KR20050101676A - 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서 및 시스템 - Google Patents

철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서 및 시스템 Download PDF

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KR20050101676A
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김정구
최윤석
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학교법인 성균관대학
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Abstract

본 발명은 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서 및 시스템에 관한 것으로, 콘크리트에 매설된 철근의 부식도를 측정하는 센서시스템에 있어서, 부식도를 측정하고자 하는 콘크리트내의 상기 철근과 동일한 재질의 금속으로 형성된 양극; 상기 양극과 대향하여 양극과의 갈바닉 전지 형성을 통해 갈바닉 전류를 발생시키는 동으로 형성된 음극; 상기 양극 및 음극의 일단에 갈바닉 전류 측정을 위해 인출된 전선; 상기 양극 및 음극을 고정시키는 절연체의 전극지지대; 상기 양극 및 음극의 갈바닉 쌍 형성에 따라 유기되는 갈바닉 전류를 측정하는 영저항 전류계(ZRA)를 포함하여, 갈바닉 전류와 철근 부식도간의 직선적인 상관관계를 통해 철근의 부식도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 양극과 음극의 갈바닉 전지 형성을 통해 발생되는 갈바닉 전류를 측정하여 콘크리트에 매설된 철근의 부식속도를 정량적인 수치로 제시하여 철근이 부식에 의해 손상되는 정도와 부식이 시작되는 시점을 동시에 모니터링함으로서 콘크리트 구조물이 부식에 의해 손상되는 문제를 미연에 방지할 수 있다.

Description

철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서 및 시스템{Sensor for monitoring the corrosion damage of steel embedded in concrete structure and sensor system}
본 발명은 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서에 관한 것으로, 특히 갈바닉 전류를 이용하여 콘크리트에 매설된 철근의 부식속도를 측정해 철근이 부식에 의해 손상되는 정도와 부식이 시작되는 시점을 동시에 모니터링하는 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서 및 시스템에 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 관점에서뿐 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 매입된 철근의 부식이며, 철근의 부식을 일으키는 주된 원인으로는 염소이온(Cl_)과 이산화탄소(CO2)의 침투를 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 구조물의 안전성과 내구성이 크게 저하되고, 심한 경우 구조물이 붕괴에 이를 수도 있다. 또한, 철근 콘크리트 구조물이 이미 손상된 경우 이를 보수, 보강하는 작업은 매우 어렵고 제한적이며 경제적으로도 많은 비용이 소모된다. 그러므로 구조물의 철근 부식을 정량적으로 계측하여 철근 콘크리트 구조물의 상태를 평가하고 적절한 보수시점을 예측하는 방법이 필요하다.
콘크리트 중의 철근 부식 상태를 확인하는 방법 중 육안 관찰과 물리적 방법 등은 철근의 부식이 어느 정도 진행한 상태에서는 효과적이지만, 전기화학적 기법은 비교적 초기 단계에서 부식 여부를 판정할 수 있는 이점이 있다. 주로 사용되는 방법으로는 전위측정법, 비저항법, 분극저항법, 교류 임피던스법 및 마크로셀 전류 측정법 등이 있고, 이러한 방법들은 전기화학적인 원리에 의한 것으로서 그 근본은 전기화학이론을 부식에 정립시킨 폰타나와 그린(Fontana and Green)의 이론에 그 기초를 두고 있다.
전위 측정에 따른 철근의 부식 진단 기술은 1950년대에 Straful이 처음에 콘크리트교 상판의 부식 조사에 이용되고, 1977년에 미국에서 측정 방법이 ASTM 규격으로서 표준화되었다. 또한 부식율을 직접적으로 결정하기 위한 방법이 지속적으로 발전되어 왔는데 분극저항법이 영국을 제외한 유럽과 미국에서 연구되어 왔고 직류 펄스응답법은 유럽의 교량들에 적용되었지만 나머지 방법들은 최근에 영국 현장에서의 시도가 조금씩 되고 있는 실정이다.
국내에서는 주로 초음파를 이용한 비파괴 검사기법에 대하여 상대적으로 활발한 연구가 진행되고 있는 반면 전기화학적 방법인 자연전위법, 비저항법, 분극 저항법 및 교류 임피던스법을 이용한 철근의 부식 상태 평가는 일부 연구자에 제한되어 시도되고 있다.
