KR101055224B1 - 콘크리트 구조물의 전기비저항 추정을 통한 비파괴 부식진단시스템 - Google Patents

콘크리트 구조물의 전기비저항 추정을 통한 비파괴 부식진단시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물의 비파괴 부식진단 시스템에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘크리트 및 철근과 관련한 전기비저항을 철근 상부에서 직접 추정하여 철근의 부식 환경 및 그 상태를 평가할 수 있는 비파괴 부식진단시스템에 관한 것이다.
본 발명의 콘크리트 구조물에 대한 비파괴 부식진단시스템은, 철근의 부식 환경 및 상태를 비파괴방법으로 평가하기 위한 진단시스템으로서, 철근 직상부의 콘크리트 표면에서, 외측에 두 개의 전류전극과, 내측에 두 개의 전압전극을 동일한 간격으로 철근 길이방향과 평행하게 설치하여 전류원에 의해 발생한 응답전압을 측정하고, 콘크리트 및 철근의 비저항과 측정전극의 간격, 그리고 콘크리트 내부의 철근에 의한 기하학적 조건, 즉 콘크리트 피복두께 및 철근 직경을 함께 고려하는 비저항 추정에 관한 수학적 모델(Resistivity Estimation Model: REM)을 이용하여 전기비저항 측정에 미치는 철근의 기하학적 영향률(Geometric Effect rate: GE)을 산출하고 각 비저항을 직접 추정하여, 철근의 부식환경을 나타내는 콘크리트의 층간 및 평균 비저항과, 철근의 직접적인 부식상태를 나타내는 철근의 표면비저항을 추정하도록 함으로써 콘크리트 구조물의 철근부식 및 내구성에 관한 정기검사 및 상시모니터링을 간편하게 달성할 수 있는 비파괴 부식진단시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
부식, 철근, 콘크리트, 전기비저항, 층간, 평균, 비파괴 진단, 비저항 추정 모델, 기하학적 영향률

Description

콘크리트 구조물의 전기비저항 추정을 통한 비파괴 부식진단시스템 {Non-Destructive Corrosion Diagnosis System by the estimation of Electrical Resistivity in Concrete Structures}
본 발명은 콘크리트 구조물에 있어서, 철근 직상부의 콘크리트 표면에서 철근의 부식 환경인 콘크리트의 비저항과, 부식 상태를 나타내는 철근의 비저항을 비파괴방법으로 추정할 수 있는 부식진단장치 및 진단방법으로 구성된 부식진단시스템에 관한 것이다.
철근콘크리트 구조물은 주거 및 사회기반시설 건립에 가장 폭넓게 이용되고 있는 구조물로서 일반적으로 반영구적 내구연한을 가진 구조체로 알려져 있다. 그러나 상기 장수명을 가진 구조물에도 콘크리트 열화를 동반한 철근의 부식은 철근 콘크리트 구조물의 내력 저항과 콘크리트 표면의 균열 및 박리 등, 콘크리트 구조물에 구조적 불안정과 내구적 성능저하를 초래한다.
콘크리트 구조물의 부식진단에는 다양한 전기화학적 방법들이 적용되고 있다. 그 중에서도 전기비저항법은 콘크리트의 비저항을 측정하여 철근의 부식환경을 평가하는 비파괴 부식진단법이다[문헌 1]. 상기 전기비저항법은 콘크리트 구조물의 부식진단에 있어서, 일반적으로 측정선상의 외측에 두 개의 전류전극과, 내측에 두 개의 전압전극을 설치하는 4전극법 중에 Wenner 전극배치법을 이용하여 구조물에 거의 손상을 가하지 않는 비파괴 기법이다. 그러나 상기 전기비저항법은 콘크리트와 비저항이 다른 철근에 의해 발생하는 기하학적 조건인 철근직경, 콘크리트 피복두께 등의 영향을 분석할 수 있는 방법 부재로 인하여 콘크리트 구조물의 부식진단에 적극적으로 활용되지 못 하고 있다.
