KR20010069917A

KR20010069917A - 강재의 부식 및 무기질재의 성능저하 방지방법

Info

Publication number: KR20010069917A
Application number: KR1020010027349A
Authority: KR
Inventors: 이병훈
Original assignee: 이병훈
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2001-07-25
Also published as: KR100352762B1

Abstract

본 발명은 강재의 부식 및 무기질재의 성능저하 방지방법에 관한 것으로서, 강재를 포함한 무기질재 내에서 화학적인 반응을 통해 중성화부분의 알카리성 환원, 지속적인 알카리성 유지, Cl^-이온의 고정화를 통한 부식방지는 물론 강재의 부동태화를 통한 3중의 부식방지효과를 유지토록 하기위한 것이다.

또한, 상기 방법은 시공측면에서 시공이 간단하고, 경제적측면에서는 시공비용 및 재료비가 저렴함과 함께, 내구성의 증진으로 별도의 유지관리 비용이 필요가 없는 이점이 있다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명은, 무기질인 침투성 알카리성 부여재와 염분 고정화재를 제조하여, 성능저하된 무기질재 및 강재면에 교번하여 연속적으로 도포 함침시시키는 것을 특징으로 한다.

Description

강재의 부식 및 무기질재의 성능저하 방지방법{A PREVENT METHODE FOR STEEL MATERIAL CORROSION AND CONCRETE MATERIAL DETERIORATION}

본 발명은 강재의 부식 및 무기질재의 성능저하 방지방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무기질재(콘크리트, 시멘트모르타르) 중에 배근되어져 있는 강재(철근, 형강)에 부동태피막을 재형성하여 부식을 방지함과 동시에 외부로 부터의 수분 유입을 근본적으로 차단함으로서 무기질재의 성능저하를 예방토록 하기위한 방법에 관한 것이다.

일반적인 건축물 구조에 있어서 강재가 내부에 배근되어져 있는 무기질재는 철근콘크리트 및 철골콘크리트, 철근철골콘크리트 구조물로 콘크리트가 갖는 약점인 휨강도 및 인장강도 등을 철근 및 철골이 보완하고, 또한 양자간의 열팽창계수는 거의 같으며, 부착력도 우수하고 철근 및 철골의 약점인 부식을 콘크리트가 보호하는 우수한 내구성이 있는 복합재료라고 말할 수 있다.

그러나, 시간이 경과함에 따라 여러가지 요인에 의해 무기질재인 콘크리트가 철근을 보호하는 기능이 약해지거나, 없어져 철근에서 부식이 발생하게 되어서 결국에는 구조물 전체의 내구성 저하에 이르게 된다. 그 여러 요인 가운데 가장 널리 알려진 것들은 중성화, 염해, 동결융해 등이다.

즉, 콘크리트는 처음 시공시 시멘트의 수화반응으로 응결하여 경화되는데, 수화반응 결과 규산칼슘수화물(CSH겔)과 수산화칼슘을 주로 생성하게 된다. 이때 생성된 수산화칼슘[Ca(OH)₂]은 pH가 12∼13 정도의 강알카리성을 나타내며, 또 이것이 콘크리트의 pH를 결정하게 되어 철근의 부식을 방지하게 된다.

그러나 콘크리트중의 수산화칼슘은 대기중의 탄산가스(CO₂) 및 아황산가스(S0₂)와 반응하여 탄산칼슘을 생성하게 되어 pH가 낮아지게 되는데, 이를 콘크리트의 중성화(탄산화)라고 한다. 콘크리트의 중성화가 표면부터 발생하여 점차 내부로 진행되어 철근에 도달하게 되면, 강재 표면에 형성되어 있던 부동태 피막이 파괴되어서 부식발생이 시작된다.

강재는 알카리성(pH 9이상) 환경에서는 표면에 산화피막인 부동태피막을 형성하여 부식을 방지하게 되는데 이것을 부동태화 라고 한다. 부동태 피막은 수산화물과 기타 반응 생성물로 이루어진 2∼6mm의 아주 얇은 피막으로 알려져 있다. 부동태피막의 조성은 명확히는 밝혀지지 않았지만 전자선회석법에 의하면 철의 부동태파막이 γ-Fe₂O₃또는 γ-Fe₂O₃.nH₂O의 2층구조로 이루어져 있는 것으로 알려지고 있다.

금속의 부동태는 Cl^-와 같은 할로겐 이온에 의해 쉽게 파괴될 수 있다. 이 파괴 작용이 국부적으로 일어나기 때문에 공식(孔蝕)등의 국부부식의 원인이 되기도 한다. 따라서, 콘크리트 타설시 Cl^-이온의 제한치를 두어 타설후 Cl^-에 의한 강재의 부식을 예방하려고 하지만, 바닷모래의 사용 비래(飛來)염분, 융빙제(염화칼슘) 사용, 염분을 함유한 각종 혼화재의 사용 등으로 Cl^-이온이 허용치 이상 콘크리트내에 존재하게 되어 강재의 부식을 유발하고 있는 실정이다.