그러나, 임피던스법 이외에 언급한 재래식 부식감지기술은 파괴적이며 정성적인 측정방법으로 인하여 철근에서 발생하고 있는 부식에 대한 개략적인 기준만을 제시할 뿐 명확하고 정량적인 기준은 제시해 주지 못하는 문제점이 있다. 예를 들면, 전위측정법의 경우에 그 전위기준이 제시되어 있으나, 그 기준범위가 넓고 기준자체가 경험적이기 때문에 상당한 오차가 발생하게 되고, 직선분극저항법이나 임피던스법은 부식속도의 정확한 측정은 가능하나, 장비가 고가이며 현장에서 사용이 용이하지 않다. 또한 마크로셀 전류를 이용한 시스템은 부식발생 유무 또는 부식발생 시점을 정성적으로 감지할 뿐, 철근의 정량적인 부식속도에 대한 정보는 얻을 수 없다.
따라서, 앞에서 제시되고 있는 문제점 등을 감안하면 실제 배관의 부식진행상태를 정확하고, 간편하며, 정량적으로 탐지할 수 있는 시스템의 개발이 필수적으로 대두되고 있는 실정이다. 일반적으로 상용되고 있는 부식감지시스템을 요약하면 다음과 같다.
① 전위측정법
자연 전위란 금속이 존재하는 환경 속에서 유지하고 있는 전위를 말하며, 부식의 양극 및 음극 반응에 의한 전위의 분극으로부터 결정된다. 자연 전위는 환경이나 철근의 상황에 따라 변화하며, 전위측정법은 기본적으로 이러한 전위의 변화로부터 철근의 부식 여부를 판정하는 방법으로 자연전위측정법과 표면전위차측정법 2가지가 있다. 콘크리트 중의 철근 부식을 판정하기 위한 전위측정법 가운데 자연전위측정법은 그 원리가 단순하고 측정도 간단하여 특수한 측정기구가 필요치 않아 가장 많이 이용되고 있으며 1977년 ASTM에서 규격화(C 876-77)되었다 (도 1). 일반적으로 철근의 전위 측정은 기준전극(또는 조합전극)과 입력 저항이 10㏁이상의 고입력 저항 전위차계를 사용한다. 한편, 현장에서는 측정의 능률화를 위해 4~8개의 조합전극을 나란히 세운 장치나 회전식 조합전극이 시판되고 있다.
② 비저항법
비저항이 높은 건조한 콘크리트 중에 묻힌 철근은 부식의 진행이 쉽게 되지 않지만 비저항이 낮은 습기가 많은 콘크리트 속에서는 부식이 일어나기 쉽다. 비저항은 콘크리트의 조성, 함수량, 염화물 함유량 등에 의존하여 부식 전지 내를 흐르는 부식 전류의 크기를 지배하므로 비저항의 측정은 콘크리트의 부식 환경을 조사하는 데 유용하고 간편한 수단이 된다. 비저항과 철근 부식에 관계는 도 2와 같다.
③ 분극저항법
일반적으로, 철근의 부식 속도를 정량적으로 구하기 위해서는 분극저항법이 많이 사용된다. 분극저항법의 원리는 콘크리트의 표면에 대극과 조합전극을 설치하여 대극에서 철근에 미소 전류를 가하면 철근의 전위가 변화하고, 반대로 전위를 변화시키면 전류가 변화하게 된다. 철근의 전위를 △E만큼 변화시키면 미소 전류 △I가 생기고, △E가 ±10mV 정도의 미소 변화이면 전위와 전류 사이에는 직선 관계가 성립하며 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
△E = Rp·△I
식에서 직선의 기울기인 Rp를 분극 저항이라 하며, 분극 저항과 부식 전류 사이에는 다음과 같은 식의 관계가 성립한다.
Ic = K·(1/Rp)
이때, K의 값은 금속의 종류나 금속이 놓여지는 환경에 의해서 결정되는 상수이며, 측정된 Rp값으로부터 위 식을 이용하여 철근의 부식 속도를 계산할 수 있다.