상기 전기화학적 방법 중에는 부식의 전기화학적 특성을 이용하여 철근의 부식을 정량적으로 평가하는 분극저항법이 있다. 상기 분극저항법은 콘크리트 구조물 내의 콘크리트와 철근이 접하는 경계면에 있어서, 주파수 의존성이 있는 전기이중층과 부식에 대한 저항성을 나타내는 분극저항을 이용하여 철근의 부식을 진단하는 방법으로서, 구해진 분극저항은 철근의 부식속도를 정량적으로 산출하는 것에 많이 사용된다. 또한, 상기 분극저항법은 측정 시간을 단축하기 위해 고주파수와 저주파수의 두 주파수 대역에서 측정한 응답전압으로부터 분극저항의 크기를 나타내는 Nyquist Plot의 반원의 직경(또는 반경)을 구하여 철근의 부식을 정량적으로 평가한다. 그러나 상기 분극저항법은 측정시에 콘크리트 표면의 측정전극과 콘크리트 내부의 철근을 연결하는 연결선을 설치하기 위해 콘크리트 피복두께를 철근의 위치 까지 걷어 내야 하는 번거로운 작업과, 철근에 가해진 전류가 콘크리트와 철근의 경계면을 통과하는 범위, 즉 부식측정에 관여한 면적의 결정이 어렵다는 문제가 있다.
한편, 상기 비저항의 측정법에 있어서, 콘크리트 내부에 철근이 존재함에 따라 측정되는 겉보기 비저항이 달라지는 것을 이용하여, 철근의 상부를 이동하며 측정한 겉보기 비저항을 통하여 철근의 위치탐사에 대한 방법이 개시되었다[문헌 2]. 그러나 상기 비저항법은 철근 위치의 탐사가능성과 주파수 변화에 따른 철근 상태의 평가가능성에 대한 내용으로, 부식의 정량적인 평가에 대한 실질적인 진단기법은 제공하지는 못 하고 있다.
이에 대해 최근 전기비저항 평가를 정량적으로 실시하기 위해, 콘크리트 내부에 배근되고 콘크리트와 비저항이 다른 철근에 의해 발생하는 기하학조건인 철근직경 및 콘크리트 피복두께를 비저항 추정에 함께 고려한 수학적 비저항 추정모델(Resistivity Estimation Model: REM)이 제시되었다[문헌 3]. 상기 비저항 추정모델은 콘크리트 비저항, 철근 비저항, 철근 직경, 콘크리트 피복두께 및 Wenner법에 의한 측정전극의 간격을 포함한다. 상기 비저항 추정모델은 철근 직상부의 콘크리트 표면에 철근과 평행하게 외측에 두 개의 전류전극과 내측에 두 개의 전압전극을 설치하고, Nyquist Plot에 의한 복소 비저항해석에서 콘크리트와 철근의 경계면에 가정되는 전기이중층의 영향이 가장 적은 고주파수 전류원을 사용하여 철근의 직경과 콘크리트의 피복두께가 다른 실험체에 대한 콘크리트 비저항과 철근 비저항을 추정한 연구에서 그 타당성이 검증되었다.
또한, 콘크리트 피복두께를 제거하지 않고 철근 직상부에서 상기 전기비저항법을 이용하여 분극저항을 비파괴방법으로 추정하는 것에 대한 연구[문헌 4]에서는, Nyquist Plot에 의한 복소 비저항해석에서 콘크리트와 철근의 경계면에 가정되는 전기이중층의 영향이 가장 큰 저주파수 전류원을 사용하여 부식진단 가능성이 검증되었으며, 또한 철근 직상부의 콘크리트 표면에 철근과 평행하게 설치된 외측에 두 개의 전류전극에 의해 부식측정에 관여하는 면적이 한정되어져 분극저항에 대한 측정시간이 단축되는 것이 확인되었다.
[문헌 1] R. Polder, C. Andrade, B. Elsener, Φ. Vennesland, J. Gulikers, R. Weidert and M. Rqupach, RILEM TC 154-EMC: Electrochemical Techniques for Measuring Metallic Corrosion, Material and Structures, 2000, Vol.33, ISSN 1359-5997, pp.603-611.
[문헌 2] US 5,855,721 (MONTEIRO, P. J. M., MORRISON, H. F.) 1999. 1. 5.
