 중 SD345, 0Cr강재, 5Cr강재는 구연 산 암모니움 10% 수용액, Cr함유율 5%를 초과하는 강 재의 경우는 질산 15% 수용액에 침적시켜 부식생성물 을 제거하였다. 또한, 전자저울을 이용하여 철근의 질 량을 0.01g 단위까지 측정한 후 Eqs. (1)를 이용하여 부식감량률을 계산하였다.

( )

× 100

−

= −

∆ Wo

Ws W W Wo

（1）

여기서,

^∆^W

： 부식감량률 (%)

Wo

： 최초의 철근질량 (g)

W

： 부식생성물 제거후의 철근질량 (g)

Ws

： 비 부식부의 용해량 (g)

(4)

118

한국구조물진단학회 제10권 제3호(2006. 5) Fig. 2 염화물 이온 함유량에 따른 중성화 깊이

0 10 20 30 40 50

0 1 2 3 4 5

Time (month)

Depth of carbonation (mm)

0.3 0.6 1.2 2.4

0.3 0.6 1.2 kg/m2.4 ³

Fig. 3 중성화의 진행 상황

0.6 kg/m³ 1.2 kg/m³ 2.4 kg/m³ 0.3 kg/m³

Steel

Steel Carbonation area

No carbonation area

Fig. 4 자연전위의 경시변화

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0

0 15 45 160

Cy cles o f wettin g & d ry in g

Half-cell potential （V vs CSE)

Cl^-：0.3 kg/m³

Cl^-：1.2 kg/m³

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0

0 15 45 160

Cl^-：0.6 kg/m³

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0

0 15 45 160

Cl^-：2.4 kg/m³

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0

0 15 45 160

SD 3450C 3C 5C 7C

2.3 실험 결과 및 고찰

2.3.1 중성화 촉진 시험

Fig. 2는 염화물 이온 함유량 0.3, 0.6, 1.2, 2.4kg/m

³

공시체의 중성화 깊이의 경시 변화를 나타낸다. Fig. 2 에 의하면, 중성화 속도는 염화물 이온 함유량의 많고 적음에 관계없이 거의 동일하였다. 따라서 본 실험 결 과에 의하면, 콘크리트 내부의 염화물 이온 함유량은 이산화탄소의 침투 속도에 그다지 큰 영향을 미치지 않는 것으로 생각된다. 현재, 콘크리트 내부의 염화물 이온이 중성화 진행에 미치는 영향의 진의 여부는 아 직 명확히 밝혀지지 않은 상태이며 차후 보다 많은 연 구가 요구되어지고 있다.

⁽⁶⁾

또한, Fig. 3은 중성화의 진 행 정도를 측정한 일례이다. Fig. 3과 같이 전 공시체 에서 콘크리트의 표면에서부터 철근의 내측면의 위치 까지 중성화가 도달된 것이 확인되었다.

2.3.2 자연전위

Fig. 4는 자연전위의 경시 변화에 미치는 염화물 이 온 함유량의 영향을 나타낸다. 그래프 내의 굵은 실선 은 ASTM C 876-80의 부식 판단 기준인 전위 -0.35V

(vs CSE)로 측정된 전위가 -0.35V 이하인 경우 강재

의 부식이 진행 상태일 확률을 90%이상으로 규정하고

있다. 부식 촉진 양생 0사이클은 촉진 중성화 시험의

종료 시점 즉, 부식 촉진 양생의 개시 시점을 의미한

다. 한편 염화물 이온 함유량 0.3, 0.6kg/m

³

에 대하여

각각 Cr함유율 13%와 16% 이상의 Cr강방식철근은 실

(5)

(6)

(7)

(8)

122

한국구조물진단학회 제10권 제3호(2006. 5)

3. 결 론

철근콘크리트 구조물이 위치한 부식 환경에 요구되 어지는 방식성을 갖는 Cr강방식철근의 개발을 목적으 로 중성화와 염해의 복합 열화 환경하의 콘크리트 내 에서의 Cr강방식철근의 방식성에 대하여 검토하였다.

그 결과 이하와 같은 결론을 얻었다.

1) 중성화와 염해의 복합 열화 환경하의 부식속도는 같은 염화물 이온 함유량에 대한 염해 단독의 열 화 환경하의 부식속도 보다 컸다. 그것은 콘크리트 중에 고정화되어있던 염화물 이온이 중성화의 진 행에 의해 유리되어 미 중성화 영역에 축적되었기 때문이라고 생각된다.

2) 전 염화물 이온 함유량에 대하여 Cr함유율이 높은 Cr강방식철근 일수록 우수한 방식성이 확인되었다.

그러한 현상은, Cr와 O

2

의 반응에 의하여 강재의 표면에 강한 부동태피막이 형성되었기 때문이다.

3) 중성화와 염해의 복합 열화 환경하에서는 염화물 이온 함유량 1.2kg/m

³

과 2.4kg/m

³

대하여 각각 Cr 함유율 7%이상과 9%이상의 Cr강방식철근에서 방 식성이 확인되었다.

감사의 글

본 연구는 일본 JFE Steel Corporation(旧 Kawasaki Steel Corporation)과 과학기술부 우수 연구센터육성사업의 지원으로 수행되었으며, 이에 감 사드립니다.(과제번호: R11-2005-056-01003-0)

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11. 吉沢四郎, “金属の腐食防食序論,” 化学同人, 1973, pp.218-220.

12. Sung-Ho Tae, “Corrosion Behaviorof Cr-bearing Corrosion Resistant Rebar in Concrete with Chloride Ion Content,” Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 7, NO. 1, 2005, pp.49-54.

(접수일자 : 2005년 8월 9일)

Fig. 8 철근의 부식 속도에 미치는 염화물 이온 함유량의

영향

0 20 40 60 80

0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4

Concentration of chloride ion （kg/m³） Corrosion rate （mg/cm2/month）

SD345 0Cr 3Cr 5Cr 7Cr

9Cr 11Cr 13Cr 16Cr SUS304

Fig. 9 철근의 부식 속도에 미치는 염화물 이온 함유량과 Cr함유율의 영향

Cr content （%）

Concentration of chloride ion （kg/m³）

0 3 5 7 9 11 13 16

0.3 0.6 1.2 2.4

0 10 20 30 40

Corrosion rate （mg/cm2/month）