Earticle

원주 법천사지 지광국사탑의 1957년 수리․복원에 사용된 모르타르의 손상정도를 평가하고 제거 필요성에 대한 객관적인 데이터를 제공하기 위해 콘크리트 분야에서 사용되는 반전위측정방법을 적용하였다. 철근이 사용된 옥개석 모르타르와 실내 실험체의 촉진부식시험 후 반전위 측정값에 대한 다중회귀분석 결과, 부식량과 피복두께에 따른 HCP 값의 결정계수는 0.86이상의 높은 상관식이 도출되었다. ASTM C876기준에 따르면 옥개석의 습윤상태 측정값 – 431~-663 mV는 철근의 부식손상 확률이 90%이상이기 때문에 손상된 모르타르를 제거한 후 신석재를 사용한 복원이 필요한 것으로 판단된다.

Stupa of State Preceptor Jigwang at Beopcheonsa temple site, Wonju, was conserved and restored in 1957. It was necessary to assess the degree of damage to the used mortar and to provide objective data on the necessity of its removal. Therefore, the HCP(half-cell potential) measurement used in concrete fields was applied. Multi-regression analysis of HCP data, following the rapid corrosion test of the roofstone mortar used by the rebar, resulted in a high correlation of HCP values(0.86), depending on the amount of corrosion and cover depth used for the steel bar. As a result, high correlation values(0.86) for the coefficients of determination were derived. The showed that the measurement of the wet conditions -431 to -663 mV on the roofstone indicated a corrosion damage rate of 90% or more after removal and restoration.

콘크리트 내의 부식전위는 노출환경 및 배합에 따라 크게 변화한다. 본 연구에서는 피복 두께, 염화물 농도, 물-시멘트 비를 변수로 하여 RC 시편을 제조하였으며, 철근과 표면과의 전위차를 평가하는 HCP 측정을 수행하였다. 또한 매립된 철근과 상대전극을 이용하여 OCP의 측정하였다. 한천과 NaOH 수용액을 이온교환물질로, Hg/HgO를 기준전극으로 사용하여 OCP를 측정하였는데, HCP에 비하여 온도에 더욱 민감하게 작용하였다. 영향 인자 중 존치 기간 및 염화물 농도는 피복 두께 및 물-시멘트 비보다 상대적으로 큰 영향을 가지고 있었다. 또한 전체 측정된 HCP 및 OCP는 피복 두께 및 물-시멘트와 뚜렷한 선형관계를 나타내었다. 다중회귀분석을 통하여 HCP와 OCP의 관계를 정량화하였으며 온도를 고려하여 개선된 상관성을 도출하였다.

The corrosion potential in concrete varies greatly with exposure and concrete mix conditions. In this study, RC (Reinforcement Concrete) samples were prepared considering cover depth, chloride concentration, and W/C(water to cement) ratio as variables, and HCP(Half Cell Potential) was measured, which evaluated comparative potential between embedded steel and concrete surface. In addition, OCP(Open Circuit Potential) was measured using buried steel and CE(Counter Electrode). Agar and NaOH solution were used as ion exchange materials and Hg/HgO was used for RE(Reference Electrode), which was more sensitive to temperature than HCP. Among the influencing factors, the exposure period and chloride concentration had a relatively greater effect than cover depth and w/c ratio. Additionally, the entire measured HCP and OCP showed a clearly linear relationship with increasing cover depth and w/c ratio. Through multiple regression analysis, the relationship between HCP and OCP was quantified, and an improved correlation was obtained with temperature effect.

본 연구에서는 3가지 수준의 물-시멘트 비, 상부 염수 농도, 피복 두께를 고려하여 반 전위와 영향인자들 간의 상관성을 분석하였다. 장기 부식 모니터링 결과 염수 농도 3.5, 7 %에서 초기에 모든 물-시멘트 비에서 임계부식전위(-350mV)에 근접하는 거동을 보였다. 통과 전하량 시험 결과 548일에서 모든 배합에서 'Moderate' 등급으로 개선된 통과 전하량이 평가되었다. 부식 영향인자와 반 전위 값 간의 상관성을 평가 하고자 다중 회귀분석을 수행하였는데, 염수 농도, 물-시멘트 비, 피복 두께 순으로 영향을 준 것으로 평가되었다. 반 전위와 통과 전하량간의 상관성 분석 결과는 0.9로 높은 수준의 결정계수를 보였으며, 통과 전하량과 반 전위 값 간에는 밀접한 상관성이 존재하는 것으로 판단된다.