[문헌 3] Y.C. Lim, T. Noguchi, and H.S. Lee, Mathematical Modeling for Corrosion Environment Estimation Based on Concrete Resistivity Measurement, The Iron and Steel Institute of Japan (ISIJ) International, 2009, Vol.49, ISSN 0915-1559, pp.92-99.
[문헌 4] Y.C. Lim, T. Noguchi, and S.W. Shin, Formulation of a Nondestructive Technique for Evaluating Steel Corrosion in Concrete Structures, The Iron and Steel Institute of Japan (ISIJ) International, 2009, Vol.49, ISSN 0915-1559, pp.275-283.
본 발명은 상기 언급한 기존 개시된 부식진단법들의 문제점들을 해소하기 위해, 부식에 대한 지속적인 관리가 필요한 특정 철근에 대하여 철근 직상부의 콘크리트 표면에서, 철근의 길이방향에 평행하게 네 개의 전극을 설치하고, 외측 전류전극 사이에 흐르는 전류원에 따라 발생하는 내측 전압전극 사이의 응답전압을 측정하여, 상기 철근의 직상부에서 그 철근의 부식환경 및 부식상태를 나타내는 콘크리트 층간 및 평균 비저항과, 철근표면의 비저항을 비파괴방법으로 추정하여 간편하게 철근부식을 평가할 수 있는 부식진단시스템을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 부식진단의 측정장치는,
부식에 대한 관리가 필요한 특정 철근 직상부의 콘크리트 표면에서, 전기비저항 측정에 관한 명령을 입력하여 전류전극과 전압전극을 제어하고 입력과 출력의 데이터를 저장하고 이들 데이터를 연산할 수 있는 기능과, 모니터를 이용하여 측정결과를 실시간으로 파악할 수 있는 기능을 갖춘 제어부와; 전기비저항 측정을 위한 전류 및 전압의 파형을 발생시키고 그 응답을 측정하는 측정기기부와; 제어부와 측정기기부, 또는 측정기기부와 전극부를 전기적으로 연결하는 연결부와; 외측에 두 개의 전류전극과, 내측에 두 개의 전압전극의 각 전극사이를 동일한 간격으로 철근과 평행하게 설치하여 콘크리트와 전기적으로 연결하는 전극부로 전체가 구성된다.
상기 과제를 해결하기 위한 부식진단의 평가방법은,
철근의 부식환경 및 콘크리트의 내구성에 관한 지표인 콘크리트의 비저항을 구하기 위해, 특정 철근 직상부의 콘크리트 측정표면에서, 철근에 따른 기하학적 조건, 즉 철근직경과 콘크리트 피복두께를 고려한 전극간격에서, 콘크리트와 철근의 경계면에 있는 전기이중층을 단락된 상태로 가정할 수 있는 고주파수 전류원을 사용하여 응답전압을 얻고, 상기 비저항 추정 모델(REM)을 이용하여, 콘크리트 표면에서 내부로 분포되어 있는 콘크리트의 층간 비저항과 특정 철근을 감싸고 있는 콘크리트의 평균 비저항을 함께 구한다.
또한, 철근의 부식상태를 직접 평가하기 위해, 특정 철근 직상부의 콘크리트 측정표면에서, 철근에 따른 기하학적 조건, 즉 철근직경과 콘크리트 피복두께를 고려한 전극간격에서, 콘크리트와 철근의 경계면에 있는 전기이중층을 충전된 상태로 가정할 수 있는 저주파수 전류원을 사용하여 응답전압을 얻고, 상기 전기비저항의 측정법을 고려한 분극저항의 평가방법을 이용하여, 콘크리트와 철근의 경계면의 가정되는 분극저항, 즉 본 발명에서의 철근 표면비저항을 구한다.
본 발명에 의해 콘크리트 구조물의 비파괴 부식진단에 있어서, 콘크리트에 손상을 가하지 않고 철근의 부식 환경을 나타내는 콘크리트의 층간 및 평균 비저항과, 분극저항에 해당하며 철근의 부식상태를 나타내는 철근 표면비저항을, 특정 철근 직 상부의 콘크리트 측정표면에서 직접 구할 수 있는 부식진단 시스템을 제공함으로써, 부식의 정기검사 및 상시모니터링에 있어서 진단의 시간단축과 편이성을 부여하고 부식진단의 신뢰성을 향상시켜 부식열화의 사전 예방과 그 대책수립이 보다 신속하고 적극적으로 수행될 수 있게 해주는 효과가 있다.
