2.1 시험편 제작

사용된 시험편은 Fig.3과 같다. 시험편 종류별로 6개, 총 36개의 시편을 제작하였으며, 시험편 종류별 3개 시편은 염소이온에 의한 부식 촉진 실험에, 나머지 3개 시편은 염소이온과 용존 산소(dissolved oxygen, DO)에 의한 부식 촉진 실험에 사용하였다(Yoon et al. 2019). Fig.3(a)는 공칭 직경 15.7 mm 7연선(Grade 270)(ASTM A416 2016)인 강연선 시편(bare strand, B)으로서 보호공법이 전혀 적용되지 않은 시험체이다. 단면적, 중량 및 화학적 성분은 Table 1과 같다.

Fig. 3. Specimens for corrosion-prevention system

Fig.3(b)는 강연선을 그리스로만 코팅한 것이며, Fig.3(c)는 시멘트계 표준 그라우팅된 부착식 공법을 적용한 것이다. 원형 실린더형 파이프로 몰드를 만들고 정중앙에 강연선을 거취시킨 후 그라우팅하였다. 이때 피복두께는 15 mm이며 그라우팅의 배합은 Table 1와 같다. 그라우팅은 28일간 기중 양생하였고 이후 부식실험을 개시하였다.

Fig.3(d)는 강연선의 표면을 그리스(grease)로 코팅하고 시멘트계 표준 그라우팅된 시험편으로서 피복두께는 Fig.3(c) 시험체와 동일하게 15 mm이다. Fig.3(e)는 강연선을 그리스로 코팅하고 고밀도 폴리에틸렌 피복재인 HDPE 쉬스로 비부착식 보호공법을 적용한 것으로, HDPE 쉬스의 물성은 Table 1과 같다. Fig.3(f)는 이상의 보호공법을 모두 적용한 것으로서, PSC 강연선을 그리스로 코팅하고 HDPE 쉬스 적용 후, 15 mm 두께로 표준 그라우팅한 3중 비부착식 보호공법을 적용한 것이다. Fig.3(a)의 B 시험편을 제외한 모든 시험편은 강연선 단부가 기중 및 부식셀 내 용액에 노출되지 않도록 시험편의 양끝단을 에폭시로 밀봉하였다.

2.2 부식셀의 구성

PTI M55.1-12 Appendix B(PTI 2012)의 가속부식시험법을 참고로 Fig.4와 같은 실험장치를 구성하였는데, 부식 셀 내에 염소이온 농도는 증류수에 염화나트륨을 혼입하여 5 %로 조성하였다. 또한, 실험은 2 시리즈로 나뉘는데 산소의 유입이 있는 것과 없는 것으로 나뉘어 진행되었다. 산소의 유입밸브를 열은 후, 용존 산소 측정기로 용존 산소가 21 ppm이 조성되었음을 확인하였다.

Fig. 4. Accelerated corrosion test set-up

2.3 부식도 평가방법

2.3.1 전기화학적 부식도 평가

다양한 부식보호공법을 적용한 시험편이 부식셀에서의 전기화학적인 반응을 살펴보고자, 전기화학적 부식도 평가를 수행하였다. 강연선의 부식을 전기화학적인 방법에 의하여 정량적으로 측정하기 위하여 분극저항법을 적용하였다. 분극저항법은 금속의 마이크로 셀과 메크로 셀을 양측 다 측정가능한 방법으로서, 강연선의 분극 저항은 금속이 자유부식전위 $E_{corr}$로부터 분극될 때 인가 전압 $\Delta E$와 전류 변화 $\Delta i$ 간의 비율로 정의된다(Andrade and González 1978). 식 (1)과 같이 전위-전류의 기울기로부터 분극이 결정되는데, 이때 $i$는 전류밀도이다.

본 연구는 분극저항법에 기초한 부식도 측정을 위하여 정전위방법을 구현하였다. 카운터 전극으로는 흑연 막대, 기준 전극으로 카로말 전극을 각각 이용하였고, 작용 전극은 강연선 시험체이다. 조성된 전극들은 정전위장치에 연결하였고, 단기간 전류량이 인가됨에 따라 작용 전극의 전위가 측정된다.

전류-전압 곡선의 선형 범위는 철근의 경우 부식 전위의 20~30 mV이며, 매우 부식속도가 높을 경우에는 100 mV의 범주에서도 선형으로 알려져 있으나(Polder at el. 1993), 강연선에 대해서는 이에 대한 범위를 다룬 연구가 부족하다. 인가 전류의 범위가 지나치게 크면 전류로 인한 부식이 발생하여 실험 결과에 영향을 줄 수 있어, 본 연구에서는 전류로 인한 부식을 무시할 수 있는 수준인 오픈회로 전위 Eoc 대비 -10~+10 mV의 전류를 인가시켰다.