한편, 현재 기 시공된 콘크리트내의 강재 부식을 방지하기 위하여 여러가지 방법이 사용되고 있는데, 강재가 부식되는 것을 방지하기 위해 일반적으로 사용하고 있는 방법을 Pourbaix에 의해 제안되어 널리 이용하고 있는 도 1의 "전위-pH도"로 부터 설명할 수 있다.

첫째, 강재의 전위를 산화피막이 안정된 부동태영역까지 높이는 방법으로 양극방식법이 있으며, 양극반응 억제제(크롬산염, 아질산염 등)를 첨가하는 방법이 있다.

둘째, 강재의 전위를 불활성영역까지 도달하도록 전위를 낮추는 방법으로음극방식법이 있으며, 음극반응 억제제(알카리, 탄산염 등)를 첨가하는 방법이 있다.

셋째, 강재 주변환경의 pH를 증가시켜 부동태 영역으로 이동시키는 방법으로 알카리를 첨가하는 방법이다.

위와같은 3가지 방법을 구체적인 공법으로 예를들면 전기방식에 의한 방법과 침투성 알카리성 부여재 및 침투성 부식방지재에 의한 방법이 사용되어 지고 있다.

즉, 기본개념은 중성화된 부위를 알카리성으로 환원시켜주며, 강재를 부동태화 시켜 부식을 예방하는 것이다.

이러한 개념은 철근콘크리트 구조물의 중성화나 염해에 대한 보수대책으로 현재 보편적으로 사용되고 있는 방법인 공기중의 이산화탄소나 염분, 수분 등을 차단시키는 방법에 비교해서 보면, 상당히 진보적인 개념으로 보수후의 내구성 증진에 상당한 효과가 있다.

그러나, 전기방식법은 일정한 전원을 계속 공급시켜주어야 하며, 설치시 강재를 노출시키는 등의 처리가 필요하는 등 시공이 복잡하고, 아울러 가격이 고가이고 계속적인 유지관리가 필요하다.

이에 비해 기존특허 제32330호와 같은 방법은 중성화 부분의 재알카리화 즉, pH를 높이기 위해 무기질계인 리튬실리케이트(LiSiO2)를 도포함침하고, 염분에 의한 강재의 부식방지를 위해 양극형 부식방지재로 널리 알려진 아질산칼슘을 도포함침하여 사용하였으며, 상기의 2개의 제품 구조가 불완전하기 때문에 SBR계 폴리머 페이스트를 마감코팅재로 사용하여 이러한 단점을 보완하였다.

물론 이러한 방법도 중성화부분의 재알카리화 및 강재의 부동태피막 형성을 통한 강재의 부식방지 효과가 우수하고, 아울러 무기질계인 콘크리트와 물리적 성질 열팽창계수, 탄성계수 등이 유사한 SBR계 폴리머페이스트를 코팅하여 이중으로 중성화 방지 및 염분 유입 방지를 통해 내구성을 더욱 증진시키는 방법이다.

그러나, SBR계 폴리머는 자외선에 약하다는 것이 알려진 사실이다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해 다시 마감재를 사용해야 함으로서 시공비용 및 시공기간의 증가를 가져오는 문제점이 있었다.

또한, -Si-O-Si-0- 는 구조적 전하가 0이므로 Li⁺양이온이 오래 지속적으로 유지하는데 문제가 있으며, pH증가도 1내지 2정도로 미약하고 pH meter의 측정오차범위내에 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 강재를 포함한 무기질재 내에서 화학적인 반응을 통해 중성화부분의 알카리성 환원, 지속적인 알카리성 유지, Cl^-이온의 고정화를 통한 부식방지는 물론 강재의 부동태화를 통한 3중의 부식방지효과를 유지토록 하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적으로는, 시공측면에서 시공이 간단하고, 경제적측면에서는 시공비용 및 재료비가 저렴함과 함께, 내구성의 증진으로 별도의 유지관리 비용이 필요가 없도록 하는데 있다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명은, 무기질인 침투성 알카리성 부여재와 염분 고정화재를 제조하여, 성능저하된 무기질재에 교번하여 연속적으로 도포 함침시킴시키는 것을 특징으로 한다.

도 1은 전위-pH 도.

도 2는 제1실시예에 따른 철근의 염수침지 실험장치 모식도.

도 3은 상기 실시예에 따른 결과를 나타낸 그래프.

도 4는 제2실시예에 따른 콘크리트중의 철근부식 촉진방법에 의한 공정도.

