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스크린프린팅 부식센서를 이용한 철근콘크리트 구조물의 염소이온 침투 특성 평가에 관한 연구

Title
스크린프린팅 부식센서를 이용한 철근콘크리트 구조물의 염소이온 침투 특성 평가에 관한 연구
Author
이현석
Advisor(s)
이한승
Issue Date
2014-08
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
염소이온(Cl-) 침투 원인으로 철근부식이 발생되고 철근콘크리트 구조물의 내구성 저하 현상이 나타나 보수 및 재시공 측면에서 사회적, 경제적으로 막대한 손실이 요구되고 있다. 이에 따라 실 환경상태에서 철근콘크리트 구조물의 잠복기 단계(철근이 임계 염소이온 농도에 도달하여 부식이 개시되기 전)에서 염소이온(Cl-) 침투 특성에 대한 평가는 철근부식 발생 시점에 대한 예측이 가능하여 구조물 유지관리 측면에서 중요하다. 이러한 염소이온(Cl-) 침투 특성 평가는 부식센서를 실 구조물에 매설하여 모니터링할 수 있으나, 기존 연구 개발된 염소이온 침투 모니터링 시스템은 실용성과 민감도 등에 한계성이 있어 본 연구에서는 비파괴적인 방법을 통한 최적성, 철근과 동일한 특성을 갖춘 응답성, 염소이온(Cl-) 침투에 대한 정확성과 민감도, 경제성과 모니터링 시스템 간결화에 따른 실용성을 목적으로 스크린프린팅 기법을 적용하여 부식센서를 개발한 후 염소이온(Cl-) 침투 특성 평가에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 염소이온(Cl-) 침투 특성 평가를 위해 요구되는 성능(최적성, 응답성, 민감도, 실용성)을 갖춘 부식센서의 제작 실험과 응답성 및 민감도 평가 실험을 실시하여 센서 개발을 완료하고, 개발된 부식센서를 이용하여 비래염분 환경에서 콘크리트 시험체에 대한 염소이온(Cl-) 침투 특성 평가 실험과 시험체 조건(콘크리트 물성, 염소이온 확산 계수)을 변수로 설정하여 염소이온 침투 예측 시뮬레이션 프로그램을 이용한 유한요소해석을 실시하고 하기와 같은 결론을 도출하였다. 1) 모니터링 시스템의 편이성과 센서 제작 및 생산에 대한 경제성을 갖춘 부식센서를 제작하는데 스크린프린팅 기법의 적용이 유효하며, 스크린프린트를 이용한 제작방법을 고려한 부식센서의 필요 기능(철근과 동일한 부식경향, 응답성, 민감도, 전기저항 측정)을 포함하기 위해서는 센서 구성물질을 도전성 페이스트인 Ag페이스트와 철근과 유사한 반응거동을 위한 철분말(순도 99.9 %)로 구성하여야 한다. 2) 최적화된 센서 개발을 위한 제작변수는 센서를 구성하고 있는 세선 수와 Ag페이스트에 대한 철분말의 혼합 비율이며, 부식센서는 다양한 패턴 도입과 마스크 제작이 가능함에 따라 세선 수의 가변성이 확보될 수 있으나 혼합물질의 점성 문제에 따라 마스크를 통과하는 혼합비율의 한계성이 존재하고 스크린프린트로 제작 가능한 수준은 혼합비율 2이하인 것으로 나타났다. 3) Ag페이스트에 대한 철분말의 혼합비율을 달리하여 제작한 부식센서(혼합비율 : 최저 0, 최대 2)를 대상으로 혼합비율 적절성을 염화나트륨 수용액에서 실험한 결과 혼합비율이 2일 때가 적절한 것으로 결정되었으며, 이 비율은 전기화학적 특성 실험에서 부식경향이 철근과 동일한 수준(부식전위 -0.37 V))임을 확인하였다. 4) Ag페이스트에 대한 철분말의 혼합비율이 2인 부식센서에 대해 모르타르(내재염분, 비래염분) 실험으로 응답성 평가를 실시한 결과, 부식센서는 내재염분에서 염소이온 농도가 높을수록 최초 저항변화 시간이 빠르고 동일 부식촉진 시간에서 부식정도 및 전기저항이 크게 나타났으며, 부식촉진 시간 경과에 따라 동일 농도에서는 점진적인 저항 증가 변화를 나타내었다. 비래염분에서는 부식센서의 매설 깊이가 표면에서 가까울수록 최초 저항변화 시간이 빠르고 동일 부식촉진 시간에서 부식정도 및 전기저항이 크게 나타났으며, 부식촉진 시간 경과에 따라 동일 위치에서는 점진적인 저항 증가 변화를 나타내었다. 