하이브리드 음극방식을 적용한 콘크리트 구조물의 수위변화에 따른 방식특성 연구

Abstract

철강 재료는 각종 산업분야에 가장 많이 사용되고 있는 금속재료이다. 그러나 이 재료는 여러 환경에서 부식되기 쉬운 결점이 있으며, 콘크리트구조물의 경우도 이러한 문제로 부터 벗어날 수 없다. 콘크리트구조물을 부식시키는 인자는 여러 가지이지만, 해양환경이나 동계 제빙제에 의해 유입되는 염소이온이 가장 대표적이다. 콘크리트에 침입한 염소이온은 철근표면에 형성되었던 부동태 피막을 파괴함으로써 부식을 일으키게 되는데, 이 과정에서 철근표면이 국부적으로 더욱 산성화되어 가면서 공식을 가속화한다.

지난 수십 년간 콘크리트 부식을 방지하기 위한 기술은 다양하게 발달되어 왔다. 그 중 음극방식(Cathodic Protection)은 콘크리트뿐 아니라 토중, 해양 환경에서 그 방식효능이 널리 인정되었으며, 현재도 광범위하게 적용되고 있다. 음극방식은 외부전원법(Impressed Current Cathodic Protection, ICCP)과 희생양극법(Sacrificial Anode Cathodic Protection, SACP)으로 세분된다. 외부전원법은 방식전류를 정류기와 불용성 양극을 통하여 방식체에 인가하는 방법이며, 희생양극법은 방식하고자 하는 금속과 그 보다 더 낮은 전위의 금속을 전기적으로 연결함여 방식하는 방법으로 각각 장단점을 가지고 있다. 특히 희생양극법은 낮은 방식전위 구동력으로 인해 고 비저항 영역에서는 방식이 어려운 단점이 있으며, 비저항의 정도에 따라 그 방식범위가 달라진다.

해양환경 중 콘크리트구조물에서 비말대(Splash Zone)와 간만대(Tidal Zone)는 부식에 가장 큰 영향을 주는 물과 산소가 동시에 풍부하고 가장 부식이 심한 영역이다. 따라서 해양콘크리트구조물의 방식은 주로 이 부분에 집중되는데 희생양극법만으로는 구조물 전체의 적정방식에 한계가 있다.

따라서 본 연구에서는 희생양극법 및 외부전원법이 가지고 있는 한계점을 보완하고 전체 구조물의 균형 있는 방식을 위하여 두 방식법이 조화되는 하이브리드 음극방식 시스템을 연구하게 되었다.

시험편 구조물은 가로 세로 각각 15 cm, 높이 120 cm의 빔형으로 제작하였고, 해상 조건을 구현하기 위하여 대기부, 간만대, 비말대 그리고 해중부 영역을 각각 30 cm 간격으로 구분하였다. 콘크리트 구조물 중 해수에 침지된 간만대와 해중부는 아연 양극에 의한 희생양극법을 적용하였고, 수면부 상부의 공기 중에 노출된 비말대와 대기부는 외부전원법(Ti-MMO 양극)을 통해 방식하였다. 수위는 고수위와 저수위로 구분하였으며, 각 수위 및 수위가 변할 때 부식 및 방식 거동을 조사하였다. 측정 파라미터는 방식전위, 방식전류, 4 시간 복극전위이었다.

연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 희생양극법을 적용하였을 때, 조수간만대 상부 7.5 cm 높이까지 방식 효능이 있었다.(100 mV 복극 기준 만족)

2) 고수위에서 외부전원 시스템이 비말대까지 확장되어 설치된 경우 간만대와 비말대가 방식전류의 누설로 인해 전위는 -1,100 mV ~ -2,050 mV/SSCE의 범위였으며, 구조물은 과방식되었다.

3) 해수면이 고수위에서 저수위로 바뀌었을 때, 간만대에서 희생양극 시스템에 의한 방식효과가 2일 이상 지속되었다. 이를 통해 외부전원 없이 희생양극법 단독으로도 간만대 방식이 가능하다는 것을 확인하였다.

이상의 결과에 의해 콘크리트 구조물의 외부전원법과 희생양극법 병용을 통해 해결할 수 있다는 방식응용 설계에 대한 기초 지침을 제시하였다. 그러나 양극의 위치가 부적절한 경우 과방식으로 인한 문제가 발생할 할 수 있으므로 복합 구조물의 경우, 방식특성 및 최적 방식 조건을 찾기 위한 구체적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.