도 5는 제3실시예에 따른 콘크리트중의 철근부식 촉진방법에 의한 공정도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 시험용 염수 2 : 비커

3 : 철근 4 : 비교전극

5 : 직류 전위차계 6 : 유동 파라핀

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.

상기에서 밝힌바와 같이, 본 발명은 강알카리 무기염 수용액인 소듐실리케이트와 소듐징크알루미네이트를 강재를 포함한 무기질재에 연속적으로 도포 함침시켜, 중성화(pH 7∼8)된 무기질재를 다시 알카리성(pH 11∼12)으로 환원시켜주어 철근에 부동태피막을 재형성 부식을 방지하며, 무기질재 중에 포함되어 있는 염분(Cl^-이온)과 반응해서 체인형태의 난용성 염으로 고정화되어 염분(Cl^-이온)에 의한 철근의 부동태피막의 파괴를 방지해서 부식을 예방하고, 또한 균열발생부분과 내부 공극부분을 체인형태로 고정화 시켜, 균열을 채워주고, 중성화의 원인이 되는 이산화탄소, 염해의 원인이 되는 Cl^-이온, 동결융해의 원인이 되는 수분의 유입을 근본적으로 차단시켜 주어 이중으로 강재를 포함하고 있는 무기질재의 보호 및 보수에 관한 것이다.

여기에서 강알카리 무기염 수용액은 M₂OㆍnSiO₂(M=Na,K,Li)로 n이 2.0∼5.3범위까지 가능하며, n이 4.0∼5.3일때 가장 안정적으로 작용하였다. 수용액의 농도는 15%이하시 가장 침투가 용이하였다.

그리고, 알카리계 소듐알루미네이트는 Na₂OㆍMOㆍAl₂O₃로 M은 Zn을 기본으로 하고, 농도는 중량비로 10%∼20%에서 가장 우수한 효과를 나타낸다.

이 두개의 알카리 무기염을 연속적으로 콘크리트 표면에 도포하여 콘크리트의 모세관공극(capillary pores)부터 침투시키고, 크기가 15A인 겔공극에 침투되어 이온과 치환반반응을 일으켜 불용성의 결정체를 형성시켜 표면으로부터 겔공극을 포함한 공극을 매워 외부로 부터 이산화탄소, 아황산가스, 수분, 염분 등의 침입을 막을 수 있어 반 영구적으로 알카리성을 유지할 수 있다. 또한 수분의 침입을 차단할 수 있어 동결융해에도 매우 우수한 내구성을 나타낸다.

<실험예 1> 철근의 염수침지 시험방법에 의한 평가

KS F 2561-부속서 1에 의거하여 도 2에 도시된 바와같은 실험장치를 준비하였다.

즉, 시험용 염수[NaCl 기준 0.3%(3,000ppm)](1)를 제조하여 500ml 비커(2)에 투입함에 있어, 시험용 염수(1)는 방청제 대신에 강알카리 무기염 수용액과 알카리계 무기 수용액(염분고 정화재)를 1:1로 혼합하여 시험용 염수의 2중량%를 투입하였다.

그리고, 철근(3)과 비교전극(4)을 각각 시험용 염수(1)에 담근 후 직류 전위차계(5)를 이용하여 전연전극전위(mV)를 5일간 측정하여 부식발생과 전위변화를 측정하였다.

도면중 미설명부호 6은 유동 파라핀을 나타낸다.

이러한 측정결과는 하기 [표 1] 및 도 3에 나타낸바와 같다.

경과시간	본 발명	무첨가
1시간	-270mV	-439mV
3시간	-259mV	-420mV
6시간	-255mV	-400mV
1일	-278mV	-408mV
2일	-280mV	-435mV
3일	-330mV	-489mV
4일	-335mV	-512mV
5일	-340mV	-543mV

즉, 본 발명에 의한 방법은 무첨가에 비해서 상당히 전위가 안정되었고, 기본적으로 부식발생 한계로 알려진 -350mV를 초과하지 않았으며, 3일 이후부터는 안정적으로 유지되었다. 육안관찰로도 무첨가 부분이 부식이 발생한 데 비해 본 발명의 방법으로 처리한 것은 전혀 부식이 발생하지 않았다. 따라서 부식억제능력이 있음을 알 수 있다.

<실험예 2>콘크리트중의 철근부식 촉진시험방법에 의한 평가(신설개념)

KS F 2561-부속서 2에 의거하여 도 4와 같이 실시하였다.