In this study, the correlation between Half Cell Potential(HCP) and the corrosion influencing factors was analyzed with considering three levels of water-cement ratio, the concentration of chloride solution, and cover depth. As a result of long-term corrosion monitoring, HCP behavior was close to the critical corrosion potential(-350 mV) in all water-cement ratios in the case of 3.5 % and 7.0 % chloride concentration. Regarding the passed charge test in 548 curing days, the passed charge results were improved to 'Moderate' grade. Multiple regression analysis was performed to evaluate the correlation between corrosion influencing factors and HCP, and it was evaluated that the effects of influencing factors to HCP were in the order of chloride concentration, water-cement ratio, and cover depth. In the case of the relationship between HCP and the passed charge, the coefficient of determination showed a high level of 0.9, which yielded a close correlation between the passed charge and HCP.

콘크리트는 다공성 건설재료이며, 매립된 철근의 부식은 내구성 및 안전성에 큰 영향을 미친다. 본 연구는 비파괴 검사인 반전위측정값과 생성된 부식량과의 상관성을 피복두께, 물-시멘트비를 고려하여 도출하는 것이다. 이를 위해, 3가지 수준의 물-시멘트비와 4가지 수준의 피복두께를 가진 시멘트 모르타르 시편이 제조되었으며, 3가지 수준의 촉진부식기간을 고려하여 부식량 및 반전위를 측정하였다. 습윤상태에서는 반전위가 크게 증가하였으며, 부식량과 촉진기간은 선형적인 관계를 가지고 있었다. 부식량이 증가할수록, 피복두께가 감소할수록, 물-시멘트비가 증가할수록 반전위는 증가하였다. 전체의 반전위 측정값을 부식량과 비교할 경우 0.67의 낮은 결정계수를 가지고 있었으나 부식량(촉진기간)을 고려하여 3가지 수준을 고려할 경우 0.90이상의 높은 결정계수를 가지고 있었다. 실내조건과 같이 온도가 일정하고 포화상태일 경우, 측정된 반전위는 부식량과 선형적인 상관성을 가지고 있었으며, 피복두께, 물-시멘트비, 철근직경, HCP의 측정범위를 알 수 있다면, 매립된 철근의 부식량을 예측할 수 있다고 판단된다.

Concrete is a construction material with porous media and corroded steel inside affects negatively to durability and structural safety. This study aims a derivation of quantitative relationship between measured HCP (Half Cell Potential) and corrosion amount considering cover depth and W/C (water to cement) ratio. For the work, cement mortar specimens with 3 different W/C ratios and 4 different cover depths are prepared, HCPs are measured with 3 different corrosion level. HCP measurement significantly increases in the saturated condition and linear relationship is observed between corrosion level and acceleration period. With increasing corrosion level and W/C ratio, and decreasing cover depth, HCP measurement increases. Considering total corrosion level and HCP measurements, relatively low COV(Coefficient of Variation) of 0.67 is evaluated through multi-linear regression analysis, however higher COVs over 0.90 can be obtained considering level of HCP measurement. In the room condition, corrosion level can be evaluated through measured HCP in the given conditions of cover depth, W/C ratio. diameter of steel inside.

철근부식을 현장에서 평가하기 위해 다양한 부식측정방법이 있으나, 반전위(HCP: half cell potential)방법이 많이 사용되고 있다. 균열이 발생한 RC 구조물은 균열폭으로 유입되는 염화물, 이산화탄소 등에 의해 부식이 가속화 된다. 이 연구는 염해에 노출된 균열을 가진 RC 보의 HCP을 측정하여 부식정도를 평가하는데 목적이 있다. 이를 위해 세가지 물-시멘트비(w/c 0.35, 0.55, 0.70)와 다양한 피복두께(10~60 mm)를 가진 RC 보를 제조하였으며 하중을 가하여 균열폭을 0.0~1.5 mm로 유도하였다. 35일간 촉진염해분무시험을 통하여 부식을 촉진하였으며 이후 HCP과 부식길이를 평가하였다. 균열이 클수록, w/c가 높을수록, 피복두께가 작을수록 HCP은 증가하였으며, 각각의 영향인자를 정량화하여 균열을 가진 RC 보의 HCP 평가식을 도출하였다. 또한 Life365 프로그램을 이용하여 부식방지 피복두께를 도출하고 HCP평가식을 통한 부식방지 피복두께와 비교하였다. 균열부 콘크리트에서는 차이가 발생하였으나, w/c 0.6이하의 건전부 콘크리트에서는 두가지 방법에서 모두 근접한 부식저항 조건을 도출하였다.

