KR101468328B1 - 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치 - Google Patents

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이지성
권혁진
김준경
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Abstract

본 발명은 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치에 있어서, 그래핀 소재로 이루어지는 제1전극과, 콘크리트 보강용 철근보다 상대적으로 전위가 높은 금속 소재로 이루어져 제1전극과 이격 배치되는 제2전극과, 상기 제2전극과 제1전극에 접촉하여 이온이 통과하는 경로를 제공하는 전해물이 형성되며, 철근 콘크리트 내에 매설되어 철근의 부식과정인 산화/환원을 통해서 발생하는 전기에너지를 수집하는 배터리;와, 상기 배터리와 전기적으로 연결되어 전기에너지를 저장하는 커패시터; 및, 상기 커패시터의 전기에너지 저장량을 측정하는 전하측정기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치{Corrosion monitoring device of reinforced concrete construction}
본 발명은 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 철근이 부식되면서 발생하는 전기에너지를 수집하여 부식 감시장치의 전원으로 사용할 수 있는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치에 관한 것이다.
건축, 토목 구조물에 가장 널리 이용되고 있는 철근 콘크리트는 경제적이며 내구성이 우수한 구조재료이다.
지금까지 철근 콘크리트는 대략 반세기 정도의 사용 수명을 갖는다는 것이 일반적인 인식이었고, 이에 따라 철근 콘크리트 구조물은 특별한 유지관리 없이 그 기간 동안 사용되어 왔다.
실제로, 콘크리트와 철근으로 조합된 철근 콘크리트는 기계적인 강도의 관점에서 뿐 아니라 장기적인 내구성 측면에서도 최적의 기능을 가지는 복합재료로 알려져 있다.
그러나 최근 실시된 여러 연구결과와 현장조사에 따르면 철근의 부식으로 인해 철근 콘크리트는 내구성이 저하하여 구조물 전반에 심각한 문제를 발생시키는 것으로 조사되고 있다.
철근 콘크리트 구조물의 내구성을 저하시키는 가장 큰 요인은 매립된 철근의 부식이며, 철근의 부식을 일으키는 주된 원인으로는 내부 혹은 외부에서 침투하는 염소 이온과 이산화탄소를 들 수 있다.
일단 철근이 부식되면 철근의 표면에 부식생성물이 형성되어 콘크리트의 균열과 박리를 일으키고, 이러한 균열과 박리는 외부 유해인자의 침투를 용이하게 하여 철근의 부식을 가속화시킨다.
따라서 철근 콘크리트 구조물의 안전성과 내구성이 크게 저하되고, 심한 경우 철근 콘크리트 구조물이 붕괴에 이를 수도 있다. 또한, 철근 콘크리트 구조물이 이미 손상된 경우 이를 보수, 보강하는 작업은 매우 어렵고 제한적이며 경제적으로도 많은 비용이 소모된다.
그러므로 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식을 정량적으로 측정하여 철근 콘크리트 구조물의 상태를 평가하고 적절한 보수시점을 예측하기 위해 ATM(Active Monitoring Technique) 및 PMT(Passive Monitoring Technique) 기반의 비파괴 검사 기법이 이루어지고 있으나, 현장 적용성과 신뢰성이 현저히 낮은 실정이다.
특히, 철근 콘크리트 내부의 철근이 부식되는 과정에서 발생하는 전기에너지는 많은 양은 아니지만, 철근 콘크리트 구조물의 크기나 부식이 진행되는 시간 등을 고려하면 적지 않은 양임에도 불구하고, 별도로 활용되지 못한 채 낭비되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 철근이 부식되면서 발생하는 전하를 수집하여 전기에너지로 활용함으로써 에너지 하베스팅이 가능한 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치를 제공함에 있다.
또한, 제1전극과 제2전극에 각각 형성되는 제1빗살전극과 제2빗살전극이 교대로 배열되도록 하여 배터리의 반응면을 확장함으로써 전기에너지 수집효율을 향상시킬 수 있는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치를 제공함에 있다.
또한, 음극전극으로 그래핀을 사용하여 큰 전위차를 발생시키는 것과 동시에 배터리의 전극 효율을 극대화시킬 수 있는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치를 제공함에 있다.