본 실험에서는, 미경화 fresh concrete(콘크리트중 염분함량 : 0.2%)(10)에 철근(11)이 배치되어진 상태에서 별도의 분무부재(12)를 이용하여 강알카리무기염수용액을 도포(400g/m²)하고, 알카리계무기수용액(염분고정화재)를 도포(400g/m²)하였다. 그리고 3일간 양생후 콘크리트 피복덮개(13)를 형성시키고 다시 7일간 표준양생을 실시하였으며, 오토크레이브 촉진시험을 통해 콘크리트 파쇄 및 내부철근의부식면적 측정을 실시하여 다음[표 2]와 같은 결과를 도출하였다.

Type	No	부식면적(㎟)	평균부식면적(㎟)	방청성능(무첨가 대비 상대비)
미경화 도포	1	46	47.3	50.6%
	2	33
	3	63
무첨가	1	120	95.7	-
	2	134
	3	33
	4	108
*방청성능:[(무첨가(비교)의 발청면적-방청제 도포)/무첨가(비교)]×100

<실험예 3>콘크리트중의 철근부식 촉진시험방법에 의한 평가(보수개념)

KS F 2561-부속서 2에 의거하여 도 5와 같이 실시하였다.

즉, 파쇄장치(24)를 사용하여 경화 콘크리트(콘크리트중 염분함량 : 0.2%)(20)를 파치하여 철근(21)을 외부로 노출시킨 상태에서 별도의 분무부재(22)를 이용하여 강알카리무기염수용액을 도포하고, 다시 알카리계무기수용액(염분고정화재)를 도포하였다. 이후 콘크리트 피복덮개(23)로 복구하여 7일간 표준양생을 실시한 후 오토크레이브 촉진시험을 통해 콘크리트 파쇄 및 내부철근의 부식면적을 측정하여 다음 [표 3]과 같은 결과가 도출되었다.

Type	No	부식면적(㎟)	평균부식면적(㎟)	방청성능(무첨가 대비 상대비)
미경화 도포	1	5	19.0	80.1%
	2	28
	3	24
무첨가	1	120	95.7	-
	2	134
	3	33
	4	108
*방청성능:[(무첨가(비교)의 발청면적-방청제 도포)/무첨가(비교)]×100

상기 실험예 2,3의 결과를 통해 확인된 바와같이, 본 무기염 보수재를 도포한 시험체가 도포하지 않은 시험체보다 부식발생율 및 방청성에서 우수하다는 결과를 얻었으며, 특히 실험예 3은 기존 시설의 보수개념의 방법으로 실시한 것으로 80%의 높은 방청성능을 보여줌을 확인할 수 있었다.

이상에서 살펴본 바와같은 본 발명은, 강재를 포함한 무기질재의 성능회복 및 성능저하를 방지토록 한 것으로서,

첫째, 무기질재의 중성화 부분을 재 알카리화 하여 부식을 방지하는 효과와,

둘째, 염분에 의한 철근 부식시 염분을 고정화 시켜 부식을 방지하는 효과,

셋째, 무기질재 표면의 공극을 메워 중성화, 염해, 동결융해를 방지하는 효과 및 강도를 향상시키는 효과,

넷째, 내수성, 내화학성, 내마모성을 증가시키는 효과,

다섯째, 붓, 로울러, 스프레이를 이용한 시공방법과 저렴한 재료의 사용으로 경제성 측면에서 우수해서 전체 예산을 절감시키는 효과를 나타내게 된다.

Claims

강재가 배근되어져 있는 무기질재의 표면을 포함하여 강재의 표면에 알카리성 회복 및 중성화 방지 효과를 갖는 복수종류의 무기염 수용액을 교번하여 수회 연속적으로 도포함으로서 함침시키는 것을 특징으로 하는 강재의 부식 및 무기질재의 성능저하 방지방법.
청구항 1에 있어서,

상기 무기염 수용액중 하나는 솔리드 15중량% 이하인 규산염인 것을 특징으로 하는 강재의 부식 및 무기질재의 성능저하 방지방법.
청구항 2에 있어서,

상기 규산염의 몰비가 2.0∼5.3인 것을 특징으로 하는 강재의 부식 및 무기질재의 성능저하 방지방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 무기염 수용액중 하나는 소듐징크알루미네이트인 것을 특징으로 하는 강재의 부식 및 무기질재의 성능저하 방지방법.
청구항 4에 있어서,

상기 소듐징크알루미네이트에서 징크가 중량비 2.0∼20%인 것을 특징으로 하는 강재의 부식 및 무기질재의 성능저하 방지방법.
청구항 4에 있어서,

상기 소듐징크알루미네이트에서 소듐이 중량비 10.0∼30.0%인 것을 특징으로 하는 강재의 부식 및 무기질재의 성능저하 방지방법.
청구항 4에 있어서,

상기 소듐징크알루미네이트에서 알루미네이트가 중량비 2.0∼20%인 것을 특징으로 하는 강재의 부식 및 무기질재의 성능저하 방지방법.