KR20230095393A - 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 콘크리트속 철근(WE, Working electrode)의 부식속도를 측정하는 센서에 있어서, 참조전극(RE, Reference electrode)이 삽입되어 구성되는 일정 크기의 전극지지블럭과; 용해성 양극(Soluble Anode) 재료로서 전극 지지블럭(10)의 하부에 아연 도막으로 형성되는 대극(CE, Soluble Counter electrode)과; 상기 대극(CE)을 덮도록 구성되는 탈지면과; 참조전극(RE), 대극(CE) 및 철근전극(WE)을 측정할 수 있는 3전극방식의 전원공급장치;를 포함하여 이루어져, 고가의 불용성양극을 대신하여 낮은 가격의 용해성 아연도막(Soluble Znic paints)을 사용하도록 하는 아연 도막을 대극으로 이용하도록 함으로써 경제성을 확보할 수 있으며, 해양 구조물 혹은 겨울철 제설작업에 의한 철근부식 문제에 대해 정량적 결과를 얻을 수 있고, 그 결과에 의한 구조물 진단 및 수명예측이 보다 정확해질 수 있으며, 특히, 이동이 가능한 구조로 형성되어 상대적으로 문제가 되는 부분을 결정하고 이동하여 정밀측정을 하여 철근의 부식속도 및 부식량을 정량화할 수 있어 넓은 면적의 구조물에도 적용 가능한 매우 유용한 효과가 있다.

Description

아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서{Corrosion Sensor with Zinc-rich Paints as Counter electrode}
본 발명은 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고가의 불용성양극을 대신하여 낮은 가격의 용해성 아연도막(Soluble Znic paints)을 사용하도록 하는 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서에 관한 것이다.
일반적으로 콘크리트는 pH 12.5 정도의 강한 알칼리성이므로 콘크리트 속에 매립된 철근은 부동태 피막을 형성하여 부식을 방지한다. 그러나, 장기간 외부환경에 노출되거나 다른 화학적 환경의 영향 등으로 콘크리트는 중성화되고 알칼리성이 저하되어 내부의 철근이 부식을 일으키기 시작한다. 콘크리트의 중성화로 부동태 피막이 파괴된 철근은 부식을 일으키기 시작하며, 부식이 시작된 철근은 건전한 철근보다 체적이 커서 콘크리트 피복을 손상시키고, 이어서 철근의 부식은 급속도로 빨라진다. 철근의 부식은 구조내력에 심각한 영향을 끼칠 수 있기 때문에 철근의 부식여부를 판단하는 것은 구조물의 내구년한을 추정하는데 매우 중요한 수단이다.
철근의 부식전위(Open Circuit Potential)를 측정하기 위해서는, 철근(Working Electrode)과 참조(Reference Electrode)전극사이에 미소전압(약±20mv)을 인가할 필요는 없으나, LPR(Linear Polarization Resistance)법 등으로 부식속도를 측정하기 위해서는 반드시 미소전압을 인가해야, 분극저항(Rp)이 얻어진다.
철근콘크리트 구조물에 매입된 철근의 부식속도(Rp -1)를 측정하기 위해서는 콘크리트의 포어(Pore) 및 큰 면적의 철근으로 인해 전류분포의 불균일 문제가 발생한다. 이것을 해소하기 위해서는 매우 큰 표면적(數meter 이상)을 가지는 불용성 양극(Insoluble Anode)인 대극(Counter Electrode)이 필요하다. 현재 사용되는 불용성 양극인 백금(Pt), 티타늄(Ti), 이리듐(Ir) 등은 매우 고가이며, 구조물에 매입된 큰 면적을 가지는 실제 철근의 부식속도 측정을 위한 센서에 사용되는 것은 부적합하다.
종래의 매립형 부식속도 측정센서의 경우 실제 구조물에 매입된 철근의 부식속도를 직접 측정하지 않고, 간접적으로 작은 크기의 새로운 철근이나 금속재료를 사용하여, LPR(Linear Polarization Resistance) 등과 같은 방법으로 분극저항(Rp)을 모니터링 한다. 그러나, 이것은 장기간 철근 콘크리트 구조물에 매입되어 부식되어, 성능이 저하된 실제 철근의 부식속도 및 부식감량을 알 수 없는 매우 큰 단점이 있다.