또한, 수집된 전기에너지를 이용해 승압기와 전하측정기의 전원을 공급함으로써 별도의 외부전원이 필요없는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치를 제공함에 있다.
또한, 철근이 부식되면서 발생하는 전기에너지를 이용해 부식 감시에 필요한 전자기기의 전원을 공급함으로써 별도의 외부전원이 불필요한 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치에 있어서, 그래핀 소재로 이루어지는 제1전극과, 콘크리트 보강용 철근보다 상대적으로 전위가 높은 금속 소재로 이루어져 제1전극과 이격 배치되는 제2전극과, 상기 제2전극과 제1전극에 접촉하여 이온이 통과하는 경로를 제공하는 전해물이 형성되며, 철근 콘크리트 내에 매설되어 철근의 부식과정인 산화/환원을 통해서 발생하는 전기에너지를 수집하는 배터리;와, 상기 배터리와 전기적으로 연결되어 전기에너지를 저장하는 커패시터; 및, 상기 커패시터의 전기에너지 저장량을 측정하는 전하측정기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 제1전극의 제2전극과 대향하는 면에는 제2전극을 향해 각각 연장되어 나란하게 배치되는 다수의 제1빗살전극이 형성되고, 상기 제2전극의 제1전극과 대향하는 면에는 제1전극을 향해 연장되어 상기 제1빗살전극과 교대로 배열되는 다수의 제2빗살전극이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2전극은 제1전극의 양측에 배치되고 서로 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전해물은 탄소섬유혼합물이 함유되어 전기전도성을 갖는 모르타르로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2전극은 마그네슘 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리와 전기적으로 연결되어 배터리에서 수집된 전기에너지를 전달받아 전압을 상승시키는 승압기;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 승압기와 전하측정기는 커패시터에 저장된 전기에너지에 의해 구동하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배터리와 승압기를 연결하는 배선단자는 알루미늄 또는 탄소 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 철근이 부식되면서 발생하는 전하를 수집하여 전기에너지로 활용함으로써 에너지 하베스팅이 가능한 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치가 제공된다.
또한, 제1전극과 제2전극에 각각 형성되는 제1빗살전극과 제2빗살전극이 서로 교대로 배열되도록 하여 배터리의 반응면을 확장함으로써 전기에너지 수집효율을 향상시킬 수 있는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치가 제공된다.
또한, 음극전극으로 그래핀을 사용하여 큰 전위차를 발생시키는 것과 동시에 배터리의 전극 효율을 극대화시킬 수 있는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치가 제공된다.
또한, 수집된 전기에너지를 이용해 승압기와 전하측정기의 전원을 공급함으로써 별도의 외부전원이 필요없는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치가 제공된다.
또한, 철근이 부식되면서 발생하는 전기에너지를 이용해 부식 감시에 필요한 전자기기의 전원을 공급함으로써 별도의 외부전원이 불필요한 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치가 제공된다.
도 1은 본 발명 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치의 개략구성도,
도 2는 본 발명 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치에 따른 배터리의 발췌사시도,
도 3은 본 발명 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치의 작동순서를 나타낸 순서도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치에 대하여 상세하게 설명한다.
첨부도면 중 도 1은 본 발명 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치의 개략구성도이고, 도 2는 본 발명 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치에 따른 배터리의 발췌사시도이다.
상기 도 1 및 도 2에서 도시하는 바와 같은 본 발명 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치는 배터리(10), 배선단자(20), 승압기(30), 커패시터(40), 전하측정기(50)를 포함하여 구성된다.