상기 설명한 바와 같이 본 발명은 철근 콘크리트 구조물의 부식진단에 있어서, 부식에 대한 관리가 필요한 특정 철근 직상부의 콘크리트 측정표면에서, 콘크리트에 손상을 가하지 않는 비파괴방법으로 철근의 부식환경을 나타내는 콘크리트의 층간 및 평균 비저항과, 분극저항에 해당하며 철근의 부식상태를 나타내는 철근 표면비저항을 함께 구할 수 부식진단 시스템의 제공을 목적으로 한다.
도 1은 철근 직상부의 콘크리트 측정표면에서, 복소 비저항을 측정하기 위한 본 발명의 부식 진단장치의 구성을 도시한 구성도로서,
본 발명의 부식 진단장치는, 복소 비저항측정을 위해 직류 또는 교류 신호를 제어하고 입력과 출력의 데이터를 저장하고 이들 데이터를 연산할 수 있는 기능과, 모니터를 이용하여 측정결과를 실시간으로 관찰할 수 있는 기능을 갖춘 제어부(10)와; 복소 비저항측정을 위한 전류 및 전압의 파형을 발생시키고 또한 그 응답을 측정하는 측정기기부(20)와; 제어부(10)와 측정기기부(20), 또는 측정기기부(20)와 전극부(40)를 전기적으로 연결하는 연결부(30)와; 철근 직상부의 콘크리트 표면에 철근(50) 길이방향과 평행하게 외측에 두 개의 전류전극(41)과, 내측에 두 개의 전압전극(42)을 동일한 간격으로 설치하고 콘크리트(60)와 전기적으로 연결되는 전극부(40)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
복소 비저항의 측정은 제어부(10)에서 측정개시를 위한 명령신호를 입력하고, 입출력 전송선(31)을 통하여 측정신호가 전달됨에 따라 측정기기부(20)에서는 전류전극 연결선(32)을 통해 전류전극(41)으로 전류를 송출하고, (+)단자의 전류전극(41)를 통해 입력된 전류는 철근(50)을 포함한 콘크리트(60)의 내부를 강제로 분극시키고 (-)단자의 전류전극(41를 거쳐 다시 전류전극 연결선(32)을 통해 측정기기부(20)로 돌아간다. 이때 전류에 의해 콘크리트(60) 내부에 발생한 분극상태는 두 전위전극(42)의 응답전압으로 측정되어 전압전극 연결선(33)을 통해 측정기기부(20)로 전달되고, 측정기기부(20)에서 출력되고 입력된 전체 신호는 입출력 전송선(31)을 통해 제어부(10)에 전송되어 입출력 데이터로서 저장 및 연산되고 모니터로 출력된다.
도 2는 콘크리트 구조물의 부식평가를 위해 철근 직상부의 콘크리트 표면에서 상기의 전기비저항법을 실시하여, 철근의 부식환경을 나타내는 콘크리트의 층간 및 평균 비저항과, 분극저항에 해당하며 철근의 부식상태를 나타내는 철근 표면비저항을 추정하는 부식진단방법의 흐름도이다. 여기서 부식진단방법은 도 1을 인용하여 설명하며, 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명하기로 한다.
본 발명에는 철근 직상부의 콘크리트 표면에서 콘크리트 및 철근과 관련한 전기비저항을 추정하기 위해, 식 1과 같이 상기 비저항 추정모델(REM)(S11)을 이용한다. 도 1을 참조하여 설명하면, REM(S11)은 콘크리트 구조물 내부의 콘크리트와 철근과 같이, 비저항 의 매질(60)로 이루어진 반무한 공간 내에 비저항 이고 직경이 인 원통형 모델(50)이 매질의 표면으로부터 의 깊이에 묻혀 있을 때, 철근과 같은 원통형 모델(50)의 직상부에 비저항 인 매질(60)의 측정표면에 전류전극(41)과 전압전극(42)을 동일한 의 전극간격으로 원통형 모델(50)과 평행하게 배치하여, 입력한 전류원에 의해 발생하는 응답전압을 이론적으로 산출할 수 있는 수학적 모델이다.