Several techniques for steel corrosion detection are proposed and HCP (half cell potential) technique is widely adopted for field investigation. If concrete has cracks on surface, steel corrosion is rapidly accelerated due to additional intrusion of chloride and carbon dioxide ions. This study is for an evaluation of HCP in cracked concrete exposed chloride attack. For this work, RC (reinforced concrete) beams are prepared considering 3 w/c ratios (0.35, 0.55, and 0.70) and several cover depths (10~60 mm) and various crack widths of 0.0~1.0 mm are induced. For 35 days, SST (salt spraying test) is performed for corrosion acceleration, and HCP and corrosion length of rebar are evaluated. With increasing crack width, w/c ratios, and decreasing cover depth, HCP measurements increase. HCP evaluation technique is proposed considering the effects of w/c ratios, crack width, and cover depth. Furthermore anti-corrosive cover depths are obtained through Life365 program and the results are compared with those from this study. The results shows relatively big difference in cracked concrete, however provide similar anti-corrosive conditions in sound concrete.

비파괴 기법중 반전위 측정법은 부식가능성을 정량적으로 판별할 수 있으므로 꾸준하게 사용되고 있다. 본 연구에서는 피복두께를 10, 30, 60mm, 물-시멘트비를 0.35, 0.55, 0.70으로 변화시킨 RC 시편을 대상으로 비말대 지역을 모사한 촉진염해분무실험을 수행하였다. 45일간의 촉진 염해 분무시험을 수행한 뒤, RC 시편에 대하여 반전위값을 측정하였다. w/c 0.55 조건에서 피복두께가 10mm인 RC 시편은 부식이 발생하였으며, w/c 0.7인 경우 피복두께 30mm인 시편에서도 부식이 발생하였다. 실험결과를 이용하여 물-시멘트비와 피복두께를 변수로 하는 반전위 평가식을 제안하였으며, 비말대지역에서 부식을 억제할 수 있는 조건을 도출하였다. 또한 Life 365 프로그램을 이용하여 비부식 조건의 w/c와 피복두께를 분석하였으며, 본 연구의 결과인 반전위 측정값과 비교하였다.

Half Cell Potential (HPC) technique has been widely adopted for its quantitative evaluation of corrosion possibility. In this study, RC specimens with three different cover depths (10mm, 30mm, and 60mm) and w/c ratios (0.35, 0.55, and 0.70) are prepared and accelerated salt spray test (SST) is performed for 45 days. Steel corrosion occurs in the specimens with 0.55 of w/c and 10mm of cover depth. In the case of 0.70 of w/c and 30mm of cover depth, steel corrosion is also monitored. Considering the effect of cover depth and w/c ratio, HCP evaluation equation is proposed and the condition which can control steel corrosion is obtained. Furthermore, anti-corrosive conditions containing w/c ratio and cover depth are analyzed through Life 365 program and the conditions are compared with the results from this study.

이 연구에서는 콘크리트 표면에서 측정된 반전지전위(half-cell potential, HCP)값을 활용하여 철근 부식 상태 및 부식속도의 정량적 평가 가능성을 논의하였다. 이 연구에서는 염수에 침지된 콘크리트 속 철근에 전류를 인가하여 다양한 부식상태의 철근 콘크리트 실험체(한 변의 길이가 200mm 인 정육면체)를 준비하였다. 부식촉진시험을 마치고, 염수 포화상태의 콘크리트 실험체 표면에서 HCP값을 측정하였고, 바로 이어서 동일한 조건의 실험체에서 전기화학적 임피던스 분광법을 활용하여 콘크리트 속 철근의 분극저항값을 측정하였다. 측정된 분극저항값을 Stern-Geary식에 대입하여 부식전류밀도(corrosion current density, i_corr)를 계산하였다. 실험결과를 바탕으로 염해에 따라 다양한 부식상태의 철근이 매입된 철근 콘크리트 실험체의 염수 포화상태에서 HCP와 i_corr의 상관관계를 도출하였다. 대체적으로 HCP와 i_corr은 로그선형관계를 보였으며, R2값이 0.87이상의 높은 적합도를 확인하여 통계적인 유의함을 확인하였다. 이러한 결과는 일정한 환경에 노출된 철근 콘크리트일 경우 자연전위값을 측정함으로서 철근의 부식상태 및 속도를 평가할 수 있음을 실험적으로 확인하였다.