여기서, $i_{corr}$: 부식전류 밀도(µA/cm$^2$),

$\quad$$\quad$ $B$: Stern-Geary 상수,

$\quad$$\quad$ $R_{p}$: 분극저항(k･cm$^2$)이다.

2.3.2 강연선의 중량감소율

부식실험 전후, 강연선의 무게를 측정하여 중량감소율을 측정하였으며, 이때 측정감도는 0.1 mg 수준이다. 촉진 실험종료 후 시험편 내 강연선을 채취하고, 부식제거 용액을 제조하여 강연선을 침지하고 부식물을 수지성 브러쉬로 제거하였으며 이 과정은 ASTM G1(ASTM G1-90 1999)을 참고하였다. 부식용액은 HCl 1 ℓ에 삼산화안티몬(Sb2O3) 20 g, 염화제일주석(SnCl2) 50 g을 혼입하였다. 강연선의 중량감소량(ML)은 다음과 같다.

여기서, $W_{o}$: 부식실험 전 강연선 무게,

$\quad$$\quad$ $W_{c}$: 실험종료 후 부식물 제거된 강연선 무게이다.

3.1 강연선의 부식전류밀도

Fig.5는 재령별 평균적 부식전류밀도를 구한 결과이다. 염수로부터 어떤 보호공법도 적용하지 않은 강연선은 높은 부식전류밀도가 측정되었는데, 촉진실험 15일 만에 80 µA/cm$^2$ 이상으로 상당한 수치를 보였다. 그러나, 부식방지 공법을 적용한 다른 시험체는 비교적 경미한 부식속도를 보였는데, 그리스 및 시멘트 그라우팅을 각각 적용한 G와 C 시험편은 대체로 거의 대등한 수준의 부식전류밀도를 보였다. 이러한 경향은 30~60일이 경과하면서도 그 추이가 비슷하였다.

염수와 용존 산소에 의한 부식 촉진실험에서는 강연선만으로 측정된 B 시험편은 부식전류밀도가 매우 높게 상승하여 촉진 2주 만에 200 µA/cm$^2$ 내외에 도달하였는데, 이는 Fig.5의 염소이온으로만 부식된 강연선과 비교하면 3배 규모의 부식속도이다. 따라서, 염수 내 용존 산소가 존재하면 매우 가혹한 부식환경이 조성되어 단기간 내에 효율적인 부식성능 평가에 유효할 것으로 생각된다. 이온과 기체의 확산속도를 비교해보면 약 10,000배 수준으로 산소가 염소이온의 확산속도보다 매우 빠르므로 염수에 존재하는 용존 산소량을 증가시키면 시험편에 침투하여 강연선의 부식을 효과적으로 촉진하는 실험 설계가 가능할 것으로 생각된다(Cussler 2009). 또한, 염수 침지 실험결과와 대비하여 염수와 용존 산소에 의한 실험에서 부식전류밀도가 주목할 만하게 상승한 것은 그리스만으로 도막 처리된 G 시험편이다. 이는 산소 기포가 국부적으로 그리스 도막을 물리적으로 타격 손상시켜서 그리스 본유의 도막보호성능을 저해시켰기 때문으로 생각된다.

Fig. 5. Corrosion current density of tendon with elapsed time

Fig. 6. Average $i_{corr}$ value

한편, 시간에 따른 거동 추이도 관찰하였는데, 이는 시험편별 추이와는 다소 상이하였다. 염수에 의한 강연선의 부식실험에서는, 그리스로 도막을 형성한 것은 시간이 경과하면서 부식전류밀도가 상승하는 추이를 보인 반면, 시멘트 그라우팅을 적용한 시험편은 시간에 따라 감소하는 경향이 관찰되었다. 이는 그리스가 초기에는 효율적으로 염소 유입을 차단해주지만, 시간이 지나면서 유입을 허용하기 때문으로 추정된다. 그러나, 그리스가 갖는 유해 이온에 대한 차단효과의 지속성은 이온의 농도 및 그리스의 종류와 도막 두께 등에 따라 다를 수 있으므로, 향후 논문에서 이를 지속해서 다룰 예정이다. 한편, 시멘트 그라우팅을 적용한 시험체는 표면에 미세한 균열이 존재하였는데, 이를 실 구조물의 시공성과 동일한 상황으로 간주하여 실험하였다. 부식반응에서 음극과 양극 거동의 차이는 강연선의 표면상태와 관련이 있다. 경화된 그라우팅 표면의 미세균열을 통해 염소이온이 빠르게 침투하여 부식이 진행되었지만, 시간이 경과하면서 강연선 표면의 부식층이 추가적인 염소이온의 유입을 일시적으로 차단하여 부식전류밀도가 다소 감소한 것으로 생각된다. 만일, 현장에서 그라우팅에 미세균열이 존재하지 않도록 우수한 기술을 도입하고 정성 들여 시공한다면 시멘트 그라우팅은 그리스보다 방식효과가 뛰어날 것으로 판단된다. 또한, HDPE 쉬스(고밀도 폴리에틸렌 플라스틱 쉬스)를 이용한 G-H와 G-H-C 시험편은 가장 낮은 부식전류밀도를 보여서 실험 범주 내의 시험체 가운데 가장 우수한 부식 보호능력이 있는 것으로 판단된다.