Figure 112009045579520-pat00001
여기에서,
Figure 112009045579520-pat00002
Figure 112009045579520-pat00003
Figure 112009045579520-pat00004
Figure 112009045579520-pat00005
이며,
V a :응답전압치(V)
I :응답전압치(A)
ρ 1 :콘크리트 비저항(Ω·m)
ρ 2 :철근 비저항(Ω·m)
d : 콘크리트 피복두께(m)
r : 철근 반경(m)
a : 전극간격(m)
이다.
또한, 상기 REM(S11)을 이용한 본 발명의 부식진단방법에는, 측정전극의 간격이 커짐에 따라 측정대상의 영역이 넓어지고 깊어지는 것에 착안하여 특정 전극간격a에 서 구한 식 2의 기하학적 영향률(GE: Geometric Effect rate)(S12)를 이용하여, 전극간격a에서 측정을 통해 얻은 응답전압으로부터 식 3의 콘크리트 층간비저항(S4)을 추정한다.
상기 식 2의 GE(S12)는 전기비저항 측정에 미치는 철근(50)의 기하학적 영향을 나타내는 비율로서, 철근직경(또는 반경) 및 콘크리트 피복두께의 기하학적 조건에 의해 일반화될 수 있다. 예를 들어, 도 4와 같이 전극간격(a)과 철근반경(r)에 대한 비(A=a/r)에 있어서, 콘크리트 피복두께(d)와 철근반경(r)에 대한 비(D=d/r)의 변화에 따른 특정 철근에 의한 GE(S12)을 간단히 산출할 수 있으며, GE(S12)가 1에 수렴한다는 것은 콘크리트(60)만의 비저항상태에 가까워진다는 것을 의미한다.
Figure 112009045579520-pat00006
Figure 112009045579520-pat00007
여기에서,
GE :기하학적 영향률
V REM : 전극간격a에서 REM에 의해 이론적으로 산출한 응답전압(V)
V concrete : 전극간격a에서 산출한 콘크리트만의 이론적 응답전압(V)
ρ layer :콘크리트 층간비저항(Ω·m)
V m : 실제 측정을 통해 얻은 응답전압치(V)
I : 전류원(A)
a : 전극간격(m)
이다.
도 2에 따른 철근 직상부의 콘크리트 표면에서 측정하는 본 발명의 부식진단방법은,
콘크리트 구조물에 대한 철근 탐사기를 이용하여 철근직경(또는 반경) 및 콘크리트 피복두께에 대한 탐사(S1)를 선행하여, 철근직경(또는 반경) 및 콘크리트 피복두께는 기지의 조건으로 미리 파악하여 두며, 철근의 기하학적 정보탐사(S1)는 본 발명의 중요한 순서에 포함된다.
특정 철근 직상부의 콘크리트 층간비저항(S3)과 콘크리트 평균비저항(S4)을 구하기 위해 적어도 두 개의 전극간격에서, 도 3의 Nyquist Plot에 의한 복소 비저항 해석에서 허수부의 영향이 가장 적으며 상기 경계면의 전기이중층을 단락상태로 가정할 수 있는 고주파수 전류원을 이용하여 응답전압(S2)을 측정하고, GE(S12)를 이용하여 콘크리트 층간 비저항을 구하고, 또한 REM(S11)을 이용하여 콘크리트 비저항(S4) 및 고주파수 영역에서의 철근 비저항(S5)을 추정한다. 단, 고주파수 영역에 서의 철근 비저항(S5)은 저주파 영역에서 추정되는 다음의 철근 표면비저항(S7)의 값에 포함되는 것으로 가정하여 부식평가에는 포함시키지 않는 것으로 한다.
철근 표면비저항(S7)을 추정하기 위해 적어도 한 개의 전극간격에서, 도 3의 Nyquist Plot에서 허수부의 영향이 최대가 되는 저주파수 전류원을 이용하여 각 응답전압(S6)을 측정하고 REM(S11)을 이용하여 철근 표면비저항(S7)을 추정한다.
