A study on the Environmental Sensor for the Reinforced Concrete Structure

Abstract

The reinforced concrete (RC) was the combination of concrete and steel, which have high compressive strength, tensile strength, and ductility. It is mainly used in construction because of its mechanical properties. The steel is protected from corrosion reaction in the alkaline condition of the concrete. However, corrosive factors and the acidification of concrete caused steel corrosion. When forming iron oxide or iron hydroxide, the volume is expanded to 2 to 4 times than iron, respectively. The volume expansion of steel occurs the crack to concrete. From the crack, corrosive factors can penetrate to concrete to cause severe steel corrosion. Moreover, cracks can degrade the mechanical properties of RC structures and decrease their lifetime. Detection of the steel corrosion and corrosive factors is essential to prolong the lifetime of structures. To do that, the sensor is important. The sensor is the device, can detect the physical and chemical variation of the environments. The conventional methods to detect the humidity are the resistive, capacitive, and chilled mirror method. However, conventional methods are brutal to applicate in concrete because the sensing electrodes had poor stability in alkaline conditions. The gravimetric, the eddy current, and the electrochemical methods are used. Among them, electrochemical methods are used in construction fields. However, the conventional electrochemical method is hard to measure the reliable steel potential because the electrochemical method is performed to contact the electrode on the concrete surface. As the conditions of concrete change, the measured potential can be changed too. Therefore, the development of sensor electrodes for steel corrosion detection and humidity in concrete conditions is necessary. In this study, zinc oxide nanowires, porous silicon oxide, and porous silicon nitride were used for concrete embedded humidity sensor electrodes. The agar socket system was also utilized to detect steel corrosion in concrete conditions. The zinc oxide nanowires were used to study humidity sensing behavior and mechanism. The zinc layer was deposited on the gold electrode using an electrochemical deposition process. The annealing process was conducted to synthesize the zinc oxide nanowires. The surface morphologies and crystal structures were investigated using SEM and XRD. The humidity sensing properties were characterized as sensitivity, response time, recovery time, and repeatability. In the case of the zinc oxide nanowires, the resistance was decreased as the humidity increased. In the high humidity level, the resistance of the sensor was dramatically decreased because of the capillary condensation. To apply the capillary condensation, porous structures were fabricated using the MACE process. After the MACE process, the porous silicon substrate was annealed in air condition to transform to porous silicon oxide. The surface and vertical images were observed using the SEM and TEM, and the amorphous silicon oxide was formed via an annealing process. As the humidity increased, the capacitance was increased. At 100k Hz, the porous silicon oxide humidity sensor showed excellent response and linearity properties. The repeatability and time transient characteristics were observed. Moreover, the sensor was exposed to humid conditions for 15 weeks to prove long-term stability. From the EIS analysis, through the adsorption of water molecules to porous media, the capacitance of the humidity sensor was increased. To enhance the chemical stability of the sensing electrode, the silicon nitride was deposited on a porous silicon surface using the ALD process. From the contact angle test, the silicon nitride had hydrophilic properties, but as the thickness of the silicon nitride increased, the