분극저항법을 실구조물에 적용하는 경우 콘크리트 중에 매입된 철근의 기하학적 배치(지름, 피복) 및 콘크리트의 비저항, 계면의 임피던스가 다르기 때문에 측정 면적이 구조물마다 다르게 되어 구조물의 상호 비교가 곤란하게 된다. 이 때문에 철근 지름이나 배근 상태를 고려하여 미리 전류 분포를 실험적으로 구하여 검산하는 방법이나 전류가 흐르는 범위를 좁게 한정하는 가드링을 이용한 센서(2중 대극 센서)도 개발되어 있다. 한편, 일본에서는 매입형 미니센서를 시공시 철근에 부착함으로써 철근의 자연전위, 분극 저항 등을 측정하여 정량적인 부식 데이터를 얻을 수 있는 센서를 개발하였다.
④ 교류 임피던스법
분극 저항 Rp를 구하는 방법의 하나로 교류 임피던스법이 있는 데 현장 적용 시 측정 시간이 약 40분 정도 필요하므로 현장 적용에 어려움이 있으므로 이를 개선하기 위해서 다음 방법이 제안되고 있다. 먼저 전위 스텝법은 비교적 큰 직류 전압을 전위 제어로 스텝 모양으로 인가하여 전기 2중층 용량을 강제적으로 단시간에 충전하여, 그 후의 응답 전류에 착안하여 분극 저항을 구하는 방법이다. 이 방법에서는 10초 정도로 측정이 가능하다. 다음은 정전류 2중 펄스 중첩 방식인데 종래의 1주파수의 전류를 차차 변화시킨 측정에 대해서, 저주파(0.25Hz)의 직사각형 전류에 고주파(160Hz)의 직사각형 전류를 중첩시킨 전류를 사용해서 각각의 전류에 응답하는 전압을 검출하여 콘크리트 저항(Rs)과 분극 저항(Rp)을 측정하는 방법이다.
⑤ 마크로셀 전류를 이용한 철근 부식 모니터링
철근콘크리트 구조물 중의 철근 부식을 조사하기 위해서는 고가의 기구와 장비 및 인력이 소요될 뿐만 아니라 매번 철근을 노출시켜야 하는 단점이 있다. 이를 개선하기 위하여 개발된 것으로 비교적 최근에 연구 성과와 적용 사례가 증가하고 있는 anode ladder system은 마크로셀 전류 측정법을 응용한 것으로 독일에서 개발되었다. Anode ladder system은 측정전극과 음극재료가 평행하게 일정 간격을 두고 배치되고, 이와 같은 전극조합을 콘크리트의 깊이 방향으로 매설하여, 깊이에 따른 부식정도 및 부식시점을 모니터링할 수 있다.
결국, 앞에서 제시되고 있는 문제점 등을 감안하면 실제 철근의 부식진행상태를 정확하고, 간편하며, 정량적으로 탐지할 수 있는 시스템의 개발이 필수적으로 대두되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 양극과 음극의 갈바닉 전지 형성을 통해 발생되는 갈바닉 전류를 측정하여 콘크리트에 매설된 철근의 부식속도를 정량적인 수치로 제시하여 철근이 부식에 의해 손상되는 정도와 부식이 시작되는 시점을 동시에 모니터링함으로서 콘크리트 구조물이 부식에 의해 손상되는 문제를 미연에 방지할 수 있는 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서 및 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 양극은 부식속도를 측정하고자 하는 철근과 동일한 금속으로 형성하고, 음극은 충분한 갈바닉 전류를 발생시키는 동으로 구성된 철근-동 센서구조로서 저렴한 비용으로 제작이 가능하고, 외부 전원이 필요 없어 현장 적용성이 높은 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서 및 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서는, 콘크리트에 매설된 철근의 부식도를 감지하는 센서에 있어서, 부식도를 측정하고자 하는 콘크리트내의 상기 철근과 동일한 재질의 금속으로 형성된 양극; 상기 양극과 대향하여 양극과의 갈바닉 전지 형성을 통해 갈바닉 전류를 발생시키는 동으로 형성된 음극; 상기 양극 및 음극의 