또한, 큰 면적이 필요한 대극(CE) 재료의 경우 콘크리트는 매우 큰 용액저항을 가지고 있으며, 이러한 특성은 부식속도를 측정할 때에 전류가 흘러나오는 양극으로 사용되는 대극(CE)면적이 철근(WE)면적보다 작을 경우, 전류분포의 불균일에 의한 분극저항(Rp)값에 오류를 일으킬 수 있다. 콘크리트에 매입된 실제 철근의 부식 속도 측정을 하는 경우에 사용되는 3전극 방식(CE, RE, WE)이 사용되나, CE로 사용되는 재료는 백금, 티타늄 합금, 이리듐 등과 같은 고가의 불용성 금속을 사용하고 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 특허등록 제0564879호 "콘크리트 내장용 철근 부식률 및 부식환경 감시센서"(특허문헌 1)가 있다. 상기 배경기술에서는 '철근콘크리트 구조물 중 철근의 부식상태 및 부식환경을 모니터링하는 콘크리트 철근 부식 모니터링 센서로서: 양극에 해당하며, 산화(부식) 반응이 일어나는 작동전극과; 음극에 해당하며, 상기 작동전극에서 발생하는 전자를 소모하는 환원반응이 일어나고, 상기 작동전극의 둘레에 상기 작동전극과 소정 간격을 두고 설치된 대응전극과; 상기 작동전극과 상기 대응전극에 접촉하여 이온이 통과할 수 있는 경로를 제공하는 전해질로 기능하는 몰탈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 철근 부식률 및 부식환경 감시센서'를 제안한다.
그러나 상기 배경기술은 대극(CE)으로 티타늄 사용하며, 매립형으로 이루어져, 장기간 철근 콘크리트 구조물에 매입되어 부식되어, 성능이 저하된 실제 철근의 부식속도 및 부식감량을 알 수 없는 문제점이 있었다.
특허등록 제0564879호 "콘크리트 내장용 철근 부식률 및 부식환경 감시센서"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고가의 귀금속을 쓰지 않아 경제적이며, 이동이 가능한 구조로 형성되어 상대적으로 문제가 되는 부분을 결정하고 이동하여 정밀측정을 하여 철근의 부식속도 및 부식량을 정량화할 수 있어 넓은 면적의 구조물에 대해서도 용이하게 측정할 수 있도록 하는 부식센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 콘크리트속 철근(WE, Working electrode)의 부식속도를 측정하는 센서에 있어서, 참조전극(RE, Reference electrode)이 삽입되어 구성되는 일정 크기의 전극지지블럭과; 용해성 양극(Soluble Anode) 재료로서 전극 지지블럭의 하부에 아연 도막으로 형성되는 대극(CE, Soluble Counter electrode)과; 상기 대극(CE)을 덮도록 구성되는 탈지면과; 참조전극(RE), 대극(CE) 및 철근전극(WE)을 측정할 수 있는 3전극방식의 전원공급장치;를 포함하여 이루어져, 콘크리트속 철근(WE, Working electrode)의 부식속도(분극저항, Rp)를 정량적으로 측정하여 그 결과로부터 부식정도를 판단하도록 하는 것을 특징으로 하는 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서를 제공하고자 한다.
또한, 전극 지지블럭은 모르타르로 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서를 제공하고자 한다.
또한, 참조전극(RE)는 전극 지지블럭의 내부에서 외부로 리드선을 인출하여 측정하도록 하는 것을 특징으로 하는 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서를 제공하고자 한다.
또한, 참조전극(RE)는 백금(Pt)을 사용하는 것을 특징으로 하는 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서를 제공하고자 한다.
또한, 대극(CE)을 이루는 아연 도막은 측정될 콘크리트속 철근(WE, Working electrode)과 동일하거나 그 이상의 표면적을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서는 고가의 불용성양극을 대신하여 낮은 가격의 용해성 아연도막(Soluble Znic paints)을 사용하도록 하는 아연 도막을 대극으로 이용하도록 함으로써 경제성을 확보할 수 있으며, 해양 구조물 혹은 겨울철 제설작업에 의한 철근부식 문제에 대해 정량적 결과를 얻을 수 있고, 그 결과에 의한 구조물 진단 및 수명예측이 보다 정확해질 수 있으며, 특히, 이동이 가능한 구조로 형성되어 상대적으로 문제가 되는 부분을 결정하고 이동하여 정밀측정을 하여 철근의 부식속도 및 부식량을 정량화할 수 있어 넓은 면적의 구조물에도 적용 가능한 매우 유용한 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서의 작동모습을 도시한 도이다.