hydrophilicity decreased. The silicon nitride with a 10 nm sensor showed the best humidity sensing response at 1k Hz. From the tafel analysis, silicon nitride showed the highest chemical stability in alkaline conditions than other humidity sensing materials, such as zinc oxide, silicon oxide, copper oxide, nickel oxide, and titanium oxide. The porous silicon nitride humidity sensor was embedded in concrete to perform the humidity sensing experiments. The sensor could respond to the humidity in concrete in both drying and humidifying conditions. Therefore, the porous silicon nitride sensor could detect and measure the humidity in concrete with embedding conditions. The agar socket was fabricated to detect steel corrosion in concrete. The fabricated agar socket showed good reliability in alkaline conditions. Moreover, the agar socket could perform the measuring the OCP and tafel analysis. The concrete embedding experiments were conducted for 2 years. Using the agar socket system, steel corrosion behaviors were observed from the OCP measurement. Moreover, the effect of concrete conditions on steel corrosion was confirmed to measure the OCC. |철근강화콘크리트는 철근과 콘크리트의 복합 재료로 우수한 압축강도와 인장강도, 연성 등의 물성으로 인해 주된 건설재료로 사용된다. 철근은 콘크리트의 알칼리 환경에서 부식으로부터 보호 받지만, 시간 경과에 따라 외부로부터 침투 된 부식인자와 콘크리트의 산성화로 인해 철근 표면에 부식이 발생된다. 철근의 부식은 산화철과 수산화철 등의 형태로 발생하는데, 이 때, 약 2~4배에 달하는 부피 팽창이 발생 해 콘크리트에 균열을 일으킨다. 발생된 균열을 통해 부식인자들의 침투가 용이해 져 심각한 철근 부식이 발생 할 수 있고, 균열로 인해 콘크리트의 강도가 약해지기 때문에, 철근의 부식을 방지하는 것은 중요하다. 철근의 부식을 일으키는 요소로는 이산화탄소, 염소이온, 수분 등이 있다. 부식인자의 농도를 통해 부식의 부식 가능성과, 구조물의 내구성을 예측 할 수 있으므로 철근 부식 검출과 함께 부식인자 검출이 중요하다. 철근 부식과 부식인자의 검출을 위해선 센서가 필요하다. 센서는 주위 환경의 물리적 또는 화학적 변화를 감지하는 장치를 말하며 사용 목적과 검출 신호에 따라 구분된다. 부식인자 중 습도는 콘크리트 균열에 직, 간접적인 영향을 미치고 다른 부식인자들의 침투 매개체 역할을 하는 주요 요소다. 기존의 습도센서는 저항, 커패시턴스, 수분응결 방식의 원리로 습도를 확인 하였는데, 콘크리트에 직접 매립하여 활용하기엔 어려움이 있다. 철근 부식은 질량 검출법, 와전류, 그리고 전기화학적 방식이 널리 사용되며, 이 중 전기화학적 방식은 건설 분야에서 실제로 활용되는 방식이다. 하지만, 콘크리트 매립 방식이 아닌 콘크리트 외부로 기준전극의 접촉을 통해 철근의 OCP를 측정 하기 때문에 그 신뢰성이 떨어진다. 기준 전극을 콘크리트에 직접 매립 할 경우, 전극 물질의 열화로 인해 정확한 OCP 측정이 어렵기 때문에 철근 콘크리트 구조물용 센서 전극 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 철근 콘크리트 구조물 매립형 습도센서를 위해 산화아연, 다공성 산화실리콘, 다공성 질화 실리콘을 이용하여 습도센서의 검출 메커니즘 규명 및 콘크리트 매립 실험을 통해 실용성을 평가했다. 또한, 염다리를 응용한 한천 소켓을 개발 해 콘크리트에 매립 된 철근의 부식전위를 측정 했다. 먼저, 산화아연을 이용한 습도센서를 통해 전반적인 습도센서의 검출 메커니즘 및 검출 특성 등을 확인했다. 금 전극이 패터닝 된 실리콘 웨이퍼에 전기도금을 이용해 아연을 증착 한 뒤, 열처리 공정을 통해 산화 아연의 나노와이어를 합성했다. 합성된 나노와이어는 주사전자현미경을 통해 표면을 관찰 했고, 전류-전압 그래프를 통해 전기적 특성을 확인했으며, XRD를 통해 미세구조를 관찰했다. 산화아연 나노와이어의 습도 검출 특성은 습도 검출 실험용 시스템을 통해 확인 했으며, 검출 값과 반응시간 및 회복시간, 반복성 등의 특성을 평가했다. 산화 아연의 경우, 저 습도 구간에서는 표면에 흡착된 산소 분자가 산화 아연의 전자를 가둬 저항이 증가 하지만, 습도 증가에 따라 흡착된 산소 분자가 물 분로 치환되며 가둬진 전자가 흘러 저항이 감소하게 된다. 고 습도 구간에서는 물 분자의 흡착으로 인해 모세관 응축 현상이 발생해 전기 저항이 크게 감소하게 된다. 하지만, 산화 금속 물질은 알칼리 환경에 취약 하기 때문에, 다른 방식의 습도센서 개발이 요구된다. 앞서 확인 된 모세관 응축 현상을 응용하기 위해 다공성 구조를 만들었다. 다공성 구조는 MACE공정을 통해 만들었으며, 열처리 공정을 통해 산화 실리콘을 만들어 물 흡착 특성을 개선했다. SEM과 TEM을 통해 표면 형상 및 단면을 관찰 했고, 비정질의 산화 실리콘이 형성 됐음을 확인했다. 다공성 구조의 위, 아래에 금 전극을 형성 해, 습도센싱 특성을 확인했다. 습도 증가에 따라 커패시턴스가 증가함을 확인 했고, 100k Hz에서 가장 높은 검출 신호와 우수한 직진성을 나타냈다. 반복성 및 시간변화 특성도 확인 했으며, 15주 간 습도에 노출 시켜 장기간 내구성을 평가했다. 제작된 센서는 EIS를 통해 검출 메커니즘을 확인 했으며, 습도 증가에 따라 다공성 구조에 수분이 흡착 되어 커패시턴스 변화를 일으키는 것을 알 수 있었다. 다공성 질화 실리콘은 MACE 구조를 통해 다공성 실리콘을 형성한 뒤, ALD 방식을 이용해 질화 실리콘을 표면에 증착했다. 접촉각도 측정을 통해 질화 실리콘은 증착 두께가 5 nm 일 때, 수분 친화도가 가장 좋음을 알 수 있었고, 두께가 증가함에 따라 접촉각이 커지는 것을 알 수 있었다. 1k Hz의 주파수 영역에서 가장 우수한 검출 특성을 나타냈으며, 10 nm의 질화 실리콘이 증착 됐을 때, 가장 검출 특성이 뛰어났다. tafel 실험을 통해 알칼리 환경에서의 내구성을 평가해 산화아연, 산화 실리콘을 포함한 다른 습도센싱 물질에 비해 가장 뛰어난 내구성을 갖고 있음을 알 수 있었고, 이를 기반으로 콘크리트 매립 실험을 하여 콘크리트에서도 수분 검출이 가능함을 알 수 확인했다. 콘크리트의 알칼리 환경으로부터 기준 전극을 보호하고, 매립 된 철근 부식 검출을 위해 염다리 구조를 응용해 한천을 이용한 소켓을 제작했다. 제작된 한천 소켓은 알칼리 환경에서 우수한 신뢰성을 나타냈으며, 한천 소켓을 통해 철근의 OCP 측정 및 tafel 분석 또한 가능함을 알 수 있었다. 2년간의 콘크리트 매립 실험을 통해, 철근의 부식 경향을 확인 할 수 있었으며, OCC 측정을 통해 콘크리트의 환경 변화가 철근 부식에 미치는 영향을 확인했다.