염수와 용존 산소에 의한 강연선의 부식의 시간적 추이를 관찰한 결과에서도 시험편별 추이와는 다소 상이하였다. G 시험편은 초기에는 부식전류밀도가 높았으나 30일이 경과하면서 다소 감소하는 경향을 보였다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 손상을 입은 부위에서 이미 강연선 표면에 부식층이 형성되어 염소 및 산소의 유입에 일시적인 제어효과를 보인 것으로 생각된다. 시멘트 그라우팅 된 C 시험편도 시간 경과에 따라 다소 감소하는 추이를 보였으나, G 시험편의 그리스보다는 염소 및 산소의 부식에 대하여 강연선을 잘 보호하였다. 이를 병행 적용한 G-C 시험편이 다음 순이었으며 HDPE 쉬스를 이용한 G-H와 G-H-C 시험편은 거의 유사한 수준으로 HDPE는 염소침투 및 산소 유입에 높은 차단성능을 보유하여 매우 우수한 부식 보호능력을 보였다. 그런데, HDPE는 절연성을 갖는 재료이기 때문에 전기화학적 평가를 수행하는데 합리적인 데이터를 기대하기 어려울 것으로 생각되었으나, 실질적으로는 낮은 수준의 부식전류밀도가 측정되었다. 이는 에폭시로 실링한 시험편의 상･하단에서 수용액이 침투하여 발생하였기 때문으로 생각된다. 그러나, G-H와 G-H-C 시험편의 결과를 비교해보면 추정할 수 있듯이, 일단 HDPE 쉬스를 사용하면 관외부를 시멘트 그라우팅 처리의 여부와 상관없이 HDPE가 매우 우수한 부식 보호효과를 갖는 것으로 생각된다.

Fig.5의 그림을 토대로 각 시험편별 평균적인 부식전류밀도를 구한 것이 Fig.6이다. 평균적인 부식전류밀도가 가장 높은 순으로 정리하면, 그리스 도막한 G 시험편과 시멘트 그라우팅한 C 시험편이 염수에 의한 부식 실험에서는 동일한 수준이지만, 용존 산소와 병행한 실험에서는 그라우팅한 것이 뚜렷하게 더 낮은 부식전류밀도를 보였다. 그리스와 그라우팅을 동시 적용한 G-C 시험편이 다음 순이었으며, 가장 낮은 평균적인 부식전류밀도는 G-H와 G-H-C 시험편에서 관찰되었다.

3.2 강연선의 중량 감소

Fig.7은 실험종료 후 강연선 표면의 부식물을 제거하고 측정된 감소된 중량을 정리한 결과이다. 어떤 부식 보호공법도 적용하지 않은 B 시험편은 높은 중량감소율이 측정되었는데, 염소만으로 부식된 것보다 산소와 동반작용시 2배에 상응하는 결과를 보였다. 그러나 HDPE 쉬스를 처리한 G-H와 G-H-C 시험편은 염소 및 산소유입에 따른 차이가 거의 동일한 수준으로서, HDPE 도막이 이온 및 기체의 침투에 매우 효과적임이 입증되었다. 그리스와 그라우팅을 동시에 적용한 G-C 시험편은 염소만에 의한 부식량은 HDPE 쉬스를 사용한 것과 유사한 수준이지만, 산소까지 동반하는 복합적인 열화환경에서는 중량 감소량이 다소 크게 증가하였다. 무엇보다 그리스로 코팅된 G 시험편은 염소이온 침지대비 산소 유입된 것이 20배에 달하는 매우 높은 중량 감소를 보였다.