다음은 특정 철근 직상부의 콘크리트 표면에서 상기 본 발명의 부식진단시스템에 따라, 철근에 의한 기하학적 조건, 즉 철근직경과 피복두께가 서로 다른 실험체에 대한 비저항 추정의 실험예를 설명하나, 본 실험예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
(실험예 1)
실험예 1에서는 본 발명에서 안출된 상기 GE를 이용하여 콘크리트의 측정표면에서부터 내부로 분포되어 있는 콘크리트 비저항의 크기를 나타내는 콘크리트 층간비저항을 구하고, 이 콘크리트 층간비저항은 REM을 통해 추정된 콘크리트 평균비저항과의 상대적인 비교를 통해 콘크리트 내의 함수 및 공동의 분포상태를 파악하는데 사용된다.
도 5는 철근을 배근한 모르타르 실험체와 도 1의 부식 진단장치를 간략히 도시한 도면이다. 표 1은 본 실험체의 철근의 철근직경과 콘크리트 피복두께를 나타낸다. 또한 측정에 사용된 전극은 콘크리트 표면의 측정위치에 비저항 8.3×10-6Ω·m의 전도성 겔을 직경 3mm정도로 도포하고 그 위에 직경 1mm 동선을 올려 움직이지 않도록 고정시켜 측정장치와 실험체가 하나의 전기회로를 형성하도록 설치되었다. 부식 및 내구성평가의 지표로 사용되는 각 비저항은 도 2의 부식진단방법에 따라 구해지고 상기 설명과 중복되는 부분은 생략하거나 간략히 설명하기로 한다.
실험체 종류 콘크리트 피복두께
mm		 철근의 직경(반경)
mm
d20-φ13 20 13(6.5)
d30-φ13 30 13(6.5)
d40-φ13 40 13(6.5)
d30-φ19 30 19(9.5)
d30-φ25 30 25(12.5)
도 6은 표 1의 각 실험체에 대하여, 도 5의 측정위치와 같이 철근 직상부인 콘크리트 표면(0mm)에서 VREM를 측정하고, 철근 및 실험체 자체의 기하학적 영향이 가장 적었던 철근 직상부의 콘크리트 표면으로부터 100mm의 간격이 떨어진 위치에서 VConcrete를 측정하여 식 2에 따라 실험에 의한 GE를 구하고, 또한 실험체와 동일한 기하학적 조건, 즉 철근반경, 콘크리트 피복두께, 그리고 전극간격에 있어서 전극간격(a)과 철근반경(r)에 대한 비(A=a/r)와, 콘크리트 피복두께(d)와 철근반경(r)에 대한 비(D=d/r)로부터 이론에 의한 GE를 구하여, 두 GE의 상관관계를 나타내고 있다. 본 발명에서 안출한 이론적 GE는 측정결과에 의한 실험적 GE와 높은 상관관계를 가지고 있음을 알 수 있다.
도 7은 식 3을 이용하여 철근 직상부의 콘크리트 표면에서 측정전극의 간격을 20, 30, 40mm로 넓혀 측정한 각 응답전압에서, 본 실험체에서의 제 1층, 제 2층, 제 3층의 콘크리트 층간비저항을 구하고, REM을 통해 추정된 콘크리트 평균비저항을 이용하여 상기 콘크리트 층간비저항의 상대적 분포상태를 비교한다. 수중에서 양생을 실시한 본 실험예의 실험체는 전반적으로 낮은 모르타르 비저항값을 나타내고 있다.
(실험예 2)
실험예 2는 도 2의 부식진단방법을 이용하여 철근에 발생한 부식을 철근 직상부의 콘크리트 표면에서 정량적 평가하기 위해, 직경이 13mm인 원형철근을 모르타르 피복두께가 30mm가 되게 배근한 두 개의 실험체(A와 B)에 대하여, 철근의 부식을 촉진하기 위한 전기부식 실험을 실시하고, 가상의 누적부식감량률이 0%의 건전한 상태에서부터 1.0%까지는 부식감량률을 0.25%의 레벨로 증가시키고, 이후 가상의 누적부식감량률이 1.0%부터 실험체 표면에 균열이 발생할 때까지는 부식감량률을 0.5%의 레벨로 증가시켰다.
