철근 콘크리트 구조물에 적용되는 외부전원식 음극방식 효과에 관한 연구

Abstract

Reinforced concrete has been used as a construction material at variable fields related to our life such as air port, bridge, and ocean concrete structure, etc. The rebar in the concrete is protected from the corrosion because the passive layer is formed by high alkaline environment. Over the time, however, the rebar in the concrete is prone to corrode according to the corrosive environment and the structure of the concrete building. For example, the chloride ion plays a key role in corrosion process because it breaks the passive layer on the rebar and accelerates the corrosion rate. Besides, the volume of rebar is increased by the consequence of corrosion and then the concrete is spalled simultaneously.

The cathodic protection was invented and used widely to protect rebars in the reinforced concrete structure against the corrosion. Additionally, The cathodic protection is divided to Sacrificial Anode Cathodic Protection (SACP) and Impressed Current Cathodic Protection (ICCP). Although ICCP system is expensive to install initially and is complex, this is applied more frequently to impede the corrosion in reinforced concrete structure than SACP. It explains roughly; ICCP supplies the protection current from the anode to the cathode (rebar) and then it prevents the corrosion of rebar and delays the corrosion rate.

In complex RC structure, there are limitations on SACP system such as concrete resistivity, throwing power of CP and experimental environment, so it is difficult to expect to protect perfectly. Therefore, it needs to investigate the major factors having effect on the whole protection in complex structure of the building. However, ICCP is exploited as a practical way primarily to protect the corrosion of rebar in the concrete these days.

For this study, the anode such as Ti-Mesh, Ti-Rod and Ti-Ribbon was installed on the reinforced concrete specimen of beam and slab type. In addition, the electrochemical test was conducted to confirm the cathodic protection performance depending to the exposed environment and the kind of anode in RC structure applied with ICCP ; E-log i, cathodic protection potential, depolarization, cathodic protection current.

The following results have been obtained through the present study about the cathodic protection efficiency :

1) The E-log i test was conducted to affirm the standard of cathodic protection potential on the beam type specimen according to the environment. The standard value of cathodic protection potential was measured to about 90 ~ 140 mV. Besides, the value depending on the corrosive environment was inclined to increase slightly in order of atmosphere, fresh water and 3% NaCl solution. However, the kind of anode for ICCP nearly had no effect on the cathodic protection efficiency.

2) The cathodic protection potential was gauged by the galvanicstatic method on the beam type specimen applied with ICCP. The shape of anode had not major effect on the behavior of cathodic protection potential. In addition, the value of protection potential was tended to decrease in order of atmosphere, fresh water and 3% NaCl solution and then it was trivial difference between them.

3) The cathodic protection current was measured by the potentiostatic method after applying with ICCP on the beam type specimen and the degree of cathodic protection current was increased by all anodes in order of atmosphere, fresh water and 3% NaCl solution.

4) The degree of depolarization was investigated on beam type specimen. The IR-Drop was the highest in atmosphere because of the concrete resistivity. On the other hand, it was the lowest in the 3% NaCl solution. Moreover, when the corrosiveness of experimental environment was higher(more severe), the real degree of depolarization except IR-Drop was more increased by concrete resistivity.

5) The cathodic protection potential was evaluated on the slab type specimen. When the distance from the anode to the rebar(cathode) is closer, the protection potential was lower by the concrete resistivity. Additionally, the potential difference represented proportionally 50 mV per 60 mm which was the distance between rebars.

6) In protecting the slab type specimen by ICCP, as the distance between the location of rebar and the anode was farther, the concrete resistivity was increased more and then the supply of protection current was limited. However, after installing the anode at regular distance supplementarily, the unprotected rebar was enabled to protect well totally.

7) As the results of protecting the slab type specimen by ICCP, it would be able to find the maximum protection distance which is about 150 mm to the rebar from the anode. That is, the anode should be installed at interval of about 300 mm to protect the whole rebars uniformly without the unprotected area.

It was found through the above results that the shape of anode used by ICCP had insignificant effect on the protection efficiency. The protection efficiency of ICCP was changed in accordance with the spacing between the anode and rebar, and the location of anode. So, it should consider those points throughly in designing the impressed current cathodic protection. In addition, when the proper cathodic protection is applied to the reinforced concrete structures, the enormous economic problems by the corrosion will be resolved as well as the safety for human life.|철근 콘크리트는 건축 재료로서 우리의 삶과 연관된 공항, 교량, 해양 구조물 등 다양한 분야에서 사용하고 있다. 콘크리트 내부에 있는 철근의 경우, 콘크리트 특유의 고 알카리성 환경으로 인해 철근 표면에 부동태 피막을 형성한다. 그러므로 부식을 피할 수 있게 된다. 그러나 시간이 경과하면서 부식성 환경과 건물의 복잡한 구조에 따라 철근은 쉽게 부식된다. 예를 들면, 염소 이온은 철근 표면의 부동태 피막을 파괴하고 부식속도를 가속화하는 주요한 부식성 요소이다. 게다가, 부식에 의해 철근의 부피가 증가하고, 동시에 콘크리트의 부서짐 및 탈락현상이 발생한다.