Fig. 7. Metal loss of strands

이상의 실험결과를 토대로 강연선의 부식을 제어할 수 있는 효과적인 공법의 순으로, 시멘트 그라우팅 처리와 무관하게 HDPE 쉬스에 강연선에 그리스로 도막처리를 한 것, 그리스 처리된 강연선을 시멘트 그라우팅한 것, 시멘트 그라우팅한 것, 그리스로 도막처리한 것의 순으로 나타났다. 따라서, HDPE 쉬스가 강연선의 내부식성능 향상에 매우 우수한 것으로 귀결된다. HDPE는 열가소성 수지로서, 내충격성 및 화학적 저항성이 높을 뿐만 아니라 내침투성도 우수하다. HDPE의 수분 및 산소투과율은 다른 고분자 수지 보다도 3~50 % 이하의 낮은 수준인 148과 63,150 µg/m2/day로 각각 알려졌다(PPD 2019). 따라서, HDPE는 매우 우수한 내부식성능이 기대되지만, 현장시공시 HDPE 쉬스 표면에서 발생할 수 있는 균열, 갈라짐과 같은 파손이 내부식성에 미치는 영향 및 내구성 확보를 위한 HDPE의 적당한 쉬스 두께를 산정하는 연구가 추가로 필요할 것으로 판단된다.

3.3 부식전류밀도 대비 중량감소

부식보호공법이 적용된 시험편이 염소이온 및 산소와 접촉하는 순간부터 즉각적으로 활성화되는 것이 아니라, 초기에는 보호되지만 이후 지속적인 촉진에 의하여 부식이 개시된다. 전기화학 반응에서는 반응경계면으로부터 이동하는 전자의 흐름으로 부식속도가 측정된다. 그래서 전자의 이동은 전류에 의하여 측정되고 전기화학 반응에서 전류와 반응물질량 간의 관계를 이용하여 부식 도래 시의 부식 전류밀도를 추정하였다.

먼저, 강연선의 부식 전류밀도와 중량감소의 상호관계를 패러데이 법칙으로부터 유도하여 부식 시작시기와 임계 부식 전류밀도를 도출하였다. 실험종료 후 중량 감소와 부식속도(CR)의 관계는 다음과 같다.

여기서, ML: 강연선의 감소된 무게(mg),

$\quad$$\quad$ k : 상수(87.6),

$\quad$$\quad$ A: 강연선의 표면적(cm$^2$),

$\quad$$\quad$ t : 부식 실험기간(hrs),

$\quad$$\quad$ $\rho$ : 강연선의 밀도(=7.85 g/cm$^3$).

이때, 패러데이 법칙으로부터 단면결손율과 부식전류밀도 의 상관관계는 식 (5)와 같다(Broomfield 1997).

순간적인 측정된 부식전류밀도를 고려하여 전체 실험기간 동안 강연선의 감소된 무게는 식 (6)과 같다.

여기서, $t_i$ : 부식개시 시간,

$\quad$$\quad$ $t_e$ : 실험 종료시간이다.

강연선의 중량감소량과 시간의 함수로 표현된 부식전류밀도와의 상관성은 Fig.8과 같이 표현된다. 즉, 강연선의 중량감소량과 시간에 따른 부식전류밀도를 이용하여 부식개시시간 ti를 역으로 계산하고 부식이 시작되는 순간적인 부식전류밀도를 역산하여 Table 2에 정리하였고, 텐던부식을 유발하는 임계 부식전류밀도는 Fig.9와 같다. 여기서, HDPE를 적용한 G-H와 G-H-C 시험편은 시험종료 때까지 부식이 진행되지 않은 것으로 간주하여 두 시험체를 제외하고 평균적인 임계 부식전류밀도를 추정한 결과이다. 염소이온만으로 부식된 것과 산소까지 병행하여 부식된 시험편의 추이는 다소 차이가 있었으나 전체적인 추이는 유사하였다.

Fig. 8. Schematic concept to define the relationship between corrosion current density and metal loss

Fig. 9. Critical corrosion current density

Feliu et al.(1996)은 0.10 µA/cm$^2$ 이하의 부식전류밀도는 무시할 만하다고 하였는데, Broomfield et al.(1994)도 가드링 장치가 부착된 상태에서 같은 수치 이하가 측정되면 금속은 부동태 상태라고 추정하였다. 반면, Clear(1989)는 가드링 장치 없이 측정 시 0.20 µA/cm$^2$ 이하를 부동태 상태로 간주하였다. Bertolini et al.(2013)은 2.0 µm/year의 부식속도는 무시할 수 있다고 보고하였는데 이를 부식전류밀도로 환산하면 0.20 µA/cm$^2$에 상응한다. 본 연구는 염소이온만으로 부식될 경우 평균적으로 0.15 µA/cm$^2$, 염소이온과 산소의 병행 작용으로 부식된 경우는 0.17 µA/cm$^2$의 부식전류밀도에서 부식이 시작되었으며, 이는 기존 연구와 유사하거나 다소 높은 수치이다. 향후 이 임계치는 강연선의 부식전류밀도를 산정하여 부식 여부를 추정할 때 활용될 수 있을 것이다.