일단에 갈바닉 전류 측정을 위해 인출된 전선; 및 상기 양극 및 음극을 고정시키는 절연체의 전극지지대를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 양극 및 음극은 직경 12 ㎜의 봉 형상으로 구성되고, 상기 전극지지대의 외표면은 방수 처리되어 있으며, 상기 양극은 철근 콘크리트 봉강(KS D3504)이고, 음극은 순도 99.99%이상의 동으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서시스템은, 콘크리트에 매설된 철근의 부식도를 측정하는 센서시스템에 있어서, 부식도를 측정하고자 하는 콘크리트내의 상기 철근과 동일한 재질의 금속으로 형성된 양극; 상기 양극과 대향하여 양극과의 갈바닉 전지 형성을 통해 갈바닉 전류를 발생시키는 동으로 형성된 음극; 상기 양극 및 음극의 일단에 갈바닉 전류 측정을 위해 인출된 전선; 상기 양극 및 음극을 고정시키는 절연체의 전극지지대; 상기 양극 및 음극의 갈바닉 쌍 형성에 따라 유기되는 갈바닉 전류를 측정하는 영저항 전류계(ZRA)를 포함하여, 갈바닉 전류와 철근 부식도간의 직선적인 상관관계를 통해 철근의 부식도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서의 측정원리를 나타내는 도면으로, 부식감지용 센서(100)의 양극과 음극 재료의 갈바닉 쌍 형성에 따라 유기되는 갈바닉 전류를 영저항 전류계(200;ZRA)로 측정하여, 이 측정된 갈바닉 전류의 양을 통해 콘크리트에 매설된 철근의 부식속도를 직접적으로 감지할 수 있도록 구성되어 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 부식감지용 센서를 나타내는 외관도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 부식감지용 센서를 나타내는 개략 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명 부식감지용 센서(100)의 좌측 하단에는 부식속도를 측정하고자 하는 철근과 동일한 재질의 금속으로 형성된 양극(10)이 배치되어 있고, 상기 양극(10)의 일단에는 전류 측정을 위해 영저항 전류계(200;ZRA)에 연결되는 양극전선(12)이 인출되어 있으며, 양극(10)으로 사용한 재료는 철근 콘크리트용 봉강(KS D3504)으로, 철근 콘크리트용 봉강의 조성은 도 6에 나타내었다.
상기 양극(10)과 대향하여 우측에는 상기 양극(10)과의 갈바닉 전지 형성을 통해 충분한 갈바닉 전류를 발생시키도록 동으로 형성된 음극(20)이 상기 양극(10)의 길이방향으로 평행하게 배치되어 있고, 상기 음극(20)의 일단에는 상기 양극(10)과 음극(20)의 갈바닉 전지 형성을 통해 발생되는 갈바닉 전류 측정을 위해 영저항 전류계(200;ZRA)에 연결되는 음극전선(22)이 인출되어 있으며, 음극(20)으로 사용한 재료는 동(copper)으로, 동은 순도 99.99%이상의 것을 사용하였다.
상기 양극(10)과 음극(20)은 모두 직경 12 ㎜의 봉 형태로 제작되었으며, 실험에 앞서 SiC 연마지로 #600까지 균일하게 연마한 후, 에탄올과 증류수로 세척, 건조하였다.
그리고, 상기 양극(10)과 음극(20)은 양극(10) 및 음극(20)을 고정시키는 절연체의 전극지지대(30)에 삽입 고정되어 있으며, 상기 전극지지대(30)는 이들의 고정성을 향상시키기 위하여 고정지지대(40)에 볼트(42)로 고정되어 있다.
상기 전극지지대(30)에서 양극(10) 및 음극(20)이 삽입 고정되는 끼움부(32)와, 양극전선(12) 및 음극전선(22)이 인출되는 인출부(34)와, 상기 고정지지대(40) 및 전극지지대(30)의 접촉면은 방수상태(점선 타원으로 표시)로 제작되어 있다.