상기 배터리(10)는 철근 콘크리트 구조물(C)의 내에서 철근(R)에 인접 배치되어 철근(R)의 부식과정인 산화/환원을 통해서 발생하는 전기에너지를 수집하는 것으로서, 개구부가 형성된 수용공간이 내부에 형성된 하우징(11)과, 그래핀 소재로 이루어져 상기 하우징(11)의 개구부 중앙에 길이방향으로 배치되는 제1전극(12)과, 콘크리트 구조물(C) 보강용 철근(R)보다 상대적으로 전위가 높은 마그네슘 소재로 이루어져 상기 하우징(11)의 개구부 테두리에 배치되는 제2전극(13)과, 상기 제1전극(12)의 제2전극(13)과 대향하는 면으로부터 제2전극(13)을 향해 각각 연장되어 서로 나란하게 배치되는 다수의 제1빗살전극(12a)과, 상기 제2전극(13)의 제2전극(13)과 대향하는 면으로부터 제1전극(12)을 향해 연장되어 상기 제1빗살전극(12a)과 교대로 배열되는 다수의 제2빗살전극(13a)과, 탄소섬유혼합물이 함유되어 전기전도성을 갖는 모르타르로 이루어지고 하우징(11)의 수용공간에 충진되어 상기 제2전극(13)과 제1전극(12)에 접촉하여 이온이 이동하는 경로를 제공하는 전해물(15)을 포함하여 구성된다.
한편, 상기 배터리(10)는 상기 하우징(11)의 개구부에서 제1전극(12)과 제2전극(13)의 이격된 사이공간에 기준전극(14)을 배치하고, 기준전극(14)과 제2전극(13)간의 기준전위값에 대한 제2전극(13)과 기준전극(14)간의 측정전위값의 상대적인 전위차를 이용해 철근(R)의 부식도를 측정할 수 있도록 구성하는 것도 가능할 것이다.
상기 배선단자(20)는 콘크리트 구조물(C) 내에 배치되는 배터리(10)와 콘크리트 구조물(C) 외부에 배치되는 승압기(30)가 전기적으로 연결될 수 있도록 일단부는 배터리(10)에 연결되고, 타단부는 콘크리트 구조물(C)의 외부로 노출되는 것으로, 알루미늄 또는 탄소 소재로 구성된다.
상기 승압기(30)는 상기 콘크리트 구조물(C)의 외부로 노출된 배선단자(20)에 연결되면서 상기 배터리(10)와 전기적으로 연결되어 배터리(10)에서 수집된 전기에너지를 전달받아 전압을 상승시키는 것으로, 커패시터(40)에 저장된 전기에너지를 이용해 구동한다.
상기 커패시터(40)는 상기 승압기(30)와 전기적으로 연결되어 승압기(30)에 의해 전압이 상승된 전기에너지를 저장하는 것으로, 에너지 이용 목적에 따라 적절한 용량으로 설정되는 것이 바람직하다.
상기 전하측정기(50)는 상기 커패시터(40)의 전기에너지 저장량을 측정하는 것으로서, 커패시터(40)에 저장된 전기에너지에 의해 구동한다. 구체적으로, 커패시터(40)에 저장된 전기에너지 저장량이 커패시터(40)의 정전용량을 초과하지 않도록 커패시터(40)의 정전용량을 여러 단계로 구분하고 전기에너지 저장량이 증감하면서 각 단계에 이르렀을 때 커패시터(40)의 저장량을 중앙 센터에 알린다. 이를 위해 전하측정기(50)에는 전기에너지 저장량을 송신하기 위한 유선 또는 무선송신부가 마련될 수 있다.
지금부터는 상술한 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 철근 콘크리트 구조물(C)의 내부에 배치된 철근(R)의 주변에 배터리(10)를 배치하면, 철근(R)의 부식 과정에서 발생하는 전하에 의해 배터리(10)의 제1전극(12)과 제2전극(13) 사이에 큰 전위차가 발생하면서 배터리(10) 내부에 전하가 수집(S10)된다.
구체적으로, 양극반응으로 정의되는 산화 반응을 살펴보면, 희생양극식 전기방식으로 이종 금속 간의 부식원리를 이용하는 것으로서, 철근(피방식 금속)보다 상대적으로 전위가 높은 마그네슘 소재로 구성된 제2전극(13)을 전기적으로 연결하여 철근을 음극으로 만들면, 상대적으로 비(卑)금속인 마그네슘은 부식되고 귀(貴)금속인 철근은 양극화되어 방식(防蝕)된다.
Figure 112013091150655-pat00001
Figure 112013091150655-pat00002
Figure 112013091150655-pat00003
즉, 상기 화학식 1과 같이, 철근에 대해 상대적으로 비금속인 마그네슘의 이온은 전해질로 들어가고 마그네슘의 전자는 승압기(30)를 거치면서 전압이 증폭되어 커패시터(40)에 저장된다.