이에 따라, 개발된 부식센서는 염소이온(Cl-)에 반응하여 부식하며 침투 깊이에 따라 점차적인 저항의 증가가 나타나고 있어 염소이온(Cl-) 침투 깊이를 모니터링 할 수 있는 응답성을 갖추고 있음이 확인되었다. 5) 응답성이 입증된 Ag페이스트에 대한 철분말의 혼합비율 2를 적용하여 부식센서 세선 수(동일 크기의 부식센서에 세선의 단면적 크기 변화) 변화에 따른 민감도 평가를 염화나트륨 수용액과 콘크리트(내재염분) 실험으로 실시한 결과, 부식센서는 염소이온 농도가 클수록, 세선 수가 많을수록, 센서가 콘크리트 표면에 가깝게 매설될수록 최초의 저항변화 시간이 빠르고 저항변화가 크게 나타났으며 9세선의 경우에는 부식촉진 시간 경과 과정에서 다른 세선 수를 가진 센서에서는 나타나지 않은 센서 기능 상실 현상(불균일한 국부부식 등의 영향으로 모든 세선이 부식하여 단락되는 현상)이 확인되었다. 이에 따라 부식센서는 세선 수가 민감도에 영향을 미치고 있음이 입증되었고, 세선 수는 많을 수록 민감도가 향상되지만 폭이 좁은 다수의 세선을 갖는 경우 센서 기능 상실 현상이 나타나 7세선이 민감도 측면에서 적합한 세선 수로 확인되었다. 6) 응답성과 민감도가 입증된 부식센서(Fe/Ag = 2, 7 세선)를 콘크리트 시험체에 깊이별로 매설하여 비래염분 환경 하에서 염소이온(Cl-) 침투 특성 평가 실험을 실시한 결과, 염수분무를 통한 부식촉진 시간이 경과되면서 콘크리트 표면으로부터 매설된 깊이에 따라 부식센서의 저항이 급격히 증가하는 구간(최초 저항값에 대한 응답 저항변화율이 2.0 이상)이 발생하였으며, 염소이온량 정량분석을 통해 이 때의 염소이온량은 1.0 ㎏/㎥∼1.7 ㎏/㎥인 것으로 확인되었다. 이 결과는 기존 연구에서 비래염분에 의한 철근부식 임계 염소이온량으로 알려진 1.2 ㎏/㎥을 포함하고 있는 구간으로서 개발된 부식센서를 이용하여 콘크리트 시험체에서 염소이온(Cl-) 침투 성능 평가의 유효성을 입증할 수 있는 결과이다. 7) 상기 6)항의 콘크리트 깊이별 염소이온량 정량분석 실험 결과와 동일 시험체 조건(콘크리트 물성, 염소이온 확산 계수)을 반영한 염소이온 침투 예측 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, 표면 염소이온 농도에 따라 유사한 프로파일이 나타나고 있음을 확인하였다. 이에 따라, 부식센서는 실 콘크리트 구조물 환경 하에서 염소이온(Cl-) 침투 특성 평가가 가능함이 검증되었으며, 유한요소 해석을 이용한 염소이온(Cl-) 침투 프로파일과 융합하여 적용하면 부식센서 매설 위치에 대한 시스템 설계를 통해 “스크린프린팅 Fe/Ag 부식센서를 이용한 철근콘크리트 구조물의 염소이온(Cl-) 침투 특성 평가”로서 철근의 부식 발생 시간 예측이 가능할 것이라 판단된다. 8) 본 연구결과를 기반으로 다양한 콘크리트 물성을 가진 시험체에 개발된 부식센서를 매립하여 옥외 폭로 실험을 포함한 다양한 실험이 향후 진행된다면, 현재 적용하고 있는 염소이온 침투 예측 시뮬레이션을 보완하는 기초 자료로 활용할 수 있을 것이라 사료된다. 또한, 본 연구에서는 제한된 환경조건 하에서 실험을 실시한 결과, 추후의 연구에서는 부식센서가 매설된 콘크리트의 함수상태, 염소이온 정량분석을 위한 시료채취시 발생 오차, 센서와 전선간의 연결부위(납땜)의 절연상태 불량 등의 변수를 고려하여 보완되어야 할 것으로 사료된다.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/130422http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000425159
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GRADUATE SCHOOL OF ENGINEERING[S](공학대학원) > ARCHITECTURAL ENGINEERING(건축공학과) > Theses(Ph.D.)
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