본 발명 부식감지용 센서(100)의 전기화학적 실험을 위해 도 7에 도시한 센서시험 시스템을 고안하였다. 아크릴 상자의 중앙에 작동전극으로 철근을, 철근의 양 옆에 상대전극으로 고순도 탄소봉을, 기준전극으로 황산동전극(CSE)을 사용하여 철근의 부식속도를 측정하고자 하였으며, 철근과 같은 높이로 부식감지용 센서(100;철근-동 센서)를 설치하여 부식감지용 센서(100)에서 유기되는 갈바닉 전류를 측정하였다. 0.5 물-시멘트 비를 가지는 콘크리트에 매입하였고, 3.5 wt.% NaCl용액에 침지하여 부식 환경을 조성하였다.
이때, 부식전위 측정법, 직선 분극저항법(Linear Polarization Resistance; LPR), 전기화학적 임피던스분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy; EIS)을 이용하여 철근의 부식속도를 측정하였다. 직선 분극저항법(LPR)은 부식전위를 기준으로 하여 -20 mV에서 20 mV까지 0.166 mV/sec의 주사속도로 전위를 증가시키면서 행하였고, 임피던스분광법(EIS)은 Model 1025 주파수 반응 감지기(frequency response detector)를 사용하여 주파수 범위가 100 kHz와 10 mHz사이에서 ±10 mV의 사인곡선 전위를 가하여 실험하였다.
부식감지용 센서(100)에서 유기되는 갈바닉 전류는 양극(10)과 음극(20)사이에 전위 차이가 없게 되는 Icouple이 직접 측정되도록 하기 위해서 영저항 전류계(200;zero resistance ammeter, ZRA)를 이용하여 측정하였고, 이를 철근의 부식속도와 비교하였다.
- 철근의 전기화학적 거동
도 8은 시간에 따른 철근의 부식전위변화를 나타낸 것이다. 침지 후 210일까지 철근의 부식전위는 Pourbaix 도표의 부동태 영역에 해당하는 -250 mV와 -150 mV사이에서 측정되었다. 이 시기에 철근은 콘크리트 내부의 강알칼리성 환경 (12<pH<13)에 의해 생성된 부동태 피막에 의해 방식된다. 210일 이후 부식전위는 급격히 낮아졌으며, 철근의 표면에 형성된 부동태 피막이 파괴되어 부식이 시작되는 시점으로 판단된다. ASTM C876에 따르면 부식전위가 -350 mV vs. CSE 보다 낮을 경우 90% 이상의 부식발생 가능성이 있다고 제안되고 있다.
직선 분극저항법(LPR)으로 측정한 시간에 따른 분극저항(Rp)값의 변화를 도 9에 도시하였다. 210일까지 500 ㏀/㎠ 이상의 값을 나타내었고, 이후 감소하는 경향을 보였다. 이는 철근의 부식저항이 210일 이후 크게 저하되었음을 의미하는 것이며, 부식 개시시점에 있어서 부식전위 측정법의 결과와도 일치한다. 도 10은 직선 분극저항법으로 측정된 Rp값을 식 (1)과 (2)를 이용하여 부식속도로 환산한 결과이다.
(B= 26 mV/decade)
여기에서,
icorr : 부식전류밀도
E.W.(Equivalent weight)=∑fi·Mi/ni
fi: 원자분율, Mi: 원자량, ni: 원자가
210일 이후 철근의 부식속도가 0.023 mpy에서 2.68 mpy로 급격히 증가함을 알 수 있다. 일반적으로, 철근 콘크리트에 매입된 철근은 부식속도가 0.24 mpy 이상이면 부식이 발생한다고 알려져 있다.
도 11은 EIS법으로 측정한 결과를 Nyquist plot으로 도시한 것이다. 210일 이후에 철근의 전하이동 저항을 나타내는 반원의 크기가 급감하는 것을 알 수 있다. 계면반응의 정량적인 값을 얻기 위해 시뮬레이션 하였고, 사용한 등가회로는 도 12에 나타내었다. Rs는 콘크리트 내의 기공을 채우는 용액 저항을 나타내고, Rfilm과 Cfilm은 철근의 표면에 형성된 피막의 저항과 커패시턴스를 나타내며 Rct 와 Cdl은 철근의 전하이동 저항과 커패시턴스를 각각 나타낸다. 시뮬레이션의 신뢰성을 높이기 위해, 일반적으로 치우쳐진 반원을 보정하기 위하여 널리 사용되는 CPE(constant phase element)로 커패시턴스를 대신하였다. 도 13은 시뮬레이션으로 얻어진 철근의 부식 저항인자인, Rfilm과 Rct의 합을 시간에 따라 나타낸 것이다. 침지 후 Rfilm과 Rct의 합은 175일까지 증가하는 경향을 나타내었으나 196일 이후 감소하기 시작하였고, 210일 이후 급격히 감소하였다. 따라서 철근은 210일 이후 부식이 시작되었다고 판단되며 부식전위 측정법, 직선 분극저항법 그리고 EIS법으로 측정한 결과가 모두 일치하였다.