본 실험예에서는 상기 철근에 따른 기학학적 조건과, 저주파수 전류원에서 콘크리트와 철근의 경계면에 있는 전기이중층의 영향을 고려하여, 전극간격 30mm과 40mm에서 측정된 응답전압을 이용하여, 상기 경계면의 분극저항의 개념을 대체하여 본 발명에서 안출한 철근표면의 비저항을 구하여 철근부식을 정량적으로 평가한다. 부식진행에 따라 철근 표면비저항이 작아져 0에 가까워지고 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실험예에 대하여 논함으로써 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하였으며, 상기에 주지된 바와 같이 본 발명의 범위가 상기 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야의 평균의 지식을 지닌자에게, 본 발명의 기술적인 사상의 범위 내에서 부식진단에 관한 다양한 측정방법의 구현이 가능함은 자명하므로 상기에 설명된 본 발명의 기술적인 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적인 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 부식진단장치와 철근부식진단의 실시예를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 부식진단방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 부식진단의 복소 비저항의 측정기준을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명에서 안출한 철근의 기학학적 영향률(GE)을 이론적으로 산출한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 콘크리트의 비저항 추정에 사용된 실험체와 측정방향을 도시한 도면이다.
도 6a는 실험예 1에 있어서, 표 1의 실험체에 대하여 전극간격이 20mm일 때, 산출한 본 발명의 이론에 의한 GE와 실험의 의한 GE를 비교한 그래프이고,
도 6b는 실험예 1에 있어서, 표 1의 실험체에 대하여 전극간격이 30mm일 때, 산출한 본 발명의 이론에 의한 GE와 실험의 의한 GE를 비교한 그래프이고,
도 6c는 실험예 1에 있어서, 표 1의 실험체에 대하여 전극간격이 40mm일 때, 산출한 본 발명의 이론에 의한 GE와 실험의 의한 GE를 비교한 그래프이다.
도 7a는 실험예 1에 있어서, 표 1의 d20-φ13에 대한 콘크리트 층간비저항과 콘크리트 평균비저항의 추정결과를 나타내는 그래프이고,
도 7b는 실험예 1에 있어서, 표 1의 d30-φ13에 대한 콘크리트 층간비저항과 콘크리트 평균비저항의 추정결과를 나타내는 그래프이고,
도 7c는 실험예 1에 있어서, 표 1의 d40-φ13에 대한 콘크리트 층간비저항과 콘크리트 평균비저항의 추정결과를 나타내는 그래프이고,
도 7d는 실험예 1에 있어서, 표 1의 d30-φ19에 대한 콘크리트 층간비저항과 콘크리트 평균비저항의 추정결과를 나타내는 그래프이고,
도 7e는 실험예 1에 있어서, 표 1의 d30-φ25에 대한 콘크리트 층간비저항과 콘크리트 평균비저항의 추정결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실험예 2에 있어서, 동일한 철근의 기하학적 조건의 실험체(A와 B)에 대하여 부식진행에 따른 철근 표면비저항의 변화를 본 발명의 부식진단방법에 따라 산출한 결과를 나타내는 그래프이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 제어부
20 : 측정기기부
30 : 연결부 31 : 입출력 전송선 32 : 전류전극 연결선 33 : 전압전극 연결선
40 : 전극부 41 : 전류전극 42 : 전압전극
50 : 철근
60 : 콘크리트
S1 : 철근직경과 콘크리트 피복두께에 대한 철근 정보탐사
S2 : 고주파수 전류원에 의한 응답전압(Va - High Frequency)
S3 : 콘크리트 층간비저항(ρlayer)
S4 : 콘크리트 평균비저항(ρconcrete)