This study aims to investigate the feasibility of the half-cell potential (HCP) measurements on the concrete surface for evaluation of corrosion rate (or corrosion levels) of reinforcing steel in concrete. A series of experimental study is performed to measure HCP (or corrosion potential, E_corr) and corrosion current density (i_corr) of reinforcing steel in concrete cube specimens, with a side length of 200 mm. Various corrosion levels in a range of 0% to 20% of the test specimens are accelerated by impressing current to the reinforcing steel in concrete immersed in 3.0 % NaCl solution. HCP is measured in accordance with ASTM C876-15, and corrosion current density is determined by using the Stern-Geary equation and measured polarization resistance measured by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). As a result, a numerical formula that relates HCP and i_corr in the test specimen is established by a regression analysis of the measured data in this study. It is observed that HCP is linearly correlated with log(i_corr) with a R² greater than 0.87, which is less affected by the experimental variables such as concrete mixture proportion, diameter of reinforcing steel and the amount of applied current in this study. These results exhibit that HCP measurements could be effective for evaluation of corrosion rate (or corrosion levels) of reinforcing steel in concrete in the case of exposed to a certain consistent environment.

본 연구에서는 3가지 수준의 물-시멘트 비, 상부 주입 염수 농도, 피복두께를 고려하여 반전위값과 영향인자들 간의 상관성을 분석하였다. 피복두께가 증가할수록 반전위값이 증가(+ 방향 : 부식 억제)하여 부식 저항성이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 평가 기준에 따르면 피복두께 60mm를 갖는 시편의 경우 비교적 부식이 적게 일어난 것으로 판단된다. 이는 피복두께가 외부 열화인자에 대한 효과적인 방어기구로서 작용한 것이 원인으로 사료된다. 상부 주입 염수 농도가 0%인 경우 모든 경우에서 부식이 발생하지 않는 것으로 판단되지만, 염수 농도 3.5% 및 7.0%의 경우 부식이 진전된 것으로 판단된다. 비교적 높은 단위 결합재량이 확보된 배합에서 부식 저감에 유리한 모니터링 결과가 도출되었으며, 부식 영향인자와 반전위값 간의 상관성을 평가하고자 다중 회귀분석을 수행하였다. 해당 예측식의 결정계수는 0.97로 매우 높은 수준으로 나타났지만 사용한 표본의 수가 제한적이고 특정 시점의 결과만이 이용된 한계점이 존재하였다. 추가적인 모니터링 수행 및 시편 해체 후 관련 데이터와의 상관성 분석을 통해 더욱 합리적인 예측식의 도출이 가능해 질 것으로 사료된다.

In this study, the correlation between the influencing factors on corrosion and Half Cell Potential(HCP) measurement was analyzed considering the three levels of W/C ratio, cover depth, and chloride concentration. The HCP increased with enlarged cover depth, so it was confirmed that the increment of cover depth was effective for control of corrosion. Based on the criteria, the case of 60mm cover depth showed excellent corrosion control with under -200mV, indicating increase of cover depth is an effective method for reducing intrusion of external deterioration factors. When fresh water was injected to the upper part of specimens, very low level of HCP was monitored, but in the case that concentrations of chloride were 3.5% and 7.0%, HCP dropped under -200mV. In addition, the case with high volume of unit binder showed lower HCP measurement like increasing cover depth. Multiple regression analysis was performed to evaluate the correlation between the corrosive influence factors and HCP results, showing high coefficient of determination of 0.97. However, there were limitations such as limited number of samples and measuring period. Through the additional corrosion monitoring and chloride content evaluation after dismantling the specimen, more reasonable prediction can be achieved for correlation analysis with relevant data.