- 갈바닉 전류 측정 및 철근의 부식속도와의 연관성
도 14는 영저항 전류계(200;ZRA)를 이용하여 부식감지용 센서(100;철근-동 센서)에서 시간에 따라 측정되는 갈바닉 전류밀도를 나타낸 결과이다. 초기에 갈바닉 전류밀도는 0에 가까운 값을 유지하였고 217일 이후 부식감지용 센서(100)의 갈바닉 전류밀도는 급격히 증가하였다. 이는 앞서 측정된 철근의 부식속도 변화거동과 일치한다.
부식감지용 센서(100)의 데이터와 실제 철근 부식속도와의 상관관계를 알아보기 위해 Faraday 법칙을 적용하였다. 전기화학 반응은 전자를 생산하거나 소모하며, 이 전자의 이동은 전류(I)로 측정된다. 여기서 1 A는 초당 1 C의 전하량(6.2ㅧ 1018개의 전자)과 같으므로, 갈바닉 전류와 시간을 식(3)에 의하여 전하량으로 계산하였다.
여기에서,
Q: 총전하량(C)
Icorr: 부식전류(A)
t: 시간(s)
w: 무게손실(g)
F: Faraday 상수(96,500 C/mol)
a: 분자량(g/mol)
n: 산화수
부식감지용 센서(100)에서 유기되는 전하량과 직선 분극저항법을 통하여 얻은 철근의 전하량과의 상관관계를 도 15에 나타내었다. 부식감지용 센서(100)에서 유기되는 전하량과 실제 철근의 전하량 사이에 선형관계가 성립함을 알 수 있다. 그러므로 부식감지용 센서(100)에서 감지되는 전류를 이용하여 실제 매입된 철근의 부식속도를 간접적으로 감지할 수 있으며, 이를 통해 철근 콘크리트 구조물의 적절한 보수시점 및 수명을 제시할 수 있다.
본 발명의 앞서 실시한 실험에서 입증되듯이 도 3에 도시된 바와 같이 양극(10)과 음극(20)이 갈바닉 쌍을 형성함에 따라 유기되는 갈바닉 전류로 콘크리트에 매설된 철근의 부식속도를 예측 및 감지할 수 있는 특징이 있다.
부식감지용 센서(100)에서 양극(10)인 철근은 매설된 철근과 같은 금속으로 형성하고, 음극(20)은 충분한 갈바닉 전류를 유기시키는 동으로 형성해서 콘크리트에 철근과 같이 매설시킨다. 이를 통해 시간에 따른 갈바닉 전류를 콘크리트 구조물 외부에 구성되어 있는 영저항 전류계(200;ZRA)를 포함한 시스템을 통해 측정하여, 앞서 실험을 통해 규명된 철근 부식속도와의 상관관계를 통해 철근의 부식속도를 도출할 수 있다.
본 발명을 이용하여 콘크리트에 매설된 철근의 부식속도 측정 및 철근의 부식시작 시점을 감지할 수 있으며, 철근이 매설된 콘크리트 환경의 부식성 측정도 가능하다.