S5 : 고주파수 전류원에 의한 철근 비저항(ρsteel)
S6 : 저주파수 전류원에 의한 응답전압(Va - Low Frequency)
S7 : 철근 표면비저항(ρsurface)
S11 : 비저항 추정모델(Resistivity Estimation Model : REM)
S12 : 기하학적 영향률(Geometric Effect rate : GE)

Claims (3)

  1. 콘크리트 구조물의 전기비저항 추정을 통한 비파괴 부식진단방법에 있어서,
    철근직경과 콘크리트 피복두께를 기지의 조건으로 하고, 철근 직상부의 콘크리트 표면에서, 외측에 두 개의 전류전극과, 내측에 두 개의 전압전극을 동일한 간격으로 철근 길이방향과 평행하게 설치하고, 콘크리트 측정표면의 직하부에 배근되어 있는 철근에 의한 기하학적 조건을 고려하여 설정한 적어도 두 개의 전극간격에서, Nyquist Plot에 의한 복소 비저항해석에서 콘크리트와 철근의 경계면에 있는 전기이중층에 의한 허수부의 절대적인 크기가 최소로 되는 적절한 고주파수 전류원에 의해 발생한 응답전압을 측정하는 제 1단계;
    상기 제 1단계에서 측정한 응답전압과 측정대상물의 철근에 의한 철근직경 및 콘크리트 피복두께의 기하학적 조건과 동일한 기하학적 조건에서 기하학적 영향률(Geometric Effect rate: GE=VREM/VConcrete)의 수식에 의거하여 산출한 상기 기하학적 영향률에 근거하여 철근의 부식환경을 나타내는 콘크리트 층간비저항(ρl ay er=(Vm·2πa)/(I·GE))의 수식에 의거하여 콘크리트 층간비저항을 산출하는 제 2단계;
    상기 제 1단계에서 측정한 응답전압에 근거하고, 비저항 추정 모델(Resistivity Estimation Model: REM)의 수식에 의거하여 콘크리트 평균비저항을 산출하는 제 3단계; 및
    상기 제 2단계와 제 3단계에서 산출된 각 전기비저항에 근거하여 콘크리트 평균비저항에 대한 콘크리트 층간비저항의 상대적 크기를 분석하여, 철근 직상부의 콘크리트 표면에서 철근의 부식환경과 콘크리트의 내구성과 관련한 함수율의 분포상태 및 공동의 유무를 동시에 예측하는 것을 특징으로 하는 부식진단방법.
    여기에서, V REM : 전극간격a에서 REM에 의해 이론적으로 산출한 응답전압(V), V concrete : 전극간격에서 산출한 콘크리트만의 이론적 응답전압(V), V m : 실제 측정을 통해 얻은 응답전압치(V), I : 전류원(A), a : 전극간격(m)이다.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3단계에서 산출된 콘크리트 평균비저항과, 상기 철근에 따른 기학학적 조건을 고려한 전극간격에서, Nyquist Plot에 의한 복소 비저항해석에서 콘크리트와 철근의 경계면에 있는 전기이중층에 의한 허수부의 절대적인 크기가 최대로 되는 적절한 저주파수 전류원을 이용하여 측정한 응답전압에 근거하고, 상기 비저항 추정 모델(Resistivity Estimation Model: REM)의 수식에 의거하여 철근 표면비저항을 산출함으로써 철근의 부식상태를 예측하는 것을 특징으로 하는 부식진단방법.
  3. 콘크리트 구조물의 전기비저항 추정을 통한 비파괴 부식진단방법에 있어서,
    철근 직상부의 콘크리트 표면에서, 외측에 두 개의 전류전극과, 내측에 두 개의 전압전극을 동일한 간격으로 철근 길이방향과 평행하게 설치하고 콘크리트와 전기적으로 연결하는 전극부와;
    복소 비저항측정을 위해 명령을 입력하고 전류전극과 전압전극을 통하여 입력되고 출력되는 직류 또는 교류 신호를 제어하고 입력과 출력의 데이터를 저장하고 이들 데이터를 연산할 수 있는 기능과, 모니터를 이용하여 측정결과를 실시간으로 관찰할 수 있는 기능을 갖춘 제어부와;
    복소 비저항측정을 위한 전류 및 전압의 파형을 발생시키고 그 응답을 측정하는 측정기기부와;
    상기 제어부와 측정기기부, 그리고 측정기기부와 전극부를 각각 전기적으로 연결하는 연결부로 구성되는 것을 특징으로 하는 부식진단장치.
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