철근 콘크리트 구조물의 방식을 위해 음극방식법이 개발되었고, 널리 사용되고 있다. 게다가, 음극 방식법은 희생양극식과 외부전원식으로 나뉜다. 비록 외부전원식 음극방식법은 초기 설치 비용이 많이 들며 구조가 복잡하지만, 철근 콘크리트 구조물의 경우 희생양극식 음극방식법보다 주로 사용되고 있다. 외부전원식 음극 방식법을 간략히 설명하면 시스템 내의 음극과 양극 사이에 방식전류를 공급하여 방식을 시행하고 방식 속도를 늦춰주는 역할을 한다.

복잡한 구조의 철근 콘크리트의 경우, 희생양극식 음극 방식법은 콘크리트 비저항, 음극방식 시스템의 전달력 그리고 실험 환경 등의 방해 요소에 의해 완벽한 방식을 기대하기 어렵다. 따라서 복잡한 구조로 된 건물의 전체적인 방식에 영향을 주는 요소들을 조사할 필요가 있다. 그러나 외부전원식 음극방식법은 콘크리트 내부의 철근을 방식하기 위하여 오늘날에 사용하고 있는 가장 적절한 방법이다.

본 연구에서 Ti-Mesh, Ti-Rod, Ti-Ribbon 양극을 보(Beam) 및 슬랩(Slab) 형식의 철근콘크리트 시험편에 설치하였다. 그리고 외부전원법이 적용된 철근콘크리트 구조물의 노출환경 및 양극의 종류에 따른 음극방식성능을 확인하기 위하여 E-log i, 음극방식전위, 복극 그리고 음극 방식 전류와 같은 전기화학적인 실험을 실행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 보 시험편에 대한 환경별 음극방식 전위 기준을 확인하기 위한 방법으로 E-log i 측정 실험을 시행한 결과, 음극방식 전위기준 값은 약 90~140 mV 로 측정되었다. 또한 부식 환경별로 음극방식 전위기준 값은 공기, 청수, 해수 순으로 약간 증가하는 경향이 나타났으나 양극의 종류와는 거의 무관한 결과를 나타내었다.

2) 정전류법으로 보 시험편에 음극방식을 적용한 후 방식전위 측정 결과 양극의 종류는 방식전위거동에 큰 영향을 미치지 않았으며, 부식 환경별로는 공기, 청수, 해수 순으로 방식전위 값이 낮아지는 경향이 나타났으나 그 차이는 크지 않았다.

3) 정전위법으로 보 시험편에 음극방식을 적용한 후 방식전류 측정결과 3 종의 양극 모두 공기, 청수, 해수 순으로 방식전류량이 증가하였다.

4) 보 시험편에서 복극량을 측정한 결과, 콘크리트 비저항에 의한 전압강하가 공기 중에서 가장 큰 값을 나타냈고, 3% 염수 환경에서 가장 낮게 나타났다. 또한 부식성 환경이 가혹할수록 비저항에 의한 전압강하를 배제한 순수한 복극량이 더욱 증가함을 확인할 수 있었다.

5) 슬랩 시험편의 방식전위 측정결과, 콘크리트 비저항으로 인하여 철근의 위치가 양극에서 가까울수록 방식전위가 낮아지는 것을 확인할 수 있었으며, 철근이 배근된 간격 60 mm당 약 50 mV씩 비례적으로 전위차가 발생하였다.

6) 슬랩 시험편을 외부전원법으로 방식할 경우, 철근의 위치가 양극과 멀어질수록 콘크리트의 비저항이 증가하여 방식전류의 공급이 제한되었으나 일정 간격으로 양극을 추가적으로 설치함으로써 미방식 되었던 철근까지 방식할 수 있었다.

7) 슬랩 시험편을 외부전원법으로 방식한 결과, 양극이 설치된 위치에서 약 150 mm 떨어진 철근까지 방식할 수 있었다. 즉, 미방식되는 영역이 없이 전체의 시험편을 균일하게 방식하기 위해서는 양극을 약 300 mm 간격으로 설치해야 한다.

이상의 결과를 통해 외부전원식 음극방식에 사용되는 양극의 형상은 방식성능에 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다. 또한 외부전원법은 양극과 철근과의 배치간격 및 양극의 설치위치에 의해 방식성능이 달라지기 때문에 외부전원식 음극방식 설계 시 이를 충분히 고려해야 한다. 게다가, 철근 콘크리트 구조물에 적절한 음극방식을 적용하면 막대한 경제적인 문제뿐만 아니라 인명안전 문제를 해결할 수 있으리라 사료된다.