상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서 및 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
상기의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서 및 시스템에 의하면, 콘크리트 구조물의 부식발생 시점 및 부식정도를 정성적으로 감지할 수 있는 종래의 장치들에 비해, 무전원으로 부식감지용 센서(철근-동 센서) 사이에서 유기된 갈바닉 전류와 철근의 부식속도간의 직선적인 상관관계를 통해 철근의 부식속도를 정량적인 수치로 제시하며, 이를 통해 콘크리트에 매입된 철근의 정량적인 전기화학적 부식거동을 진단할 수 있고, 효과적인 유지와 관리를 가능하게 할 것이다. 또한 사회, 경제적인 측면에서 사회기반시설의 효과적인 관리와 신뢰성 확보에 기여하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 양극은 부식속도를 측정하고자 하는 철근과 동일한 금속으로 형성하고, 음극은 충분한 갈바닉 전류를 발생시키는 동으로 구성된 철근-동 센서구조로서 저렴한 비용으로 제작이 가능하고, 외부 전원이 필요 없어 현장 적용성이 높다는 효과가 있다.
또, 철근의 부식단계별 구조 성능을 파악함으로서 철근의 잔존 수명에 대한 예측이 가능하며, 이에 따른 적절한 보수-보강 시기를 판단할 수 있으며, 향후 철근 구조물 설계시 기준으로 사용할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 자연 전위를 이용한 철근 부식의 평가 기준을 나타내는 도면,
도 2는 비저항에 의한 부식성의 평가를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 의한 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서의 측정원리를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 부식감지용 센서를 나타내는 외관도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 부식감지용 센서를 나타내는 개략 단면도,
도 6은 양극의 화학적 성분을 나타내는 도면,
도 7은 전기화학적 측정을 위한 실험 cell을 나타내는 도면,
도 8은 시간에 따른 철근의 부식전위 변화를 나타내는 도면,
도 9는 직선분극저항법을 통해 측정된 분극저항의 변화를 나타내는 도면,
도 10은 직선분극저항법을 통해 측정된 부식속도의 변화를 나타내는 도면,
도 11은 철근의 Nyquist 곡선을 나타내는 도면,
도 12는 철근의 부식거동 예측을 위한 등가회로를 나타내는 도면,
도 13은 철근의 시간에 따른 부식층 저항과 전하이동 저항의 변화를 나타내는 도면,
도 14는 시간에 따라 측정된 갈바닉 전류를 나타내는 도면,
도 15는 센서출력에 의한 누적 전하량 대 직선분극저항 측정에 의한 누적전하량을 나타내는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 양극 12 : 양극전선
20 : 음극 22 : 음극전선
30 : 전극지지대 40 : 고정지지대
100 : 부식감지용 센서 200 : 영저항 전류계(ZRA)

Claims (5)

  1. 콘크리트에 매설된 철근의 부식도를 감지하는 센서에 있어서,
    부식도를 측정하고자 하는 콘크리트내의 상기 철근과 동일한 재질의 금속으로 형성된 양극;
    상기 양극과 대향하여 양극과의 갈바닉 전지 형성을 통해 갈바닉 전류를 발생시키는 동으로 형성된 음극;
    상기 양극 및 음극의 일단에 갈바닉 전류 측정을 위해 인출된 전선; 및
    상기 양극 및 음극을 고정시키는 절연체의 전극지지대를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 양극 및 음극은 직경 12㎜의 봉 형상으로 구성된 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전극지지대의 외표면은 방수 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 양극은 철근 콘크리트 봉강(KS D3504)이고, 음극은 순도 99.99%이상의 동으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서.
  5. 콘크리트에 매설된 철근의 부식도를 측정하는 센서시스템에 있어서,
    부식도를 측정하고자 하는 콘크리트내의 상기 철근과 동일한 재질의 금속으로 형성된 양극;
    상기 양극과 대향하여 양극과의 갈바닉 전지 형성을 통해 갈바닉 전류를 발생시키는 동으로 형성된 음극;
    상기 양극 및 음극의 일단에 갈바닉 전류 측정을 위해 인출된 전선;
    상기 양극 및 음극을 고정시키는 절연체의 전극지지대; 및
    상기 양극 및 음극의 갈바닉 쌍 형성에 따라 유기되는 갈바닉 전류를 측정하는 영저항 전류계(ZRA)를 포함하여,
    갈바닉 전류와 철근 부식도간의 직선적인 상관관계를 통해 철근의 부식도를 측정하는 것을 특징으로 하는 철근 콘크리트 구조물의 부식감지용 센서시스템.
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