도 2는 본 발명의 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서의 저면도이다,
도 4는 콘크리트두께 10cm를 가지는 철근의 부식전위를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 부식센서에 의해 3wt. NaCl 용액에 침지/건조할 때 측정한 분극저항의 변화를 도시한 그래프이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이하 바람직한 실시예에 따라 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서의 작동모습을 도시한 도이고, 도 2는 본 발명의 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서의 측면도이며, 도 3은 본 발명의 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서의 저면도이다,
부식속도를 전기화학적 방법으로 측정할 경우, 전해질 용액의 유입으로 콘크리트와 실제 매입된 철근표면사이의 젖음성이 확보되어야 한다. 3전극방식(CE, RE, WE로 구성)으로 콘크리트와 같은 다공질 재료속 철근의 부식속도 측정을 위해서는 대극으로 사용되는 재료가 최소한 철근보다 동등이상의 표면적을 가질 경우에, 균일한 전류분포를 형성한다. 기존 불용성 양극(CE)재료로서 백금 혹은 티타늄 등의 고가 귀금속이 사용되어, 가격이 매우 높아지는 문제를 해결하기 위해, 콘크리트 표면에서 흘려주는 전해질이 철근에 비교적 큰 표면적으로 확산되어 분극저항(Rp)를 측정할 경우, 균일한 전류분포를 얻기위해 용해성 양극(Soluble Anode)재료로서 아연도막을 사용하여 이에 대한 문제를 해결하였다.
특히, 본 발명에서는 장기간 사용되는 철근콘크리트 구조물속의 철근부식은 예기치 않은 기간 및 장소에서 발생한다. 이를 위해 넓은 면적의 구조물에 대해 GPR 등의 방법으로 구조물에 대한 Scanning을 완료 후, 상대적으로 문제가 되는 부분을 결정하고, 본 발명의 부식센서를 이용하여 정밀측정을 하여, 철근의 부식속도 및 부식량을 정량화 할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서는 콘크리트속 철근(WE, Working electrode)의 부식속도를 측정하는 센서에 있어서, 참조전극(RE, Reference electrode)이 삽입되어 구성되는 일정 크기의 전극지지블럭(10)과; 용해성 양극(Soluble Anode) 재료로서 전극 지지블럭(10)의 하부에 아연 도막으로 형성되는 대극(CE, Soluble Counter electrode)과; 상기 대극(CE)을 덮도록 구성되는 탈지면(20)과; 참조전극(RE), 대극(CE) 및 철근전극(WE)을 측정할 수 있는 3전극방식의 전원공급장치(30);를 포함하여 이루어지며, 콘크리트속 철근(WE, Working electrode), 참조전극(RE, Reference electrode), 용해성 양극인 대극(CE, Soluble Counter electrode)을 별도의 전원공급장치(Potentio-Dynamic Device)(30)에 연결하여 철근의 분극저항(Rp)을 측정하여 그 결과로부터 부식정도를 판단하도록 하는 3전극식 센서로 이루어진다.
LPR(Linear Polarization Polarization) 혹은 교류 임피던스(AC Impedance) 측정법을 이용하여, 큰 면적의 철근콘크리트 구조물속에 매설된 철근의 부식속도를 측정하기 위해서는 반드시 미소전압을 인가하여야 한다.
즉, 참조전극(Reference)에 의해 측정된 부식전위를 기준으로 ±20~50 mv를 인가하여, 분극저항(Polarization Resistance, Rp)을 얻을 수 있다. 이러한 분극저항 값이 얻어지면, Stern-Geary 식이라고 불리는 icorr = k/Rp에 대입하여 부식속도를 알게 된다(여기서, k는 상수).
도 1에 도시된 부식센서의 대극(CE)인 아연도막은 50μm 미만의 두께에서는 측정이 용이하지 않으며 100μm를 초과하면 경제성이 떨어지기 때문에 50~100μm 두께를 가지는 것이 바람직하다.
아연도막의 표면적은 불균일한 전류분포를 감안하여, 측정대상이 되는 콘크리트에 매입된 철근의 면적에 따라 전극지지블럭(10)의 하부에 1m 이상으로 자유롭게 조절할 수 있으며, 이때, 대극(CE)을 이루는 아연 도막은 측정될 콘크리트속 철근(WE, Working electrode)과 동일하거나 그 이상의 표면적을 갖도록 하여 균일한 전류분포를 형성할 수 있도록 한다.
전극지지블럭(10)은 모르타르, 콘크리트 등으로 형성될 수 있으며 내부에 참조전극(RE, Reference electrode)이 삽입되어 구성되며, 이 참조전극(RE)은 백금(Pt)로 이루어질 수 있고, 이때, 참조전극(RE)은 전극 지지블럭(10)의 내부에서 외부로 리드선(11)을 인출하여 측정하도록 할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 측정되는 콘크리트 표면과 부식센서와의 저항을 없애기 위해 탈지면(Absorbent Cotton)(20)을 이용하여, 상기 대극(CE) 전체를 덮도록 구성한다.
콘크리트속의 철근부식속도(분극저항, Rp)를 정량적으로 측정하여 그 결과로부터 부식정도를 판단하는 분류기준은 이미 정해져 있다(2001년 Build Research Establishment). 그 기준은 그림3과 같으며, 그 분극저항(Rp)값을 측정하기 위해 LPR(Linear Polarization Resistance) 혹은 교류 임피던스 법 등이 사용되고 있다.