이러한 배터리(10) 구조에 따르면, 제1전극(12)으로 전기전도율이 매우 우수한 그래핀 소재가 적용되어 배터리(10)의 전극 효율을 극대화시킬 수 있다. 또한, 제1전극(12)과 제2전극(13)에 각각 빗살모양으로 형성된 제1빗살전극(12a)과 제2빗살전극(13a)이 하우징(11)의 개구부 전면에서 서로 교차 배열되어 넓은 반응면을 형성하기 때문에 전기에너지의 수집 효율이 향상된다.
상기와 같이 배터리(10)에 수집된 전기에너지는 배선단자(20)를 통해 승압기(30)로 전달되어 전압이 증폭(S20)되고, 증폭된 전기에너지는 커패시터(40)에 저장(S30)된다.
Figure 112013091150655-pat00004
(여기서, E는 에너지, C는 축전용량, V는 전압)
상기 커패시터(40)와 연결된 전하측정기(50)는 커패시터(40)에 저장된 전기에너지의 저장량을 상기 수학식 1을 이용해 측정하고, 필요한 만큼의 에너지가 저장되었는지를 판단(S40)하여 전기에너지를 이용하고, 철근 부식이 진행중에 있음을 알린다.(S50)
여기서, 커패시터(40)의 정전용량을 여러 단계로 구분하고 전기에너지 저장량이 다수의 단계 중 어느 하나의 단계에 이르렀을 때마다 중앙 센터에 저장량을 알림으로써 배터리(10) 주변에서 철근 부식이 일어났음을 확인할 수 있도록 한다.
또한, 커패시터(40)에 전기적으로 연결된 승압기(30)와 전하측정기(50)에 커패시터에 저장된 전기에너지를 공급하여 전원으로 이용함으로써 전기에너지 저장량이 커패시터(40)의 정전용량을 초과하지 않도록 한다.
즉, 그래핀과 마그네슘을 전극으로 이용하는 배터리(10)를 이용해 철근이 부식하는 과정에서 발생하는 전위차에 의한 전기에너지를 수집하고, 이를 승압기(30)와 전하측정기(50)의 전원으로 활용함으로써 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)이 가능하게 되는 것은 물론, 자가 발전이 가능하므로 승압기(30)와 전하측정기(50)에 별도의 외부전원을 연결하지 않아도 된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10:배터리, 11:하우징, 12:제1전극,
12a:제1빗살전극, 13:제2전극, 13a:제2빗살전극,
14:기준전극, 15:전해물, 20:배선단자,
30:승압기, 40:커패시터, 50:전하측정기

Claims (8)

  1. 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치에 있어서,
    그래핀 소재로 이루어지는 제1전극과, 콘크리트 보강용 철근보다 상대적으로 전위가 높은 금속 소재로 이루어져 제1전극과 이격 배치되는 제2전극과, 상기 제2전극과 제1전극에 접촉하여 이온이 통과하는 경로를 제공하는 전해물이 형성되며, 철근 콘크리트 구조물 내에 매설되어 철근의 부식과정인 산화/환원을 통해서 발생하는 전기에너지를 수집하는 배터리;
    상기 배터리와 전기적으로 연결되어 전기에너지를 저장하는 커패시터; 및,
    상기 커패시터의 전기에너지 저장량을 측정하는 전하측정기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전극의 제2전극과 대향하는 면에는 제2전극을 향해 각각 연장되어 나란하게 배치되는 다수의 제1빗살전극이 형성되고, 상기 제2전극의 제1전극과 대향하는 면에는 제1전극을 향해 연장되어 상기 제1빗살전극과 교대로 배열되는 다수의 제2빗살전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2전극은 제1전극의 양측에 배치되고 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 전해물은 탄소섬유혼합물이 함유되어 전기전도성을 갖는 모르타르로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제2전극은 마그네슘 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리와 전기적으로 연결되어 배터리에서 수집된 전기에너지를 전달받아 전압을 상승시키는 승압기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 승압기와 전하측정기는 커패시터에 저장된 전기에너지에 의해 구동하는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 배터리와 승압기를 연결하는 배선단자는 알루미늄 또는 탄소 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물용 철근 부식 감시장치.
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