이러한 측정방법의 원리는, 먼저 측정된 부식전위(Corrosion potential)값을 확인한 후, LPR법의 경우는 직류를 사용하여, 그 전위값을 영점으로 하여, 약 ±20 mV를 분극하고, 그때 측정되는 저항값을 분극저항으로 채택한다. 그리고, 교류 임피던스법, 또한, 측정된 부식전위값을 영점으로 하여, 젖음성이 부여된 철근표면에 교류를 사용하여, 용액저항(Rs)와 전하이동저항(Rc)를 측정하여 분극저항(Rp=Rc-Rs)을 모니터링한다. 작업자는 이러한 측정을 통해 분극저항값이 얻어지면 그림3과 같은 분류기준으로부터 철근의 부식상태가 Passive state(부동태), Low/Middle(낮은 부식상태), High(높은 부식상태), Very High(매우 높은 부식상태) 임을 판정하고 그에 따른 적절한 개선대책을 철근콘크리트 구조물에 적용할 수 있다.
도 4 는 콘크리트 두께 10cm를 가지는 철근의 부식전위변화를 나타낸 것으로 철근콘크리트 시험체를 3wt.% NaCl용액을 일정시간 침지한 후, 일정시간이 지난 후, 부식실험에 사용된 수용액을 완전히 배수하여, 건조되는 과정에서 부식전위(Open Circuit Potential)을 측정한 결과이다. 모니터링 결과로부터 본 발명의 부식센서는 잘 작동하고 있는 것을 확인하였다.
도 5는 철근콘크리트 시험체를 3wt%NaCl용액에 침지한 후, 건조시킬 때 본 발명의 센서를 이용하여 LPR(Linear Polarization Polarization)방법으로 측정한 분극저항값을 나타낸 것이다.
상기와 같은 본 발명의 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서는 고가의 불용성양극을 대신하여 낮은 가격의 용해성 아연도막(Soluble Znic paints)을 사용하도록 하는 아연 도막을 대극으로 이용하도록 함으로써 경제성을 확보할 수 있으며, 해양 구조물 혹은 겨울철 제설작업에 의한 철근부식 문제에 대해 정량적 결과를 얻을 수 있고, 그 결과에 의한 구조물 진단 및 수명예측이 보다 정확해질 수 있으며, 특히, 이동이 가능한 구조로 형성되어 상대적으로 문제가 되는 부분을 결정하고 이동하여 정밀측정을 하여 철근의 부식속도 및 부식량을 정량화할 수 있어 넓은 면적의 구조물에도 적용 가능한 매우 유용한 효과가 있다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
10 : 전극지지블럭
20 : 탈지면
30 : 전원공급장치
WE : 콘크리트속 철근
RE : 참조전극
CE : 대극

Claims (5)

  1. 콘크리트속 철근(WE, Working electrode)의 부식속도를 측정하는 센서에 있어서,
    참조전극(RE, Reference electrode)이 삽입되어 구성되는 일정 크기의 전극지지블럭(10)과;
    용해성 양극(Soluble Anode) 재료로서 전극 지지블럭(10)의 하부에 아연 도막으로 형성되는 대극(CE, Soluble Counter electrode)과;
    상기 대극(CE)을 덮도록 구성되는 탈지면(20)과;
    참조전극(RE), 대극(CE) 및 철근전극(WE)을 측정할 수 있는 3전극방식의 전원공급장치(30);를 포함하여 이루어져,
    콘크리트속 철근(WE, Working electrode)의 부식속도(분극저항, Rp)를 정량적으로 측정하여 그 결과로부터 부식정도를 판단하도록 하는 것을 특징으로 하는 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    전극 지지블럭(10)은 모르타르로 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    참조전극(RE)는 전극 지지블럭(10)의 내부에서 외부로 리드선(11)을 인출하여 측정하도록 하는 것을 특징으로 하는 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    참조전극(RE)는 백금(Pt)을 사용하는 것을 특징으로 하는 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    대극(CE)을 이루는 아연 도막은 측정될 콘크리트속 철근(WE, Working electrode)과 동일하거나 그 이상의 표면적을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서.
KR1020210184818A 2021-12-22 2021-12-22 아연 도막을 대극으로 이용하는 부식센서 KR20230095393A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100564879B1 (ko) 2005-07-13 2006-03-30 이승경 콘크리트 내장용 철근 부식률 및 부식환경 감시센서

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100564879B1 (ko) 2005-07-13 2006-03-30 이승경 콘크리트 내장용 철근 부식률 및 부식환경 감시센서

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